尚鄭平 王項(xiàng) 范國(guó)棟 周肇陽(yáng)|文

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

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

銅鋁復(fù)合板帶的制備方法

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

制備銅鋁復(fù)合材料的主要難點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：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(fù)合強(qiáng)度，影響銅鋁的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。半熔態(tài)軋制復(fù)合法巧妙地解決銅鋁復(fù)合過(guò)程中這兩個(gè)難題。在液態(tài)的鋁冷卻結(jié)晶至半熔態(tài)時(shí)，銅板帶在大軋制力的作用下兩種金屬?gòu)?fù)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(shí)間內(nèi)存在數(shù)次的交互，解決了銅鋁復(fù)合材料復(fù)合過(guò)程中的氧化和共晶問(wèn)題。在良好復(fù)合板帶坯料的基礎(chǔ)上，研究了銅鋁復(fù)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(fù)合板帶箔材。

半熔態(tài)軋制復(fù)合技術(shù)解決銅鋁復(fù)合技術(shù)中氧化和共晶的關(guān)鍵技術(shù)，銅鋁之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，配套的銅鋁復(fù)合軋制技術(shù)和退火工藝制度，實(shí)現(xiàn)了銅鋁復(fù)合板帶箔材的生產(chǎn)，是未來(lái)銅鋁復(fù)合材料制備的發(fā)展必然趨勢(shì)。

銅鋁復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域

近十年來(lái)，銅價(jià)的上漲使得銅鋁復(fù)合材料的發(fā)展速度加快，銅鋁復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步的擴(kuò)大。主要常用領(lǐng)域有導(dǎo)熱散熱、通訊、電力等。

1.在大功率LED封裝散熱基板上的應(yīng)用

從當(dāng)前的LED技術(shù)來(lái)看，依然無(wú)法完美解決光電轉(zhuǎn)換效率這個(gè)核心問(wèn)題，因此散熱問(wèn)題作為L(zhǎng)ED行業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，除了添加散熱器件，封裝更是解決散熱問(wèn)題的核心環(huán)節(jié)。

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

圖1銅鋁復(fù)合材料MCOB封裝示意圖

圖1 所示，銅鋁復(fù)合板，銅材的導(dǎo)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(dǎo)出，銅鋁復(fù)合板是冶金結(jié)合，銅鋁間過(guò)渡層薄，熱量從銅材向鋁材的熱傳導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有額外的熱阻，充分發(fā)揮了銅材良好的導(dǎo)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(jié)溫，使更大功率的LED封裝成為了可能。采用銅鋁復(fù)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(fù)合材料良好的導(dǎo)熱性能和散熱性能已經(jīng)得到LED客戶的認(rèn)可，作為大功率LED封裝基板材料，銅鋁復(fù)合材料還具有良好的成型性能、良好的機(jī)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(lǐng)域的應(yīng)用

散熱翅片材料目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的有銅材、鋁材、銀。其導(dǎo)熱和散熱性能見(jiàn)表1。

材料的散熱能力取決于材料的熱容，銅材的導(dǎo)熱性能好，散熱性能差，鋁材的導(dǎo)熱性能差而散熱性能優(yōu)，銀綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)熱性能和散熱性能均較好。而銅鋁復(fù)合材料的散熱性能隨著銅含量的增高而降低，其導(dǎo)熱性能隨著銅含量的升高而升高。因此合適比例的銅鋁復(fù)合材料可做到導(dǎo)熱性能和散熱性能的均衡，充分發(fā)揮銅材料導(dǎo)熱性能和鋁材的散熱性能。銅鋁復(fù)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(fù)合散熱翅片，無(wú)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(jì)算機(jī)、PLC、燃?xì)鉄崴鳌⒖照{(diào)、制冷行業(yè)有著廣闊的推廣前景。

3.在電纜行業(yè)的應(yīng)用

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

銅鋁復(fù)合材料在未來(lái)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(yīng)用性研發(fā)工作才剛剛開(kāi)始，還有很多的研究性工作要做。

鋁包銅復(fù)合扁排產(chǎn)品

4.在電力行業(yè)的應(yīng)用

電力行業(yè)對(duì)銅鋁復(fù)合材料的要求主要在四個(gè)方面：電氣性能、機(jī)械性能、加工性能、安全可靠性。銅鋁復(fù)合板帶表面銅材為熱軋開(kāi)坯材，內(nèi)部組織致密，力學(xué)性能和導(dǎo)電性能優(yōu)于鑄態(tài)組織的產(chǎn)品。銅鋁復(fù)合板帶結(jié)合強(qiáng)度高，可通過(guò)熱處理調(diào)整復(fù)合排的狀態(tài)，力學(xué)性能及機(jī)械加工性能和純銅排無(wú)區(qū)別。銅材和鋁材自身特性，銅鋁復(fù)合材料的焊接不能采用傳統(tǒng)的熔化焊接，適合采用復(fù)合材料常用的釬焊工藝，中溫釬焊技術(shù)的發(fā)展對(duì)于銅鋁復(fù)合板帶的推廣應(yīng)用有密切的關(guān)系。銅鋁復(fù)合板帶作為導(dǎo)體材料，其電氣性能可以通過(guò)截面積和銅鋁的體積比進(jìn)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(guò)高低溫性能檢測(cè)，復(fù)合性能、電氣性能、機(jī)械性能沒(méi)有改變。

5.銅鋁復(fù)合過(guò)渡材料

銅鋁復(fù)合接頭材料廣泛應(yīng)用電器行業(yè)，品種繁多，其中有變壓器銅鋁過(guò)渡裝置接頭、銅鋁設(shè)備線夾、電抗器、變壓器連接排。目前銅鋁復(fù)合接頭主要采用摩擦焊、擴(kuò)散焊、閃光焊、爆炸焊等工藝，隨著光伏發(fā)電、風(fēng)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(shè)備時(shí)，對(duì)于銅鋁過(guò)渡接頭可靠性要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的工藝自身接頭脆性問(wèn)題，無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，銅鋁復(fù)合板帶過(guò)渡接頭不存在接頭脆性問(wèn)題，從根本上解決了過(guò)渡接頭質(zhì)量隱患，極大地?cái)U(kuò)展了其應(yīng)用空間。

結(jié)論

表1 銅、鋁、銀、銅鋁復(fù)合帶的導(dǎo)熱散熱性能對(duì)比表

銅鋁復(fù)合板帶用途廣泛，可應(yīng)用在導(dǎo)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(fù)合板、帶、箔的生產(chǎn)工藝基本成熟，但是銅鋁復(fù)合材料的應(yīng)用研究還處于起步階段。銅鋁復(fù)合板帶的應(yīng)用研究對(duì)于銅鋁復(fù)合材料行業(yè)的健康快速發(fā)展起到重要的作用，對(duì)于國(guó)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(jì)效益和社會(huì)效益。

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

2.現(xiàn)階段銅鋁復(fù)合板帶箔材料主要應(yīng)用方向?yàn)長(zhǎng)ED散熱基板、電行業(yè)散熱翅片，屏蔽電纜箔，銅鋁復(fù)合過(guò)渡接頭、銅鋁復(fù)合排以及裝飾板帶等領(lǐng)域，有很大地應(yīng)用開(kāi)發(fā)推廣前景。

3.銅鋁復(fù)合材料的應(yīng)用研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性課題，涉及電氣、機(jī)械、通訊、焊接、傳熱、散熱、電鍍、耐候、測(cè)試等各專業(yè)，目前尚處于研究的起步階段。銅鋁復(fù)合板帶箔材料，作為一種新型材料還有很多的未知應(yīng)用領(lǐng)域，亟待研究應(yīng)用開(kāi)發(fā)。中