在半導(dǎo)體封裝工藝中，銀-鋁（Ag-Al）引線鍵合系統(tǒng)因其成本優(yōu)勢(shì)和特定的工藝適配性而引發(fā)不少關(guān)注，但隨著研究深入，其可靠性隱患逐漸顯現(xiàn)。本文科準(zhǔn)測(cè)控小編將從相關(guān)材料特性，失效機(jī)理，以及環(huán)境敏感性三個(gè)維度，為您系統(tǒng)剖析Ag-Al鍵合系統(tǒng)所面臨的一些問(wèn)題，并給出力學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)在可靠性驗(yàn)證中的有效解決方案。
一、材料特性：Ag-Al系統(tǒng)界面演化
上圖可以看到，Ag-Al相圖雖然復(fù)雜，但在實(shí)際引線鍵合界面中我們僅觀察到μ相和ζ相兩種金屬間化合物，這些中間相的生長(zhǎng)活化能約為0.75eV，這在常規(guī)微電路工作溫度范圍內(nèi)，柯肯德?tīng)柨斩船F(xiàn)象其實(shí)并不顯著。不過(guò)也正是這種看似穩(wěn)定的界面演化，掩蓋了后續(xù)失效的隱患。
二、失效機(jī)理：腐蝕主導(dǎo)的退化路徑
與金-鋁鍵合系統(tǒng)不同，Ag-Al鍵合的主要失效機(jī)制并非熱擴(kuò)散，而是濕度和污染引發(fā)的電化學(xué)腐蝕。
1. 氯驅(qū)動(dòng)的循環(huán)腐蝕
研究發(fā)現(xiàn)，氯元素是Ag-Al界面腐蝕的主要驅(qū)動(dòng)力。在濕熱環(huán)境下，氯離子會(huì)觸發(fā)鋁-氯循環(huán)反應(yīng)，生成Al(OH)?并不斷再生Cl，持續(xù)破壞鍵合界面。該腐蝕反應(yīng)的活化能僅為0.3eV，遠(yuǎn)低于熱擴(kuò)散活化能，意味著常溫高濕環(huán)境下Ag-Al界面同樣存在嚴(yán)重失效風(fēng)險(xiǎn)。
2. 中間相的選擇性氧化
另一類失效機(jī)制源于Ag-Al金屬間化合物的選擇性氧化。該反應(yīng)在400℃以上活化能達(dá)1.4eV，但在150-200℃長(zhǎng)期老化試驗(yàn)中亦可發(fā)生，導(dǎo)致界面形成高阻絕緣層。值得注意的是，這種失效往往先表現(xiàn)為電阻突增，而后才是機(jī)械強(qiáng)度衰減，給器件可靠性帶來(lái)隱形威脅。
三、環(huán)境敏感性：濕度與污染的疊加效應(yīng)
從上圖我們可以看到，直徑50μm的鋁線在濕熱環(huán)境下，平均拉力強(qiáng)度隨老化時(shí)間呈明顯下降趨勢(shì)，證明腐蝕主要發(fā)生在ζ相金屬間化合物區(qū)域，且Al(OH)?的析出成為典型特征。
相比之下，金-鋁或金-銀系統(tǒng)在相同條件下并未表現(xiàn)出可比性的腐蝕反應(yīng)，表明Ag或其氧化物可能在反應(yīng)中充當(dāng)催化劑，使Ag-Al系統(tǒng)對(duì)濕度格外敏感。
四、解決方案
針對(duì)Ag-Al鍵合系統(tǒng)可靠性短板，業(yè)界嘗試了多種應(yīng)對(duì)措施，比如在鍍銀層中添加Pd、采用NH?OH-H?O超聲清洗去除鹵素、使用聚硅氧烷凝膠覆蓋保護(hù)等。然而，這些方法雖各有裨益，卻不能從根本上解決問(wèn)題。目前主流汽車電子廠商已逐步淘汰Ag-Al鍵合，改用更為成熟的Au-Al或Cu-Al方案。
那么對(duì)于一些仍需使用該系統(tǒng)的特殊場(chǎng)景，嚴(yán)苛的環(huán)境驗(yàn)證與力學(xué)性能測(cè)試就很必要。作為專業(yè)拉力試驗(yàn)機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)廠家，科準(zhǔn)測(cè)控提供高精度引線鍵合推拉力測(cè)試系統(tǒng)，可精準(zhǔn)捕捉微米級(jí)鍵合點(diǎn)強(qiáng)度變化，為工藝驗(yàn)證提供可靠數(shù)據(jù)支撐。無(wú)論是常溫拉力測(cè)試，還是高溫高濕環(huán)境下的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，均能幫助工程師深入評(píng)估界面可靠性，規(guī)避潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。
以上就是小編介紹的有關(guān)于Ag-Al鍵合系統(tǒng)可靠性的相關(guān)分析與解決方案，希望可以給大家?guī)?lái)幫助。如果您還對(duì)推拉力測(cè)試機(jī)怎么使用視頻和圖解，使用步驟及注意事項(xiàng)、作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，原理、怎么校準(zhǔn)和使用方法視頻，推拉力測(cè)試儀操作規(guī)范、使用方法和測(cè)試視頻，焊接強(qiáng)度測(cè)試儀使用方法和鍵合拉力測(cè)試儀等問(wèn)題感興趣，歡迎關(guān)注我們，也可以給我們私信和留言。【科準(zhǔn)測(cè)控】小編將持續(xù)為大家分享推拉力測(cè)試機(jī)在鋰電池電阻、晶圓、硅晶片、IC半導(dǎo)體、BGA元件焊點(diǎn)、ALMP封裝、微電子封裝、LED封裝、TO封裝等領(lǐng)域應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題及解決方案。
