电子经络：引线框架的尖端探索（一），本期内容探讨了引线框架的基本概述、工艺技术和产业链。首先定义了引线框架及其在半导体封装中的关键作用，接着分析了引线框架的分类和材料要求。在工艺技术部分，介绍了冲压式和蚀刻式两种主要的引线框架制程技术，并讨论了它们的核心关键点和挑战。产业链部分则概述了引线框架的上游原材料、中游制造环节和下游封装环节，强调了铜合金在原材料中的重要性以及铜价对引线框架厂商毛利率的影响。

　　引线框架(Lead Frame)、封装胶和金线是半导体封装领域的三种重要原材料。在这三者中，引线框架扮演着重要的角色。引线框架，也被称为“框架”、“支架”或“引线架”。

　　引线框架作为集成电路的芯片载体，主要由芯片焊盘（die paddle）和引脚（lead finger）两部分组成，是借助于键合材料（金丝、铝丝、铜丝）使芯片内部电路引出端（键合点）通过内引线与外引线的电气连接，形成电气回路的关键结构件。

　　引线框架的主要功能在于负载芯片，提供电气传导路径，将集成电路内部信号传输至晶圆封装的外部，作为IC电路之间相互连接的通道，以在IC与印制电路板(PCB)之间构建桥梁。

　　由于二极管等功率元件在将交流电能转换为直流电能方面起着关键作用，其终端应用产品包括个人电脑、笔记本电脑、游戏机等消费性电子产品，以及在车辆半导体领域中的电动机逆变器、变压器、电池管理系统、车载充电器，还有通信设备如5G基站等。此外，它们还与家电、节能等工业领域相关。可以说，其应用领域非常广泛。因此，引线框架市场的规模与全球经济发展呈现高度正相关关系。

　　引线框架是半导体封装行业中重要的材料，是芯片以及印刷电路板之间的媒介；引线框架根据应用领域可分为IC引线框架和LED引线框架，而引线框架类型又可进一步分为IC模块式和分离元件式。无论是哪种类型的引线框架，原材料中铜合金的成本都占据最高比例(60-80%)。

　　IC模块式引线框架主要用于半导体封装，其终端应用包括通信和电源管理；分离元件式引线框架主要用于晶体管和二极管，其终端应用为各种功率元件。

　　LED引线框架均为分离元件式引线框架，主要用于LED制造，其终端应用涵盖照明相关需求和面板制造。

　　IC的许多可靠性性能都是由封装的性能决定的，引线框架为芯片（或管芯）提供电通路、散热通路、机械支撑等功能，IC封装要求其必须具备高强度、高导电、导热性好、良好的可焊性、耐蚀性、塑封性、抗氧化性等一系列综合性能，因而对其所用材料的要求也十分苛刻，所用材料的各项性能指标的优劣，最终都将直接影响IC的质量及成品率。其材料应满足下列特性要求：

　　（1）导电、导热性好，伴随芯片集成度的提高，尤其是功耗较大的IC，芯片工作时发热量增加，要求引线框架能及时向外散发热量。良好的导电性可降低电容和电感引起的不利效应。材料导电性高，将使引线框架上产生的阻抗小，也利于散热。

　　（2）较高的强度和硬度，冷热加工性能良好，抗拉强度至少为441Mpa(45 Kgf/mm2)，尤其是薄形化的材料强度要求高，延伸率不小于5%，硬度Hν应大于130。

　　（4）耐热性和耐氧化性好，热稳定性优良，耐氧化性对产品的可靠性有很大影响，要求因加热而生成的氧化膜尽可能小。

　　（6）较低的热膨胀系数CTE，并与封装材料的CTE匹配，确保封装的气密性。

　　（7）弯曲、冲制加工容易，且不起毛刺；弯曲、微细加工的刻蚀性能好，适应引线框架加工制作方法多样化需求。

　　（8）表面质量好，可焊性高，为提高可焊性，需要采取镀锡、镀金或镀银，电镀性好。

　　以上要求可归纳为：一次特性、成形特性、二次特性，引线框架材料要具有物理、机械、化学等多方面特性。以铜为基体的复合材料因其高强度、高导热和低廉的价格，而日益受到重视。

　　第一阶段是20世纪70年代铜基引线框架材料发展的初期，以导电率≥80%IACS的高导电材料为主，但其强度只有400MPa左右，此类铜合金以添加低Sn、低P、低Ag或低Fe为主，如Cu-P系列的C1220，Cu-Fe系列的KFC等。

　　20世纪80年代起为第二阶段，利用添加少量可固溶时效析出强化相的元素进行合金化，在不显著降低导电率的同时，提高材料的强度，称为中导、中强合金，导电率为60%～79%IACS、抗拉强度达到450～600MPa，以高Fe合金元素为主，再加入Si、N、P、Cr等其它强化合金，如Cu-Fe-P系列的C19400等。

　　第三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%IACS左右、抗拉强度达到600MPa以上，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，全球对铜合金引线框架材料的研究焦点已经转至那些具备抗拉强度超过650MPa与导电率超过80%IACS，或是抗拉强度超过900MPa与导电率超过50%IACS的铜合金上。下表总结了目前国际市场上广泛使用的几种引线框架用铜合金牌号以及其性能参数。

　　引线框架根据制程技术可以分为冲压式和蚀刻式两种，冲压式是目前主流的引线框架制程，适用于功率和LED引线框架；蚀刻式目前主要应用于较先进的半导体封装。

　　冲制成型生产工艺主要包括三个环节：精密模具及喷镀模制作、高速带料精密冲制和高速选择性电镀、切断校平等。根据生产经验，引脚数少于100pin的引线框架适合采用冲制型生产工艺。

　　注：在半导体封装领域，“pin”指的是引脚，它是引线框架上用于连接半导体芯片和外部电路的导电部分。引脚数是指引线框架上引脚的数量，这个数量直接影响了半导体器件的电气连接能力和信号传输能力。

　　冲压过程在引线框架生产中提供了众多的好处。首先，它确保了精确性，保证每个引线框架都是相同的，这对于大规模生产至关重要。此外，冲压在大量生产引线框架时是具有成本效益的。该过程也是可适应的，允许在不对生产线进行重大改造的情况下进行设计修改。

　　虽然冲压有其优势，但它并非没有挑战。材料浪费、设备维护和确保持续的质量可能会带来问题。然而，随着技术的进步，已经开发出了解决这些挑战的解决方案，如精密模具、先进的监控系统和自动化质量检查，确保冲压过程保持高效和可靠。

　　由于制程的不同，引线框架的应用领域也会有所差异，而不同的集成电路需要采用不同的封装方式，因此引线框架的使用也必然会有所不同。目前引线框架有两种制程方式，化学蚀刻(Etching)和机械冲压(Stamping)，它们通过在铜合金或铁镍合金片上将集成电路引脚的形状压印成型于集成电路上。

　　冲压式仍然是主流的引线框架制程，功率和LED引线框架都属于这种制程。蚀刻式目前主要应用于较先进的半导体封装上，半导体封装引线框架属于这类制程。

　　在微小化和多引脚的平面式IC封装产品中，主要采用化学蚀刻的方式。首先使用激光描绘机（激光光罩）进行光罩制作，然后使用干式（使用光刻胶）和湿式（使用显影液）显影剂分别涂抹在铜合金或铁镍合金等材料上进行显影。接下来将其浸泡在化学蚀刻液中进行蚀刻。其中包括QFN(无引脚封装)和QFP(引脚封装)两种技术，特别是QFN在未来将成为IC基板的主流封装形式。

　　然而，由于产品需求的特殊IC封装和部分高精密汽车用IC组件，半蚀刻(Half-Etching)制程也开始大量采用。最早使用的制程是机械冲压，它在铜合金片或铁镍和芯片上将集成电路引脚的形状压印成型，但需要制作定制模具，成本较高。其优点是可重复使用，主要应用于需要立体化、定制化和强调导电性能的高功率产品，例如电源相关产品。

　　使用引线框架的主要优势之一是它们为半导体封装提供的显著性能提升。通过确保芯片与外部电路之间的稳定和高效连接，引线框架促进了更快的数据传输并减少了信号损失。它们的设计，特别是引线的布局和间距，可以优化信号路径，最大限度地减少干扰并确保更清晰的通信。此外，通过帮助有效散热，它们确保芯片在不过热的情况下最佳地工作，从而延长了设备的使用寿命。

　　随着技术的进步，人们不断地推动设备变得更小、更紧凑和更高效。这种对小型化的追求为引线框架的设计带来了机会和挑战。一方面，更小的设备意味着引线框架需要更精确、更紧凑和更精细地设计。这可能导致确保引线框架仍然坚固、高效并能够有效管理热量的挑战。另一方面，它推动了创新，导致了可以满足这些需求的新材料、设计和制造技术的发展。

　　将引线框架无缝集成到半导体封装中并非易事。挑战不仅在于确保引线框架完美地适应，还在于确保它与其他组件有效地接口。连接技术需要精确，以防止任何错位或松动连接，这可能会损害设备的性能。此外，随着半导体封装变得更加复杂，不干扰其他组件或路径地集成引线框架变得是一种微妙的平衡行为。这需要深入了解整个设备的架构和整体的设计方法。

　　引线框架产业链上游为制造原材料，中游为引线框架制造环节，下游为封装环节；上游方面，铜为成本占比最高的原材料，对中游厂商毛利率影响较大，中游方面IC引线框架更具增长潜力。

　　IC引线框架的制造原料主要是铜合金，占比高达80%，其余部分包括铁镍、化学液体和塑料等原料。而LED引线框架主要使用铜合金和镍铁合金，在经过冲压成型后进行电镀处理而成。

　　引线框架制造商在生产过程中使用大量的铜材，因此引线框架的报价包括铜材成本和加工费用。铜价的涨跌与引线框架厂商的毛利率呈正相关。而通过自制铜材以稳定原材料供应和应对原材料价格波动，能够缩小铜价对引线框架厂商毛利率的影响幅度。

　　引线框架制造商在生产过程中使用大量的铜材，因此引线框架的报价包括铜材成本和加工费用。铜材的供不应求，也导致引线框架厂商在与下游客户的谈判中拥有更多议价空间，当铜价上涨时可以调高售价。引线框架的报价通常是基于上月铜均价加上加工费来确定的。例如，在2023年1月，顺德公司针对铜价上涨，将2月和3月的售价上调约10%（每公吨铜均价：2023/1月：9,000美元，2022Q3：7,734美元，2022Q4：8,367美元）。由于大多数厂商的库存周转天数约为三个月，所以当铜价上涨时，报价上升，销售的产品仍是基于较低铜价时的库存，这将导致毛利率上升；相反，当铜价下跌时，报价下降，毛利率也随之下降。因此，铜价的涨跌与引线框架厂商的毛利率呈正相关。

　　在引线框架行业的三大主要制造商中，顺德公司于2011年率先开始自行生产铜合金，界霖公司则在2014年开始自行生产铜合金，而长科公司则没有自产铜合金，完全依赖日本、德国和韩国的进口供应。

　　目前，生产引线框架用合金带材的传统方法是冷型半连续铸坯-热轧-高精度冷轧法，其制备工艺流程如下图所示。

　　该工艺主要有三个工序：一是熔炼与铸造，目的是按合金成分要求进行合金化和精炼，获得成分、组织和性能符合要求且具有一定形状和尺寸的铸坯；二是热轧，目的是充分利用金属的高温塑性和低变形抗力，破碎铸态粗大晶粒，愈合显微裂纹，消除铸造缺陷，改善加工性能，同时实现在线固溶，为获得良好的综合性能打下基础；三是形变热处理，目的是获得最终所需的组织、性能及尺寸的产品。

　　该工艺可充分利用合金的高温塑性，显著降低铸坯轧制变形抗力，生产大卷重和大规格尺寸的带坯。但热轧设备投资大、维护成本高、占地面积大，造成带材生产成本较高。铸锭加热和热轧过程中表面所形成的氧化皮也是生产过程中很难避免的损失，降低了成品率。热轧过程晶粒破碎严重，易出现合金元素偏析、析出相粗大和组织取向杂乱等，导致力学性能和导电性能难以满足更高使用要求。

　　冷型上引连铸杆坯-连续挤压-高精度冷轧法的工艺流程如下图所示。该工艺采用连续挤压法可生产无限长的“T”型、“W”型等不同截面和不同形状的引线框架用合金异型带材。

　　与冷型半连续铸坯-热轧-高精度冷轧法相比，其生产过程得到一定程度的简化，去除了热轧开坯和粗轧等工序，提高了生产效率。但采用上引连铸技术制备的铸坯气孔和夹杂缺陷较多，挤压过程中铜料的充不满、黏模、模具磨损等问题也比较突出。冷型连铸杆坯经过连续挤压后加工硬化速率较大，冷乳单道次变形量较小，加工道次、中间退火次数较多，组织取向杂乱，晶粒破碎和析出相粗化严重，导致综合性能仍然较低。

　　粉末冶金法主要采用Cu，Ni和Si等的单质混合粉末为原料，直接将其喂入轧机，轧制出很薄的板坯，之后再对板坯进行烧结、轧制/锻造和退火等处理，制备出综合性能优异的引线框架用Cu-Ni-Si合金板材。该方法虽然工艺简单，流程短，但成本较高。

　　双辊铸轧法是将连续铸造与轧制结合在一起，能够将材料直接从液态铸轧成厚度1~10mm的薄带。该方法减少了热轧和挤压工序，缩短了生产工艺流程，提高了生产效率。然而，Cu-Ni-Si合金在大气条件下熔炼和铸乳容易发生氧化，氧化夹杂在乳制过程形成裂纹源容易导致带材开裂。高温熔体在铸轧过程中出现的氧化夹杂较多，也显著降低了Cu-Ni-Si合金的力学性能。

　　冷型连铸带坯-直接冷轧法即冷型连铸铜带、冷轧和中间退火的生产方法。该方法同样减少了热轧和挤压工序，缩短了生产工艺流程，且避免了高温熔体轧制过程中发生的氧化。冷轧设备简单，投资较小，有利于降低生产成本。带坯直接冷轧加工还可以避免杆坯连续挤压导致的粘模和夹杂等问题。

　　来源：廖万能,引线框架用高性能Cu-Ni-Si合金带材制备短流程制备工艺与组织性能研究

　　通常情况下，高强度和高导电性相互冲突，提高强度就会不可避免地损害合金的导电性。在强度和导电性之间找到一个良好的平衡点成为制备引线框架用高强度高导电铜合金带材的关键。

　　引线框架材料中的铜合金材料与普通的铜合金材料之间存在着巨大的差异性，制作引线框架的铜合金材料必须要具备良好的导热性能以及导电性能。同时，其本身的强度又应该高于一般的铜合金。许多加工厂选择在同材料中加入了多种微量元素，用来进一步提升铜合金材料的整体强度，但是在加入微量元素的过程中，又不能降低铜合金材料的导电性能以及导热性能。因此，在生产过程中所有微量元素的加入都应该满足以下几项条件。

　　首先，在高温条件下，铜材料本身就具有较大的固溶性，因此在加入其他元素时，应该考虑在常温条件下尽可能地降低或减少这种固溶性带来的材料消耗。其次，铜材料在加工过程中本身的固溶性会随着周边温度条件的变化而发生较大的波动。例如，在同材料中加入微量铁元素，当加工温度处在1094℃时，其本身的固溶度就能够达到4%。但是在常规的室温条件下这种铁元素材料几乎不固溶于铜。再次在同材料加工过程中加入适量的零元素材料，就能够使原本的铁元素以铁二磷的形态被析出，这也能够使得铜合金材料的强度更高。同时还能保障铜合金材料的导电性能。

　　材料向高强、高导电、低成本方向发展，在铜中加入少量的多种元素，在不明显降低导电率的原则下，提高合金强度（使引线框架不易发生变形）和综合性能，抗拉强度650MPa以上，导电率大于80%IACS是研发热点。并要求铜带材向高表面，精确板型，性能均匀，带材厚度不断变薄，从0.25mm向0.15mm、0.1mm逐步减薄，0.07-0.15mm的超薄化和异型化。

　　制作引线框架材料的铜合金材料相比于普通的铜合金材料来说，最大的区别就在于这种材料具有较高的精度以及极小的残余应力，属于一种高精度的铜合金产品，这种铜合金材料也正在朝着超薄的制作方向发展。当前，我国市场上制作引线框架材料的铜合金材料，已经能够将厚度控制在0.08到0.38mm内，这种材料不仅厚度较薄，同时整体的强度以及导电性能也较高。

　　程式化逻辑控制器PLC与新能源汽车是引线框架下游应用两个重要的增长领域，市场具备增长性与成长性伴随PLC与新能源汽车行业的发展，引线框架需求将迎来放量。PLC方面，程式化逻辑控制器(PLC)被广泛应用，其所使用的微处理器、存储器、电源模块等组件都需要进行封装，其中引线框架发挥着重要作用，需求随之增长；新能源汽车方面随着电动车需求和渗透率的不断增长，传统汽车中使用的车用引线片，而电动车的使用量已增加到2000片以上。这种趋势将进一步推动功率半导体市场的持续增长。

　　在PLC（程式化逻辑控制器）中，引线框架主要应用于微处理器、存储器、电源模块等组件的封装。这些组件是PLC的核心部分，负责执行逻辑运算、数据存储和电源管理等功能。引线框架在这里发挥着重要作用，它通过键合材料（如金丝、铝丝、铜丝）实现芯片内部电路引出端与外部导线的电气连接，形成电气回路，从而确保PLC的正常运作和信号传输。

　　PLC作为工业控制的核心，其市场需求随着工业自动化和智能制造的发展而增长。PLC企业采用多元研发模式，通过销售预测和订单决定生产，多以经销为主直销为辅。原材料工业的持续向好，汽车生产制造的止跌回升，以及机械制造业和电力工业的较快增长势头，都为PLC市场提供了长期发展的动力。

　　在新能源汽车领域，引线框架被广泛应用于功率半导体的封装。电动车中的电池管理系统、电机控制器等关键部件需要更多的功率半导体来实现高效的电能转换和控制，而引线框架则是这些功率半导体封装的重要组成部分。

　　新能源汽车市场正在快速增长，市场渗透率逐年上升。据未来智库，2023年中国新能源汽车渗透率达到31.6%，2024年1-5月渗透率进一步提高至33.9%，5月渗透率更是达到39.5%。新能源汽车的发展推动了对功率半导体的需求增长，尤其是MOSFET和IGBT等器件。预计到2025年，中国车规级IGBT市场规模将达到151.6亿元，车规MOSFET市场规模将达到122.5亿元。此外，随着电动汽车、汽车充电桩和光伏逆变器的发展，功率半导体市场将迎来持续增长。

　　尽管引线框架看似微不足道的组件，但它们在众多设备的功能中起到了关键作用，它们的重要性变得更加明显。

　　智能手机的革命无疑是壮观的。随着这些设备变得更加强大，对紧凑和高效的半导体组件的需求激增。例如，苹果公司凭借其iPhone系列，一直在设备微型化方面不断推动极限。用于iPhone 12系列的A14仿生芯片就是这种驱动力的证明。该芯片使用5nm工艺制造，集成了118亿晶体管。这种芯片中的引线框架经过精心设计，以支持这种级别的微型化，同时确保最佳性能。

　　汽车行业正在经历向电动汽车（EVs）转型的变革。特斯拉等公司正处于这一变革的前沿。例如，特斯拉的Model 3严重依赖先进的半导体组件来管理其电池系统、驱动系统和信息娱乐系统。这些组件中的引线框架不仅为性能而设计，而且考虑到了可持续性。特斯拉致力于减少其碳足迹，这意味着这些引线框架的材料和制造过程是基于其对环境的影响来选择的，从而推动半导体制造中更加可持续的做法。

　　消费电子市场竞争激烈，各公司不断争夺更大的市场份额。三星，作为消费电子的全球领导者，以其创新且经济高效的产品而著称。例如，Galaxy系列智能手机提供了一系列针对各种价位的设备。这些设备中的半导体组件，得到了高效设计的引线框架的支持，证明了三星在性能、成本和可靠性之间取得平衡的能力。通过优化引线框架的制造过程，三星确保其设备在价格方面保持竞争力，而不会牺牲质量。

　　分类包括IC引线框架和LED引线框架，其中IC引线框架进一步分为模块式和分离元件式。

　　引线框架制程技术主要分为冲压式和蚀刻式，冲压式适用于功率和LED引线框架，蚀刻式用于先进半导体封装。

　　冲压式工艺包括精密模具制作、冲制和电镀等步骤，而蚀刻式工艺则涉及贴膜制备和蚀刻成型。

　　引线框架的核心在于提高性能、追求小型化和集成复杂性，以适应集成电路的发展需求。

　　引线框架制造商的竞争力受铜价波动影响，自产铜合金可降低原材料价格波动的影响。