轧制工艺对钼铜合金组织和热膨胀系数的影响

韩蕊蕊，姚惠龙，李 达，杨玉娟，梁立红

(安泰天龙钨钼科技有限公司，天津 301800)

0 引 言

钼铜合金是由高熔点、低膨胀系数的Mo和高导电、导热率的Cu采用粉末冶金工艺制成的假合金(Pseudo-alloy)。两组元之间互不溶解的特性使它们在复合之后呈现出两元素本征物理特性的特定组合，可以根据使用要求灵活、准确地设计成份。因此钼铜合金作为基片、连接件和散热元件等在电子封装领域有着广泛的应用[1-4]。作为热沉封装材料需要与其它材料的热膨胀系数匹配组合，避免因热膨胀系数差别过大而引起的电子元器件热应力破坏[5-6]。

钼铜合金传统的制备方法是“粉末混合+成型+烧结”工艺或溶渗法，制取的钼铜合金烧结致密度低，性能较差，难以满足新的应用领域提出的更高要求。国内外对钼铜材料的新型制备技术进行了大量探索研究，新型的钼铜制备技术有复合氧化物共还原法、挤压铸造法、压渗法、自蔓延预热爆炸固结法[7-9]。轧制法作为一种提高钼铜致密性的手段也可以应用于钼铜产品的制备，且轧制工艺技术及装备较为成熟，产量高，大大降低生产成本，而且易于实现大规模工业化生产。

目前对钼铜合金的热膨胀系数影响因素的研究基本都是对粉末冶金工艺的研究[10-17]，因此研究轧制变形对钼铜合金的热膨胀系数的影响有利于将钼铜合金在电子封装领域的应用优势发挥得更好。

70MoCu合金(由质量分数分别为70%的Mo和30%的Cu组成 )是一种以硬相钼占主要成分的聚合型复相合金，其变形规律较特别，与普通合金的变形规律不同，它既不同于通常的韧性材料，也不同于通常的脆性材料。且70MoCu是新一代层状复合材料CPC(一种具备良好导电导热和低膨胀综合性能的热沉材料)的芯材。因此对该合金的变形性能进行研究具有一定的实用价值[18]。本文选牌号为70MoCu的钼铜合金做试验，通过不同的轧制变形工艺，制备了不同变形率、不同轧制方向的钼铜板坯，并对其微观组织及热性能进行了检测，系统研究了钼铜合金在轧制塑性变形加工过程中不同变形率及变形方向下，钼铜合金微观组织和热膨胀系数的变化规律，从而探索微观组织对热膨胀系数的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验原料包括金属钼粉和无氧铜板，所用钼粉选FMo-1，平均粒径为3 μm；所用无氧铜板选TU1。将计算好的铜片与压型好的钼坯经1 350 ℃熔渗后得到厚度为10 mm的70MoCu板坯。

轧制试验：将熔渗好的70MoCu在轧机上进行轧制试验，轧制方式分为单向轧制和交叉轧制。单向轧制变形率分别为20%、40%、60%、80%。交叉轧制为两个方向等变形率轧制，轧制工艺为：在一个方向轧制55%变形率(即轧至4.5 mm)后，将板坯调转90°再轧制55%变形率(即轧至2.025 mm)，总体轧制变形率为80%。将轧制好的板坯退火去应力。

1.2 试验取样及分析方法

在轧制前的板坯和轧制退火后的板坯上切割2 mm×5 mm×25 mm的热膨胀系数检测样品。且每种板坯分别取平面的两个方向(RD方向和TD方向)的检测样品，其中交叉轧制样品的RD方向指末次轧制的主伸长方向，相应的TD方向指末次轧制的次伸长方向。样品要求平行度好，粗糙度小于Ra 0.8。

微观组织形貌观察采用JSM-6510A型JEOL分析性扫描电子显微镜。热膨胀系数检测按照GB/T4339-2008执行，采用型号为NETZSCHDIL402C的德国耐驰热膨胀仪检测。载荷30 cN，以5 ℃/min的升温速度由室温升温至800 ℃，采用99.99%纯Ar吹扫，流量20 mL/min，测出室温至800 ℃温度范围内的平均热膨胀系数。每组样品测3件，取热膨胀系数的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同轧制工艺下微观组织变化规律

熔渗后的70MoCu的组织钼颗粒相呈近似正多边形状，铜相均匀地分布在钼颗粒之间的空隙中，钼铜板的平面两个方向的组织形貌一致。

图1 熔渗后的70MoCu观微组织

经过单向轧制变形的钼铜板，板的平面两个方向的组织出现差异。

图2为RD方向轧制后70MoCu的微观组织。由图2可见：在RD方向，随着变形率的变大，组织逐渐拉长。当变形率为20%时，钼颗粒形貌变化不大，可以看到个别原始直径较小的钼颗粒变长，较大的钼颗粒仍然接近正多边形状；当变形率为40%时，钼颗粒形貌整体变成了类似椭圆形的形貌，钼颗粒沿着轧制方向拉长，铜分布在钼颗粒周围也随着变形；当变形率为60%时，钼颗粒进一步拉长，变成长条状，铜相也变成长条分布在钼颗粒周围；当变形率达到80%时，钼颗粒和铜相都变成了细长条，原始直径较小的钼颗粒在放大1 000倍下观察到被拉长成一条细长线，原始直径较大的钼颗粒呈细长棒状。

图2 单向轧制RD方向的观微组织

图3为TD方向轧制后70MoCu的微观组织。由图3可见：随着单向轧制的变形量变大，板的展宽也变明显，TD方向的组织也有一定变化。在变形率20%和40%时，钼颗粒形貌变化不大，只有个别小颗粒发生了变化，其他钼颗粒仍然接近正多边形状；当变形率60%时，钼颗粒被变扁得越来越多，出现类似椭圆形的形貌；当变形率80%时，钼颗粒进一步变扁，变成小细条。

图3 单向轧制TD方向的观微组织

图4为交叉轧制后70MoCu的微观组织。由图4可见：经过交叉轧制的钼铜合金板，总变形量为80%，由于RD方向和TD方向都经过了轧制，且为等变形交叉轧制，两个方向的变形率均为55%，两个方向的微观组织形貌差别不大，原始直径较小的钼颗粒被拉长成细长条，原始直径较大的钼颗粒呈细长棒状。

图4 交叉轧制的观微组织

根据以上微观组织的变化规律，对比RD方向和TD方向的组织变化，发现平RD方向的组织变化与变形率有明显对应；TD方向的组织在变形率60%前变化不明显，在变形率80%时有明显变化；当两个方向的变形率一致时，两个方向的组织形貌也会比较接近。

2.2 不同轧制工艺下热膨胀系数变化规律

2.2.1 热膨胀系数随变形率变化的规律

对比未经轧制变形和经过单向轧制后RD方向的热膨胀数据，检测结果见表1。由表1可以看出，随着变形率的增加，热膨胀系数会随之降低，轧制变形率和热膨胀系数的关系如图5所示。

图5 轧制变形率和热膨胀系数的关系

表1 不同变形率的热膨胀系数

2.2.2 热膨胀系数在两个方向的变化规律

不同工艺对应的热膨胀系数检测数据见表2。综合分析未经轧制、单向轧制和交叉轧制的板坯平面两个方向的热膨胀系数的变化规律，发现未经过轧制的板和等变形率交叉轧制的板的两个方向的热膨胀系数呈现各向同性，两个方向的数据相差不大。经过单向轧制的板的热膨胀系数呈现各向异性，两个方向的数据相差较大，单向轧制两个方向的热膨胀系数对比见图6，当变形率较小时(20%变形率)，两个方向的数据差异不大，随着变形率增大，差距也扩大，当总变形率达到80%时，两个方向的差异会缩小。可以得出，不同的塑性变形工艺会对钼铜合金的热膨胀系数产生影响，两个方向的变形率不一致时会得到热膨胀系数各向异性的钼铜板坯。

表2 不同工艺的热膨胀系数

图6 单向轧制两个方向的热膨胀系数

2.3 微观组织和热膨胀系数的关系

对比微观组织随轧制变形的变化规律和热膨胀系数随轧制变形的变化规律，二者有一定的关系。在RD方向，组织和热膨胀系数的变化与变形率对应关系明显。在TD方向，当变形率较低时，变化不明显；当变形率达到一定数值时，组织和热膨胀系数都发生了变化，且各向异性明显；当变形率增大到一定数值时，组织和热膨胀系数在两个方向的差异也减小。等变形量交叉轧制时，组织和热膨胀系数在两个方向接近一致。

由此可见，轧制对钼铜合金的热膨胀系数的影响，其实是钼铜合金的微观组织对热膨胀系数的影响，连续的钼骨架是钼铜合金热膨胀系数的主要决定因素，在轧制变形中，变形率较小时，轧制使钼和铜组织致密化，钼颗粒不变形，变形率进一步加大组织致密后开始发生钼颗粒的变形。钼颗粒的拉长会使热膨胀系数降低，是由于钼颗粒拉长后会使钼骨架之间的网状结构在拉长方向形成更加复杂的结构，如变形率80%时，微观组织中有的钼颗粒是细线有的是细棒，交错分布互相作用，所以更不容易发生膨胀。因此，不同的组织会有不同的热膨胀系数。

3 结 论

(1)变形率是影响钼铜合金组织与性能的重要因素。随着变形率增大，微观组织拉长，热膨胀系数降低。

(2)单向轧制后的钼铜合金，平面上两个方向的组织差异大，两个方向的热膨胀系数差异也大；等变形量交叉轧制后的钼铜合金，平面上两个方向的组织接近，两个方向的热膨胀系数差别也小。

(3)微观组织对钼铜合金的热膨胀系数有影响，轧制变形后，钼颗粒拉长，使钼骨架之间的网状结构在拉长方向形成更加复杂的结构，钼颗粒之间的作用力更强，所以更不容易发生膨胀。