集成电路中的引线框架质量影响分析
于国军，田教锋，孙天祥
（金川镍都实业有限公司）
摘要：
阐述集成电路中的引线框架质量影响，引线框架的作用及性能要求，引线框架加工工艺，探讨铜基合金的对比，C18150强度和导电率符合引线框架的性能要求。通过蚀刻法、冲压法和轧制作为比较发现，引线框架的制作适用轧制加工。
0 引言
引线 框 架 是 生 产 半 导 体 、 集 成 电 路 系 统 以及新型接线端子的专业合金带材，在集成电路系统内起着支承器件、接通外围电路和散热系统的重要功能，是与集成电路系统整体配合的重要结构，在集成电路器件的各装配过程中都具有十分关键的意义。其广泛应用于微电子封装，计算机与外设、网络通信、汽车电子、设备及仪器仪表等领域。
1 研究背景
随着电子信息技术的蓬勃发展向材料进步、薄型化、轻数字化、多能化和智能等方面的推进,传统集成化电路向大规模集成电路和超大规模集成电路的趋势转变,传统集成化电路所采用的铜基导线结构也向导线的微细化、多脚化的趋势演变。近年来国内引线框架行业发展迅速，高端引线框架主要由日本、美国、德国、法国和英国等国生产制造；我国引线框架及专用材料的研发生产时间较短，尤其是高端引线框架的质量、成材率不是很高，与国外相比差距较大。本文介绍了引向框架的作用和要求，及材料和制造工艺对引线框架生产质量的影响，有助于满足我国集成电路引线框架业发展的需要，缩小与发达国家在铜合金引线框架制造方面的差距。
2 引线框架的作用及性能要求
集成电路是现代电子信息技术的核心内容,是现代电子工程、计算机和信息工业开发的重要基础，它主要由芯片、引线框架和塑封三部分组成。集成电路 的 发 展 已 作 为 现 代 科 学 技 术 的 重 要 标 志 ， 自六十年代第一代集成电路问世以来，现已发展到超大规模集成电路(ILSI)和特大规模集成电路(ULSI)时代，它的技术发展已成为一个国家国民经济和国防建设的战略核心。
用作制造集成电路主要结构的引线框架,起着支承器件、保护内部器件、接通外围回路并且向外输出器件所产生热量的功能,所以引线框架材料在集成电路器件的各制造过程中处于至关重要的作用。它随着集成电路向广泛和超大规模及其电路的集成化、高密度化发展而持续地更新换代。
引线框架材料的厚度由0.25mm经历0.15mm、0.125mm.现已降低到了0.08mm，甚至50μm以下。从而作为引线框架的材料，不仅在规格上要求短、小、 轻 、 薄 ， 而 且 要 求 材 料 具 有 更 优 良 的 综 合 性能，需要材料具有更好的尺寸准确度、较好的外观性能和对板型的严格检查,同时也需要材料具有更优秀的导热、导电性能、高的软化处理温度、硬度和更高的强度,还有更好的耐热能、抗氧化能、耐蚀性能、连接稳定性、电镀性能、塑封稳定性、反复弯曲稳定性和工艺成形稳定性等。集成电路引线框架材料的性能向着更高的综合性能方向发展，如高的拉伸强度，导电率，抗软化温度等等。
由于封装体中引线框架所具有的功能，要求其须达到的性能有以下内容。（1）良好的导电性能：由于导线框架可以在塑封体内起到与外面和芯板之间的电流互通的作用,所以需要它要有比较好好的导电性能。现在的晶片工作频段也愈来愈高了,为减小电容和电感等的寄生效果,导电率就对导线架构起到了重要的性能要求,当导电性能越高,抗阻由导线架构的产生就会变小。所以通常来说,比铜材的导电要好。（2）良好的导热性：集成电路使用时,总能产生大量的热能,集成电路的功耗越高,热的产生量也越大,所以在实际采用时需要结构的主要材料必须都具有良好的导热性,不然在实际运行时很容易因为工作温度没有有效下降,而造成对器件的破坏。导热性问题主要可以从这两个方面解决：其一为防止温度过高，可以增加引线框架基材的厚度，其二为了温度可以快速降低，可以选用高导热系数的金属材料。（3）良好的热匹配：由于引线框架与塑性树脂相连接，也与芯片有很小的间隙。因此，防止框架受热膨胀导致芯片损坏，需要材料有比较好的热匹配。（4）良好的强度：引线框架需要一定的抗拉强度，不然在后续的封装过程会导致框架的破损。（5）耐热性和耐氧化性：复合材料耐热性只能用软化温度温加以测定。软化温度是将复合材料加热5min后，当复合材料的硬度改变到原来硬度的80%的温度。一般来说，软化温度在400℃之上时便能够应用。由于材质的耐氧化性对制品的稳定性也有很大的作用,因此需要由于加热过程而产生的氧化膜数量尽可能少。（6）具有一定的耐腐蚀性：受到腐蚀的框架会导致性能的衰弱从而会损害芯片，故框架材料需要一定的抗腐蚀性。总体而言，引线结构的主要作用就是实现为封装设备的支承作用；防止模塑从引线中突然流出，给塑料带来支撑；使晶片连接在基板，增加了晶片与线路板的电及热通路。
3 引线框架常用材料及对性能的影响
目前，用作导线构架中的铜基合金材质，其中Cu-Cr-Zr系有C18150合金、Cu-Fe-P系有C19210合金以及C19400合金，Cu-Ni-Si系C7025合金等多种合金，其中使用最多的是Cu-Fe-P系合金。
由于C19210金属的强度过于低，所以通常只应用于在半导体分立器件上，而C19400在分立器件以及一般IC集成电路上均可以使用。如果是在大规模集成电路中，电路中的集成度很高、能力也更强，所采用的框架材质的硬度也更大，因此C19400无法达到其要求。所以框架材料C7025更适合应用在大规模及超大规模集成电路中。
C7025合金类型为Cu-Ni-Si合金，是一类高硬度、高导电的铜合金，特别是在合金制造的最后阶段使用高温及时间管理。这种方法就像是经过重新压延，使金属的硬度得到一定的提升，而且又提高了金属的导电性能及延伸率。
表1可知,C7025相比C19系列在质量方面有很大的提高。但导电性明显不如C19系列。而C18150合金在硬度明显提高的同时，导电性能也与C19相同，因此C18150硬度比C7025高出了整整一倍，并具备优良的耐磨性、焊接性能以及优异的冷热加工成型性能，代表了引线框架的未来发展趋势。
4 引线框架加工工艺
目前对于铜合金引线框架的制作方式有几种方式：蚀刻法、冲压法和轧制。
（1）冲压是一类金属加工技术,其是构建在金属塑性变化的基石上,通过金属材料模型和冲压装置对板料施以特定压强,使板料内部产生塑性变化或分解,进而得到具备特定外形、体积和功能的零部件(冲压件)。机械冲压法通常采用跳步工具,靠机械力帮助下完成冲切。该种方式所采用的工艺模具较高昂。
（2）蚀刻法：针对微细间隙密封所使用的金属框架,一般都是使用机器蚀刻方式机械加工的,因为机器冲压加工的精确度是根本无法满足用户高密度包装需求的。而金属蚀刻法又称光化学蚀刻,是指在金属材料蚀刻过程中经由曝光、制版、显影等,与光化学溶液相接触后,可以除去金属材料蚀刻区的防护膜,以实现快速溶解侵蚀、产生凸点、或挖空。而且蚀刻法存在废物处理危险和化学用品的成本高等问题。
（3 ） 轧 制 的 主 要 目 的 是 减 少 金 属 的 厚 度 。钢，镁，铝，铜及其合金是通常轧制的材料。由于辊和金属表面之间的摩擦，金属承受高压缩应力。获得了高生产率，晶粒结构和表面光洁度，这使其成为用于诸如钢和铝的板材和薄板等大截面工件的金属成型工艺的合适选择。由于轧机的高刚度，所以可以保证产品的高精度。
由于冲压法成本昂贵，且精度无法满足高密度封装要求。蚀刻法存在化学用品昂贵，废物处理危险等温题。轧制方法可以同时保证产品的高精度，高性能的状况下也不产生危险废物。故引线框架应该选取轧制方法进行制作。
5 结语
本文通过分析集成电路用引线框架的功能，发现引线框架具有导电性，导热性，抗腐蚀性，强度，耐热性，耐氧性等。由于导电能较高的金属主要为铜基合金，因此经过对C18150、C19400、C7025以及C19210的研究，表明C18150合金在硬度明显增加的同时，导电性能也与C19相同，C18150硬度较C7025的硬度相比高出了一倍，并具有优异的耐磨性、焊接性能和优异的冷热加工成型性能。由于冲压的精度不够，成本过于昂贵。蚀刻法化学用品昂贵，废物处理存在危险。轧制可以保证产品的高精度，高性能。故选取轧制作为引线框架的制作是合适的。
