5G通信鍵合線的生產(chǎn)工藝研究

導(dǎo)讀：鍵合線作為集成電路半導(dǎo)體封裝用的核心材料，是連接引線框架引腳和硅片、傳達(dá)電信號(hào)的關(guān)鍵零件。隨著5G通信用芯片的高度集成化和微小化，鍵合線的布線也更加密集，要求直徑更細(xì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好、高保真、高傳輸速率、高柔性，對(duì)鍵合線材料連續(xù)超細(xì)成形能力及高強(qiáng)高導(dǎo)性能提出更高要求。與鍵合線的傳統(tǒng)材料——金線和銀基合金線相比，銅銀合金材料在保持優(yōu)良導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的同時(shí)，具有高強(qiáng)度、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在5G通信鍵合線領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在銅銀合金的基礎(chǔ)上采用微合金化手段進(jìn)一步研究了多組元合金的組織和力學(xué)性能。劉月等發(fā)現(xiàn)形變熱處理可以顯著提高Cu-0.13Cr-0.074Ag合金綜合力學(xué)性能，合金在870℃×1h固溶，冷軋40％，480℃×2h時(shí)效后能夠?qū)崿F(xiàn)力學(xué)性能和電學(xué)性能的良好匹配；徐高磊等采用了上引連鑄制備了Cu-Cr-Ag合金經(jīng)過(guò)軋制和熱處理之后合金具有良好的綜合性能；李紅衛(wèi)等對(duì)Cu-Ag-Cr合金強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了定量探討，發(fā)現(xiàn)Cu-0.1Ag-0.5Cr合金強(qiáng)化機(jī)制是Ag的固溶強(qiáng)化、預(yù)冷變形引入的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化以及Cr粒子的析出強(qiáng)化。以上研究結(jié)果表明，Cu-Ag-Cr合金經(jīng)過(guò)高溫處理后Ag和Cr會(huì)溶入到銅基體中形成過(guò)飽和固溶體，隨后時(shí)效過(guò)程將過(guò)飽和固溶體分解產(chǎn)生顯著的彌散強(qiáng)化效果。而為了進(jìn)一步提高材料的綜合性能，通常在熱處理的同時(shí)加入冷變形。冷變形通?？梢栽诰w內(nèi)部產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，并為析出相析出提供能量，同時(shí)能夠細(xì)化組織。固溶強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化和形變強(qiáng)化等綜合作用可以使合金在獲得良好抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，又具有良好的導(dǎo)電性能。因此，在熱處理過(guò)程中加入形變是重要的研究方向，而上述研究對(duì)形變和熱處理兩種強(qiáng)化方式的組合不夠系統(tǒng)。所以本課題設(shè)計(jì)了3種熱處理和形變的組合方案，研究了形變和熱處理對(duì)合金組織和性能的影響，為Cu-Ag-Cr合金性能優(yōu)化提供了一種新的思路。

1.試驗(yàn)方法 試驗(yàn)材料為熱型水平連鑄Cu-0.52Ag-0.22Cr合金棒材。首先，在真空熔煉爐中分別制備Cu-3.5Ag和Cu-1.0Cr合金。然后放入熱型水平連鑄熔煉爐中熔煉，直接制備出Φ16mm的Cu-0.52Ag-0.22Cr合金棒料。對(duì)合金進(jìn)行以下3種工藝處理：工藝A：拉拔變形（85.9%）→固溶（950℃×1h）→時(shí)效（450℃×2h）；工藝B：固溶（950℃×1h）→拉拔變形（85.9%）→時(shí)效（450℃×2h）；工藝C：拉拔變形（85.9%）→時(shí)效（450℃×2h）。

2.結(jié)果與討論 2.1合金性能 圖1為Cu-0.52Ag-0.22Cr合金經(jīng)3種不同工藝處理后的性能對(duì)比。

（a）電導(dǎo)率；（b）顯微硬度；（c）抗拉強(qiáng)度；（d）伸長(zhǎng)率 圖1Cu-0.52Ag-0.22Cr合金經(jīng)3種工藝處理后的性能對(duì)比 2.2合金顯微組織和斷口形貌變化 經(jīng)過(guò)不同工藝處理后合金橫截面顯微組織見(jiàn)圖2，3種工藝下組織存在較大差異。工藝A處理后，合金表現(xiàn)為明顯的等軸晶，晶粒較為細(xì)小，拉拔對(duì)組織變化影響較小。因?yàn)楣に嘇拉拔后進(jìn)行固溶處理極大消減了加工硬化，使得合金硬度和抗拉強(qiáng)度較工藝B和工藝C明顯下降，同時(shí)，沿拉拔方向的取向性消失，電子在傳輸?shù)倪^(guò)程中穿過(guò)的晶界界面增多，受到的阻礙增大，因此電導(dǎo)率會(huì)降低。工藝B的合金晶粒更加細(xì)小，具有明顯變形痕跡，細(xì)小的晶?？梢詫?duì)性能起到改善作用；工藝C中合金變形痕跡較為嚴(yán)重，且沒(méi)有很多細(xì)小晶粒形成。

（a）工藝A；（b）工藝B；（c）工藝C 圖2不同工藝處理后合金顯微組織 （a）工藝A；（b）工藝B；（c）工藝C 圖3不同工藝處理后合金的斷口形貌 時(shí)效對(duì)合金強(qiáng)度和硬度的提升具有一定的影響，且時(shí)效過(guò)程中有第二相析出，可以使合金電導(dǎo)率顯著提升。工藝A、B和C最終都經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，所以強(qiáng)度和硬度的影響因素與時(shí)效前工藝有關(guān)，為此針對(duì)拉拔變形在上述過(guò)程中起到加工硬化的作用，并探究其性能改善的作用機(jī)理，對(duì)拉拔變形后合金進(jìn)行了檢測(cè)。圖4為拉拔后合金再結(jié)晶情況?？梢钥闯?，再結(jié)晶含量只有0.35%，且較為細(xì)小分布彌散；形變晶粒占99.6%，此時(shí)合金強(qiáng)化方式主要是晶粒不斷碎化分解的過(guò)程；晶粒長(zhǎng)大過(guò)程較弱，亞結(jié)構(gòu)的含量也只有0.05%。

圖4拉拔后合金再結(jié)晶情況 綜上，分析工藝A發(fā)現(xiàn)，在拉拔變形后固溶消減了形變引起的加工硬化程度使得顯微硬度和抗拉強(qiáng)度顯著降低，再通過(guò)時(shí)效處理后合金電導(dǎo)率保持在了較高水平，但力學(xué)性能并不突出，且時(shí)效過(guò)程再結(jié)晶細(xì)化效果不顯著；分析工藝B發(fā)現(xiàn)，在固溶后、時(shí)效前施加大變形量的拉拔變形，可以充分發(fā)揮冷作強(qiáng)化效應(yīng)，并使時(shí)效過(guò)程中細(xì)晶強(qiáng)化效果變得顯著，所得Cu-Ag-Cr合金晶粒細(xì)小，且具有拉拔造成的方向性，同時(shí)為后續(xù)時(shí)效析出強(qiáng)化儲(chǔ)備能量，使得合金綜合性能得到提升；而工藝C在省略固溶處理后，合金仍具有良好的綜合性能，但是，因?yàn)闆](méi)有發(fā)生回火再結(jié)晶，以及析出強(qiáng)化效果的弱化，合金整體性能略低于工藝B，所以在固溶和時(shí)效之間進(jìn)行拉拔變形合金會(huì)具有更優(yōu)良的性能，針對(duì)工藝C的研究結(jié)果能夠表明固溶過(guò)程中引起的固溶強(qiáng)化能在一定程度上改善合金性能。

3.結(jié)論 （1）合金經(jīng)過(guò)950℃×1h固溶→85.9%的拉拔變形→450℃×2h時(shí)效處理后具有更優(yōu)良的性能，電導(dǎo)率、顯微硬度（HV0.1）和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了51.91MS/m、169.7和541.6MPa，伸長(zhǎng)率為15.5%。

（2）電導(dǎo)率的提升主要受固溶和時(shí)效的影響，而拉拔變形引起的加工硬化對(duì)合金電導(dǎo)率的影響并不大，但是對(duì)顯微硬度和抗拉強(qiáng)度的提升效果顯著。

（3）拉拔變形的強(qiáng)化方式主要是晶粒不斷碎化分解的過(guò)程，且在固溶和時(shí)效之間施加冷變形對(duì)Cu-Ag-Cr合金綜合性能的提升作用顯著。

來(lái)源：2020年第40卷第10期孔令寶拉拔變形和熱處理對(duì)銅銀合金組織性能的影響

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