粉末冶金法制备Mo-30Cu合金微观组织研究.pdf

第 2 8卷第 2期 2 0 1 0年 4月 粉末 冶金技 术 Po wde r M e t al l u r gy Te c hno l og y Vo 1 ． 2 8，No ． 2 Apr ． 2 01 0 粉末冶金法制备 M o 一 3 0 C u 合金微观组织研究 韩胜利 蔡一湘 宋月清 崔 舜 ’ 1 广州有色金属研究 院， 广州5 1 0 6 5 0 2 北 京有 色金属研 究总院 ， 北京1 0 0 0 8 8 摘要 Mo - C u合金具有 高的导热 系数 和低 的热膨胀 系数 ， 被广泛用作热沉材 料和 电子封装 材料 。采用液 相烧结法制备出 Mo - 3 O C u合金 ， 通 过 X R D、 S E M、 T E M 等对该 合金 的微观 组织 结构进 行 了观察分 析 ， 结 果表 明 该合金组织分布均匀 ， 组织中只含有 Mo 、 C u 两 相 ， 在两相之间有 一 Mo 、 C u互溶 区。对 Mo 一 3 0 C u合金 的室 温拉伸断 口和轧制变形后的微观结构进行 了分析 ， 其 断裂机制 以 c u相 的撕裂为 主 ， 伴 随有 M o 、 C u界面 的分 离 ， Mo 、 M o晶粒间界面的分离和 Mo晶粒 的解理 断裂 。 关键 词 电子封装材料 ； M o ． C u 合 金 ； 液相烧结 ； 微观结构 I nv e s t i g a t i o n o n m i c r o s t r u c t ur e s o f M o- 3 0 Cu a l l o y pr e p a r e d b y po wde r m e t a l l ur g y Ha n She ng l i ” ，Ca i Yi xi a ng“，So ng Yue q i ng ”，Cui Shun 1 G u a n g z h o u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f N o n f e r r o u s Me t a l s ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 5 0 ， C h i n a 2 B e i j i n g G e n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r N o n f e r r o u s Me t a l s ， B e r i n g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a Ab s t r ac t Mo Cu a l l o y s wi t h t he h i g he r t h e r ma l c o n du c t i v i t y a n d l o we r t h e rm a l e x p a n s i o n a r e wi d e l y u s e d a s e l e c t ric a l pa c ka g i n g ma t e ria l s a nd he a t s i n k ma t e ria l s ． Mo - 3 0Cu a l l o y wa s pr e pa r e d b y l i qu i d s i n t e r i n g ． Mi e r o s t r u c t u r e s o f t h e a l l o y we r e i n v e s t i g a t e d w i t h XR D ， S E M ， T EM e t c ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e mi c r os t r u ct u r e o f Mo- 3OCu a l l o y i s h o mo g e n e o u s， t h e r e a r e Mo ph a s e a n d Cu p ha s e i n t he a l l o y， a mut u a l s o l u t i o n z o ne i s be t we e n Mo g r i a n s a n d Cu p ha s e ． The o bs e r v a t i o ns o f t he r o o m t e mp e r a t ur e f r a c t u r e a n d a s r o l l e d mi c r o s t r uc t u r e s o f Mo 一 3 0Cu a l l o y b y S EM a n d TEM s h o w t ha t t h e f r a c t ur e me c h a ni s m i s c o mp o s e d o f c o p p e r b i n d e r f r a c t u r e， mo l y bd e n um- c o p pe r b i nd e r i nt e r f ac e s e p a r a t i o n a n d mo l y bd e n um pa r t i c l e c l e a v a g e ． Ke y wor dse l e c t r i c a l p a c k a g i ng ma t e r i a l s； Mo Cu a l l o y s； l i qu i d p ha s e s i n t e rin g； mi c r o s t r u e t u r e s 随着通讯和微 电子技术的快速发展 ， 集成 电路 和电真空器件等不断向高功率、 微型化和轻量化方 向发展 ， 这对配套的热沉、 电子封装及电真空材料提 出更高的要求 。除要求材料具有高 的导热性、 可调 节的热膨胀系数外 ， 还要求具有更小的重量和体积 、 更高的致密度和更好 的气密性 。Mo ． C u合金是 由高熔点 、 低膨胀系数 的 M o和高导电、 导热率的 c u 制成的假合金 p s e u d o a l l o y 。两组 元之间互不溶 解的特性使它们在复合之后呈现出两元素本征物理 特性的特定组合 ， 可以根据使用要求灵活 、 准确地设 计成分 。因此 ， Mo C u合金已被广 泛应用 于电触 头 韩胜利 1 9 7 8一 ， 男 ， 博士 。Em a i l s h l i h a n 1 6 3 ． t o m 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 0 3 材料 、 热沉材料 、 电子封装材料和航天高温材料等领 域 。本文作 者用特殊的粉末冶金工艺制备 出 了相对密度大于 9 9 ％的 Mo 一 3 0 C u合金， 对该合金 的 微观结构进行了分析研究。 1 试 验 本试验 将混 合后 的 Mo 、 C u合 金粉 末压 制成 q b 2 0 m m l O O m m 圆棒 ， 然后 采 用一 种 独 特 的烧 结 工 艺在钼丝炉中进行烧结 ， 氢气气氛保护。采用阿基 米德排水法测定密度 ， 用 T C一7 0 0 0 H激光热导仪测 试合金 的热导率 。使用 WD Z型数字式涡流电导仪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷第 2期 韩胜利等 粉末冶金法制备 M o 一 3 0 C u合金微 观组织研究 8 9 到一定程度时会发生 c u相和 Mo晶粒的分离， 形成 形 ， 一小部分 Mo晶粒发生解理断裂 。 大量 的韧窝 ； 当载 荷进 一 步 增加 时 ， M o晶粒 开始 变 a 合金组织 0 l 2 0 扫描路径， 岬 b C I l 元素线扫描分布图 l 2 ’ 扫描路径 mm c Mo元素线扫描分布图 图 3 M o ． 3 0 C u合金 的组织分 布 Fi g ． 3 Th e e l e me nt s d i s t r i bu t i o n o f l i n e a r s c a nn i n g f o r Mo 一 3 0Cu a l l o y 图 4 Mo 3 0 C u合金的界面 F i g． 4 TEM mi c r o g r a ph s o f Mo - 3 0Cu a l l o y i n t e r f a c e s 图 5 Mo ． 3 0 C u合金的 X R D分析图 Fi g ． 5 XRD pa t t e r ns o f Mo一 30Cu a l l o y 2 ． 4 Mo - 3 0 C u合金 轧制变 形后 的微 观结构 图 8为 Mo ． 3 0 C u合 金 轧 制 后 不 同变 形 量 的组 织 。图 8 a 的变形 量 为 1 0 ％ ， 可 以看 到 Mo晶粒 因 变形沿轧制方 向有轻微 的拉长， M o晶粒呈椭球形 ， 粘接相 C u也 随 M o晶粒 有 被 拉 长 的 趋 势 ， 此 时 C u 的变形 占主要地位 ； Mo相和 C u相之间的结合很紧 密， 两相 的变形协调性很好 。随着变形量的增加 ， 其 组织结构较原始组织发生显著变化 ； 图 8 b 为变 形量 8 0 ％的组织 ，M o 、C u两相被拉成更细、 更长的 条状，Mo 、 C u两相均匀交替分布。 a C u相 ； b Mo相 图 6 Mo 一 3 0 C u合金的 T E M 衍射 斑点 Fi g ． 6 Di f f r a c t i o n s po t s o f Mo 一 3 0Cu a l l o y 由于 Mo - 3 O C u合 金 在 轧 制 时 容 易 产 生 裂 纹 导 致合金开裂 ， 大大降低 了合金轧制 的成品率。本试 验对轧制合金的裂纹进行了观察 和分析 ， 找 出了合 金轧制中裂纹产生 的原 因。图 9为 Mo ． 3 0 C u合金 轧制变形量为 3 0 ％后裂纹的 T E M像 。图 1 O为 M o ． 3 0 C u合金轧制过程 中产生裂 纹的 S E M像 ， 变形量 为 3 0 ％ 图9 a 和 2 0 ％ 图 9 b 。结合图 9 、 1 0 分析 裂纹 产生 的原 因 从 图 9 a 和 图 l 0 a 中可 以 看到 M o 、 C u合金 界面 的分离 ， 从 图 9 b 和 图 1 O b 中可以看到发生解理断裂 的 Mo晶粒 。可以推 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末 冶金技术 2 0 1 0年 4月 断 Mo 一 3 0 C u合金轧制过程 中的裂 纹和室温拉伸断 合金界面的分离和 Mo 颗粒的解理断裂。 裂 裂纹产 生 的机理 有相 似 之 处 ， 主要 是 由于 Mo 、 C u a 宏观撕裂棱 ； b 断 I I 组织 中的撕裂棱 ； c 韧窝； d 微观组织 高倍放大 图 7 Mo 一 3 0 C u 合金室温拉伸断 口微观组织 Fi g ． 7 Ro o m t e mp e r a t u r e t e n s i l e f r a c t u r e s u r f a c e o f Mo 一 3 0Cu a l l o y a 1 0 ％ ； b 8 0 ％ 图 8 Mo ． 3 0 C u合金轧制后不同变形 量的组织 Fi g ． 8 Mi c r o s t r uc t u r e s o f Mo 一 3 0Cu a l l o y t O di f f e r e n t de f o r ma t i o n d e g r e e by c o l d r o l l i n g 3 结论 1 Mo ． 3 0 C u合金组织分布均匀致密 ， 无孑 L 隙存 在 ， 网络状 的 C u均 匀 分 布 于 Mo晶粒 形 成 的 骨 架 中 ， 合金 组织 中只含 有 Mo 、 C u两 相 ， 在 Mo 、 C u界面 处存在 Mo 、 C u互溶区。 2 Mo ． 3 0 C u合 金室温拉伸 断 口中有 大量 的韧 窝 ， 其断裂机制 以 c u相的撕裂为主， 伴 随有 Mo 、 C u 图 9 M o ． 3 0 C u 合金轧制变形量为 3 0 ％后裂纹的 T E M 图 Fi g ． 9 TEM i ma g e o f c r a c k i n Mo 一 3 0Cu a l l o y wi t h 3 0％d e f o r ma t i o n by c o l d r o l l i n g 界面的分离 ， Mo 、 Mo晶粒间界面的分离和 M o晶粒 的解理 断裂 。 3 轧制后 的 M o ． 3 0 C u合金组织形貌发生 明显 的变化 ， M o晶粒 沿轧 制方 向被 拉长 ， C u相 成长 条状 与拉长的 Mo相交 替分布 ； 且随着 变形量 的增 大， Mo 、 C u相被拉长越 明显 。轧制时 M o ． 3 0 C u合金容 易产 生裂 纹而 开 裂 ， 裂 纹 产生 的原 因 主要 是 Mo C u 界面的分离和 Mo晶粒的解理断裂。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷第 2期 韩胜利等 粉末冶金法制备 M o ． 3 0 C u 合金 微观组织 研究 9 l a 3 0 ％； b 2 0 ％ 图 1 0 Mo - 3 0 C u合金轧制后裂纹 的 S E M 图 F i g． 1 0 S EM mi c r o g r a p h s o f c r a c k i n Mo一 3 0Cu a l l o y b y c o l d r o l l i ng 参考文献 [ 1 ]吉洪亮 ． Mo - C u粉末的机械合 金化及烧结特性研究 ．长沙 国防 科技大学， 2 0 0 2 [ 2 ]南海 ， 曲选辉， 方玉诚 ， 等 ．电子封装 用注射成形 Mo ／ C u合金烧 结工艺 的研究 ．粉末冶金工业 ， 2 0 0 4， 1 4 6 1 5 [ 3 ]J o h n s o n J o h n L ，Ra n d a l l M． P r o c e s s i n g o f Mo - C u f o r t h e r m a l ma n a g e me n t a p p l i c a t i o n s ． T h e I n t e r n a ti o n a l J o u r n a l o f Po wd e r M e t a l l u r g y ， 1 9 9 9 ， 3 5 8 3 9 4 8 [ 4 ]李晓红 ， 解子章 ， 杨让 ．高含 C u量 Mo C u合 金的液相烧结 ．北 京科技大学学报， 1 9 9 6 ， 1 8 4 3 3 0 [ 5 ]李 晓红 ， 解子章 ， 杨让 ．机械 活化 Mo ． C u粉末的烧结．北京科技 大学学报 ， 1 9 9 6 ， 1 8 5 4 2 4 [ 6 ]贾成厂 ， 关 秀虎 ， 李晓红 ．机械 活化对 Mo C u粉末烧 结行 为的影 响 ．粉末冶金技术 ， 2 0 0 0 ， 1 8 3 1 6 31 6 6 [ 7 ]贾成厂 ， 解子章 ．微观组织与应力状态 对烧结 Mo ． C u合金 热膨 胀系数的影响／ ／ 第 l O届全 国难熔金属 学术交 流会 文集 ． 2 0 0 2 8 5 8 8 [ 8 ]韩胜利 ， 宋月清 ， 崔舜 ， 等 ． Mo ． C u合金的开发和研究进展 ．粉末 冶金工业 ， 2 0 0 7 ， 1 7 5 4 0 4 5 [ 9 ]李云平 ， 曲选辉 ， 段柏 华 ． W／ C u ． Mo ／ C u复合 材料的最新 研究状 况 ．硬质合金 ， 2 0 0 1 ， 1 8 4 2 3 22 3 6 [ 1 0 ]Wa n g K S ， Y a n g S C， Wa n g W S ． Mo C u h e a t s i n k s ma d e b y C O s in t e rin g a n d i n fi l t r a t i o n t e c h n i q u e s ．Ad v a n c e s i n P o wd e r Me t a l l u r g y a n d P a r t i c u l a t e Ma t e ri a l s ， 1 9 9 5 ， 3 1 2 5 1 2 5 7 [ 1 1 ]吕大铭 ．粉末冶金钨钼材料发展 的国 内外 近况 ．粉末冶金 工 业 ， 1 9 9 7 3 4 0 4 3 [ 1 2 ]何忠 ．粉末法 制取钼 铜合金 的微观 结构 ．材 料科学 与工 程 ， 2 0 0 0， 1 8 4 7 57 8 上接第 8 6页 参考文献 [ 1 】J o h n s o n J L ，G e r ma n R M．Ad v a n c e i n p o w d e r me t a l l u r g y a n d p a r t i c u l a t e ma t e ria l s ．Th e I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f P o wd e r Me t a l l u r g y ，1 9 9 3 ， 4 1 2 0 1 2 0 9 [ 2 ]D a v i d J W ，B a r a b a s h V R ，Ma k h a n k o v A ，e t a 1 ．A s s e s s m e n t o f t u n g s t e n f o r u s e i n I TER p l a s ma f a c i n g c o mp o n e n ts ． J o u r n a l o f Nu c l e a r Ma te r i a l s ，1 9 9 8，2 5 82 6 3 3 0 8 31 2 [ 3 ]Wa n g W F ．E ff e c t o f t u n g s t e n p a r t i c l e s i z e a n d c o p p e r c o n t e n t o n wo r k i n g b e h a v i o r o f W Cu a l l o y e l e c t r o d e s d u r i n g e l e c t r o d i s c h a r g e m a c h i n i n g ．P o w d e r Me t a l l u r gy，1 9 9 7 ， 4 0 4 2 9 5 3 0 0 [ 4]L e e J S ，K i m T H ． D e n s i fi c a t i o n a n d mi e r o s t rne t u r e o f t h e n a n o c o mp o s i t e W Cu p o w d e ． Na n o s t rne t u r e d Ma t e ria l s ，1 9 9 5，6 5 8 6 9 1 [ 5 ]K i m B K，C h o i C J．F a b ri c a t i o n o f n a n o s t r u e t u r e d p o w d e rs b y c h e mi c a l p r o c e s s e s ．S e r i p t a Ma t e r ， 2 0 01 ，4 4 21 612 1 6 4 [ 6]K i m Y D ．S i n t e ri n g o f t u n g s t e n c o p p e r m a d e f r o m m e c h a n i c a l l y a l l o y e d o r r e d u c e d p o wd e r s ． MP R ，2 0 0 2 3 8 [ 7 ]范景莲 ， 刘军 ，严德剑 ， 等 ．细晶钨铜复合材 料制备工艺 的研 究 ．粉末冶金技术 ， 2 0 0 4， 2 2 2 8 38 6 [ 8 ]程继贵，雷纯鹏 ， 蒋 阳， 等 ．纳米 w c u粉末 的均相沉淀法制备 及其烧结性 能 ．中国有色金属学报 ， 2 0 0 5 ， 1 5 1 8 9 9 3 [ 9 】L i Y u n p i n g ， Y u S h u ．T h e rma l m e c h a n i c a l p r o c e s s i n p r o d u c i n g h i g h d i s p e r s e d t u n g s t e n c o p p e r c o mp o s i t e p o wd e r ． I n t e r n a t i o n a l J o u rn a l o f Re f r a c t o r y Me t a l s＆ Ha r d Ma t e ria l s．2 0 0 8 [ 1 O ]刘涛 ， 范景莲 ， 成会 朝， 等 ． W 一2 0 ％C u超细复合粉末 的制备 和 烧结 ．粉末 冶金技术 ， 2 0 0 7， 2 5 4 2 5 92 6 1 [ 1 1 ]戴遐明 ．喷雾热解一种重要的微粉制备工艺 ．粉体技术 ， 1 9 9 5 ， 1 2 2 83 3 [ 1 2 ]K i m D G， Mi n K H，C h a n g S Y，e t a1．E f f e c t o f p r e r e d u c e d C u pa r t i c l e s o n h y d rog e n r e d u c t i o n o f W o x i d e i n WO3 一 C u O p o wd e r mi x t u r e s ． Ma t e ria l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g A， 2 0 05， 3 99 3 2 63 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m