专利名称：铜铝合金结合方法
技术领域：
本发明是关于一种铜铝合金材料的结合方法，特别是一种能够克服其介面阻抗，降低介面热阻的铜铝合金材料的结合方法。
背景技术：
铜铝材料在工业生产中有较广泛的用途，铜和铝的连接在异种金属的连接中具有相当重要的地位，目前市场上有许多铜铝合金结合技术。对于铜铝合金结合技术的最为典型的例子是用于冷却电子组件的散热器制程技术。
中央处理器(CPU)是一个高密度的发热源，先要把热量分散到一个较大的面积，再借助风扇的强制对流作用将其散发到空气中，达到散热目的。热量从CPU核心散发到散热片表面，是一个热传导过程。散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效率很有帮助，如铝的导热系数为735KJ/(M.H.K)，铜的导热系数为1386KJ/(M.H.K)，在所有其它条件均相同的时候，铜在单位时间内传导的热量是铝的近两倍。可见将铝合金散热片改用铜来制造，对热的传导速率将会有一个很可观的提升，这样当然就对CPU高度集中的热量具有明显有利效果。但是，还需要考虑铜的比重比铝大，将不符合散热片重量限制的要求；铜的硬度不如铝合金，某些机械加工性能不如铝，如剖沟等；铜的熔点比铝高很多，不利于挤压成形等等问题。
所以业界将铜、铝结合应用，利用铜的高导热系数特点，把热量传导至铝材质的鳍片，再通过风扇的对流作用散发至空气中。既保证其重量不超标，又可量产，也取得了一定的效能提升。
目前业界不管是应用于散热器的制造，还是其它用处，其最为常用的铜铝合金结合方式有焊接、螺丝锁合、机械式压合等等。
焊接方法系采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料，在低于母材熔点而高于焊料熔点的温度下，利用液态焊料润湿母材，填充接头间隙，然后冷凝形成牢固接合介面的焊接方法。主要工序有材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序。常用的焊接方式是锡焊，铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3)，使铜铝焊接难度较高，这是阻碍焊接的最大因素，必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其它容易焊接的金属，这样铜铝才能顺利焊接在一起。但是，目前市场上的采用铜铝焊接的产品最为严重的就是焊着率低或品质不稳定，从而其介面热阻较高。
螺丝锁合方法是在铝材与铜材之间使用高性能导热介质，施加80Kgf的力压紧后用螺丝将其锁紧，其介面热阻与铜铝焊接的效果相当。该方法受导热介质、结合面的平整度及螺丝的扭力等因素，从而其同样存在严重的介面热阻较高问题。
机械式压合方式是将铝材与铜材通过机械的方式压合在一起，因为铝有延展性，所以铜可以在常温下与铝质结合，例如，铝质材料上设有一圆筒孔，一铜质材料为圆柱形，其直径略大于该铝质圆孔的直径，通过机械方式将该铜柱挤压入该铝质孔内，这种方式的结合效果也是比较可观，但有一个致命的缺点就是铜在被挤压进入铝孔的过程中，铝孔内表面容易被铜刮伤，严重影响热传导率，还是存在介面热阻高的问题。
作为铝挤压技术的增强型工艺，铜铝结合技术虽然有效的解决了前面提到的问题，但因为铜铝结合技术的最大问题就是存在严重介面阻抗问题，如果工艺上不能解决此问题，那么成品效果甚至会不如全铝挤产品。
发明内容本发明所要解决的技术问题在于提供一种藉由热处理方式大幅降低介面热阻的铜铝合金结合方法。
本发明所要解决得技术问题是通过以下技术方案实现的本发明铜铝合金结合方法主要包括以下步骤(1)材料表面处理，分别将铜铝合金材料的欲结合的表面进行平整化；(2)进料，将已表面处理的铜铝合金材料放置于加热装置内，使其欲接合的表面相对紧密贴靠；(3)加热恒温处理，将装有铜铝合金材料的加热装置开始迅速加热并恒温处理，使铜铝合金材料接合介面处产生一种扩散合金，使得铜铝合金材料接合介面紧密；(4)冷却，将已接合的成品在该加热装置内进行自然冷却；(5)出料，将已冷却的成品从该加热装置内拿出，得到最后产品，如有废品将其打回上述第(2)步骤进行重工。其中该装置内的气氛环境为防止氧化的保护性气氛环境。
与现有技术相比，由于本发明铜铝合金结合方法主要是对铜铝合金材料进行热处理，在结构及功能方面对产品本身的结构设计不会有影响；在制程及成本方面不用对原本的生产线做太大变动，只需稍微调整即可，不需要过高的设备成本，即工艺成本低，同时可应用在废品重工方面，大幅减少制造成本；铜铝合金材料的介面处产生一种扩散合金，是唯一充分达到铜铝物理结合的制程，由介面形成合金相的方式来降低热阻，大幅提高热传导性。
下面参照附图，结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是本发明铜铝合金结合方法的主要步骤的流程图。
图2是本发明铜铝合金结合方法的铜铝合金材料结合示意图。
图3(a)至(d)是四组试片A、B、C、D的热处理前及分别各取五个试片经过1、2、3、4小时热处理后的热阻系数比较坐标图。
图4是取图3(a)至(d)的平均值后的A、B、C、D四组试片的热处理前后的热阻系数比较坐标图。
具体实施方式
本发明铜铝合金结合方法主要是通过热处理方式克服铜铝合金材料结合时的介面阻抗问题，从而大幅降低介面热阻，提升传热性能。
该铜铝合金结合方法一般使用设备为可快速加热的加热装置，例如加热炉，该加热炉通过电阻丝从外围加热，最高温度可达1200℃，加热炉的内部材料为陶瓷。本发明的铜铝合金材料包括铜(Cu)材料(纯铜或铜合金)及铝合金(Al)材料(纯铝或铝合金)。
图1是本发明铜铝合金结合方法的主要步骤的流程图，图2是本发明铜铝合金结合方法的铜铝合金材料结合示意图。该铜铝合金结合方法主要包括以下步骤(1)材料表面处理，将铜铝合金材料的欲结合的表面进行平整化处理，使其表面粗糙度越小越好，例如将铜铝合金材料表面电解加工或化学研磨，再分别由乙醇、丙酮等清洗铜铝合金材料表面的油污，然后通过超声波震动法去除其氧化层；(2)进料，将已经过表面处理的铜铝合金材料放置于加热炉内，使其欲结合的表面相对贴靠，并从相对外侧予以一定应力；(3)加热恒温处理，将已组装好铜铝合金材料的加热炉开始迅速加热至330-420℃左右，并恒温处理1-4小时，此时由于铜铝合金材料在受压力及温度的影响下，其介面处产生一种扩散合金，例如Al3Cu2，使得铜铝合金材料的接合介面更紧密，热阻亦能得到大幅降低(如图2所示)；(4)冷却，将已结合的成品在炉内进行自然冷却；(5)出料，将已冷却的成品从炉内拿出，得到最后产品，如有废品将其打回上述第(2)步骤进行重工。
其中，各步骤所需条件如下一、表面粗糙度(Roughness，Ra)及加工条件在铜铝合金材料热处理之前，铜铝合金材料的表面粗糙度是非常重要的，表面越平整，接触(紧密度)越良好，导热性能更好，故将其平整化处理，使其表面粗糙度控制在一定范围内，从而使得铜铝合金材料在热处理前的紧密度达到良好的程度。
二、应力(Stress，σ)在热处理过程中，利用铜及铝两者不同的热胀冷缩系数产生的应力，使其介面紧密结合，由于一方面防止扩散空洞(Kirkendall效应)的产生，另一方面可以尽量避免其界面接触不良的考量，初步实验估计其应力为约30Mpa，为了精准控制其应力大小，因此温度的控制是非常重要的。
三、处理温度(Temperature，T)根据铜-铝相图以及考虑到铝的熔点问题(温度过高易使铝挤材料变形)，温度范围取决于330-420℃左右，此温度范围内铜铝介面生成某种扩散合金(例如Al3Cu2)，尤其在350-370℃左右，即将此温度控制在360℃左右时，其形成的扩散合金更为理想。此生成的扩散合金会有效的降低因介面阻抗所造成的热阻过大问题，但是此扩散合金的量不可过多，同时此合金层必须尽可能的薄，所以处理的时间控制是很重要的参数。
四、持温时间(time，t)初步实验中，针对上述温度恒温分别1、2、3和4小时，其热处理前后的热阻系数变化对比结果如图3(a)至(d)所示，可发现持温3小时后的试片的热阻系数明显低于未处理过的试片的热阻系数，但是高温时持温时间越久，试片氧化程度越严重，因为氧化层会严重影响导热性能，为了避免在处理过程中氧化层的影响，处理时的环境就非常重要。
五、处理气氛为了避免在处理过程中发生严重的氧化，在保护性气氛下处理是必须的。例如，加热炉内部的气氛满足N2+H2的保护气氛。
从以上特征可知，本发明铜铝合金结合的热处理方法有以下优点(1)结构及功能方面对产品本身的结构设计不会有影响，并会进一步提升产品的热传导性。
(2)制程及成本方面不用对原本的产线做太大变动，只需稍微调整即可，不需要过高的设备成本，同时可应用在废品重工方面，降低制造成本。
(3)充分达到铜铝物理结合的制程，由介面形成合金相的方式来降低热阻，提高热传导性，预估恒温处理3小时后的成品可增加热传导效率略达20％。
下面结合铜铝材料(试片)的热处理实验，进一步说明本发明试片编号A、B、C、D分别是经过1、2、3和4小时的热处理(330～420℃)，每30分钟对炉内温度做一次纪录，如表一所示。可发现纵使试片环境不是真空，但其温度的变化差异并不会很大，表示在炉内，其加热是均匀的。
表一、不同时间的加热炉的温度纪录 针对四组不同时间条件的热处理试片作热阻系数的实验分析，每一组条件取五个试片(试片号分别为1、2、3、4、5)，分别在热处理前和热处理后作热阻系数的分析，如图3(a)至(d)，图中，横坐标为试片号，纵坐标为热阻系数。从图3(a)中可明显看出，在恒温热处理一小时之后的热阻系数明显高于未经热处理的试片。图3(b)是经过2小时恒温热处理的分析，从图中可看出经过热处理试片的热阻系数有低于未经热处理试片的趋势。接着在图3(c)中发现，经恒温热处理三小时后的热阻系数，明显低于未经热处理试片的热阻系数；但是在经过四小时恒温热处理后的热阻系数却明显高于未经热处理试片的热阻系数，如图3(d)所示，此结果的原因是材料介面的扩散合金的量过多，而且扩散合金向不利于降低热阻系数方向变化。图4是总结图3(a)至(d)中的未经热处理及分别经过1、2、3、4小时热处理的试片热阻系数并取其平均值后的A、B、C、D四组试片的热处理前后的热阻系数的比较图。图中，横坐标为各组号，纵坐标为热阻系数。从图4中可见经过3小时后的试片热阻系数的降低率最大，假设A、B、C、D四组试片的紧密度皆良好并基本相同，则经过3小时恒温热处理后的试片热阻系数明显下降，这种结果是因为两个原因1.由于铝挤压的温度是在520～540℃间进行，而试片在恒温三小时后，铝孔的表面可能由于发生类似退火效应，导致残留硬力消除，而使得铜铝紧密度更好，因而降低热阻系数。
2.在此条件下，其铜铝接合界面有足够时间产生交互扩散形成某种稳定相，因而降低热阻系数。
权利要求
1.一种铜铝合金结合方法，包括以下步骤(1)材料表面处理，分别将铜铝合金材料的欲结合的表面进行平整化；(2)进料，将已表面处理的铜铝合金材料放置于加热装置内，使其欲接合的表面相对紧密贴靠；(3)加热恒温处理，将装有铜铝合金材料的加热装置开始迅速加热并恒温处理，使铜铝合金材料接合介面处产生一种扩散合金，使得铜铝合金材料接合介面紧密；(4)冷却，将已接合的成品在该加热装置内进行自然冷却；(5)出料，将已冷却的成品从该加热装置内拿出，得到最后产品。
2.如权利要求1所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述扩散合金为Al3Cu2。
3.如权利要求1所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述加热装置内的气氛环境为防止氧化的保护性气氛环境。
4.如权利要求3所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述保护性气氛为满足N2+H2的保护气氛。
5.如权利要求1所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述恒温处理温度范围约为330-420℃。
6.如权利要求5所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述恒温处理温度约为350-370℃。
7.如权利要求6所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述恒温处理温度约为360℃。
8.如权利要求1至7中任一项所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述恒温处理时间约为1至4小时。
9.如权利要求8所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述恒温处理时间约为2至3小时。
10.如权利要求9所述的铜铝合金结合方法，其特征在于所述恒温处理时间约为3小时。
全文摘要
一种铜铝合金结合方法，包括以下步骤(1)材料表面处理，分别将铜铝合金材料的欲结合的表面进行平整化；(2)进料，将已表面处理的铜铝合金材料放置于加热装置内，使其欲接合的表面相对紧密贴靠；(3)加热恒温处理，将装有铜铝合金材料的加热装置开始迅速加热并恒温处理，使铜铝合金材料接合介面处产生一种扩散合金，使得铜铝合金材料接合介面紧密；(4)冷却，将已接合的成品在该加热装置内进行自然冷却；(5)出料，将已冷却的成品从该加热装置内拿出，得到最后产品。该方法由铜铝合金材料介面形成合金相的方式来降低热阻，大幅提高热传导性，且其工艺成本低，对产品生产线影响不大，废品可重工。
文档编号B23K20/14GK1785571SQ20041007743
公开日2006年6月14日 申请日期2004年12月9日 优先权日2004年12月9日
发明者洪居万, 骆长定, 方彝群, 吴荣源, 林雨利, 张朋朋 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司