Производство частиц и изделий с запроектированными свойствами

Производство частиц и изделий с запроектированными свойствами

Реферат

 

Изобретение относится к производству изделий и покрытий, проектируемых так, чтобы иметь заранее выбранные удельные теплопроводности и коэффициенты температурного расширения (КТР), согласующиеся с такими же характеристиками тех материалов, к которым эти изделия и покры- тия прикрепляются. Изобретение включает способ придания частицам желательного значения удельной теплопроводности и/или КТР путем нанесения на них покрытия, сами покрытые частицы и изделия, изготовленные из множества покрытых частиц путем их объединения уплотнением, изостатическим прессованием или инжекционным формованием. Способ заключается в том, что на каждую частицу покрытие наносят в определенном объеме по отношению к объему самой частицы так, чтобы полученные значения удельной теплопроводности и/или КТР покрытой частицы отличались от значений этих свойств у материалов частиц и покрытия. В качестве материала частицы используют графит, алмаз, вольфрам или никель-42, а в качестве материала покрытия - медь. При определенных соотношениях объемов меди к графиту алмазу, вольфраму или никелю-42 у покрытых частиц получают желательные значения удельной теплопроводности и КТР в температурном диапазоне 25 - 400^oC. Изобретение повышает надежность воспроизводимости проектируемых параметров у создаваемых изделий. 4 с. и 10 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится, к проектированию внутренних свойств частиц, изделий, производимых путем объединения частиц, и покрытий, образованных из частиц, а конкретнее касается производства изделий и покрытий, проектируемых так, чтобы иметь заранее выбранные удельные теплопроводности и коэффициенты температурного расширения, согласующиеся с такими же характеристиками тех материалов, к которым эти изделия и покрытия прикрепляются.

Согласно "Правилу смесей" Лакке, внутренние физические свойства (например, удельная теплопроводность, коэффициент теплового расширения) гетерогенных изделий, составленных по меньшей мере из двух тщательно перемешанных материалов, имеют тенденцию изменяться приблизительно линейно в зависимости от отношения объема одного из этих материалов к объему другого материала. К примеру, можно ожидать, что гетерогенное изделие, составленное из 50-50 волюметрической смеси из одного материала, который имеет низкий коэффициент теплового расширения, и другого материала, который имеет высокий коэффициент теплового расширения, будет иметь коэффициент теплового расширения, который представляет собой среднее из коэффициентов теплового расширения обоих материалов.

В известном способе производства гетерогенных изделий смесь из двух металлических порошков, которые имеют разные удельные теплопроводности и коэффициенты теплового расширения, уплотняется и спекается для получения изделия. Это изделие имеет запроектированный коэффициент теплового расширения, который примерно соответствует коэффициенту теплового расширения того объекта, к которому изделие предназначено прикрепляться, и запроектированную удельную теплопроводность.

Известно техническое решение, в котором для придания частицам желательного значения внутреннего свойства (удельной теплоемкости и/или коэффициента теплового расширения), отличавшегося от первоначального значения этого свойства, на частицы наносят покрытие, которое имеет другое значение упомянутого внутреннего свойства. При этом значение внутреннего свойства покрытых частиц зависит от отношения объема, покрытия к объему частиц (патент США N 5184662, кл. B 22 D 19/00, 1993).

Известна покрытая частица, содержащая дискретную сердцевинную частицу, содержащую первый материал, причем упомянутая сердцевинная частица имеет первое значение по меньшей мере одного внутреннего свойства, а покрытие содержит второй материал, и образовано на поверхности упомянутой сердцевинной частицы, причем упомянутое покрытие имеет второе значение упомянутого по меньшей мере одного внутреннего свойства, упомянутое второе значение отличное от упомянутого первого значения, объем упомянутого покрытия находится в отношении к объему упомянутой сердцевинной частицы, при этом упомянутая покрытая частица проявляет третье значение упомянутого по меньшей мере одного внутреннего свойства, при этом упомянутые первый и второй материалы и упомянутый объем упомянутого покрытия по отношению к упомянутому объему упомянутой сердцевинной частицы выбираются так, чтобы упомянутая покрытая частица проявляла, упомянутое значение упомянутого по меньшей мере одного внутреннего свойства, причем упомянутое третье значение упомянутого по меньшей мере одного внутреннего свойства является функцией упомянутых первого и второго значений и упомянутого объема, упомянутое третье значение упомянутого по меньшей мере одного внутреннего свойства отлично от упомянутых первого и второго значений (патенты США N 4711814, кл. B 05 D 5/12, 1987, N 5184662, кл. B 22 D 19/00, 1993).

Известно также техническое решение изготовления изделия, включающее заготовку множества частиц, содержащих первый материал с первым значением по меньшей мере одного внутреннего свойства, образование покрытия, содержащего второй материал со вторым значением упомянутого по меньшей мере одного внутреннего свойства, объединение упомянутых покрытых частиц таким образом, чтобы упомянутые частицы соединились друг с другом для образования упомянутого изделия с выбранной плотностью, и в котором дискретные слои покрытий на частицах практически сохраняются, так что второй материал и первый материал практически не смешиваются и не сплавляются, выбор упомянутых первого и второго материалов, осуществляемое таким образом, чтобы упомянутое изделие проявляло третье значение упомянутого по меньшей мере одного внутреннего свойства, и выбор упомянутой плотности для управления упомянутым внутренним свойством, как функцией температуры (патент США N 4894293, кл. C 22 C 9/00, 1990).

Известно также изготовление слоистого изделия с различными значениями выбранного свойства у каждого слоя для присоединения друг к другу двух объектов с различными значениями этого внутреннего свойства (патент США N 4602956, кл. C 22 C 29/12, 1986).

Известные технические решения, характеризующие способ производства гетерогенных изделий, нанесение покрытия на частицы, изготовление покрытых частиц с дискретной сердцевинной частицей, изделие, изготовленное из множества покрытых частиц, а также слоистое изделие - являются наиболее близкими к настоящей группе изобретений по технической сущности и достигаемому результату при их использовании. Решая возложенные на них задачи, они тем не менее не обеспечивают создание изделий с заданными параметрами удельной теплопроводности и коэффициента теплового расширения в заданных диапазонах. Кроме того, изготавливаемые изделия не обеспечивают стабильной воспроизводимости упомянутых параметров от образца, к образцу.

Задача, на решение которой направлена данная группа изобретений, заключается в создании частиц, изделий с заранее заданными параметрами удельной теплопроводности и коэффициента теплового расширения, при этой обеспечивается более высокая надежность воспроизводимости указанных параметров у создаваемых изделий.

Упомянутый технический результат достигается за счет предлагаемой технологии и параметров и режимов, сопровождающих процесс изготовления изделий.

В одном своем аспекте изобретение определяет покрытие частицы, изготовленной из первого материала, вторым материалом так, что отношение объема этого покрытия к объему самой частицы практически равно выбранному отношению объемов. Первый и второй материалы и отношение объемов выбираются так, чтобы заставить покрытую частицу проявлять по меньшей мере одно выбранное внутреннее свойство, которое является функцией внутренних свойств первого и второго материалов. Первый материал является, например, вольфрамом, молибденом, графитом, карбидом кремния или алмазом. Второй материал является, например, медью.

В другом аспекте изобретение определяет производство изделия из частиц, управляемое таким образом, чтобы заставить изделие иметь выбранную плотность. Частицы, по меньшей мере часть из которых содержит первый материал и имеет поверхности, на которых образовано покрытие, содержащее второй материал, объединяются, чтобы заставить их соединиться друг с другом для образования изделия выбранной плотности. Первый и второй материалы выбираются так, чтобы изделие проявляло выбранное внутреннее свойство, а плотность выбирается так, чтобы это внутреннее свойство проявляло запроектированное поведение как функция температуры. К примеру, степень линейности коэффициента теплового расширения изделия, образованного из объединенных частиц, зависит от плотности изделия. Посредством выбора и управления плотностью изделия управляется поведение коэффициента теплового расширения как функция температуры, и, в общем случае, дополнительно уточняется выбор коэффициента теплового расширения.

В другом аспекте изобретение определяет производство изделия из частиц, причем это изделие имеет две или более части, имеющие различные внутренние свойства. Первое множество частиц содержит по меньшей мере один материал, а второе множество частиц содержит по меньшей мере один другой материал. Первое множество частиц и второе множество частиц объединяются для соединения первого множества частиц друг с другом для образования первой части (например, слоя) изделия, а второе множество частиц соединяется вместе для образования второй части изделия; частицы, расположенные около поверхности раздела между первой и второй частями изделия, соединяются вместе. Первая и вторая части изделия проявляют разные выбранные внутренние свойства согласно композициям (и отношение объемов) частиц.

К примеру, первая и вторая части могут иметь разные коэффициенты теплового расширения, и изделие может быть включено непосредственно между двумя объектами с разными коэффициентами теплового расширения, которые соответствуют коэффициентам теплового расширения этих двух частей. Имеется лишь одна граница (расположенная на поверхности раздела между двумя частями изделия), на которой коэффициенты теплового расширения не совпадают, а не серия таких границ, расположенных между следующими друг за другом слоями разнородных изделий. Границы между частицами имеют тенденцию поглощать напряжения от тепловою расширения, и, следовательно, предотвращается растрескивание или расслоение на соединении между двумя частями.

Многочисленные признаки, цели и преимущества изобретения станут яснее из нижеследующего подробного описания и из формулы изобретения.

Фиг. 1 показывает сечение покрытой частицы по изобретению.

Фиг. 2 иллюстрирует объединение покрытых частиц по фиг. 1 посредством уплотнения.

Фиг. 3 показывает слой покрытых частиц по фиг. 1, нанесенный на поверхность изделия.

Фиг. 4 иллюстрирует корпус электроники, который включает в себя комбинацию конструктивной, тепловой и заземляющей пластин, изготовленных из покрытых частиц по фиг. 1, и выводных рамок, изготовленных из покрытых частиц по фиг. 1.

Фиг. 5 является диаграммой, иллюстрирующей расширение изделия в функции температуры при плотностях 90%, 95% и 100%.

Фиг. 6 иллюстрирует объединение двух отдельных слоев покрытых частиц по фиг. 1 посредством уплотнения.

Фиг. 7 отображает гибридный корпус электроники, используемый для размещения в нем интегральных схем, который изготавливается из покрытых частиц по фиг. 1.

Фиг. 8 показывает корпус электроники с низкотемпературной керамической подложкой, которая прокаливается, когда поддерживает предварительно спеченную комбинацию конструктивной, тепловой и заземляющей пластин, изготовленных из покрытых частиц по фиг. 1.

Фиг. 9 показывает высокомощный полупроводниковый компрессионный модуль, содержащий полупроводниковый прибор, который прижат под давлением к теплоотводу, образованному из покрытых частиц по фиг. 1.

Фиг. 10 показывает сечение покрытой частицы по изобретению, причем частица имеет тонкое пограничное предварительное покрытие.

Фиг. 11 показывает покрытые частицы по фиг. 10, электролитически осаждаемые на изделие совместно с матричным материалом.

Фиг. 12 показывает предварительно покрытые частицы, электролитически осаждаемые на изделие совместно с матричным материалом.

На чертежах, а конкретнее на их фиг. 1 частица 12, которая может иметь всего несколько микрон в диаметре и которая включает в себя элементный металл, металлический сплав или неметалл, покрыта покрытием 14 из элементного металла, металлического сплава или неметалла для образования покрытой частицы 10. Покрытая частица 10 проявляет запроектированные внутренние физические свойства (например, удельную теплопроводность или коэффициент теплового расширения) и/или внутренние механические свойства (например, прочность на разрыв). Внутренние физические свойства (но не внутренние механические свойства) покрытой частицы 10 имеют тенденцию вести себя в соответствии с правилом смесей Лакке, согласно которому внутренние физические свойства изменяются примерно линейно с отношением объема покрытия 14 к объему частицы 12. Механические свойства меняются нелинейно с отношением объема покрытия 14 к объему частицы 12.

Покрытие 14 сцеплено с частицей 12 посредством, например, осаждения методом химического восстановления (метод, рассматриваемый ниже). Внутренние свойства покрытой частицы 10 проектируются путем управления отношением объема покрытия 14 к объему частицы 12, что может достигаться двумя путями: 1) управлением размером частицы 12, либо 2) управлением толщиной покрытия 14.

Частица 12 включает в себя, к примеру, элементный вольфрам, покрытие 14 включает в себя элементную медь, и отношение объемов меди к вольфраму составляет 27: 73%. Медь имеет высокую удельную теплопроводность приблизительно 391 Вт/мград К (ватт на метр и градус Кельвина) и относительно высокий коэффициент теплового расширения приблизительно 17,5 мил. частей/град C (миллионных частей на градус Цельсия) в температурном диапазоне от 25 до 400^oC, тогда как вольфрам имеет относительно низкую удельную теплопроводность приблизительно 164 Вт/мград К и относительно низкий коэффициент теплового расширения приблизительно 4,5 мил.частей/град C в диапазоне от 25 до 400^oC. Покрытая медью вольфрамовая частица 10 имеет удельную теплопроводность приблизительно 226 Вт/мград К при 25^oC (промежуточную между высокой удельной теплопроводностью меди и более низкой удельной теплопроводностью вольфрама) и запроектированный коэффициент теплового расширения приблизительно 8,2 мил.частей/град К (промежуточный между низким коэффициентом теплового расширения вольфрама и более высоким коэффициентом теплового расширения меди) в диапазоне от 25 до 400^oC.

На фиг. 2 показано штамповочно-прессовое устройство 16, включающее пуансон 18 и форму 20, которое используется для объединения покрытых частиц 10 в изделие 22 путем уплотнения (при этом покрытые частицы 10 имеют запроектированные свойства, как описано в связи с фиг. 1). Уплотненное изделие 22 спечено в твердом состоянии (спечено при температуре ниже точки плавления частиц и точки плавления покрытий этих частиц) или, альтернативно, спечено в жидкой фазе (спечено при температуре выше точки плавления покрытий, но ниже точки плавления частиц). Плавление вызывает образование границ между частицами для получения гетерогенного изделия. Покрытие частиц, таким образом, служит в качестве "матричного материала" (материала, который удерживает частицы вместе, образуя изделие).

Изделие 22 имеет запроектированные внутренние физические свойства (например, удельную теплопроводность и/или коэффициент теплового расширения) и/или внутренние механические свойства (на пример, прочность на разрыв), соответствующие свойствам покрытых частиц 10, из которых изготовлено изделие. Запроектированные внутренние свойства покрытых частиц 10 проявляются с высокой степенью равномерности и изотропии по всему изделию 22 потому, что каждая частица 10 имеет равномерное покрытие, и потому, что нет неотъемлемой случайности в распределении различных материалов или разделения между различными материалами внутри изделия 22. Тем самым внутренние свойства изделия 22 запроектированы на "уровне частиц", а не на "уровне изделия". Изделие 22 представляет собой, например, тепловую и конструктивную пластину для корпуса электроники, причем тепловая и конструктивная пластина запроектирована иметь коэффициент теплового расширения, совпадающий с таким же коэффициентом объекта, к которому она прикрепляется, и запроектирована иметь высокую удельную теплопроводность, как описано ниже в связи с фиг. 4.

Покрытые медью вольфрамовые частицы, к примеру, имеющие отношение объемов меди к вольфраму 27:73%, уплотняются в прессе 16 при усилии 200 тонн на квадратный дюйм площади поверхности для достижения полной плотности (выше плотности приблизительно 90%), и уплотненные покрытые частицы спекаются в твердом состоянии в водородной атмосфере при 1950 градусах Фаренгейта в течение примерно получаса.

Покрытые частицы 10 могут объединяться не только так, как описано выше, но эти покрытые частицы могут также наноситься на объекты в качестве покрытий. На фиг. 3 показано покрытие 28 из покрытых частиц 10 с запроектированными свойствами. Покрытие 28 наносится на поверхность изделия 30 из металла, металлического сплава или неметалла через маску 29 для нанесения покрытия. Изделие 30 может альтернативно быть изделием, которое само образовано из покрытых частиц посредством любого из рассмотренных выше методов. В процессе нанесения покрытые частицы, например, покрытые медью вольфрамовые частицы с отношением объемов меди к вольфраму 27:73%, помещаются в жидкость, и покрытие образуется из частиц, например, окиси бериллия посредством одного из методов нанесения, подробно рассматриваемых ниже. Таким образом, возможно создавать покрытие непосредственно на изделии без необходимости применять соединение между покрытием и изделием.

Покрытие 28 имеет запроектированные внутренние физические свойства (например, удельную теплопроводность, коэффициент теплового расширения) и/или внутренние механические свойства (например, прочность на разрыв), которые совпадают со свойствами покрытых частиц, из которых изготовлены эти покрытия. Запроектированные внутренние свойства покрытых частиц проявляются с высокой степенью равномерности и изотропии во всем покрытии 28 потому, что каждая частица покрыта равномерно, и потому, что отсутствует неотъемлемая случайность в распределении различных материалов или разделение между различными материалами внутри покрытия 28. Таким образом, внутренние свойства покрытия 28 проектируются на "уровне частиц", а не на "уровне покрытия". Заметим, однако, что описанный выше метод нанесения может также воплощаться и в том случае, когда покрытие 28 не содержит покрытых частиц, но вместо этого состоит из смеси различных частиц, выбранных из двух различных материалов в подходящем соотношении объемов.

На фиг. 4 показан корпус 32 электроники, который включает в себя полупроводниковые приборы 34, установленные на подложке 35, причем эта подложка 35 поддерживается комбинированной конструктивной, тепловой и заземляющей пластиной 36, образованной из покрытых частиц. Полупроводниковые приборы 34 представляют собой, к примеру, высокомощные твердотельные переключающие приборы (такие, как те, которые могут включаться в схему транспортного средства с электрическим двигателем) и вырабатывают в процессе работы значительные количества тепла. Подложка 35, к которой полупроводниковые приборы 34 прикреплены посредством клеевой связи, диффузионной связи, твердого или мягкого припоя либо пайки, образована из материала, выбранного так, чтобы его коэффициент теплового расширения примерно совпадал с таким же коэффициентом полупроводниковых приборов 34, как это известно из уровня техники, чтобы облегчить прикрепление полупроводниковых приборов 34 к подложке 35. Конструктивная пластина 36 изготовлена согласно настоящему изобретению из покрытых частиц. Материал частиц, материал покрытия и отношение объемов материала покрытия к материалу частиц выбраны так, чтобы конструктивная пластина 36 имела высокую удельную теплопроводность (чтобы дать ей возможность работать в качестве теплоотвода и тепловой пластины) и при этом имела коэффициент теплового расширения, практически совпадающий с коэффициентом теплового расширения подложки 35. И удельная теплопроводность, и коэффициент теплового расширения в высокой степени равномерны и изотропны во всей конструктивной пластине 36.

Подложка 35 образована, к примеру, из нитрида алюминия с коэффициентом теплового расширения приблизительно 4,4 мил.частей/град^oC в диапазоне от 25 до 400^oC. Конструктивная пластина 36 выполнена из покрытых медью графитовых частиц с отношением объемов меди к графиту 24:76%. Это отношение объемов обеспечивает удельную теплопроводность приблизительно 325 Вт/мград К и коэффициент теплового расширения приблизительно 4,3 мил.частей/град C (от 25 до 400^oC), который точно совпадает с этим коэффициентом для подложки 35 из нитрида алюминия. Медный матричный материал обеспечивает высокую прочность на разрыв (внутреннее механическое свойство) в конструктивной пластине 36. Альтернативно, конструктивная пластина 36 выполнена из покрытых медью алмазных частиц с отношением объемов меди к алмазу 20:80%. Это отношение объемов обеспечивает удельную теплопроводность приблизительно 781 Вт/мград К и коэффициент теплового расширения приблизительно 4,8 мил. частей/град C (от 25 до 400^oC).

Альтернативно, подложка 35 образована из окиси бериллия (BeO) с коэффициентом теплового расширения приблизительно 7,6 мил.частей/град C (от 25 до 400^oC). Конструктивная пластина 36 выполнена из покрытых медью графитовых частиц с отношением объемов меди к графиту 42:58%. Это отношение объемов обеспечивает удельную теплопроводность приблизительно 380 Вт/мград К и коэффициент теплового расширения приблизительно 7,6 мил.частей/град C (от 25 до 400^oC), который точно совпадает с таким же коэффициентом подложки 35 из окиси бериллия. Альтернативно, конструктивная пластина 36 выполнена из покрытых медью алмазных частиц с отношением объемов меди к алмазу 37:63%. Это отношение объемов обеспечивает удельную теплопроводность приблизительно 698 В/мград К и коэффициент теплового расширения приблизительно 7,6 мил. частей/град C (от 25 до 400^oC). Альтернативно, конструктивная пластина 36 выполнена из покрытых медью вольфрамовых частиц с отношением объемов меди к вольфраму приблизительно 27: 73%. Это отношение объемов обеспечивает удельную теплопроводность приблизительно 226 Вт/мград К и коэффициент теплового расширения приблизительно 8,2 мил.частей/град C (от 25 до 400^oC).

Конструктивная пластина 36 прикреплена к подложке 35 следующим образом. Тонкий слой покрытых частиц осаждается сначала на нижнюю поверхность подложки 35, как показано на фиг. 3, в соответствии с описанным ниже методом. Затем конструктивная пластина 36, которая уплотнена (так, как описано выше для фиг. 2), но еще не спечена, приводится в соприкосновение с поверхностью нанесения подложки 35. Затем эта конструкция спекается, чтобы заставить подложку 35 и конструктивную пластину 36 соединиться вместе в единую конструкцию. Альтернативно, конструктивная пластина 36 связана с подложкой 35 пайкой, твердым или мягким припоем, диффузией или клеевым соединением.

Выводные рамки 38, к которым полупроводниковые приборы 34 прикреплены посредством проводных связей 40, передающих питание, заземление, входные и выходные сигналы на полупроводниковые приборы 34 и от них, также изготавливаются из покрытых частиц согласно настоящему изобретению, чтобы иметь коэффициент теплового расширения, практически совпадающий с коэффициентом теплового расширения подложки 35. Подложка 35 образована, например, из окиси бериллия (BeO) с коэффициентом теплового расширения приблизительно 7,6 мил. частей/град C (от 25 до 400^oC), а выводная рамка 38 изготовлена из покрытых медью частиц никеля 42 (никель 42 представляет собой железо-никелевый сплав) с отношением объемов меди к никелю 42 в 20:80%, удельной теплопроводностью приблизительно 86,78 Вт/мград К и коэффициентом теплового расширения приблизительно 8,1 мил.частей/град C (от 25 до 400^oC). Заметим, что покрытый медью никель 42 не должен иметь такой высокой удельной теплопроводности, как покрытый медью графит, используемый в конструктивной пластине 36, потому что выводные рамки 38 не предназначены выполнять функции теплоотвода. Альтернативно, однако, выводные рамки 38 могут изготавливаться из тех же самых покрытых частиц, из которых изготавливается конструктивная пластина 36. Выводные рамки 38 наносятся через маску для нанесения покрытия прямо на верхнюю поверхность подложки 35 согласно методу, описанному выше в связи в фиг. 3. В одном выполнении выводные рамки 38 спекаются, чтобы обеспечить достижение выводными рамками желательной плотности.

Даже при заданных больших уровнях мощности, тепловых плотностях и рабочих частотах, которые характерны для новой мощной электронной техники, и при больших и быстрых изменениях в температуре, которые в результате обычно происходят во время работы полупроводниковых приборов 34, маловероятно, что появятся трещины и отслоения в соединениях подложки 35 и выводных рамок 38 и между подложкой 35 и конструктивной пластиной 36, вследствие практического совпадения коэффициентов теплового расширения в соединении и из-за равномерности и изотропности, с которыми удельная теплопроводность и коэффициенты теплового расширения проявляются во всей конструктивной пластине 36 и во всех выводных рамках 38. Вследствие этого вся конструкция 32 корпуса имеет длительный срок службы.

Запроектированные внутренние свойства изделия, изготовленного согласно описанному выше методу, не только являются функцией материалов, выбранных для частиц и покрытий частиц и функцией отношения объемов покрывающего материала к материалу, из которого образованы сами эти частицы, но, в дополнение к этому, на поведение этих внутренних свойств подобных изделий в зависимости от температуры (например, степень линейности коэффициента теплового расширения в зависимости от температуры) влияют плотности изделия. Таким образом, управляя плотностью такого изделия, можно приблизить поведение коэффициента теплового расширения изделия в зависимости от температуры к коэффициенту теплового расширения керамики (который ведет себя нелинейно в зависимости от температуры) в критических температурных диапазонах обработки.

Фиг. 5 представляет график теплового расширения в миллионных частях как функцию температуры для изделий, образованных из покрытых медью вольфрамовых частиц с отношением объемов меди к вольфраму 27:73% (15% меди к 85% вольфрама по весу) при плотностях приблизительно 100% (теоретическая плотность), 95% и 90%, и для двух керамических материалов (BeO и Al₂O₃), с которыми характер расширения изделия может приблизительно совпадать в критических температурных диапазонах обработки за счет выбора подходящей плотности. Отметим, что степень, до которой расширяется изделие (т.е. значение коэффициента теплового расширения), уменьшается при уменьшении плотности. Тем самым можно выбирать поведение коэффициента теплового расширения (или поведение других свойств, таких как удельная теплопроводность) в зависимости от температуры, и в целом можно тем самым дополнительно уточнять физические свойства путем выбора плотности, при которой изготавливается изделие. Отметим, что свойствами изделий, изготавливаемых из непокрытых частиц, также можно управлять путем выбора плотностей, при которых эти изделия изготавливаются.

Способы покрытия Обратимся сначала к способам покрытия самих частиц. Затем рассмотрим способы нанесения на изделия покрытий из покрытых частиц.

На фиг. 1 покрытие 14 нанесено на частицу 12 с помощью использования соответствующего процесса осаждения методом химического восстановления (автокаталитического осаждения). Подлежащие покрытию частицы помещаются в ванну химического восстановления, которая содержит водный раствор ионов металла, один или более химических восстановителей, катализатор, один или более комплексообразующих реагентов и один или более ванновых антикоагуляторов. Ионы металла автокаталитически или химически восстанавливаются до металла с помощью восстановителя или восстановителей, при этом восстановитель или восстановители действуют как доноры электронов, а ионы металла действуют как акцепторы электронов. Катализатор ускоряет реакцию химического восстановления. Комплексообразующий реагент или реагенты используются для управления показателем pH раствора и для управления величиной "свободных" ионов металла, доступных для растворения. Антикоагуляторы действуют как каталитические ингибиторы для торможения возможного спонтанного разложения ванны. В одном выполнении, к примеру, подвергаемые нанесению частицы являются частицами графита, алмаза или карбида кремния, ионы меди поставляются водным сульфатом меди, восстановителем является формальдегид, катализатор представляет собой палладий, комплексообразующий реагент - один или более из группы, куда входят: сегнетова соль, виннокислый этилендиамин (EDTA), гидроокись аммония, пиридин-3-сульфокислота и/или виннокислый калий, а антикоагулятор - один или более из группы, куда входят: тиодигликолевая кислота, МВТ, тиомочевина, цианистый натрий и/или окись ванадия.

Осаждение методом химического восстановления создает либо механическую связь, либо химическую связь между покрытием 14 и частицей 12. Эта связь, как правило (но не всегда), будет механической, если либо покрытие 14, либо частица 12 является неметаллом, и, как правило, будет химической, если и покрытие 14, и частица 12 являются металлами.

Альтернативные способы покрытия частиц включают в себя электролитическое нанесение, напыление из газообразной среды и напыление из жидкой среды.

Как показано на фиг. 10, в некоторых выполнениях, в которых покрытие 14 образовало бы только механическую связь с частицей 12, если бы покрытие 14 было нанесено прямо на частицу осаждением путем химического восстановления, частица 12 предварительно покрыта сверхтонким слоем 68 (на чертежах толщина увеличена) материала предварительного покрытия, а затем нанесено покрытие 14. Предварительное покрытие (пограничное покрытие) 68 прочно связано с частицей 12 и покрытием 14, создавая прочную, стойкую к разрушению химически связанную покрытую частицу 10. Например, если частица 12 является графитом или алмазом, а покрытие 14 представляет собой медь, то покрытие 14 образовало бы механическую связь с графитом или алмазом, если бы покрытие 14 было нанесено прямо на графит или алмаз. Вместо этого на частицу 12 сначала наносится предварительное покрытие 68 из такого металла, как хром или кобальт-вольфрамовый сплав с толщиной в диапазоне от 200 до нескольких тысяч ангстрем, причем предварительное покрытие 68 образует когезионный состав с частицей 12 на поверхности раздела между предварительным покрытием 68 и частицей 12. Затем покрытие 14 наносится на хромовое или кобальт-вольфрамовое предварительное покрытие 68, при этом предварительное покрытие 68 образует металлургическую связь с покрытием 14. Предварительное покрытие практически не влияет на удельную теплопроводность или коэффициент теплового расширения покрытой частицы 10, потому что это предварительное покрытие является сверхтонким. В одном выполнении малая управляемая величина палладиевого или борового катализатора осаждается совместно с кобальт-вольфрамовым материалом предварительного покрытия, причем этот катализатор служит для ускорения реакции химического восстановления, посредством которой медное покрытие 14 осаждается на кобальт-вольфрамовое предварительное покрытие 68.

Предварительное покрытие используется также, когда покрытие 14 реагирует с частицей 12, разъедается ею или разрушается от нее каким-либо иным путем, либо наоборот. Например, если частица 12 представляет собой графит или алмаз, а покрытие 14 - алюминий, то высокореагентный алюминий растворял бы графит или алмаз, если бы покрытие 14 было нанесено прямо на частицу 12. Вместо этого на частицу 12 сначала осажден тонкий слой 68 металла, такого как хром или кобальт-вольфрам, а затем на предварительное покрытие 68 нанесено покрытие 14 для образования покрытой частицы 10. Это предварительное покрытие 68 образует когезионную связь с графитовой или алмазной частицей 12, тем самым предохраняя частицу 12 от алюминиевого матричного материала. Таким образом, предварительное покрытие 68 позволяет выпускать изделия из покрытых частиц, когда частицы и их покрытия в ином случае стремились бы реагировать друг с другом.

Предварительное покрытие 68 делает также возможным подмешивать частицы, покрытые тонким слоем предварительного покрытия (но без покрытия 14) в расплавленный сплав, где частицы и сплав в ином случае стремились бы вступать в реакцию друг с другом. К примеру, графитовые частицы, покрытые тонким слоем кобальт-вольфрамового предварительного покрытия, добавляются в алюминиевый сплав в вакууме, и этот сплав, содержащий частицы, отливается под давлением или выдавливается в сетчатое (или примерно сетчатое) изделие, которое в одном выполнении используется в качестве продукта теплового управления для электроники (например, теплоотвод и тепловая пластина). Кобальт-вольфрамовое предварительное покрытие образует когезионную связь с графитовыми частицами и образует металлургическую связь с алюминиевым сплавом. Отношение объемов частиц в материале сплава (частицы составляют примерно до 50% по объему) выбирается так, чтобы вызвать в результирующем изделии за проектированные физические свойства, такие как удельная теплопроводность или коэффициент теплового расширения. Альтернативно, предварительно покрытые частицы добавляются к сплаву, чтобы механически упрочнить результирующее изделие или повлиять на его вес.

Рассмотрим теперь способы нанесения на изделия покрытий из покрытых частиц. Обратимся снова к фиг. 3, где на изделие 30 нанесено покрытие 28 из покрытых частиц 10 (изделие 30 при этом является, к примеру, подложкой, на которой покрытие 28 образует, например, выводную рамку). Если изделие 30 - металлическое или из металлического сплава, то покрытие 28 электролитически осаждено прямо на изделие 30 посредством описанного ниже метода. Если изделие 30 непроводящее (например, керамика), то изделие 30 сначала покрыто тонким покрытием из проводящего материала, такого как матричный материал, которым покрыты покрытые частицы 10, с помощью осаждения методом химического восстановления (автокаталитического восстановления). Ванна химического восстановления содержит водный раствор, содержащий ионы металла, один или более химических восстановителей, катализатор, один или более комплексообразующих реагентов и один или более ванных коагуляторов, как описано выше. Ионы металла автокаталитически и химически восстанавливаются с по мощью восстановителя или восстановителей, которые заставляют металл осаждаться на изделие 30. Альтернативно, частицы (не покрытые, с предварительным покрытием или покрытые) помещаются в водный раствор, и частицы покрываются металлом и одновременно покрытые металлом частицы наносятся на изделие 30. Вследствие того, что осаждение методом химического восстановления медленнее, чем электролитическое нанесение, покрытые частицы 10 электролитически наносятся на тонкий проводящий слой (посредством описанного ниже метода), как только образован этот тонкий проводящий слой, формируя за счет этого покрытие 28.

Согласно фиг. 11, покрытие 28 наносится на проводящее изделие 30 (или непроводящее изделие, металлизированное т