DE102007051796A1 - Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente - Google Patents
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Abstract
Bei einer Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente besteht die Aufgabe, die Wirksamkeit des Korrosionsschutzes zu erhöhen und die Lebensdauer der Kühlvorrichtung durch eine verringerte Korrosionsanfälligkeit der Kühlkanäle zu verlängern. Das wird dadurch erreicht, dass eine Kühlkanalstruktur Kühlrippen aufweist, die Tantal und/oder Niob enthalten.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente, die wenigstens eine Fügefläche zur stoffschlüssigen Verbindung mit wenigstens einer Kontaktfläche wenigstens eines Halbleiterbauelementes und wenigstens eine Kühlkanalstruktur aufweist, die mit wenigstens einem Kühlmitteleinlass und wenigstens einem Kühlmittelauslass strömungstechnisch in Verbindung steht.
- Es ist bekannt, dass Mikrokanalwärmesenken, die aus Kostengründen und wegen der geforderten hohen Wärmeleitfähigkeit in der Regel aus Kupfer bestehen, aus verschiedenen Gründen nicht korrosionsbeständig sind, insbesondere da Kupfer zum Beispiel gegenüber sauerstoffhaltigem Wasser als Kühlmittel korrosionsempfindlich ist und zwar umso mehr, je weiter der pH-Wert des Wassers von 9 abweicht.
- In der
JP 2003 273 441 A - Es besteht deshalb die Aufgabe, die Wirksamkeit des Korrosionsschutzes zu erhöhen und die Lebensdauer der Kühlvorrichtung durch eine verringerte Korrosionsanfälligkeit der Kühlkanäle zu verlängern.
- Diese Aufgabe wird bei einer Mikrokanalwärmesenke der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kühlkanalstruktur Kühlrippen aufweist, die Tantal und/oder Niob enthalten.
- Es ist aus den Pourbaix-Diagrammen bekannt, dass die einander chemisch sehr ähnlichen Refraktärmetalle Tantal und Niob die größte Korrosionsresistenz aller bekannten Nichtedelmetalle insbesondere gegenüber wässrigen Kühlflüssigkeiten besitzen. Zwar beträgt die Wärmeleitfähigkeit dieser Metalle gegenüber Kupfer nur ein siebentel (Kupfer 400 W/m/K, Tantal von 57 W/m/K), jedoch hat es hat sich gezeigt, dass der thermische Widerstand zweier Kühlrippenstrukturen unterschiedlicher Materialien, deren Wärmeleitfähigkeiten sich um einen Faktor x unterscheiden, denselben thermischen Widerstand aufweisen, wenn sich die Rippenbreiten um den Faktor des Kehrwertes der Quadratwurzel aus diesem Faktor x voneinander unterscheiden. Demnach kann der thermische Widerstand von Kühlrippen aus Kupfer mit einer Breite von 0,3 mm durch Kühlrippen aus Tantal mit einer Breite von ca. 0,1 mm reproduziert werden. Das gleiche gilt für Kühlrippen aus dem etwas kostengünstigeren Niob.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kühlrippen ein hohes Aspektverhältnis und der Bereich zwischen der Montagefläche und der Kühlkanalstruktur eine ausreichende Wärmespreizung aufweisen. Das kann dadurch erreicht werden, dass die Gesamthöhe der Kühlrippen zwischen Kühlrippenbasis und Kühlrippenende mindestens drei mal so groß ist wie die Kühlrippenbreite und geringer ist als die Dicke des Wärmesenkenbereiches zwischen der Montagefläche und der Kühlkanalstruktur. Insbesondere sollte die Kühlrippenbreite kleiner sein als 200 μm. Vorzugsweise liegt die Kühlrippenhöhe im Bereich von 100 μm bis 600 μm.
- Vorteilhaft wirkt sich außerdem aus, dass Tantal und Niob thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die näherungsweise denen von Halbleiterbauelementen, insbesondere denen aus GaAs entsprechen (Tantal: 6,3 ppm/K, Niob: 7,3 ppm/K), was sich thermomechanisch günstig auf temperaturabhängige Verbindungsverfahren, wie das Löten oder Schweißen der Kühlrippenstruktur mit einem wärmespreizenden Träger für das Halbleiterbauelement auswirkt, das einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleiterbauelement aufweist.
- Die Erfindung erfüllt somit die wärmeleittechnischen und verbindungstechnischen Aspekte einer qualitätsgerechten Konstruktion von Mikrokanalwärmesenken.
- Es ist unstrittig, dass Materialien mit höherer thermischer Leitfähigkeit als Tantal und Niob bei gleicher Kühlrippengeometrie eine bessere Wärmeabfuhr in der Kühlkanalstruktur erzielen als die erfindungsgemäße Lösung. Aus diesem Grunde ist der Abstand von der Wärmequelle zu der Kühlkanalstruktur bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung vorzugsweise größer als bei Kühlanordnungen nach dem Stand der Technik, die mit Kühlrippen höherer Wärmeleitfähigkeit versehen sind. Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Kühlanordnung daher zwischen den Kühlrippen und dem Halbleiterbauelement ein Wärmespreizbereich oder -körper eingefügt, dessen Dicke wenigstens drei mal so groß ist wie die Höhe der Kühlrippen, um die von dem Halbleiterbauelement erzeugte Wärme über einen großen Kühlrippenbereich zu verteilen. Vorzugsweise besteht ein solcher Wärmespreizbereich oder -körper aus einem hoch wärmeleitfähigen Verbundwerkstoff, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient – ebenso wie derjenige von Tantal und Niob – näherungsweise dem des Halbleiterbauelementes – beispielsweise einem Laserdiodenelement auf Basis von GaAs – entspricht. Diese Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten gestattet es, bei der Verwendung eines Wärmespreizkörpers sowohl die Fügeverbindung zwischen Wärmespreizkörper und Halbleiterbauelement als auch die Fügeverbindung mit der Mikrokanalwärmesenke oder der Kühlrippenstruktur allein mit einem zuverlässigen hoch goldhaltigen Gold-Zinn-Lot herzustellen.
- Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und deren Herstellung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen und den abhängigen Ansprüchen.
- Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 einen Schnitt durch eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung -
2 eine Kühlrippenstruktur -
3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung - Ein Wärmespreizkörper
1 aus einem Silber-Diamant-Verbundwerkstoff besitzt eine Montagefläche2 für ein zu kühlendes Halbleiterbauelement3 und eine der Montagefläche2 gegenüberliegende Anbindungsfläche4 für eine Kühlrippenstruktur5a . Die Kühlrippenstruktur5a wird dadurch erzeugt, dass in ein 0,3 mm dickes Tantalblech durch Laserschneiden oder reaktives Ionenätzen 50 μm breite Mikronuten eingebracht werden, wobei ein die Mikronuten umgebender, unstrukturierter Randbereich6 im Tantalblech bestehen bleibt. - In einer ersten Ausführung erstrecken sich die Mikronuten über die gesamte Dicke des Tantalbleches, so dass Langlöcher im Tantalblech mit 300 μm hohen Kühlrippen
7 gebildet werden. - In einer zweiten Ausführung enden die Mikronuten 50 μm, bevor sie die gegenüberliegende Seite des Tantalbleches öffnen, so dass 250 μm hohe Kühlrippen
7 entstehen. - Die Kühlrippenstruktur
5b besitzt eine parallel zur Blechoberfläche orientierte Kühlrippenbasisebene B, an welcher der Wärmeeintrag erfolgt sowie eine der Kühlrippenbasisebene B gegenüberliegende Ebene E, in der die Kühlrippen7 enden und die mit Abschnitten der Blechoberfläche übereinstimmt (2 ). - Die Kühlrippenstruktur
5b wird mit der in der basisseitigen Blechoberfläche enthaltenden Fügefläche13 an der Anbindungsfläche4 des Wärmespreizkörpers1 vorzugsweise mit einem Lot8 befestigt. - In einer dritten Ausführung wird auf der basisseitigen Blechoberfläche der Kühlrippenstruktur
5b gemäß der zweiten Ausführung eine elektrisch isolierende Schicht9 aufgebracht, die anschließend lötfähig metallisiert wird, wobei die lötfähige Metallisierung die Fügefläche13 aufweist. - Schließlich wird auf die an dem Wärmespreizkörper
1 befestigte Kühlrippenstruktur5a /5b ein Anschlussbauteil10 aufgesetzt, so dass die Kühlrippenstruktur5a /5b verschlossen wird und sich eine Kühlkanalstruktur innerhalb einer Mikrokanalwärmesenke ausbildet. Zwischen dem Anschlussbauteil10 und der Kühlrippenstruktur5a /5b wird eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt, wobei sich die Fügezone 11 im Bereich des unstrukturierten Randbereiches6 des Tantalbleches befindet. Das Anschlussbauteil10 ist bevorzugt eine Platte aus LTC(low-temperature cofired)-Keramik mit wenigstens einem Zulaufkanal12 zur Zuführung eines Kühlmittels zu der Kühlkanalstruktur sowie wenigstens einem nicht dargestellten Ablaufkanal zur Abführung des Kühlmittels aus der Kühlkanalstruktur. Während der Zulaufkanal12 mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung steht, mündet der Ablaufkanal in einen Kühlmittelauslass (beide nicht dargestellt). Anschließend wird das Halbleiterbauelement3 – beispielsweise ein Laserdiodenbarren – an der Montagefläche2 der Mikrokanalwärmesenke mit Hilfe eines Lotes stoffschlüssig befestigt. - In einer zweiten Variante dieses Ausführungsbeispiels wird die Kühlrippenstruktur
5b aus2 zunächst kühlrippenseitig mit dem Anschlussbauteil10 verbunden, wodurch eine erfindungsgemäße Mikrokanalwärmesenke mit einer Fügefläche13 hergestellt wird. Ein als Laserdiodenbarren ausgebildetes Halbleiterbauelement3 wird seitens seiner Kontaktfläche14 stoffschlüssig über eine Lötfuge mit dem Wärmespreizkörper1 verbunden. Anschließend wird der Wärmespreizkörper1 seitens seiner dem Laserdiodenbarren gegenüberliegenden Anbindungsfläche4 stoffschlüssig über eine Lötfuge mit der Fügefläche13 der Mikrokanalwärmesenke verbunden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003273441 A [0003]
Claims (29)
- Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente, die wenigstens eine Fügefläche zur stoffschlüssigen Verbindung mit wenigstens einer Kontaktfläche wenigstens eines Halbleiterbauelementes und wenigstens eine Kühlkanalstruktur aufweist, die mit wenigstens einem Kühlmitteleinlass und wenigstens einem Kühlmittelauslass strömungstechnisch in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalstruktur Kühlrippen aufweist, die Tantal und/oder Niob enthalten.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen vollständig aus Tantal und/oder Niob bestehen.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen eine Kühlrippenhöhe von der Ausdehnung der Kühlrippen senkrecht zur Fügefläche aufweisen, die mindestens drei mal so groß ist wie die Kühlrippenbreite der kleineren Ausdehnung einzelner Kühlrippen parallel zur Fügefläche.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenbreite kleiner ist als 200 μm.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippenhöhe zwischen 100 μm und 600 μm liegt.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenstruktur zumindest abschnittsweise in Projektion des Halbleiterbauelementes senkrecht zur Kontaktfläche liegt.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kontaktfläche von den Kühlrippen mindestens drei mal so groß ist wie die Kühlrippenhöhe von der Ausdehnung der Kühlrippen senkrecht zur Fügefläche.
- Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung der Kontaktfläche mit der Fügefläche nur eine Fügezone aufweist.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Fügefläche und der Kühlkanalstruktur liegender Wärmesenkenbereich im Wesentlichen aus einem Verbundwerkstoff besteht, dessen mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient annähernd dem des Halbleiterbauelementes entspricht.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung der Kontaktfläche mit der Fügefläche wenigstens einen Wärmespreizkörper aufweist, der zwischen wenigstens zwei Fügezonen angeordnet ist.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespreizkörper im Wesentlichen aus einem Verbundwerkstoff besteht, dessen mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient annähernd dem des Halbleiterbauelementes entspricht.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fügezonen die Elemente Gold und Zinn enthalten.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Goldanteil hinsichtlich der Atomanzahl prozentual höher ist als der Zinnanteil.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Material des Verbundwerkstoffes wenigstens ein Metall der Gruppe Kupfer, Silber und Aluminium enthält und wenigstens ein zweites Material des Verbundwerkstoffes wenigstens einen Werkstoff der Gruppe Wolfram, Molybdän, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid und Kohlenstoff.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff wenigstens zwei der Materialien Silizium, Siliziumkarbid und Kohlenstoff enthält.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff wenigstens in einer der Modifikationen Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstofffaser und Kohlenstoffnanoröhrchen vorliegt.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen zu einem zusammenhängenden Kühlrippenkörper aus Tantal und/oder Niob gehören.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen durch eine parallel zur Fügefläche gerichtete Kühlrippenverbindungsplatte aus Tantal und/oder Niob miteinander verbunden sind.
- Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterbauelement und den Kühlrippen wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist, die das Halbleiterbauelement und die Kühlrippen elektrisch voneinander isoliert.
- Kühlvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenverbindungsplatte die elektrisch isolierende Schicht auf einer der Fügefläche zugewandten Seite trägt.
- Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Herstellung eines Anschlussbauteils, – Herstellung eines Kühlrippenkörpers mit einer Fügefläche, einer Anschlussfläche und einer Kühlrippenstruktur, die Kühlrippen aufweist, die im Wesentlichen aus Tantal und/oder Niob bestehen, – wobei der Kühlrippenkörper und der Anschlussbauteil gemeinsam wenigstens zwei Öffnungen aufweisen, – Herstellung einer Mikrokanalwärmesenke durch stoffschlüssiges Verbinden der Anschlussfläche des Kühlrippenkörpers mit dem Anschlussbauteil, wobei die Kühlrippenstruktur durch das Anschlussbauteil verdeckt und zu einer Kühlkanalstruktur ausgebildet wird, die in strömungstechnischer Verbindung mit beiden Öffnungen steht, von denen eine erste als Kühlmitteleinlass und eine zweite als Kühlmittelauslass wirkt.
- Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Schritte: – Herstellen eines Wärmespreizkörpers, – stoffschlüssiges Verbinden des Halbleiterbauelementes mit dem Wärmespreizkörper, – stoffschlüssiges Verbinden des Wärmespreizkörpers mit der Fügefläche der Mikrokanalwärmesenke.
- Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Schritte: – Herstellen eines Wärmespreizkörpers, – stoffschlüssiges Verbinden des Wärmespreizkörpers mit der Fügefläche der Mikrokanalwärmesenke, – stoffschlüssiges Verbinden des Halbleiterbauelementes mit dem Wärmespreizkörper.
- Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Kühlrippenkörpers die Verbindung der Kühlrippenstruktur mit einem Wärmespreizkörper beinhaltet, der die Fügefläche umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindung des Kühlrippenkörpers mit dem Anschlussbauteil die stoffschlüssige Verbindung des Halbleiterbauelementes mit der Fügefläche des Kühlrippenkörpers vorangeht.
- Verfahren nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindung der Kühlrippenstruktur mit dem Wärmespreizkörper die stoffschlüssige Befestigung des Halbleiterbauelementes an der Fügefläche des Wärmespreizkörpers vorangeht.
- Verfahren nach Anspruch 21 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Herstellung der Mikrokanalwärmesenke die stoffschlüssige Befestigung des Halbleiterbauelementes auf der Fügefläche anschließt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenstruktur dadurch erzeugt wird, dass eine Vielzahl von Mikronuten durch Laserschneiden oder reaktives Ionenätzen in eine Platte, die im Wesentlichen aus Tantal und/oder Niob besteht, eingebracht werden.
- Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Nuten umgebender, unstrukturierter Randbereich der Platte bestehen bleibt.
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