WO2022195020A1 - Vorrichtung mit einem porösen körper zum aufnehmen einer wärmemenge und verfahren zum bereitstellen einer vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung mit einem porösen körper zum aufnehmen einer wärmemenge und verfahren zum bereitstellen einer vorrichtung Download PDF

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heat
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substrate
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Thomas Lisec
Malte PÄSLER
Holger Kapels
Björn GOJDKA
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • Device having a porous body for absorbing an amount of heat and method of providing a device
  • the present invention relates to a device comprising a substrate and a heat source structure connected thereto which provides an amount of heat and a porous body which is designed to at least partially receive this amount of heat.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing such a device.
  • the present disclosure also relates to thermally stable inductors.
  • Active electronic components such as power transistors or LEDs generate considerable amounts of heat during operation. Passive components that are in the immediate vicinity are therefore exposed to considerable thermal stress. Modern control methods for the active components also lead to a part of the thermal losses being shifted to the passive components.
  • the miniaturization of electronic systems tends to go hand in hand with the need for greater performance and increased power density.
  • Ever smaller circuit boards so-called interposers
  • the thermal resilience of the components integrated on it and the heating of the system in general are therefore becoming increasingly important.
  • GaN transistors can be operated permanently at temperatures above 2Q0°C, so that particularly powerful voltage converters in the frequency range from several MHz to the GHz range can be created on their basis.
  • passive components such as capacitors and coils of a suitable size are required, which can also permanently withstand such high operating voltages.
  • the monolithic integration of the components intensifies this effect, since heat can only be removed via the common substrate.
  • capacitors are available, for example, there is a lack of micro-coils with sufficiently high inductance and high thermal stability.
  • a similar set of problems also prevails when realizing compact LED arrangements, including the driver module. LEDs are used for thermal decoupling and driver electronics are now built on separate carriers and connected to each other via bonding wires. Again, thermally stable components, including micro-inductors, with sufficiently high inductance are desirable for further miniaturization of the system.
  • Coils with a core are used for power transmission, for example in the range of 20 MHz and higher.
  • Soft magnetic metals and alloys in the form of thin layers are available as core material in IC technology.
  • Ferrites which are preferred in conventional coils at higher frequencies, cannot be manufactured at a reasonable cost.
  • Planar coils with an electro-deposited Ni-Fe cladding were developed at the Tyndall Institute in Cork [2] DC-DC converters constructed using such coils achieve efficiencies of 74% at 20MHz and 70% at 40MHz, respectively. The main part of the losses is due to eddy currents [3], which very quickly lead to strong heating of the component.
  • the casing of the Intel [4] coil was made of many thin NiFe metal layers that were electrically isolated from one another.
  • a core idea of the present invention consists in having recognized that a porous body is suitable for absorbing heat from a heat source. Porous bodies have high thermal resistance.
  • an apparatus includes a substrate and a heat source structure coupled to the substrate and configured to provide an amount of heat. Furthermore, a porous body is arranged, which comprises particles connected to one another, with intermediate spaces between the particles forming cavities which are fluidly connected to one another. The porous body is configured to at least partially receive the amount of heat from the heat source structure.
  • the connected particles can absorb the amount of heat and transport it away via the cavities that are fluidly connected to one another, so that overall there is high thermal resistance of the porous body and, due to its cooling effect, high thermal resistance of the device as a whole.
  • a method of providing an apparatus includes connecting a heat source structure configured to provide an amount of heat to a substrate.
  • a porous body comprising interconnected particles is arranged such that interstices between the particles form fluidly interconnected cavities. The method is performed such that the porous body is configured to at least partially receive the amount of heat from the heat source structure.
  • these particles are bonded together by performing atomic layer deposition, which enables efficient, thermally stable, and inexpensive bonding. Further advantageous exemplary embodiments are the subject matter of dependent patent claims.
  • FIG. 1a shows a schematic side sectional view of a device according to an embodiment
  • FIG. 1b shows a schematic side sectional view of a device according to an embodiment, in which a porous body is arranged on a heat source structure;
  • FIG. 2 shows a schematic side sectional view of a porous body according to an embodiment
  • FIG. 3a shows a schematic side sectional view of a device according to an embodiment in which a porous body is integrated into a substrate
  • 3b shows a schematic side sectional view of a device according to an embodiment with porous bodies in substrate openings
  • Figures 4a-b show schematic side sectional views of devices according to example embodiments which are formed similarly to the device of Figure 3a, in which an active element is arranged outside of a core region;
  • Fig. 5a shows a schematic side sectional view of a device according to an embodiment, in which the active element is arranged adjacent to the porous body;
  • FIG. 5b shows a schematic side sectional view of a device according to an embodiment in which, compared to the device from FIG. 5a, the porous body is at least partially integrated into the substrate;
  • 6 shows a schematic perspective view of a device according to an embodiment, in which the heat source structure comprises a passive element;
  • FIG. 7a shows a schematic perspective view of a part of the device according to an embodiment and to show conductor track structures that are connected to one another by the via structures;
  • FIG. 7b shows a partial section of the representation from FIG. 7a
  • FIG. 7c shows a schematic plan view of a main side of the one shown in FIG. 6.
  • FIGS 8a-f are schematic side sectional views showing possible method steps in accordance with embodiments described herein.
  • FIG. 9 shows a schematic flow chart of a method for providing a device according to an embodiment.
  • Embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, example embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of comprehensibility, exemplary embodiments are described using block diagrams as a substitute for a detailed illustration. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can be combined with one another without further ado, as long as it is not explicitly described to the contrary.
  • Embodiments of the present invention relate to porous bodies. These have interconnected particles, with interstices between the particles forming fluidically interconnected cavities. The particles can have any material, but are preferably thermally stable. Thermally stable is to be understood relative to the respective application.
  • temperature-resistant is understood to mean that temperatures of at least 100° C., at least 150° C., at least 200° C. or higher, in particular at least 250° C, at least 300°C or at least 400°C, are permissible as continuous operating temperature, which means that the porous body is thermally stable for a temperature in this range.
  • This can be understood to mean the absence of a relevant deformation, the absence of a relevant degeneration of a material property or the like.
  • This can be considered in particular in combination with a heat source of the device, which is designed to emit an amount of heat. This reaches at least parts of the porous body in order to heat it.
  • the heat source can thus be designed to heat the porous body to the stated temperatures of at least 100°C, at least 150°C, at least 200°C, at least 250°C, at least 300°C or at least 400°C.
  • the particles can also have other functionalities.
  • an application of the porous body as a coil core may be desired.
  • exemplary embodiments provide that the particles include soft-magnetic particles.
  • the porous body can be used as a mechanical and/or chemical filter. In such cases, for example, the use of soft magnetic particles is less relevant than mechanical strength properties or the like.
  • Porous bodies which are explained in connection with exemplary embodiments described herein, have particles which are connected to one another, for example by using a coating.
  • This coating can be made comparatively thin, so that cavities between the particles remain unfilled by the coating. Additionally, the cavities are fluidly connected, allowing fluid to flow through adjacent cavities.
  • the porous body may be configured for fluid flow by fluid entering and exiting the body.
  • Other embodiments provide that, for example, an outer surface of the porous body is covered with a passivation layer or the like which can prevent entry or exit of the fluid into or out of the body. Such a layer can be opened locally, although this is not necessary.
  • the device 10i comprises a substrate 12.
  • the substrate 12 can comprise a semiconductor material, for example, and be formed in one layer or in multiple layers. One or more of these layers can be electrically conductive and/or electrically insulating, as is customary in the IC and MEMS field.
  • the substrate 12 can be formed in a planar manner, but can also have a topography, that is, have elevations and/or depressions.
  • the substrate 12 can also be formed, for example, as a printed circuit board or the like.
  • the substrate 12 can be, for example, a printed circuit board (PCB) and/or a direct bonded copper (DBC) semiconductor material Glass material or combinations thereof include.
  • PCB printed circuit board
  • DBC direct bonded copper
  • the device 10i includes a heat source structure coupled to the substrate 12 and configured to provide an amount of heat 16 .
  • the device 10i comprises a porous body 18 comprising particles 22 bonded together. Interstices 24 between the particles 22 form fluidly connected cavities.
  • the porous body 18 is designed to receive at least parts of the amount of heat 16 . At least partially receiving the amount of heat from the heat source structure 14 is understood to mean that the heat source structure 14 heats the porous body 18 to a relevant extent, as initially described. Particularly preferred exemplary embodiments refer to operating temperatures of 200° C. or 250° C., for example at least 400° C. or more, although other temperature ranges are also possible, as described above.
  • the heat source structure 14 can be a single component or a combination of components.
  • the heat source structure 14 can include, for example, a power module, such as a driver or the like, such as can be used for LEDs. Alternatively or additionally, any other circuit with one or more components can be arranged. Alternatively or in addition to such active components, the heat source structure 14 can also be formed entirely or partially by passive elements.
  • the heat source structure 14 may provide at least portions of a coil winding structure. Particularly in high-frequency operation, coil windings can provide a relevant amount of heat, which can be received and/or dissipated through the porous body 18 . It is possible, but not necessary, for the heat source structure 14 to completely provide the coil windings.
  • the heat source structure is formed as a half-coil or the like, which is completed in connection with a further device or a further element to form an electrical coil.
  • This can, for example, be referred to as a half-coil that lacks at least conductive tracks in one element level, which are implemented, for example, by conductive tracks on a further carrier substrate, so that a connection of the heat source structure 14 to the additional substrate then completes the coil.
  • the heat source structure can form part of an electrical coil or form a complete coil.
  • the heat source structure comprising at least part of an electrically passive element and the electrically passive element being designed to generate at least part of the amount of heat under the influence of electrical energy.
  • FIG. 1b shows a schematic side sectional view of a device IO2 according to an embodiment.
  • This essentially has the same elements as the device 10i.
  • the porous body is not attached to the substrate 12, but to the heat source structure 14.
  • the porous body is fully or partially integrated into the substrate 12, that alternatively or in addition to this, the heat source structure 14 is fully or partially integrated into the substrate and/or that the heat source structure 14 is not directly connected to the substrate 12, but rather indirectly, for example by means of the porous body 18 or other interposed heat-transporting elements.
  • FIG. 2 shows a schematic side sectional view of a porous body 20 according to an exemplary embodiment, which can be used, for example, as porous body 18, for example in device 10i and/or 102.
  • the porous body 20 comprises a multiplicity of particles 22, which can be formed identically in relation to one another, but can also comprise several different particles in total.
  • the particles can differ in terms of a particle material, a particle coating and/or differ in particle diameter or be formed the same in this regard.
  • Exemplary particle diameters are, for example, in a preferred but non-limiting embodiment between at least 1 ⁇ m and at most 25 ⁇ m.
  • the particle size can also vary considerably, which is why in such a case a value range of, for example, 1 ⁇ m-25 ⁇ m should be considered as mean values (so-called D50).
  • Some powders within the scope of exemplary embodiments, such as NdFeB powder can vary by a D50 value of 5 pm, e.g. B. from 1 pm to 10 pm.
  • NdFeB powders with a D50 value of 25 pm already vary from 1 pm to 100 pm.
  • Even if the particles 22 are formed approximately round, other shapes of particles can occur in embodiments, for example having flat particle surfaces or the like.
  • Round particles enable adjacent particles to have a particularly small bearing surface on one another, so that the flow of a fluid 26 through the spaces 24 between the particles 22 remains as undisturbed as possible. A consideration must be made in order to still obtain a minimum strength of the reduced strength of the porous structure as the contact area decreases.
  • the porous body can have an inlet area 28 for the inlet of the fluid 26 and an outlet area 32 fluidically coupled to the inlet area 28 by means of the cavities 24 fluidically connected to one another for the outlet of the fluid.
  • the porous body can be designed to give off at least part of the received amount of heat 16 to the fluid during the flow of the fluid 26 in order to cool the porous body.
  • the porous body can be cooled, but also the heat source structure 14 directly or indirectly, in that a thermal gradient is generated.
  • a position or orientation of the entry area 28 and/or the exit area 32 can be influenced by a shape of the porous body 20 .
  • the porous body can also be covered on an outside with a fluidically less permeable or sealed layer that is locally open to provide the entry area 28 and/or the exit area 32 .
  • a layer can also be arranged only partially on the porous body and leave one or more sides completely or partially free, for example.
  • a position, extension and/or orientation of the entry area 28 and/or the exit area 32 can also be defined by generating a fluid flow for the fluid 26 . This means that the flow of the fluid 26 can be actively generated in whole or in part, for example in order to provide active cooling.
  • a direction in which the fluid is guided can define the entry area 28 and/or the exit area 32 .
  • the flow can also be generated at least partially based on the amount of heat given off, for example as part of passive cooling.
  • the heated fluid 26 can rise to higher altitudes and suck fluid at lower altitudes by generating a lower fluidic pressure, with which a fluid flow can be generated.
  • the substrate 12 has a fluidic opening which is designed to allow the fluid 26 to pass towards the entry area 28 and/or away from the exit area 32 .
  • FIG. 3a shows a schematic side sectional view of a device 30i according to an embodiment, which has several developments to be implemented independently of one another compared to the device 10i and/or 10 2 .
  • the porous body 18 is integrated into the substrate 12 .
  • this can be achieved in that a recess 34 is made in the substrate 12, the particles 22 are filled into the recess 34 and deposited in the recess 34 by means of a coating chamber, for example by performing atomic layer deposition , ALD) to be solidified.
  • ALD atomic layer deposition
  • the device 30i includes an active element as part of the heat source structure, such as an LED, driver therefor, or other active element. Diodes and/or transistors and/or integrated circuits can also be formed as active elements.
  • An active element which can form at least part of the heat source structure, can be designed to generate at least part of the amount of heat 16 (not shown) under the action of electrical energy.
  • the device 30i comprises a passive element 38, which is also designed to generate at least part of the amount of heat 16, not shown, under the action of electrical energy.
  • the passive element 38 in the device 30i is an element used for the operation of the active element 36, such as a coil, for which the porous body 18 simultaneously provides a coil core.
  • the particles 22 can have a soft-magnetic material, for example soft iron, FeSi, FeNi, FeCo or other alloys or materials.
  • the cutout 34 can be closed again as part of the production of the device 30i, for example by depositing a substrate material before arranging active or passive components and/or by arranging a substrate Section 42. Such a deposition can take place, for example, by layer deposition and/or by wafer bonding.
  • the device 30i can be formed such that the substrate 12 has one or more fluidic openings 44 and/or 44 2 formed to allow the fluid 26 to flow therethrough to the entry area and/or away from the exit area of the porous body 18 to let through.
  • a position of the fluidic openings 44i and/or 44 2 can determine a direction of the flow of the fluid at least in part.
  • FIG. 3b shows a schematic sectional side view of a device 30 2 which can be constructed similarly to the device 30i.
  • the openings 44 and/or 44 2 can independently have porous structures 46i and/or 46 2 which completely cover these openings 44i and 44 2 , respectively or partially fill.
  • the porous structures 46i and/or 46 2 may include particles 48 and form bodies formed by solidification of the particles 48 in a similar manner to the porous body 18 and 20, respectively.
  • the particles 48 and porous body particles could sequentially enter a substrate aperture introduced and consolidated at the same time.
  • the particles 48 can be introduced and solidified first and then the particles of the body 18 or vice versa.
  • the particles of the body 18 and the particles 48 can also be the same and come from a common set of particles.
  • the particles 48 can be the same or different in terms of size, shape and/or property and/or can be the same or different with regard to the particles 22 of the porous body 18 .
  • a functional separation for example in that the particles 48 comprise non-magnetic material while the particles 22 comprise soft magnetic material, in particular when the porous body 18 forms a coil core.
  • the porous structures 44i and/or 44 2 can, due to the particles 48 connected to one another, in which intermediate spaces between the particles also form cavities 52 fluidically connected to one another, allow both protection against foreign particles and the detachment of parts of the porous body 18 and/or be used for controlling a flow of the fluid 26. For example, turbulence or the like in the fluid 26 can be adjusted, reduced or prevented.
  • the active element 36 may be located within a core region.
  • the structure 38 can be formed as a coil, which additionally has the active element 36 within the core area 54 .
  • Figures 4a and 4b show schematic side sectional views of devices 40i and 402, respectively, which are formed similarly to device 30i.
  • the active element is arranged outside of the core area 54, but is mechanically and/or electrically connected directly to the passive element 38, for example.
  • the device 40i has a cavity 56 between the substrate 12 and the active element, which cavity can be used, for example, for controlling the heat flow.
  • the device 40 2 has substrate material at locations which are kept free in the device 40 i for forming the cavity 56 . For example, this can be made possible by integrating line structures of the passive element 38 to form a homogeneous surface and/or by filling the cavity 56 of the device 40i with substrate material.
  • a porous structure 46 can optionally be arranged in the entry area 28 of the device 40i and/or 40 2 and/or in an area of the exit area 32 of the device 40i and/or 40 2 .
  • the quantity of heat 16 is illustrated as emanating from the active element 36 when viewing Figures 3a, 3b, 4a and 4b, at least a portion of the quantity of heat 16 can also be provided by a passive element formed as a coil.
  • the porous body 18 can provide at least part of a functional element.
  • this is a coil core, for example, although other functional elements, such as a transformer or the like, can also easily have a porous body 18 and/or 20 as a component.
  • the functional element can provide a function of the overall device and be designed to maintain the function under the influence of the heat source.
  • the functional element can be associated with operation of the heat source, for example. This is the case in particular when the functional element is used to operate the device, for example when the active element is an LED or a driver for it and the coil is used to operate the LED or the driver.
  • FIG. 5a shows a schematic side sectional view of a device 50i according to an embodiment.
  • the active element 36 may be disposed adjacent to the porous body 18 that forms part of the passive element 38, by way of example only.
  • the passive element 38 can be connected to the active element 36 via conductor tracks 58 which, for example, like the substrate 12, can enable a thermal bridge between the porous body 18 and the active element 36 or the heat source structure.
  • a heat sink 62 can optionally be connected to the substrate 12 in a thermally conductive manner.
  • the heat sink 62 can enable additional heat dissipation of the heat quantity 16 .
  • the heat source structure can include the active element 36 which is designed to provide at least part of the amount of heat 16 under the influence of electrical energy. While in devices 30i and 30 2 at least one coil turn of an electrical coil may wrap around the active element 36 or, as shown for devices 40i and 40 2 , the active element may be located on an outside of the electrical coil, the active element 36 of the device 50i is arranged adjacent to the substrate 12, but such that a relevant amount of the amount of heat 16 reaches the porous body 18 to heat it.
  • the heat source structure may include the active element 36 and at least a portion of an electrically passive heat source, such as the coil.
  • FIG. 5b shows a schematic side sectional view of a device 50 2 according to an embodiment.
  • the porous body 18 can be at least partially integrated into the substrate 12, which can also be understood to mean that when the porous body is viewed schematically as a cube with six sides, at least five sides are each at least partially made of substrate material of the substrate 12 may be surrounded.
  • the heat sink 62 can optionally be used here for additional cooling.
  • FIG. 6 shows a schematic perspective view of a device 60 according to an embodiment.
  • the device 60 has the substrate 12 in which the porous body 18 is integrated.
  • the heat source structure 14 comprises the passive element 38 which is formed, for example, as an electrically conductive coil wound around the porous body 18 as a coil core. Six turns are provided as an example.
  • conductor tracks 58i, 58 2 , 58 3 , 68 4 , 58 s and 58e running next to one another and particularly preferably parallel to one another are provided.
  • Opposite conductor tracks 58 7 to 58 I2 can be connected to one another by means of via structures 64i to 64e, so that a circumferential winding structure can arise.
  • Additional structures, such as contact pads 66 1 and/or 66 2 can be created on one or more sides of the substrate 12 .
  • the coil structure can be completed at a later point in time by adding the conductor tracks 58 / to 58" to the remaining structures, for example by arranging the conductor tracks 58 7 to 58" on a further substrate, which is then the substrate 12 is contacted directly or indirectly.
  • the heat source structure can form at least a coil part of an electrical coil structure.
  • the coil part can be integrated into the substrate 12 in whole or in part.
  • the coil part can comprise interconnects 58i to 58e running parallel to one another, it being possible for each interconnect element to be contact-connected to a first interconnect end and a second opposite interconnect end with a via structure 64 .
  • the via structures 64 can define connection areas for further conductor track elements 58 7 to 58 ", wherein a combination of the conductor track elements 58i to 58e on the one hand and 58 7 to 58 " on the other hand, with the addition of the via structures, can at least partially form the coil structure.
  • a number of windings can be set as desired and is advantageously only slightly or not at all dependent on the overall height of the device 50 .
  • FIG. 6 shows a coil with a porous core which, in this exemplary embodiment, does not protrude over the entire thickness of the substrate.
  • a residual thickness of silicon can be retained on the side with the first interconnects 58i to 587.
  • the integrated active component according to FIGS. 3a and 3b is located in this silicon layer or in this plane.
  • the active component is produced using conventional semiconductor processes before the coil is manufactured.
  • the first conductor tracks 58i to 58e on the upper main side of the substrate run across it or are directly connected to the active Device contacted. Spaces between the conductive lines also allow the fluid to flow through to the porous core. This can also be used to cool the porous core.
  • FIG. 7a shows a schematic perspective view of a part of the device 60, in particular to show the conductor track structures 58i to 58', which can be connected to one another by the via structures 641 to 647.
  • Contact pads electrically connected to the coil structure can enable simple electrical contacting.
  • FIG. 7b shows an exemplary partial section of the illustration from FIG. 7a in order to explain an embodiment of the via structures in more detail.
  • these can be formed as hollow cylinder structures, which allows skin effects to be less pronounced or have less influence.
  • Fig. 7c shows a schematic plan view of a main side 68B of the device 60 shown in Fig. 6. It can be seen that the substrate 12 protrudes beyond the conductor tracks 58i to 586 and the via structures, for example, run through the substrate 12 or in this are embedded.
  • the porous body 18 can be integrated into the substrate 12 in this case.
  • the porous body can be wrapped by the electrical coil structure and provide a coil core.
  • the coil structure may be monolithically integrated with an active element on a common substrate, such as described for devices 30i and 30 2 .
  • FIG. 8a shows a schematic side sectional view of the substrate 12, in which openings or trenches 72i and 12z can be introduced, for example for later production of the via structures.
  • the substrate 12 can optionally be covered by a passivation layer 74i on one or both sides, for example to simplify processing.
  • the passivation layer 74i can provide, for example, an etch stop layer for dry etching or the like, with which the trenches 72i and 72 2 are produced.
  • the structure 80 1 shown in FIG. 8a can be processed further. In other words, FIG.
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • FIG. 8b shows a possible further processing leading to a structure 80 2 which, compared to the illustration from FIG.
  • an additional passivation layer 74 2 can be arranged between the metallization 76 and the substrate 12 .
  • FIG. 8b shows an application and structuring of a first metal layer for producing the first conductor tracks and the via structures (hollow cylinder structures).
  • FIG. 8c shows a schematic side sectional view of a structure 80 that can be obtained from the structure 8O 2 , for example by the recess 34 being produced on a side opposite the metallization 76 .
  • FIG. 8c shows a rotating substrate and creation of a cavity in the Si by means of DRIE. Si remains underneath the cavity, which means that the substrate is not etched through.
  • FIG. 8d shows a schematic sectional side view of a structure 80 4 in which the porous body 18 is introduced into the recess 34 .
  • This can be done, for example, by filling in particles to be solidified and then solidifying, for example by performing atomic layer deposition in order to solidify the plurality of particles into the porous body.
  • the porous body 18 can also be inserted into the recess 16 and, for example, glued or fastened in some other way.
  • FIG. 8d shows the cavity being filled with soft-magnetic powder and the particles being agglomerated to form a porous structure.
  • FIG. 8e shows a schematic side sectional view of a structure 80s, which can be obtained, for example, by passivating the structure 8O 4 , so that the cutout 34 is closed by means of a passivation layer.
  • the same material can be used for this as is arranged in the passivation layer 74i, for example silicon oxide or silicon nitride. However, this is not absolutely necessary, other materials can also be arranged.
  • FIG. 8e shows by way of example that the passivation, which is shown in FIG.
  • Openings 72s and 72 4 which are round, for example, can be made in the passivation layer 74i and 74 2 in the area of the via structures 64i and 64 2 . These openings can reach the bottom of the vias. Referring to FIG. 7b, such vias could be on the underside between the bottom of circular via 64 and metal trace 58i of FIG. 7a. be arranged.
  • FIG. 8e shows the application of a passivation to the porous structure and the production of contact holes to the metal by means of RIE (reactive ion etching).
  • FIG. 8f shows a schematic side sectional view of a structure 80 6 according to an embodiment, which can be obtained from the structure 8O 5 by way of example.
  • a metallic structure 78 can be produced by means of a metallization step, which, for example, can provide the opposite conductor tracks for the coil structure and in relation to the metallization 76 .
  • the conductor tracks can be defined and the coil structure can thus be set in detail with regard to its properties.
  • FIG. 8f shows the application and structuring of a second metal layer for producing the second interconnects
  • FIG. 9 shows a schematic flowchart of a method 900 for providing a device according to an embodiment.
  • a step 910 of the method 900 includes bonding a heat source structure configured to provide an amount of heat to a substrate.
  • a step 920 includes arranging a porous body comprising interconnected particles such that interstices between the particles form fluidly interconnected cavities. The procedure Ren is performed such that the porous body is formed to at least partially receive the amount of heat from the heat source structure.
  • Exemplary embodiments relate to porous bodies made by way of example and with a technological process involving the production of powder microstructures by agglomeration by atomic layer deposition (ALD) at low temperatures.
  • ALD atomic layer deposition
  • Such microstructures can be shrink-free and compatible with so-called BEOL (back end of line) standard processes at temperatures up to 400°C.
  • BEOL back end of line
  • Cores for integrated coils with low eddy current losses at high frequencies can be manufactured using such a method.
  • Porous microstructures in accordance with exemplary embodiments have high thermal stability.
  • Porous micro magnets agglomerated from NdFeB powder can e.g. B. withstand temperatures of up to 400°C without degradation.
  • Structures of this type made of soft-magnetic materials, for example for use as coil cores, can also exhibit comparable behavior.
  • the intrinsic porosity of microstructures can be used for their active cooling.
  • such structures can be used in a phosphor converter, which can be made from fluorescent particles, by using air as a cooling medium that flows through the porous body.
  • Exemplary embodiments relate to the use of coils with a porous core that was produced by agglomerating a soft magnetic powder using ALD.
  • electronic circuits with particularly high thermal stability can be implemented.
  • 5a and 5b show two exemplary possible designs.
  • the heat released in the active component 36 and the coil 38 is dissipated by a heat sink, the heat sink 62 below the carrier (interposer).
  • the coil as well as the active element is discretely mounted on the support, e.g. B. by flip-chip bonding. If the coil was made using a substrate with high thermal conductivity, such as. As silicon, their effective heat dissipation is guaranteed.
  • the one shown in FIG. 5b is integrated directly in the carrier.
  • active components based on gallium nitride uses a GaN-on-Si substrate and the Inductance can be realized in a space-saving manner with the silicon substrate of the GaN-on-Si wafer. On the one hand, this can be done from the front side by exposing the area required for the coil.
  • the coil can also be arranged or produced on the rear side of the substrate below the active component.
  • a combination of both methods for the realization of large coil thicknesses or transformer structures is also possible.
  • HEMT high electron mobility transistors
  • part of the wafer surface can be used for inductances on the rear side, since the ohmic resistance of the remaining area can be implemented with a sufficiently low resistance.
  • monolithic integration enables a reduction in the parasitic elements of the load current commutating circuit, thereby enabling an increase in switching frequency and further miniaturization.
  • the joint arrangement on a substrate also enables a new, additional degree of freedom in the design of the commutation loops for the load current. In this way, the arrangement can be optimally positioned in relation to one another, so that additional commutation loops and parasitic capacitive effects are minimized.
  • the porous core of the coil integrated directly into the carrier is used as a cooling circuit and a cooling medium 26 flows through it for heat dissipation. This not only cools the coil better. A higher total cooling effect can be expected than with a conventional heat sink according to FIG. 5a or 5b.
  • the area of the circuit is reduced. A gas or a liquid can be used as the cooling medium.
  • both the active component and the coil are integrated in the carrier.
  • the active elements or active components according to the exemplary embodiments described herein can be any component of an electronic circuit that, for example, releases a lot of heat during operation.
  • This can e.g. B. a GaN power transistor or the electronic circuit can be a voltage converter module.
  • circuits with high power densities and low area requirements can be implemented.
  • the active component can, however, e.g. B. also an LED and in particular according to FIGS. 3a and 3b be an integrated circuit.
  • Transformer arrangements can also be implemented in or on the interposer. These can also be actively cooled by having a cooling medium flow through the porous core material.
  • the inductance can also be implemented in a PCB or DCB and the active component can be positioned over the coil.
  • This arrangement can be used in modules for converters and allows z. B. a symmetrization of pulse currents. This is particularly advantageous when using what are known as wide-bandgap semiconductor components in converters, since high voltage gradients and overvoltage loads occur here and these can be minimized.
  • Exemplary embodiments allow porous core coils made by agglomeration of powder using ALD that allow electronic circuits to operate at much higher temperatures compared to conventional devices.
  • the porosity of the core material can be used for active cooling of the electronic circuit by means of a cooling medium flowing through it.
  • the area of an electronic circuit can be further reduced compared to known concepts.
  • the power density of an electronic circuit can be increased compared to known concepts.
  • B. GaN-on-Si is enabled in embodiments.
  • exemplary embodiments enable a space-saving, monolithic vertical arrangement of transistors or diodes and inductances.
  • Exemplary embodiments enable high switching frequencies of integrated solutions due to shorter connection lengths and fewer parasitic elements.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

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Abstract

Eine Vorrichtung umfasst ein Substrat und eine mit dem Substrat verbundene Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen. Ferner ist ein poröser Körper vorgesehen, der miteinander verbundene Partikel umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Der poröse Körper ist ausgebildet, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.

Description

Vorrichtung mit einem porösen Körper zum Aufnehmen einer Wärmemenge und Verfahren zum Bereitstellen einer Vorrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Substrat und einer damit verbundenen Wärmequellenstruktur, die eine Wärmemenge bereitstellt und einen porösen Körper, der ausgelegt ist, um diese Wärmemenge zumindest teilweise zu empfangen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich darüber hinaus auf thermisch beständige Induktivitäten.
Aktive elektronische Bauteile, wie Leistungstransistoren oder LEDs, generieren im Betrieb erhebliche Wärmemengen. Passive Bauelemente, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, sind dadurch einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt. Moderne Ansteuerverfahren der aktiven Bauelemente führen zusätzlich zu einer Verlagerung eines Teils der thermischen Verluste auf die passiven Bauelemente. Die Miniaturisierung elektronischer Systeme geht tendenziell mit dem Bedarf nach einer größeren Leistungsfähigkeit und einer gesteigerten Leistungsdichte einher. Auf immer kleineren Platinen (sogenannten Interposern) werden immer größere Wärmemengen frei. Die thermische Belastbarkeit der darauf integrierten Bauteile sowie allgemein die Erwärmung des Systems gewinnen daher zunehmend an Bedeutung.
GaN-Transistoren können dauerhaft bei Temperaturen über 2Q0°C betrieben werden, so dass auf deren Grundlage besonders leistungsfähige Spannungswandler im Frequenzbereich von mehreren MHz bis in den GHz-Bereich geschaffen werden können. Für die Realisierung sehr kompakter Schaltungen werden passive Bauelemente, wie Kondensatoren und Spulen in geeigneter Baugröße benötigt, die derartig hohe Betriebsspannungen ebenfalls dauerhaft überstehen können. Die monolithische Integration der Bauelemente verstärkt diesen Effekt, da die Entwärmung nur über das gemeinsame Substrat geschehen kann. Während entsprechende Kondensatoren beispielsweise verfügbar sind, fehlt es an Mikrospulen mit ausreichend hoher Induktivität sowie hoher thermischer Beständigkeit. Eine ähnliche Problematik herrscht auch bei der Realisierung kompakter LED- Anordnungen inklusive des Treiberbausteins. Zur thermischen Entkopplung werden LED und Treiberelektronik heute auf separaten Trägern aufgebaut und über Bonddrähte miteinander verbunden. Auch hier sind thermisch beständige Bauelemente, darunter Mikrospulen, mit ausreichend hoher Induktivität für eine weitere Miniaturisierung des Systems wünschenswert.
Stand der Technik bei miniaturisierten Spulen sind diskrete, gewickelte Luftspulen, die nicht selten den Großteil der Abmessungen einer elektronischen Komponente ausmachen. Kleinste Spulen sind in planarer Bauform auf Halbleitersubstraten leicht zu erzeugen. Deren thermische Stabilität ist prinzipiell sehr gut, das Induktivität/Fläche-Verhältnis jedoch auf wenige nH/mm2 beschränkt. Da sich mittels Standardverfahren der IC- Technologie nur dünne Schichten abscheiden lassen, ist die Windungszahl aufgrund des schnell ansteigenden seriellen Widerstands eingeschränkt. Die Art der Luftspulen findet Anwendung bei sehr hohen Frequenzen und sehr geringen Leistungen. Ein Beispiel sind die integrierten Transformatoren der iCoupler-Serie von Analog Devices für die Isolation digitaler Signalleitungen als Ersatz für Opto-Koppler, bestehend aus übereinander gestapelten Planarspulen mit einer dicken Polyimidschicht dazwischen [1] Dieselbe Technologie wird unter der Bezeichnung „isoPower“ auch zur Bereitstellung isolierter 5V- Versorgungsspannungen verwendet. Aufgrund der sehr geringen Induktivitäten funktioniert isoPower jedoch erst bei Frequenzen um 300 MHz effektiv und ist wegen dynamischer Verluste in der Leistung begrenzt auf ca. 50 mW.
Für die Leistungsübertragung, zum Beispiel im Bereich um 20 MHz und höher, werden Spulen mit Kern verwendet. Als Kernmaterial stehen in der IC-Technologie weichmagnetische Metalle und Legierungen in Form dünner Schichten zur Verfügung. Ferrite, die in konventionellen Spulen bei höheren Frequenzen bevorzugt werden, lassen sich nicht mit vertretbarem Aufwand hersteilen. Planarspulen mit einer galvanisch abgeschiedenen Ni- Fe-Ummantelung wurden am Tyndall-Institut in Cork entwickelt [2] DC-DC-Wandler, die unter Verwendung solcher Spulen aufgebaut sind, erreichen Effizienzen von 74% bei 20 MHz beziehungsweise 70% bei 40 MHz. Der Hauptteil der Verluste entfällt dabei auf Wirbelströme [3], die sehr schnell zu einer starken Erwärmung des Bauelements führen. Zur Unterdrückung von Wirbelströmen wurde die Ummantelung bei der Spule von Intel [4] aus vielen dünnen, voneinander elektrisch isolierten NiFe-Metallschichten ausgeführt. Da sowohl bei Tyndall [2] als auch bei Intel [4] organische Materialien zur elektrischen Isolation zur Spule und Ummantelung verwendet werden, ist die thermische Belastbarkeit der Bauelemente limitiert. Ferric verwendet ebenfalls einen Stack aus elektrisch isolierten Metallschichten für integrierte Solenoid-Spulen mit bis zu 300 nH/mm2 [5] Es besteht deshalb ein Bedarf an thermisch beständigen Vorrichtungen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen solcher Vorrichtungen zu schaffen, die eine hohe thermische Beständigkeit aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass ein poröser Körper geeignet dazu ist, Wärmemenge einer Wärmequelle aufzunehmen. Poröse Körper weisen eine hohe thermische Beständigkeit auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung ein Substrat und eine mit dem Substrat verbundene Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen. Ferner ist ein poröser Körper angeordnet, der miteinander verbundene Partikel umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander flui- disch verbundene Hohlräume bilden. Der poröse Körper ist ausgebildet, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
Die verbundenen Partikel können dabei die Wärmemenge aufnehmen und über die flui- disch miteinander verbundenen Hohlräume abtransportieren, so dass insgesamt eine hohe thermische Beständigkeit des porösen Körpers erfolgt und, aufgrund dessen Kühlwirkung, eine hohe thermische Beständigkeit der Vorrichtung insgesamt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen einer Vorrichtung ein Verbinden einer Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzusteilen, mit einem Substrat. Es erfolgt ein Anordnen eines porösen Körpers, der miteinander verbundene Partikel umfasst, so dass Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
Gemäß einer Ausführung erfolgt eine Verbindung dieser Partikel miteinander durch Ausführen einer Atomlagenabscheidung, was ein effizientes, thermisch beständiges und kostengünstiges Verbinden ermöglicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Besonders bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 1 b eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der ein poröser Körper an einer Wärmequellenstruktur angeordnet ist;
Fig. 2 eine schematische Seitenschnittansicht eines porösen Körpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3a eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein poröser Körper in ein Substrat integriert ist;
Fig. 3b eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit porösen Körpern in Substratöffnungen;
Fig. 4a-b schematische Seitenschnittansichten von Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen, die ähnlich gebildet sind, wie die Vorrichtung aus Fig. 3a, bei der ein aktives Element außerhalb eines Kernbereichs angeordnet ist;
Fig. 5a eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der das aktive Element benachbart zu dem porösen Körper angeordnet ist;
Fig. 5b eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der verglichen mit der Vorrichtung aus Fig. 5a der poröse Körper zumindest teilweise in das Substrat integriert ist; Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Wärmequellenstruktur ein passives Element umfasst;
Fig. 7a eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel und zur Darstellung von Leiterbahnstrukturen, die durch die Via-Strukturen miteinander verbunden sind;
Fig. 7b einen teilweisen Ausschnitt der Darstellung aus Fig. 7a;
Fig. 7c eine schematische Aufsicht auf eine Hauptseite der in Fig. 6 dargestellten
Vorrichtung;
Fig. 8a-f schematische Seitenschnittansichten zur Darstellung von möglichen Verfahrensschritten in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen; und
Fig. 9 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf poröse Körper. Diese weisen miteinander verbundene Partikel auf, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Die Partikel können dabei ein beliebiges Material aufweisen, sind aber bevorzugt thermisch beständig. Thermisch beständig ist dabei relativ zur jeweiligen Anwendung zu verstehen. Im Rahmen der Ausgestaltung als integrierte Schaltung, insbesondere im Leistungsbereich, beispielsweise zur Ansteuerung von LEDs und dergleichen, wird als temperaturbeständig dabei verstanden, dass Temperaturen von zumindest 100°C, zumindest 150°C, zumindest 200°C oder höher, insbesondere zumindest 250°C, zumindest 300°C oder zumindest 400°C, als Dauerbetriebstemperatur zulässig sind, das bedeutet, dass der poröse Körper für eine Temperatur in diesem Bereich temperaturstabil ist. Darunter kann ein Ausbleiben einer relevanten Verformung, ein Ausbleiben einer relevanten Degenerierung einer Materialeigenschaft oder dergleichen verstanden werden. Dies kann insbesondere in Kombination mit einer Wärmequelle der Vorrichtung betrachtet werden, die ausgelegt ist, um eine Wärmemenge abzugeben. Diese erreicht zumindest in Teilen den porösen Körper, um diesen zu erwärmen. Die Wärmequelle kann damit ausgebildet sein, um den porösen Körper auf die genannten Temperaturen von zumindest 100°C, zumindest 150°C, zumindest 200°C, zumindest 250°C, zumindest 300°C oder zumindest 400°C zu erwärmen.
Die Partikel können über die Temperaturbeständigkeit hinaus noch weitere Funktionalitäten aufweisen. Beispielsweise kann eine Anwendung des porösen Körpers als Spulenkern gewünscht sein. Hierfür sehen Ausführungsbeispiele vor, dass die Partikel weichmagnetische Partikel umfassen. In anderen Ausführungen kann der poröse Körper als mechanischer und/oder chemischer Filter eingesetzt werden. In solchen Fällen ist beispielsweise die Verwendung von weichmagnetischen Partikeln weniger relevant, als Eigenschaften zur mechanischen Festigkeit oder dergleichen.
Poröse Körper, die in Verbindung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen erläutert sind, weisen Partikel auf, die beispielsweise durch Verwendung einer Beschichtung miteinander verbunden sind. Diese Beschichtung kann dabei vergleichsweise dünn ausgebildet sein, so dass Hohlräume zwischen den Partikeln durch die Beschichtung unver- füllt bleiben. Darüber hinaus sind die Hohlräume fluidisch miteinander verbunden, was es ermöglicht, dass ein Fluid durch benachbarte Hohlräume strömt. In manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der poröse Körper für einen Durchfluss eines Fluids gebildet sein, in dem ein Fluid in den Körper eintritt und aus dem Körper aus- tritt. Andere Ausführungsformen sehen dabei vor, dass beispielsweise eine Außenfläche des porösen Körpers mit einer Passivierungsschicht oder dergleichen überzogen ist, die einen Eintritt oder Austritt des Fluids in den Körper oder aus dem Körper verhindern kann. Eine derartige Schicht kann lokal geöffnet werden, wobei dies nicht notwendigerweise erforderlich ist.
Fig. 1a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 10i gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 10i umfasst ein Substrat 12. Das Substrat 12 kann beispielsweise ein Halbleitermaterial umfassen und einschichtig oder mehrschichtig gebildet sein. Eine oder mehrerer dieser Schichten können elektrisch leitfähig und/oder elektrisch isolierend gebildet sein, wie es im IC- und MEMS-Bereich üblich ist. Das Substrat 12 kann dabei planar gebildet sein, aber auch eine Topographie, das heißt, Erhe bungen und/oder Vertiefungen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zu Halbleitermaterialien kann das Substrat 12 auch beispielsweise als Leiterplatte oder dergleichen gebildet sein. Anders ausgedrückt kann das Substrat 12 beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte (engl.: printed Circuit board, PCB) und/oder ein direkt verbundenes Kupfer (engl.: direct bonded copper, DBC bzw. ein direct copper bond, DCB), ein Halbleitermaterial, ein Glas- material oder Kombinationen hieraus umfassen.
Die Vorrichtung 10i umfasst eine mit dem Substrat 12 verbundene Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge 16 bereitzustellen.
Die Vorrichtung 10i umfasst einen porösen Körper 18, der miteinander verbundene Partikel 22 umfasst. Zwischenräume 24 zwischen den Partikeln 22 bilden fluidisch verbundene Hohlräume. Der poröse Körper 18 ist ausgebildet, um zumindest Teile der Wärmemenge 16 zu empfangen. Als zumindest teilweises Empfangen der Wärmemenge der Wärmequellenstruktur 14 wird dabei verstanden, dass die Wärmequellenstruktur 14 den porösen Körper 18 in relevantem Maße erwärmt, wie es eingangs beschrieben ist. Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele nehmen dabei Bezug auf Betriebstemperaturen von 200°C oder 250°C, bspw. zumindest 400°C oder mehr, wobei auch andere Temperaturbereiche möglich sind, wie es eingangs beschrieben ist.
Die Wärmequellenstruktur 14 kann dabei eine einzelne Komponente oder ein Verbund von Komponenten sein. Die Wärmequellenstruktur 14 kann beispielsweise einen Leistungsbaustein, etwa einen Treiber oder dergleichen, umfassen, wie er in etwa für LEDs eingesetzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine beliebige andere Schaltung mit einer oder mehreren Komponenten angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zu solch aktiven Komponenten kann die Wärmequellenstruktur 14 auch ganz oder teilweise durch passive Elemente gebildet sein. So kann die Wärmequellenstruktur 14 zum Beispiel zumindest Teile einer Spulenwicklungsstruktur bereitstellen. Spulenwicklungen können insbesondere im hochfrequenten Betrieb eine relevante Wärmemenge bereitstellen, die durch den porösen Körper 18 empfangen und/oder abgeführt werden kann. Es ist dabei möglich, aber nicht notwendig, dass die Wärmequellenstruktur 14 die Spulenwicklungen vollständig bereitstellt. Ausführungsbeispiele sehen vor, dass die Wärmequellenstruktur als Halbspule oder dergleichen gebildet ist, die in Verbindung mit einer weiteren Vorrichtung oder einem weiteren Element zu einer elektrischen Spule vervollständigt wird. Dies kann beispielsweise als Halbspule bezeichnet werden, der zumindest Leitungsbahnen in einer Elementebene fehlen, welche beispielsweise durch Leiterbahnen auf einem weiteren Trägersubstrat implementiert werden, so dass eine Verbindung der Wärmequellenstruktur 14 mit dem zusätzlichen Substrat die Spule dann vervollständigt.
Das bedeutet, die Wärmequellenstruktur kann einen Teil einer elektrischen Spule bilden oder auch eine vollständige Spule bilden. Dies ist jedoch nur ein nicht einschränkendes Beispiel dafür, dass die Wärmequellenstruktur zumindest einen Teil eines elektrisch passiven Elements umfasst und das elektrisch passive Element ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge zu erzeugen.
Fig. 1b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung IO2 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Diese weist im Wesentlichen dieselben Elemente auf, wie die Vorrichtung 10i. Anders als in der Vorrichtung 10i ist jedoch der poröse Körper nicht am Substrat 12 befestigt, sondern an der Wärmequellenstruktur 14. Weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass der poröse Körper ganz oder teilweise in das Substrat 12 integriert ist, dass alternativ oder zusätzlich hierzu die Wärmequellenstruktur 14 ganz oder teilweise in das Substrat integriert ist und/oder, dass die Wärmequellenstruktur 14 nicht unmittelbar mit dem Substrat 12 verbunden ist, sondern mittelbar, etwa vermittels des porösen Körpers 18 oder anderer zwischengeschalteter wärmetransportierender Elemente.
Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines porösen Körpers 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, der beispielsweise als poröser Körper 18 eingesetzt werden kann, beispielsweise in der Vorrichtung 10i und/oder IO2. Der poröse Körper 20 umfasst eine Vielzahl von Partikeln 22, die bezogen aufeinander identisch gebildet sein können, aber auch in Summe mehrere unterschiedliche Partikel umfassen können. Beispielsweise können sich die Partikel im Hinblick auf ein Partikelmaterial, eine Partikelbeschichtung und/oder einen Partikeldurchmesser unterscheiden oder diesbezüglich gleich gebildet sein. Beispielhafte Partikeldurchmesser sind beispielsweise in einer bevorzugten aber nicht einschränkenden Ausführung zwischen zumindest 1 pm und höchstens 25 pm. In manchen Partikel-Pulvern kann die Partikelgröße jedoch ggf. auch erheblich variieren, weswegen in einem derartigen Fall ein Wertebereich von bspw. 1 miti-25 pm als Mittelwerte (sogenannte D50) aufzufassen sind. Manche Pulver im Rahmen von Ausführungsbeispielen, etwa NdFeB- Pulver, können um einen D50-Wert von 5 pm variieren z. B. von 1 pm bis 10 pm. NdFeB-Pulber mit einem D50-Wert von 25 pm variieren bereits von 1 pm bis 100 pm. Auch wenn die Partikel 22 annähernd rund gebildet sind, kann es in Ausführungsformen zu anderen Formen von Partikeln kommen, beispielsweise ebene Partikeloberflächen aufweisend oder dergleichen. Runde Partikel hingegen ermöglichen eine besonders geringe Auflagefläche benachbarter Partikel aneinander, so dass^der Durchfluss eines Fluids 26 durch die Zwischenräume 24 zwischen den Partikeln 22 möglichst ungestört bleibt. Dabei ist eine Abwägung zu treffen, um eine mit abnehmender Auflagefläche reduzierte Festigkeit der porösen Struktur dennoch eine Mindestfestigkeit zu erhalten.
Der poröse Körper kann für einen Durchfluss des Fluids 24 einen Eintrittsbereich 28 zum Eintritt des Fluids 26 und einen mit dem Eintrittsbereich 28 vermittels der fluidisch miteinander verbundenen Hohlräume 24 fluidisch gekoppelten Austrittsbereich 32 zum Austritt des Fluids aufweisen. Der poröse Körper kann ausgebildet sein, um während des Durchflusses des Fluids 26 zumindest einen Teil der empfangenen Wärmemenge 16 an das Fluid abzugeben, um den porösen Körper zu kühlen. Dabei kann nicht nur der poröse Körper gekühlt werden, sondern auch mittelbar oder unmittelbar die Wärmequellenstruktur 14, indem ein Wärmegradient erzeugt wird. Eine Position oder Orientierung des Eintrittsbereichs 28 und/oder des Austrittsbereichs 32 kann dabei durch eine Form des porösen Körpers 20 beeinflusst sein. Alternativ oder zusätzlich kann der poröse Körper an einer Außenseite auch mit einer fluidisch weniger durchlässigen oder abgedichteten Schicht überzogen sein, die zum Bereitstellen des Eintrittsbereichs 28 und/oder des Aus- trittsbereichs 32 lokal geöffnet ist. Eine derartige Schicht kann auch lediglich teilweise an dem porösen Körper angeordnet sein und eine oder mehrere Seiten beispielsweise ganz oder teilweise frei lassen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Position, Ausdehnung und/oder Orientierung des Eintrittsbereichs 28 und/oder des Austrittsbereichs 32 auch über das Erzeugen eines Fluidstroms für das Fluid 26 definiert werden. Das bedeutet, der Durchfluss des Fluids 26 kann ganz oder teilweise aktiv erzeugt werden, etwa um eine aktive Kühlung bereitzustellen. Eine Richtung, mit der das Fluid geführt wird, kann den Eintrittsbereich 28 und/oder den Austrittsbereich 32 definieren. Anders als bei einer akti- ven Kühlung, kann der Durchfluss auch zumindest teilweise auf der abgegebenen Wärmemenge erzeugt werden, etwa im Rahmen einer passiven Kühlung. So kann beispielweise das erwärmte Fluid 26 in höhere Lagen aufsteigen und in niedrigeren Lagen durch Erzeugen eines geringeren fluidischen Drucks Fluid ansaugen, womit ein Fluidstrom erzeugt werden kann.
Manche Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das Substrat 12 eine fluidische Öffnung aufweist, die ausgebildet ist, um das Fluid 26 hin zu dem Eintrittsbereich 28 und/oder weg von dem Austrittsbereich 32 hindurchzulassen.
Fig. 3a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 30i gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche mehrere unabhängig voneinander zu implementierende Weiterbildungen gegenüber der Vorrichtung 10i und/oder 102 aufweist. Einerseits ist der poröse Körper 18 in das Substrat 12 integriert. Dies kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht werden, dass eine Aussparung 34 in das Substrat 12 eingebracht wird, die Partikel 22 in die Aussparung 34 eingefüllt und in der Aussparung 34 vermittels einer Beschichtungskammer, etwa durch Ausführen einer Atomlagenabscheidung (engl.: Atomic Layer Deposition, ALD), verfestigt werden.
Die Vorrichtung 30i umfasst ein aktives Element als Teil der Wärmequellenstruktur, etwa eine LED, einen Treiber hierfür oder ein anderes aktives Element. Als aktive Elemente können auch Dioden und/oder Transistoren und/oder integrierte Schaltungen gebildet sein. Ein aktives Element, das zumindest einen Teil der Wärmequellenstruktur bilden kann, kann ausgebildet sein, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der nicht dargestellten Wärmemenge 16 zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Vorrichtung 30i ein passives Element 38, das ebenfalls ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der nicht dargestellten Wärmemenge 16 zu erzeugen. Beispielsweise handelt es sich bei dem passiven Element 38 in der Vorrichtung 30i um ein für den Betrieb des aktiven Elements 36 verwendetes Element, etwa eine Spule, für welche der poröse Körper 18 gleichzeitig einen Spulenkern bereitstellt. Hierfür können die Partikel 22 ein weichmagnetisches Material, beispielsweise Weicheisen, FeSi, FeNi, FeCo oder andere Legierungen oder Materialien aufweisen.
Die Aussparung 34 kann im Rahmen einer Herstellung der Vorrichtung 30i wieder verschlossen werden, beispielsweise durch Abscheiden eines Substratmaterials, vor einem Anordnen aktiver oder passiver Bauelemente und/oder durch Anordnen eines Substratab- Schnitts 42. Eine derartige Abscheidung kann beispielsweise durch eine Schichtabscheidung und/oder durch Waferbonding erfolgen.
Die Vorrichtung 30i kann so gebildet sein, dass das Substrat 12 eine oder mehrere fluidi- sche Öffnungen 44 und/oder 442 aufweist, die ausgebildet sind, um das Fluid 26 hindurch zu dem Eintrittsbereich und/oder weg von dem Austrittsbereich des porösen Körpers 18 hindurchzulassen. Eine Position der fluidischen Öffnungen 44i und/oder 442 kann dabei eine Richtung des Durchflusses des Fluids zumindest in Teilen bestimmen.
Fig. 3b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 302, die ähnlich aufgebaut sein kann, wie die Vorrichtung 30i. Unabhängig davon, ob ein aktives Element 36 und/oder ein passives Element 38 einen Teil der Wärmequellenstruktur bildet, können die Öffnungen 44 und/oder 442 unabhängig voneinander poröse Strukturen 46i und/oder 462 aufweisen, die diese Öffnungen 44i beziehungsweise 442 ganz oder teilweise befül- len. Die porösen Strukturen 46i und/oder 462 können Partikel 48 aufweisen und in ähnlicher Weise durch Verfestigung der Partikel 48 gebildete Körper bilden, wie der poröse Körper 18 beziehungsweise 20. In einer Ausführungsform könnten die Partikel 48 und Partikel des porösen Körpers nacheinander in eine Substratöffnung eingebracht und gleichzeitig verfestigt werden. Alternativ können zuerst die Partikel 48 eingebracht und verfestigt werden und danach die Partikel des Körpers 18 oder andersherum. In einer Ausführungsform können die Partikel des Körpers 18 und die Partikel 48 auch gleich sein und aus einer gemeinsamen Menge von Partikel stammen.
Die Partikel 48 können dabei bezüglich einer Größe, Form und/oder Eigenschaft untereinander gleich oder verschieden sein und/oder sich im Hinblick auf die Partikel 22 des porösen Körpers 18 gleichen oder unterscheiden. Allerdings ist es möglich, eine Funktionstrennung zu implementieren, beispielsweise indem die Partikel 48 amagnetisches Material umfassen, während die Partikel 22 weichmagnetisches Material umfassen, insbesondere, wenn der poröse Körper 18 einen Spulenkern bildet. Die porösen Strukturen 44i und/oder 442 können aufgrund der miteinander verbundenen Partikel 48, bei denen ebenfalls Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume 52 bilden, sowohl einen Schutz vor Fremdpartikeln ermöglichen als auch ein Herauslösen von Teilen des porösen Körpers 18 und/oder für die Steuerung einer Strömung des Fluids 26 genutzt werden. So können beispielsweise Verwirbelungen oder dergleichen in dem Fluid 26 eingestellt, reduziert oder verhindert werden. In den Darstellungen der Fig. 3a und 3b kann das aktive Element 36 innerhalb eines Kernbereichs angeordnet sein. Die Struktur 38 kann als Spule, die zusätzlich innerhalb des Kernbereichs 54 das aktive Element 36 aufweist, gebildet sein.
Die Fig. 4a und 4b zeigen schematische Seitenschnittansichten von Vorrichtungen 40i beziehungsweise 402, die ähnlich gebildet sind, wie die Vorrichtung 30i. Gegenüber der Vorrichtung 30i ist das aktive Element jedoch außerhalb des Kernbereichs 54 angeordnet, aber beispielhaft mechanisch und/oder elektrisch direkt mit dem passiven Element 38 verbunden. Die Vorrichtung 40i weist dabei einen Hohlraum 56 zwischen dem Substrat 12 und dem aktiven Element auf, der beispielsweise für eine Steuerung des Wärmeflusses genutzt werden kann. Demgegenüber weist die Vorrichtung 402 Substratmaterial an Stellen auf, die in der Vorrichtung 40i zum Bilden des Hohlraums 56 freigehalten sind. Beispielsweise kann dies über eine Integration von Leitungsstrukturen des passiven Elements 38 zum Bilden einer homogenen Oberfläche und/oder durch Auffüllen des Hohlraums 56 der Vorrichtung 40i mit Substratmaterial ermöglicht werden.
Optional kann in dem Eintrittsbereich 28 der Vorrichtung 40i und/oder 402 und/oder in einem Bereich des Austrittsbereich 32 der Vorrichtung 40i und/oder 402 eine poröse Struktur 46 angeordnet sein.
Obwohl die Wärmemenge 16 so dargestellt ist, dass sie von dem aktiven Element 36 ausgeht, wenn die Fig. 3a, 3b, 4a und 4b betrachtet werden, so kann auch ein als Spule gebildetes passives Element zumindest einen Teil der Wärmemenge 16 bereitstellen.
In den Darstellungen der Fig. 3a, 3b, 4a und 4b kann der poröse Körper 18 zumindest einen Teil eines Funktionselements bereitstellen. In dargestellten Beispielen ist dies beispielweise ein Spulenkern, wobei ohne Weiteres auch andere Funktionselemente, etwa ein Transformator oder dergleichen, einen porösen Körper 18 und/oder 20 als Bauelement aufweisen können. Das Funktionselement kann eine Funktion der Gesamtvorrichtung bereitstellen und ausgebildet sein, um die Funktion unter dem Einfluss der Wärmequelle beizubehalten. Das Funktionselement kann dabei beispielsweise mit einem Betrieb der Wärmequelle assoziiert sein. Dies ist insbesondere bei der Verwendung des Funktionselements für den Betrieb der Vorrichtung der Fall, beispielsweise wenn das aktive Element eine LED oder ein Treiber hierfür ist und die Spule für den Betrieb der LED beziehungsweise des Treibers eingesetzt wird. Fig. 5a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 50i gemäß einem Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel kann das aktive Element 36 benachbart zu dem porösen Körper 18 angeordnet sein, der lediglich beispielhaft einen Teil des passiven Elements 38 bildet. Das passive Element 38 kann mit dem aktiven Element 36 über Leiterbahnen 58 verbunden sein, die beispielsweise ebenso wie das Substrat 12 eine Wärmebrücke zwischen dem porösen Körper 18 und dem aktiven Element 36 bzw. der Wärmequellenstruktur ermöglichen kann.
Optional kann ein Kühlkörper 62 mit dem Substrat 12 wärmeleitfähig verbunden sein. Der Kühlkörper 62 kann eine zusätzliche Wärmeabfuhr der Wärmemenge 16 ermöglichen. Ebenso wie bei den Vorrichtungen 30i, 302, 40i und 402 kann dabei die Wärmequellenstruktur das aktive Element 36 umfassen, das ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge 16 bereitzustellen. Während in den Vorrichtungen 30i und 302 zumindest eine Spulenwindung einer elektrischen Spule um das aktive Element 36 herumlaufen kann oder das aktive Element, wie für die Vorrichtung 40i und 402 gezeigt, an einer Außenseite der elektrischen Spule angeordnet sein kann, ist das aktive Element 36 der Vorrichtung 50i benachbart an dem Substrat 12 angeordnet, jedoch so, dass ein relevantes Maß der Wärmemenge 16 an den porösen Körper 18 gelangt, um diesen zu erwärmen. Auch hier kann die Wärmequellenstruktur das aktive Element 36 und zumindest einen Teil einer elektrisch passiven Wärmequelle, etwa der Spule, umfassen.
Fig. 5b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 502 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Anders als in der Vorrichtung 50i kann der poröse Körper 18 zumindest teilweise in das Substrat 12 integriert sein, was auch so verstanden werden kann, dass bei schematischer Betrachtung des porösen Körpers als Kubus mit sechs Seiten, zumindest fünf Seiten jeweils zumindest teilweise von Substratmaterial des Substrats 12 umgeben sein können. Doch hier kann optional der Kühlkörper 62 für zusätzliche Kühlung eingesetzt werden.
Der poröse Körper der Vorrichtung 502 und möglicherweise auch der Vorrichtung 50i kann dabei vollständig von Substratmaterial umschlossen sein, so dass zumindest kein äußeres Fluid an den porösen Körper herangelangt. Ungeachtet dessen kann der poröse Körper 18 dennoch Wärmemenge 16 aufnehmen und temperaturstabil zum Betrieb des passiven Elements 38 und/oder des aktiven Elements 36 beitragen. Fig. 6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 60 weist dabei das Substrat 12 auf, in welches der poröse Körper 18 integriert ist. Ferner umfasst die Wärmequellenstruktur 14 das passive Element 38, das beispielhaft als um den porösen Körper 18 als Spulenkern gewickelte elektrisch leitfähige Spule gebildet ist. Beispielhaft sind sechs Windungen vorgesehen. Diese können in vorteilhafterweise so gebildet werden, dass nebeneinander und besonders bevorzugt parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen 58i, 582, 583, 684, 58s und 58e bereitgestellt werden. Gegenüberliegende Leiterbahnen 587 bis 58I2 können dabei vermittels Via-Strukturen 64i bis 64e miteinander verbunden werden, so dass eine umlaufende Windungsstruktur entstehen kann. Weitere Strukturen, etwa Kontakt-Pads 661 und/oder 662 können an einer oder mehreren Seiten des Substrats 12 erzeugt werden. Hieraus ergibt sich auch, dass beispielsweise die Vervollständigung der Spulenstruktur durch Hinzufügen der Leiterbahnen 58/ bis 58« zu den restlichen Strukturen zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen kann, etwa indem die Leiterbahnen 587 bis 58« an einem weiteren Substrat angeordnet sind, welches dann mit dem Substrat 12 mittelbar oder unmittelbar kontaktiert wird.
In beiden Fällen kann die Wärmequellenstruktur zumindest einen Spulenteil einer elektrischen Spulenstruktur bilden. Der Spulenteil kann ganz oder teilweise in das Substrat 12 integriert sein. Der Spulenteil kann parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen 58i bis 58e umfassen, wobei jedes Leiterbahnelement an einem ersten Leiterbahnende und einem zweiten gegenüberliegenden Leiterbahnende mit einer Via-Struktur 64 kontaktiert sein kann. Die Via-Strukturen 64 können Anschlussbereiche für weitere Leiterbahnelemente 587 bis 58« definieren, wobei eine Kombination der Leiterbahnelemente 58i bis 58e einerseits und 587 bis 58« andererseits unter Hinzunahme der Via-Strukturen die Spulenstruktur zumindest teilweise bilden kann. Eine Anzahl von Windungen kann dabei beliebig eingestellt werden und ist vorteilhaft von einer Bauhöhe der Vorrichtung 50 lediglich gering oder gar nicht abhängig.
In anderen Worten zeigt Fig. 6 eine Spule mit einem porösen Kern, der in diesem Ausführungsbeispiel nicht über die gesamte Dicke des Substrats ragt. Auf der Seite mit den ersten Leiterbahnen 58i bis 587 kann eine Restdicke Silizium erhalten bleiben. In dieser Siliziumschicht bzw. in dieser Ebene befindet sich das integrierte aktive Bauelement gemäß den Fig. 3a und 3b. Das aktive Bauelement wird dabei vor der Herstellung der Spule mittels herkömmlicher Halbleiterprozesse erzeugt. Die ersten Leiterbahnen 58i bis 58e auf der oberen Substrathauptseite laufen darüber hinweg bzw. werden direkt auf das aktive Bauelement kontaktiert. Abstände zwischen den Leiterbahnen ermöglichen auch das Hindurchströmen des Fluids hin zum porösen Kern. Dies kann ebenfalls genutzt werden, um den porösen Kern zu kühlen.
Fig. 7a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung 60, insbesondere zur Darstellung der Leiterbahnstrukturen 58i bis 58«, die durch die Via- Strukturen 641 bis 647 miteinander verbunden sein können. Elektrisch mit der Spulenstruktur verbundene Kontakt-Pads können eine einfache elektrische Kontaktierung ermöglichen.
Fig. 7b zeigt einen beispielhaften teilweisen Ausschnitt der Darstellung aus Fig. 7a, um eine Ausführungsform der Via-Strukturen näher zu erläutern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können diese als Hohlzylinderstrukturen gebildet sein, was eine geringe Ausprägung oder einen geringen Einfluss von Skin-Effekten ermöglicht.
Fig. 7c zeigt eine schematische Aufsicht auf eine in Fig. 6 dargestellte Hauptseite 68B der Vorrichtung 60. Es ist erkennbar, dass das Substrat 12 über die Leiterbahnen 58i bis 586 hinausragt und die Via-Strukturen beispielsweise durch das Substrat 12 hindurchverlaufen bzw. in dieses eingebettet sind. Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 6 kann der porö se Körper 18 dabei in das Substrat 12 integriert sein. Der poröse Körper kann von der elektrischen Spulenstruktur umwickelt sein und einen Spulenkern bereitstellen. Optional kann die Spulenstruktur monolithisch mit einem aktiven Element auf einem gemeinsamen Substrat integriert sein, wie es beispielsweise für die Vorrichtung 30i und 302 beschrieben ist.
Anhand der Fig. 8a bis 8f wird beispielsweise ein Konzept zum Einbetten des porösen Körpers als Spulenkern in einer Spulenstruktur erläutert. Fig. 8a zeigt dabei eine schematische Seitenschnittansicht des Substrats 12, in welches Öffnungen oder Gräben 72i und 12z eingebracht sein können, etwa zum späteren Erzeugen der Via-Strukturen. Das Substrat 12 kann an einer oder an beiden Seiten optional von einer Passivierungsschicht 74i bedeckt sein, etwa um die Verarbeitung zu vereinfachen. Die Passivierungsschicht 74i kann beispielsweise eine Ätzstopp-Schicht für ein Trockenätzen oder dergleichen bereitstellen, mit welchem die Gräben 72i und 722 erzeugt werden. Die in Fig. 8a dargestellte Struktur 8O1 kann weiter bearbeitet werden. ln anderen Worten zeigt Fig. 8a einen Zustand nach einem Ätzen von Löchern im Si- Substrat mittels sogenanntem Deep Reactive Ion Etching (DRIE), die Form und Lage der Via’s definieren. Die Löcher können durch das gesamte Substrat hindurchragen und enden in einer Passivierung auf der Rückseite.
Fig. 8b zeigt eine mögliche Weiterbearbeitung hin zu einer Struktur 802, die gegenüber der Darstellung aus der Fig. 8a eine Metallisierung 76 aufweisen kann, etwa um Leiterbahnen 58 und Via-Strukturen 64 für die Vorrichtung 60 zu erzeugen. Hierzu kann eine zusätzliche Passivierungsschicht 742 zwischen die Metallisierung 76 und das Substrat 12 angeordnet werden.
In anderen Worten zeigt Fig. 8b ein Aufbringen und Strukturieren einer ersten Metallschicht zur Erzeugung der ersten Leiterbahnen und der Via-Strukturen (Hohlzylinderstrukturen).
Fig. 8c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 80 , die aus der Struktur 8O2 erhalten werden kann, etwa indem an einer der Metallisierung 76 gegenüberliegenden Seite die Aussparung 34 erzeugt wird.
In anderen Worten zeigt Fig. 8c ein umdrehendes Substrat und eine Erzeugung einer Kavität im Si mittels DRIE. Unterhalb der Kavität bleibt noch Si stehen, das heißt, das Substrat wird nicht durchgeätzt.
In Fig. 8d ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 8O4 gezeigt, bei der in die Aussparung 34 der poröse Körper 18 eingebracht ist. Dies kann beispielsweise durch Einfüllen zu verfestigender Partikel und anschließender Verfestigung erfolgen, beispielsweise durch Durchführen einer Atomlagenabscheidung, um die Vielzahl von Partikel zu dem porösen Körper zu verfestigen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann auch der poröse Körper 18 in die Aussparung 16 eingelegt werden und beispielsweise verklebt oder andersartig befestigt werden.
In anderen Worten zeigt Fig. 8d ein Auffüllen der Kavität mit weichmagnetischem Pulver und Agglomeration der Partikel zu einer porösen Struktur. in Fig. 8e ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 80s gezeigt, die beispielsweise durch Passivierung der Struktur 8O4 erhalten werden kann, so dass die Aussparung 34 vermittels einer Passivierungsschicht verschlossen ist. Beispielhaft kann hierfür das gleiche Material verwendet werden, wie es in der Passivierungsschicht 74i angeordnet ist, beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, es können auch andere Materialien angeordnet werden. In der Fig. 8e ist beispielhaft dargestellt, dass in Bereichen, in denen die Passivierungsschicht 74i in vorangehenden Schritten bereits angeordnet war oder verblieben ist, durch die Passivierung, die in Fig. 8e dargestellt ist, aufgedeckt ist. Öffnungen72s und 724, die bspw. rund ausgeführt sind, können in die Passivierungsschicht 74i und 742 im Bereich der Via- Strukturen 64i und 642 eingebracht werden. Diese Öffnungen können bis auf den Boden der Vias reichen. Unter Verweis auf Fig. 7b, könnten derartige Kontaktlöcher auf der Unterseite zwischen dem Boden des runden Via 64 und der Metallbahn 58i gemäß Fig. 7a. angeordnet sein.
In anderen Worten zeigt Fig. 8e ein Aufbringen einer Passivierung auf die poröse Struktur und Erzeugung von Kontaktlöchern zum Metall mittels RIE (reaktivem lonenätzen).
Fig. 8f zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Struktur 806 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die beispielhaft aus der Struktur 8O5 erhalten werden kann. Vermittels eines Metallisierungsschritts kann eine metallische Struktur 78 erzeugt werden, die beispielsweise die gegenüberliegenden Leiterbahnen für die Spulenstruktur und bezogen auf die Metallisierung 76 bereitstellen kann. Durch Strukturierung der Metallisierung 76 und/oder 78 können die Leiterbahnen definiert werden und so die Spulenstruktur bezüglich ihrer Eigenschaft detailliert eingestellt werden.
In anderen Worten zeigt Fig. 8f ein Aufbringen und ein Strukturieren einer zweiten Metallschicht zur Erzeugung der zweiten Leiterbahnen
Fig. 9 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zum Bereitstellen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Schritt 910 des Verfahrens 900 umfasst ein Verbinden einer Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge bereitzustellen, mit einem Substrat. Ein Schritt 920 umfasst ein Anordnen eines porösen Körpers, der miteinander verbundene Partikel umfasst, so dass Zwischenräume zwischen den Partikeln miteinander fluidisch verbundene Hohlräume bilden. Das Verfah- ren wird so ausgeführt, dass der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf poröse Körper, die beispielsweise und mit einem technologischen Verfahren ausgeführt werden, das die Erzeugung von Mikrostrukturen aus Pulver durch Agglomeration mittels Atomlagen-Abscheidung (ALD) bei niedrigen Temperaturen umfasst. Solche Mikrostrukturen können schrumpfungsfrei sein und kompatibel zu sogenannten BEOL (back end of line)-Standardprozessen bei Temperaturen bis zu 400°C sein. Unter Verwendung eines solchen Verfahrens lassen sich Kerne für integrierte Spulen mit geringen Wirbelstromverlusten bei hohen Frequenzen hersteilen.
Poröse Mikrostrukturen in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen weisen eine hohe thermische Stabilität auf. Poröse Mikromagnete, agglomeriert aus NdFeB-Pulver können z. B. Temperaturen von bis 400°C ohne Degradation aushalten. Ebenso können derartige Strukturen aus weichmagnetischen Materialien, etwa zur Verwendung als Spulenkerne, ein vergleichbares Verhalten zeigen. Zudem kann die intrinsische Porosität von Mikrostrukturen zu deren aktiver Kühlung genutzt werden. Beispielsweise können derartige Strukturen in einem Phosphorkonverter, der aus fluoriszierenden Partikeln hergestellt werden kann, genutzt werden, indem Luft als Kühlmedium genutzt wird, das den porösen Körper durchströmt.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Verwendung von Spulen mit einem porösen Kern, der durch Agglomeration eines weichmagnetischen Pulvers mittels ALD hergestellt wurde. Hierdurch können elektronische Schaltungen besonders hoher thermischer Stabilität realisiert werden. Die Fig. 5a und 5b zeigen zwei beispielhafte mögliche Ausführungen. Die im aktiven Bauelement 36 und der Spule 38 freigesetzte Wärme wird durch eine Wärmesenke, den Kühlkörper 62 unterhalb des Trägers (Interposer) abgeführt. In Abbildung 5a ist die Spule wie auch das aktive Element diskret auf dem Träger montiert, z. B. durch Flip-Chip-Bonden. Wurde die Spule unter Verwendung eines Substrats mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt, wie z. B. Silizium, ist deren effektive Entwärmung gewähr leistet. Selbst wenn die im aktiven Bauelement freigesetzte Wärme die Spule zusätzlich erwärmt, ist damit zu rechnen, dass die Leistungsgrenzen der Schaltung durch das aktive Bauelement, bzw. andere Bestandteile, bestimmt werden, jedoch nicht durch die Spule mit porösem Kern. Um die Entwärmung der Spule zu verbessern, ist die in Fig. 5b direkt im Träger integriert. So kann z. B. in einer möglichen Ausführungsform die für aktive Bauelemente auf Basis von Galliumnitrid (GaN) ein GaN-on-Si-Substrat verwendet und die Induktivität flächensparend mit dem Silizium-Substrat des GaN-on-Si-Wafers realisiert werden. Dieses kann einerseits von der Vorderseite durch Freilegen der für die Spule benötigten Fläche erfolgen.
Alternativ und besonders platzsparend kann die Spule auch auf der Rückseite des Substrats unterhalb des aktiven Bauelements angeordnet oder erzeugt werden. Auch eine Kombination von beiden Verfahren für die Realisierung von großen Spulendicken oder auch T ransformatorstrukturen ist möglich. Werden z. B. sogenannte High Electron Mobili- ty-Transistoren (HEMT) mit lateralem Stromfluss realisiert, so steht die rückseitige Fläche für die Realisierung von Spulen zur Verfügung. Bei einer aktiven Realisierung von vertikalen Bauelementen kann rückseitig ein Teil der Waferfläche für Induktivitäten genutzt werden, da der ohmsche Widerstand der Restfläche ausreichend niederohmig realisiert werden kann.
Zusätzlich ermöglicht die monolithische Integration eine Verringerung der parasitären Elemente des Kommutierungs-Kreises für den Laststrom und ermöglicht damit eine Steigerung der Schaltfrequenz und weitere Miniaturisierung.
Die gemeinsame Anordnung auf einem Substrat ermöglicht zudem einen neuen, zusätzlichen Freiheitsgrad in der Auslegung der Kommutierungsschleifen für den Laststrom. So kann die Anordnung optimal zueinander positioniert werden, so dass zusätzliche Kommutierungsschleifen und parasitäre kapazitive Effekte minimiert werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4a wird der poröse Kern der direkt in den Träger integrierten Spule als Kühlkreislauf genutzt und zur Wärmeabfuhr von einem Kühlmedium 26 durchströmt. Dadurch wird nicht nur die Spule besser gekühlt. Es kann mit einem höheren Gesamt-Kühleffekt gerechnet werden als mit einer konventionellen Wärmesenke gemäß Fig. 5a oder 5b. Zudem wird durch Anordnung der Spule direkt unterhalb des aktiven Bauelements die Fläche der Schaltung reduziert. Als Kühlmedium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit verwendet werden. In den Fig. 3a und 3b sind sowohl das aktive Bauelement als auch die Spule im Träger integriert. Während Fig. 4a beispielhaft die Integration eines aktiven, erhebliche Wärmemengen freisetzenden Bauelements mit einer Spule mit porösem Kern auf einem Träger (Interposer) aus einem thermisch gut leitenden Material zeigt, wobei der poröse Kern zur Kühlung der Spule sowie der gesamten Anordnung mit einem Kühlmedium durchströmt wird, zeigen die Fig. 3a und 3b einen vergleichbaren Aufbau, bei dem auch das aktive Element in das Substrat integriert ist. Prinzipiell kann es sich bei den aktiven Elementen oder aktiven Bauelementen gemäß hierin beschriebener Ausführungsbeispiele um eine beliebige Komponente einer elektronischen Schaltung handeln, die beispielsweise im Betrieb viel Wärme frei setzt. Dies kann z. B. ein GaN-Leistungstransistor bzw. die elektronische Schaltung ein Spannungswandler-Modul sein. Mittels der Integration von Leistungstransistoren und Induktivitäten auf einem Basismaterial, wie z. B. eines GaN-FET (FET = Feldeffekttransistor) und einer Spule auf bzw. in einem Siliziumträgerwafer, können Schaltungen mit hohen Leistungsdichten und geringem Flächenbedarf realisiert werden. Das aktive Bauelement kann jedoch z. B. auch eine LED und insbesondere gemäß den Fig. 3a und 3b eine integrierte Schaltung sein.
Alternativ sind Ausführungsformen auch mit mehr als nur einer Spule möglich. Auf diese Weise können bei geeigneter Kerngeometrie z. B. auch T ransformatoranordnungen in bzw. auf dem Interposer realisiert werden. Diese können ebenfalls aktiv gekühlt werden, indem das poröse Kernmaterial durch ein Kühlmedium durchströmt wird.
Alternativ kann die Induktivität auch in einem PCB oder DCB realisiert werden und das aktive Bauelement über der Spule positioniert werden. Diese Anordnung kann in Modulen für Stromrichter genutzt werden und ermöglicht z. B. eine Symmetrisierung von Pulsströmen. Dieses ist insbesondere beim Einsatz von sogenannten Wide-Bandgap Halbleiterbauelementen in Umrichtern vorteilhaft, da hier hohe Spannungssteilheiten und Über spannungsbelastungen auftreten und diese minimiert werden können.
Ausführungsbeispiele ermöglichen Spulen mit porösem Kern, hergestellt durch Agglomeration von Pulver mittels ALD, die den Betrieb elektronischer Schaltungen bei sehr viel höheren Temperaturen im Vergleich zu konventionellen Bauelementen ermöglichen. Die Porosität des Kernmaterials kann zur aktiven Kühlung der elektronischen Schaltung mittels eines durchströmenden Kühlmediums genutzt werden. Die Fläche einer elektronischen Schaltung kann gegenüber bekannten Konzepten weiter verringert werden. Die Leistungsdichte einer elektronischen Schaltung kann gegenüber bekannten Konzepten erhöht werden. Die platzsparende monolithische Integration von Induktivitäten mit aktiven Bauelementen auf einem gemeinsamen Substrat wie z. B. GaN-on-Si wird in Ausführungsbeispielen ermöglicht. Ferner ermöglichen Ausführungsbeispiele eine platzsparende, monolithische vertikale Anordnung von Transistoren oder Dioden und Induktivitäten. Ausführungsbeispiele ermöglichen hohe Schaltfrequenzen integrierter Lösungen aufgrund kürzerer Verbindungslängen und geringerer parasitärer Elemente.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung mit: einem Substrat (12); einer mit dem Substrat (12) verbundenen Wärmequellenstruktur (14), die ausgebildet ist, um eine Wärmemenge (16) bereitzustellen; und einem porösen Körper (18; 20), der durch eine Beschichtung mit einander verbundene Partikel (22) umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den Partikeln (22) mit einander fluidisch verbundene Hohlräume bilden; wobei der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge (16) der Wärmequellenstruktur (14) zumindest teilweise zu empfangen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Beschichtung eine atomlagenabgeschiedene Schicht umfasst.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der poröse Körper für einen Durchfluss eines Fluids (24) einen Eintrittsbereich (28) zum Eintritt des Fluids (24) und einen mit dem Eintrittsbereich (28) vermittels der fluidisch mit einander verbundenen Hohlräume fluidisch gekoppelten Austrittsbereich (32) zum Austritt des Fluids (24) aufweist; und ausgebildet ist, um während des Durchflusses zumindest einen Teil der empfangenen Wärmemenge (16) an das Fluid (24) abzugeben, um den porösen Körper (18; 20) zu kühlen.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, die ausgebildet ist, um den Durchfluss zumindest teilweise basierend auf der abgegebenen Wärmemenge (16) zu erzeugen.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, die ausgebildet ist, um den Durchfluss zumindest teilweise aktiv zu erzeugen.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der das Substrat (12) eine fluidische Öffnung (44) aufweist, die ausgebildet ist, um ein Fluid (24) hin zu dem Eintrittsbereich (28) und/oder weg von dem Austrittsbereich (32) hindurchzulassen.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der poröse Körper erste Partikel (22) umfasst, die mit einander verbundene erste Hohlräume (24) bilden; und in einem Bereich der fluidischen Öffnung eine poröse Struktur (46) angeordnet ist, die mit einander verbundene zweite Partikel (48) umfasst, wobei Zwischenräume zwischen den zweiten Partikeln (48) mit einander fiuidisch verbundene zweite Hohlräume (52) bilden.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die zweiten Partikel (48) amagnetisches Material umfassen.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der der poröse Körper (46) eine Filterstruktur bereitstellt, um das Fluid (24) zu filtern.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der poröse Körper (18) zumindest einen Teil eines Funktionselementes bereitstellt, das eine Funktion der Vorrichtung bereitstellt, und ausgebildet ist, um die Funktion unter dem Einfluss der Wärmequellenstruktur (14) beizubehalten.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der das Funktionseiement mit einem Betrieb der Wärmequellenstruktur (14) assoziiert ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der das Funktionselement eine elektrische Spule umfasst, wobei der poröse Körper weichmagnetische Partikel (22) umfasst und als Spulenkern der elektrischen Spule angeordnet ist.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequel lenstruktur (14) ausgebildet ist, um einen örtlichen Bereich des porösen Körpers (18; 20) auf eine Temperatur von zumindest 250°C zu erwärmen.
14. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der poröse Körpers für eine Temperatur von zumindest 250°C temperaturstabil ist.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) ein aktives Element (36) umfasst, das ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge (16) zu erzeugen.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der das aktive Element (36) eine Leuchtdiode und/oder eine Diode und/oder einen Transistor und/oder eine integrierte Schaltung umfasst.
17. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) zumindest einen Teil eines elektrisch passiven Elements (38) umfasst, wobei das elektrisch passive Element (38) ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge (16) zu erzeugen.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei dem das elektrisch passive Element (38) eine elektrische Spule umfasst.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, bei der die Wärmequellenstruktur (14) einen Teil der elektrischen Spule bildet; oder eine elektrische Spule bildet.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, bei der die Partikel (22) des porösen Körpers (18; 20) weichmagnetisches Material umfassen und der poröse Körper als Spulenkern der elektrischen Spule angeordnet ist.
21. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei der die Wärmequellenstruktur (14) ein aktives Element (36) umfasst, das ausgebildet ist, um unter Einwirkung elektrischer Energie zumindest einen Teil der Wärmemenge (16) zu erzeugen.
22. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, bei der zumindest eine Spulenwindung einer elektrischen Spule um das aktive Element (36) herumläuft.
23. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) ein aktives Element (36) und zumindest einen Teil einer elektrisch passiven Wärmequelle (38) umfasst.
24. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der poröse Körper zumindest teilweise in das Substrat (12) integriert ist.
25. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Substrat (12) eine gedruckte Leiterplatte (engl, printed Circuit board, PCB) und/oder ein direkt verbundenes Kupfer (engl direct bonded copper, DBG bzw. direct copper bond, DCB) und/oder ein Halbleitermaterial und/oder ein Glasmaterial umfasst.
26. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wärmequellenstruktur (14) zumindest einen Spulenteil einer elektrischen Spulenstruktur bildet.
27. Vorrichtung gemäß Anspruch 26, bei der der Spulenteil zumindest teilweise in das Substrat (12) integriert ist.
28. Vorrichtung gemäß Anspruch 26 oder 27, bei der der Spulenteil parallel zu einander verlaufende erste Leiterbahnelemente (58r58e) umfasst, wobei jedes Leiterbahnelement an einem ersten Leiterbahnende und einem zweiten gegenüberliegenden Leiterbahnende mit einer Via-Struktur (64) kontaktiert ist; wobei die Via-Strukturen Anschlussbereiche für zweite Leiterbahnelemente (587-6812) definieren, wobei eine Kombination der ersten Leiterbahnelemente (58i-58e), der Via-Strukturen (64) und der zweiten Leiterbahnelemente (58y-58i2) die elektrische Spulenstruktur zumindest teilweise bilden.
29. Vorrichtung gemäß Anspruch 28, bei der die Via-Strukturen (64) Hohlzylinderstrukturen umfassen.
30. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, bei der der poröse Körper (18) angeordnet ist, dass er von der elektrischen Spulenstruktur umwickelt ist, um einen Spulenkern bereitzustellen.
31. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 30, bei der die Spulenstruktur monolithisch mit einem aktiven Element (36) auf dem gemeinsamen Substrat (12) integriert ist.
32. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend einen Kühlkörper, der mit dem Substrat (12) wärmeleitfähig verbunden ist.
33. Verfahren (900) zum Bereitstellen einer Vorrichtung mit folgenden Schritten:
Verbinden (910) einer Wärmequellenstruktur, die ausgebildet ist, um eine Wärme- menge bereitzustellen, mit einem Substrat; und
Anordnen (920) eines porösen Körpers, der durch eine Beschichtung mit einander verbundene Partikel umfasst, so dass Zwischenräume zwischen den Partikeln mit einander fluidisch verbundene Hohlräume bilden; so dass der poröse Körper ausgebildet ist, um die Wärmemenge der Wärmequellenstruktur zumindest teilweise zu empfangen.
34. Verfahren gemäß Anspruch 33, ferner umfassend:
Einbringen einer Vielzahl von Partikeln in eine Aussparung des Substrats; und
Durchführen einer Atomlagenabscheidung, um die Beschichtung zu erzeugen und die Vielzahl von Partikel zu dem porösen Körper zu verfestigen.
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