高温环境下金-铝金属间化合物的形成机制与键合强度退化分析

在金-铝键合系统中，金与铝界面通过固态扩散形成的金属间化合物是微电子封装中常见的可靠性问题。这些化合物的生成虽然不影响初期导电性，但会显著降低键合界面机械强度，成为高可靠性电子产品潜在的失效风险。科准测控小编将通过本文，结合微观分析与可靠性数据，为您系统解析该退化过程的机理与防护策略。

一、金属间化合物的生成过程与结构特征当工作温度超过150℃时，金与铝原子获得足够的激活能，开始跨界面进行固态扩散。这种互扩散不是简单的原子混合，而是按照特定的原子比例形成具有确定晶体结构的金属间化合物相，主要包括AuAl₂（紫色相）和Au₅Al₂（白色相）等。这些化合物的晶体结构与母材金属的金相结构完全不同，表现出截然不同的物理化学性质。

Au-Al键合界面金属间化合物的SEM形貌

图中显示键合界面处形成的白色疏松金属间化合物区域，该区域虽仍保持导电性，但结构已发生本质变化。

二、金属间化合物对键合强度的退化影响研究表明，Au-Al键合在200℃下存储2688小时后，界面剪切强度下降约2.5倍。这种退化主要归因于金属间化合物的脆性特性以及伴随形成的Kirkendall空洞。金属间化合物的硬度虽高于纯金属，但其断裂韧性较低，在热机械应力下易发生脆性开裂。具体来说，AuAl₂相的显微硬度约为5.5GPa，远高于纯铝的0.3GPa和纯金的1.0GPa，但其断裂韧性却比纯金属低一个数量级。这种高硬度低韧性的特性导致界面在应力作用下容易发生脆性断裂。

三、退化过程的动力学特征金属间化合物的生长速率受温度与时间共同影响，遵循抛物线生长规律。在反应初期（数百小时内），化合物层较薄（通常小于1μm），对界面电阻的影响较小。随着反应的持续进行，化合物层逐渐增厚，界面脆性显著加剧。这一过程可以用扩散控制的界面反应模型来描述，其中化合物的生长厚度与时间的平方根成正比。当可用反应金属消耗殆尽后，化合物生长速率逐渐减缓，最终达到热力学平衡状态。

四、设计建议与缓解措施为应对金属间化合物带来的可靠性挑战，建议采取以下设计策略：一是严格控制器件工作温度与高温存储时间，避免长时间处于高温激活状态；二是优化金属层厚度，通过减少可供反应的金属体积来限制化合物层的最大厚度；三是在高温应用场景中考虑采用金-铜或铝-铜等互扩散速率更低的材料组合。这些措施需要综合考虑工艺可行性和成本效益，实现可靠性与经济性的平衡。

通过理解金-铝金属间化合物的生成动力学与对机械性能的影响，可有效制定针对性设计策略，提升电子产品的长期可靠性。科准测控可提供专业的金-铝键合高温可靠性测试服务，通过精确控制的温度环境和定期的界面剪切力测试，帮助客户评估键合系统的长期稳定性，为材料选择和工艺优化提供数据支持。