DE102007051797B3

DE102007051797B3 - Korrosionsbeständige Mikrokanalwärmesenke

Info

Publication number: DE102007051797B3
Application number: DE200710051797
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Lorenzen
Original assignee: Jenoptik Laserdiode GmbH
Current assignee: LORENZEN, DIRK, DR., 16798 FUERSTENBERG, DE
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-10-27
Also published as: WO2009052817A3; WO2009052817A2

Abstract

Es besteht die Aufgabe, die Wirksamkeit des Korrosionsschutzes für Mikrokanalwärmesenken zu erhöhen und dadurch deren Lebensdauer zu verlängern. Von wenigstens zwei über Fügeflächen miteinander verbundenen plattenförmigen Bauteilen ist zumindest eine metallische Kühlrippenstruktur an einem ersten der Bauteile an ihrer Oberfläche zumindest abschnittsweise mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen, die wenigstens einen Werkstoff aus der Gruppe der Refraktärmetalle und Refraktärmetallverbindungen enthält. Zwischen den Fügeflächen vorgesehene, im Kühlmittelkontakt stehende Fügemittel sind elektrisch isolierend oder gegenüber der Kühlrippenstruktur elektrisch isoliert ausgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine korrosionsbeständige Mikrokanalwärmesenke mit wenigstens einer Montagefläche zur Befestigung eines Halbleiterbauelementes, mit wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer Auslassöffnung und mit wenigstens einer, von einem Kühlmittel durchströmbaren Mikrokanalstruktur, die mit der wenigstens einen Einlassöffnung und der wenigstens einen Auslassöffnung strömungstechnisch in Verbindung steht, wobei die Mikrokanalstruktur zumindest abschnittsweise von einer zumindest teilweise metallischen Kühlrippenstruktur gebildet wird und die Mikrokanalwärmesenke aus wenigstens zwei, über Fügeflächen miteinander verbundenen Bauteilen besteht, von denen wenigstens ein erstes Bauteil die Kühlrippenstruktur aufweist.
Es ist bekannt, dass Mikrokanalwärmesenken, die aus Kostengründen und wegen der geforderten hohen Wärmeleitfähigkeit in der Regel zumindest teilweise und insbesondere ihre die Wärme im Wesentlichen übertragenden Kühlrippen aus einem Metall der Gruppe Kupfer, Silber und Aluminium, vorzugsweise 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 EP 1 696 526 A1 wird zur Vermeidung von Korrosion vorgeschlagen, Innen- und Außenwandoberflächen mit Ausnahme einer Kühlregion, in der ein Halbleiterlaserelement auf die Wärmesenke aufgebracht ist, kontinuierlich mit einem Harz zu beschichten. Von Nachteil ist, dass das Harz selbst mit der Zeit von dem Kühlmittel erodiert wird und es außerdem den thermischen Widerstand für den Wärmeeintrag in die Kühlkanäle erhöht.
In der JP 2003-273 441 A wird 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.
In der Offenlegungsschrift DE 11 2005 001 479 T5 wird vorgeschlagen, eine DLC-Schicht (DLC steht für diamond-like carbon) auf aus Kupfer bestehenden Bauteilen aufzubringen und die Bauteile zur Bildung einer Mikrokanalwärmesenke miteinander mittels eines Klebers zu verbinden. Bei dieser Lösung besteht der Nachteil darin, dass bei einer Verletzung der DLC-Schicht, beispielsweise Rissbildung durch mechanische Spannungen, das korrosionsempfindliche Kupfer dem korrosiven Kühlmedium ausgesetzt wird.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die Wirksamkeit des Korrosionsschutzes zu erhöhen und dadurch die Lebensdauer der Mikrokanalwärmesenke zu verlängern.
Diese Aufgabe wird bei einer Mikrokanalwärmesenke der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass von dem ersten Bauteil wenigstens die Kühlrippenstruktur zumindest abschnittsweise wenigstens eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweist, die wenigstens einen Werkstoff aus der Gruppe der Refraktärmetalle und Refraktärmetallverbindungen enthält, und dass zwischen den Fügeflächen vorgesehene, im Kühlmittelkontakt stehende Fügemittel elektrisch isolierend oder gegenüber der Kühlrippenstruktur elektrisch isoliert sind.
Diese Korrosionsschutzbeschichtung erfüllt ihre Funktion bereits in einer Kühlanordnung, in der die Kühlrippenstruktur in elektrischer Verbindung mit dem Halbleiterbauelement steht.
Vorteilhaft sind nicht nur die Kühlrippen mit der Korrosionsschutzbeschichtung versehen, sondern die Beschichtung kann sich auch über die gesamte, zur Montagefläche gegenüberliegende Plattenseite, den Kühlmitteleinlass und den Kühlmittelauslass erstrecken, um auch Bereiche außerhalb der Kühlrippen, die ebenfalls im Betrieb mit dem Kühlmittel benetzt werden, vor Korrosion zu schützen.
Das zweite Bauteil kann aus einem Material bestehen, das nicht notwendigerweise hoch wärmeleitend sein muss, weil die Wärmeabgabe an das Kühlmittel im Wesentlichen über die Kühlrippen erfolgt. Das zweite Bauteil wird an der zur Montagefläche gegenüberliegenden Plattenseite des ersten Bauelementes gefügt.
Vorteilhaft werden plattenförmige Bauteile der Mikrokanalwärmesenke im Herstellungsverfahren insbesondere an Flächen, die als Fügeflächen vorgesehen sind und an Flächen, die im Betrieb mit dem Kühlmittel benetzt werden, vor dem Fügen mit einer Korrosionsschutzbeschichtung aus wenigstens einem Werkstoff aus der Gruppe der Refraktärmetalle, Refraktärmetallverbindungen und nichtmetallischen anorganischen Materialien beschichtet. Das Fügen erfolgt entweder ohne Zusatz eines elektrisch leitfähigen Fügemittels oder, sofern elektrisch leitfähige Bestandteile in einem Fügemittel enthalten sind, sollten diese derart eingebettet sein, dass ein elektrischer Kontakt mit der Kühlrippenstruktur, vorzugsweise auch ein Kühlmittelkontakt, und damit eine mögliche Lokalelementkorrosion ausgeschlossen ist. Insbesondere können Fügemittel zum Einsatz kommen, die nicht zusammenhängend metallisch sind. Beispiele für derartige Fügemittel sind gefüllte und ungefüllte organische und anorganische Klebstoffe, Zemente, Keramikfolien im ungebrannten (Grün-)zustand, Glaslote sowie Borsilikatglas, das beispielsweise über anodisches Bonden die Verbindung zweier an ihrer Oberfläche mit Silizium beschichteten Bauteilen etablieren kann.
Bei der Verwendung von elektrisch leitfähigen, beispielsweise metallischen Fügemitteln, beispielsweise Loten, oder Fügeverfahren, die auf Metallen beruhen, beispielsweise Diffusionsfügeverfahren, ist die Korrosionsschutzbeschichtung über die Fügeflächen zu erstrecken und elektrisch isolierend auszuführen.
Dazu kann die Korrosionsschutzbeschichtung, eine erste, auf das Bauteil aufgebrachte, rekfraktärmetallhaltige Schicht aufweisen sowie eine, auf der dem Bauteil abgewandten Seite der ersten Schicht aufgebrachte, zweite Schicht aus einem nichtmetallischen anorganischen Material, das elektrisch isolierend wirkt.
Mit der Befestigung des Halbleiterbauelementes an der dafür vorgesehenen Montagefläche der Mikrokanalwärmesenke entsteht eine Halbleiter-Kühlvorrichtung, beispielsweise ein Diodenlaserbauelement in dem Fall, in dem das Halbleiterbauelement ein Laserdiodenelement ist.
Zur Herstellung eines aus der Mikrokanalwärmesenke und dem als Laserdiodenelement ausgebildeten Halbleiterbauelement bestehenden Diodenlaserbauelementes muss nicht notwendigerweise die Verbindung der beiden Bauteile zur Bildung der Mikrokanalwärmesenke vor der Montage des Laserdiodenelementes erfolgen. So kann das Laserdiodenelement zunächst auf das erste Bauteil gelötet werden, bevor dieses mit dem zweiten Bauteil verbunden wird.
Zu den für die Korrosionsschutzbeschichtung in Frage kommenden Materialien zählen erfindungsgemäß die Refraktärmetalle Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W sowie ihre Legierungen und intermetallischen Verbindungen untereinander sowie Refraktärmetallverbindungen, zu denen beispielsweise Cr₃C₂, HfC, NbC, TaC, TiC, TiCN, VC, Mo₂C, WC, ZrC, ZrCN, AlTiN, AlTiCN, AlCrN, AlTiCrN, CrN, CrTiN, HfN, NbN, TaN, TiN, VN, ZrN, CrB₂, HfB₂, NbB₂, TaB₂, TiB₂, VB₂, ZrB₂, MoSi₂, TiSi₂, WSi₂, Cr₂O₃, HfO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, TiO₂ und ZrO₂ zu rechnen sind.
Zu den optional zur elektrischen Isolierung der Korrosionsschutzschicht verwendeten nichtmetallischen, elektrisch isolierenden, anorganischen Materialien zählen beispielsweise die Elemente B, Si, C, insbesondere in der Modifikation von Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC), die anorganischen Verbindungen B₄C, SiC, vanadiumdotiertes SiC, BN, C₃N₄, Si₃N₄, SiC₂N₄, AlN, B₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ sowie die teilweise bereits zuvor genannten Refraktärmetalloxide, beispielsweise Cr₂O₃, HfO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, TiO₂ und ZrO₂.
Vielfachschichten und/oder Nanokompositschichten von einem oder mehrerer dieser Werkstoffe liegen selbstverständlich im Rahmen der Erfindung.
Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der korrosionsarmen Mikrokanalwärmesenke und deren Herstellung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1a–1g ein erstes Ausführungsbeispiel zur Fertigung einer korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenke
2a–2g ein zweites Ausführungsbeispiel zur Fertigung einer korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenke
3a–3k ein drittes Ausführungsbeispiel zur Fertigung einer korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenke
4a–4c ein viertes Ausführungsbeispiel einer korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenke
5a–5c ein fünftes Ausführungsbeispiel einer korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenke
Eingangs der Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist hervorzuheben, dass der Fachmann weiß, dass vielen Beschichtungsschritten und Fügeprozessen entsprechende Reinigungs- bzw. Vorbehandlungsschritte vorangehen, die hier nachfolgend nicht erwähnt werden. Außerdem weiß der Fachmann, dass den Fügemittelbeschichtungen weitere Beschichtungen vorangehen können, die eine Haftung und/oder Diffusionssperre für das Fügemittel darbieten und die hier nachfolgend ebenso wenig erwähnt werden.
Ausführungsbeispiel 1
Eine Deckplatte 1 aus Kupfer mit einer Montagefläche 2 für ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Laserdiodenelement, wird in einem Diffusionslöt-, -bond- oder -schweißprozess mit einem Ätzformteil 3 aus Kupfer, das Kühlrippen 4 enthält, an der der Montagefläche 2 gegenüberliegenden Plattenseite verbunden (1a, 1b) und damit ein erstes Bauteil 5 für eine Mikrokanalwärmesenke hergestellt.
Wenigstens eines der beiden Teile kann vor dem Fügeprozess mit Silber oder Gold beschichtet werden. Anschließend wird eine Tantalschicht 6 auf die Seite des Bauteils 5 aufgebracht, auf der sich die Kühlrippen 4 befinden (1c). Danach wird ein zweites Bauteil 7, welches eine Platte aus Kupfer ist und eine mit Tantal 8 beschichtete Fügefläche aufweist, vermittels eines Glaslotes 9 kühlrippenseitig an das erste Bauelement 5 gefügt (1d, 1e). Hinterher wird die so gefertigte Mikrokanalwärmesenke mit einer Indium-Lotschicht 10 beschichtet und ein Laserdiodenbarren 11 aufgelötet (1f, 1g).
In einer ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels wird anstatt Tantal das kostengünstigere Niob zur korrosionsarmen Beschichtung verwendet.
In einer zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispiels wird anstatt Tantal das hoch verschleißfeste Titannitrid (TiN) zur korrosionsarmen Beschichtung verwendet.
Ausführungsbeispiel 2
Ein erstes Bauteil 12 aus einem Silber-Diamant-Verbundwerkstoff (2a) wird zur Ausbildung einer Kühlrippenstruktur an seiner der Montagefläche 13 abgewandten Plattenseite 14 mit Nuten 15 versehen, die vorzugsweise mit einem Kurzpulslaser in den Werkstoff geschnitten werden (2b). Anschließend wird die gesamte Oberfläche des ersten Bauteils 12 mit einer Doppelschicht Titan und Diamant 16 beschichtet (2c) und es wird eine Kupferschicht 17 auf der den Nuten 15 gegenüberliegenden Plattenseite 13 aufgebracht (2d). In einem nächsten Schritt wird auf die Oberfläche der Kupferschicht 17 eine Gold-Zinn-Lotschicht 18 aufgebracht und über diese ein Laserbarren 19 an dem ersten Bauteil 12 befestigt (2e, 2f). Schließlich wird die Kühlrippenstruktur durch ein zweites Bauteil 20, das aus korrosionsarmem Edelstahl gefertigt ist, verschlossen, wobei als Fügemittel ein Zement 21 vorgesehen ist (2f, 2g).
In einer ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispieles wird anstatt Diamant diamantähnlicher Kohlenstoff zur elektrischen Isolierung der korrosionsarmen Beschichtung verwendet.
In einer zweiten Variante des zweiten Ausführungsbeispieles wird anstatt Diamant Aluminiumoxid zur elektrischen Isolierung der korrosionsarmen Beschichtung verwendet.
Ausführungsbeispiel 3
Ein erstes Bauteil 22 aus einem Kupfer-Kohlenstoffnanofaser-Verbundwerkstoff wird an seiner der Montagefläche 23 abgewandten Plattenseite mit einer Photoresistschicht 24 versehen (3a). Nach maskierter Belichtung werden stellenweise lösliche Bereiche 25 der Photoresistschicht 24 bis hinunter auf die Oberfläche des ersten Bauteils 22 ausgewaschen (3b). In einem Galvanikbad wird anschließend elektrolytisch Silber 26 in die ausgewaschenen Bereiche 25 eingebracht (3c). Danach wird der Photoresist 24 ausgewaschen, so dass Kühlrippen 27 aus Silber verbleiben (3d). Anschließend wird die gesamte Oberfläche des ersten Bauteils 22 mit Tantal 28 beschichtet (3e). Die Tantalschicht 28 wird hernach oberflächlich anodisch oxidiert, um eine elektrische Isolationsschicht 29 aus Tantaloxid (Ta₂O₅) zu erzeugen (3f). Im Anschluss daran wird die Tantalschicht mit der Tantaloxidschicht aus einem den Kühlrippen 27 zumindest abschnittsweise gegenüberliegenden Plattenseitenbereich 30 des ersten Bauteils 22 entfernt, beispielsweise durch mechanisches Abtragen (3g). In einem nächsten Schritt wird auf die in diesem Bereich freigelegte Oberfläche des Kupfer-Kohlenstoffnanofaser-Verbundwerkstoffes eine Gold-Zinn-Lotschicht 31 aufgebracht und über diese ein Laserbarren 32 an dem ersten Bauteil 22 befestigt (3h, 3i). Schließlich wird die Kühlrippenstruktur mittels eines zweiten Bauteils 33, das aus einer LTC (low-temperature cofired)-Keramik gefertigt ist, verschlossen, indem das zweite Bauteil an die dem Laserbarren 32 abgewandte Seite des ersten Bauteils 22 vermittels eines organischen Klebstoffes 34 gefügt wird (3j, 3k).
In einer ersten Variante des dritten Ausführungsbeispieles wird anstatt der elektrolytischen Silberbeschichtung eine elektrolytische Kupferbeschichtung durchgeführt.
In einer zweiten Variante des dritten Ausführungsbeispieles wird anstatt der Tantalschicht eine Aluminiumschicht aufgebracht, die anschließend oberflächlich anodisch zu Aluminiumoxid (Al₂O₃) umgewandelt wird.
Ausführungsbeispiel 4
Die 4a bis 4c zeigen zwei erfindungsgemäße plattenförmige Bauteile 45, 50, die mittels eines erfindungsgemäßen Fügemittels 57 zu einer erfindungsgemäßen stapelbaren Mikrokanalwärmesenke zusammengefügt werden. 4c zeigt Querschnittsansichten des ersten Bauteils 45 und zweiten Bauteils 50 entlang ihrer Symmetrielinien, wobei die Querschnittsschraffuren weggelassen wurden, um die verdeckten Kanten innenliegender Strukturen mit Hilfe der gestrichelten Linien besser veranschaulichen zu können.
4a zeigt die Draufsicht auf die dem Montagebereich gegenüberliegende Fügefläche des ersten Bauteils 45 aus einem Kupfer-Kohlenstofffaser-Verbundmaterial mit einer Struktur von Kühlrippen 49, die aus einander benachbarten Ausnehmungen gebildet wird, und zwei kreisförmigen Durchbrüchen 47 und 48, wobei die Kühlrippen 49 in paralleler Richtung zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Zentren der Durchbrüche 47 und 48 orientiert sind und abseits der beiden Durchbrüche 47 und 48 zwischen dem ersten Durchbruch 47 und einer ersten Kante der ersten Platte in unmittelbarer Nähe zur ersten Kante liegen.
Die Kühlrippen 49 besitzen auf ihrer Längsachse einen ersten, der Plattenkante zugewandten Endbereich und ein zweiten, den Durchbrüchen 47 und 48 zugewandten, Endbereich. Die Fügefläche, die Oberflächen der Kühlrippen 46 und die Bodenflächen der die Kühlrippen 46 bildenden Ausnehmungen sind mit einer erfindungsgemäßen Korrosionsschutzbeschichtung, die aus einer ersten Schicht Titan und aus einer zweiten Schicht CVD-Diamant besteht, versehen.
4b zeigt eine Draufsicht auf die Fügefläche des zweiten Bauteils 50 aus einer mehrschichtigen LTC-Keramik, die für die Anbindung an die Fügefläche des ersten Bauteils 45 vorgesehen ist. Das zweite Bauteil 50 weist zwei kreisförmige Durchbrüche 51 und 52 auf, die hinsichtlich ihrer Lage im Wesentlichen koaxial mit den Durchbrüchen 47 und 48 im ersten Bauteil 45 sind und hinsichtlich ihrer Größe einen geringen Durchmesser aufweisen.
Von dem ersten Durchbruch 51 erstreckt sich ein Kanalpaar 53 im Wesentlichen in einer dem zweiten Durchbruch 52 abgewandten Richtung in eine oberflächliche Ausnehmung 46 des zweiten Bauteils 50, die beim Fügen des zweiten Bauteils 50 mit dem ersten Bauteil 45 dem zweiten Endbereich der Kühlrippen 49 zumindest abschnittsweise gegenüberliegt. Von dem zweiten Durchbruch 52 erstrecken sich zwei Kanäle 54 im Wesentlichen in Richtung des ersten Durchbruches 51, an diesem ersten Durchbruch 51 und dem Kanalpaar 53 beiderseits vorbei, und münden in eine gemeinsame Kammer 55, die eine schlitzartige Öffnung 56 in einem Bereich des zweiten Bauteils 50 besitzt, der beim Fügen des zweiten Bauteils 50 mit dem ersten Bauteil 45 dem ersten Endbereich der Kühlrippen 49 in der Ausnehmung 46 zumindest abschnittsweise gegenüberliegt.
Durch das Aneinanderfügen beider Bauteile 45 und 50 vermittels eines Glaslotes als erfindungsgemäßem Fügemittel 57 wird die Kühlrippenstruktur 49 zum einen zu einer Kühlkanalstruktur abgeschlossen und zum anderen strömungstechnisch an den als Zulauföffnung wirkenden ersten Durchbruch 51 und an den als Ablauföffnung wirkenden zweiten Durchbruch 52 angeschlossen.
Der Innenraum der Durchbrüche 47 und 48 in dem ersten Bauteil 45 kann zur Aufnahme von Dichtringen verwendet werden, die auf die Durchbrüche 51 und 52 des zweiten Bauteils 45 umgebenden, dem ersten Bauteil 45 zugewandten, freien Oberflächenbereichen aufliegen.
Das erste Bauteil 45 weist auf der der Kühlrippenstruktur gegenüberliegenden Seite eine Montagefläche für einen Laserdiodenbarren auf, die sich bis zur Kante des ersten Bauteils 45 erstreckt und die durch die elektrisch isolierende Tantaloxidschicht auf der gegenüberliegenden Plattenseite keine elektrische Verbindung zu einem durch die Kühlkanalstruktur zirkulierenden Kühlmittel besitzt.
Ausführungsbeispiel 5
Die 5a bis 5c zeigen zwei erfindungsgemäße plattenförmige Bauteile 65, 70 aus Kupfer, die mittels zweier Metallschichten (nicht dargestellt) als erfindungsgemäße Fügemittel zu einer erfindungsgemäßen stapelbaren Mikrokanalwärmesenke zusammengefügt werden.
5c zeigt Querschnittsansichten des ersten Bauteils 65 und des zweiten Bauteils 70 entlang ihrer Symmetrielinien, wobei die Querschnittsschraffuren weggelassen wurden, um die verdeckten Kanten innenliegender Strukturen mit Hilfe der gestrichelten Linien besser veranschaulichen zu können.
5a zeigt die Draufsicht auf die dem Montagebereich gegenüberliegende Fügefläche des ersten Bauteils 65 mit einer eine Kühlrippenstruktur bildende Nutenreihe 66 und zwei kreisförmigen Durchbrüchen 67 und 68, wobei die Nuten 66 in einer Richtung senkrecht zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Zentren der Durchbrüche 67 und 68 ausgerichtet sind und abseits der beiden Durchbrüche 67 und 68 zwischen dem ersten Durchbruch 67 und einer ersten Kante der ersten Platte 65 in unmittelbarer Nähe zur ersten Kante liegen. Dabei erstrecken sich die Nuten 66 parallel zur ersten Kante und reichen annähernd von einer zweiten zu einer dritten Kante, die sich beiderseits der ersten Kante unter einem 90°-Winkel zur ersten Kante erstrecken.
Zusätzlich zur gesamten Fügefläche des ersten Bauteils 65, einschließlich der Kühlrippenstruktur, werden auch die Innenflächen der kreisförmigen Ausnehmungen 67 und 68 und die der Fügefläche gegenüberliegende Fläche zumindest auf jenen zwei Oberflächenbereichen, die die Durchbrüche 67 und 68 umlaufend auf der der Fügefläche gegenüberliegenden Seite bis zu 1 mm Abstand umgeben, mit einer Tantalschicht versehen, die anschließend anodisch oxidiert wird.
5b zeigt eine Draufsicht auf die Fügefläche des zweiten Bauteils 70, das für die Anbindung an die Fügefläche des ersten Bauteils 65 vorgesehen ist. Das zweite Bauteil 70 weist zwei kreisförmige Durchbrüche 71 und 72 auf, die hinsichtlich Lage und Größe im Wesentlichen deckungsgleich mit den Durchbrüchen 67 und 68 in dem ersten Bauteil 65 sind. Von dem ersten Durchbruch 71 erstreckt sich eine Grabenstruktur 73 im Wesentlichen in einer dem zweiten Durchbruch 72 abgewandten Richtung in einen Bereich des zweiten Bauteils 70, der beim Fügen der beiden Bauteile 65, 70 einem mittleren Bereich der Kühlrippenstruktur zumindest abschnittsweise gegenüberliegt. Von dem zweiten Durchbruch 72 erstrecken sich zwei Gräben 74 im Wesentlichen in Richtung des ersten Durchbruches 71 und an diesem ersten Durchbruch 71 und der Grabenstruktur 73 beiderseits vorbei in einen Bereich des zweiten Bauteils 70, der beim Fügen der beiden Bauteile 65, 70 den beiden Randbereichen der Kühlrippenstruktur zumindest abschnittsweise gegenüberliegt.
Analog zum ersten Bauteil 65 ist auch das zweite Bauteil 70 an seiner Fügefläche, den Bodenflächen und Seitenwänden der Grabenstrukturen, den Innenflächen der Durchbrüche 71 und 72 und an der der Fügefläche gegenüberliegenden Fläche zumindest auf jenen zwei Oberflächenbereichen, die die Durchbrüche 71 und 72 umlaufend auf der der Fügefläche gegenüberliegenden Seite bis zu 1 mm Abstand umgeben, mit einer Tantalschicht versehen, die anschließend anodisch oxidiert wird.
Anschließend wird die Fügefläche des ersten Bauteils 65 mit einer Kupferschicht versehen, wobei zwischen der Tantaloxidschicht und der Kupferschicht weitere Schichten angeordnet sein können, die insbesondere für eine gute Haftung der Kupferschicht auf dem ersten Bauteil 65 sorgen.
Die Fügefläche des zweiten Bauteils 70 wird mit einer Silberschicht versehen, wobei zwischen der Tantaloxidschicht und der Silberschicht weitere Schichten angeordnet sein können, die insbesondere für eine gute Haftung der Silberschicht auf der ersten Platte sorgen.
Da Kupfer- und Silberschicht gegenüber der Kühlrippenstruktur durch die Tantaloxidschicht elektrisch isoliert sind, stellen sie wie folgt ein erfindungsgemäßes Fügemittel zur Verbindung der ersten mit der zweiten Platte dar:
Durch das Aneinanderfügen beider Bauteile 65 und 70 gelangen Kupfer- und Silberschicht miteinander in Kontakt. Bei Erwärmung beider Bauteile 65, 70 oberhalb der Solidustemperatur des Kupfer-Silber-Eutektikums bildet sich diffusionsbedingt eine schmale Fügezone flüssigen Kupfer-Silber-Eutektikums zwischen den Bauteilen 65, 70 aus, die die Bauteile 65, 70 nach Abkühlung stoffschlüssig miteinander verbindet und die Kühlrippenstruktur zu einer Kühlkanalstruktur, die Grabenstruktur 73 zu einer Kanalstruktur und die Gräben 74 zu Kanälen abschließt.
Zur elektrischen Kontaktierung eines Laserdiodenelementes in einem der Kühlrippenstruktur gegenüberliegenden, für die Montage des Laserdiodenelementes vorgesehenen Montagebereich der ersten Platte bestehen drei Möglichkeiten: a) der Montagebereich wird von der Beschichtung mit der Korrosionsschutzschicht ausgenommen; b) die im Montagebereich aufgebrachte Korrosionsschutzschicht wird nachträglich entfernt; c) auf die Korrosionsschutzschicht wird eine geeignete Metallschicht aufgebracht.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Fachmann geeignete Maßnahmen vornehmen wird, um eine elektrische Verbindung zwischen zwei Laserdiodenelementen auf zwei übereinandergestapelten Mikrokanalwärmesenken vornehmen wird. Dazu zählen beispielsweise die Einbringung wenigstens einer geeigneten Durchkontaktierung in die Mikrokanalwärmesenke und das Anbringen von wenigstens einer Metallfolie, die außen um die Mikrokanalwärmesenken herum geführt wird.

Claims

Korrosionsbeständige Mikrokanalwärmesenke mit wenigstens einer Montagefläche zur Befestigung eines Halbleiterbauelementes, mit wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer Auslassöffnung und mit wenigstens einer, von einem Kühlmittel durchströmbaren Mikrokanalstruktur, die mit der wenigstens einen Einlassöffnung und der wenigstens einen Auslassöffnung strömungstechnisch in Verbindung steht, wobei die Mikrokanalstruktur zumindest abschnittsweise von einer zumindest teilweise metallischen Kühlrippenstruktur gebildet wird und die Mikrokanalwärmesenke aus wenigstens zwei, über Fügeflächen miteinander verbundenen Bauteilen besteht, von denen wenigstens ein erstes Bauteil die Kühlrippenstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass von dem ersten Bauteil wenigstens die Kühlrippenstruktur zumindest abschnittsweise wenigstens eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweist, die wenigstens einen Werkstoff aus der Gruppe der Refraktärmetalle und Refraktärmetallverbindungen enthält, und dass zwischen den Fügeflächen vorgesehene, im Kühlmittelkontakt stehende Fügemittel elektrisch isolierend oder gegenüber der Kühlrippenstruktur elektrisch isoliert sind.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenstruktur in elektrischer Verbindung mit der Montagefläche steht.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenstruktur wenigstens ein Metall der Gruppe Kupfer, Silber und Aluminium enthält.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagefläche auf der der Kühlrippenstruktur abgewandten Seite des ersten Bauteils liegt.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil in wenigstens einem Teilbereich zwischen Kühlrippenstruktur und Montagebereich aus einem Verbundwerkstoff von wenigstens einem Metall der Gruppe Kupfer, Silber und Aluminium und wenigstens einem Material der Gruppe Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstofffaser, Kohlenstoffnanoröhrchen und Siliziumkarbid besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil im Wesentlichen vollständig aus Kupfer besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil aus Metall besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil aus Kupfer besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil aus Edelstahl, Tantal und/oder Niob besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil aus Keramik besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil aus LTC Keramik besteht
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche des ersten Bauteils auf derselben Seite des ersten Bauteils liegt wie die Kühlrippenstruktur.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der die Kühlrippenstruktur und die Fügefläche enthaltenden Seite des ersten Bauteils im Wesentlichen vollständig mit der Korrosionschutzbeschichtung versehen sind.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Refraktärmetall Tantal und/oder Niob ist.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Refraktärmetallverbindung ein Refraktärmetallnitrid, -karbid, -karbonitrid, -bond, oder -silizid ist.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung aus wenigstens einer ersten Schicht eines Refraktärmetalls und/oder einer Refraktärmetallverbindung und wenigstens einer zweiten Schicht aus einem elektrisch isolierenden nichtmetallischen anorganischen Material besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus Tantal und/oder Niob besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende nichtmetallische anorganische Material der zweiten Schicht ein Refraktärmetalloxid ist.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende nichtmetallische anorganische Material der zweiten Schicht ein Material aus der Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, kubisches Bornitrid, Borcarbid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, vanadiumdotiertes Siliziumcarbid, Diamant und diamantähnlicher Kohlenstoff ist.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung auf der dem Kühlrippenstrukturmaterial abgewandten Seite der zweiten Schicht wenigstens eine abschließende Schicht trägt, die wenigstens ein chemisches Element der Gruppe Kupfer, Silber und Gold enthält.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die abschließende Schicht im Wesentlichen vollständig aus wenigstens einem der chemischen Elemente der Gruppe Kupfer, Silber und Gold besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügemittel ein elektrisch isolierender Fügewerkstoff vorgesehen ist.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Fügewerkstoff aus der Gruppe der Gläser, der Glaslote, der Zemente oder der Klebstoffe vorgesehen ist.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügemittel ein metallisches Lot vorgesehen ist.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Lot gold-, silber- und/oder kupferhaltig ist.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil fügeflächenseitig eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweist, die wenigstens einen Werkstoff aus der Gruppe der Refraktärmetalle und Refraktärmetallverbindungen enthält.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil fügeflächenseitig eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweist, die aus wenigstens einer Schicht wenigstens eines elektrisch isolierenden nichtmetallischen anorganischen Materials besteht.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil fügeflächenseitig eine abschließende Schicht aufweist, die im Wesentlichen vollständig aus wenigstens einem der chemischen Elemente der Gruppe Kupfer, Silber und Gold besteht, und dass die Fügezone zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil zumindest teilweise durch die abschließenden Schichten beider Bauteile gebildet ist.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil wenigstens zwei Paare von Öffnungen aufweist, wobei die Öffnungen jeden Paares von Öffnungen jeweils mit wenigstens einem Kanal untereinander verbunden sind.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil wenigstens vier Paare von Öffnungen aufweist, wobei die Öffnungen jedes Paares von Öffnungen jeweils mit wenigstens einem Kanal untereinander verbunden sind, und eine Öffnung eines ersten Paares von Öffnungen in den Kanal eines zweiten Paares von Öffnungen mündet und eine Öffnung eines dritten Paares von Öffnungen in den Kanal eines vierten Paares von Öffnungen mündet.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen des zweiten Paares von Öffnungen zumindest abschnittsweise einander gegenüberliegen und die Öffnungen des vierten Paares von Öffnungen zumindest abschnittsweise einander gegenüberliegen.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil wenigstens einen Durchbruch aufweist und das zweite Bauteil wenigstens eine Grabenstruktur aufweist, die zumindest abschnittsweise in die Fügefläche des zweiten Bauteils eingebracht ist, wobei die Grabenstruktur durch Anfügen des ersten Bauteils in wenigstens einem ersten Abschnitt verschlossen wird und in einem zweiten Abschnitt dem Durchbruch wenigstens abschnittsweise gegenüberliegt.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 28 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil wenigstens einen Durchbruch aufweist und das erste Bauteil wenigstens eine Grabenstruktur aufweist, die zumindest abschnittsweise in die Fügefläche des ersten Bauteils eingebracht ist, wobei die Grabenstruktur durch Anfügen des zweiten Bauteils in wenigstens einem ersten Abschnitt verschlossen wird und in einem zweiten Abschnitt dem Durchbruch wenigstens abschnittsweise gegenüberliegt.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 28, 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil wenigstens zwei Durchbrüche aufweist und sich ausgehend von jedem der zwei Durchbrüche wenigstens jeweils eine Grabenstruktur zumindest abschnittsweise über die Fügefläche des ersten Bauteils erstreckt, wobei die Grabenstrukturen durch Anfügen des zweiten Bauteils verschlossen werden.
Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Bauteil als auch das zweite Bauteil jeweils wenigstens ein Paar von Durchbrüchen aufweisen, die bei Zusammenfügen der zwei Bauteile einander zumindest abschnittsweise gegenüberliegen.
Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 35 dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Paare von Durchbrüchen im Wesentlichen deckungsgleich zueinander sind.
Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenken nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Formen des ersten plattenförmigen Bauteils mit der Kühlrippenstruktur und der Montagefläche für das Halbleiterbauelement, – Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetallverbindung auf die Plattenseite mit der Kühlrippenstruktur, – Formen des zweiten plattenförmigen Bauteils und Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetallverbindung auf eine Plattenseite, – Bildung einer Mikrokanalstruktur durch Abdecken der Kühlrippenstruktur mit dem zweiten plattenförmigen Bauteil durch das Fügen des ersten und des zweiten Bauteils mit einem elektrisch isolierenden Fügewerkstoff, wobei die Plattenseiten mit der Korrosionsschutzbeschichtung gegeneinander gerichtet sind.
Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenken nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Formen des ersten metallischen plattenförmigen Bauteils mit der Kühlrippenstruktur und der Montagefläche für das Halbleiterbauelement, – Aufbringen wenigstens einer Korrosionsschutzbeschichtung mit einer ersten Schicht aus wenigstens einem Refraktärmetall und/ oder einer Refraktärmetallverbindung und einer zweiten Schicht aus wenigstens einem elektrisch isolierenden anorganischen Material auf die Plattenseite des ersten Bauteils, die die Kühlrippenstruktur aufweist, – Aufbringen wenigstens einer Kupfer, Silber und/oder Gold enthaltenden Abschlussschicht auf die Plattenseite des ersten Bauteils, die die Korrosionsschutzbeschichtung trägt, – Formen des zweiten metallischen plattenförmigen Bauteils und Aufbringen wenigstens einer Korrosionsschutzbeschichtung mit einer ersten Schicht aus wenigstens einem Refraktärmetall und/ oder einer Refraktärmetallverbindung und einer zweiten Schicht aus wenigstens einem elektrisch isolierenden anorganischen Material auf eine Plattenseite des zweiten Bauteils. – Aufbringen wenigstens einer Kupfer, Silber und/oder Gold enthaltenden Abschlussschicht auf die Plattenseite des zweiten Bauteils, die die Korrosionsschutzbeschichtung trägt, – Bildung einer Mikrokanalstruktur durch Abdecken der Kühlrippenstruktur mit dem zweiten plattenförmigen Bauteil durch das Fügen des ersten und des zweiten Bauteils, indem die Plattenseiten mit der Abschlussschicht ineinander in Kontakt gebracht werden und die beiden Abschlussschichten unter Beaufschlagung von erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck eine diffusionsbedingte Verbindung miteinander eingehen.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Kühlvorrichtung mit wenigstens einer korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Formen des ersten plattenförmigen Bauteils mit der Kühlrippenstruktur, – Aufbringen wenigstens einer Korrosionsschutzschicht aus wenigstens einem elektrisch isolierenden anorganischen Material auf die Plattenseite des ersten Bauteils, die die Kühlrippenstruktur aufweist und auf wenigstens eine Plattenseite, die der Kühlrippenstruktur gegenüberliegt. – Aufbringen einer Metallschicht auf die Plattenseite, die der Plattenseite mit der Kühlrippenstruktur gegenüberliegt, – Aufbringen einer Lotschicht auf die Metallschicht, – Befestigen des Halbleiterbauelementes auf der Metallschicht vermittels des aufgebrachten Lotes – Formen des zweiten plattenförmigen Bauteils – Bildung einer Mikrokanalstruktur durch Abdecken der Kühlrippenstruktur mit dem zweiten plattenförmigen Bauteil und Fügen des ersten und des zweiten plattenförmigen Bauteils.
Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Mikrokanalwärmesenken nach einem der Ansprüche 29 bis 31 dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht durch anodische Oxydation einer Refraktärmetallschicht gebildet wird.
Halbleiter-Kühlvorrichtung mit einer Mikrokanalwärmesenke nach einem der Ansprüche 29 bis 32 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil in wenigstens einem Teilbereich zwischen Kühlrippenstruktur und Montagebereich aus einem Verbundwerkstoff von Kohlenstoff und wenigstens einem Metall der Gruppe Kupfer, Silber und Aluminium besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest näherungsweise dem des Halbleiterbauelementes entspricht, und dass das Halbleiterbauelement vermittels eines Gold-Zinn-Lotes auf der Mikrokanalwärmesenke befestigt ist.