集成电路中铜基材料与石墨烯的应用现状

随着科技的不断进步，集成电路作为信息时代的核心，历经小规模、中规模、大规模阶段，在超大规模、特大规模时代中推动电子器件向高质量、低功耗、集成化的方向发展。集成电路主要由芯片和封装部分组成。在由多个元件组装成的微型结构中，框架和金属连接线的选材对于器件性能有着十分重要的影响。

1960年以来集成电路不同阶段的发展历程及技术节点尺寸的变化趋势如图所示。集成密度不断增大，从晶体管收音机、小型机、网络计算机、移动设备再到 5G、人工智能时代，各大技术领域对集成电路的需求呈飞跃式发展，集成规模和服役性能进一步提高。芯片制造工艺技术节点尺寸不断降低，预计至2025年左右可降至0.003μm。目前集成电路已经由“摩尔定律时代”进入“后摩尔时代”，对器件及其连接 技术提出高性能、低传输延迟和低功耗的需求，要求集成电路用材具有较好的加工性、较高的强度和优异的导电、导热、抗腐蚀、抗电迁移性能。铜基材料具有良好的力学性能和传导性能，可承担支撑、互连、散热等功能，作为集成电路芯片及其封装的主要材料之一，可用于制备不同尺度规模的器件。

铜基材料应用现状

1、铜基引线框架材料：引线框架是实现集成电路中器件功能的封装关键结构件，用于承担支撑芯片、散热、连接电路等功能，要求材料具有较高的抗拉强度(σb≥600 MPa)、较优的导电率(≥80% IACS)、较强的抗软化、抗氧化能力和散热能力。

2、铜基互连材料：互连材料能够实现层间、组件之间的连接。在前期的发展历程中，Al常被用于集成电路互连。但在未来大功率、高集成化的趋势下，Al出现了电损伤严重、电阻大、互连延迟的问题，因此Cu凭借高电导率、优良的电迁移特性等优势逐渐替代Al，引导大规模集成电路发展的浪潮，能够更好的承载更大的电流、散发更多的热量，提高了器件工作效率，实现不同元件高效率低延迟连接。具体而言，铜可以减小芯片上互 连线的电阻，或在保持电阻不变的情况下降低互连金属层厚度来减小同一层内互连线间的耦合电容，从而降低耦合噪声和互连线的信号延迟，而且Cu的耐电迁移能力较高，能够承载高集成化趋势下的更大的工作电流。

3、铜基键合丝材料：键合丝是电子封装的关键材料之一，用于实现芯片内电路输入/输出连接点与引线框架内接触点间的电气连接，在高集成化的趋势下，不断增加的引脚数量和越来越窄的布线间距要求键合丝产品应朝着低介电常数、小尺寸、高导电导热的方向发展。目前应用较为广泛的是金键合丝、银键合丝和铜键合丝。金键合丝延展性好、导电性能优良但价格昂贵， 银键合丝抗拉强度较低，在高键合力条件下易断线。铜键合丝具有良好的导电导热性能，力学性能优异，在同等线径下与金线断裂强度相近，但铜具有远高于金的高伸长率和杨氏模量。

4、铜基集成电路载体材料：集成电路需载装至载体，即印刷电路板(Printed circuit board, PCB)，能够起到机械支撑作用并实现不同 元组件的互连。随着集成电路尺寸减小至微米、亚微米或以下，器件的设计复杂程度和难度不断增加，带动PCB的发展。PCB作为集成器件的载体，要求材料具有较好的耐蚀性、较高的强度和导电导热能力。

5、铜基热管理材料：集成电路趋于高集成、高密度化，服役过程中会不可避免地产生热量。难以及时散去的热量会导致工作温度升高，影响电路和器件的寿命，芯片和电路的稳定性、可靠性面临巨大的挑战。热管理是根据需求对材料的温度进行控制和调节的过程，要求材料能够尽可能降低接触热阻，具有优异的导热、散热性能和机械支撑能力。

石墨烯/铜复合材料的应用前景

随着集成度和布线规模不断增加，集成电路用材的性能要求也逐渐提高，但金属铜强度较低不耐磨，且在高温环境下易变形、易氧化失效，难以满足集成电路发展的新需求，因此实现新型集成电路用铜材料的开发及量化生产面临新的难题，制备具有优异综合性能的铜基复合材料将成为未来发展的趋势。 

石墨烯(Gr)具有独特的sp2杂化二维结构，表现出优于其他增强体的电学性能、热学性能和力学性能，在室温下具有高载流子迁移率 (15000 cm2 /(V·s))、高热导率(5000 W/mK) ，同时具有较高的抗拉强度 (130 GPa) 和优异的抗电迁移能力，可以作为集成电路用铜基复合材料理想的增强体。石墨烯/铜(Gr/Cu) 复合材料有机会成为未来新型的电子封装材料、电子元器件热交换材料、引线框架等方面的首选材料，有望突破集成电路用材在高强高导、超高导电、导热、可靠性等方面所面临的挑战。

审核编辑：郭婷