键合系统是实现相关元器件功能的关键因素之一，其可靠性水平直接影响产品的整体可靠性。研究显示异质金属接触是键合系统诸多可靠性问题的根源，这些问题包括金属间化合物的产生、柯肯道尔空洞的出现以及因焊盘沾污导致的键合质量下降等。

其中，金属间化合物是异质金属接触时发生化学变化的产物，柯肯道尔空洞则是原子间相互扩散在原位留下空位的一种物理现象，两者相互促进，成为影响键合系统可靠性的重要隐患。局限于现有芯片制造、键合以及外壳生产工艺的制约，异质金属接触将会是一个需要长期面对的可靠性问题。在我国航天发展史上，因异质金属键合失效导致的型号任务延期甚至失利的案例不在少数，对该问题的认识和逐步解决展示了军用电子元器件可靠性增长的坚实步伐。

传统芯片金属化工艺中普遍采用铝淀积层作为芯片内部互联以及键合区材质，而外壳键合区一般为镍金镀层。对于金丝键合工艺，外壳内引线键合区最终为金-金或金-镍接触界面，虽然存在异质金属接触的可能，但物理和化学性能稳定，还未发现显著的失效模式，问题主要存在于芯片键合区的铝金属化层和金丝之间的异质金属接触的界面。

1、易质金属接触的两种失效机理

键合过程中异质金属接触存在两种显著的失效机理，即金属间化合物的产生以及柯肯道尔空洞的出现。金丝键合系统在工艺过程初期就会生成少量的金属间化合物，少量金属间化合物的出现是金属间原子有效结合的表现，可起到加强键合强度的作用。然而，金铝键合界面存在一个动态变化的过程，随着时间和温度的作用，化合物首先在厚度上有所增长，并横向扩展。其组成成分也逐渐呈现多元化，存在Au4Al、Au5Al2（白斑）、Au2Al2、AuAl2（紫斑）、AuAl等诸多金属化合物。这些化合物晶格常数和热膨胀系数以及形成过程中体积变化率不同，且电导率较低。随时间推移，最终导致结合处电阻明显上升，键合强度显著下降。

根据实验观测，随着PCBA产品老化时间的增加，在键合界面除生成金属间化合物，同时伴随出现柯肯道尔空洞。柯肯道尔空洞是异质金属接触时，两种金属原子之间发生彼此向对方内部扩散的产物，扩散流失原子的原有位置未被后续原子填充，致使空位出现，是一种纯粹的物理现象。

扩散使得不同原子充分接触，促进金属间化合物的生成，而金属间化合物的生成则消耗扩散原子，增加原子浓度梯度，加速扩散，促进空洞的出现。随着数量的增加，空洞聚集并最终形成裂纹，使得引线和化合物层分离，造成键合丝脱落。

以上结果显示键合过程形成了金属间化合物，因此键合丝和芯片键合区金属化层之间曾经形成良好的接触，失效并非虚焊导致。形成有效键合以后，随着时间的推移，界面金属间化合物逐步增加，这些化合物由于热膨胀系数和体积与单质金属差异较大，键合强度逐步下降。整机环境试验中，力热等环境应力导致该键合丝脱键。

2、铝丝键合工艺

对于铝丝键合工艺，芯片表面金属化层为铝，不存在异质金属接触问题。在外壳焊盘处一般采用镍金镀层，表面的镀金层主要作为镍层的保护层，防止出现氧化、沾污等不利于键合的现象。理想的情况下，在键合过程中产生的高温会破坏镀金层，硅铝丝直接与下层镀镍层实现键合。铝镍键合系统非常稳定，数据表明200、40天空气中的老化试验都未能观测到键合质量出现明显变化。

如果外壳焊盘的镀金层厚度较大，镀层在键合过程中不能被完全去除，则会出现铝/金异质金属界面。不同于金丝键合界面，除柯肯道尔空洞效应的影响外，硅铝丝与镀金层的界面最终倾向于形成金属间化合物Au2Al。该化合物俗称“紫斑”，电导率高、热膨胀系数小且质脆，严重影响键合质量。

3、键合系统的可靠性增长

对于键合系统的可靠性增长，根据对金丝键合可靠性问题的分析，该工艺主要存在芯片端金铝异质金属键合的可靠性问题，属于系统自身的本质问题。对于存在本质失效风险的器件，应当禁止使用。目前，已有研究人员探索使用铜作为金属化材料的可行性，但是选择铜是试图利用其工艺匹配性以及相对于铝的高导电率，并未考虑到键合系统的可靠性，事实上铜与金两种金属间同样存在异质金属接触的问题，而且和金铝结合的失效机理一致。PCBA加工制造企业在元器件制造工艺中，除引线键合的电连接方式，同时存在芯片引线框架焊接、倒装焊以及3D封装三种电连接方式工艺或封装技术，均可以避免使用金丝。

金丝键合系统可靠性问题的解决思路部分适用于铝丝键合，铝丝键合主要关注外壳端镀层的材料。现在陶瓷外壳上的镀层一般为镀镍镀金层，混合电路陶瓷基板上也通常使用丝网印刷的金材质导带，均存在铝丝键合的可靠性问题。对于陶瓷外壳，局限于国内外壳生产厂家工艺建设能力，短期更改镀层材料不可行，且还没有合适的替代镀层；厚膜浆料可选金导带、银导带和铜导带三种，银导带存在电迁移现象，铝丝直接键合到铜上，在受热或存在水分时会引起失效，因此在高可靠领域一般选用金导带。

4、陶瓷外壳上的键合焊盘

对于陶瓷外壳上的键合焊盘，铝丝和镍可以形成稳定的连接，然而如果没有镍表面的镀金层保护，镍可能会发生氧化形成所谓的“黑盘”，抑制异质金属的正常键合，因此一个可靠的解决办法是保证键合过程中的超声摩擦将镀金层去除，从而实现铝丝和镀镍层的直接接触，这就要求镀金层不能太厚。对各主要封装厂家的设备参数进行调研，并对不同厚度镀层进行实验，结果显示当镀层厚度不大于零点几个微米时，可以保证键合过程能够去除键合区的镀金层，实现铝丝和镀镍层的直接接触。然而镀金层过薄又起不到保护镀镍层的作用。根据试验结果，镀金层的厚度应保持在零点几个微米。

5、混合电路在短期内不可避免要使用金导带

对于混合电路，短期内不可避免要使用金导带，某些大功率的内部元器件出于成本和其他可靠性考虑又只能采用铝丝键合，这就要求提出一种避免金铝直接接触的措施。不同于单片封装的限制，多数情况下混合电路在PCBA基板上有足够的空间供设计师增加可靠性预防措施。一种简单可行的方式是采用键合过渡片结构。

6、总结

键合系统的可靠性增长是一个不断出现问题，不断解决问题的过程。针对键合系统可能出现的可靠性问题，经历数年的发展，在实践中持续的改进和完善。目前，这些要求作为明确的条款出现在型号电子元器件总体技术条件和专项要求中，并经过几代航天人不懈的努力，积极贯彻于产品的详细规范、采购规范等规范性文件中。

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