銅是人類最早使用的一種金屬。公元前40世紀(jì)人類就開始利用硫化銅礦石在大氣中加熱獲得金屬銅。后來(lái)獲知加入錫(Sn)可以導(dǎo)致熔點(diǎn)下降和強(qiáng)度上升，從此迎來(lái)了青銅器時(shí)代。另外，人類還曾經(jīng)將黃銅作為貨幣使用。到了現(xiàn)代，銅已成為人類文明不可替代的一種導(dǎo)電材料。

18世紀(jì)荷蘭萊頓大學(xué)物理學(xué)教授馬森布洛克發(fā)明了萊頓瓶，在物理學(xué)上第一次能做到儲(chǔ)存電荷并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行研究。1800年意大利物理學(xué)家伏打發(fā)明了電池，為物理學(xué)研究提供了穩(wěn)定的電流源，從而打開了電磁作用這塊未知領(lǐng)域，真正揭開了人類電磁時(shí)代的大幕。1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流和磁針相互作用以及電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象，并用拉丁文發(fā)表了劃時(shí)代的論文《關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí)驗(yàn)》而轟動(dòng)了整個(gè)歐洲。其后法國(guó)的安培發(fā)現(xiàn)了右手螺旋法則以及英國(guó)的法拉第發(fā)現(xiàn)了奧斯特定律的逆定律——磁電感應(yīng)定律。

大約同時(shí)期，人類明白了將線圈環(huán)繞鐵棒，通過(guò)電流可獲得強(qiáng)磁場(chǎng)以及利用天然磁石和電導(dǎo)線可得到回轉(zhuǎn)機(jī)（馬達(dá)），導(dǎo)致了1879年電力機(jī)車的發(fā)明。隨著電力機(jī)車的發(fā)展，高壓輸電線和變電裝置等技術(shù)獲得了不斷地完善與提高。人類對(duì)電與磁的理解，導(dǎo)致了電子學(xué)的飛速發(fā)展（圖1）。

圖1 人類對(duì)電與磁的理解，導(dǎo)致了電子學(xué)的飛速發(fā)展

銅(Cu)為面心立方(FCC)晶體結(jié)構(gòu)，因此具有良好的加工性能。另外，耐海水等的腐蝕性良好。Cu的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率僅次于銀(Ag)，在導(dǎo)電材料、電器用品、熱交換器具等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。日本利用電解熔煉法加工進(jìn)口銅礦石獲得電解銅。但是由于韌銅中含有較多的氧元素，氫元素侵入后容易產(chǎn)生脆化。因此利用真空溶解法將氧含量降低到0.006％以下獲得無(wú)氧銅(OFC)。無(wú)氧銅由于電導(dǎo)率更高、音質(zhì)更好而被普遍應(yīng)用于音響器材或電子樂器。工程上采用相對(duì)電導(dǎo)率來(lái)表征金屬材料的導(dǎo)電性能，即與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟銅的電導(dǎo)率（電導(dǎo)率1.7241×10^-8(Ω·m)^-1）為100％標(biāo)準(zhǔn)的百分比值(%IACS)。無(wú)氧銅的相對(duì)電導(dǎo)率為100％以上。

表1 純銅的組成與用途

銅的最大缺點(diǎn)是密度(8.96g/cm3)高、強(qiáng)度較低。從發(fā)電廠出來(lái)的高電壓、高電流經(jīng)過(guò)大跨度架空的高壓線傳輸，希望電纜的質(zhì)量盡可能輕。因此高壓電纜線一般采用IACS為60％的鋁(Al)絞線（芯部為鋼芯線）（圖2）。這是由于根據(jù)電阻計(jì)算，當(dāng)Al的橫截面為銅的1.7倍時(shí)，其密度仍僅為銅線的1/3，即使考慮鐵芯線的質(zhì)量，其整體質(zhì)量仍為銅線的50%。

圖2 高壓架空電纜斷面圖

可通過(guò)壓延的方法將銅錠壓延至厚度約75m的銅箔。壓延銅箔主要在鋰離子電池的碳電極上的集電體或手機(jī)折疊部位的柔性印刷電路板上使用。

除了壓延銅箔，還有從溶液中直接獲得電解銅箔。將鼓狀陰極在硫酸銅溶液中邊通電邊拉出即可獲得銅箔。鼓狀電極面的銅箔表面光滑，而溶液面粗糙。但粗糙面與樹脂基板附著性良好，因此被廣泛用于印刷電路板（圖3）。

圖3 銅箔的用途及電解銅箔制造方法

世界上生產(chǎn)量最大的銅合金為含鋅(Zn)20%以上的黃銅(Brass)（表2)。含30%Zn以下的7/3黃銅為加工性良好的α(FCC)單相，但Zn含量超過(guò)40%（6/4黃銅）則會(huì)析出β相（CuZn相），導(dǎo)致銅合金基體硬化，添加較多合金元素Zn時(shí)，會(huì)導(dǎo)致黃銅從金黃色變?yōu)辄S色（圖4）。

表2 主要銅合金的成分與特征

圖4 Cu-Zn合金狀態(tài)圖

過(guò)去，半導(dǎo)體的導(dǎo)線主要采用金屬鋁(Al)。這是由于Cu與Si的相容性較差，使用銅導(dǎo)線極易產(chǎn)生短路等故障。隨著集成電路尺寸的急劇縮小，帶來(lái)了鋁導(dǎo)線電阻過(guò)大的問題。伴隨著防止Si和Cu相互擴(kuò)散的阻隔層等制備技術(shù)的進(jìn)步，2000年左右開始改為Cu導(dǎo)線。其后為了防止Cu污染將濺射法改為了電鍍法，同時(shí)在制備時(shí)又采取了密封隔離措施。

液晶電視顯示屏尺寸的擴(kuò)大也同樣帶來(lái)了電阻過(guò)大的問題，其配線也正在從金屬鋁(Al)或金屬鉬(Mo)向Cu線轉(zhuǎn)換。許多電子元件也由于放熱、電導(dǎo)率和成本因素等因素正在向其最適宜的金屬材料方向轉(zhuǎn)換。

對(duì)于精密的電子產(chǎn)品如IC（集成電路），為了減少放熱所帶來(lái)的應(yīng)變，特別需要考慮Si、玻璃與金屬的線膨脹系數(shù)匹配。我們當(dāng)然希望使用熱傳導(dǎo)良好的銅(Cu)或鋁(Al)，但由于其線膨脹系數(shù)分別為16.8×10⁶K^-1和23×10⁶ K^-1，而硅（Si）和玻璃則分別2.4×10⁶K^-1和9×10⁶K^-1。因此，如果直接將它們復(fù)合在一起，則溫度變化會(huì)導(dǎo)致電子元件變形甚至破壞。針對(duì)電子部件或發(fā)光元件的放熱，一般使用Cu與具有低線膨脹系數(shù)的鎢(W)組成的30%Cu-W金屬基復(fù)合材料（采用粉末冶金方法制作）。

對(duì)于太陽(yáng)能電池板組件，從多晶硅薄片中引出電流的導(dǎo)線如果采用普通的銅線或鋁線，則由于熱脹冷縮有可能導(dǎo)致硅薄(0.2mm)破裂，因此一般采用不會(huì)給硅片施加應(yīng)力的軟Cu等材料（圖5）。

圖5 太陽(yáng)能電池多晶硅基板

玻璃、陶瓷與金屬進(jìn)行封裝時(shí)通常采用可伐合金（Kovar:29% Ni-17% Co-Fe合金）。其在30~400℃之間的線膨脹系數(shù)為4.8×10^-6K^-1左右，與硬質(zhì)玻璃（硼硅鹽）的線膨脹系數(shù)接近。另外，可伐合金與硬質(zhì)玻璃的相容相好，氣體密封性能佳。

對(duì)于采用樹脂封裝的Si基板上的IC引線（針腳），一般采用銅合金，而對(duì)于要求具有高可靠性、高氣密性的CPU（中央處理器）等電子元件，則必須使用陶瓷或玻璃進(jìn)行封裝，因此要求封裝材料與Si的線膨脹系數(shù)相匹配，引線材料一般采用Fe-42% Ni合金（圖6,圖7)。而對(duì)于一般的樹脂封裝型IC元器件，則采用銅合金（Cu-Fe合金等）作為引線材料。

圖6 Fe-Ni合金的線膨脹系數(shù)

圖7 IC芯片的引腳

常溫附近線膨脹系數(shù)最小的是36% Ni-Fe因瓦合金（Invar：不變的意思）。當(dāng)鐵鎳合金中鎳含量為36％時(shí)，在常溫附近其線膨脹系數(shù)可降到最低值（圖6）。這是由于在室溫附近，溫度導(dǎo)致的熱膨脹被鐵磁性變化導(dǎo)致的收縮所抵消。