引線框架用Cu-Ni-Si合金的發展及研究現狀

張 英, 陸萌萌, 胡艷艷, 劉 耀, 鄭少鋒

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州 341000)

引線框架用Cu-Ni-Si合金的發展及研究現狀

張 英, 陸萌萌, 胡艷艷, 劉 耀, 鄭少鋒

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州341000)

綜述了引線框架用Cu-Ni-Si合金的發展歷史,闡述了Cu-Ni-Si合金的強化機制,指出時效強化是該合金的主要強化方式,形變強化和固溶強化在一定程度上影響合金的性能.歸納總結了該合金性能與Ni、Si元素的質量比值、添加微量P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素的種類和數量之間的關系,并分析了微量P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素對Cu-Ni-Si合金性能改善的機理.指出了Cu-Ni-Si合金是一種很有應用前景的引線框架材料,其強度一般為600～860MPa,導電率為30～60%IACS.

Cu-Ni-Si合金; 強化機理; 引線框架; 發展

0 前 言

引線框架材料作為集成電路中的一個重要部件,必須滿足3個基本要求:支撐芯片;連接外部電路;散熱.上世紀60年代,集成電路問世并得到快速發展,集成電路用引線框架材料也經歷了數次重大的變革.早期的引線框架材料是Fe-Ni-Co系合金,但由于Co價的升高,研發出了價格相對較低的Fe-42Ni合金,使得Fe-Ni-Co系合金淘汰.為進一步降低成本,上世紀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成功,并進行了大規模生產[1].Cu-Ni-Si系合金就是其中一種較有發展前景的引線框架材料.

1 銅基引線框架材料

世界各國現今已研發生產了多種銅基引線框架材料,按性能分類,可大致分為高強高導型、高強中導型和中強中導型.一般把抗拉強度>500 MPa的稱為高強型,抗拉強度在300～500 MPa之間的稱為中強型.一般把導電率在80 %IACS以上的稱為高導型,相應的,導電率在50～80 %IACS之間的稱為中導型.

在生產過程中,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,以滿足產品的使用要求.但對引線框架材料來說,在諸多性能當中,強度和導電率最為重要,只有兼備優良的導電性及強度,才能用作集成電路用的引線框架材料[2].

現今研制開發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元素能夠形成強化相,使該合金在具有較高強度和硬度的同時,不會過多地降低導電率,其強度一般為600～860 MPa,導電率為30～60 %IACS.自上世紀80年代以來,各國陸續開始對該合金進行研發,目前已有多種牌號的Cu-Ni-Si合金[8-10].熱處理對其性能的影響很大,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合金時發現:Zn元素的加入改善了引線框架所用合金與焊料的結合情況.潘志勇等[12]在Cu-5.2Ni-1.2Si合金中添加了質量分數為1.5%的Al元素,發現Al的添加對該合金熱軋時動態再結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317,導電率達44.5 %IACS.Young等[13]研發的Cu-1.3Ni-0.3Si-0.03P合金在450 ℃時效1 h,析出Ni3P相,出現第一個強度峰值;時效10 h,析出Ni2Si相,出現第二個強度峰值,強度達600 MPa,導電率達60 %IACS.北風敬三[14]研究Cu-2.4Ni-0.4Si-0.16P合金時發現:P元素的加入會生成大量的夾雜粒子阻止亞晶界遷移,使晶粒細化.Rdzawski等[15]研究了Cu-3.3Ni-1Si-0.8Cr合金的熱處理工藝,認為Cr與Si形成Cr3Si相,提高了合金的高溫穩定性、塑性和導電率.現今已有多種Cu-Ni-Si系合金進行了工業生產[16].

國內外一些公司生產的引線框架用Cu-Ni-Si系合金的抗拉強度和導電率見表1[17].

2 強化機理

在研究Cu-Ni-Si合金時發現,時效強化是合金的主要強化方式,形變強化和固溶強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,時效后合金中的固溶原子有部分殘存在銅基體當中,固溶的原子可以提高合金的強度,但會嚴重降低其導電率.

Cu-Ni-Si系合金為時效析出型強化合金,熱處理工藝對該合金的影響很大.1927年,Corson[18]發現該合金的時效強化效應以來,各國對Cu-Ni-Si合金的時效強化機理的研究投入了大量的精力.文獻認為析出相為Ni元素和Si元素形成的強化相,但對其具體的結構卻仍然沒有定論.多年來,陸續出現有關Cu-Ni-Si系合金析出相的報告,有研究認為:析出相結構類似于γ-Ni5Si2相;也有研究認為其結構類似于β-Ni3Si相[19-20].近些年,諸多研究認為第二相的晶格與δ-Ni2Si相的晶格相似,并且與Cu原子晶格的位向有一定的聯系.Lockyer[21]對二者的位向關系進行了研究,得出位向關系:(100)Cu//(001)ppt、[01l]Cu//[010]ppt,慣習面為{110}Cu.Lockyer[21]以δ-Ni2Si相與Cu基體的位向關系為基礎,研究了位錯在晶體間的運動方式.研究表明:Cu-Ni-Si系合金產生的強化效應主要是由于位錯的環繞作用.因為如果是位錯的切割作用而產生的強化效應,要求基體滑移系移動時,不同慣習面上的強化相沿不同晶面發生切割,這是不可能的[22-23].

Cu-Ni-Si系合金時效過程中,Ni、Si元素形成的第二相顆粒限制位錯的運動,合金的強度升高.同時由于時效產生的脫溶效果,使得Cu基體中其他元素的含量降低,導電率有所升高,合金性能在時效后能有效地提高[24-27].

3 合金元素對合金性能的影響

為進一步提高Cu-Ni-Si合金的綜合性能,許多學者研究了其他元素對合金性能的影響,如P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素.一般認為,微量元素的加入會導致合金晶格畸變程度的增加,導電率下降.但通過大量試驗發現,一些加入的微量元素在提高合金強度的同時,并不會使其導電率下降.一些微量元素通過促進Cu基體中溶質原子析出,或抑制析出物的長大等方式,改變析出物的數量及形態,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電率.總而言之,其他元素對Cu-Ni-Si合金的導電率的影響是一個比較復雜的過程,有些元素由于溶入Cu基體中增加了溶質原子的含量,增加晶格畸變程度.與此同時,能促進其他元素析出,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,而對其他性能影響不大,制備出綜合性能較佳的材料,以適應市場需求[28].

3.1 Ni、Si元素對合金性能的影響

Ni、Si元素是Cu-Ni-Si合金中的主要基礎元素,對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節.大量學者認為,Cu-Ni-Si合金的析出強化相為Ni2Si,通過析出彌散的Ni2Si相能有效地提高合金強度.以此為基礎,如果Ni、Si元素全部形成第二相,則Ni、Si元素的原子數比應為2∶1,質量比為4.2∶1,此時,基體中殘留的溶質元素含量最少.考慮到溶質元素不可能完全析出,并可能和其他元素化合,實際添加的Ni、Si元素含量應與理想值有一定差距.其中,山本佳紀等[29]研究了Ni、Si元素質量比在2.8∶1～6.0∶1之間的合金性能,不同成分的合金在時效后,其性能參數見圖1(a)[30-31].由圖1(a)可知,隨著Ni、Si元素質量比的增大,合金的導電率及顯微硬度會不斷升高,導電率在Ni、Si元素質量比為4.2∶1左右的時候到達峰值.之后,隨Ni、Si元素質量比的增加趨于平穩,顯微硬度在到達峰值后,呈緩慢下降的趨勢,這進一步證明Ni、Si元素質量比對Cu-Ni-Si合金的硬度及導電率有一定的影響.

山本佳紀等[29]還對Ni、Si元素質量比為5∶1,而Ni、Si元素含量不同的Cu-Ni-Si合金的導電率及顯微硬度的變化規律進行了研究,結果如圖1(b).由圖1(b)可知,Ni、Si元素含量的升高,會引起硬度的提高及導電率的下降,而隨Ni、Si含量的變化,硬度及導電率的變化趨于穩定.Ni、Si元素的增加會降低導電率,但卻能提高其力學性能,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合金設計過程中,應該注意Ni、Si元素的條件量,以制備出性能優異的合金.

圖1 Ni、Si元素對Cu-Ni-Si合金導電率及硬度的影響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、提高熔體流動性的作用.但過量P元素會嚴重降低導電率,在與Cu化合時形成低熔點的Cu3P相,容易造成熱軋開裂.北風敬三[14]研究Cu-2.4Ni-0.4Si-0.16P合金時發現,在合金中加入P元素,經時效及冷變形后,會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,同時也能抑制亞晶界的運動,從而細化晶粒,使得合金的力學性能提高.

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

3.3 Al元素對合金性能的影響

潘志勇等[33]對Cu-5.2Ni-1.2Si-1.5Al合金進行了研究,發現添加Al元素能抑制合金熱軋時的動態再結晶過程,同時Al元素能有效提高Si元素在銅基體中的固溶度.通過試驗,發現Al的添加會降低合金的均勻化溫度,同時該合金時效后能析出Ni3Al相,使析出相更彌散細小分布.在時效過程中由于Ni3Al相與Ni2Si相的共同釘扎作用,能有效阻礙位錯運動,從而抑制晶粒長大.Al元素的加入能進一步提高合金的強度,但是添加Al元素會使合金導電率下降幅度很大.

3.4 Zn元素對合金性能的影響

Zn元素對Cu-Ni-Si合金能起到一定的強化作用,并且對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合金中加入質量分數為0.1%的Zn元素,并研究了Zn元素對該合金的影響.試驗發現在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元素的加入會降低合金的導電率,所以Zn元素的含量不能過高.

3.5 Cr元素對合金性能的影響

Rdzawski[15]研究了Cr元素對Cu-3.3Ni-1.0Si合金的影響.研究發現Cr3Si相能在合金液態結晶過程優先形成,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,對提高合金高溫穩定性也有一定的作用.當合金中Si元素過剩時,Cr元素與Si元素能形成Cr3Si相,Cr3Si相主要是在合金結晶中形成的,尺寸為幾微米,與合金中的Ni2Si相共同產生作用,能在一定程度上提高合金的塑性和導電率等性能[34].同時消除了基體中殘余Si元素對合金導電率的影響.

林高用[35]在對添加質量分數為2%的Cr元素的Cu-l.6Ni-0.5Si合金進行時效強化特性的研究時發現,該合金在高溫(600～700 ℃)時效時還能保持較高的強度,有良好的高溫性能,同時具有較高的再結晶溫度.分析認為:Cr3Si相的溶解度要高于Ni2Si相的溶解度,故合金經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,Cr3Si相是一種比較穩定的第二相,在高溫時效Ni2Si相部分溶解時,Cr3Si相還能繼續對位錯起阻礙作用,從而提高合金的高溫強度.同時,能在高溫時效時保持較高的硬度.

雷靜果[36]對比了Cu-3.2Ni-0.75Si和Cu-2.37Ni-0.58Si-0.39Cr兩種銅合金時效時性能的變化規律.結果表明:在Cu-Ni-Si合金系中添加微量Cr元素之后,可以提高合金的強度和硬度,而基本不影響合金的導電率.

3.6 Ti元素對合金性能的影響

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.研究發現Ti元素能增強Ni2Si相從固溶基體中析出的驅動力,從而加速時效反應,降低成本.Ti元素能減小合金顆粒度大小,細化晶粒,并使Ni2Si相很好地沿著晶界析出,提高合金的塑性.但Ti元素會促進合金中片狀組織的形成,不利于合金的力學性能.

4 結 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達國家生產,國內在此方面相對薄弱.在銅基引線框架材料的研發以及試制方面,與國外仍有較大的差距,遠遠不能滿足國內的需求,大量的高端銅基引線框架材料仍需依賴進口.研制和開發出具有我國獨立知識產權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發展方向.通過分析Cu-Ni-Si合金的強化機制及微量元素對其性能的影響,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從合金化規律及微量元素的研究出發,利用現有的研究成果,根據所需要研究合金的性能要求,加入不同的微量元素得到強度及導電率都滿足要求的Cu-Ni-Si合金.合適的熱處理工藝是提高Cu-Ni-Si系合金強度及導電率的有效手段.

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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