IC封装用铜合金引线框架及质料

时间：2016-09-29 浏览量：字号：

　　摘要：本文评述了海内外IC封装用铜合金引线框架及质料的研发明状，主要涉及封装对引线框架质料的要求，铜合金引线框架质料的特征，铜合金引线框架质料研发动态，引线框架的制作手艺以及市场需求等内容，并由此剖析它们的生长趋势。

要害词：封装；引线框架；铜合金

　　1、小序

IC产品由芯片、引线和引线框架、粘接质料、封装质料等几大部分组成。其中，引线框架的主要功效是为芯片提供机械支持载体，并作为导电介质毗连IC外部电路，传送电信号，以及与封装质料一起，向外散发芯片事情时爆发的热量，成为IC中极为要害的零部件。现在，芯片集成度一直以摩尔定律的规则高速推进，即集成度每3年增添4倍，特征尺寸每3年缩小拒倍，功效增强，速率更快，功耗降低，封装也在随其一直生长。封装密度、引线密度(单位封装面积上的引线数)越来越高，封装引线脚数平均每年增添16％，PGA已由300-400条增添到1000条；QFP>400 条,引线节距逐年下降，从2．54mm转向1．27mm→ 0．65mm→0．5mm→0．4mm→0．3mm→0．15mm→0．1mm，引线框架正向短、轻、薄、高细腻度、多引线、小节距偏向研发，所用质料以往大多接纳铁镍42合金(Fe-Ni42)或覆铝铁镍合金，而现在其85％为铜合金所替换，以铜为基体的复合质料一直是海内外许多IC封装质料厂商的商业化开发热点，取得多项适用化手艺及商品。

　　2、封装对引线框架质料的要求

IC的许多可靠性性能都是由封装的性能决议的，引线框架为芯片(或管芯)提供电通路、散热通路、机械支持等功效，IC封装要求其必需具备高强度、高导电、导热性好、优异的可焊性、耐蚀性、塑封性、抗氧化性等一系列综合性能，因而对其所用质料的要求也十分苛刻，所用质料的各项性能指标的优劣，最终都将直接影响IC的质量及制品率。其质料应知足下列特征要求：

　　①导电、导热性好，陪同芯片集成度的提高，尤其是功耗较大的IC，芯片事情时发热量增添，要求引线框架能实时向外散发热量。优异的导电性可降低电容和电感引起的倒运效应。质料导电性高，将使引线框架上爆发的阻抗小，也利于散热。

　　②较高的强度和硬度，冷热加工性能优异，抗拉强度至少为441Mpa(45Kgf／mm2)，尤其是薄形化的质料强度要求高，延伸率不小于5％，硬度Hv应大于130。

　　③弹性优良，屈服强度高，提高强度改善韧性。

　　④耐热性和耐氧化性好，热稳固性优良，耐氧化性对产品的可靠性有很大影响，要求因加热而天生的氧化膜尽可能小。

　　⑤具有一定的耐蚀性，不爆发应力侵蚀裂纹以及湿润天气下断腿征象。

　　⑥较低的热膨胀系数CTE，并与封装质料的CTE匹配，确保封装的气密性。

　　⑦弯曲、冲制加工容易，且不起毛刺；弯曲、微细加工的刻蚀性能好，顺应引线框架加工制作要领多样化需求。

　　⑧外貌质量好，可焊性高，为提高可焊性，需要接纳镀锡、镀金或镀银，电镀性好。

　　⑨本钱尽可能低，知足大批量商业化应用要求。

　　以上要求可归纳为：一次特征、成形特征、二次特征，引线框架质料要具有物理、机械、化学等多方面特征。以铜为基体的复合质料因其高强度、高导热和低廉的价钱，而日益受到重视。

　　3、铜合金引线框架质料的特征

　　铜及铜合金是人类应用最早的金属，也是应用最普遍的金属质料之一。铜的导电率和导热率仅次于银，工艺性能优良，价钱远比铁镍42合金自制，作为引线框架用质料的要害是强度问题，纯铜的强度只有铁镍42合金的1／2。可是，铜具有另一个极为优势的性能，这就是很容易与其它元素形成合金，通过合金化完全可将其强度提高到相当于铁镍42合金的水平，同时其导电率可以提高15~20倍，铜合金现成为主导的引线框架质料。表1示出常用引线框架质料特征，表中Invar是Fe-Ni42因瓦合金，Kovar代表Fe-Ni-Co可伐合金，其余为纯金属质料。合金的强度和导电率具有内在联系，合金元素的种类、热处置惩罚、塑性变形水一律强度与导电率有很大的影向。

　　引线框架用铜合金大致分为铜-铁系、铜-镍-硅系、铜-铬系、铜-镍-锡系(JK-2合金)等，三元、四元等多元系铜合金能够取得比古板二元合金更优的性能，更低的本钱，铜-铁系合金的牌号最多，具有较好的机械强度，抗应力松懈特征和低蠕变性，是一类很好的引线框架质料。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，对证料还要求有优异的钎焊性能、工艺性能、蚀刻性能、氧化膜粘接性能等。表2示出铜基复合引线框架质料性能，海内外某些大宗使用的引线框架质料的主要性能如表3所示，表中导电率的％IACS(International Annealed Copper Standard)为国际软铜电导率标准，100％IACS=5．800×105S·m-1。质料向高强、高导电、低本钱偏向生长，在铜中加入少量的多种元素，在不显着降低导电率的原则下，提高合金强度(使引线框架不易爆发变形)和综合性能，抗拉强度600MPa以上，导电率大于80％IACS的质料是研发热点。并要求铜带材向高外貌，准确板型，性能匀称，带材厚度一直变薄，从0．25mm向0．15mm、0．1mm逐步减薄，0．07~0．15mm的超薄化和异型化。

　　4、铜合金引线框架质料研发动态

　　凭证合金强化类型可分为固溶型、析出型、析中型，从质料设计原理看，引线框架质料险些都是析出强化型合金，接纳多种强化要领举行设计，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，加入适量的稀土元素可使质料的导电率提高1．5~3％IACS，有用地细化晶粒，可提高质料的强度，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团结和固溶-时效硬化以及复合强化等方面举行研究，刷新质料性能。现在，获得高强度、高导电铜合金的要领有：加工硬化，通过冷塑性变形以提高强度；固溶强化，通过合金元素深入铜基体爆发晶格畸变，阻碍位错运动来提高强度；以及第二相强化、快速凝固析出强化、弥散强化等。铜合金带材的高度自动化、规�；牡浞渡ひ瘴胍涣А⒋蠖仍⒆远趁妗⒏呔戎性⑼ü酵嘶稹⒏呔�，也有厂家接纳水平连铸卷坯举行高精轧的生产工艺，思量开发铜和铁的混相合金的研究课题。

　　国际市场上，引线框架及质料主要由日本厂商供货，日本的铜合金引线框架带材年产量凌驾5万吨，形成高导电、高强中导电、高强高导电三大合金系列，品种牌号77个，高导电系列的强度为400-450MPa，导电率80-85％IACS；高强中导电系列的强度达450-550MPa，导电率55-65％IACS；高强高导电率系列的抗拉强度在600Mpa以上，导电率大于80％IACS。日本产品除知足内需外，还大宗出口外洋市场，其中新光、大日本印制、凸板印刷、住友、三井等5大制造商独吞全球70％左右的引线框架市场。美国奥林黄铜公司率先开爆发产并谋划C194、C195、C196合金产品，别的，德国德马克、威兰德、法国格里赛、美国德州仪器、AMAX等厂商也生产铜合金引线框架质料。作为引线框架用质料，铜合金的研发已抵达较高水平，铜-镍-硅系列合金所能抵达的最优性能为抗拉强度835 ~930MPa，导电率50％IACS，但还需提高多项综合性能。日本开发出含10-16％银的铜合金，经大宗塑性变形后，形成增强复合质料，其抗拉强度1000MPa，导电率80％IACS。深入研究抗拉强度600MPa与导电率80％IACS以上、90度弯曲加工性优异的高导电性子料，重点开发抗拉强度高于800MPa、导电率40％IACS的超高强度型质料。接纳低膨胀特征而导热率却很是高、密度又小的质料作增强相，与铜制成复合质料，可望在坚持低膨胀特征的同时，获得很高的导热率和强度。接纳负膨胀质料与铜复合，在低膨胀质料的体积分数较小的情形下，也可获得与硅或砷化镓芯片相匹配的热膨胀系数，而铜的热导电率却损失较小。将引线和封装质料举行集成，制作成封装部件或Cu／Mo／Cu、Cu／W／Cu多层功效梯度质料来使用。

　　在海内，IC封装用铜合金引线框架质料与外洋同类产品相比，生产上保存品种规格少，性能不稳固，铜带制品率在40~50％(外洋在75％以上)，工业化规模小等一系列问题，在板型状态、剩余内应力、外貌光洁度、边部毛刺等方面也与外洋产品保存较大差别。例如，海内引线框架铜带厚度在0．25~0．9 mm之间，其中厚度为0．38mm、0．4mm、0．6mm居多，用量较大的0．2mm铜带尚不可生产，尺寸公差0．01~0．015mm，而外洋带材厚度规格为0．01~1．3mm，尺寸公差0．005~0．02mm，德国威兰德的铜带材厚度为0．1~0．3mm，厚度误差通俗级为±0．007mm，高精级可抵达±0．005mm。现在，海内IC生产厂商除在海内购置引线框架铜带外，还需从外洋大宗入口。

　　5、引线框架制作手艺

　　IC封装用引线框架是极为细密的零部件，主要有DIP和QFP以及SIP、SOP等种别，引线框架的引脚数一直增添，引线宽度和间距一直减小，0．4mm线宽、208~240条I／O引脚的铜合金引线框架早已商业化生产，296、304条引脚的引线框架获得普遍应用，正在研发1000条引脚、线宽0．1mm的铜合金引线框架，线宽一样平常为铜带厚度的0．7倍。引脚形状从长引线直插→L形引线→J形引线→小型L形引线→薄型L形引线→短引线或无引线芯片载体、贴装生长，差别的封装往往接纳差别的引脚数目的引线框架�？⒊鑫⒁呖蚣躆LF封装手艺，MLF封装具有优异的热特征，最适于在CPU的电压控制组件、功率系列产品方面使用。芯片级封装CSP也有接纳引线框架的种别，先进的阵列封装要使用高引线柱。

　　铜合金引线框架的加工制作要领向多样化生长，现在从冲制要领转向化学蚀刻、激光刻蚀等手艺。凭证习用的模具冲制很难抵达引线框架的图形结构重大、尺寸及公差要求严酷的手艺标准，引线框架的大批量生产则是使用高精度带材经自动化高速冲床(每分钟500~2000次)冲压而成的，具有很高的加工效率，但无法抵达蚀刻加工的细腻水平，提高加工精度是其要害。在高速冲床上高速大宗地举行引线框架的冲制，其模具的设计和制造难度相当大，细密级进冷冲压模工位数多，加工形状重大，精度高，IC引线框架多工位细密级进模CAD／CAM系统集成了引线框架模具设计与制造手艺，将封装模具和引线框架冲制一体化。小批量、多品种、多引线小节距、尺寸细腻、图形重大的铜合金引线框架或载带引线大多接纳蚀刻要领制作生产，用照相制板手艺将设计的引线框架形状显像于铜带材外貌，然后侵蚀除去不要的部分，侵蚀不但在板厚偏向，并且还向板宽偏向侧面侵蚀，约为板厚的80％，板材越薄对加工越有利。蚀刻要领要求铜合金具有优异的光刻性，特殊是外貌和内部材质必需匀称，该要领可抵达很高的加工精度，但需要较长的加工时间�？善局ひ呖蚣苤柿虾穸取⑼夹闻雍樗健⑺∮弥柿侠淳鲆槭纯淌钡母泄饪故唇河肭质匆旱呐浞�。

　　现在，种种DIP、SOP只能知足100条以下I／O引脚的IC封装要求，PQFP在缩小引脚间距(0．4mm)的情形下，虽能抵达封装376条I／O引脚的产品，但封装300条I／O以下的引脚更相宜，四边引出封装引脚间距越来越小，封装难度也越来越大。而面阵排列的陶瓷柱阵已达1089条引脚，陶瓷BGA达625条引脚，焊点间距0．5mm，载带BGA抵达1000条引脚。

　　6、铜合金引线框架市场

　　IC封装结构从圆型封装TO→DIP→LCC→QFP→BGA→CSP等生长，新颖封装手艺和封装形式越来越多，其手艺展望如表4所示，芯片与封装的外引线由框架引线变为部分改用焊球、焊凸点或焊盘，例如，CSP的引出端可以是焊球、焊凸点、金凸点、焊盘、框架等。另外，在属于原有的封装形式如SOP、QFP等的基础上，由于节距变小，或厚度变薄，或为了提高散热性能，增添了热沉等而形成新的封装系列，详细而言，QFP就有低形状QFP、薄形QFP、窄节距QFP、超薄型QFP、薄型小形状TSOP等，形成除BGA、CSP、多芯片封装MCP、多芯片系统级封装SIP等高级先进封装外的另一大类新颖封装。其总的生长趋势是封装密度更高，性价比更好，新品种更多，往往设计制造的统一类型IC芯片却接纳多种差别的封装形式或结构。国际上IC封装业正在以平均每年9~11％的速率增添，而海内近几年的增添率则平均高达30~40％，2002年海内IC封装业产值占IC总产值(134．6亿元)的近60％，为铜合金引线框架提供了重大的市场空间。

在国际上，以后引线框架的市场增添将受到IC封装形态转变的影响，预计到2005年的需求量约为170587吨，市场规模约1149亿日元。海内IC生产和IC封装业在高速生长，必将发动铜合金引线框架质料的需求增添，按平均每1亿块IC约需铜带100~200吨盘算，以后的需求量展望如表5所示。随着引线框架向短、轻、薄、多引脚偏向生长，国产铜带在品种、质量、性能、数目上尚需进一步提高。

　　7、竣事语

　　铜合金引线框架充分验展了以铜为基体的高导电、导热特征和复合质料的高强度、高硬度、低热膨胀系数的特征，因而具有优异的综合性能。接纳新的工艺手艺和新的质料系统，研发铜合金引线框架及IC封装质料已显示出优异的生长远景，将成为一个极具吸引力的市场。

（文章泉源：中国百科网）

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