唐代文学家陆龟蒙写道：“自古黄金贵，犹沽骏与才”。黄金自古以来就是一种有价值的贵金属，其独特的化学和物理性质使其在很多领域都有广泛的运用。既是储备和投资的特殊通货，又是首饰业的“霸主”，更是现代通信、航天航空业等特殊行业的重要材料，在每一个领域都充当了重要的角色。在电子设备制造领域，黄金因其良好的导电性能广受好评。黄金的导电性能不仅优于铜和银等常见的导电金属，而且在高温、高压和低温等极端环境下也表现出了良好的稳定性。因此，黄金在半导体和电子元件中被广泛应用。

黄金主要以电镀化学品、金键合线和溅射靶材的形式用于电子半导体。在电子产品中，黄金的最大用途是作为连接器和触电的电镀涂层。其次是半导体封装内的金键合线，其他用途还包括混合电路、印刷电路板和组件的可焊涂层，作为金基焊料和半导体上的金属层，作为导体轨道和接触垫等。

1、连接器和触点

连接器和触点可以使用各种各样的材料，选择何种合适的材料，则需要考虑多种因素，包括:电流，电压，接触力，磨损，微动(由于振动和热循环)，环境条件(温度，腐蚀性气体等)，材料成本等等。

黄金用于连接器和触点，主要是因为它具有优异的耐腐蚀性、高导电性，并且与少量镍或钴合金后具有更加良好的耐磨性。对于低电压、低电流和低接触力的应用，金是最好的材料。

对于连接器和触点材料的一个重要指标，就是检验金属的易感性。一般会通过标准电极电位数据来确认易感性。表1给出了金属的电极电位值。通常情况下，正值大表明耐腐蚀性好，负值大表明反应性高。但实际情况并非如此简单，因为包括铜和铁在内的一些金属，在使用一段时间后，会被氧化形成氧化物，如氧化铜、三氧化二铝等物质，氧化物会使得集成电路出现导线绣断，出现接触不良的现象。

表 1 金属标准电极电位

连接器或触点最终材料的选择会在性能和成本之间做出妥协。表2对低连接器和触点常用的材料优劣情况进行了总结，并与黄金进行了比较。闭合连接器或一对触点的实际接触总面积与表面尺寸相比通常非常小，因为接触仅在几个非常小的位置进行。这增加了触点之间的电阻，因此电流的通过会产生热量。接触压力的增加加大了接触面积，从而降低了电阻。电压和接触压力都会影响局部加热，从而导致表面氧化或表面熔化。电弧也可能发生。所有这些都会影响触点的寿命。氧化或腐蚀会影响添加到金中的合金元素，但这些元素是用来改变其性能的，如硬度或溶解速度。

表 2 连接器和触点的材料比较

随着物联网 (IoT) 的发展,越来越多的设备被连接起来,以提供对信息和数据的即时访问。换言之，任何电气设备的有效性和可靠性在很大程度上取决于连接的质量,特别是连接器或触点上使用的镀层。对于接触电阻的微小变化会影响产品性能的低压信号传输应用，因此在生命安全传感器或自动驾驶汽车等需要极其可靠的实时信号传输的关键应用上，目前只有黄金作为介质可以实现，因为与其他金属相比，金在任何正常条件下都不会形成硫化物或失去光泽，这使得黄金成为电子半导体行业连接器和触点更可行的选择。

2、封装用键合丝

键合丝作为微电子封装领域四大基础关键材料（芯片、键合丝、引线框架/基板、塑封料）之一，是芯片与引线框架之间实现电气互联的内引线，起到连接半导体芯片与外部电路电流传输以及信号互联的作用，广泛应用于半导体分立器件和集成电路的封装。目前市场上使用比较普及的键合丝产品包括四个类型：键合金丝、键合铜丝、键合银丝、键合铝丝。

相比较铜和银，黄金价格虽然高，但黄金制成的键合金丝具有延展性好、导电性能佳、金丝球焊速度快及可靠性高等特点，因此是键合丝品种中使用最早、用量最大的一类。通常长2mm，厚25μm，每根线仅使用约20纳克金。随着越来越多的集成电路的需要，一些集成电路可能有超过200个线键连接，因此用于线键合的黄金数量不断增加。2022年国内半导体键合丝需求量增长至360.1亿米，其中键合金丝需求量达到62.3亿米。

图 1 2022年国内半导体键合丝需求（数据来源：智研咨询）

3、金焊料

半导体功率器件中的芯片，会产生大量热量，因此需要散热以防止损坏。一般来说，任何功率超过5瓦的设备都需要一个良好的导热通道来散热。这可以通过使用焊料合金将芯片粘接到封装上实现。

而随着市场对高性能功率器件开发需求的提高，市场对半导体器件的封装焊料提出了更高要求。不仅需要考虑到焊料的印刷性（点涂性）、焊接的可靠性、助焊剂残留的清洗性、助焊剂残留和塑封料的兼容性等，还需要考虑到功率器件的大电流、高发热量、超高功率的特性。功率器件向着更小晶粒面积发展的趋势能带来性能和成本方面的优势，也会带来散热方面的劣势；向更高的电压和更低的损耗方向的发展，则要求焊接层有更小的空洞率。

目前市场常用的有以Au80Sn20为代表的金锡系列、以SAC305为代表的锡银铜系列、以Sn88Ag3.5In8Bi0.5为代表的锡银铟铋系列、以SnSb5、SnSb10为代表的锡锑系列、以Sn42Bi58为代表的锡铋系列、铟焊料等。

铟焊料是大功率半导体激光器封装最常用的焊料之一。铟焊料在高电流下易产生电迁移与电热迁移问题，将影响半导体激光器的稳定性。铟焊料封装的激光器的寿命远远短于金锡焊料封装的器件，而且在使用时器件性能会出现突然退化的现象。采用无铟化封装技术可克服铟焊料层的电迁移。在无铟化焊料的选择中，金锡焊料由于其封装器件的性能稳定性而成为封装中的重要焊料。

共晶锡/铅焊料可以形成良好的键合，具有相对的延展性，但如果组件引线用标准焊料焊接到PCB或其他部件上，则不适合。同时随着集成电路集成度的提高，IC引脚更加密集。垂直喷锡工艺很难使薄垫平整，这使得SMT的放置变得困难，此外，镀锡板的保质期很短。虽然可以使用具有高铅含量的高熔点焊料，但粘接处可能出现多孔和空隙，从而导致接合处产生应力和热点。

表3列出了较常用的芯片连接焊料的特性。对比可以看出金焊料的导热性能比锡或铅焊料更好，熔化温度也比无铅合金高，是熔点在280-360°C范围内唯一可以替代高熔点铅基合金的焊料。与高铅含量合金相比，金合金焊料具有更好的抗热疲劳性能，而且一个典型的集成电路只会使用2-3毫克的金，成本在可接受范围。它可用于芯片与电路基材的连接，以及高可靠电路气密封装。例如，用于互联网通信的激光二极管，使用80Au20Sn作为封装盖密封和芯片连接焊料。不难看出，金合金焊料在电子半导体有广阔的应用前景。

表 3 贴装焊料性能

4、可焊涂层

印制电路板(PCB)被制造出来后，当中的铜电路就会迅速氧化，使用电子助焊剂时就无法润湿表面。因此，需要在电路板涂上一层保护层，以便在存放过程中保护电路板。其中最常用的是化学镀镍和浸金。使用黄金的成本比一些替代品昂贵，但黄金性能优越。如使用有机可焊性防腐剂(OSP)，虽然成本低，但保护涂层非常容易受到指纹和轻微摩擦的损坏。此外还有锡和银涂层，与有机防焊剂相比不易损坏，但比镍/金更容易失去光泽或腐蚀。相比之下，黄金不仅可以形成非常平坦的涂层面，适合将裸芯片直接焊接到PCB上，而且很容易被液态焊料浸湿。通常使用的金的厚度为0.08μm，因此每个PCB上使用的金很少，成本在可接受范围。当焊接时，这极少量的金会溶解到焊料中并保持在溶液中，因此不会影响连接的可靠性。焊料与镍形成牢固的结合，而镍在液态焊料中的溶解速度要比金或铜慢得多。如果没有薄的浸金层，镍就不能单独使用，因为它暴露在空气中会氧化，形成一层非常稳定的氧化物，防止焊料润湿表面。极具腐蚀性的助焊剂虽然可以缓解这一问题，但不适用于电子电路。

电迁移是一种在某些条件下会影响印刷电路板、混合印刷电路板和某些电子元件的过程，表现为金属在两个导体之间的丝状生长。例如高湿度、电位和离子材料，如助焊剂残留物。大多数金属在某些条件下都会发生电迁移，比如银、铝导体会受到电迁移的影响。然而金的电迁移非常罕见，只有在氯离子存在的情况下才会发生。

表4 涂层材料性能对比

5、溅射镀金

电子工业经历了由电子管、半导体集成电路及超大规模集成电路的发展历程，对人类社会的各个方面带来革命性的冲击。高纯金溅射靶材作为电子工业领域各类芯片及集成电路中电极薄膜层制备的关键源材料，当电子芯片持续向轻、薄、短、小以及高密度方向发展时，对缺陷的容忍度也相对降低。同时随着集成电路器件密集度的提高，单位芯片的面积也越来越小，原本不会影响良率的缺陷变成了良率的短板。因此，对于高纯金靶材的纯度、晶粒尺寸、均匀性和微观组织结构的稳定性等性能提出了更高的要求。

在电子薄膜领域，金薄膜主要通过磁控溅射工艺获得，金靶材的溅射原理如图所示：

金靶材作为阴极，电子在加速电压的作用下与溅射腔体中的氩原子发生碰撞，电离出大量的Ar+和电子。电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速轰击金靶材，溅射出大量的金原子，呈中性的金原子沉积在基片上成膜。在溅射过程中，由于磁场的存在，电子受磁场洛伦兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，并在磁场作用下围绕靶面做圆周运动。金在7.8-975k的温度范围内磁化率仅为（-0.141~-0.143）×10-6cm³/g，具有优良的导电性和良好的高温抗氧化性能。而为了降低成本、节约金的用量，金靶材的结构设计主要依据磁控溅射设备阴极的磁场结构，靶材形状须与所用溅射设备匹配。

金可以通过各种真空镀膜技术镀在金属、陶瓷和塑料等多种基底上。在溅射技术中，金以“靶”的形式使用。金是最佳的光学反射器，具有出色的耐腐蚀性和抗褪色性。镀膜时，高能离子将金原子从表面喷射出来，然后沉积到镀膜基材上。

靶材作为溅射工艺的阴极源材料，需要固定在溅射设备的阴极上。同时在溅射过程中需要导电，也会产生一定的热量。因此，大多数的靶材都需要通过具有一定强度和良好散热性的材料，如铝、铜等作为背板起到强度支撑、导电、导热的作用。靶材与背板的连接称为绑定，是溅射靶材制备技术中非常重要的一个环节。绑定质量直接影响溅射工艺和产品膜的质量。目前金靶常用的绑定方法有钎焊法、镶嵌复合法。

随着电子半导体行业设备设计的不断发展和未来需求的不断增长，需要高度精确的芯片制造过程，这就需要黄金等贵金属提供帮助。尽管这些微缩电子元件的黄金需求相对较少，但缺少黄金仍会显著影响芯片和终端设备的性能。因此黄金这种古老的贵金属，在现代半导体技术中仍然展现出其强大的活力和潜力。从连接线到抛光工艺，再到微型化的发展，金都在其中发挥着关键作用。随着半导体技术的持续进步，我们期待金在此领域中的应用将更加广泛和深入。

参考文献：

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