唐代文學(xué)家陸龜蒙寫(xiě)道：“自古黃金貴，猶沽駿與才”。黃金自古以來(lái)就是一種有價(jià)值的貴金屬，其獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)使其在很多領(lǐng)域都有廣泛的運(yùn)用。既是儲(chǔ)備和投資的特殊通貨，又是首飾業(yè)的“霸主”，更是現(xiàn)代通信、航天航空業(yè)等特殊行業(yè)的重要材料，在每一個(gè)領(lǐng)域都充當(dāng)了重要的角色。在電子設(shè)備制造領(lǐng)域，黃金因其良好的導(dǎo)電性能廣受好評(píng)。黃金的導(dǎo)電性能不僅優(yōu)于銅和銀等常見(jiàn)的導(dǎo)電金屬，而且在高溫、高壓和低溫等極端環(huán)境下也表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。因此，黃金在半導(dǎo)體和電子元件中被廣泛應(yīng)用。

黃金主要以電鍍化學(xué)品、金鍵合線和濺射靶材的形式用于電子半導(dǎo)體。在電子產(chǎn)品中，黃金的最大用途是作為連接器和觸電的電鍍涂層。其次是半導(dǎo)體封裝內(nèi)的金鍵合線，其他用途還包括混合電路、印刷電路板和組件的可焊涂層，作為金基焊料和半導(dǎo)體上的金屬層，作為導(dǎo)體軌道和接觸墊等。

1、連接器和觸點(diǎn)

連接器和觸點(diǎn)可以使用各種各樣的材料，選擇何種合適的材料，則需要考慮多種因素，包括:電流，電壓，接觸力，磨損，微動(dòng)(由于振動(dòng)和熱循環(huán))，環(huán)境條件(溫度，腐蝕性氣體等)，材料成本等等。

黃金用于連接器和觸點(diǎn)，主要是因?yàn)樗哂袃?yōu)異的耐腐蝕性、高導(dǎo)電性，并且與少量鎳或鈷合金后具有更加良好的耐磨性。對(duì)于低電壓、低電流和低接觸力的應(yīng)用，金是最好的材料。

對(duì)于連接器和觸點(diǎn)材料的一個(gè)重要指標(biāo)，就是檢驗(yàn)金屬的易感性。一般會(huì)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電極電位數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)易感性。表1給出了金屬的電極電位值。通常情況下，正值大表明耐腐蝕性好，負(fù)值大表明反應(yīng)性高。但實(shí)際情況并非如此簡(jiǎn)單，因?yàn)榘ㄣ~和鐵在內(nèi)的一些金屬，在使用一段時(shí)間后，會(huì)被氧化形成氧化物，如氧化銅、三氧化二鋁等物質(zhì)，氧化物會(huì)使得集成電路出現(xiàn)導(dǎo)線繡斷，出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。

表 1 金屬標(biāo)準(zhǔn)電極電位

連接器或觸點(diǎn)最終材料的選擇會(huì)在性能和成本之間做出妥協(xié)。表2對(duì)低連接器和觸點(diǎn)常用的材料優(yōu)劣情況進(jìn)行了總結(jié)，并與黃金進(jìn)行了比較。閉合連接器或一對(duì)觸點(diǎn)的實(shí)際接觸總面積與表面尺寸相比通常非常小，因?yàn)榻佑|僅在幾個(gè)非常小的位置進(jìn)行。這增加了觸點(diǎn)之間的電阻，因此電流的通過(guò)會(huì)產(chǎn)生熱量。接觸壓力的增加加大了接觸面積，從而降低了電阻。電壓和接觸壓力都會(huì)影響局部加熱，從而導(dǎo)致表面氧化或表面熔化。電弧也可能發(fā)生。所有這些都會(huì)影響觸點(diǎn)的壽命。氧化或腐蝕會(huì)影響添加到金中的合金元素，但這些元素是用來(lái)改變其性能的，如硬度或溶解速度。

表 2 連接器和觸點(diǎn)的材料比較

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展,越來(lái)越多的設(shè)備被連接起來(lái),以提供對(duì)信息和數(shù)據(jù)的即時(shí)訪問(wèn)。換言之，任何電氣設(shè)備的有效性和可靠性在很大程度上取決于連接的質(zhì)量,特別是連接器或觸點(diǎn)上使用的鍍層。對(duì)于接觸電阻的微小變化會(huì)影響產(chǎn)品性能的低壓信號(hào)傳輸應(yīng)用，因此在生命安全傳感器或自動(dòng)駕駛汽車等需要極其可靠的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵應(yīng)用上，目前只有黃金作為介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榕c其他金屬相比，金在任何正常條件下都不會(huì)形成硫化物或失去光澤，這使得黃金成為電子半導(dǎo)體行業(yè)連接器和觸點(diǎn)更可行的選擇。

2、封裝用鍵合絲

鍵合絲作為微電子封裝領(lǐng)域四大基礎(chǔ)關(guān)鍵材料（芯片、鍵合絲、引線框架/基板、塑封料）之一，是芯片與引線框架之間實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)的內(nèi)引線，起到連接半導(dǎo)體芯片與外部電路電流傳輸以及信號(hào)互聯(lián)的作用，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體分立器件和集成電路的封裝。目前市場(chǎng)上使用比較普及的鍵合絲產(chǎn)品包括四個(gè)類型：鍵合金絲、鍵合銅絲、鍵合銀絲、鍵合鋁絲。

相比較銅和銀，黃金價(jià)格雖然高，但黃金制成的鍵合金絲具有延展性好、導(dǎo)電性能佳、金絲球焊速度快及可靠性高等特點(diǎn)，因此是鍵合絲品種中使用最早、用量最大的一類。通常長(zhǎng)2mm，厚25μm，每根線僅使用約20納克金。隨著越來(lái)越多的集成電路的需要，一些集成電路可能有超過(guò)200個(gè)線鍵連接，因此用于線鍵合的黃金數(shù)量不斷增加。2022年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體鍵合絲需求量增長(zhǎng)至360.1億米，其中鍵合金絲需求量達(dá)到62.3億米。

圖 1 2022年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體鍵合絲需求（數(shù)據(jù)來(lái)源：智研咨詢）

3、金焊料

半導(dǎo)體功率器件中的芯片，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此需要散熱以防止損壞。一般來(lái)說(shuō)，任何功率超過(guò)5瓦的設(shè)備都需要一個(gè)良好的導(dǎo)熱通道來(lái)散熱。這可以通過(guò)使用焊料合金將芯片粘接到封裝上實(shí)現(xiàn)。

而隨著市場(chǎng)對(duì)高性能功率器件開(kāi)發(fā)需求的提高，市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體器件的封裝焊料提出了更高要求。不僅需要考慮到焊料的印刷性（點(diǎn)涂性）、焊接的可靠性、助焊劑殘留的清洗性、助焊劑殘留和塑封料的兼容性等，還需要考慮到功率器件的大電流、高發(fā)熱量、超高功率的特性。功率器件向著更小晶粒面積發(fā)展的趨勢(shì)能帶來(lái)性能和成本方面的優(yōu)勢(shì)，也會(huì)帶來(lái)散熱方面的劣勢(shì)；向更高的電壓和更低的損耗方向的發(fā)展，則要求焊接層有更小的空洞率。

目前市場(chǎng)常用的有以Au80Sn20為代表的金錫系列、以SAC305為代表的錫銀銅系列、以Sn88Ag3.5In8Bi0.5為代表的錫銀銦鉍系列、以SnSb5、SnSb10為代表的錫銻系列、以Sn42Bi58為代表的錫鉍系列、銦焊料等。

銦焊料是大功率半導(dǎo)體激光器封裝最常用的焊料之一。銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移與電熱遷移問(wèn)題，將影響半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性。銦焊料封裝的激光器的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于金錫焊料封裝的器件，而且在使用時(shí)器件性能會(huì)出現(xiàn)突然退化的現(xiàn)象。采用無(wú)銦化封裝技術(shù)可克服銦焊料層的電遷移。在無(wú)銦化焊料的選擇中，金錫焊料由于其封裝器件的性能穩(wěn)定性而成為封裝中的重要焊料。

共晶錫/鉛焊料可以形成良好的鍵合，具有相對(duì)的延展性，但如果組件引線用標(biāo)準(zhǔn)焊料焊接到PCB或其他部件上，則不適合。同時(shí)隨著集成電路集成度的提高，IC引腳更加密集。垂直噴錫工藝很難使薄墊平整，這使得SMT的放置變得困難，此外，鍍錫板的保質(zhì)期很短。雖然可以使用具有高鉛含量的高熔點(diǎn)焊料，但粘接處可能出現(xiàn)多孔和空隙，從而導(dǎo)致接合處產(chǎn)生應(yīng)力和熱點(diǎn)。

表3列出了較常用的芯片連接焊料的特性。對(duì)比可以看出金焊料的導(dǎo)熱性能比錫或鉛焊料更好，熔化溫度也比無(wú)鉛合金高，是熔點(diǎn)在280-360°C范圍內(nèi)唯一可以替代高熔點(diǎn)鉛基合金的焊料。與高鉛含量合金相比，金合金焊料具有更好的抗熱疲勞性能，而且一個(gè)典型的集成電路只會(huì)使用2-3毫克的金，成本在可接受范圍。它可用于芯片與電路基材的連接，以及高可靠電路氣密封裝。例如，用于互聯(lián)網(wǎng)通信的激光二極管，使用80Au20Sn作為封裝蓋密封和芯片連接焊料。不難看出，金合金焊料在電子半導(dǎo)體有廣闊的應(yīng)用前景。

表 3 貼裝焊料性能

4、可焊涂層

印制電路板(PCB)被制造出來(lái)后，當(dāng)中的銅電路就會(huì)迅速氧化，使用電子助焊劑時(shí)就無(wú)法潤(rùn)濕表面。因此，需要在電路板涂上一層保護(hù)層，以便在存放過(guò)程中保護(hù)電路板。其中最常用的是化學(xué)鍍鎳和浸金。使用黃金的成本比一些替代品昂貴，但黃金性能優(yōu)越。如使用有機(jī)可焊性防腐劑(OSP)，雖然成本低，但保護(hù)涂層非常容易受到指紋和輕微摩擦的損壞。此外還有錫和銀涂層，與有機(jī)防焊劑相比不易損壞，但比鎳/金更容易失去光澤或腐蝕。相比之下，黃金不僅可以形成非常平坦的涂層面，適合將裸芯片直接焊接到PCB上，而且很容易被液態(tài)焊料浸濕。通常使用的金的厚度為0.08μm，因此每個(gè)PCB上使用的金很少，成本在可接受范圍。當(dāng)焊接時(shí)，這極少量的金會(huì)溶解到焊料中并保持在溶液中，因此不會(huì)影響連接的可靠性。焊料與鎳形成牢固的結(jié)合，而鎳在液態(tài)焊料中的溶解速度要比金或銅慢得多。如果沒(méi)有薄的浸金層，鎳就不能單獨(dú)使用，因?yàn)樗┞对诳諝庵袝?huì)氧化，形成一層非常穩(wěn)定的氧化物，防止焊料潤(rùn)濕表面。極具腐蝕性的助焊劑雖然可以緩解這一問(wèn)題，但不適用于電子電路。

電遷移是一種在某些條件下會(huì)影響印刷電路板、混合印刷電路板和某些電子元件的過(guò)程，表現(xiàn)為金屬在兩個(gè)導(dǎo)體之間的絲狀生長(zhǎng)。例如高濕度、電位和離子材料，如助焊劑殘留物。大多數(shù)金屬在某些條件下都會(huì)發(fā)生電遷移，比如銀、鋁導(dǎo)體會(huì)受到電遷移的影響。然而金的電遷移非常罕見(jiàn)，只有在氯離子存在的情況下才會(huì)發(fā)生。

表4 涂層材料性能對(duì)比

5、濺射鍍金

電子工業(yè)經(jīng)歷了由電子管、半導(dǎo)體集成電路及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展歷程，對(duì)人類社會(huì)的各個(gè)方面帶來(lái)革命性的沖擊。高純金濺射靶材作為電子工業(yè)領(lǐng)域各類芯片及集成電路中電極薄膜層制備的關(guān)鍵源材料，當(dāng)電子芯片持續(xù)向輕、薄、短、小以及高密度方向發(fā)展時(shí)，對(duì)缺陷的容忍度也相對(duì)降低。同時(shí)隨著集成電路器件密集度的提高，單位芯片的面積也越來(lái)越小，原本不會(huì)影響良率的缺陷變成了良率的短板。因此，對(duì)于高純金靶材的純度、晶粒尺寸、均勻性和微觀組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等性能提出了更高的要求。

在電子薄膜領(lǐng)域，金薄膜主要通過(guò)磁控濺射工藝獲得，金靶材的濺射原理如圖所示：

金靶材作為陰極，電子在加速電壓的作用下與濺射腔體中的氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的Ar+和電子。電子飛向基片，Ar+在電場(chǎng)作用下加速轟擊金靶材，濺射出大量的金原子，呈中性的金原子沉積在基片上成膜。在濺射過(guò)程中，由于磁場(chǎng)的存在，電子受磁場(chǎng)洛倫茲力的作用，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并在磁場(chǎng)作用下圍繞靶面做圓周運(yùn)動(dòng)。金在7.8-975k的溫度范圍內(nèi)磁化率僅為（-0.141~-0.143）×10-6cm³/g，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和良好的高溫抗氧化性能。而為了降低成本、節(jié)約金的用量，金靶材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)磁控濺射設(shè)備陰極的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，靶材形狀須與所用濺射設(shè)備匹配。

金可以通過(guò)各種真空鍍膜技術(shù)鍍?cè)诮饘?、陶瓷和塑料等多種基底上。在濺射技術(shù)中，金以“靶”的形式使用。金是最佳的光學(xué)反射器，具有出色的耐腐蝕性和抗褪色性。鍍膜時(shí)，高能離子將金原子從表面噴射出來(lái)，然后沉積到鍍膜基材上。

靶材作為濺射工藝的陰極源材料，需要固定在濺射設(shè)備的陰極上。同時(shí)在濺射過(guò)程中需要導(dǎo)電，也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。因此，大多數(shù)的靶材都需要通過(guò)具有一定強(qiáng)度和良好散熱性的材料，如鋁、銅等作為背板起到強(qiáng)度支撐、導(dǎo)電、導(dǎo)熱的作用。靶材與背板的連接稱為綁定，是濺射靶材制備技術(shù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。綁定質(zhì)量直接影響濺射工藝和產(chǎn)品膜的質(zhì)量。目前金靶常用的綁定方法有釬焊法、鑲嵌復(fù)合法。

隨著電子半導(dǎo)體行業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展和未來(lái)需求的不斷增長(zhǎng)，需要高度精確的芯片制造過(guò)程，這就需要黃金等貴金屬提供幫助。盡管這些微縮電子元件的黃金需求相對(duì)較少，但缺少黃金仍會(huì)顯著影響芯片和終端設(shè)備的性能。因此黃金這種古老的貴金屬，在現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)中仍然展現(xiàn)出其強(qiáng)大的活力和潛力。從連接線到拋光工藝，再到微型化的發(fā)展，金都在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，我們期待金在此領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。

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