一種單晶銅帶的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及單晶銅，具體而言為涉及一種利用晶體的合并生長制備單晶銅帶的方法。本發(fā)明利用多晶銅帶在足夠高的溫度下能夠逐漸合并長大，由于這種合并長大過程會將晶界區(qū)域逐漸集中到一起，而當(dāng)晶界區(qū)域足夠大或者兩個(gè)足夠大的晶體相遇時(shí)就會形成無法轉(zhuǎn)變成單晶的區(qū)域，本發(fā)明中將通過逐步連續(xù)加熱的方法，讓未轉(zhuǎn)變成單晶的區(qū)域總能保持相對較小的尺寸，同時(shí)通過超聲振動(dòng)作用使未轉(zhuǎn)變成單晶的部分避免出現(xiàn)各向異性，經(jīng)過足夠時(shí)間的加熱長大最終獲得連續(xù)單晶條帶。
【專利說明】一種單晶銅帶的制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單晶銅，具體而言為涉及一種利用晶體的合并生長制備單晶銅帶的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅材由于良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性在集成電路、大型計(jì)算機(jī)以及電子儀器、音響設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著電子工業(yè)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，超細(xì)、高保真?zhèn)鬏攲?dǎo)線的用量不斷增加，對導(dǎo)體金屬的性能提出了越來越高的要求。普通多晶銅材已經(jīng)難于滿足這種要求，單晶銅材由于消除了橫向晶界，使其具有良好的保真性能，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。熱型連鑄技術(shù)是一種工程化的定向凝固技術(shù)，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)可以生產(chǎn)長度不受限制的單晶銅桿。和多晶銅相比，單晶銅在鑄態(tài)時(shí)具有良好的塑性和較低的電阻率，并具有優(yōu)異的室溫延展性。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)和電子元器件的質(zhì)量不斷取得突破，電子、通信、音像設(shè)備和高清晰度電視機(jī)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛進(jìn)步，要求零部件向小型化、精密化方向發(fā)展；另一方面，對該領(lǐng)域所用的金屬材料的品質(zhì)也提出了更高的要求，其發(fā)展趨勢之一是研發(fā)更細(xì)、更薄的高級材質(zhì)，從而對金屬材料的品質(zhì)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(xì)線材和厚度為20 μ m內(nèi)部無缺陷的極薄板材。要做到這一點(diǎn)，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(nèi)有多家科研單位進(jìn)行單晶連鑄技術(shù)研究，都能制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(jīng)過多次拉拔才能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，而多次拉伸將會增加單晶線材內(nèi)的晶體缺陷。再者，要拉拔到實(shí)際應(yīng)用所需要的尺寸(0.25~1.5mm)，必須進(jìn)行退火處理。對于純銅來說，400°C以上退火就會產(chǎn)生再結(jié)晶，使單晶線材失去原有的優(yōu)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(fā)了一種線性無氧銅(LC-OFC)導(dǎo)體材料，該法依據(jù)晶界的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，將多晶無氧銅在真空、接近熔點(diǎn)的溫度條件下進(jìn)行高溫退火，使晶粒長大，數(shù)目減少，獲得巨大晶粒無氧銅，然后通過拉拔形成晶界沿軸向排列的織構(gòu)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(dǎo)線中晶粒長達(dá)130mm。
[0003]電力、電器、電子、通訊等行業(yè)中要求銅帶具有高純、高導(dǎo)、低氧含量等特殊性能，用于制造真空電子管、計(jì)算機(jī)、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、干式變壓器繞組等高端產(chǎn)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(guān)于單晶銅帶的生產(chǎn)和使用的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種單晶銅帶的制備方法，其原理是:多晶銅帶在足夠高的溫度下能夠逐漸合并長大，由于這種合并長大過程會將晶界區(qū)域逐漸集中到一起，而當(dāng)晶界區(qū)域足夠大或者兩個(gè)足夠大的晶體相遇時(shí)就會形成無法轉(zhuǎn)變成單晶的區(qū)域，本發(fā)明中將通過逐步連續(xù)加熱的方法，讓未轉(zhuǎn)變成單晶的區(qū)域總能保持相對較小的尺寸，同時(shí)通過超聲振動(dòng)作用使未轉(zhuǎn)變成單晶的部分避免出現(xiàn)各向異性，經(jīng)過足夠時(shí)間的加熱長大最終獲得連續(xù)單晶條帶。
[0005]一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于:在惰性氣體保護(hù)下，將加工到指定厚度的多晶銅帶連續(xù)送入加熱到足夠高溫度的保溫爐，經(jīng)過一定時(shí)間的保溫后在保溫爐中進(jìn)行超聲振動(dòng)處理，然后繼續(xù)在高溫下保溫足夠時(shí)間，最終通過惰性氣體冷卻到室溫獲得連續(xù)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?jǐn)?shù)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(xù)多晶銅帶。
[0008]所述的連續(xù)送入是指，多晶銅帶以單向不間斷運(yùn)動(dòng)的形式進(jìn)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(hù)密閉保溫爐。
[0010]所述的經(jīng)過一定時(shí)間的保溫是指，通過保溫爐有效加熱長度與多晶銅帶進(jìn)入的速度配合控制，保溫爐有效加熱長度為80~l00cm，保溫時(shí)間控制在100~200min。
[0011]所述的超聲振動(dòng)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(gè)相隔10 mm的超聲變幅桿，在惰性氣體保護(hù)下對連續(xù)運(yùn)動(dòng)的多晶銅帶進(jìn)行超聲作用，超聲變幅桿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(dòng)頻率為 20~30kHz，功率為 200~300W/mm2。
[0012]所述的繼續(xù)在高溫下保溫足夠時(shí)間是指，在惰性氣體保護(hù)下保溫溫度為1000~1040°C，保溫時(shí)間為 100~200min。
[0013]所述的通過惰性氣體冷卻到室溫是指，采用氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，氫氣的體積分?jǐn)?shù)為0.5~1.0%，冷卻速度為30~50°C /min。
[0014]本發(fā)明與已有的保溫生長方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，單晶長度大，且是首次用于銅帶產(chǎn)品；與熔體單晶生長方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是單晶條帶的厚度范圍可控，條帶不需要后續(xù)壓力加工，避免了加工過程引起的單晶向多晶轉(zhuǎn)變。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1本發(fā)明制備的單晶銅帶的XRD譜。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明可以根據(jù)以下實(shí)例實(shí)施，但不限于以下實(shí)例；在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非有另外說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義；應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍；在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。
[0017]實(shí)施例1
本實(shí)施例具體實(shí)施一種單晶銅帶的制備方法，在含有體積分?jǐn)?shù)為1.0%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體保護(hù)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(xù)送入溫度為1000°C的密閉保溫爐，多晶銅帶進(jìn)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,然后從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個(gè)相隔10 mm的超聲變幅桿，在惰性氣體保護(hù)下對連續(xù)運(yùn)動(dòng)的多晶銅帶進(jìn)行超聲作用，超聲變幅桿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(dòng)頻率為20kHz，功率為200W/mm2 ;接著，繼續(xù)在惰性氣體保護(hù)下在1000°C保溫lOOmin，采用含有體積分?jǐn)?shù)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(xù)單晶銅帶。
[0018]實(shí)施例2
本實(shí)施例具體實(shí)施一種單晶銅帶的制備方法，在含有體積分?jǐn)?shù)為0.8%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體保護(hù)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(xù)送入溫度為1020°C的密閉保溫爐；多晶銅帶進(jìn)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,然后從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個(gè)相隔10 mm的超聲變幅桿，在惰性氣體保護(hù)下對連續(xù)運(yùn)動(dòng)的多晶銅帶進(jìn)行超聲作用，超聲變幅桿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(dòng)頻率為30kHz，功率為250W/mm2 ;接著，繼續(xù)在惰性氣體保護(hù)下在1020°C保溫125min，采用含有體積分?jǐn)?shù)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(xù)單晶銅帶；分析表明，通過本實(shí)施例的實(shí)施，得到了單晶銅帶。[0019]實(shí)施例3
本實(shí)施例具體實(shí)施一種單晶銅帶的制備方法，在含有體積分?jǐn)?shù)為0.5%氫氣的氬氣與氫氣的混合氣體保護(hù)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(xù)送入溫度為1040°C的密閉保溫爐；多晶銅帶進(jìn)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,然后從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個(gè)相隔10 mm的超聲變幅桿，在惰性氣體保護(hù)下對連續(xù)運(yùn)動(dòng)的多晶銅帶進(jìn)行超聲作用，超聲變幅桿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(dòng)頻率為20kHz，功率為300W/mm2 ;接著，繼續(xù)在惰性氣體保護(hù)下在1040°C保溫200min ；采用含有體積分?jǐn)?shù)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(xù)單晶銅帶；分析表明，通過本實(shí)施例的實(shí)施，得到了單晶銅帶。
[0020]實(shí)施例4
本實(shí)施例具體實(shí)施一種單晶銅帶的制備方法，在含有體積分?jǐn)?shù)為0.7%氫氣的純氬氣與氫氣的混合氣體保護(hù)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(xù)送入溫度為1030°C的密閉保溫爐；多晶銅帶進(jìn)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,然后從保溫爐中有效加熱長度外50mm的位置開始,通過3個(gè)相隔10 mm的超聲變幅桿，在惰性氣體保護(hù)下對連續(xù)運(yùn)動(dòng)的多晶銅帶進(jìn)行超聲作用，超聲變幅桿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(dòng)頻率為25kHz，功率為250W/mm2 ;接著，繼續(xù)在惰性氣體保護(hù)下在1030°C保溫200min ;采用含有體積分?jǐn)?shù)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(xù)單晶銅帶；分析表明，通過本實(shí)施例的實(shí)施，得到了單晶銅帶。
[0021]圖1為本發(fā)明制備的單晶銅帶XRD譜。從圖中可以看出，所得銅帶是單晶銅帶。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于:在惰性氣體保護(hù)下，將加工到指定厚度的多晶銅帶連續(xù)送入加熱到足夠高溫度的保溫爐，經(jīng)過一定時(shí)間的保溫后在保溫爐中進(jìn)行超聲振動(dòng)處理，然后繼續(xù)在高溫下保溫足夠時(shí)間，最終通過惰性氣體冷卻到室溫獲得連續(xù)單晶銅帶。
2.如權(quán)利要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于: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?jǐn)?shù)為0.5^1.0%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于: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(xù)多晶銅帶。
4.如權(quán)利要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于:所述的連續(xù)送入是指，多晶銅帶以單向不間斷運(yùn)動(dòng)的形式進(jìn)入保溫爐，速度為5~IOmm/min。
5.如權(quán)利要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于: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(hù)密閉保溫爐。
6.如權(quán)利要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于:所述的經(jīng)過一定時(shí)間的保溫是指，通過保溫爐有效加熱長度與多晶銅帶進(jìn)入的速度配合控制，保溫爐有效加熱長度為8(Tl00cm，保溫時(shí)間控制在10(T200min。
7.如權(quán)利 要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于:所述的超聲振動(dòng)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(gè)相隔10 mm的超聲變幅桿,在惰性氣體保護(hù)下對連續(xù)運(yùn)動(dòng)的多晶銅帶進(jìn)行超聲作用，超聲變幅桿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(dòng)頻率為20~30kHz，功率為 20(T300W/mm2。
8.如權(quán)利要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于:所述的繼續(xù)在高溫下保溫足夠時(shí)間是指，在惰性氣體保護(hù)下保溫溫度為100(Tl040°C，保溫時(shí)間為10(T200min。
9.如權(quán)利要求1所述的一種單晶銅帶的制備方法，其特征在于:所述的通過惰性氣體冷卻到室溫是指，采用氬氣與氫氣的混合氣體冷卻，氫氣的體積分?jǐn)?shù)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(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】陳剛, 趙玉濤, 周小亮, 安子強(qiáng) 申請人:江蘇大學(xué)