0 引言

随着电子信息高新技术的迅速发展，对电子材料的需求日益增大，由于我国的电子行业起步较晚，大量的材料仍需进口。KFC引线框架材料是在铜中加入少量的铁、磷等元素的低铁铜合金，以其优良的导电率，较好的强度和耐热性能而广泛的用于三极管、半导体及IC引线框架。研究KFC材料的组织与性能，对于提高我国生产KFC材料的生产技术，提高产品的质量，具有十分重要的意义。

1 试验方法

选用国外生产的两种规格的KFC引线框架材料，用Spectro LAB直读光谱仪进行化学成分分析；用CMT5105电子万能试验机进行抗拉强度的测定；用HXD-1000-TMB维式硬度计测试材料在室温、经250、350、400、450、520℃分别加热5min后的硬度；用ZEISS金相显微镜观察组织形貌，浸蚀剂为Fe（NO）₃酒精溶液。

2 试验结果与讨论 2.1 试验结果 2.1.1 材料的化学成分

两种规格材料的化学成分见表 1。

从整体上，1号试样中Fe、P含量比2号试样多。1号试样中Fe、P原子比为1.73:1，2号试样中Fe、P原子比为2.45:1，1号试样中P的加入比例相对较高。

2.1.2 材料的力学性能

两种规格材料的室温力学性能见表 2。

1号试样的抗拉强度、硬度较大，2号试样的抗拉强度相对较小、硬度较小。室温性能1号样优于2号样。

2.1.3 材料的金相组织

两种规格的材料的金相组织形貌如图 1、图 2所示。

1号试样内部有细小的沉淀颗粒，同时也有分布不均匀的粗大颗粒。2号试样内部为细小且分布均匀的第二相沉淀颗粒。

2.1.4 材料在不同温度加热后的硬度

将两试样在不同的温度加热，测定加热后材料硬度的变化。硬度的不同变化反映材料不同的耐热性能。见图 3。

1号试样在450℃以前，硬度值略有下降，450℃以后材料的硬度才有大幅度的下降。2号试样从室温到520℃时，硬度值一直没有大幅度的下降。一般将材料加热后硬度降为原硬度的80%的温度定义为材料的耐热温度。经作图，1号试样的耐热温度为475℃，2号试样的耐热温度大于520℃。2号试样的耐热性能性能优于1号试样。

2.2 试验结果分析

KFC合金是在铜中加入Fe、Zn、P等低固溶度元素，是典型的析出强化型合金。由Cu-Fe相图可知，Fe在铜中的固溶度随温度有重大变化，1094℃时有最大的固溶度4.0%，而室温下，Fe几乎不溶入Cu中，以α-Fe形式输出，如果有磷存在，可以生成细小的Fe_mP金属化合物，该化合物的析出导致合金的强度增加^[1]。加入的合金元素的作用分别如下。

（1）Fe的作用：细化晶粒；延长再结晶过程，提高材料的强度和硬度；降低材料的导电率^[2]。

（2）P的作用：可以脱氧，固溶在铜中，防止氢脆；与合金中的Fe、Mg、Co等元素作用，形成第二相而使材料强化；降低材料的导电导热性能^[3]。

（3）Zn的作用：增加材料的强度；防止在金属基体与渡层中间出现脆性第二相Cu₃Sn、Cu₆Sn₆^[3]，改善长期工作后合金与焊料的结合情况，提高集成电路焊点的可靠性乃至器件的可靠性^[4]。

材料中适量的元素的加入，对改善材料的性能有好处，但一定要控制在一定的范围之内，铁和磷的加入量以铁磷原子2:1~3:1的比例为宜^[1]。

1号试样中，Fe、P原子比为1.73:1，P的含量相对较高，过量的P与Fe形成Fe_mP金属化合物。当形成的化合物颗粒分布不均，生产工艺没控制好时，易在材料中形成粗大的Fe₃P沉淀颗粒。由金相图可以看出，1号试样中有大的析出颗粒，2号试样中析出颗粒的尺寸较小。

KFC合金经固溶、时效处理，材料内析出的第二相沉淀颗粒使材料的强度增加，合金的强化理论mott-nabarro理论认为^[5]：沉淀颗粒引起材料的强度的增加值为：

式中：μ——沉淀颗粒的切变模量；

r——沉淀颗粒的半径；

φ——沉淀颗粒的体积分数；

ε——错配函数；

b——柏氏矢量。

由两试样化学成分分析比较可知，1号试样中，Fe、P含量比2号试样多。两试样的金相组织可以看出，1号试样内部细小沉淀颗粒的体积分数φ₁大于2号试样内部沉淀颗粒的体积分数φ₂，1号试样内部细小沉淀颗粒的半径r₁大于2号试样内部沉淀颗粒的半径r₂，同时1号样的晶粒内还有粗大的、较硬的沉淀颗粒，对材料的强度、硬度也有增加。因此1号试样整体上室温强度、硬度值大于2号试样。

材料内部析出的第二相沉淀颗粒对位错的运动起阻碍作用，位错与沉淀颗粒的交互作用遵循Qrowan机制^[6]：

式中：Δτ——位错绕过析出颗粒时临界分切应力的增值；

r——析出颗粒半径；

L——析出颗粒之间间距。

沉淀颗粒的半径越大，颗粒之间的距离越小，临界分切应力增值越大，材料抗拉强度越大。

材料内部析出的沉淀颗粒的分布及大小，同样影响材料的使用性能。作为引线框架材料的KFC, 要求在400~500℃时，有较好的耐热性能^[7]，即在此温度时，材料在3min左右，硬度不应有明显的下降。两试样的试验结果表明，2号试样在500℃左右有较好的耐热性能。2号试样的使用性能较好。

两试样的金相图片的比较可以看出，1号试样的晶粒内部，第二相沉淀颗粒较多（有细小的沉淀相，也有大颗粒的沉淀相）。材料在加热时，第二相沉淀颗粒聚居、长大，在温度较高时，粗大的第二相沉淀颗粒将会异常长大，使材料中起强化作用的第二相沉淀颗粒的体积分数迅速降低，材料出现软化现象。2号试样中第二相沉淀颗粒的大小及分布均匀，材料在加热过程中，第二相均匀长大，彼此相互制约，同时细小均匀分布的第二相沉淀颗粒对位错及晶界起钉扎作用，有效地阻止了晶界和位错的移动，使得材料在较高温度下有较好地耐热性能。

1号试样的室温力学性能优于2号试样，但2号试样的耐热性能优于1号试样，从整体上没法说那种试样较好，要根据实际产品的使用要求来评判。但归根结底要通过控制产品的化学成分和产品的内部组织结构，从而控制产品的性能。

3 结论

（1）KFC合金中，Fe、Zn、P等低固溶度元素的加入量，以及加入比例，影响产品的最终性能，探索合理的加入量以及加入比例，对保证产品的性能有很大的意义。

（2）合金内部第二相的分布及大小，影响产品的力学性能及耐热性能。生产中，应根据成品的性能要求，合理控制生产工艺参数，从而控制材料内部第二相沉淀颗粒的大小及分布。