一種單晶銅帶的製備方法

2023-12-02 20:37:21

一種單晶銅帶的製備方法
【專利摘要】本發明涉及單晶銅，具體而言為涉及一種利用晶體的合併生長製備單晶銅帶的方法。本發明利用多晶銅帶在足夠高的溫度下能夠逐漸合併長大，由於這種合併長大過程會將晶界區域逐漸集中到一起，而當晶界區域足夠大或者兩個足夠大的晶體相遇時就會形成無法轉變成單晶的區域，本發明中將通過逐步連續加熱的方法，讓未轉變成單晶的區域總能保持相對較小的尺寸，同時通過超聲振動作用使未轉變成單晶的部分避免出現各向異性，經過足夠時間的加熱長大最終獲得連續單晶條帶。
【專利說明】一種單晶銅帶的製備方法【技術領域】
[0001]本發明涉及單晶銅，具體而言為涉及一種利用晶體的合併生長製備單晶銅帶的方法。
【背景技術】
[0002]銅材由於良好的導電、導熱特性在集成電路、大型計算機以及電子儀器、音響設備等領域得到了廣泛應用。隨著電子工業和通信技術的迅猛發展，超細、高保真傳輸導線的用量不斷增加，對導體金屬的性能提出了越來越高的要求。普通多晶銅材已經難於滿足這種要求，單晶銅材由於消除了橫向晶界，使其具有良好的保真性能，因而具有廣闊的應用前景。熱型連鑄技術是一種工程化的定向凝固技術，應用此項技術可以生產長度不受限制的單晶銅杆。和多晶銅相比，單晶銅在鑄態時具有良好的塑性和較低的電阻率，並具有優異的室溫延展性。同時，隨著半導體技術、集成電路技術和電子元器件的質量不斷取得突破，電子、通信、音像設備和高清晰度電視機等相關產業的迅猛進步，要求零部件向小型化、精密化方向發展；另一方面，對該領域所用的金屬材料的品質也提出了更高的要求，其發展趨勢之一是研發更細、更薄的高級材質，從而對金屬材料的品質提出了更高的要求。如集成電路的底板和連線就分別需要直徑為IOym的極細線材和厚度為20 μ m內部無缺陷的極薄板材。要做到這一點，就要求在塑性加工之前的原材料沒有偏析、氣孔、夾雜等缺陷。目前國內有多家科研單位進行單晶連鑄技術研究，都能製備出一定長度的單晶線材，但直徑一般為6~12_。這種粗線材必須經過多次拉拔才能滿足實際應用的要求，而多次拉伸將會增加單晶線材內的晶體缺陷。再者，要拉拔到實際應用所需要的尺寸(0.25~1.5mm)，必須進行退火處理。對於純銅來說，400°C以上退火就會產生再結晶，使單晶線材失去原有的優異性能，降低其信號傳輸性能。在八十年代初期，日立公司開發了一種線性無氧銅(LC-OFC)導體材料，該法依據晶界的熱力學不穩定性，將多晶無氧銅在真空、接近熔點的溫度條件下進行高溫退火，使晶粒長大，數目減少，獲得巨大晶粒無氧銅，然後通過拉拔形成晶界沿軸向排列的織構組織，橫向晶界大大減少，此即所謂線性無氧銅。在直徑為1_的LC-OFC導線中晶粒長達130mm。
[0003]電力、電器、電子、通訊等行業中要求銅帶具有高純、高導、低氧含量等特殊性能，用於製造真空電子管、計算機、微型散熱器、柔性印刷電路板、連接器、同軸射頻電纜、光伏焊帶銅基材、乾式變壓器繞組等高端產品組件。單晶銅帶將極大地滿足上述需求。但是，到目前為止，尚沒有關於單晶銅帶的生產和使用的報導。

【發明內容】

[0004]本發明提出一種單晶銅帶的製備方法，其原理是:多晶銅帶在足夠高的溫度下能夠逐漸合併長大，由於這種合併長大過程會將晶界區域逐漸集中到一起，而當晶界區域足夠大或者兩個足夠大的晶體相遇時就會形成無法轉變成單晶的區域，本發明中將通過逐步連續加熱的方法，讓未轉變成單晶的區域總能保持相對較小的尺寸，同時通過超聲振動作用使未轉變成單晶的部分避免出現各向異性，經過足夠時間的加熱長大最終獲得連續單晶條帶。
[0005]一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:在惰性氣體保護下，將加工到指定厚度的多晶銅帶連續送入加熱到足夠高溫度的保溫爐，經過一定時間的保溫後在保溫爐中進行超聲振動處理，然後繼續在高溫下保溫足夠時間，最終通過惰性氣體冷卻到室溫獲得連續單晶銅帶。
[0006]所述的惰性氣體是指氬氣與氫氣的混合氣體；氫氣的體積分數為0.5^1.0%。
[0007]所述的加工到指定厚度的多晶銅帶是指，通過冷軋加工得到的厚度0.005~0.030mm、寬度100~500mm的連續多晶銅帶。
[0008]所述的連續送入是指，多晶銅帶以單向不間斷運動的形式進入保溫爐，速度為5~10mm/mino
[0009]所述的加熱到足夠高溫度的保溫爐是指，加熱溫度為1000~l040℃的惰性氣體保護密閉保溫爐。
[0010]所述的經過一定時間的保溫是指，通過保溫爐有效加熱長度與多晶銅帶進入的速度配合控制，保溫爐有效加熱長度為80~l00cm，保溫時間控制在100~200min。
[0011]所述的超聲振動處理是指，從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始，通過3個相隔10 mm的超聲變幅杆，在惰性氣體保護下對連續運動的多晶銅帶進行超聲作用，超聲變幅杆與銅帶作用的端部截面長度與銅帶寬度相等、寬度為10~15mm，控制多晶銅帶溫度在900~950°C，超聲振動頻率為 20~30kHz，功率為 200~300W/mm2。
[0012]所述的繼續在高溫下保溫足夠時間是指，在惰性氣體保護下保溫溫度為1000~1040°C，保溫時間為 100~200min。
[0013]所述的通過惰性氣體冷卻到室溫是指，採用氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，氫氣的體積分數為0.5~1.0%，冷卻速度為30~50°C /min。
[0014]本發明與已有的保溫生長方法相比，其優點是可以實現連續生產，單晶長度大，且是首次用於銅帶產品；與熔體單晶生長方法相比，其優點是單晶條帶的厚度範圍可控，條帶不需要後續壓力加工，避免了加工過程引起的單晶向多晶轉變。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1本發明製備的單晶銅帶的XRD譜。
【具體實施方式】
[0016]本發明可以根據以下實例實施，但不限於以下實例；在本發明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義；應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發明，而非以任何方式限制本發明的範圍；在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規方法。
[0017]實施例1
本實施例具體實施一種單晶銅帶的製備方法，在含有體積分數為1.0%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體保護下，將通過冷軋加工得到的厚度0.005mm、寬度1OOmm的多晶銅帶連續送入溫度為1000°C的密閉保溫爐，多晶銅帶進入有效加熱長度為1OOcm的保溫爐的速度為5mm/min,在爐中保溫200min,然後從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個相隔10 mm的超聲變幅杆，在惰性氣體保護下對連續運動的多晶銅帶進行超聲作用，超聲變幅杆與銅帶作用的端部截面長度為100mm、寬度為IOmm,控制多晶銅帶溫度為900°C,超聲振動頻率為20kHz，功率為200W/mm2 ;接著，繼續在惰性氣體保護下在1000°C保溫lOOmin，採用含有體積分數為1.0%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，冷卻速度為50°C /min，最終獲得連續單晶銅帶。
[0018]實施例2
本實施例具體實施一種單晶銅帶的製備方法，在含有體積分數為0.8%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體保護下，將通過冷軋加工得到的厚度0.010mm、寬度300mm的多晶銅帶連續送入溫度為1020°C的密閉保溫爐；多晶銅帶進入有效加熱長度為IOOcm的保溫爐的速度為10mm/min,在爐中保溫IOOmin,然後從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個相隔10 mm的超聲變幅杆，在惰性氣體保護下對連續運動的多晶銅帶進行超聲作用，超聲變幅杆與銅帶作用的端部截面長度為300mm、寬度為13mm，控制多晶銅帶溫度為950°C，超聲振動頻率為30kHz，功率為250W/mm2 ;接著，繼續在惰性氣體保護下在1020°C保溫125min，採用含有體積分數為0.8%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，冷卻速度為40°C /min，最終獲得連續單晶銅帶；分析表明，通過本實施例的實施，得到了單晶銅帶。[0019]實施例3
本實施例具體實施一種單晶銅帶的製備方法，在含有體積分數為0.5%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體保護下，將通過冷軋加工得到的厚度0.030mm、寬度500mm的多晶銅帶連續送入溫度為1040°C的密閉保溫爐；多晶銅帶進入有效加熱長度為80cm的保溫爐的速度為8mm/min,在爐中保溫IOOmin,然後從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個相隔10 mm的超聲變幅杆，在惰性氣體保護下對連續運動的多晶銅帶進行超聲作用，超聲變幅杆與銅帶作用的端部截面長度為500mm、寬度為15mm，控制多晶銅帶溫度為920°C，超聲振動頻率為20kHz，功率為300W/mm2 ;接著，繼續在惰性氣體保護下在1040°C保溫200min ；採用含有體積分數為0.5%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，冷卻速度為30°C /min，最終獲得連續單晶銅帶；分析表明，通過本實施例的實施，得到了單晶銅帶。
[0020]實施例4
本實施例具體實施一種單晶銅帶的製備方法，在含有體積分數為0.7%氫氣的純氬氣與氫氣的混合氣體保護下，將通過冷軋加工得到的厚度0.020mm、寬度400mm的多晶銅帶連續送入溫度為1030°C的密閉保溫爐；多晶銅帶進入有效加熱長度為90cm的保溫爐的速度為5mm/min,在爐中保溫180min,然後從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個相隔10 mm的超聲變幅杆，在惰性氣體保護下對連續運動的多晶銅帶進行超聲作用，超聲變幅杆與銅帶作用的端部截面長度為400mm、寬度為14mm,控制多晶銅帶溫度為930°C，超聲振動頻率為25kHz，功率為250W/mm2 ;接著，繼續在惰性氣體保護下在1030°C保溫200min ;採用含有體積分數為0.7%氫氣的純氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，冷卻速度為400C /min，最終獲得連續單晶銅帶；分析表明，通過本實施例的實施，得到了單晶銅帶。
[0021]圖1為本發明製備的單晶銅帶XRD譜。從圖中可以看出，所得銅帶是單晶銅帶。
【權利要求】
1.一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:在惰性氣體保護下，將加工到指定厚度的多晶銅帶連續送入加熱到足夠高溫度的保溫爐，經過一定時間的保溫後在保溫爐中進行超聲振動處理，然後繼續在高溫下保溫足夠時間，最終通過惰性氣體冷卻到室溫獲得連續單晶銅帶。
2.如權利要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的惰性氣體是指氬氣與氫氣的混合氣體；氫氣的體積分數為0.5^1.0%。
3.如權利要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的加工到指定厚度的多晶銅帶是指，通過冷軋加工得到的厚度0.005、.030mm、寬度10(T500mm的連續多晶銅帶。
4.如權利要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的連續送入是指，多晶銅帶以單向不間斷運動的形式進入保溫爐，速度為5~IOmm/min。
5.如權利要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的加熱到足夠高溫度的保溫爐是指，加熱溫度為ioo(no4o°c的惰性氣體保護密閉保溫爐。
6.如權利要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的經過一定時間的保溫是指，通過保溫爐有效加熱長度與多晶銅帶進入的速度配合控制，保溫爐有效加熱長度為8(Tl00cm，保溫時間控制在10(T200min。
7.如權利 要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的超聲振動處理是指，從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個相隔10 mm的超聲變幅杆,在惰性氣體保護下對連續運動的多晶銅帶進行超聲作用，超聲變幅杆與銅帶作用的端部截面長度與銅帶寬度相等、寬度為l(Tl5mm，控制多晶銅帶溫度在90(T95(TC，超聲振動頻率為20~30kHz，功率為 20(T300W/mm2。
8.如權利要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的繼續在高溫下保溫足夠時間是指，在惰性氣體保護下保溫溫度為100(Tl040°C，保溫時間為10(T200min。
9.如權利要求1所述的一種單晶銅帶的製備方法，其特徵在於:所述的通過惰性氣體冷卻到室溫是指，採用氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，氫氣的體積分數為0.5^1.0%，冷卻速度為 30^50 0C /min。
【文檔編號】C22F1/08GK103526138SQ201310470590
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】陳剛, 趙玉濤, 周小亮, 安子強 申請人:江蘇大學