微合金化高性能Cu-Ni-Si系引線框架材料的研究.pdf

1、針對大規(guī)模集成電路對引線框架材料提出的性能要求,運用銅合金的微合金化原理成功研制和開發(fā)了三種新型高強度中導電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,并對比研究了其時效析出特性、析出相結(jié)構(gòu)、高溫塑性變形行為及動態(tài)再結(jié)晶規(guī)律。對比研究了幾種合金的時效析出行為和強化機理,探討了微量合金元素Ag、P對Cu-Ni-Si合金

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

3、拉強度分別提高2.1%、15.3%、8.7%；而0.03%P的加入,使顯微硬度、導電率、抗拉強度分別提高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合金時效析出強化,是由在銅基體上析出的Ni2Si相起到強化作用,Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金在時效過程中析出Ni2Si和Ni3P兩種析出相起到強化作用。④在分析Cu-2.0Ni

4、-0.5Si合金時效過程中導電率變化規(guī)律的基礎上,利用合金時效過程中析出相的體積分數(shù)與導電率的線性關系,推導出試驗條件下合金的Avrami相變動力學方程與導電率方程。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法(DFT-GGA-PWP),對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)等進行了理論計算與分析。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Cu-Ni-Si合金析出過程以及析出機理的理解,表明DFT-GGA-PWP方法也可應用于析出強化型銅合金析出相結(jié)構(gòu)的分析和預測。本文在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上,采用高溫等溫壓縮試驗,對Cu-2.0Ni-0.5Si、Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag和Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金在應變速率為0.01～5s-1、變形溫度為600～800℃、最大變形程度為60%條件下的流變應力行為進行了研究。分析

6、了實驗合金在高溫變形時的流變應力和應變速率及變形溫度之間的關系。并研究了在熱壓縮過程中組織的變化。從流變應力、應變速率和溫度的相關性,得出了該合金高溫熱壓縮變形時的應力指數(shù)n,應力參數(shù)α,熱變形激活能Q和流變應力方程。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合金的動態(tài)再結(jié)晶(DRX)溫度為T≥700℃。獲得了合金動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界條件與變形條件之間的關系。

7、得到了Cu-2.0Ni-0.5Si-0.15Ag和Cu-2.0Ni-0.5Si-0.03P合金動態(tài)再結(jié)晶動力學數(shù)學模型,模型與實驗數(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合金動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸d與Z參數(shù)關系,從而建立了合金動態(tài)再結(jié)晶尺寸模型。在上述試驗基礎上,對Cu-Ni-Si合金引線框架材料的時效工藝進行了優(yōu)化,優(yōu)化的多級時效工藝為：900℃×1h固溶→40%冷變形→45

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