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1、高科技、高附加值、国家专利、十三五计划重点推广项目单晶铜键合引线生产项目【项目可行性分析报告】合肥工业大学民东科技开发有限公司地址:安徽省合肥市临泉路中环国际大厦7楼 电话:0551-64677167 一、概述：集成电路是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。伴随着集成电路制造业和封装业的兴起，必然将带动相关产业，特别是上游基础产业的蓬勃发展。作为半导体封装的四大基础材料之一的键合金丝，多年来虽然是芯片与框架之间的内引线，是集成电路封装的专用材料，但是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，从而对集成电路封装引线材料的要
2、求特细（0.016mm），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。在超细间距球形键合工艺中，由于封装引脚数的增多，引脚间距的减小，超细的键合金丝在键合过程中常常造成键合引线的摆动、键合断裂和踏丝现象；对器件包封密度的强度也越来越差；成弧能力的稳定性也随之下降，从而加大了操作难度。另外，近几年来，黄金市值一路飚升，十年时间黄金价格增长了200%多，给使用键合金丝的厂家，增加了沉重的原材料成本，同时也加大了生产及流动成本，生产厂商的毛利润由20%降到了6%，从而导致了资金周转缓慢，制约了整个行业的技术提升及规模发展。由此表明，传统的键合金丝根据自身的特点已经达到了其
3、能力极限，再也不能满足细线径、高强度、低弧度、长弧形、并保持良好导电性的要求。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。所以国家在新的五年计划期间，提出把提高新型电子器件创新技术和工艺研发水平纳入国家专项实施重点规划项目来抓，大力开发高科技、高尖端、节能降耗、绿色环保型半导体集成电路封装新材料。二、各类键合引线的性能分析和运用现状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
4、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
5、拉伸到0.0150.050mm；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相熔合，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。1、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
6、，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（150C），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。2、硅铝丝（AI-1%Si）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
7、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。3、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”）单晶铜键合丝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，即将普通铜材微观多晶体结构运
8、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：（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
9、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
10、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键合材料引线数量封
11、装成本金（Au）2560.16单金铜（Cu）2560.06金（Au）4000.26单晶铜（Cu）4000.096)单晶铜键合丝可以在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，随着我国集成电路和分立器件产业的快速发展，我国微电子封装业需求应用正在爆发式的唤醒，我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。三、单晶铜键合丝使用领域：1）集成电路封装领域：单晶铜键合丝替代键合金丝应用到微电子中的封装业，如大规模集成电路、超大规模集成电路和
12、甚大规模集成电路、二极管、三极管等半导体分立器件及LED灯发光芯片封装业等。在日益激烈竞争的电子工业中，高成本效益，已不能满足集成电路封装业的发展，为了降低成本，国内外众多产业领域在寻找一种更便宜的导体替代昂贵的金丝材料。单晶铜键合丝具有机械、热学、电学性能优良及其化合物增长慢等特性。在特定条件要求下，线径可以减小到一半，单晶铜键合丝高的拉伸率、剪切强度，可以有效降低丝球焊过程中可能发生的丝摆、坍塌等现象，有效缓解了采用直径小的一些组装难度。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。南通富士通、天津摩托罗拉、上海英特尔、苏州英飞凌、天水华天科技等国内较
13、大的集成电路封装测试企业已开始试用单晶铜键合丝运用于IC封装技术的发展，晶片上的铝金属化层更换为铜金属化层，因为在晶片的铜金属化层上可以直接焊接，而不需要像铝金属化层那样加一层金属焊接层，这不但能增强器件特性还能降低成本，同时，在工艺上，逐渐将传统的金丝更换为单晶铜键合丝，解决细间距的器件封装，对器件超细间距的要求成为降低焊丝直径的主要驱动力。因而，在今后的大规模集成电路、超大和甚大规模集成电路封装业种，单晶铜丝球焊技术是目前国际上正在兴起的用于微电子器件芯片内引线连接的一种高科技创新技术，今后在球焊技术工艺中比将成为主流技术。单晶铜键合丝作为键合引线材料是现在和将来电子封装业的必然趋势。此外
14、，由于黄金价格的上涨，更加快着单晶铜键合丝代替键合金丝的步伐，所以，单晶铜键合丝无论在国内外还是现在和将来都具有非常大的潜在市场和巨大的发展商机。2）高标准音频视频传输领域：单晶铜丝其结构仅由一个晶粒组成，不存在晶粒之间产生的“晶界”，不会对通过的信号产生反射和折射而造成信号失真和衰减，因此具有独特的高保真传输功能，所以国际市场上首先用于音视频传输线，多集中于音响喇叭线、电源线、音频连接线、平衡线、数码同轴线、麦克风线、DVD色差视频线，DVI和HDMI线缆及各种接插件等。3）高标准通信网络线缆传输领域：近年来，国内外又开始将单晶铜丝用于通信网络线，随着电脑通信网络技术的发展，对网络传输线的传
15、输速度要求越来越高，传输速度高也就是线的使用频率范围高，频率范围高，则信号衰减就严重。较早的5类线可用到100MHz，而超5类线也只有120MHz，自推出单晶铜丝材料制作的网络线以后，使用频率可达350MHz以上，超过6类线标准很多（6类线为250MHz）。根据2014-2015年的统计数据来看，平均每年需求量以12%的速度持续增长。预计今后10年内产品的需求量将达到现阶段的两倍以上。网络数据通讯线缆，由于缺乏高性能材料方面的支持，所以，六类以上线缆基本上由国外产品所占领。据预测，二十一世纪初亚太地区将是网络信息发展的热点地区。高保真音视频线缆，我国年用量在20万km以上，随着我国人民生活水平
16、的提高，影音设备消费将会大幅度的提高，与之匹配的高档次音视频传输线需求将会大量增加。四、市场应用分析：过去10年微电子信息产品制造业发展很快，年增长率达6%-7%，2016年全球电子工业制造业市场数额达1万亿美元：包括计算机、蜂窝电话、路由器、DVD、发电机控制器和起搏器等等。亚洲（除日本外）是世界电子工业制造中心之一，它包括中国、台湾地区和韩国等，其市场占全球电子产品制造业市场的20%，即2000亿美元，其年增长率超过10%而全球其它地区的年增长率仅为5%-6%。电子材料市场是随着电子工业制造业市场的发展而增长，电子材料市场占电子工业制造业相当大的市场份额。但是就目前来说电子材料供应商主要由日本和美国公司所霸占，欧洲只有少数的几家公司，成功的只有一家，如DELO公司。亚洲半导体封装材料供应
