封裝領(lǐng)域鍵合銅絲的專利綜述

摘 要：鍵合銅絲由于優(yōu)良的綜合性能在當(dāng)今微電子封裝中受到重點(diǎn)關(guān)注，本文指出了鍵合銅絲在世界各國的發(fā)展趨勢，并重點(diǎn)分析了重要申請人在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鍵合銅絲;微電子封裝

引言

近年來，由于黃金價(jià)格不斷攀升，迫于封裝成本高的壓力，傳統(tǒng)的引線鍵合材料——鍵合金絲正受到越來越大的挑戰(zhàn)，微電子封裝廠商不得不考慮采用其他的鍵合絲替代金絲;銅絲與金絲相比，具有很大的成本優(yōu)勢，而且也具有優(yōu)良的高導(dǎo)電導(dǎo)熱率和機(jī)械性能等，是替代金絲的理想引線鍵合材料，且隨著銅絲鍵合新工藝的不斷提高，使得銅絲的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，鍵合銅絲將在未來的封裝市場上成為鍵合材料主導(dǎo)產(chǎn)品[1-2]。

專利申請總體趨勢

圖1示出了關(guān)于鍵合銅絲世界專利申請趨勢，從圖中可以看出，從1983年開始，鍵合銅絲在世界各國的發(fā)展趨勢大致可以分為三個(gè)階段（各時(shí)期劃分以申請量增長率的變化為標(biāo)準(zhǔn)）：第一階段為1983-1987年（快速發(fā)展期），可能由于該技術(shù)的獨(dú)特先進(jìn)性，該技術(shù)在這個(gè)時(shí)期受到了很大的重視，從而導(dǎo)致各個(gè)申請人都開始研究該技術(shù)，希望能夠通過該技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)先，從而更多的獲得市場資源;第二階段為1988-2007年（遇冷期），一方面可以說明由于前一時(shí)期的迅速發(fā)展使得鍵合銅絲技術(shù)取得突破的難度越來越大，另一方面也可以說明該技術(shù)由于該技術(shù)本身存在的缺陷而被研究者認(rèn)為其經(jīng)濟(jì)效益已逐漸下降，從而導(dǎo)致部分申請人放棄對該技術(shù)的持續(xù)研究;第三階段為2008至今，出現(xiàn)該技術(shù)被再次重視的原因大致可以分為幾種：1、由于從2008年開始，金的價(jià)格開始快速上升，從而導(dǎo)致鍵合金絲的成本偏高;2、由于世界經(jīng)濟(jì)的蕭條，企業(yè)家對于成本的追求越來越嚴(yán)格;3、通過對鍵合銅絲存在的技術(shù)缺陷的改進(jìn)，其性能大幅度的提高。正是由于這幾方面的原因，企業(yè)家衡量再三覺得鍵合銅絲的研究更有利于企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

目前鍵合銅絲申請量比較多的國家分別為中國、日本、韓國。中國雖然起步較晚，但是通過對該技術(shù)的不斷重視，專利申請量逐漸開始后來居上。

重要申請人在鍵合銅絲領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展簡介

田中電子工業(yè)株式會(huì)社是鍵合銅絲領(lǐng)域中申請量最多的申請人，其發(fā)展?fàn)顩r也代表了領(lǐng)域內(nèi)典型的日本公司發(fā)展?fàn)顩r。

（1）針對微合金化進(jìn)行改進(jìn)的專利代表

①JP昭61-113740A （申請日：19841109）

此專利是該公司進(jìn)入鍵合銅絲的微合金化領(lǐng)域的最早申請之一。該專利涉及向純銅中添加過渡元素，具體地，在純度大于等于99.99%的純銅中添加選自第四周期過渡元素中的3-50重量ppm的Ti、3-50重量ppm的Cr、3-50重量ppm的Mn、3-50重量ppm的Fe、5-100重量ppm的Ni、5-100重量ppm的Co中的一種或多種以及選自第五周期過渡元素中的3-50重量ppm的Zr、3-50重量ppm的Nb、5-100重量ppm的Pd、5-100重量ppm的Ag、5-100重量ppm的In、5-100重量ppm的Sn中的一種或多種。由此制得的鍵合銅絲具有大的拉伸強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度、能夠進(jìn)行熱焊和超聲波鍵合、成球形狀接近球形并保持不變、鍵合后鍵合強(qiáng)度大，并且在不改變電導(dǎo)率的同時(shí)可以改善鍵合銅絲的熱阻特性和抗腐蝕能力。

② JP昭62-80241A （申請日：19851001）

該專利涉及向純銅中添加Mg、Al、Si、P和Ca中的一種或多種，具體地，在純度大于等于99.99%的無氧銅中添加3-40ppm wt%的第三周期元素中的Mg、Al、Si、P以及第四周期元素中的Ca中的一種或多種。本發(fā)明的鍵合銅絲在成球過程中可以防止銅絲的氧化，從而形成干凈的、球狀的焊球，并且可以防止鍵合過程中芯片開裂以及球的頸部斷裂。

③JP特許第4482605號B1 （申請日：20090123）、WO2011/118009A1（申請日：20100325）

該專利涉及向純銅中添加P，具體地，在純度大于等于99.9985%的銅中添加0.5-15ppm wt%的P并且使得其他雜質(zhì)的總含量小于P的含量。本發(fā)明的鍵合銅絲具有高的再結(jié)晶溫度、有利的室溫硬度以及優(yōu)異的防止芯片開裂的特性，能夠改善半導(dǎo)體裝置的可靠性。

④JP特許第5213146號B1 （申請日：20121003）

該專利涉及向純銅中添加Rh，具體地，在高純銅中溶解0.1-1.5wt%的Rh以及1.0-10ppm wt%的S和10-150ppm wt%的O，由此改良銅合金球焊線，使得限制在超聲波接合時(shí)的鋁飛濺和傾斜，并改善在二次接合時(shí)的接合性的品質(zhì)。

（2）針對涂層進(jìn)行改進(jìn)的專利代表

①JP昭62-78862A （申請日：19850930）

此專利是該公司進(jìn)入鍵合銅絲的涂層領(lǐng)域的最早申請之一。該專利涉及在銅芯的表面涂覆絕緣層，具體地，在銅線的表面形成一含量低于1ppm的非離子物質(zhì)體系或含有堿金屬、鹵族元素的多元醇酯表面活性劑的涂層，所述涂層的厚度為20-500?。由此，可以防止銅線被氧化和相互纏繞在一起。

②JP特開2003-166082A （申請日：20011130）

該專利涉及在銅芯的表面涂覆絕緣層，具體地，在銅線的表面形成一抗氧化涂層，所述抗氧化涂層的材質(zhì)為環(huán)胺，所述涂層的厚度2.5-12nm。由此，可以延緩銅線鍵合強(qiáng)度劣化至少30天以上。

③JP特許第5546670B1 （申請日：20130613）

該專利提供即使變更鍍覆銅絲的鍍覆材料或芯材種類和線徑也可以不單獨(dú)設(shè)定鍵合條件就穩(wěn)定地進(jìn)行超聲波鍵合、且超聲波鍵合時(shí)的工藝窗口范圍廣的超聲波鍵合用鍍覆銅絲結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)為該銅芯材表面成型有多條沿鍵合絲長度方向的卷云狀槽，該芯材上鍍覆了由抗氧化性比芯材好的貴金屬或貴金屬合金。

④JP特許第5807992號B1 （申請日：20150223）

采用直徑為10-25mm的銅或銅合金作為芯層，在芯層的表面涂覆鈀層，來自芯層的銅在鈀涂層的表面形成滲出層，所述滲出層的表面被氧化;此外，還可在鈀涂層的表面涂覆金層。該技術(shù)方案解決了熔球不穩(wěn)定的問題，有效實(shí)現(xiàn)了無空氣球FAB的形成。

（3）針對微合金化/涂層進(jìn)行改進(jìn)的專利代表

①JP特許第4349641B1 （申請日：20090323）

該專利涉及微合金化和復(fù)合涂層，具體地，芯材由銅和1-500質(zhì)量ppm的P合金構(gòu)成，在該芯材上包覆有包含Pd或Pt的中間層，在該中間層上包覆包含金或銀的表層。根據(jù)本發(fā)明制得的鍵合銅絲在扯斷后形成球時(shí)，能夠避免由于Cu的氧化造成的不便。

②JP特開2012-39079A （申請日：20110426）

該專利涉及微合金化和復(fù)合涂層，具體地，在銅芯中添加0.5-99ppm wt%的Zr、Sn、V、B和/或Ti，在銅芯的表面包覆含Pd的中間層以及在中間層上包覆含金、銀、銅或其合金的表層，其中，表層的厚度小于中間層的厚度的1/8。根據(jù)本發(fā)明制得的鍵合銅絲能夠使得成球穩(wěn)定、抑制磨損、改善光滑度、阻止斷線，增強(qiáng)了接合可靠性。

③JP特開2015-5576A （申請日：20130619）

本發(fā)明中的鍵合銅絲用于超聲焊接，所述鍵合銅絲為三層結(jié)構(gòu)，其中，合金芯由銅和其他金屬構(gòu)成，銅以外的金屬成分的質(zhì)量百分比為0.02%以下，其他金屬選自Ti、Zr、Zn和Sn所組成的組，銅的純度為99.990-99.996%，在合金芯的表面設(shè)置有有機(jī)碳涂層，有機(jī)碳的總含量為50-3000μg/m，合金芯的最外層為不飽和的銅氧化物（Cu2-xO），厚2-20nm。本發(fā)明中采用有機(jī)碳涂層，改善了鍵合銅絲的穩(wěn)定性。

通過上述分析可知，該公司在鍵合銅絲領(lǐng)域的專利申請呈現(xiàn)出如下三個(gè)特點(diǎn)：第一、在微合金化和涂層兩方面的改進(jìn)上齊頭并進(jìn);第二、趨向于微合金化/涂層的綜合型改進(jìn)技術(shù);第三、鍍鈀鍵合銅絲的研發(fā)越來越受到重視。

（1）針對微合金化進(jìn)行改進(jìn)的專利代表

①SG190479A1（申請日：20111201）

該專利涉及向1N、2N、3N、4N銅線中添加包含Ag、Ni、Pd、Au、Pt和Cr的群組中的一者或多者作為耐腐蝕性加入材料，并將所述耐腐蝕性加入材料的濃度控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)，由此可以提供高可靠性性能并且使其他性質(zhì)的受損程度降低。

（2）針對涂層進(jìn)行改進(jìn)的專利代表

①DE102005011028A1 （申請日：20050308）

此專利涉及一種表面富含金的銅制接合線或超細(xì)線，特別地，金的含量對應(yīng)于最大50nm厚的外層。根據(jù)本發(fā)明的接合線或超細(xì)線除了具有銅的良好的電氣和機(jī)械特性外，還具有存放穩(wěn)定性，并且其無空氣球沒有顯著地變硬，其導(dǎo)電率與純銅一樣，其循環(huán)斷裂力與最純的或低雜質(zhì)的銅線的循環(huán)斷裂力相當(dāng)。

②CN104937140A （申請日：20131218）

該專利涉及在銅或銀芯材的表面至少部分地涂覆金屬層，其中，所述金屬層以至少10%的量包含選自Pd、Pt、Au、Ru、Os和Ir的涂覆組分作為組分，并且所述金屬層以至少10%的量包含所述芯的主要組分作為組分，由此提供一種具有良好的加工性能并且互連時(shí)無特定需求、電和熱導(dǎo)性優(yōu)異、可接合性優(yōu)良（特別是在接合程序中形成無空氣球方面）、對腐蝕和/或氧化具有改善的抵抗的鍵合導(dǎo)線。

（3）針對微合金化/涂層進(jìn)行改進(jìn)的專利代表

①KR10-2004-0073667A （申請日：20030214）

此專利是該公司進(jìn)入鍵合銅絲的微合金化/涂層領(lǐng)域的最早申請之一。該專利涉及向純銅中添加各自含量為0.001-0.005wt%的Al、Ag、Ca以及選自B、Be、La、Ge、S、P和Ba所組成的組中的一種元素，并在該銅合金的表面包覆選自Pd、Pd-Ni合金、Au、Ag和Au-Ag合金中的一種材質(zhì)所形成的涂層。由此制得的鍵合銅絲具有增強(qiáng)的斷裂承載能力、顯著的硬度特性和電導(dǎo)特性。

②SG201301641A1 （申請日：20130306）

該專利是在銅芯中添加一定量的Ag和P，并在銅芯的表面包覆含Pd的涂層，其中，銅芯中Ag和P的含量的比值為0.03-2。根據(jù)本發(fā)明制得的鍵合銅絲具有節(jié)約成本、電和熱導(dǎo)性優(yōu)良、可接合性優(yōu)良、對腐蝕和/或氧化具有改善的抵抗等優(yōu)點(diǎn)。

通過上述分析可知，該公司在鍵合銅絲領(lǐng)域的專利申請呈現(xiàn)出如下三個(gè)特點(diǎn)：第一、主要針對涂層進(jìn)行改進(jìn)，且改進(jìn)點(diǎn)由涂層的材質(zhì)逐漸向相關(guān)參數(shù)的設(shè)置偏移;第二、兼顧微合金化/涂層的綜合型改進(jìn)技術(shù);第三、鍍鈀鍵合銅絲受到一定的關(guān)注。

綜合國內(nèi)公司在專利申請質(zhì)量和市場占有率兩方面的考慮，下面將以寧波康強(qiáng)電子有限公司的相關(guān)專利申請為例，介紹國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展情況。

①CN1949492A （申請日：20061103）

該專利所涉及的鍵合銅絲材料配方重量百分比為：0.0005-0.001%的Ca，0.0003-0.0007%的Ce或Ti，余量為銅，其含量大于等于99.996%。由此制得的鍵合銅絲具有較好的抗氧化性，產(chǎn)品在打開真空包裝后15天內(nèi)仍可正常使用;且使用安全可靠，成功地去除了氫氣保護(hù)氣而只保留了氮?dú)庾鳛闊虮Ｗo(hù)氣;此外，材料成本低，具有優(yōu)秀的機(jī)械性能、硬度和焊接性能，不會(huì)產(chǎn)生第二焊點(diǎn)逃絲問題，能完全代替普通鍵合金絲。

②CN1949493A （申請日：20061103）

該專利所涉及的鍵合銅絲材料配方重量百分比為：0.0005-0.001%的Ce，0.0003-0.0008%的Zn或Sn，余量為銅，其含量大于等于99.996%。由此制得的鍵合銅絲克服了鍵合金絲的缺點(diǎn)，即價(jià)格低廉、焊接后互連可靠性強(qiáng)、同時(shí)具有高強(qiáng)度、低長弧度非常高的弧形穩(wěn)定性、越來越細(xì)的直徑尺寸等鍵合絲所需具備的優(yōu)良性質(zhì);且使用安全可靠，成功地去除了氫氣保護(hù)氣而只保留了氮?dú)庾鳛闊虮Ｗo(hù)氣，此外材料成本低，具有優(yōu)秀的機(jī)械性能、硬度和焊接性能，不會(huì)產(chǎn)生第二焊點(diǎn)逃絲問題。

③CN101707194A （申請日：20091111）

該專利涉及一種以高純銅絲為基體、表面覆有純鈀保護(hù)層的鍵合銅絲產(chǎn)品，本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)工藝先拉拔后電鍍即直接應(yīng)用的落后工藝，而是先制成線徑小于1mm的銅絲，再電鍍純鈀層，最后精密拉拔成鍍鈀鍵合銅絲成品。本產(chǎn)品可以有效提升鍵合銅絲的抗氧化性，確保成品外觀保持銀白色金屬光澤，大大延長鍵合銅絲拆封后的保質(zhì)期，又由于成品機(jī)械強(qiáng)度的提高、抗氧化性能提升，有利于進(jìn)一步縮小鍵合銅絲的線徑，縮短焊接間距，更加適合高密度、多引腳集成電路封裝。

該公司的專利申請量并不算多，但其影響力較大，尤其是關(guān)于鍍鈀鍵合銅絲的專利申請，該產(chǎn)品在市場上已經(jīng)贏得了廣大客戶的認(rèn)同。

結(jié)語

從起步時(shí)間上來說，早在八十年代中后期，日本申請人就開始關(guān)注并研發(fā)鍵合銅絲的相關(guān)技術(shù)，而國內(nèi)申請人則起步較晚，基本在06年之后;從技術(shù)研發(fā)上來講，日本和德國等大型企業(yè)掌握有該領(lǐng)域的領(lǐng)先核心技術(shù)，研究種類結(jié)構(gòu)較多，研究方向也很豐富，形成了一套較完善的研究體系;而國內(nèi)申請人在該領(lǐng)域的研究顯得較為分散，還未形成體系，需要在技術(shù)上的持續(xù)地更新。

中國在該領(lǐng)域的國際市場具有巨大發(fā)展?jié)摿Γ诮窈蟮陌l(fā)展中，國內(nèi)該領(lǐng)域的各研究結(jié)構(gòu)申請人應(yīng)多研究和借鑒先前技術(shù)并不斷進(jìn)行新的科研攻關(guān)，加強(qiáng)專利布局，重視核心技術(shù)的外圍開發(fā)，以增強(qiáng)我國鍵合銅絲領(lǐng)域應(yīng)用的綜合競爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1]田 春 霞. 電子封裝用導(dǎo)電絲材料及發(fā)展 [J].稀 有 金 屬，2003，Vol.27，No.6： 782-787.

[2]Michael Deley，Lee Levine. The Emergence of High Volume Copper Ball Bonding [C]，2004 IEEE/ SEMI Int'l Electronics Manufacturing Technology Symposium.

作者簡介：

張弓（1986年8月-），女，漢，湖北武漢，碩士研究生，助理研究員，研究方向：材料科學(xué)與工程

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215009）