CN115896534A - 一种含铬铜合金带材及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的含铬铜合金带材的质量百分比组成包括Ni：0.2wt%～1.3wt%、Sn：0.3wt%～1.3wt%、Cr：0.1wt%～1.2wt%、Ti：0.1wt%～1.0wt%，余量为Cu和不可避免的杂质，其制备的工艺流程为：配料→熔铸→热轧→铣面→粗轧→固溶与淬火处理→中轧→一级时效处理→清洗→预精轧→二级时效处理→清洗→精轧→拉弯矫直。本发明铜合金带材的抗拉强度在550MPa以上、导电率在50%IACS以上、badway 90°折弯R/t≤1.0、150℃保温1000小时后的应力松弛率≤15%，在保持高的抗拉强度与良好的导电率的同时，具有优异的折弯性能与耐应力松弛性能，更能满足新一代冲压型封装用铜合金带材的性能要求。
Description
技术领域
本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种含铬铜合金带材及其制备方法和应用。
背景技术
引线框架在芯片封装中主要起三个作用：(1)为芯片提供机械支撑；(2)提供电气连接，沟通芯片和外部电路；(3)提供芯片散热通路。随着半导体技术的飞速发展，芯片向小型化、多功能化、超大规模集成化方向发展，对芯片封装用引线框架铜合金带材的强度、导电率、冲压性能、耐应力松弛性能等提出了越来越严苛的要求。芯片封装的小型化，导致引脚尺寸越来越小，从而对封装用铜合金带材的强度提出越来越高的要求；芯片的超大规模集成化，导致芯片的发热量越来越大，从而对封装用铜合金带材的导电率提出越来越高的要求；芯片封装结构的复杂化，对封装用铜合金带材的冲压性能提出越来越高的要求，要求铜合金带材具有优异的折弯性能；芯片使用工况越来越严苛，要求封装用铜合金带材的耐应力松弛性能越来越好。上述情况要求芯片封装用铜合金带材的抗拉强度在550MPa以上、导电率在50％IACS以上、badway 90°折弯R/t≤1.0、150℃保温1000小时后的应力松弛率≤15％。
目前被广泛使用的CuFe2P引线框架用铜合金带材的导电率虽然可以达到60％IACS以上，但其抗拉强度最高只有550MPa左右，只能满足引脚尺寸较大的中等规模集成电路芯片封装的力学性能要求，无法满足引线框架引脚尺寸越来越小所需的力学性能的要求。
针对芯片封装用冲压型引线框架未来的发展要求，本发明提出一种具有高强度、高导电率、优异折弯性能、优良耐应力松弛性能的高性能含铬铜合金带材及其制备方法和应用，以满足新一代冲压型封装用铜合金带材的性能要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种具有高强度、高导电率、优异折弯性能、优良耐应力松弛性能的含铬铜合金带材及其制备方法和应用。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种含铬铜合金带材，该铜合金带材的质量百分比组成包括Ni：0.2wt％～1.3wt％、Sn：0.3wt％～1.3wt％、Cr：0.1wt％～1.2wt％、Ti：0.1wt％～1.0wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。
本发明中Ni、Sn、Cr与Ti会形成并析出镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质等沉淀相，这些析出相一方面起弥散强化作用，另一方面形成交叉耦合分布，提高了镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质等沉淀相的协同强化效果，从而提高本发明铜合金带材的抗拉强度。又由于上述沉淀相的析出大大提高了铜基体的纯净度，从而使铜基体的导电率得到大幅提高。当本发明中Ni含量少于0.2wt％、Sn含量少于0.3wt％、Cr含量少于0.1wt％、Ti含量少于0.1wt％时，带材中的析出相较少，弥散强化的效果不明显，带材的抗拉强度明显降低，力学性能达不到要求。而当本发明中Ni含量大于1.3wt％、Sn含量大于1.3wt％、Cr含量大于1.2wt％、Ti含量大于1.0wt％时，析出的弥散强化相太多，第二相粒子对电子波的散射作用增强，导致带材的导电率急剧下降。因此，本发明铜合金带材中的Ni控制在0.2wt％～1.3wt％范围、Sn控制在0.3wt％～1.3wt％范围、Cr控制在0.1wt％～1.2wt％范围、Ti控制在0.1wt％～1.0wt％范围较佳。
作为优选，该铜合金带材的析出相包括呈颗粒状且最大长度为0.01μm～1μm的镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质，分别用D1、D2、D3表示该0.01μm～1μm范围内不同的颗粒最大长度，其中，颗粒最大长度满足0.5μm≤D1≤1μm的颗粒数的占比为10％～20％、颗粒最大长度满足0.1μm≤D2＜0.5μm的颗粒数的占比为30％～60％，其余颗粒的最大长度满足0.01μm≤D3＜0.1μm。当析出相颗粒的最大长度全部小于0.01μm时，虽然析出相颗粒数量更多，有利于提高带材的抗拉强度及耐应力松弛性能，但0.01μm以下的众多析出相对电子波的散射作用非常强，将大幅降低带材的导电率；当析出相颗粒的最大长度大于1μm时，析出相的总数量减少，不利于提升带材的抗拉强度与耐应力松弛性能。本发明通过控制镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物、铬单质等析出相颗粒的尺寸及颗粒数的占比，更能发挥析出相颗粒的协同耦合强化作用，有利于进一步提升铜合金带材的抗拉强度与耐应力松弛性能。
铜合金带材的折弯性能由其织构类型及占比决定。在铜合金带材的所有织构类型中，立方织构的各向异性最低，带材中的立方织构的面积占比对带材折弯性能的影响最大。当立方织构占比较高时，带材在冲压折弯时不会开裂，从而确保冲压型引线框架的品质；当立方织构占比较低时，带材在冲压折弯时会开裂，无法保证冲压型引线框架的质量。带材中的铜型织构及黄铜织构的面积占比对带材的力学性能有一定的影响，当黄铜织构与铜型织构面积占比较高时，有利于提升带材的抗拉强度。本发明人发现，通过控制本发明铜合金带材中的主要织构类型为立方织构、铜型织构和黄铜织构，并控制立方织构的面积在所测面积内的占比控制在10％～40％，在确保本发明铜合金带材的抗拉强度达到较高水平的同时，可赋予带材良好的折弯性能。
作为优选，该铜合金带材的质量百分比组成中还包括总计0.2wt％的选自Mg、Zr、Ag、Zn、Fe、Mn中的一种或多种元素。上述元素的主要作用是固溶于铜中起固溶强化的作用，从而有利于提高本发明铜合金带材的力学性能及耐应力松弛性能。另外，一定量的Zr还可与Cr可以形成Cr-Zr沉淀相，起弥散强化作用，有利于提高本发明铜合金带材的抗拉强度与耐应力松弛性能，同时由于沉淀相的析出，可进一步提高铜基体的纯净度，使得合金的导电率提高。当上述可选元素的含量高于0.2wt％时，会导致过量的上述元素固溶在铜基体中，致使合金的导电率明显下降。
作为优选，该铜合金带材的抗拉强度在550MPa以上、导电率在50％IACS以上、badway90°折弯R/t≤1.0、150℃保温1000小时后的应力松弛率≤15％。
上述含铬铜合金带材的制备方法，制备的工艺流程为：配料→熔铸→热轧→铣面→粗轧→固溶与淬火处理→中轧→一级时效处理→清洗→预精轧→二级时效处理→清洗→精轧→拉弯矫直。
本发明铜合金在1250℃～1300℃进行熔炼，在1200℃～1250℃范围内进行半连续铸造制备板坯，在940℃～980℃保温3h～5h后进行热轧开坯。在热轧开坯前的保温过程中，本发明铜合金中的Ni、Sn、Cr、Ti、Mg、Zr等元素都可固溶进入铜基体中形成过饱和固溶体，确保铜合金热轧开坯时无析出物存在，从而确保热轧开坯时铜合金铸锭变形均匀且不开裂。当热轧开坯温度低于940℃时，部分元素无法固溶进入铜基体，热轧过程中合金会开裂；当热轧开坯温度高于980℃时，合金会出现过热或过烧现象，同样导致热轧开裂。940℃～980℃保温时间为3h～5h，可确保Ni、Sn、Cr、Ti、Mg、Zr等元素充分溶入铜基体且晶粒不发生长大现象。若保温时间低于3h，部分溶质原子由于扩散不充分而无法溶入铜基体；若保温时间超过5h，晶粒会发生长大，板坯在热轧过程中会发生开裂。
本发明控制热轧的总加工率在90％以上，终轧温度控制在800℃以上，以确保热轧加工后合金中形成面积占比60％以上的铜型织构，为后续成品带材中形成特定的织构及面积占比做织构类型的准备。本发明铜合金板坯在热轧开坯过程中，当在800℃以上的范围进行热轧加工时，热轧过程中有部分Ni、Sn、Cr、Ti溶质原子以镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质等沉淀相析出并发生动态再结晶，由于热轧加工，在析出的纳米级沉淀相周围会形成合适的畸变能，这种畸变能及动态再结晶组织为终轧温度在800℃以上的温度区间进行的热轧加工做好了畸变能储备及微观组织保障，使得合金板坯热轧完成后形成面积占比60％以上的铜型织构，为本发明铜合金带材中形成特定的织构及面积占比提供了初始织构基础。
本发明铜合金板坯经热轧开坯后，进行铣面处理去除合金表面的氧化皮，然后进行加工率在80％以上的粗轧加工。80％以上加工率的粗轧加工可以在本发明铜合金中进一步储能，为随后的固溶处理过程中发生再结晶做好能量储备。固溶处理的温度为960℃～1000℃，保温时间为0.1h～0.5h，固溶处理后的淬火冷却速度在120℃/s以上。本发明的固溶处理工序，在确保热轧开坯加工过程中析出的沉淀相重新固溶进入铜基体中形成过饱和固溶体的同时，可确保合金在固溶处理过程中促使热轧时形成的铜型织构向立方织构转化且确保形成面积占比50％以上的立方织构，从而在带材成品中形成本发明限定的织构类型及其面积占比，进而在保证带材抗拉强度较高的同时，带材的冲压折弯性能达到使用要求。固溶处理的保温时间为0.1h～0.5h，目的是使固溶过程中溶质原子有充分扩散的时间，形成过饱和固溶体。固溶处理的保温时间低于0.1h，会导致溶质原子固溶不充分；固溶处理的保温时间超过0.5h，会导致晶粒过分粗大，影响带材成品的折弯性能。固溶处理后的淬火冷却速度须控制在120℃/s以上，以确保淬火过程中无溶质原子析出，从而形成过饱和固溶体。
本发明铜合金带材固溶与淬火处理后进行中轧加工，然后进行一级时效处理。一级时效处理的温度为400℃～460℃、保温时间为5h～8h。一级时效处理的温度设置为400℃～460℃，可使溶质原子从过饱和固溶体析出，形成最大长度范围在0.01μm～0.5μm的镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质等弥散强化相粒子，在起一级沉淀强化作用的同时，为随后的预精轧及二级时效处理做好析出相颗粒尺寸及数量准备。如果一级时效处理的温度高于460℃、保温时间超过8h，则一级时效析出的析出相颗粒尺寸偏大，无法控制在0.01μm～0.5μm范围内；如果一级时效处理的温度低于400℃、保温时间低于5h，则一级时效析出不充分，无法保证析出相颗粒的数量。
本发明铜合金带材在完成一级时效处理并清洗后，进行预精轧加工及二级时效处理。预精轧加工可以在铜合金带材中的一级时效析出相颗粒的周围形成位错环，为二级时效处理提供析出通道。二级时效处理的温度为350℃～400℃、保温时间为3h～5h，确保本发明铜合金带材中的溶质原子沿一级时效析出的析出相颗粒周围的位错环析出，同时一级时效析出的颗粒发生长大，从而使本发明铜合金带材中析出相颗粒的最大长度为0.01μm～1μm，其中，颗粒最大长度满足0.5μm≤D1≤1μm的颗粒数的占比为10％～20％、颗粒最大长度满足0.1μm≤D2＜0.5μm的颗粒数的占比为30％～60％，其余颗粒的最大长度满足0.01μm≤D3＜0.1μm。本发明控制沉淀相的析出及占比，一方面可以净化铜基体，从而使本发明铜合金带材的抗拉强度与导电率同时达到要求；另一方面可以提升铜合金带材的耐应力松弛性能，达到150℃保温1000小时后的应力松弛率≤15％的效果。当二级时效处理的温度低于350℃、保温时间低于3h时，溶质原子扩散速度较慢，无法从过饱和固溶体中析出需要的沉淀相数量；当二级时效处理的温度高于400℃、保温时间超过5h时，时效析出的析出相颗粒会发生长大，导致析出相颗粒数量减少，无法达到本发明中析出物颗粒的尺寸及特定占比的效果。
本发明铜合金带材在完成二级时效处理并清洗后，进行精轧加工并拉弯矫直，确保板形符合冲压型封装用铜合金带材的板形要求。此外，本发明铜合金带材在经中轧、一级时效处理、预精轧、二级时效处理后，固溶处理过程中形成的50％以上的立方织构中的部分立方织构将向铜型织构、黄铜织构及其他织构转化，带材经精轧加工及拉弯矫直后，在带材成品中保留的立方织构的面积占比在10～40％，从而确保本发明铜合金带材优异的折弯性能。
上述含铬铜合金带材在制备芯片封装用冲压型引线框架中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明铜合金带材通过添加Ni、Sn、Cr、Ti，选择性添加的Mg、Zr、Ag、Zn、Fe、Mn中的至少一种，在铜合金带材中形成呈颗粒状且最大长度为0.01μm～1μm的镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质等析出相，其中，颗粒最大长度满足0.5μm≤D1≤1μm的颗粒数的占比为10％～20％、颗粒最大长度满足0.1μm≤D2＜0.5μm的颗粒数的占比为30％～60％，其余颗粒的最大长度满足0.01μm≤D3＜0.1μm。镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质等析出相形成交叉耦合分布，提高了镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质等沉淀相的协同强化效果，有利于提高本发明铜合金带材的抗拉强度及耐应力松弛性能；又由于上述沉淀相的析出大大提高了铜基体的纯净度，从而使铜基体的导电率得到大幅提高。本发明研制的全流程加工工艺使铜合金带材成品中的立方织构面积占比为10～40％，使铜合金带材具有优异的折弯性能，满足冲压成型的折弯要求。
2)本发明铜合金带材，其抗拉强度在550MPa以上、导电率在50％IACS以上、badway90°折弯R/t≤1.0、150℃保温1000小时后的应力松弛率≤15％，在保持高的抗拉强度与良好的导电率的同时，具有优异的折弯性能与耐应力松弛性能，更能满足新一代冲压型封装用铜合金带材的性能要求。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
选取了15个实施例合金和2个对比例合金，均采用本发明的制备方法分别加工成厚度为0.2mm的带材成品，制备的工艺流程为：配料→熔铸→热轧→铣面→粗轧→固溶与淬火处理→中轧→一级时效处理→清洗→预精轧→二级时效处理→清洗→精轧→拉弯矫直，具体包括以下步骤：
1)配料与熔铸：按照合金的化学成分进行原材料准备及配料，采用感应炉进行熔炼，合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后加入Ni、Sn、Cr，待上述合金元素熔化后再加入铜钛中间合金，选择性添加Mg、Zr、Ag、Zn、Fe、Mn中的一种或多种元素，成分符合要求且经充分除气、除渣后进行铸造，熔炼温度为1280℃，铸造温度为1230℃。
2)锯切：对铸锭进行锯切，去除铸锭的头部与尾部。
3)热轧：在940℃～980℃保温3h～5h后进行热轧开坯，热轧的总加工率为90％，终轧温度在800℃以上。
4)粗轧：对热轧带材铣面后进行粗轧加工，粗轧加工的总加工率为85％。
5)固溶与淬火处理：固溶处理的温度为960℃～1000℃，保温时间为0.1h～0.5h，固溶处理后的淬火冷却速度在120℃/s以上。
6)中轧：将固溶与淬火处理后的带材进行中轧加工，中轧加工率为50％。
7)一级时效处理：对中轧加工后的带材进行一级时效处理，时效温度在400℃～460℃，保温时间为5h～8h。
8)预精轧：对一级时效处理后的带材清洗后进行预精轧加工，加工率为20％。
9)二级时效处理：对预精轧加工后的带材进行二级时效处理，时效温度在350℃～400℃之间，保温时间为3h～5h。
10)精轧并拉弯矫直：对二级时效处理后的带材进行清洗，然后进行精轧并拉弯矫直制成带材成品。
对各实施例和对比例合金带材成品分别进行室温拉伸力学性能、导电率、织构类型及面积占比、折弯性能、耐应力松弛性能等检测。
室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，拉伸速度为5mm/min。采用《GB/T 32791-2016铜及铜合金导电率涡流测试方法》测试带材的导电率。
采用EBSD分析带材的织构类型及立方织构面积占比，织构面积占比指的是各取向偏离角度15°以内的面积与测定面积的比值。
采用透射电子显微镜对不同尺寸的析出相颗粒及其颗粒数占比进行分析。
采用《JCBA T307-2007 Test method of bend formability for sheets andstrips of copper and copper alloys》测试带材的折弯性能。
采用《JCBA T309-2004 Standard method for stress relaxation test bybending for thin sheets and strips》测试带材的耐应力松弛性能。
实施例、对比例的成分见表1，组织及性能的检测结果见表2。
从表1、表2可见，本发明铜合金带材的屈服强度可以达到550MPa以上、导电率可以达到50％IACS以上、badway 90°折弯R/t≤1.0、150℃保温1000小时后的应力松弛率≤15％。
从对比例1和对比例2可以看出，当合金的成分不满足控制范围时，合金的析出相尺寸占比、立方织构等不在目标范围内，对比例1中合金的导电率虽然可以达到目标要求，但强度、耐应力松弛性能、折弯性能较差；对比例2合金的强度及耐应力松弛性能表现优异，但导电率、折弯性能较差。
表1实施例及对比例的成分
Claims (9)
1.一种含铬铜合金带材，其特征在于，该铜合金带材的质量百分比组成包括Ni：0.2wt％～1.3wt％、Sn：0.3wt％～1.3wt％、Cr：0.1wt％～1.2wt％、Ti：0.1wt％～1.0wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种含铬铜合金带材，其特征在于，该铜合金带材的析出相包括呈颗粒状且最大长度为0.01μm～1μm的镍锡化合物、铬钛化合物、镍钛化合物和铬单质，分别用D1、D2、D3表示该0.01μm～1μm范围内不同的颗粒最大长度，其中，颗粒最大长度满足0.5μm≤D1≤1μm的颗粒数的占比为10％～20％、颗粒最大长度满足0.1μm≤D2＜0.5μm的颗粒数的占比为30％～60％，其余颗粒的最大长度满足0.01μm≤D3＜0.1μm。
3.根据权利要求1所述的一种含铬铜合金带材，其特征在于，该铜合金带材含有的主要织构类型为立方织构、铜型织构和黄铜织构，其中立方织构的面积在所测面积内的占比为10％～40％。
4.根据权利要求1所述的一种含铬铜合金带材，其特征在于，该铜合金带材的质量百分比组成中还包括总计0.2wt％的选自Mg、Zr、Ag、Zn、Fe、Mn中的一种或多种元素。
5.根据权利要求1所述的一种含铬铜合金带材，其特征在于，该铜合金带材的抗拉强度在550MPa以上、导电率在50％IACS以上、badway 90°折弯R/t≤1.0、150℃保温1000小时后的应力松弛率≤15％。
6.权利要求1-5中任一项所述的含铬铜合金带材的制备方法，其特征在于，制备的工艺流程为：配料→熔铸→热轧→铣面→粗轧→固溶与淬火处理→中轧→一级时效处理→清洗→预精轧→二级时效处理→清洗→精轧→拉弯矫直。
7.根据权利要求6所述的含铬铜合金带材的制备方法，其特征在于，所述的热轧的工艺参数为：在940℃～980℃保温3h～5h后进行热轧开坯，热轧的总加工率在90％以上，终轧温度控制在800℃以上；所述的粗轧的加工率为80％以上；所述的固溶与淬火处理的工艺参数为：固溶处理的温度为960℃～1000℃，保温时间为0.1h～0.5h，固溶处理后的淬火冷却速度在120℃/s以上。
8.根据权利要求6所述的含铬铜合金带材的制备方法，其特征在于，所述的一级时效处理的温度为400℃～460℃，保温时间为5h～8h；所述的二级时效处理的温度为350℃～400℃，保温时间为3h～5h。
9.权利要求1-5中任一项所述的含铬铜合金带材在制备芯片封装用冲压型引线框架中的应用。
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