共讀好書(shū)

周巖 劉勁松 王松偉 彭庶瑤 彭曉飛

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心江西藍(lán)微電子科技有限公司)

摘要：

目前，鍵合銅絲因其價(jià)格低廉、具有優(yōu)良的材料性能等特點(diǎn)正逐漸替代鍵合金絲廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域。本文對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)用的金絲、銅絲、銀絲及鋁絲性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比，探討了以鍵合銅絲替代傳統(tǒng)鍵合絲材料的優(yōu)勢(shì)；簡(jiǎn)要介紹了銅絲材制備和鍵合過(guò)程的研究進(jìn)展，并對(duì)鍵合銅絲的封裝失效形式進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析；綜述了微合金化對(duì)鍵合銅絲服役性能的影響規(guī)律及機(jī)理；最后從市場(chǎng)需求及理論研究方面分析了鍵合銅絲市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

鍵合絲是集成電路封裝的基本材料之一。常用的鍵合絲材料包括金絲、銀絲、銅絲及鋁絲。 一直以來(lái)，鍵合金絲因其出色的力學(xué)性能和加工性能占據(jù)著電子封裝市場(chǎng)。 然而，隨著電子產(chǎn)品向高密度化、高速度化和小型化發(fā)展，芯片引腳數(shù)越來(lái)越多，布線間距越來(lái)越小，封裝厚度越來(lái)越薄，封裝體在基板上所占的面積越來(lái)越小，這就要求鍵合絲材料朝著低介電常數(shù)、高導(dǎo)熱、低成本的方向發(fā)展 [1] 。 近幾年，鍵合銅絲以其低廉的成本及較好的綜合性能已經(jīng)開(kāi)始占領(lǐng)電子封裝行業(yè)的中低端市場(chǎng)，主要用于二極管、三極管、集成電路、大規(guī)模集成電路等各種半導(dǎo)體器件中作為內(nèi)引線 [2] 。 在無(wú)引腳封裝、小間距焊盤(pán)等高端產(chǎn)品領(lǐng)域， 鍵合銅絲也表現(xiàn)出良好的使用潛力。因此，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科研人員投入到鍵合銅絲的研究中。本文根據(jù)相關(guān)專(zhuān)利及文獻(xiàn)，對(duì)鍵合銅絲的性能特點(diǎn)、服役情況及其微合金化改性研究進(jìn)展等方面進(jìn)行了綜述。

1 鍵合銅絲的性能特點(diǎn)

鍵合絲作為芯片與框架之間的引線，是半導(dǎo)體封裝的核心材料，起著實(shí)現(xiàn)芯片與外界電流、信號(hào)交互的重要作用。鍵合絲具有繁多的產(chǎn)品門(mén)類(lèi)、復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景以及較高的質(zhì)量要求，使得其生產(chǎn)制造有一定的技術(shù)壁壘和工藝難度。

1.1 鍵合絲性能要求

鍵合絲的材質(zhì)和線徑不僅決定著鍵合過(guò)程的形弧情況，而且對(duì)后續(xù)封裝厚度及器件的服役時(shí)間都有著十分重要的影響。因此，對(duì)于絲材的抗氧化性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、可焊接性、可靠性都有著十分嚴(yán)格的要求。此外，還需考慮鍵合絲線徑的一致性及其放線性能是否順暢、絲材表面的光潔度以及絲線在溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性等。理想的鍵合絲材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：能夠保證芯片與引線框架之間形成良好的鍵合；鍵合過(guò)程所需較小的鍵合溫度、鍵合力；化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，盡量減少金屬間化合物的生成；可塑性好等。

傳統(tǒng)的鍵合絲材料有 Au 、 Ag 、 Al 、 Cu 。 4 種常見(jiàn)鍵合絲材的物理性質(zhì)如表 1 所示。 Al 絲在鍵合過(guò)程中，可與芯片鋁膜電極形成 Al-Al 系統(tǒng)，因此不存在金屬間化合物對(duì)焊接性能造成影響，但其拉伸強(qiáng)度及耐熱性差，易導(dǎo)致塌絲問(wèn)題且在鍵合過(guò)程中成球性差，不易焊接等缺點(diǎn)使其應(yīng)用空間大大受限。 Ag絲有著優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，并且在鍵合過(guò)程中不需要保護(hù)氣體，可 Ag 具有極高的電敏感性，在高密度鍵合的過(guò)程中易出現(xiàn)塌絲以及 Ag + 遷移現(xiàn)象，此外 Ag 的延展性差，高溫下易氧化，不易加工成符合規(guī)格的鍵合絲。 Au 絲具有極佳的機(jī)械性能、良好的焊接接合性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能以及耐腐蝕性，但 Au絲在鍵合過(guò)程中易形成紫斑 (AuAl 2 ) 和白斑 (Au 2 Al),導(dǎo)致界面處形成柯肯德?tīng)柨斩匆约傲鸭y，從而影響焊接強(qiáng)度。值得注意的是， Au 絲的價(jià)格成本大約是Cu 絲的 70 倍左右，而 Cu 絲具有比 Au 絲更優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，抗拉強(qiáng)度也更優(yōu)于 Au 絲和 Al絲， Cu 絲也具有相當(dāng)好的焊接性能。采用 Cu 作為引線框架材料時(shí)，也不會(huì)形成金屬間化合物，因而Cu 絲也是目前替代傳統(tǒng)鍵合絲材料的最佳選擇 [3-5] 。

1.2 鍵合銅絲性能優(yōu)勢(shì)

除了以更加低廉的價(jià)格優(yōu)勢(shì)大幅降低了器件的制造成本，吸引更多廠商及研究人員的關(guān)注外，鍵合銅絲本身也具有非常優(yōu)良的材料性能，使其近年來(lái)能夠在電子封裝等領(lǐng)域具有非常高的市場(chǎng)占有率。鍵合銅絲的性能優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 較高的伸長(zhǎng)率和破斷力鍵合銅絲優(yōu)良的力學(xué)性能， 主要體現(xiàn)在其具有較高的伸長(zhǎng)率和破斷力，二者對(duì)引線鍵合的質(zhì)量起著十分重要的作用。高破斷力代表銅絲能夠抵抗更高的應(yīng)力，而較高的延伸率能使銅絲在鍵合過(guò)程中具有更好的成弧形，避免塌絲現(xiàn)象，進(jìn)而提高器件的可靠性 [6] 。 此外，在滿足相同焊接強(qiáng)度的情況下， 可采用直徑更細(xì)的銅絲代替金絲，使引線鍵合的間距更小，進(jìn)而滿足對(duì)集成度要求更高的器件的生產(chǎn)。

(2) 較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱率曹軍 [7] 研究表明，銅鍵合絲具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，用銅線替代金線和鋁線可縮小焊接間距，提高芯片頻率和可靠性。銅的電導(dǎo)率大約是金的 1.33 倍， 在承受相同的電流時(shí)，銅絲采用更細(xì)的絲線便可達(dá)到要求。對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)，散熱能力是非常重要的指標(biāo)。 銅的導(dǎo)熱率也比金高出 20% 左右，減小焊絲直徑更有利于銅絲散熱。 而且銅絲具有比金絲更高的熱膨脹系數(shù)，其焊點(diǎn)應(yīng)力自然也較低，降低了后期焊點(diǎn)頸部斷裂的可能性，提高了器件的可靠性。此外，直徑更加細(xì)小的絲線可以在微間距封裝中提高功率調(diào)節(jié)器件的電流容量和性能，還能降低由于寄生電容引起的信號(hào)串?dāng)_，提高傳輸速度。因此，銅鍵合絲更適合用于高端、引線數(shù)量更大、焊接尺寸更小的元器件封裝 [8] 。

(3) 較慢的金屬間化合物生長(zhǎng)速度在鍵合過(guò)程中， 影響焊接成型以及焊接可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素是焊絲與金屬化層之間的金屬間化合物 (inter-metallic compound, IMC) 的增長(zhǎng)速率，一定含量的金屬間化合物可以增加鍵合時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度，但 IMC 生長(zhǎng)速度較快時(shí)，易形成肯德?tīng)柨斩匆约傲鸭y，嚴(yán)重影響器件的可靠性。鍵合時(shí)，焊絲與金屬化層的擴(kuò)散速率越低，使得接觸電阻越低，金屬間化合物的增長(zhǎng)速度就越低，產(chǎn)生的熱量就少，從而提升鍵合強(qiáng)度，并最終提高焊接可靠性 [9] 。

銅絲與金絲焊點(diǎn)相比，銅絲焊點(diǎn)中的金屬間化合物生長(zhǎng)速度顯著減小。使得產(chǎn)熱減少，更進(jìn)一步提高了器件的可靠性。瑞典 Ainouz 等 [10] 研究了銅線作為互連材料在半導(dǎo)體封裝中的性能。研究表明，銅在鍵合過(guò)程的匹配性及可靠性要更優(yōu)于金絲和鋁絲。

2 鍵合銅絲的研究現(xiàn)狀

2.1 銅絲制備過(guò)程的研究進(jìn)展

傳統(tǒng)鍵合絲在生產(chǎn)過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)拉鑄、拉拔以及退火等工藝，通過(guò)拉鑄將金屬熔成棒材，再經(jīng)過(guò)多道次的拉拔將其拉成絲狀，拉拔后進(jìn)行退火，以消除鍵合絲的內(nèi)應(yīng)力，避免絲材發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等情況， 也可進(jìn)一步對(duì)絲材的機(jī)械性能進(jìn)行調(diào)整，最后根據(jù)產(chǎn)品要求，進(jìn)行繞線以及產(chǎn)品檢驗(yàn)。 目前，在拉制鍵合銅絲時(shí)，對(duì)銅絲的斷線率、表面質(zhì)量都有著十分嚴(yán)格的要求。 在鍵合銅絲的制備過(guò)程中經(jīng)多道次的拉拔易發(fā)生斷線情況，致使單盤(pán)產(chǎn)品無(wú)法滿足要求，造成浪費(fèi)。拉拔后銅絲的表面質(zhì)量若不達(dá)標(biāo)， 會(huì)使銅絲在后續(xù)的鍵合過(guò)程中成球性差，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度嚴(yán)重降低。

由于銅鍵合絲的線徑較細(xì)，在拉拔過(guò)程中對(duì)坯料中的雜質(zhì)含量比較敏感，坯料內(nèi)部的雜質(zhì)微粒及缺陷會(huì)造成絲線組織性能的不均勻，嚴(yán)重時(shí)便發(fā)生斷裂。胡立杰 [11] 提出，為防止在拉拔細(xì)絲過(guò)程中晶界出現(xiàn)斷裂從而影響銅材的傳導(dǎo)性能，可采用真空熔煉氬氣保護(hù)熱型連鑄設(shè)備制備的單晶桿銅，因其具有致密的定向凝固組織，解決了氣孔、橫向晶界等缺陷，此外其結(jié)晶方向和拉拔方向相同，可以承受更大的塑性變形。曹軍等 [12] 針對(duì)單晶桿銅拉制鍵合銅絲的成分及斷口形貌進(jìn)行了分析， 發(fā)現(xiàn)拉拔時(shí)，控制力不均會(huì)引起線材的局部應(yīng)力變化，從而造成斷線。在拉制過(guò)程中保持控制力穩(wěn)定、避免對(duì)絲材表面造成損傷，并在成品拉絲前進(jìn)行去應(yīng)力退火能夠大大降低斷線率。

2.2 銅絲鍵合過(guò)程的研究進(jìn)展

目前，絕大多數(shù)銅絲的鍵合方式均采用引線鍵合。引線鍵合技術(shù)的關(guān)鍵就是通過(guò)金屬絲借助熱、壓力、超聲波使芯片上的引線與底座外引線連接起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)芯片與基板間信息交互，鍵合后效果圖如圖 1 所示。 由于引線鍵合具有低成本、可靠性高、產(chǎn)量高、適用多種封裝形式等優(yōu)點(diǎn)而占據(jù)了目前封裝管腳行業(yè)約 90% 的市場(chǎng)份額 [13] 。

按照鍵合條件及工藝的不同，引線鍵合技術(shù)又可分為熱壓鍵合、超聲鍵合和熱超聲鍵合 [14] ， 3 種鍵合方式性能對(duì)比如表 2 所示。 熱壓鍵合是利用微電弧使引線端頭在高溫下發(fā)生形變， 一般使其熔成球狀，再通過(guò)調(diào)控時(shí)間及壓力來(lái)完成鍵合過(guò)程 [15] 。 其鍵合強(qiáng)度較高且工藝簡(jiǎn)單， 即便鍵合失敗也能在同一位置再次鍵合。超聲鍵合利用超聲能量在常溫下使鍵合絲發(fā)生塑性變形， 并破壞引線與焊件之間的氧化薄膜，進(jìn)而完成鍵合，使用時(shí)的超聲頻率通常不超過(guò) 60kHz 。 超聲鍵合技術(shù)主要適用于鋁絲的鍵合，因鍵合過(guò)程不會(huì)形成化合物影響焊接強(qiáng)度且對(duì)被焊件表面潔凈度要求不高而被推崇。 熱壓超聲鍵合即將熱壓鍵合與超聲鍵合兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)， 在超聲鍵合機(jī)中通過(guò)加熱器輔助加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)引線的高質(zhì)量焊接 [16] 。 其鍵合溫度及壓力均不高，利于提高器件的可靠性，是目前較為理想也是應(yīng)用最為廣泛的鍵合技術(shù)。

引線鍵合按鍵合工具種類(lèi)不同，分為球鍵合及楔鍵合兩種基本形式 [17] 。 兩種鍵合方式都需先在芯片表面形成第一焊點(diǎn)，然后形弧，最后在基板上形成第二焊點(diǎn) [18] 。 不同的是球鍵合是指將引線一端熔成球狀然后使其焊接在芯片電極上的一種焊接方式，鍵合點(diǎn)無(wú)方向性。而楔鍵合則是借助熱、壓和超聲能量直接將引線焊在基板上，并且楔鍵合的兩個(gè)鍵合點(diǎn)具有嚴(yán)格的方向性， 球鍵合與楔鍵合的鍵合點(diǎn)如圖 2 所示。 與楔鍵合相比，球鍵合具有操作便捷、焊接速度快、焊點(diǎn)牢固且無(wú)方向性等特點(diǎn)，也因此被用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化焊接。

針對(duì)銅絲通常采用熱壓超聲工藝進(jìn)行球鍵合。但在燒球過(guò)程中，常發(fā)現(xiàn)球表面不夠光滑， 成球性差。這是由于銅線在高溫下熔成球狀時(shí)， 發(fā)生了氧化，進(jìn)而影響銅球質(zhì)量。 趙健經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在鍵合過(guò)程中通入用 95%( 體積分?jǐn)?shù) ) 的氮?dú)夂?5%( 體積分?jǐn)?shù) )的氫氣混合氣體可有效解決此類(lèi)問(wèn)題 [20] 。 少量氫氣的加入還能將純銅線在儲(chǔ)存過(guò)程中表面生成的氧化薄膜也還原成銅。 余齋等 [21] 將前沿的微動(dòng)學(xué)理論加以改進(jìn)，并融入到探索熱壓超聲球引線鍵合的機(jī)理中，提出了二類(lèi)鍵合圖，鍵合時(shí)通過(guò)反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)的變化情況，并加以調(diào)整和改進(jìn)，從而保證實(shí)現(xiàn)更高效、可靠的鍵合。

3 鍵合銅絲的失效形式及原因

盡管鍵合銅絲憑借著良好的綜合性能，市場(chǎng)占有率逐年提升，但因其硬度較大、易氧化等特性造成的封裝失效仍是當(dāng)前階段急需解決的問(wèn)題。在實(shí)際電子封裝過(guò)程中，銅絲球鍵合點(diǎn)的失效模式大致分為粘接失效、界面失效及球內(nèi)斷裂三種 [22] 。在不同的溫度條件下，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，由于焊盤(pán)上鋁和銅殘余量的不同，使銅球內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及 IMC 的成分含量發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致鍵合絲失效。而在實(shí)際生產(chǎn)和使用過(guò)程中， 鍵合絲的失效形式更為復(fù)雜，在眾多不確定的環(huán)境因素下，鍵合銅絲的失效原因更應(yīng)引起研究人員的注意，以便早日制定出更加科學(xué)合理的防護(hù)措施。

3.1 封裝缺陷

封裝缺陷是指在后續(xù)封裝的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的缺陷，包括外鍵合點(diǎn)頸部裂紋、鍵合絲短路等。 ATi公司采用芯片陣列球柵陣列 (chip array ball grid ar-ray, CABGA) 封裝形式生產(chǎn)的處理器，在使用一段時(shí)間后發(fā)生失效，機(jī)械開(kāi)封后發(fā)現(xiàn)塑封與引線框架之間并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的分層，但其鍵合點(diǎn)頸部產(chǎn)生了局部裂紋甚至貫穿性裂紋，如圖 3 所示。 裂紋的產(chǎn)生可能與鍵合工藝有關(guān)，此類(lèi)失效有可能在測(cè)試階段就排查到， 之后需對(duì)同批次產(chǎn)品依次進(jìn)行測(cè)試，避免在后續(xù)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生大規(guī)模失效。

鍵合絲短路可能是鍵合絲與接地引腳之間發(fā)生短路，或者相鄰鍵合絲由于間距過(guò)小、走向安排不合理、線弧高度設(shè)置錯(cuò)誤等問(wèn)題造成的短路。Atheros公司采用 CABGA 進(jìn)行封裝的手機(jī)處理器，由于線弧高度設(shè)置錯(cuò)誤， 造成封裝引腳之間短路，如圖 4 所示。 此外，由于鍵合絲強(qiáng)度過(guò)低，封裝后形成塌絲并與其他導(dǎo)體相互接觸也易造成短路現(xiàn)象。鍵合絲塌絲可能觸及電容端頭， 也可能觸及芯片邊緣造成失效 [23] 。 但無(wú)論何種原因造成的短路現(xiàn)象，都需及時(shí)優(yōu)化鍵合參數(shù)，防止器件長(zhǎng)期應(yīng)用時(shí)，產(chǎn)生漏電、退化并突發(fā)失效。

3.2 鍵合點(diǎn)出現(xiàn)鍵合彈坑

彈坑是由于焊球在壓到芯片焊區(qū)表面時(shí)，接觸力、 鍵合力和鍵合功率設(shè)置匹配不當(dāng)導(dǎo)致焊區(qū)的硅層受到損傷。鍵合銅絲硬度越大，越容易導(dǎo)致彈坑的出現(xiàn)。國(guó)產(chǎn) SOT23-6 封裝的脈沖寬度調(diào)制控制芯片在焊接完成后發(fā)現(xiàn)功能失效，通過(guò)化學(xué)開(kāi)封，發(fā)現(xiàn)彈坑呈現(xiàn)環(huán)狀，說(shuō)明損傷較為嚴(yán)重，如圖 5 所示，通過(guò)掃描電鏡會(huì)非常清晰地觀察到硅缺失的痕跡，也說(shuō)明鍵合過(guò)程中的鍵合力較大 [24] 。 通常情況下，彈坑損傷較小，呈月牙形。在鍵合過(guò)程中，對(duì)于不同類(lèi)型的芯片需進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓に囌{(diào)整，若調(diào)整不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致鍵合過(guò)程中焊盤(pán)局部界面擠壓現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)生批次性的鍵合彈坑現(xiàn)象。 這會(huì)大大降低鍵合強(qiáng)度及介質(zhì)絕緣性，表現(xiàn)為漏電異常，漏電會(huì)隨著后續(xù)通電使用時(shí)間的增長(zhǎng)不斷加大，進(jìn)而導(dǎo)致反向擊穿電壓過(guò)低，甚至擊穿短路，對(duì)器件使用性能造成嚴(yán)重影響 [25] 。鍵合點(diǎn)的彈坑損傷失效也具有潛伏性，在應(yīng)用時(shí)遇到外加電應(yīng)力或者溫度應(yīng)力會(huì)加速失效。

3.3 鍵合點(diǎn)發(fā)生化學(xué)腐蝕

TI 公司生產(chǎn)的超薄縮小型封裝微處理器在使用幾個(gè)月后失效，激光開(kāi)封后可見(jiàn)氯腐蝕銅絲，鍵合點(diǎn)化學(xué)腐蝕 SEM 圖像及腐蝕形貌圖如圖 6 所示 [24] 。由于封裝過(guò)程中，塑封材料中可能會(huì)檢測(cè)到少量的氯元素，盡管氯離子不能直接與銅離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但銅的表面可以形成 Cu 2 O ，發(fā)生電化學(xué)的腐蝕作用，并且能夠和氯離子形成絡(luò)合離子產(chǎn)生進(jìn)一步反應(yīng) [26-27] ，從而降低器件的可靠性。

在銅鋁鍵合的過(guò)程中，銅鋁鍵合的 IMC 主要成分為 CuAl 2 、 CuAl 和 Cu 9 Al 4 [28] 。 銅絲鍵合點(diǎn)腐蝕主要是由于 Cu 9 Al 4 和 CuAl 2 受到 Cl － 侵蝕導(dǎo)致 [29] ，最終導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度下降，可能的一系列反應(yīng)為：

為了能夠預(yù)防此類(lèi)失效形式的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于塑封材料中鹵素含量的控制并提升塑封材料的抗?jié)裥阅?。也可通過(guò)在其表面涂覆三防漆進(jìn)行防護(hù)，除此之外，提升鍵合銅絲的抗氧化性也可進(jìn)一步避免氧化物與鹵素離子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生腐蝕。

3.4 鍵合點(diǎn)發(fā)生電偶腐蝕

電偶腐蝕也被稱(chēng)為原電池腐蝕，是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要一定的時(shí)間積累，具有潛伏性，會(huì)導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度降低最終出現(xiàn)斷裂，鍵合點(diǎn)位置過(guò)熱會(huì)形成塑封料的炭化現(xiàn)象。 銅鋁鍵合界面失效表現(xiàn)為鍵合點(diǎn)沒(méi)有形成彈坑， 沒(méi)有明顯的過(guò)電應(yīng)力和化學(xué)污染，鍵合點(diǎn)呈現(xiàn)過(guò)熱失效。最終引起鋁層氧化，鍵合強(qiáng)度降低。

4 鍵合銅絲微合金化改性研究進(jìn)展

盡管銅絲鍵合時(shí)具有優(yōu)良的力、熱、電學(xué)性能，但鍵合銅絲的發(fā)展也有著巨大的挑戰(zhàn)。由于銅絲鍵合過(guò)程中面臨易氧化等問(wèn)題， 可以向銅絲中添加一些微量元素，延長(zhǎng)其保存時(shí)間的同時(shí)，對(duì)于鍵合絲的其他性能也能得到一定程度的提高。 若要得到性能更加優(yōu)良的鍵合銅絲，便要控制銅絲的硬度，銅絲硬度過(guò)高，容易造成基板斷裂、虛焊等問(wèn)題 [30] 。 可通過(guò)提高銅絲純度使其自身硬度降低， 從而減少鍵合過(guò)程銅對(duì)芯片的損害，但銅絲純度過(guò)高，又會(huì)使得自身強(qiáng)度下降，成型難以控制，形弧高度也不均勻；此外也會(huì)使銅絲再結(jié)晶溫度降低，破斷力、伸長(zhǎng)率也會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而下降 [31] 。 因而合理控制銅絲中添加的微量元素種類(lèi)及其含量對(duì)鍵合過(guò)程有著至關(guān)重要的影響。本文通過(guò)整理現(xiàn)有研究結(jié)果，得到各微量元素的分類(lèi)及其作用機(jī)制如下：

堿金屬元素：堿金屬元素可作為除雜元素加入銅絲中，有利于雜質(zhì)元素形成氧化物、硫化物、硒化物進(jìn)而去除 O 、 S 、 Se 等元素 [32] ；也可作為合金元素，利于提高焊球頸部的斷裂強(qiáng)度，降低細(xì)絲的斷裂幾率。專(zhuān)利文獻(xiàn) CN104278169A 中， 向純銅中加入了 0.008%~1.000%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Li ， 0.3%~0.5%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的Ce ，使得銅絲的耐腐蝕性得到顯著增強(qiáng)，同時(shí)使得焊接熱影響區(qū)長(zhǎng)度較一般鍵合銅絲降低了 22% [33] ， Li的加入也使得焊球頸部的強(qiáng)度得到提升，使得斷裂幾率大大降低。

堿土金屬元素：堿土金屬元素為元素周期表第二主族元素。其中 Be 、 Mg 均可作為脫氧劑，但由于 Be的價(jià)格昂貴，因而并不常使用。 Ca 幾乎不固溶于銅，可與雜質(zhì)形成高熔點(diǎn)化合物，能調(diào)節(jié)鍵合絲力學(xué)性能和高溫塑性。專(zhuān)利文獻(xiàn) CN104593635A 中，通過(guò)向銅絲中加入 0.000 5%~0.020 0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Mg 、0.0005%~0.0100%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Sr ，提高球焊過(guò)程的穩(wěn)定性以及銅絲的抗高溫氧化性 [34] 。 專(zhuān)利 CN109390309A 中，向純銅中加入 0.1%~3.0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的Ag 以及 0.02%~0.05%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Ca 和 0.026%~0.050%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Be ，發(fā)現(xiàn) Ca 能有效提升銅合金的焊線作業(yè)性，增強(qiáng)線材與芯片及基板的粘附性能，有助于提升線材的抗硫化能力和抗老化能力，而B(niǎo)e 能提高銅合金線材的再結(jié)晶溫度，提升線材在高溫環(huán)境下的耐疲勞性，有效降低頸部斷裂的幾率。使得生產(chǎn)出的銅合金線具有優(yōu)異的作業(yè)性和可靠性，且成本較低 [35] 。

過(guò)渡元素：微量的 Fe 可以細(xì)化晶粒，提高銅絲的塑性加工性能；微量的 Zn 可以抑制銅的氧化； Zr 可以提高銅絲的再結(jié)晶溫度，經(jīng)常和其他元素混合添加；而 Ti 可以增強(qiáng)銅線的鍵合穩(wěn)定性。專(zhuān)利 62-130249中在 4 N 純銅中加入 5～200 μg/g 的 Ti ， 大大提高了銅線的鍵合效率 [36] 。 專(zhuān)利 CN106992164A 中發(fā)表了一種微電子封裝用銅合金單晶鍵合絲，該 Cu 絲中各成分的重量百分比如下， Ag 為 0.01%~0.02%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 、 Sc 為 0.01%~0.02%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 、 Fe 為0.001%~0.015%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 、 Ti 為 0.001%~0.02%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) ，余量為 Cu [37] 。 研究發(fā)現(xiàn)， Sc 能影響銅合金的組織和性能，在保持合金塑性的同時(shí)，能夠大幅提高合金強(qiáng)度，具有凈化和改善組織的作用，而 Ti的加入會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的變質(zhì)作用和抑制再結(jié)晶能力，也可與 Cu 形成固溶體，不會(huì)生成 IMC 相，提高器件的可靠性。專(zhuān)利 CN111004982A 中向銅鈀合金中加入了一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 Ti 、 Co 元素，通過(guò)研磨、壓制形成中間體后，進(jìn)行淬火，反復(fù)捶打后得到銅鈀合金復(fù)合材料，解決了其在使用過(guò)程中易發(fā)生斷裂的問(wèn)題，提高了用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的使用體驗(yàn) [38] 。

稀土元素：稀土元素具有很高的電負(fù)性以及較大的原子半徑，微量的稀土元素能夠細(xì)化晶粒 [39] ，提高銅絲抗氧化性和可焊性。添加適量稀土元素也有利于降低銅絲硬度， 在添加量為 0.000 2%~0.002 0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 時(shí)，更有利于提高銅絲的可焊性，使器件更可靠。專(zhuān)利 CN105463237A 中以銅為基底材料，將0.1%~5%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Ag 作為主合金，合金中加入含量≤0.001 5%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的稀土元素，使得絲材在具有高強(qiáng)度、良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的同時(shí)，降低了自身硬度，并提高了抗氧化性 [40] 。專(zhuān)利 CN1100718526A 中以銅為基底材料，加入 0.005 1%~0.100 0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的稀土元素及 0.000 1%~0.080 0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Pd ，所述 稀 土 元 素 為 La 、 Ce 、 Pr 、 Nd 、 Pm 、 Sm 、 Eu 、 Gd 、 Td 、Dy 、 Ho 、 Y 中的一種或多種的組合 [41] 。 由于鈀元素的添加，使得銅絲的抗氧化性得到增強(qiáng)，硬度降低。 適量的稀土元素與銅中的微量雜質(zhì)鉛等形成高熔點(diǎn)化合物，呈細(xì)小彌散的質(zhì)點(diǎn)在晶粒內(nèi)部均勻分布，細(xì)化晶粒的同時(shí)，進(jìn)一步改善了銅的力學(xué)加工性能，從而滿足窄間距、低長(zhǎng)弧、高強(qiáng)度的鍵合要求。綜上，對(duì)添加微量元素種類(lèi)及其作用進(jìn)行整理，如表 3 所示。

通過(guò)采用微合金化改性的手段，鍵合銅絲的硬度及抗氧化性也得到了改善，具體案例如下：為了降低銅絲的硬度，專(zhuān)利 CN104752385B 公開(kāi)了一種 IC 封裝用超軟鍵合銅合金絲的制備方法，在純度為 4N以上的銅絲中加入 0.000 01%~0.000 2%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) )的 W ， 0.000 1%~0.001 0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 S ， 0.000 4%~0.020 0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 P 以及 0.000 8%~0.020 0%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Ag ，多次拉絲后再退火處理，最終得到的鍵合銅絲硬度低至 67 HV ，使得銅絲硬度大幅降低，解決了由于銅絲硬度過(guò)大易對(duì)芯片及基板造成損壞的問(wèn)題，大大提高了器件的可靠性 [42] 。 專(zhuān)利CN105161476B 中采用純度為 4 N 以上且主體氧含量≤0.000 5%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Cu ， 晶粒平均直徑為1.6~1.8 μm ，通過(guò)真空熔煉和定向連續(xù)拉拔工藝獲得線材后再拉成絲狀，其間進(jìn)行兩次退火處理，最終得到硬度極低、球焊時(shí)變形球圓度高的適用于細(xì)間距封裝的鍵合銅絲 [43] 。

為解決銅絲易氧化的問(wèn)題，除了在銅絲表層鍍覆金屬，向銅中添加微量元素同樣可以提高絲材抗氧化性。專(zhuān)利 CN109402445B 中向純銅中加入 0.000 6%~0.0015%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Al ， 0.000 9%~0.001 5%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 Si, 0.000 3%~0.000 8%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的 P ，預(yù)制合金后，拉鑄，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下連續(xù)退火，使得銅的再結(jié)晶溫度、力學(xué)性能得到增強(qiáng)的同時(shí)，其抗氧化能力也大幅提升 [44] 。

在微電子封裝領(lǐng)域，由于現(xiàn)代封裝對(duì)于長(zhǎng)距離、窄間距的鍵合要求，專(zhuān)利 CN107904434B 以高純銅、錫及微量金屬元素為原材料，采用定向凝固連鑄技術(shù)制成棒材后，在氫氣氣氛下退火處理，通過(guò)多道次的拉拔最終得到直徑為 0.010～0.018 mm 的超細(xì)絲 [45] 。 制備出的銅絲不僅有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，強(qiáng)度也大大提高，加工態(tài)伸長(zhǎng)率 ≥2.0% ，且在拉拔過(guò)程中不易斷線，單根細(xì)絲最大長(zhǎng)度超三萬(wàn)米，解決了超細(xì)超長(zhǎng)銅絲的技術(shù)生產(chǎn)難題，有利于產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施和應(yīng)用。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出了多家鍵合絲生產(chǎn)廠商，并通過(guò)多年的投入及研發(fā)，打破了國(guó)外企業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)的壟斷地位， 未來(lái)國(guó)內(nèi)的鍵合銅絲市場(chǎng)也將呈現(xiàn)更加多樣化的產(chǎn)品，競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)愈發(fā)激烈。

5 展望與總結(jié)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明， 2021 年我國(guó)鍵合絲需求量已經(jīng)達(dá)到 238.9 億米， 而其中鍵合銅絲的市場(chǎng)占有量已遠(yuǎn)超過(guò)鍵合金絲。隨著近年來(lái)金價(jià)的持續(xù)上漲，銅絲也一定會(huì)成為鍵合絲市場(chǎng)的主流引線鍵合材料，銅絲鍵合工藝技術(shù)也將成為重點(diǎn)研究方向 [46] 。 為有效克服當(dāng)前鍵合銅絲存在的易氧化、熱穩(wěn)定性差、力學(xué)匹配性差等問(wèn)題， 通過(guò)向銅絲中添加多種微量元素來(lái)改善鍵合銅絲的性能已經(jīng)成為主要趨勢(shì)，由于可添加元素種類(lèi)繁多，各元素的作用較為復(fù)雜，按照傳統(tǒng)方法通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)找出較優(yōu)的方案無(wú)疑需要花費(fèi)大量的時(shí)間和資源。未來(lái)可利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)合金成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 以更低的資源消耗尋求更加合適的元素成分及含量，得到性能更加優(yōu)良的銅絲，提高器件使用的可靠性，滿足高端領(lǐng)域的材料需求 [47] 。

審核編輯 黃宇