单晶铜的性能分析

单晶铜的性能分析

在超大规模集成电路（VLSI）和甚大规模集成电路（ULSI）的芯片与外部引线的连接方法中，过去、现在和将来引线键合仍是芯片连接的主要技术手段。集成电路引线键合也是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，最通用、最简单而有效的一种方式，所以键合引线已成为电子封装业四大重要结构材料之一。引线键合封装的方式如图所示：

键合引线的中心作用是将一个封装器件或两个部分焊接好并导电。因此，焊接的部分尤其是焊接点的电阻是此工艺的关键环节。在元素周期表中过渡组金属元素中银、铜、金和铝四种金属元素具有较高的导电性能。此外，封装设计中键合引线在焊接所需要的间隙主要取决于丝的直径，对键合引线的单位体积导电率有很高的要求，所以可能的选择被局限在集中金属元素中。另外，所选择金属必须具有足够的延伸率，以便于能够被拉伸到0.015~0.050mm；为了避免被破坏晶片，这种金属必须能够在足够低的温度下进行热压焊接和超声焊接；它的化学性能、抗腐蚀性能和冶金特性必须与它所焊接的材料向熔合，不会对集成电路造成严重影响。在集成电路的键合引线中，主要应用的键合引线有键合金丝、硅铝丝、单晶铜键合丝等。

键合金丝

金丝作为应用最广泛的键合引线来说，在引线键合中存在以下几个方面的问题：

1）在硅片铝金属化层上采用金丝键合，Au-AI金属学系统易产生有害的金属间化合物，这些金属间化合物晶格常数不同，机械性能和热性能也不同，反应会产生物质迁移，从而在交接层形成可见的柯肯德尔空洞（Kirkendall Void），使键合处产生空腔，电阻急剧增大，破坏了集成电路的欧姆联结，致使导电性严重下降，或易产生裂缝，引起器件焊点脱开而失效。2）金丝的耐热性差，金的再结晶温度较低（150℃），导致高温强度较低，球焊时，焊球附近的金丝由于受热而形成再结晶组织，若金丝过硬会造成球颈部折曲，焊球加热时，金丝晶粒粗大化会造成球颈部断裂；另外，金丝还易造成塌丝现象和拖尾现象，严重影响了键合质量。

3）金丝的价格不断攀升，特别昂贵，导致封装成本过高，企业过重承受。

硅铝丝

硅铝丝作为一种低成本的键合引线受到人们的广泛重视，国内外很多科研单位都在通过改变生产工艺来生产各种替代金丝的硅铝丝，但仍存在较多的问题。

1）普通硅铝丝在球焊是加热易氧化，生产一层硬的氧化膜，此膜阻碍球的形成，而球形的稳定性是硅铝丝键合强度的主要特性，实验证明，金丝球焊在空气中焊点圆度高，硅铝丝球焊由于表面氧化的影响，空气中焊点圆度低。

2）硅铝丝的拉伸强度和耐热性不如金丝，容易发生引线下垂和塌丝。

3）同轴硅铝丝的性能不稳定，特别是延伸率波动大，同批次产品性能相差大，且产品的成材率低，表面清洁度差，并较易在键合处经常产生疲劳断裂。

单晶铜键

单晶铜键合丝（目前逐步推广使用、替代键合金丝，未来“封装焊接之星”）是无氧铜的技术升级换代新材料，代号为“OCC”。单晶铜即单晶体铜材是经过“高温热铸模式连续铸造法”所制造的导体，即将普通铜材围观多晶体结构运用凝固理论，通过热型连续铸造技术改变其晶体结构获得的具有优异的导电性、导热性、机械性能及化学性能稳定的更加优越的一种新型铜材，其整根铜材仅由一个晶粒组成，不存在晶粒之间产生的“晶界”，（“晶界”会对通过的信号产生折射和反射，造成信号失真和衰减），因而具有稳定的导电性、导热性、极好的高保真信号传输性及超常的物理机械加工性能，因此损耗量极低，堪称是机电工业、微电子集成电路封装业相当完美的极具应用价值的重要材料。其物理性能接近白银。

单晶铜丝用于键合引线的优势主要表现在以下几个方面：

⑴其特性：

1）单晶粒：相对目前的普通铜材（多晶粒），而单晶铜丝只有一个晶粒，内部无晶界。而单晶铜杆有致密的定向凝固组织，消除了横向晶界，很少有缩孔、气孔等铸造缺陷；且结晶方向拉丝方向相同，能承受更大的塑性变形能力。此外，单晶铜丝没有阻碍位错滑移的晶界，变形、冷作、硬化回复快，所以是拉制键合引线（¢0.03-0.016mm）的理想材料。

2）高纯度：目前，在中国的单晶铜丝（原材料）可以做到99.999%（5N）或99.9999%（6N）的纯度；

3）机械性能好：与同纯度的金丝相比具有良好的拉伸、剪切强度和延展性。单晶铜丝因其优异的机械电气性能和加工性能，可满足封装新技术工艺，将其加工至¢0.03-0.015mm的单晶铜超细丝代替金丝，从而使引线键合的间距更小、更稳定。4）导电性、导热性好：单晶铜丝的导电率、导热率比金丝提高20%，因此在和金丝径相同的条件下可以承载更大的电流，键合金丝直径小于0.018mm时，其阻抗或电阻特性很难满足封装要求。

5）低成本：单晶铜丝成本只有金丝的1/3-1/10，可节约键合封装材料成本90%；比重是金丝的1/2，1吨单晶铜丝可替代2吨金丝； 当今半导体行业的一些显著变化直接影响到了IC互连技术，其中成本因素也是推动互连技术发展的主要因素。目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，其封装成本超过0.2美元。而采用单晶铜丝键合不但能降低器件制造成本，提高竞争优势。对于1密耳焊线，成本最高可降低75%，2密耳可达90%。单晶铜和金的封装成本比较

单晶铜键合引线

6）单晶铜键合丝可以再氮气气氛下键合封装，生产更安全，更可靠。单晶铜键合丝这种线性新型材料所展现出比金丝更优异的特性，而引起了国内外众多产业领域的热切关注，随着中国集成电路和分立器件产业的快速发展，中国微电子封装业需求应用正在爆发式的唤醒，中国目前主要封装企业已经意识到这一新技术的发展潜力，已经开始使用单晶铜键合丝，但产品大部分都是国外进口，进口价格昂贵。