吳　昊

(中國銅業(yè)有限公司, 北京　100082)

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引線框架材料鐵元素添加工藝研究

吳昊

(中國銅業(yè)有限公司, 北京100082)

摘要：從企業(yè)生產(chǎn)實際出發(fā),對引線框架材料C19400合金進(jìn)行工藝實踐.通過采用添加純鐵片和銅鐵中間合金配置鐵元素含量的試驗研究,從金相組織、性能指標(biāo)、生產(chǎn)成本、客戶適用性和熔鑄技術(shù)條件等5個方面進(jìn)行對比分析.試驗結(jié)果表明:純鐵片與銅鐵中間合金的添加使用在金相組織和性能上差別不大,都能滿足客戶的需求,但是對于企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營在很大程度上降低了生產(chǎn)成本,從而為企業(yè)的批量生產(chǎn)提供了依據(jù),值得在同類型企業(yè)中推廣應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：C19400合金; 純鐵片; 銅鐵中間合金; 鐵相富集

引線框架作為集成電路的關(guān)鍵載體,起到支撐芯片、連接外部電路和散熱的作用.銅合金引線框架材料因其高傳導(dǎo)性、良好的加工性能、良好的電鍍鍛焊性能以及必要的強(qiáng)度特點,備受市場青睞.隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展,銅合金引線框架材料也取得了飛速發(fā)展.目前,國內(nèi)只有中鋁洛銅、中鋁華中和寧波興業(yè)等少數(shù)企業(yè)能夠大批量生產(chǎn)引線框架銅帶,高檔引線框架銅帶主要依靠進(jìn)口.表1為美國標(biāo)準(zhǔn)引線框架材料C19400的合金成分.

熔鑄過程中,Fe元素在產(chǎn)品中的分布是否均勻,將直接影響產(chǎn)品的性能.C19400合金含F(xiàn)e量較高,Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%～2.6%,而Cu的熔點為1 083 ℃,Fe的熔點為1 535 ℃.直接加入鐵片,生產(chǎn)過程控制難度大,結(jié)渣和燒損量大,成分控制困難,Fe在Cu中不易熔化且不易分布均勻.相比而言,采用Cu-Fe中間合金,由于二次重熔,熔點變低,更有利于Fe在Cu中的熔化和均勻分布,可減少鑄錠中Fe相富集,最大程度地保證C19400合金加工材各項性能的優(yōu)化和穩(wěn)定.在C19400合金試驗過程中,采用過添加純Fe片和Cu-Fe中間合金配置合金中的Fe成分,在質(zhì)量、成本和其他因素的影響下,對其進(jìn)行研究,以便指導(dǎo)企業(yè)后續(xù)批量生產(chǎn).

表1　引線框架材料C19400合金成分

1試驗方法

1.1試驗方案

試驗中Fe元素的添加通過兩種方案進(jìn)行,分別為添加純Fe片和Cu-Fe中間合金.每根鑄錠計重10 t,原料添加方案分兩種.

方案1:添加Cu-Fe合金+舊料(含19400、19200、10200,3個牌號,19400占舊料50%)

方案2:添加純Fe片+舊料(含19200、10200兩個牌號)

1.2試驗過程

在2#框架爐組試驗,試用純Fe片配置C19400合金中的Fe元素.試驗過程主要針對金相組織、性能指標(biāo)、生產(chǎn)成本、客戶適用性和熔鑄工藝參數(shù)5個方面進(jìn)行研究.

2結(jié)果與討論

2.1金相組織

圖1和圖2分別為添加Cu-Fe合金和純Fe片生產(chǎn)的C19400合金鑄錠金相組織照片.通過金相組織照片可以看出,兩種合金鑄錠中都發(fā)現(xiàn)了少量的夾雜和氣孔.

圖1　添加Cu-Fe合金生產(chǎn)的C19400鑄錠金相組織圖

圖2　添加純Fe片生產(chǎn)的C19400鑄錠金相組織圖

圖3為添加純Fe片生產(chǎn)的C19400合金鑄錠的低倍組織.從圖3中可以看出,合金中分布著細(xì)小的等軸晶,在切面上沒有發(fā)現(xiàn)明顯的質(zhì)量缺陷.圖4為切片邊部1/2處金相組織情況,有Fe相與FeP相分布在基體上,Fe相存在偏析現(xiàn)象,FeP相聚集于晶界處,大部分的FeP相直徑在5 μm以下,極少部分達(dá)到10 μm.

圖3　添加純Fe片的低倍組織

圖4　切片邊部1/2處金相組織圖

2.2性能指標(biāo)

表2為成品性能的檢測數(shù)據(jù).通過對比分析可知,同種狀態(tài)下,產(chǎn)品的平均硬度波動不大,相反,添加純Fe片較添加Cu-Fe合金生產(chǎn)的C19400合金的各種狀態(tài)產(chǎn)品導(dǎo)電率略高2個點.

關(guān)于C19400合金的強(qiáng)化機(jī)制,普遍認(rèn)為是析出強(qiáng)化[1-2],但是關(guān)于C19400合金強(qiáng)化析出物的研究結(jié)果相差較大.有研究認(rèn)為是Fe與P形成Fe3P化合物,并起到析出強(qiáng)化作用[3];有研究認(rèn)為是通過析出Fe2P起到強(qiáng)化作用[1];還有研究認(rèn)為析出的強(qiáng)化相主要是單質(zhì)Fe[4].

表2　不同狀態(tài)下性能的差別

2.3生產(chǎn)成本

Cu-Fe中間合金含F(xiàn)e量一般控制在10%左右,比純Fe片使用量大.生產(chǎn)C19400合金(不加舊料的情況下)1 t,需Cu-Fe合金230 kg左右;而使用純Fe片僅需23 kg,Cu-Fe合金原料使用成本大大高于純Fe片.每生產(chǎn)1 t C19400合金鑄錠,添加純Fe片可降低成本315元.

2.4客戶適用性

方案實施以后,C19400合金成品(大部分為添加純Fe片生產(chǎn))發(fā)貨總量1 052 t,對23份投訴、33項質(zhì)量問題進(jìn)行分類統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):其投訴的主要問題為表面質(zhì)量、尺寸公差、成分不合格以及管理等四大類,其中表面問題占60%以上,而關(guān)于產(chǎn)品性能的問題未接到一份投訴.

2.5熔鑄工藝技術(shù)

從工藝技術(shù)角度分析,添加合格的Cu-Fe合金較為方便,成分易于調(diào)整,并且成分分布易均勻.使用純Fe片直接加入,容易在加入后成球狀,不易分散,Fe的成分均勻化困難,不利于質(zhì)量的穩(wěn)定和生產(chǎn)過程的控制.從生產(chǎn)操作和純技術(shù)角度分析,在中間合金質(zhì)量受控的前提下,使用Cu-Fe合金生產(chǎn)引線框架材料更容易控制.

而使用純Fe片替代Cu-Fe合金生產(chǎn)C19400合金鑄錠的重點在熔鑄工序,難點是鐵片的熔化控制,主要涉及的是溫度參數(shù).試驗收集了2012年7月至2013年1月熔鑄生產(chǎn)的鑄造溫度進(jìn)行對比分析,運(yùn)用Mintab數(shù)據(jù)分析工具,分4部分對鑄造溫度進(jìn)行分析,見表3.從表3中看出,熔鑄生產(chǎn)的鑄造溫度、工序能力在逐步提高,溫度極差逐步縮小,平均溫度也較穩(wěn)定.

生產(chǎn)中不僅要考慮Fe較難熔化到Cu液中和Fe的分布均勻性,還要考慮加料的順序和P的添加.其原因是P與Fe、P與Cu反應(yīng)的放熱不一樣,等原子比的P與Fe的反應(yīng)放熱為-39.5 kJ/mol,而P與Cu的反應(yīng)放熱為-17.05 kJ/mol,前者反應(yīng)放熱大,更易發(fā)生,Fe會將Cu3P的P置換出來生成更穩(wěn)定的Fe3P[3].在生產(chǎn)實際過程中,先加Cu-P中間合金脫氧,并且P與Cu先生成Cu3P,再加入Cu-Fe中間合金,Fe把Cu3P中的Cu置換出來,這樣就可以形成均勻穩(wěn)定的Fe3P.否則先加Cu-Fe中間合金,在熔體中的氧會使Fe氧化成Fe的氧化物,而且P再與Fe結(jié)合成Fe的P化物就可能很困難,最后導(dǎo)致P-Fe化合物分布的不均勻.

表3　熔鑄生產(chǎn)工藝控制情況

而加入P的主要目的是脫氧和防止氫脆.如果熔煉時P的加入量過高,多余的P將與Fe結(jié)合形成Fe3P或Fe2P化合物,并以粗大顆粒析出.Fe3P及Fe2P相硬度較高,對合金有一定的強(qiáng)化作用.但是Fe3P與Fe2P相的大量析出,使得后續(xù)時效過程中起主要強(qiáng)化作用的α-Fe彌散相數(shù)量減少,反而使材料強(qiáng)度降低,從表1可以得到證實.另外,P的加入,會對產(chǎn)品的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能產(chǎn)生不利影響.因此,在C19400合金熔煉過程中,P的添加量在滿足脫氧和防止合金氫脆的前提下,應(yīng)取下限.

3結(jié)論

(1) 從工藝技術(shù)分析,使用合格的Cu-Fe中間合金,添加方便,成分易于調(diào)整,成分分布均勻;而使用純Fe片直接加入,容易在加入后成球狀,不易分散,Fe的成分均勻化困難,不利于質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)過程控制.

(2) 從金相組織分析,純Fe片與Cu-Fe中間合金生產(chǎn)的C19400合金鑄錠金相組織均存在不同程度Fe相偏析和富集,都存在少量夾雜和氣孔缺陷.

(3) 從原料生產(chǎn)成本控制分析,使用純Fe片的成本明顯低于Cu-Fe中間合金,故企業(yè)在不影響產(chǎn)品質(zhì)量和性能的前提下,采取純Fe片添加的方式批量生產(chǎn)更加符合實際.

參考文獻(xiàn):

[1]趙謝群.引線框架銅合金材料研究及開發(fā)進(jìn)展[J].稀有金屬,2003,27(6):777-781.

[2]王濤,王碧文.IC銅合金引線框架材料[J].有色金屬加工,2002,31(2):9-17.

[3]馬莒生,黃福祥,黃樂,等.銅基引線框架材料的研究與發(fā)展[J].功能材料,2002,33(1):1-3.

[4]Ryu H J,Baik H K.Effect of thermo-mechanical treatment on microstructure and properties of Cu-base lead frame alloy[J].Journal of Materials Science,2000,35:3641-3646.

[5]《有色金屬及其熱處理》編寫組.有色金屬及其熱處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1981.

[6]趙東梅,董企銘,劉平,等.高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金合金化機(jī)理[J].中國有色金屬學(xué)報,2001,11(S2):21.

[7]謝水生,李彥利,朱琳.電子工業(yè)用引線框架銅合金及組織的研究[J].稀有金屬,2003,27(6):769.

[8]劉平,顧海澄,曹興國.銅基集成電路引線框架材料的發(fā)展概況[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,1998,13(3):37.

[9]陳興章,方守誼.高端銅材發(fā)展謅議[J].上海有色金屬,2014,35(1):1-6.

[10]Miyaka T Y.A copper alloy development for leadframe[A].Proceedings of 1995 Japan International,18th IEEE/CPMT International[C].1996.

[11]李智誠,薛劍鋒,朱中平.電子元器件新型有色金屬材料的生產(chǎn)和應(yīng)用[M].南京:江蘇科技出版社,1991.

[12]袁振宇,董企銘,劉平,等.時效對Cu-Fe-P合金顯微硬度及導(dǎo)電率的影響[J].熱加工工藝,2002,3:33.

[13]《重有色金屬加工手冊》編寫組.重有色金屬加工手冊(第一分冊)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1979.

[14]趙東梅,董企銘,劉平,等.探索高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金最佳成分的嘗試[J].功能材料,2001,32(6):609.

[15]曹育文,馬莒生,唐祥云,等.Cu-Ni-Si系引線框架用銅合金成分設(shè)計[J].中國有色金屬學(xué)報,1999,9(4):723.

Application of Addition Technique of Iron in Lead Frame Materials

WU Hao

(China Copper Co., Ltd., Beijing 100082, China)

Abstract：Based on production demands in the enterprise,the application of addition technique of the lead frame material C19400 was carried out.Through the experimental study on pure iron sheets and configurations of iron content in copper-iron intermediate alloy and contrastive analysis of microstructure,performance indicators,production cost,client suitability and casting technique,it was found out in the experiment that there was little difference in metallographic structure and performance between pure iron and copper-iron alloy with addition of C19400,which both meet clients’ demand.However,the addition of iron to copper-iron alloy can immensely reduce production costs and make mass production possible.Therefore it is worthy of popularization and application in the enterprises of the same type.

Keywords：C19400 alloy; pure iron; iron-copper intermediate alloy; enrichment of iron phase

中圖分類號：TG 339

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：吳昊(1983—),男,工程師,主要從事銅合金加工方面的研究. E-mail: lmjxzz88@sina.com

收稿日期：2015-04-20