单晶铜

单晶铜因消除了作为电阻产生源和信号衰减源的晶界而具有优异的综合性能： 卓越的电学和信号传输性能，良好的塑性加工性能；优良的抗腐蚀性能；显著的抗疲劳性能；减少了偏析、气孔、缩孔、压杂等铸造缺陷；光亮的表面质量；因而主要用于国防高技术、民用电子、通讯以及网络等领域。

单晶铜，是经过“高温热铸模式连续铸造法”所制造的导体技术，因为铸造过程经过特殊加热处理，所以可以获得单结晶状铜导体，每一结晶可以延伸数百米以上，在实际应用之长度上结晶粒仅有一个，并没有所谓“晶粒界面”存在，在讯号传讯时，无需透过晶粒与晶粒之间的“晶界”，讯号更易于穿透与传导，因此损耗极低，堪称是相当完美的线材。其物理性能接近白银。

用单晶连铸技术拉出的铜材仅由一个晶粒组成，具有超常的机械加工性能和电学特性。其特点有三：

a.单晶铜纯度达到99.9999%；

b.电阻比普通铜材低8%到13%；

c.韧性极高，普通铜材扭转16圈即断，单晶铜材可扭转116圈。

如此优势，使单晶铜产品成为制作高保真音视频信号、高频数字信号传输线缆和微电子行业用超微细丝的顶级材料，可用于手机、音响、电脑等领域，使微电子器件性能更佳、体积更小、寿命更长。

单晶铜音视频

各种音频视频信号在传输过程中通过晶界时，都会产生反射、折射等现象使信号变形、失真衰减，而单晶铜极少的晶界或无晶界使传输质量得到根本改善。因此，单晶铜在音视频信号传输方面得到广泛的应用。

单晶铜硬盘

由于高频信号的强烈集肤效应和其在晶界处的衰减和损耗，造成传输速度慢、失真度大，特别是在多晶的普通材料更为严重，随着信息产业的迅速发展，计算机速度要求越来越快，传输频率越来越高，而当今计算机速度最大瓶颈就是硬盘速度，如果采用单晶铜做硬盘数据信号线可大大提高硬盘传输速度。

单晶铜超细线

随着电子工业的迅猛发展，各种电子元件都趋向于微型化、轻量化。作为导体主要材料的铜线，线径要求也越来越细，无氧铜杆由于其多晶组织，就不可避免存在缺陷及在晶界处的氧化物等，从而影响其进一步的拉细加工目前单晶铜线最细可拉到直径0.016mm，基本满足最高要求。

由于单晶铜具有优良的机械性能、物理性能和电性能，它还将广泛应用于压制线路板、集成电路底版、通讯电缆、航天飞行器、高导电率电缆电线等领域。

单晶铜丝是实现引线框架全铜化、全面替代集成电路中键合金丝的关键产品，集成电路封装产业正向全铜化迅速推进，这一革命化变革中具有重要意义。

单晶铜丝用于键合引线的优势主要表现在以下几个方面：

1.单晶粒：相对目前的普通铜材（多晶粒），而单晶铜丝只有一个晶粒，内部无晶界。而单晶铜杆有致密的定向凝固组织，消除了横向晶界，很少有缩孔、气孔等铸造缺陷；且结晶方向拉丝方向相同，能承受更大的塑性变形能力。此外，单晶铜丝没有阻碍位错滑移的晶界，变形、冷作、硬化回复快，所以是拉制键合引线（¢0.03-0.016mm）的理想材料。

2．高纯度：目前，在我国的单晶铜丝（原材料）可以做到99.999[%]（5N）或99.9999[%]（6N）的纯度。

3．机械性能好：与同纯度的金丝相比具有良好的拉伸、剪切强度和延展性。单晶铜丝因其优异的机械电气性能和加工性能，可满足封装新技术工艺，将其加工至¢0.03-0.015mm的单晶铜超细丝代替金丝，从而使引线键合的间距更小、更稳定。

4．导电性、导热性好：单晶铜丝的导电率、导热率比金丝提高20[%]，因此在和金丝径相同的条件下可以承载更大的电流，键合金丝直径小于0.018mm时，其阻抗或电阻特性很难满足封装要求。

5．低成本：单晶铜丝成本只有金丝的1/3-1/10，可节约键合封装材料成本90[%]；比重是金丝的1/2，1吨单晶铜丝可替代2吨金丝； 当今半导体行业的一些显着变化直接影响到了IC互连技术，其中成本因素也是推动互连技术发展的主要因素。目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，其封装成本超过0.2美元。而采用单晶铜丝键合不但能降低器件制造成本，提高竞争优势。对于1密耳焊线，成本最高可降低75[%]，2密耳可达90[%]。

1、集成电路封装领域：

单晶铜键合丝替代键合金丝应用到微电子中的封装业，如大规模集成电路、超大规模集成电路和甚大规模集成电路、二极管、三极管等半导体分立器件及LED灯发光芯片封装业等。在日益激烈竞争的电子工业中，高成本效益，已不能满足集成电路封装业的发展，为了降低成本，国内外众多产业领域在寻找一种更便宜的导体替代昂贵的金丝材料。单晶铜键合丝具有机械、热学、电学性能优良及其化合物增长慢等特性。在特定条件要求下，线径可以减小到一半，单晶铜键合丝高的拉伸率、剪切强度，可以有效降低丝球焊过程中可能发生的丝摆、坍塌等现象，有效缓解了采用直径小的一些组装难度。在很大程度上提高了芯片频率和可靠性，适应了低成本、细间距、高引出端元器件封装的发展。南通富士通、天津摩托罗拉、上海英特尔、苏州英飞凌、天水华天科技等国内较大的集成电路封装测试企业一开始试用单晶铜键合丝运用于IC封装技术的发展，晶片上的铝金属化层更换为铜金属化层，因为在晶片的铜金属化层上可以直接焊接，而不需要像铝金属化层那样加一层金属焊接层，这不但能增强器件特性还能降低成本，同时，在工艺上，逐渐将传统的金丝更换为单晶铜键合丝，解决细间距的器件封装，对器件超细间距的要求成为降低焊丝直径的主要驱动力。因而，在今后的大规模集成电路、超大和甚大规模集成电路封装业种，单晶铜丝球焊技术是目前国际上正在兴起的用于微电子器件芯片内引线连接的一种高科技创新技术，今后在球焊技术工艺中比将成为主流技术。单晶铜键合丝作为键合引线材料是现在和将来电子封装业的必然趋势。此外，由于黄金价格的上涨，更加快着单晶铜键合丝代替键合金丝的步伐，所以，单晶铜键合丝无论在国内外还是现在和将来都具有非常大的潜在市场和巨大的发展商机。

2、高标准音频视频传输领域：

单晶铜丝其结构仅由一个晶粒组成，不存在经理之间产生的“晶界”，不会对通过的信号产生反射和折射而造成信号失真和衰减，因此具有独特的高保真传输功能，所以国际市场上首先用于音视频传输线，多集中于音响喇叭线、电源线、音频连接线、平衡线、数码同轴线、麦克风线、DVD色差视频线，DVI和HDMI线缆及各种接插件等。

3、高标准通信网络线缆传输领域：

近年来，国内外又开始将单晶铜丝用于通信网络线，随着电脑通信网络技术的发展，对网络传输线的传输速度要求越来越高，传输速度高也就是线的使用频率范围高，频率范围高，则信号衰减就严重。较早的5类线可用到100MHz，而超5类线也只有120MHz，自推出单晶铜丝材料制作的网络线以后，使用频率可达350MHz以上，超过6类线标准很多（6类线为250MHz）。根据1999-2000年的统计数据来看，平均每年需求量以12[%]的速度持续增长。预计今后10年内产品的需求量将达到现阶段的两倍以上。网络数据通讯线缆，由于缺乏高性能材料方面的支持，所以，六类以上线缆基本上位国外产品所占领。据预测，二十一世纪初亚太地区将是网络信息发展的热点地区。高保真音视频线缆，我国年用量在20万km以上，随着我国人民生活水平的提高，影音设备消费将会大幅度的提高，与之匹配的高档次音视频传输线将会大量增加。

在超大规模集成电路（VLSI）和甚大规模集成电路（ULSI）的芯片与外部引线的连接方法中，过去、现在和将来引线键合仍是芯片连接的主要技术手段。集成电路引线键合也是实现集成电路芯片与封装外壳多种电连接，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热量，最通用、最简单而有效的一种方式，所以键合引线已成为电子封装业四大重要结构材料之一。

键合引线的中心作用是将一个封装器件或两个部分焊接好并导电。因此，焊接的部分尤其是焊接点的电阻是此工艺的关键环节。在元素周期表中过渡组金属元素中银、铜、金和铝四种金属元素具有较高的导电性能。此外，封装设计中键合引线在焊接所需要的间隙主要取决于丝的直径，对键合引线的单位体积导电率有很高的要求，所以可能的选择被局限在集中金属元素中。另外，所选择金属必须具有足够的延伸率，以便于能够被拉伸到0.015~0.050mm；为了避免被破坏晶片，这种金属必须能够在足够低的温度下进行热压焊接和超声焊接；它的化学性能、抗腐蚀性能和冶金特性必须与它所焊接的材料向熔合，不会对集成电路造成严重影响。在集成电路的键合引线中，主要应用的键合引线有键合金丝、硅铝丝、单晶铜键合丝等。

单晶铜键合金丝

金丝作为应用最广泛的键合引线来说，在引线键合中存在以下几个方面的问题：

1）在硅片铝金属化层上采用金丝键合，Au-AI金属学系统易产生有害的金属间化合物，这些金属间化合物晶格常数不同，机械性能和热性能也不同，反应会产生物质迁移，从而在交接层形成可见的柯肯德尔空洞（Kirkendall Void），使键合处产生空腔，电阻急剧增大，破坏了集成电路的欧姆联结，致使导电性严重下降，或易产生裂缝，引起器件焊点脱开而失效。2）金丝的耐热性差，金的再结晶温度较低（150℃），导致高温强度较低，球焊时，焊球附近的金丝由于受热而形成再结晶组织，若金丝过硬会造成球颈部折曲，焊球加热时，金丝晶粒粗大化会造成球颈部断裂；另外，金丝还易造成塌丝现象和拖尾现象，严重影响了键合质量。

3）金丝的价格不断攀升，特别昂贵，导致封装成本过高，企业过重承受。

单晶铜硅铝丝

硅铝丝作为一种低成本的键合引线受到人们的广泛重视，国内外很多科研单位都在通过改变生产工艺来生产各种替代金丝的硅铝丝，但仍存在较多的问题。

1）普通硅铝丝在球焊是加热易氧化，生产一层硬的氧化膜，此膜阻碍球的形成，而球形的稳定性是硅铝丝键合强度的主要特性，实验证明，金丝球焊在空气中焊点圆度高，硅铝丝球焊由于表面氧化的影响，空气中焊点圆度低。

2）硅铝丝的拉伸强度和耐热性不如金丝，容易发生引线下垂和塌丝。

3）同轴硅铝丝的性能不稳定，特别是延伸率波动大，同批次产品性能相差大，且产品的成材率低，表面清洁度差，并较易在键合处经常产生疲劳断裂。

单晶铜单晶铜键

单晶铜键合丝（目前逐步推广使用、替代键合金丝，未来“封装焊接之星”）是无氧铜的技术升级换代新材料，代号为“OCC”。单晶铜即单晶体铜材是经过“高温热铸模式连续铸造法”所制造的导体，即将普通铜材围观多晶体结构运用凝固理论，通过热型连续铸造技术改变其晶体结构获得的具有优异的导电性、导热性、机械性能及化学性能稳定的更加优越的一种新型铜材，其整根铜材仅由一个晶粒组成，不存在晶粒之间产生的“晶界”，（“晶界”会对通过的信号产生折射和反射，造成信号失真和衰减），因而具有稳定的导电性、导热性、极好的高保真信号传输性及超常的物理机械加工性能，因此损耗量极低，堪称是机电工业、微电子集成电路封装业相当完美的极具应用价值的重要材料。其物理性能接近白银。

单晶铜丝用于键合引线的优势主要表现在以下几个方面：

⑴其特性：

1）单晶粒：相对目前的普通铜材（多晶粒），而单晶铜丝只有一个晶粒，内部无晶界。而单晶铜杆有致密的定向凝固组织，消除了横向晶界，很少有缩孔、气孔等铸造缺陷；且结晶方向拉丝方向相同，能承受更大的塑性变形能力。此外，单晶铜丝没有阻碍位错滑移的晶界，变形、冷作、硬化回复快，所以是拉制键合引线（¢0.03-0.016mm）的理想材料。

2）高纯度：目前，在中国的单晶铜丝（原材料）可以做到99.999%（5N）或99.9999%（6N）的纯度；

3）机械性能好：与同纯度的金丝相比具有良好的拉伸、剪切强度和延展性。单晶铜丝因其优异的机械电气性能和加工性能，可满足封装新技术工艺，将其加工至¢0.03-0.015mm的单晶铜超细丝代替金丝，从而使引线键合的间距更小、更稳定。4）导电性、导热性好：单晶铜丝的导电率、导热率比金丝提高20%，因此在和金丝径相同的条件下可以承载更大的电流，键合金丝直径小于0.018mm时，其阻抗或电阻特性很难满足封装要求。

5）低成本：单晶铜丝成本只有金丝的1/3-1/10，可节约键合封装材料成本90%；比重是金丝的1/2，1吨单晶铜丝可替代2吨金丝； 当今半导体行业的一些显著变化直接影响到了IC互连技术，其中成本因素也是推动互连技术发展的主要因素。目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，其封装成本超过0.2美元。而采用单晶铜丝键合不但能降低器件制造成本，提高竞争优势。对于1密耳焊线，成本最高可降低75%，2密耳可达90%。单晶铜和金的封装成本比较

单晶铜键合引线

6）单晶铜键合丝可以再氮气气氛下键合封装，生产更安全，更可靠。单晶铜键合丝这种线性新型材料所展现出比金丝更优异的特性，而引起了国内外众多产业领域的热切关注，随着中国集成电路和分立器件产业的快速发展，中国微电子封装业需求应用正在爆发式的唤醒，中国目前主要封装企业已经意识到这一新技术的发展潜力，已经开始使用单晶铜键合丝，但产品大部分都是国外进口，进口价格昂贵。

本项目整套的生产工艺，对厂房的环境要求，厂房外部不能存在震动和吵杂声，操作房内要求密封、洁净、光线好、无尘埃颗粒，因为单晶铜键合引线的直径一般在ф0.03-ф0.018mm之间，风速、空气中的尘埃颗粒，会使单晶铜键合引线产生段丝和质量缺陷。此外，如果线材在复绕和包装过程中由于环境不洁而使尘埃附着在线材表面，将成为键合丝产品进入高档电路封装领域的最大障碍，所以对单晶铜键合丝的制备来说，其厂房为净化级就可以了。