Молибденовые диски

Молибденовые диски — свойства, применение, формы поставки

Молибденовые диски — плоские заготовки круглого сечения из технически чистого молибдена. Основное назначение — термокомпенсирующие подложки в силовых полупроводниковых приборах (диоды, тиристоры, транзисторы), а также мишени для магнетронного и ионно-плазменного напыления тонких плёнок. Сочетание тугоплавкости, высокой теплопроводности и низкого коэффициента линейного расширения делает молибденовый диск незаменимым элементом, где требуется стабильность размеров при термоциклировании.

Физические и механические свойства молибдена

Молибден (Mo) — переходный металл 6-й группы периодической системы с атомным номером 42. Серебристо-серый, пластичный в чистом виде, хорошо поддаётся прокатке и штамповке при соблюдении температурных режимов. Ключевые свойства, определяющие его ценность для дисковых заготовок, сведены в таблицу.

Для сравнения: плотность вольфрама составляет 19 250 кг/м³, то есть молибденовый диск примерно вдвое легче вольфрамового при сопоставимых размерах. При этом молибден сохраняет заметную долю тугоплавкости — температура плавления уступает вольфраму (3422 °C), но существенно превышает большинство конструкционных металлов.

Почему молибден применяют в силовой электронике

В кремниевых силовых полупроводниковых приборах — диодах, тиристорах, транзисторах — молибденовый диск выполняет функцию термокомпенсатора между кремниевой пластиной и медным основанием корпуса. Кремний имеет КЛТР около 2,6·10⁻⁶ 1/°C, медь — около 17·10⁻⁶ 1/°C. Прямой контакт кремния с медью при термоциклировании приводит к термомеханическим напряжениям и разрушению полупроводниковой структуры.

Молибден с КЛТР 5,0·10⁻⁶ 1/°C занимает промежуточное положение и ближе к кремнию, чем большинство металлов. Размещение молибденового диска между кремниевым кристаллом и медной теплоотводящей пластиной снижает термические напряжения и увеличивает ресурс прибора. Высокая теплопроводность молибдена (138 Вт/(м·К)) обеспечивает эффективный отвод тепла от кристалла при рабочих токах в десятки и сотни ампер.

Применение молибденовых дисков как мишеней для напыления

Молибденовые мишени круглой формы используются в установках магнетронного распыления для осаждения тонких плёнок Mo на подложки. Тонкие молибденовые слои применяются в качестве барьерных и контактных покрытий в микроэлектронике, при производстве тонкоплёночных солнечных элементов, а также для создания износостойких и электропроводящих покрытий. Требования к мишеням — высокая чистота металла и равномерная мелкозернистая структура.

Коррозионная стойкость молибдена

При комнатной температуре молибден устойчив на воздухе. Окисление начинается при нагреве выше 400 °C, а при температуре свыше 600 °C молибден быстро окисляется до триоксида MoO₃. Поэтому эксплуатация молибденовых изделий при высоких температурах требует вакуума или защитной атмосферы (водород, аргон).

В химических средах молибден проявляет высокую стойкость к неокислительным кислотам: соляная и серная кислоты при комнатной температуре практически не действуют на него. Плавиковая и уксусная кислоты любых концентраций также не вызывают заметной коррозии. Однако окислительные среды — азотная кислота, царская водка, горячие концентрированные растворы серной кислоты — разрушают молибден.

Влияние примесей на свойства молибденовых дисков

Механические и электрические характеристики молибдена чувствительны к содержанию примесей внедрения — углерода, кислорода, азота. Даже малые концентрации этих элементов повышают температуру хрупко-вязкого перехода, которая у чистого молибдена близка к комнатной. Увеличение содержания примесей делает металл более хрупким, снижает пластичность и затрудняет механическую обработку.

Для дисков, работающих в составе полупроводниковых приборов, критична чистота: применяется молибден марок МЧ (не менее 99,96 % Mo по ГОСТ 25442-82) и МЧВП (вакуумная плавка, обеспечивающая дополнительную очистку от газовых примесей). Чем выше чистота исходного металла, тем стабильнее электрические характеристики и долговечнее работа диска в термоциклических условиях. Подробнее о марке МЧ — в разделе Молибден МЧ.

Размерный ряд и формы поставки молибденовых дисков

Стандартный размерный ряд молибденовых дисков охватывает толщины от 0,1 до 6 мм и диаметры от 1 до 90 мм. Диски поставляются с отверстием под крепёж или без него — в зависимости от конструкции конечного прибора. Поверхность может быть шлифованной, полированной или после химического травления. Допуски на толщину и диаметр, плоскостность и шероховатость поверхности согласовываются с заказчиком под конкретное применение.

Возможно изготовление дисков нестандартных размеров и конфигураций. Прочие формы молибденового проката — полосы, электроды, прутки — описаны в разделе молибденовые электроды.

Методы получения молибденовых дисков

Диски из молибдена получают несколькими способами в зависимости от требований к структуре и размерам. Наиболее распространённые: вырубка (штамповка) из молибденового листа или полосы, а также механическая обработка (токарная обработка, шлифовка) из прутковых заготовок. Для получения мелкозернистой структуры, критичной в мишенях для напыления, применяется метод порошковой металлургии с последующим спеканием и деформационной обработкой.

Условия хранения и обращение

Молибденовые диски хранят в сухих помещениях, исключая контакт с влагой и агрессивными парами. При температурах ниже температуры хрупко-вязкого перехода (для технического молибдена — вблизи комнатной) изделия требуют аккуратного обращения, так как риск хрупкого разрушения при ударных нагрузках возрастает. Для дисков высокой чистоты рекомендуется индивидуальная упаковка в полиэтиленовые пакеты или специальные кассеты, предотвращающие механические повреждения поверхности.