键合金丝

定义

键合金丝指由金基铸棒经拉拔或孔轧并退火制成、截面为圆形、直径小于 0.1 毫米、在半导体封装电路中充当连接线的丝材；按现行国家标准，金质量分数不低于 99% 的称为金丝（纯金丝），低于 99% 的称为金合金丝^[5]。它与金带同属金基键合产品，区别在于后者由丝材轧制而成、截面为矩形^[5]。

早期产品以 99.99% 高纯金为基础，加入铜、铍、银等微量元素调节机械性能，线径多落在 18 至 50 微米区间^[2]。随着器件小型化，主流线径已细化到 15 至 25 微米，也有企业把最细规格做到 12 微米^[6]。因为成球后采用球焊—楔焊方式接合，它也常被叫作球焊金丝或引线金丝^[2]。

原理

键合的本质是把金属丝两端分别压焊到芯片焊盘与引线框架上，形成电气通路。常见做法是热超声球焊：打火杆施加高压击穿空气，使线尾熔化形成自由空气球（FAB），球体压到芯片铝焊盘上，在温度、压力和超声能量共同作用下发生塑性变形与界面原子扩散，形成第一焊点；随后机头牵引金丝走出设定的线弧，在框架一侧以楔焊压出第二焊点并扯断线尾^[7][8]。超声能量使金属软化，键合界面温度实测多在 70 至 200 摄氏度，远低于金的熔点，因此接头靠固相连接而非熔化形成^[8]。

烧球时电弧热量沿丝材向上传导，使靠近球颈的一段晶粒长大，这段区域称为热影响区（HAZ），长度通常只有几十到一百多微米^[6][7]。该区晶粒粗化、强度偏低，容易成为断裂起点，其长短直接决定可实现的最低弧高与键合强度，热影响区越短，线弧可以压得越低、占用空间越小^[6]。生产中通过成分设计与工艺调整来缩短热影响区，并用扫描电镜或金相法测定其长度^[6]。

线弧形状由弧高、跨距与丝材刚度共同决定，国家标准按可达到的最低弧高把产品分为若干型号，弧高从 250 微米以上一直覆盖到 30 至 100 微米级别，供不同封装密度选用^[9][5]。

发展历程

20 世纪后半期，引线键合材料最初多用铝线和铜线，后来金的化学稳定性优势被认识，金丝逐渐成为研究与生产的主流，并发展出热压球焊与热超声球焊等工艺^[8][10]。中国在 1988 年 2 月首次发布半导体器件键合用金丝的国家标准，1997 年第一次修订，其后又在 2007 年、2014 年和 2022 年几度修订^[11][12][5]。

2014 年发布的版本更名为《半导体封装用键合金丝》，按化学成分区分掺杂金丝与合金金丝，并按最低弧高划分 GS、GW、TS 及 AG2、AG3 等型号^[12]。2022 年 12 月 30 日发布的 GB/T 8750-2022 把金合金丝和金带纳入，改按金含量分为 4N、3N、2N 金丝与金合金丝，并于 2023 年 7 月 1 日实施^[13][5]。

2009 年至 2011 年，国内企业承担国家科技重大专项课题，开展面向方形扁平封装（LQFP）与方形扁平无引脚封装（QFN）的低弧高强度键合金丝研发和产业化，建成年产 2 吨的生产线^[14]。2007 年金价大幅上涨后，大量封装企业转向铜丝等替代材料，键合金丝的用量占比随之下降^[4]。

应用

键合金丝主要用于集成电路、半导体分立器件和发光二极管封装，把芯片表面的电极与引线框架或基板连通^[12][1]。在高端集成电路、军用器件模块、大功率照明与光通讯模块、摄像头模组等对可靠性要求较高的场合，金丝仍是常用选择。毫米波多芯片组件等射频互连中，金丝跨距与焊盘尺寸对传输特性影响明显，需专门建模分析^[15]。

从用量结构看，2022 年国内半导体键合丝需求约 360.1 亿米，其中键合金丝约 62.3 亿米，但按销售额计占了大部分份额^[16][17]。低金含量的金合金丝如含金约 80% 和 60% 的型号，因电阻率偏高，多用于中高端发光二极管封装和部分集成电路封装，可降低材料成本^[9][18]。

局限

成本是最直接的制约。金丝的材料价值远高于铜丝，有资料称金丝成本可达铜丝的数十倍，金价高位运行时键合成本压力尤为明显^[19][20]。2007 年金价上涨后，多数封装企业转而采用铜丝、银丝等替代方案或减少黄金用量，键合铜丝的市场占有率此后超过金丝^[4]。

机械性能方面，纯金较软，在高密度、小体积封装中容易出现歪丝、塌丝，因此产品需要向合金化方向发展以提高强度^[4]。界面可靠性也有限制：金丝与铝焊盘属异种金属体系，高温下金属间化合物过度生长会形成脆性断裂点，出现所谓紫斑，长期高温存储还可能因柯肯德尔孔洞而失效；在高温高湿并有卤素离子存在的环境中，金铝体系还可能发生电化学腐蚀^[21][22]。

工艺与供给层面，热影响区难以完全消除，超细线径产品的均匀性与良品率控制难度大；有资料指出 18 微米以下的超细径产品仍主要依靠少数海外厂商供应，国内高端规格的进口依存度较高^[6]。金合金丝还易发生氧化，包装需抽真空密封，开封后须当日用完，否则应存入氮气柜^[3]。

参见

• 引线键合 —— 键合金丝所服务的芯片互连工艺。

• 键合铜丝 —— 以铜为主体、成本更低的键合丝，是金丝的主要替代品。

• 键合银丝 —— 导电导热较好、常用于发光二极管封装的替代材料。

• 引线框架 —— 键合第二焊点所连接的金属载体。

• 金属间化合物 —— 金铝界面反应产物，关系到键合接头可靠性。