CN103814441B - 用于形成复合材料的方法和散热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于形成碳‑金属复合材料（8）的方法，所述碳‑金属复合物用于散热器，所述方法包括：彼此重叠地施加至少一个具有碳颗粒（5）的层（5a）和至少一个具有金属颗粒（6）的层（6a），以及，通过以激光射束（7）照射所述层（5a、6a）来融合这些层（5a、6a），用于构造所述碳‑金属复合材料（8）。本发明也涉及一种具有成形体的散热器，所述成形体包括多个层，这些层分别包含在一金属基质中的碳颗粒（5）。

Description

用于形成复合材料的方法和散热器
技术领域
本发明涉及一种用于形成碳-金属复合材料的方法，所述碳-金属复合材料用于散热器，以及一种散热器，所述散热器具有至少一个成形体。
背景技术
在WO2010/057236中描述了一种散热器以及一种用于所述散热器的制造方法。所述散热器具有带一插入体的基体，所述插入体由碳-金属复合材料构成并且其与用于定位待冷却的构件，例如激光二极管的位置面间隔开。作为碳-金属复合材料尤其给出了银-金刚石、铜-金刚石和铝-金刚石。
所述插入体的制造可以通过以碳相和金属性相填充一接收部来进行，其中，所述金属性相在（熔融）液态状态中进入到所述接收部中，以便碳相渗入。为了所述渗入可以应用无压的过程和具有压力支持的过程，例如GPI过程（Gas Pressure InfiltrationProcess，即气压浸渗过程）。与此无关地，替换地描述了所述插入体的热压作为其它的制造方法。
基于以上面所描述的方式所制造的插入体的低的表面品质和如下的事实，即，所述插入体的例如通过磨光的后加工仅以提高的耗费是可行的，提出如下：所述插入体在其接收到所述基体中之后与用于安置所述构件的位置面间隔开地布置并且例如以一钎焊层来覆盖。
由US5,273,790公知了一种用于压缩人工金刚石或金刚石复合材料的方法，所述人工金刚石或金刚石复合材料尤其能够用于冷却电子部件。为此，由金刚石或另外的材料构成的颗粒通过利用具有高的导热能力的金刚石材料的CVD方法来渗入。构建由所述压缩的金刚石材料或金刚石复合材料构造的体积可以分层地进行，其方式是，由金刚石或另外的材料构成的对应的层或预制件以利用金刚石材料的CVD方法来渗入。
在US2007/0071907中描述了一物品或本体，其具有含铁的基底以及抗磨损的由一复合材料构成的层。所述复合材料具有在一金属基质中的金刚石颗粒。为了形成所述复合材料而将由金刚石颗粒和金属颗粒构造的颗粒混合物施加到所述含铁的基底上并且所述混合物在一非反应性的气氛中以一激光束来加热，以便熔融所述金属颗粒，从而使得所述金属颗粒与所述基底和与所述金刚石颗粒连接成所述抗磨损的层。为了避免所述金刚石颗粒由于激光射束的损坏，推荐具有从400℃至900℃范围内的熔点的材料，尤其银或铜作为金属性基质材料。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于形成碳-金属复合材料的方法，所述碳-金属复合材料用于散热器，以及一种散热器，其中能够产生具有改善的特性的复合材料或能够减少在形成所述复合材料时的耗费。
该任务根据本发明通过一种用于形成碳-金属复合材料的方法来解决，所述碳-金属复合材料用于散热器，其中彼此叠置地施加至少一个具有碳颗粒的层和至少一个具有金属颗粒的层，其中，所述这些层为了构造所述碳-金属复合材料（的层）而通过以激光射束的照射来彼此融合。金属颗粒和碳颗粒在此情况下典型地以粉末形式来施加。
通过所述激光射束来形成一熔融区，在该熔融区中熔化具有所述金属颗粒的一个（多个）层，从而使得所述金属颗粒能够以熔液态形式进入由碳颗粒构成的所述一个（多个）层中或渗入所述一个（多个）层中并且所述碳颗粒在一金属性基质中被围住。所述层的融合典型地在一非反应性的环境中进行，例如在一惰性气体环境中或在真空下。
在一变型方案中，为了由所述碳-金属复合材料形成一成形体而多次地重复层的所述施加和所述融合。通过根据本发明的方法可以分层地构建一成形体，其中，由碳-金属复合材料构成的这些层的几何形状、尤其长度和宽度能够改变，以便给所述成形体一预期的几何形状或使所述成形体的几何形状适配所述预期的最终轮廓。以该方式形成的、由所述复合材料构成的成形体具有一层结构，其中，通过多个层彼此叠置的施加能够在一对应的层中灵活地调整所述复合材料的特性，例如碳与金属的比例。
在另一变型方案中，后加工所述成形体的一结束层。所述结束层，也就是所述分层地构建的成形体的最后的层可以用于安置一构件、例如一激光二极管、一激光盘或类似物。为了能够将该构件以预期的准确性定位以及保证高的导热，有利的是：在所述结束层的表面上进行以高精确性的后加工或最终加工，以便实现低的表面粗糙度。
根据本发明地分层制造所述成形体可以实现：获得受限定的结束层，其能够容易地后加工或磨光。尤其可以为了所述一个/多个最后的层仅设置金属颗粒，以便使所述后加工容易。在该变型方案中，为了形成用于成形体的结束层，一具有金属颗粒的层被施加并且通过利用激光射束的照射来熔化，从而使得产生一金属性层，其与所述碳-金属复合材料的一处于其下的层连接。所述金属颗粒的材料一般与也被用于形成所述碳-金属复合材料的金属性材料相符，从而使得由所述碳-金属复合材料构成的层和所述结束层能够在一个和相同的制造过程中产生。所述结束层在该情况下（几乎）不具有碳颗粒并且因此能够以简单的方式来后加工。所述结束层也可以由多个单个层来形成。
也可以（替换地）将一由所述碳-金属复合材料构成的层用作结束层，为了其制造而使用具有金属颗粒的比较厚的层，从而使得在与由碳颗粒构成的层融合之后在所述结束层的上区域中存在尽可能没有或仅非常少数目的碳颗粒。
所述由金属颗粒或碳颗粒构成的层的施加可以在置入激光射束之前进行。尤其在金属颗粒施加方面但是也可以进行在置入激光射束期间去进行的颗粒输入，例如与所述激光束同轴心的颗粒输入。
在一变型方案中，所述层中的至少两个层具有不同粒度（平均颗粒大小）的碳颗粒。小的粒度可以可能地在这些层的情况下是有利的，所述这些层处在所述结束层的附近。较大的粒度例如可以在更远离开所述结束层的那些层的情况下是有利的。
在一变型方案中制造具有碳颗粒相对于由金属颗粒所形成的金属基质的不同的体积比例的所述碳-金属复合材料的至少两个层。通过分开地施加所述碳颗粒和金属颗粒能够从层到层地改变所述成形体的材料成分。所预期的比例例如可以通过如下方式来获得，即，由金属颗粒构成的层的厚度相对于由碳颗粒构成的层的厚度的比例适当地进行调整。显而易见的是：由所述碳-金属复合材料构成的、对应地在融合时所形成的层的厚度也可以通过在一定的边界内选择所述颗粒层的厚度来改变。
除了所述层成分通过所使用的颗粒大小和颗粒体积的改变，所述成形体的特性也可以通过所述成形体由不同的层的受限定的构建来影响。因此，所述成形体的首先施加在所述基底上的层可以是由金属颗粒构成的层并且金属-碳复合物在跟随层中才被置入。换句话说，各个层的成分以及所述成形体的由这些层的构建能够自由选择。
在一改进方案中，由如下的组中选择所述金属颗粒，所述组包括：铜、银、金、铝、锡和钛。尤其在具有金刚石的复合物中的银和铜作为复合材料基于非常高的导热而被证实为是有利的。如果这样的复合材料用作用于由砷化镓（Gallium-Arsenid）构成的构件（例如高功率激光二极管）的散热器，那么所述散热器的热膨胀或热膨胀系数与所述构件的热膨胀适配。所述构件的和所述复合材料的热膨胀系数之间的差值在这样的适配中典型地少于2x10-61/K。
在另一变型方案中，由如下的组中选择所述碳颗粒，所述组包括：金刚石、石墨和碳化物。尤其地，金刚石基于其高的导热能力而对于复合材料的制造被证实为特别有利。在本申请的意义中，碳颗粒也被理解为含碳的化合物、尤其是碳化物。
一变型方案包括：将至少一个由金属颗粒构成的层施加到一基底上；通过激光照射使该层与所述基底融合。在该变型方案中首先将一个（或多个）金属性层施加到一基底上并且与该基底融合，在具有金属颗粒和具有碳颗粒的层交替地彼此融合之前。以该方式能够提高所述复合材料在所述基底上的附着或提供了用于施加所述复合材料的光滑表面。
在另一变型方案中，至少一个具有碳颗粒的层以沿厚度方向改变的密度来施加。典型地，所述这些层的施加以如下方式来进行，即，所述颗粒在厚度方向上具有（尽可能）恒定的密度。但是，为了制造梯度层而可以是有利的是：碳颗粒的密度或数目沿厚度方向改变，其中，所述密度或数目典型地随着所述层的增加的厚度增加或减少。
本发明的另一观点以用于构件的散热器来实现，所述散热器包括：由碳-金属复合材料构成的成形体，所述成形体包括多个层，所述多个层分别包含在一围住碳颗粒的金属基质中的碳颗粒。所述碳-金属复合材料在此情况下尤其可以以上面所描述的方式来制造。所述散热器必要时可以仅由（施加到一基底上的）成形体来制成，所述成形体可能地被后加工，用于产生预期的一个（多个）最终轮廓。替换地也可行的是，在散热器的基体的一接收部之内构造所述成形体或将所述成形体例如通过钎焊与所述散热器的基体连接。
在一实施方式中，所述散热器具有一待冷却的构件，例如一（高功率）激光二极管或一激光盘，所述待冷却的构件布置在一形成在所述基体上的定位面上。尤其由铜-金刚石或由银-金刚石构成的碳-金属复合材料已证实对于激光二极管或激光盘的冷却特别有利。激光盘涉及一种板形的固体介质，其包含一激光活性材料或由所述激光活性材料制成。所述激光活性介质典型地具有主晶体（Wirtskristall）（YAG、YVO4、...），所述主晶体以活性材料（Yb3、Nd3+、Ho、Tm3、...）掺杂。激光活性介质例如可以涉及Yb：YAG、Nd：YAG或Nd：YVO4。所述板形的激光盘一般具有圆形的几何形状，这但是不是强制需要的，也就是说所述激光盘也可以具有例如方形的或矩形的几何形状。
待冷却的构件可以以不同的方式安置在所述定位面上或与所述成形体连接，例如在使用接合介质的情况下，例如通过钎焊连接（在使用至少一个钎焊层的情况下）或通过粘接连接（借助于至少一个粘接材料层）。显而易见的是：与所述连接形式的选择无关地应当确保构件和成形体之间的良好热耦接。为此目的而使用的粘接材料层例如可以如EP1178579A2中那样构造，其通过参考该申请的内容来制造。
在另一实施方式中，待冷却的构件直接布置在所述定位面上，也就是没有使用例如钎焊层或粘接材料层形式的附加的中间层。典型地，所述成形体在该情况下具有带低的表面粗糙度的定位面。该低的表面粗糙度例如可以通过所述定位面的后加工来实现。所述定位面在此情况下可以形成在所述成形体的一结束层上，所述结束层由所述碳-金属复合材料制成，从而使得借助于所述散热器待冷却的构件能够直接施加在所述碳-金属复合材料的所述定位面上。替换地可以将一由金属颗粒形成的层作为结束层施加到一所述碳-金属复合材料的层上，其中，所述结束层的金属颗粒的材料典型地与所述复合材料的金属颗粒的材料相符。具有低的表面粗糙度的定位面也在使用中间层，例如粘接材料层或钎焊层的情况下已证实为有利。
在另一实施方式中，所述散热器包括一用于安置所述成形体的基体。所述成形体例如可以通过钎焊与所述基体连接或可以设置有一接收部，以便接收所述成形体。在最后的情况下，所述这些层可以直接施加在所述接收部中并且在那里在激光射束的作用下彼此融合。所述成形体的结束层或盖层在此情况下可以基本上与所述基体的上棱边平齐地结束并且在相应的后加工之后用作用于待冷却的构件的位置面。
本发明的其它优点由说明书和附图获得。同样地，前面提到的和还要进一步实施的特征可以各单独或多个地在任意组合中使用。所示出和描述的实施方式不被理解为最终的列举，而是确切地说具有对于本发明的说明的示例性性质。
附图说明
其中：
图1a-d示出了用于构造金刚石-金属复合材料的层的方法流程的示意性视图；
图2a、b示出了具有由金刚石-金属复合材料构成的成形体的散热器的细节的剖视图，不带有或带有待冷却的构件；以及
图3示出了图2b的散热体的示意立体图。
具体实施方式
图1a-d示出了用于形成碳-金属复合材料的层的腔1，所述碳-金属复合材料在本示例中以金刚石-铜复合材料的形式。为了提供腔1中的非反应性环境，所述腔1具有用于输入惰性气体例如氮气的接口2。所述腔1但是也可以与一真空泵连接，以便提供所述腔1的内部中的非反应性环境。
在所述腔1中布置有例如由铜构成的基底3。用于分配颗粒的装置4布置在所述基底3之上并且通过一中央的导入管路与两个（未示出的）颗粒储备装置连接。所述装置4具有多个以规则的间距布置的（未图示示出的）开口，颗粒可以由这些开口出来，如由箭头示出的那样。
在图1a中示出的例子中，（粉末形的）金刚石颗粒5从所述装置4中出来，这些金刚石颗粒在重力作用下下降到所述基底3上并且在那里构造了金刚石颗粒5的在图b中示出的层5a。为了在所述层5a中获得尽可能均匀分配的金刚石颗粒5，所述装置4例如能够以振动筛形式在施加期间平行于所述基底3（也就是在XY平面中）移动。
在一图1b中示出的随后的步骤中将铜颗粒6施加到具有金刚石颗粒5的所述层5a上。为此，将所述装置4的中央的输入装置和所述金刚石颗粒的储备装置之间的连接分开并且所述输入装置与铜颗粒6的储备装置连接，从而使得在所述金刚石层5a上形成了由铜颗粒6构成的层6a，参见图1c。
在一随后的步骤中，例如由一（未示出的）激光器所产生的激光束7入射到彼此叠置地布置的层5a、6a上，其中，在其中入射激光束7的区域中构造了熔融区。所述激光束7在该情况下扫描式地在所述层5a、6a的表面上移动，由此将这些层融合成一金刚石-铜复合材料8，其也与基底3连接，参见图1d。所述金刚石-铜复合材料8在此情况下具有一铜基质9，在该铜基质中埋入有所述金刚石微粒5。为了能够实现以激光束7的扫描式加工，将一（未示出的）加工头在所述开口之下在所述XY平面中移动。所述激光束的波长在此情况下可以与所选择的材料适配，其中，一般使用大致0.3μm和2μm之间的波长。对于由铜或铝构成的金属颗粒，例如可以选择在可见波长范围（大致380nm和780nm之间）中的波长，尤其（大致490nm和575nm之间）绿色波长范围中的波长，而例如对于银可以选择在UV范围（低于380nm）中的波长。激光器功率可以在大致1瓦至1000瓦的范围内，以便能够实现激光烧结或选择式的激光熔融。
所述金刚石-铜复合材料8的金刚石微粒5相对于铜基质9的体积比例可以被调整，其方式是，适当地选择这些层5a、6a的厚度d1、d2的比例d1/d2。为了对于金刚石-铜复合材料8的层的产生而从一尽可能光滑的表面出发，可以与图1a-d中示出的不同而首先将一个或多个金属颗粒6的层6a施加到所述基底3上并且与所述基底在使用激光束7的情况下融合。
为了获得由金刚石-铜复合材料8构成的成形体，可以将结合图1a-d描述的过程多次地重复，直至达到所述成形体的所预期的体积，如图1d中简要示出的那样，其中，在一随后的步骤中施加其它金刚石颗粒6到所述金刚石-铜复合材料8上。必要时可以通过在所述装置4上的、用于分配颗粒5、6的开口的有目的的、受控制的封闭来进行所述层在XY方向上的几何形状或膨胀与预期的几何形状的适配或结构化。
由金刚石-铜复合材料8构成的、具有基本上直角平行六面体形的几何形状的成形体10在图2a中示出。所述成形体10在由铜构成的所述基体12的接收部11中置入，该基体是散热器13的部分。所述成形体10可以（可能地与所述基底一起）作为预制造的本体被置入到所述接收部11中。替换地也可行的是，所述成形体10在所述接收部11中现场形成，所述接收部用作模具，所述层5、6彼此叠置地施加在所述模具中。
如图2a中同样能够识别的那样，所述直角平行六面体的成形体10具有多个由金刚石-铜复合材料8构成的层8a、8b。在此情况下，在所述成形体10的在后加工区域中的上侧面14上的结束层8b不具有金刚石颗粒5，也就是通过适当地选择金属颗粒相对于金刚石颗粒的体积比例，熔融在渗入之后还构造了在所述金刚石颗粒之上的足够大的层厚，在该层厚中事实上不再存在金刚石颗粒。以该方式能够确保：与直接安置在所述成形体10的用作定位面的上侧面14上的、形式为高功率激光二极管15的构件的接触（参见图2b）能够被全面积地制造，以便保证有效的热传递。所述构件与所述成形体10的直接连接能够例如通过压接（Bonden）来进行。替换地也可行的是：所述构件通过在使用接合介质的情况下的接合方法，例如通过钎焊或粘接被固定在所述成形体10上。
在图2b中示出的例子中，所述成形体10被钎焊到所述直角平行六面体基体12的上侧面12a上。在此情况下，由金属颗粒构成的层作为结束层8b被施加到由碳-金属复合材料构成的层8a上。所述结束层8b在制造中以一激光器来照射，以便使所述金属颗粒熔化并且与所述碳-金属复合材料的处于其下的层8a连接。所述结束层8b因此在该例子中事实上没有碳颗粒并且特别良好地适用于用于获得尽可能小的表面粗糙度的后加工。
显而易见的是：所述金刚石-铜复合材料8的层8a、8b的厚度可以不同于图2a、b中示出的而沿厚度方向（Z）不同地选择。也可以可能地从层到层地改变所使用的金属性颗粒和/或碳颗粒。例如，由金刚石-银复合材料构成的层可以跟随由金刚石-铜复合材料构成的层或反之亦然。
如图3中能识别的那样，所述成形体10或所述激光二极管15构造在图2b的散热器13的基体12的边缘上并且用于激光射束沿如下方向的发射，该方向从所述散热器13离开地指向。所述基本上由砷化镓（GaAs）制成的激光二极管15施加到由金刚石-铜复合材料8构成的成形体10上尤其也因此特别有利，这是因为两者具有类似的热膨胀系数。显而易见的是：在激光二极管的部位上也可以利用所述散热器13冷却其它的构件，例如激光盘，如该激光盘例如在一固体激光器中使用的那样。因为在该情况下，所述激光射束典型地沿垂直于板形激光盘的扁平侧面的方向放射，所以所述激光盘一般不布置在所述散热器的边缘上而是确切地说中央地布置在所述散热器上。
同样显而易见的是：在图1a-d中示出的方法，尤其所述层5a、6a的融合可以可能地通过相对于大气压提高的压力p或通过相对于室温提高的温度T来支持。这里所描述的方法能够基于所述成形体10的层形的结构实现其在几何形状、表面品质、材料行为等方面的特性的灵活的调整。用于制造所述碳-金属复合材料所使用的设备是不复杂的并且因此在购置时是成本低廉的。

Claims (14)

1.用于形成碳-金属复合材料(8)的方法，所述碳-金属复合材料用于散热器(13)，所述方法包括：
彼此叠置地施加至少一个具有碳颗粒(5)的第一层(5a)和至少一个具有金属颗粒(6)的第二层(6a)；以及
通过以激光射束(7)照射所述第一层和所述第二层来融合所述第一层和所述第二层，用于构造所述碳-金属复合材料(8)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为了由所述碳-金属复合材料(8)形成一成形体(10)而多次地重复所述第一层和所述第二层的所述施加和所述融合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，为了形成用于所述成形体(10)的一结束层，一具有金属颗粒的第三层(8b)被施加并且通过以激光射束(7)的照射来熔化。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一层中的至少两个层具有不同粒度的碳颗粒。
5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述碳-金属复合材料的至少两个材料层(8a)以碳颗粒(5)相对于一由金属颗粒(6)所形成的金属基质(9)的不同的体积比例来制造。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述金属颗粒(6)由如下的组中选择，所述组包括：铜、银、金、铝、锡和钛。
7.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述碳颗粒(5)由如下的组中选择，所述组包括：金刚石、石墨和碳化物。
8.根据权利要求1至3之一所述的方法，还包括：至少一个由金属颗粒(6)构成的第二层(6a)施加到一基底(3)上；通过激光照射使该层(6a)与所述基底(3)融合。
9.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述至少一个具有碳颗粒(5)的第一层(5a)以沿厚度方向(Z)改变的密度来施加。
10.散热器(13)，其用于一构件，所述散热器包括：
一成形体(10)，所述成形体包括多个材料层(8a、8b)，所述多个材料层分别包含在一金属基质(9)中的碳颗粒(5)，所述成形体由碳-金属复合材料构成，所述碳-金属复合材料根据权利要求2-9中任一项所述的方法来制造。
11.根据权利要求10所述的散热器，还包括：一构件，所述构件布置在一形成在所述成形体(10)上的定位面(14)上。
12.根据权利要求11所述的散热器，其中，所述构件是一激光二极管(15)或一激光盘。
13.根据权利要求11所述的散热器，其中，所述构件直接布置在所述定位面(14)上。
14.根据权利要求10至13之一所述的散热器，还包括：一用于安置所述成形体(10)的基体(12)。
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