关于退火温度与铅框铜带梯度微观结构及残余应力之间相关性的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Study on the correlation between annealing temperature and the gradient microstructure and residual stress in lead frame copper strip

研究采用短时退火（3min，150-550℃）调控C70350铜合金带材残余应力，通过TEM、EBSD和XRD分析发现，350℃时面内残余应力（RD）最低，250℃时厚度方向（TD）残余应力最小。退火温度影响位错密度与析出物分布，导致相界关系变化。150-450℃范围内残余应力由位错和析出物协同作用主导，且带材厚度方向存在拉压应力梯度，表面至中心Cube织构强度递减。结果表明，250-350℃退火可平衡残余应力与综合性能，为电子封装材料优化提供理论支撑。

　　在当今电子信息技术飞速发展的背景下，集成电路（IC）的性能和复杂度不断提升，这使得传统铅框制造工艺面临革新。铅框作为连接芯片与外部电路的关键结构，其制造材料的性能直接影响到芯片的安装精度和长期运行的可靠性。目前，超过80%的铅框材料采用高性能铜合金带材制造，这类材料需要具备高强度、高导电性、良好的塑性和可加工性，以满足日益精密的电子设备需求。随着电子设备的微型化趋势，铅框的厚度和精度要求不断提高，传统的机械冲压工艺已难以满足这些高标准，因此化学蚀刻技术逐渐成为制造超薄、高精度铅框带材的重要手段。

化学蚀刻是一种精密制造工艺，通过选择性溶解金属表面来形成微米级的图案。该工艺通常包括以下几个步骤：首先，在金属表面均匀涂覆光刻胶，然后通过光掩模进行紫外曝光，接着进行显影以形成光刻胶图案，暴露出需要蚀刻的区域，最后使用专门的蚀刻剂对金属进行选择性溶解，从而获得所需的铅框结构。然而，在化学蚀刻过程中，局部材料的去除会破坏原有的应力平衡，导致工作件发生变形。这种变形不仅影响后续的芯片焊接过程，还可能影响产品的长期使用性能，因此控制化学蚀刻后的残余应力成为铅框材料制造中的关键课题。

残余应力是金属材料在外部载荷去除后仍然存在的内部应力，其形成通常与材料在加工或热处理过程中经历的不均匀塑性变形、热梯度或相变有关。根据其空间尺度，残余应力可以分为三类：第一类为宏观应力，其作用范围覆盖整个材料，主要由非均匀塑性变形、热效应或化学反应引起；第二类为微观结构应力，其存在于多个晶粒或亚晶粒之间，是晶粒尺度不均匀变形的结果；第三类为原子尺度应力，其源于晶格缺陷（如空位、间隙原子）的形成，代表了原子间的相互作用应力。在实际应用中，残余应力不仅影响材料的力学性能，还可能对产品的使用寿命和稳定性产生深远影响。

在铅框制造领域，残余应力的调控对于提升材料的综合性能至关重要。当前的研究表明，残余应力的形成和演变受到多种微观结构因素的共同影响，如位错密度、析出物状态、晶界结构和织构成分。这些因素之间的相互作用可能呈现出复杂的协同效应，而传统的单一参数分析方法难以全面揭示其机制。因此，建立精确的结构-性能关联模型，成为当前研究的重要方向。通过多尺度的表征技术，可以更深入地理解残余应力的形成机制及其对材料性能的影响。

在本研究中，我们采用了一种跨尺度的表征方法，对C70350铜合金带材在不同温度下的残余应力进行系统分析。首先，我们测量了在不同温度下进行短时退火处理后的样品的力学性能，考察了表面微观结构和宏观织构的变化。随后，我们对退火后的样品进行逐层去除，以分析不同梯度层的微观结构演变和残余应力分布。通过这种多尺度的表征方法，我们旨在揭示退火温度对铜合金带材性能的多维影响，包括微观结构、宏观织构、力学性能和残余应力分布。这些研究成果可以为优化铜合金带材的生产工艺提供理论指导。

研究发现，退火温度对残余应力的演变具有显著影响。在150–550°C的范围内，退火温度对残余应力的调控呈现出非线性特征。在较低温度下（如150°C），残余应力随着退火温度的升高而逐渐降低，但当温度进一步上升时，残余应力又开始增加。具体而言，纵向残余应力（RD）在350°C时达到最低值，而横向残余应力（TD）则在250°C时达到最小值。这表明，在不同的退火温度区间，残余应力的演变受到不同的主导因素影响。在250–350°C的中等温度范围内，短时退火（3分钟）能够有效降低残余应力，同时保持材料的优异综合性能。而在更高的退火温度（如350°C和550°C）下，析出物与位错之间的相互作用发生变化，析出物对位错的钉扎效应被削弱，从而影响残余应力的演变。

此外，研究还发现，在退火处理后，铜合金带材的纵向残余应力呈现出交替的拉伸和压缩应力梯度。这种应力分布的不均匀性可能与材料的织构变化有关，特别是在带材的中心区域，立方织构的强度逐渐降低。这表明，织构的演变在一定程度上影响了残余应力的分布模式。同时，研究还观察到，位错密度与局部立方织构含量之间存在正相关关系，这反映了轧制工艺和中等温度退火的共同作用。通过深入分析这些因素之间的相互作用，可以更全面地理解残余应力的形成机制及其对材料性能的影响。

为了进一步揭示这些机制，研究采用了多种表征技术，包括透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）。这些技术能够分别从微观结构、宏观织构和残余应力的角度对材料进行分析。通过TEM可以观察到位错密度的变化以及析出物的形态和分布；通过EBSD可以分析材料的宏观织构变化，包括晶粒取向和织构强度；而XRD则能够测量表面应变，进而推断出材料的残余应力状态。这些表征手段的结合，使得研究能够从多尺度的角度全面分析退火温度对铜合金带材性能的影响。

研究还发现，退火温度对铜合金带材的力学性能具有显著影响。在150–450°C的范围内，退火处理后的带材的抗拉强度和电导率均有所提升，但当温度超过550°C时，抗拉强度和电导率则出现明显下降。这种变化可能与位错密度和析出物状态的演变有关。在较低温度下，退火处理有助于位错密度的降低，同时促进析出物的再分布，从而改善材料的综合性能。而在较高温度下，析出物的溶解和位错的再排列可能进一步影响材料的力学性能。这种复杂的相互作用表明，退火温度的调控需要综合考虑多种因素，以实现最佳的材料性能。

为了验证这些结论，研究还对退火后的样品进行了逐层去除分析，以考察不同梯度层的微观结构和残余应力分布。通过这种分析方法，研究能够更准确地了解残余应力在材料厚度方向上的分布情况。此外，研究还发现，不同退火温度下，材料的织构和微观结构发生变化，这些变化可能进一步影响材料的力学性能和残余应力状态。因此，建立精确的结构-性能关联模型，对于优化铜合金带材的制造工艺具有重要意义。

在实际应用中，残余应力的调控不仅影响材料的加工性能，还可能对产品的使用寿命和可靠性产生深远影响。因此，深入研究残余应力的形成机制及其对材料性能的影响，是当前材料科学领域的重要课题。通过本研究，我们希望为铜合金带材在铅框制造中的应用提供理论支持，帮助优化制造工艺，提高材料的综合性能。这些研究成果不仅有助于提升铅框材料的质量，还可能为其他高精度电子材料的制造提供借鉴。