DE102011018607A1 - Granulat zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgiessen - Google Patents

Granulat zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgiessen Download PDF

Info

Publication number
DE102011018607A1
DE102011018607A1 DE102011018607A DE102011018607A DE102011018607A1 DE 102011018607 A1 DE102011018607 A1 DE 102011018607A1 DE 102011018607 A DE102011018607 A DE 102011018607A DE 102011018607 A DE102011018607 A DE 102011018607A DE 102011018607 A1 DE102011018607 A1 DE 102011018607A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
granules
composite
injection molding
production
component selected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102011018607A
Other languages
English (en)
Inventor
Dr. Scholl Roland
Dr. Zimmermann Stefan
Bernd Meyer
Wolfgang Motl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HC Starck GmbH
Original Assignee
HC Starck GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HC Starck GmbH filed Critical HC Starck GmbH
Priority to DE102011018607A priority Critical patent/DE102011018607A1/de
Priority to PCT/EP2012/057258 priority patent/WO2012143503A1/de
Publication of DE102011018607A1 publication Critical patent/DE102011018607A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/14—Treatment of metallic powder
    • B22F1/148—Agglomerating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/22—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip
    • B22F3/225—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip by injection molding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/045—Alloys based on refractory metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/04—Alloys based on tungsten or molybdenum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/067—Metallic material containing free particles of non-metal elements, e.g. carbon, silicon, boron, phosphorus or arsenic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3733—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon having a heterogeneous or anisotropic structure, e.g. powder or fibres in a matrix, wire mesh, porous structures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C22C2026/002—Carbon nanotubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3731—Ceramic materials or glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Granulat aus mindestens einer Komponente, ausgewählt aus einem Refraktärmetall, einer Keramik und einem Kohlenstoffwerkstoff, und mindestens eine Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des Granulats zur Herstellung von Verbundbauteilen, insbesondere von Wärmesenken, durch Spritzgießen, insbesondere Kaltgasspritzen, sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen und Verbundbauteilen, insbesondere einer Wärmesenke, mit dem Granulat durch Verfahren des thermischen Spritzens, insbesondere des Kaltgasspritzens.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Granulat aus mindestens einer Komponente, ausgewählt aus einem Refraktärmetall, einer Keramik und einem Kohlenstoffwerkstoff, und mindestens eine Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des Granulats zur Herstellung von Verbundbauteilen, insbesondere von Wärmesenken, durch Spritzgießen sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen und Verbundbauteilen, insbesondere einer Wärmesenke, mit dem Granulat durch Verfahren des thermischen Spritzens, insbesondere des Kaltgasspritzens.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Wärmesenken, so genannte „heat sinks”, ist die Wärmeabfuhr von elektronischen oder anderweitig thermisch hochbelasteten Bauteilen. Die Anforderungen für Wärmesenken lassen sich wie folgt zusammenfassen:
    • – thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE) einstellbar im Bereich 4–8 ppm/K
    • – hohe Wärmeleitfähigkeit
    • – lötbare Oberfläche
    • – moderate Materialkosten
    • – hoher E-Modul zur Minimierung der Durchbiegung beim Löten des DCB („Direct Copper Bonding”)-Substrats
    • – hohe Bruchfestigkeit für robustes Handling
    • – geringe Dichte für mobile Anwendungen.
  • Verbundwerkstoffe, bei denen ein Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten, z. B. ein Refraktärmetall, und ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit miteinander verbunden werden, haben sich für die Herstellung von Wärmesenken als geeignet erwiesen.
  • Ein Beispiel für solche Verbundwerkstoffe sind die metallischen Verbundwerkstoffe, die so genannten MMC'c (metal matrix composites). Hierbei werden in der Regel die Refraktärmetalle Molybdän oder Wolfram mit dem Metall Kupfer kombiniert. Dazu werden entweder durch Pressen und Sintern poröse Formkörper aus den Refraktärmetallen hergestellt und mit schmelzflüssigem Kupfer infiltriert, oder die Metallpulver werden gemischt und zu Formkörpern durch Pressen oder MIM (metal injection molding) verarbeitet und anschließend oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer gesintert (Flüssigphasensinterung).
  • Als weitere Verbundwerkstoffe für die Anwendung als Wärmesenken sind Al-SiC-Verbundmaterialien bekannt. Im Vergleich zu den Verbundmaterialien aus Mo-Cu und W-Cu weisen die aus Al-SiC den Vorteil einer wesentlich geringeren Dichte auf.
  • Neuere Entwicklungen beschreiben faserverstärkte und partikelverstärkte Verbundwerkstoffe als Materialien, die für die Anwendung als Wärmesenken geeignet sind. Ein Beispiel für die faserverstärkten Verbundwerkstoffe sind die Kupfer-Kohlenstoff-Faser Verbundwerkstoffe zu nennen. Im pulvermetallurgischen Herstellungsprozess wird gewöhnlich eine Mischung aus kurzen Kohlenstoff-Fasern und Kupferpulver heißgepresst. Der Volumenanteil an Kohlenstoff-Fasern liegt je nach gewünschtem Ausdehnungskoeffizienten zwischen 40 und 45 Vol.-%. Bei den partikelverstärkten Verbundwerkstoffen werden Cu- oder Ag-Matrices mit z. B. SiC und/oder Diamantpartikeln kombiniert. Solche Verbundwerkstoffe sind beispielsweise beschrieben in US 5,783,316 , EP 0 859,408 A1 , WO 99/12866 und WO 02/42249 A2 .
  • Neben dem oben erwähnter Herstellverfahren über Spritzgießen oder Pressen/Sintern lassen sich Wärmesenken aufgrund ihrer flächigen Natur auch besonders gut über thermische Spitzverfahren herstellen. Jedoch ist dabei darauf zu achten, dass der verwendete, pulverförmige Wärmesenkenwerkstoff beim thermischen Spritzen nicht oxidiert. Dies gelingt am besten über Verfahren, bei denen kein Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffs durch die thermische Energie der Prozessgase erfolgt und die Haftung der Partikel in Folge ihrer hohen kinetischen Energie erfolgt. Zu diesen Verfahren zählt u. a. das sogenannte Kaltgasspritzen, bei denen die Prozessgastemperatur bei maximal ca. 1200°C aber unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffes liegt. Die im Prozessgas vorgewärmten Pulverpartikel prallen mit hoher kinetischer Energie auf das Substrat auf, wobei die aus der auftretenden plastischen Verformung resultierende Wärmeentwicklung zur Anbindung der Partikel auf der Bauteiloberfläche sowie untereinander führt. Bedingt durch den Wärmeleitungskontakt zum Substrat tritt ein ebenso schnelles Abkühlen auf. Hierdurch wird die Oxidation wirksam verhindert. Gerade für die duktilen Metalle Aluminium, Kupfer und Silber ist daher das Kaltgasverfahren sehr geeignet.
  • Aus dem Stand der Technik sind jedoch keine Arbeiten bekannt, die eine Herstellung von Pulvern aus den oben genannten Verbundpulvern beschreiben, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften den Besonderheiten des Kaltgasspritzens Rechnung tragen. Insbesondere sind keine Pulver bekannt, die hinsichtlich ihrer Auftragseigenschaften für das Kaltgasspritzen optimiert wurden. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Pulvermischungen aus einem Refraktärmetall und einem Material mit hoher Leitfähigkeit eine schlechte Einbindung des Refraktärmetalls und ungleichmäßige Auftragung zeigt.
  • Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung pulverförmigen Materials für die Herstellung eines Verbundbauteils, insbesondere einer Wärmesenke, wobei das Material speziell für das Kaltgasspritzen geeignet sein soll.
  • Die Aufgabe wird durch ein Granulat gelöst, wobei das Granulat folgende Komponenten umfasst:
    • – mindestens eine Komponente, ausgewählt aus einem Refraktärmetall, einer Keramik und einem Kohlenstoffwerkstoff, und
    • – mindestens eine Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au,
    wobei das Granulat frei von organischen Bindemitteln ist.
  • Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Granulat, bestehend aus
    • – mindestens einer Komponente, ausgewählt aus einem Refraktärmetall, einer Keramik und einem Kohlenstoffwerkstoff, und
    • – mindestens einer Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung des Granulats der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Verbundbauteilen, insbesondere einer Wärmesenke, durch Spritzgießen oder durch das Kaltgasspritzen.
  • Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, insbesondere einer Wärmesenke, durch Spritzgießen des Granulats oder durch Kaltgasspritzen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Kurze Beschreibung der Figuren, durch die die Erfindung der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht wird:
  • 1 zeigt Diamanten mit einer Teilchengröße von ca. 25 μm;
  • 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines einzelnen Granulatkorns gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines einzelnen Granulatkorns gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem in der Hülle neben Kupfer feine Diamanten eingebracht sind;
  • 4 zeigt den Aufbau eines Granulatkorns gemäß der vorliegenden Erfindung, das im Beispiel 3 erhalten wird;
  • 5 zeigt den Aufbau eines Granulatkorns gemäß der vorliegenden Erfindung, das im Beispiel 4 erhalten wird;
  • 6 zeigt eine Abbildung von Carbon-Nano-Tubes (CNT); und
  • 7 zeigt den Aufbau eines Granulatkorns gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem CNT als eine Komponente enthalten ist und gemäß Beispiel 5 hergestellt wird;
  • 8 zeigt ein REM-Bild eines Pulvers gemäß der vorliegenden Erfindung, das im Beispiel 3 erhalten wird;
  • Das Granulat der vorliegenden Erfindung enthält eine Komponente, ausgewählt aus der Gruppe von Cu, Ag, Al und Au oder Mischungen davon, wobei Cu und Al sind bevorzugt sind. Ferner ist es auch möglich, deren leicht reduzierbare Oxide, z. B. CuO, einzusetzen. In diesem Fall ist dann eine Reduktion zum Metall erforderlich.
  • Weiterhin enthält das Granulat der vorliegenden Erfindung eine Komponente, ausgewählt aus einem Refraktärmetall, einer Keramik und einem Kohlenstoffwerkstoff oder Mischungen davon. Als Refraktärmetalle können hochschmelzende Metalle der vierten Nebengruppe, fünftem Nebengruppe und sechsten Nebengruppe eingesetzt werden. Bevorzugt sind Mo und W. Als geeignete Keramik-Komponenten zur Herstellung des Granulats der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Boride, wie Titanborid, Oxide, wie z. B. Nioboxid, Titanoxid und Aluminiumoxid, Nitride, z. B. Aluminiumnitrid und Siliciumnitrid, Carbide und Silizide genannt werden, wobei jedoch auch andere Keramik-Komponenten möglich sind. Die Keramik-Komponente kann einen einzelnen Bestandteil, aber auch beliebige Gemische verschiedener Bestandteile umfassen. Beispiele für den Kohlenstoffwerkstoff sind Graphit, Diamant, Kohlefaser und Carbon-Nano-Tubes (CNT).
  • Besonders bevorzugte Kombinationen der oben genannten Komponenten sind W-Cu, Mo-Cu und Al-SiC.
  • Die oben genannten Komponenten werden in einem Granulationsverfahren zu einem Granulat verarbeitet. Dazu kann jegliches bekannte Granulationsverfahren angewendet werden, beispielsweise Sprüh- und Wirbelschichtgranulation oder Verfahren bei denen Kugelmühlen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist folgendes Granulationsverfahren: die pulverförmigen Komponenten werden in einer Flüssigkeit dispergiert und anschließend sprühgetrocknet, um Granalien zu erhalten. Diese können den Prozess auch mehrfach durchlaufen, um eine Schichtstruktur zu erhalten. Sie werden dann thermisch behandelt, um organische Binder zu entfernen. Ganz besonders geeignet ist aber eine Aufbaugranulation um einen Kern, der beispielsweise durch einen Diamanten oder ein SiC-Partikel gebildet werden kann. Auch hier erfolgt eine anschließende thermische Binderentfernung.
  • Die Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au, wird in dem Granulationsverfahren als Pulver eingesetzt, wobei eine Partikelgröße im Bereich von 1 bis 20 μm bevorzugt ist.
  • Die zweite Komponente wird im Fall von z. B. Diamant und Graphit als Pulver eingesetzt. Im Fall von Kohlefaser oder Carbon-Nano-Tubes werden faser-förmige Ausgangstoffe bei der Granulatherstellung verwendet. Wenn die zweite Komponente als Pulver eingesetzt wird, weist es bevorzugt eine Partikelgröße im Bereich von 1 bis 20 μm auf. Im Fall von Fasern ist die Faserlänge vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 μm und der Faserdurchmesser im Bereich von 1 bis 10 μm.
  • In dem Granulationsverfahren wird ein Granulat erhalten, bei dem die Granulatkörner beide Komponenten enthalten, wobei die Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au, die Matrix bildet und die zweite Komponente eine nicht perkolierte zweite Phase. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, dass die beiden Komponenten zwei sich durchdringende Gefüge bilden. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Granulatkörner eine Kern-Hülle-Struktur aufweisen. Dabei können sowohl die Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au, als auch die zweite Komponente entweder den Kern oder die Hülle bilden. Es ist auch möglich, dass eine Mischung aus beiden Komponenten in Hülle und/oder Kern vorliegt.
  • Das in dem Granulationsverfahren erhaltene Granulat weist einen gradierten schichtweisen Aufbau auf bzw. ein- oder mehrere Kerne auf, die von einer Zweitphase umgeben sind.
  • Durch den gradierten oder schichtweisen Aufbau des Granulats wird erreicht, dass sich die Verarbeitungseigenschaften (z. B. höhere Auftragsrate beim Kaltgasspritzen) gegenüber dem pulverförmigen Ausgangszustand oder bereits bekannten Verbundpulvervarianten verbessern. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche des Granulates mit der duktilen Metallkomponente bedeckt ist, was die Haftwahrscheinlichkeit beim Aufprall auf das Substrat erhöht.
  • Die in dem Granulationsverfahren erhaltenen Granulatkörner weisen einen mittleren Durchmesser von etwa 5 bis 100 μm auf. Besonders bevorzugt ist ein mittlerer Durchmesser im Bereich von 10 bis 75 μm. Noch bevorzugter ist es, dass die Granulatkörner der vorliegenden Erfindung einen mittleren Durchmesser von 10 bis 45 μm und ganz besonders bevorzugt 10 bis 30 μm aufweisen.
  • Das Volumenverhältnis der beiden Komponenten in dem Granulat ist nicht speziell limitiert und wird entsprechend der funktionellen Eigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnungskoeffizient, ausgewählt. So erhöht der Anteil an Cu, Ag oder Al die spezifische Wärmeleitfähigkeit, während der Anteil an Refraktärmetallen, keramischer Phase oder Kohlenstoff den Elastizitätsmodul erhöht und den Ausdehnungskoeffizienten reduziert. Im Fall von keramischen oder Kohlenstoff-basierten Bestandteilen wird zusätzlich die Dichte reduziert.
  • Das Verbundgranulat der vorliegenden Erfindung wird verwendet zur Herstellung von Schichten, insbesondere Wärmesenken, mittels Kaltspritzen. Das Verbundgranulat der vorliegenden Erfindung ist für das Kaltspritzen besonders gut geeignet, weil es möglich ist, dass das duktile Metall die Oberfläche des Granulates bedeckt. Die so erhaltenen Schichten zeichnen sich aus durch eine perkolierende, netzwerkartige Metallphase, was für die Wärmeleitung eine notwendige Voraussetzung ist.
  • Darüber hinaus lassen sich durch das Verbundgranulat der vorliegenden Erfindung Schichten erzeugen, die neben einem Netzwerk aus einer duktilen Matrix auch ein (teilweise) zusammenhängendes Netzwerk aus der zweiten Phase enthalten. Dadurch lässt sich der Ausdehnungskoeffizient wirkungsvoll verringern.
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1: Kern-Hülle-Granulat (Kern: Diamant, Hülle: Cu)
  • Diamanten (1) mit einer Teilchengröße von ca. 25 μm werden mit feinem CuO-Pulver (Teilchengröße ca. 1 μm) beschichtet. Diese Beschichtung erfolgt in einem Wirbelbettreaktor, der als Vorlage die Diamantpartikel enthält. Durch einen warmen Luftstrom (ca. 120°C) erfolgt die Fluidisierung dieser Partikel. In die sich bewegenden Diamantpartikel wird eine Suspension eingesprüht, die aus CuO-Partikeln (60 wt-%), Wasser (37 wt-%) und Polyvinylalkohol (3 wt-%) besteht. Das gleichzeitige Eindüsen und Trocknen führt zu einem Schichtaufbau, wobei die Dicke auf ca. 20 μm eingestellt wird. Nach der Entnahme des Granulates erfolgt die Reduktion des CuO in einem Wasserstoffstrom. Dazu wird zuerst die Pulverschüttung mit 2 K/min von Raumtemperatur auf 600°C aufgeheizt, um den Binderanteil rückstandslos zu entfernen. Danach wird die Temperatur mit 5 K/min von 600°C auf 850°C erhöht. Diese Temperatur wird für 30 min konstant gehalten. Während dieser isothermen Phase erfolgt eine Sinterung der frisch reduzierten Cu-Teilchen zu einer Schicht. Dabei reduziert sich die Schichtdicke auf ca. 10 μm. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen die Entnahme unter inerter Atmosphäre (z. B. Argon), die Deagglomeration und das Absieben auf eine Fraktion +36 μm/–45 μm. Der prinzipielle Aufbau eines einzelnen Kornes ist in 2 schematisch dargestellt.
  • Beispiel 2: Kern-Hülle-Granulat (Kern: Diamant, Hülle: Kupfer, Diamant)
  • Die Herstellung erfolgt in Analogie zu Beispiel 1. Im Unterschied zu Beispiel 1 besteht die Suspension (Tabelle 1) aus CuO (45,7 wt-%), Diamanten (14,4 wt-%), Wasser (36,9 wt-%) und PVA (3 wt-%). Die Diamanten haben eine mittlere Teilchengröße von ca. 3 μm. Es wird eine CuO-Diamant-Schicht von ca. 20 μm auf eine Diamantkörnung von 25 μm aufgetragen. Die Berechnung ist so vorgenommen worden, dass nach der Reduktion des CuO zu Cu im Wasserstoff (unter Bedingungen wie im Beispiel 1 beschrieben) jeweils 50 Vol.-% in der Schicht Cu-Teilchen und Diamantkörner sind. Die Gewinnung der Fraktion +36 μm/–45 μm für das Kaltgasspritzen erfolgt in analoger Weise wie in Beispiel 1 beschrieben. 3 zeigt schematisch das beschichtete Granulatkorn, bei dem in der Hülle neben Kupfer feine Diamanten eingebracht sind.
    CuO Cu Diamant Wasser PVA
    Dichte [g/cm3] 8,9 3,5 1 1
    Masse-% (berechnet) [wt-%] 45,7 14,4 36,9 3,0
    Masse nach Reduktion [g] 36,5 14,4
    Volumen nach Reduktion [cm] 4,1 4,1
    Volumen nach Entbinderung und Reduktion [Vol.-%] 50 50
    Tabelle 1: Berechnung Suspension für Beispiel 2
  • Beispiel 3: Granulat (Kupfer, Mo)
  • Eine Mischung (Tabelle 2) aus 3 μm-Molybdänpulver (48,0 wt-%) und 2 μm-Kupferpulver (41,9 wt-%) sowie n-Hexan (7,1 wt-%), in welchem zuvor 3 wt-% Paraffin (Schmelzpunkt ca. 28 °C) (siehe Berechnung) aufgelöst wurden, wird intensiv homogenisiert und in einem 5 l-Eirich-Intensivmischer so lange gemischt, zerschlagen und rolliert, bis ein trockenes Granulat entstanden ist. Dieses wird über ein Sieb der Maschenweite 45 μm klassiert. Der Feinanteil wird dann weiter behandelt, der Grobanteil (> 45 μm) wird nicht weiter verwendet.
    Cu Mo n-Hexan Paraffin
    Dichte [g/cm3] 8,9 10,2 1 1
    Masse-% (berechnet) [wt-%] 41,9 48,0 7,1 3,0
    Volumen nach Entbinderung und Reduktion [Vol.-%] 50,0 50,0
    Tabelle 2: Berechnung der Zusammensetzung der Suspension von Beispiel 3.
  • Zur Entfernung des Paraffins und zur Erhöhung der Festigkeit des Granulates wird der Feinanteil unter Wasserstoff mit 2 K/min von Raumtemperatur auf 600°C aufgeheizt, um den Binderanteil vollständig zu entfernen. Danach wird die Temperatur mit 5 K/min von 600°C auf 1000°C erhöht. Diese Temperatur wird für 30 min konstant gehalten. Während dieser isothermen Phase erfolgt eine Verdichtung des Granulates in Folge der Sinterung der Cu-Teilchen. Dabei reduziert sich die mittlere Partikelgröße auf ca. 30 μm. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen die Entnahme unter inerter Atmosphäre (z. B. Argon), die Deagglomeration und das Absieben auf eine Fraktion +25 μm/–36 μm. Das so erhaltene Korn (4 und 8) kann direkt für das Kaltgasspritzen eingesetzt werden. Die hohe Festigkeit des Granulates führt zu einer hohen Auftragsrate. Das gewählte Mo-Cu-Verhältnis führt dazu, dass eine Schicht entsteht, die jeweils zu 50 Vol.-% aus Mo bzw. Cu besteht.
  • Beispiel 4: Kern-Hülle-Granulat (Kern: Kupfer, Mo, Hülle: Kupfer)
  • Das im vorherigen Beispiel erzeugte Granulat (+25 μm/–36 μm) dient als Ausgangskörnung (Startkorn) für eine Beschichtung in einem Wirbelbett (analog zu Beispiel 1). Durch einen warmen Luftstrom (ca. 120°C) erfolgt die Fluidisierung dieser Partikel. In die sich bewegenden Mo-Cu-Verbundteilchen (4) wird eine Suspension eingesprüht, die aus CuO-Partikeln (60 wt-%), Wasser (37 wt-%) und Polyvinylalkohol (3 wt-%) besteht. Das gleichzeitige Eindüsen und trocknen führt zu einem Schichtaufbau, dessen Dicke auf ca. 15 μm eingestellt wird. Nach der Entnahme des Granulates erfolgt die Reduktion des CuO in einem Wasserstoffstrom. Dazu wird zuerst die Pulverschüttung mit 2 K/min von Raumtemperatur auf 600°C aufgeheizt, um den Binderanteil vollständig zu entfernen. Danach wird die Temperatur mit 5 K/min von 600°C auf 850°C erhöht. Diese Temperatur wird für 30 min konstant gehalten. Während dieser isothermen Phase erfolgt eine Sinterung der frisch reduzierten Cu-Teilchen zu einer Schicht. Dabei reduziert sich die Schichtdicke auf ca. 10 μm. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen die Entnahme unter inerter Atmosphäre (z. B. Argon), die Deagglomeration und das Absieben auf eine Fraktion +36 μm/–45 μm. Der prinzipielle Aufbau eines einzelnen Kornes ist als 5 dargestellt.
  • Beispiel 5: Cu-CNT-Verbundpulver
  • Die Herstellung eines Cu-CNT-Verbundpulvers erfolgt durch Granulation in einem Intensivmischer in Analogie zu Beispiel 3. Dazu werden gemäß Tabelle 3 56,0 wt-% CuO und 11,9 wt-% CNT (6) gemeinsam mit 27,5 wt-% Hexan und 4,6 wt-% Paraffin in einem beheizbaren und gasdichten 5 l-Eirich-Intensivmischer bei einer Temperatur von 40°C gemischt und anschließend getrocknet und granuliert. Die Berechnung einer Suspension erfolgte so, dass nach der Trocknung und Reduktion im Werkstoff 50 Vol.-% Cu und 50 Vol.-% CNT's verbleiben.
  • Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt die Entnahme unter inerter Atmosphäre (z. B. Argon). Durch Absieben wird eine Fraktion +53 μm/–63 μm erhalten.
  • Zur Entfernung des Paraffins und zur Reduktion des CuO zu Cu sowie zur Erhöhung der Festigkeit wird die erzeugte Fraktion unter CO mit 2 K/min von Raumtemperatur auf 600°C aufgeheizt, um den Binderanteil vollständig zu entfernen und um den Beginn der Reduktion des CuO einzuleiten. Danach wird die Temperatur mit 5 K/min von 600°C auf 1000°C erhöht. Diese Temperatur wird für 30 min konstant gehalten. Während dieser isothermen Phase erfolgen die vollständige Reduktion des CuO zum Cu und eine Verdichtung des Granulates in Folge der Sinterung der Cu-Teilchen. Dabei verringert sich die mittlere Partikelgröße auf ca. 50 μm. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen die Entnahme unter inerter Atmosphäre (z. B. Argon), die Deagglomeration und das Absieben auf eine Fraktion +25 μm/–45 μm. In 7 ist schematisch – aber nicht maßstäblich – ein Schnitt durch ein Granulatteilchen dargestellt. Die gute Verformbarkeit bei gleichzeitig hoher Granulatfestigkeit erlaubt eine hohe Auftragsrate beim Kaltgasspritzen. Das gewählte Cu-CNT-Verhältnis führt zu einer Schicht mit jeweils 50 Vol.-% Cu und 50 Vol.-% CNT.
    CuO Cu CNT n-Hexan Paraffin
    Dichte [g/cm3] 8,9 2,35 1 1
    Masse-% (berechnet) [wt-%] 56,0 11,9 27,5 4,6
    Masse nach Reduktion [g] 44,8 11,9
    Volumen nach Reduktion [cm] 5,0 5,0
    Volumen nach Entbinderung und Reduktion [Vol.-%] 50 50
    Tabelle 3: Berechnung der Zusammensetzung der Suspension von Beispiel 5.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5783316 [0006]
    • EP 0859408 A1 [0006]
    • WO 99/12866 [0006]
    • WO 02/42249 A2 [0006]

Claims (7)

  1. Granulat, umfassend – mindestens eine Komponente, ausgewählt aus einem Refraktärmetall, einer Keramik und einem Kohlenstoffwerkstoff, und – mindestens eine Komponente, ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au, wobei das Granulat frei von organischen Bindemitteln ist.
  2. Granulat, bestehend aus – mindestens einer Komponente, ausgewählt aus einem Refraktärmetall, einer Keramik und einem Kohlenstoffwerkstoff, und – mindestens einer Komponente ausgewählt aus Cu, Ag, Al und Au.
  3. Verwendung des Granulats gemäß Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgießen.
  4. Verwendung des Granulats gemäß Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Kaltgasspritzen.
  5. Verwendung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das Verbundbauteil eine Wärmesenke ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils durch Spritzgießen eines Granulats gemäß Anspruch 1 oder 2.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils durch Kaltgasspritzen eines Granulats gemäß Anspruch 1 oder 2.
DE102011018607A 2011-04-21 2011-04-21 Granulat zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgiessen Withdrawn DE102011018607A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011018607A DE102011018607A1 (de) 2011-04-21 2011-04-21 Granulat zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgiessen
PCT/EP2012/057258 WO2012143503A1 (de) 2011-04-21 2012-04-20 Granulat zur herstellung von verbundbauteilen durch spritzgiessen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011018607A DE102011018607A1 (de) 2011-04-21 2011-04-21 Granulat zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgiessen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102011018607A1 true DE102011018607A1 (de) 2012-10-25

Family

ID=46125403

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102011018607A Withdrawn DE102011018607A1 (de) 2011-04-21 2011-04-21 Granulat zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgiessen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011018607A1 (de)
WO (1) WO2012143503A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018051106A1 (en) * 2016-09-14 2018-03-22 Metalysis Limited Method of Producing a Composite Material
WO2018051105A1 (en) * 2016-09-14 2018-03-22 Metalysis Limited Method of producing a powder
WO2018051104A1 (en) * 2016-09-14 2018-03-22 Metalysis Limited Composite powder and method of producing composite powder
EP3372329A1 (de) * 2017-03-06 2018-09-12 Seiko Epson Corporation Verbindung für metallpulverspritzguss, metallpulverformkörper, verfahren zur herstellung eines sinterkörpers und sinterkörper

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013204775A1 (de) * 2013-03-19 2014-09-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils einer Vakuumschaltröhre
US10000851B2 (en) 2014-10-21 2018-06-19 United Technologies Corporation Cold spray manufacturing of MAXMET composites
CN104818402B (zh) * 2015-05-12 2016-11-02 东南大学 一种挤压浸渗制备金刚石-Al复合材料的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5783316A (en) 1994-05-20 1998-07-21 Regents Of The University Of California Composite material having high thermal conductivity and process for fabricating same
EP0859408A2 (de) 1997-02-06 1998-08-19 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Kühlkörpermaterial für Halbleiterbauelemente und Verfahren zu dessen Herstellung
WO1999012866A1 (en) 1997-09-05 1999-03-18 Frenton Limited Method of manufacturing a diamond-silicon carbide-silicon composite and a composite produced by this method
WO2002042249A1 (de) 2000-11-22 2002-05-30 Basf Aktiengesellschaft Herstellung von butantetracarbonsäurederivaten mittels gekoppelter elektrosynthese

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3841901A (en) * 1973-07-06 1974-10-15 Metco Inc Aluminum-and molybdenum-coated nickel, copper or iron core flame spray materials
NL7707546A (nl) 1977-07-07 1979-01-09 Oce Van Der Grinten Nv Werkwijze voor het magnetisch transfereren van een poederbeeld.
DE2737383A1 (de) 1977-08-16 1979-03-01 Euratom Verfahren zum mischen von gasen in praezisem verhaeltnis
DE3602562A1 (de) * 1986-01-29 1987-07-30 Metallgesellschaft Ag Verfahren zur herstellung von festen agglomeraten aus mineralischen schlaemmen
US4725508A (en) * 1986-10-23 1988-02-16 The Perkin-Elmer Corporation Composite hard chromium compounds for thermal spraying
JPS63252908A (ja) * 1987-04-08 1988-10-20 Agency Of Ind Science & Technol 金超微粒子固定化酸化物、その製造法、酸化触媒、還元触媒、可燃性ガスセンサ素子、及び電極用触媒
US4988673A (en) * 1989-08-02 1991-01-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method for producing silver coated superconducting ceramic powder
KR100472642B1 (ko) * 2003-03-15 2005-03-10 일진디스플레이(주) 소결공구용 다이아몬드 입자와 그 제조방법 및 이를사용한 소결공구
DE10360508A1 (de) * 2003-12-22 2005-07-14 Refratechnik Holding Gmbh Rohstoffgranaliengranulat für feuerfeste Erzeugnisse sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung des Rohstoffgranaliengranulats
WO2009013714A1 (en) * 2007-07-23 2009-01-29 Element Six Limited Air brazeable material

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5783316A (en) 1994-05-20 1998-07-21 Regents Of The University Of California Composite material having high thermal conductivity and process for fabricating same
EP0859408A2 (de) 1997-02-06 1998-08-19 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Kühlkörpermaterial für Halbleiterbauelemente und Verfahren zu dessen Herstellung
WO1999012866A1 (en) 1997-09-05 1999-03-18 Frenton Limited Method of manufacturing a diamond-silicon carbide-silicon composite and a composite produced by this method
WO2002042249A1 (de) 2000-11-22 2002-05-30 Basf Aktiengesellschaft Herstellung von butantetracarbonsäurederivaten mittels gekoppelter elektrosynthese

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018051106A1 (en) * 2016-09-14 2018-03-22 Metalysis Limited Method of Producing a Composite Material
WO2018051105A1 (en) * 2016-09-14 2018-03-22 Metalysis Limited Method of producing a powder
WO2018051104A1 (en) * 2016-09-14 2018-03-22 Metalysis Limited Composite powder and method of producing composite powder
EP3372329A1 (de) * 2017-03-06 2018-09-12 Seiko Epson Corporation Verbindung für metallpulverspritzguss, metallpulverformkörper, verfahren zur herstellung eines sinterkörpers und sinterkörper
US10682697B2 (en) 2017-03-06 2020-06-16 Seiko Epson Corporation Compound for metal powder injection molding, metal powder molded body, method for producing sintered body, and sintered body

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012143503A1 (de) 2012-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011018607A1 (de) Granulat zur Herstellung von Verbundbauteilen durch Spritzgiessen
EP1741137B1 (de) Wärmesenke aus borhaltigem diamant-kupfer-verbundwerkstoff
DE69830769T2 (de) Herstellungsverfahren eines Halbleiter-Kühlkörpers
EP3380324B1 (de) 3d drucken von einem keramischen bauteil
EP1751320B1 (de) Verschleissteil aus einem diamanthaltigen verbundwerkstoff
DE69635911T2 (de) Wolfram/Kupfer-Verbundpulver
EP0968151B1 (de) Schmelzinfiltrierte faserverstärkte verbundkeramik
DE19736560C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers, Körper aus SiC, sowie Verwendung des porösen Körpers
EP3479932B1 (de) Verfahren zur herstellung von gesintertem hartmetallgranulat
DE2365046A1 (de) Pulvermetallurgische verarbeitung von hochleistungslegierungen
WO2002016063A2 (de) Verfahren zur herstellung von verbundbauteilen durch pulver-spritzgiessen und dazu geeignete verbundpulver
EP0956173A1 (de) Metallpulver-granulat, verfahren zu seiner herstellung sowie dessen verwendung
WO2016004448A1 (de) Verfahren zur herstellung eines bauteils
DE102015223239A1 (de) Formgebungswerkzeug für schmelzflüssiges Metall oder Glas
EP3150304A1 (de) Verfahren zur herstellung eines ventilsitzringes
DE19845151A1 (de) Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Verbundwerkstoffen
EP3380445A1 (de) Kohlenstoff-metall verbundwerkstoff
WO2018134202A1 (de) Verfahren zur herstellung von hartmetallkörpern mittels 3d-druck
EP1433553B1 (de) Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen
EP3178587A1 (de) Verfahren zum herstellen eines porösen formkörpers
DE102007047874B4 (de) Poröser Formkörper aus Metalloxiden und Verfahren zu seiner Herstellung
DE4134144C2 (de) Karbidisches Spritzpulver
DE102008054561A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Preforms für Metal-Matrix-Composites
DE102012020829A1 (de) Pulvergemisch für die Herstellung metallischer und/oder keramischer Bauteile, Verfahren zur Herstellung des Pulvergemischs sowie Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
WO2024089236A1 (de) Granulat-mischung für die additive fertigung

Legal Events

Date Code Title Description
R120 Application withdrawn or ip right abandoned

Effective date: 20130620