Die Erfindung betrifft einen Stoff und ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeleitschicht, bestehend aus einer galliumfreien metallischen Legierung, in welche zur Optimierung der Eigenschaften andere Metalle oder Nichtmetalle suspendiert sein können.

Ein besonderes Merkmal dieses Stoffes ist, dass er sich bei Temperaturen bis 20° C vollständig in einem festen Aggregatzustand befindet, aber unter 100° C ganz oder in Teilen flüssig wird.

Geeignet sind dieser Stoff und das Verfahren insbesondere zur Verwendung in der Elektro- und Elektronikindustrie, aber auch zur Kühlung thermisch hoch belasteter mechanischer Bauteile, z.B. in Motoren.

Bekannt ist es, gewisse elektrische und/oder elektronische Bauelemente entwickeln im Betrieb Verlustwärme. Diese wird über geeignete Kühlkörper oder Kühlvorrichtungen abgeführt. Der Kontakt dieser Kühlkörper oder Kühlvorrichtungen zum zu kühlenden Bauelement wird dabei mittels Verwendung von Wärmeleitpasten oder Wärmeleitpads hergestellt.

Diese haben die Aufgabe, an den Kontaktflächen entstehende, den Wärmeübergang behindernde Lufteinschlüsse zu vermeiden oder zu verringern.

Diese Wärmeleitpasten müssen in der Hauptsache folgenden Anforderungen entsprechen:

• a) möglichst guter Wärmeleitwert
• b) flüssig oder pastöes Konsistenz, zur otimalen Anpassung an die Oberflächen von zu kühlenden elektrischen/elektronischen Bauelement und der Kontaktfläche des Kühlers bzw. der Kühlvorrichtung
• c) Chemische und physikalische Verträglichkeit der verwendeten Substanzen mit en Flächen aus denen sie aufgetragen werden (möglichst keine Wechselwirkungen wie chemische Reaktionen oder unerwünschte Legierungsbildung)
• d) Konformität hinsichtlich der Gefahrstoffverordnung.

Bekannt sind als Wärmeleitpasten verwendete Pasten bestehend aus einem Matrixmaterial und einem Pulver, welches im Matrixmaterial verteilt ist und von diesem umschlossen wird. Das Matrixmaterial besteht aus Silikon oder einem anderen nichtmetallischen Stoff, als Pulver werden Metalle, Kohlenstoff (Graphit) oder Metalloxide verwendet.

Da in diesen Wärmeleitpasten immer nichtmetallische Stoffe verwendet werden, die die Wärme schlecht leiten, besitzen diese „Wärmeleitpasten" einen relativ geringen Wärmeleitwert von etwa 0,5 W/mK bis nicht mehr als 10 W/mK.

Bekannt sind als Wärmeleitmaterialien auch metallische Matrixmaterialien aus Gallium oder Legierungen des Galliums,, insbesondere mit Indium, Zinn und Zink. In dieses metallische Matrixmaterial können andere gut wärmeleitende und sich nicht legierende Stoffe wie z.B. Metallpulver und/oder Kohlenstoff suspendiert sein.

Nachteilig an diesen Wärmeleitpasten ist, dass sie sich sehr stark korrosiv insbesondere gegen Leichtmetalle verhalten. Insbesondere mit Aluminium legieren sie sich sehr leicht, wobei die entstehende Gallium-Aluminium Legierung sich unter dem Einfluss der Luftfeuchtigkeit chemisch zersetzt. Die Zersetzungsprodukte wiederum können mit anderen Materialien reagieren. Der bei der Zersetzung entstehende Wasserstoff kann im Falle seiner Anreicherung zur Bildung von entzündlichen Wasserstoff-Luftgemischen beitragen (EP 0 44 268 A1).

Zum Auftrag auf das in der Technik sehr häufig verwendete Aluminium sind diese Pasten daher gänzlich ungeeignet.

Ein weiterer Nachteil der beschriebenen galliumhaltigen Wärmeleitpasten ist, dass sie der Gefahrstoffverordnung unterliegen.

Bekannt sind weiterhin Wärmeleitfolien in Form von Wärmeleitpads aus thermoplastischer Folie mit einem geringen Wärmeleitwert von nicht mehr als 10 W/mK.

Bekannt sind auch Wärmeleitfolien aus Metall wie Kupfer, Silber oder Gold. Diese Metalle besitzen zwar hohe Wärmeleitwerte, sind aber zu hart um sich den Oberflächen der Materialien optimal anzupassen, zwischen denen die Wärmeleitung hergestellt werden soll.

Bei Verwendung dieser Form kommt es durch mikroskopisch kleine Unebenheiten (Oberflächenrauhigkeit) zur Ausbildung von isolierend wirkenden Lufteinschlüssen sowohl auf der einen, wie auch auf der anderen Seite der Folie. Die mit diesen Folien zu erzielenden Resultate sind daher in der Regel schlechter als bei einem völligen Verzicht auf ein Wärmeleitmittel (da zwei anstatt einem isolierenden Luftpolster).

Bekannt sind Wärmeleitfolien aus Indium. Dieses relativ weiche Metall muss zur Vermeidung des vorstehend beschriebenen Effektes (Lufteinschlüsse) mit einem hohen Druck zwischen zu kühlendem Bauelement und Kühler gepresst werden.

Das erfordert einen hohen technischen Aufwand. Auch sind viele elektrische und/oder elektronische Bauelemente für eine solche Druckbeaufschlagung nichtgeeignet.

Bekannt ist, eine Wärmeleitschicht als Lötverbindung zu realisieren. Das erfordert einen hohen Aufwand. Auch sind die meisten elektronischen Bauelemente für die bei der Verlötung entstehende thermische Belastung ungeeignet, so dass dieses Verfahren nur selten in Betracht kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen geeigneten Stoff zur Realisierung einer haftenden, frei von Lufteinschlüssen und gut wärmeleitfähigen Verbindung zwischen elektrischen und/oder elektronischen und/oder mechanischen Bauelementen und Kühlkörpern/Kühlvorrichtungen zu schaffen. Dabei sollen die Nachteile der bisher bekannten Stoffe vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin ein Verfahren zur rationellen Herstellung solcher Verbindungen unter weitgehender Vermeidung der bekannten Nachteile bisheriger Verfahren zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie mit den Ansprüchen angegeben gelöst.

Die Wärmeleitschicht zur Anordnung zwischen elektrischen und/oder elektronischen und/oder mechanischen Bauelementen und/oder Baugruppen einerseits und Kühlkörpern und/oder Kühlelementen andererseits besteht entweder

• a) aus nur einer Komponente, oder
• b) aus zwei oder mehreren Komponenten, welche vor oder während des Auftrages miteinander vermischt werden.

Beide Komponenten können aus jeweils ein oder mehreren Bestandteile bestehen.

• Zu a) erfindungsgemäße Wärmeleitschicht bestehend aus einer Komponente (nachfolgend als Einkomponente bezeichnet)

Die erste Komponente, unter zu a) als Einkomponente bezeichnet, besteht aus einer metallischen Legierung, die aus 2 bis 98 Gewichtsanteilen Indium und 2 bis 98 Gewichtsanteilen anderer geeigneter Legierungsmetalle mit dem Indium einen Schmelzpunkt zwischen etwa 40 und 100° C aufweisen. Zur Anwendung als Legierungsmetalle kommen hier insbesondere Wismut und/oder Zinn unter Ausschluss von solchen Metallen die der Gefahrstoffverordnung unterliegen, wie z.B. Gallium, Cadmium, Blei, Quecksilber usw.

Diese Legierung kann ohne den Zusatz weiterer Stoffe verwendet werden. Sie kann auch als Matrixmaterial für gut wärmeleitfähige Stoffe dienen. Verwendet werden Stoffe, die sich mit dem Matrixmaterial nicht legieren (wie z.B. Kohlenstoff).

Die sich mit dem Matrixmaterial nicht legierenden Stoffe liegen im Endprodukt dauerhaft in einer im Matrixmaterial fein verteilten Form vor. Sie verändern den Schmelzpunkt des Matrixmaterials nicht.

Der erfindungsgemäße Stoff zur Herstellung einer Wärmeleitschicht kann dabei als pastöse Masse oder als Folie oder als beidseitig beschichtete Metallfolie oder auch als Formteil wie Pad aus solcher Folie, als Barren oder Pulver zur Bereitung einer Schmelze konfektioniert sein.

Um eine pastöse Konsistenz des beschriebenen Materials zu erreichen, kann es als Pulver mit einer Flüssigkeit vermengt werden. Diese Flüssigkeit (z.B. Wasser oder ein organisches Lösungsmittel) verflüchtigt sich während der Schmelzerückstandsfrei.

• Zu b) erfindungsgemäße Wärmeleitschicht bestehend aus der Einkomponente (wie unter a) beschrieben, und mindestens einer weiteren Komponente (nachfolgend als Zubereitung bezeichnet)

Der ersten Komponente, unter zu a) als Einkomponente bezeichnet, wird eine zweite Komponente, nachfolgend als Zubereitung bezeichnet, zugesetzt. Diese Zubereitung enthält Metalle, die sich nach dem Schmelzen der in der Einkomponente enthaltenen Metalllegierung mit dieser legieren.

Durch das zusätzliche Einlegieren von Metallen in die niedrigschmelzende Metalllegierung der Einkomponente entsteht eine neue Metalllegierung mit neuen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Der Schmelzpunkt der neu entstandenen Legierung liegt höher als der Schmelzpunkt der sich in der Einkomponente befindenden Metalllegierung.

Mit der Legierungsbildung steigt der Schmelzpunkt, das Material härtet aus.

Die Legierungsbildung und das damit verbundene Ansteigen des Schmelzpunktes der Legierung (Aushärtung) ist erst während und nach dem Auftrag der Wärmeleitpaste erwünscht. Grund dafür ist, dass sich die niedrigschmelzende Paste bzw. das niedrigschmelzende Pad durch Übergang aus dem festen in eine flüssige bzw. pastöse Form den Oberflächen, auf die es aufgetragen wird, optimal anpassen muss. Erst danach soll die Aushärtung erfolgen.

Dieser Effekt kann auf drei Wegen erzielt werden:

• 1) Die erste Komponente, unter zu a) als Einkomponente bezeichnet, wird geschmolzen und erst kurz vor oder während der Anwendung mit der zweiten Komponente, unter zu b) als Zubereitung bezeichnet, gemischt.

Die einsetzende Legierungsbildung zwischen den Komponenten und das damit einhergehende Ansteigen des Schmelzpunktes braucht Zeit, die genutzt werden kann um das Komponentengemisch bestimmungsgemäß und noch vor seiner Aushärtung anzuwenden.

• 2) Die erste Komponente, unter zu a) als Einkomponente bezeichnet, wird geschmolzen und mit der zweiten Komponente, unter zu b) als Zubereitung bezeichnet, gemischt.

Das sofortige Einsetzen einer Legierungsbildung wird verhindert, indem das Komponentengemisch sofort nach Einbringen der zweiten Komponente, unter zu b) als Zubereitung bezeichnet, auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Einkomponente abgekühlt wird.

Nach Abkühlung verbleibt die Zubereitung in suspendierter Form in der Einkomponente, ohne mit dieser zu legieren oder anderweitig mit dieser zu reagieren.

Erst bei erneuter, länger andauernder Erwärmung über der in der Einkomponente enthaltenen Metalllegierung hinaus, kommt es zu einer irreversiblen Reaktion zwischen dieser und der Zubereitung (Legierungsbildung). Der Schmelzpunkt steigt, das Material härtet aus.

• 3) Die erste Komponente, unter zu a) als Einkomponente bezeichnet, wird zu einer dünnen Folie verarbeitet. Ein sich mit der Einkomponente leicht legierendes Metall (Bsp. Magnesium) wird ebenfalls zu einer dünnen Folie verarbeitet. Aus beiden Folien wird eine doppellagige Folie hergestellt.

Erst bei länger andauernder Erwärmung über den Schmelzpunkt der in der ersten Komponente, unter zu a) als Einkomponente bezeichnet, enthaltenen Metalllegierung, kommt es zu einer irreversiblen Reaktion zwischen den beiden Schichten (Legierungsbildung). Der Schmelzpunkt steigt, das Material härtet aus.

Zur Herstellung der Wärmeleitschicht zwischen elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen und/oder mechanischen Bauelementen und/oder Baugruppen und Kühlkörpern und/oder Kühlelementen wird zunächst, ein erfindungsgemäßer Stoff auf eine oder beide Flächen, zwischen denen der Wärmeübergang stattfinden soll, aufgetragen. Das erfolgt durch Auflegen (Folie), Streichen, Spritzen, Sprühen, Tauchen, Streuen, Gießen, oder Drucken oder mittels eines anderen geeigneten Verfahrens.

Der aufzutragende Stoff kann in fester, in pastöser oder in flüssiger Form aufgetragen werden, womit eine wärmeleitende Beschichtung hergestellt ist.

Sodann werden die so beschichteten Flächen, sich berührend zusammengebracht.

Wurde der aufgetragene Stoff in fester Form oder pastöser Form (z.B. als Folie, als Pulver oder Paste) aufgetragen, dann muss er während des Auftrages oder nach dem Auftrag auf eine Temperatur erwärmt werden, die über der Schmelztemperatur der in der ersten Komponente, wie unter zu a) als Einkomponente bezeichnet, enthaltenen Metalllegierung liegt.

Solch ein als Folie, Pad, Pulver, Flüssigkeit oder Paste konfektionierter Stoff wird als Wärmeleitschicht zwischen die zu beschichtenden Flächen der elektrischen und/oder elektronischern und/oder mechanischen Bauelemente und dem Kühler und/oder dem Kühlsystem, diese berührend, platziert und sodann durch Zuführung von Wärme auf eine Temperatur erwärmt, die über der Schmelztemperatur der sich in Einkomponente nach a) befindenden Metalllegierung liegt.

Das Schmelzen des beschriebenen Wärmeleitmaterials kann grundsätzlich mittels verschiedener Vorgehensweisen erfolgen:

• 1. Der erfindungsgemäße Stoff wird vor oder während des Auftrages durch Zuführung externer Wärme geschmolzen und auf eine oder beide Flächen, zwischen denen die Wärmeleitung stattfinden soll, aufgetragen.

Anschließend werden diese Flächen zusammengeführt.

• 2. Der erfindungsgemäße Stoff wird ungeschmolzen auf eine oder beide der Flächen aufgetragen oder als Folie oder Pad zwischen die Flächen gelegt oder anderweitig gebracht, zwischen denen der Wärmetransport erfolgen soll. Kurz vor, während oder nach dem Zusammenführen dieser Flächen, wird durch externe Erwärmung der erfindungsgemäße Stoff ganz oder teilweise geschmolzen. Die externe Wärmezufuhr kann über einen gezielten Heißluftstrom, durch ein Heißluftbad z.B. in einem Wärmetunnel oder durch eine direkte Berührung des Kühlkörpers mit einem beheizten Passstück erfolgen.

Ergänzend oder alternativ zur externen Wärmezuführ kann durch Inbetriebnahme des zu kühlenden Bauelements oder zu kühlenden Baugruppe Verlustwärme erzeugt werden, die den vorher aufgetragenen erfindungsgemäßen Stoff ganz oder in Teilen zur Schmelze bringt.

Die Vorzüge der Erfindung bestehen darin, dass die mittels des erfindungsgemäßen Stoffes hergestellten Wärmeleitschichten ausschließlich aus sehr gut wärmeleitenden Materialien bestehen.

Die erfindungsgemäß hergestellte Wärmeleitschicht ist entweder während des Auftrages oder nach dem Auftrag zumindest zeitweilig flüssig oder pastös. So kann sie sich den Flächen, zwischen denen der Wärmetransport stattfinden soll optimal anpassen. Den Wärmeübergang störende und behindernde isolierend wirkende Lufteinschlüsse sind so weitgehend vermieden.

Durch die verschiedenen Konfektionierungen als Paste, Folie, Flüssigkeit oder Barren für die Schmelze ist der technologische Prozess für die Anwendung der Erfindung sehr variabel.

Auch der erfindungsgemäße Stoff selbst lässt sich durch die Auswahl seiner legierten Bestandteile genau definiert den erforderlichen und gewünschten unterschiedlichen Schmelztemperaturen für unterschiedliche Anwendungszwecke anpassen. Aufgrund des sehr niedrigen Schmelzpunktes der verwendeten Legierungen werden keine hohen Ansprüche an die thermische Belastbarkeit der zu kühlenden Bauelemente gestellt, was eine hohe Anwendungssicherheit zur Folge hat.

Die Anwendung des Verfahrens erfordert auch keine überhöhten Pressdrücke bei der Zusammenführung der Bauelemente mit dem Kühlkörper.

Der Ausschluss von Gallium bei der stofflichen Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Stoffes erlaubt die Anwendung desselben auch mit Aluminiumwerkstoffen.

Erfindungsgemäß werden auch keine derzeit der Gefahrstoffverordnung unterliegende Metalle oder andere Stoffe verwendet, so dass die Anwendung keinerlei Beschränkungen unterliegt.

Die thermische Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Wärmeleitstoffes ist sehr hoch. Er kann bei beliebig tiefen Temperaturen und bis deutlich über 1000° C verwendet werden.

Die Konfektionierung des hier beschriebenen Wärmeleitmaterials kann auch in Form einer Folie (Wärmeleitpad) erfolgen.

Nachstehend wird die Erfindung an 8 Ausführungsbeispielen erläutert.

Suspension von Graphit in einem Matrixmaterial bestehend aus einer niedrigschmelzenden Indium, Wismut, Zinn Legierung).

Eine bei 70° C schmelzende metallische Legierung, bestehend aus Iridium, Wismut und Zinn, mit darin suspendierten Graphit wird zu einem Pulver zermahlen. Dieses Pulver wird mit Wasser zu einer Paste verrührt. Diese Paste wird auf die Kontaktfläche eines zu kühlenden elektronischen Bauelements aufgetragen. Durch die Verlustwärme verflüchtigt sich das Wasser und die Legierung schmilzt. Der Kühler wird auf das flüssige Metall aufgesetzt.

Magnesiumpulver wird in eine flüssige, niedrigschmelzende metallische Legierung, bestehend aus Indium, Wismut und Zinn, eingerührt. Die so entstandene Paste kommt sofort zur Anwendung. Nach einiger Zeit legiert sich das eingebrachte Magnesium ganz oder in Teilen. Der Schmelzpunkt steigt, das Material härte aus.

Magnesiumpulver wird in eine flüssige, niedrigschmelzende metallische Legierung, bestehend aus Indium, Wismut und Zinn eingerührt. Die so entstehende Paste wird schnell abgekühlt und noch vor der Legierungsbildung mit dem Magnesium verfestigt. Die metallische Legierung mit dem darin suspendierten Magnesium wird zu einer Folie ausgewalzt.

Nach der Anwendung schmilzt die Folie durch die Verlustwärme des zu kühlenden Bauelementes. Das Magnesium legiert sich mit der Indium, Wismut, Zinn Legierung. Der Schmelzpunkt der neu entstandenen Indium, Wismut, Zinn, Magnesium Legierung ist höher als der Schmelzpunkt der Indium, Wismut, Zinn Legierung. Das Material härtet dauerhaft aus.

Die erste Schicht einer Folie, die aus zwei oder mehreren Schichten besteht, besteht aus einer bei 59 ° C schmelzenden metallischen Legierung, bestehend aus Indium, Wismut und Zinn. In dieser Legierung können sich nicht legierende andere Stoffe, vorzugsweise gut wärmeleitfähige Stoffe, suspendiert sein. Die zweite Schicht der Folie besteht aus Magnesium. Erst bei länger andauernder Erwärmung über 59° C hinaus kommt es zu einer unreversiblen Reaktion zwischen den Schichten (Legierungsbildung). Der Schmelzpunkt steigt, das Material härtet aus.

Das Wärmeleitmaterial wir in einem Behälter erwärmt um danach schnell und noch vor dem Erkalten mittels eines Pinsels auf die Flächen aufgetragen zu werden, zwischen denen der Wärmetransport stattfinden soll.

Eine aus den Wärmeleitmaterial bestehenden Folie wird zwischen die Flächen gelegt, zwischen denen die Wärmeleitung optimiert werden soll. Die Flächen werden zusammengedrückt. Sodann werden eine oder beide Flächen durch externe Erwärmung, z.B. durch einen Heißluftstrom, ein Heißluftbad (Wärmetunnel) oder durch direkte Berührung mit einer Wärmequelle erwärmt. Die Erwärmung erfolgt auf eine Temperatur die knapp über der Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Komponente des Wärmeleitmaterials liegt.

Eine aus dem Wärmeleitmaterial gefertigte Folie wird zwischen die Oberflächen gelegt, zwischen denen der Wärmetransport erfolgen soll. Die Oberflächen werden zusammengedrückt. Bis dahin konnte sich die noch feste Folie den Oberflächen zwischen denen sie liegt und zwischwen denen der Wärmetransport erfolgen soll noch nicht optimal anpassen. Bei erstmaliger Inbetriebnahmen des aus Bauelementen zusammengefügten Bauteiles steigt die Temperatur des zu kühlenden Bauelements durch Abgabe der Betriebswärme (Verlustwärme) auf einen Wert, der über der Schmelztemperatur der in der Folieenthaltenen Metalllegierung liegt. Die Folie schmilzt sodann und die Schmelze passt sich den Oberflächen optimal an.