摘要：本文评述了国内外IC封装用铜合金引线框架及材料的研发现状，主要涉及封装对引线框架材料的要求，铜合金引线框架材料的特性，铜合金引线框架材料研发动态，引线框架的制作技术以及市场需求等内容，并由此分析它们的发展趋势。

关键词：封装；引线框架；铜合金

　　1、引言

IC产品由芯片、引线和引线框架、粘接材料、封装材料等几大部分构成。其中，引线框架的主要功能是为芯片提供机械支撑载体，并作为导电介质连接IC外部电路，传送电信号，以及与封装材料一起，向外散发芯片工作时产生的热量，成为IC中极为关键的零部件。目前，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年增长4倍，特征尺寸每3年缩小拒倍，功能增强，速度更快，功耗降低，封装也在随其不断发展。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加16％，PGA已由300-400条增加到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、高精细度、多引线、小节距方向研发，所用材料以往大多采用铁镍42合金(Fe-Ni42)或覆铝铁镍合金，而目前其85％为铜合金所替代，以铜为基体的复合材料一直是国内外许多IC封装材料厂商的商业化开发热点，取得多项实用化技术及商品。

　　2、封装对引线框架材料的要求

IC的许多可靠性性能都是由封装的性能决定的，引线框架为芯片(或管芯)提供电通路、散热通路、机械支撑等功能，IC封装要求其必须具备高强度、高导电、导热性好、良好的可焊性、耐蚀性、塑封性、抗氧化性等一系列综合性能，因而对其所用材料的要求也十分苛刻，所用材料的各项性能指标的优劣，最终都将直接影响IC的质量及成品率。其材料应满足下列特性要求：

　　①导电、导热性好，伴随芯片集成度的提高，尤其是功耗较大的IC，芯片工作时发热量增加，要求引线框架能及时向外散发热量。良好的导电性可降低电容和电感引起的不利效应。材料导电性高，将使引线框架上产生的阻抗小，也利于散热。

　　②较高的强度和硬度，冷热加工性能良好，抗拉强度至少为441Mpa(45Kgf／mm2)，尤其是薄形化的材料强度要求高，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，热稳定性优良，耐氧化性对产品的可靠性有很大影响，要求因加热而生成的氧化膜尽可能小。

　　⑤具有一定的耐蚀性，不发生应力腐蚀裂纹以及潮湿气候下断腿现象。

　　⑥较低的热膨胀系数CTE，并与封装材料的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，适应引线框架加工制作方法多样化需求。

　　⑧表面质量好，可焊性高，为提高可焊性，需要采取镀锡、镀金或镀银，电镀性好。

　　⑨成本尽可能低，满足大批量商业化应用要求。

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

　　3、铜合金引线框架材料的特性

　　铜及铜合金是人类应用最早的金属，也是应用最广泛的金属材料之一。铜的导电率和导热率仅次于银，工艺性能优良，价格远比铁镍42合金便宜，作为引线框架用材料的关键是强度问题，纯铜的强度只有铁镍42合金的1／2。但是，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材料。表1示出常用引线框架材料特性，表中Invar是Fe-Ni42因瓦合金，Kovar代表Fe-Ni-Co可伐合金，其余为纯金属材料。合金的强度和导电率具有内在联系，合金元素的种类、热处理、塑性变形程度等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传统二元合金更优的性能，更低的成本，铜-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。表2示出铜基复合引线框架材料性能，国内外某些大量使用的引线框架材料的主要性能如表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。材料向高强、高导电、低成本方向发展，在铜中加入少量的多种元素，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、铜合金引线框架材料研发动态

　　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，加入适量的稀土元素可使材料的导电率提高1．5~3％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-时效硬化以及复合强化等方面进行研究，改进材料性能。现在，获得高强度、高导电铜合金的方法有：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产生晶格畸变，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、规模化的典型生产工艺为半连续铸锭、大锭热轧、自动铣面、高精度中轧、通过式退火、高精轨，也有厂家采用水平连铸卷坯进行高精轧的生产工艺，考虑开发铜和铁的混相合金的研究课题。

　　国际市场上，引线框架及材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超过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。日本产品除满足内需外，还大量出口海外市场，其中新光、大日本印制、凸板印刷、住友、三井等5大制造商独占全球70％左右的引线框架市场。美国奥林黄铜公司率先开发生产并经营C194、C195、C196合金产品，此外，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材料。作为引线框架用材料，铜合金的研发已达到较高水平，铜-镍-硅系列合金所能达到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，经大量塑性变形后，形成增强复合材料，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度弯曲加工性良好的高导电性材料，重点开发抗拉强度高于800MPa、导电率40％IACS的超高强度型材料。采用低膨胀特性而导热率却非常高、密度又小的材料作增强相，与铜制成复合材料，可望在保持低膨胀特性的同时，获得很高的导热率和强度。采用负膨胀材料与铜复合，在低膨胀材料的体积分数较小的情况下，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。将引线和封装材料进行集成，制作成封装部件或Cu／Mo／Cu、Cu／W／Cu多层功能梯度材料来使用。

　　在国内，IC封装用铜合金引线框架材料与国外同类产品相比，生产上存在品种规格少，性能不稳定，铜带成品率在40~50％(国外在75％以上)，产业化规模小等一系列问题，在板型状况、残余内应力、表面光洁度、边部毛刺等方面也与国外产品存在较大差距。例如，国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铜带尚不能生产，尺寸公差0．01~0．015mm，而国外带材厚度规格为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，厚度偏差普通级为±0．007mm，高精级可达到±0．005mm。目前，国内IC生产厂商除在国内购买引线框架铜带外，还需从海外大量进口。

　　5、引线框架制作技术

　　IC封装用引线框架是极为精密的零部件，主要有DIP和QFP以及SIP、SOP等类别，引线框架的引脚数不断增加，引线宽度和间距不断减小，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广泛应用，正在研发1000条引脚、线宽0．1mm的铜合金引线框架，线宽一般为铜带厚度的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、贴装发展，不同的封装往往采用不同的引脚数量的引线框架。开发出微引线框架MLF封装技术，MLF封装具有良好的热特性，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也有采用引线框架的类别，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方法向多样化发展，目前从冲制方法转向化学蚀刻、激光刻蚀等技术。按照惯用的模具冲制很难达到引线框架的图形结构复杂、尺寸及公差要求严格的技术标准，引线框架的大批量生产则是利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，但无法达到蚀刻加工的精细程度，提高加工精度是其关键。在高速冲床上高速大量地进行引线框架的冲制，其模具的设计和制造难度相当大，精密级进冷冲压模工位数多，加工形状复杂，精度高，IC引线框架多工位精密级进模CAD／CAM系统集成了引线框架模具设计与制造技术，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、尺寸精细、图形复杂的铜合金引线框架或载带引线大多采用蚀刻方法制作生产，用照相制板技术将设计的引线框架形状显像于铜带材表面，然后腐蚀除去不要的部分，腐蚀不只在板厚方向，而且还向板宽方向侧面腐蚀，约为板厚的80％，板材越薄对加工越有利。蚀刻方法要求铜合金具有良好的光刻性，特别是表面和内部材质必须均匀，该方法可达到很高的加工精度，但需要较长的加工时间。可根据引线框架材料厚度、图形复杂程度、所选用材料来决定蚀刻时的感光抗蚀胶与腐蚀液的配方。

　　目前，各种DIP、SOP只能满足100条以下I／O引脚的IC封装要求，PQFP在缩小引脚间距(0．4mm)的情况下，虽能达到封装376条I／O引脚的产品，但封装300条I／O以下的引脚更适宜，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达到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等发展，新颖封装技术和封装形式越来越多，其技术预测如表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，增加了热沉等而形成新的封装系列，具体而言，QFP就有低外形QFP、薄形QFP、窄节距QFP、超薄型QFP、薄型小外形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。其总的发展趋势是封装密度更高，性价比更好，新品种更多，往往设计制造的同一类型IC芯片却采用多种不同的封装形式或结构。国际上IC封装业正在以平均每年9~11％的速度增长，而国内近几年的增长率则平均高达30~40％，2002年国内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巨大的市场空间。

在国际上，今后引线框架的市场增长将受到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。国内IC生产和IC封装业在高速发展，必将带动铜合金引线框架材料的需求增长，按平均每1亿块IC约需铜带100~200吨计算，今后的需求量预测如表5所示。随着引线框架向短、轻、薄、多引脚方向发展，国产铜带在品种、质量、性能、数量上尚需进一步提高。

　　7、结束语

　　铜合金引线框架充分发挥了以铜为基体的高导电、导热特性和复合材料的高强度、高硬度、低热膨胀系数的特性，因而具有良好的综合性能。采用新的工艺技术和新的材料体系，研发铜合金引线框架及IC封装材料已显示出良好的发展前景，将成为一个极具吸引力的市场。

（文章来源：中国百科网）