DE102017216290B4

DE102017216290B4 - Composite material and method for its manufacture, heat sink and electronic component

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.Composite material comprising a metallic matrix (10) in which a filler composition is embedded, the filler composition making up less than 70% by volume of the composite material and consisting of a mixture of carbon fibers (11) and graphite (12), characterized in that the ratio of carbon fibers (11) to graphite (12) in vol.% is between 1:2.5 and 1:3.5.

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.Metals are regularly used to cool electronic components, e.g. copper or aluminum, which have high thermal conductivity and can be easily processed. However, metals usually have large thermal expansion coefficients, which are regularly four to eight times 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.Thermal stresses between the semiconductor component and the heat sink therefore result from the heat generated during the operation of a semiconductor component of the electronic component. In many applications, such stresses limit the service life of the electronic component. This is particularly important for high-performance components, such as 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 the stresses mentioned, it is known to apply a thermally conductive paste for the heat transport between the heat sink and the semiconductor component, in order in this way to allow relative movement between the components. However, thermally conductive pastes are often subject to an aging process and also require an additional and error-prone work step in the manufacture of electronic products. In addition, the most efficient heat transport is usually only possible through direct contact between the heat sink and the semiconductor component.

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.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 5x10-6 1/K). However, these materials are either too brittle and porous, like certain ceramics, or very expensive and difficult to process, like diamond.

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.the AT 503 270 A1 describes a composite material comprising a metal matrix A, a metallic and/or ceramic filler B and at least one carbon-based filler 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.In the DE 689 10 634 T2 describes an electronic component material formed of a matrix and reinforcing elements, the reinforcing elements being selected from graphite particles, silicon carbide, silicon nitride and aluminum nitride particles and the short fibers of graphitized carbon.

Die AT 412 265 B betrifft ein Bauteil zur Wärmeableitung mit einer Matrix und Verstärkungselementen, die zumindest durch Mikrofasern und Nanofasern gebildet sind.the AT 412 265 B relates to a component for heat dissipation with a matrix and reinforcement elements formed at least by microfibers and nanofibers.

Die DE 603 10 938 T2 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit Kupferpulver und Kohlenstofffasern.the DE 603 10 938 T2 relates to a process for making a composite body with copper powder and carbon fibers.

Weitere Verbundwerkstoffe sind in der EP 2 213 756 A1 , der US 2010/0163782 A1 und der JP 2017-061714 A beschrieben.Other composites are in the EP 2 213 756 A1 , the U.S. 2010/0163782 A1 and the JP 2017-061714 A described.

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 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.Accordingly, it is provided that the composite material comprises a metallic matrix in which a filler composition is embedded, the filler composition consisting of a mixture of carbon fibers and graphite and making up less than 70% by volume of the composite material. Furthermore, it is provided that the ratio of carbon fibers to graphite in vol. % is between 1:2.5 and 1:3.5.

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 can have a particularly high thermal conductivity with a particularly low thermal expansion and a low density at the same time. In addition, it is possible to achieve isotropic thermal expansion by appropriately selecting a ratio in vol. % of carbon fibers to graphite. At the same time, the composite material can 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 includes 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 can comprise carbon fibers and graphite crystals or alternatively consist of them.

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 can have a common main alignment plane. This means that the alignment within the metallic matrix is not random or chaotic. Instead, there is some order in the form of at least a 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 material can be achieved within the main alignment plane.

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.The filler composition preferably makes up between 20% by volume and 65% by volume of the composite material. Particularly good properties with regard to thermal conductivity and thermal expansion can be achieved with a proportion of the filler composition of 35% by volume to 50% by volume of the composite material.

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.The thermal expansion of the composite material can be adjusted in three spatial directions via the ratio of carbon fibers to graphite. A carbon fiber to graphite ratio of about 1:3 can result in 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 can be present, for example, in the form of flake graphite, also known as "graphite flakes". The individual flakes can each have the shape of a platelet.

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. Compared to PAN-based (polyacrylonitrile-based) carbon fibers, these can have thermal conductivity that is about 100 times higher and a larger modulus of elasticity. The length of the individual carbon fibers can be around 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 can comprise or consist of a light metal, e.g. if the composite material is to have a low weight. For example, the metallic matrix includes aluminum or consists essentially of it.

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 can include an alloy, in particular a light metal alloy. For example, the metallic matrix includes 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 particularly 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 includes silicon. As a result, the same thermal expansion can be achieved with a lower graphite content, which can lead to more 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 heatsink comprising or consisting of a composite material 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 particularly good thermal conductivity and, at the same time, particularly low thermal expansion, so that the heat sink expands only slightly as a result of heating. By using the composite material as a heat sink, thermal stresses with a component to be cooled can be reduced or avoided, which can increase the service 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 there is provided an electronic component, in particular comprising a semiconductor component, the electronic component comprising 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:

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.

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 produce the composite according to any embodiment described herein. The procedure includes the following steps:

In one step, a mixture is provided that includes a metallic matrix material and a filler composition consisting of a mixture of carbon fibers and graphite (in particular in the form of flake graphite). The carbon fibers and the graphite represent the fillers and together preferably make up less than 70% by volume of the later composite material, for example 20% by volume to 65% by volume, in particular 35% by volume to 50% by volume . To prepare the mixture, a proportion of the fillers in the subsequent composite material is specified in the aforementioned ranges, for example 50% by volume. Based on the respective densities of the matrix material, the carbon fibers and the graphite, the corresponding weight ratios or proportions of the matrix material, the carbon fibers and the graphite are determined. The mixture is then provided with 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) for example between 4:1 and 1:4, in particular between 1:1 and 1:4, in particular around 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 process or sintering process, in particular spark plasma sintering (also referred to as DC current sintering) or hot pressing, in order to form the composite material from the mixture. This leads to an alignment of the carbon fibers and the graphite according to a common main 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 also conceivable that exert pressure and produce the composite material from the starting materials, so that the carbon fibers and the graphite are aligned according to a common main alignment plane.

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.Sintering, in particular spark plasma sintering or hot pressing, exerts pressure on the mixture along one spatial direction. This pressure results in a preferential orientation of the carbon fibers and graphite in the composite perpendicular to the direction of the applied pressure. The result is an anisotropic thermal conductivity of the composite that is greater in the plane of preferential orientation of the carbon fibers and graphite than perpendicular to it.

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 can include 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 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.

Even before the step of preparing the mixture, the process includes the following steps:

Determining or specifying a thermal expansion coefficient of an electronic component, in particular a semiconductor component.
Determining the dependence of the coefficient of thermal expansion of the composite on the ratio of carbon fibers to graphite in % by volume.
Providing carbon fibers and graphite in a vol.% ratio corresponding to the thermal expansion coefficient of the electronic component and, optionally, in a vol.% ratio of between 4:1 and 1:4, in particular between 1:1 and 1:4 , especially between 1:2.5 and 1:3.5.
Optional: 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 using exemplary embodiments. It shows in schematic representations:

1 a composite having a metallic matrix material and a filler composition embedded therein;
2 according to a method for producing the composite material 1 ;
3 the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite at various ratios of carbon fiber to graphite in the composite for a first metallic matrix material;
4 the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of the composite at various carbon fiber to graphite ratios in the composite for 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 als Flockengraphit in Form von Graphitplättchen vor. 1 1 shows a piece of a composite material 1. The composite material 1 comprises a metallic matrix 10 and a filler composition embedded therein. The filler composition consists of carbon fibers 11 and graphite 12. The graphite 12 is present as flake graphite in the form of graphite platelets.

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 direction of extension. The graphite plates are each flat and have two main directions of extension. The main directions of extent of the carbon fibers 11 and the graphite platelets are predominantly aligned within a main alignment plane, in this case within the x,y plane. This does not necessarily mean that every carbon fiber 11 or every graphite platelet has to be aligned within the x,y plane; some carbon fibers 11 and/or graphite platelets can also be arranged differently, e.g. chaotically. In all of the carbon fibers 11 and the graphite platelets, however, an alignment essentially within the x,y plane is most common. In particular, most of the carbon fibers 11 and the graphite platelets are each aligned within the x,y plane or approximately within the x,y plane.

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 a particularly high thermal conductivity along their main directions of extension. This results in an anisotropic thermal conductivity of the composite material 1. The composite material 1 has a higher thermal conductivity along the main orientation plane x,y of the filler composition than perpendicular to it (along the z-axis in 1 ). The thermal conductivity along the main alignment plane x, y of the composite material 1 can be higher than the thermal conductivity of the purely metallic matrix material, eg aluminum or an aluminum alloy.

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

2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, insbesondere des Verbundwerkstoffs 1 gemäß 1. 2 FIG. 1 shows a method for producing a composite material, in particular the composite material 1 according to FIG 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, the thermal expansion coefficient of an electronic component can first be determined or specified. This is, for example, an electronic component that is to be provided with a heat sink made of the composite material 1.

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).

In a step S101, a metallic matrix material is selected and provided. Here, for example, one of the following metallic matrix materials can be used:

- An aluminum alloy with 4.4% by volume Cu, 0.6% by volume Mn and 1.4% by volume Mg (available, for example, from the company Ecka Granules, Germany, under the trade name AI2024 as an alloy in powder form with a grain size of 50 µm);
- a metal powder mixture with 14% by volume Si, 2.5% by volume Cu and 0.5% by volume Mg (available, for example, from the company Ecka Granules, Germany, under the trade name Alumix 231 with a grain size of 50 µm );
- A metal powder mixture with 5.5% by volume Zn, 2.5% by volume Mg and 1.5% by volume Cu (available, for example, from the company Ecka Granules, Germany, under the trade name Alumix 431 with a grain size of 50 µm);
- aluminum powder (available, for example, from the company Ecka Granules, Germany, with a grain size of 50 μm);
- A magnesium alloy with 0.9% by volume Ca, hereinafter referred to as Mg-0.9Ca (available, for example, from the Helmholtz Center Geesthacht, Germany); or
- Copper powder (available, for example, from Sigma Aldrich, USA, as a dendritic powder with a particle 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.Pitch-based carbon fibers, in particular in ground form, can be used for the carbon fibers 11 of the composite material 1 (available, for example, from the company Nippon Graphite Fiber Corporation, Japan, under the trade name 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 can exhibit higher elastic moduli 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 example, (large) graphite flakes can be used for the graphite 12 (available, for example, from the company 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 fibers (axial) are each around -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, the carbon fibers and the graphite are provided in a ratio in vol. % 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. The dependence of the thermal expansion coefficient on this ratio can be taken into account here (see the following description in connection with the 3 and 4 ). For example, that ratio is selected which comes closest to the coefficient of thermal expansion of the electronic component determined in step S100.

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, a mixture of the metallic matrix material and a filler composition made 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, in particular 20% by volume to 65% by volume, specifically e.g. 35% by volume to 50% by volume 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 subsequent composite material 1 is specified, e.g. 35% by volume or 50% by volume. The corresponding weight ratios of the matrix material, the carbon fibers and the graphite are determined on the basis of the respective densities of the selected matrix material, the carbon fibers and the graphite. The mixture is then provided with 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 into 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 composite material 1 is produced from the mixture. This can be done, for example, by means of spark plasma sintering according to step S104. For example, a device with the trade name Dr. Sinter 211-Lx can be used.

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.Sintering can take place in particular at the following (maximum) temperatures: 500°C (in particular for Alumix 231), 550°C (in particular for AI2024 and/or Alumix 431), 600°C (in particular for aluminium, Mg-0.9Ca and /or copper) or 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 specified. 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 of time, 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.Sintering takes place 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 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).After the sintering, a heat treatment may be carried out in which the sintered body is kept at a temperature lower than the maximum temperature for a predetermined period of time. For example, the heat treatment is carried out at 350°C for 2 hours (in particular for aluminum and/or MG-0.9Ca). A T6 heat treatment can be used in particular for metallic matrix materials in the form of aluminum alloys (e.g. for AI2024: 2 hours at 490 °C, quenching with water, 12 hours at 190°C; for Alumix 231 and/or Alumix 431: 2 hours at 480°C, quenching 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 method according to step S105, e.g. without current flow and at 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 the hot pressing (S105), a pressure is applied to the mixture along a spatial axis. This pressure causes the filler components, namely the carbon fibers and the graphite platelets, to orient themselves in a main plane of alignment 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 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.-%.the 3 and 4 show the thermal conductivity TC and the thermal expansion coefficient CTE within the main alignment plane x,y and perpendicular to it (in z-direction) with AI2024 ( 3 ) and Alumix 231 ( 4 ) as the metallic matrix material of composite material 1. The values mentioned are each plotted against different ratios of carbon fibers (CF) to graphite (Gr) in % by volume. The proportion of filler composition in AI2024 is ( 3 ) 50% by volume, 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 and the coefficient of thermal expansion along the main alignment plane x,y increase with increasing proportion of graphite. In contrast, the coefficient of thermal expansion perpendicular (in the z-direction) to the main alignment plane x,y falls sharply as the proportion of graphite increases. In other words, for a given overall proportion of filler composition in composite 1, a larger proportion of graphite reduces thermal expansion perpendicular to the main plane of orientation, while a larger proportion of carbon fibers reduces thermal expansion parallel to the main plane of orientation (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 coefficient of thermal expansion is achieved that 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 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).For comparison, the thermal conductivity of sintered AI2024 without filler composition is only around 130 W/(m K), the thermal expansion coefficient is around 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 composite materials 1 produced by means of spark plasma sintering with various 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-0.9Approx copper proportion of filler comp. 50% by volume 35% by volume 50% by volume 50% by volume 50% by volume 50% by volume 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 Density kg/ ^m3 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 composite materials 1, measured using the flash method and the radial heat flow method on disc-shaped bodies made of 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 using a Zwick Z010 tensile tester. For the tensile strength measurement, the disc-shaped bodies were milled into flat tensile specimens.

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.A particularly low thermal expansion coefficient CTE can be achieved with AI2024 as the 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-0.9Ca.

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.Table 1 also shows that with the composite material 1, compared to conventional copper or aluminum, a particularly high thermal conductivity (and thus a particularly high specific thermal conductivity) can be achieved with a comparatively particularly low density. For example, a heat sink can be produced from the composite material 1, which has a very good cooling effect at a low weight. The composite material 1 is therefore particularly suitable for mobile applications, in automobile construction (e.g. for control devices in 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 material with tailored values for the coefficient of thermal expansion and thermal conductivity by adjusting the ratio of carbon fibers to graphite and by the proportion of the 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 comprises a heat sink 2, which is made of the composite material 1 according to FIG 1 consists. The heat sink 2 is firmly connected to an electronic component in a planar contact, here by way of example a power rectifier 30. The power rectifier 30 can be used, for example, 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.As an alternative or in addition to the power rectifier 30, the electronic component 3 could also include a laser diode, a CPU, a transistor, a thyristor or the like as an electronic component.

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.No heat-conducting paste is arranged between the electronic component, here the power rectifier 30, and the heat sink 2. The heat sink 2 and the electronic component can be connected to one another in a form-fitting manner, for example. The electronic component can be embedded in the material of the heat sink 2 or vice versa. Due to the low thermal expansion of the heat sink 2, only low or even essentially no stresses occur between the heat sink 2 and the electronic component, which enables the electronic component 3 to have a particularly long service life.

BezugszeichenlisteReference List

11: Verbundwerkstoffcomposite
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

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.Composite material comprising a metallic matrix (10) in which a filler composition is embedded, the filler composition making up less than 70% by volume of the composite material and consisting of a mixture of carbon fibers (11) and graphite (12), characterized in that the ratio of carbon fibers (11) to graphite (12) in vol.% is between 1:2.5 and 1:3.5.

Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern (11) und das Graphit (12) eine gemeinsame Hauptausrichtungsebene (x,y) aufweisen.composite after claim 1 , characterized in that the carbon fibers (11) and the graphite (12) have a common main orientation plane (x,y).

Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffkomposition 35 Vol.-% bis 50 Vol.-% des Verbundwerkstoffs (1) ausmachen.composite after claim 1 or 2 , characterized in that the filler composition makes up 35% by volume to 50% by volume of the composite material (1).

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 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.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic matrix (10) comprises aluminium.

Verbundwerkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (10) eine Legierung umfasst, nämlich eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung.Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic matrix (10) comprises an alloy, namely 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 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.Heat sink comprising the composite material (1) according to one of the preceding claims.

Elektronisches Bauteil mit einem Halbleiterbauelement und dem Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder dem Kühlkörper (2) nach dem vorstehenden Anspruch.Electronic component with a semiconductor component and the composite material (1) according to one of Claims 1 until 9 or the heat sink (2) according to the preceding claim.

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.A method for producing a composite material, comprising the following steps: - determining or specifying (S100) a thermal expansion coefficient of an electronic component; - providing (S103) a mixture, wherein the mixture comprises a metallic matrix material and a filler composition consisting of a mixture of carbon fibers and graphite; and - Production (S104; S105) of the composite material from the mixture in a powder metallurgical process; wherein before the step of providing (S103) the mixture, the following is carried out: determining the dependence of the thermal expansion coefficient of the composite material on the ratio of carbon fibers to graphite in vol. % and providing (S102) carbon fibers and graphite in a ratio in vol. -% corresponding to the thermal expansion coefficient of the electronic component.

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.procedure after claim 12 , characterized in that the step of providing (S103) the mixture comprises providing the metallic matrix material in powder form and mixing with the carbon fibers and the graphite.

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.Procedure according to one of Claims 12 or 13 , characterized in that the carbon fibers and the graphite are provided in a ratio in vol. % between 1:2.5 and 1:3.5.