固溶強化對用于引線框架結構材料Cu—Ni—Si—Cr—P合金性能的影響

摘 要：在集成電路技術的迅猛發展中，引線框架作為連接芯片與外部元件的載體，在集成電路器件和各組裝程序中有極其重要的地位，如何提高框架材料的性能已成為集成電路發展過程中突出問題之一[1]。本文通過實驗研究固溶強化（合金強化）對應用于引線框架的Cu-Ni-Si系合金Cu-Ni-Si-Cr-P材料的影響。

關鍵詞：固溶強化；引線框架；Cu-Ni-Si-Cr-P合金

中圖分類號：TG113 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-01

一、國內外引線框架材料的研究現狀

隨著超大規模集成電路的發展，集成電路的端子數不斷增加，集成度越來越高，引線框架材料也越做越薄，厚度將從原來的0.25mm降低到0.15～0.1mm.甚至更薄（0.08mm）[2]。目前，國外已開發出的銅基引線框架材料己達70多種，主要有Cu-Fe-P系、Cu-Cr-Zr系、Cu-Ni-Si系、Cu-Ag系等。

二、Cu-Si-Ni系合金的固溶強化的構造及原理

固溶強化的構造及工作原理是：依靠位錯滑移來達到金屬材料的變形，使變形抗力增大的方法是增大能夠使位錯滑移阻力變大的因素，達到材料強化的目的。隨著合金的組元溶入到基體金屬晶格，固溶體形成，這時不僅僅使晶格發生了畸變，與此同時位錯密度也增加，在由畸變產生的應力的周圍可見形成了所謂的“氣團”。另外，固溶強化還有其中一個原因[4]就是在位錯與合金組元原子之間還會產生化學交互作用和電交互作用。

三、合金的熔煉

Cu-2.0Ni-0.35Si-0.35Cr-0.03P合金的熔煉是在型號為ZGJL0.01-40-4的10kg中頻感應熔煉爐中進行的，采用石墨坩堝。其中，熔煉時加入木炭覆蓋銅液表面以減少氧化，利用坩堝余熱烘烤原料以排除水汽，停電降溫后再加入合金元素CuP中間合金、Si以減少其燒損。其內表面木炭覆蓋以提高鑄錠的表面質量。Cu-Ni-Si-Cr-P合金澆鑄溫度為1280～1320℃，澆鑄時間為30±5s。

四、實驗方法

合金的固溶處理在RJX-2.3-3型箱式電阻爐中進行，合金Cu-Ni-Si-Cr-P按設定的溫度加熱1h，然后水淬。

顯微硬度在HVS-1000型數顯顯微硬度計上進行測量。載荷為100g，加載時間為10s。顯微硬度試樣從時效及形變處理后的試樣上直接剪取，尺寸為5mm×5mm，測量的誤差≤±5%。對每種狀態進行測量且次數不得少于3次，測量前要注意試樣表面用1000#砂紙磨光。

電阻的測量可在ZY9987型數字式微歐儀上進行，需測試樣的長度90mm，寬2mm，厚0.4mm，導電率以國際退火銅標準表示。光學金相分析在日產OLYMPUSPMG3金相顯微鏡上觀察。試樣經機械拋光，腐蝕液為FeCl3的乙醇溶液。

五、影響合金金相組織的因素：固溶處理制度

由圖1中可以看出，a中鑄態合金中存在有粗大枝晶并且枝晶偏析比較嚴重；c與b中熱軋態合金相比較，經過850℃固溶以后，基體回復后再結晶。e中固溶溫度為900℃時候，晶粒已經完全再結晶并出現較多孿晶。F中當固溶溫度達到925℃時，晶粒明顯長大，并且第二相完全溶解到銅基體中。由以上可得合金呈現上述的規律，是由于在本實驗中研究合金凝固時，容易產生枝晶偏析從而導致大量第二相粒子以及合金元素殘留在晶界上，可促使合金熱軋后的基體中仍然殘留較多的粒子。但當合金組織中存有第二相顆粒時，晶粒粗化的傾向會因為存在阻力從而得到緩解甚至消除，析出相對晶粒的釘扎力Pz由下面的式子確定[6]： 式中，Fv是第二相的體積分數；

γ是單位面積晶界能；r是第二相顆粒半徑。

當固溶溫度在低于875℃時，晶粒長大緩慢，這是因為大量第二相的存在；當固溶溫度高于875℃時，合金組織中第二相顆粒開始大量的溶解，晶粒長大明顯。圖2是合金晶粒尺寸隨溫度變化的曲線。

為保證合金不但能夠實現較好的固溶，同時不致晶粒過分長大，根據合金金相組織結果，初步確定固溶處理制度為900℃。

六、結束語

綜上所述，通過固溶強化處理之后，Cu-Ni-Si-Cr-P合金隨著溫度的升高，強化相的固溶度增大，但晶粒尺寸也相應長大，在900℃固溶時，強化相的固溶度和晶粒的尺寸最佳。

參考文獻：

[1]陳興章.集成電路用銅合金引線框架材料的應用及產業化[J].上海有色金屬，2002（04）：145-148.

[2]龔壽鵬.銅系合金引線框架的生產、發展和國產化[J].上海有色金屬，1998（02）：49-52.

[3]陳文革.集成電路用金屬銅基引線框架和點子封裝材料研究進展[J].材料導報，2000（07）：29-32.

[4]徐振興.斷裂力學理論[M].北京：機械工業出版社，1981：5-132.

[5]佐佐木元.Cu-Fe實用合金にぉけろFe量の析出硬化に及ほす影響[J].伸銅技術研究會，1997（36）：81-86.

[6]袁振宇，董企銘，劉平，等.時效時Cu-Cr-Zr合金顯微硬度及導電率的影響[J].洛陽工學院學報，2002（01）：14-20.