引線框架用Cu-Ni-Si合金的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

張 英, 陸萌萌, 胡艷艷, 劉 耀, 鄭少鋒

(江西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江西 贛州 341000)

引線框架用Cu-Ni-Si合金的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

張 英, 陸萌萌, 胡艷艷, 劉 耀, 鄭少鋒

(江西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江西 贛州341000)

綜述了引線框架用Cu-Ni-Si合金的發(fā)展歷史,闡述了Cu-Ni-Si合金的強(qiáng)化機(jī)制,指出時(shí)效強(qiáng)化是該合金的主要強(qiáng)化方式,形變強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化在一定程度上影響合金的性能.歸納總結(jié)了該合金性能與Ni、Si元素的質(zhì)量比值、添加微量P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素的種類和數(shù)量之間的關(guān)系,并分析了微量P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素對(duì)Cu-Ni-Si合金性能改善的機(jī)理.指出了Cu-Ni-Si合金是一種很有應(yīng)用前景的引線框架材料,其強(qiáng)度一般為600～860MPa,導(dǎo)電率為30～60%IACS.

Cu-Ni-Si合金; 強(qiáng)化機(jī)理; 引線框架; 發(fā)展

0 前 言

引線框架材料作為集成電路中的一個(gè)重要部件,必須滿足3個(gè)基本要求:支撐芯片;連接外部電路;散熱.上世紀(jì)60年代,集成電路問世并得到快速發(fā)展,集成電路用引線框架材料也經(jīng)歷了數(shù)次重大的變革.早期的引線框架材料是Fe-Ni-Co系合金,但由于Co價(jià)的升高,研發(fā)出了價(jià)格相對(duì)較低的Fe-42Ni合金,使得Fe-Ni-Co系合金淘汰.為進(jìn)一步降低成本,上世紀(jì)70年代,美國某公司成功研制了C194合金替代了Fe-42Ni合金,之后又有多種銅合金研發(fā)成功,并進(jìn)行了大規(guī)模生產(chǎn)[1].Cu-Ni-Si系合金就是其中一種較有發(fā)展前景的引線框架材料.

1 銅基引線框架材料

世界各國現(xiàn)今已研發(fā)生產(chǎn)了多種銅基引線框架材料,按性能分類,可大致分為高強(qiáng)高導(dǎo)型、高強(qiáng)中導(dǎo)型和中強(qiáng)中導(dǎo)型.一般把抗拉強(qiáng)度>500 MPa的稱為高強(qiáng)型,抗拉強(qiáng)度在300～500 MPa之間的稱為中強(qiáng)型.一般把導(dǎo)電率在80 %IACS以上的稱為高導(dǎo)型,相應(yīng)的,導(dǎo)電率在50～80 %IACS之間的稱為中導(dǎo)型.

在生產(chǎn)過程中,要求引線框架材料具有一定的加工特性.而作為成品零件,要求該種材料具有特定的使用性能,以滿足產(chǎn)品的使用要求.但對(duì)引線框架材料來說,在諸多性能當(dāng)中,強(qiáng)度和導(dǎo)電率最為重要,只有兼?zhèn)鋬?yōu)良的導(dǎo)電性及強(qiáng)度,才能用作集成電路用的引線框架材料[2].

現(xiàn)今研制開發(fā)的銅基引線框架材料,按成分劃分,大致可分為Cu-Cr-Zr系、Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Sn系和Cu-Ni-Si系等[3-7].

Cu-Ni-Si系合金中的Ni、Si元素能夠形成強(qiáng)化相,使該合金在具有較高強(qiáng)度和硬度的同時(shí),不會(huì)過多地降低導(dǎo)電率,其強(qiáng)度一般為600～860 MPa,導(dǎo)電率為30～60 %IACS.自上世紀(jì)80年代以來,各國陸續(xù)開始對(duì)該合金進(jìn)行研發(fā),目前已有多種牌號(hào)的Cu-Ni-Si合金[8-10].熱處理對(duì)其性能的影響很大,這使得合金的最終性能較難控制.但通過不同的熱處理工藝,可以制備出性能不同的材料.

在Cu-Ni-Si系合金的研制方面,曹育文等[11]在研究Cu-1.0Ni-0.25Si-0.1Zn合金時(shí)發(fā)現(xiàn):Zn元素的加入改善了引線框架所用合金與焊料的結(jié)合情況.潘志勇等[12]在Cu-5.2Ni-1.2Si合金中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的Al元素,發(fā)現(xiàn)Al的添加對(duì)該合金熱軋時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程具有明顯的抑制作用,并且Al的加入顯著提高了銅基體的固溶度,該合金的維氏硬度達(dá)317,導(dǎo)電率達(dá)44.5 %IACS.Young等[13]研發(fā)的Cu-1.3Ni-0.3Si-0.03P合金在450 ℃時(shí)效1 h,析出Ni3P相,出現(xiàn)第一個(gè)強(qiáng)度峰值;時(shí)效10 h,析出Ni2Si相,出現(xiàn)第二個(gè)強(qiáng)度峰值,強(qiáng)度達(dá)600 MPa,導(dǎo)電率達(dá)60 %IACS.北風(fēng)敬三[14]研究Cu-2.4Ni-0.4Si-0.16P合金時(shí)發(fā)現(xiàn):P元素的加入會(huì)生成大量的夾雜粒子阻止亞晶界遷移,使晶粒細(xì)化.Rdzawski等[15]研究了Cu-3.3Ni-1Si-0.8Cr合金的熱處理工藝,認(rèn)為Cr與Si形成Cr3Si相,提高了合金的高溫穩(wěn)定性、塑性和導(dǎo)電率.現(xiàn)今已有多種Cu-Ni-Si系合金進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)[16].

國內(nèi)外一些公司生產(chǎn)的引線框架用Cu-Ni-Si系合金的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率見表1[17].

2 強(qiáng)化機(jī)理

在研究Cu-Ni-Si合金時(shí)發(fā)現(xiàn),時(shí)效強(qiáng)化是合金的主要強(qiáng)化方式,形變強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化在一定程度上影響合金的性能.固溶使Cu-Ni-Si合金形成過飽和固溶體,時(shí)效后合金中的固溶原子有部分殘存在銅基體當(dāng)中,固溶的原子可以提高合金的強(qiáng)度,但會(huì)嚴(yán)重降低其導(dǎo)電率.

Cu-Ni-Si系合金為時(shí)效析出型強(qiáng)化合金,熱處理工藝對(duì)該合金的影響很大.1927年,Corson[18]發(fā)現(xiàn)該合金的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)以來,各國對(duì)Cu-Ni-Si合金的時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理的研究投入了大量的精力.文獻(xiàn)認(rèn)為析出相為Ni元素和Si元素形成的強(qiáng)化相,但對(duì)其具體的結(jié)構(gòu)卻仍然沒有定論.多年來,陸續(xù)出現(xiàn)有關(guān)Cu-Ni-Si系合金析出相的報(bào)告,有研究認(rèn)為:析出相結(jié)構(gòu)類似于γ-Ni5Si2相;也有研究認(rèn)為其結(jié)構(gòu)類似于β-Ni3Si相[19-20].近些年,諸多研究認(rèn)為第二相的晶格與δ-Ni2Si相的晶格相似,并且與Cu原子晶格的位向有一定的聯(lián)系.Lockyer[21]對(duì)二者的位向關(guān)系進(jìn)行了研究,得出位向關(guān)系:(100)Cu//(001)ppt、[01l]Cu//[010]ppt,慣習(xí)面為{110}Cu.Lockyer[21]以δ-Ni2Si相與Cu基體的位向關(guān)系為基礎(chǔ),研究了位錯(cuò)在晶體間的運(yùn)動(dòng)方式.研究表明:Cu-Ni-Si系合金產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng)主要是由于位錯(cuò)的環(huán)繞作用.因?yàn)槿绻俏诲e(cuò)的切割作用而產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng),要求基體滑移系移動(dòng)時(shí),不同慣習(xí)面上的強(qiáng)化相沿不同晶面發(fā)生切割,這是不可能的[22-23].

Cu-Ni-Si系合金時(shí)效過程中,Ni、Si元素形成的第二相顆粒限制位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),合金的強(qiáng)度升高.同時(shí)由于時(shí)效產(chǎn)生的脫溶效果,使得Cu基體中其他元素的含量降低,導(dǎo)電率有所升高,合金性能在時(shí)效后能有效地提高[24-27].

3 合金元素對(duì)合金性能的影響

為進(jìn)一步提高Cu-Ni-Si合金的綜合性能,許多學(xué)者研究了其他元素對(duì)合金性能的影響,如P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素.一般認(rèn)為,微量元素的加入會(huì)導(dǎo)致合金晶格畸變程度的增加,導(dǎo)電率下降.但通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),一些加入的微量元素在提高合金強(qiáng)度的同時(shí),并不會(huì)使其導(dǎo)電率下降.一些微量元素通過促進(jìn)Cu基體中溶質(zhì)原子析出,或抑制析出物的長大等方式,改變析出物的數(shù)量及形態(tài),使得Cu基體中其他元素的含量降低,晶格畸變程度減小,在一定程度上能提高合金的導(dǎo)電率.總而言之,其他元素對(duì)Cu-Ni-Si合金的導(dǎo)電率的影響是一個(gè)比較復(fù)雜的過程,有些元素由于溶入Cu基體中增加了溶質(zhì)原子的含量,增加晶格畸變程度.與此同時(shí),能促進(jìn)其他元素析出,減少晶格畸變程度,在兩者的綜合作用下影響著導(dǎo)電率的變化.一般情況,希望添加的元素能提高合金的某些特定性能,而對(duì)其他性能影響不大,制備出綜合性能較佳的材料,以適應(yīng)市場需求[28].

3.1 Ni、Si元素對(duì)合金性能的影響

Ni、Si元素是Cu-Ni-Si合金中的主要基礎(chǔ)元素,對(duì)合金的性能有著決定性的影響,因此,Ni、Si元素的添加量的確定是制備該合金十分重要的環(huán)節(jié).大量學(xué)者認(rèn)為,Cu-Ni-Si合金的析出強(qiáng)化相為Ni2Si,通過析出彌散的Ni2Si相能有效地提高合金強(qiáng)度.以此為基礎(chǔ),如果Ni、Si元素全部形成第二相,則Ni、Si元素的原子數(shù)比應(yīng)為2∶1,質(zhì)量比為4.2∶1,此時(shí),基體中殘留的溶質(zhì)元素含量最少.考慮到溶質(zhì)元素不可能完全析出,并可能和其他元素化合,實(shí)際添加的Ni、Si元素含量應(yīng)與理想值有一定差距.其中,山本佳紀(jì)等[29]研究了Ni、Si元素質(zhì)量比在2.8∶1～6.0∶1之間的合金性能,不同成分的合金在時(shí)效后,其性能參數(shù)見圖1(a)[30-31].由圖1(a)可知,隨著Ni、Si元素質(zhì)量比的增大,合金的導(dǎo)電率及顯微硬度會(huì)不斷升高,導(dǎo)電率在Ni、Si元素質(zhì)量比為4.2∶1左右的時(shí)候到達(dá)峰值.之后,隨Ni、Si元素質(zhì)量比的增加趨于平穩(wěn),顯微硬度在到達(dá)峰值后,呈緩慢下降的趨勢,這進(jìn)一步證明Ni、Si元素質(zhì)量比對(duì)Cu-Ni-Si合金的硬度及導(dǎo)電率有一定的影響.

山本佳紀(jì)等[29]還對(duì)Ni、Si元素質(zhì)量比為5∶1,而Ni、Si元素含量不同的Cu-Ni-Si合金的導(dǎo)電率及顯微硬度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖1(b).由圖1(b)可知,Ni、Si元素含量的升高,會(huì)引起硬度的提高及導(dǎo)電率的下降,而隨Ni、Si含量的變化,硬度及導(dǎo)電率的變化趨于穩(wěn)定.Ni、Si元素的增加會(huì)降低導(dǎo)電率,但卻能提高其力學(xué)性能,Ni、Si元素的含量是影響Cu-Ni-Si合金最終性能的重要因素.因此,在Cu-Ni-Si合金設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)該注意Ni、Si元素的條件量,以制備出性能優(yōu)異的合金.

圖1 Ni、Si元素對(duì)Cu-Ni-Si合金導(dǎo)電率及硬度的影響Fig.1 Effect of Ni and Si on the conductivity and hardness of Cu-Ni-Si alloy

3.2 P元素對(duì)合金性能的影響

Ni、Si元素是Cu-Ni-Si合金的主要元素,在銅合金熔煉時(shí)為了改善合金的性能,通常需要加入其他元素.添加P元素能起到脫氧、提高熔體流動(dòng)性的作用.但過量P元素會(huì)嚴(yán)重降低導(dǎo)電率,在與Cu化合時(shí)形成低熔點(diǎn)的Cu3P相,容易造成熱軋開裂.北風(fēng)敬三[14]研究Cu-2.4Ni-0.4Si-0.16P合金時(shí)發(fā)現(xiàn),在合金中加入P元素,經(jīng)時(shí)效及冷變形后,會(huì)生成大量的彌散顆粒,這些夾雜物粒子能抑制析出物的成長,同時(shí)也能抑制亞晶界的運(yùn)動(dòng),從而細(xì)化晶粒,使得合金的力學(xué)性能提高.

汪黎[32]通過透射電鏡對(duì)Cu-3Ni-0.6Si-0.03P和沒有添加P元素的合金進(jìn)行了觀察,發(fā)現(xiàn)添加P元素的合金的析出相尺寸更小,彌散程度更大.認(rèn)為P元素主要集中在基體與析出物顆粒的晶界上,在時(shí)效過程中能阻礙晶界遷移,抑制析出相的長大.

3.3 Al元素對(duì)合金性能的影響

潘志勇等[33]對(duì)Cu-5.2Ni-1.2Si-1.5Al合金進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)添加Al元素能抑制合金熱軋時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程,同時(shí)Al元素能有效提高Si元素在銅基體中的固溶度.通過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)Al的添加會(huì)降低合金的均勻化溫度,同時(shí)該合金時(shí)效后能析出Ni3Al相,使析出相更彌散細(xì)小分布.在時(shí)效過程中由于Ni3Al相與Ni2Si相的共同釘扎作用,能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),從而抑制晶粒長大.Al元素的加入能進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度,但是添加Al元素會(huì)使合金導(dǎo)電率下降幅度很大.

3.4 Zn元素對(duì)合金性能的影響

Zn元素對(duì)Cu-Ni-Si合金能起到一定的強(qiáng)化作用,并且對(duì)該合金的釬焊性能有很大的提高.曹育文等[11]在Cu-1.0Ni-0.25Si合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Zn元素,并研究了Zn元素對(duì)該合金的影響.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在Cu-Ni-Si合金中加入的Zn元素在Sn-Pb共晶焊料界面處偏聚,能阻擋Cu元素向焊料中擴(kuò)散,防止Cu3Sn脆性金屬間化合物層的生成,從而改善Cu-Ni-Si合金的釬焊性能.但Zn元素的加入會(huì)降低合金的導(dǎo)電率,所以Zn元素的含量不能過高.

3.5 Cr元素對(duì)合金性能的影響

Rdzawski[15]研究了Cr元素對(duì)Cu-3.3Ni-1.0Si合金的影響.研究發(fā)現(xiàn)Cr3Si相能在合金液態(tài)結(jié)晶過程優(yōu)先形成,它的粒子尺寸很小,溶解溫度高于Ni2Si相,能抑制在保溫期間的晶粒長大,對(duì)提高合金高溫穩(wěn)定性也有一定的作用.當(dāng)合金中Si元素過剩時(shí),Cr元素與Si元素能形成Cr3Si相,Cr3Si相主要是在合金結(jié)晶中形成的,尺寸為幾微米,與合金中的Ni2Si相共同產(chǎn)生作用,能在一定程度上提高合金的塑性和導(dǎo)電率等性能[34].同時(shí)消除了基體中殘余Si元素對(duì)合金導(dǎo)電率的影響.

林高用[35]在對(duì)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Cr元素的Cu-l.6Ni-0.5Si合金進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化特性的研究時(shí)發(fā)現(xiàn),該合金在高溫(600～700 ℃)時(shí)效時(shí)還能保持較高的強(qiáng)度,有良好的高溫性能,同時(shí)具有較高的再結(jié)晶溫度.分析認(rèn)為:Cr3Si相的溶解度要高于Ni2Si相的溶解度,故合金經(jīng)過固溶處理后形成過飽和固溶體,在室溫下就有Cr3Si相析出.同時(shí),Cr3Si相是一種比較穩(wěn)定的第二相,在高溫時(shí)效Ni2Si相部分溶解時(shí),Cr3Si相還能繼續(xù)對(duì)位錯(cuò)起阻礙作用,從而提高合金的高溫強(qiáng)度.同時(shí),能在高溫時(shí)效時(shí)保持較高的硬度.

雷靜果[36]對(duì)比了Cu-3.2Ni-0.75Si和Cu-2.37Ni-0.58Si-0.39Cr兩種銅合金時(shí)效時(shí)性能的變化規(guī)律.結(jié)果表明:在Cu-Ni-Si合金系中添加微量Cr元素之后,可以提高合金的強(qiáng)度和硬度,而基本不影響合金的導(dǎo)電率.

3.6 Ti元素對(duì)合金性能的影響

Lee等[37]探究了Ti元素在Cu-3Ni-1Si和Cu-6Ni-1.5Si兩種合金中的作用.研究發(fā)現(xiàn)Ti元素能增強(qiáng)Ni2Si相從固溶基體中析出的驅(qū)動(dòng)力,從而加速時(shí)效反應(yīng),降低成本.Ti元素能減小合金顆粒度大小,細(xì)化晶粒,并使Ni2Si相很好地沿著晶界析出,提高合金的塑性.但Ti元素會(huì)促進(jìn)合金中片狀組織的形成,不利于合金的力學(xué)性能.

4 結(jié) 語

迄今為止,銅基引線框架材料已占集成電路用引線框架材料的85%左右,其主要是由日本等發(fā)達(dá)國家生產(chǎn),國內(nèi)在此方面相對(duì)薄弱.在銅基引線框架材料的研發(fā)以及試制方面,與國外仍有較大的差距,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)的需求,大量的高端銅基引線框架材料仍需依賴進(jìn)口.研制和開發(fā)出具有我國獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能銅基引線框架材料是十分必要和迫切的,而Cu-Ni-Si系合金是一種非常有潛力的引線框架材料,是高性能引線框架材料的一個(gè)發(fā)展方向.通過分析Cu-Ni-Si合金的強(qiáng)化機(jī)制及微量元素對(duì)其性能的影響,為研究高性能合金提供了一定的參考,即在研制高性能銅合金時(shí)從合金化規(guī)律及微量元素的研究出發(fā),利用現(xiàn)有的研究成果,根據(jù)所需要研究合金的性能要求,加入不同的微量元素得到強(qiáng)度及導(dǎo)電率都滿足要求的Cu-Ni-Si合金.合適的熱處理工藝是提高Cu-Ni-Si系合金強(qiáng)度及導(dǎo)電率的有效手段.

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DevelopmentandStudyofCu-Ni-SiAlloyforLeadFrame

ZHANGYing,LUMeng-meng,HUYan-yan,LIUYao,ZHENGShao-feng

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,JiangxiUniverdityof
ScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

In the paper,following a review of the history of Cu-Ni-Si lead-frame material,the strengthening mechanism of Cu-Ni-Si alloy has been elaborated.While ageing strengthening is the main strengthening method of the alloy,strain strengthening and solution strengthening affect the performances of the alloy to some extent.Besides,the correlations have been analyzed between the performance of the alloy and the weight ratio of Ni and Si and the type and amount of added alloy elements such as P,Fe,Mg,Zn and Cr that enhance the performance of Cu-Ni-Si alloy.Cu-Ni-Si alloy is a promising lead-frame material with its strength about 600-860 MPa and its conductivity 30-60 %IACS.

Cu-Ni-Si alloy; strengthening mechanism; lead-frame; development

2013-12-28

張 英(1988-),男,碩士研究生,主要從事有色金屬材料方面的研究.E-mail:zhangyingqyj@yeah.net

TG146.1+1

A