铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用
2023年半导体封装用键合铜丝行业市场发展现状
2023年半导体封装用键合铜丝行业市场发展现状半导体封装用键合铜丝是半导体制造行业中必不可少的重要材料之一，用于将芯片与外部封装材料连接。
随着芯片尺寸的不断缩小和集成度的不断提高，键合铜丝的要求也在不断增加，市场前景广阔。
以下是该行业市场发展现状的详细介绍。
一、市场需求与发展趋势随着人们对电子产品的要求不断提高，半导体芯片作为技术的先锋，具有广泛的应用前景。
而键合铜丝作为芯片制造中必须的材料之一，也必须不断进行技术升级和改良，以满足不断增长的市场需求。
例如，在智能手机、电脑和其他移动设备的使用需求中，芯片深度集成和小型化趋势日益明显。
这对键合铜丝的材料、技术和生产工艺都提出了更高的要求。
同时，为了解决现有芯片晶圆的使用量较高的问题，还需要开发出芯片堆叠及三维封装技术。
这些技术的推广也给键合铜丝生产提出了更高的技术要求。
二、市场规模与市场份额从市场份额来看，目前全球键合铜丝生产主要由三家企业垄断。
其中，分别是美国的独立硅电子公司、日本的日本大昌和韩国的LG Innotek。
这三家企业在市场上享有绝对的垄断地位，占据了绝大多数的市场份额。
其中，独立硅电子公司在市场上占据了60%以上的份额，成为联合硅电子公司之后，全球市场份额最大的厂商。
根据相关行业分析机构的统计数据来看，2019年半导体封装行业总体规模为293.1亿美元。
而至2024年，这一市场规模将有望提高至383.4亿美元左右。
其中，键合铜丝将会在半导体封装行业中成为重要的市场产品之一。
预计将获得逐步增长的市场份额。
三、市场竞争激烈的现状由于目前市场上存在垄断现象，所以需要更多的企业参与竞争。
国内企业在这方面的发展还相对比较薄弱。
原因在于，这个市场对技术要求比较高，对资金、人才等方面的投入也较为巨大，因此，对于新入局的企业来说，高门槛也成为一大挑战。
同时，由于市场竞争激烈，主要在价格领域展开。
而由于芯片制造中安全可靠性要求极高，所以并非只有价格优势，而是还要重视基础研究和技术上的创新。
铜丝引线键合技术的发展
铜丝引线键合技术的发展摘要铜丝引线键合有望取代金丝引线键合，在集成电路封装中获得大规模应用。
论文从键合工艺﹑接头强度评估﹑键合机理以及最新的研究手段等方面简述了近年来铜丝引线键合技术的发展情况，讨论了现有研究的成果和不足，指出了未来铜丝引线键合技术的研究发展方向，对铜丝在集成电路封装中的大规模应用以及半导体集成电路工业在国内高水平和快速发展具有重要的意义。
关键词集成电路封装铜丝引线键合工艺1.铜丝引线键合的研究意义目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。
引线键合（wire bonding）又称线焊，即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。
连接过程一般通过加热﹑加压﹑超声等能量借助键合工具（劈刀）实现。
按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合﹑超声键合和热超声键合。
按劈刀的不同，可分为楔形键合（wedge bonding）和球形键合(ball bonding)。
目前金丝球形热超声键合是最普遍采用的引线键合技术，其键合过程如图1所示。
由于金丝价格昂贵﹑成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。
因此人们一直尝试使用其它金属替代金。
由于铜丝价格便宜，成本低，具有较高的导电导热性，并且金属间化合物生长速率低于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。
近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。
但是，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装，与金丝近半个世纪的应用实践相比还很不成熟，缺乏基础研究﹑工艺理论和实践经验。
近年来许多学者对这些问题进行了多项研究工作。
论文将对铜丝引线键合的研究内容和成果作简要的介绍，并从工艺设计和接头性能评估两方面探讨铜丝引线键合的研究内容和发展方向。
图1 金丝球形热超声键和过程2.铜丝引线键合的研究现状2.1工艺研究2.1.1防止铜丝氧化与金丝不同的是，铜丝在空气中极易氧化在表面形成一层氧化膜，而氧化膜对铜球的成形与质量有害，并且还有可能导致接头强度低，甚至虚焊（Non-Stick），因此必须采取措施防止铜丝氧化。
高端集成电路引线框架铜合金材料研发与应用
高端集成电路引线框架铜合金材料研发与应用引言随着科技的不断进步和人们对高质量电子设备的需求日益增长，高端集成电路作为电子产品的核心部件，对于材料的要求也越来越高。
其中，引线框架是集成电路中非常重要的组成部分，它承担着电信号传输和功耗控制的关键任务。
铜合金作为一种优质的引线框架材料，具有良好的导电性、导热性和机械强度，因此在高端集成电路中得到广泛应用。
本文将深入探讨高端集成电路引线框架铜合金材料的研发与应用。
研发历程铜合金材料的优势1.优良的导电性：铜合金具有出色的电导率，能够快速传导电信号，提高集成电路的工作效率。
2.良好的导热性：铜合金具有较高的导热系数，能够有效散热，保证集成电路的稳定性。
3.高强度和耐腐蚀性：铜合金具有较高的机械强度和抗腐蚀能力，能够提供可靠的引线支撑。
研发目标1.提高铜合金的导电性和导热性；2.提高铜合金的机械强度和耐腐蚀性；3.降低铜合金的成本。
研发方法和过程1.材料筛选：通过大量实验和数据分析，筛选出具备良好导电性和导热性的铜合金材料；2.工艺优化：优化材料的制备工艺，提高材料的机械强度和耐腐蚀性；3.合金配比调整：通过调整铜合金的配比，降低材料的成本；4.综合评估：对优化后的铜合金材料进行综合评估，选取最优方案。
应用案例案例一：5G通信领域随着5G技术的快速发展，高端集成电路在5G通信领域的应用越来越广泛。
在此背景下，高导电性、高导热性和高强度的铜合金引线框架成为必备的关键材料。
通过引线框架的优化设计和铜合金材料的应用，可以提高5G通信设备的性能，实现更快的数据传输和更低的功耗。
案例二：人工智能芯片人工智能芯片作为近年来的热门领域，对高端集成电路的要求也越来越高。
铜合金引线框架因其优越的导电性和导热性，在人工智能芯片中得到广泛应用。
通过铜合金引线框架的应用，可以提高人工智能芯片的计算速度和稳定性，进一步推动人工智能技术的发展。
案例三：工业自动化在工业自动化领域，高端集成电路引线框架铜合金材料的应用也十分重要。
铜键合丝项目
铜键合丝项目一、概述集成电路时信息产品的发展基础，信息产品是集成电路的应用和发展的动力。
随着微电子工业的蓬勃发展，集成电路电子封装业正快速的向体积小，高性能，高密集，多芯片方向推进，其应用基础与核心的大规模集成电路、超大集成电路和甚大规模集成电路的特征间距尺寸已走过了0.18µm、0.13µm、0.10µm 的路程，直至当今的0.07µm生产水平。
其集成度也达到数千万只晶体管至数亿只晶体管，布线层数由几层发展至10层，布线总长度可高达1.4Km。
作为半导体封装的四大基础材料之一的键合金丝要求特细（φ0.016mm），而超细的键合金丝在键合工艺中已不能胜任窄间距、长距离键合技术指标的要求。
因此，随着半导体集成电路和分立器件产业的发展，键合金丝无论从质量上、数量上和成本上都不能满足国内市场的发展要求。
特别是低弧度超细金丝，大部份主要依赖于进口，占总进口量的45%以上。
随着单晶铜丝加工技术的成熟，市场用量也不断增加，用于键合引线的优势主要表现在以下几个方面：（1）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（φ0.03-0.016mm）的理想材料。
2）高纯度：目前，在我国的单晶铜丝（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φ0.03-0.015mm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。
铜线键合工艺
铜线键合工艺
铜线键合工艺是半导体封装中的一个重要过程，主要用于连接芯片和外部世界。
它主要包括以下步骤：
1. 预处理：清洗并烘干芯片和引线框架，以确保良好的电导性和热导性。
2. 定位：将芯片精确地放置在引线框架上，通常使用自动化设备进行。
3. 键合：使用高温、高压和超声波技术，将铜线的一端连接到芯片的电极，另一端连接到引线框架。
这个过程需要非常精确的控制，以避免线断裂或其他问题。
4. 检测：完成键合后，会进行电性测试，以确保连接良好。
5. 清理：最后，将多余的铜线和残渣清理干净，完成整个键合工艺。
铜线键合工艺对于半导体封装至关重要，它直接影响到芯片的性能和可靠性。
引线框架铜合金
引线框架铜合金材料1)介绍引线框架:作为集成电路的芯片载体,是一种借助于键合材料(金丝、铝丝、铜丝)实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接,形成电气回路的关键结构件,它起到了和外部导线连接的桥梁作用,绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架,是电子信息产业中重要的基础材料。
2)优势所在:科学技术现代化对铜及铜合金材料提出越来越多的新要求,引线框架的作用是导电、散热、联接外部电路,因此要求制作引线框架材料具有高强度、高导电、良好的冲压和蚀刻性能。
目前全世界百分之八十的引线框架使用铜合金高精带材制作,据不完全统计,引线框架合金约77种,按合金系划分主要有铜-铁-磷、铜-镍-硅、铜-铬-锆Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr 三大系列,按着性能可分为高导电、高强度、中强中导等系列所有这些新要求,将推动铜及铜合金材料的现代化进程。
常用的铜基引线框架材料主要有C194和KFC合金,其中C194 (Cu-2.3Fe-0.1Zn-0.03P)属于Cu-Fe-P系合金,具有高导电、高导热性以及好的热稳定性,大量应用于电子封装(安装集成电路内置芯片外用的管壳,起着安放固定密封,保护集成电路内置芯片,增强环境适应的能力,并且集成电路芯片上的铆点也就是接点,是焊接到封装管壳的引脚上的)领域。
C194合金(Cu-2.35%Fe-0.12%Zn-0.03% P)是美国奥林公司20世纪60年代开发生产的引线框架材料,因其优良的导电性、导热性和低价格等特点成为引线框架材料的主导产品。
目前日本和德国是世界上最大的引线框架铜带出口国, 我国虽然可以自行生产一定量的C194合金材料,但合金性能与国外产品相比存在一定差距,国外合金性能为:抗拉强度500MPa,硬度151HV,电导率3.77×10-2S/m;而国内合金性能为:抗拉强度≥410 MPa,硬度120~145HV,电导率≥3.48×10 -2S/m。
引线键合技术
引线键合技术
引线键合技术是一种微电子制造中常用的连接技术，其主要原理是通过高温、高压下将金属线与芯片内部电路连接起来。
这种技术具有高可靠性、高密度、低成本等优点，已经成为现代电子制造领域中不可或缺的一部分。
引线键合技术主要分为金线键合和铜线键合两种。
其中，金线键合适用于高端芯片，其使用金属线作为连接材料，可以实现更高的导电性能和更好的耐腐蚀性。
而铜线键合则适用于低端芯片，其使用铜线作为连接材料，成本更低，但相对导电性能和耐腐蚀性略有不足。
引线键合技术的发展是电子制造业不断进步的重要标志。
随着科技的不断发展，引线键合技术也在不断升级，成为连接芯片和封装的主流技术之一。
未来，引线键合技术将会更加高效、智能化，为电子制造业的发展带来更大的推动力。
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课堂引线框架铜合金材料的研究现状及发展趋势
课堂引线框架铜合金材料的研究现状及发展趋势导读：引线框架作为集成电路的芯片载体，是一种借助于键合材料（金丝、铝丝、铜丝）实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接，形成电气回路的关键结构件，它起到了和外部导线连接的桥梁作用，绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架，是电子信息产业中重要的基础材料。
引线框架用铜合金大致分为铜一铁系、铜一镍-硅系、铜一铬系、铜一镍一锡系(JK--2合金)等，三元、四元等多元系铜合金能够取得比传统二元合金更优的性能，更低的成本，铜一铁系合金的牌号最多，具有较好的机械强度，抗应力松弛特性和低蠕变性，是一类很好的引线框架材料。
由于引线框架制作及封装应用的需要，除高强度、高导热性能外，对材料还要求有良好的钎焊性能、工艺性能、蚀刻性能、氧化膜粘接性能等。
材料向高强、高导电、低成本方向发展在铜中加人少量的多种元素，在不明显降低导电率的原则下，提高合金强度(使引线框架不易发生变形)和综合性能，抗拉强度600Mpa以上，导电率大于80%IACS的材料是研发热点。
并要求铜带材向高表面，精确板型，性能均匀，带材厚度不断变薄，从0.25mm向o.15mm、0.1mm逐步减薄，0.07一0.巧~的超薄化和异型化。
按照合金强化类型可分为固溶型、析出型、析中型从材料设计原理看，引线框架材料几乎都是析出强化型合金，采用多种强化方法进行设计，主要有形变强化、固溶强化(合金化强化)、晶粒细化强化、沉淀强化，加人适量的稀土元素可使材料的导电率提高1.5一3%IACS，有效地细化晶粒，可提高材料的强度，改善韧性，而对导电性的影响很小。
从加工硬化与固溶硬化相结合和固溶一时效硬化以及复合强化等方面进行研究，改进材料性能。
随着电子通讯等相关信息产业的快速发展，对集成电路的需求越来越大，同时对其要求也越来越高。
现代电子信息技术的核心是集成电路，芯片和引线框架经封装形成集成电路。
作为集成电路封装的主要结构材料，引线框架在电路中发挥着重要作用，例如承载芯片、连接芯片和外部线路板电信号、安装固定等作用。
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铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用
一、简介
目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术,引线键合,又称线焊。
即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入，输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。
连接过程一般通过加热、加压、超声等能量，借助键合工具“劈刀”实现。
按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合、超声键合和热超声键合。
按劈刀的不同，可分为楔形键合和球形键合。
引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝，由于金丝价格昂贵、成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。
因此人们一直尝试使用其它金属替代金，由于铜丝价格便宜、成本低、具有较高的导电导热性，并且Cu/Al金属间化合物生长速于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。
近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。
二、铜丝键合的工艺
当今，全球的IC制造商普遍采用3种金属互连工艺，即：铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺，金丝与晶片铜金属化层的键合工艺以及铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺。
近年来第一种工艺用得最为广泛，后两者则是今后的发展方向。
1. 铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺
近年来，人们对铜丝焊、劈刀材料及新型的合金焊丝进行了一些新的工艺研究，克服了铜易氧化及难以焊接的缺陷。
采用铜丝键合不但使封装成本下降，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。
特别是采用以下’3种新工艺，更能确保铜丝键合的稳定性。
（1）充惰性气体的EFO工艺：常规用于金丝球焊工艺中的EFO是在形成焊球过程中的一种电火花放电。
但对于铜丝球焊来说，在成球的瞬间，放电温度极高，由于剧烈膨胀，气氛瞬时呈真空状态，但这种气氛很快和周围的大气相混合，常造成焊球变形或氧化。
氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬，而且不易焊接。
新型EFO工艺是在成球过程中增加惰性气体保护功能，即在一个专利悬空管内充入氮气，确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离，以防止焊球氧化，焊球质量极好，焊接工艺比较完善。
这种新工艺不需要降低周围气体的含氧量，用通用的氮气即可，因此降低了成本。
（2）OP2工艺：铜丝球焊和金丝球焊的正常焊接温度为175-225℃。
在该温度范围内，铜线很快被氧化，如果表面没有保护层就无法焊接。
所以需要进行抗氧化的表面处理形成可靠的可焊接表面层。
（3）MRP工艺：丝焊键合工艺的有限元模型的建立为焊接材料和工具图形的效果提供了新的认识。
通过金丝焊球和铜丝焊球的变形而产生的压力图形比较，可以看出在铜丝球焊过程中的底层焊盘的力要大一些。
同样高度的铜、金焊球，铜焊球的焊接压力大，硬度明显高于金，但比金焊球容易变形。
硬度和模量是焊丝的主要参数。
为降低其硬度，以前人们是依靠采用纯度高达99.999%或99.9999%的铜，因为纯度低则硬度高。
目前最新的方法是结合专利的焊接和焊丝制造工艺，在降低模量的同时提高了焊接质量和产量。
MRP工艺可以提高铜焊点的拉伸强度，一般对于10um直径的Cu来说，采用MRP的焊接强度可达5-6g，若不采用MRP，焊接强度仅有1-2g。
此外，还可改善由细直径焊接头和细间距劈刀产生的铜球焊接点的失效模式。
2. 金丝与晶片铜金属化层的键合工艺
焊区间距降低到55um以下后，金丝球焊工艺可以代表许多元器件铜金属化互连的整体级别。
金是贵金属，不需要球成型的保护性气体。
然而未受保护的晶片金属化铜在正常工艺温度下易氧化。
因此，在组装工艺即划片、芯片粘结、热固化以及丝焊键合过程中，需要加入特殊的清洗、保护性表面处理和OP2工序中以防金属化铜的氧化。
试验证实，铜丝焊球的形状及剪切强度在铜金属化焊盘上与铝金属化焊盘上的质量一样。
但是金、铜的扩散率明显低于金-铝。
金-铜金属间的化合成型较低，很少出现空洞，因而可靠性高于金-铝。
3. 铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺
元器件的工作速度是铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺发展的主要驱动力。
铜楔焊是在室温下进行的焊接工艺，而球焊接则需要提高温度来辅助焊球成型。
楔焊接的一个主要缺点是其焊接速度低于球焊接。
然而，目前较新型的楔焊机在生产率和精确度方面都取得了显著的提高，可达到每秒5根丝的生产速率，而且焊丝间距为50um。
因此，这种铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺能满足最佳功能与特性设计要求。
其中：（1）有超长或跨接键合丝的封装设计，焊丝直径小于20um。
（2）金丝直径小于17um时，其阻抗或电阻特性很难满足一些封装要求，而铜丝的导电率比金丝高，直径也小于金丝；（3）铜丝具有超强的电特性，可满足数据传输速率和射频要求
三、铜丝键合的优缺点
铜丝键合的优点，铜丝已经很成功地应用于镀Ag/Ni引线、铝金属化层以及铜金属化层
的键合中。
影响焊接成型以及焊接可靠性的一个关键因素是焊丝与金属化层之间金属间化合物的增长速率。
在焊接过程中，焊丝与金属化层的扩散速率越低，金属间化合物的增长速率就越低，而使接触电阻值低，产生的热量就少。
而铜丝球焊的金属间渗透明显低于金丝球焊。
这就意味着铜、铝界面比金、铝界面的电阻率更低、热量更小、封装寿命长即可靠性更高，更能满足焊接强度的要求。
对于金7 铝焊点来说，它的剪切表面是在焊球内部，穿过球体。
而铜-铝焊点的剪切面是穿过铝焊区，明显比金丝的强度高。
铜焊球和金属间界面层都比铝焊区坚硬。
然而，铜丝键合也存在一些金丝键合所不易出现的缺陷，主要有基板裂纹、硅坑、接头强度低和虚焊等。
这些缺陷严重影响了铜丝键合的大规模应用。
四、铜合金的应用
铜及铜合金是人类应用最早的金属，也是应用最广泛的金属材料之一。
铜的导电率和导热率仅次于银，工艺性能优良，价格远比铁镍42合金便宜，作为引线框架用材料的关键是强度问题，纯铜的强度只有铁镍42合金的1／2。
但是，铜具有另一个极为优势的性能，这就是很容易与其它元素形成合金，通过合金化完全可将其强度提高到相当于铁镍42合金的水平，同时其导电率可以提高15~20倍，铜合金现成为主导的引线框架材料。
引线框架用铜合金大致分为铜-铁系、铜-镍-硅系、铜-铬系、铜-镍-锡系(JK-2合金)等，三元、四元等多元系铜合金能够取得比传统二元合金更优的性能，更低的成本，铜-铁系合金的牌号最多，具有较好的机械强度，抗应力松弛特性和低蠕变性，是一类很好的引线框架材料。
由于引线框架制作及封装应用的需要，除高强度、高导热性能外，对材料还要求有良好的钎焊性能、工艺性能、蚀刻性能、氧化膜粘接性能等。
铜合金引线框架充分发挥了以铜为基体的高导电、导热特性和复合材料的高强度、高硬度、低热膨胀系数的特性，因而具有良好的综合性能。
采用新的工艺技术和新的材料体系，研发铜合金引线框架及IC封装材料已显示出良好的发展前景，将成为一个极具吸引力的市场
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