键合金丝概要.doc

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序号铜丝用户目前铜丝用量(万米/月)金铜丝用量合计（万米/月）目前供应商1深圳赛意法STS3001900贺利氏/田中/住友2江阴长电3502200康强/贺利氏/达博3无锡华晶30250康强/贺利氏/达博4深圳安晶50200达博/康强5汕头华汕120260贺利氏/康强/MKE6高怡企业80350康强/MKE7宁波明晰80210康强/达博8上海尼西200290贺利氏/田中9三星1003500贺利氏/田中/MKE10天水华天1501500励福/贺利氏/康强11日月光8005000贺利氏/田中/日铁12乐山菲尼克斯150800贺利氏/田中13飞利浦电子180950贺利氏/住友14KEC100900贺利氏/MKE15捷敏电子100500贺利氏/田中16上海葵合150350贺利氏/MKE/住友17星科金朋202300MKE/贺利氏18南通富士通2001800贺利氏/达博/康强19凯虹1501600贺利氏/田中/住友20新康130350贺利氏/田中21天津飞思卡尔50650贺利氏/住友/田中22华达100250达博/贺利氏/康强（摘自百度搜索键合丝企业清单）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 WiresWithin 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 ApplicationGold Wire Segmentation by PropertiesPhysical PropertiesPropertiesUnits4N (99.99% Au)3N (99.9% Au)2N (99% Au)ResistivityuOhms cm2.2 - 2.4 2.4 - 2.73.0 - 3.Elastic ModulusGPa80 - 9585 - 10085 - 10Tensile StrengthN/mm2 240 250 260Heat Affected Zone LengthNormalShorterShortestNeck Strength% Tensile Strength85 - 9085 - 9590 - 95Reliability PerformanceLowMediumHighLooping PerformanceGoodExcellentExcellentBondabilityExcellentExcellentGoodMolding PerformanceGoodExcellentExcellentGold Bonding WiresHeraeus 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.123Ball Bonding Gold WiresHeraeus 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.Read moreWedge Bonding Gold WiresOur wedge bonding gold wires are optimized for tail and loop consistency and provide excellent bondability for high-frequency and opto-electronic applications.Read moreStud Bumping Gold WiresHeraeus has developed gold wire products specifically for advanced stud bumping of wafers and other materials used in flip-chip and chip-to-chip applications.Read moreHeraeus Stud Bumping Bonding WiresHeraeus 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.Stud Bumping Gold Wire Selection MatrixAttribute4N (99.99% Au)2N (99% Au)Tail HeightLowLowTail ConsistencyExcellentExcellentBondabilityExcellentGoodShear Strength LevelHighHigherSensitive Pad ApplicationsExcellentGoodLong Term Bond StabilityGoodGoodUse as Conventional Ball Bonding WireYesNoConductivity (Ohm cm)2.33.2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-92、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： 精密冲压模具（包括IC引线框架模具、电机定转子片模具等） 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25m、球径线径2.5）类型断裂荷重(mN)拉伸率(% )再结晶长度(m)用途特色规格平均规格平均高线弧Y64-103862.0-6.03.5350-400LED, TO, DIP, SIPGHA288-1271152.0-7.04.0250-290DIP, SIP, PLCC,QFP中线弧GSA69-1441061.0-7.04.0170-190QFN, QFP,DIP,SIP.CSP良好的第二接合性、对应小电极GSB79-1551181.0-7.04.0140-160QFN, QFP,BGA, DIP, SIP.CSPM388-1321192.0-7.04.0220-260DIP, SIP, QFPFA88-1321072.0-7.04.0180-200DIP, SIP, QFP,BGA,CSPGMH102-1541282.0-7.05.0160-190DIP, SIP, QFP,BGA,S-CSP耐振动性优良、对应微间距对应长短线弧GMG97-1731352.0-7.04.0150-170对应小电极、微间距对应长短线弧GFC76-1521142.0-7.04.0150-170抑制金线偏移优良、对应小电极、微间距GFD90-1661272.0-7.04.0150-170GFB108-1811232.0-10.05.0140-160对应抑制金线偏移优良的微间距GMH2118-1861512.0-7.04.5120-140低线弧GLD98-1371112.0-7.05.0130-140DIP, SIP, QFP,BGA,S-CSP GLF98-1571302.0-7.05.0110-130耐颈部损伤、对应微间距对应超低线弧金合金线GPG102-1541282.0-6.04.0130-160DIP, SIP, QFP,BGA,S-CSP超越纯度99.9%的金线之高信赖性、对应微间距对应卤素树脂 GPG Series对应无卤素树脂 GPHGPG-295-1711332.0-7.04.5130-160GPG-390-1601282.0-7.04.5130-160GPH90-1661282.0-8.04.0130-160可透过使用高强度型来对应微间距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20m70m金与铜的物性比较表作为接合导体的优良物性值Physical PropertiesAuCuResistivity：cm2.31.7Thermal conductivity：W/mK320398Youngs modulus：GPa80135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100m500m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w0.5mmw2.0mm、t0.05t0.25mm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18m80m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。2、 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 (=10m)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。3、 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0.02%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