大規(guī)模集成電路用高強度高導(dǎo)電引線框架銅合金研究.pdf

1、隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對集成電路主要組成部分之一的引線框架銅合金材料的性能要求越來越高。理想的引線框架材料的主要性能為：抗拉強度在600MPa以上，顯微硬度大于180HV，導(dǎo)電率大于80﹪IACS。而目前所開發(fā)出的銅合金材料很難滿足其性能要求，所以研制和開發(fā)可滿足大規(guī)模集成電路需要的同時具有高強度和高導(dǎo)電性的銅合金材料是研究熱點之一。 根據(jù)高強高導(dǎo)銅合金的強化機理和對性能的要求，本文在分析合金元素在銅合金中作用的基礎(chǔ)上，確

2、定了高強高導(dǎo)引線框架銅合金材料的最佳合金系為Cu-Cr-Zr系。 利用透射電鏡研究了Cu-Cr-Zr-Mg和Cu-Cr-Zr合金的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Cu-Cr-Zr-Mg合金在470℃時效形成了具有Fm3m點群的超點陣CrCu2(ZrMg)；同時存在體心的Cr相和面心的Cu4Zr相。高溫550℃時效析出相完全轉(zhuǎn)變?yōu)镃r和Cu4Zr。Cu-Cr-Zr合金在時效初期形成Cu5Zr相，時效峰值狀態(tài)析出相為Cu5Zr相和體心立方的Cr，

3、且析出相與基體保持著共格關(guān)系。以共格強化機制計算的強化值407MPa與實驗結(jié)果430MPa相近。 在分析Cu-Cr-Zr-Mg合金時效過程中導(dǎo)電率變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用合金時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)出實驗溫度下合金時效的Avrami相變動力學(xué)方程與導(dǎo)電率方程，并通過計算繪制了該固溶合金等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)(TTT)曲線。 系統(tǒng)研究了Cu-Cr-Zr合金變形時效后，析出和再結(jié)晶的交互作用及其對組織和性能的

4、影響。在低于550℃時效，沿位錯分布著很多細(xì)小的析出相，使硬度和導(dǎo)電率在時效初期快速提高。同時析出物對位錯的釘扎作用，延緩了再結(jié)晶過程。在一定的變形程度和較高溫度時效后，由位錯纏結(jié)成的胞狀結(jié)構(gòu)在時效過程中胞壁平直化，并形成亞晶，小角度晶界上的刃位錯通過攀移而離開亞晶界，使兩個亞晶變成一個大亞晶，出現(xiàn)了再結(jié)晶形核和長大的現(xiàn)象。 采用L-M算法分別建立了引線框架Cu-Cr-Zr-Mg合金和Cu-Cr-Sn-Zn合金形變熱處理工藝和時

5、效工藝的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測和研究了時效工藝參數(shù)性能的耦合作用，并且利用三維立體圖將其直觀地表達出來，得出了時效溫度、時效時間和變形量工藝參數(shù)對硬度和導(dǎo)電率的影響規(guī)律，為工藝參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。借助于遺傳算法的全局搜索能力，進一步實現(xiàn)了對Cu-Cr-Zr-Mg合金形變時效工藝和固溶時效工藝這兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的全參數(shù)優(yōu)化分析，得到了一定的目標(biāo)條件下工藝參數(shù)最優(yōu)組合。 在工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計了引線框架Cu-Cr-Zr-Mg合

6、金二級變形時效生產(chǎn)工藝路線。Cu-Cr-Zr-Mg合金經(jīng)第一次冷變形時效后，再經(jīng)第二級較低的時效溫度，使強化元素在基體中的溶解度下降，會進一步產(chǎn)生析出，同時溶質(zhì)原子可借助密集且分布均勻的位錯網(wǎng)絡(luò)由銅基體內(nèi)快速析出，從而獲得高的強度并保持較好的導(dǎo)電性。多級時效過程中析出的彌散質(zhì)點對再結(jié)晶過程的阻礙作用也更強烈，使合金具有很高的軟化溫度。Cu-Cr-Zr-Mg合金采用“920℃×1h固溶-60﹪?yán)滠堊冃?500℃×2h時效處理-60﹪?yán)滠堊?/p>

7、形-460℃×1.5h時效處理-20﹪～60﹪精軋變形”的二級變形時效生產(chǎn)工藝，所獲帶材具有高的硬度、強度及導(dǎo)電率，分別可達183～191HV、583～604MPa及84～82﹪IACS，而帶材的延伸率和軟化溫度分別可達9.4～9.2﹪及578～560℃，滿足了高強度和高導(dǎo)電引線框架銅合金的性能，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了重要依據(jù)。 針對析出強化銅合金在冷軋過程中表面易起皮的現(xiàn)象，以引線框架材料Cu-Fe-P合金為研究對象，通過表面起皮

8、處微觀組織分析和有限元數(shù)值分析方法，研究了引線框架Cu-Fe-P合金精軋后表面起皮剝落的起因和相應(yīng)的防范措施。發(fā)現(xiàn)，隨著Cu-Fe-P合金板材在加工成形過程中厚度的減小，當(dāng)富Fe區(qū)密度大于30﹪時，F(xiàn)e顆粒處存在劇烈的應(yīng)力集中，導(dǎo)致Fe顆粒破碎。Fe顆粒與Cu基體界面附近的應(yīng)力集中和變形不協(xié)調(diào)使界面附近區(qū)域易發(fā)生起皮現(xiàn)象。為此，Cu-Fe-P合金在冶煉生產(chǎn)過程中，應(yīng)避免較大Fe顆粒的存在。這一研究成果對控制和防范析出強化銅合金在冷軋過程