CN115449769B - 一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜及其制备方法
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；
本发明通过采用Ti层作为中间层，NiCrAl层作为扩散阻挡层，基于对Ti/Cu固相界面扩散的研究表明，Ti和Cu在700℃以下固相扩散时，原子扩散流为Cu扩散进入Ti，Ti很少扩散进入Cu，所以使用Ti作过渡中间层，避免NiCrAl向Cu基底反向扩散，影响Cu导电性能，由于具有Cr、Al元素，可以在高温下形成致密氧化物，防止O元素向内扩散侵蚀基体，同时Ni、Cr的存在可以抑制高温下NiCrAl与Cu基体之间的扩散，同时满足铜导体高温下抗氧化、低扩散的要求，NiCrAl层也是一种耐高温、抗氧化、低扩散的具有良好抗氧化性的涂层，鉴于多层结构独特的异质界面效应，通过与Ti中间层配合实现材料性能1+1>2的新型材料设计，得到一种抗氧化性能及力学性能更加优异的薄膜；
本发明基于NiCrAl层与Cu几乎不相溶的特性，且高温下具有很好的抗Cu迁移能力，同时因为存在Cr、Al元素，具有优异的抗氧化能力，使用Ti作为中间层，避免Ti和NiCrAl向Cu基底反向扩散，影响Cu导电性能，不仅能够显著解决铜导体高温应用时面临的严重氧化问题，而且能够解决其他类高温防护薄膜应用于铜导体时薄膜/基体互扩散导致的导电性能下降的难题，使得铜基体能保持稳定的高温导电性能；
本发明通过控制中间层和扩散阻挡层的总层数，从而控制合金薄膜的厚度，以适用不同的使用需求，调制比在多层薄膜制备中是一种体现材料化学计量比的重要参数，制作一组交替设置的中间层和扩散阻挡层为一个调制周期，调制比就是指在一个调制周期里中间层和扩散阻挡层的溅射时间，通过控制溅射时间控制薄膜中中间层和扩散阻挡层的厚度比，均是使合金薄膜满足不同情况的使用需求。
上述的一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜，其特征在于，所述中间层还可为Ni层、Cr层、Al层或Zr层；所述NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni 45%~55%、Cr 25%~35%和Al 20%~30%。
本发明中间层还可为Ni层、Cr层、Al层或Zr层，使用Ni层、Cr层、Al层或Zr层与使用Ti层的作用相同，都是作为过渡层增加表面NiCrAl层的膜基结合强度，但是由Ti与Cu固相界面700℃以下扩散时，原子扩散流为Cu扩散进入Ti，Ti很少扩散进入Cu，所以优选Ti，其它金属薄膜因为与Cu的扩散系数差异，导致金属元素扩散进入Cu内，效率有所差异，根据实际工作状况选用不同的中间层；
本发明控制Ni 45%~55%、Cr 25%~35%和Al 20%~30%成分是因为如果成分中Al和Cr的含量较低会导致缺乏足够的抗高温氧化的能力，薄膜成分中Al作为Al2O3膜形成元素，对薄膜的抗高温氧化性能影响最为显著，适当的Al含量可以改善薄膜的抗高温氧化能力，但同时要Al的过量添加而导致的薄膜脆化问题，薄膜中的适量Cr元素使其抗热腐蚀性能得到明显改善，同时大大降低了Al元素发生选择性氧化时所需的含量，从而加速薄膜表面Al2O3膜的形成，还可以防止薄膜因元素互扩散而发生退化，适当的Ni含量可以提高薄膜的热稳定性尤其是薄膜的苛刻环境下的抗腐蚀性能，在该含量比例下，薄膜则具有较好的综合性能，既能抵抗高温氧化又具有一定的抗热腐蚀能力，同时薄膜具备防止元素互扩散而发生退化。
上述的一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜，其特征在于，每层所述中间层和扩散阻挡层的厚度为20nm~1000nm，所述薄膜的总厚度为1.0μm~3.0μm。
本发明通过控制薄膜的总厚度为1.0μm~3.0μm，薄膜保持高热稳定性和扩散阻挡性能，薄膜厚度太小，不足以使得薄膜具备足够的耐高温性能和阻止与基体元素的扩散，厚度过大会导致薄膜结合能力变差，制备时间过长，制造成本增加，而且会使薄膜密度增大，影响基体使用，相对应的在一个调制周期内，中间层和扩散阻挡层厚度为20nm~1000nm，一般中间层不需要太厚，最低20nm就可以起到隔离作用，防止NiCrAl层与基体之间的扩散，并且提升薄膜的结合力，薄膜厚度再小可能导致薄膜不能很好的控制，其主要为NiCrAl层，用于提高耐高性能，超过1000nm时，薄膜可能会使应力过大或者产生薄膜缺陷，加快薄膜失效。
另外，本发明还提供了一种制备铜基体用耐高温低扩散合金薄膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将铜基体在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为150W~250W，时间为5min~10min；
步骤二、交替使用金属靶和合金靶在步骤一中得到的刻蚀铜基体表面交替溅射制备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；所述金属靶为Ti靶、Ni靶、Cr靶、Al靶或Zr靶；所述合金靶为NiCrAl靶，所述合金靶还可为NiCr靶、NiAl靶和CrAl靶中的两种以上。
本发明在镀膜之前，在真空状态下对铜基体表面进行离子刻蚀清洗，去除表面吸附的气体和污物，彻底暴露出真实的表面原子，同时使基体表面的温度略微升高，从而有利于薄膜成核，增强薄膜与基体的结合强度；
本发明选用Ti靶、Ni靶、Cr靶、Al靶或Zr靶，分别制备不同的中间层，适用于不同的制备需求，本发明直接使用NiCrAl靶作为合金靶制备扩散阻挡层，或者使用NiCr靶、NiAl靶和CrAl靶中的两种以上，分别制备NiCr层、NiAl层和CrAl层从而组成NiCrAl三元合金层，NiCrAl三元合金层具有耐热、抗高温氧化和耐腐蚀的性能，结构致密、与基体材料的粘结性较好，实现在更高温度下使用条件，保护基体性能更好，并且薄膜的组成部分是可以控制的，同时具备抗腐蚀性能等优点；
本发明在溅射前先对基体进行砂纸研磨并抛光，对抛光后的基体进行超声清洗并烘干和刻蚀，去除基体的杂质；所述超声清洗的方法如下：将其依次在丙酮、乙醇中超声清洗10min后烘干。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述刻蚀在真空度小于3×10-3Pa，铜基体温度为20℃~250℃的条件下进行。本发明适当对铜基体进行加热后刻蚀，提高刻蚀清洗的效率。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述溅射为磁控溅射，所述金属靶采用直流电源，功率为60W~120W，所述合金靶采用射频电源，功率为80W~180W，所述铜基体上的直流偏压为0~150V，所述溅射在气压为1.5Pa~2.5Pa，氩气流量为10sccm~30sccm的条件下进行。本发明中金属靶用的是直流电源，合金靶用的是射频电源，由于合金靶中含量Ni，为磁性物质，使用射频电源更容易形成稳定的辉光放电，溅射功率对薄膜的沉积速率具有很大的影响，是一个很重要的工艺参数，如果功率太小，则入射离子的能量达不到靶材的溅射阈值，就不能产生溅射现象，或者沉积速度过慢，膜层结构疏松、颗粒大，功率过大，由于膜层内应力增大，会导致膜层破裂，会使沉积的微观结构造成很大的影响，选择金属靶采用直流电源，功率为60W~120W，射频靶材80W~180W区间范围，制备得到的薄膜紧致均匀；通过施加直流偏压便于磁控溅射进行，通过控制压力并通入氩气，对被溅射出的原子的散射作用弱，使得薄膜具有较优的结合力同时保持较高的生长速率。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述铜基体为铜或铜合金。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述金属靶溅射的总时间为2min~30min，所述合金靶溅射的总时间为2min~90min。本发明通过控制金属靶溅射和合金靶溅射的时间控制调制比，由于交替次数是确定的，所以总时间的不同导致了金属靶溅射的时间和合金靶溅射的时间存在区别，也就是控制了交替分布的中间层和扩散阻挡层的厚度，当中间层和扩散阻挡层的厚度相同时，中间层较厚，可以更好防止扩散阻挡层元素扩散进入铜基体，影响铜基体的导电、导热性能，扩散阻挡层比中间层厚时，着重解决铜基体高温应用时面临的严重氧化问题，具备更好耐高温、抗氧化、抗腐蚀性能。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述交替溅射进行1次，在铜基体上得到单层耐高温低扩散合金薄膜，所述交替溅射进行2次~24次，在铜基体上得到多层耐高温低扩散合金薄膜。本发明通过控制交替溅射的次数实现单层耐高温低扩散合金薄膜和多层耐高温低扩散合金薄膜的制备，其中，单层合金薄膜制备工艺简单，性能稳定，成分均一便于控制，但是单层薄膜会通过晶粒间的空隙、薄膜内的针孔和狭缝等缺陷，渗入到膜基界面而直接腐蚀基体，并且涂层扩散阻挡能力较弱，多层合金薄膜之间的界面可以阻碍柱状晶的生长，细化晶粒，从而提高塑性变形能力，抑制裂纹的形成和扩展，并提高薄膜的耐蚀能力和扩散阻挡能力，根据实际使用需求确定薄膜的层数。
上述的方法，其特征在于，该薄膜采用电弧离子镀、火焰喷涂或等离子喷涂进行制备。本发明的合金薄膜不仅可以采用溅射制备，采用电弧离子镀、火焰喷涂或等离子喷涂均可以在铜基体上交替设置中间层和扩散阻挡层。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、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导体高温氧化以及扩散问题，层间结合力优异，与铜基体结合力较好，不同层厚比的中间层和扩散阻挡层薄膜表面比较均匀致密，几乎没有缺陷和颗粒，没有存在明显的差异，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。
2、本发明使用Ti作为中间层，避免Ti和NiCrAl向Cu基底反向扩散，影响Cu导电性能，使用NiCrAl作为扩散阻挡层，NiCrAl与Cu几乎不相溶，且高温下具有很好的抗Cu迁移能力，不仅能够显著解决铜导体高温应用时面临的严重氧化问题，而且能够解决其他类高温防护涂层应用于铜导体时涂层/基体互扩散导致的导电性能下降的难题，使得铜基体能保持稳定的高温导电性能。
3、本发明通过磁控溅射交替溅射纯金属中间层和合金扩散阻挡层，沉积的涂层界面明显，通过控制溅射的条件，提升沉积效率和薄膜的附着力，保证得到的薄膜表面光滑，组织致密，且薄膜成分与靶材成分一致，制备工艺简单，可控性高，绿色无污染，避免使用传统的电镀Ni和Cr的废水和排气问题。
4、本发明的薄膜及薄膜的制备方法应用于高温领域的铜线、铜基体等，综合服役效果远优于其他如镍基防护涂层、渗铝、热喷涂涂层等常见防护涂层体系，在弯折/缠绕等不同应用环境下的稳定性使用，有效缓解铜导体氧化问题以及高温下的扩散问题，确保其稳定的高温导电性能。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明铜基体用耐高温低扩散合金薄膜的结构示意图。
图2为本发明实施例1得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的形貌图。
图3为本发明实施例1得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的的SEM图。
图4为本发明实施例2得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的形貌图。
图5为本发明实施例2得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的的SEM图。
图6为本发明实施例2得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体截面的SEM图。
图7为本发明实施例2得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行耐热性能测试后的SEM图。
图8是图7的A处放大图。
图9为本发明实施例2得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行耐热性能测试后的EDS能谱图。
图10为本发明实施例2得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行划痕测试后的形貌图。
图11为本发明实施例2得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行划痕测试得到的载荷-摩擦力曲线图。
具体实施方式
图1为本发明铜基体用耐高温低扩散合金薄膜的结构示意图，从图1中可以看出，铜基体1周围均匀设置有一层中间层2，中间层2外侧均匀设置有一层扩散阻挡层。
实施例1
本实施例为制备中间层和扩散阻挡层的总层数为12层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:1，中间层为Ti层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为T1紫铜线。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将打磨抛光过的铜基体依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，然后使用吹风机快速烘干，再将铜基体固定在磁控溅射真空镀膜室的样品台上，在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为250W，时间为5min；所述刻蚀在真空度小于5×10-3Pa、铜基体温度为20℃的条件下进行；
步骤二、向真空镀膜室中通入氩气，设置刻蚀铜基体的偏压为150V，预溅射1min，然后采用1个Ti靶和2个NiCrAl靶依次沉积6个周期，得到具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体；其中氩气流量为10sccm工作气压为1.5Pa，Ti靶采用直流电源，功率为120W，Ti靶每次溅射的时间为10min，NiCrAl靶采用射频电源，功率为180W，每次溅射的时间为10min，溅射温度为室温，溅射过程中刻蚀铜基体的转速为15r/min。
经检测，本实施例制备的NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni：55%、Cr：25%和Al：20%，每层中间层的厚度为100nm，每层扩散阻挡层的厚度为150nm，所述薄膜的总厚度为1.55μm，采用划痕法得到基膜结合力为22N，在500℃，300h耐热处理后薄膜界面完整，保持结构致密平整，薄膜具有较好的抗高温氧化性能耐热性能。
图2为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的形貌图，从图2中可以看出，具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体呈现银白色金属光泽，表面光滑平整，无明显的针孔、起皮、褶皱、脱落等不良现象。
图3为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的的SEM图，从图3中可以看出，铜基体表面镀膜后，表面比较均匀致密，几乎没有明显裂纹、缺陷和颗粒。
实施例2
本实施例为制备中间层和扩散阻挡层的总层数为24层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:1，中间层为Ti层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为TU1无氧铜片。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将打磨抛光过的铜基体依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，然后使用吹风机快速烘干，再将铜基体固定在磁控溅射真空镀膜室的样品台上，在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为150W，时间为50min；所述刻蚀在真空度小于5×10-3Pa、铜基体温度为250℃的条件下进行；
步骤二、向真空镀膜室中通入氩气，设置刻蚀铜基体的偏压为0V，预溅射1min，然后采用1个Ti靶和2个NiCrAl靶依次沉积12个周期，得到具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体；其中氩气流量为20sccm，工作气压为2.1Pa，Ti靶采用直流电源，功率为100W，Ti靶每次溅射的时间为5min，NiCrAl靶采用射频电源，功率为150W，每次溅射的时间为5min，溅射温度为室温，溅射过程中刻蚀铜基体的转速为15r/min。
经检测，本实施例制备的NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni：50%、Cr：30%和Al：20%，每层中间层的厚度为60nm，每层扩散阻挡层的厚度为120nm，所述薄膜的总厚度为2.15μm，采用划痕法得到基膜结合力为23N，在500℃，300h耐热处理后薄膜界面完整，保持结构致密平整，薄膜具有较好的抗高温氧化性能耐热性能。
图4为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的形貌图，从图4中可以看出，具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体呈现银白色金属光泽，表面光滑平整，无明显的针孔、起皮、褶皱、脱落等不良现象。
图5为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体的的SEM图，从图5中可以看出，铜基体表面镀膜后，表面比较均匀致密，几乎没有明显裂纹、缺陷和颗粒。
图6为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体截面的SEM图，从图6中可以看出，薄膜厚度在1~3μm之间，平均厚度为2.15μm，薄膜有明显的柱状晶，薄膜厚度均匀，薄膜与铜基体之间、薄膜之间的结合稳定，紧密。
图7为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行耐热性能测试后的SEM图，图8是图7的A处放大图，图9为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行耐热性能测试后的EDS能谱图，从图7、图8和图9中可以看出，耐热处理后涂层界面完整，保持结构致密平整，具有较好的抗高温氧化性能，O元素与Cr元素大量分布在涂层表面，Cu元素在阻挡层中只有少量分布，表明Cr能有效保护Cu氧化，具有很好的Cu扩散阻挡能力。
图10为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行划痕测试后的形貌图，图11为本实施例得到的具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体进行划痕测试得到的载荷-摩擦力曲线图，从图10和图11可以看出，图10的放大倍数为30倍，采用自动划痕仪测试膜基结合力，终止载荷为100Ｎ，时间持续60s，在具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体表面得到长度为5mm的划痕，并对实验过程中的声信号和摩擦力大小进行了实时记录，划痕轨迹逐渐扩大，无任何噪声信号，在划痕时间进行到15s左右时，摩擦力曲线出现了明显的波动，此时划针的载荷为23N左右，膜层表现出优异的膜基结合力和塑性。
实施例3
本实施例为制备中间层和扩散阻挡层的总层数为48层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:1.5，中间层为Ti层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为H96黄铜线。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将打磨抛光过的铜基体依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，然后使用吹风机快速烘干，再将铜基体固定在磁控溅射真空镀膜室的样品台上，在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为200W，时间为8min；所述刻蚀在真空度小于5×10-3Pa、铜基体温度为200℃的条件下进行；
步骤二、向真空镀膜室中通入氩气，设置刻蚀铜基体的偏压为100V，预溅射1min，然后采用1个Ti靶和2个NiCrAl靶依次沉积24个周期，得到具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体；其中氩气流量为30sccm，工作气压为2.5Pa，Ti靶采用直流电源，功率为120W，Ti靶每次溅射的时间为2min，NiCrAl靶采用射频电源，功率为180W，每次溅射的时间为3min，溅射温度为室温，溅射过程中刻蚀铜基体的转速为15r/min。
经检测，本实施例制备的NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni：45%、Cr：25%和Al：30%，每层中间层的厚度为30nm，每层扩散阻挡层的厚度为100nm，所述薄膜的总厚度为3.00μm，采用划痕法得到基膜结合力为30N，在500℃，300h耐热处理后薄膜界面完整，保持结构致密平整，薄膜具有较好的抗高温氧化性能耐热性能。
实施例4
本实施例为制备中间层和扩散阻挡层的总层数为2层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:3，中间层为Ti层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为T2紫铜线。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将打磨抛光过的铜基体依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，然后使用吹风机快速烘干，再将铜基体固定在磁控溅射真空镀膜室的样品台上，在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为250W，时间为10min；所述刻蚀在真空度小于5×10-3Pa、铜基体温度为200℃的条件下进行；
步骤二、向真空镀膜室中通入氩气，设置刻蚀铜基体的偏压为150V，预溅射1min，然后采用1个Ti靶和2个NiCrAl靶依次沉积1个周期，得到具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体；其中氩气流量为20sccm，工作气压为2.1Pa，Ti靶采用直流电源，功率为60W，Ti靶每次溅射的时间为30min，NiCrAl靶采用射频电源，功率为80W，每次溅射的时间为90min，溅射温度为室温，溅射过程中刻蚀铜基体的转速为15r/min。
经检测，本实施例制备的NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni：45%、Cr：30%和Al：25%，每层中间层的厚度为500nm，每层扩散阻挡层的厚度为1500nm，所述薄膜的总厚度为2.0μm，采用划痕法得到基膜结合力为25N，在500℃，300h耐热处理后薄膜界面完整，保持结构致密平整，薄膜具有较好的抗高温氧化性能耐热性能。
实施例5
本实施例为制备中间层和扩散阻挡层的总层数为2层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:3，中间层为Ti层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为TU1无氧铜。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将打磨抛光过的铜基体依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，然后使用吹风机快速烘干，再将铜基体固定在磁控溅射真空镀膜室的样品台上，在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为250W，时间为10min；所述刻蚀在真空度小于5×10-3Pa、铜基体温度为100℃的条件下进行；
步骤二、向真空镀膜室中通入氩气，设置刻蚀铜基体的偏压为150V，预溅射1min，然后采用1个Ti靶和2个NiCrAl靶依次沉积1个周期，得到具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体；其中氩气流量为30sccm，工作气压为2.5Pa，Ti靶采用直流电源，功率为120W，Ti靶每次溅射的时间为30min，NiCrAl靶采用射频电源，功率为180W，每次溅射的时间为90min，溅射温度为室温，溅射过程中刻蚀铜基体的转速为15r/min。
经检测，本实施例制备的NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni：45%、Cr：35%和Al：20%，每层中间层的厚度为300nm，每层扩散阻挡层的厚度为900nm，所述薄膜的总厚度为1.2μm，采用划痕法得到基膜结合力为20N，在500℃，300h耐热处理后薄膜界面完整，保持结构致密平整，薄膜具有较好的抗高温氧化性能耐热性能。
实施例6
本实施例为制备中间层和扩散阻挡层的总层数为2层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:3，中间层为Cr层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为TP1脱氧铜。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将打磨抛光过的铜基体依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，然后使用吹风机快速烘干，再将铜基体固定在磁控溅射真空镀膜室的样品台上，在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为250W，时间为10min；所述刻蚀在真空度小于5×10-3Pa、铜基体温度为200℃的条件下进行；
步骤二、向真空镀膜室中通入氩气，设置刻蚀铜基体的偏压为150V，预溅射1min，然后采用1个Cr靶和NiCr靶与NiAl靶依次沉积1个周期，得到具有耐高温低扩散合金薄膜的铜基体；其中氩气流量为20sccm，工作气压为2.1Pa，Cr靶采用直流电源，功率为120W，Cr靶每次溅射的时间为30min，NiCr靶与NiAl靶靶采用射频电源，功率为180W，每次溅射的时间为90min，溅射温度为室温，溅射过程中刻蚀铜基体的转速为15r/min。
经检测，本实施例制备的NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni：55%、Cr：25%和Al：20%，每层中间层的厚度为500nm，每层扩散阻挡层的厚度为1000nm，所述薄膜的总厚度为1.5μm，采用划痕法得到基膜结合力为25N，在500℃，300h耐热处理后薄膜界面完整，保持结构致密平整，薄膜具有较好的抗高温氧化性能耐热性能。
实施例7
本实施例与实施例6的不同之处在于：采用NiAl靶和CrAl靶作为合金靶。
实施例8
本实施例为采用电弧离子镀制备中间层和扩散阻挡层的总层数为10层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:1，中间层为Ni层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为H96黄铜。
实施例9
本实施例为采用火焰喷涂制备中间层和扩散阻挡层的总层数为14层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:2，中间层为Al层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为HNi65-5镍黄铜。
实施例10
本实施例为采用等离子喷涂制备中间层和扩散阻挡层的总层数为4层，中间层和扩散阻挡层的调制比为1:5，中间层为Zr层，扩散阻挡层为NiCrAl层的合金薄膜，铜基体为H70黄铜。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一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；所述NiCrAl层由以下原子百分比的成分组成：Ni 45%~55%、Cr 25%~35%和Al 20%~30%。
2.根据权利要求1所述的一种铜基体用耐高温低扩散合金薄膜，其特征在于，每层所述中间层和扩散阻挡层的厚度为20nm~1000nm，所述薄膜的总厚度为1.0μm~3.0μm。
3.一种如权利要求1或2中任一权利要求所述的铜基体用耐高温低扩散合金薄膜，其特征在于，该薄膜采用电弧离子镀、火焰喷涂或等离子喷涂进行制备。
4.一种制备如权利要求1或2中任一权利要求所述的铜基体用耐高温低扩散合金薄膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将铜基体在真空环境下进行刻蚀，得到刻蚀铜基体；所述刻蚀的功率为150W~250W，时间为5min~10min；
步骤二、交替使用金属靶和合金靶在步骤一中得到的刻蚀铜基体表面交替溅射制备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；所述金属靶为Ti靶；所述合金靶为NiCrAl靶，所述合金靶还可为NiCr靶、NiAl靶和CrAl靶中的两种以上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤一中所述刻蚀在真空度小于3×10- 3Pa，铜基体温度为20℃~250℃的条件下进行。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中所述溅射为磁控溅射，所述金属靶采用直流电源，功率为60W~120W，所述合金靶采用射频电源，功率为80W~180W，所述铜基体上的直流偏压为0~150V，所述溅射在气压为1.5Pa~2.5Pa，氩气流量为10sccm~30sccm的条件下进行。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤一中所述铜基体为铜或铜合金。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中所述金属靶溅射的总时间为2min~30min，所述合金靶溅射的总时间为2min~90min。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中所述交替溅射进行1次，在铜基体上得到单层耐高温低扩散合金薄膜，所述交替溅射进行2次~24次，在铜基体上得到多层耐高温低扩散合金薄膜。
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