ITMI991840A1 - Elemento composito a matrice metallica mmc - Google Patents

Description

L ivenzione riguarda un elemento composito a matrice metallica (componente MMC) comprendente un materiale di rinforzo poroso i cui pori sono riempiti con un materiale di infiltrazione scelto dal gruppo dei metalli e delle leghe metalliche.

I compositi a matrice metallica denominati anche MMC, sono materiali nei quali sono presenti un materiale di rinforzo non metallico e un materiale di infiltrazione metallico o semi-metallico annegati uno nell'altro. Il materiale di rinforzo può essere in forma di particelle, fibre o corpi porosi circondati o infiltrati con metalli o semi-metalli. Mediante la scelta del tipo, della forma e della quantità e porosità del materiale di rinforzo nonché del tipo del materiale di infiltrazione si possono variare in corrispondenza le proprietà meccaniche, elettriche e termiche dei materiali ottenuti secondo le esigenze.

Uno dei campi di impiego possibili di tali materiali compositi MMC è l'elettronica o l'elettronica di potenza dove essi vengono usati per lo smaltimento del calore dissipato dai componenti elettronici e quindi da essi vengono prodotti corpi di raffreddamento o supporti di commutazione.

A tale scopo sono necessarie soprattutto le seguenti tre proprietà:

1) elevata conducibilità termica affinchè il calore dissipato ottenuto dall'elemento elettronico possa essere smaltito efficientemente.

2) basso coefficiente di dilatazione termica ossia un coefficiente di dilatazione termica il più possibile analogo al coefficiente di dilatazione termica dell'elemento da raffreddare affinchè l'elemento e il corpo raffreddante fissato su di esso modifichino il più possibile nella stessa misura le loro dimensioni con le variazioni di temperatura e vengano così evitate tensioni termiche nello strato di collegamento tra l'elemento e il corpo raffreddante.

3) bassa densità in modo da avere un peso il più possibile basso del corpo raffreddante/supporto di commutazione. Un altro campo di applicazione dei materiali compositi MMC è quello delle piastre di cottura. In questo caso sulla superficie della piastra MMC opposta alla superficie di appoggio di una pentola è fissato un isolante, per esempio una ceramica come A1203, A1N, Si3N4. Sulla superficie opposta alla piastra MMC dell'isolante è applicata una resistenza elettrica. Anche in questo utilizzo la piastra MMC dovrebbe presentare le tre caratteristiche sopra menzionate: l'elevata conducibilità termica è necessaria per trasferire il calore ottenuto dalla resistenza efficientemente alla pentola, la sovrapposizione ottimale dei coefficienti di dilatazione termica della piastra e dell'isolante assicura che non si formino tensioni termiche che distacchino i due componenti nello strato di unione tra la piastra MMC e l'isolante malgrado variazioni di temperatura e per quanto riguarda la bassa densità si ottiene un basso peso complessivo della piastra di cottura.

Oggetto della presente invenzione è un componente MMC del tipo sopra menzionato che presenta largamente tutte e tre le proprietà nominate, nel quale però si ha un coefficiente di dilatazione termica particolarmente basso che corrisponde in particolare ai coefficienti di dilatazione termica per esempio di A1N e Si.

Secondo l'invenzione ciò si ottiene ottenendo il matriale di rinforzo mediante carburo di silicio ricristallizzato (RSiC).

Grazie alla costruzione strutturale di questo materiale il metallo depositato nei pori non può più deformare il RSiC. Il coefficiente di dilatazione termica dell'intero elemento MMC viene in tal modo dato sostanzialmente dal basso coefficiente di dilatazione termica del RSiC.

Nell'ulteriore elaborazione dell'invenzione si può prevedere che il carburo di silicio ricristallizzato presenti una porosità dal 5 al 40 vol.% preferibilmente dal 10 al 35 vol.% e in particolare dal 20 al 30 vol.%.

Mediante queste differenti porosità può essere anche regolato molto esattamente il coefficiente di dilatazione termica.

Inoltre si può prevedere che il materiale di infiltrazione sia magnesio, zinco, ferro, alluminio, rame o simili o loro leghe.

Questi materiali consentono inoltre di adattarsi alle situazioni e ai requisiti dell'impiego.

Un'ulteriore elaborazione dell'invenzione può essere rappresentata da almeno un corpo fissato sull'elemento MMC.

In tal modo si ottiene in maniera semplice un corpo formato che presenta a zone caratteristiche meccaniche, termiche ed elettriche differenziate.

In questo senso si può prevedere che il corpo sia formato da materiale isolante elettrico, in particoalre da una ceramica come Al203, A1N o simili o da diamante.

Su questo corpo isolante può essere fissato direttamente l'elemento elettronico da raffreddare.

In un'altra realizzazione dell'invenzione si può prevedere che il corpo sia un diamante depositato dalla fase gas sull'elemento MMC mediante processo CVD o PVD.

Il diamante presenta una conducibilità termica particolarmente buona e inoltre mediante la deposizione in fase gas è ottenibile un'unione particolarmente intima tra il corpo del diamante che si forma e l'elemento MMC. Tutto ciò consente che il calore portato sulla superficie opposta all'elemento MMC del corpo del diamante - per esempio mediante un elemento elettronico - venga trasferito efficacemente sull'elemento MMC.

Inoltre il corpo può consistere del materiale di infil-trazione e può essere costruito come pezzo unico con l'elemen-to MMC.

L'elemento MMC e l'elemento fissato su di esso sono in questo caso in intimo contatto che determina un trasferimento del calore particolarmente efficace.

Secondo un'altra realizzazione dell'invenzione, il corpo può presentare un materiale di rinforzo poroso, per esempio RSiC, SiC, ceramica, grafite o simili, i cui pori sono riempiti dal materiale di infiltrazione e che il corpo sia costruito come pezzo unico con l'elemento MMC.

Anche in questo caso è vantaggiosa l'unione intima dell'elemento MMC e del corpo, inoltre le caratteristiche fisiche del corpo possono essere regolate su quelle dell'elemento MMC mediante scelta corrispondente del suo materiale di rinforzo.

L'invenzione viene ora chiarita con riferimento agli allegati disegni:

Fig. 1 rappresenta un elemento elettronico disposto su un supporto di commutazione 3 in prospetto;

Fig. 2 rappresenta un dispositivo per la produzione di un elemento MMC secondo l'invenzione mediante procedimento di infiltrazione con pressione gassosa in sezione e in prospetto;

Fig . 3 rappresenta una sezione verticale attraverso un elemento MMC secondo l'invenzione con corpo 2 fissato su di esso;

Fig . 4a rappresenta l'elemento MMC secondo la fig. 3 nella stessa rappresentazione con un altro corpo 2 configurato diversamente, fissato sull'elemento MMC;

Fig . 4b rappresenta l'elemento secondo la fig. 4a nella medesima rappresentazione dove il corpo 2 contiene il materiale di rinforzo 15';

Fig . 4c rappresenta l'elemento MMC secondo la fig. 4a nella medesima rappresentazione dove è fissato un altro corpo 2' sull'elemento MMC;

Fig . 4d rappresenta una sezione verticale attraverso un elemento MMC secondo l'invenzione ancora nella preforma 12 con diversi corpi 2 fissati su di esso;

Fig . 5a rappresenta una sezione schematica attraverso il materiale di partenza per la preparazioone di RSiC; Fig . 5b rappresenta una sezione schematica attraverso un RSiC finito;

Fig . 6a rappresenta un diagramma in cui sono rappresentati i cefficienti di dilatazione termica Cu, Cu-RSiC, Al-RSiC, Al-Sic, AlN e Si in dipendenza della temperatura;

Fig. 6b rappresenta un diagramma in cui sono rappresentati i coefficienti di dilatazione termica di Al-RSiC, Cu-RSiC, A1N e Si in dipendenza della temperatura. Oggetto dell'invenzione è un componente a matrice metallica (componente MMC) comprendente un materiale di rinforzo poroso i cui pori sono riempiti con un materiale di infiltrazione 14 scelto nel gruppo dei metalli e delle leghe metalliche. Tali componenti MMC sono già noti, essi hanno un basso peso ed elevata resistenza meccanica per cui vengono impiegati per esempio nella tecnica aerospaziale. Altre caratteristiche positive sono il loro basso coefficiente di dilatazione termica con contemporanea elevata conducibilità termica in modo che possono essere impiegati come corpi raffreddanti, come supporti di commutazione negli scambiatori di calore o in altre applicazioni termiche, in particolare per le piastre di cottura.

Un elemento composito a matrice metallica secondo l'invenzione è caratterizzato dal fatto che il suo materiale di rinforzo è costituito da carburo di silicio ricristallizzato (RSiC).

E' noto l'impiego di Sic "normale" come materiale di rinforzo di MMC. Questo SiC "normale" di seguito denominato Sic, si trova in forma di corpi singoli come fibre, particelle, wisker, piastre, circondate dal materiale di infiltrazione oppure in forma di un corpo formato poroso i cui pori sono riempiti dal materiale di infiltrazione.

Un corpo poroso di questo tipo viene ottenuto mescolando polvere di Sic di determinata grandezza dei granuli con additivi di sinterizzazione, compresso in bricchetti e sinterizzato. La sinterizzazione può essere effettuata con vari procedimenti come per esempio sinterizzazione senza pressione, con pressione a caldo, con pressione isostatica calda, post-compattazione isostatica a caldo o simile. In ciascuno di questi procedimenti le particelle singole di SiC vengono dapprima unite assieme lungo i confini dei granuli. Si arriva quindi alla formazione di uno scheletro di pori assemblato dove le particelle di SiC originarie perdono gradatamente la loro identità. Avviene un ritiro, cioè le dimensioni geometriche dei bricchetti diminuiscono e si ha la formazione di nuovi confini tra i granuli. Con l'ulteriore prosieguo della sinterizzazione si ha un ulteriore ritiro per cui gli spazi dei pori esistenti tra le particelle di Sic vengono chiusi, la densità del bricchetto aumenta e si ottiene un bricchetto compatto quasi al 100%.

Un corpo formato costituito da SiC ricristallizzato (RSiC) possiede al contrario una costruzione strutturale completamente diversa che deriva dal meccanismo di sinterizzazione completamente diverso usato per la sua preparazione:

il prodotto di partenza per RSiC è parimenti la polvere di RSiC la quale però presenta una determinata distribuzione dei granuli. Particolarmente vantaggiosa si è dimostrata una distribuzione dei granuli bimodale. La polvere presenta da una parte granuli con dimensioni relativamente grandi (per esempio intorno a lOOpm) e dall "altra granuli con dimensioni molto piccole che arrivano fino alla zona submicronica (dimensione minore di lyim). I piccoli granuli si depositano prevalentemente negli interstizi dei granuli grossi. A diffrerenza della sinterizzazione di Sic non vengono impiegati additivi di sinterizzazione .

In fig. 5a si notano entrambe le grandezze dei granuli dove sono denominati con 20 i granuli grossi e con 21 i granuli piccoli depositati negli interspazi dei granuli grossi 20. Questa distribuzione dei granuli bimodale è importante per il processo di sinterizzazione che porta a RSiC il quale viene condotto a temperature oltre i 2200°C e in atmosfera controllata e dove non si notano anche i più piccoli fenomeni di ritiro a differenza della sinterizzazione del Sic.

La mancanza di ritiro deriva dal fatto che durante la sinterizzazione le particelle della frazione fine di granuli evaporano a causa della .loro elevata energia superficiale e quindi condensano dalla fase gas sui punti di contatto delle particelle grosse. Nel corpo sinterizzato finito la frazione di granuli fini non è più rilevabile. Con la condensazione le particelle grosse crescono una vicina all'altra per cui si formano confini di granuli comuni e si ottiene un rafforzamento. Questa crescita dei granuli non è però una nuova formazione di cristalli per cui il concetto da tempo introdotto di "Sic ricristallizzato" non descrive in maniera appropriata il procedimento di sinterizzazione. Con la crescita dei granuli ha luogo una feltratura dei cristalli di Sic di modo che i singoli cristalli presentano un'unione di Sic resistente.

La fig. 5b presenta una sezione di un corpo RSiC prodotto in tale modo dove le posizioni scure 22 tra i granuli grossi 20 rappresentano pori.

Il carburo di silicio ricristallizzato (RSiC) impiegato come materiale di rinforzo di un elemento MMC secondo l'invenzione presenta una porosità da 5 a 40 voi. % dove gli intervalli da 10 a 35 voi. % e in particolare da 20 a 30 voi. % si sono dimostrati particolarmente vantaggiosi.

Si può impiegare anche Sic con tali valori di porosità, tuttavia esiste una differenza riguardo alla qualità di questa porosità, una differenza notevole per l'applicazione come materiale di rinforzo in un corpo MMC, tra SiC e RSiC impiegato secondo 1'invenzione:

nella sinterizzazione di Sic si ha come descritto sopra un ritiro che determina una compressione delle singole particelle di SiC e con ciò un rimpicciolimento dei pori presenti tra le particelle di SiC. I pori dell'SiC diventano così relativamente stretti per cui essi possono essere riempiti con materiale di infiltrazione soltanto con grande dispendio. Il restringimento dei pori può anche portare alla chiusura dei pori per cui diventano inaccessibili dall'esterno. Questi pori chiusi non possono essere più riempiti con materiale di infiltrazione data la loro inaccessibilità; essi rappresentano nell'elemento MMC finito soltanto punti deboli del materiale che abbassano la resistenza di questo elemento.

L'RSiC impiegato come materiale di rinforzo secondo l'in-venzione è ottenuto come chiarito sopra con una sinterizzazione esente da ritiri per cui non si ha in questo caso il restringimento dei pori che si formano tra le particelle grandi di Sic. RSiC presenta perciò pori di gran lunga più grossi rispetto a Sic per cui questi pori possono essere riempiti con metallo di infiltrazione con minore dispendio.

Inoltre i pori non vengono chiusi in ogni caso nel RSiC, RSiC presenta dunque una porosità aperta (denominata anche porosità a canale). Grazie a questa porosità aperta tutti pori possono essere riempiti con metallo di infiltrazione, non rimangono pori non riempiti determinanti i punti deboli del materiale nell'elemento MMC.

Il ritiro che si ha nel Sic sinterizzato che in base all'intensità della sinterizzazione può arrivare al 40% (in base all'elemento) e.la variazione delle dimensioni geometriche dei bricchetti SiC che ne deriva ha in particolare l'ulteriore svantaggio che il corpo Sic non può essere ottenuto con grande esattezza di dimensioni. Anche il ritiro stesso non avviene nella stessa misura (geometria variabile) a parità di parametri di sinterizzazione (stessa temperatura, stessa velocità di aumento o diminuzione di temperatura, stessa durata di sìnterizzaizone) per cui difficilmente si ottiene una produzione in serie riproducibile di elementi Sic.

Nel caso di RSiC questo ritiro non avviene per cui non si hanno gli svantaggi connessi.

Un campo di applicazione interessante di questi elementi MMC è quello elettronico o elettronico di potenza. Con il crescente sviluppo degli elementi dell'elettronica di potenza questi presentano sempre più elevata potenza di commutazione per cui aumenta anche la produzione di calore dissipato da smaltire. Per consentire un efficiente e rapido smaltimento di questo calore dissipato gli elementi elettronici devono essere installati su supporti di commutazione che consistono di materiali sempre migliori conduttori termici.

La fig. 1 rappresenta schematicamente una tale costruzione. L'elemento elettronico 1 è un chip di silicio che è montato su un corpo 2 in ceramica isolante elettrica. Questo corpo ceramico 2 è unito con il supporto di commutazione 3. Nella fig. 4c una struttura di raffreddamento è inoltre stampata assieme al supporto di commutazione 3.

Assieme al buon smaltimento termico il supporto di commutazione 3 deve presentare anche un coefficiente di dilatazione termica che sia simile o meglio uguale a quello dell'elemento da raffreddare o come i coefficienti di dilatazione dei componenti rimanenti uniti con il supporto di commutazione 3 (corpo ceramico 2). Se non si soddisfa questo requisito il supporto di commutazione 3 e l'elemento elettronico 1 presentano coefficienti di dilatazione termica diversi per cui si hanno tensioni termiche con le variazioni di temperatura nella costruzione la qual cosa può portare a una separazione dell'unione tra elemento 1 e supporto di commutazione 3 e di seguito a sovraccarico termico dell'elemento 1.

Un altro campo di applicazione degli elementi MMC è la preparazione di piastre di cottura. In questo caso analogamente al supporto di commutazione 3 discusso viene fissato un isolante, preferibilmente una ceramica come A1203, AlN, Si3N4, su una piastra MMC formante la superficie di cottura che porta una resistenza. Anche in questo caso il coefficiente di dilatazione termica della piastra MMC dovrebbe essere il più possibile vicino al coefficiente di dilatazione termica dell'isolante per evitare tensioni termiche nella costruzione.

Fino ad ora è stato prevalentemente impiegato ossido di alluminio per la preparazione del corpo ceramico 2. Poiché questa ceramica possiede una conducibilità termica piuttosto bassa e non può quindi smaltire efficacemente il calore ottenuto nell'elemento elettronico 1, si passa all'impiego di nitruro di alluminio come materiale isolante. I dati fisici principali sono riportati in tabella.

Tabella 1: dati fisici di ceramiche e diamante

Materiale Densità in Conducibilità Coefficiente di g/cm<3 >termica in dilatazione ter-W/mK mica in 10<'6>/K

Per ragioni di tossicità l'ossido di berillio viene usato solo in applicazioni speciali.

Poiché le ceramiche AlN hanno un coefficiente di dilatazione termica sostanzialmente più basso delle ceramiche A1203 finora impiegate, i cicli di commutazione degli elementi 1 diventano sempre più brevi .(per cui si manifestano viariazioni di temperatura più rapide e più frequenti) la combinazione con il rame metallico impiegato nel supporto di commutazione 3 non è più possibile:

il coefficiente di dilatazione del rame è circa 17 x 10<'6>/K, quello di AlN è soltanto circa 3,7 x 10<'6>/K, la qual cosa porta a diffrerenze di dilatazione non tollerabili. Questa differenza dei coefficienti di dilatazione risulta chiara dalla fig. 6 dove sono rappresentati tra l'altro i coefficienti di dilatazione termica (Coefficients of Thermal Expansion, CTE) del rame e di AlN in dipendenza della temperatura dell'ambiente.

E' opportuno quindi sostituire il rame finora impiegato

con un altro materiale che presenti una dilatazione termica bassa simile alla ceramica isolante A1N e al materiale dell'elemento Si, contemporaneamente una elevata conducibilità termica per uno smaltimento efficiente del calore dissipato prodotto dall'elemento 1 e una densità ridotta per avere un peso complessivo basso. I metalli o le loro leghe presentano sempre valori ottimali soltanto per uno o due di questi tre parametri (elevata conducibilità termica, bassa dilatazione termica e densità ridotta). Nella seguente tabella 2 sono raccolti i corrispodnenti confronti: per esempio il rame possiede una elevata conducibilità termica ma anche una elevata dilatazione termica e una alta densità. Il molibdeno presenta una conducibilità termica relativamente elevata e una dilatazione molto bassa ma ha però un'alta densità.

Tabella 2: raccolta di dati di alcuni metalli o compositi me tallici

Materiale Densità in Conducibilità Coefficiente di g/cm<3 >termica in dilatazione ter W/mK mica in 10<'S>/K

Un materiale noto che soddisfa relativamente bene i tre requisiti è un composito a matrice metallica (MMC) a cui si riferisce anche la presente invenzione.

Come si vede dalla tabella 2 e dalla fig. 6 un componente MMC il cui materiale di rinforzo è SiC e il cui metallo di infiltrazione è alluminio (un tale materiale denominato Al-SiC) presenta un coefficiente di dilatazione termica che è chiaramente più vicino a quelli AlN e Si. Anche la conducibilità termica e la densità presentano valori soddisfacenti.

Tuttavia si nota una notevole differenza tra il coefficiente di dilatazione termica di Al-SiC, AlN e Si per cui in

una disposizione secondo la fig. 1 con variazioni di temperatura insorgono tensioni nelle unioni tra lelemento silicio 1, lo strato isolante A1N 2 e il supporto di commutazione 3 formato da Al-Sic.

Se al contrario in un componente MMC il materiale di rinforzo è formato secondo l'invenzione da carburo di silicio ricristallizzato (RSiC) questo elemento presenta un coefficiente di dilatazione termica che è ancora più vicino a quelli di A1N e Si (vedi fig. 6a dove sono rappresentati i coeffi-cienti di dilatazione termica per RSiC infiltrato con Al e Cu). Se il supporto di commutazione 3 è formato da un elemento MMC rinforzato con RSiC secondo l'invenzione, si hanno nella costruzione della fig. 1, tensioni notevolmente inferiori al variare della temperatura la qual cosa porta a una durata maggiore e a una più elevata affidabilità.

Come si vede dalla fig. 6a e ancora più dalla fig. 6b, Al-RSiC e Cu-RSiC presentano un coefficiente di dilatazione termica similmente basso. Questi coefficienti di dilatazione termica praticamente uguali, malgrado il metallo di infiltrazione diverso, possono essere spiegati come segue:

come già discusso nel procedimento di preparazione di RSiC le singole particelle di SiC sono legate tra loro mediante legami resistenti SiC. Grazie alla costruzione strutturale del RSiC un corpo poroso RSiC presenta una resistenza così elevata che esso da solo determina il coefficiente di dilatazione termica dell'intero componente MMC. Il metallo di infriltrazione depositato nei pori del corpo RSiC non è in grado di deformare il corpo RSiC mediante le variazioni di volume che il metallo subisce con le variazioni di temperatura. Per tale ragione si ottiene un coefficiente di dilatazione termica similmente basso del componente MMC che si ottiene anche usando altri metalli di infiltrazione come per esempio magnesio, zinco, ferro, cromo o simili o leghe di infiltrazione come per esempio Al-Si7Mg.

Si dovrebbe dedurre che il metallo di infiltrazione con l'aumento delle temperature a seguito dell'aumento di volume possa fuoriuscire un po' dalla struttura RSiC in quanto esso non può deformarla. Sorprendentemente ciò non avviene, il corpo RSiC mantiene il metallo di infiltrazione all'interno dei suoi pori anche con l'aumento di temperatura e il coefficiente di dilatazione rimane praticamente costante.

L'effetto del requisito dei coefficienti di dilatazione termica quasi esclusivamente mediante il materiale di rinforzo non viene osservato nel caso di Sic fino ad ora impiegato: se SiC è in forma di polvere o di fibre questo Sic non può contrapporre alcuna resistenza alle dilatazioni del metallo di infiltrazione poiché le sue particelle singole non sono legate una con l'altra. Nel caso di un corpo formato SiC sinterizzato poroso, il legame che si ottiene con la sinterizzazione delle singole particelle non è così resistente come nel caso di RSiC in modo che il metallo di infiltrazione depositato nei pori di SiC può muovere assieme ad esso Sic col variare del volume in dipendenza della temepratura. Il coefficiente di dilatazione termica viene così determinato nei componenti MMC noti rinforzati con SiC in maniera rilevante dal metallo di infiltrazione impiegato.

Il coefficiente di dilatazione termica dei componenti MMC rinforzati con i corpi formati SiC noti può essere ridotto sinterizzando in maniera più spinta il corpo formato SiC prima dell'infiltrazione. In questa sinterizzazione più spinta si ha però il problema già discusso che i pori di SiC diventano più stretti e quindi sono riempibili col metallo di infiltrazione con maggior dispendio o che i pori vengono chiusi, cioè non sono più accessibili dall'esterno, per cui non si possono più riempire col metallo di infiltrazione.

D'altra parte con la sinterizzazione più spinta dei corpi formati SiC non si possono avere coefficenti di dilatazione così bassi come nell'applicazione secondo l'invenzione di RSiC. In aggiunta diminuisce anche la conducibilità termica poiché meno metallo può essere depositato nel corpo formato SiC.

Il matriale di infiltrazione 14 determina in un componente MMC rinforzato con RSiC i parametri della conducibilità termica e la densità per cui entrambi questi parametri sono regolabili mediante una corrispondente scelta del materiale di infiltrazione 14.

Il materiale di infiltrazione 14 impiegato può essere scelto in base all'applicazione per esempio possono essere impiegati magnesio, zinco, ferro o simili mentre i metalli alluminio e rame e le loro leghe, come per esempio AlSi7Mg, sono preferiti soprattutto per l'applicazione del componente MMC secondo l'invenzione come corpo di raffreddamento o supporto di commutazione per lo smaltimento del calore.

La preparazione di un componente MMC secondo l'invenzione avviene mediante uno qualsiasi dei procedimenti di infiltra-zione noti, per esempio possono essere impiegati un processo di colata a pressione, uno squeeze-casting, infiltrazione a pressione di gas oppure infiltrazione senza pressione o spontanea.

Per tutti questi procedimenti è comune il fatto che il materiale di infiltrazione 14 viene dapprima fluidificato mediante calore e quindi spinto nei pori del materiale di rinforzo. Questa spinta all'interno avviene esercitando una pressione di un pistone (squeeze-casting) o la pressione di un gas sul materiale di infiltrazione 14 fluidificato oppure avviene da sola poiché il materiale di infiltrazione 14 è messo in contatto con sostanze che diminuiscono la tensione superficiale del materiale di infiltrazione in maniera tale che questo può gocciolare nei pori del materiale di rinforzo (infiltrazione spontanea).

A titolo di esempio viene descritto più in dettaglio con l'aiuto della fig. 2 il procedimento di infiltrazione a pressione di gas preferibilmente impiegato. Con 11 viene denomina-ta la disposizione che può essere usata per la preparazione di un componente MMC secondo l'invenzione. All'interno della disposizione 11 si trova un supporto di preforma 12 per il ricevimento della preforma 13. La preforma 13 consiste nel materiale di rinforzo costituito da RSiC disposto nella maniera desiderata. Il complesso di questa disposizione è sistemato in un crogiolo 6. La disposizione 11 è chiudibile con l'ausilio del coperchio 7 in modo che la pressione di una fonte di pressione 10 può essere applicata alla disposizione. Sui bordi 2 del supporto della preforma si trova un blocco o una riserva di materiale di infiltrazione 14 da fluidificare. Mediante il riscaldamento 5 il materiale di infiltrazione 14 viene fluidificato e compresso sotto pressione nella preforma 13; il riscaldamento 5 viene quindi disinserito e il materiale di infiltrazione 14 viene fatto indurire sotto pressione. Prima della fluidificazione del materiale di infiltrazione 14 si può eliminare l'aria dalla disposizione 11 per cui l'aria che si trova nei pori della preforma 13 viene allontanata.

Secondo una variante di questo procedimento, il riscaldamento 5 può essere omesso, il materiale di infiltrazione 14 fuso al di fuori della disposizione 11 e applicato allo stato fuso sulla preforma 13.

Un componente MMC secondo l'invenzione può essere applicato in tutti i campi di possibile applicazione, dove sono necessari componenti di elevata resistenza e/o elevata conducibilità termica e/o bassa dilatazione termica con contemporaneo basso peso. La sua forma geometrica e il tipo di materiale di infiltrazione 14 possono essere scelti secondo le esigenze dell'applicazione.

Particolarmente vantaggioso è l'impiego del materiale MMC secondo l'invenzione nei componenti elettrici o elettronici. La fig. 1, già menzionata all'inizio, mostra un campo di impiego. Si riconosce un componente elettronico 1 in forma di un chip di silicio che si trova su un supporto di commutazione 3 con l'ausilio di un corpo 2 costituito da ceramica isolante. Questo supporto di commutazione 3 è costituito da un componente MMC secondo l'invenzione.

Il corpo 2 è fissato sul componente MMC mediante procedimenti di incollaggio usuali come per esempio saldatura, incollatura o simili, ma potrebbe essere anche fuso insieme al componente MMC.

In particolare l'unione intima si può ottenere mettendo il corpo 2 nell'inserimento del materiale di infiltrazione 14 del materiale di rinforzo 15 assieme a questo nella forma di colata usata per l'attuazione del procedimento di infiltrazione la quale è stata denominata sopra come supporto della preforma 12 in relazione alla spiegazione della figura 2.

La fig. 3 mostra una sezione attraverso un tale componente MMC che presenta il corpo 2 fuso su esso. I tratti 14' del materiale di infiltrazione 14 che circondano il corpo 2 rappresentati da strisce non devono essere presenti. Essi possono essere levati via dopo la preparazione del componente MMC del tutto o in parte con formazione di una struttura oppure il corpo 2 può essere scoperchiato in queste zone in modo che questi pezzi tratteggiati 14' del materiale di infiltrazione 14 non si formino addirittura. In particolare nell'impiego del componente MMC secondo la fig. 1 questa eliminazione oppure il fatto di evitare i pezzi 14' è necessario per avere un isolamento elettrico del componente elettronico 1 dal supporto di commutazione 3.

In fig. 3 viene rappresentato schematicamente come il materiale di infiltrazione 14 e il materiale di rinforzo 15 penetrano uno nell'altro.

Un'ulteriore applicazione di un componente MMC secondo l'invenzione è per la preparazione di piastre di cottura per esempio per cucine domestiche. In questo caso il componente MMC costituisce la piastra su cui appoggiare una pentola, presenta sulla superficie opposta alla superficie di appoggio un isolante su cui è fissata una resistenza elettrica. Una tale piastra di cottura è quindi un componente MMC con il corpo 2 fissato su di esso come rappresentato in fig. 3.

Il corpo 2 fissato sul componente MMC può essere fatto di qualsiasi materiale come per esempio metallo, semi-metall simili, per l'applicazione della fig. 1 e per l'impiego in una piastra di cottura esso deve essere tuttavia un isolante elettrico. Come già detto il corpo 2 è formato preferibilmente da una ceramica, esempi di questa possono essere A1203, A1N o simili.

Nell'applicazione preferita in fig. 1 la combinazione di un componente MMC il cui materiale di infiltrazione 14 è alluminio o una lega di alluminiò, come per esempio AlSi7Mg con un corpo 2 in A1N è particolarmente adatta poiché entrambi 1 materiali posseggono simili bassi coefficienti di dilatazione, simile elevta conducibilità termica e una bassa densità.

Particolarmetne interessante a questo riguardo è il corpo 2 formato da diamante. Questo materiale, come si vede dalla tabella 1, possiede una conducibilità termica prticolarmente elevata e un coefficiente di dilatazione termica che è particolarmente simile a quello del RSiC infiltrato con alluminio. Il fissaggio di un corpo 2 in diamante sul componente MMC può avvenire parimenti mediante incollaggio, fusione o simili, particolarmente vantaggiosa è la preparazione del corpo 2 in diamante mediante separazione dalla fase gas dove il diamante si deposita direttamente sul componente MMC.

Questo deposito avviene mediante i procedimenti noti, per esempio CVD, CVD a filamento caldo oppure CVD a plasma, come per esempio CVD a microonde, plasma-jet o simili, oppure il procedimento PVD .

Le figure 4a,b mostrano due ulteriori possibilità per la preparazione del corpo 2 fissato sul componente MMC. Nella fig. 4a il corpo 2 è costituito dallo stesso materiale di in-filtrazione 14 ed è formato a pezzo unico con il componente MMC. Il corpo 2 rappresenta quindi una forma unica,con il componente MMC che viene preparato contemporaneamente al componente MMC. A tale scopo viene usato uno stampo o un supporto di preforma 12 il cui spazio di ricevimento per il materiale di rinforzo 15 presenta un'incavatura contigua ad esso la quale incavatura corrisponde alla forma del corpo 2 da stampare. Se il materiale di infiltrazione fluidificato 14 viene portato nello stempo di fusione o nel supporto di preforma 12 esso riempie da una parte il materiale di rinforzo 15 e dall'altra parte riempie l'incavatura per il corpo 2 da stampare.

La forma geometrica di questo corpo 2 costampato può essere scelta liberamente come parimenti la forma del corpo 2 che consiste di altri materiali. Come indicto in fig. 4a. il corpo 2 potrebbe per esempio presentare alette di raffreddamento .

Il corpo 2 rappresentato in fig. 4b presenta, parimenti a quello secondo la fig. 4a, una forma unica con il componente MMC, il corpo 2 tuttavia, come il componente MMC, contiene il materiale di rinforzo poroso 15' i cui pori sono riempiti dal meteriale di infiltrazione 14. La preparazione di un componente MMC con tale corpo 2 avviene parimenti mediante una forma di stampaggio che presenta, oltre allo spazio di ricevimento del materiale di rinforzo 15, un'incavatura secondo la forma del corpo 2. In questa incavatura viene tuttavia inserito materiale di rinforzo 15' come per esempio.RSiC, fibre ceramiche o di grafite, particelle di Sic, A1N, A1203 o simili, il materiale di rinforzo 15' essendo circondato o attraversato dal materiale di infiltrazione 14.

Invece del corpo 2 unico rappresentato possono essere fissati sul componente MMC più corpi 2, i quali corpi 2 possono essere formati dallo stesso o da diversi materiali. A questo riguardo, come rappresentato in fig. 4c, potrebbe essere fissato su una superficie del componente MMC un primo corpo 2 ottenuto come forma unica e avente la forma di un corpo di raffreddamento e su un'altra superficie del componente MMC, un secondo corpo 2' in materiale isolante sul quale è applicabile un componente elettronico da raffreddare.

Inoltre è possibile prevedere diversi corpi 2 fissati sul componente MMC che sono forme uniche con il componente MMC formate dal materiale di infiltrazione 14. La fig. 4d mostra una sezione di un tale componente MMC in un supporto di preforma 12 in più parti dove il corpo 2 è formato da alette di raffreddamento quadrate o noduli di raffreddamento cilindrici. Si vedano in questo caso le incavature 16 menzionate nel supporto di preforma 12 all'interno delle quali viene formato il corpo 2 costampato. Tra le incavature 16 il supporto di preforma 12 presenta nervature 17. Durante il raffreddamento al termine del procedimento di infiltrazione, i corpi 2 e il componente MMC si ritirano per cui diminuisce la distanza tra i corpi 2.

Con il SiC usato tradizionalmente il componente MMC presenta un coefficiente di dilatazione termica relativamente elevato, la qual cosa porta al fatto che il componente MMC si ritira così fortemente nel supporto di preforma 12 durante il raffreddamento che le nervature 17 dei corpi 2 vicini si incastrano. Il componente MMC si ritira in tal modo sul supporto di preforma 12 e non può essere staccato dallo stampo se non con elevato dispendio.

Un componente MMC rinforzato con RSiC secondo l'invenzione si ritira invece in maniera molto meno spinta, non avviene il ritiro del componente sul supporto di preforma 12 e quindi esso può essere staccato facilmente dallo stampo.

Il fissaggio di almeno un corpo 2 sul componente MMC è stato discusso in relazione all'applicazione del corpo MMC come supporto di commutazione o corpo di raffreddamento, tuttavia un tale corpo 2 può essere utilizzato anche in altre applicazioni del componente MMC secondo l'invenzione.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Componente composito a matrice metallica (componente MMC) comprendente un materiale di rinforzo poroso (15) i cui pori sono riempiti con un materiale di infiltrazione (14) scelto dal gruppo dei metalli e delle leghe metalliche, caratterizzato dal fatto che il materiale di rinforzo (15) è costituito da carburo di silicio ricristallizzato (RSiC).
2. 2. Componente MMC secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il carburo di silicio ricristallizzato presenta una porosità da 5 a 40 vol.%, preferibilmnete da 10 a 35 vol.%, in particoalre da 20 a 30 vol.%.
3. 3. Componente MMC secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il materiale di infiltrazione (14) è formato da magnesio, zinco, ferro, alluminio, rame, silicio o simili o loro leghe.
4. 4. Componente MMC secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato da almeno un corpo (2) fissato sul componente MMC.
5. 5. Componente MMC secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il corpo (2) è costituito da materiale isolante elettrico in particolare da una ceramica come per esempio A1203, A1N o simili o da diamante.
6. 6. Componente MMC secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il corpo (2) è un diamante depositato dalla fase gas sul componente MMC per esempio mediante un procedimento CVD oppure PVD.
7. 7. Componente MMC secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il corpo (2) è costituito dal materiale di infiltrazione (14) ed è in corpo unico con il componente MMC.
8. 8. Componente MMC secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il corpo (2) presenta un materiale di rinforzo poroso (15') come per esempio RSiC, Sic, ceramica, grafite o simili, i cui pori sono riempiti dal materiale di infiltrazione (14) e che il corpo (2) è formato come pezzo unico con il componente MMC.