軋制工藝對鉬銅合金組織和熱膨脹系數的影響

韓蕊蕊，姚惠龍，李 達，楊玉娟，梁立紅

(安泰天龍鎢鉬科技有限公司，天津 301800)

0 引 言

鉬銅合金是由高熔點、低膨脹系數的Mo和高導電、導熱率的Cu采用粉末冶金工藝制成的假合金(Pseudo-alloy)。兩組元之間互不溶解的特性使它們在復合之后呈現出兩元素本征物理特性的特定組合，可以根據使用要求靈活、準確地設計成份。因此鉬銅合金作為基片、連接件和散熱元件等在電子封裝領域有著廣泛的應用[1-4]。作為熱沉封裝材料需要與其它材料的熱膨脹系數匹配組合，避免因熱膨脹系數差別過大而引起的電子元器件熱應力破壞[5-6]。

鉬銅合金傳統的制備方法是“粉末混合+成型+燒結”工藝或溶滲法，制取的鉬銅合金燒結致密度低，性能較差，難以滿足新的應用領域提出的更高要求。國內外對鉬銅材料的新型制備技術進行了大量探索研究，新型的鉬銅制備技術有復合氧化物共還原法、擠壓鑄造法、壓滲法、自蔓延預熱爆炸固結法[7-9]。軋制法作為一種提高鉬銅致密性的手段也可以應用于鉬銅產品的制備，且軋制工藝技術及裝備較為成熟，產量高，大大降低生產成本，而且易于實現大規模工業化生產。

目前對鉬銅合金的熱膨脹系數影響因素的研究基本都是對粉末冶金工藝的研究[10-17]，因此研究軋制變形對鉬銅合金的熱膨脹系數的影響有利于將鉬銅合金在電子封裝領域的應用優勢發揮得更好。

70MoCu合金(由質量分數分別為70%的Mo和30%的Cu組成 )是一種以硬相鉬占主要成分的聚合型復相合金，其變形規律較特別，與普通合金的變形規律不同，它既不同于通常的韌性材料，也不同于通常的脆性材料。且70MoCu是新一代層狀復合材料CPC(一種具備良好導電導熱和低膨脹綜合性能的熱沉材料)的芯材。因此對該合金的變形性能進行研究具有一定的實用價值[18]。本文選牌號為70MoCu的鉬銅合金做試驗，通過不同的軋制變形工藝，制備了不同變形率、不同軋制方向的鉬銅板坯，并對其微觀組織及熱性能進行了檢測，系統研究了鉬銅合金在軋制塑性變形加工過程中不同變形率及變形方向下，鉬銅合金微觀組織和熱膨脹系數的變化規律，從而探索微觀組織對熱膨脹系數的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗原料包括金屬鉬粉和無氧銅板，所用鉬粉選FMo-1，平均粒徑為3 μm；所用無氧銅板選TU1。將計算好的銅片與壓型好的鉬坯經1 350 ℃熔滲后得到厚度為10 mm的70MoCu板坯。

軋制試驗：將熔滲好的70MoCu在軋機上進行軋制試驗，軋制方式分為單向軋制和交叉軋制。單向軋制變形率分別為20%、40%、60%、80%。交叉軋制為兩個方向等變形率軋制，軋制工藝為：在一個方向軋制55%變形率(即軋至4.5 mm)后，將板坯調轉90°再軋制55%變形率(即軋至2.025 mm)，總體軋制變形率為80%。將軋制好的板坯退火去應力。

1.2 試驗取樣及分析方法

在軋制前的板坯和軋制退火后的板坯上切割2 mm×5 mm×25 mm的熱膨脹系數檢測樣品。且每種板坯分別取平面的兩個方向(RD方向和TD方向)的檢測樣品，其中交叉軋制樣品的RD方向指末次軋制的主伸長方向，相應的TD方向指末次軋制的次伸長方向。樣品要求平行度好，粗糙度小于Ra 0.8。

微觀組織形貌觀察采用JSM-6510A型JEOL分析性掃描電子顯微鏡。熱膨脹系數檢測按照GB/T4339-2008執行，采用型號為NETZSCHDIL402C的德國耐馳熱膨脹儀檢測。載荷30 cN，以5 ℃/min的升溫速度由室溫升溫至800 ℃，采用99.99%純Ar吹掃，流量20 mL/min，測出室溫至800 ℃溫度范圍內的平均熱膨脹系數。每組樣品測3件，取熱膨脹系數的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同軋制工藝下微觀組織變化規律

熔滲后的70MoCu的組織鉬顆粒相呈近似正多邊形狀，銅相均勻地分布在鉬顆粒之間的空隙中，鉬銅板的平面兩個方向的組織形貌一致。

圖1 熔滲后的70MoCu觀微組織

經過單向軋制變形的鉬銅板，板的平面兩個方向的組織出現差異。

圖2為RD方向軋制后70MoCu的微觀組織。由圖2可見：在RD方向，隨著變形率的變大，組織逐漸拉長。當變形率為20%時，鉬顆粒形貌變化不大，可以看到個別原始直徑較小的鉬顆粒變長，較大的鉬顆粒仍然接近正多邊形狀；當變形率為40%時，鉬顆粒形貌整體變成了類似橢圓形的形貌，鉬顆粒沿著軋制方向拉長，銅分布在鉬顆粒周圍也隨著變形；當變形率為60%時，鉬顆粒進一步拉長，變成長條狀，銅相也變成長條分布在鉬顆粒周圍；當變形率達到80%時，鉬顆粒和銅相都變成了細長條，原始直徑較小的鉬顆粒在放大1 000倍下觀察到被拉長成一條細長線，原始直徑較大的鉬顆粒呈細長棒狀。

圖2 單向軋制RD方向的觀微組織

圖3為TD方向軋制后70MoCu的微觀組織。由圖3可見：隨著單向軋制的變形量變大，板的展寬也變明顯，TD方向的組織也有一定變化。在變形率20%和40%時，鉬顆粒形貌變化不大，只有個別小顆粒發生了變化，其他鉬顆粒仍然接近正多邊形狀；當變形率60%時，鉬顆粒被變扁得越來越多，出現類似橢圓形的形貌；當變形率80%時，鉬顆粒進一步變扁，變成小細條。

圖3 單向軋制TD方向的觀微組織

圖4為交叉軋制后70MoCu的微觀組織。由圖4可見：經過交叉軋制的鉬銅合金板，總變形量為80%，由于RD方向和TD方向都經過了軋制，且為等變形交叉軋制，兩個方向的變形率均為55%，兩個方向的微觀組織形貌差別不大，原始直徑較小的鉬顆粒被拉長成細長條，原始直徑較大的鉬顆粒呈細長棒狀。

圖4 交叉軋制的觀微組織

根據以上微觀組織的變化規律，對比RD方向和TD方向的組織變化，發現平RD方向的組織變化與變形率有明顯對應；TD方向的組織在變形率60%前變化不明顯，在變形率80%時有明顯變化；當兩個方向的變形率一致時，兩個方向的組織形貌也會比較接近。

2.2 不同軋制工藝下熱膨脹系數變化規律

2.2.1 熱膨脹系數隨變形率變化的規律

對比未經軋制變形和經過單向軋制后RD方向的熱膨脹數據，檢測結果見表1。由表1可以看出，隨著變形率的增加，熱膨脹系數會隨之降低，軋制變形率和熱膨脹系數的關系如圖5所示。

圖5 軋制變形率和熱膨脹系數的關系

表1 不同變形率的熱膨脹系數

2.2.2 熱膨脹系數在兩個方向的變化規律

不同工藝對應的熱膨脹系數檢測數據見表2。綜合分析未經軋制、單向軋制和交叉軋制的板坯平面兩個方向的熱膨脹系數的變化規律，發現未經過軋制的板和等變形率交叉軋制的板的兩個方向的熱膨脹系數呈現各向同性，兩個方向的數據相差不大。經過單向軋制的板的熱膨脹系數呈現各向異性，兩個方向的數據相差較大，單向軋制兩個方向的熱膨脹系數對比見圖6，當變形率較小時(20%變形率)，兩個方向的數據差異不大，隨著變形率增大，差距也擴大，當總變形率達到80%時，兩個方向的差異會縮小。可以得出，不同的塑性變形工藝會對鉬銅合金的熱膨脹系數產生影響，兩個方向的變形率不一致時會得到熱膨脹系數各向異性的鉬銅板坯。

表2 不同工藝的熱膨脹系數

圖6 單向軋制兩個方向的熱膨脹系數

2.3 微觀組織和熱膨脹系數的關系

對比微觀組織隨軋制變形的變化規律和熱膨脹系數隨軋制變形的變化規律，二者有一定的關系。在RD方向，組織和熱膨脹系數的變化與變形率對應關系明顯。在TD方向，當變形率較低時，變化不明顯；當變形率達到一定數值時，組織和熱膨脹系數都發生了變化，且各向異性明顯；當變形率增大到一定數值時，組織和熱膨脹系數在兩個方向的差異也減小。等變形量交叉軋制時，組織和熱膨脹系數在兩個方向接近一致。

由此可見，軋制對鉬銅合金的熱膨脹系數的影響，其實是鉬銅合金的微觀組織對熱膨脹系數的影響，連續的鉬骨架是鉬銅合金熱膨脹系數的主要決定因素，在軋制變形中，變形率較小時，軋制使鉬和銅組織致密化，鉬顆粒不變形，變形率進一步加大組織致密后開始發生鉬顆粒的變形。鉬顆粒的拉長會使熱膨脹系數降低，是由于鉬顆粒拉長后會使鉬骨架之間的網狀結構在拉長方向形成更加復雜的結構，如變形率80%時，微觀組織中有的鉬顆粒是細線有的是細棒，交錯分布互相作用，所以更不容易發生膨脹。因此，不同的組織會有不同的熱膨脹系數。

3 結 論

(1)變形率是影響鉬銅合金組織與性能的重要因素。隨著變形率增大，微觀組織拉長，熱膨脹系數降低。

(2)單向軋制后的鉬銅合金，平面上兩個方向的組織差異大，兩個方向的熱膨脹系數差異也大；等變形量交叉軋制后的鉬銅合金，平面上兩個方向的組織接近，兩個方向的熱膨脹系數差別也小。

(3)微觀組織對鉬銅合金的熱膨脹系數有影響，軋制變形后，鉬顆粒拉長，使鉬骨架之間的網狀結構在拉長方向形成更加復雜的結構，鉬顆粒之間的作用力更強，所以更不容易發生膨脹。