单晶铜

单晶铜
单晶铜（简称OCC）用于音响线材的制作，是近年音响线材制造业的一项重大突破。

科学实验证明：单晶铜是一种高纯度无氧铜，其整根铜杆仅由一个晶粒组成，不存在晶粒之间产生的“晶界”（“晶界”会对通过的信号产生反射和折射，造成信号失真和衰减），因而具有极高的信号传输性能。

与之相比，被广泛用于音响线材制作的无氧铜（简称OFC），其内部晶粒数量众多，“晶界”造成信号失真和衰减，以至信号传输性能比单晶铜逊色。

一、单晶铜定义
单晶铜因消除了作为电阻产生源和信号衰减源的晶界而具有优异的综合性能: 卓越的电学和信号传输性能，良好的塑性加工性能；优良的抗腐蚀性能；显著的抗疲劳性能；减少了偏析、气孔、缩孔、压杂等铸造缺陷；光亮的表面质量；因而主要用于国防高技术、民用电子、通讯以及网络等领域。

单晶铜，是经过“高温热铸模式连续铸造法”所制造的导体技术，因为铸造过程经过特殊加热处理，所以可以获得单结晶状铜导体，每一结晶可以延伸数百米以上，在实际应用之长度上结晶粒仅有一个，并没有所谓“晶粒界面”存在，在讯号传讯时，无需透过晶粒与晶粒之间的“晶界”，讯号更易于穿透与传导，因此损耗极低，堪称是相当完美的线材。

其物理性能接近白银。

二、单晶铜特性：
用单晶连铸技术拉出的铜材仅由一个晶粒组成，具有超常的机械加工性能和电学特性。

其特点有三： a.单晶铜纯度达到99.9999%； b.电阻比普通铜材低8%到13%； c.韧性极高，普通铜材扭转16圈即断，单晶铜材可扭转116圈。

如此优势，使单晶铜产品成为制作高保真音视频信号、高频数字信号传输线缆和微电子行业用超微细丝的顶级材料，可用于手机、音响、电脑等领域，使微电子器件性能更佳、体积更小、寿命更长。

1.传输音视频信号线
各种音频视频信号在传输过程中通过晶界时,都会产生反射、折射等现象使信号变形、失真衰减,而单晶铜极少的晶界或无晶界使传输质量得到根本改善。

因此,单晶铜在音视频信号传输方面得到广泛的应用。

2电脑硬盘数据线
由于高频信号的强烈集肤效应和其在晶界处的衰减和损耗,造成传输速度慢、失真度大,特别是在多晶的普通材料更为严重,随着信息产业的迅速发展,计算机速度要求越来越快,传输频率越来越高,而当今计算机速度最大瓶颈就是硬盘速度,如果采用单晶铜做硬盘数据信号线可大大提高硬盘传输速度。

3.超细线
随着电子工业的迅猛发展,各种电子元件都趋向于微型化、轻量化。

作为导体主要材料的铜线,线径要求也越来越细,无氧铜杆由于其多晶组织,就不可避免存在缺陷及在晶界处的氧化物等,从而影响其进一步的拉细加工目前单晶铜线最细可拉到直径0.016mm，基本满足最高要求。

由于单晶铜具有优良的机械性能、物理性能和电性能,它还将广泛应用于压制线路板、集成电路底版、通讯电缆、航天飞行器、高导电率电缆电线等领域。

单晶铜丝是实现引线框架全铜化、全面替代集成电路中键合金丝的关键产品，集成电路封装产业正向全铜化迅速推进，这一革命化变革中具有重要意义。

三、行业前景：
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。

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，同事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。

随着电子信息时代的飞速发展，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。

这样一来，硅芯片上原由铝布线实现多层互连，由于铝的高电阻率制约，显然难以得到发挥。

所以在芯片特征间距尺寸达到0.18µm 或更小时，根据研究我们采用了电阻率低、电气性能和机械性能俱佳，以及价格低廉的单晶铜丝进行了多次的键合试验，结果解决了多层布线多年要解决的难题。

同样情况，由于芯片输入已高达数千输入引脚的大量增加，使原来的金、铝键合丝的数量及长度也大大增加，致使引线电感、电阻很高，从而也难以适应高频高速性能的要求，在这种情况下，我们同样采取了性价比都优于金丝的单晶铜（ф0.018mm）进行了引线键合，值得可贺的是键合后结果取得了预想不到的成功。

从此改变了传统键合金丝的市场垄断，实现了单晶铜丝键合引线在我国集成电路微电子封装产业系统中的应用未来发展前景十分广阔。

同时也填补了我国在这一领域的空白，节省货币金属黄金消耗，增加了我国黄金战略储备具有一定重大的意义。

美、日、欧等发达国家，经过对单晶铜布线及其引线键合的多年研发工艺，技术已日渐成熟，近几年少数高校及科研院所（如哈工大）和我公司一样未雨绸缪，开展了对单晶铜引线可靠性的探索和研究，并取得了可喜的成果。

近几年来，根据国内外集成电路封装业大踏步的快速发展，我公司紧跟这一发展趋势，在全国率先研发生产出单晶铜键合丝，其直径规格最小为ф0.016mm，可达到或超过传统键合金丝引线ф0.025mm和缉拿和硅铝丝ф0.040mm质量水平。

为促进技术成果尽快向产业化转移，促进生产力的发展，为此，我们一直期待着能早日为集成电路封装业高尖端技术的应用做出应有的贡献。

特别令我们高兴的是，这种期待与渴望，在“2007年中国半导体封装测试技术与市场研讨会”上，我们公司的单晶铜键合引线新产品被行业协会的专家“发现”，并立即得到大会主席及封装分会理事长毕克允教授的充分肯定和支持。

从此我们将在分会的领导下，将这一新兴的单晶铜键合丝新产品尽早做强做大，走在全国的前列并瞄准国际市场，以满足即将到来的单晶铜键合引线的大量需求。

为此，我们起草了“高技术、高附加值、国家重点推广项目——IC封装单晶铜键合引线项目分析书”，帮助相关投资者对该项目进行实地市场了解、分析，并给予投资者一定的风险解析。

四、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，以便于能够被拉伸到0.015~0.050mm；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向熔合，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 V oid），使键合处产生空腔，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（150°C），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
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”）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，即将普通铜材围观多晶体结构运用凝固理论，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6)单晶铜键合丝可以再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。

五、单晶铜使用领域：
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大的集成电路封装测试企业一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，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，不存在经理之间产生的“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1999-2000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位国外产品所占领。

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将会大量增加。

六、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%，2002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商（除日本外）开始步入封装材料市场的大门，如Chang Chun、Eternal公司等已成为该行业的著名公司，将来有望成为重要的封装材料供应商。

半导体封装材料（键合引线）供应商也是由少数几家公司处统治地位，如美国K&S公司、德国贺利氏公司、日本古河电工株式会社、住友电工株式社会、台湾ASM等。

随着中国市场的不断开放，对工业控制、通信、消费电子产品的巨大需求，预计到2010年，中国将成为世界第二大半导体市场。

另外，由于集成电路价格不断下跌，使得集成电路封装在集成电路的生产过程中将会占据越来越重要的地位。

集成度不断提高，使得集成电路的体积越来越小、厚度越来越薄、引线数越来越多。

价格的加速降低是集成电路得以永恒发展的要求。

消费类电子的兴起以及IC卡和汽车等新兴领域的迅猛发展，这些都将成为未来几年国内集成电路市场需求增长的重要因素。

2002年中国集成电路市场总销售量为366.9万亿块，总销售额为1471亿元。

2010年，中国市场需求数量将达到800亿块，需求额超过3000亿元人民币。

同时，我国半导体分立器件制造业已成为电子基础产业的一个重要组成部分，半导体分立器件的生产规模近几年一直保持平稳增长趋势。

2006年我国集成电路总产量为355.6亿块，毎万块需用0.025mm的丝400米，丝用量8000千克：半导体分立器件总产量为700亿只，规格为0.023mm，毎万只用50米，丝用量3000千克：两项合计球焊需求量为11000千克。

2007年我国封装市场键合引线的需求量为22吨，占全球总需求量的35%，按照国际半导体行业15%的增长率，2008年全球键合引线的需求量越90吨，中国大陆需求量约31吨。

其中市场大部分键合引线被进口产品所占领。

我国生产键合引线的单位主要有：宁波康强电子材料有限公司、华微电子有限公司（其中键合金丝已被德国贺利氏收购）、北京有色金属研究所、昆明贵金属研究等。

产品质量较低且性能不稳定，并且主要从事键合金丝的生产。

根据BSEIA 世界信息技术公司的市场调查和预测，国内今年电子行业对键合引线需求量在40吨左右，并且随着信息时代的到来和发展，到2010年国际市场对键合引线需求量达到130吨以上。

这都预示着各类键合材料，特别是新开发的单晶铜键合引线材料亦将迎来大的机遇和发展。

目前，国内暂无具有竞争力的厂家，国外产品的价格又极高，本项目投入运营后，产品具有较强发挥咱潜力，至少替代10%左右的进口产品，据保守分析在10年内该产品不可能饱和，在没有新的材料来替代的前提下，它始终保持着旺盛的生命力。

国家为了大力推进我国封装业的发展，国家在新的五年计划期间，提出了半导体封装产业的国家第十一个五年规划纲要第七篇第二十七章内容：加快科学技术创新和跨越发展，在实施国家中长期科学和技术发展规划中，按照自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的方针，加快建设国家创新体系，
不断加强企业创新能力，全民提高科技整体实力和产业技术水平，对核心电子器件、高端通用芯片和基础软件，加大开发力度。

由此可见，作为国家微电子产业配套材料的键合引线，其经济效益和社会效益十分显著。

本项目符合国家产业技术政策，技术含量高，创新性强，可满足微电子封装行业发展需要，不但能够为微电子行业提供高新技术产品，而且还能够替代同类进口产品，提高我国微电子行业的国际竞争力，缩短与先进国家的技术差距，具有十分明显的经济意义和社会意义。

七、项目技术分析报告：
该项目技术含量高，具有高附加值。

我公司结合国内各大专院校提供试验数据，联合开发该项目，并且是该项目设备生产组织者，所制造的设备获得安徽省科技进步奖，技术装备及生产工艺已经达到国际水平，产品的多项指标达到国家标准，产品合格率达到95%以上。

八、项目实施工艺：
本项目生产工艺融合了金属材料制备工艺、热处理工艺、金刚石模具工艺，保证了生产一致性、可靠性，解决了规模化生产问题，产品合格率达到95%以上，可连续生产。

工艺流程如下：
九、项目实施进度：
项目实施总体分为三个阶段;第一阶段完成前期调研和项目论证工作。

第二阶段完成设备订货，厂房选址。

第三阶段为设备安装调试，投料运行阶段。

三个阶段工作交叉进行，总体进度为4个月。

十、投资效益分析：
★生产单晶铜键合引线（以生产ф0.02mm ,年产量10万K为例）整套生产线设备投资260万元，流动资金30万元；年生产能力10万K。

（注：1K=1000英尺=304.8m;）原材料:ф3mm,35万元/吨，ф0.02mm 毎k重量约：0.852克0.852*0.35元/克+（0.852*0.35）*15%=0.343元/K b)
包装费用（按毎轴1000K计算）0.025元/K c)
模具耗损：0.08元/K d)
工人工资：1500*10*12÷100000=1.8元/K e)
能源消耗：6600度/12月*12÷100000*0.8=0.63元/K f)
税金：3.65元/K g)
折旧：1.2元/K h)
运输费：0.02元/K i)
管理费：45.72元/K*15%=6.858元/K j)
房租：20元/M²*100 M²*12月÷100000=0.24元/K k)综合a—j 合计：14.846元/K)
销售价：45.72元/K（含税价）m)
利润：45.72-14.846=30.874元/K n)
年利润：30.874*10万K=308.74万元/年)
年销售额：45.72元/K*10万K=457.2万元)
年利润率：100%-{（457.2-308.74）÷457.2}=67.5%
十一、设备配置：
本套机组采用全部采用伺服闭环控制系统，键合引线在拉制过程中采用超声波在线清洗，轴动式收、排线，恒张力拉拔。

机组装机总功率为30.3Kw，其机组设备配置如下：
十二、厂房环境要求：
本项目整套的生产工艺，对厂房的环境要求，厂房外部不能存在震动和吵杂声，操作房内要求密封、洁净、光线好、无尘埃颗粒，因为单晶铜键合引线的直径一般在ф0.03-ф。