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，呂長春，李 科，劉慶賓，吳保安，唐會毅，張學賓,2，皇 濤,2

(1.河南科技大學材料科學與工程學院,洛陽 471023;2.有色金屬共性技術河南省協同創新中心,洛陽 471023; 3.河南理工大學機械與動力工程學院,焦作 454000;4.河南優客電子材料有限公司,濟源 454650;5.重慶材料研究院有限公司,國家儀表功能材料工程技術研究中心，重慶 400700)

0 引 言

鍵合引線是半導體封裝用核心零件，用于連接引腳和硅片并傳達電信號。出于兼顧性能和成本的考慮，越來越多的科研工作者提出使用銅及銅合金引線來代替目前應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，在制備鍵合引線時易實現精密安裝，并能達到和金引線一樣甚至更優良的強度和可靠性，且成本較低[4-6]。

Cu-Ag合金具有優異的導熱和導電性能以及較高的強度，是制備微細鍵合引線的理想材料[7-8]。王英民等[9]的研究表明：銀質量分數超過6%時，隨著拉拔變形量的增大Cu-Ag合金的抗拉強度明顯提高，但導電率顯著降低；通過冷拉拔和熱處理結合的方法獲得了抗拉強度為1.1 GPa，導電率為80%IACS的Cu-Ag合金線材。封存利等[10]研究發現，隨著拉拔變形量增大，Cu-Ag合金導線的抗拉強度顯著提高，但導電率和伸長率顯著降低，通過再結晶退火可以提高合金的伸長率和導電率，但會降低合金的抗拉強度。劉嘉斌等[11]研究發現，隨著銀含量增加，通過冷拉拔結合中間熱處理制備得到Cu-Ag合金的應變硬化速率提高，導電率顯著降低，尤其當銀含量增加使組織中銀相呈連續網狀分布時，導電率下降更為明顯。

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

1 試樣制備與試驗方法

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鑄造法制備Cu-4Ag和Cu-20Ag合金。按照合金的名義成分進行配料，然后在真空熔煉爐內進行熔煉，采用頻率不高于2 000 Hz的電源保證熔煉過程中合金成分的均勻性，熔體在結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。在室溫下對坯料進行多道次拉拔使其直徑達到3 mm，然后進行420 ℃×5 min軟化處理，再次拉拔使其直徑達到2.05 mm，最后在管式爐內進行退火，爐溫分別升至440，480，520 ℃時，通入氬氣，12 min后將試樣放入爐內，保溫5 min后取出空冷，冷卻至室溫后磨去氧化皮，此時試樣直徑為2.04 mm。

試樣經鑲嵌、研磨、拋光后，采用HVS-1000A型數顯顯微硬度計進行顯微硬度測試，載荷為9.8 N，保載時間為15 s，測5次取平均值；采用TX300-A型智能金屬導體電阻率儀測試試樣的室溫導電率，試樣長度為400500 mm，直徑為2.04 mm，測5次取平均值；沿拉拔方向截取長度為1520 mm的金相試樣，經磨拋，分別采用由5 g三氯化鐵+15 mL鹽酸(質量分數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水組成的溶液對橫截面和縱截面腐蝕后，在Zeiss AxioVert A1型光學顯微鏡下觀察顯微組織。

2 試驗結果與討論

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小顆粒狀，且顆粒尺寸及分布隨退火溫度的升高沒有明顯變化；Cu-20Ag合金中富銀相在橫截面上形成了連續的網狀結構，且在520 ℃退火時出現了明顯的聚集現象。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構，且Cu-20Ag合金中的富銀相較多，纖維長度較長，但粗細不均勻。理想狀態下，銀在銅中的固溶度為8%[12]。鑄態Cu-4Ag合金中的銀大部分固溶在銅基體中，受冷拉拔過程的影響很小，退火后少量富銀相沿晶界析出。鑄態Cu-20Ag合金中的銀除了固溶在銅基體中外，還會以共晶體和次生相的形式存在。在拉拔過程中，共晶體和次生相演變為纖維相[13]，同時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 硬度和導電率

由圖3可以看出：Cu-20Ag合金的導電率低于Cu-4Ag合金的；隨著退火溫度升高，導電率增大，當退火溫度達到520 ℃時，Cu-20Ag和Cu-4Ag合金的導電率分別增加了27.15%和14.11%。未退火時Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的導電率相差較大，分別為82.0%IACS,72.3%IACS；隨退火溫度升高二者導電率差值減小，在退火溫度為480 ℃時，二者最接近，差值為1.22%IACS；當退火溫度由440 ℃升高到480 ℃時，合金導電率增加較快，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，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合金的硬度和導電率相差較大，其原因是Cu-20Ag合金中存在經歷大變形后由富銀共晶體和次生相變成的細長纖維相，這些富銀相與銅基體的結合界面對電子的傳輸以及位錯的運動會產生阻礙作用，從而降低了合金的導電率，提高了硬度[11]。退火可以削弱拉拔過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，退火過程中纖維狀富銀相的析出降低了銅基體對電子的散射作用，從而提高了合金的導電率[10,14]。

退火后Cu-20Ag合金中的纖維狀富銀相較多，且形成了連續的網狀結構。連續分布的網狀纖維組織可對電子產生強烈的散射作用，使得導電率顯著降低[12,14-16]；同時，較多的纖維狀富銀相對位錯的阻礙作用較大，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，退火對冷拉拔過程中由塑性變形引起的加工硬化削弱程度越大。

3 結 論

(1)退火后，富銀相在Cu-4Ag合金橫截面上呈細小的顆粒狀，在Cu-20Ag合金橫截面上則形成了連續的網狀結構，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，纖維長度較長。

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