引线框架铜合金材料的研究现状及发展趋势

袁孚胜，钟海燕

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031；2.宜春职业技术学院，江西宜春 336000）

引线框架铜合金材料的研究现状及发展趋势

袁孚胜1，钟海燕2

（1.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031；2.宜春职业技术学院，江西宜春 336000）

集成电路的发展对引线框架材料的要求不断提高，具有优良的导电性、导热性和高强度是引线框架铜合金材料的主要性能要求；但从国内外引线框架铜合金材料的市场应用和生产技术情况看，我国自主研制生产的铜基引线框架材料无论是质量还是数量与工业发达国家相比差距较大。坚持研制铜合金新的成分体系、新的制备工艺是开发高强高导引线框架铜基材料的方向。

引线框架；铜合金材料；高强高导；时效强化型合金；发展趋势

现代电子信息技术的核心是集成电路，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。芯片和引线框架是集成电路封装的主要结构材料，其中引线框架在集成电路器件和各组装程序中发挥着重要作用。引线框架的主要功能有：1）连接外部电路和传递电信号；2）向外界散热，发挥导热作用；3）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，达到保护内部元器件的目的。因此，如何有效改善引线框架材料的导热性、导电性,提高强度、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[1]。

1 引线框架材料的性能要求

电子信息产品不断向小型、薄型、轻量化、高速化、多功能化和智能化发展，而集成电路向大规模和超大规模方向发展，这促使引线框架向着引线节距微细化、多脚化的方向发展[2]。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：1）引线框架的微型化要求其应具有更高的强度和硬度；2）集成电路的高集成度、高密度化使其单位体积散发的热量更多，这就要求引线框架材料有优越的导热性；3）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，引线框架材料还需具备一系列优良的加工特性，例如冷热加工性能、弯曲/微细加工和刻蚀性能、钎焊性能、电镀性能、树脂的密着性，以及使用中不发生热剥离等。理想的优良引线框架材料强度应＞600 MPa、硬度HV应＞130、电导率(IACS)应＞80%[3－5]。

2 国外引线框架铜合金材料现状

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。目前全球市场上，引线框架及其材料主要由日本、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铁镍合金和高铜合金两大类。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、导热性方面具有显著优势，使其在引线框架材料领域取得飞速发展。从20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，使性能优异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20世纪80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。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3个阶段：1）第1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。该段时期铜合金的电导率一般＞80%IACS，其强度约400 MPa，添加少量的P、Fe、Sn元素。2）第2阶段为20世纪80年代至90年代的发展阶段。在这阶段，生产电导率为60%～80% IACS,抗拉强度高达450～600 MPa,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。3）第3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电导率在50%IACS左右、抗拉强度达600 MPa以上，如Cu－Ni－Si系列的KLF以及C7025等[5]。目前国际上，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。

3 国内研究现状

20世纪80年代，我国国内也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，导致其无论在技术、质量上都无法与国外企业比，差距显著。目前，国内研发生产的高强高导铜合金材料质量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，导致此类材料基本依赖进口。

由于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，但直至今日，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。有关数据显示，2000年国内该类材料需求量为5～6 kt，而国内产量仅为0.5 kt，剩余皆靠进口；而2013年需求量达到60 kt，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。

国内能够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、北京金鹰铜业公司以及中铝华中铜业等，但其主要是以生产中低端应用的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35 kt/a，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。

而对于大规模集成电路所需求的时效强化型合金类型，如国外报道的Cu－Cr－Zr系列高性能铜合金，国内尚无厂家能够产业化生产。近年来，国内已有苏州有色院、华东电炉厂、江西科学院物理所等单位针对C18150合金的小型铸锭进行了部分试验研究，但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较大差距。

4 未来展望

随着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，强度为450～500 MPa、电导率为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。超大规模集成电路要求引线框架材料具有更优良的性能，其要求铜合金材料强度为550～600 MPa、电导率为75%～80%IACS。此类高性能铜合金多为时效强化型合金，如Cu－Ni－Si系列、Cu－Cr－Zr系列等高性能铜合金，尤其是Cu－Cr－Zr系合金是最理想的铜合金材料。这也必然会带来铜合金强化理论和铜合金生产技术的巨大变革[6]。

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，电导率＞75%IACS、抗拉强度＞650 MPa、90°弯曲加工性优异的铜合金材料仍在研究中[7]。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特性外，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。

[1] 向文永,陈小祝,匡同春,等.集成电路用引线框架材料的研究现状与趋势[J].材料导报,2006,20(3):122－125.

[2] 范莉,刘平,贾淑果,等.铜基引线框架材料研究进展[J].材料开发与应用,2008,23(4):101－107.

[3] 刘平,顾海澄,曹兴国.铜基集成电路引线框架材料的发展概况[J].材料开发与应用,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] 谢水生,李彦利,朱琳.电子工业用引线框架铜合金及组织的研究[J].稀有金属,2003,27(6):769－773.

[6] 王碧文.大规模集成电路引线框架发展动向及对策[J].有色金属,1997,49(3):96－99.

[7] 邬震泰.半导体器件引线框架材料的现状与发展[J].材料科学与工程,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

袁孚胜（1984—），男，工程师，主要从事有色金属加工设计工作。