简介概要

电子工业用引线框架铜合金及组织的研究

来源期刊：稀有金属2003年第6期

论文作者：李彦利谢水生朱琳

关键词：电子工业; 高精度板带材; 引线框架材料; 铜合金; 固溶强化; 析出强化; 弥散强化;

摘要：随着电子信息产品向小型化、薄型化、轻量化和智能化发展, 对引线框架材料的强度和导电性提出了更高要求. 本文在简单介绍电子工业用合金发展的基础上, 较详细地介绍了日本推出的引线框架合金品种及主要成分、抗拉强度和导电率. 同时, 阐述了引线框架材料的特点和提高材料性能的可能途径: 改变合金的成分; 采取合理的热处理及加工方法改变其组织结构, 如固溶强化、析出强化、斯皮诺达分解、弥散强化等. 采用几种强化机制适当组合, 能够大幅度改善材料的抗拉强度和导电率.

稀有金属 2003,(06),769-776 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.06.026

电子工业用引线框架铜合金及组织的研究

李彦利朱琳

北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

随着电子信息产品向小型化、薄型化、轻量化和智能化发展 , 对引线框架材料的强度和导电性提出了更高要求。本文在简单介绍电子工业用合金发展的基础上 , 较详细地介绍了日本推出的引线框架合金品种及主要成分、抗拉强度和导电率。同时 , 阐述了引线框架材料的特点和提高材料性能的可能途径 :改变合金的成分 ;采取合理的热处理及加工方法改变其组织结构 , 如固溶强化、析出强化、斯皮诺达分解、弥散强化等。采用几种强化机制适当组合 , 能够大幅度改善材料的抗拉强度和导电率。

关键词：

电子工业;高精度板带材;引线框架材料;铜合金;固溶强化;析出强化;弥散强化;

中图分类号： TG113

收稿日期：2003-03-10

基金：国家 8 63计划重大专项课题资助项目 ( 2 0 0 2AA3Z10 0 0 );

Progress of Study on Lead Frame Copper Alloy and Its Implementation in Electronic Industry

Abstract：

As the development of electronic industries, the product becomes smaller, thinner, lighter and intelligent. A problem that how to make the higher intensity and higher conductivity rises. The development history of lead frame copper alloy was introduced. The compositions, intensity and conductivity of lead frame copper alloy were analyzed in detail. The problems that how to get lead frame copper alloy with higher performances, such as solution streng thening, segregation strengthening, dispersion strengthening, etc., were discussed. When a comprehensive strengthening procedure is used, the tensile strength and conductivity of materials may be improved significantly.

Keyword：

electronic industry; lead frame material; copper alloy; solution strengthen; separate out strengthen; dispersion strengthen;

Received： 2003-03-10

集成电路是现代电子信息技术的核心, 随着电子信息产品向小型化、薄型化、轻量化、高速化、多功能化和智能化发展, 以及集成电路 (IC) 向大规模 (LIC) 和超大规模 (VLIC) 方向发展, 人们对作为集成电路主要组成部分之一的引线框架铜合金材料的性能要求愈来愈高。要求引线框架向着引线节距微细化、多脚化方向发展。目前, 集成端子数为208~304, 其形式为QFP, TAB等。国外预计未来集成电路的端子数将达到1000~2000。端子数的增加要求引线框架材料的厚度也将从原来的0.25 mm逐渐减薄到0.1~0.15 mm甚至50 μm。引线框架厚度的减小对引线框架材料的强度和导电性提出了更高的要求。

引线框架材料起着支撑芯片、连接外部电路和散热的作用。这对制造框架的材料选择也就更加严格, 不仅要有高的尺寸精度、高的表面质量和高的板型平整要求, 而且还需具有良好的导热、导电性能, 较高的强度、硬度和高软化温度, 以及好的耐热性、抗氧化性、耐蚀性、焊接性、塑封性能、反复弯曲性能和加工成型性能等。因此, 铜合金以其优良的综合性能而迅速推广应用于制造集成电路的引线框架材料。目前, 国外研制开发的铜基引线框架材料已有百余种, 占所有引线框架材料总量的80%以上 ^[1] 。

1 电子工业用高精度板带材铜合金

1.1 电子工业用合金的发展

国内外用于集成电路和半导体器件的引线框架材料基本上分为两大类, 即铁镍合金 (Fe29Ni17Co和Fe42Ni合金) 和高铜合金, 前者用于陶瓷和玻璃封装, 后者用于树脂封装。 Fe29Ni17Co (KOVAR合金) 是早期使用的引线框架材料。由于1978年硅谷能源危机, 钴价猛涨, 使KOVAR合金价格猛增。为此, 促进了开发新的合金, 最初开发了不含钴的42 (Fe42Ni) 合金, 此材料强度和软化温度很高, 而导电率和热传导率很低。然而, 高铜合金以其优良的导电、导热性和价格低廉、加工成型性好等优势, 在用于集成电路引线框架材料方面, 取得了惊人的发展。在80年代初期, 世界上铁镍合金和高铜合金用于引线框架的消费量之比为1∶1, 到目前阶段, 高铜合金的引线框架的材料消费量已占80%以上, 而铁镍合金仅占20%以下。

而高铜合金引线框架的材料的发展历史又可分三个阶段: 第一阶段从70年代铜基引线框架材料发展的初期, 以导电≥80% IACS%的高导电材料为主, 但其强度只有400 MPa左右, 此类铜合金以添加低Sn、低P、低Ag或低Fe为主, 如Cu-P系列的C1220, Cu-Fe系列的KFC等; 80年代起为第二阶段, 利用添加少量可固溶时效析出强化相的元素, 进行合金化, 在不显著降低导电率的同时, 提高材料的强度, 称为中导、中强合金, 导电率为60%~79%IACS、抗拉强度达到450~600 MPa, 以高Fe合金元素为主, 再加入Si, Ni, P, Cr等其他强化合金, 如Cu-Fe-P系列的C19400等; 第三阶段是随着集成电路向大规模和超大规模发展, 集成度的增加和线距的减小, 要求引线框架材料具有导电率在50% IACS左右、抗拉强度达到600 MPa以上, 此类铜合金材料多为固溶强化型合金, 如 Cu-Ni-Si系列的KLF以及C7025等; 引线框架用的铜合金进一步发展趋势是向着更高强度方向发展。

1.2 电子工业用高精度板带材的要求

利用引线框架材料制备的半导体电子元器件多种多样, 因此要求其特性也非常广泛: 一是要求最终部件的功能特性; 二是要求部件的加工特性 ^[2] 。

引线框架材料的功能方面要求: (1) 弹性优良 (屈服强度高) ; (2) 导电、导热率高; (3) 适当的韧性; (4) 应力松弛特性优良 (热稳定性优良) ; (5) 线膨胀率适当; (6) 耐腐蚀性能好; (7) 环保、安全、健康。

引线框架材料的加工方面要求: (1) 冷热加工性能良好; (2) 弯曲、微细加工和刻蚀性能好; (3) 钎焊性能好, 使用中不发生热剥离; (4) 电镀性能好 (AS, Pd, Ni, Au) ; (5) 与树脂的密着性好。

从部件功能方面的要求特性, 就是高强度、高导电率及与使用环境相适应的性能。同时, 部件的微型化速度日益加快, 需要严格加工性的设计增多, 如引线框架材料的超薄化 (0.07~0.15 mm) 和异型化, 因此更增加了部件加工方面的要求特性的重要性。

引线框架材料更注重合金的机械性能和导电性能, 并趋向于机械性能和导电性能平衡的方向。而在机械性能方面除应具有高抗拉强度之外, 还必须具备较高的弹性极限、弹性模量和抗应力松弛特性。随着集成电路的高集成化, 电子元器件在长时间使用中产生的热效应增加, 部分元器件还可能在较高温度条件下使用。因此, 抗应力松弛性能是作为要求高可靠性、高强度引线框架材料最重要的特性之一, 并要求引线框架材料具有良好的导 (散) 热性能。

1.3 电子工业用铜合金的基本性能和分类

引线框架用铜合金按成分分类, 基本可分铜铁磷系列、铜镍硅系列、铜铬锆系列等 ^[3,4,5] 。它们的抗拉强度和导电率范围如图1所示。目前, 国内外研制开发的铜基引线框架材料已有百余种, 其中常用的引线框架材料的抗拉强度和导电率, 如图2所示。

铜基合金引线框架材料的主要生产国为日本、美国、德国、法国和英国, 而以日本发展最快。日本作为生产引线框架材料的主要国家, 仅其中21个铜加工企业, 已开发的引线框架材料就有66种, 主要生产工厂和生产品种如表1所示 ^[6,7] 。 66种

图1 引线框架所用材料的抗拉强度和导电率 Fig.1 Tensile strength and conductivity of lead frame materials

图2 常用的引线框架材料的抗拉强度和导电率 Fig.2 Tensile strength and conductivity of commonly lead frame materials

表1 日本引线框架材料的主要生产工厂和生产品种Table 1 Main plant and product to manufacture lead frame materials in Japan

工厂	合金牌号	主要成分	工厂	合金牌号	主要成分
神户制钢	KFC	Cu-0.1Fe-0.03P	三井金属	ML-21	Cu-0.6Fe-0.3Ti-0.05Mg
	KLF-1	Cu-3.2Ni-0.7Si-0.32Zn	三井金属	ML-23	Cu-1.1Sn-0.2Fe-0.1Ti-0.05Mg-0.2Zn
	KLF125	Cu-3.2Ni-0.7Si-0.3Zn-1.25Sn	丰山	PMC102	Cu-1Ni-0.2Si-0.03P
	KLF-2	Cu-0.1Fe-0.03P-0.1Sn	日本矿业	NK114	Cu-1.6Ni-0.4Si-0.4Zn
	KLFA85	Cu-3.2Ni-0.7i-1.1Zn		CC002	Cu-0.1Ni-0.02P
	KLF-4	Cu-0.1Fe-0.03P-1Sn		NK240	Cu-0.4Cr-0.2Zr-0.3Zn
	KLF-5	Cu-0.1Fe-0.03P-2Sn	同和金属同和矿业	DK-1	Cu-0.1Sn-0.003P-0.1NiB
	KLF5Z	Cu-0.1Fe-0.03P-2Sn-2.25Zn		DK-2	Cu-0.07Sn-0.05P-0.15NiB
	KLF505	Cu-0.1Fe-0.03P-1.25Sn		DK-3	Cu-0.07Sn-0.20Fe-0.05P-0.15NiB
	KLF194-SHT	Cu-2.2Fe-0.15Zn-0.03P		DK-4	Cu-0.1Sn-0.25Fe-0.1P-0.2NiB
	CAC92	Cu-9Ni-2.3Sn		DK-5	Cu-1.0Sn-1.0Fe-0.05P-0.15NiB
	KLF118	Cu-1.8Ni-0.4Si-1.1Zn		DK-6	Cu-0.1Zr-0.02B
三菱电机	NF202	Cu-2Sn-0.2Ni-0.05P		DK-8	Cu-2Sn-0.2Fe-0.13Ni-0.06P
三菱电机	NF224	Cu-1.5Ni-0.2Si-0.13P		DK-10	Cu-0.3Co-0.08P
古河电工	EFTEC3	Cu-0.15Sn		NB105	Cu-1Ni-0.5Sn-0.05P
	EFTEC4	Cu-2.4Fe-0.4Zn		DK-308	Cu-0.2Fe-0.06Ni-0.06P
	EFTEC5	Cu-0.5Sn-1Fe-0.5Zn	三菱伸钢	TAMAC1	Cu-0.1Ag
	EFTEC6	Cu-0.1Fe-0.03P		TAMAC2	Cu-0.15Sn-0.006P
日立电线	C151	Cu-0.1Zr		TAMAC4	Cu-0.1Fe-0.03P
	HF202	Cu-2Sn-0.2Ni-0.1Zn		TAMAC5	Cu-0.75Sn-0.85Fe-0.03P
	2Zr0FC	Cu-0.02Zr		TAMAC15	Cu-2Sn-1.5Ni-0.1Si-0.3Zn
	01Sn0FC	Cu-0.01Sn		TAMAC750	Cu-2.5Ni-0.65Si-0.12Zn-0.1Sn
	12Sn0FC	Cu-0.12Sn		TAMAC194	Cu-2.3Fe-0.12Zn-0.03P
	5Zn0FC	Cu-0.05Zr		TAMACOMCL-1	Cu-0.3Cr-0.1Zr-0.05Mg-0.02Si
	HCL305	Cu-2.5Ni-0.5Si-1.7Zn-0.03P		TAMAC151	Cu-0.1Zr
住友伸钢	SLF1	Cu-0.15Sn-0.01p		TAMAZC-2	Cu-0.02Zr
	SLF3	Cu-0.12Sn-0.8Cr		TAMAZRX300	Cu-3.5Ni-0.75Si-0.25Sn-0.5Zn
	SLF7	Cu-2Sn-2Fe-0.03P	日立	ZCU58	Cu-2Ni-1Ti-0.15Mg
	SLF10	Cu-0.01Fe-0.03P	雅马哈奥林	ZHC	Cu-0.1Zr
	SLF11	Cu-0.007Fe-0.1Cr		C197	Cu-0.6Fe-0.2P-0.05Mg
	Fuji194	Cu-2.35Fe-012Zn-0.08P		C7025	Cu-3.0Ni-0.65Si-0.15Mg
东芝	CCZ	Cu-0.55Cr-0.25Zr-0.04Si		C1975	Cu-0.6Fe-0.2P-0.05Mg-0.23Sn
东芝	TCZ	Cu-0.55Cr-0.1Zr-0.35Ti		HSM194	Cu-2.3Fe-0.12Zn-0.03P
大同	DFK21	Cu-0.6Fe-0.3Ti-0.05Mg	立山	PMC102	Cu-1Ni-0.2Si-0.03P

合金中含锡的有36种, 采用最多。这66种合金按铜含量划分为: 大于99%的34种, 大于95%小于99%的29种, 小于95%的3种。

通常, 引线框架材料的化学成分组成是在铜中加入一种或多种的元素, 如: Sn, P, Fe, Ni, Zn, Si, Mg, Cr, Ti, Zr及Ag。高导电率类材料是99%及以上的铜组成, 通过沉淀硬化的中间化合物, 如: Fe₂P, MgP₂, Cu及Zr, 使它们的强度得到改善。它们主要用作 (抗拉强度在300~500 MPa) 分离式的半导体引线框架。 C194是在铜中添加2.4%Fe, 0.1%Zn和0.03%P组成, 导电率为65% IACS, 属于中导中强材料, 能在三极管及IC上使用。 KFC是1987年神户制钢在磷脱氧铜中添加0.1%的微量的Fe开发的低铁铜, 它具有92%优良导电率, 强度比纯铜高, 耐热性能较好, 价格便宜, 在三极管和个别半导体及部分IC引线框架上使用。

目前, 已开发的铜基引线框架材料按其性能分类, 基本可分为高导电型、中导电中强度型、低导电中强度型和高强度型四类, 如下表2所示 ^[7] 。引线框架材料用铜合金材料的研究方向为, 进一步研究开发高强高导的合金, 其强度达到550~650MPa, 导电率达到80%~85%IACS, 目前世界各国都在向这个目标冲击。

表2 4种类型的铜基引线框架材料性能和抗拉强度Table 2 Speciality and stretch strength of four kinds of lead frame copper alloy

类型	导电率/%IACS	拉伸强度/MPa	典型合金牌号
高导电型	≥80	300~500	KFC, KLF2, TAMAC1, TAMAC2, TAMAC4, SLF1, SLF10, SLF11, EFTEC3, EFTEC6, EFTEC7, 2ZrOFC, DK1, DK6
		500~600	OMCL-1, C197, NK240, DK10, SLF3, KFC-SH
中导电中强度型	60~79 60~79	300~550 550~600	C194, EFTEC4, DK2, DK3, DK4 C194EX, C195, KLF194SHT, EFTEC164T, ML21, DFK21, K21, PMC102
低导电中强度型	40~59 30~39	500~600 500~600	C195, KLF-1, KLF-4, TAMAC5, ML-23, NB105, K72 KLF5, MF202, HF202, XK202, EFTEC8, DK7, KLF52
高强度型	25~59	≥600	KLF125, C7025, SLF7, MF224, DK5, NK164, TAMAC750, EFTEC232

2 电子工业用材料的合金成分及组织的研究

金属材料的特点是可以通过改变合金的成分、热处理及加工热处理方法改变其组织结构, 改善或提高材料的性能。如采用几种强化机构适当地组合, 能够大幅度改善材料的强度与韧性。提高铜的强度的方法, 通常采用了以下3种方法 ^[8] : 第一种方法, 是以Cu-Sn系合金为代表的固溶硬化方法, 这是通过与铜不同的金属相混, 从而使之硬化的方法; 第二种方法, 是析出硬化方式, 即在铜中添加超过混合界限的元素, 通过与铜呈过饱和状态的添加元素的析出, 使之硬化的方法 (添加元素有Fe, Cr, Ti, Be等) ; 第三种方法, 是析出物弥散强化, 这种方法是通过像水和油那样的完全不相溶的物质强行混合使之强化的方法。使Ni-Si的金属间化合物弥散的所谓的科森铜镍硅合金系就是其代表性合金。

2.1 合金化提高强度 [3]

用合金化提高强度的工艺方法很多, 如固溶强化、析出强化、斯皮诺达分解、弥散强化。要获得实用的高强度、高导电率的材料, 析出强化方法是有效的。已经获知, Cu-Ni-Si系合金是能够进行析出强化的合金。在适当的条件下进行热处理, 可使Ni与Si形成化合物, 在铜的母相中析出。这种析出物本身及在母相内产生的变形将阻碍位错的移动, 因此能提高材料的强度。另外, 合金成分转变为析出物, 可减少铜母相的污染。从而, 获得导电性、导热性都很高的铜合金。

为了能兼顾高强度和优良的导电性, 必须使合金中大量地产生单独的微细形状的析出物, 因此, 尽量减少固溶状态下残留的合金成分是非常重要的。 Ni, Si的含量及其相对比例、产生析出的时效处理条件、时效前的冷加工过程等, 对控制析出物的形成及成长起很大影响, 因此使这些条件最佳化是极为重要的。

2.2 合金成分含量的优化提高强度 [3]

Cu-Ni-Si合金强度的提高是通过Ni₂Si的析出实现的。如果假定添加的Ni和Si全部形成析出物的话, 则添加的Ni与Si的克分子比为2∶1, 重量比为4.2∶1时, 在固溶状态下残留的合金成分量应该最少。但实际上, 由于固溶状态下存在未析出的Ni和Si残留成分, 残留的Ni和Si与其他元素可能产生化合, 因此相对比例的最佳值与理想值之间有一定差别。图3所示为变化Ni与Si的相对比例含量, 在450及500 ℃温度下时效后的维氏硬度和导电率。作为强度指标的硬度, Ni和Si的重量比在4.5~5.5的范围内时, 显示最高值。重量比为4.5以上时, 显示出优良的导电率。可以说, 过剩的Si可使导电率大大降低。从这一结果可知, 在Ni₂Si的比例基础上, 稍微使Ni过剩时, 会出现最适合的配合比例。

图4所示为将Ni₂Si的比率固定为5∶1、变化含量时的影响。可以看出, 含量越多越呈现高强度、低导电率的倾向, 但当2.0% (质量分数) Ni, 0.4% (质量分数) Si以上组成时, 特性值的变化减小。含量越大, 铸造时越容易产生偏析等问题, 因此, 在能够取得满意的特性值的范围内, 尽量减少

图3 镍与硅重量比对合金硬度与导电率的影响 Fig.3 Influence of the proportion of Ni with Si on conductivity

图4 镍与硅 (Ni∶Si=5∶1) 含量对合金硬度与导电率的影响 Fig.4 Influence of content of Ni and Si on the conductivity

含量是必要的。

2.3 加工及处理工艺的优化能提高材料性能 [3]

2.3.1 时效温度

时效条件对析出物的形态有很大影响。图5所示为时效温度与特性值的关系。时效温度高时能促进析出, 提高导电率。但是, 当超过适当的温度范围进行时效时, 会出现析出物粗大化。由于析出物间的距离越短, 强度越高。所以, 要想取得高强度, 必须选择能大量产生微细析出物的时效条件。因此, 必须将时效温度控制在适当的范围内。在本例中可以看出, 采用750 K左右的加热温度能够取得强度和导电率都很良好的结果。

2.3.2 时效前的加工过程

图6 所示为变形程度不同的冷轧试样, 在同一条件下进行时效时的特性值。时效处理之前的冷加工程度, 对析出物的形成也有很大影响。冷加工可使材料产生晶格缺

图5 时效温度与材料硬度和导电率的关系 Fig.5 Relation of ageing temperature with hardness and conductivity

图6 变形程度与材料硬度和导电率的关系 Fig.6 Relation of deformation extent with hardness and conductivity

陷, 使析出物起到核心作用。因此, 时效前实施适度的冷加工, 具有促进析出的作用。不过, 当加工量超过一定范围后, 难以取得高强度。由图6可以看出, 加工程度较高时, 由于可促进析出, 能获得很高的导电率, 但难以取得高强度。因此为了取得优良的特性, 将材料进行适当的冷加工, 并在与加工程度相应的适当条件下时效是非常重要的。

3 几种合金的强化工艺

3.1 KLF194-SHT引线框架用铜合金

KLF194-SHT铜合金 ^[9,10] 的抗拉强度高达569 MPa, 导电率71% IACS, 它的合金成分为Cu-2.2Fe-0.15Zn-0.03P。 KLF194-SHT铜合金是在C194 (Cu-2.35Fe-0.12Zn-0.03P) 合金的基础上, 进一步对组成的成分巧妙设计和改善了加工工艺而获得的, 它们加工工艺如图7所示。

KLF194-SHT与C194合金都是利用析出铁以达到硬化的析出型铜合金。 C194合金是通过固溶处理后的冷加工和热处理工艺来提高材料性能, 即将再结晶温度向高温侧推移, 提高了材料的强度。 KLF194-SHT合金是在冷轧过程中, 将C194合金的873 K×2 h改为848 K×2 h+773 K×2 h进行的连续2次退火, 使强度和导电率都大大提高。这主要是由于KLF194-SHT初期析出温度低, 通过2次退火析出均匀微细的γ-Fe粒子, 其后通过选择适当的冷加工率和退火条件, 能抑制与基体相容的微细的γ-Fe向不相容的α-Fe准备转变, 从而提高了强度和导电率以及耐热性。

3.2 高强度引线框架KLFl85铜合金

KLFl85合金 ^[11] 为CuNiSi系合金, 是在热处理和冷加工工艺基础上经过改进而获得的具有高强度、高成形加工性和高导热性的铜合金。因其各向异性小, 适合用于QFP型IC集成电路。KLFl85高强度引线框架材料是日本神户制钢开发的析出型强化合金, 具有在基体中分布着析出物Ni₂Si的组织。合金通过Ni₂Si沉淀使基体净化, 同时析出物在合金变形时成起阻碍作用, 而提高合金的强度。当析出物达到一定量, 同时析出物细微并均匀分布时效果最明显。 KLFl85合金是通过对析出物Ni₂Si进行热处理及冷加工工艺处理, 使其均匀细微分布, 从而实现高强度, 图8所示为析出物Ni₂Si析出状况的透射式电子显微镜照片, 可看出Ni₂Si极其细微, 并呈均匀细微分布。

3.3 Cu-Ni-Sn- (X) 系合金

Cu-Ni-Sn系合金 ^[12] 具有很高的加工硬化特性。经过固溶处理、强冷变形、时效处理后, 由于在时效处理过程中调整了结构, 从而提高材料的抗拉强度和延伸率。

偏聚分解能使材料的抗拉强度提高。 Cu-Ni-Sn- (X) 系合金的相分解过程是: 控制Cu-Ni-Sn系合金的Ni和Sn含量在偏聚分解范围内, 将材料进行高温固溶处理后, 急剧冷却, 材料的组织形成α过饱和固溶体。再将其在不同温度下时效, 就会发现存在有使α过饱和固溶体分解相改变的临界温度 (T_R) 。如果在低于T_R的温度下时效, α过饱和固溶体发生偏聚分解形成富Sn区与贫Sn区周期配列的异常构造。这种结构能提高材料的抗拉强度。

确认有无偏聚分解发生的方法, 主要是利用X射线衍射线及电子显微镜的电子衍射图形进行观察, 在X射线衍射时, 在{200}衍射缘两侧呈边带; 在透射电镜的电子衍射图形上可观察到衍射图形显著变形的星状卫星。图9所示是将Cu-6%Ni-6%Sn合金及其添加1.5%和3%Mn的合金在850 ℃固溶处理1 h后, 在350 ℃ (T_R以下) 时效3 h的{200}α衍射像随时效时间的变化。 Cu-6%Ni-6%Sn合金时效200 min以后, 可观察到明确的边带图9 (a) , 从而得知发生了偏聚分解。在550 ℃ (T_R以上) 时效时根本看不到边带, 由此可知在>T_R的高温下时效时不会发生偏聚分解, 如图10所示。

图9

图7 KLF194-SHT和C194合金的加工工艺 (a) C194-SH; (b) KLF 194-SHT Fig.7 Processing technics of KLF194 and SHTC194 copper alloy

图8 KLFl85合金中Ni2Si分布的显微照片 Fig.8 Micrograph of Ni2Si distribution in KLFl85 alloy

图9 Cu-6%Ni-6%Sn合金在350 ℃时效3 h后的透射电子显微照片 (a) 明场像; (b) 选定区衍射图形; (c) , (b) 的原理说明图 Fig.9 Micrograph of Cu-6%Ni-6%Sn alloy after ageing at 350 ℃ and 3 h

图10 Cu-6%Ni-6%Sn合金在350 ℃时效30 h后的透射电子显微照片 (a) 明场像; (b) 与 (c) 分别为黑白区的选定区的衍射图形 Fig.10 Micrograph of Cu-6%Ni-6%Sn alloy after ageing at 350 ℃ and 30 h

和10是在低于T_R的温度下, 时效后的透射电镜组织及限制视野的衍射图形, 分别对应于偏聚分解大致终了阶段和过时效阶段。在图9中, 用相当高倍率也难以分辨的极微细粒子分布在两个<100>α方向上; 在限制视野衍射图形图9 (b) 中, 呈现出由平行于D0₂₂型有序结构的 (100) , (010) , (001) 轴的3个{100}γ构成的有序结构形成的斑点。这意味着, 发生偏聚分解后, 由异常构造的富锡区形成的亚稳定相γ′, 是通过与母相α的整合关系生成的。如果过时效, 则两相交替生成而呈现层状图10, 其中, 黑色层状为DO₃型有序结构的γ相 (图10 (b) ) , 白色区为α相 (图10 (a) ) 。由于这样的过时效, 亚稳定相γ′向平衡相γ相转变和α相构成的胞状组织 (不连续析出物) , 在高于T_R的高温时效时, 不会出现偏聚分解及亚稳定相的析出, 经过一定的潜伏期后, 直接分解为α和γ构成的平衡相。

以上表明, Ni和Sn含量在偏聚分解范围内的Cu-Ni-Sn合金, 固溶处理后进行时效, 由于α过饱和固溶体的偏聚分解及其后的亚稳定相的整合析出而强化。因此, 将这些因素及条件适当地组合起来, 能够获得各种各样需要的特性。

4 结语

随着电子信息产品向小型化、薄型化、轻量化和智能化发展, 对引线框架铜合金材料的性能要求愈来愈高, 要求材料同时满足高强度和高导电性。已有研究表明: 合理添加必要的合金元素能有效地提高材料的强度。同时, 必须使合金中的合金元素和化合物呈微细形状, 并转变为析出物, 减少铜母相的“污染”。从而, 在提高材料的强度的同时, 获得导电性、导热性都很优良的特性。目前采取的热处理及加工热处理方法有固溶强化、析出强化、斯皮诺达分解、弥散强化等。如采用几种强化机制适当组合, 能够进一步的改善材料的抗拉强度和导电率。

引线框架铜合金材料经过几十年的发展, 国外高强、高导铜合金的研制已达到一个很高的水平, 我国在这方面起步较晚, 与发达国家相比存在较大差距, 研制开发任务仍然艰巨。因此, 我们应加快步伐, 积极开展新型高强高导铜合金的研究, 尽快建立有独立知识产权的高强高导铜合金体系。