隨著科技的不斷進(jìn)步，集成電路作為信息時(shí)代的核心，歷經(jīng)小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模階段，在超大規(guī)模、特大規(guī)模時(shí)代中推動(dòng)電子器件向高質(zhì)量、低功耗、集成化的方向發(fā)展。集成電路主要由芯片和封裝部分組成。在由多個(gè)元件組裝成的微型結(jié)構(gòu)中，框架和金屬連接線的選材對(duì)于器件性能有著十分重要的影響。

1960年以來集成電路不同階段的發(fā)展歷程及技術(shù)節(jié)點(diǎn)尺寸的變化趨勢(shì)如圖所示。集成密度不斷增大，從晶體管收音機(jī)、小型機(jī)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備再到 5G、人工智能時(shí)代，各大技術(shù)領(lǐng)域?qū)呻娐返男枨蟪曙w躍式發(fā)展，集成規(guī)模和服役性能進(jìn)一步提高。芯片制造工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)尺寸不斷降低，預(yù)計(jì)至2025年左右可降至0.003μm。目前集成電路已經(jīng)由“摩爾定律時(shí)代”進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，對(duì)器件及其連接 技術(shù)提出高性能、低傳輸延遲和低功耗的需求，要求集成電路用材具有較好的加工性、較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗腐蝕、抗電遷移性能。銅基材料具有良好的力學(xué)性能和傳導(dǎo)性能，可承擔(dān)支撐、互連、散熱等功能，作為集成電路芯片及其封裝的主要材料之一，可用于制備不同尺度規(guī)模的器件。

銅基材料應(yīng)用現(xiàn)狀

1、銅基引線框架材料：引線框架是實(shí)現(xiàn)集成電路中器件功能的封裝關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，用于承擔(dān)支撐芯片、散熱、連接電路等功能，要求材料具有較高的抗拉強(qiáng)度(σb≥600 MPa)、較優(yōu)的導(dǎo)電率(≥80% IACS)、較強(qiáng)的抗軟化、抗氧化能力和散熱能力。

2、銅基互連材料：互連材料能夠?qū)崿F(xiàn)層間、組件之間的連接。在前期的發(fā)展歷程中，Al常被用于集成電路互連。但在未來大功率、高集成化的趨勢(shì)下，Al出現(xiàn)了電損傷嚴(yán)重、電阻大、互連延遲的問題，因此Cu憑借高電導(dǎo)率、優(yōu)良的電遷移特性等優(yōu)勢(shì)逐漸替代Al，引導(dǎo)大規(guī)模集成電路發(fā)展的浪潮，能夠更好的承載更大的電流、散發(fā)更多的熱量，提高了器件工作效率，實(shí)現(xiàn)不同元件高效率低延遲連接。具體而言，銅可以減小芯片上互 連線的電阻，或在保持電阻不變的情況下降低互連金屬層厚度來減小同一層內(nèi)互連線間的耦合電容，從而降低耦合噪聲和互連線的信號(hào)延遲，而且Cu的耐電遷移能力較高，能夠承載高集成化趨勢(shì)下的更大的工作電流。

3、銅基鍵合絲材料：鍵合絲是電子封裝的關(guān)鍵材料之一，用于實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)電路輸入/輸出連接點(diǎn)與引線框架內(nèi)接觸點(diǎn)間的電氣連接，在高集成化的趨勢(shì)下，不斷增加的引腳數(shù)量和越來越窄的布線間距要求鍵合絲產(chǎn)品應(yīng)朝著低介電常數(shù)、小尺寸、高導(dǎo)電導(dǎo)熱的方向發(fā)展。目前應(yīng)用較為廣泛的是金鍵合絲、銀鍵合絲和銅鍵合絲。金鍵合絲延展性好、導(dǎo)電性能優(yōu)良但價(jià)格昂貴， 銀鍵合絲抗拉強(qiáng)度較低，在高鍵合力條件下易斷線。銅鍵合絲具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，力學(xué)性能優(yōu)異，在同等線徑下與金線斷裂強(qiáng)度相近，但銅具有遠(yuǎn)高于金的高伸長率和楊氏模量。

4、銅基集成電路載體材料：集成電路需載裝至載體，即印刷電路板(Printed circuit board, PCB)，能夠起到機(jī)械支撐作用并實(shí)現(xiàn)不同 元組件的互連。隨著集成電路尺寸減小至微米、亞微米或以下，器件的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和難度不斷增加，帶動(dòng)PCB的發(fā)展。PCB作為集成器件的載體，要求材料具有較好的耐蝕性、較高的強(qiáng)度和導(dǎo)電導(dǎo)熱能力。

5、銅基熱管理材料：集成電路趨于高集成、高密度化，服役過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生熱量。難以及時(shí)散去的熱量會(huì)導(dǎo)致工作溫度升高，影響電路和器件的壽命，芯片和電路的穩(wěn)定性、可靠性面臨巨大的挑戰(zhàn)。熱管理是根據(jù)需求對(duì)材料的溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的過程，要求材料能夠盡可能降低接觸熱阻，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、散熱性能和機(jī)械支撐能力。

石墨烯/銅復(fù)合材料的應(yīng)用前景

隨著集成度和布線規(guī)模不斷增加，集成電路用材的性能要求也逐漸提高，但金屬銅強(qiáng)度較低不耐磨，且在高溫環(huán)境下易變形、易氧化失效，難以滿足集成電路發(fā)展的新需求，因此實(shí)現(xiàn)新型集成電路用銅材料的開發(fā)及量化生產(chǎn)面臨新的難題，制備具有優(yōu)異綜合性能的銅基復(fù)合材料將成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。

石墨烯(Gr)具有獨(dú)特的sp2雜化二維結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)于其他增強(qiáng)體的電學(xué)性能、熱學(xué)性能和力學(xué)性能，在室溫下具有高載流子遷移率 (15000 cm2 /(V·s))、高熱導(dǎo)率(5000 W/mK) ，同時(shí)具有較高的抗拉強(qiáng)度 (130 GPa) 和優(yōu)異的抗電遷移能力，可以作為集成電路用銅基復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體。石墨烯/銅(Gr/Cu) 復(fù)合材料有機(jī)會(huì)成為未來新型的電子封裝材料、電子元器件熱交換材料、引線框架等方面的首選材料，有望突破集成電路用材在高強(qiáng)高導(dǎo)、超高導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可靠性等方面所面臨的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷