DE102010017001A1 - Wärmesenke und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Ljubisa Dragoljub Stevanovic
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Abstract

Eine Wärmesenken-Baueinheit (10) zum Kühlen einer erhitzten Vorrichtung (50) schließt ein Keramiksubstrat (64) ein, das eine Vielzahl von Kühlstromungsmittelkanälen (26) darin integriert aufweist. Das Keramiksubstrat (64) schließt eine oberseitige Oberfläche (66) und eine bodenseitige Oberfläche (68) ein. Eine Schicht aus elektrisch leitendem Material (62) ist nur an eine der oberseitigen und bodenseitigen Oberflächen (66), (68) des Keramiksubstrates (64) gebunden oder hartgelötet. Das elektrisch leitende Material (62) und das Keramiksubstrat (64) haben im Wesentlichen identische Koeffizienten der thermischen Ausdehnung.

Description

  • HINTERGRUND
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiter-Leistungsmodule, mehr im Besonderen, auf eine Wärmesenke bzw. Wärmeableitung und Verfahren zum Herstellen der Wärmesenke in Keramiksubstraten, die gewöhnlich zur elektrischen Isolation in Halbleiter-Leistungsmodulen benutzt werden.
  • Die Entwicklung der Elektronik mit höherer Leistungsdichte hat es zunehmend schwieriger gemacht, Leistungshalbleiter-Vorrichtungen zu kühlen. Mit modernen Leistungsvorrichtungen auf Siliciumbasis, die in der Lage sind, bis zu 500 W/cm2 abzugeben, gibt es einen Bedarf an verbesserten Lösungen zur Wärmehandhabung. Sind die Vorrichtungs-Temperaturen auf 50 K-Zunahmen begrenzt, dann können natürliche und erzwungene Luftkühlschemen nur Wärmeflüsse bis zu etwa einem (1) W/cm2 handhaben. Konventionelle Flüssigkeits-Kühlplatten können Wärmeflüsse in der Größenordnung von zwanzig (20) W/cm2 erzielen. Wärmerohre, Aufprallsprays und Flüssigkeitssieden sind zu größeren Wärmeflüssen in der Lage, doch können diese Techniken zu Herstellungsschwierigkeiten und hohen Kosten führen.
  • Ein zusätzliches Problem, das man beim konventionellen Kühlen von Leistungsvorrichtungen mit hohem Wärmefluss antrifft, ist die ungleichmäßige Temperaturverteilung über die erhitzte Oberfläche. Dies ist der ungleichmäßigen Kühlkanalstruktur ebenso wie dem Temperaturanstieg des Kühlströmungs mittels zuzuschreiben, während es durch lange Kanäle parallel zur erhitzten Oberfläche strömt.
  • Eine viel versprechende Technologie zur hochleistungsfähigen Wärmehandhabung ist das Mikrokanalkühlen. In den 1980ern wurde es als ein wirksames Mittel zum Kühlen integrierter Siliciumschaltungen gezeigt, wobei es Designs gab, die Wärmeflüsse bis zu 1000 W/cm2 und Anstiege der Oberflächentemperatur unter 100°C zeigten. Bekannte Mikrokanaldesigns erfordern das Löten eines Substrates (mit Mikrokanälen, die in der am Boden befindlichen Kupferschicht hergestellt sind) an eine Metall-Verbundmaterial-Wärmesenke, die ein Leitungssystem beinhaltet, um Kühlströmungsmittel an die Mikrokanäle zu verteilen. Diese bekannten Mikrokanaldesigns benutzen sehr komplizierte rückwärtige Mikrokanalstrukturen und Wärmesenken, die außerordentlich kompliziert zu bauen und daher sehr teuer herzustellen sind.
  • Einige Leistungselektronik-Verpackungstechniken haben auch Millikanaltechniken in Substraten und Wärmesenken eingeschlossen. Diese Millikanaltechniken benutzen allgemein direkt gebundene Kupfer(DBC)- oder aktive Metallhartlot(AMB)-Substrate, um die thermische Leistungsfähigkeit in Leistungsmodulen zu verbessern.
  • Die vorgenannten Substrate umfassen im Allgemeinen eine Schicht von Keramik (Si3N4, AlN, Al2O3, BeO usw.) mit Kupfer, das direkt an das Oberteil und Unterteil der Keramik gebunden oder hartgelötet ist. Aufgrund des Unterschiedes in der Wärmeausdehnung zwischen dem Kupfer und der Keramik muss das Deck- und Bodenkupfer die gesamte Baueinheit planar halten, wenn die Baueinheit während der Verarbeitung und des Gebrauches Temperaturänderungen ausgesetzt ist.
  • Aus Gründen die, ohne Einschränkung, verbesserte Zuverlässigkeit, verringerte Kosten, verringerte Größe und größere Einfachheit der Herstellung einschließen, wäre es erwünscht, eine Leistungsmodul-Wärmesenke bereitzustellen, die einen geringeren thermischen Widerstand zwischen einem Halbleiterübergang und der letzten Wärmesenke (Strömungsmittel) aufweist, als unter Anwendung bekannter Leistungsmodul-Wärmesenkestrukturen erzielbar ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Wärmesenken-Baueinheit zum Kühlen einer erhitzten Vorrichtung:
    eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material, umfassend Kühlströmungsmittelkanäle, die darin integriert sind, wobei die Schicht aus elektrisch isolierendem Material eine Oberseitenoberfläche und eine Bodenseitenoberfläche umfasst und
    eine Schicht aus elektrisch leitendem Material, das nur an eine der Oberseiten- und Bodenseitenoberfläche der Keramikschicht gebunden oder hartgelötet ist, um ein Zweischichtsubstrat zu bilden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Wärmesenken-Baueinheit zum Kühlen einer erhitzten Vorrichtung:
    ein Keramiksubstrat, umfassend eine Vielzahl von Kühlströmungsmittelkanälen, die darin integriert sind, wobei das Keramiksubstrat eine Oberseitenoberfläche und eine Bodenseitenoberfläche umfasst, und
    eine Schicht aus elektrisch leitendem Material, das nur an eine der Oberseiten- und Bodenseitenoberfläche des Keramiksubstrates gebunden oder hartgelötet ist.
  • ZEICHNUNG
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in allen Figuren repräsentieren, wobei:
  • 1 eine Wärmesenken-Baueinheit zum Kühlen einer Leistungsvorrichtung in Seitenansicht zeigt;
  • 2 alternierende Einlass- und Auslass-Leitungssysteme innerhalb einer Grundplatte der Wärmesenken-Baueinheit von 1 zeigt;
  • 3 eine andere Ansicht der Einlass- und Auslass-Leitungssysteme zeigt, die in der Grundplatte der Wärmesenken-Baueinheit ausgebildet sind;
  • 4 die Grundplatte und das Substrat in teilweise auseinander gezogener Ansicht zeigt und eine detaillierte Ansicht einer beispielhaften Kühlkanalanordnung einschließt;
  • 5 die Grundplatte und das Substrat in einer anderen teilweise auseinander gezogenen Ansicht zeigt;
  • 6 in Querschnittsansicht eine beispielhafte Wärmesenken-Baueinheit zeigt, für die Kühlkanäle in der inneren Oberfläche des Substrates ausgebildet sind, und
  • 7 eine beispielhafte Einzelsubstrat-Ausführungsform der Wärmesenken-Baueinheit zum Kühlen einer Anzahl von Leistungsvorrichtungen zeigt.
  • Während die vorbeschriebenen Zeichnungsfiguren alternative Ausführungsformen zeigen, sind andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch vorgesehen, wie in der Erläuterung ausgeführt. In allen Fällen präsentiert diese Offenbarung dargestellte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Repräsentation und nicht als Einschränkung. Zahlreiche andere Modifikationen und Ausführungsformen können vom Fachmann entworfen werden, die in den Umfang und Geist der Prinzipien dieser Erfindung fallen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Eine Vorrichtung 10 zum Kühlen mindestens einer erhitzten Oberfläche 50 ist hierin unter Bezugnahme auf die 1–7 beschrieben. Vorrichtung 10, dargestellt gemäß einer Ausführungsform in 1, schließt eine Grundplatte 12 ein, die detaillierter in 2 gezeigt ist. Gemäß einer Ausführungsform, die in 2 veranschaulicht ist, definiert Grundplatte 12 eine Anzahl von Einlass-Leitungssystemen 16 und eine Anzahl von Auslass-Leitungssystemen 18. Die Einlass-Leitungssysteme 16 sind zur Aufnahme eines Kühlmittels 20 konfiguriert und die Auslass-Leitungssysteme 18 sind zur Abgabe des Kühlmittels konfiguriert. Wie in 2 angezeigt, sind, z. B., Einlass- und Auslass-Leitungssysteme 16, 18 alternierend. Wie in 1 angezeigt, schließt Vorrichtung 10 weiter mindestens ein Substrat ein, das eine innere Oberfläche 24 und eine äußere Oberfläche 52 aufweist, wobei die innere Oberfläche 24 mit der Grundplatte 12 gekoppelt ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform, wie sie in 4 gezeigt ist, stellt die innere Oberfläche 24 eine Anzahl von Kühlströmungskanälen 26 zur Schau, die zur Aufnahme des Kühlmittels 20 von Einlass-Leitungssystemen 16 und zum Liefern des Kühlmittels zu Auslass-Leitungssystemen 18 konfiguriert sind. Gemäß einem Aspekt sind Kühlströmungskanäle 26 im Wesentlichen senkrecht zu Einlass- und Auslass-Leitungssystemen 16, 18 orientiert. Die äußere Oberfläche 52 des Substrates 22 befindet sich in thermischem Kontakt mit der erhitzten Oberfläche 50, wie in 1 gezeigt. Vorrichtung 10 schließt weiter einen Einlassraum 28, der konfiguriert ist, das Kühlmittel zu Einlass-Leitungssystemen 16 zu liefern, und einen Auslassraum 40 ein, der konfiguriert ist, das Kühlmittel von den Auslass-Leitungssystemen 18 abzugeben. Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind Einlassraum 28 und Auslassraum 40 in einer Ebene der Grundplatte 12 orientiert.
  • Viele Kühlmittel 20 können für Vorrichtung 10 eingesetzt werden und die Erfindung ist nicht auf ein spezielles Kühlmittel beschränkt. Beispielhafte Kühlmittel schließen Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol, Öl, Flugzeugbrennstoff und Kombinationen davon ein. Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist das Kühlmittel eine Einphasen-Flüssigkeit. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Kühlmittel eine Mehrphasen-Flüssigkeit. Im Betrieb tritt das Kühlmittel über den Eingangsraum 28 in das Leitungssystem 16 in Grundplatte 12 ein und strömt durch Kühlströmungsmittelkanäle 26, bevor es durch Auslass-Leitungssystem 18 und den Auslassraum 40 zurückkehrt. Mehr im Besonderen tritt Kühlmittel in Einlassraum 28 ein, dessen Strömungsmittel-Durchmesser den der anderen Kanäle in Vorrichtung 10 gemäß einer besonderen Ausführungsform übersteigt, sodass es keinen signifikanten Druckabfall in dem Raum gibt.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfasst Grundplatte 12 ein thermisch leitendes Material. Beispielhafte Materialien schließen, ohne Einschränkung, Kupfer, Kovar, Molybdän, Titan, Keramiken, Metallmatrix-Verbundstoffmaterialien und Kombinationen davon ein. Gemäß anderen Ausführungsformen umfasst Grund platte 12 ein formbares, gießbares oder maschinell bearbeitbares Material.
  • Kühlströmungsmittelkanäle 26 umfassen Mikrokanal-Abmessungen bis Millikanal-Abmessungen. Kanäle 26 können, z. B., eine Größe von etwa 0,05 mm bis etwa 5,0 mm gemäß einigen Aspekten der Erfindung aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform sind Kanäle 26 etwa 0,1 mm breit und durch eine Anzahl von Spalten von etwa 0,2 mm voneinander getrennt. Gemäß noch einer anderen Ausführungsform sind Kanäle 26 etwa 0,3 mm breit und durch eine Anzahl von Spalten von etwa 0,5 mm voneinander getrennt. Gemäß noch einer anderen Ausführungsform sind Kanäle 26 etwa 0,6 mm breit und durch eine Anzahl von Spalten von etwa 0,8 mm voneinander getrennt. Vorteilhafterweise wird durch dichtes Packen enger Kühlströmungskanäle 26 die Wärmeübertragungs-Oberfläche erhöht, was die Wärmeübertragung von der erhitzten Oberfläche 50 verbessert.
  • Kühlströmungsmittelkanäle 26 können mit einer Vielfalt von Geometrien gebildet werden. Beispielhafte Geometrien der Kühlströmungsmittelkanäle 26 schließen rechteckige und gekrümmte Geometrien ein. Die Kühlströmungsmittelkanal-Wandungen können, z. B., glatt oder rau sein. Raue Wandungen erhöhen die Oberfläche und fördern die Turbulenz, was die Wärmeübertragung in den Kühlströmungsmittelkanälen 26 erhöht. Die Kühlströmungsmittelkanäle 26 können, z. B., Vertiefungen einschließen, um die Wärmeübertragung weiter zu erhöhen. Zusätzlich können Kühlströmungsmittelkanäle 26 kontinuierlich sein, wie, z. B., in 4 gezeigt, oder Kühlströmungsmittelkanäle 26 können eine diskrete Anordnung 58 bilden, wie beispielhaft in 5 gezeigt. Gemäß einer spezifischen Ausführungsform bilden Kühlströmungsmittelkanäle 26 eine diskrete Anordnung 58 und sie haben etwa 1 mm Länge und sie sind durch einen Spalt von weniger als etwa 0,5 mm voneinander getrennt.
  • Zusätzlich zu Geometrie-Erwägungen beeinflussen Abmessungsfaktoren die thermische Leistungsfähigkeit ebenfalls. Gemäß einem Aspekt sind Leitungssystem- und Kühlkanal-Geometrien und -Abmessungen in Kombination derart ausgewählt, dass sie Temperaturgradienten und Druckabfälle verringern.
  • Gemäß einer in 6 gezeigten Ausführungsform schließt Substrat 22 mindestens ein elektrisch leitendes Material 62 und mindestens ein elektrisch isolierendes Material 64, wie ein geeignetes Keramikmaterial, ein. Beispielhafte Keramikgrundlagen schließen Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN) Berylliumoxid (BeO) und Siliciumnitrid (Si3N4) ein. Elektrisch leitendes Material 62 ist nur an die obere Oberfläche 66 des elektrisch isolierenden Materials 64 gebunden oder hartgelötet. Gemäß einem Aspekt umfasst elektrisch leitendes Material 62 Molybdän, Kovar, Metallmatrix-Verbundmaterial oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material, das einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung äquivalent dem elektrisch isolierenden Material 64 aufweist.
  • Da sowohl das elektrisch leitende Material 62 als auch das elektrisch isolierende Material 64 im Wesentlichen identische Koeffizienten der Wärmeausdehnung aufweisen, ist eine Verzerrung aus der Ebene heraus während der Verarbeitungs-Temperaturen des Anbringens des Molybdäns oder anderen elektrisch leitenden Materials an der Keramik oder anderen elektrisch isolierenden Materials 64 oder anderer Temperaturvariationen, denen das resultierende Produkt während der nachfolgenden Verarbeitungs- oder Anwendungsbedingungen ausgesetzt werden würde, verhindert.
  • Die Rückseitenoberfläche 68 des elektrisch isolierenden Materials 64, ohne das elektrisch leitende Material 62, hat darin hergestellte Kühlströmungsmittelkanäle 26. Der(ie) mit dem(n) Kühlstromungsmittelkanäl(en) 26 verbundene(n) Bereich(e) liegt(en) direkt unterhalb der erhitzten Oberfläche(n) 50, die nachfolgend an dem elektrisch leitenden Material 62 auf der Oberseitenoberfläche 52 des elektrisch isolierenden Materials 64 angebracht wird(werden).
  • Vorteilhafterweise kann das fertige Substrat 22 unter Anwendung irgendeiner Anzahl von Techniken, einschließlich Hartlöten, Verbinden, Diffusionsverbinden, Löten oder Druckkontakt, wie Klemmen, an der Grundplatte 12 angebracht werden. Dies ergibt ein einfaches Zusammenbauen, das die Gesamtkosten der Wärmesenke 10 verringert. Durch Anbringen des Substrates 22 an der Grundplatte 12 sind Strömungsmittel-Durchgänge unter den erhitzten Oberflächen 50 gebildet, die die praktische und kosteneffektive Ausführung der Kühlströmungsmittelkanal-Kühltechnologie ermöglichen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen vorteilhaft den thermischen Widerstand zwischen der (den) erhitzten Oberfläche(n) 50 und der fertigen Wärmesenke (Strömungsmittel) 20 verringern. Diese verringerte Temperatur ergibt ein robusteres Design eines entsprechenden Leistungselektronik-Moduls, wie des Leistungsvorrichtungs-Moduls 80 mit mehreren Halbleitern, das in 7 abgebildet ist, durch Verringern der maximalen Betriebstemperatur und Verringern der Bewegungen von der Minimal- zur Maximaltemperatur während Leistungszyklen während des Vorrichtungsbetriebes, was die Vorrichtungszuverlässigkeit erhöht. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen legen das Kühlmedium 20 vorteilhafterweise dichter an die erhitzte(n) Oberfläche(n) 50 durch Anordnen der Kühlströmungsmittelkanäle 26 in dem elektrisch isolierenden Material 64, wodurch der thermische Widerstand (Übergang zum Strömungsmittel) zu geringeren Niveaus vermin dert wird, als sie unter Einsatz bekannter Strukturen erzielbar sind, die Metallschichten sowohl auf der oberseitigen als auch auf der bodenseitigen Oberfläche des Substrates benutzen.
  • Während hierin nur gewisse Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, sind dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen zugänglich. Es sollte daher klar sein, das die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Änderungen umfassen sollen, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.
  • Eine Wärmesenken-Baueinheit 10 zum Kühlen einer erhitzten Vorrichtung 50 schließt ein Keramiksubstrat 64 ein, das eine Vielzahl von Kühlströmungsmittelkanälen 26 darin integriert aufweist. Das Keramiksubstrat 64 schließt eine oberseitige Oberfläche 66 und eine bodenseitige Oberfläche 68 ein. Eine Schicht aus elektrisch leitendem Material 62 ist nur an eine der oberseitigen und bodenseitigen Oberflächen 66, 68 des Keramiksubstrates 64 gebunden oder hartgelötet. Das elektrisch leitende Material 62 und das Keramiksubstrat 64 haben im Wesentlichen identische Koeffizienten der thermischen Ausdehnung.
    • 10
    Kühlvorrichtung
    12
    Grundplatte
    16
    Einlass-Leitungssystem
    18
    Auslass-Leitungssystem
    20
    Kühlmittel
    22
    Substrat
    24
    innere Substratoberfläche
    26
    Kühlströmungsmittelkanäle
    28
    Einlassraum
    40
    Auslassraum
    50
    erhitzte Oberfläche
    52
    äußere Substratoberfläche
    58
    diskrete Anordnung von Kühlströmungsmittelkanälen
    62
    elektrisch leitendes Material
    64
    elektrisch isolierendes Material
    66
    Oberseiten-Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials
    68
    rückwärtige Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials
    80
    Halbleiter-Leistungsvorrichtung(en)

Claims (10)

  1. Wärmesenken-Baueinheit (10) zum Kühlen einer erhitzten Vorrichtung (52), umfassend: eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material (64), umfassend Kühlströmungsmittelkanäle (26), die darin integriert sind, wobei die Schicht aus elektrisch isolierendem Material (64) eine oberseitige Oberfläche (66) und eine bodenseitige Oberfläche (68) umfasst, und eine Schicht aus elektrisch leitendem Material (62), das nur an eine der oberseitigen und bodenseitigen Oberflächen (66), (68) der Keramikschicht (64) gebunden oder hartgelötet ist, um ein Zweischicht-Substrat (22) zu bilden.
  2. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Grundplatte (12), die an eine Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht (64) gegenüber der nur einen Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht hartgelötet oder gebunden ist, die an die elektrisch leitende Schicht (62) gebunden oder hartgelötet ist, wobei die Grundplatte (12) eine Leitungsanordnung umfasst, die konfiguriert ist, Kühlströmungsmittel zu den Kühlströmungsmittelkanälen (26) der elektrisch isolierenden Schicht (64) zu liefern und Kühlströmungsmittel zu empfangen, das aus den Kühlströmungsmittelkanälen (26) der elektrisch isolierenden Schicht (64) ausgestoßen wird.
  3. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 2, worin das Kühlstromungsmittel eine einphasige oder mehrphasige Flüssigkeit umfasst.
  4. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 2, worin das Substrat (22) und Grundplatte (12) zusammen einen geringeren thermischen Widerstand zwischen dem Übergang einer Halbleitervorrichtung (80), die an das Substrat 22 montiert ist, und dem Kühlströmungsmittel ergeben, als es mit einem Substrat erzielbar ist, das eine Metallschicht sowohl an die oberseitige als auch an die Bodenoberfläche des Substrates und einer entsprechenden Grundplatte hartgelötet oder gebunden umfasst.
  5. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 1, worin die elektrisch isolierende Schicht (64) Keramik umfasst.
  6. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 5, worin die elektrisch isolierende Schicht (64) Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO) und Siliciumnitrid (Si3N4) umfasst.
  7. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 1, worin die elektrisch leitende Schicht (62) einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung aufweist, der im Wesentlichen identisch dem der elektrisch isolierenden Schicht (64) ist.
  8. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 7, worin die elektrisch leitende Schicht (62) Molybdän, Kovar oder Metallmatrix-Verbundmaterial umfasst.
  9. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 1, worin die elektrisch isolierende Schicht (64) und die elektrisch leitende Schicht (62) zusammen einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung aufweisen, der eine Verzerrung aus der Ebene heraus während Verarbeitungs- oder Gebrauchs-Bedingungen verhindert.
  10. Wärmesenken-Baueinheit (10) nach Anspruch 1, worin die Kühlkanäle (26) Mikrokanal-Abmessungen bis Millikanal-Abmessungen umfasst.
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