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IC封裝用銅合金引線框架及材料

時間:2016-09-29 瀏覽量: 字號:
 

  摘要:本文評述了國內外IC封裝用銅合金引線框架及材料的研發現狀,主要涉及封裝對引線框架材料的要求,銅合金引線框架材料的特性,銅合金引線框架材料研發動態,引線框架的制作技術以及市場需求等內容,并由此分析它們的發展趨勢。

關鍵詞:封裝;引線框架;銅合金


  1、引言

IC產品由芯片、引線和引線框架、粘接材料、封裝材料等幾大部分構成。其中,引線框架的主要功能是為芯片提供機械支撐載體,并作為導電介質連接IC外部電路,傳送電信號,以及與封裝材料一起,向外散發芯片工作時產生的熱量,成為IC中極為關鍵的零部件。目前,芯片集成度一直以摩爾定律的規則高速推進,即集成度每3年增長4倍,特征尺寸每3年縮小拒倍,功能增強,速度更快,功耗降低,封裝也在隨其不斷發展。封裝密度、引線密度(單位封裝面積上的引線數)越來越高,封裝引線腳數平均每年增加16%,PGA已由300-400條增加到1000條;QFP>400 條,引線節距逐年下降,從2.54mm轉向1.27mm→ 0.65mm→0.5mm→0.4mm→0.3mm→0.15mm→0.1mm,引線框架正向短、輕、薄、高精細度、多引線、小節距方向研發,所用材料以往大多采用鐵鎳42合金(Fe-Ni42)或覆鋁鐵鎳合金,而目前其85%為銅合金所替代,以銅為基體的復合材料一直是國內外許多IC封裝材料廠商的商業化開發熱點,取得多項實用化技術及商品。


  2、封裝對引線框架材料的要求

IC的許多可靠性性能都是由封裝的性能決定的,引線框架為芯片(或管芯)提供電通路、散熱通路、機械支撐等功能,IC封裝要求其必須具備高強度、高導電、導熱性好、良好的可焊性、耐蝕性、塑封性、抗氧化性等一系列綜合性能,因而對其所用材料的要求也十分苛刻,所用材料的各項性能指標的優劣,最終都將直接影響IC的質量及成品率。其材料應滿足下列特性要求:

  ①導電、導熱性好,伴隨芯片集成度的提高,尤其是功耗較大的IC,芯片工作時發熱量增加,要求引線框架能及時向外散發熱量。良好的導電性可降低電容和電感引起的不利效應。材料導電性高,將使引線框架上產生的阻抗小,也利于散熱。

  ②較高的強度和硬度,冷熱加工性能良好,抗拉強度至少為441Mpa(45Kgf/mm2),尤其是薄形化的材料強度要求高,延伸率不小于5%,硬度Hv應大于130。

  ③彈性優良,屈服強度高,提高強度改善韌性。

  ④耐熱性和耐氧化性好,熱穩定性優良,耐氧化性對產品的可靠性有很大影響,要求因加熱而生成的氧化膜盡可能小。

  ⑤具有一定的耐蝕性,不發生應力腐蝕裂紋以及潮濕氣候下斷腿現象。

  ⑥較低的熱膨脹系數CTE,并與封裝材料的CTE匹配,確保封裝的氣密性。

  ⑦彎曲、沖制加工容易,且不起毛刺;彎曲、微細加工的刻蝕性能好,適應引線框架加工制作方法多樣化需求。

  ⑧表面質量好,可焊性高,為提高可焊性,需要采取鍍錫、鍍金或鍍銀,電鍍性好。

  ⑨成本盡可能低,滿足大批量商業化應用要求。

  以上要求可歸納為:一次特性、成形特性、二次特性,引線框架材料要具有物理、機械、化學等多方面特性。以銅為基體的復合材料因其高強度、高導熱和低廉的價格,而日益受到重視。


  3、銅合金引線框架材料的特性

  銅及銅合金是人類應用最早的金屬,也是應用最廣泛的金屬材料之一。銅的導電率和導熱率僅次于銀,工藝性能優良,價格遠比鐵鎳42合金便宜,作為引線框架用材料的關鍵是強度問題,純銅的強度只有鐵鎳42合金的1/2。但是,銅具有另一個極為優勢的性能,這就是很容易與其它元素形成合金,通過合金化完全可將其強度提高到相當于鐵鎳42合金的水平,同時其導電率可以提高15~20倍,銅合金現成為主導的引線框架材料。表1示出常用引線框架材料特性,表中Invar是Fe-Ni42因瓦合金,Kovar代表Fe-Ni-Co可伐合金,其余為純金屬材料。合金的強度和導電率具有內在聯系,合金元素的種類、熱處理、塑性變形程度等強度與導電率有很大的影向。


  引線框架用銅合金大致分為銅-鐵系、銅-鎳-硅系、銅-鉻系、銅-鎳-錫系(JK-2合金)等,三元、四元等多元系銅合金能夠取得比傳統二元合金更優的性能,更低的成本,銅-鐵系合金的牌號最多,具有較好的機械強度,抗應力松弛特性和低蠕變性,是一類很好的引線框架材料。由于引線框架制作及封裝應用的需要,除高強度、高導熱性能外,對材料還要求有良好的釬焊性能、工藝性能、蝕刻性能、氧化膜粘接性能等。表2示出銅基復合引線框架材料性能,國內外某些大量使用的引線框架材料的主要性能如表3所示,表中導電率的%IACS(International Annealed Copper Standard)為國際軟銅電導率標準,100%IACS=5.800×105S·m-1。材料向高強、高導電、低成本方向發展,在銅中加入少量的多種元素,在不明顯降低導電率的原則下,提高合金強度(使引線框架不易發生變形)和綜合性能,抗拉強度600MPa以上,導電率大于80%IACS的材料是研發熱點。并要求銅帶材向高表面,精確板型,性能均勻,帶材厚度不斷變薄,從0.25mm向0.15mm、0.1mm逐步減薄,0.07~0.15mm的超薄化和異型化。


  4、銅合金引線框架材料研發動態

  按照合金強化類型可分為固溶型、析出型、析中型,從材料設計原理看,引線框架材料幾乎都是析出強化型合金,采用多種強化方法進行設計,主要有形變強化、固溶強化(合金化強化)、晶粒細化強化、沉淀強化,加入適量的稀土元素可使材料的導電率提高1.5~3%IACS,有效地細化晶粒,可提高材料的強度,改善韌性,而對導電性的影響很小。從加工硬化與固溶硬化相結合和固溶-時效硬化以及復合強化等方面進行研究,改進材料性能。現在,獲得高強度、高導電銅合金的方法有:加工硬化,通過冷塑性變形以提高強度;固溶強化,通過合金元素深入銅基體產生晶格畸變,阻礙位錯運動來提高強度;以及第二相強化、快速凝固析出強化、彌散強化等。銅合金帶材的高度自動化、規模化的典型生產工藝為半連續鑄錠、大錠熱軋、自動銑面、高精度中軋、通過式退火、高精軌,也有廠家采用水平連鑄卷坯進行高精軋的生產工藝,考慮開發銅和鐵的混相合金的研究課題。


  國際市場上,引線框架及材料主要由日本廠商供貨,日本的銅合金引線框架帶材年產量超過5萬噸,形成高導電、高強中導電、高強高導電三大合金系列,品種牌號77個,高導電系列的強度為400-450MPa,導電率80-85%IACS;高強中導電系列的強度達450-550MPa,導電率55-65%IACS;高強高導電率系列的抗拉強度在600Mpa以上,導電率大于80%IACS。日本產品除滿足內需外,還大量出口海外市場,其中新光、大日本印制、凸板印刷、住友、三井等5大制造商獨占全球70%左右的引線框架市場。美國奧林黃銅公司率先開發生產并經營C194、C195、C196合金產品,此外,德國德馬克、威蘭德、法國格里賽、美國德州儀器、AMAX等廠商也生產銅合金引線框架材料。作為引線框架用材料,銅合金的研發已達到較高水平,銅-鎳-硅系列合金所能達到的最優性能為抗拉強度835 ~930MPa,導電率50%IACS,但還需提高多項綜合性能。日本開發出含10-16%銀的銅合金,經大量塑性變形后,形成增強復合材料,其抗拉強度1000MPa,導電率80%IACS。深入研究抗拉強度600MPa與導電率80%IACS以上、90度彎曲加工性良好的高導電性材料,重點開發抗拉強度高于800MPa、導電率40%IACS的超高強度型材料。采用低膨脹特性而導熱率卻非常高、密度又小的材料作增強相,與銅制成復合材料,可望在保持低膨脹特性的同時,獲得很高的導熱率和強度。采用負膨脹材料與銅復合,在低膨脹材料的體積分數較小的情況下,也可獲得與硅或砷化鎵芯片相匹配的熱膨脹系數,而銅的熱導電率卻損失較小。將引線和封裝材料進行集成,制作成封裝部件或Cu/Mo/Cu、Cu/W/Cu多層功能梯度材料來使用。


  在國內,IC封裝用銅合金引線框架材料與國外同類產品相比,生產上存在品種規格少,性能不穩定,銅帶成品率在40~50%(國外在75%以上),產業化規模小等一系列問題,在板型狀況、殘余內應力、表面光潔度、邊部毛刺等方面也與國外產品存在較大差距。例如,國內引線框架銅帶厚度在0.25~0.9 mm之間,其中厚度為0.38mm、0.4mm、0.6mm居多,用量較大的0.2mm銅帶尚不能生產,尺寸公差0.01~0.015mm,而國外帶材厚度規格為0.01~1.3mm,尺寸公差0.005~0.02mm,德國威蘭德的銅帶材厚度為0.1~0.3mm,厚度偏差普通級為±0.007mm,高精級可達到±0.005mm。目前,國內IC生產廠商除在國內購買引線框架銅帶外,還需從海外大量進口。


  5、引線框架制作技術

  IC封裝用引線框架是極為精密的零部件,主要有DIP和QFP以及SIP、SOP等類別,引線框架的引腳數不斷增加,引線寬度和間距不斷減小,0.4mm線寬、208~240條I/O引腳的銅合金引線框架早已商業化生產,296、304條引腳的引線框架獲得廣泛應用,正在研發1000條引腳、線寬0.1mm的銅合金引線框架,線寬一般為銅帶厚度的0.7倍。引腳形狀從長引線直插→L形引線→J形引線→小型L形引線→薄型L形引線→短引線或無引線芯片載體、貼裝發展,不同的封裝往往采用不同的引腳數量的引線框架。開發出微引線框架MLF封裝技術,MLF封裝具有良好的熱特性,最適于在CPU的電壓控制組件、功率系列產品方面使用。芯片級封裝CSP也有采用引線框架的類別,先進的陣列封裝要使用高引線柱。


  銅合金引線框架的加工制作方法向多樣化發展,目前從沖制方法轉向化學蝕刻、激光刻蝕等技術。按照慣用的模具沖制很難達到引線框架的圖形結構復雜、尺寸及公差要求嚴格的技術標準,引線框架的大批量生產則是利用高精度帶材經自動化高速沖床(每分鐘500~2000次)沖壓而成的,具有很高的加工效率,但無法達到蝕刻加工的精細程度,提高加工精度是其關鍵。在高速沖床上高速大量地進行引線框架的沖制,其模具的設計和制造難度相當大,精密級進冷沖壓模工位數多,加工形狀復雜,精度高,IC引線框架多工位精密級進模CAD/CAM系統集成了引線框架模具設計與制造技術,將封裝模具和引線框架沖制一體化。小批量、多品種、多引線小節距、尺寸精細、圖形復雜的銅合金引線框架或載帶引線大多采用蝕刻方法制作生產,用照相制板技術將設計的引線框架形狀顯像于銅帶材表面,然后腐蝕除去不要的部分,腐蝕不只在板厚方向,而且還向板寬方向側面腐蝕,約為板厚的80%,板材越薄對加工越有利。蝕刻方法要求銅合金具有良好的光刻性,特別是表面和內部材質必須均勻,該方法可達到很高的加工精度,但需要較長的加工時間。可根據引線框架材料厚度、圖形復雜程度、所選用材料來決定蝕刻時的感光抗蝕膠與腐蝕液的配方。


  目前,各種DIP、SOP只能滿足100條以下I/O引腳的IC封裝要求,PQFP在縮小引腳間距(0.4mm)的情況下,雖能達到封裝376條I/O引腳的產品,但封裝300條I/O以下的引腳更適宜,四邊引出封裝引腳間距越來越小,封裝難度也越來越大。而面陣排列的陶瓷柱陣已達1089條引腳,陶瓷BGA達625條引腳,焊點間距0.5mm,載帶BGA達到1000條引腳。


  6、銅合金引線框架市場

  IC封裝結構從圓型封裝TO→DIP→LCC→QFP→BGA→CSP等發展,新穎封裝技術和封裝形式越來越多,其技術預測如表4所示,芯片與封裝的外引線由框架引線變為部分改用焊球、焊凸點或焊盤,例如,CSP的引出端可以是焊球、焊凸點、金凸點、焊盤、框架等。另外,在屬于原有的封裝形式如SOP、QFP等的基礎上,由于節距變小,或厚度變薄,或為了提高散熱性能,增加了熱沉等而形成新的封裝系列,具體而言,QFP就有低外形QFP、薄形QFP、窄節距QFP、超薄型QFP、薄型小外形TSOP等,形成除BGA、CSP、多芯片封裝MCP、多芯片系統級封裝SIP等高級先進封裝外的另一大類新穎封裝。其總的發展趨勢是封裝密度更高,性價比更好,新品種更多,往往設計制造的同一類型IC芯片卻采用多種不同的封裝形式或結構。國際上IC封裝業正在以平均每年9~11%的速度增長,而國內近幾年的增長率則平均高達30~40%,2002年國內IC封裝業產值占IC總產值(134.6億元)的近60%,為銅合金引線框架提供了巨大的市場空間。

在國際上,今后引線框架的市場增長將受到IC封裝形態轉變的影響,預計到2005年的需求量約為170587噸,市場規模約1149億日元。國內IC生產和IC封裝業在高速發展,必將帶動銅合金引線框架材料的需求增長,按平均每1億塊IC約需銅帶100~200噸計算,今后的需求量預測如表5所示。隨著引線框架向短、輕、薄、多引腳方向發展,國產銅帶在品種、質量、性能、數量上尚需進一步提高。


  7、結束語

  銅合金引線框架充分發揮了以銅為基體的高導電、導熱特性和復合材料的高強度、高硬度、低熱膨脹系數的特性,因而具有良好的綜合性能。采用新的工藝技術和新的材料體系,研發銅合金引線框架及IC封裝材料已顯示出良好的發展前景,將成為一個極具吸引力的市場。

(文章來源:中國百科網)


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