（材料加工工程专业论文）cufep合金高温热变形行为研究.pdf

摘要 c u f e p 合金具有良好的导电导热性能及价格低等特点，成为制造引 线框架的主要材料。热轧是生产c u 年e - p 合金带材的关键工序。利用控制 轧制技术实现热轧和固溶处理的有机结合是提高c u f e p 合金带材的组 织和性能的先进工艺。本文在g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟机上采用热压缩试验对 两种c u f e - p 合金( c 1 9 4 合金和k f c 合金) 的高温热变形行为进行研究， 以便为制定合理的控制热轧与冷却工艺提供参考。实验过程中，热压缩变 形温度为6 5 0 8 5 0 ，应变速率为0 0 1 l o s ，变形后立即水淬，并 对其组织进行金相与透射电镜观察。结果表明： 1 c 1 9 4 合金的真应力一真应变曲线在变形初始阶段出现应力峰值后 流变应力单调递减，k f c 合金的真应力一真应变曲线出现一个或多个应 力峰值，高应变值时都趋于或进入稳态变形。 2 c 1 9 4 合金的峰值应力行为可用z 参数的指数函数形式能较好的描 述，其热变形激活能为3 1 6 l ( j m o l ；而k f c 合金的峰值应力行为可用z 参数的双曲对数函数形式能较好的描述，其热变形激活能为2 8 9 l ( j m o l 。 3 结合前人及本研究结果，c u f e p 合金的热变形激活能可近似地表 达为： q = 3 0 4 7 + l 【1 8 l n c ， 其中，c ，为合金元素总含量。 4 c 1 9 4 合金和k f c 合金z 参数越小对应的动态再结晶晶粒越大，其 动态再结晶形核机制主要是原有晶界弓出机制；动态再结晶组织具有不均 匀分布的位错结构，其组织结构可分为3 种类型：( a ) d r x 晶核，( b ) 成长 中的d r x 晶粒，( c ) 充分加工硬化的d r x 晶粒；在相同变形条件下，k f c 合金的析出物数目比c 1 9 4 合金少，且析出物的尺寸小，这是导致k f c 合金的流变应力比相同变形条件c 1 9 4 合金的流变应力小的主要原因。 5 局部应变而引起的动态析出和随后析出物急剧粗化引起的高应变 值时的流变软化，高变形温度和低应变速率时，动态析出和析出物的粗化 对流变软化的影响越明显。 关键词：c u f e p 合金，热压缩变形，流变应力，热变形激活能，流变软化 a b s t r a c t c u f e pc o p p e ra u o y sw e r ew i d e l yu s e da sl e a df r 咖e si ni cp a c k a g e sf o rt h e i r g o o de l e c t r i c a la i l dt h e n n a lc o n d u c t i v i t ya n dl o w c o s t h o tr 0 1 1 i n gi st h ek e yd r o c e s s n o wc o n t r 0 1 l e dr o l l i n g ，w h i c hi sc o m b i n e dw i t hh o tr o l i i n gs o l u t i o nh e a tt r e a t m e n tb y c o n 仃0 1 1 e dc o o l i n go n - l i n ee q u i p p e dw i t hw 砒e rt r e a t m e ms v s t e m ，i sa na d v a n c e d p r o c e s s i n m a l l u f a c t u r i n g c u f e p c o p p e ra l l o y ss 仃i p s i n t h i s p r e s e n t ，t h e h o t d c f o m l a t i o nb e h 角l v i o r so ft w od i 能r c n tc u _ f e pa l l o y s ( k f ca i l o ya n dc 1 9 4a i l o v l w e r es t i l d i e db ym e a n so fc o m p r e s s i o nd e f o n n a t i o nt e s t so n ( h e e b l e15 0 0m a c h i n ea t s t r a i nr a t e s 删1 9 e db e t w e e n0 o l - l o s 吖a 1 1 dd e f o r m a t i o nt e m p e r a t i l r e6 5 0 8 5 0 ，a n d a s s o c i 砒e ds m l c t u r a lc h a n g e sw e r es t u d i e db yo b s e n r a t i o n so fm e t a l l o g r a _ p k ca n d t e m t h er e s l l l t sa r es h o w na sf o l l o 丽n g ： 1 ) f o rc 1 9 4a l l o y ，t h em l es t r e s 卜t m es t r a i nc u r v e se x h i b i tap e a ks t r e s si nt 1 1 e i 1 1 i t i a ls t a g eo fd e f o n l l a d o n ，a rw l l i c h 血en o ws t r e s sd e c r e a s e dm o n o t o n i c a l l y f o r k f c a l l o y ，廿1 e 仃u es n s s 一仇l es 仃a i nc u r v e sa r ec h a r a c t e r i z e db ym u l t i p l ep e a k so ra s i n 9 1 ep e a kn o w t h e yt e n dt oo re m e ras t e a d ys t a t ea tl l i g hs t r a i n s 2 ) m a x i m u ms 仃e s sf o rc 1 9 4a 1 1 0 yc a nb er e p r e s e n t e db vt 1 1 ee x p o n e m t y p e e q u a t i o nw i t hm ea c t i v a t i o ne n e r g yo f3 1 6k j m o l ，a t l dm a x i m 啪s t r e s sf o rk f c “l o yc a nb er e p r e 驰“t e db yaz e n e r f o u o m o n 弘a r a m e t e ri nt h eh y 埘嚣b o l i c s i n e 。t y p e e q u a t i o nw i t ht h eh o td e f o 瑚a t i o na c t i v a t i o ne n e r g voo f 2 8 9k j m 0 1 3 ) a t e n 协t i v ec o n c l u s i o ni st h a tp a n i c l e si nc u f e pa l l o y sd i s t i n c t l yc h a l l g et h c a c t i v a t i o ne n e r g y ，h i c hc a nb e 印p m x i m a t e l ye x p r e s s e da s q = 3 0 4 7 + 1 0 8i n c ， h e n c ei n c r e a s e st h en o ws n s sv a l u ed 嘶n gh o td e f o r r n a t i o n 4 ) t h ed r xg 豫i ns i z co f c l 9 4a l l o ya n dk f ca l l o y a th i 曲s t r a j n si sd 印e n d e m s e n s m v e l y o nd e f o 衄a t i o nt e m p e 瑚瞳u r eto rs 虹a i nr a t e 叠a 1 1 da l s oi saf h n c t i o no fz i n c r e a s i n go fzl e a d st oar e d u c t i o ni nd r xg r a i l ls i z ee v o l v e da th i g hs t m i n t h e m e c h a n i s m so fd r x n u c l e a t i o n 印p e a rl i k e l ym a t 伊a i nb o u n d a r yb u i g i n gp l a y sa s i m i i a rr o l e n ed r xs u b s t m c t u r ei sh e t e r o g e n e o u sa n dt h ed r x 鼬a i n ss t m c t u r e c 锄b ec l a s s i f i e di n t om ef o l l o 丽n g 缸e ec a t e g o r i e s ：i ) 也ed r x 矾c l e i ，mt h e 铲。埘n gd r xg r a 血s ，a t l di i i ) t h cc r i t i c a l i yw o r k - h a r d e n e dd r xg r 血u n d e rt h e s 帅ed e f o 肌a t i o nc o n d i t i o n ，al i t t l ea m o u n tw i m f i n e r 星阴i ns i z eo fp r e c i p i t a t e sw e r e o b s e r v e di nk f ca l l o y c o m p a r i n gt oc 1 9 4a l l o yl e a d st o d e c r e a s eo ff l o ws t r e s s v a l u e 5 ) t h es 捌nl o c a l i z a t i o n a t h i g hs t r a i n l e a d st od y n 锄i cp r e c i p i t a t i o na 1 1 d s u c c e s s i v e d ”a m i cp a n i c l e sc o a r s e n i n gh a sb e c na s s u m e dt ob er c s p o n s i b l ef o r f i l f t h e rn o w s o f t e n i n a n dt 1 1 i si sm o r ee 丘e c t i v e 、v h e ns a m p l e sd e f o n n e da th i g h e r t e m p e r a t u r e sa n d l o ws t r a i nr a t e s k e yw o r d s ：c u f e - p a l l o y ；h o tc o m p r e s s i o nd e f o m l a t i o n ；f 1 0 ws t r e s s ： d e f o 珊a t i o na c t i v a t i o ne n e e g y ；f i o ws o i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名 导师签名。日期：一年一月一日 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 研究背景 第一章文献综述 众所周知，自1 9 5 8 年美国两公司( 得克萨斯仪器公司和仙童公司) 发明了半导体集 成电路( i c ) 后，近半个世纪以来，i c 得到了迅速发展，经过了小规模、中规模时代， 已进入了超大规模和特大规模集成电路时代。集成电路发展极大地促进了生产力发 展。以i c 为核心的信息时代，是人类继石器时代、青铜时代、铁器时代之后一个更高 级的时代。美国以i c 为主的电子信息产业已占国民经济总产值( g n p ) 的第1 位；2 0 0 0 年 我国该产业首次由第9 位上升为第l 位。集成电路技术已经是许多国家国民经济和国防 建设的战略核心，国外已把i c 技术看成是掌握世界的钥匙。 集成电路的基础材料是芯片、框架材料和封装材料。集成电路封装时必须把其 电路中大量的端头从密封体内引出，为使封装电路牢固可靠，这些引出线要求有一定 的强度，成为封装集成电路的骨架，因此它们被称之为引线框架( 1 e a d f r a i i 峙) ，实际 生产中，为了提高生产速率，引线框架通常在一条金属带上按特定的排列方式连续冲 压而成( 见图卜1 ) 。 困卜1 金属带连续冲压后的引线框架 引线框架材料需要满足以下特性： 为适应电子元件微型化，要求引线框架材料的厚度逐步减薄，如集成电路框架 带材，过去使用厚度为0 2 5 毫米的带材，已向厚o 1 5 毫米、o 1 毫米方向发展。为 使框架本身保持一定形状，不易发生变形，这就要求提高材料本身的强度； 随着集成电路的高密度化，硅片发热量增大，要求框架及时把热量散失，这就 需要材料本身具有良好的导热性。导电和导热是统一的，因此要求材料具有高导电和 高导热性能： 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 框架塑封时，短时承受5 0 0 左右的温度，材料应不发生软化和变形。框架本 身变形将影响硅片的贴合，外引线软化将影响元件的安装。材料抗软化性能，一般用 塑封后材料的硬度损失不大于2 0 来衡量： 要求材料具有耐氧化性，氧化膜在2 5 0 时不剥离： 材料应具有良好的焊接性能，确保内引线与框架的连接，确保外引线与电路的 连接。框架材料与钎焊料应具有良好的浸润性，钎焊后具有耐剥离性； 材料不应对应力腐蚀敏感，应具有耐大气腐蚀性能； 材料不应有方向性。外引线弯曲9 0 。时，弹性回弹角不论在轧制方向还是垂直 轧制方向上均应相等，特别是四个方向引出线的框架更应如此： 框架材料应具有良好的生产工艺性能和低廉的成本，框架材料占集成电路总成 本的四分之一到三分之一，用量极大，故成本应尽可能低； 供冲压框架用带材必须其有精确的尺寸和均匀一致的力学及物理性能。带材的 厚度公差一般为0 o l 毫米；不允许存在残余应力，如果有残余应力，在制作框架时 会引起框架变形；带材宽度公差也十分重要，带材侧弯会使框架变形同时也会使框架 冲压遇到困难； 供冲压框架用带材表面质量要求极为严格，不允许存在任何表面缺陷。 在一个较长时间里，f e n i c o 可伐合金作为i c 引线框架材料和电子管封装材料 曾占绝对优势。但从1 9 7 8 年石油危机导致的世界性经济危机以来，钴原料价格爆涨， 可伐合金价格剧增，导致了代用品f e n “2 合金的大量应用，该合金的热膨胀系数接 近可伐合金，力学性能也和可伐合金相当，只是导热性比可伐合金差些，但由于不含 钴，其价格比可伐合金低很多，自其被开发以来，就以极快的速度替代了绝大部分的 可伐合金”。 随着i c 的发展，铜合金框架材料异军突起世界各国已形成研究和生产框架铜合 金的热潮，并已经高度产业化。悃肉外引线框架用铜台金发展史，大致分三个阶段“1 ： 第一阶段是2 0 世纪7 0 年代，是铜基引线框架材料发展的初期，以电导率8 0 j a c s 的 高导电材料为主，但其强度只有4 0 0 _ | l i p a 左右。尚不能满足集成电路引线框架所引起的 支撑强度要求。此类铜合金以添加低s n ，低p ，低a g 或低f e 为主，如c u p 系列的c 1 2 2 0 0 、 c u f e 系列的k f c 等。8 0 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，在不显著降低电导率的同时，提高材料的强度，称为中导中强合金， 电导率为6 0 7 9 i a c s 、抗拉强度达到4 5 0 6 0 0 m p a ，以高f e 元素为主，再加入s j 、n i 、 p 、c r 等其他强化合金，如c u f e p 系列的c 1 9 4 等；第三阶段是随着向大规模集成电路 发展，集成度的增加和线距的减少，要求引线框架材料电导率在5 0 i a c s 左右、抗拉 强度达到6 0 0 m p a 以上，如( n _ 卜s i 系列的k l f l 2 5 以及c 7 0 2 5 等；引线框架用铜。7 i 会进 一步发展趋势是向着更高强度方向发展，国外已经开发出抗拉强度达到8 0 ( 圳1 。a 电导 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 率为3 5 i a c s 左右的铜合金，此类材料一般为沉淀硬化型合金，如k l f l 8 5 ，c u c r - z r 合金等，但此类铜材的固溶和时效处理均很复杂。 集成电路( i c ) 及所需铜引线框架材料激增。随着信息产业的发展，世界集成电路 发展迅速，正以每年1 0 的速度递增。目前世界i c 产量达2 0 0 0 亿块年，日本产量达3 0 0 亿块年，我国2 0 0 0 年i c 产量可达4 2 亿块年。据中国微电子中心c c i d 预计，我国对i c 的需求量今后将以每年3 0 3 5 的速度增加，将成为i c 的需求和生产大国，并走向世 界前列，具体数据见表卜i “2 。 表卜1国内i c 封装市场需求发展预测”1( 单位：亿块) 年份 2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年 2 0 0 3 年 2 0 0 4 年2 0 0 5 年 i c 封装量 4 25 77 71 0 31 4 01 8 8 i c 市场需求量2 3 23 1 34 2 35 7 07 7 0 1 0 4 0 分立器件封装量 2 6 03 1 03 7 04 5 05 4 06 5 0 分立器件市场需求量3 0 03 6 04 3 0 5 2 0 6 3 0 7 5 0 依据国内引线框架的生产状况，以2 0 0 3 年为例，如果国内框架生产满足国内封装 量i c1 0 3 亿块，分立器件4 5 0 亿只来计算，最保守的估计需要铜材，i c 铜材1 0 3 0 0 吨， 分立器件用铜材1 8 0 0 邮屯。预计2 0 0 5 年国内i c 产量达1 8 8 亿块，销售额达8 0 0 亿元，2 0 1 0 年国内i c 产量达5 0 0 亿块，销售额达2 0 0 0 亿元，约占当时世界集成电路市场份额的3 5 左右，能够满足国内市场需求的3 0 9 6 以上，大生产技术将达到o 1 8 微米的水平，与 发达国家的差距将进一步缩小，从而使我国成为世界重要的集成电路生产基地之一”。 引线框架铜带是为适应电子信息高新技术产业的迅速发展起来的高性能、高新技 术密集型产品。它是专门用于制造半导体分立器件和集成电路块的引线框架材料。我 国目前使用的半导体分立器件和集成电路块，一是整体进口，二是进口引线框架国内 封装，三是进口铜带国内制成引线框架后封装，四是近年来研制的少量国产铜带制成 引线框架后封装0 1 。i c 引线框架用铜带一般为c 1 9 4 ，现全部为进口，进口方为日本、 韩国、德国。分立器件引线框架用铜带的t o 系列用k f c 铜带，绝大部分为进口，进 口方为日本、韩国、德国，其中异性带国内仅洛阳铜加工厂可以批量供货，但产量大 大不足。平铜带有3 4 家可以生产，因质量缺陷，尚不能完全满足框架生产的需求。 近几年随着我国大规模集成电路和超大规模集成电路生产线的启动引线框架铜带的 需求量越来越大。因此建立一条高精度引线框架铜带生产线，填补我国电子基础材料 的空白，实现引线框架铜带国产化是电子材料行业的当务之急。国家发展委员会已j 二 2 0 0 3 年6 月批准江西南昌大洪人管业有限公司投资1 2 亿建设年产1 0 万吨高性能高精 度铜及铜合金板带材的生产线，其中引线框架材料( 合金牌号为c 1 9 4 和k f c ) i i11 万吨，以此来填补我国电予基础材料的空白。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 铜基引线框架材料的研究现状 1 2 1 国外铜基引线框架材料的研究现状 上世纪8 0 年代以来，铜合金围其具有高导电、高导热及价格低等特点，逐渐代替 可伐合金与f e n i 4 2 合金，成为制造引线框架的主要材料。随着集成电路由陶瓷封装向 塑料封装发展，与塑封相匹配的铜基合金引线框架的用量不断增大，己占到8 0 左右， 合金牌号1 0 0 多种”。按其性能分有高强度型、高导电型、高强高导型、高强中导型 和中强中导型等，按其强化元素分有c u f e ( p ) 、c u c r ( z r ) 、c u n i s i 、c u n l p 和c u n i s n 等。 目前常用的引线框架合金及性能见表卜2 “”“1 。 表卜2常用的铜基引线框架舍金及其性能“4 1 热膨胀系导持 台金系列合金牌号化学成分h t )抗拉强延伸率电导罩 数( 2 5 3 0 0 塞 度m p a( )( i c s ) ) ( x( w m 10 _ 6 )k ) c u f ec 1 9 4 0 0c u 一2 3 5 p e o 1 2 z n 一0 0 3 p3 6 z 一5 6 84 5 05 5 6 51 7 42 6 2 c 1 9 5 0 0c u 一1 5 f e 一0 8 c o 一0 6 s n o 0 5 p3 6 0 6 7 03 0 一1 35 01 6 91 9 7 c 1 9 7 0 0 c u 一0 6 f e 一0 2 p 一0 4 m g 3 8 0 5 0 02 一1 08 01 6 71 7 3 c 1 9 2 1 0c u 一0 1 0 f e 一0 0 3 4 p2 9 4 4 1 25 一加9 01 7 73 6 4 c u ro 酣c l i c u _ o 3 c r - 。i z r q o 捌g 5 9 088 21 7 d3 0 】 e f t e c 6 4 tc u 一0 3 c r 一0 ，2 5 s n o 2 z n5 6 01 37 5 c u n i s ic 6 4 7 1 0c u 一3 2 n i 0 7 s i o 34 9 0 5 8 88 1 5 4 017 22 2 0 k l f 一1 2 5c u 一3 2 n i 一0 7 s l 1 2 5 s n 一0 3 2 “6 6 79 3 5l7 c 7 0 2 5 0 c u 一3 0 n i 一0 6 s i 一0 1 瓤g 5 8 5 6 9 02 63 5 4 01 7 ，6 1 9 0 百 c u s nc 5 0 7 1 0c u 一2 s n 一0 2 n i o 0 5 p4 9 0 5 8 89 3 51 7 81 5 5 其它 c 1 5 1 0 0c u o ，1 z r2 9 4 4 9 03 2 19 51 7 63 6 0 c 1 6 5 0 0 c u 一0 【t g o 0 6 p 2 7 5 5 5 03 一 08 6l 了，7 3 4 5 其中c u f e 系合金的突出特点是强度较高“”，材料成本比其他同类材料要低。该 合金目前在引线框架材料中用量最大，占到全部引线框架材料的6 5 以上1 。c u f e 二元系相图( 见图卜2 ) 表明。f e 在铜中同溶度有重大变化( 见表卜3 ) ，8 3 5 时面心立 方v 铁转变为体心a 铁，此时最大的固溶度达到4 o ，而室温下，f e 几乎不固溶于 c u 中，以。铁形式析出。( ：u f e p 三元系相图( 见图卜3 ) 表明，如果有磷仃存，可以 生成纫小的f e ，p 金属化合物。依据析出物尺寸大小与台金的电导率、强艘和抗软化温 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 度三者之间的关系( 见图卜4 ) ，可以确定析出物f e ：p 的尺寸来达到合金的电导率、强 度和抗软化温度的理想配合。 图l 一2c u f e 二元平衡图图卜3c u f e p 三元平衡图1 图卜4 析出物尺寸对电导率、硬度和抗软化温度的影响 通过塑性变形和热处理可以改变f e ：p 化合物的尺寸和分布，铁和磷的加入量应该 本着2 ：l 3 ：i 的原则，这是典型的析出强化型台金。近2 0 年入们对c u f e 系合金进 行了相当深入的研究，诞生了一大批实用型、满足i c 框架多种性能要求的合金。由 于工艺性能优良，价格低廉，在i c 框架制造中广泛应用。铁的加入量为o 1 2 3 ； 磷的加入量为o 0 3 左右，过多地加入会使台金的导电率下降。为满足i c 框架多方面 要求，还可以加入z n 、s n 、t i 等元素，其中z n 的加入可以提高焊料的不剥离性 能。目前c u f e 系框架材料应用最广泛的合金是高导电型合金k f c 。相当于我国t f e o 1 合金，其次是高强、中导型合金c 1 9 4 ，相当于我国t f e 2 5 合金。早于上世纪6 0 年代 美国奥林公司开发生产c 1 9 4 合金。1 9 7 1 年日本玉川机械金属公司( 现三菱伸铜) 与奥林 公司签订技术协作合同，引进c 1 9 4 合金生产技术。其优点是导电率较高，在合适的 生产 ，艺处理后一般可超过6 0 i a c s ，但硬度较低，一般只有1 4 0 h v 左右。官藤元久 等人的研究表明j ，k f c 是一种以f e 2 p 为强化相的对效强化合金。在5 0 0 以下州 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 效后，f e 2 p 析出物的直径均在1 0 m 以下，以o r o w a l l 机制产生强化效果。宫藤元久 等人“”在对k f c 合金进行合适的生产工艺处理研制成牌号为k f c s h 合金。研究表 明：k f c s h 合金的强化机制是与基体共格的细小的f e 2 p 所产生的析出强化。从基体 中析出的均匀、细小的析出物f e 2 p 增加了再结晶温度同时增强了钉扎位错和阻碍 晶界的迁移的强化效果。另外随f e 2 p 的析出，基体得到纯化，从而得到高的电导率。 k f c s h 合金的抗拉强度为5 0 0 m p a 、电导率为8 7 i a c s 、抗软化温度为7 4 8 k 。 袁卜3f e 在c u 中国溶度变化 温度f e 固溶度说明 1 0 9 44最大同溶度 8 3 5ly 铁转变为q 铁 7 5 0o 6析出相为。铁 6 0 0o 1析出a 铁质点 室温几乎不溶析出q 铁质点 注：当p 存在时以f e ：p 质点析出 c u - f e p 合金强化机理是析出硬化来增加强度的。对于铁和磷的加入量本着2 ：1 3 ：1 的c u f e p 合金如k f c 合金，如果晶粒中的强化相析出的仅仅是f e 。p ，其结构较 稳定，质点尺寸太小，对位错的阻力就不显著。材料的硬度也不高。电导率也较低。 在高温下形成f e 。p 的时间比形成f e 。p 所需的时间更长，所以高温时以生成f e z p 为主， 低温下生成f e ，p ，并且时效温度下f e 。p 有向f e 。p 转变的趋势。随着时效热处理时间 的延长，f e 。p 向f e 。p 转变。由于合金已无多余的铁原子供其结合，只能吸引相邻另一 f e ：p 的一个铁原予形成伪f e 。p 的网状结构，生成的金属中间化合物，随着时间的推移 越来越大。所以采用淬火法生成的k f c 合金坯料，析出硬化的效果远比不淬火的效果 好”。对于铁和磷的加入量大于3 ：l 的c u f e p 合金如c 1 9 4 合金主要以y 铁析出强 化为主，析出物y 铁细小时主要以切割机制强化，较粗大时主要以绕过机制强化”。 1 2 2 我国铜基引线框架材料的研究与发展 为发展我国的民族电子工业，我国从“七五”末开始先后从发达国家引进了1 0 多条集成电路自动生产线，并能小批量的生产低集成度的集成电路，但其技术水平和 规模与世界先进国家( 美国、日本) 相比，仍有很大差距。我国目前电子工业所需的集 成电路，绝大部分要从国外进口从而受世界电子市场的制约。这一现象己引起国家 的高度重视，为改变这种被动局面，我国“八五”期间启动9 0 8 工程，“九五”期间又启 动了9 0 9 工程国家己投巨资( 近百亿元) 在上海建立我国自己的大规模集成电路 生产基地。1 9 9 6 年1 1 月2 6 日李鹏总理亲自主持9 0 9 工程开工典礼，为之配套的丁柙 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 有五个年产2 亿块集成电路的封装工厂。与此同时，为配合我国集成电路工业的建设 和发展，近年来，国家相继开展了大规模集成电路用硅片、引线框架材料和封装材料 及技术的研究。我国集成电路框架及材料生产和科研已取得重大的进步。 “八五”期间形成以电子工业部华晶集团、永红集团为主的冲制框和塑封半导体元 件中心，宁波、泰兴等地区乡镇企业迅速崛起，为我国晶体管工业发展作出重大贡献。 用刻蚀方法试制的集成电路框架已经起步，宁波集成电路研究所、北京机床研究所、 清华大学等进行蚀刻方法研究。我国框架生产工厂积极参加框架材料研究，首先选用 国产铜框架材料，从而促进我国铜加工工业的发展。 为适应我国集成电路事业的发展，国家计委、电子工业部、有色金属总公司“八 五”期间下达“i c 铜框架材料研究”课题。经过五年的努力，洛阳铜加工厂研制成t p 0 、 t f e o 1 、q f e 2 5 三种框架铜合金，并使用大锭热扎一双面铣屑一精度轧制一气垫退火 一拉弯校等先进技术共试制成功8 0 0 多吨产品，满足国内部分市场需求，填补了国 内空白，缓解了铜合金框架材料供求的矛盾3 。上海市有色金属总公司于1 9 9 2 年全面 建成了一条拥有8 0 年代国际先进装备水平的铜板带材生产线，并于1 9 9 7 年1 月1 日通过 中国商检质量认证中心i s 0 9 0 0 2 质量体系认证，成为国内首家通过i s 0 质量认证的铜加 工企业1 。 近年来，清华大学与洛阳铜加工厂合作，研制出新型的引线框架铜合金t f e 0 1 5 、 q s i o 7 、q s i o 2 5 ，其抗拉强度及电导率见表卜4 。”。 袁卜4 我国生产及研制的引线框架材料 抗拉强度延伸率电导率生产或研制 合金牌号化学成分“t )硬度 i v m p a“)( i c s )单位 t p 0c u 一0 0 1 5 f e 0 0 4 p2 4 51 5 8 5) 7 5 洛铜 t f e 0 1c u 一0 1 f e 一0 0 3 p3 3 5 4 1 04 5 8 08 5 1 5 0洛铜 o f e 2 5c u 一2 5 f e - 0 0 5 z n o 0 3 p3 6 5 4 4 l5 6 6 01 1 5 1 4 5洛铜 t f e 0 1 5c u 一0 1 5 f e 一0 0 5 p 一0 1 z n5 1 087 51 5 5 清华、洛铜 0 s i o 7c u 一3 2 n i _ o 7 s i - 0 3 z n8 0 065 62 2 0清华、洛铜 0 s i 0 2 5c u 1 0 n i o 2 5 s i _ 0 1 2 n5 5 066 l1 6 0 清华、洛铜 我国的框架材料研究和开发还处于初期阶段，还不具备研究高级功能框架合金的 基本手段。对框架合金的研究远远没有引起有关部门的重视，我国i c 引线框架铜带与 世界发达国家相比差距较大( 见表卜5 ) 。具体表现在：1 ) 引线框架铜带生产规模小， 产量低，自给率低，主要依靠国外进口：2 ) 合金产品品种不能满足国内集成电路寸 产的需要；3 ) 产品精度低、带栩表面粗糙，板型不良，残余应力过大，边部毛刺， 性能及尺寸精度一一致性差，。品性能普遍低于国外同类产品。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表l - 5 我国与日本i c 框架铜带的比较 项目中国 日本 产量1 0 0 0 吨 9 0 0 0 0 吨 大批量生产品种 67 7 其中铜铁系合金 42 0 性能( 如k f c ) 强度( 肝a )3 3 5 4 1 0 4 0 0 4 5 0 导电率( l a c s ) 8 0 8 58 9 9 0 精度( 以厚度0 2 5 为例) 0 0 10 0 0 5 我国i c 引线框架铜带生产远远落后于世界发达国家，也不能满足国内集成电路行 业发展的需要。质量和品种只能满足集成电路发展初期的需求，大规模和超大规模集 成电路所需要的高精铜框架带材还是空白，比国外几乎落后2 0 年。这样我国集成电路 用框架材料不但现在需要依靠国外，如不下大力气加速发展框架材料，在今后更长的 时间还要依靠国外。 1 3c u f e p 合金带材的生产工艺 c u f e p 合金板带生产方法主要有大铸锭热轧高精冷轧和水平连铸卷坯 高精冷轧两种。两种方法的区别是：前者通过熟轧半连续铸锭，获得优质热轧卷坯， 然后经自动双面铣削，获得供高精冷轧的卷坯；后者是采用水平连铸方法，通过在线 铣削，获得供高精冷轧的卷坯。前者工艺成熟，热轧可充分改变铸造组织，但该方法 工艺流程长，设备投资大。而后者具有工艺流程短、投资少等明显优点。 下面主要介绍国内外大铸锭热轧高精冷轧法的工艺流程“”： 1 法国格里赛公司( g r i s e t ) 的生产工艺： c 1 9 4 ：感应熔炼半连续铸锭2 0 0 4 0 0 7 0 0 0 m m ，重5 吨一步进式炉加热8 5 0 一中4 6 0 7 0 0 m m 两辊热轧机轧至1 4 4 0 0 m m ，强水冷一卷曲一铣面至1 2 6 m m 一三 连轧至4 o m m 一罩式炉退火5 0 0 ，6 小时一4 辊冷轧至1 m m ( 轧机规格中4 5 0 m 6 5 0 7 0 0 m m 卜，罩式炉退火4 8 0 5 0 0 ，6 小时一m 1 5 0 中4 5 0 7 0 0 m m 轧机冷轧至 0 2 o 5 m m 一通过式展开退火。带材性能y 2 、ob 4 5 0 m p a 、电导率8 0 i a c s 。 其生产特点是热轧卷坯铣面后，经三连轧机冷轧，然后转四辊轧机精轧。 2 国内某厂的生产工艺： c 1 9 4 ：感应熔炼锭土1 、1 4 0 6 2 0 2 0 0 0 m m 一煤气加热炉8 5 0 8 7 0 热轧机心 8 5 0 15 0 0 m m 两辊热轧机轧至1 3 m m 一双面铣和侧边铣至1 2 4 m m c d d 、1 ) 10 7 0 x 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 5 0 n u l l 轧机，冷轧至1 2 m m 一罩式炉保护气体退火5 0 0 ，4 6 小时一中2 6 0 中7 0 0 7 5 0 m m 轧机，轧至成品卷材，o 3 8 、o 2 5 、o 2 、o 1 5 m m 一气挚通过式退火，氮气 加氢保护，退火温度4 8 0 5 0 0 ，通过速度1 0 3 0 米分。带材性能ob 4 0 0 4 5 0 m p a 、电导率6 0 7 0 i a c s 。 k f c ：感应熔炼锭坯1 7 0 6 2 0 4 0 0 5 0 0 m m ，重4 5 砘一煤气加热炉8 5 0 8 7 0 ，微氧化气氛一热轧至1 3 m m 卷坯一双面铣至1 2 4 m m 0 4 5 0 巾1 0 7 0 1 2 5 0 m m 轧机，轧至1 2 m m 一4 8 0 罩式炉退火一中2 6 0 m 7 0 0 7 5 0 m m 轧机、板型控制、全油 润滑，加工率1 5 3 5 一气体通过式退火5 0 0 、1 0 3 0 米分一碱洗、除油、清洗 一拉弯矫一成品剪切。厚度o 2 5 、o 2 、o 1 5 、o 1 m m ，宽度1 6 m m ，长度2 0 0 5 0 0 米；性能oh 3 9 0 4 4 0 m p a 、电导率8 2 9 0 i a c s 一包装。 3 日本神户钢铁公司 k l f l 9 4 s h t 铜合金的抗拉强度高达5 6 9 m p a ，电导率7 1 i a c s ，合金成分为 c u - 2 2 f e 1 5 z n - o 0 3 p 。是在c 1 9 4 合金的基础上，进一步巧妙设计成分和改善加工工 艺而获得的。其加工工艺如图1 5 所示1 。 冷轧斡轧抟轧冷轧 冷轧降轧冷轧 ( a )( b ) 图卜5c 1 9 4 一s h 和k l f _ s h t 合金的加工工艺” ( a ) c 1 9 4 一s h( b ) k l f l 9 4 一s h t k l f l 9 4 s h t 合金的特点是在冷轧过程中进行8 4 8 k 2 h 和7 7 3 k 2 h 的连续两 次退火，而获得的高性能。 以上介绍的生产工艺流程热轧后都没有固溶处理工序。 n o f 研l k i n o m o t o ”等研究了热处理制度和时效后冷轧加工率对性能的影响，发现 抗软化性能主要与固溶处理有关，并随时效条件和随后的冷轧加工率不同而变化。根 据这些结果，研究了一种生产c 1 9 4 一e s h 的工艺方法，其中包括使用新制作的连续退 火炉，在9 0 0 以上进行固溶处理。生产的c 1 9 4 一e s h 带材电导率为7 0 i a c s 、抗 拉强度5 6 0 m p a 、维氏硬度1 6 0 h v 、在4 5 0 保持5 分钟不软化。 通过对国内外公司的生产工艺进行比较可以看出，国内公司的c 1 9 4 合金和k f c 合金的生产工艺在热轧后没有进行水淬处理，热轧后板材立即打卷空冷。由于散热慢， 材料在较高温度下停留时间很长，大量强化元素以粗大颗粒形式析出，同时热轧后的 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 工序中又没有进行固溶处理，造成时效后起主要强化作用的弥散相数量减少，从而导 致最终产品的性能下降。由于c u f e p 合金的强化机制是靠析出硬化来增加强度的， 因此各工序中的析出物的数量、尺寸、形状影响最终产品的性能。实际生产中热轧后 不进行固溶处理，热轧后的析出物的尺寸、数量基本上不受后续冷轧变形的影响，因 此热轧后析出物的状态很大程度上影响最终产品的性能。 热轧是生产c u f e p 合金带材的关键工艺，即使热轧终轧温度保证在相变点温度 以上，但若不及时淬火，仍会在晶界产生f e 2 p 、f e 3 p 和y f e ，使电导率降低，加工 性能弱化“。随后即使进行时效热处理，也较难达到电导率、强度和抗软化温度理想 配合“。因此在线淬火是确保生产性能稳定、均匀的优质c u f e p 合金带材的必由之 路，即在固溶析出温度以上完成热轧，并进行快速冷却，把高温状态的固溶体保存到 低温状态以便下一步加工。因此控制轧制是生产c u f e p 合金带材的一个重要手段， 利用热轧在线的冷却系统控制冷却，实现热轧和固溶处理的结合。 1 4 铜合金高温热变形行为研究现状 热轧是生产c u f e p 合金带材的关键工艺，对c u f e p 合金的高温热变形的研究 显得非常必要，有利于确定热轧的应力水平和力能参数，有利于确定热轧终轧温度， 另外，目前国内外没有对c u f e p 合金的高温热变形行为的报道。为了更好地研究 c u f e p 合金的高温热变形，有必要了解铜合金高温热变形行为的研究现状。 1 4 1 铜合金高温热变形流变应力行为 铜合金热轧或热变形过程中，高温流变应力盯强烈地取决于变形温度r 、应变速 率i 、变形程度s 、合金化学成分c ，以及变形体内部显微组织结构s 等。 通常可将其表达为1 ： 盯= ，0 ，i ，c ，s ) ( 1 1 ) 在实际变形加工过程中，材料的化学成分一般不会发生改变，可按材料常数来处 理，而变形体内部显微组织结构又受变形条件的制约，因此式( 卜1 ) 可简化并有如下 表达式： 盯= ，0 ，叠，丁) = i 0 m p m p ) ( 1 2 ) 迄今为止，用于描述金属高温变形时流变应力的数学关系很多，目前主要用 z e n e r h 0 1 1 0 m o n 参数的函数来描述铜合金高温变形时流变应力的数学关系”4 。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 在高温塑性变形过程中，根据加工硬化和动态软化的发生情况，流变应力盯、应 变速率0 、变形温度7 1 之间的关系可由三者在稳态蠕变阶段的相互关系式即g a r o f a l o 公式“5 ”2 ”来描述，这一点已被广泛接受。 通过对不同材料高温塑性变形实验数据的仔细研究表明，在低应力