單晶銅的性能分析

在超大規(guī)模集成電路（VLSI）和甚大規(guī)模集成電路（ULSI）的芯片與外部引線的連接方法中，過去、現(xiàn)在和將來引線鍵合仍是芯片連接的主要技術(shù)手段。集成電路引線鍵合也是實(shí)現(xiàn)集成電路芯片與封裝外殼多種電連接，并傳遞芯片的電信號(hào)、散發(fā)芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量，最通用、最簡(jiǎn)單而有效的一種方式，所以鍵合引線已成為電子封裝業(yè)四大重要結(jié)構(gòu)材料之一。引線鍵合封裝的方式如圖所示：

鍵合引線的中心作用是將一個(gè)封裝器件或兩個(gè)部分焊接好并導(dǎo)電。因此，焊接的部分尤其是焊接點(diǎn)的電阻是此工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在元素周期表中過渡組金屬元素中銀、銅、金和鋁四種金屬元素具有較高的導(dǎo)電性能。此外，封裝設(shè)計(jì)中鍵合引線在焊接所需要的間隙主要取決于絲的直徑，對(duì)鍵合引線的單位體積導(dǎo)電率有很高的要求，所以可能的選擇被局限在集中金屬元素中。另外，所選擇金屬必須具有足夠的延伸率，以便于能夠被拉伸到0.015~0.050mm；為了避免被破壞晶片，這種金屬必須能夠在足夠低的溫度下進(jìn)行熱壓焊接和超聲焊接；它的化學(xué)性能、抗腐蝕性能和冶金特性必須與它所焊接的材料向熔合，不會(huì)對(duì)集成電路造成嚴(yán)重影響。在集成電路的鍵合引線中，主要應(yīng)用的鍵合引線有鍵合金絲、硅鋁絲、單晶銅鍵合絲等。

鍵合金絲

金絲作為應(yīng)用最廣泛的鍵合引線來說，在引線鍵合中存在以下幾個(gè)方面的問題：

1）在硅片鋁金屬化層上采用金絲鍵合，Au-AI金屬學(xué)系統(tǒng)易產(chǎn)生有害的金屬間化合物，這些金屬間化合物晶格常數(shù)不同，機(jī)械性能和熱性能也不同，反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)遷移，從而在交接層形成可見的柯肯德爾空洞（Kirkendall Void），使鍵合處產(chǎn)生空腔，電阻急劇增大，破壞了集成電路的歐姆聯(lián)結(jié)，致使導(dǎo)電性嚴(yán)重下降，或易產(chǎn)生裂縫，引起器件焊點(diǎn)脫開而失效。2）金絲的耐熱性差，金的再結(jié)晶溫度較低（150℃），導(dǎo)致高溫強(qiáng)度較低，球焊時(shí)，焊球附近的金絲由于受熱而形成再結(jié)晶組織，若金絲過硬會(huì)造成球頸部折曲，焊球加熱時(shí)，金絲晶粒粗大化會(huì)造成球頸部斷裂；另外，金絲還易造成塌絲現(xiàn)象和拖尾現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了鍵合質(zhì)量。

3）金絲的價(jià)格不斷攀升，特別昂貴，導(dǎo)致封裝成本過高，企業(yè)過重承受。

硅鋁絲

硅鋁絲作為一種低成本的鍵合引線受到人們的廣泛重視，國(guó)內(nèi)外很多科研單位都在通過改變生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)各種替代金絲的硅鋁絲，但仍存在較多的問題。

1）普通硅鋁絲在球焊是加熱易氧化，生產(chǎn)一層硬的氧化膜，此膜阻礙球的形成，而球形的穩(wěn)定性是硅鋁絲鍵合強(qiáng)度的主要特性，實(shí)驗(yàn)證明，金絲球焊在空氣中焊點(diǎn)圓度高，硅鋁絲球焊由于表面氧化的影響，空氣中焊點(diǎn)圓度低。

2）硅鋁絲的拉伸強(qiáng)度和耐熱性不如金絲，容易發(fā)生引線下垂和塌絲。

3）同軸硅鋁絲的性能不穩(wěn)定，特別是延伸率波動(dòng)大，同批次產(chǎn)品性能相差大，且產(chǎn)品的成材率低，表面清潔度差，并較易在鍵合處經(jīng)常產(chǎn)生疲勞斷裂。

單晶銅鍵

單晶銅鍵合絲（目前逐步推廣使用、替代鍵合金絲，未來“封裝焊接之星”）是無氧銅的技術(shù)升級(jí)換代新材料，代號(hào)為“OCC”。單晶銅即單晶體銅材是經(jīng)過“高溫?zé)徼T模式連續(xù)鑄造法”所制造的導(dǎo)體，即將普通銅材圍觀多晶體結(jié)構(gòu)運(yùn)用凝固理論，通過熱型連續(xù)鑄造技術(shù)改變其晶體結(jié)構(gòu)獲得的具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械性能及化學(xué)性能穩(wěn)定的更加優(yōu)越的一種新型銅材，其整根銅材僅由一個(gè)晶粒組成，不存在晶粒之間產(chǎn)生的“晶界”，（“晶界”會(huì)對(duì)通過的信號(hào)產(chǎn)生折射和反射，造成信號(hào)失真和衰減），因而具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、極好的高保真信號(hào)傳輸性及超常的物理機(jī)械加工性能，因此損耗量極低，堪稱是機(jī)電工業(yè)、微電子集成電路封裝業(yè)相當(dāng)完美的極具應(yīng)用價(jià)值的重要材料。其物理性能接近白銀。

單晶銅絲用于鍵合引線的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴其特性：

1）單晶粒：相對(duì)目前的普通銅材（多晶粒），而單晶銅絲只有一個(gè)晶粒，內(nèi)部無晶界。而單晶銅桿有致密的定向凝固組織，消除了橫向晶界，很少有縮孔、氣孔等鑄造缺陷；且結(jié)晶方向拉絲方向相同，能承受更大的塑性變形能力。此外，單晶銅絲沒有阻礙位錯(cuò)滑移的晶界，變形、冷作、硬化回復(fù)快，所以是拉制鍵合引線（¢0.03-0.016mm）的理想材料。

2）高純度：目前，在中國(guó)的單晶銅絲（原材料）可以做到99.999%（5N）或99.9999%（6N）的純度；

3）機(jī)械性能好：與同純度的金絲相比具有良好的拉伸、剪切強(qiáng)度和延展性。單晶銅絲因其優(yōu)異的機(jī)械電氣性能和加工性能，可滿足封裝新技術(shù)工藝，將其加工至¢0.03-0.015mm的單晶銅超細(xì)絲代替金絲，從而使引線鍵合的間距更小、更穩(wěn)定。4）導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好：?jiǎn)尉с~絲的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率比金絲提高20%，因此在和金絲徑相同的條件下可以承載更大的電流，鍵合金絲直徑小于0.018mm時(shí)，其阻抗或電阻特性很難滿足封裝要求。

5）低成本：?jiǎn)尉с~絲成本只有金絲的1/3-1/10，可節(jié)約鍵合封裝材料成本90%；比重是金絲的1/2，1噸單晶銅絲可替代2噸金絲； 當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)的一些顯著變化直接影響到了IC互連技術(shù)，其中成本因素也是推動(dòng)互連技術(shù)發(fā)展的主要因素。目前金絲鍵合長(zhǎng)度超過5mm，引線數(shù)達(dá)到400以上，其封裝成本超過0.2美元。而采用單晶銅絲鍵合不但能降低器件制造成本，提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于1密耳焊線，成本最高可降低75%，2密耳可達(dá)90%。單晶銅和金的封裝成本比較

單晶銅鍵合引線

6）單晶銅鍵合絲可以再氮?dú)鈿夥障骆I合封裝，生產(chǎn)更安全，更可靠。單晶銅鍵合絲這種線性新型材料所展現(xiàn)出比金絲更優(yōu)異的特性，而引起了國(guó)內(nèi)外眾多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的熱切關(guān)注，隨著中國(guó)集成電路和分立器件產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)微電子封裝業(yè)需求應(yīng)用正在爆發(fā)式的喚醒，中國(guó)目前主要封裝企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到這一新技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Γ呀?jīng)開始使用單晶銅鍵合絲，但產(chǎn)品大部分都是國(guó)外進(jìn)口，進(jìn)口價(jià)格昂貴。