引线框架是借助于键合材料(金丝、铝丝、铜丝或连接铜条)实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接,形成电气回路的关键结构件,起到和外部导线连接的桥梁作用。引线框架采用机械冲压或化学蚀刻的方式实现大规模生产。
理想的引线框架材料,必须满足以下特性:①导热、导电性能好,以便能通过较大的电流并能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去。②足够的强度、刚度和成型性。一股抗拉强度要求大于450兆帕,延伸率大于4%。③较低的热膨胀系数,良好的匹配性、钎焊性、耐蚀性、热耐性和耐氧化性。④平整度好,残余应力小,加工后不变形。⑤易冲裁加工,且不起毛刺。⑥成本要尽可能低,以满足大规模商业化应用的要求。
常见的引线框架材料包括铜基引线框架材料和铁基引线框架材料两类。
按合金元素可分为铜铁、铜铬、铜镍硅、铜锡、铜锆5个系列,可通过固溶处理、时效处理等手段达到相应的材料性能。按强化类型可分为固溶型、析出型、折中型;按合金性能指标又可分为高导电铜合金、高强中导电铜合金和高强高导电铜合金。
①高导电铜合金,铜含量大于99%且强度中等偏低。常用的是KFC-1/2H、C1220、C19210,材料性能见表1。一般适用于对导电及散热要求高的场合,例如,功率器件引线框架及其连接条、TO-92分立器件引线框架等,其所用的铜带厚度较厚(≥0.2毫米),一般采用冲压工艺生产引线框架。
表1 常用高导电铜合金材料性能材料牌号 | 抗拉强度 /MPa | 延伸率 /% | 硬度 /Hv | 热膨胀系数/10-6·K-1 | 导电率 %IACS | 软化温度 /℃ |
KFC-1/2H | 355~430 | 5Min | 100~130 | 17.5 | 85Min | 450 |
C1220 | 275~346 | 5Min | 80Min | 16.6 | 80Min | 320 |
C19210 | 294~412 | 5Min | 100~130 | 17.7 | 90Min | 420 |
②高强中导电铜合金,材料强度较高,抗拉强度大于400兆帕,韦氏硬度大于120,中等导电率(大于10%ICAS)。常用的高强中导电铜合金是C194-H和CAC92,其性能见表2。一般适用于对材料强度要求较高而对导电及散热不是很高的场合,大多数的集成电路引线框架及较薄的分立器件引线框架都使用该材料。例如,DIP、SOP、SOT等系列的引线框架,可用冲压或蚀刻工艺生产,所用铜带材料厚度为0.1~0.3毫米。
表2 常用高强中导电铜合金材料性能材料牌号 | 抗拉强度 /MPa | 延伸率 /% | 硬度 /Hv | 热膨胀系数/10-6·K-1 | 导电率 %IACS | 软化温度 /℃ |
C194-H | 410~480 | 5Min | 130~145 | 17.6 | 60Min | 480 |
CAC92 | 410~570 | 4Min | 140~180 | 16.6 | 10Min | 520 |
③高强高导电铜合金,将低固溶度的合金元素加入铜中,通过高温固溶处理制得。合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体,电导率下降但强度提高。随后的时效处理,使过饱和固溶体分解,大量的合金元素以沉淀相形式析出于铜基体中,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。已开发出的集成电路引线框架用高强高导电铜合金中,具代表性的合金有C7025、KLF-125、C194-ESH和EFTEC64T等,其主要性能参数见表3。高强高导电铜合金材料的强度比42Ni-Fe合金略低,但导电性能好。其价格比其他铜材高,因此多用于薄型材(材料厚度小于0.2毫米),如多排TSSOP、MSOP、TQFP冲压框架以及QFN蚀刻框架。
表3 常用高强高导电铜合金材料性能材料牌号 | 抗拉强度 /MPa | 延伸率 /% | 硬度 /Hv | 热膨胀系数 /10·K-1 | 导电率 /%IACS | 软化温度 /℃ |
C7025 | 600~725 | 5Min | 180~220 | 17.6 | 35Min | |
KLF-125 | 500Min | 8Min | 187~210 | 17.0 | 30Min | 525 |
C194-ESH | 500~570 | 5Min | 150~170 | 17.4 | 60Min | |
EFTEC64T | 490~530 | 10 | 160~195 | 17.0 | 70Min | |
主要包括42Ni-Fe合金和铁质引线框架材料。
①42Ni-Fe合金,含42%镍和58%铁,其特点是强度高(约为一般铜材的2倍)、韧性好,热膨胀系数小,接近于芯片的热膨胀系数,有利于后续封装。但其导热率、导电率较低,不宜用于有功耗要求的产品。42Ni-Fe合金曾经是引线框架的主要材料,但从20世纪90年代起被铜合金框架材料大量取代。现主要用于高可靠性要求的陶瓷封装产品以及厚度为0.1~0.15毫米的薄型精密塑封引线框架上。
②铁质引线框架材料,生产原料主要是SPCC、SPCD、SPCE冷轧钢带,成本比铜合金及42Ni-Fe合金低,韦氏硬度为115~150,材料厚度0.2~0.4毫米,其机械加工特性均能满足引线框架的要求,但其导电率及导热性较差,只能用于低功耗产品。另外,铁材的耐蚀性差,必须配合强化的表面处理技术(一般是电镀)来提高引线框架的耐腐蚀性及可焊性。主要用于低端消费的冲压引线框架。