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铜键合丝 摘要：简要介绍了目前市场中使用的各种键合丝，通过与键合金丝的对比，重点描述了键合铜丝在各方面的优势，以及制备铜丝的基本过程和影响因素、铜丝的织构等，并简要介绍了国内外关于键合铜丝的部分专利，最后对目前键合铜丝所面临的一些困难作了总结，并指出了今后研究的方向。 1 键合丝 键合丝主要应用与晶体管、集成电路等半导体器件和微电子封装的电极部位或芯片与外部引线的连接。虽然现在有不用键合丝的键合方法，但目前90%的IC的产品仍以键合丝来封装。键合丝焊接点的电阻，在芯片和晶片中所占用的空间，焊接所需要的间隙，单位体积的导电率，键合丝的延展率，化学性能，抗腐蚀性能和冶金特性等特性必须满足一定的要求才能得到良好的键合特性。具体来说，用于键合的键合金属丝应该具有如下特性：尺寸精度要高且 均匀、不弯曲；表面光洁，没有沾污，没有伤痕；具有规定的拉断力和延伸率；焊接时焊点没有波纹；球焊时熔球的正圆度要高[1]。元素周期表中过渡族金属元素中，金银铜铝等四种金属元素具有较高的导电性能，同时兼有上述性能，可以做为集成电路微电子封装用的键合丝。表1列出了这四种金属材料的基本性质，包括电导、热导、弹性模量等。 表1 金银铜铝基本性质比较。 超大规模集成电路引线键合，使用最多的导电丝材料是金丝。键合金丝是指纯度为99.99%，线径为18~50的高纯金合金丝，通常采用球焊-楔焊方式键合，并常用于塑料树脂封装。键合金丝直径一般在20~50之间，由于大部分使用在高速自动键合机上，最高速焊机每秒可完成7~10根键合线，因此要求金丝具有均匀稳定的机械性能和良好的键合性能。为适应自动化规模生产，同时要求每轴丝的长度在300，500或1000m，国外的微细丝已达到2000m，甚至3000m。国内主要的生产研制单位有4家：山东贺利氏招远贵金属材料有限公司，常熟特种电子材料厂，昆明贵金属研究所，北京有色金属与稀土应用研究所等，年供应金丝量约1800kg。 在陶瓷外壳封装的高可靠集成电路中, 多采用铝丝(含有少量的硅或镁)作为键合引线材料。因为铝丝具有良好的导电导热能力和抗蚀性，易于与集成电路芯片的铝金属化布线形成良好的键合, 并且很稳定, 也易于拉制成细丝, 且价格比金丝便宜得多。目前硅铝丝主要有日本田中公司(新加坡)生产的硅铝丝, 该公司生产的硅铝丝基本能满足应用。国产硅铝丝的主要问题是硬度不一, 表面氧化层过厚等, 不能获得高质量的键合引线。由于工艺条件限制, 国内目前尚无大批量生产的工厂。 铜键合丝由于其高的电导率，优良的力学性能和热学性能，在很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展，成为替代传统键合丝的最佳材料。目前只有日本美国开发出铜键合丝产品，而铜键合丝研究尚处在实验研究阶段YOSHINAGA YASUHIKO; KURIHARA KENICHI; MUKOYAMA KOICHIRO等人1986年发明的用于半导体器件的键合铜丝[11]。通过把微量的Zr, Nb, Pd, Ag, In, 和 Sn等元素中的一种或两种以上的元素与高纯铜混合，得到了可以替代金丝的铜键合丝。其具体组分为5-50ppm Zr, 5-50ppm Nb, 10-100ppm Pd, 10-100ppm Ag, 10-100ppm In, and 10-100ppm Sn中的一种或两种以上的元素，微量元素总量为5-150ppm，然后是重量分数为99.99%以上的高纯铜。 日本的SANKI SADAHIKO等人通过添加很少量的特殊元素到高纯铜中，得到了一种较为柔软的，可以大大减少键合损害的键合铜丝[12]。其基本组成为：0.0002到0.002wt.%的稀土元素或Zr元素，99.9999wt.%的高纯铜。这种铜丝可以防止键合中Si裂纹的形成，改善环纹特性和阻止球颈处晶粒的生长。 宁波康强电子股份有限公司房跃波郑志法郑康定键合铜丝及其制备方法其材料配方重量百分比为：铈0.0005％～0.001％，锌或锡0.0003％～0.0008％，余量为铜，铜的纯度≥99.996％；键合铜丝的制备方法，它包括：用纯度为99.99wt％的铜电解提纯出纯度为99.999wt％的铜；经金属单晶水平连铸方法制作出纯度为99.9999wt％的单晶铜；制作中间合金；按材料配方将纯度为 99.9999wt％的单晶铜与中间合金经金属单晶水平连铸方法制作出本键合铜丝的坯料；拉伸；退火；分卷；真空包装。UNO TOMOHIRO等人发明了一种适合半导体键合用的铜合金丝[15]。这种铜合金丝有较低的成本，优越的球结合形状和线连接特性，以及好的环纹形成特性和优越的生产率。合金丝的基本组分为：总量为10wt ppm至700wt ppm的Mg和P中的至少一种，6wt ppm至30wt ppm范围内