蝕刻型高密度引線框架銅合金帶材的研制進展

張文芹， 呂顯龍， 馮小龍

（1.太原晉西春雷銅業有限公司，山西 太原 030008；2.寧波康強電子股份有限公司，浙江 寧波 315104）

隨著電子信息產品向小型化、薄型化、輕量化、多功能化及智能化方向的發展，集成電路向大規模集成電路和超大規模集成電路方向發展，集成電路使用的銅基引線框架隨之向引線間距微細化、多腳化的方向發展[1]。相比較傳統的引線框架，封裝（quad flat no lead, QFN)引線框架引線之間間距小于0.05 mm，遠小于傳統引線框架的間距（0.12 mm）。如此小的間距，采用硬質合金沖壓模具是無法完成的，而采用蝕刻加工方式，可以實現最高密度和最多腳數引線框架的生產[2]。引線框架的多引線、小間距，使蝕刻成型加工手段得到更為廣泛的應用[3]。圖1 為蝕刻引線框架與沖壓引線框架密度圖。

圖 1 蝕刻引線框架與沖壓引線框架密度圖Fig.1 Density maps of the etched lead frame and stamped lead frame

1 引線框架材料用銅合金

1.1 合金特點

根據電子封裝的要求，引線框架材料要具有良好的導電性、導熱性、良好的熱匹配（熱膨脹）、良好的強度及耐蝕性和耐熱性等[4]。因此用于引線框架的銅基材料均為具有析出強化特點的高性能銅合金，在固溶強化、形變強化和時效析出強化的多重作用下，實現材料的高強度，并最大限度地減少電導率的損失，以達到引線框架所需的力學性能與導電性的良好匹配，實現引線框架材料的功能和作用—支撐芯片、連接內外部電路及散失工作熱量[5]。因此對于引線框架銅合金來說，其特點是要具有良好的導電性和一定的強度。

1.2 合金系及強化特征

引線框架銅合金開發和生產品種已達70 余種[6]，主要有Cu-Fe-P 系、Cu-Ni-Si 系和Cu-Cr-Zr 系合金等，并以Cu-Fe-P 系合金為主。作為第一代銅基引線框架材料Cu-Fe-P 系合金按照性能特點分為高導電類，其沉淀硬化的金屬間化合物為Fe2P[7]和中導電中等強度類材料，其沉淀析出相為Fe2P 和單質Fe[8-9]，以C19210（KFC）及C19400 為代表，約占銅基框架材料的80%以上。其中C19210 最多，目前約占該系列合金市場份額的70%～80%。第二代銅基引線框架材料Cu-Ni-Si 系合金的時效強化效應是Corson[10]在1927 年發現的。該系合金通過固溶和時效處理后可實現強化，其析出強化相是δ-Ni2Si[11]，以C70250 為合金代表，近年來已實現國產化和產業化，替代了進口。而第三代銅基引線框架材料Cu-Cr-Zr 系合金為高強、高導合金，是目前研制的唯一能夠滿足超大規模集成電路性能要求的框架材料[12]，根據合金中Cr 和Zr 含量的不同，可以在固溶體中單獨析出Cr2Zr 相或同時析出β 相與Cr2Zr 相，可以產生明顯的析出強化效果[13]，材料性能可同時滿足導電率為80%IACS 以上和抗拉強度600 MPa 以上，且折彎性能優良，綜合性能好。日本早已開發出Cu-Cr-Zr 系合金非真空鑄造技術，并開發出幾種高強高導Cu-Cr-Zr 合金框架材料，且實現了產業化，最具代表性的合金是OMCL-1[14]。該合金經過時效處理，析出Cr 相和Cu3Zr 相顆粒，強化后合金的抗拉強度達到610 MPa，電導率為82.7%IACS[15]。而目前國內Cu-Cr-Zr 合金非真空鑄造技術工業化才剛剛開始，其帶材產品多用于連接器，在引線框架上的應用還未見報道。

除此之外，近年來，國內還開發了一些小眾牌號的框架材料，如高銅類的Cu-Ni-Sn 合金、Cu-Sn 合金、微合金化的Cu-Cr-Ti 合金等。表1 列舉了不同合金系各種牌號的化學成分、物理及力學性能。

2 蝕刻加工工藝

2.1 蝕刻加工的原理

蝕刻型引線框架與傳統的沖壓引線框架不同，是利用光刻腐蝕的方法來制作引線框架的。其基本原理是：利用化學感光材料的光敏特性，在金屬基片上形成抗蝕圖形掩膜，通過腐蝕劑腐蝕部分金屬，得到所需產品。其方法和印制電路板的腐蝕加工類似。

2.2 蝕刻加工的工藝流程

蝕刻加工分為全蝕刻和半蝕刻兩種。蝕刻加工法分為貼膜制備和蝕刻成型兩大步驟。具體工藝流程如下：

進料→材料清洗→貼膜→曝光→顯影→蝕刻→去膜→清洗防變色→自動檢驗→收料

表 1 銅基引線框架材料的主要合金牌號及性能[16]Tab.1 Main alloy grades and properties of the copper-based lead frame materials[16]

2.3 蝕刻加工的特點

蝕刻法與沖壓法相比具有如下優點[17]：

（1）可以制作沖壓法無法加工的高密度引線框架，如大規模、超大規模和超小型集成電路用引線框架。

（2）省去了沖壓所用的磨具，只需設計制作底片圖版，首次投資費用大大降低，約為沖制模具費用的1%～2%，大大降低了新品開發費用。

（3）新品開發周期縮短10～15 天，甚至1 個星期。修改設計時，只需重新制作底片，方便易行。

（4）沖壓出的引線框架存在應力和毛刺，易增加引線框架封裝后的引線斷裂、靜電擊穿而造成的時效幾率。蝕刻法則不存在這些因素。

蝕刻法在具有上述優點的同時，也對用于蝕刻的銅帶產品提出了較沖壓法更高的技術要求。

3 蝕刻型引線框架帶材的技術要求

3.1 蝕刻型引線框架帶材的技術要求

蝕刻型引線框架用銅合金帶材除了要滿足沖制型引線框架帶材的所有技術指標外，對帶材產品的板形、殘余應力、表面缺陷等[18]均提出了更高的要求，基本代表了引線框架帶材加工的最高技術水平。表2 列舉了目前蝕刻型引線框架用典型銅合金的主要性能指標。表3 為蝕刻型銅合金帶表面及板形技術要求。從表2 可以看出，蝕刻型銅帶均為中高強度合金，軋制時，變形抗力偏大，這為帶材在軋制時板形和殘余應力的控制增加了難度。從表3 中可以看出，蝕刻型帶材在帶材板形和殘余內應力方面要求更為嚴格，因此蝕刻型銅帶核心質量首先是宏觀板形要達標，其次蝕刻后產品不產生翹曲，即殘余內應力小。

表 2 蝕刻型銅合金的主要性能指標Tab.2 Main performance indexes of the etched copper alloys

3.2 蝕刻型銅帶板形及內應力控制

蝕刻型銅帶屬于中、高強度超薄帶材，一般厚度為0.300 mm 以下，代表厚度有0.254，0.203，0.152和0.127 mm。帶材成品軋制一般選用6 輥或20 輥高精度、高速度進口軋機，雖然這些軋機基本都有板形在線檢測裝置和厚度精度的質量流控制手段，但由于其板形測量是在較大張力下進行的，因此在線測量板形與實際板形還是有很大的差別，斷面厚度差微小，但有不均勻變形產生的帶材殘余內應力較大。圖2 為某公司軋機在線檢測板形圖，圖3 為某公司0.254 mm 厚帶材斷面差掃描截圖。

表 3 蝕刻型銅合金帶表面及板形技術要求Tab.3 Technical requirements for the surface and plate shape of the etched copper alloy strip

在帶材加工過程中，不均勻變形是一定存在的，只是大小程度不同，如何在軋制過程中控制宏觀板形是蝕刻型銅帶加工技術的核心之一。同時，在帶材軋制后的熱處理及拉彎矯等矯正板形和消除殘余應力等過程中，如何更好地改善板形，消減殘余應力及改善殘余應力分布的不均勻是蝕刻型銅帶加工的第二個技術核心。

4 蝕刻框架帶的研制進展及存在問題

圖 2 軋制過程在線檢測圖Fig. 2 Online inspection chart of the rolling process

圖 3 軋制帶材斷面差掃描圖Fig. 3 Scanning image of the cross-section difference of the rolling strip

4.1 研制進展

國內銅基引線框架材料的研發起步于20 世紀90 年代，經過了近30 年的努力，從模仿生產到跟進研制，再到自主創新，滿足了不斷發展的電子工業的需求。目前用于沖制集成電路、分立器件、功率器件及LED 產品使用的C19210、C19400 等銅合金帶材，均基本實現了國產化及產業化。國內蝕刻引線框架應用市場起步較晚，附加值較高（其加工費約為國內沖壓引線框架銅板帶的3～5 倍），銅帶企業都很感興趣，但因目前市場需求還不大，重視度及投入力度不夠大，未形成產業化能力。國內主要的框架材料生產廠家如晉西春雷、中鋁洛銅及博威、興業等企業都對蝕刻用的框架銅帶進行了研制開發。

目前，全蝕刻產品基本實現國產化，處于改善和穩定階段。半蝕刻產品還處于研制開發階段，僅能小批量供貨，且質量不穩定，未完全實現國產化，還主要依賴從德國、日本及韓國進口。

4.2 市場情況

蝕刻加工具有沖制加工不可比擬的工藝優勢，其優勢將隨著電子信息技術的發展更加突出，將為其帶來良好的發展前景。國內寧波康強、天水華洋、東莞品質等均有蝕刻型引線框架生產線，月使用銅帶量20～100 t，且均有擴產計劃。目前還有多家電子企業正在新上蝕刻加工生產線，蝕刻型框架銅帶市場前景向好。

4.3 存在的問題

蝕刻產品存在的主要問題是表面質量、板形及殘余應力等技術指標不穩定，與國外產品存在較大差距，特別是半蝕刻產品，還有待于技術突破。主要表現在：

（1）全蝕刻產品質量有待改善：雖然全蝕刻基本實現了國產化，但存在質量不穩定問題。除了表面的共性問題外，主要是帶材的板形還有待改善，需要提高軋機軋制板形控制技能水平，不能完全依賴拉彎矯；同時需要提高整體質量管理水平，以穩定帶材表面質量。

（2）半蝕刻產品技術有待突破：半蝕刻產品對帶材的殘余應力要求更高，首先需要突破帶材高速軋制板形控制技術，嚴格控制在軋制階段的不均勻變形和退火不均造成應力分布不均，降低帶材軋制固有內應力及其分布的不均勻性；同時在軋機控制板形良好的情況下，突破殘余應力消減等核心技術，改善殘余應力分布狀態及其均勻性，實現半蝕刻的低殘余應力要求。

（3）殘余應力檢測方法有待建立。目前行業內，還未建立蝕刻用帶材的殘余應力的檢測方法及檢驗標準。由于國外的技術封鎖，下游蝕刻加工的用戶不能提出具體的內應力檢測方法和驗收標準，每個銅帶生產企業都在自己摸索自己的方法，而這些方法由于與下游用戶不對等，造成了對產品合格判定的較大偏差，影響了研制的進度和效果。急需下游用戶和帶材生產廠家建立聯合機制，共同研發蝕刻型帶材殘余應力的檢測方法，共同建立產品殘余應力的技術標準。

5 結 論

在電子信息技術蓬勃發展的今天，對電子用的基礎材料提出了更高的要求。而對關鍵性基礎材料的國產化，實現完全的替代，是擺在每個企業面前迫在眉睫的問題。蝕刻加工作為一種高密度、小型化引線框架不可替代的加工方法，將迎來其發展的高峰，其市場前景將會大大促進蝕刻型銅帶的研制步伐和進度，在不遠的將來將會像沖制材料一樣全面實現替代進口，實現產業化。