DE202018003992U1

DE202018003992U1 - Siedekühlbares Substrat mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten

Info

Publication number: DE202018003992U1
Application number: DE202018003992.6U
Authority: DE
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2018-08-26
Filing date: 2018-08-26
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2028-08-27

Abstract

Siedekühlbares Substrat (2) mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich der der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegenden Oberfläche (3) des Substrats (2) eine mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche (3) ist.

Description

Die Erfindung betrifft siedekühlbare Substrate mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten.
Eine Kühlung von Bauelementen der Elektronik kann bekannterweise durch passive oder aktive Luftkühlung über aufgesetzte Kühlkörper und Lüfter, Wasserkühlung durch Wärmeübertrag auf einen Wassermassenstrom mit Hilfe eines Kühlkörpers oder Immersionskühlung durch Eintauchen der Hardware in eine dielektrische Flüssigkeit erfolgen.
Eine Luftkühlung, eine Wasserkühlung und auch eine Konvektionskühlung stellen einerseits nicht die hohen Kühlleistungen bereit, wie sie leistungsstarke mikroelektronische Bauelemente beispielsweise in Rechensystemen verlangen. Anderseits sind diese Kühlvarianten mit zusätzlichen konstruktiven und/oder baulichen Maßnahmen verbunden, die einen höheren Materialeinsatz mit beispielsweise Kühlkörpern aus Kupfer und/oder Aluminium, einen höheren Platzbedarf beispielsweise durch Kühlkörper und Lüfter und einen höheren Energiebedarf beispielsweise durch einen Lüfterbetrieb erfordern. Zudem kommt es an der Kontaktfläche zwischen Substrat und Kühlkörper zu Wärmeübergangsverlusten, die sich infolge der Alterung des Haftmediums, beispielsweise Wärmeleitpaste, mit der Zeit weiter verstärken und so die Effizienz der Kühlung und damit auch die erreichbare Leistung herabsetzen.
Das hauptsächliche Problem bei der Immersionskühlung ist die Ausbildung eines Dampffilms an der Heizfläche, der als Folge seiner isolierenden Wirkung einer effizienten Kühlung entgegenwirkt und so zu lokalen Bauteilüberhitzungen führen kann.
Eine weitere Möglichkeit einer Kühlung stellt die Siedekühlung dar. Durch die Druckschrift DE 31 37 408 A1 ist ein Leistungshalbleiterbauelement für Siedekühlung oder Flüssigkeitskühlung mit einer zwei Hauptelektroden und gegebenenfalls eine oder mehrere Steuerelektroden aufweisenden Halbleiterkristallscheibe bekannt, die in einem von einem elektrisch isolierenden Kühlmittel durchströmbaren flüssigkeits- und gasdichten Gehäuse eingebaut ist. Es werden spezielle bauliche Ausgestaltungen offenbart, ohne auf die Siedekühlung selbst einzugehen.
Die Druckschrift DE 32 36 612 A1 offenbart eine Kühlanordnung, bei der die zu kühlenden Stromrichter oder andere Halbleiter in Siedeflüssigkeit eintauchen. Die Erwärmung der Siedeflüssigkeit wird mittels Kühlluft abgeführt. Bei einer nur für eine begrenzte Zeit auftretenden Übertemperatur der Außenluft wird die Luftkühlung ab- und ein thermischer Energiespeicher zugeschaltet.
Die Druckschrift DD 231 680 A1 beschreibt eine Kühleinrichtung für Leistungshalbleiter-Bauelemente zur Abführung der Verlustleistung. Dazu wird an die zu kühlende Bauelemente ein Hohlkörper angebracht, der einen Verdampfungsabschnitt aufweist, der an den thermisch belasteten Flächen mit einer kapillar-porösen Schicht ausgekleidet und mit Kühlflüssigkeit getränkt ist. Über eine Dampfleitung und eine Kondensatleitung ist der Verdampfungsabschnitt mit einem außerhalb der Bauelementegruppe angeordneten Wärmetauscher verbunden.
Die Druckschrift EP 0 268 081 A1 beinhaltet eine Vorrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen. Ausgehend von einer Kesselkühlung mit einem Kühlkörper, der in einem Hohlraum eine Kühlflüssigkeit enthält, die mit dem zu kühlenden Halbleiterbauelement in engem thermischen Kontakt steht, ist das Halbleiterbauelement außerhalb des Hohlraums angeordnet.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung wenigstens eines mikroelektronischen Bauelements und/oder Einheit einfach zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die siedekühlbaren Substrate mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten zeichnen sich insbesondere durch eine verbesserte Kühlung aus.
Dazu ist wenigstens ein Bereich der der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats eine mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche.
Damit wird dazu die Laserstrahlung des Lasers zur Aufrauung, Strukturierung, Texturierung und/oder Relieferzeugung der Oberfläche des Bereichs des Substrats, die der Oberfläche mit einem mikroelektronischen Bauelement und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegt, zur Realisierung eines siedekühlbaren mikroelektronischen Bauelements verwendet. Das Substrat ist dazu entweder der Träger des wenigstens einen mikroelektronischen Bauelements oder der Träger mikroelektronischer Einheiten. Letzterer Träger mit den mikroelektronischen Einheiten ist damit ein integrierter Schaltkreis an sich.
Mikroelektronische Bauelemente, beispielsweise Mikroprozessoren oder Leistungsschalter, erzeugen infolge der im Betrieb auftretenden Verlustleistung ein hohes Maß an Abwärme, die abgeführt werden muss, um einer Überhitzung und damit einhergehenden Fehlfunktion oder Bauteilzerstörung vorzubeugen. Dazu stellt die Immersionskühlung unter Ausnutzung der Siedekühlung im Vergleich mit anderen Kühlverfahren eine sehr wirksame Methode dar, mit der deutlich höhere Wärmestromdichten erreicht werden können, ohne die Wärmeübergangsflächen zu schädigen. Mit Siedebeginn ist die Heizfläche allerdings teils oder vollständig mit einem wärmeisolierenden Dampffilm bedeckt (Filmsieden), was folglich zum Ansteigen der Bauteiltemperatur bis hin zur Zerstörung der Heizfläche und damit des Bauelements führen kann.
Das siedekühlbare Substrat führt vorteilhafterweise zu einem direktsiedegekühlten mikroelektronischen Bauelement, wobei durch die Oberflächenstrukturierung des Substrats mit Mikro- und/oder Nanostrukturen das Ablösen der sich ausbildenden Dampfblasen verbessert wird. Das Einsetzen des effizienten Blasensiedens geschieht bereits bei geringen Temperaturen. Folglich gelangt schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen kaltes Kühlmittel nach unten, was den Wärmeabtransport vom Substrat deutlich erhöht und dadurch zu niedrigeren Bauteiltemperaturen führt oder höhere Betriebstemperaturen zulässt. Die durch die Laserbestrahlung ausbildenden Oberflächenstrukturen wirken sich zusätzlich vorteilhaft auf die Kühlleistung aus, da sich infolge des hohen Aspektverhältnisses die Wärmeübergangsfläche vergrößert und dadurch die Wärmestromdichte erhöht ist. Eine werkstückschonende Bearbeitung durch Beaufschlagung mit Laserstrahlung ermöglicht die rückseitige Oberflächenstrukturierung der Trägersubstrate ohne thermische Schädigungen, was so auch eine weitere nachträgliche Laserbearbeitung von sonst bereits fertig prozessierten Bauelementen erlaubt.
Durch eine gezielte Lasermikrostrukturierung der Rückseite des Substrats mikroelektronischer Bauelemente wird die Kühlleistung und dadurch die Leistungsfähigkeit erhöht. Damit können unter anderem vorteilhafterweise die Baugröße, der Materialaufwand, die Betriebskosten und die Ausfallrate reduziert werden. Durch Anwendung von Lasern erfolgt die Substratstrukturierung materialschonend ohne thermisch Schädigungen, so dass kein Nachteil hinsichtlich einer nachträglichen Waferprozessierung vorhanden ist und/oder vorhandene elektronische Bauelemente geschädigt werden.
Die Erhöhung der Kühlleistung wird durch die Steigerung des Wärmetransfers an direkt siedegekühlten mikroelektronischen Bauelementen erreicht, wobei keine weiteren bautechnischen Maßnahmen notwendig sind. Dazu wird die Heizfläche in Form der Rückseite des Substrats mittels Laserstrukturierung dahingehend funktionalisiert, dass das Einsetzen des effizienten Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen geschieht. Das Aufrauen der Oberfläche stellt gleichzeitig eine Vergrößerung der Heizfläche dar, was die abführbare Wärmemenge weiter erhöht. Damit ist ein sehr effizienter Wärmetransfer gegeben, da das Einsetzen des Blasensiedens bereits bei geringen Temperaturen beginnt, so dass mikroelektronische Bauelemente bei geringeren Temperaturen und/oder höheren Leistungen betrieben werden können. Die Kühlleistung wird weiter durch die durch Laserstrukturierung vergrößerte Heizfläche erhöht. Es tritt infolge der materialschonenden Oberflächenstrukturierung mit Laserstrahlung keine thermische Schädigung der sensiblen mikroelektronischen Bauelemente auf, so dass die Bearbeitung in unterschiedlichen Stadien der Waferprozessierung stattfinden kann. Da sich der Laserstahl sehr einfach räumlich steuern lässt, kann die Oberflächenstrukturierung sehr einfach nur auf die hoch temperaturbelasteten Bereiche am Bauteil platziert werden. Neben der geringeren Baugröße der Bauelemente sind Kostenersparnisse bei der Herstellung und im laufenden Betrieb sowie eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit zu erwarten. Die hohen zu erwartenden Produktionsraten und kurzen Taktzeiten können durch Anwendung von Laserverfahren mit hohen Laserleistungen und ultraschnellen Strahlablenkungen erreicht werden, wobei thermisch unbelastete Bearbeitungen mit sehr hohen Flächenraten und/oder sehr kurzen Prozesszeiten möglich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Der Laser ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 2 vorteilhafterweise ein Laser mit hochrepetierender Laserstrahlung, mit Ultrakurzpulslaserstrahlung oder mit hochrepetierender Ultrakurzpulslaserstrahlung.
Die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 3 eine sich während und nach der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung selbstorganisierende Oberfläche.
Die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche weist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 4 mehrere beabstandet zueinander angeordnete Erhebungen und/oder Vertiefungen auf.
Die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche besitzt nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 5 eine Linienstruktur und/oder Punktstruktur.
Der Bereich der Oberfläche des Substrats ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 6 ein Bereich eines Kanals und/oder einer Kammer.
Das Substrat besteht nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 7 aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:

1 ein siedekühlbares Substrat mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement.

Wenigstens ein mikroelektronisches Bauelement 1 weist ein siedekühlbares Substrat 2 auf.
Die 1 zeigt ein siedekühlbares Substrat 2 mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
Die der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement 1 gegenüberliegende Oberfläche 3 des Substrats 2 ist eine mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche 3.
Der dazu verwendete Laser kann ein Laser mit hochrepetierender Laserstrahlung, mit Ultrakurzpulslaserstrahlung oder mit hochrepetierender Ultrakurzpulslaserstrahlung sein. Die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche 3 kann dazu eine sich während und nach der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung selbstorganisierende Oberfläche 3 sein und/oder mehrere beabstandet zueinander angeordnete Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen.
Das Substrat besteht aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik.
Der Bereich der Oberfläche 3 des Substrats 2 kann ein Bereich eines Kanals und/oder einer Kammer sein. Darüber hinaus kann sich das Substrat 2 mit dem Bauelement auch im Kühlmedium 4 befinden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3137408 A1 [0005]
DE 3236612 A1 [0006]
DD 231680 A1 [0007]
EP 0268081 A1 [0008]

Claims

Siedekühlbares Substrat (2) mit wenigstens einem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder als Träger mikroelektronischer Einheiten, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich der der Oberfläche mit dem mikroelektronischen Bauelement (1) und/oder den mikroelektronischen Einheiten gegenüberliegenden Oberfläche (3) des Substrats (2) eine mittels Laserstrahlung wenigstens eines Lasers aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche (3) ist.
Siedekühlbares Substrat nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Laser mit hochrepetierender Laserstrahlung, mit Ultrakurzpulslaserstrahlung oder mit hochrepetierender Ultrakurzpulslaserstrahlung ist.
Siedekühlbares Substrat nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche (3) eine sich während und nach der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung selbstorganisierende Oberfläche (3) ist.
Siedekühlbares Substrat nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche (3) mehrere beabstandet zueinander angeordnete Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist.
Siedekühlbares Substrat nach den Schutzansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute und/oder strukturierte und/oder regelmäßig texturierte und/oder reliefartige Oberfläche (3) eine Linienstruktur und/oder Punktstruktur besitzt.
Siedekühlbares Substrat nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Oberfläche (3) des Substrats (2) ein Bereich eines Kanals und/oder einer Kammer ist.
Siedekühlbares Substrat nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) aus einem Metall, einem Halbleitermaterial oder einer Keramik besteht.