引线框架用Cu-Ni-Si合金的发展及研究现状

张 英, 陆萌萌, 胡艳艳, 刘 耀, 郑少锋

(江西理工大学 材料科学与工程学院, 江西 赣州 341000)

引线框架用Cu-Ni-Si合金的发展及研究现状

张 英, 陆萌萌, 胡艳艳, 刘 耀, 郑少锋

(江西理工大学 材料科学与工程学院, 江西 赣州341000)

综述了引线框架用Cu-Ni-Si合金的发展历史,阐述了Cu-Ni-Si合金的强化机制,指出时效强化是该合金的主要强化方式,形变强化和固溶强化在一定程度上影响合金的性能.归纳总结了该合金性能与Ni、Si元素的质量比值、添加微量P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素的种类和数量之间的关系,并分析了微量P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素对Cu-Ni-Si合金性能改善的机理.指出了Cu-Ni-Si合金是一种很有应用前景的引线框架材料,其强度一般为600～860MPa,导电率为30～60%IACS.

Cu-Ni-Si合金; 强化机理; 引线框架; 发展

0 前 言

引线框架材料作为集成电路中的一个重要部件,必须满足3个基本要求:支撑芯片;连接外部电路;散热.上世纪60年代,集成电路问世并得到快速发展,集成电路用引线框架材料也经历了数次重大的变革.早期的引线框架材料是Fe-Ni-Co系合金,但由于Co价的升高,研发出了价格相对较低的Fe-42Ni合金,使得Fe-Ni-Co系合金淘汰.为进一步降低成本,上世纪70年代,美国某公司成功研制了C194合金替代了Fe-42Ni合金,之后又有多种铜合金研发成功,并进行了大规模生产[1].Cu-Ni-Si系合金就是其中一种较有发展前景的引线框架材料.

1 铜基引线框架材料

世界各国现今已研发生产了多种铜基引线框架材料,按性能分类,可大致分为高强高导型、高强中导型和中强中导型.一般把抗拉强度>500 MPa的称为高强型,抗拉强度在300～500 MPa之间的称为中强型.一般把导电率在80 %IACS以上的称为高导型,相应的,导电率在50～80 %IACS之间的称为中导型.

在生产过程中,要求引线框架材料具有一定的加工特性.而作为成品零件,要求该种材料具有特定的使用性能,以满足产品的使用要求.但对引线框架材料来说,在诸多性能当中,强度和导电率最为重要,只有兼备优良的导电性及强度,才能用作集成电路用的引线框架材料[2].

现今研制开发的铜基引线框架材料,按成分划分,大致可分为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元素能够形成强化相,使该合金在具有较高强度和硬度的同时,不会过多地降低导电率,其强度一般为600～860 MPa,导电率为30～60 %IACS.自上世纪80年代以来,各国陆续开始对该合金进行研发,目前已有多种牌号的Cu-Ni-Si合金[8-10].热处理对其性能的影响很大,这使得合金的最终性能较难控制.但通过不同的热处理工艺,可以制备出性能不同的材料.

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合金时发现:Zn元素的加入改善了引线框架所用合金与焊料的结合情况.潘志勇等[12]在Cu-5.2Ni-1.2Si合金中添加了质量分数为1.5%的Al元素,发现Al的添加对该合金热轧时动态再结晶过程具有明显的抑制作用,并且Al的加入显著提高了铜基体的固溶度,该合金的维氏硬度达317,导电率达44.5 %IACS.Young等[13]研发的Cu-1.3Ni-0.3Si-0.03P合金在450 ℃时效1 h,析出Ni3P相,出现第一个强度峰值;时效10 h,析出Ni2Si相,出现第二个强度峰值,强度达600 MPa,导电率达60 %IACS.北风敬三[14]研究Cu-2.4Ni-0.4Si-0.16P合金时发现:P元素的加入会生成大量的夹杂粒子阻止亚晶界迁移,使晶粒细化.Rdzawski等[15]研究了Cu-3.3Ni-1Si-0.8Cr合金的热处理工艺,认为Cr与Si形成Cr3Si相,提高了合金的高温稳定性、塑性和导电率.现今已有多种Cu-Ni-Si系合金进行了工业生产[16].

国内外一些公司生产的引线框架用Cu-Ni-Si系合金的抗拉强度和导电率见表1[17].

2 强化机理

在研究Cu-Ni-Si合金时发现,时效强化是合金的主要强化方式,形变强化和固溶强化在一定程度上影响合金的性能.固溶使Cu-Ni-Si合金形成过饱和固溶体,时效后合金中的固溶原子有部分残存在铜基体当中,固溶的原子可以提高合金的强度,但会严重降低其导电率.

Cu-Ni-Si系合金为时效析出型强化合金,热处理工艺对该合金的影响很大.1927年,Corson[18]发现该合金的时效强化效应以来,各国对Cu-Ni-Si合金的时效强化机理的研究投入了大量的精力.文献认为析出相为Ni元素和Si元素形成的强化相,但对其具体的结构却仍然没有定论.多年来,陆续出现有关Cu-Ni-Si系合金析出相的报告,有研究认为:析出相结构类似于γ-Ni5Si2相;也有研究认为其结构类似于β-Ni3Si相[19-20].近些年,诸多研究认为第二相的晶格与δ-Ni2Si相的晶格相似,并且与Cu原子晶格的位向有一定的联系.Lockyer[21]对二者的位向关系进行了研究,得出位向关系:(100)Cu//(001)ppt、[01l]Cu//[010]ppt,惯习面为{110}Cu.Lockyer[21]以δ-Ni2Si相与Cu基体的位向关系为基础,研究了位错在晶体间的运动方式.研究表明:Cu-Ni-Si系合金产生的强化效应主要是由于位错的环绕作用.因为如果是位错的切割作用而产生的强化效应,要求基体滑移系移动时,不同惯习面上的强化相沿不同晶面发生切割,这是不可能的[22-23].

Cu-Ni-Si系合金时效过程中,Ni、Si元素形成的第二相颗粒限制位错的运动,合金的强度升高.同时由于时效产生的脱溶效果,使得Cu基体中其他元素的含量降低,导电率有所升高,合金性能在时效后能有效地提高[24-27].

3 合金元素对合金性能的影响

为进一步提高Cu-Ni-Si合金的综合性能,许多学者研究了其他元素对合金性能的影响,如P、Fe、Mg、Zn、Cr等元素.一般认为,微量元素的加入会导致合金晶格畸变程度的增加,导电率下降.但通过大量试验发现,一些加入的微量元素在提高合金强度的同时,并不会使其导电率下降.一些微量元素通过促进Cu基体中溶质原子析出,或抑制析出物的长大等方式,改变析出物的数量及形态,使得Cu基体中其他元素的含量降低,晶格畸变程度减小,在一定程度上能提高合金的导电率.总而言之,其他元素对Cu-Ni-Si合金的导电率的影响是一个比较复杂的过程,有些元素由于溶入Cu基体中增加了溶质原子的含量,增加晶格畸变程度.与此同时,能促进其他元素析出,减少晶格畸变程度,在两者的综合作用下影响着导电率的变化.一般情况,希望添加的元素能提高合金的某些特定性能,而对其他性能影响不大,制备出综合性能较佳的材料,以适应市场需求[28].

3.1 Ni、Si元素对合金性能的影响

Ni、Si元素是Cu-Ni-Si合金中的主要基础元素,对合金的性能有着决定性的影响,因此,Ni、Si元素的添加量的确定是制备该合金十分重要的环节.大量学者认为,Cu-Ni-Si合金的析出强化相为Ni2Si,通过析出弥散的Ni2Si相能有效地提高合金强度.以此为基础,如果Ni、Si元素全部形成第二相,则Ni、Si元素的原子数比应为2∶1,质量比为4.2∶1,此时,基体中残留的溶质元素含量最少.考虑到溶质元素不可能完全析出,并可能和其他元素化合,实际添加的Ni、Si元素含量应与理想值有一定差距.其中,山本佳纪等[29]研究了Ni、Si元素质量比在2.8∶1～6.0∶1之间的合金性能,不同成分的合金在时效后,其性能参数见图1(a)[30-31].由图1(a)可知,随着Ni、Si元素质量比的增大,合金的导电率及显微硬度会不断升高,导电率在Ni、Si元素质量比为4.2∶1左右的时候到达峰值.之后,随Ni、Si元素质量比的增加趋于平稳,显微硬度在到达峰值后,呈缓慢下降的趋势,这进一步证明Ni、Si元素质量比对Cu-Ni-Si合金的硬度及导电率有一定的影响.

山本佳纪等[29]还对Ni、Si元素质量比为5∶1,而Ni、Si元素含量不同的Cu-Ni-Si合金的导电率及显微硬度的变化规律进行了研究,结果如图1(b).由图1(b)可知,Ni、Si元素含量的升高,会引起硬度的提高及导电率的下降,而随Ni、Si含量的变化,硬度及导电率的变化趋于稳定.Ni、Si元素的增加会降低导电率,但却能提高其力学性能,Ni、Si元素的含量是影响Cu-Ni-Si合金最终性能的重要因素.因此,在Cu-Ni-Si合金设计过程中,应该注意Ni、Si元素的条件量,以制备出性能优异的合金.

图1 Ni、Si元素对Cu-Ni-Si合金导电率及硬度的影响Fig.1 Effect of Ni and Si on the conductivity and hardness of Cu-Ni-Si alloy

3.2 P元素对合金性能的影响

Ni、Si元素是Cu-Ni-Si合金的主要元素,在铜合金熔炼时为了改善合金的性能,通常需要加入其他元素.添加P元素能起到脱氧、提高熔体流动性的作用.但过量P元素会严重降低导电率,在与Cu化合时形成低熔点的Cu3P相,容易造成热轧开裂.北风敬三[14]研究Cu-2.4Ni-0.4Si-0.16P合金时发现,在合金中加入P元素,经时效及冷变形后,会生成大量的弥散颗粒,这些夹杂物粒子能抑制析出物的成长,同时也能抑制亚晶界的运动,从而细化晶粒,使得合金的力学性能提高.

汪黎[32]通过透射电镜对Cu-3Ni-0.6Si-0.03P和没有添加P元素的合金进行了观察,发现添加P元素的合金的析出相尺寸更小,弥散程度更大.认为P元素主要集中在基体与析出物颗粒的晶界上,在时效过程中能阻碍晶界迁移,抑制析出相的长大.

3.3 Al元素对合金性能的影响

潘志勇等[33]对Cu-5.2Ni-1.2Si-1.5Al合金进行了研究,发现添加Al元素能抑制合金热轧时的动态再结晶过程,同时Al元素能有效提高Si元素在铜基体中的固溶度.通过试验,发现Al的添加会降低合金的均匀化温度,同时该合金时效后能析出Ni3Al相,使析出相更弥散细小分布.在时效过程中由于Ni3Al相与Ni2Si相的共同钉扎作用,能有效阻碍位错运动,从而抑制晶粒长大.Al元素的加入能进一步提高合金的强度,但是添加Al元素会使合金导电率下降幅度很大.

3.4 Zn元素对合金性能的影响

Zn元素对Cu-Ni-Si合金能起到一定的强化作用,并且对该合金的钎焊性能有很大的提高.曹育文等[11]在Cu-1.0Ni-0.25Si合金中加入质量分数为0.1%的Zn元素,并研究了Zn元素对该合金的影响.试验发现在Cu-Ni-Si合金中加入的Zn元素在Sn-Pb共晶焊料界面处偏聚,能阻挡Cu元素向焊料中扩散,防止Cu3Sn脆性金属间化合物层的生成,从而改善Cu-Ni-Si合金的钎焊性能.但Zn元素的加入会降低合金的导电率,所以Zn元素的含量不能过高.

3.5 Cr元素对合金性能的影响

Rdzawski[15]研究了Cr元素对Cu-3.3Ni-1.0Si合金的影响.研究发现Cr3Si相能在合金液态结晶过程优先形成,它的粒子尺寸很小,溶解温度高于Ni2Si相,能抑制在保温期间的晶粒长大,对提高合金高温稳定性也有一定的作用.当合金中Si元素过剩时,Cr元素与Si元素能形成Cr3Si相,Cr3Si相主要是在合金结晶中形成的,尺寸为几微米,与合金中的Ni2Si相共同产生作用,能在一定程度上提高合金的塑性和导电率等性能[34].同时消除了基体中残余Si元素对合金导电率的影响.

林高用[35]在对添加质量分数为2%的Cr元素的Cu-l.6Ni-0.5Si合金进行时效强化特性的研究时发现,该合金在高温(600～700 ℃)时效时还能保持较高的强度,有良好的高温性能,同时具有较高的再结晶温度.分析认为:Cr3Si相的溶解度要高于Ni2Si相的溶解度,故合金经过固溶处理后形成过饱和固溶体,在室温下就有Cr3Si相析出.同时,Cr3Si相是一种比较稳定的第二相,在高温时效Ni2Si相部分溶解时,Cr3Si相还能继续对位错起阻碍作用,从而提高合金的高温强度.同时,能在高温时效时保持较高的硬度.

雷静果[36]对比了Cu-3.2Ni-0.75Si和Cu-2.37Ni-0.58Si-0.39Cr两种铜合金时效时性能的变化规律.结果表明:在Cu-Ni-Si合金系中添加微量Cr元素之后,可以提高合金的强度和硬度,而基本不影响合金的导电率.

3.6 Ti元素对合金性能的影响

Lee等[37]探究了Ti元素在Cu-3Ni-1Si和Cu-6Ni-1.5Si两种合金中的作用.研究发现Ti元素能增强Ni2Si相从固溶基体中析出的驱动力,从而加速时效反应,降低成本.Ti元素能减小合金颗粒度大小,细化晶粒,并使Ni2Si相很好地沿着晶界析出,提高合金的塑性.但Ti元素会促进合金中片状组织的形成,不利于合金的力学性能.

4 结 语

迄今为止,铜基引线框架材料已占集成电路用引线框架材料的85%左右,其主要是由日本等发达国家生产,国内在此方面相对薄弱.在铜基引线框架材料的研发以及试制方面,与国外仍有较大的差距,远远不能满足国内的需求,大量的高端铜基引线框架材料仍需依赖进口.研制和开发出具有我国独立知识产权的高性能铜基引线框架材料是十分必要和迫切的,而Cu-Ni-Si系合金是一种非常有潜力的引线框架材料,是高性能引线框架材料的一个发展方向.通过分析Cu-Ni-Si合金的强化机制及微量元素对其性能的影响,为研究高性能合金提供了一定的参考,即在研制高性能铜合金时从合金化规律及微量元素的研究出发,利用现有的研究成果,根据所需要研究合金的性能要求,加入不同的微量元素得到强度及导电率都满足要求的Cu-Ni-Si合金.合适的热处理工艺是提高Cu-Ni-Si系合金强度及导电率的有效手段.

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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

张 英(1988-),男,硕士研究生,主要从事有色金属材料方面的研究.E-mail:zhangyingqyj@yeah.net

TG146.1+1

A