键合铜丝的研究及应用现状

周岩刘劲松王松伟彭庶瑶彭晓飞

(沈阳理工大学中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心江西蓝微电子科技有限公司)

摘要：

目前，键合铜丝因其价格低廉、具有优良的材料性能等特点正逐渐替代键合金丝广泛应用于电子封装领域。本文对当前市场上应用的金丝、铜丝、银丝及铝丝性能特点进行了分析对比，探讨了以键合铜丝替代传统键合丝材料的优势；简要介绍了铜丝材制备和键合过程的研究进展，并对键合铜丝的封装失效形式进行了简要分析；综述了微合金化对键合铜丝服役性能的影响规律及机理；最后从市场需求及理论研究方面分析了键合铜丝市场的发展趋势。

键合丝是集成电路封装的基本材料之一。常用的键合丝材料包括金丝、银丝、铜丝及铝丝。一直以来，键合金丝因其出色的力学性能和加工性能占据着电子封装市场。然而，随着电子产品向高密度化、高速度化和小型化发展，芯片引脚数越来越多，布线间距越来越小，封装厚度越来越薄，封装体在基板上所占的面积越来越小，这就要求键合丝材料朝着低介电常数、高导热、低成本的方向发展[1]。近几年，键合铜丝以其低廉的成本及较好的综合性能已经开始占领电子封装行业的中低端市场，主要用于二极管、三极管、集成电路、大规模集成电路等各种半导体器件中作为内引线[2]。在无引脚封装、小间距焊盘等高端产品领域，键合铜丝也表现出良好的使用潜力。因此，国内外越来越多的科研人员投入到键合铜丝的研究中。本文根据相关专利及文献，对键合铜丝的性能特点、服役情况及其微合金化改性研究进展等方面进行了综述。

1键合铜丝的性能特点

键合丝作为芯片与框架之间的引线，是半导体封装的核心材料，起着实现芯片与外界电流、信号交互的重要作用。键合丝具有繁多的产品门类、复杂多变的应用场景以及较高的质量要求，使得其生产制造有一定的技术壁垒和工艺难度。

1.1键合丝性能要求

键合丝的材质和线径不仅决定着键合过程的形弧情况，而且对后续封装厚度及器件的服役时间都有着十分重要的影响。因此，对于丝材的抗氧化性、导电、导热性、可焊接性、可靠性都有着十分严格的要求。此外，还需考虑键合丝线径的一致性及其放线性能是否顺畅、丝材表面的光洁度以及丝线在温度变化时的稳定性等。理想的键合丝材料应具备以下特点：能够保证芯片与引线框架之间形成良好的键合；键合过程所需较小的键合温度、键合力；化学性质相对稳定，尽量减少金属间化合物的生成；可塑性好等。

传统的键合丝材料有Au、Ag、Al、Cu。4种常见键合丝材的物理性质如表1所示。Al丝在键合过程中，可与芯片铝膜电极形成Al-Al系统，因此不存在金属间化合物对焊接性能造成影响，但其拉伸强度及耐热性差，易导致塌丝问题且在键合过程中成球性差，不易焊接等缺点使其应用空间大大受限。Ag丝有着优异的导电导热性能，并且在键合过程中不需要保护气体，可Ag具有极高的电敏感性，在高密度键合的过程中易出现塌丝以及Ag+迁移现象，此外Ag的延展性差，高温下易氧化，不易加工成符合规格的键合丝。Au丝具有极佳的机械性能、良好的焊接接合性能、稳定的化学性能以及耐腐蚀性，但Au丝在键合过程中易形成紫斑(AuAl2)和白斑(Au2Al),导致界面处形成柯肯德尔空洞以及裂纹，从而影响焊接强度。值得注意的是，Au丝的价格成本大约是Cu丝的70倍左右，而Cu丝具有比Au丝更优异的导电和导热性能，抗拉强度也更优于Au丝和Al丝，Cu丝也具有相当好的焊接性能。采用Cu作为引线框架材料时，也不会形成金属间化合物，因而Cu丝也是目前替代传统键合丝材料的最佳选择[3-5]。

1.2键合铜丝性能优势

除了以更加低廉的价格优势大幅降低了器件的制造成本，吸引更多厂商及研究人员的