铜铝复合材料生产与应用

尚郑平 王项 范国栋 周肇阳|文

铜铝复合材料的研发与应用领域不断拓展，其中半熔态轧制复合是铜铝复合带、箔未来主流的生产工艺。但铜铝复合板带的应用尚缺乏系统的研究，系统研究对于行业健康发展有着重要的意义。

铜铝复合材料是一种在铝材的一面或者两面复合一层铜板带的复合材料。它不仅具有铜材良好的导电、导热性能、接触电阻低、易电镀以及外观大气美观等优点，又兼具铝材的质轻、散热性能优良、经济等特点，广泛应用于电子、通讯、电器、电力、散热、汽车、建筑装饰、生活用具等领域。

铜铝复合板带的制备方法

铜铝复合材料的制备方法有多种，大体可分为固—固相复合法和液—固复合法两类。固—固相复合法包括爆炸复合、轧制复合等，固液复合法主要包括充芯连铸法、模铸法，半熔态轧制复合法等。

制备铜铝复合材料的主要难点主要有以下两点：1、铜铝两种材料易氧化，特别是铝材，并且氧化膜难以去除；2、铜铝两种材料在较低温度就形成金属间化合物，这种金属间化合物硬脆，极大的破坏铜铝间的复合强度，影响铜铝的导电、导热性能。半熔态轧制复合法巧妙地解决铜铝复合过程中这两个难题。在液态的铝冷却结晶至半熔态时，铜板带在大轧制力的作用下两种金属复合到一起。在高温、高压作用下，铜板带和半熔态的铝存在界面交互作用，界面在短时间内存在数次的交互，解决了铜铝复合材料复合过程中的氧化和共晶问题。在良好复合板带坯料的基础上，研究了铜铝复合轧制工艺和配套的退火工艺制度，已产业化生产制备铜铝复合板带箔材。

半熔态轧制复合技术解决铜铝复合技术中氧化和共晶的关键技术，铜铝之间实现冶金结合，配套的铜铝复合轧制技术和退火工艺制度，实现了铜铝复合板带箔材的生产，是未来铜铝复合材料制备的发展必然趋势。

铜铝复合材料的应用领域

近十年来，铜价的上涨使得铜铝复合材料的发展速度加快，铜铝复合材料的应用领域也逐步的扩大。主要常用领域有导热散热、通讯、电力等。

1.在大功率LED封装散热基板上的应用

从当前的LED技术来看，依然无法完美解决光电转换效率这个核心问题，因此散热问题作为LED行业发展的瓶颈问题，除了添加散热器件，封装更是解决散热问题的核心环节。

目前大功率LED封装技术多采用MCOB封装，与传统的COB封装技术相比较，MCOB的铝基板焊接的芯片没有绝缘层，热量直接导入金属基板上，热量快速导出，降低芯片结温，延长平面光源使用寿命。铝基板在传统COB封装模式的总导热系数在2.2w/m•k，而目前MCOB的总体导热系数在200w/m•k以上。

图1铜铝复合材料MCOB封装示意图

图1 所示，铜铝复合板，铜材的导热系数高，与芯片直接接触，可以把芯片产生的热量迅速导出，铜铝复合板是冶金结合，铜铝间过渡层薄，热量从铜材向铝材的热传导过程中没有额外的热阻，充分发挥了铜材良好的导热性能和铝材良好散热性能，降低了封装的总体热阻，有效降低了芯片的结温，使更大功率的LED封装成为了可能。采用铜铝复合板带，目前单株大功率MCOB封装已经由传统MCPCB材料的20～30瓦提升到100～200瓦。

铜铝复合材料良好的导热性能和散热性能已经得到LED客户的认可，作为大功率LED封装基板材料，铜铝复合材料还具有良好的成型性能、良好的机械加工性能、较高的平整度、良好的镀银性能、安全稳定可靠性以及较低的综合成本。

2.在散热器翅片领域的应用

散热翅片材料目前市场上应用较为广泛的有铜材、铝材、银。其导热和散热性能见表1。

材料的散热能力取决于材料的热容，铜材的导热性能好，散热性能差，铝材的导热性能差而散热性能优，银综合了两种材料的优点，导热性能和散热性能均较好。而铜铝复合材料的散热性能随着铜含量的增高而降低，其导热性能随着铜含量的升高而升高。因此合适比例的铜铝复合材料可做到导热性能和散热性能的均衡，充分发挥铜材料导热性能和铝材的散热性能。铜铝复合翅片的综合散热性能优于纯铜、纯铝材料，是一种良好的散热材料。

铜铝复合散热翅片，无论在成本，综合散热性能上均优于纯铜材料，在电子、通讯、计算机、PLC、燃气热水器、空调、制冷行业有着广阔的推广前景。

3.在电缆行业的应用

射频电缆、漏泄电缆的内外导体传导高频的弱电信号，信号的衰减是主要的性能控制指标。控制电缆、计算机电缆所用屏蔽电缆箔，防止通讯信号之间互相干扰，保证通讯的正常进行，信号的屏蔽性能作为主要性能指标。在高频的信号传输和屏蔽时，由于集肤效应的影响，只有表层的铜材起到信号传输作用，铜铝复合带的衰减和纯铜接近，而铝材自身性能无法和铜材相比，在屏蔽性能要求较高时无法满足需求。

铜铝复合材料在未来的通讯行业有着广阔的推广前景，但是一些辅助可靠性、加工工艺性能的应用性研发工作才刚刚开始，还有很多的研究性工作要做。

铝包铜复合扁排产品

4.在电力行业的应用

电力行业对铜铝复合材料的要求主要在四个方面：电气性能、机械性能、加工性能、安全可靠性。铜铝复合板带表面铜材为热轧开坯材，内部组织致密，力学性能和导电性能优于铸态组织的产品。铜铝复合板带结合强度高，可通过热处理调整复合排的状态，力学性能及机械加工性能和纯铜排无区别。铜材和铝材自身特性，铜铝复合材料的焊接不能采用传统的熔化焊接，适合采用复合材料常用的钎焊工艺，中温钎焊技术的发展对于铜铝复合板带的推广应用有密切的关系。铜铝复合板带作为导体材料，其电气性能可以通过截面积和铜铝的体积比进行调整，能够满足电气性能要求。在安全可靠性方面，铜铝板带通过高低温性能检测，复合性能、电气性能、机械性能没有改变。

5.铜铝复合过渡材料

铜铝复合接头材料广泛应用电器行业，品种繁多，其中有变压器铜铝过渡装置接头、铜铝设备线夹、电抗器、变压器连接排。目前铜铝复合接头主要采用摩擦焊、扩散焊、闪光焊、爆炸焊等工艺，随着光伏发电、风能发电的发展，为保证电厂供电的稳定性，在使用变压器、电抗器等设备时，对于铜铝过渡接头可靠性要求越来越高，传统的工艺自身接头脆性问题，无法满足市场需求，铜铝复合板带过渡接头不存在接头脆性问题，从根本上解决了过渡接头质量隐患，极大地扩展了其应用空间。

结论

表1 铜、铝、银、铜铝复合带的导热散热性能对比表

铜铝复合板带用途广泛，可应用在导热散热、通讯屏蔽、电力电气等行业，有望形成巨大的产业。目前铜铝复合板、带、箔的生产工艺基本成熟，但是铜铝复合材料的应用研究还处于起步阶段。铜铝复合板带的应用研究对于铜铝复合材料行业的健康快速发展起到重要的作用，对于国家铜资源战略调整有着重大的影响，还具有巨大经济效益和社会效益。

1.半熔态技术有效地解决了铜铝复合材料中的铜铝氧化和共晶问题，是铜铝复合材料制备技术的发展趋势。

2.现阶段铜铝复合板带箔材料主要应用方向为LED散热基板、电行业散热翅片，屏蔽电缆箔，铜铝复合过渡接头、铜铝复合排以及装饰板带等领域，有很大地应用开发推广前景。

3.铜铝复合材料的应用研究是一个多学科交叉的综合性课题，涉及电气、机械、通讯、焊接、传热、散热、电镀、耐候、测试等各专业，目前尚处于研究的起步阶段。铜铝复合板带箔材料，作为一种新型材料还有很多的未知应用领域，亟待研究应用开发。中