【摘 要】對Cu-14Fe和Cu-14Fe-0.1Ag原位復(fù)合材料深冷處理前后的力學(xué)性能和導(dǎo)電性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:深冷處理后Cu-14Fe的抗拉強(qiáng)度提高了106 MPa,而Cu-14Fe-0.1Ag的抗拉強(qiáng)度卻沒有變化;深冷處理后Cu-14Fe的電導(dǎo)率增加了6.06%IACS,而Cu-14Fe-0.1Ag的電導(dǎo)率幾乎沒有增加。

　　【期刊名稱】《江西科學(xué)》 【年(卷),期】2010(028)005

　　【關(guān)鍵詞】原位復(fù)合材料;冷處理;強(qiáng)度;電導(dǎo)率

　　【作 者】楊艷玲;陸德平;萬珍珍;胡強(qiáng);陳志寶;鄒晉;劉克明;魏仕勇;謝仕芳

　　隨著集成電路芯片的高度集成化,電子封裝也向高密度封裝方向發(fā)展,因而引線框架材料要求具有更高的強(qiáng)度、優(yōu)良的導(dǎo)電性能。在銅合金引線框架材料中,Cu-Fe系合金的用量最大,占到全部用量的65%以上[1]。盡管室溫下Fe在Cu基體中的固溶度很低,但仍有部分Fe原子固溶在Cu基體中[2],固溶在Cu基體中的Fe原子會極大降低復(fù)合材料的電導(dǎo)率(Cu基體中每溶解0.1% Fe可降低35%I ACS的電導(dǎo)率,因而Cu-Fe原位復(fù)合材料的導(dǎo)電性能尚待改善。

　　為提高Cu-Fe原位復(fù)合材料的性能,國內(nèi)外研究人員作了大量的工作,如微合金化[2]、中間熱處理[3]等,也取得了良好的效果。深冷處理是一種節(jié)能環(huán)保、成本較低的新型處理工藝,近年來越來越多地受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,其已在黑色金屬和有色金屬領(lǐng)域顯示出一定的優(yōu)勢[4～6]。本研究將深冷處理用于Cu-14Fe和Cu-14Fe-0.1Ag復(fù)合材料,分析深冷處理對復(fù)合材料性能的影響及其機(jī)制。

　　在真空中頻感應(yīng)電爐中熔煉Cu-14Fe、Cu-14Fe-0.1Ag合金,原料采用電解銅、純鐵、銅銀中間合金,熔煉后澆鑄成φ36 mm的鑄錠,將鑄錠切冒口、去皮。然后進(jìn)行:(1)固溶處理(固溶工藝為950℃×4 h保溫后水冷);(2)熱軋;(3)固溶處理(950℃×70 min保溫后水冷);(4)冷軋; (5)拉拔變形(中間3次600℃×30 min熱處理)至0.5 mm。累計(jì)冷變形量η為7.8(η=ln(A0/ A),A0和A分別為冷變形前后的截面積)。然后將復(fù)合材料直接浸入液氮中保持24 h進(jìn)行深冷處理,深冷前后的顯微組織用金相顯微鏡表征,力學(xué)性能用電子拉伸機(jī)(CMT2103)進(jìn)行測試(應(yīng)變速率1 mm/min),電阻用ZY9987型數(shù)字式微歐計(jì)測試,電導(dǎo)率是1.7241μ Ω·cm/ρ計(jì)算而得。

　　2.1 力學(xué)性能

　　Cu-14Fe和Cu-14Fe-0.1Ag(η=7.8)深冷處理前后的應(yīng)力, Cu-14Fe深冷處理后的抗拉強(qiáng)度(671 MPa)比處理前(565 MPa)提高了106 MPa,而Cu-14Fe-0.1 Ag深冷處理后的抗拉強(qiáng)度(～778 MPa)與處理前相比幾乎沒有變化。

　　鑄態(tài)Cu-14Fe和Cu-14Fe-0.1Ag的銅基體中Fe元素含量較高,中間熱處理過程可以促進(jìn)Fe原子從銅基體中析出,然而由于在低溫下擴(kuò)散速度較慢,因而Cu-14Fe和Cu-14Fe-0.1Ag復(fù)合材料銅基體中的Fe元素含量仍然處于過飽和狀態(tài)。復(fù)合材料在深冷處理時,Fe元素在銅基體中的固溶度急劇降低,加之溫度迅速降低引起的體積收縮給材料施加了極大的應(yīng)力,促使復(fù)合材料在深冷處理時其銅基體中的Fe元素以納米級彌散分布的第二相顆粒的形式大量析出,使得深冷處理后Cu-14Fe和Cu-14Fe-0.1Ag復(fù)合材料銅基體中的Fe元素含量顯著降低。

　　深冷處理后Cu-14Fe的抗拉強(qiáng)度顯著提高,而Cu-14Fe-0.1Ag并沒有發(fā)生變化的原因分析如下。Ag微合金化可以降低高溫下Fe在銅基體中的固溶度,在低溫下可以促進(jìn)固溶在銅基體中的Fe元素的時效析出動力學(xué)過程[8],因而相同制備工藝的Cu-14Fe-0.1Ag和Cu-14Fe相比,前者銅基體中Fe的溶解量比Cu-14Fe的要低。因此,2種復(fù)合材料經(jīng)過深冷處理后,Cu-14Fe的銅基體中有更多的Fe顆粒析出。Fe顆粒的析出有2個方面作用:一方面,固溶在銅基體中Fe的固溶強(qiáng)化效果減弱;另一方面,Fe析出相的彌散強(qiáng)化效果大為增強(qiáng),從結(jié)果可知彌散強(qiáng)化效果是主導(dǎo)因素。因而,Cu-14Fe復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度得到了大幅提高,而Cu-14Fe-0.1Ag沒有發(fā)生變化。

　　2.2 導(dǎo)電性

　　Cu-14Fe和Cu-14Fe-0.1Ag(η=7.8)復(fù)合材料在深冷處理前后的電導(dǎo)率如表1所示。可以看出,深冷處理前后Cu-Fe復(fù)合材料的電導(dǎo)率增量高達(dá)6.06%I ACS,而Cu-Fe-Ag的電導(dǎo)率幾乎沒有增加;深冷處理前Cu-Fe的電導(dǎo)率低于Cu-Fe-Ag的電導(dǎo)率(分別為43.47%I ACS和46.07% IACS),深冷處理后Cu-Fe的電導(dǎo)率高于Cu-Fe-Ag的電導(dǎo)率(分別為49.53%I ACS和46.08% IACS)。

　　復(fù)合材料的電導(dǎo)率取決于各相的成分及導(dǎo)電性,復(fù)合材料的電阻率(即電導(dǎo)率的倒數(shù))可根據(jù)并聯(lián)電路模型計(jì)算[9]:

　　其中,ρCu和ρFe分別是Cu相和Fe相的電阻率,fCu和fFe是Cu相和Fe相的體積分?jǐn)?shù)。由于Fe相的電阻率大、體積分?jǐn)?shù)少,且深冷處理前后無變化,因此Cu-Fe復(fù)合材料的電阻率的變化主要與銅基體的電阻率相關(guān),該部分電阻率又可分為4個部分:

　　其中,ρPHO是聲子散射,ρDIS是位錯散射ρINT是界面散射ρIMP是雜質(zhì)散射。聲子散射是材料的固有特征,Cu基體的聲子散射與高純銅相當(dāng);位錯散射電阻也極低,深冷處理對其無影響;深冷處理前后復(fù)合材料中的Cu相和Fe相之間的相界面不會發(fā)生變化,因而Cu相和Fe相之間的界面散射電阻也沒有發(fā)生變化;因此,原位復(fù)合材料的電阻率主要取決于銅基體中固溶原子的雜質(zhì)散射。

　　深冷處理促進(jìn)了Cu-Fe復(fù)合材料中固溶的Fe原子以第二相顆粒的形式從銅基體中析出, Cu-Fe復(fù)合材料銅基體中固溶的Fe元素含量顯著降低,由于第二相顆粒引起的電子散射比固溶原子引起的電子散射要小得多,因而Cu-Fe復(fù)合材料銅基體中Fe雜質(zhì)引起的雜質(zhì)散射電阻降低,從而深冷處理后Cu-Fe復(fù)合材料的電阻降低,電導(dǎo)率得到有效提高。

　　Cu-Fe-Ag深冷處理后其電導(dǎo)率幾乎沒有增加也是與Ag微合金化的作用有關(guān)。Ag微合金化的作用[8]使得Cu-14Fe-0.1Ag銅基體中Fe的溶解量比Cu-14Fe的低得多。Cu-14Fe-0.1Ag經(jīng)過深冷處理后,其銅基體中極少有Fe顆粒析出,因而雜質(zhì)散射電阻幾乎沒有變化,電導(dǎo)率沒有提高。

　　(1)Cu-14Fe原位復(fù)合材料深冷處理后抗拉強(qiáng)度提高了106 MPa,而Cu-14Fe-0.1Ag深冷處理后抗拉強(qiáng)度沒有變化。

　　(2)Cu-14Fe原位復(fù)合材料深冷處理后電導(dǎo)率增量高達(dá)6.06%I ACS,而Cu-14Fe-0.1Ag的電導(dǎo)率幾乎沒有增加。

　　【相關(guān)文獻(xiàn)】

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