DE19938308A1

DE19938308A1 - Metall-Matrix-Composite-(MMC-)Bauteil

Info

Publication number: DE19938308A1
Application number: DE19938308A
Authority: DE
Inventors: Theodore Schmitt
Original assignee: Electrovac AG
Current assignee: Electrovac AG
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2000-03-09
Also published as: IT1313336B1; FR2782735B1; GB9919069D0; GB2342926A; AT408153B; ATA149098A; FR2782735A1; GB2342926B; US6186768B1; ITMI991840A0; JP2000077584A; ITMI991840A1

Abstract

Metall-Matrix-Composite-Bauteil (MMC-Bauteil), umfassend ein poröses Verstärkungsmaterial (15), dessen Poren mit einem Infiltrationsmaterial (14), ausgewählt aus der Gruppe Metall und Metallegierung, gefüllt sind, wobei das Verstärkungsmaterial (15) durch rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Metall-Matrix-Composite-Bauteil (MMC-Bauteil) umfassend ein poröses Verstärkungsmaterial, dessen Poren mit einem Infiltrationsmaterial ausgewählt aus der Gruppe Metall und Metallegierung gefüllt sind.

Metall-Matrix-Composites, auch als Metall-Matrix-Verbundmaterialien oder kurz als MMC bezeichnet, sind Werkstoffe, bei denen ein nichtmetallisches Verstärkungsmaterial und ein metallisches oder halbmetallisches Infiltrationsmaterial in unterschiedlichen Mengenverhältnissen ineinander eingebettet vorliegen. Das Verstärkungsmaterial kann in Form von Teilchen, Fasern oder porösen Körpern mit Metall oder Halbmetall umgeben bzw. infiltriert werden. Durch Auswahl der Art, Form, Menge und Porosität des Verstär kungsmaterials sowie der Art des Infiltrationsmaterials lassen sich die mechanischen, elektri schen und thermischen Eigenschaften der entstehenden Werkstoffe den Anforderungen ent sprechend variieren.

Eines der möglichen Anwendungsgebiete solcher MMC-Verbundwerkstoffe ist die Elektronik bzw. Leistungselektronik, wo sie zur Ableitung der von elektronischen Bauteilen erzeugten Verlustwärme eingesetzt und dementsprechend Kühlkörper oder Schaltungsträger aus ihnen hergestellt werden.

Hierfür sind vor allem folgende drei Eigenschaften notwendig:

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit - damit die von einem elektronischen Bauteil erzeugte Verlustwärme möglichst effizient abgeführt werden kann.
2. Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient bzw. mit dem Wärmeausdehnungskoeffizient des zu kühlenden Bauteiles möglichst übereinstimmender Wärmeausdehnungskoeffizient - damit sich Bauteil und an ihm festgelegter Kühlkörper bei Temperaturänderungen möglichst gleich stark ihre Abmessungen verändern und damit thermische Spannungen in der Verbindungsschicht zwischen Bauteil und Kühlkörper vermieden werden.
3. Geringe Dichte - damit ein möglichst geringes Gewicht des Kühlkörpers/Schaltungsträgers erreicht wird.

Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet von MMC-Verbundwerkstoffen liegt darin, diese zur Ausbildung von Kochplatten einzusetzen. Hier ist auf der der Auflagefläche für einen Kochtopf gegenüberliegenden Oberfläche der MMC-Platte ein Isolator, beispielsweise eine Keramik, wie Al₂O₃, AlN, Si₃N₄ festgelegt. An der der MMC-Platte gegenüberliegenden Oberfläche des Isolators ist ein elektrischen Heizwiderstand angebracht. Auch bei diesem Anwendungsgebiet sollte die MMC-Platte die oben angeführten drei Eigenschaften aufweisen: Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist erforderlich, um die vom Heizleiter erzeugte Wärme effizient auf den Kochtopf zu übertragen, die möglichst gute Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Platte und Isolator stellt sicher, daß sich trotz Temperaturveränderungen in der Verbindungsschicht zwischen MMC-Platte und Isolator keine zur Ablösung der beiden Komponenten voneinander führenden thermischen Spannungen ausbilden und aufgrund der geringen Dichte wird ein geringes Gesamtgewicht der Kochplatte erreicht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen MMC-Bauteil der eingangs erwähnten Art anzugeben, welcher sämtliche der erwähnten drei Eigenschaften in hohem Ausmaß aufweist, bei welchem aber insbesonders ein besonders niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient vorliegt, der mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von z. B. AlN und Si besonders gut übereinstimmt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Verstärkungsmaterial durch rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC) gebildet ist.

Aufgrund des Gefügeaufbaues dieses Materiales kann das in den Poren eingelagerte Metall das RSiC nicht mehr verformen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des gesamten MMC-Bauteiles wird dadurch im wesentlichen ausschließlich vom niedrigen Ausdehnungskoeffizienten des RSiC vorgegeben.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das rekristallisierte Silizumkarbid eine Porosität von 5 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Vol.-%, insbesondere 20 bis 30 Vol.-% aufweist.

Über diese unterschiedlichen Porositäten läßt sich dann auch der Wärmeausdehnungskoeffizient sehr genau einstellen.

Weiters kann vorgesehen sein, daß das Infiltrationsmaterial durch Magnesium, Zink, Eisen, Aluminium, Kupfer od. dgl. bzw. Legierungen dieser Metalle gebildet ist.

Diese Materialien ermöglichen zusätzlich sich den Gegebenheiten und Erfordernissen des Einsatzes anzupassen.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann zumindest ein am MMC-Bauteil festgelegter Körper sein.

Damit kann auf einfache Weise ein Formkörper erhalten werden, welcher bereichsweise unterschiedliche mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften aufweist.

In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, daß der Körper aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus einer Keramik wie z. B. Al₂O₃, AlN od. dgl. oder aus Diamant gebildet ist.

Auf diesem isolierenden Körper kann direkt der zu kühlende elektronische Bauteil festgelegt werden.

Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Körper ein aus der Gasphase, z. B. durch ein CVD- oder PVD-Verfahren, auf dem MMC- Bauteil abgeschiedener Diamant ist.

Diamant weist eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf, darüberhinaus ist mittels Gasphasenabscheidung eine besonders innige Verbindung zwischen dem dabei entstehenden Diamantkörper und dem MMC-Bauteil erreichbar. Beides führt dazu, daß auf die dem MMC- Bauteil abgewandte Oberfläche des Diamantkörpers - beispielsweise durch ein elektronisches Bauteil - aufgebrachte Wärme besonders effizient dem MMC-Bauteil zugeführt wird.

Weiters kann vorgesehen sein, daß der Körper aus dem Infiltrationsmaterial besteht und einstückig mit dem MMC-Bauteil ausgebildet ist.

MMC-Bauteil und an im festgelegter Bauteil stehen hier ebenfalls in inniger, besonders guten Übergang der Wärme bewirkender Verbindung miteinander.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Körper ein poröses Verstärkungsmaterial wie z. B. RSiC, SiC, Keramik, Graphit od. dgl. aufweist, dessen Poren vom Infiltrationsmetall durchsetzt sind, und daß der Körper einstückig mit dem MMC- Bauteil ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist auch hier zunächst die innige Verbindung von MMC-Bauteil und Körper, darüberhinaus können hier die physikalischen Eigenschaften des Körpers analog zu jenen des MMC-Bauteiles durch entsprechende Auswahl seines Verstärkungsmateriales eingestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein auf einem Schaltungsträger 3 angeordnetes elektronisches Bauteil im Aufriß;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen MMC-Bauteiles mittels Gasdruckinfiltrationsverfahren in geschnittener Darstellung im Aufriß;

Fig. 3 einen vertikal geführten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen MMC-Bauteil mit daran festgelegtem Körper 2;

Fig. 4a den MMC-Bauteil gemäß Fig. 3 in derselben Darstellung mit einem anders gestalteten, an den MMC-Bauteil angegossenen Körper 2;

Fig. 4b den MMC-Bauteil nach Fig. 4b in derselben Darstellung, wobei der Körper 2 Verstärkungsmaterial 15' enthält;

Fig. 4c den MMC-Bauteil nach Fig. 4a in derselben Darstellung, wobei ein weiterer Körper 2' am MMC-Bauteil festgelegt ist;

Fig. 4d einen vertikal geführten Schnitt durch einen, noch im Vorformhalter 12 liegenden, erfindungsgemäßen MMC-Bauteil mit mehreren daran festgelegten Körpern 2;

Fig. 5a einen schematischen Schnitt durch das Ausgangsmaterial zur Herstellung von RSiC;

Fig. 5b einen schemantischen Schnitt durch ein fertiges RSiC;

Fig. 6a ein Diagramm, in welchem die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Cu, Cu-RSiC, Al-RSiC, Al-SiC, AlN und Si in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt sind und

Fig. 6b ein Diagramm, in welchem die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Al-RSiC, Cu- RSiC, AlN und Si in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt sind.

Gegenstand der Erfindung ist ein Metall-Matrix-Composite-Bauteil (MMC-Bauteil) umfassend ein poröses Verstärkungsmaterial, dessen Poren mit einem Infiltrationsmaterial 14, ausgewählt aus der Gruppe Metall und Metallegierung, gefüllt sind. Solche MMC-Bauteile sind an sich bekannt, sie haben geringes Gewicht und hohe mechanische Festigkeiten, weshalb sie beispielsweise in der Flug- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden. Weitere positive Eigenschaften sind ihr geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit, sodaß sie als Kühlkörper, als Schaltungsträger, in Wärmetauschern oder bei sonstigen thermischen Anwendungen, insbesondere bei Kochplatten, verwendet werden können.

Ein erfindungsgemäßer Metall-Matrix-Composite-Bauteil zeichnet sich dadurch aus, daß sein Verstärkungsmaterial durch rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC) gebildet ist.

Bisher bekannt ist es, "normales" SiC als Verstärkungsmaterial von MMC-Materialien einzusetzen. Dieses "normale" SiC, das in weiterer Folge nur noch als SiC bezeichnet wird, liegt entweder in Form von einzelnen Körpern, wie Fasern, Teilchen, Wisker, Platten, die vom Infiltrationsmaterial umgeben sind oder in Gestalt eines porösen Formkörpers vor, dessen Poren mit dem Infiltrationsmetall verfüllt sind.

Ein derartiger poröser Formkörper wird dadurch erhalten, daß SiC-Pulver einer bestimmten Korngröße mit Sinteradditiven vermischt, zu einem Formling verpreßt und gesintert wird. Das Sintern kann mit verschiedenen Verfahren, wie z. B. druckloses Sintern, Heißpressen, heißisostatisches Pressen, heißisostatisches Nachverdichten od. dgl. durchgeführt werden. Bei jedem dieser Sinterverfahren werden die einzelnen SiC-Teilchen zunächst entlang der Korngrenzen aneinander gebunden. In weiterer Folge kommt es zur Ausbildung eines zusammenhängenden Porenskelettes, wobei die ursprünglichen SiC-Teilchen zunehmend ihre Identität verlieren. Es erfolgt Schwindung, d. h. die geometrischen Abmessungen des Formlings nehmen ab, und Ausbildung neuer Korngrenzen. Bei noch weiter forschreitendem Sintern erfolgt eine weitere Schwindung, wodurch gleichzeitig zwischen den SiC-Teilchen bestehende Porenräume geschlossen werden, die Dichte des Formlings zunimmt und ein fast 100%ig dichter Formling entsteht.

Ein aus rekristallisiertem SiC (RSiC) gebildeter Formkörper besitzt demgegenüber einen völlig anderen strukturellen Aufbau, welcher sich aus dem zu seiner Herstellung eingesetzten völlig anderen Sintermechanismus ergibt:
Ausgangsprodukt für RSiC ist wieder SiC-Pulver, welches aber eine bestimmte Kornverteilung aufweist. Als besonders günstig hat sich eine bimodale Kornverteilung herausgestellt. Das Pulver weist zum einen Körner mit relativ großer Korngröße (z. B. um 100 µm) und zum anderen Körner mit sehr kleiner Korngröße, die bis in den Submikronbereich (Korngröße < 1 µm) hineinreicht, auf. Die kleinen Körner sollen sich möglichst in die Zwickel der großen Körner einlagern. Sinteradditive werden unterschiedlich zum Sintern von SiC nicht verwendet.

Schematisch sind die beiden Korngrößen in Fig. 5a zu erkennen, wo mit 20 die großen Körner und mit 21 die kleinen, sich in die Zwischenräume der großen Körner 20 einlagernden Körner bezeichnet sind. Diese bimodale Kornverteilung ist wichtig für den zu RSiC führenden Sinterprozeß, der bei Temperaturen von über 2200°C und in Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird und bei welchem - unterschiedlich zum Sintern von SiC - keine bzw. sehr geringe Schwindungsvorgänge zu beobachten sind.

Das Ausbleiben des Schwindens erklärt sich damit, daß während des Sintervorganges die Teilchen der feinen Kornfraktion aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie verdampfen und anschließend aus der Gasphase an den Kontaktstellen der groben Partikel kondensieren. Im fertigen Sinterkörper ist die feine Kornfraktion als solche nicht mehr nachweisbar. Durch die Kondensation wachsen die groben Partikel aneinander, wodurch gemeinsame Korngrenzen entstehen und eine Verfestigung erreicht wird. Dieses Kornwachstum ist aber keine Neubildung von Kristallen, weshalb der schon seit langem eingeführte Begriff "rekristallisiertes SiC" den Sintervorgang eigentlich unrichtig beschreibt. Durch das Kornwachstum hat eine Verfilzung der SiC-Kristalle stattgefunden, sodaß die einzelnen Kristalle eine feste SiC-Selbstbindung aufweisen.

Ein Ausschnitt aus einem in dieser Weise gebildeten RSiC-Körper zeigt Fig. 5b, wobei die dunklen Stellen 22 zwischen den groben Körnern 20 Poren darstellen.

Das erfindungsgemäß als Verstärkungsmaterial eines MMC-Bauteiles eingesetzte rekristallisierte Silizumkarbid (RSiC) weist eine Porosität von 5 bis 40 Vol.-% auf, wobei sich Bereiche von 10 bis 35 Vol.-% und insbesondere 20 bis 30 Vol.-% als besonders günstig erwiesen haben.

Es kann zwar auch SiC mit diesen Porositätswerten hergestellt werden, allerdings besteht hinsichtlich der Qualität dieser Porosität ein wesentlicher, für die Verwendung als Verstärkungsmaterial in einem MMC-Körper aber sehr wesentlicher Unterschied zwischen SiC und erfindungsgemäß eingesetztem RSiC:
Beim Sintervorgang von SiC erfolgt wie oben dargelegt eine Schwindung, welche ein Zusammenrücken der einzelnen SiC-Teilchen und damit eine Verengung der zwischen den SiC-Teilchen vorhandenen Poren bewirkt. Poren in SiC sind somit relativ eng, wodurch sie mit nur relativ großem Aufwand mit Infiltrationsmetall gefüllt werden können. Die Poren- Verengung kann auch soweit führen, daß die Poren verschlossen, d. h. von außen unzugänglich werden. Derartige verschlossene Poren können wegen ihrer Unzugänglichkeit nicht mehr mit Infiltrationsmetall verfüllt werden; sie stellen im fertigen MMC-Bauteil nur noch die Festigkeit dieses Bauteiles herabsetzende Material-Fehlstellen dar.

Das erfindungsgemäß als Verstärkungsmaterial eingesetzte RSiC ist - wie oben erläutert - bei einem schwindungsfreien Sintervorgang entstanden, wodurch hier das Verengen der zwischen den großen SiC-Teilchen bestehenden Poren nicht erfolgt. RSiC weist daher weitaus gröbere Poren als SiC auf, weshalb diese Poren mit wesentlich geringerem Aufwand verbunden mit Infiltrationsmetall gefüllt werden können.

Weiters werden die Poren in RSiC keinesfalls verschlossen, RSiC weist deshalb eine offene Porosität (auch als Kanalporosität bezeichnet) auf. Aufgrund dieser offenen Porosität können sämtliche Poren mit Infiltrationsmetall verfüllt werden, es bleiben keine unverfüllten, als Material-Fehlstellen wirkende Poren im MMC-Bauteil zurück.

Die bei gesintertem SiC auftretende Schwindung, die je nach Intensität des Sinterns bis zu 40% (je nach Bauteil) betragen kann, und die damit einhergehende Änderung der geometrischen Abmessungen des SiC-Formlings hat insbesondere den weiteren Nachteil, daß SiC-Körper nicht mit hoher Maßgenauigkeit hergestellt werden können. Auch tritt die Schwindung selbst bei gleichen Sinterparametern (gleiche Temperatur, gleiche Temperatursteigerungs- bzw. -senkgeschwindigkeit, gleiche Sinterdauer) nicht in stets gleichem Ausmaß ein (unterschiedliche Geometrie), wodurch eine reproduzierbare Serienfertigung von SiC-Bauteilen nur schwierig zu erreichen ist.

Bei RSiC tritt eine solche Schwindung überhaupt nicht auf, weshalb sich auch die damit verbundenen Nachteile nicht ergeben.

Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet solcher MMC-Bauteile liegt in der Elektronik bzw. Leistungselektronik. Mit zunehmender Weiterentwicklung der Bauteile in der Leistungselektronik weisen diese stets höhere Schaltleistungen auf, womit aber auch die Erzeugung von abzuführender Verlustwärme zunimmt. Um eine ausreichend rasche und effiziente Abfuhr dieser Verlustwärme zu gewährleisten, müssen die Elektronik-Bauteile auf Schaltungsträgern aufgebaut werden, die aus immer besser wärmeleitenden Materialien bestehen.

Eine schematische Darstellung eines solchen Aufbaus zeigt Fig. 1. Der elektronische Bauteil 1 ist ein Silizium-Chip, der auf einem Körper 2 aus elektrisch isolierender Keramik aufgebracht ist. Dieser Keramik-Körper 2 ist mit dem Schaltungsträger 3 verbunden. In Fig. 4c ist noch zusätzlich eine Kühlstruktur am Schaltungsträger 3 mitaufgegossen.

Neben der guten Wärmeableitung muß der Schaltungsträger 3 einen Wärmeausdehungskoeffizienten aufweisen, der ähnlich groß - bzw. idealerweise gleich groß - ist, wie jener des zu kühlenden Bauteiles bzw. wie die Ausdehnungskoeffizienten der übrigen, mit dem Schaltungsträger 3 verbundenen Komponenten (Keramikkörper 2). Wird diese Forderung nicht eingehalten, weisen also Schaltungsträger 3 und elektronischer Bauteil 1 stark unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten auf, so werden bei Temperaturänderungen thermische Spannungen im Aufbau erzeugt, was zu einem Auftrennen der Verbindung zwischen Bauteil 1 und Schaltungsträger 3 und in weiterer Folge zur thermischen Überlastung des Bauteiles 1 führen kann.

Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet von MMC-Bauteilen ist die Herstellung von Kochplatten. Hier ist analog zum eben erörterten Schaltungsträger 3 auf einer die Kochfläche bildenden MMC-Platte ein Isolator, vorzugsweise wieder eine Keramik, wie Al₂O₃, AlN, Si₃N₄ festgelegt, die einen Heizleiter trägt. Auch hier sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient der MMC-Platte möglichst gut mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolators übereinstimmen, um temperaturbedingte Spannungen im Aufbau zu vermeiden.

Bisher wurde zur Ausbildung des Keramikkörpers 2 hauptsächlich Aluminiumoxid eingesetzt. Da diese Keramik eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt und damit die vom elektronischen Bauteil 1 erzeugte Wärme nur sehr uneffizient abgeführt werden kann, geht man zur Verwendung von Aluminiumnitrid als Isolationsmaterial über. Die wichtigsten physikalischen Daten sind in Tabelle 1 angeführt.

Tabelle 1

Physikalische Daten einiger Keramiken und Diamant

Aus toxischen Gründen wird Berylliumoxid nur in Spezialanwendungen benützt.

Da die AlN-Keramiken aber einen wesentlich niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten besitzen als die bisher verwendeten Al₂O₃-Keramiken, die Schaltzyklen der Bauteile 1 immer kürzer werden (und damit rascher und öfter vor sich gehende Temperaturänderungen auftreten), ist die Kombination mit dem bisher im Schaltungsträger 3 eingesetzten Metall Kupfer nicht mehr möglich:
Der Ausdehnungskoeffizient von Kupfer beträgt ca. 17 × 10^-6/K, jener von AlN nur ca. 3,7 × 10^-6/K, was zu unzulässig hohen Ausdehnungsunterschieden führt. Dieser Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten geht besonders deutlich aus Fig. 6 hervor, wo unter anderen die Wärmeausdehnungskoeffizienten (= Coefficients of Thermal Expansion, CTE) von Kupfer und AlN in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur dargestellt sind.

Es gilt daher, das bisher verwendete Kupfer durch einen anderen Werkstoff zu ersetzen, der eine ähnlich niedrige Wärmeausdehung wie die Isolationskeramik AlN und der Bauteilwerkstoff Si, gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwecks effizienter Abfuhr der vom Bauteil 1 erzeugten Verlustwärme und eine geringe Dichte zwecks Erreichung eines geringen Gesamtgewichtes, aufweist. Bei Metallen oder deren Legierungen weisen immer nur eine oder zwei dieser drei Parameter (hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrige Wärmeausdehnung und geringe Dichte) optimale Werte auf. In nachstehend angeführter Tabelle 2 sind entsprechende Vergleiche zusammengestellt: So besitzt z. B. Kupfer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, aber auch eine hohe thermische Ausdehnung und eine hohe Dichte. Molybdän weist zwar eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und sehr niedrige Ausdehnung auf, hat dafür aber eine hohe Dichte.

Tabelle 2

Zusammenstellung von Daten einiger Metalle bzw. Metallverbünde

Ein bereits bekannter Werkstoff, der die obigen drei Anforderungen relativ gut erfüllt, ist ein Metall-Matrix-Composite (MMC), auf welchen sich auch die gegenständliche Erfindung bezieht.

Wie aus der letzten Zeile von Tabelle 2 sowie auch aus Fig. 6 hervorgeht, weist ein MMC- Bauteil, dessen Verstärkungsmaterial durch SiC und dessen Infiltrationsmetall durch Al gebildet ist (ein solcher Werkstoff wird als Al-SiC bezeichnet), einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der deutlich näher bei jenen von AlN und Si liegt. Auch die Wärmeleitfähigkeit sowie die Dichte weisen zufriedenstellende Werte auf.

Allerdings ist nach wie vor eine doch beachtliche Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Al-SiC und AlN und Si zu bemerken, aufgrund welcher in einer Anordnung gemäß Fig. 1 bei Temperaturänderungen Spannungen in den Verbindungen zwischen dem Silizium-Bauteil 1, der AlN-Isolierschicht 2 und dem aus Al- SiC gebildeten Schaltungsträger 3 auftreten.

Ist hingegen bei einem MMC-Bauteil in erfindungsgemäßer Weise das Verstärkungsmaterial durch rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC) gebildet, so weist dieser Bauteil einen Wärmeausdehungskoeffizienten auf, der noch näher bei jenen von AlN und Si liegt, vgl. Fig. 6a, wo die Wärmeausdehungskoeffizienten für mit Al und Cu infiltriertes RSiC dargestellt sind. Wird der Schaltungsträger 3 durch einen in erfindungsgemäßer Weise mit RSiC verstärkten MMC-Bauteil gebildet, so ergeben sich im Aufbau gemäß Fig. 1 deutlich weniger Spannungen bei Temperaturänderungen, was zu einer längeren Lebensdauer und höherer Zuverlässigkeit führt.

Wie schon aus Fig. 6a, noch deutlicher aber aus Fig. 6b hervorgeht, weisen Al-RSiC und Cu- RSiC einen ähnlich geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Diese nahezu gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten trotz unterschiedlichem Infiltrationsmetall lassen sich folgendermaßen erklären:
Wie schon oben im Rahmen der Erörterung des Herstellverfahrens von RSiC angeführt, sind die einzelnen SiC-Teilchen untereinander mittels fester SiC-Selbstbindungen verbunden. Aufgrund des RSiC-Gefügeaufbaues weist ein poröser RSiC-Körper eine so hohe Festigkeit auf, daß er allein den Wärmeausdehnungskoeffizienten des gesamten MMC-Bauteiles vorgibt. Das in den Poren des RSiC-Körpers eingelagerte Infiltrationsmetall ist nicht im Stande, den RSiC-Körper mittels der Volumsänderungen, die das Metall bei Temperaturänderungen ausführt, zu verformen. Deshalb ist auch bei Verwendung anderer Infiltrationsmetalle, wie z. B. Magnesium, Zink, Eisen, Chrom od. dgl. bzw. bei Verwendung von Infiltrationslegierungen, wie z. B. AlSi7Mg, stets ein ähnlich niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient des entstehenden MMC-Bauteiles zu erreichen.

Anzunehmen wäre weiterhin, daß das Infiltrationsmetall bei Temperaturerhöhung aufgrund seiner Volumserhöhung etwas aus dem RSiC-Gerüst - da es dieses wie erörtert nicht verformen kann - etwas herausquillt. Überraschenderweise passiert dies aber nicht, der RSiC- Körper hält das Infiltrationsmetall auch bei Temperaturerhöhung innerhalb seiner Poren und der Ausdehnungskoeffizient bleibt praktisch konstant.

Der Effekt der Vorgabe des Wärmeausdehnungskoeffizienten (fast) ausschließlich durch das Verstärkungsmaterial ist beim bisher eingesetzten SiC nicht zu beobachten: Lag SiC in Form von Pulver oder Fasern vor, so konnte dieses SiC weil seine einzelnen Teilchen nicht miteinander verbunden waren, den Ausdehnungen des Infiltrationsmetalles keinen Widerstand entgegensetzen. Bei einem porösen gesinterten SiC-Formkörper ist die durch die Sinterung erreichte Verbindung der einzelnen Teilchen nicht annähernd so fest wie bei RSiC, sodaß das in den Poren des SiC eingelagerte Infiltrationsmetall das SiC bei temperaturbedingten Volumsänderungen mitbewegen kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient bei bisher bekannten SiC-verstärkten MMC-Bauteilen wird deshalb sehr stark vom eingesetzten Infiltrationsmetall mitbestimmt.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient bisher bekannter, mittels SiC-Formkörper verstärkter MMC-Bauteile läßt sich dadurch herabsetzen, daß der SiC-Formkörper vor der Infiltration stärker gesintert wird. Bei dieser stärkeren Sinterung ergibt sich aber einerseits das oben bereits erörterte Problem, daß die Poren des SiC enger werden - und damit aufwendiger mit Infiltrationsmaterial zu verfüllen sind - oder daß die Poren verschlossen werden, d. h. von außen nicht mehr zugänglich sind und somit überhaupt nicht mehr mit Infiltrationsmaterial verfüllt werden können.

Andererseits können auf dem Weg des stärkeren Sinterns der SiC-Formkörper nicht so niedrige Ausdehnungskoeffizienten wie durch die erfindungsgemäße Verwendung von RSiC erreicht werden. Zusätzlich sinkt auch die Wärmeleitfähigkeit, da weniger Metall in den SiC- Formkörper gefüllt werden kann.

Das Infiltrationsmaterial 14 bestimmt bei einem mit RSiC verstärkten MMC-Bauteil die Parameter Wärmeleitfähigkeit und Dichte, sodaß diese beiden Parameter durch entsprechende Auswahl des Infiltrationsmateriales 14 einstellbar sind.

Das konkret eingesetzte Infiltrationsmaterial 14 ist beliebig bzw. je nach Anwendung wählbar, beispielsweise können Magnesium, Zink, Eisen od. dgl. angeführt werden, wobei die Metalle Aluminium und Kupfer sowie deren Legierungen, wie z. B. AlSi7Mg, insbesondere bei Verwendung des erfindungsgemäßen MMC-Bauteiles als Kühlkörper bzw. wärmeableitender Schaltungsträger bevorzugt sind.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen MMC-Bauteiles erfolgt durch ein beliebiges der bekannten Infiltrationsverfahren, beispielsweise kann ein Druckgußverfahren, Squeeze- Casting, Gasdruckinfiltration oder drucklose bzw. spontane Infiltration angegeben werden.

Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß das Infiltrationsmaterial 14 zunächst durch Erhitzen verflüssigt und anschließend in die Poren des Verstärkungsmateriales hineingedrückt wird. Dieses Hineindrücken erfolgt durch Ausübung von Kolbendruck (= Squeeze-Casting) oder von Gasdruck auf das flüssige Infiltrationsmaterial 14 bzw. erfolgt deshalb von selbst, weil das Infiltrationsmaterial 14 mit Stoffen in Kontakt gebracht wird, welche die Oberflächenspannung des Infiltrationsmetalles soweit herabsetzen, daß dieses in die Poren des Verstärkungsmateriales einsickern kann (spontane Infiltration).

Beispielsweise soll anhand von Fig. 2 das bevorzugt eingesetzte Gasdruckinfiltrationsverfahren näher erläutert werden. Mit 11 ist die komplette Vorrichtung bezeichnet, die zur Herstellung eines erfindungsgemäßen MMC-Bauteiles verwendet werden kann. Im Inneren der Vorrichtung 11 befindet sich ein Vorformhalter 12 zur Aufnahme der Vorform 13. Die Vorform 13 besteht aus dem in gewünschter Weise angeordneten, aus RSiC gebildeten Verstärkungsmaterial. Die Gesamtheit dieser Anordnung ist in einem Tiegel 6 untergebracht. Die Vorrichtung 11 ist mit Hilfe des Deckels 7 verschließbar, sodaß Druck aus einer Druckquelle 10 an die Vorrichtung angelegt werden kann. Auf den Rändern des Vorformhalters 2 liegt ein Block oder Speiser aus aufzuschmelzendem Infiltrationsmaterial 14. Unter dem Einfluß der Heizung 5 wird das Infiltrationsmaterial 14 aufgeschmolzen und unter Druck in die Vorform 13 eingepreßt; sodann wird die Heizung 5 abgeschaltet und das Infiltrationsmaterial 14 unter Druck erstarren gelassen. Vor dem Aufschmelzen des Infiltrationsmateriales 14 kann die Vorrichtung 11 evakuiert werden, wodurch die innerhalb der Poren der Vorform 13 befindliche Luft entfernt wird.

Gemäß einer weiteren Variation dieses Herstellungsverfahrens kann die Heizung 5 weggelassen werden, das Infiltrationsmaterial 14 außerhalb der Vorrichtung 11 aufgeschmolzen und im schmelzflüssigen Zustand auf die Vorform 13 aufgebracht werden.

Ein erfindungsgemäßer MMC-Bauteil kann in sämtlichen sinnvollen Anwendungsgebieten, also dort, wo Bauteile mit hoher Festigkeit und/oder hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder geringer Wärmeausdehnung bei gleichzeitig geringem Gewicht notwendig sind, eingesetzt werden. Seine geometrische Form und der Typ seines Infiltrationsmateriales 14 können entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung gewählt werden.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen MMC-Bauteiles bei elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen. Fig. 1, auf welche eingangs bereits Bezug genommen wurde, zeigt dieses Anwendungsgebiet. Es ist hier ein elektronischer Bauteil 1 in Form eines Silizium-Chips zu erkennen, der unter Vermittlung eines aus isolierender Keramik bestehenden Körpers 2 auf einem Schaltungsträger 3 liegt. Dieser Schaltungsträger 3 ist durch einen erfindungsgemäßen MMC-Bauteil gebildet.

Der Körper 2 ist am MMC-Bauteil durch gängige Verbindungsverfahren, wie z. B. Kleben, Löten od. dgl. festgelegt, könnte aber auch mit dem MMC-Bauteil vergossen sein. Letztere, besonders innige Verbindung ist dadurch herstellbar, daß der Körper 2 beim Einbringen des Infiltrationsmateriales 14 in das Verstärkungsmaterial 15 zusammen mit diesem in die zur Durchführung des Infiltrationsverfahrens verwendete Gußform, die oben im Zusammenhang mit der Erörterung von Fig. 2 als Vorformhalter 12 bezeichnet wurde, gelegt wird.

Einen Schnitt durch einen solchen, einen an ihn angegossenen Körper 2 aufweisenden MMC- Bauteil zeigt Fig. 3. Die strichliert dargestellten, den Körper 2 umgebenden Abschnitte 14' des Infiltrationsmateriales 14 müssen nicht vorhanden sein. Sie können nach der Herstellung des MMC-Bauteiles entweder zur Gänze oder unter Bildung einer Struktur teilweise abgearbeitet werden bzw. kann der Körper 2 in diesen Bereichen abgedeckt werden, sodaß diese strichlierten Abschnitte 14' des Infiltrationsmateriales 14 gar nicht entstehen. Inbesondere bei der Verwendung des MMC-Bauteiles gemäß Fig. 1 ist dieses Abarbeiten bzw. Vermeiden der Abschnitte 14' notwendig um eine elektrische Isolierung des elektronischen Bauteiles 1 vom Schaltungsträger 3 zu erreichen.

Daneben ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, wie Infiltrationsmaterial 14 und Verstärkungsmaterial 15 ineinander eingebettet sind.

Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet eines erfindungsgemäßen MMC-Bauteiles liegt in der Herstellung von Kochplatten z. B. für Haushaltsherde. Hier bildet der erfindungsgemäße MMC-Bauteil die Platte zum Aufstellen eines Kochtopfes, weist an der dieser Aufstellfläche gegenüberliegenden Oberfläche einen Isolator auf, auf welcher ein elektrischer Heizleiter festgelegt ist. Eine solche Kochplatte ist daher ein MMC-Bauteil mit an ihm festgelegten Körper 2, so wie er in Fig. 3 dargestellt ist.

Der am MMC-Bauteil festgelegte Körper 2 kann grundsätzlich aus beliebigem Material, wie z. B. Metall, Halbmetall od. dgl. bestehen, für die in Fig. 1 dargestellte Anwendung und für den eben erörterten Einsatz bei einer Kochplatte muß er allerdings elektrisch isolierend sein. Wie bereits angeführt, ist der Körper 2 dazu vorzugsweise aus einer Keramik gebildet, an konkreten Materialien können Al₂O₃, AlN od. dgl. angegeben werden.

Für das in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Anwendungsgebiet ist die Kombination eines MMC- Bauteiles, dessen Infiltrationsmaterial 14 Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, wie z. B. AlSi7Mg, ist, mit einem Körper 2 aus AlN besonders gut geeignet, denn diese beiden Materialien besitzen einen ähnlich niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, eine ähnlich hohe Wärmeleitfähigkeit und ein geringes spezifisches Gewicht.

Besonders interessant ist es in diesem Zusammenhang, den Körper 2 aus Diamant zu bilden. Dieser Werkstoff hat wie aus Tabelle 1 hervorgeht, eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der jenem von mit Aluminium infiltriertem RSiC besonders ähnlich ist. Die Festlegung eines aus Diamant bestehenden Körpers 2 am MMC-Bauteil kann ebenfalls durch Ankleben, Vergießen od. dgl. erfolgen, als besonders günstig hat es sich allerdings erwiesen, den diamanternen Körper 2 durch Abscheidung aus der Gasphase herzustellen, wobei der Diamant direkt auf dem MMC-Bauteil abgeschieden wird.

Diese Abscheidung erfolgt durch an sich bekannte Verfahren, beispielsweise seien CVD- Verfahren, wie Hot-Filament-CVD oder Plasma-CVD wie z. B. Mikrowellen-CVD, Plasma- Jet od. dgl. oder PVD-Verfahren genannt.

Zwei weitere Möglichkeiten der Ausgestaltung des am MMC-Bauteil festgelegten Körpers 2 zeigen die Fig. 4a, b. In Fig. 4a besteht der Körper 2 aus dem Infiltrationsmaterial 14 selbst und ist einstückig mit dem MMC-Bauteil ausgebildet. Der Körper 2 stellt damit einen Anguß an den MMC-Bauteil dar, welcher gleichzeitig mit der Herstellung des MMC-Bauteiles gebildet wird: Es wird dazu eine Gußform bzw. ein Vorformhalter 12 verwendet, dessen Aufnahmeraum für das Verstärkungsmaterial 15 eine an ihn anschließende Vertiefung aufweist, welche Vertiefung der Form des anzugießenden Körpers 2 entspricht. Wird das flüssige Infiltrationsmaterial 14 in die Gußform bzw. den Vorformhalter 12 eingebracht, durchsetzt es einerseits das Verstärkungsmaterial 15 und füllt andererseits die Vertiefung für den anzugießenden Körper 2 aus.

Die geometrische Form dieses angegossenen Körpers 2 ist ebenso wie die Form der aus anderen Materialien bestehenden Körper 2 beliebig wählbar. Wie in Fig. 4a dargestellt, könnte dieser Körper 2 beispielsweise Kühlrippen aufweisen.

Der in Fig. 4b dargestellte Körper 2 stellt so wie jener nach Fig. 4a einen Anguß an den MMC- Bauteil dar, allerdings beinhaltet der Körper 2 hier - so wie der MMC-Bauteil selbst - poröses Verstärkungsmaterial 15', dessen Poren vom Infiltrationsmaterial 14 durchsetzt sind. Die Herstellung eines MMC-Bauteiles mit einem derartigen Körper 2 erfolgt wieder mittels einer Gußform, die neben dem Aufnahmeraum für das Verstärkungsmaterial 15 eine Vertiefung in Gestalt des Körpers 2 aufweist. In diese Vertiefung wird hier jedoch Verstärkungsmaterial 15', wie z. B. RSiC, Fasern aus Keramik oder Graphit; Partikel wie SiC, AlN, Al₂O₃ od. dgl. eingebracht, welches Verstärkungsmaterial 15' vom Infiltrationmaterial 14 umgeben bzw. durchdrungen wird.

Anstelle des bisher dargestellten einzelnen Körpers 2 können auch mehrere Körper 2 am MMC-Bauteil festgelegt sein, wobei diese mehreren Körper 2 aus gleichen oder verschiedenen Materialien gebildet sein können. In diesem Zusammenhang könnte beispielsweise wie in Fig. 4c dargestellt, auf einer Oberfläche des MMC-Bauteiles ein erster, als Anguß ausgebildeter und die Gestalt eines Kühlkörpers aufweisender erster Körper 2 und auf der anderen Oberfläche des MMC-Bauteiles ein aus isolierendem Material bestehender zweiter Körper 2' festgelegt sein, auf welchen ein zu kühlender Elektronik-Bauteil anlegbar ist.

Weiters ist es möglich, mehrere am MMC-Bauteil festgelegte Körper 2 vorzusehen, die jeweils aus Infiltrationsmaterial 14 gebildete Angüsse an den MMC-Bauteil sind. Fig. 4d zeigt einen Schnitt durch einen solchen, noch im mehrteiligen Vorformhalter 12 liegenden MMC- Bauteil, wobei die Körper 2 hier quaderförmige Kühlrippen oder zylinderförmige Kühlnoppen sind. Zu erkennen sind hier die oben schon angesprochenen Vertiefungen 16 im Vorformhalter 12, innerhalb welcher die angegossenen Körper 2 gebildet werden. Zwischen den Vertiefungen 16 weist der Vorformhalter 12 Stege 17 auf. Während des Auskühlens nach Abschluß des Infiltrationsvorganges ziehen sich sowohl die Körper 2 als auch der MMC- Bauteil selbst zusammen, wobei der Abstand zwischen den Körpern 2 verringert wird.

Beim bisher verwendeten SiC weist der MMC-Bauteil einen relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher dazu führt, daß der MMC-Bauteil beim Auskühlen im Vorformhalter 12 so stark schrumpft, daß die Stege 17 von den beiden ihnen benachbarten Körper 2 eingeklemmt werden. Der MMC-Bauteil schrumpft damit an den Vorformhalter 12 an und kann nicht mehr bzw. nur mit erhöhtem Aufwand entformt werden.

Ein in erfindungsgemäßer Weise mit RSiC verstärkter MMC-Bauteil schrumpft demgegenüber wesentlich weniger stark, das eben erörterte "Anschrumpfen" des Bauteiles an den Vorformhalter 12 kann nicht passieren, es ist stets eine leichte Entformbarkeit gegeben.

Die Festlegung zumindest eines Körpers 2 am MMC-Bauteil wurde zwar lediglich im Zusammenhang mit der Verwendung des MMC-Bauteiles als Schaltungsträger bzw. Kühlkörper dargestellt, trotzdem kann ein solcher Körper 2 auch bei anderen Verwendungen des erfindungsgemäßen MMC-Bauteiles vorgesehen sein.

Claims

1. Metall-Matrix-Composite-Bauteil (MMC-Bauteil) umfassend ein poröses Verstärkungsmaterial (15), dessen Poren mit einem Infiltrationsmaterial (14) ausgewählt aus der Gruppe Metall und Metallegierung gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial (15) durch rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC) gebildet ist.

2. MMC-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rekristallisierte Silizumkarbid eine Porosität von 5 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Vol.-%, insbesondere 20 bis 30 Vol.-% aufweist.

3. MMC-Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Infiltrationsmaterial (14) durch Magnesium, Zink, Eisen, Aluminium, Kupfer, Silizium od. dgl. bzw. Legierungen dieser Metalle gebildet ist.

4. MMC-Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3 gekennzeichnet durch zumindest einen, am MMC-Bauteil festgelegten Körper (2).

5. MMC-Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus einer Keramik wie z. B. Al₂O₃, AlN od. dgl. oder aus Diamant gebildet ist.

6. MMC-Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) ein aus der Gasphase, z. B. durch ein CVD- oder PVD-Verfahren, auf dem MMC-Bauteil abgeschiedener Diamant ist.

7. MMC-Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) aus dem Infiltrationsmaterial (14) besteht und einstückig mit dem MMC-Bauteil ausgebildet ist.

8. MMC-Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) ein poröses Verstärkungsmaterial (15') wie z. B. RSiC, SiC, Keramik, Graphit od. dgl. aufweist, dessen Poren vom Infiltrationsmaterial (14) durchsetzt sind, und daß der Körper (2) einstückig mit dem MMC-Bauteil ausgebildet ist.