DE102004012232B4

DE102004012232B4 - Verfahren zum Herstellen von Plattenstapeln, insbesondere zum Herstellen von aus wenigstens einem Plattenstapel bestehenden Kühlern

Info

Publication number: DE102004012232B4
Application number: DE102004012232A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Schulz-Harder
Original assignee: Electrovac AG
Current assignee: Curamik Electronics GmbH
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: DE502005006570D1; DE102004012232A1; ATE422106T1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Plattenstapeln, insbesondere zum Herstellen von aus wenigstens einem Plattenstapel bestehenden Kühlern (6, 6a) zum Kühlen von elektrischen und/oder opto-elektrischen Bauteilen, wobei das Verfahren zumindest folgende Prozess-Schritte aufweist:
Herstellen von Platten (1–5) aus Metall oder Metallfolien, insbesondere Kupfer oder Kupferfolien,
Stapeln der Platten zu einem Plattenstapel,
Verbinden oder Fügen der Platten (1–5) unter Temperatureinwirkung bei einer Fügetemperatur (TF) und bei atmosphärischem Druck oder im Vakuum,
Abkühlen des von den verbundenen Platten gebildeten Plattenstapels auf eine Temperatur kleiner als die Fügetemperatur (TF) und
HIP-Nachbehandeln des Plattenstapels in einer Schutzgasatmosphäre bei einem Schutzgasdruck (PB) im Bereich zwischen 200 und 2000 bar und bei einer Nachbehandlungstemperatur (TB), die kleiner ist als die Fügetemperatur (TF).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Plattenstapeln insbesondere zum Herstellen von aus wenigstens einem Plattenstapel bestehenden Wärmesenken, insbesondere Kühlern, gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Speziell zum Kühlen von elektrischen Bauteilen oder Modulen, insbesondere auch solchen mit hoher Leistung, sind bereits Wärmesenken oder Kühler, auch Mikrokühler bekannt, die aus miteinander zu einem Stapel verbundenen dünnen Platten aus Metall (Metallfolie) bestehen und von denen die im Stapel innen liegenden Platten derart strukturiert, d.h. mit Öffnungen oder Durchbrüchen versehen sind, dass sich im Inneren des Plattenstapels bzw. Kühlers Kühlkanäle oder Strömungswege für ein Kühlmedium bilden ( DE 197 10 783 ). Zum flächigen Verbinden der Platten sind diese an ihren Fügeflächen, d.h. an ihren Oberflächenseiten mit einem Fügemittel versehen. Für das Fügen bzw. Verbinden werden die Platten dann zu dem Plattenstapel übereinander gestapelt und anschließend auf eine entsprechende Prozeßtemperatur erhitzt, bei der unter Verwendung des Fügemittels an den Fügeflächen ein schmelzflüssiger Metallbereich (Verbindungs- oder Schmelzschicht) erzeugt wird, so daß nach dem Abkühlen die Platten zu dem Plattenstapel miteinander verbunden sind.
Nachteilig bei bekannten Verfahren ist, dass insbesondere am Übergang zwischen Platten des Plattenstapels Mikrolunker verbleiben, die eine Korrosion begünstigen und dadurch zu Undichtigkeiten bei Kühlern, Heat-Pipes usw. führen können.

Bekannt sind auch Verfahren zum Löten von metallischen mikrostrukturierten Blechen ( DE 198 01 374 C1 ). Bei diesem Verfahren wird ein Stapel aus den metallischen Blechen und aus Lotschichten gebildet, wobei jeweils eine Lotschicht zwischen zwei Blechen vorgesehen ist. Anschließend erfolgt das Verlöten des Stapels im Vakuum oder in einer Inertatmosphäre unter Wärmeinwirkung.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines plattenförmigen Wärmetauschers ( EP 1 094 291 A2 ). Bei diesem Verfahren wird aus mehreren, wärmeübertragenden profilierten Platten ein Stapel gebildet, und zwar derart, dass die Platten mit Anlagebereichen gegeneinander anliegen. Durch ein zwischen diesen Anlagebereichen vorgesehenes Lot werden die Platten zu dem plattenförmigen Wärmetauscher miteinander verbunden, und zwar derart, dass innerhalb des Plattenstapels Strömungskanäle für jeweils ein Wärme übertragendes Medium gebildet sind. Die Platten sind auch mit Öffnungen versehen, die zum Zuführen und Abführen des jeweiligen wärmetransportierenden Mediums aus den Strömungskanälen dienen.

Bekannt ist weiterhin eine Vorrichtung für die Behandlung von Flüssigkeiten, beispielsweise zum Verdampfen von Benzin ( US 6,490,812 B1 ), bei der die zu behandelnde Flüssigkeit einen Wärmetauscher durchströmt, der aus einer Vielzahl von Platten besteht, die zu einem Plattenstapel miteinander verbunden und so strukturiert sind, dass sich innerhalb des Plattenstapels ein Strömungskanal für die zu behandelnde Flüssigkeit ergibt. Das Verbinden der Platten erfolgt beispielsweise durch Diffusionsbonden bei hoher Temperatur und unter hohem Druck.

Bekannt ist weiterhin auch das sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) zum Bonden von Kupferblechen oder -platten, die eine Oberflächenschicht aus einer chemischen Verbindung aus ihrem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen ( US-PS 37 44 120 , DE-PS 23 19 854). Diese Oberflächenschicht bildet eine Aufschmelzschicht mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers, so daß das Bonden durch Erhitzen und Aufschmelzen des Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht erfolgen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches diese Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren an weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter perspektivischer Explosionsdarstellung fünf Platten oder Schichten aus Metall eines Kühlers zum Kühlen von elektrischen Bauelementen, insbesondere zum Kühlen von Laserdioden oder Laserdiodenbarren;
2 in vereinfachter Darstellung einen Teilschnitt durch die aus den Platten der 1 hergestellte Wärmesenke;
3 in vereinfachter schematischer Darstellung eine die Wärmesenke nach dem Verbinden der Platte für eine HIP-Nachbehandlung durch heisses isostatisches Pressen (HIP) aufnehmende Kammer;
4–6 Teilschnitte durch die Platten oder Schichten aus Metall eines Kühlers.
In den Figuren sind 1–5 jeweils plattenförmige Elemente oder Platten aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, die flächig miteinander zu einem Plattenstapel verbunden eine Wärmesenke 6, insbesondere einen Kühler zum Kühlen eines nicht dargestellten elektrischen Bauelementes, beispielsweise eines Laserdiodenbarrens, bilden, der eine Vielzahl von Laserlicht imitierenden Dioden aufweist. Die Platten 1–5 sind bei der dargestellten Ausführungsform rechteckförmige Zuschnitte gleicher Größe aus einer Metallfolie, insbesondere Kupferfolie.
Zur Bildung einer Kühlerstruktur sowie zur Bildung von Kanälen zum Zu- und Abführen eines beispielsweise flüssigen Kühlmediums sind die Platten 2–5 strukturiert, d.h. mit entsprechenden Durchbrüchen oder Öffnungen 2.1, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 und 5.1, 5.2 versehen.
Unter Verwendung eines geeigneten Fügemittels, welches in den Figuren allgemein mit 7 bezeichnet ist, sowie unter Verwendung eines auf dieses Fügemittel abgestimmten Fügeverfahrens werden die zu einem Stapel übereinander angeordneten Platten unter Einwirkung von Hitze bei einer Fügetemperatur an ihren einander zugewandten Oberflächenseiten flächig miteinander verbunden, sodass dann die Öffnungen 5.1 und 5.2, die Anschlüsse zum Zu- und Abführen des Kühlmediums sowie die übrigen Öffnungen 2.1, 3.1, 3.2 einen internen, nach Außen hin abgeschlossenen Strömungskanal für das Kühlmedium bilden. Das Strukturieren der Platten 1–5 erfolgt vor dem Verbinden dieser Platten durch geeignete Techniken, beispielsweise durch Ätzen oder Stanzen.
Als Fügeverfahren eignen sich grundsätzlich alle bekannten Verfahren, die zum Verbinden der Platten 1–5 aus Metall und insbesondere auch für die Herstellung von aus Plattenstapeln bestehenden Wärmesenken, insbesondere Kühlern, verwendet werden. Einzelne, derartige Verfahren werden nachstehend noch näher beschrieben. Es handelt sich bei diesen Verfahren grundsätzlich um solche, bei denen das Fügen bzw. Verbinden der Platten 1–5 bei einer erhöhten Temperatur (z.B. höher als 650 °C) erfolgt, und zwar durch eine Lötverbindung auch im weitesten Sinne, d.h. durch Aufschmelzen einer metallischen Verbindungsschicht bzw. des Fügemittels 7 und anschließendes Abkühlen oder aber durch Diffusions-Schweißen.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist unter anderem, dass sich im Bereich der Verbindung zwischen zwei benachbarten Platten 1–5 Ausnehmungen oder Hohlräume, d.h. sogenannte Mikrolunker 8 bilden, die teilweise geschlossen, teilweise aber auch zu den von den Öffnungen oder Durchbrüchen gebildeten Strömungskanälen hin offen sind. Diese Lunker 8 haben insbesondere den Nachteil, dass sie zu einer erhöhten Korrosion führen und es insbesondere auch bei einer Vielzahl derartiger Lunker 8 zu einer Durchkorrosion des jeweiligen Kühlers 6 im Bereich der Verbindung zwischen zwei Platten 1–5 und damit u.a. zu einem Undichtwerden des im Kühler ausgebildeten Strömungskanals kommen kann.
Um dies zu vermeiden, wird entsprechend der Erfindung der Kühler 6 nach seiner Herstellung, d.h. nach dem Verbinden oder Fügen der Platten 5 in einer Kammer 9 einer HIP-Nachbehandlung unterzogen (3), und zwar in einer Schutzgasatmosphäre bei hoher Nachbehandlungstemperatur TB unterhalb der Fügetemperatur TF und bei hohem Gasdruck PB im Bereich zwischen 200 und 2000 bar, wobei der Gasdruck bei dieser HIP-Nachbehandlung vorzugsweise wenigstens 900 bar beträgt. Durch diese, auch als heißes isostatisches Pressen (HIP) bezeichnete HIP-Nachbehandlung erfolgt ein Zusammendrücken der vorhandenen Mikrolunker 8 und ein nachträgliches Verbinden der Platten 1–5 im Bereich der bis dahin vorhandenen Mikrolunker 8 durch Diffusions-Schweißen, sodass nach Abschluss der HIP-Nachbehandlung die Verbindung zwischen den Platten 1–5 weitestgehend lunkerfrei ist und dadurch die vorgenannten Korrosionsprobleme verhindert sind.
Als Schutzgas eignet sich z.B. Stickstoff, Argon oder andere Inert- oder Edelgase oder aber Mischungen hiervon, wobei der Sauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre in Abhängigkeit von der Temperatur TB der HIP-Nachbehandlung sowie auch in Abhängigkeit von dem für die Platten 1–5 verwendeten Metall derart eingestellt ist, dass keine oder keine nennenswerte und damit störende Oxidation des Metalls der Platten 1–5 eintritt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre maximal 300 % des Gleichgewichtssauerstoffpartialdrucks des des Systems Metall-Sauerstoff bei der jeweiligen Nachbehandlungstemperatur TB. Bei Verwendung von Platten aus Kupfer ergibt sich demnach ein Sauerstoffanteil bzw. Sauerstoffpartialdruck in Abhängigkeit von der Temperatur entsprechend der nachstehenden Tabelle:
Bei der HIP-Nachbehandlung ist es also erforderlich, eine Oxidation oder andere Reaktion des Materials des Kühlers mit dem Druckgas zu vermeiden. In Systemen, in denen als Material für die Platten 1–5 und/oder für das Fügemittel 7 Kupfer, Kupfer in Verbindung mit Sauerstoff, Silber oder Gold verwendet ist, eignet sich als Druckgas bzw. Inertgas, Stickstoff. In anderen Systemen, in denen z.B. Eisen und/oder Aluminium verwendet ist, ist allerdings Stickstoff als Druckgas wegen der Nitridbildung nicht geeignet. Als Schutzgas wird dann Argon eingesetzt. Ebenso wie Stickstoff oder Argon enthalten auch andere, als Druckgas verwendbare technische Gase stets Sauerstoff in geringen Mengen. Um bei der HIP-Nachbehandlung eine Oxidation oder andere Reaktion mit dem Kühler 6 zu vermeiden, ist bei den in der Tabelle angegebenen Werten darauf geachtet, dass der Gehalt an Sauerstoff nicht zu weit über dem Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck des Systems Metall-Sauerstoff liegt. Allerdings ist ein Sauerstoffgehalt, der einer Überschreitung des Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruckes zwischen 200 und 300 % entspricht, noch zulässig, da insbesondere auch bei einer nicht all zu hohen Nachbehandlungstemperatur TB die Reaktion des für den Kühler 6 verwendeten Metalls mit Sauerstoff, d.h. die Oxidbildung genetisch gehemmt ist und außerdem eine geringfügige Oxidschicht in der Regel nicht störend ist. Bei Öfen mit Graphit besteht dieses Problem ohnehin nicht.
Die Nachbehandlungstemperatur TB ist so eingestellt, dass bei der HIP-Nachbehandlung die Fügeverbindung zwischen den Platten 1–5 erhalten bleibt, d.h. die Nachbehandlungstemperatur TB ist möglichst hoch gewählt, um das vorgenannte Diffusions-Schweißen zum Entfernen der Mikrolunker 8 zu erreichen, liegt aber unterhalb der Temperatur TF bei der nach dem Fügen das gesamte Fügemittel 7, d.h. das gesamte, beim Fügen der Platten 1–5 zwischen diesen Platten das Fügemittel 7 bildende metallische System und damit sämtliche Bestandteile dieses Systems gerade in den festen Zustand übergegangen sind, d.h. die Solidus-Temperatur des Fügemittelsystems erreicht ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Nachbehandlungstemperatur TB etwa 50 bis 99% der Temperatur TF in °K.
Für die HIP-Nachbehandlung des Kühlers 6 wird dieser nach dem Fügen und Abkühlen beispielsweise auf eine Temperatur, die ein bequemes Handling des Kühlers 6 ermöglichst, in die Kammer 9 eingebracht und in dieser Kammer dann durch erneutes Erhitzen auf die Nachbehandlungstemperatur TB gebracht und auf bei dem Nachbehandlungsdruck PB in der Kammer 9 über eine Nachbehandlungszeit beispielsweise zwischen 15 und 45 Minuten gehalten.
Grundsätzlich besteht aber bei einer entsprechenden Ausbildung der für die Produktion verwendeten Einrichtungen auch die Möglichkeit, die HIP-Nachbehandlung unmittelbar nach dem Fügen vorzunehmen, und zwar sobald die Temperatur des hergestellten Kühlers 6 die Nachbehandlungstemperatur TB erreicht hat.
Wie oben ausgeführt, sind verschiedene Fügeverfahren bzw. Techniken und diesem Verfahren entsprechende Fügemittel 7 zur Herstellung des Kühlers 6 denkbar. Hierbei ist es möglich, die einzelnen Platten 1–5 vor dem Verbinden oder Fügen nur an ihren Oberflächenseiten und dabei beispielsweise nur an ihrem miteinander zu verbindenden Oberflächenseiten mit dem Fügemittel zu versehen. Dies hat allerdings entsprechend der 4 den Nachteil, dass an den Übergängen zwischen zwei Platten im Bereich des Fügemittels 7 sich Toträume 10 ausbilden, wie dies in der 4 im Bereich des Übergangs zwischen den Platten 2 und 3 und im Bereich der dortigen Öffnungen 2.1 und 3.1 nochmals vergrößert dargestellt sind. Auch diese Toträume 10 haben erhebliche Nachteile, d.h. sie führen zu unerwünschten Verwirbelungen des den Kühler 6 durchströmenden Kühlmediums, insbesondere führen diese Toträume 10 aber zu unerwünschten Korrosionen, speziell auch an den durch die Toträume 10 freiliegenden Rändern oder Kanten der Öffnungen 2.1 und 3.1.
Um die Toträume 10 zu vermeiden, kann es daher entsprechend der 5 zumindest zweckmäßig sein, die Platten 1–5 nicht nur an ihren Oberflächenseiten, sondern auch an den Begrenzungsflächen der Öffnungen mit dem Fügemittel 7 zu versehen, sodass dann nach dem Fügen der Platten 1–5 sämtliche Flächen und Kanten, insbesondere auch die von den Seitenflächen der Öffnungen gebildeten Flächen und Kanten der Kanäle des Kühlers 6 mit dem Fügemittel 7 abgedeckt sind, wie dies in der 6 für den Kühler 6a dargestellt ist. Die nachteiligen Toträume 10 sind dabei vermieden. Durch die HIP-Nachbehandlung bzw. durch das heiße isostatische Pressen bzw. Hippen werden auch eventuelle Mikrolunker 8 auch in dem die Kanäle des Kühlers 6a abdeckenden Fügemittel vermieden.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass zur Herstellung des Kühlers 6a sämtliche Platten 1–5 zumindest an ihren, miteinander zu verbindenden Oberflächenseiten sowie auch an den Innenflächen der Durchbrüche mit dem Fügemittel 7 versehen werden. Grundsätzlich ist es auch ausreichend, nur bei einigen der Platten 1–5 die Innenflächen der dortigen Durchbrüche mit dem Fügemittel 7 vor dem Fügen zu beschichten.
Das Fügen der z.B. aus Kupfer bestehenden Platten 1–5 erfolgt beispielsweise durch die DCB-Technik (Direct Copper Bonding), wobei als Fügemittel Kupfer-Oxid verwendet ist, welches in Verbindung mit dem angrenzenden Kupfer der Platten 1–5 ein Eutektikum bzw. eine eutektische Verbindungs- oder Schmelzschicht mit einem Schmelzpunkt im Bereich zwischen etwa 1065°C–1082 °C bildet. Dementsprechend liegt dann die maximale Nachbehandlungstemperatur bei TBmax = [0,99 (1065 + 273) – 273]°C = 1051,62°C. Für die minimale Nachbehandlungstemperatur TBmin ergibt sich dann TBmin = [0,5 (1065 + 273) – 273]°C = 396°C.
Wird als Fügemittel 7 ein Hartlot verwendet, beispielsweise eine Kupfer-Silber-Legierung, deren eutektische Temperatur bzw. Fügetemperatur bei etwa 768°C liegt, so ergeben sich für die Nachbehandlungstemperatur
TBmax = [0,99(768 + 273)–273]°C = 757,59°C
TBmin = [0,50(768 + 273)–273]°C = 247,5°C
Wird als Fügemittel ein Hartlot in Form einer Legierung aus Kupfer und Gold verwendet, welches eine eutektische Temperatur bzw. Fügetemperatur von etwa 889°C aufweist, so ergeben sich für die Nachbehandlungstemperatur
TBmax = [0,99(889 + 273)–273]°C = 877,5°C
TBmin = [0,50(889 + 273)–273]°C = 308°C
Aufgrund der jeweils verwendeten Menge an Fügemittel 7 oder an Lot und aufgrund der verwendeten Prozesstemperatur und/oder Prozesszeit während des Fügevorgangs können an den Übergängen zwischen den Platten diese metallisch miteinander verbindende Legierungen auftreten, deren Fügetemperatur TF höher liegt als die ursprüngliche eutektische Temperatur des Fügemittels, sodass die Temperatur TB auch entsprechend höher gewählt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend an einigen Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
Bei diesem Beispiel wird als Fügemittel Kupfer-Oxid verwendet. Zum Herstellen des Kühlers 6 bzw. 6a werden durch Ätzen oder Stanzen die Platten 1–5 mit ihren Durchbrüchen und Öffnungen hergestellt. Anschließend werden die Platten an ihren Oberflächenseiten, bevorzugt aber auch an den Innenflächen der Durchbrüche mit dem Fügemittel 7 versehen, und zwar durch Oxidieren.
Die Platten 1–5 werden dann gestapelt und es erfolgt ein Erhitzen des Stapels auf die erforderliche Prozesstemperatur, beispielsweise von etwa 1075°C in einer Schutzgasatmosphäre mit einem Sauerstoffanteil von 2,5 bis 100 ppm.
Anschließend wird der Stapel aus den nunmehr miteinander flächig verbundenen Platten 1–5 auf eine Temperatur unterhalb der Prozesstemperatur, z.B. auf Raumtemperatur abgekühlt. Der so hergestellte Kühler 6 bzw. 6a wird dann in der Kammer 9 bei einem Schutzgasdruck von etwa 1000 bar auf eine Temperatur von etwa 1020°C erhitzt und bei dieser Temperatur und diesem Druck über eine Zeit von 30 Minuten gehalten. Anschließend erfolgt ein Abkühlen auf Raumtemperatur.
Beispiel 2
Bei diesem Beispiel wird als Fügemittel Silber verwendet, welches bei der Fügetemperatur zusammen mit dem angrenzenden Kupfer der Platten 1–5 ein eutektisches Lot aus Silber und Kupfer bildet.
Es folgt wiederum die Herstellung der Platten 1–5 mit ihren Durchbrüchen durch Stanzen und Ätzen. Anschließend wird galvanisch und/oder chemisch auf die Platten 1–5 und dabei zumindest auf die miteinander zu verbindenden Oberflächenseiten dieser Platten, bevorzugt aber auch zumindest bei einigen der Platten auf die Begrenzungsflächen der Durchbrüche eine Silberschicht, beispielsweise mit einer Dicke von 3 μm aufgebracht.
Die so behandelten Platten 1–5 werden dann gestapelt und der Plattenstapel wird in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffanteil kleiner als 100 ppm und bei einer Prozess- oder Fügetemperatur TF von 850°C erhitzt. Anschließend erfolgt ein Abkühlen des Plattenstapels bzw. des als Plattenstapel hergestellten Kühlers auf Raumtemperatur.
Der Plattenstapel wird dann in die Kammer 9 eingebracht und dort in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Nachbehandlungsdruck PB von etwa 1200 bar auf TB von 650°C erhitzt und bei diesem Druck und dieser Nachbehandlungstemperatur TB über eine Zeit von etwa 45 Minuten gehalten. Anschließend erfolgt ein Abkühlen auf Raumtemperatur.
Beispiel 3
Bei diesem Verfahren wird als Fügemittel Gold verwendet, welches zusammen mit dem Kupfer der Platten 1–5 ein eutektisches Lot bildet. Es erfolgt wiederum die Herstellung der Platten 1–5 mit ihren Durchbrüchen und ein anschließendes Auftragen einer Goldschicht mit einer Dicke von etwa 2 μm auf die Platten 1–5 sowie auch auf die Begrenzungsflächen zumindest einiger Ausnehmungen oder Durchbrüche.
Die übereinander gestapelten Platten werden dann in einer beispielsweise von Stickstoff gebildeten Schutzgasatmosphäre mit einem Sauerstoffanteil kleiner als 100 ppm auf 1030°C erhitzt. Anschließend erfolgt ein Abkühlen und Einbringen des Plattenstapels bzw. Kühlers 6 oder 6a in die Kammer 9 und nach dem Verschliessen der Kammer in einer von Argon gebildeten Schutzgasatmosphäre die HIP-Nachbehandlung bei einem Druck von etwa 900 bar und einer Temperatur TB von etwa 920°C, und zwar über eine Behandlungsdauer von etwa 30 Minuten und im Anschluss daran ein Abkühlen auf Raumtemperatur.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zu Grunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

1–5: Platte
6, 6a: Kühler
7: Fügematerial
8: Mikrolunker
9: Kammer
10: Totraum
2.1, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2, 5.1, 5.2: Öffnung oder Durchbruch

Claims

Verfahren zum Herstellen von Plattenstapeln, insbesondere zum Herstellen von aus wenigstens einem Plattenstapel bestehenden Kühlern (6, 6a) zum Kühlen von elektrischen und/oder opto-elektrischen Bauteilen, wobei das Verfahren zumindest folgende Prozess-Schritte aufweist: Herstellen von Platten (1–5) aus Metall oder Metallfolien, insbesondere Kupfer oder Kupferfolien, Stapeln der Platten zu einem Plattenstapel, Verbinden oder Fügen der Platten (1–5) unter Temperatureinwirkung bei einer Fügetemperatur (TF) und bei atmosphärischem Druck oder im Vakuum, Abkühlen des von den verbundenen Platten gebildeten Plattenstapels auf eine Temperatur kleiner als die Fügetemperatur (TF) und HIP-Nachbehandeln des Plattenstapels in einer Schutzgasatmosphäre bei einem Schutzgasdruck (PB) im Bereich zwischen 200 und 2000 bar und bei einer Nachbehandlungstemperatur (TB), die kleiner ist als die Fügetemperatur (TF).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die HIP-Nachbehandlung bei einem Schutzgasdruck (PB) im Bereich zwischen 400 und 2000 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Nachbehandlungstemperatur (TB), die maximal 95 bis 99% der Fügetemperatur (TF) beträgt, nachbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Nachbehandlungstemperatur (TB) die wenigstens 50% der Fügetemperatur (TF) beträgt, nachbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Nachbehandlungstemperatur (TB), die 50–99 % der Fügetemperatur (TF), insbesondere 50–95% der Fügetemperatur (TF) beträgt, nachbehandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass beim HIP-Nachbehandeln eine Schutzgasatmosphäre, insbesondere eine von Argon oder Stickstoff gebildete Schutzgasatmosphäre verwendet wird, deren maximaler Sauerstoffgehalt etwa 300 % des Gleichgewichtssauerstoffpartialdruckes des Systems Metall-Sauerstoff bei der Nachbehandlungstemperatur (TB) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzgasatmosphäre mit einem Anteil an Sauerstoff, der kleiner ist als ein Sauerstoffpartialdruck von 15 × 10^–6 bar, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen der Platten (1–5) unter Hitzeeinwirkung bei einem mechanischen Pressdruck im Bereich zwischen 20 und 2500 bar erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf die miteinander zu verbindenden Oberflächenseiten der Platten (1–5) ein Fügemittel (7) aufgebracht wird.
Verfahren nach der vorhergehenden Ansprüche 1–9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte Aufbringen oder Erzeugen einer Kupfer-Oxyd-Schicht als Fügemittel (7) auf den aus Kupfer bestehenden miteinander zu verbindenden Platten (1–5), Erhitzen der Platten (1–5) nach dem Stapeln auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1065 und 1083°C und HIP-Nachbehandeln bei einer Nachbehandlungstemperatur von mindestens 390°C und maximal 1052°C.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte Erhitzen der miteinander zu verbindenden Platten (1–5) nach dem Stapeln auf eine Temperatur von 1065 °C und HIP-Nachbehandeln des Plattenstapels bei einem Druck von 1000 bar bei einer Nachbehandlungstemperatur von 1020°C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte Aufbringen eines Lotes als Fügemittel (7) auf die miteinander zu verbindenden Platten (1–5) vor dem Stapeln, Erhitzen des Plattenstapels zumindest auf die Schmelztemperatur des Lotes, Abkühlen des Plattenstapels auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Lotes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fügemittel (7) aus Silber auf die Platten (1–5) aufgebracht wird, dass der Plattenstapel zum Fügen auf eine Temperatur im Bereich zwischen 778 und 990°C erhitzt wird, wobei das Fügemittel zusammen mit angrenzendem Kupfer der Platten 1–5 ein eutektisches Silber-Kupfer-Lot bildet, und daß die HIP-Nachbehandlung bei einem Druck von 400 bis 2000 bar bei einer Nachbehandlungstemperatur von wenigstens 252°C und maximal 767°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenstapel zum Fügen auf eine Temperatur von 850°C erhitzt wird, und dass die HIP-Nachbehandlung bei einem Druck von 1200 bar bei einer Nachbehandlungstemperatur von 650°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–14, gekennzeichnet dass ein Fügemittel (7) aus Gold auf die Platten 1–5 aufgebracht wird, dass der Plattenstapel zum Fügen auf eine Temperatur im Bereich zwischen 880 und 1065°C erhitzt wird, wobei das Fügemittel zusammen mit angrenzendem Kupfer der Platten (1–5) ein eutektisches Gold-Kupfer-Lot bildet, und daß die HIP-Nachbehandlung des Plattenstapels bei einer Nachbehandlungstemperatur von wenigstens 408°C und maximal 877°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte Erhitzen des Plattenstapels auf eine Temperatur von 1030°C HIP-Nachbehandlung des Plattenstapels bei einer Temperatur von 920°C und einem Druck (PB) von 900 bar.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Plattenstapel oder auf dem von dem Plattenstapel gebildeten Kühler (6, 6a) wenigstens ein elektrisches Bauelement befestigt wird, wobei das Bauelement, insbesondere eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügemittel (7) auch auf Flächen wenigstens einiger in den Platten (2, 3, 4, 5) vorgesehener Durchbrüche (2.1, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2, 5.1, 5.2) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Plattenstapel gebildete Kühler (6, 6a) an wenigstens einer Oberfläche durch Diamantfräsen bearbeitet wird.