引線框架銅合金材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

袁孚勝，鐘海燕

（1.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031；2.宜春職業(yè)技術(shù)學院，江西宜春 336000）

引線框架銅合金材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

袁孚勝1，鐘海燕2

（1.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031；2.宜春職業(yè)技術(shù)學院，江西宜春 336000）

集成電路的發(fā)展對引線框架材料的要求不斷提高，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和高強度是引線框架銅合金材料的主要性能要求；但從國內(nèi)外引線框架銅合金材料的市場應(yīng)用和生產(chǎn)技術(shù)情況看，我國自主研制生產(chǎn)的銅基引線框架材料無論是質(zhì)量還是數(shù)量與工業(yè)發(fā)達國家相比差距較大。堅持研制銅合金新的成分體系、新的制備工藝是開發(fā)高強高導(dǎo)引線框架銅基材料的方向。

引線框架；銅合金材料；高強高導(dǎo)；時效強化型合金；發(fā)展趨勢

現(xiàn)代電子信息技術(shù)的核心是集成電路，隨著電子通訊等相關(guān)信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對集成電路的需求越來越大，同時對其要求也越來越高。芯片和引線框架是集成電路封裝的主要結(jié)構(gòu)材料，其中引線框架在集成電路器件和各組裝程序中發(fā)揮著重要作用。引線框架的主要功能有：1）連接外部電路和傳遞電信號；2）向外界散熱，發(fā)揮導(dǎo)熱作用；3）支撐和固定芯片的作用，其外殼整體支撐框架結(jié)構(gòu)通過IC組裝而成，達到保護內(nèi)部元器件的目的。因此，如何有效改善引線框架材料的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性,提高強度、硬度、高軟化溫度、耐熱性、抗氧化性、耐蝕性、焊接性、塑封性、反復(fù)彎曲性和加工成型性能等已成為集成電路發(fā)展過程中較為突出問題[1]。

1 引線框架材料的性能要求

電子信息產(chǎn)品不斷向小型、薄型、輕量化、高速化、多功能化和智能化發(fā)展，而集成電路向大規(guī)模和超大規(guī)模方向發(fā)展，這促使引線框架向著引線節(jié)距微細化、多腳化的方向發(fā)展[2]。這就要求引線框架材料的各種性能更加優(yōu)異和全面，主要凸顯在以下幾方面：1）引線框架的微型化要求其應(yīng)具有更高的強度和硬度；2）集成電路的高集成度、高密度化使其單位體積散發(fā)的熱量更多，這就要求引線框架材料有優(yōu)越的導(dǎo)熱性；3）鑒于電容和電感效應(yīng)會造成不良影響，良好的導(dǎo)電性是引線框架材料必須具備的性能。除此之外，引線框架材料還需具備一系列優(yōu)良的加工特性，例如冷熱加工性能、彎曲/微細加工和刻蝕性能、釬焊性能、電鍍性能、樹脂的密著性，以及使用中不發(fā)生熱剝離等。理想的優(yōu)良引線框架材料強度應(yīng)＞600 MPa、硬度HV應(yīng)＞130、電導(dǎo)率(IACS)應(yīng)＞80%[3－5]。

2 國外引線框架銅合金材料現(xiàn)狀

日本、美國、德國、法國和英國等國是掌握銅基合金引線框架材料生產(chǎn)技術(shù)的主要生產(chǎn)國，其中日本發(fā)展最快，且合金種類最全。目前全球市場上，引線框架及其材料主要由日本、韓國和歐洲的一些跨國公司供貨，其中新光、住友、三井、豐山等大型企業(yè)已占全球引線框架市場80%左右。

國外應(yīng)用在集成電路和半導(dǎo)體器件中的引線框架材料總體上分為鐵鎳合金和高銅合金兩大類。早期使用的引線框架材料是鐵鎳合金，該類材料具有較高的強度和抗軟化溫度等特性，但其導(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性較差。而高銅合金相比于鐵鎳合金在導(dǎo)電、導(dǎo)熱性方面具有顯著優(yōu)勢，使其在引線框架材料領(lǐng)域取得飛速發(fā)展。從20世紀60年代開始，日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家對高強高導(dǎo)銅合金材料做了大量科學而系統(tǒng)的研究，同時研制開發(fā)出各種性能優(yōu)異的引線框架銅合金材料，使性能優(yōu)異的銅合金材料迅速應(yīng)用于集成電路。

集成電路中的引線框架材料的高強高導(dǎo)性能是研究的重點。20世紀70年代，美國奧林黃銅公司(Olin Brass)研制開發(fā)的銅合金C19400拉開了高強高導(dǎo)銅合金材料研究工作的大幕，至此，傳統(tǒng)的Fe－Ni－Co合金和FeNi合金等鐵系材料逐漸被取代。從20世紀80年代開始，為滿足現(xiàn)代工業(yè)和科技的迅速發(fā)展需求，世界各國相繼對高強高導(dǎo)銅合金材料進行研發(fā)。目前已有100多種高強高導(dǎo)銅合金材料被研制開發(fā)出來。高強高導(dǎo)銅合金材料的發(fā)展史大致分為3個階段：1）第1階段為20世紀70年代的發(fā)展初期，其中以Cu－Fe系列的KFC和Cu－P系列的C12200最具代表性。該段時期銅合金的電導(dǎo)率一般＞80%IACS，其強度約400 MPa，添加少量的P、Fe、Sn元素。2）第2階段為20世紀80年代至90年代的發(fā)展階段。在這階段，生產(chǎn)電導(dǎo)率為60%～80% IACS,抗拉強度高達450～600 MPa,以添加Fe元素為主，Ni、Si、Cr及P等其他元素為輔的Cu－Fe－P系列的C19400材料。3）第3階段是2000年至今，集成電路向超大規(guī)模發(fā)展，集成度的增加和線距的減小，要求引線框架材料的電導(dǎo)率在50%IACS左右、抗拉強度達600 MPa以上，如Cu－Ni－Si系列的KLF以及C7025等[5]。目前國際上，日本和德國是世界上最大的引線框架銅合金材料出口國；其中處于世界領(lǐng)先的有日本神戶制鋼所生產(chǎn)的KLF及KFC系列和古河電氣的EFTEC系列銅合金材料。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀80年代，我國國內(nèi)也開始進行高強高導(dǎo)銅合金引線框架材料的研發(fā)及生產(chǎn)，但缺乏自主創(chuàng)新意識，僅以引進和仿制為主，并未系統(tǒng)深入地對該類材料進行研究，導(dǎo)致其無論在技術(shù)、質(zhì)量上都無法與國外企業(yè)比，差距顯著。目前，國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的高強高導(dǎo)銅合金材料質(zhì)量無法達到超大集成電路的要求，更無法滿足國內(nèi)市場的需求，導(dǎo)致此類材料基本依賴進口。

由于高強高導(dǎo)銅合金作為集成電路中的引線框架材料市場需求大，1987年，國內(nèi)開始工業(yè)化生產(chǎn)引線框架銅合金帶材，但直至今日，國內(nèi)依舊無法大量生產(chǎn)市場要求的高強高導(dǎo)引線框架銅合金帶材。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2000年國內(nèi)該類材料需求量為5～6 kt，而國內(nèi)產(chǎn)量僅為0.5 kt，剩余皆靠進口；而2013年需求量達到60 kt，其中60%依賴進口。目前，國內(nèi)只有銅銀系和銅鐵磷系引線框架合金具有完全自主生產(chǎn)技術(shù)和大量供貨的能力。

國內(nèi)能夠工業(yè)化生產(chǎn)集成電路中引線框架銅合金材料的企業(yè)主要有上海金泰銅業(yè)公司、寧波興業(yè)集團、中鋁洛陽銅業(yè)、北京金鷹銅業(yè)公司以及中鋁華中銅業(yè)等，但其主要是以生產(chǎn)中低端應(yīng)用的Cu－Fe－P系合金（C19400）為主。近年來，國內(nèi)引線框架帶材產(chǎn)業(yè)化水平大幅提高，其中中鋁洛陽銅業(yè)和寧波興業(yè)集團已成為重要的生產(chǎn)基地，銅鐵系合金引線框架帶材產(chǎn)量達到35 kt/a，雖然引線框架材料Cu－Fe－P系（C19400）合金帶材已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但該產(chǎn)品主要應(yīng)用于中低端的接插件及部分低端集成電路中。

而對于大規(guī)模集成電路所需求的時效強化型合金類型，如國外報道的Cu－Cr－Zr系列高性能銅合金，國內(nèi)尚無廠家能夠產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。近年來，國內(nèi)已有蘇州有色院、華東電爐廠、江西科學院物理所等單位針對C18150合金的小型鑄錠進行了部分試驗研究，但合金成分設(shè)計及熱處理在強度、抗應(yīng)力回復(fù)等綜合性能方面與國外企業(yè)相比仍有較大差距。

4 未來展望

隨著現(xiàn)代科技和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，集成電路向著大規(guī)模及超大規(guī)模方向發(fā)展，強度為450～500 MPa、電導(dǎo)率為80%IACS的引線框架銅合金材料已不能滿足超大規(guī)模集成電路的需求了。超大規(guī)模集成電路要求引線框架材料具有更優(yōu)良的性能，其要求銅合金材料強度為550～600 MPa、電導(dǎo)率為75%～80%IACS。此類高性能銅合金多為時效強化型合金，如Cu－Ni－Si系列、Cu－Cr－Zr系列等高性能銅合金，尤其是Cu－Cr－Zr系合金是最理想的銅合金材料。這也必然會帶來銅合金強化理論和銅合金生產(chǎn)技術(shù)的巨大變革[6]。

目前，國內(nèi)銅基高性能引線框架材料研制技術(shù)處于較高水平。探索銅合金新的成分體系及制備工藝將是高強高導(dǎo)銅基引線框架材料的研制方向。至今，電導(dǎo)率＞75%IACS、抗拉強度＞650 MPa、90°彎曲加工性優(yōu)異的銅合金材料仍在研究中[7]。市場需求的高性能、低成本的引線框架材料除具有高強高導(dǎo)特性外，還需具有優(yōu)良的耐蝕、耐氧化等特性。隨著國內(nèi)微電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)市場極具開發(fā)潛力，采用新的工藝技術(shù)與新的材料體系，研制出具有國內(nèi)獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能的銅合金引線框架材料是迫在眉睫的，具有巨大的社會經(jīng)濟效益。

[1] 向文永,陳小祝,匡同春,等.集成電路用引線框架材料的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].材料導(dǎo)報,2006,20(3):122－125.

[2] 范莉,劉平,賈淑果,等.銅基引線框架材料研究進展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2008,23(4):101－107.

[3] 劉平,顧海澄,曹興國.銅基集成電路引線框架材料的發(fā)展概況[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,1998,13(3):37.

[4] Randall M German.Powdermetallurgy processing of thermal management materials for microelectronic applic－ations[J].Int J Powder Metall,1994,30(2):205.

[5] 謝水生,李彥利,朱琳.電子工業(yè)用引線框架銅合金及組織的研究[J].稀有金屬,2003,27(6):769－773.

[6] 王碧文.大規(guī)模集成電路引線框架發(fā)展動向及對策[J].有色金屬,1997,49(3):96－99.

[7] 鄔震泰.半導(dǎo)體器件引線框架材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].材料科學與工程,2001,19(3):127.

Research Status and Development Trend of Lead Frame Copper Alloy Materials

YUAN Fusheng1,ZHONG Haiyan2

(1.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China; 2.Yichun vocational technical college,Yichun,Jiangxi 336000,China)

The requirement of lead frame materials has constant increased with the development of integrated circuit,lead frame copper alloy materials has some performance requirements,such as good electric conduction,heat conduction and strength;seeing from market application and condition of production technology of lead frame copper alloy materials at home and abroad,copper-base lead frame materials independently designed and produced by our country has a gap both in the quantity and in the quality when comparing with industrial developed country.The paper points out that new composition system and new preparation technology of copper alloy is the direction of developing high-strength and high-conductivity lead frame base-base materials.

lead frame;copper alloy materials;high-strength and high-conductivity;aging-strengthening alloy;development trend

TG146.1+1

A

1004-4345(2015)02-0036-03

2014-09-23

袁孚勝（1984—），男，工程師，主要從事有色金屬加工設(shè)計工作。