銅鋁復合材料生產(chǎn)與應用

尚鄭平 王項 范國棟 周肇陽|文

銅鋁復合材料的研發(fā)與應用領域不斷拓展，其中半熔態(tài)軋制復合是銅鋁復合帶、箔未來主流的生產(chǎn)工藝。但銅鋁復合板帶的應用尚缺乏系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)研究對于行業(yè)健康發(fā)展有著重要的意義。

銅鋁復合材料是一種在鋁材的一面或者兩面復合一層銅板帶的復合材料。它不僅具有銅材良好的導電、導熱性能、接觸電阻低、易電鍍以及外觀大氣美觀等優(yōu)點，又兼具鋁材的質(zhì)輕、散熱性能優(yōu)良、經(jīng)濟等特點，廣泛應用于電子、通訊、電器、電力、散熱、汽車、建筑裝飾、生活用具等領域。

銅鋁復合板帶的制備方法

銅鋁復合材料的制備方法有多種，大體可分為固—固相復合法和液—固復合法兩類。固—固相復合法包括爆炸復合、軋制復合等，固液復合法主要包括充芯連鑄法、模鑄法，半熔態(tài)軋制復合法等。

制備銅鋁復合材料的主要難點主要有以下兩點：1、銅鋁兩種材料易氧化，特別是鋁材，并且氧化膜難以去除；2、銅鋁兩種材料在較低溫度就形成金屬間化合物，這種金屬間化合物硬脆，極大的破壞銅鋁間的復合強度，影響銅鋁的導電、導熱性能。半熔態(tài)軋制復合法巧妙地解決銅鋁復合過程中這兩個難題。在液態(tài)的鋁冷卻結晶至半熔態(tài)時，銅板帶在大軋制力的作用下兩種金屬復合到一起。在高溫、高壓作用下，銅板帶和半熔態(tài)的鋁存在界面交互作用，界面在短時間內(nèi)存在數(shù)次的交互，解決了銅鋁復合材料復合過程中的氧化和共晶問題。在良好復合板帶坯料的基礎上，研究了銅鋁復合軋制工藝和配套的退火工藝制度，已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)制備銅鋁復合板帶箔材。

半熔態(tài)軋制復合技術解決銅鋁復合技術中氧化和共晶的關鍵技術，銅鋁之間實現(xiàn)冶金結合，配套的銅鋁復合軋制技術和退火工藝制度，實現(xiàn)了銅鋁復合板帶箔材的生產(chǎn)，是未來銅鋁復合材料制備的發(fā)展必然趨勢。

銅鋁復合材料的應用領域

近十年來，銅價的上漲使得銅鋁復合材料的發(fā)展速度加快，銅鋁復合材料的應用領域也逐步的擴大。主要常用領域有導熱散熱、通訊、電力等。

1.在大功率LED封裝散熱基板上的應用

從當前的LED技術來看，依然無法完美解決光電轉換效率這個核心問題，因此散熱問題作為LED行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，除了添加散熱器件，封裝更是解決散熱問題的核心環(huán)節(jié)。

目前大功率LED封裝技術多采用MCOB封裝，與傳統(tǒng)的COB封裝技術相比較，MCOB的鋁基板焊接的芯片沒有絕緣層，熱量直接導入金屬基板上，熱量快速導出，降低芯片結溫，延長平面光源使用壽命。鋁基板在傳統(tǒng)COB封裝模式的總導熱系數(shù)在2.2w/m?k，而目前MCOB的總體導熱系數(shù)在200w/m?k以上。

圖1銅鋁復合材料MCOB封裝示意圖

圖1 所示，銅鋁復合板，銅材的導熱系數(shù)高，與芯片直接接觸，可以把芯片產(chǎn)生的熱量迅速導出，銅鋁復合板是冶金結合，銅鋁間過渡層薄，熱量從銅材向鋁材的熱傳導過程中沒有額外的熱阻，充分發(fā)揮了銅材良好的導熱性能和鋁材良好散熱性能，降低了封裝的總體熱阻，有效降低了芯片的結溫，使更大功率的LED封裝成為了可能。采用銅鋁復合板帶，目前單株大功率MCOB封裝已經(jīng)由傳統(tǒng)MCPCB材料的20～30瓦提升到100～200瓦。

銅鋁復合材料良好的導熱性能和散熱性能已經(jīng)得到LED客戶的認可，作為大功率LED封裝基板材料，銅鋁復合材料還具有良好的成型性能、良好的機械加工性能、較高的平整度、良好的鍍銀性能、安全穩(wěn)定可靠性以及較低的綜合成本。

2.在散熱器翅片領域的應用

散熱翅片材料目前市場上應用較為廣泛的有銅材、鋁材、銀。其導熱和散熱性能見表1。

材料的散熱能力取決于材料的熱容，銅材的導熱性能好，散熱性能差，鋁材的導熱性能差而散熱性能優(yōu)，銀綜合了兩種材料的優(yōu)點，導熱性能和散熱性能均較好。而銅鋁復合材料的散熱性能隨著銅含量的增高而降低，其導熱性能隨著銅含量的升高而升高。因此合適比例的銅鋁復合材料可做到導熱性能和散熱性能的均衡，充分發(fā)揮銅材料導熱性能和鋁材的散熱性能。銅鋁復合翅片的綜合散熱性能優(yōu)于純銅、純鋁材料，是一種良好的散熱材料。

銅鋁復合散熱翅片，無論在成本，綜合散熱性能上均優(yōu)于純銅材料，在電子、通訊、計算機、PLC、燃氣熱水器、空調(diào)、制冷行業(yè)有著廣闊的推廣前景。

3.在電纜行業(yè)的應用

射頻電纜、漏泄電纜的內(nèi)外導體傳導高頻的弱電信號，信號的衰減是主要的性能控制指標。控制電纜、計算機電纜所用屏蔽電纜箔，防止通訊信號之間互相干擾，保證通訊的正常進行，信號的屏蔽性能作為主要性能指標。在高頻的信號傳輸和屏蔽時，由于集膚效應的影響，只有表層的銅材起到信號傳輸作用，銅鋁復合帶的衰減和純銅接近，而鋁材自身性能無法和銅材相比，在屏蔽性能要求較高時無法滿足需求。

銅鋁復合材料在未來的通訊行業(yè)有著廣闊的推廣前景，但是一些輔助可靠性、加工工藝性能的應用性研發(fā)工作才剛剛開始，還有很多的研究性工作要做。

鋁包銅復合扁排產(chǎn)品

4.在電力行業(yè)的應用

電力行業(yè)對銅鋁復合材料的要求主要在四個方面：電氣性能、機械性能、加工性能、安全可靠性。銅鋁復合板帶表面銅材為熱軋開坯材，內(nèi)部組織致密，力學性能和導電性能優(yōu)于鑄態(tài)組織的產(chǎn)品。銅鋁復合板帶結合強度高，可通過熱處理調(diào)整復合排的狀態(tài)，力學性能及機械加工性能和純銅排無區(qū)別。銅材和鋁材自身特性，銅鋁復合材料的焊接不能采用傳統(tǒng)的熔化焊接，適合采用復合材料常用的釬焊工藝，中溫釬焊技術的發(fā)展對于銅鋁復合板帶的推廣應用有密切的關系。銅鋁復合板帶作為導體材料，其電氣性能可以通過截面積和銅鋁的體積比進行調(diào)整，能夠滿足電氣性能要求。在安全可靠性方面，銅鋁板帶通過高低溫性能檢測，復合性能、電氣性能、機械性能沒有改變。

5.銅鋁復合過渡材料

銅鋁復合接頭材料廣泛應用電器行業(yè)，品種繁多，其中有變壓器銅鋁過渡裝置接頭、銅鋁設備線夾、電抗器、變壓器連接排。目前銅鋁復合接頭主要采用摩擦焊、擴散焊、閃光焊、爆炸焊等工藝，隨著光伏發(fā)電、風能發(fā)電的發(fā)展，為保證電廠供電的穩(wěn)定性，在使用變壓器、電抗器等設備時，對于銅鋁過渡接頭可靠性要求越來越高，傳統(tǒng)的工藝自身接頭脆性問題，無法滿足市場需求，銅鋁復合板帶過渡接頭不存在接頭脆性問題，從根本上解決了過渡接頭質(zhì)量隱患，極大地擴展了其應用空間。

結論

表1 銅、鋁、銀、銅鋁復合帶的導熱散熱性能對比表

銅鋁復合板帶用途廣泛，可應用在導熱散熱、通訊屏蔽、電力電氣等行業(yè)，有望形成巨大的產(chǎn)業(yè)。目前銅鋁復合板、帶、箔的生產(chǎn)工藝基本成熟，但是銅鋁復合材料的應用研究還處于起步階段。銅鋁復合板帶的應用研究對于銅鋁復合材料行業(yè)的健康快速發(fā)展起到重要的作用，對于國家銅資源戰(zhàn)略調(diào)整有著重大的影響，還具有巨大經(jīng)濟效益和社會效益。

1.半熔態(tài)技術有效地解決了銅鋁復合材料中的銅鋁氧化和共晶問題，是銅鋁復合材料制備技術的發(fā)展趨勢。

2.現(xiàn)階段銅鋁復合板帶箔材料主要應用方向為LED散熱基板、電行業(yè)散熱翅片，屏蔽電纜箔，銅鋁復合過渡接頭、銅鋁復合排以及裝飾板帶等領域，有很大地應用開發(fā)推廣前景。

3.銅鋁復合材料的應用研究是一個多學科交叉的綜合性課題，涉及電氣、機械、通訊、焊接、傳熱、散熱、電鍍、耐候、測試等各專業(yè)，目前尚處于研究的起步階段。銅鋁復合板帶箔材料，作為一種新型材料還有很多的未知應用領域，亟待研究應用開發(fā)。中