銅鋁合金結合方法
2023-06-13 04:32:21 3
專利名稱：銅鋁合金結合方法
技術領域：
本發明是關於一種銅鋁合金材料的結合方法，特別是一種能夠克服其介面阻抗，降低介面熱阻的銅鋁合金材料的結合方法。
背景技術：
銅鋁材料在工業生產中有較廣泛的用途，銅和鋁的連接在異種金屬的連接中具有相當重要的地位，目前市場上有許多銅鋁合金結合技術。對於銅鋁合金結合技術的最為典型的例子是用於冷卻電子組件的散熱器製程技術。
中央處理器(CPU)是一個高密度的發熱源，先要把熱量分散到一個較大的面積，再藉助風扇的強制對流作用將其散發到空氣中，達到散熱目的。熱量從CPU核心散發到散熱片表面，是一個熱傳導過程。散熱片選用較高導熱係數的材料對提高熱傳導效率很有幫助，如鋁的導熱係數為735KJ/(M.H.K)，銅的導熱係數為1386KJ/(M.H.K)，在所有其它條件均相同的時候，銅在單位時間內傳導的熱量是鋁的近兩倍。可見將鋁合金散熱片改用銅來製造，對熱的傳導速率將會有一個很可觀的提升，這樣當然就對CPU高度集中的熱量具有明顯有利效果。但是，還需要考慮銅的比重比鋁大，將不符合散熱片重量限制的要求；銅的硬度不如鋁合金，某些機械加工性能不如鋁，如剖溝等；銅的熔點比鋁高很多，不利於擠壓成形等等問題。
所以業界將銅、鋁結合應用，利用銅的高導熱係數特點，把熱量傳導至鋁材質的鰭片，再通過風扇的對流作用散發至空氣中。既保證其重量不超標，又可量產，也取得了一定的效能提升。
目前業界不管是應用於散熱器的製造，還是其它用處，其最為常用的銅鋁合金結合方式有焊接、螺絲鎖合、機械式壓合等等。
焊接方法系採用熔點比母材熔點低的金屬材料作為焊料，在低於母材熔點而高於焊料熔點的溫度下，利用液態焊料潤溼母材，填充接頭間隙，然後冷凝形成牢固接合介面的焊接方法。主要工序有材料前處理、組裝、加熱焊接、冷卻、後處理等工序。常用的焊接方式是錫焊，鋁表面在空氣中會形成一層非常穩定的氧化層(AL2O3)，使銅鋁焊接難度較高，這是阻礙焊接的最大因素，必須要將其去除或採用化學方法將其去除後並電鍍一層鎳或其它容易焊接的金屬，這樣銅鋁才能順利焊接在一起。但是，目前市場上的採用銅鋁焊接的產品最為嚴重的就是焊著率低或品質不穩定，從而其介面熱阻較高。
螺絲鎖合方法是在鋁材與銅材之間使用高性能導熱介質，施加80Kgf的力壓緊後用螺絲將其鎖緊，其介面熱阻與銅鋁焊接的效果相當。該方法受導熱介質、結合面的平整度及螺絲的扭力等因素，從而其同樣存在嚴重的介面熱阻較高問題。
機械式壓合方式是將鋁材與銅材通過機械的方式壓合在一起，因為鋁有延展性，所以銅可以在常溫下與鋁質結合，例如，鋁質材料上設有一圓筒孔，一銅質材料為圓柱形，其直徑略大於該鋁質圓孔的直徑，通過機械方式將該銅柱擠壓入該鋁質孔內，這種方式的結合效果也是比較可觀，但有一個致命的缺點就是銅在被擠壓進入鋁孔的過程中，鋁孔內表面容易被銅刮傷，嚴重影響熱傳導率，還是存在介面熱阻高的問題。
作為鋁擠壓技術的增強型工藝，銅鋁結合技術雖然有效的解決了前面提到的問題，但因為銅鋁結合技術的最大問題就是存在嚴重介面阻抗問題，如果工藝上不能解決此問題，那麼成品效果甚至會不如全鋁擠產品。
發明內容本發明所要解決的技術問題在於提供一種藉由熱處理方式大幅降低介面熱阻的銅鋁合金結合方法。
本發明所要解決得技術問題是通過以下技術方案實現的本發明銅鋁合金結合方法主要包括以下步驟(1)材料表面處理，分別將銅鋁合金材料的欲結合的表面進行平整化；(2)進料，將已表面處理的銅鋁合金材料放置於加熱裝置內，使其欲接合的表面相對緊密貼靠；(3)加熱恆溫處理，將裝有銅鋁合金材料的加熱裝置開始迅速加熱並恆溫處理，使銅鋁合金材料接合介面處產生一種擴散合金，使得銅鋁合金材料接合介面緊密；(4)冷卻，將已接合的成品在該加熱裝置內進行自然冷卻；(5)出料，將已冷卻的成品從該加熱裝置內拿出，得到最後產品，如有廢品將其打回上述第(2)步驟進行重工。其中該裝置內的氣氛環境為防止氧化的保護性氣氛環境。
與現有技術相比，由於本發明銅鋁合金結合方法主要是對銅鋁合金材料進行熱處理，在結構及功能方面對產品本身的結構設計不會有影響；在製程及成本方面不用對原本的生產線做太大變動，只需稍微調整即可，不需要過高的設備成本，即工藝成本低，同時可應用在廢品重工方面，大幅減少製造成本；銅鋁合金材料的介面處產生一種擴散合金，是唯一充分達到銅鋁物理結合的製程，由介面形成合金相的方式來降低熱阻，大幅提高熱傳導性。
下面參照附圖，結合實施例對本發明作進一步的描述。
圖1是本發明銅鋁合金結合方法的主要步驟的流程圖。
圖2是本發明銅鋁合金結合方法的銅鋁合金材料結合示意圖。
圖3(a)至(d)是四組試片A、B、C、D的熱處理前及分別各取五個試片經過1、2、3、4小時熱處理後的熱阻係數比較坐標圖。
圖4是取圖3(a)至(d)的平均值後的A、B、C、D四組試片的熱處理前後的熱阻係數比較坐標圖。
具體實施方式
本發明銅鋁合金結合方法主要是通過熱處理方式克服銅鋁合金材料結合時的介面阻抗問題，從而大幅降低介面熱阻，提升傳熱性能。
該銅鋁合金結合方法一般使用設備為可快速加熱的加熱裝置，例如加熱爐，該加熱爐通過電阻絲從外圍加熱，最高溫度可達1200℃，加熱爐的內部材料為陶瓷。本發明的銅鋁合金材料包括銅(Cu)材料(純銅或銅合金)及鋁合金(Al)材料(純鋁或鋁合金)。
圖1是本發明銅鋁合金結合方法的主要步驟的流程圖，圖2是本發明銅鋁合金結合方法的銅鋁合金材料結合示意圖。該銅鋁合金結合方法主要包括以下步驟(1)材料表面處理，將銅鋁合金材料的欲結合的表面進行平整化處理，使其表面粗糙度越小越好，例如將銅鋁合金材料表面電解加工或化學研磨，再分別由乙醇、丙酮等清洗銅鋁合金材料表面的油汙，然後通過超聲波震動法去除其氧化層；(2)進料，將已經過表面處理的銅鋁合金材料放置於加熱爐內，使其欲結合的表面相對貼靠，並從相對外側予以一定應力；(3)加熱恆溫處理，將已組裝好銅鋁合金材料的加熱爐開始迅速加熱至330-420℃左右，並恆溫處理1-4小時，此時由於銅鋁合金材料在受壓力及溫度的影響下，其介面處產生一種擴散合金，例如Al3Cu2，使得銅鋁合金材料的接合介面更緊密，熱阻亦能得到大幅降低(如圖2所示)；(4)冷卻，將已結合的成品在爐內進行自然冷卻；(5)出料，將已冷卻的成品從爐內拿出，得到最後產品，如有廢品將其打回上述第(2)步驟進行重工。
其中，各步驟所需條件如下一、表面粗糙度(Roughness，Ra)及加工條件在銅鋁合金材料熱處理之前，銅鋁合金材料的表面粗糙度是非常重要的，表面越平整，接觸(緊密度)越良好，導熱性能更好，故將其平整化處理，使其表面粗糙度控制在一定範圍內，從而使得銅鋁合金材料在熱處理前的緊密度達到良好的程度。
二、應力(Stress，σ)在熱處理過程中，利用銅及鋁兩者不同的熱脹冷縮係數產生的應力，使其介面緊密結合，由於一方面防止擴散空洞(Kirkendall效應)的產生，另一方面可以儘量避免其界面接觸不良的考量，初步實驗估計其應力為約30Mpa，為了精準控制其應力大小，因此溫度的控制是非常重要的。
三、處理溫度(Temperature，T)根據銅-鋁相圖以及考慮到鋁的熔點問題(溫度過高易使鋁擠材料變形)，溫度範圍取決於330-420℃左右，此溫度範圍內銅鋁介面生成某種擴散合金(例如Al3Cu2)，尤其在350-370℃左右，即將此溫度控制在360℃左右時，其形成的擴散合金更為理想。此生成的擴散合金會有效的降低因介面阻抗所造成的熱阻過大問題，但是此擴散合金的量不可過多，同時此合金層必須儘可能的薄，所以處理的時間控制是很重要的參數。
四、持溫時間(time，t)初步實驗中，針對上述溫度恆溫分別1、2、3和4小時，其熱處理前後的熱阻係數變化對比結果如圖3(a)至(d)所示，可發現持溫3小時後的試片的熱阻係數明顯低於未處理過的試片的熱阻係數，但是高溫時持溫時間越久，試片氧化程度越嚴重，因為氧化層會嚴重影響導熱性能，為了避免在處理過程中氧化層的影響，處理時的環境就非常重要。
五、處理氣氛為了避免在處理過程中發生嚴重的氧化，在保護性氣氛下處理是必須的。例如，加熱爐內部的氣氛滿足N2+H2的保護氣氛。
從以上特徵可知，本發明銅鋁合金結合的熱處理方法有以下優點(1)結構及功能方面對產品本身的結構設計不會有影響，並會進一步提升產品的熱傳導性。
(2)製程及成本方面不用對原本的產線做太大變動，只需稍微調整即可，不需要過高的設備成本，同時可應用在廢品重工方面，降低製造成本。
(3)充分達到銅鋁物理結合的製程，由介面形成合金相的方式來降低熱阻，提高熱傳導性，預估恆溫處理3小時後的成品可增加熱傳導效率略達20％。
下面結合銅鋁材料(試片)的熱處理實驗，進一步說明本發明試片編號A、B、C、D分別是經過1、2、3和4小時的熱處理(330～420℃)，每30分鐘對爐內溫度做一次紀錄，如表一所示。可發現縱使試片環境不是真空，但其溫度的變化差異並不會很大，表示在爐內，其加熱是均勻的。
表一、不同時間的加熱爐的溫度紀錄 針對四組不同時間條件的熱處理試片作熱阻係數的實驗分析，每一組條件取五個試片(試片號分別為1、2、3、4、5)，分別在熱處理前和熱處理後作熱阻係數的分析，如圖3(a)至(d)，圖中，橫坐標為試片號，縱坐標為熱阻係數。從圖3(a)中可明顯看出，在恆溫熱處理一小時之後的熱阻係數明顯高於未經熱處理的試片。圖3(b)是經過2小時恆溫熱處理的分析，從圖中可看出經過熱處理試片的熱阻係數有低於未經熱處理試片的趨勢。接著在圖3(c)中發現，經恆溫熱處理三小時後的熱阻係數，明顯低於未經熱處理試片的熱阻係數；但是在經過四小時恆溫熱處理後的熱阻係數卻明顯高於未經熱處理試片的熱阻係數，如圖3(d)所示，此結果的原因是材料介面的擴散合金的量過多，而且擴散合金向不利於降低熱阻係數方向變化。圖4是總結圖3(a)至(d)中的未經熱處理及分別經過1、2、3、4小時熱處理的試片熱阻係數並取其平均值後的A、B、C、D四組試片的熱處理前後的熱阻係數的比較圖。圖中，橫坐標為各組號，縱坐標為熱阻係數。從圖4中可見經過3小時後的試片熱阻係數的降低率最大，假設A、B、C、D四組試片的緊密度皆良好並基本相同，則經過3小時恆溫熱處理後的試片熱阻係數明顯下降，這種結果是因為兩個原因1.由於鋁擠壓的溫度是在520～540℃間進行，而試片在恆溫三小時後，鋁孔的表面可能由於發生類似退火效應，導致殘留硬力消除，而使得銅鋁緊密度更好，因而降低熱阻係數。
2.在此條件下，其銅鋁接合界面有足夠時間產生交互擴散形成某種穩定相，因而降低熱阻係數。
權利要求
1.一種銅鋁合金結合方法，包括以下步驟(1)材料表面處理，分別將銅鋁合金材料的欲結合的表面進行平整化；(2)進料，將已表面處理的銅鋁合金材料放置於加熱裝置內，使其欲接合的表面相對緊密貼靠；(3)加熱恆溫處理，將裝有銅鋁合金材料的加熱裝置開始迅速加熱並恆溫處理，使銅鋁合金材料接合介面處產生一種擴散合金，使得銅鋁合金材料接合介面緊密；(4)冷卻，將已接合的成品在該加熱裝置內進行自然冷卻；(5)出料，將已冷卻的成品從該加熱裝置內拿出，得到最後產品。
2.如權利要求1所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述擴散合金為Al3Cu2。
3.如權利要求1所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述加熱裝置內的氣氛環境為防止氧化的保護性氣氛環境。
4.如權利要求3所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述保護性氣氛為滿足N2+H2的保護氣氛。
5.如權利要求1所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述恆溫處理溫度範圍約為330-420℃。
6.如權利要求5所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述恆溫處理溫度約為350-370℃。
7.如權利要求6所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述恆溫處理溫度約為360℃。
8.如權利要求1至7中任一項所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述恆溫處理時間約為1至4小時。
9.如權利要求8所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述恆溫處理時間約為2至3小時。
10.如權利要求9所述的銅鋁合金結合方法，其特徵在於所述恆溫處理時間約為3小時。
全文摘要
一種銅鋁合金結合方法，包括以下步驟(1)材料表面處理，分別將銅鋁合金材料的欲結合的表面進行平整化；(2)進料，將已表面處理的銅鋁合金材料放置於加熱裝置內，使其欲接合的表面相對緊密貼靠；(3)加熱恆溫處理，將裝有銅鋁合金材料的加熱裝置開始迅速加熱並恆溫處理，使銅鋁合金材料接合介面處產生一種擴散合金，使得銅鋁合金材料接合介面緊密；(4)冷卻，將已接合的成品在該加熱裝置內進行自然冷卻；(5)出料，將已冷卻的成品從該加熱裝置內拿出，得到最後產品。該方法由銅鋁合金材料介面形成合金相的方式來降低熱阻，大幅提高熱傳導性，且其工藝成本低，對產品生產線影響不大，廢品可重工。
文檔編號B23K20/14GK1785571SQ20041007743
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月9日 優先權日2004年12月9日
發明者洪居萬, 駱長定, 方彝群, 吳榮源, 林雨利, 張朋朋 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司