WO2004102659A2 - Composite material, electrical circuit or electric module - Google Patents

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Jürgen SCHULZ-HARDER
Ernst Hammel
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Definitions

  • the invention relates to a composite material or a composite material according to the preamble of claim 1 and to an electrical circuit or an electrical module according to the preamble of claim 32.
  • a “composite material” or a “composite material” in the sense of the invention is generally a material which has a plurality of material components, for example in a common matrix or else at least partially in at least two adjacent and interconnected material sections.
  • a “component for heat dissipation” or a “heat sink” in the sense of the invention are generally components which are used in particular in electronics and in particular also in power electronics and are used here to dissipate heat loss or to cool electrical or electronic components, such as B. floor and / or heat dissipation plates in electrical circuits or modules, supports for electrical or electronic components, housings or housing elements of electrical components or modules, but also for example from a cooling medium such. B. water flow through cooler, heat pipe or elements of such active heat sinks.
  • composite materials are used as material for constructions, components, etc., especially when material properties are required that cannot be achieved with a single material component.
  • the properties desired for the composite material can be optimally set.
  • "Materials for Thermal Conduction” Chung et al., Appl. Therm. Eng., 21, (2001) 1 593-1605, gives a general overview of materials for heat conduction or heat dissipation materials. The article outlines the properties of possible individual components and relevant examples of composite materials.
  • metal-ceramic substrates as printed circuit boards, for example those made of aluminum oxide (Al 2 0 3 ) or increasingly also those made of aluminum nitride (AIN) because of the improved electrical properties.
  • Al 2 0 3 aluminum oxide
  • AIN aluminum nitride
  • layers or base plates made of copper have been used as a carrier or transition layer to a heat sink, through which a possibly not insignificant power loss of such a power module has to be dissipated, which have a high thermal conductivity and therefore to dissipate the power loss and heat as well are well suited for heat spreading.
  • Expansion coefficients of the materials used namely the ceramic, the copper and also the silicon of the active electrical or electronic components of such a module.
  • Power modules or their components are subject to a not inconsiderable temperature change not only during manufacture, but especially during operation, for example during the transition from the operating phase to the idle phase and vice versa, but also during operation when the module is switched. Due to the different expansion coefficients, these temperature changes lead to mechanical stresses in the module, i.e. to mechanical stresses between the ceramic and the adjacent metallizations or metal layers (such as a base plate on one side of the ceramic layer and conductor tracks, contact areas, etc. on the other side of the ceramic layer) and also between Metal surfaces and the electrical or electronic components arranged thereon, in particular Semiconductor devices. Frequent mechanical voltage changes lead to material fatigue and thus to a failure of the module or the components there.
  • This DCB method then has e.g. following process steps:
  • the object of the invention is to provide a composite material which, while maintaining a high thermal conductivity which is greater than or at least equal to that of copper or copper alloys, has a coefficient of thermal expansion which is significantly reduced compared to copper.
  • a composite material is formed according to claim 1.
  • An electrical circuit or an electrical module are designed according to claim 32.
  • the composite material according to the invention which i.a. also for applications in electrical engineering and for applications as a substrate or as a component
  • Heat dissipation in electrical power modules is essentially composed of three main components, namely at least one metal or at least one metal alloy, at least one ceramic and nanofibers, which have a thickness in the range of approximately 1.3 nm to 300 nm, the length / thickness ratio being greater than 10 for the majority of the nanofibers contained in the composite.
  • the portion of ceramic can be replaced in whole or in part by glass, for example by silicon oxide.
  • the nanofibers used bring about the desired reduction in the coefficient of thermal expansion of the composite material in at least two mutually perpendicular spatial axes, preferably in all three mutually perpendicular spatial axes.
  • the orientation of the nanofibers is isotropically distributed at least in the at least two spatial axes.
  • the nanofibers are, for example, at least partially nanotubes, which are distinguished by a particularly high strength in the axial direction and thereby contribute particularly effectively to the desired reduction in the coefficient of thermal expansion.
  • the nanofibers preferably consist of an electrically conductive material, so that the composite material comprising the nanofibers or its part comprising these nanofibers can also be used for electrical interconnects or contacts, etc. H. has the necessary electrical conductivity for this application.
  • the nanofibers are preferably those made of carbon and / or boron nitride and / or tungsten carbide.
  • Other suitable for the production of nanofibers Materials or material connections are fundamentally conceivable, in particular also carbon nanofibers coated with boron nitride and / or tungsten carbide.
  • An aluminum oxide or an aluminum nitride ceramic is preferably used as the ceramic in the composite material according to the invention, the aluminum nitride ceramic being distinguished by a particularly high electrical dielectric strength and by an increased thermal conductivity.
  • Copper or a is preferably suitable as the metal component in the invention
  • Copper alloy This applies in particular also in the event that the composite material is to be used for substrates or printed circuit boards or as a component for heat dissipation for electrical circuits or modules. Copper, but also copper alloys, are relatively easy to machine, especially when this material component of the composite material contains the nanofibers.
  • nanofibers in the at least one metal or the at least one metal alloy and / or in the ceramic and / or in the glass, for example in a matrix formed by the metal or the metal alloy.
  • the proportion of nanofibers in the composite material is, for example, in the range between 10 and 70% by volume, preferably in the range between 40 and 70% by volume, based on the total volume of the material component of the composite material containing these fibers.
  • nanofibers are contained in the metal or in the metal alloy of the composite material, a wide variety of options are available for realizing this special design Procedures available. So it is z. B. possible to first form a preform or preform from the nanofibers, for example in the form of a three-dimensional latticework, a fleece-like structure, a hollow or tube-like structure etc. from the nanofibers, in which preform then the at least one metal or the at least one metal alloy is introduced.
  • preform A wide variety of techniques are conceivable especially for this purpose, for example by chemical and / or electrolytic deposition, by melt infiltration, etc.
  • the composite material is a fiber-reinforced ceramic-glass composite material as a substrate for electrical or electronic applications and consists of a carrier substrate based on ceramic and / or glass materials and of at least one fiber-reinforced metal layer applied on one side.
  • the fibers in the metal layer are then, for example, carbon nanotubes which have a thickness of 1.3 to 300 nm and a length / thickness ratio> 10, the nanofibers being present in the metal matrix of the metal layer in a proportion of 10 to 70 percent by volume , If the carrier substrate also contains nanofibers, these consist of high nitride and / or tungsten carbide.
  • the metal and the nanofibers to a preform or a carrier made of metal and / or ceramic, for example by chemical and / or electrolytic deposition.
  • the capsule and the metal blank produced containing the nanofibers are separated so that it can then be further processed, for example by machining or by cutting, sawing and / or rolling to produce plates or foils, which then is connected to a ceramic layer, for example for the production of a metal-ceramic substrate or a printed circuit board.
  • the composite material according to the invention is designed as a laminate, with at least two interconnected material sections or layers, in which case a material section or a layer consists of the at least one metal or the at least one metal alloy and the another section of material or the other layer of ceramic.
  • the nanofibers are then contained, for example, in the at least one material section made of the metal or the metal alloy.
  • the nanofibers are also contained in the ceramic, for example to increase the mechanical strength of the ceramic and / or to improve the thermal conductivity of the ceramic.
  • both material sections or layers are e.g. B. by soldering, preferably also connected by active soldering or using the direct bonding technique known per se.
  • the composite material is designed as a metal-ceramic substrate or printed circuit board, there is one on at least one surface side
  • Ceramic layer provided a metallization, which is formed by the at least one metal or the at least one metal alloy and which contains the nanofibers. This metal layer is then connected, for example, to the base plate of such a substrate or to a base plate with which the substrate is also connected to a passive heat sink, for example in the form of a heat sink, or to an active heat sink, for example in the form of a cooler through which a cooling medium flows Micro cooler is connected.
  • a passive heat sink for example in the form of a heat sink
  • an active heat sink for example in the form of a cooler through which a cooling medium flows Micro cooler is connected.
  • the metal or the metal alloy which form these conductor tracks, contact areas etc., can also contain the nanofibers, the structuring of the metallization into the conductor tracks etc. being carried out, for example, in the customary manner, namely in that after a metal layer has been applied, it is deposited in the structured metallization is brought, for example also by a masking and etching process.
  • the invention thus creates a composite material in which the incorporation of the nanofibers into the metal matrix, for example copper matrix, achieves a significantly higher conductivity (eg> 380 W (mK) "1 ) combined with a reduced thermal expansion Furthermore, easy processing of the metal containing the nanofibers is ensured, in particular when using copper for the metal matrix, so that all usual Processing techniques such as drilling, milling, punching, but also chemical processing are possible.
  • nanofibers are provided in the metal matrix, they serve as reinforcement components which, with their high thermal conductivity (greater than 1 000 W (mK) "1 ) and with their negligible thermal expansion coefficient, reduce the expansion coefficient of the entire composite material and significantly improve its thermal conductivity.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of an electrical power module with a
  • Composite material according to the invention shows a simplified schematic illustration of the various method steps (positions a - d) of the HIP method for producing a metal-nanofiber composite material;
  • 3 shows a schematic representation of a method for further processing a starting material containing the at least one metal or the at least one metal alloy and the nanofibers.
  • 4 and 5 in a schematic representation in side view and in plan view of a bath for electrolytic and / or chemical co-deposition of
  • FIG. 1 shows a simplified representation and a side view of an electrical power module 1, which, among other things, consists of a ceramic-copper substrate 2 with various electronic semiconductor components 3, of which only one power component is shown for the sake of simplicity, and a base plate 4 consists.
  • the copper-ceramic substrate 2 comprises a ceramic layer 5, for example made of aluminum oxide or aluminum nitride ceramic, wherein different ceramics can also be used in the case of a multi-part formation of the layer 5, as well as an upper metallization 6 and a lower metallization 7.
  • the metallizations 6 and 7 in the illustrated embodiments are each formed from a film which contains nanofibers in a matrix of copper or a copper alloy, for example in a proportion of 10-70% by volume, based on the total volume of the respective film or metallization, preferably in a proportion from 40 - 70% by volume.
  • the component 3 is a power semiconductor component, for. B. a transistor for switching high currents z. B. to control an electric motor or a drive other power semiconductor components are conceivable, such as laser diodes, etc.
  • the thickness of the base plate 4 in the axial direction perpendicular to the planes of the metallizations 6 and 7 is many times greater than the thickness of the foils used for these metallizations 6 and 7.
  • the two metallizations 6 and 7 are each areally connected to a surface side of the ceramic layer 5 using a suitable technique, for example the DCB technique or by means of the active soldering method.
  • the metallization 6 is further structured in the required manner to form conductor tracks, contact areas, fastening areas for fastening or for soldering on components 3, shielding areas or tracks, tracks acting as inductors, etc., preferably with the aid of the masking known to the person skilled in the art - or etching technology.
  • Other techniques are also conceivable, for example in the form that the structuring is produced by mechanical processing of the film forming the metallization 6, for example after or before the application of the metallization 6 to the ceramic layer 5.
  • the film forming the metallization 7 is not structured in the illustrated embodiment.
  • this film covers a large part of the underside of the ceramic layer 5, although, among other things, to increase the dielectric strength, the edge region of the ceramic layer 5 is kept free of the metallization 7, ie the edge of the metallization 7 ends at a distance from the edge of the ceramic layer 5 ,
  • the base plate 4 is also designed such that its circumference projects significantly beyond the circumference of the copper-ceramic substrate 2.
  • the base plate 4 is, for example, the base plate of a housing of the power module 1 that is otherwise not shown in detail.
  • the metallization 7 is connected to the base plate 4 with its surface side facing away from the ceramic layer 5, specifically using a suitable technique, such as, for. B.
  • the base plate 4 in the illustrated embodiment also consists of a metal or a metal alloy, for example of copper or a copper alloy, the metal or the metal alloy of the base plate 4 in turn containing the nanofibers in a proportion of 10-70% by volume based on the total Volume of the base plate 4, preferably in the proportion of 40-70 volume%.
  • Base plate 4 are distributed at least in the two mutually perpendicular spatial axes, which define the planes of the metallizations 6 and 7 and the plane of the upper side of the base plate 4 connected to the metallization 7, with respect to their orientation or approximately isotropically.
  • the nanofibers have a thickness in the range between 1.3 nm to 300 nm, the larger proportion of the nanofibers contained in the metal matrix in each case having a length / thickness ratio> 10.
  • the nanofibers are carbon-based or made of carbon, for example in the form of nanotubes. Basically, there is also
  • the orientation of the nanofibers can also be in all three perpendicular spatial axes, i. H. in the two, the levels of metallizations 6 and 7 and the top of the
  • Base plate 4 defining spatial axes as well as isotropically distributed in the spatial axis running perpendicular thereto.
  • a substantial reduction in the thermal coefficient of thermal expansion of the metallization 6 and 7 and in particular also the base plate 4 is achieved specifically in the spatial axes in which the preferred orientation of the nanofibers is present, namely in the spatial axes determining the levels of the metallizations and the levels of the top of the base plate, specifically to a value ⁇ 5x10 "6 K " 1 , especially also in the temperature range between room temperature (about 20 ° C.) and 250 ° C. which is of interest for substrates of semiconductor power modules ,
  • the electrical conductivity, in particular also of the conductor tracks formed by the metallization 6, corresponds to the electrical conductivity of copper or a copper alloy without the nanofibers.
  • Base plate 4 reached.
  • a passive heat sink for example connected to a cooling element or radiator, which is arranged in a flow of a medium dissipating the heat loss, in the simplest case an air flow, or the base plate 4 is connected to an active heat sink, i. H. for example with a micro cooler through which a cooling medium flows, for example a gaseous and / or vaporous and / or liquid cooling medium, for example water.
  • a cooling medium for example a gaseous and / or vaporous and / or liquid cooling medium, for example water.
  • the base plate 4 directly as a cooler and in particular as an active cooler, for B. micro cooler, which is flowed through by the cooling medium, or run as a heat pipe. In these cases, too, it makes sense to use at least part of the
  • Cooler or the heat pipe which (part) is connected to the metallization 7, from which the nanofibers contain metal or the corresponding metal alloy.
  • FIG. 2 shows in various process steps (positions a - d) one possibility of producing a starting material consisting of the metal matrix and the nanofibers contained in this matrix.
  • this method which is also referred to as the HIP method, a powdery mixture 8 of particles made of the metal or the metal alloy, for example of copper or of the copper alloy and introduced from the nanofibers into a capsule 9 in such a way that this capsule 8 is filled with the mixture 8 about up to 60% of its capacity.
  • Mixing aids can also be added to the mixture 8, in particular in order to enable the highest possible proportion of nanofibers and to achieve a uniform distribution of these fibers and, among other things, to reduce the adhesion between the nanofibers. Furthermore, it can be expedient to improve the connection between the metal, for example copper and the carbon of the nanofibers, those with herringbone-like
  • Coatings of the nanofibers with reactive elements, which bring about a chemical bond, and / or a coating of the nanofibers with the metal and / or with ceramic and / or with boron nitride and / or with tungsten carbide, for example by vapor deposition, etc., can also be expedient.
  • a lid 10 is then placed on the upper opening of the capsule 9 and this is tightly connected to the capsule, for example welded.
  • the interior of the capsule 9 is evacuated via a connection 11 provided on the cover 10 and the interior of the capsule 8 is then sealed gas-tight.
  • the deformable, closed capsule 9 is subjected to high pressure at all times at a process temperature in the range of approximately 500 to 1000 ° C.
  • This all-round pressurization of the capsule 9 takes place in a closed chamber 12 a hydrostatic pressure acting on the capsule 9, as indicated in position d by the arrows there.
  • This actual HIP process results in a volume reduction, which is reflected in a deformation of the capsule 9.
  • the volume shrinkage that occurs during this deformation is about 5-10%, but can also be larger, for example up to 20%.
  • the capsule 9 and the associated lid 10 and the connection between these two elements are designed so that the capsule is not damaged.
  • the capsule 9 has, for example, a simple geometry and is thin-walled.
  • the capsule 9 and the starting material produced in the HIP process are then separated from one another, so that this can then be processed further in a suitable manner.
  • the capsule 9 and its cover 10 fulfill several in the HIP process
  • FIG. 3 shows in various positions ad a possibility of further processing of the end product 13 obtained with the HIP process.
  • This is shown as a block in FIG. 3 (position a).
  • the product 13 is then formed into a film 15 (position b), which is then subsequently wound up for further use (position c).
  • position d it is again indicated that the film 15 or corresponding cuts of this film with the help of, for example, the DCB technique or with the help of another suitable method on the ceramic layer 5 to form the Metallizations 6 and 7 can be applied, the metallization 6 being structured in further process steps not shown in FIG. 3.
  • FIGS. 4 and 5 show a further possibility for the production of the starting material which contains the nanofibers in the metal matrix.
  • metal or copper foils are arranged in a suitable bath containing the nanofibers and also the metal, for example copper, from which copper and nanofibers are then deposited electrolytically and / or chemically on the foil blanks.
  • the starting material obtained with this method is then used, for example, directly as a layer containing the metal or the metal alloy together with the nanofibers in a laminate-like configuration of the composite material according to the invention, for example for the metallizations 6 and 7 or the base plate 4 of the power module 1 in FIG. 1 , or that obtained with this method, for example Plate-like starting material is subjected to further processing, for example a rolling process, before it is used as a material component in the composite material.
  • the method of FIGS. 4 and 5 there is also the possibility of arranging one or more preforms in the bath 17 which is formed by a three-dimensional structure, for example a network or a fleece-like structure made of nanofibers, so that the deposition then takes place of copper and other nanofibers from the bath 17 on the respective preform to form a material containing the nanofibers and the metal or copper.
  • the nanofibers of the preform are also pretreated chemically with reactive elements in this embodiment, for example, for better bonding with the metal, which the mechanical connection between the Nanofiber and the metal, for example copper improve.
  • a coating of the nanofibers with the metal for example by vapor deposition, is also conceivable with this method.
  • the ceramic layer 5 itself can also be used as the pre-form, on which the metal (copper) and the nanofibers are then electrolytically and / or chemically deposited from the bath 17.
  • the ceramic layer 5 is previously pretreated, at least on its surface sides on which this co-deposition of nanofibers and metal is to take place, for example made electrically conductive, for example by applying a thin metal or copper layer.
  • FIGS. 6 and 7 show a further possible embodiment of a method in which copper is electrolytically and / or chemically deposited on preforms 18 which are formed from interlocking fibers from a bath 19 which contains copper or copper salts.
  • the product obtained can then be used as a starting material for further processing.
  • nanofibers or nanofibers coated with copper protrude from the material obtained so that a dirt-repellent lotus effect results and / or wetting effects of the material can be controlled.
  • the power module 1 of FIG. 1 for example, it is also possible to use only the base plate 4 and / or only one of the metallizations 6 or 7 from which the Manufacture material containing nanofibers. Furthermore, it is also possible to provide nanofibers in the ceramic layer 5 in order, for. B. to increase the thermal conductivity of this ceramic layer.

Abstract

The invention relates to a novel composite material, especially for applications in the field of electrical engineering. Said novel material has a thermal coefficient of expansion that is smaller than 12x10-6 K-1 in at least two axes of a three-dimensional system that are perpendicular in relation to each other and contains nanofibers.

Description

Verbundwerkstoff sowie elektrischer Schaltkreis oder elektrisches Modul Composite material as well as electrical circuit or electrical module
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff oder ein Verbundmaterial gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf einen elektrischen Schaltkreis oder ein elektrisches Modul gemäß Oberbegriff Patentanspruch 32.The invention relates to a composite material or a composite material according to the preamble of claim 1 and to an electrical circuit or an electrical module according to the preamble of claim 32.
Ein „Verbundwerkstoff" oder ein „Verbundmaterial" im Sinne der Erfindung ist generell ein Werkstoff, der mehrere Materialkomponenten aufweist, beispielsweise in einer gemeinsamen Matrix oder aber auch zumindest teilweise in wenigstens zwei aneinander angrenzenden und miteinander verbundenen Materialabschnitten.A “composite material” or a “composite material” in the sense of the invention is generally a material which has a plurality of material components, for example in a common matrix or else at least partially in at least two adjacent and interconnected material sections.
Ein „Bauteil zur Wärmeableitung" oder eine „Wärmesenke" im Sinne der Erfindung sind generell Bauteile, die insbesondere in der Elektronik und dabei speziell auch in der Leistungselektronik Verwendung finden und hier zur Ableitung von Verlustwärme bzw. zum Kühlen von elektrischen oder elektronischen Komponenten dienen, wie z. B. Boden- und/oder Wärmeableitplatten bei elektrischen Schaltkreisen oder Modulen, Träger für elektrische bzw. elektronische Bauelemente, Gehäuse oder Gehäuseelemente von elektrischen Bauelementen oder Modulen, aber auch beispielsweise von einem Kühlmedium z. B. Wasser durchströmte Kühler, Heatpipe oder Elemente solcher aktiver Wärmesenken.A "component for heat dissipation" or a "heat sink" in the sense of the invention are generally components which are used in particular in electronics and in particular also in power electronics and are used here to dissipate heat loss or to cool electrical or electronic components, such as B. floor and / or heat dissipation plates in electrical circuits or modules, supports for electrical or electronic components, housings or housing elements of electrical components or modules, but also for example from a cooling medium such. B. water flow through cooler, heat pipe or elements of such active heat sinks.
In vielen Bereichen der Technik werden Verbundwerkstoffe als Material für Konstruktionen, Bauteile usw. verwendet, und zwar insbesondere auch dann, wenn Materialeigenschaften gefordert werden, die sich mit einer einzigen Material komponente nicht verwirklichen lassen. Durch gezielte Auswahl der einzelnen Komponenten und der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften dieser Komponenten, beispielsweise der thermischen Eigenschaften, können die für den Verbundwerkstoff gewünschten Eigenschaften optimal eingestellt werden. „Materials for Thermal Conduction", Chung et al., Appl. Therm. Eng., 21 , (2001 ) 1 593 - 1605, gibt einen generellen Überblick über Materialien für Wärmeleitungs- bzw. Wäremeableitungsmaterialien. Der Artikel skizziert die Eigenschaften möglicher Einzelkomponenten und relevante Beispiele für Verbundwerkstoffe.In many areas of technology, composite materials are used as material for constructions, components, etc., especially when material properties are required that cannot be achieved with a single material component. By specifically selecting the individual components and the physical and / or chemical properties of these components, for example the thermal properties, the properties desired for the composite material can be optimally set. "Materials for Thermal Conduction", Chung et al., Appl. Therm. Eng., 21, (2001) 1 593-1605, gives a general overview of materials for heat conduction or heat dissipation materials. The article outlines the properties of possible individual components and relevant examples of composite materials.
Ting et al. berichtet in J. Mater. Res., 10 (6), 1995, 1478 - 1484 über die Herstellung von Aluminium VGCF (Vapor Grown Carbon Fiber)- Verbundwerkstoffen und deren Wärmeleiteigenschaften. Die US 5,814,408 Ting et al. ist die daraus folgende Patentschrift zum Al-VGCF MMC.Ting et al. reported in J. Mater. Res., 10 (6), 1995, 1478 - 1484 on the production of aluminum VGCF (Vapor Grown Carbon Fiber) composite materials and their thermal conductivity. U.S. 5,814,408 Ting et al. is the resulting patent for the Al-VGCF MMC.
Verbundwerkstoffe mit Carbon Fibrils™, einer definierten CVD-Kohlenstofffaser, in sowohl Metall- als auch Polymer- Matrix sind in der US 5,578,543 Hoch et al. erwähnt.Composites with Carbon Fibrils ™, a defined CVD carbon fiber, in both metal and polymer matrix are described in US 5,578,543 Hoch et al. mentioned.
Ushijima et al. beschreibt in der US 6,406,790 die Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit einer speziellen Ausführung von CVD gewachsenen Kohlenstofffasern als Füllstoff mittels Druckinfiltration des Matrix-Metalles.Ushijima et al. in US 6,406,790 describes the production of a composite material with a special design of CVD-grown carbon fibers as filler by means of pressure infiltration of the matrix metal.
Houle et al. berichtet in der US 6,469,381 von einem Halbleiterelement, welches die im Betrieb entstehende Wärme durch den Einbau von Carbon Fasern in die Trägerplatte ableitet.Houle et al. reports in US Pat. No. 6,469,381 about a semiconductor element which dissipates the heat generated during operation by installing carbon fibers in the carrier plate.
Die Verwendung von beschichteten Carbon-Fasern in Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix wird von Bieler et al. in der US 5,660,923 dargelegt. Al203 Fasern in einer AI Matrix und die Herstellung des entsprechenden faserverstärkten Verbundwerkstoffes beschreibt die US 6,460,497, McCullough et al.The use of coated carbon fibers in composite materials with a metallic matrix is described by Bieler et al. in US 5,660,923. Al 2 0 3 fibers in an Al matrix and the production of the corresponding fiber-reinforced composite material are described in US Pat. No. 6,460,497, McCullough et al.
Speziell für elektrische Leistungsmodule, die in zunehmenden Maß bei elektrischen Antrieben unter anderem auch in der Verkehrs- und Automatisierungstechnik eingesetzt werden, ist es bekannt, als Leiterplatten Metall-Keramik-Substrate zu verwenden, beispielsweise solche aus Aluminiumoxid (Al203) oder zunehmend auch solche aus Aluminiumnitrid (AIN) wegen der verbesserten elektrischen Eigenschaften. Als Träger- oder Übergangsschicht zu einer Wärmesenke, über die eine unter Umständen nicht unerhebliche Verlustleistung eines solchen Leistungsmoduls abgeführt werden muss, werden bisher Schichten oder Bodenplatten aus Kupfer verwendet, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und daher zur Ableitung der Verlustleistung bzw. -wärme sowie zur Wärmespreitzung gut geeignet sind.Especially for electrical power modules, which are increasingly used in electrical drives, inter alia, in traffic and automation technology, it is known to use metal-ceramic substrates as printed circuit boards, for example those made of aluminum oxide (Al 2 0 3 ) or increasingly also those made of aluminum nitride (AIN) because of the improved electrical properties. Up to now, layers or base plates made of copper have been used as a carrier or transition layer to a heat sink, through which a possibly not insignificant power loss of such a power module has to be dissipated, which have a high thermal conductivity and therefore to dissipate the power loss and heat as well are well suited for heat spreading.
Nachteilig hierbei sind aber die sehr unterschiedlichen thermischenThe disadvantage here is the very different thermal
Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, nämlich der Keramik, des Kupfers sowie auch des Siliziums der aktiven elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente eines solchen Moduls. Nicht nur bei der Herstellung, sondern insbesondere auch während des Betriebes unterliegen nämlich Leistungsmodule bzw. deren Komponenten einem nicht unerheblichen Temperaturwechsel, beispielsweise beim Übergang von der Betriebsphase in die Ruhephase und umgekehrt, aber auch während des Betriebes beim Schalten des Moduls. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten führen diese Temperaturwechsel zu mechanischen Spannungen im Modul, d. h. zu mechanischen Spannungen zwischen der Keramik und den angrenzenden Metallisierungen oder Metallschichten (wie Bodenplatte auf einer Seite der Keramikschicht und Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. auf der anderen Seite der Keramikschicht) sowie auch zwischen Metallflächen und den auf diesen angeordneten elektrischen oder elektronischen Komponenten, insbesondere Halbleiterbauelementen. Häufige mechanische Spannungswechsel führen zu einer Materialermüdung und damit zu einem Versagen des Moduls oder der dortigen Komponenten.Expansion coefficients of the materials used, namely the ceramic, the copper and also the silicon of the active electrical or electronic components of such a module. Power modules or their components are subject to a not inconsiderable temperature change not only during manufacture, but especially during operation, for example during the transition from the operating phase to the idle phase and vice versa, but also during operation when the module is switched. Due to the different expansion coefficients, these temperature changes lead to mechanical stresses in the module, i.e. to mechanical stresses between the ceramic and the adjacent metallizations or metal layers (such as a base plate on one side of the ceramic layer and conductor tracks, contact areas, etc. on the other side of the ceramic layer) and also between Metal surfaces and the electrical or electronic components arranged thereon, in particular Semiconductor devices. Frequent mechanical voltage changes lead to material fatigue and thus to a failure of the module or the components there.
Dieses Problem wird noch durch die zusätzliche Miniaturisierung und durch die damit einhergehende Erhöhung der Leistungsdichte von Leistungsmodulen verstärkt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten α der Materialkomponenten eines Leistungsmoduls mit einem Kupfer-Keramik-Substrat liegen beispielsweise im Bereich zwischen α = 16,8 x l O^K"1 für das Kupfer und α = 3 x 10"6K"1 für das Silizium.This problem is exacerbated by the additional miniaturization and the associated increase in the power density of power modules. The thermal expansion coefficients α of the material components of a power module with a copper-ceramic substrate are, for example, in the range between α = 16.8 × 10 K 1 for the copper and α 3 × 10 6 K 1 for the silicon.
Verwiesen wird hierzu auch auf die nachstehende Tabelle, in der die thermische Leitfähigkeit λ und der Wärmeausdehnungskoeffizient α für verschiedene Materialien angegeben ist.Reference is also made to the table below, in which the thermal conductivity λ and the thermal expansion coefficient α are given for different materials.
Figure imgf000006_0001
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Da auf eine hohe thermische Leitfähigkeit zur Ableitung der Verlustleistung nicht verzichtet werden kann, sind speziell bei Halbleiterleistungsmodulen bzw. deren Substrate für die Metallisierungen, die Bodenplatten usw. nur Metalle verwendbar, die auch eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Speziell für Wärmesenken werden derzeit demnach bevorzugt Werkstoffe auf Kupfer- oder Aluminiumbasis verwendet, beispielsweise Cu-W, Cu-Mo oder Al-SiC.Since a high thermal conductivity to derive the power loss cannot be dispensed with, only metals which also have a sufficiently high thermal conductivity can be used, in particular in the case of semiconductor power modules or their substrates for the metallizations, the base plates, etc. Accordingly, copper or aluminum-based materials, for example Cu-W, Cu-Mo or Al-SiC, are currently preferably used especially for heat sinks.
Bekannt ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik, z.B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik mit Hilfe des sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas , bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so daß durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.It is known to produce the metallization required for producing conductor tracks, connections, etc. on a ceramic, for example on an aluminum oxide ceramic, using the so-called “DCB process” (direct copper bond technology), namely under Use of metal or copper foils or metal or copper sheets forming the metallization, which have on their surface sides a layer or a coating (melting layer) made of a chemical compound of the metal and a reactive gas, preferably oxygen US-PS 37 44 120 or the process described in DE-PS 23 19 854 forms this layer or this coating (melting layer) is a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (e.g. copper), so that by placing the film on the ceramic and heating all layers, these can be connected to each other, by melting the metal or Copper essentially only in the area of the melting layer or oxide layer.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:This DCB method then has e.g. following process steps:
• Oxidieren einer Kupferfolie derart, daß sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;• Oxidizing a copper foil so that there is a uniform copper oxide layer;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;• placing the copper foil on the ceramic layer;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z.B. auf ca. 1071 °C;Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, e.g. to about 1071 ° C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur.• Cool down to room temperature.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff zu schaffen, der unter Beibehaltung einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die größer oder zumindest gleich derjenigen von Kupfer oder Kupferlegierungen ist, einen gegenüber Kupfer deutlich reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verbundwerkstoff entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein elektrischer Schaltkreis oder ein elektrisches Modul sind entsprechend dem Patentanspruch 32 ausgebildet.The object of the invention is to provide a composite material which, while maintaining a high thermal conductivity which is greater than or at least equal to that of copper or copper alloys, has a coefficient of thermal expansion which is significantly reduced compared to copper. To achieve this object, a composite material is formed according to claim 1. An electrical circuit or an electrical module are designed according to claim 32.
Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff, der u.a. auch für Anwendungen in der Elektrotechnik und dabei für Anwendungen als Substrat oder als Bauteil zurThe composite material according to the invention, which i.a. also for applications in electrical engineering and for applications as a substrate or as a component
Wärmeableitung bei elektrischen Leistungsmodulen geeignet ist, besteht somit im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten, nämlich aus wenigstens einem Metall oder wenigstens einer Metall legierung, aus wenigstens einer Keramik sowie aus Nanofasern, die eine Dicke im Bereich etwa 1 ,3 nm bis 300 nm aufweisen, wobei das Längen/Dicken-Verhältnis bei einem Großteil der in dem Verbundstoff enthaltenen Nanofasern größer als 10 ist. Der Anteil an Keramik kann ganz oder teilweise durch Glas, beispielsweise durch Siliziumoxid ersetzt sein.Heat dissipation in electrical power modules is essentially composed of three main components, namely at least one metal or at least one metal alloy, at least one ceramic and nanofibers, which have a thickness in the range of approximately 1.3 nm to 300 nm, the length / thickness ratio being greater than 10 for the majority of the nanofibers contained in the composite. The portion of ceramic can be replaced in whole or in part by glass, for example by silicon oxide.
Die verwendeten Nanofasern bewirken die gewünschte Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffes in wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen, vorzugsweise in allen drei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen.The nanofibers used bring about the desired reduction in the coefficient of thermal expansion of the composite material in at least two mutually perpendicular spatial axes, preferably in all three mutually perpendicular spatial axes.
Bei der Ausbildung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs sind in Weiterbildung der Erfindung folgende Maßnahmen möglich:In the development of the composite material according to the invention, the following measures are possible in a development of the invention:
Die Nanofasern sind hinsichtlich ihrer Orientierung zumindest in den wenigstens zwei Raumachsen isotrop verteilt.The orientation of the nanofibers is isotropically distributed at least in the at least two spatial axes.
Die Nanofasern sind beispielsweise zumindest teilweise Nanotubes, die sich durch eine besonders hohe Festigkeit in axialer Richtung auszeichnen und hierdurch besonders wirksam zu der angestrebten Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beitragen.The nanofibers are, for example, at least partially nanotubes, which are distinguished by a particularly high strength in the axial direction and thereby contribute particularly effectively to the desired reduction in the coefficient of thermal expansion.
Die Nanofasern bestehen bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material, sodass der die Nanofasern aufweisende Verbundwerkstoff oder dessen diese Nanofasern aufweisender Teil auch für elektrische Leiterbahnen oder Kontakte usw. einsetzbar ist, d. h. die für diese Anwendung notwendige elektrische Leitfähigkeit besitzt.The nanofibers preferably consist of an electrically conductive material, so that the composite material comprising the nanofibers or its part comprising these nanofibers can also be used for electrical interconnects or contacts, etc. H. has the necessary electrical conductivity for this application.
Bevorzugt sind die Nanofasern solche aus Kohlenstoff und/oder aus Bornitrid und/oder aus Wolframkarbid. Auch andere, für die Herstellung von Nanofasern geeignete Materialien oder Materialverbindungen sind grundsätzlich denkbar, so insbesondere auch mit Bornitrid und/oder aus Wolframkarbid beschichtete Nanofasern aus Kohlenstoff.The nanofibers are preferably those made of carbon and / or boron nitride and / or tungsten carbide. Other suitable for the production of nanofibers Materials or material connections are fundamentally conceivable, in particular also carbon nanofibers coated with boron nitride and / or tungsten carbide.
Als Keramik wird bei dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff bevorzugt eine Aluminiumoxid- oder eine Aluminiumnitrid-Keramik verwendet, wobei die Aluminiumnitrid-Keramik sich durch eine besonders hohe elektrische Spannungsfestigkeit sowie durch eine erhöhte thermische Leitfähigkeit auszeichnet.An aluminum oxide or an aluminum nitride ceramic is preferably used as the ceramic in the composite material according to the invention, the aluminum nitride ceramic being distinguished by a particularly high electrical dielectric strength and by an increased thermal conductivity.
Als Metallkomponente eignet sich bei der Erfindung bevorzugt Kupfer oder eineCopper or a is preferably suitable as the metal component in the invention
Kupferlegierung. Dies gilt insbesondere auch für den Fall, dass der Verbundwerkstoff für Substrate oder Leiterplatten oder als Bauteil zur Wärmeableitung für elektrische Schaltkreise oder Module verwendet werden soll. Kupfer, aber auch Kupferlegierungen sind relativ einfach zu bearbeiten, und zwar insbesondere auch dann, wenn diese Material komponente des Verbundwerkstoffs die Nanofasern enthält.Copper alloy. This applies in particular also in the event that the composite material is to be used for substrates or printed circuit boards or as a component for heat dissipation for electrical circuits or modules. Copper, but also copper alloys, are relatively easy to machine, especially when this material component of the composite material contains the nanofibers.
Bei der Erfindung besteht weiterhin die Möglichkeit, die Nanofasern in dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metall legierung und/oder in der Keramik und/oder im Glas vorzusehen, und zwar beispielsweise in einer von dem Metall oder der Metall legierung gebildeten Matrix.In the case of the invention there is also the possibility of providing the nanofibers in the at least one metal or the at least one metal alloy and / or in the ceramic and / or in the glass, for example in a matrix formed by the metal or the metal alloy.
Der Anteil an Nanofasern im Verbundmaterial liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 70 Volumen%, vorzugsweise im Bereich zwischen 40 und 70 Volumen %, und zwar bezogen auf das Gesamtvolumen der diese Fasern enthaltenden Materialkomponente des Verbundwerkstoffs.The proportion of nanofibers in the composite material is, for example, in the range between 10 and 70% by volume, preferably in the range between 40 and 70% by volume, based on the total volume of the material component of the composite material containing these fibers.
Sind die Nanofasern im Metall oder in der Metall legierung des Verbundwerkstoffs enthalten, so stehen zur Realisierung dieser speziellen Ausführung verschiedenste Verfahren zur Verfügung. So ist es z. B. möglich, zunächst aus den Nanofasern eine Vor- oder Preform zu bilden, beispielsweise in Form eines dreidimensionalen Gitterwerks, einer vliesartigen Struktur, einer hohlkörper- oder röhrchenartigen Struktur usw. aus den Nanofasern zu bilden, wobei in diese Preform dann das wenigstens eine Metall oder die wenigstens eine Metall legierung eingebracht wird. Speziell hierfür sind wiederum unterschiedlichste Techniken denkbar, beispielsweise durch chemisches und/oder elektrolytisches Abscheiden, durch Schmelzinfiltration usw.If the nanofibers are contained in the metal or in the metal alloy of the composite material, a wide variety of options are available for realizing this special design Procedures available. So it is z. B. possible to first form a preform or preform from the nanofibers, for example in the form of a three-dimensional latticework, a fleece-like structure, a hollow or tube-like structure etc. from the nanofibers, in which preform then the at least one metal or the at least one metal alloy is introduced. A wide variety of techniques are conceivable especially for this purpose, for example by chemical and / or electrolytic deposition, by melt infiltration, etc.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist der Verbundwerkstoff ein faserverstärktes Keramik-Glas-Verbundmaterial als Substrat für elektrische oder elektronische Anwendungen und besteht aus einem Trägersubstrat auf Basis von Keramik- und/oder Glasmaterialien und aus mindestens einer einseitig aufgebrachten faserverstärkten Metallschicht. Die Fasern in der Metallschicht sind dann beispielsweise Carbon-Nanotubes, die eine Dicke von 1 ,3 bis 300 nm sowie ein Längen-/Dickenverhältnis > 10 aufweisen, wobei die Nanofasern in der Metallmatrix der Metallschicht in einem Anteil von 10 bis 70 Volumenprozent enthalten sind. Sofern das Trägersubstrat ebenfalls Nanofasern enthält, bestehen diese aus hoher Nitrid- und/oder Wolframcarbid.According to one embodiment of the invention, the composite material is a fiber-reinforced ceramic-glass composite material as a substrate for electrical or electronic applications and consists of a carrier substrate based on ceramic and / or glass materials and of at least one fiber-reinforced metal layer applied on one side. The fibers in the metal layer are then, for example, carbon nanotubes which have a thickness of 1.3 to 300 nm and a length / thickness ratio> 10, the nanofibers being present in the metal matrix of the metal layer in a proportion of 10 to 70 percent by volume , If the carrier substrate also contains nanofibers, these consist of high nitride and / or tungsten carbide.
Weiterhin ist es möglich, das Metall und die Nanofasern auf einer Preform oder einem Träger aus Metall und/oder Keramik aufzubringen, und zwar beispielsweise durch chemisches und/oder elektrolytisches Abscheiden.Furthermore, it is possible to apply the metal and the nanofibers to a preform or a carrier made of metal and / or ceramic, for example by chemical and / or electrolytic deposition.
Auch andere Verfahren zur Herstellung der Matrix aus dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metall legierung mit den Nanofasern sind denkbar, beispielsweise die sogenannte HIP-Technologie, bei der das wenigstens eine Metall oder die wenigstens eine Metall legierung in Pulverform und mit den Nanofasern gemischt in eine Kapsel eingebracht und dies dann mit einem Deckel dicht verschlossen wird. Im Anschluss daran wird der Innenraum der Kapsel evakuiert und gasdicht verschlossen. Im Anschluss daran erfolgt ein allseitiger Druck (z.B. Gasdruck unter Verwendung von Inertgas, beispielsweise Argon oder hydrostatischer Druck) auf die Kapsel und damit auch auf das in der Kapsel vorhandene Material, und zwar bei gleichzeitiger Erhitzung auf eine Prozesstemperatur im Bereich zwischen 500 und 1000°C.Other methods for producing the matrix from the at least one metal or the at least one metal alloy with the nanofibers are also conceivable, for example the so-called HIP technology, in which the at least one metal or the at least one metal alloy in powder form and mixed with the nanofibers placed in a capsule and then sealed with a lid is closed. The interior of the capsule is then evacuated and sealed gas-tight. This is followed by all-round pressure (e.g. gas pressure using inert gas, for example argon or hydrostatic pressure) on the capsule and thus also on the material present in the capsule, while heating to a process temperature in the range between 500 and 1000 ° C.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden nach einem Abkühlen die Kapsel und der hergestellte, die Nanofasern enthaltende Metallrohling getrennt, sodass dieser dann weiter verarbeitet werden kann, beispielsweise durch spanabhebende Verarbeitung oder durch Schneiden, Sägen und/oder Walzen zur Herstellung von Platten oder Folien, die dann beispielsweise zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats oder einer Leiterplatte mit einer Keramikschicht verbunden ist.In a further process step, after cooling, the capsule and the metal blank produced containing the nanofibers are separated so that it can then be further processed, for example by machining or by cutting, sawing and / or rolling to produce plates or foils, which then is connected to a ceramic layer, for example for the production of a metal-ceramic substrate or a printed circuit board.
Speziell für die Anwendung im elektrischen und elektronischen Bereich ist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff als Laminat ausgebildet, und zwar mit wenigstens zwei miteinander verbundenen Materialabschnitten oder -schichten, wobei dann ein Materialabschnitt oder eine Schicht aus dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metall legierung besteht und der andere Materialabschnitt bzw. die andere Schicht aus Keramik. Die Nanofasern sind dann beispielsweise in dem wenigstens einen Materialabschnitt aus dem Metall oder der Metalllegierung enthalten. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Nanofasern ebenfalls in der Keramik enthalten sind, um beispielsweise die mechanische Festigkeit der Keramik zu erhöhen und/oder die thermische Leitfähigkeit der Keramik zu verbessern.Specifically for use in the electrical and electronic field, the composite material according to the invention is designed as a laminate, with at least two interconnected material sections or layers, in which case a material section or a layer consists of the at least one metal or the at least one metal alloy and the another section of material or the other layer of ceramic. The nanofibers are then contained, for example, in the at least one material section made of the metal or the metal alloy. In principle, however, there is also the possibility that the nanofibers are also contained in the ceramic, for example to increase the mechanical strength of the ceramic and / or to improve the thermal conductivity of the ceramic.
Besteht der Verbundwerkstoff aus wenigstens einem Materialabschnitt aus dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung und aus dem Materialabschnitt aus Keramik, so sind beide Materialabschnitte oder Schichten z. B. durch Löten, bevorzugt auch durch Aktivlöten miteinander verbunden oder aber unter Verwendung der an sich bekannten Direkt-Bonding-Technik.If the composite material consists of at least one material section made of the at least one metal or the at least one metal alloy and of the material section made of ceramic, then both material sections or layers are e.g. B. by soldering, preferably also connected by active soldering or using the direct bonding technique known per se.
Speziell bei der möglichen Ausbildung des Verbundwerkstoffes als Metall-Keramik- Substrat oder Leiterplatte ist auf wenigstens einer Oberflächenseite einerEspecially when the composite material is designed as a metal-ceramic substrate or printed circuit board, there is one on at least one surface side
Keramikschicht eine Metallisierung vorgesehen, die von dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metallliegierung gebildet ist und die die Nanofasern enthält. Diese Metallschicht ist dann beispielsweise die Bodenplatte eines derartigen Substrates oder aber mit einer solchen Bodenplatte verbunden, mit der das Substrat mit einer passiven Wärmesenke, beispielsweise in Form eines Kühlkörpers oder aber mit einer aktiven Wärmesenke, beispielsweise in Form eines von einem Kühlmedium durchströmten Kühlers, auch Mikrokühlers verbunden ist.Ceramic layer provided a metallization, which is formed by the at least one metal or the at least one metal alloy and which contains the nanofibers. This metal layer is then connected, for example, to the base plate of such a substrate or to a base plate with which the substrate is also connected to a passive heat sink, for example in the form of a heat sink, or to an active heat sink, for example in the form of a cooler through which a cooling medium flows Micro cooler is connected.
Auf der anderen Oberflächenseite der Keramikschicht sind dann z. B. Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen und/oder Fixier- bzw. Befestigungsflächen für Bauelemente eines elektrischen Schaltkreises oder eines Moduls vorgesehen. Auch das Metall oder die Metall legierung, die diese Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. bilden, kann die Nanofasern enthalten, wobei die Strukturierung Metallisierung in die Leiterbahnen usw. beispielsweise in der üblichen Weise erfolgt, und zwar dadurch, dass nach dem Aufbringen einer Metallschicht diese in die sturkturierte Metallisierung gebracht wird, und zwar beispielsweise auch durch ein Maskierungs- und Ätzverfahren.On the other surface side of the ceramic layer z. B. conductor tracks and / or contact surfaces and / or fixing or fastening surfaces for components of an electrical circuit or a module. The metal or the metal alloy, which form these conductor tracks, contact areas etc., can also contain the nanofibers, the structuring of the metallization into the conductor tracks etc. being carried out, for example, in the customary manner, namely in that after a metal layer has been applied, it is deposited in the structured metallization is brought, for example also by a masking and etching process.
Mit der Erfindung wird also ein Verbundwerkstoff geschaffen, bei dem durch die Einlagerung der Nanofasern in die Metallmatrix, beispielsweise Kupfermatrix, eine wesentlich höhere Leitfähigkeit erreicht wird (z. B. > 380 W(mK)"1) kombiniert mit einer reduzierten thermischen Ausdehnung erreicht wird. Weiterhin ist insbesondere bei Verwendung von Kupfer für die Metallmatrix eine leichte Bearbeitung des die Nanofasern enthaltenen Metalls gewährleistet, sodass alle üblichen Bearbeitungstechniken, wie Bohren, Fräsen, Stanzen, aber auch chemische Bearbeitungen möglich sind.The invention thus creates a composite material in which the incorporation of the nanofibers into the metal matrix, for example copper matrix, achieves a significantly higher conductivity (eg> 380 W (mK) "1 ) combined with a reduced thermal expansion Furthermore, easy processing of the metal containing the nanofibers is ensured, in particular when using copper for the metal matrix, so that all usual Processing techniques such as drilling, milling, punching, but also chemical processing are possible.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff sind Lösungen im Thermal- Management-Bereich möglich, die bisher große Probleme bereitet haben, z. B. auch in der Lasertechnik, wo speziell die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleitermaterial eines Laserbarens und dem Metall einer Wärmesenke zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Lebensdauer von Laserdioden oder Laserdiodenanordnungen führen. Durch die verbesserte thermische Leitfähigkeit lassen sich weiterhin höhere Leistungsdichten als bisher bei elektrischen und elektronischen Leistungsmodulen realisieren, und zwar mit der Möglichkeit einer Miniaturisierung elektrischer und elektronischer Module und Baugruppen sowie mit der Möglichkeit zusätzliche Anwendungen speziell auch in solchen technischen Bereichen, in denen einen Miniaturisierung und eine damit einhergehende Reduzierung von Masse und Gewicht bedeutsam sind, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrttechnik.With the composite material according to the invention, solutions in the thermal management area are possible which have previously caused major problems, for example: B. also in laser technology, where especially the different coefficients of thermal expansion between the semiconductor material of a laser bar and the metal of a heat sink lead to a considerable impairment of the life of laser diodes or laser diode arrangements. Due to the improved thermal conductivity, higher power densities can be realized than before with electrical and electronic power modules, with the possibility of miniaturization of electrical and electronic modules and assemblies as well as the possibility of additional applications especially in such technical areas in which miniaturization and an associated reduction in mass and weight are significant, such as. B. in aerospace engineering.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ist es gelungen, bisher schwer zu vereinbarende Eigenschaften in einem Werkstoff zu kombinieren. Sind die Nanofasern in der Metallmatrix vorgesehen, so dienen sie dort als Verstärkungskomponente, die mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit (größer als 1 000 W(mK)"1) und mit ihrem vernachlässigbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten den Ausdehnungskoeffizient des gesamten Verbundwerkstoffs reduzieren und dessen Wärmeleitfähigkeit deutlich verbessern.With the composite material according to the invention it has been possible to combine properties that were previously difficult to reconcile in one material. If the nanofibers are provided in the metal matrix, they serve as reinforcement components which, with their high thermal conductivity (greater than 1 000 W (mK) "1 ) and with their negligible thermal expansion coefficient, reduce the expansion coefficient of the entire composite material and significantly improve its thermal conductivity.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in vereinfachter Darstellung ein elektrisches Leistungsmodul mit einemThe invention is explained below with reference to the figures using exemplary embodiments. Show it: Fig. 1 shows a simplified representation of an electrical power module with a
Verbundmaterial gemäß der Erfindung; Fig. 2 in vereinfachter schematischer Darstellung die verschiedenen Verfahrensschritte (Positionen a - d) des HIP-Verfahrens zum Herstellen eines Metall-Nanofaser- Verbundmaterials;Composite material according to the invention; 2 shows a simplified schematic illustration of the various method steps (positions a - d) of the HIP method for producing a metal-nanofiber composite material;
Fig. 3 in schematischer Darstellung ein Verfahren zum Weiterverarbeiten eines das wenigstens eine Metall bzw. die wenigstens eine Metall legierung und die Nanofasern enthaltenden Ausgangsmaterials. Fig. 4 und 5 in schematischer Darstellung in Seitenansicht sowie in Draufsicht ein Bad zum elektrolytischen und/oder chemischen Co-Abscheiden von3 shows a schematic representation of a method for further processing a starting material containing the at least one metal or the at least one metal alloy and the nanofibers. 4 and 5 in a schematic representation in side view and in plan view of a bath for electrolytic and / or chemical co-deposition of
Metall und Nanofasern auf einer Metallfolie oder einer Preform; Fig. 6 und 7 in schematischer Seitenansicht sowie in Draufsicht ein Bad zum elektrolytischen und/oder chemischen Abscheiden von Metall auf einer von Nanofasern gebildeten Preform. Die Figur 1 zeigt in vereinfachter Darstellung und in Seitenansicht ein elektrisches Leistungsmodul 1 , welches unter anderem aus einem Keramik-Kupfer-Substrat 2 mit verschiedenen elektronischen Halbleiterbauelementen 3, von denen der einfacherer Darstellung wegen nur ein Leistungsbauelement wieder gegeben ist, sowie aus einer Grundplatte 4 besteht. Das Kupfer-Keramik-Stubstrat 2 umfasst eine Keramikschicht 5 beispielsweise aus Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik, wobei auch bei einer mehrteiligen Ausbildung der Schicht 5 unterschiedliche Keramiken verwendet sein können, sowie eine obere Metallisierung 6 und eine untere Metallisierung 7. Die Metallisierungen 6 und 7 sind bei den dargestellten Ausführungsformen jeweils von einer Folie gebildet, die in einer Matrix aus Kupfer oder einer Kupferlegierung Nanofasern enthält, beispielsweise in dem Anteil von 10 - 70 Volumen%, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Folie bzw. Metallisierung, vorzugsweise in einem Anteil von 40 - 70 Volumen %. Das Bauelement 3 ist dabei ein Leistungs-Halbleiterbauelement, z. B. ein Transistor zum Schalten hoher Ströme z. B. zum Ansteuern eines Elektromotors oder eines Fahrantriebs auch andere Leistungs-Halbleiterbauelemente sind denkbar, wie beispielsweise Laserdioden usw. Die Dicke, die die Grundplatte 4 in der Achsrichtung senkrecht zu den Ebenen der Metallisierungen 6 und 7 aufweist ist um ein Vielfaches größer als die Dicke der für die diese Metallisierungen 6 und 7 verwendeten Folien.Metal and nanofibers on a metal foil or a preform; 6 and 7 in schematic side view and in plan view a bath for the electrolytic and / or chemical deposition of metal on a preform formed by nanofibers. FIG. 1 shows a simplified representation and a side view of an electrical power module 1, which, among other things, consists of a ceramic-copper substrate 2 with various electronic semiconductor components 3, of which only one power component is shown for the sake of simplicity, and a base plate 4 consists. The copper-ceramic substrate 2 comprises a ceramic layer 5, for example made of aluminum oxide or aluminum nitride ceramic, wherein different ceramics can also be used in the case of a multi-part formation of the layer 5, as well as an upper metallization 6 and a lower metallization 7. The metallizations 6 and 7 in the illustrated embodiments are each formed from a film which contains nanofibers in a matrix of copper or a copper alloy, for example in a proportion of 10-70% by volume, based on the total volume of the respective film or metallization, preferably in a proportion from 40 - 70% by volume. The component 3 is a power semiconductor component, for. B. a transistor for switching high currents z. B. to control an electric motor or a drive other power semiconductor components are conceivable, such as laser diodes, etc. The thickness of the base plate 4 in the axial direction perpendicular to the planes of the metallizations 6 and 7 is many times greater than the thickness of the foils used for these metallizations 6 and 7.
Die beiden Metallisierungen 6 und 7 sind unter Verwendung einer geeigneten Technik, beispielsweise der DCB-Technik oder mittels des Aktivlötverfahrens jeweils flächig mit einer Oberflächenseite der Keramikschicht 5 verbunden. Die Metallisierung 6 ist weiterhin zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen, Befestigungsflächen zum Befestigen oder zum Auflöten von Bauelementen 3, von Abschirmflächen oder Bahnen, von als Induktivitäten wirkende Bahnen usw. in der erforderlichen Weise strukturiert, und zwar vorzugsweise mit Hilfe der dem Fachmann bekannten Maskierungs- oder Ätztechnik. Auch andere Techniken sind denkbar, beispielsweise in der Form, dass die Strukturierung durch mechanische Bearbeitung der die Metallisierung 6 bildenden Folie erzeugt ist, und zwar beispielsweise nach dem oder aber vor Aufbringen der Metallisierung 6 auf die Keramikschicht 5. Die die Metallisierung 7 bildende Folie ist bei der dargestellten Ausführungsform nicht strukturiert. Diese Folie deckt bei der dargestellten Ausführungsform einen Großteil der Unterseite der Keramikschicht 5 ab, wobei allerdings unter anderem zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit der Randbereich der Keramikschicht 5 von der Metallisierung 7 freigehalten ist, d. h. der Rand der Metallisierung 7 mit Abstand vom Rand der Keramikschicht 5 endet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die weiterhin Grundplatte 4 so ausgebildet, dass sie mit ihrem Umfang deutlich über den Umfang des Kupfer-Keramik-Substrates 2 vorsteht. Die Grundplatte 4 ist beispielsweise die Bodenplatte eines ansonsten nicht näher dargestellten Gehäuses des Leistungsmoduls 1 . Die Metallisierung 7 ist mit ihrer der Keramikschicht 5 abgewandten Oberflächenseite flächig mit der Grundplatte 4 verbunden, und zwar mit einer geeigneten Technik, wie z. B. Löten, auch Hartlöten oder Aktivlöten, oder ebenfalls unter Verwendung des DCB-Verfahrens. Die Grundplatte 4 besteht bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls aus einem Metall oder einer Metall legierung, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei das Metall oder die Metall legierung der Grundplatte 4 wiederum die Nanofasern in dem Anteil von 10 - 70 Volumen% bezogen auf das gesamte Volumen der Grundplatte 4, vorzugsweise in dem Anteil von 40 - 70 Volumen% enthält. Die Nanofasern in den Metallisierungen 6 und 7 sowie in derThe two metallizations 6 and 7 are each areally connected to a surface side of the ceramic layer 5 using a suitable technique, for example the DCB technique or by means of the active soldering method. The metallization 6 is further structured in the required manner to form conductor tracks, contact areas, fastening areas for fastening or for soldering on components 3, shielding areas or tracks, tracks acting as inductors, etc., preferably with the aid of the masking known to the person skilled in the art - or etching technology. Other techniques are also conceivable, for example in the form that the structuring is produced by mechanical processing of the film forming the metallization 6, for example after or before the application of the metallization 6 to the ceramic layer 5. The film forming the metallization 7 is not structured in the illustrated embodiment. In the embodiment shown, this film covers a large part of the underside of the ceramic layer 5, although, among other things, to increase the dielectric strength, the edge region of the ceramic layer 5 is kept free of the metallization 7, ie the edge of the metallization 7 ends at a distance from the edge of the ceramic layer 5 , In the embodiment shown, the base plate 4 is also designed such that its circumference projects significantly beyond the circumference of the copper-ceramic substrate 2. The base plate 4 is, for example, the base plate of a housing of the power module 1 that is otherwise not shown in detail. The metallization 7 is connected to the base plate 4 with its surface side facing away from the ceramic layer 5, specifically using a suitable technique, such as, for. B. soldering, also brazing or active soldering, or also using the DCB method. The base plate 4 in the illustrated embodiment also consists of a metal or a metal alloy, for example of copper or a copper alloy, the metal or the metal alloy of the base plate 4 in turn containing the nanofibers in a proportion of 10-70% by volume based on the total Volume of the base plate 4, preferably in the proportion of 40-70 volume%. The nanofibers in the metallizations 6 and 7 as well as in the
Grundplatte 4 sind dabei zumindest in den beiden senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen, die die Ebenen der Metallisierungen 6 und 7 sowie die Ebene der mit der Metallisierung 7 verbundenen Oberseite der Grundplatte 4 definieren, hinsichtlich ihrer Orientierung oder annähernd isotrop verteilt.Base plate 4 are distributed at least in the two mutually perpendicular spatial axes, which define the planes of the metallizations 6 and 7 and the plane of the upper side of the base plate 4 connected to the metallization 7, with respect to their orientation or approximately isotropically.
Die Nanofasern besitzt eine Dicke im Bereich zwischen 1 ,3 nm bis 300 nm, wobei der größere Anteil der in der Metallmatrix jeweils enthaltenen Nanofasern ein Längen/Dicken-Verhältnis > 10 besitzt. Die Nanofasern sind bei dieser Ausführungsform solche auf Karbon-Basis bzw. aus Kohlenstoff und zwar beispielsweise in Form von Nanotubes. Grundsätzlich besteht aber auch dieThe nanofibers have a thickness in the range between 1.3 nm to 300 nm, the larger proportion of the nanofibers contained in the metal matrix in each case having a length / thickness ratio> 10. In this embodiment, the nanofibers are carbon-based or made of carbon, for example in the form of nanotubes. Basically, there is also
Möglichkeit, diese Nanofasern aus Kohlenstoff ganz oder teilweise durch solche aus einem anderen, geeigneten Material zu ersetzen, beispielsweise aus Bohrnitrid und/oder Wolframkarbid. Grundsätzlich können die Nanofasern hinsichtlich ihrer Orientierung auch in allen drei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen, d. h. in den beiden, die Ebenen der Metallisierungen 6 und 7 und der Oberseite derPossibility to replace these nanofibers made of carbon in whole or in part with those made of another suitable material, for example made of drilling nitride and / or tungsten carbide. In principle, the orientation of the nanofibers can also be in all three perpendicular spatial axes, i. H. in the two, the levels of metallizations 6 and 7 and the top of the
Grundplatte 4 definierenden Raumachsen sowie in der hierzu senkrecht verlaufenden Raumachse isotrop verteilt sein. Durch die Verwendung der Nanofasern in der Matrix des Metalls bzw. der Metall legierung wird eine wesentliche Reduzierung des thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metallisierung 6 und 7 sowie insbesondere auch der Grundplatte 4 speziell in den Raumachsen erreicht, in denen die bevorzugte Orientierung der Nanofasern vorliegt, nämlich in den die Ebenen der Metallisierungen sowie die Ebenen der Oberseite der Grundplatte bestimmenden Raumachsen, und zwar auf einen Wert < 5x10"6K"1, speziell auch in dem für Substrate von Halbleiterleistungsmodulen interessierenden Temperaturbereiche zwischen Raumtemperatur (etwa 20°C) und 250°C. Die elektrische Leitfähigkeit insbesondere auch der von der Metallisierung 6 gebildeten Leiterbahnen entspricht der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung ohne die Nanofasern.Base plate 4 defining spatial axes as well as isotropically distributed in the spatial axis running perpendicular thereto. Through the use of the nanofibers in the matrix of the metal or the metal alloy, a substantial reduction in the thermal coefficient of thermal expansion of the metallization 6 and 7 and in particular also the base plate 4 is achieved specifically in the spatial axes in which the preferred orientation of the nanofibers is present, namely in the spatial axes determining the levels of the metallizations and the levels of the top of the base plate, specifically to a value <5x10 "6 K " 1 , especially also in the temperature range between room temperature (about 20 ° C.) and 250 ° C. which is of interest for substrates of semiconductor power modules , The electrical conductivity, in particular also of the conductor tracks formed by the metallization 6, corresponds to the electrical conductivity of copper or a copper alloy without the nanofibers.
Die thermische Leitfähigkeit λ der Metallisierungen 6 und 7 sowie der Grundplatte 4 ist größer als diejenige von Kupfer und liegt beispielsweise in der Größenordnung von λ =• 600 W(mK)" oder größer. Durch die gegenüber reinem Kupfer oder einerThe thermal conductivity λ of the metallizations 6 and 7 and of the base plate 4 is greater than that of copper and is, for example, in the order of magnitude of λ = • 600 W (mK) " or greater
Kupferlegierung ohne Nanofasern extrem reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten ist dieser deutlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums der Halbleiterbauelemente 3, aber auch deutlich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik der Keramikschicht 5 angepasst. Die hierdurch werden thermische Spannungen zwischen der Metallisierung 6 und dem Siliziumkörper der Bauelemente 3 und der Keramik der Keramikschicht 5, insbesondere aber auch thermische Spannungen zwischen der durch die Grundplatte 4 verstärkten Metallisierung 7 und der Keramikschicht 5 stark reduziert, die (thermische Spannungen) bei Temperaturänderungen im Leistungsmodul 1 auftreten. Derartige Temperaturänderungen sind bedingt durch den ausgeschalteten und eingeschalteten Zustand des Leistungsmoduls 1 , aber auch durch Leistungsänderungen während des Betriebes des Leistungsmoduls, beispielsweise durch entsprechende Steuerung dieses Moduls. Durch die gegenüber Kupfer verbesserte Wärmeleitfähigkeit werden eine wesentlich verbesserte Wärmeableitung der von dem Halbleiterbauelement 3 erzeugten Verlustwärme sowie auch eine wesentliche verbesserte Wärmespreitzung durch die Metallisierung 7 und eine verbesserte Übertragung der Verlustleistung an dieCopper alloy without nanofibers extremely reduced coefficient of thermal expansion, this is clearly adapted to the coefficient of thermal expansion of the silicon of the semiconductor components 3, but also significantly to the coefficient of thermal expansion of the ceramic of the ceramic layer 5. The thermal stresses between the metallization 6 and the silicon body of the components 3 and the ceramic of the ceramic layer 5, and in particular also thermal stresses between the metallization 7 reinforced by the base plate 4 and the ceramic layer 5, are greatly reduced, which (thermal stresses) in the event of temperature changes occur in power module 1. Such temperature changes are caused by the switched-off and switched-on state of the power module 1, but also by changes in power during the operation of the power module, for example by appropriate control of this module. The improved thermal conductivity compared to copper results in a significantly improved heat dissipation of the heat loss generated by the semiconductor component 3 as well as a significantly improved heat spreading through the metallization 7 and an improved transmission of the power loss to the
Grundplatte 4 erreicht. Diese ist dann ihrerseits z.B. mit einer passiven Wärmesenke, beispielsweise mit einem Kühlelement oder Radiator verbunden, welches bzw. welcher in einer Strömung eines die Verlustwärme abführenden Mediums, im einfachsten Fall einem Luftstrom angeordnet ist, oder aber die Grundplatte 4 ist mit einer aktiven Wärmesenke verbunden, d. h. beispielsweise mit einem Mikrokühler, der von einem Kühlmedium durchströmt wird, beispielsweise von einem gas- und/oder dampfförmigen und/oder flüssigem Kühlmedium, beispielsweise von Wasser. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Grundplatte 4 auf einer sogenannten Heatpipe anzuordnen um die Verlustwärme von dieser Grundplatte 4 besonders wirksam über die Heatpipe an einen passiven oder aktiven Kühler abzuleiten.Base plate 4 reached. This in turn is e.g. with a passive heat sink, for example connected to a cooling element or radiator, which is arranged in a flow of a medium dissipating the heat loss, in the simplest case an air flow, or the base plate 4 is connected to an active heat sink, i. H. for example with a micro cooler through which a cooling medium flows, for example a gaseous and / or vaporous and / or liquid cooling medium, for example water. Furthermore, there is the possibility of arranging the base plate 4 on a so-called heat pipe in order to dissipate the heat loss from this base plate 4 particularly effectively via the heat pipe to a passive or active cooler.
Alternativ zu den vorgenannten Möglichkeiten besteht auch die Möglichkeit, die Grundplatte 4 direkt als Kühler und dabei insbesondere als aktiven Kühler, z. B. Mikrokühler, der von dem Kühlmedium durchströmt wird, oder aber als Heatpipe auszuführen. Auch in diesen Fällen ist es dann sinnvoll, zumindest einen Teil desAs an alternative to the aforementioned possibilities, there is also the possibility of using the base plate 4 directly as a cooler and in particular as an active cooler, for B. micro cooler, which is flowed through by the cooling medium, or run as a heat pipe. In these cases, too, it makes sense to use at least part of the
Kühlers oder der Heatpipe, der (Teil) mit der Metallisierung 7 verbunden ist, aus dem die Nanofasern enthaltene Metall oder der entsprechenden Metall legierung zu fertigen.Cooler or the heat pipe, which (part) is connected to the metallization 7, from which the nanofibers contain metal or the corresponding metal alloy.
Die Figur 2 zeigt in verschiedenen Verfahrensschritten (Positionen a - d) eine Möglichkeit einer Herstellung eines Ausgangsmaterials bestehend aus der Metall- Matrix und den in dieser Matrix enthaltenen Nanofasern. Bei diesem Verfahren, welches auch als HIP-Verfahren bezeichnet wird, wird eine pulverförmige Mischung 8 aus Partikeln aus dem Metall oder der Metall legierung beispielsweise aus Kupfer oder der Kupferlegierung und aus den Nanofasern in eine Kapsel 9 eingebracht, und zwar derart, dass diese Kapsel 8 etwa bis zu 60 % ihres Fassungsvolumens mit der Mischung 8 gefüllt ist.FIG. 2 shows in various process steps (positions a - d) one possibility of producing a starting material consisting of the metal matrix and the nanofibers contained in this matrix. In this method, which is also referred to as the HIP method, a powdery mixture 8 of particles made of the metal or the metal alloy, for example of copper or of the copper alloy and introduced from the nanofibers into a capsule 9 in such a way that this capsule 8 is filled with the mixture 8 about up to 60% of its capacity.
Der Mischung 8 können weiterhin auch Mischhilfsmittel beigegeben sein, insbesondere um einen möglichst hohen Anteil an Nanofasern zu ermöglichen und eine gleichmäßige Verteilung dieser Fasern zu erreichen und hierfür unter anderem auch die Adhäsion zwischen den Nanofasern zu reduzieren. Weiterhin kann es für eine Verbesserung der Verbindung zwischen dem Metall, beispielsweise Kupfer und dem Kohlenstoff der Nanofasern zweckmäßig sein, solche mit fischgrätartigerMixing aids can also be added to the mixture 8, in particular in order to enable the highest possible proportion of nanofibers and to achieve a uniform distribution of these fibers and, among other things, to reduce the adhesion between the nanofibers. Furthermore, it can be expedient to improve the connection between the metal, for example copper and the carbon of the nanofibers, those with herringbone-like
Oberflächenstruktur zu verwenden, die eine mechanische Anbindung verbessert. Auch Beschichtungen der Nanofasern mit Reaktivelementen, die eine chemische Anbindung bewirken, und/oder eine Beschichtung der Nanofasern mit dem Metall und/oder mit Keramik und/oder mit Bornitrid und/oder mit Wolframkarbid, beispielsweise durch Aufdampfen usw. kann zweckmäßig sein.To use surface structure that improves a mechanical connection. Coatings of the nanofibers with reactive elements, which bring about a chemical bond, and / or a coating of the nanofibers with the metal and / or with ceramic and / or with boron nitride and / or with tungsten carbide, for example by vapor deposition, etc., can also be expedient.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Position b) wird dann auf die obere Öffnung der Kapsel 9 ein Deckel 10 aufgesetzt und dieser dicht mit der Kapsel verbunden, beispielsweise verschweisst.In a further process step (position b), a lid 10 is then placed on the upper opening of the capsule 9 and this is tightly connected to the capsule, for example welded.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Innenraum der Kapsel 9 über einen am Deckel 10 vorgesehenen Anschluss 1 1 evakuiert und der Innenraum der Kapsel 8 dann gasdicht verschlossen.In a further method step, the interior of the capsule 9 is evacuated via a connection 11 provided on the cover 10 and the interior of the capsule 8 is then sealed gas-tight.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Position d) erfolgt bei einer Prozesstemperatur im Bereich von beispielsweise etwa 500 bis 1 000°C ein allseitiges Beaufschlagen der verformbaren, geschlossenen Kapsel 9 mit einem hohen Druck. Diese allseitige Druckbeaufschlagung der Kapsel 9 erfolgt in einer geschlossenen Kammer 12 durch einen hydrostatischen auf die Kapsel 9 einwirkenden Druck, wie dies in der Position d durch die dortigen Pfeile angedeutet ist. Durch diesen eigentlichen HIP-Vorgang tritt eine Volumenreduktion ein, die sich in einer Verformung der Kapsel 9 niederschlägt. In der Regel beträgt der bei dieser Verformung auftretende Volumenschwund etwa 5 - 10 %, kann jedoch auch größer sein, beispielsweise bis zu 20 %. Die Kapsel 9 und der zugehörige Deckel 10 sowie die Verbindung zwischen diesen beiden Elementen sind dabei so ausgeführt, dass die Kapsel nicht beschädigt wird. Um das Schwundverhalten berechnen zu können, weist die Kapsel 9 beispielsweise eine einfache Geometrie auf und ist dünnwandig ausgebildet.In a further process step (position d), the deformable, closed capsule 9 is subjected to high pressure at all times at a process temperature in the range of approximately 500 to 1000 ° C. This all-round pressurization of the capsule 9 takes place in a closed chamber 12 a hydrostatic pressure acting on the capsule 9, as indicated in position d by the arrows there. This actual HIP process results in a volume reduction, which is reflected in a deformation of the capsule 9. As a rule, the volume shrinkage that occurs during this deformation is about 5-10%, but can also be larger, for example up to 20%. The capsule 9 and the associated lid 10 and the connection between these two elements are designed so that the capsule is not damaged. In order to be able to calculate the shrinkage behavior, the capsule 9 has, for example, a simple geometry and is thin-walled.
Nach dem HIP-Vorgang werden dann die Kapsel 9 und das im HIP-Verfahren beispielsweise als Block hergestellte Ausgangsmaterial voneinander getrennt, sodass dieses dann in geeigneter Weise weiter verarbeitet werden kann.After the HIP process, the capsule 9 and the starting material produced in the HIP process, for example as a block, are then separated from one another, so that this can then be processed further in a suitable manner.
Die Kapsel 9 und deren Deckel 10 erfüllen bei dem HIP-Verfahren mehrereThe capsule 9 and its cover 10 fulfill several in the HIP process
Funktionen, und zwar als geschlossener Raum bei der Evakuierung zur Reduzierung der offenen Porosität im pulverförmigen Ausgangsmaterial, zur Übertragung des hydrostatischen Druckes während des eigentlichen HIP-Vorgangs sowie auch der Formgebung des mit dem Verfahren erhaltenden Endproduktes.Functions, namely as a closed space during evacuation to reduce the open porosity in the powdery starting material, to transfer the hydrostatic pressure during the actual HIP process and also to shape the end product obtained with the process.
Die Figur 3 zeigt in verschiedenen Positionen a - d eine Möglichkeit einer Weiterverarbeitung des mit dem HIP- Verfahrens erhaltenen Endproduktes 13. Dieses ist in der Figur 3 als Block dargestellt (Position a). Mit einer geeigneten Walzvorrichtung 14 wird das Produkt 13 dann zu einer Folie 15 geformt (Position b), die dann anschließend für die weitere Verwendung aufgewickelt wird (Position c). In der Position d ist nochmals angedeutet, dass die Folie 1 5 bzw. entsprechende Zuschnitte dieser Folie mit Hilfe beispielsweise der DCB-Technik oder mit Hilfe eines anderen, geeigneten Verfahrens auf der Keramikschicht 5 zur Bildung der Metallisierungen 6 und 7 aufgebracht werden können, wobei die Metallisierung 6 in weiteren, in der Figur 3 nicht angegebenen Verfahrensschritten strukturiert wird.FIG. 3 shows in various positions ad a possibility of further processing of the end product 13 obtained with the HIP process. This is shown as a block in FIG. 3 (position a). With a suitable rolling device 14, the product 13 is then formed into a film 15 (position b), which is then subsequently wound up for further use (position c). In position d it is again indicated that the film 15 or corresponding cuts of this film with the help of, for example, the DCB technique or with the help of another suitable method on the ceramic layer 5 to form the Metallizations 6 and 7 can be applied, the metallization 6 being structured in further process steps not shown in FIG. 3.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine weitere Möglichkeit für die Herstellung des Ausgangsmaterials, welches in der Metallmatrix die Nanofasern enthält. Bei diesem Verfahren werden Metall- oder Kupferfolien in einem geeigneten, die Nanofasern sowie auch das Metall, beispielsweise Kupfer enthaltenden Bad angeordnet ist, aus welchem dann elektrolytisch und/oder chemisch auf den Folienzuschnitten 16 Kupfer und Nanofasern abgeschieden werden.FIGS. 4 and 5 show a further possibility for the production of the starting material which contains the nanofibers in the metal matrix. In this method, metal or copper foils are arranged in a suitable bath containing the nanofibers and also the metal, for example copper, from which copper and nanofibers are then deposited electrolytically and / or chemically on the foil blanks.
Das mit diesem Verfahren erhaltene Ausgangsmaterial wird dann beispielsweise unmittelbar als eine das Metall oder die Metall legierung zusammen mit den Nanofasern enthaltene Schicht bei einer laminatartigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes verwendet, beispielsweise für die Metallisierungen 6 und 7 oder die Grundplatte 4 des Leistungsmoduls 1 der Figur 1 , oder aber das mit diesem Verfahren erhaltene, z.B. plattenförmige Ausgangsmaterial wird vor seiner Verwendung als Materialkomponente im Verbundwerkstoff einer weiteren Bearbeitung, beispielsweise einem Walzvorgang unterzogen.The starting material obtained with this method is then used, for example, directly as a layer containing the metal or the metal alloy together with the nanofibers in a laminate-like configuration of the composite material according to the invention, for example for the metallizations 6 and 7 or the base plate 4 of the power module 1 in FIG. 1 , or that obtained with this method, for example Plate-like starting material is subjected to further processing, for example a rolling process, before it is used as a material component in the composite material.
Abweichend von dem vorstehend Beschriebenen besteht bei dem Verfahren der Figuren 4 und 5 auch die Möglichkeit, in dem Bad 17 ein oder mehrere Preformen anzuordnen, die von einer dreidimensionalen Struktur, beispielsweise einem Netzwerk oder einer vliesartigen Struktur aus Nanofasern gebildet ist, sodass dann das Abscheiden von Kupfer und weiteren Nanofasern aus dem Bad 1 7 auf der jeweiligen Preform zur Bildung eines die Nanofasern und das Metall bzw. Kupfer enthaltenden Materials erfolgt. Die Nanofasern der Preform sind für ein besseres Verbinden mit dem Metall auch bei dieser Ausführungsform beispielsweise chemisch mit Reaktivelementen vorbehandelt, die die mechanische Anbindung zwischen der Nanofaser und dem Metall, beispielsweise Kupfer verbessern. Auch eine Beschichtung der Nanofasern mit dem Metall, beispielsweise durch Aufdampfen ist bei diesem Verfahren ebenfalls denkbar.In a departure from what has been described above, in the method of FIGS. 4 and 5 there is also the possibility of arranging one or more preforms in the bath 17 which is formed by a three-dimensional structure, for example a network or a fleece-like structure made of nanofibers, so that the deposition then takes place of copper and other nanofibers from the bath 17 on the respective preform to form a material containing the nanofibers and the metal or copper. The nanofibers of the preform are also pretreated chemically with reactive elements in this embodiment, for example, for better bonding with the metal, which the mechanical connection between the Nanofiber and the metal, for example copper improve. A coating of the nanofibers with the metal, for example by vapor deposition, is also conceivable with this method.
Als Prefrom kann bei dem Verfahren der Figuren 4 und 5 auch die Keramikschicht 5 selbst verwendet werden, auf der dann aus dem Bad 1 7 das Metall (Kupfer) und die Nanofasern elektrolytisch und/oder chemisch abgeschieden werden. Hierfür wird die Keramikschicht 5 vorher zumindest an ihren Oberflächenseiten, auf denen dieses Co- Abscheiden von Nanofasern und Metall erfolgen soll, vorbehandelt, beispielsweise elektrisch leitend ausgeführt, und zwar beispielsweise durch Aufbringen einer dünnen Metall- oder Kupferschicht.4 and 5, the ceramic layer 5 itself can also be used as the pre-form, on which the metal (copper) and the nanofibers are then electrolytically and / or chemically deposited from the bath 17. For this purpose, the ceramic layer 5 is previously pretreated, at least on its surface sides on which this co-deposition of nanofibers and metal is to take place, for example made electrically conductive, for example by applying a thin metal or copper layer.
Die Figuren 6 und 7 zeigen als weitere mögliche Ausführungsform ein Verfahren, bei dem an Preformen 18, die aus miteinander verhakten Fasern gebildet sind, aus einem Bad 19, welches Kupfer, bzw. Kupfersalze enthält, Kupfer elektrolytisch und/oder chemisch abgeschieden wird. Das erhaltene Produkt kann dann als Ausgangsmaterial einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Weiterhin besteht insbesondere bei dieser Ausführung auch die Möglichkeit Nanofasern oder mit Kupfer beschichtete Nanofasern aus dem erhaltenen Werkstoff herausstehen zu lassen, sodass sich ein Schmutz abweisender Lotuseffekt ergibt und/oder Benetzungseffekte des Materials steuerbar sind.FIGS. 6 and 7 show a further possible embodiment of a method in which copper is electrolytically and / or chemically deposited on preforms 18 which are formed from interlocking fibers from a bath 19 which contains copper or copper salts. The product obtained can then be used as a starting material for further processing. Furthermore, in this embodiment in particular there is also the possibility of having nanofibers or nanofibers coated with copper protrude from the material obtained, so that a dirt-repellent lotus effect results and / or wetting effects of the material can be controlled.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche weitere Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.The invention has been described above using exemplary embodiments. It goes without saying that numerous further changes and modifications are possible without thereby departing from the inventive concept on which the invention is based.
So ist es beispielsweise bei dem Leistungsmodul 1 der Figur 1 auch möglich, nur die Grundplatte 4 und/oder nur eine der Metallisierungen 6 bzw. 7 aus dem die Nanofasern enthaltenen Material zu fertigen. Weiterhin ist es auch möglich, Nanofasern in der Keramikschicht 5 vorzusehen um so z. B. die thermische Leitfähigkeit dieser Keramikschicht zu erhöhen. In the power module 1 of FIG. 1, for example, it is also possible to use only the base plate 4 and / or only one of the metallizations 6 or 7 from which the Manufacture material containing nanofibers. Furthermore, it is also possible to provide nanofibers in the ceramic layer 5 in order, for. B. to increase the thermal conductivity of this ceramic layer.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Leistungsmodul Kupfer-Keramik-Substrat Leistungsbauelement Grundplatte Keramikschicht Metallisierung Mischung Kapsel Deckel Deckelanschluss Kammer Ausgangsprodukt aus Metall Matrix mit Nanofasern Walzeinrichtung Folie Starterfolie Bad zur Co-Abscheidung von Nanofasern und Kupfer Preform Bad zum Abscheiden von Kupfer Power module copper-ceramic substrate power component base plate ceramic layer metallization mixture capsule lid lid connection chamber starting product made of metal matrix with nanofibers roller device foil starter foil bath for co-deposition of nanofibers and copper preform bath for deposition of copper

Claims

Patentansprüche claims
1. Verbundwerkstoff oder Verbundmaterial, insbesondere für Anwendungen in der Elektrotechnik, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff als1. Composite material or composite material, in particular for applications in electrical engineering, characterized in that the composite material as
Hauptkomponenten enthält: Wenigstens ein Metall oder eine Metall legierung, wenigstens eine Keramik und/oder ein Glas sowieMain components contains: At least one metal or a metal alloy, at least one ceramic and / or a glass as well
Nanofasern mit einer Dicke im Bereich von etwa 1 ,3 nm bis 300 nm, deren Längen/Dicken-Verhältnis Großteils > 10 ist.Nanofibers with a thickness in the range of approximately 1.3 nm to 300 nm, the length / thickness ratio of which is largely> 10.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Verbundwerkstoffes als faserverstärktes Metall-Keramik-Glas-Verbundmaterial als Substrat für elektrische Anwendungen zum thermischen Management, bestehend aus einem Trägersubstrat auf Basis von Keramik- oder Glasmaterialien und aus mindestens einer einseitig aufgebrachten faserverstärkten Metallschicht die Fasern in der Metallschicht aus Carbon-Nanoglut bestehen, die eine Dicke von 1 ,3 bis 300 nm sowie ein Längen-/Dickenverhältnis von > 10 aufweisen und 10 bis 70 Volumenprozent Nanofasern in der Metallmatrix enthalten sind.2. Composite material according to claim 1, characterized in that when the composite material is formed as a fiber-reinforced metal-ceramic-glass composite material as a substrate for electrical applications for thermal management, consisting of a carrier substrate based on ceramic or glass materials and at least one applied on one side fiber-reinforced metal layer the fibers in the metal layer consist of carbon nanoglut, which have a thickness of 1, 3 to 300 nm and an aspect ratio of> 10 and 10 to 70 volume percent of nanofibers are contained in the metal matrix.
3. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat Nanofasern aus hoher Nitrid- und/oder Wolframcarbid enthält.3. Composite material according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier substrate contains nanofibers made of high nitride and / or tungsten carbide.
4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des materials in wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen kleiner als 12x10"6K"1 ist, und/oder dass die thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs zumindest in einem Teilbereich größer ist als diejenige des Metalls oder der Metalllegierung.4. The composite material according to claim 1 or 2, characterized in that the thermal expansion coefficient of the material in at least two mutually perpendicular spatial axes is less than 12x10 "6 K " 1 , and / or that the thermal conductivity of the composite material is at least in one Partial area is larger than that of the metal or the metal alloy.
5. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs zumindest in einem Teilbereich größer ist als diejenige von Kupfer.5. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal conductivity of the composite material is greater than that of copper at least in a partial area.
6. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern hinsichtlich ihrer Orientierung zumindest in den wenigstens zwei Raumachsen isotrop oder annähernd isotrop verteilt sind.6. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are distributed isotropically or approximately isotropically with respect to their orientation at least in the at least two spatial axes.
7. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern zumindest teilweise Nanotubes sind.7. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are at least partially nanotubes.
8. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern aus einem elektrisch leitenden Material bestehen.8. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers consist of an electrically conductive material.
9. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Nanofasern aus Kohlenstoff und/oder Bornitrid und/oder Wolframkarbid.9. 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.
10. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Keramik eine solche aus Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder eine Siliziumnitrid ist.10. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic is one made of aluminum nitride and / or aluminum oxide and / or a silicon nitride.
1 1 . Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer oder eine Kupferlegierung ist. 1 1. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metal is copper or a copper alloy.
12. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.12. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the metal is aluminum or an aluminum alloy.
13. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern in einer von dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metall legierung gebildeten Matrix vorgesehen sind.13. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are provided in a matrix formed by the at least one metal or the at least one metal alloy.
14. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern in der Keramik und/oder in dem Glas vorgesehen sind.14. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are provided in the ceramic and / or in the glass.
15. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Keramikpartikel und Nanofasern in der von dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metall legierung gebildeten Matrix vorgesehen sind.15. 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.
16. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofasern mit einem Anteil von etwa 10 - 70 Volumen%, vorzugsweise von 40 - 70 Volumen% in der Matrix aus dem wenigsten einen Metall oder der Metall legierung enthalten sind.16. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the nanofibers are present in the matrix from at least one metal or the metal alloy in a proportion of approximately 10-70 volume%, preferably 40-70 volume%.
1 7. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Preform (18) aus den Nanofasern, in die das wenigstens eine Metall oder die wenigstens eine Metall legierung durch Schmelzinfiltration oder eingebracht ist.1 7. Composite material according to one of the preceding claims, characterized by a preform (18) made of the nanofibers into which the at least one metal or the at least one metal alloy is introduced by melt infiltration or.
18. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung mit den Nanofasern durch ein HIP-Verfahren erzeugt ist.18. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix made of the at least one metal or at least one metal alloy with the nanofibers is produced by a HIP process.
19. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metall legierung und den Nanofasern durch elektrolytische und/oder chemische Abscheidung des Metalls oder der Metall legierung auf den Nanofasern oder einer Preform (18) aus den Nanofasern erzeugt ist.19. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix of the at least one metal or the at least one metal alloy and the nanofibers by electrolytic and / or chemical deposition of the metal or the metal alloy on the nanofibers or a preform (18 ) is generated from the nanofibers.
20. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metall legierung und den Nanofasern durch elektrolytische und/oder chemische Abscheidung des Metalls oder der Metall legierung und der Nanofasern auf einer Preform (16) aus Metall oder einer Metallegierung oder aus Keramik erzeugt ist.20. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix of the at least one metal or the at least one metal alloy and the nanofibers by electrolytic and / or chemical deposition of the metal or the metal alloy and the nanofibers on a preform (16 ) is made of metal or a metal alloy or ceramic.
21 . Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Laminat mit wenigstens zwei dieses Laminats bildenden, miteinander verbundenen Materialabschnitten oder Schichten (4, 5, 6, 7).21. Composite material according to one of the preceding claims, characterized by its formation as a laminate with at least two interconnected material sections or layers (4, 5, 6, 7) forming this laminate.
22. Verbundwerkstoff nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Materialabschnitt ein solcher aus Keramik, beispielsweise eine Keramikschicht (5), und wenigstens ein weiterer Materialabschnitt (4, 6, 7) ein solcher aus dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metalllegierung ist. 22. The composite material according to claim 19, characterized in that at least one material section is made of ceramic, for example a ceramic layer (5), and at least one further material section (4, 6, 7) is made of the at least one metal or the at least one metal alloy is.
23. Verbundwerkstoff nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Materialabschnitt (5) aus Keramik die Nanofasern enthält.23. The composite material according to claim 20, characterized in that the at least one material section (5) made of ceramic contains the nanofibers.
24. Verbundwerkstoff nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Materialabschnitt (4, 6, 7) aus dem wenigstens einem Metall oder der wenigstens einen Metall legierung die Nanofasern enthält.24. The composite material according to claim 20 or 21, characterized in that the at least one material section (4, 6, 7) made of the at least one metal or the at least one metal alloy contains the nanofibers.
25. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 19 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabschnitte (4, 5, 6, 7) durch Löten, beispielsweise durch Aktivlöten miteinander verbunden sind.25. Composite material according to one of claims 19 - 22, characterized in that the material sections (4, 5, 6, 7) are connected to one another by soldering, for example by active soldering.
26. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 19 - 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabschnitte (4, 5, 6, 7) durch Direct-Bonding, vorzugsweise durch DCB-Bonding miteinander verbunden sind.26. Composite material according to one of claims 19 - 23, characterized in that the material sections (4, 5, 6, 7) are connected to one another by direct bonding, preferably by DCB bonding.
27. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 19 - 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabschnitte (4, 5, 6, 7) durch Kleben miteinander verbunden sind.27. Composite material according to one of claims 19 - 24, characterized in that the material sections (4, 5, 6, 7) are connected to one another by gluing.
28. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 19 - 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabschnitt (4, 7) aus dem wenigstens einen Metall oder der wenigstens einen Metallegierung mehrteilig oder mehrlagig ausgebildet ist.28. Composite material according to one of claims 19 - 25, characterized in that the material section (4, 7) made of the at least one metal or the at least one metal alloy is of multi-part or multi-layer construction.
29. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Keramik-Metall-Substrat oder als Leiterplatte mit wenigstens einer von der Keramik gebildeten Isolierschicht (5) und mit wenigstens einer von dem Metall oder der Metall legierung gebildeten Metallisierung oder Metallschicht (6, 7) an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht, wobei das Metall oder die Metall legierung und/oder die Keramik die Nanofasern enthält.29. Composite material according to one of the preceding claims, characterized by its design as a ceramic-metal substrate or as a printed circuit board with at least one insulating layer (5) formed by the ceramic and with at least one metallization or metal layer (6.) Formed by the metal or the metal alloy , 7) on at least one surface side of the ceramic layer, the metal or the metal alloy and / or the ceramic the nanofibers contains.
30. Verbundwerkstoff nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (6) an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht (5) Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen bildet.30. The composite material according to claim 27, characterized in that the metallization (6) forms conductor tracks and / or contact surfaces and / or fastening surfaces on at least one surface side of the ceramic layer (5).
31 . Verbundwerkstoff nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (6) zur Bildung von der Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen und/oder Befestigungsflächen strukturiert ist.31 Composite material according to claim 28, characterized in that the metal layer (6) is structured to form the conductor tracks and / or contact surfaces and / or fastening surfaces.
32. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Metalllisierung oder Metallschicht (7) mit einem weiteren Element (4) aus Metall oder der Metall legierung verbunden ist, und daß das weitere Element die Nanofasern enthält.32. Composite material according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one metallization or metal layer (7) is connected to a further element (4) made of metal or the metal alloy, and in that the further element contains the nanofibers.
33. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Bauteil zur Wärmeableitung , Wärmesenke oder als Gehäuse oder als Teil (4) eines Gehäuses.33. Composite material according to one of the preceding claims, characterized by its design as a component for heat dissipation, heat sink or as a housing or as part (4) of a housing.
34. Elektrischer Schaltkreis oder elektrisches Modul mit wenigstens einem Substrat (2, 4) und mit wenigstens einem elektrischen Bauelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2, 4) zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht. 34. Electrical circuit or electrical module with at least one substrate (2, 4) and with at least one electrical component (3), characterized in that the substrate (2, 4) consists at least partially of a composite material according to one of the preceding claims.
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