寻找半导体芯片中的真金白银

　　郭勇

　　如果说半导体硅材料让人们看到了“点石成金”的奇妙，那当黄金冲破700 元/ 克时，主板、内存里的真金白银又会让多少人再一次兴奋？

　　含金量是金矿几十倍，旧电脑“炼金术”

　　一台废旧电脑可以产生0.2 克的黄金；10 台废弃电脑回收的黄金就可以制作成一枚金戒指；1 吨废旧电脑就可以提取出300 克黄金。如果我们把废弃电脑比作是金矿的话，1 吨金矿含金量300 克，意味着这个金矿妥妥是一个富矿，并且是富矿中的精品矿。这是因为普通的金矿含金量并不高，平均每采一吨矿石，只有5 克黄金。

　　相对于挖矿炼金，从废旧电脑、手机里炼金明显收益更高，而在惊讶于废旧消费电子产品巨大的经济价值之余，不少人也会好奇，金、银等贵金属是如何进入电脑、手机中的。

　　键合金丝，金银贵金属的舞台

　　　“一根5 公斤重的金棒，通过拉细、再拉细，直至拉成头发丝五分之一细的金丝（14 微米），才可以用在芯片导线等产品上。”——键合金丝一般指球焊金丝，用火焰将金丝端部烧出个小球，然后与芯片电极进行球焊的金丝。作为芯片和外部电路之间的电连接引线，键合丝是半导体集成电路、分立器件、传感器、光电子等传统封装工艺制程中必不可少的基础原材料，世界上几乎所有的半导体零件都有使用。

　　在半导体制造流程中，在成功完成前道制造工艺流程后，晶圆已经升级成了“IC”，还需要进行后道的“测试”“封装”。在测试流程中需要将晶圆上的 |C 切割变成晶粒再进行测试，通过测试后以金属材料和树脂材料制作器件的外壳将晶粒进行封装，成为最终的成品“芯片”。

　　在IC 封装中，需要用到金属材料的两个环节主要包括引线框架以及键合丝。芯片和引线框架（基板）的连接为电源和信号的分配提供了电路连接。就目前的封装工艺看，有两种主流方式实现内部连接：引线键合/ 打线封装（WireBonding)、覆晶封装（Flip Chip)。

　　所谓引线键合即透过“键合丝”把IC 上的连接点跟IC 载板或引线框架连接起来。如果是以引线框架封装，芯片内部的IC 便是借由引线框架，从内部直接连接到外部的 PCB 上。而覆晶封装是在IC 的连接点上接合“金属凸块”（Solder Bump)，再把IC 翻覆，让IC上的凸块与IC 导线载板连接起来。

　　纳米银，高功率半导体的“胶水”

　　能用黄金的地方，大多能用白银替代，而白银在半导体制造过程中，还有一个重要的角色——散热。

　　大功率器件工作时产热量大，如果不能及时导出将严重降低互联层的性能，从而影响功率模块性能和可靠性。纳米银烧结技术可以实现低温连接、高温服役的要求，且具有优秀的导热导电性能和高温可靠性，已成为近几年功率模块封装互连材料的研究热点。

　　纳米银烧结技术是一种利用纳米银膏在较低的温度下，加压或不加压实现的耐高温封装连接技术，烧结温度远低于块状银的熔点。银烧结技术也被称为低温连接技术（Low temperaturejoining technique,LTJT）， 作为一种新型无铅化芯片互联技术，可在低温（＜ 250 ℃）条件下获得耐高温（＞700℃）和高导热率（240 W/m·K）的烧结银芯片连接界面，由于银的熔点高达（961℃），将不会产生熔点小于300℃的软钎焊连接层中出现的典型疲劳效应，具有极高的可靠性。

　　相对于焊料合金，银烧结技术可以更有效地提高大功率硅基 IGBT 模块的工作环境温度及使用寿命。

　　尽管银烧结工艺在IGBT 模块封装中具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一些挑战，如银焊料价格昂贵、容易氧化以及与铜基板间的热膨胀系数差异等问题。未来，随着新材料、新技术的不断涌现和电力电子市场的持续发展，银烧结工艺有望得到进一步的完善和优化。

　　下期，我们将为大家带来能卡英伟达“脖子”的Low-α 球形氧化铝材料！

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……