JP2007500450A - Composite materials and electrical circuits or modules - Google Patents

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ハンメル，アーンスト
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クラミック エレクトロニクス ゲーエムベーハー
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Abstract

本発明は特に電気工学の分野における用途のための新規な複合材料、に関する。前記新規な材料は、互いに垂直関係の三次元系の少なくとも２つの軸において１２ｘ１０−６Ｋ−１未満の熱膨張係数を有する。
The present invention relates to a novel composite material, especially for applications in the field of electrical engineering. The novel material has a coefficient of thermal expansion of less than 12 × 10 −6 K −1 in at least two axes of a three-dimensional system perpendicular to each other.

Description

本発明は請求項１の前文に記載の複合材料または複合原材料および請求項３２の前文に記載の電気回路または電気モジュールに関する。 The invention relates to a composite material or composite raw material according to the preamble of claim 1 and an electrical circuit or module according to the preamble of claim 32.

本発明の「複合材料」または「複合原材料」は、一般に、例えば共通マトリックスにおいてまたは、互いに結合される少なくとも２つの隣接した材料部分の少なくとも一部分においてもまた、いくつかの材料構成要素を備えている材料である。
本発明の「熱放散部品」または「放熱部品」は、一般に電子工学においておよび特に電力エレクトロニクスにおいて使用され、かつ、熱損失を放散させて電気または電子部品を冷却するために使用される部品であり、例えば電気回路または電気モジュールのベースプレートおよび／または熱放散板即ち冷却板、電気部品または電子部品用基板、電気部品または電気モジュールの筐体または筐体要素、更に、例えば、冷却器、ヒートパイプまたは、水のような冷却液が中を流れる活性放熱部品のような部品である。 The “composite material” or “composite raw material” of the present invention generally comprises several material components, for example also in a common matrix or in at least a part of at least two adjacent material parts bonded together. Material.
The “heat dissipating component” or “heat dissipating component” of the present invention is a component that is generally used in electronics and especially in power electronics and is used to dissipate heat loss and cool electrical or electronic components. A base plate and / or a heat dissipating plate or cooling plate of an electric circuit or an electric module, a substrate for an electric component or an electronic component, a housing or housing element of an electric component or an electric module, further, for example, a cooler, a heat pipe or A component such as an active heat radiating component through which a coolant such as water flows.

技術の多くの領域で、特に単一材料構成要素によって達成できない材料特性が要求される場合、複合材料は構造、構成要素、その他のための材料として使用される。 In many areas of technology, composite materials are used as materials for structures, components, etc., especially where material properties that cannot be achieved by a single material component are required.

複合材料の所望の特性は、個々の構成要素およびこれらの構成要素の物理的および／または化学的特性、例えば熱特性を注意深く選択することによって最適化が可能である。 The desired properties of the composite material can be optimized by careful selection of the individual components and the physical and / or chemical properties of these components, for example thermal properties.

Ｃｈｕｎｇその他による「熱伝導のための材料（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）」Ａｐｐｌ． Ｔｈｅｒｍ． Ｅｎｇ．、２１、（２００１） １５９３−１６０５は、熱伝導材料または熱放散材料用の材料の一般概要を与えている。この論文は、可能な個々の構成要素の特性および複合材料のための関連する例を概説している。 Chung et al., “Materials for Thermal Conduction” Appl. Therm. Eng. 21, (2001) 1593-1605 gives a general overview of materials for heat-conducting or heat-dissipating materials. This paper outlines possible individual component properties and related examples for composites.

Ｔｉｎｇその他は、Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ．， １０ （６），１９９５，１４７８−１４８４において、アルミニウムＶＧＣＦ（気化成長されたカーボンファイバー）複合物の製造およびそれらの熱伝導特性を報告している。Ｔｉｎｇその他による米国特許第５，８１４，４０８号 は、Ａｌ−ＶＧＣＦ ＭＭＣに対する結果の特許明細書である。 Ting et al. Mater. Res. , 10 (6), 1995, 1478-1484 report the preparation of aluminum VGCF (vaporized carbon fiber) composites and their thermal conductivity properties. US Pat. No. 5,814,408 to Ting et al. Is the resulting patent specification for Al-VGCF MMC.

金属およびポリマーマトリックスの双方におけるＣａｒｂｏｎ ＦｉｂｒｉｌｓＴＭ（ある定義されたＣＶＤカーボンファイバー）を有する複合物が、Ｈｏｃｈその他による米国特許第５，５７８，５４３号において言及されている。 Composites with Carbon Fibers ™ (a defined CVD carbon fiber) in both metal and polymer matrices are mentioned in US Pat. No. 5,578,543 by Hoch et al.

Ｕｓｈｉｊｉｍａその他は、米国特許第６，４０６，７９０号において、マトリックス金属の圧力溶浸を用いた充填材料として、ＣＶＤ成長されたカーボンファイバーの特別変種を有する複合材料の製造を記載している。 Ushijima et al., In US Pat. No. 6,406,790, describes the production of composites with a special variant of CVD-grown carbon fiber as a filler material using matrix metal pressure infiltration.

Ｈｏｕｌｅその他は、米国特許第６，４６９，３８１号において、基板内にカーボンファイバーを含むことによって動作中に生成される熱を放散させる半導体素子に関して報告している。 Houle et al., In US Pat. No. 6,469,381, report on a semiconductor device that dissipates heat generated during operation by including carbon fibers in the substrate.

金属マトリックスを有する複合材料における被覆されたカーボンファイバーの使用が、Ｂｉｅｌｅｒその他によって米国特許第５，６６０，９２３号に記載されている。 The use of coated carbon fibers in composite materials having a metal matrix is described by Bieler et al. In US Pat. No. 5,660,923.

Ａｌマトリックス内のＡｌ２Ｏ３ファイバーおよびその対応するファイバー強化複合材料の製造が、ＭｃＣｕｌｌｏｕｇｈその他による米国特許第６，４６０，４９７号に記載されている。 The manufacture of Al 2 O 3 fibers and their corresponding fiber reinforced composites in an Al matrix is described in US Pat. No. 6,460,497 by McCullough et al.

改善された電気的特性によって、プリント回路基板としての金属−セラミック基板、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）でできた基板、または同じく増加しつつある窒化アルミニウム（ＡｌＮ）でできた基板の使用は、電気駆動システム、例えば交通および自動化技術においてますます使用されつつある電力モジュール用として特に公知である。銅でできた層またはベースプレートは高熱伝導率を有し、したがって電力放散または熱損失、更に、熱拡散に適切であり、しばしばこのような電力モジュールから相当な電力損失を放散させなければならない基板または放熱部品に対する移行層として、これまで使用されてきた。 Due to the improved electrical properties, the use of metal-ceramic substrates as printed circuit boards, for example substrates made of alumina (Al 2 O 3 ) or also of increasing aluminum nitride (AlN), It is particularly known for electric drive systems, for example power modules that are increasingly used in traffic and automation technology. A layer or base plate made of copper has a high thermal conductivity and is therefore suitable for power dissipation or heat loss, as well as heat diffusion and often has to dissipate considerable power loss from such a power module. It has been used so far as a transition layer for heat dissipation components.

この層またはベースプレートの欠点は、使用される材料、すなわち、セラミック、銅、更に、このようなモジュールの能動電気部品または電子部品のシリコンの熱膨張係数の大きな変動である。このような電力モジュールおよびそれらの部品は、製造工程中だけでなく動作中、例えば動作状態から遊び時間、即ち非動作状態への遷移の間、およびその逆の間、更に動作中にモジュールがスイッチングされる場合も相当な温度変化にさらされる。異なる膨張係数によって、これらの温度変化は、モジュール内に機械的ストレス、すなわちセラミックと隣接した金属被覆または金属層（例えばセラミック層の一方の側のベースプレートとセラミック層の反対側のストリップ導体、コンタクト表面、その他）との間の機械的ストレス、更に、金属表面とその上に位置する電気部品または電子部品、特に半導体素子との間の機械的ストレスを引き起こす。頻繁な機械的繰返応力によって、モジュールまたはその構成要素の材料疲労およびしたがって、故障が生じる。 The disadvantage of this layer or base plate is a large variation in the coefficient of thermal expansion of the materials used, ie ceramic, copper and also the active electrical or electronic components of such modules. Such power modules and their components are switched not only during the manufacturing process but also during operation, for example during the transition from operating state to idle time, i.e. non-operating state and vice versa, and further during operation. When exposed, they are also subject to considerable temperature changes. Due to the different expansion coefficients, these temperature changes can cause mechanical stresses in the module, ie the metal coating or metal layer adjacent to the ceramic (eg the base plate on one side of the ceramic layer and the strip conductor on the opposite side of the ceramic layer, contact surface ) And the like, and mechanical stress between the metal surface and the electrical or electronic component located on the metal surface, particularly a semiconductor element. Frequent mechanical repetitive stress results in material fatigue and thus failure of the module or its components.

この問題は、電力モジュールの小型化の追加要因によって、および引き続いて起こる出力密度の増加によって悪化する。銅−セラミック基板を有する電力モジュールの材料構成要素の熱膨張係数ａは、銅に対してａ＝１６．８ｘ１０−６Ｋ−１およびシリコンに対してａ＝３ｘ１０−６Ｋ−１の範囲内である。 This problem is exacerbated by the additional factors of power module miniaturization and the subsequent increase in power density. Copper - thermal expansion coefficient a of the material components of the power module having a ceramic substrate, to the a = 16.8x10 -6 K -1 and silicon to copper in the range of a = 3x10 -6 K -1 is there.

参照は、また、以下の表に対してなされ、ここで熱伝導率λおよび熱膨張係数ａが、様々な材料に対して指定される。 Reference is also made to the following table, where thermal conductivity λ and thermal expansion coefficient a are specified for various materials.

・ λｔｈ（Ｗ／ｍＫ） ａ（１０−６／Ｋ）
Ａｇ ４２８ １９．７
Ｃｕ ３９５ １６．８
ＣｕＣｏ０．２ ３８５ １７．７
ＣｕＳｎＯ．１２ ３６４ １７．７
Ａｕ ３１２ １４．３
Ａｌ ２３９ ２３．８
ＢｅＯ ２１８ ８．５
ＡｌＮ １４０−１７０ ２．６
Ｓｉ １５２ ２．６
ＳｉＣ ９０ ２．６
Ｎｉ ８１ １２．８
Ｓｎ ６５ ２７
ＡｕＳｎ２０ ５７ １５．９
Ｆｅ ５０ １３．２
Ｓｉ３Ｎ４ １０−４０ ３．１
Ａｌ２Ｏ３ １８．８ ６．５
ＦｅＮｉ４２ １５．１ ５．１
銀エポキシセメント ０．８−２ ５３
エポキシドモールディング ０．６３−０．７６ １８−３０
ＳｉＯ２ ０．１ ０．５
Ｗ １３０ ４．５
Ｍｏ １４０ ５．１
Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ １９４ ６．０
ＡｌＳｉＣ １６０−２２０ ７−１０ Λ th (W / mK) a (10 −6 / K)
Ag 428 19.7
Cu 395 16.8
CuCo0.2 385 17.7
CuSnO. 12 364 17.7
Au 312 14.3
Al 239 23.8
BeO 218 8.5
AlN 140-170 2.6
Si 152 2.6
SiC 90 2.6
Ni 81 12.8
Sn 65 27
AuSn20 57 15.9
Fe 50 13.2
Si 3 N 4 10-40 3.1
Al 2 O 3 18.8 6.5
FeNi42 15.1 5.1
Silver epoxy cement 0.8-2 53
Epoxide molding 0.63-0.76 18-30
SiO 2 0.1 0.5
W 130 4.5
Mo 140 5.1
Cu / Mo / Cu 194 6.0
AlSiC 160-220 7-10

電力損失の放散のための熱伝導率が必要であるので、特に半導体モジュールまたは金属被覆用のそれらの基板、ベースプレート、その他に使用される金属は、十分に熱を伝導することが可能でなければならない。現在、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−ＭｏまたはＡｌ−ＳｉＣなどの銅またはアルミニウムベースの材料は、特に放熱部品として好適である。 Metals used for semiconductor substrates or their substrates, baseplates, etc., especially for metallization, must be able to conduct heat sufficiently, since thermal conductivity for dissipation of power loss is required Don't be. Currently, copper or aluminum based materials such as Cu-W, Cu-Mo or Al-SiC are particularly suitable as heat dissipation components.

銅のダイレクトボンディング技術を使用して、セラミック上、例えばアルミナセラミック上に、ストリップ導体、結線、その他に必要とされる金属被覆を製造する方法は、公知技術であり、金属被覆は金属箔または銅箔または金属シートまたは銅シートによって形成されており、金属および反応性ガス、好ましくは酸素、を伴う化学結合による層または被覆（溶融物層）を表側の特徴とする。例えば米国特許明細書第３７ ４４ １２０号またはドイツ特許明細書第２３ １９ ８５４号に記載される方法において、この層または被覆（溶融物層）は、金属（例えば銅）の溶融温度を下回る溶融温度で共晶を形成し、箔がセラミック上に配置され、および全層が加熱される場合、それらが互いに接合される、すなわち、基本的に溶融物層または酸化物層の領域内だけで金属または銅を溶かすことによって、互いに接合される。 The method of producing the required metallization for strip conductors, connections, etc. on ceramics, for example on alumina ceramics, using copper direct bonding technology is a known technique, where the metallization is a metal foil or copper. It is formed by a foil or a metal sheet or copper sheet and features a layer or coating (melt layer) by chemical bonding with metal and a reactive gas, preferably oxygen, on the front side. For example, in the method described in US Pat. No. 37 44 120 or German Patent Specification 23 19 854, this layer or coating (melt layer) has a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper). If the foil is placed on the ceramic and the entire layer is heated, they are joined together, i.e. essentially only in the region of the melt layer or oxide layer or the metal or They are joined together by melting copper.

このＤＣＢ方式は、次の工程を備える。
・ 均一な酸化銅層をもたらすように銅箔を酸化。
・ セラミック層上へ銅箔を配置。
・ この複合物または構造をおよそ１０２５℃と１０８３℃の間のプロセス温度、例えばおよそ１０７１℃まで加熱。
・ 室温まで冷却。 This DCB method includes the following steps.
• Oxidize the copper foil to provide a uniform copper oxide layer.
-Arrange copper foil on the ceramic layer.
Heating the composite or structure to a process temperature between approximately 1025 ° C. and 1083 ° C., eg approximately 1071 ° C.
・ Cool to room temperature.

本発明の目的は、銅または銅合金の熱伝導率より大きいかまたは少なくとも等しい高度な熱伝導率を保持すると共に、銅の熱膨張係数より著しく低い熱膨張係数を有する複合材料を提供することである。この目的は、請求項１に記載の複合材料によって達成される。電気回路または電気モジュールは、請求項３２によって例証される。 It is an object of the present invention to provide a composite material that retains a high thermal conductivity that is greater than or at least equal to that of copper or a copper alloy and that has a thermal expansion coefficient significantly lower than that of copper. is there. This object is achieved by the composite material according to claim 1. An electrical circuit or module is exemplified by claim 32.

本発明による複合材料は、例えば、電気工学用途に、したがって、電気電力モジュール内の基板としての、または熱を放散させる部品としての用途に適切であり、したがって、基本的に、３つの主構成要素、すなわち、少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金と、少なくとも一つのセラミックと、１．３ｎｍと３００ｎｍの間の厚さを有するナノファイバーとから成り、かつ複合材料内に含まれるナノファイバーの大部分の長さ／厚さ比は１０より大きい。セラミック内容物は、ガラスによって、例えば酸化シリコンによって、部分的にまたは完全に置換可能である。 The composite material according to the invention is suitable, for example, for electrical engineering applications and therefore for use as a substrate in an electrical power module or as a component that dissipates heat, and thus basically consists of three main components. I.e. at least one metal or at least one metal alloy, at least one ceramic, and a nanofiber having a thickness between 1.3 nm and 300 nm, and comprising a large amount of nanofibers contained in a composite material The length / thickness ratio of the part is greater than 10. The ceramic contents can be partially or completely replaced by glass, for example by silicon oxide.

使用されるナノファイバーは、少なくとも２垂直空間軸内で、好ましくは全３垂直空間軸内で、複合材料の熱膨張係数の所望の低減をもたらす。 The nanofibers used provide the desired reduction in the thermal expansion coefficient of the composite material in at least 2 vertical spatial axes, preferably in all 3 vertical spatial axes.

本発明の複合材料の実施態様では、以下の手段は、本発明の別の実施態様において可能であり、ナノファイバーは、少なくとも２空間軸内で、少なくともそれらの方向に等方に分布する。 In the composite material embodiment of the present invention, the following means are possible in another embodiment of the present invention, and the nanofibers are distributed isotropically in at least two directions in at least two spatial axes.

少なくとも、いくつかのナノファイバーは、例えば軸方向に特に安定しているナノチューブであり、そのため、それらが熱膨張係数の所望の低減に非常に効果的に寄与する。 At least some nanofibers are nanotubes that are particularly stable, for example in the axial direction, so that they contribute very effectively to the desired reduction of the coefficient of thermal expansion.

ナノファイバーは、好ましくは電気伝導性材料でできており、そのため、ナノファイバーを備える複合材料、またはナノファイバーを備える複合材料の一部は、また、電気ストリップ導体または電気コンタクト、その他に使用することもできる、すなわち、この用途に必要な導電率を備えている。 The nanofibers are preferably made of an electrically conductive material, so that a composite material comprising nanofibers, or part of a composite material comprising nanofibers, may also be used for electrical strip conductors or electrical contacts, etc. That is, it has the necessary conductivity for this application.

ナノファイバーは、好ましくはカーボンおよび／または窒化ボロンおよび／またはタングステンカーバイドでできているようなものである。ナノファイバーの製造に適切な、その他の材料または複合物、特に、カーボンでできており、かつ窒化ボロンおよび／またはタングステンカーバイドで被覆されるナノファイバーも、また、考え得る。 The nanofibers are preferably such that they are made of carbon and / or boron nitride and / or tungsten carbide. Other materials or composites suitable for the production of nanofibers are also conceivable, in particular nanofibers made of carbon and coated with boron nitride and / or tungsten carbide.

本発明の複合材料に使用されるセラミックは、好ましくはアルミナセラミックまたは窒化アルミニウムセラミックであり、この場合、窒化アルミニウムセラミックは、特に大きな耐電圧および増大した熱伝導率によって特徴づけられている。 The ceramic used in the composite material according to the invention is preferably an alumina ceramic or an aluminum nitride ceramic, where the aluminum nitride ceramic is characterized by a particularly high withstand voltage and increased thermal conductivity.

本発明に使用される金属構成要素は好ましくは銅または銅合金である。これは、複合材料が、基板またはプリント回路基板に使用されるか、または電気回路または電気モジュール内の熱放散部品として使用されるべき場合に特にあてはまる。銅、更に、銅合金は、特に、複合材料のこの材料構成要素がナノファイバーを含む場合、加工するのが比較的簡単である。 The metal component used in the present invention is preferably copper or a copper alloy. This is especially true when the composite material is to be used for a substrate or printed circuit board or as a heat dissipation component in an electrical circuit or module. Copper, and also copper alloys, are relatively easy to process, especially when this material component of the composite material includes nanofibers.

少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金内、および／またはセラミック内および／またはガラス内、例えば金属または金属合金によって形成されるマトリックス内に、ナノファイバーを供給することも、また、可能である。 It is also possible to feed the nanofibers in at least one metal or at least one metal alloy and / or in a ceramic and / or glass, for example in a matrix formed by a metal or metal alloy.

複合材料のナノファイバー含量は、前記ファイバーを含む複合材料の材料構成要素の全量に対して、例えば１０容量パーセントと７０容量パーセントの間、好ましくは４０容量パーセントと７０容量パーセントの間である。 The nanofiber content of the composite material is, for example, between 10 and 70 volume percent, preferably between 40 and 70 volume percent, based on the total amount of material components of the composite material comprising the fiber.

ナノファイバーが複合材料の金属内または金属合金内に含まれる場合、その時、多様な方法がこの特別設計を実施するのに利用可能である。例えば、最初にパーフォームを前記ナノファイバーから、例えば三次元格子、フリースのような構造、中空の胴体または管構造物、その他の形で、形成することが可能であり、少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金が、このパーフォームに組み込まれる。例えば、化学的沈着および／または電解沈着、溶融物溶浸、その他による、様々な方法が特にこの設計に対して考え得る。 If the nanofibers are contained within the metal or metal alloy of the composite material, then a variety of methods are available to implement this special design. For example, it is possible to initially form a preform from the nanofibers, for example, in a three-dimensional lattice, a fleece-like structure, a hollow body or tube structure, etc., at least one metal or at least One metal alloy is incorporated into this perform. Various methods are possible for this design in particular, for example by chemical and / or electrolytic deposition, melt infiltration, etc.

本発明の一実施態様によれば、この複合材料は、電気または電子用途基板としてのファイバー強化セラミック−ガラス複合体であり、セラミックおよび／またはガラス材料ベースの担体基板および片側に付着された少なくとも一つのファイバー強化金属層から成る。 According to one embodiment of the present invention, the composite material is a fiber reinforced ceramic-glass composite as an electrical or electronic application substrate, and at least one attached to a ceramic and / or glass material based carrier substrate and one side. Consists of two fiber reinforced metal layers.

この金属層内のファイバーは、その時例えば、厚さ１．３〜３００ｎｍ、および長さ／厚さ比＞１０を有する、カーボンナノチューブであり、かつ、このナノファイバーは１０〜７０容量パーセントの含量で金属層の金属マトリックス内に存在する。この担体基板もまた、ナノファイバーを含む場合、その時、それらは高い窒素化合物および／またはタングステンカーバイド含量を有する。 The fibers in the metal layer are then carbon nanotubes, for example having a thickness of 1.3 to 300 nm and a length / thickness ratio> 10, and the nanofibers are in a content of 10 to 70 volume percent. Present in the metal matrix of the metal layer. If this carrier substrate also contains nanofibers, then they have a high nitrogen compound and / or tungsten carbide content.

さらに、金属およびナノファイバーを、例えば化学的および／または電解沈着によって、金属および／またはセラミックでできているパーフォームまたは基板に付着させることは、可能である。 Furthermore, it is possible to attach the metal and nanofibers to a perform or substrate made of metal and / or ceramic, for example by chemical and / or electrolytic deposition.

ナノファイバーを有する少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金のマトリックスを製造する他の方法、例えば、いわゆるＨＩＰ技術、が考えられ、この場合、少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金が、粉末形状でナノファイバーと共に混合されて、カプセルに挿入される。そしてその後、カプセルはキャップによってしっかりと密閉される。その後、カプセルの内部は排気され、およびそれがガス漏れしないように密閉される。次いで、圧力（例えばアルゴンなどの不活性ガスを使用したガス圧または静水圧）をカプセル全体に、したがって、また、カプセル内に含まれる材料にも印加しながら、同時に、５００〜１０００℃の間の加工温度にそれを加熱する。 Other methods of producing a matrix of at least one metal or at least one metal alloy with nanofibers are conceivable, for example so-called HIP technology, in which at least one metal or at least one metal alloy is in powder form And mixed with nanofibers and inserted into capsules. And then the capsule is tightly sealed by the cap. Thereafter, the interior of the capsule is evacuated and sealed so that it does not leak. A pressure (e.g. gas pressure or hydrostatic pressure using an inert gas such as argon) is then applied to the entire capsule, and thus also to the material contained within the capsule, at the same time between 500-1000 ° C. Heat it to processing temperature.

更なる処理工程において、冷却の後、カプセルとナノファイバーを含む金属素材は分離され、素材がさらに、例えば機械加工または切断、鋸切断および／または圧延、によって加工処理されて、ボードまたは箔を製造することができ、次いで、セラミック層と結合されて金属−セラミック基板またはプリント回路基板が製造される。 In a further processing step, after cooling, the metal material containing the capsules and nanofibers is separated and the material is further processed, for example by machining or cutting, sawing and / or rolling, to produce a board or foil. Can then be combined with the ceramic layer to produce a metal-ceramic substrate or printed circuit board.

特に電気部品または電子部品用の本発明による複合材料は、積層板、すなわち、少なくとも２つの結合された材料部分または層を有する積層板として設計され、ここで、一つの材料部分または一つの層は、少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金でできており、かつ、もう一方の材料部分またはもう一方の層は、セラミックでできている。 The composite material according to the invention, in particular for electrical or electronic components, is designed as a laminate, i.e. a laminate having at least two joined material parts or layers, where one material part or one layer is , At least one metal or at least one metal alloy, and the other material part or the other layer is made of ceramic.

ナノファイバーは、その時、例えば金属または金属合金でできている少なくとも一つの材料部分内に含まれる。一般に、同様にナノファイバーがセラミック内に含まれ、例えばセラミックの機械的安定度を補強し、および／またはセラミックの熱伝導率を改善することもまた、可能である。複合材料が、少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金でできている少なくとも一つの材料部分と、セラミックでできている材料部分とから構成されている場合、その時、両方の材料部分または層は、例えば半田付けによって、好ましくは活性半田付け工程によって、または既知のダイレクトボンディング技術を使用して、互いに結合される。 The nanofibers are then contained within at least one material part, for example made of metal or metal alloy. In general, it is also possible for nanofibers to be included in the ceramic as well, for example to reinforce the mechanical stability of the ceramic and / or improve the thermal conductivity of the ceramic. If the composite material is composed of at least one material part made of at least one metal or at least one metal alloy and a material part made of ceramic, then both material parts or layers are They are bonded together, for example by soldering, preferably by an active soldering process, or using known direct bonding techniques.

特に金属−セラミック基板またはプリント回路基板としての複合材料の可能な実施態様において、金属被覆が、一つのセラミック層の少なくとも一つの表面に設けられる。この金属被覆は、少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金によって形成され、かつナノファイバーを含む。この金属層は、次いで例えば、次のような基板のベースプレートであるかまたはこのようなベースプレートと結合される。ここで、この基板は、例えば冷却器体の形の受動放熱部品、または、例えば冷却液が流れる冷却器、またマイクロ冷却器の形の能動放熱部品と結合されている。 In a possible embodiment of the composite material, in particular as a metal-ceramic substrate or a printed circuit board, a metal coating is provided on at least one surface of one ceramic layer. The metal coating is formed of at least one metal or at least one metal alloy and includes nanofibers. This metal layer is then, for example, the base plate of the substrate as follows or bonded to such a base plate. Here, this substrate is coupled to a passive heat dissipation component, for example in the form of a cooler body, or to an active heat dissipation component in the form of a cooler in which a coolant flows or a microcooler.

例えば、ストリップ導体および／またはコンタクト表面および／または電気回路またはモジュールの部品用の固着または固定表面が、次いでセラミック層のもう一方の表面に設けられる。これらのストリップ導体、コンタクト表面、その他を形成する金属または金属合金は、また、ナノファイバーを含むこともでき、この場合、ストリップ導体その他の構造化金属被覆は通常の方法でもたらされる、すなわち金属層の付着の後、例えばエッチ−マスク工程によって、この層が、構造化金属被覆に形成される。 For example, a strip conductor and / or contact surface and / or a fastening or fixing surface for an electrical circuit or module component is then provided on the other surface of the ceramic layer. The metal or metal alloy that forms these strip conductors, contact surfaces, etc. can also contain nanofibers, in which case the strip conductors and other structured metal coatings are provided in the usual way, ie metal layers After deposition, this layer is formed on the structured metallization, for example by an etch-mask process.

したがって、本発明は、金属マトリックス、例えば銅マトリックス、へのナノファイバーの分散によって、減少した熱膨張と組み合わせて、かなり高い導電率（例えば＞３８０Ｗ（ｍＫ）−１）が達成される複合材料を作り出すために使用される。さらに、特に金属マトリックスのための銅の使用は、ナノファイバーを含む金属の容易な処理を確実にし、全ての標準処理方法、例えば穿孔、切削加工、打抜、更には化学処理が可能になる。 Thus, the present invention provides a composite material in which a fairly high conductivity (eg,> 380 W (mK) −1 ) is achieved in combination with reduced thermal expansion by the dispersion of nanofibers in a metal matrix, eg, a copper matrix. Used to produce. In addition, the use of copper, especially for the metal matrix, ensures easy processing of metals including nanofibers and allows all standard processing methods such as drilling, cutting, stamping and even chemical processing.

本発明による複合材料は、以前には大きな困難を呈した、温度管理の分野の解決策として使用することができ、例えばまた、レーザ技術においても、特にレーザーバーの半導体材料と放熱部品の金属との間の熱膨張係数が異なると、レーザダイオードまたはレーザダイオード配列の有効寿命がかなり減少する問題の解決策として使用できる。改善された熱伝導率は、以前に電気および電子電力モジュールで可能であったのより、高い電力密度を達成するために使用することができる、すなわち、電気および電子モジュールおよび組立品の小型化の可能性を有し、かつ、特にまた、航空および宇宙技術のような、小型化およびそれに伴う質量および重量の低減が重要な技術分野における、更なる用途の可能性をも有する。 The composite material according to the invention can be used as a solution in the field of temperature management, which previously presented great difficulties, for example also in the laser technology, in particular with the semiconductor material of the laser bar and the metal of the heat dissipation component. Different coefficients of thermal expansion between can be used as a solution to the problem of significantly reducing the useful life of a laser diode or laser diode array. Improved thermal conductivity can be used to achieve higher power densities than previously possible with electrical and electronic power modules, i.e., miniaturization of electrical and electronic modules and assemblies. It has the potential and also has the potential for further applications, especially in technical fields where miniaturization and the concomitant reduction of mass and weight are important, such as aviation and space technology.

本発明による複合材料は、以前は最適には両立しなかった一つの材料特性に組み込むことを可能にする。ナノファイバーが金属マトリックス内に供給される場合、その時、それらは補強要素として役立ち、それらの高い熱伝導率（１０００Ｗ（ｍＫ）−１超）およびそれらの無視できる熱膨張係数によって、複合材料全体の膨張係数を著しく減少し、かつ、その熱伝導率を改善する。 The composite material according to the invention makes it possible to incorporate into one material property that was not optimally compatible before. When nanofibers are fed into a metal matrix, they then serve as reinforcing elements, and due to their high thermal conductivity (greater than 1000 W (mK) −1 ) and their negligible thermal expansion coefficient, It significantly reduces the coefficient of expansion and improves its thermal conductivity.

図１は、電気電力モジュール１、とりわけ、明確にするため一つの電力部品だけが示されている、様々な電子半導体部品３を有するセラミック−銅基板２、およびベースプレート４から構成される電気電力モジュール１の側面図の簡略化された表記を示す。銅−セラミック基板２は、例えばアルミナまたは窒化アルミニウムセラミックの、セラミック層５を含み、この場合、層５が複数部分および一つの上部金属被覆６および一つの下部の金属被覆７から形成される場合、異なるセラミックを使用することができる。示された実施態様における金属被覆６および７は、銅または銅合金のマトリックス内に、例えば、それぞれの箔または金属被覆の全量に対して、１０−７０容量パーセントの含量の、好ましくは４０−７０容量パーセントの含量のナノファイバーを含む箔によってそれぞれ形成される。 FIG. 1 shows an electrical power module 1, in particular an electrical power module composed of a ceramic-copper substrate 2 with various electronic semiconductor components 3 and a base plate 4, only one power component is shown for the sake of clarity. 1 shows a simplified representation of a side view of FIG. The copper-ceramic substrate 2 comprises a ceramic layer 5, for example of alumina or aluminum nitride ceramic, where the layer 5 is formed from multiple parts and one upper metallization 6 and one lower metallization 7; Different ceramics can be used. The metal coatings 6 and 7 in the embodiment shown are in a copper or copper alloy matrix, for example in a content of 10-70 volume percent, preferably 40-70, relative to the total amount of the respective foil or metal coating. Each is formed by a foil containing nanofibers with a volume percent content.

部品３は、電力半導体部品、例えば高電流をスイッチングするための、例えば電気モータまたは駆動装置を制御するためのトランジスタである。他の電力半導体部品、例えばレーザダイオードもまた考え得る。金属被覆６および７の平面に垂直な軸方向のベースプレート４の厚さは、これらの金属被覆６および７に使用される箔の厚さの倍数である。 The component 3 is a power semiconductor component, for example a transistor for switching a high current, for example for controlling an electric motor or a driving device. Other power semiconductor components such as laser diodes are also conceivable. The thickness of the axial base plate 4 perpendicular to the plane of the metal coatings 6 and 7 is a multiple of the thickness of the foil used for these metal coatings 6 and 7.

２つの金属被覆６および７は、適切な方法を使用して、例えばＤＣＢ技術または活性半田付け工程によって、セラミック層５の一つの表面と２次元的に結合される。さらに金属被覆６は、ストリップ導体と、コンタクト表面と、部品３やシールド表面またはインダクターなどとして機能するストリップの固着または半田付けのための固着表面と、を形成するために、好ましくは当業者に既知のエッチ−マスク方法を使用して、必要とされた方法で構造化される。他の方法、例えば、構造化が例えばセラミック層５への金属被覆６の付着の前後に、金属被覆６を形成する箔の機械的加工によって形成されるような方法、もまた考えられる。金属被覆７を形成する箔は、示された実施態様において構造化されていない。示された実施態様において、この箔は、セラミック層５の最下部の大部分を覆い、この場合、セラミック層５の端領域は、耐電圧を増加させるために、金属被覆７の無い状態に保たれている、すなわち、金属被覆７の端部は、セラミック層５の端部からある距離離れて終わっている。さらに、示された実施態様におけるベースプレート４は、その周囲が銅−セラミック基板２の外辺部を越えて明確に突き出るように設計される。ベースプレート４は、例えばさらには示されない電力モジュールの筐体のベースプレートである。 The two metallizations 6 and 7 are two-dimensionally bonded to one surface of the ceramic layer 5 using a suitable method, for example by DCB technology or an active soldering process. Furthermore, the metallization 6 is preferably known to the person skilled in the art for forming strip conductors, contact surfaces and fixing surfaces for fixing or soldering of the strips functioning as part 3, shield surfaces or inductors etc. The etch-mask method is used to structure in the required manner. Other methods are also conceivable, for example methods in which the structuring is formed by mechanical processing of the foil forming the metal coating 6, for example before and after the deposition of the metal coating 6 on the ceramic layer 5. The foil forming the metal coating 7 is not structured in the embodiment shown. In the embodiment shown, this foil covers most of the lowermost part of the ceramic layer 5, in which case the end region of the ceramic layer 5 is kept free of the metal coating 7 in order to increase the withstand voltage. In other words, the end of the metal coating 7 ends away from the end of the ceramic layer 5 by a distance. Furthermore, the base plate 4 in the embodiment shown is designed so that its periphery clearly protrudes beyond the outer edge of the copper-ceramic substrate 2. The base plate 4 is, for example, a base plate of a power module housing not shown.

金属被覆７は、半田付け、鑞付けまたは活性半田付けのような適切な方法を使用して、または同様にＤＣＢ技術を使用して、セラミック層５と反対側の面で２次元的にベースプレート４と結合される。示された実施態様におけるベースプレート４は、同様に金属または金属合金、例えば銅または銅合金でできており、この場合、ベースプレート４の金属または金属合金は、同様に、ベースプレート４の全容量に対して、１０−７０容量パーセントの含量、好ましくは４０−７０容量パーセントの含量のナノファイバーを含む。金属被覆６および７内のおよびベースプレート４内のナノファイバーは、金属被覆６および７の平面と、金属被覆７と結合するベースプレート４の最上部の平面とを規定する少なくとも２つの垂直空間軸において、それらの方向に関して等方にまたはほとんど等方に分布する。 The metal coating 7 is two-dimensionally formed on the surface opposite the ceramic layer 5 using a suitable method such as soldering, brazing or active soldering, or similarly using DCB technology. Combined with. The base plate 4 in the embodiment shown is likewise made of a metal or metal alloy, for example copper or a copper alloy, in which case the metal or metal alloy of the base plate 4 is likewise relative to the total capacity of the base plate 4. It contains nanofibers with a content of 10-70 volume percent, preferably 40-70 volume percent. The nanofibers in the metal coatings 6 and 7 and in the base plate 4 are in at least two vertical spatial axes that define the plane of the metal coatings 6 and 7 and the uppermost plane of the base plate 4 that joins the metal coating 7. They are distributed isotropic or almost isotropic with respect to their direction.

ナノファイバーは、１．３ｎｍと３００ｎｍの間の厚さを有し、金属マトリックス内に含まれるナノファイバーの大部分は、長さ／厚さ比＞１０を有する。本実施例におけるナノファイバーは、カーボン基板を有するかまたは、例えばナノチューブの形態のカーボンでできている。しかし、一般にカーボンでできたこれらのナノファイバーを、別の適切な材料、例えば窒化ボロンおよび／またはタングステンカーバイドでできたナノファイバーと、全体または一部を置換することもまた可能である。一般にナノファイバーは、３つの垂直空間軸全て、すなわち金属被覆６および７の平面とベースプレート４の最上部とを規定する２つの軸と、この２つの軸に対し垂直に伸びる軸とにおいて、それらの方向に関して等方に分布することができる。 Nanofibers have a thickness between 1.3 nm and 300 nm, and the majority of nanofibers contained within the metal matrix have a length / thickness ratio> 10. The nanofibers in this example have a carbon substrate or are made of carbon, for example in the form of nanotubes. However, it is also possible to replace these nanofibers, generally made of carbon, in whole or in part with nanofibers made of another suitable material, such as boron nitride and / or tungsten carbide. In general, nanofibers have their axes in all three vertical spatial axes: two axes defining the plane of the metallizations 6 and 7 and the top of the base plate 4, and an axis extending perpendicular to the two axes. It can be distributed isotropic with respect to the direction.

金属または金属合金のマトリックスにおけるナノファイバーの使用は、金属被覆６および７の熱膨張係数と特にまたベースプレート４の熱膨張係数を、特にナノファイバーの優先方位の軸において、すなわち、金属被覆の平面およびベースプレートの最上部の平面を規定する軸において、特にまた、半導体モジュールの基板に関連する温度範囲で、すなわち室温（およそ２０℃）と２５０℃との間で、＜５ｘ１０−６Ｋ−１の値にまで、著しく減少させる。特に金属被覆６によって形成されるストリップ導体の導電率は、ナノファイバーのない銅または銅合金の導電率に一致する。 The use of nanofibers in a metal or metal alloy matrix allows the thermal expansion coefficient of the metal coatings 6 and 7 and in particular also the thermal expansion coefficient of the base plate 4, in particular in the axis of preference of the nanofibers, ie the plane of the metal coating and A value of <5 × 10 −6 K −1 in the axis defining the uppermost plane of the base plate, in particular also in the temperature range associated with the substrate of the semiconductor module, ie between room temperature (approximately 20 ° C.) and 250 ° C. To a significant decrease. In particular, the conductivity of the strip conductor formed by the metal coating 6 matches the conductivity of copper or copper alloy without nanofibers.

金属被覆６および７とベースプレート４の熱伝導率λは、銅の熱伝導率より大きく、例えばλ＝６００Ｗ（ｍＫ）−１のオーダー、またはそれ以上である。純銅または銅合金と比較して極めて減少した熱膨張係数によって、それは、明らかに半導体部品３のシリコンの熱膨張係数に適合し、更に、明らかにセラミック層５のセラミックの熱膨張係数にも適合している。これは、電力モジュール１内の温度変化の結果としての、金属被覆６と部品３のシリコンボディとセラミック層５のセラミックとの間の熱応力を著しく減少させ、かつ、特に、ベースプレート４によって増強された金属被覆７とセラミック層５の間の熱応力もまた著しく減少させる。このような温度変化は、電力モジュール１のスイッチング状況によって、更に電力モジュールの動作中の電力の変化、例えばこのモジュールの対応する制御によって引き起こされる。 The thermal conductivity λ of the metal coatings 6 and 7 and the base plate 4 is greater than the thermal conductivity of copper, for example on the order of λ = 600 W (mK) −1 or more. Due to the greatly reduced coefficient of thermal expansion compared to pure copper or copper alloy, it clearly matches the coefficient of thermal expansion of the silicon of the semiconductor component 3 and also clearly matches the coefficient of thermal expansion of the ceramic of the ceramic layer 5. ing. This significantly reduces the thermal stress between the metallization 6 and the silicon body of the component 3 and the ceramic of the ceramic layer 5 as a result of temperature changes in the power module 1 and is enhanced in particular by the base plate 4. The thermal stress between the metal coating 7 and the ceramic layer 5 is also significantly reduced. Such a temperature change is caused by the switching situation of the power module 1 and also by a power change during operation of the power module, for example a corresponding control of this module.

銅と比べて改善された熱伝導率は、半導体部品３によって生じた熱損失の熱放散を著しく改善し、更に、金属被覆７によって熱拡散を著しく改善し、かつ、ベースプレート４への電力損失の伝達を改善する。後者のベースプレート４は、次いで受動放熱部品、例えば、熱損失を放散させる媒体の流れの中に、最も単純な場合空気流中に位置する、冷却器または放熱器と結合されるか、またはベースプレート４は、能動放熱部品、例えば冷却剤、例えば気体および／または蒸気および／または水などの液体の冷却剤が流れるマイクロ冷却器と結合される。さらに、ベースプレート４をいわゆるヒートパイプ上に設け、このベースプレート４から受動または能動冷却器への熱損失の放散を特に効果的にすることが可能である。 The improved thermal conductivity compared to copper significantly improves the heat dissipation of the heat loss caused by the semiconductor component 3, further improves the heat diffusion by the metal coating 7 and reduces the power loss to the base plate 4. Improve communication. The latter base plate 4 is then combined with a passive heat dissipating component, for example a cooler or heat sink located in the air stream in the simplest case, in the flow of the medium that dissipates heat loss, or the base plate 4 Is coupled to an active heat dissipation component, for example a microcooler, through which a coolant, for example a liquid coolant such as gas and / or vapor and / or water, flows. Furthermore, it is possible to provide the base plate 4 on a so-called heat pipe, making the dissipation of heat loss from the base plate 4 to the passive or active cooler particularly effective.

上記した実施態様に代わるものとして、ベースプレート４を冷却器として、特に能動冷却器、例えば冷却剤が流れるマイクロ冷却器として設計することもまた可能であり、または、ヒートパイプとして設計することもまた可能である。これらの場合、ナノファイバーを含む金属から、または対応する金属合金から金属被覆７へ結合されている、冷却器またはヒートパイプの一部を製作することもまた有利である。 As an alternative to the embodiment described above, it is also possible to design the base plate 4 as a cooler, in particular as an active cooler, for example a microcooler in which a coolant flows, or as a heat pipe. It is. In these cases it is also advantageous to fabricate a part of the cooler or heat pipe that is bonded to the metal coating 7 from a metal comprising nanofibers or from a corresponding metal alloy.

図２は、様々な処理工程（位置ａ−ｄ）において、金属マトリックスおよびこのマトリックス内に含まれるナノファイバーからなる、出発材料を製造する可能性を示す。 FIG. 2 shows the possibility of producing a starting material consisting of a metal matrix and nanofibers contained within this matrix in various processing steps (positions a-d).

ＨＩＰ方法とも呼ばれる、この方法において、金属または金属合金、例えば銅または銅合金の粒子とナノファイバーの粒子との粉末状の混合物８が、このカプセル９が混合物８によってその容積のおよそ６０％まで充填されるように、カプセル９に挿入される。 In this method, also called the HIP method, a powdery mixture 8 of metal or metal alloy, eg copper or copper alloy particles, and nanofiber particles is filled by the mixture 8 to approximately 60% of its volume. As is inserted into the capsule 9.

特にナノファイバーの部分を最大にし、とりわけ、ナノファイバー間の凝着を減らしてこれらのファイバーの均一な分布を達成するために、混合添加剤を混合物８に追加することもできる。さらに、金属、例えば銅とナノファイバーのカーボンとの間の結合を改善するために、ナノファイバーを、機械的結合を改善するフィッシュボーン表面構造で使用することは、有利になりえる。ナノファイバーを、化学結合を引き起こす反応性の要素で被覆することも、また、有利となり得、および／または、例えば蒸着によって、ナノファイバーに例えば金属を、および／またはセラミックおよび／または窒化ボロン、および／またはタングステンカーバイドを、充填することも有利となり得る。 Mixing additives can also be added to the mixture 8 in order to maximize the portion of the nanofibers in particular and reduce the adhesion between the nanofibers to achieve a uniform distribution of these fibers. Furthermore, it may be advantageous to use nanofibers with fishbone surface structures that improve mechanical bonding in order to improve the bond between metals, such as copper and carbon of the nanofiber. It may also be advantageous to coat the nanofibers with reactive elements that cause chemical bonding and / or, for example, by vapor deposition, for example by metal, and / or ceramic and / or boron nitride, and / or It may also be advantageous to fill with tungsten carbide.

後続の処理工程（位置ｂ）で、キャップ１０がカプセル９の上部開口部に配置され、例えば溶接によってカプセルとしっかりと結合される。 In a subsequent processing step (position b), the cap 10 is placed in the upper opening of the capsule 9 and is firmly connected to the capsule, for example by welding.

続く処理工程で、カプセル９の内部は、キャップ１０に設けられた連結１１によって排気され、次いでカプセル９の内部は、ガス漏れしないように密閉される。 In the subsequent processing step, the inside of the capsule 9 is evacuated by the connection 11 provided in the cap 10, and then the inside of the capsule 9 is sealed so as not to leak gas.

後続の処理工程（位置ｄ）で、可塑性の密閉カプセル９は、例えば、５００℃と１，０００℃の間の工程温度で、全面を高圧にさらされる。カプセル９の全面へのこの加圧は、矢印で位置ｄに示すように、カプセル９に働く静水圧によって、密閉したチャンバ１２の中で行われる。この実際のＨＩＰ工程によって容積の減少が生じ、その結果、カプセル９が変形する。概してこの変形の間に生じる容積の減少は、およそ５−１０％であるが、また、例えば２０％程度の大きさになる可能性もある。カプセル９および対応するキャップ１０および、これらの２つの要素間の接合は、カプセルが傷まないようなものである。減少作用を算出するために、カプセル９は、単純な幾何学的形状および薄壁を有する。 In a subsequent processing step (position d), the plastic sealing capsule 9 is exposed to high pressure over the entire surface, for example at a processing temperature between 500 ° C. and 1,000 ° C. This pressurization of the entire surface of the capsule 9 is performed in the sealed chamber 12 by the hydrostatic pressure acting on the capsule 9 as indicated by a position d by an arrow. This actual HIP process causes a reduction in volume, and as a result, the capsule 9 is deformed. Generally, the volume reduction that occurs during this deformation is approximately 5-10%, but can also be as great as, for example, 20%. The capsule 9 and the corresponding cap 10 and the joint between these two elements are such that the capsule is not damaged. In order to calculate the reduction effect, the capsule 9 has a simple geometric shape and a thin wall.

ＨＩＰ工程の後、カプセル９と例えばＨＩＰ工程でブロックとして製造される出発材料は、出発材料が適切な方法でさらに処理できるように分離される。 After the HIP step, the capsule 9 and the starting material produced, for example as a block in the HIP step, are separated so that the starting material can be further processed in a suitable manner.

カプセル９およびそのキャップ１０は、ＨＩＰ工程においていくつかの機能、すなわち、粉末状の出発材料内の開放気孔率の減少のための排気中の閉鎖空間としての機能、実際のＨＩＰ工程中の静水圧の伝達のための機能、更に、この方法によって作成される最終生成物を成形するための機能を果たす。 Capsule 9 and its cap 10 have several functions in the HIP process, i.e. function as a closed space in the exhaust for reducing open porosity in the powdered starting material, hydrostatic pressure in the actual HIP process. And the function for shaping the final product produced by this method.

図３は、様々な位置ａ−ｄにおける、ＨＩＰ工程によって作成される最終生成物１３の更なる加工の可能性を示す。これは、図３内にブロックとして示される（位置ａ）。次いで、適切なローラー機構１４を用いて生成物１３は、箔１５に形成され（位置ｂ）、次いで後続の使用のために巻き取られる（位置ｃ）。位置ｄはまた、箔１５またはこの箔の対応する素材を、例えばＤＣＢ方式または別の適切な工程を使用して、金属被覆６および７を形成するために、セラミック層５に付着させることができることを示す。この場合、金属被覆６は図３に示されない後続の処理工程で構造化される。 FIG. 3 shows the possibility of further processing of the final product 13 produced by the HIP process at various positions ad. This is shown as a block in FIG. 3 (position a). The product 13 is then formed into a foil 15 (position b) using a suitable roller mechanism 14 and then wound up for subsequent use (position c). Position d can also be attached to the ceramic layer 5 to form the metallizations 6 and 7 using a foil 15 or a corresponding material of this foil, for example using a DCB method or another suitable process. Indicates. In this case, the metal coating 6 is structured in a subsequent processing step not shown in FIG.

図４および５は、金属マトリックス内にナノファイバーを含む出発材料または原材料を製造するための、更なる可能性を示す。この工程では、金属箔または銅箔は、ナノファイバーおよび金属、例えば銅、を含む適切な浴内に並べられ、次いで、浴から、銅およびナノファイバーが箔素材１６上へ電解沈着および／または化学的沈着する。 Figures 4 and 5 show further possibilities for producing starting or raw materials comprising nanofibers in a metal matrix. In this step, the metal foil or copper foil is laid out in a suitable bath containing nanofibers and a metal, such as copper, and then from the bath, copper and nanofibers are electrolytically deposited and / or chemically deposited onto the foil material 16. Deposit.

この工程から得られる出発材料は、次いで、本発明による複合材料の積層状の実施態様において、例えば図１の電力モジュール１の金属被覆６および７またはベースプレート４のために、ナノファイバーと共に金属または金属合金を含む層として直接使用され、または、この工程で作成される（板状の）出発材料は、それが複合材料内の材料要素として使用される前に、更なる加工、例えば圧延、にさらされる。 The starting material resulting from this step is then either a metal or metal together with nanofibers in the laminated embodiment of the composite material according to the invention, for example for the metal coatings 6 and 7 or the base plate 4 of the power module 1 of FIG. The starting material used directly as a layer containing the alloy or made in this step (plate-like) is subjected to further processing, for example rolling, before it is used as a material element in a composite material. It is.

上記の記述からの偏移において、図４および５の工程で、浴１７内に１つ以上のパーフォームを設けることが可能であり、このパーフォームは三次元構造、例えばナノファイバーでできた網目またはフリースのような構造で形成され、浴１７から銅および追加ナノファイバーの沈着がそれぞれのパーフォームに生じて、ナノファイバーおよび金属または銅を含む材料を形成する。金属とのより良い結合のために、本実施例におけるパーフォームのナノファイバーは、また、反応性の要素で化学的に前処理され、ナノファイバーと、金属、例えば銅との間の機械的結合を改善する。例えば蒸着によって、ナノファイバーを金属で充填することも、この工程において同様に考え得る。 In deviation from the above description, it is possible to provide one or more performs in the bath 17 in the steps of FIGS. 4 and 5, which perform a three-dimensional structure, for example a network of nanofibers. Alternatively, formed with a fleece-like structure, the deposition of copper and additional nanofibers from the bath 17 occurs in each perform to form a material comprising nanofibers and metal or copper. For better bonding with metals, the nanofibers of the perform in this example are also chemically pre-treated with reactive elements to provide a mechanical bond between the nanofibers and the metal, for example copper. To improve. It is conceivable in this step as well to fill the nanofibers with metal, for example by vapor deposition.

図４および５の工程におけるパーフォームとして、セラミック層５自体もまた使用でき、その時、金属（銅）およびナノファイバーが、浴１７から電解および／または化学的沈着される。このために、セラミック層５はその表面を最初に前処理され、例えば電気的に導電性の、例えば薄い金属または銅層を付着させることによって、ナノファイバーおよび金属の共沈が生じることになる。 The ceramic layer 5 itself can also be used as a perform in the process of FIGS. 4 and 5, when metal (copper) and nanofibers are electrolyzed and / or chemically deposited from the bath 17. For this purpose, the ceramic layer 5 is first pretreated on its surface, for example by depositing an electrically conductive, eg thin metal or copper layer, resulting in coprecipitation of nanofibers and metal.

図６および７は、更なる可能な実施態様としての工程を示し、この場合、銅は、銅または銅塩を含む浴１９から、かみ合わせ形ファイバーによって形成されたパーフォーム１８に、電解沈着および／または化学的沈着される。したがって得られる製品は、次いで更なる加工のための出発材料として使用できる。さらに、特にこの実施態様については、ナノファイバーまたは銅被覆ナノファイバーを、それらを含む材料から突き出させることもまた可能であり、その結果、不純物耐性の蓮の葉効果をもたらし、および／または材料の濡れ効果の制御を可能にする。 FIGS. 6 and 7 show a further possible embodiment process, in which copper is deposited and / or electrolyzed from a bath 19 containing copper or a copper salt onto a perform 18 formed by interdigitated fibers. Or chemically deposited. The resulting product can then be used as a starting material for further processing. Furthermore, particularly for this embodiment, it is also possible to project nanofibers or copper-coated nanofibers from the material containing them, resulting in an impurity-resistant lotus leaf effect and / or Allows control of the wetting effect.

本発明は、例示的な実施態様に基づいて、上記された。言うまでもなく、数多くの変更および変形が、本発明が基づく基本的な発明の目的を断念せずに可能である。 The present invention has been described above based on exemplary embodiments. Needless to say, numerous modifications and variations are possible without abandoning the basic inventive object on which the invention is based.

例えば、図１の電力モジュール１に関して、ベースプレート４だけを製造すること、および／またはナノファイバーを含む材料から金属被覆６または７のうち一つだけを製造することが可能である。さらに、例えば、セラミック層の熱伝導率を増加させるために、セラミック層５内にナノファイバーを供給することもまた可能である。 For example, for the power module 1 of FIG. 1, it is possible to produce only the base plate 4 and / or only one of the metal coatings 6 or 7 from a material comprising nanofibers. Furthermore, it is also possible to supply nanofibers in the ceramic layer 5, for example to increase the thermal conductivity of the ceramic layer.

本発明は、図面を参照して例示的な実施態様に基づき、詳細に以下に記載する。
本発明による複合材料を有する電気電力モジュールの簡略化された表記。 金属−ナノファイバー複合体を製造するための、ＨＩＰ工程の様々な処理工程（位置ａ−ｄ）の簡略図表記。 少なくとも一つの金属または少なくとも一つの金属合金およびナノファイバーを含む出発材料の更なる製造工程の概略図。 金属箔またはパーフォーム上の金属およびナノファイバーの電解および／または化学的共沈のための浴の側面概略図および平面概略図。 金属箔またはパーフォーム上の金属およびナノファイバーの電解および／または化学的共沈のための浴の側面概略図および平面概略図。 ナノファイバーによって形成されるパーフォーム上の金属の電解および／または化学的共沈のための浴の平面概略図。 ナノファイバーによって形成されるパーフォーム上の金属の電解および／または化学的共沈のための浴の平面概略図。 The invention is described in detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.
1 is a simplified representation of an electrical power module having a composite material according to the present invention. Simplified representation of various processing steps (positions a-d) of the HIP process to produce a metal-nanofiber composite. Schematic of a further production process of a starting material comprising at least one metal or at least one metal alloy and nanofibers. Side and top schematic views of a bath for electrolysis and / or chemical coprecipitation of metal and nanofibers on a metal foil or perform. Side and top schematic views of a bath for electrolysis and / or chemical coprecipitation of metal and nanofibers on a metal foil or perform. FIG. 2 is a schematic plan view of a bath for electrolysis and / or chemical coprecipitation of metals on a preform formed by nanofibers. FIG. 2 is a schematic plan view of a bath for electrolysis and / or chemical coprecipitation of metals on a preform formed by nanofibers.

符号の説明Explanation of symbols

１ 電力モジュール
２ 銅−セラミック基板
３ 電力部品
４ ベースプレート
５ セラミック層
６、７ 金属被覆
８ 混合物
９ カプセル
１０ キャップ
１１ キャップ接合
１２ チャンバ
１３ ナノファイバーを有する金属マトリックスの出発生成物
１４ 圧延機構
１５ 箔
１６ 出発箔
１７ ナノファイバーおよび銅の共沈用の浴
１８ パーフォーム
１９ 銅の沈着用の浴



DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module 2 Copper-ceramic substrate 3 Power component 4 Base plate 5 Ceramic layer 6, 7 Metal coating 8 Mixture 9 Capsule 10 Cap 11 Cap joint 12 Chamber 13 Metal matrix starting product with nanofiber 14 Rolling mechanism 15 Foil 16 Starting Foil 17 Nanofiber and copper coprecipitation bath 18 Perform 19 Copper deposition bath



Claims (34)

特に電気工学用途のための複合材料または複合原材料であって、その主構成要素として、
少なくとも一つの金属または金属合金と、
少なくとも一つのセラミックおよび／または一つのガラスと、
およそ１．３ｎｍ〜３００ｎｍの間の厚さを有し、大部分が１０より大きな長さ／厚さ比率を有するナノファイバーと、
を含むことを特徴とする複合材料。 Especially composite materials or composite raw materials for electrical engineering applications, as its main component,
At least one metal or metal alloy;
At least one ceramic and / or one glass;
Nanofibers having a thickness between approximately 1.3 nm and 300 nm, most having a length / thickness ratio greater than 10;
A composite material comprising: 前記複合材料が、セラミックまたはガラス材料に基づく担体基板、および片側に設けられた少なくとも一つのファイバー強化金属層からなる、温度管理のための電気用途の基板としての、ファイバー強化金属−セラミック−ガラス複合材料として具体化される場合、前記金属層内の前記ファイバーは、１．３〜３００ｎｍの厚さを有し、かつ長さ／厚さの比が１０より大きく、かつ、金属マトリックス内のナノファイバーの含量は、１０容量パーセントと７０容量パーセントの間であるカーボンナノチューブから成ることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 Fiber reinforced metal-ceramic-glass composite as a substrate for electrical applications for temperature management, wherein the composite material comprises a carrier substrate based on ceramic or glass material and at least one fiber reinforced metal layer provided on one side When embodied as a material, the fibers in the metal layer have a thickness of 1.3-300 nm and a length / thickness ratio greater than 10 and nanofibers in the metal matrix The composite material according to claim 1, characterized in that it comprises carbon nanotubes with a content of between 10 and 70 volume percent. 前記担体基板は、窒素化合物および／またはタングステンカーバイドでできているナノファイバーを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the carrier substrate includes nanofibers made of a nitrogen compound and / or tungsten carbide. 少なくとも２つの垂直空間軸内の前記材料の熱膨張係数は、１２ｘ１０−６Ｋ−１より小さく、および／または、少なくとも一部分の領域における前記複合材料の熱伝導率は、前記金属または金属合金の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の複合材料。 The coefficient of thermal expansion of the material in at least two vertical space axes is less than 12 × 10 −6 K −1 and / or the thermal conductivity of the composite material in at least part of the region is the heat of the metal or metal alloy. The composite material according to claim 1, wherein the composite material has a higher conductivity. 少なくとも一部分の領域における前記複合材料の熱伝導率は、銅の熱伝導率より大きいことを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal conductivity of the composite material in at least part of the region is greater than the thermal conductivity of copper. 前記ナノファイバーは、前記少なくとも２つの空間軸内で、少なくともそれらの方向において等方にまたはほとんど等方に分布することを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are distributed isotropically or almost isotropically in at least their directions within the at least two spatial axes. 前記ナノファイバーの少なくとも一部は、ナノチューブであることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The composite material according to one of the preceding claims, wherein at least a part of the nanofibers are nanotubes. 前記ナノファイバーは、電気伝導性材料でできていることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The composite material according to one of the preceding claims, wherein the nanofibers are made of an electrically conductive material. カーボンおよび／または窒化ボロンおよび／またはタングステンカーバイドでできているナノファイバーの使用によって特徴づけられる先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized by the use of nanofibers made of carbon and / or boron nitride and / or tungsten carbide. 前記セラミックは、窒化アルミニウムおよび／またはアルミナおよび／または窒化シリコンでできていることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic is made of aluminum nitride and / or alumina and / or silicon nitride. 前記金属は、銅または銅合金であることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The composite material according to one of the preceding claims, wherein the metal is copper or a copper alloy. 前記金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The composite material according to one of the preceding claims, wherein the metal is aluminum or an aluminum alloy. 前記ナノファイバーは、前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金によって形成されるマトリックス内に供給されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are supplied in a matrix formed by the at least one metal or the at least one metal alloy. 前記ナノファイバーは、前記セラミック内におよび／または前記ガラス内に供給されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are fed into the ceramic and / or into the glass. セラミック粒子およびナノファイバーが、前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金によって形成される前記マトリックス内に供給されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that ceramic particles and nanofibers are provided in the matrix formed by the at least one metal or the at least one metal alloy. 前記少なくとも一つの金属または金属合金の前記マトリックス内の前記ナノファイバーの含量は、およそ１０−７０容量パーセント、好ましくは４０−７０容量パーセントであることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 One of the preceding claims, characterized in that the content of the nanofibers in the matrix of the at least one metal or metal alloy is approximately 10-70 volume percent, preferably 40-70 volume percent. Composite material. 前記少なくとも一つの金属または金属合金が溶融溶浸によって付着された、前記ナノファイバーでできているパーフォーム（１８）によって特徴づけられる先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, characterized by a preform (18) made of said nanofibers, wherein said at least one metal or metal alloy is deposited by melt infiltration. 前記ナノファイバーを有する前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金の前記マトリックスは、ＨＩＰ工程を使用して作成されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The composite material according to one of the preceding claims, wherein the matrix of the at least one metal or the at least one metal alloy with the nanofibers is made using a HIP process. 前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金と前記ナノファイバーとの前記マトリックスは、前記ナノファイバーへのまたは前記ナノファイバーでできているパーフォーム（１８）への前記金属のまたは前記金属合金の電解沈着および／または化学的沈着によって作成することを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The matrix of the at least one metal or the at least one metal alloy and the nanofibers of the metal or of the metal alloy to the nanofibers or to a perform (18) made of the nanofibers. A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that it is made by electrolytic deposition and / or chemical deposition. 前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金と前記ナノファイバーとの前記マトリックスは、金属または金属合金またはセラミックでできているパーフォーム（１６）上への、前記金属のまたは前記金属合金および前記ナノファイバーの電解および／または化学的沈着によって作成することを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The matrix of the at least one metal or the at least one metal alloy and the nanofibers is made of the metal or the metal alloy and the metal on a perform (16) made of metal or metal alloy or ceramic. A composite material according to one of the preceding claims, characterized in that it is made by electrolysis and / or chemical deposition of nanofibers. その実施態様が、積層板を形成する少なくとも２つの相互接続する材料部分または層（４、５、６、７）を有する積層板として特徴づけられる先行する請求項の一つに記載の複合材料。 8. Composite material according to one of the preceding claims, whose embodiment is characterized as a laminate having at least two interconnecting material parts or layers (4, 5, 6, 7) forming the laminate. 少なくとも一つの材料部分は、セラミック、例えばセラミック層（５）、でできており、かつ、少なくとも一つの追加材料部分（４、６、７）は、前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金でできていることを特徴とする請求項１９に記載の複合材料。 At least one material part is made of a ceramic, for example a ceramic layer (5), and at least one additional material part (4, 6, 7) is said at least one metal or said at least one metal alloy. The composite material according to claim 19, wherein the composite material is made of. セラミックでできている前記少なくとも一つの材料部分（５）は、前記ナノファイバーを含むことを特徴とする請求項２０に記載の複合材料。 21. Composite material according to claim 20, characterized in that the at least one material part (5) made of ceramic comprises the nanofibers. 前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金でできている前記少なくとも一つの材料部分（４、６、７）は、前記ナノファイバーを含む、ことを特徴とする請求項２０または２１に記載の複合材料。 22. The at least one material portion (4, 6, 7) made of the at least one metal or the at least one metal alloy comprises the nanofibers. Composite material. 前記材料部分（４、５、６、７）は、半田付けによって、例えば活性半田付け工程によって、互いに結合されることを特徴とする請求項１９−２２に記載の複合材料。 23. Composite material according to claim 19-22, characterized in that the material parts (4, 5, 6, 7) are joined together by soldering, for example by an active soldering process. 前記材料部分（４、５、６、７）は、ダイレクトボンディングによって、例えばＤＣＢ工程によって、互いに結合されることを特徴とする請求項１９−２３に記載の複合材料。 24. Composite material according to claim 19-23, characterized in that the material parts (4, 5, 6, 7) are bonded together by direct bonding, for example by a DCB process. 前記材料部分（４、５、６、７）は、接着によって互いに結合されることを特徴とする請求項１９−２４に記載の複合材料。 25. Composite material according to claim 19-24, characterized in that the material parts (4, 5, 6, 7) are bonded together by adhesion. 前記少なくとも一つの金属または前記少なくとも一つの金属合金でできている前記材料部分（４、７）は、いくつかの要素またはいくつかの層を備えることを特徴とする請求項１９−２５に記載の複合材料。 26. The material portion (4, 7) made of the at least one metal or the at least one metal alloy comprises several elements or several layers. Composite material. その実施態様が、前記セラミックによって形成される少なくとも一つの絶縁層（５）を有し、かつ、前記セラミック層の少なくとも一つの表面上の、前記金属または金属合金によって形成される少なくとも一つの金属被覆または金属層（６、７）を有する、セラミック−金属基板としてまたはプリント回路基板として特徴付けられ、前記金属または前記金属合金および／または、前記セラミックは、前記ナノファイバーを含むことを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 At least one metal coating formed by the metal or metal alloy, the embodiment having at least one insulating layer (5) formed by the ceramic and on at least one surface of the ceramic layer Or characterized as a ceramic-metal substrate or printed circuit board with a metal layer (6, 7), characterized in that the metal or the metal alloy and / or the ceramic comprises the nanofibers The composite material according to claim 1. 前記金属被覆（６）は、前記セラミック層（５）の少なくとも一つの表面上のストリップ導体および／またはコンタクト表面および／または固着表面を形成することを特徴とする請求項２７に記載の複合材料。 28. Composite material according to claim 27, characterized in that the metallization (6) forms a strip conductor and / or contact surface and / or an anchoring surface on at least one surface of the ceramic layer (5). 前記金属層（６）は、前記ストリップ導体および／またはコンタクト表面および／または固着表面を形成するために構造化されることを特徴とする請求項２８に記載の複合材料。 29. Composite material according to claim 28, characterized in that the metal layer (6) is structured to form the strip conductor and / or contact surface and / or anchoring surface. 前記少なくとも一つの金属被覆または金属層（７）は、金属または前記金属合金でできている追加要素（４）と結合され、かつ、前記追加要素は、前記ナノファイバーを含むことを特徴とする先行する請求項の一つに記載の複合材料。 The at least one metal coating or metal layer (7) is combined with an additional element (4) made of metal or the metal alloy, and the additional element comprises the nanofibers The composite material according to claim 1. その実施態様が、熱放散部品として、放熱部品としてまたは筐体としてまたは筐体の一部（４）として特徴づけられる先行する請求項の一つに記載の複合材料。 A composite material according to one of the preceding claims, whose embodiment is characterized as a heat dissipating part, as a heat dissipating part or as a housing or as a part (4) of the housing. 少なくとも一つの基板（２、４）を有し、かつ、少なくとも一つの電気部品（３）を有する電気回路または電気モジュールであって、前記基板（２、４）は、少なくとも一部分は、先行する請求項の一つに記載の複合材料から成ることを特徴とする電気回路または電気モジュール。


An electrical circuit or module having at least one substrate (2, 4) and having at least one electrical component (3), said substrate (2, 4) being at least partially preceding An electric circuit or an electric module comprising the composite material according to one of the items.


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