稀有金属 2003,(06),777-781 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.06.027
引线框架铜合金材料研究及开发进展
北京有色金属研究总院科技信息研究所 北京100088
摘 要:
综述了引线框架用高强高导铜合金的种类、特性要求与目前国内外的研究重点 , 总结了高强高导铜合金的开发趋势 , 展望了其应用在IC封装业的市场前景。
关键词:
集成电路封装 ;引线框架 ;铜合金 ;高强度 ;高电导率 ;
中图分类号: TG146.11
收稿日期: 2003-08-12
Researches and Production Development of Copper Alloy Materials for Lead Frame
Abstract:
The alloy systems, performance requirements and researches situation of the copper alloy materials for lead frame at home and abroad were reviewed. The developing trends of the high strength and high conductivity copper alloy materials were summarized. The application in IC package and the market in prospect of the materials were summarized as well.
Keyword:
IC package; lead frame; copper alloys; high strength; high conductivity;
Received: 2003-08-12
在集成电路封装材料中, 引线框架既是承载芯片的骨架, 又是半导体芯片与外界的联接电路, 还是芯片的散热通道, 因而引线框架材料在集成电路器件和各组装程序中占有极重要的地位。 国内外科技界对引线框架的加工方法和引线框架材料的研究投入了巨大的人力、 物力和财力, 并取得了重大的技术进步
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过去, 引线框架作为半导体封装件的构成材料, 所要求的机能以用作封装件的机能为主, 但是近年来随着半导体器件的高度集成化、 高密度封装的变化, 对引线框架材料的性能要求也更高了, 同时也要求作为半导体器件的一部分机能。 利用引线框架材料制备的半导体电子元器件多种多样, 因此要求其特性也非常广泛, 主要有高抗张强度、 较高的弹性极限、 弹性模量和抗应力松弛特性; 高导电率、 良好的抗应力松弛特性、 与使用环境相匹配等要求
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20世纪80年代以来, 铜合金因其具有高导电、 高导热及价格低等特点, 逐渐代替可伐合金与FeNi42合金, 成为制造引线框架的主要材料, 随着集成电路由陶瓷封装向塑料封装发展, 与塑封相匹配的铜基合金引线框架的用量不断增大, 已占到80%左右, 合金牌号数十种, 成为引线框架材料的主流。 引线框架用铜合金材料的发展方向为开发强度550~650 MPa、 电导率80%~85% IACS的高强度、 高导电性能的合金, 目前世界各国都在向这个目标冲击
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本文以集成电路封装用引线框架材料为主, 介绍了各类铜合金引线框架的性能特点, 重点介绍了国内外高强度、 高导电铜合金的研究与开发热点, 总结了发展方向, 展望了我国框架引线铜合金材料的发展前景。
1 引线框架铜合金材料的主要种类及其特点
自20世纪70年代以来的30余年中, 各国共研制出引线框架用铜合金70余种, 也有文献统计为100余种。 按合金的性能、 合金强化类型和强化元素分类, 表1列出按性能分类的铜合金的性能参数与典型产品
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1.1 铜-铁系合金
近20年来, 人们对Cu-Fe系合金进行了相当深入的研究, 诞生了一大批实用型、 满足IC框架多种性能要求的合金, 由于工艺性能优良、 价格低廉, 在IC框架制造中得到了广泛应用。 目前是铜合金引线框架材料的主流合金。 Cu-Fe系合金性能最好的和使用最广泛的合金是Cu-Fe-P系合金, 但 Cu-Fe系合金也存在钎焊耐热剥离性较差的问题。 为满足IC框架多方面要求, 在Cu-Fe合金中还可以加入Zn, Sn, Mg, Ti等元素, 其中Zn的加入可以提高焊料的不剥离性能。 目前Cu-Fe 系列合金中应用最广泛的合金是高导电型合金KFC, 即我国的TFe0.1合金, 其次是高强中导型合金C194, 相当于我国的TFe2.5合金
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表1 各类型的铜基引线框架材料的性能和合金牌号Table 1 Properties and brands of various copper alloy materials for lead frame
类型
电导率/% IACS
拉伸强度/MPa
典型合金牌号
高导电型
≥80
300~500
KFC, KLF2, TAMAC1, TAMAC2, TAMAC4, SLF1, SLF10, SLF11, EFTEC3, BFTEC6, BFTEC7, 2ZrOFC, DK1, DK6
500~600
OMCL-1, C197, NK240, DK10, SLF3, KFC-SH
中导电中强度型
60~79
300~550
C194, EFTEC4, DK2, DK3, DK4
550~600
C194EX, C195, KLF194SHT, EFTEC164T, ML21, DFK21, K21, PMC102
低导电中强度型
40~59
500~600
C195, KLF-1, KLF-4, TAMAC5, ML-23, NB105, K72
30~39
KLF5, MF202, HF202, XK202, EFTEC8, DK7, KLF52
高强度型
25~59
≥600
KLF125, C7025, SLF7, ML224, DK5, NK164, TAMAC750, EFTEC232
1.2 铜-铬系合金
铬铜合金是最优秀的高强高导合金, 日本三菱公司研究的OMCL-1合金性能已达到相当好的水平。 其中Cu-Cr-Zr系合金是最优秀、 最有发展前途的高强高导合金, 其电导率可以达到90% IACS以上, 在带材生产中可以不专门设淬火工序, 时效如能采用气体时效炉, 性能会更好; 目前熔炼合金尚需真空感应熔炼, 如能采用非真空熔炼合金, 其带材成本会大大降低。 在二元合金中, 往往加入Zr, Mg, Sn, Zn, Ag等元素, Zr, Mg可以改善高温性能和抗疲劳性能; Sn能够抑制热加工和冷加工时Cr的析出; Ag可以提高高温性能; Zn可以改善钎焊和塑封性能
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1.3 铜-镍-硅系合金
Cu-Ni-Si系是美国Corson发现的典型的析出强化型合金。 因其具有较高的导电性, 且能获得很高的强度, 近年来十分引人注目。 研究表明, 最佳的合金强度可达800~900 MPa, 电导率为30%~60% IACS, 是高强中导框架合金的理想材料, 而且在高精度框架材料的生产过程中, 不需要专门的淬火时效工序, 只是采用成品退火就可以满足要求。 这类合金具有优良的抗弯曲性能, 抗软化特性良好。 但Cu-Ni-Si合金有钎焊耐热剥离性差的缺点。 从引线框架可靠性的观点出发, 应改善钎焊耐热剥离性问题
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2 高强高导铜合金的强化方法研究
随着电子工业的发展, 对铜合金材料的要求越来越高, 高强度、 高电导率铜合金, 即抗拉强度在600 MPa以上, 电导率大于80% IACS的铜合金将是21世纪初材料开发的热点之一
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铜合金的高强度和高导电性是一对相矛盾的特性, 目前主要通过合金化法和复合材料法来解决。 合金化法是传统高强高导铜合金的制备方法, 它通过形变强化、 固溶强化和第二相强化等手段来强化铜基体, 技术较成熟, 工艺较简单, 成本较低, 适宜规模化生产, 强度一般低于550 MPa, 电导率一般不超过80% IACS, 难以满足新一代电器件对性能的要求。 快速冷凝法和弥散强化法是研究重点。 复合材料法制备的铜合金抗拉强度可达2000 MPa以上, 但其工艺较复杂, 产品性能不稳定, 生产成本较高, 需进一步深入研究
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形变强化是通过对铜合金进行冷塑性变形从而提高其强度、 硬度的方法, 在铜框架合金材料加工处理中经常采用, 由于该方法所引起的晶格畸变较少因而对电导率影响不大, 为获得更好的综合性能, 冷塑性变形强化往往同其他强化方式一同使用, 如固溶强化和时效强化等
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固溶强化是通过合金元素溶入铜基体产生晶格畸变, 从而阻碍位错运动来提高合金强度的强化手段。 采用该强化方法往往会使电导率大幅度下降。 仅有少数元素如Cd, Zn, Ag, Sn等加入铜中对铜电导率影响不大, 可利用其提高基体强度。 单独利用固溶强化改善强度效果不很显著, 通常要与其他强化方法配合使用。 纯固溶强化型的铜框架合金材料的牌号较少, 比如日本古河电器公司研制生产的牌号为FETEC-3的Cu-0.15Sn合金, 其抗拉强度为380 MPa, 电导率为85% IACS
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由于固溶在铜基体中的原子引起的点阵畸变对电子的散射作用比第二相颗粒影响强烈, 因而第二相强化成为获得高强度、 高导电性铜合金的最广泛应用的强化方法, 按其第二相进入基体的形式可分为时效强化和弥散强化。
时效强化方法适用于在铜合金中有较大固溶度变化的合金元素如Fe, Cr, Zn, Ti等。 经固溶和时效处理以后, 析出的弥散相能有效地阻止位错和晶界的移动, 从而提高合金的强度。 如日本三菱公司所开发的Cu-Cr-Zr系列的合金OMCL-1, 经时效处理析出Cr相和Cu2Zr相的颗粒, 使其抗拉强度达到610 MPa, 电导率82.7% IACS, 还有Cu-Ni-Si系列的HCL305合金, 经时效处理析出Ni2 Si相颗粒, 抗拉强度达到760 MPa, 电导率43% IACS。 铜框架材料中经常用作强化中间相的还有:Fe2 P, Ni2 Sn, Fe2 Ti, Co2 P, Nix Tiy , Mg3 P2 等。 时效前如果进行冷加工, 将有利于细小弥散相的析出, 使强度升高, 而电导率下降很少。
在铜合金中还经常应用细晶强化与时效强化相结合的强化方法, 由于细晶强化几乎不产生晶格畸变因而对导电性影响极小。 大阪大学的研究结果表明, 对Cu-Zr系合金将Zr含量由0.1%增加到1.15%, 由于Cu3 Zr析出, 固溶处理后晶粒由430 μm减小至20 μm, 使材料硬度提高15 Hv, 而电导率仅下降10%。
快速凝固技术为制备高强高导铜合金的开发开辟了一个新的领域。 自70年代末以来, 发达国家相继开展了快速凝固铜合金的开发与研究, 20多年来进展迅速, 并逐步从实验室走向工业化生产。 快速冷凝技术由于凝固过程的冷速快、 起始形核过冷度大、 生长速率高, 结果使固/液界面偏离平衡, 因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。 采用快速冷凝制备的铜合金有以下特点: (1) 合金元素在铜中的固溶量显著增大; (2) 晶粒大大细化; (3) 化学成分的显微偏析明显降低; (4) 晶体缺陷密度大大增加; (5) 形成了新的亚稳相结构; (6) 经时效处理后, 铜基体中第二相含量提高, 弥散强度增大。 这样, 快速冷凝铜合金在导电性稍有降低的情况下, 合金强度得到了显著的提高, 并改善了合金的耐磨、 耐腐蚀性能。 有文献报道Cu-0.8%Cr合金常规冶金经时效后, 其抗拉强度350 MPa, 电导率80% IACS; 而用快速凝固处理的Cu-0.8%Cr合金, 时效后抗拉强度为478 MPa, 电导率为76% IACS。 在国内, 直到90年代, 西安交通大学、 哈尔滨工业大学等单位开展了这方面的实验室研究, 并取得了一定进展。 今后, 快速凝固高强高导铜合金的研究重点是: 通过对凝固过程和时效过程的分析来优化合金成分、 凝固动力学参数和时效工艺、 改善显微组织结构和性能。
弥散强化铜兼备了高强、 高导、 高热稳定性等性能, 更重要的是具有良好的抗高温软化功能。 弥散强化铜合金自20世纪70年代首先在美国市场上商品化后一直备受各国青睐。 C15715和C15760即为美国SCM公司的著名弥散铜合金牌号。 弥散强化是通过粉末冶金的方法向铜基体内植入稳定弥散的第二相颗粒, 有报道认为通过时效强化和弥散强化的组合可以使铜合金材料获得最佳的强度和电导率的搭配。 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室采用内氧化法制备出高强度、 高导电性的弥散强化型材料Cu-2.65% Al2 O3 。 该材料组织为铜基体中分布着纳米级的Al2 O3 颗粒, 其性能达到抗拉强度628 MPa, 电导率大于87% IACS。 利用粉末冶金获得高强度、 高电导率合金是一种有效的方法, 特别是可以在较高工作温度下保持高强度。 溶胶-凝胶法 (Sol-gel法) 是最近开发的制备弥散强化铜的新工艺, 它通过Sol-gel技术制得初生态Al (OH) 3 溶胶后, 加入还原铜粉, 制取Al2 O3 /Cu复合粉末, 然后进行热压烧结, 得到超细Al2 O3 弥散强化铜材料, 其工艺过程容易控制、 成本低, 制得的弥散强化不仅强度和导电性能好, 而且致密度高, 高温稳定性好, 有良好的应用前景。
有资料报道利用燃烧反应制成ZrB2 和ZrN分散强化的铜合金, 其电导率可达82% IACS, 而在300 ℃温度下仍然保持бb 为300 MPa的强度。 弥散强化铜的研制与开发还处于初级阶段, 主要是因为其制造技术比较复杂, 工艺要求高, 质量控制较难, 故生产成本也较高
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3 高强高导铜合金研究开发方向
3.1 开发多元合金, 添加稀土微量元素
为了进一步提高铜基二元合金的强度, 改善导电性, 弥补其它性能上的不足, 人们在二元合金的基础上, 添加微量的第三组元甚至第四组元。 如在Cu-Cr合金的基础上添加微量Zr及Mg既能显著提高其强度和电导率, 同时又能有效地防止合金过时效。 在铜合金中添加适量稀土能显著细化晶粒、 提高强度、 韧性及其它加工性能。 最近的有关利用稀土元素的发明专利有Cr-Y-Cu系合金、 Cu-Cr-Zr-La 系等, 又如Ti-B-Sn-Ce-Cu专利合金具有优良的耐磨性、 导电导热性、 较高的抗张强度、 弹性极限和合适的韧性、 较低的热胀系数、 冷热加工性好、 易钎焊和电镀、 与树脂封接性能良好。 目前多元复合微合金化技术已越来越受到重视, 已成为进一步改善高强高导铜合金综合性能的有效手段
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3.2 复合强化代表高强高导铜合金的发展方向
合金化方法由于自身的局限性, 在保持高导电性的同时, 对强度的提高有一定限度。 复合强化法是研制高强高导铜合金的发展方向, 也是国内外目前热点研究课题, 大量文献报道了对各种复合材料的研究。 复合材料可划分为两种基本类型: (1) 粒子增强型; (2) 纤维增强型。 复合强化能同时发挥基体和强化相的协同作用, 又具有很大的设计自由度。 复合强化不会明显降低铜基体的导电性, 由于强化相的作用还改善了基体的室温及高温性能, 成为获得高强度导电铜基材料的主要强化手段, 代表高强高导铜合金的发展方向
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3.3 降低成本
研制高强高导铜合金的最终目的就是为电子、 电器、 机械制造等工业部门提供高质量低成本的导电铜材。 一项新成果在研究阶段为了追求高性能可以较少地考虑成本因素, 但最终要面对市场的选择, 使产品具有合理的性能价格比。 常规合金化法生产高强高导铜合金, 虽然其强化效果有限, 但能够直接与常规铸造特别是连续铸造技术相结合, 可大幅度降低铜合金的生产成本, 从而仍显示出强大的生命力。 原位复合材料等新型高强高导铜材生产成本高, 工艺控制困难, 一时难以实现大规模产业化, 仍需进一步深入研究。 因此, 要努力开发性能好、 市场潜力大、 成本低、 适合规模化生产的高强高导铜合金
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3.4 环境保护与可持续发展
在科技不断发展的今天, 资源环境问题倍受关注, 在高强高导铜合金的研制和生产中也日益重视环保和可持续发展。 长期以来, 铜及其合金酸洗采用高浓度H2 SO4 , HNO3 , H2 O2 等无机酸, 产生大量氮氧化物, 严重污染环境, 危害操作人员健康, 而且易造成工件的过腐蚀而报废, 增加生产成本, 目前酸洗工艺趋向于开发无HNO3 的清洁、 健康的新工艺。 在添加合金元素方面, 为节约贵重金属和不加有毒元素, 比较重视开发无Ag, Cd, As等元素的合金。 因此, 在研究开发高强高导铜合金的同时, 应根据我国矿产资源的储量和分布状况, 合理选择原料, 尽可能减少稀缺、 稀贵元素的使用量, 或开发其替代品, 搞好高强高导铜合金研制生产的长期规划工作
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4 展 望
引线框架材料的市场广阔, 目前全球的引线框架及合金带材主要由日本供应。 据预测, 到2005年时, 全球市场规模将达到约1149亿日元, 总需求量约170587吨。 我国引线框架合金材料品种少、 产量低, 国内所用引线框架材料, 特别是高级引线框架材料以进口为主。 我国生产封装用铜合金材料的厂家主要有洛铜集团、 宁波兴业集团、 北京金鹰铜业公司、 上海金泰铜业公司等企业, 铜合金引线框架加工厂家主要有宁波康强电子公司、 宁波华龙电子公司和中国华晶电子集团等企业。 随着我国微电子产业的迅猛发展, 国内市场极具开发潜力。 我国在该领域无论在研究上还是在生产上都处于落后地位, 改变我国在此领域落后的现状是材料产业和科学工作者努力的方向。 如今, 在铜加工领域中, 研究和开发高强高导合金已形成一种热潮。 在解决集成电路用框架材料的同时, 也为高速列车、 高能物理、 电真空行业、 电极材料等领域提供了重要的物质基础。 在铜框架材料市场的带动下, 铜加工行业将注入新的生机。 我们应抓住机遇, 立足现在起点, 走出一条适合国情的发展道路, 争取在一个发展阶段中赶上世界先进水平
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