在微電子封裝領域，金（Au）與鋁（Al）是兩種常用的鍵合金屬。它們在高溫或長期使用過程中會發(fā)生相互擴散，形成一系列金屬間化合物。這些化合物既可能增強鍵合強度，也可能成為失效的“元兇"。今天科準測控小編將從相圖、生長機制與材料特性三方面，系統(tǒng)解析Au-Al金屬間化合物的形成與影響。
一、Au-Al相圖：五種關鍵化合物
根據(jù)經(jīng)典的Au-Al相圖，體系中存在五種主要金屬間化合物：Au?Al?（現(xiàn)多稱為Au?Al?）、Au?Al、Au?Al、AuAl、AuAl?
其中，AuAl?呈紫色，是“紫斑"現(xiàn)象的來源；其余多為褐色或白色。這些化合物在鍵合界面中常混合存在，宏觀上表現(xiàn)為灰、棕或黑色。
二、生長動力學：拋物線規(guī)律與活化能
觀察表明，金屬間化合物的初始生長通常遵循拋物線關系：
其中x為金屬間化合物層厚度，t為時間，K為生長速率常數(shù)：
式中，C是常數(shù);E是金屬層生長的活化能(單位為eV):k是玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù);T是溫度(單位為K)一。
其中，Au?Al?生長最迅速，是導致Kirkendall空洞和鍵合失效的主要相。
400℃下各金屬間相層厚隨時間的變化
三、材料特性：硬度、膨脹系數(shù)與晶格失配
如下表顯示，這些化合物普遍比純Au或Al更硬、更脆，且熱膨脹系數(shù)更低。晶格常數(shù)差異顯著，例如Au?Al?為六方密排結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)遠大于Au或Al，導致體積膨脹，易引發(fā)界面應力與裂紋
相 | 結(jié)構(gòu) | 晶格參數(shù)/A | 金原子成分（%） | 維氏硬度（5kg） | 電阻率/Ω·cm | 線性膨脹系數(shù)（x10-5） | 相顏色 | 400k時的生成熱量/cal，+/-500 |
Au | 面心立方體 | a=4.08 | 84~100 | 60~90 | 2.3 | 1.42 | 金色 | |
Au4Al | 立方體 | a=6.92 | 80~81.2 | 334 | 37.5 | 1.2 | 褐色 | |
Au8Al3 | 斜方六面體 | a=14.68 a=30.5 | 72.7 | 271 | 25.5 | 1.4 | 褐色 | |
Au5Al2 | 六角密集體 | a=7.71 c=41.9 | ||||||
Au2Al | 正交（晶） | A=6.40 B=8.84 C=3.21 | 65~66.8 | 130 | 13.1 | 1.3 | 褐色 | -8300 |
AuAl | 單斜（晶） | A=6.40 B=3.33 C=6.32 β=92.99 | 50 | 249 | 12.4 | 1.2 | 白色 | -9200 |
AuAl2 | 面心立方體 | A=5.99 | 32.33~33.92 | 263 | 7.9 | 0.94 | 紫色 | -10100 |
Al | 面心立方體 | A=4.05 | 0~0.6 | 2.~50 | 3.2 | 2.3 | 金屬光澤 |
四、可靠性影響：Kirkendall空洞與失效機制
當Au與Al擴散速率不匹配時，會在界面處形成Kirkendall空洞。空洞多出現(xiàn)在富Au側(cè)（Au?Al?界面），在高溫（>300℃）或長時間使用下逐漸累積，最終導致鍵合斷裂。此外，溫度循環(huán)會因熱膨脹系數(shù)不匹配而加劇裂紋擴展。
五、現(xiàn)代封裝中的應對策略
雖然經(jīng)典Kirkendall空洞在正常使用中較少出現(xiàn)，但雜質(zhì)、焊接不良、氫脆等問題仍可能引發(fā)類似失效。因此，現(xiàn)代封裝中常采用：控制鍵合溫度與時間，使用中間層（如Ni）阻擋擴散，優(yōu)化Al層厚度與成分（如添加Cu、Si）等方法來預防此類問題。
Au-Al金屬間化合物是微電子鍵合中不可忽視的材料現(xiàn)象。理解其形成機制與特性，有助于優(yōu)化封裝工藝，提升器件可靠性。在實際生產(chǎn)中，可通過科準測控的微力拉伸測試系統(tǒng)與高精度熱循環(huán)試驗機，對鍵合強度與界面可靠性進行定量評估，實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化與早期失效預警。科準測控致力于為微電子封裝行業(yè)提供從材料分析到可靠性驗證的全流程解決方案，助力企業(yè)提升產(chǎn)品良率與服役壽命。
