電子材料的發展

銅是人類最早使用的一種金屬。公元前40世紀人類就開始利用硫化銅礦石在大氣中加熱獲得金屬銅。后來獲知加入錫(Sn)可以導致熔點下降和強度上升，從此迎來了青銅器時代。另外，人類還曾經將黃銅作為貨幣使用。到了現代，銅已成為人類文明不可替代的一種導電材料。

18世紀荷蘭萊頓大學物理學教授馬森布洛克發明了萊頓瓶，在物理學上第一次能做到儲存電荷并對其性質進行研究。1800年意大利物理學家伏打發明了電池，為物理學研究提供了穩定的電流源，從而打開了電磁作用這塊未知領域，真正揭開了人類電磁時代的大幕。1820年丹麥物理學家奧斯特發現了電流和磁針相互作用以及電流產生磁場的現象，并用拉丁文發表了劃時代的論文《關于磁針上電流碰撞的實驗》而轟動了整個歐洲。其后法國的安培發現了右手螺旋法則以及英國的法拉第發現了奧斯特定律的逆定律——磁電感應定律。

大約同時期，人類明白了將線圈環繞鐵棒，通過電流可獲得強磁場以及利用天然磁石和電導線可得到回轉機（馬達），導致了1879年電力機車的發明。隨著電力機車的發展，高壓輸電線和變電裝置等技術獲得了不斷地完善與提高。人類對電與磁的理解，導致了電子學的飛速發展（圖1）。

 

圖1 人類對電與磁的理解，導致了電子學的飛速發展

 

 

 

 

純銅

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日常的電線使用的是韌銅，音響器材使用的是無氧銅

 

 

銅(Cu)為面心立方(FCC)晶體結構，因此具有良好的加工性能。另外，耐海水等的腐蝕性良好。Cu的電導率和熱導率僅次于銀(Ag)，在導電材料、電器用品、熱交換器具等方面獲得了廣泛的應用。日本利用電解熔煉法加工進口銅礦石獲得電解銅。但是由于韌銅中含有較多的氧元素，氫元素侵入后容易產生脆化。因此利用真空溶解法將氧含量降低到0.006％以下獲得無氧銅(OFC)。無氧銅由于電導率更高、音質更好而被普遍應用于音響器材或電子樂器。工程上采用相對電導率來表征金屬材料的導電性能，即與國際標準軟銅的電導率（電導率1.7241×10^-8(Ω·m)^-1）為100％標準的百分比值(%IACS)。無氧銅的相對電導率為100％以上。

 

表1 純銅的組成與用途

種類	電導率/%IACS	Cu純度	特點與主要用途
無氧銅(OFC)1類	102	＞99.96%	音響器材用線材
無氧銅(OFC)2類	102	＞99.99%	電子管及高真空應用
韌銅(TPC)	101	＞99.90%	一般電線、密封墊片
磷脫氧銅(P-DCu)	82	＞99.90%	導熱管、密封墊片等

 

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銅的導電性好但密度大

 

 

銅的最大缺點是密度(8.96g/cm3)高、強度較低。從發電廠出來的高電壓、高電流經過大跨度架空的高壓線傳輸，希望電纜的質量盡可能輕。因此高壓電纜線一般采用IACS為60％的鋁(Al)絞線（芯部為鋼芯線）（圖2）。這是由于根據電阻計算，當Al的橫截面為銅的1.7倍時，其密度仍僅為銅線的1/3，即使考慮鐵芯線的質量，其整體質量仍為銅線的50%。

圖2 高壓架空電纜斷面圖

 

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電路板、電池使用的銅箔：壓延法和電解法

 

 

可通過壓延的方法將銅錠壓延至厚度約75m的銅箔。壓延銅箔主要在鋰離子電池的碳電極上的集電體或手機折疊部位的柔性印刷電路板上使用。

除了壓延銅箔，還有從溶液中直接獲得電解銅箔。將鼓狀陰極在硫酸銅溶液中邊通電邊拉出即可獲得銅箔。鼓狀電極面的銅箔表面光滑，而溶液面粗糙。但粗糙面與樹脂基板附著性良好，因此被廣泛用于印刷電路板（圖3）。

圖3 銅箔的用途及電解銅箔制造方法

 

 

 

銅合金

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黃銅為銅鋅合金，青銅為銅錫合金

 

 

世界上生產量最大的銅合金為含鋅(Zn)20%以上的黃銅(Brass)（表2)。含30%Zn以下的7/3黃銅為加工性良好的α(FCC)單相，但Zn含量超過40%（6/4黃銅）則會析出β相（CuZn相），導致銅合金基體硬化，添加較多合金元素Zn時，會導致黃銅從金黃色變為黃色（圖4）。

 

表2 主要銅合金的成分與特征

種類	成分	特征與用途
7/3黃銅	Cu-30%Zn	加工性好。電器用品
鋁青銅	Cu-7%Al	耐海水腐蝕性好。船舶、化工
磷青銅	Cu-8% Sn-0.2% P	耐疲勞，彈性好。用于開關
鈹青銅	Cu-2% Be-0.3% Co	強度高，彈性與電導性俱佳。電機
白銅	Cu-10% Ni	熱交換器、凝汽器

 

圖4 Cu-Zn合金狀態圖

 

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半導體連線從鋁改為銅

 

 

過去，半導體的導線主要采用金屬鋁(Al)。這是由于Cu與Si的相容性較差，使用銅導線極易產生短路等故障。隨著集成電路尺寸的急劇縮小，帶來了鋁導線電阻過大的問題。伴隨著防止Si和Cu相互擴散的阻隔層等制備技術的進步，2000年左右開始改為Cu導線。其后為了防止Cu污染將濺射法改為了電鍍法，同時在制備時又采取了密封隔離措施。

液晶電視顯示屏尺寸的擴大也同樣帶來了電阻過大的問題，其配線也正在從金屬鋁(Al)或金屬鉬(Mo)向Cu線轉換。許多電子元件也由于放熱、電導率和成本因素等因素正在向其最適宜的金屬材料方向轉換。

 

 

 

調整線膨脹系數和熱傳導率

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通常希望金屬材料的線膨脹系數小而熱傳導率大

 

 

對于精密的電子產品如IC（集成電路），為了減少放熱所帶來的應變，特別需要考慮Si、玻璃與金屬的線膨脹系數匹配。我們當然希望使用熱傳導良好的銅(Cu)或鋁(Al)，但由于其線膨脹系數分別為16.8×10⁶K^-1和23×10⁶ K^-1，而硅（Si）和玻璃則分別2.4×10⁶K^-1和9×10⁶K^-1。因此，如果直接將它們復合在一起，則溫度變化會導致電子元件變形甚至破壞。針對電子部件或發光元件的放熱，一般使用Cu與具有低線膨脹系數的鎢(W)組成的30%Cu-W金屬基復合材料（采用粉末冶金方法制作）。

對于太陽能電池板組件，從多晶硅薄片中引出電流的導線如果采用普通的銅線或鋁線，則由于熱脹冷縮有可能導致硅薄(0.2mm)破裂，因此一般采用不會給硅片施加應力的軟Cu等材料（圖5）。

圖5 太陽能電池多晶硅基板

 

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鐵與鎳可制成線膨脹系數為零的合金

 

 

玻璃、陶瓷與金屬進行封裝時通常采用可伐合金（Kovar:29% Ni-17% Co-Fe合金）。其在30~400℃之間的線膨脹系數為4.8×10^-6K^-1左右，與硬質玻璃（硼硅鹽）的線膨脹系數接近。另外，可伐合金與硬質玻璃的相容相好，氣體密封性能佳。

對于采用樹脂封裝的Si基板上的IC引線（針腳），一般采用銅合金，而對于要求具有高可靠性、高氣密性的CPU（中央處理器）等電子元件，則必須使用陶瓷或玻璃進行封裝，因此要求封裝材料與Si的線膨脹系數相匹配，引線材料一般采用Fe-42% Ni合金（圖6,圖7)。而對于一般的樹脂封裝型IC元器件，則采用銅合金（Cu-Fe合金等）作為引線材料。

圖6 Fe-Ni合金的線膨脹系數

圖7 IC芯片的引腳

 

常溫附近線膨脹系數最小的是36% Ni-Fe因瓦合金（Invar：不變的意思）。當鐵鎳合金中鎳含量為36％時，在常溫附近其線膨脹系數可降到最低值（圖6）。這是由于在室溫附近，溫度導致的熱膨脹被鐵磁性變化導致的收縮所抵消。