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IC封装用铜合金引线框架及材料

时间:2016-09-29 浏览量: 字号:
 

  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)


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