CN109852838A

CN109852838A - 一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料

Info

Publication number: CN109852838A
Application number: CN201910225087.5A
Authority: CN
Inventors: 刘亚军
Original assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明公开了一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料。按照重量百分比,该合金的成分为:Mn:20.0‑25.0wt.%,Al:2.0‑2.5wt.%,Co:4.0‑5.0wt.%,Cu:8.0‑10.0wt.%,Y:0.1‑0.2wt.%,Sb:0.8‑1.0wt.%,Sn:1.0‑1.5wt.%,Te:0.1‑0.2wt.%,余量为银。该材料为在振动严重的环境下使用的电子器件提供了一种用于封装的银键合线,可以有效地克服现有银键合线阻尼性能不理想的现状。该材料的实施和产业化不仅可以有效地避免银键合线由于振动带来的疲劳破坏，同时也能获得极大的社会效益的经济效益。

Description

一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种银合金。

背景技术

工业振动带来的噪音污染已经成为对人类的一大危害，并与水污染，大气污染一起被看做世界范围内的三个主要环境问题。振动和噪音的来源很多，最主要的类型是:(1)机械本身或者一部分零件的旋转因组装的损耗和轴承的缺陷而带来的异常振动和噪音;(2)物体受到冲击时在短时间内大量的动能转换为振动和噪音;(3)由于物体固有频率与外加振动的频率有重合导致的共振;(4)高速运动的流体遇到障碍物而产生的乱流会导致振动和噪音。

机械结构中的振动会引起严重的宽频带随机振动和噪音环境，还会激发结构和电子控制仪器的共振峰。因而，使得机械结构出现疲劳失效和动态失稳定，严重的时候会使得电子控制仪器精度降低而发生故障。在航空航天领域，火箭的地面飞行和飞机实验故障的三分之一与振动有关。此外，由地震造成的振动引起的危害更是众所周知。噪音会给人带来生理上和心理上的危害，主要是损害听力，降低心血管功能和影响人的神经系统。因而在现代工业和交通运输业必须在根本上从技术，经济和效果等方面加以综合权衡和解决振动和噪音。

所有由振动和噪音引起的危害都可以通过降低材料或者结构的振幅来进行解决，也就是减少振动是降低噪音的根本措施。从根本上说来，结构材料的阻尼性能不佳是造成振动带来严重危害的重要原因。阻尼材料是将固体机械振动能转变为热能而耗散的材料，主要用于振动和噪声控制。为了提高结构的阻尼性能，可以将结构材料和阻尼材料同时用在结构设计中，即用结构材料承受应力和阻尼材料产生阻尼作用。结构材料和阻尼材料的联合作用可以使得整个机械结构产生突出的阻尼作用来达到控制振动和降低噪音的目标。

阻尼材料中最重要的两种类型是有机阻尼材料和合金阻尼材料。有机阻尼材料由于力学性能低和不耐高温等缺点而不能作为结构件来进行设计。阻尼合金具有优良的机械性能和阻尼减振性能，可以在机械设计的时候直接用于结构减振设计而不用附加其它的减振措施。阻尼合金具有多个品种，且不同品种的阻尼合金有着不同的力学性能和阻尼性能。目前应用的比较多的是锰基和铜基的阻尼合金，但是它们是有色金属且加工工艺繁琐。基于铝基，镁基和铁基的阻尼合金由于具备多种优异的物理性能，力学性能和阻尼性能逐步开始占据主导地位。

近年来，我国的合金新材料的质量，性能，绿色冶金水平显著的提升，合金新材料的产业发展也为我国工业转型升级提供了新的契机。目前，世界范围内也正在新材料领域建立健全的上下游产业合作机制，并加快新材料在工业领域的应用和推广。可以预计，在未来的工业化快速发展过程中，阻尼合金将在减振，降噪和电磁屏蔽等一些高技术领域获得更加广阔的应用。因而,开发高性能,高技术和高品质的新型阻尼合金将成为目前的主要方向。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料。按重量百分比计,合金的组成为Mn:20.0-25.0wt.%,Al:2.0-2.5wt.%,Co:4.0-5.0wt.%,Cu:8.0-10.0wt.%,Y:0.1-0.2wt.%,Sb:0.8-1.0wt.%,Sn:1.0-1.5wt.%,Te:0.1-0.2wt.%,余量为银。

上述一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料，包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料在感应电炉中熔炼，其中活泼或者易挥发元素以中间合金的形式加入;熔炼过程中采用石墨坩埚和氩气保护；坩埚加热到1000-1100度后形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右;将合金熔体在1000度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成棒状（直径50-60mm）。

上述一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料，包括如下加工步骤：（1）第一次的开坯，将铸锭材料真空炉中加热到500-600度后取出并进行旋锻开坯加工，直径缩5-8%，然后进行真空500-600度回火1小时后室温冷却。（2）多道次的旋锻，对棒材进行常温下的旋锻加工，每道次直径缩5-8%，每两道次后要进行500-600度的真空再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的棒材直径达到1-2mm。（3）多道次的拉丝，对棒材料进行多道次的室温拉丝，每道次直径缩5-6%，每两道次后要进行500-600度的再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的丝材直径达到所需的金合金键合线直径。（4）最后的热处理，将具备最终尺寸的银键合线在400-420度下时效4个小时并随炉冷却。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）引线键合由于工艺成熟,成本低廉和封装形式的多样性的特点在电子封装领域占有主流地位。金键合线由于耐腐蚀性能好和可靠性高的特点，但是由于造价昂贵的原因只在中高端产品中广泛使用。铜键合线由于硬度大，键合时候容易导致芯片损伤，且在非气密性的环境中容易腐蚀的缺点而只能用于中低端的产品。相比较而言，银键合线除了具有优秀的导热性能和稳定性外，还由于具有适当的成本因素而开始在微电子封装中逐渐应用。半导体产品用于振动比较大的场合要经受非常大的振动，这些振动使得半导体设备中的键合线在焊接点振动而引起的开裂和失效，严重降低了设备使用寿命。目前现有银键合线阻尼性能并不突出，在封装后就面临设备由于振动引起的故障。本专利就是为了解决现有银键合线的阻尼性能不足而提出的一种材料学解决方案。

（2）该高阻尼银键合线材料属于银锰系合金，其微观组织上的阻尼机理来自于顺磁-反铁磁转变以及fcc-fct马氏体相变后形成的反铁磁fct中孪晶界在材料受到外力变形过程中的运动而带来的能量耗散。本质上，fcc结构的银锰合金固溶体只有在锰含量大于70wt%以上时才会由于马氏体温度高于室温而在室温下自发进行马氏体转变。然而，当银合金中锰含量高于30wt%后铸造缺陷非常明显，严重的降低了最终产品的质量。在本专利中锰含量控制在20-25wt%，因而该成分合金在室温下并不能自发进行马氏体转变。由于fcc相在400-420度之间会发生调幅分解，初始成分均匀的固溶体会由于失稳而产生富锰的微观区域（含锰量大于70wt%）。可见，在调幅分解后该合金中的富锰区域便具备了在室温下产生马氏体相变的能力。概括说来，本专利的银锰合金通过合金熔炼后冷却到fcc相状态，然后在时效工艺下（400-420度1个小时）发生调幅分解（包括由于顺磁-反铁磁转变引起的）后富锰区域的马氏体相变（fcc-fct）。该银锰合金在时效后富锰区域的马氏体转变温度为85-92度，因而该合金在电子封装后能够产生阻尼效果的最高温度不能超过该温度段。这种材料的微观设计原理为本专利银锰基高阻尼合金奠定了结构基础。

（3）该合金具有极其优异的铸造性能，完全熔化的温度维持在850-900度，熔化温度范围可以达到120-160度。该合金熔体与铸型发生反应的机会和程度小，且合金熔体的纯净度很高。可以有效地克服传统铸造中经常出现的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题。在凝固过程中由于枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密实度很高（98%以上）。可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。传统的银键合线合金在铸造过程中由于出现明显的铸造缺陷而使得合金在随后的变形和拉丝过程中发生断裂，不仅严重的影响到了生产效率，也使得重新熔炼而增加了生产成本。

（4）在经过多次的拉把，再结晶退火和最终的时效后，该材料可以达到传统银键合线的力学性能：弹性模量为90-100GPa，屈服强度为120-130MPa，抗拉强度为160-180MPa，延伸率为14-16%。此外，该材料还具有非常优异的阻尼性能：SDC=20-25%，而传统银键合线的SDC小于5%。由于在拉把过程中进行了足够的变形和再结晶退火，因而最后的银键合线中晶粒细小，可以有效地增加马氏体相变时孪晶界面的数量。由于使用温度低于马氏体转变温度，该材料在服役5年之后没有明显的力学性能和阻尼性能的衰减。该合金可以采用传统设备进行生产，且加工方法简单而高效。在保证银键合线具有足够力学强度的同时，还能有效地克服振动带来的危害。不仅有利于工业生产，还能再解决行业难题的同时获得极大的市场价值。

具体实施方式

实施例1

一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料。按重量百分比计，合金的组成为Mn:20.0wt.%,Al: 2.0wt.%,Co:4.0wt.%,Cu:8.0wt.%,Y:0.1wt.%,Sb:0.8wt.%,Sn:1.0wt.%,Te:0.1wt.%,余量为银。

该合金具有极其优异的铸造性能，完全熔化的温度维持在860度，熔化温度范围可以达到125度。该合金熔体与铸型发生反应的机会和程度小，且合金熔体的纯净度很高。可以有效地克服传统铸造中经常出现的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题。在经过多次的拉把，再结晶退火和最终的时效后，该材料可以达到传统银键合线的力学性能：弹性模量为94GPa，屈服强度为128MPa，抗拉强度为162MPa，延伸率为15%。此外，该材料还具有非常优异的阻尼性能：SDC=21%，而传统银键合线的SDC小于5%。由于在拉把过程中进行了足够的变形和再结晶退火，因而最后的银键合线中晶粒细小，可以有效地增加马氏体相变时孪晶界面的数量。由于使用温度低于马氏体转变温度，该材料在服役5年之后没有明显的力学性能和阻尼性能的衰减。在保证银键合线具有足够力学强度的同时，还能有效地克服振动带来的危害。不仅有利于工业生产，还能再解决行业难题的同时获得极大的市场价值。

实施例2

一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料。按重量百分比计，合金的组成为Mn:25.0wt.%,Al:2.5wt.%,Co:5.0wt.%,Cu:10.0wt.%,Y:0.2wt.%,Sb:1.0wt.%,Sn:1.5wt.%,Te:0.2wt.%,余量为银。

该合金具有极其优异的铸造性能，完全熔化的温度维持在880度，熔化温度范围可以达到130度。该合金熔体与铸型发生反应的机会和程度小，且合金熔体的纯净度很高。可以有效地克服传统铸造中经常出现的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题。在经过多次的拉把，再结晶退火和最终的时效后，该材料可以达到传统银键合线的力学性能：弹性模量为95GPa，屈服强度为124MPa，抗拉强度为170MPa，延伸率为14%。此外，该材料还具有非常优异的阻尼性能：SDC=24%，而传统银键合线的SDC小于5%。由于在拉把过程中进行了足够的变形和再结晶退火，因而最后的银键合线中晶粒细小，可以有效地增加马氏体相变时孪晶界面的数量。由于使用温度低于马氏体转变温度，该材料在服役5年之后没有明显的力学性能和阻尼性能的衰减。在保证银键合线具有足够力学强度的同时，还能有效地克服振动带来的危害。不仅有利于工业生产，还能再解决行业难题的同时获得极大的市场价值。

Claims

1.一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料；按照重量百分比,该合金的成分为:Mn:20.0-25.0wt.%,Al:.0-2.5wt.%,Co:4.0-5.0wt.%,Cu:8.0-10.0wt.%,Y:0.1-0.2wt.%,Sb:0.8-1.0wt.%,Sn:1.0-1.5wt.%,Te:0.1-0.2wt.%,余量为银。

2.根据权利要求1所述一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料，其特征在于包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料在感应电炉中熔炼，其中活泼或者易挥发元素以中间合金的形式加入;熔炼过程中采用石墨坩埚和氩气保护；坩埚加热到1000-1100度后形成合金熔体，并利用电磁搅拌效应充分搅拌15分钟左右;将合金熔体在1000度保温静置15分钟后浇铸到水玻璃或者石墨模具内进行铸造成棒状（直径50-60mm）。

3.根据权利要求1所述一种基于调幅分解和马氏体转变的高阻尼银键合线材料，其特征在于包括如下加工步骤：（1）第一次的开坯，将铸锭材料真空炉中加热到500-600度后取出并进行旋锻开坯加工，直径缩5-8%，然后进行真空500-600度回火1小时后室温冷却；（2）多道次的旋锻，对棒材进行常温下的旋锻加工，每道次直径缩5-8%，每两道次后要进行500-600度的真空再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的棒材直径达到1-2mm；（3）多道次的拉丝，对棒材料进行多道次的室温拉丝，每道次直径缩5-6%，每两道次后要进行500-600度的再结晶退火1小时并随炉冷却，如此重复直到最终的丝材直径达到所需的银合金键合线直径；（4）最后的热处理，将具备最终尺寸的银键合线在400-420度下时效4个小时并随炉冷却。