DE102007030389B4 - Moduleinheit mit einer Wärmesenke - Google Patents

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Abstract

Moduleinheit mit wenigstens einem Kühlkörper (11) einer Wärmesenke und mit einem Keramik-Metall-Substrat (2), bestehend aus einer Keramikschicht (3) und aus Metallisierungen (4, 5) an den Oberflächenseiten der Keramikschicht (3), wobei das Keramik-Metall-Substrat (2) über eine Lotschicht (12) bildende Lötverbindung mit dem Kühlkörper (11) an wenigstens einer Kühlfläche (11.1) aus einem metallischen Werkstoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) zumindest an der wenigstens einen Kühlfläche (11.1) mit wenigstens einer unmittelbar auf diese Kühlfläche aufgebrachten zumindest einlagigen Ausgleichsschicht (13) versehen ist, die eine Wärmeleitfähigkeit größer 100 W/m°K sowie einen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 10·10–6/°K besitzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Moduleinheit mit wenigstens einem Kühlkörper einer Wärmesenke entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es ist allgemein üblich und notwendig, elektrische oder elektronische Bauelemente oder Baugruppen und dabei insbesondere auch Leistungsbauelemente oder -baugruppen bzw. -module zum Abführen von Verlustwärme zu kühlen, und zwar jeweils über wenigstens eine zumindest einen Kühlkörper aufweisende Wärmesenke (Kühler). Bekannt sind für diesen Zweck insbesondere auch Wärmesenken, in deren Kühlkörper wenigstens eine, vorzugsweise stark verzweigte Kühlkanalstruktur ausgebildet ist, die von einen flüssigen und/oder gasförmigen und/oder dampfförmigen Wärme transportierenden Medium oder Kühlmedium, beispielsweise von Wasser durchströmbar ist.
  • Für eine möglichst optimale Kühlung ist es hierbei in vielen Fällen zumindest zweckmäßig, derartige Bauelemente oder Baugruppen über eine Lötverbindung mit einer äußeren Kühlfläche des Kühlkörpers der Wärmesenke zu verbinden. Der Kühlkörper besteht dann zumindest im Bereich seiner äußeren Kühlfläche aus einem metallischen Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium. Die Lötverbindung zwischen dem Bauelement bzw. der Baugruppe und dem Kühlkörper hat u. a. auch den Vorteil, dass beide Komponenten getrennt hergestellt werden können und erst nach ihrer Herstellung miteinander verbunden werden.
  • Problematisch ist aber, dass die Lötverbindung bzw. Lötschicht zwischen dem jeweiligen Kühlkörper und dem das wenigstens eine elektrische Bauelement aufweisenden Teil einer Moduleinheit wegen der in der Regel sehr unterschiedlichen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten der über die Lötschicht an einander anschließenden Komponenten erheblichen, thermisch bedingten mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Diese sind besonders ausgeprägt bei häufigen Temperaturänderungen, wie sie z. B. bei einem ständigen Lastwechsel an dem elektrischen Bauelement oder an der elektrischen Baugruppe auftreten, wie dies z. B. bei elektrischen Antriebssteuerungen der Fall ist. Diese thermisch bedingte mechanische Belastung führt zu einer frühzeitigen Alterung der Lötverbindung und im Extremfall zu einem teilweisen oder vollständigen Lösen dieser Lötverbindung und damit zu einem Verlust der erforderlichen Kühlung des Bauelementes oder der Baugruppe.
  • Bekannt ist das sogenannten „DCB-Verfahrens” (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der in der US 37 44 120 A oder in der DE 23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
  • Dieses DCB-Verfahren weist dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:
  • Bekannt ist w
    • • Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
    • • Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
    • • Erhitzen des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C;
    • • Abkühlen auf Raumtemperatur.
    eiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren ( DE 22 13 115 A , EP 153 618 A2 ) z. B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
  • Bekannt ist auch eine Moduleinheit bestehend aus einem metallischen Kühler und einem elektrischen Bauelement in Form eines Diodenlaserbarrens ( US 2006/0045153 A1 ), der für eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten über eine zweilagige Schicht mit dem metallischen Kühler verbunden ist. Ein Metall-Keramik-Substrat, dessen eine Metallisierung über eine Lötverbindung mit Lotschicht mit dem metallischen Kühler verbunden ist, weist diese bekannte Moduleinheit nicht auf.
  • Bekannt ist weiterhin eine Moduleinheit bestehend aus einem Metall-Keramik-Substrat mit elektronischen Bauelementen ( EP 1 420 446 A1 ). Das Substrat ist über eine Lotschicht mit einem Trägersubstrat verbunden, welches aus einem Komposit-Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient im Bereich von 2 bis 13 × 10–6/°K und mit einer thermischen Leitfähigkeit von wenigstens 113 W/m°K besteht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Moduleinheit mit wenigstens einem Kühlkörper einer Wärmesenke aufzuzeigen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Moduleinheit entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
  • Durch die an der wenigstens einen Kühlfläche des Kühlkörpers vorgesehene Ausgleichsschicht, die unmittelbar auf das Metall des Kühlkörpers aufgebracht ist, wird ein wirksamer Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erreicht, und zwar zwischen dem metallischen Kühlkörper und einem mit diesem über die Lötverbindung verbundenen Metall-Keramik-Substrat das aus einem von dem Kühlkörper abweichenden Werkstoff besteht, beispielsweise aus einem Werkstoff oder Metall, welcher bzw. welches einen gegenüber dem Kühlkörper reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
  • Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in schematischer Darstellung ein auf einem Kühlkörper einer Wärmesenke angeordnetes elektronisches Leistungsmodul entsprechend dem Stand der Technik;
  • 2 und 3 den Temperaturverlauf des Leistungsmoduls in Abhängigkeit von der Zeit beim Einschalten bzw. Aktivieren des Moduls (2) und beim Ausschalten bzw. Deaktivieren des Moduls (3), und zwar bei unterschiedlichen Kühlmethoden;
  • 4 in einem Übersichtsdiagramm die thermischen Ausdehnungskoeffizienten für verschiedene Materialien,
  • 5 in einer schematischen Darstellung den Aufbau des Moduls entsprechend der Erfindung;
  • 6 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführung der Erfindung und
  • 7 in schematischer Darstellung eine Ausführung, die nicht mehr Gegenstand der Erfindung ist.
  • In 1 ist 1 ein elektrisches bzw. elektronisches Leistungsmodul im Wesentlichen bestehend aus einem Keramik-Metall-Substrat 2, nämlich aus einem DCB-Substrat aus einer Keramikschicht 3, die beidseitig mit einer Metallisierung 4 bzw. 5 versehen ist. Die Metallisierungen 4 und 5 sind beispielsweise jeweils von Kupferfolien gebildet, die mit Hilfe der DCB-Technik flächig auf die betreffende Oberflächenseite der Keramikschicht 3 aufgebracht sind. Die Keramikschicht 3 besteht beispielsweise aus einer Aluminiumoxid-Keramik (Al2O3-Keramik) oder einer Aluminiumnitrid-Keramik (AlN-Keramik). Die Dicke der Keramikschicht 3 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 und 2 mm.
  • Die Metallisierung 4 an der Oberseite der Keramikschicht 3 ist zur Bildung von Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. strukturiert. Auf der Metallisierung 4 sind u. a. elektronische Bauelemente aufgebracht, und zwar beispielsweise ein Leistungs-Bauelement 6 z. B. in Form eines elektronischen Schaltelementes (IGBT) sowie weitere, zur Ansteuerung dienende Bauelemente 7. Die Bauelemente 6 und 7 sind in einem geschlossenen Gehäuse 8 untergebracht, welches z. B. aus Kunststoff besteht. Der Innenraum 9 des Gehäuses 8 ist mit einem geeigneten Material vergossen. Für die Stromversorgung und Ansteuerung des Moduls 1 sind an der Oberseite des Gehäuses 8 entsprechende Anschlüsse 10 herausgeführt.
  • Zur Kühlung des Moduls 1 ist dieses auf einem in der 1 allgemein mit 11 bezeichneten Kühlkörper 11 angeordnet, der als Wärmesenke zum Abführen der von dem Modul 1 erzeugten Verlustwärme dient und mit dem die Metallisierung 5 in einer eine gute Wärmeübertragung sicherstellenden Weise verbunden ist, und zwar über eine Lotschicht 12. Der Kühlkörper 11 ist platten- oder quaderförmig ausgeführt, und zwar mit einer Oberseite 11.1, einer Unterseite 11.2, mit zwei Längsseiten 11.3 und mit Stirnseiten 11.4 bzw. 11.5, die zusammen mit den Längsseiten 11.3 der Umfangsfläche des Kühlkörpers 11 bilden.
  • Die 2 und 3 zeigen zunächst prinzipiell den Temperatur/Zeit-Verlauf des Moduls 1 und damit auch des die Basis dieses Moduls 1 bildenden Keramik-Metall-Substrats 2 beim Aktivieren bzw. Einschalten des Moduls (2) und beim Abschalten bzw. Deaktivieren des Moduls 1 (3), und zwar jeweils für einen luftgekühlten Kühlkörper 12 (Kurve LK) und einen flüssigkeits- oder wassergekühlten Kühlkörper 11 (Kurve WK).
  • Wie in der 2 dargestellt ist, steigt bei einem luftgekühlten Kühlkörper 11 die Temperatur T mit der Zeit t verlangsamt auf die Betriebstemperatur an, während bei einem wassergekühlten Kühlkörper 11 ein relativ steiler Temperaturanstieg erfolgt, der Temperaturgradient, d. h. die Änderung der Temperatur mit der Zeit t (Temperatur/Zeit-Differential) relativ abrupt ist. Analog ist der Temperaturverlauf beim Deaktivieren des Moduls 1, d. h. bei einem luftgekühlten Kühlkörper 12 nimmt die Temperatur T nach dem Deaktivieren relativ langsam und stetig ab, während bei einem flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 11 eine sehr abrupte Temperaturänderung eintritt, also auch beim Deaktivieren der Temperaturgradient (Änderung der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit t) wesentlich größer ist als bei einem luftgekühlten Kühlkörper 11, wobei die absolute Kühlleistung bei einem wassergekühlten Kühlkörper 11 selbstverständlich wesentlich höher ist.
  • In der 4 ist für verschiedene Materialien der thermische Ausdehnungskoeffizient, angegeben in e·10–6/°K angegeben, und zwar für Aluminium, Silizium, Kupfer, Aluminiumnitrid-Keramik (AlN), Aluminiumoxid-Keramik (Al2O3), für DCB-Substrate mit Aluminiumoxid-Keramik (Al2O3-DCB-Substrate) und für DCB-Substrate mit einer Aluminiumnitrid-Keramik (AlN-DCB-Substrate). Da für Kühlkörper entsprechend dem Kühlkörper 11 in der Regel Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit, d. h. Kupfer oder Aluminium verwendet werden, ist aus der Darstellung der 4 erkennbar, dass bei dem Modul-Aufbau oder der Moduleinheit der 1 bestehend aus dem Modul 1 und dem Kühlkörper 11 allein schon aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten e des Substrates 2 und des beispielsweise aus Kupfer bestehenden Kühlkörper 11 erhebliche Spannungen innerhalb der Moduleinheit auftreten, die (Spannungen) im Wesentlichen in der Lotschicht 12 wirken, d. h. von dieser aufgenommen sowie teilweise ausgeglichen werden. Zur Erzielung einer optimalen Kühlwirkung ist die Lotschicht 12 möglichst dünn. Die Dicke der Lotschicht beträgt beispielsweise nur 0 bis 300 mμ.
  • Wird nun das Modul 1 nicht im Dauerbetrieb, sondern im Schaltbetrieb oder intermittierend betrieben, wie dies beispielsweise bei einem Modul zur Ansteuerung oder Schaltung von Antrieben usw. in der Regel der Fall ist, so treten in der Lotschicht 12 ganz erhebliche, ständig wechselnde mechanische Spannungen auf, die insbesondere auch bei einem Wasser- oder flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 11 eine hohe Schockbelastung der Lotschicht 12 bedingen. Dies kann zu einer Zerstörung der Lötverbindung zwischen den Modul 1 und dem Kühlkörper 11 und damit wegen des Fehlens einer ausreichenden Kühlung letztlich zu einer Zerstörung des Moduls 1 führen.
  • Die Belastung der Lotschicht 12 durch den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des angrenzenden Keramik-Metall-Substrats 2 und des Kühlkörpers 11 nimmt mit der Reduzierung der Dicke dieser Lotschicht zu und ist auch von der Zusammensetzung des Lotes der Lotschicht 12 abhängig. Besonders hoch ist die Belastung der Lotschicht 12 dann, wenn für diese Schicht ein bleifreies Lot verwendet wird, wie dies aus Gründen der Umweltentlastung zunehmend gefordert wird. Derartige bleifreie Lote sind beispielsweise SnAg5, SnCu3.
  • Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist entsprechend der 5 der Kühlkörper 11 an seiner mit dem Keramik-Metall-Substrat 2 zu verbindenden Oberseite 11.1 oder Kühlfläche mit einer Ausgleichsschicht 13 versehen, die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und einem gegenüber Kupfer und Aluminium reduzierten thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten e besteht, d. h. aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten e kleiner als 10 × 10–6/°K. Die Ausgleichsschicht 13, die eine Wärmeleitfähigkeit größer 100 W/mK aufweist und deren Dicke beispielsweise im Bereich zwischen 0,05 und 2 mm liegt, ist ohne jegliche Zwischenschicht, d. h. unmittelbar auf den Kühlkörper 11 bzw. auf das Metall (beispielsweise Kupfer) dieses Kühlkörpers 11 aufgebracht und besteht beispielsweise aus Mo, W, Mo-Cu, W-Cu, Cu-Diamant und/oder Cu-CNF (Kupfer mit Kohlenstoff-Nanotubes oder Kohlenstoff-Nanofasern).
  • Mit der Zwischen- oder Ausgleichsschicht 13 wird insbesondere eine Angleichung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramik-Metall-Substrates 2 und des Kühlkörpers 11 im Bereich der Verbindung zwischen diesen Komponenten, d. h. beidseitig von der Lotschicht 12 erreicht. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient e des Keramik-Metall-Substrats 2 u. a. von der Dicke der Keramikschicht 3 abhängt, ist auch die Dicke der Ausgleichsschicht 13 an die Dicke der Keramikschicht 3 bevorzugt so angepasst, dass das Verhältnis ”Dicke der Ausgleichsschicht 13/Dicke der Keramikschicht 3” im Bereich zwischen 1,3 und 0,25 liegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Dicke der Ausgleichsschicht 13 im Bereich zwischen 0,05 und 3 mm.
  • Das Aufbringen der Ausgleichsschicht 3 auf die metallische Oberfläche des Kühlkörpers 11 erfolgt mit geeigneten Oberflächenverfahren, beispielsweise durch Plattieren, z. B. Explosionsplattieren, durch Metall-Kaltspritzen, durch thermisches Metall-Spritzen, beispielsweise Schmelzbadspritzen, Flammschockspritzen, Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen usw.
  • Durch die Ausgleichsschicht 13 erfolgt ein Angleichen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beidseitig von der Lotschicht 12 vorgesehenen Komponenten und damit eine Entlastung der Lotschicht 12 insbesondere auch bei einem Stopp- und Go-Betrieb des Moduls und der hieraus resultierenden ständigen Temperaturänderung des Moduls sowie des Keramik- und Metallsubstrats 2. Diese Entlastung ist insbesondere wegen des hohen Temperaturgradienten bei einer aktiven Wärmesenke, d. h. bei einer Wärmesenke von besonderem Vorteil, die innerhalb ihres Kühlkörpers 11 mit von einem gasförmigen und/oder dampfförmigen und/oder flüssigen Medium durchströmte Kühlkanäle aufweist und die für eine möglichst optimale Kühlung beispielsweise so ausgebildet sind, dass die innen liegende, mit dem Kühlmedium in Kontakt stehende Wärmeaustausch- oder Kühlfläche wesentlich größer ist, beispielsweise um mindestens den Faktor 2 oder den Faktor 4 größer ist als die äußere, mit dem Keramik-Metall-Substrat 2 in Verbindung stehende Kühlfläche.
  • Zur Erzielung einer symmetrischen Ausbildung, insbesondere auch einer hinsichtlich des Temperaturverhaltens symmetrischen Ausbildung ist der Kühlkörper 11 auch an seiner dem Keramik-Metall-Substrat 2 abgewandten Unterseite mit einer der Ausgleichsschicht 13 entsprechenden zusätzlichen Schicht 13a versehen, die dann bevorzugt eine im Vergleich zur Dicke der Ausgleichsschicht 13 größere Dicke aufweist.
  • Die 6 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Anordnung 14, die wiederum aus dem Keramik-Metall-Substrat 2, welches beispielsweise Bestandteil eines in dieser Figur nicht näher dargestellten Moduls ist, sowie aus dem mit dem Keramik-Metall-Substrat 2 über eine Lötverbindung (Lotschicht 12) verbundenen Kühlkörper 11 besteht, welcher zumindest an seiner mit dem Keramik-Metall-Substrat verbundenen Oberflächenseite aus Kupfer gefertigt ist. Auf dem Kühlkörper 11 ist wiederum die Zwischen- oder Ausgleichsschicht 13 aufgebracht. Abweichend von der Ausführungsform der 5 ist auf die Schicht 13 eine weitere Zwischenschicht 15 aus Nickel oder einer Nickellegierung, beispielsweise aus einer Nickel-Silber-Legierung oder einer anderen Legierung aufgebracht, welche zumindest ein Metall enthält, welches auch Bestandteil des Lotes der Lotschicht 12 ist, die sich an die Zwischenschicht 15 anschließt und diese Zwischenschicht und damit den Kühlkörper 11 mit dem Keramik-Metall-Substrat verbindet.
  • Die 7 zeigt in vergrößerter Teildarstellung einen nicht mehr zum Gegenstand der Erfindung gehörenden Kühlkörper 11 zusammen mit einem Laserbarren 16, der mit seiner Längserstreckung senkrecht zur Zeichenebene der 7 orientiert ist und eine Vielzahl von Laser-Licht emittierenden Emittern aufweist, die in Laserbarrenlängsrichtung gegeneinander versetzt vorgesehen sind. Der Kühlkörper 11 ist wiederum platten- oder quaderförmig ausgeführt, und zwar mit der Oberseite 11.1, der Unterseite 11.2, den Längsseiten 11.3 und den Stirnseiten 11.4 bzw. 11.5. Der Laserbarren 16 ist an der Oberseite 11.1 im Bereich einer Stirnseite 11.5 vorgesehen, und zwar derart, dass er mit seiner Längserstreckung parallel zu dieser Stirnseite und zur Oberseite 11.1, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 7 orientiert ist und mit seiner Laserlicht-Austrittsseite in etwa bündig mit der Stirnseite 11.5 liegt.
  • Zumindest im Bereich der Stirnseite 11.5 ist auf die Oberseite 11.1 sowie auf die Unterseite 11.2 wiederum eine Ausgleichsschicht 13 aufgebracht. Auf die Ausgleichsschicht 13 an der Oberseite 11.1 ist der mit einem plattenförmigen Zwischenträger 17 versehene Laserbarren 16 aufgelötet, und zwar über die zwischen der Ausgleichsschicht 13 und dem Zwischenträger 17 (Submount) vorgesehene Lotschicht 18. Die Verbindung zwischen dem Laserbarren 16 und den Zwischenträger 17 ist ebenfalls von einer Lotschicht 19 gebildet, und zwar derart, dass der Laserbarren mit seiner Laserlicht-Austrittsseite bündig mit einer Längsseite oder Längskante des sich über die gesamte Länge des Laserbarrens 16 erstreckenden Zwischenträgers 17 liegt, letzterer aber mit seiner anderen Längsseite über die Rückseite des Laserbarrens 16 wegsteht.
  • Durch die Ausgleichsschicht 13 wird auch bei dieser Ausführungsform ein Angleichen zwischen den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des aus Kupfer oder Aluminium bestehenden Kühlkörpers 11 und des aus Cu-Mo bestehenden Zwischenträgers 17 und damit eine Entlastung der Lotschicht 18 erreicht. Um eine insbesondere auch thermisch symmetrische Ausbildung zu erhalten, ist der Ausgleichsschicht 13 gegenüber liegend auf der Unterseite 11.2 eine entsprechende Schicht 13a aufgebracht, und zwar derart, dass die Dicke der Schicht 13a größer ist als die Dicke der Ausgleichsschicht 13, aber kleiner ist als die Summe der Dicken der Ausgleichsschicht 13 und des Zwischenträgers 17.
  • Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
  • So sind als Ausgleichsschicht 13 und/oder Gegenschicht 13a auch solche aus gesputterten Keramiken oder hochfesten Metallen möglich.
  • Weiterhin ist es insbesondere auch möglich, die Ausgleichsschicht 13 und/oder Gegenschicht 13a als Composite-Schichten herzustellen, und zwar ein- oder mehrschichtig oder -lagig, wobei z. B. jede Lage aus mehreren unterschiedlichen Materialien, z. B. aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen unterschiedlicher Metalle besteht, oder z. B. unterschiedliche Lagen aus unterschiedlichen Werkstoffen oder Werkstoffgemischen (z. B. Metalllegierungen) bestehen, die dann beispielsweise auch mit unterschiedlichen Verfahren aufgebracht sind. So ist es beispielsweise möglich, eine metallische Lage (z. B. Cu-Lage) durch Kaltspritzen und eine weitere Lage (z. B. Keramik-Lage) durch Plasma-Spritzen aufzubringen.
  • Speziell Schichten oder Lagen aus Diamant, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoff-Nanofasern können z. B. durch CVD (Chemical Vapour Deposition) aufgebracht werden, wobei diese Schichten oder Lagen anschließend mit Cu-Pulver-Kaltgas beschichtet werden können.
  • Der Kühlkörper 11 kann auch Bestandteil einer sogenannten Heat-Pipe sein, wobei in diesem Fall die Schichten 13 und/oder 13a auch zur Abdichtung von Risikozonen bezüglich Leckagen dienen und schon allein hierdurch zu einer Verbesserung der Lebensdauer einer Bau- oder Moduleinheit beitragen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Modul
    2
    Keramik-Metall-Substrat, insbesondere Keramik-Kupfer-Substrat
    3
    Keramikschicht
    4, 5
    Metallisierung, insbesondere Kupferschicht
    6, 7
    elektronisches Bauelement
    8
    Modulgehäuse
    9
    Innenraum des Gehäuses
    10
    Anschluss
    11
    Kühlkörper oder Wärmesenke
    11.1
    Oberseite
    11.2
    Unterseite
    11.3
    Längsseite
    11.4, 11.5
    Stirnseite
    12
    Lotsch ficht
    13
    Ausgleichsschicht
    13a
    zusätzliche Schicht
    14
    Anordnung
    15
    Zwischenschicht
    16
    Laserbarren
    17
    Zwischenträger oder Submount
    18, 19
    Lotschicht

Claims (20)

  1. Moduleinheit mit wenigstens einem Kühlkörper (11) einer Wärmesenke und mit einem Keramik-Metall-Substrat (2), bestehend aus einer Keramikschicht (3) und aus Metallisierungen (4, 5) an den Oberflächenseiten der Keramikschicht (3), wobei das Keramik-Metall-Substrat (2) über eine Lotschicht (12) bildende Lötverbindung mit dem Kühlkörper (11) an wenigstens einer Kühlfläche (11.1) aus einem metallischen Werkstoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) zumindest an der wenigstens einen Kühlfläche (11.1) mit wenigstens einer unmittelbar auf diese Kühlfläche aufgebrachten zumindest einlagigen Ausgleichsschicht (13) versehen ist, die eine Wärmeleitfähigkeit größer 100 W/m°K sowie einen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 10·10–6/°K besitzt.
  2. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschicht (13) aus wenigstens einer Lage aus Mo, W, Mo-Cu, W-Cu, Cu-CNF, Cu-Diamant, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoff-Nanofasern besteht.
  3. Moduleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Lotschicht maximal 300 μm beträgt.
  4. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Lotschicht (12) kleiner ist als die Dicke der zumindest einlagigen Ausgleichsschicht (13).
  5. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) zumindest an einer der wenigstens einen Kühlfläche (11.1) gegenüber liegenden Seite (11.2) mit einer der wenigstens einen Ausgleichsschicht (13) materialgleichen zumindest einlagigen Gegenschicht (13a) versehen ist.
  6. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschicht (13) als Composite-Schicht aus unterschiedlichen Materialien und/oder aus mehreren Einzelschichten bestehend erzeugt ist, wobei die Einzelschichten beispielsweise zumindest teilweise durch Kaltgasspritzen aufgebracht sind.
  7. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschicht (13) oder wenigstens eine Lage der Ausgleichsschicht (13) durch Plattieren, durch Kaltspritzen, durch Metallpulver-Kaltgas-Beschichten, durch thermisches Spritzen oder Sputtern auf den Kühlkörper (11) oder eine dort bereits vorgesehene Lage der Ausgleichsschicht (13) aufgebracht ist.
  8. Moduleinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsschicht (13) oder wenigstens eine Lage der Ausgleichsschicht (13) durch CVD auf den Kühlkörper (11) oder eine dort bereits vorgesehene Lage der Ausgleichsschicht (13) aufgebracht ist.
  9. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenschicht (13a) eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke der Ausgleichsschicht (13).
  10. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) in Bezug auf eine parallel zu der wenigstens einen Kühlfläche (11.1) verlaufenden Ebene hinsichtlich Schicht- und/oder Materialfolge symmetrisch ausgebildet ist.
  11. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) aus Kupfer oder Aluminium besteht.
  12. Moduleinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) aus mehreren miteinander verbundenen Platten oder Schichten, beispielsweise aus mehreren mit dem DCB-Verfahren miteinander verbundenen Platten oder Schichten besteht.
  13. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen im Kühlkörper (11) ausgebildeten, von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal.
  14. Moduleinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem wenigstens einen Kühlkanal gebildete innere Kühlfläche zumindest um den Faktor 2, vorzugsweise um den Faktor 4 größer ist als die wenigstens eine äußere Kühlfläche (11.1).
  15. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) als Heatpipe ausgebildet ist.
  16. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf die wenigstens eine Ausgleichsschicht (13) aufgebrachte weitere metallische Schicht (15) wenigstens ein Metall enthält, welches auch Bestandteil der Lotschicht (12) ist.
  17. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik-Metall-Substrat (2) ein DCB-Substrat ist.
  18. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (3) aus Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik besteht.
  19. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik-Metall-Substrat (2) unter Anwendung des Aktivlötverfahrens hergestellt ist.
  20. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik-Metall-Substrat (2) Bestandteil eines elektronischen Leistungsschaltkreises ist.
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