超声诱发粗晶纯铝细丝塑性孪晶变形机理的研究

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1项目简介

孪晶（生）和滑移是晶体的两种基本形变机制。当晶体的外部几何尺度减小到亚微米量级时，其塑性变形方式将发生根本性的转变，例如块体钛合金发生这一转变的临界特征尺寸约为0.1～10 μm。而微电子封装互连材料的尺度正处于微米、亚微米量级（互连金属引线直径十几到几十微米、无铅焊料球直径上百微米），通过塑性形变来实现互连接头成形是最主要方法之一，如超声引线键合、超声钎焊。因此，非常有必要研究临界尺度范畴下晶体的塑性变形机制这一基本问题。

引入形变孪晶可以提高材料的导电性、强度、延展性等物理性能，有利于优化互连材料内部结构设计和互连点成形过程。更重要的是传统观点认为，对于具有高层错能的面心立方晶体结构的金属，如铝（层错能为104～142 MJ/m2），是不产生形变孪晶的。直至2003年以来，仅限于纳米晶纯铝、粗晶纯铝裂纹尖端区试验中陆续发现了形变孪晶的存在。在完整粗晶纯铝内部还未见形变孪晶的报道。因此，进一步研究粗晶纯铝的塑性变形行为及其发生机理具有十分重要的实际和理论意义。

此项目研究了在室温条件下晶粒尺度分布很广的普通粗晶纯铝中，功率超声作用后发生形变的塑性变形新机制，采用周期性动载荷功率超声振动为粗晶纯铝细丝提供塑性变形的高应力-应变条件、细化晶粒效应，进而诱发其产生由传统的位错滑移主导更替为孪晶变形的塑性变形新机制。

2项目进展

2.1形变铝丝的组织演变

首先，对功率超声诱发粗晶铝丝塑性变形后的显微组织及织构进行了观察与分析。超声诱发铝丝产生形变有两个方面的附加效应，即压力诱发的塑性形变和超声振动产生的热效应。图1给出采用电子背散射衍射（EBSD）分析获得的功率超声诱发纯铝细丝形变后微观组织的演变过程。

原始铝丝具有明显的织构（图1a）。经过超声作用后，铝丝产生的塑性变形率约为58%，铝丝表面区域的原始长轴晶粒被近似等轴晶粒取代，并且晶粒尺寸较大，可见该区域发生了再结晶和晶粒长大现象（图1b）。然而在铝丝的中心区域，仍然保持了原始的拉拔组织特点，这表明功率超声诱发铝丝发生形变过程中组织演变具有不均匀性的特征。铝丝的变形率进一步增大到约为80%，包括中心区域的整个铝丝都发生明显的再结晶和晶粒长大现象，平均晶粒直径约为10 μm，晶粒形状完全变为等轴晶（图1c）。超声作用后铝丝的织构不再特别明显；其次，虽然静载荷压力作用下铝丝同样会发生再结晶，但是并未观察到上述不均匀性的特征和晶粒长大的现象；再次，在240 ℃下恒温热老化60 min后，铝丝的组织与超声作用后与图1c类似。室温下超声诱发铝丝发生形变的时间不超过5 s，此间获得近似的组织，从能量密度角度来讲，超声与热作用差别极大。表明材料发生组织和织构转变的机制可能不同于一般的位错滑移，而以形变速率更快的孪晶切变方式进行，这有待于应用透射电镜进一步研究。

2.2形变铝丝的纳观组织

EBSD观察发现超声作用后铝丝表面优先发生再结晶，HR-TEM分析表明其内部存在不寻常的大尺寸层错，见图2。可用于铝、铜等多层箔的常温超声直接金属连接如图3所示，给出了Al/Cu/Al多层波直接超声键合，这在锂离子电池电极、电缆线等领域具有极大的实际应用价值。图2形变铝丝内存在层错图3功率超声多层金属箔直接键合3发表部分论文

（1）Ji Hongjun， Zhang Heng， Li Mingyu. Deformation characteristics of micrometer coarsegrained aluminum wires exposed under ultrasonic at room temperature， ICEPTHDP2011， 2011， Shanghai， China.

（2）Ji Hongjun， Li Mingyu， Wang Chunqing. Ultrasonicinduced deformation nanostructures in coarsegrained aluminum wires at room temperature， ICEPTHDP2012， 2012， Guilin， China.

计红军简介： 1980年出生，工学博士，副教授；主要研究领域为微连接、电子封装，从事超声在材料合成、加工及表征等方面的研究工作；