專利名稱：復(fù)合材料，特別是多層材料以及粘合劑或結(jié)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及依照權(quán)利要求1前序部分的復(fù)合材料并且特別涉及由
陶瓷層和提供在所述陶瓷層上的至少一個金屬覆層(metallization) 或金屬層組成的復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及依照權(quán)利要求18前序部分的 粘合劑或結(jié)合材料。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料的制造，亦如以基于DCB技術(shù)的金屬陶瓷基材形式的印 制電路板，在本領(lǐng)域是公知的。在該工藝中，使用直接銅結(jié)合技術(shù)將 制造條形導(dǎo)體、連接等所需的金屬覆層施加在陶瓷上，例如施加在氧 化鋁陶資上，所述金屬覆層由金屬箔或銅箔或者金屬片或銅片形成， 在其頂面上包含由使金屬和活性氣體(優(yōu)選氧氣)化學(xué)結(jié)合形成的層 或涂層(熔融層)。
在例如US-PS 37 44 120和DE-PS 23 19 854中描述的這種方法 中，該層或涂層(熱熔層)形成熔化溫度低于金屬(例如銅)的熔化 溫度的低共熔混合物，從而通過將箔片放在陶瓷上并加熱所有層、即 通過基本上只在熱熔層或氧化層區(qū)域內(nèi)熔化金屬或銅，可以將這些層 相互結(jié)合。
這種DCB方法則包括以下步驟
> 氧化銅箔以便產(chǎn)生均勻的氧化銅層；
> 將銅箔放在陶瓷層上；
> 將復(fù)合物加熱至約1025。C與1083t:之間的處理溫度， 例如約107TC;
> 冷卻至室溫。 還已知的是所謂的活性焊接法(DE 22 13 115; EP-A-153 618 )， 用于將形成金屬覆層的金屬層或金屬箔(特別是銅層或銅箔)與各陶資 材料結(jié)合在一起。在特別用于制造金屬-陶瓷基材的這種工藝中，使 用硬釬料在金屬箔(例如銅箔)與陶瓷基材(例如氮化鋁陶資)之間 在約800 - 1000。C的溫度下產(chǎn)生結(jié)合，所述硬釬料除諸如銅、銀和/或 金的主要成分之外，還包含活性金屬。這種活性金屬是組Hf、 Ti、 Zr、 Nb、 Ce中的至少一種元素，所迷活性金屬通過化學(xué)反應(yīng)在釬料與陶資 之間產(chǎn)生結(jié)合，而釬料與金屬之間的該結(jié)合是金屬硬釬料結(jié)合。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供能夠以特別簡易和經(jīng)濟(jì)的方式、即同時保持 最佳熱性能的方式制造的復(fù)合材料。通過根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料 實(shí)現(xiàn)了這個目的。粘合劑或結(jié)合材料是權(quán)利要求18的主題。
根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料優(yōu)選為多層材料，并優(yōu)選為適合于電路、 模塊等的多層材料，其由在至少一個表面上存在電絕緣材料的層狀栽 體或基材或者由借助復(fù)合材料與基材結(jié)合在一起的金屬片或銅片或金 屬箔或銅箔形成的至少一個金屬覆層組成。
根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是能夠容易而且經(jīng)濟(jì)地制造該復(fù)合 材料。此外，由粘合劑或粘結(jié)劑形成的層補(bǔ)償金屬覆層和基材的材料 的不同溫度膨脹系數(shù)。尤其是在結(jié)合層中的至少 一部分納米纖維材料 的相應(yīng)取向平行或近似平行于結(jié)合表面的情形中，能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬覆 層熱膨脹的補(bǔ)償作用。
本發(fā)明的其它實(shí)施方案是從屬權(quán)利要求的主題。下面參照附圖基 于示范性實(shí)施方案更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中
圖1和2各自示出根據(jù)本發(fā)明的多層材料的橫截面的簡化圖示； 圖3是測量配置(measuring array )的示意性圖示，該測量配置
為；
圖4是用于制備各種試件的配置的示意圖示； 圖5示出對各種試件測量的熱阻；
圖6示出在圖3中的裝置具有不同材料結(jié)合或多層材料的情形中 測量的熱阻的比較。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，總體標(biāo)記為1的多層材料適合于例如作為電路或模塊 的印制電路板。該多層材料包含層狀栽體或基材2,在本實(shí)施方案中 該層狀載體或基材完全由例如陶瓷的電絕緣材料制成，所述陶瓷是例 如氧化鋁陶資、氮化鋁陶資、氮化硅陶瓷等。還可以設(shè)想其他材料用 于基材2，例如塑料，所述塑料例如具有環(huán)氧基質(zhì)等。
由薄金屬片或箔片(例如銅片或銅箔)形成的金屬覆層3以二維 的方式提供在基材2的表面上。這個金屬覆層3借助于由粘合劑或結(jié) 合材料形成的粘合劑或結(jié)合層4以二維的方式與基材2結(jié)合在一起。 在所示的實(shí)施方案中，基材2的兩個表面上都提供有金屬覆層3。結(jié) 合材料或多層材料1因此關(guān)于基材2的中面對稱，至少就各個層的類 型和次序而言如此。基本上，還可以只在基材2的一個表面上提供金 屬覆層3。為了制造條形導(dǎo)體、接觸表面等，因此使用本領(lǐng)域中公知 的常見蝕刻和掩蔽技術(shù)將基材2側(cè)面上的至少金屬覆層3圖案化。
如圖2所示，還可能設(shè)計(jì)基材2為多個層，即由金屬(例如鋁) 支撐層2. 1和層狀基材2表面上的絕緣層2. 2組成，即結(jié)合層4在此 處與金屬覆層3鄰接。
多層產(chǎn)品1的特征是結(jié)合層4包含碳納米纖維材料或者環(huán)氧樹脂 基體中的碳納米纖維或納米管，導(dǎo)致結(jié)合層具有極低的熱阻RtH (°K / W)或反而言之具有高熱導(dǎo)率1/Rth，即具有由氮化鋁陶瓷制成的基材 2的多層材料1在上和下金屬覆層3之間的熱導(dǎo)率和熱阻方面必定與 其中使用DCB技術(shù)將金屬覆層施用于陶瓷基材的多層材料相當(dāng)，詳見 下文。所述基體包含相對于粘合劑或結(jié)合材料的總重量的約5-30重量
%的納米纖維材料。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，將可以按"Pyrograf III"商購的碳納米纖 維用作所述納米纖維材料。在混入基體之前以及在任何預(yù)處理之前， 在300(TC溫度下加熱該材料。將具有環(huán)氧基質(zhì)(例如聚酯)的基體用 于所述基體。為了實(shí)現(xiàn)納米纖維材料在基體材料中的最佳結(jié)合，使用 溶劑；特別適合于此目的的是三甘醇單丁醚。
圖3以圖解示出用于測量由結(jié)合層4引起的熱阻的配置。該配置 由上加熱片5、與所述加熱片鄰接且與之最佳相連以便傳熱的測量片6 以及下測量片7組成。測量片6和7具有溫度計(jì)或傳感器6. 1和7. 2， 它們用于測量所述片的準(zhǔn)確溫度并將測量值發(fā)送到測量或分析電子設(shè) 備。加熱片5可以電學(xué)方式工作，即例如用60伏的加熱電壓和用2.7 安培的恒定加熱電流，以便例如在測量過程中由加熱片5產(chǎn)生精確限 定的恒定熱量。
各個試件8 (由通過硬化的結(jié)合層4彼此相連的兩個銅片9和10 組成)位于兩個測量片6和7之間。為了實(shí)現(xiàn)試件8與測量片6和7 之間的無損失熱傳遞，分別在測量片6和7與相鄰的片9和10之間提 供由具有已知性質(zhì)的常規(guī)熱化合物制成的層11和12。
熱阻Rth定義如下
Rth (°K/W)-(Tl-T2)/加熱器5的輸出(W);熱導(dǎo)率則為1/Rth。 圖5是示出對各個試件測量的熱阻Rth (°K/W)的坐標(biāo)圖，即 位置A:具有未通過結(jié)合層4結(jié)合在一起的堆疊片9和10; 位置B-E:均具有通過結(jié)合層4結(jié)合在一起的片9和10，但是； 位置B:沒有進(jìn)一步的溫度處理； 位置C:在120匸的溫度下對試件8處理2. 8天； 位置D:在120X:的溫度下對試件8處理6天； 位置E:在160t:的溫度下對試件8處理1天； 圖5示出結(jié)合層4的熱導(dǎo)率隨著更長的溫度暴露而改善，顯然這 是由于該層的進(jìn)一步硬化。測量結(jié)果還顯示在各個試件8處測量的熱 阻Rth僅在開始時略微減小，即在每次測量的初始階段(明顯是由于測量系統(tǒng)的遲滯性)，然后在該初始階段之后保持恒定。
圖6以對比方式示出了銅-陶資多層材料的熱阻。對于該測量，使 用了其中將下銅片IO替換為相同尺寸的陶瓷片或陶瓷基材的試件，而 不是具有兩個銅片9和10的試件8。圖6中的位置A示出了一試件的 熱阻Rth(。K/W)，該試件中由銅制成的上片9在無結(jié)合的情況下靠在 由陶瓷(氧化鋁陶瓷)制成的下片10上。位置B和D指的是其中由銅 制成的上片9借助于結(jié)合層4與由陶資制成的下片IO結(jié)合在一起的測 量，即
位置B:在150。C溫度下對試件8處理3天；和 位置D:試件8沒有進(jìn)一步的處理。
位置C以對比方式示出了 DCB基材的熱阻。位置E是在沒有試件 8的情況下用圖3的測量裝置測量的熱阻，即用通過層11和12直接 相互靠著的測量片6和7。
顯然，所有測量使用相同尺寸的片9和10。
通過使用由具有最佳長度的納米纖維材料(即這些纖維或至少大 部分這些纖維的長度為l-100)j，優(yōu)選為10u )制成的納米纖維和/ 或通過納米纖維材料的預(yù)處理和該預(yù)處理引起的納米纖維材料在形成 結(jié)合材料的基體中的最佳結(jié)合能夠顯著提高結(jié)合層4的熱導(dǎo)率。這個 長度對應(yīng)于陶瓷基材和/或銅箔通常存在的表面不均勻性，因此能夠用 這個長度的納米纖維最佳地補(bǔ)償這種不均勻性。
通過使納米纖維或納米管的取向至少主要在熱流的方向上實(shí)現(xiàn)了 結(jié)合層4熱導(dǎo)率的進(jìn)一步改善和因此的多層材料1熱性質(zhì)的改善，例 如通過在納米纖維或納米管包含在基體中之前使其具有鐵磁性，這可 通過例如涂覆鐵磁性材料制成的納米顆粒來實(shí)現(xiàn)。在制造多層材料1 的過程中，這時借助于外部磁場(箭頭H)使納米纖維或納米管最佳 取向，使得這些納米纖維或納米管的取向垂直于或至少近似垂直于基 材2和結(jié)合層4中的鄰接金屬覆層3的表面。結(jié)合層4硬化之后，將 納米纖維或納米管固定在該取向。
然后使用形成表面粘合劑層的適當(dāng)聚合物來將鐵磁性材料或由這
種材料制成的納米顆粒施用于納米纖維材料或納米纖維或納米管，例 如使用聚苯胺。
通過在硬化之后壓制結(jié)合層4，例如通過熱等靜壓(HIP工藝)或 通過真空中處理，以便封閉各個結(jié)合層4中存在的任何氣泡或孔洞， 能夠?qū)崿F(xiàn)多層材料1的熱性質(zhì)的進(jìn)一步改善。
以上基于示范性實(shí)施方案描述了本發(fā)明。顯然可以在不放棄本發(fā) 明所依據(jù)的根本發(fā)明思想的情況下做出許多修改和變更。
特別地，所述導(dǎo)熱粘合劑或結(jié)合材料不僅能夠用于制造多層材料 或基材，而且通常能夠用于其中需要同時具有最佳熱傳遞的兩個組件 之間的粘合劑結(jié)合的所有應(yīng)用。
由于納米纖維材料具有碳基質(zhì)，因此所述結(jié)合材料還具有導(dǎo)電性， 使得還能夠理想地將其用作導(dǎo)電性粘合劑，即任何需要或要求粘合劑 電連接的場所，例如在將組件安裝到印制電路板上時，等等。
附圖標(biāo)記列表
1多層材料
2基材
2. 1基質(zhì)材料
2. 2絕緣層
3金屬覆層
4粘合劑或結(jié)合層
5加熱片
6， 7測量片
8試件
9， 10片
11， 12熱化合物層
權(quán)利要求
1.復(fù)合材料，特別是多層材料，其由至少兩個組件(2，3)組成，所述至少兩個組件借助于為熱傳遞而提供的鄰近表面上的粘合劑結(jié)合(4)而結(jié)合在一起，其特征在于所述粘合劑結(jié)合由包含合成基體中的納米纖維材料的粘合劑層或結(jié)合層(4)形成，所述合成基體適合用作粘合劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其特征在于結(jié)合層(4)由具有 環(huán)氧基質(zhì)的基體制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的復(fù)合材料，其特征在于納米纖維材料或 形成所述材料的納米纖維或納米管至少大部分取向在垂直于相互鄰接 表面的軸線方向上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的復(fù)合材料，其特征在于納米纖維材料或形成 所述材料的納米纖維或納米管為了通過外部磁場定向或取向從而被形 成為鐵磁性的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的復(fù)合材料，其特征在于納米纖維材料或形成 所述材料的納米纖維和/或納米管是鐵磁性的，例如涂覆有鐵磁性材料例如Fe203。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于所述基體 具有環(huán)氧基質(zhì)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于所述基體 組分是聚酯。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于所述基體 包含相對于總重量的5-30重量％的納米纖維材料。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于使用名為 "Pyrograf III"的納米纖維作為所述納米纖維。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于將所述 納米纖維材料包含在基體中之前在3000'C下的預(yù)處理中對其進(jìn)行加熱。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于使用溶 劑將所述納米纖維材料包含在基體中，例如使用三甘醇單丁醚。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于復(fù)合材料的組件由至少在表面上與其它組件結(jié)合的電絕緣材料制成，且所迷 其它組件由金屬例如銅制成。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于一個組 件是層狀載體或?qū)訝罨?2 )，以及借助于結(jié)合層(4 )將金屬層(3 ) 施用到基材(2)的兩面。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9或IO所述的復(fù)合材料，其特征在于一個組件 是陶瓷基材，例如由氧化鋁、氮化鋁和/或氮化硅陶瓷制成的基材。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于所述納 米纖維材料至少在其表面上經(jīng)過化學(xué)預(yù)處理。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于所述的 至少一個粘合劑層(4)在硬化之后被壓制，例如通過熱等靜壓工藝或 通過真空中的處理被壓制。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的復(fù)合材料，其特征在于所述納 米纖維材料是具有碳或合成基質(zhì)的材料。
18. 粘合劑或結(jié)合材料，其用于將旨在用于熱傳遞的至少兩個相 鄰表面粘合劑結(jié)合，其包含適合用作粘合劑的基體，其特征在于該基 體包含納米纖維材料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的結(jié)合材料，其特征在于所述基質(zhì)具有環(huán)氧基質(zhì)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18或19的結(jié)合材料，其特征在于所述基體組 分是聚酯。
21. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的結(jié)合材料，其特征在于所述基 體包含相對于總重量的5-30重量％的納米纖維材料。
22. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的結(jié)合材料，其特征在于使用名 為"Pyrograf III"的納米纖維作為所述納米纖維。
23. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的結(jié)合材料，其特征在于將納米 纖維材料放入基體之前，在300(TC下的預(yù)處理中對其進(jìn)行加熱。
24. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的結(jié)合材料，其特征在于使用溶 劑將所述納米纖維材料包含在基體中，例如使用三甘醇單丁醚。
25. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的結(jié)合材料，其特征在于所述納 米纖維材料具有鐵磁性材料，例如作為涂層。
26. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的結(jié)合材料，其特征在于所述納 米纖維材料至少在其表面上經(jīng)過化學(xué)預(yù)處理。
27. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的結(jié)合材料，其特征在于所述納 米纖維材料是具有碳或合成基質(zhì)的材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層材料，其中至少兩個組件通過粘合劑結(jié)合相互連接。所述粘合劑結(jié)合由粘合劑層或結(jié)合層形成，該粘合劑層或結(jié)合層包含適合用作粘合劑的基體中的納米纖維材料。
文檔編號B32B27/20GK101341225SQ200680048334
公開日2009年1月7日 申請日期2006年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者E·哈梅爾, 唐新和, 唐本忠, 謝家駿 申請人:伊萊楚維克股份公司