TWI581273B

TWI581273B - 鋁合金導線及其製造方法

Info

Publication number: TWI581273B
Application number: TW104139837A
Authority: TW
Inventors: 康進興; 簡士凱; 施景祥
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-05-01
Also published as: US20170154699A1; TW201719676A

Description

鋁合金導線及其製造方法

本發明是有關於一種導線及其製造方法，且特別是有關於一種鋁合金導線及其製造方法。

隨著目前科技的進步，高功率元件模組已廣泛地應用在空調設備與電冰箱的變頻器或是電動車中，用來連接功率元件的導線也因此有相當大的市場需求。目前，主要是使用鋁線來連接功率元件，其主要的原因是因為在相同承載電流下鋁線的成本遠比金線便宜，且鋁線與功率元件上的鋁墊之間在接合時沒有金屬間化合物和空孔的問題，因此具有較佳的可靠性。

然而，由於功率元件的功率提升至30千瓦以上，功率元件在運作時，環境溫度相當地高，甚至會超過攝氏100度，一般的鋁線在高溫下可能會產生再結晶晶粒，而造成材料軟化。因此，現有的鋁線已無法滿足目前功率元件的耐高溫需求。此外，一般為了強化鋁線，在打線至功率元件上之後還需進行熱處理，工序上較為複雜。

本發明提供一種鋁合金導線，其可耐高溫且在打線後不需熱處理。

本發明提供一種鋁合金導線的製造方法，其可製造出上述的鋁合金導線。

本發明的一種鋁合金導線，包括：鐵，在鋁合金導線中的重量百分比約在0.3%至1%之間；銅，在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.5%之間；以及鋁，佔鋁合金導線中剩餘的重量百分比。

在本發明的一實施例中，上述的鐵在鋁合金導線中的重量百分比約為0.7%。

在本發明的一實施例中，上述的銅在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.2%之間。

在本發明的一實施例中，上述的鋁合金導線具有62%國際退火銅標準（IACS）以上的導電率。

本發明的一種鋁合金導線的製造方法，包括：提供鋁、鋁鐵母合金及鋁銅母合金，並進行一熔煉程序，以形成一熔融態鋁合金；將熔融態鋁合金鑄成一鑄錠；熱擠鑄錠而成為至少一條擠型材，其中各擠型材的直徑小於鑄錠的直徑；以及對各擠型材進行多道冷抽程序而成為一鋁合金導線，其中鋁合金導線的直徑小於擠型材的直徑，其中鐵在鋁合金導線中的重量百分比約在0.3%至1%之間，銅在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.5%之間，且鋁佔鋁合金導線中剩餘的重量百分比。

在本發明的一實施例中，上述在將熔融態鋁合金鑄成鑄錠的步驟中，更包括：灌注熔融態鋁合金至一模具內，並降溫以使熔融態鋁合金固化為鑄錠；去除鑄錠的表層雜質；以及進行一加熱程序以均質化鑄錠。

在本發明的一實施例中，上述在各次的冷抽程序中，擠型材的面積約減少20%。

在本發明的一實施例中，上述在形成鋁合金導線之後，更包括：對鋁合金導線進行一調質熱處理，以使鋁合金導線的硬度小於35維氏硬度（Hv）。

在本發明的一實施例中，上述的鑄錠的直徑約為75公厘，擠型材的直徑約為5公厘，且鋁合金導線的直徑約為0.38公厘。

在本發明的一實施例中，上述的鐵在鋁合金導線中的重量百分比約為0.7%，且銅在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.2%之間。

基於上述，本發明的鋁合金導線藉由鐵與銅在鋁合金導線中佔有0.3%至1%之間以及0.1%至0.5%之間的重量百分比，鐵可以形成第二相來提高鋁合金導線強度，銅以固溶形態增強鋁合金導線的強度及耐熱性，而使本發明的鋁合金導線提供較佳的強度、耐熱性與導電率，且在打線之後也不需進行熱處理。此外，本發明的鋁合金導線的製造方法藉由熔煉、鑄造、熱擠、冷抽等多道程序，可以製作出上述鐵與銅在鋁合金導線中佔有0.3%至1%之間以及0.1%至0.5%之間的重量百分比的鋁合金導線。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

由於高功率元件（例如是碳化矽功率元件）在運作時，環境溫度相當地高，甚至會超過攝氏100度，一般習知的導線在高溫下可能會產生再結晶晶粒，造成材料軟化、斷裂，可能導致訊號無法傳遞。有鑑於此，本實施例提供一種鋁合金導線，其能夠滿足碳化矽功率元件的耐高溫要求，且由於具有足夠的強度，在打線之後也不需熱處理，工序上較為簡單。下面將對此鋁合金導線進行介紹。

詳細地說，本實施例的鋁合金導線，包括有鐵、銅以及鋁的成分，其中鐵在鋁合金導線中的重量百分比約在0.3%至1%之間，銅在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.5%之間，且鋁佔了鋁合金導線中剩餘的重量百分比。

由於鐵可以形成第二相來提高鋁合金導線強度，銅以固溶形態可以增強鋁合金導線的強度及耐熱性，因此，具有一定比例的鐵與銅的鋁合金導線能夠提供較佳的強度、耐熱性與導電率。在一更佳的實施例中，鐵在鋁合金導線中的重量百分比約為0.7%，銅在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.2%之間。

為了進一步地佐證本實施例的鋁合金導線具有較佳的強度、耐熱性與導電率，下面將對數種導線進行實驗，以從實驗結果直接知道本實施例的鋁合金導線與習知導線在各項性質上的差異。

在實驗中提供四種導線，第一種導線A1是純鋁導線；第二種導線A2是鐵的重量百分比含量為0.7%，剩餘均是鋁的導線；第三種導線A3是鐵的重量百分比含量為0.7%，銅的重量百分比含量為0.1%，剩餘均是鋁的鋁合金導線；第四種導線A4是鐵的重量百分比含量為0.7%，銅的重量百分比含量為0.2%，剩餘均是鋁的鋁合金導線。第一種導線A1與第二種導線A2是習知的導線，第三種導線A3與第四種導線A4則均是本實施例的鋁合金導線所涵括的範圍。上述導線的線徑均為0.38公厘。

將上述四種導線A1、A2、A3、A4進行拉伸測試。拉伸測試結果如表一所示。 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0002"><TBODY><tr><td> 導線 </td><td> 抗拉強度單位:千克力(kgf) </td><td> 降伏強度單位:千克力(kgf) </td><td> 延伸率(%) </td></tr><tr><td> A1 </td><td> 0.75 </td><td> 0.63 </td><td> 24.30 </td></tr><tr><td> A2 </td><td> 0.85 </td><td> 0.70 </td><td> 23.50 </td></tr><tr><td> A3 </td><td> 1.08 </td><td> 0.75 </td><td> 23.43 </td></tr><tr><td> A4 </td><td> 1.11 </td><td> 0.82 </td><td> 25.45 </td></tr></TBODY></TABLE>表一

由表一可以清楚地看到，本實施例的鋁合金導線的第三種導線A3與第四種導線A4的抗拉強度明顯地比第一種導線A1與第二種導線A2的抗拉強度來得好。本實施例的鋁合金導線的第三種導線A3與第四種導線A4的降伏強度也高於第一種導線A1與第二種導線A2的降伏強度。第三種導線A3有接近於第二種導線A2的延伸率，且第四種導線A4有最佳的延伸率。

此外，將上述四種導線A1、A2、A3、A4進行導電率測試、硬度測試以及利用熱機械分析儀（TMA）所進行的軟化溫度測試與再結晶溫度測試，實驗結果如表二所示。 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0003"><TBODY><tr><td> 導線 </td><td> 導電率單位: 國際退火銅標準(IACS) </td><td> 硬度單位:維氏硬度(Hv) </td><td> 軟化溫度單位:攝氏 </td><td> 再結晶溫度單位:攝氏 </td></tr><tr><td> A1 </td><td> 63.8 </td><td> 24 </td><td> 105 </td><td> 120 </td></tr><tr><td> A2 </td><td> 63 </td><td> 26 </td><td> 155 </td><td> 150 </td></tr><tr><td> A3 </td><td> 62.6 </td><td> 27 </td><td> 175 </td><td> 200 </td></tr><tr><td> A4 </td><td> 62.1 </td><td> 29 </td><td> 185 </td><td> 225 </td></tr></TBODY></TABLE>表二

由表二可以清楚地看到，在本實施例的鋁合金導線的第三種導線A3與第四種導線A4中，導電率的表現接近於第一種導線A1與第二種導線A2的導電率。本實施例的鋁合金導線均具有62%國際退火銅標準（IACS）以上的導電率。另外，由表二可見，第三種導線A3與第四種導線A4的硬度均高於第一種導線A1與第二種導線A2的硬度。此處需說明的是，若硬度太高，則打線時易造成晶片破損或打線接合不良，因此，導線的硬度較佳是在一範圍之內，而非越高越好。在本實施例中，第三種導線A3與第四種導線A4的硬度均低於35維氏硬度，更明確地說，第三種導線A3與第四種導線A4的硬度均低於30維氏硬度。

此外，圖1是四種導線A1、A2、A3、A4的軟化溫度測試圖，請同時搭配圖1以及表二，含鐵的鋁導線（也就是第二種導線A2、第三種導線A3、第四種導線A4）的軟化溫度的表現明顯地比純鋁導線（也就是第一種導線A1）來得高。第三種導線A3與第四種導線A4在軟化溫度的表現明顯地比第一種導線A1與第二種導線A2來得高。另外，由表二也可看到，第三種導線A3與第四種導線A4的再結晶溫度也明顯地比第一種導線A1與第二種導線A2的再結晶溫度來得高。

值得一提的是，本實施例的鋁合金導線在直接覆銅基板（direct bonded copper substrate）上打線後進行勾拉力測試。一般導線的勾拉力測試標準為800克，本實施例的鋁合金導線的勾拉力測試結果在1000克以上，換句話說，本實施例的鋁合金導線的強度明顯高於標準值。

此外，本實施例的鋁合金導線在與功率元件連接之後進行電性測試，測試項目是1200伏特的高電壓測試以及150安培的高電流測試，測試結果如表三所示，其中鋁合金導線1與鋁合金導線2均是鐵與銅的含量在本實施例的鋁合金導線的範圍中的鋁合金導線。 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0004"><TBODY><tr><td> 本實施例的鋁合金導線 </td><td> 測試項目 </td><td> 測試結果 </td></tr><tr><td> 鋁合金導線1 </td><td> 1200伏特高電壓測試 </td><td> 2.87微安培 </td></tr><tr><td> 150安培高電流測試 </td><td> 2.14伏特 </td></tr><tr><td> 鋁合金導線2 </td><td> 1200伏特高電壓測試 </td><td> 2.83微安培 </td></tr><tr><td> 150安培高電流測試 </td><td> 2.14伏特 </td></tr></TBODY></TABLE>表三

由表三可見，上述符合本實施例的鐵、銅含量的鋁合金導線1與鋁合金導線2的1200伏特的高電壓測試的電流值分別為2.87微安培與2.83微安培，均小於標準值1毫安培的要求。此外，鋁合金導線1與鋁合金導線2的高電流150A測試的電壓值均為2.14伏特，且在經過500次的溫度循環測試（TCT測試）之後，電壓增加值約為2.5%，遠小於標準的20%電壓增加值。也就是說，本實施例的鋁合金導線經過實際測試的證明，具有相當良好的耐用性與可靠度。

本實施例的鋁合金導線具有耐高溫的特性，打線在功率元件上之後不需要再加進行強化的熱處理，較節省打線後的工序。若應用在電動車中功率元件模組中，能夠滿足其可靠度要求，在各個不同的溫度及駕駛狀況下保持正常運作，應用在其他功率元件模組領域上也能在高溫下有良好的表現。

圖2是依照本發明的一實施例的一種鋁合金導線的製造方法的示意圖。請參閱圖2，本發明更提供一種鋁合金導線的製造方法100，其可製造出上述的鋁合金導線。本實施例的鋁合金導線的製造方法100包括下列步驟：

首先，提供鋁、鋁鐵母合金及鋁銅母合金，並進行一熔煉程序，以形成一熔融態鋁合金（步驟110）。在本實施例中，製造者可選擇4N或是5N的鋁，搭配鐵含量為20%的鋁鐵母合金以及銅含量為50%的鋁銅母合金來進行熔煉程序。當然，製造者可視實際狀況選擇不同含量或濃度的鋁、鋁鐵母合金及鋁銅母合金來操作，含量或濃度並不以上述為限制。此外，在本實施例中，進行熔煉程序的溫度約為740度（鋁的熔點約在攝氏660度，熔煉溫度高於鋁的熔點），以熔融上述金屬，而成為熔融態鋁合金。

接著，將熔融態鋁合金鑄成一鑄錠（步驟120）。詳細地說，在將熔融態鋁合金鑄成鑄錠的步驟中，更包括：灌注熔融態鋁合金至一模具內，並降溫以使熔融態鋁合金固化為鑄錠（步驟122）。在本實施例中，鑄錠為一圓柱狀，鑄錠的長度約為200公厘，直徑約為75公厘，當然，鑄錠的形狀與尺寸並不以此為限制。在將鑄錠從模具中取出之後，進行去除鑄錠的表層雜質的步驟（步驟124）。更明確地說，鑄錠在兩端的帽口處以及側面的表層可能會有雜質，藉由切除鑄錠在帽口處的部分並且磨去側面的表層，可去除鑄錠的雜質。再來，進行一加熱程序以均質化鑄錠（步驟126）。在本實施例中，加熱程序的溫度約在攝氏550度至650度之間，溫度低於鋁的熔點，但能夠使鑄錠有均質化的效果。

再來，熱擠鑄錠而成為至少一條擠型材，其中各擠型材的直徑小於鑄錠的直徑（步驟130）。在本實施例中，一條鑄錠可被熱擠成8條擠型材，各擠型材的長度約為3公尺，且直徑約為5公厘。熱擠溫度約在攝氏380度。當然，擠型材的尺寸以及熱擠溫度並不以此為限制。

接著，對各擠型材進行多道冷抽程序而成為一鋁合金導線，其中鋁合金導線的直徑小於擠型材的直徑，其中鐵在鋁合金導線中的重量百分比約在0.3%至1%之間，銅在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.5%之間，且鋁佔鋁合金導線中剩餘的重量百分比（步驟140）。

在各次的冷抽程序中，擠型材的面積約減少20%，因此，各條擠型材經過約32道冷抽程序，可形成直徑約為0.38公厘的鋁合金導線。在本實施例中，鋁合金導線的鐵與銅含量約在0.3%至1%之間以及0.1%至0.5%之間。在一更佳的實施例中，鐵在鋁合金導線中的重量百分比約為0.7%，銅在鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.2%之間。由於鐵可以形成第二相來提高鋁合金導線強度，銅以固溶形態可以增強鋁合金導線的強度及耐熱性，因此，具有上述比例的鐵與銅的鋁合金導線能夠提供較佳的強度、耐熱性與導電率。

最後，為了使鋁合金導線能夠具有較高的再結晶溫度ˇ及適當的硬度範圍，更包括：對鋁合金導線進行一調質熱處理，以使鋁合金導線的硬度小於35維氏硬度（Hv）（步驟150）。在本實施例中，調質熱處理的溫度約為攝氏300度，時間約為兩小時。藉此，以避免鋁合金導線的硬度太高而容易形成再結晶，而使本實施例的鋁合金導線具有較佳的材料性質。

綜上所述，本發明的鋁合金導線藉由鐵與銅在鋁合金導線中佔有0.3%至1%之間以及0.1%至0.5%之間的重量百分比，鐵可以形成第二相來提高鋁合金導線強度，銅以固溶形態增強鋁合金導線的強度及耐熱性，而使本發明的鋁合金導線提供較佳的強度、耐熱性與導電率。此外，本發明的鋁合金導線的製造方法藉由熔煉、鑄造、熱擠、冷抽等多道程序，可以製作出上述鐵與銅在鋁合金導線中佔有0.3%至1%之間以及0.1%至0.5%之間的重量百分比的鋁合金導線。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧鋁合金導線的製造方法

110~150‧‧‧步驟

圖1是四種導線A1、A2、A3、A4的軟化溫度測試圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種鋁合金導線的製造方法的示意圖。

100‧‧‧鋁合金導線的製造方法

110~150‧‧‧步驟

Claims

一種鋁合金導線，主要組成元素為：鐵，在該鋁合金導線中的重量百分比約在0.3%至1%之間；銅，在該鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.5%之間；以及鋁，佔該鋁合金導線中剩餘的重量百分比。
如申請專利範圍第1項所述的鋁合金導線，其中鐵在該鋁合金導線中的重量百分比約為0.7%。
如申請專利範圍第1項所述的鋁合金導線，其中銅在該鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.2%之間。
如申請專利範圍第1項所述的鋁合金導線，其中該鋁合金導線具有62%國際退火銅標準(IACS)以上的導電率。
一種鋁合金導線的製造方法，包括：提供鋁、鋁鐵母合金及鋁銅母合金，並進行一熔煉程序，以形成一熔融態鋁合金；將該熔融態鋁合金鑄成一鑄錠；熱擠該鑄錠而成為至少一條擠型材，其中各該擠型材的直徑小於該鑄錠的直徑；以及對各該擠型材進行多道冷抽程序而成為一鋁合金導線，其中該鋁合金導線的直徑小於該擠型材的直徑，其中鐵在該鋁合金導線中的重量百分比約在0.3%至1%之間，銅在該鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.5%之間，且鋁佔該鋁合金導線中剩餘的重量百分比。
如申請專利範圍第5項所述的鋁合金導線的製造方法，其中在將該熔融態鋁合金鑄成該鑄錠的步驟中，更包括：灌注該熔融態鋁合金至一模具內，並降溫以使該熔融態鋁合金固化為該鑄錠；去除該鑄錠的表層雜質；以及進行一加熱程序以均質化該鑄錠。
如申請專利範圍第5項所述的鋁合金導線的製造方法，其中在各次的該冷抽程序中，該擠型材的面積約減少20%。
如申請專利範圍第5項所述的鋁合金導線的製造方法，其中在形成該鋁合金導線之後，更包括：對該鋁合金導線進行一調質熱處理，以使該鋁合金導線的硬度小於35維氏硬度(Hv)。
如申請專利範圍第5項所述的鋁合金導線的製造方法，其中該鑄錠的直徑約為75公厘，該擠型材的直徑約為5公厘，且該鋁合金導線的直徑約為0.38公厘。
如申請專利範圍第5項所述的鋁合金導線的製造方法，其中鐵在該鋁合金導線中的重量百分比約為0.7%，且銅在該鋁合金導線中的重量百分比約在0.1%至0.2%之間。