DE102012107570B4

DE102012107570B4 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere von Kühlern, Hohlkörper sowie Kühler enthaltende elektrische oder elektronische Baugruppen

Info

Publication number: DE102012107570B4
Application number: DE102012107570.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schulz-Harder Jürgen
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2032-08-18
Also published as: WO2014026675A3; TW201424900A; DE102012107570A1; WO2014026675A2

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Hohlkörpern, insbesondere von Kühlern, mit wenigsten zwei durch Stapelbildung zu einem Stapel angeordneten und über zumindest eine Verbindungs- oder Bondschicht (6–8, 18) miteinander verbundenen Metallschichten (2–5, 14, 15) sowie mit wenigstens einem innerhalb des Stapels ausgebildeten Hohlraum (9, 16), der durch Strukturierung wenigstens einer Metallschicht (3, 4, 14, 15) erzeugt ist, wobei vor der Stapelbildung auf wenigstens eine von den im Stapel jeweils einander benachbarten Oberflächenseiten der Metallschichten (2–5, 14, 15) eine Schicht (6.1, 7.1, 8.1, 18.1) aus einem Bondmaterial aufgebracht und nach der Stapelbildung in die die Metallschichten (2–5, 14, 15) verbindende Bondschicht umgeformt wird, bei dem als Bondmaterial ein Sintermaterial verwendet wird, bei dem nach der Stapelbildung in einer Sinterphase aus dem Sintermaterial unter Sinterdruck (Ps) und durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Sinterstrom (Is) die die Metallschichten (2–5, 14, 15) miteinander verbindende Bondschicht in Form einer Sinterschicht (6–8, 18) erzeugt wird, und bei dem der Stapel aus den Metallschichten (2–5, 14, 15) zum Aufbringen des Sinterdrucks (Ps) und des Sinterstroms (Es) zwischen zwei Elektroden (11, 12) angeordnet wird, wobei nach der Sinterphase ein Entfernen von nicht gesintertem Sintermaterial erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, auf einen Hohlkörper, insbesondere Kühler und auf eine Baugruppe.
Bekannt ist das sogenannte „DCB-Verfahrens” (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 3 7 44 120 A oder in DE 000002319854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), sodass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:

• Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur.

Analog zu diesem vorgenannten DCB-Verfahren zum Direct-Bonden von Kupfer auf Kupfer oder Kupfer auf Keramik sind auch andere Direct-Metal-Bond-Verfahren- oder Technologien bekannt, mit denen in analoger Weise das Verbinden von Metallschichten oder -blechen ganz allgemein miteinander und/oder mit Keramik- oder Keramikschichten möglich ist. Das DCB-Verfahren und die mit diesem analogen Verfahren werden nachstehend als DMB-Verfahren (Direct-Metal-Bond-Verfahren) bezeichnet werden.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren ( DE 000002213115 C3 ; EP 0 153 618 A2 ) z. B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien oder Aluminiumschichten oder Aluminiumfolien mit Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Bekannt sind auch Hohlkörper in Form von aktiven Kühlkörpern oder Kühlern bestehend aus mehreren gestapelten Metallschichten oder Metallfolien (Stapelbildung), die durch Verbinden oder Bonden, z. B. durch Löten, Diffusionsschweißen oder mittels des DMB-Verfahrens miteinander verbunden sind. Nachteilig hierbei ist unter anderem, dass der gesamte Stapel aus den Metallschichten für das Verbinden oder Bonden auf hohe Temperatur erwärmt und beim Diffusionsschweißen auch noch zusätzlich mit hohem Druck beaufschlagt werden muss, wodurch sich das Gefüge der Metallschichten zumindest zum Teil verändert und insbesondere die Härte der Metallschichten abnimmt. Weiterhin lässt sich vielfach nicht verhindern, dass Bondmaterial, wie z. B. das Lot bzw. die eutektische Schmelze bei Lötverbindungen in Öffnungen und/oder Vertiefungen fließt, die in die Metallschichten im Inneren des Stapels zur Ausbildung von Hohlräumen bzw. Kühlkanälen eingebracht sind, und diese Öffnungen oder Vertiefungen bzw. die von diesen gebildeten Hohlräume oder Kühlkanäle verstopft. Galvanische oder mit anderen Methoden auf den Metallschichten oder Metallfolien zu erzeugende Korrosionsschutzschichten lassen sich vor der Stapelbildung nicht aufbringen, da diese Schichten beim Verbinden oder Bonden durch Legieren verändert werden und so ihre Schutzwirkung in der Regel verlieren. Ein Aufbringen der Korrosionsschutzschichten nach dem Fügen ist nicht oder nur unzureichend möglich. Unvollständig aufgebrachte Korrosionsschutzschichten erhöhen vielfach sogar die Korrosion durch Bildung lokaler elektrischer Elemente zwischen unterschiedlichen Metallen. Ein weiterer Nachteil bisheriger Verfahren besteht in langen Prozesszeiten, die für das Fügen notwendig und durch den Aufheiz- und Abkühlprozess bedingt sind.
Bekannt sind ferner verschiedene Verfahren ( DE 10 2006 003 735 A1 , DE 100 16 129 A1 , DE 10 2009 000 192 A1 , EP 0 242 626 B1 ) zum Verbinden von Fügepartnern durch eine Sinterverbindung, insbesondere auch zum Befestigen von elektronischen Bauteilen auf Substraten, und zwar unter Verwendung eines metallischen Sintermaterials bei Sinterdruck und Sintertemperatur.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet und die Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere von Kühlern aus wenigstens zwei zu einem Stapel angeordneten und miteinander verbundenen Metallschichten oder Metallfolien vereinfacht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Hohlkörper insbesondere Kühler ist Gegenstand des Patentanspruchs 18. Eine Baugruppe mit einem solchen Kühler ist Gegenstand des Patentanspruchs 19.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind u. a.:
Es ist nur ein geringfügiges Erwärmen des Fügegutes, nämlich der Metallschichten oder Metallfolien beim Fügen oder Bonden erforderlich. Wegen der nur geringen Erwärmung während des Füge- oder Bondprozesses treten keine oder im Wesentlichen keine Veränderungen der Materialeigenschaften der Metallschichten ein.
Dadurch, dass die die Metallschichten oder -folien verbindenden Bond- oder Verbindungsschichten durch Sintern erzeugt werden bzw. Sinterschichten sind und keine Schmelzvorgänge während des Bondprozesses vorliegen, können erheblich feinere Strukturen erreicht werden. Hierdurch sind u. a. eine Vergrößerung der Innenfläche des jeweiligen Hohlraumes und damit eine verbesserte Wärmeübertragung möglich.
Korrosionsschutzschichten können vor dem Verbinden aufgebracht werden und verändern ihre Eigenschaften wegen der relativ niedrigen Sintertemperatur nicht. Das Sintermaterial sintert nur an solchen Bereichen, an denen der Sinterdruck wirksam ist und der Sinterstrom fließt. Restliches bzw. überschüssiges und nicht gesintertes Sintermaterial kann nach dem Sintern ausgewaschen werden. Durch reduzierte Prozesszeit ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der Herstellungskosten.
Bestehen die Metallschichten oder Metallfolien beispielsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, so eignet sich als Sintermaterial bevorzugt ein Metallpulver aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder ein dieses Metallpulver enthaltendes Material. Die Sintertemperatur liegt dabei dann deutlich unter dem Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung sowohl der Metallschicht als auch des Sintermaterials. Gleiches gilt auch bei Verwendung von Metallschichten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und eines Sintermaterials in Form eines Metallpulvers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder eines dieses Metallpulver enthaltenden Sintermaterials. Auch hier liegt die Sintertemperatur deutlich unter dem Schmelzpunkt des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung sowohl der Metallschicht als auch des Sintermaterials.
Speziell bei Verwendung von Metallschichten und Sintermaterial aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung gegenüber herkömmlichen Füge- oder Bondverfahren, da die Verbindung der Metallschichten ohne Vakuum und ohne spezielle Flussmittel erfolgt.
„Aktive Kühler” sind im Sinne der Erfindung insbesondere Hohlkörper, deren Hohlräume Kühlkanäle bilden, die ein Wärme transportierendes Medium oder Kühlmedium enthalten oder von diesem durchströmt werden.
Der Ausdruck „im Wesentlichen” bzw. „etwa” bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers oder einer aktiven Wärmesenke;
2 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der 1;
3 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der 3;
5 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der 5;
5 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der 7;
9 in schematischer Darstellung verschiedene Teilschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der 1, 3, 5 und 7 bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
10 und 11 jeweils den zeitlichen Verlauf des Sinterstromes Is beim Herstellen der Hohlkörper der 1, 3, 5 und 7;
12 den zeitlichen Verlauf des Sinterdrucks Ps beim Herstellen des Hohlkörper der 1, 3, 5 oder 7.
In den 1 und 2 ist 1 ein Hohlkörper in Form eines Kühlers. Der Hohlkörper besteht aus mehreren durch Stapelbildung stapelartigen übereinander angeordneten Metallschichten 2–5, die jeweils von Metallfolien gebildet sind und über Bondschichten in Form von Sinterschichten 6–8 durch Sinter miteinander verbunden sind. Die Sinterschichten 6–8 sind Teil der Stapelanordnung, d. h. jeweils eine Sinterschicht 6–8 ist zwischen zwei Metallschichten 2–5 angeordnet.
Die beiden Metallschichten 2 und 5 bilden die äußeren Schichten bzw. die Ober- und Unterseite des Hohlkörpers 1. Die zwischen den Metallschichten 2 und 5 angeordneten Metallschichten 3 und 4 bilden Hohlräume 9 des Hohlkörpers 1, d. h. bei Verwendung des Hohlkörpers 1 als aktiver Kühler die von einem dampf- und/oder gasförmigen oder bevorzugt von einem flüssigen Wärme transportierenden Medium oder Kühlmedium durchströmte Kühlerstruktur des Kühlers. Die Hohlräume bzw. Kühlerstruktur ist an der Oberseite und Unterseite des Hohlkörpers 1 durch die dortigen Metallschichten 2 und 5 verschlossen. Zum Zuführen und Abführen des Kühlmediums dienen Anschlüsse, die in der 1 schematisch mit 1.1 bezeichnet sind. Die Metallschichten 3 und 4 sind zur Ausbildung der Hohlräume 9 bzw. der Kühlerstruktur mit einer Vielzahl von Öffnungen 10 versehen, von denen bei der dargestellten Ausführungsform jede Öffnung 10 durchgängig ist, d. h. von der einen Oberflächenseite bis an die andere Oberflächenseite der Metallschichten 3 und 4 reicht. Die Ausbildung und/oder Anordnung der Öffnungen 10 ist grundsätzlich beliebig, sofern sich die erforderliche Kühlerstruktur ergibt, vorzugsweise eine Kühlerstruktur mit sich ständig verzweigenden Kühlkanälen und/oder mit durchgehenden Pfosten 1.2, die die Metallschichten 2 und 5 verbinden und aus dem Material der Metallschichten 2 und 4 und der Sinterschichten 6–8 bestehen. Die Öffnungen 10 in den Metallschichten 3 und 4 sind beispielsweise durch Stanzen, Schneiden (auch Laserschneiden) oder durch Ätzen in einem Ätz-Maskierungs-Verfahren erzeugt.
Die 2 zeigt in den Positionen a–i die wesentlichen Schritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers 1. Gemäß den Positionen a und b wird die obere Metallschicht 2 bereitgestellt. Entsprechend den Positionen c und e werden die mit den Öffnungen 10 versehen Metallschichten 3 und 4 bereitgestellt und dann anschließend entsprechend den Positionen d und f jeweils an einer Oberflächenseite mit einer Schicht 6.1 bzw. 7.1 aus Sintermaterial versehen, die später nach dem Sintern die Sinterschicht 6 bzw. 7 bildet. Das Aufbringen der Schichten 6.1 und 7.1 erfolgt bevorzugt derart, dass die jeweilige Schicht die Öffnungen 10 nicht abdeckt.
Entsprechend der Position g wird die Metallschicht 5 bereitgestellt und dann entsprechend der Position h an einer Oberflächenseite mit einer Schicht 8.1 aus dem Sintermaterial versehen, welche nach dem Sintern die Sinterschicht 8 bildet. Die einzelnen mit dem Sintermaterial versehenen Metallschichten 2–5 werden entsprechend der Position i derart übereinander gestapelt, dass die in diesem Stapel aufeinander folgende Metallschichten 2–5 jeweils über eine Schicht 6.1, 7.1 bzw. 8.1 aus dem Sintermaterial aneinander anliegen. Im Anschluss daran wird der so gebildete Stapel zwischen zwei Elektroden 11 und 12 angeordnet, von denen die Elektrode 11 gegen die den Metallschichten 3 und 4 abgewandte Oberflächenseite der Metallschicht 2 und die Elektrode 12 gegen die den Metallschichten 3 und 4 abgewandte Oberflächenseite der Metallschicht 5 anliegt, und zwar in derart, dass die jeweilige Elektrode 11 bzw. 12 mit ihrer Elektrodenfläche die betreffende Metallisierung 2 bzw. 5 vollständig überdeckt, vorzugsweise aber über den Rand des von den Metallschichten 2–5 gebildeten Stapels vorsteht. Die Elektrode 11 ist dabei beispielsweise Bestandteil eines Presstempels einer Presse, zum Beispiel einer Hydraulikpresse zur Erzeugung eines hohen Press- oder Sinterdrucks Ps. Die Elektrode 12 ist dann Bestandteil einer Werkstückauflage dieser Presse.
Das Sintern bzw. die Ausbildung der die Metallschichten 2–5 verbindenden und auch dichten Sinterschichten 6–8 erfolgt unter Sinterdrucks Ps, der auf die Elektroden 11 und 12 und damit auf die Metallschichten 2–5 und die dazwischen liegende Schicht 6.1, 7.1 und 8.1 senkrecht zu deren Oberflächenseiten aufgebracht wird, sowie durch einen Sinterstrom Is, der von einer Stromquelle 13 bereitgestellt wird, wobei die Spannung zwischen den Elektroden 11 und 12 niedrig ist, beispielsweise im Bereich zwischen 2 V und 25 V.
Da die Metallschichten 2–5 sowie auch das für die Schichten 6.1, 7.1 und 8.1 verwendete Sintermaterial elektrisch leitend sind, ist die Ausbildung der Sinterschichten 6–8 durch Strom- oder Sparksintern möglich, wobei der Sinterstrom Is selbstverständlich so eingestellt ist, dass die erforderliche Sintertemperatur erreicht wird, aber keine Schmelzvorgänge eintreten.
Die Sinterschicht 8 ist in den 1 und 2 als durchgehende Schicht dargestellt. Da das Sintern aber grundsätzlich nur an solchen Bereichen erfolgt, an denen der Sinterdruck Ps ausreichend wirksam ist und auch der Sinterstrom Is fließt, also an der Unterseite der Metallschicht 4 außerhalb der Öffnungen 10, und weiterhin restliches bzw. überschüssiges und nicht gesintertes Sintermaterial nach dem Sintern ausgewaschen werden kann, ist die Sinterschicht 8 im fertigen Hohlkörper 1 ebenfalls strukturiert, d. h. an den Öffnungen 10 der Metallschicht 4 nicht oder nur mit reduzierter Dicke vorhanden.
Die 3 zeigt wiederum im Schnitt einen Hohlkörper 1a, der sich von dem Hohlkörper 1 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass die die untere Metallschicht 5 mit der darüberliegenden Metallschicht 4 verbindende Sinterschicht 8 durch bereits strukturiertes Aufbringen der Schicht 8.1 strukturiert ist, so dass die Hohlräume 9 an der von der Metallschicht 5 gebildeten Unterseite des Hohlkörpers 1a zuverlässig nicht durch die Sinterschicht 8 sondern durch die Metallschicht 5 begrenzt sind.
Die 4 zeigt wiederum in den Positionen a–i die wesentlichen Schritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers 1a, wobei sich dieses Verfahren von dem Verfahren der 2 lediglich dadurch unterscheidet, dass entsprechend der Position h das die spätere Sinterschicht 8 bildende Sintermaterial bei der Schicht 8.1 bereits strukturiert aufgebracht wird, und zwar derart, dass sich dieses Material nur dort befindet, wo die Metallschicht 4 außerhalb ihrer Öffnungen 10 gegen die Schicht 8.1 anliegt. Entsprechend der Position i erfolgt die Ausbildung der insbesondere für das die Hohlräume 9 durchströmende Wärme transportierende Medium dichten Sinterschichten 6–8 durch Aufbringen des Sinterdruckes Ps und des Sinterstromes Is über die Elektroden 11 und 12.
Die 5 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung als weitere Ausführungsform einen Hohlkörper 1b, der aus einer oberen Metallschicht 14 und einer unteren Metallschicht 15 besteht. Beide Metallschichten 14 und 15 sind wiederum Metallfolien. Zur Ausbildung von nach außen hin geschlossenen Hohlräumen 16 bzw. einer von dem Wärme transportierenden Medium oder Kühlmedium durchströmbaren Kühlerstruktur ist die untere Metallisierung 15 mit Vertiefungen 17, insbesondere Einprägungen versehen. Die beiden Metallschichten 14 und 15 sind wiederum durch eine zumindest für das Wärme transportierende Medium oder Kühlmedium dichte Sinterschicht 18 miteinander verbunden.
Die 6 zeigt in den Positionen a–f wesentliche Verfahrensschritte beim Herstellen des Hohlkörpers 1b. Entsprechend den Positionen a und b wird die Metallschicht 14 bereit gestellt und entsprechend den Positionen c und d wird aus einer der Metallschicht 14 entsprechenden Metallschicht die Metallschicht 15 mit den Vertiefungen 17 gebildet, beispielsweise durch Strukturätzen mittels eines Maskierungs-Ätz-Verfahrens. Auf die Metallschicht 15 wird dann entsprechend der Position e eine die spätere Sinterschicht 18 bildende strukturierte Schicht 18.1 aus Sintermaterial aufgebracht, und zwar derart, dass die Vertiefungen 17 von dem Sintermaterial nicht abgedeckt sind. Entsprechend der Position f wird dann aus den beiden Metallschichten 14 und 15 mit der Schicht 18.1 ein Stapel zwischen den Elektroden 11 und 12 gebildet und unter Beaufschlagung des Stapels mit dem Sinterdruck P und durch den Sinterstrom I die die beiden Metallschichten 14 und 15 verbindende dichte Sinterschicht 18 erzeugt.
7 zeigt im Schnitt einen Hohlkörper 1c, der sich von dem Hohlkörper der 5 dadurch unterscheidet, dass auch die Metallschicht 14 mit den Vertiefungen 17 versehen ist, und zwar derart, dass sich die Vertiefungen 17 in beiden Metallschichten 14 und 15 zu den nach außen hin geschlossenen Hohlräumen 16 bzw. zu der nach außen hin geschlossenen Kühlerstruktur ergänzen. Über die strukturierte, dichte Sinterschicht 18 sind die beiden Metallschichten 14 und 15 wiederum miteinander verbunden.
Die 8 zeigt in den Positionen a–g wesentliche Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers 1c, wobei sich dieses Verfahren von dem Verfahren der 6 nur dadurch unterscheidet, dass entsprechend den Positionen a und g die Metallschicht 14 mit den Vertiefungen 17 versehen wird.
Die Sinterschichten 6–8 und 18 erstrecken sich jeweils über die gesamte Fläche der benachbarten Metallschichten 2–5, 14 und 15, wobei allerdings bei den dargestellten Ausführungsformen auf jeden Fall an den Metallschichten 3, 4, 14 und 15 die Öffnungen 10 und Vertiefungen 17 frei gehalten sind.
Um das Sinterverfahren und/oder die Sinterverbindung zwischen den Metallschichten 2–5, 14 und 15 über die Sinterschichten 6–8, 18 zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, die betreffende Metallschicht vor dem Aufbringen der Schicht 6.1, 7.1, 8.1 bzw. 18.1 aus dem Sintermaterial mit einer metallischen Zwischenschicht 19 zu versehen, wie dies in der 9 beispielhaft für die Metallschicht 5 in den Positionen a und b dargestellt ist. Auf diese metallische Zwischenschicht 19 wird dann die strukturierte oder durchgehende Schicht 8.1 aus Sintermaterial (Positionen c und d) aufgebracht. Die Zwischenschicht 19 kann auch eine Korrosionsschutzschicht oder Teil einer solchen Schicht sein, die sich dann beispielsweise über die gesamte frei liegende Fläche der Metallschicht erstreckt.
Als Material für die Metallschichten 2–5, 14 und 15 eignen sich unter anderem Kupfer, Aluminium, Eisen, Nickel, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Silber, Gold sowie Legierungen der vorgenannten Metalle, beispielsweise Kupferlegierungen, Eisenlegierungen, Silberlegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, aber auch Mehrschicht-Materialien mit Schichten unterschiedlicher Metalle, z. B. aus den vorgenannten Metallen oder Metall-Legierungen.
Als Sintermaterial für die Schichten 6.1, 7.1, 8.1 und 18.1 eignet sich ein sinterfähiges partikel- oder pulverartiges metallisches Material bzw. ein Metallpulver, beispielsweise aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Nickel, Eisen, Titan oder aus Legierungen der vorgenannten Metalle, beispielsweise aus Kupferlegierungen, Eisenlegierungen, Silberlegierungen, Aluminiumlegierungen, Tantallegierungen, aber auch Gemische oder Pasten, die das sinterfähige partikel- oder pulverartige metallisches Material oder Metallpulver sowie weitere Zusätze enthalten. Die Partikelgröße des sinterfähigen partikel- oder pulverartigen metallischen Materials liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 μ und 50 μ. Das Sintermaterial liegt beispielsweise in monomodaler, bimodaler oder trimodaler Form vor.
Die Schichten 6.1, 7.1, 8.1 und 18.1 bestehen bei dem jeweiligen Verfahren jeweils aus demselben Material und werden beispielsweise mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 5 μm und 300 μm aufgebracht. Das Aufbringen der Schichten 6.1, 7.1, 8.1 und 18.1 erfolgt beispielsweise in einem Druckverfahren, z. B. Siebdruckverfahren, durch Dispensen, Sprühen/Spritzen, elektrostatisch oder unter Verwendung von Auftragswalzen. Auch anderen Verfahren sind möglich.
Für die metallische Zwischenschicht 19, deren Metall sich vom Metall der diese Zwischenschicht tragenden Metallschichten 2–5, 14 oder 15 unterscheidet, eignen sich beispielsweise Kupfer, Nickel, Chrom, Silber, Gold, Palladium, Platin oder Legierungen der vorgenannten Metalle. Die Zwischenschicht 19 kann auf unterschiedliche Weise aufgebracht werden, beispielsweise galvanisch, durch chemisches Abscheiden oder durch ein CVD-Verfahren, durch Spattern, durch Plasmaspritzen, durch Kaltgasspritzen usw. Die Dicke der Zwischenschicht 19 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,05 μm und 100 μm.
Der beim Sintern verwendete Sinterdruck Ps liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 kN/cm² bis 6,0 kN/cm². Der Sinterstroms Is ist bevorzugt so gewählt, dass die Stromdichte im Bereich der zu erzeugenden Sinterschichten 6–8, 18, d. h. dort, wo der Sinterprozess stattfindet, im Bereich zwischen 10 A/cm² und 300 A/cm² beträgt.
Zur Verbesserung der Sinterleistung und Erzielung eines Sinterstromes Is mit hohen Strommaxima oder Stromspitzen ist weiterhin, wie in der 10 dargestellt, die Verwendung eines impulsförmigen Sinterstromes Is zweckmäßig, wobei die Impulsbreite t1 des jeweiligen Stromimpulses im Bereich zwischen 1 msec und 500 msec und der Impulsabstand t2 im Bereich zwischen 0 msec und 400 msec liegt. Hierbei kann es entsprechend der 11 auch zweckmäßig sein, die Stromimpulse zusätzlich mit einem Wechselstrom oder mit kleineren Stromimpulsen zu überlagern.
Zur Verbesserung der Bildung der Sinterschichten 6–8 und 18 ist es weiterhin zweckmäßig, dass auch der Sinterdruck Ps impulsförmig aufgebracht wird, und zwar entsprechend der 12 in der Form, dass einem konstanten Sinterdruck Psmin eine impulsförmige Erhöhung des Sinterdruckes überlagert ist, sodass sich der Sinterdruck Ps impulsförmig zwischen einem Druck Psmax und einem Wert Psmin ändert. Der Druck Psmin liegt dabei dann beispielsweise zwischen 0,05 Psmax und 0,98 Psmax, wobei Psmax im Bereich zwischen 0,5 kN/cm² und 6 kN/cm² gewählt ist. Die Periodendauer tp der impulsförmigen Druckbeaufschlagung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 msec und 3000 msec.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens steigt der Sinterdruck Ps während des Sintervorgangs von einem Sinterdruck Psmin an und erreicht noch vor dem Ende des Sinterprozesses bzw. der Sinterphase den Wert Psmax, wie dies in der 12 mit der unterbrochenen Linie dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist es weiterhin auch möglich, dass einem ansteigenden Sinterdruck Ps ein impulsförmig sich ändernder Sinterdruck überlagert ist.
Speziell der ansteigende Sinterdruck hat beispielsweise den Vorteil, dass am Beginn der Sinterphase ein Vorsintern und damit eine zumindest gewisse Stabilisierung des Sintermaterials bzw. der von diesem Material gebildete Sinterschichten erfolgt, während dann im Laufe der Sinterphase zusätzlich zu dem Sintern auch eine zunehmende Verdichtung des Sintermaterials statt findet, um so die zumindest für das Wärme transportierende Medium dichten Sinterschichten 6–8 und 18 zu erreichen.
Zur Verbesserung der Fließeigenschaften von Pasten aus Sintermaterial enthalten diese bevorzugt auch organische Zusätze, wie zum Beispiel Cellulose. In diesem Fall erfolgt nach dem Auftragen der jeweiligen Paste und vor dem Einleiten der Sinterphase, beispielsweise vor oder nach dem Stapeln der Metallschichten 2–5, 14 und 15 ein Trocknen und Ausheizen der organischen Zusätze. Speziell kann das Trocknen und Ausheizen der organischen Zusätze auch bei zwischen den Elektroden 11 und 12 angeordneter Stapelanordnung durch elektrischen Strom erfolgen, und zwar bei entsprechender Anpassung der Stromdichte und des Druckes P.
Der jeweilige Hohlkörper 1, 1a–1c bildet bevorzugt einen aktiven Kühler für elektrische oder elektronische Bauelemente 20, beispielsweise auch für opto-elektrische Bauelemente, zum Beispiel für Dioden-Laserbarren.
Die Erfindung wurde voran stehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zu Grunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, den jeweiligen Stapel aus den Metallschichten 2–5, 14 und 15 nach dem Aufbringen der Schichten 6.1–8.1, 18.1 aus dem Sintermaterial zu Erhitzen, um den Sinterprozess zu unterstützen und/oder bei Verwendung eines pastenförmigen Sintermaterials Zusätze, insbesondere organische Zusätze usw. auszuheizen.
Bezugszeichenliste

1, 1a–1c: Hohlkörper
2–5: Metallschicht
6–8: Sinterschicht
6.1–8.1: Schicht aus Sintermaterial
9: Hohlraum
10: Öffnung
11, 12: Elektrode
13: Stromquelle
14, 15: Metallschicht
16: Hohlraum
17: Vertiefung
18: Sinterschicht
18.1: Sicht aus Sintermaterial
19: Zwischenschicht
20: elektrisches oder elektronisches Bauelement

Claims

Verfahren zum Herstellen von Hohlkörpern, insbesondere von Kühlern, mit wenigsten zwei durch Stapelbildung zu einem Stapel angeordneten und über zumindest eine Verbindungs- oder Bondschicht (6–8, 18) miteinander verbundenen Metallschichten (2–5, 14, 15) sowie mit wenigstens einem innerhalb des Stapels ausgebildeten Hohlraum (9, 16), der durch Strukturierung wenigstens einer Metallschicht (3, 4, 14, 15) erzeugt ist, wobei vor der Stapelbildung auf wenigstens eine von den im Stapel jeweils einander benachbarten Oberflächenseiten der Metallschichten (2–5, 14, 15) eine Schicht (6.1, 7.1, 8.1, 18.1) aus einem Bondmaterial aufgebracht und nach der Stapelbildung in die die Metallschichten (2–5, 14, 15) verbindende Bondschicht umgeformt wird, bei dem als Bondmaterial ein Sintermaterial verwendet wird, bei dem nach der Stapelbildung in einer Sinterphase aus dem Sintermaterial unter Sinterdruck (Ps) und durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Sinterstrom (Is) die die Metallschichten (2–5, 14, 15) miteinander verbindende Bondschicht in Form einer Sinterschicht (6–8, 18) erzeugt wird, und bei dem der Stapel aus den Metallschichten (2–5, 14, 15) zum Aufbringen des Sinterdrucks (Ps) und des Sinterstroms (Es) zwischen zwei Elektroden (11, 12) angeordnet wird, wobei nach der Sinterphase ein Entfernen von nicht gesintertem Sintermaterial erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Metallschicht (3, 4) im Inneren des Stapels zur Bildung des wenigstens einen Hohlraumes (9) als Strukturierung mit durchgehenden Öffnungen (10) zu versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Metallisierung (14, 15) an ihrer einer benachbarten Metallisierung (15, 14) zugewandten Seite als Strukturierung mit Vertiefungen (17), insbesondere Einprägungen zu versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Schicht (6.1, 7.1, 8.1, 18.1) aus dem Sintermaterial auf die Oberflächenbereiche der Metallschichten (2–5, 14, 15) außerhalb der Öffnungen (10) und Vertiefungen (17) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallschichten (2–5, 14, 15) solche aus Kupfer, Aluminium, Eisen, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Silber, Gold oder aus die vorgenannten Metalle enthaltenden Legierungen oder aus Kupfer und Kupferlegierungen oder Aluminium und Aluminiumlegierungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial ein sinterfähiges partikel- oder pulverartiges metallisches Material oder ein Metallpulver, beispielsweise aus Kupfer, Eisen, Titan, Silber, Gold oder aus die vorgenannten Metalle enthaltenden Legierungen, oder ein dieses Metallpulver enthaltendes, pastenförmiges Material verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der jeweils über die Sinterschicht (6–8, 18) miteinander zu verbindenden Metallschichten (2–5, 14, 15) an ihrer Oberflächenseite vor dem Aufbringen des Sintermaterials oder der Schicht (6.1, 7.1, 8.1, 18.1) aus dem Sintermaterial mit einer metallischen Zwischenschicht (19) versehen wird, und zwar mit einer Zwischenschicht (19) aus wenigstens einem Metall der Gruppe bestehend aus Nickel, Chrom, Silber, Gold, Kupfer, Platin, Palladium, und dass die metallische Zwischenschicht (19) galvanisch, chemisch, durch Spattern, durch Plasmaspritzen und/oder durch Kaltspritzen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Zwischenschicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,05 μ und 100 μ aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sintermaterial ein sinterfähiges partikel- oder pulverartiges metallisches Material oder Metallpulver in monomodaler, bimodaler oder trimodaler Form verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6.1, 7.1, 8.1, 18.1) aus dem Sintermaterial mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 5 μm und 300 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Sinterphase der Stapel aus den Metallschichten (2–5, 14, 15) mit einem Sinterdruck (Ps) im Bereich zwischen 0,5 kN/cm² und 6 kN/cm² und/oder mit einer Sinterstromdichte zwischen 10 A/cm² und 300 A/cm² im Bereich der zu erzeugenden Sinterschichten (6–8, 18) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterdruck (Ps) während der Sinterphase verändert wird, von einem unteren Sinterdruck (Psmin) ansteigend auf einen oberen Sinterdruck (Psmax) und/oder impulsförmig mit zwischen dem unteren Sinterdruck (Psmin) und dem oberen Sinterdruck (Psmax) sich ändernden Druckimpulsen, wobei der untere Sinterdruck (Psmin) im Bereich zwischen 5% und 98% des oberen Sinterdrucks (Psmax) liegt und die Dauer der Druckimpulse im Bereich zwischen 0,5 msec und 3000 msec beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterdruck sowie der Sinterstrom so eingestellt werden, dass sich dichte Sinterschichten (6–8, 18) ergeben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Sintermaterials oder Schichten (6.1, 7.1, 8.1, 18.1) aus dem Sintermaterial durch Siebdruck, Dispensen, Sprühen, Spritzen und/oder elektrostatisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten der Sinterphase und/oder während der Sinterphase ein Trocknen und/oder Ausheizen von Zusätzen, insbesondere von organischen Zusätzen aus dem Sintermaterial oder den Schichten (6.1, 7.1, 8.1, 18.1) des Sintermaterials erfolgt, beispielsweise durch Beaufschlagung dieser Sichten mit einer angepassten oder reduzierten Stromdichte und mit reduziertem Pressdruck.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen von nicht gesintertem Sintermaterial durch Auswaschen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verdichtung der Sinterschichten (6–8, 18) ein heiß isostatisches Pressen des Hohlkörpers (1, 1a–1c) erfolgt.
Hohlkörper, insbesondere Kühler, bestehend aus wenigstens zwei einen Stapel bildenden Metallschichten (2–5, 14, 15), wobei einander im Stapel benachbarte Metallschicht (2–5, 14, 15) an ihren einander zugewandten Oberflächenseiten jeweils über eine Verbindungs- oder Bondschicht (6–8, 18) miteinander verbunden sind und wenigstens eine Metallschicht (3, 4, 14, 15) im Inneren des Stapels zur Ausbildung wenigstens eines Hohlraumes (9, 16) strukturiert ist, und zwar durch Ausbildung einer Vielzahl von Öffnungen (10) und/oder Einprägungen oder Vertiefungen (17), dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Bondschicht (6–8, 18) eine Sinterschicht aus einem metallischen Sintermaterial ist, und dass der Hohlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–17 hergestellt ist.
Baugruppe mit wenigstens einem als Kühler ausgebildeten Hohlkörper (1, 1a–1c) und mit wenigstens einem am Kühler vorgesehenen elektrischen oder elektronischen Bauelement (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1, 1a–1c) entsprechend dem Patentanspruch 18 ausgebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine opto-elektrische Baugruppe und/oder das Bauelement (20) ein opto-elektrisches Bauelement ist.