單晶銅
單晶銅
單晶銅因消除了作為電阻產生源和信號衰減源的晶界而具有優異的綜合性能：卓越的電學和信號傳輸性能，良好的塑性加工性能；優良的抗腐蝕性能；顯著的抗疲勞性能；減少了偏析、氣孔、縮孔、壓雜等鑄造缺陷；光亮的表面質量；因而主要用於國防高技術、民用電子、通訊以及網路等領域。
單晶銅，是經過“高溫熱鑄模式連續鑄造法”所製造的導體技術，因為鑄造過程經過特殊加熱處理，所以可以獲得單結晶狀銅導體，每一結晶可以延伸數百米以上，在實際應用之長度上結晶粒僅有一個，並沒有所謂“晶粒界面”存在，在訊號傳訊時，無需透過晶粒與晶粒之間的“晶界”，訊號更易於穿透與傳導，因此損耗極低，堪稱是相當完美的線材。其物理性能接近白銀。
用單晶連鑄技術拉出的銅材僅由一個晶粒組成，具有超常的機械加工性能和電學特性。其特點有三：
a.單晶銅純度達到99.9999%；
b.電阻比普通銅材低8%到13%；
c.韌性極高，普通銅材扭轉16圈即斷，單晶銅材可扭轉116圈。
如此優勢，使單晶銅產品成為製作高保真音視頻信號、高頻數字信號傳輸線纜和微電子行業用超微細絲的頂級材料，可用於手機、音響、電腦等領域，使微電子器件性能更佳、體積更小、壽命更長。
各種音頻視頻信號在傳輸過程中通過晶界時，都會產生反射、折射等現象使信號變形、失真衰減，而單晶銅極少的晶界或無晶界使傳輸質量得到根本改善。因此，單晶銅在音視頻信號傳輸方面得到廣泛的應用。
由於高頻信號的強烈集膚效應和其在晶界處的衰減和損耗，造成傳輸速度慢、失真度大，特別是在多晶的普通材料更為嚴重，隨著信息產業的迅速發展，計算機速度要求越來越快，傳輸頻率越來越高，而當今計算機速度最大瓶頸就是硬碟速度，如果採用單晶銅做硬碟數據信號線可大大提高硬碟傳輸速度。
隨著電子工業的迅猛發展，各種電子元件都趨向於微型化、輕量化。作為導體主要材料的銅線，線徑要求也越來越細，無氧銅桿由於其多晶組織，就不可避免存在缺陷及在晶界處的氧化物等，從而影響其進一步的拉細加工目前單晶銅線最細可拉到直徑0.016mm，基本滿足最高要求。
由於單晶銅具有優良的機械性能、物理性能和電性能，還將廣泛應用於壓制線路板、集成電路底版、通訊電纜、航天飛行器、高導電率電纜電線等領域。
單晶銅絲是實現引線框架全銅化、全面替代集成電路中鍵合金絲的關鍵產品，集成電路封裝產業正向全銅化迅速推進，這一革命化變革中具有重要意義。
集成電路時信息產品的發展基礎，信息產品是集成電路的應用和發展的動力。伴隨著集成電路製造業和封裝業的興起，必然將帶動相關產業，特別是上游基礎產業的蓬勃發展。作為半導體封裝的四大基礎材料之一的鍵合金絲，多年來雖然是晶元與框架之間的內引線，是集成電路封裝的專用材料，但是隨著微電子工業的蓬勃發展，集成電路電子封裝業正快速的向體積小，高性能，高密集，多晶元方向推進，從而對集成電路封裝引線材料的要求特細（¢0.016mm），而超細的鍵合金絲在鍵合工藝中已不能勝任窄間距、長距離鍵合技術指標的要求。在超細間距球形鍵合工藝中，由於封裝引腳數的增多，引腳間距的減小，超細的鍵合金絲在鍵合過程中常常造成鍵合引線的擺動、鍵合斷裂和踏絲現象；對器件包封密度的強度也越來越差；成弧能力的穩定性也隨之下降，從而加大了操作難度。另外，近幾年來，黃金市值一路飈升，十年時間黃金價格增長了200%多，給使用鍵合金絲的廠家，增加了沉重的原材料成本，同事也加大了生產及流動成本，生產廠商的毛利潤由20%降到了6%，從而導致了資金周轉緩慢，制約了整個行業的技術提升及規模發展。由此表明，傳統的鍵合金絲根據自身的特點已經達到了其能力極限，再也不能滿足細線徑、高強度、低弧度、長弧形、並保持良好導電性的要求。因此，隨著半導體集成電路和分立器件產業的發展，鍵合金絲無論從質量上、數量上和成本上都不能滿足國內市場的發展要求。特別是低弧度超細金絲，大部份主要依賴於進口，佔總進口量的45%以上。所以國家在新的五年計劃期間，提出把提高新型電子器件創新技術和工藝研發水平納入國家專項實施重點規劃項目來抓，大力開發高科技、高尖端、節能降耗、綠色環保型半導體集成電路封裝新材料。
隨著電子信息時代的飛速發展，其應用基礎與核心的大規模集成電路、超大集成電路和甚大規模集成電路的特徵間距尺寸已走過了0.18µm、0.13µm、0.10µm 的路程，直至當今的0.07µm生產水平。其集成度也達到數千萬隻晶體管至數億隻晶體管，布線層數由幾層發展至10層，布線總長度可高達1.4Km。這樣一來，硅晶元上原由鋁布線實現多層互連，由於鋁的高電阻率制約，顯然難以得到發揮。所以在晶元特徵間距尺寸達到0.18µm或更小時，根據研究採用了電阻率低、電氣性能和機械性能俱佳，以及價格低廉的單晶銅絲進行了多次的鍵合試驗，結果解決了多層布線多年要解決的難題。同樣情況，由於晶元輸入已高達數千輸入引腳的大量增加，使原來的金、鋁鍵合絲的數量及長度也大大增加，致使引線電感、電阻很高，從而也難以適應高頻高速性能的要求，在這種情況下，同樣採取了性價比都優於金絲的單晶銅（ф0.018mm）進行了引線鍵合，值得可賀的是鍵合后結果取得了預想不到的成功。從此改變了傳統鍵合金絲的市場壟斷，實現了單晶銅絲鍵合引線在中國集成電路微電子封裝產業系統中的應用未來發展前景十分廣闊。同時也填補了中國在這一領域的空白，節省貨幣金屬黃金消耗，增加了中國黃金戰略儲備具有一定重大的意義。
單晶銅
近幾年來，根據國內外集成電路封裝業大踏步的快速發展，該公司緊跟這一發展趨勢，在全國率先研發生產出單晶銅鍵合絲，其直徑規格最小為ф0.016mm，可達到或超過傳統鍵合金絲引線ф0.025mm和緝拿和硅鋁絲ф0.040mm質量水平。為促進技術成果儘快向產業化轉移，促進生產力的發展，為此，一直期待著能早日為集成電路封裝業高尖端技術的應用做出應有的貢獻。
特別高興的是，這種期待與渴望，在“2007年中國半導體封裝測試技術與市場研討會”上，公司的單晶銅鍵合引線新產品被行業協會的專家“發現”，並立即得到大會主席及封裝分會理事長畢克允教授的充分肯定和支持。從此將在分會的領導下，將這一新興的單晶銅鍵合絲新產品儘早做強做大，走在全國的前列並瞄準國際市場，以滿足即將到來的單晶銅鍵合引線的大量需求。
為此，起草了“高技術、高附加值、國家重點推廣項目——IC封裝單晶銅鍵合引線項目分析書”，幫助相關投資者對該項目進行實地市場了解、分析，並給予投資者一定的風險解析。
在超大規模集成電路（VLSI）和甚大規模集成電路（ULSI）的晶元與外部引線的連接方法中，過去、現在和將來引線鍵合仍是晶元連接的主要技術手段。集成電路引線鍵合也是實現集成電路晶元與封裝外殼多種電連接，並傳遞晶元的電信號、散發晶元內產生的熱量，最通用、最簡單而有效的一種方式，所以鍵合引線已成為電子封裝業四大重要結構材料之一。引線鍵合封裝的方式如圖所示：
鍵合引線的中心作用是將一個封裝器件或兩個部分焊接好並導電。因此，焊接的部分尤其是焊接點的電阻是此工藝的關鍵環節。在元素周期表中過渡組金屬元素中銀、銅、金和鋁四種金屬元素具有較高的導電性能。此外，封裝設計中鍵合引線在焊接所需要的間隙主要取決於絲的直徑，對鍵合引線的單位體積導電率有很高的要求，所以可能的選擇被局限在集中金屬元素中。另外，所選擇金屬必須具有足夠的延伸率，以便於能夠被拉伸到0.015~0.050mm；為了避免被破壞晶片，這種金屬必須能夠在足夠低的溫度下進行熱壓焊接和超聲焊接；化學性能、抗腐蝕性能和冶金特性必須與所焊接的材料向熔合，不會對集成電路造成嚴重影響。在集成電路的鍵合引線中，主要應用的鍵合引線有鍵合金絲、硅鋁絲、單晶銅鍵合絲等。
金絲作為應用最廣泛的鍵合引線來說，在引線鍵合中存在以下幾個方面的問題：
1）在矽片鋁金屬化層上採用金絲鍵合，Au-AI金屬學系統易產生有害的金屬間化合物，這些金屬間化合物晶格常數不同，機械性能和熱性能也不同，反應會產生物質遷移，從而在交接層形成可見的柯肯德爾空洞（Kirkendall Void），使鍵合處產生空腔，電阻急劇增大，破壞了集成電路的歐姆聯結，致使導電性嚴重下降，或易產生裂縫，引起器件焊點脫開而失效。2）金絲的耐熱性差，金的再結晶溫度較低（150℃），導致高溫強度較低，球焊時，焊球附近的金絲由於受熱而形成再結晶組織，若金絲過硬會造成球頸部折曲，焊球加熱時，金絲晶粒粗大化會造成球頸部斷裂；另外，金絲還易造成塌絲現象和拖尾現象，嚴重影響了鍵合質量。
3）金絲的價格不斷攀升，特別昂貴，導致封裝成本過高，企業過重承受。
硅鋁絲作為一種低成本的鍵合引線受到人們的廣泛重視，國內外很多科研單位都在通過改變生產工藝來生產各種替代金絲的硅鋁絲，但仍存在較多的問題。
1）普通硅鋁絲在球焊是加熱易氧化，生產一層硬的氧化膜，此膜阻礙球的形成，而球形的穩定性是硅鋁絲鍵合強度的主要特性，實驗證明，金絲球焊在空氣中焊點圓度高，硅鋁絲球焊由於表面氧化的影響，空氣中焊點圓度低。
2）硅鋁絲的拉伸強度和耐熱性不如金絲，容易發生引線下垂和塌絲。
3）同軸硅鋁絲的性能不穩定，特別是延伸率波動大，同批次產品性能相差大，且產品的成材率低，表面清潔度差，並較易在鍵合處經常產生疲勞斷裂。
單晶銅鍵合絲（目前逐步推廣使用、替代鍵合金絲，未來“封裝焊接之星”）是無氧銅的技術升級換代新材料，代號為“OCC”。單晶銅即單晶體銅材是經過“高溫熱鑄模式連續鑄造法”所製造的導體，即將普通銅材圍觀多晶體結構運用凝固理論，通過熱型連續鑄造技術改變其晶體結構獲得的具有優異的導電性、導熱性、機械性能及化學性能穩定的更加優越的一種新型銅材，其整根銅材僅由一個晶粒組成，不存在晶粒之間產生的“晶界”，（“晶界”會對通過的信號產生折射和反射，造成信號失真和衰減），因而具有穩定的導電性、導熱性、極好的高保真信號傳輸性及超常的物理機械加工性能，因此損耗量極低，堪稱是機電工業、微電子集成電路封裝業相當完美的極具應用價值的重要材料。其物理性能接近白銀。
單晶銅
單晶銅絲用於鍵合引線的優勢主要表現在以下幾個方面：
⑴其特性：
1）單晶粒：相對目前的普通銅材（多晶粒），而單晶銅絲只有一個晶粒，內部無晶界。而單晶銅桿有緻密的定向凝固組織，消除了橫向晶界，很少有縮孔、氣孔等鑄造缺陷；且結晶方向拉絲方向相同，能承受更大的塑性變形能力。此外，單晶銅絲沒有阻礙位錯滑移的晶界，變形、冷作、硬化回復快，所以是拉制鍵合引線（¢0.03-0.016mm）的理想材料。
2）高純度：目前，在中國的單晶銅絲（原材料）可以做到99.999%（5N）或99.9999%（6N）的純度；
3）機械性能好：與同純度的金絲相比具有良好的拉伸、剪切強度和延展性。單晶銅絲因其優異的機械電氣性能和加工性能，可滿足封裝新技術工藝，將其加工至¢0.03-0.015mm的單晶銅超細絲代替金絲，從而使引線鍵合的間距更小、更穩定。4）導電性、導熱性好：單晶銅絲的導電率、導熱率比金絲提高20%，因此在和金絲徑相同的條件下可以承載更大的電流，鍵合金絲直徑小於0.018mm時，其阻抗或電阻特性很難滿足封裝要求。
5）低成本：單晶銅絲成本只有金絲的1/3-1/10，可節約鍵合封裝材料成本90%；比重是金絲的1/2，1噸單晶銅絲可替代2噸金絲；當今半導體行業的一些顯著變化直接影響到了IC互連技術，其中成本因素也是推動互連技術發展的主要因素。目前金絲鍵合長度超過5mm，引線數達到400以上，其封裝成本超過0.2美元。而採用單晶銅絲鍵合不但能降低器件製造成本，提高競爭優勢。對於1密耳焊線，成本最高可降低75%，2密耳可達90%。單晶銅和金的封裝成本比較
單晶銅鍵合引線
6）單晶銅鍵合絲可以再氮氣氣氛下鍵合封裝，生產更安全，更可靠。單晶銅鍵合絲這種線性新型材料所展現出比金絲更優異的特性，而引起了國內外眾多產業領域的熱切關注，隨著中國集成電路和分立器件產業的快速發展，中國微電子封裝業需求應用正在爆髮式的喚醒，中國目前主要封裝企業已經意識到這一新技術的發展潛力，已經開始使用單晶銅鍵合絲，但產品大部分都是國外進口，進口價格昂貴。
單晶銅鍵合絲替代鍵合金絲應用到微電子中的封裝業，如大規模集成電路、超大規模集成電路和甚大規模集成電路、二極體、三極體等半導體分立器件及LED燈發光晶元封裝業等。在日益激烈競爭的電子工業中，高成本效益，已不能滿足集成電路封裝業的發展，為了降低成本，國內外眾多產業領域在尋找一種更便宜的導體替代昂貴的金絲材料。單晶銅鍵合絲具有機械、熱學、電學性能優良及其化合物增長慢等特性。在特定條件要求下，線徑可以減小到一半，單晶銅鍵合絲高的拉伸率、剪切強度，可以有效降低絲球焊過程中可能發生的絲擺、坍塌等現象，有效緩解了採用直徑小的一些組裝難度。在很大程度上提高了晶元頻率和可靠性，適應了低成本、細間距、高引出端元器件封裝的發展。南通富士通、天津摩托羅拉、上海英特爾、蘇州英飛凌、天水華天科技等國內較大的集成電路封裝測試企業一開始試用單晶銅鍵合絲運用於IC封裝技術的發展，晶片上的鋁金屬化層更換為銅金屬化層，因為在晶片的銅金屬化層上可以直接焊接，而不需要像鋁金屬化層那樣加一層金屬焊接層，這不但能增強器件特性還能降低成本，同時，在工藝上，逐漸將傳統的金絲更換為單晶銅鍵合絲，解決細間距的器件封裝，對器件超細間距的要求成為降低焊絲直徑的主要驅動力。因而，在今後的大規模集成電路、超大和甚大規模集成電路封裝業種，單晶銅絲球焊技術是目前國際上正在興起的用於微電子器件晶元內引線連接的一種高科技創新技術，今後在球焊技術工藝中比將成為主流技術。單晶銅鍵合絲作為鍵合引線材料是現在和將來電子封裝業的必然趨勢。此外，由於黃金價格的上漲，更加快著單晶銅鍵合絲代替鍵合金絲的步伐，所以，單晶銅鍵合絲無論在國內外還是現在和將來都具有非常大的潛在市場和巨大的發展商機。
單晶銅絲其結構僅由一個晶粒組成，不存在晶粒之間產生的“晶界”，不會對通過的信號產生反射和折射而造成信號失真和衰減，因此具有獨特的高保真傳輸功能，所以國際市場上首先用於音視頻傳輸線，多集中於音響喇叭線、電源線、音頻連接線、平衡線、數碼同軸線、麥克風線、DVD色差視頻線，DⅥ和HDMI線纜及各種接插件等。
近年來，國內外又開始將單晶銅絲用於通信網路線，隨著電腦通信網路技術的發展，對網路傳輸線的傳輸速度要求越來越高，傳輸速度高也就是線的使用頻率範圍高，頻率範圍高，則信號衰減就嚴重。較早的5類線可用到100MHz，而超5類線也只有120MHz，自推出單晶銅絲材料製作的網路線以後，使用頻率可達350MHz以上，超過6類線標準很多（6類線為250MHz）。根據1999-2000年的統計數據來看，平均每年需求量以12%的速度持續增長。預計今後10年內產品的需求量將達到現階段的兩倍以上。網路數據通訊線纜，由於缺乏高性能材料方面的支持，所以，六類以上線纜基本上位國外產品所佔領。據預測，二十一世紀初亞太地區將是網路信息發展的熱點地區。高保真音視頻線纜，中國年用量在20萬km以上，隨著中國人民生活水平的提高，影音設備消費將會大幅度的提高，與之匹配的高檔次音視頻傳輸線將會大量增加。
過去10年微電子信息產品製造業發展很快，年增長率達6%-7%，2002年全球電子工業製造業市場數額達1萬億美元：包括計算機、蜂窩電話、路由器、DVD、發電機控制器和起搏器等等。亞洲（除日本外）是世界電子工業製造中心之一，包括中國、台灣地區和韓國等，其市場佔全球電子產品製造業市場的20%，即2000億美元，其年增長率超過10%而全球其它地區的年增長率僅為5%-6%。電子材料市場是隨著電子工業製造業市場的發展而增長，電子材料市場占電子工業製造業相當大的市場份額。但是就目前來說電子材料供應商主要由日本和美國公司所霸佔，歐洲只有少數的幾家公司，成功的只有一家，如DELO公司。亞洲半導體封裝材料供應商（除日本外）開始步入封裝材料市場的大門，如Chang Chun、Eternal公司等已成為該行業的著名公司，將來有望成為重要的封裝材料供應商。半導體封裝材料（鍵合引線）供應商也是由少數幾家公司處統治地位，如美國K&S公司、德國賀利氏公司、日本古河電工株式會社、住友電工株式社會、台灣ASM等。隨著中國市場的不斷開放，對工業控制、通信、消費電子產品的巨大需求，預計到2010年，中國將成為世界第二大半導體市場。另外，由於集成電路價格不斷下跌，使得集成電路封裝在集成電路的生產過程中將會佔據越來越重要的地位。集成度不斷提高，使得集成電路的體積越來越小、厚度越來越薄、引線數越來越多。價格的加速降低是集成電路得以永恆發展的要求。消費類電子的興起以及IC卡和汽車等新興領域的迅猛發展，這些都將成為未來幾年國內集成電路市場需求增長的重要因素。2002年中國集成電路市場總銷售量為366.9萬億塊，總銷售額為1471億元。2010年，中國市場需求數量將達到800億塊，需求額超過3000億元人民幣。同時，中國半導體分立器件製造業已成為電子基礎產業的一個重要組成部分，半導體分立器件的生產規模近幾年一直保持平穩增長趨勢。2006年中國集成電路總產量為355.6億塊，毎萬塊需用0.025mm的絲400米，絲用量8000千克：半導體分立器件總產量為700億隻，規格為0.023mm，毎萬隻用50米，絲用量3000千克：兩項合計球焊需求量為11000千克。2007年中國封裝市場鍵合引線的需求量為22噸，佔全球總需求量的35%，按照國際半導體行業15%的增長率，2008年全球鍵合引線的需求量越90噸，中國大陸需求量約31噸。其中市場大部分鍵合引線被進口產品所佔領。中國生產鍵合引線的單位主要有：寧波康強電子材料有限公司、華微電子有限公司（其中鍵合金絲已被德國賀利氏收購）、北京有色金屬研究所、昆明貴金屬研究等。產品質量較低且性能不穩定，並且主要從事鍵合金絲的生產。根據BSEIA世界信息技術公司的市場調查和預測，國內今年電子行業對鍵合引線需求量在40噸左右，並且隨著信息時代的到來和發展，到2010年國際市場對鍵合引線需求量達到130噸以上。這都預示著各類鍵合材料，特別是新開發的單晶銅鍵合引線材料亦將迎來大的機遇和發展。目前，國內暫無具有競爭力的廠家，國外產品的價格又極高，本項目投入運營后，產品具有較強發揮咱潛力，至少替代10%左右的進口產品，據保守分析在10年內該產品不可能飽和，在沒有新的材料來替代的前提下，始終保持著旺盛的生命力。國家為了大力推進中國封裝業的發展，國家在新的五年計劃期間，提出了半導體封裝產業的國家第十一個五年規劃綱要第七篇第二十七章內容：加快科學技術創新和跨越發展，在實施國家中長期科學和技術發展規劃中，按照自主創新、重點跨越、支撐發展、引領未來的方針，加快建設國家創新體系，不斷加強企業創新能力，全民提高科技整體實力和產業技術水平，對核心電子器件、高端通用晶元和基礎軟體，加大開發力度。由此可見，作為國家微電子產業配套材料的鍵合引線，其經濟效益和社會效益十分顯著。本項目符合國家產業技術政策，技術含量高，創新性強，可滿足微電子封裝行業發展需要，不但能夠為微電子行業提供高新技術產品，而且還能夠替代同類進口產品，提高中國微電子行業的國際競爭力，縮短與先進國家的技術差距，具有十分明顯的經濟意義和社會意義。
★ 生產單晶銅鍵合引線（以生產ф0.02mm，年產量10萬K為例）整套生產線設備投資260萬元，流動資金30萬元；年生產能力10萬K。（註：1K=1000英尺=304.8m；）
原材料：ф3mm,35萬元/噸，ф0.02mm 毎k重量約：0.852克 0.852*0.35元/克+（0.852*0.35）*15%=0.343元/K b)
包裝費用（按毎軸1000K計算） 0.025元/K c)
模具耗損：0.08元/K d)
工人工資：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)
稅金：3.65元/K g)
折舊：1.2元/K h)
運輸費：0.02元/K i)
管理費：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）綜合a—j 合計：14.846元/K)
銷售價：45.72元/K（含稅價）m)
利潤：45.72-14.846=30.874元/K n）年利潤：30.874*10萬K=308.74萬元/年）
年銷售額：45.72元/K*10萬K=457.2萬元）
年利潤率：100%-{（457.2-308.74）÷457.2}=67.5%
