DE10245266A1

DE10245266A1 - Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen

Info

Publication number: DE10245266A1
Application number: DE2002145266
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Jacob; Christoph Ruf; Albert-Andreas Hoebel; Ulrich Trescher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit einem metallischen Kühlkörper (40), wobei der metallische Kühlkörper (40) eine Ausnehmung aufweist, in die eine mit Metall infiltrierte Keramik (20) angeordnet ist. Die Oberseite der Keramik (20) ist metallisiert und erlaubt die Anordnung eines elektronischen Bauelementes.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-PS 197 30 865 C2 bekannt. Dort wird ein Kühlkörper zur Kühlung elektronischer Bauelemente beschrieben, der aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, zu der 5 bis 50 Gew.% Partikel- oder faserförmiges Siliziumcarbid zugemengt werden. Durch die Zugabe des Siliziumcarbids wird das Wärmeausdehnungsverhalten des Kühlkörpers an das Wärmeausdehnungsverhalten des zu kühlenden Elementes angepasst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Kühlkörper nicht komplett aus einem teuren und schwer zu verarbeitenden Verbundwerkstoff hergestellt werden muss. Sie kann statt dessen im Wesentlichen einheitlich aus einem Metallstück gefertigt werden, wobei die zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten vorgesehene Keramik nur lokal eingesetzt wird.

In vorteilhafter Weise kann die Oberfläche des Kühlkörpers elektrisch leitend oder nicht leitend ausgeführt sein und lässt sich so den verschiedenen Anwendungen oder Einbaubedürfnissen anpassen.

Besonders vorteilhaft wird für den Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten eine Siliziumcarbid-Keramik eingesetzt, die vorzugsweise mit Aluminium gefüllt ist.

Vorteilhaft besteht der metallische Kühlkörper aus einem Material mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des die Keramik infiltrierenden Metalls und ist somit Träger und Gießform zugleich.

In vorteilhafter Weise ist auf der Keramik eine Metallisierung aufgebracht. Insbesondere kann eine lötfähige Metallisierung vorgesehen sein, die ein einfaches und sicheres Aufbringen elektronischer Bauelemente durch Löten ermöglicht. Es kann aber auch eine Metallisierung sein, die für die Verbindung der elektronischen Bauelemente durch Kleben optimiert ist.

Bei der Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelementen wird eine offenporige Keramik in eine Ausnehmung eines metallischen Körpers eingebracht. Unter Wärme und Vakuum wird die Keramik mit flüssigem Metall infiltriert und ist über das erstarrende Metall fest mit dem metallischen Kühlkörper verbunden. Das Füllen der Keramik unter Vakuum hat den besonderen Vorteil, dass durch die im Vakuum verminderte Schmelztemperatur der Metalle die Fertigungstemperatur gering gehalten werden kann. Darüber hinaus ist der Sauerstoff-Partialdruck im Vakuum vermindert, so dass die Oxidation des flüssig eingebrachten Metalls vernachlässigbar ist.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel

2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einer zusätzlichen Isolationsschicht

1 zeigt einen Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführung einer Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen. In einem metallischen Kühlkörper 10 ist an der Oberseite eine sich in die Tiefe des Kühlkörpers erstreckende Ausnehmung vorgesehen. In dieser Ausnehmung ist eine metallgefüllte Keramik 20 eingebracht. Die Oberseite der metallgefüllten Keramik 20 ist mit einer Metallisierung 30 versehen. Ein elektronisches Bauelement 40 ist über ein Verbindungsmittel 50 thermisch und elektrisch leitfähig mit der Metallisierung 30 verbunden.
Die beim Betrieb des elektronischen Bauelements entstehende Wärme wird durch den metallischen und gut Wärme leitenden Kontakt des Bauelements mit dem Verbindungsmittel 50 über die Metallisierung 30 und die metallisierte Keramik 20 an den metallischen Kühlkörper abgeführt. Der Kühlkörper wiederum ist so gefertigt, dass die Wärme an ein Kühlmedium abgegeben werden kann. Trotz Kühlung wird die gesamte Anordnung eine Temperatur annehmen, die typischerweise oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Durch die Erwärmung dehnen sich die Elemente der Anordnung gemäß ihrer Materialeigenschaft aus. Hier zeigen elektronische Bauelemente eine deutlich geringere Ausdehnung als Metalle. Ohne kompensierende Elemente treten an der Grenzfläche zwischen Bauelement und metallischem Kühlkörper aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten mechanische Spannungen auf. Wird darüber hinaus die Elektronik durch verschiedene Betriebzustände unterschiedlich belastet, erfahren die Elemente der Anordnung wechselnde Temperaturzustände und die Grenzfläche zwischen dem Bauelement und dem metallischen Kühlköper wird durch die sich ständig ändernden Kräfte zusätzlich belastet. Dies führt häufig schon nach wenigen Temperaturzyklen zu einer Zerstörung der Verbindung oder des elektronischen Bauelements. Diese zerstörenden Kräfte können aufgefangen werden, indem zwischen einem elektronischen Bauelement und einem metallischen Kühlkörper ein Element eingebracht wird, das das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten bei sich verändernden Temperaturen kompensiert.
In der erfindungsgemäßen Anordnung ist die metallgefüllte Keramik 20 als kompensierendes Element vorgesehen. Hierbei ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der metallgefüllten Keramik 20 so einzustellen, dass er vorzugsweise zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Elemente liegt. Das Ausdehnungsverhalten der metallgefüllten Keramik 20 sollte vorzugsweise in der Nähe des zu schützenden elektronischen Bauelementes liegen, um eine Beschädigung durch zu große unterschiedliche Längenausdehnungen auszuschließen. Das Wärmeausdehnungsverhalten der Keramik kann durch die Verwendung unterschiedlicher Keramiken und durch Variation des Füllmaterials und der Füllmenge auf die jeweiligen Erfordernisse eingestellt werden.
Als Keramik kann vorteilhaft Siliziumcarbid eingesetzt werden, wobei auch Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und andere Keramiken in Betracht kommen. Die Keramiken sind vorzugsweise offenporig ausgeführt, um ein Füllen, ein Infiltrieren mit flüssigem Metall zu ermöglichen. Auch partikel- oder faserförmige Keramikmaterialen können vorgesehen sein.
Die Keramik wird in die Ausnehmung des metallischen Kühlkörpers eingebracht und mitsamt dem Kühlkörper erwärmt. Unter Vakuum wird die Keramik mit einem im flüssigen Zustand befindlichen Metall infiltriert. Hierbei wird die Ausnehmung mit der innenliegenden Keramik mit Metall gefüllt. Nach dem Abkühlen der Vorrichtung ist die nun infiltrierte Keramik über das erstarrte Metall fest und dauerhaft mit dem tragenden Kühlkörper verbunden. Als infiltrierendes Metall eignet sich insbesondere Aluminium, das in Verbindung mit Siliziumcarbid eine AlSiC-Keramik bildet. Durch Variation der Metall- und Keramik-Anteile kann der Ausdehnungskoeffizient der Keramik den jeweiligen Ausdehnungsverhalten der Verbundpartner, beispielsweise Silizium und Stahl, in vorteilhafter Weise angepasst werden.
Der Herstellungsprozess erweist sich als besonders wirtschaftlich, da gegenüber anderen Verfahren die infiltrierte Keramik nicht mehr entformt zu werden braucht und somit der metallische Kühlkörper als verlorene Gießform betrachtet werden kann. Eine Vorfertigung einer infiltrierten Keramik in einer teuren Gießform mit einem aufwändigen Entformungsprozess sowie der anschließenden Montage und Fixierung in einem Kühlkörper entfällt. So lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in wenigen Prozessschritten einfach und kostengünstig herstellen.
Die Infiltration der Keramik erfolgt vorzugsweise im Vakuum. Dies hat zum einen den Vorteil, dass mit sinkendem Druck auch der Sauerstoff-Partialdruck abnimmt. Bei geeigneter Vakuumführung oder Hinzugabe von Inertgas kann der Sauerstoffanteil weiter vermindert werden und eine Oxidation wirkungsvoll verhindert werden. Zum anderen vermindert sich die Schmelztemperatur der Metalle bei sinkenden Drücken und ermöglicht so eine Infiltration bei niedrigeren Temperaturen.
Die Ausnehmung, in die die metallgefüllte Keramik eingebracht bzw. hergestellt wird, kann in beliebigen Formen ausgeführt werden. Rechteckige und runde Formen sind bevorzugt, wobei Ausnehmungen in runder Form die eingebrachte Keramik bei sich ändernden Längenausdehnung mechanisch weniger belasten.
Der metallische Kühlkörper besteht aus einem gut Wärme leitenden Material. Aufgrund der beim Infiltrations-Prozess notwendigen hohen Temperaturen sind Metalle oder Metalllegierungen zu verwenden deren Schmelzpunkte oberhalb des Schmelzpunktes des die Keramik infiltrierenden Metalls liegen. Als besonders geeignet erweist sich Stahl, der insbesondere durch Beimischungen oder Legierungen auf die vielfältigsten Bedürfnisse angepasst werden kann.
Unebenheiten an der Keramikoberfläche, die beispielsweise durch den Infiltration-Prozess eingebracht wurden, können vorteilhaft durch mechanische Bearbeitung und eine zusätzliche Metallisierung 30 ausgeglichen werden. Weiterhin besteht durch die zusätzliche Metallisierung die Möglichkeit, die Haftungseigenschafen zu einem Verbindungsmittel 50 zu verbessern. Wird als Verbindungsmittel 50 beispielsweise ein Lot eingesetzt, so bietet es sich an, die Keramik 20 mit einer lötfähigen Metallisierung 30 abzuschließen. Ist als Verbindungsmittel 50 ein leitfähiger Klebstoff vorgesehen, so kann auch hier die Metallisierung entsprechend angepasst werden.
Um die Wärmeableitung des Kühlkörpers zu verbessern, können weitere bauliche Maßnahmen vorgesehen sein, die die Oberfläche des Kühlkörpers weiter vergrößern, wie z.B. Kühlrippen oder weitere Kontaktflächen zur Wärmeableitung. Des Weiteren kann der Kühlkörper auch an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen sein, bei dem die Wärme des Kühlkörpers von einem Kühlmedium aufgenommen wird. Hierbei wird der Kühlkörper entweder direkt auf eine gekühlte Fläche aufgebracht oder es sind Kühlkanäle im Inneren des Kühlkörpers vorgesehen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel beim dem zu den in 1 genannten Elementen zusätzlich eine elektrisch nicht leitende Schicht 60 auf der Oberfläche des metallischen Kühlkörpers 10 angeordnet ist. Diese elektrisch nicht leitende Schicht erstreckt sich über die Oberflächen der Ausnehmung und mindestens über die Oberfläche der Seite des Kühlkörpers auf der die Ausnehmung angeordnet ist. Hierdurch wird das elektronische Bauelement 40 das über das Verbindungsmittel 50 mit der metallgefüllten Keramik 20 elektrisch und thermisch in Verbindung steht elektrisch vom metallischen Kühlkörper 10 isoliert. Die nicht leitende Schicht 60 dient vornehmlich der elektrischen Isolation, sollte aber dennoch gute Wärme leitende Eigenschaften besitzen. Wird für den Kühlkörper Aluminium vorgesehen, können die Oberflächen beispielsweise durch Eloxieren elektrisch nicht leitend ausgeführt werden. Es sind auch andere Verfahren denkbar, wie z.B. Plasma-CVD, Plasma-Spritzen, Plasmapolymerisation, Lackierungen oder ähnliches, bei denen organische oder anorganische, elektrisch nicht leitende Oberflächenbeschichtungen aufgebracht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft die elektrisch nicht leitenden Schichten elastisch auszuführen. So können die Kräfte, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der Komponenten eingebracht werden, durch elastische Verformungen aufgefangen werden.
Die elektrisch nicht leitenden Schichten sind vorzugsweise hochtemperaturfest auszuführen, um die bei der Infiltration notwendigen hohen Temperaturen unbeschadet zu überstehen.
Des Weiteren können mehrere elektrisch isolierte Ausnehmungen vorgesehen sein. Dies erlaubt den Einsatz von Halbleitern mit unterschiedlichem Rückseitenpotential, wie es z.B. für die Realisierung von Umrichterschaltungen erforderlich ist.

Claims

Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) mit einem metallischen Kühlkörper (10) , dadurch gekennzeichnet, dass – auf einer Seite des Kühlkörpers (10) mindestens eine Ausnehmung vorgesehen ist, – wobei in der Ausnehmung eine Keramik (20) angeordnet ist, die mit Metall durchsetzt ist.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) mit einem metallischen Kühlkörper (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik (20) an einer Oberseite metallisiert ist.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) mit einem metallischen Kühlkörper (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf der metallisierten Oberseite der Keramik (20) elektronische Bauelemente angeordnet sind.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Seite des Kühlkörpers (10) auf der sich die Ausnehmung befindet und die Ausnehmung elektrisch nicht leitend ausgeführt sind.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Seite des Kühlkörpers (10) auf der sich die Ausnehmung befindet und die Ausnehmung elektrisch leitend ausgeführt sind.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik (20) Siliziumcarbid (Si-C) enthält.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik (20) mit Aluminium gefüllt ist.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Kühlkörper (10) aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des die Keramik infiltrierenden Metalls gefertigt ist.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Kühlkörper (10) aus Stahl gefertigt ist.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Keramik (20) eine lötfähige Metallisierung (30) aufgebracht ist.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektronisches Bauelement (40) auf die Metallisierung (50) der Keramik (20) gelötet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) mit den Schritten: – Herstellung mindestens einer Ausnehmung in einem Metallsubstrat, – eine offenporige Keramik (20) wird in die Ausnehmung eingebracht, – die Keramik (20) wird unter Wärme und Vakuum mit flüssigem Metall gefüllt.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Metall gefüllten Keramik (20) metallisiert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach Anspruch 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung und die Seite des Kühlkörpers (10) auf der sich die Ausnehmung befindet elektrisch nicht leitend ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach Anspruch 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung und die Seite des Kühlkörpers (10) auf der sich die Ausnehmung befindet elektrisch leitend ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik (20) Silizium-Carbid (Si-C) enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik (20) mit Aluminium gefüllt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach den Ansprüchen 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Kühlkörper (10) aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des die Keramik infiltrierenden Metalls gefertigt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach den Ansprüchen 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Kühlkörper (10) aus Stahl gefertigt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach den Ansprüchen 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik (20) mit einer lötfähigen Metallisierung (50) versehen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (40) nach den Ansprüchen 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektronisches Bauelement (40) auf die Metallisierung (30) der Keramik (20) gelötet ist.