薄于蟬翼，細過發(fā)絲
——金的趣話(2)

供稿|賈成廠 /

作者單位：北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083

金箔

金箔的特性

金是延展性最強的金屬。金可以制備成非常薄的薄片，稱為金箔。金箔到底能夠有多薄呢，說起來令人驚訝，可以薄到0.1 μm，就是說金箔能薄到1 mm 的萬分之一。使用1 cm3的金塊可以制備出面積為100 m2的金箔。大家一定都知道蟬吧？蟬翼是蟬的翅膀，薄如蟬翼常用以比喻極輕極薄的事物。但據測量，蟬翼的厚度約為0.12 mm，也就是說，1200 張金箔疊起來才能抵上蟬翼的厚度。實在是令人難以置信！金箔的厚度當然是可以調整的，就是說，在一定的范圍內，其厚薄可以自由地變化。

當金箔達到如此之薄時，它是透明的。透過這種金箔可以看到對面的景色。一般說來，透過紅色的玻璃片，看到的景色就會發(fā)紅。那么透過透明的金箔所看到的顏色是什么呢？是不是金色的？不是的！不可思議的是，看到的是綠色。這是因為金反射黃色光及紅色光的能力很強，這些有色光大都被反射了，所以，即使是紅葉，透過金箔來看也就神奇地變成綠色了(圖1)。很久以前，這一特性就被用來判別金的真假：把需要判別的物質做成箔。然后透過其看對面的景色是否為綠色。如果是真金，那看到的就應該是綠色的啦，否則就不是真金了。

圖1 透過金箔看紅葉

判別金箔真?zhèn)蔚霓k法還可以根據其厚度。真金箔比仿金箔要薄的多，真金箔手觸即碎，而仿金箔比真金箔要厚的多，手觸不會碎。還有真金不怕火煉，用火燒下也能辨別金箔的真假，仿金箔主要原料是銅，通過燃燒會生成氧化銅而變黑，而真金箔則不會。

判斷一個物件是不是真金，還有更簡單的方法。就是利用破碎的碗片兒對所需判定的物件進行劃擦，如果物件真是金的，那么得到的劃痕顏色是金色。但是如果是金以外的金屬，一般會得到黑色的劃痕。碗片兒到處都有吧，你可以找一個碗片兒在你身邊的金戒指上劃一下試一試哦。當然了，破壞金戒指的責任，誰來負責呢？

我們還通過肉眼可以判斷金箔的純金含量的大概。有9 赤8 黃7 青之說，即含金量超過90%的為偏紅色，含量80%的為偏黃色，含量為70%的為偏青色。

金箔的制備

金箔生產工藝獨特，技術要求高，自古至今，一直為手工制作。關于金箔的制作工藝，在《天工開物》中就有著記錄：“凡造金箔，既成薄皮后，包入烏金紙內，竭力揮椎打成?！?/p>

金箔是利用金的良好延展性，對金的薄片進行敲打使其逐漸延伸而得到的。但是這絕對不是簡簡單單的敲打，是把金的薄片放在紙張之間，并將其重疊100 層左右，由專門的金箔師用錘子進行敲打，這樣金就會延伸逐漸變薄，最后變成我們所需要厚度的美麗金箔(圖2)。問題是——使用什么紙？對金進行敲打使其逐漸地變薄的道理很簡單，但是夾住金箔的紙是非常特別的。這種被稱為萡紙的紙張一般是邊長為30 厘米的正方形，但絕對不是普通的紙張，這是一種特別的紙放在特別的水里浸漬半年以上后再拿出來干燥以后使用。這種水里包含有特殊的物質，每個金箔師手中都有特別的祖?zhèn)髅胤?。這種紙一經制備好以后可以多次重復使用，當然它的功能會逐漸低下。到最后不能使用時，還可以把它切成一定的尺寸，用于演員的化妝。也有人用了上等的復印紙進行了試驗，用這些復印紙夾住金的薄片進行敲打，雖然也能使其變薄，但會出現(xiàn)很多不規(guī)則的洞洞，所得到的并不是金箔，所以如果不使用特制的紙張，美麗的金箔是做不出來的。

世界文明古國都有制造金箔的高超技藝。最早發(fā)現(xiàn)制作金箔的是古埃及尼羅河流域。古埃及法老陵墓發(fā)掘出來的文物證明，埃及很早就掌握了金箔加工技術。在非洲撒哈拉的一座公元前1500 年的墓葬中發(fā)現(xiàn)過金箔制品，公元前1450 年的埃及墓葬發(fā)掘物上有打金箔的形象。在歐洲，中世紀時漢堡、維也納等地已有金箔加工業(yè)。

在亞洲，日本金箔制造技藝精湛，產品優(yōu)良，主要產地是石川縣的金沢(澤)市。日本京都的金閣寺是全盤用金箔覆蓋的(圖3)。1950 年，由于寺內的一個和尚放火，把金閣寺給燒掉了。1955 年進行了修復，但是當時使用的金箔的厚度不夠充分，其結果是紫外線透過金箔，損傷了內部的油漆。因此，1987 年又用金箔進行了一次覆蓋。這次使用金箔的厚度是原來金箔厚度的5 倍，使用邊長為4.8 cm的金箔200000 張，共用了大約20 kg 的黃金，總費用達7 億4 000 萬日元(約合4500 萬元人民幣)。

圖3 金箔包覆的金閣寺

在中國，金箔是中華民族傳統(tǒng)的工藝品，源于東晉，成熟于南朝，流行于宋、齊、梁、陳，南京是中國金箔的發(fā)源地。如今南京是世界最大的金箔生產中心。2006 年5 月，南京金箔鍛制技藝被國務院列為第一批國家級非物質文化遺產名錄。

金箔的應用

金箔的用途十分廣泛，涉及到佛教、古典園林、高級建筑、醫(yī)藥保健以及文化事業(yè)等各個領域，其中佛像貼金、雕梁畫棟貼金、牌匾楹聯(lián)、裝飾用貼金，是金箔最為廣泛的用途。

食用

據研究，在食用酒中加上少量的金箔，具有解毒、養(yǎng)顏等保健功能。近幾年，金箔大餐、金箔酒、金箔水、金箔糖果、金箔糕點相繼問世。尤其是在日本、東南亞一帶很是盛行。1983 年世界衛(wèi)生組織正式將黃金列入食品添加劑范疇，中國發(fā)布的作為食品新資源使用物質的第八類——礦物質與微量元素明確包含“金箔”。目前國內已有多家企業(yè)生產“金箔酒“(圖4)。

圖4 金箔酒

醫(yī)用

金箔醫(yī)用價值由來已久。我國著名的中成藥，同仁堂的“牛黃安宮丸”、“牛黃清心丸”、“牛黃降壓丸”、“烏雞白鳳丸”、“大活絡丹”等名貴中成藥，均采用金箔入藥配方或用金箔包裹。歷代醫(yī)書記載：“食金，鎮(zhèn)精神、堅骨髓、通利五臟邪氣。” “療小兒驚傷，五臟驚病失志、鎮(zhèn)心安魂魄?！?在近代醫(yī)學史上，金開始被應用于治療免疫疾病?？茖W研究還發(fā)現(xiàn)，金具有很強的抗氧化性。因而，在現(xiàn)代醫(yī)學高度發(fā)達的今天，金箔仍是海內外搶手的“金丹神藥”。在我國民間，也有用金箔為小兒壓驚的偏方。在現(xiàn)代外科手術上，金箔用于燒傷皮膚的治療及外科縫合手術。

工藝品

工藝禮品用金箔貼面，能夠集裝飾點綴、藝術欣賞、珍品收藏于一體。這類工藝禮品既能體現(xiàn)黃金的華貴，又具有相對純金制品低廉的成本。既能像黃金那樣輝煌永存，又能夠保持藝術的精髓。目前，金箔工藝品領域出現(xiàn)了鮮艷奪目，異彩紛呈的局面。諸如金箔畫(圖5)、金像卡、金箔名片、金箔照片、水晶金箔擺件、陶釉金箔畫等層出不窮。

圖5 金箔畫

美容

自古就有用金箔美容的記載，《木蘭辭》中的“當窗理云鬢，對鏡貼花黃”，花黃就是金箔。到了現(xiàn)代社會，用金箔研制開發(fā)化妝品，已成為國內外美容界的一種時尚。據說，經過納米化處理的金箔會帶負離子，產生微循環(huán)能量，可清理肌膚堆積的污垢，促進肌膚新陳代謝，激活細胞的活力及皮膚彈性，使肌膚健康透亮。

建筑

貼金技術能夠使少量的黃金起到用黃金制作本體的效應，因此廣泛用于仿古建筑、現(xiàn)代建筑、金字牌匾等等。中國著名的貼金建筑有：北京天安門、人民大會堂、中央電視臺、上海東方明珠、西藏布達拉宮(圖6)等。

圖6 布達拉宮

金絲

金絲的特性

金的優(yōu)異延展性還可以表現(xiàn)在拔絲方面。1 g 的黃金可拉成66 km 長、直徑小于1 μm 的金絲。只要有600 g 金，拉成這樣細的金絲就可以繞地球一圈。男性頭發(fā)絲的粗細一般為0.08～0.4 mm，即80～400 μm 之間。金絲的直徑可以達到人的頭發(fā)絲的百分之一以下。如果僅僅按照截面積來計算，需要大約1 萬根細金絲捆在一起，才能相當于1 根頭發(fā)！

金絲作為一種重要的原材料必須具備有以下重要的特性：良好的力學性能和導電性能；合適的破斷力；適宜的尺寸；表面清潔無污染無損傷。而且，作為鍵合金絲(圖7) 時，太軟或太硬都不行。太軟的金絲會導致以下不良后果：(1) 拱絲下垂；(2)球形不穩(wěn)定；(3)球頸部容易收縮；(4)金線易斷裂。太硬的金絲會導致以下不良后果：(1)將芯片電極或外延打出坑洞；(2)金球頸部斷裂；(3)形成合金困難；(4)拱絲弧線控制困難。以鍵合金絲為例對其制備方法以及應用進行說明。

圖7 鍵合金絲

金絲的制備

金絲的主要用途之一是作為鍵合金絲。鍵合金絲的生產方法主要包括熔鑄工藝、拉絲工藝、退火工藝、性能檢測、繞線等。通過優(yōu)選工藝、細化工藝、改進裝置，可以提高材料的產品質量、提高產品成材率、實現(xiàn)產業(yè)化生產，降低生產成本等。

首先，需要取得超高純度的金原料。過去一般采用99.99%金作為原料生產金材或配制合金，作為鍵合金絲時，在穩(wěn)定性、可焊性及半導體特性等方面存在一定的缺陷。使用99.999%金作為原料制備金制品，不僅其電氣特性得到加強，而且嚴格控制雜質元素可減少干擾因素，提高金制品的可靠性。

制備高純金的方法主要有化學還原分離、溶解萃取以及電解精煉等方法。

化學還原分離法。一般以99.9%以上的金作為原料，通過王水溶解造液，鹽酸趕硝，控制溶液中的Au3+濃度、還原劑草酸的用量、還原時間及溫度來實現(xiàn)99.999%金的生產。

溶解萃取法。通常將99.99% 金用王水溶液或電解造液的方法制備較純的氯金酸溶液，再用乙醚萃取，經反萃后以二氧化硫還原，即可得到純金的品位≥99.999%。

電解精煉法。以金(≥99.9%)作陽極，用不被電解介質腐蝕的惰性材料作陰極，通電時，陽極的金主要發(fā)生Au→Au3++ 3e 溶解反應，而陰極則主要發(fā)生Au3++ 3e→Au 析出反應。嚴格控制槽電壓及陰極電流密度，使陰極只有金的析出，而其它金屬離子不析出，這樣在陰極析出的金就得到純化。

獲得均勻的金鑄態(tài)組織，也是制備高性能金絲的關鍵。例如可采用漏澆-激冷法制備中間合金，再添加到母體金屬液中，使得合金化速度快，分散性好，獲得強化元素均勻分布的鑄錠組織。

鍵合金絲合金錠的制備方法有真空熔煉澆鑄法和連鑄法。現(xiàn)在大都是采用連鑄方法制備合金棒材，可提高鑄錠的成品率。例如采用立式中頻感應真空連鑄爐進行連鑄，采用間歇式拉鑄抑制柱狀晶的形成，有利于形成等軸晶，在滿足鑄錠延伸性的同時可以達到一定的強度，能更好地滿足超微細絲的加工，提高金絲的成材率與批料間一致性，可滿足批量化、規(guī)?；€(wěn)定生產。金絲在多次拉拔的過程中逐漸變細，最后達到使用的要求。圖8 是金屬拔絲的示意圖。在金絲的拉絲過程中，一般需將其加熱到300～600 ℃進行退火，退火后直接纏繞于收線軸進行分卷，這時鍵合金絲之間容易產生自擴散的粘結效應，導致下道工序使用放不出線，產生斷線，降低產品成材率。為防止鍵合金絲退火后產生粘連，可在退火爐與收線軸之間設置一種冷卻循環(huán)裝置，能夠較好地解決鍵合金絲經連續(xù)在線退火后纏繞在同一收線軸上產生粘連現(xiàn)象，從而提高產品成材率。

圖8 金屬拔絲示意圖

通過微量添加元素的復合作用和最佳的合金化元素設計，達到鍵合金絲的合金化、加工細線化和低成本化，并提高鍵合強度和在高溫振動環(huán)境下的使用性能。通常通過添加微量元素來細化晶粒和強化合金。例如，在含量(質量分數)≥99.996%的金中添 加0.0005%～0.001% 的Be(鉍)，0.001%～0.003%的 Ce(鈰)，0.0008%～0.002% 的Cu(銅) 或Ge(鍺)，可以得到具有高強度、低長弧度、產品成材率高、收線軸的纏繞長度長的鍵合金絲。添加0.0003%～0.0008%的 Ca( 鈣) ， 0.002%～0.004% 的Cu( 銅)，0.0005%～0.0015% 的Ge(鍺)，可以得到具有高強度、低長弧度的鍵合金絲。微量元素Be(鉍)、Sm(釤)的添加，可提高鍵合金絲的抗拉強度和伸長率。此外，在鍵合金絲中添加微量的W(鎢)、Re(錸)、Pt(鉑)、Y(釔)、Mg(鎂)、Ir(銥)、La(鑭)等，可使絲材具有更佳的強度與塑性。

金絲的應用

鍵合金絲

近年來，隨著半導體行業(yè)的迅速發(fā)展，集成電路的集成化程度越來越高，電路板尺寸越來越小，器件上的電極數越來越多，電極間距越來越窄，封裝也相應變得越來越小，客觀要求作為引線的鍵合金絲具有高強度、低長弧度和非常高的弧線穩(wěn)定性等性能(圖9)。

圖9 電路板的電極間距越來越窄

鍵合是集成電路生產中的一步重要工序，是把電路芯片與引線框架連接起來的操作。鍵合絲是半導體器件和集成電路組裝時為使芯片內電路的輸入/輸出鍵合點與引線框架的內接觸點之間實現(xiàn)電氣鏈接而使用的微細金屬絲內引線。鍵合效果的好壞直接影響集成電路的性能。鍵合絲是整體IC 封裝材料市場五大類基本材料之一，是一種具備優(yōu)異電氣、導熱、力學性能并且化學穩(wěn)定性極好的內引線材料，是制造集成電路及分立器件的重要結構材料。

金具有十分高的電傳導性，且抗侵蝕優(yōu)異。所以可用于高能量電力傳導。例如高電流的電線，3C 產品的電路板等。

鍵合金絲是一種具備優(yōu)異電氣、導熱、機械性能以及化學穩(wěn)定性極好的內引線材料。鍵合金絲主要用于集成電路(IC)和半導體分立器件——二極管(如LED)、三極管等封裝。半導體分立器件具有廣泛的應用范圍。其中具有大功率、大電流、高反壓、高頻、高速、高靈敏度、低噪聲等特性的分立器件具有廣闊的應用空間。該行業(yè)鍵合金絲用量巨大。

鍵合金絲的另一重要應用領域是IC 封裝。IC 用鍵合金絲是IC 產業(yè)的基礎，決定著集成電路產業(yè)的發(fā)展水平。IC 行業(yè)的發(fā)展水平同時也反映了鍵合金絲的生產能力和技術水平。

超大規(guī)模集成電路引線鍵合，使用最多的導電絲材料是金絲。而鍵合金絲是指純度為99.99 %，線徑為18～50 μm 的高純金合金絲。

鍵合金絲主要有以下幾項特性：(1) 具有能承受封裝時應力的拉斷力和延伸力。(2) 成球特性好以利于焊接。(3)金絲表面無劃疵、臟污、塵埃及其他粘附物，使金絲與半導體芯片之間、金絲與引線框架之間有足夠的接合強度。(4)能夠防止隨著金絲長度加長而產生的卡絲。(5)金絲直徑精度要高，表面無卷曲現(xiàn)象。(6) 焊接時焊點沒有波紋。

鍵合金絲的發(fā)展方向。目前，鍵合金絲主要有以下兩個發(fā)展方向：

(1) 為了達到鍵合金絲的合金化、加工細線化、低成本化以及提高鍵合強度和在高溫振動環(huán)境下的使用性能，通常是向金中添加微量元素。金絲中的添加元素趨向于多元化、微量化發(fā)展。微量添加元素對金絲的性能有重大影響，對鍵合性能和成品率起著決定性的作用，微量元素的添加量必須嚴格控制，不能偏離容許范圍，否則會適得其反。

(2) 針對鍵合金絲細線化、接合性和降低成本問題，日本田中電子、住友金屬礦山和德國的賀利氏等公司相繼開發(fā)出高性能的新型微細合金絲，例如Au-Ag、Au-Ni、Au-Sn、Au-Cu 等，現(xiàn)在已開始進入推廣應用階段。

目前，國內中小規(guī)模IC 和分立器件用鍵合金絲已基本解決，而大規(guī)模、超大規(guī)模IC 用鍵合金絲仍需大量進口。隨著我國微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，對金絲的技術要求也很高，例如要求用更細的鍵合絲進行窄間距、長距離的鍵合，因此對鍵合金絲的技術指標提出了越來越高的要求，高純度、高溫、超細超長的金絲需求量迅速增長，其發(fā)展?jié)摿薮?，前景廣闊。但目前企業(yè)對這類金絲的需求絕大部分依靠進口，而國內金絲無論質量或數量都不能滿足要求。日本的金絲種類、質量和產量在世界上均居首位。國內鍵合金絲業(yè)與發(fā)達國家還有較大的差距。目前國內鍵合金絲加工急需形成大規(guī)模、高效化、高品質的生產局勢。

金線刺繡

金可制成刺繡用金線。金線刺繡(goldwork)是利用金屬線進行刺繡的一種刺繡技術。所用的線材并不局限于黃金，甚至可以說很少用到純金，僅僅是名稱中有金線二字而已。一般來說，金線刺繡使用金、銀、銅或其他金屬的合金線進行創(chuàng)作。

金線刺繡的工藝是首先絲綢被繃緊并固定于框架之上，再由工藝大師描出圖案線條。隨后，刺繡大師采用金線刺繡這一古老技術，以繡針將金線絞成螺旋狀的金絲，再極其耐心地將復雜的構圖細節(jié)逐一繡制于絲綢上，從而創(chuàng)造出精美絕倫的藝術品。圖10 是當代金線刺繡作品的一例。

圖10 當代金線刺繡作品

金線刺繡已有2000 多年的歷史，它最早出現(xiàn)在中國，之后這種技術逐漸傳播開來，分別在印度、中東、古巴比倫、埃及、非洲以及歐洲各國等地生根開花。

在歐洲，11 世紀以后金線刺繡技術出現(xiàn)并開始普及，13 世紀中葉技術水平達到了高峰。這段時間，金線刺繡品廣泛的使用在教會服裝及教堂懸掛裝飾上。教皇伊諾森四世因對金線刺繡情有獨鐘，建議西多會的修士修女購置了金線刺繡的禮服，并自己募集了專做金線刺繡的刺繡者。13 世紀末，金線刺繡作品的交易曾一度超過了其他種類的刺繡作品，是金線刺繡的繁榮時期。這些作品所用金線、銀線以及鍍金線為主線材，并用珍珠、半寶石等材質輔以裝飾，所以一件完整而精致的金線刺繡作品非常有收藏價值且價格不菲。

15 世紀初期，金線刺繡技術迅速發(fā)展，很快超過了其他刺繡技術，并得到大量應用。該技術是利用不同顏色的絲線將成對的金線釘線進行創(chuàng)造，現(xiàn)在保存下來的作品通常為人物肖像畫或者敘事場景圖。

到了19 世紀，金線刺繡在軍隊以及國家或慶典用禮服中開始扮演重要角色。這些服飾上的金線刺繡圖案根據不同場合有著相當嚴格的設計規(guī)范，就如同中國古代的官服一樣，不同圖案代表不同等級或社會地位。金線刺繡裝飾部分通常單獨刺繡，然后被小心地裁下，再利用珍珠金銀線或者專用金屬線貼繡到禮服上。

20—21 世紀，金線刺繡繼續(xù)運用在軍隊、慶典和宗教中，如最高質量的教堂用品、特殊場合的特殊服飾等。同時，隨著技術的發(fā)展，使金線刺繡和其他刺繡技術的融合變得更加容易，這也給金線刺繡帶來了更加廣闊的創(chuàng)作空間。

由于金線刺繡作品異常華麗，使用時會帶來相當出彩的效果，因此未來的金線刺繡將會繼續(xù)綻放它獨特的光彩。

結束語

“金”，不僅因其高貴、保值而穩(wěn)居金屬之王的地位，而且在其加工延展性方面也是冠軍。厚度僅有蟬翼千分之一的金箔，直徑僅有頭發(fā)絲百分之一的金絲，都在眾多的領域有著廣泛的應用。