铜键合丝文献综述.docx

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、瑞士等少数几个国家能开发出铜键合丝产品，而我国对铜键合丝研究尚处在实验研究阶段。[2]
在目前的集成电路封装中，键合金丝占据着绝大部分，键合铝丝也只占了很少一部分。据一份2005年的统计显示[3]，铝线键合封装只占总封装的5%，而铜线键合封装才占不到1%的份额。尽管铜线封装占据着很少的市场份额，但是由于其低廉的封装成本和优良的封装特性，现在对其的研究不断增加，并取得一系列重要进展，有望在将来称为市场的主流键合用丝。
2铜键合丝
2.1铜键合丝的优势
铜键合丝的成本
引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3——1/10。
铜键合丝的力学性能
键合丝的力学性能，即丝的破断力和伸长率对引线键合的质量起关键作用，具有较高破断力和较好伸长率的丝更利于键合。高的破断力能使丝抵抗一定的机械应力，好的伸长率使键合丝在打线键合时的成弧性好，一致性好，无塌丝现象，从而提高半导体器件的可靠性。由表2可以看出，铜丝与同规格的金丝(99.99%)相比有优良的力学性能[4]，它具有高的伸长率和破断力，这样在模压和封闭过程中可以得到优异的球颈强度和较高的弧线稳定性。并且在满足相同焊接强度的情况下，可采用更小直径的铜丝来代替金丝，从而使引线键合的间距可以做得更小。此外，铜的杨氏模量比金大40%，这就使得其能更好的控制引线长度，减少下垂和变形。对于铜键合丝，丝材长度可超过200Mil(1Mil=0.0254mm)而直线度总偏差不足1.5Mil，在长间距键合时比金丝更容易控制[5]。

表2键合铜丝与金丝的力学性质比较。
铜键合丝的电学性能
封装材料的电学性能直接决定了芯片的性能指标，随着芯片频率不断提高，对封装中的导体材料的电性能提出了更高的要求。铜的电导率比金高出近40%，比铝高出近2倍。在承受相同电流时，铜丝截面积比金丝小，这样在微间距封装中就可以采用更细的焊线，其微间距应用性能优异(焊垫尺寸较小)，提高了功率调节器件的电流容量和性能。此外，铜丝的寄生电容比金丝小，由寄生电容引起的信号串扰也越小，信号在铜丝上传输的速度比在金丝上