（材料学专业论文）大规模集成电路用高强度高导电引线框架铜合金研究.pdf

摘要 摘要 随着电子信息产业的高速发展，对集成电路主要组成部分之一的引线框架 铜合金材料的性能要求越来越高。理想的引线框架材料的主要性能为：抗拉强 度在6 0 0 m p a 以上，显微硬度大于1 8 0 h v ，导电率大于8 0 i a c s 。而目前所开 发出的铜合金材料很难满足其性能要求，所以研制和开发可满足大规模集成电 路需要的同时具有高强度和高导电性的铜合金材料是研究热点之一。 根据高强高导铜合金的强化机理和对性能的要求，本文在分析合金元素在 铜合金中作用的基础上，确定了高强高导引线框架铜合金材料的最佳合金系为 c u - c r - z r 系。 利用透射电镜研究了c u - c r - z r - m g 和c u - c r - z r 合金的组织转变规律，发现 c u - c r - z r - m g 合金在4 7 0 c 时效形成了具有f m 3 m 点群的超点阵c r c u 2 ( z r m g ) ； 同时存在体心的c r 相和面心的c u 4 z r 相。高温5 5 0 时效析出相完全转变为c f 和c u 4 z r 。c u - c r - z r 合金在时效初期形成c u 5 z r 相，时效峰值状态析出相为c u 5 z r 相和体心立方的c r ，且析出相与基体保持着共格关系。以共格强化机制计算的 强化值4 0 7 m p a 与实验结果4 3 0 m p a 相近。 在分析c u c r - z r - m g 合金时效过程中导电率变化规律的基础上，利用合金 时效过程中析出相的体积分数与导电率的线性关系，推导出实验温度下合金时 效的a v r a m i 相变动力学方程与导电率方程，并通过计算绘制了该固溶合金等温 转变动力学( t t t ) 曲线。 系统研究了c u - c r - z r 合金变形时效后，析出和再结晶的交互作用及其对组 织和性能的影响。在低于5 5 0 时效，沿位错分布着很多细小的析出相，使硬度 和导电率在时效初期快速提高。同时析出物对位错的钉扎作用，延缓了再结晶 过程。在一定的变形程度和较高温度时效后，由位错缠结成的胞状结构在时效 过程中胞壁平直化，并形成亚晶，小角度晶界上的刃位错通过攀移而离开亚晶 界，使两个皿晶变成一个大亚晶，出现了再结晶形核和长大的现象。 采用l m 算法分别建立了引线框架c u - c r - z r - m g 合金和c u - c r - s n - z n 合金 形变热处理工艺和时效工艺的人工神经网络模型，预测和研究了时效工艺参 数性能的耦合作用，并且利用三维立体图将其直观地表达出来，得出了时效温 度、时效时问和变形量工艺参数对硬度和导电率的影响规律，为工艺参数优化 西北工业大学工学博士学位论文 奠定了基础。借助于遗传算法的全局搜索能力，进一步实现了对c u - c r - z r - m g 合金形变时效工艺和固溶时效工艺这两个神经网络模型的全参数优化分析，得 到了一定的目标条件下工艺参数最优组合。 在工艺参数优化的基础上，设计了引线框架c u - c r o z r - m g 合金二级变形时 效生产工艺路线。c m c v z v m g 合金经第一次冷变形时效后，再经第二级较低的 时效温度，使强化元素在基体中的溶解度下降，会进一步产生析出，同时溶质 原子可借助密集且分布均匀的位错网络由铜基体内快速析出，从而获得高的强 度并保持较好的导电性。多级时效过程中析出的弥散质点对再结晶过程的阻碍 作用也更强烈，使合金具有很高的软化温度。c u - c r - z r o m g 合金采用“9 2 0 1 h 固溶o 冷轧变形一5 0 0 x 2 h 时效处理6 0 冷轧变形4 6 0 1 5 h 时 效处理2 0 6 0 精轧交形”的二缀变形时效生产工艺，所获带材具有高的硬 度、强度及导电率，分别可达1 8 3 1 9 1 h v 、5 8 3 6 0 4 m p a 及8 4 8 2 i a c s ， 而带材的延伸率和软化温度分别可达9 4 9 2 及5 7 8 5 6 0 ，满足了高强度 和高导电引线框架铜合金的性能，为工业化生产提供了重要依据。 针对析出强化铜合金在冷轧过程中表面易起皮的现象，以引线框架材料 c u - f e ，p 合金为研究对象，通过表面起皮处微观组织分析和有限元数值分析方 法，研究了引线框架c u - f e p 合金精轧后表面起皮剥落的起因和相应的防范措 施。发现，随着c u f e p 合金板材在加工成形过程中厚度的减小，当富f e 区密 度大于3 0 时，f e 颗粒处存在剧烈的应力集中，导致f e 颗粒破碎。f e 颗粒与 c u 基体界面附近的应力集中和变形不协调使界面附近区域易发生起皮现象。为 此，c u - f e - p 合金在冶炼生产过程中，应避免较大f e 颗粒的存在。这一研究成 果对控制和防范析出强化铜合金在冷轧过程中的表面起皮现象具有重要指导意 义。 关键词：高强高导铜合金；时效：析出相；再结晶；神经网络；遗传算法；生 产工艺；表面起皮；数值分析 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e - s c a l ei n t e 孕 a t e dc i r c u i t , h i g h e rm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e so fc o p p e ra l l o y sf o rl e a df r a m ea r er e q u i r e d 1 1 l ei d e a lr e q u i r e m e n tf o rl e a df r a m e m a t e r i a lp r o p e r t i e si st h a tt e n s i l es t r e n g t h ，h a r d n e s sa n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya r em o r et h a n 6 0 0 m p a , 1 8 0 h va n d8 0 i a c sr e s p e c t i v e l y 1 1 1 ec o p p e ra l l o ym a t e r i a l sd e v e l o p e da tt h ep r e s e n t t i m ea r ed i f f i c u l t yi nm e e t i n gt h en e e d so fh i g hp e r f o r m a n c e s ot h es t u d yo i lt h ec o p p e ra l i o y m a t e r i a lf o rl e a df r a m eu s e di nt h el a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i ta t t r a c t sm u c hm o r ea t t e n t i o n a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t hm e c h a n i s ma n dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yd e m a n d s , t h ee f f e c to f a l l o y i n ge l e m e n t so nc o p p e ra l l o yp r o p e a i e si sa n a l y z e d t h eo p t i m a lc o p p e ra l l o yi sc u - c r - z r f o rh i g hs t r e n g t ha n dh i g hc o n d u c t i v i t yl e a df r a m em a t e r i a l su s e di ni n t e g r a t e dc i r c u i t b yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ，a g i n gp r e c i p i t a t i o np h a s et r a n s f o r m a t i o no f c u - c r - z r - m ga n dc u - c r - z ra l l o y sw a sd e a l tw i t h a f t e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t e da t9 2 0 ca n da g e d a t4 7 0 cf 研c u c r - z r - m ga l l o y , t h ef i n ep r e c i p i t a t i o no fa no r d e r e dc o m p o u n dc r c u 2 ( z r , m g ) i s f o u n d nc o p p e rm a t r x 嚣w e l la sf i n ec ra n dc z a g e da th i g h e rt e m p e r a t u r et h ep r e c i p i t a t e p h a s e sa r ec o m p l e t e l yt r a n s f o r m e di n t oc ra n dc u 4 z r f o rc u - c r - z ra l l o ya tt h ee a r l ys t a g eo f a g i n g , p r e c i p i t a t ep h a s ec u s z ri sf o r m e d a g e da tt h es a m et e m p e r a t u r ef o r6 h ，t h ep r e c i p i t a t e p h a s e sa r ec u s z ra n dc r , w h i c hi sa s s o c i a t e dw i t ht h ep e a kh a r d n e s sc o n d i t i o ni nt h ea l l o y t h e p r e c i p i t a t e sa r ec o h e r e n tw i t hc o p p e rm a t r i x t h es t r e n g t h4 0 7 m p ad e r i v e df r o mc o h e r e n t s t r e n g t h e n i n gi sa l m o s ti d e n t i c a lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e4 3 0 m p a u p o na g i n ga f t e rs o l i ds o l u t i o n f o rt h ec u - c r - z r - m ga l l o y , t h e r ec o u l db el i n e a r i t y b e t w e e ne l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dv o l u m ef r a c t i o no fp r e c i p i t a t e s b a s e do nt h el i n e a r r e l a t i o n s h i p ，a v r a m ip h a s et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c se q u a t i o na n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ye q u a t i o n 砒d i f f e r e n ta g i n gt e m p e r a t u r e sa l ed e s c r i b e df o rt h ec u - c r - z r - m g t h et i m e - t e m p a r a t u r e - t r a n s f o r m a t i o n ( 1 t dc u r v e sa r ea l s oe s t a b l i s h e d t h em u t u a la c t i o nb e t w e e nt h ea g i n gp r e c i p i t a t i o na n dr e c r y s t a l l i z a t i o na n dt h e i re f f e c to o t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sa r ed e a l tw i t hs y s t e m a t i c a l l y a g e da tt h et e m p e r a t u r el o w e r t h a n5 5 0 i ti sf o u n dt h a tt h ed i s l o c a t i o n sp r o v i d en u c l e a t i o ns i t ef o rp r e c i p i t a t i o na n dt h e d i s p e r s e dp r e c i p i t a t e sd i s t r i b u t ea l o n gt h ed i s l o c a t i o n ，r e s u l t i n gi nt h ep r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g e f f e c t a tt h es a m et i m et h ed i s l o c a t i o n sa r ep i n n e db yt h ed i s p e r s e dp r e c i p i t a t e s ，t h e f o l l o w i n gr e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s si s h i n d e r e d r o i l e da td e f i n i t ee x t e n to fd e f o r m a t i o na n d a g e da th i g h e rt e m p e r a t u r e ，t h ec e l ls u b s t r u c t u r e sf o r m e db yd i s l o c a t i o nw a l l sf i r s ta p p e a rs t r i p s t r u c t u r e t h e nt 1 1 eb u l g i n go ft h eb o u n d a f i e so fs o m ec e l ls u b s t r u c t u r e sa n da n n i h i l a t i o no ft h e d i s l o c a t i o n si n s i d et h ec e l l si n d i c a t et h eo n s e ta n dg r o w t ho fr e c r y s t a l l i z a t i o n t h ed e v e l o p m e n t o f r e c r y s t a l l i z a t i o no f f s e t st h eh a r d e n i n go f t h ec u - c r - z ra l l o y s f o r t h e f i r s t t i m e ，a r t i f i e i a l n e u r a ln e t w o r k m o d e l s o f t h e r m o m e c h a n i c a l t r e a t m e n t p r o c e s s e s a n da g i n gp r o c e s s e sf o rc u - c r - z r - m ga l l o ya n dc u - c r - s n 。z na l l o y a r ee s t a b l i s h e db y 西北工业大学工学博士学位论文 l e v a n b e r g - m a r q u a r d ta l g o r i t h m ak n o w l e d g er e p o s i t o r yo nt h ed o m a i nk n o w l e d g eo ft h e p r o c e s s e si ss e tu pv i as u f f i c i e n td a t am i n i n gb yt h en e t w o r k s t h ec o u p l i n ge f f e c t sa r ed i s c u s s e d b e t w e e np r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm e c h a n c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e sw h i c hc a l lb ep r e d i c t e d e f f e c t i v e l y t h eg e n e t i ca l g o r i t h m sa l l o wt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r st ob es u c c e s s f u l l y s e a r c h e df o rt h r o u g hs i m u l a t i o no f t h ei d e n t i f i e dn e u r a l n e t w o r km o d e l t h eo p t i m i z a t i o no f t h e p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rc u - c r - z r - m ga l l o yc a nb er e a l i z e d t h ep r o d u c t i o np r o c e s s e so ft w o - s t e pc o l dr o l l i n ga n da g i n gf o rc u c r - z r - m gl e a df r a m e a l l o ya r ed e v e l o p e db a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s a f t e rt h ef i r s ts t e pc o l d r o l l i n ga n da g i n g ，s e c o n da g i n gp r o c e s sa tl o w e rt e m p e r a t u r em a k e st h ea l l o y i n ge l e m e n t s s o l u b i l i t yi nc um a t r i xd e o r e a s e , r e s u l t i n gi np r e c i p i t a t i n gf u r t h e r s ot h eh i g h e rs t r e n g t ha n d e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yc a l lb eo b t a i n e d t h ed i s p e r s e dp r e c i p i t a t e sr e s u l t i n gf r o mt h et w o - s t e p a g i n gs t r o n g l yp r e v e n tt h ea l l o yf r o mr e c r y s t a l l i z i n g t h eh i g hs o f tt e m p e r a t u r ei sa v a i l a b l e t h em u l t i a g i n gp r o d u c t i o np r o c e s sf o rc u - c r - z r - m ga l l o yi sa sf o l l o w i n g ：s o l i ds o l u t i o na l 9 2 0 c x l t 卜_ 6 0 c o l dr o l l i n 哥叫西n ga t5 0 0 c x 2 h - - - - 6 0 c o l dr o l l i n g - - a g i n ga t4 6 0 c x l 5 h 2 0 6 0 f i n i s h i n gr o l l i n g t h eh a r d n e s s ，s t r e n g t h , e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y 。r e l a t i v e e l o n g a t i o na n ds o f tt e m p e r a t u r ec a nr e a c h1 8 3 1 9 1 h v , 5 8 3 6 0 4 m p a , 8 4 8 2 9 4 9 2 a n d5 7 8 5 6 0 c ，r e s p e c t i v e l y t h e s ep r o p e a i e sc a r lm e e tt h en e e d so fh i g l ls t r e n g t ha n dh i g h e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yc o p p e ra l l o yf o rl e a df r a m eu s e di ni n t e g r a t e dc i r c u i t 1 1 mp r o d u c t i o n p r o c e s s e sp r o v i d et h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o no f l e a df r a m ec o p p e ra l l o y a sf o rt h es u r f a c ep e e l i n gd a m a g ef o rt h ep r e c i p i t a t i n gs t r e n g t hc o p p e ra l l o ya f t e rf i n i s h i n g r o l l i n g , t a k et h ec u - f e pl e a df r a m ea l l o yf o re x a m p l e f e - r i c ha r e a sw e r eo b s e r v e di nt h ec u m a t r i xu n d e rt h es u r f a c ep e e l i n gb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n de n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p e t h es t r e s sa n ds t r a i nc h a r a c t e r i s t i c sa tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nc um a t r i xa n df e p a r t i c l ea r es t u d i e db ye l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tp l a n es t r a i nm o d e l t h es m a l l e rt h et h i c k n e s s i s , t h el a r g e rs t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nm a t r i xa n df ep a r t i c l e w h e nt h e d e n s i t yo ff ep a r t i c l e si sm o r et h a n3 0 a tl o c a lf e - r i c ha r e a , i n t e n s es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h e f ep a r t i c l ew o u l dm a k et h ef ep a r t i c l eb r e a ku p t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sm o r eo b v i o u sa tt h e s h a r pc o m c ro ff ep a r t i c l e s s ot h el a r g e rf ep a r t i c l e ss h o u l db ea v o i d e di nt h es m e l t i n g p r o d u c t i o no f c u - f e - pa i l o y k e y w o r d s ：h i g hs t r e n g t ha n dh i g hc o n d u c t i v i t yc o p p e ra l l o y , a g i n g , p r e c i p i t a t ep h a s e s ， r e e r y s t a l l i z a t i o n , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 。g e n e t i ca l g o r i t h m ，p r o d u c t i o np r o c e s s e s ，s u r f a c e p e e l i n g , n u m e r i c a la n a l y s i s i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国冢有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：蝌 加1 年6 月1 2 日 指导教师签名： 年月日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所里交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：啦这函缉 枷1 年6 月i 目 墨! 兰丝丝 1 1 引言 第1 章绪论 集成电路( i c ) 是电子信息技术的核心，经过4 0 余年的发展，集成电路已经 从最初的小规模集成电路开始，经过了中规模、大规模、超大规模阶段，现已 进入特大规模集成电路时代。集成电路的发展极大的促进了科学技术和生产力 的发展，以i c 为核心的信息时代，是人类继石器时代、青铜时代、铁器时代又 一个更高级的时代。 i c 产业主要包括设计业、芯片制造业、封装业等，引线框架属封装业的主 要材料之。其作用主要是固定硅芯片，将芯片端头与外部电路连接起来将芯 片信息传递出去，同时将热量散发出去，是集成电路中非常关键的部件【l “n 。因 此，对引线框架材料的要求非常高，必须同时兼备以下几种性能1 1 2 a 3 1 ： ( 1 ) 高导电、导热性。由于集成度的提高，尤其对功耗大的i c ，为了保持 芯片所能允许的温度，必须考虑散热。同时，为了减少因工作频率的提高而由 电容和电感效应所造成的不良影响，要求该材料具有更好的导电性材料的导 电性高，框架上产生的阻抗就小，也利于散热。 ( 2 ) 较高的强度和硬度。目前，所应用的引线框架的厚度一般为0 2 0 0 2 5 r m ，随着集成电路向小型化的方向发展，很快将大量使用0 1 0 0 1 5 r a m 厚 的冷轧带材，这就要求框架材料具有更高的强度和硬度。理想的引线框架材料 的强度应大于6 0 0 m p a 。 ( 3 ) 好的耐热性，耐腐蚀性及抗氧化性能。其耐热性用软化温度衡量。软 化温度是指将材料加热l h 后，其硬度变化到最初硬度的8 0 时的加热温度。通 常，软化温度在4 0 0 以上便可使用。具有一定的耐腐蚀性，不发生应力腐蚀开 裂，主要是要求它在一般的潮湿气候下不因腐蚀而出现断腿的现象。材料的耐 氧化性对产品的可靠性有很大的影响，要求尽可能减少由于加热而生成的氧化 膜。 ( 4 ) 其线膨胀系数应与硅片、陶瓷或玻璃相匹配，以保证获得气密性封装。 ( 5 ) 优良的塑性及成型性能。平整度好，残余应力小。易冲裁加工，且不 起毛刺。 ( 6 ) 优良的焊接性能和电镀密着性。为了改善焊接性，需要采取镀锡、镀 金或镀银，要求镀层不得出现由于加热而出现气泡和剥离等现象。 集成电路的封装形式基本上可分为两种类型，一为插入型，另一种是表面 实装型，详见图卜l 。 高速的电子信息产业，迫切要求高质量的引线框架材料为其配套，下面几 方面成为关注的重点。 合金成分的研究，自2 0 世纪7 0 年代以来，国际上研制开发的铜基引线框 西北工业大学博士学位论文 架材料已有7 0 余种，其共同的研发思路是在尽可能保持铜高传导性能的前提下， 通过在铜中添加各种元素以改善强度、可加工性能、电镀、钎焊密着性等1 1 4 。2 0 1 鳓p ( s i n g l ei n l i n cp a c k a 薛) h 鲫p ( s i pw i t hh a s i n k ) z i p ( z i g - z a gi n l i n ce a c k 魑e ) d i p ( d u a il n l i n ep a n k a 蓼) s d l p ( s h a n kd u a ll n l i r ke a c k a 学) 队g 0 i n g r i d a r r a y ) s o p ( s m a l lo u t l i n ep a n k a g e ) s s o p ( s h r i n ks m a l lo u f l i n cl k a g e ) t s o p ( t h i ns m a l io t l l i i n cp a c i c a 窖c ) s o j ( s m a l l o u t l i n ej l e a d e d p 8 c l c a 9 0 q f p ( q u a df l a te a c k 鹆e ) q f p ( f n ( q f pf i n ep i t c h ) t q f p ( f n ( t h i nq u a df l a tp a c l 【a g c ) q f j ( q t m df l a tj - l e a d e dp a c k a 9 0 c r r p ( d u a l t a p e c a r r i e r p a c k a g e ) q t p ( q u a , tt a p ec a r r i e rp a c k a 鹊) b g a ( b a l lg r i da n a y ) 小型外壳封装 缩小型外壳封装 薄小型外壳封装 小型外壳j 引脚封装 封 四边扁平封装 微细间距四边扁平封装 两型四边扁平封装 四边扁平j 引脚封装 对儡载带封装 四边载带封装 阵列 图1 - 1 集成电路的封装形式 f i g 1 1p a c k i n gs h a p e s o f i n t e g r a t e dc i r c u i t 2 兽嗡啥 芝略 第1 章绪论 i i 熔炼和铸造的工艺技术是生产引线框架铜带的最为关键的工序。目前国际 上普遍采用的工艺是用大容量( 1 5 - 3 0 吨) 的有芯或无芯感应电炉进行合金熔炼， 再进行半连续铸造和加热后热轧生产，这是大规模的生产方式。无论采用大锭 半连铸一热轧，还是采用水平连续铸造一冷轧生产引线框架铜带坯，都比生产一 般的铜合金坯在技术、设备方面要复杂和困难得多，都需要有特殊的工艺和措 施，包括合金元素的添加方法、除气、脱氧的净化方法、特殊的炉衬材料和结 晶器等。 材料的热处理强化和带材应力消除，引线框架铜带生产过程中的一个重要 环节，是材料的热处理工艺和热处理设备，包括材料的固溶处理、冷加工后的 退火和时效处理条件，以及减少或消除因压延、纵剪分条产生的残余应力的措 施等。其中也包括张力退火、拉伸弯曲矫直的工艺和设备。 随着集成电路向高密度化、小型化、多功能化的方向发展，所用引线框架 材料的厚度己由0 2 5 r a m ，降低到0 1 o 1 5 r a m 。对电子封装提出的要求也越来 越高。封装的形式已从传统的双列直插型、t 0 型，向表面封装型、载带自动键 合型、球珊阵列封装、芯片尺寸封装、倒装芯片、混合封装和多芯片组件现代 封装技术方向发展。随着半导体芯片亚微米技术的突破，单片集成度的迅速增 加，超大规模集成电路传输速度的提高及电子整机结构的简化，促馒对铜合金 材料的要求愈来愈高，高强度高导电铜合金即：抗拉强度在6 0 0 m p a 以上，显微 硬度大于1 8 0 h v ，导电率大于8 0 i a c s 的铜合金将是二十一世纪初材料开发热点 之2 1 1 ，所以深入了解和掌握铜合金强化途径是十分必要的。 1 2 高强高导铜合金的强化手段 铜合金具有优良的导电、导热性能，但强度不高是限制铜合金应用的重要 原因。如何在保持高导电、导热性能前提下，提高铜合金的强度，使其获得更 广泛的应用，一直是人们感兴趣的研究课题。本文综述了高强高导铜合金的强 化手段。 1 2 1 固溶强化 固溶强化是通过合金元素溶入铜基体产生晶格畸变，从而阻碍位错运动而 提高合金强度的强化手段【2 2 2 3 】。以固溶原予形态强化铜合金的元素主要有：s n 、 a g 、n i 、m g 、s i 、f e 、p 等。随溶质原子数量增加合金的屈服应力近似沿直线上 升，溶质原子一方面通过形成柯垂耳气团钉扎位错提高材料强度，另一方面也 会增加对电子的散射作用而降低材料的导电率( 2 4 】。因此，在高导电铜合金中， 一般都要求固溶状态元素含量较低，通常控制在1 以下。 1 2 2 时效强化 ， 苎! ! 三些查兰堡主兰些丝壅 高强高导铜合金较少单独采用固溶强化，多数情况下固溶强化与时效强化 同使用。由于固溶在铜基体中的原子引起的点阵畸变对电子的散射作用比析 出相颗粒影响强烈，因而析出强化成为获得高强度、高导电性铜合金中应用最 广泛的强化方法。时效强化适于高温与低温在铜中固溶量相差较大的合金元素， 表卜1 为铜合金系中满足高温时合金元素在铜基体中的极限固溶度要大，室温 下合金元素在铜中平衡固溶度小的合金元素极限固溶度和室温固溶度瞄- 2 9 。从 表卜1 在固态铜中合金元素极限固溶度和室温溶解度 f i g 1 1s o l i ds o l u t i o nl i m i to f a l l o ye l e m e n t si nc o p p e r 表1 - 2 析出强化型高强高导铜合金的性能 f i g 1 - 2m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p r e c i p i t a t e h a r d e n i n gc o p p e ra l l o y s c u - 0 5 c r 铬铜c u - o z k ：r - o 2 z r c u - o 6 c r - o i z r - o 0 3 m g 铁铜 c u - o 1 f e - o 0 3 p c u - 2 3 f e - o i z n - o 0 3 p 4 ：5 0 5 0 0 5 3 9 - 6 3 7 5 8 6 4 0 0 4 5 0 8 0 - 8 5 8 0 8 5 如 6 0 第1 章绪论 表1 - 1 可知，满足产生析出强化要求的元素有：i n 、a g 、t i 、c o 、c d 、f e 、m g 、 b e 、p 、z r 、c r 、s i 。其中铟i n 的溶解度虽大，但比较稀少。经固溶、时效处 理后析出的弥散相能有效地阻止位错与晶界的移动，从而提高了合金的强度。 时效强化的优点是在于大幅度提高材料强度的同时，还可提高合金的导电率。 关于时效强化的机制，一般认为，当强化相粒子尺寸较大时，它以0 r o w a n 机制， 即位错绕过机制产生强化效果：而当粒子尺寸较小时则以位错切过机制发生强 化。 目前研究开发的时效强化铜合金主要有c u c r 、c u z r 、c u n i 、c u m g 、c u f e 等系列合金，部分时效强化铜合金的力学性能和导电性见表卜2 附。表卜3 为一些析出强化铜合金引线框架材料p 习。 表1 - 3 常用铜合金引线框架材料 t 曲l e1 - 3l v i a j o rc o p p c ra l l o yf o rl e a df r a m e s 合金牌号 化学成分 c 1 9 4 c 1 5 l e 兀芑c 6 3 t c 1 0 2 5 k l f l 2 5 c u - 2 4 f e - 0 0 7 p - 0 1 2 z n c u 0 1 z r c u - 0 3 c r - o 2 5 s n - 0 ，兹r n c u - 3 0 n i - o 6 5 s i - 0 1 5 m g c u - 3 2 n i 0 7 s i 1 2 5 s n 一0 3 z n 1 2 3 细晶强化 晶粒细化是在浇铸时采用快速凝固措施或采用热处理手段来获得细小的晶 粒，也可以加入某种微量合金元素来细化晶粒一般情况下，多晶体强度及其 晶粒尺寸之间符合h a l l p e r c h 公式： i 口- - - o , o + 崩。j ( 卜1 ) 公式( 卜1 ) 中仃表示金属屈服强度，t r 0 和k 都是常数，d 是晶粒的平均尺寸。 由上式可知，晶粒尺寸减小，合金强度提高，由于晶粒细化仅使晶体界面增多， 引起的晶格畸变较小，因而对导电率影响不大。细晶强化的突出优点是在提高 材料强度的同时也可提高材料的塑性【3 6 】。这是由于晶粒细化后，材料变形时晶 界处位错塞积所造成的应力集中可以得到有效缓解，推迟了裂纹的萌生，材料 断裂前可以实现较大的变形量。细晶强化正是由于这一优点而得到了广泛的应 用。 1 2 4 快速凝固+ 时效 快速冷凝技术由于凝固过程的冷速快、起始形核过冷度大，生长速率高， 结果使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特 征。采用快速冷凝制备的铜合金有以下特点：( 1 ) 合金元素在铜中的圃溶量显著 5 堕垄三些查堂苎主兰竺丝苎 增大：( 2 ) 晶粒大大细化：( 3 ) 化学成分的显微偏析明显降低：( 4 ) 晶体缺陷密度大 大增加。经时效处理后，铜基体中第二相含量提高，弥散程度增大。这样有利 于在保持高导电率的前提下，显著提高合金的强度p7 卅。如c u c r s n z n 合金 快速凝固时效后的硬度最高可达1 7 8 1 n ，而固溶时效的只有1 1 8 h v ，硬度提高了 6 0 h v 。 1 2 5 弥散强化 弥散强化铜是通过向基体中引入均匀分布、细小、具有良好热稳定性的氧 化物颗粒来强化铜而制得的材料。a 1 2 0 3 、z r 0 2 、s i 0 2 、y 2 0 3 、t h 0 2 等氧化物具 有硬度高、热稳定性好和较易获得细小的颗粒等待点，最适合用作弥散体。在铜 基体中引入微量、细小、弥散分布的硬粒子相，由于强化相的“钉扎”阻止了 位错的运动，从而有效地阻止了铜基体的回复和再结晶，在大大提高基体铜的 强度及热稳定性的同时，导电、导热性却降低不多m 螂l 。目前，研究得最充分的 是c u - a 1 。0 ，系。弥散强化铜合金性能的提高取决于均匀弥散在铜基体中的氧化 物颗粒种类、粒度、形态和分布，弥散的质量在很大程度上取决于制备工艺。制 各工艺