KFC铜带生产工艺
黄国杰 等:KFC 引线框架铜合金带材的生产工艺研究 2207
KFC 引线框架铜合金带材的生产工艺研究*
黄国杰,谢水生,闫晓东,涂思京,李兴刚
(北京有色金属研究总院,北京 100088)
摘 要:引线框架用铜带是集成电路的重要基础材料。KFC 合金是具有代表性的高导电引线框架材料之一。本文在分析和比较国内厂家生产的KFC 引线框架铜带与韩国优质KFC 样品的性能和指标的基础上,进一步分析研究了不同熔铸工艺、水平连铸工艺、轧制工艺及热处理工艺对KFC 引线框架材料组织和性能的影响。分析结果将对优化KFC 引线框架带材的生产工艺提供依据。
关键词:引线框架材料;铜合金;KFC ;组织性能;
生产工艺
中图分类号:TN405.96 文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2004)增刊-2207-04
度型、低导电中强度型和高强度型;按合金的成分分类,主要有铜-铁-磷系、铜-铬-锆系、铜-镍-硅系和铜-银系等。
虽然铜合金引线框架材料种类繁多,但是目前大量使用的只有KFC 、C1220和Cl94三种。其中Cu-Fe-P 系的KFC (Cu-0.1Fe-0.03P )是最具代表性的高导电材料之一,其导电率≥85%IACS,强度约400MPa ,硬度HV120左右[1,2]。
铜合金引线框架材料的生产水平代表着一个铜加工企业技术水平的高低。目前,国内主要有四家企业生产引线框架用铜合金带材,但普遍存在生产规模小、品种规格少、质量精度差等问题,与国外同类产品相比,还存有较大差距。国产框架材料大都用于低端产品,而用于高端产品的引线框架材料几乎完全依靠进口。不仅使国家每年花费大量外汇,而且也制约了我国电子信息产业,尤其是集成电路制造业的生产和发展。需要从各个工序着手解决问题,本文仅从熔铸工艺、轧制及热处理工艺等方面,对广泛使用的高电导材料KFC 的组织、性能进行了研究,并将两家国内公司生产的KFC 样品与进口样品进行了对比分析,为进一步提高我国引线框架铜带生产的技术水平,缩小与国际先进水平的差距,促进引线框架材料的国产化提供参考[1]。
1 引 言
集成电路(IC )是现代电子信息技术的核心,是现代科学技术发展的重要标志之一。集成电路的基础材料包括芯片、引线框架和封装材料,其中引线框架起到支撑芯片、连接外部电路和散热的作用。随着集成电路向大规模、超大规模以及线路高集成化、高密度化方向的迅速发展,引线框架也向短、小、轻、薄方向发展,这就要求引线框架材料具有高强度、高导电导热性以及良好的焊接性、耐蚀性、加工成型性、塑封性能、光刻性、抗氧化性等一系列综合性能。铜合金以其优异的综合性能而成为重要的引线框架材料,目前,铜合金引线框架材料已经占到总量的80%左右。
铜合金引线框架材料主要是采用复杂合金化原则,通过向铜中加入少量、多元的合金元素,在小幅度降低导电率的前提下,提高合金的强度和综合性能。添加元素在铜中的固溶度随着温度降低有很大变化,利用固溶强化和沉淀强化达到高强度高导电的目的。目前,国内外开发的引线框架用铜合金已有百余种,按材料的性能基本可分为高导电型、中导电中强
2 国产KFC 引线框架带材样品与韩国
KFC 样品的对比研究
2.1 主要厂家KFC 产品成分、力学性能、导电率对比
国内某A 、B 两企业和韩国丰山公司的KFC 产品的主要成分、力学性能及导电率的实测数据如表1所示。
* 资金项目:国家863计划资助项目(2002AA3Z1000)
收稿日期:2004-05-25 通讯作者:谢水生 作者简介:黄国杰(1979-),男,河北衡水人,在读硕士,现就读于北京有色金属研究总院,师承谢水生教授,从事铜合金引线
框架材料的研究。
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表1 3个厂家KFC 产品的主要成分、力学性能及导
电率
Table 1 The comparison of composition, mechanical
and conductivity performance of KFC alloy products from different manufactures
样品 主要成分力学性能(1/2H) 导电率
来源 σb δ (%) HV %IACSA 公司余量 415 10 125 86 B 公司余量 418 8.5 117 87 韩 国 余量 395
12
125
92
可以看出,A 、B 两企业的KFC 产品的主要成分含量和韩国公司的区别不大,韩国产品的抗拉强度稍低,延伸率和导电率均高于国内两企业,综合性能较好。
2.2 组织性能分析
图1、2分别是国内A 公司和韩国产品的组织金相照片和析出物的SEM 照片,由图中可以看到,国产的KFC 产品与进口的同种产品区别不大。
图1 国内
A
公司产品
(
a )和韩国丰山公司产品(b )
组织的金相照片
Fig 1 Optical microstructure picture of A company(a )
and Poongsan machine company(b )
Cu-Fe-P 系合金的强化方法为析出强化,这种方法是将低固溶度的合金元素加入铜中,通过高温固溶处理,合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体,这一步将使导电率下降,在随后的时效处理中,通过时效使过饱和固溶体分解,大量的合金元素又以沉淀相形式从固溶体中析出,使电导率迅速提高,同时由于时
效析出相的强化作用,强度进一步提高。
关于Cu-Fe-P 系合金强化相各种文献中有不同的说法,有研究指出,对于C194合金,Fe 3P 是强化相;KFC 合金中,Fe 2P 是强化相;也有报道认为,Cu-Fe-P 系合金是靠Fe 单质弥散析出强化;还有一种研究认为是Cu-Fe-P 系合金的强化是Fe 3P 和Fe 2P 共同作用的结果;另外,因为金属化合物的析出,对材料的导电、导热性能的损失较小,有研究也认为,以Fe 3P 或Fe 2P 为主要强化相,对材料导电率降低的影响,比Fe 单质的影响小[3,4]。
图2 国内A 公司产品(a )和韩国丰山公司产品(b )
的SEM 照片
Fig 2 Precipitation grain SEM picture of A company
(a )and Poongsan machine company(b ) 一般的金属化合物的强化相在金相照片中都呈现出黑色的弥散颗粒状,本文将韩国进口的KFC 和A 公司的KFC 产品进行金相和SEM 分析后(见图1、2),发现韩国KFC 几乎没有弥散分布的黑色圆点,在SEM 下观察,很少见白色析出物,用电子探针分析,都不含有P ,并且几乎没有发现较大的颗粒,完全都是弥散分布的微细颗粒,直径都在10nm 左右。这些起强化作用的微细粒子,初步判断为Fe 单质。A 公司的产品从金相上看和国外的区别不大,析出物都比较细小。
3 熔铸工艺对KFC 合金铸态金相组织的影响
熔铸是生产铜合金带材的第一道工序,是材料制
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备成功与否的关键,所以熔铸设备和熔铸工艺的选择十分重要。这对于Cu-Fe-P 系引线框架带材的生产显得更为突出,由于Cu-Fe-P 合金液导热性差、流动性差、易造渣,导致其铸造速度慢、液穴深、易疏松、铸造缺陷较多,而且对水冷强度要求高,另外,铸锭厚度、结晶器振幅等对铸锭质量都有重要影响。这也是法国、美国、中国的台湾地区等很多厂家通过购买铸锭或带坯来生产Cu-Fe-P 系引线框架铜带的原因。 3.1 不同宽厚比的KFC 合金铸造组织
采用中频炉熔炼、水平连铸方法,得到了不同厚度的KFC 合金铸坯,其金相组织如图3所示。由图中可见,上述两种工艺得到的KFC 铸锭的低倍组织(照片1#和2#)无明显区别,均为粗大的树枝晶,未发现疏松、裂纹、夹渣等铸造缺陷;而在较高倍数下(照片3#和4#)可以发现晶内有细小的析出物存在,同时可以发现,3#
样品的晶界有相对较大的颗粒析出[5]
。
1#
2#
3#
4#
图3 KFC铸态组织(1#、3#:17.8×270mm ;2#、
4#:16.3×325mm )
Fig 3 KFC microstructure of casting(1
#、3#:17.8×
270mm ;2#、4#:16.3×325mm
) 3.2 结果分析
根据Cu-Fe-P 相图可以看出,要使之具有良好加工性能,必须使它具有α固溶体组织,而其它相的析出,将不利于后续加工[6]
,对Cu-Fe-P 合金进行固溶处理是获得α固溶体组织的有效途径;另外,根据大量对Cu-Fe-P 系合金的研究结果:高温下,Fe 元素与P 元素以形成Fe 2P 为主,低温下则易于形成Fe 3P ,并在冷却凝固过程中从Cu 中沉淀析出,起到强化作用。特别是通过时效处理,使Fe 2P 向Fe 3P 转变,并形成Fe 3P 的网状结构,起到更好的强化效果。因此,为了提高KFC 的塑性加工性能和沉淀硬化效果,生产过程中应增加固溶处理工序。这对于采用大锭热轧开坯的生产方式来讲,可以在热轧后进行固溶处理,
而对于采用连铸卷坯—冷轧生产工艺来说,则可以在水平连铸过程中实现固溶处理。
由于1#样品的厚度较2#样品大,因此在其它条件相同情况下,1#样品铸造过程中的冷却速度比2#样品小,从而导致1#样品的晶界出现了大颗粒析出物,这样既恶化了材料的塑性加工性能,又降低了后续时效硬化效果。
因此,采用水平连铸法生产KFC 铸坯时,厚度不宜过大,以免降低冷却速度,出现大颗粒析出物;另一方面,由于Cu-Fe-P 合金液具有导热性差、流动性差,液穴深,易疏松等特性,因此铸锭厚度也不能过小。
4 轧制及热处理工艺对KFC 产品微观
组织的影响
由于引线框架铜带对尺寸精度、板型、表面质量、残余应力、机械性能以及物理性能等均有很高要求,因此,生产引线框架铜带不仅要具备现代化的高精度轧机、先进的退火设备、拉弯矫直设备、高精度纵剪
机列,还直接受轧制、热处理等生产工艺及质量控制体系的影响[7]。
本文采用以下两套不同的工艺方案,比较研究了轧制及退火工艺对通过连铸卷坯-冷轧法生产的KFC 框架带材的影响,得到两种不同工艺下的KFC 组织,
如图4所示。
KFC 带材(0.8mm Y2)组织
KFC 带材(0.8mm M)组织
图4 两种不同工艺生产的KFC 组织 Fig 4 KFC microstructure of two different technics
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工艺方案一:
KFC 连铸卷坯铣面(15mm )——冷轧至2.5mm ——钟罩炉退火(630℃/7h)——冷轧至1.0mm ——钟罩炉退火退火(400℃/6h)——轧至0.8mm
工艺方案二:
KFC 连铸卷坯铣面(15mm )——冷轧至2.5mm ——钟罩炉退火(630℃/7h)——冷轧至0.8mm ——连续退火炉退火(760℃)——轧至0.8mm
由于时效前的冷变形可使析出物易于形核,从而加速析出过程,所以时效前通常施加大的冷变形。由图中可看出,采用工艺方案一,得到的Y 2状态制品,加工态组织比较明显,晶粒分布不均匀;采用工艺方案二,退火前晶粒尺寸不够均匀,经过在连续退火炉中760℃退火,出现明显的再结晶组织,效果较好,晶粒的分布也十分均匀。通过比较可以看出,虽然方案一的两次退火时间很长,但效果并不是很好,而方案二采用两种退火相结合的方法,得到的产品组织比较均匀。
对热处理工艺研究结果表明:采用连续高温退火炉退火、钟罩式退火炉时效相结合的处理工艺比较合理。
产品质量不是十分稳定。
(2)生产过程中,为了提高KFC 的塑性加工性能和沉淀硬化效果,应增加固溶处理工序。采用水平连铸法生产KFC 铸坯时,厚度不宜过大,以免降低冷却速度;另一方面,由于Cu-Fe-P 合金液具有导热性、流动性差,液穴深,易疏松等特性,因此铸锭厚度也不能过小。因此需要对厚度进行合理的选择。
(3)采用连续高温退火炉退火、钟罩式退火炉时效相结合的热处理工艺比较合理。 参考文献:
[1]
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. [2]
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5 结 论
(1)国产引线框架用KFC 铜带在导电率、抗拉强度、延伸率方面与从韩国进口的同类产品性能相差不大,基本满足引线框架生产的要求,但在产品综合性能性能方面,还有一定的差距,主要是国产企业的
Technology investigation of KFC copper alloy used for lead frame
HUANG Guo-jie, XIE Shui-sheng, YAN Xiao-dong, TU Si-jing, LI Xing-gang
(Beijing General Research Instit ute for Non-ferrous Metals, Beijing 100088, China)
Abstract :The copper alloy strip of lead frame is the fundamental material for integrate circuit. KFC copper alloy is one of the representative lead frame materials with good electric conductivity. First, the properties of KFC copper alloy produced by domestic and oversea (Korea) company have been analyzed and compared. Then the effects of techniques including melting, casting, rolling and heat treatment technique on structure & property of KFC copper alloy are also discussed in this paper. The above results will be useful for producer to improve and optimize the production technology.
Key words:lead frame material;copper alloy;KFC ;structure and property;production technology