CuCrSnZnCe合金的耐熱性能

楊 哲，蘇娟華，賈淑果，馮千駒

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023)

0 引言

引線框架在集成電路中起著支撐、連接內(nèi)外部電路和散熱等作用，是集成電路的重要組成部分。隨著電子科技的迅速發(fā)展，集成電路已經(jīng)向高集成化、微型化和高可靠性的方向發(fā)展，這就要求引線框架材料必須有較好的強(qiáng)度、優(yōu)良的導(dǎo)電性，良好的焊接性、成型性和塑封性等。Cu-Cr-Sn-Zn系合金是日本古河電氣工業(yè)公司研制的高強(qiáng)高導(dǎo)引線框架材料，具有較好的綜合性能[1-5］。文獻(xiàn)[6-8］已經(jīng)對(duì)這種合金進(jìn)行過(guò)系列研究，并且取得了一定的成果。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，引線框架材料的高溫抗軟化溫度是引線框架材料的一個(gè)重要性能，直接決定著這種引線框架材料的應(yīng)用，目前，很多研究主要都集中在強(qiáng)度、導(dǎo)電率等性能方面，對(duì)該合金的耐熱性研究甚少。近年來(lái)，有報(bào)道指出在銅合金中加入少量的稀土元素可以起到細(xì)化、變質(zhì)、延緩再結(jié)晶速度等作用，對(duì)提高合金的耐熱性有顯著的作用[9-10］。為此，本文在Cu-Cr-Sn-Zn合金中加入少量的稀土元素Ce，通過(guò)不同的形變熱處理工藝對(duì)CuCrSnZnCe合金的耐熱性進(jìn)行研究，以提高微量稀土CuCrSnZn合金的耐熱性。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)選用的材料是Cu-Cr0.44-Sn0.34-Zn0.2-Ce0.01合金。該合金是以CuCrSnZn合金為主體，然后加入了少量稀土。合金的熔煉選用高純電解銅、99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的純Cr、99.9%的純Sn、99.9%的純Zn和99.9%的純稀土金屬Ce在中頻感應(yīng)爐中熔煉而成。用鐵模澆鑄合金，然后鍛造成100 mm×40 mm×10 mm的板材。

試驗(yàn)選用的工藝為復(fù)合變形工藝:固溶1 h→40%冷軋變形→500℃時(shí)效2 h→40%冷軋變形→480℃ ×1.5 h→最終精軋，其中固溶溫度選擇850℃、880℃、920℃，最終精變形的變形量選擇20%、40%、60%，總計(jì)9種試驗(yàn)工藝，固溶溫度850℃、變形量20%、40%、60%的工藝分別記作a、b、c，固溶溫度880℃時(shí)，按照精變形量從小到大記作d、e、f，固溶溫度為920℃時(shí)，按照精變形量從小到大記作g、h、i。用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量硬度，載荷為100 g，加載時(shí)間5 s，每個(gè)試樣測(cè)量次數(shù)不小于4次，顯微硬度計(jì)的測(cè)量誤差≤±5%。光學(xué)金相分析在日產(chǎn)Versmet-Ⅱ型顯微鏡上進(jìn)行，試樣經(jīng)機(jī)械拋光后做化學(xué)腐蝕，腐蝕液為FeCl3的乙醇水溶液。時(shí)效處理和固溶處理均在通氮?dú)獗Ｗo(hù)的管式爐中進(jìn)行，正常工作時(shí)爐溫波動(dòng)誤差為±5℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 合金在不同工藝下的硬度

表1為不同工藝后CuCrSnZnCe合金的硬度。通過(guò)對(duì)合金不同工藝的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)固溶溫度相同時(shí)，隨著變形量的增大，硬度略有提高。而當(dāng)精變形量相同時(shí)，合金經(jīng)過(guò)920℃固溶處理后硬度明顯都高于其他兩個(gè)固溶處理溫度。這是因?yàn)殡S著最后一道工序精變形程度的增加，加工硬化程度更加劇烈;而當(dāng)CuCrSnZnCe合金在920℃下進(jìn)行固溶處理后，合金中的其他過(guò)剩相能夠充分溶解到固溶體中，生成過(guò)飽和固溶體，有利于提高合金的硬度。

表1 CuCrSnZnCe合金不同工藝下的顯微硬度

2.2 合金的耐熱性分析

一般把材料經(jīng)過(guò)1 h退火后硬度降為原始硬度80%時(shí)的溫度稱為軟化溫度。在引線框架裝配的過(guò)程中，引線框架材料在芯片焊接、引線焊接和樹(shù)脂封裝的時(shí)候，受熱溫度能夠達(dá)到400～500℃，受熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)。在裝配的過(guò)程中要求引線框架材料不會(huì)因?yàn)槭軣岫l(fā)生軟化。圖1給出了經(jīng)過(guò)不同工藝處理的CuCrSnZnCe合金，經(jīng)過(guò)1 h退火后的硬度隨著退火溫度變化的曲線。從圖1中可以看出:合金的硬度都是隨著退火溫度的升高而降低的。當(dāng)退火溫度較低的時(shí)候，合金硬度下降的比較少，隨著退火溫度的升高，退火后合金的硬度降低的程度越來(lái)越大。根據(jù)再結(jié)晶的基本原理，當(dāng)退火溫度比較低的時(shí)候，該合金尚未達(dá)到再結(jié)晶溫度，驅(qū)動(dòng)力不足以使合金從高能狀態(tài)向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變。而當(dāng)合金的退火溫度升高到一定程度之后，變形合金擁有了足夠的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，處于高能狀態(tài)的變形合金開(kāi)始自發(fā)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著退火溫度的升高，硬度下降的速度逐漸加快[11］。而當(dāng)退火溫度超過(guò)500℃后，回復(fù)、再結(jié)晶軟化作用明顯增強(qiáng)，再結(jié)晶晶粒逐漸長(zhǎng)大，表現(xiàn)為隨著退火溫度的升高，退火后合金硬度迅速下降，如圖1所示。

圖1 CuCrSnZnCe合金硬度隨退火溫度的變化曲線

不同工藝下CuCrSnZnCe合金的軟化溫度如表2所示。在不同的工藝下該合金的軟化溫度出現(xiàn)了一定的差異。例如，該合金在d工藝下，軟化溫度達(dá)到了515℃;而在i工藝下，軟化溫度只有487℃。這說(shuō)明合金的加工工藝對(duì)合金的抗軟化性能產(chǎn)生了一定的影響。

表2 CuCrSnZnCe合金不同工藝下的軟化溫度

2.3 耐熱性影響要素分析

2.3.1 固溶溫度和精軋變形量

合金在進(jìn)行固溶處理時(shí)，應(yīng)盡量使合金元素充分溶解到固溶體中。合適的溫度可以獲得適宜的晶粒度，以保證合金高溫抗蠕變性能。當(dāng)精變量相同，固溶溫度為920℃時(shí)，CuCrSnZnCe合金經(jīng)過(guò)復(fù)合變形后表現(xiàn)出了高的硬度和耐熱性，這是因?yàn)樵?20℃進(jìn)行固溶處理后，合金元素充分溶解在了固溶體中，同時(shí)，添加的稀土元素Ce與其他元素在晶界上形成稀土化合物，對(duì)晶界的滑動(dòng)也起了阻礙作用，這樣就提高了合金高溫下晶界的強(qiáng)度，顯著提高了抗軟化性能[12-13］。

最后一步的精軋變形量越大越有利于提高合金的硬度，這是因?yàn)樽冃瘟吭酱?，空位和位錯(cuò)的數(shù)量就越多，產(chǎn)生的加工硬化越劇烈，但是對(duì)合金的耐熱性越不利，這是因?yàn)樽冃文芤钥瘴缓臀诲e(cuò)等缺陷的形式存在于合金中，在隨后的加熱過(guò)程中會(huì)促進(jìn)合金的回復(fù)和再結(jié)晶，促進(jìn)合金的軟化。

通過(guò)綜合分析表1和表2的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):CuCrSnZnCe合金經(jīng)過(guò)工藝g(在920℃固溶處理1 h→40%冷變形→500℃時(shí)效處理2 h→40%的冷變形→480℃時(shí)效處理1.5 h→20%精軋)加工后，既有較高的硬度又有良好的耐熱性，表現(xiàn)出了良好的綜合性能。

2.3.2 微觀組織

CuCrSnZnCe合金經(jīng)過(guò)工藝g加工后，分別在400℃、500℃、600℃和700℃退火1 h，金像組織照片見(jiàn)圖2。從圖2a可以看出:在400℃下退火時(shí)，此時(shí)的合金剛剛開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶，合金內(nèi)部仍然保留著大量的纖維組織，但纖維組織已經(jīng)開(kāi)始斷裂，產(chǎn)生了大量彌散的、細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。而從圖2b中可以看出:在500℃下退火后，纖維組織已經(jīng)不太明顯，合金內(nèi)部充滿了細(xì)小彌散的晶粒。隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，再結(jié)晶晶粒逐漸長(zhǎng)大，如圖2c和圖2d所示。因此，合金在400℃退火后仍然保持著一定的硬度，而在700℃退火后硬度就明顯下降了。從以上分析可知:延緩再結(jié)晶的發(fā)生是提高合金耐熱性的重要方法，而稀土元素能夠析出，在晶界附近形成稀土化合物，有效的延緩再結(jié)晶的發(fā)生[12-13］。

圖2 合金退火后的金像照片(1 000×)

3 結(jié)論

(1)CuCrSnZnCe合金經(jīng)過(guò)工藝920℃固溶處理1 h→40%冷變形→500℃時(shí)效2 h→40%冷變形→480℃時(shí)效1.5 h→20%精軋變形后，硬度為177HV，高溫軟化溫度為518℃。

(2)當(dāng)最后精變形量相同時(shí)，CuCrSnZnCe合金在920℃進(jìn)行固溶處理時(shí)，有較好的硬度和耐熱性。當(dāng)固溶溫度相同時(shí)，最后的精變形量越大，硬度越高，耐熱性越差。

(3)合金的軟化是回復(fù)、再結(jié)晶引起的，延緩再結(jié)晶的發(fā)生是提高軟化溫度的重要方法。

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