Herstellung und mikrostrukturelle Beschreibung neuartiger Verbundwerkstoffe mit höchster thermischer Leitfähigkeit und optimierter thermischer Ausdehnung

• Applicant: Dr.-Ing. Christa Sauer (†)
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 1999 to 2002
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5218388

Ziel des Forschungsantrages ist es, unter Anwendung metallphysikalischer Grundlagen zur Elektronen-Phononen-Wechselwirkung Wärmesenken mit höchster thermischer Leitfähigkeit und optimierter thermischer Ausdehnung herstellen zu können, die dringend in der Mikroelektronik zur Abführung der Wärme benötigt werden. Die bisherigen Untersuchungen zeigten, dass es zwar möglich ist, über pulvermetallurgische Arbeitsweisen Kupfer/Diamant-Verbundwerkstoffe mit hoher Dichte herzustellen, jedoch könnten die theoretisch berechneten Werte von Wärmeleitfähigkeit und thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht erreicht werden. Die Ursache liegt darin, dass bei den Berechnungsmodellen von idealen Grenzflächen ausgegangen wurde, die Untersuchungen aber zeigten dass an den Grenzflächen Kupfer/Diamant ein hoher Grenzflächenwiderstand auftritt, d.h. kaum ein Wärmeübergang erfolgt. Dieser schlechte Wärmetransport ist auf die schwache Elektronen-Phononen-Kopplung zwischen Kupfer, einem bei Raumtemperatur nahezu reinem Elektronenleiter, und Diamant, einem ausschließlichen Phonenleiter, zurückzuführen. In diesem Fortsetzungsantrag sollen deshalb dünne Schichten zwischen Diamant und Kupfer eingebracht werden, die in der Lage sind, die Elektronen-Phononen-Wechselwirkung zwischen Kupfer und Diamant zu verbessern. Als geeignete Schicht wird z.B. eine TiC-Schicht angesehen, weil bei der metallischen Keramik TiC sowohl Elektronen als auch Phononen zur Wärmeleitung beitragen und wegen des hohen E-Moduls dieser einge gute Elektronen-Phononen-Kopplung zu erwarten ist. Es soll über pulvertechnologische Arbeitsweisen die Dicke der TiC-Schicht erarbeitet werden, die in der Lage ist, die Elektronen-Phononen-Wechselwirkung zwischen Kupfer und Diamant optimal zu fördern, damit die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Diamant in dem Verbundwerkstoff genutzt werden kann.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr. Joachim Mayer