DE10340863A1

DE10340863A1 - Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht aus Al-SiC-Verbundmaterial

Info

Publication number: DE10340863A1
Application number: DE10340863A
Authority: DE
Inventors: Suk Bong Changwon Kang; Kwang Jun Changwon Euh; Manchang Gui
Original assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Current assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: US7056467B2; US20040071896A1; KR100494239B1; JP2004100045A; KR20040023181A; DE10340863B4

Abstract

Hier wird ein Verfahren zur Herstellung eines Al-SiC-Verbundmaterials offenbart, das folgende Schritte umfasst: Mischen von Aluminiumpulvern und SiC-Pulvern, um Sprühpulver zu erhalten; und Plasmasprühen der Sprühpulver auf ein Graphitsubstrat zur Bildung einer Dünnschicht. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann das Verbundmaterial mit niederem Wärmeausdehnungskoeffizienten, hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Dichte, das zur Verwendung als Thermomanagementmaterial für elektronische Einrichtungen geeignet ist, durch einen einfachen Herstellungsprozess erzeugt werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrixverbundmaterials, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht aus einem SiC-verstärkten Metallmatrixverbundmaterial unter Verwendung des Plasmasprühens.
Allgemeiner Stand der Technik
Das Metallmatrixverbundmaterial tritt als Thermomanagementmaterial für verschiedene elektronische Einrichtungen, wie eine Wärmesenke für elektronische Baugruppen, hervor, da sein Wärmeübertragungskoeffizient und Wärmeausdehnungskoeffizient in Übereinstimmung mit der Art und dem Anteil seines Verstärkungsmaterials leicht reguliert werden. Ebenso gibt es aktiv durchgeführte Studien zu einem Verfahren zur Erzeugung von Verbundmaterialien unter Verwendung verschiedener Matrixmetalle und Verstärkungsmaterialien. Insbesondere zur Verwendung als Thermomanagementmaterial für elektronische Einrichtungen werden Materialien mit den Eigenschaften eines niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer geringen Dichte und mit geringen Produktionskosten zentral entwickelt. Im Falle eines Aluminiummatrixverbundmaterials ist im Wesentlichen ein hoher Anteil des Verstärkungsmaterials erforderlich, um den niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbundmaterials zu erreichen. Zum Beispiel ist in einem SiC-verstärkten Aluminiummatrixverbundmaterial ein SiC-Volumenanteil von etwa 40 bis 70% erforderlich. Wenn der Volumenanteil von SiC in dem SiC-verstärkten Verbundmaterial geringer als 40% ist, steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundmaterials übermäßig auf mehr als 15,5 × 10^–6/°C, während bei einem SiC-Volumenanteil von mehr als 70% die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials zu stark auf 149 W/m·K verringert ist. Somit ist das Verbundmaterial, welches das Verstärkungsmaterial in einer Menge außerhalb des Bereichs von etwa 40 bis 70% enthält, zur Verwendung als Thermomanagementmaterial für elektronische Baugruppen ungeeignet.

In der Herstellung eines Aluminiummatrixverbundmaterials, das ein Verstärkungsmaterial in einem Volumenanteil von mehr als 40% enthält, wurde vorwiegend eine Druckinfiltrationsmethode oder eine drucklose Infiltrationsmethode verwendet, die von Lanxide Technology Company, usw., entwickelt wurden, die in US Patent Nr. 6,228,453 und US Patent Nr. 5,856,025 offenbart sind. Solche Infiltrationsmethoden weisen jedoch deutliche Schwierigkeiten bei der Herstellung eines Vorformlings auf, und eine Verarbeitung nach der Produktion ist im Wesentlichen unmöglich, so dass anschließende Prozesse äußerst begrenzt sind. Infolgedessen haben solche Infiltrationsmethoden den Nachteil, dass die Produktionskosten auf Grund eines komplizierten Produktionsprozesses erhöht sind, und dass auch die Produktivität verringert ist. Insbesondere besteht eine wesentliche Schwierigkeit beim Schneiden und Verarbeiten zu einer Dünnschichtform, die ein Maß der Nützlichkeit des Verbundmaterials darstellt, und somit erfordern solche Infiltrationsmethoden teure Schneide- und Verarbeitungsvorgänge, einschließlich der elektro-erosiven Bearbeitung ("electrical discharge machining" – EDM), des Laserschneidens, der Verarbeitung mit Diamantwerkzeugen und dergleichen.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Daher wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen, die nach dem Stand der Technik auftreten, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, durch das ein Verbundmaterial mit einem niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen Dichte, das zur Verwendung als Thermomanagementmaterial für elektronische Einrichtungen geeignet ist, insbesondere ein Verbundmaterial in Dünnschichtform, durch einen einfachen Herstellungsprozess erzeugt werden kann.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnschicht aus einem Al-SiC-Verbundmaterial bereit, das folgende Schritte umfasst: Mischen von Aluminiumpulvern und SiC-Pulvern, um Sprühpulver zu erhalten, und Plasmasprühen der Sprühpulver auf ein Graphitsubstrat zur Bildung einer Dünnschicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor, von welchen:
1 eine schematische Ansicht ist, die einen Prozess zur Herstellung einer Dünnschicht aus einem Al-SiC-Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 die Form einer Dünnschicht aus einem Al-SiC-Verbundmaterial zeigt, das gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
3 eine Photographie ist, welche die Mikrostruktur eines Verbundmaterials zeigt, das gemäß Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
4 eine Photographie ist, welche die Mikrostruktur eines Verbundmaterials zeigt, das gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
5 die Schnittform einer Dünnschicht aus einem Verbundmaterial zeigt, das gemäß Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der Folge wird die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben.
Ein Herstellungsverfahren eines Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist für die Herstellung eines Aluminiummatrixverbundmaterials geeignet, das mit SiC-Pulvern verstärkt ist. Insbesondere ist das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung für die Erzeugung eines Aluminiummatrixverbundmaterials geeignet, das SiC-Pulver in hohem Volumenanteil enthält, und vorzugsweise einer Dünnschicht aus einem Aluminiummatrixverbundmaterial, das SiC-Pulver mit 40 bis 70 Volumsprozent enthält. Ein solches Verbundmaterial ist als Thermomanagementmaterial für elektronische Baugruppen äußerst nützlich.
In der Herstellung der Verbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung werden Al-Pulver zunächst mit SiC-Pulvern gemischt, um Sprühpulver zu erhalten. In diesem Fall werden die Al-Pulver und die SiC-Pulver vorzugsweise so gemischt, dass die Sprühpulver 40 bis 70 Volumsprozent SiC-Pulver enthalten.
Das Mischen der Al-Pulver und der SiC-Pulver kann durch ein einfaches Mischverfahren ausgeführt werden, aber vorzugsweise durch ein mechanisches Verfahren, wie das Kugelmahlen. Wenn das Mischen durch Kugelmahlen ausgeführt wird, wird vorzugsweise ein Verarbeitungshilfsmittel, wie Stearinsäure, zugegeben.
Nach einer geeigneten Trocknung werden solche Sprühpulver unter Verwendung eines atmosphärischen Plasmasprühens zu einer Dünnschichtform geformt.
1 ist eine schematische Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung der Dünnschicht 1 durch Plasmasprühen zeigt. Wie in 1 dargestellt, wird die Dünnschicht aus Verbundmaterial erzeugt, indem die Sprühpulver durch einen Zuleitungsabschnitt 4 zu einem vorderen Endabschnitt einer Sprühpistole 3 geleitet und die Sprühpulver, gemeinsam mit der Emission einer Flamme, auf ein Substrat 2 gesprüht werden, das dem vorderen Endabschnitt der Sprühpistole gegenüber liegt und mit einem bestimmten Abstand zu diesem angeordnet ist.
Das Substrat 2, das in dem Sprühvorgang verwendet wird, ist vorzugsweise ein Graphitsubstrat, da es eine geringe Benetzbarkeit durch Aluminium aufweist und einen großen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber Aluminium hat, so dass das Abziehen der Dünnschicht von dem Substrat leicht ist. Die Größe der Dünnschicht kann abhängig von der Größe des Substrates 2 unterschiedlich sein. Wenn zum Beispiel für die Herstellung der Dünnschicht mit großer Größe, Bornitrid (BN) während des Sprühvorganges zur Beschichtung des mittleren Abschnittes der Substratoberfläche aufgesprüht wird, so dass die Fläche der Sprühpulver, die auf das Substrat gesprüht werden, bei einem konstanten Wert gehalten wird, gibt es nach dem Sprühen keine Schwierigkeit beim Abziehen der Dünnschicht vom Substrat.
Das Substrat 2 ist auf einem Befestigungselement (nicht dargestellt) angeordnet, und die Plasmasprühpistole 3 ist auf einem beweglichen Element (nicht dargestellt) angeordnet, so dass sie mit konstanter Geschwindigkeit nach Programmen bewegt werden kann.
Beim Plasmasprühen gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Plasmabogenleistung vorzugsweise 20 bis 40 kW. Bei einer Plasmabogenleistung von weniger als 20 kW werden die Pulver auf keine ausreichende Temperatur erwärmt, so dass es schwierig ist, sie auf das Substrat zu laminieren, wodurch die Rückgewinnungsrate der Pulver verringert wird. Andererseits nehmen bei einer Plasmabogenleistung von mehr als 40 kW Defekte, wie Oxide, auf Grund des Sprühens bei hoher Temperatur zu.
Ferner ist der Abstand zwischen einer Düse, die am vorderen Endabschnitt der Sprühpistole angeordnet ist, und dem Substrat vorzugsweise 110 bis 130 mm. Wenn dieser Abstand weniger als 110 mm ist, wird die Temperatur des Substrates durch den Plasmabogen übermäßig erhöht, wodurch sich die Stabilität des Sprühprozesses verschlechtert, während bei einem Abstand von mehr als 130 mm die Rückgewinnungsrate der Pulver auf Grund der Verfestigung der geschmolzenen Pulver unerwünscht verringert wird.
Ferner wird die Übertragungsrate der Sprühpulver vorzugsweise auf einen Bereich von 20 bis 30 g/min eingestellt, und die Strömungsrate des Primärgases wird vorzugsweise auf einen Bereich von 45 bis 55 l/Minute gesteuert. Wenn die Übertragungsrate der Pulver weniger als 20 g/Minute ist, ist die Menge der versprühten Pulver zu gering, so dass diese Übertragungsrate vom ökonomischen Standpunkt aus nicht bevorzugt ist. Wenn die Übertragungsrate der Pulver höher als 30 g/Minute ist, ist der Fluss der Pulver nicht so reibungslos, so dass es schwierig ist, eine gleichförmig gesprühte Oberfläche zu erhalten. Auch wenn die Strömungsrate des Primärgases geringer als 45 l/Minute oder höher als 55 l/Minute ist, werden die Pulver durch den äußeren Abschnitt, aber nicht den mittleren Abschnitt des Plasmabogens übertragen, so dass das gleichförmige Sprühen der Pulver nicht möglich ist.
Unter solchen Bedingungen ermöglicht das Plasmasprühen der Pulver die Herstellung der Dünnschicht aus dem Verbundmaterial, das einen hohen Anteil an Verstärkungsmaterial enthält, die nach dem Stand der Technik schwierig herzustellen war. Ferner hat die Dünnschicht aus dem Verbundmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung herstellt ist, einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten, einen niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine ganz ausgezeichnete maschinelle Bearbeitungsfähigkeit, und ist somit zur Verwendung als Thermomanagementmaterial für elektronische Einrichtungen besonders geeignet. Insbesondere können bei der Herstellung der Dünnschicht aus dem Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung die gewünschten Eigenschaften in Übereinstimmung mit der Art und dem Volumenanteil der gewählten Verstärkungsmaterialpulver gestaltet werden.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung ausführlicher durch Beispiele beschrieben. Es sollte jedoch bedacht werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf oder durch die Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1
Reines Aluminiumpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 24 μm und SiC-Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 17 μm wurden mit einem Rühren bei einem Volumenanteil von 50:50 trocken gemischt, wodurch Sprühpulver hergestellt wurden. Die hergestellten Sprühpulver wurden bei 150°C eine Stunde zur Entfernung von Wasser getrocknet. Die hergestellten Sprühpulver wurden auf ein 300 mm × 200 mm großes Graphitsubstrat durch einen Plasmabogen von etwa 23 kW laminiert. Dieser Plasmasprühvorgang wurde unter den Bedingungen durchgeführt, die in der folgenden Tabelle 1 angeführt sind. Tabelle 1
2 zeigt die Form der Dünnschicht aus dem Al-SiC-Verbundmaterial, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, und 3 zeigt die Mikrostruktur der Dünnschicht, die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde. Wie in 2 erkennbar ist, konnte ein Al-SiC-Verbundmaterial in Dünnschichtform mit einer Länge von 300 mm, einer Breite von 200 mm und einer Dicke von 1 bis 2 mm gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Wie in 3 erkennbar ist, betrug der Volumenanteil der SiC-Pulver in dem Verbundmaterial etwa 46%, was die gleichförmige Verteilung der SiC-Pulver zeigt.
Ferner wurde das Al-SiC-Verbundmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, im Wesentlichen auf seinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seine Wärmeleitfähigkeit gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 angeführt. Im Falle von Verbundmaterialien können der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit nach dem Anteil eines Verstärkungsmetalls und eines Matrixmetalls theoretisch berechnet werden. Somit wurden der theoretische Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit für das Verbundmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, für einen Vergleich mit den theoretischen Werten berechnet. Tabelle 2
Aus Tabelle 2 kann entnommen werden, dass die Messwerte für den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit für das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung ähnlich den theoretischen Werten waren.
Beispiel 2
Reines Aluminiumpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 45 μm und SiC-Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 17 μm wurden in einen Krug aus rostfreiem Stahl mit einem Volumenanteil von 30:70 eingebracht. Zirkondioxid- (ZrO₂-) Kugeln wurden den Pulvern zugegeben, die dann etwa 7 Stunden bei 90 U/min nach einem einfachen Rotationsverfahren gemischt wurden, wodurch Sprühpulver hergestellt wurden. Zu diesem Zeitpunkt wurde Stearinsäure als Verarbeitungshilfsmittel in der Menge von 1,5 Gew.%, bezogen auf das Gewicht der Sprühpulver, zugegeben und das Gewichtsverhältnis zwischen den Kugeln und den Pulvern war 10:1. Nach dem Kugelmahlen wurden die gemischten Pulver etwa 4 Stunden bei 150°C zur Entfernung von Wasser und des Verarbeitungshilfsmittels getrocknet, und grobe Pulver wurden unter Verwendung eines Siebes mit einer Porengröße von 80 entfernt. Die wie oben beschrieben bereitgestellten Sprühpulver wurden durch einen Plasmabogen auf ein 100 mm × 100 mm großes Graphitsubstrat gesprüht, wodurch eine Dünnschicht aus dem Verbundmaterial mit einer Dicke von etwa 2 mm erzeugt wurde. 4 zeigt die Mikrostruktur der Dünnschicht aus dem Al-SiC-Verbundmaterial, das gemäß Beispiel 2 erzeugt wurde.
Wie in 4 dargestellt, hatte die Dünnschicht aus dem Verbundmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, einen SiC-Volumenanteil von etwa 66%, was die gleichförmige Verteilung der SiC-Pulver zeigt.
Ferner zeigt die Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit für das Verbundmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 9,1 × 10^–6/°C, etwas geringer als der theoretische Wert (Kerner-Modell: 10,0 × 10^–6/°C), und eine Wärmeleitfähigkeit von 148 W/m·K, geringer als ein theoretischer Wert (Maxwell-Modell: 153 W/m·K). Der Grund, warum sich die Messwerte von den theoretischen Werten unterscheiden, ist, dass im Falle der Theorien das Verstärkungsmaterial in Form unabhängiger Partikel vorlag, während im Falle von Beispiel 2 der Kontakt zwischen Partikeln auf Grund einer Erhöhung des SiC-Volumenanteils verstärkt war, so dass das Verhältnis der SiC-Pulver, die als unabhängige Partikel vorlagen, verringert war.
Ferner zeigt 5 die Schnittform der Dünnschicht, die mit dem Al-SiC-Verbundmaterial, das gemäß der oben genannten Methode hergestellt wurde, gebildet und mit einer Trennscheibe geschnitten wurde. Ein Verbundmaterial, das mit einem hohen Volumenanteil an SiC verstärkt war und nach Methoden nach dem Stand der Technik hergestellt wurde, war schwierig zu schneiden und zu verarbeiten. Andererseits, wie in 5 dargestellt, hatte das Verbundmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, eine geringe Dicke, so dass es mit der herkömmlichen Trennscheibe geschnitten werden konnte. Infolgedessen kann festgestellt werden, dass das Verbundmaterial in Dünnschichtform, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, ausreichend geschnitten werden kann, ohne Diamant- oder Laserschneiden, so dass seine Schneidekosten verringert werden.
Wie zuvor beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Dünnschicht aus dem Verbundmaterial, die nach dem Stand der Technik schwierig herzustellen war, durch einen einfachen Prozess unter Verwendung von Plasmasprühen erzeugt werden. Die Dünnschicht aus dem Verbundmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde, hat einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten und einen niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ist somit als Thermomanagementmaterial für elektronische Einrichtungen usw. geeignet.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf die besonderen veranschaulichenden Beispiele beschrieben, ist aber nicht durch die Beispiele, sondern nur durch die beiliegenden Ansprüche eingeschränkt. Es ist offensichtlich, dass Fachleute die Beispiele ändern oder modifizieren können, ohne vom Umfang und Wesen der vorliegenden Erfindung Abstand zu nehmen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Dünnschicht aus einem Al-SiC-Verbundmaterial, welches folgende Schritte umfasst: Mischen von Aluminiumpulvern und SiC-Pulvern, um Sprühpulver zu erhalten; und Plasmasprühen der Sprühpulver auf ein Graphitsubstrat zur Bildung einer Dünnschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sprühpulver die SiC-Pulver in der Menge von 40 bis 70 Volumsprozent enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mischschritt unter Verwendung einer Kugelmühle ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Plasmsprühschritt unter Bedingungen durchgeführt wird, dass der Abstand zwischen einer Sprühdüse und dem Substrat 110 bis 130 mm ist, die Übertragungsrate der Sprühpulver 20 bis 30 g/Minute ist, die Strömungsrate des Primärgases 45 bis 55 l/Minute ist und die Plasmabogenleistung 20 bis 40 kW ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Graphitsubstrates beschichtet ist, um das leichte Abziehen der Dünnschicht von dem Substrat zu verbessern.