DE102008030346A1 - Anordnung und Verfahren zum Reduzieren von Wärmeausdehnungseffekten - Google Patents

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Abstract

Anordnung, bei der eine erste Oberfläche (11) eines ersten Bauelements (1) mit einer ersten Oberfläche (21) eines zweiten Bauelements (2) verbunden ist. Das erste Bauelement (1) weist an der ersten Oberfläche (11) einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizient auf und das zweite Bauelement (2) weist an der ersten Oberfläche (21) einen zweiten, von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizient auf. Das erste Bauelement (1) umfasst eine erste Metallschicht und eine elektrisch isolierende Schicht. Eine Oberfläche der ersten Metallschicht bildet die erste Oberfläche (11) des ersten Bauelements (1) und eine andere, gegenüberliegende Oberfläche der ersten Metallschicht (3) ist flächig mit einer ersten Oberfläche (41) der elektrisch isolierenden Schicht (4) verbunden. Die Dicke der ersten Metallschicht (3) ist durch die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient der elektrisch isolierenden Schicht (4) und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient bestimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die zum Beispiel eine isolierende Wärmesenke sein kann. Derartige Anordnungen sind beispielsweise bei der Entwicklung von neuen, auf Leuchtdioden(LED)-basierenden Leuchtquellen von Bedeutung, bei denen eine unter einem Halbleiterchip angeordnete Wärmesenke potentialfrei sein muss und keine thermische Isolation zwischen dem Halbleiterchip und der Wärmesenke gewünscht ist. Werden Halbleiterchips mit leitendem Substrat gewählt, müssen diese auf einem nicht-leitenden Träger montiert werden. Der nicht-leitende Träger und die Wärmesenke weisen jedoch in der Regel unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Bei thermischen Zyklen führen diese zur mechanischen Belastungen der Verbindung zwischen dem nicht-leitenden Träger und der Wärmesenke, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Leuchtquelle erhöhen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, Bauelemente mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten so miteinander zu verbinden, dass die mechanische Belastung an den Verbindungsstellen bei thermischer Beanspruchung reduziert wird.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Anordnung, bei der eine erste Oberfläche eines ersten Bauelements mit einer ersten Oberfläche eines zweiten Bauelements verbunden ist, wobei das erste Bauelement an der ersten Oberfläche einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und das zweite Bauelement an der ersten Oberfläche einen zweiten, von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist. Das erste Bauelement umfasst eine erste Metallschicht und eine elektrisch isolierende Schicht. Eine Oberfläche der ersten Metallschicht bildet die erste Oberfläche des ersten Bauelements und eine andere, gegenüberliegende Oberfläche der ersten Metallschicht ist flächig mit einer ersten Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht verbunden. Die Dicke der ersten Metallschicht ist durch die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient der elektrisch isolierenden Schicht und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient bestimmt. Die dadurch angeglichenen ersten und zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten führen zu geringeren mechanischen Belastungen bei thermischen Zyklen. Gleichzeitig ist durch die elektrisch isolierende Schicht eine potentialfreie Verbindung des ersten Bauelements mit dem zweiten Bauelement möglich.
  • In einer Weiterbildung umfasst das erste Bauelement zusätzlich eine zweite Metallschicht, wobei die zweite Metallschicht flächig mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht verbunden ist. Die Dicke der ersten Metallschicht wird so gewählt, dass der Unterschied zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient gegenüber dem Unterschied zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient bei einer Anordnung, bei der die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht die gleiche Dicke aufweisen, verringert wird.
  • In einer Weiterbildung ist die Dicke der ersten Metallschicht größer als die Dicke der zweiten Metallschicht. Durch die größere Dicke lassen sich größere Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten besser angeglichen.
  • In einer Weiterbildung ist die Dicke der ersten Metallschicht nicht größer als 150 μm. Durch eine Begrenzung der Dicke werden die Materialkosten für die erste Metallschicht reduziert.
  • In einer Weiterbildung ist die elektrisch isolierende Schicht eine Aluminiumnitrid-Keramik oder eine Aluminiumoxid-Keramik. Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid-Keramiken weisen hohe thermische Leitfähigkeiten auf, so dass trotz elektrischer Isolation keine thermische Isolation zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement auftritt.
  • In einer Weiterbildung sind die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht durch ein Direktbond-Verfahren mit der elektrisch isolierenden Schicht verbunden. Direktbond-Verfahren erlauben es, die Metallschichten mit einer Aluminiumnitrid- oder Aluminiumoxid-Keramik so zu verbinden, dass trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten keine Delaminierung der Metallschichten auftritt.
  • In einer Weiterbildung ist das zweite Bauelement eine Metallkernplatine, die einen Metallkern, eine elektrisch isolierende Schicht und eine elektrisch leitende Schicht umfasst. Die erste Metallschicht und der Metallkern bestehen beide aus Aluminium, oder beide aus Kupfer, oder die erste Metallschicht aus Kupfer und der Metallkern aus Aluminium. Bestehen die erste Metallschicht und der Metallkern aus dem gleiche Material, so werden Unterschiede in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten minimiert. Durch die Anpassung der ersten und der zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten über die Dicke der ersten Metallschicht ist es möglich, Aluminium anstelle von Kup fer als Metallkern zu verwenden, wodurch die Kosten für die Metallkernplatine reduziert werden.
  • In einer Weiterbildung ist die zweite Metallschicht aus Kupfer und zumindest eine Leuchtdiode oder zumindest ein halbleiterbasierter Laser ist auf der zweiten Metallschicht angebracht. Kupfer verfügt über eine sehr gute Wärmespreizung und kann die Verlustwärme von Hochleistungsleuchtdioden oder -lasern effektiv ableiten.
  • In einer Weiterbildung ist die erste Oberfläche des ersten Bauelementes mit der ersten Oberfläche des zweiten Bauelements über ein Lötverfahren verbunden. Lötverfahren ermöglichen eine gute Wärmeleitung zwischen dem ersten Bauelement und dem zweitem Bauelement.
  • Die Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Reduzieren von Wärmeausdehnungseffekten bei einer Verbindung einer ersten Oberfläche eines ersten Bauelements mit einer ersten Oberfläche eines zweiten Bauelements gelöst, wobei das erste Bauelement auf seiner ersten Oberfläche einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist und das zweite Bauelement an seiner ersten Oberfläche eine zweiten, von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist. Das erste Bauelement umfasst eine erste Metallschicht und eine elektrisch isolierende Schicht, wobei eine Oberfläche der ersten Metallschicht die erste Oberfläche des ersten Bauelements bildet und eine gegenüberliegende Oberfläche der ersten Metallschicht flächig mit einer ersten Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht verbunden ist. Der erste Wärmeausdehnungskoeffizient wird an den zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient angepasst, indem die Dicke der ersten Metallschicht die Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der elektrisch isolierenden Schicht und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt wird. Ist die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten gering, so kann die Dicke der ersten Metallschicht kleiner gewählt werden. Ist dagegen die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten groß, so wird eine dickere erste Metallschicht eingesetzt.
  • In einer Weiterbildung ist eine zweite Metallschicht vorgesehen, die mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht verbunden ist. Die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht werden mit der elektrisch isolierenden Schicht durch ein Direktbond-Verfahren verbunden.
  • In einer Weiterbildung sind die Dicke der ersten Metallschicht und die Dicke der zweiten Metallschicht unterschiedlich groß.
  • In einer Weiterbildung ist die Dicke der ersten Metallschicht nicht größer als 150 μm.
  • In einer Weiterbildung ist die elektrisch isolierende Schicht eine Aluminiumnitrid-Keramik oder eine Aluminiumoxid-Keramik. Die erste Metallschicht besteht aus Kupfer oder Aluminium und die zweite Metallschicht besteht aus Kupfer.
  • Die Anordnung nach Anspruch 2 und das Verfahren nach Anspruch 14 werden zum Kühlen von mindestens einem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements verwendet, wobei die zweite Metallschicht mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement verbunden wird und das zweite Bauelement eine Metall kernplatine mit einem Metallkern ist, der aus Aluminium gefertigt ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement, und
  • 2 Wärmeausdehnungskoeffizienten an der ersten Oberfläche des ersten Bauelements in Abhängigkeit der Dicke der elektrisch isolierenden Schicht und der Dicke der ersten Metallschicht.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement 9 durch ein erstes Bauelement 1 elektrisch isolierend und thermisch leitend mit einem zweiten Bauelement 2 verbunden ist. Das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement 9 kann ein optoelektronisches Bauelement, wie zum Beispiel eine Hochleistungsleuchtdiode sein, die Weißlicht abstrahlt und dabei eine Leistung von 1 Watt oder mehr aufnimmt. Anstelle eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements kann auch ein anderes Bauelement 9 gewählt werden. Wird ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement 9 mit einem leitenden Substrat verwendet, so muss dieses gegenüber dem zweiten Bauelement 2 elektrisch isoliert werden. Wegen der großen Menge von Abwärme, die bei einer Hochleistungsleuchtdiode auf einem relativ kleinen Raum anfällt, ist es zusätzlich erforderlich, dass diese effektiv abgeleitet wird, um die Zerstörung des Bauelements 9 zu verhindern. Aufgrund der Abwärme sind signi fikante Temperaturunterschiede zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand des Bauelements 9 zu erwarten, die sich bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten an den Oberflächen des strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements 9, des ersten Bauelements 1 und des zweiten Bauelements 2 als mechanische Spannung auf deren Verbindungsstellen auswirken.
  • Um den Anforderungen an die elektrische Isolation, die Wärmeleitfähigkeit und die temperaturbedingte Ausdehnung zu erfüllen, umfasst das erste Bauelement 1 eine erste Metallschicht 3, eine zweite Metallschicht 5 und eine zwischen der ersten Metallschicht 3 und zweiten Metallschicht 5 angeordneten elektrisch isolierenden Schicht 4. Die Dicken der einzelnen Schichten können zum Beispiel D1 = 140 μm für die erste Metallschicht 3, D2 = 80 μm für die zweite Metallschicht 5 und D3 = 100...300 μm für die elektrisch isolierende Schicht 4 sein.
  • Die erste und zweite Metallschicht 3 und 5 bestehen bevorzugterweise aus Kupfer, welches eine sehr gute Wärmespreizung und Wärmeleitung der von dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement 9 erzeugten Abwärme ermöglicht. Das strahlungsemittierende Bauelement 9 kann auf der Seite, die der zweiten Metallschicht 5 zugewandt ist, eine lötbare Beschichtung oder Lötpads aufweisen, die eine Lötverbindung mit der zweiten Metallschicht 5 ermöglichen.
  • Um die Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem ersten Bauelement 1 und dem Bauelement 9 zu reduzieren, wird als elektrisch isolierende Schicht 4 eine wärmeleitfähige Keramik gewählt, die einen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, der im Bereich des Wärmeausdehnungskoeffi zienten des Bauelements 9 liegt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient a_12 an der zweiten Oberfläche 12 des ersten Bauelements 1 wird dabei von dem Wärmeausdehnungskoeffizient a_4 der Keramik mitbestimmt. Ist das Bauelement 9 aus Silizium, so weist es einen Wärmeausdehnungskoeffizient von a_9 = a_Si = 4...5 ppm/°K auf. Eine Aluminiumnitrid-Keramik (AlN) ist elektrisch nicht-leitend, weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 130–180 W/mK auf und hat einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizient von a_AlN = 4 ppm/°K. Anstelle von einer Aluminiumnitrid-Keramik kann auch eine Aluminiumoxid (A2O3)-Keramik verwendet werden, die einen etwas höheren Wärmeausdehnungskoeffizient von a_Al2O3 = 6 ppm/°K aufweist und ebenfalls elektrisch isolierend wirkt. Gegenüber einer Aluminiumnitrid-Keramik besitzt eine Aluminiumoxid-Keramik mit 24 W/mK eine geringere Wärmeleitfähigkeit, ist jedoch dafür kostengünstiger.
  • Eine Herausforderung beim Aufbau des ersten Bauelements 1 durch die drei Schichten 3, 4 und 5 ist, dass diese Schichten unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von a_3 = a_5 = 17...18 ppm/°K und a_4 = 4...6 ppm/°K aufweisen. Da diese bei Temperaturänderungen zu mechanischen Verspannungen führen, sind besondere Verbindungstechniken notwendig. Zum Verbinden wird daher ein Direkt-Bond-Verfahren eingesetzt, bei dem ein Keramik-Material 4 flächig mit den Metallschichten 3 und 5 verbunden wird. Bei diesem Verfahren werden die Metallschichten 3 und 5 oxidiert, so dass sie eine gleichmäßige Oxidschicht aufweisen. Sie werden dann auf der Keramik 4 platziert und auf eine Temperatur von ca. 1025 bis 1083°C erhitzt. Es bildet sich ein Eutektikum, welches im Bereich der Oxidschichten eine kontinuierliche und gleichförmige Verbindung zwischen der Keramik 4 und den Schichten 3 und 5 gewährleistet. Die Direkt-Bond-Verbindung ist stark genug, sodass eine Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallschicht 3 bzw. 5 und der Keramik 4 nicht zu einer Delaminierung der Schichten führt.
  • Das zweite Bauelement 2 weist eine erste Oberfläche 21 auf, die mit der ersten Oberfläche 11 des ersten Bauelements 1 verbunden wird. In dem Ausführungsbeispiel ist das zweite Bauelement 2 als Leiterplatte in Form einer Metallkernplatine ausgestaltet. Eine Metallkernplatine, die auch als ”Isolated Metal Substrate”(IMS)-Platine bekannt ist, ermöglicht eine einfache und effektive Wärmeabfuhr, insbesondere bei oberflächenmontierten Bauelementen (SMD-Bauteile). Die Metallkernplatine 2 weist einen Metallkern 8 auf, auf dem eine elektrisch isolierende Schicht 7 aufgebracht ist, und eine auf der elektrischen isolierenden Schicht 7 aufgebrachte elektrisch leitende Schicht 6. Der Metallkern 8 kann aus Kupfer bestehen, welches eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und kann mit Wärmesenken verbunden werden. Die elektrisch isolierende Schicht 7 dient zur Isolation der elektrisch leitenden Schicht 6 von dem Metallkern 8 und besteht zum Beispiel aus FR4. Wegen der schlechten thermischen Leitfähigkeit ist die elektrisch isolierende Schicht 7 dünn und weist beispielsweise eine Dicke von 100 μm auf. Die elektrisch leitende Schicht 6 kann Leiterbahnen aufweisen, über die das Bauelement 9 angeschlossen und mit anderen Bauelementen verbunden wird. Die Leiterbahnen können dabei aus Kupfer bestehen, das je nach der erforderlichen Stromtragfähigkeit 35 μm bis 400 μm dick ist. Sind die erste Metallschicht 3 und die elektrisch leitende Schicht 6 beide aus Kupfer, so lassen sie sich über ein Lötverfahren thermisch leitend gut verbinden.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient a_21 an der ersten Oberfläche 21 des zweiten Bauelements 2 im Wesentlichen durch den Wärme ausdehnungskoeffizient des Metallkerns 8 bestimmt, da die elektrisch leitende Schicht 6 und die elektrisch isolierende Schicht 7 relativ dünn sind. Diese Aussage trifft besonders dann zu, wenn die elektrisch leitende Schicht 6 und der Metallkern 8 aus dem gleichen Material bestehen. Bestehen sie aus Kupfer, so gilt: a_21 = a_Cu = 17 ppm/°K.
  • Beim Verbinden des ersten Bauelements 1 mit dem zweiten Bauelement 2 über die entsprechenden ersten Oberflächen 11 und 21 kommt es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von a_11 = 10 ppm/°K und a_21 = 17 ppm/°K zu einer thermischen Fehlanpassung. Die dadurch entstehenden mechanischen Spannungen müssen durch die Verbindungsschicht, welches ein Lot sein kann, aufgenommen werden. Bei thermischen Zyklen wird diese stark mechanisch belastet und es kann zur Zerstören der Verbindung und damit zum Ausfall der Anordnung kommen.
  • Um die Wärmeausdehnungsfehlanpassung zu reduzieren ist vorgesehen, die Dicke D1 der ersten Metallschicht 3 zu variieren, um so den Wärmeausdehnungskoeffizient a_11 an der ersten Oberfläche 11 des ersten Bauelements an den Wärmeausdehnungskoeffizient a_21 an der ersten Oberfläche 21 des zweiten Bauelements 2 anzupassen. Durch die Verbindung der ersten Metallschicht 3 mit der elektrisch isolierenden Schicht 4 kann nämlich der Wärmeausdehnungskoeffizient a_11 an der ersten Oberfläche 11 der ersten Metallschicht 3 erhöht werden. Der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient a_11 an der ersten Oberfläche 11 des ersten Bauelements 1 liegt dann zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient a_4 der elektrisch isolierenden Schicht 4 und dem Wärmeausdehnungskoeffizient a_3 der ersten Metallschicht 3: a_4 < a_11 < a_3. Die auf die Verbindung wirkende Kräfte bei Temperaturänderungen werden somit verringert. Mit a_4 = a_AlN = 4 ppm/°K, a_3 = a_Cu = 17...18 ppm/°K, ergibt sich a_11 = 10 ppm/°K bei einer Dicke D1 = 50 μm. Entscheidend für a_11 ist dabei die Wahl der Dicke D1.
  • 2 zeigt die Abhängigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten a_11 an der ersten Oberfläche 11 des ersten Bauelements 1 in Abhängigkeit von der Dicke D1 der ersten Metallschicht 3 für den Fall, dass die erste Metallschicht 3 und die zweite Metallschicht 5 aus Kupfer bestehen, die elektrisch isolierende Schicht 4 eine Aluminiumnitrid-Keramik ist. Die Aluminiumnitrid-Keramik 4 weist bei den Kurven A, B und C die jeweiligen Dicken von D3 = 100 μm, 200 μm und 300 μm auf. Wie 2 zeigt, hat die Dicke D3 der elektrisch isolierenden Schicht 4 hat nur einen geringfügigen Einfluss auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten a_11, wobei für Dicken D3, die kleiner als 200 μm sind, eine dünnere Schicht 4 zu kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten a_11 führt, hat als eine dickere Schicht.
  • Bei sehr geringen Dicken D1 von ca. 10 μm liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient a_11 bei ca. 6 ppm/°K. Im Wesentlichen wird bei dieser Dicke D1 der Wärmeausdehnungskoeffizient a_11 durch den Wärmeausdehnungskoeffizient a_4 = a_AlN = 4 ppm/°K der Aluminiumnitrid-Keramik 4 geprägt. Bei einer Dicke D1 = 100 μm ergibt sich ein Wärmeausdehnungskoeffizient von a_11 = 13...14 ppm/°K, welcher dem Wärmeausdehnungskoeffizient a_21 = 19 ppm/°K an der ersten Oberfläche 21 des ersten Bauelements 2 wesentlich näher kommt. Ab einer Dicke von ca. 300 μm ergibt sich nur ein minimaler Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient a_11 und dem Zielwert von a_21 = 19 ppm/°K. Der Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten a_4 und a_3 wird fast vollständig von der ersten Metallschicht 3 aufgenommen.
  • Die Angleichung der Wärmeausdehnungskoeffizienten a_11 und a_21 ist somit über die Dicke D1 einstellbar und kann beliebig genau gewählt werden. Aufgrund von Kosten ist man jedoch bemüht, die erste Metallschicht 3 dünn zu halten. Ein Kompromiss zwischen einer hohen Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen dem ersten Bauelement 1 und dem zweiten Bauelement 2 bei thermischen Zyklen und den erforderlichen Kosten erscheint bei einer Dicke D1 = 150 μm vorzuliegen, wobei hier der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten auf 4 ppm/°K reduziert wurde.
  • Der in 2 gezeigte Zielwert für den Wärmeausdehnungskoeffizient von a_21 = 19 ppm/°K wird im Wesentlichen von dem Material des Metallkerns 8, der hier aus Kupfer gefertigt wurde, bestimmt. Die gleiche Vorgehensweise zur Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten lässt sich jedoch auch auf Metallkerne 8 aus anderen Materialien anwenden. Eine Metallkernplatine mit einem Metallkern 8 aus Aluminium weist zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber einer aus Kupfer auf, jedoch ist sie günstiger und hat eine geringere Dichte. Anstelle eines Zielwerts von ca. a_21 = a_Cu = 17...18 ppm/°K für Kupfer muss dann die Anpassung an den Wärmeausdehnungskoeffizient für Aluminium a_21 = a_Al = 22 ppm/°K gewählt werden.
  • Da der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient a_21 einer Metallkernplatine 2 mit Aluminiumkern 8 zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten a_11 größer ist, könnte es sein, dass die Dicke D1 der Metallschicht 3, falls sie aus Kupfer gefertigt ist, unerwünscht groß sein. Es ist daher vorgesehen, für die erste Metallschicht 3 Aluminium zu nehmen, welches ebenfalls über ein Direkt-Bond-Verfahren mit der Keramik 4 verbunden wird. Da die erste Metallschicht 3 somit aus dem gleichen Metall wie der Metallkern 8 besteht, wird der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten a_11 und a_21 verringert, so dass bei einer Wärmeausdehnungskoeffizientanpassung auch mit einer dünneren Dicke D1 der ersten Metallschicht 3 zu rechnen ist. Die erste Metallschicht 3 könnte auf ihrer ersten Oberfläche 11 eine lötfähige Beschichtung oder Lötpads aufweisen, mit denen sie mit der elektrisch leitenden Schicht 6, welche aus Kupfer besteht, verbunden werden kann.
  • Die gleiche Vorgehensweise kann auch für eine Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten an den sich gegenüberliegenden Oberflächen 12 und 91 der zweiten Metallschicht 5 und des Bauelements 9 eingesetzt werden. Über die Schichtdicke D2 der zweiten Metallschicht 5 wird dann der Wärmeausdehnungskoeffizient a_12 an der zweiten Oberfläche 12 des ersten Bauelements 1 an den Wärmeausdehnungskoeffizient a_91 an der ersten Oberfläche 91 des Bauelements 9 angeglichen. Da bei den genannten Materialen der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten geringer ist, kann die Dicke D2 kleiner gewählt werden, als die Dicke D1 bei der Anpassung der Keramik 4 an den Metallkern 8. Die Wahl der Dicke D1 bzw. D2 ist somit abhängig von dem Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Ist der Unterschied gering, so kann die Dicke D1 bzw. D2 verringert werden, um so Materialkosten zu sparen. Ist der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten groß, so muss die Dicke D1 bzw. D2 – unter Berücksichtigung der Kosten und der geforderten Angleichung der Wärmeausdehnungskoeffizienten – größer gewählt werden.
  • Durch die Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten an den zu verbindenden Oberflächen lassen sich mechanische Spannun gen aufgrund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten reduzieren und die Anzahl von Funktionsausfällen der Anordnung senken.

Claims (15)

  1. Anordnung, bei der eine erste Oberfläche (11) eines ersten Bauelements (1) mit einer ersten Oberfläche (21) eines zweiten Bauelements (2) verbunden ist, wobei – das erste Bauelement (1) an der ersten Oberfläche (11) einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, – das zweite Bauelement (2) an der ersten Oberfläche (21) einen zweiten, von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, – das erste Bauelement (1) eine erste Metallschicht (3) und eine elektrisch isolierende Schicht (4) umfasst, – eine Oberfläche der ersten Metallschicht (3) die erste Oberfläche (11) des ersten Bauelements (1) bildet und eine andere, gegenüberliegende Oberfläche der ersten Metallschicht (3) flächig mit einer ersten Oberfläche (41) der elektrisch isolierenden Schicht (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Metallschicht (3) durch die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient der elektrisch isolierenden Schicht (4) und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient bestimmt ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Bauelement (1) zusätzlich eine zweite Metallschicht (5) umfasst, wobei die zweite Metallschicht (5) flächig mit einer zweiten, der ersten Oberfläche (41) gegenüberliegenden Oberfläche (42) der elektrisch isolierenden Schicht (4) verbunden ist, und – die Dicke der ersten Metallschicht (3) so gewählt wird, dass der Unterschied zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient gegen über dem Unterschied zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient bei einer Anordnung, bei der die erste Metallschicht (3) und die zweite Metallschicht (5) die gleiche Dicke aufweisen, verringert wird.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Metallschicht (3) größer als die Dicke der zweiten Metallschicht (5).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Metallschicht (3) nicht größer als 150 μm ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (4) eine Aluminiumnitrid-Keramik oder eine Aluminiumoxid-Keramik ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (3) und die zweite Metallschicht (5) durch ein Direktbond-Verfahren mit der elektrisch isolierenden Schicht (4) verbunden sind.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – das zweite Bauelement (2) eine Metallkernplatine ist, die einen Metallkern (8), eine elektrisch isolierende Schicht (7) und eine elektrisch leitende Schicht (7) umfasst, und – die erste Metallschicht (3) und der Metallkern (8) beide aus Aluminium, oder beide aus Kupfer, oder die erste Metallschicht (3) aus Kupfer und der Metallkern (8) aus Aluminium bestehen.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Metallschicht (5) aus Kupfer ist und zumindest eine Leuchtdiode (9) oder zumindest ein halbleiterbasierter Laser auf der zweiten Metallschicht (5) angebracht ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche (11) des ersten Bauelements (1) mit der ersten Oberfläche (21) des zweiten Bauelements (2) über ein Lötverfahren verbunden ist.
  10. Verfahren zum Reduzieren von Wärmeausdehnungseffekten bei einer Verbindung einer ersten Oberfläche (11) eines ersten Bauelements (1) mit einer ersten Oberfläche (21) eines zweiten Bauelements (2), wobei – das erste Bauelement (1) auf seiner ersten Oberfläche (11) einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, und – das zweite Bauelement (2) an seiner ersten Oberfläche (21) einen zweiten, von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, – das erste Bauelement (1) eine erste Metallschicht (3) und eine elektrisch isolierende Schicht (4) umfasst, wobei eine Oberfläche der ersten Metallschicht (3) die erste Oberfläche (11) des ersten Bauelements (1) bildet und eine gegenüberliegende Oberfläche der ersten Metallschicht (3) flächig mit einer ersten Oberfläche (41) der elektrisch isolierenden Schicht (4) verbunden ist, gekennzeichnet durch den Schritt, dass der erste Wärmeausdehnungskoeffizient an den zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient angepasst wird, indem die Dicke der ersten Metallschicht (3) in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient der elektrisch isolierenden Schicht (4) und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient gewählt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zweite Metallschicht (5) vorgesehen ist, die mit einer zweiten, der ersten Oberfläche (41) gegenüberliegenden Oberfläche (41) der elektrisch isolierenden Schicht (4) verbunden ist, und – die erste Metallschicht (3) und die zweite Metallschicht (5) mit der elektrisch isolierenden Schicht (4) durch ein Direktbond-Verfahren verbunden werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Metallschicht (3) und die Dicke der zweiten Metallschicht (5) unterschiedlich groß sind.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Metallschicht (3) nicht größer als 150 μm ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrisch isolierende Schicht (4) eine Aluminiumnitrid-Keramik oder eine Aluminiumoxid-Keramik ist, und – die erste Metallschicht (3) aus Kupfer oder Aluminium besteht, und – die zweite Metallschicht (5) aus Kupfer besteht.
  15. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 2 oder des Verfahrens nach Anspruch 14 zum Kühlen von mindestens einem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements, dadurch gekennzeichnet, dass – die zweite Metallschicht (5) mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement verbunden wird, und – das zweite Bauelement (2) eine Metallkernplatine mit einem Metallkern ist, der aus Aluminium gefertigt ist.
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