大規(guī)模集成電路用高強(qiáng)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(duì)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(lái)越高。理想的引線框架材料的主要性能為：抗拉強(qiáng)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(shí)具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的銅合金材料是研究熱點(diǎn)之一。 根據(jù)高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的強(qiáng)化機(jī)理和對(duì)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(qiáng)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(shí)效形成了具有Fm3m點(diǎn)群的超點(diǎn)陣CrCu2(ZrMg)；同時(shí)存在體心的Cr相和面心的Cu4Zr相。高溫550℃時(shí)效析出相完全轉(zhuǎn)變?yōu)镃r和Cu4Zr。Cu-Cr-Zr合金在時(shí)效初期形成Cu5Zr相，時(shí)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(qiáng)化機(jī)制計(jì)算的強(qiáng)化值407MPa與實(shí)驗(yàn)結(jié)果430MPa相近。 在分析Cu-Cr-Zr-Mg合金時(shí)效過(guò)程中導(dǎo)電率變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用合金時(shí)效過(guò)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(shí)驗(yàn)溫度下合金時(shí)效的Avrami相變動(dòng)力學(xué)方程與導(dǎo)電率方程，并通過(guò)計(jì)算繪制了該固溶合金等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)(TTT)曲線。 系統(tǒng)研究了Cu-Cr-Zr合金變形時(shí)效后，析出和再結(jié)晶的交互作用及其對(duì)組織和性能的

4、影響。在低于550℃時(shí)效，沿位錯(cuò)分布著很多細(xì)小的析出相，使硬度和導(dǎo)電率在時(shí)效初期快速提高。同時(shí)析出物對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，延緩了再結(jié)晶過(guò)程。在一定的變形程度和較高溫度時(shí)效后，由位錯(cuò)纏結(jié)成的胞狀結(jié)構(gòu)在時(shí)效過(guò)程中胞壁平直化，并形成亞晶，小角度晶界上的刃位錯(cuò)通過(guò)攀移而離開亞晶界，使兩個(gè)亞晶變成一個(gè)大亞晶，出現(xiàn)了再結(jié)晶形核和長(zhǎng)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(shí)

5、效工藝的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)和研究了時(shí)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(dá)出來(lái)，得出了時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間和變形量工藝參數(shù)對(duì)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu-Cr-Zr-Mg合金形變時(shí)效工藝和固溶時(shí)效工藝這兩個(gè)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(jì)了引線框架Cu-Cr-Zr-Mg合

6、金二級(jí)變形時(shí)效生產(chǎn)工藝路線。Cu-Cr-Zr-Mg合金經(jīng)第一次冷變形時(shí)效后，再經(jīng)第二級(jí)較低的時(shí)效溫度，使強(qiáng)化元素在基體中的溶解度下降，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生析出，同時(shí)溶質(zhì)原子可借助密集且分布均勻的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)由銅基體內(nèi)快速析出，從而獲得高的強(qiáng)度并保持較好的導(dǎo)電性。多級(jí)時(shí)效過(guò)程中析出的彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶過(guò)程的阻礙作用也更強(qiáng)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(shí)效處理-60﹪?yán)滠堊?/p>

7、形-460℃×1.5h時(shí)效處理-20﹪～60﹪精軋變形”的二級(jí)變形時(shí)效生產(chǎn)工藝，所獲帶材具有高的硬度、強(qiáng)度及導(dǎo)電率，分別可達(dá)183～191HV、583～604MPa及84～82﹪IACS，而帶材的延伸率和軟化溫度分別可達(dá)9.4～9.2﹪及578～560℃，滿足了高強(qiáng)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(duì)析出強(qiáng)化銅合金在冷軋過(guò)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(duì)象，通過(guò)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(guò)程中厚度的減小，當(dāng)富Fe區(qū)密度大于30﹪時(shí)，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(guò)程中，應(yīng)避免較大Fe顆粒的存在。這一研究成果對(duì)控制和防范析出強(qiáng)化銅合金在冷軋過(guò)程