CZ1898A3 - Způsob zhotovení částic o požadované celkové vlastnosti, částice zhotovené tímto způsobem a výrobek zhotovený z těchto částic - Google Patents

Abstract

Od sebe navzájem oddělené částice (12), zhotovené z prvního materiálu, např. wolframu, molybdenu, grafitu, karbidu křemíku, diamantu, niklu, keramiky, o první hodnotě vnitřní vlastnosti, např. tepelné roztažnosti, tepelné vodivosti, měrné hmotnosti, se jednotlivě opatří povlakem (14) druhým materiálem, např. mědí nebo hliníkem o druhé hodnotě vnitřní vlastnosti, přičemž objem povlaku (14) k objemu částic (12)je zvolen tak, aby výsledné povlékané částice (10) opatřené měly nejméně jednu vnitřní vlastnost o požadované výsledné hodnotě odlišné od hodnot dané vlastnosti prvního a druhého materiálu. Výsledné povlékané částice (10) sestávají z jádra tvořeného částicí (12) z prvního materiálu a z povlaku (14) z druhého materiálu. Výrobek o požadované hodnotě vnitřní vlastnosti obsahuje spojené částice z nichž alespoň některé jsou povlékané částice (10) obsahující jádro tvořené částicí (12) z prvního materiálu o první hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti, opatřené povlakem (14) z druhého materiálu o druhé hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti

Description

Oblast vynálezu

Vynález se týká konstruování vnitřních vlastností částic, výrobků zhotovených zpevněním částic a povlaků vytvořených z částic, zejména pak zhotovování výrobků a povlaků se zkonstruovanými tepelnými vodivostmi a koeficienty tepelné roztažnosti, jež se přizpůsobují materiálům, k nimž jsou výrobky připojeny a na něž jsou povlaky naneseny.

Dosavadní stav techniky

V souladu s Lacceho „Rule of Mixtures“ (pravidla směsí) vnitřní fyzikální vlastnosti ( např. tepelná vodivost, koeficient tepelné roztažnosti ) heterogenního výrobku složeného nejméně ze dvou dokonale smíchaných materiálů má tendenci měnit se přibližně lineárně vzhledem k poměru objemu jednoho z materiálů k objemu druhého z materiálů. Na příklad lze očekávat, že heterogenní výrobek složený z objemové směsi 50 na 50 dvou materiálů , z nichž jeden vykazuje nízký koeficient tepelné roztažnosti a druhý vykazuje vysoký koeficient tepelné roztažnosti, bude po provedeném smísení vykazovat koeficient tepelné roztažnosti, jenž je průměrem koeficientů tepelné roztažnosti těchto dvou materiálů.

Podle známé metody zhotovování heterogenních předmětů se směs dvou kovů v prachovém stavu, které mají rozdílné tepelné vodivosti a rozdílné koeficienty tepelné roztažnosti, stlačí, sintruje a tak vytvoří výrobek. Výrobek má zkonstruovaný koeficient tepelné roztažnosti, který odpovídá přibližně ««a koeficientu tepelné roztažností předmětu, ke kterému má být tento výrobek připojen a zkonstruovanou tepelnou vodivost.

Vynález se týká vytváření povlaků na Částicích prvního materiálu, jakož i vytváření povlaků z takto upravených částic na druhém materiálu, takže poměr objemu povlaku vzhledem k objemu částic se v podstatě rovná zvolenému objemovému podílu. První a druhý materiál a objemový podíl jsou zvoleny tak, aby částice opatřené povlakem vykazovaly nejméně jednu zvolenou vniřní vlastnost, která je společnou funkcí vnitřních vlastností prvního a druhého materiálu. První materiál je např. wolfram, molybden, grafit, karbid křemíku nebo diamant. Druhým materiálem je např. měď.

Tímto způsobem se vyrobí částice opatřená povlakem, která má jednu nebo více zkonstruovaných vnitřních vlastností (jako je tepelná vodivost nebo koeficient tepelné roztažností), které jsou odlišné od vnitřních vlastností prvního a druhého materiálu.

Vynález se rovněž týká zhotovování výrobků z částic opatřených povlakem. Množství částic opatřených povlakem ( smíchané s jinými částicemi ) se zpevní za účelem spojení částic navzájem a vytvoření výrobků. Výrobek jako celek má zvolený objemový podíl odpovídající objemům druhého materiálu v částicích opatřených povlakem vzhledem k objemům prvního materiálu v částicích opatřených povlakem.

Vynález je charakterizován řadou výhod. První materiál, druhý materiál a objemový podíl se zvolí tak, aby se vytvořil výrobek se žádanou vnitřní vlastností prvního a druhého materiálu. Zkonstruované vnitřní vlastnosti částic opatřených povlakem vykazují zvláště vysoký stupeň uniformity a • · · · · 4 ·© • · · * · © • ·· ···· · • · · · · ·

I © © © « © · · izotropie v celém výrobku, jelikož každá částice je jednotně opatřena povlakem a nejde vůbec o nějakou nahodilou distribuci různých materiálů nebo segregaci různých materiálů ve výrobku.

Podle jednoho z provedení je výrobek zkonstruován tak, aby vykazoval koeficient tepelné roztažnosti, který v podstatě vyhovuje předmětu, k němuž má být připojen. Výrobek je tedy předem určen tak, aby vykazoval zvolenou tepelnou vodivost. Částice opatřené povlakem jsou zpevněny stlačením a sintrováním tuhé nebo kapalné fáze. Sintrování způsobuje, že druhý materiál vytvoří spojení mezi přiléhajícími částicemi.

Podle dalšího provedení vynálezu se vytvoří výrobek z množství částic, které zahrnují první materiál a ze základního materiálu, který obsahuje druhý materiál reagující s prvním materiálem. Aby se zabránilo tomuto jevu, vytvoří se na povrchu částic nejprve primánu povlak. Částice a základní materiál se zpevní a tak způsobí, že se částice a základní materiál spojí navzájem v žádaný výrobek. Primární povlak na povrchu částic zabraňuje, aby první a druhý materiál spolu reagoval.

Dále se vynález týká pokrývání předmětu vrstvou částic opatřených povlakem. Částice opatřené povlakem se vloží do kapaliny a předmět se pokryje povlakem obsahujícím množství částic vložených do kapaliny. Takto vytvořený povlak pak vykazuje zvolený objemový podíl, který je určen poměrem objemu druhého materiálu v každé částici opatřené povlakem k objemu prvního materiálu.

Vynález se také týká pokrývání předmětu částicemi obsahujícími první materiál, při čemž se předmět rovněž pokrývá druhým materiálem. Částice se vloží do kapaliňy a

00

0000 00 00

předmět se pokryje povlakem, který zahrnuje částice a druhý materiál. Takto vytvořený povlak má zvolený objemový podíl představující poměr objemu druhého materiálu v povlaku vzhledem k objemu prvního materiálu v povlaku. První materiál, druhý materiál a objemový podíl jsou zvoleny tak, že povlak vykazuje alespoň jednu zvolenou fyzikální vlastnost, např. tepelnou vodivost nebo koeficient tepelné roztažností ( na rozdíl od mechanických vlastností, např. pevnost v tahu ). Zvolená fyzikální vlastnost povlaku je společnou funkcí fyzikálních vlastností jak prvního, tak i druhého materiálu.

Dále se vynález vztahuje na zhotovení výrobku stlačením částic opatřených povlakem na zvolenou hustotu a do žádaného tvaru. Stlačené částice se spojí jedna s druhou a vytvoří výrobek, aniž se zvýší hustota stlačených částic a nějak podstatně změní žádaný tvar výrobku. Částice se tedy stlačí přibližně na „úplnou hustotu“ ( hustota, při které stlačené částice jsou porésní do té míry, že se nevytvářejí navzájem propojené průchody z jedné strany výrobku na stranu druhou ). Poté se takto stlačený výrobek sintruje. Jelikož výrobek vykazuje úplnou hustotu, sintrování nezvyšuje hustotu výrobku, aniž mění jeho tvar. Hustota výrobku a tedy i jeho konečné rozměry lze velice opatrně regulovat během stlačování.

Dále se vynález týká zhotovování výrobku z částic tak, aby výrobek měl zvolenou hustotu . Alespoň některé z částic obsahují první materiál a jejich plochy jsou pokryty povlakem z druhého materiálu ; tyto částice se zpevní tak, aby se spolu navzájem spojily a vytvořily předmět o zvolené hustotě. Výběr prvního a druhého materiálu vede k tomu, aby výrobek měl zvolenou vnitřní vlastnost a hustota je zvolena tak, aby vnitřní ·· · · · · · · ···· · ··· ···« ·«· ···» ·· ·· ·· · ·» ·· vlastnost vedla k žádanému chování jako funkce teploty. Např. stupeň linearity koeficientu tepelné roztažnosti výrobku vytvořeného ze zpevněných částic závisí na hustotě výrobku. Zvolením a regulací hustoty výrobku se reguluje chování koeficientu tepelné roztažnosti jako funkce teploty a obecně se dále zdokonaluje volba koeficientu tepehié roztažnosti pro daný výrobek.

Dále se vynález týká zhotovování výrobku z částic, při čemž výrobek sestává ze dvou nebo více částí s rozdílnými vnitřními vlastnostmi. První množství částic zahrnuje nejméně jeden materiál a druhé množství částic rovněž obsahuje nejméně jeden materiál. První množství částic a druhé množství částic se zpevní tak, že první množství částic se mezi sebou spojí a vytvoří první část ( např. vrstvu ) výrobku a druhé množství částic se spolu spojí a vytvoří druhou část výrobku.; částice uspořádané v blízkosti styčné plochy mezi první a druhou částí výrobku se spojí mezi sebou. První a druhá část výrobku vykazují rozdíhié, zvolené vnitřní vlastnosti podle svého složení (a objemového podílu) částic.

Např. první a druhá část mohou mít rozdílné koeficienty tepelné roztažnosti a výrobek může být přímo vložen mezi dva předměty o rozdílných koeficientech tepelné roztažnosti, které vyhovují koeficientům tepehié roztažnosti obou částí. Existuje pouze jediná hranice ( na styčné ploše mezi dvěma částmi výrobku), kde dochází k nedokonalému přizpůsobení koeficientů tepehié roztažnosti na rozdíl od serie takových hranic mezi spolu sousedícími vrstvami navzájem si nepodobných výrobků. Spojení mezi částicemi mají tendenci absorbovat napětí vyvolané

tepelnou roztažností, v důsledku čehož lze zamezit natržení nebo dělení na vrstvy v oblasti spojení mezi dvěma částmi.

Další čebré výhody vynálezu budou patrné z podrobného popisu a nároků, které následují.

Přehled obrázků na výkresech.

Obr. 1 znázorňuje řez částicí opatřenou povlakem podle vynálezu.

Obr. 2 zobrazuje částice podle obr. 1 opatřené povlakem po zpevnění stlačením.

Obr. 3 znázorňuje vrstvu z částic opatřených povlakem podle obr. 1. pokrývající povrch výrobku.

Obr. 4 znázorňuje pouzdro pro elektronické zařízení zahrnující kombinaci strukturní, tepehié a základové desky zhotovené z částic opatřených povlakem dle obr. 1 a vodicí rámy zhotovené z částic opatřených povlakem dle obr. 1

Obr. 5 je graf znázorňující expanzi výrobku jako funkci teplot při hustotách 90%, 95% a 100%.

Obr. 6 zobrazuje zpevnění dvou odlišných vrstev z částic pokrytých povlakem podle obr. 1 stlačením.

Obr. 7 znázorňuje hybridní elektronické pouzdro používané pro uzavření soustavy mtegro váných obvodů , které je zhotoveno z částic opatřených povlakem podle obr. 1

Obr. 8 zobrazuje pouzdro pro elektronické zařízení sestávající z nízkotepelného keramického substrátu, který se odstraní, když je podepřen předsintrovanou kombinací strukturní, tepelné a základové roviny zhotovené z částic opatřených povlakem podle obr. 1.

I · · · » · · · • · · · · • · · • * · ·

Obr. 9 znázorňuje vysoce výkonný polovodičový kompresní modul s polovodičovým zařízením, na jehož kompresní styčné ploše je uspořádána vrstva šířící teplo vytvořená z částic opatřených povlakem podle obr. 1,

Obr. 10 je řez částicí opatřenou povlakem podle vynálezu s tenkým primárním povlakem na styčné ploše vrstev.

Obr. 11 zobrazuje částice podle obr. 10 opatřené povlakem, které byly elektrolyticky naneseny spolu s matricovým materiálem na výrobek.

Obr. 12 znázorňuje částice opatřené primárním povlakem, které byly elektrolyticky naneseny spolu s matricovým materiálem na výrobek.

•Popis ‘Přťtígtfy proveele.hi'

Zhotovování a struktura

S odvoláním na výkresy a to zejména obr. 1, částice 12, která může mít v průměru jen několik mikronů a je vyrobena z elementárního kovu, kovové slitiny nebo z nekovu a je pokryta povlakem 14 z elementárního kovu, kovové slitiny nebo nekovu tvoří částici 10 opatřenou povlakem. Částice 10 opatřená povlakem vykazuje zvolené vnitřní fyzikální vlastnosti ( např. tepelnou vodivost nebo koeficient tepelné roztažnosti) a / nebo vnitřní mechanické vlastnosti ( např. pevnost v tahu ). Vnitřní fyzikální vlastnosti ( nikoli však vnitřní mechanické vlastnosti) částice 10 opatřené povlakem mají tendenci chovat se v souladu s Lacceho Rule of Mixtures, podle kterého se vnitřní fyzikální vlastnosti mění přibližně lineárně vzhledem k poměru objemu povlaku 14 k objemu částice 128

4 4«

4 4 4 4 »444

4 4 4 4 4 4

4 4 4

4 4 4 4

Povlak 14 se přilnavé nanese na částici 12 např. neelektrolytickou metodou ( o technice se pojednává níže ). Vnitřní vlastnosti částice 10 opatřené povlakem jsou stanoveny kontrolou objemového podílu povlaku 14 vzhledem k částici 12, čehož lze dosáhnout dvěma způsoby : 1) kontrolou velikosti částic 12 nebo 2) kontrolou tlouštky povlaku 14.

Částice 12 např. obsahuje elementární wolfram, povlak 14 elementární měď a objemový podíl mědi k wolframu je 27% k 73%. Měď má vysokou tepelnou vodivost přibližně 391 W m'K^y a relativně vysoký koeficient tepelné roztažnosti přibližně 17.5 ppm K v tepelném rozmezí od 25°do 400°C, zatímco wolfram .J -/ má relativně nízkou tepelnou vodivost přibližně 164 W ni'K'a relativně nízký koeficient tepelné roztažnosti přibližně 4.5 ppm K v rozmezí od 25°C do 400°C. Wolframová částice 10 s měděným fy fy povlakem má tepelnou vodivost přibližně 226 W m K při 25° ( styčná plocha mezi vysokou tepelnou vodivostí mědi a nízkou tepelnou vodivostí wolframu ) a zkonstruovaným koeficientem tepelné roztažnosti přibližně 8.2 ppm ( styčná plocha mezi nízkým koeficientem tepelné roztažnosti wolframu a vysokým koeficientem tepelné roztažnosti mědi ) v rozmezí od 25° do 400°C.

S odvoláním na obr. 2, kde je znázorněn zápustkový lis 16 včetně tmu 18 a formy 20, který je určen ke zpevnění částic 10 opatřených povlakem a vytvoření výrobku 22 stlačením ( částice opatřené povlakem 10 mají předem zvolené vlastnosti, jak je popsáno v souvislosti s obr. 1). Stlačený výrobek 22 se v tuhém stavu sintruje ( sintrování se provádí při teplotě pod bodem tání částic a pod bodem tání povlaku částic ) nebo se alternativně sintruje kapalná fáze (t.j. sintruje se při teplotě nad bodem tání

J>povlaků, ale pod bodem tání částic ). Sintrování vede k tomu, že se spojením mezi částicemi vytvoří heterogenní výrobek . Povlak částic tedy slouží jako „matricový materiál“ (t.j. materiál, který drží částice pohromadě a vytváří tak výrobek).

Výrobek 22 má zkonstruované vnitřní fyzikální vlastnosti (např. tepelná vodivost a / nebo koeficient tepelné roztažnosti) a / nebo vnitřní mechanické vlastnosti ( např. pevnost v taliu ), které odpovídají vlastnostem částic 10 opatřených povlakem , ze kterých je výrobek zhotoven. Předem nastavené vnitřní vlastnosti částic 10 opatřené povlakem vykazují vysoký stupeň uniformity a izotropie v celém výrobku 22, jelikož každá částice 10 je stejně potažena a nejde o nějakou nahodilou distribuci různých materiálů nebo segregaci mezi různými materiály uvnitř výrobku 22. Vnitřní vlastnosti výrobku 22 jsou tedy nastaveny spíše na „ úroveň částice“ než na „ úroveň výrobku“ . Výrobek 22 je např. tepehiá a strukturní deska pro elektronická pouzdra, pri čemž tato deska je zkonstruována tak, aby měla koeficient tepelné roztažnosti, který se přizpůsobuje vhodně předmětu, ke kterému je připojen a má tedy vysokou tepelnou vodivost, jak je popsáno v souvislosti s obr. 4 níže.

Wolframové částice pokryté měděným povlakem mají např. objemový podíl mědi k wolframu 27% k 73% a jsou stlačeny v lisu 16 při tlaku 200 tun na čtverečný palec povrchu, aby se tak dosáhlo úplné hustoty (hustota se pohybuje přibližně nad 90 %); poté se takto stlačené částice opatřené povlakem v tuhém stavu sintrují ve vodíkové atmosféře při 1,950° F přibližně po dobu půl hodiny.

Nejen částice 10 opatřené povlakem lze zpevnit do podoby výrobku, jak je níže popsáno, ale částice opatřené povlakem • 4 44 4 4 4 4 4 4 44 44 • 444 44 4 4444

444 44 4 4444 •4 ··· 4 44 4444 4

44 4444 444

4444 44 44 44 44 44 mohou být rovněž naneseny na předměty jako povlak. Na obr. 3 je znázorněn povlak 28 na částicích 10 opatřených povlakem se zkonstruovanými vlastnostmi. Povlak 28 je nanesen na povrch kovového předmětu, předmětu z kovové slitiny nebo nekovového předmětu 30 pokovovací maskou 29. Výrobek 30 může být např. výrobkem, který je vytvořen z částic opatřených povlakem jakoukoli technikou zde popsanou. Během nanášení se částice opatřené povlakem t.j. např. wolframové částice s povlakem z mědi o objemovém podílu mědi k wolframu 27% k 73% vloží do kapaliny a povlak se vytvoří na výrobku např. z beryllia jednou z pokovovacích technik, o nichž pojednáme podrobně níže. Je tedy možno vytvořit povlak přímo na výrobku, aniž je zapotřebí povlak s výrobkem nějak spojovat.

Povlak 28 má zkonstruované vnitřní fyzikální vlastnosti ( např. tepelná vodivost, koeficient tepelné řoztažnosti ) a / nebo vnitřní mechanické vlastnosti (jako např. pevnost v taliu), které se vhodně přizpůsobují částicím opatřeným povlakem, ze kterých je povlak vlastně zhotoven. Zkonstruované vnitřní vlastnosti částic opatřených povlakem vykazují velký stupeň uniformity a izotropie v celém povlaku 28, jelikož každá částice je potažena stejně a nedochází vůbec k nějaké nahodilosti při distribuci různých materiálů nebo k segregaci mezi různými materiály uvnitř povlaku 28. Vnitřní vlastnosti povlaku 28 jsou tedy nastaveny na „úrovni částic“, spíše než na „úrovni povlaku“.

Přesto je třeba poznamenat, že pokovovací technika výše popsaná může být rovněž aplikována tehdy, když povlak 28 neobsahuje částice opatřené povlakem, ale sestává ze směsi různých částic zvolených ze dvou různých materiálů v příslušném objemovém podílu.

• Φ ·« • φ Φ Φ • Φ «

ΦΦΦ

ΦΦΦ ΦΦΦΦ Φφ jaw

ΦΦ ΦΦΦΦ ΦΦ φφ • Φ Φ ΦΦΦΦ

Φ Φ Φ Φ Φ ΦΦ • · ΦΦ ΦΦΦΦ φ

ΦΦΦΦ ΦΦΦ

ΦΦ ΦΦ ΦΦ φφ

Na obr. 4 je zobrazeno pouzdro pro elektronické zařízení 32, které zahrnuje polovodičové zařízení 34 namontované na substrátu 3_5 ; substrát 35 je podepřen kombinací strukturní, tepelné a základové roviny 36 vytvořené z částic opatřených povlakem. Polovodičová zařízení 34 jsou např. vysoce výkonné přepínače pevné fáze (jakéje např. možno aplikovat u soustavy obvodů vozidla s elektrickým motorem) a produkují při provozu velká množství tepla. Substrát 35, ke kterému je polovodičové zařízení 34 připevněno lepením, difusním spojem, pájením na tvrdo nebo na měkko, je vytvořen z materiálu zvoleného tak, aby vykazoval koficient tepelné roztažnosti přibližně stejný jako má polovodičové zařízení 34, aby se tak usnadnilo připevnění polovodičového zařízení 34 na substrát 35. Strukturní rovina 36 je vyrobena podle popisovaného vynálezu z částic opatřených povlakem. Materiál částic, materiál povlaku a objemový podíl povlakového materiálu k materiálu částic jsou zvoleny tak, že strukturní rovina 36 má vysokou tepelnou vodivost (může tedy šířit teplo a působit jako tepelná deska) a má koeficient tepelné roztažnosti, který se může vhodně přizpůsobit koeficientu tepelné roztažnosti substrátu 35. Jak tepelná vodivost, tak i koeficient tepelné roztažnosti jsou vysoce uniformní a izotropní v celé strukturní rovině 36.

Substrát 35 se např. vytvoří z nitridu hliníku, který má -γ koeficient tepelné roztažnosti přibližně 4.4 ppm K v rozmezí od 25°do 400°C. Strukturní rovina 36 je vyrobena z grafitových částic opatřených povlakem mědi o objemovém podílu mědi ke grafitu 24% k 76%. Tento objemový podíl vede k tepelné vodivosti přibližně 325 W ηι'Κ^ a ke koeficientu tepelné • 4 · · · · 4 · · · · · · • · · 4 4 4 4 4 4 4 ···· 44 44 ·· 44 44 roztažnosti přibližně 4.3 ppm K ' ( 25°až 400°C ), což se velice přibližuje hodnotám substrátu 35 z nitridu hliníku .

Měděný matricový materiál zajišťuje vysokou pevnost v tahu (vnitřní mechanická vlastnost) strukturní roviny 36. Alternativně může být strukturní rovina 36 vyrobena z diamantových částic opatřených povlakem mědi o objemovém podílu mědi k diamantu 20% k 80%. Tento objemový podíl zajišťuje tepelnou vodivost přibližně 781 W nťlCa koeficient tepelné roztažnosti přibližně

4.8 ppm 25°až 400°C ).

Další alternativa spočívá v tom, že se substrát 35 vyrobí z oxidu beryllnatého s koeficientem tepelné roztažnosti přibližně

7.6 ppm K~' (25° až 400°C ) . Strukturní rovina 36 se zhotoví z grafitových částic opatřených povlakem mědi s objemovým podílem mědi ke grafitu 42% k 58% . Tento objem zajišťuje tepelnou vodivost přibližně 380 W ni^iCa koeficient tepelné roztažnosti přibližně 7.6 ppm Ea(25°až 400°C ), což je velice blízké hodnotám oxidu beryllnatého. Dále může být strukturní rovina 36 vyrobena z diamantových částic opatřených povlakem mědi s objemovým podílem mědi k diamantu 37% k 63% .

Tento objemový podíl zajišťuje tepehiou vodivost přibližně 698

Z -4

W m K a koeficient tepelné roztažnosti přibližně 7.6 ppm K (25° až 400°C ) .

Strukturní rovinu 36 je možno také vyrobit z wolframových částic opatřených povlakem mědi s objemovým podílem přibližně 27% k 73%. Tento objemový podíl zajišťuje tepelnou vodivost přibližně 226 W m^K^a koeficient tepelné roztažnosti přibližně 8,2 ppm K'^? (25°až 400°C ).

Strukturní rovina 36. je připojena k substrátu 35 následujícím způsobem. Tenká vrstva částic opatřených • · · · · · · · 9 · • · 9 · · · · • · · · φ · ···«·· · • · · · · · · ··· · ·· 9 9 99

99

9 ·

99

9 9 ·

9 9

9 9 9 povlakem je nejprve nanesena na nižší plochu substrátu 35, jak je znázorněno na obr. 3 podle techniky dále popsané. Strukturní rovina 36, která je stlačena ( stejným způsobem, jak je výše popsáno v souvislosti s obr. 2 ), ale není ještě podrobena šmírování , je uvedena v kontakt s povrchem substrátu 35 opatřeným povlakem. Struktura je poté šmírována, aby substrát 35 a strukturní rovina 36 byly spojeny do jediného předmětu. Strukturní rovina 36 může být spojena rovněž se substrátem 35 pájením na měkko nebo na tvrdo, diíusním spojem nebo lepením.

Vodicí rámy 38, ke kterým je polovodičové zařízení 34 připevněno vodiči 40, jež přenášejí energetické, návěstní, vstupní a výstupní signály do polovodičového zařízení 34 a z něho, jsou rovněž zhotoveny z částic opatřených povlakem podle vynálezu tak, aby vykazovaly koeficient tepelné roztažnosti v podstatě stejný jako je koeficient tepelné roztažnosti substrátu 35. Substrát 35 se vytvoří např. z oxidu beryllnatého s koeficientem tepehié roztažnosti přibližně 7.6 ppm K (25°až 400°C ) a vodicí rámy 38 se vyrobí z částic niklu 42 opatřených povlakem mědi ( nikl 42 je slitina nikl - železo ) s objemovým podílem mědi k niklu 42 - 20 % k 80 % as tepelnou vodivostí přibližně 86.78 W m^K^a koeficientem tepehié roztažnosti přibližně 8.1 ppm ( 25° až 400 °C ). Je třeba poznamenat, že nikl 42 opatřený povlakem mědi nemusí mít tak vysokou tepelnou vodivost jako grafit opatřený povlakem mědi užitý u strukturní roviny 16, jelikož vodicí rámy 3£ nejsou určeny k tomu, aby plnily funkci rozšiřování tepla. Přesto však mohou být vodicí rámy 38 zhotoveny ze stejného typu částic opatřených povlakem, ze kterých je vyrobena strukturní rovina 36. Vodicí φφ · · φφφ · « · φ · φ φ • φ φφφ φ φφ ΦΦΦΦ φ • φ φ ΦΦΦΦ φφφ

ΦΦΦΦ φφ φφ φφ «φ φφ rámy 38 jsou opatřeny povlakem pomocí pokovovací masky přímo na horní ploše substrátu 35 v souladu s technikami popsanými výše v souvislosti s obr. 3. V jednom provedení jsou vodicí rámy 38 šmírovány tak, aby se vytvořil materiál o žádané hustotě.

I když je možno realizovat vysoké výkony, tepehié hustoty a provozní frekvence, které jsou charakteristické pro nové elektronické technologie a při nichž dochází k velkým a rychlým změnám teploty, jež se typicky vyskytují při provozu polovodičového zařízení 34, nedochází k natržení a dělení na vrstvy ve spojích mezi substrátem 35 a vodícími rámy 38, jakož i mezi substrátem 35 a strukturní rovinou 36, jelikož materiály jsou uniformní a izotropní a vykazují tepelnou vodivost a koeficienty tepehié roztažností, které se mohou přizpůsobit analogickým vlastnostem ve strukturní desce a ve vodicích rámech 18. Celé pouzdro pro elektronické zařízení 32 má tedy dlouhou životnost.

Zkonstruované vnitřní vlastnosti výrobků zhotovených podle výše popsaných technik jsou funkcí materiálů zvolených pro částice a povlaky částic, jakož i funkcí objemového podílu povlakového materiálu vzhledem k materiálu, ze kterého jsou vyrobeny částice, ale chování vnitřních vlastností takových výrobků jako funkce teploty ( např. stupeň lmearity koeficientu tepelné roztažností jako funkce teploty ) je ovlivněno hustotami výrobků. Regulací hustoty takového výrobku lze ovlivnit vhodně koeficient tepehié roztažností výrobku jako funkce teploty tak, aby byl blízký koeficientu tepelné roztažností keramiky ( které se vzhledem k teplotě chová nelineárně ) uvnitř tepelného rozmezí.

44 ·4 ·»«· ♦ 4 4 4 · · 4

4 · · · · • 4 · · 4 4 9

4 4 4 4 ·· ···· ·· ·· «· ·· ··

4 4 4 • 4 4·

4 4 4 ·

4 «

Obr. 5 zobrazuje tepelnou roztažnost v milióntinách jako funkci teploty u výrobků zhotovených z wolframových částic opatřených povlakem mědi o objemovém podílu mědi k wolframu 27 % k 73 % ( 15 % mědi k 85 % wolframu pň hmotnostním podílu) při hustotách přibližně 100 % (teoretická hustota ),95 % a 90 % a u dvou keramických materiálů (BeO a Ab O_?) s roztažným chováním výrobku, jež se může vhodně přizpůsobit v rozmezí kritického procesu teploty v důsledku toho, že se zvolí odpovídající hustota. Je třeba poznamenat, že rozsah, ve kterém se výrobek může roztáhnout ( t.j. hodnota koeficientu tepelné roztažnosti ) klesá spolu s klesající hustotou. Chování koeficientu tepelné roztažnosti ( nebo chování dalších vlastností jako je např. tepelná vodivost ) jako funkce teploty může být zvoleno a volbou hustoty výrobku mohou být zase ovlivněny další fyzikální vlastnosti. Také vlastnosti výrobků zhotovovaných z částic, jež nejsou opatřeny povlakem, mohou být regulovány volbou hustot těchto výrobků.

Metody vytváření povlaků

Nejprve bude pojednáno o metodách vytváření povlaků na částicích. Poté budou popsány metody vytváření povlaků na výrobcích z částic opatřených již povlakem.

S odvoláním na obr. 1 se povlak 14 nanese na částici 12 jakýmkoli vhodným neelektrolytickým ( autokatalytickým ) postupem. Částice, které mají být opatřeny povlakem, jsou umístěny do neelektrolytické lázně, která obsahuje vodný roztok kovových iontů, jedno nebo více chemických redukčních činidel, katalyzátor, jedno nebo více komplexotvomých činidel a jeden nebo více stabilizátorů lázně. Kovové ionty jsou autokatalyticky

Φ· φ· φ φ φ φ • · . · « « φ φ · · ···» · ·

ΦΦ ··«· φ φ φ • φ φ φ · φ φ φ φ φ φ φ φ φφ φφ φφ φ φ φ φ φ φ «· • φφφ φ φ φ φ • · · « nebo chemicky redukovány na kov redukčním činidlem nebo činidly, při čemž redukční činidlo nebo činidla působí jako donory elektronů a kovové ionty jako akceptory elektronů. Katalyzátor pak urychluje neelektrolytickou reakci. Komplexotvomé činidlo nebo činidla se užívají ke kontrole pH roztoku a ke kontrole množství „ volných“ kovových iontů v roztoku. Stabilizátory působí jako katalytické inhibitory zpomalující potenciální spontánní rozklad lázně. Např. jsou - li částice, které mají být pokryty povlakem, připraveny z grafitu, diamantu nebo karbidu křemíku, pak jsou ionty mědi dodávány vodným síranem měďnatým, redukčním činidlem je formaldehyd, katalyzátorem je palladium, komplexotvomé činidlo nebo činidla se volí z následujících látek : Rochellova sůl, ETA, hydroxid amonný, kyselina pyridium -3-sulfonová a / nebo vínan draselný a stabilizátor nebo stabilizátory jsou voleny z těchto látek : kyselina thiodiglykolová, MBT, thiomočovina, kyanid sodný a / nebo oxid vanadičný.

Neelektrolytické nanášení povlaků vytváří buď mechanické spojení nebo chemickou vazbu mezi povlakem 14 a částicí 12. Spojení bude typicky ( nikoli však vždy ) mechanické v případě, jestliže buď povlak 14 nebo částice 12 jsou nekovy a ke spojení chemickou vazbou bude docházet tehdy, když jak povlak 14, tak částice 12 jsou kovy.

Alternativními metodami opatřování částic povlakem jsou elektrolytické pokovování, pokovování rozprašováním a stříkání.

S odvoláním na obr. 10 lze uvést, že v případě, kdy povlak 14 tvoří pouze mechanické spojení s částicí 12. jestliže povlak 14 byl proveden neelektrolytickou metodou přímo na částici, pak je ·· ·· ·· ··*· ©· ·· » · * · · v · · · · · • · · ·· · · · ·· ·· ··· · · · ♦·· · · ······· ··· ···· ·* ·· ·· ·« ·· částice 12 opatřena primárním povlakem o velice tenké vrstvě 68 ( na obrázku je tlouštka vrstvy zvětšena ) a poté je opatřena povlakem 14. Primární povlak ( povlak na rozhraní) 68 je silně vázán na částici 12 a povlak 14 a vytváří tak pevnou, nesnadno rozbitelnou, chemicky vázanou částici 10 opatřenou povlakem 14.

Např. jestliže je částice 12 z grafitu nebo diamantu a povlak 14 je vytvořen z mědi, bude povlak 14 tvořit mechanické spojení s grafitem nebo diamantem v případě, kdy povlak 14 byl nanesen přímo na grafit nebo diamant. Jestliže však primární povlak 68 je z kovu jako je chrom nebo slitina wolframu a kobaltu o tlouštce v rozmezí 200 až několik tisíc angstrómů , pak se primární povlak 68 nejdříve nanese na částici 12 a tvoří kohesní složku s částicí 12 na rozhraní mezi primárním povlakem 68 a částicí 12. Poté se na tento primární povlak 68 z chrómu nebo slitiny wolfram kobalt nanese povlak 14 a primární povlak 68 vytvoří metalurgické spojení s povlakem 14. Primární povlak 68 neovlivní podstatně tepelnou vodivost nebo koeficient tepelné roztažnosti částice 10 opatřené povlakem, jelikož je velice tenký. Podle jednoho z provedení vynálezu se nanáší malé, kontrolované množství katalyzátoru palladia nebo boru spolu se slitinou wolfram - kobalt jako primární povlak, při čemž katalyzátor slouží k urychlení neelektrolytické reakce, kterou se povlak 1_4 z mědi nanáší na primární povlak 68 ze slitiny wolfram-kobalt.

Primární povlak se také používá v případě, že povlak 14 reaguje s částicí 12, koroduje jinebo jinak poškozuje a naopak.

Např. jestliže částice 12 je z grafitu nebo diamantu a povlak 14 je z hliníku, vysoce reaktivní hliník by poškodil grafit nebo diamant, jestliže by povlak 14 byl nanesen přímo na částici 12.

Namísto toho se nejprve na částici 12 nanese velice tenká vrstva • · • · • · primárního povlaku 68 z kovu jako je chrom nebo kobaltwolfram a poté se na primární povlak 68 nanese povlak 14 a tak se vytvoří částice IQ. Primární povlak 68 tvoří kohesní spojení s grafitovou nebo diamantovou částicí 12 a chrání částici 12 před matricovým hliníkovým materiálem. Primární povlak 68 tedy umožňuje vytvářet částice opatřené povlakem i tehdy, když by jejich povlaky měly tendenci s nimi reagovat a naopak.

Primární povlak 68 tedy umožňuje opatřit částice tenkou vrstvou ( ovšem bez povlaku 14 ) a ponořit je do roztavené slitiny, kde budou částice a slitina mít tendenci spolu reagovat. Např. grafitové částice opatřené tenkým primárním povlakem ze slitiny wolfram - kobalt se přidají k hliníkové slitině ve vakuu a slitina obsahující částice se odlévá pod tlakem nebo se vytlačuje na výrobek síťovitého tvaru (nebo téměř síťovitého tvaru), což se při jednom provedení vynálezu užívá pro zhotovení výrobku užívaného v elektronice ( např. pro rozšiřování tepla a jako tepelná rovina ) . Primární povlak ze slitiny wolfram-kobalt vytváří kohesní spojení s grafitovými částicemi a metalurgické spojení s hliníkovou slitinou. Objemový podíl částic k materiálu slitiny ( částice tvoří asi 50 % objemu ) je zvolen tak, aby vytvořil žádaný výrobek se zkonstruovanými fyzikálními vlastnostmi jako je tepelná vodivost nebo koeficient tepelné roztažnosti. Při další alternativě provedení se mohou částice opatřené primárním povlakem přidávat ke slitině, aby došlo k mechanickému zesílení výsledného výrobku nebo aby se upravila jeho hmotnost.

Dále se pojedná o metodách provádění povlaků z částic již povlakem opatřených. S odvoláním na obr. 3, výrobek 30 se pokryje povlakem Q8 ^z částic IQ opatřených povlakem (výrobek⁷ t 0 0 0

0 0

0* 0 · 0 • 0 0 0 0 0

0 0··

0 0 09 00 je např. substrát, na kterém povlak 28 vytváří např. vodicí rám ). Jestliže je výrobek 30 zhotoven z kovu nebo z kovové slitiny, pak je povlak 28 proveden elektrolyticky přímo na výrobku 30 technikou dále popsanou. Jestliže je výrobek 30 nevodivý ( např. jde o keramiku ), pak je na výrobek nejprve nanesena slabá vrstva vodivého materiálu, jako je tomu u matricového materiálu s povlakem z částic již povlakem opatřených neelektrolytickou metodou (autokatalytickou, jak byla již výše popsána v souvislosti s pokrýváním částic povlakem). Neelektrolytická lázeň obsahuje vodný roztok s kovovými ionty, jedním nebo více chemickými redukčními činidly, katalyzátorem, jedním nebo více komplexotvomými činidly a s jedním nebo více stabilizátory lázně, jak bylo již uvedeno. Kovové ionty se autokatalyticky nebo chemicky redukují redukčním činidlem nebo činidly, které způsobují, že se kov nanese na výrobek 30. Při alternativě provedení se částice ( a to částice s povlakem, s primárním povlakem nebo bez povlaku) umístí do vodné lázně a pokryjí se kovem a poté se kovem pokryté částice současně nanesou na výrobek 30. Jelikož však jakékoli neelektrolytické pokovování probíhá pomaleji než elektrolytické pokovování, jsou částice 10 opatřené povlakem elektrolyticky naneseny na tenkou vodivou vrstvu (níže popsanou technikou), jakmile se vytvoří tenká vodivá vrstva a tím se vytvoří žádaný povlak 28.

S odvoláním na obr. 11 se povlak 28 nanese na vodivý výrobek 30 (nebo nevodivý výrobek, jak výše popsáno, metalizovaný tenkou vodivou vrstvou) metodou elektrolytického nanášení na částice 10 již opatřené povlakem a na matricový materiál (jde o materiál, ze kterého se zhotovují povlaky 14 částic 10 opatřených povlakem ) na výrobek 30. Když se částice opatřené povlakem ( např. grafitové částice 12 opatřené povlakem z tenkého primárního povlaku 68 na styčné ploše vyrobené z chrómu nebo slitiny wolfram-kobalt, na který je nanesen povlak z mědi) nanesou na výrobek, matricový materiál se současně nanese okolo částic 10 opatřených povlakem a vyplní tak mezery mezi částicemi 10 opatřenými povlakem a vytvoří povlak 28.

S odvoláním na obr. 12 se podle alternativní elektrolytické metody nanášení matricový materiál a částice 12 ( které byly předem opatřeny primárním povlakem 68, jak je výše popsáno, jež však ještě nebyly potaženy matricovým materiálem ) nanesou na výrobek 30. Když se částice P2 nanášejí na výrobek 30, současně se na ně nanese matricový materiál a vytvoří se tak povlak 28. Např. jsou částice 12 vyrobeny z grafitu, matricovým materiálem je měď a materiálem pro primární povlak je kov jeho je chrom nebo slitina wolfram-kobalt.

Podle další alternativy provedení vynálezu se povlak 28 vytváří na výrobku 30 rozprašovánbn nebo nastříkáním částic 10 na výrobek 30. Povlak 28 se poté šmíruje a po zhotovení vykazuje zvolenou vnitřní vlastnost nebo vlastnosti.

Další provedení vynálezu

Všechna další provedení vynálezu spadají do rozsahu nároků. Např. existuje celá řada materiálů, ze kterých je možno částice 12 a povlak 14 (obr. 1) vytvořit. Částice 12 mohou být zhotoveny např. z wolframu, molybdenu, grafitu, karbidu křemíku, diamantu, niklu 42, KOVARu nebo z keramiky a jejich povlak pak může být zhotoven např. z mědi nebo hliníku.

Povlak může být buď nekovový (např. oxidový povlak , ze skla, z keramiky, z pryskyřice, z polymeru nebo jiného organického materiálu jako je silikon ) za předpokladu, že materiál povlaku je schopen tavení, aby se tak mohlo vytvořit spojení mezi částicemi a dále tehdy, když se materiál, ze kterého jsou částice vytvořeny, taví při nižší teplotě než je teplota, při které se částice opatřené povlakem nanášejí, aby se tak vytvořil nekovový povlak spojený tavením. Částice mohou být opatřeny nekovovým povlakem tím způsobem, že se nejprve vloží do nekovového materiálu v kašovitém stavu a poté se z této kašovité hmoty vyjmou, aby měly zvolený objemový podíl povlaku k materiálu částice. Částice opatřené povlakem pak jsou zpevněny a / nebo žíhány, takže povlaky zeskelní nebo se navzájem staví.

Grafit a diamant jsou vhodné materiály, ze kterých lze vytvořit částice 12, když výrobek nebo povlak, který je vytvářen, musí vykazovat nízký koeficient tepelné roztažnosti a vysokou tepelnou vodivost, jelikož tyto materiály nejen že mají nízký koeficient tepelné roztažnosti (jako je wolfram a molybden), ale přitom také relativně vysokou tepelnou vodivost (nikoli jako wolfram a molybden ) . V důsledku toho mají tyto materiály výhodu v tom, že nemají nežádoucí vedlejší účinky spočívající v redukci tepelné vodivosti částic opatřených povlakem a výrobků a částic zhotovených z částic opatřených povlakem.

Když mají výrobek nebo částice, jež se zhotovují, vykazovat koeficient tepelné roztažnosti vhodný pro silikonové polovodičové zařízení nebo integrovaný obvod, ke kterému jsou připojeny ( silikon vykazuje koeficient tepelné roztažnosti -4 přibližně 4.2 ppm K ), výrobek nebo povlak zahrnuje např.

• · • · 9 9 • · · · 1 · · • · · 9 · ·

9··· 99 * · · · diamantové částice opatřené povlakem z mědi o objemovém podílu mědi k diamantu přibližně 20% k 80% nebo grafitové částice s povlakem z mědi o objemovém podílu mědi k grafitu přibližně 24% k 76%.

Je možné zkonstruovat řadu vnitřních vlastností jiných než je tepelná vodivost nebo koeficient tepelné roztažností. Např. elektrická vodivost výrobku může být zkonstruována v kombinaci s jinými vnitřním vlastnostmi. Podle jednoho vytvoření vynálezu výběr mezi užitím grafitových částic ( které jsou elektricky vodivé ) a diamantovými částicemi (jež jsou elektrickými izolátory) je založen na žádané elektrické vodivosti výrobku.

S odvoláním na obr. 2 částice 10 nemusí být vždy jen částicemi výhradně opatřenými povlakem. Jako alternativa se směs částic opatřených povlakem kombinovaná s dalšími částicemi (např. částice zhotovené z wolframu opatřené mědí lze kombinovat s měděnými částicemi) důkladně promíchá a poté stlačí, aby se vytvořil výrobek 22 s vnitřními vlastnostmi, jež jsou funkcí objemových podílů všech materiálů obsažených ve směsi a tedy výrobek 22 vykazuje vnitřní vlastnosti izotropicky. Další alternativa spočívá v tom, že částice opatřené povlakem jsou také kombinovány s materiály, jež vykazují jednu nebo více vnitřních vlastnostní anizotropicky. Např. jsou částice opatřené povlakem jsou smíchány s krystalickým materiálem, jejichž vlastnosti se od sebe odlišují v různých směrech, při čemž jsou krystalické materiály smíchány s částicemi opatřenými povlakem tak, že krystalické materiály mají tendenci se orientovat společným směrem. Další příklad spočívá v tom, že částice opatřené povlakem jsou smíchány s uhlíkovými vlákny a tato vlákna pak mají tendenci se • · • · • · • · · » · ·

9 · C · · • 9 9 9 9 9

99 99 99 9 9

9 · • 9 99 orientovat společným směrem. Uhlíková vlákna zajišťují pevnost v tahu, která se mění spolu se směrem vláken.

Alternativní techniky zhotovování výrobků z částic opatřených povlakem spočívají v injekčním vstřikování, izostatickém lisování za horka ( „hipping“ ) , v izostatickém lisováním za studená ( „cipping“ ), izostatickém kování za horka nebo za studená, v lisování mezi válci za horka nebo za studená (jež „zhustí“ zpevněné částice opatřené povlakem) a v lití pod tlakem.

Jestliže částice 22 opatřené povlakem jsou zpevněny na hustotu rovnající se přibližně „ úplné hustotě“ (t.j. hustota, při které zpevněné částice opatřené povlakem mají „úroveň 2“ nebo „úroveň 3“ nebo vykazují „nepropojenou“ porositu, tedy porositu, při které se nevytvářejí mezi sebou propojené průchody z jedné strany výrobku na jeho druhou stranu ), při čemž postup sintrování zvyšuje hustotu nebo mění tvar výrobku. Hustota výrobku a tedy i konečné rozměry výrobku, mohou být opatrně regulovány při stlačení. Je zejména vhodné stlačit na úplnou hustotu výrobek tehdy, když částice obsahují určité nekovy jako je grafit, jelikož např. grafitové částice opatřené povlakem mohou být stlačeny na úplnou hustotu pri relativně nízkém tlaku od 60 do 80 tun na čtverečný palec, Jestliže jsou částice vytvořeny z kovu nebo kovové slitiny ( ať jsou již částice opatřeny povlakem z kovu nebo nejsou vůbec opatřeny povlakem), potřebné tlaky se pohybují přibližně od 80 do 200 tun na čtverečný palec v případě, že se požaduje stlačit částice na úplnou hustotu.

S odvoláním na obr. 6, na kterém je znázorněn zápustkový lis 16 včetně tmu 18 a formy 20, kteiý se užívá ke zpevnění • · • · • ·

4 4 • 44 dvou různých vrstev 24 a 26 částic stlačením tak, že se vytvoří výrobek 25 s vnitřními vlastnostmi, jež se mění od vrstvy k vrstvě. Vrstvy 24 a 26 sestávají z částic složených z odlišných materiálů nebo vykazujících rozdílný objemový podíl materiálů, ze kterých jsou částice vytvořeny. Částice nejsou nutně opatřeny povlakem. Částice se vloží do formy 20 s vrstvami 24 a 26, stlačí se na zvolenou hustotu za účelem získání vnitřních vlastností závislých na teplotě ( např. tepelná vodivost a koeficient tepelné řoztažnosti), jak bylo pojednáno v souvislosti s obr. 5 a sintruje se ve vodíkové atmosféře asi půl hodiny. Sintrování způsobuje, že částice vrstev 24 a 26 vytvoří na rozhraní mezi dvěma vrstvami spojení a tedy i zcela jednolitý, povlakem opatřený výrobek.

Např. vrstva 24 obsahuje částice z wolframu opatřené mědí s objemovým podílem mědi k wolframu 27 % na 73 % a vrstva 26 zahrnuje částice z elementární mědi. Vrstva 24 po stlačení vykazuje tepelnou vodivost přibližně 225.2 W m^K^ a koeficient tepelné řoztažnosti přibližně 8.28 ppmK, Vrstva 26 po stlačení vykazuje tepelnou vodivost přibližně 390 W m K' a koeficient tepelné řoztažnosti je přibližně 18.04 ppm kí Výrobek 25 opatřený vrstvami je uspořádán přímo mezi dvěma předměty vykazujícími rozdílné koeficienty tepelné řoztažnosti, které se velmi přizpůsobují koeficientům tepelné řoztažnosti vrstev 24 a 26. Např. vrstva 24 je napojena na berylliovou keramiku a vrstva 26 je difusně spojena s mědí vykazující pokles tepla.

Alternativně zahrnuje vrstva 24 diamant opatřený povlakem z mědi s objemovým podílem 20 % na 80% a vrstva 2§ sestává z grafitu opatřeného povlakem z mědi o objemovém podílu mědi k grafitu 24 % na 76 %. Po stlačení je silikonová lisovací forma * · ··· » «« · · · ♦ ·

0··«··· · · · • > · · ·· «» ·· ·· ·♦ připojena k té straně výrobku 25, která odpovídá vrstvě 26 a na druhé straně výrobku 25, která odpovídá vrstvě 24, je připojen substrát z nitridu hliníku. Vrstva 24 vykazuje tepelnou vodivost přibližně 78 W a koeficient tepelné roztažnosti přibližně

4.8 ppm K^( 25°C - 400°C ), který se v podstatě přizpůsobuje koeficientům tepelné roztažnosti substrátu z nitridu hliníku.

Vrstva 26 má tepelnou vodivost přibližně 379 W níTa

-/ koeficient tepelné roztažnosti je přibližně 4.3 ppm K ( 25°C až

400°C ), jenž se v podstatě přizpůsobuje koeficientu tepelné roztažnosti silikonové formy. Vrstva 24 je alternativně vytvořena tak, aby byla nanesena na substrát z oxidu berylhiatého, při čemž vrstva 24 má objemový podíl mědik

-yf diamantu 37 % na 63 %, tepelnou vodivost přibližně 698 W m K a koeficient tepelné roztažnosti přibližně 7.6 ppp IC ( 25°C 400°C ), jenž se v podstatě přizpůsobuje koeficientu tepelné roztažnosti substrátu z oxidu beryllnatého.

Vrstvou opatřený výrobek 25 je uspořádán mezi dvěma předměty s rozdílnými koeficienty tepelné roztažnosti. Hranice mezi různými koeficienty tepelné roztažnosti probíhá uvnitř vrstvami opatřeného výrobku 25 spíše než mezi jedním nebo více rozhraními vyskytujícími se mezi povrchy výrobku a dalšími zařízeními. Navíc zde nejde pouze o jednu hranici (probíhající mezi dvěma vrstvami uvnitř vrstvami opatřeného výrobku 25 ), kde dochází k nedokonalému přizpůsobení koeficientů tepehié roztažnosti spíše než k sérii takových hranic umístěných mezi sousedícími vrstvami navzájem si nepodobných výrobků. Jelikož spojení vytvořená mědí mezi částicemi jsou poddajná a tvárná, mají spojení z mědi tendenci absorbovat napětí způsobené tepelnou roztažnosti, v důsledku čehož pak • * · · · ·

4 4 4 4 • 4 4 4 4 ·

4 · 4 4 · • 4 · « 4 4

4444 4« «· ·* nedochází k natržení nebo štěpení v místech spojů mezi dvěma vrstvami. Navíc vzhledem k poddajnosti spojů a také vzhledem k tomu, že všechny spoje jsou vytvořeny z téhož materiálu (jde o spojení měd na měď ), mají spoje tendenci absorbovat napětí stejným způsobem a výrobek tedy nebude mít tendenci k prohýbání nebo zvlnění při velkých změnách teploty. Nedokonalé přizpůsobení vznikající v místě každé hranice je menší než je tomu u nedokonalého přizpůsobení, ke kterému dochází pouze u jediné hranice uvnitř vrstvami opatřeného výrobku 25.

Na obr. 7 je znázorněno hybridní elektronické pouzdro 72 se stranami 46 a základnou 48 a víkem 50, které se užívá jako kryt polovodičových integrovaných obvodů a jiných elektronických zařízení . Hybridní elektronická pouzdra jsou obvykle zhotovena ze slitiny nikl-železo známé jako KOVAR, jež vykazuje koeficient tepelné roztažnosti přibližně stejný jako u skleněných izolátorů používaných pro izolaci průchodů 44 z vodivého pouzdra KOVAR. Použití vynálezu pro výrobu hybridního pouzdra 72 je závislé na okolnosti, zda se použije obvyklé skleněné izolace k izolaci průchodů nebo zda jde o jmou izolaci.

Jestliže se použije skleněné izolace, pak je třeba vyrobit hybridní pouzdro s koeficientem tepehié roztažnosti, jenž se v podstatě přizpůsobuje analogickému koeficientu slitiny KOVAR, který má však tepelnou vodivost vyšší než slitina KOVAR. Např. hybridní pouzdro lze vyrobit z grafitových Částic opatřených povlakem ze železa o objemovém podílu železa ke grafitu 26 % na 74 % a s koeficientem tepelné roztažnosti přibližně 3.2 ppm K ( 25°C - 400°C ) v podstatě shodným s analogickým koeficientem roztažností slitiny KOV AR a tepelnou vodivostí přibližně 295 W m K*, která je daleko vyšší než tepelná vodivost slitiny KOVAR (přibližně 11 W m V).

Jestliže se skleněná izolace u průchodů 44 nahradí nízkotepelnou sklokeramikou , pak se hybridní pouzdro 72 vyrobí např. z grafitových částic opatřených povlakem z mědi s objemovým podílem mědi ke grafitu 39 % k 61 % . Tento objemový podíl zajišťuje tepelnou vodivost přibližně 379 W ní ida koeficient tepehié roztažností přibližně 6.9 ppm K ( 25°C 400°C ), což je zvoleno tak, aby se koeficient tepelné roztažností částic přizpůsobil analogickému koeficientu sklokeramiky použité pro izolaci průchodů 72.

Koeficient tepelné roztažností je vysoce uniformní uvnitř hybridního elektronického pouzdra 72. Jelikož základna 46 a strany 48 hybridního elektronického pouzdra 72 mohou být vyrobeny síťovou technikou jako jeden kus ( zatímco u pouzdra ze slitiny KOVAR jsou základna 46 a strany 48 zcela zřetelně opracovávány odděleně z kusů slitiny KOVAR ), pouzdro 72 lze zhotovit s vyloučením nákladů na opracování a sestavování základny 46 a stran 48 dohromady, víko 50 však musí být na strany 48 připevněno pájením na tvrdo až poté, když byla soustava integrovaných obvodů umístěna do pouzdra.

Na obr. 8 je znázorněno pouzdro pro elektronické zařízení 52 se soustavou integrovaných obvodů 54 namontovaných na nízkotepelném sklokeramickém substrátu 56 podepřeném kombinací strukturní, tepelné a základové roviny 58. Strukturní rovina 58 je zhotovena z grafitových částic opatřených povlakem jz mědi o objemovém podílu mědi ke grafitu 39 % k 61 % .

•··· φφ φ φ * φ φ · ·· * Φφφφ φ · * · φ · · φ φ φ φ φ * · « » · · φφφ φ φ

Λ « · φ Φ Φ · ΦΦΦ • φφφ Φ Φ Φ Φ ·* ·· · ·

Tento objemový podíl zajišťuje vysokou tepelnou vodivost přibližně 379 W m K , velkou pevnost v tahu a koeficient tepelné roztažnosti přibližně 6.9 ppm K^. ( 25°C - 400°C ), jenž se v podstatě přizpůsobuje koeficientu tepelné roztažnosti keramického substrátu 56. Koeficient tepelné roztažnosti je vysoce uniformní a izotropický uvnitř strukturní roviny 58. Grafitové částice opatřené povlakem z mědi, ze kterých je strukturní rovina vyrobena, jsou stlačeny na hustotu zvolenou tak, aby roztažnost strukturní roviny odpovídala v podstatě nelineární roztažnosti keramického substrátu 56. Poté se částice opatřené povlakem sintrují. „ Zelená forma “ keramického substrátu 56 (t.j. keramický substrát, který ještě nebyl zpracován ) je navrstvena na strukturní rovinu 58 a „zelená forma „ keramického substrátu se vypálí. Keramický substrát 56 má vypalovací teplotu nižší než je teplota, při které je strukturní rovina 58 v tuhém stavu sintrována. V důsledku toho se povlaky částic ve strukturní rovině netaví, když se keramický substrát namontovaný na strukturní rovině 58 vypálí. Předem šmírovaná strukturní rovina 58 je zárukou vysoké bezpečnosti při výrobě, neboť se na ni mohou nanášet tenké, rozbitelné vrstvy keramiky a / nebo skla během celého postupu výroby, aniž dojde ke zlomu.

Na obr. 9 je znázorněn vysoce výkonný polovodičový kompresní modul 60, který zahrnuje silikonové polovodičové zařízení 62, např. silikonový spínač přibližně o velikosti půldolaru nebo stříbrného dolaru s koeficientem tepelné roztažnosti asi

4. 3 ppm K . Polovodičové zařízení 62 má kompresní styčnou plochu přibližně 5000 liber se zařízením pro rozšiřování tepla 64 Vyrobeným z grafitových částic opatřených povlakem z mědi podle vynálezu. Polovodičové zařízení 62 má odrazový povrch ♦ · · * · · ♦ · * » » * • · · < » • « · · * » • · « · · »·· · «4 ·· · 99 • 9 9 9 • · ·· z molybdenu o nízkém koeficientu tepelné roztažnosti v blízkosti zařízení pro rozšiřování tepla 66 z hliníku (jež není zhotoveno z částic). Zařízení pro rozšiřování tepla 64 s objemovým podílem mědi k grafitu 24 % k 76 0% je zvoleno tak, aby mělo vysokou -4 -4 tepelnou vodivost 379 W m K a koeficient tepelné roztažnosti

4.3 ppm íd ( 24°C - 400°C ) , který se v podstatě přizpůsobuje koeficientu tepehié roztažnosti polovodičového zařízení 62, při čemž koeficient tepehié roztažnosti je vysoce uniformní uvnitř zařízení pro rozšiřování tepla 64. Nastavení koeficientu tepelné roztažnosti zařízení pro rozšiřování tepla 64 prodlužuje životnost polovodičového zařízení 62 tím, že zabraňuje poškození polovodičového zařízení 62, jež by mohlo vést ke zkratu.

Bylo popsáno nové a zdokonalené zařízení a technika pro zkonstruování vnitřních vlastností výrobků zhotovených zpevněním částic. Je zřejmé, že odborník v dané oblasti by mohl aplikovat mnohá užití a modifikace na základě speciehiích uspořádání popsaných výše, aniž by uplatnil jakýkoli vynálezecký výkon. Principy vynálezu lze aplikovat v jiných oblastech jako např. u palných zbraní a výzbroje vůbec, aby se zajistil stejný koeficient tepelné roztažnosti u pouzder nábojů a projektilů, který se vyskytuje u hlavní, ze kterých se střílí a které mohou být vyloženy keramickým materiálem. Vynález se tedy vztahuje na každý nový znak a kombinaci nových znaků obsažených v zařízení a technikách zde popsaných a omezených pouze rozsahem připojených nároků.

Claims (34)

1. Patentové nároky

   1. Způsob předání částicím, které vykazují první hodnotu vnitřní vlastnosti a které se mají pokrýt povlakem, žádanou hodnotu vnitřní vlastnosti, jež se liší od první hodnoty sestávající

   - ze zhotovení částic ve stavu, kdy jsou od sebe odděleny,

   - z opatření materiálu pro vytvoření povlaku, při čemž materiál vykazuje druhou hodnotu vnitřní vlastnosti, která se liší od první hodnoty, takže když je materiál aplikován jako povlak na částice, hodnota vnitřní vlastnosti částic opatřených povlakem bude společnou funkcí první hodnoty a druhé hodnoty podle poměru objemu povlaku k objemu částic,

   - z určení poměru objemu povlaku k objemu každé částice, která vede k tomu, že hodnota vnitřní vlastnosti každé částice opatřené povlakem se rovná žádané hodnotě a

   - z nanesení povlaku na každou z částic v přibližně určeném objemu tak, že částice nejsou mezi sebou spojeny, když se povlak začíná nanášet.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že druhý materiál obsahuje měď.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že druhý materiál obsahuje hliník.
4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje wolfram.
5. 5. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje molybden.
6. 6. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje grafit.

   •4 4444

   44 4444
7. 7. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje karbid křemíku.
8. 8. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje diamant.
9. 9. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje nikl 42.
10. 10. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje KOVAR.
11. 11. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že první materiál obsahuje keramiku.
12. 12. Výrobek obsahující množství částic, z nichž alespoň některé obsahují první materiál o první hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti, s plochou, na níž je vytvořen povlak obsahující druhý materiál o druhé hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti lišící se od první hodnoty, při čemž objem povlaku jev poměru k objemu částic zpevněných za účelem spojení navzájem, vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti a první materiál, druhý materiál a objem povlaku k objemu částice je takový, že výrobek vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti, jež je společnou funkcí první a druhé hodnoty v poměru objemu povlaku k objemu částic.
13. 13. Výrobek podle nároku 12, vyznačený tím, že částice jsou sintrovány za tuhého stavu navzájem a povlak obsahuje druhý materiál vytvářející spoje mezi přilehlými částicemi.
14. 14. Výrobek podle nároku 12, vyznačený tím, že zvolená vnitřní vlastnost je hustota.
15. 15. Výrobek podle nároku 14, vyznačený tím, že zvolená vnitřní vlastnost je hustota vykazující chování jako funkci teploty.

    • · ·»··
16. 16. Výrobek podle nároku 12, vyznačený tím, že částice jsou stlačeny na hustotu a do tvaru a spojením navzájem vytvářejí výrobek, aniž se zvýší hustota stlačených částic a podstatně se změní tvar výrobku.
17. 17. Výrobek podle nároku 16, vyznačený tím, že zvolením hustoty se výrobek zkonstruuje tak, že vykazuje třetí hodnotu nejméně jedné vnitřní vlastnosti.
18. 18. Výrobek podle nároku 16, vyznačený tím, že hustota stlačených částic se pohybuje na úrovni úplné hustoty nebo nad ní.
19. 19. Výrobek podle nároku 12, vyznačený tím, že třetí hodnota alespoň jedné vnitřní vlastnosti vykazované výrobkem je koeficient tepelné roztažnosti výrobku, který se v podstatě přizpůsobuje koeficientu tepelné roztažnosti předmětu, ke kterému má být připojen.
20. 20. Výrobek podle nároku 19, vyznačený tím, že výrobek zahrnuje strukturní rovinu vytvořenou pro podepření substrátu, na němž je namontován alespoň jeden obvod a koeficient tepelné roztažnosti výrobku se v podstatě přizpůsobuje koeficientu tepelné roztažnosti substrátu a výrobek je vysoce tepelně vodivý.
21. 21. Výrobek podle nároku 19, vyznačený tím, že výrobek zahrnuje pouzdro určené pro obal souboru integrovaných obvodů a koeficient tepelné roztažnosti výrobku se v podstatě přizpůsobuje koeficientu tepelné roztažnosti materiálu užitého pro utěsnění průchodů v pouzdru a výrobek je vysoce tepelně vodivý.
22. 22. Výrobek podle nároku 19, vyznačený tím, že výrobek zahrnuje zařízení pro rozšiřování tepla sousedící kompresně styčnou plochou s polovodičovým zařízením a koeficient tepelné roztažnosti výrobku se v podstatě přizpůsobuje koeficientu •9 99*9

    99 9999 tepelné roztažností polovodičového zařízení a výrobek je vysoce tepelně vodivý.
23. 23. Výrobek podle nároku 19, vyznačený tím, že výrobek vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti a objem druhého materiálu ve výrobku je v poměru k objemu prvního materiálu ve výrobku a první materiál, druhý materiál a objem matricového materiálu k objemu částice jsou zvoleny tak, že výrobek vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti.
24. 24. Částice opatřená povlakem obsahující

    -jemné jádro částice z prvního materiálu o první hodnotě nejméně jedné vnitřní vlastnosti a

    - povlak z druhého materiálu na povrchu jádra částice, jenž vykazuje druhou hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti a druhá hodnota se liší od první hodnoty, při čemž objem povlaku je v poměru k objemu jádra částice a

    - částice opatřená povlakem vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti a první a druhý materiál a objem povlaku v poměru k objemu jádra částice jsou zvoleny tak, že částice opatřená povlakem vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti, při čemž třetí hodnota alespoň jedné vnitřní vlastnosti je společnou funkcí první a druhé hodnoty a objemu a liší se od první a druhé hodnoty.
25. 25. Částice opatřená povlakem podle nároku 24, vyznačená tím, že druhý materiál obsahuje kov nebo kovovou slitinu.
26. 26. Částice opatřená povlakem podle nároku 24, vyznačená tím, že druhý materiál obsahuje nekov, jenž stavením vytvoří spoje a ani druhý materiál, ani první materiál se netaví na teplotě •0 ·»00

    00 0000 • 0 « • · ·

    0 0·

    0 0 0

    0· 4 nižší než je teplota, pri které se vypaluje částice opatřená povlakem za účelem stavení druhého materiálu.
27. 27. Částice opatřená povlakem podle nároku 24, vyznačená tím, že první materiál obsahuje kov nebo kovovou slitinu.
28. 28. Částice opatřená povlakem podle nároku 24, vyznačená tím, že první materiál obsahuje nikl 42 ( sloučenina o 42 at.% Ni a 58 at.% Fe).
29. 29. Způsob zhotovení výrobku sestávající

    - ze zhotovení množství částic z prvního materiálu s první hodnotou alespoň jedné vnitřní vlastnosti,

    - z vytvoření povlaku z druhého materiálu s druhou hodnotou alespoň jedné vnitřní vlastnosti lišící se od první hodnoty na povrchu částic, přičemž je objem povlaku v poměru k objemu částic,

    - ze zpevnění množství částic včetně částic opatřených povlakem tak, aby se částice navzájem spojily, při čemž jemné vrstvy povlaků na částicích se uchovají a druhý materiál a první materiál se v podstatě nesmísí a nevytvoří slitinu a výrobek vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti,

    - z volby prvního materiálu, druhého materiálu a poměru objemu povlaku k objemu částic tak, že výrobek vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti, která je společnou funkcí první a druhé hodnoty,

    - takže poměr objemu povlaku je ve vztahu k objemu částic.
30. 30. Způsob podle nároku 29, vyznačený tím, že se výrobek připojí k předmětu a alespoň jednou vnitřní vlastností je koeficient tepelné roztažností a výrobek je zkonstruován tak, aby vykazoval

    Φ Φ φφφφ φφ φφφφ φφ φφ φ φ φ φφ · φφφφ φφφ φφφ φφφφ φφφ φφφ φφφφφφ φφφ φφφφ φφφφ • Φ φ φφ φφ φφ φφ koeficient tepelné roztažnosti v podstatě se přizpůsobující koeficientu tepelné roztažnosti předmětu, ke kterému je připojen.
31. 31. Způsob podle nároku 30, vyznačený tím, že výrobek zahrnuje pouzdro určené pro obal souboru integrovaných obvodů a koeficient tepelné roztažnosti je zvolen tak, aby se v podstatě přizpůsobil koeficientu tepelné roztažnosti materiálu použitého pro utěsnění průchodů umístěných v pouzdru a výrobek je zkonstruován tak, aby vykazoval vysokou tepelnou vodivost.
32. 32. Způsob podle nároku 30, vyznačený tím, že výrobek zahrnuje zařízení pro šíření tepla sousedící kompresně styčnou plochou s polovodičovým zařízením, že výrobek je zkonstruován tak, aby vykazoval vysokou tepelnou vodivost a že způsob dále zahrnuje zařízení pro šíření tepla s kompresně styčnou plochou a polovodičové zařízení.
33. 33. Způsob zhotovení výrobku sestávající

    - ze zhotovení množství částic z prvního materiálu o první hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti,

    - z vytvoření povlaku z druhého materiálu s druhou hodnotou alespoň jedné vnitřní vlastnosti na povrchu částic

    - ze zpevnění částic opatřených povlakem tak, že částice se navzájem spojí ve výrobek se zvolenou hustotou a jemné vrstvy povlaků na částicích se udrží, takže druhý a první materiál se nesmísí nebo nevytvoří slitinu a

    - z volby prvního a druhého materiálu tak, že výrobek vykazuje třetí hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti a z volby hustoty pro regulaci vnitřní vlastnosti jako funkci teploty.
34. 34. Způsob zhotovení výrobku pro spojem prvního předmětu o první hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti ke

    99 9999 druhému předmětu o druhé hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti sestávající

    - ze zhotovení prvního množství částic opatřených povlakem obsahujících alespoň jeden první materiál o primární hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti, na nichž je upraven povlak se sekundární hodnotou alespoň jedné vnitřní vlastnosti a materiál užitý pro povlak je v určitém objemovém poměru k objemu prvních částic tak, že první částice opatřené povlakem mají hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti, jež se rovná první hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti a ze zhotovení druhého množství částic obsahujících alespoň jeden druhý materiál s primární hodnotou alespoň jedné vnitřní vlastnosti a materiál užitý pro povlak vykazuje sekundární hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti a je v určitém objemovém pornem k objemu druhých částic, takže druhá částice opatřená povlakem má hodnotu alespoň jedné vnitřní vlastnosti, jež se rovná druhé hodnotě alespoň jedné z druhé vnitřní vlastnosti,

    - ze zpevnění prvního množství prvních částic opatřených povlakem a druhého množství druhých částic opatřených povlakem tak, že se první množství částic spojí navzájem a vytvoří první část výrobku o hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti, jež se rovná první hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti, ze zpevnění druhého množství druhých částic opatřených povlakem tak, že se druhé množství částic navzájem spojí a vytvoří druhou část výrobku o hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti, jež se rovná druhé hodnotě alespoň jedné vnitřní vlastnosti a částice v první části výrobku se spojí s částicemi v

    44 4444 • · · • · ·

    9 · · · • · ·

    44 4

    44 44·*

    4 · 4

    4 4 4

    4 4 4

    4 4 4 4 »4 «4

    4« 44

    4 4 4 4

    4 4 4 4

    4 4 4 4 4

    4 4 4 4

    4* 44 druhé části výrobku podél styčné plochy mezi první a druhou částí výrobku.

    WO 97/04884

    48-18 * ··*· ·· ··

    Obr. 4

    Obr. 6

    WO 97/04884

    .....,P«WS9S4ft957J.

    ftftftft ftft · * · · · • · · · · · ftftftft • · · · » ft ftft ftftftft · • ftft ftftftft ft · ft ftftftft ftft ftft ftft ftft ftft

    2/3

    Tepelná roztašnost heterogenní slitiny 85W-15Cu ( hmo s hustotami 80%·, 95% a 100% a tepelná roztažnost oxid beryllnatého ahlinitéhn A-47?