DE19640488C2 - Method of manufacturing a ceramic cooling element - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik und der Halbleitertechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramisches Kühlelements, wie es z. B. für die Kühlung von leistungsstarken Halbleiterbauelementen eingesetzt wird.The invention relates to the fields of ceramics and semiconductor technology and relates to a method for producing a ceramic cooling element, as z. B. for the cooling of powerful semiconductor components is used.
Für die Kühlung von Hochleistungshalbleitern werden allgemein Kühlkörper mit Flüssigkeitskühlung verwendet. Diese Kühleinrichtungen sind in der Regel aus mindestens zwei elektrisch und thermisch gut leitenden metallischen Kühlplatten aufgebaut. Durch Fügen der mit Strukturen versehenen Platten entstehen die erforderlichen inneren Kühlkanäle. Diese Kühlkörper, aufgrund ihrer zylindrischen Form auch als Kühldosen bezeichnet, können auch als einteilige Metallgußstücke hergestellt werden (DE 26 40 000 C2, DE 33 19 837 A1).Heat sinks are generally used for cooling high-performance semiconductors Liquid cooling used. These cooling devices are usually out at least two electrically and thermally highly conductive metallic cooling plates built up. By joining the textured plates, the result required internal cooling channels. These heat sinks, due to their cylindrical shape also known as cooling boxes, can also be produced as one-piece metal castings be (DE 26 40 000 C2, DE 33 19 837 A1).
Eine Übertragung der bekannten Technologien aus der Metallfertigung auf die Fertigung von Keramikbauteilen ist nicht ohne weiteres möglich, da es sich bei der Keramik um einen Pulverwerkstoff handelt. A transfer of the known technologies from metal production to Manufacture of ceramic components is not easily possible, as it is the case with Ceramic is a powder material.
Als Kühlmedien sind elektrisch nichtleitende Mineralöle oder Fluor-Chlor- Kohlenwasserstoffe erforderlich. Sie werden jedoch aus Gründen des Brand- und Umweltschutzes immer mehr durch unkritische Stoffe ersetzt. Wird Wasser mit seiner geringen Viskosität und seiner hohen spezifischen Wärmekapazität als Kühlmittel angewendet, kann es vielfach nur entionisiert eingesetzt werden, um einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand zu gewährleisten. Favorisiert wird aber Kühlwasser, nichtentionisiert und mit Frostschutzmittel versehen, das gut verfügbar und über einen größeren Temperaturbereich auch bei Frost einsetzbar ist. Es muß jedoch aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit von den auf hohem elektrischen Potential liegenden Teilen isoliert werden.The cooling media are electrically non-conductive mineral oils or fluorine-chlorine Hydrocarbons required. However, they are due to fire and Environmental protection increasingly replaced by non-critical substances. Will water with his low viscosity and its high specific heat capacity as a coolant applied, it can often only be used deionized to achieve a sufficient level to ensure high specific electrical resistance. But is favored Cooling water, non-ionized and provided with antifreeze that is readily available and can be used over a larger temperature range even in frost. However, it must due to its electrical conductivity from the high electrical potential lying parts are isolated.
Erste vorgeschlagene Lösungen, die eine elektrische Isolation zwischen Kühlkörper
und Kühlmedium gewährleisten, sind:
The first proposed solutions that ensure electrical insulation between the heat sink and the cooling medium are:
- - die Kühlkanäle im Inneren der Kühldosen mit einer Isolierschicht zu versehen und auch die Kühlmittelanschlüsse isolierend zu gestalten (DE 36 01 140 A1),- To provide the cooling channels inside the cooling boxes with an insulating layer and also to design the coolant connections to be insulating (DE 36 01 140 A1),
- - zwischen den metallischen Dosen und den Halbleiterbauelementen Isolierplatten aus elektrisch isolierenden, aber möglichst wärmeleitenden Materialien anzuordnen. Eine Konstruktion dazu, bestehend aus einem Verbund von einer Kühldose aus Kupfer, Isolierplatten aus Aluminiumoxid, äußere Kontaktplatten ebenfalls aus Kupfer mit einer zylindrischen Ummantelung aus Kunststoff zur Verhinderung von Kriechströmen zwischen den metallischen Komponenten, wird in DE 37 40 233 A1 beschrieben.- Isolating plates between the metallic cans and the semiconductor components to arrange electrically insulating, but preferably heat-conducting materials. A Construction, consisting of a composite of a copper cooling box, Insulating plates made of aluminum oxide, outer contact plates also made of copper with a cylindrical sheathing made of plastic to prevent leakage currents between the metallic components is described in DE 37 40 233 A1.
Neue Möglichkeiten zur Lösung des Problems werden durch die Substitution der metallischen Kühlkomponenten durch solche aus keramischen Material eröffnet, welches, in sich das Eigenschaftspotential einer hohen Wärmeleitfähigkeit mit ausreichendem elektrischen Isolationsvermögen vereint.The substitution of the. Opens up new possibilities for solving the problem metallic cooling components opened by those made of ceramic material, which, in itself, has the property potential of a high thermal conductivity sufficient electrical insulation capacity combined.
Die Mehrzahl der keramischen Werkstoffe weist üblicherweise niedrige oder mittlere Wärmeleiteigenschaften auf. Es sind jedoch auch Keramiken bekannt, die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, durchaus mit der von Metallen vergleichbar, besitzen, wie z. B. Berylliumoxid, Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid.The majority of ceramic materials usually have low or medium Thermal conductivity properties. However, ceramics are also known, which is a very have high thermal conductivity, comparable to that of metals, such as B. Beryllium oxide, silicon carbide or aluminum nitride.
Aluminiumnitrid weist beispielsweise bei einem sehr geringen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten (3,3 × 10-6 K-1 bei 20-200°C) eine Wärmeleitfähigkeit von 100-200 Wm-1K-1 und einen elektrischen Widerstand von über 1012 Ωcm (20°C) auf.For example, aluminum nitride has a very low thermal linear expansion coefficient (3.3 × 10 -6 K -1 at 20-200 ° C), a thermal conductivity of 100-200 Wm -1 K -1 and an electrical resistance of over 10 12 Ωcm ( 20 ° C).
In der DE 39 08 996 A1, DE 36 05 554 A1 und DE 40 17 749 A1 werden Kühlelemente aus Aluminiumnitridkeramik beschrieben.Cooling elements are described in DE 39 08 996 A1, DE 36 05 554 A1 and DE 40 17 749 A1 described from aluminum nitride ceramic.
Danach werden die zwei spiegelsymmetrisch aufgebauten, mindestens einen internen mit Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal enthaltenden Kühlkörperhälften im Grünzustand zusammengesetzt und danach gesintert. Dabei befinden sich im Strömungsweg des Kühlmittels stoffschlüssig mit einer Kühlkörperhälfte verbundene Zapfen.Then the two mirror-symmetrical, at least one internal heat sink halves provided with connecting pieces in the cooling duct Green state assembled and then sintered. Here are in Flow path of the coolant integrally connected to a heat sink half Cones.
Unter stoffschlüssig wird das Fügen von mindestens zwei Teilen ohne Spiel verstanden (Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, DKG, Deutscher Wirtschaftsdienst, Kap. 3.9.0.0, S. 1-15).Cohesive means the joining of at least two parts without play (Technical Ceramic Materials Manual, DKG, German Business Service, Cape. 3.9.0.0, pp. 1-15).
Über die Herstellung der mindestens einen internen mit Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal enthaltenden Kühlkörperhälften existieren wenig Veröffentlichungen. Nach einem Artikel in der cfi, Berichte der DKG 71 (1994) 4, S. 178-180 ist bekannt, daß in der Praxis derartige Kühlkörperhälften hergestellt werden, indem aus einem sinterfähigen Aluminiumnitridpulver kompakte Formkörper durch Pressen gefertigt werden. Anschließend wird das Innere des Grünkörpers nach einem Vorhärten mechanisch bearbeitet, d. h. die waffelartig angeordneten Kühlzapfen werden herausgefräst. Danach werden die Grünkörper gesintert, flachgeschliffen und je zwei gesinterte Formkörper spiegelsymmetrisch durch Kleben aneinandergefügt, wobei die Durchflußkanäle im inneren des fertigen Kühlelementes entstehen. In die Ein- und Ausgänge werden rohrförmige Stutzen aus Tonerde mit dem einen Ende eingeklebt, während das andere Ende metallisiert und mit der metallischen Anschlußleitung verlötet wird.About the manufacture of the at least one internal connector Heatsink halves containing the cooling channel have few publications. To an article in the cfi, reports of the DKG 71 (1994) 4, pp. 178-180 is known that in In practice, such heat sink halves are made by a sinterable aluminum nitride powder compact molded body manufactured by pressing become. Then the interior of the green body after pre-hardening machined, d. H. the waffle-like arranged cooling pins milled out. Then the green bodies are sintered, ground flat and two each sintered moldings mirror-symmetrically joined together by gluing, the Flow channels arise in the interior of the finished cooling element. In the in and Exits are glued to tubular ends made of alumina with one end, while the other end is metallized and connected to the metal lead is soldered.
Bekannt, sind weiterhin Ausführungsformen eines elektrisch isolierenden Flüssigkeitskühlkörpers für Halbleiterbauelemente (DE 39 08 996 A1). Es handelt sich um einen quaderförmigen Kühlkörper, in dessen Inneren einen Vielzahl von Kühlkanälen verlaufen. Der Kühlkörper besteht aus einem elektrisch isolierenden keramischen Werkstoff, insbesondere Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Kühlkanäle werden durch Bohren eines massiven plattenförmigen, keramischen Körpers im Grünzustand hergestellt. Anschließend wird der Kühlkörper gesintert. An jedem Ende des Kühkanals sind Anschlußstutzen angebracht, die alle externe Anschlußleitungen zur Kühlmittlelzufuhr und -abfuhr benötigen. Als Kühlmittel wird vorzugsweise unbehandeltes Wasser verwendet. Es sind keine Vorrichtungen zur Entionisierung vorgesehen, um einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand des Wassers sicherzustellen.Embodiments of an electrically insulating are also known Liquid heat sink for semiconductor components (DE 39 08 996 A1). It is about a cuboidal heat sink, inside of which a multitude of Cooling channels run. The heat sink consists of an electrically insulating ceramic material, especially aluminum nitride or beryllium oxide, the one have high thermal conductivity. The cooling channels are made by drilling a massive plate-shaped, ceramic body made in the green state. The heat sink is then sintered. At each end of the cooling channel Connection piece attached, all external connection lines for coolant supply need and removal. Untreated water is the preferred coolant used. No deionization devices are provided to control a ensure a sufficiently high specific electrical resistance of the water.
Aus DE 25 23 232 A1 ist eine Kühldose aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid zur Flüssigkeitskühlung eines Thyristors bekannt, die aus einem hohlzylindrischen Formstück mit einem zylindrischen Kern besteht und über Kleben oder Löten gefügt ist. Die Bearbeitung des Innenraumes der Kühldose erfolgt im Grünzustand.DE 25 23 232 A1 discloses a cooling box made of aluminum oxide or beryllium oxide Liquid cooling of a thyristor known from a hollow cylindrical Fitting with a cylindrical core and is joined by gluing or soldering. The interior of the cooling box is processed in the green state.
Die Kühlkörper sind in jedem Fall mit mindestens zwei Öffnungen versehen, für den Zu- und Ablauf des Kühlmittels. Diese Öffnungen enthalten Anschlußstutzen, die in der Regel elektrisch isolierend ausgeführt sind (DE 36 01 140 A1) und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind (DE 40 17 749 A1).In any case, the heat sinks are provided with at least two openings for the and coolant drain. These openings contain connecting pieces that in the Are usually electrically insulating (DE 36 01 140 A1) and integrally the heat sink are connected (DE 40 17 749 A1).
Der Nachteil der nach dem bekannten Stand der Technik hergestellten Kühlkörper besteht darin, daß sie aufwendig und in mehreren Teilschritten hergestellt werden müssen, wobei auch ein großer Prozentsatz an Ausschuß entsteht. Weiterhin ist auch eine Miniaturisierung der Kühldose durch die Möglichkeiten der Bearbeitungstechniken und -werkzeuge für die Kühldose im Grün- oder auch im gesinterten Zustand begrenzt. Bei größeren Kühldosen steigt der Bearbeitungsaufwand weiter an und es treten erhebliche Materialverluste auf.The disadvantage of the heat sink manufactured according to the known prior art consists in the fact that they are complex and produced in several steps with a large percentage of rejects. Furthermore, too a miniaturization of the cooling box through the possibilities of the processing techniques and tools for the cooling box in the green or sintered state limited. In the case of larger cooling cans, the processing effort continues to increase and it occurs considerable material losses.
Eine wirtschaftliche Fertigung mit großen Stückzahlen ist unter diesen Voraussetzungen nicht möglich.Economical production with large quantities is one of them Prerequisites not possible.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kühlelements anzugeben, wobei dieses Herstellungsverfahren die mechanische Bearbeitung des keramischen Kühlelementes vermeidet oder stark einschränkt.The object of the invention is to provide a method for producing a Specify ceramic cooling element, this manufacturing process mechanical processing of the ceramic cooling element avoids or strong restricted.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in claim 1. Further training is the subject of the subclaims.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kühlelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem mindestens ein sinterfähiges keramisches Pulver für eine elektrisch isolierende und thermisch gut leitende Keramik mit einem thermoplastischen Bindemittel gemischt wird, die erhaltene thermoplastische Masse bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des thermoplastischen Bindemittels in eine Form eingebracht wird, wobei die Form die Negativstrukturierung der Außenkontur eines einstückigen Kühlelements aufweist und mit einem Kern aus einem Hilfswerkstoff, der die Positivstrukturierung der Kühlkanalanordnung aufweist, versehen ist und wobei die Form die Negativstrukturierung der ganzen oder geteilten Anschlußstutzen aufweist, anschließend das Bindemittel und der Kern entfernt werden und danach eine Sinterung erfolgt, wobei annähernd eine isotrope Schwindung eingehalten wird. The object is achieved by a method for producing a ceramic Cooling element according to the preamble of claim 1, wherein at least one sinterable ceramic powder for a electrically insulating and thermally highly conductive ceramic with a thermoplastic Binder is mixed, the thermoplastic mass obtained at a temperature into a mold above the softening point of the thermoplastic binder is introduced, the shape of the negative structuring of the outer contour has one-piece cooling element and with a core made of an auxiliary material, the has the positive structuring of the cooling channel arrangement, is provided and wherein the Shape has the negative structuring of the whole or divided connecting piece, then the binder and the core are removed and then a sintering takes place, with approximately an isotropic shrinkage being maintained.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kühlelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem mindestens ein sinterfähiges keramisches Pulver für eine elektrisch isolierende und thermisch gut leitende Keramik mit einem thermoplastischen Bindemittel gemischt wird, die erhaltene thermoplastische Masse bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des thermoplastischen Bindemittels in eine Form eingebracht wird, wobei die Form die Negativstrukturierung einer Kühlelementhälfte aufweist, und wobei die Form die Negativstrukturierung der ganzen oder geteilten Anschlußstutzen aufweist, anschließend das Bindemittel entfernt wird und danach eine Sinterung erfolgt, wobei annähernd eine isotrope Schwindung eingehalten wird, und wobei die Sinterung der Kühlelementhälften getrennt oder von zwei zusammengesetzten Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt wird.The object is also achieved by a method for producing a ceramic Cooling element according to the preamble of claim 1, wherein at least one sinterable ceramic powder for a electrically insulating and thermally highly conductive ceramic with a thermoplastic Binder is mixed, the thermoplastic mass obtained at a temperature into a mold above the softening point of the thermoplastic binder is introduced, the shape of the negative structuring of a cooling element half has, and wherein the shape of the negative structuring of the whole or divided Has connecting piece, then the binder is removed and then a Sintering takes place, with approximately an isotropic shrinkage being maintained, and wherein the sintering of the cooling element halves separately or by two composite cooling element halves is performed together.
Zweckmäßig ist es, wenn als thermoplastisches Bindemittel ein Polymer-Wachs- Gemisch eingesetzt wird.It is useful if a polymer wax is used as the thermoplastic binder. Mixture is used.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß als Hilfswerkstoff für den Kern ein zersetzbarer Kunststoff eingesetzt wird.Another advantageous embodiment of the invention is that as Auxiliary material for the core is a decomposable plastic.
Eine Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht auch darin, daß als Hilfswerkstoff für den Kern eine niedrig schmelzende Metallegierung eingesetzt wird, wobei der Schmelzpunkt der Metallegierung oberhalb der jeweiligen Einsatztemperatur des thermoplastischen Bindemittels liegt.An embodiment of the invention is also that as Auxiliary material for the core a low-melting metal alloy is used, the melting point of the metal alloy above the respective operating temperature of the thermoplastic binder.
Es ist auch zweckmäßig, wenn als Hilfswerkstoff für den Kern eine Pulver-Bindemittel- Mischung eingesetzt wird, wobei das Bindemittel und das Pulver aus dem Grünkörper entfernt werden.It is also expedient if a powder binder is used as the auxiliary material for the core. Mixture is used, the binder and the powder from the green body be removed.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Anschlußstutzen ohne Stoffübergang gleichzeitig mit dem Kühlelement geformt werden. There are particular advantages when the connecting piece without mass transfer are formed simultaneously with the cooling element.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in zweckmäßiger Weise dahingehend ausgestaltet sein, daß bei gemeinsamer Sinterung von zwei Kühlelementhälften die Verbindungsstellen zwischen den Kühlelementhälften mit einer arteigenen Folie oder einer Suspension beschichtet werden.The method according to the invention can expediently do this be designed so that when sintering two cooling element halves together Joints between the cooling element halves with a type of film or coated with a suspension.
Entsprechend einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei gemeinsamer Sinterung von zwei Kühlelementhälften die beiden Kühlelementhälften zusammengesetzt und einem Druck von 0 bis 10 MPa und einer Temperatur von 0,5 bis 50 K über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Bindemittels ausgesetzt und anschließend gesintert.According to a further expedient embodiment of the invention The process is the joint sintering of two cooling element halves two cooling element halves and a pressure of 0 to 10 MPa and a temperature of 0.5 to 50 K above the softening temperature of the exposed to thermoplastic binder and then sintered.
Vorteilhafterweise wird die Sinterung von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt, wobei die Verbindungsstellen zwischen den Kühlelementhälften mit einer arteigenen Folie oder einer Suspension beschichtet, anschließend die beiden Kühlelementhälften zusammengesetzt werden und einem Druck von 0 bis 10 MPa und einer Temperatur von 0,5 bis 50 K über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Bindemittels ausgesetzt und anschließend gesintert werden.The sintering of two cooling element halves is advantageously common performed, the joints between the cooling element halves with a type of film or a suspension coated, then the two Cooling element halves are put together and a pressure of 0 to 10 MPa and a temperature of 0.5 to 50 K above the softening temperature of the exposed to thermoplastic binder and then sintered.
Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Kühlelement aus zwei unter der Bedingung der isotropen Schwindung gesinterte Kühlelementhälften zusammengelötet oder an den Verbindungsstellen mit einem Klebstoff versehen und zusammengesetzt wird.Another advantageous variant of the method according to the invention consists in that the cooling element consists of two under the condition of isotropic shrinkage sintered cooling element halves soldered together or at the connection points provided with an adhesive and assembled.
Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn zu dem keramischen Pulver und dem thermoplastischen Bindemittel Sinterhilfsmittel und Formgebungshilfsmittel zugegeben werden und diese gemeinsam zu der thermoplastischen Masse gemischt werden.And it is also advantageous if the ceramic powder and the thermoplastic binders, sintering aids and shaping aids are added are and these are mixed together to form the thermoplastic mass.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Form beheizt wird. It is also an advantage if the mold is heated.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren verringert sich der Herstellungsaufwand gegenüber nach dem Stand der Technik mechanisch bearbeiteten Kühlelementen erheblich. Die Arbeitsschritte mechanische Bearbeitung und Einfügen der Anschlußstutzen können ganz oder teilweise entfallen. Vor allem für die Serienfertigung und für eine Automatisierung der Einzelprozesse ist die Vereinfachung der Technologie entscheidend. Außerdem wird die Funktionssicherheit der Kühlelemente erhöht, indem das Einfügen der Anschlußstutzen entfällt. Weiterhin kann der Materialeinsatz erheblich verringert werden, da bei der Herstellung kaum Abfall anfällt.The manufacturing effort is reduced by the method according to the invention compared to cooling elements machined according to the prior art considerably. The working steps mechanical processing and inserting the Connection pieces can be omitted in whole or in part. Especially for series production and the automation of the individual processes is the simplification of the technology crucial. In addition, the functional reliability of the cooling elements is increased by there is no need to insert the connecting piece. Furthermore, the use of materials can be considerable can be reduced since there is hardly any waste during production.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann ein äußerst kompaktes und platzsparendes Kühlelement mit einer relativ geringen Bauteilhöhe hergestellt werden.The solution according to the invention can be extremely compact and space-saving Cooling element can be made with a relatively low component height.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Möglichkeit, die endformnah geformten Formkörper bereits nach der Formgebung oder nach der Entbinderung zusammensetzen zu können, so daß nach dem Sintern des zusammengesetzten Formkörpers ein fertiges Kühlelement vorliegt. Ein besonderer Vorteil liegt in der Möglichkeit des arteigenen Fügens. Dabei werden zwei Kühlelementhälften zusammengesetzt und Druck und Temperatur ausgesetzt, so daß sich an den Verbindungsstellen eine Erweichung der geformten thermoplastischen Masse ergibt und damit die arteigenen Stoffe sich miteinander verbinden. Bei der anschließenden Sinterung treten keine Schwierigkeiten auf, da keine fremden Materialien verwendet wurden.Another advantage of the solution according to the invention is the possibility of Moldings shaped close to the final shape already after shaping or after To be able to put together debinding, so that after sintering the assembled molded body is a finished cooling element. A special The advantage lies in the possibility of joining the species. This will be two Cooling element halves assembled and exposed to pressure and temperature, so that softening of the molded thermoplastic at the connection points Mass results and thus the species-specific substances combine with each other. In the Subsequent sintering is not a problem since there are no strangers Materials were used.
Eine besondere Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat die Einhaltung der Bedingungen für eine isotrope Schwindung bei der Sinterung. Dadurch werden im Falle der Herstellung von Kühlelementhälften Sinterkörper hergestellt, die eine Zusammensetzung ohne oder mit sehr geringem mechanischen Bearbeitungsaufwand an den Verbindungsstellen ermöglichen.Compliance is of particular importance in the method according to the invention the conditions for isotropic shrinkage during sintering. As a result, In the case of the production of cooling element halves, sintered bodies are produced, which is a Composition without or with very little mechanical processing effort enable at the connection points.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Dichtehomogenität selbst bei großem Formkörpervolumen (z. B. 100 cm3 bei einer Formkörperdicke von 10 mm) möglich ist. Die hohe Dichtehomogenität ist Voraussetzung für eine isotrope Schwindung beim Sintern. Beim Entbindern der Formkörper wird das thermoplastische Bindemittel ausgetrieben, wodurch im Volumen eine feine, gleichmäßig verteilte Porosität verbleibt. Die während des Sinterns ablaufenden Stofftransportprozesse führen zu einem Verschließen der Porosität, die mit einer Schwindung des Sinterteiles verbunden ist.Surprisingly, it has been shown that the process according to the invention enables high density homogeneity even with a large molded body volume (for example 100 cm 3 with a molded body thickness of 10 mm). The high density homogeneity is a prerequisite for an isotropic shrinkage during sintering. When the moldings are debindered, the thermoplastic binder is expelled, leaving a fine, evenly distributed porosity in the volume. The mass transport processes taking place during the sintering lead to a closing of the porosity, which is associated with a shrinkage of the sintered part.
Für den Fall, daß als elektrisch isolierender und thermisch gut leitender keramischer Werkstoff Aluminiumnitridpulver eingesetzt wird, ist bei der Sinterung mindestens eine stickstoffhaltige Atmosphäre erforderlich.In the event that as an electrically insulating and thermally highly conductive ceramic Material aluminum nitride powder is used, is at least one during sintering nitrogenous atmosphere required.
Weiterhin ist es nach der erfindungsgemäßen Lösung möglich, daß die Anschlußstutzen als Rohrstück an nur eine Kühlelementhälfte unmittelbar bei der Formgebung dieser Kühlelementhälfte mit geformt werden. Eine zweite Kühlelementhälfte wird ohne Anschlußstutzen hergestellt. Beide Kühlelementhälften werden dann zusammengesetzt. Der Vorteil dieser Verfahrensvariante besteht darin, daß kreisrunde Anschlußstutzen herstellbar sind.Furthermore, it is possible after the solution according to the invention that the Connection piece as a pipe section to only one cooling element half directly at the Shaping this cooling element half can be molded with. A second Half of the cooling element is manufactured without connecting piece. Both cooling element halves are then put together. The advantage of this process variant is that that circular connecting pieces can be produced.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch den Einsatz eines thermoplastischen Bindemittels es erstmals möglich geworden ist, ein keramisches Kühlelement einstückig herzustellen, d. h. in einem Stück zu fertigen. Dabei wird ein der Positivstruktur der Kanalanordnung entsprechender Kern aus einen Hilfswerkstoff geformt und dieser in die Form mit der Negativstrukturierung der Außenkontur des Kühlelementes eingesetzt. Anschließend wird die thermoplastische Masse in die Form eingebracht. Nachdem eine temperaturstabile Festigkeit erreicht ist, wird das Kühlelement aus der Form entnommen und der Kern entfernt. Der geometrischen Gestaltungsvielfalt sind durch diese Variante der Erfindung nahezu keine Grenzen gesetzt.A particular advantage of the solution according to the invention is that Use of a thermoplastic binder has made it possible for the first time to manufacture ceramic cooling element in one piece, d. H. to manufacture in one piece. In this case, a core corresponding to the positive structure of the channel arrangement becomes one Auxiliary material shaped and this in the form with the negative structuring of the Outside contour of the cooling element used. Then the thermoplastic Mass introduced into the mold. After a temperature-stable strength is reached, the cooling element is removed from the mold and the core is removed. The geometric design diversity is almost due to this variant of the invention no limits.
Im weiteren wird die Erfindung durch mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert.Furthermore, the invention is explained in more detail by means of several exemplary embodiments.
1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m2/g und einem Zusatz von 40 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern, werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (170 g Polyethylen, 50 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 150°C auf einem Extruder compoundiert. Die erhaltene thermoplastische Masse wird granuliert und auf einer Schneckenspritzgießmaschine bei Zylindertemperaturen von 170°C unter einem Druck von 105 MPa mit einem Nachdruck im Profil von 75 MPa (5 s), 55 MPa (3 s) 25 MPa (2 s) in eine auf 70°C temperierte Form eingebracht. Die Innenkontur der Form weist die Negativstrukturierung der Außenkontur der Kühlelementhälfte zuzüglich des Schwindungsmaßes auf. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entformt und hat die Abmessungen: 85 mm Außendurchmesser, 10 mm Dicke, 5 mm Strukturtiefe, 2,3 mm Kanalbreite. Anschließend wird der Formkörper entbindert und dabei verringert sich sein Gewicht um ca 20%. Der Formkörper wird anschließend bei 1800°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Zwei derartig hergestellte Kühlelementhälften mit identischer Geometrie werden an den Verbindungsstelle mit einem Klebstoff versehen und spiegelsymmetrisch zusammengesetzt, so daß damit ein fertiges Kühlelement entsteht.1000 g of aluminum nitride powder with a specific powder surface of 3 m 2 / g and an addition of 40 g of yttrium oxide as a sintering aid to form a liquid phase during sintering are mixed with 300 g of thermoplastic binder (170 g of polyethylene, 50 g of paraffin, 80 g of stearic acid) at 150 ° C compounded on an extruder. The thermoplastic mass obtained is granulated and on a screw injection molding machine at cylinder temperatures of 170 ° C under a pressure of 105 MPa with a pressure in the profile of 75 MPa (5 s), 55 MPa (3 s) 25 MPa (2 s) 70 ° C tempered form introduced. The inner contour of the shape has the negative structure of the outer contour of the cooling element half plus the amount of shrinkage. After the binder has hardened, the shaped body is removed from the mold and has the dimensions: 85 mm outer diameter, 10 mm thickness, 5 mm structure depth, 2.3 mm channel width. The molded body is then debinded and its weight is reduced by about 20%. The molded body is then sintered at 1800 ° C. under a nitrogen atmosphere, with an isotropic shrinkage of approx. 20% occurring. Two cooling element halves produced in this way with identical geometry are provided with an adhesive at the connection point and assembled in mirror symmetry, so that a finished cooling element is produced.
1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m2/g und einem Zusatz von 30 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern, werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (220 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 100°C in einer beheizten Kugelmühle compoundiert. 1000 g of aluminum nitride powder with a specific powder surface of 3 m 2 / g and the addition of 30 g of yttrium oxide as a sintering aid to form a liquid phase during sintering are combined with 300 g of thermoplastic binder (220 g of paraffin, 80 g of stearic acid) at 100 ° C in one heated ball mill compounded.
Die erhaltene thermoplastische Masse wird in einer Heißgießanlage bei einer Temperatur von 110°C unter einem Druck von 0,6 MPa in eine auf 30°C temperierte Form eingebracht. Die Innenkontur der Form weist die Negativstrukturierung der Außenkontur der Kühlelementhälfte zuzüglich des Schwindungsmaßes auf. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entformt. Anschließend werden zwei derartige Formkörper spiegelsymmetrisch unter einem Druck von 0,05 MPa zusammengesetzt und bei 55°C 30 min getempert. Der so entstandene Formkörper wird entbindert, wobei sich sein Gewicht um ca 20% verringert. Der Formkörper wird anschließend bei 1750°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Anschließend ist das Kühlelement fertig.The thermoplastic mass obtained is in a hot casting system at a Temperature of 110 ° C under a pressure of 0.6 MPa in a temperature controlled at 30 ° C Form introduced. The inner contour of the shape shows the negative structure of the Outer contour of the cooling element half plus the amount of shrinkage. After this When the binder cures, the molded body is removed from the mold. Subsequently two such shaped bodies are mirror-symmetrical under a pressure of 0.05 MPa assembled and annealed at 55 ° C for 30 min. The resulting one Shaped body is released, whereby its weight is reduced by approx. 20%. The Shaped body is then sintered at 1750 ° C under a nitrogen atmosphere, wherein an isotropic shrinkage of approx. 20% occurs. Then that's it Cooling element finished.
1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m2/g und einem Zusatz von 50 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (170 g Polyethylen, 50 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 150°C in einem Extruder compoundiert. Die erhaltene thermoplastische Masse wird granuliert und auf einer Schneckenspritzgießmaschine bei Zylindertemperaturen von 170°C unter einem Druck von 105 MPa mit einem Nachdruck im Profil von 75 MPa (5 s), 55 MPa (3 s) 25 MPa (2 s) in eine auf 70°C temperierte Form eingebracht. Die Innenkontur der Form weist die Negativstrukturierung der Außenkontur der Kühlelementhälfte zuzüglich des Schwindungsmaßes auf. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entformt. Anschließend werden zwei derartige Formkörper entbindert, wobei sich sein Gewicht um ca 20% verringert. Die beiden Formkörper werden an den Verbindungsstellen mit einer 50 Gew.-%-igen Suspension, bestehend aus Aluminiumnitrid, Yttriumoxid und einem Lösungsmittel bestrichen, spiegelsymmetrisch zusammengesetzt und nach dem Trocknen des Lösungsmittels bei 1850°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Anschließend ist das Kühlelement fertig.1000 g of aluminum nitride powder with a specific powder surface of 3 m 2 / g and the addition of 50 g of yttrium oxide as a sintering aid to form a liquid phase during sintering are combined with 300 g of thermoplastic binder (170 g of polyethylene, 50 g of paraffin, 80 g of stearic acid) at 150 ° C compounded in an extruder. The thermoplastic mass obtained is granulated and on a screw injection molding machine at cylinder temperatures of 170 ° C under a pressure of 105 MPa with a pressure in the profile of 75 MPa (5 s), 55 MPa (3 s) 25 MPa (2 s) 70 ° C tempered form introduced. The inner contour of the shape has the negative structure of the outer contour of the cooling element half plus the amount of shrinkage. After the binder has hardened, the molded body is removed from the mold. Then two such shaped bodies are debindered, their weight being reduced by approximately 20%. The two molded parts are coated with a 50% by weight suspension consisting of aluminum nitride, yttrium oxide and a solvent at the connection points, put together in mirror symmetry and sintered after drying the solvent at 1850 ° C under a nitrogen atmosphere, whereby an isotropic shrinkage of approx 20% occurs. The cooling element is then finished.
Durch ein Druckgußverfahren wird ein Kern, der die Positivstrukturierung der vorgesehenen Kanalanordnung aufweist, aus einer niedrigschmelzenden Zinnlegierung hergestellt. Dieser Kern wird in eine Form, die die Negativstrukturierung der Außenkontur des Kühlelementes aufweist eingebracht.Through a die casting process, a core is formed, which is the positive structuring of the provided channel arrangement, made of a low-melting tin alloy manufactured. This core is in a form that the negative structuring of the Has introduced outer contour of the cooling element.
1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m2/g und einem Zusatz von 30 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern, werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (220 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 100°C in einer beheizten Kugelmühle compoundiert. Die erhaltene thermoplastische Masse wird in einer Heißgießanlage bei einer Temperatur von 110°C unter einem Druck von 0,6 MPa in die Form, die den Kern enthält, eingebracht. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entnommen. Anschließend wird der Formkörper entbindert, wobei sich sein Gewicht um ca 20% verringert und eine temperaturstabile Festigkeit erreicht wird. Bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der Zinnlegierung wird diese aus dem Formkörper herausgegossen. Der Formkörper wird anschließend bei 1750°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Anschließend ist das Kühlelement fertig.1000 g of aluminum nitride powder with a specific powder surface of 3 m 2 / g and the addition of 30 g of yttrium oxide as a sintering aid to form a liquid phase during sintering are combined with 300 g of thermoplastic binder (220 g of paraffin, 80 g of stearic acid) at 100 ° C in one heated ball mill compounded. The thermoplastic composition obtained is introduced into the mold containing the core in a hot casting installation at a temperature of 110 ° C. under a pressure of 0.6 MPa. After the binder has hardened, the shaped body is removed from the mold. The molded body is then debinded, its weight being reduced by approximately 20% and a temperature-stable strength being achieved. At temperatures above the melting temperature of the tin alloy, it is poured out of the molded body. The molded body is then sintered at 1750 ° C. under a nitrogen atmosphere, with an isotropic shrinkage of approx. 20% occurring. The cooling element is then finished.
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