本發(fā)明涉及復(fù)合導(dǎo)線，特別是涉及其形成方法與對(duì)應(yīng)裝置。

背景技術(shù)：

銅線在過(guò)去兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，扮演著連接世界，并接光與熱帶到每個(gè)角落的角色。從通訊、能源、電機(jī)以致于集成電路，銅線以其相對(duì)低廉的成本與優(yōu)異的導(dǎo)電性質(zhì)主宰了所有電子電機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。然而，銅線本身的特性在這長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)世紀(jì)的運(yùn)用中發(fā)展卻是相當(dāng)有限，其主因當(dāng)然是因?yàn)殂~為一種純?cè)?，而高純度銅線的制作工藝早已成熟。近數(shù)十年來(lái)，導(dǎo)線與纜線的主要進(jìn)步都是在絕緣材料上；譬如漆包線的漆能否耐更高壓或更高溫，以及纜線的絕緣材料耐壓與耐腐蝕度等。

為提升銅線的導(dǎo)電度并盡可能的壓低成本，當(dāng)前的解決方案就是鍍銀銅線。銀的導(dǎo)電度是所有傳統(tǒng)材料里最好的，通過(guò)鍍銀線可讓銅線的導(dǎo)電度提升，且這樣的提升因趨膚效應(yīng)的關(guān)系，會(huì)隨著頻率增加而增加。既使這樣一來(lái)比使用純銀線來(lái)得便宜，由于銀本身的高單價(jià)，仍然使得長(zhǎng)期成本較高，也因此限縮了鍍銀線的應(yīng)用領(lǐng)域。

石墨烯為單原子層的石墨，電子在單層導(dǎo)電材料上傳輸時(shí)，可避免諸多干擾使得其電阻率甚至可低于銅。雖然實(shí)務(wù)上石墨烯的電阻率因缺陷與溫度干擾等效應(yīng)而電阻率仍偏高，但實(shí)驗(yàn)已證實(shí)在高頻域中，因其中電子所具有的遷移率遠(yuǎn)高于銅中電子，因此具有較低的高頻電阻。由于石墨烯可以很便利的在銅上以化學(xué)氣相沉積的方式成長(zhǎng)，鍍制石墨烯銅線的概念因應(yīng)而生。

然而，石墨烯的鍍制一般而言需要高達(dá)1000℃的制作工藝溫度，且制作工藝時(shí)間可落在數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)不等。這樣長(zhǎng)時(shí)間的高溫制作工藝對(duì)銅線會(huì)造成嚴(yán)重的退火效應(yīng)，使得銅線的抗拉伸強(qiáng)度大幅下降(降幅可達(dá)60％)；且銅線鍍制石墨烯后將無(wú)法如同鍍銀線一般可再進(jìn)行抽拉以重新強(qiáng)化其強(qiáng)度。

綜上所述，目前亟需新的制作工藝以降低石墨烯膜形成于銅導(dǎo)線的溫度或時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明一實(shí)施例提供的復(fù)合導(dǎo)線的形成裝置，包括：氣導(dǎo)管；碳?xì)錃怏w源，連接至氣導(dǎo)管前段以提供碳?xì)錃怏w通過(guò)氣導(dǎo)管；微波源，提供微波經(jīng)導(dǎo)波管通過(guò)氣導(dǎo)管中段，使氣導(dǎo)管中段的碳?xì)錃怏w形成微波等離子體火炬；線材導(dǎo)引裝置，使金屬線材通過(guò)氣導(dǎo)管中段，其中微波等離子體火炬使碳?xì)錃怏w裂解，形成石墨烯膜包覆金屬線材的表面。

本發(fā)明一實(shí)施例提供的復(fù)合導(dǎo)線的形成方法，包括：提供微波與碳?xì)錃怏w以形成微波等離子體火炬；連續(xù)性地提供金屬線材穿過(guò)微波等離子體火炬，其中微波等離子體火炬裂解碳?xì)錃怏w以形成石墨烯膜包覆金屬線材的表面。

本發(fā)明一實(shí)施例提供的復(fù)合導(dǎo)線，包括：金屬線材；石墨烯膜，包覆金屬線材表面，其中復(fù)合導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度與原始金屬線材的拉伸強(qiáng)度比例介于80:100至95:100之間。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)線的形成裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)線中形成于金屬線材上的石墨烯膜的拉曼光譜圖。

符號(hào)說(shuō)明

10 復(fù)合導(dǎo)線的形成裝置

11 微波源

11A 微波發(fā)射機(jī)模塊

11B 導(dǎo)波組件

21 氣導(dǎo)管

23 碳?xì)錃怏w源

41 金屬線材

43 復(fù)合導(dǎo)線

101 矩形等離子體耦合導(dǎo)波管

102 阻抗匹配器

103 方向耦合器

104 循環(huán)隔離器

301 喂線器

303 收線器

具體實(shí)施方式

如圖1所示，其是本發(fā)明一實(shí)施例提供的復(fù)合導(dǎo)線的形成裝置10。其主要分為微波源11、氣導(dǎo)管21、與線材導(dǎo)引裝置。微波源11包含微波發(fā)射機(jī)模塊11A與導(dǎo)波組件11B。導(dǎo)波組件11B包含但不限于相連的矩形等離子體耦合導(dǎo)波管101、阻抗匹配器102、方向耦合器103、與循環(huán)隔離器104。導(dǎo)波組件11B的一末端的矩形等離子體耦合導(dǎo)波管101連接至氣導(dǎo)管21的中段，而另一末端的循環(huán)隔離器104連接至微波發(fā)射機(jī)模塊11A。微波發(fā)射機(jī)模塊11A所發(fā)射的微波頻段可以為2.45GHz、或915MHz、或5.8GHz，以點(diǎn)燃并維系微波等離子體火炬。在本發(fā)明一實(shí)施例中，微波頻段選用2.45GHz具有最高的成本效益比。上述微波發(fā)射機(jī)11A發(fā)射的微波功率可介于100瓦至1500瓦之間。微波功率過(guò)高則等離子體溫度上升，使得銅線強(qiáng)度大幅下降。微波功率過(guò)低則無(wú)法有效率的裂解碳?xì)錃怏w以合成石墨烯。在本發(fā)明一實(shí)施例中，微波發(fā)射機(jī)11A發(fā)射的微波功率介于200瓦至800瓦之間。

碳?xì)錃怏w源23連接至氣導(dǎo)管21的一端，以提供碳?xì)錃怏w穿過(guò)氣導(dǎo)管21。在本發(fā)明一實(shí)施例中，碳?xì)錃怏w包括但不限于甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、丙烷、乙醇、甲苯、或上述的組合，或本技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者已知可用以氣相合成的碳?xì)浠衔?。上述微波源提供的微波與碳?xì)錃怏w交會(huì)處將產(chǎn)生微波等離子體火炬，使碳?xì)錃怏w裂解并形成石墨烯。上述微波等離子體火炬的溫度介于500℃至1200℃之間。若微波等離子體火炬的溫度過(guò)高，則銅線強(qiáng)度大幅下降而不堪使用；若微波等離子體火炬的溫度過(guò)低，則合成的石墨烯質(zhì)量不佳而無(wú)應(yīng)用價(jià)值。上述氣導(dǎo)管21中的氣體壓力介于0.005Torr至10Torr之間。若氣導(dǎo)管21中的氣體壓力過(guò)高，則等離子體溫度也過(guò)高而熔斷銅線；若氣導(dǎo)管21中的氣體壓力過(guò)低，則等離子體密度過(guò)低而產(chǎn)率不佳。針對(duì)常見(jiàn)尺寸的銅線，氣導(dǎo)管21中的氣體壓力可控制在0.05Torr至0.5Torr之間。在本發(fā)明一實(shí)施例中，碳?xì)錃怏w源23可同時(shí)提供碳?xì)錃怏w與惰性氣體，惰性氣體包含但不限于氬氣、氮?dú)?、或氦氣，或其他已知不與碳過(guò)度反應(yīng)的惰性氣體，以調(diào)整碳?xì)錃怏w濃度以提升石墨烯成膜質(zhì)量。舉例來(lái)說(shuō)，碳 氫氣體源23提供的惰性氣體與碳?xì)錃怏w的流量比例可介于0.05:1至50:1之間。

上述氣導(dǎo)管21的材質(zhì)為非金屬如石英或其他可承受高溫的陶瓷如氧化鋁或氧化鋯。上述氣導(dǎo)管21的方向與微波的電場(chǎng)偏振方向平行。在本發(fā)明一實(shí)施例中，氣導(dǎo)管21的管徑介于20mm至35mm之間，或矩形等離子體耦合導(dǎo)波管101的直徑的20％至40％之間。若氣導(dǎo)管21的管徑過(guò)大，則等離子體能量無(wú)法集中，造成石墨烯鍍制不均且質(zhì)量下降；若氣導(dǎo)管21的管徑過(guò)小，則微波能量利用率降低。在本發(fā)明一實(shí)施例中，氣導(dǎo)管21的中心與矩形等離子體耦合導(dǎo)波管101的末端相距半個(gè)微波波長(zhǎng)，以達(dá)到誘發(fā)等離子體最佳效果。

如圖1所示，線材導(dǎo)引裝置具有喂線軸301與收線軸303，分別位于氣導(dǎo)管21的兩端以連續(xù)性地提供金屬線材41穿過(guò)氣導(dǎo)管21的中段。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述金屬線材41的送線速度約為0.3m/min至10m/min之間，此速度取決于鍍制速率。線張力依導(dǎo)線尺寸而有不同的控制范圍，可控制在導(dǎo)線常溫拉伸強(qiáng)度的約1/10以下。以0.5mm線徑的銅線來(lái)說(shuō)，線張力約在0.5N至5N之間。若線張力過(guò)大，則于高溫等離子體下易斷裂；若線張力過(guò)小，則線材彎曲而造成鍍制不均。由于金屬線材41通過(guò)氣導(dǎo)管21的中段，前述微波等離子體火炬裂解碳?xì)錃怏w所形成的石墨烯將沉積于金屬線材41的表面上(即包覆金屬線材41的表面)，至此形成復(fù)合導(dǎo)線43。在本發(fā)明一實(shí)施例中，金屬線材41可為銅、鋁、銀、金、或上述的組合。在本發(fā)明一實(shí)施例中，金屬線材41的直徑介于0.02mm至0.55mm之間。若金屬線材過(guò)粗，則鍍制后所提供的效果過(guò)低；若金屬線材過(guò)細(xì)，則線材本身過(guò)于脆弱而難以處理。在本發(fā)明一實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)線43的石墨烯層厚度介于0.005微米至1微米之間。若石墨烯層厚度過(guò)厚，則電阻過(guò)高而無(wú)益；若石墨烯層厚度過(guò)薄，則阻氧能力降低而無(wú)法發(fā)揮鍍制效果。在本發(fā)明一實(shí)施例的復(fù)合導(dǎo)線43中，金屬線材41的半徑與石墨烯層的厚度的比例介于10:1至100:1之間。另一方面，上述復(fù)合導(dǎo)線43的拉伸強(qiáng)度與鍍石墨烯膜前的原始金屬線材41的拉伸強(qiáng)度比例，可介于80:100至95:100之間。

上述復(fù)合導(dǎo)線的形成裝置10所形成的復(fù)合導(dǎo)線43將由收線軸303收集。值得注意的是，微波等離子體火炬僅形成于微波源11與碳?xì)錃怏w交會(huì)處如氣導(dǎo)管21中段，因此不會(huì)影響喂線軸301與收線軸303。另一方面，線材導(dǎo) 引裝置與導(dǎo)氣管21相連且屬同一氣體環(huán)境，廣義而言兩者屬同一制作工藝腔室，可避免線材導(dǎo)引裝置與導(dǎo)氣管分屬不同壓力的腔室導(dǎo)致的氣密問(wèn)題。

為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉數(shù)個(gè)實(shí)施例配合所附的附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下：

實(shí)施例

實(shí)施例1

如圖1所示，取石英管(直徑25mm，長(zhǎng)280mm)作為氣導(dǎo)管，再將氬氣(20sccm)及甲烷(10sccm)通入石英管中。將微波源(Richardson Electronics)的微波發(fā)射機(jī)模塊發(fā)射的微波功率設(shè)定于200W，以形成穩(wěn)定的微波等離子體火焰于氣導(dǎo)管中段。直徑為0.511mm的銅線是市售標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)AWG24，銅線輸送的速率為1m/min。銅線穿過(guò)氣導(dǎo)管后，其表面上包覆有厚度1.5μm的石墨烯膜(即復(fù)合導(dǎo)線)。上述石墨烯膜的拉曼光譜如圖2所示。由圖2可知，位于2680cm-1的2D峰的強(qiáng)度與位于1580cm-1的G峰相若，表示其微觀結(jié)構(gòu)屬于3-4層的石墨烯薄片；雖然位于1320cm-1左右的D峰代表著具有相當(dāng)?shù)娜毕?，然而可從?qiáng)度不足G峰一半的D'峰(約1620cm-1)判斷，其缺陷峰信號(hào)主要來(lái)自管芯的邊緣，而非自身具有過(guò)多的紊雜結(jié)構(gòu)。上述復(fù)合導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度介于198-210MPa之間，約為原始銅線的拉伸強(qiáng)度(228MPa)的87-92％。另一方面，上述復(fù)合導(dǎo)線在1000kHz、2000kHz、3000kHz、4000kHz、與5000kHz的高頻傳輸導(dǎo)電率，分別比原始銅線在1000kHz、2000kHz、3000kHz、4000kHz、與5000kHz的高頻傳輸導(dǎo)電率高出0.1％、1.9％、5.3％、8.8％、與10.2％。

實(shí)施例2

如圖1所示，取石英管(直徑25mm，長(zhǎng)280mm)作為氣導(dǎo)管，再將氬氣(20sccm)及甲烷(10sccm)通入石英管中。將微波源(東京電機(jī))的微波發(fā)射機(jī)模塊發(fā)射的微波功率設(shè)定于200W，以形成穩(wěn)定的微波等離子體火焰于氣導(dǎo)管中段。直徑為0.254mm的銅線購(gòu)自市售標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)AWG30，銅線輸送的速率為0.2m/min。銅線穿過(guò)氣導(dǎo)管后，其表面上包覆有厚度1.0μm的石墨烯膜(即復(fù)合導(dǎo)線)。上述復(fù)合導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度為190MPa，約為原始銅線的拉伸強(qiáng)度(247MPa)的83％。另一方面，上述復(fù)合導(dǎo)線在1000kHz、2000kHz、3000kHz、4000kHz、與5000kHz的高頻傳輸導(dǎo)電率，分別比原始銅線在1000kHz、2000kHz、3000kHz、4000kHz、與5000kHz的高頻傳輸導(dǎo)電率 高出0.0％、0.1％、0.2％、1.2％、與3.3％。

比較例1

為彰顯差異，另以CVD制作工藝沉積數(shù)原子層厚的石墨烯膜于直徑為0.511mm的銅線(來(lái)源同實(shí)施例1)表面上，以形成復(fù)合導(dǎo)線。上述復(fù)合導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度為145MPa，約為原始銅線的拉伸強(qiáng)度(226MPa)的64％。

比較例2

另以CVD制作工藝沉積數(shù)原子層厚的石墨烯膜于直徑為0.254mm的銅線(來(lái)源同實(shí)施例2)表面上，以形成復(fù)合導(dǎo)線。上述復(fù)合導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度為103MPa，約為原始銅線的拉伸強(qiáng)度(234MPa)的45％。

由實(shí)施例1及2與比較例1及2的比較可知，以微波等離子體火炬形成的復(fù)合導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有CVD制作工藝形成的復(fù)合導(dǎo)線的拉伸強(qiáng)度。

雖然結(jié)合以上數(shù)個(gè)實(shí)施例公開(kāi)了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何本技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作任意的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。