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Die Erfindung betrifft einen Metall-Matrix-Composite-Bauteil (MMC-Bauteil) umfassend ein poröses Verstärkungsmaterial, dessen Poren mit einem Infiltrationsmaterial ausgewählt aus der Gruppe Metall und Metallegierung gefüllt sind.
Metall-Matrix-Composites, auch als Metall-Matrix-Verbundmaterialien oder kurz als MMC be- zeichnet, sind Werkstoffe, bei denen ein nichtmetallisches Verstärkungsmaterial und ein metalli- sches oder halbmetallisches Infiltrationsmaterial in unterschiedlichen Mengenverhältnissen inein- ander eingebettet vorliegen. Das Verstärkungsmaterial kann in Form von Teilchen, Fasern oder porösen Körpern mit Metall oder Halbmetall umgeben bzw. infiltriert werden. Durch Auswahl der Art, Form, Menge und Porosität des Verstärkungsmaterials sowie der Art des Infiltrationsmaterials lassen sich die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften der entstehenden Werkstoffe den Anforderungen entsprechend variieren.
Eines der möglichen Anwendungsgebiete solcher MMC-Verbundwerkstoffe ist die Elektronik bzw. Leistungselektronik, wo sie zur Ableitung der von elektronischen Bauteilen erzeugten Verlust- wärme eingesetzt und dementsprechend Kühlkörper oder Schaltungsträger aus ihnen hergestellt werden.
Hierfür sind vor allem folgende drei Eigenschaften notwendig:
1. ) Hohe Wärmeleitfähigkeit - damit die von einem elektronischen Bauteil erzeugte Verlustwär- me möglichst effizient abgeführt werden kann.
2.) Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient bzw. mit dem Wärmeausdehnungskoeffizient des zu kühlenden Bauteiles möglichst übereinstimmender Wärmeausdehnungskoeffizient - damit sich Bauteil und an ihm festgelegter Kühlkörper bei Temperaturänderungen möglichst gleich stark ihre Abmessungen verändern und damit thermische Spannungen in der Verbindungsschicht zwischen Bauteil und Kühlkörper vermieden werden.
3.) Geringe Dichte - damit ein möglichst geringes Gewicht des Kühlkörpers/Schaltungsträgers erreicht wird.
Ein weiteres mogliches Anwendungsgebiet von MMC-Verbundwerkstoffen liegt darin, diese zur Ausbildung von Kochplatten einzusetzen. Hier ist auf der der Auflageflache für einen Kochtopf gegenüberliegenden Oberfläche der MMC-Platte ein Isolator, beispielsweise eine Keramik, wie A1203, AIN, Si3N4 festgelegt. An der der MMC-Platte gegenüberliegenden Oberfläche des Isolators ist ein elektrischen Heizwiderstand angebracht.
Auch bei diesem Anwendungsgebiet sollte die MMC-Platte die oben angeführten drei Eigenschaften aufweisen: Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist erforderlich, um die vom Heizleiter erzeugte Wärme effizient auf den Kochtopf zu übertragen, die möglichst gute Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Platte und Isolator stellt sicher, dass sich trotz Temperaturveränderungen in der Verbindungsschicht zwischen MMC- Platte und Isolator keine zur Ablösung der beiden Komponenten voneinander führenden thermi- schen Spannungen ausbilden und aufgrund der geringen Dichte wird ein geringes Gesamtgewicht der Kochplatte erreicht.
Metall-Matrix-Composite-Materialien sind beispielsweise durch folgende Dokumente bekannt geworden.
Die DE-T1-196 81 334 beschreibt die Herstellung von MMC-Bauteilen, deren Verstärkungsma- terial aus SiC und deren Matrix-Metall aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen gebildet ist.
Die DE-A1-197 10 202 bezieht sich auf ein Substrat mit darauf festgelegter Diamantschicht und führt an, dass dieses Substrat u.a auch aus MMC bestehen kann.
In der US-PS-5 616 421 werden verschieden ausgeführte MMC-Bauteile beschrieben, welche jeweils mehrere, aufeinander liegende und miteinander fest verbundene Schichten aufweisen, wo- bei stets mindestens eine Schicht aus MMC-Material, stets mindestens eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material besteht und stets mindestens eine Schicht aus reinem Metall besteht.
In der US-PS-3 465 965 wird eine Düse für das Strahlrohr eines Raketenmotors beschrieben.
Diese Düse ist in einem zylindrischen Behälter gehalten, wobei der Spalt zwischen Düse und der
Innenwandung des Behälters mit Asbest gefüllt ist. Die Düse besteht aus einem Material, dessen
Konsistenz inhomogen ist. Das Material der gesamten Düse umfasst ein aus Siliziumkarbid gebil- detes Verstärkungsmaterial, dessen oberflächliche Schicht eine Korngrösse von bis zu 40 \im und eine Porosität von etwa 25 Vol.-% aufweist. Im inneren Abschnitt liegen Korngrössen von kleiner
10 m und eine Porosität von bis zu 40 Vol -% vor.
Die Poren dieses Verstärkungsmaterials sind mit MoSi2 gefüllt, wobei im oberflächlichen Abschnitt samtliche Poren mit MoSi2 gefüllt sind, wah-
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rend im innernen Bereich 15 Vol.-% der Poren von MoSiz ungefüllt bleiben. Im Anspruch 1 der US-PS-3 465 965 ist angeführt, dass als Verstärkungsmaterial rekristallisiertes Siliziumkarbid einge- setzt ist.
Die Düse und somit das in der US-PS-3 465 965 offenbarte Verbundmaterial wird nach folgen- dem Verfahren hergestellt: Es wird ein Körper aus nicht-rekristallisiertem SiC-Pulver und einem Bindemittel gebildet, weicher Körper von Molybdän und Silizium umgeben wird. Diese Material- anordnung wird auf 2100 C erhitzt, wobei der Binder verflüchtigt wird, Silizid aufschmilzt und in die Poren des SiC-Körpers eindringt Gleichzeitig mit diesem Eindringen von Silizid in den SiC-Körper wird das diesen Körper bildende Karbid rekristallisiert. Zur Herstellung eines Verbundkörpers wer- den also Vorformmaterial und Infiltrationsmaterial in festem, pulverförmigem Zustand miteinander vermischt und gemeinsam erhitzt, wobei gleichzeitig die Rekristallisation des SiC stattfindet und dessen Poren mit Infiltrationsmaterial gefüllt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen MMC-Bauteil der eingangs erwähnten Art an- zugeben, welcher sämtliche der erwähnten drei Eigenschaften in hohem Ausmass aufweist, bei wel- chem aber insbesonders ein besonders niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient vorliegt, der mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von z.B. AIN und Si besonders gut übereinstimmt.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Verstärkungsmaterial gebildet ist durch ein, in einem bei Temperaturen von über 2200 C durchgeführten Sinterprozess entstandenes, re- kristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC).
Aufgrund des Gefügeaufbaues dieses Materials kann das in den Poren eingelagerte Metall das RSiC nicht mehr verformen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des gesamten MMC-Bautei- les wird dadurch im wesentlichen ausschliesslich vom niedrigen Ausdehnungskoeffizienten des RSiC vorgegeben.
Das zu diesem erfindungsgemässen MMC-Material führende Verfahren läuft völlig anders ab, als jenes der US-PS-3 465 965 : wird zunächst der Herstellprozess für das Vorform material abgeschlossen, d. h. das auch hier als Ausgangsmaterial verwendete SiC-Pulver wird zu einem kompakten Körper zusammengesintert. Dabei wird unterschiedlich zur US-PS-3 456 965 kein Bin- demittel verwendet. Es werden Sintertemperaturen von grösser 2200 C gefahren, bei welchen die Rekristallisation von SiC stattfindet, sodass nach Abschluss dieses Sintervorganges bereits ein Kör- per aus RSiC vorliegt, der unterschiedlich zur US-PS-3 456 965 noch nicht mit einem Infiltrations- material in Berührung gekommen ist. Erst nach Abschluss der Herstellung dieses RSiC-Vorformkör- pers wird flüssiges Metall in seine Poren eingebracht.
Diese unterschiedlichen Herstellungsverfah- ren bedingen, dass das in der US-PS-3 456 965 offenbarte Verbundmaterial ein völlig anderes ist als das im vorliegenden Patent beschriebene.
Wesentlich ist in diesem Zusammenhang weiters, dass die Bezeichnung "recrystallization" bzw.
"Rekristallisation" mehrere Bedeutungen haben kann. So wird z. B. im "Römpp Chemie Lexikon",
10. Auflage, Georg Thieme Verlag, Band 5, Seite 3776 der Begriff "Rekristallisation" als nicht ein- deutig verwendeter Terminus bezeichnet, welcher auch für die Oswald-Reifung verwendet wird.
(Näheres zu dieser Oswald-Reifung siehe "Römpp Chemie Lexikon", 10. Auflage, Georg Thieme Verlag, Band 4, Seite 3054).
Die oben erörterte, in der US-PS-3 456 965 selbst etwas ungenau dargelegte Vorgangsweise zur Herstellung des dort offenbarten Verbundmaterials lasst darauf schliessen, dass die
US-PS-3 456 965 mit dem Begriff "recrystallization" einen Umlösungs- oder Umlagerungsvorgang bezeichnet, wobei es sich um eine teilweise Auflösung des feinen SiC-Kornes in der Silizidschmel- ze mit anschliessender Abscheidung auf den grösseren SiC-Körnern handelt. Ein solcher Vorgang wird auch als Ostwald-Reifung bezeichnet. Dieser Vorgang ist ähnlich dem Vorgang bei der Her- stellung von Hartmetall WC-Co (vgl. "Pulvermetallurgie Sinter- und Verbundwerkstoffe" ; W.
Schatt 1979, VEB Verlag Leipzig, Seiten 490-492).
Beim erfindungsgemässen Verfahren, welches sich vor allem in der Höhe der Sintertemperatur (grösser 2200 C gegenüber 2100 C bei der US-PS-3 456 965) und in der ohne Beisein des Infiltra- tionsmateriales durchgeführten Herstellung des RSiC durch einen Sinterprozess unterscheidet, lau- fen völlig andere Vorgänge ab : verdampfen, wie weiter unten noch näher ausgeführt, die Teil- chen der feinen Kornfraktion des als Ausgangsprodukt verwendeten SiC-Pulvers und kondensieren anschliessend aus der Gasphase an den groben Partikeln des SiC-Pulvers. Die feine Kornfraktion ist damit im fertigen Sinterkörper nicht mehr als solche nachweisbar.
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Das zur Herstellung des erfindungsgemäss verwendeten RSiC führende Verfahren bzw. die da- bei ablaufenden Vorgange fuhren zu Eigenschaften, die deutlich verschieden sind von den Eigen- schaften des gemäss dem in der US-PS-3 456 965 beschriebenen Verfahrens entstehenden Silizi- umkarbids Beispielsweise können an solchen Eigenschaften für das erfindungsgemäss eingesetzte RSiC angegeben werden:
EMI3.1
<tb> Offene <SEP> Porosität <SEP> : <SEP> 15 <SEP> - <SEP> 20 <SEP> Vol.-%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Dichte <SEP> : <SEP> 2,5 <SEP> - <SEP> 2,9 <SEP> g/cm3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Biegefestigkeit <SEP> : <SEP> 70 <SEP> - <SEP> 100 <SEP> MPa <SEP> bei <SEP> Raumtemperatur
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Druckfestigkeit <SEP> : <SEP> 300 <SEP> - <SEP> 500 <SEP> MPa
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Elastizitätsmodul:
<SEP> 230 <SEP> - <SEP> 300 <SEP> GPa
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Wärmeleitfähigkeit: <SEP> 28 <SEP> - <SEP> 35 <SEP> W/mK <SEP> bei <SEP> Raumtemperatur
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Lineare <SEP> Wärmedehnung <SEP> : <SEP> x <SEP> 10-6/K <SEP> zwischen <SEP> 20 <SEP> und <SEP> 1000 C
<tb>
Diese, für das erfindungsgemässe RSiC spezifischen Eigenschaften entstehen nur bei den erfindungsgemäss eingesetzten Sintertemperaturen von über 2200 C.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das rekristallisierte Silizumkarbid eine Porosität von 5 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Vol.-%, insbesondere 20 bis 30 Vol.-% aufweist.
Über diese unterschiedlichen Porositäten lässt sich dann auch der Wärmeausdehnungskoeffi- zient sehr genau einstellen.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Infiltrationsmaterial durch Magnesium, Zink, Eisen, Aluminium, Kupfer, Silizium od. dgl. bzw. Legierungen dieser Metalle gebildet ist.
Diese Materialien ermöglichen zusätzlich sich den Gegebenheiten und Erfordernissen des Ein- satzes anzupassen.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann zumindest ein am MMC-Bauteil festgelegter Körper sein
Damit kann auf einfache Weise ein Formkörper erhalten werden, welcher bereichsweise unter- schiedliche mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften aufweist.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der Körper aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus einer Keramik wie z.B. A1203, AIN od. dgl. oder aus Diamant gebildet ist
Auf diesem isolierenden Körper kann direkt der zu kühlende elektronische Bauteil festgelegt werden.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Körper ein aus der Gasphase, z. B. durch ein CVD- oder PVD-Verfahren, auf dem MMC-Bauteil abgeschiedener Diamant ist.
Diamant weist eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf, darüberhinaus ist mittels Gaspha- senabscheidung eine besonders innige Verbindung zwischen dem dabei entstehenden Diamant- körper und dem MMC-Bauteil erreichbar. Beides führt dazu, dass auf die dem MMC-Bauteil abge- wandte Oberfläche des Diamantkörpers -beispielsweise durch ein elektronisches Bauteil- aufge- brachte Wärme besonders effizient dem MMC-Bauteil zugeführtwird.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Körper aus dem Infiltrationsmaterial besteht und ein- stückig mit dem MMC-Bauteil ausgebildet ist.
MMC-Bauteil und an im festgelegter Bauteil stehen hier ebenfalls in inniger, besonders guten Übergang der Wärme bewirkender Verbindung miteinander.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Körper ein poröses Verstärkungsmaterial wie z. B. RSiC, SiC, Keramik, Graphit od. dgl. aufweist, dessen Poren vom Infiltrationsmetall durchsetzt sind, und dass der Körper einstückig mit dem MMC-Bauteil ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist auch hier zunächst die innige Verbindung von MMC-Bauteil und Körper, darüber- hinaus können hier die physikalischen Eigenschaften des Körpers analog zu jenen des MMC-Bau- teiles durch entsprechende Auswahl seines Verstärkungsmateriales eingestellt werden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig.1ein auf einem Schaltungsträger 3 angeordnetes elektronisches Bauteil im Aufriss;
Fig 2 eine Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemässen MMC-Bauteiles mittels Gas-
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druckinfiltrationsverfahren in geschnittener Darstellung im Aufriss ;
Fig.3einen vertikal geführten Schnitt durch einen erfindungsgemässen MMC-Bauteil mit daran festgelegtem Körper 2 ;
Fig. 4a den MMC-Bauteil gemäss Fig.3 in derselben Darstellung mit einem anders gestalteten, an den MMC-Bauteil angegossenen Körper 2;
Fig. 4b den MMC-Bauteil nach Fig. 4b in derselben Darstellung, wobei der Körper 2 Verstär- kungsmaterial 15' enthält;
Fig. 4c den MMC-Bauteil nach Fig. 4a in derselben Darstellung, wobei ein weiterer Körper 2' am MMC-Bauteil festgelegt ist ;
Fig.4d einen vertikal geführten Schnitt durch einen, noch im Vorformhalter 12 liegenden, erfin- dungsgemässen MMC-Bauteil mit mehreren daran festgelegten Körpern 2; Fig.5a einen schematischen Schnitt durch das Ausgangsmaterial zur Herstellung von RSiC; Fig.5b einen schematischen Schnitt durch ein fertiges RSiC,
Fig. 6a ein Diagramm, in welchem die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Cu, Cu-RSiC, AI-RSiC, AI-SiC, AIN und Si in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt sind und
Fig. 6b ein Diagramm, in welchem die Wärmeausdehnungskoeffizienten von AI-RSiC, Cu-RSiC, AIN und Si in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt sind.
Gegenstand der Erfindung ist ein Metall-Matrix-Composite-Bauteil (MMC-Bauteil) umfassend ein poröses Verstärkungsmaterial, dessen Poren mit einem Infiltrationsmaterial 14, ausgewählt aus der Gruppe Metall und Metallegierung, gefüllt sind. Solche MMC-Bauteile sind an sich bekannt, sie haben geringes Gewicht und hohe mechanische Festigkeiten, weshalb sie beispielsweise in der Flug- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden. Weitere positive Eigenschaften sind ihr geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit, sodass sie als Kühl- körper, als Schaltungsträger, in Wärmetauschern oder bei sonstigen thermischen Anwendungen, insbesondere bei Kochplatten, verwendet werden können.
Ein erfindungsgemässer Metall-Matrix-Composite-Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass sein Verstärkungsmaterial durch rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC) gebildet ist.
Bisher bekannt ist es, "normales" SiC als Verstärkungsmaterial von MMC-Materialien einzu- setzen. Dieses "normale" SiC, das in weiterer Folge nur noch als SiC bezeichnet wird, liegt entwe- der in Form von einzelnen Körpern, wie Fasern, Teilchen, Wisker, Platten, die vom Infiltrationsma- terial umgeben sind oder in Gestalt eines porösen Formkörpers vor, dessen Poren mit dem Infiltra- tionsmetall verfüllt sind.
Ein derartiger poröser Formkörper wird dadurch erhalten, dass SiC-Pulver einer bestimmten
Korngrösse mit Sinteradditiven vermischt, zu einem Formling verpresst und gesintert wird. Das Sin- tern kann mit verschiedenen Verfahren, wie z.B. druckloses Sintern, Heisspressen, heissisostati- sches Pressen, heissisostatisches Nachverdichten od. dgl. durchgeführt werden. Bei jedem dieser
Sinterverfahren werden die einzelnen SiC-Teilchen zunächst entlang der Korngrenzen aneinander gebunden. In weiterer Folge kommt es zur Ausbildung eines zusammenhängenden Porenskelet- tes, wobei die ursprünglichen SiC-Teilchen zunehmend ihre Identität verlieren. Es erfolgt Schwin- dung, d. h. die geometrischen Abmessungen des Formlings nehmen ab, und Ausbildung neuer
Korngrenzen.
Bei noch weiter forschreitendem Sintern erfolgt eine weitere Schwindung, wodurch gleichzeitig zwischen den SiC-Teilchen bestehende Porenräume geschlossen werden, die Dichte des Formlings zunimmt und ein fast 100%ig dichter Formling entsteht.
Ein aus rekristallisiertem SiC (RSiC) gebildeter Formkörper besitzt demgegenüber einen völlig anderen strukturellen Aufbau, welcher sich aus dem zu seiner Herstellung eingesetzten völlig an- deren Sintermechanismus ergibt :
Ausgangsprodukt für RSIC ist wieder SiC-Pulver, welches aber eine bestimmte Kornverteilung aufweist. Als besonders günstig hat sich eine bimodale Kornverteilung herausgestellt. Das Pulver weist zum einen Kömer mit relativ grosser Korngrösse (z. B. um 100 m) und zum anderen Körner mit sehr kleiner Korngrösse, die bis in den Submikronbereich (Korngrösse < 1 um) hineinreicht, auf.
Die kleinen Körner sollen sich möglichst in die Zwickel der grossen Körner einlagern. Sinteradditive werden unterschiedlich zum Sintern von SiC nicht verwendet.
Schematisch sind die beiden Korngrössen in Fig.5a zu erkennen, wo mit 20 die grossen Körner und mit 21 die kleinen, sich in die Zwischenräume der grossen Körner 20 einlagernden Körner bezeichnet sind Diese bimodale Kornverteilung ist wichtig für den zu RSiC führenden Sinter-
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prozess, der bei Temperaturen von über 2200 C und in Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird und bei welchem -unterschiedlich zum Sintern von SiC- keine bzw. sehr geringe Schwindungsvor- gänge zu beobachten sind.
Das Ausbleiben des Schwindens erklärt sich damit, dass während des Sintervorganges die Teil- chen der feinen Kornfraktion aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie verdampfen und anschlie- #end aus der Gasphase an den Kontaktstellen der groben Partikel kondensieren. Im fertigen Sin- terkörper ist die feine Kornfraktion als solche nicht mehr nachweisbar. Durch die Kondensation wachsen die groben Partikel aneinander, wodurch gemeinsame Korngrenzen entstehen und eine Verfestigung erreicht wird. Dieses Kornwachstum ist aber keine Neubildung von Kristallen, weshalb der schon seit langem eingeführte Begriff "rekristallisiertes SiC" den Sintervorgang eigentlich unrichtig beschreibt. Durch das Kornwachstum hat eine Verfilzung der SiC-Kristalle stattgefunden, sodass die einzelnen Kristalle eine feste SiC-Selbstbindung aufweisen.
Ein Ausschnitt aus einem in dieser Weise gebildeten RSiC-Körper zeigt Fig.5b, wobei die dunk- len Stellen 22 zwischen den groben Körnern 20 Poren darstellen.
Das erfindungsgemäss als Verstärkungsmaterial eines MMC-Bauteiles eingesetzte rekristalli- sierte Silizumkarbid (RSiC) weist eine Porosität von 5 bis 40 Vol.-% auf, wobei sich Bereiche von 10 bis 35 Vol.-% und insbesondere 20 bis 30 Vol.-% als besonders günstig erwiesen haben.
Es kann zwar auch SiC mit diesen Porositätswerten hergestellt werden, allerdings besteht hin- sichtlich der Qualität dieser Porosität ein wesentlicher, für die Verwendung als Verstärkungsmate- rial in einem MMC-Körper aber sehr wesentlicher Unterschied zwischen SiC und erfindungsgemäss eingesetztem RSiC:
Beim Sintervorgang von SiC erfolgt wie oben dargelegt eine Schwindung, welche ein Zusam- menrücken der einzelnen SiC-Teilchen und damit eine Verengung der zwischen den SiC-Teilchen vorhandenen Poren bewirkt. Poren in SiC sind somit relativ eng, wodurch sie mit nur relativ gro- #em Aufwand mit Infiltrationsmetall gefüllt werden können. Die Poren-Verengung kann auch soweit führen, dass die Poren verschlossen, d. h. von aussen unzugänglich werden.
Derartige verschlos- sene Poren können wegen ihrer Unzugänglichkeit nicht mehr mit Infiltrationsmetall verfüllt werden ; sie stellen im fertigen MMC-Bauteil nur noch die Festigkeit dieses Bauteiles herabsetzende Mate- rial-Fehlstellen dar.
Das erfindungsgemäss als Verstärkungsmaterial eingesetzte RSiC ist-wie oben erläutert- bei einem schwindungsfreien Sintervorgang entstanden, wodurch hier das Verengen der zwischen den grossen SiC-Teilchen bestehenden Poren nicht erfolgt. RSiC weist daher weitaus gröbere Poren als SiC auf, weshalb diese Poren mit wesentlich geringerem Aufwand verbunden mit Infiltrationsmetall gefüllt werden können.
Weiters werden die Poren in RSiC keinesfalls verschlossen, RSiC weist deshalb eine offene Porosität (auch als Kanalporosität bezeichnet) auf. Aufgrund dieser offenen Porosität können sämt- liche Poren mit Infiltrationsmetall verfüllt werden, es bleiben keine unverfüllten, als Material-Fehl- stellen wirkende Poren im MMC-Bauteil zurück.
Die bei gesintertem SiC auftretende Schwindung, die je nach Intensität des Sinterns bis zu 40% (je nach Bauteil) betragen kann, und die damit einhergehende Änderung der geometrischen Abmessungen des SiC-Formlings hat insbesondere den weiteren Nachteil, dass SiC-Körper nicht mit hoher Massgenauigkeit hergestellt werden können. Auch tritt die Schwindung selbst bei gleichen Sinterparametern (gleiche Temperatur, gleiche Temperatursteigerungs- bzw. -senkgeschwindig- keit, gleiche Sinterdauer) nicht in stets gleichem Ausmass ein (unterschiedliche Geometrie), wo- durch eine reproduzierbare Serienfertigung von SiC-Bauteilen nur schwierig zu erreichen ist.
Bei RSiC tritt eine solche Schwindung überhaupt nicht auf, weshalb sich auch die damit ver- bundenen Nachteile nicht ergeben.
Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet solcher MMC-Bauteile liegt in der Elektronik bzw. Leistungselektronik. Mit zunehmender Weiterentwicklung der Bauteile in der Leistungselek- tronik weisen diese stets höhere Schaltleistungen auf, womit aber auch die Erzeugung von abzu- führender Verlustwärme zunimmt. Um eine ausreichend rasche und effiziente Abfuhr dieser Ver- lustwärme zu gewährleisten, müssen die Elektronik-Bauteile auf Schaltungsträgern aufgebaut wer- den, die aus immer besser wärmeleitenden Materialien bestehen.
Eine schematische Darstellung eines solchen Aufbaus zeigt Fig. 1. Der elektronische Bauteil 1 ist ein Silizium-Chip, der auf einem Körper 2 aus elektrisch isolierender Keramik aufgebracht ist.
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Dieser Keramik-Körper 2 ist mit dem Schaltungsträger 3 verbunden. In Fig.4c ist noch zusätzlich eine Kühlstruktur am Schaltungsträger 3 mitaufgegossen.
Neben der guten Wärmeableitung muss der Schaltungsträger 3 einen Wärmeausdehnungs- koeffizienten aufweisen, der ähnlich gross-bzw. idealerweise gleich gross- ist, wie jener des zu küh- lenden Bauteiles bzw. wie die Ausdehnungskoeffizienten der übrigen, mit dem Schaltungsträger 3 verbundenen Komponenten (Keramikkörper 2). Wird diese Forderung nicht eingehalten, weisen also Schaltungsträger 3 und elektronischer Bauteil 1 stark unterschiedliche Ausdehnungskoeffi- zienten auf, so werden bei Temperaturänderungen thermische Spannungen im Aufbau erzeugt, was zu einem Auftrennen der Verbindung zwischen Bauteil 1 und Schaltungsträger 3 und in weite- rer Folge zur thermischen Überlastung des Bauteiles 1 führen kann.
Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet von MMC-Bauteilen ist die Herstellung von Kochplatten. Hier ist analog zum eben erörterten Schaltungsträger 3 auf einer die Kochfläche bil- denden MMC-Platte ein Isolator, vorzugsweise wieder eine Keramik, wie A1203, AIN, Si3N4 festge- legt, die einen Heizleiter trägt. Auch hier sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient der MMC-Platte möglichst gut mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolators übereinstimmen, um tempe- raturbedingte Spannungen im Aufbau zu vermeiden.
Bisher wurde zur Ausbildung des Keramikkörpers 2 hauptsächlich Aluminiumoxid eingesetzt Da diese Keramik eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt und damit die vom elektronischen Bauteil 1 erzeugte Wärme nur sehr uneffizient abgeführt werden kann, geht man zur Verwendung von Aluminiumnitrid als Isolationsmaterial über. Die wichtigsten physikalischen Daten sind in Tabel- le 1 angeführt.
Tabelle 1: physikalische Daten einiger Keramiken und Diamant
EMI6.1
<tb> Material <SEP> Dichte <SEP> in <SEP> g/cm3 <SEP> Wärmeleitfähigkeit <SEP> in <SEP> therm. <SEP> AusdehnungsW/mK <SEP> koeffizient <SEP> in <SEP> 10-6/K
<tb>
<tb> AI203 <SEP> 3,8 <SEP> 20-30 <SEP> 6,7-6,8
<tb>
<tb> AIN <SEP> 3,26 <SEP> 170-180 <SEP> 3,7
<tb>
<tb> Diamant <SEP> 3,52 <SEP> 800-1200 <SEP> 0,8-1,5
<tb>
<tb> BeO <SEP> 3 <SEP> 200 <SEP> 6,5
<tb>
Aus toxischen Gründen wir Berylliumoxid nur in Spezialanwendungen benützt.
Da die AIN-Keramiken aber einen wesentlich niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten besitzen als die bisher verwendeten AI203-Keramiken, die Schaltzyklen der Bauteile 1 immer kürzer werden (und damit rascher und öfter vor sich gehende Temperaturänderungen auftreten), ist die Kombina- tion mit dem bisher im Schaltungsträger 3 eingesetzten Metall Kupfer nicht mehr möglich:
Der Ausdehnungskoeffizient von Kupfer beträgt ca. 17 x 10-6/K, jener von AIN nur ca.
3,7 x 10/K, was zu unzulässig hohen Ausdehnungsunterschieden führt. Dieser Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten geht besonders deutlich aus Fig. 6 hervor, wo unter anderen die Wärme- ausdehnungskoeffizienten (=Coefficients of Thermal Expansion, CTE) von Kupfer und AIN in Ab- hängigkeit von der Umgebungstemperatur dargestellt sind.
Es gilt daher, das bisher verwendete Kupfer durch einen anderen Werkstoff zu ersetzen, der eine ähnlich niedrige Wärmeausdehnung wie die Isolationskeramik AIN und der Bauteilwerkstoff Si, gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwecks effizienter Abfuhr der vom Bauteil 1 erzeugten Verlustwärme und eine geringe Dichte zwecks Erreichung eines geringen Gesamtgewichtes, auf- weist. Bei Metallen oder deren Legierungen weisen immer nur eine oder zwei dieser drei Para- meter (hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrige Wärmeausdehnung und geringe Dichte) optimale Werte auf. In nachstehend angeführter Tabelle 2 sind entsprechende Vergleiche zusammengestellt: So besitzt z. B. Kupfer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, aber auch eine hohe thermische Ausdeh- nung und eine hohe Dichte.
Molybdän weist zwar eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und sehr niedrige Ausdehnung auf, hat dafür aber eine hohe Dichte.
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Tabelle 2: Zusammenstellung von Daten einiger Metalle bzw. Metallverbünde
EMI7.1
<tb> Material <SEP> Dichte <SEP> in <SEP> Wärmeleitfähigkeit <SEP> thermischer <SEP> Ausdehnungs-
<tb>
<tb>
<tb> g/cm3 <SEP> inW/mK <SEP> koeffizient <SEP> in <SEP> 10-6/K
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> 8,96 <SEP> 390 <SEP> 17,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> AI <SEP> 2,70 <SEP> 170-220 <SEP> 23
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> AlSi12 <SEP> 2,65 <SEP> 120-190 <SEP> 20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mo <SEP> 10,20 <SEP> 146 <SEP> 5,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> W <SEP> 19,3 <SEP> 160 <SEP> 4,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Stahl <SEP> (4140) <SEP> 7,80 <SEP> 50 <SEP> 13,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Kovar <SEP> 8,36 <SEP> 17 <SEP> 5,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cu10W90 <SEP> 16,40 <SEP> 200 <SEP> 6,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Al-SiC <SEP> 3,
0 <SEP> 180-200 <SEP> 6,5 <SEP> -7,5 <SEP>
<tb>
Ein bereits bekannter Werkstoff, der die obigen drei Anforderungen relativ gut erfüllt, ist ein Metall-Matrix-Composite (MMC), auf welchen sich auch die gegenständliche Erfindung bezieht.
Wie aus der letzten Zeile von Tabelle 2 sowie auch aus Fig. 6 hervorgeht, weist ein MMC-Bau- teil, dessen Verstärkungsmaterial durch SiC und dessen Infiltrationsmetall durch AI gebildet ist (ein solcher Werkstoff wird als Al-SiC bezeichnet), einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der deutlich näher bei jenen von AIN und Si liegt. Auch die Wärmeleitfähigkeit sowie die Dichte weisen zufriedenstellende Werte auf.
Allerdings ist nach wie vor eine doch beachtliche Differenz zwischen dem Wärmeausdeh- nungskoeffizienten von Al-SiC und AIN und Si zu bemerken, aufgrund welcher in einer Anordnung gemäss Fig. 1 bei Temperaturänderungen Spannungen in den Verbindungen zwischen dem Silizi- um-Bauteil 1, der AIN-Isolierschicht 2 und dem aus Al-SiC gebildeten Schaltungsträger 3 auftreten.
Ist hingegen bei einem MMC-Bauteil in erfindungsgemässer Weise das Verstärkungsmaterial durch reknstallisiertes Siliziumkarbid (RSiC) gebildet, so weist dieser Bauteil einen Wärmeausdeh- nungskoeffizienten auf, der noch näher bei jenen von AIN und Si liegt, vgl. Fig.6a, wo die Wär- meausdehnungskoeffizienten für mit AI und Cu infiltriertes RSiC dargestellt sind. Wird der Schal- tungstrager 3 durch einen in erfindungsgemässer Weise mit RSiC verstärkten MMC-Bauteil gebil- det, so ergeben sich im Aufbau gemäss Fig.1deutlich weniger Spannungen bei Temperaturände- rungen, was zu einer längeren Lebensdauer und höherer Zuverlässigkeit führt.
Wie schon aus Fig.6a, noch deutlicher aber aus Fig. 6b hervorgeht, weisen AI-RSiC und Cu-RSiC einen ähnlich geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Diese nahezu gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten trotz unterschiedlichem Infiltrationsmetall lassen sich folgender- massen erklären:
Wie schon oben im Rahmen der Erörterung des Herstellverfahrens von RSiC angeführt, sind die einzelnen SiC-Teilchen untereinander mittels fester SiC-Selbstbindungen verbunden. Aufgrund des RSiC-Gefügeaufbaues weist ein poröser RSiC-Körper eine so hohe Festigkeit auf, dass er allein den Wärmeausdehnungskoeffizienten des gesamten MMC-Bauteiles vorgibt. Das in den Poren des RSiC-Körpers eingelagerte Infiltrationsmetall ist nicht im Stande, den RSiC-Körper mit- tels der Volumsänderungen, die das Metall bei Temperaturänderungen ausführt, zu verformen.
Deshalb ist auch bei Verwendung anderer Infiltrationsmetalle, wie z. B. Magnesium, Zink, Eisen, Chrom od. dgl. bzw bei Verwendung von Infiltrationslegierungen, wie z.B. AISi7Mg, stets ein ähn- lich niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient des entstehenden MMC-Bauteiles zu erreichen.
Anzunehmen wäre weiterhin, dass das Infiltrationsmetall bei Temperaturerhöhung aufgrund sei- ner Volumserhöhung etwas aus dem RSiC-Gerüst-da es dieses wie erörtert nicht verformen kann- etwas herausquillt. Überraschenderweise passiert dies aber nicht, der RSiC-Körper hält das Infiltra- tionsmetall auch bei Temperaturerhöhung innerhalb seiner Poren und der Ausdehnungskoeffizient
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bleibt praktisch konstant.
Der Effekt der Vorgabe des Wärmeausdehnungskoeffizienten (fast) ausschliesslich durch das Verstärkungsmaterial ist beim bisher eingesetzten SiC nicht zu beobachten : SiC in Form von Pulver oder Fasern vor, so konnte dieses SiC weil seine einzelnen Teilchen nicht miteinander ver- bunden waren, den Ausdehnungen des Infiltrationsmetalles keinen Widerstand entgegensetzen.
Bei einem porösen gesinterten SiC-Formkörper ist die durch die Sinterung erreichte Verbindung der einzelnen Teilchen nicht annähernd so fest wie bei RSiC, sodass das in den Poren des SiC ein- gelagerte Infiltrationsmetall das SiC bei temperaturbedingten Volumsanderungen mitbewegen kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient bei bisher bekannten SiC-verstärkten MMC-Bauteilen wird deshalb sehr stark vom eingesetzten lnfiltrationsmetall mitbestimmt.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient bisher bekannter, mittels SiC-Formkörper verstärkter MMC- Bauteile lässt sich dadurch herabsetzen, dass der SiC-Formkörper vor der Infiltration stärker gesin- tert wird. Bei dieser stärkeren Sinterung ergibt sich aber einerseits das oben bereits erörterte Pro- blem, dass die Poren des SiC enger werden-und damit aufwendiger mit Infiltrationsmaterial zu ver- füllen sind- oder dass die Poren verschlossen werden, d. h. von aussen nicht mehr zugänglich sind und somit überhaupt nicht mehr mit Infiltrationsmaterial verfüllt werden können.
Andererseits können auf dem Weg des stärkeren Sinterns der SiC-Formkörper nicht so nie- drige Ausdehnungskoeffizienten wie durch die erfindungsgemässe Verwendung von RSiC erreicht werden. Zusätzlich sinkt auch die Wärmeleitfähigkeit, da weniger Metall in den SiC-Formkörper gefüllt werden kann.
Das Infiltrationsmaterial 14 bestimmt bei einem mit RSiC verstärkten MMC-Bauteil die Parame- ter Wärmeleitfähigkeit und Dichte, sodass diese beiden Parameter durch entsprechende Auswahl des Infiltrationsmateriales 14 einstellbar sind.
Das konkret eingesetzte Infiltrationsmaterial 14 ist beliebig bzw. je nach Anwendung wählbar, beispielsweise können Magnesium, Zink, Eisen od dgl. angeführt werden, wobei die Metalle Alu- minium und Kupfer sowie deren Legierungen, wie z.B. AISi7Mg, insbesondere bei Verwendung des erfindungsgemässen MMC-Bauteiles als Kühlkörper bzw. wärmeableitender Schaltungsträger be- vorzugt sind.
Die Herstellung eines erfindungsgemässen MMC-Bauteiles erfolgt durch ein beliebiges der be- kannten Infiltrationsverfahren, beispielsweise kann ein Druckgussverfahren, Squeeze-Casting, Gas- druckinfiltration oder drucklose bzw. spontane Infiltration angegeben werden.
Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass das Infiltrationsmaterial 14 zunächst durch Erhitzen verflüssigt und anschliessend in die Poren des Verstärkungsmateriales hineingedrückt wird. Dieses
Hineindrücken erfolgt durch Ausübung von Kolbendruck (=Squeeze-Casting) oder von Gasdruck auf das flüssige Infiltrationsmaterial 14 bzw. erfolgt deshalb von selbst, weil das Infiltrationsmaterial
14 mit Stoffen in Kontakt gebracht wird, welche die Oberflächenspannung des Infiltrationsmetalles soweit herabsetzen, dass dieses in die Poren des Verstärkungsmateriales einsickern kann (sponta- ne Infiltration).
Beispielsweise soll anhand von Fig.2 das bevorzugt eingesetzte Gasdruckinfiltrationsverfahren näher erläutert werden. Mit 11 ist die komplette Vorrichtung bezeichnet, die zur Herstellung eines erfindungsgemässen MMC-Bauteiles verwendet werden kann. Im Inneren der Vorrichtung 11befin- det sich ein Vorformhalter 12 zur Aufnahme der Vorform 13. Die Vorform 13 besteht aus dem in gewünschter Weise angeordneten, aus RSiC gebildeten Verstärkungsmaterial. Die Gesamtheit dieser Anordnung ist in einem Tiegel 6 untergebracht. Die Vorrichtung 11ist mit Hilfe des Deckels
7 verschliessbar, sodass Druck aus einer Druckquelle 10 an die Vorrichtung angelegt werden kann.
Auf den Rändern des Vorformhalters 2 liegt ein Block oder Speiser aus aufzuschmelzendem Infil- trationsmaterial 14. Unter dem Einfluss der Heizung 5 wird das Infiltrationsmaterial 14 aufgeschmol- zen und unter Druck in die Vorform 13 eingepresst ; wird die Heizung 5 abgeschaltet und das Infiltrationsmaterial 14 unter Druck erstarren gelassen. Vor dem Aufschmelzen des Infiltrations- materiales 14 kann die Vorrichtung 11 evakuiert werden, wodurch die innerhalb der Poren der Vor- form 13 befindliche Luft entfernt wird.
Gemäss einer weiteren Variation dieses Herstellungsverfahrens kann die Heizung 5 weggelas- sen werden, das Infiltrationsmaterial 14 ausserhalb der Vorrichtung 11 aufgeschmolzen und im schmelzflüssigen Zustand auf die Vorform 13 aufgebracht werden.
Ein erfindungsgemässer MMC-Bauteil kann in sämtlichen sinnvollen Anwendungsgebieten, also
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dort, wo Bauteile mit hoher Festigkeit und/oder hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder geringer Wär- meausdehnung bei gleichzeitig geringem Gewicht notwendig sind, eingesetzt werden. Seine geo- metrische Form und der Typ seines Infiltrationsmateriales 14 können entsprechend den Anfor- derungen der jeweiligen Anwendung gewählt werden.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemässen MMC-Bauteiles bei elektn- schen bzw. elektronischen Bauteilen. Fig.1, auf weiche eingangs bereits Bezug genommen wurde, zeigt dieses Anwendungsgebiet. Es ist hier ein elektronischer Bauteil 1 in Form eines Silizium- Chips zu erkennen, der unter Vermittlung eines aus isolierender Keramik bestehenden Korpers 2 auf einem Schaltungsträger 3 liegt. Dieser Schaltungsträger 3 ist durch einen erfindungsgemässen MMC-Bauteil gebildet.
Der Körper 2 ist am MMC-Bauteil durch gängige Verbindungsverfahren, wie z.B. Kleben, Löten od. dgl. festgelegt, könnte aber auch mit dem MMC-Bauteil vergossen sein. Letztere, besonders innige Verbindung ist dadurch herstellbar, dass der Körper 2 beim Einbringen des Infiltrationsmate- riales 14 in das Verstärkungsmatenal 15 zusammen mit diesem in die zur Durchführung des Infil- trationsverfahrens verwendete Gussform, die oben im Zusammenhang mit der Erörterung von Fig.2 als Vorformhalter 12 bezeichnet wurde, gelegt wird.
Einen Schnitt durch einen solchen, einen an ihn angegossenen Körper 2 aufweisenden MMC- Bauteil zeigt Fig.3. Die strichliert dargestellten, den Körper 2 umgebenden Abschnitte 14' des Infil- trationsmateriales 14 müssen nicht vorhanden sein. Sie konnen nach der Herstellung des MMC- Bauteiles entweder zur Gänze oder unter Bildung einer Struktur teilweise abgearbeitet werden bzw. kann der Korper 2 in diesen Bereichen abgedeckt werden, sodass diese strichlierten Abschnit- te 14' des Infiltrationsmateriales 14 gar nicht entstehen. Insbesondere bei der Verwendung des MMC-Bauteiles gemäss Fig. 1 ist dieses Abarbeiten bzw. Vermeiden der Abschnitte 14' notwendig um eine elektrische Isolierung des elektronischen Bauteiles 1 vom Schaltungsträger 3 zu erreichen.
Daneben ist in Fig.3 schematisch dargestellt, wie Infiltrationsmaterial 14 und Verstarkungs- material 15 ineinander eingebettet sind.
Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet eines erfindungsgemässen MMC-Bauteiles liegt in der Herstellung von Kochplatten z.B. für Haushaltsherde. Hier bildet der erfindungsgemässe MMC- Bauteil die Platte zum Aufstellen eines Kochtopfes, weist an der dieser Aufstellfläche gegenüberlie- genden Oberfläche einen Isolator auf, auf welcher ein elektrischer Heizleiter festgelegt ist. Eine solche Kochplatte ist daher ein MMC-Bauteil mit an ihm festgelegten Körper 2, so wie er in Fig.3 dargestellt ist.
Der am MMC-Bauteil festgelegte Körper 2 kann grundsätzlich aus beliebigem Material, wie z.B.
Metall, Halbmetall od. dgl. bestehen, für die in Fig.1 dargestellte Anwendung und für den eben erörterten Einsatz bei einer Kochplatte muss er allerdings elektrisch isolierend sein. Wie bereits an- geführt, ist der Körper 2 dazu vorzugsweise aus einer Keramik gebildet, an konkreten Materialien können AI203, AIN od. dgl. angegeben werden.
Für das in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Anwendungsgebiet ist die Kombination eines MMC- Bauteiles, dessen Infiltrationsmaterial 14 Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, wie z.B.
AISi7Mg, ist, mit einem Körper 2 aus AIN besonders gut geeignet, denn diese beiden Materialien besitzen einen ahnlich niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, eine ähnlich hohe Wärmeleitfähigkeit und ein geringes spezifisches Gewicht.
Besonders interessant ist es in diesem Zusammenhang, den Körper 2 aus Diamant zu bilden.
Dieser Werkstoff hat wie aus Tabelle 1 hervorgeht, eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der jenem von mit Aluminium infiltriertem RSiC besonders ähnlich ist. Die Festlegung eines aus Diamant bestehenden Körpers 2 am MMC-Bauteil kann ebenfalls durch Ankleben, Vergiessen od. dgl. erfolgen, als besonders günstig hat es sich allerdings erwiesen, den diamanternen Körper 2 durch Abscheidung aus der Gasphase herzustellen, wobei der Diamant direkt auf dem MMC-Bauteil abgeschieden wird.
Diese Abscheidung erfolgt durch an sich bekannte Verfahren, beispielsweise seien CVD-Ver- fahren, wie Hot-Filament-CVD oder Plasma-CVD wie z. B. Mikrowellen-CVD, Plasma-Jet od. dgl. oder PVD-Verfahren genannt.
Zwei weitere Möglichkeiten der Ausgestaltung des am MMC-Bauteil festgelegten Körpers 2 zeigen die Fig.4a,b. In Fig. 4a besteht der Körper 2 aus dem Infiltrationsmaterial 14 selbst und ist
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einstückig mit dem MMC-Bauteil ausgebildet. Der Körper 2 stellt damit einen Anguss an den MMC- Bauteil dar, welcher gleichzeitig mit der Herstellung des MMC-Bauteiles gebildet wird : Es wird dazu eine Gussform bzw ein Vorformhalter 12 verwendet, dessen Aufnahmeraum für das Verstärkungs- material 15 eine an ihn anschliessende Vertiefung aufweist, welche Vertiefung der Form des anzu- giessenden Körpers 2 entspricht. Wird das flüssige Infiltrationsmaterial 14 in die Gussform bzw. den Vorformhalter 12 eingebracht, durchsetzt es einerseits das Verstärkungsmaterial 15 und füllt ande- rerseits die Vertiefung für den anzugiessenden Körper 2 aus.
Die geometrische Form dieses angegossenen Körpers 2 ist ebenso wie die Form der aus anderen Materialien bestehenden Körper 2 beliebig wählbar. Wie in Fig.4a dargestellt, könnte die- ser Körper 2 beispielsweise Kühlrippen aufweisen.
Der in Fig.4b dargestellte Körper 2 stellt so wie jener nach Fig.4a einen Anguss an den MMC- Bauteil dar, allerdings beinhaltet der Körper 2 hier-so wie der MMC-Bauteil selbst- poröses Ver- stärkungsmaterial 15', dessen Poren vom Infiltrationsmaterial 14 durchsetzt sind. Die Herstellung eines MMC-Bauteiles mit einem derartigen Körper 2 erfolgt wieder mittels einer Gussform, die neben dem Aufnahmeraum für das Verstärkungsmaterial 15 eine Vertiefung in Gestalt des Körpers 2 aufweist. In diese Vertiefung wird hier jedoch Verstärkungsmaterial 15', wie z.B. RSiC, Fasern aus Keramik oder Graphit; Partikel wie SiC, AIN, AI203 od. dgl. eingebracht, welches Verstär- kungsmaterial 15' vom Infiltrationsmaterial 14 umgeben bzw. durchdrungen wird.
Anstelle des bisher dargestellten einzelnen Körpers 2 können auch mehrere Körper 2 am MMC-Bauteil festgelegt sein, wobei diese mehreren Körper 2 aus gleichen oder verschiedenen Materialien gebildet sein können. In diesem Zusammenhang könnte beispielsweise wie in Fig.4c dargestellt, auf einer Oberfläche des MMC-Bauteiles ein erster, als Anguss ausgebildeter und die Gestalt eines Kühlkörpers aufweisender erster Körper 2 und auf der anderen Oberfläche des MMC-Bauteiles ein aus isolierendem Material bestehender zweiter Körper 2' festgelegt sein, auf welchen ein zu kühlender Elektronik-Bauteil anlegbar ist
Weiters ist es möglich, mehrere am MMC-Bauteil festgelegte Körper 2 vorzusehen, die jeweils aus Infiltrationsmaterial 14 gebildete Angüsse an den MMC-Bauteil sind.
Fig.4d zeigt einen Schnitt durch einen solchen, noch im mehrteiligen Vorformhalter 12 liegenden MMC-Bauteil, wobei die Körper 2 hier quaderförmige Kühlrippen oder zylinderförmige Kühlnoppen sind. Zu erkennen sind hier die oben schon angesprochenen Vertiefungen 16 im Vorformhalter 12, innerhalb welcher die angegossenen Körper 2 gebildet werden. Zwischen den Vertiefungen 16 weist der Vorformhalter 12 Stege 17 auf. Während des Auskühlens nach Abschluss des Infiltrationsvorganges ziehen sich sowohl die Körper 2 als auch der MMC-Bauteil selbst zusammen, wobei der Abstand zwischen den Körpern 2 verringert wird.
Beim bisher verwendeten SiC weist der MMC-Bauteil einen relativ grossen Wärmeausdeh- nungskoeffizienten auf, welcher dazu führt, dass der MMC-Bauteil beim Auskühlen im Vorform halter 12 so stark schrumpft, dass die Stege 17 von den beiden ihnen benachbarten Körper 2 einge- klemmt werden. Der MMC-Bauteil schrumpft damit an den Vorform halter 12 an und kann nicht mehr bzw. nur mit erhöhtem Aufwand entformt werden.
Ein in erfindungsgemässer Weise mit RSiC verstärkter MMC-Bauteil schrumpft demgegenüber wesentlich weniger stark, das eben erörterte "Anschrumpfen" des Bauteiles an den Vorformhalter 12 kann nicht passieren, es ist stets eine leichte Entformbarkeit gegeben.
Die Festlegung zumindest eines Körpers 2 am MMC-Bauteil wurde zwar lediglich im Zusam- menhang mit der Verwendung des MMC-Bauteiles als Schaltungsträger bzw. Kühlkörper darge- stellt, trotzdem kann ein solcher Körper 2 auch bei anderen Verwendungen des erfindungsgema- #en MMC-Bauteiles vorgesehen sein.
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