简介概要

引线框架用Cu-Cr-Zr合金的加工与性能研究

来源期刊：稀有金属2006年第2期

论文作者：柳瑞清王晓娟谢水生黄国杰蔡薇

关键词：引线框架; Cu-Cr-Zr系; 固溶时效处理; 合金抗拉强度; 电导率;

摘要：主要对引线框架用Cu-Cr-Zr合金的加工与性能进行了研究,通过对固溶态、时效态合金性能的研究分析,发现在合理的固溶时效与形变热处理工艺条件下,可获得抗拉强度为540.4 MPa,电导率为84%IACS的高性能Cu-Cr-Zr合金带材.

稀有金属 2006,(02),246-250 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.027

引线框架用Cu-Cr-Zr合金的加工与性能研究

谢水生蔡薇王晓娟黄国杰

江西理工大学材料与化学工程学院,北京有色金属研究总院有色金属材料制备与加工国家重点实验室,江西理工大学材料与化学工程学院,江西理工大学材料与化学工程学院,北京有色金属研究总院有色金属材料制备与加工国家重点实验室江西赣州341000,北京100088,江西赣州341000,江西赣州341000,北京100088

摘要：

主要对引线框架用Cu-Cr-Zr合金的加工与性能进行了研究, 通过对固溶态、时效态合金性能的研究分析, 发现在合理的固溶时效与形变热处理工艺条件下, 可获得抗拉强度为540.4MPa, 电导率为84%IACS的高性能Cu-Cr-Zr合金带材。

关键词：

引线框架;Cu-Cr-Zr系;固溶时效处理;合金抗拉强度;电导率;

中图分类号： TG113

收稿日期：2006-01-15

基金：国家863计划资助项目 (2002AA3Z1410);江西省自然科学基金资助项目 (550033);

Working and Characteristics Research of Cu-Cr-Zr Alloy Used in Lead Frame Alloy

Abstract：

The Cu-Cr-Zr alloy′s working and characteristics were studied. The alloy′s characteristics at aging state were analyzed. The results show that the tensile strength of Cu-Cr-Zr alloy strip is about 540.4 MPa, the electric conductivity is about 84%IACS at suitable solution and aging technique and deformation treatment conditions.

Keyword：

lead frame; Cu-Cr-Zr alloy; solution and aging treatment; strength of alloy; electric conductivity;

Received： 2006-01-15

引线框架是集成电路封装中的重要部件, 也是集成电路芯片内外电路连接的重要组成部分。随着电子工业的高速发展, 人们对引线框架材料的性能要求越来越高。由于铜合金具有高强度、高导电、高导热性和价格适中等优点, 因而, 国内外60%～85%的集成电路引线框架采用优异性能的铜合金材料。国外铜合金引线框架材料研究与开发的铜合金系, 主要有Cu-Fe-P, Cu-Ni-Si, Cu-Cr-Zr等合金品种100多种。其中, Cu-Cr-Zr系是最具开发与应用前景的高强高导型引线框架材料。目前, 国内生产的铜合金引线框架材料, 主要是Cu-Fe-P系的KFC和C194两个牌号, 而且采用水平连铸和冷轧开坯的传统生产方法, 与国外先进的半连续铸锭、热轧开坯生产方法相比较存在较大的差距。本文基于国内铜合金引线框架材料研制与生产的现状, 选择Cu-Cr-Zr-Mg合金为研究对象, 对合金的热轧、固溶时效处理、冷轧等加工工艺和性能进行研究与探讨, 为国内生产企业提供参考 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。

1 实验

1.1 实验方案

如图1所示合金铸锭厚度为20 mm, 经铣面后为18 mm; 铸锭加热温度为850～900 ℃, 保温时间1.5～2.0 h; 热轧5道次后, 厚度从18 mm轧至3.5 mm; 热轧板坯在浓度为5%酸洗溶液中浸洗5 min去除氧化皮; 固溶温度为900～950 ℃, 保温时间30～60 min; 一次冷轧4道次后, 厚度从3.5 mm轧至1.0 mm; 时效温度350～650 ℃, 时间1～7 h, 二次冷轧3道次后, 厚度从1.0 mm轧至0.3 mm。

1.2 熔炼与铸锭

合金化学成分Cr0.37%, Zr0.06%, Mg0.13%, Cu99.44% (原子分数) , 其中Cr和Zr以中间合金形式加入。熔炼温度: 1250～1300 ℃, 保温时间15～20 min, 浇铸温度: 1150～1200 ℃; 经ZG-0.01感应电炉熔炼后浇铸成250 mm×125 mm×20 mm的铸锭。锭坯试样在WDW3200电子拉伸机上测定出: σ_b=165 MPa, δ=21%, 具备良好的热轧性能。

1.3 热轧开坯

合金铸锭在SX-4-10箱式电阻炉加热, 加热温度850～900 ℃, 保温时间1.5～2.0 h, 在Φ 185 mm×250 mm二辊热轧机上5道次轧至3.5 mm, 终轧温度为600 ℃, 热轧板坯试样经电子拉伸机测定σ_b=342.3 MPa, δ=3.4%, 与铸态相比, 强度提高, 塑性降低。

图1 实验技术路线

Fig.1 Trial technologic process

1.4 固溶时效处理

从Cu-Cr, Cu-Zr相图可知: Cr在铜中的最大固溶度 (1076 ℃) 可达0.65%, 室温下的溶解度为0.03%; Zr在铜中的最大溶解度为0.15% (966 ℃) , 室温下的溶解度为0.01%, 说明合金的固溶度随温度下降而减少, 而且减少得越大, 淬火后所获得的固溶体过饱和程度就越大, 时效强化的效果也越显著。在固溶过程中, 合金元素造成了晶格畸变, 使合金导电率下降。时效处理后, 过饱和固溶体分解, 合金元素从固溶体中大部分析出, 形成弥散分布的沉淀物, 形成时效强化, 同时仍有微量元素固溶于铜基体中形成固溶强化。由于合金元素的大量析出, 合金的导电性能得到明显提高, 可实现在导电率较高的前提下, 提高合金强度的目的 ^[7,8,9] 。

因此, Cu-Cr-Zr合金强度的提高, 取决于合金基体中过饱和固溶度的大小以及第二相粒子析出物的大小分布。本试验选择固溶温度900～950 ℃, 时间0.5～1.0 h, 固溶后经一次冷轧轧至1.0 mm, 再进行时效处理, 时效温度350～650 ℃, 时间2.0～5.0 h, 再经二次冷轧至0.3 mm。经固溶+一次冷轧+时效+二次冷轧形变热处理后, 合金力学性能σ_b=540.4 MPa, δ=1.56%, 合金试样经SIGMASCOPE SMP10导电仪测得电导率为84%IACS。图2为合金冷轧试样照片。

2 结果与分析

2.1 铸态合金显微组织分析

铸态合金经过取样、磨样、用硝酸高铁溶液腐蚀后, 通过XL30W/TWP扫描电镜EDAX能谱仪, 对Cu-Cr-Zr合金铸态组织进行分析。图3 (a) 是铸态Cu-Cr-Zr合金的面扫描显微组织图, 从图3 (a) 可知: 晶粒比较细小, 晶界清晰, 在基体中存在质点粒子。图3 (b) 是铸态Cu-Cr-Zr合金1000倍的显微组织图, 从图3 (b) 可以清楚地看出: 在晶界上和晶粒内部都存在着球状析出物, 这些析出物是熔炼凝固过程中从铜基体中析出的第二相。

通过XL30W/TWP扫描电镜EDAX能谱仪, 对合金的析出物进行能谱扫描, 可得这些粒状析出物的成分。图4是粒状析出物的点扫描图, 图4 (a) 为合金的显微组织照片, 此照片是图3 (b) 中的局部放大图片, 图4 (b) 为图4 (a) 中粒状析出物处 (十字处) 的能谱扫描图。从图4 (b) 可知: 此处含有Cu, Cr, Zr 3种元素, 在铸态的Cu-Cr-Zr合金中, Cu, Cr, Zr存在于同一质点中。

2.2 固溶态合金显微组织分析

厚度为3.5 mm合金的试样, 在900～950 ℃下保温30～60 min, 水淬后经过取样、磨样、抛光后用硝酸高铁溶液腐蚀, 通过XL30W/TWP扫描电镜EDAX能谱仪, 对Cu-Cr-Zr合金固溶态组织进行分析。图5 (a) 是合金950 ℃固溶温度下, 放大200倍的显微组织图, 从图5 (a) 可知: 晶粒细小, 晶粒内部几乎没有未溶第二相析出物。图5 (b) 是合金950 ℃固溶温度下, 放大2000倍的显微组织照片, 从图5 (b) 可以更加清楚的看到固溶很充分, 晶粒内部与晶界上几乎没有未溶第二相析出物, 在晶界处有共晶组织。从图5 (a) 和5 (b) 可知: 选择950 ℃作为固溶温度很合适, 此时固溶程度充分。由此可见: 在950 ℃进行固溶处理, Cr, Zr能充分固溶于铜基体中, 形成较均匀的过饱和单相固溶体。

图2 Cu-Cr-Zr合金冷轧试样

Fig.2 Rolled samples of Cu-Cr-Zr alloy

图3 铸态Cu-Cr-Zr显微组织

Fig.3 Micro-construction photoes of as-cast Cu-Cr-Zr

2.3 Cu-Cr-Zr合金的时效处理

2.3.1 冷变形对合金抗拉强度和电导率的影响

图6 (a) 是在时效温度为450 ℃下, 未变形合金与经过71%冷变形后合金电导率随时效时间的变化曲线。从图6 (a) 可知: 固溶后在450 ℃直接时效3.5 h后合金的导电率仅为64%IACS, 而固溶后经过71%变形的合金, 在450 ℃时效3.5 h后的导电率可以达到84%IACS。这是因为冷变形引入的位错一方面使析出物形核变得容易, 另一方面位错作为溶质原子扩散的“快速通道”加速了析出过程, 更有利于溶质原子的脱溶, 并且可以在较短的时间里发生时效强化作用。同时, 基体中固溶元素含量越少, 对电子的散射作用减弱, 导电率就越高。随着时效过程中时效时间的延长, 第二相粒子不断析出, 固溶体中溶质逐渐减少, 使合金的导电性能相应提高并保持在一个平台的水平。

图4 铸态Cu-Cr-Zr合金点扫描图

Fig.4 EDS of as-cast Cu-Cr-Zr

(a) 显微照片; (b) 粒状析出物的能谱扫描图

图5 Cu-Cr-Zr合金950 ℃固溶组织

Fig.5 Photos of Cu-Cr-Zr alloy as solution state at 950 ℃

(a) 放大200倍; (b) 放大2000倍

图6 Cu-Cr-Zr合金时效后的电导率 (a) 和抗拉强度 (b) 的时间变化曲线

Fig.6 Conductivity (a) and tensile strength (b) against aging temperature at different temperature

图6 (b) 是在时效温度为450 ℃下, 未变形合金与经过71%冷变形后合金抗拉强度随时效时间的变化曲线。从图6 (b) 可知: 未经冷变形的合金在450 ℃直接时效后的抗拉强度是420.39 MPa, 而固溶后经过71%冷变形, 在450 ℃时效后合金的抗拉强度为540.4 MPa, 提高了26%。原因是由于经过冷变形的合金时效后在位错上分布着很多细小的第二相, 它们使位错在时效过程中运动困难, 使强度在时效过程中快速提高, 并且析出物对位错的钉扎作用, 减缓了回复及随后的再结晶过程。所以, 经过冷变形的合金在时效后的抗拉强度大于未经冷变形时效的合金。因此, 在时效前进行冷变形可以获得高的抗拉强度和电导率。

2.3.2 时效对合金抗拉强度和电导率的影响

冷轧后Cu-Cr-Zr合金在温度350～650 ℃, 保温时间2～5 h条件下的时效如图7所示。图7 (a) 是合金保温时间为2, 3.5, 5 h时, 合金抗拉强度随时效温度的变化曲线。

从图7 (a) 可知: 在温度为350～450 ℃范围内, 合金的抗拉强度随时效温度的升高而增大。时效2, 3.5, 5 h的合金均在450 ℃达到峰值, 此时抗拉强度分别为495.9, 540.4, 517.4 MPa。随后合金抗拉强度随时效温度的上升而下降。这是因为时效初期合金在低温下原子活动能力相对较小, 析出第二相的数量少, 第二相粒子长大的倾向也较小, 当增加的强度大于因第二相长大而减小的强度时, 就表现为强度的显著增加。随温度的提高, 第二相粒子长大的倾向也增加, 强度就会缓慢下降。在450 ℃时效时, 第二相粒子也相对比较稳定, 再加上析出的量也比较多了, 所以在此时表现出了较高的强度。

图7 (b) 是合金保温时间为2, 3.5, 5 h时, 合金电导率随时效温度的变化曲线。影响合金电导率的因素主要是基体中合金元素的含量, 固溶于合金中的溶质原子越少, 对电子的散射作用越小, 电导率相应就高。从图7 (b) 可知: 随着时效温度的提高, 合金电导率也随之上升, 当时效温度为450 ℃左右时, 时效2, 3.5, 5 h的合金电导率均达到了最高值, 峰值对应的导电率分别为78.6%IACS, 84%IACS, 82.7%IACS。随时效温度的继续升高, 电导率开始下降。这是因为温度越高, 原子的活动能力越大, 第二相析出的速度越快, 表现为电导率的升高。但是, 随着温度的升高, 合金过饱和度及自由焓差也随之减小, 第二相析出数量反而下降, 该合金时效温度超过450 ℃时, Cr和Zr原子由Cu基体中脱溶速度减慢, 所以导致导电率的下降 ^{[10,11,12,13,14,15]} 。

在450 ℃时效时, 合金获得了最大的抗拉强度和最高的电导率。所以, 时效温度选择450 ℃是合适的。图8是在450 ℃时效温度下, 合金的抗拉强度和电导率随时效时间的变化曲线图。从图8可知: 随着时效时间的延长, 合金的抗拉强度在1～3.5 h上升, 在3.5 h后开始下降, 在5 h之后下降的趋势增大。合金电导率在1～3.5 h增大, 随后时效过程中, 合金的电导率变化不大。合金的抗拉强度和电导率在时效时间为3.5 h时都达到了峰值, 为540.4 MPa, 84%IACS。这是因为在时效过程中, 固溶于铜基体中的合金元素大量析出, 合金的电导率和抗拉强度迅速提高。而随着时效时间的延长, 从基体中析出的合金元素越来越少, 因此电导率变化逐渐趋于水平, 同时, 在时效3.5 h以后, 合金的抗拉强度开始下降。这是因为随时效时间延长, 第二相粒子长大的趋势增大, 所以, 合金抗拉强度下降。因此, 时效的时间选择3.5 h比较适宜。