WO2004017476A2 - Halbleitervorrichtung mit kühlelement - Google Patents

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    • H01S5/02484—Sapphire or diamond heat spreaders

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor device with a semiconductor component, in particular a laser diode or a laser bar, which is arranged on a cooling element, wherein the cooling element contains in its interior a cooling channel for guiding a coolant, which has microstructures for effective heat coupling in at least one area has the coolant.
  • a known semiconductor device of this type is shown and described, for example, in patent specification DE 195 06 093 C2.
  • a schematic representation of such a known semiconductor device is shown in FIG. 2.
  • a micro cooler 20 is produced by bonding together a plurality of copper foils structured by etching. The individual layers together form a cooling water inlet 24, a cooling channel 26, which leads the cooling water to the area of the microcooler 20 on which a power laser bar 12 is mounted, and a cooling water outlet 28.
  • the coolant flows along the arrows 30 from the inlet 24 to the outlet 28.
  • microstructures for example narrow channels, are realized. A particularly effective heat exchange takes place in this area due to a turbulent flow of the cooling water.
  • the laser bar 12 is soldered to the front edge of the microcooler with a soft solder 52, for example indium.
  • a soft solder 52 for example indium.
  • the direct mounting of the bar 12 on the copper block 20 enables an improved heat transfer from the laser bar to the cooler.
  • a disadvantage of the heat connection to the cooling water is, however, the fact that, due to the seal, no microstructured area can lie directly under the laser bar 12. This results in a heat flow area 54, as shown in FIG. 2.
  • a partially or completely interrupted connection provides a significantly deteriorated heat dissipation and an undesirable inhomogeneous current distribution in the laser bar.
  • the present invention is based on the object, in a device of the type mentioned, the thermal and mechanical coupling of the semiconductor component on the
  • an intermediate carrier is arranged between the semiconductor component and the cooling element, which essentially completely overlaps the area of the cooling channel on the cooling element which has microstructures and which is used for compensation is set up and designed by temperature differences between the semiconductor component and the cooling element occurring mechanical stresses.
  • the intermediate carrier then overlaps "substantially completely" with the area having the microstructures as soon as the area on which the semiconductor component is arranged overlaps. It is irrelevant in this regard whether any electrical connection areas or the like protrude beyond the overlap area.
  • the invention is therefore based on the idea of leading the heat from the semiconductor component to the coolant in the shortest possible way and at the same time the mechanical stability of the To ensure connection between the semiconductor component and the cooling element by means of an intermediate carrier compensating for different expansions.
  • the thermal expansion coefficient of the intermediate carrier is matched to the thermal expansion coefficient of the semiconductor component, and the intermediate carrier has such a high modulus of elasticity that the intermediate carrier essentially occurs in the event of temperature differences between the semiconductor component and the cooling element compensated in the elastic expansion range.
  • the intermediate carrier thus compensates for the different thermal expansion of the semiconductor component and the cooling element by means of completely reversible expansion. Mechanical stress on the semiconductor component is therefore largely avoided.
  • the intermediate carrier preferably has a higher thermal conductivity than copper, in particular approximately 1.5 times higher, preferably three times higher thermal conductivity than copper.
  • the semiconductor component is connected to the intermediate carrier using a hard solder. Since, according to the invention, the intermediate carrier absorbs the different thermal expansion, this function no longer has to be carried out, as in the designs according to the prior art
  • the intermediate carrier is also connected to the cooling element by means of a hard solder for the same reasons.
  • the intermediate carrier is particularly preferably connected both to the cooling element and to the semiconductor component via a hard solder or a solder which melts significantly higher than the indium.
  • AuSn, AuGe or AuSi are preferably considered as brazing materials.
  • Higher-melting solders in the above sense are, for example, SnAgSb, SnCu or SnSb.
  • the use of AuSn as a hard solder is currently preferred.
  • the intermediate carrier is made of molybdenum, tungsten, a copper-molybdenum alloy or a copper-tungsten alloy.
  • the copper content of the copper-molybdenum or copper-tungsten alloy is advantageously between about 10% and about 20%.
  • These materials have a high elastic modulus of more than 250 GPa or even more than 300 GPa. In addition, these materials offer high yield stress and high temperature resistance.
  • An intermediate carrier can be produced from these materials both as a film, but also as a sputter, vapor deposition or electroplating layer on the cooling element. It is understood that in the latter cases, the connection of the intermediate carrier to the heat sink by brazing is unnecessary.
  • the intermediate carrier has a diamond composite material, in particular a diamond metal matrix material.
  • a diamond composite material in particular a diamond metal matrix material.
  • Such an intermediate carrier preferably contains at least one of the material combinations diamond-copper, diamond-cobalt and diamond-aluminum. With up to 600 W / mK, these materials offer higher thermal conductivities than copper and, at the same time, expansion coefficients that roughly correspond to the semiconductor component.
  • the connection layer to the semiconductor component preferably contains AuSn and the connection layer to the cooling element preferably contains SnAgSb.
  • the structure according to the invention in devices with power semiconductor laser diode bars, in particular based on AlGaAs.
  • a laser diode and a beam collimation device are arranged on one and the same outer surface of the cooling element.
  • the beam collimation device collimates the beam divergence of the laser diode.
  • the intermediate carrier can be offset by a maximum of tan (beam divergence) without shadowing from the cooling element. As a rule, this is not enough to place the ingot and intermediate girder sufficiently centrally on the micro-cooling structures.
  • a microlens for beam collimation is often also used in conventional devices according to the prior art. As shown in FIG. 2, because of the conventional arrangement of the laser bar 12 on the edge of the micro cooler, the microlens 62 is attached to the cooler 20 with an auxiliary support part 60.
  • the cooling element has a plurality of layers stacked one above the other and connected to one another in a flat manner, some of which is structured in order to form the cooling channel in the interior of the cooling element for guiding the coolant.
  • These layers of the cooling element are preferably formed from copper foils which are structured by means of etching.
  • Figure 1 is a schematic representation of a sectional view of the embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of a sectional view of a semiconductor device according to the prior art (explained in more detail above).
  • the semiconductor device 10 shown in section in FIG. 1 comprises a power laser diode bar 12 which is soldered onto a microcooler 20 with a cooling water inlet 24 on its upper side, a cooling channel 26 in its interior and a cooling water outlet 28 on its underside.
  • the direction of flow of the coolant in the microcooler 20 is indicated by arrows 30.
  • the cooling channel 26 has 12 microstructures in an area 32 below the power laser diode bar, for example a plurality of channels each having a width and height of 0.3 mm. Such microstructures cause turbulence in the flowing coolant, which makes the heat exchange between the coolant and the microcooler very effective.
  • the length of the microstructured area 32 in the cooling channel 26 is at least equal to the length of the power laser diode bar 12, which at least in this direction of extension completely overlaps the microstructured area 32. As shown in FIG. 1, the length of the microstructured area 32 is preferably greater than that of the power laser diode bar 12, so that the cross section of the area in which the heat flow from the power laser diode bar 12 to the microstructured area 32 takes place increases.
  • the microstructured region 32 is particularly preferably also as wide or wider than the power laser diode bar 12.
  • An intermediate carrier 16 is arranged between the power laser diode bar 12 and the microcooler 20 and is soldered onto the surface of the microcooler 20 above the microstructured region 32 and completely overlaps the latter.
  • the intermediate carrier 16 consists, for example, of a copper-tungsten alloy with a copper content of 15% and has a thickness of, for example, 250 ⁇ m.
  • connection between the power laser diode bar 12 and the intermediate carrier 16 and the connection between the intermediate carrier 16 and the surface 22 of the microcooler 20 is made with AuSn, a solder that has essentially no plastic properties.
  • These brazing layers are identified in FIG. 1 by the reference numerals 14 and 18, respectively.
  • the intermediate support 16 Due to its high modulus of elasticity, the intermediate support 16 absorbs mechanical stresses, which arise, for example, due to operational heating and a different thermal expansion of the materials of the power laser diode bar 12 and the microcooler (copper) 20, in the elastic expansion range, so that there is a risk of Damage to the brazing layers 14, 18 and / or the power laser diode bar 12 is largely reduced.
  • the intermediate carrier 16 does have a lower thermal conductivity. This reduced thermal conductivity is, however, due to the much more favorable heat connection of the power laser diode bar 12 overcompensated to the microstructured area 32, so that overall an improved heat flow between the power laser diode bars and cooling water is achieved compared to the conventional design shown in FIG. 2.
  • the heat transfer resistance R th for a 10 mm long power laser diode bar in the inventive design according to FIG. 1 is up to 40% below the values achieved with conventional designs.
  • the surface 22 advantageously offers a suitable mounting surface in the immediate vicinity of the power laser diode bar.
  • Auxiliary parts or attachments to the microcooler, as are necessary in known devices, are not required in a device which uses the technical teaching disclosed above.
  • an intermediate carrier 16 can be used instead of the intermediate carrier 16 made of a copper-tungsten alloy and is preferably connected on both sides with a hard solder 14, 18 to the cooling element 20 or to the semiconductor component 12, which, as in the general part of the description given a diamond composite material.
  • the connection layer 14 to the semiconductor component 12 preferably contains AuSn and the connection layer 18 to the cooling element 20 preferably SnAgSb.

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Abstract

Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterbauelement (12), insbesondere einem Leistungs-Laserdiodenbarren, das auf einem Kühlelement (20) angeordnet ist, wobei das Kühlelement (20) in seinem Inneren einen Kühlkanal (26) zum Führen eines Kühlmittels enthält. Der Kühlkanal (26) weist in zumindest einem Bereich (32) Mikrostrukturen für einen effektiven Wärmeübergang zum Kühlmittel auf. Das Halbleiterbauelement (12) überlappt im Wesentlichen vollständig mit dem die Mikrostrukturen aufweisenden Bereich (32) des Kühlkanals (26). Zwischen dem Halbleiterbauelement (12) und dem Kühlelement (20) ist ein Zwischenträger (16) angeordnet, der derart eingerichtet und ausgelegt ist, dass er aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Halbleiterbauelement (12) und Kühlelement (20) auftretende mechanische Spannungen zwischen Halbleiterbauelement (12) und Kühlelement (20) kompensiert. Das Material des Kühlelements (20) weist besonders bevorzugt einen derart hohen Elastizitätsmodul auf, dass die Kompensation im Wesentlichen im elastischen Dehnungsbereich erfolgt.

Description

Beschreibung
Halbleitervorrichtung mit Kühlelement
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterbauelement, insbesondere einer Laserdiode oder einem Laserbarren, das auf einem Kühlelement angeordnet ist, wobei das Kühlelement in seinem Inneren einen Kühlkanal zum Führen eines Kühlmittels enthält, welcher in zumindest einem Bereich MikroStrukturen für eine effektive Wärmeankopp- lung an das Kühlmittel aufweist.
Eine bekannte derartige Halbleitervorrichtung ist beispielsweise in der Patentschrift DE 195 06 093 C2 gezeigt und be- schrieben. Eine schematische Darstellung einer solchen bekannten Halbleitervorrichtungen ist in der Fig. 2 dargestellt. Ein Mikrokühler 20 wird dabei durch das Zusammenbonden mehrerer, durch Ätzen strukturierter Kupferfolien hergestellt. Die einzelnen Lagen bilden im Zusammenspiel einen Kühlwassereinlaß 24, einen Kühlkanal 26, der das Kühlwasser zu dem Bereich des Mikrokühlers 20, auf dem ein Leistungs- Laserbarren 12 montiert ist, führt, und einen Kühlwasserauslaß 28. Das Kühlmittel strömt entlang der Pfeile 30 vom Einlaß 24 zum Auslaß 28. In zumindest einem Bereich 32 sind Mi- kroStrukturen, zum Beispiel schmale Kanäle verwirklicht. In diesem Bereich erfolgt durch eine turbulente Strömung des Kühlwassers ein besonders effektiver Wärmeaustausch.
Der Laserbarren 12 ist mit einem Weichlot 52, beispielsweise Indium, an der vorderen Kante des Mikrokühlers angelötet. Die direkte Montage des Barrens 12 auf dem Kupferblock 20 ermöglicht dabei einen verbesserten Wärmeübergang vom Laserbarren zum Kühler. Nachteilig für die Wärmeanbindung an das Kühlwasser ist allerdings die Tatsache, daß direkt unter dem Laserbarren 12 aufgrund der Abdichtung kein mikrostrukturierter Bereich lie- gen kann. Es ergibt sich somit ein Wärmeflußbereich 54, wie in Fig. 2 dargestellt.
Bei Temperaturwechselbelastungen, wie etwa beim Abkühlen nach dem Lötschritt oder dem Ein- und Ausschalten des Laserbarrens können beispielsweise bei Indium bereits bei Temperaturhüben von 5 °C bis 7 °C plastische Verformungen im Weichlot auftreten. Diese können zum teilweisen oder vollständigen Bruch der Verbindung führen. Eine teilweise oder vollständig unterbrochene Verbindung liefert eine deutlich verschlechterte Wär- meabführung und eine unerwünschte inhomogene Stromverteilung in dem Laserbarren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die thermische und mechanische Ankopplung des Halbleiterbauelements auf dem
Mikrokühler zu verbessern. Insbesondere soll sowohl eine hohe Wärmeableitungsleistung als auch eine hohe mechanische Stabilität der Anordnung gewährleistet sein.
Diese Aufgabe wird durch die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Halbleitervorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.
Obwohl in Zusammenhang mit Leistungs-Laserbarren diskutiert, versteht sich für den Fachmann, daß sich eine Reihe der im folgenden beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur bei Leistungs-Laserbarren ergeben. Vielmehr kann die Erfindung auch bei anderen Halbleitervorrichtungen mit Vorteil eingesetzt werden, bei denen ein Halbleiterbauelement auf einem Mikrokühler mit einem sich vom Halbleitermaterial unterscheidenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten angeordnet ist, und die im Betrieb wesentlichen Temperaturände- rungen ausgesetzt sind.
Dies trifft außer auf die genannten Leistungs-Laserbarren beispielsweise auch auf Leistungs-Transistoren und Leistungs- Leuchtdioden zu, oder beispielsweise auch auf Halbleitervor- richtungen, die im Kfz-Bereich, in Flugzeugen oder dergleichen zum Einsatz kommen und dort erheblichen Außentemperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Erfindungsgemäß ist bei einer Halbleitervorrichtung der ein- gangs genannten Art vorgesehen, daß zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlelement ein Zwischenträger angeordnet ist, der im wesentlichen vollständig mit dem die Mikrostruk- turen aufweisenden Bereich des Kühlkanals auf dem Kühlelement überlappt und der für die Kompensation von aufgrund von Tem- peraturdifferenzen zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlelement auftretenden mechanischen Spannungen eingerichtet und ausgelegt ist.
Der Zwischenträger überlappt dann "im wesentlichen vollstän- dig" mit den MikroStrukturen aufweisenden Bereich, sobald der Bereich, auf dem das Halbleiterbauelement angeordnet ist, überlappt. Unerheblich ist diesbezüglich, ob irgendwelche elektrische Anschlußbereiche oder ähnliches über den Überlappungsbereich hinausragen.
Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, die Wärme vom Halbleiterbauelement auf kürzestmδglichem Weg zum Kühlmittel zu führen und gleichzeitig die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen Halbleiterbauelement und Kühlelement mittels eines unterschiedliche Ausdehnungen kompensierenden Zwischenträgers zu gewährleisten.
Mit Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung vorgesehen, daß der thermischen Ausdehnungskoeffizient des Zwischenträgers an den thermische Ausdehnungskoeffizient des Halbleiterbauelements angepaßt ist, und der Zwischenträger einen derart hohen Elastizitätsmodul aufweist, so daß der Zwischenträger bei Temperaturdifferenzen zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlelement auftretende mechanische Spannungen im wesentlichen im elastischen Dehnungsbereich kompensiert .
Der Zwischenträger gleicht damit die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Halbleiterbauelement und Kühlelement durch vollständig reversible Dehnung aus. Eine mechanische Belastung des Halbleiterbauelements wird daher weitestgehend vermieden.
Bevorzugt weist der Zwischenträger eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, insbesondere eine ca. 1,5 fach höhere, vorzugseise eine dreifach höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer auf .
Das Halbleiterbauelement ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Hartlot mit dem Zwischenträger verbunden. Da erfindungsgemäß der Zwischenträger die unterschiedliche thermische Ausdehnung aufnimmt, muß diese Funkti- on nicht mehr, wie bei den Gestaltungen nach dem Stand der
Technik, von einem plastisch verformbaren Weichlot übernommen werden. Dies schafft die Freiheit, für die Verbindung von Bauelement und Zwischenträger statt dessen ein hochtempera- turfestes und zykelstabiles Hartlot einzusetzen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aus den gleichen Gründen der Zwischenträger ebenfalls mittels eines Hartlotes mit dem Kühlelement verbunden.
Besonders bevorzugt ist der Zwischenträger sowohl mit dem Kühlelement als auch mit dem Halbleiterbauelement über ein Hartlot oder ein im Vergleich zum Indium signifikant höherschmelzendes Lot verbunden.
Als Hartlotmaterialien kommen dabei vorzugsweise AuSn, AuGe oder AuSi in Betracht. Höherschmelzende Lote im obigen Sinne sind beispielsweise SnAgSb, SnCu oder SnSb . Im vorliegenden Zusammenhang ist gegenwärtig die Verwendung von AuSn als Hartlot bevorzugt .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist vorgesehen, daß der Zwischenträger aus Molybdän, Wolfram, einer Kupfer-Molybdän-Legierung oder einer Kupfer-Wolfram-Legierung gefertigt ist. Der Kupferanteil der Kupfer-Molybdän- bzw. der Kupfer-Wolfram Legierung liegt dabei zweckmäßig zwischen etwa 10% und etwa 20%. Diese Materialien weisen einen hohen Elastizitätsmodul von mehr als 250 GPa oder sogar von mehr als 300 GPa auf. Darüber hinaus bieten diese Materialien eine hohe Fließspannung eine hohe Temperaturbeständigkeit .
Ein Zwischenträger läßt sich aus diesen Materialien sowohl als Folie, aber auch als Sputter- , Aufdampf- oder Galvanikschicht auf dem Kühlelement herstellen. Es versteht sich, daß sich in den letztgenannten Fällen die Anbindung des Zwischenträgers an den Kühlkörper durch Hartlöten erübrigt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Zwischenträger ein Diamant-Komposit-Material , insbesondere ein Diamant-Metallmatrix-Material auf. Bevorzugt enthält ein solcher Zwischenträger mindestens eine der Materialkombinationen Diamant-Kupfer, Diamant-Kobalt und Diamant- Aluminium. Diese Materialien bieten mit bis zu '600 W/mK eine höhere Wärmeleitfähigkeiten als Kupfer und gleichzeitig Ausdehnungskoeffizienten, die in etwa dem Halbleiterbauelement entsprechen. Beim Einsatz eines Kupfer-Diamant- Zwischenträgers enthält die Verbindungsschicht zum Halbleiterbauelement hin vorzugsweise AuSn und die Verbindungs- schicht zum Kühlelement hin vorzugsweise SnAgSb.
Besonders bevorzugt ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Aufbaus bei Vorrichtungen mit Leistungs-Halbleiter- Laserdiodenbarren, insbesondere auf Basis von AlGaAs .
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist auf ein und derselben Außenfläche des Kühlelements eine Laserdiode und eine Strahlkollimationseinrichtung, bevorzugt eine Mikrolinse, angeordnet. Die Strahlkollimationseinrichtung kollimiert die Strahldivergenz der Laserdiode. Ohne die Strahlkollimationseinrichtung kann der Zwischenträger maximal um tan (Strahldivergenz) nach hinten versetzt sein ohne dass eine Abschattung durch das Kühlelement hervorgerufen wird. Das reicht in der Regel nicht, um den Barren samt Zwischenträger hinreichend zentral auf die MikrokühlStrukturen zu setzen. Eine Mikrolinse zur Strahlkollimation wird oft auch in herkömmlichen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik eingesetzt. Wie in der Fig. 2 dargestellt, wird die Mikrolinse 62 wegen der herkömmlichen Anordnung des Laserbarrens 12 an der Kante des Mikrokühlers mit einem Hilfsträgerteil 60 am Kühler 20 befestigt.
Demgegenüber ist bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorteilhafterweise kein enstprechendes zusätzliches Anbauteil erforderlich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist vorgesehen, daß das Kühlelement mehrere übereinander gestapelte und flächig miteinander ver- bundene Schichten aufweist, von denen ein Teil strukturiert ist, um im Inneren des Kühlelements den Kühlkanal zum Führen des Kühlmittels zu bilden.
Diese Schichten des Kühlelements sind vorzugsweise aus Kup- ferfolien gebildet, die mittels Ätzen strukturiert sind.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei- spieles mit den zugehörigen Zeichnungen.
In den Zeichnungen sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht des Ausführungsbeispiels; und Figur 2 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung nach dem Stand der Technik (weiter oben näher erläutert) .
Die in Figur 1 im Schnitt dargestellte Halbleitervorrichtung 10 umfaßt einen Leistungs-Laserdiodenbarren 12, der auf einen Mikrokühler 20 mit einem Kühlwassereinlaß 24 an seiner Oberseite, einem Kühlkanal 26 in seinem Innern und einem Kühl as- serauslaß 28 an seiner Unterseite aufgelötet ist. Die Strö- mungsrichtung des Kühlmittels im Mikrokühler 20 ist durch Pfeile 30 angegeben.
Der Kühlkanal 26 weist in einem Bereich 32 unterhalb des Lei- stungs-Laserdiodenbarrens 12 MikroStrukturen auf, beispiels- weise eine Mehrzahl von Kanälen mit jeweils 0,3 mm Breite und Höhe. Solche MikroStrukturen rufen Turbulenzen im strömenden Kühlmittel hervor, wodurch der Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Mikrokühler sehr effektiv gestaltet wird.
Die Länge des mikrostrukturierten Bereichs 32 im Kühlkanal 26 ist zumindest gleich der Länge des Leistungs- Laserdiodenbarrens 12, der zumindest in dieser Erstreckungs- richtung mit dem mikrostrukturierten Bereich 32 vollständig überlappt. Vorzugsweise ist, wie in Figur 1 dargestellt, die Länge des mikrostrukturierten Bereiches 32 größer als die des Leistungs-Laserdiodenbarrens 12, so dass sich der Querschnitt des Bereichs, in dem der Wärmefluß vom Leistungs- Laserdiodenbarren 12 zum mikrostrukturierten Bereich 32 hin stattfindet, vergrößert.
Besonders bevorzugt ist der mikrostrukturierte Bereich 32 auch genau so breit oder breiter als der Leistungs- Laserdiodenbarren 12. Zwischen dem Leistungs-Laserdiodenbarren 12 und dem Mikrokühler 20 ist ein Zwischenträger 16 angeordnet, der über dem mikrostrukturierten Bereich 32 auf die Oberfläche des Mikroküh- lers 20 aufgelötet ist und mit diesem vollständig überlappt.
Der Zwischenträger 16 besteht beispielsweise aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung mit einem Kupferanteil von 15% und hat eine Dicke von beispielsweise 250 μm.
Die Verbindung zwischen dem Leistungs-Laserdiodenbarren 12 und dem Zwischenträger 16 und die Verbindung zwischen dem Zwischenträger 16 und der Oberfläche 22 des Mikrokühlers 20 ist mit AuSn ausgeführt, einem Lot, das im wesentlichen keine plastische Eigenschaften aufweist. Diese Hartlotschichten sind in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen 14 bzw. 18 gekennzeichnet .
Aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls nimmt der Zwischen- träger 16 mechanische Spannungen, die beispielsweise aufgrund einer betriebsbedingten Erwärmung und einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Materialien des Leistungs- Laserdiodenbarrens 12 und des Mikrokühlers (Kupfer) 20 entstehen, im elastischen Dehnungsbereich auf, so daß die Gefahr einer Schädigung der Hartlotschichten 14,18 und/oder des Leistungs-Laserdiodenbarrens 12 weitestgehend vermindert ist.
Verglichen mit einer reinen Indium-Weichlot-Verbindung zwischen Leistungs-Laserdiodenbarren und Mikrokühler, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, weist der Zwischenträger 16 zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Diese reduzierte Wärmeleitfähigkeit wird jedoch durch die wesentlich günstigere Wärmeanbindung des Leistungs-Laserdiodenbarrens 12 an den mikrostrukturierten Bereich 32 überkompensiert, so daß insgesamt gegenüber der in der Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Gestaltung ein verbesserter Wärmefluß zwischen Leistungs- Laserdiodenbarren und Kühlwasser erreicht wird.
Der Wärmeübergangswiderstand Rth für einen 10 mm langen Leistungs-Laserdiodenbarren liegt bei der erfindungsgemäßen Gestaltung nach der Fig. 1 um bis 40% unter den mit herkömmlichen Gestaltungen erreichten Werten.
Auf der Oberfläche des Mikrokühlers 20, auf dem der Leistungs-Laserdiodenbarren 12 montiert ist, befindet sich, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Mikrolinse 40 zur Strahlkollima- tion. Die Oberfläche 22 bietet dazu vorteilhaf erweise in un- mittelbarer Nähe zum Leistungs-Laserdiodenbarren eine geeignete Montagefläche. Hilfsteile oder Anbauten an den Mikrokühler, wie sie bei bekannten Vorrichtungen notwendig sind, sind bei einer Vorrichtung, die die vorangehend offenbarte technische Lehre benutzt, nicht erforderlich.
Die Erläuterung der Erfindung an Hand des AusführungsbeiSpieles ist selbstverständlich nicht als Beschränkung der Erfindung auf dieses zu verstehen. Vielmehr sind die im vorstehenden allgemeinen Teil der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung sowohl einzeln als auch in dem Fachmann als geeignet erscheinender Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich. So ist beispielsweise an Stelle des im Ausführungsbeispiel beispielhaft angegebenen Zwischenträgers 16 aus einer Kupfer- Wolfram-Legierung, der vorzugsweise auf beiden Seiten mit je einem Hartlot 14, 18 mit dem Kühlelement 20 bzw. mit dem Halbleiterbauelement 12 verbunden ist, ein Zwischenträger 16 verwendbar, der, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung an- gegeben, ein Diamant-Komposit-Material aufweist. Beim Einsatz eines Kupfer-Diamant-Zwischenträgers enthält die Verbindungsschicht 14 zum Halbleiterbauelement 12 hin vorzugsweise AuSn und die Verbindungsschicht 18 zum Kühlelement 20 hin vorzugs- weise SnAgSb.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleitervorrichtung mit-
- einem Halbleiterbauelement (12) , insbesondere einem Lei- stungs-Laserdiodenbarren, das auf einem Kühlelement (20) angeordnet ist,
- wobei das Kühlelement (20) in seinem Inneren einen Kühlkanal (26) zum Führen eines Kühlmittels enthält, welcher in zumindest einem Bereich (32) MikroStrukturen für einen effekti- ven Wärmeübergang zum Kühlmittel aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Halbleiterbauelement (12) im Wesentlichen vollständig mit dem die MikroStrukturen aufweisenden Bereich (32) des Kühlkanals (26) überlappt und zwischen dem Halbleiterbauelement (12) und dem Kühlelement (20) ein Zwischenträger (16) angeordnet ist, der derart eingerichtet und ausgelegt ist, dass er aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Halbleiterbauelement (12) und Kühlelement (20) auftretende mechanische Spannungen zwischen Halbleiterbauelement (12) und Kühlelement (20) kompensiert.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zwischenträger (16) einen derart hohen Elastizitätsmodul aufweist, dass er die mechanischen Spannungen im wesentlichen im elastischen Dehnungsbereich kompensiert.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zwischenträger (16) eine höhere Wärmeleitf higkeit als
Kupfer, insbesondere eine ca. 1,5 fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer aufweist .
4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Zwischenträgers (16) an den thermischen Ausdehnungskoeffizient des Halbleiterbauelements (12) angepaßt ist.
5. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Halbleiterbauelement (12) mittels eines Hartlots (14) mit dem Zwischenträger (16) verbunden ist.
6. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zwischenträger (16) mittels eines Hartlots (18) mit dem Kühlelement (20) verbunden ist.
7. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Hartlot (14, 18) ein auf einem AuSn-Lot basierendes Lot verwendet ist.
8. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zwischenträger (16) aus Molybdän, Wolfram, einer Kupfer- Molybdän-Legierung oder einer Kupfer-Wolfram-Legierung, be- vorzugt mit einem Kupferanteil von etwa 10% bis etwa 20% gefertigt ist.
9. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zwischenträger (16) ein Diamant-Komposit-Material, insbe- sondere ein Diamant-Metallmatrix-Material aufweist, das insbesondere mindestens eine der Materialkombinationen Diamant- Kupfer, Diamant-Kobalt und Diamant-Aluminium enthält.
10. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorange- henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Halbleiterbauelement (12) ein Leistungs-Laserdiodenbarren ist .
11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf ein und derselben Oberfläche des Kühlelements (20) der Halbleiter-Laserdiodenbarren (12) und eine Strahlkollimationseinrichtung (40) , inbesondere eine Mikrolinse zur Strahl- kollimation angeordnet sind.
12. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Kühlelement (20) aus mehreren übereinander gestapelten und flächig miteinander verbundenen Schichten besteht, von denen ein Teil strukturiert ist, um im Inneren des Kühlelements den Kühlkanal (26) zum Führen des Kühlmittels zu bilden.
13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schichten des Kühlelements (20) durch zumindest teilweise durch Ätzen strukturierte Kupferfolien gebildet sind.
14. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorange- henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Länge des mikrostrukturierten Bereichs (32) zumindest gleich der oder größer als die Länge des Halbleiterbauelements (12) ist und der mikrostrukturierte Bereich (32) in Richtung der Länge mit dem Halbleiterbauelement (12) vollständig überlappt .
15. Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Breite des mikrostrukturierten Bereichs (32) gleich der oder größer als die Breite des Halbleiterbauelements (12) ist und der mikrostrukturierte Bereich (32) in Richtung der Breite vollständig mit dem Halbleiterbauelement (12) überlappt.
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