唐代文學(xué)家陸龜蒙寫道：“自古黃金貴，猶沽駿與才”。黃金自古以來就是一種有價值的貴金屬，其獨特的化學(xué)和物理性質(zhì)使其在很多領(lǐng)域都有廣泛的運用。既是儲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。黃金的導(dǎo)電性能不僅優(yōu)于銅和銀等常見的導(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

連接器和觸點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(由于振動和熱循環(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，主要是因為它具有優(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。對于低電壓、低電流和低接觸力的應(yīng)用，金是最好的材料。

對于連接器和觸點材料的一個重要指標(biāo)，就是檢驗金屬的易感性。一般會通過標(biāo)準(zhǔn)電極電位數(shù)據(jù)來確認(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。但實際情況并非如此簡單，因為包括銅和鐵在內(nèi)的一些金屬，在使用一段時間后，會被氧化形成氧化物，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

連接器或觸點最終材料的選擇會在性能和成本之間做出妥協(xié)。表2對低連接器和觸點常用的材料優(yōu)劣情況進行了總結(jié)，并與黃金進行了比較。閉合連接器或一對觸點的實際接觸總面積與表面尺寸相比通常非常小，因為接觸僅在幾個非常小的位置進行。這增加了觸點之間的電阻，因此電流的通過會產(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。所有這些都會影響觸點的壽命。氧化或腐蝕會影響添加到金中的合金元素，但這些元素是用來改變其性能的，如硬度或溶解速度。

表 2 連接器和觸點的材料比較

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的發(fā)展,越來越多的設(shè)備被連接起來,以提供對信息和數(shù)據(jù)的即時訪問。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上使用的鍍層。對于接觸電阻的微小變化會影響產(chǎn)品性能的低壓信號傳輸應(yīng)用，因此在生命安全傳感器或自動駕駛汽車等需要極其可靠的實時信號傳輸?shù)年P(guān)鍵應(yīng)用上，目前只有黃金作為介質(zhì)可以實現(xiàn)，因為與其他金屬相比，金在任何正常條件下都不會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。目前市場上使用比較普及的鍵合絲產(chǎn)品包括四個類型：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，因此是鍵合絲品種中使用最早、用量最大的一類。通常長2mm，厚25μm，每根線僅使用約20納克金。隨著越來越多的集成電路的需要，一些集成電路可能有超過200個線鍵連接，因此用于線鍵合的黃金數(shù)量不斷增加。2022年國內(nèi)半導(dǎo)體鍵合絲需求量增長至360.1億米，其中鍵合金絲需求量達到62.3億米。

圖 1 2022年國內(nèi)半導(dǎo)體鍵合絲需求（數(shù)據(jù)來源：智研咨詢）

3、金焊料

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

而隨著市場對高性能功率器件開發(fā)需求的提高，市場對半導(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)展的趨勢能帶來性能和成本方面的優(yōu)勢，也會帶來散熱方面的劣勢；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，而且在使用時器件性能會出現(xiàn)突然退化的現(xiàn)象。采用無銦化封裝技術(shù)可克服銦焊料層的電遷移。在無銦化焊料的選擇中，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。

表3列出了較常用的芯片連接焊料的特性。對比可以看出金焊料的導(dǎo)熱性能比錫或鉛焊料更好，熔化溫度也比無鉛合金高，是熔點在280-360°C范圍內(nèi)唯一可以替代高熔點鉛基合金的焊料。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，而且一個典型的集成電路只會使用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)被制造出來后，當(dāng)中的銅電路就會迅速氧化，使用電子助焊劑時就無法潤濕表面。因此，需要在電路板涂上一層保護層，以便在存放過程中保護電路板。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。如使用有機可焊性防腐劑(OSP)，雖然成本低，但保護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PCB上使用的金很少，成本在可接受范圍。當(dāng)焊接時，這極少量的金會溶解到焊料中并保持在溶液中，因此不會影響連接的可靠性。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。如果沒有薄的浸金層，鎳就不能單獨使用，因為它暴露在空氣中會氧化，形成一層非常穩(wěn)定的氧化物，防止焊料潤濕表面。極具腐蝕性的助焊劑雖然可以緩解這一問題，但不適用于電子電路。

電遷移是一種在某些條件下會影響印刷電路板、混合印刷電路板和某些電子元件的過程，表現(xiàn)為金屬在兩個導(dǎo)體之間的絲狀生長。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發(fā)生電遷移，比如銀、鋁導(dǎo)體會受到電遷移的影響。然而金的電遷移非常罕見，只有在氯離子存在的情況下才會發(fā)生。

表4 涂層材料性能對比

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，對人類社會的各個方面帶來革命性的沖擊。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，對缺陷的容忍度也相對降低。同時隨著集成電路器件密集度的提高，單位芯片的面積也越來越小，原本不會影響良率的缺陷變成了良率的短板。因此，對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。在濺射過程中，由于磁場的存在，電子受磁場洛倫茲力的作用，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并在磁場作用下圍繞靶面做圓周運動。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)計主要依據(jù)磁控濺射設(shè)備陰極的磁場結(jié)構(gòu)，靶材形狀須與所用濺射設(shè)備匹配。

金可以通過各種真空鍍膜技術(shù)鍍在金屬、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，高能離子將金原子從表面噴射出來，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。同時在濺射過程中需要導(dǎo)電，也會產(chǎn)生一定的熱量。因此，大多數(shù)的靶材都需要通過具有一定強度和良好散熱性的材料，如鋁、銅等作為背板起到強度支撐、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)計的不斷發(fā)展和未來需求的不斷增長，需要高度精確的芯片制造過程，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較少，但缺少黃金仍會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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