張文芹

(太原晉西春雷銅業(yè)有限公司，山西太原030008)

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引線框架用銅帶產(chǎn)品現(xiàn)狀及研發(fā)進(jìn)展

張文芹

(太原晉西春雷銅業(yè)有限公司，山西太原030008)

文章綜合論述了電子引線框架銅帶產(chǎn)品的現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品普遍存在的質(zhì)量問題及解決方向，指出了新一代及新型框架銅帶的研發(fā)進(jìn)展。

引線框架；銅合金帶材；產(chǎn)品研發(fā)

引線框架材料是電子信息產(chǎn)業(yè)重要的基礎(chǔ)性材料。隨著電子信息工業(yè)和技術(shù)的快速發(fā)展，IC集成電路向多功能、大規(guī)模、高集成度、小型化及高可靠性方向發(fā)展，因而承載電子芯片的IC框架材料將向引腳更小、引腳更多及更集成化方向發(fā)展[1]。銅合金材料作為電子用引線框架材料以其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、加工工藝性能和適宜的強(qiáng)度及可鍍性、可焊性、與封裝材料的親和性、較低的成本等，一經(jīng)使用，迅速替代鐵基材料，成為集成電路和半導(dǎo)體分立器件等電子信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵性材料。

隨著電子產(chǎn)品向多功能、小、輕、薄方向發(fā)展，對(duì)用于集成電路和半導(dǎo)體分立器件的框架材料提出了更高的要求，以滿足大功率、高集成度、多功能、高可靠性等綜合性能要求。因此在現(xiàn)有銅基引線框架的基礎(chǔ)上，必須開發(fā)出適合下游工藝和產(chǎn)品用途的新產(chǎn)品，以滿足電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

1 引線框架銅帶材料及產(chǎn)品現(xiàn)狀

1.1 合金材料

目前，用于引線框架的銅基合金材料主要有Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系及Cu-Cr-Zr系合金，并以Cu-Fe-P系為主。其中Cu-Fe-P系以C19210及C19400為代表，約占銅基框架材料的80%以上，這其中又以C19210為最多，目前約占該系列合金市場(chǎng)份額的70%左右。Cu-Ni-Si系和Cu-Cr-Zr系分別以C70250和C15100為代表合金，均處于研究開發(fā)階段。

從合金特性上來說，上述三個(gè)合金系列均具有沉淀強(qiáng)化特征。在Cu-Fe-P合金系中，Cu含量為99%以上的C19210沉淀強(qiáng)化的金屬間化合物為Fe2P〔2〕,C19400強(qiáng)化的彌散相為Fe2P和單質(zhì)Fe〔3〕。在固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化及沉淀析出強(qiáng)化的多重作用下，實(shí)現(xiàn)材料的高性能，即在犧牲較少的導(dǎo)電率情況下，最大限度提高材料的強(qiáng)度。表1為不同合金系各種牌號(hào)的化學(xué)成分、物理及機(jī)械性能。Cu-Fe-P系為中強(qiáng)、高導(dǎo)合金，Cu-Ni-Si系為高強(qiáng)、中導(dǎo)合金，而Cu-Cr-Zr系為高強(qiáng)、高導(dǎo)合金，是目前研制的唯一能夠滿足超大規(guī)模集成電路性能要求的框架材料〔4〕。

1.2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)框架材料的研制開發(fā)，從20世紀(jì)90年代開始已經(jīng)過了20多年的發(fā)展，從模仿到跟進(jìn)創(chuàng)新，再到自主創(chuàng)新，滿足不斷發(fā)展的電子工業(yè)的需求。近年來，國(guó)內(nèi)銅板帶生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量取得突破性進(jìn)展，這一方面得益于國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)及裝備的引進(jìn)及消化吸收，更得益于國(guó)內(nèi)企業(yè)在高精度銅板帶生產(chǎn)技術(shù)的自主創(chuàng)新，使得產(chǎn)品質(zhì)量包括產(chǎn)品性能、尺寸公差控制、板型、表面、邊部等綜合質(zhì)量較之前有了質(zhì)的變化。特別是國(guó)內(nèi)企業(yè)從追求單個(gè)指標(biāo)的優(yōu)劣到追求綜合質(zhì)量指標(biāo)及其穩(wěn)定性的質(zhì)量理念的轉(zhuǎn)變，均體現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)品質(zhì)量差距不斷縮小進(jìn)而趕超的趨勢(shì)。目前，就合金而言，C19210產(chǎn)品基本全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，C19400產(chǎn)品大部分實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，C70250為小批量試供狀態(tài)。而Cu-Zr系的C15100目前國(guó)內(nèi)還未產(chǎn)業(yè)化。就用途而言，用于沖制分立器件、IC及LED產(chǎn)品使用的C19210、C19400均實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，而蝕刻型C19400還處于研制開發(fā)階段。

表1 銅基引線框架合金及其性能Tab.1 Designation, chemical composition and properties of copper-based alloys for lead frame

C19210產(chǎn)品分平帶和異型帶，主要用于半導(dǎo)體分立器件。隨著下游沖制、電鍍及封裝技術(shù)進(jìn)步，其產(chǎn)品質(zhì)量及綜合性能指標(biāo)不斷提高。平帶產(chǎn)品厚度規(guī)格更薄，尺寸精度更高，目前最小可達(dá)±0.003mm；異型帶由原來的“U”型發(fā)展為“T”型和“W”型，比原來更節(jié)約材料和滿足特殊要求。

C19400產(chǎn)品作為框架材料其性能優(yōu)于C19210，用途也從最初的集成電路擴(kuò)展至朝陽產(chǎn)業(yè)—LED行業(yè)。下游的加工工藝方面，由原來的用于沖制加工發(fā)展為沖制與蝕刻加工并存。因此從表面質(zhì)量(包括微觀表面質(zhì)量)、性能均勻性、帶材板型及殘余應(yīng)力等，均對(duì)帶材產(chǎn)品提出了更高的要求。用于蝕刻的C19400產(chǎn)品由于殘余應(yīng)力問題，目前仍以進(jìn)口為主。

1.3 存在問題

目前，國(guó)內(nèi)框架銅帶與國(guó)外進(jìn)口如維蘭德、日本第一伸銅、韓國(guó)豐山等品牌銅帶相比主要存在帶材起皮、分層、性能不均、表面質(zhì)量差(擦劃傷、斑點(diǎn)、凹坑、腐蝕等)、殘余應(yīng)力大等問題，同時(shí)由于表面質(zhì)量的非量化控制，判定標(biāo)準(zhǔn)的不量化，造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)不穩(wěn)。

1.3.1 起皮和分層

起皮和分層多數(shù)由鑄錠內(nèi)部組織缺陷產(chǎn)生，熔鑄工藝及技術(shù)決定了鑄錠內(nèi)部質(zhì)量，且不可逆轉(zhuǎn)。鑄錠內(nèi)部組織缺陷為一種固有缺陷，在后續(xù)加工過程中不能消除，而且加工程度越深顯現(xiàn)越明顯。起皮為表面缺陷，大部分情況下通過不同工序的質(zhì)量檢驗(yàn)，可以避免流入成品電子元器件，但起皮會(huì)造成銅帶表面壓坑、劃傷等，是連帶影響產(chǎn)品表面質(zhì)量提高的重要因素；分層是一種內(nèi)部缺陷，常常到封裝工序才發(fā)現(xiàn)，是造成企業(yè)間索賠的一種常見和主要缺陷。

鑄造缺陷在鑄錠表層或淺表層會(huì)產(chǎn)生起皮；鑄造缺陷在鑄錠內(nèi)部深層會(huì)產(chǎn)生分層。引起起皮和分層的主要原因是在熔鑄過程中的精煉除氣和富鐵相聚集〔5〕。鑄造工具烘烤不夠也是造成鑄錠產(chǎn)生氣孔進(jìn)而分層的原因。研究表明起皮多為富鐵相。因此采用合理的熔鑄工藝并嚴(yán)格執(zhí)行，通過物理方式如振動(dòng)、電磁鑄造等技術(shù)解決合金元素均勻性問題，確保生產(chǎn)鑄錠質(zhì)量滿足要求。

部分起皮是由于在粗軋工序劃傷壓合或氧化坑、凹坑壓合造成。需要在雙面銑、粗軋工序精心操作，避免出現(xiàn)劃傷和凹坑壓合現(xiàn)象。

1.3.2 性能均勻性

由于下游客戶采用高速?zèng)_床及昂貴的沖壓模具的原因，用戶要求的性能允許區(qū)間不斷縮小，即對(duì)性能均勻性提出了更高的要求。影響性能均勻性有兩方面，一是組織均勻性，二是工藝穩(wěn)定性。一般情況下，產(chǎn)品工藝定型后不會(huì)人為改變，但要注意的是設(shè)備、工藝條件的改變。對(duì)框架材料來說，性能的均勻穩(wěn)定多與組織均勻性有關(guān)。由于框架材料均為析出強(qiáng)化型合金，因此產(chǎn)品組織均勻性一方面受到鑄錠組織均勻性影響，更主要受熱處理即熱軋淬火(固溶)、時(shí)效均勻性等影響。由于熱軋坯料的長(zhǎng)度大多在幾十米甚至一百多米，要想實(shí)現(xiàn)淬火的均勻性，要同時(shí)保證鑄錠加熱、終軋溫度、淬火后溫度、淬火速度及冷卻均勻性等，這需要加熱爐、熱軋機(jī)、淬火機(jī)構(gòu)等密切配合。一旦淬火失敗，則一批料有可能就成為廢品。

1.3.3 表面質(zhì)量控制

框架材料在下游用戶要經(jīng)過高速?zèng)_床沖壓或蝕刻、電鍍、封裝等工序，對(duì)帶材產(chǎn)品的精度及表面質(zhì)量要求極高。表面質(zhì)量的控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，其代表了一個(gè)企業(yè)的技術(shù)、裝備水平，更代表了企業(yè)的綜合管理水平。雖然在近十年國(guó)內(nèi)多家銅板帶企業(yè)引進(jìn)了國(guó)際先進(jìn)的、自動(dòng)化程度較高的銅板帶生產(chǎn)設(shè)備，有些企業(yè)設(shè)備的先進(jìn)程度甚至超過了維蘭德等世界著名銅板帶企業(yè)，但產(chǎn)品的表面質(zhì)量卻一直不能與之媲美，究其原因是彈性化管理和文件執(zhí)行力弱化。

因此，從鑄錠的熱軋開始就要關(guān)注表面質(zhì)量，以免給后續(xù)工序埋下隱患。在銑面、初軋、精軋、酸洗、拉彎矯、退火及成品裁切等各工序均要在生產(chǎn)中檢查與帶材接觸的部件是否清潔，以防損傷料面。同時(shí)還要關(guān)注工藝介質(zhì)對(duì)表面質(zhì)量的影響，包括乳液、軋制油、脫脂劑、鈍化劑、沖刷用水等是否符合工藝要求。

同時(shí)，高精度框架銅帶生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境衛(wèi)生也是至關(guān)重要。環(huán)境中粉塵不但污染設(shè)備、工藝介質(zhì)，同時(shí)對(duì)帶材表面質(zhì)量也產(chǎn)生不良影響。這也是高精度銅帶要求清潔生產(chǎn)，甚至采用微正壓車間的原因。

表面質(zhì)量有量化指標(biāo)和非量化指標(biāo)之分。量化指標(biāo)主要有表面粗糙度、毛刺高度等，表面質(zhì)量要求描述中不得有氧化、腐蝕、斑點(diǎn)、劃傷、擦傷、凹坑等均為非量化指標(biāo)。

1.3.4 板型及殘余應(yīng)力

板型一般指所供帶材的原始板型，包括側(cè)彎、橫彎、翹曲、波浪、扭曲等；殘余應(yīng)力一般指帶材經(jīng)過沖制或蝕刻后產(chǎn)品形狀的不均勻變化，即發(fā)生的翹曲、扭曲等。帶材板型的控制主要在軋制工序，并通過拉彎矯工序使帶材板型進(jìn)一步得到矯正，并釋放一定的殘余應(yīng)力。拉彎矯畢竟只是一道精整工序，關(guān)鍵還是要從源頭即通過軋機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)帶材良好的板型。

殘余應(yīng)力是由于帶材不均勻變形引起的。嚴(yán)格來說，帶材在軋制過程中，其變形都是不均勻的，因此殘余應(yīng)力必定存在。在軋制變形過程中帶材組織均勻性、斷面差、軋制速度、潤(rùn)滑均勻性等均會(huì)影響殘余應(yīng)力。消減殘余應(yīng)力除了要控制變形過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，還要在精整工序中加以消除。拉彎矯工序可以起到消除殘余應(yīng)力的作用，但對(duì)于一些殘余應(yīng)力要求高的產(chǎn)品，拉彎矯可能不能完全滿足要求，需要借助去應(yīng)力退火的工藝技術(shù)，使帶材殘余應(yīng)力消除的更徹底，以滿足下游用戶的高要求。

1.3.5 檢測(cè)規(guī)范及判定標(biāo)準(zhǔn)

目前用戶標(biāo)出的國(guó)內(nèi)框架材料產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)分為五類近20個(gè)小項(xiàng)。第一類，化學(xué)成分；第二類，性能指標(biāo)(力學(xué)性能和電性能)，包括抗拉強(qiáng)度Rm，延伸率A11.3、屈服強(qiáng)度RP0.2、硬度HV、軟化后硬度HV等；第三類，外形尺寸，包括寬度、厚度、邊部、卷徑(重)等；第四類，板型，包括側(cè)彎、翹曲、橫彎、波浪、扭曲；第五類，表面，包括表面粗糙度、氧化、腐蝕、擦劃傷、斑點(diǎn)、凹坑等。還有用戶未標(biāo)出指標(biāo)，如殘余應(yīng)力、烘烤后的收縮量等。

這些指標(biāo)中，化學(xué)成分、性能指標(biāo)及外形尺寸均有相應(yīng)的檢驗(yàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；板型檢測(cè)每個(gè)銅帶廠家及下游用戶使用的方法、測(cè)量裝置不盡相同；表面檢測(cè)除了粗糙度檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一外，其他均是一種定性的宏觀判斷，各個(gè)企業(yè)不同，同一企業(yè)不同檢驗(yàn)員尺度也會(huì)存在不同。因此造成了產(chǎn)品表面質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一，是造成產(chǎn)品質(zhì)量異議及退貨的主要原因。

而在技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)中未列出但影響用戶使用的殘余應(yīng)力、烘烤后收縮量等指標(biāo)檢測(cè)，目前均處于探索階段，沒有實(shí)際可操作性的方法，更無相應(yīng)的判定標(biāo)準(zhǔn)。

2 開發(fā)進(jìn)展

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和沖壓技術(shù)、蝕刻技術(shù)及封裝技術(shù)的發(fā)展，框架材料帶材也在從內(nèi)、外品質(zhì)到品種、數(shù)量上不斷取得突破，滿足下游用戶的需求變化。

2.1 新一代框架材料C70250

C19210產(chǎn)品由于強(qiáng)度較低，一般只能用在半導(dǎo)體分立器件上，而C19400在分立器件和一般IC集成電路上均可以使用。但在大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路中，由于其集成度更高、功能更強(qiáng)大，需要的框架材料的強(qiáng)度也更高，C19400不能滿足其要求。因此開發(fā)更高強(qiáng)度的框架材料成為必然。目前正在開發(fā)的新一代框架材料C70250更適合應(yīng)用在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中。

高強(qiáng)高導(dǎo)的Cu-Zr系的代表產(chǎn)品C15100合金，由于其工業(yè)化制備技術(shù)的瓶頸制約，以及實(shí)際制造性和特性穩(wěn)定性方面存在許多問題〔7〕，目前用于框架材料方面的開發(fā)還沒有實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

2.2 LED用框架材料

LED用框架材料主要為C19400帶材。作為L(zhǎng)ED的支架用框架材料，為了滿足LED光源反光度97%以上的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)帶材表面提出了高于普通IC用框架材料的苛刻要求。不但要求表面的宏觀缺陷如氧化、腐蝕、斑點(diǎn)、凹坑、擦劃傷、起皮等與普通IC用框架一樣，同時(shí)對(duì)料面還要進(jìn)行50～100倍顯微鏡觀察。在50～100倍顯微鏡下觀察帶材表面，要求紋理精致均勻，麻坑小、淺、少且均勻；一旦發(fā)現(xiàn)可疑或判定不準(zhǔn)的，還要在更高倍率顯微鏡下進(jìn)行觀察，以判定是否合格。

通過工藝改進(jìn)，包括軋輥技術(shù)參數(shù)的選擇、軋制油的工藝控制及刷洗工藝控制，目前國(guó)內(nèi)已開發(fā)出了適合LED使用的框架帶材。

2.3 蝕刻用框架材料

對(duì)于一些引腳更多、腳密度更大，制模困難、沖壓法無法生產(chǎn)的框架材料，需要采用蝕刻的方式進(jìn)行框架的加工。最初，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的框架均為沖制型框架帶材，蝕刻帶均為進(jìn)口，使用量也較少。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)蝕刻框架的需求不斷增多。近期，隨著國(guó)內(nèi)蝕刻生產(chǎn)線相繼上馬，國(guó)內(nèi)才開始開發(fā)蝕刻型框架帶材。蝕刻型框架帶材，除了要滿足一般框架帶材的技術(shù)質(zhì)量要求外，對(duì)帶材的殘余應(yīng)力要求更為嚴(yán)格，同時(shí)由于沒有可行的殘余應(yīng)力檢驗(yàn)手段、方法及判定標(biāo)準(zhǔn)，因此國(guó)內(nèi)蝕刻型框架材料的開發(fā)還處于起步階段。

2.4 亞光型框架材料

隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步及提高生產(chǎn)效率的需要，現(xiàn)有亮光表面的框架材料產(chǎn)品存在以下問題，一方面光亮度越高的帶材其表面的微小缺陷暴露越明顯，更重要的是由于表面光亮、反光度過高，導(dǎo)致光感封裝設(shè)備不能準(zhǔn)確識(shí)別晶片位置而無法正常生產(chǎn)，不能滿足晶片封裝高效率、高精度定位的工藝要求，需要開發(fā)亞光表面的框架帶材。目前生產(chǎn)亞光框架帶材的國(guó)外企業(yè)為日本第一伸銅、臺(tái)灣伸銅、維蘭德等，國(guó)內(nèi)還處于工藝探索階段。

隨著微電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電子封裝技術(shù)必將向高效率、高精度的方向發(fā)展，而新的封裝設(shè)備發(fā)展要求將引領(lǐng)框架銅帶由光亮銅帶向亞光面銅帶發(fā)展。

3 結(jié)束語

(1)目前，國(guó)內(nèi)沖制型框架材料帶材C19210、C19400產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，性能、表面、板型及尺寸精度等已基本滿足了用戶的使用要求，實(shí)現(xiàn)了替代進(jìn)口；

(2)由于工藝控制不穩(wěn)定及管理細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)落實(shí)不到位，造成國(guó)內(nèi)框架帶材產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。特別是表面質(zhì)量不能量化檢測(cè)及判定標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，是造成框架帶材產(chǎn)品質(zhì)量異議及退貨的主要原因；

(3)隨著集成電路向大規(guī)模及超大規(guī)模方向發(fā)展，C70250與C19400、蝕刻框架與沖制框架都將并行發(fā)展。因此加快C70250帶材、蝕刻型框架帶材的開發(fā)，減小帶材的殘余應(yīng)力，建立帶材殘余應(yīng)力可行的檢測(cè)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)，是擺在框架銅帶生產(chǎn)企業(yè)面前的現(xiàn)實(shí)問題；

(4)無論是表面質(zhì)量由宏觀判定到顯微鏡微觀判定的LED帶，還是表面從亮光面轉(zhuǎn)變?yōu)閬喒饷娴膩喒鈳?，框架材料產(chǎn)品的研發(fā)將會(huì)根據(jù)下游生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步及使用方向，不斷開發(fā)出滿足不同使用要求及應(yīng)用領(lǐng)域的框架材料銅帶新產(chǎn)品。

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Review of Status and Development Progress of Copper Strip Products for Lead Frame

ZHANG Wenqin

(Taiyuan Jinxi Chunlei Copper Co., Ltd., Taiyuan 030008, China)

The paper highlighted the status of copper strip products for lead frame; it analyzed common quality problems existing in domestic products and it put forward corresponding solutions; it presented progresses made in developing new generation of lead frame copper strip.

lead frame; copper alloy strip; product research and development

2014-12-02

張文芹,女，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事銅及銅合金材料及加工技術(shù)研究工作。

TG146.1+1

A

1671-6795(2015)05-0005-04