宇航用鍵合金絲評(píng)價(jià)體系及其應(yīng)用研究

劉媛萍 孫瀾瀾 高鴻 張占東 孔靜 賈旭洲

（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000）

（2 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

金絲鍵合具有可靠性高、柔韌性好、密度高、工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事裝備微波集成電路、微波傳輸線、共面波導(dǎo)和集總式元器件之間的電氣連接。金絲鍵合作為微波多芯片組件中的關(guān)鍵工藝，其可靠性直接決定了組件的質(zhì)量和可靠性［1-2］。在小型化星載裝備多芯片組件中，金絲通過(guò)熱超聲鍵合實(shí)現(xiàn)與MIC 基板、LTCC 基板、GaAs 芯片、Si 芯片、介質(zhì)基板等各類基板之間的電氣聯(lián)通。多芯片組件產(chǎn)品在裝機(jī)應(yīng)用前需要經(jīng)歷篩選和考核試驗(yàn)，經(jīng)歷的主要應(yīng)力包括高溫儲(chǔ)存、溫度交變、恒定加速度以及機(jī)械沖擊應(yīng)力；在裝整機(jī)后需要同整機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行溫度循環(huán)，隨機(jī)振動(dòng)等應(yīng)力考核試驗(yàn)。產(chǎn)品在軌運(yùn)行工況主要包括高溫低溫交變，以及衛(wèi)星發(fā)射段的振動(dòng)環(huán)境。復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境和嚴(yán)苛的工況對(duì)金絲鍵合工藝提出了更高的要求，而作為鍵合工藝對(duì)象的金絲，同樣需要具備良好的電氣性能和長(zhǎng)期可靠性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于金絲鍵合的研究主要集中在金絲制備方法［3］、金絲鍵合工藝研究［4］、金鋁鍵合界面可靠性［5-10］等方面，但對(duì)于宇航用鍵合金絲的評(píng)價(jià)體系研究較少。目前，宇航微電子器件及多芯片組件中，鍵合金絲主要為進(jìn)口金絲，這在一定程度上制約著我國(guó)高質(zhì)量等級(jí)微電子器件及多芯片組件的發(fā)展。隨著國(guó)產(chǎn)金絲研制技術(shù)的推進(jìn)，國(guó)產(chǎn)金絲基礎(chǔ)性能水平與進(jìn)口同類產(chǎn)品相當(dāng)，但是由于缺乏金絲宇航應(yīng)用評(píng)價(jià)體系，造成國(guó)產(chǎn)化金絲在宇航高可靠性產(chǎn)品研制替代受阻。本文針對(duì)宇航用鍵合金絲的應(yīng)用評(píng)價(jià)需求，聚焦于金絲材料基本性能和應(yīng)用可靠性，通過(guò)理論分析、試驗(yàn)對(duì)比對(duì)宇航用鍵合金絲評(píng)價(jià)體系展開(kāi)研究。

1 鍵合金絲制備工藝分析

鍵合金絲的制備工藝主要包括熔鑄、拉絲、退火和繞線四個(gè)工序，國(guó)內(nèi)外對(duì)于此類金絲的制備工藝基本一致，但是部分工藝過(guò)程不對(duì)外公開(kāi)。針對(duì)鍵合金絲性能的分析，需要對(duì)其工藝過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單了解以便在確定性能指標(biāo)時(shí)進(jìn)行參考。通過(guò)熔鑄工藝將原料金進(jìn)一步提純控制有害雜質(zhì)成分含量，同時(shí)添加微量的合金元素來(lái)改善鍵合金絲的力學(xué)性能和應(yīng)用性能，通常來(lái)說(shuō)Pd 和Pt 的摻雜可以有效減少界面Au 合金的生成，Be 可以增強(qiáng)線弧的穩(wěn)定性，Ca 可以增加絲材的強(qiáng)度，稀土類金屬則可以增加金線的熱影響區(qū)、細(xì)化顆粒并提高熱穩(wěn)定性［1］。拉絲工藝是將熔鑄后的金錠通過(guò)粗拉、中拉、細(xì)拉等多道拉絲工藝?yán)纬赡繕?biāo)直徑的細(xì)絲。拉絲工藝需要控制鍵合絲直徑的一致性，否則金絲在引線鍵合時(shí)易出現(xiàn)斷絲、鍵合失敗等質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。將金絲拉拔成需要直徑的細(xì)絲后，需要進(jìn)行退火以降低拉絲過(guò)程造成的金絲硬度的增加，得到具有一定延展率和抗拉強(qiáng)度的金絲，一般而言，熱處理溫度越高，鍵合金絲的延伸率越高，而強(qiáng)度越低。最終，將金絲纏繞在卷軸上形成可在鍵合設(shè)備上應(yīng)用的成品金絲。雖然鍵合金絲的制備過(guò)程較成熟，然而金絲生產(chǎn)過(guò)程中受國(guó)內(nèi)外原材料及關(guān)鍵工藝質(zhì)量控制水平差異，其性能穩(wěn)定和關(guān)鍵特性指標(biāo)一致性水平將制約鍵合工藝質(zhì)量。通過(guò)完備的應(yīng)用評(píng)價(jià)體系，提升對(duì)國(guó)內(nèi)各研制單位金絲綜合性能評(píng)價(jià)能力，銜接好國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品研制與高端裝備高可靠性應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)我國(guó)鍵合用金絲材料快速應(yīng)用轉(zhuǎn)化，為航天自主發(fā)展奠定必要的基礎(chǔ)儲(chǔ)備。

2 鍵合金絲的應(yīng)用評(píng)價(jià)研究

2.1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

為有效控制鍵合工藝質(zhì)量，金絲需要滿足優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)性能等工藝適用性需求，以保證焊接過(guò)程中可加工性強(qiáng)、成球容易和高一致性的鍵合工藝要求。鍵合金絲在宇航使用環(huán)境中需要承受嚴(yán)苛的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高可靠性應(yīng)用，金絲不但需要形成良好的鍵合，且鍵合焊點(diǎn)與金絲本體均應(yīng)承受嚴(yán)苛的應(yīng)力環(huán)境。同時(shí)，金絲物理、化學(xué)、力學(xué)及電學(xué)等各方面性能均需具備較好的穩(wěn)定性，在極限溫度條件下無(wú)明顯變化且可耐受長(zhǎng)期極限溫度。

通常，鍵合金絲在宇航特殊應(yīng)用環(huán)境下使用，易發(fā)生虛焊、焊盤剝離、柯肯達(dá)爾（Kirkendial）孔洞等典型失效案例，帶來(lái)產(chǎn)品可靠性低甚至造成電子單機(jī)功能喪失，影響載荷在軌服務(wù)質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，還需重點(diǎn)控制金絲鍵合長(zhǎng)度，避免短路或異常疲勞應(yīng)力失效［2］；加強(qiáng)金鋁鍵合界面質(zhì)量控制，確保鍵合界面高溫應(yīng)力下無(wú)短路或斷路失效誘因。

結(jié)合金絲本身的物化特性及其在宇航應(yīng)用工作工況和服役環(huán)境需求，通過(guò)長(zhǎng)期研究金絲鍵合工藝及在軌服役失效物理機(jī)制，建立宇航用鍵合金絲評(píng)價(jià)體系（圖1）。

圖1 鍵合金絲應(yīng)用評(píng)價(jià)體系Fig.1 The evaluation system of gold wire application

該評(píng)價(jià)體系覆蓋了金絲材料基礎(chǔ)性能、工藝適用性和應(yīng)用可靠性三個(gè)一級(jí)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)金絲材料在宇航鍵合工藝應(yīng)用驗(yàn)證需求覆蓋性；通過(guò)對(duì)一級(jí)指標(biāo)分解，所形成的包括結(jié)構(gòu)特性、力、電、化學(xué)等一系列二級(jí)指標(biāo)體系，準(zhǔn)確回應(yīng)一級(jí)指標(biāo)驗(yàn)證需求；為落實(shí)二級(jí)指標(biāo)在應(yīng)用評(píng)價(jià)實(shí)施的科學(xué)性，對(duì)應(yīng)二級(jí)指標(biāo)建立三級(jí)驗(yàn)證項(xiàng)目，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法或產(chǎn)品繼承性試驗(yàn)規(guī)范，構(gòu)建了系統(tǒng)性的金屬應(yīng)用評(píng)價(jià)體系圖。

2.2 鍵合金絲應(yīng)用評(píng)價(jià)

結(jié)合上述金絲評(píng)價(jià)體系，開(kāi)展國(guó)產(chǎn)金絲材料在MCM 模塊產(chǎn)品鍵合應(yīng)用驗(yàn)證，通過(guò)與進(jìn)口金絲性能進(jìn)行比對(duì)分析，獲得國(guó)產(chǎn)同類材料應(yīng)用可行性。

2.2.1 金絲基礎(chǔ)性能

金絲尺寸、力學(xué)性能、電性能和成分一致性是確保鍵合質(zhì)量的前提，通過(guò)對(duì)金絲基本性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)和對(duì)比分析，以評(píng)估國(guó)產(chǎn)金絲應(yīng)用質(zhì)量。針對(duì)基礎(chǔ)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果列于表1中。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)金絲和進(jìn)口金絲基本性能參數(shù)相當(dāng)，批次一致性較好，滿足工藝應(yīng)用需求。

表1 金絲基礎(chǔ)材料參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of basic material parameters of gold wire

金絲化學(xué)穩(wěn)定性是金絲具備良好的可鍵合性及鍵合可靠性的關(guān)鍵因素。對(duì)于4N 金絲，Ag、Cu、Pb、Sn 等雜質(zhì)元素均應(yīng)控制在10-6量級(jí)，且應(yīng)盡量低，表2列出了進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)金絲雜質(zhì)含量的對(duì)比。

表2 不同廠家金絲雜質(zhì)含量對(duì)比Tab.2 Comparison of impurity content of gold wire from different manufacturers 10-6

金絲電性能一般通過(guò)電阻率或金絲熔斷電流來(lái)體現(xiàn)，但于熔斷電流缺少標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，目前多采用將金絲鍵合在電路上進(jìn)行測(cè)試，這與鍵合方法、鍵合質(zhì)量以及電路設(shè)計(jì)等有一定的關(guān)系［11］，因此采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試金絲電阻率作為評(píng)價(jià)金絲電性能的指標(biāo)更為合理。本評(píng)價(jià)體系參照GB/T 3048.2—2007進(jìn)行電阻率檢測(cè)，并參考進(jìn)口金絲的性能指標(biāo)，考慮金絲的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，規(guī)定測(cè)量3根金絲，取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，要求電阻率R≤2.30 μΩ·cm。分別測(cè)試國(guó)產(chǎn)金絲和進(jìn)口金絲的電阻率，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 工藝適用性評(píng)價(jià)

金絲鍵合工藝的工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)，需要考慮鍵合方式、鍵合基板以及鍵合膜層。評(píng)價(jià)過(guò)程從鍵合參數(shù)的適用性和不同鍵合界面鍵合參數(shù)適用性兩個(gè)維度來(lái)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括金絲鍵合點(diǎn)的外觀及鍵合強(qiáng)度，鍵合外觀包括金絲鍵合點(diǎn)的外觀和成球質(zhì)量，鍵合強(qiáng)度包括金絲鍵合拉力和球剪切強(qiáng)度。

鍵合方式一般包括金絲楔焊鍵合和球焊鍵合，典型焊點(diǎn)形狀見(jiàn)圖2。為避免人為因素對(duì)鍵合一致性的影響，工藝適用性評(píng)價(jià)應(yīng)采用全自動(dòng)楔焊鍵合設(shè)備和全自動(dòng)球焊鍵合設(shè)備進(jìn)行金絲鍵合。結(jié)合國(guó)產(chǎn)金絲性能特征，對(duì)不同基板上進(jìn)行鍵合參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，制備焊點(diǎn)外觀滿足工藝規(guī)范要求的鍵合樣件。圖3為工藝適用性評(píng)價(jià)鍵合金絲拉力分布，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行拉力測(cè)試。

圖2 典型金絲鍵合焊點(diǎn)形態(tài)Fig.2 Typical gold wire bonds

圖3 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口金絲鍵合拉力對(duì)比Fig.3 Comparison of domestic and imported bond wire tension

圖4 為不同基板鍵合工藝適用性評(píng)價(jià)中鍵合拉力的分布情況，從鍵合拉力試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在同一種基板上進(jìn)口金絲比國(guó)產(chǎn)金絲鍵合拉力略高，這與進(jìn)口金絲自身拉斷力略高有一定關(guān)系。圖中拉力分布可以看出，不同基板由于基板硬度、厚度、基板表面質(zhì)量不同，導(dǎo)致鍵合金層結(jié)構(gòu)、厚度、形貌差異，進(jìn)而導(dǎo)致不同基材表面金絲鍵合強(qiáng)度不同。但均遠(yuǎn)大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的最低鍵合強(qiáng)度，且鍵合拉力一致性較好。

圖4 國(guó)產(chǎn)金絲不同基板上鍵合拉力分布Fig.4 Distribution of domestic wire tension on different substrates

2.2.3 應(yīng)用可靠性評(píng)價(jià)

應(yīng)用可靠性評(píng)價(jià)主要考慮在宇航應(yīng)用環(huán)境中的環(huán)境應(yīng)力以及主要的失效模式，從金絲材料自身可靠性和金絲鍵合的可靠性來(lái)評(píng)價(jià)?？煽啃栽u(píng)價(jià)的環(huán)境應(yīng)力包括極溫環(huán)境、交變溫度、高溫儲(chǔ)存以及力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。根據(jù)應(yīng)力的不同影響，分別從材料和鍵合樣件兩個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)。

金鋁異質(zhì)鍵合界面，在鍵合工藝實(shí)施及服役過(guò)程中，不可避免地生成AuAl2、AuAl、Au2Al、Au5Al2和Au4Al等金屬間化合物，這些金屬間化合物較脆，易斷裂，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度降低［7］。隨著金屬間化合物的生長(zhǎng)，引線和鍵合界面層的元素不斷擴(kuò)散，界面處逐漸形成孔洞，即Kirkendial孔洞，孔洞延伸成為裂紋，導(dǎo)致鍵合界面結(jié)合處電阻不斷增大，鍵合拉力不斷降低，最終造成鍵合失效。因此，對(duì)于金絲鍵合可靠性的評(píng)估，需要重點(diǎn)評(píng)估金鋁鍵合界面的可靠性。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為鍵合樣件在經(jīng)歷環(huán)境應(yīng)力后的鍵合拉力，同時(shí)應(yīng)關(guān)注鍵合界面的金屬間化合物擴(kuò)散情況。

（1）濕熱對(duì)金鋁鍵合界面的影響評(píng)價(jià)

在高溫環(huán)境中，金鋁鍵合界面處金鋁相互擴(kuò)散，會(huì)形成脆性相的金屬間化合物，同時(shí)，濕熱的環(huán)境在一定程度上會(huì)加速金鋁鍵合焊點(diǎn)處氧化腐蝕等異常問(wèn)題。采用硅芯片表面金絲球焊鍵合工藝，模擬產(chǎn)品組裝以及使用過(guò)程高溫和濕熱環(huán)境，對(duì)鍵合樣件按照以下順序進(jìn)行高溫烘烤及濕熱環(huán)境應(yīng)力考核：1）150 ℃高溫烘烤24 h；2）-65～150 ℃，溫度轉(zhuǎn)換1 min，保持時(shí)間15 min，循環(huán)100次；3）按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行10次濕熱循環(huán)。對(duì)比試驗(yàn)前后鍵合拉力，如圖5所示，鍵合拉力無(wú)明顯變化。

圖5 試驗(yàn)前后鍵合拉力對(duì)比Fig.6 Comparison of the bonding wire tesion before and after the test

（2）高溫對(duì)金鋁鍵合界面的影響評(píng)價(jià)

金鋁鍵合界面金屬間化合物生長(zhǎng)和柯肯達(dá)爾孔洞的形成與溫度直接相關(guān)，溫度越高IMC 生長(zhǎng)越快，鍵合越容易發(fā)生失效。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求采用300oC熱老化試驗(yàn)來(lái)評(píng)估金鋁鍵合可靠性［12］。在硅芯片鋁焊盤上鍵合金絲，制備金鋁鍵合樣件，分為5組，分別密封在5個(gè)金屬殼體內(nèi)。進(jìn)行300oC 高溫烘烤，試驗(yàn)完成后對(duì)模塊開(kāi)蓋，進(jìn)行外觀檢查，破壞性鍵合拉力測(cè)試。鍵合拉力隨著高溫烘烤時(shí)間增加的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明，在300oC 高溫烘烤1 h 時(shí)鍵合拉力變化均略有增加，隨著烘烤時(shí)間繼續(xù)增加，鍵合拉力逐步降低，當(dāng)烘烤時(shí)間達(dá)到16 h 時(shí)，國(guó)產(chǎn)金絲拉力低于2.4 g，而進(jìn)口金絲在烘烤時(shí)間為4 h，就已出現(xiàn)鍵合拉力低于2.4 g 的現(xiàn)象。從鍵合強(qiáng)度下降趨勢(shì)來(lái)看，國(guó)產(chǎn)金絲鍵合強(qiáng)度退化速度較慢于進(jìn)口金絲。

進(jìn)一步分析測(cè)試結(jié)果，隨著烘烤時(shí)間增加，鍵合拉力均值降低的同時(shí)，離散性呈現(xiàn)先增大后降低的變化規(guī)律。而在界面處失效的樣本數(shù)逐漸增多，且隨著烘烤時(shí)間增加失效在界面處的樣本鍵合拉力逐漸降低，因此總體樣本鍵合拉力離散性呈現(xiàn)出了先增大后減小的規(guī)律。圖6（b）為烘烤24 h后鍵合拉力測(cè)試失效在界面處的樣本的界面狀態(tài)，可以看到金屬間化合物已經(jīng)完全覆蓋鍵合界面，并且已形成明顯厚度。

圖6 高溫烘烤對(duì)鍵合可靠性的影響Fig.6 Effect of high temperature baking on bonding reliability

對(duì)鍵合樣件進(jìn)行制樣，分析鍵合界面IMC和柯肯達(dá)爾孔洞。金鋁鍵合界面處，在300 ℃高溫下，焊盤的鋁向焊點(diǎn)的金中擴(kuò)散更為明顯，在金球端形成金屬間化合物，金屬間化合物厚度隨著烘烤時(shí)間增加不斷增厚。隨著烘烤時(shí)間增加，界面處產(chǎn)生孔洞，柯肯達(dá)爾孔洞不斷擴(kuò)展，逐漸貫穿整個(gè)焊點(diǎn)界面，形成脫焊，見(jiàn)圖7。

圖7 300 ℃烘烤24 h鍵合界面Fig.7 The interface of the wire bond after baking at 300 °C for 24 hours

觀察界面IMC 的變化規(guī)律，隨著烘烤時(shí)間延長(zhǎng)，界面金屬間化合物從Au5Al2向Au2Al 轉(zhuǎn)變，當(dāng)烘烤時(shí)間達(dá)到24 h 時(shí)，金屬間化合物主要為Au2Al。對(duì)比國(guó)產(chǎn)金絲和進(jìn)口金絲界面擴(kuò)散情況，擴(kuò)散趨勢(shì)和界面成分無(wú)明顯差別，國(guó)產(chǎn)金絲擴(kuò)散速度及裂紋生長(zhǎng)速度略低于進(jìn)口金絲。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)建立的評(píng)價(jià)體系的應(yīng)用表明，可以通過(guò)對(duì)其中一些關(guān)鍵指標(biāo)選取形成針對(duì)某一產(chǎn)品具體的評(píng)價(jià)點(diǎn)，從而可以使不同廠家之間的鍵合金絲進(jìn)行對(duì)比，討論其在產(chǎn)品中的可應(yīng)用性。

（2）在材料基礎(chǔ)性能參數(shù)方面，國(guó)產(chǎn)鍵合金絲拉斷力、伸長(zhǎng)率、化學(xué)成分等關(guān)鍵指標(biāo)滿足GB/T8750—2014 中的相關(guān)要求，材料基礎(chǔ)性能參數(shù)與進(jìn)口金絲材料基本一致。在工藝適用性方面，分別驗(yàn)證了楔焊鍵合工藝和球焊鍵合工藝，國(guó)產(chǎn)金絲材料鍵合焊點(diǎn)外觀和鍵合拉力均＞3.0 g，國(guó)產(chǎn)金絲具有良好的可鍵合性，可以滿足替代進(jìn)口同類材料的需求。在應(yīng)用可靠性方面，根據(jù)宇航應(yīng)用環(huán)境工況，對(duì)通用的金鋁鍵合界面高溫演化可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證評(píng)估。金鋁鍵合界面高溫演化規(guī)律與進(jìn)口金絲一致，呈現(xiàn)隨溫度升高，時(shí)間延長(zhǎng)，IMC不斷增厚、界面裂紋不斷擴(kuò)展、鍵合強(qiáng)度不斷降低的退化規(guī)律，且國(guó)產(chǎn)金絲鍵合強(qiáng)度降低速度慢于進(jìn)口金絲，呈現(xiàn)了更優(yōu)異的應(yīng)用可靠性。