DE102007051570A1

DE102007051570A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs sowie Verbundwerkstoff, Verbundwerkstoffkörper und Anschlussvorrichtung

Info

Publication number: DE102007051570A1
Application number: DE102007051570A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Lorenzen; Tim Dr. Schubert; Erich Dr. Neubauer
Original assignee: Austrian Research Centers GmbH ARC; Jenoptik Laserdiode GmbH; Futurecarbon GmbH
Current assignee: AIT Austrian Institute of Technology GmbH; Jenoptik Laserdiode GmbH; Futurecarbon GmbH
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-04-30
Also published as: WO2009056544A3; WO2009056544A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem Kohlenstoffnanomaterial, und einem metallischen Material, sowie einem Verbundwerkstoff, einem Verbundwerkstoffkörper, einem Verbundkörper. Um einen Verbundwerkstoff zu schaffen, der eine möglichst gute und möglichst isotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist, umfasst das Verfahren folgende Schritte: Herstellen eines Schichtstapels aus zwei oder mehr Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet ist und wobei wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet ist; Aufheizen des Schichtstapels auf eine bestimmte Prozesstemperatur, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird; vollständiges Infiltrieren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Matrixmaterial; und Abkühlen des entstandenen Verbundwerkstoffs. Ein derartiger Verbundwerkstoff kann beispielsweise im Zusammenhang mit Anschlussvorrichtungen für Halbleiterbauelemente eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder eines Verbundwerkstoffkörpers oder eines Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem Kohlenstoffnanomaterial, und einem metallischen Material. Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen solchen Verbundwerkstoff, einen Verbundwerkstoffkörper sowie einen Verbundkörper, bestehend aus einem solchen Verbundwerkstoff. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Anschlussvorrichtung für ein Halbleiterbauelement.
Derartige Verbundwerkstoffe sind bereits in verschiedenen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise wird in der JP 2006001232 A ein Verbundwerkstoff offenbart, der eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen soll, und der als Wärmesenke verwendet werden kann. Die Herstellung dieses Verbundwerkstoffes ist anhand der Querschnittsansichten von 1a und 1b veranschaulicht und erfolgt, indem verschiedene Schichten unterschiedlicher Materialien laminiert werden. Bei einem Schichttyp handelt es sich um Schichten 10 aus einem kristallinen Kohlenstoffmaterial, bei dem es sich beispielsweise um Kohlenstoff-Nanotubes handeln kann. Der andere Schichttyp besteht aus Metallschichten 20, 21, 22. Die Schichten werden, wie in 1a dargestellt, übereinander zu einem Stapel 51 angeordnet und anschließend einem „Verbundschritt" unterzogen. Bei diesem Verbundschritt handelt es sich nach der bekannten Lehre um einen Sinterprozess, der bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird. Die Sintertemperaturen liegen dabei im Bereich der Schmelztemperatur der Metalle der Metallschichten. Im gefertigten Sinterkörper 55 liegen, wie in 1b dargestellt, zwischen im wesentlichen unveränderten Metallschichten 20, 21, 22 im wesentlichen gesinterte Kohlenstoffschichten 15 vor, deren Dicke durch die Sinterung deutlich unter der der ursprünglichen Kohlenstoffschichten 10 liegt.
Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist allerdings, dass die einzelnen Schichtstrukturen während des Verbundschritts nicht aufgelöst werden. Vielmehr erfolgt durch die Erhitzung nur eine Anschmelzung der Schichten, und damit lediglich eine Verschmelzung in den Randbereichen. Aus diesem Grund lässt sich bei dem bekannten Verbundwerkstoff nur eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit realisieren. Das bedeutet, dass der Grad der Wärmeleitfähigkeit davon abhängt, wie der Verbundwerkstoff ausgerichtet ist und in welcher Orientierung er sich zu seinem äußeren Bezugssystem befindet.
Die Patentschrift US 6,649,265 B1 offenbart die Infiltration eines kohlenstoffhaltigen Körpers mit einem Matrixmetall zur Schaffung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffes. Nachteilig an diesem Verfahren ist der große Diffusionsweg und die große Diffusionszeit des Matrixmetalls in den kohlenstoffhaltigen Körper bei der Infiltration, die zu einer unvollständigen Infiltration führen kann und/oder zu einer Auflösung der Kohlenstoffstrukturen im Matrixmetall die mit einer lokalen Verringerung der Wärmeleitfähigkeit insbesondere in den äußeren Randbereichen des gebildeten Verbundwerkstoffbereiches einhergeht.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs sowie einen Verbundwerkstoff, einen Verbundwerkstoffkörper und einen Verbundkörper bereitzustellen, mit dem die zuvor genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine Lösung für einen Verbundwerkstoff bereitgestellt werden, der eine möglichst gute und möglichst isotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass der Grad der Wärmeleitfähigkeit richtungsunabhängig ist und sich der Verbundwerkstoff in allen Raumrichtungen möglichst gleich verhält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, den Verbundwerkstoff mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7, den Verbundwerkstoffkörper mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 15 und 16, den Verbundkörper mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 17 sowie die Anschlussvorrichtung für ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 19. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff, dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörper und dem erfindungsgemäßen Verbundkörper, so dass das bezüglich des Verfahrens Gesagte vollinhaltlich auch im Zusammenhang mit dem Verbundwerkstoff, dem Verbundwerkstoffkörper und dem Verbundkörper gilt, und jeweils umgekehrt. Ebenso gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, Verbundwerkstoff, Verbundwerkstoffkörper und Verbundkörper beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung, und umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Verbundwerkstoff sowie einen Verbundwerkstoffkörper, ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs bereit, wobei der Verbundwerkstoff eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem kohlenstoffhaltigen Material und dem metallischen Material aufweist. Dies wird dadurch unterstützt, dass eine gute Benetzbarkeit vorliegt. Der Verbundwerkstoff stellt nunmehr einen Gesamtverbund dar, bei dem die ursprünglich, im Ausgangszustand vorhandenen Einzelschichten der Materialien aufgelöst sind. Der Zwischenstoff, der aus wenigstens einem Ausgangsstoff hergestellt wurde, bleibt in seiner Ausgangsstruktur nicht erhalten. Vielmehr wird er von dem metallischen Matrixmaterial infiltriert, wobei das metallische Matrixmaterial in den Zwischenstoff „aufgesogen" wird. Die ehemals bestehende Schichtenfolge wird bei der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung, vorzugsweise so aufgelöst, dass der resultierende Verbundwerkstoff eine isotrope, zumindest aber eine annähernd isotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem Kohlenstoffnanomaterial, und einem metallischen Material, bereitgestellt, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

a) Herstellen eines Schichtstapels aus zwei oder mehr Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet ist und wobei wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet ist;
b) Aufheizen des Schichtstapels auf eine bestimmte Prozesstemperatur, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird;
c) Vollständiges Infiltrieren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Matrixmaterial; und
d) Abkühlen des entstandenen Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Verbundwerkstoff oder Verbundwerkstoffkörper oder Verbundkörper hergestellt, der zunächst aus einem kohlenstoffhaltigen Material besteht. Grundsätzlich ist die Erfindung dabei nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Vorteilhaft handelt es sich jedoch um Kohlenstoffnanomaterialien, wobei die Erfindung natürlich auch nicht auf bestimmte Kohlenstoffnanomaterialien beschränkt ist. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Bei der zweiten Komponente des Verbundwerkstoffs handelt es sich um ein metallisches Material. Auch diesbezüglich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Metalle oder Metalllegierungen beschränkt. Auch hierzu werden vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Wenn mit dem Verfahren ein Verbundwerkstoffköper oder Verbundkörper hergestellt wird, zeichnet sich dieser vorzugsweise dadurch aus, dass er in der weiter unten im Zusammenhang mit den jeweiligen Erfindungsaspekten im Detail beschriebenen Weise ausgebildet ist. Unter einem Verbundwerkstoffkörper soll generell ein Körper mit ein oder zwei Verbundwerkstoffschichten verstanden werden. Unter einem Verbundkörper soll generell ein Körper mit mehr als zwei Verbundwerkstoffschichten verstanden werden.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers aus Kohlenstoffnanomaterial und einer Cu-Legierung verwendet werden. Ein derartiger Verbundwerkstoff kann beispielsweise als Wärmesenkenmaterial eingesetzt werden, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit, bei einstellbarer Wärmedehnung und elektrischer Leitfähigkeit, aufweist.
Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst ein Schichtstapel aus zwei oder mehr Schichten hergestellt. Dabei ist wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet. Wenigstens eine andere Schicht ist in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn zwei Schichten vorhanden sind, wobei jeweils eine Schicht von einem der vorgenannten Typen verwendet wird. Vorteilhaft wird jedoch ein Schichtstapel mit mehr als zwei Schichten hergestellt. Bei einem Schichtstapel mit drei Schichten beispielsweise sind zwei Schichten desselben Typs, und eine Schicht des jeweils anderen Typs vorgesehen. Bei Schichtstapeln von vier oder mehr Schichten sind vorzugsweise zwei oder mehr Schichten des einen Typs und zwei oder mehr Schichten des jeweils anderen Typs vorgesehen.
Vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass der Schichtstapel aus mehr als zwei Schichten hergestellt wird, wobei die Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und in Form einer metallhaltigen Matrix alternierend gestapelt werden.
Wenigstens eine der Schichten ist als Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet. Hierbei handelt es sich allgemein um eine kohlenstoffhaltige Netzwerkstruktur. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Zwischenstoffe beschränkt. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch den Schritt umfassen, dass in einem vorgelagerten Schritt die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs zunächst erst hergestellt wird. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schicht(en) in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs aus wenigstens einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere aus wenigstens einem aus einem Kohlenstoffnanomaterial bestehenden Ausgangsstoff, hergestellt wird/werden.
Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgangsstoffe beschränkt. Nachfolgend werden verschiedene vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele geeigneter Ausgangsstoffe beschrieben.
Beispielsweise kann es sich bei dem Ausgangsstoff um Kohlenstoffnanofasern (CNF: Carbon Nanofiber) handeln. Hierbei handelt es sich in der Regel um nicht-hohle, aus Graphenschichten aufgebaute Nanofasern auf Kohlenstoffbasis mit typischen geometrischen Abmessungen von 50 bis 500 nm im Durchmesser und mit einer Länge von 1–500 μm. Die CNF können in verschiedenen Modifikationen (Anordnung der graphitischen Ebenen) vorliegen. Zu nennen sind beispielsweise folgende Modifikationen:

PL (Platelet type): Die Graphenschichten sind senkrecht zur Faserachse gestapelt.
HB (Herringbone type): Die Graphenschichten sind gewinkelt zur Faserachse gestapelt, und im Querschnitt als Fischgrätmuster erkennbar.
SC (Screw type): Diese Modifikation basiert auf dem Herringbone-Typ, weist jedoch eine zusätzliche Verdrillung in Schraubenform auf.

Beispielsweise kann es sich bei dem Ausgangsstoff um Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT: Carbon Nanotube) handeln. Hierbei handelt es sich in der Regel um Nanoröhrchen auf Kohlenstoffbasis, die typische geometrische Abmessungen von 1–50 nm im Durchmesser und einer Länge von 1–100 μm aufweisen. Die CNT können in verschiedenen Modifikationen vorliegen. Zu nennen sind beispielsweise folgende Modifikationen:

SW (Single Walled): Die Nanoröhrchen bestehen aus einem Graphitrohr.
DW (Double Walled): Die Nanoröhrchen bestehen aus 2 ineinander geschachtelten Graphitröhrchen
MW (Multi Walled): Die Nanoröhrchen bestehen. aus mehreren ineinander geschachtelten Graphitröhrchen

Der Ausgangsstoff kann aus einem einzigen dieser Materialien, oder aber aus beliebigen Kombinationen der Materialien und Modifikationen bestehen. Wichtig ist lediglich, dass der Ausgangsstoff überwiegend, bevorzugt ausschließlich aus Kohlenstoffnanomaterial besteht. Um dies zu unterstreichen, wird der Ausgangsstoff im Folgenden auch mit CNX-Y bezeichnet. Die Bezeichnung CNX-Y steht dabei als Abkürzung für CNF und/oder CNT mit den verschiedensten oben genannten Erscheinungsformen und Modifikationen. Dabei steht das X für die Art des Kohlenstoffnanomaterials, also Kohlenstoffnanofasern (CNF) oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), wobei natürlich auch Mischungen zwischen CNF und CNT enthalten und mit umfasst sind. Y steht für die Modifikation des Kohlenstoffnanomaterials, sowie natürlich auch für Mischungen aus den verschiedenen Erscheinungsformen Y (im Fall von CNF: PL, HB, SC und Fall von CNT: SW, DW, MW).
Die verschiedenen Ausgangsstoffe können zusätzlich mit einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B versehen werden.
Unter einer Oberflächenmodifikation A sind beispielsweise Funktionalisierungen wie C-H, C-OH, C-OOH, eine Hydrierung (nasschemisch oder über die Gasphase), ein Ausheizen bei Temperaturen größer 1200°C, eine Graphitierung bei Temperaturen um 2900°C, eine Behandlung mit Argon-, Stickstoff-, Sauerstoff- oder Wasserstoffplasma beziehungsweise deren Gemenge, oder dergleichen zu verstehen.
Unter einer Beschichtung B ist beispielsweise die Beschichtung mit wenigstens einem benetzungsfördernden Element (was im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird) beziehungsweise einer Karbidschicht, Borid, Silizid oder Nitridschicht des benetzungsfördernden Elements zu verstehen. Eine Beschichtung muss nicht als deckende Schicht vorliegen, sollte aber vorteilhaft eine Flächenbelegung von zumindest 10%, vorteilhaft von zumindest 25% aufweisen.
Auch wenn vorstehend der Begriff „Oberflächenmodifikation" beziehungsweise „Beschichtung" in der Einzahl verwendet wird, so schließt dies natürlich nicht aus, dass es sich dabei auch um mehrere „Oberflächenmodifikationen" beziehungsweise „Beschichtungen" handeln kann, die nacheinander appliziert werden.
Aus dem Ausgangstoff wird zunächst eine Schicht in Form eines Zwischenstoffs hergestellt. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Zwischenstoffe beschränkt. Nachfolgend werden verschiedene vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele geeigneter Zwischenstoffe beschrieben.
Beispielsweise kann der Zwischenstoff „papierartig" ausgebildet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung handelt es sich um ein kohlenstoffhaltiges Netzwerk aus CNX-Y/CNX-Y-AB mit losen, eventuell leicht verschlauften, Kontakten zwischen den einzelnen CNX-Y/CNX-Y-AB mit der Möglichkeit einer bevorzugter Ausrichtung der CNX-Y/CNX-Y-Z in x-y Richtung und einer Dicke des Papiers in der Größenordnung 50 bis 500 μm. Die Dichte des Papiers ist einstellbar im Bereich 0,15 bis 0,4 g/cm³.
Beispielsweise kann der Zwischenstoff auch „filzartig" ausgebildet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung handelt es sich um ein kohlenstoffhaltiges Netzwerk aus CNX-Y/CNX-Y-AB mit losen, eventuell leicht verschlauften, Kontakten zwischen den einzelnen CNX-Y/CNX-Y-AB und mit der Möglichkeit einer bevorzugter Ausrichtung der CNX-Y/CNX-Y-AB in x-y Richtung. Die Dicke z des Filzes liegt typischerweise über 0,5 mm. Die Dichte des Filzes ist einstellbar im Bereich 0,15 bis 0,4 g/cm³.
Der Zwischenstoff kann auch als dreidimensionales Netzwerk ausgebildet sein. Hierbei handelt es sich um ein kohlenstoffhaltiges Netzwerk aus CNX-Y/CNX-Y-AB mit de facto gefestigten Verschlaufungen zwischen den einzelnen CNX-Y/CNX-Y-AB. Die Dichte des dreidimensionalen Netzwerkes ist einstellbar im Bereich 0,05 bis 0,4 g/cm³.
Alle Zwischenstoffe CNX-Y können nachträglich mit einer wie oben beschriebenen Oberflächenmodifikation A und/oder einer wie oben beschriebenen Beschichtung B versehen werden.
Wenigstens eine der Schichten ist als Schicht in Form eines metallischen Matrixmaterials ausgebildet. Hierbei kann es sich um wenigstens ein Reinmetall oder wenigstens eine Metalllegierung handeln. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Matrixmaterialien beschränkt. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele werden nachfolgend näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auch den vorgelagerten Schritt umfassen, dass das metallische Matrixmaterial beziehungsweise die daraus bestehende Schicht zunächst hergestellt wird.
Ein metallisches Matrixmaterial aus Reinmetall kann beispielsweise aus wenigstens einem Metall wie Cu, Ni, Co, Ag, Au, Mg und Al bestehen.
Eine Legierung aus metallischem Matrixmaterial (Matrix L) kann zumindest aus 80 Gewichtsprozent aus dem Metall bestehen. Der Rest kann von einem oder mehren Legierungselementen und/oder intermediären Phasen gebildet werden. Als Legierungselemente kommen beispielsweise Elemente/Verbindungen in Frage, die die Benetzung zwischen CNX-Y/CNX-Y-AB fördern und/oder den Schmelzpunkt der Matrix erniedrigen.
Matrix Metall sowie auch Matrix Legierungen können beispielsweise als Folie, Blech oder Platte zum Einsatz kommen.
Nachdem ein geeigneter Schichtenstapel hergestellt worden ist, wird dieser dem „Verbundschritt" unterworfen. Dazu wird der Schichtstapel zunächst auf eine bestimmte Prozesstemperatur aufgeheizt, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Temperaturwerte beschränkt. Diese ergeben sich vielmehr je nach verwendetem Material. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Nachdem der Schichtstapel auf die Prozesstemperatur aufgeheizt wurde, wird der Zwischenstoff infiltriert. Dabei kann die Infiltration grundsätzlich durch ein beliebiges Verfahren erfolgen. Insbesondere wird jedoch ein Verfahren eingesetzt, welches das Aufbringen von Temperatur und Druck kontrolliert ermöglicht. Dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zwischenstoff vollständig infiltriert wird. Die Infiltration sieht dabei vor, dass die aufgeschmolzene Matrixschicht beziehungsweise das aufgeschmolzene Matrixmaterial der Matrixschicht in den Zwischenstoff hinein infiltriert.
Ein vollständiges Infiltrieren besagt dabei, dass der Zwischenstoff vollständig infiltriert ist, was bedeutet, dass alle Poren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Material gefüllt sind.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass genau soviel Matrixmaterial vorgesehen ist, dass dieses von der Menge her genau ausreicht, um den Zwischenstoff zu infiltrieren. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass mehr Matrixmaterial vorhanden ist, als für das Infiltrieren des Zwischenstoffs eigentlich erforderlich wäre. In einem solchen Fall wird der hergestellte Verbundwerkstoff beziehungsweise ein aus diesem hergestellter Verbundwerkstoffkörper dadurch gekennzeichnet sein, dass die Schichten Verbundwerkstoff jeweils voneinander durch eine dünne Restschicht (nicht infiltrierten) Matrixmetalls beabstandet sind.
Die vollständige Infiltration der kohlenstoffhaltigen Schicht mit Matrixmetall stellt gegenüber der Lehre der JP 2006001232 A einen wesentlichen Unterschied dar: Wird die Schicht nicht vollständig infiltriert, so bleibt sie porig und damit bruchempfindlich und thermisch nur unzureichend leitfähig. Soll sie auf jeden Fall vollständig infiltriert werden, so wird in der Regel immer mit einem Matrixmetallüberschuss gearbeitet, was dann zur Folge hat, dass Matrixmetall nach der Infiltration auf beiden Seiten des gebildeten Verbundwerkstoffes übrig bleibt. In einem Vielschicht-Stapel bedeutet dies, dass zwischen einzelnen Lagen Verbundwerkstoff immer noch (wenn auch sehr dünne) Lagen des ursprünglichen Matrixmaterials übrig bleiben können. Es charakterisiert das erfindungsgemäße Verfahren, dass im gebildeten Verbundwerkstoffkörper diese Mehrlagenstruktur sichtbar bleiben kann.
Die Infiltration eines Stapels aus vielen dünnen Schichten stellt weiterhin einen wesentlichen Unterschied zur Lehre gemäß der US 6,649,265 B1 dar, bei der nur ein Körper infiltriert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt, wie weiter unten noch näher erläutert wird, der Schichtdickenbereich für Kohlenstoffschicht vorteilhaft im Bereich von 10 μm bis 500 μm, bevorzugt 25 μm bis 250 μm, besonders bevorzugt 50 bis 150 μm.
Nach Abschluss der Infiltration wird der entstandene Verbundwerkstoff abgekühlt. Anschließend kann dieser zu einem Verbundwerkstoffkörper oder Verbundkörper verfestigt werden. Eine nachfolgende Weiterbehandlung mit oder ohne Wärmebeaufschlagung ist ebenso denkbar wie die Formgebung durch Umformen (beispielsweise Extrudieren, Walzen oder dergleichen) und/oder subtraktive Formgebung (beispielsweise spanende Bearbeitung, Läppen, Polieren, Ätzen oder dergleichen) und das Auftragen anderer Materialien (beispielsweise durch physikalisches oder chemisches Abscheiden aus der Dampfphase und/oder elektrolytische Abscheidung oder dergleichen).
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich beispielsweise Zwischenstoffe aus Kohlenstoffnanomaterial und Cu-Folien durch abwechselnde Schichtung und anschließendes Aufschmelzen des Cu unter Druck erzeugen. Daraus entstehende Verbundwerkstoffe beziehungsweise Verbundwerkstoffkörper oder Verbundkörper sind in mehrfacher Ausgangsschichtung Cu-Nfach(Zwischenstoff-Cu-Zwischenstoff)-Cu (N>=1) beispielsweise geeignet für die Anwendung als Wärmesenke für Wärmequellen jeglicher Art. Besonders geeignet sind diese Wärmesenken zur epitaxieseitigen Kontaktierung von Halbeiterbauelementen, insbesondere Laserdioden, wobei bevorzugt der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffkörpers dem des Halbleiterbauelementes zumindest näherungsweise entspricht. Darüber hinaus sind Verbundwerkstoffkörper in einfacher Ausgangsschichtung Cu-Zwischenstoff-Cu besonders geeignet für die Anwendung als elektrische Leiterfolien/Kontaktbleche, beispielsweise für die substratseitige elektrische Kontaktierung von Halbleiterbauelementen, insbesondere Laserdioden.
Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs können besonders gut eingestellt werden, beispielsweise der CTE (Wärmedehnung) durch Anteile von CNF-PL und CNF-HB im verwendeten Zwischenstoff.
Eine Benetzung von CNX (Sammelbegriff für Carbon Nanotubes = CNT und Carbon Nanofibers = CNF) kann beispielsweise durch Cu-Schmelzen mittels Legierungsmetallen, beziehungsweise durch Vorbeschichtung, erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun zur Verdeutlichung anhand eines Beispiels erläutert. Zunächst erfolgt ein Stapeln von Zwischenstoff CNX-Y und/oder CNX-Y-AB und dem Matrix Metall und/oder der Matrix Legierung, beziehungsweise ein alternierendes Stapeln. Anschließend folgt ein Prozess, der das Aufschmelzen (beispielsweise ein Heißpressen mit Aufschmelzen) des Matrix Metalls beziehungsweise der Matrix Legierung und Infiltration durch Druckaufgabe des Zwischenstoffes beinhaltet.
Das Ergebnis ist ein hochwärmeleitfähiger Werkstoff (beispielsweise größer 300 W/m/K zumindest in eine Raumrichtung) mit definiertem, niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE = Coefficient of Thermal Expansion) von beispielsweise kleiner 12 ppm/K, vorzugsweise 6–8 ppm/K (zumindest in einer Raumrichtung).
Zur Realisierung können folgende Schritte durchgeführt werden:
Herstellung der entsprechenden Ausgangstoffe, gegebenenfalls mit einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B;
Herstellung der entsprechenden Zwischenstoffe, gegebenenfalls mit einer entsprechenden Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B.
Ziel der Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B ist durch Benetzung eine möglichst schnelle (dabei jedoch vollständige) Infiltration zu ermöglichen. Die Beschichtung B kann aber auch in Kombination mit einer Matrix Legierung die Funktion haben, zu starke Reaktionen zwischen dem CNX-Y Zwischenstoff und den Legierungselementen in der Matrix Legierung zu unterbinden. Als dritte Funktion erfüllt die Oberflächenmodifikation A beziehungsweise die Beschichtung B die Funktion, eine gute thermische beziehungsweise mechanische Anbindung zwischen Matrix Material beziehungsweise Matrix Legierung und den CNX-Y beziehungsweise CNX-Y-AB zu ermöglichen.
Die Herstellung des Verbundwerkstoffes erfolgt durch Anordnung von Matrix und Zwischenstoff, beispielsweise in alternierender Weise, gefolgt von der Infiltration des Zwischenstoffes unter Druck und Temperatur. Der Verbundwerkstoff kann beispielsweise als Wärmesenke für Laserdioden eingesetzt werden.
Generell besteht eine schlechte Benetzbarkeit von Kohlenstoffmaterialien mit Kupfer. Das gilt beispielsweise auch für Graphitoberflächen, die Cu-Schmelztropfen abweisen. Das Problem wird durch die große spezifische Oberfläche von CNX noch verstärkt. Durch die schlechte Benetzbarkeit ist ein vollständiges Infiltrieren poröser, kohlenstoffbasierter Strukturen schwierig. Selbst wenn die Infiltration gelingt, ist eine wärmeleitende Kontaktierung der einzeln für sich sehr gut wärmeleitenden Matrix Metalle und CNX nicht gewährleistet.
Abhängig vom Matrix Metall beziehungsweise der Matrix Legierung kann es zum Auflösen der CNX in der Schmelze der Matrix Legierung kommen, wenn der Infiltrationsprozess zu lange andauert. Die Dauer des Infiltrationsprozesses hängt wiederum von der Benetzbarkeit ab. Neben der Benetzbarkeit ist die Gesamtporosität, die Porengrößenverteilung und die Dicke des zu infiltrierenden Zwischenstoffes entscheidend, wie gut, vollständig und mit wärmeleitenden Kontakten die Matrix-Schmelze die CNX-Struktur durchdringt. Bei guter Benetzbarkeit kann prinzipiell der Lotuseffekt (schlechte Netzung plus Nanostruktur = besonders stark abweisender Effekt) umgekehrt werden in einen die Schmelze in die Poren „einsaugenden" Kapillareffekt. Alle diese Probleme können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff nunmehr vermieden werden.
Beispielsweise lässt sich die vorliegende Erfindung auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes von Kohlenstoff in einem Matrix Metall beziehungsweise einer Matrix Legierung, beschreiben, das folgende Schritte aufweist: Herstellung der entsprechenden Ausgangstoffe CNX-Y, gegebenenfalls mit einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B; Herstellung der entsprechenden Zwischenstoffe aus CNX-Y, gegebenenfalls mit einer entsprechenden Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B; Herstellung des Verbundwerkstoffes durch Anordnung von Matrix Metal oder Matrix Legierung und Zwischenstoff CNX-Y-AB, beispielsweise in alternierender Weise, gefolgt von der Infiltration des Zwischenstoffes unter Druck und Temperatur; sowie die Abkühlung des durch Infiltration des Zwischenstoffes entstandenen Gefüges und seine Verfestigung zu einem Verbundwerkstoffkörper. Eine zusätzliche Wärmebehandlung kann noch zur Homogenisierung des Gefüges bzw. zur Ausbildung von entsprechenden Grenzflächen angewendet werden. Ebenso kann eine Nachverdichtung durch einen Press-, Streck- oder Umformprozess erfolgen.
Vorteilhaft kann die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix und/oder der kohlenstoffhaltige Ausgangsstoff bei ihrer Herstellung und/oder bei der Herstellung des Schichtstapels und/oder vor dem Aufheizen des Schichtstapels auf die Prozesstemperatur mit einem benetzungsfördernden Material versehen werden. Als Benetzungsfördernde Elemente können beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, die Elemente aus der 3., 4., 5. und 6. Nebengruppe sowie der Selten-Erd-Metalle des Periodensystems der chemischen Elemente, Silizium und/oder Bor verwendet werden, vorzugsweise die Refraktärmetalle (4., 5, und 6. Nebengruppe = Ti, Zr, Hf; V, Nb, Ta; Cr, Mo, W). Die benetzungsfördernden Metalle können mit dem Kohlenstoff teilweise reagieren. Im Verbundwerkstoff können Reaktionsprodukte bis zu 10 Volumenprozent vorliegen.
Vorzugsweise kann/können die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix Schichtdicken im Bereich von 10 μm bis 500 μm, bevorzugt 25 μm bis 250 μm, besonders bevorzugt 50 bis 150 μm aufweisen.
Vorteilhaft kann der Schichtstapel mit einer Heizrate von wenigstens 10 K/min, bevorzugt größer 20 K/min, besonders bevorzugt größer 50 K/min aufgeheizt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Anordnung aus Matrix Metall/Legierung und Zwischenstoff CNX-Y-AB in ein entsprechendes Werkzeug oder in eine entsprechende Form eingelegt und mit einer Heizrate von zumindest 10 K/min, bevorzugt über 20 K/min, besonders bevorzugt über 50 K/min hochgeheizt wird.
In weiterer Ausgestaltung kann der Schichtstapel auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt werden, die dem 1,02- bis 1,3-fachen der Schmelztemperatur des Materials der metallhaltigen Matrixschicht entspricht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Anordnung aus Matrix Metall/Legierung und Zwischenstoff CNX-Y-AB auf eine Endtemperatur, die 1,02 bis 1,3 fachen der Schmelztemperatur des Matrix Metalls beziehungsweise der Matrix Legierung entspricht, hochgeheizt wird.
Vorteilhaft kann die Infiltration des Zwischenstoffs zumindest zeitweilig bei einem bestimmten Druck erfolgen, der im Bereich von 0,1 bis 2000 MPa, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 100 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 20 MPa liegt. Vorzugsweise kann der Druck ab dem Zeitpunkt des Erreichens der Prozesstemperatur ausgeübt werden. Somit kann beispielsweise vorgesehen sein, dass nach Erreichen der Schmelztemperatur beziehungsweise der gewünschten Endtemperatur Druck ausgeübt wird, der im Bereich 0,1 bis 2000 MPa liegen kann, bevorzugt im Bereich 0,1 bis 100 MPa liegt, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 20 MPa.
Vorteilhaft kann der Druck ab dem Zeitpunkt des Erreichens der Prozesstemperatur ausgeübt werden.
Vorzugsweise kann der Druck für eine vorgegebene Zeitdauer ausgeübt werden, die im Bereich von 0,1 bis 100 Minuten, bevorzugt von 0,1 bis 30 Minuten, besonders bevorzugt von 0,1 bis 10 Minuten liegt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Druck bei der Endtemperatur für eine Zeit von 0,1 bis 100 Minuten, bevorzugt 0,1 bis 30 Minuten, besonders bevorzugt von 0,1 bis 10 Minuten aufrechterhalten wird. Gegebenenfalls kann der Druck auch noch zumindest zeitweilig während des Abkühlvorgangs aufrechterhalten werden.
In weiterer Ausgestaltung kann die Abkühlung des Verbundwerkstoffs mit einer Abkühlrate von größer/gleich 5 K/min durchgeführt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach der Haltezeit bei der Endtemperatur eine Abkühlung mit einer Abkühlrate von zumindest 10 K/min erfolgt.
Vorzugsweise kann zumindest der Schritt der Infiltration des Zwischenstoffs unter Vakuum, unter einem Inertgas, unter Wasserstoff oder unter Luft stattfinden. Beispielsweise kann der Infiltrationsprozess bevorzugt unter Vakuum stattfinden. Abhängig von dem gewählten Matrix Metall oder der Matrix Legierung kann er auch unter Inertgas oder Wasserstoff, und in besonderen Fällen auch unter Luft stattfinden.
Nachfolgend werden verschiedene Details beschrieben, mittels derer die vorliegende Erfindung vorteilhaft weitergebildet werden kann.
Beispielsweise können als metallische Matrixschicht Cu-Legierungs-Folien mit Anteil Ti, Cr u./o. Mo verwendet werden. Diese verbessern die Benetzbarkeit von Kohlenstoff-Cu-Grenzflächen. Dies könnte ausreichen, um die dünnen Zwischenstoffe mit der Schmelze zu durchdringen und auch die Wärmeleitung zwischen Kohlenstoff und Kupfer zu gewährleisten.
Alternativ könnte aus derselben Motivation heraus eine vorherige Beschichtung der CNX mit einer metallischen Schicht erfolgen, die beim Herstellstellprozess in ein Karbid übergeführt werden können. Ebenso ist aber direkte Abscheidung von Metall-Karbiden, Metall-Boriden, Metall-Siliziden und/oder Metall-Nitriden denkbar. Anschließend erfolgt die Herstellung von Zwischenstoff aus den beschichteten CNX, und Verwenden reiner Cu-Folien als metallisches Matrixmaterial.
Übergangsschichten könnten mit Ti, Cr und/oder Mo versehen sein. Eventuell könnte eine weitere Übergangsschicht Cu sein, welches durch Colloidal Microwave Processing (=CMP) oder andere Beschichtungsprozesse auf CNX aufgebracht wird. Hier ist dann die Benetzung über die auf den CNX lokalisierten benetzungsfördernden Metalle gewährleistet.
Alternativ wäre ein Beschichten des aus reinen CNX hergestellten Zwischenstoffs (Methoden alternativ galvanisch/Physical Vapour Deposition = PVD/Chemical Vapour Deposition = CVD) mit Ti, Cr und/oder Mo möglich, sowie einer anschließenden Kombination mit reinen Cu-Folien.
Auch ist ein Kombinieren von den oben genannten Beschichtungen der CNX und/oder Zwischenstoffe mit Verwendung von Cu-Legierungsfolien denkbar.
Die Zwischenstoffe können durch teilweises Ersetzen des CNT-Y-Anteils durch CNF-Y variiert. Hierdurch wird Porenstruktur und Benetzbarkeit beeinflusst.
Die Dicke des Zwischenstoffs kann vorteilhaft zwischen 50 μm und 250 μm variiert werden.
Durch die beiden vorgenannten Punkte wird die genaue Einstellung des CTE (Wärmedehnverhaltens) des Zwischenstoffs, aber auch des Verbundwerkstoffs, ermöglicht.
Eine Anpassung der Porenstruktur des Zwischenstoffs und der Oberflächenfunktionalisierung kann durch Verwenden unterschiedlicher Lösemittel bei der Herstellung erreicht werden. Hierdurch kann Einfluss auf das Infiltrationsverhalten beim Heißpressen mit der Cu-haltigen Folie und auch auf das Benetzungsverhalten genommen werden. Man spricht von nasschemischer Funktionalisierung. In der Tendenz sind unpolare Oberflächengruppen auf den CNX förderlich für die Benetzung mit Metallschmelzen. Direkt nach üblicher Herstellung sind jedoch die Oberflächen der CNX mit sauerstoffhaltigen (und damit polaren Gruppen) abgesättigt.
Die CNX können zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit im Verbundwerkstoff zuvor bei Temperaturen von 1000°C bis 3000°C ausgeheizt werden. Dabei wird die kristalline Struktur der Graphenschichten perfektioniert, Fehlstellen heilen aus, amorphe Restanteile wandeln um. Dies ist der Grund für die verbesserte Elektronen- und Wärmeleitung. Zudem können auch polare Oberflächengruppen beziehungsweise der chemisch gebundene oberflächliche Sauerstoff minimiert werden.
Durch die Verwendung von binder- und tensidfreiem Zwischenstoff wird eine deutlich bessere Benetzbarkeit und Wärmeleitung erreicht als bei binder- oder tensidhaltigen Systemen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verbundwerkstoff bereitgestellt, aufweisend einen kohlenstoffhaltigen Füllstoff, der insbesondere aus einem Kohlenstoffnanomaterial gebildet ist, wobei der Verbundwerkstoff von dem kohlenstoffhaltigen Füllstoff durchsetzt ist, und weiterhin aufweisend einen metallhaltigen Matrixwerkstoff, der aus wenigstens einem reinen Metall oder wenigstens einer Metalllegierung gebildet ist, wobei der metallhaltige Matrixwerkstoff vollständig im Füllstoff infiltriert ist.
Der Verbundwerkstoff wird vorteilhaft mittels eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, so dass bezüglich der Ausgestaltung, Zusammensetzung und Funktionsweise des Verbundwerkstoffs zunächst auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
Der Verbundwerkstoff besteht zunächst aus einem kohlenstoffhaltigen Füllstoff, wobei der Verbundwerkstoff von dem Füllstoff durchsetzt ist. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff durch einen netzwerkartigen, auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff durchsetzt sein, der aus einem Zwischenstoff in Form eines Papier/Filz/3D-Netzwerks aus den Ausgangstoffen CNX-Y und/oder CNX-Y-AB entstanden ist.
Der Zwischenstoff wurde zunächst aus wenigstens einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff hergestellt. Für den Zwischenstoff kann beispielsweise ein Ausgangsstoff CNX in Form von Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoffnanofasern verwendet werden, die einen Durchmesser zwischen 8 und 50 nm beziehungsweise 50 und 500 nm aufweisen können. Weiterhin können diese eine Länge aufweisen, die im Bereich zwischen 1 und 500 μm liegt. Im Zwischenstoff können diese Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoffnanofasern dabei ein loses Netzwerk bilden (lose oder leicht verschlaufte Kontakte zwischen den Berührungspunkten wie bei Papier oder Filz), oder durch den Herstellprozess als durchgängiges dreidimensionales Netzwerk mit de facto gefestigten Verschlaufungen vorliegen, dessen Poren von der Metallmatrix infiltriert sind.
Für die Ausgangsstoffe CNX kann beispielsweise folgendes gelten: CNT können mit der Struktur SW, DW oder MW zur Anwendung kommen, und die CNF können in den Strukturen PL, HB oder SC zur Anwendung kommen.
Für die Ausgangsstoffe kann weiterhin gelten, dass die CNX-Y mit Oberflächenmodifikationen A und/oder Beschichtungen B zur Anwendung kommen können.
Die Oberflächenmodifikation A kann dabei eine Funktionalisierung durch C-H, C-OH, C-OOH, eine Hydrierung (jeweils nasschemisch oder über die Gasphase), ein Ausheizen bei Temperaturen größer 1200°C, eine Graphitierung bei Temperaturen um 2900°C, eine Plasmabehandlung (Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Argon oder deren Mischungen) oder dergleichen beinhalten.
Die Beschichtung B kann dabei beinhalten eine Beschichtung mit einer Benetzungsfördernden Schicht (hierzu kommen die weiter oben angeführten Elemente in Betracht); Beschichtungen, die eine Reaktion mit einer Matrix Legierung unterbinden, beispielsweise mit den Karbiden der benetzungsfördernden Schichten, sowie deren hochschmelzende Nitride, Silizide und/oder Boride; Beschichtungen, die mit Verfahren wie PVD, CVD, Colloidal Microwave Processing, nasschemischen oder alternativen Verfahren aufgebracht werden. Die Beschichtungen müssen nicht notwendigerweise als vollständige Schicht vorliegen.
Vorteilhaft kann der aus den Ausgangsstoffen CNX-Y hergestellte Zwischenstoff nachträglich einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B unterworfen werden, wie dies weiter oben bereits beschrieben ist. In diesem Fall erfolgt insbesondere die Beschichtung mit einem CVI Verfahren oder einem nasschemischen Verfahren.
Beispielsweise kann der Zwischenstoff CNX-Y-AB als Papier mit einer geometrischen Dicke von 50 bis 500 μm, oder als Filz mit einer Dicke größer 500 μm, oder als dreidimensionales Netzwerk mit einer Dicke größer 5 mm vorliegen.
Beispielsweise kann der Zwischenstoff CNX-Y-AB mit einer Dichte im Bereich 0,05–0,4 g/cm³ herstellbar sein. Die Primärporengröße kann beispielsweise im Bereich 10 bis 1000 nm liegen.
Vorteilhaft kann/können der kohlenstoffhaltige Füllstoff und/oder der metallhaltige Matrixwerkstoff ein benetzungsförderndes Material aufweisen. Beispielsweise kann/können das/die benetzungsförderliche Metall(e) für den Matrixwerkstoff, beispielsweise eine Matrixlegierung, wenigstens ein Element aus der 4., 5. und 6. Nebengruppe des Periodensystems der chemischen Elemente, Silizium oder Bor sein. Die benetzungsfördernden Metalle können vorteilhaft mit dem Kohlenstoff reagieren. Die Reaktionsprodukte können bis zu 10 Volumenprozent im Verbundwerkstoff vorliegen. Reaktionsprodukte des Metalls, der Metall Legierung oder der benetzungsfördernden Elemente mit der verwendeten Atmosphäre können bis zu einem maximalen Anteil von 10 vol% im Verbundwerkstoff vorliegen.
Vorteilhaft weist das benetzungsfördernde Material ein Refraktärmetall, Silizium und/oder Bor auf.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das benetzungsfördernde Material, beispielsweise ein Metall, derart ausgebildet ist, dass es mit dem Kohlenstoff reagiert oder reagieren kann, und dass die Reaktionsprodukte mit bis zu 10 Volumenprozent im Verbundwerkstoff vorliegen.
Vorteilhaft können etwaige Reaktionsprodukte des Metalls, der Metall Legierung oder der benetzungsfördernden Elemente mit der verwendeten Atmosphäre (z. B. Restsauerstoff) bis zu einem maximalen Anteil von 10 vol% im Verbundwerkstoff vorliegen.
Vorzugsweise kann der Verbundwerkstoff in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner/gleich 12 ppm/K, vorzugsweise im Bereich von 6 bis 8 ppm/K aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung kann der Verbundwerkstoff in zumindest einer Raumrichtung eine thermische Leitfähigkeit von größer/gleich 300 W/mK, bevorzugt von größer/gleich 400 W/mK, besonders bevorzugt von größer/gleich 500 W/mK aufweisen. Bevorzugt liegt eine isotrope, zumindest aber mäßig anisotrope Wärmeleitfähigkeit vor.
Vorzugsweise kann der Verbundwerkstoff eine Dichte von größer 80%, bevorzugt von größer 90%, besonders bevorzugt von größer als 95% aufweisen.
Ein Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise auf einem Matrix Metall und/oder einer Matrix Legierung, und einem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff basieren, wobei der Füllstoff in der Matrix teilweise netzwerkartig vorliegt. Der Füllstoff wird vorteilhaft über einen Zwischenstoff CNX-Y-AB hergestellt. Die netzwerkartige, auf Kohlenstoff basierende Struktur kann aus den Ausgangsstoffen Kohlenstoff Nanofasern CNF und/oder Kohlenstoff Nanoröhrchen CNT mit verschiedenen Strukturen Y und/oder weiteren kohlenstoffbasierten Materialien bestehen, die in weiterer Folge zu einem Zwischenstoff in Form von Papier, Filz oder 3-D-Netzwerk weiterverarbeitet werden und anschließend mit dem Matrix Metall oder der Matrix Legierung infiltriert werden. Der auf Kohlenstoff basierende Füllstoff liegt wenigstens teilweise im Matrix Metall beziehungsweise in der Matrix Legierung als netzwerkartige Struktur vor, vorteilhaft mit einem Anteil von 10 bis 80 Volumenprozent, wobei davon zwischen 0 bis 5 Volumenprozent in nicht faserartiger Struktur vorliegen können (zum Beispiel als amorpher Kohlenstoff). Der Rest ist dann das Matrix Metall beziehungsweise die Matrix Legierung, sowie gegebenenfalls etwaige Reaktionsprodukte zwischen Matrix Metall/Legierung und dem Kohlenstoff basierenden Füllstoff. Die Reaktionsprodukte mit dem Füllstoff liegen dabei maximal mit einem Anteil von 10 Volumenprozent vor, Reaktionsprodukte mit der Atmosphäre (z. B. Oxide) liegen mit maximal 10 vol% vor. Die CNT beziehungsweise CNF können in verschiedenen Strukturen Y vorliegen. Die CNX können mit Oberflächenmodifikationen A und/oder Beschichtungen B versehen sein. Als Matrix Metall kann Cu, Ni, Ag, Au, Mg, Co und Al verwendet werden, und bei Anwendung von Legierungen dieser Metalle können diese zumindest aus 80 Gewichtsprozent des Metalls zusammengesetzt sein. Als Legierungselemente kommen vorteilhaft Legierungselemente zur Anwendung, die entweder den Schmelzpunkt des Metalls erniedrigen und/oder benetzungsfördernd mit dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff agieren (in dem sie beispielsweise ein Karbid mit der Oberfläche des CNX-Y/CNX-Y-AB bilden).
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verbundwerkstoffkörper bereitgestellt, der auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff in einer einzigen Schicht zwischen zwei metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltenden Restschichten vorliegt. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff in zwei Schichten vorliegt, zwischen denen eine metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltende Restschicht angeordnet ist. Bezüglich der Ausgestaltung, Zusammensetzung und Funktionsweise des Verbundwerkstoffkörpers wird zunächst auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und zum erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verbundkörper bereitgestellt, enthaltend einen wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff, wobei der Verbundwerkstoff in drei oder mehr übereinander gestapelten Schichten vorliegt. Bezüglich der Ausgestaltung, Zusammensetzung und Funktionsweise des Verbundkörpers wird zunächst auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und zum erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Vorteilhaft können die Schichten Verbundwerkstoff, wie weiter oben schon erläutert wurde, jeweils voneinander durch eine dünne Restschicht (nicht infiltrierten) metallhaltigen Matrixwerkstoffs beabstandet sein.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Anwendungsfall bereitgestellt, bei dem der vorstehend beschriebene Verbundwerkstoff zum Einsatz kommen kann. Vorteilhaft kann dies in einer Anschlussvorrichtung der Fall sein, die insbesondere als Anschlussvorrichtung für ein Halbleiterbauelement, beispielsweise für ein Laserdiodenelement, ausgebildet sein kann.
Vorteilhaft ist daher eine Anschlussvorrichtung für ein Halbleiterbauelement, insbesondere für ein Laserdiodenelement, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen wie weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff und/oder wenigstens einen wie weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörper und/oder wenigstens einen wie weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verbundkörper aufweist. Bezüglich der Ausgestaltung, Zusammensetzung und Funktionsweise der Anschlussvorrichtung wird daher zunächst auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und zum erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff und zum erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörper und zum erfindungsgemäßen Verbundkörper vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Vorteilhaft wird eine Anschlussvorrichtung für ein Halbleiterbauelement bereitgestellt, die wenigstens eine erste Kontaktfläche und wenigstens eine zweite, der ersten Kontaktfläche zumindest abschnittsweise gegenüberliegende Kontaktfläche aufweist, wobei die erste Kontaktfläche in, vorzugsweise stoffschlüssiger, Verbindung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Verbundkörper und/oder erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörper, und die zweite Kontaktfläche in, vorzugsweise stoffschlüssiger, Verbindung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Verbundkörper und/oder erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörper steht.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der eine Anschlussvorrichtung für ein Halbleiterbauelement bereitgestellt wird, die wenigstens eine erste Kontaktfläche und wenigstens eine zweite, der ersten Kontaktfläche zumindest abschnittsweise gegenüberliegende Kontaktfläche aufweist, wobei die erste Kontaktfläche in, vorzugsweise stoffschlüssiger, Verbindung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Verbundkörper, und die zweite Kontaktfläche in, vorzugsweise stoffschlüssiger, Verbindung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörper steht.
Weitere Anwendungsbeispiele für die – nicht auf eine einzige Verbindungsart – beschränkte Verbindung von erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörpern mit den Kontaktflächen von Halbleiterbauelementen im Allgemeinen sind denkbar und schränken den Umfang der Erfindung keinesfalls ein. So eignen sich die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffkörper auch insbesondere zur elektrischen Kontaktierung und Wärmeableitung von Hochleistungshalbleiterschaltelementen, zu denen Hochleistungstransistoren, beispielsweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), und Hochleistungsthyristoren, beispielsweise SCRs (Silicon-Controlled Rectifier), GTOs (Gate Turn-Off thyristor) und IGCTs (Integrated Gate-Commutated Thyristor), zählen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu veranschaulichen anhand von Querschnittsdarstellungen
1a, 1b die Herstellung eines Verbundwerkstoffkörpers nach dem Stand der Technik;
2a bis 2c eine erste Variante eines ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
3a, 3b eine zweite Variante des ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
3c eine erste bevorzugte Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
3d eine zweite bevorzugte Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
4a bis 4d eine erste Variante eines zweiten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
5a, 5b eine zweite Variante eines zweiten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
6a bis 6c eine erste Variante eines dritten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
7a, 7b eine zweite Variante eines dritten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs; und
8a, 8b ein Anwendungsbeispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs.
Ausführungsbeispiel 1
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes werden in einem ersten Verfahrensschritt ein 100 μm dünner, aus Filtration einer Dispersion entstandenen „papierartiger" kohlenstoffhaltiger (bevorzugt CNT-/CNF-basierter) Zwischenstoff 10, sowie eine erste 50 μm dünne Kupferfolie 21 und eine zweite 50 μm dünne Kupferfolie 22 bereitgestellt (2a). Der Zwischenstoff 10 kann dabei beispielsweise mittels eines Beschichtungsverfahren aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition) hergestellt und mit Chrom beschichtet werden. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Zwischenstoff 10 zwischen die beiden Kupferfolien 21 und 22 gebracht und mit beiden Kupferfolien auf einander gegenüberliegenden Seiten in Kontakt gebracht (2b).
Anschließend wird der so gebildete Stapel 50 mit Wärme und Druck beaufschlagt. Dazu wird der Stapel in eine geeignete Graphitform mit einer Kavität eingelegt, ein Stempel aufgesetzt und der Stapel in einer Heißpresse unter Wasserstoff bei einer Heizrate von 50 K/min bis auf eine Temperatur von 1150°C hoch geheizt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird der Stapel mit einem mechanischen Druck von 20 MPa beaufschlagt wobei die Kupferfolien 21 und 22 aufschmelzen und das flüssige Kupfer von dem Zwischenstoff 10 wenigstens teilweise aufgenommen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume des Zwischenstoffs 10 mit flüssigem Kupfer belegt. Der Stapel wird für 10 Minuten bei der Maximaltemperatur gehalten, ebenso bleibt dabei der mechanische Druck aufrecht. Die Abkühlung erfolgt mit einer Kühlrate von etwa 20 K/Min.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Kupfers liegt ein Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff-Schicht 30 von 100 μm in einer etwa 120 μm dünnen, folienförmigen Verbundwerkstoffkörper 60 vor, der auf einer ersten Seite der Verbundwerkstoff-Schicht 30 eine erste 5 μm dünne Restschicht 40 Kupfer trägt und auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden, Seite der Verbundwerkstoff-Schicht 30 eine zweite 5 μm dünne Restschicht Kupfer trägt (2c). Die Restschichten resultieren aus der Forderung, den Zwischenstoff 10 vollständig zu infiltrieren und keine nennenswerte Restporosität im gebildeten Verbundwerkstoff zuzulassen, weshalb mit einem Materialüberschuss an Kupfer gearbeitet wird. Ein geringer Anteil des Kupfers findet sich nach der Infiltration im Spalt zwischen der Graphitform und dem Stempel.
In einer zweiten Variante dieses Ausführungsbeispiels werden Zwischenstoff 10 und Kupferfolien 20 alternierend gestapelt (3a). Den äußeren Abschluss des Stapels 51 in Stapelrichtung bilden auf einer ersten Seite des Stapels eine Kupferfolie 21 und auf der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stapels eine Kupferfolie 22. Der Stapel 51 wird der ersten Variante vergleichbaren Bedingungen zur Infiltration des Zwischenstoffs 10 mit dem verflüssigten Kupfer der Kupferfolien 20, 21 und 22 unterworfen, wobei unter Abkühlung ein Verbundkörper 61 mit Verbundwerkstoff-Schichten 30 von 100 μm Dicke, zwischen denen 10 μm dünne Kupferschichten 40 nicht infiltrierten Kupferfolienmaterials liegen, geschaffen wird (3b). Die beiden äußeren Seiten des Verbundkörpers weisen Kupferschichten 41 und 42 von 50 μm Dicke auf, die daraus resultieren, dass die äußeren Kupferfolien 20 nur in eine Richtung den Zwischenstoff 10 infiltrieren können.
In einer ersten bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles wird nach Abschluss des Infiltrationsprozesses der Druck auf den Stapel – vorzugsweise uniaxial in Stapelrichtung – erhöht, wodurch die nicht infiltrierten flüssigen Restbestandteile der Kupferschichten 20, 21 und 22 seitlich aus dem Stapel austreten. Dieser Materialaustritt 43 füllt den Spalt zwischen Graphit und Stempel und erstarrt bei Abkühlung zusammen mit dem infiltrierten Material (3c). Bei diesem Herstellungsverfahren verschwindet das Matrixmetall weitgehend aus der Schnittstelle zwischen den Verbundwerkstoff-Schichten 30, wobei die Verbundwerkstoff-Schichten 30 allerdings noch einzeln als solche zu erkennen sind.
In einer zweiten bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles wird nach Abschluss des Infiltrationsprozesses der Druck auf den Stapel vorzugsweise uniaxial in Stapelrichtung über den Druck bei der ersten bevorzugten Weiterbildung erhöht, wodurch nicht nur die nicht infiltrierten flüssigen Restbestandteile der Kupferschichten 20 aus dem Stapel herausgedrückt werden sondern auch die infiltrierten Zwischenstoffe 10 oberflächlich derart in Kontakt kommen, vorzugsweise sogar ineinander greifen, dass die infiltrierten Zwischenstoffe 10 nach Abkühlung und Verfestigung des infiltrierten Metalls nicht mehr als von einander getrennte Verbundwerkstoff-Schichten 30 erkennbar sind, sondern – wie in 3d dargestellt – einen im wesentlichen einheitlichen Verbundwerkstoffbereich 35 bilden.
Ausführungsbeispiel 2
Ein 150 μm dünnes Papier 10 (4a), bestehend aus Kohlenstoffnanofasern, wird unter Vakuum allseitig durch physikalische oder – weniger bevorzugt – chemische Abscheidung aus der Dampfphase mit einer Aluminium-Silizium Legierung beschichtet, und zwar solange, bis sich auf der jeweiligen Seite sowie auf den Seitenkanten/-flächen des Papiers eine geschlossene Aluminiumschicht 23 auf dem Papier ausbildet (4b). Verbleibende Hohlräume im Papier bleiben gegenüber natürlichen Umgebungsbedingungen abgeschlossen. Somit kann das Aluminiumbeschichtete Papier 52 in ein flüssiges Medium gebracht werden, ohne dass das flüssige Medium in das Papier beziehungsweise seine Hohlräume eindringt. In diesem flüssigen Medium wird eine feldinduzierte – vorzugsweise eine elektrolytische oder elektrophoretische – Abscheidung von Aluminium auf dem aluminiumbeschichteten Papier 52 durchgeführt, und zwar solange, bis die feldinduziert abgeschiedene Aluminiumschicht 24 des so geformten Schichtkörpers 53 eine Dicke von 50 μm besitzt (4c).
In einer ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispieles wird der Schichtkörper 53 mit Wärme und Druck beaufschlagt. Dazu wird der Schichtkörper in eine mit Bornitrid beschlichtete Graphitform gelegt und in einer Heißpresse unter Argon auf eine Temperatur von 720°C mit einer Heizrate von 20 K/min hochgeheizt. Nach Erreichen der Temperatur wird ein mechanischer Druck von 10 MPa innerhalb von 5 Minuten aufgebracht. Danach wird die Probe mit 10 K/min abgekühlt. Durch diesen Prozess wird das Papier infiltriert, wobei das Aluminium der Metallisierungen 23 und 24 zusammen mit den benetzungsförderlichen Metallen von dem Papier 10 wenigstens teilweise aufgenommen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume des Papiers 10 mit flüssigem Aluminium belegt. Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Aluminiums liegt ein Kohlenstoff-Aluminium-Verbundwerkstoff-Schicht 30 von 150 μm Dicke in einer etwa 170 μm dünnen, folienförmigen Verbundwerkstoffkörper 64 vor, in dem die Verbundwerkstoff-Schicht 30 allseitig von einer Hülle 44 nicht infiltrierten Aluminiums umschlossen ist (4d).
In einer zweiten Variante des zweiten Ausführungsbeispieles werden mehrere Schichtkörper 53 übereinander unter Ausbildung eines Stapels 54 (5a) gestapelt und anschließend mit Wärme und Druck beaufschlagt wie in der ersten Variante ausgeführt. Unter diesen Bedingungen wird das Papier infiltriert, wobei das Aluminium der Metallisierungen 23 und 24 zusammen mit den benetzungsförderlichen Metallen von den Papieren 10 wenigstens teilweise aufgenommen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume der Papiere 10 mit flüssigem Aluminium belegt.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Aluminiums liegen mehrere Kohlenstoff-Aluminium-Verbundwerkstoff-Schichten 30 von 150 μm Dicke in einem Verbundkörper 65 vor, die voneinander durch Restschichten nicht infiltrierten Aluminiums beabstandet und allseitig von einer Hülle 44 nicht infiltrierten Aluminiums umschlossen sind (5b).
Analog der bevorzugten Weiterbildungen der zweiten Variante des vorangegangenen ersten Ausführungsbeispieles kann auch in bevorzugten Weiterbildungen der zweiten Variante des vorliegenden zweiten Ausführungsbeispieles der Druck bei Ende der vollständigen Infiltration der Papiere 10 so erhöht werden, dass im wesentlichen keine Restbestandteile nicht infiltrierten Aluminiums mehr zwischen den infiltrierten Aluminiumschichten vorliegen, sondern diese aus dem Stapel der Verbundwerkstoffschichten 30 heraus in die den Verbundwerkstoffschichtenstapel beziehungsweise in den Spalt zwischen Graphitform und Stempel gedrückt werden.
Ausführungsbeispiel 3
Eine 50 μm dünne Silberfolie 20 (6a) wird in einem Bad elektrophoretisch an zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit Kohlenstoffnanoröhrchen beschichtet, die nach Beendigung des Beschichtungsprozesses als zwei Schichten 11 und 12 von 25 μm Dicke eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffes beiderseits an der Silberfolie haften und mit dieser einen Schichtkörper 55 bilden (6b).
In einer ersten Variante des dritten Ausführungsbeispieles wird der Schichtkörper 55 mit Wärme und Druck beaufschlagt. Dazu wird der Schichtkörper in eine Graphitform eingelegt, ein Stempel aus Graphit aufgesetzt und in einer Heißpresse bei 50 K/min Heizrate auf 1030°C hochgeheizt. Nach Erreichen der Temperatur wird ein mechanischer Druck von 5 MPa innerhalb von 10 Minuten aufgebracht. Nach Erreichen der Maximaltemperatur erfolgt die Abkühlung des Schichtkörpers bei einer Kühlrate von 10 K/min. Durch diesen Prozess wird der Schichtkörper infiltriert, wobei das flüssige Silber der Silberfolie 20 zumindest teilweise von den Kohlenstoffnanoröhrchenschichten 11 und 12 aufgesogen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume der Schichten 11 und 12 mit flüssigem Silber belegt.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Silbers liegen zwei voneinander durch eine etwa 5 μm dünne Restschicht 40 nicht infiltrierten Silbers beabstandete Kohlenstoff-Silber-Verbundwerkstoff-Schichten 31 und 32 von etwa 25 μm Dicke in einem etwa 55 μm dünnen, folienförmigen Verbundwerkstoffkörper 66 vor (6c).
In einer zweiten Variante des dritten Ausführungsbeispieles werden mehrere Schichtkörper 55 übereinander unter Ausbildung eines Stapels 56 (5a) gestapelt, wobei Schichten 11 und 12 zweier benachbarter Schichtkörper 55 teilweise ineinander greifen (7a). Anschließend wird der Stapel 56 mit Wärme und Druck beaufschlagt. In dieser Variante wird ein mechanischer Druck von 20 MPa angewendet, wodurch das flüssige Silber der Silberfolien 20 zumindest teilweise von den Kohlenstoffnanoröhrchenschichten 11 und 12 aufgesogen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume der Schichten 11 und 12 mit flüssigem Silber belegt.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Silbers liegen voneinander durch etwa 5 μm dünne Restschichten 40 nicht infiltrierten Silbers beabstandete innere Kohlenstoff-Silber-Verbundwerkstoff-Schichten 30 von etwa 40 μm Dicke zwischen zwei äußeren Kohlenstoff-Silber-Verbundwerkstoff-Schichten 31 und 32 von etwa 25 μm Dicke in einem Verbundkörper 67 vor.
Auch in dieser Variante des dritten Ausführungsbeispieles können in bevorzugten Weiterbildungen die Restschichten Silber im flüssigen Zustand aus dem Stapel von Verbundwerkstoffschichten 30, 31 und 32 herausgepresst, werden, was die Bildung eines einheitlichen Verbundwerkstoffbereiches im Verbundkörper begünstigt.
Anwendungsbeispiel
8a und 8b veranschaulichen die Anwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes zur Wärmeableitung und Kontaktierung in einer als Diodenlaserbauelement 70 bezeichneten Anschlussvorrichtung für ein Laserdiodenelement, dessen Strahlungsemission im Betrieb in Richtung des Pfeils 76 erfolgt.
Ein Laserdiodenelement 71 mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6,5 ppm/K besitzt eine epitaxieseitige Kontaktfläche 72 und eine, der epitaxieseitigen Kontaktfläche gegenüberliegende, substratseitige Kontaktfläche 74. Zwischen einem Verbundkörper als Wärmeleitkörper 69, in dem der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff in fünfzehn übereinander gestapelten Schichten vorliegt, und der epitaxieseitigen Kontaktfläche 72 des Laserdiodenelementes besteht eine erste stoffschlüssige Verbindung, die beispielsweise durch eine Lötung mit einem ersten metallischen Lot 73 hergestellt wurde. Über den Wärmeleitkörper erfolgt auch die Stromzuführung an die epitaxieseitige Kontaktfläche 74 des Laserdiodenelementes 71. Der Wärmeleitkörper kann beispielsweise einer der Verbundkörper 61, 62, 63, 65 und 67 aus den drei vorangegangenen Ausführungsbeispielen sein.
Zwischen einem Verbundwerkstoffkörper als elektrischem Leiterblech 68, in dem der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff in einer einzelnen Schicht vorliegt, und der substratseitigen Kontaktfläche 74 des Laserdiodenelementes besteht eine zweite stoffschlüssige Verbindung, die beispielsweise durch eine Lötung mit einem zweiten metallischen Lot 75 hergestellt wurde.
Das Leiterblech kann beispielsweise einer der Verbundwerkstoffkörper 60 und 64 aus dem ersten und zweiten Ausführungsbeispielen sein.
Leiterblech 68 und Wärmeleitkörper 69 besitzen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6,5 ppm/K. Das metallische Lot 73, 75 ist in beiden stoffschlüssigen Verbindungen ein hoch wechsellastbeständiges Gold-Zinn-Lot mit einem Gehalt an Goldatomen, der anteilsmäßig den Gehalt an Zinnatomen übersteigt. Vor der Verbindung der Verbundwerkstoffkörper und/oder Verbundkörper mit dem Laserdiodenelement wurden die Verbundwerkstoffkörper und/oder Verbundkörper mit geeigneten für die Lötung geeigneten Schichten versehen.
Durch die Verwendung von hoch elektrisch und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoffkörpern und/oder Verbundkörpern in hoch wechsellastbeständiger und mechanisch spannungsarmer stoffschlüssigen Verbindungen mit dem Laserdiodenelement wird ein extrem leistungsfähiges und zuverlässiges Diodenlaserbauelement geschaffen.
In einer ersten Variante dieses Anwendungsbeispiels ist das Leiterblech 68 ein Verbundwerkstoffkörper, in dem der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff in zwei Schichten vorliegt, beispielsweise ein Verbundwerkstoffkörper 66 aus dem dritten Ausführungsbeispiel.
In einer zweiten Variante dieses Anwendungsbeispiels ist die Lage der beiden Verbundwerkstoffkörper bezüglich der beiden Kontaktflächen vertauscht.
Abschließend zu diesem Anwendungsbeispiel gilt die Bemerkung, dass eine stoffschlüssige Verbindung nicht notwendigerweise auf eine einzige Fügezone zwischen Laserdiodenelement und Verbundwerkstoffkörper und/oder Verbundkörper beschränkt ist. Varianten dieses Anwendungsbeispieles, in denen wenigstens eine der oder gegebenenfalls auch beide stoffschlüssigen Verbindungen zwei oder mehr Fügezonen aufweisen, zwischen denen weitere Körper stoffschlüssig angeordnet sein können, sind denkbar und je nach Anforderung der Anwendung auch sinnvoll.

10: Schicht mit kohlenstoffhaltigem Zwischenstoff, vorgesehen die Positionierung zwischen zwei Schichten 20
11: erste äußere Schicht mit kohlenstoffhaltigem Zwischenstoff in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 20
12: zweite äußere Schicht mit kohlenstoffhaltigem Zwischenstoff in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 20
15: gesinterte kohlenstoffhaltige Schicht
20: metallhaltige Matrixschicht, angeordnet zwischen zwei Schichten 10
21: erste äußere metallhaltige Matrixschicht in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 10
22: zweite äußere metallhaltige Matrixschicht in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 10
23: aus der Dampfphase abgeschiedene Metallisierung
24: feldinduziert in flüssigem Medium abgeschiedene Metallisierung
30: Verbundwerkstoffschicht, hervorgegangen aus einer mit Matrixmaterial beidseitig infiltrierten Schicht 10
31: erste Randverbundwerkstoffschicht, hervorgegangen aus einer mit Matrixmaterial einseitig infiltrierten Schicht 10
32: zweite Randverbundwerkstoffschicht, hervorgegangen aus einer mit Matrixmaterial einseitig infiltrierten Schicht 10
35: Verbundwerkstoffbereich, hervorgegangen aus mehreren, einander benachbarten, mit Matrixmaterial infiltrierten Schichten 10
40: Restschicht nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials, angeordnet zwischen zwei Verbundwerkstoffschichten 30
41: erste äußere Restschicht nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials in einseitiger Nachbarschaft einer Verbundwerkstoffschicht 30 oder eines Verbundwerkstoffbereiches 35
42: zweite äußere Restschicht nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials in einseitiger Nachbarschaft einer Verbundwerkstoffschicht 30 oder eines Verbundwerkstoffbereiches 35
43: Materialaustritt, entstanden durch das Herausdrücken nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials aus dem Bereich zwischen zwei infiltrierten Schichten 10
44: Hülle nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials, die Verbundwerkstoffschicht/Verbundwerkstoffschichten 30 oder Verbundwerkstoffbereich 35 allseitig umschließend
50: Stapel aus Schicht 10 zwischen zwei Schichten 21 und 22
51: Stapel aus mehreren abwechselnd angeordneten Schichten 10 und 20 beziehungsweise 21 und 22
52: Schichtkörper aus Schicht 10 und auf dieser aufgedampften Metallisierung 23
53: Schichtkörper aus Verbundwerkstoffkörper 52 und feldinduziert in flüssigem Medium auf diesem abgeschiedenem Metallisierung 24
54: Stapel aus mehreren Schichtkörpern 53
55: Schichtkörper aus Schicht 20 und auf dieser abgeschiedenen kohlentstoffhaltigen Schichten 11 und 12
56: Stapel aus mehreren Schichtkörpern 55
59: Sinterkörper, bestehend aus Schichten 15 und 20
60: Verbundwerkstoffkörper, hergestellt aus Stapel 50
61: Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 51
62: Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 51
63: Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 51
64: Verbundwerkstoffkörper, hergestellt aus Schichtkörper 53
65: Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 54
66: Verbundwerkstoffkörper, hergestellt aus Schichtkörper 55
67: Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 56
68: Leiterblech
69: Wärmeleitkörper
70: Anschlussvorrichtung (Diodenlaserbauelement)
71: Laserdiodenelement
72: epitaxieseitige Kontaktfläche
73: epitaxieseitiges Lot
74: substratseitige Kontaktfläche
75: substratseitiges Lot
76: Lichtemissionsrichtungspfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2006001232 A [0003, 0040]
- US 6649265 B1 [0005, 0041]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem Kohlenstoffnanomaterial, und einem metallischen Material, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Herstellen eines Schichtstapels aus zwei oder mehr Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet ist und wobei wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet ist; b) Aufheizen des Schichtstapels auf eine bestimmte Prozesstemperatur, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird; c) Vollständiges Infiltrieren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Matrixmaterial; und d) Abkühlen des entstandenen Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel aus mehr als zwei Schichten hergestellt wird, wobei die Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und in Form einer metallhaltigen Matrix alternierend gestapelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht(en) in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs aus wenigstens einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere aus wenigstens einem aus einem Kohlenstoffnanomaterial bestehenden Ausgangsstoff, hergestellt wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix und/oder der kohlenstoffhaltige Ausgangsstoff bei ihrer Herstellung und/oder bei der Herstellung des Schichtstapels und/oder vor dem Aufheizen des Schichtstapels auf die Prozesstemperatur mit einem benetzungsfördernden Material versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix Schichtdicken im Bereich von 10 μm bis 500 μm, bevorzugt 25 μm bis 250 μm, besonders bevorzugt 50 bis 150 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Schritt der Infiltration des Zwischenstoffs unter Vakuum, unter einem Inertgas, unter Wasserstoff oder gegebenenfalls unter Luft stattfindet.
Verbundwerkstoff, aufweisend einen kohlenstoffhaltigen Füllstoff, der insbesondere aus einem Kohlenstoffnanomaterial gebildet ist, wobei der Verbundwerkstoff von dem kohlenstoffhaltigen Füllstoff durchsetzt ist, und weiterhin aufweisend einen metallhaltigen Matrixwerkstoff, der aus wenigstens einem reinen Metall oder wenigstens einer Metalllegierung gebildet ist, wobei der metallhaltige Matrixwerkstoff vollständig im Füllstoff infiltriert ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt worden ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Füllstoff und/oder der metallhaltige Matrixwerkstoff ein benetzungsförderndes Material aufweist/aufweisen.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das benetzungsfördernde Material derart ausgebildet ist, dass es mit dem Kohlenstoff reagiert oder reagieren kann und dass die Reaktionsprodukte mit bis zu 10 Volumenprozent im Verbundwerkstoff vorliegen.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das benetzungsfördernde Material ein Refraktärmetall, Silizium und/oder Bor aufweist.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner/gleich 12 ppm/K, vorzugsweise im Bereich von 6 bis 8 ppm/K aufweist.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in zumindest einer Raumrichtung eine thermische Leitfähigkeit von größer/gleich 300 W/mK, bevorzugt von größer/gleich 400 W/mK, besonders bevorzugt von größer/gleich 500 W/mK aufweist.
Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine Dichte von größer 80%, bevorzugt von größer 90%, besonders bevorzugt von größer als 95% aufweist.
Verbundwerkstoffkörper, enthaltend einen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der Verbundwerkstoff in einer einzigen Schicht zwischen zwei metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltenden Restschichten vorliegt.
Verbundwerkstoffkörper, enthaltend einen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der Verbundwerkstoff in zwei Schichten vorliegt zwischen denen eine metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltende Restschicht angeordnet ist.
Verbundkörper, enthaltend einen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der Verbundwerkstoff in drei oder mehr übereinander gestapelten Schichten vorliegt.
Verbundkörper, nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten Verbundwerkstoff jeweils voneinander durch eine metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltende dünne Restschicht beabstandet sind.
Anschlussvorrichtung (70) für ein Halbleiterbauelement, insbesondere für ein Laserdiodenelement (71), dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussvorrichtung (70) einen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 bis 14 und/oder wenigstens einen Verbundwerkstoffkörper nach Anspruch 15 oder 16 und/oder wenigstens einen Verbundkörper nach Anspruch 17 oder 18 aufweist.
Anschlussvorrichtung für ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, das dieses wenigstens eine erste Kontaktfläche (72) und wenigstens eine zweite, der ersten Kontaktfläche (72) zumindest abschnittsweise gegenüberliegende, Kontaktfläche (74) aufweist, dass die erste Kontaktfläche (72) in, vorzugsweise stoffschlüssiger, Verbindung mit wenigstens einem Verbundkörper (69) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 steht, und die zweite Kontaktfläche (74) in, vorzugsweise stoffschlüssiger, Verbindung mit wenigstens einem Verbundwerkstoffkörper (68) nach einem der Ansprüche 15 oder 16 steht.