DE102017216290B4

DE102017216290B4 - Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung, Kühlkörper und elektronisches Bauteil

Info

Publication number: DE102017216290B4
Application number: DE102017216290.2A
Authority: DE
Inventors: Stephanie Reich; Valerio Oddone
Original assignee: Freie Universitaet Berlin
Current assignee: Freie Universitaet Berlin
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2037-09-15
Also published as: DE102017216290A1

Abstract

Verbundwerkstoff, umfassend eine metallische Matrix (10), in die eine Füllstoffkomposition eingebettet ist, wobei die Füllstoffkomposition weniger als 70 Vol.-% des Verbundwerkstoffs ausmacht und aus einer Mischung aus Kohlenstofffasern (11) und Graphit (12) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kohlenstofffasern (11) zu Graphit (12) in Vol.-% zwischen 1:2,5 und 1:3,5 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, einen Kühlkörper, ein elektronisches Bauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach Anspruch 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.
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.
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.
Zwar sind verschiedene Materialien bekannt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit (größer als 200 W/(m·K)) und gleichzeitig eine kleine thermische Ausdehnung (kleiner oder gleich 5x10-6 1/K) aufweisen. Allerdings sind diese Materialien entweder zu brüchig und porös, wie bestimmte Keramiken, oder sehr kostspielig und schwer zu verarbeiten, wie Diamant.
Die AT 503 270 A1 beschreibt einen Verbundwerkstoff umfassend eine Metall-Matrix A, einen metallischen und/oder keramischen Füllstoff B und zumindest einen auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff C.
In der DE 689 10 634 T2 ist ein Material für eine elektronische Komponente beschrieben, das aus einer Matrix und Verstärkungselementen gebildet wird, wobei die Verstärkungselemente unter Graphitteilchen, Siliziumkarbid-, Siliziumnitrid- und Aluminiumnitrid-Teilchen und den kurzen Fasern aus graphitiertem Kohlenstoff gewählt werden.
Die AT 412 265 B betrifft ein Bauteil zur Wärmeableitung mit einer Matrix und Verstärkungselementen, die zumindest durch Mikrofasern und Nanofasern gebildet sind.
Die DE 603 10 938 T2 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit Kupferpulver und Kohlenstofffasern.
Weitere Verbundwerkstoffe sind in der EP 2 213 756 A1 , der US 2010/0163782 A1 und der JP 2017-061714 A beschrieben.
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.
Gelöst wird dieses Problem durch einen Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1.
Danach ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff eine metallische Matrix umfasst, in die eine Füllstoffkomposition eingebettet ist, wobei die Füllstoffkomposition aus einer Mischung aus Kohlenstofffasern und Graphit besteht und weniger 70 Vol.-% des Verbundwerkstoffs ausmacht. Ferner ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit in Vol.-% zwischen 1:2,5 und 1:3,5 liegt.
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.
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.
Die Füllstoffkomposition kann Kohlenstofffasern und Graphitkristalle umfassen oder alternativ daraus bestehen.
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.
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.
Über das Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit 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.
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.
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.
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.
Ferner kann die metallische Matrix eine Legierung umfassen, insbesondere eine Leichtmetalllegierung. Beispielsweise umfasst die metallische Matrix eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die metallische Matrix Kupfer oder besteht aus Kupfer. Kupfer ist ein besonders guter Wärmeleiter.
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.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Kühlkörper bereitgestellt, der einen Verbundwerkstoff gemäß einer beliebigen hierin beschriebenen Ausführung umfasst oder daraus besteht.
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.
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.
Durch die Verwendung des Verbundwerkstoffes bei dem elektronischen Bauteil können thermische Spannungen, insbesondere zwischen dem Verbundwerkstoff und dem Halbleiterbauelement, reduziert oder sogar vermieden werden.
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:

In einem Schritt wird eine Mischung bereitgestellt, die ein metallisches Matrixmaterial, und eine Füllstoffkomposition bestehend aus einer Mischung aus 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.

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.
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.
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.
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.
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.
Noch vor dem Schritt des Bereitstellens der Mischung umfasst das Verfahren folgende Schritte:

Bestimmen oder Vorgeben eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Halbleiterbauelements.
Bestimmen der Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffs von dem Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit in Vol.-%.
Bereitstellen von Kohlenstofffasern und Graphit in einem Verhältnis in Vol.-% entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektronischen Bauelements und, optional, in einem Verhältnis in Vol.-% zwischen 4:1 und 1:4, insbesondere zwischen 1:1 und 1:4, insbesondere zwischen 1:2,5 und 1:3,5.
Optional: Mischen des metallischen Matrixmaterials mit den bereitgestellten Kohlenstofffasern und dem Graphit.

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.

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 als Flockengraphit in Form von Graphitplättchen vor.
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.
Die Komponenten der Füllstoffkomposition und die metallische Matrix sind mechanisch gegeneinander verspannt.
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.
Durch die Füllstoffkomposition ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs 1 kleiner als die des reinen metallischen Matrixmaterials.
2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, insbesondere des Verbundwerkstoffs 1 gemäß 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 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 AI2024 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).

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.
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.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient (coefficient of thermal expansion, CTE) des Graphits (innerhalb der Kristallebene) und der Kohlenstofffasern (axial) liegt jeweils bei etwa -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.
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.
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.
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.
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.
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.
Das Sintern kann insbesondere bei folgenden (maximalen) Temperaturen erfolgen: 500°C (insbesondere für Alumix 231), 550 °C (insbesondere für AI2024 und/oder Alumix 431), 600 °C (insbesondere für Aluminium, Mg-0,9Ca und/oder Kupfer) oder bei einem Wert dazwischen.
Optional wird eine Heizrate festgelegt. für die Heizrate können insbesondere Werte zwischen 20 K/min und 100 K/Min gewählt werden
Optional wird die maximale Temperatur für einen vorgegebenen Zeitraum gehalten, z.B. für einen Zeitraum von 2 bis 4 Minuten.
Ferner kann ein unidirektionaler Druck aufgebaut werden, beispielsweise in Höhe von 50 MPa.
Das Sintern erfolgt unter Vakuum, z.B. bei einem Druck von 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 AI2024: 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).
Alternativ wird die Mischung einem (Vakuum-)Heißpressverfahren gemäß Schritt S105 unterzogen, z.B. ohne Stromfluss und mit einer Heizrate von unter 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.
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 AI2024 (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.-%.
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).
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.
Zum Vergleich, die Wärmeleitfähigkeit von gesintertem AI2024 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).

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

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.
Ein besonders niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient CTE ist mit AI2024 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bezugszeichenliste

1: Verbundwerkstoff
10: metallische Matrix
11: Kohlenstoffasern
12: Graphit
2: Kühlkörper
3: elektronisches Bauteil
30: Leistungsgleichrichter
x, y, z: Koordinaten

Claims

Verbundwerkstoff, umfassend eine metallische Matrix (10), in die eine Füllstoffkomposition eingebettet ist, wobei die Füllstoffkomposition weniger als 70 Vol.-% des Verbundwerkstoffs ausmacht und aus einer Mischung aus Kohlenstofffasern (11) und Graphit (12) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Kohlenstofffasern (11) zu Graphit (12) in Vol.-% zwischen 1:2,5 und 1:3,5 liegt.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern (11) und das Graphit (12) eine gemeinsame Hauptausrichtungsebene (x,y) aufweisen.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffkomposition 35 Vol.-% bis 50 Vol.-% des Verbundwerkstoffs (1) ausmachen.
Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Graphit (12) in Form von Flockengraphit vorliegt.
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.
Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) Aluminium umfasst.
Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) eine Legierung umfasst, nämlich eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung.
Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) Kupfer umfasst oder aus Kupfer besteht.
Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) Silizium umfasst.
Kühlkörper, umfassend den Verbundwerkstoff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Elektronisches Bauteil mit einem Halbleiterbauelement und dem Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder dem Kühlkörper (2) nach dem vorstehenden Anspruch.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, umfassend die folgenden Schritte: - Bestimmen oder Vorgeben (S100) eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines elektronischen Bauelements; - Bereitstellen (S103) einer Mischung, wobei die Mischung ein metallisches Matrixmaterial und eine Füllstoffkomposition bestehend aus einer Mischung aus Kohlenstofffasern und Graphit umfasst; und - Herstellen (S104; S105) des Verbundwerkstoffs aus der Mischung in einem pulvermetallurgischen Verfahren; wobei vor dem Schritt des Bereitstellens (S103) der Mischung Folgendes durchgeführt wird: Bestimmen der Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffs von dem Verhältnis von Kohlenstofffasern zu Graphit in Vol.-% und Bereitstellen (S102) von Kohlenstofffasern und Graphit in einem Verhältnis in Vol.-% entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektronischen Bauelements.
Verfahren nach Anspruch 12, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern und das Graphit in einem Verhältnis in Vol.-% zwischen 1:2,5 und 1:3,5 bereitgestellt werden.