WO2014026675A2 - Method for producing hollow bodies, particularly for coolers, hollow body and cooler containing electrical and/or electronic components - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a process for the preparation of hollow bodies according to
- the preamble of claim 1 to a hollow body, in particular radiator according to the preamble of claim 1 9 and to an assembly according to the preamble of claim 20.
- DCB method direct copper bond technology
- metal layers or sheets eg copper sheets or sheets
- ceramic or ceramic layers using metal sheets.
- copper sheets or metal or copper foils which have on their surface sides a layer or a coating (reflow layer) of a chemical compound of the metal and a reactive gas, preferably oxygen
- this layer or coating forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper), so that by placing the film on the ceramic and by heating all the layers they can be connected to each other, namely by melting the metal or copper in W1 genentlich only in the region of the melting or oxide layer.
- the metal eg copper
- This DCB method then indicates e.g. the following process steps:
- active soldering method (DE 22131 1 5, EP-A-153 618), e.g. for joining metallization-forming metal layers or metal foils, in particular also copper layers or copper foils or aluminum layers or aluminum foils with ceramic material.
- this method which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800 - 1000 ° C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, using a brazing filler metal, which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold.
- This active metal which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a chemical bond between the solder and the ceramic, while the bond between the solder and the metal is a metallic braze joint ,
- hollow bodies in the form of active heat sinks or coolers consisting of a plurality of stacked metal layers or metal foils (stacking) which are formed by bonding or bonding, e.g. by soldering, diffusion bonding or by means of the DMB method are interconnected.
- bonding e.g. by soldering, diffusion bonding or by means of the DMB method.
- the disadvantage here is, inter alia, that the entire stack of the metal l Hornen for bonding or bonding heated to high temperature and the diffusion welding must also be additionally subjected to high pressure, whereby the structure of the metal layers at least partially changed and in particular the hardness the metal layers decreases.
- bonding material such as e.g. the solder or the eutectic melt in solder joints in
- Openings and / or recesses flow, which are introduced into the metal layers in the interior of the stack for the formation of cavities or cooling channels, and these openings or depressions or the cavities or cooling channels formed by these flows clogged.
- Galvanic or other methods to be produced on the metal layers or metal foils corrosion protection layers can not be applied before stacking, since these layers are changed during bonding or bonding by alloying and lose their protective effect in the rule. Applying the anticorrosion coatings after the Joining is not possible or insufficiently possible. Incompletely applied
- Corrosion protection coatings often even increase the corrosion by forming local electrical elements between different metals.
- Another disadvantage of previous methods consists in long process times, which are necessary for the joining and caused by the heating and cooling process.
- the object of the invention is to provide a method which avoids the aforementioned disadvantages and simplifies the production of hollow bodies from at least two arranged in a stack and interconnected metal layers or metal foils.
- a method according to claim 1 is formed.
- a hollow body, in particular a cooler, is the subject matter of patent claim 19.
- An assembly with such a cooler is the subject matter of patent claim 20.
- Bonding layers are produced by sintering or are sintered layers and there are no melting processes during the bonding process, significantly finer structures can be achieved. As a result, u.a. an enlargement of the inner surface of the respective
- Anticorrosive coatings can be applied prior to bonding and will not change properties due to the relatively low sintering temperature.
- the sintered material sinters only at those areas where the sintering pressure is effective and the sintering flow flows. Residual or excess and unsintered sintered material can be washed out after sintering.
- the sintering material used is preferably a metal powder made of copper or a copper alloy or a material containing this metal powder.
- the sintering temperature is then significantly below the melting point of the copper or copper alloy of both the metal layer and the sintered material.
- metal layers of aluminum or an aluminum alloy and a sintered material in the form of a metal powder of aluminum or an aluminum alloy or a sintered material containing this metal powder is well below the melting point of the aluminum or aluminum alloy of both the metal layer and the sintered material.
- metal layers and sintered material made of aluminum or an aluminum alloy results in a significant simplification compared to conventional joining or bonding method, since the connection of the metal layers takes place without vacuum and without special flux.
- active coolers are, in particular, hollow bodies whose cavities form cooling channels which contain or are traversed by a heat-transporting medium or cooling medium.
- Fig. 1 in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler or an active heat sink;
- FIG. 2 is a schematic representation of various method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 1;
- FIG. 3 shows in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler according to another embodiment of the invention.
- FIG. 4 shows a schematic illustration of different method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 3;
- FIG. 5 shows in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler according to another embodiment of the invention.
- FIG. 6 is a schematic representation of various method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 5;
- FIG. 5 shows in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler according to another embodiment of the invention.
- FIG. 8 is a schematic representation of various method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 7;
- FIG. 9 is a schematic representation of various partial steps of the method for producing the hollow body of FIGS. 1, 3, 5 and 7 in a further embodiment of the invention; Fig. 10 and 1 1 each time the course of the sintering current Is in the manufacture of
- 1 is a hollow body in the form of a cooler.
- the hollow body consists of a plurality of stack-like stacked metal layers 2-5, which are each formed by metal foils and are bonded to one another via bonding layers in the form of sintered layers 6-8 by sintering.
- the sinter layers 6 - 8 are part of
- Stack arrangement ie in each case a sintered layer 6 - 8 is between two metal layers 2-5 arranged.
- the two metal layers 2 and 5 form the outer layers and the upper and
- the arranged between the metal layers 2 and 5 metal layers 3 and 4 form cavities 9 of the hollow body 1, d. H. when using the hollow body 1 as an active cooler the flowed through by a vapor and / or gaseous or preferably by a liquid heat transport medium or cooling medium cooling structure of the radiator.
- the cavities or cooling er réelle is closed at the top and bottom of the hollow body 1 by the local metal layers 2 and 5.
- connections which are indicated in the figure 1 schematically with 1 .1.
- the metal layers 3 and 4 are provided to form the cavities 9 and the radiator structure with a plurality of openings 10, of which in the illustrated embodiment, each opening 10 is continuous, d. H. from the one
- the formation and / or arrangement of the openings 10 is basically arbitrary, provided that the required radiator structure results, preferably a cooler structure with ever-branching cooling channels and / or with continuous posts 1 .2, which connect the metal layers 2 and 5 and made of the material Metal layers 2 and 4 and the sintered layers 6 - 8 exist.
- the openings 10 in the metal layers 3 and 4 are produced for example by punching, cutting (also laser cutting) or by etching in an etching masking process.
- FIG. 2 shows in the positions a - i the essential steps of the method for
- the upper metal layer 2 is provided.
- the metal layers 3 and 4 provided with the openings 10 are provided and then subsequently provided on a surface side with a layer 6.1 or 7.1 of sintered material according to the positions d and f, the sintered layer 6 after sintering later or 7 forms.
- the application of the layers 6.1 and 7.1 preferably takes place in such a way that the respective layer does not cover the openings 10.
- the metal layer 5 is provided and then provided according to the position h on a surface side with a layer 8.1 of the sintered material, which forms the sintered layer 8 after sintering.
- the individual metal layers 2-5 provided with the sintered material are stacked one above the other in accordance with the position i such that the metal layers 2-5 following one another in this stack abut each other over a layer 6.1, 7.1 or 8.1 from the sintered material. Subsequently, the stack thus formed between two electrodes 1 1 and 12 is arranged, of which the electrode 1 1 against the metal layers 3 and 4 facing away from the surface side
- Metal layer 2 and the electrode 12 against the metal layers 3 and 4 facing away from the surface side of the metal layer 5 is applied, in such a way that the respective electrode 1 1 or 12 with its electrode surface, the respective metallization 2 or 5 completely covered, but preferably protrudes beyond the edge of the stack formed by the metal layers 2-5.
- the electrode 1 1 is for example part of a press ram of a press, for example a hydraulic press for generating a high pressure or sintering pressure Ps.
- the electrode 12 is then part of a workpiece support of this press.
- the sintering or the formation of the metal layers 2-5 connecting and dense sintered layers 6 - 8 is carried out under sintering pressure Ps, on the electrodes 1 1 and 12 and thus on the metal layers 2-5 and the intermediate layer 6.1, 7.1 and 8.1 perpendicular to their surface sides is applied, and by a sintering current Is, which is provided by a current source 1 3, wherein the voltage between the electrodes 1 1 and 12 is low, for example in the range between 2V and 25V.
- the metal layers 2 - 5 as well as the sintering material used for the layers 6.1, 7.1 and 8.1 are electrically conductive, the formation of the sintered layers 6 - 8 by current or Sparksintern possible, the sintering current Is is of course adjusted so that the required sintering temperature is reached will, but will not melt.
- the sintered layer 8 is shown in FIGS. 1 and 2 as a continuous layer. Since, however, the sintering takes place only at those areas where the sintering pressure Ps is sufficiently effective and also the sintering flow Is flows, ie at the bottom of the
- Metal layer 4 outside the openings 10, and further residual or excess and not sintered sintered material can be washed out after sintering, is the
- Sintered layer 8 in the finished hollow body 1 also structured, i. not present at the openings 10 of the metal layer 4 or only with reduced thickness.
- FIG. 3 again shows, in section, a hollow body 1 a, which differs from the hollow body 1 essentially only in that the sintered layer 8 connecting the lower metal layer 5 to the overlying metal layer 4 is structured by already structured application of the layer 8 the cavities 9 at the of the
- Sintered layer 8 but are limited by the metal layer 5.
- FIG. 4 again shows in the positions a-i the essential steps of the method for producing the hollow body 1 a, whereby this method differs from the method of FIG. 2 only in that according to the position h the later
- Sintered layer 8 forming sintered material is already applied structured in the layer 8.1, in such a way that this material is located only where the metal layer 4 outside its openings 10 abuts against the layer 8.1. According to position i, the formation of the medium, in particular for the heat flowing through the cavities 9, is carried out by means of dense sintering layers 6 - 8 by application of the sintering pressure Ps and of the
- FIG. 5 shows, in a simplified sectional illustration as a further embodiment, a hollow body 1 b, which consists of an upper metal layer 14 and a lower metal layer 15. Both metal layers 14 and 15 are again metal foils.
- the lower metallization 1 5 is provided with indentations or depressions 17.
- the two metal layers 14 and 15 are in turn connected to one another by a dense sinter layer 18 dense at least for the heat-transporting medium or cooling medium.
- FIG. 6 shows, in the positions a-f, essential method steps in the production of the hollow body 1b.
- the metal layer 14 is provided and corresponding to the positions c and d, the metal layer 1 5 with the recesses 17 is formed from a metal layer corresponding to the metal layer 14, for example by pattern etching by means of a masking-etching method.
- a structured layer 18.1 of sintered material forming the later sinter layer 18 is then applied to the metal layer 1 5 in accordance with the position e, in such a way that the recesses 1 7 of the sintering layer 1
- a stack is then formed between the two metal layers 14 and 15 with the layer 18. 1 between the electrodes 1 1 and 12 and subjected to the sintering pressure P and through the stack by pressurizing the stack
- Sintering current I generates the two metal layers 14 and 1 5 connecting dense sinter layer 18.
- Figure 7 shows in section a hollow body 1 c, which differs from the hollow body of Figure 5 in that the metal layer 14 is provided with the recesses 1 7, in such a way that the recesses 1 7 in both metal layers 14 and 15th to the closed to the outside cavities 1 6 or to the closed to the outside radiator structure.
- the two metal layers 14 and 15 are in turn connected to one another via the structured, dense sintered layer 18.
- FIG. 8 shows, in the positions a-g, essential method steps of the method for producing the hollow body 1c, this method differing from the method of FIG. 6 only in that, corresponding to the positions a and g, the metal layer 14 with the recesses 17 is provided.
- the sintered layers 6 - 8 and 18 each extend over the entire surface of the adjacent metal layers 2 - 5, 14 and 1 5, although in the illustrated
- the respective metal layer before applying the layer 6.1, 7.1, 8.1 or 18.1 from the sintered material to be provided with a metallic intermediate layer 1 9, as in the figure 9 is exemplified for the metal layer 5 in the positions a and b.
- the structured or continuous layer 8.1 made of sintered material (positions c and d) is then applied to this metallic intermediate layer 19.
- the intermediate layer 1 9 may also be a corrosion protection layer or part of such a layer, which then extends for example over the entire exposed surface of the metal layer.
- Suitable materials for the metal layers 2 - 5, 14 and 1 5 include copper, aluminum, iron, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, silver, gold and alloys of the aforementioned metals, such as copper alloys, iron alloys,
- Silver alloys aluminum alloys, titanium alloys, but also multi-layer materials with layers of different metals, e.g. from the aforesaid metals or metal alloys.
- Suitable sintered material for the layers 6.1, 7.1, 8.1 and 18.1 is a sinterable particulate or powdered metallic material or a metal powder, for example of copper, silver, gold, aluminum, nickel, iron, titanium or alloys of the aforementioned metals, for example of copper alloys, iron alloys, silver alloys,
- the particle size of the sinterable particulate or powdery metallic material is, for example, in the range between 0.1 ⁇ and 50 ⁇ .
- the sintered material is present for example in monomodal, bimodal or trimodal form.
- the layers 6.1, 7.1, 8.1 and 18.1 each consist of the same material in the respective method and are applied, for example, with a layer thickness in the range between 5 ⁇ and 300 ⁇ .
- the application of the layers 6.1, 7.1, 8.1 and 18.1 takes place, for example, in a printing process, e.g. Screen printing process, by dispensing,
- Spraying / spraying, electrostatic or using applicator rollers are possible.
- Interlayer-bearing metal layers 2 - 5, 14 or 15 differs are suitable for example, copper, nickel, chromium, silver, gold, palladium, platinum or alloys of the aforementioned metals.
- the intermediate layer 19 can be applied in different ways, for example galvanically, by chemical deposition or by a CVD method, by sputtering, by plasma spraying, by cold gas spraying, etc.
- the thickness of the intermediate layer 1 9 is for example in the range between 0.05 ⁇ and 100 ⁇ .
- the sintering pressure Ps used during sintering is, for example, in the range between 0.5 kN / cm 2 to 6.0 kN / cm 2 .
- the sintering current Is is preferably chosen such that the current density in the region of the sintering layers 6 - 8, 18 to be produced, ie where the sintering process takes place, is in the range between 10 A / cm 2 and 300 A / cm 2 .
- Current maxima or current peaks is furthermore, as shown in FIG. 10, the use of a pulse-shaped sintering current Is, wherein the pulse width t1 of the respective current pulse lies in the range between 1 msec and 500 msec and the pulse interval t2 is in the range between 0 msec and 400 msec. It may also be appropriate according to the Figure 1 1, to superimpose the current pulses in addition with an alternating current or with smaller current pulses.
- the sintering pressure Ps is also impulsively applied, specifically in accordance with FIG. 12 in the form that a constant sintering pressure Psmin is superimposed on a pulse-shaped increase in the sintering pressure, so that the sintering pressure Ps changes in a pulse shape between a pressure Psmax and a value Psmin.
- the pressure Psmin is then for example between 0.05 Psmax and 0.98 Psmax, wherein Psmax is selected in the range between 0.5 kN / cm 2 and 6 kN / cm 2 .
- the period duration tp of the pulse-shaped pressurization is, for example, in the range between 0.5 msec and 3000 msec.
- the sintering pressure Ps increases during the sintering process from a sintering pressure Psmin and reaches the value Psmax before the end of the sintering process or the sintering phase, as shown in broken lines in FIG.
- a rising sintering pressure Ps is superimposed on a pulse-shaped changing sintering pressure.
- the increasing sintering pressure has the advantage, for example, that at the beginning of the sintering phase pre-sintering and thus at least some stabilization of the sintered material or of the sintered layers formed by this material takes place, while in the course of the sintering phase, in addition to the sintering, an increasing compression of the sintering layer Sintering material takes place so as to seal the at least for the heat-transporting medium
- these preferably also contain organic additives, such as, for example, cellulose.
- organic additives such as, for example, cellulose.
- drying and heating of the organic additives can be carried out by electric current even when arranged between the electrodes 1 1 and 12 stacking arrangement, with appropriate adjustment of the current density and the pressure P.
- the respective hollow body 1, 1 a - 1 c preferably forms an active cooler for electrical or electronic components 20, for example, for opto-electrical components, for example for diode laser bars.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere von Kühlern, Hohlkörper sowie Kühler enthaltende elektrische oder elektronische Baugruppen Process for the production of hollow bodies, in particular of coolers, hollow bodies and coolers containing electrical or electronic assemblies
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern gemäß The invention relates to a process for the preparation of hollow bodies according to
Oberbegriff Patentanspruch 1 , auf einen Hohlkörper, insbesondere Kühler gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 9 und auf eine Baugruppe entsprechend Oberbegriff Patentanspruch 20. The preamble of claim 1, to a hollow body, in particular radiator according to the preamble of claim 1 9 and to an assembly according to the preamble of claim 20.
Bekannt ist das sogenannte„DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z.B. Kupferblechen oder -folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, 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 For example, the so-called "DCB method" (direct copper bond technology) is known for connecting metal layers or sheets (eg copper sheets or sheets) to one another and / or to ceramic or ceramic layers, using metal sheets. or copper sheets or metal or copper foils which have on their surface sides a layer or a coating (reflow layer) of a chemical compound of the metal and a reactive gas, preferably oxygen
beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 1 9 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), sodass 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 W1 esentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht. For example, in US-PS 37 44 120 or in DE-PS 23 1 9 854 described method, this layer or coating (reflow) forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper), so that by placing the film on the ceramic and by heating all the layers they can be connected to each other, namely by melting the metal or copper in W1 genentlich only in the region of the melting or oxide layer.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf: This DCB method then indicates e.g. the following process steps:
• Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt; • Oxidizing a copper foil so that a uniform copper oxide layer results;
• 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 to room temperature.
Analog zu diesem vorgenannten DCB-Verfahren zum Direct-Bonden von Kupfer auf Kupfer oder Kupfer auf Keramik sind auch andere Direct-Metal-Bond-Verfahren- oder Technologien bekannt, mit denen in analoger Weise das Verbinden von Metallschichten oder -blechen ganz allgemein miteinander und/oder mit Keramik- oder Keramikschichten möglich ist. Das DCB- Verfahren und die mit diesem analogen Verfahren werden nachstehend als DMB-Verfahren (Direct-Metal-Bond-Verfahren) bezeichnet werden. Analogous to this aforementioned DCB method for direct bonding of copper to copper or copper on ceramic, other direct metal bonding processes or technologies are also known with which, in an analogous manner, the joining of metal layers or sheets in general with each other and / or with ceramic or ceramic layers is possible. The DCB The method and method analogous to it will hereinafter be referred to as DMB (Direct Metal Bond) method.
Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot- Verfahren (DE 22131 1 5; EP-A-153 618) z.B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien oder Aluminiumschichten oder Aluminiumfolien mit Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall- Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800 - 1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist. Also known is the so-called active soldering method (DE 22131 1 5, EP-A-153 618), e.g. for joining metallization-forming metal layers or metal foils, in particular also copper layers or copper foils or aluminum layers or aluminum foils with ceramic material. In this method, which is also used especially for the production of metal-ceramic substrates, at a temperature between about 800 - 1000 ° C, a connection between a metal foil, such as copper foil, and a ceramic substrate, such as aluminum nitride ceramic, using a brazing filler metal, which also contains an active metal in addition to a main component such as copper, silver and / or gold. This active metal, which is, for example, at least one element of the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, establishes a chemical bond between the solder and the ceramic, while the bond between the solder and the metal is a metallic braze joint ,
Bekannt sind auch Hohlkörper in Form von aktiven Kühlkörpern oder Kühlern bestehend aus mehreren gestapelten Metallschichten oder Metallfol ien (Stapelbildung), die durch Verbinden oder Bonden, z.B. durch Löten, Diffusionsschweißen oder mittels des DMB-Verfahrens miteinander verbunden sind. Nachteilig hierbei ist unter anderem, dass der gesamte Stapel aus den Metal lschichten für das Verbinden oder Bonden auf hohe Temperatur erwärmt und beim Diffusionsschweißen auch noch zusätzlich mit hohem Druck beaufschlagt werden muss, wodurch sich das Gefüge der Metallschichten zumindest zum Teil verändert und insbesondere die Härte der Metallschichten abnimmt. Weiterhin lässt sich vielfach nicht verhindern, dass Bondmaterial, wie z.B. das Lot bzw. die eutektische Schmelze bei Lötverbindungen in Also known are hollow bodies in the form of active heat sinks or coolers consisting of a plurality of stacked metal layers or metal foils (stacking) which are formed by bonding or bonding, e.g. by soldering, diffusion bonding or by means of the DMB method are interconnected. The disadvantage here is, inter alia, that the entire stack of the metal lschichten for bonding or bonding heated to high temperature and the diffusion welding must also be additionally subjected to high pressure, whereby the structure of the metal layers at least partially changed and in particular the hardness the metal layers decreases. Furthermore, it is often not possible to prevent bonding material, such as e.g. the solder or the eutectic melt in solder joints in
Öffnungen und/oder Vertiefungen fließt, die in die Metallschichten im Inneren des Stapels zur Ausbildung von Hohlräumen bzw. Kühlkanälen eingebracht sind, und diese Öffnungen oder Vertiefungen bzw. die von diesen gebildeten Hohlräume oder Kühlkanäle verstopft. Openings and / or recesses flow, which are introduced into the metal layers in the interior of the stack for the formation of cavities or cooling channels, and these openings or depressions or the cavities or cooling channels formed by these flows clogged.
Galvanische oder mit anderen Methoden auf den Metallschichten oder Metallfolien zu erzeugende Korrosionsschutzschichten lassen sich vor der Stapelbildung nicht aufbringen, da diese Schichten beim Verbinden oder Bonden durch Legieren verändert werden und so ihre Schutzwirkung in der Regel verlieren. Ein Aufbringen der Korrosionsschutzschichten nach dem Fügen ist nicht oder nur unzureichend möglich. Unvollständig aufgebrachte Galvanic or other methods to be produced on the metal layers or metal foils corrosion protection layers can not be applied before stacking, since these layers are changed during bonding or bonding by alloying and lose their protective effect in the rule. Applying the anticorrosion coatings after the Joining is not possible or insufficiently possible. Incompletely applied
Korrosionsschutzschichten erhöhen vielfach sogar die Korrosion durch Bildung lokaler elektrischer Elemente zwischen unterschiedlichen Metallen. Ein weiterer Nachteil bisheriger Verfahren besteht in langen Prozesszeiten, die für das Fügen notwendig und durch den Aufheiz- und Abkühlprozess bedingt sind. Corrosion protection coatings often even increase the corrosion by forming local electrical elements between different metals. Another disadvantage of previous methods consists in long process times, which are necessary for the joining and caused by the heating and cooling process.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet und die Herstellung von Hohlkörpern aus wenigstens zwei zu einem Stapel angeordneten und miteinander verbundenen Metallschichten oder Metallfolien vereinfacht. The object of the invention is to provide a method which avoids the aforementioned disadvantages and simplifies the production of hollow bodies from at least two arranged in a stack and interconnected metal layers or metal foils.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Hohlkörper insbesondere Kühler ist Gegenstand des Patentanspruchs 19. Eine Baugruppe mit einem solchen Kühler ist Gegenstand des Patentanspruchs 20. To solve this problem, a method according to claim 1 is formed. A hollow body, in particular a cooler, is the subject matter of patent claim 19. An assembly with such a cooler is the subject matter of patent claim 20.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind u.a.: The main advantages of the method according to the invention are, inter alia:
Es ist nur ein geringfügiges Erwärmen des Fügegutes, nämlich der Metallschichten oder It is only a slight heating of the joining material, namely the metal layers or
Metallfolien beim Fügen oder Bonden erforderlich. Metal foils required during joining or bonding.
Wegen der nur geringen Erwärmung während des Füge- oder Bondprozesses treten keine oder im Wesentlichen keine Veränderungen der Materialeigenschaften der Metallschichten ein. Dadurch, dass die die Metallschichten oder -folien verbindenden Bond- oder Because of the only slight heating during the joining or bonding process, no or substantially no changes in the material properties of the metal layers occur. Characterized in that the bonding or bonding the metal layers or foils
Verbindungsschichten durch Sintern erzeugt werden bzw. Sinterschichten sind und keine Schmelzvorgänge während des Bondprozesses vorliegen, können erheblich feinere Strukturen erreicht werden. Hierdurch sind u.a. eine Vergrößerung der Innenfläche des jeweiligen Bonding layers are produced by sintering or are sintered layers and there are no melting processes during the bonding process, significantly finer structures can be achieved. As a result, u.a. an enlargement of the inner surface of the respective
Hohlraumes und damit eine verbesserte Wärmeübertragung möglich. Cavity and thus improved heat transfer possible.
Korrosionsschutzschichten können vor dem Verbinden aufgebracht werden und verändern ihre Eigenschaften wegen der relativ niedrigen Sintertemperatur nicht. Anticorrosive coatings can be applied prior to bonding and will not change properties due to the relatively low sintering temperature.
Das Sintermaterial sintert nur an solchen Bereichen, an denen der Sinterdruck wirksam ist und der Sinterstrom fließt. Restliches bzw. überschüssiges und nicht gesintertes Sintermaterial kann nach dem Sintern ausgewaschen werden. The sintered material sinters only at those areas where the sintering pressure is effective and the sintering flow flows. Residual or excess and unsintered sintered material can be washed out after sintering.
Durch reduzierte Prozesszeit ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der Herstellungskosten. Bestehen die Metallschichten oder Metallfolien beispielsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, so eignet sich als Sintermaterial bevorzugt ein Metallpulver aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder ein dieses Metallpulver enthaltendes Material. Die Sintertemperatur liegt dabei dann deutlich unter dem Schmelzpunkt des Kupfers oder der Kupferlegierung sowohl der Metallschicht als auch des Sintermaterials. Gleiches gilt auch bei Verwendung von Metallschichten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und eines Sintermaterials in Form eines Metallpulvers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder eines dieses Metallpulver enthaltenden Sintermaterials. Auch hier liegt die Sintertemperatur deutlich unter dem Schmelzpunkt des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung sowohl der Metallschicht als auch des Sintermaterials. Reduced process time results in a considerable reduction in production costs. If the metal layers or metal foils consist, for example, of copper or of a copper alloy, the sintering material used is preferably a metal powder made of copper or a copper alloy or a material containing this metal powder. The sintering temperature is then significantly below the melting point of the copper or copper alloy of both the metal layer and the sintered material. The same applies when using metal layers of aluminum or an aluminum alloy and a sintered material in the form of a metal powder of aluminum or an aluminum alloy or a sintered material containing this metal powder. Again, the sintering temperature is well below the melting point of the aluminum or aluminum alloy of both the metal layer and the sintered material.
Speziell bei Verwendung von Metallschichten und Sintermaterial aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung gegenüber herkömmlichen Füge- oder Bondverfahren, da die Verbindung der Metallschichten ohne Vakuum und ohne spezielle Flussmittel erfolgt. Especially when using metal layers and sintered material made of aluminum or an aluminum alloy results in a significant simplification compared to conventional joining or bonding method, since the connection of the metal layers takes place without vacuum and without special flux.
„Aktive Kühler" sind im Sinne der Erfindung insbesondere Hohlkörper, deren Hohlräume Kühlkanäle bilden, die ein Wärme transportierendes Medium oder Kühlmedium enthalten oder von diesem durchströmt werden. For the purposes of the invention, "active coolers" are, in particular, hollow bodies whose cavities form cooling channels which contain or are traversed by a heat-transporting medium or cooling medium.
Der Ausdruck„im Wesentlichen" bzw.„etwa" bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen. The expression "essentially" or "approximately" in the sense of the invention means deviations from the exact value by +/- 10%, preferably by +/- 5% and / or deviations in the form of changes that are insignificant for the function.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Further developments, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and from the figures. In this case, all described and / or illustrated features alone or in any combination are fundamentally the subject of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency. Also, the content of the claims is made an integral part of the description. The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers oder einer aktiven Wärmesenke; Fig. 1 in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler or an active heat sink;
Fig. 2 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der Figur 1 ; FIG. 2 is a schematic representation of various method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 1; FIG.
Fig. 3 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 3 shows in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler according to another embodiment of the invention;
Fig. 4 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der Figur 3; 4 shows a schematic illustration of different method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 3;
Fig. 5 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 5 shows in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler according to another embodiment of the invention;
Fig. 6 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der Figur 5; FIG. 6 is a schematic representation of various method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 5; FIG.
Fig. 5 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt einen Hohlkörper in Form eines aktiven Kühlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 5 shows in a simplified representation and in section a hollow body in the form of an active cooler according to another embodiment of the invention;
Fig. 8 in schematischer Darstellung verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der Figur 7; FIG. 8 is a schematic representation of various method steps of the method for producing the hollow body of FIG. 7; FIG.
Fig. 9 in schematischer Darstellung verschiedene Teilschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers der Figuren 1 , 3, 5 und 7 bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 10 und 1 1 jeweils den zeitlichen Verlauf des Sinterstromes Is beim Herstellen der 9 is a schematic representation of various partial steps of the method for producing the hollow body of FIGS. 1, 3, 5 and 7 in a further embodiment of the invention; Fig. 10 and 1 1 each time the course of the sintering current Is in the manufacture of
Hohlkörper der Figuren 1 , 3, 5 und 7; Hollow body of Figures 1, 3, 5 and 7;
Fig. 12 den zeitlichen Verlauf des Sinterdrucks Ps beim Herstellen des Hohlkörper der Figuren 1 , 3, 5 oder 7. 12 shows the time profile of the sintering pressure Ps during the production of the hollow body of FIGS. 1, 3, 5 or 7.
In den Figuren 1 und 2 ist 1 ein Hohlkörper in Form eines Kühlers. Der Hohlkörper besteht aus mehreren durch Stapelbildung stapelartigen übereinander angeordneten Metallschichten 2 - 5, die jeweils von Metallfolien gebildet sind und über Bondschichten in Form von Sinterschichten 6 - 8 durch Sinter miteinander verbunden sind. Die Sinterschichten 6 - 8 sind Teil der In FIGS. 1 and 2, 1 is a hollow body in the form of a cooler. The hollow body consists of a plurality of stack-like stacked metal layers 2-5, which are each formed by metal foils and are bonded to one another via bonding layers in the form of sintered layers 6-8 by sintering. The sinter layers 6 - 8 are part of
Stapelanordnung, d.h. jeweils eine Sinterschicht 6 - 8 ist zwischen zwei Metallschichten 2 - 5 angeordnet. Stack arrangement, ie in each case a sintered layer 6 - 8 is between two metal layers 2-5 arranged.
Die beiden Metallschichten 2 und 5 bilden die äußeren Schichten bzw. die Ober- und The two metal layers 2 and 5 form the outer layers and the upper and
Unterseite des Hohlkörpers 1 . Die zwischen den Metallschichten 2 und 5 angeordneten Metallschichten 3 und 4 bilden Hohlräume 9 des Hohlkörpers 1 , d. h. bei Verwendung des Hohlkörpers 1 als aktiver Kühler die von einem dampf- und/oder gasförmigen oder bevorzugt von einem flüssigen Wärme transportierenden Medium oder Kühlmedium durchströmte Kühl erstruktur des Kühlers. Die Hohlräume bzw. Kühl erstruktur ist an der Oberseite und Unterseite des Hohlkörpers 1 durch die dortigen Metallschichten 2 und 5 verschlossen. Zum Zuführen und Abführen des Kühlmediums dienen Anschlüsse, die in der Figur 1 schematisch mit 1 .1 bezeichnet sind. Die Metallschichten 3 und 4 sind zur Ausbildung der Hohlräume 9 bzw. der Kühlerstruktur mit einer Vielzahl von Öffnungen 10 versehen, von denen bei der dargestellten Ausführungsform jede Öffnung 10 durchgängig ist, d. h. von der einen Bottom of the hollow body 1. The arranged between the metal layers 2 and 5 metal layers 3 and 4 form cavities 9 of the hollow body 1, d. H. when using the hollow body 1 as an active cooler the flowed through by a vapor and / or gaseous or preferably by a liquid heat transport medium or cooling medium cooling structure of the radiator. The cavities or cooling erstruktur is closed at the top and bottom of the hollow body 1 by the local metal layers 2 and 5. For supplying and discharging the cooling medium are connections, which are indicated in the figure 1 schematically with 1 .1. The metal layers 3 and 4 are provided to form the cavities 9 and the radiator structure with a plurality of openings 10, of which in the illustrated embodiment, each opening 10 is continuous, d. H. from the one
Oberflächenseite bis an die andere Oberflächenseite der Metallschichten 3 und 4 reicht. Die Ausbildung und/oder Anordnung der Öffnungen 10 ist grundsätzlich beliebig, sofern sich die erforderliche Kühlerstruktur ergibt, vorzugsweise eine Kühlerstruktur mit sich ständig verzweigenden Kühlkanälen und/oder mit durchgehenden Pfosten 1 .2, die die Metallschichten 2 und 5 verbinden und aus dem Material der Metallschichten 2 und 4 und der Sinterschichten 6 - 8 bestehen. Die Öffnungen 10 in den Metallschichten 3 und 4 sind beispielsweise durch Stanzen, Schneiden (auch Laserschneiden) oder durch Ätzen in einem Ätz-Maskierungs- Verfahren erzeugt. Surface side to the other surface side of the metal layers 3 and 4 extends. The formation and / or arrangement of the openings 10 is basically arbitrary, provided that the required radiator structure results, preferably a cooler structure with ever-branching cooling channels and / or with continuous posts 1 .2, which connect the metal layers 2 and 5 and made of the material Metal layers 2 and 4 and the sintered layers 6 - 8 exist. The openings 10 in the metal layers 3 and 4 are produced for example by punching, cutting (also laser cutting) or by etching in an etching masking process.
Die Figur 2 zeigt in den Positionen a - i die wesentlichen Schritte des Verfahrens zum FIG. 2 shows in the positions a - i the essential steps of the method for
Herstellen des Hohlkörpers 1 . Gemäß den Positionen a und b wird die obere Metallschicht 2 bereitgestellt. Entsprechend den Positionen c und e werden die mit den Öffnungen 10 versehen Metallschichten 3 und 4 bereitgestellt und dann anschließend entsprechend den Positionen d und f jeweils an einer Oberflächenseite mit einer Schicht 6.1 bzw. 7.1 aus Sintermaterial versehen, die später nach dem Sintern die Sinterschicht 6 bzw. 7 bildet. Das Aufbringen der Schichten 6.1 und 7.1 erfolgt bevorzugt derart, dass die jeweilige Schicht die Öffnungen 10 nicht abdeckt. Entsprechend der Position g wird die Metallschicht 5 bereitgestellt und dann entsprechend der Position h an einer Oberflächenseite mit einer Schicht 8.1 aus dem Sintermaterial versehen, welche nach dem Sintern die Sinterschicht 8 bildet. Die einzelnen mit dem Sintermaterial versehenen Metallschichten 2 - 5 werden entsprechend der Position i derart übereinander gestapelt, dass die in diesem Stapel aufeinander folgende Metallschichten 2 - 5 jeweils über eine Schicht 6.1 , 7.1 bzw. 8.1 aus dem Sintermaterial aneinander anliegen. Im Anschluss daran wird der so gebildete Stapel zwischen zwei Elektroden 1 1 und 12 angeordnet, von denen die Elektrode 1 1 gegen die den Metallschichten 3 und 4 abgewandte Oberflächenseite der Production of the hollow body 1. According to the positions a and b, the upper metal layer 2 is provided. Corresponding to the positions c and e, the metal layers 3 and 4 provided with the openings 10 are provided and then subsequently provided on a surface side with a layer 6.1 or 7.1 of sintered material according to the positions d and f, the sintered layer 6 after sintering later or 7 forms. The application of the layers 6.1 and 7.1 preferably takes place in such a way that the respective layer does not cover the openings 10. Corresponding to the position g, the metal layer 5 is provided and then provided according to the position h on a surface side with a layer 8.1 of the sintered material, which forms the sintered layer 8 after sintering. The individual metal layers 2-5 provided with the sintered material are stacked one above the other in accordance with the position i such that the metal layers 2-5 following one another in this stack abut each other over a layer 6.1, 7.1 or 8.1 from the sintered material. Subsequently, the stack thus formed between two electrodes 1 1 and 12 is arranged, of which the electrode 1 1 against the metal layers 3 and 4 facing away from the surface side
Metallschicht 2 und die Elektrode 12 gegen die den Metall schichten 3 und 4 abgewandte Oberflächenseite der Metallschicht 5 anliegt, und zwar in derart, dass die jeweilige Elektrode 1 1 bzw. 12 mit ihrer Elektrodenfläche die betreffende Metallisierung 2 bzw. 5 vollständig überdeckt, vorzugsweise aber über den Rand des von den Metallschichten 2 - 5 gebildeten Stapels vorsteht. Die Elektrode 1 1 ist dabei beispielsweise Bestandteil eines Presstempels einer Presse, zum Beispiel einer Hydraulikpresse zur Erzeugung eines hohen Press- oder Sinterdrucks Ps. Die Elektrode 12 ist dann Bestandteil einer Werkstückauflage dieser Presse. Metal layer 2 and the electrode 12 against the metal layers 3 and 4 facing away from the surface side of the metal layer 5 is applied, in such a way that the respective electrode 1 1 or 12 with its electrode surface, the respective metallization 2 or 5 completely covered, but preferably protrudes beyond the edge of the stack formed by the metal layers 2-5. The electrode 1 1 is for example part of a press ram of a press, for example a hydraulic press for generating a high pressure or sintering pressure Ps. The electrode 12 is then part of a workpiece support of this press.
Das Sintern bzw. die Ausbildung der die Metallschichten 2 - 5 verbindenden und auch dichten Sinterschichten 6 - 8 erfolgt unter Sinterdrucks Ps, der auf die Elektroden 1 1 und 12 und damit auf die Metallschichten 2 - 5 und die dazwischen liegende Schicht 6.1 , 7.1 und 8.1 senkrecht zu deren Oberflächenseiten aufgebracht wird, sowie durch einen Sinterstrom Is, der von einer Stromquelle 1 3 bereitgestellt wird, wobei die Spannung zwischen den Elektroden 1 1 und 12 niedrig ist, beispielsweise im Bereich zwischen 2V und 25V. The sintering or the formation of the metal layers 2-5 connecting and dense sintered layers 6 - 8 is carried out under sintering pressure Ps, on the electrodes 1 1 and 12 and thus on the metal layers 2-5 and the intermediate layer 6.1, 7.1 and 8.1 perpendicular to their surface sides is applied, and by a sintering current Is, which is provided by a current source 1 3, wherein the voltage between the electrodes 1 1 and 12 is low, for example in the range between 2V and 25V.
Da die Metallschichten 2 - 5 sowie auch das für die Schichten 6.1 , 7.1 und 8.1 verwendete Sintermaterial elektrisch leitend sind, ist die Ausbildung der Sinterschichten 6 - 8 durch Stromoder Sparksintern möglich, wobei der Sinterstrom Is selbstverständlich so eingestellt ist, dass die erforderliche Sintertemperatur erreicht wird, aber keine Schmelzvorgänge eintreten. Since the metal layers 2 - 5 as well as the sintering material used for the layers 6.1, 7.1 and 8.1 are electrically conductive, the formation of the sintered layers 6 - 8 by current or Sparksintern possible, the sintering current Is is of course adjusted so that the required sintering temperature is reached will, but will not melt.
Die Sinterschicht 8 ist in den Figuren 1 und 2 als durchgehende Schicht dargestellt. Da das Sintern aber grundsätzlich nur an solchen Bereichen erfolgt, an denen der Sinterdruck Ps ausreichend wirksam ist und auch der Sinterstrom Is fließt, also an der Unterseite der The sintered layer 8 is shown in FIGS. 1 and 2 as a continuous layer. Since, however, the sintering takes place only at those areas where the sintering pressure Ps is sufficiently effective and also the sintering flow Is flows, ie at the bottom of the
Metallschicht 4 außerhalb der Öffnungen 10, und weiterhin restliches bzw. überschüssiges und nicht gesintertes Sintermaterial nach dem Sintern ausgewaschen werden kann, ist die Metal layer 4 outside the openings 10, and further residual or excess and not sintered sintered material can be washed out after sintering, is the
Sinterschicht 8 im fertigen Hohlkörper 1 ebenfalls strukturiert, d.h. an den Öffnungen 10 der Metallschicht 4 nicht oder nur mit reduzierter Dicke vorhanden. Sintered layer 8 in the finished hollow body 1 also structured, i. not present at the openings 10 of the metal layer 4 or only with reduced thickness.
Die Figur 3 zeigt wiederum im Schnitt einen Hohlkörper 1 a, der sich von dem Hohlkörper 1 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass die die untere Metallschicht 5 mit der darüberliegenden Metallschicht 4 verbindende Sinterschicht 8 durch bereits strukturiertes Aufbringen der Schicht 8.1 strukturiert ist, so dass die Hohlräume 9 an der von der FIG. 3 again shows, in section, a hollow body 1 a, which differs from the hollow body 1 essentially only in that the sintered layer 8 connecting the lower metal layer 5 to the overlying metal layer 4 is structured by already structured application of the layer 8 the cavities 9 at the of the
Metallschicht 5 gebildeten Unterseite des Hohlkörpers 1 a zuverlässig nicht durch die Metal layer 5 formed underside of the hollow body 1 a reliably not through the
Sinterschicht 8 sondern durch die Metallschicht 5 begrenzt sind. Sintered layer 8 but are limited by the metal layer 5.
Die Figur 4 zeigt wiederum in den Positionen a - i die wesentlichen Schritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers 1 a, wobei sich dieses Verfahren von dem Verfahren der Figur 2 lediglich dadurch unterscheidet, dass entsprechend der Position h das die spätere FIG. 4 again shows in the positions a-i the essential steps of the method for producing the hollow body 1 a, whereby this method differs from the method of FIG. 2 only in that according to the position h the later
Sinterschicht 8 bildende Sintermaterial bei der Schicht 8.1 bereits strukturiert aufgebracht wird, und zwar derart, dass sich dieses Material nur dort befindet, wo die Metallschicht 4 außerhalb ihrer Öffnungen 10 gegen die Schicht 8.1 anliegt. Entsprechend der Position i erfolgt die Ausbildung der insbesondere für das die Hohlräume 9 durchströmende Wärme transportierende Medium dichten Sinterschichten 6 - 8 durch Aufbringen des Sinterdruckes Ps und des Sintered layer 8 forming sintered material is already applied structured in the layer 8.1, in such a way that this material is located only where the metal layer 4 outside its openings 10 abuts against the layer 8.1. According to position i, the formation of the medium, in particular for the heat flowing through the cavities 9, is carried out by means of dense sintering layers 6 - 8 by application of the sintering pressure Ps and of the
Sinterstromes Is über die Elektroden 1 1 und 12. Sinterstromes Is across the electrodes 1 1 and 12th
Die Figur 5 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung als weitere Ausführungsform einen Hohlkörper 1 b, der aus einer oberen Metallschicht 14 und einer unteren Metallschicht 1 5 besteht. Beide Metallschichten 14 und 15 sind wiederum Metallfolien. Zur Ausbildung von nach außen hin geschlossenen Hohlräumen 1 6 bzw. einer von dem Wärme transportierenden Medium oder Kühlmedium durchströmbaren Kühlerstruktur ist die untere Metallisierung 1 5 mit Einprägungen oder Vertiefungen 1 7 versehen. Die beiden Metallschichten 14 und 1 5 sind wiederum durch eine zumindest für das Wärme transportierende Medium oder Kühlmedium dichte Sinterschicht 18 miteinander verbunden. FIG. 5 shows, in a simplified sectional illustration as a further embodiment, a hollow body 1 b, which consists of an upper metal layer 14 and a lower metal layer 15. Both metal layers 14 and 15 are again metal foils. In order to form cavities 1 6 closed to the outside or a cooler structure through which the heat-transporting medium or cooling medium flows, the lower metallization 1 5 is provided with indentations or depressions 17. The two metal layers 14 and 15 are in turn connected to one another by a dense sinter layer 18 dense at least for the heat-transporting medium or cooling medium.
Die Figur 6 zeigt in den Positionen a - f wesentliche Verfahrensschritte beim Herstellen des Hohlkörpers 1 b. Entsprechend den Positionen a und b wird die Metallschicht 14 bereit gestellt und entsprechend den Positionen c und d wird aus einer der Metallschicht 14 entsprechenden Metallschicht die Metallschicht 1 5 mit den Vertiefungen 1 7 gebildet, beispielsweise durch Strukturätzen mittels eines Maskierungs-Ätz-Verfahrens. Auf die Metallschicht 1 5 wird dann entsprechend der Position e eine die spätere Sinterschicht 18 bildende strukturierte Schicht 18.1 aus Sintermaterial aufgebracht, und zwar derart, dass die Vertiefungen 1 7 von dem FIG. 6 shows, in the positions a-f, essential method steps in the production of the hollow body 1b. Corresponding to the positions a and b, the metal layer 14 is provided and corresponding to the positions c and d, the metal layer 1 5 with the recesses 17 is formed from a metal layer corresponding to the metal layer 14, for example by pattern etching by means of a masking-etching method. A structured layer 18.1 of sintered material forming the later sinter layer 18 is then applied to the metal layer 1 5 in accordance with the position e, in such a way that the recesses 1 7 of the sintering layer 1
Sintermaterial nicht abgedeckt sind. Entsprechend der Position f wird dann aus den beiden Metallschichten 14 und 15 mit der Schicht 18.1 ein Stapel zwischen den Elektroden 1 1 und 12 gebildet und unter Beaufschlagung des Stapels mit dem Sinterdruck P und durch den Sintered material is not covered. In accordance with position f, a stack is then formed between the two metal layers 14 and 15 with the layer 18. 1 between the electrodes 1 1 and 12 and subjected to the sintering pressure P and through the stack by pressurizing the stack
Sinterstrom I die die beiden Metallschichten 14 und 1 5 verbindende dichte Sinterschicht 18 erzeugt. Sintering current I generates the two metal layers 14 and 1 5 connecting dense sinter layer 18.
Figur 7 zeigt im Schnitt einen Hohlkörper 1 c, der sich von dem Hohlkörper der Figur 5 dadurch unterscheidet, dass auch die Metallschicht 14 mit den Vertiefungen 1 7 versehen ist, und zwar derart, dass sich die Vertiefungen 1 7 in beiden Metallschichten 14 und 15 zu den nach außen hin geschlossenen Hohlräumen 1 6 bzw. zu der nach außen hin geschlossenen Kühlerstruktur ergänzen. Über die strukturierte, dichte Sinterschicht 18 sind die beiden Metallschichten 14 und 15 wiederum miteinander verbunden. Figure 7 shows in section a hollow body 1 c, which differs from the hollow body of Figure 5 in that the metal layer 14 is provided with the recesses 1 7, in such a way that the recesses 1 7 in both metal layers 14 and 15th to the closed to the outside cavities 1 6 or to the closed to the outside radiator structure. The two metal layers 14 and 15 are in turn connected to one another via the structured, dense sintered layer 18.
Die Figur 8 zeigt in den Positionen a - g wesentliche Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen des Hohlkörpers 1 c, wobei sich dieses Verfahren von dem Verfahren der Figur 6 nur dadurch unterscheidet, dass entsprechend den Positionen a und g die Metallschicht 14 mit den Vertiefungen 1 7 versehen wird. FIG. 8 shows, in the positions a-g, essential method steps of the method for producing the hollow body 1c, this method differing from the method of FIG. 6 only in that, corresponding to the positions a and g, the metal layer 14 with the recesses 17 is provided.
Die Sinterschichten 6 - 8 und 18 erstrecken sich jeweils über die gesamte Fläche der benachbarten Metallschichten 2 - 5, 14 und 1 5, wobei allerdings bei den dargestellten The sintered layers 6 - 8 and 18 each extend over the entire surface of the adjacent metal layers 2 - 5, 14 and 1 5, although in the illustrated
Ausführungsformen auf jeden Fall an den Metallschichten 3, 4, 14 und 15 die Öffnungen 10 und Vertiefungen 1 7 frei gehalten sind. Embodiments in any case on the metal layers 3, 4, 14 and 15, the openings 10 and recesses 1 7 are kept free.
Um das Sinterverfahren und/oder die Sinterverbindung zwischen den Metallschichten 2 - 5, 14 und 15 über die Sinterschichten 6 - 8, 18 zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, die betreffende Metallschicht vor dem Aufbringen der Schicht 6.1 , 7.1 , 8.1 bzw. 18.1 aus dem Sintermaterial mit einer metallischen Zwischenschicht 1 9 zu versehen, wie dies in der Figur 9 beispielhaft für die Metallschicht 5 in den Positionen a und b dargestellt ist. Auf diese metallische Zwischenschicht 19 wird dann die strukturierte oder durchgehende Schicht 8.1 aus Sintermaterial (Positionen c und d) aufgebracht. Die Zwischenschicht 1 9 kann auch eine Korrosionsschutzschicht oder Teil einer solchen Schicht sein, die sich dann beispielsweise über die gesamte frei liegende Fläche der Metallschicht erstreckt. In order to improve the sintering process and / or the sintering connection between the metal layers 2 - 5, 14 and 15 via the sintered layers 6 - 8, 18, it may be expedient to apply the respective metal layer before applying the layer 6.1, 7.1, 8.1 or 18.1 from the sintered material to be provided with a metallic intermediate layer 1 9, as in the figure 9 is exemplified for the metal layer 5 in the positions a and b. The structured or continuous layer 8.1 made of sintered material (positions c and d) is then applied to this metallic intermediate layer 19. The intermediate layer 1 9 may also be a corrosion protection layer or part of such a layer, which then extends for example over the entire exposed surface of the metal layer.
Als Material für die Metallschichten 2 - 5, 14 und 1 5 eignen sich unter anderem Kupfer, Aluminium, Eisen, Nickel, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Silber, Gold sowie Legierungen der vorgenannten Metalle, beispielsweise Kupferlegierungen, Eisenlegierungen, Suitable materials for the metal layers 2 - 5, 14 and 1 5 include copper, aluminum, iron, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, silver, gold and alloys of the aforementioned metals, such as copper alloys, iron alloys,
Silberlegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, aber auch Mehrschicht-Materialien mit Schichten unterschiedlicher Metalle, z.B. aus den vorgenannten Metallen oder Metall- Legierungen. Silver alloys, aluminum alloys, titanium alloys, but also multi-layer materials with layers of different metals, e.g. from the aforesaid metals or metal alloys.
Als Sintermaterial für die Schichten 6.1 , 7.1 , 8.1 und 18.1 eignet sich ein sinterfähiges partikel- oder pulverartiges metallisches Material bzw. ein Metallpulver, beispielsweise aus Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Nickel, Eisen, Titan oder aus Legierungen der vorgenannten Metalle, beispielsweise aus Kupferlegierungen, Eisenlegierungen, Silberlegierungen, Suitable sintered material for the layers 6.1, 7.1, 8.1 and 18.1 is a sinterable particulate or powdered metallic material or a metal powder, for example of copper, silver, gold, aluminum, nickel, iron, titanium or alloys of the aforementioned metals, for example of copper alloys, iron alloys, silver alloys,
Aluminiumlegierungen, Tantallegierungen, aber auch Gemische oder Pasten, die das sinterfähige partikel- oder pulverartige metallisches Material oder Metallpulver sowie weitere Zusätze enthalten. Die Partikelgröße des sinterfähigen partikel- oder pulverartigen metallischen Materials liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 μ und 50 μ. Das Sintermaterial liegt beispielsweise in monomodaler, bimodaler oder trimodaler Form vor. Aluminum alloys, tantalum alloys, but also mixtures or pastes containing the sinterable particulate or powdery metallic material or metal powder and other additives. The particle size of the sinterable particulate or powdery metallic material is, for example, in the range between 0.1 μ and 50 μ. The sintered material is present for example in monomodal, bimodal or trimodal form.
Die Schichten 6.1 , 7.1 , 8.1 und 18.1 bestehen bei dem jeweiligen Verfahren jeweils aus demselben Material und werden beispielsweise mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 5 μιη und 300 μιη aufgebracht. Das Aufbringen der Schichten 6.1 , 7.1 , 8.1 und 18.1 erfolgt beispielsweise in einem Druckverfahren, z.B. Siebdruckverfahren, durch Dispensen, The layers 6.1, 7.1, 8.1 and 18.1 each consist of the same material in the respective method and are applied, for example, with a layer thickness in the range between 5 μιη and 300 μιη. The application of the layers 6.1, 7.1, 8.1 and 18.1 takes place, for example, in a printing process, e.g. Screen printing process, by dispensing,
Sprühen/Spritzen, elektrostatisch oder unter Verwendung von Auftragswalzen. Auch anderen Verfahren sind möglich. Spraying / spraying, electrostatic or using applicator rollers. Other methods are possible.
Für die metallische Zwischenschicht 19, deren Metal l sich vom Metall der diese For the metallic intermediate layer 19, whose metal l is made of the metal of these
Zwischenschicht tragenden Metallschichten 2 - 5, 14 oder 15 unterscheidet, eignen sich beispielsweise Kupfer, Nickel, Chrom, Silber, Gold, Palladium, Platin oder Legierungen der vorgenannten Metalle. Die Zwischenschicht 19 kann auf unterschiedliche Weise aufgebracht werden, beispielsweise galvanisch, durch chemisches Abscheiden oder durch ein CVD- Verfahren, durch Spattern, durch Plasmaspritzen, durch Kaltgasspritzen usw. Die Dicke der Zwischenschicht 1 9 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,05 μιη und 100 μιη. Interlayer-bearing metal layers 2 - 5, 14 or 15 differs are suitable for example, copper, nickel, chromium, silver, gold, palladium, platinum or alloys of the aforementioned metals. The intermediate layer 19 can be applied in different ways, for example galvanically, by chemical deposition or by a CVD method, by sputtering, by plasma spraying, by cold gas spraying, etc. The thickness of the intermediate layer 1 9 is for example in the range between 0.05 μιη and 100 μιη.
Der beim Sintern verwendete Sinterdruck Ps liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 kN/cm2 bis 6,0 kN/cm2. Der Sinterstroms Is ist bevorzugt so gewählt, dass die Stromdichte im Bereich der zu erzeugenden Sinterschichten 6 - 8, 18, d.h. dort, wo der Sinterprozess stattfindet, im Bereich zwischen 10 A/cm2 und 300 A/cm2 beträgt. The sintering pressure Ps used during sintering is, for example, in the range between 0.5 kN / cm 2 to 6.0 kN / cm 2 . The sintering current Is is preferably chosen such that the current density in the region of the sintering layers 6 - 8, 18 to be produced, ie where the sintering process takes place, is in the range between 10 A / cm 2 and 300 A / cm 2 .
Zur Verbesserung der Sinterleistung und Erzielung eines Sinterstromes Is mit hohen To improve the sintering performance and achieve a sintering current Is with high
Strommaxima oder Stromspitzen ist weiterhin, wie in der Figur 10 dargestellt, die Verwendung eines impulsförmigen Sinterstromes Is zweckmäßig, wobei die Impulsbreite t1 des jeweiligen Stromimpulses im Bereich zwischen 1 msec und 500 msec und der Impulsabstand t2 im Bereich zwischen 0 msec und 400 msec liegt. Hierbei kann es entsprechend der Figur 1 1 auch zweckmäßig sein, die Stromimpulse zusätzlich mit einem Wechselstrom oder mit kleineren Stromimpulsen zu überlagern. Current maxima or current peaks is furthermore, as shown in FIG. 10, the use of a pulse-shaped sintering current Is, wherein the pulse width t1 of the respective current pulse lies in the range between 1 msec and 500 msec and the pulse interval t2 is in the range between 0 msec and 400 msec. It may also be appropriate according to the Figure 1 1, to superimpose the current pulses in addition with an alternating current or with smaller current pulses.
Zur Verbesserung der Bildung der Sinterschichten 6 - 8 und 18 ist es weiterhin zweckmäßig, dass auch der Sinterdruck Ps impulsförmig aufgebracht wird, und zwar entsprechend der Figur 12 in der Form, dass einem konstanten Sinterdruck Psmin eine impulsförmige Erhöhung des Sinterdruckes überlagert ist, sodass sich der Sinterdruck Ps impulsförmig zwischen einem Druck Psmax und einem Wert Psmin ändert. Der Druck Psmin liegt dabei dann beispielsweise zwischen 0,05 Psmax und 0,98 Psmax, wobei Psmax im Bereich zwischen 0,5 kN/cm2 und 6 kN/cm2 gewählt ist. Die Periodendauer tp der impulsförmigen Druckbeaufschlagung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,5 msec und 3000 msec. In order to improve the formation of the sintered layers 6 - 8 and 18, it is also expedient that the sintering pressure Ps is also impulsively applied, specifically in accordance with FIG. 12 in the form that a constant sintering pressure Psmin is superimposed on a pulse-shaped increase in the sintering pressure, so that the sintering pressure Ps changes in a pulse shape between a pressure Psmax and a value Psmin. The pressure Psmin is then for example between 0.05 Psmax and 0.98 Psmax, wherein Psmax is selected in the range between 0.5 kN / cm 2 and 6 kN / cm 2 . The period duration tp of the pulse-shaped pressurization is, for example, in the range between 0.5 msec and 3000 msec.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens steigt der Sinterdruck Ps während des Sintervorgangs von einem Sinterdruck Psmin an und erreicht noch vor dem Ende des Sinterprozesses bzw. der Sinterphase den Wert Psmax, wie dies in der Figur 12 mit der unterbrochenen Linie dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist es weiterhin auch möglich, dass einem ansteigenden Sinterdruck Ps ein impulsförmig sich ändernder Sinterdruck überlagert ist. In a further embodiment of the method according to the invention, the sintering pressure Ps increases during the sintering process from a sintering pressure Psmin and reaches the value Psmax before the end of the sintering process or the sintering phase, as shown in broken lines in FIG. In this embodiment, it is also possible that a rising sintering pressure Ps is superimposed on a pulse-shaped changing sintering pressure.
Speziell der ansteigende Sinterdruck hat beispielsweise den Vorteil, dass am Beginn der Sinterphase ein Vorsintern und damit eine zumindest gewisse Stabil isierung des Sintermaterials bzw. der von diesem Material gebildete Sinterschichten erfolgt, während dann im Laufe der Sinterphase zusätzlich zu dem Sintern auch eine zunehmende Verdichtung des Sintermaterials statt findet, um so die zumindest für das Wärme transportierende Medium dichten Especially the increasing sintering pressure has the advantage, for example, that at the beginning of the sintering phase pre-sintering and thus at least some stabilization of the sintered material or of the sintered layers formed by this material takes place, while in the course of the sintering phase, in addition to the sintering, an increasing compression of the sintering layer Sintering material takes place so as to seal the at least for the heat-transporting medium
Sinterschichten 6 - 8 und 18 zu erreichen. Sinter layers 6 - 8 and 18 to achieve.
Zur Verbesserung der Fließeigenschaften von Pasten aus Sintermaterial enthalten diese bevorzugt auch organische Zusätze, wie zum Beispiel Cellulose. In diesem Fall erfolgt nach dem Auftragen der jeweiligen Paste und vor dem Einleiten der Sinterphase, beispielsweise vor oder nach dem Stapeln der Metallschichten 2 - 5, 14 und 1 5 ein Trocknen und Ausheizen der organischen Zusätze. Speziell kann das Trocknen und Ausheizen der organischen Zusätze auch bei zwischen den Elektroden 1 1 und 12 angeordneter Stapelanordnung durch elektrischen Strom erfolgen, und zwar bei entsprechender Anpassung der Stromdichte und des Druckes P. In order to improve the flow properties of pastes made of sintered material, these preferably also contain organic additives, such as, for example, cellulose. In this case, after the application of the respective paste and before the introduction of the sintering phase, for example before or after stacking of the metal layers 2-5, 14 and 15, drying and heating of the organic additives takes place. In particular, the drying and heating of the organic additives can be carried out by electric current even when arranged between the electrodes 1 1 and 12 stacking arrangement, with appropriate adjustment of the current density and the pressure P.
Der jeweilige Hohlkörper 1 , 1 a - 1 c bildet bevorzugt einen aktiven Kühler für elektrische oder elektronische Bauelemente 20, beispielsweise auch für opto-elektrische Bauelemente, zum Beispiel für Dioden-Laserbarren. The respective hollow body 1, 1 a - 1 c preferably forms an active cooler for electrical or electronic components 20, for example, for opto-electrical components, for example for diode laser bars.
Die Erfindung wurde voran stehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zu Grunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird. The invention has been described above with reference to exemplary embodiments. It is understood that numerous changes and modifications are possible without thereby departing from the inventive idea underlying the invention.
So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, den jeweiligen Stapel aus den Metallschichten 2 - 5, 14 und 1 5 nach dem Aufbringen der Schichten 6.1 - 8.1 , 18.1 aus dem Sintermaterial zu Erhitzen, um den Sinterprozess zu unterstützen und/oder bei Verwendung eines pastenförmigen Sintermaterials Zusätze, insbesondere organische Zusätze usw. auszuheizen. Bezugszeichenliste 1a - 1c HohlkörperFor example, it may be expedient to heat the respective stack of the metal layers 2-5, 14 and 15 after the application of the layers 6.1-8.1, 18.1 from the sintered material in order to support the sintering process and / or when using a pasty sintered material To burn out additives, in particular organic additives, etc. List of Reference Numerals 1a-1c Hollow body
-5 Metallschicht-5 metal layer
-8 Sinterschicht-8 sintered layer
1 -8.1 Schicht aus Sintermaterial 1 -8.1 layer of sintered material
Hohlraum cavity
Öffnung opening
, 12 Elektrode , 12 electrode
Stromquelle power source
, 15 Metallschicht , 15 metal layer
Hohlraum cavity
Vertiefung deepening
Sinterschicht sintered layer
.1 Sicht aus Sintermaterial .1 view of sintered material
Zwischenschicht interlayer
elektrisches oder elektronisches Bauelement electrical or electronic component
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