超声诱发塑性变形纯铝箔的组织与性能

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金属铝作为电子封装引线键合技术中最常用的材料之一,在超声作用下形成楔形焊点键合,用以在芯片和引线框架间形成电气互连,其在超声诱发变形过程中的性能对互联焊点的形成及可靠性尤为重要。因此,本文对不同超声工艺参数下的铝箔基体组织、织构进行了深入的研究,并对不同变形程度的铝箔进行显微硬度、拉伸性能以及断裂失效模式分析。本文试验采用控制变量法,分别控制超声振幅、超声时间和预留间隙(变形量)三个关键变量,逐一探讨它们对塑性变形铝箔的组织和性能的作用规律。主要利用电子背散射衍射(EBSD)获取的取向成像图、晶界图、取向分布函数(ODF)等来研究铝箔基体的组织演变规律;采用数字显微硬度计和万能试验机对基体硬度和拉伸性能进行测量和分析;利用扫描电镜(SEM)观察断口的失效模式。研究结果表明:超声致铝箔塑性变形过程中,铝箔的组织得到了不同程度的细化,从原始样品平均晶粒40μm细化到平均晶粒8μm。超声振幅和超声作用时间对基体的组织及织构影响相对较弱,但总体趋势是细化程度增加,取向差增大。变形程度无疑是对组织和织构影响最大的因素,随着变形程度的增加,晶粒细化、取向差变化明显,当变形量达到50%这样超大变形量后铝箔基体在超声作用下出现明显的动态回复和再结晶现象,从而使变形织构含量增速降低,再结晶织构含量减速降低甚至小幅回升。组织决定性能,组织的变化必然在性能上得以体现,为探索组织变化对铝箔基体显微硬度、拉伸性能的影响,本文以超声诱发不同塑性变形量为变量,测试分析铝箔显微硬度和拉伸性能。随着铝箔变形量的增加,显微硬度曲线呈现先上升和后下降的演变规律。其原因在于晶粒的细化以及变形织构含量的提升导致显微硬度曲线前期的上升;超声效果的增强、温度的升高、以及铝本身为高层错能金属,导致变形量增大到25%后,动态回复再结晶现象增强,再结晶织构含量上升,导致显微硬度曲线后期的降低。对于拉伸性能也有类似的变化规律,但有所不同的是拉伸性能峰值变形量在显微硬度峰值对应的变形量之后出现,这是因为晶粒细化作用在回复和再结晶作用增强后仍在持续,同时二者都对拉伸性能的提高起到正向作用,从而使拉伸性能峰值对应变形量延后。结合断口失效模式和组织取向成像图对延展性的分析结果表明:随着变形程度的增加,铝箔的塑性先升高,后急剧降低,最后缓慢回升。前期升高时断口的韧窝形态细小且较深,是加工强化和晶粒的细化作用共同作用引起。骤降阶段时断口平滑韧窝很浅,韧性较差,这是超声的高变形速率导致变形织构比例大幅上升,再结晶织构比例严重下降,疲劳严重,缺陷增多等因素共同作用所引起;而随着超声作用进一步增强,温度升高,回复和再结晶效果增强,部分缺陷得到恢复,再结晶织构比例缓慢回升,变形织构比例有所降低,从而导致整体塑性缓慢回升。
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