DE102021202630A1

DE102021202630A1 - Vorrichtung mit einem porösen Körper zum Aufnehmen einer Wärmemenge und Verfahren zum Bereitstellen einer Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021202630A1
Application number: DE102021202630.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lisec; Malte Päsler; Holger Kapels; Björn Gojdka
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-09-22
Also published as: US20240006264A1; EP4309206A1; WO2022195020A1

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst ein Substrat und eine mit dem Substrat verbundene Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen. Ferner ist ein poröser Körper vorgesehen, der miteinander verbundene Partikel umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Der poröse Körper ist ausgebildet, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Substrat und einer damit verbundenen Wärmequellenstruktur, die eine Wärmemenge bereitstellt und einen porösen Körper, der ausgelegt ist, um diese Wärmemenge zumindest teilweise zu empfangen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich darüber hinaus auf thermisch beständige Induktivitäten.
Aktive elektronische Bauteile, wie Leistungstransistoren oder LEDs, generieren im Betrieb erhebliche Wärmemengen. Passive Bauelemente, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, sind dadurch einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt. Moderne Ansteuerverfahren der aktiven Bauelemente führen zusätzlich zu einer Verlagerung eines Teils der thermischen Verluste auf die passiven Bauelemente. Die Miniaturisierung elektronischer Systeme geht tendenziell mit dem Bedarf nach einer größeren Leistungsfähigkeit und einer gesteigerten Leistungsdichte einher. Auf immer kleineren Platinen (sogenannten Interposern) werden immer größere Wärmemengen frei. Die thermische Belastbarkeit der darauf integrierten Bauteile sowie allgemein die Erwärmung des Systems gewinnen daher zunehmend an Bedeutung.
GaN-Transistoren können dauerhaft bei Temperaturen über 200°C betrieben werden, so dass auf deren Grundlage besonders leistungsfähige Spannungswandler im Frequenzbereich von mehreren MHz bis in den GHz-Bereich geschaffen werden können. Für die Realisierung sehr kompakter Schaltungen werden passive Bauelemente, wie Kondensatoren und Spulen in geeigneter Baugröße benötigt, die derartig hohe Betriebsspannungen ebenfalls dauerhaft überstehen können. Die monolithische Integration der Bauelemente verstärkt diesen Effekt, da die Entwärmung nur über das gemeinsame Substrat geschehen kann. Während entsprechende Kondensatoren beispielsweise verfügbar sind, fehlt es an Mikrospulen mit ausreichend hoher Induktivität sowie hoher thermischer Beständigkeit. Eine ähnliche Problematik herrscht auch bei der Realisierung kompakter LED-Anordnungen inklusive des Treiberbausteins. Zur thermischen Entkopplung werden LED und Treiberelektronik heute auf separaten Trägern aufgebaut und über Bonddrähte miteinander verbunden. Auch hier sind thermisch beständige Bauelemente, darunter Mikrospulen, mit ausreichend hoher Induktivität für eine weitere Miniaturisierung des Systems wünschenswert.
Stand der Technik bei miniaturisierten Spulen sind diskrete, gewickelte Luftspulen, die nicht selten den Großteil der Abmessungen einer elektronischen Komponente ausmachen. Kleinste Spulen sind in planarer Bauform auf Halbleitersubstraten leicht zu erzeugen. Deren thermische Stabilität ist prinzipiell sehr gut, das Induktivität/Fläche-Verhältnis jedoch auf wenige nH/mm² beschränkt. Da sich mittels Standardverfahren der IC-Technologie nur dünne Schichten abscheiden lassen, ist die Windungszahl aufgrund des schnell ansteigenden seriellen Widerstands eingeschränkt. Die Art der Luftspulen findet Anwendung bei sehr hohen Frequenzen und sehr geringen Leistungen. Ein Beispiel sind die integrierten Transformatoren der iCoupler-Serie von Analog Devices für die Isolation digitaler Signalleitungen als Ersatz für Opto-Koppler, bestehend aus übereinander gestapelten Planarspulen mit einer dicken Polyimidschicht dazwischen [1]. Dieselbe Technologie wird unter der Bezeichnung „isoPower“ auch zur Bereitstellung isolierter 5V-Versorgungsspannungen verwendet. Aufgrund der sehr geringen Induktivitäten funktioniert isoPower jedoch erst bei Frequenzen um 300 MHz effektiv und ist wegen dynamischer Verluste in der Leistung begrenzt auf ca. 50 mW.
Für die Leistungsübertragung, zum Beispiel im Bereich um 20 MHz und höher, werden Spulen mit Kern verwendet. Als Kernmaterial stehen in der IC-Technologie weichmagnetische Metalle und Legierungen in Form dünner Schichten zur Verfügung. Ferrite, die in konventionellen Spulen bei höheren Frequenzen bevorzugt werden, lassen sich nicht mit vertretbarem Aufwand herstellen. Planarspulen mit einer galvanisch abgeschiedenen Ni-Fe-Ummantelung wurden am Tyndall-Institut in Cork entwickelt [2]. DC-DC-Wandler, die unter Verwendung solcher Spulen aufgebaut sind, erreichen Effizienzen von 74% bei 20 MHz beziehungsweise 70% bei 40 MHz. Der Hauptteil der Verluste entfällt dabei auf Wirbelströme [3], die sehr schnell zu einer starken Erwärmung des Bauelements führen. Zur Unterdrückung von Wirbelströmen wurde die Ummantelung bei der Spule von Intel [4] aus vielen dünnen, voneinander elektrisch isolierten NiFe-Metallschichten ausgeführt. Da sowohl bei Tyndall [2] als auch bei Intel [4] organische Materialien zur elektrischen Isolation zur Spule und Ummantelung verwendet werden, ist die thermische Belastbarkeit der Bauelemente limitiert. Ferric verwendet ebenfalls einen Stack aus elektrisch isolierten Metallschichten für integrierte Solenoid-Spulen mit bis zu 300 nH/mm² [5].
Es besteht deshalb ein Bedarf an thermisch beständigen Vorrichtungen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen solcher Vorrichtungen zu schaffen, die eine hohe thermische Beständigkeit aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass ein poröser Körper geeignet dazu ist, Wärmemenge einer Wärmequelle aufzunehmen. Poröse Körper weisen eine hohe thermische Beständigkeit auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung ein Substrat und eine mit dem Substrat verbundene Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen. Ferner ist ein poröser Körper angeordnet, der miteinander verbundene Partikel umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Der poröse Körper ist ausgebildet, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
Die verbundenen Partikel können dabei die Wärmemenge aufnehmen und über die fluidisch miteinander verbundenen Hohlräume abtransportieren, so dass insgesamt eine hohe thermische Beständigkeit des porösen Körpers erfolgt und, aufgrund dessen Kühlwirkung, eine hohe thermische Beständigkeit der Vorrichtung insgesamt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen einer Vorrichtung ein Verbinden einer Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen, mit einem Substrat. Es erfolgt ein Anordnen eines porösen Körpers, der miteinander verbundene Partikel umfasst, so dass Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
Gemäß einer Ausführung erfolgt eine Verbindung dieser Partikel miteinander durch Ausführen einer Atomlagenabscheidung, was ein effizientes, thermisch beständiges und kostengünstiges Verbinden ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Besonders bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1b eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der ein poröser Körper an einer Wärmequellenstruktur angeordnet ist;
2 eine schematische Seitenschnittansicht eines porösen Körpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein poröser Körper in ein Substrat integriert ist;
3b eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit porösen Körpern in Substratöffnungen;
4a-b schematische Seitenschnittansichten von Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen, die ähnlich gebildet sind, wie die Vorrichtung aus 3a, bei der ein aktives Element außerhalb eines Kernbereichs angeordnet ist;
5a eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der das aktive Element benachbart zu dem porösen Körper angeordnet ist;
5b eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der verglichen mit der Vorrichtung aus 5a der poröse Körper zumindest teilweise in das Substrat integriert ist;
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Wärmequellenstruktur ein passives Element umfasst;
7a eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel und zur Darstellung von Leiterbahnstrukturen, die durch die Via-Strukturen miteinander verbunden sind;
7b einen teilweisen Ausschnitt der Darstellung aus 7a;
7c eine schematische Aufsicht auf eine Hauptseite der in 6 dargestellten Vorrichtung;
8a-f schematische Seitenschnittansichten zur Darstellung von möglichen Verfahrensschritten in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen; und
9 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf poröse Körper. Diese weisen miteinander verbundene Partikel auf, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Die Partikel können dabei ein beliebiges Material aufweisen, sind aber bevorzugt thermisch beständig. Thermisch beständig ist dabei relativ zur jeweiligen Anwendung zu verstehen. Im Rahmen der Ausgestaltung als integrierte Schaltung, insbesondere im Leistungsbereich, beispielsweise zur Ansteuerung von LEDs und dergleichen, wird als temperaturbeständig dabei verstanden, dass Temperaturen von zumindest 100°C, zumindest 150°C, zumindest 200°C oder höher, insbesondere zumindest 250°C, zumindest 300°C oder zumindest 400°C, als Dauerbetriebstemperatur zulässig sind, das bedeutet, dass der poröse Körper für eine Temperatur in diesem Bereich temperaturstabil ist. Darunter kann ein Ausbleiben einer relevanten Verformung, ein Ausbleiben einer relevanten Degenerierung einer Materialeigenschaft oder dergleichen verstanden werden. Dies kann insbesondere in Kombination mit einer Wärmequelle der Vorrichtung betrachtet werden, die ausgelegt ist, um eine Wärmemenge abzugeben. Diese erreicht zumindest in Teilen den porösen Körper, um diesen zu erwärmen. Die Wärmequelle kann damit ausgebildet sein, um den porösen Körper auf die genannten Temperaturen von zumindest 100°C, zumindest 150°C, zumindest 200°C, zumindest 250°C, zumindest 300°C oder zumindest 400°C zu erwärmen.
Die Partikel können über die Temperaturbeständigkeit hinaus noch weitere Funktionalitäten aufweisen. Beispielsweise kann eine Anwendung des porösen Körpers als Spulenkern gewünscht sein. Hierfür sehen Ausführungsbeispiele vor, dass die Partikel weichmagnetische Partikel umfassen. In anderen Ausführungen kann der poröse Körper als mechanischer und/oder chemischer Filter eingesetzt werden. In solchen Fällen ist beispielsweise die Verwendung von weichmagnetischen Partikeln weniger relevant, als Eigenschaften zur mechanischen Festigkeit oder dergleichen.
Poröse Körper, die in Verbindung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert sind, weisen Partikel auf, die beispielsweise durch Verwendung einer Beschichtung miteinander verbunden sind. Diese Beschichtung kann dabei vergleichsweise dünn ausgebildet sein, so dass Hohlräume zwischen den Partikeln durch die Beschichtung unverfüllt bleiben. Darüber hinaus sind die Hohlräume fluidisch miteinander verbunden, was es ermöglicht, dass ein Fluid durch benachbarte Hohlräume strömt. In manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der poröse Körper für einen Durchfluss eines Fluids gebildet sein, in dem ein Fluid in den Körper eintritt und aus dem Körper austritt. Andere Ausführungsformen sehen dabei vor, dass beispielsweise eine Außenfläche des porösen Körpers mit einer Passivierungsschicht oder dergleichen überzogen ist, die einen Eintritt oder Austritt des Fluids in den Körper oder aus dem Körper verhindern kann. Eine derartige Schicht kann lokal geöffnet werden, wobei dies nicht notwendigerweise erforderlich ist.
1a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 10₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 10₁ umfasst ein Substrat 12. Das Substrat 12 kann beispielsweise ein Halbleitermaterial umfassen und einschichtig oder mehrschichtig gebildet sein. Eine oder mehrerer dieser Schichten können elektrisch leitfähig und/oder elektrisch isolierend gebildet sein, wie es im IC- und MEMS-Bereich üblich ist. Das Substrat 12 kann dabei planar gebildet sein, aber auch eine Topographie, das heißt, Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zu Halbleitermaterialien kann das Substrat 12 auch beispielsweise als Leiterplatte oder dergleichen gebildet sein. Anders ausgedrückt kann das Substrat 12 beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte (engl.: printed circuit board, PCB) und/oder ein direkt verbundenes Kupfer (engl.: direct bonded copper, DBC bzw. ein direct copper bond, DCB), ein Halbleitermaterial, ein Glasmaterial oder Kombinationen hieraus umfassen.
Die Vorrichtung 10₁ umfasst eine mit dem Substrat 12 verbundene Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge 16 bereitzustellen.
Die Vorrichtung 10₁ umfasst einen porösen Körper 18, der miteinander verbundene Partikel 22 umfasst. Zwischenräume 24 zwischen den Partikeln 22 bilden fluidisch verbundene Hohlräume. Der poröse Körper 18 ist ausgebildet, um zumindest Teile der Wärmemenge 16 zu empfangen. Als zumindest teilweises Empfangen der Wärmemenge der Wärmequellenstruktur 14 wird dabei verstanden, dass die Wärmequellenstruktur 14 den porösen Körper 18 in relevantem Maße erwärmt, wie es eingangs beschrieben ist. Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele nehmen dabei Bezug auf Betriebstemperaturen von 200°C oder 250°C, bspw. zumindest 400°C oder mehr, wobei auch andere Temperaturbereiche möglich sind, wie es eingangs beschrieben ist.
Die Wärmequellenstruktur 14 kann dabei eine einzelne Komponente oder ein Verbund von Komponenten sein. Die Wärmequellenstruktur 14 kann beispielsweise einen Leistungsbaustein, etwa einen Treiber oder dergleichen, umfassen, wie er in etwa für LEDs eingesetzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine beliebige andere Schaltung mit einer oder mehreren Komponenten angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zu solch aktiven Komponenten kann die Wärmequellenstruktur 14 auch ganz oder teilweise durch passive Elemente gebildet sein. So kann die Wärmequellenstruktur 14 zum Beispiel zumindest Teile einer Spulenwicklungsstruktur bereitstellen. Spulenwicklungen können insbesondere im hochfrequenten Betrieb eine relevante Wärmemenge bereitstellen, die durch den porösen Körper 18 empfangen und/oder abgeführt werden kann. Es ist dabei möglich, aber nicht notwendig, dass die Wärmequellenstruktur 14 die Spulenwicklungen vollständig bereitstellt. Ausführungsbeispiele sehen vor, dass die Wärmequellenstruktur als Halbspule oder dergleichen gebildet ist, die in Verbindung mit einer weiteren Vorrichtung oder einem weiteren Element zu einer elektrischen Spule vervollständigt wird. Dies kann beispielsweise als Halbspule bezeichnet werden, der zumindest Leitungsbahnen in einer Elementebene fehlen, welche beispielsweise durch Leiterbahnen auf einem weiteren Trägersubstrat implementiert werden, so dass eine Verbindung der Wärmequellenstruktur 14 mit dem zusätzlichen Substrat die Spule dann vervollständigt.
Das bedeutet, die Wärmequellenstruktur kann einen Teil einer elektrischen Spule bilden oder auch eine vollständige Spule bilden. Dies ist jedoch nur ein nicht einschränkendes Beispiel dafür, dass die Wärmequellenstruktur zumindest einen Teil eines elektrisch passiven Elements umfasst und das elektrisch passive Element ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge zu erzeugen.
1b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 10₂ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Diese weist im Wesentlichen dieselben Elemente auf, wie die Vorrichtung 10₁. Anders als in der Vorrichtung 10₁ ist jedoch der poröse Körper nicht am Substrat 12 befestigt, sondern an der Wärmequellenstruktur 14. Weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass der poröse Körper ganz oder teilweise in das Substrat 12 integriert ist, dass alternativ oder zusätzlich hierzu die Wärmequellenstruktur 14 ganz oder teilweise in das Substrat integriert ist und/oder, dass die Wärmequellenstruktur 14 nicht unmittelbar mit dem Substrat 12 verbunden ist, sondern mittelbar, etwa vermittels des porösen Körpers 18 oder anderer zwischengeschalteter wärmetransportierender Elemente.
2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines porösen Körpers 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, der beispielsweise als poröser Körper 18 eingesetzt werden kann, beispielsweise in der Vorrichtung 10₁ und/oder 10₂. Der poröse Körper 20 umfasst eine Vielzahl von Partikeln 22, die bezogen aufeinander identisch gebildet sein können, aber auch in Summe mehrere unterschiedliche Partikel umfassen können. Beispielsweise können sich die Partikel im Hinblick auf ein Partikelmaterial, eine Partikelbeschichtung und/oder einen Partikeldurchmesser unterscheiden oder diesbezüglich gleich gebildet sein. Beispielhafte Partikeldurchmesser sind beispielsweise in einer bevorzugten aber nicht einschränkenden Ausführung zwischen zumindest 1 µm und höchstens 25 µm. In manchen Partikel-Pulvern kann die Partikelgröße jedoch ggf. auch erheblich variieren, weswegen in einem derartigen Fall ein Wertebereich von bspw. 1 µm-25 µm als Mittelwerte (sogenannte D50) aufzufassen sind. Manche Pulver im Rahmen von Ausführungsbeispielen, etwa NdFeB- Pulver, können um einen D50-Wert von 5 µm variieren z. B. von 1 µm bis 10 µm. NdFeB-Pulber mit einem D50-Wert von 25 µm variieren bereits von 1 µm bis 100 µm. Auch wenn die Partikel 22 annähernd rund gebildet sind, kann es in Ausführungsformen zu anderen Formen von Partikeln kommen, beispielsweise ebene Partikeloberflächen aufweisend oder dergleichen. Runde Partikel hingegen ermöglichen eine besonders geringe Auflagefläche benachbarter Partikel aneinander, so dass der Durchfluss eines Fluids 26 durch die Zwischenräume 24 zwischen den Partikeln 22 möglichst ungestört bleibt. Dabei ist eine Abwägung zu treffen, um eine mit abnehmender Auflagefläche reduzierte Festigkeit der porösen Struktur dennoch eine Mindestfestigkeit zu erhalten.
Der poröse Körper kann für einen Durchfluss des Fluids 24 einen Eintrittsbereich 28 zum Eintritt des Fluids 26 und einen mit dem Eintrittsbereich 28 vermittels der fluidisch miteinander verbundenen Hohlräume 24 fluidisch gekoppelten Austrittsbereich 32 zum Austritt des Fluids aufweisen. Der poröse Körper kann ausgebildet sein, um während des Durchflusses des Fluids 26 zumindest einen Teil der empfangenen Wärmemenge 16 an das Fluid abzugeben, um den porösen Körper zu kühlen. Dabei kann nicht nur der poröse Körper gekühlt werden, sondern auch mittelbar oder unmittelbar die Wärmequellenstruktur 14, indem ein Wärmegradient erzeugt wird. Eine Position oder Orientierung des Eintrittsbereichs 28 und/oder des Austrittsbereichs 32 kann dabei durch eine Form des porösen Körpers 20 beeinflusst sein. Alternativ oder zusätzlich kann der poröse Körper an einer Außenseite auch mit einer fluidisch weniger durchlässigen oder abgedichteten Schicht überzogen sein, die zum Bereitstellen des Eintrittsbereichs 28 und/oder des Austrittsbereichs 32 lokal geöffnet ist. Eine derartige Schicht kann auch lediglich teilweise an dem porösen Körper angeordnet sein und eine oder mehrere Seiten beispielsweise ganz oder teilweise frei lassen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Position, Ausdehnung und/oder Orientierung des Eintrittsbereichs 28 und/oder des Austrittsbereichs 32 auch über das Erzeugen eines Fluidstroms für das Fluid 26 definiert werden. Das bedeutet, der Durchfluss des Fluids 26 kann ganz oder teilweise aktiv erzeugt werden, etwa um eine aktive Kühlung bereitzustellen. Eine Richtung, mit der das Fluid geführt wird, kann den Eintrittsbereich 28 und/oder den Austrittsbereich 32 definieren. Anders als bei einer aktiven Kühlung, kann der Durchfluss auch zumindest teilweise auf der abgegebenen Wärmemenge erzeugt werden, etwa im Rahmen einer passiven Kühlung. So kann beispielweise das erwärmte Fluid 26 in höhere Lagen aufsteigen und in niedrigeren Lagen durch Erzeugen eines geringeren fluidischen Drucks Fluid ansaugen, womit ein Fluidstrom erzeugt werden kann.
Manche Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das Substrat 12 eine fluidische Öffnung aufweist, die ausgebildet ist, um das Fluid 26 hin zu dem Eintrittsbereich 28 und/oder weg von dem Austrittsbereich 32 hindurchzulassen.
3a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 30₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche mehrere unabhängig voneinander zu implementierende Weiterbildungen gegenüber der Vorrichtung 10₁ und/oder 10₂ aufweist. Einerseits ist der poröse Körper 18 in das Substrat 12 integriert. Dies kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht werden, dass eine Aussparung 34 in das Substrat 12 eingebracht wird, die Partikel 22 in die Aussparung 34 eingefüllt und in der Aussparung 34 vermittels einer Beschichtungskammer, etwa durch Ausführen einer Atomlagenabscheidung (engl.: Atomic Layer Deposition, ALD), verfestigt werden.
Die Vorrichtung 30₁ umfasst ein aktives Element als Teil der Wärmequellenstruktur, etwa eine LED, einen Treiber hierfür oder ein anderes aktives Element. Als aktive Elemente können auch Dioden und/oder Transistoren und/oder integrierte Schaltungen gebildet sein. Ein aktives Element, das zumindest einen Teil der Wärmequellenstruktur bilden kann, kann ausgebildet sein, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der nicht dargestellten Wärmemenge 16 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Vorrichtung 30₁ ein passives Element 38, das ebenfalls ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der nicht dargestellten Wärmemenge 16 zu erzeugen. Beispielsweise handelt es sich bei dem passiven Element 38 in der Vorrichtung 30₁ um ein für den Betrieb des aktiven Elements 36 verwendetes Element, etwa eine Spule, für welche der poröse Körper 18 gleichzeitig einen Spulenkern bereitstellt. Hierfür können die Partikel 22 ein weichmagnetisches Material, beispielsweise Weicheisen, FeSi, FeNi, FeCo oder andere Legierungen oder Materialien aufweisen.
Die Aussparung 34 kann im Rahmen einer Herstellung der Vorrichtung 30₁ wieder verschlossen werden, beispielsweise durch Abscheiden eines Substratmaterials, vor einem Anordnen aktiver oder passiver Bauelemente und/oder durch Anordnen eines Substratabschnitts 42. Eine derartige Abscheidung kann beispielsweise durch eine Schichtabscheidung und/oder durch Waferbonding erfolgen.
Die Vorrichtung 30₁ kann so gebildet sein, dass das Substrat 12 eine oder mehrere fluidische Öffnungen 44₁ und/oder 44₂ aufweist, die ausgebildet sind, um das Fluid 26 hindurch zu dem Eintrittsbereich und/oder weg von dem Austrittsbereich des porösen Körpers 18 hindurchzulassen. Eine Position der fluidischen Öffnungen 44₁ und/oder 44₂ kann dabei eine Richtung des Durchflusses des Fluids zumindest in Teilen bestimmen.
3b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 30₂, die ähnlich aufgebaut sein kann, wie die Vorrichtung 30₁. Unabhängig davon, ob ein aktives Element 36 und/oder ein passives Element 38 einen Teil der Wärmequellenstruktur bildet, können die Öffnungen 44₁ und/oder 44₂ unabhängig voneinander poröse Strukturen 46₁ und/oder 46₂ aufweisen, die diese Öffnungen 44₁ beziehungsweise 44₂ ganz oder teilweise befüllen. Die porösen Strukturen 46₁ und/oder 46₂ können Partikel 48 aufweisen und in ähnlicher Weise durch Verfestigung der Partikel 48 gebildete Körper bilden, wie der poröse Körper 18 beziehungsweise 20. In einer Ausführungsform könnten die Partikel 48 und Partikel des porösen Körpers nacheinander in eine Substratöffnung eingebracht und gleichzeitig verfestigt werden. Alternativ können zuerst die Partikel 48 eingebracht und verfestigt werden und danach die Partikel des Körpers 18 oder andersherum. In einer Ausführungsform können die Partikel des Körpers 18 und die Partikel 48 auch gleich sein und aus einer gemeinsamen Menge von Partikel stammen.
Die Partikel 48 können dabei bezüglich einer Größe, Form und/oder Eigenschaft untereinander gleich oder verschieden sein und/oder sich im Hinblick auf die Partikel 22 des porösen Körpers 18 gleichen oder unterscheiden. Allerdings ist es möglich, eine Funktionstrennung zu implementieren, beispielsweise indem die Partikel 48 amagnetisches Material umfassen, während die Partikel 22 weichmagnetisches Material umfassen, insbesondere, wenn der poröse Körper 18 einen Spulenkern bildet. Die porösen Strukturen 44₁ und/oder 44₂ können aufgrund der miteinander verbundenen Partikel 48, bei denen ebenfalls Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume 52 bilden, sowohl einen Schutz vor Fremdpartikeln ermöglichen als auch ein Herauslösen von Teilen des porösen Körpers 18 und/oder für die Steuerung einer Strömung des Fluids 26 genutzt werden. So können beispielsweise Verwirbelungen oder dergleichen in dem Fluid 26 eingestellt, reduziert oder verhindert werden.
In den Darstellungen der 3a und 3b kann das aktive Element 36 innerhalb eines Kernbereichs angeordnet sein. Die Struktur 38 kann als Spule, die zusätzlich innerhalb des Kernbereichs 54 das aktive Element 36 aufweist, gebildet sein.
Die 4a und 4b zeigen schematische Seitenschnittansichten von Vorrichtungen 40₁ beziehungsweise 40₂, die ähnlich gebildet sind, wie die Vorrichtung 30₁. Gegenüber der Vorrichtung 30₁ ist das aktive Element jedoch außerhalb des Kernbereichs 54 angeordnet, aber beispielhaft mechanisch und/oder elektrisch direkt mit dem passiven Element 38 verbunden. Die Vorrichtung 40₁ weist dabei einen Hohlraum 56 zwischen dem Substrat 12 und dem aktiven Element auf, der beispielsweise für eine Steuerung des Wärmeflusses genutzt werden kann. Demgegenüber weist die Vorrichtung 40₂ Substratmaterial an Stellen auf, die in der Vorrichtung 40₁ zum Bilden des Hohlraums 56 freigehalten sind. Beispielsweise kann dies über eine Integration von Leitungsstrukturen des passiven Elements 38 zum Bilden einer homogenen Oberfläche und/oder durch Auffüllen des Hohlraums 56 der Vorrichtung 40₁ mit Substratmaterial ermöglicht werden.
Optional kann in dem Eintrittsbereich 28 der Vorrichtung 40₁ und/oder 40₂ und/oder in einem Bereich des Austrittsbereich 32 der Vorrichtung 40₁ und/oder 40₂ eine poröse Struktur 46 angeordnet sein.
Obwohl die Wärmemenge 16 so dargestellt ist, dass sie von dem aktiven Element 36 ausgeht, wenn die 3a, 3b, 4a und 4b betrachtet werden, so kann auch ein als Spule gebildetes passives Element zumindest einen Teil der Wärmemenge 16 bereitstellen.
In den Darstellungen der 3a, 3b, 4a und 4b kann der poröse Körper 18 zumindest einen Teil eines Funktionselements bereitstellen. In dargestellten Beispielen ist dies beispielweise ein Spulenkern, wobei ohne Weiteres auch andere Funktionselemente, etwa ein Transformator oder dergleichen, einen porösen Körper 18 und/oder 20 als Bauelement aufweisen können. Das Funktionselement kann eine Funktion der Gesamtvorrichtung bereitstellen und ausgebildet sein, um die Funktion unter dem Einfluss der Wärmequelle beizubehalten. Das Funktionselement kann dabei beispielsweise mit einem Betrieb der Wärmequelle assoziiert sein. Dies ist insbesondere bei der Verwendung des Funktionselements für den Betrieb der Vorrichtung der Fall, beispielsweise wenn das aktive Element eine LED oder ein Treiber hierfür ist und die Spule für den Betrieb der LED beziehungsweise des Treibers eingesetzt wird.
5a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 50₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel kann das aktive Element 36 benachbart zu dem porösen Körper 18 angeordnet sein, der lediglich beispielhaft einen Teil des passiven Elements 38 bildet. Das passive Element 38 kann mit dem aktiven Element 36 über Leiterbahnen 58 verbunden sein, die beispielsweise ebenso wie das Substrat 12 eine Wärmebrücke zwischen dem porösen Körper 18 und dem aktiven Element 36 bzw. der Wärmequellenstruktur ermöglichen kann.
Optional kann ein Kühlkörper 62 mit dem Substrat 12 wärmeleitfähig verbunden sein. Der Kühlkörper 62 kann eine zusätzliche Wärmeabfuhr der Wärmemenge 16 ermöglichen. Ebenso wie bei den Vorrichtungen 30₁, 30₂, 40₁ und 40₂ kann dabei die Wärmequellenstruktur das aktive Element 36 umfassen, das ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge 16 bereitzustellen. Während in den Vorrichtungen 30₁ und 30₂ zumindest eine Spulenwindung einer elektrischen Spule um das aktive Element 36 herumlaufen kann oder das aktive Element, wie für die Vorrichtung 40₁ und 40₂ gezeigt, an einer Außenseite der elektrischen Spule angeordnet sein kann, ist das aktive Element 36 der Vorrichtung 50₁ benachbart an dem Substrat 12 angeordnet, jedoch so, dass ein relevantes Maß der Wärmemenge 16 an den porösen Körper 18 gelangt, um diesen zu erwärmen. Auch hier kann die Wärmequellenstruktur das aktive Element 36 und zumindest einen Teil einer elektrisch passiven Wärmequelle, etwa der Spule, umfassen.
5b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 50₂ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Anders als in der Vorrichtung 50₁ kann der poröse Körper 18 zumindest teilweise in das Substrat 12 integriert sein, was auch so verstanden werden kann, dass bei schematischer Betrachtung des porösen Körpers als Kubus mit sechs Seiten, zumindest fünf Seiten jeweils zumindest teilweise von Substratmaterial des Substrats 12 umgeben sein können. Doch hier kann optional der Kühlkörper 62 für zusätzliche Kühlung eingesetzt werden.
Der poröse Körper der Vorrichtung 50₂ und möglicherweise auch der Vorrichtung 50₁ kann dabei vollständig von Substratmaterial umschlossen sein, so dass zumindest kein äußeres Fluid an den porösen Körper herangelangt. Ungeachtet dessen kann der poröse Körper 18 dennoch Wärmemenge 16 aufnehmen und temperaturstabil zum Betrieb des passiven Elements 38 und/oder des aktiven Elements 36 beitragen.
6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 60 weist dabei das Substrat 12 auf, in welches der poröse Körper 18 integriert ist. Ferner umfasst die Wärmequellenstruktur 14 das passive Element 38, das beispielhaft als um den porösen Körper 18 als Spulenkern gewickelte elektrisch leitfähige Spule gebildet ist. Beispielhaft sind sechs Windungen vorgesehen. Diese können in vorteilhafterweise so gebildet werden, dass nebeneinander und besonders bevorzugt parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen 58₁, 58₂, 58₃, 58₄, 58₅ und 58₆ bereitgestellt werden. Gegenüberliegende Leiterbahnen 58₇ bis 58₁₂ können dabei vermittels Via-Strukturen 64₁ bis 64₆ miteinander verbunden werden, so dass eine umlaufende Windungsstruktur entstehen kann. Weitere Strukturen, etwa Kontakt-Pads 66₁ und/oder 66₂ können an einer oder mehreren Seiten des Substrats 12 erzeugt werden. Hieraus ergibt sich auch, dass beispielsweise die Vervollständigung der Spulenstruktur durch Hinzufügen der Leiterbahnen 58₇ bis 58₁₂ zu den restlichen Strukturen zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen kann, etwa indem die Leiterbahnen 58₇ bis 58₁₂ an einem weiteren Substrat angeordnet sind, welches dann mit dem Substrat 12 mittelbar oder unmittelbar kontaktiert wird.
In beiden Fällen kann die Wärmequellenstruktur zumindest einen Spulenteil einer elektrischen Spulenstruktur bilden. Der Spulenteil kann ganz oder teilweise in das Substrat 12 integriert sein. Der Spulenteil kann parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen 58₁ bis 58₆ umfassen, wobei jedes Leiterbahnelement an einem ersten Leiterbahnende und einem zweiten gegenüberliegenden Leiterbahnende mit einer Via-Struktur 64 kontaktiert sein kann. Die Via-Strukturen 64 können Anschlussbereiche für weitere Leiterbahnelemente 58₇ bis 58₁₂ definieren, wobei eine Kombination der Leiterbahnelemente 58₁ bis 58₆ einerseits und 58₇ bis 58₁₂ andererseits unter Hinzunahme der Via-Strukturen die Spulenstruktur zumindest teilweise bilden kann. Eine Anzahl von Windungen kann dabei beliebig eingestellt werden und ist vorteilhaft von einer Bauhöhe der Vorrichtung 50 lediglich gering oder gar nicht abhängig.
In anderen Worten zeigt 6 eine Spule mit einem porösen Kern, der in diesem Ausführungsbeispiel nicht über die gesamte Dicke des Substrats ragt. Auf der Seite mit den ersten Leiterbahnen 58₁ bis 58₇ kann eine Restdicke Silizium erhalten bleiben. In dieser Siliziumschicht bzw. in dieser Ebene befindet sich das integrierte aktive Bauelement gemäß den 3a und 3b. Das aktive Bauelement wird dabei vor der Herstellung der Spule mittels herkömmlicher Halbleiterprozesse erzeugt. Die ersten Leiterbahnen 58₁ bis 58₆ auf der oberen Substrathauptseite laufen darüber hinweg bzw. werden direkt auf das aktive Bauelement kontaktiert. Abstände zwischen den Leiterbahnen ermöglichen auch das Hindurchströmen des Fluids hin zum porösen Kern. Dies kann ebenfalls genutzt werden, um den porösen Kern zu kühlen.
7a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung 60, insbesondere zur Darstellung der Leiterbahnstrukturen 58₁ bis 58₁₂, die durch die Via-Strukturen 64₁ bis 64₇ miteinander verbunden sein können. Elektrisch mit der Spulenstruktur verbundene Kontakt-Pads können eine einfache elektrische Kontaktierung ermöglichen.
7b zeigt einen beispielhaften teilweisen Ausschnitt der Darstellung aus 7a, um eine Ausführungsform der Via-Strukturen näher zu erläutern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können diese als Hohlzylinderstrukturen gebildet sein, was eine geringe Ausprägung oder einen geringen Einfluss von Skin-Effekten ermöglicht.
7c zeigt eine schematische Aufsicht auf eine in 6 dargestellte Hauptseite 68B der Vorrichtung 60. Es ist erkennbar, dass das Substrat 12 über die Leiterbahnen 58₁ bis 58₆ hinausragt und die Via-Strukturen beispielsweise durch das Substrat 12 hindurchverlaufen bzw. in dieses eingebettet sind. Unter erneuter Bezugnahme auf die 6 kann der poröse Körper 18 dabei in das Substrat 12 integriert sein. Der poröse Körper kann von der elektrischen Spulenstruktur umwickelt sein und einen Spulenkern bereitstellen. Optional kann die Spulenstruktur monolithisch mit einem aktiven Element auf einem gemeinsamen Substrat integriert sein, wie es beispielsweise für die Vorrichtung 30₁ und 30₂ beschrieben ist.
Anhand der 8a bis 8f wird beispielsweise ein Konzept zum Einbetten des porösen Körpers als Spulenkern in einer Spulenstruktur erläutert. 8a zeigt dabei eine schematische Seitenschnittansicht des Substrats 12, in welches Öffnungen oder Gräben 72₁ und 72₂ eingebracht sein können, etwa zum späteren Erzeugen der Via-Strukturen. Das Substrat 12 kann an einer oder an beiden Seiten optional von einer Passivierungsschicht 74₁ bedeckt sein, etwa um die Verarbeitung zu vereinfachen. Die Passivierungsschicht 74₁ kann beispielsweise eine Ätzstopp-Schicht für ein Trockenätzen oder dergleichen bereitstellen, mit welchem die Gräben 72₁ und 72₂ erzeugt werden. Die in 8a dargestellte Struktur 80₁ kann weiter bearbeitet werden.
In anderen Worten zeigt 8a einen Zustand nach einem Ätzen von Löchern im Si-Substrat mittels sogenanntem Deep Reactive Ion Etching (DRIE), die Form und Lage der Via's definieren. Die Löcher können durch das gesamte Substrat hindurchragen und enden in einer Passivierung auf der Rückseite.
8b zeigt eine mögliche Weiterbearbeitung hin zu einer Struktur 80₂, die gegenüber der Darstellung aus der 8a eine Metallisierung 76 aufweisen kann, etwa um Leiterbahnen 58 und Via-Strukturen 64 für die Vorrichtung 60 zu erzeugen. Hierzu kann eine zusätzliche Passivierungsschicht 74₂ zwischen die Metallisierung 76 und das Substrat 12 angeordnet werden.
In anderen Worten zeigt 8b ein Aufbringen und Strukturieren einer ersten Metallschicht zur Erzeugung der ersten Leiterbahnen und der Via-Strukturen (Hohlzylinderstrukturen).
8c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 80₃, die aus der Struktur 80₂ erhalten werden kann, etwa indem an einer der Metallisierung 76 gegenüberliegenden Seite die Aussparung 34 erzeugt wird.
In anderen Worten zeigt 8c ein umdrehendes Substrat und eine Erzeugung einer Kavität im Si mittels DRIE. Unterhalb der Kavität bleibt noch Si stehen, das heißt, das Substrat wird nicht durchgeätzt.
In 8d ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 80₄ gezeigt, bei der in die Aussparung 34 der poröse Körper 18 eingebracht ist. Dies kann beispielsweise durch Einfüllen zu verfestigender Partikel und anschließender Verfestigung erfolgen, beispielsweise durch Durchführen einer Atomlagenabscheidung, um die Vielzahl von Partikel zu dem porösen Körper zu verfestigen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann auch der poröse Körper 18 in die Aussparung 16 eingelegt werden und beispielsweise verklebt oder andersartig befestigt werden.
In anderen Worten zeigt 8d ein Auffüllen der Kavität mit weichmagnetischem Pulver und Agglomeration der Partikel zu einer porösen Struktur.
In 8e ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 80₅ gezeigt, die beispielsweise durch Passivierung der Struktur 80₄ erhalten werden kann, so dass die Aussparung 34 vermittels einer Passivierungsschicht verschlossen ist. Beispielhaft kann hierfür das gleiche Material verwendet werden, wie es in der Passivierungsschicht 74₁ angeordnet ist, beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, es können auch andere Materialien angeordnet werden. In der 8e ist beispielhaft dargestellt, dass in Bereichen, in denen die Passivierungsschicht 74₁ in vorangehenden Schritten bereits angeordnet war oder verblieben ist, durch die Passivierung, die in 8e dargestellt ist, aufgedeckt ist. Öffnungen 72₃ und 72₄, die bspw. rund ausgeführt sind, können in die Passivierungsschicht 74₁ und 74₂ im Bereich der Via-Strukturen 64₁ und 64₂ eingebracht werden. Diese Öffnungen können bis auf den Boden der Vias reichen. Unter Verweis auf 7b, könnten derartige Kontaktlöcher auf der Unterseite zwischen dem Boden des runden Via 64 und der Metallbahn 58₁ gemäß 7a.angeordnet sein.
In anderen Worten zeigt 8e ein Aufbringen einer Passivierung auf die poröse Struktur und Erzeugung von Kontaktlöchern zum Metall mittels RIE (reaktivem lonenätzen).
8f zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 80₆ gemäß einem Ausführungsbeispiel, die beispielhaft aus der Struktur 80₅ erhalten werden kann. Vermittels eines Metallisierungsschritts kann eine metallische Struktur 78 erzeugt werden, die beispielsweise die gegenüberliegenden Leiterbahnen für die Spulenstruktur und bezogen auf die Metallisierung 76 bereitstellen kann. Durch Strukturierung der Metallisierung 76 und/oder 78 können die Leiterbahnen definiert werden und so die Spulenstruktur bezüglich ihrer Eigenschaft detailliert eingestellt werden.
In anderen Worten zeigt 8f ein Aufbringen und ein Strukturieren einer zweiten Metallschicht zur Erzeugung der zweiten Leiterbahnen
9 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zum Bereitstellen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Schritt 910 des Verfahrens 900 umfasst ein Verbinden einer Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen, mit einem Substrat. Ein Schritt 920 umfasst ein Anordnen eines porösen Körpers, der miteinander verbundene Partikel umfasst, so dass Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf poröse Körper, die beispielsweise und mit einem technologischen Verfahren ausgeführt werden, das die Erzeugung von Mikrostrukturen aus Pulver durch Agglomeration mittels Atomlagen-Abscheidung (ALD) bei niedrigen Temperaturen umfasst. Solche Mikrostrukturen können schrumpfungsfrei sein und kompatibel zu sogenannten BEOL (back end of line)-Standardprozessen bei Temperaturen bis zu 400°C sein. Unter Verwendung eines solchen Verfahrens lassen sich Kerne für integrierte Spulen mit geringen Wirbelstromverlusten bei hohen Frequenzen herstellen.
Poröse Mikrostrukturen in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen weisen eine hohe thermische Stabilität auf. Poröse Mikromagnete, agglomeriert aus NdFeB-Pulver können z. B. Temperaturen von bis 400°C ohne Degradation aushalten. Ebenso können derartige Strukturen aus weichmagnetischen Materialien, etwa zur Verwendung als Spulenkerne, ein vergleichbares Verhalten zeigen. Zudem kann die intrinsische Porosität von Mikrostrukturen zu deren aktiver Kühlung genutzt werden. Beispielsweise können derartige Strukturen in einem Phosphorkonverter, der aus fluoriszierenden Partikeln hergestellt werden kann, genutzt werden, indem Luft als Kühlmedium genutzt wird, das den porösen Körper durchströmt.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Verwendung von Spulen mit einem porösen Kern, der durch Agglomeration eines weichmagnetischen Pulvers mittels ALD hergestellt wurde. Hierdurch können elektronische Schaltungen besonders hoher thermischer Stabilität realisiert werden. Die 5a und 5b zeigen zwei beispielhafte mögliche Ausführungen. Die im aktiven Bauelement 36 und der Spule 38 freigesetzte Wärme wird durch eine Wärmesenke, den Kühlkörper 62 unterhalb des Trägers (Interposer) abgeführt. In ist die Spule wie auch das aktive Element diskret auf dem Träger montiert, z. B. durch Flip-Chip-Bonden. Wurde die Spule unter Verwendung eines Substrats mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt, wie z. B. Silizium, ist deren effektive Entwärmung gewährleistet. Selbst wenn die im aktiven Bauelement freigesetzte Wärme die Spule zusätzlich erwärmt, ist damit zu rechnen, dass die Leistungsgrenzen der Schaltung durch das aktive Bauelement, bzw. andere Bestandteile, bestimmt werden, jedoch nicht durch die Spule mit porösem Kern. Um die Entwärmung der Spule zu verbessern, ist die in 5b direkt im Träger integriert. So kann z. B. in einer möglichen Ausführungsform die für aktive Bauelemente auf Basis von Galliumnitrid (GaN) ein GaN-on-Si-Substrat verwendet und die Induktivität flächensparend mit dem Silizium-Substrat des GaN-on-Si-Wafers realisiert werden. Dieses kann einerseits von der Vorderseite durch Freilegen der für die Spule benötigten Fläche erfolgen.
Alternativ und besonders platzsparend kann die Spule auch auf der Rückseite des Substrats unterhalb des aktiven Bauelements angeordnet oder erzeugt werden. Auch eine Kombination von beiden Verfahren für die Realisierung von großen Spulendicken oder auch Transformatorstrukturen ist möglich. Werden z. B. sogenannte High Electron Mobility-Transistoren (HEMT) mit lateralem Stromfluss realisiert, so steht die rückseitige Fläche für die Realisierung von Spulen zur Verfügung. Bei einer aktiven Realisierung von vertikalen Bauelementen kann rückseitig ein Teil der Waferfläche für Induktivitäten genutzt werden, da der ohmsche Widerstand der Restfläche ausreichend niederohmig realisiert werden kann.
Zusätzlich ermöglicht die monolithische Integration eine Verringerung der parasitären Elemente des Kommutierungs-Kreises für den Laststrom und ermöglicht damit eine Steigerung der Schaltfrequenz und weitere Miniaturisierung.
Die gemeinsame Anordnung auf einem Substrat ermöglicht zudem einen neuen, zusätzlichen Freiheitsgrad in der Auslegung der Kommutierungsschleifen für den Laststrom. So kann die Anordnung optimal zueinander positioniert werden, so dass zusätzliche Kommutierungsschleifen und parasitäre kapazitive Effekte minimiert werden.
Bei der Ausführungsform gemäß 4a wird der poröse Kern der direkt in den Träger integrierten Spule als Kühlkreislauf genutzt und zur Wärmeabfuhr von einem Kühlmedium 26 durchströmt. Dadurch wird nicht nur die Spule besser gekühlt. Es kann mit einem höheren Gesamt-Kühleffekt gerechnet werden als mit einer konventionellen Wärmesenke gemäß 5a oder 5b. Zudem wird durch Anordnung der Spule direkt unterhalb des aktiven Bauelements die Fläche der Schaltung reduziert. Als Kühlmedium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit verwendet werden. In den 3a und 3b sind sowohl das aktive Bauelement als auch die Spule im Träger integriert. Während 4a beispielhaft die Integration eines aktiven, erhebliche Wärmemengen freisetzenden Bauelements mit einer Spule mit porösem Kern auf einem Träger (Interposer) aus einem thermisch gut leitenden Material zeigt, wobei der poröse Kern zur Kühlung der Spule sowie der gesamten Anordnung mit einem Kühlmedium durchströmt wird, zeigen die 3a und 3b einen vergleichbaren Aufbau, bei dem auch das aktive Element in das Substrat integriert ist.
Prinzipiell kann es sich bei den aktiven Elementen oder aktiven Bauelementen gemäß hierin beschriebener Ausführungsbeispiele um eine beliebige Komponente einer elektronischen Schaltung handeln, die beispielsweise im Betrieb viel Wärme freisetzt. Dies kann z. B. ein GaN-Leistungstransistor bzw. die elektronische Schaltung ein Spannungswandler-Modul sein. Mittels der Integration von Leistungstransistoren und Induktivitäten auf einem Basismaterial, wie z. B. eines GaN-FET (FET = Feldeffekttransistor) und einer Spule auf bzw. in einem Siliziumträgerwafer, können Schaltungen mit hohen Leistungsdichten und geringem Flächenbedarf realisiert werden. Das aktive Bauelement kann jedoch z. B. auch eine LED und insbesondere gemäß den 3a und 3b eine integrierte Schaltung sein.
Alternativ sind Ausführungsformen auch mit mehr als nur einer Spule möglich. Auf diese Weise können bei geeigneter Kerngeometrie z. B. auch Transformatoranordnungen in bzw. auf dem Interposer realisiert werden. Diese können ebenfalls aktiv gekühlt werden, indem das poröse Kernmaterial durch ein Kühlmedium durchströmt wird.
Alternativ kann die Induktivität auch in einem PCB oder DCB realisiert werden und das aktive Bauelement über der Spule positioniert werden. Diese Anordnung kann in Modulen für Stromrichter genutzt werden und ermöglicht z. B. eine Symmetrisierung von Pulsströmen. Dieses ist insbesondere beim Einsatz von sogenannten Wide-Bandgap Halbleiterbauelementen in Umrichtern vorteilhaft, da hier hohe Spannungssteilheiten und Überspannungsbelastungen auftreten und diese minimiert werden können.
Ausführungsbeispiele ermöglichen Spulen mit porösem Kern, hergestellt durch Agglomeration von Pulver mittels ALD, die den Betrieb elektronischer Schaltungen bei sehr viel höheren Temperaturen im Vergleich zu konventionellen Bauelementen ermöglichen. Die Porosität des Kernmaterials kann zur aktiven Kühlung der elektronischen Schaltung mittels eines durchströmenden Kühlmediums genutzt werden. Die Fläche einer elektronischen Schaltung kann gegenüber bekannten Konzepten weiter verringert werden. Die Leistungsdichte einer elektronischen Schaltung kann gegenüber bekannten Konzepten erhöht werden. Die platzsparende monolithische Integration von Induktivitäten mit aktiven Bauelementen auf einem gemeinsamen Substrat wie z. B. GaN-on-Si wird in Ausführungsbeispielen ermöglicht. Ferner ermöglichen Ausführungsbeispiele eine platzsparende, monolithische vertikale Anordnung von Transistoren oder Dioden und Induktivitäten.
Ausführungsbeispiele ermöglichen hohe Schaltfrequenzen integrierter Lösungen aufgrund kürzerer Verbindungslängen und geringerer parasitärer Elemente.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stehen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Literatur

[1] http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/digital-isolation-solutions-todesignproblems.html
[2] N. Wang et al., „High frequency DC-DC converter with co-packaged planar inductor and power IC“, Proc. ECTC Conf., Las Vegas, NV, USA, 2013
[3] R. Meere et al., „ Analysis of microinductor performance in a 20-100 MHz DCDC converter“, Transactions on Power Electronics, Vol. 24, No. 9, 2009
[4] P. R. Morrow et al., „Design and fabrication of on-chip coupled inductors integrated with magnetic material for voltage regulators“, Transactions on Magnetics, Vol. 47, No. 6, 2011

Claims

Vorrichtung mit: einem Substrat (12); einer mit dem Substrat (12) verbundenen Wärmequellenstruktur (14), die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge (16) bereitzustellen; und einem porösen Körper (18; 20), der mit einander verbundene Partikel (22) umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln (22) mit einander fluidisch verbundene Hohlräume bilden; wobei der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge (16) der Wärmequellenstruktur (14) zumindest teilweise zu empfangen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der poröse Körper für einen Durchfluss eines Fluids (24) einen Eintrittsbereich (28) zum Eintritt des Fluids (24) und einen mit dem Eintrittsbereich (28) vermittels der fluidisch mit einander verbundenen Hohlräume fluidisch gekoppelten Austrittsbereich (32) zum Austritt des Fluids (24) aufweist; und ausgebildet ist, um während des Durchflusses zumindest einen Teil der empfangenen Wärmemenge (16) an das Fluid (24) abzugeben, um den porösen Körper (18; 20) zu kühlen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die ausgebildet ist, um den Durchfluss zumindest teilweise basierend auf der abgegebenen Wärmemenge (16) zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, die ausgebildet ist, um den Durchfluss zumindest teilweise aktiv zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das Substrat (12) eine fluidische Öffnung (44) aufweist, die ausgebildet ist, um ein Fluid (24) hin zu dem Eintrittsbereich (28) und/oder weg von dem Austrittsbereich (32) hindurchzulassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der der poröse Körper erste Partikel (22) umfasst, die mit einander verbundene erste Hohlräume (24) bilden; und in einem Bereich der fluidischen Öffnung eine poröse Struktur (46) angeordnet ist, die mit einander verbundene zweite Partikel (48) umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den zweiten Partikeln (48) mit einander fluidisch verbundene zweite Hohlräume (52) bilden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die zweiten Partikel (48) amagnetisches Material umfassen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der poröse Körper (46) eine Filterstruktur bereitstellt, um das Fluid (24) zu filtern.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der poröse Körper (18) zumindest einen Teil eines Funktionselementes bereitstellt, das eine Funktion der Vorrichtung bereitstellt, und ausgebildet ist, um die Funktion unter dem Einfluss der Wärmequellenstruktur (14) beizubehalten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der das Funktionselement mit einem Betrieb der Wärmequellenstruktur (14) assoziiert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der das Funktionselement eine elektrische Spule umfasst, wobei der poröse Körper weichmagnetische Partikel (22) umfasst und als Spulenkern der elektrischen Spule angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) ausgebildet ist, um einen örtlichen Bereich des porösen Körpers (18; 20) auf eine Temperatur von zumindest 250°C zu erwärmen.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der poröse Körpers für eine Temperatur von zumindest 250°C temperaturstabil ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) ein aktives Element (36) umfasst, das ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge (16) zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der das aktive Element (36) eine Leuchtdiode und/oder eine Diode und/oder einen Transistor und/oder eine integrierte Schaltung umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) zumindest einen Teil eines elektrisch passiven Elements (38) umfasst, wobei das elektrisch passive Element (38) ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge (16) zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei dem das elektrisch passive Element (38) eine elektrische Spule umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der die Wärmequellenstruktur (14) einen Teil der elektrischen Spule bildet; oder eine elektrische Spule bildet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17 oder 18, bei der die Partikel (22) des porösen Körpers (18; 20) weichmagnetisches Material umfassen und der poröse Körper als Spulenkern der elektrischen Spule angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei der die Wärmequellenstruktur (14) ein aktives Element (36) umfasst, das ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge (16) zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der zumindest eine Spulenwindung einer elektrischen Spule um das aktive Element (36) herumläuft.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) ein aktives Element (36) und zumindest einen Teil einer elektrisch passiven Wärmequelle (38) umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der poröse Körper zumindest teilweise in das Substrat (12) integriert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Substrat (12) eine gedruckte Leiterplatte (engl. printed circuit board, PCB) und/oder ein direkt verbundenes Kupfer (engl. direct bonded copper, DBC bzw. direct copper bond, DCB) und/oder ein Halbleitermaterial und/oder ein Glasmaterial umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) zumindest einen Spulenteil einer elektrischen Spulenstruktur bildet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der der Spulenteil zumindest teilweise in das Substrat (12) integriert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 25 oder 26, bei der der Spulenteil parallel zu einander verlaufende erste Leiterbahnelemente (58₁-58₆) umfasst, wobei jedes Leiterbahnelement an einem ersten Leiterbahnende und einem zweiten gegenüberliegenden Leiterbahnende mit einer Via-Struktur (64) kontaktiert ist; wobei die Via-Strukturen Anschlussbereiche für zweite Leiterbahnelemente (58₇-58₁₂) definieren, wobei eine Kombination der ersten Leiterbahnelemente (58₁-58₆), der Via-Strukturen (64) und der zweiten Leiterbahnelemente (58₇-58₁₂) die elektrische Spulenstruktur zumindest teilweise bilden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 27, bei der die Via-Strukturen (64) Hohlzylinderstrukturen umfassen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 25 bis 28, bei der der poröse Körper (18) angeordnet ist, dass er von der elektrischen Spulenstruktur umwickelt ist, um einen Spulenkern bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 25 bis 29, bei der die Spulenstruktur monolithisch mit einem aktiven Element (36) auf dem gemeinsamen Substrat (12) integriert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend einen Kühlkörper, der mit dem Substrat (12) wärmeleitfähig verbunden ist.
Verfahren (900) zum Bereitstellen einer Vorrichtung mit folgenden Schritten: Verbinden (910) einer Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen, mit einem Substrat; und Anordnen (920) eines porösen Körpers, der mit einander verbundene Partikel umfasst, so dass Zwischenräume zwischen den Partikeln mit einander fluidisch verbundene Hohlräume bilden; so dass der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
Verfahren gemäß Anspruch 32, ferner umfassend: Einbringen einer Vielzahl von Partikeln in eine Aussparung des Substrats; und Durchführen einer Atomlagenabscheidung, um die Vielzahl von Partikel zu dem porösen Körper zu verfestigen.