DE10035170A1 - Keramikkörper mit Temperiervorrichtung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung des Keramikkörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Keramikkörper (1) mit einem ersten und einem weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3), einer den ersten und den weiteren Oberflächenabschnitt verbindenden thermischen Durchkontaktierung (4) durch den Keramikkörper zum Austausch einer Wärmemenge zwischen den beiden Oberflächenabschnitten und einer mit einem der Oberflächenabschnitte verbundenen Temperiervorrichtung (6) zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Wärmemenge. Der Keramikkörper, beispielsweise ein Mehrschichtkörper (14) in LTCC-Technologie, fungiert als Wärme ableitendes Substrat eines aktiven elektronischen Bauelements 18.

Description

Die Erfindung betrifft einen Keramikkörper mit Temperiervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen des Keramikkörpers. Darüber hinaus wird eine Verwendung des Keramikkörpers angegeben.

Der Keramikkörper ist beispielsweise ein keramischer Mehrschichtkörper. Der Mehrschichtkörper besteht aus mehreren übereinander angeordneten Keramikschichten. Ein derartiger Mehrschichtkörper und ein Verfahren zum Herstellen des Mehrschichtkörpers geht beispielsweise aus der Veröffentlichung D. L. Wilcox et al. Proceedings 1997, ISHM, Philadelphia, Seiten 17-23, hervor. Unter Verwendung der LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic)-Technologie werden keramische Grünfolien übereinander zu einem Stapel angeordnet, laminiert und gemeinsam gesintert. Die Grünfolien werden teilweise strukturiert und mit einer Metallisierung versehen, um im Volumen des Mehrschichtkörpers ein passives elektronisches Bauelement zu integrieren. Das Bauelement ist beispielsweise eine Antenne. Die Grünfolien weisen Glaskeramik auf. Die Glaskeramik besteht aus einem Keramikmaterial (keramischer Werkstoff) und einem Glasmaterial. Durch das Glasmaterial liegt eine Sintertemperatur des Stapels zwischen 850°C bis 950°C. Dadurch kann als Metallisierung ein elektrisch hochleitfähiger, metallischer Werkstoff wie Kupfer, Silber oder Gold mit relativ niedriger Schmelztemperatur verwendet werden.

Der beschriebene Keramikkörper kann als Substrat eines aktiven elektronischen Bauelements verwendet werden. Auf einem Oberflächenabschnitt des Keramikkörpers wird das elektronische Bauelement montiert. Das aktive elektronische Bauelement ist beispielsweise ein Leistungshalbleiter. Der Leistungshalbleiter ist beispielsweise ein Transistor, eine Diode oder ein Thyristor. Dabei kann eine Elektrode des Leistungshalbleiters, beispielsweise ein Emitter oder ein Kollektor, gegen eine hohe Spannung elektrisch isolierend auf dem Oberflächenabschnitt aufgebracht sein.

Im Betrieb des Leistungshalbleiters kann es zu einer Entwicklung einer großen Wärmemenge im Leistungshalbleiter kommen. Um eine Betriebssicherheit des Leistungshalbleiters zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Wärmemenge effizient an eine Umgebung des Leistungshalbleiters abgegeben wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie eine Wärmemenge, die im Betrieb eines aktiven, auf einem Keramikkörper aufgebrachten elektronischen Bauelements entsteht, einfach und effizient abgeführt werden kann,.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Keramikkörper angegeben, mit einem ersten und mindestens einem weiteren Oberflächenabschnitt, mindestens einer den ersten und den weiteren Oberflächenabschnitt verbindenden thermischen Durchkontaktierung durch den Keramikkörper zum Austausch einer Wärmemenge zwischen den beiden Oberflächenabschnitten und mindestens einer mit einem der Oberflächenabschnitte verbundenen Temperiervorrichtung zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Wärmemenge.

Der Keramikkörper ist beispielsweise eine Keramikplatte oder ein oben beschriebener keramischer Mehrschichtkörper, der aus einzelnen Keramikschichten besteht. Denkbar ist auch, dass der Keramikkörper ein Teil eines Mehrschichtkörpers ist. Bei der Keramikplatte oder der Keramikschicht des Mehrschichtkörpers ist eine Abmessung entlang einer lateralen Ausdehnung der Keramikplatte oder der Keramikschicht wesentlich größer als eine Schichtdicke der Keramikplatte oder der Keramikschicht. Eine Grundfläche der Keramikplatte, der Keramikschicht oder des Mehrschichtkörpers kann beliebig geformt sein. Beispielsweise ist die Grundfläche rechteckig.

Der Keramikkörper weist eine Oberfläche auf. Die Oberfläche kann beliebig geformt sein. Beispielsweise ist die Oberfläche gekrümmt, also uneben. Vorzugsweise ist die Oberfläche eben. Bei einer Keramikplatte oder einer Keramikschicht ist beispielsweise die Oberfläche des Keramikkörpers aus zwei im Wesentlichen planparallelen Hauptflächen des Keramikkörpers gebildet. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass eine bestimmte Oberflächenabweichung der Oberfläche zulässig ist. Die Oberflächenabweichung betrifft beispielsweise eine Welligkeit oder Rauhtiefe der Oberfläche. Denkbar ist auch, dass die Oberflächenabweichung in Form einer Strukturierung der Oberfläche vorhanden ist.

Die Oberfläche ist eine Grenzfläche zwischen dem Keramikkörper und einer Umgebung des Keramikkörpers. Die Umgebung kann ein Festkörper, eine Flüssigkeit und/oder ein Gas sein. Beispielsweise ist der Keramikkörper eine Keramikschicht eines Mehrschichtkörpers. Die Oberfläche der Keramikschicht ist beispielsweise eine Grenzfläche der Keramikschicht zu einer benachbarten Elektrode und/oder Elektrodenschicht des Mehrschichtkörpers. Als Oberfläche ist auch eine Grenzfläche zu einer benachbarten Keramikschicht zu verstehen. Die benachbarte Keramikschicht kann dabei aus einem anderen Keramikmaterial bestehen, als die Keramikschicht. Denkbar ist aber auch, dass die Keramikschicht und die benachbarte Keramikschicht aus dem gleichen Keramikmaterial bestehen.

Ein Oberflächenabschnitt ist ein Teil der Oberfläche des Keramikkörpers. Der erste und der weitere Oberflächenabschnitt sind sowohl durch das Volumen als auch entlang der Oberfläche des Keramikkörpers miteinander verbunden.

Die Oberflächenabschnitte sind durch das Volumen des Keramikkörpers thermisch kontaktiert. Dies gelingt mit Hilfe der thermischen Durchkontaktierung (thermisches "via") durch den Keramikkörper zum Austausch einer Wärmemenge zwischen den Oberflächenabschnitten. Durch den Austausch der Wärmemenge findet durch den Keramikkörper hindurch ein Temperieren der Oberflächenabschnitte statt. Das Temperieren umfasst dabei sowohl ein Erwärmen als auch ein Kühlen der Oberflächenabschnitte. Ein Vorzeichen der ausgetauschten Wärmemenge kann also positiv oder negativ sein.

Beispielsweise fungiert eine oben beschriebene Keramikplatte als Substrat eines aktiven elektronischen Bauelements in Form eines Leistungshalbleiters. Die beiden Oberflächenabschnitte sind jeweils an einer der Hauptflächen der Keramikplatte angeordnet. Die thermische Durchkontaktierung ist entlang einer Dickenrichtung der Keramikplatte vom ersten Oberflächenabschnitt zum weiteren Oberflächenabschnitt geführt. Der Leistungshalbleiter ist beispielsweise mit dem ersten Oberflächenabschnitte mit Hilfe einer thermisch leitfähigen Verbindung verbunden. Diese Verbindung ist beispielsweise ein Lot. Im Betrieb des Leistungshalbleiters kann sich eine Wärmemenge entwickeln, die über das Lot auf den ersten Oberflächenabschnitt übertragen wird. Durch die thermische Durchkontaktierung wird diese Wärmemenge vom ersten Oberflächenabschnitt auf den weiteren Oberflächenabschnitt weitergeleitet. Der weitere Oberflächenabschnitt ist beispielsweise über ein Lot mit der Temperiervorrichtung verbunden. Die weitergeleitete Wärmemenge wird von der Temperiervorrichtung aufgenommen. Denkbar ist dabei, dass die Wärmemenge durch die Temperiervorrichtung wiederum weitergeleitet wird. Insgesamt findet ein Kühlen des Leistungshalbleiters durch den Keramikkörper hindurch statt, wobei eine Wärmemenge ausgehend vom Leistungshalbleiter über die thermische Durchkontaktierung auf die Temperiervorrichtung übertragen wird. Dadurch wird erreicht, dass der Leistungshalbleiter bei einer bestimmten Betriebstemperatur betrieben werden kann. Die Betriebstemperatur kann dabei mehr oder weniger konstant gehalten werden. Denkbar ist aber auch, dass ein bestimmtes Temperaturprofil (zeitabhängiger Temperaturverlauf) erzeugt wird. Der Temperaturverlauf ist bestimmt durch gezieltes, zeitabhängiges Kühlen und/oder Erwärmen des elektronischen Bauelements.

In Abhängigkeit von der Grundfläche des Keramikkörpers, einer Wärmeleitzahl eines Materials der thermischen Durchkontaktierung, der Ausdehnung der Oberflächenabschnitte und der Wärmemenge, die lokal an einem der Oberflächenabschnitte auftritt, ist ein Querschnitt der thermischen Durchkontaktierung gewählt. Der Querschnitt kann wenige µm betragen. Denkbar ist aber auch ein Querschnitt im mm- und cm-Bereich. Zur Vergrößerung des Querschnitts können mehrere thermische Durchkontaktierungen vorhanden sein.

Entlang der Oberfläche sind die Oberflächenabschnitte vorzugsweise thermisch von einander isoliert. Das Keramikmaterial des Keramikkörpers der Oberfläche zwischen den Oberflächenabschnitten weist eine geringe thermische Leitfähigkeit auf. Eine Wärmeleitzahl dieses Keramikmaterials beträgt beispielsweise unter 1 W/m.K. Denkbar ist aber auch, dass die Oberflächenabschnitte entlang der Oberfläche thermisch kontaktiert sind. Entlang der Oberfläche kann es zum Austausch einer Wärmemenge zwischen den Oberflächenabschnitten kommen.

In einer besonderen Ausgestaltung ist die Temperiervorrichtung aus der Gruppe Temperierkörper und/oder Temperierflüssigkeit und/oder Temperiergas ausgewählt. Eine Übertragung der Wärmemenge erfolgt vorzugsweise durch Wärmekonvektion und/oder Wärmeleitung. Ein Erwärmen könnte auch mittels Wärmestrahlung durchgeführt werden.

Der Temperierkörper ist beispielsweise ein Kühlkörper mit einer relativ hohen Wärmekapazität. Der Kühlkörper ist in der Lage, die am entsprechenden Oberflächenabschnitt auftretende Wärmemenge aufzunehmen. Der Kühlkörper kann dabei als Substrat des Keramikkörpers fungieren. Möglich ist auch, dass bei einem keramischen Mehrschichtkörper der Kühlkörper von einer Schicht des Mehrschichtkörpers gebildet ist. Über die Schicht wird die aufgenommene Wärmemenge nach Außen hin abgegeben. Denkbar ist auch eine Kombination aus mehreren Kühlkörpern, die zudem aus unterschiedlichen Materialien bestehen können. Beispielsweise ist ein Mehrschichtkörper über einen Kühlkörper in Form einer Schicht mit einem Kühlkörper in Form eines Substrats verbunden.

Die Temperierflüssigkeit ist beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, die zur Aufnahme und/oder Abgabe der Wärmemenge an einem der Oberflächenabschnitte vorbeigeleitet wird. Gleiches ist mit einem Temperiergas bzw. Kühlgas möglich. Denkbar ist insbesondere auch eine Kombination aus Temperierkörper und/oder Temperierflüssigkeit und/oder Temperiergas. Beispielsweise ist der Temperierkörper mit dem Oberflächenabschnitt verbunden. Die Temperierflüssigkeit wird nicht am Oberflächenabschnitt, sondern an einer dem Oberflächenabschnitt abgekehrten Seite des Temperierkörpers vorbeigeleitet. Somit kann die Wärmemenge effizient auf- und/oder abgegeben werden.

Zu einem effizienten Temperieren zeichnen sich die thermische Durchkontaktierung und/oder der Temperierkörper durch ein Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit aus. Die Wärmeleitzahl dieses Materials beträgt insbesondere über 100 W/m.K. In einer besonderen Ausgestaltung weisen die thermische Durchkontaktierung und/oder der Temperierkörper zumindest einen metallischen Werkstoff auf. Der metallische Werkstoff ist insbesondere aus der Gruppe Gold und/oder Kupfer und/oder Molybdän und/oder Silber und/oder Wolfram ausgewählt. Beispielsweise besteht die thermische Durchkontaktierung aus Kupfer, das bei Raumtemperatur eine Wärmeleitzahl von etwa 400 W/m.K aufweist. Denkbar sind auch Silber oder Gold mit einer Wärmeleitzahl von etwa 430 W/m.K und 320 W/m.K (siehe beispielsweise Handbook of Chemistry and Physics, 56^th edition 1975-1976, Seite E-10). Der Temperierkörper besteht beispielsweise wie die thermische Durchkontaktierung aus Kupfer. Denkbar ist dabei eine Legierung des Kupfers mit Molybdän und/oder Wolfram.

Neben den genannten Materialien für die thermische Durchkontaktierung und den Temperierkörper ist jeder beliebige metallische Werkstoff denkbar. Eine Einschränkung ergibt sich hinsichtlich des Herstellens des Keramikkörpers mit der thermischen Durchkontaktierung und/oder dem Temperierkörper aus dem metallischen Werkstoff. Beispielsweise wird der Keramikkörper durch Sintern eines keramischen Grünkörpers hergestellt. Der Grünkörper weist zum Herstellen der thermischen Durchkontaktierung ein Loch auf, das mit dem metallischen Werkstoff befüllt ist. Unter einer Sinterbedingung, beispielsweise Sintertemperatur und Sinteratmosphäre (oxidierend oder reduzierend), muss der metallische Werkstoff verarbeitet werden können.

In einer besonderen Ausgestaltung weisen die thermische Durchkontaktierung und/oder der Temperierkörper einen elektrischen Isolator auf. Der elektrische Isolator verfügt beispielsweise über eine elektrische Leitfähigkeit von unter 10^-9 S/m. Der elektrische Isolator ist beispielsweise ein polymerer Werkstoff. Denkbar ist auch ein Glasmaterial. Der elektrische Isolator ist beispielsweise so angeordnet, dass eine effiziente Ableitung der Wärmemenge eines elektronischen Bauteils eines Keramikkörpers über die thermische Durchkontaktierung zum Temperierkörper hin bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung des Temperierkörpers vom elektronischen Bauelement gewährleistet ist. Dies gelingt beispielsweise mit einer Beschichtung der thermischen Durchkontaktierung oder des Temperierkörpers aus dem elektrischen Isolator.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der elektrische Isolator zumindest einen keramischen Werkstoff auf. Insbesondere ist der keramische Werkstoff aus der Gruppe Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Berylliumoxid (BeO) gewählt. Ein derartiger keramischer Werkstoff zeichnet sich durch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig relativ hoher thermischer Leitfähigkeit aus. Polykristallines Berylliumoxid weist beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 100°F (311 K) eine thermische Leitfähigkeit von etwa 125 Btu_th . h^-1 . ft^-1 . F^-1 (220 W/m.K, siehe beispielsweise Handbook of Chemistry and Physics, 56^th edition 1975-1976, Seiten E-5 und E-17).

Denkbar ist beispielsweise, dass die thermische Durchkontaktierung ganz oder teilweise aus einem derartigen keramischen Werkstoff besteht. Insbesondere besteht bei einem keramischen Mehrschichtkörper eine Schicht und/oder ein Substrat des Mehrschichtkörpers aus einem solchen keramischen Werkstoff. Beispielsweise ist eine Schicht oder ein Substrat aus Aluminiumoxid mit einem der Oberflächenabschnitte des Keramikkörpers thermisch leitend verbunden. Es kann eine Wärmeableitung über die thermische Durchkontaktierung auf die Schicht oder das Substrat erfolgen. Eine Effizienz der Wärmeableitung lässt sich dadurch erhöhen, dass der Temperierkörper in Form der Schicht oder in Form des Substrats mit einem weiteren Temperierkörper, beispielsweise einem Temperierkörper aus Kupfer, thermisch leitend verbunden ist. In einer derartigen Kombination von Temperierkörpern ist eine effiziente Wärmeableitung bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolierung gewährleistet. Durch die Schicht oder das Substrat mit dem elektrischen Isolator aus dem keramischen Werkstoff sind der Temperierkörper aus Kupfer und das elektronische Bauelement des Mehrschichtkörpers elektrisch voneinander isoliert. Dies ist auch für hohe Spannungen möglich.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der Temperierkörper zumindest einen Hohlraum auf zum Durchleiten einer Temperierflüssigkeit und/oder eines Temperiergases. Dadurch ist die Kombination aus Temperierkörper und Temperierflüssigkeit und/oder Temperiergas realisiert. Beim Durchleiten der Temperierflüssigkeit und/oder des Temperiergases durch den Hohlraum des Temperierkörpers wird die vom Temperierkörper aufgenommene Wärmemenge auf die Temperierflüssigkeit und/oder das Temperiergas übertragen und weitertransportiert. Zur Erhöhung der Effizienz der Übertragung der Wärmemenge ist es vorteilhaft, wenn im Temperierkörper eine Vielzahl derartiger Hohlräume vorhanden sind.

In einer besonderen Ausgestaltung weisen der Keramikkörper und/oder der Temperierkörper einen keramischen Mehrschichtkörper auf. Insbesondere weist der keramische Mehrschichtkörper Glaskeramik auf. Der Mehrschichtkörper ist insbesondere mit Hilfe der LTCC-Technologie hergestellt. Mit Hilfe der LTCC-Technologie lässt sich der Mehrschichtkörper im Volumen beliebig strukturieren. 50 lassen sich auf einfache Weise die genannten Hohlräume realisieren. Die in der LTCC-Technologie eingesetzten, elektrisch hochleitfähigen metallischen Werkstoffe wie Kupfer, Gold und Silber sind gleichzeitig auch thermisch hoch leitfähig.

Neben dem Keramikkörper wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Keramikkörpers angegeben. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: a) Erzeugen der thermischen Durchkontaktierung im Keramikkörper und b) Erzeugen einer thermisch leitfähigen Verbindung zwischen einer der Oberflächenabschnitte des Keramikkörpers und der Temperiervorrichtung. Über die thermisch leitfähige Verbindung kann die Temperiervorrichtung eine Wärmemenge, die am Oberflächenabschnitt auftritt, aufnehmen.

In einer besonderen Ausgestaltung werden zum Erzeugen der thermischen Durchkontaktierung folgende Verfahrensschritte durchgeführt: c) Erzeugen eines Lochs in einem keramischen Grünkörper, d) Befüllung des Lochs mit thermisch leitfähigem Material und/oder einer Ausgangsverbindung dieses Materials und e) Sintern des keramischen Grünkörpers zum Keramikkörpers.

Der keramische Grünkörper ist beispielsweise eine keramische Grünfolie. Das Loch wird beispielsweise durch Bohren und/oder Stanzen erzeugt. Das Bohren wird beispielsweise mit Hilfe eines Lasers durchgeführt. Das Loch ist dabei insbesondere ein Durchtrittsloch durch die keramische Grünfolie. Das Loch wird beispielsweise in einem Siebdruckverfahren mit dem thermisch leitfähigem Material befüllt. Das thermisch leitfähige Material ist beispielsweise eine Paste mit einem der oben genannten metallischen Werkstoffe. Denkbar ist auch ein Ausgangsstoff eines thermisch leitfähigen Materials, dass erst im nachfolgenden Herstellungsprozess in das thermisch leitfähige Material überführt wird. Mehrere der beschriebenen keramischen Grünfolien können zu einem Stapel aus keramischen Grünfolien laminiert, entbindert und nachfolgend gesintert werden. Es bildet sich ein keramischer Mehrschichtkörper, bestehend aus mehreren Keramikschichten. Aus der Paste entsteht die thermische Durchkontaktierung.

Als Temperiervorrichtung wird insbesondere ein Temperierkörper verwendet. Dabei wird beispielsweise als thermisch leitfähige Verbindung zwischen dem Temperierkörper und einem der Oberflächenabschnitte des Keramikkörpers ein Lot verwendet. Der Keramikkörper und der Temperierkörper werden zusammengelötet.

In einer besonderen Ausgestaltung wird das Erzeugen der thermisch leitfähigen Verbindung zwischen dem Oberflächenabschnitt des Keramikkörpers und des Temperierkörpers während des Sinterns des keramischen Grünkörpers zum Keramikkörper durchgeführt. Beispielsweise wird als Temperiervorrichtung ein Substrat (Platte) aus Aluminiumnitrid verwendet. Das Substrat, das vor dem Sintern als keramischer Grünkörper oder bereits als Sinterkörper vorliegen kann, wird mit einem laminierten Stapel aus metallisierten Grünfolien zusammengefügt. Ein Zusammenfügen erfolgt derart, dass der Stapel über einen (sich während des Sinterns bildenden) Oberflächenabschnitt mit dem Substrat verbunden ist. Es findet ein gemeinsames Sintern dieses Stapels und des Substrats statt. Es entsteht ein monolithischer keramischer Mehrschichtkörper auf dem Substrat aus Aluminiumnitrid. Vorteilhaft dabei ist, dass mit Hilfe des Substrats aus Aluminiumnitrid ein laterales Schwinden des Stapels aus Grünfolien während des Sinterns unterbunden werden kann. Zudem ist es auch nicht nötig, das Substrat vor dem Herstellen des Keramikkörpers zu bearbeiten. Einen ähnlichen Effekt hinsichtlich einer Unterdrückung des lateralen Schwindens lässt sich dadurch erzielen, dass anstelle des Substrats eine Grünfolie oder Schicht mit Aluminiumnitrid verwendet wird. Beispielsweise wird eine keramische Grünfolie aus Aluminiumnitrid mit den metallisierten Grünfolien gestapelt, laminiert und gesintert. Die Schicht aus Aluminiumnitrid kann im gesinterten Mehrschichtkörper als Temperierkörper fungieren. Anstelle des Aluminiumnitrids lassen sich Aluminiumoxid und Berylliumoxid in entsprechender Weise einsetzen.

Neben einem Temperierkörper aus einem keramischen Werkstoff kann auch ein Temperierkörper aus einem metallischen Werkstoff einem gemeinsamen Sinterprozess unterworfen werden. Beispielsweise kann der Temperierkörper aus Kupfer oder einer Legierung aus Kupfer und Molybdän und/oder Wolfram bestehen.

Auf den Temperierkörper wird der Stapel aus den Grünfolien auflaminiert und gemeinsam mit dem Temperierkörper gesintert.

Der beschriebene Keramikkörper wird insbesondere als Substrat eines aktiven elektronischen Bauelements angegeben. Das Substrat ist ein Trägerkörper des aktiven elektronischen Bauelements. Als Substrat eignet sich insbesondere ein mit Hilfe der LTCC-Technologie hergestellter keramischer Mehrschichtkörper. Das aktive elektronische Bauelement ist beispielsweise ein eingangs erwähnter Leistungshalbleiter. Der Leistungshalbleiter wird auf einer der Oberflächenabschnitte des Keramikkörpers montiert. Dies gelingt beispielsweise durch Löten einer Halbleiterelektrode des Leistungshalbleiters an einen Oberflächenabschnitt des Keramikkörpers.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende besonderen Vorteile:

• - Der Keramikkörper kann als Substrat eines aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelements verwendet werden, das im Betrieb eine erhebliche Wärmemenge erzeugt. Mit Hilfe der thermischen Durchkontaktierung des Keramikkörpers ist eine effiziente Ableitung der Wärmemenge durch das Volumen des Keramikkörpers möglich.
• - Bei Verwendung eines Temperierkörpers aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und/oder Berylliumoxid ist zudem eine hohe elektrischer Isolierung des elektronischen Bauelements gegenüber einem weiteren, wirkungsvollen, metallischen Temperierkörper gewährleistet.
• - Bei Verwendung der LTCC-Technologie können im Temperierkörper in Form eines keramischen Mehrschichtkörpers leicht Hohlräume integriert werden. Die Hohlräume können zur zusätzlichen Wärmeableitung mit einem Kühlmittel befüllt werden.
• - Mit Hilfe der LTCC-Technologie kann durch einen einzigen Sinterschritt der gesamte Keramikkörper mit thermischer Durchkontaktierung und Temperierkörper hergestellt werden.

Anhand folgender Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird ein Keramikkörper mit Temperiervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung des Keramikkörpers vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Keramikkörper mit Temperiervorrichtung.

Fig. 4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikkörpers mit Temperiervorrichtung.

Gegeben ist jeweils ein Keramikkörper 1 in Form eines monolithischen keramischen Mehrschichtkörpers 14. Der keramische Mehrschichtkörper 14 besteht aus übereinander angeordneten Keramikschichten 16 aus Glaskeramik 15. Im Volumen 28 und an einer Oberfläche 19 des keramischen Mehrschichtkörpers 14 ist eine Vielzahl passiver elektronischer Bauteile 17 integriert. Die passiven elektronischen Bauteile 17 sind elektrische Leiterbahnen, Kondensatoren und Induktivitäten.

Von einem ersten Oberflächenabschnitt 2 der Oberfläche 19 des Mehrschichtkörpers 14 führen durch den Mehrschichtkörper 14 in Dickenrichtung 20 des Mehrschichtkörpers 14 mehrere thermische Durchkontaktierungen 4 zum weiteren Oberflächenabschnitt 3 der Oberfläche 19. Die Oberflächenabschnitte 2 und 3 sind durch das Volumen 28 des Mehrschichtkörpers 14 mit Hilfe der thermischen Durchkontaktierung thermisch leitend verbunden. Zwischen den beiden Oberflächenabschnitten 2 und 3 ist der Austausch 5 einer Wärmemenge möglich. Die thermischen Durchkontaktierungen 4 bestehen aus einem metallischen Werkstoff 12 in Form von Silber.

Mit dem ersten Oberflächenabschnitt 2 ist eine Temperiervorrichtung 6 in Form eines Temperierkörpers 8 (Kühlkörper, Wärmesenke) zum Aufnehmen der Wärmemenge berührend und thermisch leitend verbunden. Zum Herstellen des keramischen Mehrschichtkörpers 14 mit dem Temperierkörper 8 werden in keramischen Grünfolien neben Löchern für elektrische Durchkontaktierungen 4 zum Herstellen der elektrisch passiven Bauelemente 17 auch Löcher für die thermischen Durchkontaktierungen erzeugt (Verfahrensschritt 401, Fig. 4). Dies geschieht durch Stanzen. Im nächsten Verfahrensschritt 402 werden die Löcher mit einer Silberpaste im Siebdruckverfahren befüllt. Die derart metallisierten Grünfolien werden danach passgenau übereinander zu einem Stapel angeordnet und auf den Temperierkörper 8 auflaminiert. Es entsteht ein Grünkörper mit dem Stapel aus Grünfolien und Temperierkörper 8. Im folgenden Verfahrensschritt 403 wird dieser Grünkörper gesintert, wobei eine thermisch leitfähige Verbindung 21 zwischen weiteren Oberflächenabschnitt 3 und dem Temperierkörper 8 gebildet wird.

Der Mehrschichtkörper 14 mit Temperierkörper 8 fungiert als Substrat für ein aktives elektronischen Bauelement 18 in Form eines Leistungshalbleiters. Der Leistungshalbleiter ist an einem weiteren Oberflächenabschnitt 3 der Oberfläche 19 des keramischen Mehrschichtkörpers 14 mit Hilfe von Lot 22 angebracht. Im Betrieb des Leistungshalbleiters 18 entsteht eine Wärmemenge, die mit Hilfe von thermischen Durchkontaktierungen 4 in Richtung des ersten Oberflächenabschnitts 2 abgeleitet werden kann.

Beispiel 1

Der keramische Mehrschichtkörper 14 ist mit zwei Temperierkörpern 8 verbunden. Ein erster Temperierkörper 8 ist eine Platte 23 aus Aluminiumoxid als keramischer Werkstoff 11 (Fig. 1). Diese Platte 23 ist mit einem zweiten Temperierkörper 8 in Form eines Blocks 25 aus einer Kupfer- Wolfram-Legierung flächig und thermisch leitend verbunden. Der Block 25 ist über eine elektrische Leitung auf Erdpotenzial 26 gelegt. Der Temperierkörper 8 ist über die Platte 23 mit dem ersten Oberflächenabschnitt 2 des keramischen Mehrschichtkörpers thermisch leitend verbunden. Die Platte 23, die als Substrat des keramischen Mehrschichtkörpers 14 betrachtet werden kann, fungiert als elektrischer Isolator 24 zwischen dem Block 25 aus der Kupfer-Wolfram-Legierung und den elektrischen Durchkontaktierungen 4 aus Silber beziehungsweise dem Leistungshalbleiter 18.

Die im Betrieb des Leistungshalbleiter 18 entstehende Wärmemenge wird über den weiteren Oberflächenabschnitt 3, die thermischen Durchkontaktierungen 4 und den ersten Oberflächenabschnitt 2 auf die wärmeleitfähige Platte 23 aus Aluminiumoxid, und von dort auf den Block 25 abgeleitet. Es findet ein effizientes Temperieren des Leistungshalbleiters 18 statt, wobei der Leistungshalbleiter 18 durch die elektrische Isolierung gegenüber dem Block 25 aus der Kupfer- Wolfram-Legierung elektrisch sehr gut isoliert und gegen Erdpotenzial 26 kapazitätsarm betrieben werden kann. Eine derartige Anordnung ist insbesondere für eine zum Betrieb des Leistungshalbleiters 18 notwendige, hohe elektrische Spannung geeignet.

Zum Herstellen des Mehrschichtkörpers 14 mit den beiden Temperierkörpern 8 werden der Stapel aus den keramischen Grünfolien, eine bereits gesinterte Platte 23 aus Aluminiumoxid und der Block 25 aus der Kupfer-Wolfram- Legierung übereinander zu einem Grünkörper angeordnet und gemeinsam gesintert. Zum Herstellen der Verbindung aus der gesinterten Platte 23 und dem Block 25 wird vor dem Sintern eine Metallisierung aus Silber auf der Platte 25 aufgetragen. Die Metallisierung dient in dem fertig gesinterten Mehrschichtkörper 14 dem Anlegen des Erdpotenzials 26.

In einem dazu alternativen Ausführungsbeispiel ist das Substrat aus Aluminiumnitrid. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Block 25 des Temperierkörper 8 aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung.

Beispiel 2

Die Temperiervorrichtung 6 des keramischen Mehrschichtkörpers 14 besteht aus einem Temperierkörper 8 in Form einer Platte 23 aus Aluminiumoxid, wie sie im Beispiel 1 beschrieben ist, und einem Temperierkörper 8 in Form eines keramischen Mehrschichtkörpers (mehrschichtiger Temperierkörper) 27 (Fig. 2). Sowohl die Platte 23 als auch der mehrschichtige Temperierkörper 27 sind im Volumen 28 des keramischen Mehrschichtkörpers 14 integriert. Der mehrschichtige Temperierkörper 27 verfügt über thermische Durchkontaktierungen 4 aus Silber und Hohlräume 13, durch die eine Temperierflüssigkeit 9 geleitet werden kann. Der mehrschichtige Temperierkörper 27 besteht aus Keramikschichten 16 aus Glaskeramik 15. Die Hohlräume 13 werden durch entsprechende Löcher in keramischen Grünfolien erhalten.

Im Betrieb des Leistungshalbleiters 18 komplettiert die Temperierflüssigkeit 9 die Temperiervorrichtung 6 mit den beiden Temperierkörpern 23 und 27. Dadurch ist eine sehr gute Wärmeableitung möglich. Durch die Verbindung mit dem Erdpotenzial 26 ist ebenfalls bei hoher elektrischer Isolierung durch die Platte 23 ein Betrieb mit niedriger Kapazität gegen Erdpotenzial erreicht.

Alternative Ausführungsformen ergeben sich dadurch, dass anstelle der Temperierflüssigkeit 9 ein Temperiergas 10 durch die Hohlräume 13 geleitet wird und dass die Platte 23 aus Aluminiumnitrid besteht.

Beispiel 3

Im Gegensatz zu den vorangegangenen Beispielen weist der Temperierkörper 8 keinen elektrischen Isolator 24 auf (Fig. 3). Der Temperierkörper 8 besteht nur aus dem im Beispiel 1 beschriebenen Block 25 aus der Kupfer-Wolfram-Legierung. Es resultiert eine hohe Effizienz der Wärmeableitung ohne Sicherstellung einer elektrischen Isolierung beziehungsweise eines kapazitätsarmen Aufbaus gegen Erdpotenzial.

Claims (14)

1. Keramikkörper (1), mit
einem ersten und mindestens einem weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3),
mindestens einer den ersten und den weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3) verbindenden thermischen Durchkontaktierung (4) durch den Keramikkörper (1) zum Austausch (5) einer Wärmemenge zwischen den beiden Oberflächenabschnitten (2, 3) und
mindestens einer mit einem der Oberflächenabschnitte (2, 3) verbundenen Temperiervorrichtung (6) zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Wärmemenge.

2. Keramikkörper nach Anspruch 1, wobei die Temperiervorrichtung (6) aus der Gruppe Temperierkörper (8, 23, 25) und/oder Temperierflüssigkeit (9) und/oder Temperiergas (10) gewählt ist.

3. Keramikkörper nach Anspruch 2, wobei die thermische Durchkontaktierung (4) und/oder der Temperierkörper (8, 25) zumindest einen metallischen Werkstoff (12) aufweisen.

4. Keramikkörper nach Anspruch 3, wobei der metallische Werkstoff (12) aus der Gruppe Gold und/oder Kupfer und/oder Molybdän und/oder Silber und/oder Wolfram gewählt ist.

5. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die thermische Durchkontaktierung (4) und/oder der Temperierkörper (8, 23) einen elektrischen Isolator (24) aufweisen.

6. Keramikkörper nach Anspruch 5, wobei der elektrische Isolator (24) zumindest einen keramischen Werkstoff (11) aufweist.

7. Keramikkörper nach Anspruch 6, wobei der keramische Werkstoff aus der Gruppe Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid und/oder Berylliumoxid gewählt ist.

8. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Temperierkörper (8, 23, 25) zumindest einen Hohlraum (13) aufweist zum Durchleiten der Temperierflüssigkeit (9) und/oder des Temperiergases (10).

9. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Keramikkörper (1) und/oder der Temperierkörper(8, 23) einen keramischen Mehrschichtkörper (14, 27) aufweisen.

10. Keramikkörper nach Anspruch 9, wobei der keramische Mehrschichtkörper (14, 27) Glaskeramik (15) aufweist.

11. Verfahren zum Herstellen eines Keramikkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Verfahrensschritten:

• a) Erzeugen der thermischen Durchkontaktierung (4) im Keramikkörper (1) und
• b) Erzeugen einer thermisch leitfähigen Verbindung (21) zwischen einer der Oberflächenabschnitte (2, 3) des Keramikkörpers (1) und der Temperiervorrichtung (6).

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei zum Erzeugen der thermischen Durchkontaktierung folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

• a) Erzeugen eines Lochs in einem keramischen Grünkörper,
• b) Befüllen des Lochs mit thermisch leitfähigem Material und/oder einer Ausgangsverbindung dieses Materials und
• c) Sintern des keramischen Grünkörpers zum Keramikkörper.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Temperiervorrichtung (6) ein Temperierkörper (8) verwendet wird und das Erzeugen der thermisch leitfähigen Verbindung (21) zwischen dem Oberflächenabschnitt (2) des Keramikkörpers (1) und des Temperierkörpers (8) während des Sinterns des keramischen Grünkörpers zum Keramikkörper durchgeführt wird.

14. Verwendung eines Keramikkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Substrat eines aktiven elektronischen Bauelements (18).