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≥410 MPa,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40 mmxl00 mmx600mm。铸锭经加热至950℃保温2 h,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SDT Q600上进行DSC试验（示差扫描量热法（differential scanning calorimetry）一种热分析法）,在JSM 6480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200 kV)。

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2 h。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90 MPa左右；在850℃时,屈服强度下降到18 MPa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49 MPa,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40 mm)经950℃保温2 h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0.4 mm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