AT503270B1

AT503270B1 - COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: AT503270B1
Application number: AT3892006A
Authority: AT
Original assignee: Arc Seibersdorf Res Gmbh
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2008-03-15
Also published as: WO2007101282A2; WO2007101282A3; EP1992015A2; AT503270A1

Description

2 AT 503 270 B12 AT 503 270 B1

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, speziell einen Verbundwerkstoff, der sich aus mehreren Komponenten zusammensetzt und somit die Möglichkeit bietet, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 4 bis 12 ppm/K durch die Wahl der Zusammensetzung sowie durch die Herstellbedingungen einzustellen. Zudem soll sich der Werkstoff durch eine hohe Temperaturleitfähigkeit bzw. Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.The invention relates to a material according to the preamble of claim 1, especially a composite material composed of several components and thus offers the possibility of the coefficient of thermal expansion in a range of 4 to 12 ppm / K by the choice of composition and by the manufacturing conditions adjust. In addition, the material should be characterized by a high thermal conductivity and thermal conductivity.

Die Erfindung betrifft weiters den Herstellungsprozess für einen derartigen Werkstoff unter Verwendung von raschen Sinterverfahren bzw. ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 15.The invention further relates to the production process for such a material using rapid sintering processes or a process according to the preamble of claim 15.

Vielfach erfordern die mehr und mehr wachsenden Anforderungen an Werkstoffe, die zur Kühlung von elektronischen Komponenten eingesetzt werden, maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften. Insbesondere ist eine hohe Temperaturleitfähigkeit bzw. thermische Leitfähigkeit gemeinsam mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten erforderlich. Ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient ist erforderlich, da auf Si oder auf SiC basierende Chips zumeist auf einem AIN oder AI203 Substrat „gebonded“ werden, und es beim thermischen Zyklieren zu Spannungen zwischen dem Substrat bzw. der Kühlplatte kommt. Um diese Spannungen zu vermindern, sollte der ideale Werkstoff einen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Si und SiC bzw. AIN bzw. AI203 aufweisen. Zudem sollte der Werkstoff eine hohe thermische Leitfähigkeit bzw. Temperaturleitfähigkeit aufweisen. Erfindungsgemäß ist ein Werkstoff der eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmalen charakterisiert. Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 15 gekennzeichnet.In many cases, more and more growing demands on materials used to cool electronic components require tailored material properties. In particular, a high thermal conductivity or thermal conductivity is required together with a low expansion coefficient. A low coefficient of thermal expansion is required since Si or SiC based chips are usually "bonded" to an AIN or Al 2 O 3 substrate and thermal cycling leads to stress between the substrate and the cooling plate. To reduce these stresses, the ideal material should have a coefficient of expansion close to that of Si and SiC or AIN and Al203, respectively. In addition, the material should have a high thermal conductivity or thermal conductivity. According to the invention a material of the type mentioned is characterized by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. A method of the type mentioned is characterized according to the invention with the features of claim 15.

Der erfindungsgemäße Werkstoff umfasst eine Matrix A mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit bzw. Temperaturleitfähigkeit: hier kommt Kupfer in Betracht bzw. auf Kupfer basierende Werkstoffe bzw. Legierungen. Eine reine Kupfermatrix oder eine auf Kupfer basierende Matrix hat einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 16-20 ppm/K. Aus diesem Grund sollte der Matrixanteil möglichst gering gehalten werden.The material according to the invention comprises a matrix A with a high thermal conductivity or thermal diffusivity: here, copper comes into consideration or copper-based materials or alloys. A pure copper matrix or a copper-based matrix has a coefficient of expansion in the range of 16-20 ppm / K. For this reason, the matrix content should be kept as low as possible.

Der Werkstoff umfasst ferner einen metallischen und/oder keramischen Füllstoff B, mit der thermischen Ausdehnung im Bereich von 4 bis 6 ppm/K, der entweder eine thermische Leitfähigkeit von etwa 50-200 W/mK aufweist (im Fall des metallischen Füllstoffes) und/oder die thermische Leitfähigkeit der Matrix A nicht überproportional verschlechtert (im Fall eines keramischen Füllstoffes).The material further comprises a metallic and / or ceramic filler B, with the thermal expansion in the range of 4 to 6 ppm / K, which either has a thermal conductivity of about 50-200 W / mK (in the case of the metallic filler) and / or the thermal conductivity of the matrix A is not disproportionately deteriorated (in the case of a ceramic filler).

Der Werkstoff umfasst ferner einen thermisch hochleitfähigen Füllstoff C, der einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Hier wird ein Füllstoff auf Kohlenstoffbasis ausgewählt, wie beispielsweise Graphit, Kohlefasern, Kohle-/Nanofasem, Kohlenstoff-Nano-röhrchen und/oder Diamant. Alle diese Füllstoffe haben einen Ausdehnungskoeffizienten (zumindest in eine Raumrichtung), der im Bereich von etwa -2 bis +2 ppm/K liegt.The material further comprises a thermally highly conductive filler C, which has a low coefficient of thermal expansion. Here, a carbon-based filler such as graphite, carbon fibers, carbon / nanofibers, carbon nanotubes and / or diamond is selected. All of these fillers have a coefficient of expansion (at least in one spatial direction) that ranges from about -2 to +2 ppm / K.

Der Füllstoff C kann optional mit einer funktionellen Schicht D beschichtet sein, die eine gute Anbindung an die Matrix A und/oder den Füllstoff B erlaubt.The filler C may optionally be coated with a functional layer D, which allows a good connection to the matrix A and / or the filler B.

Letztlich kann vorgesehen sein, dass im Werkstoff neben dem Material der Metall-Matrix A und den Füllstoffen B und C amorphe und/oder intermediäre Stoffe bzw. Verbindungen im Ausmaß von < 5 vol.% enthalten sind.Finally, it can be provided that, in addition to the material of the metal matrix A and the fillers B and C, amorphous and / or intermediate substances or compounds in the amount of < 5 vol.% Are included.

Die Abbildungen dienen zur Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:The figures serve to illustrate the invention. Show it:

Abbildung 1: Grundsätzlicher Aufbau des Verbundwerkstoffes: Metallische Matrix Füllstoff A, mit metallischen oder keramischen Füllstoffen B und thermisch hochleitfähigen Füllstoff C auf Kohlenstoffbasis. Optional kann der Füllstoff C mit einer Beschichtung D beschichtet werden. 3 AT 503 270 B1Figure 1: Basic structure of the composite material: Metallic matrix filler A, with metallic or ceramic fillers B and thermally highly conductive carbon-based filler C. Optionally, the filler C may be coated with a coating D. 3 AT 503 270 B1

Abbildung 2: Theoretische Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (berechnet über Mischungsregel) eines Verbundwerkstoffes besteht aus Matrix A und Füllstoff C als Funktion des Volumenanteil des Füllstoffes C. Die Matrix A besteht dabei aus Reinkupfer bzw. aus einer Kupferlegierung. Um einen Ausdehnungskoeffizienten unter 8 ppm/K zu erhalten, ist ein Volumenanteil von 55 vol.% Füllstoffe vorgesehen.Figure 2: Theoretical dependence of the coefficient of thermal expansion (calculated by mixing rule) of a composite material consists of matrix A and filler C as a function of the volume fraction of filler C. The matrix A consists of pure copper or a copper alloy. In order to obtain a coefficient of expansion below 8 ppm / K, a volume fraction of 55 vol.% Fillers is provided.

Abbildung 3: Theoretische Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Verbundwerkstoffes (berechnet über Mischungsregel) besteht aus Matrix A mit 50 vol.% Füllstoff C bei Variation des Volumengehaltes des Füllstoff B. Die Matrix A besteht dabei aus Reinkupfer bzw. aus einer Kupferlegierung. Der Füllstoff B ist charakterisiert durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4 ppm/K.Figure 3: Theoretical dependence of the thermal expansion coefficient of a composite material (calculated by mixing rule) consists of matrix A with 50 vol.% Filler C with variation of the volume content of filler B. The matrix A consists of pure copper or a copper alloy. The filler B is characterized by a thermal expansion coefficient of 4 ppm / K.

Abbildung 4: Thermischer Ausdehnungskoeffizient eines Cu-Cu20-Diamant Verbundwerkstoffes als Funktion der TemperaturFigure 4: Thermal expansion coefficient of a Cu-Cu20-diamond composite as a function of temperature

Abbildung 5: XRD Messung an Cu-Cu20-Diamant VerbundwerkstoffFigure 5: XRD measurement on Cu-Cu20-diamond composite material

Abbildung 6: XRD Messung an Cu-Cu20-Kohlefaser VerbundwerkstoffFigure 6: XRD measurement on Cu-Cu20 carbon fiber composite material

Abbildung 7: Thermischer Ausdehnungskoeffizient von verschiedenen Verbundwerkstoffen mit einer Kupfer Matrix und Diamant als Füllstoff C bzw. Mo, Cr oder Cu20 als Füllstoff BFigure 7: Thermal expansion coefficient of various composites with a copper matrix and diamond as filler C or Mo, Cr or Cu20 as filler B

Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Werkstoffes.Figure 1 shows the structure of the material.

Eine direkte Mischung von Kupfer oder auf Kupfer basierenden Matrices mit dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff bringt drei Probleme mit sich: a) Generell wird ein schlechter thermischer Übergang zwischen Kupfer und Kohlenstoff beobachtet. Dies liegt einerseits an der mangelnden Benetzung von Kohlenstoff durch Kupfer bzw. auch an den verschiedenen Wärmeleitungsmechanismen (Metall = Elektronenleiter während z.B. Diamant Wärme über Phononen leitet) b) Der starke Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer bzw. auf Kupfer basierenden Matrices und dem des auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffes führt dazu, dass es beim thermischen Zyklieren zu Spannungen an der Grenzfläche kommt. Zudem verursacht eine reine Kombination von auf Kupfer basierender Matrix mit auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffen Probleme in folgender Hinsicht wie es in Abbildung 2 gezeigt wird: Um einen Ausdehnungskoeffizienten von 8 ppm/K bzw. 7 ppm/K oder geringer zu erhalten, ist ein Füllstoffanteil von mindestens 55 vol.% bzw. 65 vol.% erforderlich. Dies ist einerseits herstellungstechnisch schwierig (Poren, Sinterfähigkeit,..), führt aber auch dazu, dass eine nachfolgende Bearbeitung des Werkstoffes nicht leicht ist. Ebenso leidet die Oberflächenqualität darunter. Abbildung 2 zeigt die Ausdehnungseigenschaften als Funktion des Füllstoffgehaltes C. c) Speziell im Fall von Diamant muss bei der Auswahl der Verfahrensparameter zur Konsolidierung sehr sorgsam umgegangen werden. Diamant wandelt sich bei Temperaturen von 900 bis 1000°C in Graphit um. Um einen kompakten, dichten Körper zu erhalten, müssen die Sinterbedingungen sorgfältig ausgewählt werden.A direct mixture of copper or copper-based matrices with the carbon-based filler poses three problems: a) Generally, a poor thermal transition between copper and carbon is observed. On the one hand, this is due to the lack of wetting of carbon by copper and also to the different heat conduction mechanisms (metal = electron conductor while eg diamond conducts heat via phonons) b) The strong difference between the thermal expansion coefficient of copper or copper based matrices and that of carbon-based filler causes thermal stress to interfacial stresses. In addition, a pure combination of copper-based matrix with carbon-based fillers causes problems in the following ways, as shown in Figure 2: To obtain a coefficient of expansion of 8 ppm / K or 7 ppm / K or less, a filler content of at least 55 vol.% or 65 vol.% required. This is on the one hand manufacturing technology difficult (pores, sinterability, ..), but also leads to a subsequent processing of the material is not easy. Likewise, the surface quality suffers. Figure 2 shows the expansion properties as a function of the filler content C. c) Especially in the case of diamond, the choice of process parameters for consolidation must be handled with great care. Diamond transforms into graphite at temperatures of 900 to 1000 ° C. In order to obtain a compact, dense body, the sintering conditions must be carefully selected.

Um einen Werkstoff mit einer thermischen Ausdehnung von 4 bis 12 ppm/K zu erhalten, wird vorteilhafter Weise wie folgt vorgegangen: a) Um einen entsprechenden Wärmeübergang zwischen der metallischen Matrix und dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff zu erhalten, können beschichtete Füllstoffe verwendet werden. Die Füllstoffe sind mit einer Schicht aus einem Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten und guter Affinität zum Kohlenstoff-Füllstoff wie beispielsweise Mo, W, Cr, Ta, AIN beschichtet. Die Dicke der Beschichtung kann dabei im Bereich von einigen 4 AT 503 270 B1 10 nm bis einigen 100 nm liegen, bzw. der Anteil am Gesamtwerkstoff bei etwa 0,1 bis 5 vol.%. Optional kann eine Verbesserung im thermischen Übergang aber auch durch geschickte Auswahl eines metallischen Füllstoffes B erreicht werden. b) Um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Verbundwerkstoff zu erreichen, der möglichst nahe an dem von AI203 bzw. AIN liegt, kann die auf Kupfer basierende Matrix mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 16-20 ppm/K entsprechend modifiziert werden, damit der Ausdehnungskoeffizient reduziert wird. Geeignete Komponenten, um den Ausdehnungskoeffizienten der auf Kupfer basierenden Matrix zu verringern sind: keramische Füllstoffe, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4 bis 6 ppm/K aufweisen und die keine überproportionale Verschlechterung (wie das zum Beispiel bei Ti der Fall wäre) der thermischen Leitfähigkeit bewirken. Darunter ist zu verstehen, dass der keramische Füllstoff die thermische Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix nur unwesentlich (über einen annäherungsweise linearen Zusammenhang entsprechend der Mischungsregel) verschlechtert. Als Vertreter eines derartigen Füllstoffes kommen Cu20 oder AI20 in Frage. metallische Füllstoffe, die eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 50 W/mK aufweisen und einen Ausdehnungskoeffizienten der im Bereich 4 und 6 ppm/K liegt, wie im Fall von Mo, Cr oder W.In order to obtain a material with a thermal expansion of 4 to 12 ppm / K, the following procedure is advantageously carried out as follows: a) In order to obtain a corresponding heat transfer between the metallic matrix and the carbon-based filler, coated fillers can be used. The fillers are coated with a layer of a low expansion coefficient material having good affinity for the carbon filler such as Mo, W, Cr, Ta, AlN. The thickness of the coating can be in the range of a few 10 nm to several 100 nm, or the proportion of the total material at about 0.1 to 5 vol.%. Optionally, an improvement in the thermal transition but also by skillful selection of a metallic filler B can be achieved. b) In order to achieve a coefficient of thermal expansion in the composite as close as possible to that of Al 2 O 3 or AIN, the copper-based matrix with a coefficient of expansion of 16-20 ppm / K can be modified accordingly so that the expansion coefficient is reduced. Suitable components for reducing the coefficient of expansion of the copper-based matrix are: ceramic fillers which have a low coefficient of thermal expansion in the range of 4 to 6 ppm / K and which do not disproportionately deteriorate (as would be the case with Ti, for example) cause thermal conductivity. By this is meant that the ceramic filler degrades the thermal conductivity of the copper-based matrix insignificantly (via an approximately linear relationship according to the rule of mixtures). As representatives of such a filler Cu20 or AI20 come into question. metallic fillers having a thermal conductivity of at least 50 W / mK and a coefficient of expansion in the range of 4 and 6 ppm / K, as in the case of Mo, Cr or W.

Um eine signifikante Reduktion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen, wird ein keramischer und/oder metallischer Füllstoffanteil in der Menge von zumindest 5 vol.% eingesetzt. Eine besonders wirksame Reduktion des Ausdehnungskoeffizienten wird dann möglich, wenn der keramische Füllstoff Cu20 in-situ erzeugt wird. Dies kann durch die Verwendung von Kupfer-Ausgangspulvern mit einer Korngröße < 1 pm unter besonderen (nicht reduzierenden) Sinteratmosphären erreicht werden. c) Um einen kompakten Körper zu erreichen, ist es vorteilhaft, entsprechend hohe Sintertemperaturen und/oder entsprechend lange Sinterzeiten zu verwenden. Wie oben angeführt, kann es dabei, z.B. im Fall von Diamant, zu Umwandlungen kommen. Eine Prozessführung, die auf hohe Sintertemperaturen in Kombination mit hohen Heiz- und Kühlraten sowie kurzen Sinterzeiten aufgebaut ist, hilft, ungewollte Umwandlungen zu vermeiden. Der Einsatz von induktiv bzw. konduktiv geheizter Heisspresstechnologie bzw. von innovativen Sinterverfahren, wie Spark Plasma Sintering oder deren abgewandelte Formen, erlaubt die Herstellung eines Werkstoffes mit entsprechenden Eigenschaften bei gleichzeitige Unterdrückung von unerwünschten Umwandlungen.In order to achieve a significant reduction in the thermal expansion coefficient, a ceramic and / or metallic filler content in the amount of at least 5 vol.% Is used. A particularly effective reduction of the expansion coefficient becomes possible when the ceramic filler Cu20 is generated in situ. This can be achieved by using copper starting powders with a grain size < 1 pm under special (non-reducing) sintering atmospheres. c) In order to achieve a compact body, it is advantageous to use correspondingly high sintering temperatures and / or correspondingly long sintering times. As stated above, it may be e.g. in the case of diamond, come to conversions. Process control, which is based on high sintering temperatures in combination with high heating and cooling rates and short sintering times, helps to avoid unwanted transformations. The use of inductively or conductively heated hot-pressing technology or of innovative sintering processes, such as spark plasma sintering or their modified forms, allows the production of a material with corresponding properties while suppressing unwanted transformations.

Die vorliegende Erfindung beschreibt Werkstoffe, die im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammengesetzt sind:The present invention describes materials which are composed essentially of three components:

Metallische Matrix A, keramischer und/oder metallischer Füllstoff B, auf Kohlenstoff basierender Füllstoff C, wobei letzterer gegebenenfalls mit einer Beschichtung D versehen sein kann.Metallic matrix A, ceramic and / or metallic filler B, carbon-based filler C, the latter optionally being provided with a coating D.

Die spezielle Auswahl des metallischen und/oder keramischen Füllstoffes B hat folgenden Grund: Der Füllstoff soll einerseits einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und gleichzeitig entweder eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und/oder die thermische Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix nicht empfindlich stören.The special choice of the metallic and / or ceramic filler B has the following reason: The filler should on the one hand have a very low coefficient of thermal expansion and at the same time either have a high thermal conductivity and / or not disturb the thermal conductivity of the copper-based matrix sensitively.

Kupferoxid (Cuprit, Cu20) ist ein keramischer Füllstoff, der sich durch einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4-6 ppm/K auszeichnet. Gleichzeitig beeinflusst der Cu20 Anteil in einer Kupfermatrix diese nur in einem annähernd linearen Zusammenhang negativ. Über die sogenannte Mischungsregel kann die thermische Leitfähigkeit λ bzw. auch der thermische Ausdehnungskoeffizient α einer Matrix-Inklusion Mischung aus den Volumenanteilen der Einzelkomponenten berechnet werden (VMatrix. Vink|USi0n): 5 AT 503 270 B1 X = V,Copper oxide (cuprite, Cu20) is a ceramic filler characterized by a low thermal expansion coefficient of about 4-6 ppm / K. At the same time, the Cu20 content in a copper matrix negatively influences this only in an approximately linear context. The thermal conductivity λ or also the thermal expansion coefficient α of a matrix-inclusion mixture of the volume fractions of the individual components can be calculated by the so-called mixture rule (VMatrix .Vink | USi0n): 5 AT 503 270 B1 X = V,

Matrix ' λMatrix + V,Matrix 'λ matrix + V,

Inklusion ΛInklusionInclusion ΛInclusion

Of VMatrix ’ OMatrix V Inklusion ' ® InklusionOf VMatrix 'OMatrix V Inclusion' ® Inclusion

Daraus ergibt sich, dass bei einem Volumsverhältnis von 50 vol.% Kupfermatrix zu 50 vol.% nicht thermisch leitender Inklusion die thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffes noch immer bei etwa 200 W/mK liegt, während der Ausdehnungskoeffizient auf einen Wert von etwa 10 ppm/K (von ursprünglich 16 ppm/K) reduziert wurde. Wählt man nun eine Cu-Cu20 Mischung als Matrix, die mit einem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff wie beispielsweise Diamant verstärkt wird, z.B. 50 vol.% Cu-Cu20 Matrix (= 25 vol.% Cu+25 vol.% Cu20) und 50 vol.% Diamant, dann ergibt sich (bei einer thermischen Leitfähigkeit des Diamanten von 1000 W/mK und einem Ausdehnungskoeffizienten von 1 ppm/K) eine thermische Leitfähigkeit von 600 W/mK sowie ein Ausdehnungskoeffizient von etwa 5,5 ppm/K. Im Fall des keramischen Füllstoffes Cu20 bzw. einer reinen Kupfermatrix darf allerdings der thermische Übergang zwischen der Matrix und dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff nicht vernachlässigt werden. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, beschichtete Füllstoffe (beispielsweise mit Mo- oder Cr-Schicht) zu verwenden, um einen entsprechenden thermischen Übergang zwischen der Matrix und dem thermisch hoch leitfähigen Füllstoff zu ermöglichen. Wenn der Anteil dieser Beschichtungen gering gehalten wird, tritt in diesem Fall nur eine unwesentliche Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix ein. Abbildung 3 zeigt die Möglichkeit wie bei gleich bleibendem Füllstoff Gehalt C von 50 vol.% mithilfe der Variation des Füllstoffgehaltes B der Ausdehnungskoeffizient variiert werden kann.It follows that at a volumetric ratio of 50 vol.% Copper matrix to 50 vol.% Non-thermally conductive inclusion, the thermal conductivity of the composite is still about 200 W / mK, while the coefficient of expansion is about 10 ppm / K (originally 16 ppm / K) was reduced. If one now chooses a Cu-Cu20 mixture as a matrix, which is reinforced with a carbon-based filler such as diamond, e.g. 50 vol.% Cu-Cu20 matrix (= 25 vol.% Cu + 25 vol.% Cu20) and 50 vol.% Diamond, then results (with a thermal conductivity of the diamond of 1000 W / mK and an expansion coefficient of 1 ppm / K) has a thermal conductivity of 600 W / mK and an expansion coefficient of about 5.5 ppm / K. In the case of the ceramic filler Cu20 or a pure copper matrix, however, the thermal transition between the matrix and the carbon-based filler must not be neglected. For this reason, it is expedient to use coated fillers (for example with Mo or Cr layer) in order to allow a corresponding thermal transition between the matrix and the thermally highly conductive filler. In this case, if the proportion of these coatings is kept low, there is only an insignificant deterioration in the thermal conductivity of the copper-based matrix. Figure 3 shows the possibility of varying the coefficient of expansion B by the variation of the filler content B, as with a constant filler content C of 50% by volume.

Um Cu20 im Endprodukt zu erhalten, kann dieser als Füllstoff direkt in Form von Cu20 bzw. CuO Partikel mit der Matrix bzw. mit dem thermisch hoch leitfähigen Füllstoff C gemischt werden bzw. als alternatives Verfahren kann das Cu20 auch in-situ während der Herstellung des Verbundwerkstoffes direkt gebildet werden. Dies gelingt entweder durch eine entsprechende Prozessführung (keine reduzierende Atmosphäre) und/oder durch den Einsatz von feinstkörni-gen Kupferpulvern im Submikron-Korngrößen-Bereich mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Speziell bei der Verwendung von Kupfer Nanopulvern gelingt es aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität dieser Pulver feinverteilte Cu20 Oxide in hohem Anteil zu erzeugen.To obtain Cu20 in the final product, this can be mixed as a filler directly in the form of Cu20 or CuO particles with the matrix or with the thermally highly conductive filler C or as an alternative method, the Cu20 can also in-situ during the preparation of Composite are formed directly. This is achieved either by a corresponding process control (no reducing atmosphere) and / or by the use of very fine-grained copper powders in the submicron grain size range with a high specific surface area. Especially when using copper nanopowders it is possible to produce finely divided Cu20 oxides in a high proportion due to the high oxygen affinity of these powders.

Ein Verbundwerkstoff mit reduzierter thermischer Ausdehnung kann auch dann erreicht werden, wenn spezielle metallische Füllstoffe ausgewählt werden, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4-6 ppm/K aufweisen und zusätzlich einen positiven Einfluss auf den thermischen Kontakt zwischen Matrix und auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffen aufweisen, auch wenn sie in einer großen Menge (>5 vol.%) eingesetzt werden. Eine große Menge an den metallischen Füllstoffen erlaubt zudem, dass auf die Beschichtung des auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffes optional verzichtet werden kann, ohne dass es zu einer wesentlichen Verschlechterung der thermischen Eigenschaften kommt. Ein hoher metallischer Füllstoffanteil und/oder eine Beschichtung des Füllstoffes in Kombination mit einer hohen Sintertemperatur (teilweise bereits über der Temperatur, bei der Diamant thermisch instabil ist und in Graphit umgewandelt wird) erlaubt den Einsatz von äußerst kurzen Sinterzeiten. Aufgrund des hohen Metallfüllstoffgehaltes sind nur kurze Diffusionsstrecken zum auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff C zurückzulegen.A composite with reduced thermal expansion can be achieved even if special metallic fillers are selected which have a low coefficient of thermal expansion of 4-6 ppm / K and additionally have a positive influence on the thermal contact between matrix and carbon-based fillers, even if they are used in a large amount (> 5 vol%). In addition, a large amount of the metallic fillers makes it possible to dispense with the coating of the carbon-based filler optionally, without there being any significant deterioration of the thermal properties. A high metallic filler content and / or a coating of the filler in combination with a high sintering temperature (in some cases already above the temperature at which diamond is thermally unstable and converted into graphite) allows the use of extremely short sintering times. Due to the high metal filler content, only short diffusion distances to the carbon-based filler C are traceable.

Werkstoffe mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer thermischen Leitfähigkeit von 200 W/mK und mehr sind gefragte Werkstoffe im Bereich der Elektronik, entweder als Trägerplatte bzw. als Wärmesenke. Die zunehmenden Anforderungen der Elektronikindustrie erfordern Werkstoffe mit thermischen Leitfähigkeiten von mehr als 300 W/mK und einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 6-10 ppm/K.Materials with a low thermal expansion coefficient and a thermal conductivity of 200 W / mK and more are in demand in the field of electronics, either as a carrier plate or as a heat sink. The increasing demands of the electronics industry require materials with thermal conductivities of more than 300 W / mK and an expansion coefficient in the range of 6-10 ppm / K.

Vielfach können diese Anforderungen nicht einmal mehr von Verbundwerkstoffen wie Cu-Mo, Cu-W oder AlSiC erfüllt werden. AIN und SiC können zwar als Wärmesenke verwendet werden, 6 AT 503 270 B1 sind allerdings teuer. Die thermischen Eigenschaften liegen bei etwa 270 W/mK für SiC und bei 250 W/mKfür AIN. Wärmesenken für Laseranwendungen werden bereits aus Diamant gemacht bzw. wird CBN in Laserdioden eingesetzt. Diamant kann über CVD bzw. über den Hochtemperatur-Hochdruck Prozess-hergestellt werden. CBN wird mit letzterem Verfahren hergestellt. Beide sind ebenso teuer, und in den Dimensionen limitiert. Der Ausdehnungskoeffizient von CVD Diamant liegt bei 2,3 ppm/K, von cBN bei 3,7 ppm/K und ist daher geringer als der von GaAs (5,9 ppm/K) oder InP (4.5ppm/K). Darunter leidet die Zuverlässigkeit während des Betriebes aber auch während des Lötprozesses.In many cases these requirements can not even be met by composite materials such as Cu-Mo, Cu-W or AlSiC. Although AIN and SiC can be used as heat sinks, 6 AT 503 270 B1 are expensive. The thermal properties are about 270 W / mK for SiC and 250 W / mK for AIN. Heat sinks for laser applications are already made of diamond or CBN is used in laser diodes. Diamond can be produced by CVD or by high-temperature high-pressure process. CBN is produced by the latter method. Both are just as expensive, and limited in size. The coefficient of thermal expansion of CVD diamond is 2.3 ppm / K, of cBN 3.7 ppm / K and is therefore lower than that of GaAs (5.9 ppm / K) or InP (4.5 ppm / K). This suffers from the reliability during operation but also during the soldering process.

Verbundwerkstoffe auf Diamant-Basis wie beispielsweise Cu-Diamant, Al-Diamant oder Ag-Diamant stellen hier eine vielversprechende Alternative dar. Da sich sowohl die reine Cu bzw. auch AI Matrix durch einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17 bzw. 22 ppm/K auszeichnen, kann hier zwar ein Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten durch den Diamantfüllstoff erreicht werden, allerdings sind Volumsanteile von mehr als 55 vol.% erforderlich um einen Ausdehnungskoeffizienten von 8 bzw. von mehr als 65 vol.% um einen Ausdehnungskoeffizienten von 7 ppm/K zu erhalten. Dies führt dazu, dass vielfach aufwendige, zeit- und kostenintensive Prozesse dafür verwendet werden müssen.Diamond-based composites such as Cu-diamond, Al-diamond or Ag-diamond represent a promising alternative here. Since both the pure Cu or AI matrix are characterized by a high thermal expansion coefficient of 17 and 22 ppm / K respectively Although a reduction in the coefficient of expansion by the diamond filler can be achieved here, volume fractions of more than 55 vol.% are required in order to obtain an expansion coefficient of 8 or more than 65 vol.% and an expansion coefficient of 7 ppm / K. This means that often complex, time-consuming and cost-intensive processes must be used for this.

Patente US 6.171.691 und EP 0898 310 A2 beschreiben einen Werkstoff, der aus einem Metall wie Cu, Ag, Au, AI, Mg oder Zn besteht, einem Karbid gebildet aus den Metallen der 4a und 5a Gruppe des Periodensystems sowie Cr und einem Diamantfüllstoff. Der Diamantfüllstoff ist dabei überdeckt von einer Karbidschicht. Die Herstellung des Werkstoffes erfolgt dabei über die flüssige Phase der Metall-Matrix.Patents US 6,171,691 and EP 0898310 A2 describe a material consisting of a metal such as Cu, Ag, Au, Al, Mg or Zn, a carbide formed from the metals of the Periodic Table 4a and 5a and Cr and a diamond filler , The diamond filler is covered by a carbide layer. The preparation of the material takes place via the liquid phase of the metal matrix.

Patent WO 2004/044950 A3 beschreibt einen Werkstoff bestehend im Wesentlichen aus einer Kupfermatrix und Diamant, wobei für die Herstellung auch beschichtete Diamanten zum Einsatz kommen können. Der Prozess zur Herstellung ist mehrstufig und verwendet reduzierende Wasserstoffatmosphäre um die Bildung von Kupferoxiden zu vermeiden. Diese werden als störende Bestandteile beschrieben.Patent WO 2004/044950 A3 describes a material consisting essentially of a copper matrix and diamond, it also being possible to use coated diamonds for the production. The manufacturing process is multi-level and uses a reducing hydrogen atmosphere to avoid the formation of copper oxides. These are described as disturbing components.

Patent WO 2004/080913 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes auf Diamantbasis unter Verwendung von Cu, Ag, Au bzw. deren Legierungen. Hier werden ebenso benetzungsfördernde Legierungselemente <3 at.% wie Ni, Cr, Ti, V, Mo, W, Nb, Ta, Co, Fe verwendet und zusätzlich zumindest ein Element aus der Gruppe Si, Y, Sc.Patent WO 2004/080913 A1 describes a method for producing a diamond-based material using Cu, Ag, Au or their alloys. Here, wetting-promoting alloying elements <3 at.% Such as Ni, Cr, Ti, V, Mo, W, Nb, Ta, Co, Fe are also used, and additionally at least one of Si, Y, Sc.

Patent US 2004/0183172A1 beschreibt einen Werkstoff, bestehend aus einem Metall auf Kupfer bzw. Silber Basis, wobei die Anbindung an den Diamant über ein Metallkarbid erfolgt.Patent US 2004 / 0183172A1 describes a material consisting of a metal based on copper or silver, wherein the attachment to the diamond takes place via a metal carbide.

Patent EP 1160860 A1 beschreibt einen Werkstoff, der aus Cu, AI oder Ag besteht, wobei zur Verbesserung der Benetzbarkeit von Graphit bzw. Kohlenstoff beim Flüssigphasen Infiltrationsprozess einer porösen Vorform verschiedene Elemente verwendet werden um die Benetzung zu verbessern.Patent EP 1160860 A1 describes a material which consists of Cu, Al or Ag, wherein various elements are used to improve the wetting in order to improve the wettability of graphite or carbon in the liquid-phase infiltration process of a porous preform.

Patent US 2005/0051891 A1 beschreibt einen Werkstoff mit 60 - 90 vol.% Diamant. Als Matrix wird hier Kupfer verwendet. Mit diesem Verfahren gelingt es, einen Werkstoff mit einem Ausdehnungskoeffizienten unter 6 ppm/K zu erhalten. Um einen dichten kompakten Körper zu erhalten werden hier allerdings Drücke von 1 bis 6 GPa verwendet. Ein derartiger Prozess ist kostenintensiv (erforderliche Sinteranlagen), außerdem ist die Herstellung beschränkt auf einfache Geometrien. Es werden entsprechende Maßnahmen gesetzt, um die Bildung von Kupferoxiden zu vermeiden. Der Sauerstoffanteil liegt unter 0,07 wt.%.Patent US 2005/0051891 A1 describes a material with 60-90 vol.% Diamond. The matrix used here is copper. With this method it is possible to obtain a material with a coefficient of expansion below 6 ppm / K. In order to obtain a dense compact body, however, pressures of 1 to 6 GPa are used here. Such a process is costly (required sintering equipment), also the production is limited to simple geometries. Appropriate measures are taken to avoid the formation of copper oxides. The oxygen content is less than 0.07 wt.%.

Patente US 5.783.316 bzw. US 6.264.882 beschreiben einen Werkstoff der über Flüssigphaseninfiltration eines porösen Vorkörpers hergestellt wird. Dabei kommen auch beschichtete 7 AT 503 270 B1US Pat. Nos. 5,783,316 and 6,264,882, respectively, describe a material made by liquid phase infiltration of a porous preform. There are also coated 7 AT 503 270 B1

Diamanten zum Einsatz, z.B. mit W, Zr, Re, Cr und Ti Schichten. Als Matrix wird dabei Cu, Ag bzw. Cu-Ag verwendet. Die poröse Vorform wird in einem zweiten Schritt infiltriert.Diamonds for use, e.g. with W, Zr, Re, Cr and Ti layers. The matrix used here is Cu, Ag or Cu-Ag. The porous preform is infiltrated in a second step.

Prinzipiell sind zweistufige Prozesse (Pressen einer Vorform und Sintern bzw. Infiltration) zweitaufwendig und erfordern eine exakte Kontrolle von Sinter- sowie Infiltrationsbedingungen. Ein porenfreier Körper wird nur dann erreicht, wenn entsprechende Porosität vorhanden ist, die über Kapillarkräfte dazu führt, dass eine vollständige Infiltration stattfindet. Um dies zu ermöglichen müssen beschichtete Diamantpartikel und/oder Legierungselemente verwendet werden. Der Anteil an beschichteten Elementen bzw. verwendeten Beschichtungen ist dabei meistens unter 3 vol.% und hat somit kaum eine Auswirkung hinsichtlich einer Reduktion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metall-Matrix.In principle, two-stage processes (pressing a preform and sintering or infiltration) are secondarily complicated and require precise control of sintering and infiltration conditions. A pore-free body is only achieved if appropriate porosity is present, which leads via capillary forces that a complete infiltration takes place. To make this possible, coated diamond particles and / or alloying elements must be used. The proportion of coated elements or coatings used is usually less than 3 vol.% And thus has little effect on a reduction of the thermal expansion coefficient of the metal matrix.

Zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit angepassten thermischen Ausdehnungseigenschaften eignet sich somit ein Verfahren, das insbesondere rasch und somit auch kostengünstig funktioniert. Die Herstellung erfolgt dabei unter Aufbringen von mechanischem Druck in Kombination mit einer geeigneten Temperaturführung. Dazu wird die entsprechende Pulvermischung in eine Matrize gefüllt, beispielsweise aus Graphit, und gegebenenfalls bei einem Druck von einigen MPa vorverdichtet. Die vorverdichtete Pressmatrize wird in eine entsprechende konduktiv oder induktiv beheizte Heißpresse eingesetzt und sodann evakuiert.For the production of a composite material with adapted thermal expansion properties, a process is thus suitable which works particularly quickly and thus also cost effectively. The production takes place while applying mechanical pressure in combination with a suitable temperature control. For this purpose, the corresponding powder mixture is filled in a die, for example made of graphite, and optionally precompressed at a pressure of a few MPa. The precompressed press die is inserted into a corresponding conductive or induction heated hot press and then evacuated.

Die effiziente Herstellung wird durch eine hohe Heiz/Kühlrate in Kombination mit einer kurzen Sinterzeit erreicht. Durch den gezielten Verzicht auf eine reduzierende Sinteratmosphäre gelingt es, nicht nur einfach gebaute und somit kostengünstige Anlagen zu verwenden, sondern auch gleichzeitig eine in-situ Oxidation zu Bildung von Cu20 zu erreichen um damit den Ausdehnungskoeffizienten der Matrix zu verringern. Diese in-situ Oxidation kann sowohl über die Korngröße des Kupfer Ausgangspulvers gesteuert werden bzw. und/oder durch die verwendeten Prozessbedingungen. Hohe Heizraten (von einigen 100 K/min) lassen sich durch Verfahren wie induktiv- oder konduktiv beheizte Heißpressen realisieren. Abgewandelte Verfahren sind beispielsweise das Spark Plasma Sintern oder Field Assisted Sintering. Durch Verwenden von hohen Heizraten und kurze Sinterzeiten gelingt es einerseits die Umwandlung von Diamant in Kohlenstoff gezielt zu unterdrücken auch wenn hohe Sintertemperaturen von 1000°C oder mehr verwendet werden. Nach der Haltezeit bei der gewünschten Temperatur wird die Matrize samt Probe abgekühlt, die Vakuumkammer wird belüftet und die Probe entnommen und ausgeformt.The efficient production is achieved by a high heating / cooling rate in combination with a short sintering time. By deliberately dispensing with a reducing sintering atmosphere, it is not only possible to use simply constructed and thus cost-effective systems, but also to achieve an in-situ oxidation to form Cu20 at the same time in order to reduce the expansion coefficient of the matrix. This in-situ oxidation can be controlled both by the grain size of the starting copper powder and / or by the process conditions used. High heating rates (of a few 100 K / min) can be achieved by processes such as induction or conductively heated hot presses. Modified methods are, for example, spark plasma sintering or field assisted sintering. By using high heating rates and short sintering times, it is possible on the one hand to deliberately suppress the conversion of diamond into carbon even when high sintering temperatures of 1000 ° C. or more are used. After the holding time at the desired temperature, the template is cooled together with the sample, the vacuum chamber is vented and the sample is removed and shaped.

Die erfindungsgemäße Vorgangsweise zur Erstellung erfindungsgemäßer Werkstoffe wird im Folgenden anhand von Beispielen erläutert.The procedure according to the invention for the production of materials according to the invention will be explained below with reference to examples.

Beispiel 1: 11,04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 pm wurden mit einer Schicht von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 28,05 g Cu mit einer Korngröße von ~ 100 nm 12 Stunden in Isopropanol in einem Turbulamischer gemischt und anschließend getrocknet. Von der Pulvermischung wurden 7,5 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10‘2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.Example 1: 11.04 g of synthetic diamond powder with a grain size of 300 pm were coated with a layer of about 200 nm Mo via a PVD process and were mixed with 28.05 g of Cu with a particle size of ~ 100 nm in isopropanol in 12 hours mixed a Turbulamischer and then dried. From the powder mixture 7.5 g were filled into a 20 mm diameter graphite die and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in an induction heated hot press and evacuated to a pressure of 10'2 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 50 MPa and a heating rate of 150 ° C / min realized by means of an induction coil.

Nach Erreichen einer Temperatur von 900°C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C/min auf etwa 400°C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von Cu Nanopulver unter nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Ausbildung von Cu20 in der Kupfer Matrix. Der Anteil von Cu20 wurde auf mit etwa 14,2 vol.% über XRD bestimmt. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 °C untersucht. Ein mittlerer Ausdeh- 8 AT 503 270 B1 nungskoeffizient von 8,6 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 °C lag dieser bei 7,6 ppm/K. entsprechend Abbildung 4.After reaching a temperature of 900 ° C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C / min to about 400 ° C; after a temperature of about 100 ° C was reached, the vacuum vessel was vented. The use of Cu nanopowders under non-reducing conditions led to in situ formation of Cu20 in the copper matrix. The proportion of Cu20 was determined to be about 14.2 vol.% Via XRD. To measure the coefficient of thermal expansion, the samples were examined by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 300 ° C. A mean expansion coefficient of 8.6 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C it was 7.6 ppm / K. according to figure 4.

Beispiel 2: 8,84 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 pm wurden mit einer Schicht von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 33,66 g Cu mit einer Korngröße < 15 pm 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt. Davon wurden 8 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkom-paktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10‘2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.Example 2: 8.84 g of synthetic diamond powder having a grain size of 300 μm were coated with a layer of about 200 nm Mo by a PVD method and were coated with 33.66 g of Cu having a grain size < 15 pm dry for 2 hours in a Turbula mixer. Of these, 8 g were filled into a 20 mm diameter graphite die and pre-compacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in an induction heated hot press and evacuated to a pressure of 10'2 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 50 MPa and a heating rate of 150 ° C / min realized by means of an induction coil.

Nach Erreichen einer Temperatur von 900°C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C/min auf etwa 400°C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Ausbildung von Cu20 in der Kupfer Matrix. Der Anteil von Cu20 wurde auf mit etwa 8,2 vol.% über XRD bestimmt (Abbildung 5). Die Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgte mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 °C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 10,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 °C lag dieser bei 9,6 ppm/K.After reaching a temperature of 900 ° C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C / min to about 400 ° C; after a temperature of about 100 ° C was reached, the vacuum vessel was vented. By using non-reducing conditions, in-situ formation of Cu20 in the copper matrix occurred. The proportion of Cu20 was estimated to be about 8.2% by volume over XRD (Figure 5). The measurement of the coefficient of thermal expansion was carried out by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 300 ° C. An average expansion coefficient of 10.8 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 9.6 ppm / K.

Beispiel 3 11.04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 pm wurden in einer Dicke von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 16,8 g Cu mit einer Korngröße < 50 pm und 7,7 g Cu20 Pulver mit einer Korngröße von < 20 pm in einem Turbulamischer für 2 Stunden gemischt. Dies entspricht einem Volumsanteil von 20 vol.%. Von dieser Mischung wurden 7 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizte Heißpressanlage eingesetzt und auf einen Druck von 10'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels Induktionsspule realisiert.Example 3 11.04 g of synthetic diamond powder having a grain size of 300 μm were coated to a thickness of about 200 nm Mo by a PVD method and were charged with 16.8 g of Cu having a grain size < 50 pm and 7.7 g Cu20 powder with a grain size of < 20 pm mixed in a Turbula mixer for 2 hours. This corresponds to a volume share of 20 vol.%. From this mixture, 7 g were filled into a 20 mm diameter graphite die and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in an inductively heated hot pressing plant and evacuated to a pressure of 10'2 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 50 MPa and realized a heating rate of 150 ° C / min by means of induction coil.

Nach Erreichen einer Temperatur von 950°C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 400°C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 °C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 8,1 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 °C lag dieser bei 7,2 ppm/K.After reaching a temperature of 950 ° C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 ° C; after a temperature of about 100 ° C was reached, the vacuum vessel was vented. To measure the coefficient of thermal expansion, the samples were examined by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 300 ° C. An average expansion coefficient of about 8.1 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 7.2 ppm / K.

Beispiel 4 11.04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 pm wurden mit einer Schicht einer Dicke von ca. 500 nm Cr über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 28,05 g Cu mit einer Korngröße ~ 100 nm 12 Stunden in Isopropanol in einem Turbulamischer gemischt und anschließend getrocknet. Von der Pulvermischung wurden 3 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 12,5 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und auf einen Druck von 10'1 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 30 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einem gepulstem Gleichstrom realisiert.Example 4 11.04 g of synthetic diamond powder having a grain size of 300 μm were coated with a layer of about 500 nm Cr thickness by a PVD method and were mixed with 28.05 g Cu of grain size ~ 100 nm for 12 hours in isopropanol in a Turbula mixer mixed and then dried. From the powder mixture, 3 g was filled into a 12.5 mm diameter graphite die and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in a Spark Plasma Sinter unit and evacuated to a pressure of 10'1 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 30 MPa and realized a heating rate of 150 ° C / min by means of a pulsed direct current.

Nach Erreichen einer Temperatur von 900°C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 400°C abgekühlt; nach dem eine Temperatur 9 AT 503 270 B1 von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von Cu Nanopulver unter nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Bildung von Cu20. Der Anteil von Cu20 wurde auf mit etwa 18,7 vol.% bestimmt. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 °C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 8,5 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 °C lag dieser bei 7,4 ppm/K.After reaching a temperature of 900 ° C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 ° C; after reaching a temperature of about 100 ° C, the vacuum vessel was vented. The use of Cu nanopowders under non-reducing conditions led to in situ formation of Cu20. The proportion of Cu20 was determined to be about 18.7 vol.%. To measure the coefficient of thermal expansion, the samples were examined by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 300 ° C. A mean expansion coefficient of 8.5 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 7.4 ppm / K.

Neben Mo bzw. Cr zur Beschichtung des Diamantes eignen sich auch Schichten von wie z.B. W, Ta, B oder AIN, die ebenso eine gute Haftung bzw. thermischen Kontakt bewirken.Besides Mo or Cr for coating the diamond, layers of e.g. W, Ta, B or AIN, which also cause good adhesion or thermal contact.

Beispiel 5: 5,53 g einer PITCH Kohlefaser wurden mit einer ca. 100 nm dicken Mo Schicht mit einem PVD Verfahren beschichtet, mit 33,67 g Cu Pulver mit einer Korngröße < 30 pm mit Isopropanol für 24 Stunden gemischt, getrocknet und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 40 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Feld unterstützte Sinteranlage eingesetzt und auf einen Druck von 10'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 200°C/min mittels gepulstem Gleichstrom realisiert.Example 5: 5.53 g of a PITCH carbon fiber was coated with an approximately 100 nm thick Mo layer by a PVD method, with 33.67 g of Cu powder having a grain size < 30 pm with isopropanol for 24 hours, dried and filled in a 40 mm diameter graphite die and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in a field supported sintering plant and evacuated to a pressure of 10'2 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 50 MPa and realized a heating rate of 200 ° C / min by means of pulsed direct current.

Nach Erreichen einer Temperatur von 900°C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 400°C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Der Anteil von Cu20 wurde auf etwa 1,9 vol.% mittels XRD Messung bestimmt (Abbildung 6). Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 200 °C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient in x-y Richtung von 10,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50°C lag dieser bei 8,9 ppm/K.After reaching a temperature of 900 ° C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 ° C; after a temperature of about 100 ° C was reached, the vacuum vessel was vented. The proportion of Cu20 was determined to be about 1.9 vol.% By XRD measurement (Figure 6). To measure the thermal expansion coefficient, the samples were examined by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 200 ° C. A mean expansion coefficient in the x-y direction of 10.8 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C. it was 8.9 ppm / K.

Beispiel 6: 23,32 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 50-60 pm, 6,82 g Mo Pulver mit einer Korngröße < 50 pm, 53,34 g Cu mit einer Korngröße < 30 pm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 65 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10'2 mbar evakuiert und mit Wasserstoff geflutet. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 20 MPa erhöht und eine Heizrate von 50°C/min angelegt.Example 6: 23.32 g of synthetic diamond powder having a grain size of 50-60 μm, 6.82 g of Mo powder having a grain size < 50 pm, 53.34 g of Cu with a grain size < 30 pm was mixed dry for 2 hours in a Turbula mixer and filled in a graphite die with a diameter of 65 mm and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in a hot press and evacuated to a pressure of 10'2 mbar and flooded with hydrogen. At the same time, the mechanical pressure was increased to 20 MPa and a heating rate of 50 ° C / min was applied.

Nach Erreichen einer Temperatur von 950°C und einer Haltezeit von 15 Minuten wurde die Probe abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Behälter mit Stickstoff geflutet und belüftet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde in einem Temperaturbereich von RT bis 300 °C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 10,5 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50°C lag dieser bei 10,0 ppm/K (Abbildung 7). Ähnliche Eigenschaften können unter Verwendung von weiteren metallischen oder keramischen Füllstoffen erreicht werden, wie z.B. W, Ta, B, bzw. AIN und AI203.After reaching a temperature of 950 ° C and a holding time of 15 minutes, the sample was cooled; after a temperature of about 100 ° C was reached, the container was flooded with nitrogen and vented. The thermal expansion coefficient was measured in a temperature range from RT to 300 ° C. A mean expansion coefficient of about 10.5 ppm / K was found in this range, at 50 ° C it was 10.0 ppm / K (Figure 7). Similar properties can be achieved using other metallic or ceramic fillers, such as e.g. W, Ta, B, or AIN and AI203.

Beispiel 7: 2,2 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 pm, die mit einer etwa 500 nm dicken Cr Schicht beschichtet wurden, 0,45g Cr Pulver mit einer Korngröße < 50 pm, 5,05 g Cu mit einer Korngröße < 30 pm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Indukti-Example 7: 2.2 g of synthetic diamond powder having a grain size of 300 μm coated with an approximately 500 nm thick Cr layer, 0.45 g of Cr powder having a grain size < 50 pm, 5.05 g Cu with a grain size < 30 .mu.m were mixed dry for 2 hours in a Turbulamischer and filled in a 20 mm diameter graphite die and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in an induction heated hot press and evacuated to a pressure of 10'2 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 50 MPa and a heating rate of 150 ° C / min was achieved by means of an induction

Claims

1 0 AT 503 270 B1 onsspule realized. After reaching a temperature of 1000 ° C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 ° C; after a temperature of about 100 ° C was reached, the vacuum vessel was vented. To determine the thermal expansion coefficient, the sample was measured in a temperature range from RT to 300 ° C. The proportion of Cu20 was determined to be about 1.2 vol.% By XRD measurement. An average expansion coefficient of about 8.8 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 8.4 ppm / K. (Figure 7) Example 8: 2.2 g of synthetic diamond powder having a grain size of 300 μm coated with an approximately 500 nm thick Cr layer, 1.80 g of Cr powder having a grain size < 50 μιη, 3.37 g of Cu having a grain size < 30 pm were mixed dry for 2 hours in a Turbula mixer and filled in a 20 mm diameter graphite die and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in an induction heated hot press and evacuated to a pressure of 10'2 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 50 MPa and a heating rate of 150 ° C / min realized by means of an induction coil. After reaching a temperature of 1000 ° C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 ° C; after a temperature of about 100 ° C was reached, the vacuum vessel was vented. The proportion of Cu20 was determined to be about 0.7 vol.% By XRD measurement. To determine the thermal expansion coefficient, the sample was measured in a temperature range from RT to 300 ° C. An average expansion coefficient of about 6.6 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 5.9 ppm / K. (Figure 7) Example 9 0.53 grams of Vitreous Grown Carbon Fibers were mixed with 5.6 grams of Cu powder of <30 μm grain size and 2.6 grams of Mo were mixed with isopropanol for 24 hours, dried and packed in a graphite die 20 mm in diameter and precompacted at a pressure of 5 MPa. The filled and precompacted graphite die was placed in a hot press and evacuated to a pressure of 10'2 mbar. At the same time, the mechanical pressure was increased to 20 MPa and a heating rate of 150 ° C / min was applied. After reaching a temperature of 900 ° C and a holding time of 15 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 ° C; after a temperature of about 100 eC was reached, the vacuum vessel was vented. The proportion of Cu20 was determined to be about 1.6 vol.% By XRD measurement. The thermal expansion coefficient was measured by dilatometer for the x-y direction in a temperature range of RT to 200 ° C. An average expansion coefficient of about 13.3 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C it was 11.8 ppm / K. It was found that the substances or elements used for the filler B can be substituted with one another without adversely affecting the mechanical and / or physical, etc. structure of the resulting material. The same applies to the materials used for the filler C. Claims 1. A material comprising a metal matrix A which, in at least one spatial direction, has a thermal expansion coefficient in the range from 16 to 20 ppm / K and is formed by copper or a copper alloy and 10 to 75 vol.%., Preferably 35 to 55 vol.%, Of the material, - at least one metallic and / or ceramic filler B having a coefficient of thermal expansion in the range of 4 to 6 ppm / K in at least one spatial direction , of Cu20 and / or AI203 and / or AIN and / or Mo and / or Cr and / or W and / or B and / or Ta is formed and in the material in an amount of 1 to 40 vol.%, Preferably 10 to 30%, in particular 10 to 25 vol.%, Is present, - at least one carbon-based, optionally coated or coated with a coating, filler C, by a thermal expansion coefficient of - 2 to +2 ppm / K in at least one room Direction is characterized, high thermal conductivity, of graphite and / or carbon fibers and / or carbon nanofibers and / or carbon nanotubes and / or diamond is formed and in an amount of 5 to 65 vol.%, Preferably 30 to 50 vol.%, In particular 39 to 41 vol.%, Is present, and - that optionally in the material in addition to the material of the metal matrix A and the fillers B and C amorphous and / or intermediate substances or compounds in the amount of < 5 vol.% Are included.

2. Material according to claim 1, characterized in that the filler C forming substances, in particular diamond, with the elements Mo and / or Cr and / or W and / or Ta and / or B and / or AIN, coated or with coated with a coating, wherein the proportion of the layer is 0.1 to 5 vol.%, Preferably 0.3 to 2 vol.%, In particular 0.5 to 1.0 vol.%, Of the material.

3. Material according to claim 1 or 2, characterized in that the material is a homogeneous distribution of the fillers B and C in the metal matrix A.

4. Material according to one of claims 1 to 3, characterized in that the tubes or fiber fillers have a preferred orientation perpendicular to the pressing direction of the material.

5. Material according to one of claims 1 to 4, characterized in that the material has a thermal expansion coefficient of 4 to 12 ppm / K in at least one spatial direction.

6. Material according to one of claims 1 to 5, characterized in that the material has a thermal conductivity of at least 200 W / mK in at least one spatial direction, preferably of at least 300 W / mK, in particular of at least 400 W / mK.

7. Material according to one of claims 1 to 6, characterized in that the material has a density > 80% (based on the theoretical density), preferably more than 90%, in particular more than 95%.

8. Material according to one of claims 1 to 7, characterized in that the material is created by a sintering process or sintering of the material of the metal matrix A and the fillers B and C.

9. Material according to one of claims 1 to 8, characterized in that the metal matrix A has a grain size of < 50 pm, preferably < 5 pm, in particular < 2 pm, wherein advantageously the lower limit is set at 10 nm.

10. Material according to one of claims 1 to 9, characterized in that the filler B 1 2 AT 503 270 B1 in a grain size of < 50 pm, preferably < 20 μηη, in particular < 10 μηι, is present, wherein advantageously the lower limit of the filler B is set with 1 μιτι.

11. Material according to one of claims 1 to 10, characterized in that the filler C in the case of diamond has a particle size in the range < 500 μηη, preferably < 300 μηη, preferably < 100 μηη, advantageously greater than 1 μηη having.

12. Material according to one of claims 1 to 11, characterized in that the filler C in the form of carbon fibers having a diameter between 5 to 15 pm and a length in the range of 10 to 1000 pm, preferably 100 to 500 pm, in particular 300 to 500 pm and / or in the form of graphite nanofibers having a diameter in a range of 100 to 500 nm and a length in the range of 1 to 500 pm, preferably 10 to 300 pm, in particular 50 to 100 pm, is present and / or in the form of carbon nanotubes with a diameter in the range of 10 to 200 nm and the length in a range of 1 to 200 pm, preferably 80 to 120 pm, is present.

13. Material according to one of claims 1 to 12, characterized in that in the presence of a copper alloy as the metal matrix A, the copper alloy elements, e.g. Tin and / or zinc, up to 15 wt.%.

14. Material according to one of claims 1 to 13, characterized in that the material has an expansion coefficient of 4 to 12 (.10 "®Κ'1) in a temperature range of 20 ° C to 50 ° C.

15. A method for producing a material, in particular having the features of one of claims 1 to 14, with a preselectable or predetermined thermal expansion coefficient, wherein a powder mixture comprising powder of copper and / or copper alloy for the formation of a metal matrix A in an amount from 15 to 75 vol.%, Preferably 35 to 55 vol.%, Powder of Cu20 and / or AI203 and / or AIN and / or Mo and / or Cr and / or W and / or B and / or Ta in an amount from 1 to 40 vol.%, preferably 10 to 30%, in particular 10 to 25 vol.%, as filler B, and powder of graphite and / or carbon fibers and / or carbon nanofibers and / or carbon nanotubes and / or diamond in an amount of 5 to 65 vol.%, Preferably 30 to 50 vol.%, In particular 39 to 41 vol.%, as filler C after mixing at a heating rate of more than 50 ° C / min, in particular more than 100 ° C / min, in particular more than 150 ° C / min, brought to sintering temperature and the sintering temperature in a range of 700 ° C to 1300 ° C, preferably 850 ° C to 1050 ° C, for a holding time or duration of 0.1 to 250 minutes, preferably 1 to 60 minutes, especially 2 to 15 min , is set or held and then the sintered body is cooled and removed from the mold, wherein the volume% are based on the total volume of the powder mixture used.

16. The method according to claim 15, characterized in that the powder used as filler C, in particular diamond, coated or coated with a coating, with the elements Mo and / or Cr and / or W and / or Ta and / or B and / or AIN, wherein the content of the layer is 0.1 to 5 vol.%, preferably 0.3 to 2 vol.%. in particular 0.5 to 1.0 vol.%, Of the powder mixture.

17. The method according to claims 15 or 16, characterized in that the heating of the mixture and / or the sintering process under air or technical gases, e.g. Hydrogen, argon, nitrogen, or under vacuum, in particular less than 10'1 mbar, is made.

18. The method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that the mixture of the starting powder is precompressed in a mold, in particular a graphite die, wherein the precompression to 1 to 15 MPa, in particular between 5 to 10 MPa, is set.

19. The method according to any one of claims 15 to 18, characterized in that during sintering, a pressure of at least 5 MPa, in particular from 20 to 50 Mpa, is maintained.

20. The method according to any one of claims 15 to 19, characterized in that the metal matrix A in the form of a matrix starting powder having a grain size of < 50 pm, preferably < 5 pm, in particular < 2 pm, is used.

21. The method according to any one of claims 15 to 20, characterized in that the filler B in the form of a powder having a grain size of < 50 pm, preferably < 20 pm, preferably < 10 pm.

22. The method according to any one of claims 15 to 21, characterized in that the filler C - in the case of diamond with a particle size of 1 to 500 pm, preferably 1 to 300 pm, preferably 1 to 100 pm, is used, - in the case of carbon fibers having a diameter in a range of 5 to 15 pm and a length of 10 to 1000 pm, preferably 100 to 500 pm, in particular 300 to 500 pm, - in the case of graphite nanofibers having a diameter in a range of 100 to 500 nm and a length in a range of 1 to 500 pm, preferably 10 to 300 pm, in particular 10 to 100 pm, and in the case of carbon nanotubes, those having a diameter in a range of 10 to 200 nm and a length in a range from 1 to 200 .mu.m, preferably 1 to 100 .mu.m, used or added to the starting mixture.

23. The method according to any one of claims 16 to 22, characterized in that the coating is applied by deposition of the layer material via the gas phase (chemical or physical vapor deposition, CVD or PVD) by wet chemical methods or by a spray process on the filler C.

24. The method according to any one of claims 15 to 23, characterized in that in the material by selecting the sintering temperature and / or the sintering time, a density is set, which is greater than 80%, in particular greater than 90%. the theoretically achievable material density.

25. The method according to any one of claims 15 to 24, characterized in that the sintered body of the sintering temperature at a cooling rate of more than 50 ° C / min, preferably more than 100 ° C / min, in particular more than 200 ° C / min, is cooled.

26. The method according to any one of claims 15 to 25, characterized in that during the heating process from the periphery of the material material forth uniform heating of the starting material or starting powder located in a mold is made. Including 4 sheets of drawings