DE102013108869B4

DE102013108869B4 - Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser, Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs und Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102013108869B4
Application number: DE102013108869.4A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Kröner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2033-08-17
Also published as: US20140057127A1; CN103628308B; DE102013108869A1; US20180327924A1; CN103628308A

Abstract

Verfahren (100) zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser, aufweisend:Elektroplattieren einer Metallschicht über mindestens eine Kohlenstofffaser, wobei die Metallschicht ein Metall aufweist, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff undeine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet (102); undAusglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der Metallschicht (104), so dass das Metall und Kohlenstoff aus der mindestens einen Kohlenstofffaser eine gemeinsame Phase bilden.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser, ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs sowie einen Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff. Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffe sind beispielsweise aus den Patentschriften WO 2012 / 091139 A1 , EP 2 660 361 A1 und WO 2008 / 015168 A1 bekannt. In diesen Patentschriften werden Verbundwerkstoffe beschrieben, welche aus Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen, welche mit einem Metall überzogen werden.
Elektronische Vorrichtungen, z.B. elektronische Leistungsvorrichtungen, erzeugen im Betrieb allgemein Wärme. Es kann wünschenswert sein, geeignete Kühlkörper bereitzustellen, um die Wärme abzuführen, die von den elektronischen Vorrichtungen erzeugt wird.
Ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser gemäß einer Ausführungsform kann beinhalten: Elektroplattieren einer Metallschicht über mindestens eine Kohlenstofffaser, wobei die Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der Metallschicht, so dass das Metall und Kohlenstoff aus der mindestens einen Kohlenstofffaser eine gemeinsame Phase bilden.
In einer Ausgestaltung kann das Metall Chrom oder Mangan sein. In noch einer Ausgestaltung kann das Elektroplattieren der Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner aufweisen: Elektroplattieren einer Kupferschicht über die Metallschicht.
Ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: Elektroplattieren einer ersten Metallschicht über mindestens eine Kohlenstofffaser, wobei die erste Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet; Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht über die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthält oder daraus besteht; Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht, so dass das Metall und Kohlenstoff aus der mindestens einen Kohlenstofffaser eine gemeinsame Phase bilden.
In einer Ausgestaltung kann das Metall Chrom oder Mangan sein. In noch einer Ausgestaltung kann das Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner aufweisen: Aktivieren und/oder Reinigen einer Fläche der zweiten Metallschicht nach dem Ausglühen der zweiten Metallschicht. In noch einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner aufweisen: Elektroplattieren einer Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: Bereitstellen mehrerer Kohlenstofffasern; Elektroplattieren einer Metallschicht über die mehreren Kohlenstofffasern, wobei die Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern und der Metallschicht, so dass das Metall und Kohlenstoff aus den mehreren Kohlenstofffasern eine gemeinsame Phase bilden; Elektroplattieren einer Kupferschicht über die Metallschicht.
In einer Ausgestaltung kann das Metall Chrom oder Mangan sein. In noch einer Ausgestaltung kann das Elektroplattieren der Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweisen. In noch einer Ausgestaltung können die mehreren Kohlenstofffasern als ein Gewebe konfiguriert werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: Bereitstellen mehrerer Kohlenstofffasern; Elektroplattieren einer ersten Metallschicht über die mehreren Kohlenstofffasern, wobei die erste Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet; Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht über die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthält oder daraus besteht; Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht; Elektroplattieren einer Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
In einer Ausgestaltung kann das erste Metall Chrom oder Mangan sein. In noch einer Ausgestaltung kann das Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder Elektroplattieren der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner aufweisen: Aktivieren und/oder Reinigen einer Fläche der zweiten Metallschicht vor dem Elektroplattieren der Kupferschicht über die zweite Metallschicht. In noch einer Ausgestaltung können die mehreren Kohlenstofffasern als ein Gewebe konfiguriert werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: Bereitstellen eines Kohlenstofffasergewebes; Elektroplattieren einer ersten Metallschicht auf das Gewebe, wobei die erste Metallschicht Chrom oder Mangan enthält oder daraus besteht; Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht auf die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthält oder daraus besteht; Ausglühen des Gewebes, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht; Elektroplattieren einer Kupferschicht auf die zweite Metallschicht.
In noch einer Ausgestaltung kann das Elektroplattieren von der ersten und/oder der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner aufweisen: Aktivieren und/oder Reinigen einer Fläche der zweiten Metallschicht vor dem Elektroplattieren der Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
Ein Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: mehrere Kohlenstofffasern; eine Metallschicht, die über den Kohlenstofffasern angeordnet ist, wobei die Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; eine Kupferschicht, die über der Metallschicht angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung kann das Metall Chrom oder Mangan sein.
Ein Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: mehrere Kohlenstofffasern; eine erste Metallschicht, die über den Kohlenstofffasern angeordnet ist, wobei die erste Metallschicht ein erstes Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet; eine zweite Metallschicht, die über der ersten Metallschicht angeordnet ist, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthält oder daraus besteht; eine Kupferschicht, die über der zweiten Metallschicht angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung kann das erste Metall Chrom oder Mangan sein.
In den Zeichnungen bedeuten gleiche Bezugszeichen allgemein die gleichen Teile überall in den verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabgetreu, wobei die Gewichtung stattdessen allgemein auf die Veranschaulichung der Prinzipien verschiedener Ausführungsformen gelegt ist. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

1A ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser gemäß einer Ausführungsform zeigt;
1B ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt;
2A ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt;
2B ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt;
3 ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt;
4 ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt;
5 ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt;
6 ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt;
7A bis 10B verschiedene Verfahrensstufen in einem Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform veranschaulichen;
11 bis 14 Phasendiagramme zum Veranschaulichen von Gesichtspunkten verschiedener Ausführungsformen zeigen;
15A und 15B Elektronenmikrographien zum Veranschaulichen von Gesichtspunkten verschiedener Ausführungsformen zeigen.

Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezifische Einzelheiten und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsformen sind in ausreichenden Einzelheiten beschrieben, um den Fachmann zu befähigen, die Erfindung auszuführen. Andere Ausführungsformen können benutzt und strukturelle, logische und elektrische Änderungen vorgenommen werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Die verschiedenen Ausführungsformen schließen sich nicht notwendigerweise gegenseitig aus, da einige Ausführungsformen mit einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden können, um neue Ausführungsformen zu bilden.
Elektronische Vorrichtungen, z.B. elektronische Leistungsvorrichtungen, erzeugen im Betrieb allgemein Wärme. Es kann wünschenswert sein, geeignete Kühlkörper bereitzustellen, um die Wärme abzuführen, die von den elektronischen Vorrichtungen erzeugt wird. Ein Kühlkörper kann für eine elektronische Leistungsvorrichtung oder -komponente (z.B. ein Hochleistungsmodul wie ein IGBT-Modul (Modul aus Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode)) beispielsweise die zwischenzeitliche Speicherung eines pulsartigen Wärmeverlustes eines Leistungsschalters bedeuten, der beispielsweise durch einen kurzschlussartigen Strom beim Einschalten einer Glühlampe während der Zeit, in der der Faden der Lampe kalt ist, verursacht wird.
Ein Kühlkörper kann vorzugsweise eine oder mehrere (z.B. alle) der folgenden Eigenschaften aufweisen: eine elektrische Leitfähigkeit, die wesentlich größer als diejenige von Silizium ist, eine Wärmeleitfähigkeit, die mindestens gleich derjenigen von Silizium ist, eine spezifische Wärme, die wesentlich größer als diejenige von Silizium ist.
Reines Kupfer erfüllt die oben erwähnten Anforderungen sehr gut. Jedoch ist die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) von Kupfer (WAK_Cu ≈ 16,5*10^-6 K^-1) und demjenigen von Silizium (WAK_Si ≈ 2,6*10^-6 K^-1) ziemlich groß, sodass die thermische Spannung, die in einem dünnen Silizium-Chip und an der Silizium-Kupfer-Grenzfläche zwischen dem Chip und dem Kühlkörper aufgrund der WAK-Differenz erzeugt wird, schwierig zu beherrschen sein kann.
Ein Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und Kupfer (im Folgenden als CCu bezeichnet) wurde als alternatives Kühlkörpermaterial vorgeschlagen. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von CCu nicht wesentlich größer als diejenige von Silizium ist, ergibt CCu einen WAK von etwa 4*10^-6 K^-1 bis 6*10^-6 K^-1, der, verglichen mit dem WAK von reinem Kupfer (16,5*10^-6 K^-1), dem WAK von Silizium (2,6*10⁶ K^-1) sehr viel näher ist. Daher kann die Benutzung von CCu als Kühlkörpermaterial die thermische Spannung und das Wölben von Chips in hohem Maße verringern. Zudem können die anderen oben erwähnten Anforderungen an einen Kühlkörper von CCu sehr gut erfüllt werden.
Ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen von CCu basiert auf dem Elektroplattieren kurzer Kohlenstofffasern mit Kupfer und nachfolgendem Sintern der Fasern in Heißpressen bei Temperaturen von etwa 1.000 °C und Drücken von mehreren Dutzend bar. Es wird angenommen, dass Sintern für eine gute thermische Kopplung zwischen dem Kupfer und den Kohlenstofffasern notwendig, aber noch nicht ausreichend ist. Daher werden zusätzlich Zusatzstoffe benutzt, um bessere Haftung des Kupfers zu erzielen und das Gleiten des Kupfers auf den Kohlenstofffasern während der thermischen Wechselbeanspruchung zu verhindern. Eine Verschiebung der Phasengrenze in atomarem Maßstab hätte eine negative Wirkung sowohl auf das thermische Koppeln als auch den durchschnittlichen WAK.
Ein Nachteil des oben erwähnten herkömmlichen Verfahrens kann darin gesehen werden, dass die Kohlenstofffaser-Kupfer-Teile nur als Sinterteile vorgefertigt werden können. Die Kaltherstellung des Verbundwerkstoffs direkt an einem Wafer könnte unter Benutzen dieses Verfahrens nicht möglich sein.
Ein weiterer Nachteil des oben erwähnten herkömmlichen Verfahrens kann darin gesehen werden, dass die Zusatzstoffe, die dem Kupferelektrolyten während des Vor-Kupferplattierens der kurzen Kohlenstofffasern zugegeben werden, um bessere Haftung des Kupfers auf den Fasern zu erzielen, möglicherweise die Fläche der Kohlenstofffasern nicht vollständig benetzen. Zudem können die Zusatzstoffe eine negative Wirkung auf die Eigenschaften des Kupfers aufweisen.
Ein Gesichtspunkt verschiedener hierin beschriebener Ausführungsformen kann darin gesehen werden, dass einer oder mehrere der Nachteile des oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrens vermieden oder wesentlich verringert werden können.
1A zeigt ein Verfahren 100 zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser gemäß einer Ausführungsform.
In 102 kann eine Metallschicht über mindestens eine Kohlenstofffaser (beispielsweise mehrere Kohlenstofffasern, z.B. eine Schicht, die mehrere Kohlenstofffasern aufweist, z.B. ein Gewebe, das mehrere Kohlenstofffasern aufweist) elektroplattiert werden (anders ausgedrückt, mittels Elektroplattieren abgeschieden, oder noch anders ausgedrückt, elektrolytisch abgeschieden werden, auch als galvanische oder elektrolytische Abscheidung bezeichnet). Anders ausgedrückt, kann die mindestens eine Kohlenstofffaser mit einem Metall beschichtet werden.
Der Ausdruck „über“, wie hierin in Wendungen wie „elektroplattiert über“, „abgeschieden über“, „angeordnet über“, „gebildet über“, „angebracht über“ usw. benutzt, kann so verstanden werden, dass er sowohl den Fall beinhaltet, in dem ein erstes Element (Struktur, Schicht usw.) auf einem zweiten Element (Struktur, Schicht usw.) mit direktem physikalischem und/oder elektrischem Kontakt angeordnet oder gebildet wird, als auch den Fall beinhaltet, in dem ein oder mehrere Elemente (Strukturen, Schichten usw.) zwischen dem ersten Element (Struktur, Schicht usw.) und dem zweiten Element (Struktur, Schicht usw.) angeordnet oder gebildet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine Kohlenstofffaser eine Länge im Millimeterbereich, beispielsweise einige Millimeter, aufweisen. Andere, z.B. größere, Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die mindestens eine Kohlenstofffaser Graphit beinhalten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die mindestens eine Kohlenstofffaser einen Durchmesser im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 50 µm aufweisen. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Die Metallschicht kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet.
Der Ausdruck „Phase“, wie hierin benutzt, kann so verstanden werden, dass er sich auf eine feste Zustandsphase bezieht. Der Ausdruck „gemeinsame Phase“, wie hierin benutzt, kann so verstanden werden, dass er sich auf eine stöchiometrisch bestimmte feste Zustandsphase eines binären Systems (anders ausgedrückt, ein System aus zwei Komponenten) bezieht, wie in einem entsprechenden Phasendiagramm des binären Systems angezeigt sein kann. Beispielsweise kann der Ausdruck „gemeinsame Phase von Komponente X und Komponente Y“ so verstanden werden, dass er sich auf eine beliebige stöchiometrisch bestimmte feste Zustandsphase in dem Phasendiagramm bezieht, das dem binären System X-Y zugehörig ist. Beispielsweise kann der Ausdruck „gemeinsame Phase von Kohlenstoff (C) und Chrom (Cr)“ so verstanden werden, dass er sich auf eine beliebige stöchiometrisch bestimmte feste Zustandsphase in dem Phasendiagramm bezieht, das dem binären System C-Cr zugehörig ist (siehe z.B. Phasendiagramm 1100 in 11).
Gemäß einer Ausführungsform kann das Metall Chrom (Cr) oder Mangan (Mn) sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Elektroplattieren der Metallschicht gepulstes Elektroplattieren (hierin auch als Puls-Elektroplattieren, gepulste galvanische Abscheidung oder galvanische Pulsabscheidung bezeichnet) beinhalten oder dadurch vollzogen werden. Der Ausdruck „gepulstes Elektroplattieren“, wie hierin benutzt, kann so verstanden werden, dass er sich auf eine Technik des Elektroplattierens (elektrolytische Abscheidung) bezieht, in der ein Plattierstrom in einem oder mehreren Pulsen von vorbestimmter Zeitdauer und/oder Höhe zugeführt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulsfrequenz, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt wird, im Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulshöhe von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, im Bereich von etwa 4 V bis etwa 12 V sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Elektroplattieren der Metallschicht mittels anderer geeigneter Elektroplattiertechniken vollzogen werden.
Die Metallschicht kann die mindestens eine Kohlenstofffaser oder die mehreren Kohlenstofffasern mindestens teilweise (z.B. vollständig) beschichten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Metallschicht so abgeschieden werden, dass sie eine Schichtdicke aufweist, die kleiner als der Durchmesser der mindestens einen Kohlenstofffaser ist, beispielsweise wesentlich kleiner als der Durchmesser der mindestens einen Kohlenstofffaser, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 25 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 15 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 10 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 5 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 1 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein. Die Mindestschichtdicke kann beispielsweise der Größe der Kristallisationskeime der Metallschicht entsprechen.
In 104 können die mindestens eine Kohlenstofffaser und die Metallschicht ausgeglüht (anders ausgedrückt, erhitzt oder getempert) werden. Die mindestens eine Kohlenstofffaser und die Metallschicht können gleichzeitig ausgeglüht werden, beispielsweise in einem einzigen Verarbeitungsschritt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Ausglühtemperatur im Bereich von etwa 400 °C bis etwa 1.000 °C sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Ausglühdauer im Bereich von etwa 1 h bis etwa 10 h sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Das Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der Metallschicht kann dazu dienen, eine gemeinsame Phase von Kohlenstoff und dem Metall der Metallschicht, beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der Metallschicht, zu bilden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Kupferschicht über die Metallschicht elektroplattiert werden, wie in 106 gezeigt. Elektroplattieren der Kupferschicht kann nach dem Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der Metallschicht durchgeführt werden. Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
Die Metallschicht kann als Haftschicht dienen, um die Haftung der Kupferschicht zu ermöglichen oder zu verbessern, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Kupferschicht nach dem Abscheiden der Kupferschicht ausgeglüht werden, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von etwa 110 °C bis etwa 150 °C. Das Ausglühen kann beispielsweise dazu dienen, um mögliche Elektrolytrückstände zu entfernen (z.B. verdampfen).
1B zeigt ein Verfahren 150 zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser gemäß einer anderen Ausführungsform.
In 152 kann eine erste Metallschicht über mindestens eine Kohlenstofffaser (beispielsweise mehrere Kohlenstofffasern, z.B. eine Schicht, die mehrere Kohlenstofffasern aufweist, z.B. ein Gewebe, das mehrere Kohlenstofffasern aufweist) elektroplattiert (anders ausgedrückt, mittels Elektroplattieren, auch als galvanische Abscheidung oder elektrolytische Abscheidung bezeichnet, abgeschieden) werden. Anders ausgedrückt, kann die mindestens eine Kohlenstofffaser mit einem Metall beschichtet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine Kohlenstofffaser eine Länge im Millimeterbereich, beispielsweise einige Millimeter, aufweisen. Andere, z.B. größere, Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die mindestens eine Kohlenstofffaser einen Durchmesser im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 50 µm aufweisen. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Die erste Metallschicht kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet. Anders ausgedrückt, können das Metall und der Kohlenstoff mindestens eine gemeinsame Phase bilden, und Nickel und das Metall können mindestens eine gemeinsame Phase bilden. Das Metall der ersten Metallschicht kann ein anderes als Nickel sein.
Die erste Metallschicht kann die mindestens eine Kohlenstofffaser oder die mehreren Kohlenstofffasern mindestens teilweise (z.B. vollständig) beschichten.
In 154 kann eine zweite Metallschicht über die erste Metallschicht elektroplattiert werden, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthalten oder daraus bestehen kann. Die zweite Metallschicht kann beispielsweise eine Nickelschicht sein.
Veranschaulichend können die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht so konfiguriert werden, dass das Metall der ersten Metallschicht und Kohlenstoff eine gemeinsame Phase bilden können und das Metall der ersten Metallschicht und das Metall der zweiten Metallschicht eine gemeinsame Phase bilden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Metall der ersten Metallschicht Chrom (Cr) oder Mangan (Mn) sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können das Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren (hierin auch als Puls-Elektroplattieren oder galvanische Pulsabscheidung bezeichnet) beinhalten oder dadurch vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulsfrequenz von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, im Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulshöhe von Pulsen beim gepulsten Elektroplattieren im Bereich von etwa 4 V bis etwa 12 V sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht mittels anderer geeigneter Elektroplattiertechniken vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die erste Metallschicht und/oder die zweite Metallschicht so abgeschieden werden, dass sie eine Schichtdicke aufweisen, die kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern ist, beispielsweise wesentlich kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 25 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 15 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 10 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 5 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 1 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein. Die Mindestschichtdicke kann beispielsweise der Größe der Kristallisationskeime der ersten und/oder der zweiten Metallschicht entsprechen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Schichtdicke aufweisen.
In 156 können die mindestens eine Kohlenstofffaser, die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht ausgeglüht werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die mindestens eine Kohlenstofffaser, die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht gleichzeitig, beispielsweise in einem einzigen Verarbeitungsschritt, ausgeglüht werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der ersten Metallschicht vor dem Elektroplattieren der zweiten Metallschicht durchgeführt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Ausglühtemperatur im Bereich von etwa 400 °C bis etwa 1.000 °C sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Ausglühdauer im Bereich von etwa 1 h bis etwa 10 h sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Das Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht kann dazu dienen, eine gemeinsame Phase von Kohlenstoff und dem Metall der ersten Metallschicht, beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der ersten Metallschicht, und eine gemeinsame Phase des Metalls der ersten Metallschicht und dem Metall der zweiten Metallschicht, beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht, zu bilden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Kupferschicht über die zweite Metallschicht elektroplattiert werden, wie in 158 gezeigt. Elektroplattieren der Kupferschicht kann nach dem Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht durchgeführt werden. Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
Die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht können als Haftschichten dienen, um die Haftung der Kupferschicht zu ermöglichen oder zu verbessern, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
2A zeigt ein Verfahren 200 zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform.
In 202 können mehrere Kohlenstofffasern (z.B. eine Schicht, die mehrere Kohlenstofffasern aufweist) bereitgestellt werden. Die Anzahl von Kohlenstofffasern kann im Allgemeinen frei wählbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform können die mehreren Kohlenstofffasern als ein Gewebe konfiguriert werden. Anders ausgedrückt, können die mehreren Kohlenstofffasern angeordnet werden, um ein Gewebe zu bilden, hierin auch als Kohlenstofffasergewebe bezeichnet. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen können eine oder mehrere (z.B. alle) der Kohlenstofffasern Graphit beinhalten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern eine Länge im Millimeterbereich, beispielsweise einige Millimeter, aufweisen. Andere, z.B. größere, Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 50 µm aufweisen. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
In 204 kann eine Metallschicht über die mehreren Kohlenstofffasern elektroplattiert (anders ausgedrückt, mittels Elektroplattieren abgeschieden) werden.
Die Metallschicht kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Metall Chrom (Cr) oder Mangan (Mn) sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Elektroplattieren der Metallschicht gepulstes Elektroplattieren (hierin auch als Puls-Elektroplattieren oder galvanische Pulsabscheidung bezeichnet) beinhalten oder dadurch vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulsfrequenz von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, im Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulshöhe von Pulsen beim gepulsten Elektroplattieren im Bereich von etwa 4 V bis etwa 12 V sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Elektroplattieren der Metallschicht mittels anderer geeigneter Elektroplattiertechniken vollzogen werden.
Die Metallschicht kann die mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern mindestens teilweise (z.B. vollständig) beschichten.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Metallschicht so abgeschieden werden, dass sie eine Schichtdicke aufweist, die kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern ist, beispielsweise wesentlich kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 25 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 15 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 10 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 5 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 1 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein. Die Mindestschichtdicke kann beispielsweise der Größe der Kristallisationskeime der Metallschicht entsprechen.
In 206 können die mehreren Kohlenstofffasern und die Metallschicht ausgeglüht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Ausglühtemperatur im Bereich von etwa 400 °C bis etwa 1.000 °C sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Ausglühdauer im Bereich von etwa 1 h bis etwa 10 h sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Die mehreren Kohlenstofffasern und die Metallschicht können gleichzeitig, beispielsweise in einem einzigen Verarbeitungsschritt, ausgeglüht werden.
Das Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern und der Metallschicht kann dazu dienen, eine gemeinsame Phase des Kohlenstoffs der Kohlenstofffasern und des Metalls der Metallschicht, beispielsweise an Grenzflächen zwischen den Kohlenstofffasern und der Metallschicht, zu bilden.
In 208 kann eine Kupferschicht über die Metallschicht elektroplattiert werden.
Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann nach dem Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern und der Metallschicht durchgeführt werden.
Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
Die Metallschicht kann als Haftschicht dienen, um die Haftung der Kupferschicht zu ermöglichen oder zu verbessern, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
2B zeigt ein Verfahren 250 zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform.
In 252 können mehrere Kohlenstofffasern (z.B. eine Schicht, die mehrere Kohlenstofffasern aufweist) bereitgestellt werden. Die Anzahl von Kohlenstofffasern kann im Allgemeinen frei wählbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform können die mehreren Kohlenstofffasern als ein Gewebe konfiguriert werden. Anders ausgedrückt, können die mehreren Kohlenstofffasern angeordnet werden, um ein Gewebe zu bilden, hierin auch als Kohlenstofffasergewebe bezeichnet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern eine Länge im Millimeterbereich, beispielsweise einige Millimeter, aufweisen. Andere, z.B. größere, Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern einen Durchmesser im Bereich von 1 µm bis etwa 50 µm aufweisen. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
In 254 kann eine erste Metallschicht über die mehreren Kohlenstofffasern elektroplattiert werden.
Die erste Metallschicht kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet. Anders ausgedrückt, können das Metall und der Kohlenstoff mindestens eine gemeinsame Phase bilden, und Nickel und das Metall können mindestens eine gemeinsame Phase bilden. Das Metall der ersten Metallschicht kann ein anderes als Nickel sein.
Die erste Metallschicht kann die mindestens eine Kohlenstofffaser oder die mehreren Kohlenstofffasern mindestens teilweise (z.B. vollständig) beschichten.
In 256 kann eine zweite Metallschicht über die erste Metallschicht elektroplattiert werden, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthalten oder daraus bestehen kann.
Veranschaulichend können die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht so konfiguriert werden, dass das Metall der ersten Metallschicht und Kohlenstoff eine gemeinsame Phase bilden können und das Metall der ersten Metallschicht und Nickel eine gemeinsame Phase bilden können, wie oben beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Metall der ersten Metallschicht Chrom (Cr) oder Mangan (Mn) sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können das Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren (hierin auch als Puls-Elektroplattieren oder galvanische Pulsabscheidung bezeichnet) beinhalten oder dadurch vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulsfrequenz von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, im Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulshöhe von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, im Bereich von etwa 4 V bis etwa 12 V sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht mittels anderer geeigneter Elektroplattiertechniken vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die erste Metallschicht und/oder die zweite Metallschicht so abgeschieden werden, dass sie eine Schichtdicke aufweisen, die kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern ist, beispielsweise wesentlich kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 25 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 15 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 10 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 5 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 1 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein. Die Mindestschichtdicke kann beispielsweise der Größe der Kristallisationskeime der ersten und/oder der zweiten Metallschicht entsprechen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Schichtdicke aufweisen.
In 258 können die mehreren Kohlenstofffasern, die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht ausgeglüht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Ausglühtemperatur im Bereich von etwa 400 °C bis etwa 1.000 °C sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Ausglühdauer im Bereich von etwa 1 h bis etwa 10 h sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die mehreren Kohlenstofffasern, die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht gleichzeitig ausgeglüht werden, beispielsweise in einem einzigen Verarbeitungsschritt.
Das Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht kann dazu dienen, eine gemeinsame Phase von Kohlenstoff und dem Metall der ersten Metallschicht, beispielsweise an Grenzflächen zwischen den Kohlenstofffasern und der ersten Metallschicht, und eine gemeinsame Phase des Metalls der ersten Metallschicht und des Metalls der zweiten Metallschicht, beispielsweise an Grenzflächen zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht, zu bilden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern und der ersten Metallschicht vor dem Elektroplattieren der zweiten Metallschicht durchgeführt werden.
In 260 kann eine Kupferschicht über die zweite Metallschicht elektroplattiert werden. Elektroplattieren der Kupferschicht kann nach dem Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht durchgeführt werden. Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Fläche der zweiten Metallschicht (z.B. eine Fläche, die von der ersten Metallschicht abgewandt ist) vor dem Elektroplattieren der Kupferschicht über die zweite Metallschicht aktiviert werden. Das Aktivieren der Fläche der zweiten Metallschicht kann beispielsweise das Inkontaktbringen der Fläche mit einer Säure, wie z.B. Salzsäure, z.B. konzentrierter Salzsäure, oder anderen geeigneten Säuren, beispielsweise während eines kurzen Zeitintervalls (z.B. während etwa 10 s bis etwa 20 s), beinhalten oder dadurch erzielt werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Fläche der zweiten Metallschicht nach dem Aktivieren der Fläche gereinigt werden. Das Reinigen der Fläche kann beispielsweise das Spülen beinhalten oder dadurch erzielt werden. Mittels Aktivieren und/oder Reinigen kann eine Oxidschicht (die sich während des Ausglühens auf der Fläche der zweiten Metallschicht gebildet haben könnte) beispielsweise entfernt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können Hohlräume, die möglicherweise zwischen den mehreren Kohlenstofffasern nach dem Elektroplattieren der Kupferschicht verbleiben, mit Kupfer gefüllt oder verbunden werden, beispielsweise galvanisch oder mittels Heißpressen.
3 zeigt ein Verfahren 300 zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform.
In 302 kann ein Kohlenstofffasergewebe bereitgestellt werden. Das Gewebe kann mehrere Kohlenstofffasern aufweisen. Die Kohlenstofffasern können beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert werden.
In 304 kann eine erste Metallschicht auf das Gewebe, beispielsweise auf eine oder mehrere der Kohlenstofffasern, elektroplattiert werden. Die erste Metallschicht kann Chrom oder Mangan enthalten oder daraus bestehen. Das Elektroplattieren der ersten Metallschicht kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen, beispielsweise unter Benutzen gepulsten Elektroplattierens, durchgeführt werden.
In 306 kann eine zweite Metallschicht auf die erste Metallschicht, beispielsweise auf die Kohlenstofffasern, die mit dem ersten Metall beschichtet sind, elektroplattiert werden. Die zweite Metallschicht kann Nickel enthalten oder daraus bestehen. Das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen, beispielsweise unter Benutzen gepulsten Elektroplattierens, durchgeführt werden.
In 308 können das Gewebe, die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht ausgeglüht werden. Das Ausglühen kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden.
In 310 kann eine Kupferschicht auf die zweite Metallschicht elektroplattiert werden. Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann nach dem Ausglühen des Gewebes und der ersten und der zweiten Metallschicht durchgeführt werden. Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Fläche der zweiten Metallschicht (z.B. eine Fläche, die von der ersten Metallschicht abgewandt ist) vor dem Elektroplattieren der Kupferschicht auf die zweite Metallschicht aktiviert und/oder gereinigt werden. Das Aktivieren der Fläche der zweiten Metallschicht kann die Entfernung einer Oxidschicht (die sich während des Ausglühens gebildet haben könnte) beinhalten und kann beispielsweise das Inkontaktbringen der Fläche mit einer Säure, wie z.B. Salzsäure, z.B. konzentrierter Salzsäure, oder anderen geeigneten Säuren beinhalten oder dadurch erzielt werden. Das Reinigen der Fläche kann nach dem Aktivieren der Fläche durchgeführt werden und kann beispielsweise das Spülen beinhalten oder dadurch erzielt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können Hohlräume, die möglicherweise zwischen den mehreren Kohlenstofffasern nach dem Elektroplattieren der Kupferschicht verbleiben, mit Kupfer gefüllt oder verbunden werden, beispielsweise galvanisch oder mittels Heißpressen.
4 zeigt ein Verfahren 400 zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform.
In 402 kann ein Gewebe, das mehrere Kohlenstofffasern aufweist, bereitgestellt werden. Das Gewebe und/oder die Kohlenstofffasern können beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert werden.
In 404 können die Kohlenstofffasern mit einem Metall elektroplattiert werden, um mit Metall beschichtete Kohlenstofffasern zu bilden. Das Elektroplattieren kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Das Metall kann aus einer Gruppe von Metallen ausgewählt werden, die eine gemeinsame Phase sowohl mit Kohlenstoff als auch mit Kupfer bilden. Das Metall kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgewählt werden.
In 406 kann das Gewebe, das die mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern aufweist, ausgeglüht werden. Das Ausglühen kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden.
In 408 können die mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern mit Kupfer elektroplattiert werden. Das Elektroplattieren des Kupfers kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können die mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern vor dem Elektroplattieren mit Kupfer mit Nickel elektroplattiert werden.
5 zeigt ein Verfahren 500 zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform.
In 502 kann ein Gewebe, das mehrere Kohlenstofffasern aufweist, bereitgestellt werden. Das Gewebe und/oder die Kohlenstofffasern können beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert werden.
In 504 können die Kohlenstofffasern mit einem Schichtstapel elektroplattiert werden, der eine erste Metallschicht und eine zweite Metallschicht beinhaltet, die über der ersten Metallschicht angeordnet werden, um mit Metall beschichtete Kohlenstofffasern zu bilden. Das Elektroplattieren kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Die erste Metallschicht kann ein erstes Metall enthalten oder daraus hergestellt sein, und die zweite Metallschicht kann ein zweites Metall enthalten oder daraus hergestellt sein. Das erste Metall und das zweite Metall können so ausgewählt werden, dass das erste Metall und Kohlenstoff mindestens eine gemeinsame Phase bilden und das erste Metall und das zweite Metall mindestens eine gemeinsame Phase bilden. Das erste Metall und/oder das zweite Metall können beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgewählt werden. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform das erste Metall Chrom oder Mangan sein. Beispielsweise kann gemäß einer anderen Ausführungsform das zweite Metall Nickel sein.
In 506 kann das Gewebe, das die mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern aufweist, ausgeglüht werden. Das Ausglühen kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden.
In 508 können die mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern mit Kupfer elektroplattiert werden. Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
6 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform.
In 602 kann ein Kohlenstofffasergewebe bereitgestellt werden. Das Kohlenstofffasergewebe kann beispielsweise mehrere Kohlenstofffasern aufweisen oder daraus hergestellt sein. Das Gewebe und/oder die Kohlenstofffasern können beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert werden.
In 604 kann eine erste Metallschicht über das Kohlenstofffasergewebe elektroplattiert werden. Das Elektroplattieren kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Die erste Metallschicht kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff bildet. Das Metall kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgewählt werden. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform das Metall Chrom oder Mangan sein.
In 606 kann eine zweite Metallschicht über die erste Metallschicht elektroplattiert werden. Das Elektroplattieren kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Die zweite Metallschicht kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit dem Metall der ersten Metallschicht bildet. Das Metall kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Metall gemäß einer Ausführungsform Nickel sein.
In 608 können das Kohlenstofffasergewebe, die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht ausgeglüht werden. Das Ausglühen kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden.
In 610 kann eine Kupferschicht über die zweite Metallschicht elektroplattiert werden. Das Elektroplattieren der Kupferschicht kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
7A bis 10B veranschaulichen verschiedene Verfahrensstufen in einem Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform.
7A und 7B zeigen in einer Draufsicht 700 und einer Querschnittsansicht 750 (entsprechend einem Querschnitt längs der Linie 7B-7B' in 7A), dass mehrere Kohlenstofffasern 702 bereitgestellt werden können. Die Anzahl von Kohlenstofffasern 702 kann im Allgemeinen frei wählbar sein. Die Kohlenstofffasern 702 können beispielsweise in Bündeln 712 angeordnet werden, wobei jedes Bündel 712 eine oder mehrere Kohlenstofffasern 702 aufweisen kann, wie gezeigt. Die Anzahl von Kohlenstofffasern 702 je Bündel 712 kann im Allgemeinen frei wählbar sein und kann für jedes Bündel 712 die gleiche sein oder für unterschiedliche Bündel 712 unterschiedlich sein.
Die Kohlenstofffasern 702 oder die Bündel 712 von Kohlenstofffasern 702 können angeordnet werden, um ein Gewebe 701 zu bilden, wie gezeigt. Anders ausgedrückt, kann gemäß einigen Ausführungsformen eine Schicht von Kohlenstofffasern 702, die als ein Kohlenstofffasergewebe 701 konfiguriert sind, bereitgestellt werden. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Kohlenstofffasern 702 unterschiedlich angeordnet werden. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen können eine oder mehrere (z.B. alle) der Kohlenstofffasern 702 Graphit beinhalten.
Mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern 702 kann beispielsweise eine Länge im Millimeterbereich, beispielsweise einige Millimeter, aufweisen. Andere, z.B. größere, Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern 702 kann beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 50 µm aufweisen. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
8A und 8B zeigen in einer Draufsicht 800 und einer Querschnittsansicht 850 (entsprechend einem Querschnitt längs der Linie 8B-8B' in 8A), dass eine erste Metallschicht 703 über das Kohlenstofffasergewebe 701 elektroplattiert werden kann. Vor dem Abscheiden der ersten Metallschicht 703 kann das Kohlenstofffasergewebe 701 gegebenenfalls vorgereinigt und/oder entfettet werden.
Die erste Metallschicht 703 kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet, das später abzuscheiden ist (siehe 9A und 9B).
Die erste Metallschicht 703 kann die mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern 702 mindestens teilweise (z.B. vollständig) beschichten, wie gezeigt.
Das Elektroplattieren der ersten Metallschicht 703 kann beispielsweise durch gepulstes Elektroplattieren erzielt werden.
Eine Pulsfrequenz von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, kann beispielsweise im Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulshöhe von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, im Bereich von etwa 4 V bis etwa 12 V sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Elektroplattieren der ersten Metallschicht mittels anderer geeigneter Elektroplattiertechniken vollzogen werden.
Die erste Metallschicht 703 kann so abgeschieden werden, dass sie eine Schichtdicke aufweist, die kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern 702 ist, beispielsweise wesentlich kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern 702 ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 25 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 15 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 10 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 5 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 1 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein. Die Mindestschichtdicke kann beispielsweise der Größe der Kristallisationskeime der ersten Metallschicht 703 entsprechen.
9A und 9B zeigen in einer Draufsicht 900 und einer Querschnittsansicht 950 (entsprechend einem Querschnitt längs der Linie 9B-9B' in 9A), dass eine zweite Metallschicht 704 über die erste Metallschicht 703 elektroplattiert werden kann.
Die zweite Metallschicht 704 kann Nickel enthalten oder daraus bestehen. Das Nickel der zweiten Metallschicht kann eine gemeinsame Phase mit dem ersten Metall der ersten Metallschicht 703 bilden, wie oben erwähnt.
Die zweite Metallschicht 704 kann die mindestens eine (beispielsweise mehrere, z.B. alle) der Kohlenstofffasern 702, die mit der ersten Metallschicht 703 beschichtet ist, mindestens teilweise (z.B. vollständig) beschichten, wie gezeigt.
Das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht 704 kann beispielsweise durch gepulstes Elektroplattieren erzielt werden.
Eine Pulsfrequenz von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, kann beispielsweise im Bereich von etwa 10 kHz bis etwa 1 MHz sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Pulshöhe von Pulsen, die beim gepulsten Elektroplattieren benutzt werden, im Bereich von etwa 4 V bis etwa 12 V sein. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Elektroplattieren der zweiten Metallschicht 704 mittels anderer geeigneter Elektroplattiertechniken vollzogen werden.
Die zweite Metallschicht 704 kann so abgeschieden werden, dass sie eine Schichtdicke aufweist, die kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern 702 ist, beispielsweise wesentlich kleiner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern 702 ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 25 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 15 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 10 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 5 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke, die gleich oder geringer als etwa 1 % des Kohlenstofffaserdurchmessers ist, beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein. Die Mindestschichtdicke kann beispielsweise der Größe von Kristallisationskeimen der zweiten Metallschicht 704 entsprechen.
Die erste Metallschicht 703 und die zweite Metallschicht 704 können beispielsweise die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Schichtdicke aufweisen. Alternativ können die Schichtdicken unterschiedlich sein.
Das Metall der ersten Metallschicht 703 kann so ausgewählt werden, dass das Metall der ersten Metallschicht 703 ein Metall ist (beispielsweise gemäß den entsprechenden Phasendiagrammen), das mindestens eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und mindestens eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet, beispielsweise über Festkörperdiffusion (anders ausgedrückt, Bewegung und/oder Transport von Atomen in festen Phasen), die durch Ausglühen bewirkt wird.
Beispiele für das Metall der ersten Metallschicht sind u.a. Chrom oder Mangan (für das erste Metall), wie anhand 11 bis 14 erkannt werden kann, die die Phasendiagramme 1100, 1200, 1300, 1400 des binären Systems Kohlenstoff-Chrom (C-Cr), Kohlenstoff-Mangan (C-Mn), Chrom-Nickel (Cr-Ni) bzw. Mangan-Nickel (Mn-Ni) zeigen.
Wie anhand des Phasendiagramms 1100 in 11 erkannt werden kann, können insbesondere Kohlenstoff (C) und Chrom (Cr) mindestens eine gemeinsame Phase bilden.
Zudem können, wie anhand des Phasendiagramms 1200 in 12 erkannt werden kann, Kohlenstoff (C) und Mangan (Mn) mindestens eine gemeinsame Phase bilden.
Zudem können, wie anhand des Phasendiagramms 1300 in 13 erkannt werden kann, Chrom (Cr) und Nickel (Ni) mindestens eine gemeinsame Phase bilden.
Zudem können, wie anhand des Phasendiagramms 1400 in 14 erkannt werden kann, Mangan (Mn) und Nickel (Ni) mindestens eine gemeinsame Phase bilden.
Zudem kann Nickel gut an Kupfer haften.
Alternativ können andere Kombinationen von Metallen für die erste und zweite Metallschicht 703, 704 möglich sein.
Zur Veranschaulichung können die erste Metallschicht 703 und die zweite Metallschicht 704 als Haftschichten dienen, um die Haftung einer später abzuscheidenden Kupferschicht 705 zu ermöglichen oder zu verbessern (siehe 10A und 10B).
Das Kohlenstofffasergewebe 701 (die Kohlenstofffasern 702 beinhaltend), die erste Metallschicht 703 und die zweite Metallschicht 704 können ausgeglüht werden, um die gemeinsamen Phasen zu bilden.
Das Gewebe 701 und die Metallschichten 703, 704 können beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von etwa 400 °C bis etwa 1.000 °C ausgeglüht werden. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Das Gewebe 701 und die Metallschichten 703, 704 können beispielsweise während einer Zeitdauer im Bereich von etwa 1 h bis etwa 10 h ausgeglüht werden. Andere Werte können gemäß anderen Ausführungsformen ebenfalls möglich sein.
Das Gewebe 701, die erste Metallschicht 703 und die zweite Metallschicht 704 können nach der Abscheidung der zweiten Metallschicht 704 gleichzeitig ausgeglüht werden, um die gemeinsamen Phasen zu bilden. Anders ausgedrückt, kann ein einziger Ausglühschritt durchgeführt werden, um das Gewebe 701 und die Metallschichten 703, 704 auszuglühen. Es kann jedoch auch möglich sein, einen ersten Ausglühschritt vor der Abscheidung der zweiten Metallschicht 704 und einen zweiten Ausglühschritt nach der Abscheidung der zweiten Metallschicht 704 durchzuführen, um das Gewebe 701 und die Metallschichten 703, 704 auszuglühen.
Das Ausglühen des Gewebes 701, der ersten Metallschicht 703 und der zweiten Metallschicht 704 kann dazu dienen, eine gemeinsame Phase von Kohlenstoff (der Kohlenstofffasern 702) und des Metalls der ersten Metallschicht 703 (z.B. Chrom oder Mangan), beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen den Kohlenstofffasern 702 und der ersten Metallschicht 703, und eine gemeinsame Phase des Metalls der ersten Metallschicht 703 (z.B. Chrom oder Mangan) und dem Metall der zweiten Metallschicht 704, beispielsweise an einer Grenzfläche zwischen der ersten Metallschicht 703 und der zweiten Metallschicht 704, zu bilden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Fläche der zweiten Metallschicht 704, die von der ersten Metallschicht 703 abgewandt ist (veranschaulichend eine äußere Fläche der zweiten Metallschicht 704), nach dem Ausglühen der zweiten Metallschicht 704 gegebenenfalls aktiviert, beispielsweise in konzentrierter Salzsäure (z.B. während eines kurzen Zeitintervalls von etwa 10 s bis etwa 20 s), und/oder gereinigt (z.B. gespült) werden.
10A und 10B zeigen in einer Draufsicht 1000 und einer Querschnittsansicht 1050 (entsprechend einem Querschnitt längs der Linie 10B-10B' in 10A), dass eine Kupferschicht 705 über die zweite Metallschicht 704 elektroplattiert werden kann. Das Elektroplattieren der Kupferschicht 705 kann unter Benutzen einer beliebigen geeigneten Elektroplattiertechnik, die als solche im Fachgebiet bekannt ist, vollzogen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können Hohlräume, die möglicherweise zwischen den mehreren der mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern 702 nach dem Elektroplattieren der Kupferschicht 705 verbleiben, mit Kupfer gefüllt oder verbunden werden, beispielsweise galvanisch oder mittels Heißpressen.
10A und 10B zeigen veranschaulichend einen Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff gemäß einer Ausführungsform.
Der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff kann mehrere Kohlenstofffasern 702 beinhalten. Die Kohlenstofffasern 702 können beispielsweise so angeordnet sein, dass sie ein Gewebe 701 bilden, das auch als Kohlenstofffasergewebe bezeichnet wird.
Der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff kann ferner eine erste Metallschicht 703 beinhalten. Die erste Metallschicht 703 kann über den Kohlenstofffasern 702 angeordnet sein. Die erste Metallschicht 703 kann ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet.
Der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff kann ferner eine zweite Metallschicht 704 beinhalten. Die zweite Metallschicht 704 kann über der ersten Metallschicht 703 angeordnet sein. Die zweite Metallschicht 704 kann Nickel enthalten oder daraus bestehen. Das Metall der ersten Metallschicht 703 kann beispielsweise Chrom oder Mangan sein. Alternativ kann eine beliebige andere Kombination von Metallen, die die oben erwähnten Bedingungen erfüllen kann, benutzt werden.
Der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff kann ferner eine Kupferschicht 705 beinhalten. Die Kupferschicht 705 kann über der zweiten Metallschicht 704 angeordnet sein.
Veranschaulichend zeigen 10A und 10B einen Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff, der einen Haftschichtstapel 703/704 beinhaltet, der zwischen einer Schicht von Kohlenstofffasern 702 und einer Kupferschicht 705 angeordnet ist, wobei der Schichtstapel 703/704 zwei Haftschichten beinhaltet (anders ausgedrückt, Schichten, die die Haftung zwischen Kohlenstoff und Kupfer herstellen oder verbessern), die übereinander angeordnet sind, d.h. die erste Metallschicht 703 und die zweite Metallschicht 704.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff nur eine Metallschicht als Haftschicht beinhalten, die zwischen den Kohlenstofffasern 702 und der Kupferschicht 705 angeordnet ist. In diesem Fall kann die Metallschicht ein Metall enthalten oder daraus bestehen, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bilden kann, beispielsweise Chrom oder Mangan.
Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffe, wie hierin beschrieben, können beispielsweise als ein Kühlkörper für eine elektronische Vorrichtung, wie beispielsweise eine elektronische Leistungsvorrichtung oder -komponente (z.B. ein Hochleistungsmodul), benutzt werden. Zu diesem Zweck kann der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff an der elektronischen Vorrichtung, beispielsweise an einem Substrat der elektronischen Vorrichtung, befestigt werden.
Im Folgenden werden verschiedene Gesichtspunkte und mögliche Wirkungen verschiedener Ausführungsformen beschrieben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere Kohlenstofffasern elektrolytisch mit einem Metall beschichtet werden, das mindestens eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und mindestens eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet (gemäß den entsprechenden Phasendiagrammen), und nachfolgend ausgeglüht werden, um an der Kohlenstoff-Metall-Grenzfläche eine Kohlenstoff-Metall-Phase zu bilden. Die Metallschicht kann veranschaulichend als Bindemittel oder Haftschicht für eine Kupferschicht dienen, die später abzuscheiden ist (anders ausgedrückt, als eine Schicht, die die Haftung der Kupferschicht ermöglichen oder verbessern kann).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere Kohlenstofffasern elektrolytisch mit einem Metallschichtstapel beschichtet werden, der ein erstes Metall (z.B. Chrom oder Mangan), das mindestens eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff bildet, und ein zweites Metall (z.B. Nickel), das mindestens eine gemeinsame Phase mit dem ersten Metall bildet, beinhaltet, und nachfolgend ausgeglüht werden, um an der Grenzfläche zwischen der (den) Kohlenstofffaser(n) und dem ersten Metall eine Kohlenstoff-Metall-Phase und an der Grenzfläche zwischen dem ersten Metall und dem zweiten Metall eine Metall-Metall-Phase zu bilden. Der Metallschichtstapel kann veranschaulichend als Haftschichtstapel für eine Kupferschicht dienen, um an die Kohlenstofffasern gekoppelt zu werden (anders ausgedrückt, als ein Schichtstapel, der die Haftung der Kupferschicht an den Kohlenstofffasern ermöglichen oder verbessern kann).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mindestens eine Metallschicht auf eine oder mehrere Kohlenstofffasern (z.B. ein Kohlenstofffasergewebe) elektroplattiert werden, um als eine Haftschicht oder ein Bindemittel zu dienen, um die Haftung einer Kupferschicht, die auf die Fasern zu plattieren ist, zu verbessern. Die mindestens eine Metallschicht kann mindestens ein Metall (z.B. Chrom oder Mangan) enthalten oder daraus bestehen, das mindestens eine gemeinsame Phase sowohl mit Kohlenstoff als auch mit Kupfer bildet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Kupferschicht auf die mit Metall beschichtete(n) Kohlenstofffaser(n) elektroplattiert werden, d.h. auf die Kohlenstofffaser(n), die mit der (den) Haftschicht(en) beschichtet ist (sind), wodurch ein Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff gebildet wird. Der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff kann beispielsweise als ein Kühlkörpermaterial benutzt werden.
Somit kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Kühlkörpermaterial oder ein Kühlkörper, z.B. für eine elektronische Leistungsvorrichtung oder elektronische Leistungskomponente, wie z.B. ein Hochleistungsmodul (z.B. IGBT-Modul (Modul aus Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), basierend auf einem Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff, bereitgestellt werden.
Der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff, der die Kohlenstofffasern und Kupfer beinhaltet, kann einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweisen, der sehr viel näher bei dem WAK von Silizium ist als der WAK von reinem Kupfer. Daher kann der Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff, wenn er als Kühlkörpermaterial benutzt wird, die thermische Spannung und das Wölben von Chips in hohem Maße verringern.
Ein Gesichtspunkt verschiedener Ausführungsformen kann darin gesehen werden, dass Kohlenstofffasern mit einer Fläche bereitgestellt werden können, die die Kaltherstellung eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs direkt an einem Wafer ermöglicht.
Ein anderer Gesichtspunkt verschiedener Ausführungsformen kann darin gesehen werden, dass Verfahren bereitgestellt sind, mittels derer ein Verbundwerkstoff von Kohlenstofffasern und Kupfer (CCu) hergerichtet werden kann, um für viele Temperaturzyklen geeignet zu sein.
Ein anderer Gesichtspunkt verschiedener Ausführungsformen kann darin gesehen werden, dass einer oder mehrere der Nachteile des oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen eines CCu-Verbundwerkstoffs vermieden oder wesentlich verringert werden können.
Beispielsweise könnte ein Sinterverfahren wie in dem herkömmlichen Verfahren nicht benötigt werden, um einen CCu-Verbundwerkstoff herzustellen. Somit wird eine Kaltherstellung eines CCu-Verbundwerkstoffs direkt an einem Wafer möglich. Zudem könnten keine Zusatzstoffe in dem Kupfer-Elektrolyten benötigt werden, um die Haftung des Kupfers zu verbessern.
Ein anderer Gesichtspunkt verschiedener Ausführungsformen kann darin gesehen werden, dass ein CCu-Verbundwerkstoff bereitgestellt werden kann, der für thermische Wechselbeanspruchung geeignet sein kann, beispielsweise ein CCu-Verbundwerkstoff, der ohne oder im Wesentlichen ohne Abnutzung vielen Temperaturzyklen widerstehen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird mindestens ein Bindemittel auf den Kohlenstofffasern bereitgestellt. Das Bindemittel kann mittels einer galvanischen Beschichtung aus einem Metall verwirklicht werden, das mindestens eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und mit dem später abgeschiedenen Kupfer bildet.
Beispiele für Metalle, die mittels wässriger Elektrolyse verhältnismäßig leicht abgeschieden werden können, sind beispielsweise Chrom und Mangan.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Schicht von Nickel als zusätzliche (zweite) Zwischenschicht nach der Abscheidung einer ersten Metallschicht (Chrom- oder Manganschicht) abgeschieden werden, die eine gemeinsame Phase sowohl mit Chrom als auch mit Mangan bildet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die gemeinsame Phase zwischen Kohlenstoff und dem ersten Metall mittels einer thermischen Behandlung (Ausglühen) gebildet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Ausglühen in Gegenwart des zweiten Metalls (Nickel) durchgeführt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Oxidschicht, die möglicherweise während des Ausglühens auf der Fläche der zweiten Metallschicht (Nickelschicht) erzeugt wird, entfernt werden, beispielsweise indem die oxidierte Metallschicht mit einer Säure, wie z.B. konzentrierter Salzsäure, in Kontakt gebracht wird, wodurch die Fläche für ein nachfolgendes elektrolytisches Plattieren mit Kupfer aktiviert wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen können Kohlenstofffasern mit einer doppelten Vorbeschichtung bereitgestellt werden, die eine erste galvanisch abgeschiedene Metallschicht (z.B. Chrom- oder Manganschicht) und eine zweite galvanisch abgeschiedene Metallschicht (Nickelschicht) beinhaltet, die über der ersten Metallschicht abgeschieden wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Abscheidung der Metallschicht oder -schichten auf die Kohlenstofffasern unter Benutzen einer galvanischen Pulsabscheidung durchgeführt werden. Mittels einer galvanischen Pulsabscheidung kann eine sehr dünne und/oder homogene Beschichtung erzielt werden, da Kristallisationskeime mit zunehmender Differenz des chemischen Potentials zwischen den Ausgangsspezies des abzuscheidenden Metalls (d.h. der Elektrolyselösung) und dem Endzustand (d.h. dem Metallfilm) kleiner werden können. Beispielsweise können mittels galvanischer Pulsabscheidung Schichtdicken bis herab zu etwa der Keimgröße erzielt werden.
15A und 15B zeigen zwei Elektronenmikrographien, die die Keimbildung bei einer galvanischen Pulsabscheidung von Nickel auf Silizium veranschaulichen, wobei 15B eine Vergrößerung eines Teils von 15A ist. Die Mikrographien dienen als ein Beispiel, um zu veranschaulichen, wie die Pulshöhe und/oder die Pulsbreite einer gepulsten galvanischen Abscheidung die Größe, Dichte und/oder Schichtdicke von Keimen einer Metallbeschichtung beeinflussen können. Die Figuren zeigen, dass durch galvanische Pulsabscheidung sehr kleine Schichtdicken erzielt werden können.
Verringern der Dicke der Metallbeschichtung (d.h. der Haftschicht oder -schichten) kann die Wärme- und/oder elektrische Leitfähigkeit des Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs verbessern.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Haftschichtstapel für eine elektrolytische Kaltherstellung eines Kohlenstofffaser-Kupfer-Verbundwerkstoffs bereitgestellt werden, wobei ein erstes Metall, z.B. Chrom oder Mangan (oder ein beliebiges anderes Material, das eine gemeinsame Phase sowohl mit Kohlenstoff als auch mit Nickel bildet), auf ein (z.B. vorgereinigtes und entfettetes) Kohlenstofffasergewebe mittels elektrolytischer Abscheidung (z.B. galvanischer Pulsabscheidung) in wässriger Lösung abgeschieden wird und wobei nachfolgend Nickel auf das erste Metall (ebenfalls durch elektrolytische Abscheidung, z.B. galvanische Pulsabscheidung) abgeschieden wird. Die Haftmetalle können wesentlich dünner als der Durchmesser der Kohlenstofffasern sein. Nachfolgend kann das Kohlenstofffasergewebe, das mit dem Metallhaftschichtstapel versehen ist, ausgeglüht (anders ausgedrückt, erhitzt oder getempert) werden. Nachfolgend kann die Nickelfläche während eines kurzen Zeitintervalls in konzentrierter Salzsäure aktiviert und gespült werden. Nachfolgend kann Kupfer mittels elektrolytischer Abscheidung abgeschieden werden. Möglicherweise verbleibende Hohlräume können mit Kupfer, z.B. galvanisch und/oder mittels Heißpressen, verbunden werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: Bereitstellen einer ersten Schicht, wobei die erste Schicht mehrere Kohlenstofffasern aufweist oder daraus hergestellt ist; Elektroplattieren einer Metallschicht über die erste Schicht, wobei die Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; Ausglühen mindestens der ersten Schicht und der Metallschicht, so dass das Metall und Kohlenstoff aus den mehreren Kohlenstofffasern eine gemeinsame Phase bilden; Elektroplattieren einer zweiten Schicht über die Metallschicht, wobei die zweite Schicht Kupfer enthält oder daraus besteht.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: Bereitstellen einer ersten Schicht, wobei die erste Schicht mehrere Kohlenstofffasern aufweist oder daraus hergestellt ist; Elektroplattieren einer ersten Metallschicht über die erste Schicht, wobei die erste Metallschicht ein erstes Metall enthält oder daraus besteht, und Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht über die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht ein zweites Metall enthält oder daraus besteht, wobei das erste Metall und das zweite Metall so ausgewählt werden, dass das erste Metall und Kohlenstoff eine gemeinsame Phase bilden und das erste Metall und das zweite Metall eine gemeinsame Phase bilden; Ausglühen der ersten Schicht, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht, so dass das erste Metall und Kohlenstoff aus den mehreren Kohlenstofffasern eine gemeinsame Phase bilden; Elektroplattieren einer zweiten Schicht über die zweite Metallschicht, wobei die zweite Schicht Kupfer enthält oder daraus besteht.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: Bereitstellen eines Gewebes, das mehrere Kohlenstofffasern aufweist; Elektroplattieren mindestens einer Metallschicht über das Gewebe, wobei die mindestens eine Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das mindestens eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und mindestens eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; Ausglühen des Gewebes und der mindestens einen Metallschicht, so dass das Metall und Kohlenstoff aus den mehreren Kohlenstofffasern eine gemeinsame Phase bilden; Elektroplattieren einer Kupferschicht über die mindestens eine Metallschicht.
Ein Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff gemäß einer anderen Ausführungsform kann beinhalten: eine erste Schicht, wobei die erste Schicht mehrere Kohlenstofffasern enthält oder daraus besteht; eine Metallschicht, die über der ersten Schicht angeordnet ist, wobei die Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; eine zweite Schicht, die über der Metallschicht angeordnet ist, wobei die zweite Schicht Kupfer enthält oder daraus besteht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs beinhalten: Bereitstellen eines Kohlenstofffasergewebes; Elektroplattieren einer ersten Metallschicht über das Kohlenstofffasergewebe, wobei die erste Metallschicht ein Metall enthält oder daraus besteht, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff bildet (z.B. Chrom oder Mangan); Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht über die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthält oder daraus besteht; Ausglühen des Kohlenstofffasergewebes, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht; Elektroplattieren einer Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs beinhalten: Bereitstellen eines Gewebes, das mehrere Kohlenstofffasern aufweist; Elektroplattieren der Kohlenstofffasern mit mindestens einem Metall, um mit Metall beschichtete Kohlenstofffasern zu bilden, wobei das mindestens eine Metall aus einer Gruppe von Metallen ausgewählt wird, die mindestens eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und mindestens eine gemeinsame Phase mit Kupfer bilden; Ausglühen des Gewebes, das die mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern aufweist; Elektroplattieren der mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern mit Kupfer.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs beinhalten: Bereitstellen eines Gewebes, das mehrere Kohlenstofffasern aufweist; Elektroplattieren der Kohlenstofffasern mit einem Schichtstapel, der eine erste Metallschicht und eine zweite Metallschicht beinhaltet, die über der ersten Metallschicht angeordnet wird, um mit Metall beschichtete Kohlenstofffasern zu bilden, wobei die erste Metallschicht ein erstes Metall enthält oder daraus hergestellt wird und die zweite Metallschicht ein zweites Metall enthält oder daraus hergestellt wird, wobei das erste Metall und das zweite Metall so ausgewählt werden, dass das erste Metall eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit dem zweiten Metall bildet; Ausglühen des Gewebes, das die mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern aufweist; Elektroplattieren der mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern mit Kupfer.
Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen der Form und Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne die Idee und den Umfang der Erfindung zu verlassen, die von den angefügten Ansprüchen definiert werden. Der Umfang der Erfindung ist somit durch die angefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die in den Sinn- und Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher einbezogen werden.

Claims

Verfahren (100) zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser, aufweisend: Elektroplattieren einer Metallschicht über mindestens eine Kohlenstofffaser, wobei die Metallschicht ein Metall aufweist, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet (102); und Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser und der Metallschicht (104), so dass das Metall und Kohlenstoff aus der mindestens einen Kohlenstofffaser eine gemeinsame Phase bilden.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Metall Chrom oder Mangan ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Elektroplattieren der Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweist.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: Elektroplattieren einer Kupferschicht über die Metallschicht (106).
Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Kohlenstofffaser, aufweisend: Elektroplattieren einer ersten Metallschicht über mindestens eine Kohlenstofffaser, wobei die erste Metallschicht ein Metall aufweist, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet; Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht über die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht Nickel aufweist; Ausglühen der mindestens einen Kohlenstofffaser, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht, so dass das Metall und Kohlenstoff aus der mindestens einen Kohlenstofffaser eine gemeinsame Phase bilden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Metall Chrom oder Mangan ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder Elektroplattieren der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner aufweisend: Aktivieren und/oder Reinigen einer Fläche der zweiten Metallschicht nach dem Ausglühen der zweiten Metallschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, ferner aufweisend: Elektroplattieren einer Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs, aufweisend: Bereitstellen mehrerer Kohlenstofffasern; Elektroplattieren einer Metallschicht über die mehreren Kohlenstofffasern, wobei die Metallschicht ein Metall aufweist, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern und der Metallschicht, so dass das Metall und Kohlenstoff aus den mehreren Kohlenstofffasern eine gemeinsame Phase bilden; Elektroplattieren einer Kupferschicht über die Metallschicht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Metall Chrom oder Mangan ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Elektroplattieren der Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die mehreren Kohlenstofffasern als ein Gewebe konfiguriert werden.
Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs, aufweisend: Bereitstellen mehrerer Kohlenstofffasern; Elektroplattieren einer ersten Metallschicht über die mehreren Kohlenstofffasern, wobei die erste Metallschicht ein Metall aufweist, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet; Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht über die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht Nickel aufweist; Ausglühen der mehreren Kohlenstofffasern, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht; Elektroplattieren einer Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste Metall Chrom oder Mangan ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei Elektroplattieren der ersten Metallschicht und/oder Elektroplattieren der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, ferner aufweisend: Aktivieren und/oder Reinigen einer Fläche der zweiten Metallschicht vor dem Elektroplattieren der Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die mehreren Kohlenstofffasern als ein Gewebe konfiguriert werden.
Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoffs, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Kohlenstofffasergewebes; Elektroplattieren einer ersten Metallschicht auf das Gewebe, wobei die erste Metallschicht Chrom oder Mangan aufweist; Elektroplattieren einer zweiten Metallschicht auf die erste Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht Nickel aufweist; Ausglühen des Gewebes, der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht; Elektroplattieren einer Kupferschicht auf die zweite Metallschicht.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Elektroplattieren von der ersten und/oder der zweiten Metallschicht gepulstes Elektroplattieren aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, ferner aufweisend: Aktivieren und/oder Reinigen einer Fläche der zweiten Metallschicht vor dem Elektroplattieren der Kupferschicht über die zweite Metallschicht.
Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff, aufweisend: mehrere Kohlenstofffasern; eine Metallschicht, die über den Kohlenstofffasern angeordnet ist, wobei die Metallschicht ein Metall aufweist, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Kupfer bildet; eine Kupferschicht, die über der Metallschicht angeordnet ist.
Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff nach Anspruch 22, wobei das Metall Chrom oder Mangan ist.
Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff, aufweisend: mehrere Kohlenstofffasern; eine erste Metallschicht, die über den Kohlenstofffasern angeordnet ist, wobei die erste Metallschicht ein Metall aufweist, das eine gemeinsame Phase mit Kohlenstoff und eine gemeinsame Phase mit Nickel bildet; eine zweite Metallschicht, die über der ersten Metallschicht angeordnet ist, wobei die zweite Metallschicht Nickel aufweist; eine Kupferschicht, die über der zweiten Metallschicht angeordnet ist.
Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff nach Anspruch 24, wobei das erste Metall Chrom oder Mangan ist.