Mo70Cu30(70wt.%钼,30wt.%铜)是一种典型的钼铜复合材料,而非传统意义上的固溶合金。以下是其详细的成分、性能特点和应用介绍。
成分(重量百分比):钼(Mo)~70%, 铜(Cu)~30%。
结构:这是一种假合金或复合材料。钼和铜在液态和固态下都几乎互不溶解,无法形成固溶体。
制备工艺:通常采用粉末冶金法制备。将钼粉和铜粉混合、压制成型,然后在高温下进行液相烧结(温度高于铜的熔点1083°C)。此时,铜熔化并凭借毛细管作用渗透到钼骨架的孔隙中,形成一种连续的网络互穿结构。
微观结构:高强度、高熔点的钼颗粒作为“骨架”,提供硬度和强度;高导电导热的铜作为“填充相”,分布在钼骨架的间隙中,提供优异的导电导热性和一定的塑性。
Mo70Cu30的性能是其两种组分性能的“加权平均”和结构协同效应的结果,其最大特点是良好导热导电性与可调节的低热膨胀系数的结合。
热膨胀系数(CTE): ~7.0 - 8.5 × 10⁻⁶/K(室温至400°C)。这个值远低于纯铜(~17×10⁻⁶/K),且与半导体材料(如硅、砷化镓)及许多陶瓷、玻璃基板的热膨胀系数非常匹配。这是其用于电子封装的关键原因,能极大减少热应力导致的失效。
导热率: ~160 - 180 W/(m·K)。虽然低于纯铜(~400 W/(m·K)),但远高于可伐合金等传统封装材料,且高于许多铝合金,散热能力优秀。
密度: ~9.8 - 10.0 g/cm³。介于钼(10.2)和铜(8.96)之间,属于高密度材料。
熔点:无明确熔点,因其为两相结构。在1083°C(铜的熔点)以上,材料中的铜相会软化或熔化,但钼骨架仍保持固态。
电导率: ~35 - 45% IACS(国际退火铜标准)。约为纯铜的35-45%,但仍具有良好的导电性。
关键特性:气密性:通过适当的工艺控制,可以获得完全致密、气密性极佳的材料,这对于需要真空或密封的电子器件至关重要。
强度与硬度:
抗拉强度:通常在400 - 600 MPa范围,远高于纯铜。
硬度:HV ~ 150 - 220,比纯铜硬得多。
塑性:较差,属于脆性材料。这是其主要缺点之一,难以进行冷锻、深冲等塑性加工。
可加工性:
机加工性:尚可,类似于铸铁,可以进行车、铣、钻、磨等加工,但刀具磨损较快。
焊接性:较差。钼铜与大多数材料焊接困难,通常采用钎焊或扩散焊,且需特殊焊料和工艺。
真空性能:极佳。在高温和高真空环境下,铜和钼均不易挥发,放气率低,是理想的真空材料。
钼铜合金常与更常见的钨铜合金(如W80Cu20)进行比较:
密度:Mo-Cu的密度(~10 g/cm³)显著低于W-Cu(通常>15 g/cm³),有利于器件轻量化。
CTE匹配性:Mo70Cu30的CTE与半导体芯片的匹配性通常优于大多数W-Cu牌号。
导热性:相近铜含量下,Mo-Cu的导热率通常略高于W-Cu。
成本:钼粉成本高于钨粉,因此Mo-Cu材料通常比W-Cu更昂贵。
应用侧重:W-Cu因密度高、更耐烧蚀,更侧重于军用穿甲弹、电火花电极、高压开关触点;Mo-Cu则更侧重于高性能电子封装和热管理。
凭借其高热导、可匹配的CTE、良好的电导和气密性,Mo70Cu30主要用于高可靠性和高功率领域:
微波与射频电子封装:作为热沉(Heat Sink) 和封装基板/载体,用于封装大功率微波管(如行波管、磁控管)、激光二极管、功率模块(IGBT)等,能高效散热并保证热循环可靠性。
功率半导体器件:用于大功率LED、激光器、射频功率放大器等的基片或热扩散片。
航空航天与军事电子:用于雷达、卫星通信系统中对散热和可靠性要求极高的电子组件。
特种电极材料:用于电阻焊、电火花加工等领域的电极,兼具良好的导电性和耐磨性。
特性 | Mo70Cu30 特点 | 优势/影响 |
成分/结构 | 70% Mo + 30% Cu,粉末冶金制备的复合材料 | 性能可设计,结合两者优点 |
热膨胀系数 | 低(~7.5×10⁻⁶/K) | 核心优势:与芯片材料匹配,抗热应力 |
导热率 | 高(~170 W/(m·K)) | 核心优势:优异散热能力 |
导电率 | 良好(~40% IACS) | 满足电子器件导电需求 |
强度/硬度 | 高(强度>400MPa) | 结构强度好,但塑性差 |
密度 | 较高(~10 g/cm³) | 比W-Cu轻,但比Al、Cu重 |
加工性 | 可机加工,难塑性成型,焊接性差 | 通常直接加工成近终形零件 |
主要应用 | 高功率电子封装、微波器件热沉、特种电极 | 高可靠、高散热需求的领域 |
总之,Mo70Cu30是一种为满足特定热管理挑战而设计的高性能工程材料,其价值在于卓越的热性能组合,是高功率、高频率电子设备实现小型化、高可靠性的关键材料之一。