在金-鋁互擴(kuò)散過程中，由于鋁原子擴(kuò)散速率高于金原子，會(huì)在原鋁區(qū)域產(chǎn)生空位聚集，形成Kirkendall空洞。這些空洞的生成與擴(kuò)展是導(dǎo)致鍵合電阻升高甚至開路失效的關(guān)鍵因素，其演變過程直接影響器件的長(zhǎng)期可靠性。科準(zhǔn)測(cè)控小編將在本文中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與機(jī)理模型，為您深入解讀空洞形成規(guī)律與抑制方法。
一、Kirkendall空洞形成機(jī)理
在Au-Al擴(kuò)散偶中，鋁原子通過空位機(jī)制向金側(cè)擴(kuò)散的速率高于金原子向鋁側(cè)的擴(kuò)散，兩者的擴(kuò)散系數(shù)差異可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種非對(duì)稱擴(kuò)散導(dǎo)致鋁側(cè)空位過飽和，過量的空位在能量有利位置（如晶界、相界等缺陷處）聚集形核，最終形成微空洞。
空洞的形成過程可分為三個(gè)階段：空位生成、空位聚集、空洞穩(wěn)定生長(zhǎng)。具體而言，在300℃下，鋁的擴(kuò)散系數(shù)約為5×10?1? m2/s，而金的擴(kuò)散系數(shù)約為1×10?1? m2/s，這種數(shù)量級(jí)的差異是Kirkendall效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因。
Au-Al楔形鍵合中的Kirkendall空洞分布
SEM圖像顯示空洞沿鍵合周邊形成，呈環(huán)狀分布特征。這種分布模式反映了擴(kuò)散前沿的位置和應(yīng)力集中的區(qū)域。
二、空洞演化與電阻變化的關(guān)系
空洞演化過程可分為三個(gè)典型階段，每個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的電阻變化特征。在初期階段（<1000小時(shí)），孤立空洞在界面處形核，此時(shí)電阻僅小幅增加（約8mΩ），這一階段的活化能約為0.4eV。進(jìn)入中期階段（數(shù)千小時(shí)），空洞開始沿界面擴(kuò)展并相互連通，形成不連續(xù)的孔洞網(wǎng)絡(luò)，電阻開始顯著上升，上升速率與溫度呈指數(shù)關(guān)系。在后期階段，空洞形成連續(xù)的導(dǎo)電屏障，導(dǎo)電路徑被切斷，電阻急劇上升導(dǎo)致電氣失效，此時(shí)器件的接觸電阻可能增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
200℃下Au-Al鍵合電阻隨時(shí)間變化曲線
曲線清晰顯示電阻在空洞形成前后的變化趨勢(shì)，與空洞演化階段對(duì)應(yīng)。曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)著空洞連通的關(guān)鍵時(shí)刻。
三、空洞對(duì)鍵合可靠性的影響評(píng)估
Kirkendall空洞不僅增加接觸電阻，還顯著降低鍵合機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)空洞在界面形成連續(xù)層時(shí)，有效承載面積大幅減少，剪切強(qiáng)度可降至接近零。在溫度循環(huán)條件下，空洞區(qū)域成為應(yīng)力集中點(diǎn)，裂紋優(yōu)先在這些缺陷處萌生和擴(kuò)展。此外，空洞還會(huì)改變界面的熱傳導(dǎo)特性，導(dǎo)致局部溫度升高，形成正反饋的退化機(jī)制。這些綜合效應(yīng)使得Kirkendall空洞成為金-鋁鍵合系統(tǒng)中破壞性的退化機(jī)制。
四、抑制空洞形成的工藝措施
為抑制Kirkendall空洞的形成和擴(kuò)展，可采取多種工藝措施。首先，采用更薄的鋁層（如0.25μm）可以有效限制鋁原子的供應(yīng)量，從而減緩空洞的生長(zhǎng)速率。其次，嚴(yán)格控制擴(kuò)散溫度與時(shí)間，避免達(dá)到空洞形成的臨界條件。還可以在界面添加擴(kuò)散阻擋層（如Ni、TiN等），這些阻擋層能夠有效抑制原子的非對(duì)稱擴(kuò)散。此外，優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)，如降低鍵合溫度、縮短鍵合時(shí)間等，也能在一定程度上延緩空洞的形成過程。
Kirkendall空洞是金-鋁鍵合系統(tǒng)在高溫環(huán)境下電性能退化的主要原因。通過理解其形成機(jī)制并采取相應(yīng)工藝控制措施，可有效延緩空洞演化過程，提高鍵合連接的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。特別是在需要長(zhǎng)期高溫工作的電力電子、汽車控制模塊等應(yīng)用中，對(duì)這一問題的深入理解和有效控制尤為重要。科準(zhǔn)測(cè)控提供Kirkendall空洞檢測(cè)與分析服務(wù)，利用高分辨率SEM/EDS系統(tǒng)精確表征空洞分布和尺寸變化，并結(jié)合四探針法進(jìn)行接觸電阻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為客戶提供全面的空洞演化數(shù)據(jù)包，幫助優(yōu)化工藝參數(shù)。
