Thermische Ausdehnung, innere Spannungen und Porenverteilung in AlSiCp Metallmatrixverbundwerkstoffe

Abstract

AlSi7Mg/SiC/70p (AlSiC) eignet sich als Kühlkörper wegen seiner guten Leitfähigkeit bei gleichzeitig niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) für Applikationen in der Hochleistungselektronik. Ein niedriger CTE ermöglicht dauerhaft einen guten thermischen Kontakt zwischen der Kühlplatte und dem Elektronikbauteil. Materialien mit hohem Ausdehnungskoeffizienten würden durch thermische induzierte makroskopische Spannungen in der Grenzfläche zu Delaminationen in der Kontaktfläche führen. Aus diesem Grund ersetzt AlSiC Kupfer als Kühlkörpermaterial in der Leistungselektronik. Das Problem der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ist in den Verbundwerkstoff transferiert und wirkt sich durch innere Mikrospannungen zwischen der Aluminiummatrix und den SiC-Partikeln aus. Insitu Messungen während thermischer Aufheizzyklen bis 400°C an AlSi7Mg/SiC/70p Proben wurden vorgenommen, um den Porenanteil und die inneren Spannungen zu bestimmen. Der Porenanteil wird aus Synchrotron Tomografie und die inneren Spannungen mittels Synchrotron Diffraktion (ESFR/ID15A) gemessen. Messungen während des Heizens, Kühlens und nach mehrfachem Zyklieren zeigen einen Zusammenhang zwischen den inneren Spannungen und dem Porenvolumenanteil und der Temperatur. AlSiC verhält sich von Raumtemperatur bis etwa 200 °C thermo-elastisch, wobei sich die dominanten Zugspannungen in der Matrix in Druckspannungen umkehren. Mit zunehmender Temperatur verformt sich die Matrix plastisch und vermindert dabei den Porenvolumenanteil. Beim Kühlen von 500 °C wird nach einer elastischen Spannungsumkehr in die Zugrichtung wieder eine Erhöhung des Porenvolumenanteils beobachtet. Unter 200 °C verhält sich AlSiC bis Raumtemperatur wieder thermo-elastisch. Nach mehreren, extremen Temperaturzyklen von -100 °C bis 400 °C wird die Haftung der SiC-Partikel an die Al-Matrix des MMCs lokal gelöst und Porenwachstum beobachtet

AlSi7Mg/SiC/70p (AlSiC) is used for heat sinks because of its good thermal conductivity combined with a low coefficient of thermal expansion (CTE). These properties are important for power electronic devices where heat sinks have to provide efficient heat transfer to a cooling device. A low CTE is essential for a good surface bonding of the heat sink material to the isolating ceramics. Otherwise mismatch in thermal expansion would lead to damage of the bonding degrading the thermal contact within the electronic package. Therefore AlSiC replaces increasingly copper heat sinks. The CTE mismatch between isolation and a conventional metallic heat sink is transferred into the metal matrix composite (MMC). The stability of the external and internal interface bonding is essential for the heat sink function of AlSiC. In situ thermal cycling (RT - 400 °C) measurements of an AlSi7Mg/SiC/70p MMC are reported yielding the void volume fraction and internal stresses between the matrix and the reinforcements in function of temperature. The changes in void volume fractions are determined by synchrotron tomography and residual stresses by synchrotron diffraction at ESRF-ID15A. The measurements show a relationship between thermal expansion, residual stresses and void formation in the MMC. The results obtained from the in situ measurements reveal a thermo elastic range with inversion of the dominant tensile stresses in the matrix into compressive up to 200 °C followed by plastic matrix deformation reducing the volume of voids during heating. A reverse process takes place during cooling from 500 °C starting with elastic matrix strains converting into tensile stresses increasing the void volume fraction again. Below 200 °C, the CTE behaves again according to thermo elastic calculations. Damage like in low cycle fatigue could be observed after multiple extreme cooling-heating cycles between -100 °C and +400 °C, which increase the volume fraction and the size of the voids.