DE102007051796A1

DE102007051796A1 - Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE102007051796A1
Application number: DE200710051796
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Lorenzen
Original assignee: Jenoptik Laserdiode GmbH
Current assignee: LORENZEN, DIRK, DR., 07745 JENA, DE
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-05-07
Also published as: WO2009052814A3; WO2009052814A2

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 wird deshalb vorgeschlagen, die Innenwandoberfläche des Kühlkanals mit einer aus zwei Teilschichten bestehenden Schutzschicht zu versehen, die einen Kühlmittelkontakt der Innenwandoberfläche verhindert. Eine erste Schicht, die Gold, Silber oder Legierungen dieser Edelmetalle als Hauptkomponenten enthält, steht als eigentliche Schutzschicht im Kontakt mit der Kühlflüssigkeit und eine zweite Schicht, die sich aus den Hauptkomponenten Ni, Mo, W oder Ti zusammensetzt, liegt als Diffusionsbarriere zwischen der ersten Schicht und der Innenwandoberfläche. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die empfindliche Edelmetallschicht bei Verletzung ein Lokalelement mit der darunter liegenden zweiten Schicht bildet und diese anschließend durch Lochfraß aufgelöst werden kann.
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 Montagefläche 2 für ein zu kühlendes Halbleiterbauelement 3 und eine der Montagefläche 2 gegenüberliegende Anbindungsfläche 4 für eine Kühlrippenstruktur 5a. Die Kühlrippenstruktur 5a 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 Randbereich 6 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 Kühlrippen 7 enden und die mit Abschnitten der Blechoberfläche übereinstimmt (2).
Die Kühlrippenstruktur 5b wird mit der in der basisseitigen Blechoberfläche enthaltenden Fügefläche 13 an der Anbindungsfläche 4 des Wärmespreizkörpers 1 vorzugsweise mit einem Lot 8 befestigt.
In einer dritten Ausführung wird auf der basisseitigen Blechoberfläche der Kühlrippenstruktur 5b gemäß der zweiten Ausführung eine elektrisch isolierende Schicht 9 aufgebracht, die anschließend lötfähig metallisiert wird, wobei die lötfähige Metallisierung die Fügefläche 13 aufweist.
Schließlich wird auf die an dem Wärmespreizkörper 1 befestigte Kühlrippenstruktur 5a/5b ein Anschlussbauteil 10 aufgesetzt, so dass die Kühlrippenstruktur 5a/5b verschlossen wird und sich eine Kühlkanalstruktur innerhalb einer Mikrokanalwärmesenke ausbildet. Zwischen dem Anschlussbauteil 10 und der Kühlrippenstruktur 5a/5b wird eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt, wobei sich die Fügezone 11 im Bereich des unstrukturierten Randbereiches 6 des Tantalbleches befindet. Das Anschlussbauteil 10 ist bevorzugt eine Platte aus LTC(low-temperature cofired)-Keramik mit wenigstens einem Zulaufkanal 12 zur Zuführung eines Kühlmittels zu der Kühlkanalstruktur sowie wenigstens einem nicht dargestellten Ablaufkanal zur Abführung des Kühlmittels aus der Kühlkanalstruktur. Während der Zulaufkanal 12 mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung steht, mündet der Ablaufkanal in einen Kühlmittelauslass (beide nicht dargestellt). Anschließend wird das Halbleiterbauelement 3 – beispielsweise ein Laserdiodenbarren – an der Montagefläche 2 der Mikrokanalwärmesenke mit Hilfe eines Lotes stoffschlüssig befestigt.
In einer zweiten Variante dieses Ausführungsbeispiels wird die Kühlrippenstruktur 5b aus 2 zunächst kühlrippenseitig mit dem Anschlussbauteil 10 verbunden, wodurch eine erfindungsgemäße Mikrokanalwärmesenke mit einer Fügefläche 13 hergestellt wird. Ein als Laserdiodenbarren ausgebildetes Halbleiterbauelement 3 wird seitens seiner Kontaktfläche 14 stoffschlüssig über eine Lötfuge mit dem Wärmespreizkörper 1 verbunden. Anschließend wird der Wärmespreizkörper 1 seitens seiner dem Laserdiodenbarren gegenüberliegenden Anbindungsfläche 4 stoffschlüssig über eine Lötfuge mit der Fügefläche 13 der Mikrokanalwärmesenke verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2003273441 A [0003]

Claims

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.