不同溫度退火后Cu-Ag合金的組織和性能

孔令寶，周延軍,2，宋克興,2，曹 軍，呂長(zhǎng)春，李 科，劉慶賓，吳保安，唐會(huì)毅，張學(xué)賓,2，皇 濤,2

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,洛陽(yáng) 471023;2.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,洛陽(yáng) 471023; 3.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,焦作 454000;4.河南優(yōu)客電子材料有限公司,濟(jì)源 454650;5.重慶材料研究院有限公司,國(guó)家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400700)

0 引 言

鍵合引線是半導(dǎo)體封裝用核心零件，用于連接引腳和硅片并傳達(dá)電信號(hào)。出于兼顧性能和成本的考慮，越來(lái)越多的科研工作者提出使用銅及銅合金引線來(lái)代替目前應(yīng)用廣泛的金和鋁引線[1-3]。銅及銅合金具有良好的綜合性能，在制備鍵合引線時(shí)易實(shí)現(xiàn)精密安裝，并能達(dá)到和金引線一樣甚至更優(yōu)良的強(qiáng)度和可靠性，且成本較低[4-6]。

Cu-Ag合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能以及較高的強(qiáng)度，是制備微細(xì)鍵合引線的理想材料[7-8]。王英民等[9]的研究表明：銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)，隨著拉拔變形量的增大Cu-Ag合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，但導(dǎo)電率顯著降低；通過(guò)冷拉拔和熱處理結(jié)合的方法獲得了抗拉強(qiáng)度為1.1 GPa，導(dǎo)電率為80%IACS的Cu-Ag合金線材。封存利等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著拉拔變形量增大，Cu-Ag合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度顯著提高，但導(dǎo)電率和伸長(zhǎng)率顯著降低，通過(guò)再結(jié)晶退火可以提高合金的伸長(zhǎng)率和導(dǎo)電率，但會(huì)降低合金的抗拉強(qiáng)度。劉嘉斌等[11]研究發(fā)現(xiàn)，隨著銀含量增加，通過(guò)冷拉拔結(jié)合中間熱處理制備得到Cu-Ag合金的應(yīng)變硬化速率提高，導(dǎo)電率顯著降低，尤其當(dāng)銀含量增加使組織中銀相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布時(shí)，導(dǎo)電率下降更為明顯。

綜上可知，銀含量和退火工藝會(huì)影響Cu-Ag合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。合適的退火工藝不僅能夠保證加工的順利進(jìn)行，還能夠在顯著提高合金導(dǎo)電性能的同時(shí)僅小幅度降低其力學(xué)性能；而銀含量的增加會(huì)降低合金的導(dǎo)電率，同時(shí)提高合金的抗拉強(qiáng)度和硬度。因此，關(guān)于銀含量和退火工藝對(duì)Cu-Ag合金力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響，以使合金在保持較高力學(xué)性能的同時(shí)具有良好導(dǎo)電性能的研究非常重要；但是目前有關(guān)這方面，尤其是退火工藝對(duì)Cu-Ag合金性能影響的報(bào)道很少。因此，作者對(duì)Cu-20Ag(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)和Cu-4Ag合金線材在不同溫度退火后的組織和性能進(jìn)行了研究，擬為Cu-Ag合金線材性能的優(yōu)化提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

以電解銅(純度99.95%)和純銀(純度99.99%)為原材料，采用三室真空冷型豎引連續(xù)鑄造法制備Cu-4Ag和Cu-20Ag合金。按照合金的名義成分進(jìn)行配料，然后在真空熔煉爐內(nèi)進(jìn)行熔煉，采用頻率不高于2 000 Hz的電源保證熔煉過(guò)程中合金成分的均勻性，熔體在結(jié)晶器冷卻成型后由牽引裝置下方引出，連鑄速度為100 mm·min-1，得到坯料直徑為7.8 mm。在室溫下對(duì)坯料進(jìn)行多道次拉拔使其直徑達(dá)到3 mm，然后進(jìn)行420 ℃×5 min軟化處理，再次拉拔使其直徑達(dá)到2.05 mm，最后在管式爐內(nèi)進(jìn)行退火，爐溫分別升至440，480，520 ℃時(shí)，通入氬氣，12 min后將試樣放入爐內(nèi)，保溫5 min后取出空冷，冷卻至室溫后磨去氧化皮，此時(shí)試樣直徑為2.04 mm。

試樣經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，采用HVS-1000A型數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)5次取平均值；采用TX300-A型智能金屬導(dǎo)體電阻率儀測(cè)試試樣的室溫導(dǎo)電率，試樣長(zhǎng)度為400500 mm，直徑為2.04 mm，測(cè)5次取平均值；沿拉拔方向截取長(zhǎng)度為1520 mm的金相試樣，經(jīng)磨拋，分別采用由5 g三氯化鐵+15 mL鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.46%,下同)+100 mL水組成的溶液和由1 g硝酸鐵+5 mL鹽酸+4 mL水組成的溶液對(duì)橫截面和縱截面腐蝕后，在Zeiss AxioVert A1型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出：退火后，Cu-4Ag合金中的富銀相在橫截面上呈細(xì)小顆粒狀，且顆粒尺寸及分布隨退火溫度的升高沒(méi)有明顯變化；Cu-20Ag合金中富銀相在橫截面上形成了連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且在520 ℃退火時(shí)出現(xiàn)了明顯的聚集現(xiàn)象。由圖2可以看出，Cu-4Ag和Cu-20Ag合金中的富銀相在縱截面上均呈纖維狀結(jié)構(gòu)，且Cu-20Ag合金中的富銀相較多，纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但粗細(xì)不均勻。理想狀態(tài)下，銀在銅中的固溶度為8%[12]。鑄態(tài)Cu-4Ag合金中的銀大部分固溶在銅基體中，受冷拉拔過(guò)程的影響很小，退火后少量富銀相沿晶界析出。鑄態(tài)Cu-20Ag合金中的銀除了固溶在銅基體中外，還會(huì)以共晶體和次生相的形式存在。在拉拔過(guò)程中，共晶體和次生相演變?yōu)槔w維相[13]，同時(shí)退火后部分富銀相析出。因此Cu-20Ag合金中纖維狀富銀相較多，且纖維粗細(xì)不均勻。

圖1 Cu-4Ag和Cu-20Ag合金在不同溫度退火后的橫截面顯微組織Fig.1 Cross section microstructures of Cu-4Ag (a-c)and Cu-20Ag (d-f)alloys after annealing at different temperatures

圖2 Cu-4Ag和Cu-20Ag合金在不同溫度退火后的縱截面顯微組織Fig.2 Longitudinal section microstructures of Cu-4Ag (a-c)and Cu-20Ag (d-f)alloys after annealing at different temperatures

2.2 硬度和導(dǎo)電率

由圖3可以看出：Cu-20Ag合金的導(dǎo)電率低于Cu-4Ag合金的；隨著退火溫度升高，導(dǎo)電率增大，當(dāng)退火溫度達(dá)到520 ℃時(shí)，Cu-20Ag和Cu-4Ag合金的導(dǎo)電率分別增加了27.15%和14.11%。未退火時(shí)Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的導(dǎo)電率相差較大，分別為82.0%IACS,72.3%IACS；隨退火溫度升高二者導(dǎo)電率差值減小，在退火溫度為480 ℃時(shí)，二者最接近，差值為1.22%IACS；當(dāng)退火溫度由440 ℃升高到480 ℃時(shí)，合金導(dǎo)電率增加較快，且Cu-20Ag合金增加得更明顯。

圖3 不同溫度退火后Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的導(dǎo)電率Fig.3 Conductivity of Cu-4Ag and Cu-20Ag alloys after annealing at different temperatures

由圖4可以看出：硬度的變化與導(dǎo)電率相反，Cu-20Ag合金的硬度明顯高于Cu-4Ag合金的；隨著退火溫度升高，合金的硬度降低，且Cu-20Ag合金的硬度降幅較大，溫度為520 ℃時(shí)Cu-20Ag和Cu-4Ag合金的硬度降幅分別為34.91%和30.10%；溫度為480 ℃時(shí)，二者的硬度最接近，分別為157.03,120.35 HV。未退火Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的硬度分別為226.66,143.41 HV。

圖4 不同溫度退火后Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的硬度Fig.4 Hardness of Cu-4Ag and Cu-20Ag alloys after annealing at different temperatures

未退火Cu-20Ag和Cu-4Ag合金的硬度和導(dǎo)電率相差較大，其原因是Cu-20Ag合金中存在經(jīng)歷大變形后由富銀共晶體和次生相變成的細(xì)長(zhǎng)纖維相，這些富銀相與銅基體的結(jié)合界面對(duì)電子的傳輸以及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生阻礙作用，從而降低了合金的導(dǎo)電率，提高了硬度[11]。退火可以削弱拉拔過(guò)程中塑性變形引起的加工硬化，提高塑性變形能力，降低硬度；同時(shí)，退火過(guò)程中纖維狀富銀相的析出降低了銅基體對(duì)電子的散射作用，從而提高了合金的導(dǎo)電率[10,14]。

退火后Cu-20Ag合金中的纖維狀富銀相較多，且形成了連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。連續(xù)分布的網(wǎng)狀纖維組織可對(duì)電子產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射作用，使得導(dǎo)電率顯著降低[12,14-16]；同時(shí)，較多的纖維狀富銀相對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用較大，使得硬度增大。因此，與Cu-4Ag合金相比，Cu-20Ag合金的導(dǎo)電率較低，硬度較高。由于退火溫度越高，纖維狀富銀相的析出速率越快[17-18]，因此溫度越高，導(dǎo)電率越大。顯微硬度隨著退火溫度的升高而降低，這是由于退火溫度越高，退火對(duì)冷拉拔過(guò)程中由塑性變形引起的加工硬化削弱程度越大。

3 結(jié) 論

(1)退火后，富銀相在Cu-4Ag合金橫截面上呈細(xì)小的顆粒狀，在Cu-20Ag合金橫截面上則形成了連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在合金縱截面上，富銀相均呈纖維狀，且Cu-20Ag合金的富銀相較多，纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)。

(2)Cu-20Ag合金的導(dǎo)電率和硬度均高于Cu-4Ag合金的，隨退火溫度升高，2種合金的硬度降低，導(dǎo)電率增大；未退火時(shí)，Cu-20Ag和Cu-4Ag合金的導(dǎo)電率和硬度相差較大，480 ℃退火后二者的導(dǎo)電率和硬度均最接近，并且Cu-20Ag合金具有最優(yōu)的導(dǎo)電率和硬度匹配。