DE4335512C2 - Silizium-Mikrokanalkühler zur Kühlung von Hochleistungslaserdioden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrokanalkühler zur Kühlung von Hochleistungslaserdioden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochleistungslaserdioden auf der Basis von GaAs/GaAlAs bzw. InP/InGaAsP oder ähnlichen Materialien werden in zunehmenden Maße als sehr kompakte und zuverlässige Strahlquellen eingesetzt. Durch Anlegen eines elektrischen Stromes an derartige Halbleiterbauelemente wird optische Strahlung an einem pn-Übergang durch die Rekombination von gegen­ sätzlich geladenen Ladungsträgern erzeugt. Typische Ausdehnungen dieser optisch aktiven Schicht liegen bei 1 µm Dicke und einer, durch die optische Ausgangsleistung bestimmten Breite. Stand der Technik ist entweder eine Array-Struktur, bei der mehrere aktive Zonen in einer Ebene angeordnet sind und durch optisch inaktive Bereiche voneinander getrennt sind, oder eine Breitstreifen-Struktur, deren optisch aktive Zone nicht unterbrochen ist.

Die Breite der aktiven Zone kommerziell erhältlicher Laserdioden mit einer beispielhaften Ausgangsleistung von 1 W Dauerstrich liegen im Falle der Array-Struktur bei etwa 200 µm, bei der Breitstreifen-Struktur bei etwa 50 µ m.

Die geometrischen Abmessungen dieses beispielhaften Halbleiterbauelemen­ tes liegen bei etwa 400_*600 µm Grundfläche und einer Dicke von etwa 100 µm.

In letzter Zeit wurden kommerziell Laserdioden mit einer Array-Struktur verfügbar, die optische Ausgangsleistungen bis 20 W Dauerstrich liefern. Die geometrischen Abmessungen dieser Laserdioden liegen typischerweise bei einer Breite von 10 mm, einer Länge von 600 µm und einer Dicke von etwa 100 µm.

Diese Halbleiterbauelemente weisen einen elektrischen zu optischen Wir­ kungsgrad von etwa 30% auf. Die restliche elektrische Leistung muß als Verlustwärme abgeführt werden. Nach dem Stand der Technik werden hierzu Peltierelemente, massive Kupfer-Kühler, mit Kühlmittel durchflosse­ ne Wärmetauscher und in letzter Zeit auch Mikrokühler verwandt. Letztere zeichnen sich dadurch aus, daß durch die Abformung kleiner Kanalstruktu­ ren in ein Material guter Wärmeleitung die Wärmeübertragungsfläche er­ heblich vergrößert wird. Derartige Strukturen wurden bisher in Kupfer und Aluminium-Nitrid-Keramik mittels Sägen, und in Silizium sowohl mittels Sägen als auch mittels anisotropen Ätzen erzeugt (D. Mundinger et al., Appl. Phys. Lell., Vol. 53 (1988), S. 1030-1032). Wird durch die Kanäle ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, mit einem Druck von etwa 2 bar gepreßt, so können Verlustleistungsdichten von bis zu 1 kW/cm² abgeführt werden (Tuckerman and Pease, IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-2 (1981) S. 126-129).

Die Herstellung von Silizium-Mikrokühlern mittels anisotropen Ätzen ist mehrfach in der Literatur beschrieben worden (R. Philipps, "The Lincoln Laboratory Journal", Vol. 1 (1988) S. 31-48 oder IEEE J. Quantum Electronics, Vol. 28 (1992), S. 966-976) und beruht im wesentlichen auf der unterschiedlichen Ätzrate verschiedener kristallographischer Ebenen des Siliziums in alkali­ schen Laugen, beispielsweise KOH. Die geringste Ätzrate stellt sich entlang der (111)-Ebene ein, die bei Verwendung eines Siliziumwafers mit einer (110)-Orientierung senkrecht zur Wafer-Oberfläche steht. Auf diese Weise lassen sich Kanäle mit großem Aspektverhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Breite) erzeugen. Typische Abmessungen dieser Kanäle liegen bei einer Breite von etwa 25 µm, einer Tiefe von 200 µm bis 400 µm und einer Breite der verbleibenden Siliziumstege von ebenfalls etwa 25 µm.

Aus dem Buch "Micromachining and Micropackaging of Transducers", herausgegeben von C.D. Fund et al., Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam 1985, S. 215-222 sind neben- bzw. hintereinanderliegende V-förmige Kanäle beschrieben, die miteinander verbunden sind und Kühlkapillaren in einem Siliziumblock bilden.

Durch Verbindung mit einem weiteren Wafer werden die so gefertigten Ka­ näle verschlossen. Dieser Wafer kann entweder aus Glas oder aus Silizium bestehen, was jedoch entsprechende Verbindungstechniken erfordert. Im Falle von Glas wird die Verbindung durch anodisches Bonden, im Falle von Silizium durch Silizium-Silizium Hochtemperaturbonden hergestellt. Im ein­ fachsten Fall sind mittels Ultraschallbohren bzw. Ätzen in diesen Ab­ schlußwafer Löcher für die Wasserzu- und -abführung jedes einzelnen Küh­ lers gefertigt worden.

Die Oberseite des strukturierten Siliziumwafers wird mit einer geeigneten Metallisierung, welche die Montage der Laserdiode und deren elektrische Kontaktierung erlaubt, versehen. Beispielsweise wird zur Haftvermittlung eine 25 nm dicke Schicht Chrom auf das Silizium und hierauf eine 500 nm dicke Goldschicht aufgedampft. Das Gold ermöglicht zum einem die elektri­ sche Kontaktierung der Laserdiode und dient zum anderen als lötfähige Schicht.

Die hohen Lebensdauern, die schmale Linienbreite des Emissionsspektrums sowie die verfügbaren Wellenlängen und optischen Ausgangsleistungen und nicht zuletzt der hohe Wirkungsgrad eröffneten den Laserdioden in letzter Zeit auch zunehmend den Einsatzbereich als optische Pumpquellen von Festkörperlasern aller Leistungsbereiche. Die Erzeugung hoher Festkör­ perlaserleistungen stellt neue Anforderungen an die Kühlung und die An­ ordnung möglichst vieler Laserdioden auf kleinstem Raum.

Eine hohe Packungsdichte der Laserdioden bei gleichzeitig sehr effizienter Kühlung läßt sich mittels Silizium-Mikrokühler realisieren und wurde bei­ spielsweise in den US-PS′en 5,105,429 und 5,105,430 beschrieben. In die­ sen Schriften wird eine Stapelung von Mikrokühlern, welche aus drei ver­ schiedenen Siliziumwafern zusammengesetzt sind und auf denen einseitig Hochleistungslaserdioden montiert sind vorgestellt.

In der US-PS 5,105,429 werden zwei Siliziumwafer mit einem Zulauf für die Mikrokanäle und mit Mikrokanälen strukturiert (Fig. 8). Die Mikrokanäle laufen hierbei parallel zur Emissionsrichtung der Laserdiode. Außerdem sind Öffnungen in beiden Siliziumwafern erforderlich, um die Wasserzu- und -abführung nach Stapelung der Mikrokühler zu gewährleisten. Die bei­ den Siliziumwafer werden mittels eines Glaswafers, der einen Wasser­ durchlaß vom unteren zum oberen Wafer enthält, verbunden. Anschließend wird eine entsprechende Metallisierung des Kühlers vorgenommen, welche auch die seitlichen Kanten des Kühlers miteinschließt (Fig. 9). Auf einen derartigen Kühler wird mm die Laserdiode unmittelbar oberhalb der Mikro­ kanäle montiert. Diese Einheiten lassen sich anschließend zu einer zweidi­ mensionalen Anordnung aufeinander stapeln (Fig. 10).

Die US-PS 5,105,430 beschreibt einen ähnlichen Aufbau, jedoch anderer Ausführungsform (Fig. 11). Der Siliziumwafer, welcher später als Träger der Laserdiode dient, wird mit Mikrokanälen, die senkrecht zur Emissions­ richtung der Laserdiode orientiert sind, versehen. Außerdem enthält er meh­ rere Durchführungen zur Wasserzu- und -abfuhr. Dieser Wafer wird mittels Silizium-Silizium Hochtemperaturbonden mit einem weiteren Siliziumwafer verbunden, der Kanalstrukturen für die Wasserversorgung der Mikrokanäle enthält. Dieser Wafer wiederum wird mittels eines weiteren Wafers, vor­ zugsweise aus Silizium, verbunden, um die Kanalstruktur zu verschließen. Um den Temperaturgradienten entlang der Laserdiode bzw. der Mikroka­ näle zu minimieren, sind mehrere Wasserzu- und abführungen derselben vorgesehen. Dies bedingt jedoch, daß sich oberhalb der Wasserabführungen aufgrund der entgegengesetzten Fließrichtung des Wassers in den Mikroka­ nälen Bereiche mit minimalem Druck, bzw. minimaler Fließgeschwindigkeit ausbilden, wodurch die Kühleffizienz verschlechtert wird.

Dieser Kühler wird nach der Verbindung der drei Wafer entsprechend me­ tallisiert, wobei wiederum die Kanten, die sich nach der Vereinzelung der Mikrokühler ergeben, ebenfalls metallisiert werden. Auf den Kühler wird nun die Laserdiode montiert, und anschließend können diese Einheiten zu einer zweidimensionalen Anordnung zusammengefügt werden (Fig. 12).

Nachteile dieser Anordnung liegen in der Beschränkung auf die einseitige Montage der Laserdioden auf die Mikrokühler und damit verbunden eine nicht optimierte Strahldichte der zweidimensionalen Anordnung von Laser­ dioden, sowie der Anordnung der Kühlkanäle senkrecht zur optischen Achse der Laserdiode, so daß zur Minimierung des Temperaturgradienten mehrere Ein- bzw. Auslässe nötig sind, welche jedoch Punkte minimaler Kühlung definieren. Weiterhin müssen zur Herstellung dieses Kühlers zwei Wafer, vorzugsweise aus Silizium, strukturiert werden und mit einem dritten Wa­ fer verschlossen werden, was die Packungsdichte begrenzt und die Her­ stellungskosten erhöht.

Beiden Ausführungsformen nach den Patentschriften ist der Nachteil ge­ mein, daß die elektrische Kontaktierung der Laserdioden durch eine ent­ sprechende Metallisierung der Mikrokanalkühler erfolgt, die sich auch auf die Kanten derselben erstreckt. Die Kanten ergeben sich jedoch erst nach Vereinzelung der Mikrokühler, so daß der gesamte Kühler nicht bis zuletzt im sogenannten batch-processing-Verfahren hergestellt werden kann. Die Einzelbehandlung der Kühler bedingt aber erhöhte Herstellungs­ kosten.

Des weiteren ist die Metallisierung der Mikrokanalkühler in beiden Fäl­ len so ausgeführt, daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen Strom- und Wasserführung entsteht, was für zahlreiche Anwendungen nicht wünschens­ wert ist.

Als weiterer Nachteil beider oben beschriebener Ausführungsformen ergibt sich die nötige Strukturierung zweier Siliziumwafer zur Herstellung eines Kühlers, was erhöhte Herstellungskosten bedingt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikrokanalkühler zur Kühlung von Hochleistungsbauelementen am Beispiel von Hochleistungsla­ serdioden aufzuzeigen, welcher frei von den oben beschriebenen Nachtei­ len ist, nur einen Siliziumwafer aufweist, indem die Wasserzu- und -ab­ führung für jeden einzelnen Kühler in der Ebene der Kanäle erfolgt, außerdem eine Minimierung des Temperaturgradienten in der Laserdiode in Richtung senkrecht zum Strahlaustritt erlaubt und die Möglichkeit der Montage der Laserdiode an den Rand des Mikrokühlers durch die Ausnützung der beiden (111)-Ätzstoppebenen sicherstellt.

Weiterhin soll die elektrische Kontaktierung der Laserdiode derart aus­ geführt sein, daß ein batch-processing bis zur Fertigstellung der Kühler möglich ist und die Stromführung von der Wasserführung räumlich getrennt ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In der Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Diese Figuren ergänzen gleichzeitig die Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze bezüglich der Lage der (111)-Kristallebenen in einem (110) Siliziumwafer, schematisch dargestellt ist die Orientie­ rung der erfindungsgemäßen Mikrokühler;

Fig. 2 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Mikrokühlers, schraf­ fiert sind die Kanäle auf der Kühlerrückseite und punktiert die Metallisierung auf der Kühleroberseite eingezeichnet;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen zweiseitig gekühlten Mikrokühler, die strukturierten Metallisierungsschichten sind angedeutet;

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines zweiseitig gekühlten Mikrokühlers, auf den beidseitig Heatspreader und Laserdioden montiert wurden;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mikrokühler, dessen Wasserverschlußplatte gleichzeitig als Heatspreader dient und somit eine beidseitige Montage von Laserdioden gewährleistet;

Fig. 6 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Pumpmoduls einschließ­ lich der strukturierten Leiterplatte, welche zur elektrischen Kontaktierung dient;

Fig. 7 eine zweidimensionale Anordnung der erfindungsgemäßen Mikroküh­ ler;

Fig. 8 eine Darstellung eines Silizium-Mikrokanalkühlers nach dem Stand der Technik, wobei die Mikrokanäle parallel zur Emissionsrich­ tung der Laserdiode und die Ein- oder Auslaßbereiche für das Kühlmedium in der Ebene der Mikrokanäle angeordnet sind, entnom­ men aus der US-PS 5,105,429;

Fig. 9 einen Teilquerschnitt durch eine Metallisierung des Silizium-Mi­ krokanalkühlers gemäß Fig. 8 nach dem Stand der Technik, entnom­ men aus der US-PS 5,105,429;

Fig. 10 eine zweidimensionale Anordnung der Silizium-Mikrokanalkühler gemäß Fig. 8 mit montierten Laserdioden nach dem Stand der Tech­ nik, entnommen aus US-PS 5,105,429;

Fig. 11 eine Darstellung eines Silizium-Mikrokanalkühlers nach dem Stand der Technik, wobei die Mikrokanale senkrecht zur Emissionsrich­ tung der Laserdiode angeordnet sind und die Wasserzu- bzw. -ab­ führung über einen weiteren strukturierten Siliziumwafer er­ folgt, entnommen aus US-PS 5,105,430;

Fig. 12 eine zweidimensionale Anordnung der Silizium-Mikrokanalkühler ge­ mäß Fig. 11, wobei die Laserdioden montiert wurden, entnommen aus der US-PS 5,105,430.

Die Montage von Laserdioden auf Mikrokühler erfordert zum einen wegen der großen Divergenz dieser Halbleiterbauelemente eine Plazierung nahe an der Kante des Kühlers, um Reflexionen der Laserdiodenstrahlung am Kühler zu vermeiden, zum anderen muß der Temperaturgradient entlang der emittierenden Fläche der Laserdiode minimiert werden. Dies ist vor allem für sogenannte Barren mit einer Breite von etwa 10 mm wichtig, die opti­ sche Leistungen von derzeit 20 W Dauerstrich emittieren. Werden die La­ serdioden auf Mikrokanalkühler montiert, bei denen die Kanäle durchge­ hend parallel zur emittierenden Fläche der Laserdiode angeordnet sind, so führt die Erwärmung des Kühlmediums zu einem erheblichen Temperatur­ gradienten. Aus diesem Grunde müssen die Mikrokanäle parallel zur opti­ schen Achse der Diode orientiert sein. Die Strukturierung von Mikrokanä­ len in Silizium mittels anisotropen Ätzen erfordert weiterhin die Aus­ nützung sogenannter Ätzstoppebenen. Diese Kristallebenen minimaler Ätz­ rate sind die (111)-Ebenen, welche bei einem (110)-Wafer senkrecht zur Oberfläche desselben orientiert sind. Sie treten wegen der Spiegelsymme­ trie zweimal auf und bilden mit der (110)-Ebene jeweils einen Winkel von 54.7° (Fig. 1).

Der erfindungsgemäße Mikrokühler nützt nun beide (111)-Kristallebenen des Siliziums als Ätzstoppebenen aus und ermöglicht somit sowohl die Strukturierung von Mikrokanälen mit einer Orientierung annähernd senk­ recht zur emittierenden Fläche der Laserdiode als auch die genaue Pla­ zierung des Wassereinlaßbereiches.

Hierdurch können die Mikrokanäle wohl definiert sehr nahe an einer Kante des Mikrokühlers plaziert werden und erlauben somit auch die Montage der Laserdiode an einer Kante des Mikrokühlers. In Fig. 1 ist die Lage der Mikrokühler auf einem (110)-Siliziumwafer relativ zu den (111)-Ätzstopp­ ebenen dargestellt. Es ist ersichtlich, daß eine der beiden (111)-Ebenen die Lage der Mikrokanäle definiert, während die zweite (111)-Ebene, wel­ che mit der ersten (111)-Ebenen einen Winkel von 70.5° bildet, zur Be­ grenzung des Wassereinlaßbereiches genutzt wird. Eine derartige Orien­ tierung des Mikrokühlers erlaubt nun, daß Wasserein- und auslaßbereiche in der Ebene der Mikrokanäle geschaffen und gleichzeitig die Anforderun­ gen an die Montage von Laserdioden erfüllt werden können.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, dient hierzu die eine Ätzstoppebene 1 zur seitlichen Begrenzung der Mikrokanäle 3, die zweite Ätzstoppebene 2 zur Begrenzung des Wassereinlaßbereiches 4 an der Kühlervorderkante 6. Ebene 2 ermöglicht somit, daß der Wassereinlaßbereich 4 ganz nahe an der Küh­ lervorderkante 6 geführt werden kann und folglich auch die Mikrokanäle 3 sehr nahe an die Kühlervorderkante 6 herangeführt werden können. Weitere auftretende Begrenzungen im Wasserein- und -auslaßbereich weisen ein isotropes Ätzverhalten auf, was aber durch ein Vorhalten in der photo­ lithographischen Maske berücksichtigt werden kann. Das Kühlmedium wird mittels eines geeigneten Wasseranschlusses an die Kühlerkante 7 herange­ führt und gelangt über die konisch geformte Wassereinlaßöffnung 8 in den Wassereinlaßbereich 4, der etwa 400 µm breit ist. An der Kühlervorder­ kante wird es durch die Begrenzungsebene 2 um 90° umgelenkt und fließt parallel zur Kühlervorderkante 6. Der Wassereinlaßbereich 4 verjüngt sich hier in Flußrichtung auf minimal etwa 50 µm, um einen gleichmäßi­ gen Eingangsdruck in die Mikrokanäle 3 zu gewährleisten. Das Kühlmedium wird nach Durchströmung der Mikrokanäle 3 im Wasserauslaßbereich 5 ge­ sammelt und verläßt den Mikrokühler durch die Wasseraustrittsöffnung 9. Selbstverständlich kann der Mikrokühler auch in umgekehrter Richtung durchströmt werden. Die so in die Kühlerrückseite geschaffene Struktur wird im einfachsten Fall mit einer Glasscheibe durch anodisches Bonden verschlossen.

Die Kühlervorderseite wird mit einer Metallisierung versehen, welche die Montage und die elektrische Kontaktierung der Laserdiode ermöglicht. Hierzu muß zuerst eine Haftschicht, beispielsweise Chrom, und anschlie­ ßend eine löt- und bondfähige Schicht, beispielsweise Gold, aufgebracht und strukturiert werden (punktierte Flächen in Fig. 2). Die Bereiche 11 dienen zur elektrischen Kontaktierung, während der Bereich 10 in Fig. 2 zur Montage und zur elektrischen Kontaktierung der Laserdiode 12 benutzt wird. Zwischen Laserdiode und Mikrokühler kann ein sogenannter "Heat­ spreader" eingesetzt werden, der die kleine Wärmeeinleitungsfläche der Laserdiode wesentlich vergrößern und somit die Kühleffizienz um vieles steigert. Die Metallisierungsfläche 10 erstreckt sich deshalb über den gesamten Bereich der Mikrokanäle 3.

Der erfindungsgemäße Mikrokühler nach Fig. 2 ermöglicht wegen der Was­ serführung in einer Ebene einen zweiseitigen Aufbau, wie in Fig. 3 dar­ gestellt. Die (110)-Symmetrieebene eines (110)-Siliziumwafers erlaubt eine Anordnung der Mikrokühler derart, daß bezüglich der (110)-Ebene ei­ ne Spiegelsymmetrie gegeben ist. Die nach oben beschriebenen Verfahren mittels anisotropen Ätzen hergestellten Mikrokühler eines Siliziumwafers 13 können so mit einem weiteren Siliziumwafer 14, der dieselben Struktu­ ren enthält, verschlossen werden.

Die Verbindung der beiden Siliziumwafer erfolgt mittels Silizium-Sili­ zium Hochtemperaturbonden, Löten oder anodischem Bonden. Bei letzterem wird ein Glaswafer 15, vorzugsweise Pyrexglas oder Borsilikatglas, wel­ cher einen an Silizium angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, unter Temperatur und elektrischer Spannung mit einem der bei­ den Siliziumwafer 13 verbunden. Zur Minimierung der Dicke eines zweisei­ tig gekühlten Mikrokühlers wird das Glas anschließend mit einer Ätzlö­ sung auf etwa 50 µm abgedünnt und poliert, um ein weiteres anodisches Bonden mit dem Siliziumwafer 14 zu gewährleisten. Im Bereich der Kühl­ mittelzu- und -abfuhrbereiche 4, 5 kann das Glas entfernt werden, um den Druckabfall in diesen Bereichen zu verringern. Bei Verbindung der beiden Wafer 13, 14 durch Löten werden das Lot und die erforderlichen Lotbenet­ zungsschichten 131, 141 auf die strukturierten Kühlerrückseiten aufge­ dampft. Anschließend erfolgt die Verbindung der beiden Siliziumwafer 13, 14 bei der entsprechenden Lottemperatur. Wird beispielsweise die eutek­ tische Gold-Silizium-Verbindung gewählt, so wird auf die Rückseite eines Siliziumwafers 13 eine dünne Goldschicht 131 von etwa 100 nm aufge­ dampft. Der Glaswafer 15 in Fig. 3 entfällt. Anschließend werden die beiden Wafer 13, 14 zueinander justiert und auf etwa 400°C erwärmt. Hierdurch diffundiert das Gold in die Grenzflächen beider Siliziumwafer und es kommt zu einer dauerhaften Verbindung beider Wafer. Auf diese Weise und bei Verwendung anderer Löttechniken bzw. Silizium-Silizium Hochtemperaturbonden entstehen Mikrokühler, deren Strukturtiefe doppelt so groß ist, wie die herkömmlich strukturierter Silizium Mikrokühler. Dies führt zu verringerten Druckabfällen im Kühlmittelzu- und -abfuhrbe­ reich sowie einer erhöhten Effizienz der Mikrokühler.

Weiterhin sind durch den symmetrischen Aufbau auf beiden Kühleroberflä­ chen 132, 142 Identische Kühleffizienzen gegeben, weshalb eine zweisei­ tige Montage von Wärmequellen möglich ist. Werden die Kühleroberflächen 132, 142 mit den entsprechenden Haft- und Verbindungsschichten, sowie Diffussionsbarrieren, Lotbenetzungsschichten und Lot-, bzw. Bondschich­ ten versehen 133, 143 und strukturiert, so lassen sich beidseitig Laser­ dioden oder Laserdioden gelötet auf Heatspreader montieren und elek­ trisch kontaktieren. Die Metallisierung 133, 143 beider Kühleroberflä­ chen 132, 142 ist entsprechend der Fig. 2 ausgeführt.

Der Heatspreader kann auch auf die Mikrokühler integriert werden, indem auf die Kühleroberflächen 132, 142 im Bereich der Metallisierung 10 gal­ vanisch Kupfer abgeschieden wird. Als leitfähige Startschicht dient die oben beschriebene Metallisierungsschichten von Chrom und Gold, auf der mittels Photolithographie der Galvanisierungsbereich festgelegt wird. Nach erfolgter Galvanisierung wird das zur Montage der Laserdiode nötige Lot, beispielsweise Au(80)Sn(20), aufgebracht und anschließend der Pho­ tolack entfernt. Zuletzt wird die Metallisierung gemäß Fig. 2 struktu­ riert.

Die Mikrokühler können auf diese Weise gänzlich im batch-processing her­ gestellt werden. Als letzter Arbeitsschritt erfolgt die Vereinzelung der Mikrokühler.

In einem Aufbau nach Fig. 4 sind die Laserdioden 12a, 12b mittels Au(80)Sn(20) Lot bei einer Lottemperatur von etwa 320°C auf Diamant Heatspreader 16a, 16b montiert, um die Wärmeeinleitungsfläche der Laser­ dioden zu vergrößern. Typische Dicken des Diamantes liegen bei 300 µm. Die Kühleroberflächen 132, 142 werden mit einer, entsprechend in Fig. 2 beschriebenen, strukturierten Metallisierung 10, 11 versehen. Die Monta­ ge der Heatspreader 16 auf die Kühleroberflächen 132, 142 erfolgt nach­ einander mittels Löten oder Kleben. Hierbei wird die Temperatur bei Mon­ tage des ersten Heatspreaders 16a oberhalb der Montagetemperatur des zweiten Heatspreaders 16b, jedoch unterhalb der Lottemperatur von Au(80)Sn(20)-Lot gewählt. Im Falle binärer Lote, beispielsweise PbSn-Lo­ te, läßt sich der Schmelzpunkt durch das Mischungsverhältnis von Blei und Zinn variieren. Die Lote können entweder direkt galvanisch auf die Me­ tallisierung aufgebracht werden, oder als preform Lote ähnlich wie Kle­ ber aufgebracht werden.

Die elektrische Kontaktierung der Laserdiode erfolgt zum einen über das Lot und den allseitig metallisierten Heatspreader und wiederum Lot auf die Metallisierung 10, (Fig. 2) des Mikrokühlers. Der elektrische Kon­ takt zwischen den Metallisierungsflächen 11 (Fig. 2) und der Oberseite der Laserdiode erfolgt mittels Drahtbonden 17.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrokühlers dargestellt. In diesem Fall wird der in Fig. 2 beschriebene Siliziumwafer auf der Kühlerunterseite 131 mit einer lötfähigen Metalli­ sierung, beispielsweise Chrom/Gold beschichtet. Zum Verschluß der Kühl­ mittel-durchflossenen Strukturen wird ein Material guter Wärmeleitung 18, beispielsweise CVD Diamant, welcher geeignet metallisiert und ein­ seitig mit einem Lot, beispielsweise Au(80)Sn(20) beschichtet ist, auf den Siliziumwafer aufgelötet. Auf diese Weise entsteht ein sehr kompak­ ter Mikrokühler, der wegen der guten Wärmeleitung des Abschlußwafers 18 ebenfalls für eine zweiseitige Montage von Laserdioden geeignet ist.

Die elektrische Kontaktierung der Laserdiode erfolgt auf die struktu­ rierte Metallisierungsschicht des Mikrokühlers, wie oben beschrieben.

Ein Kontakt befindet sich auf der Metallisierungsfläche 10 (Fig. 2), der andere auf den Flächen 11 (Fig. 2). Die Kontaktierung der metallisierten Kühleroberflächen wird durch ein Lot auf die in Fig. 6 gezeigte Leiter­ platte hergestellt. Hierzu wird eine Leiterplatte 19, die im einfachsten Fall eine Monolayer-Leiterplatte ist, mit Leiterbahnen 20, 21, 22 be­ schichtet. Die Leiterplatte 19 weist eine Öffnung 23, die für die Durch­ führung des zweiseitig gekühlten Silizium-Mikrokühlers 24 geeignet ist auf. Die Leiterbahnen 20, 21, 22 sind so ausgeführt, daß sie mit der Kante der Durchführung 23 an den entsprechenden Stellen 201, 211, 221 bündig ist. Nachdem der Mikrokühler 24 durch die Leiterplattenöffnung 23 geführt worden ist, erfolgt die elektrisch leitende Verbindung zwischen den metallisierten Kühleroberflächen 10, 11 und den Leiterbahnen 20, 21, 22 durch Aufbringen eines elektrisch leitenden Klebers oder mittels Lö­ ten. Hierzu wird vor der Durchführung des Mikrokühlers 24 sowohl auf die metallisierten Flächen des Mikrokühlers 10, 11, als auch auf die Kanten der Leiterbahnen 201, 211, 221 ein Lot derart aufgebracht, daß sich nach der Durchführung des Mikrokühlers 4 durch die Leiterplatte 19 diese Lot­ bereiche berühren. Eine elektrisch leitfähige Verbindung wird durch Er­ wärmen der gesamten, in Fig. 6 gezeigten Einheit oberhalb der Lottempe­ ratur erreicht. Eine elektrische Versorgungseinheit 25 wird nun mittels Kabel und entsprechenden Steckkontakten an die Leiterbahnen 20 und 22 angekoppelt und somit die elektrische Kontaktierung der Laserdioden vor­ genommen. Die Leiterbahn 21 dient zur elektrischen Verbindung der beiden Laserdioden 12a, 12b und ist derart ausgeführt, daß die Laserdioden 12a, 12b in Reihe geschalten sind.

Die Kühlmittelversorgung der Mikrokühler erfolgt durch die Montage der in Fig. 6 beschriebenen Einheit auf eine Grundplatte, die geeignet aus­ geformte Kühlmittel zu- und -abführungskanäle sowie einen Aufnahmebereich für den Mikrokühler 24 enthält. Hierzu werden in eine Grundplatte 27, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, Löcher für die Kühlmittelzufuhr 28 und Kühlmittelabfuhr 29 durch Bohren oder Fräsen geschaffen, wie in Fig. 12 dargestellt. Diese Löcher sind in einem derartigen Abstand ange­ bracht, daß nach Montage der Mikrokühler 24 der Einlaßbereich 8 und der Auslaßbereich 9 der Mikrokühler 24 über den entsprechenden Öffnungen 28, 29 der Grundplatte 27 angeordnet sind. Zur Aufnahme der Mikrokühler 24 wird in die Grundplatte 27 eine Öffnung gearbeitet, typischerweise durch Fräsen, die in ihren Abmaßen denen des Mikrokühlers entspricht und senk­ recht zu den Kühlmittelversorgungskanälen 28, 29 orientiert ist. Die Tiefe dieser Öffnung liegt bei etwa 1 mm. Auf die Grundplatte 27 wird die Leiterplatte 19 mittels Kleben oder anderer Verbindungstechnik der­ art aufgebracht, daß die Öffnungen für die Durchführung der Mikrokühler deckungsgleich übereinander zu liegen kommen. Anschließend wird der Mi­ krokühler 24 durch die beiden Öffnungen so weit eingeführt, daß die Ein­ laß- 28 und Auslaßkanäle 29 der Grundplatte 27 nur noch über die Kühl­ mittelstrukturen im Mikrokühler 24 miteinander verbunden sind, und in der Grundplatte 27 durch Kleben oder Löten senkrecht zur Leiterplatte 19 bzw. Grundplatte 27 befestigt. Die Verbindung dichtet gleichzeitig den Kühlmittelkreislauf ab. Die elektrische Kontaktierung zwischen Mikroküh­ ler 24 und Leiterplatte 19 wird dann wie oben beschrieben vorgenommen. Die elektrische Versorgungseinheit 25 wird über die Steckkontakte (30) mit den Leiterbahnen 20, 22 verbunden.

Derartige Mikrokühler erlauben in Verbindung mit der beschriebenen Mon­ tagetechnik die Anordnung mehrerer Kühlermodule 24 auf einer Grundplatte 27. Hierzu müssen die Kühlmittelversorgungskanäle 28, 29 und die Aufnah­ mebereiche für die Kühlermodule 24 In der Grundplatte 27 so ausgebildet sein, daß alle Kühlermodule 24 nach der Montage den Kühlmittelzufuhrbe­ reich 28 vom Kühlmittelabfuhrbereich 29 trennen und mit denselbigen in unmittelbarer Verbindung stehen. Die Leiterplatte, welche zur elektri­ schen Kontaktierung der Kühlermodule 24 dient, weist eine Struktur von Leiterbahnen derart auf, daß - analog zu Fig. 6 - sämtliche Laserdioden in Reihe geschalten sind. Hierzu wird, abweichend zu Fig. 6, eine Lei­ terbahn 22 von Kontakt 11b des Kühlermoduls 24a zu Kontakt 10 des Küh­ lermoduls 24b geführt. Da hinsichtlich einer hohen Packungsdichte der Kühlermodule 24 der Raum zwischen den Kühlermodulen für die Führung der Leiterbahnen stark begrenzt ist, kann eine Multilayer-Leiterplatte Ver­ wendung finden, wobei sich jedoch die Kontaktierungsflächen 201, 211, 221 immer auf der obersten Schicht der Multilayer Leiterplatte befinden müssen. Dies bedingt eine Führung von Leiterbahnen in mehreren Ebenen nach dem Stand der Technik.

Bei Verwendung von 300 µm dicken Siliziumwafern zur Strukturierung der Mikrokanalkühler sowie etwa 300 µm dicken Heatspreadern, vorzugsweise aus Diamant, ergibt sich eine typische Dicke des Kühlermoduls von etwa 1.5 mm bei beidseitiger Montage von Halbleiterlaserdioden. Mit einem Ab­ stand der Kühlermodule von weiteren 300 mm, der für die Führung der Drahtbonds zur Kontaktierung der Laserdioden nötig ist, lassen sich so­ mit fünf Kühlermodule auf einer 1 cm langen Grundplatte 27 anordnen.

Eine zweidimensionale Anordnung der Mikrokühler ist in der Fig. 7 skizziert.

Claims (24)

1. Silizium-Mikrokanalkühler zur Kühlung von Hochleistungslaserdi­ oden unter Verwendung unterschiedlicher Ätzraten mittels anisotropen Ätzverfahrens verschiedener kristallographischer Ebenen des Siliziums in alkalischen Laugen, wobei sich die geringste Ätzrate entlang der (111)-Ebe­ ne einstellt, die bei Verwendung eines Siliziumwafers mit einer (110)-Orien­ tierung senkrecht zur Wafer-Oberfläche steht, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem (110)-Siliziumwafer unter Ausnutzung beider (111)-Ätz­ stoppebenen gleichzeitig sowohl die Mikrokanäle (3) als auch die Kanäle für die Kühlmittelzufuhr (8) und die Kühlmittelaustrittsöffnung (9) eines Mi­ krokanalkühlers strukturiert sind, dessen Kühlervorderkante und -rückkante (7, 8), welche sich nach der Vereinzelung des Siliziumwafers (13, 14) erge­ ben, parallel zu einer der beiden (111)-Ebenen ausgerichtet sind, welche ebenso zur einseitigen Begrenzung des Kühlmittelzu- und -abführbereiches dient, und dessen Mikrokanäle (3) parallel zur zweiten (111)-Ätzstoppebene angeordnet sind, wobei diese mit der Kühlervorderkante (7) einen Winkel von 70.5° bilden und die Enden der Mikrokanalstege zur einseitigen Be­ grenzung des Kühlmittelzu- und -abführbereiches dienen, welche sich in der Ebene der Mikrokanäle (3) befinden und gemeinsam mit den Mikrokanälen (3) mittels eines Deckwafers aus Pyrexglas (13, 14) einen Kühlmit­ telkreislauf bildend verschlossen wird.

2. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kanal für die Kühlmittelzuführung (8), welcher sich an einer Seite und an der Vorderkante des Mikrokühlers befindet, sich an der Küh­ lervorderkante (6) in Flußrichtung des Kühlmittels verjüngt.

3. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Öffnungen (4, 5) für die Zu- und -abfuhr (8, 9) des Kühl­ mediums über in einer Stirnseite der Mikrokanalkühler angeordnet sind, die sich nach der Vereinzelung des Siliziumwafers (13, 14) ergeben.

4. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß metallisierte Bereiche (133, 143) auf der Küh­ leroberfläche (10) zur Montage und elektrischen Kontaktierung der Laser­ diode (12), räumlich von der Führung des Kühlmediums getrennt angeordnet sind.

5. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß aufgrund eines Winkels zwischen Mikrokanälen (3) und Kühlervorderkante (6) von 70.5° ein vernachlässigbarer Temperatur­ gradient entlang der Kühlervorderkante (6) gebildet wird, der sich auch auf die etwa 10 mm langen, auf den Mikrokanalkühler (3) montierten La­ serdiodenbarren (12a, 12b) erstreckt.

6. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der Laserdiode (12) auf die strukturierte Metallisierung (133, 143) der Kühleroberfläche (132, 142) zum einen über die Montagefläche und somit auch über einen Heatspreader (16), zum anderen mittels Drahtbonden (17) von der Oberseite der Laserdiode (12) auf die freibleibende Metallisierung (133, 134) erfolgt.

7. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Heatspreader (16) auf dem Mikrokanalkuhler integriert ist, indem lokal begrenzt ein Metall guter Wärmeleitung, bei­ spielsweise Kupfer, galvanisch oder mittels anderer Techniken aufgebracht ist.

8. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Mikrokanalkühler in einer Grundplatte (27) befestigt ist, welche geeignet ausgeformte und räumlich getrennte Kanäle (3) für die Kühlmittelzu- und -abfuhr (4, 5), sowie eine entsprechende Auf­ nahme für die Mikrokanalkühler senkrecht zu den Kühlmittelkanälen enthält, so daß nach der Montage des Mikrokanalkuhlers in die Grundplatte (27) dieser mit Kühlmittel versorgt wird und ein geschlossener Kühlmittelkreis­ lauf entsteht.

9. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung (11) der metalli­ sierten Kühleroberfläche (24) durch eine auf die Grundplatte (27) montierte Leiterplatte (19) erfolgt, die sowohl eine Durchführung (23) für den Mi­ krokanalkühler aufweist, als auch geeignet ausgebildete Leiterbahnen (20 bis 22), welche ganz an die Durchführung (23) reichen und entsprechend der strukturierten Metallisierung (133, 143) der Kühleroberflächen (132, 142) ausgeführt sind, so daß mittels elektrisch leitendem Kleber oder Löten eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Leiterbahnen (20 bis 22) und den metallisierten Abschnitten der Kühleroberflächen (132, 142) entsteht.

10. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Mikrokanalkühler spiegelsymme­ trisch bzgl. der (110)-Ebene auf dem (110)-Siliziumwafer (13, 14) angeord­ net sind.

11. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß ein strukturierter Siliziumwafer (13) zum Ver­ schluß der Kanalstrukturen mit einem weiteren, spiegelbildlich strukturierten Siliziumwafer (14) mittels Silizium-Silizium Hochtemperaturbonden ver­ bunden wird und somit ein zweiseitig gekühltes Kühlermodul (24a) gebildet wird, welches auf beiden Kühleroberflächen eine identische Kühleffizienz und damit auch eine gleiche Temperaturverteilung aufweist, sowie einen geringeren Druckabfall wegen der größeren Kanalquerschnitte bedingt.

12. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Siliziumwafer (13, 14) durch eine eutektische Gold- Silizium-Verbindung miteinander verbunden sind, indem einseitig auf einen Wafer (13 oder 14) rückseitig eine dünne Goldschicht (131) aufgebracht wird und die Verbindung einer Temperatur von etwa 400°C ausgesetzt ist.

13. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung der beiden Siliziumwafer (13, 14) mittels anodisch Bonden und einem Glaswafer (15) als Bondhilfe erfolgt, wobei das Glas durch Ätzen abgedünnt und anschließend durch Lappen und Polieren wieder bondfähig ist.

14. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Glaswafer (15) an den Stellen des Kühlmittelzu- und -ab­ führbereiches (4, 5) mittels Ätzen unterbrochen ist.

15. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verbindung der beiden Siliziumwafer (13, 14) einseitig auf der Rückseite eines Siliziumwafers ein geeignetes Lot bei der entsprechen­ den Lottemperatur aufgebracht ist.

16. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strukturen eines Siliziumwafers (13, 14) mit einem Material guter Wärmeleitung, beispielsweise Diamant, mittels Löten oder Kleben verschlossen werden.

17. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Mikrokanalkühler bzw. Kühlermodule (24a, 24b) einschließlich der, zur Montage (10) und elektri­ schen Kontaktierung (11) nötigen Metallisierung (133, 143) sowie even­ tuelle Lot- oder Lotbenetzungsschichten (131) im batch-processing erfolgt und somit die Vereinzelung der Mikrokanalkühler bzw. Kühlermodule (24a, 24b) den letzten Herstellungsschritt darstellt.

18. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß auf ein beidseitig gekühltes Kühlermodul (24a, 24b) sukzessive beidseitig Hochleistungslaserdioden oder Laserdioden (12a, 12b) gelötet auf Heatspreader (16a, 16b) montiert werden, wobei die Lot­ temperatur des zweiten Montagevorgangs unter der des ersten Montagevor­ gangs gewählt werden muß, was durch unterschiedliche Lote oder Lotzu­ sammensetzungen erreicht wird.

19. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Kontaktierung (10) der Laserdioden (12a, 12b) zum einem über die Montagefläche und den optionellen Heatspreader (16a, 16b), zum anderen über Drahtbonden zu den metallisierten Bereichen der Kühleroberfläche (133, 143) erfolgt.

20. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Laserdioden (12) mittels Leiterplatte (19) und darauf geeignet geführten Leiterbahnen (20 bis 22) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

21. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die beidseitig gekühlten Kühlermodule (24a, 24b) nebeneinander in einer Grundplatte (27) montiert werden, wodurch ei­ ne Parallelschaltung der einzelnen Kühlermodule (24a, 24b) im Kühlkreis­ lauf erfolgt, und sich somit eine Skalierung der optischen Leistungsdichte von Hochleistungslaserdioden (12) erreichen läßt.

22. Silizium-Mikrokanalkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kühlermodule (24a, 24b) mittels einer Leiterplatte (19) und darauf geeignet geführten Leiterbahnen (20 bis 22) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

23. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 21 oder 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweils nach der Montage eines Kühlermoduls (24a, 24b) dessen Funktion getestet werden kann, bevor weitere Kühlermodule (24) montiert werden.

24. Silizium-Mikrokanalkühler nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterplatte (19) als Multilayer-Leiterplatte ausgebildet ist, wobei sich jedoch an den Kontaktierungsstellen zu den Mikrokanalkühlern (24) die Leiterbahnen (20 bis 22) auf der obersten Ebene befinden.