微合金化高性能Cu-Ni-Si系引線框架材料的研究.pdf

1、針對(duì)大規(guī)模集成電路對(duì)引線框架材料提出的性能要求,運(yùn)用銅合金的微合金化原理成功研制和開發(fā)了三種新型高強(qiáng)度中導(dǎo)電Cu-Ni-Si系微合金化引線框架銅合金——Cu-2.0Ni-0.5Si. Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag和Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金,并對(duì)比研究了其時(shí)效析出特性、析出相結(jié)構(gòu)、高溫塑性變形行為及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶規(guī)律。對(duì)比研究了幾種合金的時(shí)效析出行為和強(qiáng)化機(jī)理,探討了微量合金元素Ag、P對(duì)Cu-Ni-Si合金

2、析出強(qiáng)化特性的影響,研究發(fā)現(xiàn)：①固溶態(tài)Cu-2.0Ni-0.5Si合金在400～500℃進(jìn)行時(shí)效時(shí),時(shí)效初期其顯微硬度大幅上升,且時(shí)效溫度越高,顯微硬度上升幅度也就越大,同時(shí)導(dǎo)電率迅速升高,且隨著時(shí)效溫度的提高,導(dǎo)電率增幅越大；時(shí)效前的預(yù)冷變形加速時(shí)效析出過程的進(jìn)行。②微量合金元素Ag的加入有效的提高了合金的導(dǎo)電率,微量合金元素P的加入有效的提高了合金的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度,450℃時(shí)效2h后,0.15％Ag的加入,使顯微硬度、導(dǎo)電率、抗

3、拉強(qiáng)度分別提高2.1%、15.3%、8.7%；而0.03%P的加入,使顯微硬度、導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度分別提高18.6%、2.3%、29.8%。③TEM和HRTEM的分析結(jié)果均表明：Cu-2.0Ni-0.5Si、Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag合金時(shí)效析出強(qiáng)化,是由在銅基體上析出的Ni2Si相起到強(qiáng)化作用,Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金在時(shí)效過程中析出Ni2Si和Ni3P兩種析出相起到強(qiáng)化作用。④在分析Cu-2.0Ni

4、-0.5Si合金時(shí)效過程中導(dǎo)電率變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,利用合金時(shí)效過程中析出相的體積分?jǐn)?shù)與導(dǎo)電率的線性關(guān)系,推導(dǎo)出試驗(yàn)條件下合金的Avrami相變動(dòng)力學(xué)方程與導(dǎo)電率方程。采用第一性原理,利用密度泛函理論的廣義梯度近似下的平面波贗勢(shì)法(DFT-GGA-PWP),對(duì)Cu-Ni-Si合金析出相δ-Ni2Si的晶體結(jié)構(gòu)、形成熱與結(jié)合能、電子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了理論計(jì)算與分析。結(jié)果表明δ-Ni2Si是較為穩(wěn)定的析出相,與TEM和HRTEM分析結(jié)果相吻合,這加

5、深了對(duì)Cu-Ni-Si合金析出過程以及析出機(jī)理的理解,表明DFT-GGA-PWP方法也可應(yīng)用于析出強(qiáng)化型銅合金析出相結(jié)構(gòu)的分析和預(yù)測(cè)。本文在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上,采用高溫等溫壓縮試驗(yàn),對(duì)Cu-2.0Ni-0.5Si、Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag和Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金在應(yīng)變速率為0.01～5s-1、變形溫度為600～800℃、最大變形程度為60%條件下的流變應(yīng)力行為進(jìn)行了研究。分析

6、了實(shí)驗(yàn)合金在高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力和應(yīng)變速率及變形溫度之間的關(guān)系。并研究了在熱壓縮過程中組織的變化。從流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度的相關(guān)性,得出了該合金高溫?zé)釅嚎s變形時(shí)的應(yīng)力指數(shù)n,應(yīng)力參數(shù)α,熱變形激活能Q和流變應(yīng)力方程。采用加工硬化率曲線(θ—ε),確立了Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag和Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DRX)溫度為T≥700℃。獲得了合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界條件與變形條件之間的關(guān)系。

7、得到了Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag和Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。研究了Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag和Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸d與Z參數(shù)關(guān)系,從而建立了合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶尺寸模型。在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)Cu-Ni-Si合金引線框架材料的時(shí)效工藝進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化的多級(jí)時(shí)效工藝為：900℃×1h固溶→40%冷變形→45

8、0℃×2h時(shí)效→40%冷變形→420℃、460℃下分別時(shí)效不同時(shí)間。經(jīng)上述工藝加工處理后,三種合金在420℃時(shí)效0.5h后,合金的導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度、抗軟化性能等綜合性能最佳,如Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag合金的導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度、抗軟化溫度分別為：54.2%IACS、754.8MPa和475℃;Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金的導(dǎo)電率、抗拉強(qiáng)度、抗軟化溫度分別為：48.6%IACS、803.9MPa和475℃。其