微电子封装中金铝金属间化合物生长的受控策略

在从事微电子封装可靠性研究时，我们注意到：在含开放式空腔（open-cavity）的密封器件封装中，向腔内注入氢气（H₂），可以有效抑制金铝（Au-Al）键合界面金属间化合物（IMC）的过度生长，从而提升器件长期可靠性。这一机制看似与常规认知相悖，但在此特定场景下，却展现出作为界面稳定性调控因子的潜力。今天就跟随小编一起一探究竟。

一、金属间化合物的形成与影响

在金铝键合系统中，两种金属在常温及后续服役温度下会通过固态扩散发生反应，形成一系列金属间化合物（如AuAl₂、Au₅Al₂、Au₄Al等）。这些化合物的过度生长是界面老化的核心表现：

1. 机械性能劣化：IMC通常较脆，其增厚会导致键合点机械强度下降，抗疲劳能力减弱。

2. 电性能退化：IMC的电阻率普遍高于纯金属，其生长会引起连接电阻上升，影响信号完整性与功耗。

3. 诱发失效：由于金、铝原子扩散速率的不匹配（柯肯达尔效应），在界面处易形成微空洞，最终可能导致电学开路或热机械失效。

二、氢气的抑制机理

研究认为，氢气抑制IMC生长的机理可能在于其对铝中点缺陷的相互作用：氢原子填充铝晶格中的空位，从而阻碍了铝原子通过空位扩散机制向金侧的迁移。

在固态扩散中，原子往往借助晶格空位进行迁移。铝原子向金中的扩散是形成IMC的必要步骤。理论推测，当密封腔体内充满氢气时，氢分子可能在铝表面解离并吸附，部分氢原子（H）进入铝的晶格间隙或占据空位。这相当于减少了铝原子扩散可用的载体（空位），显著降低铝的有效扩散系数，从而延缓IMC反应前沿的推进速度。

三、严苛的工艺前提与应用局限

尽管这一现象为可靠性提升提供了新思路，但其实际应用受到严格限制：

1. 封装形式局限：该技术仅适用于具备高气密性金属/陶瓷空腔的封装结构。这类封装常见于对可靠性要求极高的航天、航空、国防及部分高端MEMS传感器领域。而占据市场主导地位（超过95%）的塑封器件，因环氧模塑料对气体（包括氢气）具有渗透性，无法维持稳定的内部气体环境，因此不适用此技术。

2. 密封性是根本前提：即使采用空腔封装，也必须保证封装在整个生命周期内具有卓越且稳定的气密性。任何微小的泄漏都不仅会导致氢气逸出，使保护效应失效，还可能引入水汽等有害物质，引发更严重的腐蚀等问题。

四、结论与启示：特定路径的可靠性强化方案

向密封空腔内注入氢气以调控金铝IMC生长，是一项针对特定高端封装类型的精密可靠性增强技术。它揭示了通过控制封装内部气相环境来干预固相界面反应的可能性，为极端可靠性要求下的设计提供了备选方案。

然而，其应用范围窄、工艺门槛高等特点，决定了它无法成为通用解决方案。对于绝大多数塑封及非气密封装，仍需依靠优化键合参数、引入扩散阻挡层（如Ni）、采用新型互连材料等主流技术路径来确保界面长期稳定。

作为深耕力学检测领域多年的企业，科准测控的产品能够对密封器件泄漏率及内部气氛进行精确定量分析，是验证和实施此类气相保护工艺不可或缺的质量控制工具。同时，扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）及透射电子显微镜（TEM）等一系列微观分析平台，可对IMC的形貌、物相、厚度及元素分布进行纳米乃至原子尺度的纵深解析，为客户深入理解界面反应机理、评估工艺效果、最终提升产品可靠性，提供从宏观性能到微观本质的全面数据支撑与洞察。