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引线框架铜合金材料的研究现状及发展趋势
发布时间:2019-10-09浏览次数:3

引线框架作为集成电路的芯片载体,是一种借助于键合材料(金丝、铝丝、铜丝)实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接,形成电气回路的关键结构件,它起到了和外部导线连接的桥梁作用,绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架,是电子信息产业中重要的基础材料。

引线框架用合金大致分为铜一铁系、铜一镍-硅系、铜一铬系、铜一镍一锡系(JK--2合金)等,三元、四元等多元系铜合金能够取得比传统二元合金更优的性能,更低的成本,铜一铁系合金的牌号最多,具有较好的机械强度,抗应力松弛特性和低蠕变性,是一类很好的引线框架材料。由于引线框架制作及封装应用的需要,除高强度、高导热性能外,对材料还要求有良好的钎焊性能、工艺性能、蚀刻性能、氧化膜粘接性能等。材料向高强、高导电、低成本方向发展,在铜中加人少量的多种元素,在不明显降低导电率的原则下,提高合金强度(使引线框架不易发生变形)和综合性能,抗拉强度600Mpa以上,导电率大于80%IACS的材料是研发热点。并要求铜带材向高表面,精确板型,性能均匀,带材厚度不断变薄,从0.25mm向o.15mm、0.lmm逐步减薄,0.07一0.巧~的超薄化和异型化

按照合金强化类型可分为固溶型、析出型、析中型,从材料设计原理看,引线框架材料几乎都是析出强化型合金,采用多种强化方法进行设计,主要有形变强化、固溶强化(合金化强化)、晶粒细化强化、沉淀强化,加人适量的稀土元素可使材料的导电率提高1.5一3%IACS,有效地细化晶粒,可提高材料的强度,改善韧性,而对导电性的影响很小。从加工硬化与固溶硬化相结合和固溶一时效硬化以及复合强化等方面进行研究,改进材料性能。

随着电子通讯等相关信息产业的快速发展,对集成电路的需求越来越大,同时对其要求也越来越高。现代电子信息技术的核心是集成电路,芯片和引线框架经封装形成集成电路。作为集成电路封装的主要结构材料,引线框架在电路中发挥着重要作用,例如承载芯片、连接芯片和外部线路板电信号、安装固定等作用。其主要功能有:连接外部电路和传递电信号;向外界散热,发挥导热作用;支撑和固定芯片的作用,其外壳整体支撑框架结构通过IC组装而成,保护内部元器件。可见,引线框架在集成电路器件和各组装程序中作用巨大,如何有效改善引线框架材料导热、导电、强度、硬度、高软化温度、耐热性、抗氧化性、耐蚀性、焊接性、塑封性、反复弯曲性和加工成型性能等已成为集成电路发展过程中较为突出问题。

电子信息产品不断向小型化、薄型化、轻量化、高速化、多功能化和智能化发展,及集成电路向大规模和超大规模方向发展,促使引线框架向着引线节距微细化、多脚化的方向发展。这就要求引线框架材料的各种性能更加优异和全面。主要凸显在以下几方面:引线框架的微型化要求其应具有更高的强度和硬度;集成电路的高集成度、高密度化使其散发的单位体积热量更多,这就要求引线框架材料有优越的导热性;鉴于电容和电感效应会造成不良影响,良好的导电性是引线框架材料必须具备的性能。除此之外,还需具备良好的冷热加工性能,弯曲、微细加工和刻蚀性能好、钎焊性能好、使用中不发生热剥离、电镀性能好、树脂的密着性好等一系列加工特性。理想上优良的引线框架材料强度应大于600MPa、硬度HV应大于130、电导率(IACS)应大于80%。

国外引线框架,铜合金材料的现状
世界上日本、美国、德国、法国和英国等国是掌握铜基合金引线框架材料生产技术的主要生产国,其中日本发展最快且合金种类最全。全球市场上,引线框架及其材料主要由亚洲的日本、韩国和欧洲的一些跨国公司供货,其中新光、住友、三井、丰山等大型企业已占全球引线框架市场80%左右。国外应用在集成电路和半导体器件中的引线框架材料总体上分为两大类,即铁镍合金和高铜合金。其早期使用的引线框架材料是铁镍合金,该类材料具有较高的强度和抗软化温度等特性,但其导电性和热传导性较差。而高铜合金相比于铁镍合金在导电、导热性方面具有显着优势,使其在引线框架材料领域取得飞速发展。从上世纪60年代开始,日本、美国、德国等工业发达国家对高强高导铜合金材料做了大量科学而系统的研究,同时研制开发出各种性能优异的引线框架铜合金材料,优异性能的铜合金材料迅速应用于集成电路。集成电路中的引线框架材料的高强高导性能是研究的重点。20世纪70年代,美国奥林黄铜公司(Olin Brass)研制开发的铜合金C19400拉开了高强高导铜合金材料的研究工作的大幕,至此,传统的Fe-Ni-Co合金和FeNi合金等铁系材料逐渐被取代。从上世纪八十年代开始,为满足现代工业和科技的迅速发展需求,世界各国相继对高强高导铜合金材料进行研发工作。目前已有100多种高强高导铜合金材料被研制开发出来。

高强高导铜合金材料的发展史大致分为三个阶段:第一阶段为20世纪70年代的发展初期,其中以Cu-Fe系列的KFC和Cu-P系列的C12200最具代表性,该段时期铜合金的导电率一般大于80%IACS、其强度约400MPa,添加少量的P、Fe、Sn元素;第二阶段为20世纪80年代至90年代的发展阶段,在这阶段,生产导电率为60%~80%IACS、抗拉强度高达450~600MPa以添加Fe元素为主,Ni、Si、Cr及P等其他元素为辅的Cu-Fe-P系列的C19400材料;第三阶段是2000年至今,集成电路向超大规模发展,集成度的增加和线距的减小,要求引线框架材料的导电率在50%IACS左右、抗拉强度达600MPa以上,如Cu-Ni-Si系列的KLF以及C7025等。

随着集成电路向着超大规模发展,强度为450MPa~500MPa、导电率为80%IACS的引线框架铜合金材料已不能满足超大规模集成电路的需求了。超大规模集成电路需要强度为550MPa~600MPa、导电率为75%~80%IACS的铜合金材料,对此需求,必然带来铜合金强化理论和铜合金生产技术的巨大变革。如Cu-Ni-Si系列和Cu-Cr-Zr系列等此类时效强化型的高性能铜合金。

国内引线框架,铜合金材料的研究现状
上世纪80年代,国内开始进行高强高导铜合金引线框架材料的研发及生产,但缺乏自主创新意识,仅以引进和仿制为主,并未系统深入地对该类材料进行研究,导致无论在技术、质量上都无法与国外企业相比,差距显着。目前,国内研发生产的高强高导铜合金材料质量根本无法达到超大集成电路的要求,更无法满足国内市场的需求,此类材料基本依赖进口。

高强高导铜合金作为集成电路中的引线框架材料市场需求大。1987年,国内开始工业化生产引线框架铜合金带材;直至今日,国内依旧无法大量生产市场要求的高强高导引线框架铜合金带材。据有关数据显示,2000年国内该类材料需求量为5000~6000 t,而国产量仅为500t,剩余皆靠进口;而2013年需求量达到60000t,其中60%依赖进口。目前,国内只有铜银系和铜铁磷系引线框架合金具有完全自主生产技术和大量供货的能力。国际上,日本和德国是世界上最大的引线框架铜合金材料出口国;其中处于世界领先的有日本神户制钢所生产的KLF及KFC系列和古河电气的EFTEC系列铜合金材料。

国内具有工业化生产集成电路中引线框架铜合金材料的企业主要有上海金泰铜业公司、宁波兴业集团、中铝洛阳铜业以及中铝华中铜业等,但其主要是以中低端应用的Cu-Fe-P系合金(C19400)为主。近年来,国内引线框架带材产业化水平大幅提高,其中中铝洛阳铜业和宁波兴业集团已成为重要的生产基地,铜铁系合金引线框架带材产量达到3.5万吨/年,虽然引线框架材料Cu-Fe-P系(C19400)合金带材已产业化生产,但该产品主要应用于中低端的接插件及部分低端集成电路中。

现代科技和信息产业的飞速发展,集成电路向着大规模及超大规模方向发展,要求引线框架材料具有更高更优良的性能,其要求铜合金材料强度为550MPa~600MPa、导电率为75%~80%IACS;而要实现上述性能要求,此类高性能铜合金多为时效强化型合金,其中国外研究报道Cu-Cr-Zr系合金是最理想的铜合金材料;而目前,国内尚无厂家能够产业化生产引线框架材料Cu-Cr-Zr系合金。对于Cu-Cr-Zr系合金,国内近年来苏州有色院、华东电炉厂、江西科学院物理所等单位已经针对C18150合金的小型铸锭进行了部分试验研究,但从合金成分设计及热处理在强度、抗应力回复等综合性能方面与国外企业相比仍有巨大差距。

未来展望
目前,国内铜基高性能引线框架材料研制技术处于较高水平。探索铜合金新的成分体系及制备工艺将是高强高导铜基引线框架材料的研制方向。至今,导电率大于75%IACS、抗拉强度高于650MPa、90°弯曲加工性优异的铜合金材料仍在研究中。市场需求的高性能、低成本的引线框架材料除具有高强高导外,还需具有优良的耐蚀、耐氧化等特性。随着国内微电子产业的迅猛发展,国内市场极具开发潜力,采用新的工艺技术与新的材料体系,研制出具有国内独立自主知识产权的高性能的铜合金引线框架材料是迫在眉睫的,具有巨大的社会经济效益。


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