DE102011079471B4

DE102011079471B4 - Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs

Info

Publication number: DE102011079471B4
Application number: DE102011079471.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Wallmeroth; Christian Schmitz
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH; Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De; Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: DE102011079471A1; CN103814441A; US9995541B2; KR20140070533A; JP2014527121A; WO2013010870A1; KR20190058684A; CN103814441B; KR102095175B1; JP6073313B2; US20140151013A1

Abstract

Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs (8), insbesondere für eine Wärmesenke (13), umfassend:Auftragen mindestens einer Schicht (5a) mit Kohlenstoff-Partikeln (5) und mindestens einer Schicht (6a) mit Metall-Partikeln (6) übereinander, sowie Verschmelzen der Schichten (5a, 6a) durch Bestrahlen der Schichten (5a, 6a) mit Laserstrahlung (7) zum Ausbilden des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs (8),wobei zur Bildung eines Formkörpers (10) aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff (8) das Auftragen und das Verschmelzen von Schichten (5a, 6a) mehrmals wiederholt wird, und wobei zur Bildung einer Abschlussschicht für den Formkörper (10) eine Schicht (8b) mit Metall-Partikeln aufgetragen und durch Bestrahlen mit Laserstrahlung (7) aufgeschmolzen wird, so dass eine metallische Schicht (8b) entsteht, die sich mit einer darunter liegenden Schicht (8a) des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs (8) verbindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs, insbesondere für eine Wärmesenke.
In der WO 2010/057236 A2 sind eine Wärmesenke sowie ein Herstellungsverfahren für die Wärmesenke beschrieben. Die Wärmesenke weist einen Grundkörper mit einem Einlagekörper auf, der aus einem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff besteht und der von einer Positionsfläche für die Positionierung eines zu kühlenden Bauteils, z.B. einer Laserdiode, beabstandet ist. Als Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffe werden insbesondere Silber-Diamant, Kupfer-Diamant und Aluminium-Diamant angegeben.
Die Herstellung des Einlagekörpers kann durch Befüllen einer Aufnahme mit einer Kohlenstoff-Phase und einer metallischen Phase erfolgen, wobei die metallische Phase in (schmelz-)flüssigem Zustand in die Aufnahme eindringt, um die Kohlenstoff-Phase zu infiltrieren. Zur Infiltration können sowohl drucklose Prozesse als auch Prozesse mit Druckunterstützung angewendet werden, z.B. ein GPI-Prozess (Gas Pressure Infiltration Process). Unabhängig hiervon wird alternativ ein Heißpressen des Einlagekörpers als weiteres Herstellungsverfahren beschrieben.
Aufgrund der geringen Oberflächengüte des auf die oben beschriebene Weise hergestellten Einlagekörpers und der Tatsache, dass eine Nachbearbeitung des Einlagekörpers z.B. durch Polieren nur mit erhöhtem Aufwand möglich ist, wird vorgeschlagen, den Einlagekörper nach seiner Aufnahme in den Grundkörper von der Positionsfläche für die Anbringung des Bauteils beabstandet anzubringen und z.B. mit einer Lötschicht zu bedecken.
Aus der US 5,273,790 A ist ein Verfahren zur Verdichtung synthetischer Diamanten bzw. von Diamant-Verbundwerkstoffen bekannt geworden, die u.a. zur Kühlung von elektronischen Komponenten einsetzbar sind. Hierzu werden Partikel aus Diamant oder anderen Werkstoffen durch ein CVD-Verfahren mit Diamant-Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit infiltriert. Der Aufbau eines Volumens aus dem verdichteten Diamant-Material bzw. Diamant-Verbundwerkstoff kann schichtweise erfolgen, indem eine jeweilige Schicht bzw. Preform aus Diamant oder anderen Werkstoffen mit Hilfe des CVD-Verfahrens mit Diamant-Material infiltriert wird.
In der US 2007/0071907 A1 ist ein Artikel bzw. Körper beschrieben, welcher eine eisenhaltiges Substrat sowie eine verschleißfeste Schicht aufweist, die aus einem Verbundwerkstoff besteht. Der Verbundwerkstoff weist Diamant-Partikel in einer Metall-Matrix auf. Zur Bildung des Verbundwerkstoffs wird ein Partikel-Gemisch aus Diamant-Partikeln und Metall-Partikeln auf das eisenhaltige Substrat aufgebracht und das Gemisch wird in einer nicht-reaktiven Atmosphäre mit einem Laserstrahl erhitzt, um die Metall-Partikel aufzuschmelzen, so dass diese sich mit dem Substrat und mit den Diamant-Partikeln zu der verschleißfesten Schicht verbinden. Zur Vermeidung einer Schädigung der Diamantpartikel durch die Laserstrahlung wird als metallischer Matrixwerkstoff ein Material mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 400 bis 900 °C, insbesondere Silber oder Kupfer, empfohlen.
Die WO 01/ 45 882 A2 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffs. Bei dem Verfahren wird Pulver geschmolzen und abgekühlt, um aufeinanderfolgende Schichten einer diskontinuierlich verstärkten Metallmatrix zu bilden.
Die DE 198 27 665 A1 betrifft u.a. ein Verfahren zum Herstellen von diamanthaltigen Verbundwerkstoffen durch Schmelzinfiltrieren bei Drücken unter 200 MPa und Temperaturen oberhalb von 1000°C.
Die DE 10 2009 018 762 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundwerkstoffs, bei dem ein drahtförmiger erster Ausgangswerkstoff aus Metall und Kohlenstoff-Nanoröhren bereitgestellt wird und mit einem Energiestrahl ein geschmolzener Bereich aus dem ersten Ausgangswerkstoff erzeugt wird.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs derart weiterzubilden, dass ein Verbundwerkstoff mit verbesserten Eigenschaften erzeugt werden kann bzw. der Aufwand bei der Bildung des Verbundwerkstoffs reduziert werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs, bei dem mindestens eine Schicht mit Kohlenstoff-Partikeln und mindestens eine Schicht mit Metall-Partikeln übereinander aufgetragen werden, wobei die Schichten zur Ausbildung (einer Schicht) des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs durch Bestrahlen mit Laserstrahlung miteinander verschmolzen werden. Zur Bildung eines Formkörpers aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff wird das Auftragen und das Verschmelzen von Schichten mehrmals wiederholt. Zur Bildung einer Abschlussschicht für den Formkörper wird eine Schicht mit Metall-Partikeln aufgetragen und durch Bestrahlen mit Laserstrahlung aufgeschmolzen, so dass eine metallische Schicht entsteht, die sich mit einer darunter liegenden Schicht des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs verbindet. Die Metall-Partikel und die Kohlenstoff-Partikel werden hierbei typischerweise in Form eines Pulvers aufgetragen.
Durch die Laserstrahlung wird eine Schmelzzone gebildet, in der die Schicht(en) mit den Metall-Partikeln aufgeschmolzen wird/werden, so dass die Metall-Partikel in schmelzflüssiger Form in die Schicht(en) aus Kohlenstoff-Partikeln eindringen bzw. diese infiltrieren können und die Kohlenstoff-Partikel in einer metallischen Matrix eingeschlossen werden. Das Verschmelzen der Schichten erfolgt typischer Weise in einer nicht-reaktiven Umgebung, z.B. in einer Inertgas-Umgebung oder unter Vakuum.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Formkörper schichtweise aufgebaut werden, wobei die Geometrie, insbesondere die Länge und Breite der Schichten aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff variiert werden kann, um dem Formkörper eine gewünschte Geometrie zu geben bzw. die Geometrie des Formkörpers an die gewünschte Endkontur anzupassen. Der auf diese Weise gebildete Formkörper aus dem Verbundwerkstoff weist eine Schichtstruktur auf, wobei durch den Auftrag von mehreren Schichten übereinander die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes, beispielsweise das Verhältnis von Kohlenstoff zu Metall, in einer jeweiligen Schicht flexibel eingestellt werden können.
Bei einer Variante wird eine Abschlussschicht des Formkörpers nachbearbeitet. Die Abschlussschicht, d.h. die letzte Schicht des schichtweise aufgebauten Formkörpers, kann zur Anbringung eines Bauteiles, z.B. einer Laserdiode oder dergleichen dienen. Um dieses Bauteil mit der gewünschten Genauigkeit positionieren zu können sowie eine hohe Wärmeleitung sicherzustellen, ist es in der Regel erforderlich, an der Oberfläche der Abschlussschicht eine Nach- bzw. Endbearbeitung mit hoher Präzision vorzunehmen, um eine niedrige Oberflächenrauhigkeit zu erreichen.
Das erfindungsgemäße schichtweise Herstellen des Formkörpers ermöglicht es, eine definierte Abschlussschicht zu erhalten, die leicht nachbearbeitet bzw. poliert werden kann. Insbesondere kann / können für die für die letzte Schicht / die letzten Schichten nur Metall-Partikel vorgesehen werden, um die Nachbearbeitung zu erleichtern.
Erfindungsgemäß wird zur Bildung einer Abschlussschicht für den Formkörper eine Schicht mit Metall-Partikeln aufgetragen und durch Bestrahlen mit Laserstrahlung aufgeschmolzen, so dass eine metallische Schicht entsteht, die sich mit einer darunter liegenden Schicht des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs verbindet. Das Material der Metall-Partikel stimmt in der Regel mit dem metallischen Material überein, das auch zur Bildung des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs verwendet wird, so dass die Abschlussschicht und die Schichten aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff in ein- und demselben Herstellungsprozess erzeugt werden können. Die Abschlussschicht weist in diesem Fall (nahezu) keine Kohlenstoff-Partikel auf und kann daher auf einfache Weise nachbearbeitet werden. Die Abschlussschicht kann auch aus mehreren Einzelschichten gebildet sein.
Alternativ kann bei einer nicht zur Erfindung gehörigen Variante als Abschlussschicht eine Schicht aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff dienen, zu deren Herstellung eine vergleichsweise dicke Schicht mit Metall-Partikeln verwendet wird, so dass nach dem Verschmelzen mit der Schicht aus Kohlenstoff-Partikeln im oberen Bereich der Abschlussschicht möglichst keine bzw. nur eine sehr geringe Anzahl an Kohlenstoff-Partikeln vorhanden ist.
Das Auftragen der Schichten aus Metall- bzw. Kohlenstoff-Partikeln kann vor der Einbringung von Laserstrahlung erfolgen. Insbesondere hinsichtlich des Auftrags der Metall-Partikel kann aber auch eine während der Einbringung von Laserstrahlung vorzunehmende Partikelzuführung, bspw. eine zum Laserstrahl koaxiale Partikelzuführung, erfolgen.
Bei einer Variante weisen mindestens zwei der Schichten Kohlenstoff-Partikel mit unterschiedlicher Körnung (mittlere Partikelgröße) auf. Eine geringe Körnung kann ggf. bei Schichten günstig sein, die sich in der Nähe der Abschlussschicht befinden. Eine gröbere Körnung kann z.B. bei weiter von der Abschlussschicht entfernt liegenden Schichten günstig sein.
In einer Variante werden mindestens zwei Schichten des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs mit einem unterschiedlichen Volumen-Verhältnis von Kohlenstoff-Partikeln zu einer aus den Metall-Partikeln gebildeten Metall-Matrix hergestellt. Durch den getrennten Auftrag der Kohlenstoff- und Metall-Partikel kann die Materialzusammensetzung des Formkörpers von Schicht zu Schicht variieren. Das gewünschte Verhältnis kann beispielsweise erhalten werden, indem das Verhältnis der Dicke der Schicht aus Metall-Partikeln zur Dicke der Schicht aus Kohlenstoff-Partikeln geeignet eingestellt wird. Es versteht sich, dass auch die Dicke der jeweils beim Verschmelzen gebildeten Schicht aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff durch die Wahl der Dicken der Partikel-Schichten in gewissen Grenzen variiert werden kann.
Neben der Variation der Schichtzusammensetzung durch die verwendeten Partikelgrößen und -volumina können die Eigenschaften des Formkörpers auch über den definierten Aufbau des Formkörpers aus verschiedenen Schichten beeinflusst werden. So können die zuerst auf dem Substrat aufgebrachten Schichten des Formkörpers Schichten aus Metall-Partikeln sein und ein Metall-Kohlenstoff-Verbund erst in den Folgeschichten eingebracht werden. Mit anderen Worten ist die Zusammensetzung der einzelnen Schichten sowie der Aufbau des Formkörpers aus diesen Schichten frei wählbar.
In einer Weiterbildung sind die Metall-Partikel ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Zinn und Titan. Insbesondere Silber und Kupfer in einem Verbund mit Diamant haben sich als Verbundwerkstoff aufgrund der sehr hohen Wärmeleitung als günstig erwiesen. Dient ein solcher Verbundwerkstoff als Wärmesenke für ein Bauteil aus Gallium-Arsenid (z.B. einer Hochleistungs-Laserdiode), ist die Wärmeausdehnung bzw. der Wärmeausdehnungskoeffizient der Wärmesenke an die Wärmeausdehnung des Bauteils angepasst. Die Differenz zwischen dem Wärme-Ausdehnungskoeffizienten des Bauteils und des Verbundwerkstoffs beträgt bei einer solchen Anpassung typischer Weise weniger als 2 × 10^-6 1/K.
In einer weiteren Variante sind die Kohlenstoff-Partikel ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Diamant und Graphit. Insbesondere Diamant hat sich aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit für die Herstellung eines Verbundwerkstoffs als besonders günstig erwiesen.
Eine Variante umfasst das Aufbringen mindestens einer Schicht aus Metall-Partikeln auf ein Substrat, sowie Verschmelzen der Schicht mit dem Substrat durch Laserbestrahlung. Bei dieser Variante wird / werden zunächst eine (oder mehrere) metallische Schichten auf ein Substrat aufgebracht und mit diesem verschmolzen, bevor alternierend Schichten mit Metall-Partikeln und mit Kohlenstoff-Partikeln miteinander verschmolzen werden. Auf diese Weise kann die Haftung des Verbundwerkstoffs auf dem Substrat erhöht werden bzw. eine glatte Oberfläche zum Aufbringen des Verbundwerkstoffs geschaffen werden.
Bei einer weiteren Variante wird mindestens eine Schicht mit Kohlenstoff-Partikeln mit einer in Dickenrichtung variierenden Dichte aufgetragen. Typischer Weise erfolgt der Auftrag der Schichten derart, dass die Partikel in Dickenrichtung eine (möglichst) konstante Dichte aufweisen. Zum Herstellen einer Gradientenschicht kann es aber günstig sein, wenn die Dichte bzw. die Anzahl der Kohlenstoff-Partikel in Dickenrichtung variiert, wobei diese und typischer Weise mit zunehmender Dicke der Schicht zu- oder abnimmt.
Der auf die oben beschriebene Weise hergestellte Formkörper kann zur Bildung einer Wärmesenke verwendet werden. Die Wärmesenke kann ggf. lediglich aus dem (auf ein Substrat aufgebrachten) Formkörper bestehen, welcher ggf. zur Erzeugung der gewünschten Endkontur(en) nachbearbeitet wird. Alternativ ist es auch möglich, den Formkörper innerhalb einer Aufnahme eines Grundkörpers einer Wärmesenke auszubilden oder den Formkörper z.B. durch Löten mit dem Grundkörper der Wärmesenke zu verbinden.
Typischer Weise weist der Formkörper eine Positionierfläche mit einer niedrigen Oberflächenrauhigkeit auf. Diese nierdige Oberflächenrauhigkeit kann z.B. durch eine Nachbearbeitung der Positionierfläche erreicht werden. Die Positionierfläche kann hierbei an einer Abschlussschicht des Formkörpers gebildet sein, die aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff besteht, so dass das mittels der Wärmesenke zu kühlende Bauteil unmittelbar auf der Positionierfläche des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs aufgebracht werden kann, ohne dass zusätzliche Zwischenschichten, z.B. in Form von Lötschichten, für die Positionierung verwendet werden müssen. Alternativ kann als Abschlussschicht eine aus Metall-Partikeln gebildete Schicht auf eine Schicht des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs aufgebracht werden, wobei das Material der Metall-Partikel der Abschlussschicht typischer Weise mit dem Material der Metall-Partikel des Verbundwerkstoffs übereinstimmt.
Die Wärmesenke kann ein zu kühlendes Bauteil, beispielsweise eine (Hochleistungs- ) Laserdiode aufweisen, welches unmittelbar auf einer an dem Formkörper gebildeten Positionierfläche angeordnet ist. Insbesondere Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffe aus Kupfer-Diamant oder aus Silber-Diamant haben sich für die Kühlung von Laserdioden als besonders günstig herausgestellt.
Die Wärmesenke kann einen Grundkörper zur Anbringung des Formkörpers aufweisen. Der Formkörper kann beispielsweise durch Löten mit dem Grundkörper verbunden werden oder es kann eine Aufnahme vorgesehen sein, um den Formkörper aufzunehmen. Im letzteren Fall können die Schichten direkt in der Aufnahme aufgetragen und dort unter Einwirkung von Laserstrahlung miteinander verschmolzen werden. Die Abschlussschicht bzw. die Deckschicht des Formkörpers kann hierbei im Wesentlichen bündig mit der Oberkante des Grundkörpers abschließen und nach entsprechender Nachbearbeitung als Positionsfläche für das zu kühlende Bauteil dienen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1a-d schematische Darstellungen eines Verfahrensablaufs zur Ausbildung einer Schicht eines Diamant-Metall-Verbundwerkstoffes,
2a,b Schnittdarstellungen eines Details einer Wärmesenke mit einem Formkörper aus einem Diamant-Metall-Verbundwerkstoff ohne bzw. mit einem zu kühlenden Bauteil, sowie
3 eine schematische, perspektivische Darstellung der Wärmesenke von 2b.

1a-d zeigen eine Kammer 1 zur Bildung einer Schicht eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs, im vorliegenden Beispiel in Form eines Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffs. Um eine nicht-reaktive Umgebung in der Kammer 1 zu schaffen, weist die Kammer 1 einen Anschluss 2 zur Zuführung eines Inertgases, z.B. Stickstoff, auf. Die Kammer 1 kann aber auch mit einer Vakuum-Pumpe in Verbindung stehen, um eine nicht-reaktive Umgebung im Inneren der Kammer 1 zu schaffen.
In der Kammer 1 ist ein Substrat 3 beispielsweise aus Kupfer angeordnet. Eine Einrichtung 4 zum Verteilen von Partikeln ist oberhalb des Substrats 3 angeordnet und steht über eine zentrale Zuleitung mit zwei (nicht gezeigten) Partikel-Reservoiren in Verbindung. Die Einrichtung 4 weist eine Mehrzahl von in regelmäßigen Abständen angeordneten (nicht bildlich dargestellten) Öffnungen auf, aus denen Partikel austreten können, wie durch Pfeile angedeutet ist.
Bei dem in 1a gezeigten Beispiel treten aus der Einrichtung 4 (pulverförmige) Diamant-Partikel 5 aus, die sich unter Schwerkraftwirkung auf das Substrat 3 absenken und dort eine in 1b dargestellte Schicht 5a von Diamant-Partikeln 5 ausbilden. Um eine möglichst homogene Verteilung der Diamant-Partikel 5 in der Schicht 5a zu erhalten, kann die Einrichtung 4 beispielsweise in der Art eines Rüttelsiebs während des Auftragens parallel zum Substrat 3 (d.h. in der XY-Ebene) verschoben werden.
Auf die Schicht 5a mit Diamant-Partikeln 5 werden in einem in 1b gezeigten nachfolgenden Schritt Kupfer-Partikel 6 aufgetragen. Hierzu wird die Verbindung zwischen der zentralen Zuführung der Einrichtung 4 und dem Reservoir an Diamant-Partikeln getrennt und die Zuführung wird mit einem Reservoir an Kupfer-Partikeln 6 verbunden, so dass auf der Diamant-Schicht 5a eine Schicht 6a aus Kupfer-Partikeln 6 gebildet wird, vgl. 1c.
In einem nachfolgenden Schritt wird ein Laserstrahl 7, der z.B. von einem (nicht gezeigten) Laser erzeugt wird, auf die übereinander angeordneten Schichten 5a, 6a eingestrahlt, wobei sich in dem Bereich, in dem der Laserstahl 7 auftrifft, eine Schmelzzone ausbildet. Der Laserstrahl 7 wird hierbei scannend über die Oberfläche der Schichten 5a, 6a verfahren, wodurch diese miteinander zu einem Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff 8 verschmelzen, der sich auch mit dem Substrat 3 verbindet, vgl. 1d. Der Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff 8 weist hierbei eine Kupfer-Matrix 9 auf, in der die Diamant-Teilchen 5 eingebettet sind. Um die scannende Bearbeitung mit dem Laserstrahl 7 zu ermöglichen, wird ein (nicht gezeigter) Bearbeitungskopf unterhalb der Öffnungen in der XY-Ebene verschoben. Die Wellenlänge des Laserstrahls kann hierbei an die gewählten Werkstoffe angepasst werden, wobei in der Regel Wellenlängen zwischen ca. 0,3 µm und 2 µm verwendet werden. Für Metall-Partikel aus Kupfer oder Aluminium kann z.B. eine Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich (zwischen ca. 380 nm und 780 nm), insbesondere im grünen Wellenlängenbereich (zwischen ca. 490 nm und 575 nm) gewählt werden, während z.B. für Silber eine Wellenlänge im UV-Bereich (unter 380 nm) gewählt werden kann. Die Laser-Leistung kann im Bereich von ca. 1 Watt bis 1000 Watt liegen, um ein Laser-Sintern bzw. ein selektives Laser-Schmelzen zu ermöglichen.
Das Volumen-Verhältnis der Diamant-Teilchen 5 zur Kupfer-Matrix 9 des Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffs 8 kann eingestellt werden, indem das Verhältnis d1 / d2 der Dicken d1, d2 der Schichten 5a, 6a geeignet gewählt wird. Um für die Erzeugung der Schicht des Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffs 8 von einer möglichst glatten Oberfläche auszugehen, können anders als dies in 1a-d dargestellt ist zunächst eine oder mehrere Schichten 6a von Metall-Partikeln 6 auf das Substrat 3 aufgebracht und mit diesem unter Verwendung von Laserstrahlung 7 verschmolzen werden.
Um einen Formkörper aus dem Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff 8 zu erhalten, kann der im Zusammenhang mit 1a-d beschriebene Vorgang mehrmals wiederholt werden, bis das gewünschte Volumen des Formkörpers erreicht wird, wie in 1d angedeutet ist, bei der in einem nachfolgenden Schritt weitere Diamant-Partikel 6 auf den Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff 8 aufgetragen werden. Gegebenenfalls kann durch gezieltes, gesteuertes Verschließen der Öffnungen an der Einrichtung 4 zur Verteilung der Partikel 5, 6 eine Strukturierung bzw. eine Anpassung der Geometrie bzw. Ausdehnung der Schichten in XY-Richtung an eine gewünschte Geometrie erfolgen.
Ein Formkörper 10 aus dem Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff 8 mit einer im Wesentlichen quaderförmigen Geometrie ist in 2a dargestellt. Der Formkörper 10 ist in einer Aufnahme 11 eines Grundkörpers 12 aus Kupfer eingebracht, welcher Teil einer Wärmesenke 13 ist. Der Formkörper 10 kann (ggf. mit dem Substrat) als vorgefertigter Körper in die Aufnahme 11 eingebracht werden. Alternativ ist es auch möglich, den Formkörper 10 in-situ in der Aufnahme 11 zu bilden, welche als Form dient, in der die Schichten 5, 6 übereinander aufgebracht werden.
Wie in 2a in einem nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel ebenfalls zu erkennen ist, weist der quaderförmige Formkörper 10 eine Mehrzahl von Schichten 8a, 8b aus dem Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff 8 auf. Hierbei weist eine Abschluss-Schicht 8b an der Oberseite 14 des Formkörpers 10 im Nachbearbeitungsbereich keine Diamant-Partikel 5 auf, d.h. durch eine geeignete Wahl des Volumen-Verhältnisses von Metall-Partikeln zu Diamant-Partikeln bildet die Schmelze nach der Infiltration noch einen ausreichend große Schichtdicke über den Diamant-Partikeln aus, in der praktisch keine Diamant-Partikel mehr vorhanden sind. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Kontakt zu einem unmittelbar an der Oberseite 14 des Formkörpers 10 angebrachten Bauteil in Form einer Hochleistungs-Laserdiode 1 (vgl. 2b) vollflächig hergestellt werden kann, um eine effektive Wärmeübertragung zu gewährleisten.
Bei dem in 2b gezeigten Beispiel ist der Formkörper 10 auf die Oberseite 12a des quaderförmigen Grundkörpers 12 aufgelötet. Auf eine Schicht 8a aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff ist hierbei eine Schicht aus Metall-Partikeln als Abschlussschicht 8b aufgebracht Die Abschlussschicht 8b wurde bei der Herstellung mit einem Laser bestrahlt, um die Metall-Partikel aufzuschmelzen und mit der darunter liegenden Schicht 8a des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs zu verbinden. Die Abschlussschicht 8b ist daher in diesem Beispiel praktisch frei von Kohlenstoff-Partikeln und eignet sich besonders gut für eine Nachbearbeitung zur Erzielung einer möglichst geringen Oberflächenrauhigkeit.
Es versteht sich, dass die Dicke der Schichten 8a, 8b des Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffs 8 anders als in 2a,b gezeigt in Dickenrichtung (Z) unterschiedlich gewählt werden können. Auch können gegebenenfalls die verwendeten metallischen Partikel und/oder die Kohlenstoff-Partikel von Schicht zu Schicht variiert werden. Beispielsweise kann eine Schicht aus Diamant-Silber-Verbundwerkstoff auf eine Schicht aus Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff folgen oder umgekehrt.
Wie in 3 zu erkennen ist, ist der Formkörper 10 bzw. die Laserdiode 15 am Rand des Grundkörpers 12 der Wärmesenke 13 von 2b ausgebildet und dient der Emission von Laserstrahlung in einer Richtung, die von der Wärmesenke 13 weg gerichtet ist. Das Aufbringen der Laserdiode 15, welche im Wesentlichen aus GaAs besteht, auf den Formkörper 10 aus dem Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff 8 ist u.a. auch deshalb besonders günstig, da beide einen vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Es versteht sich, dass an Stelle von Laserdioden auch andere Bauteile mit Hilfe der Wärmesenke 13 gekühlt werden können.
Es versteht sich ebenfalls, dass das in 1a-d gezeigte Verfahren, insbesondere das Verschmelzen der Schichten 5a, 6a, gegebenenfalls durch einen gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhten Druck p bzw. durch eine gegenüber Raumtemperatur erhöhte Temperatur T unterstützt werden kann. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht aufgrund des schichtförmigen Aufbaus des Formkörpers 10 eine flexible Einstellung von dessen Eigenschaften bezüglich Geometrie, Oberflächenqualität, Materialverhalten etc. Die für die Herstellung des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffes verwendete Anlage ist nicht komplex und daher kostengünstig in der Anschaffung.

Claims

Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs (8), insbesondere für eine Wärmesenke (13), umfassend: Auftragen mindestens einer Schicht (5a) mit Kohlenstoff-Partikeln (5) und mindestens einer Schicht (6a) mit Metall-Partikeln (6) übereinander, sowie Verschmelzen der Schichten (5a, 6a) durch Bestrahlen der Schichten (5a, 6a) mit Laserstrahlung (7) zum Ausbilden des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs (8), wobei zur Bildung eines Formkörpers (10) aus dem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff (8) das Auftragen und das Verschmelzen von Schichten (5a, 6a) mehrmals wiederholt wird, und wobei zur Bildung einer Abschlussschicht für den Formkörper (10) eine Schicht (8b) mit Metall-Partikeln aufgetragen und durch Bestrahlen mit Laserstrahlung (7) aufgeschmolzen wird, so dass eine metallische Schicht (8b) entsteht, die sich mit einer darunter liegenden Schicht (8a) des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs (8) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei der Schichten (5a) Kohlenstoff-Partikel mit unterschiedlicher Körnung aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei Schichten (8a) des Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs mit einem unterschiedlichen Volumen-Verhältnis von Kohlenstoff-Partikeln (5) zu einer aus Metall-Partikeln (6) gebildeten Metall-Matrix (9) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Metall-Partikel (6) ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Zinn und Titan.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kohlenstoff-Partikel (5) ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: Diamant und Graphit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Aufbringen mindestens einer Schicht (6a) aus Metall-Partikeln (6) auf ein Substrat (3), sowie Verschmelzen der Schicht (6a) mit dem Substrat (3) durch Laserbestrahlung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Schicht (5a) mit Kohlenstoff-Partikeln (5) mit einer in Dickenrichtung (Z) variierenden Dichte aufgetragen wird.