一种孪晶铜材料及制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种孪晶铜材料及制备方法和用途。所述孪晶铜材料具有(110)晶面择优取向，所述孪晶铜材料包括孪晶组织，所述孪晶组织包括孪晶片层，所述孪晶片层主要沿与晶粒生长方向夹角45

【技术实现步骤摘要】
一种孪晶铜材料及制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及高性能金属材料及特殊合金材料生产
，具体涉及一种孪晶铜材料及制备方法和用途。

技术介绍

[0002]电镀铜是电子电路的基本互连材料，承担信号和电力传输作用。电镀铜微纳组织结构及其热稳定性是影响材料常温和高温力学性能的重要因素。由于制造流程涉及树脂固化、钎料焊接等多道高温处理工序，电镀铜不可避免地在再结晶作用下发生晶界迁移和晶粒长大，通常引发材料强度的下降。
[0003]传统铜基结构材料的强度主要通过固溶强化、细晶强化、加工强化等方式提升，但大量杂质或缺陷的引入往往导致材料延展性和导电性的急剧降低。孪晶界是一种特殊亚晶界，中科院金属研究所卢柯等发现，引入高比例纳米孪晶界与普通晶界一样能够阻碍位错运动，但相比后者对电子散射能力小一个数量级，从而赋予铜材超高强度，以及不退化的延展性和导电性等一系列优势特性 (16
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25μm厚度铜箔，抗拉强度＞1000MPa，延伸率＞13％)。由于纳米孪晶是关于纯铜自身微纳组织结构的控制，因此在高性能电子电路领域具有重要应用潜力。
[0004]脉冲或直流电镀纳米孪晶铜工艺，是指电沉积直接制备具有典型高比例垂直于生长方向的纳米孪晶片层结构，即所谓生长孪晶。高比例纳米孪晶界的产生依赖电镀工艺及添加剂的选择，其形成机理可概括为电场施加与暂停(脉冲电镀)或添加剂吸附与脱附(直流电镀)等瞬态交替变化，会引起电结晶过程中反复的应力短暂积累并通过孪晶界形核释放，即形成所谓的生长孪晶。由于铜沉积趋于沿低表面能(111)晶面生长且层错能低，孪晶界平行于(111)晶面定向生长。而纳米孪晶界相比普通晶界能量更低、更为稳定，高比例的纳米孪晶界在热处理或自退火再结晶过程中可抑制晶界迁移和晶粒长大，从而使纳米孪晶组织表现出优于纳米晶、微米晶及粗晶等一般铜材组织的热稳定性。由上可知，该材料表现为(111)晶面高度择优取向，由于高密度纳米孪晶界的引入，赋予材料超高的强度的同时并不妥协其延展性和导电性，因此被广泛研究报道。
[0005]如今关于具有高比例孪晶界的铜材料(简称孪晶铜材料)的研究主要仍围绕(111)晶面择优取向和电镀生长孪晶开展，未见报道具有实用性的其他如(110) 低指数晶面择优取向孪晶铜材料的制备方法。中国台湾交通大学Chin Chen团队报道了一种电镀所谓(110)晶面高度择优取向微米孪晶铜的电镀方法(Materials2020,13,1211)，与(111)晶面高度择优取向、晶粒尺寸小(0.8μm)、孪晶片层间距小(35nm)的电镀纳米孪晶铜形成对比，该材料也具有一定比例孪晶片层，但不同的是晶粒尺寸较大(4.4μm)、孪晶片层间距较宽(387nm)且平行于生长方向。该组织250℃退火10分钟即发生明显的再结晶，晶粒长大明显，孪晶片层消失，因此所谓微米孪晶铜材料由于组织热稳定性较差仅作为反例展示。
[0006]综上，未见报道具有实用性的其他如(110)低指数晶面择优取向孪晶铜材料及其制备方法，对其进行研究以获得更具实用性的孪晶铜材料具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种孪晶铜材料及制备方法和用途。
[0008]为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种孪晶铜材料，所述孪晶铜材料具有(110)晶面择优取向，所述孪晶铜材料包括孪晶组织，所述孪晶组织包括孪晶片层，所述孪晶片层主要沿与晶粒生长方向夹角45
°
分布；具有所述孪晶片层的晶粒在所述孪晶铜材料的晶粒总数中的占比≥50％，和/或所述孪晶组织的体积占所述孪晶铜材料总体积的比值≥50％。
[0010]本专利技术中，“所述孪晶片层主要沿与晶粒生长方向夹角45
°
分布”中的“主要”指的是50％以上(例如52％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、 90％、92％、95％、96％、98％、99％或100％等)的孪晶片层。其中的“夹角”指的是孪晶片层与晶粒生长方向的锐角夹角。
[0011]本专利技术中，具有所述孪晶片层的晶粒在所述孪晶铜材料的晶粒总数中的占比例如可以是50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、 97％、98％或99％等。
[0012]本专利技术中，所述孪晶组织的体积占所述孪晶铜材料总体积的比值例如可以是50％、52％、55％、60％、63％、65％、70％、75％、80％、85％、88％、90％、 95％、97％、98％或99％等。
[0013]本专利技术提供的孪晶铜材料是一种(110)晶面择优取向退火孪晶铜，其中高比例的孪晶界稳定存在，相比(110)晶面高度择优取向电镀微米孪晶铜，具有更优异的组织热稳定性，在电子材料常见热处理温度范围(例如200℃～400℃) 晶粒无异常长大，并且表现出孪晶片层比例不降反升的独特性质。
[0014]本专利技术的孪晶铜材料能够适用于集成电路及线路板的制造封装为代表的电镀铜相关领域，优化电镀铜材料热处理组织结构的稳定性，即通过引入热处理产生并稳定孪晶组织，抑制晶粒在此过程的异常长大和材料强度的衰退。
[0015]以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。
[0016]优选地，对所述孪晶铜材料进行XRD衍射分析，(220)/(111)衍射峰强度比大于2，例如3、4、5、6、7、8、9或10等。强度比越高，代表更多晶粒沿 (110)晶面定向生长，孪晶片层与晶粒生长方向45
°
生长取向性更强。
[0017]优选地，所述孪晶铜材料通过对具有(111)晶面择优取向的预电镀铜材料进行热处理得到，所述热处理的温度≥200℃。示例性地，热处理的温度可以是 200℃、220℃、240℃、260℃、300℃、350℃、400℃或450℃等。
[0018]本专利技术中，预电镀铜材料指的是：未经退火处理的电镀铜材料。
[0019]通过对预电镀铜材料进行热处理，可以使(111)晶面择优取向转变为(110) 晶面择优取向，并伴随着高比例退火孪晶的形成，孪晶片层主要沿与晶粒生长方向夹角45
°
分布，得到的孪晶铜材料表现出优异的热稳定性。
[0020]在一个可选的实施方式中，热处理的方式为退火。退火前后的产品结构变化示意图参见图6。
[0021]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的孪晶铜材料的制备方法，所述制备
方法包括以下步骤：
[0022](1)配制镀液
[0023]所述镀液包含铜离子、硫酸、氯离子、添加剂和水，所述添加剂包括抑制剂和辅助剂，所述辅助剂选自有机磺酸盐中的至少一种；
[0024](2)直流电镀
[0025]将阳极和作为导电基底的阴极浸入镀液中，电镀，得到预电镀铜材料；
[0026](3)对所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种孪晶铜材料，其特征在于，所述孪晶铜材料具有(110)晶面择优取向，所述孪晶铜材料包括孪晶组织，所述孪晶组织包括孪晶片层，所述孪晶片层主要沿与晶粒生长方向夹角45
°
分布；具有所述孪晶片层的晶粒在所述孪晶铜材料的晶粒总数中的占比≥50％，和/或所述孪晶组织的体积占所述孪晶铜材料总体积的比值≥50％。2.根据权利要求1所述的孪晶铜材料，其特征在于，对所述孪晶铜材料进行XRD衍射分析，(220)/(111)衍射峰强度比大于2。3.根据权利要求1或2所述的孪晶铜材料，其特征在于，所述孪晶铜材料通过对具有(111)晶面择优取向的预电镀铜材料进行热处理得到，所述热处理的温度≥200℃。4.一种如权利要求1
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3任一项所述的孪晶铜材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)配制镀液所述镀液包含铜离子、硫酸、氯离子、添加剂和水，所述添加剂包括抑制剂和辅助剂，所述辅助剂选自有机磺酸盐中的至少一种；(2)直流电镀将阳极和作为导电基底的阴极浸入镀液中，电镀，得到预电镀铜材料；(3)对所述的预电镀铜材料进行热处理，所述热处理的温度≥200℃，得到所述的孪晶铜材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述有机磺酸盐包括聚苯乙烯磺酸盐、聚乙烯磺酸盐、烷基磺酸盐和烷基苯磺酸盐中的至少一种；优选地，所述聚苯乙烯磺酸盐和所述聚乙烯磺酸盐的分子量独立地为1000
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100000；优选地，所述烷基磺酸盐和烷基苯磺酸盐的碳原子数≥12；优选地，步骤(1)所述镀液中辅助剂的浓度为10
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500ppm；优选地，步骤(1)所述抑制剂为明胶；优选地，所述明胶的凝结值为10
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300bloom；优选地，步骤(1)所述镀液中抑制剂的浓度为5
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200ppm。6.根据权利要求4或5述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镀液中铜离子的浓度为20
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70g/L；优选地，步骤(1)中，所述镀液中硫酸的浓度为20
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200g/L；优选地，步骤(1)中，所述镀液中氯离子的浓度为20
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80ppm。7.根据权利要求4
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6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述阳极选自磷铜阳极；优选地，所述磷铜阳极中的磷含量为0.03

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志权，李哲，张玉博，高丽茵，孙蓉，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：