引线框架材料铁元素添加工艺研究
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摘要： 从企业生产实际出发，对引线框架材料C19400合金进行工艺实践.通过采用添加纯铁片和铜铁中间合金配置铁元素含量的试验研究，从金相组织、性能指标、生产成本、客户适用性和熔铸技术条件等5个方面进行对比分析.试验结果表明：纯铁片与铜铁中间合金的添加使用在金相组织和性能上差别不大，都能满足客户的需求，但是对于企业的生产运营在很大程度上降低了生产成本，从而为企业的批量生产提供了依据，值得在同类型企业中推广应用.
关键词： C19400合金； 纯铁片； 铜铁中间合金； 铁相富集
中图分类号： TG 339文献标志码： A
Application of Addition Technique of Iron in Lead Frame Materials
WU Hao
（China Copper Co.， Ltd.， Beijing 100082， China）
Abstract： Based on production demands in the enterprise，the application of addition technique of the lead frame material C19400 was carried out.Through the experimental study on pure iron sheets and configurations of iron content in copperiron intermediate alloy and contrastive analysis of microstructure，performance indicators，production cost，client suitability and casting technique，it was found out in the experiment that there was little difference in metallographic structure and performance between pure iron and copperiron alloy with addition of C19400，which both meet clients’ demand.However，the addition of iron to copperiron alloy can immensely reduce production costs and make mass production possible.Therefore it is worthy of popularization and application in the enterprises of the same type.
Keywords： C19400 alloy； pure iron； ironcopper intermediate alloy； enrichment of iron phase
引线框架作为集成电路的关键载体，起到支撑芯片、连接外部电路和散热的作用.铜合金引线框架材料因其高传导性、良好的加工性能、良好的电镀锻焊性能以及必要的强度特点，备受市场青睐.随着电子工业的迅猛发展，铜合金引线框架材料也取得了飞速发展.目前，国内只有中铝洛铜、中铝华中和宁波兴业等少数企业能够大批量生产引线框架铜带，高档引线框架铜带主要依靠进口.表1为美国标准引线框架材料C19400的合金成分.
熔铸过程中，Fe元素在产品中的分布是否均匀，将直接影响产品的性能.C19400合金含Fe量较高，Fe的质量分数为2.1%～2.6%，而Cu的熔点为1 083 ℃，Fe的熔点为1 535 ℃.直接加入铁片，生产过程控制难度大，结渣和烧损量大，成分控制困难，Fe在Cu中不易熔化且不易分布均匀.相比而言，采用CuFe中间合金，由于二次重熔，熔点变低，更有利于Fe在Cu中的熔化和均匀分布，可减少铸锭中Fe相富集，最大程度地保证C19400合金加工材各项性能的优化和稳定.在C19400合金试验过程中，采用过添加纯Fe片和CuFe中间合金配置合金中的Fe成分，在质量、成本和其他因素的影响下，对其进行研究，以便指导企业后续批量生产.
1试验方法
1.1试验方案
试验中Fe元素的添加通过两种方案进行，分别为添加纯Fe片和CuFe中间合金.每根铸锭计重10 t，原料添加方案分两种.
上海有色金属第37卷
方案1：添加CuFe合金+旧料（含19400、19200、10200，3个牌号，19400占旧料50%）
方案2：添加纯Fe片+旧料（含19200、10200两个牌号）
1.2试验过程
在2#框架炉组试验，试用纯Fe片配置C19400合金中的Fe元素.试验过程主要针对金相组织、性能指标、生产成本、客户适用性和熔铸工艺参数5个方面进行研究.
2结果与讨论
2.1金相组织
2.2性能指标
表2为成品性能的检测数据.通过对比分析可知，同种状态下，产品的平均硬度波动不大，相反，添加纯Fe片较添加CuFe合金生产的C19400合金的各种状态产品导电率略高2个点.
关于C19400合金的强化机制，普遍认为是析出强化[1-2]，但是关于C19400合金强化析出物的研究结果相差较大.有研究认为是Fe与P形成Fe3P化合物，并起到析出强化作用[3]；有研究认为是通过析出Fe2P起到强化作用[1]；还有研究认为析出的强化相主要是单质Fe[4].
2.3生产成本
CuFe中间合金含Fe量一般控制在10%左右，比纯Fe片使用量大.生产C19400合金（不加旧料的情况下）1 t，需CuFe合金230 kg左右；而使用纯Fe片仅需23 kg，CuFe合金原料使用成本大大高于纯Fe片.每生产1 t C19400合金铸锭，添加纯Fe片可降低成本315元.
2.4客户适用性
方案实施以后，C19400合金成品（大部分为添加纯Fe片生产）发货总量1 052 t，对23份投诉、33项质量问题进行分类统计发现：其投诉的主要问题为表面质量、尺寸公差、成分不合格以及管理等四大类，其中表面问题占60%以上，而关于产品性能的问题未接到一份投诉.
2.5熔铸工艺技术
从工艺技术角度分析，添加合格的CuFe合金较为方便，成分易于调整，并且成分分布易均匀.使用纯Fe片直接加入，容易在加入后成球状，不易分散，Fe的成分均匀化困难，不利于质量的稳定和生产过程的控制.从生产操作和纯技术角度分析，在中间合金质量受控的前提下，使用CuFe合金生产引线框架材料更容易控制.
而使用纯Fe片替代CuFe合金生产C19400合金铸锭的重点在熔铸工序，难点是铁片的熔化控制，主要涉及的是温度参数.试验收集了2012年7月至2013年1月熔铸生产的铸造温度进行对比分析，运用Mintab数据分析工具，分4部分对铸造温度进行分析，见表3.从表3中看出，熔铸生产的铸造温度、工序能力在逐步提高，温度极差逐步缩小，平均温度也较稳定.
生产中不仅要考虑Fe较难熔化到Cu液中和Fe的分布均匀性，还要考虑加料的顺序和P的添加.其原因是P与Fe、P与Cu反应的放热不一样，等原子比的P与Fe的反应放热为-39.5 kJ/mol，而P与Cu的反应放热为-17.05 kJ/mol，前者反应放热大，更易发生，Fe会将Cu3P的P置换出来生成更稳定的Fe3P[3].在生产实际过程中，先加CuP中间合金脱氧，并且P与Cu先生成Cu3P，再加入CuFe中间合金，Fe把Cu3P中的Cu置换出来，这样就可以形成均匀稳定的Fe3P.否则先加CuFe中间合金，在熔体中的氧会使Fe氧化成Fe的氧化物，而且P再与Fe结合成Fe的P化物就可能很困难，最后导致PFe化合物分布的不均匀.
而加入P的主要目的是脱氧和防止氢脆.如果熔炼时P的加入量过高，多余的P将与Fe结合形成Fe3P或Fe2P化合物，并以粗大颗粒析出.Fe3P及Fe2P相硬度较高，对合金有一定的强化作用.但是Fe3P与Fe2P相的大量析出，使得后续时效过程中起主要强化作用的αFe弥散相数量减少，反而使材料强度降低，从表1可以得到证实.另外，P的加入，会对产品的导电、导热性能产生不利影响.因此，在C19400合金熔炼过程中，P的添加量在满足脱氧和防止合金氢脆的前提下，应取下限.
3结论
（1） 从工艺技术分析，使用合格的CuFe中间合金，添加方便，成分易于调整，成分分布均匀；而使用纯Fe片直接加入，容易在加入后成球状，不易分散，Fe的成分均匀化困难，不利于质量稳定和生产过程控制.
（2） 从金相组织分析，纯Fe片与CuFe中间合金生产的C19400合金铸锭金相组织均存在不同程度Fe相偏析和富集，都存在少量夹杂和气孔缺陷.
（3） 从原料生产成本控制分析，使用纯Fe片的成本明显低于CuFe中间合金，故企业在不影响产品质量和性能的前提下，采取纯Fe片添加的方式批量生产更加符合实际.
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