[发明专利]一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜，该薄膜包括在铜基体上交替设置的中间层和扩散阻挡层，中间层和扩散阻挡层的总层数为2层~48层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:1~5，另外本发明还提供了一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜的制备方法，将铜基体进行刻蚀后依次进行溅射中间层和扩散阻挡层，得到具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体。本发明通过在铜基体上交替设置的中间层和扩散阻挡层形成耐高温低扩散合金薄膜，中间层起到过渡作用，扩散阻挡层效缓解铜基体高温氧化以及扩散问题，层间结合力优异，与基体结合力较好，薄膜在较薄厚度下具有优异的抗高温氧化性能和扩散阻挡性能，使得铜基体能保持稳定的高温导电性能。

技术领域

本发明属于防护涂层技术领域，具体涉及一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜及其制备方法。

背景技术

由于铜及铜合金具有优异的高导电导热性、良好的力学以及抗腐蚀性能在集成电路引线框架、仪器仪表、高能电机、计算机通信、以及技术及精密机械制造等领域得到广泛应用。但是在高温空气中(200℃)铜极易被氧化，导致铜芯/铜导线发黑，并且生成的氧化膜不具有保护性，温度超过400℃以上，铜导线将被迅速氧化，失去导电性。温度继续升高，铜原子还会与外层保护层或抗氧化层发生严重的互扩散行为，导致电导率下降明显，甚至会导致铜线之间的电压衰减，引起电压击穿，严重影响器件的性能和可靠性。

在一些特殊的高温使用环境下，如大型石油钻探电机导线、涡轮发电机转子导线、电力机车架空导线等，这些应用背景下要求铜线/铜合金材料不仅要求有高强高导的性能，还需要有更好的耐高温性能和降低的扩散性能。因此，如何提升铜导体抗氧化性能，以及抑制在高温下的互扩散为，确保其稳定的高温导电性能，是满足先进动力装备发展要求迫切需要解决的难题。

为了提高纯铜的表面性能，通常在铜表面覆盖。这可以通过将特定的元素（Ti、Si和Al）扩散到铜的表面层来实现。王红星等人采用电镀镍和浆料包渗铝法，在800℃下渗铝12h制备出组织为Ni₂Al₃的单相渗层。该方法在1000°C下空气中氧化250h，仍能保持良好的抗高温氧化性能。但由于Cu与Al固溶度大且存在多种中间化合物相，在高温服役中内扩散严重，会大幅降低铜导体特别是微细铜导线的导电性。

申请号为202111360394.8的专利中公开了一种铜导体用低互扩散、抗高温氧化涂层及其制备方法，使用Cr或Cr原子百分比不低于95%的Cr合金，以Cr为主要成分的涂层高温下可以维持与Cu基体的低扩散性，同时Cr具有优异的抗氧化能力。但是Cr涂层与环境中O元素形成的Cr₂O₃层，能够阻挡O元素继续向基体扩散，并在高温条件下会形成气态CrO₃逸出，从而使Cr涂层不断被消耗破坏，这一问题也限制了Cr涂层的抗氧化性能。并且单层结构涂层相对于多元多层涂层或梯度涂层，存在柱状微观结构和针孔、孔隙、微裂纹、瞬态晶界等内在缺陷，可能会导致涂层使用寿命降低。

因此需要一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜及其制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜。该薄膜包括在铜基体上交替设置的中间层和扩散阻挡层，中间层起到过渡作用，扩散阻挡层效缓解铜导体高温氧化以及扩散问题，层间结合力优异，与基体结合力较好，薄膜在较薄厚度下具有优异的抗高温氧化性能和扩散阻挡性能，使得铜基体能保持稳定的高温导电性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜，其特征在于，该薄膜包括在铜基体上交替设置的中间层和扩散阻挡层，所述中间层和扩散阻挡层的总层数为2层~48层，所述中间层和扩散阻挡层的调制比为1:1~5，所述中间层为Ti层，所述扩散阻挡层为NiCrAl层。

本发明通过在铜基体上交替设置的中间层和扩散阻挡层，中间层起到过渡作用，扩散阻挡层效缓解铜导体高温氧化以及扩散问题，使得铜基体能保持稳定的高温导电性能；