CuNiSi引线框架材料的研究进展

CuNiSi引线框架材料的研究进展万珍珍【摘要】引线框架材料是集成电路封装和半导体元器件的主要材料,起到支撑和固定芯片、传输电信号和散热的作用.CuNiSi合金材料具有高的强度、较高的导电率,而且价格低廉,近年来作为引线框架材料得到了很大的发展.简单介绍了国内外铜合金引线框架材料的发展状况,综述了CuNiSi引线框架材料的研究现状,并对其发展前景进行了展望.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2011(029)003【总页数】4页(P363-365,378)【关键词】CuNiSi铜合金；引线框架材料【作者】万珍珍【作者单位】江西省科学院应用物理研究所，江西南昌330029【正文语种】中文【中图分类】TG146.10 引言引线框架材料是集成电路封装和半导体元器件的主要材料，起到支撑和固定芯片、传输电信号和散热的作用。

随着集成电路向大规模和超大规模的迅速推进，以及半导体器件不断向高集成、高密度方向的发展，对引线框架材料的强度及导电导热等性能要求越来越高。

铜合金具有高导电、高导热、价格低廉等特点，正逐渐替代可伐合金和FeNi42合金，成为制造引线框架的主导材料。

目前开发的铜合金引线框架材料已达100多种，用量占引线框架材料的80%以上［1］。

1 国内外铜合金引线框架材料的发展自20世纪60年代世界上第1块集成电路问世以来，半导体集成电路引线框架材料得到很大发展，其用量越来越大，新材料不断出现。

早期的引线框架材料多采用可伐合金和FeNi42合金制造，但随着铜合金材料的不断优化和改进，铜合金成为制造引线框架的主要材料。

铜合金引线框架材料的发展可分为3个阶段［2，3］：第1阶段是从20世纪70年代铜合金引线框架材料发展的初期，主要以导电率大于80%IACS、强度在400 MPa左右的高导电型合金为主，如Cu-P系列的C1220，Cu-Fe系列的KFC等;第2阶段是从20世纪80年代起，主要是导电率为60% ～79%IACS、抗拉强度为450～600 MPa的中导中强型合金，如Cu-Fe-P系列的C19400等;第3阶段是随着集成电路向大规模和超大规模发展，集成度的增加和线距的减小，要求引线框架材料导电率在50%IACS左右、抗拉强度大于600 MPa，此类铜合金材料多为固溶强化型合金，如Cu-Ni-Si系列的KLF以及C7025等。

目前铜合金引线框架材料的发展目标是强度大于650 MPa、导电率大于80%IACS的高强高导合金。

目前已开发出的铜合金引线框架材料主要有CuFe系、CuFeP 系、CuCrZr系、CuNiSi系、CuAg系等，使用较多的主要有 CuFeP、CuNiSi及 CuCrZr系等。

自1971年以来国外用作引线框架的铜合金已达100多种，如日本三菱伸铜的TAMAC系列、神户制钢的KLF系列、古河电气的EFTEC系列等，其框架材料生产均已高度自动化、大规模化，产品已名副其实成为高技术产品。

铜合金引线框架材料的主要生产国为日本、德国、美国和英国，其中以日本产量最高，日本和德国是世界上最大引线框架铜带出口国。

我国引线框架铜带材料研究、试制、生产起步比较晚，始于“八五”末期，和国外相比还存在很大的差距［4～6］。

首先，品种较少，只有3种牌号的CuFeP系合金(其中以KFC、C194为主)，而且一直在仿制国外的合金系列，没有形成自己具有优势的专利体系;其次，质量不高，国内材料绝大部分用于冲制低端集成电路引线框架，中高端引线框架所需的铜合金带材大多数来自于进口;再次，产业化规模小，目前我国能够生产铜合金引线框架的企业主要有中铝洛铜、宁波兴业、上海科泰等，但引线框架铜带总产量与国内的需求量还相差很远，国内市场的缺口较大，如1998年国内引线框架铜带产量为300 t，仅占当年需求量的10%;2000年国内引线框架铜带产量为500 t，占当年需求量的8% ～10%;2005年国内铜带产量占当年需求量的40%。

2 CuNiSi引线框架材料的研究现状CuNiSi系列合金是一种时效强化型合金，具有高的强度、较高的电导率、焊接性好和易熔炼等特性而引起了人们的极大关注。

近年来，作为一种性能优异的大规模集成电路引线框架材料得到了很大的发展。

从1927年M G Corson首次发现CuNiSi合金的时效强化特性以来，关于该类合金中析出物结构研究的报道很多［7～9］。

有研究报道称析出物结构类似γ-Ni5Si2，也有人认为其结构类似β-Ni3 Si，近年来很多研究者则认为其具有与δ-Ni2Si相似的正交晶格，且与铜基存在一定的位相关系，但没有最终的定论，还需进一步研究。

近年来国内外的研究人员通过尝试在CuNiSi系列合金中添加不同的微量合金元素，如P、Fe、Mg、Al等，使强度和导电率达到了良好的匹配。

日本WChihiro［10］等在 Cu-4．0Ni-0．95Si合金中添加0．05%的P，P的加入抑制时效过程中Ni2 Si颗粒的长大，能有效的提高合金的强度、硬度。

Ryoiehi Monzen［11］等在 Cu-2．0Ni-0．5Si合金中添加0．1%Mg在400℃下时效，发现Mg能强烈阻止应力释放，提高屈服强度约40 MPa，降低导电率约3%IACS;添加Mg析出相 Ni2Si尺寸由4．4 nm降至4．0 nm，粒子间距由22 nm降至20 nm;添加Mg可以加快盘状沉淀Ni2Si的析出速度;Mg原子可以拖住位错，对位错运动有牵制效应。

潘志勇、汪明朴［12］等研究了 Cu-5．2Ni-1．2Si合金以及在此合金中添加1．5%Al，对该合金热轧和冷轧后的组织观察后发现，添加Al元素对该合金热轧时的动态再结晶过程具有明显的抑制作用，同时Al显著提高了在铜基体中的固溶度，该合金的硬度达317 HV，导电率达44．5%IACS。

因此，多元微合金化CuNiSi合金将是引线框架材料的发展方向。

CuNiSi合金的热处理工艺对其性能影响很大，通过选择不同热处理工艺，可以制备出不同性能的材料以适应不同需求。

赵冬梅［7］研究的Cu-3．2Ni合金在450～500℃时效最好，但500℃时易过时效，时效2 h硬度便开始下降。

时效温度越高，硬度峰值出现时间越早，合金越容易过时效。

姜伟［13］等对Cu-3．0Ni-0．52Si-0．15P 合金热处理工艺进行研究，经80%预冷变形后在500℃时效1 h，抗拉强度为850 MPa，电导率为45%IACS。

可看出采用新的工艺技术和新的材料体系，研制CuNiSi系列合金引线框架材料将备受重视。

目前，许多国家都开发出了自己的CuNiSi系列引线框架合金，我国由于起步较晚还处于试验研究阶段。

韩国的Young G Kim等人开发了PMC-102(Cu-1．3Ni-0．3Si-0．03P)合金［14］，在450℃时效10 h后，合金强度可达600 MPa，电导率可达60%。

日本神户制钢在原来KLF-1的基础上研究开发了KLFA85合金［15］，通过在热处理和冷加工工艺上的改进，其抗拉强度为800 MPa，电导率为45%IACS，是较有前途的框架材料。

3 CuNiSi引线框架材料的发展前景随着我国电子工业的快速发展，铜合金引线框架材料的需求量将不断增长。

1998年我国框架材料铜带需求量为3 000 t;2000年需求量为5 000～6 000 t;2005年需求量为40 000 t。

根据中国信息产业部计算机与微电子发展研究中心的预测，未来几年中国集成电路封装量年均增幅至少达到20%以上，分立器件封装量年均增幅达到15%以上。

以此测算，2008年预计引线框架铜带需求量为66 000 t左右，其中分立器件用铜带30 000 t，集成电路用铜带36 000 t，2010年引线框架铜带需求量将达到 100 000 t［16］。

CuNiSi作为一种性能优异的铜合金引线框架材料，将随着引线框架铜带的发展而发展，其市场需求量也将不断增加，具有广阔的市场前景。

同时，随着集成电路向大规模和超大规模发展，CuNiSi引线框架材料受到国家的高度重视和大力扶持。

从“七五”末开始，我国先后从发达国家引进了10多条集成电路自动生产线，并能小批量的生产低集成度的集成电路。

“九五”期间国家启动了909工程，为之配套的工程有5个年产2亿块集成电路封装工程，集成电路框架材料的科研和生产取得了重大的进步，并形成了良好的产业化基础条件。

近年来，国家继续开展大规模集成电路框架材料的研究，科技部在“十五”和“十一五”高技术研究发展计划(863项目)和国家科技攻关项目中，将“集成电路引线框架材料”作为重大专项，开展产学研合作研究［2，16］，从政策上对CuNiSi合金引线框架的研发和生产给予了支持。

而且铜板带技术的不断进步、铜加工产品的更新换代，为框架材料铜带产业化创造了有利条件。

因而，CuNiSi引线框架材料具有良好的产业化前景。

4 结束语铜合金引线框架以其优良的导电性、导热性、价格低廉和加工性能好等优势取得了惊人的发展，各国都在竞相开发自己的合金品牌，我国铜合金引线框架材料的开发更加刻不容缓。

随着引线框架向短、轻、薄、高精细度、多引线、小节距的方向发展，具有高强度、高导电率等综合性能的材料是引线框架材料研究的主要目标。

CuNiSi系列合金有很高的强度，较高的导电性，是大规模集成电路引线框架的首选材料，探索新的材料体系、新的工艺技术将是CuNiSi引线框架材料的发展方向。

目前我国从政策上给予了CuNiSi引线框架研发和生产支持，其市场需求量随电子工业的发展将不断增大，并且产业化基础条件相对已比较成熟，因而CuNiSi合金在引线框架材料中的发展前景十分广阔。

参考文献：［1］马营生，黄福祥，黄乐，等．铜基引线框架材料的研究与发展［J］．材料导报，2002，33(1)：1-4．［2］苏娟华．大规模集成电路用高强度高导电引线框架铜合金研究［D］．西安：西北工业大学，2006．［3］谢水生，李彦利，朱琳．电子工业用引线框架铜合金及组织的研究［J］．稀有金属，2003，27(6)：769-776．［4］ Kin SH，Lee D N．Annealing behavior of alumina dispersion-strengthened copper strips under different conditions［J］．Metallurgical and Materials Transactions，2002，A33(6)：1605-1616．［5］ Kokorin V V，Kozlova L E，Titenko A N．Temperature hysteresis of martensite transformation in aging Cu-Mn-Al alloy［J］．Scripta Materialia，2002，47：499-502．［6］ Su Juanhua，Dong Qiming，Liu Ping．Prediction of properties in thermomechanically treated Cu-Cr-Zr by an article neural network ［J］．Journal of Materials Science and Technology，2003，19(6)：529-532．［7］ Dongmei Zhao，Qiming Dong，Liu Ping，et al．Aging behavior of Cu-Ni-Si alloy［J］．Materials science and engineering，2003，A361：93-99．［8］ Lockyer SA，Noble F W．Precipitate structure in a Cu-Ni-Si alloy ［J］．Journal of Materials Science，1994，29(1)：218-226．［9］ Grylls R J，uck C D S，Loretto M H．Identification of orthorhombic phase in a high-strength cupronickel［J］．Scripta Materialia，1996，34(1)：121-126．［10］渡边千寻，青塚久和，门前亮一，等．Cu-4．0mass%Ni-0．95mass%Si合金の組織と機械的性質に及ぼすPとCr添加の効果［J］．銅と铜合金，2005，44(1)：50．［11］ Ryoichi Monzen，Chihiro Watanabe．Microstructure and mechanical properties of Cu-Ni-Si alloys［J］．Materials Science and Engineering，2008，A483：117-119．［12］潘志勇，汪明朴，李周，等．超高强度Cu-Si合金的研究进展［J］．金属热处理，2007，32(7)：55-59．［13］姜伟，甘卫平，向锋．热处理工艺对 Cu-3．0Ni-0．52Si-0．15P 合金组织和性能的影响［J］．热加工工艺，2009，38(4)：101-104．［14］ KIM Y G，Seng T Y，Han L H．Effecct of heat treatment on precipitation behavior in a Cu-Ni-Si-P alloy［J］．Journal of Materials Science，1986，21(4)：1357-1362．［15］ Mahulikar D．Trends in Lead Frame Technology for Plastic Packag-ing［A］．In：IEEE Proceedings of the 1997 3rd Internationa Symposium and Exhibition on Interfaces，Braselton，USA，1997．［16］蔺聪若．引线框架用铜合金的发展［J］．中国有色金属，2008，(6)：70-71．。