DE102018006806B4

DE102018006806B4 - Verwendung wenigstens eines Lasers zur Strukturierung mindestens eines Bereichs einer Oberfläche eines Substrats mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten

Info

Publication number: DE102018006806B4
Application number: DE102018006806.5A
Authority: DE
Inventors: Jörg Schille; Stefan Mauersberger; Udo Löschner
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2018-08-26
Filing date: 2018-08-26
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: DE102018006806A1

Abstract

Verwendung wenigstens eines Lasers zur Strukturierung mindestens eines Bereichs einer Oberfläche (3) eines Substrats (2) mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten, wobei die Oberfläche (3) der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche (3) des Bereichs des Substrats (2) mit Mikro- und/oder Nanostrukturen, welche das Ablösen von sich ausbildenden Dampfblasen verbessert und das Einsetzen des effizienten Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen geschieht, zur Realisierung eines siedekühlbaren mikroelektronischen Bauelements mit dem aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik bestehenden Substrats (2) mit dem Bauelement (1) im Kühlmedium (4) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung wenigstens eines Lasers zur Strukturierung mindestens eines Bereichs einer Oberfläche eines Substrats mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten, wobei die Oberfläche der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegt.
Eine Kühlung von Bauelementen der Elektronik kann bekannterweise durch passive oder aktive Luftkühlung über aufgesetzte Kühlkörper und Lüfter, Wasserkühlung durch Wärmeübertrag auf einen Wassermassenstrom mit Hilfe eines Kühlkörpers oder Immersionskühlung durch Eintauchen der Hardware in eine dielektrische Flüssigkeit erfolgen.
Eine Luftkühlung, eine Wasserkühlung und auch eine Konvektionskühlung stellen einerseits nicht die hohen Kühlleistungen bereit, wie sie leistungsstarke mikroelektronische Bauelemente beispielsweise in Rechensystemen verlangen. Anderseits sind diese Kühlvarianten mit zusätzlichen konstruktiven und/oder baulichen Maßnahmen verbunden, die einen höheren Materialeinsatz mit beispielsweise Kühlkörpern aus Kupfer und/oder Aluminium, einen höheren Platzbedarf beispielsweise durch Kühlkörper und Lüfter und einen höheren Energiebedarf beispielsweise durch einen Lüfterbetrieb erfordern. Zudem kommt es an der Kontaktfläche zwischen Substrat und Kühlkörper zu Wärmeübergangsverlusten, die sich infolge der Alterung des Haftmediums, beispielsweise Wärmeleitpaste, mit der Zeit weiter verstärken und so die Effizienz der Kühlung und damit auch die erreichbare Leistung herabsetzen.
Das hauptsächliche Problem bei der Immersionskühlung ist die Ausbildung eines Dampffilms an der Heizfläche, der als Folge seiner isolierenden Wirkung einer effizienten Kühlung entgegenwirkt und so zu lokalen Bauteilüberhitzungen führen kann.
Eine weitere Möglichkeit einer Kühlung stellt die Siedekühlung dar. Durch die Druckschrift DE 31 37 408 A1 ist ein Leistungshalbleiterbauelement für Siedekühlung oder Flüssigkeitskühlung mit einer zwei Hauptelektroden und gegebenenfalls eine oder mehrere Steuerelektroden aufweisenden Halbleiterkristallscheibe bekannt, die in einem von einem elektrisch isolierenden Kühlmittel durchströmbaren flüssigkeits- und gasdichten Gehäuse eingebaut ist. Es werden spezielle bauliche Ausgestaltungen offenbart, ohne auf die Siedekühlung selbst einzugehen.
Die Druckschrift DE 32 36 612 A1 offenbart eine Kühlanordnung, bei der die zu kühlenden Stromrichter oder andere Halbleiter in Siedeflüssigkeit eintauchen. Die Erwärmung der Siedeflüssigkeit wird mittels Kühlluft abgeführt. Bei einer nur für eine begrenzte Zeit auftretenden Übertemperatur der Außenluft wird die Luftkühlung ab- und ein thermischer Energiespeicher zugeschaltet.
Die Druckschrift DD 231 680 A1 beschreibt eine Kühleinrichtung für Leistungshalbleiter-Bauelemente zur Abführung der Verlustleistung. Dazu wird an die zu kühlende Bauelemente ein Hohlkörper angebracht, der einen Verdampfungsabschnitt aufweist, der an den thermisch belasteten Flächen mit einer kapillar-porösen Schicht ausgekleidet und mit Kühlflüssigkeit getränkt ist. Über eine Dampfleitung und eine Kondensatleitung ist der Verdampfungsabschnitt mit einem außerhalb der Bauelementegruppe angeordneten Wärmetauscher verbunden.
Die Druckschrift EP 0 268 081 A1 beinhaltet eine Vorrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen. Ausgehend von einer Kesselkühlung mit einem Kühlkörper, der in einem Hohlraum eine Kühlflüssigkeit enthält, die mit dem zu kühlenden Halbleiterbauelement in engem thermischen Kontakt steht, ist das Halbleiterbauelement außerhalb des Hohlraums angeordnet.
Durch die Druckschrift US 2012/0 241 742 A1 ist ein verdünnter Halbleiterwafer und ein Verfahren zum Verdünnen eines Halbleiterwafers durch die Verwendung eines Lasers bekannt. Mit dem Verdünnen können gleichzeitig gezielt Strukturen erzeugt werden, welche einer Durchbiegung des verdünnten Substrats entgegenwirken und eine Oberfläche für eine Wärmeableitung und Haftung vergrößern. Strukturen sind dazu insbesondere glockenförmige oder hügelförmige Erhebungen, die von Nuten umgeben sind.
Die Druckschrift US 2018/0 198 002 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen.
Die Druckschrift US 2006/0 290 003 A1 betrifft eine Substratstruktur, welche es ermöglicht, Kohlenstoffnanoröhren mit gewünschten Längen in einem vorbestimmten Bereich mit jeder Form/Fläche auf einem Substrat aufwachsen zu lassen.
Die Druckschrift WO 2007/009 868 A1 betrifft eine Anordnung mindestens eines elektrischen Bauelements und mindestens einer Kühlvorrichtung zum Ableiten von Wärme vom Bauelement. Die Kühlvorrichtung weist mindestens eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung mit mindestens einem Verdampfer auf. Weiterhin besitzt der Verdampfer eine strukturierte Verdampferoberfläche zum Verdampfen eines Kühlfluids in einen mit der Verdampferoberfläche des Verdampfers in Kontakt stehenden Dampfraum der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung. Die strukturierte Verdampferoberfläche ist in ein Siedebad mit dem Kühlfluid eingetaucht. Der Verdampfer ist mit einem Verflüssiger als zweiten Bestandteil der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung verbunden.
Die Druckschrift US 2014/0 192 485 A1 offenbart zweiphasige Kühlvorrichtungen und Leistungselektronikmodule, welche eine Zieloberfläche mit einphasigen und zweiphasigen Oberflächenverbesserungsmerkmalen aufweisen. Dabei handelt es sich um eine Strahlaufprallkühlung, wobei Strahlen von Kühlfluid auf einen Aufprallbereich der Zieloberfläche gerichtet werden. Die Zieloberfläche ist durch Mikro- oder Nanostrukturen aufgeraut.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung wenigstens eines mikroelektronischen Bauelements und/oder Einheit einfach zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Mit der Verwendung wenigstens eines Lasers zur Strukturierung mindestens eines Bereichs einer Oberfläche eines Substrats mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten, wobei die Oberfläche der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegt, werden siedekühlbare Substrate mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten geschaffen, welche sich insbesondere durch eine verbesserte Kühlung auszeichnen.
Dazu wird die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche des Bereichs des Substrats mit Mikro- und/oder Nanostrukturen, welche das Ablösen von sich ausbildenden Dampfblasen verbessert und das Einsetzen des effizienten Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen geschieht, zur Realisierung eines siedekühlbaren mikroelektronischen Bauelements mit dem aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik bestehenden Substrats mit dem Bauelement im Kühlmedium verwendet.
Mikroelektronische Bauelemente, beispielsweise Mikroprozessoren oder Leistungsschalter, erzeugen infolge der im Betrieb auftretenden Verlustleistung ein hohes Maß an Abwärme, die abgeführt werden muss, um einer Überhitzung und damit einhergehenden Fehlfunktion oder Bauteilzerstörung vorzubeugen. Dazu stellt die Immersionskühlung unter Ausnutzung der Siedekühlung im Vergleich mit anderen Kühlverfahren eine sehr wirksame Methode dar, mit der deutlich höhere Wärmestromdichten erreicht werden können, ohne die Wärmeübergangsflächen zu schädigen. Mit Siedebeginn ist die Heizfläche allerdings teils oder vollständig mit einem wärmeisolierenden Dampffilm bedeckt (Filmsieden), was folglich zum Ansteigen der Bauteiltemperatur bis hin zur Zerstörung der Heizfläche und damit des Bauelements führen kann.
Das siedekühlbare Substrat führt vorteilhafterweise zu einem direktsiedegekühlten mikroelektronischen Bauelement, wobei durch die Oberflächenstrukturierung des Substrats mit Mikro- und/oder Nanostrukturen das Ablösen der sich ausbildenden Dampfblasen verbessert wird. Das Einsetzen des effizienten Blasensiedens geschieht bereits bei geringen Temperaturen. Folglich gelangt schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen kaltes Kühlmittel nach unten, was den Wärmeabtransport vom Substrat deutlich erhöht und dadurch zu niedrigeren Bauteiltemperaturen führt oder höhere Betriebstemperaturen zulässt. Die durch die Laserbestrahlung ausbildenden Oberflächenstrukturen wirken sich zusätzlich vorteilhaft auf die Kühlleistung aus, da sich infolge des hohen Aspektverhältnisses die Wärmeübergangsfläche vergrößert und dadurch die Wärmestromdichte erhöht ist. Eine werkstückschonende Bearbeitung durch Beaufschlagung mit Laserstrahlung ermöglicht die rückseitige Oberflächenstrukturierung der Trägersubstrate ohne thermische Schädigungen, was so auch eine weitere nachträgliche Laserbearbeitung von sonst bereits fertig prozessierten Bauelementen erlaubt.
Durch eine gezielte Lasermikrostrukturierung der Rückseite des Substrats mikroelektronischer Bauelemente wird die Kühlleistung und dadurch die Leistungsfähigkeit erhöht. Damit können unter anderem vorteilhafterweise die Baugröße, der Materialaufwand, die Betriebskosten und die Ausfallrate reduziert werden. Durch Anwendung von Lasern erfolgt die Substratstrukturierung materialschonend ohne thermisch Schädigungen, so dass kein Nachteil hinsichtlich einer nachträglichen Waferprozessierung vorhanden ist und/oder vorhandene elektronische Bauelemente geschädigt werden.
Die Erhöhung der Kühlleistung wird durch die Steigerung des Wärmetransfers an direkt siedegekühlten mikroelektronischen Bauelementen erreicht, wobei keine weiteren bautechnischen Maßnahmen notwendig sind. Dazu wird die Heizfläche in Form der Rückseite des Substrats mittels Laserstrukturierung dahingehend funktionalisiert, dass das Einsetzen des effizienten Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen geschieht. Das Aufrauen der Oberfläche stellt gleichzeitig eine Vergrößerung der Heizfläche dar, was die abführbare Wärmemenge weiter erhöht. Damit ist ein sehr effizienter Wärmetransfer gegeben, da das Einsetzen des Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen beginnt, so dass mikroelektronische Bauelemente bei geringeren Temperaturen und/oder höheren Leistungen betrieben werden können. Die Kühlleistung wird weiter durch die durch Laserstrukturierung vergrößerte Heizfläche erhöht. Es tritt infolge der materialschonenden Oberflächenstrukturierung mit Laserstrahlung keine thermische Schädigung der sensiblen mikroelektronischen Bauelemente auf, so dass die Bearbeitung in unterschiedlichen Stadien der Waferprozessierung stattfinden kann. Da sich der Laserstahl sehr einfach räumlich steuern lässt, kann die Oberflächenstrukturierung sehr einfach nur auf die hoch temperaturbelasteten Bereiche am Bauteil platziert werden. Neben der geringeren Baugröße der Bauelemente sind Kostenersparnisse bei der Herstellung und im laufenden Betrieb sowie eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit zu erwarten. Die hohen zu erwartenden Produktionsraten und kurzen Taktzeiten können durch Anwendung von Laserverfahren mit hohen Laserleistungen und ultraschnellen Strahlablenkungen erreicht werden, wobei thermisch unbelastete Bearbeitungen mit sehr hohen Flächenraten und/oder sehr kurzen Prozesszeiten möglich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung mit der sich während und nach der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung selbstorganisierenden Oberfläche verwendet.
Die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche mit mehreren beabstandet zueinander angeordneten Erhebungen und/oder Vertiefungen verwendet.
Die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche mit einer Linienstruktur und/oder Punktstruktur verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:

1 ein siedekühlbares Substrat mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement.

Wenigstens ein Laser wird zur Strukturierung mindestens eines Bereichs einer Oberfläche (3) eines Substrats (2) mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten, wobei die Oberfläche der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegt, verwendet. Die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers wird dabei zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche (3) des Bereichs des Substrats (2) mit Mikro- und/oder Nanostrukturen, welche das Ablösen von sich ausbildenden Dampfblasen verbessert und das Einsetzen des effizienten Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen geschieht, zur Realisierung eines siedekühlbaren mikroelektronischen Bauelements mit dem aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik bestehenden Substrats (2) mit dem Bauelement im Kühlmedium (4) verwendet.
Wenigstens ein mikroelektronisches Bauelement 1 weist damit ein siedekühlbares Substrat 2 auf.
Die 1 zeigt ein siedekühlbares Substrat 2 mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
Die der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement 1 gegenüberliegende Oberfläche 3 des Substrats 2 ist eine mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche 3.
Der dazu verwendete Laser kann ein Laser mit hochrepetierender Laserstrahlung, mit Ultrakurzpulslaserstrahlung oder mit hochrepetierender Ultrakurzpulslaserstrahlung sein. Die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche 3 kann dazu eine sich während und nach der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung selbstorganisierende Oberfläche 3 sein und/oder mehrere beabstandet zueinander angeordnete Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen.
Das Substrat besteht aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik.
Der Bereich der Oberfläche 3 des Substrats 2 kann ein Bereich eines Kanals und/oder einer Kammer sein. Darüber hinaus kann sich das Substrat 2 mit dem Bauelement auch im Kühlmedium 4 befinden.

Claims

Verwendung wenigstens eines Lasers zur Strukturierung mindestens eines Bereichs einer Oberfläche (3) eines Substrats (2) mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten, wobei die Oberfläche (3) der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche (3) des Bereichs des Substrats (2) mit Mikro- und/oder Nanostrukturen, welche das Ablösen von sich ausbildenden Dampfblasen verbessert und das Einsetzen des effizienten Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen geschieht, zur Realisierung eines siedekühlbaren mikroelektronischen Bauelements mit dem aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik bestehenden Substrats (2) mit dem Bauelement (1) im Kühlmedium (4) verwendet wird.
Verwendung wenigstens eines Lasers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung mit der sich während und nach der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung selbstorganisierenden Oberfläche (3) verwendet wird.
Verwendung wenigstens eines Lasers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche (3) mit mehreren beabstandet zueinander angeordneten Erhebungen und/oder Vertiefungen verwendet wird.
Verwendung wenigstens eines Lasers nach den Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hochrepetierende Laserstrahlung, Ultrakurzpulslaserstrahlung oder hochrepetierende Ultrakurzpulslaserstrahlung des Lasers zur Aufrauung und/oder Strukturierung und/oder Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche (3) mit einer Linienstruktur und/oder Punktstruktur verwendet wird.