去應(yīng)力退火對(duì)0.1mm4J42精密合金冷軋帶材性能的影響

秦紅霞，李 強(qiáng)，金 翼

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100081；2.江蘇合金能源科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212499)

1 引言

引線框架[1]是半導(dǎo)體芯片的載體，為半導(dǎo)體、芯片提供電流和信號(hào)輸入、輸出的通路，作為導(dǎo)電介質(zhì)連接集成電路內(nèi)外部電路，傳送電信號(hào)，并與氣密封接材料一起，向外散發(fā)芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，是集成電路[2～7]中極為關(guān)鍵的零部件，也是半導(dǎo)體和集成電路產(chǎn)品賴以生存的結(jié)構(gòu)材料。隨著半導(dǎo)體器件集成度的迅速提高以及高可靠性、小型化、表面貼裝的發(fā)展，集成電路行業(yè)對(duì)引線框架提出了更高的要求，引線管腳的增多，間距減少[7]，以及外形的變革，在設(shè)計(jì)高可靠的集成電路引線框架時(shí)，要求框架材料要與單晶硅芯片材料、陶瓷等封接，溫度沖擊時(shí)與芯片等產(chǎn)生的應(yīng)力要極小。

由于4J42合金是一種鐵磁性恒彈性合金(彈性模量溫度系數(shù)或頻率溫度系數(shù)很小的合金)，其熱膨脹系數(shù)與單晶硅芯片材料、陶瓷等相近，所以在設(shè)計(jì)高可靠的集成電路引線框架時(shí)，4J42 合金是首選的材料，能適應(yīng)目前集成電路向小型化、大功率方向的發(fā)展要求[2～8]。

近幾年，國際上 IC[3]封裝業(yè)正在以平均每年 9%～11%的速度增長(zhǎng)，面對(duì)國內(nèi)平均高達(dá) 30%～40%的增長(zhǎng)率，在未來一段時(shí)期里，國內(nèi) IC 引線框架市場(chǎng)將繼續(xù)存在供不應(yīng)求、大量進(jìn)口的局面，國內(nèi)生產(chǎn)集成電路引線框架材料的廠家僅有幾家，只能滿足全國需求量的不足40%，其原因是該材料的尺寸精度、帶材板形、表面質(zhì)量要求都極高[9～11]。

本文主要是對(duì)0.1 mm4J42冷軋帶材[12]的去應(yīng)力退火工藝[13～15]進(jìn)行研究，對(duì)不同退火工藝制度下冷軋帶材的性能和板形情況進(jìn)行對(duì)比分析，從而確定最佳的引線框架材料用0.1 mm4J42冷軋帶材的去應(yīng)力退火工藝(圖1)。

圖1 引線框架材料

2 實(shí)驗(yàn)材料以及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

在選取原材料的時(shí)候，要根據(jù)需方對(duì)膨脹系數(shù)的要求進(jìn)行原材料的選擇。本文中要求合金的膨脹系數(shù)滿足：20～300 ℃ 時(shí)，膨脹系數(shù)為4～4.8×10-6/℃；20～400 ℃ 時(shí)，膨脹系數(shù)為5.4～6.6×10-6/℃，因此，選取成分見表1，帶材厚度為0.8 mm，寬度為260 mm，卷重約500 kg的4J42合金坯料。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

對(duì)4J42合金坯料的膨脹系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表 2 所示，結(jié)果滿足需方的要求。

表2 4J42 坯料的膨脹系數(shù)

為了保證產(chǎn)品的性能，冷軋工藝流程設(shè)定為三軋三退一拉，最終軋程的變形率控制在27%±2%[16]，最后一道次的變形率通?？刂圃?0%左右，以得到較好的冷軋板形(圖2)。

2.2 去應(yīng)力退火工藝實(shí)驗(yàn)

去應(yīng)力退火又叫張力退火[13～15]，它是在一定張力作用下進(jìn)行連續(xù)熱處理，是溫度、時(shí)間和張力相配合的熱處理方法。帶材在機(jī)械加工、變形加工等過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，采用去應(yīng)力退火能夠消除殘余應(yīng)力[17]，減小后序加工過程中的變形以及開裂等不良現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)在考慮去應(yīng)力退火對(duì)冷軋帶材板形影響的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮去應(yīng)力退火對(duì)帶材性能影響較大的3個(gè)因素(退火溫度、退火速度、單位張力)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)方案[18]的設(shè)計(jì)。將冷軋到0.10 mm的帶材，先進(jìn)行剪邊，然后進(jìn)行拉伸彎曲矯直處理，再分別取拉矯后的帶材各2 m，進(jìn)行去應(yīng)力退火處理[19]，具體實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表3 去應(yīng)力退火實(shí)驗(yàn)方案

去應(yīng)力退火處理后，分別取0.1 mm×240 mm 的合金帶材各1 m，進(jìn)行懸垂翹曲測(cè)量，檢測(cè)板形的平整度。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 退火工藝對(duì)帶材力學(xué)性能影響分析

去應(yīng)力退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 去應(yīng)力退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 不同退火溫度、退火速度對(duì)4J42精密合金帶材硬度的影響

由圖3可以看出，退火溫度對(duì)帶材的硬度影響比較明顯，隨著退火溫度的升高，退火后帶材硬度呈顯著下降趨勢(shì)。在不同的退火速度下，退火溫度為400 ℃時(shí)，帶材的平均硬度HV為208.6；退火溫度為350 ℃時(shí)，帶材的平均硬度HV為209.3；退火溫度為300 ℃時(shí)，帶材的平均硬度HV為215.0。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為-0.84，說明退火溫度和帶材的硬度存在負(fù)相關(guān)，且高度線性相關(guān)。

圖3 退火溫度對(duì)材料硬度的影響

由圖4可以看出，退火速度的快慢對(duì)帶材的硬度影響不明顯。在不同的退火溫度下，退火速度為2 m/min時(shí)，帶材的平均硬度HV為210.0；退火速度為4 m/min時(shí)，帶材的平均硬度HV為211.7；退火速度為6 m/min時(shí)，帶材的平均硬度HV為211.3。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為-0.18，說明退火速度和帶材的硬度存在負(fù)相關(guān)，低度線性相關(guān)。

圖4 退火速度對(duì)材料硬度的影響

3.1.2 不同退火溫度、退火速度對(duì)4J42精密合金帶材抗拉強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出，當(dāng)退火溫度升高時(shí)，帶材的抗拉強(qiáng)度總體上呈下降趨勢(shì)。在不同的退火速度下，退火溫度為400 ℃時(shí)，帶材的平均抗拉強(qiáng)度為656.7 MPa；退火溫度為350 ℃時(shí)，帶材的平均抗拉強(qiáng)度為676.7 MPa；退火溫度為300 ℃時(shí)，帶材的平均抗拉強(qiáng)度為690 MPa。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為-0.90，說明退火溫度和帶材的抗拉強(qiáng)度存在負(fù)相關(guān)，且高度線性相關(guān)。

圖5 退火溫度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響

圖6可以看出，當(dāng)退火速度變化時(shí)，帶材的抗拉強(qiáng)度總體上變化不明顯。在不同的退火溫度下，退火速度為2 m/min時(shí)，退火后帶材的平均抗拉強(qiáng)度為673.3 MPa；退火速度為4 m/min時(shí)，帶材的平均抗拉強(qiáng)度為671.7 MPa；退火速度為6 m/min時(shí)，帶材的平均抗拉強(qiáng)度為678.3 MPa。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為0.04，說明退火速度和帶材的抗拉強(qiáng)度存在正相關(guān)，但低度線性相關(guān)。

圖6 退火速度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響

3.1.3 不同退火溫度、退火速度對(duì)4J42精密合金帶材屈服強(qiáng)度的影響

由圖7可以看出，當(dāng)退火溫度變化時(shí)，帶材的屈服強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯。在不同的退火速度下，退火溫度為400 ℃時(shí)，帶材的平均屈服強(qiáng)度為613.3 MPa；退火溫度為350 ℃時(shí)，帶材的平均屈服強(qiáng)度為595.0 MPa；退火溫度為300 ℃時(shí)，帶材的平均屈服強(qiáng)度為621.7 MPa。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為-0.09，說明退火溫度和帶材的屈服強(qiáng)度存在負(fù)相關(guān)，低度線性相關(guān)。

圖7 退火溫度對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響

由圖8可以看出，當(dāng)退火速度增加時(shí)，帶材的屈服強(qiáng)度逐漸增加。在不同的退火溫度下，退火速度為2 m/min時(shí)帶材的平均屈服強(qiáng)度為585.0 MPa，退火速度為4 m/min時(shí)帶材的平均屈服強(qiáng)度為601.7 MPa，退火速度為6 m/min時(shí)帶材的平均屈服強(qiáng)度為643.3 MPa。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為0.62，說明退火速度和帶材的屈服強(qiáng)度存在正相關(guān)，且顯著線性相關(guān)。

圖8 退火速度對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響

3.1.4 不同退火溫度、退火速度對(duì)4J42精密合金帶材延長(zhǎng)率的影響

由圖9可以看出，當(dāng)退火溫度升高時(shí)，帶材的延長(zhǎng)率呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)。在不同的退火速度下，退火溫度為300 ℃時(shí)，帶材的平均延長(zhǎng)率為3.2%；退火溫度為350 ℃時(shí)，帶材的平均延長(zhǎng)率為5.7%；退火溫度為400℃時(shí)，帶材的平均延長(zhǎng)率為6.3%。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為0.83，說明退火溫度和帶材的延長(zhǎng)率存在正相關(guān)，而且高度線性相關(guān)。

圖9 退火溫度對(duì)材料延長(zhǎng)率的影響

由圖10可以看出，當(dāng)退火速度增加時(shí)，帶材的延長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)。在不同的退火溫度下，退火速度為2 m/min時(shí)，帶材的平均延長(zhǎng)率為5.3%；退火速度為4 m/min時(shí)，帶材的平均延長(zhǎng)率為5.2%；退火速度為6 m/min時(shí)，帶材的平均延長(zhǎng)率為4.7%。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，r值為-0.18，說明退火速度和帶材的延長(zhǎng)率存在負(fù)相關(guān)，且低度線性相關(guān)。

圖10 退火速度對(duì)材料延長(zhǎng)率的影響

3.2 對(duì)板形影響分析

將去應(yīng)力退火后的冷軋帶材按照如圖11所示，進(jìn)行線切割分條[20]，其實(shí)物如圖12所示，測(cè)量懸垂翹曲的值，計(jì)算分析板形情況，確定最佳的去應(yīng)力退火工藝。

圖11 分切示意

圖12 定尺后板形

通過表4的對(duì)比分析，以及圖13可以看出，退火溫度對(duì)帶材懸垂翹曲影響較大，退火溫度升高時(shí)帶材的懸垂翹曲值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，也就是說帶材板形較好。通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算，其退火溫度與帶材板形翹曲的相關(guān)系數(shù)為-0.87，且高度線性相關(guān)；退火速度與帶材板形翹曲的相關(guān)系數(shù)為0.40，顯著線性相關(guān)；退火張力與帶材板形翹曲的相關(guān)系數(shù)為-0.03，且低度線性相關(guān)。因此，在去應(yīng)力退火時(shí)優(yōu)先考慮退火溫度，其次是退火速度，最后是退火張力。

圖13 退火溫度對(duì)帶材板形的影響

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

因此，確定引線框架材料用0.1 mm4J42精密合金帶材最佳去應(yīng)力退火工藝：退火溫度為400 ℃，退火速度為2 m/min，退火張力8 kg/mm2。

4 結(jié)論

(1)進(jìn)行了多次去應(yīng)力退火實(shí)驗(yàn)，確定了引線框架用0.1 mm厚4J42精密合金帶材的最佳去應(yīng)力退火工藝：退火溫度為400 ℃，退火速度為2 m/min，張力8 kg/mm2。

(2)在去應(yīng)力退火工序中，對(duì)帶材性能和板形影響最明顯的是退火溫度，其次是退火速度，最后是退火張力。

(3)去應(yīng)力退火溫度的變化對(duì)帶材的硬度、抗拉強(qiáng)度、延長(zhǎng)率影響較大，且相關(guān)度較高；而去應(yīng)力退火的速度變化對(duì)屈服強(qiáng)度影響較大，呈正相關(guān)，且相關(guān)度較高。

(4)采用本文的生產(chǎn)工藝流程生產(chǎn)出來的引線框架用0.1 mm4J42帶材性能良好，板形平整，其翹曲值可以達(dá)到20 mm/m以下。