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参考文献

摘要：
1 国内某A企业和德国威兰德公司的C194产品组织性能分析▲
1.1 两个厂家C194产品主要成分、力学性能对比
1.2 两个厂家C194产品金相组织的比较
1.3 两个厂家C194合金铜带析出物的分析
2 C194合金强化机制的分析▲
3 结论▲
图表▲

表1 两个厂家C194产品的主要成分、力学性能

图1 微观组织光学金相照片 (a, b为A企业产品, c为威兰德公司成品)

图2 A企业产品析出物SEM照片

图3 威兰德公司产品析出物SEM照片

稀有金属2004年第1期

引线框架用铜合金C194的组织性能研究

闫晓东谢水生

北京有色金属研究总院加工中心,北京有色金属研究总院加工中心,北京有色金属研究总院加工中心北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

通过对国内某A企业和德国威兰德公司C194合金铜带的析出物颗粒分析 , 发现A企业的C194合金的主要析出物有α Fe和Fe3P , 而威兰德公司的C194合金的主要析出物为α Fe , α Fe是C194合金的强化相。由于P显著降低材料的导电、导热性能 , 对材料综合性能不利 , 因此在实际生产中应严格控制P的含量 , 尽量取下限

关键词：

引线框架;铜合金;C194合金;析出强化;强化相;

中图分类号： TG113

收稿日期：2003-09-15

基金：国家 8 63计划 ( 2 0 0 2AA3Z10 0 0 ) 资助项目;

Structure and Performance of C194 Copper Alloy Used for Lead Frame

Abstract：

The precipitation grains of a certain company A and the Wieland Werke AG′s C194 alloy products were analyzed. It is found that primary precipitation grains of company′s A product are α Fe and Fe 3P, but that of the Wieland Werke AG′s is α Fe. α Fe phase is the strength phases of C194 alloy. Since the element phosphor reduces the thermal and electrical performance markedly and does harm to overall properties of the materials. The content of phosphor should be controlled at low limit during the practice using.

Keyword：

lead frame; copper alloy; C194 alloy; precipitation strength; strength phases;

Received： 2003-09-15

自20世纪60年代世界上第一块集成电路问世以来, 半导体集成电路封装材料得到很大发展。从FeNiCo到Fe-Ni42合金都曾长期占据引线框架材料市场。 80年代以来, 铜及其合金以其优良的导电、导热性而被广泛用于集成电路作引线框架材料。

目前国外研制开发的铜基引线框架材料已有百余种。按材料的性能分类, 基本可分高强度型、高导电型、高强高导型、高强中导型和中导中强型; 按合金的成分分类, 主要有铜铁磷系列、铜镍硅系列、铜铬锆系列等, 其中铜铁磷系列应用最为广泛。铜铁磷系合金中最具代表性的是美国奥林公司开发的C194合金 (Cu-2.3Fe-0.1Zn-0.03P) 。

随着集成电路 (IC) 日趋高度集成化, 要求超大规模集成电路用引线框架材料的厚度更薄、导电性更好、强度更高。这对组织的均匀性提出更高的要求: 析出物尺寸要均匀, 不能出现很大的析出颗粒。目前国内主要有4家企业生产引线框架用铜合金带材, 产品仅限于铜铁磷合金3个牌号: KFC (日本牌号) , C194和C1220 (美国牌号) 。同国外产品相比, 中国的引线框架铜带生产规模小、品种规格少、质量精度差, 存在一定差距。

1 国内某A企业和德国威兰德公司的C194产品组织性能分析

1.1 两个厂家C194产品主要成分、力学性能对比

国内A企业和德国威兰德公司的C194合金铜带的主要成分、力学性能实测数据对比如表1所示。从表中可以看出, A企业C194产品含P, Zn量明显高于威兰德公司, 抗拉强度和延伸率均低于威兰德公司, 综合性能较差。

1.2 两个厂家C194产品金相组织的比较

图1是国内A企业产品的铸坯和成品组织以及德国威兰德公司的成品组织的光学明场照片, 由图1看到在A企业产品的铸坯组织中存在很多尺寸较大的圆形颗粒析出物, 这些颗粒硬度高, 虽然历经很大的变形, 形状和尺寸变化都不大, 在A企业产品的成品组织中依然存在。而在威兰德公司的成品组织中, 析出物较细小、均匀, 分布弥散, 没有这样明显的大颗粒。

1.3 两个厂家C194合金铜带析出物的分析

图2是A企业产品圆形析出物的SEM照片, 照片中有很多圆形大颗粒, 直径多在1～3 μm之间, 用电子探针随机打了很多颗粒 (包括圆形大颗粒和白色小颗粒) , Fe与P的原子比在1.5～4之间, 大多在3左右, 根据有关资料可判定为Fe₃P ^[3,4] 。在透射电镜下, 通过能谱对析出颗粒分析的结果: 有的同时含有Fe和P, Fe与P的原子比在2～3之间。有的颗粒只含有Fe, 经电子衍射分析, 得到衍射花样为α-Fe。因此, A企业的C194合金析出物为α-Fe和Fe₃P。

表1 两个厂家C194产品的主要成分、力学性能

Table 1Primary chemistry component and mechanical performance of two manufacturers′C194 alloy product

生产厂家	主要成分/% (质量分数)			力学性能
生产厂家	Fe	P	Zn	σ_b/MPa	δ/%	Hv
A企业	2.33	0.091	0.138	425.4	14	125
威兰德公司	2.25	0.039	0.084	465.2	20	126

图1 微观组织光学金相照片 (a, b为A企业产品, c为威兰德公司成品)

Fig.1 Optical microstructure picture of A enterprise (a, b) and Wieland-Werke AG (c)

(a) 铸坯; (b) 成品; (c) 成品

图3是威兰德公司C194合金析出物的SEM照片。在扫描电镜下观察, 大量析出粒子弥散分布, 尺寸大都在1 μm以下, 几乎没有较大的颗粒, 用电子探针随机打了很多小白点, 都只有Fe, 没有P。在透射电镜下, 利用能谱仪对析出颗粒进行分析, 结果也是只有Fe, 没有P。说明威兰德公司C194合金析出物为单质Fe, 该结果与一些文献中叙述的C194合金通过析出Fe来强化 ^[5] 是吻合的。用一块磁铁可以发现该铜合金有磁性, 说明强化相是α-Fe。

图2 A企业产品析出物SEM照片

Fig.2 Precipitation grain SEM picture of A enterprise

图3 威兰德公司产品析出物SEM照片

Fig.3 Precipitation grain SEM picture of Wieland-Werke AG

2 C194合金强化机制的分析

一般来说, 合金的高强度和高导电率很难同时提高。开发和研制高强度高导电铜合金的基本方法是: 将低固溶度的合金元素加入铜中, 通过高温固溶处理, 合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体, 导电率下降但强度提高。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。同时, 再结合形变强化, 可取得强度和导电性能的综合平衡。

在Cu-Fe-P合金中, Fe能够细化铜的晶粒, 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、固溶在铜基体中防止氢脆, 显著降低铜的导电性和导热性 ^[6] 。 Zn可防止在金属基体与镀层中间出现脆性第二相 ^[7] 。

按照C194合金的成分设计思想, 由于铁在铜中溶解度不大, 在1050 ℃时溶解度为3.5%, 635 ℃时降为0.15% ^[6] , 在300 ℃以下, 仅为0.0004%, 几乎不溶于铜 ^[5] , 随温度的降低, 铁以弥散质点形式从固溶体中析出, 起到强化作用。用一块磁铁可以很简便地观察到两个厂家生产的C194合金均有磁性, 再与电子衍射的结果相结合, 说明C194合金的强化相是α-Fe。 P的加入, 可以脱氧、固溶在铜基体中防止氢脆, 而不是通过析出Fe₃P强化。

至于在A企业产品析出物中较多存在的Fe₃P, 是由于A企业的C194合金产品含P量较高, 材料在铸锭冷却过程中在高温下长时间停留, 多余的P与强化元素Fe结合形成化合物以粗大颗粒大量析出, 虽本身硬度高, 对合金的强度有一定的加强作用, 但使得以后时效过程中起主要强化作用的弥散相数量减少, 反而使材料强度降低, 这通过表1可以得到证实。而且由于P含量较多, 对产品的导电、导热性能也会有影响。