封装领域键合铜丝的专利综述

摘 要：键合铜丝由于优良的综合性能在当今微电子封装中受到重点关注，本文指出了键合铜丝在世界各国的发展趋势，并重点分析了重要申请人在该领域的技术发展。

关键词：键合铜丝;微电子封装

引言

近年来，由于黄金价格不断攀升，迫于封装成本高的压力，传统的引线键合材料——键合金丝正受到越来越大的挑战，微电子封装厂商不得不考虑采用其他的键合丝替代金丝;铜丝与金丝相比，具有很大的成本优势，而且也具有优良的高导电导热率和机械性能等，是替代金丝的理想引线键合材料，且随着铜丝键合新工艺的不断提高，使得铜丝的应用领域越来越广泛，键合铜丝将在未来的封装市场上成为键合材料主导产品[1-2]。

专利申请总体趋势

图1示出了关于键合铜丝世界专利申请趋势，从图中可以看出，从1983年开始，键合铜丝在世界各国的发展趋势大致可以分为三个阶段（各时期划分以申请量增长率的变化为标准）：第一阶段为1983-1987年（快速发展期），可能由于该技术的独特先进性，该技术在这个时期受到了很大的重视，从而导致各个申请人都开始研究该技术，希望能够通过该技术的研发领先，从而更多的获得市场资源;第二阶段为1988-2007年（遇冷期），一方面可以说明由于前一时期的迅速发展使得键合铜丝技术取得突破的难度越来越大，另一方面也可以说明该技术由于该技术本身存在的缺陷而被研究者认为其经济效益已逐渐下降，从而导致部分申请人放弃对该技术的持续研究;第三阶段为2008至今，出现该技术被再次重视的原因大致可以分为几种：1、由于从2008年开始，金的价格开始快速上升，从而导致键合金丝的成本偏高;2、由于世界经济的萧条，企业家对于成本的追求越来越严格;3、通过对键合铜丝存在的技术缺陷的改进，其性能大幅度的提高。正是由于这几方面的原因，企业家衡量再三觉得键合铜丝的研究更有利于企业的长远发展。

目前键合铜丝申请量比较多的国家分别为中国、日本、韩国。中国虽然起步较晚，但是通过对该技术的不断重视，专利申请量逐渐开始后来居上。

重要申请人在键合铜丝领域的技术发展简介

田中电子工业株式会社是键合铜丝领域中申请量最多的申请人，其发展状况也代表了领域内典型的日本公司发展状况。

（1）针对微合金化进行改进的专利代表

①JP昭61-113740A （申请日：19841109）

此专利是该公司进入键合铜丝的微合金化领域的最早申请之一。该专利涉及向纯铜中添加过渡元素，具体地，在纯度大于等于99.99%的纯铜中添加选自第四周期过渡元素中的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中的一种或多种以及选自第五周期过渡元素中的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中的一种或多种。由此制得的键合铜丝具有大的拉伸强度和高温强度、能够进行热焊和超声波键合、成球形状接近球形并保持不变、键合后键合强度大，并且在不改变电导率的同时可以改善键合铜丝的热阻特性和抗腐蚀能力。

② JP昭62-80241A （申请日：19851001）

该专利涉及向纯铜中添加Mg、Al、Si、P和Ca中的一种或多种，具体地，在纯度大于等于99.99%的无氧铜中添加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中的一种或多种。本发明的键合铜丝在成球过程中可以防止铜丝的氧化，从而形成干净的、球状的焊球，并且可以防止键合过程中芯片开裂以及球的颈部断裂。

③JP特许第4482605号B1 （申请日：20090123）、WO2011/118009A1（申请日：20100325）

该专利涉及向纯铜中添加P，具体地，在纯度大于等于99.9985%的铜中添加0.5-15ppm wt%的P并且使得其他杂质的总含量小于P的含量。本发明的键合铜丝具有高的再结晶温度、有利的室温硬度以及优异的防止芯片开裂的特性，能够改善半导体装置的可靠性。

④JP特许第5213146号B1 （申请日：20121003）

该专利涉及向纯铜中添加Rh，具体地，在高纯铜中溶解0.1-1.5wt%的Rh以及1.0-10ppm wt%的S和10-150ppm wt%的O，由此改良铜合金球焊线，使得限制在超声波接合时的铝飞溅和倾斜，并改善在二次接合时的接合性的品质。

（2）针对涂层进行改进的专利代表

①JP昭62-78862A （申请日：19850930）

此专利是该公司进入键合铜丝的涂层领域的最早申请之一。该专利涉及在铜芯的表面涂覆绝缘层，具体地，在铜线的表面形成一含量低于1ppm的非离子物质体系或含有碱金属、卤族元素的多元醇酯表面活性剂的涂层，所述涂层的厚度为20-500?。由此，可以防止铜线被氧化和相互缠绕在一起。

②JP特开2003-166082A （申请日：20011130）

该专利涉及在铜芯的表面涂覆绝缘层，具体地，在銅线的表面形成一抗氧化涂层，所述抗氧化涂层的材质为环胺，所述涂层的厚度2.5-12nm。由此，可以延缓铜线键合强度劣化至少30天以上。

③JP特许第5546670B1 （申请日：20130613）

该专利提供即使变更镀覆铜丝的镀覆材料或芯材种类和线径也可以不单独设定键合条件就稳定地进行超声波键合、且超声波键合时的工艺窗口范围广的超声波键合用镀覆铜丝结构。本发明的结构的表面形态为该铜芯材表面成型有多条沿键合丝长度方向的卷云状槽，该芯材上镀覆了由抗氧化性比芯材好的贵金属或贵金属合金。

④JP特许第5807992号B1 （申请日：20150223）

采用直径为10-25mm的铜或铜合金作为芯层，在芯层的表面涂覆钯层，来自芯层的铜在钯涂层的表面形成渗出层，所述渗出层的表面被氧化;此外，还可在钯涂层的表面涂覆金层。该技术方案解决了熔球不稳定的问题，有效实现了无空气球FAB的形成。

（3）针对微合金化/涂层进行改进的专利代表

①JP特许第4349641B1 （申请日：20090323）

该专利涉及微合金化和复合涂层，具体地，芯材由铜和1-500质量ppm的P合金构成，在该芯材上包覆有包含Pd或Pt的中间层，在该中间层上包覆包含金或银的表层。根据本发明制得的键合铜丝在扯断后形成球时，能够避免由于Cu的氧化造成的不便。

②JP特开2012-39079A （申请日：20110426）

该专利涉及微合金化和复合涂层，具体地，在铜芯中添加0.5-99ppm wt%的Zr、Sn、V、B和/或Ti，在铜芯的表面包覆含Pd的中间层以及在中间层上包覆含金、银、铜或其合金的表层，其中，表层的厚度小于中间层的厚度的1/8。根据本发明制得的键合铜丝能够使得成球稳定、抑制磨损、改善光滑度、阻止断线，增强了接合可靠性。

③JP特开2015-5576A （申请日：20130619）

本发明中的键合铜丝用于超声焊接，所述键合铜丝为三层结构，其中，合金芯由铜和其他金属构成，铜以外的金属成分的质量百分比为0.02%以下，其他金属选自Ti、Zr、Zn和Sn所组成的组，铜的纯度为99.990-99.996%，在合金芯的表面设置有有机碳涂层，有机碳的总含量为50-3000μg/m，合金芯的最外层为不饱和的铜氧化物（Cu2-xO），厚2-20nm。本发明中采用有机碳涂层，改善了键合铜丝的稳定性。

通过上述分析可知，该公司在键合铜丝领域的专利申请呈现出如下三个特点：第一、在微合金化和涂层两方面的改进上齐头并进;第二、趋向于微合金化/涂层的综合型改进技术;第三、镀钯键合铜丝的研发越来越受到重视。

（1）针对微合金化进行改进的专利代表

①SG190479A1（申请日：20111201）

该专利涉及向1N、2N、3N、4N铜线中添加包含Ag、Ni、Pd、Au、Pt和Cr的群组中的一者或多者作为耐腐蚀性加入材料，并将所述耐腐蚀性加入材料的浓度控制在相应的范围内，由此可以提供高可靠性性能并且使其他性质的受损程度降低。

（2）针对涂层进行改进的专利代表

①DE102005011028A1 （申请日：20050308）

此专利涉及一种表面富含金的铜制接合线或超细线，特别地，金的含量对应于最大50nm厚的外层。根据本发明的接合线或超细线除了具有铜的良好的电气和机械特性外，还具有存放稳定性，并且其无空气球没有显著地变硬，其导电率与纯铜一样，其循环断裂力与最纯的或低杂质的铜线的循环断裂力相当。

②CN104937140A （申请日：20131218）

该专利涉及在铜或银芯材的表面至少部分地涂覆金属层，其中，所述金属层以至少10%的量包含选自Pd、Pt、Au、Ru、Os和Ir的涂覆组分作为组分，并且所述金属层以至少10%的量包含所述芯的主要组分作为组分，由此提供一种具有良好的加工性能并且互连时无特定需求、电和热导性优异、可接合性优良（特别是在接合程序中形成无空气球方面）、对腐蚀和/或氧化具有改善的抵抗的键合导线。

（3）针对微合金化/涂层进行改进的专利代表

①KR10-2004-0073667A （申请日：20030214）

此专利是该公司进入键合铜丝的微合金化/涂层领域的最早申请之一。该专利涉及向纯铜中添加各自含量为0.001-0.005wt%的Al、Ag、Ca以及选自B、Be、La、Ge、S、P和Ba所组成的组中的一种元素，并在该铜合金的表面包覆选自Pd、Pd-Ni合金、Au、Ag和Au-Ag合金中的一种材质所形成的涂层。由此制得的键合铜丝具有增强的断裂承载能力、显著的硬度特性和电导特性。

②SG201301641A1 （申请日：20130306）

该专利是在铜芯中添加一定量的Ag和P，并在铜芯的表面包覆含Pd的涂层，其中，铜芯中Ag和P的含量的比值为0.03-2。根据本发明制得的键合铜丝具有节约成本、电和热导性优良、可接合性优良、对腐蚀和/或氧化具有改善的抵抗等优点。

通过上述分析可知，该公司在键合铜丝领域的专利申请呈现出如下三个特点：第一、主要针对涂层进行改进，且改进点由涂层的材质逐渐向相关参数的设置偏移;第二、兼顾微合金化/涂层的综合型改进技术;第三、镀钯键合铜丝受到一定的关注。

综合国内公司在专利申请质量和市场占有率两方面的考虑，下面将以宁波康强电子有限公司的相关专利申请为例，介绍国内先进企业在该领域的技术发展情况。

①CN1949492A （申请日：20061103）

该专利所涉及的键合铜丝材料配方重量百分比为：0.0005-0.001%的Ca，0.0003-0.0007%的Ce或Ti，余量为铜，其含量大于等于99.996%。由此制得的键合铜丝具有较好的抗氧化性，产品在打开真空包装后15天内仍可正常使用;且使用安全可靠，成功地去除了氢气保护气而只保留了氮气作为烧球保护气;此外，材料成本低，具有优秀的机械性能、硬度和焊接性能，不会产生第二焊点逃丝问题，能完全代替普通键合金丝。

②CN1949493A （申请日：20061103）

该专利所涉及的键合铜丝材料配方重量百分比为：0.0005-0.001%的Ce，0.0003-0.0008%的Zn或Sn，余量为铜，其含量大于等于99.996%。由此制得的键合铜丝克服了键合金丝的缺点，即价格低廉、焊接后互连可靠性强、同时具有高强度、低长弧度非常高的弧形稳定性、越来越细的直径尺寸等键合丝所需具备的优良性质;且使用安全可靠，成功地去除了氢气保护气而只保留了氮气作为烧球保护气，此外材料成本低，具有优秀的机械性能、硬度和焊接性能，不会产生第二焊点逃丝问题。

③CN101707194A （申請日：20091111）

该专利涉及一种以高纯铜丝为基体、表面覆有纯钯保护层的键合铜丝产品，本发明摒弃了传统工艺先拉拔后电镀即直接应用的落后工艺，而是先制成线径小于1mm的铜丝，再电镀纯钯层，最后精密拉拔成镀钯键合铜丝成品。本产品可以有效提升键合铜丝的抗氧化性，确保成品外观保持银白色金属光泽，大大延长键合铜丝拆封后的保质期，又由于成品机械强度的提高、抗氧化性能提升，有利于进一步缩小键合铜丝的线径，缩短焊接间距，更加适合高密度、多引脚集成电路封装。

该公司的专利申请量并不算多，但其影响力较大，尤其是关于镀钯键合铜丝的专利申请，该产品在市场上已经赢得了广大客户的认同。

结语

从起步时间上来说，早在八十年代中后期，日本申请人就开始关注并研发键合铜丝的相关技术，而国内申请人则起步较晚，基本在06年之后;从技术研发上来讲，日本和德国等大型企业掌握有该领域的领先核心技术，研究种类结构较多，研究方向也很丰富，形成了一套较完善的研究体系;而国内申请人在该领域的研究显得较为分散，还未形成体系，需要在技术上的持续地更新。

中国在该领域的国际市场具有巨大发展潜力，在今后的发展中，国内该领域的各研究结构申请人应多研究和借鉴先前技术并不断进行新的科研攻关，加强专利布局，重视核心技术的外围开发，以增强我国键合铜丝领域应用的综合竞争力。

参考文献：

[1]田 春 霞. 电子封装用导电丝材料及发展 [J].稀 有 金 属，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.

作者简介：

张弓（1986年8月-），女，汉，湖北武汉，硕士研究生，助理研究员，研究方向：材料科学与工程

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215009）