張 毅， 劉 平，田保紅，陳小紅，劉 勇

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，洛陽 471003；2.上海理工大學 材料科學與工程學院，上海 200093)

自20世紀60年代世界上第一塊集成電路問世以來，半導體集成電路封裝材料(引線框架材料、引線材料、焊料)得到很大發(fā)展，用量愈來愈大，新材料不斷出現(xiàn)。目前已開發(fā)出的銅基引線框架材料主要有CuNiSi、CuFe、CuFeP、CuCrZr、CuAg 系等，使用較多的主要有CuFeP、CuNiSi及CuCrZr系等。國際上生產(chǎn)銅基引線框架材料以歐美、日、韓等國家為代表，其中以日本產(chǎn)量最大，日本和德國是世界上最大的引線框架銅帶的出口國。日本的神戶、三菱、住友、玉川、美國的奧林、德國的德馬克、法國的里賽等著名企業(yè)均有自己的銅合金框架合金牌號，其框架材料生產(chǎn)均已高度自動化，產(chǎn)品已名副其實成為高精尖產(chǎn)品，如日本三菱伸銅的TAMAC系列，神戶制鋼的KLF系列，古河電氣公司的 EFTEC系列等。而我國在該類合金的研制方面起步較晚，特別是在該類合金的熱加工性能研究方面還有待提高。目前，國內(nèi)中南大學、湖南大學的一些研究學者對 Cu-8.0Ni-1.8Si-0.15Mg、Cu-Fe-P引線框架用合金的熱壓縮性能進行了較為細致的研究，特別是對該類合金的流變應(yīng)力分析、本構(gòu)方程的建立以及該類合金的顯微組織變化取得了一定的研究成果，但關(guān)于該類引線框架合金熱加工性能的研究還較少[1-3]，隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國對該類框架材料的需求量愈來愈大，研制我國自己的Cu-Ni-Si系列引線框架材料以替代進口材料，已成為當前銅合金加工企業(yè)所面臨的一項緊迫任務(wù)[4-8]。

針對目前的研究現(xiàn)狀，本文作者對Cu-Ni-Si-P-Cr引線框架合金在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上，在變形溫度為600～800 ℃，應(yīng)變速率為0.01～5 s-1和變形量為60%的條件下，進行了圓柱體高溫單道次軸對稱壓縮實驗，通過對合金熱壓縮變形流變應(yīng)力與變形程度、應(yīng)變速率以及變形溫度之間的關(guān)系，計算出該合金的熱變形激活能Q，并確定了其本構(gòu)方程，該方法為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實驗

實驗用Cu-Ni-Si-P-Cr合金，在10 kg中頻感應(yīng)熔煉爐中熔煉而成，材料質(zhì)量分數(shù)為w(Ni)=2.0%、w(Si)=0.5%、w(P)=0.03%、w(Cr)=0.3%，余量為銅。澆鑄溫度為1 300～1 350 ℃。合金的固溶處理在RJX-2.5-10型箱式電阻爐中進行，工藝為(900 ℃, 1 h)，隨后水淬。壓縮實驗采用固溶后的合金，在Gleeble-1500D熱模擬機上進行，壓縮試樣尺寸為d10 mm×15 mm，實驗溫度范圍為600～800 ℃，應(yīng)變速率為0.01～5 s-1，總壓縮應(yīng)變量約0.8(真應(yīng)變)。熱模擬實驗的升溫速率為10 ℃/s，保溫時間為5 min。為減少試樣與壓頭間的摩擦對應(yīng)力狀態(tài)的影響，壓縮時在試樣兩端涂上石墨鉭片作為潤滑劑。金相組織在OLYMPUS PMG3型顯微鏡上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu-Ni-Si-P-Cr合金流變應(yīng)力分析

圖1所示為 Cu-Ni-Si-P-Cr合金熱壓縮變形真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線。從圖1中可以看出，在高溫條件下，當真應(yīng)變ε超過一定值后，真應(yīng)力σ并不隨應(yīng)變量的繼續(xù)增大而發(fā)生明顯變化，即合金高溫壓縮變形時出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征。而在低溫條件下，如在溫度為 600和650 ℃下，當真應(yīng)變ε超過一定值后，真應(yīng)力σ仍然隨應(yīng)變量的繼續(xù)增大而減小，趨于穩(wěn)態(tài)變形。合金在同樣的變形溫度下，隨應(yīng)變速率的增加，材料的真應(yīng)力值升高，如合金在800 ℃變形時，應(yīng)變速率由0.01 s-1提高到5 s-1時，峰值應(yīng)力值由59.34 MPa提高到120.39 MPa。這說明該合金是正應(yīng)變速率敏感材料。同時還可以看出，在相等的應(yīng)變速率條件下，合金的真應(yīng)力值隨溫度的升高而 降低。

2.2 Cu-Ni-Si-P-Cr合金高溫變形過程中的組織演變

圖2所示為Cu-Ni-Si-P-Cr合金在變形溫度為650℃、變形速率分別為0.01、0.1、1和5 s-1時的金相組織。由于所取溫度較低，故晶體內(nèi)只有部分的再結(jié)晶晶粒。

動態(tài)再結(jié)晶是一個速度控制的過程，變形速度對新生晶粒的尺寸有很大的影響，及動態(tài)再結(jié)晶形核及長大需要一定的孕育期，除與畸變能大小和溫度高低有關(guān)外，還受原子擴散速率的影響。當應(yīng)變速率增大時，變形過程中產(chǎn)生的位錯來不及抵消，位錯增多，再結(jié)晶形核增加，導致晶粒細化。當應(yīng)變速率為0.01和0.1 s-1時沿晶界有細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒(見圖2(a)和(b))，但數(shù)量較少，并且這兩者的顯微組織很相近，即在較低應(yīng)變速率的條件下變形時，應(yīng)變速率對組織的影響不是很明顯。當應(yīng)變速率達到1 s-1時，組織內(nèi)部出現(xiàn)了較多的再結(jié)晶晶粒(見圖2(c))。當應(yīng)變速率達到5 s-1時，由于應(yīng)變速率較大，盡管有利于畸變能增加，但形變時間縮短，原子擴散不充分，阻礙了再結(jié)晶晶粒的長大，同時晶粒度會略有細化(見圖2(d))。

圖1 Cu-Ni-Si-P-Cr合金熱壓縮變形真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress—true strain curves of Cu-Ni-Si-P-Cr alloy at different hot compression temperatures and strain rates: (a) =0.01 s-1; (b) =0.1 s-1; (c) =1 s-1; (d) =5 s-1

圖2 Cu-Ni-Si-P-Cr合金在不同的變形速率下熱壓縮時的光學顯微組織Fig.2 Optical microstructures of Cu-Ni-Si-P-Cr alloy hot compressed at different strain rates (t=650 ℃, axial compression):(a) =0.01 s-1; (b) =0.1 s-1; (c) =1 s-1; (d) =5 s-1

圖3 =5 s-1時 Cu-Ni-Si-P-Cr合金在不同溫度下壓縮后的光學顯微組織Fig.3 Optical microstructures of Cu-Ni-Si-P-Cr alloy compressed at =5 s-1 and different temperatures: (a) t=600 ℃;(b) t=650 ℃; (c) t=700 ℃; (d) t=750 ℃;(e) t=800 ℃

動態(tài)再結(jié)晶過程是通過形核和長大來完成的，其機理是大角度晶界(或亞晶界)向高位錯密度的區(qū)域遷移，是一個熱激活過程，因此溫度對其有重要影響。再結(jié)晶晶核的形成與長大都需要原子的擴散，只有當變形溫度高到足以激活原子，使其能進行遷移時，再結(jié)晶過程才能進行。由于相對較低的變形溫度不利于晶界移動，再結(jié)晶孕育期延長，因此在光學顯微鏡下，圖2(a)和圖3(a)中均未觀察到動態(tài)再結(jié)晶行為。當溫度升高到700 ℃時，熱激活作用增強，原子擴散、位錯交滑移及晶界遷移能力增強，盡管此時的動態(tài)回復也會增強，減少形變儲存能，但高溫依然促進再結(jié)晶形核和晶粒長大。

2.3 Cu-Ni-Si-P-Cr合金高溫變形過程中熱變形激活能以及流變應(yīng)力方程的確定

熱變形過程中，材料在任何應(yīng)變或穩(wěn)態(tài)下的高溫流變應(yīng)力σ強烈地取決于變形溫度T和應(yīng)變速率。對不同熱加工數(shù)據(jù)的研究表明，σ和的關(guān)系可以采用Arrhenius關(guān)系表示[9-12]：

SELLARS和TEGART提出可采用一個含應(yīng)力的雙曲正弦函數(shù)來修正Arrhcnius關(guān)系，從而更好地描述熱激活行為[13-16]：

式中：A、n、α均為與溫度無關(guān)的常數(shù)；A為結(jié)構(gòu)因子，s-1；n為應(yīng)力指數(shù)；α為應(yīng)力水平參數(shù)，MPa-1；Q為熱激活能，它反映材料熱變形的難易程度，也是材料在熱變形過程中重要的力學性能參數(shù)；T為熱力學溫度；R為摩爾氣體常數(shù)；為應(yīng)變速率。

對式(2)兩邊取對數(shù)，并假定變形激活能與溫度無關(guān)，可以得到

圖4 不同溫度時應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between strain rate and peak stress at different temperatures: (a) ln — lnσ; (b) ln — σ;(c) ln -ln[sinh(ασ)]

在一定的應(yīng)變和應(yīng)變速率下，對式(3)中的1/T求導得：

將不同變形溫度下 Cu-Ni-Si-P-Cr合金變形時峰值流變應(yīng)力和應(yīng)變速率值代入式(4)，以ln 和ln[sinh(ασ)]為坐標作圖，如圖4(c)所示。式(3)中n值為ln—ln[sinh(ασ)]圖形中直線斜率的平均值。

在會屬和合金的熱加工變形過程中，應(yīng)變速率受到熱激活的控制，變形溫度和應(yīng)變速率對變形的影響由Zener和Hollomon通過引入?yún)?shù)Z來表示：

式中：Z為Zener-Hollomon參數(shù)，其物理意義為溫度補償?shù)膽?yīng)變速率因子。將Z參數(shù)代入式(2)可得如下關(guān)系：

對式(6)兩邊取自然對數(shù)可以得到：

將不同變形條件下的峰值應(yīng)力值代入上式，以ln[sinh(ασ)]- 103T-1為坐標作圖，如圖5所示。

圖5 峰值應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between peak stress and temperature

將得到的Q值帶入式(5)得

圖6 峰值應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between peak stress and Zener-Hollomon parameter

對式(6)兩邊求導得

以lnZ和ln[sinh(ασ)]作圖，如圖6所示。由圖6可得n=10.57，A=e78.02。

將求得的各材料參數(shù)值代入式(2)，得到Cu-Ni-Si-P-Cr合金熱壓縮時的流變應(yīng)力方程為

Cu-Ni-Si-P-Cr合金熱壓縮時的流變應(yīng)力方程的獲得能夠為實際的熱軋制生產(chǎn)工藝提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

1) Cu-Ni-Si-P-Cr合金在高溫熱壓縮實驗中，合金的流變應(yīng)力曲線表現(xiàn)出動態(tài)再結(jié)晶特征，動態(tài)再結(jié)晶是熱變形過程中的主要軟化機制。流變應(yīng)力峰值隨溫度的降低和應(yīng)變速率的增大而升高。

2) Cu-Ni-Si-P-Cr合金在熱壓縮過程中當應(yīng)變速率較小時，沿晶界有細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒，但在較低應(yīng)變速率的條件下變形時，應(yīng)變速率對組織的影響不是很明顯。當應(yīng)變速率增大時，由于形變時間縮短，阻礙了再結(jié)晶晶粒的長大，晶粒得到細化。

3) Cu-Ni-Si-P-Cr合金合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力可以用Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲函數(shù)形式進行描述，從而得出了該合金熱壓縮變形時的熱變形激活能Q=747.9 kJ/mol和流變應(yīng)力方程：

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