Molybdaen-Kupfer (MoCu): Eigenschaften & Einsatz | Negele

Molybdaen-Kupfer (MoCu)

Q: Wie hoch sind Waermeleitfaehigkeit und Waermeausdehnung von MoCu?

Verbunde mit 15 bis 35 Prozent Kupfer erreichen Waermeleitfaehigkeiten ueber 200 W/(m K) bei einer Waermeausdehnung von etwa 6 bis 8 mal 10^-6/K. Kupferplattierte Schichtverbunde (Cu/MoCu/Cu) erreichen sogar 265 bis 270 W/(m K). Die genauen Werte haengen vom Kupferanteil und vom Gefuege ab.

Zwei, die sich gesucht und gefunden haben. Molybdaen-Kupfer (MoCu) ist ein Verbundwerkstoff aus Molybdaen mit bis zu 35 Gew.-% Kupfer. Er vereint die hohe Waermeleitfaehigkeit des Kupfers mit der niedrigen Waermeausdehnung des Molybdaens, ist dabei rund 40 % leichter als Wolfram-Kupfer (WCu) und durch die geringere Haerte deutlich leichter zu bearbeiten. Damit ist MoCu praedestiniert fuer das Waermemanagement in der Leistungselektronik, fuer Schaltkontakte sowie fuer Schweiss- und Erodierelektroden. Negele Hartmetall-Technik fertigt MoCu-Bauteile nach Zeichnung, vom Einzelteil bis zur Serie.

MoCu gehoert zur Familie der Kupfer-Refraktaermetall-Verbundwerkstoffe, zu der auch Wolfram-Kupfer zaehlt. In all diesen Werkstoffen liefert das Refraktaermetall (Molybdaen oder Wolfram) die niedrige Waermeausdehnung und die mechanische Stabilitaet, waehrend das Kupfer die Waerme und den Strom abfuehrt. Anders als bei WCu sorgt die geringere Dichte des Molybdaens dafuer, dass MoCu deutlich leichter und besser zerspanbar ausfaellt.

Zwei sanduhrfoermige Bauteile (Klammern) aus Molybdaen-Kupfer (MoCu) mit flachen Enden, nach Zeichnung gefertigt, auf weissem Hintergrund. — Klammern aus Molybdaen-Kupfer (MoCu), gefertigt nach Kundenzeichnung.

Eigenschaften von Molybdaen-Kupfer

MoCu ist kein klassisches Mischkristall-Metall, sondern ein Pseudolegierung genannter Zweiphasen-Verbund: Molybdaen und Kupfer sind im festen wie im fluessigen Zustand praktisch nicht ineinander loeslich und bilden keine sproeden intermetallischen Phasen. Jede Phase behaelt ihre Eigenschaften: Das Molybdaen-Geruest traegt die Last und begrenzt die Ausdehnung, das eingelagerte Kupfer bildet durchgehende Leitpfade fuer Waerme und Strom.

Schema in zwei Schritten: links ein poroeses Molybdaen-Skelett (Mo-Skelett), rechts dasselbe Skelett mit kupfergefuellten Poren (Cu-Infiltration). — Pulvermetallurgische Herstellung: poroeses Mo-Skelett, anschliessend mit Kupfer infiltriert.

Der entscheidende Vorteil liegt im einstellbaren Eigenschaftsprofil. Reines Molybdaen hat laut AZoM eine Waermeleitfaehigkeit von etwa 130 bis 145 W/(m·K) und eine niedrige Waermeausdehnung um 5 × 10^-6/K, reines Kupfer dagegen rund 390 W/(m·K) bei hoher Ausdehnung von 17,7 × 10^-6/K. Durch den Kupferanteil laesst sich MoCu gezielt zwischen diese Extreme legen. Verbundwerkstoffe mit 15 bis 35 % Kupfer erreichen Waermeleitfaehigkeiten ueber 200 W/(m·K) bei einer Waermeausdehnung von etwa 6 bis 8 × 10^-6/K, wie Untersuchungen an Mo80Cu20-Verbunden zeigen.

Genau diese Kombination, hohe Waermeleitfaehigkeit bei niedriger Ausdehnung, macht MoCu zum CTE-angepassten Traegermaterial: Die Waermeausdehnung laesst sich an Silizium, Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) und Keramiken wie Aluminiumnitrid annaehern. So entstehen im Temperaturwechsel deutlich geringere thermomechanische Spannungen als bei reinem Kupfer.

Eigenschaft	Einheit	MoCu (15 bis 35 % Cu)	Reines Mo	Reines Cu
Kupferanteil	Gew.-%	15 bis 35	0	100
Dichte	g/cm³	~9 bis 10	10,2	8,96
Waermeleitfaehigkeit	W/(m·K)	>200	130 bis 145	~390
Waermeausdehnung	10^-6/K	~6 bis 8	~5	17,7
Relative Dichte (gesintert)	%	>98	-	-
Haerte	-	niedriger als WCu	mittel	weich
Kristallstruktur	-	Zweiphasen-Verbund	krz	kfz

Quelle: Hauseigene Produktdaten sowie autoritative Fachliteratur (ScienceDirect, AZoM, WebElements). Werte verbundabhaengig, einstellbar ueber Kupferanteil und Gefuege.

Gaengige MoCu-Sorten

MoCu 85/15

Kupferanteil: 15 %

Profil: niedrigste Ausdehnung

Einsatz: wenn Massbestaendigkeit zaehlt

MoCu 80/20

Kupferanteil: 20 %

Profil: Ausdehnung ~6,3 × 10^-6/K

Einsatz: Standard fuer Leistungselektronik

MoCu 70/30

Kupferanteil: 30 %

Profil: hoechste Leitfaehigkeit

Einsatz: wenn Waermeabfuhr dominiert

Kernaussage MoCu ist die richtige Wahl, wenn ein Bauteil Waerme schnell abfuehren und zugleich formstabil an Halbleiter oder Keramik angepasst sein muss, und das bei geringem Gewicht. Geht es dagegen um maximale Abbrand- und Erosionsbestaendigkeit unter starkem Lichtbogen, ist Wolfram-Kupfer (WCu) oft die bessere Wahl. Welche Variante zu Ihrem Lastfall passt, klaeren wir in der technischen Beratung.

MoCu im Vergleich zu Wolfram-Kupfer

MoCu und WCu funktionieren nach demselben Prinzip, unterscheiden sich aber im Refraktaermetall. Wolfram hat mit 19,3 g/cm³ fast die doppelte Dichte von Molybdaen (10,2 g/cm³). Daraus folgt der wichtigste Praxisunterschied: MoCu-Verbunde liegen bei etwa 9 bis 10 g/cm³, WCu-Verbunde bei 14 bis 17 g/cm³. Bei vergleichbarem Kupferanteil ist MoCu damit rund 40 % leichter.

Balkendiagramm: Dichte von MoCu (etwa 10 g/cm3) gegenueber WCu (etwa 15 g/cm3), MoCu ist rund 40 Prozent leichter. — MoCu ist bei vergleichbarem Kupferanteil rund 40 % leichter als WCu.

Hinzu kommt die bessere Bearbeitbarkeit: Molybdaen ist weicher als Wolfram, daher laesst sich MoCu leichter spanend bearbeiten, stanzen und zu komplexen oder duennwandigen Geometrien verarbeiten, bei geringerem Werkzeugverschleiss. Der Preis dafuer ist eine etwas geringere Abbrand- und Erosionsbestaendigkeit unter starkem Lichtbogen sowie, je nach Bauform, eine leicht niedrigere Waermeleitfaehigkeit. MoCu spielt seine Staerken deshalb dort aus, wo Gewicht, Bearbeitbarkeit und Waermemanagement zaehlen, etwa in der Elektronik und in der Luft- und Raumfahrt.

Herstellung und Bearbeitung von MoCu

Molybdaen-Kupfer wird pulvermetallurgisch hergestellt, nicht erschmolzen, denn die beiden Metalle sind nicht mischbar. Im Mittelpunkt steht ein poroeses Molybdaen-Skelett, dessen Hohlraumanteil dem spaeteren Kupfergehalt entspricht und das anschliessend mit fluessigem Kupfer infiltriert wird.

Pressen

Molybdaenpulver wird zum Gruenling verdichtet, der Hohlraumanteil legt den spaeteren Kupfergehalt fest.

Sintern

Sintern oberhalb von etwa 1.300 °C unter Wasserstoff oder Vakuum bildet ein festes, durchgehend poroeses Mo-Skelett.

Kupfer-Infiltration

Fluessiges Kupfer fuellt die Poren ueber Kapillarkraefte, die relative Dichte erreicht ueber 98 %.

Bearbeiten und Fuegen

Spanende Bearbeitung, Stanzen, Loeten und Plattieren zum einbaufertigen Bauteil.

Weil keine intermetallischen Phasen entstehen, sind die Eigenschaften gut reproduzierbar und folgen weitgehend der Mischungsregel aus Molybdaen- und Kupferanteil. Untersuchungen zum Sinterverhalten von Molybdaen-Kupfer und Wolfram-Kupfer bestaetigen, dass vollstaendige Infiltration und geringe Restporositaet entscheidend fuer hohe Waermeleitfaehigkeit sind. Negele fertigt MoCu-Bauteile in der flexiblen Einzel- und Serienfertigung nach Zeichnung.

Technischer Hinweis Fuer das Waermemanagement in der Leistungselektronik werden MoCu-Kerne haeufig beidseitig mit Kupfer plattiert (Cu/MoCu/Cu-Schichtverbunde). Aktuelle Untersuchungen an Cu/MoCu/Cu-Verbunden berichten Waermeleitfaehigkeiten um 265 bis 270 W/(m·K) bei einer Ausdehnung nahe 8 × 10^-6/K. So lassen sich Leitfaehigkeit und Ausdehnung gezielt auf das Bauelement abstimmen.

Anwendungsgebiete

Die Kombination aus hoher Waermeleitfaehigkeit, einstellbarer Ausdehnung und geringem Gewicht macht MoCu zum bevorzugten Werkstoff im Waermemanagement und in der Kontakttechnik.

Infografik mit vier Anwendungen von MoCu: Waermesenken, Schaltkontakte, Schweisselektroden und Erodierelektroden. — Typische Einsatzgebiete von Molybdaen-Kupfer: Waermesenken, Schaltkontakte, Schweiss- und Erodierelektroden.

Waermesenken und Waermespreizer

In der Leistungs- und Mikroelektronik dient MoCu als Waermesenke, Waermespreizer und Traegersubstrat, etwa fuer IGBT-Module, Hochfrequenz- und Mikrowellenbauteile, Laserdioden sowie GaAs-, GaN- und LED-Gehaeuse. Die an den Halbleiter angepasste Ausdehnung schuetzt die sproeden Chips und Keramiken im Temperaturwechsel, waehrend die hohe Waermeleitfaehigkeit die Sperrschichttemperatur niedrig haelt.

Schaltkontakte

In der Elektroindustrie wird MoCu als Schaltkontakt fuer Hoch- und Mittelspannungsanwendungen eingesetzt. Der Verbund kombiniert ausreichende elektrische Leitfaehigkeit mit Bestaendigkeit gegen Abbrand und Verschweissen der Kontakte.

Schweisselektroden

Als Elektrode fuer das Widerstandsschweissen fuehrt MoCu die Prozesswaerme schnell ab und haelt die Standzeit hoch. Im Automobil- und Batteriebau ist das relevant, wo viele Schweisspunkte in kurzer Taktzeit gesetzt werden.

Erodierelektroden

Im Werkzeug- und Formenbau dient MoCu als Elektrode fuer die Senkerosion (EDM). Die gute Bearbeitbarkeit erleichtert die Herstellung praeziser Elektrodengeometrien, die hohe Waermeleitfaehigkeit stabilisiert den Erosionsprozess.

Lieferformen

Negele ist Auftragsfertiger und stellt MoCu nach Kundenspezifikation her, nicht als Lagerware fuer Normprofile. Im Mittelpunkt stehen einbaufertige Bauteile nach Zeichnung sowie Halbzeuge fuer die nachgelagerte Bearbeitung.

Einbaufertige Bauteile nach Zeichnung, endkonturnah und einsatzbereit
Rund- und Vierkantstaebe als Basis fuer die Endbearbeitung
Platten und Bleche fuer Waermespreizer und Substrate
Sonderformen je nach Anwendung

Die typische Lieferzeit liegt bei 6 bis 8 Wochen, bei einfachen Geometrien auch kuerzer. Als familiengefuehrtes Unternehmen aus Stuttgart entscheidet Negele kurzfristig und flexibel, gerade bei Einzelteilen und kleinen Serien.

Normen und Standards

Fuer MoCu-Verbundwerkstoffe gibt es bislang weniger eigenstaendige Normen als fuer das verwandte Wolfram-Kupfer; ueblicherweise werden die Werkstoffe ueber ihre Mo/Cu-Gewichtsanteile bezeichnet (etwa MoCu 80/20). Fuer kupferinfiltrierte Refraktaermetall-Kontaktwerkstoffe dient ASTM B702 als orientierende Norm.

Auf Wunsch liefert Negele MoCu mit Material- und Pruefbescheinigung nach EN 10204 (Zeugnis 2.1, 2.2 oder Abnahmepruefzeugnis 3.1). Die Fertigung ist nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert. Details finden Sie im Bereich Chargen- und Pruefbescheinigung.

Haeufig gestellte Fragen zu Molybdaen-Kupfer

Was ist Molybdaen-Kupfer (MoCu)?

Molybdaen-Kupfer (MoCu) ist ein Verbundwerkstoff aus Molybdaen mit bis zu 35 Gew.-% Kupfer. Ein poroeses Molybdaen-Skelett wird mit Kupfer infiltriert. Der Werkstoff vereint die hohe Waermeleitfaehigkeit des Kupfers mit der niedrigen Waermeausdehnung des Molybdaens.

Ist MoCu eine Legierung oder ein Verbundwerkstoff?

MoCu ist genau genommen eine Pseudolegierung, also ein Zweiphasen-Verbund. Molybdaen und Kupfer sind nicht ineinander loeslich und bilden keine intermetallischen Phasen. Beide Metalle behalten ihre Eigenschaften, weshalb sich die Verbundeigenschaften weitgehend aus der Mischungsregel ergeben.

Wie viel Kupfer enthaelt MoCu?

Industriell uebliche Sorten enthalten 15 bis 35 Gew.-% Kupfer, gaengig sind Bezeichnungen wie MoCu 85/15, MoCu 80/20 und MoCu 70/30. Negele fertigt Bauteile mit bis zu 35 % Kupfer. Ein hoeherer Kupferanteil erhoeht die Leitfaehigkeit, ein hoeherer Molybdaenanteil senkt die Waermeausdehnung.

Worin unterscheidet sich MoCu von Wolfram-Kupfer (WCu)?

Beide funktionieren nach demselben Prinzip, MoCu nutzt aber Molybdaen statt Wolfram. Dadurch ist MoCu bei gleichem Kupferanteil rund 40 % leichter (etwa 9 bis 10 statt 14 bis 17 g/cm³) und besser bearbeitbar. WCu bietet im Gegenzug eine hoehere Abbrand- und Erosionsbestaendigkeit.

Warum ist MoCu ideal fuer das Waermemanagement?

Kupfer fuehrt die Waerme schnell ab, Molybdaen begrenzt die Waermeausdehnung. Dadurch laesst sich die Ausdehnung an Halbleiter wie Silizium, GaAs und GaN sowie an Keramiken anpassen. Im Temperaturwechsel entstehen so geringere Spannungen, was Chips und Keramiken vor Rissen und Abloesung schuetzt.

Wie hoch sind Waermeleitfaehigkeit und Waermeausdehnung von MoCu?

Verbunde mit 15 bis 35 % Kupfer erreichen Waermeleitfaehigkeiten ueber 200 W/(m·K) bei einer Waermeausdehnung von etwa 6 bis 8 × 10^-6/K. Kupferplattierte Schichtverbunde (Cu/MoCu/Cu) erreichen sogar 265 bis 270 W/(m·K). Die genauen Werte haengen vom Kupferanteil und vom Gefuege ab.

Wie wird MoCu hergestellt?

MoCu wird pulvermetallurgisch gefertigt: Molybdaenpulver wird gepresst und oberhalb von etwa 1.300 °C unter Wasserstoff oder Vakuum zu einem poroesen Skelett gesintert. Anschliessend fuellt fluessiges Kupfer die Poren ueber Kapillarkraefte (Infiltration). Die relative Dichte erreicht ueber 98 %.

Wofuer wird Molybdaen-Kupfer verwendet?

Typische Anwendungen sind Waermesenken, Waermespreizer und Traegersubstrate in der Leistungs- und Mikroelektronik (IGBT, HF-Bauteile, Laserdioden, GaAs/GaN/LED), Schaltkontakte fuer Hoch- und Mittelspannung, Elektroden fuer das Widerstandsschweissen sowie Erodierelektroden im Werkzeug- und Formenbau.

Laesst sich MoCu gut bearbeiten?

Ja. Da Molybdaen weicher ist als Wolfram, laesst sich MoCu leichter spanend bearbeiten, stanzen, loeten und plattieren als WCu, bei geringerem Werkzeugverschleiss. Das ermoeglicht praezise, auch duennwandige oder komplexe Zeichnungsteile.

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