引线框架用高强高导Cu-Cr-Zr合金热处理工艺的研究

引线框架用高强高导 Cu-Cr-Zr合金热处理工艺的研究

赵美 王晓民 倪红彪

营口理工学院材料科学与工程学院 辽宁 营口 115000

摘要：高强度和高导电性的Cu-Cr-Zr合金普遍应用于各种集成电路引线框架、高速铁路电接触线以及航空航天等许多领域。随着现代工业技术的不断发展，对高强高导电性铜合金的性能要求越来越高。需要科研工作者及时开发新型的Cu-Cr-Zr合金及其配套的加工技术，并深入探讨合金组织的形成过程和性能变化规律。

关键词：高强高导合金；引线框架；热处理

引言

目前，芯片集成高速推进，封装技术也在不断发展，引线框架仍在朝着短、轻、薄和高精细等方向研究发展。引线框架的带材厚度将由当前的0.25mm减小到0.08-0.15mm。自1960年集成电路问世以来，铁-镍-钴和可伐合金制备引线框架材料，但是在1970年钴的价格飞涨，Fe-Ni“42”合金被开发出来，逐渐被铜合金材料所取代。目前，国内外用于集成电路的引线框架材料中有60％-85％使用铜合金。这是由于其高强度、导电性、导热性能好、价格较为低廉。随着电子工业的快速发展，人们对引线框架用铜合金材料的要求越来越高。近年来，国外在铜合金引线框架材料领域开发的铜合金体系主要包括中强度高导电性的Cu-Fe-P系列，高强度中导电性的Cu-Ni-Si系列和高强度高电导性的Cu-Cr-Zr系等。

Cu-Cr-Zr体系是最有前途的高强高导电型合金，是世界满足大规模集成电路的发展而竞相研究开发的重点，为此，许多研究学者在高强高导Cu-Cr-Zr系合金中添加少量合金元素，改进制备工艺和显微结构。

1热处理工艺

1.1合金成分设计

Cu-Cr-Zr合金成分设计要求在保证较高导电率的前提下，尽可能地提高合金硬度。由于Cr和Zr的导电性差，添加含量过高会影响合金的整体导电性。Cr，Zr还具有较高的脆性，含量过高不利于合金的大变形量的冷变形。因此在设计中，需要满足以下三个要求：

（1）增加适当的要素以形成适当的强化相；

（2）高温时合金元素在铜基体中的固溶度较大，室温下铜基体中的溶解度较低;

（3）选择对铜合金的导电性影响较小的元素。

1.2 原料制备

根据合金成分的设计，用分析型电子天平按比例称量Cr粉、Zr粉和Cu粉，并选择不同的不锈钢磨球。将球与物料的比率设置为2：1，将辊轮的旋转速度设置为30rpm，混合时间设置为8h。为了避免在混合过程中研磨球在混合罐上发生机械碰撞，导致罐中的环境温度升高，罐中的空气会影响合金粉末的产生，向罐中充满氩气。为确保合金粉末更均匀地混合，适当降低罐中的温度，并添加少量的酒精作为分散剂。

混合粉末后，使用液压机压缩复合粉末。向装有合金粉末的钢模施加200T的压力，保持时间为30s。

最后，对纯铜块进行处理，以去除表面的氧化层，然后使用数控超声波清洁器清洗纯铜表面残余的杂质和污垢，然后称量压坯质量，计算剩余添加Cu块的质量。

图1工艺流程图

1.3熔炼制备

在该实验中，通过真空感应熔炼法制备了铜基复合材料。 按照图3所示的堆叠方法，将称量后的合金原料放入内径为30mm的石墨堆中。炉膛的真空度为2.0x10²Pa，整个感应熔炼在氩气的保护下进行，保温温度控制在1250-1300℃之间，保温时间为18-20min。

图2 原料填充示意图

1.4 固溶和时效处理

经过简单的机械加工后，将铸态合金放入开放式真空/气氛管状电炉中进行固溶处理。引入氩气作为保护气体。 根据合金相图，选择固溶温度为930℃，保温时间为120min。试样采用水冷淬火，防止过饱和固溶体沉淀。

同样，固溶合金在管式炉中进行时效处理，并用氩气保护，时效温度设定为430℃，保温时间为120min，并用炉子冷却。目的是在合金中产生沉淀并完全消除合金中的残余应力。

1.5 冷变形

实验使用双辊轧制机对合金进行冷变形处理，探究冷形变对合金组织与性能的影响。固溶态合金按照双辊轧制机要求进行机械加工，而后根据实验设计的变形量分别对合金进行冷变形处理。完成冷变形处理后，还需要对形变后的固溶态合金进行时效处理，实验设计的变形量分别为20%，40%，60%。

2 结果与讨论

固溶处理在适当的塑性加工后进行，通常采用热挤压或热锻加工，以便通过塑性变形达到增加铸锭致密度、减少铸造缺陷、细化合金组织的效果。热塑性变形将一次析出的Cr拉长或破碎成较小的颗粒，有利于改善固溶的效果。经过时效处理后，过饱和固溶的Cr以颗粒状析出，弥散分布于合金基体，从而起到强化作用，固溶越充分，析出相的弥散强化效果越好。

图3显示了Cu-Cr-Zr合金铸态和固溶态的微观组织。当Cr含量高于0.65％时，由于固溶度的限制，Cr将以较大的枝晶处或颗粒状沉淀，首先在相界聚集，如图1（a）所示；热挤压和固溶体经过处理后，组织经过细化，Cr的偏聚程度降低，颗粒度下降，如图1（b）所示；并且体积较大的一次析出Cr相沿加工方向被拉长为长条状，如图1（c）所示。

图3 Cu-Cr-Zr合金铸态及热挤固溶态微观形态（a-铸态；b、c加工态）

Cr的原子半径大于Cu的原子半径。 受原子尺寸因素的影响，Cr在Cu中的固溶度较小，随着温度的下降急剧降低。过饱和固溶的Cu-Cr-Zr合金基体内部存在严重的晶格畸变，显著降低了合金的电导率。因此电导率值可以反映固溶处理的效果。充分完全固溶的Cu-Cr-Zr合金的电导率达到40％IACS左右；铸锭是通过热挤压加工而成的，并且由于冷却速度相对较慢，在缓慢冷却过程中会析出部分Cr，从而降低了合金的变形程度和电导率。该比率上升至60％-70％ IACS。

结束语

固溶处理是Cu-Cr-Zr合金塑性变形加工前必要的预处理过程；时效处理是提高Cu-Cr-Zr合金电导率以及加工硬化的重要环节，高效率的时效温度为450-475℃;随着合金含量及时效前塑性加工率的增加，时效温度偏向下限温度；加工率对合金电导率有一定影响，当要求电导率较高时，应避免在时效处理后进行大塑性变形加工。

参考文献：

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[3]马莒生.铜基引线框架材料的研究与进展Ⅲ功能材料，2002,33(1):1-4.

营口理工学院引进人才科研启动项目，项目编号：YJRC202008