Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 , speziell einen Verbundwerkstoff, der sich aus mehreren Komponenten zusammensetzt und somit die Möglichkeit bietet, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 4 bis 12 ppm/K durch die Wahl der Zusammensetzung sowie durch die Herstellbedingungen einzustellen. Zudem soll sich der Werkstoff durch eine hohe Temperaturleitfähigkeit bzw. Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.

Die Erfindung betrifft weiters den Herstellungsprozess für einen derartigen Werkstoff unter Verwendung von raschen Sinterverfahren bzw. ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 15.

Vielfach erfordern die mehr und mehr wachsenden Anforderungen an Werkstoffe, die zur Kühlung von elektronischen Komponenten eingesetzt werden, maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften. Insbesondere ist eine hohe Temperaturleitfähigkeit bzw. thermische Leitfähigkeit gemeinsam mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten erforderlich. Ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient ist erforderlich, da auf Si oder auf SiC basierende Chips zumeist auf einem AIN oder AI2O3 Substrat „gebonded" werden, und es beim thermischen Zyklieren zu Spannungen zwischen dem Substrat bzw. der Kühlplatte kommt. Um diese Spannungen zu vermindern, sollte der ideale Werkstoff einen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Si und SiC bzw. AIN bzw. A12O3 aufweisen. Zudem sollte der Werkstoff eine hohe thermische Leitfähigkeit bzw. Temperaturleitfähigkeit aufweisen. Erfindungsgemäß ist ein Werkstoff der eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmalen charakterisiert. Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 15 gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Werkstoff umfasst eine Matrix A mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit bzw. Temperaturleitfähigkeit: hier kommt Kupfer in Betracht bzw. auf Kupfer basierende Werkstoffe bzw. Legierungen. Eine reine Kupfermatrix oder eine auf Kupfer basierende Matrix hat einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 16-20 ppm/K. Aus diesem Grund sollte der Matrixanteil möglichst gering gehalten werden.

Der Werkstoff umfasst ferner einen metallischen und/oder keramischen Füllstoff B, mit der thermischen Ausdehnung im Bereich von 4 bis 6 ppm/K, der entweder eine thermische Leitfähigkeit von etwa 50-200 W/mK aufweist (im Fall des metallischen

Füllstoffes) und/oder die thermische Leitfähigkeit der Matrix A nicht überproportional verschlechtert (im Fall eines keramischen Füllstoffes).

Der Werkstoff umfasst ferner einen thermisch hochleitfähigen Füllstoff C, der einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Hier wird ein Füllstoff auf

Kohlenstoffbasis ausgewählt, wie beispielsweise Graphit, Kohlefasern, Kohle- /Nanofasem, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Diamant. Alle diese Füllstoffe haben einen Ausdehnungskoeffizienten (zumindest in eine Raumrichtung), der im Bereich von etwa -2 bis +2 ppm/K liegt. Der Füllstoff C kann optional mit einer funktionellen Schicht D beschichtet sein, die eine gute Anbindung an die Matrix A und/oder den Füllstoff B erlaubt.

Letztlich kann vorgesehen sein, dass im Werkstoff neben dem Material der Metall- Matrix A und den Füllstoffen B und C amorphe und/oder intermediäre Stoffe bzw. Verbindungen im Ausmaß von < 5 vol,% enthalten sind. Um einen besseren Zusammenhalt der Matrix zu gewährleisten, können die

Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen werden.

Die Eigenschaften des Werkstoffes werden verbessert, wenn im Werkstoff eine homogene Verteilung der Füllstoffe B und C in der Metall-Matrix A vorliegt.

Für bestimmte Anwendungszwecke ist es von Vorteil, wenn die Merkmale der Ansprüche 3 bis 7 erfüllt sind.

Der erfindungsgemäße Werkstoff erhält ein vorteilhaftes Gefüge durch die Merkmale der Ansprüche 8 bis 11. Gute Festigkeitseigenschaften werden mit den Merkmalen des Anspruches 12 erreicht.

Ein erfindungsgemäßer Werkstoff ist vorteilhafterweise dadurch charakterisiert, dass der Werkstoff einen Ausdehnungskoeffizient von 4 bis 12 (.10 ^"6 K ^'1 ) in einem Temperaturbereich von 2O ⁰ C bis 5O ⁰ C besitzt.

Um ein einheitliches Gefüge ohne Störungen zu erreichen, sind die Merkmale der Ansprüche 17 bis 19 von Vorteil.

Gute Gefügeeigenschaften ergeben sich mit den Merkmalen der Ansprüche 20 und 21.

Die Materialeigenschaften des Werkstoffes werden optimiert, wenn die Merkmale der Ansprüche 25 bzw. 26 vorgesehen werden.

Die Abbildungen dienen zur Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Abbildung 1 : Grundsätzlicher Aufbau des Verbundwerkstoffes: Metallische Matrix Füllstoff A, mit metallischen oder keramischen Füllstoffen B und thermisch hochleitfähigen Füllstoff C auf Kohlenstoffbasis. Optional kann der Füllstoff C mit einer Beschichtung D beschichtet werden.

Abbildung 2: Theoretische Abhängigkeit des thermischen

Ausdehnungskoeffizienten (berechnet über Mischungsregel) eines Verbundwerkstoffes besteht aus Matrix A und Füllstoff C als Funktion des Volumenanteil des Füllstoffes C. Die

Matrix A besteht dabei aus Reinkupfer bzw. aus einer Kupferlegierung. Um einen

Ausdehnungskoeffizienten unter 8 ppm/K zu erhalten, ist ein Volumenanteil von 55 vol.% Füllstoff C vorgesehen.

Abbildung 3: Theoretische Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Verbundwerkstoffes (berechnet über Mischungsregel) besteht aus Matrix A mit 50 vol.% Füllstoff C bei Variation des Volumengehaltes des Füllstoff B. Die Matrix A besteht dabei aus Reinkupfer bzw. aus einer Kupferlegierung. Der Füllstoff B ist charakterisiert durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4 ppm/K.

Abbildung 4: Thermischer Ausdehnungskoeffizient eines Cu-Cu2O-Diamant Verbundwerkstoffes als Funktion der Temperatur

Abbildung 5: XRD Messung an Cu-Cu2O-Diamant Verbundwerkstoff

Abbildung 6: XRD Messung an Cu-Cu2O-Kohlefaser Verbundwerkstoff

Abbildung 7; Thermischer Ausdehnungskoeffizient von verschiedenen Verbundwerkstoffen mit einer Kupfer Matrix und Diamant als Füllstoff C bzw. Mo, Cr oder Cu2O als Füllstoff B

Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Werkstoffes.

Eine direkte Mischung von Kupfer oder auf Kupfer basierenden Matrices mit dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff bringt drei Probleme mit sich: a) Generell wird ein schlechter thermischer übergang zwischen Kupfer und Kohlenstoff beobachtet. Dies liegt einerseits an der mangelnden

Benetzung von Kohlenstoff durch Kupfer bzw. auch an den verschiedenen Wärmeleitungsmechanismen (Metall = Elektronenleiter während z.B. Diamant Wärme über Phononen leitet) b) Der starke Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer bzw. auf Kupfer basierenden

Matrices und dem des auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffes führt dazu, dass es beim thermischen Zyklieren zu Spannungen an der Grenzfläche kommt. Zudem verursacht eine reine Kombination von auf Kupfer basierender Matrix mit auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffen Probleme in folgender Hinsicht wie es in Abbildung 2 gezeigt wird: Um einen Ausdehnungskoeffizienten von 8 ppm/K bzw. 7 ppm/K oder geringer zu erhalten, ist ein Füllstoffanteil von mindestens 55 vol.% bzw. 65 vol.% erforderlich. Dies ist einerseits herstellungstechnisch schwierig (Poren, Sinterfähigkeit,..), führt aber auch dazu, dass eine nachfolgende Bearbeitung des Werkstoffes nicht leicht ist. Ebenso leidet die

Oberflächenqualität darunter. Abbildung 2 zeigt die Ausdehnungseigenschaften als Funktion des Füllstoffgehaltes C.

c) Speziell im Fall von Diamant muss bei der Auswahl der

Verfahrensparameter zur Konsolidierung sehr sorgsam umgegangen werden. Diamant wandelt sich bei Temperaturen von 900 bis 1000°C in

Graphit um. Um einen kompakten, dichten Körper zu erhalten, müssen die Sinterbedingungen sorgfältig ausgewählt werden.

Um einen Werkstoff mit einer thermischen Ausdehnung von 4 bis 12 ppm/K zu erhalten, wird vorteilhafter Weise wie folgt vorgegangen: a) Um einen entsprechenden Wärmeübergang zwischen der metallischen Matrix und dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff zu erhalten, können beschichtete Füllstoffe verwendet werden. Die Füllstoffe sind mit einer Schicht aus einem

Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten und guter Affinität zum Kohlenstoff-Füllstoff wie beispielsweise Mo, W, Cr, Ta, AIN beschichtet. Die Dicke der Beschichtung kann dabei im Bereich von einigen 10 nm bis einigen 100 nm liegen, bzw. der Anteil am Gesamtwerkstoff bei etwa 0,1 bis 5 vol.%. Optional kann eine Verbesserung im thermischen übergang aber auch durch geschickte

Auswahl eines metallischen Füllstoffes B erreicht werden. b) Um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Verbundwerkstoff zu erreichen, der möglichst nahe an dem von AI2O3 bzw. AIN liegt, kann die auf Kupfer basierende Matrix mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 16-20 ppm/K entsprechend modifiziert werden, damit der Ausdehnungskoeffizient reduziert wird.

Geeignete Komponenten, um den Ausdehnungskoeffizienten der auf Kupfer basierenden Matrix zu verringern sind: keramische Füllstoffe, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4 bis 6 ppm/K aufweisen und die keine überproportionale Verschlechterung (wie das zum Beispiel bei Ti der Fall wäre) der thermischen Leitfähigkeit bewirken. Darunter ist zu verstehen, dass der keramische Füllstoff die thermische Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix nur unwesentlich (über einen annäherungsweise linearen Zusammenhang entsprechend der

Mischungsregel) verschlechtert. Als Vertreter eines derartigen Füllstoffes kommen Cu2O oder AI2O in Frage, metallische Füllstoffe, die eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 50 W/mK aufweisen und einen Ausdehnungskoeffizienten der im Bereich 4 und 6 ppm/K liegt, wie im Fall von Mo, Cr oder W.

Um eine signifikante Reduktion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen, wird ein keramischer und/oder metallischer Füllstoffanteil in der Menge von zumindest 5 vol.% eingesetzt. Eine besonders wirksame Reduktion des Ausdehnungskoeffizienten wird dann möglich, wenn der keramische Füllstoff Cu2O in-situ erzeugt wird. Dies kann durch die Verwendung von Kupfer-

Ausgangspulvern mit einer Korngröße < 1 μm unter besonderen (nicht reduzierenden) Sinteratmosphären erreicht werden. c) Um einen kompakten Körper zu erreichen, ist es vorteilhaft, entsprechend hohe

Sintertemperaturen und/oder entsprechend lange Sinterzeiten zu verwenden. Wie oben angeführt, kann es dabei, z.B. im Fall von Diamant, zu Umwandlungen kommen. Eine Prozessführung, die auf hohe Sintertemperaturen in Kombination mit hohen Heiz- und Kühlraten sowie kurzen Sinterzeiten aufgebaut ist, hilft, ungewollte Umwandlungen zu vermeiden. Der Einsatz von induktiv bzw. konduktiv geheizter Heisspresstechnologie bzw. von innovativen Sinterverfahren, wie Spark Plasma Sintering oder deren abgewandelte Formen, erlaubt die Herstellung eines

Werkstoffes mit entsprechenden Eigenschaften bei gleichzeitige Unterdrückung von unerwünschten Umwandlungen.

Die vorliegende Erfindung beschreibt Werkstoffe, die im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammengesetzt sind: Metallische Matrix A, keramischer und/oder metallischer Füllstoff B, auf

Kohlenstoff basierender Füllstoff C, wobei letzterer gegebenenfalls mit einer Beschichtung D versehen sein kann.

Die spezielle Auswahl des metallischen und/oder keramischen Füllstoffes B hat folgenden Grund: Der Füllstoff soll einerseits einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und gleichzeitig entweder eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und/oder die thermische Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix nicht empfindlich stören.

Kupferoxid (Cuprit, Cu2O) ist ein keramischer Füllstoff, der sich durch einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4-6 ppm/K auszeichnet. Gleichzeitig beeinflusst der Cu2O Anteil in einer Kupfermatrix diese nur in einem annähernd linearen Zusammenhang negativ. über die sogenannte Mischungsregel kann die thermische Leitfähigkeit λ bzw. auch der thermische Ausdehnungskoeffizient α einer Matrix-Inklusion Mischung aus den Volumenanteilen der Einzelkomponenten berechnet werden (VMatπx. V| _n ki _US j _On ): A = V _Matrιx • λ _Uatrιx + V _1Musιnn • λ _hλlmwn

^{a =} " Matrix ^{' a} Matrix ⁺ ^ Inklusion ^{' a} Inklusion

Daraus ergibt sich, dass bei einem Volumsverhältnis von 50vol. % Kupfermatrix zu

50 vol.% nicht thermisch leitender Inklusion die thermische Leitfähigkeit des

Verbundwerkstoffes noch immer bei etwa 200 VWmK liegt, während der

Ausdehnungskoeffizient auf einen Wert von etwa 10 ppm/K (von ursprünglich 16 ppm/K) reduziert wurde.

Wählt man nun eine Cu-Cu2O Mischung als Matrix, die mit einem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff wie beispielsweise Diamant verstärkt wird, z.B. 50 vol.% Cu-Cu2O Matrix (= 25 vol.% Cu+25 vol.% Cu2O) und 50 vol.% Diamant, dann ergibt sich (bei einer thermischen Leitfähigkeit des Diamanten von 1000 W/mK und einem Ausdehnungskoeffizienten von 1 ppm/K) eine thermische Leitfähigkeit von 600 W/mK sowie ein Ausdehnungskoeffizient von etwa 5,5 ppm/K. Im Fall des keramischen Füllstoffes Cu2O bzw. einer reinen Kupfermatrix darf allerdings der thermische übergang zwischen der Matrix und dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff nicht vernachlässigt werden. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, beschichtete Füllstoffe (beispielsweise mit Mo- oder Cr-Schicht) zu verwenden, um einen entsprechenden thermischen übergang zwischen der Matrix und dem thermisch hoch leitfähigen Füllstoff zu ermöglichen. Wenn der Anteil dieser Beschichtungen gering gehalten wird, tritt in diesem Fall nur eine unwesentliche Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix ein. Abbildung 3 zeigt die Möglichkeit wie bei gleich bleibendem Füllstoff Gehalt C von 50 vol.% mithilfe der Variation des Füllstoffgehaltes B der Ausdehnungskoeffizient variiert werden kann.

Um Cu2O im Endprodukt zu erhalten, kann dieser als Füllstoff direkt in Form von Cu2O bzw. CuO Partikel mit der Matrix bzw. mit dem thermisch hoch leitfähigen Füllstoff C gemischt werden bzw. als alternatives Verfahren kann das Cu2O auch in-situ während der Herstellung des Verbundwerkstoffes direkt gebildet werden. Dies gelingt entweder durch eine entsprechende Prozessführung (keine reduzierende Atmosphäre) und/oder durch den Einsatz von feinstkörnigen Kupferpulvern im Submikron-Korngrößen-Bereich mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Speziell bei der Verwendung von Kupfer Nanopulvern gelingt es aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität dieser Pulver feinverteilte Cu2O Oxide in hohem Anteil zu erzeugen.

Ein Verbundwerkstoff mit reduzierter thermischer Ausdehnung kann auch dann erreicht werden, wenn spezielle metallische Füllstoffe ausgewählt werden, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4-6 ppm/K aufweisen und zusätzlich einen positiven Einfluss auf den thermischen Kontakt zwischen Matrix und auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffen aufweisen, auch wenn sie in einer großen Menge (>5 vol.%) eingesetzt werden. Eine große Menge an den metallischen Füllstoffen erlaubt zudem, dass auf die Beschichtung des auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffes optional verzichtet

werden kann, ohne dass es zu einer wesentlichen Verschlechterung der thermischen Eigenschaften kommt. Ein hoher metallischer Füllstoffanteil und/oder eine Beschichtung des Füllstoffes in Kombination mit einer hohen Sintertemperatur (teilweise bereits über der Temperatur, bei der Diamant thermisch instabil ist und in Graphit umgewandelt wird) erlaubt den Einsatz von äußerst kurzen Sinterzeiten. Aufgrund des hohen Metallfüllstoffgehaltes sind nur kurze Diffusionsstrecken zum auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff C zurückzulegen.

Werkstoffe mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer thermischen Leitfähigkeit von 200 W/m K und mehr sind gefragte Werkstoffe im Bereich der Elektronik, entweder als Trägerplatte bzw. als Wärmesenke. Die zunehmenden Anforderungen der Elektronikindustrie erfordern Werkstoffe mit thermischen Leitfähigkeiten von mehr als 300 W/mK und einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 6-10 ppm/K. Vielfach können diese Anforderungen nicht einmal mehr von Verbundwerkstoffen wie Cu- Mo, Cu-W oder AISiC erfüllt werden. AIN und SiC können zwar als Wärmesenke verwendet werden, sind allerdings teuer. Die thermischen Eigenschaften liegen bei etwa 270 W/mK für SiC und bei 250 W/mK für AIN.

Wärmesenken für Laseranwendungen werden bereits aus Diamant gemacht bzw. wird CBN in Laserdioden eingesetzt. Diamant kann über CVD bzw. über den Hochtemperatur-Hochdruck Prozess-hergestellt werden. CBN wird mit letzterem Verfahren hergestellt. Beide sind ebenso teuer, und in den Dimensionen limitiert. Der Ausdehnungskoeffizient von CVD Diamant liegt bei 2,3 ppm/K, von cBN bei 3,7 ppm/K und ist daher geringer als der von GaAs (5,9ppm/K) oder InP (4.5ppm/K). Darunter leidet die Zuverlässigkeit während des Betriebes aber auch während des Lötprozesses. Verbundwerkstoffe auf Diamant-Basis wie beispielsweise Cu-Diamant, AI-Diamant oder Ag-Diamant stellen hier eine vielversprechende Alternative dar. Da sich sowohl die reine Cu bzw. auch AI Matrix durch einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17 bzw. 22 ppm/K auszeichnen, kann hier zwar ein Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten durch den Diamantfüllstoff erreicht werden, allerdings sind Volumsanteile von mehr als 55 vol.% erforderlich um einen Ausdehnungskoeffizienten von 8 bzw. von mehr als 65 vol.% um einen Ausdehnungskoeffizienten von 7 ppm/K zu erhalten. Dies führt dazu, dass vielfach aufwendige, zeit- und kostenintensive Prozesse dafür verwendet werden müssen.

Patente US 6.171.691 und EP 0898 310 A2 beschreiben einen Werkstoff, der aus einem Metall wie Cu, Ag, Au, AI, Mg oder Zn besteht, einem Karbid gebildet aus den Metallen der 4a und 5a Gruppe des Periodensystems sowie Cr und einem

Diamantfüllstoff. Der Diamantfüllstoff ist dabei überdeckt von einer Karbidschicht. Die Herstellung des Werkstoffes erfolgt dabei über die flüssige Phase der Metall-Matrix.

Patent WO 2004/044950 A3 beschreibt einen Werkstoff bestehend im

Wesentlichen aus einer Kupfermatrix und Diamant, wobei für die Herstellung auch beschichtete Diamanten zum Einsatz kommen können. Der Prozess zur Herstellung ist mehrstufig und verwendet reduzierende Wasserstoffatmosphäre um die Bildung von

Kupferoxiden zu vermeiden. Diese werden als störende Bestandteile beschrieben.

Patent WO 2004/080913 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines

Werkstoffes auf Diamantbasis unter Verwendung von Cu, Ag, Au bzw. deren Legierungen. Hier werden ebenso benetzungsfördernde Legierungselemente <3 at.% wie

Ni, Cr, Ti, V, Mo, W, Nb, Ta, Co, Fe verwendet und zusätzlich zumindest ein Element aus der Gruppe Si, Y, Sc.

Patent US 2004/0183172A1 beschreibt einen Werkstoff, bestehend aus einem Metall auf Kupfer bzw. Silber Basis, wobei die Anbindung an den Diamant über ein Metallkarbid erfolgt.

Patent EP 1160860 A1 beschreibt einen Werkstoff, der aus Cu, AI oder Ag besteht, wobei zur Verbesserung der Benetzbarkeit von Graphit bzw. Kohlenstoff beim Flüssigphasen Infiltrationsprozess einer porösen Vorform verschiedene Elemente verwendet werden um die Benetzung zu verbessern. Patent US 2005/0051891 A1 beschreibt einen Werkstoff mit 60 - 90 vol.%

Diamant. Als Matrix wird hier Kupfer verwendet. Mit diesem Verfahren gelingt es, einen Werkstoff mit einem Ausdehnungskoeffizineten unter 6 ppm/K zu erhalten. Um einen dichten kompakten Körper zu erhalten werden hier allerdings Drücke von 1 bis 6 GPa verwendet. Ein derartiger Prozess ist kostenintensiv (erforderliche Sintreranlageri), außerdem ist die Herstellung beschränkt auf einfache Geometrien. Es werden entsprechende Maßnahmen gesetzt, um die Bildung von Kupferoxiden zu vermeiden. Der Sauerstoffanteil liegt unter 0,07 wt.%.

Patente US 5.783.316 bzw. US 6.264.882 beschreiben einen Werkstoff der über

Flüssigphaseninfiltration eines porösen Vorkörpers hergestellt wird. Dabei kommen auch beschichtete Diamanten zum Einsatz, z.B. mit W, Zr, Re, Cr und Ti Schichten. Als Matrix wird dabei Cu, Ag bzw. Cu-Ag verwendet. Die poröse Vorform wird in einem zweiten

Schritt infiltriert.

Prinzipiell sind zweistufige Prozesse (Pressen einer Vorform und Sintern bzw.

Infiltration) zweitaufwendig und erfordern eine exakte Kontrolle von Sinter- sowie Infiltrationsbedingungen. Ein porenfreier Körper wird nur dann erreicht, wenn entsprechende Porosität vorhanden ist, die über Kapillarkräfte dazu führt, dass eine vollständige Infiltration stattfindet. Um dies zu ermöglichen müssen beschichtete

Diamantpartikel und/oder Legierungselemente verwendet werden. Der Anteil an beschichteten Elementen bzw. verwendeten Beschichtungen ist dabei meistens unter 3 vol.% und hat somit kaum eine Auswirkung hinsichtlich einer Reduktion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metall-Matrix. Zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit angepassten thermischen

Ausdehnungseigenschaften eignet sich somit ein Verfahren, das insbesondere rasch und somit auch kostengünstig funktioniert. Die Herstellung erfolgt dabei unter Aufbringen von mechanischem Druck in Kombination mit einer geeigneten Temperaturführung. Dazu wird die entsprechende Pulvermischung in eine Matrize gefüllt, beispielsweise aus Graphit, und gegebenenfalls bei einem Druck von einigen MPa vorverdichtet. Die vorverdichtete Pressmatrize wird in eine entsprechende konduktiv oder induktiv beheizte Heißpresse eingesetzt und sodann evakuiert.

Die effiziente Herstellung wird durch eine hohe Heiz/Kühlrate in Kombination mit einer kurzen Sinterzeit erreicht. Durch den gezielten Verzicht auf eine reduzierende Sinteratmosphäre gelingt es, nicht nur einfach gebaute und somit kostengünstige Anlagen zu verwenden, sondern auch gleichzeitig eine in-situ Oxidation zu Bildung von Cu2O zu erreichen um damit den Ausdehnungskoeffizienten der Matrix zu verringern. Diese in-situ Oxidation kann sowohl über die Korngröße des Kupfer Ausgangspulvers gesteuert werden bzw. und/oder durch die verwendeten Prozessbedingungen. Hohe Heizraten (von einigen 100 K/min) lassen sich durch Verfahren wie induktiv- oder konduktiv beheizte Heißpressen realisieren. Abgewandelte Verfahren sind beispielsweise das Spark Plasma Sintern oder Field Assisted Sintering. Durch Verwenden von hohen Heizraten und kurze Sinterzeiten gelingt es einerseits die Umwandlung von Diamant in Kohlenstoff gezielt zu unterdrücken auch wenn hohe Sintertemperaturen von 1000 ⁰ C oder mehr verwendet werden. Nach der Haltezeit bei der gewünschten Temperatur wird die Matrize samt Probe abgekühlt, die Vakuumkammer wird belüftet und die Probe entnommen und ausgeformt.

Die erfindungsgemäße Vorgangsweise zur Erstellung erfindungsgemäßer Werkstoffe wird im Folgenden anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1 :

11 ,04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden mit einer Schicht von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 28,05 g Cu mit einer Korngröße von ~ 100 nm 12 Stunden in Isopropanol in einem Turbulamischer gemischt und anschließend getrocknet. Von der Pulvermischung wurden 7,5 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^'2 mbar evakuiert.

Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.

Nach Erreichen einer Temperatur von 900 ⁰ C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C/min auf etwa 400 ⁰ C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von Cu Nanopulver unter nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Ausbildung von Cu2O in der Kupfer Matrix. Der Anteil von Cu2O wurde auf mit etwa 14,2 vol.% über XRD bestimmt. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 ⁰ C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 8,6 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 ⁰ C lag dieser bei 7,6 ppm/K. entsprechend Abbildung 4.

Beispiel 2: 8,84 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden mit einer Schicht von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 33,66 g Cu mit einer Korngröße < 15 μm 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt. Davon wurden 8 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkom paktiert. Die befüllte und vorkom paktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.

Nach Erreichen einer Temperatur von 900 ⁰ C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C/min auf etwa 400 ⁰ C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Ausbildung von Cu2O in der Kupfer Matrix. Der Anteil von Cu2O wurde auf mit etwa 8,2 vol.% über XRD bestimmt (Abbildung 5). Die Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgte mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 ⁰ C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 10,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 °C lag dieser bei 9,6 ppm/K.

Beispiel 3

11 ,04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden in einer Dicke von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 16,8 g Cu mit einer Korngröße <50 μm und 7,7 g Cu2O Pulver mit einer Korngröße von <20 μm in einem Turbulamischer für 2 Stunden gemischt. Dies entspricht einem Volumsanteil

von 20 vol.%. Von dieser Mischung wurden 7 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkom paktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizte Heißpressanlage eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels Induktionsspule realisiert.

Nach Erreichen einer Temperatur von 95O ⁰ C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 400 ⁰ C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 ⁰ C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 8,1 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 ⁰ C lag dieser bei 7,2 ppm/K.

Beispiel 4

11 ,04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden mit einer Schicht einer Dicke von ca. 500 nm Cr über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 28,05 g Cu mit einer Korngröße ~ 100 nm 12 Stunden in Isopropanol in einem Turbulamischer gemischt und anschließend getrocknet. Von der Pulvermischung wurden 3 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 12,5 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^"1 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 30 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einem gepulstem Gleichstrom realisiert. Nach Erreichen einer Temperatur von 900 ⁰ C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200 ⁰ C auf etwa 400 ⁰ C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von Cu Nanopulver unter nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Bildung von Cu2O. Der Anteil von Cu2O wurde auf mit etwa 18,7 vol..% bestimmt. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 ⁰ C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 8,5 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 ⁰ C lag dieser bei 7,4 ppm/K.

Neben Mo bzw. Cr zur Beschichtung des Diamantes eignen sich auch Schichten von wie z.B. W, Ta, B oder AIN, die ebenso eine gute Haftung bzw. thermischen Kontakt bewirken.

Beispiel 5:

5,53 g einer PITCH Kohlefaser wurden mit einer ca. 100 nm dicken Mo Schicht mit einem PVD Verfahren beschichtet, mit 33,67 g Cu Pulver mit einer Korngröße <30 μm mit Isopropanol für 24 Stunden gemischt, getrocknet und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 40 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Feld unterstützte Sinteranlage eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 200°C/min mittels gepulstem Gleichstrom realisiert. Nach Erreichen einer Temperatur von 900 ⁰ C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 400 ⁰ C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Der Anteil von Cu2O wurde agf etwa 1 ,9 vol.% mittels XRD Messung bestimmt (Abbildung 6). Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 200 ⁰ C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient in x-y Richtung von 10,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 ⁰ C lag dieser bei 8,9 ppm/K.

Beispiel 6: 23,32 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 50-60 μm, 6,82 g

Mo Pulver mit einer Korngröße <50 μm, 53,34 g Cu mit einer Korngröße < 30 μm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 65 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^~2 mbar evakuiert und mit Wasserstoff geflutet. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 20 MPa erhöht und eine Heizrate von 50°C/min angelegt.

Nach Erreichen einer Temperatur von 95O ⁰ C und einer Haltezeit von 15 Minuten wurde die Probe abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Behälter mit Stickstoff geflutet und belüftet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde in einem Temperaturbereich von RT bis 300 ⁰ C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 10,5 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 5O ⁰ C lag dieser bei 10,0 ppm/K (Abbildung 7). ähnliche Eigenschaften können unter Verwendung von weiteren metallischen oder keramischen Füllstoffen erreicht werden, wie z.B. W, Ta, B, bzw. AIN und AI2O3.

Beispiel 7:

2,2 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm, die mit einer etwa 500 nm dicken Cr Schicht beschichtet wurden, 0,45g Cr Pulver mit einer Korngröße

<50 μm, 5,05 g Cu mit einer Korngröße < 30 μm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkom paktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.

Nach Erreichen einer Temperatur von 1000 ⁰ C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200 ⁰ C auf etwa 400 ⁰ C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Zur Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurde die Probe in einem Temperaturbereich von RT bis 300 ⁰ C gemessen. Der Anteil von Cu2O wurde auf etwa 1 ,2 vol.% mittels XRD Messung bestimmt. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 8,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50°C lag dieser bei 8,4 ppm/K. (Abbildung 7)

Beispiel 8:

2,2 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm, die mit einer etwa 500 nm dicken Cr Schicht beschichtet wurden, 1 ,80g Cr Pulver mit einer Korngröße <50 μm, 3,37 g Cu mit einer Korngröße < 30 μm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert. Nach Erreichen einer Temperatur von 1000 ⁰ C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200 ⁰ C auf etwa 400 ⁰ C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Der Anteil von Cu2O wurde auf etwa 0,7 vol.% mittels XRD Messung bestimmt. Zur Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurde die Probe in einem Temperaturbereich von RT bis 300 ⁰ C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 6,6 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 5O ⁰ C lag dieser bei 5,9 ppm/K. (Abbildung 7)

Beispiel 9 0,53 gr Vitreous Grown Carbon Fibers wurden, mit 5,6 g Cu Pulver mit einer

Korngröße <30 μm und 2,6 g Mo wurden mit Isopropanol für 24 Stunden gemischt, getrocknet und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem

Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkom paktierte Graphitmatrize wurde in eine Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10 ^'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 20 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min angelegt. Nach Erreichen einer Temperatur von 900 ⁰ C und einer Haltezeit von 15 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 400°C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 ⁰ C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Der Anteil von Cu2O wurde auf etwa 1,6 vol.% mittels XRD Messung bestimmt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde mittels Dilatometer für die x-y Richtung in einem Temperaturbereich von RT bis 200 ⁰ C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 13,3 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50°C lag dieser bei 11 ,8, ppm/K.

Es zeigte sich, dass die für den Füllstoff B eingesetzten Stoffe bzw. Elemente untereinander substituierbar sind, ohne den mechanischen und/oder physikalischen usw. Aufbau des resultierenden Werkstoffes nachteilig zu beeinflussen. Gleiches gilt für die für den Füllstoff C eingesetzten Materialien.