C19400引线框架高精铜带制造工艺研究葛小牛;徐向棋【摘要】通过金相组织观察、硬度测试、拉伸性能测试、导电率等方法,对C19400引线框架高精铜带制造工艺中的铸造工艺、热轧工艺、热处理工艺和冷轧工艺等进行了研究和分析,发现添加适量的固溶Fe后,并优化铸造、热轧、热处理和冷轧工艺后提高了成品的强度,硬度和导电性,且满足成品尺寸和表面精度的要求.【期刊名称】《铜陵学院学报》【年(卷),期】2017(016)006【总页数】3页(P108-110)【关键词】C19400铜合金;力学性能;制造工艺【作者】葛小牛;徐向棋【作者单位】安徽鑫科铜业有限公司,安徽芜湖 241006;铜陵学院,安徽铜陵244000【正文语种】中文【中图分类】TG339随着电子工业的迅猛发展，铜合金引线框架材料取得了惊人的发展，在目前拥有的70多个品种中，使用量也在不断增长。
引线框架材料大多用于集成电路和半导体分立器件上，它的主要功能是支撑芯片、散失热量和连接外部电路，是集成电路中极为关键的部件[1]。
从上世纪80年代开始，铜合金引线框架材料因其高传导性、良好的加工性能、良好的电镀钎焊性能及必要的强度等特点，备受市场青睐。
我国引线框架材料的生产始于上世纪80年代末期，但就其发展速度来讲，远远落后于集成电路生产的发展，这是因为铜合金引线框架高精铜带在生产制造工艺方面存在诸多技术难题。
铜合金带材作为引线框架首先材料已为人们共识。
迄今，具备电导率80%IACS以上、抗拉强度600MPa以上、90°弯曲加工性良好的材料尚未开发出来，为满足高性能、低成本的产业化要求，引线框架材料除应具有高强高导外，还应具有较好的导热、耐蚀、耐氧化等其他性能[2-3]。
如：性能均匀性、尺寸公差精度、版形等。
一般来说，铜基材料的强度和导电率是一对矛盾体，电导率高则强度低，强度高则电导率很难提高，因此为了获得高导电高强度的引线框架材料，必须利用合金元素的特殊性能来改善其综合性能。
同时由于受到生产技术水平以及设备的影响，国内生产出的引线框架材料无论在品种、性能、精度、板形、表面质量等方面远落后于国外先进工业国家。
为了满足发展需求，研发高强高导的铜基引线框架材料势在必行。
本文将以C19400引线框架高精度铜带为研究对象，优化其铸造、热轧、热处理和冷轧等工艺，改善产品的性能。
一、C19400引线框架高精铜带生产流程C19400引线框架高精铜带主要由立式半连续铸锭，经加热、热轧及双面铣削后再冷轧，中间退火采用带保护气强对流钟罩炉，成品退火采用气垫式连续退火炉，铜带经表面清洗、拉伸弯曲矫直、剪切后包装入库，流程为：熔炼→立式半连铸→加热→热轧→铣面→粗轧→切边→退火→酸洗→中精轧→清洗→拉弯矫直→剪切→包装→入库。
二、工艺优化（一）铸造工艺铜带一般不仅要有高的导电率，还必须有一定的强度和耐高温性能，为此需要在熔炼时添加一些微量元素，形成固溶强化，C19400引线框架高精度铜带在生产中加入一定量的纯铁。
由于铜铁为难混溶合金，且铁的熔点较高，在使用电解铜和工业纯铁熔炼C19400引线框架高精铜带时会出现铁漂浮在铜表面，易与空气接触快速形成铁渣。
C19400引线框架高精度铜带在铸造时，首先，将配比好的铜、铁同时加入熔炼炉中溶解，并且使用木炭覆盖表面，防止熔体和空气接触吸气。
然后采取快速冷却，使高温状态下有较高溶解度的熔体快速冷却到常温，从而得到Fe元素过饱和的组织。
在生产C19400过程中，为保证铸坯不发生开裂，并结合能耗问题，设定拉铸温度在1150℃-1250℃之间。
此外，调整冷却水流量大面和小面冷却水在600m3/h和200m3/h，使铸锭表面不出现挂铜、肌瘤等问题。
连铸坯出结晶器后，保持2-3m的红锭，之后浸没入水冷区快速冷却，保留高温过饱和组织。
（二）热轧工艺C19400在热轧过程中温度的变化会极大影响铜带的性能以及后续冷加工，终轧温度过低，过饱和固溶的Fe会大量析出，造成带材变形不均匀、热轧开裂以及冷轧板形差甚至开裂等现象。
因此，适当提高终轧温度，减少固溶Fe析出是热轧过程中至关重要的因素，在生产过程中，通过提高轧制速度，减少除鳞水道次等方法降低坯料的温降。
为保证C19400产品的终轧温度，步进炉加热时，设定加热温度在900℃以上来保证开轧温度；此外，由于C19400产品容易发生氧化，步进炉中的气氛需要控制为微还原性气氛，减少表面氧化皮的产生，提高热轧料卷的表面质量。
图1为C19400热轧后的金相组织，由图可知，热轧后仍然存在一定纤维状组织，未完全再结晶。
其中，金相组织中较多黑色为晶界析出的富Fe相，是由很多细小弥散的黑色颗粒和破碎的Cu基体晶界混在一起形成的。
这一部分富Fe 相位于晶界处，对导电率的影响最大。
经测算，热轧后的导电率约为21-27%IACS，说明Fe相在Cu中的固溶度仍然较大[4]。
图1 热轧料金相组织（三）热处理工艺C19400框架材料导电率的提高主要依赖于退火时效，使固溶在Cu中的Fe弥散析出，从而提高基体的导电率。
试制的C19400中间热处理退火采用罩式炉退火和连续式气垫炉退火。
罩式炉退火特点是一次性可退火料卷多，保温时间较长，可以保证充分的时效时间。
经过摸索和实验，确定了罩式炉退火时的升温速率、保温时间、保温温度和降温速率对导电性能的影响，选择最佳退火工艺，得到最大导电率可达60%IACS以上。
通过罩式炉一次退火时效后的组织发现，富Fe析出物的数量大大增加。
但是，组织中存在两种问题：(1)退火后组织晶粒长大不明显，可能是晶粒在长大过程中受到析出的富Fe相阻碍，晶界被钉扎，再结晶过程难以进行。
(2)退后组织不均匀，在料卷内圈位置，富Fe相主要呈片状析出，分布较为集中；而在料卷外圈位置，富Fe相析出较为均匀，各区域的数量没有明显差异。
经过中轧后，分别使用罩式炉和气垫炉退火发现：(1)气垫炉退火相比于罩式炉退火，得到的组织更加均匀，富Fe相分布更加弥散；(2)罩式炉退火后的导电率提高较为明显，均可以达到70%IACS以上。
而气垫炉退火后的导电率略有降低。
为保证成品导电率在63%IACS以上，留底产品的导电率需保证64%IACS以上。
经一次罩退一次气退的在制料导电率可达64%IACS，经两次罩退的在制料导电率可达70%IACS。
使用不同的在制料退火工艺，可以保证成品导电率在63%IACS-65%IACS以上。
表1为C19400在退火前后的导电性和力学性能的变化。
表1 C19400试制品在退火前后的力学性能和导电性规格状态抗拉强度/MPa延伸率/%硬度(HV0.3)导电率(%IACS)0.6 mm 气垫炉退火 360 27 100 64硬态466 / 142 65 0.7 mm 罩式炉退火 350 25 100 75硬态 466 / 146 65为提高高精度铜带的性能，需要对这个中间退火后的半成品进行最后成品退火。
在不发生回复再结晶的温度下保温一定时间，进行低温退火，使组织中的位错和晶界发生一系列复杂的变化，硬度可以从150-155HV提高到160-165HV。
（四）冷轧工艺冷轧时，为保证表面不出现色差、公差在±0.005μm、板型良好，需要对加工率、加工道次等工艺进行研究。
轧制道次压下量分配以满足各道次轧制力相近为依据，并在轧制时用轧制油进行冷却轧辊，降低变形抗力，使用挤干辊保证表面不出现油印。
使用张力辊，保持轧制过程中的稳定，配合AGC厚度闭环控制，提高公差精度[5]。
为提高板形精度在试制C19400时采用20辊轧机进行冷轧生产。
20辊轧机轧辊较多，轧辊的合理配置是板形控制的一大重点。
装配的轧辊保证辊系配比合理，中间辊的配对要求保证在0.005mm以内，和工作辊接触的轧辊锥度也需要控制，锥长保证为110mm，锥深0.06%-0.1%。
所有轧辊的同心度和圆轴度保证在0.002mm。
为保证板形良好，在轧制时采用ABB板形控制系统，保证板形控制在10I以内[6]。
20辊轧机的控制主要在于冷却液的配比。
较低冷却液因冷却不足或油膜不均会出现色差等缺陷，较高冷却液流量会导致辊系间以及轧辊和带面之间打滑，造成带面划伤。
因此在轧制低粗糙度C19400产品时，带材表面冷却液和辊缝冷却的流量要比其它材料轧制的流量要适当下调。
另外对与带材表面接触的挤油辊维护也是重要点，需定期清理修磨，否则易造成带面划伤。
轧制低粗糙度产品就需要低粗糙度轧辊，一般轧辊的粗糙度要控制在Ra0.05-0.08μm之间。
为达到此目标使用全自动MV479L型进口磨床对轧辊进行磨削。
需要攻关的难点有两点，一是辊面存在横纹、斜纹等磨削纹路，二是辊面存在磨削短线划伤。
在解决辊面纹路时重点在控制床身精度、顶针跳动、砂轮平衡、圆跳动等设备精度方面的保障；在解决辊面划伤需要从砂轮的目数、砂轮粘合剂的选型，同时砂轮修磨、磨削工艺以及切削液浓度、过滤精度都要严格管控。
三、成分及性能分析C19400通过上述的铸造、热轧、热处理、冷轧等工艺的优化后，分别进行了化学成分和力学性能分析。
（一）成分分析采用德国SPECTRO MAXx直读光谱仪成分检测系统，检测了铸坯的化学成分（见表2），经分析，C19400试制品的各项成分指标均符合企业标准Q/XK（JD）006-2015 《引线框架用铜合金带材》中的相关规定。
表2 C19400引线框架高精铜带化学成分化学成分 Cu Fe Pb ZnPC19400/H04 97.53 2.24 ＜0.005 0.092 0.024 C19400/H06 97.54 2.26＜0.005 0.091 0.020日本标准余量＜3% ＜0.03 ≤0.03 ≤0.25通过与日本标准（JIS 3110:2006）对比，可以看出各元素含量均符合JIS标准，且杂质元素如Pb元素含量远低于JIS中标准的要求。
（二）力学性能测试表3 力学性能试验表合金或标准厚度mm 状态抗拉强度/MPa延伸率\/%硬度(HV0.3)导电率(%IACS)C19400/H04 0.254 H04 424 6.0 131 64.18C19400/H06 0.254 H06 486 5.0 142 63.54日本标准 0.254 SH 420-490 / 130-150 ＞60利用长春试验机研究所电子万能拉伸试验机和莱州华银数字显示硬度计，分别检测了试制的C19400的力学性能（见表3），分析可知，在满足电导率的情况下所有力学性能指标均符合企业标准Q/XK（JD）006-2015《引线框架用铜合金带材》中的相关规定，并且经过优化制造工艺后，试制的C19400引线框架高精铜带在尺寸精度、抗拉强度和硬度性能上均高于日本标准要求。
四、结论C19400引线框架高精铜带在生产过程，通过添加固溶元素Fe，然后在铸造时控制拉铸温度和速度，并在900℃以上进行热轧而形成Fe的过饱和组织，然后采用罩式和气垫炉进行多次退火后，调控Fe的均匀弥散析出，在冷轧时使用多辊轧制并结合板形动态控制等技术，最后对成品进行低温退火，可以使产品质量提升，成本降低。