键合金丝概要

键合金丝概况
一、简要说明：
1、键合金丝概念以及其应用
键合是集成电路生产中的一步重要工序,是把电路芯片与引线框架连接起来的操作。

键合丝是半导体器件和集成电路组装时为使芯片内电路的输入/ 输出键合点与引线框架的内接触点之间实现电气链接而使用的微细金属丝内引线。

键合效果的好坏直接影响集成电路的性能。

键合丝是整体IC封装材料市场五大类基本材料之一，是一种具备优异电器、导热、机械性能并且化学稳定性极好的内引线材料,是制造集成电路及分立器件的重要结构材料,键合丝主要用于各种电子元器件,如二极管、三极管、集成电路等。

下面的截面示意图描绘了半导体元件中各部分间的结构关系：
2、性能要求以及测试方法标准
键合金丝类型、状态、各项要求与其中部分测试方法、包装等均在中华人民共和国国家标准《GB/T 8750-2007 半导体器件用键合金丝》列出：
图2 国家标准《GB/T 8750-2007 半导体器件用键合金丝》
Pull strength: 抗拉强度，强度越高，可以实现更快速的键合
FAB formation：自由空气球形球质量
Gas cost: 保护气体成本，FAB形成时是否需要保护气体以及气体成本，Au丝不要保护气HTS：high temperature storage 性能，焊点可靠性
Storage：库存成本
Price：价格
1 bond margin: 第一焊点——球焊点形成后，边缘直径，对于焊盘间距的设计非常重要
Squashed ball deviation: FAB在超声和压力的作用下与芯片上焊盘键合后，变成的扁平球（Squashed ball），在进行大量键合后Squashed ball 尺寸的分散度，对于实际生产的质量控制非常关键
3、客户以及相关信息
表1 2010年键合丝用户及相关信息列表
4、竞争对手以及行业标杆
1.贺利氏：目前世界最大的键合金丝生产厂家，在中国有常熟和招远两个工厂，键合丝
业务涉及金丝、铜丝、铝丝。

大多数中高端客户把他列为第一供应商，目前他们的整个大陆
市场份额应该在50%以上。

2011年，金丝销量为11.5吨，是我们中高端客户最大的竞争对
手；2008年贺利氏收购了美国K&S的键合丝业务，其铜丝质量全球领先，所以铜丝业务发
展较快，很快取代康强和优克等较早进入市场的低端产品，处于垄断地位。

公司资金雄厚，
进入国内市场比较早，利用贺利氏的品牌及当时国家的政策取得了比较庞大的市场网络，产
品质量比较稳定，中高端市场尚国内无竞争对手。

金键合焊线
Heraeus的金焊线产品系列根据回路高度特性可以分为四类金焊线，即所谓的H系列、S系列、
L系列和HTS系列(高抗拉强度)。

每类产品均具有其独特的特点和属性。

依据于封装类型、焊线跨度、
回路高度和键合需求，我们的焊线设计用于各种回路应用。

电气属性图表
熔断电流vs.焊线直径熔断电流vs.焊线长度电阻vs.焊线直径
除了这四类主要产品之外，AFW还为独特的应用提供了许多专门设计的金合金，如FP系列键合焊线。

AFW焊线提供直径从0.6密耳（15祄）到3.0密耳（75祄）的产品。

我公司性能优越的金焊线制造设施中心位于Heraeus在新加坡新建的经过QS 9000/ISO 9002/ISO 14001认证的设施。

Heraeus Ball Bonding Wires
Within three major classifications of Heraeus gold ball bonding wires, the right wire can be found for
any ball bonding application. These groups take into account mechanical strength and looping
characteristics.
Gold Wire Segmentation by Application
Gold Wire Segmentation by Properties
Physical Properties
Properties Units4N (99.99% Au)3N (99.9% Au)2N (99% Au) Resistivity uOhms cm 2.2 - 2.4 2.4 - 2.7 3.0 - 3. Elastic Modulus GPa 80 - 95 85 - 100 85 - 10 Tensile Strength N/mm2 > 240 > 250 > 260 Heat Affected Zone Length Normal Shorter Shortest Neck Strength % Tensile Strength 85 - 90 85 - 95 90 - 95 Reliability Performance Low Medium High Looping Performance Good Excellent Excellent Bondability Excellent Excellent Good Molding Performance Good Excellent Excellent
Gold Bonding Wires
Heraeus gold bonding wires are manufactured from high-purity starting materials (99,999 %) with
doping additions. New applications and their increased requirements led to the development of alloyed
gold bonding wires.
All wires are corrosion resistant and display homogeneous chemical composition and stable mechanical properties.
The wire surfaces are very clean and of high quality. Gold bonding wires are principally used in the
production of plastic packaged components. The highest processing rates are achieved by using the
ball/wedge bonding process.
1
2
3
Ball Bonding Gold Wires
Heraeus offers a wide selection of gold ball bonding wires in a full range of diameters to suit your
applications,
from high-power and discrete components to high pin-count, ultra-fine pitch devices.
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Wedge Bonding Gold Wires
Our wedge bonding gold wires are optimized for tail and loop consistency and provide excellent bondability
for high-frequency and opto-electronic applications.
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Stud Bumping Gold Wires
Heraeus has developed gold wire products specifically for advanced stud bumping of wafers and other materials
used in flip-chip and chip-to-chip applications.
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Heraeus Stud Bumping Bonding Wires
Heraeus Gold Stud Bumping Wires provide versatility for all types of bumping applications including standard stud, coined, and stacked bumps. Available in either 2N or 4N compositions, it delivers consistent bump height and long-term bond stability.
但是由于公司管理的一些问题，近几年公司核心员工离职较多，同时凭借其垄断地位，对客户的服务不到位。

母合金配方和工艺的研发和应用试验中心在国外，为外方所控，所以产品的研发完全依赖国外，不为合资企业所控。

2.宁波康强：国内上市公司（代码：002119），国内最大的引线框架生产商，2002年开始生产金丝，跟金丝年用量超过1吨的江阴互为股东，故有一定的市场保证，开始发展比较快，但2006年以后一直保持在1吨左右，其技术来自于北京达博，以后主要靠来自贺利氏的一个工程师（已离开），技术过时，缺少技术支持和研发能力，采取与框架、铜丝等捆绑销售政策，有一定的优势，是目前中低端市场的主要竞争对手。

由于金丝低端市场饱和，06年开始着手铜丝市场，并将重点放在铜丝上面，但由于铜丝仅限于高纯铜拉细，不涉及微量元素添加，技术含量低，所以市场份额逐渐被后来进入的贺利氏等其他厂家占据，目前主要客户除了互相持股的江阴外，还有华润，华晶，天水等国内客户的低端产品。

宁波康强电子股份有限公司（股票代码：002119），于2007年3月2日深交所上市，总股本9710万股，总资产8.5亿元，净资产5.3亿元。

2006年销售收入6.3亿元，净利润4236万元。

公司专业生产半导体封装用材料：
1、引线框架：包括集成电路框架，以及电力电子器件框架、表面贴装元器件框架和TO-9
2、TO-3P
等分立器件框架，产销规模连续十一年居国内同行第一，产能250亿只；
2、键合丝：包括键合金丝，产能3吨；国内唯一批量生产的键合铜丝，性能指标超过进口产品，07年
底产能将达到1吨。

3、智能卡IC载带：国内首创，公司自主设计制造了一条宽幅曝光、蚀刻生产线，生产样品达到用户要求，并通过了信息产业发展基金验收。

该产品的研发成功为蚀刻生产引线框架，IC载带柔性印刷电路板等项目创造了条件。

4、合金丝材料：07年新开发产品，目前已引进日产全自动金属丝加工机3台，年内达到21台，年产1500吨。

合金丝材包括慢走丝线切割机用合金铜丝，计划开发晶体多组切片机用切割线，可以提高太阳能电池、集成电路等半导体切片生产效率和成品率。

公司2001年被评为国家级重点高新技术企业，1996年起相继通过ISO9001、ISO14001、QS-9000等体系认证。

2005年被评为中国半导体支撑业最具影响力企业，2006年键合铜丝被评为第一届中国半导体创新产品。

2006年公司经省科技厅批准，成立省级工程技术研发中心。

键合金丝事业部康强金丝：宁波康强电子股份有限公司新增生产项目，成立于2003年3月，一期总投资4000万元，主要进行键合金丝、蒸发金、金靶材及其他金基合金材料的生产及销售。

到2006年底，年生产能力2吨。

该项目全套引进欧洲及日本先进的技术、设备；聘请国内外一流的人才负责技术和管理工作。

康强金丝：于2003年10月初正式开始批量生产，产品经过国内
知名大用户的批量考核认定，各项指标均已达到国际先进水平。

康强金丝：将以最优惠的价格向顾客提供质量可靠的一流的产
品，并持续改进我们的技术、工艺，提供最
优良的服务。

控股模具公司
本公司控股95％的北京康迪普瑞模具技术有限公司是专业从事精密IC引线框架模具、精密粉末冶金模具及其备件的加工制造，主要的加工设备全部来自瑞士、日本、德国、美国等工业发达国家，目前已达30余台。

公司依托先进的CAD/CAPP/CAM软件资源和人才优势，采用国际先进的加工设备和制造技术，承接各种高精密模具及零配件的加工。

公司主导产品有：
⑴精密冲压模具（包括IC引线框架模具、电机定转子片模具等）
⑵零配件
3.烟台励福：由林良负责筹建，2005年底生产，曾进入国内高端客户，但是2007年林良离职之后，缺少持续的研发能力，遂从高端客户退出，主要靠林良留下的几个低端型号，但销售投入较高，现金丝年销量约900公斤，主要是天水华天、广东等低端市场，铜丝也涉足不久，主要靠买半成品回来加工，目前只有一家客户。

烟台招金励福贵金属股份有限公司开发区分公司其前身为励福实业(烟台)有限公司，成立于2004年，主要从事键合金线、铝线、铜线和蒸发金、靶材，以及用于特殊用途的金属和合金材料的生产与销售。

该公司厂房图：
产品图片：
4.北京达博：国内较早从事金丝研究的厂家之一，但技术一直没有较大突破，产品型号单一，质量不稳定，发展较慢。

2009年初，南通华达在与我方合作无望后，购买其部分股份，因而也得到部分市场，金丝年销售量为1.2吨左右，其股东南通控股方华达及子公司南通富士通的金丝年用量将近2吨，而只能用其200多公斤，高端封装无奈只能选用贺利氏和日本进口金丝；铜丝涉足不久，尚处于试验阶段。

目前主要客户除南通华达和富士通外，主要是江阴，华晶，天水等国内企业的低端产品，广东的分立器件封装市场以及蒸发金市场也有一定的市场份额。

北京达博产品介绍
键合丝作为芯片与框架的连接线广泛应用于电子封装领域，主要包括金丝、银丝、铜丝、铝丝等。

其中金丝、银丝、铜丝、合金丝、钯铜丝等应用于热压键合和热超声键合过程，铝丝一般用于超声键合过程。

键合丝的选择取决于客户要求,封装形式、成本、不同键合工艺和
键合设备对产品都有不一样的要求。

键合丝的材质和线径对键合时的线弧形状、高度和强度均有影响，其抗氧化性、电性能、可靠性等也都有区别。

为了保证键合丝产品的一致性，键合丝必须符合以下要求：
• 产品线径的一致性
• 温度变化时的稳定性
• 洁净的丝表面
• 顺畅的放线性能和直线性
• 键合可靠性高，弧形好
键合丝的高可靠性和高品质取决于严格的成分控制、稳定的产品特性和严格的加工过程的控制。

5.优克：国内生产铜丝较早企业，2008年与兰州理工大学合作开始生产铜丝。

前期与铜丝用量较大的天水华天合作销售，以前有一定的市场，但由于只限于单晶铜生产，技术没有突破，华天已与其脱离关系，全部采用贺利氏，目前运营很困难，正在考虑金丝等其他产品，但缺少技术来源。

6.日本田中：世界上第二大的金丝生产厂家，07年兼并日本三菱键合丝事业部，在杭州设有工厂，主要是金丝的后道加工分装。

在主要市场在日本、台湾和欧美，国内销售不多，主要是国内保税区的日本和欧美公司，这些公司在国外一直使用田中的键合丝，但市场份额受到贺利氏的强烈冲击。

产品以金丝为主，铜丝很少。

目前其价位最高，但质量比较稳定。

键合丝
广泛应用於IC、LSI、电晶体等领域的键合丝。

对於日新月异的半导体技术可提供最契合的先进产品。

金键合丝
金合金键合丝
Hand Free Case
铜键合丝
功率用铝键合丝
键合铝带
铝-矽键合丝
银键合丝
金键合丝
特色
从DIP、SIP乃至於QFP、BGA、FBGA等各种型态的封装皆可对应
也可对应最近的堆叠封装、超薄型封装
使用高强度型，可借由细线化降低成本
以金键合丝的特性及类型区分之用途（线径＝25μm、球径＝线径×2.5）
类型断裂荷重(mN) 拉伸率(% ) 再结晶长
度
(µm)
用途特色规格平均规格平均
高线弧Y 64-103 86 2.0-6.0 3.5 350-400 LED, TO, DIP,
短线弧焊线
长线弧焊线
多层焊线
金合金键合丝
特色
可缩小焊线时的金球压着径
提升焊线后历时性的接合信赖性
可在旧有的打线机上使用
连续接合时，不会发生打线停止及拉力强度降低的情况200℃ 1000小时后之状态
GPG，GPG-2
金线（纯度99.99％）GPG, GPG-2, GPG-3 型
特色
与卤素树脂相配合实现高接合可靠性
压着球形状很稳定。

真圆度极高（GPG-2）
连续接合性非常优异（GPG-3）
GPH型
特色
与无卤素树脂相配合实现高接合可靠性
Hand Free Case
特色
不需直接接触卷动键合丝的承轴，就可以自焊线机上装卸
处置不良率降低
从盒里取出
装置於焊线机上
金线
铜键合丝
CA-1, CLR-1A, CFB-1, TCA1, TCB1, TPCW, TOCW 型特色
材料费比金低廉，可降低成本
CA-1：拥有良好的信赖性及线尾接合性的铜合金线
CLR-1A：高性能的贵金属披覆铜线
CFB-1：拥有稳定的线尾接合性的裸铜线
TCA1：拥有圆度极高的球形状的裸铜线
TCB1：拥有高度的电传导度的软质裸铜线
尺寸
φ20μm～φ70μm
金与铜的物性比较表
作为接合导体的优良物性值
Physical Properties Au Cu Resistivity：[µΩ・cm] 2.3 1.7
Thermal conductivity：[W/m・K] 320 398
Young‘s modulus：[GPa] 80 135
高温放置测试后的第一焊点部位之剖面组织
透过与Al的相互扩散，不容易有气泡形成
※HTS conditions: Temp. 473K , Molded HF resin
功率用铝键合丝
TANW 型
特色
优良耐湿性
优良焊线性
配合不同用途的Hard、Soft-1、
Soft-2之产品齐全
尺寸
φ100μm～φ500μm
铝线
PCT：at 120℃, RH100%, 2atm 键合铝带
TABR 型
特色
优良耐湿性
（与TANW线同等）
对应多种尺寸
尺寸
w0.5mm～w2.0mm、
t0.05～t0.25mm
※捆卷的长度因铝带的尺寸而有所不同。

铝-矽键合丝
TABW, TABN 型
特色
矽均匀分布
稳定的机械特性
没有卷曲、脏污、损伤的稳定品质
优良焊线性
良好的耐湿性（TABN型）
尺寸
φ18μm～φ80μm
铝-矽线
银键合丝
SEA, SEB型
特色
与金线相比材料费低廉，与铜线相比接合性优异
在低波长区具有高反射率
与2N（纯度為99.00%）金线相当的电阻比
银合金键合丝SEA型
金线、铜线、银线的特性
电阻比
反射率
7.日本住友：世界上第三大金丝生产厂家质量较好，价位高。

在目前国内企业中的认知度高，一些高档封装选用该公司金丝比较多，属于国际客户中一个比较大的竞争对手。

目前已在上海建厂，主要是金丝的后道加工分装，重点针对国外市场和部分保税区内的国外客户。

二、现行生产工艺
1、拉丝法
大体工艺流程：
（1）熔铸
（2）拉拔
（3）细拉
（4）超微细拉
（5）退火
（6）包装
该方法具有：灵活性大,拉拔工艺、工模具、设备简单,维护方便,操作容易,投资少。

2、静液挤压法
该方法被美国的少数公司所采用,其中,技术最先进的当属Metalforming公司。

静液挤压法的工艺原理将在第二章介绍。

静液挤压法相对于传统的拉丝法的优点主要有:(l)由于拉丝时容易产生断丝,因此对原材料的要求较高。

静液挤压与拉拔时的受力情况不同,很少出现断丝,对原材料要求相对较低;(2)静液挤压法可以选用较大的挤压比,从而可以减少加工道次;(3)制品的性能优于拉拔方法的产品。

据Metalforming公司的公开资料显示,制品的直径波动仅0.2%,而采用拉拔法生产的超细丝直径波动一般在5%。

其示意图如下：
图1 美国Metalforming公司等静压挤压工艺（Augmented Hydrostatic Extrusion(HYDRAW）
示意图
该工艺也已成功制备出了0.4mil (=10μm)的超细健合金丝,该公司的技术己经非常成
熟。

据Metalforming公司公开资料显示，采用HYDRAW技术所制备的超细键合金丝除了可以将丝径做得很细外,所加工出的细丝还具有一些优良性能。

3、璃包覆熔融纺线法
该方法的原理如图所示"将原料棒或小块放入玻璃管中,在玻璃管下端部采用感应加热将合金融化,依靠融化合金的热量使与其接触的玻璃管软化并与熔融合金润湿性紧密接触,在一定的拉力下拉成很细的毛细玻璃管,金属熔体流过毛细管并经过冷却,就可以获得连续的玻璃包覆线材"该方法可以获得2协m一-20pm的细丝,该方法己被用于非晶态纯金属(cu,Au,Ag,Fe 等)和镍基合金丝材的制备。

三、研究方向
1、键合金丝的发展趋势：
随着半导体行业的迅速发展，产品封装主要向高密度、小体积、功能全、智能高方向发展，这对键合金丝提出更高要求。

键合金丝和金窄带材是用于集成电路或晶体管芯片管芯与引线框架连接的关键引线材料。

近年来大规模集成电路集成化程度越来越高，对金丝的规格要求也越来越小，性能越来越稳定。

金窄薄带材料作为内引线，具有优异的导电性能和长期使用稳定性和高可靠性等优点，在多种特殊电路设计中具有显著的优越性和不可替代性：它适用于功率器件的大电流传输，有效地提高大功率信号的负载传输能力；适用于传输高频信
号的电路连接，有效地降低高频电路中的寄生参数、并使电感更小、可靠性更高，从而提高高频信号的传输能力；适用于大规模混合电路间的模块连接，有效地提高电路的可靠性。

同时随着半导体器件集成度的进一步提高，器件上的电极数增多，电极间距变窄，而且键合高速度化要求键合球径小型化或加长键合丝的长度。

健合金丝的细线化是解决电极间距窄化和球径小型化的有效办法，通过细线化还可达到降低成本的目的。

为此，迫切需要机械强度高、热压后的接合强度相同的键合金丝。

这就需要最佳设计合金组成，研究微量添加元素的作用效果，提高金丝的强度。

日本田中、住友及新口铁和德国的贺利氏等公司针对键合金丝细线化和接合性问题，研究了添加元素对金合金细线化的效果，并通过添加廉价元素降低金丝成本，相继开发出高性能的新型键合金丝，已进入实用阶段。

贺利氏招远贵金属材料有限公司和贺利氏招远（常熟）电子材料有限公司（简称贺利氏）在2006年将主要就半导体封装用的细线径、高强度、低弧度、长弧形、高可靠性金丝进行研发和生产。

此外，贺利氏还提出要加速键合铜丝、纯铝丝的产业化进程。

日本田中电子工业株式会社通过深人研究，发现在高纯金中添加0.0001%-0.1% Mn及0.0001%-0.04%La,Y, Gd, Be, Ca, Eu，或者添加一定数量的C和Mn以及0.02%-2.0%Pd、Pt、Cu、Ag、Ni，可提高金合金丝在高温环境下的长时间放置性能，且键合球的正圆度好，振动断裂率低，IC芯片不易产生裂纹，用该金丝可进行丝焊和球焊。

在高纯金，添加Ca,Y,Sm,In,Be,Ge，使Au的晶格发生变化，从而提高了再结晶温度。

由于添加元素在晶界析出，提高了常温机械强度和耐热性能，降低了键合时的回线高度。

键合球可进一步小型化、细线化，健合时弧不塌陷或变形，能进行半导体器件的长间距多引线键合，解决了以往金丝由于球颈部再结晶温度低、耐热性差、强度不足等缺陷造成的断线问题。

但添加元素的添加量要严格控制，不能超出添加范围，否则适得其反。

5种元素的合计添加范围为0.002%-0.02%,若添加量< 0.002%不能充分提高强度，而>0.02%则弧形歪曲，接合可靠性低，最佳添加范围为0.004%-0.015%。

目前微量添加元素的作用和Au-Cu-Ca、Au-Ag、Au-Ni、Au-Sn(In)、Au-Pt(Pd)等合金化键合金丝,以及键合金丝的微量添加元素复合化、组成合金化、加工细线化、低成本化是键合金丝的发展趋势。

2、键合机理的研究：
（1）对于超声键合过程焊点形成机理以及超声在键合过程中发挥的作用的正确理解是实现参数优化和获得可靠焊点的关键。

综述了超声键合技术连接机理, 归纳总结并探讨了四种键合机制, 包括: 摩擦生热键合理论、位错理论、滑动摩擦及变形理论和微滑移理论（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室, 田艳红, 孔令超, 王春青《芯片互连超声键合技术连接机制探讨》电子工艺技术第28卷第1期2007年1月）
（2）对引线键合工艺、材料、设备和超声引线键合机理的研究进展进行了论述与分析, 列出了主要的键合工艺参数和优化方法, 球键合和楔键合是引线键合的两种基本形式, 热压超声波键合工艺因其加热温度低、键合强度高、有利于器件可靠性等优势而取代热压键合和超声波键合成为键合法的主流,提出了该技术的发展趋势, 劈刀设计、键合材料和键合设备的有效集成是获得引线键合完整解决方案的关键。

（太原理工大学晁宇晴，杨兆建，乔海灵《引线键合技术进展》电子工艺技术2007年7月第28卷第4期）
4、专利概况：
（1）国内专利：
专利公开号公开日期所属公司主题
CN1594620A 2005.3.16 贺利氏招远贵金属股份有限公司微合金化
CN1235376A 1999.11.17 贺利氏招远贵金属股份有限公司微合金化
CN1793393A 2006.6.28 三菱综合材料株式会社微合金化
CN1885531A 2006.12.27 中国印钞造币总公司微合金化
CN101384738A 2009.3.11 W.C贺利氏有限公司微合金化
CN101607360A 2009.12.23 北京达博有色金属焊料有限责任公司规模生产方法CN1015721045A 2009.11.4 袁毅生产设备
CN101428718A 2009.5.13 W.C贺利氏有限公司生产设备
CN201191538Y 2009.2.4 袁毅生产设备
CN101508016A 2009.8.19 贵研铂业股份有限公司微合金化
CN101667566A 2010.3.10 宁波康强电子股份有限公司复合材料
CN201704376U 2011.1.12 北京达博有色金属焊料有限责任公司生产设备
CN1027663A 2011.07.20 宁波康强电子股份有限公司微合金化
CN102121077A 2011.7.13 宁波康强电子股份有限公司微合金化&生
产方法
CN102437316A 2012.05.12 浙江佳博科技股份有限公司复合材料
CN1031224A 2013.05.29 北京达博有色金属焊料有限责任公司微合金化&生
产方法
CN202072976U 2011.10.05 北京达博有色金属焊料有限责任公司测试设备
CN103038879A 2013.04.10 贺利氏材料科技公司复合材料
CN103091339A 2013.05.08 苏州爱特盟光电有限公司测试方法（2）国外专利：
更多的还需要进一步搜索。