Druckloses Sintern von Cu für Hochleistungsanwendungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Grundlagen zum drucklosen Sintern von Kupferpulver. Dazu wurden Grünkörper mit unterschiedlicher Packungsdichte über ein Suspensionsgießverfahren hergestellt und drucklos gesintert. Die Gründichte wurde über die Suspensionseigenschaften variiert und die Einflüsse der Prozessparameter Temperatur und Haltezeit auf die mikrostrukturelle Entwicklung untersucht. Die neu eingeführte Korngrenzen-Hit-Rate ermöglicht die quantitative und qualitative Bewertung gesinterter Mikrostrukturen. Daraus können die Gründe für eine begrenzte Verdichtung mittels der metallographischen Gefügeanalyse herausgearbeitet werden. Aus diesen Ergebnissen lassen sich die Grenzen der konventionellen Sinterung ableiten. Aus den Erkenntnissen durch die Gefügeanalyse konventionell gesinterter Cu-Proben werden neuartige mehrstufige Sinterprofile abgeleitet, die die Entwicklung der Mikrostruktur gezielt kontrollieren und dadurch höhere Sinterdichten in kürzeren Prozesszeiten ermöglichen. Des Weiteren wird die Wärmeleitfähigkeit von gesintertem Cu in Abhängigkeit der Porosität und der Verunreinigungen des Ausgangsmaterials analytisch, numerisch und experimentell untersucht. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen wird ein Modell zur Vorhersage der Leitfähigkeit von gesintertem Cu in Abhängigkeit der Porosität und des Verunreinigungsgrads hergeleitet. Die systematische Sinteroptimierung sowie die Erkenntnisse zu den Zusammenhängen zwischen Mikrostruktur und Leitfähigkeit können auf sinterbasierte Fertigungsverfahren wie z.B. Binder Jetting, Fused Filament Fabrication und Metallpulverspritzgießen übertragen werden. Dadurch wird die pulverbasierte Fertigung von komplexen und hochleitfähigen Kupfer-Bauteilen für Hochleistungsanwendungen im Bereich der Elektronik ermöglicht.

This dissertation deals with the fundamentals of pressureless sintering of copper powder. For this purpose, green bodies with different packing densities were produced by a suspension based process route and pressure-less sintered afterwards. In addition to the variation of the green density via the suspension properties, the influences of the process parameters temperature and holding time on the microstructural development are investigated. The newly introduced parameter Grain Boundary Hit Rate allows the quantitative and qualitative evaluation of sintered microstructures. According to this microstructural analysis the reasons for limited densification can be determined and the general limits of conventional sintering are derived from these results. Based on the findings from the microstructural analysis of conventionally sintered Cu samples, novel types of multistep sintering profiles are derived to control the microstructural evolution to enable higher sintering densities in shorter process times. In addition, the thermal conductivity of sintered Cu is investigated analytically, numerically and experimentally as a function of the porosity and impurities of the starting material. From the results of these investigations, a model for predicting the conductivity of sintered Cu is derived. The systematic sintering optimization can be transferred to sintering-based manufacturing processes such as Binder Jetting, Fused Filament Fabrication, and Metal Injection Molding to facilitate the fabrication of complex and highly conductive Cu parts for high-performance applications in the field of electronics.