《Journal of Alloys and Compounds》：A Mo-Cu alloy processed by laser powder bed fusion: Microstructure and Mechanical/Thermal properties
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激光粉末床熔融制备的钼铜合金MoCu40相对密度达90.2%，热导率53.3-125.0 W/(m·K)与密度正相关，工艺参数影响显著。
刘杰|牛向丽|史尚|王帅|邹子文|魏杨兵|毛宁|孙一伟|郝梦龙
教育部能源热转换与控制重点实验室，东南大学能源与环境学院，南京210096，中国
摘要
钼铜（Mo-Cu）合金是集成电路电子封装中的重要材料。激光粉末床熔融（LPBF）技术为制造具有复杂几何形状的Mo-Cu热管理部件提供了一种有效方法，而这些形状使用传统制造方法难以实现。本文采用LPBF技术制备了MoCu40合金，并系统评估了工艺参数对合金相对密度、微观结构以及力学/热性能的影响。微观结构分析显示，该合金的铜基体中存在大量低角度晶界，钼相具有双重形态，包括未熔化的球形颗粒和固化的不规则颗粒。所制备的MoCu40合金的极限抗压强度为571.7 ± 10.6 MPa，断裂伸长率为37.2 ± 3.3%。其热导率范围为53.3 ± 1.8 W/(m·K)至125.0 ± 9.4 W/(m·K)，且热导率随相对密度的增加而升高，这表明孔隙率控制至关重要。这些发现揭示了工艺参数与微观结构及性能之间的关系，为改进Mo-Cu合金以适应先进电子应用奠定了基础。
引言
钼铜合金结合了铜的高电导率和低热膨胀系数（CTE）特性，使其成为电子封装的理想材料，特别是在微电子散热器、电动汽车动力模块和高容量电网组件中。
对于Mo-Cu二元体系，钼和铜互不相溶。纯钼的熔点为2620°C，纯铜的熔点为1083°C，因此Mo-Cu合金的制备过程大多处于半固态阶段。传统上，Mo-Cu合金主要通过浸渗铸造和粉末冶金技术（如液相烧结和压力加工）生产。然而，这些方法存在局限性：浸渗铸造过程中由于钼骨架的孔隙体积有限，会残留铜，需要后续机械加工，从而增加工艺复杂性和成本；液相烧结需要高温（1800-2000°C）和长时间，导致能耗较高；压力加工主要适用于厚度小于10 mm的平面和圆柱形部件，并且在制造过程中容易因两种不相溶相之间的弹性-塑性及热失配而产生残余应力。尽管传统制造的Mo-Cu合金已应用于散热等领域，但现代集成电路的快速发展对小型化、集成化和轻量化的要求日益严格，传统制造技术已无法满足复杂结构设计的需求。
增材制造（AM），也称为3D打印，是一种通过逐层沉积材料来制造三维零件的方法。与传统制造方法相比，它提供了更大的设计自由度、更快的原型制作时间和更高的工艺灵活性。AM制造的零件已在航空航天和能源行业得到应用。激光粉末床熔融（LPBF）技术是其中最有前景的增材制造技术之一，已应用于多种电子封装材料、铜合金、Fe-Ni合金和W-Cu合金的研究中。有研究表明，LPBF制备的W-Cu合金与Mo-Cu合金类似，两种主要元素互不相溶。Mao等人[20]证明LPBF可以制备相对密度为91.7%、力学性能良好的WCu20合金（硬度117 HBW，抗拉强度312 MPa）；Li等人[21]系统研究了工艺参数（如激光功率、扫描速度、搭接距离和层厚）对WCu20合金密度和显微硬度的影响，优化参数可使其密度达到98.1%、硬度达到256 HV。Yan等人[19]使用LPBF制备了不同成分的W-Cu合金，发现增加钨含量会导致相对密度从97.9%降至91.6%，同时热导率从210.4 W/(m·K)降至152.7 W/(m·K)。然而，关于LPBF制备Mo-Cu合金的研究仍较为有限，目前仅有一项研究关注通过表面改性提高粉末吸收率[22]。球磨处理（含10 wt.%钼，研磨时间1小时，转速200 rpm）可将Cu在1084 nm处的吸收率从16.8%提升至60.3%，但力学强度和热导率等关键性能指标尚未得到系统研究。
本研究系统研究了LPBF制备的MoCu40合金，评估了工艺参数对缺陷、微观结构以及热性能和力学性能的影响。制备的合金样品具有双形态的钼相。LPBF处理的MoCu40合金的最大相对密度为90.2 ± 0.7%，且激光功率增加或扫描速度降低时相对密度升高。其热导率范围为53.3 ± 1.8 W/(m·K)至125.0 ± 9.4 W/(m·K)，热导率与相对密度密切相关。
材料制备
本研究使用了球形气体雾化铜粉和等离子球化钼粉，这两种粉末均购自江苏威尔拉利新材料科技有限公司。Mo粉和Cu粉的化学成分以及LPBF制备的MoCu40合金样品的成分见表1。MoCu40合金样品中的铜含量通过电感耦合等离子体质谱法测定，碳含量通过高频燃烧红外光谱法测定。
相对密度与缺陷
不同LPBF参数处理样品的相对密度如图3所示。在相同扫描速度下，激光功率越高，样品的相对密度越大（图3(a)）。例如，当扫描速度固定为100 mm/s时，激光功率从130 W提升至190 W，相对密度从83.3 ± 0.5%升至90.2 ± 0.7%。图3(b)显示，在激光功率不变的情况下，扫描速度从1200 mm/s降至500 mm/s时，相对密度也有所增加。
结论
本研究成功通过LPBF技术制备了MoCu40合金，并系统研究了工艺参数对其微观结构和力学/热性能的影响。在优化的工艺参数范围内，MoCu40合金的相对密度最高可达90.2 ± 0.7%。虽然这一数值低于传统工艺制备的Mo-Cu合金，但已为LPBF工艺建立了实际应用的可能性。
作者贡献声明
魏杨兵：数据验证。
邹子文：概念设计。
王帅：数据验证与资源协调。
史尚：数据可视化与资源管理。
牛向丽：实验方法与数据分析。
刘杰：初稿撰写、方法设计、数据分析与整理。
郝梦龙：稿件修订与编辑、项目监督、资源协调与资金申请。
孙一伟：稿件修订与编辑、项目监督。
毛宁：稿件修订与编辑。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系或个人关系：郝梦龙表示获得了国家自然科学基金的支持；如果还有其他作者，他们也声明不存在其他潜在的利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金创新研究群体科学基金（项目编号52421003）、江苏省碳达峰与碳中和科技创新专项基金（项目编号BT2024002）以及国家自然科学基金（项目编号52576064）的支持。此外，东南大学大数据计算中心和基础研究中心也为本研究提供了支持。
