DE69230771T2 - Hochleitendes hybrid-material mit thermischer verwaltungscharakteristik - Google Patents

Hochleitendes hybrid-material mit thermischer verwaltungscharakteristik

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Description

    Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf strukturelle Materialien mit hoher Leitfähigkeit und insbesondere auf eine hybride Sandwichzusammensetzung, welche ein nichtstrukturelles Material zur Bereitstellung hoher Leitfähigkeit, und ein getrenntes Material zur Regelung der Wärmeausdehnung und weiterer mechanischer Eigenschaften, wie Steifheit, umfaßt.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Bei kritischen Anwendungen elektronischer Komponenten besteht eine große Nachfrage nach wärmeableitenden Platten- und Schalenstrukturen mit wünschenswerten Kombinationen aus Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung und Steifheit. Eine gute Wärmeleitfähigkeit ist für die Wärmeableitung von elektronischen Komponenten und Vorrichtungen, wie Dioden und Transistoren nötig. Der in Dioden vorherrschende hohe Strom und die in anderen elektronischen Komponenten erzeugte Wärme erzeugen hohe Temperaturen und erfordern in vielen Fällen die Verwendung von Wärmeableitern zur Ableitung der Wärme von dem elektronischen Element oder der elektronischen Komponente. Wenn Wärmeableiter nicht verwendet werden, gibt es verschiedene andere Vorrichtungen, die dazu entwickelt worden sind, um direkt an einer Wärmeabfuhrplatte angebracht zu werden, die wiederum als das Wärmeübertagungselement dient.
  • Mit der schnell zunehmenden Integrationsdichte von integrierten Schaltkreisen, Großintegrations-Schaltkreisen, Leistungsdioden und dergleichen steigt auch die Notwendigkeit, mit immer härteren Wärmebedingungen fertig zu werden. Folglich sind wärmeableitende Strukturen mit der Entwicklung der Elektroindustrie kontinuierlich verbessert worden.
  • Wenn die Dioden und anderen elektronischen Elemente und Komponenten an einer wärmeableitenden Struktur, selbst an einer der modernen, heutzutage erhältlichen Strukturen, die eine gute Wärmeableitung bereitstellen sollen, angebracht werden, verursachen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Elemente oft Probleme. Zum Beispiel können der Ableiter und das elektrisch isolierende Substrat, auf denen die Diode oder der Transistor befestigt wird, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Auf ähnliche Weise können die Diode und der Wärmeableiter unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • Wenn ein wesentlicher Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen den Komponenten vorliegt, können Temperaturveränderungen, die durch Löten und die in den Systemen oder durch die Umgebungsverhältnisse erzeugte Wärme verursacht werden, große Wärmebeanspruchungen verursachen. Solche Beanspruchungen können zum Versagen der Komponenten führen.
  • Metalle und Metallegierungen wie Aluminium und Kupfer werden aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit am häufigsten als wärmeableitende Strukturen verwendet. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten solcher Materialien sind jedoch dermaßen hoch, daß Wärme und Kälte das Trennen der wärmeableitenden Struktur vom angrenzenden Element - einem Element, das normalerweise aus einem Material mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt wird - verursacht.
  • Halbleiter und andere kritische Elemente, die in elektrischen Komponenten, Schaltkreisen oder Systemen verwendet werden, wie Silizium und Galliumarsenid sind zerbrechlich, haben niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten und erzeugen bei Gebrauch viel Abwärme. Folglich müssen Wärmeableiter für diese Komponenten in elektronischen Systemen zumindest einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  • Kein einzelnes monolithisches Metall weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Verbundwerkstoffe, die aus verschiedenen Substraten und organischen Polymermaterialien hergestellt werden, wie Laminate aus einem Papiersubstrat und einem Phenolharz oder aus einem Glassubstrat und einem Epoxidharz, sowie Keramikmaterialien wie Tonerdeplatten, sind als Substrate für gedruckte Schaltungen und Wärmeableiter verwendet worden. Der bisherige Stand der Technik deutet jedoch an, daß solche Substratmaterialien fehlerhaft sind, da sie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  • Andere Laminate sind entwickelt worden, welche eine Grundlage aus Metall und ein organisches Polymermaterial oder Metallkeramikverbundplatten, wie ein auf einer Aluminiumplatte gebildeter, elektrisch isolierender Alumilite-Film entwickelt worden. Diese Laminate sind jedoch unzulänglich, da entweder das organische Polymermaterial Wärmewiderstand verursacht oder der Alumilite-Film leicht rissig wird. Die obenerwähnten Materialien haben außerdem Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche mit denen der Platte inkompatibel sind.
  • Strukturelle Materialien mit hoher Leitfähigkeit sind hergestellt worden, indem Fasern (oder Partikeln) mit hoher Leitfähigkeit in ein Bindemittel- oder Matrixmaterial gelegt werden. Platten mit hoher Leitfähigkeit und kontrollierter Wärmeausdehnung werden hergestellt, indem die Fasern in bevorzugte Richtungen gelegt werden. Die ausgerichteten Fasern bringen jedoch anisotropische Eigenschaften mit sich, es sei denn sie werden in mehreren Richtungen gelegt. In herkömmlicheren Fällen werden Kombinationen aus Schichten aus verschiedenen Materialien verwendet, um eine gute Leitfähigkeit sowie eine kontrollierte Wärmeausdehnung bereitzustellen. In diesen Fällen wird jedoch auf Flächenwärmeleitfähigkeiten zugunsten von wünschenswerten Wärmeausdehnungskoeffizienten verzichtet.
  • Das Vereinigte Staaten Patent Nr. 4,888,247 (Zweben et al.) offenbart eine spezifische, laminierte, wärmeleitende Vorrichtung. Zumindest eine Metallschicht (Aluminium) wird mit zumindest einer Schicht eines Polymermatrixverbundwerkstoffs (Epoxidharz) verbunden. Ein Verstärkungsmaterial mit einer niedrigen Wärmeausdehnung (Graphitfasern) wird dadurch verteilt und im Polymermatrixverbundwerkstoff eingebettet. In einer Ausführungsform bildet eine Vielzahl von abwechselnden Schichten aus Metall und verstärktem Polymermatrixverbundwerkstoff die Vorrichtung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung werden durch das Metall im Laminat zusammen mit dem Polymermatrixmaterial und dem Verstärkungsmaterial im Polymermatrixmaterial definiert.
  • Zweben et al. konzentrieren sich also auf mit Fasern verstärkte Harzmatrixmaterialien mit Metallschichten. Das Ziel der Kombination ist es, das Metall aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit zu verwenden und die Verbundwerkstoffschichten zu verwenden, um die Wärmeausdehnung des Metalls zu unterdrücken, so daß die Ausdehnung des Verbundwerkstoffs mit angrenzenden Materialien vereinbar ist. Wie typisch bei Versuchen, eine Kombination von Eigenschaften zu erhalten, indem ein Verbundwerkstoff aus laminierten Schichten gebildet wird, ist jedes Material oder jede Schicht auf einer Ebene völlig mit den umgebenden Schichten verbunden. Zweben et al. offenbaren spezifisch, daß die Metallschicht mit dem Polymermatrixmaterial verbunden wird. Bei einer solchen Verbindung ist ein Kompromiß hinsichtlich der Leitfähigkeiten nötig, damit die erwünschten strukturellen Eigenschaften erzielt werden können.
  • Die Unfähigkeit des bisherigen Stands der Technik, die strukturellen und die thermischen Eigenschaften der gesamten Vorrichtung voneinander zu trennen, ist eines der Probleme, die durch den Gegenstand der Erfindung gelöst werden.
  • Das Vereinigte Staaten Patent Nr. 4,878,152 (Sauzade et al.) offenbart ein Substrat, in dem alle drei Strukturelemente - das Kernmaterial, die Außenlagen (oder -schalen) und der Rahmen zur Wärmeleitfähigkeit des gesamten Substrats beitragen. Siehe '152 Patent, Spalte 3, Zeilen 39, 47- 49, 53-56. Alle drei Elemente tragen dazu bei, die Wärmeleitfähigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften zu definieren, da die Schalen mit dem Kernmaterial und mit dem Rahmen verbunden werden, wodurch eine "Einheit" oder integrale Zusammensetzung gebildet wird. Die Schalen bestehen aus Kohlefasern, die mit einem Epoxidharz vorimprägniert werden, damit sie zur Bildung einer Matrix bereit sind. Id. Spalte 3, Zeilen 22-24. Im letzten Herstellungsstadium der Einheit wird das Epoxidharz, das die Schalen imprägniert, vollständig polymerisiert, indem die ganze Einheit einige Stunden lang in einen Ofen gestellt wird. Id. Spalte 4, Zeilen 17-21. Das Ergebnis ist eine Einheit, in der die Graphitkernlagen, die Schalen und der Rahmen miteinander verbunden werden.
  • Sauzade et al. offenbaren zusätzlich "eine Zentralschicht, bestehend aus hochkomprimierten Graphitschichten, um eine hohe seitliche Wärmeleitfähigkeit zu verleihen". '152 Patent, Spalte 2, Zeilen 31-33. "Diese Schichten bilden ein hochanisotropes Material. In der Erfindung ist es im wesentlichen die Eigenschaft der seitlichen thermischen Anisotropie, die verwendet wird". Id. Spalte 2, Zeilen 64-66. Die offenbarte Zentralschicht erzielt eine "seitliche Wärmeleitfähigkeit von 200 bis 300 W/ºC. m." Id. Spalte 4, Zeilen 25-26; siehe auch Fig. 3. Sauzade et al. offenbaren also kein Kernmaterial mit entweder einer isotropen oder einer hohen Wärmeleitfähigkeit.
  • Um die Fehler der bestehenden Strukturen mit einer niedrigen Wärmeausdehnung und hoher Wärmeleitfähigkeit zu überwinden, wird eine neue hybride Zusammensetzung bereitgestellt. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Struktur bereitzustellen, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um die von elektronischen Komponenten und Systemen erzeugte Wärme zu übertragen.
  • Eine gute Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizients der angrenzenden Komponenten in elektronischen Vorrichtungen ist kritisch, da sie das strukturelle und elektrische Versagen während des Wärmezyklus über den Betriebsbereich der Komponenten verhindert. Dementsprechend ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Struktur bereitzustellen, welche den Wärmeausdehnungskoeffizienten der angrenzenden Komponenten angepaßt werden kann.
  • Eine Struktur, welche eine hohe Leitfähigkeit mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten kombiniert und angepasst gemacht werden kann, ist ein weiteres Ziel der Erfindung. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Struktur bereitzustellen, die isotrope Eigenschaften in der gleichen Ebene aufweist.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Um diese sowie andere Ziele der Erfindung zu erzielen, und angesichts der Anwendungszwecke stellt die vorliegende Erfindung eine in Anspruch 1 definierte hybride Sandwichzusammensetzung bereit, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit und vorbestimmte mechanische Eigenschaften, welche mit den angrenzenden Materialien zusammenpassen, kombiniert. Die hybride Sandwichzusammensetzung weist die folgenden Bestandteile auf: (1) ein nichtstrukturelles Kernmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit, welches die Wärmeleitfähigkeit des hybriden strukturellen Materials definiert; (2) zwei Außenlagen, welche die gegenüberliegenden Flächen des hybriden strukturellen Materials bilden und dazu beitragen, die mechanischen Eigenschaften des hybriden strukturellen Materials zu definieren, wobei die erste der Außenlagen auf der einen Seite des Kernmaterials angebracht ist und die zweite der Außenlagen auf der entgegengesetzten Seite des Kernmaterials angebracht ist, um eine Außentage-Kernmaterial-Außenlage-Sandwichzusammensetzung zu bilden; und (3) einen Rahmen, welcher das Kernmaterial im wesentlichen umgibt und mit den Außenlagen verbunden ist, um zur Definierung (zusammen mit den Außenlagen) der mechanischen Eigenschaften des hybriden strukturellen Materials beizutragen.
  • Eine erste Schnittfläche zwischen der ersten Außenlage und dem Kernmaterial ermöglicht einen physischen Kontakt, verhindert aber ein strukturelles Zusammenwirken zwischen der ersten Außenlage und dem Kernmaterial. Auf ähnliche Weise ermöglicht eine zweite Schnittfläche zwischen der zweiten Außenlage und dem Kernmaterial einen physischen Kontakt, verhindert aber ein strukturelles Zusammenwirken zwischen der zweiten Außenlage und dem Kernmaterial. Folglich erreicht das hybride strukturelle Material einen hohen Anteil der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials, während es die Wärmeausdehnung (sowie andere mechanische Eigenschaften) der Außenlagen und des Rahmens beibehält.
  • Es sollte verstanden werden, daß die obige allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft sind und die Erfindung nicht beschränken.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, wenn diese unter Bezugnahme auf die beigelegte Zeichnung gelesen wird, wobei:
  • Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen bybriden Struktur mit hoher Leitfähigkeit und kontrollierten mechanischen Eigenschaften ist.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 die erfindungsgemäße hybride Struktur 10. Die hybride Struktur 10 hat eine Sandwich- Zusammensetzung. Ein Kernmaterial 20 wird zwischen zwei Außenlagen 30, 40 gelegt. Ein Rahmen 50 umgibt im wesentlichen das Kernmaterial 20 und ist mit den Außenlagen 30, 40 verbunden.
  • Das Kernmaterial 20 ist nichtstrukturell und weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Ein beliebiges Material mit einer hohen Leitfähigkeit kann ungeachtet seiner strukturellen Eigenschaften aufgrund seiner Leiteigenschaften als Kernmaterial 20 verwendet werden.
  • Materialien, die eine hohe Leitfähigkeit in mehr als einer Richtung in der gleichen Ebene aufweisen, können verwendet werden. In der gleichen Ebene isotrope Materialien, wie hochgeordneter, pyrolytischer Graphit, unter Druck geglühter pyrolytischer Graphit (CAPG), Kunstdiamant oder dergleichen sind geeignet.
  • Da CAPG hergestellt und getestet worden ist, wird es derzeitig bevorzugt. CAPG ist wünschenswert, weil es dieselbe Wärmeleitfähigkeit in beiden Richtungen in der gleichen Ebene aufweist und daher Wärme in beiden Richtungen gut leitet. Demgegenüber ist es bei faserverstärkten Materialien nötig, daß Fasern in verschiedenen Richtungen gelegt werden, um einen Ausgleich der Eigenschaften in den Richtungen in der gleichen Ebene zu erhalten. CAPG ist außerdem relativ günstig.
  • Die erste Außenlage 30 und die zweite Außenlage 40 bilden die Oberflächenschalen der hybriden Struktur 10. Die Außenlagen 30, 40 berühren das Kernmaterial 20 an der ersten Schnittfläche 70 zwischen der ersten Außenlage 30 und dem Kernmaterial 20 sowie an der zweiten Schnittfläche 80 zwischen der zweiten Außenlage 40 und dem Kernmaterial 20. Die Außenlagen 30, 40 und das Kernmaterial 20 haben jedoch keine strukturelle Verbindung miteinander. Es ist wichtig, daß die Außenlagen 30, 40 nicht mit dem Kernmaterial 20 verbunden sind; eine dünne Schicht aus Graphitfolie kann bei der Zusammenstellung verwendet werden, um eine solche Verbindung zu verhindern.
  • Die Außenlagen 30, 40 tragen dazu bei, die mechanischen Eigenschaften der hybriden Struktur 10, wie Steifheit und Wärmeausdehnung, zu definieren. Verschiedene Materialien sind für die Außenlagen 30, 40 geeignet. Ein beliebiges zusammenpassendes Material mit ausreichendem Temperaturbereich für eine bestimmte Anwendung kann verwendet werden. Da die Wärmeausdehnung der Außenlagen 30, 40 die vorrangige bestimmende Größe bei der Definierung der Flächenwärmeausdehnung der hybriden Struktur 10 ist, sollte das für die Außenlagen 30, 40 ausgewählte Material die Wärmeausdehnungsbedingungen des Systems erfüllen (typischerweise eine niedrige Wärmeausdehnung). Materialien mit einer guten Leitfähigkeit eignen sich ebenfalls ausgezeichnet für die Außenlagen 30, 40.
  • Faserverstärkte Harze und partikelverstärkte oder whiskerverstärkte Matrixwerkstoffe eignen sich für die Außenlagen 30, 40. Mit Graphitfasern verstärkte Aluminiummaterialien sind auch geeignet. Spezifisch sind Pechfasern 120 in einer Aluminiummatrix hergestellt und getestet worden und sie werden daher derzeitig bevorzugt.
  • Das Kernmaterial 20 ist im wesentlichen vom Rahmen 50 umgeben, vollständig eingeschlossen und eingekapselt und der Rahmen ist mit den Außenlagen 30, 40 verbunden. Korrosionsprobleme, die zwischen dem Kernmaterial 20 und den Außenlagen 30, 40 entstehen können, können durch Bereitstellung einer geeigneten Dichtung um den Rahmen 50 verringert werden. Eine ordnungsgemäße Diffusions-Kontaktherstellung (z. B. mittels Heißpressens) zwischen den Außenlagen 30, 40 und dem Rahmen 50 wird eine solche Dichtung herstellen.
  • Ähnlich der Außenlagen 30, 40, trägt der Rahmen 50 dazu bei, die mechanischen Eigenschaften der hybriden Struktur 10, wie Steifheit und die Wärmeausdehnung, zu definieren. Verschiedene Materialien sind für den Rahmen 50 geeignet. Reines Aluminium wird derzeitig bevorzugt, da es hergestellt und getestet worden ist.
  • Da das Kernmaterial 20 nicht strukturell integral mit den Außenlagen 30, 40 ist, werden die Wärmeausdehnung und die Steifheit der hybriden Struktur 10 durch die Außenlagen 30, 40 und den Rahmen 50 allein bestimmt. Bei dieser Bestimmung sind die zum Bilden der Außenlagen 30, 40 und des Rahmens 50 verwendeten Materialien von Bedeutung. Die Dicke der jeweiligen Außenlage 30, 40 und des Rahmens 50 ist auch wichtig.
  • Eine Ausführungsform des Rahmens 50 wird in Fig. 1 abgebildet, wo der Rahmen 50 mehrere Rippen 60 aufweist, welche sich in Richtung des Wärmestroms erstrecken. Die Rippen 60 fördern die strukturellen Eigenschaften der hybriden Struktur 10, indem sie eine Bindung der Außenlagen 30, 40 durch die Rippen 60 erlauben. Durch Schlitze (nicht abgebildet), die sich über die ganze Ebene erstrecken, erübrigt sich eine symmetrische Erhitzung. Das Kernmaterial 20 sollte im Wärmestromweg durchlaufend sein; das Kernmaterial 20 sollte daher nicht in kleine Quadrate unterteilt werden. Bei Solchen Quadraten wäre das mehrmalige Ein- und Ausströmen von Wärme in das und aus dem Kernmaterial 20 nötig, wobei der thermische Widerstand erhöht und die Wärmeleitfähigkeit herabgesetzt wären.
  • Obwohl das Kernmaterial 20 nicht strukturell integral mit den Außenlagen 30, 40 ist, ist es wichtig, daß der physische Kontakt zwischen dem Kernmaterial 20 und den Außenlagen 30, 40 an den Schnittflächen 70, 80 beibehalten wird. Eine gute Wärmeübertragung über die Schnittflächen 70, 80 ist nötig.
  • Die Schnittflächen 70, 80 sollten außerdem hohe normale Druckbeanspruchung aber nur sehr niedrige Scherbeanspruchung übertragen. Normalerweise würde das Hochmodulkernmaterial 20 die Wärmeausdehnung der Außenlagen 30, 40 unterdrücken und die zusammengesetzte Wärmeausdehnung der hybriden Struktur 10 wesentlich verändern. Da das Kernmaterial 20 und die Außenlagen 30, 40 keine strukturelle Verbindung miteinander haben, erlauben es die niedrigen Schereigenschaften des Kernmaterials 20 den Außenlagen 30, 40, während der Ausdehnung (unter Erhitzung) oder Zusammenziehung (unter Kühlung) über das Kernmaterial 20 zu gleiten. Dieses Gleiten erfolgt in den äußeren Schichten des Kernmaterials 20. Folglich ist das planare strukturelle Verhalten der hybriden Struktur 10 weitgehend vom Kernmaterial 20 unabhängig.
  • Durch Heißpressen der Außenlagen 30, 40 am Rahmen 50 und durch sorgfältige Regelung der Dicke des Kernmaterials 20, der Außenlagen 30, 40 und des Rahmens 50 wird der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Kernmaterial 20 und dem Rahmen 50 beibehalten. Folglich ist nach Herstellung der hybriden Struktur 10 das Kernmaterial 20 leicht komprimiert. Eine solche Komprimierung hilft dabei, den physischen Kontakt zwischen dem Kernmaterial 20 und den Außenlagen 30, 40 beizubehalten und somit den Wärmekontakt zwischen dem Kernmaterial 20 und den Außenlagen 30, 40 sicherzustellen. Dieser Wärmekontakt ermöglicht seinerseits, daß Wärme in das Kernmaterial 20 strömen kann und im Kernmaterial 20 zu den Enden der hybriden Struktur 10 hin geleitet werden kann, wo sie durch die Außenlagen 30, 40 in einen Wärmeableiter (nicht abgebildet) entfernt werden kann. Das Kernmaterial 20 hat keine Auswirkung auf die Wärmeausdehnung oder andere mechanische Eigenschaften der hybriden Struktur 10; das Kernmaterial 20 und die Außenlagen 30, 40 haben keine Verbindung miteinander, so daß Wärme zu einem Wärmearbeiter abgeleitet wird.
  • Die Eigenschaften in der gleichen Ebene der hybriden Struktur 10 werden unabhängig vom Kernmaterial 20 und der Kombination der Außenlagen 30, 40 und des Rahmens 50 definiert. Die hybride Struktur 10 erzielt einen hohen Anteil der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials 20, während sie die Wärmeausdehnung (sowie andere mechanische Eigenschaften) der Außenlagen 30, 40 und des Rahmens 50 beibehält. Wünschenswerte mechanische Eigenschaften für die hybride Struktur 10 können geregelt werden, indem geeignete Außenlagen 30, 40 und ein geeigneter Rahmen 50 ausgewählt werden, wobei ihre Wärmeleitfähigkeit keine wichtige Rolle spielt. Zusammenfassend verwendet die hybride Struktur 10 das eine Material, um die Wärmeleitfähigkeit zu regeln (das Kernmaterial 20), und weitere Materialien (und ihre Geometrien), um die mechanischen Eigenschaften zu regeln (die Außenlagen 30, 40 und der Rahmen 50).
  • Durch die unabhängigen Quellen der verschiedenen Eigenschaften für die hybride Struktur 10 wird ein Kompromiß dieser Eigenschaften vermieden und die Auswahl der verwendbaren Materialien wird erweitert. CAPG weist hervorragende thermische Eigenschaften auf und ist relativ billig. CAPG kann jedoch nicht selbst als thermisches Flächenmaterial verwendet werden, da es schlechte strukturelle Eigenschaften aufweist - einschließlich eines negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wenn CAPG in einer herkömmlichen Laminatstruktur mit Aluminiumschichten laminiert wird, löst es sich einfach ab. CAPG ist jedoch ein ausgezeichnetes Material zur Verwendung als Kernmaterial 20 in der hybriden Struktur 10.
  • Herkömmliche, graphitverstärkte Verbundwerkstoffe mit hoher Leitfähigkeit weisen Wärmeleitfähigkeiten in der Ebene in der Größenordnung von 300 W-m/K auf. CAPG kann mit einer Leitfähigkeit von annähernd 1900 W-m/K hergestellt werden. Dementsprechend liegt die Leitfähigkeit in der Ebene der hybriden Struktur 10 annähernd bei 1500 W-m/K. Eine solche Leitfähigkeit wird erhalten, während die hybride Struktur 10 die für kritische elektronische Anwendungen nötigen Wärmeausdehnungseigenschaften und zur strukturellen Unterstützung nötigen strukturellen Eigenschaften beibehält.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden ist, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die dargestellten Details zu beschränken. Verschiedene Modifikationen der Details können innerhalb des Bereichs der Ansprüche vorgenommen werden. Zum Beispiel können, obwohl die Wärmeausdehnung als die mechanische Eigenschaft, die unabhängig vom ausgewählten Kernmaterial 20 geregelt wird, betont worden ist, weitere Eigenschaften wie Steifheit oder Oberflächenbeschaffenheit auch geregelt werden. Unter Verwendung des Konzepts der vorliegenden Erfindung können weitere Ziele erreicht werden, wie eine hohe elektrische Leitfähigkeit in einer Struktur, welche Dimensionsstabilität benötigt.

Claims (13)

1. Eine hybride Sandwichzusammensetzung (10) für die thermische Behandlung, welche Wärmestauung und Wärmeableitung umfaßt, und wobei mechanische Eigenschaften, Wärmeausdehnungseigenschaften und Wärmeleitfähigkeiten vereinzelt angepaßt werden können, wobei die hybride Sandwichzusammensetzung aus folgendem besteht:
einem nichtstrukturellen Kernmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit (20), welches die Wärmeleitfähigkeit der hybriden Sandwichzusammensetzung definiert;
einem Paar Außenlagen (30, 40), welche die sich gegenüberliegenden Flächen der hybriden Sandwichzusammensetzung bilden und dazu beitragen, die mechanischen Eigenschaften der hybriden Sandwichzusammensetzung zu definieren, wobei die erste der Außenlagen (30) auf der einen Seite des Kernmaterials angebracht ist und die zweite der Außenlagen (40) auf der entgegengesetzten Seite des Kernmaterials abgebracht ist, um eine Außenlage- Kernmaterial-Außenlage-Sandwichzusammensetzung zu bilden;
einer ersten Schnittfläche (70) zwischen der ersten Außenlage und dem Kernmaterial, wodurch eine physische Berührung der ersten Außenlage mit dem Kernmaterial möglich wird, und wodurch die erste Außenlage bei Erhitzung und Abkühlung über das Kernmaterial gleiten kann;
einer zweiten Schnittfläche (80) zwischen der zweiten Außenlage und dem Kernmaterial, wodurch eine physische Berührung der zweiten Außenlage mit dem Kernmaterial möglich wird, und wodurch die zweite Außenlage bei Erhitzung und Abkühlung über das Kernmaterial gleiten kann; und
einem Rahmen (50), der das Kernmaterial im wesentlichen umgibt und an den Außenlagen befestigt ist, um zur Definierung der mechanischen Eigenschaften der hybriden Sandwichzusammensetzung beizutragen.
2. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die hybride Sandwichzusammensetzung elektronische Komponenten stützt, die von den elektronischen Komponenten erzeugte Wärme überträgt, und eine hohe Wärmeleitfähigkeit und mechanische Eigenschaften, die vereinzelt ausgewählt werden, um mit den angrenzenden elektronischen Komponenten zusammenzupassen, miteinander vereinigt.
3. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die hybride Sandwichzusammensetzung eine isotrope Wärmeleitfähigkeit in der gleichen Ebene von 1500 W/m-K aufweist.
4. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kernmaterial (20) aus der aus hochgeordnetem pyrolytischen Graphit, unter Druck weichgeglühtem pyrolytischen Graphit und Kunstdiamant bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
5. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß Anspruch 4, wobei das Kernmaterial (20) unter Druck weichgeglühter pyrolytischer Graphit ist.
6. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernmaterial (20) keine strukturelle gegenseitige Beeinflussung auf die Außenlagen (30, 40) aufweist.
7. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenlagen (30, 40) aus mit Graphit verstärktem Aluminium bestehen.
8. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenlagen (30, 40) Graphitfasern auf Pechbasis in einer Aluminiummatrix sind.
9. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (50) aus Aluminium besteht.
10. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (50) mittels Diffusion mit den Außenlagen (30, 40) verbunden wird.
11. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (50) eine Vielzahl von Rippen (60) aufweist.
12. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß Anspruch 11, wobei die Rippen (60) nur eine strukturelle Verbindung zwischen den Außenlagen (30, 40) bereitstellen.
13. Hybride Sandwichzusammensetzung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernmaterial (20) leicht komprimiert wird, um eine physische Berührung der Außenlagen (30, 40) mit dem Kernmaterial sicherzustellen.
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