Interface optimisation in copper carbon metal matrix composites

Abstract

Metal Matrix Composites, especially copper based materials which are reinforced by carbon fibers, offer a huge potential for applications in electronic components. Electronic power modules are mounted on heat sinks which are necessary to remove the heat very quick from the electronic device. In a former European project this type of copper-carbon composite were developed. On the basis of this project the experimental achieved results were compared to theoretical values. The reason for the big difference between experimental and theoretical values is caused by the weak interface between copper and carbon, especially a weak thermal transfer at the interface is responsible why theoretical values cannot be reached. One of the investigated production routes for the material was based on electrochemical coated fibers. Within this work a new concept for the processing was investigated. By using of vacuum deposition methods it is possible to tailor the interface by means of plasma pre-treatment or the deposition of adhesion promoting intermediate layers. By using a sputter deposition process first optimisations were done on a plane model substrate. For the characterisation of the interface adhesion tests and photothermal methods were employed to characterise the adhesion strength and the thermal contact resistance. Additionally surface analytical tools such as AFM, PFM, AES or SIMS were used to characterise surface topography and element distributions. After the optimisation of the interface on the model substrate first samples of composites based on sputter coated carbon fibers were prepared and characterised. It was shown that vacuum deposition methods are suitable for the production of composites as well as to tailor the interface between copper and carbon.

Metallische Verbundwerkstoffe, spezíell auf Kupfer basierende Werkstoffe, die mit Kohlefasern verstärkt werden, zeigen ein hohes Potential für Anwendungen im elektronischen Bereich. Elektronische Hochleistungsmodule werden auf so genannte Heat-Sinks platziert die dafür sorgen, dass die entstehende Wärme möglichst rasch an die Umgebung abgeführt wird. Ausgehend von Ergebnissen eines EU Projektes, das sich mit Herstellungsmethoden für diesen Verbundwerkstoff beschäftigt hat, wurden die erzielten Materialeigenschaften analysiert und mit Ergebnissen aus Modellrechnungen verglichen. Der große Unterschied zwischen experimentell bestimmten Materialeigenschaften, speziell der thermischen Leitfähigkeit, und den theoretisch ermittelten Werten gab Anlass, den Grund für diese Unterschiede näher zu untersuchen und mögliche Lösungsansätze für eine Verbesserung des Herstellungsprozesses aufzuzeigen. Da der bisherige Herstellungsprozess durch Verwenden von elektrochemisch beschichteten Fasern erfolgt und dieser Prozess bereits weitgehend optimiert ist, wurde in dieser Arbeit eine Vakuumbeschichtungsverfahren (Sputter-Verfahren) eingesetzt. Zunächst wurde an einem Modell-Substrat die Grenzfläche eingehender untersucht um Wege aufzuzeigen, durch die die Haftung und auch der thermische Kontakt zwischen Kupfer und Kohlenstoff verbessert werden kann. Zur Charakterisierung der thermischen Grenzflächen wurden photothermische Methoden verwendet. Durch Plasmamodifikation der Oberfläche bzw. durch den Einsatz von haftvermittelnden Zwischenschichten konnte die Grenzfläche wesentlich verbessert werden. Anhand der Erkenntnisse, die aus Untersuchungen an Modellsubstraten gewonnen wurden und die die enorme Bedeutung der Grenzfläche unterstrichen haben, konnten bereits erste Verbundwerkstoffe mit dieser Beschichtungsmethode hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Vakuumbeschichtungsprozess für die Herstellung der Verbundwerkstoffe geeignet ist und auch zu einer verbesserten Grenzfläche zwischen Faser und Matrix führt