Cu/Mo/Cu軋制復(fù)合界面的結(jié)合特性

張 兵, 王快社, 孫院軍, 王 莎

(1. 西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，西安710055；2. 金堆城鉬業(yè)股份有限公司，西安 710077；3. 西部金屬材料股份有限公司，西安 710065)

Cu/Mo/Cu軋制復(fù)合界面的結(jié)合特性

張 兵1, 王快社1, 孫院軍2, 王 莎3

(1. 西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，西安710055；2. 金堆城鉬業(yè)股份有限公司，西安 710077；3. 西部金屬材料股份有限公司，西安 710065)

采用軋制方法制備Cu/Mo/Cu復(fù)合材料，利用金相顯微鏡、掃描電鏡和電子拉伸機等研究Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)、斷裂特點和工藝參數(shù)對結(jié)合強度的影響。結(jié)果表明：軋制前經(jīng)(750 ℃，8 min)熱處理，道次變形量為55%，復(fù)合材料的界面結(jié)合緊密，最大剪切強度為77 MPa；鉬層金屬顯微組織呈扁平纖維狀，組織較為均勻，銅層金屬的晶粒呈等軸狀，由界面至表面晶粒逐漸增大，且分布很不均勻；復(fù)合機制為典型的裂口結(jié)合和機械嚙合。

Cu/Mo/Cu復(fù)合材料；軋制；復(fù)合界面；結(jié)合特性

Cu/Mo/Cu復(fù)合材料(CMC)主要應(yīng)用在電子封裝領(lǐng)域。銅具有高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，鉬具有低的熱膨脹系數(shù)、高溫強度等優(yōu)點，因此，利用兩者優(yōu)異性能制備的復(fù)合材料具有高導(dǎo)電導(dǎo)熱、可調(diào)的熱膨脹系數(shù)和較好的高溫性能等優(yōu)點，備受電子工程師的青睞[1-4]。特別是隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，半導(dǎo)體集成電路的密度越來越高，體積愈來愈小，使電子封裝技術(shù)向著高密度、大功率、小型化、高性能、高可靠性方向發(fā)展，該復(fù)合材料在HB-LED、多芯片組基板材料、熱沉散熱、雷達、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[5-6]。

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的方法主要有軋制、爆炸焊接與爆炸焊接＋軋制組合法等[7-13]。相對而言，軋制方法具有成本低、效率高、設(shè)備少等優(yōu)點，是一種極具潛力的大規(guī)模生產(chǎn)Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的制備加工方法[8,11]。軋制復(fù)合的關(guān)鍵是材料間的界面結(jié)合特性。由于Cu和Mo的物理和加工性能差異較大，且在固態(tài)互不相溶，在制備過程中既要保證復(fù)合界面有牢固的結(jié)合，又要保證鉬板不開裂，因此，這一直是研究的難點[14-15]。本文作者研究在軋制條件下Cu和Mo的界面結(jié)合特性，分析Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的斷裂特點和界面結(jié)合的內(nèi)在機理。

1 實驗

試驗材料如下： Mo-1鉬板，規(guī)格為125 mm×155 mm×3.0 mm； T2銅板，規(guī)格為150 mm×200 mm×3.0 mm。兩者化學(xué)成分如表1和2所列。

表1 Mo-1鉬板的化學(xué)成分Table1 Chemical compositions of molybdenum sheet Mo-1(mass fraction, %)

表2 T2銅板化學(xué)成分Table2 Chemical compositions of copper sheet T2 (mass fraction, %)

試驗方法如下：將經(jīng)過完全退火、表面打磨處理和清洗后的Mo板和Cu板疊合在一起，用鉚釘將4個角鉚接，并將周邊進行密封，防止加熱時內(nèi)表面氧化，在電阻爐中升溫到650～800 ℃，保溫5～10 min，然后取出在 d 450 mm×550 mm二輥軋機上進行軋制，軋輥轉(zhuǎn)速為2 m/s，道次變形量為50%～70%，并在每個階段留取分析試樣。使用PLOVER-MET型金相顯微鏡觀察材料的金相組織，用 WDW100-10t 型電子拉伸機在室溫下對材料的力學(xué)性能進行測試，加載速度為1.0 mm/min，用東芝S-3400型掃描電鏡對拉伸后的試樣斷口和剝離試樣表面進行形貌觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 軋制后復(fù)合板的界面結(jié)合特性

圖1所示為軋制后Cu/Mo復(fù)合界面的光學(xué)顯微照片。從圖1可以看出，軋制后的復(fù)合界面較為平直，且結(jié)合緊密(見圖1(a))；鉬層金屬晶粒呈扁平纖維狀，分布較為均勻；而銅層金屬的晶粒呈等軸狀，晶粒尺寸由復(fù)合界面至表層逐漸增大，分布極不均勻，局部有孿晶出現(xiàn)(見圖 1(b))。研究表明，由于銅和鉬金屬在力學(xué)性能方面的差異，在軋制復(fù)合變形時，銅板先于鉬板變形；同時，又因為兩種板材結(jié)合表面經(jīng)過打磨后，表面粗糙度增加，摩擦因數(shù)增大，導(dǎo)致銅表面層金屬在變形過程中受到較大摩擦剪切力的作用而破裂，新鮮金屬在壓應(yīng)力作用下被擠出，并鑲嵌在鉬金屬表面層的空隙中，因此，銅表面層金屬的變形程度比內(nèi)部的更為劇烈，晶粒在壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下被細化。軋制時變形溫度為700 ℃(高于銅的再結(jié)晶溫度)，加上變形熱的作用，Cu容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，所以晶粒為等軸狀。

圖1 軋制后Cu/Mo復(fù)合界面的光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.1 Optical microsgraphs of Cu/Mo interface after rolling: (a)Before corrosion; (b) After corrosion

圖 2所示為復(fù)合界面剝離后的SEM 像。從圖2可以看出，鉬表面呈層狀斷裂特點(見圖2(a))，銅表面類似于層狀起伏，但有明顯的塑性變形，并存在硬化層碎裂形成的孔洞(見圖2(b)中箭頭1所指) 和剝離時金屬表層被撕裂形成的裂縫(見圖2(b)中箭頭2所指)。研究表明，經(jīng)打磨后的銅板表面形成硬化層，在軋制變形過程中，由于摩擦剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用，硬化層破碎，新鮮金屬擠出并鑲嵌到鉬板表面的縫隙中，形成機械嚙合。在剝離時，銅表面層金屬發(fā)生一定的塑性變形。

圖2 復(fù)合界面剝離后的SEM像Fig.2 SEM images of cladding interface after peeling: (a)Stripping morphology of Mo surface; (b) Stripping morphology of Cu surface

2.2 Cu/Mo/Cu復(fù)合板的斷裂特性

Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的斷裂特性對其使用性能影響很大，室溫下拉伸斷口的SEM像如圖3所示。從圖 3(a)和(b)可以看出，Cu/Mo/Cu復(fù)合材料在拉伸過程中，兩側(cè) Cu發(fā)生了明顯的頸縮現(xiàn)象，中間的 Mo金屬為分層斷裂。在軋制變形過程中，由粉冶法制備的鉬板坯的晶粒在受到劇烈變形被拉長的同時，大量的雜質(zhì)和缺陷等匯聚到晶界處，形成細小的微裂紋，在拉伸過程中，微裂紋匯聚在一起沿層狀晶界擴展，最終導(dǎo)致Mo金屬的分層。在界面處，Mo/Cu表面結(jié)合緊密，說明在本研究采取的軋制工藝條件下，復(fù)合板界面結(jié)合良好。銅層斷口形貌是明顯的韌性斷裂，靠近界面的區(qū)域比較平滑，呈纖維狀(見圖 3(d)的上部)，是裂紋的快速擴展區(qū)；而遠離界面的區(qū)域是斷裂的纖維區(qū)，有很多拋物線形狀的韌窩，尺寸小，深度淺，是斷裂裂紋的產(chǎn)生區(qū)(見圖 3(d)下部)。這表明經(jīng)過塑性變形后，材料產(chǎn)生加工硬化，塑性下降。

圖3 拉伸斷口的SEM像Fig.3 SEM images of tensile fracture: (a) Macro side; (b) Photograph of fracture; (c) Zone 1 in Fig.3(b); (d) Zone 2 in Fig.3(b)

2.3 變形溫度和變形量對剪切強度的影響

復(fù)合材料的重要表征性能就是界面結(jié)合強度。圖4所示為不同軋制工藝條件下復(fù)合板的剪切強度。從圖4可以看出，復(fù)合板的剪切強度分兩個階段：1) 在750 ℃以下，隨變形量的增加和變形溫度的升高，剪切強度增加；2) 在750 ℃以上時，剪切強度下降。當變形溫度為750 ℃、變形量為55%時，剪切強度的最大值為77 MPa。這是因為：在較低溫度進行軋制時，銅層金屬在軋制壓力作用下，雖然能夠嵌入鉬板凹坑，但難以達到整個表面的緊密結(jié)合，大部分為原子間的點結(jié)合和機械嚙合。隨著溫度的升高和變形量的增加，銅的變形抗力下降，表面硬化層在剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用下破碎，新鮮金屬被擠出，充填在鉬金屬表面的凹坑中，增大了結(jié)合面積，從而使剪切強度增加；但溫度過高時，板材表面易被氧化，從而使結(jié)合強度降低。同時，當變形量較大時，在銅金屬層發(fā)生大變形所產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下，鉬板容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致剪切強度較低。此外，界面結(jié)合強度的大小還與材料表面的清潔程度、應(yīng)力分布、硬化程度和保溫溫度、時間等因素有關(guān)。

圖4 變形溫度、變形量和剪切強度的關(guān)系圖Fig.4 Relational graph of temperature and deformation with shear strength

3 結(jié)論

1) 經(jīng)750 ℃、保熱8 min、道次變形量為55%的軋制后，Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的界面結(jié)合緊密，且較為平直，最大剪切強度為77 MPa。鉬金屬層晶粒呈扁平纖維狀，組織均勻；銅金屬層的晶粒呈等軸狀，由界面至表層逐漸增大，分布極不均勻，局部有孿晶出現(xiàn)。

2) 軋制后Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的界面結(jié)合機理是銅表面硬化層破裂、新鮮金屬擠出并鑲嵌到鉬板表面的縫隙中，形成機械嚙合。

3) Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的中間鉬層金屬易分層斷裂，兩側(cè)銅層金屬是明顯的韌性斷裂，對復(fù)合材料的抗拉強度有一定的影響。

REFERENCES

[1] ZWEBEN C. Metal-matrix composites for electronic packaging[J]. JOM, 1992, 44(7): 15-23.

[2] GERMAN R M, HENS K E, JOHNSON J L. Processing of thermal management materials for microelectronic applications[J]. Inter J Powder Metallurgy, 1994, 130(2): 205-215.

[3] 牟科強, 鄺用庚. Mo-Cu材料的性能和應(yīng)用[J]. 金屬功能材料,2002, 9(2): 26-29.

MU Ke-qiang, KUANG Yong-geng. The property and application of Mo-Cu composite[J]. Metallic Functional Materials, 2002, 9(2): 26-29.

[4] 張 兵, 袁守謙, 王訓(xùn)宏, 秦占先, 孫 健. 金屬基電子封裝復(fù)合材料的研究進展[J]. 稀有金屬, 2006, 30(增刊): 90-95.

ZHANG Bing, YUAN Shou-qian, WANG Xun-hong, QIN Zhan-xian, SUN Jian. Development of metal matrix composite for electronic packaging[J]. Chinese Journal of Rare Metals,2006, 30(Suppl): 90-95.

[5] 殷錄橋, 李清華, 張建華. 提高大功率 LED散熱和出光封裝材料的研究[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2008, 33(4): 281-285.

YIN Lu-qiao, LI qing-hua, ZHANG Jian-hua. Research on packaging materials for improving LED heat dissipation and light extraction efficiency[J]. Semiconductor Technology, 2008,33(4): 281-285.

[6] 張樓英, 李朝林. LED封裝中的散熱研究[J]. 電子與封裝,2009, 9(5): 1-4.

ZHANG Lou-ying, LI Chao-lin. Research on heat-release package of LED[J]. Electronics and Packaging, 2009, 9(5): 1-4.

[7] SINGH M, ASTHANA R, SHPARGEL T P. Brazing of carbon-carbon composites to Cu-clad molybdenum for thermal management applications[J]. Materials Science and Engineering A, 2007, 452/453: 699-704.

[8] 朱愛輝, 王快社, 張 兵. 電子封裝用 Cu/Mo/Cu復(fù)合材料的工藝研究[J]. 稀有金屬快報, 2006, 25(7): 35-39.

ZHU Ai-hui, WANG Kuai-she, ZHANG Bing. Study on the process of Cu/Mo/Cu composite for electronic packaging[J].Rare Metals Letters, 2006, 25(7): 35-39.

[9] 龔 深, 李 周, 肖 柱, 唐 寧. 爆炸焊接法制備金屬復(fù)合材料的研究[J]. 材料導(dǎo)報, 2007, 21(11): 249-251.

GONG Shen, LI Zhou, XIAO Zhu, TANG Ning. Research on preparation of metallic composite with explosive welding[J].Materials Review, 2007, 21(11): 249-251.

[10] 魏 偉, 史慶南. 銅/鋼雙金屬板異步軋制復(fù)合原理研究[J]. 稀有金屬, 2001, 25(4): 307-311.

WEI Wei, SHI Qing-nan. Bonding mechanism of Cu/Steel clad sheet in asymmetrical rolling of bimetal[J]. Chinese Journal of Rare Metal, 2001, 25(4): 307-311.

[11] 劉曉濤, 張廷安, 崔建忠. 層狀金屬復(fù)合材料生產(chǎn)工藝及其新進展[J]. 材料導(dǎo)報, 2002, 16(7): 41-44.

LIU Xiao-tao, ZHANG Ting-an, CUI Jian-zhong. Technology of clad metal production and its latest progress[J]. Materials Review, 2002, 16(7): 41-44.

[12] 劉 斌, 白培康, 程 軍, 卜昭獻. 鉬/銅復(fù)合材料快速成型制備工藝研究[J]. 中北大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2009, 30(1):85-89.

LIU Bin, BAI Pei-kang, CHENG Jun, BU Zhao-xian. Study on rapid prototyping preparation process of molybdenum/copper composites[J]. Journal of North University of China: Natural Science Edition, 2009, 30(1): 85-89.

[13] 王 莎, 王快社, 張 兵, 郭 韡. 退火溫度對Cu/Mo/Cu軋制復(fù)合板微觀組織和力學(xué)性能的影響[J]. 稀有金屬, 2010, 34(3):447-450.

WANG Sha, WANG Kuai-she, ZHANG Bing, GUO Wei. Effect of annealing temperature on microstructure and mechanical properties of Cu/Mo/Cu laminates [J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2010, 34(3): 447-450.

[14] 周 俊, 王志法, 崔大田, 吳化波. Cu/Mo/Cu電子封裝材料中Mo的分層問題[J]. 中國鉬業(yè), 2007, 31(5): 54-56.

ZHOU Jun, WANG Zhi-fa, CUI Da-tian, WU Hua-bo. The delamination of molubdenum in Cu/Mo/Cu electronic material[J].China Molybdenum Industry, 2007, 31(5): 54-56.

[15] 姜國圣, 王志法, 何 平, 王海山. 表面處理方式對銅鉬銅復(fù)合材料界面結(jié)合效果的影響[J]. 稀有金屬, 2005, 29(1): 6-10.

JIANG Guo-sheng, WANG Zhi-fa, HE Ping, WANG Hai-shan.Effect of processing of surface treatment on shear strength of interface of Cu/Mo/Cu composite[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2005, 29(1): 6-10.

Bonding property of Cu/Mo/Cu cladding metal materials by hot rolling

ZHANG Bing1, WANG Kuai-she1, SUN Yuan-jun2, WANG Sha3
(1. College of Metallurgy Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China;2. Jinduicheng Molybdenum Co., Ltd., Xi’an 710077, China;3. Western Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710065, China)

The Cu/Mo/Cu cladding metal materials were made by hot rolling. The interface structure, fracture characteristic and the effect of rolling process parameters on bond strength were studied by optical microscope,scanning electron microscope and electron-tensile tester. The results show that the bonding interface of composite materials is tight when deformation rate is 55% for a pass with heat-treatment at 750 ℃ for 8 min, the maximum value of shearing strength is 77 MPa. The micro-structure of Mo layer is compressed fibrous and uniform distribution. The micro-structure of Cu layer is isometric crystal. The grain size is increased from the interface to the surface, and unevenly distributed. The mechanism of bonding is typically split bonding and mechanical interlocking.

Cu/Mo/Cu cladding metal material; rolling; cladding interface; bonding property

TG146.2

A

1004-0609(2011)09-2163-05

陜西省“13115”科技創(chuàng)新重大專項資助項目(2008ZDKG-41)；西安市工業(yè)應(yīng)用發(fā)展研究項目(YF07052，CXY08006(4))

2010-08-25；

2011-02-15

張 兵，高級工程師，博士；電話：029-82202322；E-mail：r.zhang1112@163.com

(編輯 何學(xué)鋒)