DE19506091A1 - Kühlelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein als Kühlelement in Form eines Mehrfachsubstrates für elektrische Schaltkreise oder Baugruppen gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Bekannt sind mehrschichtige Kühlanordnungen oder Kühlsysteme für elektrische und elektronische Bauelemente, insbesondere auch solche als Wärmesenke für elektrische Halbleiter-Bauelemente und dabei speziell auch als Wärmesenke für Hochleistungs- Laserdioden oder Hochleistungs-Laserdiodenanordnungen (US 51 05 430).

Bei bekannten Kühlsystemen sind in dem stapelartig aneinander anschließenden Schichten Kühlkanäle ausgebildet, die von einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise Wasser durchströmt werden. Diese Kanäle bei den bekannten Systemen typischerweise Mikro-Kanäle, die in den Schichten in unmittelbarer Nähe des zu kühlenden Bauelementes durch dreidimensionale Mikro-Strukturen gebildet sind, um so durch eine möglichst große, mit dem Kühlmedium in Kontakt kommende Oberfläche eine Verbesserung der Kühlwirkung zu erreichen. Durch den Einsatz einer derartigen Wärmesenke kann der Wärmewiderstand gegenüber einem konventionellen konduktiven Kühler um einen Faktor 2-5 reduziert werden.

So ist beispielsweise eine Kühlanordnung mit einem zirkulierendem Kühlmedium zur Kühlung von Halbleiter-Diodenlaser bekannt (US 51 05 430), bei der das zu kühlende Bauelement sowohl elektrisch als auch thermisch mit dem Kühler verbunden ist. Unter dem Halbleiter-Bauelement sind die Mikro-Kanäle ausgebildet. Zum Zuführen und Abführen sind im Kühlelement Zu- und Abführkanäle ausgebildet.

Bekannt ist weiterhin eine Anordnung (US 50 99 910), bei der ein großflächiger Kühler durch eine Vielzahl von Mikro-Kanälen unter einer zu kühlenden Fläche erzeugt ist. Die Besonderheit bei dieser bekannten Anordnung besteht in der speziellen Form der mäanderförmigen Kühlmittelführung durch die Mikro-Kanäle. Die Anordnung eignet sich zum Kühlen von elektronischen Bauelementen allgemein.

Bekannt ist weiterhin eine Kühlanordnung (US 45 73 067), die speziell für kompakte integrierte Schaltkreise bestimmt ist. Zur Vergrößerung der Kühl- bzw. Wärmetauscherfläche werden Kühlstäbe verwendet, die in einer von dem Kühlmedium durchströmten Kammer untergebracht sind.

Bekannt ist schließlich auch eine als Kreuzstrom-Wärmeaustauscher ausgebildete Kühlanordnung (US 45 16 632), die aus mehreren, aufeinander gelegten, strukturierten Blechen besteht.

Nachteil ist bei den bekannten Kühlern oder Kühlelementen, daß sie, soweit sie zur Erzielung einer möglichst effizienten Wärmeabfuhr Mikro-Kanäle verwenden, d. h. Kanäle mit einer Breite kleiner als 100 µm, eine relativ aufwendige Herstellung erfordern und daß darüberhinaus die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlelementes und des Chipmaterials des zu kühlenden Bauelementes nicht berücksichtigt ist sowie auch die mechanische Festigkeit und die Möglichkeiten der Stromzuführung nicht optimal gelöst sind.

Bekannte Kühlelemente erfordern, sofern es sich hier um metallische und leitfähige Kühler handelt, zusätzliche isolierende Folien zur Isolation oder Potentialtrennung an den elektrischen Bauelementen, insbesondere auch zwischen Anode und Kathode eines Diodenlasers. Als zusätzliche Schwierigkeit ergibt sich hierbei auch, daß diese isolierende Folie, falls sie eine dichtende Funktion gegenüber dem Kühlmedium hat, durch den Druck des Kühlmediums verformt wird. Hierdurch sind dann Spannungen in dem zu kühlenden Halbleiter-Bauelement unvermeidlich, die zu einer frühzeitigen Schädigung des Halbleiter-Bauelementes, beispielsweise Halbleiter-Diodenchips führen.

Bei nichtleitenden Kühlern besteht die Notwendigkeit, leitfähige Schichten galvanisch aufzubringen, und zwar als Kontaktschichten und Leiterbahnen. Derartige galvanisch aufgebrachte Schichten verfügen aber in der Regel nur über sehr geringe Dicken, so daß große Ohm′sche Verluste auftreten und hohe Stromdichten in den leitenden Schichten nicht möglich sind, da diese zu einer metallurgischen Veränderung der leitenden Schichten, d. h. der Leiterbahnen und Kontaktflächen führen können.

Bei bekannten Kühlelementen wird versucht, durch entsprechende Materialauswahl den Ausdehnungskoeffizienten des Kühlelementes dem Ausdehnungskoeffizienten des Chipmaterials des Halbleiter-Bauelementes, beispielsweise dem Ausdehnungskoeffizienten von GaAs bei Halbleiter-Diodenlasern anzupassen. Die hierbei in Frage kommenden Materialien besitzen aber relativ geringe Wärmeleitfähigkeiten.

Nachteilig bei bekannten metallischen Kühlelementen, die aus dünnen Metallschichten oder Metallfolien bestehen ist, daß die Beständigkeit dieser Kühlelemente gegen mechanische Verformungen nicht sehr groß ist, d. h. während oder nach einem Montagevorgang sind Verformungen möglich, die dann zu Spannungen in den am Kühlelement vorgesehenen Halbleiter-Bauelement und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer dieses Bauelementes führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlelement aufzuzeigen, welches trotz der Möglichkeit einer einfachen Herstellung und optimaler Kühlwirkung die Nachteile der bekannten Kühlelemente vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Kühlelement entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlelement ist der Anteil an dem Material, welches einen im Vergleich zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, so groß gewählt, daß die thermische Festigkeit dieses Materials größer ist als die thermische Festigkeit der Metallschichten, d. h. die thermische Ausdehnung des Kühlelementes im wesentlichen nur durch die Schicht aus dem Material mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten bestimmt ist.

Weiterhin ist das erfindungsgemäße Kühlelement oder das Mehrfach-Substrat symmetrisch zu einer Mittelebene ausgebildet, so daß das Kühlelement trotz der verwendeten Metallschichten insgesamt einen reduzierten bzw. "gebremsten" Ausdehnungskoeffizienten besitzt, ohne daß sich das Kühlelement bei thermischen Wechselbelastungen verbiegt. Die von dem wärmetransportierenden Medium durchströmten Kanäle sind bei dem erfindungsgemäßen Kühlelement Makro-Kanäle, d. h. solche mit relativ großen Abmessungen, die preiswert gefertigt werden
Diese Kanäle sind dann bevorzugt durch einfache Schlitze oder Ausnehmungen in einer Schicht realisiert. Diese Schlitze sind dann durch angrenzende Schichten zur Bildung des jeweiligen Kanal es geschlossen. Die erforderliche Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß der Strömungsweg für das Kühlmedium wenigstens zwei derartige Kanäle in unterschiedlichen Ebenen des Mehrfach-Substrates aufweist, die durch eine Öffnung miteinander verbunden sind, so daß im Bereich dieser Öffnung die Strömung des Kühlmediums nicht nur umgelenkt wird, sondern im Bereich dieser Öffnung wenigstens eine angrenzende Schicht in einer Achsrichtung senkrecht zur Mittelebene des Kühlelementes von dem Kühlmedium angeströmt wird, so daß dort durch eine turbulente Strömung ein wesentlich verbesserter Wärmeübergang zwischen dem Kühlelement und dem Kühlmedium erreicht wird.

Durch die Makro-Struktur der Kanäle ist eine preiswerte Fertigung des erfindungsgemäßen Kühlelementes möglich, und zwar ohne eine Verschlechterung der Kühlwirkung, da durch den Aufprall des Kühlmediums an den zwei Kanäle verbindenden Öffnungen durch Turbulenz eine verbesserte Wärmeübertragung an das Kühlmedium erreicht wird.

Durch den symmetrischen Aufbau werden weiterhin auch ein Wölben des Kühlelementes bei wechselnden Temperaturen und damit zusätzliche Beanspruchungen des am Kühlelement vorgesehenen elektronischen Bauelementes vermieden. Durch die Auswahl der Anzahl der Schichten und/oder deren Dicke ist es weiterhin auch möglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlelementes so einzustellen, daß dieser nicht oder allenfalls nur noch vernachlässigbar gering von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Halbleiter-Bauelementes, beispielsweise von GaAs abweicht.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß auch die Festigkeit bzw. Formbeständigkeit gegenüber mechanischen Belastungen durch den Anteil an Keramik wesentlich verbessert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anteil an Keramik, insbesondere der volumenmäßige Anteil an Keramik im gesamten Material des Kühlelementes größer als der Anteil an Kupfer. Auch bei dem erfindungsgemäßen Kühlelement sind die elektrischen Bauelemente unmittelbar an wenigstens einer Seite dieses Kühlelementes, z. B. an einer dort gebildeten Metallfläche befestigt.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlelement sind die verwendeten Kupferschichten und Keramikschichten jeweils bevorzugt unter Verwendung der DCB-Technik flächig miteinander verbunden, und zwar ohne Verwendung zusätzlicher Hilfsstoffe, so daß der geringere Wärmeausdehnungskoeffizient der wenigstens einen Keramikschicht sich unmittelbar reduzierend auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des gesamten, mehrschichtigen Kühlelementes auswirken kann, d. h. die Kupferschichten unmittelbar und ohne eine nachgiebige Zwischenschicht in ihrer Wärmeausdehnung durch die wenigstens eine Keramikschicht gebremst werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Kühlelement aus mehreren stapelartig übereinander angeordneten und flächig miteinander verbundenen Schichten, von denen dann wenigstens eine Schicht eine Metallschicht, beispielsweise Kupferschicht bildet und zumindest eine Schicht aus einem Material besteht, welches ein im Vergleich zu dem Metall geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei die Schichtfolge symmetrisch zu der parallel zu den Oberflächenseiten des Kühlelementes verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist. Zur Bildung der Kühlstruktur bzw. Kühlebene des Kühlelementes ist dann wenigstens eine Schicht mit wenigstens einer Ausnehmung versehen, die zur Bildung wenigstens eines sich in der Ebene dieser Schicht erstreckenden Kanals einen den Kanal bildenden schlitzförmigen Abschnitt aufweist und durch angrenzende Schichten an der Ober- und Unterseite verschlossen ist. In den angrenzenden Schichten sind dann räumlich gegeneinander versetzt in den Kanal mündende Öffnungen zum Zu- und Abführen des den Kanal durchströmenden Kühlmediums vorgesehen.

In dem mehrlagigen Kühlelement können dann mehrere derartige Kühlebenen vorgesehen sein, die entweder mit ihren durch die Öffnungen gebildeten Ein- und Auslässen funktionsmäßig in Serie liegen oder aber parallel zueinander angeordnet sind.

Um eine möglichst wirksame Kühlwirkung bzw. Wärmesenke für ein elektronisches Bauelement zu erreichen, wird so verfahren, daß selbstverständlich wiederum bei symmetrischem Aufbau der Schichtfolge wenigstens zwei Kühlebenen verwendet sind, von denen jeweils eine an einer Oberflächenseite einer Keramikschicht flächig an dieser befestigt ist, wobei die Kühlebenen jeweils aus Kupferschichten bestehen, zumindest an ihren der Keramikschicht abgewandten Seiten. Der Diodenlaser oder die Diodenlaseranordnung ist dann unmittelbar an einer Oberflächenseite dieses Kühlelementes befestigt, d. h. eine der beiden Kühlebenen befindet sich dann zwischen dem Halbleiter-Bauelement und der den Wärmeausdehnungskoeffizienten reduzierenden Schicht, nämlich der Schicht aus Halbleiter-Material.

Eine andere Ausführungsform besteht beispielsweise darin, daß beidseitig von einer Kühlebene eine Keramikschicht vorgesehen ist, die flächig mit der Kühlebene verbunden ist, die wiederum aus Kupfer oder Kupferschichten besteht. Die Keramikschichten sind dann an ihren außenliegenden Seiten metallisiert, d. h. mit einer Kupferschicht versehen, und auf einer dieser Schichten befindet sich die Laserdiodenanordnung, wobei unterhalb der Laserdiodenanordnung in der Keramikschicht zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ein Einsatz oder eine vergrabene Schicht aus einem Material mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Diamant, T-cBN) eingebracht ist, wobei die verbesserte Leitfähigkeit des eingelegten Materials bei dieser Ausführungsform zugleich als Wärmespreitzer verwendet wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Explosionsdarstellung einen unter Verwendung eines Kühlkörpers oder Substrates gemäß der Erfindung hergestellten elektrischen Schaltkreis;

Fig. 2 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 eine abgewandelte Ausführungsform;

Fig. 3 im Schnitt eine weitere mögliche Ausführungsform.

In der Fig. 1 ist ein mehrlagiges, zugleich als Kühlkörper oder Kühlelement ausgebildetes Substrat wiedergegeben, welches insgesamt aus fünf Schichten oder Lagen besteht, nämlich aus der in der Fig. 1 oberen Schicht 2 aus Keramik, beispielsweise aus einer Aluminium-Oxyd-Keramik (Al₂O₃) aus der von einer Kupferfolie gebildeten Kupferschicht 3, aus der ebenfalls aus einer Kupferfolie gebildeten Kupferschicht 4, aus der von einer Kupferfolie gebildeten Kupferschicht 5 sowie aus der Keramikschicht 6, die ebenfalls beispielsweise eine Aluminiumoxyd-Keramik ist.

Sämtliche Schichten 2-6 besitzen bei der dargestellten Ausführungsform einen quadratischen Zuschnitt. Es versteht sich, daß auch andere Zuschnitte für diese Schichten denkbar sind. Weiterhin besitzen sämtliche Schichten 2-6 jeweils die gleiche Größe.

Auf der Oberseite der Keramikschicht 2 sind Leiterbahnen oder Kontaktflächen 7 vorgesehen. Weiterhin befinden sich auf der Oberseite der Keramikschicht 2 verschiedene elektronische Bauelemente 8-10 in Form von Chips. Diese sind in geeigneter Weise und unter Verwendung bekannter Techniken an der Oberseite der Keramikschicht 2 bzw. an den dortigen Leiterbahnen 7 und Kontaktflächen befestigt.

Außerhalb des von den Leiterbahnen 7 und den Bauelementen 8-10 eingenommenen Bereichs besitzt die Keramikschicht 2 zwei Öffnungen oder Durchlässe 11 bzw. 12, von denen der Durchlaß 11 entsprechend dem Pfeil A zum Zuführen eines Kühlmediums und der Durchlaß 12 entsprechend den Pfeil B zum Abführen des Kühlmediums dienen. Das Zuführen und Abführen dieses Kühlmediums, welches im einfachsten Fall Wasser ist, aber auch ein anderes flüssiges oder gasförmiges Medium sein kann, erfolgt über nicht dargestellte Kanäle, die dicht an die Durchlässe 11 und 12 angeschlossen sind.

In der Kupferschicht 3 ist eine zur Umfang dieser Schicht hin geschlossene erste Öffnung 13 vorgesehen, die im wesentlichen aus zwei parallelen Abschnitten 13′ und 13′′ besteht, die über einen Abschnitt 13′′′ miteinander verbunden sind. Weiterhin besitzt die Kupferschicht 3 eine von der Öffnung 13 getrennte Öffnung 14.

Die Kupferschicht 4 besitzt insgesamt drei räumlich gegeneinander versetzte und voneinander getrennte fensterartige Öffnung 15, 16 und 17. In der Kupferschicht 5 ist schließlich eine Ausnehmung oder Öffnung 18 vorgesehen, die entsprechend der Öffnung 13 zwei im wesentlichen parallele Abschnitte 18′ und 18′′ sowie einen diesen miteinander verbindenden Abschnitt 18′′′ aufweist.

Die Durchlaßöffnungen 11 und 12 sowie die Öffnungen 13-18 sind derart in den einzelnen Schichten angeordnet und orientiert, daß bei miteinander verbundenen Schichten 2-6 die Öffnungen 13 und 18 mit ihren Abschnitten 13′-13′′ bzw. 18′-18′′′ jeweils in der Ebene dieser Schichten verlaufende Verteilerkanäle zwischen der Keramikschicht 2 und der Kupferschicht 4 bzw. zwischen der Kupferschicht 4 und der Keramikschicht 6 bilden, daß die Abschnitte 13′ und 18′ im wesentlichen deckungsgleich untereinander parallel zueinander verlaufen sowie auch die Abschnitte 13′′ und 18′′, daß die Durchlaßöffnung 11 in den Abschnitt 13′ im Bereich des einen Endes dieses Abschnittes mündet, daß das andere Ende des Abschnittes 13′ über die fensterartige Öffnung 15 mit dem Abschnitt 18′′′ entfernt liegenden Ende des Abschnittes 18′ in Verbindung steht, daß das dem Abschnitt 13′′′ entfernt liegende Ende des Abschnittes 13′′ über die fensterartige Öffnung 16 mit dem Abschnitt 13′′′ entfernt liegenden Ende des Abschnittes 18′′ in Verbindung steht, und daß die jeweils den gleichen Querschnitt aufweisenden Öffnungen 12, 14 und 17 deckungsgleich miteinander angeordnet sind und einen durch die Schichten 2-4 reichenden Kanal zum Rückführen des Kühlmediums bilden, der von den Abschnitt 18′′′ ausgeht. Die fensterartigen Öffnungen 15 und 16 besitzen bei der dargestellten Ausführungsform einen Querschnitt der so gewählt ist, daß sich für das Kühlmedium in den Abschnitten 13′ und 13′′ bzw. 18′ und 18′′ eine gleichmäßige Verteilung ergeben.

Durch die vorbeschriebene Ausbildung wird das über die Durchlaßöffnung 11 zugeführte Kühlmedium in der von der Öffnung 13 gebildeten Kanalanordnung verteilt, und zwar auf die beiden Abschnitte 13′ und 13′′ und strömt in diesen Abschnitten bei der für die Fig. 1 gewählten Darstellung von vorne nach hinten (Pfeile C). Nach dem Durchtritt durch die Öffnungen 15 strömt das Kühlmedium dann in den Abschnitten 18′ und 18′′ in umgekehrter Richtung, d. h. bei der für die Fig. 1 gewählten Darstellung von hinten nach vorne (Pfeile D), so daß sich ein Gegenstromprinzip und damit eine möglichst gleichmäßige Kühlung des Substrates 1 ergibt.

Für die Kühlwirkung wesentlich ist auch, daß das Kühlmedium beim Durchströmen des Substrates bzw. der in diesem Substrat durch die Öffnungen 13 und 18 gebildeten Kühlkanäle mehrfach umgelenkt wird, und zwar jeweils aus einer Richtung senkrecht zur Ebene des Substrates in eine in dieser Ebene liegende Strömungsrichtung und umgekehrt. Hierbei werden insbesondere auch die Kupferschicht 4 sowie die Keramikschicht 6 instensivst von dem Kühlmedium angeströmt.

Auf der Unterseite der Keramikschicht 6 sind wiederum Leiterbahnen oder Kontaktflächen 7′ sowie Bauelemente 8-10 in Form von Chips vorgesehen.

Wesentlich bei dem beschriebenen Substrat ist auch, daß dieses hinsichtlich der für die Schichten verwendeten Materialien symmetrisch zu einer parallel zur Ober- und Unterseite des Substrates 1 verlaufenden Mittelebene ausgebildet ist, die bei der dargestellten Ausführungsform die Mittelebene der Kupferschicht 4 ist. Durch diese symmetrische Ausbildung ist gewährleistet, daß Temperaturänderungen des Substrates nicht zu einer bimetallartigen Verformung führen können. Durch die Verwendung der Keramikschichten 2 und 6 ist gewährleistet, daß das Substrat gegenüber einen Substrat oder Kühlkörper welches bzw. welcher ausschließlich aus Metall oder Kupfer besteht, nur einen stark reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Während die Kupferschichten 3-5 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als 15 10^-1 K^-1 aufweist, liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Keramikschichten 2 und 6 deutlich unter 10·10^-6 K^-1, so daß sich für das Substrat 1 bzw. für das dieses Substrat bildende Verbundmaterial ein gegenüber Kupfer stark reduzierter Wärmeausdehnungskoeffizient erreicht wird. Gleichzeitig weist das Substrat aber eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, was nicht nur für die Kupferschichten 3-5, sondern auch für die Keramikschichten 2 und 6 gilt, so daß auch insoweit eine hohe Kühlwirkung erreicht wird.

Es versteht sich, daß die Schichten 2-6 flächig miteinander zu dem Substrat 1 verbunden sind. Hierfür eigenen sich die unterschiedlichsten Techniken, beispielsweise DCB- Verfahren oder Aktiv-Lot-Verfahren.

Die vorbeschriebene Ausbildung des Substrates 1 bzw. die dortige Gestaltung der von dem Kühlmedium durchströmten Kanäle hat speziell bei durch Löten miteinander verbundenen Schichten 2-6 auch den Vorteil, daß die Angriffsflächen innerhalb der Kanäle, an denen das Kühlmedium auf das verwendete Lot einwirken könnte, äußerst klein sind.

Die Fig. 2 zeigt ein Substrat 1a, welches sich von dem Substrat 1 im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß zwischen der Schicht 2 und der Schicht 3 sowie ebenso zwischen der Schicht 5 und der Schicht 6 jeweils eine weitere Schicht 19 bzw. 20 vorgesehen ist, die bei der dargestellten Ausführungsform jeweils eine von einem Zuschnitt einer Kupferfolie gebildete Kupferschicht ist und für eine noch gleichmäßigere Abführung der Wärme von den Keramikschichten 2 bzw. 6 sorgt. Für den Durchtritt des Kühlmediums ist die Schicht 19 mit zwei Öffnungen 21 und 22 versehen, von denen die Öffnung 20 deckungsgleich mit der Öffnung 11 und die Öffnung 22 deckungsgleich mit der Öffnung 12 angeordnet ist.

Die Herstellung des Substrates 1 ist beispielsweise in folgender Weise möglich:

• 1. Keramik aus Aluminiumoxyd durch Ritzen und Brechen auf das Maß der Schicht 2 bringen und anschließend Öffnungen 11 und 12 durch Schneiden oder auf andere Weise einbringen;
• 2. Kupferfolie für die Leiterbahn und Kontaktflächen 7 auf Maß schneiden;
• 3. Kupferfolie für die Leiterbahn 7 mit einer Oxydschicht versehen, und zwar durch Wärmebehandlung über drei Minuten bei 400°C;
• 4. Kupferschicht für Leiterbahn 7 mittels DCB-Verfahren auf Keramikschicht 2 befestigen, d. h. hierfür Kupferfolie für Leiterbahn 7 auf Keramikschicht 2 aufliegen und 2,5 Minuten bei 1070°C in Schutzgas mit weniger als 40ppO₂ behandeln.
• 5. Ätzen der Kupferschicht ist im Verfahrensschritt 4 hergestellten Verbundes zur Erzeugung der Leiterbahn 7 sowie der Kontaktflächen;
• 6. Zuschneiden und Ätzen der Kupferschicht 3;
• 7. Zuschneiden und Ätzen der Kupferschicht 4;
• 8. Zuschneiden und Ätzen der Kupferschicht 5;
• 9. Aluminiumoxyd-Keramik durch Ritzen und Brechen auf das erforderliche Maß für die Keramikschicht 6 bringen;
• 10. Kupferfolie für die Leiterbahn 7′ und die weiteren Kontaktflächen auf Maß zuschneiden.
• 11. Zugeschnittene Kupferfolie mit einer Oxydschicht durch Wärmebehandlung über 3 Minuten bei 400°C versehen.
• 12. Kupferfolie mit Keramikschicht 6 durch DCB-Verfahren verbinden, und zwar durch Auflegen der Kupferfolie auf die Keramikschicht 6 und durch Behandeln über eine Dauer von 2,5 Minuten bei 1070°C in Schutzgasatmosphäre mit weniger als 40ppmO₂;
• 13. Herstellung der Leiterbahn 7 sowie weiterer Kontaktflächen aus der Kupferschicht durch Ätzen;
• 14. Kupferschichten 3-5 durch Wärmebehandlung (bei 400°C und über Dauer von 3 Minuten) mit Oxydschicht versehen;
• 15. Aufeinanderliegen der Schichten 2-6 und Verbinden mittels des DCB-Prozesses, d. h. durch Behandlung über eine Zeitdauer von 2,5 Minuten bei 1077°C in Schutzgas mit weniger als 40ppmO₂.

Die Herstellung des Substrates 1a erfolgt in gleicher Weise, lediglich mit der zusätzlichen Maßnahme, daß auch die Schichten 19 und 20 durch Zuschneiden sowie die Schicht 19 bzw. deren Öffnungen 21 und 22 durch Ätzen hergestellt werden.

Die Dicke der einzelnen Schichten ist beispielsweise wie folgt gewählt:
Schicht 2 0,25-1 mm;
Schicht 3 0,3-3 mm;
Schicht 4 0,1-0,5 mm;
Schicht 5 0,3-3,0 mm;
Schicht 6 0,25-1,0 mm.

Die Dicke der zusätzlichen Schichten 19 und 20 beträgt beispielsweise 0,1-0,5 mm.

Die Ausnehmungen bzw. Öffnungen 11-18 sind jeweils durchgehend ausgeführt, d. h. sie reichen von der Oberseite bis an die Unterseite der jeweiligen Schicht.

Bei den in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Ausführungsformen weist das als Kühlelement dienende Mehrfach-Substrat 1, 1a bzw. 1b zwei Kühlebenen 23 auf, die im wesentlichen von den Kupferschichten 3 und 5 in Verbindung mit den jeweils angrenzenden Schichten gebildet sind.

Alle beschriebenen Ausführungsformen haben den generellen Vorteil, daß die von dem Kühlmedium durchströmten Kanäle große Abmessungen aufweisen, diese Kanäle also als Makro-Kanäle einfach herstellbar sind. Da das Kühlmedium durch die Umlenkung seines Flusses möglichst direkt unterhalb des jeweiligen Bauelementes senkrecht auf eine dortige Fläche trifft, wird dort durch turbulente Strömung eine optimale Kühlwirkung erreicht. Durch die mehrschichtige Ausbildung des jeweiligen Kühlelementes bzw. Substrates unter Verwendung von Keramikschichten wird der Ausdehnungskoeffizient an das für die Bauelemente verwendete Chip-Material angepaßt. Durch die relativ großen Querschnitte der Kanäle ist es weiterhin auch möglich, die Druckdifferenz des Druckens des Kühlmediums zwischen Zulauf und Ablauf innerhalb des Kühlelementes klein zu halten, beispielsweise unter 1 bar. Hierdurch kann auch ein Kühlsystem realisiert werden, daß unterhalb des Umgebungsdruckes betrieben wird und in welchem daher ein Austreten von Kühlmedium wirksam verhindert ist.

Die Fig. 3 zeigt in sehr vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Substrat 1b, welches sich von den Substraten 1 bzw. 1a dadurch unterscheidet, daß in der Keramikschicht 2, evtl. auch in der Keramikschicht 6 unter dem jeweiligen Bauelement 8-10 bzw. unter der Montagefläche für dieses Bauelement wenigstens eine thermische Brücke 24 aus Metall, beispielsweise aus Kupfer, oder aber auch aus einem Material mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Diamant vorgesehen ist.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

So ist es beispielsweise möglich, weitere Schichten aus Keramik herzustellen, beispielsweise die Schicht 4, wobei zweckmäßigerweise aber diejenigen Schichten, die parallel zur Ebene des Substrates verlaufenden Kanalabschnitte für das Kühlmedium bilden, d. h. im vorliegenden Fall die Schichten 3 und 5 aus Kupfer oder einem anderen, geeigneten Metall hergestellt sind.

Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b Substrat
2 Keramikschicht
3-5 Kupferschicht
6 Keramikschicht
7, 7 Leiterbahn
8-10 elektrische Bauelemente
11-18 Öffnung
13′, 13′′, 13′′′ Abschnitt
18′, 18′′, 18′′′ Abschnitt
19, 20 Kupferschicht
21, 22 Öffnung
23 Kühlebene
24 thermische Brücke.

Claims (18)

1. Kühlelement in Form eines Mehrfachsubstrates für elektrische Schaltkreise oder Bauelemente, bestehend aus mehreren stapelartig übereinander angeordneten und flächig miteinander verbundenen Schichten (2, 6, 19, 20), von denen wenigstens ein Teil mindestens eine Kühlebene (23) bildet und die teilweise Metallschichten sowie teilweise Schichten aus einem Material sind, welches einen im Vergleich zu Metall geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei zumindest eine die wenigstens eine Kühlebene bildende Schicht (3, 5) mit mindestens einer Ausnehmung (13, 18) versehen ist, die mit wenigstens einem Abschnitt (13, 13′′, 13′′′; 18′, 18′′, 18′′′) einen sich in der Ebene dieser Schicht (3, 5) erstreckenden und durch angrenzende Schichten (2, 19, 4′; 4, 6, 20) am Umfang verschlossenen Kühlkanal für ein Kühlmedium bildet, wobei in den angrenzenden Schichten räumlich versetzte und jeweils in den Kühlkanal mündende Öffnungen oder Durchbrüche (11, 15, 16, 17) zum Zuführen und Abführen des den Kühlkanal durchströmenden Kühlmediums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine aus dem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehende Schicht eine Keramikschicht ist, daß das Substrat (1, 1a) hinsichtlich der Anordnung und/oder Ausbildung der Schichten (2-6, 19, 20) symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten des Substrates verlaufenden Mittelebene (M) ausgebildet ist, daß der Anteil an Keramik in den Schichten so gewählt ist, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Mehrfach-Substrates insgesamt kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls der Metallschichten, und daß die die Kühlkanäle bildenden Ausnehmungen (13, 18) ausschließlich durchgehend, d. h. von der Ober- zur Unterseite der jeweiligen Schicht (3, 5) reichend ausgeführt sind.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kühlkanal in der wenigstens einen, die Kühlebene bildenden Schicht (3, 5) ein Makro- Kanal ist, dessen kleinste Querschnittsabmessung größer als 100 µm ist.

3. Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kühlkanal bildende Ausnehmung (13, 18) in einer Metallschicht (3, 5) vorgesehen ist.

4. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Kühlebenen (23) vorgesehen sind, von denen jede wenigstens eine Schicht (3, 5) mit mindestens einer einen Kühlkanal bildenden Ausnehmung (13, 18) aufweist, und daß die in diesen Schichten (3, 5) gebildeten Kühlkanäle über in dazwischenliegenden Schichten (4) vorgesehene Öffnungen (15, 16) derart miteinander verbunden sind, daß die Strömungsrichtung des Kühlmediums in den Kühlkanälen in unterschiedlicher Richtung, vorzugsweise entgegengesetzt oder annähernd entgegengesetzt verläuft.

5. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig von der Mittelebene (M) und in symmetrischer Anordnung zu dieser jeweils eine Schicht mit einer wenigstens einen Kühlkanal bildenden Ausnehmung (13, 18) vorgesehen ist.

6. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß an einer gemeinsamen Oberflächenseite des Kühlelementes bzw. des Mehrfach-Substrates (1, 1a) Anschlüsse oder Öffnungen (11, 12) zum Zuführen und Abführen des Kühlmediums vorgesehen sind.

7. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschichten (2, 6) solche aus einer Aluminiumoxid-Keramik, aus einer Aluminiumnitrid-Keramik oder aus Beryllium-Oxid-Keramik sind.

8. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten solche aus Kupfer sind.

9. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Oberflächenseiten des Mehrfachsubstrates jeweils von einer Keramikschicht (2, 6) gebildet sind.

10. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Oberflächenseiten des Mehrfach-Substrates bzw. des Kühlelementes auf einer dortigen Keramikschicht oder isolierenden Schicht wenigstens eine Metallisierung als Metall- Layout für Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen oder wenigstens eine Leiterbahn oder Kontaktfläche (7, 7′) vorgesehen ist.

11. Mehrfachsubstrat nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Keramikschicht (2, 6) ganz oder teilweise durch eine Diamant-Schicht ersetzt ist.

12. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrfach-Substrat (1) ausgehend von einer Oberflächenseite eine erste Schicht aus Keramik, daran anschließend eine zweite, dritte und vierte Schicht aus Metall, vorzugsweise Kupfer, und daran anschließend eine fünfte Schicht (6) aus Keramik besitzt, und daß die die Kühlkanäle bildenden Ausnehmungen (13, 18) in der zweiten und vierten Schichten (3, 5) ausgebildet sind.

13. Kühlelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und zweiten Schicht (2, 3) sowie zwischen der vierten und fünften Schicht (5, 6) jeweils eine weitere Metallschicht (19, 20) vorgesehen ist.

14. Kühlelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste sowie fünfte Schicht (2, 6) jeweils an ihrer den übrigen Schichten abgewandten Seite mit der Metallisierung oder mit den Leiterbahnen oder Kontaktflächen (7, 7′) versehen sind.

15. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten flächig miteinander verbunden sind, und zwar vorzugsweise durch ein DCB-Verfahren und/oder Aktivlotverfahren.

16. Kühlelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Schichten zunächst mit dem DCB-Verfahren und anschließend wenigstens eine Schicht mit dem Aktiv-Lot-Verfahren befestigt wurde.

17. Kühlelement nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Mittelebene (M) des Substrates angeordnete Schicht (4) eine solche aus Keramik ist.

18. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß unter wenigstens einem Bauelement oder einer Montagefläche für das Bauelement in mindestens einer Schicht, vorzugsweise in einer Keramikschicht (2, 6) zumindest eine thermische Brücke (24) aus Metall oder Diamant vorgesehen ist.