DE102017216290A1 - Composite material and process for its production - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, umfassend eine metallische Matrix, in die eine Füllstoffkomposition eingebettet ist, wobei die Füllstoffkomposition weniger als 70 Vol.-% des Verbundwerkstoffs ausmacht und Kohlenstofffasern und Graphit umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs. Auf diese Weise ist es möglich, einen Werkstoff und ein Bauteil bereitzustellen, die eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit bei einer möglichst geringen thermischen Ausdehnung aufweisen.The invention relates to a composite material comprising a metallic matrix in which a filler composition is embedded, the filler composition comprising less than 70% by volume of the composite material and comprising carbon fibers and graphite. The invention also relates to a method for producing a composite material. In this way it is possible to provide a material and a component which have the highest possible thermal conductivity with the lowest possible thermal expansion.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, einen Kühlkörper, ein elektronisches Bauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach Anspruch 13.The invention relates to a composite material according to claim 1, a heat sink, an electronic component and a method for producing a composite material according to claim 13.

Zur Kühlung von elektronischen Bauteilen werden regelmäßig Metalle eingesetzt, z.B. Kupfer oder Aluminium, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und leicht verarbeitet werden können. Allerdings weisen Metalle üblicherweise große thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, die regelmäßig um einen Faktor vier bis acht über dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Halbleiters liegt.For cooling of electronic components metals are regularly used, e.g. Copper or aluminum, which have high thermal conductivity and can be easily processed. However, metals usually have large coefficients of thermal expansion, which is regularly a factor of four to eight higher than the thermal expansion coefficient of a semiconductor.

Aus der beim Betrieb eines Halbleiterbauelements des elektronischen Bauteils entstehenden Wärme folgen daher thermische Verspannungen zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper. Derartige Verspannungen begrenzen in vielen Anwendungen die Lebensdauer des elektronischen Bauteils. Dies spielt besonders bei Hochleistungsbauelementen eine Rolle, etwa in Form von Laserdioden oder Gleichrichtern.From the resulting during operation of a semiconductor device of the electronic component heat therefore follow thermal stresses between the semiconductor device and the heat sink. Such tensions limit the life of the electronic component in many applications. This plays a role especially in high performance devices, such as in the form of laser diodes or rectifiers.

Um die genannten Verspannungen zu minimieren, ist es bekannt, für den Wärmetransport zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbauelement eine Wärmeleitpaste aufzutragen, um so eine relative Bewegung zwischen den Komponenten zu erlauben. Wärmeleitpasten unterliegen jedoch häufig einem Alterungsprozess und machen zudem einen zusätzlichen und fehleranfälligen Arbeitsschritt bei der Herstellung elektronischer Produkte nötig. Darüber hinaus ist der effizienteste Wärmetransport regelmäßig nur durch einen direkten Kontakt zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbauelement möglich.In order to minimize said strains, it is known to apply a thermal grease to the heat transfer between the heat sink and the semiconductor device so as to allow relative movement between the components. However, thermal compounds often undergo an aging process and also require an additional and error-prone process in the manufacture of electronic products. In addition, the most efficient heat transfer is regularly possible only by a direct contact between the heat sink and the semiconductor device.

Zwar sind verschiedene Materialien bekannt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit (größer als 200 W/(m·K)) und gleichzeitig eine kleine thermische Ausdehnung (kleiner oder gleich 5×10-6 1/K) aufweisen. Allerdings sind diese Materialien entweder zu brüchig und porös, wie bestimmte Keramiken, oder sehr kostspielig und schwer zu verarbeiten, wie Diamant.Although various materials are known which have a high thermal conductivity (greater than 200 W / (m · K)) and at the same time a small thermal expansion (less than or equal to 5 × 10 -6 1 / K). However, these materials are either too brittle and porous, like certain ceramics, or very costly and difficult to process, like diamond.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Werkstoff und ein Bauteil bereitzustellen, die eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit bei einer möglichst geringen thermischen Ausdehnung aufweisen.The invention is based on the problem of providing a material and a component which have the highest possible thermal conductivity with the lowest possible thermal expansion.

Gelöst wird dieses Problem durch einen Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1.This problem is solved by a composite material according to claim 1.

Danach ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff eine metallische Matrix umfasst, in die eine Füllstoffkomposition eingebettet ist, wobei die Füllstoffkomposition eine Mischung aus Kohlenstofffasern und Graphit umfasst und weniger 70 Vol.-% des Verbundwerkstoffs ausmacht.Thereafter, it is contemplated that the composite comprises a metallic matrix embedded with a filler composition, wherein the filler composition comprises a blend of carbon fibers and graphite and constitutes less than 70% by volume of the composite.

Ein derartiger Verbundwerkstoff kann eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit bei einer gleichzeitig besonders geringen thermischen Ausdehnung und einer niedrigen Dichte aufweisen. Zudem ist es möglich, durch eine entsprechende Wahl eines Verhältnisses in Vol.-% von Kohlenstofffasern zu Graphit eine isotrope Wärmeausdehnung zu erzielen. Gleichzeitig kann der Verbundwerkstoff eine für die Verwendung als Kühlkörper ausreichende Zugfestigkeit aufweisen.Such a composite material may have a particularly high thermal conductivity with a simultaneously particularly low thermal expansion and a low density. In addition, it is possible to achieve an isotropic thermal expansion by selecting a ratio in% by volume of carbon fibers to graphite. At the same time, the composite may have sufficient tensile strength for use as a heat sink.

Die metallische Matrix umfasst zumindest ein Metall, insbesondere eine Legierung. Optional besteht die metallische Matrix zu einem überwiegenden Anteil oder vollständig aus einem Metall oder einer Legierung.The metallic matrix comprises at least one metal, in particular an alloy. Optionally, the metallic matrix consists predominantly or entirely of a metal or an alloy.

Die Füllstoffkomposition kann Kohlenstofffasern und Graphitkristalle umfassen oder alternativ daraus bestehen.The filler composition may include or alternatively consist of carbon fibers and graphite crystals.

Dabei können die Kohlenstofffasern und das Graphit eine gemeinsame Hauptausrichtungsebene aufweisen. Das bedeutet, dass die Ausrichtung innerhalb der metallischen Matrix nicht willkürlich oder chaotisch vorliegt. Stattdessen liegt eine gewisse Ordnung vor, und zwar in Form einer zumindest teilweisen Ausrichtung der Kohlenstofffasern und Graphitkristalle parallel zu einer gemeinsamen Ebene. Hierdurch kann eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs innerhalb der Hauptausrichtungsebene erzielt werden.The carbon fibers and the graphite may have a common main alignment plane. This means that the orientation within the metallic matrix is not arbitrary or chaotic. Instead, there is some order, in the form of at least partial alignment of the carbon fibers and graphite crystals parallel to a common plane. As a result, a particularly high thermal conductivity of the composite within the main alignment plane can be achieved.

Bevorzugt macht die Füllstoffkomposition zwischen 20 Vol.-% und 65 Vol.-% des Verbundwerkstoffs aus. Besonders gute Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit und der thermischen Ausdehnung können bei einem Anteil der der Füllstoffkomposition von 35 Vol.-% bis 50 Vol.-% des Verbundwerkstoffs erreicht werden.Preferably, the filler composition is between 20% and 65% by volume of the composite. Particularly good properties in terms of thermal conductivity and thermal expansion can be achieved at a proportion of the filler composition of 35 vol .-% to 50 vol .-% of the composite material.

Das Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit kann beispielsweise in einem Bereich von (bezogen auf Vol.-% oder alternativ bezogen auf Gew.-%) 4:1 und 1:4 liegen, insbesondere zwischen 1:1 und 1:4, ganz besonders bei 1:3 oder etwa 1:3. Über das Verhältnis ist die thermische Ausdehnung des Verbundwerkstoffs in drei Raumrichtungen einstellbar. Ein Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit von etwa 1:3 kann zu einer im Wesentlichen isotropen Wärmeausdehnung des Verbundwerkstoffs führen. The ratio of carbon fibers to graphite, for example, in a range of (based on vol .-% or alternatively based on wt .-%) 4: 1 and 1: 4, in particular between 1: 1 and 1: 4, especially at 1: 3 or about 1: 3. About the ratio of the thermal expansion of the composite material in three directions can be adjusted. A ratio of carbon fibers to graphite of about 1: 3 may result in a substantially isotropic thermal expansion of the composite.

Das Graphit kann z.B. in Form von Flockengraphit vorliegen, auch als „graphite flakes“ bezeichnet. Die einzelnen Flocken können jeweils die Form eines Plättchens aufweisen.The graphite may e.g. in the form of flake graphite, also referred to as "graphite flakes". The individual flakes can each have the shape of a small plate.

Die Kohlenstofffasern können auf Pech-Basis hergestellt sein. Diese können im Vergleich mit Kohlenstofffasern auf PAN-Basis (Polyacrylnitril-Basis) eine etwa 100fach höhere Wärmeleitfähigkeit sowie ein größeres E-Modul aufweisen. Die Länge der einzelnen Kohlenstofffasern kann etwa 0,2 bis 0,5 mm betragen.The carbon fibers can be made on a pitch basis. In comparison with PAN-based (polyacrylonitrile-based) carbon fibers, these can have an approximately 100 times higher thermal conductivity and a larger modulus of elasticity. The length of the individual carbon fibers may be about 0.2 to 0.5 mm.

Die metallische Matrix kann ein Leichtmetall umfassen oder daraus bestehen, z.B. wenn der Verbundwerkstoff ein niedriges Gewicht aufweisen soll. Beispielsweise umfasst die metallische Matrix Aluminium oder besteht im Wesentlichen daraus.The metallic matrix may comprise or consist of a light metal, e.g. if the composite is to have a low weight. For example, the metallic matrix comprises or consists essentially of aluminum.

Ferner kann die metallische Matrix eine Legierung umfassen, insbesondere eine Leichtmetalllegierung. Beispielsweise umfasst die metallische Matrix eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung.Furthermore, the metallic matrix may comprise an alloy, in particular a light metal alloy. For example, the metallic matrix comprises an aluminum alloy or a magnesium alloy.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die metallische Matrix Kupfer oder besteht aus Kupfer. Kupfer ist ein besonders guter Wärmeleiter.According to one embodiment, the metallic matrix comprises copper or consists of copper. Copper is a very good conductor of heat.

Optional umfasst die metallische Matrix Silizium. Hierdurch kann die gleiche Wärmeausdehnung mit einem geringeren Graphitgehalt eingestellt werden, was zu einem isotroperen Verhalten des Verbundwerkstoffs führen kann.Optionally, the metallic matrix comprises silicon. As a result, the same thermal expansion can be set with a lower graphite content, which can lead to an isotropic behavior of the composite material.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kühlkörper bereitgestellt, der einen Verbundwerkstoff gemäß einer beliebigen hierin beschriebenen Ausführung umfasst oder daraus besteht.According to one aspect of the invention, there is provided a heat sink comprising or consisting of a composite according to any embodiment described herein.

Ein solcher Kühlkörper kann eine besonders gute thermische Leitfähigkeit aufweisen und gleichzeitig eine besonders niedrige thermische Ausdehnung, sodass sich der Kühlkörper durch eine Erwärmung nur leicht ausdehnt. Durch die Verwendung des Verbundwerkstoffes als Kühlkörper können thermische Spannungen mit einem zu kühlenden Bauteil reduziert oder vermieden werden, was die Lebensdauer des Bauteils erhöhen kann.Such a heat sink can have a particularly good thermal conductivity and at the same time a particularly low thermal expansion, so that the heat sink only expands slightly due to heating. By using the composite material as a heat sink thermal stresses can be reduced or avoided with a component to be cooled, which can increase the life of the component.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektronisches Bauteil bereitgestellt, insbesondere mit einem Halbleiterbauelement, wobei das elektronische Bauteil den Verbundwerkstoff gemäß einer beliebigen hierin beschriebenen Ausführung umfasst, insbesondere in Form eines Kühlkörpers.According to a further aspect of the invention, an electronic component is provided, in particular with a semiconductor component, wherein the electronic component comprises the composite material according to any embodiment described herein, in particular in the form of a heat sink.

Durch die Verwendung des Verbundwerkstoffes bei dem elektronischen Bauteil können thermische Spannungen, insbesondere zwischen dem Verbundwerkstoff und dem Halbleiterbauelement, reduziert oder sogar vermieden werden.By using the composite material in the electronic component, thermal stresses, in particular between the composite material and the semiconductor component, can be reduced or even avoided.

Das eingangs genannte Problem wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs gelöst. Das Verfahren kann insbesondere dazu ausgebildet sein, den Verbundwerkstoff gemäß einer beliebigen hierin beschriebenen Ausführung herzustellen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:The problem mentioned at the outset is also solved by a method for producing a composite material. In particular, the method may be configured to fabricate the composite according to any embodiment described herein. The method comprises the following steps:

In einem Schritt wird eine Mischung bereitgestellt, die ein metallisches Matrixmaterial, Kohlenstofffasern und Graphit (insbesondere in Form von Flockengraphit) umfasst. Die Kohlenstofffasern und das Graphit stellen die Füllstoffe dar und machen gemeinsam bevorzugt weniger als 70 Vol.-% des späteren Verbundwerkstoffs aus, z.B. 20 Vol.-% bis 65 Vol.-%, insbesondere 35 Vol.-% bis 50 Vol.-%. Für die Bereitstellung der Mischung wird ein Anteil der Füllstoffe im späteren Verbundwerkstoff in den vorgenannten Bereichen vorgegeben, z.B. 50 Vol.-%. Anhand der jeweiligen Dichte des Matrixmaterials, der Kohlenstofffasern und des Graphits werden die entsprechenden Gewichtsverhältnisse oder - anteile des Matrixmaterials, der Kohlenstofffasern und des Graphits bestimmt. Die Mischung wird dann mit diesen Gewichtsverhältnissen bereitgestellt.In one step, a mixture is provided which comprises a metallic matrix material, carbon fibers and graphite (in particular in the form of flake graphite). The carbon fibers and graphite are the fillers and together preferably account for less than 70% by volume of the later composite, e.g. 20 vol.% To 65 vol.%, Especially 35 vol.% To 50 vol.%. For the provision of the mixture, a proportion of the fillers in the later composite in the aforementioned ranges is specified, e.g. 50% by volume. The respective weight ratios or proportions of the matrix material, the carbon fibers and the graphite are determined on the basis of the respective density of the matrix material, the carbon fibers and the graphite. The mixture is then provided at these weight ratios.

Das Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit in der Mischung liegt (in Gew.-%) z.B. zwischen 4:1 und 1:4, insbesondere zwischen 1:1 und 1:4, insbesondere bei etwa 1:3.The ratio of carbon fibers to graphite in the mixture is (in% by weight) e.g. between 4: 1 and 1: 4, in particular between 1: 1 and 1: 4, in particular about 1: 3.

In einem weiteren Schritt wird die Mischung einem pulvermetallurgischen Verfahren oder Sinterverfahren unterzogen, insbesondere einem Spark Plasma Sintern (auch als DC-Current Sintering bezeichnet) oder einem Heißpressen, um aus der Mischung den Verbundwerkstoff zu bilden. Hierdurch kommt es zu einer Ausrichtung der Kohlenstofffasern und des Graphits gemäß einer gemeinsamen Hauptausrichtungsebene. In a further step, the mixture is subjected to a powder metallurgy or sintering process, in particular spark plasma sintering (also referred to as DC current sintering) or hot pressing to form the composite from the mixture. This results in alignment of the carbon fibers and graphite according to a common principal alignment plane.

Alternativ sind auch andere Verfahren denkbar, die einen Druck ausüben und aus den Ausgangsstoffen den Verbundwerkstoff erzeugen, sodass es zu einer Ausrichtung der Kohlenstofffasern und des Graphits gemäß einer gemeinsamen Hauptausrichtungsebene kommt.Alternatively, other methods are conceivable which exert a pressure and generate the composite material from the starting materials, so that alignment of the carbon fibers and the graphite according to a common main alignment plane occurs.

Durch das Sintern, insbesondere das Spark Plasma Sintern oder das Heißpressen, wird ein Druck auf die Mischung entlang einer Raumrichtung ausgeübt. Dieser Druck führt zu einer bevorzugten Ausrichtung der Kohlenstofffasern und des Graphits im Verbundwerkstoff senkrecht zur Richtung des ausgeübten Drucks. Daraus folgt eine anisotrope thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs, die in der Ebene der bevorzugten Ausrichtung der Kohlenstofffasern und des Graphits größer ist als senkrecht dazu.By sintering, in particular spark plasma sintering or hot pressing, a pressure is exerted on the mixture along a spatial direction. This pressure results in preferential alignment of the carbon fibers and graphite in the composite perpendicular to the direction of pressure applied. This results in anisotropic thermal conductivity of the composite which is greater in the plane of preferential orientation of the carbon fibers and graphite than perpendicular thereto.

Der Schritt des Bereitstellens der Mischung kann ein Bereitstellen des metallischen Matrixmaterials in Pulverform und/oder das Mischen des metallischen Matrixmaterials mit den Kohlenstofffasern und dem Graphit umfassen.The step of providing the mixture may comprise providing the metallic matrix material in powder form and / or mixing the metallic matrix material with the carbon fibers and the graphite.

Noch vor dem Schritt des Bereitstellens der Mischung kann das Verfahren folgende Schritte umfassen:

  • Optionales Bestimmen eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Halbleiterbauelements.
  • Optional das Bestimmen der Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffs von dem Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit in Vol.-%.
Even before the step of providing the mixture, the method may comprise the following steps:
  • Optionally determining a thermal expansion coefficient of an electronic component, in particular a semiconductor component.
  • Optionally, determining the dependence of the thermal expansion coefficient of the composite on the ratio of carbon fibers to graphite in% by volume.

Bereitstellen von Kohlenstofffasern und Graphit in einem Verhältnis in Vol.-% entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektronischen Bauelements und/oder in einem Verhältnis in Vol.-% zwischen 4:1 und 1:4, insbesondere zwischen 1:1 und 1:4.Providing carbon fibers and graphite in a ratio in% by volume corresponding to the thermal expansion coefficient of the electronic component and / or in a ratio in% by volume between 4: 1 and 1: 4, in particular between 1: 1 and 1: 4.

Mischen des metallischen Matrixmaterials mit den bereitgestellten Kohlenstofffasern und dem Graphit.Mixing the metallic matrix material with the provided carbon fibers and the graphite.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen in schematischen Darstellungen:

  • 1 einen Verbundwerkstoff mit einem metallischen Matrixmaterial und einer darin eingebetteten Füllstoffkomposition;
  • 2 ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs gemäß 1;
  • 3 die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffs bei verschiedenen Verhältnissen von Kohlenstofffasern zu Graphit im Verbundwerkstoff bei einem ersten metallischen Matrixmaterial;
  • 4 die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffs bei verschiedenen Verhältnissen von Kohlenstofffasern zu Graphit im Verbundwerkstoff bei einem zweiten metallischen Matrixmaterial; und
  • 5 ein elektronisches Bauteil mit einem Kühlkörper und einem Leistungsgleichrichter.
The invention will be explained in more detail below with reference to the figures based on embodiments. In schematic representations:
  • 1 a composite having a metallic matrix material and a filler composition embedded therein;
  • 2 a method for producing the composite according to 1 ;
  • 3 the thermal conductivity and coefficient of thermal expansion of the composite at different ratios of carbon fibers to graphite in the composite in a first metallic matrix material;
  • 4 the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite at different ratios of carbon fibers to graphite in the composite in a second metallic matrix material; and
  • 5 an electronic component with a heat sink and a power rectifier.

1 zeigt ein Stück eines Verbundwerkstoffs 1. Der Verbundwerkstoff 1 umfasst eine metallische Matrix 10 und eine darin eingebettete Füllstoffkomposition. Die Füllstoffkomposition besteht aus Kohlenstofffasern 11 und Graphit 12. Der Graphit 12 liegt vorliegend als Flockengraphit in Form von Graphitplättchen vor. 1 shows a piece of a composite material 1 , The composite material 1 includes a metallic matrix 10 and a filler composition embedded therein. The filler composition consists of carbon fibers 11 and graphite 12 , The graphite 12 In the present case, it is present as flake graphite in the form of graphite flakes.

Die Kohlenstofffasern 11 sind länglich und weisen eine Haupterstreckungsrichtung auf. Die Graphitplättchen sind jeweils flach und weisen zwei Haupterstreckungsrichtungen auf. Die Haupterstreckungsrichtungen der Kohlenstofffasern 11 und der Graphitplättchen sind überwiegend innerhalb einer Hauptausrichtungsebene ausgerichtet, vorliegend innerhalb der x,y-Ebene. Das bedeutet nicht zwingend, dass jede Kohlenstofffaser 11 oder jedes Graphitplättchen innerhalb der x,y-Ebene ausgerichtet sein muss, es können auch einige Kohlenstofffasern 11 und/oder Graphitplättchen anders, z.B. chaotisch angeordnet sein. In der Gesamtheit der Kohlenstofffasern 11 und der Graphitplättchen liegt aber eine Ausrichtung im Wesentlichen innerhalb der x,y-Ebene am häufigsten vor. Insbesondere ist jeweils der größte Anteil der Kohlenstofffasern 11 und der Graphitplättchen innerhalb der x,y-Ebene oder ungefähr innerhalb der x,y-Ebene ausgerichtet.The carbon fibers 11 are elongated and have a main extension direction. The graphite platelets are each flat and have two main directions of extension. The main directions of extension of carbon fibers 11 and the graphite platelets are predominantly aligned within a principal alignment plane, presently within the x . y -Level. That does not necessarily mean that every carbon fiber 11 or any graphite plate within the x . y It can also be aligned with some carbon fibers 11 and / or graphite platelets differently, for example arranged chaotically. In the totality of carbon fibers 11 and the graphite plate but is an orientation substantially within the x . y Level most common. In particular, each of the largest proportion of carbon fibers 11 and the graphite platelet within the x . y Level or approximately within the x . y Aligned.

Die Komponenten der Füllstoffkomposition und die metallische Matrix sind mechanisch gegeneinander verspannt. The components of the filler composition and the metallic matrix are mechanically braced against each other.

Die Kohlenstofffasern 11 und das Graphit 12 weisen entlang ihrer Haupterstreckungsrichtungen eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Daraus folgt eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs 1. Der Verbundwerkstoff 1 weist entlang der Hauptausrichtungsebene x,y der Füllstoffkomposition eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als senkrecht dazu (entlang der z-Achse in 1). Die Wärmeleitfähigkeit entlang der Hauptausrichtungsebene x,y des Verbundwerkstoffs 1 kann dabei höher sein als die Wärmeleitfähigkeit des reinen metallischen Matrixmaterials, z.B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.The carbon fibers 11 and the graphite 12 have along their main extension directions on a particularly high thermal conductivity. This results in an anisotropic thermal conductivity of the composite material 1 , The composite material 1 points along the main alignment plane x . y the Füllstoffkomposition a higher thermal conductivity than perpendicular thereto (along the z-axis in 1 ). The thermal conductivity along the main alignment plane x . y of the composite material 1 may be higher than the thermal conductivity of the pure metallic matrix material, for example aluminum or an aluminum alloy.

Durch die Füllstoffkomposition ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs 1 kleiner als die des reinen metallischen Matrixmaterials.The filler composition is the thermal expansion coefficient of the composite 1 smaller than that of the pure metallic matrix material.

2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, insbesondere des Verbundwerkstoffs 1 gemäß 1. 2 shows a method for producing a composite material, in particular the composite material 1 according to 1 ,

In einem optionalen Schritt S100 kann zunächst der thermische Ausdehnungskoeffizient eines elektronischen Bauelements bestimmt oder vorgegeben werden. Hierbei handelt es sich z.B. um ein elektronisches Bauelement, welches mit einem Kühlkörper aus dem Verbundwerkstoff 1 versehen werden soll.In an optional step S100 First, the thermal expansion coefficient of an electronic component can be determined or specified. This is, for example, an electronic component, which with a heat sink of the composite material 1 should be provided.

In einem Schritt S101 wird ein metallisches Matrixmaterial ausgewählt und bereitgestellt. Hierbei kann z.B. eines der folgenden metallischen Matrixmaterialien verwendet werden:

  • - eine Aluminiumlegierung mit 4,4 Vol.-% Cu, 0,6 Vol.-% Mn und 1,4 Vol.-% Mg (erhältlich z.B. über das Unternehmen Ecka Granules, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung Al2024 als Legierung in Pulverform mit einer Korngröße von 50 µm);
  • - eine Metallpulvermischung mit 14 Vol.-% Si, 2,5 Vol.-% Cu und 0,5 Vol.-% Mg (erhältlich z.B. über das Unternehmen Ecka Granules, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung Alumix 231 mit einer Korngröße von 50 µm);
  • - eine Metallpulvermischung mit 5,5 Vol.-% Zn, 2,5 Vol.-% Mg und 1,5 Vol.-% Cu (erhältlich z.B. über das Unternehmen Ecka Granules, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung Alumix 431 mit einer Korngröße von 50 µm);
  • - Aluminiumpulver (erhältlich z.B. über das Unternehmen Ecka Granules, Deutschland, mit einer Korngröße von 50 µm);
  • - eine Magnesiumlegierung mit 0,9 Vol.-% Ca, nachfolgend als Mg-0,9Ca bezeichnet (erhältlich z.B. über das Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Deutschland); oder
  • - Kupferpulver (erhältlich z.B. über das Unternehmen Sigma Aldrich, USA, als dendritisches Pulver mit einer Korngröße von 3 µm).
In one step S101 For example, a metallic matrix material is selected and provided. In this case, for example, one of the following metallic matrix materials can be used:
  • an aluminum alloy containing 4.4% by volume of Cu, 0.6% by volume of Mn and 1.4% by volume of Mg (obtainable, for example, from Ecka Granules, Germany, under the trade name Al2024 as alloy in powder form with a grain size of 50 μm);
  • a metal powder mixture with 14% by volume of Si, 2.5% by volume of Cu and 0.5% by volume of Mg (obtainable, for example, via the company Ecka Granules, Germany, under the trade name Alumix 231 with a particle size of 50 μm );
  • a metal powder mixture containing 5.5% by volume of Zn, 2.5% by volume of Mg and 1.5% by volume of Cu (obtainable, for example, from Ecka Granules, Germany, under the trade name Alumix 431 with a particle size of 50 μm);
  • Aluminum powder (available, for example, from Ecka Granules, Germany, with a particle size of 50 μm);
  • a magnesium alloy containing 0.9% by volume of Ca, hereinafter referred to as Mg-0.9Ca (obtainable, for example, via the Helmholtz Center Geesthacht, Germany); or
  • - Copper powder (available for example from Sigma Aldrich, USA, as a dendritic powder with a grain size of 3 μm).

Für die Kohlenstofffasern 11 des Verbundwerkstoffs 1 können z.B. pechbasierte Kohlenstofffasern, insbesondere in gemahlener Form, verwendet werden (erhältlich z.B. über das Unternehmen Nippon Graphite Fiber Corporation, Japan, unter der Handelsbezeichnung XN100-25M). Derartige Kohlenstofffasern haben beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit (thermal conductivity, TC) in axialer Richtung von 900 W/(m·K). Pechbasierte Kohlenstofffasern können größere Elastizitätsmodule und axiale Wärmeleitfähigkeiten aufweisen als z.B. Polyacrylonitril-basierte Kohlenstofffasern.For the carbon fibers 11 of the composite material 1 For example, pitch-based carbon fibers, especially in ground form, can be used (available, for example, from Nippon Graphite Fiber Corporation, Japan, under the trade designation XN100-25M). Such carbon fibers have, for example, a thermal conductivity (TC) in the axial direction of 900 W / (m · K). Pitch-based carbon fibers may have larger moduli of elasticity and axial thermal conductivities than, for example, polyacrylonitrile-based carbon fibers.

Für das Graphit 12 können z.B. (große) Graphitflocken verwendet werden (erhältlich z.B. über das Unternehmen NGS Naturgraphit, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung Ma3095). Die Wärmeleitfähigkeit von kristallinem Graphit kann innerhalb der Kristallebene Werte von bis zu 2000 W/(m·K) erreichen.For the graphite 12 For example, (large) graphite flakes can be used (available for example from NGS Naturgraphit, Germany, under the trade name Ma3095). The thermal conductivity of crystalline graphite can reach values of up to 2000 W / (m · K) within the crystal plane.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient (coefficient of thermal expansion, CTE) des Graphits (innerhalb der Kristallebene) und der Kohlenstofffasern (axial) liegt jeweils bei etwa -1 ppm/K.The coefficient of thermal expansion (CTE) of the graphite (within the crystal plane) and the carbon fiber (axial) is each about -1 ppm / K.

In einem weiteren Schritt S102 werden die Kohlenstofffasern und das Graphit in einem Verhältnis in Vol.-% zwischen 4:1 und 1:4, insbesondere zwischen 1:1 und 1:4 bereitgestellt.In a further step S102 For example, the carbon fibers and the graphite are provided in a ratio in% by volume of between 4: 1 and 1: 4, in particular between 1: 1 and 1: 4.

Alternativ oder zusätzlich wird das Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektronischen Bauelements ausgewählt. Hierbei kann die Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von diesem Verhältnis berücksichtigt werden (siehe die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit den 3 und 4). Beispielsweise wird dasjenige Verhältnis ausgewählt, das dem im Schritt S100 bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektronischen Bauelements am nächsten kommt.Alternatively or additionally, the ratio of carbon fibers to graphite is selected according to the thermal expansion coefficient of the electronic component. Here, the Depending on the coefficient of thermal expansion of this ratio are taken into account (see the following description in connection with the 3 and 4 ). For example, that ratio is selected that in step S100 certain thermal expansion coefficient of the electronic component comes closest.

In Schritt S103 wird eine Mischung aus dem metallischen Matrixmaterial und einer Füllstoffkomposition aus den Kohlenstofffasern und dem Graphit bereitgestellt. Die Füllstoffkomposition macht dabei weniger als 70 Vol.-% des späteren Verbundwerkstoffs 1 aus, insbesondere 20 Vol.-% bis 65 Vol.-%, konkret z.B. 35 Vol.-% bis 50 Vol.-% des Verbundwerkstoffs.In step S103 For example, a mixture of the metallic matrix material and a filler composition of the carbon fibers and the graphite is provided. The filler composition makes up less than 70% by volume of the later composite material 1 from, in particular 20 vol .-% to 65 vol .-%, specifically, for example, 35 vol .-% to 50 vol .-% of the composite material.

Hierbei wird der Anteil der Füllstoffe im späteren Verbundwerkstoff 1 vorgegeben, z.B. 35 Vol.-% oder 50 Vol.-%. Anhand der jeweiligen Dichte des ausgewählten Matrixmaterials, der Kohlenstofffasern und des Graphits werden die entsprechenden Gewichtsverhältnisse des Matrixmaterials, der Kohlenstofffasern und des Graphits bestimmt. Die Mischung wird dann mit diesen Gewichtsverhältnissen bereitgestellt.Here, the proportion of fillers in the later composite material 1 given, for example, 35 vol .-% or 50 vol .-%. On the basis of the respective density of the selected matrix material, the carbon fibers and the graphite, the corresponding weight ratios of the matrix material, the carbon fibers and the graphite are determined. The mixture is then provided at these weight ratios.

Sofern die genannten Komponenten nicht bereits in Pulverform vorliegen, werden die zu einem Pulver gemahlen. Beispielsweise wird die Mischung für wenige Minuten vorsichtig in einem Mörser vermischt.If the components mentioned are not already in powder form, they are ground to a powder. For example, the mixture is gently mixed in a mortar for a few minutes.

In einem nächsten Schritt wird aus der Mischung das Verbundmaterial 1 hergestellt. Dies kann z.B. mittels Spark Plasma Sintern gemäß Schritt S104 erfolgen. Beispielsweise kann ein Gerät mit der Handelsbezeichnung Dr. Sinter 211-Lx eingesetzt werden.In a next step, the mixture becomes the composite material 1 produced. This can be done eg by spark plasma sintering according to step S104 respectively. For example, a device with the trade name Dr. Sinter 211-Lx be used.

Das Sintern kann insbesondere bei folgenden (maximalen) Temperaturen erfolgen: 500 °C (insbesondere für Alumix 231), 550 °C (insbesondere für Al2024 und/oder Alumix 431), 600 °C (insbesondere für Aluminium, Mg-0,9Ca und/oder Kupfer) oder bei einem Wert dazwischen.The sintering can be carried out in particular at the following (maximum) temperatures: 500 ° C (especially for Alumix 231), 550 ° C (especially for Al2024 and / or Alumix 431), 600 ° C (especially for aluminum, Mg-0.9Ca and or copper) or at a value in between.

Optional wird eine Heizrate festgelegt. für die Heizrate können insbesondere Werte zwischen 20 K/min und 100 K/Min gewählt werdenOptionally, a heating rate is set. In particular, values between 20 K / min and 100 K / min can be selected for the heating rate

Optional wird die maximale Temperatur für einen vorgegebenen Zeitraum gehalten, z.B. für einen Zeitraum von 2 bis 4 Minuten.Optionally, the maximum temperature is maintained for a predetermined period, e.g. for a period of 2 to 4 minutes.

Ferner kann ein unidirektionaler Druck aufgebaut werden, beispielsweise in Höhe von 50 MPa.Furthermore, a unidirectional pressure can be built up, for example in the amount of 50 MPa.

Das Sintern erfolgt unter Vakuum, z.B. bei einem Druck von 1 Pa.The sintering is done under vacuum, e.g. at a pressure of 1 Pa.

Nach dem Sintern kann eine Wärmebehandlung erfolgen, bei der der gesinterte Körper über einen vorgegebenen Zeitraum bei einer unter der maximalen Temperatur liegenden Temperatur gehalten wird. Beispielsweise erfolgt die Wärmebehandlung über 2 Stunden bei 350 °C (insbesondere für Aluminium und/oder MG-0,9Ca). Insbesondere für metallische Matrixmaterialien in Form von Aluminiumlegierungen kann eine T6-Wärmebehandlung eingesetzt werden (beispielsweise für Al2024: 2 Stunden bei 490 °C, Abschrecken mit Wasser, 12 Stunden bei 190 °C; für Alumix 231 und/oder Alumix 431: 2 Stunden bei 480 °C, Abschrecken mit warmem Wasser, 12 Stunden bei 180 °C).After sintering, a heat treatment may take place in which the sintered body is kept at a temperature below the maximum temperature for a predetermined period of time. For example, the heat treatment is carried out for 2 hours at 350 ° C (especially for aluminum and / or MG-0.9Ca). In particular, for metallic matrix materials in the form of aluminum alloys, a T6 heat treatment may be used (for example for Al2024: 2 hours at 490 ° C, quenching with water, 12 hours at 190 ° C, for Alumix 231 and / or Alumix 431: 2 hours) 480 ° C, quench with warm water, 12 hours at 180 ° C).

Alternativ wird die Mischung einem (Vakuum-)Heißpressverfahren gemäß Schritt S105 unterzogen, z.B. ohne Stromfluss und mit einer Heizrate von unter 20 K/min.Alternatively, the mixture is subjected to a (vacuum) hot pressing process according to step S105 subjected, for example, without current flow and with a heating rate of less than 20 K / min.

Bei dem Spark Plasma Sintern (S104) oder dem Heißpressen (S105) wird ein Druck entlang einer Raumachse auf die Mischung ausgeübt. Dieser Druck führt dazu, dass sich die Füllstoffkomponenten, nämlich die Kohlenstofffasern und die Graphitplättchen, in einer Hauptausrichtungsebene orientieren, die senkrecht zum ausgeübten Druck verläuft.In the Spark Plasma Sintering ( S104 ) or hot pressing ( S105 ), a pressure along a spatial axis is exerted on the mixture. This pressure causes the filler components, namely the carbon fibers and the graphite platelets, to orient in a principal alignment plane that is perpendicular to the applied pressure.

Die 3 und 4 zeigen die Wärmeleitfähigkeit TC und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE innerhalb der Hauptausrichtungsebene x,y und senkrecht dazu (in z-Richtung) mit Al2024 (3) und Alumix 231 (4) als metallisches Matrixmaterial des Verbundwerkstoffs 1. Die genannten Werte sind dabei jeweils gegen verschiedene Verhältnisse von Kohlenstofffasern (CF) zu Graphit (Gr) in Vol.-% aufgetragen. Der Anteil der Füllstoffkomposition beträgt bei AI2024 (3) 50 Vol.-%, bei Alumix 231 ( 4) 35 Vol.-%.The 3 and 4 show the thermal conductivity TC and the thermal expansion coefficient CTE within the main alignment plane x , y and perpendicular thereto (in z-direction) with Al2024 ( 3 ) and Alumix 231 ( 4 ) as metallic matrix material of the composite material 1. The stated values are in each case plotted against different ratios of carbon fibers (CF) to graphite (GR) in% by volume. The proportion of the filler composition is AI2024 ( 3 ) 50 vol.%, With Alumix 231 ( 4 ) 35% by volume.

In beiden Fällen ist zu erkennen, dass die Wärmeleitfähigkeit sowie der Wärmeausdehnungskoeffizient entlang der Hauptausrichtungsebene x,y mit größer werdendem Anteil von Graphit ansteigt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient senkrecht (in z-Richtung) zur Hauptausrichtungsebene x,y fällt demgegenüber mit größer werdendem Anteil von Graphit stark ab. Mit anderen Worten gesagt, bei jeweils einem gleichbleibenden Gesamtanteil der Füllstoffkomposition im Verbundwerkstoff 1, reduziert ein größerer Anteil an Graphit die Wärmeausdehnung senkrecht zur Hauptausrichtungsebene, während ein größerer Anteil an Kohlenstofffasern die Wärmeausdehnung parallel zur Hauptausrichtungsebene reduziert (aufgrund der größeren Wirkung von Graphit).In both cases it can be seen that the thermal conductivity as well as the thermal expansion coefficient along the main alignment plane x . y increases with increasing proportion of graphite. The thermal Coefficient of expansion perpendicular (in the z direction) to the main alignment plane x . y In contrast, decreases sharply with increasing proportion of graphite. In other words, each with a constant total content of filler composition in the composite 1 For example, a larger proportion of graphite reduces thermal expansion perpendicular to the main alignment plane, while a larger proportion of carbon fibers reduces thermal expansion parallel to the main alignment plane (due to the greater effect of graphite).

Bei Verhältnissen von etwa 1:2,5 bis 1:3,5, insbesondere etwa 1:3 (Kohlenstofffasern zu Graphit), wird ein im Wesentlichen isotroper thermischer Ausdehnungskoeffizient erzielt, der deutlich unterhalb den Werten von Aluminium und Kupfer liegt. Dies wird durch die hierin beschriebene Füllstoffkomposition mit Kohlenstofffasern und Graphit ermöglicht.At ratios of about 1: 2.5 to 1: 3.5, especially about 1: 3 (carbon fibers to graphite), a substantially isotropic thermal expansion coefficient is achieved, which is well below the values of aluminum and copper. This is made possible by the filler composition with carbon fibers and graphite described herein.

Zum Vergleich, die Wärmeleitfähigkeit von gesintertem Al2024 ohne Füllstoffkomposition liegt bei lediglich etwa 130 W/(m·K), der thermische Ausdehnungskoeffizient bei etwa 24,7 ppm/K (Alumix 231: 18,5 ppm/K).For comparison, the thermal conductivity of sintered Al 2 O 24 without filler composition is only about 130 W / (m · K), the thermal expansion coefficient at about 24.7 ppm / K (Alumix 231: 18.5 ppm / K).

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften verschiedener mittels Spark Plasma Sintern hergestellter Verbundwerkstoffe 1 mit verschiedenen metallischen Matrixmaterialien und unterschiedlichen Anteilen von Füllstoffkompositionen. Die Füllstoffkompositionen weisen jeweils Kohlenstofffasern und Graphit in einem Verhältnis von 1:3 auf. Metallisches Matrixmaterial Al2024 Alumix 231 Alumix 431 Aluminium MG-0,9Ca Kupfer Anteil Füllstoffkomp. 50 Vol.-% 35 Vol.-% 50 Vol.-% 50 Vol.-% 50 Vol.-% 50 Vol.-% TC (x,y) W/(m·K) 340 285 335 390 370 495 TC (z) W/(m·K) 42 51 39 45 42 71 CTE (x,y,z) ppm/K 11 14 12 19 15 12 Dichte kg/m3 2400 2450 2400 2300 1950 5400 Zugfestigkeit MPa 46 80 38 13 38 63 Table 1 below shows the properties of various composites made by spark plasma sintering 1 with different metallic matrix materials and different proportions of filler compositions. The filler compositions each have carbon fibers and graphite in a ratio of 1: 3. Metallic matrix material Al2024 Alumix 231 Alumix 431 aluminum MG 0,9Ca copper Proportion of filler comp. 50 vol.% 35 vol.% 50 vol.% 50 vol.% 50 vol.% 50 vol.% TC (x, y) W / (mxK) 340 285 335 390 370 495 TC (z) W / (mxK) 42 51 39 45 42 71 CTE (x, y, z) ppm / K 11 14 12 19 15 12 Density kg / m 3 2400 2450 2400 2300 1950 5400 Tensile strength MPa 46 80 38 13 38 63

Tabelle 1: Eigenschaften mehrerer Verbundwerkstoffe 1, gemessen mittels Flashmethode und der radialen Wärmeflussmethode an scheibenförmigen Körpern aus dem Verbundwerkstoff 1 mit einer Dicke von 1 mm und Durchmessern von 25 mm (Wärmeleitfähigkeit), dilatometrisch mittels eines Linseis L75XH1000 Dilatometers an zylinderförmigen Körpern aus dem Verbundwerkstoff 1 mit einer Höhe von 4 mm und einem Durchmesser von 6 mm (Wärmeausdehnung) und mittels eines Zwick Z010 Zugfestigkeitsmessers. Für die Zugfestigkeitsmessung wurden die scheibenförmigen Körper zu Flachzugproben gefräst.Table 1: Properties of several composites 1 , measured by flash method and the radial heat flow method on disc-shaped bodies of the composite material 1 with a thickness of 1 mm and diameters of 25 mm (thermal conductivity), dilatometrically using a Linseis L75XH1000 dilatometer on cylindrical bodies made of composite material 1 with a height of 4 mm and a diameter of 6 mm (thermal expansion) and by means of a Zwick Z010 tensile knife. For the tensile strength measurement, the disc-shaped bodies were milled to flat tensile specimens.

Ein besonders niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient CTE ist mit Al2024 als metallischem Matrixmaterial erzielbar, eine besonders hohe Zugfestigkeit mit Alumix 231, eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit TC mit Aluminium und Kupfer und eine besonders niedrige Dichte mit Mg-0,9Ca.A particularly low coefficient of thermal expansion CTE is achievable with Al2024 as metallic matrix material, a particularly high tensile strength with Alumix 231, a particularly high thermal conductivity TC with aluminum and copper and a particularly low density with Mg-0.9 Ca.

Anhand der Tabelle 1 ist ferner ersichtlich, dass mit dem Verbundwerkstoff 1 im Vergleich zu herkömmlichem Kupfer oder Aluminium bei einer vergleichsweise besonders niedrigen Dichte eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit (und somit eine besonders hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit) erzielbar ist. So kann aus dem Verbundwerkstoff 1 z.B. ein Kühlkörper hergestellt werden, der eine sehr gute Kühlwirkung bei einem niedrigen Gewicht aufweist. Somit eignet sich der Verbundwerkstoff 1 insbesondere für mobile Anwendungen, im Automobilbau (z.B. für Steuergeräte von Elektrofahrzeugen) und für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.It can also be seen from Table 1 that with the composite material 1 In comparison to conventional copper or aluminum with a comparatively particularly low density, a particularly high thermal conductivity (and thus a particularly high specific thermal conductivity) can be achieved. So can from the composite material 1 For example, a heat sink are produced, which has a very good cooling effect at a low weight. Thus, the composite material is suitable 1 especially for mobile applications, in the automotive industry (eg for control units of electric vehicles) and for applications in the aerospace industry.

Es ist ferner möglich, einen Verbundwerkstoff mit maßgeschneiderten Werten für den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen, und zwar durch entsprechende Einstellung des Verhältnisses von Kohlenstofffasern zu Graphit und durch den Anteil der Füllstoffkomposition am Gesamtvolumen.It is also possible to provide a composite with tailor-made coefficients of thermal expansion and thermal conductivity by appropriately adjusting the ratio of carbon fibers to graphite and the proportion of filler composition in the total volume.

5 zeigt ein elektronisches Bauteil 3. Das elektronische Bauteil 3 umfasst einen Kühlkörper 2, der aus dem Verbundwerkstoff 1 gemäß 1 besteht. Der Kühlkörper 2 ist in flächiger Anlage fest mit einem elektronischen Bauelement verbunden, hier beispielhaft einem Leistungsgleichrichter 30. Der Leistungsgleichrichter 30 ist z.B. zum Gleichrichten von Strömen im Bereich der Stromerzeugung einsetzbar. 5 shows an electronic component 3 , The electronic component 3 includes a heat sink 2 that made the composite material 1 according to 1 consists. The heat sink 2 is in flat contact firmly connected to an electronic component, here for example a power rectifier 30 , The power rectifier 30 is eg used for rectifying currents in the field of power generation.

Alternativ oder zusätzlich zum Leistungsgleichrichter 30 könnte das elektronische Bauteil 3 als elektronisches Bauelement auch eine Laserdiode umfassen, eine CPU, einen Transistor, einen Thyristor oder dergleichen.Alternatively or in addition to the power rectifier 30 could be the electronic component 3 as an electronic component also include a laser diode, a CPU, a transistor, a thyristor or the like.

Zwischen dem elektronischen Bauelement, hier dem Leistungsgleichrichter 30, und dem Kühlkörper 2 ist keine Wärmeleitpaste angeordnet. Der Kühlkörper 2 und das elektronische Bauelement können z.B. formschlüssig miteinander verbunden sein. Das elektronische Bauelement kann in das Material des Kühlkörpers 2 eingebettet sein oder umgekehrt. Durch die geringe Wärmeausdehnung des Kühlkörpers 2 treten hierbei nur geringe oder sogar im Wesentlichen keine Spannungen zwischen dem Kühlkörper 2 und dem elektronischen Bauelement auf, was eine besonders lange Lebensdauer des elektronischen Bauteils 3 ermöglicht.Between the electronic component, here the power rectifier 30 , and the heat sink 2 no thermal paste is arranged. The heat sink 2 and the electronic component can be connected to each other, for example, positively. The electronic component may be in the material of the heat sink 2 be embedded or vice versa. Due to the low thermal expansion of the heat sink 2 in this case, only slight or even substantially no stresses occur between the heat sink 2 and the electronic component on what a particularly long life of the electronic component 3 allows.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
VerbundwerkstoffComposite material
1010
metallische Matrixmetallic matrix
1111
Kohlenstoffaserncarbon fibers
1212
Graphitgraphite
22
Kühlkörperheatsink
33
elektronisches Bauteilelectronic component
3030
LeistungsgleichrichterPower rectifier
x, y, zx, y, z
Koordinatencoordinates

Claims (15)

Verbundwerkstoff, umfassend eine metallische Matrix (10), in die eine Füllstoffkomposition eingebettet ist, wobei die Füllstoffkomposition weniger als 70 Vol.-% des Verbundwerkstoffs ausmacht und Kohlenstofffasern (11) und Graphit (12) umfasst.A composite comprising a metallic matrix (10) in which a filler composition is embedded, the filler composition comprising less than 70% by volume of the composite and comprising carbon fibers (11) and graphite (12). Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern (11) und das Graphit (12) eine gemeinsame Hauptausrichtungsebene (x,y) aufweisen.Composite according to Claim 1 , characterized in that the carbon fibers (11) and the graphite (12) have a common main alignment plane (x, y). Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffkomposition 20 Vol.-% bis 65 Vol.-%, insbesondere 35 Vol.-% bis 50 Vol.-% des Verbundwerkstoffs (1) ausmachen.Composite according to Claim 1 or 2 , characterized in that the filler composition accounts for 20% to 65%, and especially 35% to 50%, by volume of the composite (1). Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kohlenstofffasern (11) zu Graphit (12) in Vol.-% zwischen 4:1 und 1:4 liegt, insbesondere zwischen 1:1 und 1:4, insbesondere bei etwa 1:3.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of carbon fibers (11) to graphite (12) in Vol .-% between 4: 1 and 1: 4, in particular between 1: 1 and 1: 4, in particular at about 1: 3. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Graphit (12) in Form von Flockengraphit vorliegt.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the graphite (12) is present in the form of flake graphite. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Kohlenstofffasern (11) um Kohlenstofffasern (11) auf Pech-Basis mit Längen von 0,2 bis 0,5 mm handelt.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon fibers (11) are pitch-based carbon fibers (11) with lengths of 0.2 to 0.5 mm. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) Aluminium umfasst, insbesondere im Wesentlichen aus Aluminium besteht.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic matrix (10) comprises aluminum, in particular consists essentially of aluminum. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) eine Legierung umfasst, insbesondere eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic matrix (10) comprises an alloy, in particular an aluminum alloy or a magnesium alloy. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) Kupfer umfasst oder aus Kupfer besteht. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic matrix (10) comprises copper or consists of copper. Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) Silizium umfasst.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic matrix (10) comprises silicon. Kühlkörper, umfassend den Verbundwerkstoff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.A heat sink comprising the composite material (1) according to one of the preceding claims. Elektronisches Bauteil, insbesondere mit einem Halbleiterbauelement, umfassend den Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere den Kühlkörper (2) nach dem vorstehenden Anspruch.Electronic component, in particular with a semiconductor component, comprising the composite material (1) according to one of the Claims 1 to 10 , in particular the heat sink (2) according to the preceding claim. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, insbesondere des Verbundwerkstoffs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen (S103) einer Mischung, wobei die Mischung ein metallisches Matrixmaterial, Kohlenstofffasern und Graphit umfasst; und - Herstellen (S104; S105) des Verbundwerkstoffs aus der Mischung in einem pulvermetallurgischen Verfahren.Process for producing a composite material, in particular the composite material (1) according to one of the Claims 1 to 10 comprising the steps of: providing (S103) a mixture, said mixture comprising a metallic matrix material, carbon fibers and graphite; and - producing (S104; S105) the composite material from the mixture in a powder metallurgy process. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens (S103) der Mischung ein Bereitstellen des metallischen Matrixmaterials in Pulverform und das Mischen mit den Kohlenstofffasern und dem Graphit umfasst.Method according to Claim 13 characterized in that the step of providing (S103) the mixture comprises providing the metallic matrix material in powder form and blending with the carbon fibers and the graphite. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Bereitstellens (S103) der Mischung folgender Schritt durchgeführt wird: - Bereitstellen (S102) von Kohlenstofffasern und Graphit in einem Verhältnis in Vol.-% zwischen 4:1 und 1:4, insbesondere zwischen 1:1 und 1:4.Method according to one of Claims 13 or 14 characterized in that before the step of providing (S103) the mixture, the following step is carried out: - providing (S102) carbon fibers and graphite in a ratio in% by volume between 4: 1 and 1: 4, in particular between 1: 1 and 1: 4.
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