金铝键合失效是电子元器件常见的失效模式之一。对某型号射频芯片和检波器两例产品开展了失效分析研究。结果表明，一例失效产品出现了键合丝脱落的情况，一例失效产品出现了键合拉力几乎为零的情况，这是由于铝焊盘与金键合丝之间形成了金铝间化合物，金铝间化合物电阻率较高，使得键合强度降低或键合脱开，最终导致产品失效。研究了金铝化合物的失效机理，借助扫描电子显微镜对金铝化合物形貌及元素进行了分析，最后对金铝化合物所导致的失效提出了预防和改进措施，对于提高电子元器件的可靠性具有一定的借鉴意义。
电子元器件的封装中，多采用引线键合工艺来实现芯片与芯片、芯片与外引脚的互联技术，即引线键合技术。键合是电子元器件生产过程中的关键工序，对电子元器件的可靠性有很大的影响。金铝键合以其应用面广、工艺实现简单和成本低廉等优点成为单片集成电路和多芯片组件等产品组装互连过程中广泛应用的键合形式。作为一种异质键合工艺，其键合界面不可避免地会生成金属间化合物和Kirkendall空洞，而且随着温度和时间的增加而加速。伴随金属间化合物的产生，键合接触电阻变大，从而使得接触区域的电学性能降低，进而导致器件参数漂移，甚至开路而失效。
本文针对某型号射频芯片和检波器两例产品开展了失效分析研究，借助金相显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪对金铝化合物形貌及元素进行了分析，探究了金铝键合的失效机理，并对金铝化合物所导致的失效提出了预防和改进措施，为元器件的可靠性提供了保障。
1 失效分析
本节选取了两个典型的由金铝键合导致的元器件失效案例，分别对失效品进行了分析与定位。
1.1.1失效样品及背景
该型号射频芯片，同批次22只产品在老炼试验（环境温度为125℃，试验时长为168h）前后，产品参数正常；随后进行稳态寿命试验（环境温度为125℃，试验时长为1000h），试验后15只产品终点电参数测试异常，选取其中1只失效产品展开失效分析。
1.1.2失效分析过程
产品表面标识清晰，无外来物存在，整体结构完整，镀涂层无缺陷，外观检查未见明显异常。利用机械开封的方式将失效品进行开帽处理后，内部键合系统为Au-Al键合，多个键合丝从焊盘脱落，芯片烧（粘）结状态未见明显异常。
使用金相显微镜观察键合丝脱落的焊盘，焊盘表面物质除外边缘呈现黑色外，整体呈现白褐色，焊盘表面物质SEM形貌能谱分析结果如表1所示，该物质呈粗糙且疏松的形态，主要成分为Au和Al，应为铝焊盘和金丝键合界面生成的Au-Al间化合物。
脱落的键合点SEM形貌呈凹陷且部分缺失形貌。
对失效品所有未脱落键合丝进行键合强度试验。试验结果显示，大部分键合丝拉力值不合格，多数为0g；少部分键合丝拉力值合格，但拉力值较小。
1.2.1 失效样品及背景
失效产品为某型号检波器，产品之前进行过老炼试验（环境温度为125℃，试验时长为168h），测试参数无异常，随后进行鉴定检验时，经历稳态寿命试验（环境温度为125℃，试验时长为1000h），之后送样进行分析。
1.2.2失效分析过程
失效品外观瓷体表面无缺损、破裂等明显异常。管壳及引出端镀层良好，无缺损、变形、腐蚀或变色等明显异常。采用机械开封的方式将失效品进行开帽处理后，内部键合系统为Au-Al键合。键合丝键合及芯片烧（粘）结状态未见明显异常。
对失效品键合丝进行键合强度试验。试验结果显示，大部分键合丝拉力值不合格，甚至几乎为0g；少部分键合丝拉力值合格，但拉力值较小。虽然从内部检查中键合状态并未有明显异常，但可能多处存在虚接的状态。
使用金相显微镜观察键合拉力近乎为零键合丝对应的焊盘，焊盘表面同样有多余物质存在，整体呈白褐色，焊盘表面物质SEM形貌如图10所示，能谱分析结果，该物质同样呈粗糙、疏松的形态，主要成分为Au和Al，应为铝焊盘和金丝键合界面生成的Au-Al间化合物。
拉力值近乎为零的键合丝上键合点的SEM形貌，呈凹陷、部分缺失形貌。
2 失效机理分析
两例失效案例中，委托方对失效产品均进行过老炼试验和稳态寿命试验，试验中环境温度为125℃，老炼试验时间为125h，而稳态寿命试验时间长达1000h，样品均经历了长时间的高温环境。
从内部结构中可以看出，两例失效产品均采用了金键合丝和铝焊盘的Au-Al键合工艺，作为一种异质键合工艺，键合部位由于异种金属的接合，其晶格常数和热膨胀系数不同，经长期高温使用后，金属间存在的互扩散效应导致金铝间化合物的产生。金铝系统共有5种金属间化合物存在，分别为Au4Al、Au5Al2、Au2Al、AuAl和AuAl2，Au2Al最先在金属界面处出现，即80℃以上高温环境下就开始存在，形成所谓的呈白褐色的“白斑”。在高于125℃以后开始逐步转化为Au5Al2，至175℃，进一步产生Au4Al。150℃以前占主导的金属化合物为Au2Al或Au2Al和Au5Al2的混合物。两例失效案例中，产品经历的高温环境温度均在125℃左右，第一例失效案例中Au原子与Al原子的原子比为54：28，接近2：1，第二例失效案例中Au原子与Al原子的原子比为47：25，同样接近2：1，且焊盘上形成的金铝间化合物呈白褐色，应是形成了Au2Al这种金属间化合物，金属间化合物的晶格常数、膨胀系数和形成过程中体积的变化都是不同的，而且电阻率较高。从而使交界面电阻急骤上升且键合强度显著下降。金铝化合物的电阻率ρ与热膨胀系数（CTE：CoefficientofThermalExpansion），可以看出，金铝化合物的电阻率比单金属高很多，并且铝与其他化合物间的CTE相差很大。
另一方面，观察两例失效案例中脱落的键合点形貌，可以看出均呈凹陷、部分缺失的形貌，这是由于Au原子在化合物晶界中的扩散速度远远高于Al原子的扩散速度，Au向Al中迅速扩散，随着扩散的不断进行，键合金丝一侧的原子数将不断减少，形成柯肯德尔（Kirkendall）空洞，并且空洞的形成速率随着温度的升高迅速增加，这就有可能使键合点周围铝焊盘与键合金丝脱开，导致键合强度显著降低，甚至键合点脱落。两例失效产品均因使用Au-Al键合系统发生了失效，改进键合工艺及键合参数无法解决Au-Al键合所面临的问题，只有尽可能避免使用Au-Al双金属键合才可以从根源上提高产品的可靠性。采用单一金属键合系统，当芯片键合区金属化为Au时，采用Au丝键合；当芯片键合区金属化为Al时，由于纯Al较柔软且易氧化，因此可以使用添加1%Si的硅铝丝。单一金属键合系统避免了金属间化合物的形成，可靠性显著提高。将改进措施用于第二例失效产品中，由金丝键合改为硅铝丝键合，产品性能及参数正常，键合强度显著提高。
3 结束语
通过对某型号射频芯片和检波器两例产品的失效分析及其相关失效机理的研究，发现两例产品失效是由于金铝键合系统形成的金铝间化合物所致，在长时间高温下，键合金丝与铝焊盘间形成了Au2Al化合物及柯肯德尔（Kirkendall）空洞，Au2Al化合物电阻率较高，且柯肯德尔（Kirkendall）空洞的形成速率随着温度的升高而迅速增加，在二者的共同作用下，铝焊盘与键合金丝之间的键合强度显著降低，甚至键合脱开，最终导致产品失效。使用Au-Au或Al-Al单一键合系统可以避免金铝间化合物的形成，显著提高产品的可靠性。
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