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难熔金属在电力电子行业任重道远
发布日期:2017-07-24
分类:最新公告

大家都知道钨在民用上传统的应用是电光源(爱迪生发明的灯泡), 继灯泡之后呢,人家钨还向大功率方向发展了好多呢, 如钨阴极和阳极大功率氙灯、铌合金管高压钠灯等啥的。

 

但是新一代集成电路中, 由于布线越来越细(目前已达0.2μm), 散热和耐温的需要都将扩大对钨、钼基板的需求, 此外金属化、封装也将向难熔材料发展。高CV 值的钽、铌电容器将进一步扩大应用并向小型化发展。电子工业中大量采用的支撑件、保持环和底托等也多采用难熔材料(对!还是他们)。在通讯设备中, 小到寻呼机里的震子, 大到发射设施钨等难熔金属也发挥着重要作用。

 

Mo-Cu和W-Cu合金的制备及性能特点

 

WCu、MoCu复合材料是将具有高熔点和高强度钨、钼与低熔点的铜复合起来的一类具有特殊性能的材料, 在诸多特殊领域应用广泛。作为热沉材料和封装材料, WCu、MoCu复合材料在电真空领域发挥了特殊作用。

 

Mo-Cu , W-Cu 材料具有高的导电导热性能, 因而可作为大功率电子及半导体器件的热沉材料。钨、钼铜的氧化物极易还原, 且N2 , H2 , C等杂质也易于除去, 从而可保持在真空下极低的放气性能而具有很好的真空使用性能。在真空器件中, 作为与各种陶瓷、玻璃及其他介电材料匹配封接的膨胀合金, 封接部分无应力存在,听起来很腻害的样子!

 

Mo-Cu复合材料的主要应用

 

Mo-Cu复合材料是由高强度、低热膨胀系数的钼和高导电导热的铜组成的“假合金”。尽管与W/Cu 合金相比,Mo /Cu 合金具有较低的热导率和密度,但是Mo 的熔点、硬度均比W低,这使得Mo-Cu复合材料更容易烧结和加工处理,因此,Mo-Cu材料的应用更为广(不知W-Cu心里阴影面积是?)。

 

1.在电子产品中的应用

 

在电真空器件中,由于Mo-Cu复合材料是具有良好匹配性的膨胀合金,在与各种陶瓷、玻璃及其他介电材料的封接上无应力存在(重要的事情再啰嗦一遍)。此外,由于Mo-Cu和Mo-Cu-Ni 是无磁性的,因此广泛用于要求膨胀系数匹配又无磁性的器件,如弦振式压力传感器、磁控管、低噪音行波管等。

 

2.在热沉材料上的应用

 

Mo-Cu合金由于其高的导电导热性能及良好的兼容性,因此可以用在散热器上。Mo-( 15%~18%)Cu 合金的导热系数可达到163 w /m·K; 5%-90%-5%的Cu-Mo-Cu 复合板的水平方向导热系数比纯Mo高17.6%,垂直方向高7%。因此,Mo-Cu 材料广泛应用于军用电子设备的热控板、集成电路的散热器上,发展和研究Mo-Cu复合材料具有非常重要的意义。

 

3. 真空开关电触头

 

高压及超高压开关电器的触头目前仍然是Mo-Cu和W-Cu复合材料的主要应用领域。但是,随着开关电器向更高电压、更高容量的发展,对钼铜材料的技术要求不断提高,从而也需要开发出新的Mo-Cu复合材料和新的制备工艺。

 

W-Cu复合材料的主要应用

 

因W具有良好电子发射功能, 因此W合金及W-Cu 等一类复合材料是良好的电极材料, 已在电火花加工、电力机车导块、电力工业的超高压开关、焊接中大量应用。W-Re 合金已在许多场合取代铂作为测温热电偶, 高性能钨铼丝还作为显像管发射电子用材进入到千家万户。铬、钒等作为靶材在电子显微、镀膜玻璃中业已大量应用。

 

W具有高硬度且在所有金属中熔点最高,铜(Cu)具有优良的导电和导热性能,W-Cu 复合材料既具有良好的导电、导热性,又有低的热膨胀系数和高的抗电弧腐蚀性,因此长期以来被广泛用作电触头、电火花加工、电阻焊及等离子电极材料。随着微电子信息技术的发展,W-Cu 复合材料在大规模集成电路和大功率微波器件(用作基片、连接件和散热件等电子封装材料和热沉材料)中也具有广泛的用途。

 

1. 电触头用W-Cu复合材料

 

由于W的熔点(3390~3430 ℃)远高于Cu 的沸点(2350~2600 ℃),作为电触头使用时,在高温电弧作用下,钨铜中的Cu通过“发汗”散热使钨骨架能够及时冷却并保持完整,从而保证了电触头的良好开断功能。W-Cu 复合材料这种良好的抗电弧腐蚀、抗熔焊和耐电压特性, 使其特别适合用作高压及超高压开闭触头,如用于真空开关电器及以SF6为灭弧介质的新型高压电器中。

 

2. 电子封装及热沉用W-Cu复合材料

 

随着集成电路(IC)芯片技术的迅猛发展,对集成电路封装材料的要求也越来越苛刻。除要求电子封装材料具有高达170~190 W/(m·K)的热导率(TC)及低的且可特别设定的热膨胀系数(CTE)外,还需易于加工成形且成本低。W-Cu 复合材料易于调整热物性参数,大大提高了其在微电子器件中的适用范围,因此被视为大功率器件中一种很好的热沉材料。其合适的热膨胀系数可与微电子器件中的硅片、砷化镓等半导体材料及陶瓷材料很好地匹配连结,从而避免了热应力所引起的热疲劳破坏。W-Cu 复合材料还可按最终尺寸成形,可实现器件的小型化;同时,还可通过改变W与Cu的比例来调节其CET 与TC。

 

3. 电加工电极用W-Cu复合材料

 

各种先进电加工技术的发展,也成为高耐热、高导电、导热和抗电弧烧蚀的W-Cu 复合材料的另一个重要应用领域。在开展电火花加工的较长时期内,普遍采用Cu和铜合金作为加工电极。虽然Cu和铜合金价格低廉且使用方便,但由于Cu及铜合金电极不耐电火花烧蚀,导致电极材料消耗过大,且加工精度差(有时需进行多次加工),因而在很多场合不能满足特殊加工的需要。

 

随着模具精度和许多难加工材料部件用量的不断增加,W-Cu复合材料作为电火花加工电极的用量与日俱增。采用W-Cu材料的电加工电极,不仅使被加工模具及部件的精度提高,而且电极损耗小,加工效率高,甚至一次即可完成产品粗加工和精加工的全部过程。

 

Mo要待续……

 

最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的科研团队在拓扑物态研究领域又取得了重大突破,首次观测到三重简并费米子,为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。这一研究成果于6月19日在线发表在《自然》(Nature,doi:10.1038/nature22390)期刊上

物理所石友国指导博士生冯子力迅速制备出碳化钨家族中的MoP(磷化钼)单晶样品,丁洪和钱天指导博士生吕佰晴,在上海光源“梦之线”和瑞士保罗谢勒研究所经过几个月的实验测量,成功解析出MoP的电子结构,观测到其中的三重简并点,与翁红明指导博士生许秋楠的计算结果高度吻合,首次实验证实突破传统分类的三重简并费米子。翁红明等人的理论 工作还指出,三重简并费米子态与狄拉克费米子和外尔费米子态不同,它对外加磁场的方向敏感,使得含有它的母体材料具有磁场方向依赖的输运性质。近期物理所陈根富研究组在碳化钨中观测到与狄拉克半金属和外尔半金属显著不同的方向依赖输运行为,紧接着德国马克斯-普朗克研究所的科学家在MoP中观测到极低电阻行为,这些都有可能是这种新型费米子的独特表现。“固体宇宙”中新型粒子的研究刚刚开始,这一研究成果对促进人们认识电子拓扑物态,发现新奇物理现象,开发新型电子器件,以及深入理解基本粒子性质都具有重要的意义,期待新型电子器件!

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