我國(guó)銅板帶年產(chǎn)量350萬(wàn)噸左右，全球約700萬(wàn)噸[圖]

     銅及銅合金具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等優(yōu)良特性，因而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如高強(qiáng)磁場(chǎng)的導(dǎo)體材料、熱交換材料、引線框架材料，接觸導(dǎo)線等，隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)銅和銅合金的綜合性能要求越來(lái)越高。

     銅板帶材是銅加工材中的一個(gè)重要品種，廣泛應(yīng)用于電子、電氣、通訊、儀器儀表、交通運(yùn)輸和機(jī)械制造等各個(gè)領(lǐng)域。特別是隨著現(xiàn)代通訊、電子和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不但其需用量劇增，同時(shí)對(duì)銅帶的質(zhì)量提出了高性能、高表面和高精密度的要求。銅板帶材的消費(fèi)量約占加工銅材總消費(fèi)量的19%，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，其消費(fèi)量呈逐年上升的趨勢(shì)?，F(xiàn)代銅板帶——精密銅帶是當(dāng)前所有銅加工材產(chǎn)品中生產(chǎn)難度最大、最具有活力的高技術(shù)、高附加值產(chǎn)品。

     2018我國(guó)銅材產(chǎn)量為1716萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)15%。其中板帶材消費(fèi)占比約19%，推測(cè)2018年板帶材消費(fèi)量約320萬(wàn)噸。根據(jù)安泰科數(shù)據(jù)，2018年我國(guó)銅板帶產(chǎn)量354萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)8.59%。中國(guó)產(chǎn)量約占全球的50%，由此判斷全球消費(fèi)量約700萬(wàn)噸。不同統(tǒng)計(jì)口徑的數(shù)據(jù)可能存在差異。若按照單噸銅板帶價(jià)格5萬(wàn)元測(cè)算，全球銅板帶市場(chǎng)空間達(dá)到3500億元。

我國(guó)銅材產(chǎn)量維持約兩位數(shù)增長(zhǎng)

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2015-2020年銅材生產(chǎn)量及預(yù)測(cè)

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2015-2020年銅板表觀、帶材消費(fèi)及預(yù)測(cè)（萬(wàn)噸）

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     一、銅板帶發(fā)展史

     1949年全國(guó)銅板產(chǎn)量只有752t，解放后，經(jīng)合并、改造和社會(huì)主義建設(shè)的發(fā)展，至上世紀(jì)70年代，逐步形成沈陽(yáng)、洛陽(yáng)、蘭州及上海四大生產(chǎn)基地和北京、煙臺(tái)、廣州、武漢等一些小企業(yè)。1978年全國(guó)銅板產(chǎn)量為34764t，銅帶產(chǎn)量為38254t。

     上世紀(jì)80年代中、后期起，以洛陽(yáng)銅加工廠、蘇州銅材廠、北京銅材廠和上海有色金屬總公司為代表的國(guó)內(nèi)主要銅加工生產(chǎn)企業(yè)，采用引進(jìn)國(guó)外現(xiàn)代銅板帶生產(chǎn)的工藝技術(shù)和裝備的方式，掀起了第一次銅板帶生產(chǎn)的大規(guī)模技術(shù)改造，生產(chǎn)高精度、大卷重的銅合金板帶材。由于生產(chǎn)技術(shù)的大幅進(jìn)步，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。主要表現(xiàn)為帶材的縱向精度，從原來(lái)的絲米級(jí)，提高到微米級(jí)，帶材的厚度偏差，基本上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

     上世紀(jì)90年代中后期，隨著這些先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和裝備的消化和吸收，國(guó)內(nèi)掀起了第二輪銅板帶生產(chǎn)的技術(shù)改造。這一輪的技術(shù)改造主要以引進(jìn)消化水平連鑄帶坯后冷軋的方式，主要采用國(guó)產(chǎn)的技術(shù)和裝備，其主導(dǎo)產(chǎn)品為高精度黃銅帶和錫磷青銅帶。

     進(jìn)入21世紀(jì)后，為適應(yīng)電子工業(yè)大規(guī)模集成電路用引線框架材料的需要，國(guó)內(nèi)新一輪的技術(shù)改造再次在銅板帶行業(yè)掀起。其特征表現(xiàn)為規(guī)模大、起點(diǎn)高、投資巨大，以瞄準(zhǔn)世界一流水平為目標(biāo)。從投產(chǎn)的幾個(gè)項(xiàng)目所生產(chǎn)的銅及其合金板帶材的產(chǎn)品質(zhì)量，不論是箔繞式變壓器銅帶，超長(zhǎng)高導(dǎo)通訊用電纜銅帶，端子連接器用高性能錫磷青銅帶和黃銅帶，超薄高耐蝕的散熱器用銅帶，以至電子半導(dǎo)體用引線框架銅帶等，產(chǎn)品的質(zhì)量水平均已接近世界先進(jìn)水平。

     經(jīng)歷多年發(fā)展，我國(guó)銅板帶在化學(xué)成分、產(chǎn)品尺寸精度、性能和內(nèi)部組織與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品差別已經(jīng)不大，但在表面質(zhì)量控制上仍與國(guó)外有一定差距。

     根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)銅板帶排加工行業(yè)產(chǎn)能將近462.6萬(wàn)噸，產(chǎn)量354萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)8.59%。2018年綜合產(chǎn)能利用率約75%，較2017年提高2.35個(gè)百分點(diǎn)。

     產(chǎn)業(yè)集中度較低。安泰科選取20家主要銅板帶企業(yè)(不含銅排生產(chǎn)商)，對(duì)其產(chǎn)能、產(chǎn)量情況進(jìn)行重點(diǎn)觀察：總產(chǎn)能172.3萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)10.80%；總產(chǎn)量155.5萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)12.50%；平均產(chǎn)能利用率為67.90%，較2017年小幅提高1.02個(gè)百分點(diǎn)。

     2018-2020年國(guó)內(nèi)合計(jì)將新增產(chǎn)能約96.3萬(wàn)噸，產(chǎn)能將在2018-2020年陸續(xù)獲得釋放，其中2018年投產(chǎn)產(chǎn)能約26.3萬(wàn)噸。銅板帶行業(yè)的產(chǎn)能擴(kuò)張，主要集中在大中型企業(yè)，例如：楚江新材2019年將增加約7.5萬(wàn)噸產(chǎn)能；華中銅業(yè)高精銅板帶箔二期6萬(wàn)噸擴(kuò)建項(xiàng)目已于2018年11月試生產(chǎn)，產(chǎn)品包括框架材料、銅鉻系列材料、錫磷青銅板帶、白銅板帶等；花園銅業(yè)6萬(wàn)噸1320mm超寬幅精密銅板帶項(xiàng)目，2018年底在浙江東陽(yáng)投產(chǎn)。

     二、引線框架引領(lǐng)板帶行業(yè)發(fā)展

     集成電路是現(xiàn)代電子信息技術(shù)的核心，它是由芯片和引線框架經(jīng)封裝而成。作為集成電路封裝的主要結(jié)構(gòu)材料，引線框架在電路中發(fā)揮著重要作用：連接外部電路和傳遞電信號(hào)；向外界散熱，發(fā)揮導(dǎo)熱作用；支撐和固定芯片的作用，其外殼整體支撐框架結(jié)構(gòu)通過(guò)IC組裝而成，保護(hù)內(nèi)部元器件。

     引線框架作為集成電路核心原材料之一，應(yīng)具備以下條件：良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，較高的強(qiáng)度、硬度和高軟化溫度，好的耐熱性、抗氧化性、耐蝕性、焊接性、塑封性能、反復(fù)彎曲性能和加工成型性能等。

     銅合金材料作為電子用引線框架材料，以其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、加工工藝性能和適宜的強(qiáng)度及可鍍性、可焊性、與封裝材料的親和性、較低的成本等，一經(jīng)使用，迅速替代鐵基材料，成為集成電路和半導(dǎo)體分立器件等電子信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵性材料。

     當(dāng)代的電子信息產(chǎn)品向小型化、薄型化、輕量化、高速化、多功能化和智能化發(fā)展，集成電路(IC)向大規(guī)模(LIC)和超大規(guī)模(VLIC)方向發(fā)展，集成電路所用引線框架材料隨之向著引線節(jié)距微細(xì)化、多腳化的方向發(fā)展。目前，集成端子數(shù)為208～304，其形式為QFP、TAB等。國(guó)外預(yù)計(jì)未來(lái)集成電路的端子數(shù)將達(dá)到1000～2000。端子數(shù)的增加要求引線框架材料的厚度也將從原來(lái)的0.25mm逐漸減薄到0.1～0.15mm甚至50μm。

     引線框架厚度的減薄對(duì)引線框架材料的強(qiáng)度和導(dǎo)電性提出了更高的要求。這就要求引線框架材料的各種性能更加優(yōu)異和全面。主要凸顯在以下幾方面：引線框架的微型化要求其應(yīng)具有更高的強(qiáng)度和硬度；集成電路的高集成度、高密度化使其散發(fā)的單位體積熱量更多，這就要求引線框架材料有優(yōu)越的導(dǎo)熱性；鑒于電容和電感效應(yīng)會(huì)造成不良影響，良好的導(dǎo)電性是引線框架材料必須具備的性能。除此之外，還需具備良好的冷熱加工性能，彎曲、微細(xì)加工和刻蝕性能好、釬焊性能好、使用中不發(fā)生熱剝離、電鍍性能好、樹(shù)脂的密著性好等一系列加工特性。理想上優(yōu)良的引線框架材料強(qiáng)度應(yīng)大于600MPa、硬度HV應(yīng)大于130、電導(dǎo)率(IACS)應(yīng)大于80%。

     主要針對(duì)于集成電路引線框架材料，最初高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金由此被開(kāi)發(fā)出來(lái)，國(guó)外稱其為高性能銅合金（highperformancecopperalloy）。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金被要求同時(shí)具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性（強(qiáng)度大于500MPa，電導(dǎo)率大于80%IACS），然而高導(dǎo)電性的純金屬一般都非常軟，比如銅、銀、鋁等。我們通過(guò)多種方法來(lái)強(qiáng)化這些金屬，包括合金化法、冷變形、晶粒細(xì)化等，但同時(shí)會(huì)顯著地降低金屬的電導(dǎo)率。加入適量的金屬元素會(huì)使得銅合金的強(qiáng)度比純銅多兩到三倍，但銅合金的電導(dǎo)率只有純銅的10%到40%。目前為止，無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，所用銅合金的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性之間總是此消彼長(zhǎng)，因此如何平衡銅合金的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性是當(dāng)前高性能銅合金材料亟待解決的難題。

主要銅合金的導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度和硬度

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     用于集電路和半導(dǎo)體器件的引線框架材料基本上分為兩大類(lèi)，即鐵鎳合金(Fe29Ni17Co和Fe42Ni合金)和高銅合金，前者用于陶瓷和玻璃封裝，后者用于樹(shù)脂封裝。到目前階段，高銅合金的引線框架已占80%以上，主要應(yīng)用的是Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr和Cu-Ag4大銅合金系列。而鐵鎳合金的僅占20%以下。

     三、銅合金引線框架材料的發(fā)展歷史

     第一階段是20世紀(jì)70年代銅基引線框架材料發(fā)展的初期，以導(dǎo)電率≥80%IACS的高導(dǎo)電材料為主，但其強(qiáng)度只有400MPa左右，此類(lèi)銅合金以添加低Sn、低P、低Ag或低Fe為主，如Cu-P系列的C1220，Cu-Fe系列的KFC等。

     20世紀(jì)80年代起為第二階段，利用添加少量可固溶時(shí)效析出強(qiáng)化相的元素進(jìn)行合金化，在不顯著降低導(dǎo)電率的同時(shí)，提高材料的強(qiáng)度，稱為中導(dǎo)、中強(qiáng)合金，導(dǎo)電率為60%～79%IACS、抗拉強(qiáng)度達(dá)到450～600MPa，以高Fe合金元素為主，再加入Si、N、P、Cr等其它強(qiáng)化合金，如Cu-Fe-P系列的C19400等。

     第三階段是隨著集成電路向大規(guī)模和超大規(guī)模發(fā)展，集成度的增加和線距的減小，要求引線框架材料具有導(dǎo)電率在50%IACS左右、抗拉強(qiáng)度達(dá)到600MPa以上，此類(lèi)銅合金材料多為固溶強(qiáng)化型合金，如Cu-Ni-Si系列的KLF以及C7025等。引線框架用的銅合金進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)是向著更高強(qiáng)度方向發(fā)展。而銅合金按其強(qiáng)化元素分有CuFe(P)、CuCr(Zr)、Cu-Ni-Si、Cu-Ni-P和Cu-Ni-Sn等。

     銅基合金引線框架材料的主要生產(chǎn)國(guó)為日本、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和英國(guó)，其中日本發(fā)展最快。在日本僅其中21個(gè)銅加工企業(yè)已開(kāi)發(fā)的引線框架材料就有66種，采用最多的是其中含錫的36種。

     近年來(lái)世界各國(guó)所開(kāi)發(fā)出的高強(qiáng)度高導(dǎo)電集成電路引線框架用合金中具代表性的合金有OMCL-1、KLF-201、KFC-SH和EFTEC等。OMCL-1型合金由三菱公司開(kāi)發(fā)，屬于析出強(qiáng)化型合金。其拉伸強(qiáng)度為592MPa，電導(dǎo)率為82.7%IACS，伸長(zhǎng)率9%，線膨脹系數(shù)17.0×10-6/K，熱導(dǎo)率301W/m.K，能綜合滿足對(duì)材料強(qiáng)度和導(dǎo)電性的要求。KIF-201高導(dǎo)電Cu合金，由神戶制鋼所開(kāi)發(fā)，其拉伸強(qiáng)度為596MPa，電導(dǎo)率為80%IACS，特別適用于QFP等表面安裝型集成電路用引線框架。KFC-SH也是神戶制鋼所開(kāi)發(fā)的高導(dǎo)電銅合金，為析出強(qiáng)化型合金。其電導(dǎo)率為87%IACS，拉伸強(qiáng)度稍低，為500MPa，但耐熱溫度達(dá)748℃，能承受半導(dǎo)體加工中的熱循環(huán)，可靠性高。古河電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)的EFTEC-64合金電導(dǎo)率為80%IACS，拉伸強(qiáng)度441～539MPa，若經(jīng)時(shí)效處理，拉伸強(qiáng)度可提高到539～637MPa，但電導(dǎo)率下降為75%，適用于各種表面安裝型封裝用引線框架。

開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度高導(dǎo)電集成電路引線框架代表性合金

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     在高銅合金中Cu-Ni-Si合金是典型的時(shí)效強(qiáng)化合金，并兼有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電的特性，與目前常用的Cu-Fe系引線框架材料相比，Cu-Ni-Si合金沒(méi)有磁性，因而成為超大規(guī)模集成電路的理想用材，是目前較有前途的引線框架材料之一。

     為滿足超大規(guī)模集成電路的需求，正不斷向更高目標(biāo)沖擊，強(qiáng)度為450～500MPa、導(dǎo)電率為80%IACS的框架材料，可以滿足集成電路的現(xiàn)實(shí)需要，然而超大規(guī)模集成電路需要強(qiáng)度為550～600MPa、導(dǎo)電率為75%～80%IACS的銅合金。

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