隨著科技的不斷進步，集成電路作為信息時代的核心，歷經小規模、中規模、大規模階段，在超大規模、特大規模時代中推動電子器件向高質量、低功耗、集成化的方向發展。集成電路主要由芯片和封裝部分組成。在由多個元件組裝成的微型結構中，框架和金屬連接線的選材對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展歷程及技術節點尺寸的變化趨勢如圖所示。集成密度不斷增大，從晶體管收音機、小型機、網絡計算機、移動設備再到 5G、人工智能時代，各大技術領域對集成電路的需求呈飛躍式發展，集成規模和服役性能進一步提高。芯片制造工藝技術節點尺寸不斷降低，預計至2025年左右可降至0.003μm。目前集成電路已經由“摩爾定律時代”進入“后摩爾時代”，對器件及其連接 技術提出高性能、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、較高的強度和優異的導電、導熱、抗腐蝕、抗電遷移性能。銅基材料具有良好的力學性能和傳導性能，可承擔支撐、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模的器件。

銅基材料應用現狀

1、銅基引線框架材料：引線框架是實現集成電路中器件功能的封裝關鍵結構件，用于承擔支撐芯片、散熱、連接電路等功能，要求材料具有較高的抗拉強度(σb≥600 MPa)、較優的導電率(≥80% IACS)、較強的抗軟化、抗氧化能力和散熱能力。

2、銅基互連材料：互連材料能夠實現層間、組件之間的連接。在前期的發展歷程中，Al常被用于集成電路互連。但在未來大功率、高集成化的趨勢下，Al出現了電損傷嚴重、電阻大、互連延遲的問題，因此Cu憑借高電導率、優良的電遷移特性等優勢逐漸替代Al，引導大規模集成電路發展的浪潮，能夠更好的承載更大的電流、散發更多的熱量，提高了器件工作效率，實現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互連線間的耦合電容，從而降低耦合噪聲和互連線的信號延遲，而且Cu的耐電遷移能力較高，能夠承載高集成化趨勢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鍵材料之一，用于實現芯片內電路輸入/輸出連接點與引線框架內接觸點間的電氣連接，在高集成化的趨勢下，不斷增加的引腳數量和越來越窄的布線間距要求鍵合絲產品應朝著低介電常數、小尺寸、高導電導熱的方向發展。目前應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、導電性能優良但價格昂貴， 銀鍵合絲抗拉強度較低，在高鍵合力條件下易斷線。銅鍵合絲具有良好的導電導熱性能，力學性能優異，在同等線徑下與金線斷裂強度相近，但銅具有遠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)，能夠起到機械支撐作用并實現不同 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，器件的設計復雜程度和難度不斷增加，帶動PCB的發展。PCB作為集成器件的載體，要求材料具有較好的耐蝕性、較高的強度和導電導熱能力。

5、銅基熱管理材料：集成電路趨于高集成、高密度化，服役過程中會不可避免地產生熱量。難以及時散去的熱量會導致工作溫度升高，影響電路和器件的壽命，芯片和電路的穩定性、可靠性面臨巨大的挑戰。熱管理是根據需求對材料的溫度進行控制和調節的過程，要求材料能夠盡可能降低接觸熱阻，具有優異的導熱、散熱性能和機械支撐能力。

石墨烯/銅復合材料的應用前景

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

石墨烯(Gr)具有獨特的sp2雜化二維結構，表現出優于其他增強體的電學性能、熱學性能和力學性能，在室溫下具有高載流子遷移率 (15000 cm2 /(V·s))、高熱導率(5000 W/mK) ，同時具有較高的抗拉強度 (130 GPa) 和優異的抗電遷移能力，可以作為集成電路用銅基復合材料理想的增強體。石墨烯/銅(Gr/Cu) 復合材料有機會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高導、超高導電、導熱、可靠性等方面所面臨的挑戰。

審核編輯：郭婷