大规模集成电路用高强度高导电引线框架铜合金研究

摘要

随着电子信息产业的高速发展，对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越来越高。理想的引线框架材料的主要性能为：抗拉强度在600MPa以上，显微硬度大于180HV，导电率大于80﹪IACS。而目前所开发出的铜合金材料很难满足其性能要求，所以研制和开发可满足大规模集成电路需要的同时具有高强度和高导电性的铜合金材料是研究热点之一。 根据高强高导铜合金的强化机理和对性能的要求，本文在分析合金元素在铜合金中作用的基础上，确定了高强高导引线框架铜合金材料的最佳合金系为Cu-Cr-Zr系。 利用透射电镜研究了Cu-Cr-Zr-Mg和Cu-Cr-Zr合金的组织转变规律，发现Cu-Cr-Zr-Mg合金在470℃时效形成了具有Fm3m点群的超点阵CrCu2(ZrMg)；同时存在体心的Cr相和面心的Cu4Zr相。高温550℃时效析出相完全转变为Cr和Cu4Zr。Cu-Cr-Zr合金在时效初期形成Cu5Zr相，时效峰值状态析出相为Cu5Zr相和体心立方的Cr，且析出相与基体保持着共格关系。以共格强化机制计算的强化值407MPa与实验结果430MPa相近。 在分析Cu-Cr-Zr-Mg合金时效过程中导电率变化规律的基础上，利用合金时效过程中析出相的体积分数与导电率的线性关系，推导出实验温度下合金时效的Avrami相变动力学方程与导电率方程，并通过计算绘制了该固溶合金等温转变动力学(TTT)曲线。 系统研究了Cu-Cr-Zr合金变形时效后，析出和再结晶的交互作用及其对组织和性能的影响。在低于550℃时效，沿位错分布着很多细小的析出相，使硬度和导电率在时效初期快速提高。同时析出物对位错的钉扎作用，延缓了再结晶过程。在一定的变形程度和较高温度时效后，由位错缠结成的胞状结构在时效过程中胞壁平直化，并形成亚晶，小角度晶界上的刃位错通过攀移而离开亚晶界，使两个亚晶变成一个大亚晶，出现了再结晶形核和长大的现象。 采用L-M算法分别建立了引线框架Cu-Cr-Zr-Mg合金和Cu-Cr-Sn-Zn合金形变热处理工艺和时效工艺的人工神经网络模型，预测和研究了时效工艺参数性能的耦合作用，并且利用三维立体图将其直观地表达出来，得出了时效温度、时效时间和变形量工艺参数对硬度和导电率的影响规律，为工艺参数优化奠定了基础。借助于遗传算法的全局搜索能力，进一步实现了对Cu-Cr-Zr-Mg合金形变时效工艺和固溶时效工艺这两个神经网络模型的全参数优化分析，得到了一定的目标条件下工艺参数最优组合。 在工艺参数优化的基础上，设计了引线框架Cu-Cr-Zr-Mg合金二级变形时效生产工艺路线。Cu-Cr-Zr-Mg合金经第一次冷变形时效后，再经第二级较低的时效温度，使强化元素在基体中的溶解度下降，会进一步产生析出，同时溶质原子可借助密集且分布均匀的位错网络由铜基体内快速析出，从而获得高的强度并保持较好的导电性。多级时效过程中析出的弥散质点对再结晶过程的阻碍作用也更强烈，使合金具有很高的软化温度。Cu-Cr-Zr-Mg合金采用“920℃×1h固溶-60﹪冷轧变形-500℃×2h时效处理-60﹪冷轧变形-460℃×1.5h时效处理-20﹪～60﹪精轧变形”的二级变形时效生产工艺，所获带材具有高的硬度、强度及导电率，分别可达183～191HV、583～604MPa及84～82﹪IACS，而带材的延伸率和软化温度分别可达9.4～9.2﹪及578～560℃，满足了高强度和高导电引线框架铜合金的性能，为工业化生产提供了重要依据。 针对析出强化铜合金在冷轧过程中表面易起皮的现象，以引线框架材料Cu-Fe-P合金为研究对象，通过表面起皮处微观组织分析和有限元数值分析方法，研究了引线框架Cu-Fe-P合金精轧后表面起皮剥落的起因和相应的防范措施。发现，随着Cu-Fe-P合金板材在加工成形过程中厚度的减小，当富Fe区密度大于30﹪时，Fe颗粒处存在剧烈的应力集中，导致Fe颗粒破碎。Fe颗粒与Cu基体界面附近的应力集中和变形不协调使界面附近区域易发生起皮现象。为此，Cu-Fe-P合金在冶炼生产过程中，应避免较大Fe颗粒的存在。这一研究成果对控制和防范析出强化铜合金在冷轧过程中的表面起皮现象具有重要指导意义。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1引言

1.2高强高导铜合金的强化手段

1.2.1固溶强化

1.2.2时效强化

1.2.3细晶强化

1.2.4快速凝固+时效

1.2.5弥散强化

1.2.6冷变形+时效强化

1.2.7自生复合材料强化

1.3合金元素对铜合金导电性的影响

1.4高强高导铜合金的应用

1.4.1电气化铁路接触导线

1.4.2结晶器材料

1.4.3电极材料

1.4.4集成电路引线框架材料

1.5引线框架铜合金的研究现状及发展趋势

1.5.1国外引线框架材料的发展状况

1.5.2我国引线框架材料的发展状况

1.6立题依据

1.7研究内容及主要创新点

1.7.1研究内容

1.7.2本文的创新点

参考文献

第2章高强高导引线框架铜合金的合金化设计

2.1引言

2.2合金系的确定

2.3合金元素含量及微量元素加入的设计

2.4结论

参考文献

第3章材料制备与实验

3.1高强度高导电Cu-Cr-Zr合金的制备

3.2实验方法

3.3性能测试

3.4微观组织分析

3.5实验步骤

第4章Cu-Cr-Zr合金的时效特征

4.1引言

4.2时效对Cu-Cr-Zr固溶合金组织和性能的影响

4.2.1时效工艺对合金显微硬度和导电率的影响

4.2.2 Cu-Cr-Zr合金时效析出的组织结构

4.3快速凝固对Cu-Cr-Zr合金时效组织和性能的影响

4.3.1快速凝固后的组织

4.3.2时效对快速凝固铜合金硬度的影响

4.3.3时效对快速凝固铜合金导电率的影响

4.4 Cu-Cr-Zr合金时效强化效应分析

4.4.1析出强化机制讨论

4.4.2 Cu-Cr-Zr合金的共格强化效应

4.5结论

参考文献

第5章Cu-Cr-Zr合金时效析出动力学分析

5.1引言

5.2 Cu-Cr-Zr合金时效析出行为

5.3析出相体积分数的设定及其计算

5.4析出动力学方程及导电率方程

5.5 Cu-Cr-Zr合金的等温转变动力学(TTT)曲线

5.6结论

参考文献

第6章形变Cu-Cr-Zr合金的时效析出与再结晶

6.1引言

6.2时效后冷变形对Cu-Cr-Zr合金组织和性能的影响

6.3时效前冷变形对合金时效组织和性能的影响

6.3.1时效前冷变形对合金时效性能的影响

6.3.2微观组织分析

6.3.3变形Cu-Cr-Zr合金时效后的再结晶

6.3.4时效析出与再结晶的交互作用

6.4小结

参考文献

第7章引线框架铜合金时效工艺性能预测与优化

7.1引言

7.2引线框架铜合金时效工艺神经网络建模

7.2.1神经网络教师样本的选择

7.2.2神经网络拓扑结构的设计

7.2.3 BP神经网络算法的改进

7.2.4引线框架铜合金时效工艺知识库的建立

7.3基于遗传算法的工艺参数优化

7.3.1遗传算法优化模型

7.3.2遗传算法的实现

7.3.3优化结果

7.4结论

参考文献

第8章引线框架Cu-Cr-Zr合金二级时效工艺研究

8.1引言

8.1合金一级变形时效工艺

8.3二级变形时效工艺及性能

8.4结论

参考文献

第9章引线框架铜合金薄带表面起皮数值分析

9.1引言

9.2 Cu-Fe-P引线框架薄带表面起皮现象的微观分析

9.2.1 QFe2.5成品带表面起皮微观组织分析

9.2.2 TFe0.1薄带表面起皮微观组织分析

9.3表面起皮的数值分析

9.3.1胞元模型的建立及应力应变分析

9.3.2 Fe颗粒分布对表面起皮影响

9.3.3引线框架铜合金板厚对表面起皮影响

9.4结论

参考文献

第10章结论

致 谢

攻读博士学位期间发表的论文及所获奖励