不同温度退火后Cu-Ag合金的组织和性能

2020-12-15孔令宝周延军宋克兴吕长春刘庆宾吴保安唐会毅张学宾

机械工程材料 2020年12期

孔令宝，周延军,2，宋克兴,2，曹军，吕长春，李科，刘庆宾，吴保安，唐会毅，张学宾,2，皇涛,2

(1.河南科技大学材料科学与工程学院,洛阳 471023;2.有色金属共性技术河南省协同创新中心,洛阳 471023; 3.河南理工大学机械与动力工程学院,焦作 454000;4.河南优客电子材料有限公司,济源 454650;5.重庆材料研究院有限公司,国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400700)

0 引言

键合引线是半导体封装用核心零件，用于连接引脚和硅片并传达电信号。出于兼顾性能和成本的考虑，越来越多的科研工作者提出使用铜及铜合金引线来代替目前应用广泛的金和铝引线[1-3]。铜及铜合金具有良好的综合性能，在制备键合引线时易实现精密安装，并能达到和金引线一样甚至更优良的强度和可靠性，且成本较低[4-6]。

Cu-Ag合金具有优异的导热和导电性能以及较高的强度，是制备微细键合引线的理想材料[7-8]。王英民等[9]的研究表明：银质量分数超过6%时，随着拉拔变形量的增大Cu-Ag合金的抗拉强度明显提高，但导电率显著降低；通过冷拉拔和热处理结合的方法获得了抗拉强度为1.1 GPa，导电率为80%IACS的Cu-Ag合金线材。封存利等[10]研究发现，随着拉拔变形量增大，Cu-Ag合金导线的抗拉强度显著提高，但导电率和伸长率显著降低，通过再结晶退火可以提高合金的伸长率和导电率，但会降低合金的抗拉强度。刘嘉斌等[11]研究发现，随着银含量增加，通过冷拉拔结合中间热处理制备得到Cu-Ag合金的应变硬化速率提高，导电率显著降低，尤其当银含量增加使组织中银相呈连续网状分布时，导电率下降更为明显。

综上可知，银含量和退火工艺会影响Cu-Ag合金的力学性能和导电性能。合适的退火工艺不仅能够保证加工的顺利进行，还能够在显著提高合金导电性能的同时仅小幅度降低其力学性能；而银含量的增加会降低合金的导电率，同时提高合金的抗拉强度和硬度。因此，关于银含量和退火工艺对Cu-Ag合金力学性能和导电性能的影响，以使合金在保持较高力学性能的同时具有良好导电性能的研究非常重要；但是目前有关这方面，尤其是退火工艺对Cu-Ag合金性能影响的报道很少。因此，作者对Cu-20Ag(质量分数/%，下同)和Cu-4Ag合金线材在不同温度退火后的组织和性能进行了研究，拟为Cu-Ag合金线材性能的优化提供试验参考。

1 试样制备与试验方法

以电解铜(纯度99.95%)和纯银(纯度99.99%)为原材料，采用三室真空冷型竖引连续铸造法制备Cu-4Ag和Cu-20Ag合金。按照合金的名义成分进行配料，然后在真空熔炼炉内进行熔炼，采用频率不高于2 000 Hz的电源保证熔炼过程中合金成分的均匀性，熔体在结晶器冷却成型后由牵引装置下方引出，连铸速度为100 mm·min-1，得到坯料直径为7.8 mm。在室温下对坯料进行多道次拉拔使其直径达到3 mm，然后进行420 ℃×5 min软化处理，再次拉拔使其直径达到2.05 mm，最后在管式炉内进行退火，炉温分别升至440，480，520 ℃时，通入氩气，12 min后将试样放入炉内，保温5 min后取出空冷，冷却至室温后磨去氧化皮，此时试样直径为2.04 mm。

试样经镶嵌、研磨、抛光后，采用HVS-1000A型数显显微硬度计进行显微硬度测试，载荷为9.8 N，保载时间为15 s，测5次取平均值；采用TX300-A型智能金属导体电阻率仪测试试样的室温导电率，试样长度为400500 mm，直径为2.04 mm，测5次取平均值；沿拉拔方向截取长度为1520 mm的金相试样，经磨抛，分别采用由5 g三氯化铁+15 mL盐酸(质量分数36.46%,下同)+100 mL水组成的溶液和由1 g硝酸铁+5 mL盐酸+4 mL水组成的溶液对横截面和纵截面腐蚀后，在Zeiss AxioVert A1型光学显微镜下观察显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可以看出：退火后，Cu-4Ag合金中的富银相在横截面上呈细小颗粒状，且颗粒尺寸及分布随退火温度的升高没有明显变化；Cu-20Ag合金中富银相在横截面上形成了连续的网状结构，且在520 ℃退火时出现了明显的聚集现象。由图2可以看出，Cu-4Ag和Cu-20Ag合金中的富银相在纵截面上均呈纤维状结构，且Cu-20Ag合金中的富银相较多，纤维长度较长，但粗细不均匀。理想状态下，银在铜中的固溶度为8%[12]。铸态Cu-4Ag合金中的银大部分固溶在铜基体中，受冷拉拔过程的影响很小，退火后少量富银相沿晶界析出。铸态Cu-20Ag合金中的银除了固溶在铜基体中外，还会以共晶体和次生相的形式存在。在拉拔过程中，共晶体和次生相演变为纤维相[13]，同时退火后部分富银相析出。因此Cu-20Ag合金中纤维状富银相较多，且纤维粗细不均匀。

图1 Cu-4Ag和Cu-20Ag合金在不同温度退火后的横截面显微组织Fig.1 Cross section microstructures of Cu-4Ag (a-c)and Cu-20Ag (d-f)alloys after annealing at different temperatures

图2 Cu-4Ag和Cu-20Ag合金在不同温度退火后的纵截面显微组织Fig.2 Longitudinal section microstructures of Cu-4Ag (a-c)and Cu-20Ag (d-f)alloys after annealing at different temperatures

2.2 硬度和导电率

由图3可以看出：Cu-20Ag合金的导电率低于Cu-4Ag合金的；随着退火温度升高，导电率增大，当退火温度达到520 ℃时，Cu-20Ag和Cu-4Ag合金的导电率分别增加了27.15%和14.11%。未退火时Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的导电率相差较大，分别为82.0%IACS,72.3%IACS；随退火温度升高二者导电率差值减小，在退火温度为480 ℃时，二者最接近，差值为1.22%IACS；当退火温度由440 ℃升高到480 ℃时，合金导电率增加较快，且Cu-20Ag合金增加得更明显。

图3 不同温度退火后Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的导电率Fig.3 Conductivity of Cu-4Ag and Cu-20Ag alloys after annealing at different temperatures

由图4可以看出：硬度的变化与导电率相反，Cu-20Ag合金的硬度明显高于Cu-4Ag合金的；随着退火温度升高，合金的硬度降低，且Cu-20Ag合金的硬度降幅较大，温度为520 ℃时Cu-20Ag和Cu-4Ag合金的硬度降幅分别为34.91%和30.10%；温度为480 ℃时，二者的硬度最接近，分别为157.03,120.35 HV。未退火Cu-4Ag和Cu-20Ag合金的硬度分别为226.66,143.41 HV。

图4 不同温度退火后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合金的硬度和导电率相差较大，其原因是Cu-20Ag合金中存在经历大变形后由富银共晶体和次生相变成的细长纤维相，这些富银相与铜基体的结合界面对电子的传输以及位错的运动会产生阻碍作用，从而降低了合金的导电率，提高了硬度[11]。退火可以削弱拉拔过程中塑性变形引起的加工硬化，提高塑性变形能力，降低硬度；同时，退火过程中纤维状富银相的析出降低了铜基体对电子的散射作用，从而提高了合金的导电率[10,14]。

退火后Cu-20Ag合金中的纤维状富银相较多，且形成了连续的网状结构。连续分布的网状纤维组织可对电子产生强烈的散射作用，使得导电率显著降低[12,14-16]；同时，较多的纤维状富银相对位错的阻碍作用较大，使得硬度增大。因此，与Cu-4Ag合金相比，Cu-20Ag合金的导电率较低，硬度较高。由于退火温度越高，纤维状富银相的析出速率越快[17-18]，因此温度越高，导电率越大。显微硬度随着退火温度的升高而降低，这是由于退火温度越高，退火对冷拉拔过程中由塑性变形引起的加工硬化削弱程度越大。