DE19744281A1

DE19744281A1 - Vorrichtung zum Kühlen von Halbleiterbauelementen und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE19744281A1
Application number: DE1997144281
Authority: DE
Inventors: Ludger Miermann; Thomas Ebert; Klaus Pochner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1999-06-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Halbleiterelementen gemäß dem Oberbegriff der Patentan sprüche 1 und 11, ein Herstellungsverfahren, sowie die Verwendung derartiger Vorrichtungen zum Kühlen von La serdioden.

Technisches Gebiet

Beim Betrieb von Halbleiterbauelementen hoher Leistung müssen zur Erhaltung der Lebensdauer geringe Betrieb stemperaturen eingehalten werden. Dazu werden Kühlvor richtungen am Bauelement angebracht, die häufig zusätz lich zur thermischen auch elektrische oder mechanische Funktionen erfüllen.

Insbesondere Diodenlaserbarren tragen auf kleinstem Raum eine Vielzahl leistungsstarker Wärmequellen, die zudem für die meisten Anwendungen noch in einer zweiten Dimen sion eng gepackt werden müssen. So wird nach dem Stand der Technik jeder Diodenlaserbarren auf eine flache Wär mesenke gelötet, die sowohl die Stromversorgung der La serdioden, wie auch die Wärmeabfuhr übernimmt. Die ein zelnen Wärmesenken werden gestapelt und durch Umwälzung einer Kühlflüssigkeit gekühlt.

Daneben eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen anderer Leistungsbauelemente, wie MOSFETs oder ähnlicher Schalttransistoren, und von stark wärmebela steten diskreten Bauelementen. Auch bei der Montage von Silizium- oder Galliumarsenidchips in ein Gehäuse aus Keramik oder Kunststoff mit den entsprechenden elektri schen Zuleitungen (packaging) ist der Einbau einer er findungsgemäßen Vorrichtung zur Verbesserung der Wär meabfuhr von Vorteil.

Stand der Technik

Es ist bekannt zur Kühlung von Halbleiterbauelementen niedriger bis mittlerer Leistung passive Kühlelemente vorzusehen. Dazu werden mit gutem Wärmekontakt zum Bau teil Bleche montiert, die ihrerseits durch Konvektion gekühlt werden. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr sind die Bleche häufig verzahnt und aufgebogen bzw. mit Rip pen versehen, was die Oberfläche erheblich vergrößern kann. Übliche feste Kühlkörper (Kühlbleche, Kühlrippen) zeigen bereits bei einem relativ geringen Wärmestrom ei nen starken Temperaturgradienten aufgrund ungenügender Wärmeleitung und damit eine deutliche Erwärmung des elektronischen Bauelements.

Eine Verbesserung der Wärmeabfuhr wird erreicht, wenn der Kühlkörper von einem Luftstrom umstrichen wird, der mittels eines geeigneten Gebläses erzeugt wird. Auch derartige aktive Kühlsysteme (Gebläse zur Luftkühlung, Flüssigkeitskühler, Peltier-Elemente) erfordern in der Regel eine große Auskoppelfläche für die Wärme, so daß Halbleiterbauelemente oft weniger kompakt ausgeführt werden müssen, als es vom elektrotechnischen Standpunkt aus möglich wäre.

Bei gestapelten Hochleistungslaserdioden, wo die Kühl leistung passiver Kühlelemente nicht ausreicht, wird nach dem Stand der Technik auf eine erzwungene Flüssig keitskühlung zurückgegriffen. Dazu werden in der Wärme senke Kanäle für die Zu- und Abfuhr einer Kühlflüssig keit, beispielsweise Wasser, geschaffen.

Um eine möglichst wirksame Kühlung zu erreichen, soll bei der Wärmeübertragung in den Kühlkörper die Strecke, die durch Wärmeleitung überbrückt werden muß, möglichst gering gehalten werden. Daneben ist in dem Bereich, in dem die Wärme eingekoppelt wird, eine große Kontaktflä che zwischen Kühlflüssigkeit und Kühlkörper erforder lich. Um beide Anforderungen zu realisieren, wird erheb licher konstruktiver Aufwand betrieben. In dem Bereich des Kühlkörpers, wo die Laserdiode montiert wird, werden knapp unter der Oberfläche dünnste Mikrokanäle ange bracht, durch die das Kühlmittel mit hohem Druck getrie ben werden muß.

Derzeit sind hierzu zwei Konstruktionsprinzipien üblich. In der Druckschrift IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 28, No. 4, 1992, 966-976; R. Beach et al. "Micro channel heatsinks for high average power laser diode arrays" ist eine Vorrichtung zum Kühlen von Hochlei stungslaserdioden beschrieben, bei der durch lithogra phische Prozeßschritte, wie sie aus der Halbleiterfer tigung bekannt sind, Mikrokanäle in einem Silizium- Monolithen geätzt werden. Die Strukturierungsprozesse für Silizium sind zwar aus dem Bereich der Halbleiter fertigung gut bekannt und hochentwickelt. Nachteilig für die Kühlung der Hochleistungslaserdioden ist aber die nur mäßige Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials. Ein anderes Herstellungsverfahren für Mikrokanalwärme senken bedient sich der Feinbearbeitung mit Lasern, um in dünne Kupferbleche feinste Schnitte anzubringen. Durch Verbinden von mindestens fünf unterschiedlich aus geschnittenen Blechen kann eine günstige Strömungsfüh rung in der Wärmeeinkoppelfläche unter der Diode er reicht werden.

Bei Flüssigkeitskühlverfahren wird durch die Wärmeein kopplung die Enthalpie der Kühlflüssigkeit erhöht. Bei spielsweise nimmt 1 cm³ Wasser bei einer Erwärmung um 10°C eine Wärmemenge von ca. 42 J auf. Eine Verbesse rung der Wärmeabfuhr kann also nur erreicht werden, in dem die pro Zeiteinheit vorbeiströmende Flüssigkeitsmen ge erhöht wird oder die Flüssigkeit um eine größere Tem peraturdifferenz erwärmt wird. Einer Erhöhung der Durch flußmenge steht der geringe in der Wärmesenke zur Verfü gung stehende Raum und der sehr dünne Durchmesser der Mikrokanäle entgegen. Temperaturdifferenzen von mehr als 30 oder 40°C sind mit Wasser als Kühlmittel kaum zu realisieren, da bei Betriebstemperaturen oberhalb von 50 oder 60°C bereits die Lebensdauer der Halbleiterbauele mente stark reduziert wird. Gegen die Verwendung alter nativer Kühlflüssigkeiten spricht der technische Aufwand und die - verglichen mit Wasser - geringere spezifische Wärmekapazität.

Einen anderen Ansatz zur Kühlung stellt die Verdunstung eines Kühlmittels dar. Auf den Siedepunkt bereits er hitztes Wasser nimmt durch Vermehrung seiner Entropie beim Verdampfen pro Kubikzentimeter zusätzlich eine Wär memenge von über 2000 Joule auf. Dies ist eine erheblich größere Wärmemenge als durch Temperaturänderung des Kühlmittels alleine möglich ist. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß die Verdampfung praktisch ohne Tempera turänderung des Mediums vonstatten gehen kann, also sehr konstante Betriebsbedingungen für das Halbleiterbauele ment möglich sind. Die Einstellung der Betriebs- und Verdampfungstemperatur erfolgt durch Veränderung des Um gebungsdrucks. Nach diesem Prinzip arbeiten Kühlsysteme, die, wenn die Flüssigkeitsrückführung über eine Pumpe erfolgt, als Impingement-Kühler oder, wenn eine Kapil larstruktur diese Aufgabe übernimmt, als Wärmerohre (engl. "Heat Pipes" ) bezeichnet werden.

Das Prinzip des Wärmerohrs ist seit langem bekannt (sie he beispielsweise in "Effekte der Physik und ihre An wendungen" , VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1989, S 759-764). Im Grundprinzip handelt es sich um ein evakuiertes, hermetisch abgeschlossenes System, dessen Innenwandungen mit einer Kapillarstruktur ausge kleidet sind. Diese Struktur ist mit einem flüssigen Wärmeträger als Kühlmittel gesättigt. In einem Bereich des Wärmerohrs verdampft das Kühlmittel aus der Kapil larstruktur, so daß der Umgebung Wärme entzogen wird. Der Dampf strömt durch eine Transportzone und konden siert in der Kühlzone unter Abgabe seiner Verdampfungs wärme. Das Kondensat wird durch die Saugwirkung der Ka pillarstruktur zur Heizzone zurücktransportiert. Das Wärmerohr findet in verschiedenen wärmetechnischen Be reichen Anwendung. Üblicherweise wird ein evakuiertes Rohr von einigen zehn Zentimetern Länge und einigen Qua dratzentimetern Fläche mit rundem oder rechteckigem Querschnitt eingesetzt. Einer Verkleinerung des Systems steht im wesentlichen die fehlende Transportkapazität für den Wärmeträger entgegen. Dies gilt gleichermaßen für den wärmetragenden Dampfstrom in der Rohrmitte, wie für das in der Kapillarstruktur rückfließende Konden sat. Bei extremer Miniaturisierung kann sich auch unge nügende mechanische Stabilität gegen den Umgebungsdruck auswirken, da in Abhängigkeit vom momentan übertragenen Wärmestrom und damit von der Betriebstemperatur Dampf drücke des Mediums von wenigen Millibar bis zum Atmo sphärendruck auftreten. Wärmerohre werden verwendet, um in Öfen, in Industrieanlagen oder auch in Satelliten ei nen widerstandsarmen Wärmetransport über größere Entfer nungen zu gewährleisten.

Das sukzessive Versagen eines Wärmerohres wird als Aus trocknen bezeichnet, wenn an der Einkoppelfläche mehr Wärmeträger verdampft, als durch die Kapillarstruktur nachgeführt werden kann. Ausblasung findet statt, wenn durch den Dampfstrom Tropfen des Wärmeträgers von der Oberfläche der Kapillarstruktur mitgerissen werden, ohne vorher die volle Verdampfungsenthalpie aufzunehmen. Dies belastet unnötig die Transportkapazität der Kapillar struktur, die sich ohnehin bereits nahe an ihrer physi kalischen Grenze befindet.

Der Einsatz eines miniaturisierten Wärmerohres zur Küh lung von Laserdioden ist aus der Patentschrift US-PS 5 453 641 bekannt. Hierbei werden, in Abwandlung des von Flüssigkeitskühlern bekannten Bauprinzips einseitig of fene Mikrokanäle eingesetzt, in denen das noch unver dampfte Kühlmittel als Flüssigkeit strömt. Die Oberflä chenspannung der Flüssigkeit hält diese vor dem Verdamp fen in den zu einer Seite hin offenen Kanälen fest. In der Wärmeeinkoppelzone wird das Kühlmittel bis über den Siedepunkt erwärmt und wird als Dampf abgeführt. Nach teilig bei diesem System offener Kanäle ist der, durch den relativ großen Kanalquerschnitt bedingte, geringe Kapillardruck und die, aufgrund der offenen Kanäle, nicht völlig auszuschließende Ausblasung durch den schnell vorbeiströmenden Dampf. Diese Ausblasung ver braucht Kühlmittel, indem dieses aus der Wärmeeinkop pelzone abgeführt wird, ohne daß es vorher die Verdamp fungswärme aufgenommen hat. Weiterhin nachteilig an die sem System ist, daß die Wände des Wärmerohres wegen des notwendigerweise ungefüllten Innenraumes während der Herstellung nur eine geringe mechanische Beständigkeit gegen die Kräfte beim Evakuieren aufweisen.

In der gattungsbildenden Druckschrift von Itoh, A. und Polasek, F.: "Development and Application for micro heat pipes" , Proc. 7^th International Heat Pipe Con ference, Minsk, May 1990, Hemisphere, New York, 1990, S. 295-310, insbesondere S. 304-306, ist eine Vorrichtung offenbart, die nach dem Wärmerohrprinzip arbeitet und der Kühlung von Laserdioden dient. Das Gehäuse besteht aus zwei Kupferhalbschalen und auf der Innenseite des Gehäuses befindet sich eine Kapillarstruktur aus einem gesinterten Kupferpuder. Die geringe Porengröße des Sin termaterials sorgt für einen hohen Kapillardruck, auf grund dessen die kondensierte Kühlflüssigkeit in die Verdampfungszone zurückgeführt wird. Gerade diese gerin ge Porengröße begrenzt jedoch andererseits durch den Strömungswiderstand die Rückflußkapazität des Materials. Weiterhin kann die offene Sinterstruktur nur in geringem Maße zur Aussteifung des Hohlkörpers beitragen, so daß bei geringer Wandstärke auch hier Probleme mit der Be ständigkeit beim Evakuieren gegeben sind.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung zum Kühlen von Halbleiterbauelementen, insbesondere für Hochleistungslaserdioden anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Rückflußkapazität be sitzt und damit eine höhere Kühlleistung ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch Vorrichtungen mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10 und 12 bis 18 gekennzeichnet. Ein Herstellungsverfahren ist in den Patentansprüchen 19 und 20 angegeben. Bevorzugte Verwen dungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen finden sich in den Patentansprüchen 21 bis 23.

Für eine optimale Rückführung der kondensierten Kühl flüssigkeit weisen die bekannten Kapillarstrukturen Po ren, Kanäle oder andere Hohlräume mit einem geschickt ausgewählten Durchmesser auf. Diese Auswahl stellt in allen Fällen jedoch einen Kompromiß zwischen einem mög lichst hohen Kapillardruck, der kleine Durchmesser er fordert und einem durch große Durchmesser zu erreichen den geringen Strömungswiderstand dar. Da beide Größen in die Rückflußkapazität der Kapillarstruktur eingehen, durchläuft diese ein Maximum, das dann als idealer Po rendurchmesser verwendet wird.

Bei Versuchen mit verschiedenen Verfahren zur Anbringung von Sinterkörpern der bekannten Art an die Innenwand ei nes Gehäuses für ein Wärmerohr zeigte sich eine überra schende Erhöhung des Grenzwärmestromes, wenn die Verbin dung mangelhaft ausgeführt war und zwischen der Innen wand und dem Sinterkörper ein oder mehrere kleine Spalte verblieben. Derartige Lücken sind aus der Sicht des Fachmanns zu vermeiden, denn dadurch wird die Wärmeüber tragung zwischen der Innenwand und dem Sinterkörper ver schlechtert. Die Lücken haben jedoch den Vorteil, daß sie ein ungehindertes Strömen der kondensierten Kühl flüssigkeit ermöglichen. Dadurch wird die Rückflußkapa zität des gesamten Systems wesentlich verbessert und überwiegt den Nachteil der reduzierten Wärmeübertragung.

In Weiterentwicklung dieses Grundgedankens ist es dann möglich, keine Kapillarstrukturen mit idealem Poren durchmesser zu verwenden, sondern auch solche mit klei neren Poren und damit einem erhöhten Kapillardruck, wel cher ein frühzeitiges Ausblasen des Wärmeträgers verhin dert, und derartige Kapillarstrukturen mit geeigneten Kanälen zu kombinieren. Man verläßt also das Maximum der Rückflußkapazität der Kapillarstruktur selbst und er zielt im Ergebnis durch die genannte Kombination insge samt eine verbesserte Rückflußkapazität und damit eine erhöhte Kühlleistung. Anstelle der Kanäle kann auch eine zweite Kapillarstruktur mit einem verminderten Kapillar druck, beispielsweise ein Sinterkörper mit einer größe ren Porenweite, verwendet werden.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt also darin, daß durch eine Kombination einer Kapillar struktur der bekannten Art, also mit einem hohen Kapil lardruck und Strukturen mit einem niedrigeren Kapillar druck, eine Entkopplung von Strömungswiderstand und Ka pillardruck für die rückströmende Kühlflüssigkeit er zielt wird. Dies ergibt im Endergebnis eine erhöhte Rückflußkapazität und damit eine verbesserte Kühllei stung.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß im Gegensatz zu den Herstellungsverfahren für die bekannten Wärmerohre weniger strenge Anforderungen an die Ferti gungsgenauigkeit gestellt werden, da ein Auftreten von Restspalten innerhalb gewisser Grenzen im Sinne der Er findung ist.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Ausrichtung der Kanäle in Richtung der Strömung der Kühlflüssigkeit er wiesen (Patentanspruch 2). Eine vergleichsweise einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mög lich, wenn die Kanäle als Rillen zwischen der Gehäusein nenwand und der Kapillarstruktur liegen (Patentanspruch 3, zweite Alternative). In dieser Variante werden die Rillen entweder in die Innenwand des Gehäuses des Wär merohrs eingeritzt und anschließend von der Kapillar struktur überdeckt oder die Rillen werden in die der Ge häuseinnenwand zugewandten Fläche der Kapillarstruktur eingeritzt und die so vorbereitete Kapillarstruktur, im einfachsten Fall ein Sinterkörper, an die Gehäuseinnen wand des Wärmerohrs angebracht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Vorrichtung zum Kühlen von Hochleistungslaserdioden zu verwenden, wobei als Kühlflüssigkeit Wasser verwendet wird und der Druck im Wärmerohr unter den Atmosphären druck abgesenkt wird. Damit läßt sich in einfacher Weise eine Betriebstemperatur der Hochleistungsdiodenlaser im Bereich von 30 bis 70°C einstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung in verschiedenen Ausfüh rungsbeispielen und anhand der Fig. 1 bis 7 näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 fertig montierter Laserdiodenstapel,

Fig. 2 einzelner Laserdiodenbarren mit darunter ange ordneter Kühlvorrichtung,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä ßen Kühlvorrichtung,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsge mäßen Kühlvorrichtung,

Fig. 5 großflächige Kühleinheit aus mehreren parallel angeordneten erfindungsgemäßen Kühlvorrich tungen,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der erfindungsge mäßen Kühlvorrichtung,

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform der erfindungsge mäßen Kühlvorrichtung,

Fig. 8 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in zer legtem Zustand.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele soll die Kapillarstruktur aus einem Sinterkörper bestehen. Es soll jedoch betont werden, daß auch andere Stoffe für die Kapillarstruktur verwendet werden können, solange sie geeignet sind, für den erforderlichen Kapil lardruck zu sorgen. In Betracht kommen daher insbesonde re andere poröse Stoffe wie Geflechte, Gewebe, Schäume oder Fasern. Besonders geeignet ist auch ein feinmaschi ges Netz (vgl. Fig. 8 und Erläuterungen).

Fig. 1 zeigt einen fertig montierten Laserdiodenstapel (1), der typischerweise eine Breite (2) von 1 cm und ei ne Höhe (3) von mehreren cm aufweist. Die Tiefe (4) des Stapels, also die Länge von der Vorderkante, auf der die Laserdiode (7) montiert ist, bis zur Rückseite ist nicht entscheidend für die Packungsdichte der Dioden. Dort kann ein weiterer Wärmetauscher (5, 6) vorgesehen werden, der die Wärme aus dem Kondensationsbereich der eigentli chen Kühlvorrichtung, nämlich dem miniaturisierten Wär merohr, abführt und mit einem nachgeordneten Kühlgerät verbunden ist. Im Stapel wechseln sich Laserdioden (7) und Wärmerohr (8) ab, wobei das Wärmerohr (8) neben der Wärmeabfuhr auch die elektrische Kontaktierung der La serdioden (7) übernimmt. Die einzelnen Laserdioden (7) sind damit elektrisch in Reihe geschaltet.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Laserdiodenstapel (1), nämlich einen einzelnen Laserdiodenbarren (7) mit darunter angeordnetem miniaturisiertem Wärmerohr (8). Hervorzuheben und aus der Fig. 2 ersichtlich ist, daß die Wärmeeinkopplung nur auf einer extrem kleinen Fläche an der äußersten vorderen Kante des Wärmerohrs (8) er folgt. In diesem schmalen Bereich verdampft die Kühl flüssigkeit aus der Kapillarstruktur und der Dampf strömt in Richtung der hinteren Kante des Wärmerohrs (8). In der Fig. 2 ist ferner eine Schnittebene A ein getragen, die senkrecht zur Richtung des Wärmetransports verläuft. Die nachfolgenden Fig. 3 bis 6 zeigen je weils einen Schnitt längs dieser Ebene durch verschie dene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kühlvor richtungen.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsge mäßen Kühlvorrichtung. Das miniaturisierte Wärmerohr (8) besteht aus einem im Querschnitt rechteckigen Gehäuse, und einem auf der Gehäuseinnenwand (9) angeordneten Sin terkörper (15). Im Bereich der Wärmeeinkopplung ist die Wandstärke des Gehäuses möglichst dünn zu halten, damit der Wärmewiderstand klein bleibt. Mit seiner der Wärme quelle abgewandten Seite grenzt der Sinterkörper (15) an einen Hohlraum (17), in dem der entstehende Dampf ab strömen kann. Das miniaturisierte Wärmerohr (8) weist auf der Gehäuseinnenwand (9) mehrere Rillen (13) auf, die in Längsrichtung, also in Richtung der Dampfströ mung, verlaufen. Diese Rillen (13) können, wie hier dar gestellt, einen dreieckigen Querschnitt, einen rechtec kigen Querschnitt oder beliebige andere Formen aufwei sen. Die Rillen (13) zum Transport der Kühlflüssigkeit können sich nicht nur in der Gehäuseinnenwand (9) befin den, über der die Laserdiode (7) montiert wird, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, sondern können auch in an deren Gehäuseinnenwänden (10, 12) vorgesehen werden.

Zur Herstellung dieser Ausführungsform bieten sich ver schiedene Möglichkeiten an.

Zum einen kann der Sinterkörper (15) außerhalb des Ge häuses des miniaturisierten Wärmerohrs (8) zunächst auf einer flachen Unterlage vorgeformt und dann an der Ge häuseinnenwand (9) befestigt werden. In diesem Fall kön nen die Rillen (13) entweder in die Gehäuseinnenwand (9) oder in die der Gehäuseinnenwand (9) zugewandte Oberflä che des Sinterkörper (15) selbst eingebracht werden. Zur Fertigung der Rillen werden ähnliche Verfahren wie zur Fertigung von Mikrokanalwärmesenken angewandt. Bei spielsweise kann eine Gravur oder ein Abtrag durch Li thografie oder Laserverfahren stattfinden.

Zum anderen kann auch ein loses Material mit einer Korn größe, die größer ist als der Querschnitt der Rillen (13) mit der Gehäuseinnenwand (9) des miniaturisierten Wärmerohres (8) verpreßt und anschließend in dieser Form gesintert werden.

Beim Sintervorgang ist darauf zu achten, daß die Rillen (13) zwar flächig abgedeckt, aber nicht verfüllt werden. Diese Rillen (13) zwischen der Gehäuseinnenwand (9) und dem Sinterkörper (15) dienen dann als offener Kanal für das Rückströmen der Kühlflüssigkeit aus der Kondensati onszone in den vorderen Bereich des Wärmerohrs (8), wo der zu kühlende Laserdiodenbarren (7) auf dem Wärmerohr montiert ist. Gleichzeitig wird durch die feinporige Struktur des Sinterkörpers ein hoher Kapillardruck er zeugt und eine Ausblasung der Kühlflüssigkeit unterbun den.

Das Einbringen des Sinterkörpers in das Gehäuse kann beispielsweise erfolgen, indem das Gehäuse durch ein U- förmiges Blech oder Profil gebildet wird und zwei derar tige Halbschalen nach Einbringen des Sinterkörpers zu sammengesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, mehrere planare, entsprechend ausgeschnittene Schichten zu sta peln und durch eine Diffusionsschweißung zu verbinden.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungs gemäßen Kühlvorrichtung. Bei dieser Variante ist die Ge häuseinnenwand (9) des miniaturisierten Wärmerohrs (8) glatt und der Sinterkörper (15) weist Bohrungen (14) auf, die in Längsrichtung verlaufen. Diese Bohrungen (14) bilden die Kanäle für die Kondensatrückführung mit erhöhter Rückflußkapazität. Die Lage der Kanäle (14) in der Mitte des Sinterkörpers (15) ist nur beispielhaft dargestellt. Ebenso können sich die Kanäle (14) auch weiter oben oder unten, beispielsweise genau an der Grenzfläche zwischen Gehäuseinnenwand (9) und Sinterkör per (15) befinden. Weiterhin müssen die Kanäle (14) nicht nur in dem oberen Teil des Sinterkörpers (15) ver laufen, über dem der Laserdiodenbarren (7) montiert wird, sondern sie können auch in den Seitenteilen oder in dem unteren Teil vorgesehen werden. Die Kanäle (14) können entweder bei der Vorfertigung des Sinterkörpers (15) in diesen gebohrt werden oder nachdem ein homogener Sinterkörper (15) in ein glattes Gehäuse eingebracht worden ist. Im Ergebnis weist der Sinterkörper (15) so mit zusätzlich zu den kleinen, durch die Sinterung ent standenen Poren weitere Kanäle (14) auf, die für einen verbesserten Rückfluß der kondensierten Kühlflüssigkeit sorgen und die Rückflußkapazität des gesamten Systems wesentlich erhöhen.

Fig. 5 zeigt eine fertig montierte großflächigere Küh leinheit, bei der mehrere miniaturisierte Wärmerohre (8) parallel nebeneinander angeordnet sind. Darüber ist dann der Laserdiodenbarren (7) montiert. Die Wärmerohre (8) sind hier nur schematisch, also ohne Kanäle (14) darge stellt, die wie in den Fig. 3 oder 4 ausgeführt sein können. Die einzelnen Wärmerohre (8) müssen nicht durch gängig miteinander verbunden sein, sondern in den Zwi schenwänden (11) können Öffnungen vorgesehen werden, so daß benachbarte Hohlräume (17) untereinander verbunden sind. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 stellt für einen Unterdruckbetrieb eine bevorzugte Ausgestaltung der Er findung dar, da die Breite von U-förmigen Profilen, wie sie zur Herstellung der Wärmerohre (8) verwendet werden, wegen des Unterdrucks begrenzt ist. Um eine Wärmesenke größerer Breite zu erhalten, werden also mehrere minia turisierte Wärmerohre (8) parallel nebeneinander zusam mengesetzt.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Kühlvorrichtung. Bei dieser Variante weist der Sinterkörper (15) mehrere Hohlräume (17) auf, die durch Stege (16) aus dem Sintermaterial voneinander getrennt sind und parallel zueinander in Richtung des strömenden Dampfes verlaufen. Die Kanäle verlaufen als Rillen (13) in der Gehäuseinnenwand (9) und als Bohrungen (14) im oberen, der Wärmequelle zugewandten Bereich der Stege (16). Die Stege (16) können in Längsrichtung durchgängig sein oder zusätzlich Öffnungen aufweisen, so daß benach barte Hohlräume (17) untereinander verbunden sind. Durch diese Ausgestaltung liegt letztendlich ein Hohlkörper (17) mit einer inneren Stützstruktur vor. Letztere über nimmt eine Doppelfunktion, indem sie nicht nur zur Rück führung der kondensierten Kühlflüssigkeit dient, sondern auch eine Stützfunktion ausübt beim Betrieb des miniatu risierten Wärmerohrs (8) mit Unterdruck.

Fig. 7 zeigt ausschnittsweise eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. In dieser Ausge staltung wird die erhöhte Rückflußkapazität nicht durch Kanäle realisiert, sondern durch Verwendung einer zwei ten Kapillarstruktur mit einem - vorzugsweise deutlich - niedrigerem Kapillardruck. An der Gehäuseinnenwand (9) ist eine erste, grobporige Sinterschicht (18) angebracht und auf dieser eine zweite, vergleichsweise feinporige Sinterschicht (19). Nach innen schließt sich dann der Hohlraum (17) an, über den die verdampfte Kühlflüssig keit in die Kondensationszone strömen kann. Die feinpo rige Sinterschicht (19) sorgt in diesem Fall für den er forderlichen Kapillardruck, während die grobkörnigere Sinterschicht (18) einen relativ geringen Strömungswi derstand für das Kondensat darstellt und zur Erhöhung der Rückflußkapazität des Gesamtsystems beträgt. Die Reihenfolge der Schichtanordnung kann auch umgekehrt er folgen als dies in Fig. 7 dargestellt ist. Die in Fig. 7 dargestellte Kombination zweier Kapillarstrukturen mit unterschiedlicher Porösität und damit unterschiedlichem Kapillardruck kann mit kleinen Schichtdicken realisiert werden, so daß die gesamte Kapillarstruktur einen gerin gen thermischen Widerstand aufweist. Dies ist insofern wichtig, als der Temperaturabfall in der Kapillarstruk tur wesentlich größer ist als in dem Gehäuse, insbeson dere im dünnwandigen Bereich des Gehäuses unter dem La serdiodenbarren, d. h.

ΔT_Wand « ΔT_{Kapillarstruktur}.

Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in ihren Einzelteilen vor dem Verbinden. Deckellage (20), Zwischenlage (21) und Bodenlage (22) sind als planare, entsprechend aus geschnittene Schichten ausgebildet und entsprechend ihrer späteren Verwendung vorstrukturiert. So weist die Zwischenlage (21) eine für die Aufnahme der Kapillarstruktur passende Ausnehmung auf. Im vorliegen den Fall dient als Kapillarstruktur eine Netzstruktur (23), mit der ein hoher Kapillardruck von ca. 6000 Pa erzielt wird und die in die Ausnehmung der Zwischenlage (21) eingelegt wird. Die Bodenlage (22) ist mit Arterien (15) vorstrukturiert, die in der Fig. 8 jedoch nicht sichtbar sind. Die Deckellage (20) ist mit noppenartigen Abstandshaltern strukturiert. Zur Herstellung der Kühl vorrichtung werden die einzelnen Lagen übereinander ge stapelt, wobei die Netzstruktur in der Zwischenlage (21) eingelegt ist und anschließend mit einer Diffusions schweißung miteinander verbunden.

Bezugszeichenliste

1

Laserdiodenstapel

2

Breite von

1

3

Höhe von

1

4

Tiefe von

1

5

Zulauf eines äußeren Kühlmittels

6

Ablauf zu nachgeordnetem Kühlgerät

7

Laserdiodenbarren

8

Miniaturisiertes Wärmerohr, bestehend aus:

9

oberer Gehäuseinnenwand (= Wärmeeinkoppelfläche)

10

seitliche Gehäuseinnenwand

11

Zwischenwände

12

Untere Gehäuseinnenwand

13

Arterie in einer Wand

14

Arterie im Sinterkörper

15

Sinterkörper

16

Stege

17

Hohlraum für Dampfabfluß

18

Grobe Sinterkugeln (20-40 µm)

19

Feine Sinterkugeln (40-80 µm)

20

Deckellage mit Abstandshalter

21

Zwischenlage

22

Bodenlage mit Arterienstruktur

23

Netzstruktur für hohen Kapillardruck zur Einlage in die Zwischenlage

Claims

1. Vorrichtung zum Kühlen von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Laserdioden (7), nach dem Wärmerohrprinzip, bestehend aus einem Ge häuse, einer oder mehrerer im Gehäuse angeordneter und mit Kühlflüssigkeit gesättigter Kapillarstrukturen (15), die das Gehäuse nicht vollständig aus füllen, so daß ein oder mehrere Hohlräume (17) vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (15) durch geeignete Einstellung von Permeabilität Querschnittsfläche und effektivem Poren durchmesser einen hohen Kapillardruck besitzt daß innerhalb des Gehäu ses zusätzlich Kanäle (13) vorgesehen sind, und daß die Kanäle (13) eine größere Querschnittsfläche besitzen als der effektive Porendurchmesser in der Kapillarstruktur (15) so daß die Kanäle (13) einen wesentlich niedrige ren Strömungswiderstand als die Kapillarstruktur (15) aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (13) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (13) innerhalb der Kapillarstruktur (15) liegen und/oder als Rillen (13) zwischen der Gehäuseinnenwand (9) und der Kapillarstruktur (15) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Kanälen (13) um geradlinige Bohrungen (14) innerhalb der Kapillarstruktur (15) handelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kapillarstruktur um ein fein maschiges Netz (23) mit mindestens 500 Maschen pro Zoll handelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (15) aus einem Sinterkörper besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (15) derart ausgebildet ist, daß mehrere Hohlräume (17) vorliegen, die durch Stege (16) aus dem Material der Kapillarstruktur (15) voneinander getrennt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (16) Öffnungen aufweisen, so daß alle Hohlräume (17) oder ein Teil der Hohlräume (17) untereinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kühlflüssigkeit um Wasser handelt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse vollständig evakuiert und anschließend mit der Kühlflüs sigkeit bis zu einem Druck von weniger als 1 atm befüllt wird.

11. Vorrichtung rum Kühlen von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Laserdioden (7), nach dem Wärmerohrprinzip, bestehend aus einem Ge häuse, einer oder mehrerer im Gehäuse angeordneter und mit Kühlflüssig keit gesättigter Kapillarstrukturen (18, 19), die das Gehäuse nicht vollständig ausfüllen, so daß ein oder mehrere Hohlräume (17) vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Kapillarstruktur (19) vorgesehen ist, die durch geeignete Einstellung von Permeabilität, Querschnittsfläche und effektivem Poren durchmesser einen hohen Kapillardruck besitzt und daß eine zweite Kapil larstruktur (18) vorgesehen ist die durch geeignete Einstellung von Per meabilität, Querschnittsfläche und effektivem Porendurchmesser einen vor zugsweise deutlich niedrigeren Strömungswiderstand als die erste Kapillar struktur (19) besitzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Kapillarstrukturen (18, 19) aus einem Sintermaterial be stehen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kapillarstruktur (19) aus einem Sintermaterial mit einem ef fektivem Porendurchmesser von 20-40 Mikrometer besteht und daß die zweite Kapillarstruktur (18) aus einem Sintermaterial mit einem effektivem Porendurchmesser von mehr als 40 bis 80 Mikrometer, vorzugsweise von 60 bis 80 Mikrometer besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kapillarstruktur (18) als erste Schicht an der Innenseite des Gehäuses angebracht ist und daß die erste Kapillarstruktur (19) als zweite Schicht auf der ersten Schicht aufgebracht ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Kapillarstruktur (18, 19) derart ausgebildet ist bzw. sind, daß mehrere Hohlräume (17) vorliegen, die durch Stege (16) aus dem Material der jeweiligen Kapillarstruktur (18, 19) voneinander ge trennt sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (16) Öffnungen aufweisen, so daß alte Hohlräume (17) oder ein Teil der Hohlräume (17) untereinander verbunden sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kühlflüssigkeit um Wasser handelt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse vollständig evakuiert und anschließend mit der Kühlflüs sigkeit bis zu einem Druck von weniger als 1 atm befüllt worden ist.

19. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung von Halbleiter bauelementen nach dem Wärmerohrprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß vorstrukturierte planare, entsprechend ausgeschnittene Schichten von Gehäuse, Docht und Abstandhalter gestapelt und verbunden werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch eine Diffusionsschweißung erfolgt.

21. Verwendung von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Kühlung von Laserdioden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen nebeneinander angeordnet werden, so daß eine Wärmesenke mit einer gemeinsamen Fläche gebildet wird.

22. Verwendung von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Kühlung von Laserdioden oder Verwendung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungstemperatur der Kühlflüssigkeit durch Einstellung des Drucks innerhalb des Gehäuses geregelt wird.

23. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit Wasser verwendet wird und der Druck derart unter 1 atm eingestellt wird, daß die Verdampfungstemperatur zwischen 30 und 70°C liegt.