近年来，微电子封装正在向高密度、高可靠性发展，钯（Pd）作为一种关键键合材料，因其俱备优异的抗氧化性及与铝（Al）焊盘形成缓慢扩散反应等优异性能而受到广泛关注。相较于传统金（Au）丝，Pd丝在高温服役条件下的界面演化行为更为复杂。科准测控依托在推拉力测试及力学检测领域的技术积累，致力于通过精密测试手段，量化评估各种异质材料体系下的键合强度与失效机制。本文小编将基于已有公开研究数据，从力学冶金学视角出发，为您系统阐述Pd丝与Al焊盘界面金属间化合物的生长动力学特征，及其对键合可靠性的力学影响。

一、Pd-Al界面在高温下的缓慢演化

相关研究表明，Pd-Al金属间化合物的表观活化能约为1.25 eV，活化能是用以衡量原子扩散难易程度的指标，参考下表中的Au-Al体系活化能数据您就可以清晰看到，Pd-Al体系活化能明显要高很多。这意味着在相同温度应力下，Pd-Al金属间化合物的生长速率远低于Au-Al体系，就需要更多的能量才能驱动界面原子扩散与反应。不过也正因为反应动力学缓慢，Pd-Al键合点在高温服役或可靠性测试中，其界面结构变化更迟缓，这有利于维持键合的力学完整性。

参考文献试样观测值活化能E/eV

8Au-Al膜层Au-Al生长速率1

9Au-Al膜层表面电阻1

10,11Au-Al线偶Au-Al生长速率0.78

1Au-Al线偶Au-Al生长速率0.69

2Au-Al线偶机械性能下降1

12Al线，Al膜层Au-Al生长速率0.88

13Au线、Ta上的Al膜层（1.4μm）接触电阻

ΔR=50%0.55

Au线、Al膜层＜0.3μm

0.5μm，1μm接触电阻

ΔR=1Ω0.7

接触电阻

ΔR=1Ω0.9

拉力强度（失效时间）0.2

16Al线，Au膜层电阻漂移至

ΔR=15mΩ0.73

8Au球，Al膜层

1μm，Al-Si

1.3μm，Al

2.5μm，Al电阻（周边空洞）0.9

≥0.8

0.6

14,15Au球、Al膜层球剪切强度0.4~0.56

Au-AI引线键合失效活化能汇总

二、 AIPd金属间化合物种类与空洞演化

尽管反应缓慢，但界面反应仍然存在。研究发现，在热声球形键合及后续加热烘烤过程中，界面处会形成PdAl₃和Pd₂Al₃两种金属间化合物。其中Pd₂Al₃相在400℃的高温条件下持续100小时后开始出现Kirkendall空洞，进而减小有效承载面积，导致局部应力集中。当进行焊球剪切测试或拉力测试时，空洞区域容易产生裂纹，并不断扩展，最终表现为键合强度下降。此外，从AIPd相图可以看到，在富Al侧及8%（atm）Pd共晶点附近，金属间化合物演化路径可能因成分波动而略有差异。

三、 硬度与弹坑风险

另外，从材料力学性能参数来看，Pd与Au存在显著差异：Pd的硬度约为200 HKN，而Au约为90 HKN。在进行球形键合时，较硬的Pd球需要更高的超声能量或键合力才能实现与AI焊盘的良好贴合。这将会增加Si芯片弹坑风险，进而导致芯片有源区结构造成物理性破坏，进而导致器件即时失效或潜在可靠性隐患。因此，针对Pd丝的键合工艺（超声功率、压力、温度）必须经过严格的推拉力测试验证，确保键合强度达标，底部无损伤。

四、Pd物理属性对导电与导热的影响

Pd的热导率和电导率均不足Au的四分之一。对于承载大电流的功率器件而言，若需传输相同电流，必须采用更大直径的Pd丝，以降低电阻和焦耳热。然而，焦耳热累积会反过来加速界面金属间化合物生长，形成热-力-电多场耦合失效模式。因此，对Pd丝键合点的可靠性评估，往往还需要结合高温存储测试与电流应力测试。

五、 薄Pd镀层体系优势与键合相似性

尽管纯Pd丝存在硬度高、导电性差的挑战，但薄Pd镀层（如0.076μm）作为引线框架的表面处理层则展现出良好的应用前景。研究表明，在1μm厚Pd膜层上对Al线进行超声楔形键合，或在薄Pd层上进行Au线热压球形键合，其可键合性与在Au镀层上相似，且在200℃/50h的高温烘烤后未发现可靠性问题。薄Pd层在键合过程中迅速与底层金属（如Ni）或焊料形成固溶体，避免了厚层脆性金属间化合物的生成。Pd具有较高的表面自由能，有利于与模塑料和芯片粘接环氧树脂形成良好结合，增强了封装的整体机械完整性。

六、潜在问题与力学检测关注点

Pd、 Al 和 Au 引线键合系统表

优点

在引线框架 Ni 镀层上电镀一层薄 Pd 层（0.076μm ,3μin)，作为封装、 PCB 上的保护层和可键合的表面顶层

有研究报道，薄钯膜层与 Au 线的月牙形键合和 AI 线的楔形键合不存在可靠性问题， Al 线与1μ m 的 Pd 膜层键合的可靠性与在 Au 镀层上的键合相似

金线与薄 Pd 膜层的月牙形键合与在镀银引线框架上的键合不同，但是在更高功率等产品应用上实现了大批量生产

Pd 与 Au （混溶体系）之间不存在金属间化合物

Pd 具有较高的表面自由能，对于模塑料和芯片环氧树脂粘接有良好的粘附性

6）良好的可焊性（非常薄的 Pd 溶解在焊料中，所以没有金属间化合物的生长）

潜在问题

在 Pd 和 AI 之间存在许多金属间化合物（在相图中富 Pd 一侧和富 Al 一侧都不存在金属间化合物）。薄 Pd 涂层会形成无损害的固溶体，而不产生脆性的金属间化合物

Pd 迅速吸收H2，进而膨胀和脆化。在所有组装完成之前，必须注意防止 Pd 的外露

Pd 在400℃左右会氧化，可键合性降低（300℃以下是最安全的）

用 UV 臭氧或O2等离子体清洗可使 Pd 氧化，可键合性降低，最好的清洗方法是使用氩等离子体清洗

Pd 电镀成本比银点镀成本高，必须使用总封装成本（ COO ）的合理性进行证明

薄 Pd 层容易被划伤，因此必须改进引线框架修剪和成形的处理工艺；同时，在月牙形键合过程中瓷嘴的磨损更快

7）在引线框架 Pd 镀层和 PC 板 Pd 镀层之间钎焊时需要启动 DOE

根据表中汇总，Pd体系在应用中还需关注其它一些力学与工艺可靠性问题，比如氢脆风险，高温氧化，清洗工艺敏感以及机械划伤与工具磨损等。

总而言之，Pd作为一种键合材料，在Au和Al之间提供了独特的性能平衡。其与Al反应的高活化能决定了优异的长期稳定性，但较高的硬度和特殊的物理化学属性也对键合工艺窗口的精准控制及可靠性评估方法提出了更高要求。在引入Pd体系时，建议通过正交试验设计（DOE）系统评估键合参数，并辅以高温存储后的剪切/拉力测试及弹坑检测，全面验证其力学可靠性。

作为专业的力学检测设备供应商，科准测控提供涵盖微牛级至公斤级的全系列推拉力测试机，可精准量化Pd、Au、Al等不同材料体系的键合强度与失效模式，助力客户优化工艺、提升产品可靠性。如您对相关应用有需求，或有测试方面的疑问，欢迎来电垂询或私信留言告诉我，我们的工程师将第一时间为您服务。

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