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我国铜板带年产量350万吨左右,全球约700万吨[图]

2019年07月04日 14:12:52字号:T|T

     铜及铜合金具有良好的导电、导热、耐腐蚀等优良特性,因而被广泛应用于各行各业,如高强磁场的导体材料、热交换材料、引线框架材料,接触导线等,随着高新技术产业的发展,对铜和铜合金的综合性能要求越来越高。

     铜板带材是铜加工材中的一个重要品种,广泛应用于电子、电气、通讯、仪器仪表、交通运输和机械制造等各个领域。特别是随着现代通讯、电子和半导体产业的发展,不但其需用量剧增,同时对铜带的质量提出了高性能、高表面和高精密度的要求。铜板带材的消费量约占加工铜材总消费量的19%,随着现代工业的发展,其消费量呈逐年上升的趋势。现代铜板带——精密铜带是当前所有铜加工材产品中生产难度最大、最具有活力的高技术、高附加值产品。

     2018我国铜材产量为1716万吨,同比增长15%。其中板带材消费占比约19%,推测2018年板带材消费量约320万吨。根据安泰科数据,2018年我国铜板带产量354万吨,同比增长8.59%。中国产量约占全球的50%,由此判断全球消费量约700万吨。不同统计口径的数据可能存在差异。若按照单吨铜板带价格5万元测算,全球铜板带市场空间到达3500亿元。

我国铜材产量维持约两位数增长

数据来源:公开资料整理

2015-2020年铜材生产量及预测

数据来源:公开资料整理

2015-2020年铜板表观、带材消费及预测(万吨)

数据来源:公开资料整理

     一、铜板带发展史

     1949年全国铜板产量只有752t,解放后,经合并、改造和社会主义建设的发展,至上世纪70年代,逐步形成沈阳、洛阳、兰州及上海四大生产基地和北京、烟台、广州、武汉等一些小和记娱乐网址。1978年全国铜板产量为34764t,铜带产量为38254t。

     上世纪80年代中、后期起,以洛阳铜加工厂、苏州铜材厂、北京铜材厂和上海有色金属总公司为代表的国内主要铜加工生产和记娱乐网址,采用引进国外现代铜板带生产的工艺技术和装备的方式,掀起了第一次铜板带生产的大规模技术改造,生产高精度、大卷重的铜合金板带材。由于生产技术的大幅进步,从而使产品的质量有了一个质的飞跃。主要表现为带材的纵向精度,从原来的丝米级,提高到微米级,带材的厚度偏差,基本上到达了国际先进水平。

     上世纪90年代中后期,随着这些先进生产技术和装备的消化和吸收,国内掀起了第二轮铜板带生产的技术改造。这一轮的技术改造主要以引进消化水平连铸带坯后冷轧的方式,主要采用国产的技术和装备,其主导产品为高精度黄铜带和锡磷青铜带。

     进入21世纪后,为适应电子工业大规模集成电路用引线框架材料的需要,国内新一轮的技术改造再次在铜板带行业掀起。其特征表现为规模大、起点高、投资巨大,以瞄准世界一流水平为目标。从投产的几个项目所生产的铜及其合金板带材的产品质量,不论是箔绕式变压器铜带,超长高导通讯用电缆铜带,端子连接器用高性能锡磷青铜带和黄铜带,超薄高耐蚀的散热器用铜带,以至电子半导体用引线框架铜带等,产品的质量水平均已接近世界先进水平。

     经历多年发展,我国铜板带在化学成分、产品尺寸精度、性能和内部组织与国外先进产品差别已经不大,但在表面质量控制上仍与国外有一定差距。

     根据调查数据统计,2018年我国铜板带排加工行业产能将近462.6万吨,产量354万吨,同比增长8.59%。2018年综合产能利用率约75%,较2017年提高2.35个百分点。

     产业集中度较低。安泰科选取20家主要铜板带和记娱乐网址(不含铜排生产商),对其产能、产量情况进行重点观察:总产能172.3万吨,同比增长10.80%;总产量155.5万吨,同比增长12.50%;平均产能利用率为67.90%,较2017年小幅提高1.02个百分点。

     2018-2020年国内合计将新增产能约96.3万吨,产能将在2018-2020年陆续获得释放,其中2018年投产产能约26.3万吨。铜板带行业的产能扩张,主要集中在大中型和记娱乐网址,例如:楚江新材2019年将增加约7.5万吨产能;华中铜业高精铜板带箔二期6万吨扩建项目已于2018年11月试生产,产品包括框架材料、铜铬系列材料、锡磷青铜板带、白铜板带等;花园铜业6万吨1320mm超宽幅精密铜板带项目,2018年底在浙江东阳投产。

     二、引线框架引领板带行业发展

     集成电路是现代电子信息技术的核心,它是由芯片和引线框架经封装而成。作为集成电路封装的主要结构材料,引线框架在电路中发挥着重要作用:连接外部电路和传递电信号;向外界散热,发挥导热作用;支撑和固定芯片的作用,其外壳整体支撑框架结构通过IC组装而成,保护内部元器件。

     引线框架作为集成电路核心原材料之一,应具备以下条件:良好的导热、导电性能,较高的强度、硬度和高软化温度,好的耐热性、抗氧化性、耐蚀性、焊接性、塑封性能、反复弯曲性能和加工成型性能等。

     铜合金材料作为电子用引线框架材料,以其优良的导电性、导热性、加工工艺性能和适宜的强度及可镀性、可焊性、与封装材料的亲和性、较低的成本等,一经使用,迅速替代铁基材料,成为集成电路和半导体分立器件等电子信息产业的关键性材料。

     当代的电子信息产品向小型化、薄型化、轻量化、高速化、多功能化和智能化发展,集成电路(IC)向大规模(LIC)和超大规模(VLIC)方向发展,集成电路所用引线框架材料随之向着引线节距微细化、多脚化的方向发展。目前,集成端子数为208~304,其形式为QFP、TAB等。国外预计未来集成电路的端子数将到达1000~2000。端子数的增加要求引线框架材料的厚度也将从原来的0.25mm逐渐减薄到0.1~0.15mm甚至50μm。

     引线框架厚度的减薄对引线框架材料的强度和导电性提出了更高的要求。这就要求引线框架材料的各种性能更加优异和全面。主要凸显在以下几方面:引线框架的微型化要求其应具有更高的强度和硬度;集成电路的高集成度、高密度化使其散发的单位体积热量更多,这就要求引线框架材料有优越的导热性;鉴于电容和电感效应会造成不良影响,良好的导电性是引线框架材料必须具备的性能。除此之外,还需具备良好的冷热加工性能,弯曲、微细加工和刻蚀性能好、钎焊性能好、使用中不发生热剥离、电镀性能好、树脂的密着性好等一系列加工特性。理想上优良的引线框架材料强度应大于600MPa、硬度HV应大于130、电导率(IACS)应大于80%。

     主要针对于集成电路引线框架材料,最初高强高导铜合金由此被开发出来,国外称其为高性能铜合金(highperformancecopperalloy)。高强高导铜合金被要求同时具有高强度和高导电性(强度大于500MPa,电导率大于80%IACS),然而高导电性的纯金属一般都非常软,比如铜、银、铝等。我们通过多种方法来强化这些金属,包括合金化法、冷变形、晶粒细化等,但同时会显著地降低金属的电导率。加入适量的金属元素会使得铜合金的强度比纯铜多两到三倍,但铜合金的电导率只有纯铜的10%到40%。目前为止,无论在国内还是国外,所用铜合金的高强度和高导电性之间总是此消彼长,因此如何平衡铜合金的高强度和高导电性是当前高性能铜合金材料亟待解决的难题。

主要铜合金的导电率、抗拉强度和硬度

数据来源:公开资料整理

     用于集电路和半导体器件的引线框架材料基本上分为两大类,即铁镍合金(Fe29Ni17Co和Fe42Ni合金)和高铜合金,前者用于陶瓷和玻璃封装,后者用于树脂封装。到目前阶段,高铜合金的引线框架已占80%以上,主要应用的是Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr和Cu-Ag4大铜合金系列。而铁镍合金的仅占20%以下。

     三、铜合金引线框架材料的发展历史

     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、抗拉强度到达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,要求引线框架材料具有导电率在50%IACS左右、抗拉强度到达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。引线框架用的铜合金进一步发展趋势是向着更高强度方向发展。而铜合金按其强化元素分有CuFe(P)、CuCr(Zr)、Cu-Ni-Si、Cu-Ni-P和Cu-Ni-Sn等。

     铜基合金引线框架材料的主要生产国为日本、美国、德国、法国和英国,其中日本发展最快。在日本仅其中21个铜加工和记娱乐网址已开发的引线框架材料就有66种,采用最多的是其中含锡的36种。

     近年来世界各国所开发出的高强度高导电集成电路引线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型合金由三菱公司开发,属于析出强化型合金。其拉伸强度为592MPa,电导率为82.7%IACS,伸长率9%,线膨胀系数17.0×10-6/K,热导率301W/m.K,能综合满足对材料强度和导电性的要求。KIF-201高导电Cu合金,由神户制钢所开发,其拉伸强度为596MPa,电导率为80%IACS,特别适用于QFP等表面安装型集成电路用引线框架。KFC-SH也是神户制钢所开发的高导电铜合金,为析出强化型合金。其电导率为87%IACS,拉伸强度稍低,为500MPa,但耐热温度达748℃,能蒙受半导体加工中的热循环,可靠性高。古河电气工业公司开发的EFTEC-64合金电导率为80%IACS,拉伸强度441~539MPa,若经时效处理,拉伸强度可提高到539~637MPa,但电导率下降为75%,适用于各种表面安装型封装用引线框架。

开发的高强度高导电集成电路引线框架代表性合金

合金名字
研发公司
强度
电导率
热导率
OMCL-1
日本三菱
592MPa
82.7%IACS
301W/m.K
KIF-201
神户制钢
596MPa
80%IACS
-
KFC-SH
神户制钢
500MPa
87%IACS
-
EFTEC-64
古河电气
44~539MPa
80%IACS
-

数据来源:公开资料整理

     在高铜合金中Cu-Ni-Si合金是典型的时效强化合金,并兼有高强度和高导电的特性,与目前常用的Cu-Fe系引线框架材料相比,Cu-Ni-Si合金没有磁性,因而成为超大规模集成电路的理想用材,是目前较有前途的引线框架材料之一。

     为满足超大规模集成电路的需求,正不断向更高目标冲击,强度为450~500MPa、导电率为80%IACS的框架材料,可以满足集成电路的现实需要,然而超大规模集成电路需要强度为550~600MPa、导电率为75%~80%IACS的铜合金。

     相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国铜板带材加工行业市场专项调研及未来发展趋势报告

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