引线框架铜合金

引线框架铜合金材料1）介绍引线框架：作为集成电路的芯片载体,是一种借助于键合材料（金丝、铝丝、铜丝）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,它起到了和外部导线连接的桥梁作用,绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架,是电子信息产业中重要的基础材料。2）优势所在：科学技术现代化对铜及铜合金材料提出越来越多的新要求,引线框架的作用是导电、散热、联接外部电路,因此要求制作引线框架材料具有高强度、高导电、良好的冲压和蚀刻性能。目前全世界百分之八十的引线框架使用铜合金高精带材制作,据不完全统计,引线框架合金约77种,按合金系划分主要有铜-铁-磷、铜-镍-硅、铜-铬-锆Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr三大系列,按着性能可分为高导电、高强度、中强中导等系列所有这些新要求,将推动铜及铜合金材料的现代化进程。常用的铜基引线框架材料主要有C194和KFC合金,其中C194（Cu-2.3Fe-0.1Zn-0.03P）属于Cu-Fe-P系合金,具有高导电、高导热性以及好的热稳定性,大量应用于电子封装（安装集成电路内置芯片外用的管壳,起着安放固定密封,保护集成电路内置芯片,增强环境适应的能力,并且集成电路芯片上的铆点也就是接点,是焊接到封装管壳的引脚上的）领域。C194合金(Cu-2.35%Fe-0.12%Zn-0.03%P)是美国奥林公司20世纪60年代开发生产的引线框架材料,因其优良的导电性、导热性和低价格等特点成为引线框架材料的主导产品。目前日本和德国是世界上最大的引线框架铜带出口国,我国虽然可以自行生产一定量的C194合金材料,但合金性能与国外产品相比存在一定差距,国外合金性能为:抗拉强度500MPa,硬度151HV,电导率3.77×10-2S/m;而国内合金性能为:抗拉强度≥410MPa,硬度120～145HV,电导率≥3.48×10-2S/m。在Cu-Fe-Zn-P合金中,Fe能细化铜的晶粒,延缓再结晶过程,提高铜的强度和硬度；P对铜的机械性能有良好的影响,同时P可以脱氧，固溶在铜基中防止氢脆，显著降低铜的导电性和导热性，Zn可防止在金属基体与镀层中间出现脆性第二相。3）C194热轧工艺：本试验所用C194铜合金取自国内某铜厂热轧后的板坯,其主要化学成分（质量分数,%）为2.34Fe,0.13Zn,0.02P,96.73Cu。并添加微量的Mg、Cr(铬)和混合稀土(主要成分为La（镧）和Ce（铈）)。选用高纯电解铜为原料,采用带有氮气气氛保护的中频感应炉熔炼合金。合金中的铁、磷和铬均以中间合金的形式加入,镁和混合稀土以单质的形式加入。用水冷铁模浇铸合金扁锭,铸锭尺寸为40mmxl00mmx600mm。铸锭经加热至950℃保温2h,在四辊热轧机上进行合金的热轧,终轧温度分别为780、650℃,热轧至2.5mm后切样进行高温拉伸。高温拉伸试验在CSS一44100型万能试验机上进行,电阻测量使用QJ36型单双臂电桥,测量精度为0．05％。在SDTQ600上进行DSC试验（示差扫描量热法（differentialscanningcalorimetry）一种热分析法）,在JSM6480型扫描电镜上进行显微组织分析。TEM试样经双喷减薄仪（透射电子显微镜）减薄(双喷电解液为70％的磷酸水溶液)后,在JEM一200CX型透射电子显微镜上观察(加速电压为200kV)。加热温度、保温时间和终轧温度是热轧工艺的几个关键因素。加热温度的制定主要是为了确定铸锭塑性高、变形抗力小,同时晶粒又不过分长大的温度。理论上的开轧温度为合金熔点温度的0．80-0．90,但具体温度的确定主要依据合金成分所决定的状态图、塑性图和变形抗力图。终轧温度是控制金属合金组织性能的重要条件,需考虑到晶粒大小、第二相的析出。保温时间主要考虑到合金对温度的敏感性。C194合金对温度不敏感,加热时间的影响较小,实验中控制在2h。重点研究开轧温度和终轧温度的确定及其对组织性能的影响。3.1）开轧温度实验合金的屈服强度和延伸率随温度的变化关系。从图中可以看出,合金在铸态时的屈服强度随实验温度的升高而明显降低：温度在500℃时合金的屈服强度为90MPa左右；在850℃时,屈服强度下降到18MPa左右。同时,合金的延伸率随实验温度的升高急剧上升,500℃时合金的延伸率为22％左右：在850℃时,合金的延伸率上升到70％左右。在温度为650℃时,屈服强度为49MPa,延伸率达57．8％；当拉伸温度大于650℃时,屈服强度和延伸率的变化减缓。对于C194铜合金,温度大于650℃时具有较好的热轧加工性能,故开轧温度应大于650℃。考虑到热轧的成品率、效率。在不引起加热缺陷（锭坯因加热产生的烧损、氧化铁皮、脱碳、过热、过烧和加热不均等现象）的情况下．尽量选取强度最低、延伸率最好时的温度进行热轧。同时,考虑到铸锭运送、热轧机性能、对终轧温度控制的要求,以及该类合金对加热温度不甚敏感的特性,实际采用的开轧温度为950℃左右。3.2）终轧温度C194合金的终轧温度及随后的淬火,对合金的后续冷轧及时效析出的影响很大。终轧温度及随后的淬火工艺不合理或不能控制,是造成国内生产的C194引线框架铜板带与国外同类产品相比有较大差距的主要原因之一。合金的终轧温度过低或随后不进行淬火处理,则会造成大量的强化相析出。这些强化相会造成以下问题：(1)合金的过饱和度降低,时效过程中产生的强化相减少；(2)热轧后慢冷产生的强化相在时效时长大,且分布不均匀,大大降低了合金的强度、塑性及电导率；(3)强化相的析出将提高合金的强度,在冷轧过程中容易造成开裂等缺陷。C194铜合金的终轧温度(及在线淬火温度)的选择原则是：(1)终轧温度不造成合金的过饱和度降低；(2)尽量减少强化相的析出；(3)为冷轧提供必须的塑性等。图2是升温时的DSC曲线(样品吸热或放热的速率，即热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测定多种热力学和动力学参数，例如比热容、反应热、转变热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等)。可以看出,在715℃以上析出峰很少,在715℃以下有445、496、589℃等较多的析出峰,DSC试验及金相分析表明终轧温度小于715℃时会有大量相析出,使合金的过饱和度降低。因此,C194合金的终轧温度应高于715℃,而且终轧完成后应立即喷水冷却,抑制析出相的发生。为了研究终轧温度对C194合金性能的影响,本实验中制定两种不同的终轧温度(780、650℃)进行对比分析。3.3）2种不同终轧温度对组织的影响为了研究终轧温度对C194合金组织、性能的影响,采用的2种不同终轧温度(780、650℃)C194合金材料的获取方式为：铸锭(锭厚40mm)经950℃保温2h后热轧,部分铸锭经热轧后高温(780℃)喷水冷却,另一部分热轧后冷却至650℃以下喷水冷却,之后2种合金经同样的变形及热处理工艺加工至0.4mm的板材。图4为采用2种不同终轧温度后合金的热轧组织(扫描电子显微镜)。可以看到,终轧温度较高时(780℃),喷水冷却使得强化相来不及析出,晶内及晶界的析出相很少,合金基体因此保持着较高的过饱和度；而终轧温度较低时(650℃),因温度较低,晶内已经有较多的析出相。在随后的时效过程中,终轧温度较高(780℃)的合金,由于过饱和度高而具有较大的析出动力。图5为采用2种不同终轧温度后合金在状态B时的TEM形貌（透射电子显微镜)。从图5a中可以看出,终轧温度为780℃的合金在冷轧、时效后析出相较多,且细小、分布均匀,没有较大的析出相。终轧温度较低时,在喷水冷却前,已经有部分溶质原子析出,合金基体的饱和度较低,随后的时效过程中析出相较少,热轧冷却过程中析出的相长大。图5b中结果却相反。3.4）2种不同终轧温度对合金的力学性能及电导率的影响通过对比2种采用不同终轧温度合金在A、B、C3个状态（冷轧1.5mm,1mm,0.5mm）下的力学性能及电导率,得到图6所示的合金的力学性能与电导率的变化关系。从图6可以看出,C194合金在冷轧至1.5mm厚度(状态A)时。终轧温度较低(650℃)的合金具有较高的抗拉强度和显微硬度,延伸率较低,电导率也较高。而终轧温度为780℃的合金的性能与之相反。这主要是由于在低的终轧温度下,已有部分析出物,与采用较高终轧温度合金相比,强化相更多,合金的强度较大,电导率较高,延伸率较低：而采用780℃的终轧温度析出相较少,还保持着过饱和状态。由于强化相较少,合金的强度和硬度都低于终轧温度为650℃的合金,同时溶质原子固溶于基体中,阻碍电子的运动,电导率也相对较低。当合金经过时效、冷轧后(状态B),终轧温度为780℃的合金因其处于过饱和状态,时效时具有较大的析出动力,在基体中析出尺寸小而分布均匀的析出相,使得合金的强度、硬度、电导率都迅速上升,综合性能超过采用650℃终轧温度的合金。终轧温度为650℃时,因为终轧后就有大量的析出相,合金在时效时析出动力不足,弥散析出相少,且分部不均匀,综合性能较差。从图6可以明显地看出,采用2种不同终轧温度的合金经成品退火和精整后(状态C),终轧温度为780℃的合金的性能为：抗拉强度540MPa,延伸率6．9％,显微硬度1611MPa,电导率68．5IACS％；终轧温度为650℃的合金的性能为抗拉强度517MPa,延伸率6．4％,显微硬度1563MPa,电导率65．4LACS％。终轧温度为780℃的合金的综合性能明显优于终轧温度为650℃的合金。这也验证了本实验选取的初轧温度和终轧温度是合理的。3.5）结论：1)C194铜合金的理想开轧温度为950℃,终轧温度大于715℃且应立即喷水冷却,可获得较好的综合性能。2)终轧温度较高(780℃)的C194合金终态综合性能优于终轧温度较低(650℃)的合金。终轧温度为780℃的合金在时效后,析出相较多,细小弥散且分布均匀,没有较大的析出相：终轧温度为650℃的合金在时效后,析出相少且不均匀,伴有部分粗大的析出相。控制终轧温度及冷却工艺可以提高合金的综合性能。4）C194形变与热处理：很少有人研究过形变热处理对其组织与性能的影响。部分研究表明,对经过热轧的Cu-Ni-Si合金板坯实施一种形变热处理,通过析出强化与形变强化的综合作用使之获得高的抗拉强度,同时又不失去它较好的导电性,从而使该合金的综合性能明显提高。C194也是一种析出强化型铜合金,因此从原理上分析也可以采用形变热处理方法改善其组织与性能。研究了形变热处理对C194铜合金组织与性能的影响规律。通过在两次时效热处理之间对合金施加一定量的冷变形来控制材料的强度和导电率。该项研究可为提高C194铜合金引线框架材料的综合性能及进一步挖掘其应用潜力提供实验依据与参考。4.1）实验条件及方法将试样在850℃的温度下固溶处理1h,再在室温水中淬火,然后进行形变率为30%的冷轧变形,随后在550℃下进行第1次时效,接着进行形变率从0%到80%的第2次冷轧,最后在450℃下进行最终时效处理。两次时效的保温时间均为2h。形变热处理工艺如图1所示。形变热处理后对试样进行强度、伸长率、硬度以及电导率测试。其中强度和伸长率测试在CSS-44100型电子万能拉伸试验机上进行,拉伸速度为1mm/min,拉伸试样按国家标准GB/T6397—1986制备；硬度测试在HW187.5型维氏硬度计上进行,载荷砝码1500g,加载时间30s；电导率测试采用QJ19单双臂型电桥先测出其电阻值然后换算成电导率的方法；金相试样采用Fe（NO3）3（10g）+乙醇（50mL）+蒸馏水（100mL）作为侵蚀液,然后在PLOYMARMETⅡ型金相显微镜上观察组织；透射电镜薄膜试样采用双喷减薄法制取,在H-800型电子显微镜上观察显微组织,加速电压为125kV。4.2）实验结果及分析4.2.1）形变热处理对C194铜合金力学性能的影响在两次时效之间对C194铜合金板坯施以不同形率的冷轧变形,然后测量其最终时效后的抗拉强度σb和伸长率δ,试验结果如表1所示。从表