电子材料的发展

铜是人类最早使用的一种金属。公元前40世纪人类就开始利用硫化铜矿石在大气中加热获得金属铜。后来获知加入锡(Sn)可以导致熔点下降和强度上升，从此迎来了青铜器时代。另外，人类还曾经将黄铜作为货币使用。到了现代，铜已成为人类文明不可替代的一种导电材料。

18世纪荷兰莱顿大学物理学教授马森布洛克发明了莱顿瓶，在物理学上第一次能做到储存电荷并对其性质进行研究。1800年意大利物理学家伏打发明了电池，为物理学研究提供了稳定的电流源，从而打开了电磁作用这块未知领域，真正揭开了人类电磁时代的大幕。1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流和磁针相互作用以及电流产生磁场的现象，并用拉丁文发表了划时代的论文《关于磁针上电流碰撞的实验》而轰动了整个欧洲。其后法国的安培发现了右手螺旋法则以及英国的法拉第发现了奥斯特定律的逆定律——磁电感应定律。

大约同时期，人类明白了将线圈环绕铁棒，通过电流可获得强磁场以及利用天然磁石和电导线可得到回转机（马达），导致了1879年电力机车的发明。随着电力机车的发展，高压输电线和变电装置等技术获得了不断地完善与提高。人类对电与磁的理解，导致了电子学的飞速发展（图1）。

 

图1 人类对电与磁的理解，导致了电子学的飞速发展

 

 

 

 

纯铜

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日常的电线使用的是韧铜，音响器材使用的是无氧铜

 

 

铜(Cu)为面心立方(FCC)晶体结构，因此具有良好的加工性能。另外，耐海水等的腐蚀性良好。Cu的电导率和热导率仅次于银(Ag)，在导电材料、电器用品、热交换器具等方面获得了广泛的应用。日本利用电解熔炼法加工进口铜矿石获得电解铜。但是由于韧铜中含有较多的氧元素，氢元素侵入后容易产生脆化。因此利用真空溶解法将氧含量降低到0.006％以下获得无氧铜(OFC)。无氧铜由于电导率更高、音质更好而被普遍应用于音响器材或电子乐器。工程上采用相对电导率来表征金属材料的导电性能，即与国际标准软铜的电导率（电导率1.7241×10^-8(Ω·m)^-1）为100％标准的百分比值(%IACS)。无氧铜的相对电导率为100％以上。

 

表1 纯铜的组成与用途

种类	电导率/%IACS	Cu纯度	特点与主要用途
无氧铜(OFC)1类	102	＞99.96%	音响器材用线材
无氧铜(OFC)2类	102	＞99.99%	电子管及高真空应用
韧铜(TPC)	101	＞99.90%	一般电线、密封垫片
磷脱氧铜(P-DCu)	82	＞99.90%	导热管、密封垫片等

 

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铜的导电性好但密度大

 

 

铜的最大缺点是密度(8.96g/cm3)高、强度较低。从发电厂出来的高电压、高电流经过大跨度架空的高压线传输，希望电缆的质量尽可能轻。因此高压电缆线一般采用IACS为60％的铝(Al)绞线（芯部为钢芯线）（图2）。这是由于根据电阻计算，当Al的横截面为铜的1.7倍时，其密度仍仅为铜线的1/3，即使考虑铁芯线的质量，其整体质量仍为铜线的50%。

图2 高压架空电缆断面图

 

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电路板、电池使用的铜箔：压延法和电解法

 

 

可通过压延的方法将铜锭压延至厚度约75m的铜箔。压延铜箔主要在锂离子电池的碳电极上的集电体或手机折叠部位的柔性印刷电路板上使用。

除了压延铜箔，还有从溶液中直接获得电解铜箔。将鼓状阴极在硫酸铜溶液中边通电边拉出即可获得铜箔。鼓状电极面的铜箔表面光滑，而溶液面粗糙。但粗糙面与树脂基板附着性良好，因此被广泛用于印刷电路板（图3）。

图3 铜箔的用途及电解铜箔制造方法

 

 

 

铜合金

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黄铜为铜锌合金，青铜为铜锡合金

 

 

世界上生产量最大的铜合金为含锌(Zn)20%以上的黄铜(Brass)（表2)。含30%Zn以下的7/3黄铜为加工性良好的α(FCC)单相，但Zn含量超过40%（6/4黄铜）则会析出β相（CuZn相），导致铜合金基体硬化，添加较多合金元素Zn时，会导致黄铜从金黄色变为黄色（图4）。

 

表2 主要铜合金的成分与特征

种类	成分	特征与用途
7/3黄铜	Cu-30%Zn	加工性好。电器用品
铝青铜	Cu-7%Al	耐海水腐蚀性好。船舶、化工
磷青铜	Cu-8% Sn-0.2% P	耐疲劳，弹性好。用于开关
铍青铜	Cu-2% Be-0.3% Co	强度高，弹性与电导性俱佳。电机
白铜	Cu-10% Ni	热交换器、凝汽器

 

图4 Cu-Zn合金状态图

 

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半导体连线从铝改为铜

 

 

过去，半导体的导线主要采用金属铝(Al)。这是由于Cu与Si的相容性较差，使用铜导线极易产生短路等故障。随着集成电路尺寸的急剧缩小，带来了铝导线电阻过大的问题。伴随着防止Si和Cu相互扩散的阻隔层等制备技术的进步，2000年左右开始改为Cu导线。其后为了防止Cu污染将溅射法改为了电镀法，同时在制备时又采取了密封隔离措施。

液晶电视显示屏尺寸的扩大也同样带来了电阻过大的问题，其配线也正在从金属铝(Al)或金属钼(Mo)向Cu线转换。许多电子元件也由于放热、电导率和成本因素等因素正在向其最适宜的金属材料方向转换。

 

 

 

调整线膨胀系数和热传导率

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通常希望金属材料的线膨胀系数小而热传导率大

 

 

对于精密的电子产品如IC（集成电路），为了减少放热所带来的应变，特别需要考虑Si、玻璃与金属的线膨胀系数匹配。我们当然希望使用热传导良好的铜(Cu)或铝(Al)，但由于其线膨胀系数分别为16.8×10⁶K^-1和23×10⁶ K^-1，而硅（Si）和玻璃则分别2.4×10⁶K^-1和9×10⁶K^-1。因此，如果直接将它们复合在一起，则温度变化会导致电子元件变形甚至破坏。针对电子部件或发光元件的放热，一般使用Cu与具有低线膨胀系数的钨(W)组成的30%Cu-W金属基复合材料（采用粉末冶金方法制作）。

对于太阳能电池板组件，从多晶硅薄片中引出电流的导线如果采用普通的铜线或铝线，则由于热胀冷缩有可能导致硅薄(0.2mm)破裂，因此一般采用不会给硅片施加应力的软Cu等材料（图5）。

图5 太阳能电池多晶硅基板

 

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铁与镍可制成线膨胀系数为零的合金

 

 

玻璃、陶瓷与金属进行封装时通常采用可伐合金（Kovar:29% Ni-17% Co-Fe合金）。其在30~400℃之间的线膨胀系数为4.8×10^-6K^-1左右，与硬质玻璃（硼硅盐）的线膨胀系数接近。另外，可伐合金与硬质玻璃的相容相好，气体密封性能佳。

对于采用树脂封装的Si基板上的IC引线（针脚），一般采用铜合金，而对于要求具有高可靠性、高气密性的CPU（中央处理器）等电子元件，则必须使用陶瓷或玻璃进行封装，因此要求封装材料与Si的线膨胀系数相匹配，引线材料一般采用Fe-42% Ni合金（图6,图7)。而对于一般的树脂封装型IC元器件，则采用铜合金（Cu-Fe合金等）作为引线材料。

图6 Fe-Ni合金的线膨胀系数

图7 IC芯片的引脚

 

常温附近线膨胀系数最小的是36% Ni-Fe因瓦合金（Invar：不变的意思）。当铁镍合金中镍含量为36％时，在常温附近其线膨胀系数可降到最低值（图6）。这是由于在室温附近，温度导致的热膨胀被铁磁性变化导致的收缩所抵消。