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温州市科技计划项目（温州市激光与光电产业专项科技项目）芯片封装用键合金丝可行性报告二零一二年五月目 录一、立项的背景和意义二、国内外研究现状和发展趋势三、研究开发内容及和技术关键四、预期目标五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解 六、计划进度安排 七、现有工作基础和条件 八、经费预算 一、立项的背景和意义 世界上现有半导体封装的四大基础材料为：芯片、键合丝、框架、塑封料。半导体封装用键合金丝（ ），又称球焊丝或引线丝，是微电子工业的重要材料，用作芯片和引线框架间的连接线，是一种具备优异电气、导热、机械性能及稳定性极好的内引线材料。键合金丝作为封装用内引线，是集成电路、半导体分立器件和制造过程中必不可少的基础材料之一。 键合丝产品属于微电子行业的上游产品，随着国际半导体封装技术的发展和产品升级换代，逐渐应用于民用消费性、电视机、音响、电脑、手机等芯片上，工业用、大型服务器、存储器、医疗器械设备、电机、智能仪表等芯片上，照明灯以及军用芯片上。伴随着集成电路制造业和封装业的兴起，必然将带动相关产业，特别是上游基础材料产业的蓬勃发展，键合丝产品必将呈现快速发展的趋势。 目前，资源匮乏，能源紧张已成为全球经济发展的瓶颈。在供电日趋紧涨的情况下，世界各国均开始了新型光源照明的探索。 光电产业及集成电路新材料产业是全球公认的世纪新兴、环保的支柱型产业。现在产业主要用于各行各业的照明上，它将进一步取代传统的发光体（如白炽灯、日光灯、节能灯），无论是在环保、节能，还是在使用寿命上，相对传统产业都有强大的优越性。研究发现，作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优点，理论上可实现白炽灯的消耗，比荧光灯节能。它采用固体封装，寿命是荧光灯的倍，白炽灯倍；同时光源无紫外光，红外光辐射，同时能避免荧光灯破灭所流出的汞对环境的污染。及键合金丝正是光电子产业中最重要的光电子材料和组件，是整个光电子产业的基础。 目前，在美国、日本、欧州等国家已经制定了“半导体照明计划”，并有政府部门强制照明节能推动。中国年面对照明工业的巨大转型和兴起，成立了由八部委成立的照明工程协调小组，并确定深圳、上海、大连、南昌、厦门五大产业示范基地照明获得前所未有发展机遇。市场需求的增加，将会带动上游产品芯片、支架、键合丝等行业的蓬勃发展。我司生产的键合丝产品是光电子产业的基础电子材料，因此市场前景非常广阔。二、国内外研究现状和发展趋势 从年到年，中国键合金丝市场一直保持着高速发展的势头，年均增长率达到了，年全国键合金丝使用量超过千克年；年达到千克年；年市场的总体需求达到了千克年，每年以5000kg的增长速度逐年递增。随着封装行业以及消费类电子、封装的兴起，未来几年中国对键合丝（主要是金丝）的需求量将迅速上升，今后年平均增速约。同时中国也将成为生产和应用键合金丝的大国，预计年底中国大陆键合金丝的总产能将增加到吨。目前主流的封装技术中，芯片与外部元件的连接，以上都是用键合金丝来进行引线。随着电子器件封装向多引线化、高集成度和小型化发展，要求用更细的金属丝进行窄间距、长距离的键合，键合金丝的性能能够满足这种要求，特别是高纯度、耐高温、超细、超长的键合金丝，市场前景非常广阔。但是，随着集成电路产业和分立器件产业的发展，键合金丝无论从质量和数量上都不能满足国内市场需求，特别是低弧度超细金丝，主要依赖于进口，占总进口量的以上。因此必须加强技术研发，开发低弧度超细金丝，用新产品替代进口，满足国内庞大市场的需求。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。 目前微量添加元素的作用和、()、()等合金化键合金丝，以及键合金丝的微量添加元素复合化、组成合金化、加工细线化、低成本化是键合金丝的发展趋势。因此，我们应抓住时机开发高性能、低成本、合金化的金丝，适应微电子工业的发展，进一步抢占金丝市场。三、研究开发内容和技术关键（一）主要研究内容、高纯金原料提纯及熔炼技术的研究。、通过研究微量添加元素对金丝性能的影响，选择作用良好的微量添加元素进行合理配方，用以满足芯片封装用键合金丝强度、键合弧度、焊接性能等各项指标的要求，提高高温振动环境下的使用性能。、金丝加工工艺的研究。包括微量元素的合金化工艺、中间退火工艺、拉丝配模、金丝清洗润滑工艺、成品热处理工艺和金丝交复绕工艺的研究，解决金丝的单丝长度和成材率。、金丝直径精度的研究，通过合金化的添加，保证金丝的断裂负荷和延伸率控制在一定范围之内。（二）技术关键及创新点、技术关键（）高纯度黄金提纯技术和熔炼铸造技术。作为或集成电路封装的键合金丝所要求的纯度必须是以上的纯黄金，具有电导率高、强度高、良好的球形和键合性能，易于加工成几乎无缺陷的长丝，因此黄金必须提纯到以上。本项目黄金提纯方法采用快速电解法提纯，利用黄金析出电压临界值，获得高纯度海绵金。通过多次实验与检测采用稳定的低压直流电解电源，能提供300A大电流，电压为豪伏，电压的波动为豪伏，使黄金稳定析出，而其它金属不会析出。将电解电压控制在豪伏状态，阴极板上有黄金的稳定析出，获得了提纯的海绵金。把海绵金熔化精炼，从而获得高纯度黄金。黄金熔炼采用连续铸造方法，黄金的熔点是1063，在1063黄金属于半熔状态，温度越高流动性能越好，冷却凝固效果差；温度低流动性能差，但冷却效果好。最佳的连铸温度，是确保产品铸造一致性的关键。高纯度石墨铸造模具的表面粗糙对铸件坯料影响最大，通过对石墨模具铸造孔反复进行抛光加工，生产的产品可以排除坯料表面凸凹、划伤等问题，同时控制合理的牵引速度，确保产品质量。（）键合金丝微量元素添加配方技术。掌握和集成电路封装用键合金丝等微量元素的合理配方，通过添加中间合金元素的复合作用和最佳的合金化元素设计，达到键合金丝的合金化，加工细线化和低成本化以及提高键合强度，提高高温振动环境下的使用性能。（）超微细金丝拉丝制造技术。通过超微细金丝拉丝工艺及配套装置，利用迭代算法优化，通过安装用于协调相邻道次的工作速度关系的调谐器，调整金丝收线速比，改善收卷机的运行性能和快速停止性能。金线从粗到细的排线参数，彻底解决金丝收放线阻塞问题。可将键合金丝加工到范围，且保持金丝良好的表面质量及良好的性能，同时对丝材表面质量、通过清洗、风干、烘干等多道工序进行严格控制，得到微细线材。（）金丝退火专用设备及工艺。采用线式连续退火，利用退火温度的调整，去除金线中残留的应力和改变键合金线的断裂载荷和延伸率，达到改变机械性能的要求，再通过退火液的加入可避免金丝粘连。设计可调张力的主动放线系统和收线系统、保温效果极佳的管式退火炉体，有效退火热区域长度在80cm，确保金丝晶粒再生所需的温度，以及退火炉收线系统，确定不同线径、不同配方金丝的退火温度，确定金丝退火速度60m。）设计可调张力的主动放线系统，该系统依据张力轮的信号，带动伺服电机运转，将金丝从线轴上放下来，使其与收线速度同步，从而保证金丝受力最小化；）配套设计保温效果极佳的管式退火炉体，加长有效退火热区域，确保金丝晶粒再生所需的湿度；）研究设计退火炉收线系统，该系统可调参数有收线速度、排线间距、左右调整、减缩比、起步缓冲、长度记录等；）合理的退火速度，与不同线径、不同配方金丝的退火温度。l 温参考值（）：规格（）温度（）、l 速度（）：直径（）工艺转速设备转速设置l 放线张力参考值（双轮）：线径()以上张力（） 以上（）金丝定长卷取技术。采用定长绕制技术，采用张力控制自动同步放线系统，将金丝定长卷绕在专用线轴上，通过设计模拟程序，计算出最佳排列方法，控制排线参数，通过实验获得准确的参数。运用光感计数系统，控制金丝准确长度，每500M长度，允许误差为0.5M。、创新点创新点一：根据高纯度黄金与等微量元素的相互作用，研发出一种合金化配方，用以满足芯片封装用键合金丝的强度、键合弧度、焊接性能等各项指标，提高在高温振动环境下的使用性能。在金丝中加入银，还加入元素（钙）、（钯）、（铜）、（铟）、（锡）、（镍）、（镧）、（钪）、（铈）中的一种或几种，所加元素的绝对纯度均大于等于。其中键合金丝中银的重量百分含量为，元素（钙）、（钯）、（铜）、（铟）、（锡）、（镍）、（镧）、（钪）、（铈）中的一种或几种重量含量。在键合金丝中提高金属银的含量，制备成新的特种键合金丝，可降低生产和使用成本，使用成本仅为现有的键合金丝使用成本的左右，同时提高了键合丝的强度及延伸率，更好的抵抗封装冲击力及封装材料热膨胀力。创新点二：开发出2M定长的采样装置，通过装置对模具型腔直径和金丝线径的控制，实现了高效生产，提高金线直径的精度。 针对键合金丝细线化、接合性，采用了提纯技术、熔炼技术、拉丝技术、退火技术、绕线技术等加工技术，达到最细金丝直径，精度为负。通过合金化的添加使金丝的的断裂负荷大于，延伸率控制在之间。通过2M定长采样装置，将线轴插到放线架上，手动放线，放掉距始端至少2m线材后 ,通过放线架下端两个导向轮将线材平行绕过专用截取装置1m处的导向轮，线材不能有打折和碰伤。将要截取的线材的尾端绕过张力杆上的导向轮，从而绷紧所要截取的线材。线材一定要平行，将高精密电子天平调零，调到精度，将2m线材放到天平上称量次，取个数的平均值。计算直径（）32.968G:线材直径 单位：:线材重量 单位：四、项目预期目标（一）主要技术经济指标 、技术指标（）熔点（）：（）密度（）：（）直径（）：（）延伸率（）：（）断裂负荷（）： 、经济指标 本项目组织实施后，预计将年完成产量万轴该项目产品，按平均售价元轴计算，将实现年销售收入万元，年利润万元，年交税总额万元。（二）知识产权申请情况本项目已获得项相关实用新型专利,申请的发明专利（一种键合金丝及其制备方法，申请号：）现已进入实质审查阶段。、一种微细线材风干装置，专利号：。、一种微细线材烘干装置，专利号：。、一种拉丝放线架，专利号：。、一种微细线材清洗装置，专利号：。、一种内置陶瓷坩埚的石墨熔炼坩埚，专利号：。（三）应用前景 年全球的键合金丝市场需求在亿美元，年达到了亿美元。随着封装市场的兴起，我们预计年，全球的键合金丝需求将会达到亿美元。随着封装行业以及消费类电子、封装的兴起，由于国内集成电路及产业企业迅速发展，加之国外著名半导体企业纷纷来华兴建独资、合资封装企业，国内对键合金丝的需求量将迅速上升，未来几年中国对键合丝（主要是金丝）的需求量将迅速上升，今后年平均增速约。同时中国也将成为生产和应用键合金丝的大国，预计年底中国大陆键合金丝的总产能将增加到吨。我司生产的键合金丝具有化学性能稳定，延展性良好，抗拉性强，易加工成细丝，焊性能好（不易氧化，成球性好）等优点，作为光电子产业的基础电子材料，具有广阔的市场应用前景。五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解（一）研究方案、研究背景：伴随着集成电路制造业和封装业的兴起，必然将带动相关产业，特别是上游基础材料产业的蓬勃发展。键合丝作为封装用内引线，是集成电路和半导体分立器件和制造过程中必不可少的基础材料之一。目前，键合金丝发展的趋势是微量添加元素复合化，组成合金化，加工细线化，低成本化。、研究目标：通过最佳的合金化元素设计来提高键合金丝强度，使金丝更加细线化，增加弧高或降低弧高，降低破断率，提高可靠性及键合强度，以适应电子元件的高密度化要求，提高电子元件高温暴晒及振动等环境条件下的使用性能。、研究内容：键合金丝是芯片与外部电路主要的连接材料，对其所必须具备的耐腐蚀性、良好的导电性能、优良的成弧性能及恰当的强度，并能适应极高的键合速度等方面进行研究。、研究方法：运用理论分析与数据实验分析相结合的方法，对所测的实验数据进行分析、综合、归纳和总结，使之达到预期效果。（二）技术路线、技术路线、工艺流程本项目通过一系列的工艺技术研究，建立一套较成熟的键合金丝生产工艺技术和较为完整的金丝生产设备和检测手段，实现键合金丝系列产品在黄金提纯、熔炼铸造、拉丝、退火、定长卷取等方面取得成果，实现国内半导体分立器件和集成电路用金丝的国产化。项目简要工艺流程如下:粗拉丝原料熔化（高温）微量元素添加熔铸中拉丝微拉丝复绕检验包装入库退 火（三）组织方式与课题分解 、组织方式项目为本公司自主研发，实行分工负责制。在本项目中，总工程师为项目负责人，负责芯片封装用键合金丝整体方案的设计与研发，组织实施技术攻关，解决工艺中的重大技术问题等。经理负责项目的协调工作，包括项目的质量、进度、成本控制等工作。项目参与人员进行分工协作，如材料熔炼铸造工艺的设计，拉丝制造技术的设计，产品性能检测等。 、课题分解（）添加中间合金元素及最佳合金化元素设计子课题的研究（）金丝加工工艺子课题的研究（）金丝直径精度、断裂负荷和延伸率子课题的研究六、计划进度安排年月年月，完成市场调研，搜集项目相关技术资料、标准及国内外技术信息，确定整体设计方案。年月年月，完成产品设计，工艺流程的设计，试制出样品。年月年月，通过添加中间合金元素和进行最佳合金化元素的设计，对样品进行各种数据模拟实验，根据所测数据进行结构和工艺的优化，进一步达到键合金丝的合金化。年月年月，完成检测和生产设备的购置，产品进入小批量生产，并提供给用户使用，搜集用户意见，进一步完善和改进产品。年月年月，项目实施完成，资料整理，组织验收，产品投入批量生产。七、现有工作基础和条件公司成立于年月，注册资金万，是一家主要从事半导体键合金丝、键合合金丝、键合铜丝等产品的研发、生产及销售的高科技型股份制公司。公司现有员工人，其中大专以上学历的科技人员人，占总人数的，直接从事研究开发的技术人员人，占总人数的。公司拥有一支资深的、专业化技术团队，引进国际先进的生产设备和检测设备，年月，我司与浙江大学共同合作成立省内首个研发中心和研发实验室，从事键合材料系列产品的研发，其研发水平在国内同行中处于领先。公司的生产车间全部为无尘厂房，严格控制空气中颗粒悬浮物的数量，并且通过专业级除尘室对人体进行除尘作业，以保证外界的浮尘颗粒等无法进入车间内，车间内安装了专业级空调设备与净化设备，这都确保了生产环境的绝对达标，为生产高品质的产品提供必须条件。公司采用先进的的管理体系，严格执行质量管理体系及环境管理体系，系列产品均通过第三方权威机构的检测和认定。公司的产品以键合金丝 、健合铜丝、健合合金丝三大产品为代表，已广泛应用于、封装等微电子工业领域，产品