摘要
金丝材料应用于航天器小型化微波模块等产品的电路封装中，金丝键合界面受高低温环境影响易产生性能变化从而影响服役可靠性。本文对金丝界面高低温特性的演化规律进行了研究，包括空间温度环境模拟试验后的界面与成分迁移、界面层厚度变化、键合金丝拉伸剪切力与失效模式演变，得出不同温度条件处理后的金铝键合界面微观组织变化规律。结果表明高低温循环试验后金丝界面仍保持较高的结合强度，一定程度的金属间化合物生长提高了键合界面强度。高温贮存试验中，随着贮存时间的增加，金丝界面层IMC（Intermetallic Compound）厚度和金属间化合物不断增长，失效破坏位置越来越多地出现在键合界面处，铝金属化层附近的金含量因扩散而增高，金铝键合界面处IMC界面层厚度的增加降低了界面结合强度。
金丝应用于集成电路和半导体分立器件的引线键合封装，由于该工艺制造成本低且具有较高的通用性，成为电子产品封装互联的关键技
微波电路在航天器中应用广泛，对键合金丝的耐高低温特性具有较高要求。金丝在微波电路中使用数量多，键合界面复杂，界面多为金—金金属化、铝—金金属化层。航天器在发射和在轨运行过程中服役温度范围达到-65~150 ℃，所产生的热载荷对微波电路互联用金丝界面组织性能产生较大的影响。在高温条件下，键合金丝和各类不同基板构成的多芯片组件产品在金-铝键合界面中会生成Kirkendial空洞，或产生脆性相金属间化合物，键合强度降低，甚至脱
金丝材料采用纯度99.99%以上的金，经过熔铸、拉拔和退火工艺形成用于键合的金丝。熔铸过程中适当添加微量元素以增加其力学性能与应用可靠性，微量元素总和<0.01%的前提下，采用拉丝工艺和退火工艺以保证金丝的焊接强度、热稳定性，并提高丝材的耐热性和成球性。
采用金丝球焊设备在硅芯片铝焊盘上键合高密度金丝形成金铝键合的试验样件，其键合位置如
图1 Si芯片金铝键合试验样件
Fig.1 Gold wire ball bonding samples on Si chip
金丝键合界面微观组织结构分别采用金相显微镜和JSM-6360LV扫描电子显微镜（SEM）观察，采用扫描电子显微镜能谱仪（EDS）分析键合点金属间化合物成分与界面迁移、元素扩散情况，参照GB/T 34895—2017、GB/T 17359—2012、GB/T 16594—2008中的方法进行测试。采用CMT5105微机控制电子万能试验机测试键合前丝材拉力，采用Series 4000-0拉力剪切力测试仪测试金丝键合后拉力。
高低温交变循环试验采用CY-0瑞莱冲击试验箱进行测试，采用低温（-65±5） ℃到高温（150±5） ℃之间的温度转换，高、低温之间转换时间间隔小于5 s，达到最高最低温度后保温10 min，温度循环次数分别为100次、300次、500次。高温贮存试验箱采用电热鼓风干燥箱，加热温度为150 ℃，样件分别贮存100、500、1 000 h后取出，样品取出后分别对金丝单丝在不同贮存时间点的拉伸性能、键合金丝样件的键合拉力和Si芯片金铝键合试验样件界面组织结构的变化进行测试。
为评价球焊工艺成球质量，在薄膜陶瓷镀金基板上焊接金丝，采用45倍金相显微镜观察焊点外观，如
图2 金丝成球质量
Fig.2 The quality of the golden ball
（a） 金丝键合外观 （b） 金丝球扫描电镜图
对金铝（AuAl）键合样件进行高低温交变循环试验并进行试验后的界面性能分析，得到的AuAl键合界面微观组织结构如
图3 AuAl键合界面金相图
Fig.3 Metallographic figure of AuAl interface layer
SEM对高低温交变循环试验后键合点界面层厚度、成分与界面迁移、元素扩散情况分析结果如
图4 温度交变试验后AuAl键合界面扫描电镜图
Fig.4 SEM pictures of AuAl interface layers after different high and low temperature cycles
| 测试位置 | Au含量/%(a) | Al含量/%(a) |
|---|---|---|
| A | 79.14 | 20.86 |
| B | 71.93 | 28.07 |
| C | 79.75 | 20.25 |
| D | 80.08 | 19.92 |
由于AuAl键合不同温度交变循环次数后的界面层在电镜中观察并不呈连续排布，对厚度测量数值进行统计，其分布情况如
图5 不同温度交变循环次数后的AuAl界面层厚度分布
Fig.5 Different thickness of AuAl interface layer after different high and low temperature cycle
将金铝（AuAl）键合样件在150 ℃（允许+5 ℃正偏差）环境温度下保持1 000 h，设置中间检查点100、500 h，试验后分别利用金相显微镜和扫描电镜进行AuAl键合界面形貌分析，并得到焊接界面微观组织结构和界面迁移、元素扩散演变情况。
图6 AuAl键合界面金相图
Fig.6 Metallographic figure of AuAl interface layer
（a） 100 h （b） 500 h （c） 1 000 h
图7 不同高温贮存时间后AuAl键合界面扫描电镜图
Fig.7 SEM pictures of AuAl bonding interface after different high temperature storage time
高温贮存100 h后，
| 测试位置 | Au含量/%（a) | Al含量/%（a) |
|---|---|---|
| A | 72.62 | 27.38 |
| B | 67.15 | 32.85 |
| C | 71.72 | 28.28 |
| D | 74.04 | 25.96 |
| E | 77.32 | 22.68 |
对不同高温贮存时间后的AuAl键合IMC界面层厚度值进行统计，其分布情况如
图8 不同高温贮存时间后的AuAl界面层厚度分布
Fig.8 Different thickness of AuAl interface layer after different high temperature storage time
Au-Al金属间化学物生长厚度一般满足以下经验公
| (1) |
式中，δ为金属间化合物厚度，K为金属间化合物的生长常数，t为老化时间，n为时间指数。
根据普遍研究认为：当n=1时，金属间化合物的生长为界面反应控制，此阶段属于初步反应阶段；当n=2时，金属间化合物的生长为扩散控制，Au原子通过Al金属化层的孔隙和晶界扩散与Al结合形成金属间化合物；当n≥3时，金属间化学物的生长为选择扩散控制，一种金属原子无法通过金属间化合物介质层与另一种原子结合，只能从金属间化合物的晶界扩散到另一种金属中，随着反应时间的增加，n值逐渐增大，反应速率不断减小。
图9 IMC厚度与老化时间的关系
Fig.9 Relationship between IMC thickness and aging time
图10 金丝AuAl键合拉力随高低温循环次数的变化
Fig.10 Variation of Au-Al bonding force of gold wire with different high and low temperature cycles
| 循环次数/次 | 键合拉力 平均值/gf | 中间引线 断裂/个 | 第一键合点 失效/个 |
|---|---|---|---|
| 0 | 11.32 | 15 | 0 |
| 100 | 11.48 | 14 | 1 |
| 300 | 12.17 | 15 | 0 |
| 500 | 11.72 | 14 | 1 |
图11 Au-Al键合拉力随高温贮存时间的变化
Fig.11 Variation of Au-Al bonding force of gold wire with different high temperature storage time
金丝与Al焊盘反应形成的金属间化合物IMC在一定程度上能够使焊接接头更加牢固，起到键合作用，焊点界面处形成弥散分布的微小金属间化合物可以改善焊料的抗疲劳能力或连接强度，但是由于金属间化合物通常为脆硬相，延性较差，较多的金属间化合物会导致键合拉力的降低。如
高温贮存 时间/h | 丝材拉断力 /gf | 键合拉力 平均值/gf | 中间引线 断裂/个 | 第一键合点 失效/个 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 11.33 | 11.32 | 15 | 0 |
| 100 | 11.20 | 9.93 | 14 | 1 |
| 500 | 11.72 | 9.13 | 10 | 5 |
| 1 000 | 11.76 | 8.21 | 5 | 10 |
（1）通过金丝球焊工艺成球质量分析，发现金丝键合焊点均无起翘、脱落现象，球焊键合点直径在2~5倍金丝直径之间，焊合良好。球焊过程中烧成金丝球呈规则的球形，表面光滑，无沾污、凹坑等缺陷，金丝球的平均直径为71.1 μm。
（2）随高低温交变试验循环次数的增加，AuAl键合界面层厚度逐渐增加，且随着Au、Al化学元素的迁移在界面处生成金属间化合物，随着高低温循环次数的增加，键合点靠近Si芯片Al金属化层附近的金属间化合物由于Au元素的扩散由最初生成的Au5Al2逐渐转化成Au含量较高的Au4Al。300次温度循环后，键合拉力略有升高且离散性减小，一定程度的金属间化合物生长提高了键合点的可靠性，此外，温度循环对拉拔后金丝的力学性能均匀性起到促进作用。
（3）高温贮存试验后的键合界面层厚度随贮存时间增长较快，由于Au元素的扩散Al金属化层附近的界面组成由Al含量较高的相逐渐向Au含量较高的相转变，键合界面因产生越来越多的金属间化合物使界面IMC层厚度不断增大。
（4）通过金丝键合拉力及失效模式演化分析，获取了金铝键合界面金属间化合物生长与键合拉力和键合点失效模式的变化关系，随着高温贮存时间的增加，因界面层IMC层厚度的增大，金丝键合拉力破坏位置越来越多地出现在键合焊点界面处，引发键合界面强度的降低。当金丝在高温环境中长期使用时，应注意界面特性变化对微波电路互联金铝界面结合强度的影响，在金丝材料的选用与产品设计过程中，应充分考虑温度对键合界面结合性能的影响，根据试验结果确立金丝高温应用边界条件。
通过对金丝界面空间高低温特性演化规律研究，可为微波电路及其他集成电路的设计研制、失效分析及材料应用验证等工作提供借鉴和参考。
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