DE102014216994A1

DE102014216994A1 - Verfahren zur Herstellung eines Temperierelements sowie mit dem Verfahren hergestelltes Temperierelement

Info

Publication number: DE102014216994A1
Application number: DE102014216994.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hutsch; Thomas Studnitzky; Sebastian Riecker; Bernd KIEBACK; Dr.-Ing. Schubert Thomas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: DE102014216994B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Temperierelements, bei dem auf mindestens einer Oberfläche eines als Halbzeug vorliegenden Substrats aus einem Kompositwerkstoff, in dem neben einem Metall oder einer Metalllegierung zusätzlich Kohlenstoff in einer Modifikation mit einem Anteil von mindestens 25% enthalten ist, mindestens ein Struktur- und/oder Konturelement direkt auf der jeweiligen Oberfläche des Substrats ausgebildet oder auf der Oberfläche stoffschlüssig befestigt wird/werden. Das/die Struktur- und/oder Konturelement(e) wird/werden durch dreidimensionales Siebdrucken unter Einsatz einer ein Metall oder eine Metalllegierung enthaltenden Paste ausgebildet. Das Substrat wird gemeinsam mit dem/den aufgedruckten Struktur- und/oder Konturelement(en) gesintert. Es können aber auch das/die Struktur- und/oder Konturelement(e) durch eine Sinterung und/oder durch Löten stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Temperierelements sowie mit dem Verfahren hergestelltes Temperierelement. Ein Temperierelement kann dabei zum Kühlen aber auch zum Erwärmen genutzt werden.
Wärme entsteht oft auf kleinen Flächen, die dann abgeführt werden muss. Beispielhaft sei hier die Hochleistungselektronik, wie Dioden in der Laser- und Beleuchtungstechnik, Prozessoren oder Sensoren genannt. In vielen Fällen ist es auch erforderlich eine gezielte Erwärmung durchzuführen, wobei ein wärmeres Fluid (Flüssigkeit und/oder Gas) eingesetzt wird, mit dem z. B. ein Bauteil auf eine gewünschte Temperatur oder ein Temperaturniveau gebracht bzw. darauf gehalten werden kann.
Eine notwendige Wärmespreizung benötigt Werkstoffe mit hoher thermischer Leitfähigkeit, hier sind etwa Metall-Matrixwerkstoffe und -verbundwerkstoffe in der Entwicklung, deren Wärmeleitungskoeffizient z. T. deutlich über der von Kupfer als bestem klassischem Werkstoff liegt. Diese Werkstoffe sind jedoch aufwändig zu fertigen und bei den üblichen technischen Herstellungsverfahren (Pressen und Sintern, druckunterstütztes Sintern) können nur einfache Halbzeuge gefertigt werden, mit denen zwar eine Wärmespreizung erreicht werden kann, aber eine weitere Oberflächenvergrößerung nicht ohne weiteres möglich ist. Speziell das Einbringen von inneren Strukturen oder die Ausbildung von filigranen Konturelementen ist nicht möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine verbesserte Temperierung unter Ausnutzung von Werkstoffen mit sehr hoher thermischer Leitfähigkeit anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Temperierelements gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein mit dem Verfahren hergestelltes Temperierelement ist mit den Anspruch 10 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Um die Vergrößerung der nutzbaren Oberflächen mit Struktur- und/oder Konturelementen, die von einem Fluid (Flüssigkeit und/oder Gas) zur Temperierung durch- und/oder umströmt werden können, zu realisieren, werden auf einer Oberfläche eines Substrates eines Kompositwerkstoffs Struktur- und/oder Konturelemente ausgebildet oder daran befestigt. Als Kompositwerkstoff mit höherer thermischer Leitfähigkeit als ein Metall, also auch als Kupfer, kann bei der Erfindung ein Werkstoff, der neben einem Metall oder einer Metalllegierung zusätzlich mit Kohlenstoff in einer bekannten Modifikation gebildet ist, eingesetzt werden. Der Kohlenstoff sollte in der jeweiligen Modifikation mit mindestens 25 Vol.-% enthalten sein. Es sind jedoch höhere Anteil für eine verbesserte thermische Leitfähigkeit bevorzugt.
Das Substrat kann mit einem bekannten Verfahren unter Druckeinwirkung und einer thermischen Behandlung durch Spark Plasma Sintering (SPS) oder Heißpressen als Halbzeug und dabei in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Als Kohlenstoffmodifikation können bevorzugt pulverförmige Partikel aus Diamant, pulverförmiges Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Nitride (z. B. AlN, Bn) oder auch Carbide (z. B. Kupfercarbid, Borcarbid, Chromcarbid, Siliciumcarbid) eingesetzt werden. Das Metall kann ausgewählt werden aus Cu, Ag, Al, Au, Ti, Fe oder einer Legierung dieser Metalle, wobei es sich bei einer Legierung beispielsweise um Kupfer mit Chrom oder Bor handeln kann. Es können auch Titan- oder Eisenbasislegierungen eingesetzt werden, wenn z. B. eine höhere Festigkeit ein Auswahlkriterium darstellt. Bei gewünschter hoher thermischer Leitfähigkeit sind Kupfer oder Silber bevorzugt.
Herstellungsbedingt kann ein Substrat lediglich mit einfacher geometrischer Gestalt erhalten werden. In der Regel sind dies quader- oder plattenförmige Elemente, die üblicherweise planare ebene Oberflächen aufweisen.
Gemäß der Erfindung werden Struktur- und/oder Konturelemente aus einem Metall oder einer Metalllegierung unmittelbar auf einer Oberfläche des Substrates ausgebildet oder bereits aus dem Metall gefertigte Struktur- und/oder Konturelemente werden stoffschlüssig an der Oberfläche des Substrates befestigt. Die stoffschlüssige Befestigung kann durch Ansintern und/oder durch Löten erreicht werden. Als Lot können Metalle oder Legierungen eingesetzt werden, deren Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs aus dem das/die Struktur- und/oder Konturelemente) gebildet ist, liegt. Außerdem sollte eine Schmelztemperatur berücksichtigt werden, die oberhalb der jeweiligen Einsatztemperatur liegt. Das jeweilige Lot sollte eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, was beispielsweise mit Silber oder Silberlegierungen erreicht werden kann.
Bevorzugt erfolgt eine Ausbildung erfolgt eine Ausbildung der Struktur- und/oder Konturelemente mittels dreidimensionalem Siebdrucken. Das Siebdrucken kann dabei unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats erfolgen. Nach Ausbildung der Struktur- und/oder Konturelemente wird dann das Substrat mit den Struktur- und/oder Konturelementen bei einer thermischen Behandlung in einer inerten, reduzierenden Atmosphäre oder unter Vakuumbedingungen gesintert. Bei der thermischen Behandlung werden die nichtmetallischen Bestandteile, die beim Siebdrucken eingesetzt werden mussten, um die Verarbeitbarkeit des Metallpulvers zu gewährleisten, ausgetrieben, was durch Verdampfen oder thermische Zersetzung erreicht werden kann. Bevorzugt erfolgt die thermische Behandlung in zwei Stufen, wobei in der zweiten Stufe die Temperatur gegenüber der ersten Stufe erhöht, um sehr dichte von Poren nahezu freie Struktur- und/oder Konturelemente zu erhalten. Die Porosität kann dabei kleiner 5% gehalten werden. Bevorzugt sollen geschlossene Poren vorhanden sein, wenn keine absolute Vermeidung von Poren möglich ist.
Dadurch können Struktur- und/oder Konturelemente mit sehr geringer Rauheit an der Oberfläche erhalten werden, was sich vorteilhaft beim Umströmen eines Temperierfluids auswirkt, da eine Verwirbelung und Turbulenzen vermieden bzw. reduziert werden können.
Eine, wie beschriebene thermische Behandlung einer dreidimensionalen durch Siebdrucken erhaltenen Struktur- und/oder Konturelementen kann auch vor einer stoffschlüssigen Verbindung an der Oberfläche eines Substrats durch Löten oder durch direktes Aufsintern eingesetzt werden. Erfolgt ein Sintern zum stoffschlüssigen verbinden, kann mindestens ein dreidimensionales durch Siebdrucken erhaltenes Struktur- und/oder Konturelement im Grünzustand auf die jeweilige Oberfläche des als Halbzeug vorliegenden Substrats aufgesetzt und dann die Sinterung durchgeführt werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, mindestens ein bereits gesintertes Strukturelement mit Konturelementen auf eine Substratoberfläche aufzusintern. In diesem Fall kann bevorzugt zwischen die miteinander zu verbindenden Oberflächen eine Suspension in der ein geeignetes Metallpulver, das bevorzugt aus dem Metall besteht, mit dem das/die Strukturelement(e) gebildet ist/sind, eingebracht werden und anschließend bevorzugt unter Wirkung von Kräften mit denen Substrat und Strukturelemente) zusammengepresst werden, zusammen gesintert werden, so dass sie stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
In jedem Fall wird mit einem Struktur- und/oder Konturelement mindestens eine Erhebung gebildet, die die jeweilige Oberfläche des Substrats überragt. Ein Strukturelement kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass mehrere Konturelemente miteinander verbunden sind. So kann beispielsweise die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Substrat vereinfacht bzw. erleichtert werden.
Struktur- und/oder Konturelemente können auch Kanäle bilden, die auch mäanderförmig verlaufen können und durch die ein Temperierfluid hindurch strömen kann.
Es besteht auch die Möglichkeit, einen oder mehrere Hohlräume in einem Temperierelement auszubilden. Dazu kann an der der Substratoberfläche, auf der die Konturlemente oder mindestens ein Strukturelement mit Konturelementen angeordnet sind oder werden, eine Abdeckung und/oder ggf. äußere Ränder ausgebildet oder dort befestigt werden. Eine Ausbildung kann bereits bei der Herstellung der Konturelemente oder eines Strukturelementes durch Siebdrucken erreicht werden.
Eine Abdeckung kann auch als weiteres Halbzeug eingesetzt werden, die dann stoffschlüssig an den Stirnflächen von Konturelementen, die an der dem Substrat abgewandten Seite angeordnet sind, verbunden werden kann. Die stoffschlüssige Verbindung kann wiederum durch Löten oder Ansintern, wie bereits beschrieben erreicht werden.
Bei der Erfindung kann ausgenutzt werden, dass mittels dreidimensionalem Siebdruck Schicht für Schicht Struktur- und/oder Konturelemente aus einem weiteren hochleitfähigen Werkstoff (z. B. Kupfer) als Grünkörper aufgebracht, entbindert und gesintert werden können. Dabei können feine filigrane Strukturen mit Wandstärken von 20 μm bis 3000 μm, bevorzugt zwischen 50 μm und 200 μm sowie einem Aspektverhältnis größer 3, bevorzugt größer 10, besonders bevorzugt noch deutlich größer realisiert werden. Die gedruckten Struktur- und/oder Konturelemente können auch Hinterschneidungen oder andere Form- bzw. Richtungsänderungen in der Höhe aufweisen. Diese Strukturen können durch den 3D-Siebdruckprozess auch als geschlossene durchströmbare Fluidstruktur ausgeführt werden.
Mit den so ausgebildeten bzw. an einem Substrat befestigten Struktur- und/oder Konturelemente kann die gewünschte Oberflächenvergrößerung erreicht werden, an denen die Wärme durch einen geeigneten Wärmeträger (gasförmiges oder flüssiges Temperierfluid) ab- oder zugeführt werden kann.
In einer Variante können die oberflächenvergrößernden Struktur- und/oder Konturelemente separat zum Verbundwerkstoff hergestellt werden und diese in einem nachfolgenden Schritt stoffschlüssig verbunden/gefügt werden (z. B. gesintert und/oder gelötet).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch eine nachtträgliche Dichteerhöhung des Werkstoffs vor und/oder nach dem Fügen von Substrat 1 und Struktur- und/oder Konturelement(en) durch ein druckunterstütztes Sintern, bevorzugt heißisostatisches Pressen erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes Temperierelement kann aber auch die Funktion eines Verdampfers zusätzlich oder allein erfüllen, in dem eine Flüssigkeit in oder durch ein kanalförmiges Struktur- und/oder Konturelement strömen kann und dort in die Gasphase überführt werden kann.
Zusätzlich können auch anders hergestellte oberflächenvergrößernde Strukturen und deren Kombination aufgebracht und an dem jeweiligen Substrat befestigt werden. Beispielhaft seien hier die offenzellige Metalle oder Keramiken genannt, wie dies beispielsweise Faserstrukturen oder Netzstrukturen sind.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Temperierelements.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wurde eine Oberfläche eines Substrats 1 mit stiftförmigen Konturelementen 2, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und regelmäßig angeordnet sind, versehen, Es sind jeweils sechs Konturelemente 2 in einer Reihen- und Spaltenanordnung mit jeweils gleichen Abständen zueinander. Die Konturelemente 2 haben eine Höhe von 2 mm und einen Außendurchmesser von 1 mm.
Für die Herstellung des Substrats 1 als Halbzeug pulverförmiges CuCr 0,8 mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ = 10,7 m oder CuB 0,2 sowie Diamantpartikel mit einer Partikelgröße zwischen 170 μm und 210 μm mit 45 Vol.-% und einer Partikelgröße zwischen 35 μm und 44 μm mit 15 Vol.-% eingesetzt, so dass die Kupferlegierung in einem vorbereiteten Gemisch mit einem Anteil von 40 Vol.-% enthalten war. Dieses Gemisch wurde in einer SPS-Anlage HP 250, wie sie von der Firma FCT, DE kommerziell erhältlich war, gesintert. Dabei wurde eine Sinterung unter Vakuumbedingungen mit einer Heizrate von 200 K/min bis zu einer Temperatur von 900°C und einer Haltezeit von 10 min durchgeführt. Bei der Sinterung wurde das Gemisch mit einem Druck von 40 MPa zusammen gepresst.
Es wurde ein Substrat 1 mit den Abmessungen 61·66·3 mm³ und einem thermischen Leitkoeffizienten von 550 W/mK erhalten.
Durch Wasserstrahlschneiden wurde die Geometrie auf 30 mm × 30 mm × 3 mm geschnitten.
Zur Herstellung der Konturelemente 2 wurde pulverförmiges Kupferpulver mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ von 3 μm eingesetzt und mit einem wasserbasierten Bindemittel aus Methycellulose und Glycerin vermischt, bis eine zum Siebdrucken geeignete Konsistenz und Viskosität erreicht worden ist. Die so erhaltene Kupfer enthaltende Paste wurde mit einer herkömmlichen zum dreidimensionalen Siebdrucken ausgebildeten Siebdruckmaschine verarbeitet. Bei dieser einfachen Geometrie der auszubildenden Konturelemente 2 genügte der Einsatz eines einzigen Siebes, da sich die Geometrie der Konturelemente 2 von Schicht zu Schicht nicht verändert, Jede Schicht wurde mit einer Dicke im Bereich 15 μm bis 20 μm aufgetragen. Nach dem Auftrag zumindest jeder zweiten Schicht erfolgte eine Trocknung. Bevorzugt sollte nach dem Auftrag jeder Schicht eine Trocknung durchgeführt werden. Die Trocknung kann mit warmer Luft oder geeigneter elektromagnetischer Strahlung (UV, sichtbares Licht, NIR, IR) erreicht werden.
Bei diesem Beispiel wurden die Konturelemente 2 direkt auf eine Oberfläche des Substrats 1 aufgedruckt.
Nach dem Aufdrucken wurde eine Sinterung in einem Ofen in einer Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen im Bereich 750°C bis 900°C durchgeführt. Dabei wurde Wasserstoff je nach Bedarf zugeführt, um ausreichende reduzierende Bedingungen wären des gesamten Sinterprozesses einzuhalten.
Bei der Sinterung wurde eine Schwindung des Kupfers von 15,5% nach einer Wärmebehandlung bei 900°C, 3 Stunden unter Wasserstoffatmosphäre verzeichnet.”
Es wurde eine thermische Leitfähigkeit des Substrats 1 von 550 W/mK bei einer Dichte von 5,6 g/cm³, einer mittleren Dichte der Konturelemente 2 von 8,2 g/cm³ und einer thermischen Leitfähigkeit im Bereich 200 W/mK bis 250 W/mK, bei einer Kühlung als Temperierung einer lokalen Wärmequelle erreicht.
Bei der Temperierung einer LED, die eine Temperatur von 90°C mit Wasser bei einer Eintrittstemperatur von 20°C, einem Massenstrom von 26,7 g/s, einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,3 m/s konnte ein Wärmestrom von 282 W bei einer Austrittstemperatur des Wassers, als Temperierfluid von 22,5°C nachgewiesen werden. Bei einem vergleichbaren Temperierelement aus reinem Kupfer betrug dieser Wert lediglich 200 W, was eine Verbesserung um 41% entspricht.
Die Verbesserung wurde mittels FEM-Simulation bestätigt. Der Grund für die Verbesserung ist die erhöhte Wärmespreizung des Substrates 1 zuzuschreiben, da so eine größere Anzahl Konturelemente 2 an der Wärmeübertragung teilhaben konnten,.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Temperierelements, bei dem auf mindestens einer Oberfläche eines als Halbzeug vorliegenden Substrats (1) aus einem Kompositwerkstoff, in dem neben einem Metall oder einer Metalllegierung zusätzlich Kohlenstoff in einer Modifikation mit einem Anteil von mindestens 25% enthalten ist, mindestens ein Struktur- und/oder Konturelement (2) direkt auf der jeweiligen Oberfläche des Substrats (1) ausgebildet oder auf der Oberfläche stoffschlüssig befestigt wird/werden, wobei das/die Struktur- und/oder Konturelement(e) (2) durch dreidimensionales Siebdrucken unter Einsatz einer ein Metall oder eine Metalllegierung enthaltenden Paste ausgebildet wird/werden und das Substrat (1) gemeinsam mit dem/den aufgedruckten Struktur- und/oder Konturelement(en) (2) gesintert oder das/die Struktur- und/oder Konturelement(e) (2) durch eine Sinterung und/oder durch Löten stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (1) eingesetzt wird, in dem Kohlenstoff in einer Modifikation, die ausgewählt ist aus Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Nitrid und einem Carbid, enthalten ist und das Substrat (1) durch Spark-Plasma-Sintern oder Heißpressen in einer inerten Atmosphäre oder Vakuumbedingungen erhalten worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das/die Struktur- und/oder Konturelement(e) (2) ein Metall, das ausgewählt ist aus Cu, Ag, Au, Al, Ti, Fe und einer Legierung davon, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Struktur- und/oder Konturelement (2) mit einer Wandstärke im Bereich 20 μm bis 3000 μm ausgebildet und ein Aspektverhältnis von mindestens 3, bevorzugt 10 eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mindestens einen Struktur- oder Konturelement (2) mindestens ein Kanal ausgebildet wird, der für ein Temperierfluid durchströmbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperierelement mindestens ein Hohlraum zwischen der Oberfläche des Substrats (1), an der das/die Struktur- und/oder Konturelement(e) (2) angeordnet ist/sind, und einer Abdeckung, die an den der jeweiligen Oberfläche des Substrats (1) abgewandten Stirnseiten des der Struktur- und/oder Konturelement(es) (2) angeordnet ist, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung beim dreidimensionalen Siebdrucken mit ausgebildet oder eine Abdeckung an den der jeweiligen Oberfläche des Substrats (1) abgewandten Stirnflächen des der Struktur- und/oder Konturelement(es) (2) stoffschlüssig durch Sintern und/oder Löten befestigt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckung aus dem gleichen Werkstoff, wie das Substrat (1) stoffschlüssig befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine nachträgliche Dichteerhöhung des Werkstoffes vor und/oder nach dem Fügen von Substrat (1) und Struktur- und/oder Konturelement(en) (2) durch ein druckunterstütztes Sintern, bevorzugt heißisostatisches Pressen durchgeführt wird.
Temperierelement hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.