5G通信键合线的生产工艺研究

导读：键合线作为集成电路半导体封装用的核心材料，是连接引线框架引脚和硅片、传达电信号的关键零件。随着5G通信用芯片的高度集成化和微小化，键合线的布线也更加密集，要求直径更细、结构稳定性更好、高保真、高传输速率、高柔性，对键合线材料连续超细成形能力及高强高导性能提出更高要求。与键合线的传统材料——金线和银基合金线相比，铜银合金材料在保持优良导电导热性能的同时，具有高强度、低成本等优点，在5G通信键合线领域具有广阔的应用前景。

目前，国内外学者在铜银合金的基础上采用微合金化手段进一步研究了多组元合金的组织和力学性能。刘月等发现形变热处理可以显著提高Cu-0.13Cr-0.074Ag合金综合力学性能，合金在870℃×1h固溶，冷轧40％，480℃×2h时效后能够实现力学性能和电学性能的良好匹配；徐高磊等采用了上引连铸制备了Cu-Cr-Ag合金经过轧制和热处理之后合金具有良好的综合性能；李红卫等对Cu-Ag-Cr合金强化机制进行了定量探讨，发现Cu-0.1Ag-0.5Cr合金强化机制是Ag的固溶强化、预冷变形引入的亚结构强化以及Cr粒子的析出强化。以上研究结果表明，Cu-Ag-Cr合金经过高温处理后Ag和Cr会溶入到铜基体中形成过饱和固溶体，随后时效过程将过饱和固溶体分解产生显著的弥散强化效果。而为了进一步提高材料的综合性能，通常在热处理的同时加入冷变形。冷变形通常可以在晶体内部产生高密度位错，并为析出相析出提供能量，同时能够细化组织。固溶强化，弥散强化和形变强化等综合作用可以使合金在获得良好抗拉强度的同时，又具有良好的导电性能。因此，在热处理过程中加入形变是重要的研究方向，而上述研究对形变和热处理两种强化方式的组合不够系统。所以本课题设计了3种热处理和形变的组合方案，研究了形变和热处理对合金组织和性能的影响，为Cu-Ag-Cr合金性能优化提供了一种新的思路。

1.试验方法 试验材料为热型水平连铸Cu-0.52Ag-0.22Cr合金棒材。首先，在真空熔炼炉中分别制备Cu-3.5Ag和Cu-1.0Cr合金。然后放入热型水平连铸熔炼炉中熔炼，直接制备出Φ16mm的Cu-0.52Ag-0.22Cr合金棒料。对合金进行以下3种工艺处理：工艺A：拉拔变形（85.9%）→固溶（950℃×1h）→时效（450℃×2h）；工艺B：固溶（950℃×1h）→拉拔变形（85.9%）→时效（450℃×2h）；工艺C：拉拔变形（85.9%）→时效（450℃×2h）。

2.结果与讨论 2.1合金性能 图1为Cu-0.52Ag-0.22Cr合金经3种不同工艺处理后的性能对比。

（a）电导率；（b）显微硬度；（c）抗拉强度；（d）伸长率 图1Cu-0.52Ag-0.22Cr合金经3种工艺处理后的性能对比 2.2合金显微组织和断口形貌变化 经过不同工艺处理后合金横截面显微组织见图2，3种工艺下组织存在较大差异。工艺A处理后，合金表现为明显的等轴晶，晶粒较为细小，拉拔对组织变化影响较小。因为工艺A拉拔后进行固溶处理极大消减了加工硬化，使得合金硬度和抗拉强度较工艺B和工艺C明显下降，同时，沿拉拔方向的取向性消失，电子在传输的过程中穿过的晶界界面增多，受到的阻碍增大，因此电导率会降低。工艺B的合金晶粒更加细小，具有明显变形痕迹，细小的晶粒可以对性能起到改善作用；工艺C中合金变形痕迹较为严重，且没有很多细小晶粒形成。

（a）工艺A；（b）工艺B；（c）工艺C 图2不同工艺处理后合金显微组织 （a）工艺A；（b）工艺B；（c）工艺C 图3不同工艺处理后合金的断口形貌 时效对合金强度和硬度的提升具有一定的影响，且时效过程中有第二相析出，可以使合金电导率显著提升。工艺A、B和C最终都经过时效处理，所以强度和硬度的影响因素与时效前工艺有关，为此针对拉拔变形在上述过程中起到加工硬化的作用，并探究其性能改善的作用机理，对拉拔变形后合金进行了检测。图4为拉拔后合金再结晶情况。可以看出，再结晶含量只有0.35%，且较为细小分布弥散；形变晶粒占99.6%，此时合金强化方式主要是晶粒不断碎化分解的过程；晶粒长大过程较弱，亚结构的含量也只有0.05%。

图4拉拔后合金再结晶情况 综上，分析工艺A发现，在拉拔变形后固溶消减了形变引起的加工硬化程度使得显微硬度和抗拉强度显著降低，再通过时效处理后合金电导率保持在了较高水平，但力学性能并不突出，且时效过程再结晶细化效果不显著；分析工艺B发现，在固溶后、时效前施加大变形量的拉拔变形，可以充分发挥冷作强化效应，并使时效过程中细晶强化效果变得显著，所得Cu-Ag-Cr合金晶粒细小，且具有拉拔造成的方向性，同时为后续时效析出强化储备能量，使得合金综合性能得到提升；而工艺C在省略固溶处理后，合金仍具有良好的综合性能，但是，因为没有发生回火再结晶，以及析出强化效果的弱化，合金整体性能略低于工艺B，所以在固溶和时效之间进行拉拔变形合金会具有更优良的性能，针对工艺C的研究结果能够表明固溶过程中引起的固溶强化能在一定程度上改善合金性能。

3.结论 （1）合金经过950℃×1h固溶→85.9%的拉拔变形→450℃×2h时效处理后具有更优良的性能，电导率、显微硬度（HV0.1）和抗拉强度分别达到了51.91MS/m、169.7和541.6MPa，伸长率为15.5%。

（2）电导率的提升主要受固溶和时效的影响，而拉拔变形引起的加工硬化对合金电导率的影响并不大，但是对显微硬度和抗拉强度的提升效果显著。

（3）拉拔变形的强化方式主要是晶粒不断碎化分解的过程，且在固溶和时效之间施加冷变形对Cu-Ag-Cr合金综合性能的提升作用显著。

来源：2020年第40卷第10期孔令宝拉拔变形和热处理对铜银合金组织性能的影响

以上是《5G通信键合线的生产工艺研究》的介绍，原文链接：http://www.xcmjd.com/txljjg/198.html