鉬銅合金憑藉其高導熱性、低熱膨脹係數和優異的高溫穩定性,在高功率電子器件散熱領域具有廣泛應用前景。通過優化Mo-Cu比例、提高材料緻密度、採用梯度結構、優化介面材料以及開發新型複合材料,可以進一步提升Mo-Cu合金的散熱性能。
鉬銅合金散熱優化策略
1.調整Mo-Cu比例,提高熱導率
在實際應用中,應根據導熱需求和匹配性要求選擇合適的Mo-Cu比例,以在散熱與結構穩定性之間找到最佳平衡點。
2.提高材料緻密度,降低熱阻
粉末冶金法製造的Mo-Cu合金可能存在微小孔隙,影響散熱效率。優化製備工藝可提高材料緻密度,從而降低熱阻,提高導熱率:
熱等靜壓(HIP)技術:通過高溫高壓燒結,消除材料內部孔隙,提高密度和熱導率。
液相燒結工藝:在燒結過程中添加少量液相銅,使其充分滲透Mo基體,提高介面結合品質,增強熱導率。
均勻顆粒尺寸分佈:採用納米級鉬粉和銅粉,可減少晶界散射,提高整體導熱性能。
3.採用梯度Mo-Cu結構,提高散熱與匹配性
傳統的均質Mo-Cu合金可能在高熱流密度環境下出現介面應力問題,導致散熱性能下降。採用梯度Mo-Cu結構可以優化導熱路徑,提高散熱效率:
底層(靠近晶片):高Mo含量(如Mo80Cu20),確保低CTE,提高機械強度。
表層(靠近散熱器):高Cu含量(如Mo30Cu70),增強導熱能力,提高熱擴散效率。
這種梯度設計可以減少介面熱應力,提高整體散熱性能,使其更適用於IGBT、MOSFET等高功率半導體封裝。
4.採用高導熱介面材料,降低介面熱阻
在電子封裝和散熱器之間,介面熱阻是影響熱管理的關鍵因素。優化介面材料可進一步提高散熱能力:
塗覆高導熱金屬層:在Mo-Cu合金表面鍍銅(Cu)、銀(Ag)或金(Au),提高介面導熱性,減少接觸熱阻。
使用高導熱填充材料:採用銀膠、氮化硼(BN)或碳化矽(SiC)填充介面縫隙,優化熱傳遞效率。
優化表面粗糙度:通過精密加工降低表面粗糙度,提高介面接觸面積,減少介面熱阻。
5.採用複合材料,提高整體散熱能力
為進一步優化散熱性能,可採用Mo-Cu與其他高導熱材料的複合結構,如:
Mo-Cu/金剛石複合材料:金剛石的導熱率高達2000 W/m·K,與Mo-Cu結合可極大提高熱擴散能力,適用于超高功率電子器件。
Mo-Cu/石墨烯塗層:在Mo-Cu表面添加高導熱石墨烯層,可有效增強熱導率,提高散熱效率。