Der Einfluss der Grenzfläche im Kupfer-Diamant System

Das Werkstoffsystem Kupfer-Diamant ist von technologischer Relevanz, da eine Kombination aus diesen Materialien zu einem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit bei einem gleichzeitig reduzierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt. Allerdings ist in diesem Werkstoffsystem die kritische Zone die Grenzfläche zwischen beiden Komponenten. Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen thermischen Transportmechanismen. Während im Kupfer vorwiegend die Elektronen zum Wärmetransport beitragen, liegt mit dem Diamant ein Phononenleiter vor. Dieser Umstand führt dazu, dass die theoretisch vorhergesagten thermischen Eigenschaften nicht durch eine einfache Mischung von Kupfer und Diamant erreicht werden können. Dieses Projekt befasst sich daher mit dem Einfluss von verschiedenen Zwischenschichten auf das thermische Verhalten durch eine gezielte Modifikation der Grenzfläche. Durch Verwenden verschiedener Schichten bzw. Variation der Schichtdicke wird eine Verbesserung des thermischen Übergangs zwischen Kupfer und Diamant erwartet. Zur Bestimmung der thermischen Grenzflächeneigenschaften wird ein photothermisches Verfahren verwendet. Dieses Verfahren wird darüber Aufschluss geben, welche Schichten in Kombination mit welcher Wärmebehandlung zu einem verbesserten thermischen Transport führt. Die gewonnen Erkenntnisse sollen in einem zweiten Teil von den planen Substraten auf die Herstellung eines Kupfer-Diamant Verbundwerkstoffes übertragen werden. Dazu wird ein Sputterverfahren zur Beschichtung von Diamantpartikeln mit den optimierten Zwischenschichten eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht die Beschichtung von Partikeln unterschiedlicher Größe. Die beschichteten Diamantpulver werden zu einem kompakten Körper gesintert und die thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes gemessen. Als wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Kenntnis zu nennen, wie die Grenzfläche zwischen Kupfer und Diamant modifiziert werden kann, damit der Wärmetransport über die Grenzfläche verbessert wird.

Die Wärmebelastung in Hochleistungselektroniken, Werkzeugen oder hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen ist aufgrund der in den letzten Jahrzehnten erzielten Steigerungen der Leistungsdichte zu einem volkswirtschaftlich relevanten Thema geworden. Sie stellt hohe Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und thermische Ausdehnung neuer Materialien. Eine effiziente Wärmeabfuhr ist wichtig, um thermischer Überlastung vorzubeugen. Ein geringer oder gezielt einstellbarer Wärmeausdehnungskoeffizient ist unerläßlich, um mechanische Spannungen, welche durch thermisches Zyklieren während des Betriebes entstehen und die auf lange sicht zu mechanischem Versagen führen können, abzupuffern. Materialien, welche diese Eigenschaften verbinden, sind Kupfer-Diamant Komposite. In Einzelfällen wurden thermische Leitfähigkeiten von bis zu 600 W/mK erzielt, aber der thermische Transport über die Grenzfläche zwischen Kupfer und Diamant wurde noch nicht systematisch untersucht. Gegenstand dieses Projektes waren Zwischenschichten zur Optimierung des thermischen Transportes zwischen Kupfer und Diamant. Eine große Gruppe von karbidbildenden Materialien (B, verschiedene Boride, Cr, Mo, W und Nb) wurden intensiv an planaren Diamantsubstraten sowie an glasartigem Kohlenstoff erforscht. Der Wärmeübergang von Kupfer auf Kohlenstoff wurde mittels Infrarot-Radiometrie untersucht. Der Zusammenhang zwischen dem Wärmeübergang über die Grenzfläche und der morphologischen Entwicklung von Kupfer unter Wärmebehandlung wurde mittels verschiedener experimenteller Techniken quantifiziert. Die chemische Zusammensetzung der durch die Zwischenschichten modifizierten Grenzfläche wurde mit hoher chemischer Sensitivität und örtlicher Auflösung mittels Sekundärionenmassenspektroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie charakterisiert. Durch die Kreuzkorrelation der experimentellen Ergebnisse war es möglich, Bor und Niob als optimale Zwischenschichtmaterialien zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass bereits sehr dünne Zwischenschichten signifikanten Einfluß auf den Wärmetransport über die Grenzfläche haben und dass Ergebnissse, die für glasartigen Kohlenstoff erzielt worden sind, bis zu einem gewissen Grad auf Diamant übertragen werden können. Die optimierten Zwischenschichten wurden schlußendlich auf Diamantgranulat aufgebracht. In diesem Falle lieferte Bor die besten Ergebnisse, wenn sichergestellt werden kann, daß die Zwischenschicht im Komposit erhalten bleibt. Die gezielte wissenschaftliche Aufarbeitung des Themas führte daher zu einer Methode, Kupfer Diamant Komposite mit hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen.