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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch
1.
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Bekannt
ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw.
benötigte
Metallisierung auf einer Keramik, z.B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik
oder Aluminium-Nitrid-Keramik mit Hilfe des sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology)
herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden
Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an
ihren Oberflächenseiten
eine Schicht oder einen Überzug
(Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall
und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem
beispielsweise in der
US-PS 37
44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren
bildet diese Schicht oder dieser Überzug, (Aufschmelzschicht)
ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur
des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf
die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher
Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen
des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw.
Oxidschicht.
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Dieses
DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:
- – Oxidieren
einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
- – Auflegen
der Kupferfolie auf die Keramikschicht;
- – Erhitzen
des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur
zwischen etwa 1025 bis 1083°C,
z.B. auf ca. 1071°C;
- – Abkühlen auf
Raumtemperatur.
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Grundsätzlich kann
dieses Verfahren (als Direct Bonding Verfahren) auch bei Metallisierungen aus
anderen Metallen angewendet werden.
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Ein
nach einem solchen Verfahren hergestelltes Keramiksubstrat wird
im Sinne der Erfindung als „DCB-Substrat" bezeichnet, und
zwar auch dann, wenn die Metallisierungen nicht aus Kupfer bestehen.
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Bekannt
sind ferner mit Wasser gekühlte Wärmesenken
zum Kühlen
von elektrischen Bauelementen, insbesondere auch von Laserdioden.
In der Praxis bestehen diese Wärmesenken
aus Metall, beispielsweise Kupfer, und sind beispielsweise durch Bonden
bzw. flächiges
Verbinden von strukturierten Kupferplatten oder Folien, die eine
Dicke von einigen 100 mμ aufweisen
hergestellt. Die Strukturen der Kupferfolien sind dabei so gewählt, dass
sich ein verzweigtes Kanalsystem (Kühlerstrukturen) ergibt, welches
von dem Kühlmedium
durchströmt
wird.
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Diese
Wärmesenken
können
dann auch gestapelt in einer Kühleranordnung
vorgesehen sein, wobei auf jeder Wärmesenke wenigstens ein Bauelement,
z.B. eine Laserdiode oder ein Laserdiodenbarren angeordnet ist. Über durch
die Wärmesenken hindurchreichende
Kanäle
sind die einzelnen Kühlerstrukturen
an den Kreislauf des Kühlmediums
angeschlossen und werden parallel mit diesem versorgt.
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Ein
gewisser Nachteil besteht bei diesen Wärmesenken aus reinem Metall
darin, dass eine erhebliche Abweichung zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von Wärmesenke
und Halbleiter- oder Chipmaterial (z.B. GaAs) besteht. Hierdurch
kommt es insbesondere im Verlauf von Ein- und Ausschaltzyklen der
Laserdioden zu erheblichen mechanischen Spannungen im Chipmaterial bzw.
in der Verbindung (insbesondere Lötverbindung) zwischen Chipmaterial
und Wärmesenke.
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Weiterhin
ist bereits bekannt (WO 96/26560 A1), die Schichten in solchen Wärmesenken
teilweise aus einem Material herzustellen, dessen thermischer-Ausdehnungskoeffizient
kleiner ist als der entsprechende Ausdehnungskoeffizient von Metall
und das damit eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der gesamten Wärmesenke
an das Halbmaterial bewirkt.
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Die
Herstellung dieser bekannten Wärmesenken
in der Weise, dass die einzelnen Schichten übereinander gelegt und dann
in einem Arbeitsgang miteinander verbunden bzw. gebondet werden,
führt insbesondere
dann zu erheblichen Problemen, wenn insbesondere feine Kühlerstrukturen
angestrebt werden oder notwendig sind. Diese Verfahren erfordert nämlich, dass
eine Vielzahl von Einzel-Schichten für das Bonden relativ zueinander
exakt ausgerichtet und beim Bonden in dieser exakten Ausrichtung
gehalten werden müssen,
was insbesondere auch dann problematisch ist, wenn das Bonden während des
sogenannten DCB-Prozesses bei hohen Temperaturen erfolgt.
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Eine
Wärmesenke
mit Anpassung des Ausdehungskoeffizenten an das Chipmaterial wird
nachstehend als „thermisch
angepasste Wärmesenke" bezeichnet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem besonders
einfach und preiswerter Weise eine thermisch angepasste Wärmesenke
hergestellt werden kann. Zur Lösung
dieser Aufgabe sind ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die jeweiligen Wärmesenke
durch Verbinden wenigstens zweier DCB-Substrate zu einem Stapel
hergestellt, und zwar unter Verwendung einer geeigneten Verbindungstechnik,
beispielsweise ebenfalls durch eine Direct-Bonding-Technik oder
aber Löttechnik.
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Keramikschichten
sind bevorzugt solche mit hoher Wärmeleitfähigkeit, d.h. z.B. solche aus
Aluminiumnitrid. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Wärmesenke
ist insbesondere in bezug auf das für Laserdioden verwendet Halbleitermaterial
(GaAs) optimal thermisch angepasst. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil
besteht auch darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Dehnungsunterschiede
der einzelnen Teile beim Bonden bzw. Herstellen nicht auftreten,
die Wärmesenke
hinsichtlich der Schichtfolge und Schichtdicke der Metallisierungen
beidseitig von den Keramikschichten symmetrisch ausgeführt ist
und somit insbesondere auch keine Verwölbungen der Wärmesenke
bei Temperaturschwankungen, beispielsweise bei getaktetem Betrieb
der Halbleiterbauelemente auftreten können. Dies ist besonderes wesentlich,
wenn die Wärmesenke
für Laserdioden
verwendet wird, da temperaturbedingte Verwölbungen der Wärmesenke
zu nicht erwünschten
Strahlabweichungen führen.
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Etwaige
Beeinträchtigungen
dieses symmetrischen Aufbaus, die sich aus der Strukturierung der Metallisierungen
für die
Kühlstrukturen
ergeben, können
durch entsprechende Strukturierungen der übrigen Metallisierungen oder
durch deren Dimensionierung leicht kompensiert werden.
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Da
die Keramikschichten nicht leitend sind, kann es zweckmäßig sein,
in jeder Keramikschicht wenigstens eine Durchkontaktierung vorzusehen, über die
die Metallisierungen miteinander verbunden sind, um so einen Stromfluss
zwischen Oberseite und Unterseite der jeweiligen Wärmesenke
und damit auch zwischen den Wärmesenken
einer mehrere solche Wärmesenken
im Stapel enthaltenen Kühleranordnung
zu ermöglichen. Über die
Durchkontaktierungen sind dann beispielsweise sämtliche Metallschichten oder
Metallisierungen der Wärmesenke elektrisch
miteinander verbunden. Grundsätzlich
besteht aber auch die Möglichkeit,
die Durchkontaktierungen bei entsprechender Sturkturierung der Metallisierung
so auszuführen,
dass zwar die äußeren Metallisierungen
elektrisch miteinander verbunden sind, die zwischen den beiden äußeren Keramikschichten angeordneten
Metallisierungen aber zumindest an ihren die Kühlkanäle oder Strukturen sowie die
Kanäle
zum Zuführen
und Abführen
des Kühlmediums
bildenden Bereichen elektrisch von den äußeren Metallisierungen getrennt
sind.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im
folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
vereinfachter perspektivischer Darstellung eine Mikrokanal-Wärmesenke hergestellt mit dem
Verfahren gemäß der Erfindung;
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2 die
Wärmesenke
in Seitenansicht sowie teilweise im Schnitt;
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3 eine
Draufsicht auf die Wärmesenke der 1 und 2;
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4 und 5 jeweils
eine eine Zwischenschicht der Wärmesenke
der 1 und 2 bildende strukturierte Metallisierung
in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen;
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6 in
vereinfachter perspektivischer Darstellung zwei DCB-Substrate vor
ihrer Verbindung zu der Wärmesenke
der 1 und 2;
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7 in
einer Darstellung ähnlich 2 eine weitere
Ausführungsform
einer mit dem erfindungsgemäße Verfahren
hergestellten Mikrokanal-Wärmesenke.
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Die
in den 1–6 allgemein
mit 1 bezeichnete Mikrokanal-Wärmesenke dient zum Kühlen von
elektrischen Leistungsbauelementen 2, beispielsweise zum
Kühlen
von Laser-Dioden oder Laserdiodenbarren mit einer Vielzahl von Laserlicht aussendenden
Emittern. Dieses Halbleiterbauelement 2 ist bei der dargestellten
Ausführungsform
an der Oberseite der Wärmesenke 1 vorgesehen,
und zwar in der Nähe
einer Schmalseite der in Draufsicht rechteckförmigen Wärmesenke.
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Die
Wärmesenke 1 besteht
aus zwei DCB-Substraten 1a und 1b. Jedes DCB-Substrat 1a bzw. 1b besteht
aus einer dünnen
Keramikplatte oder Keramikschicht 3, beispielsweise aus
einer Schicht 3 aus einer Aluminiumnitrid-Keramik. Die
Keramikschicht 3 ist beidseitig mit einer Metallisierung
versehen, und zwar die Keramikschicht 3 des DCB-Substrates 1a mit
den Metallisierungen 4 und 5 und die Keramikschicht 3 des
Substrates 1b mit den beiden Metallisierungen 6 und 7.
Die Metallisierungen bestehen jeweils aus einer Metallfolie, die
durch die Direct-Bonding-Technik flächig mit der zugehörigen Keramikschicht 3 verbunden
ist. Bevorzugt sind die Metallisierungen 4–7 von
Kupferfolien gebildet, die dann mit der DCB-Technik (Direct-Copper-Bonding)
flächig mit
der zugehörigen
Keramikschicht 3 verbunden sind.
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Wie
in der 2 dargestellt ist, schließen die beiden DCB-Substrate 1a und 1b an
den Metallisierungen 5 und 6 stapelartig aneinander
an, d.h. auch diese Metallisierungen 5 und 6 sind
an ihren einander zugewandten Oberflächenseiten flächig und
dicht miteinander verbunden, beispielsweise ebenfalls unter Verwendung
der DCB-Technik oder aber einer anderen, dem Fachmann bekannten
Technik, beispielsweise durch Löten
usw..
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
bildet das Substrat 1a bzw. dessen Metallisierung 4 die Oberseite
der Wärmesenke 1.
Auf einer durch Strukturierung der Metallisierung 4 geschaffenen
Kontakt- und Montagefläche
ist das Bauelement 2 beispielsweise durch Auflöten befestigt.
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Die
Wärmesenke 1 wird
beispielsweise in einer Kühleranordnung
zusammen mit mehreren gleichartigen Wärmesenken in einem Stapel verwendet.
Zum Zuführen
und Abführen
eines Kühlmediums in
die bzw. aus der Wärmesenke 1 sind
dort zwei mit ihren Achsen senkrecht zu den Oberflächenseiten der
Keramikschichten 3 und der Metallisierungen 4–7 orientierte
Kanäle
vorgesehen, die bei der dargestellten Ausführungsform durchgehend ausgebildet
sind, d.h. sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der
Wärmesenke 1 offen
sind, so daß die
Wärmesenke
in der vorbeschriebenen Weise im Stapel mit mehreren gleichartigen
Wärmesenken
verwendet werden kann.
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Die
Kanäle 8 und 9 sind
jeweils von mehreren, deckungsgleich angeordneten Öffnungen
in den Keramikschichten 3 und den Metallisierungen 4–7 gebildet,
und zwar der Kanal 8 von den Öffnungen 10 in den
Metallisierungen 4–7 und
den Öffnungen 11 in den
Keramikschichten 3 und der Kanal 9 von den Öffnungen 12 in
den Metallisierungen 4–7 und
den Öffnungen 13 in
den Keramikschichten 3. Die in den die Oberseite bzw. Unterseite
der Wärmesenke 1 bildenden
Metallisierungen 4 und 7 vorgesehenen Öffnungen 10 und 12 sind
so strukturiert, daß in
diesen Öffnungen
Sitze für
Dichtungs- oder O-Ringe gebildet sind, die die Kanäle 8 und 9 an
den Übergängen zwischen
zwei im Stapel benachbarten Wärmesenken 1 bzw.
zu einer nicht dargestellten Abschluß- oder Anschlußplatte
der Kühlanordnung
hin abdichten.
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Wie
die 4 und 5 zeigen, sind die Metallisierungen 5 und 6,
die zwischen den beiden Keramikschichten 3 vorgesehen sind
und daher auch als „Zwischenschicht" bezeichnet werden
können, zusätzlich strukturiert,
und zwar derart, daß diese Metallisierungen
mit den Kanälen 8 und 9 bzw.
den Öffnungen 10 und 12 in
Verbindung stehende bzw. an diese Kanäle angeschlossene Kühlkanalstrukturen
bilden, die von dem Kühlmedium
durchströmt werden,
und zwar z.B. bei der in der 4 dargestellten
Ausführung
die beiden Kühlkanalabschnitte 14 und
bei der in der 5 dargestellten Ausbildung die Kühlkanalabschnitte 15 und 16,
die in die Öffnung 10 bzw. 12 mit
einem Ende münden
und an ihrem anderen Ende über
eine Kühlkanalstruktur 17 miteinander in
Verbindung stehen.
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Die
Metallisierungen 5 und 6 sind zur Bildung der
Kühlkanalabschnitte 14 bzw. 15 und 16 und
der Kühlkanalstruktur 17 bei
der dargestellten Ausführungsform
so strukturiert, daß im
Bereich dieser Kühlkanalabschnitte 14–16 und
der Kühlkanalstruktur 17 das
Metall der jeweiligen Metallisierung 5 bzw. 6 nicht vollständig entfernt
ist, d.h. zwischen dem Boden des jeweiligen Kühlkanalabschnitts 14–16 bzw.
der Kühlkanalstruktur 17 und
der benachbarten Keramikschicht 3 noch das Metall der Metallisierung 5 bzw. 6 mit
einer vorgegebenen Schichtdicke vorhanden ist. Die Öffnungen 10 und 12 sind
selbstverständlich durch
die betreffende Metallisierung 4–7 durchgehend ausgeführt.
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Die
Herstellung der Wärmesenke 1 erfolgt derart,
daß zunächst die
beiden DCB-Substrate 1a und 1b getrennt hergestellt
werden, und zwar unter Verwendung von Keramikplatten oder Schichten 3, die
bereits mit den Öffnungen 11 und 13 versehen sind.
Auf die Keramikschichten 3 werden dann jeweils in einem
DCB-Prozeß die
Metallisierungen 4 und 5 bzw. 6 und 7 aufgebracht.
Anschließend
werden in einem vorzugsweise zweistufigen Strukturier-Verfahren
die Öffnungen 10 und 12 sowie
die Kühlkanalstrukturen
eingebracht, d.h. z.B. die Kühlkanalabschnitte 14–16 und
die Kühlkanalstruktur 17. Für dieses
Strukturieren wird beispielsweise eine Maskierungs- und Ätztechnik
verwendet, bei der dann z.B. in einem ersten Schritt die Öffnungen 10 und 12 und
in einem zweiten Schritt die Kühlkanalstrukturen 14–16 und 17 erzeugt
werden.
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Nach
dem Herstellen der beiden DCB-Substrate 1a und 1b werden
diese in der 6 angedeuten Weise zusammengeführt und
miteinander verbunden, wobei bei der in den 4 und 5 dargestellten
Strukturierung die Ausbildung so getroffen ist, daß die Strukturierung
der Metallisierungen 5 und 6 jeweils identisch
ist und beide Metallisierungen mit ihren Strukturierungen deckungsgleich
angeordnet sind, so daß sich
die Strukturen in diesen Metallisierungen zu Kühlkanälen und/oder Kühlerstrukturen
ergänzen.
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Durch
die Keramikschichten 3 sind die äußeren Metallisierungen 4 und 7 von
den innenliegenden Metallisierungen 5 und 6 und
damit auch voneinander elektrisch getrennt. Dies ist vielfach nicht
erwünscht,
und zwar insbesondere dann, wenn über die Metallisierungen elektrische
Verbindungen zu dem jeweiligen Bauelement 2 notwendig sind.
Mit 18 sind Durchkontaktierungen bezeichnet, die bei der Herstellung
der DCB-Substrate 1a bzw. 1b z.B. durch Verwendung
von in Öffnungen
der Keramikschichten 3 eingesetzte Metallkörper erzeugt
werden.
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Die 7 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
eine Wärmesenke 19,
die sich von der Wärmesenke 1 im
wesentlichen dadurch unterscheidet, daß zwischen den beiden DCB-Substraten 1a und 1b ein
weiteres DCB-Substrat 1c vorgesehen ist, welches ebenfalls
aus der Keramikschicht 3 besteht, die an ihren beiden Oberflächenseiten
jeweils mit einer strukturierten Metallisierung 5a und 6a versehen ist,
die den Metallisierungen 5 und 6 entsprechen.
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Die
Herstellung der Wärmesenke 19 erfolgt in
der gleichen Weise, wie dies oben für die Wärmesenke 1 beschrieben
wurde, d.h. zunächst
werden die einzelnen DCB-Substrate 1a, 1b und 1c gefertigt, und
zwar beispielsweise wiederum mit den Öffnungen 11 und 13 in
den Keramikschichten 3. Anschließend werden die Metallisierungen
in der erforderlichen Weise strukturiert und die DCB-Substrate dann stapelartig
miteinander derart verbunden, daß die Metallisierungen 5 und 5a bzw. 6 und 6a dicht
aneinander anschließend,
flächig
miteinander verbunden sind, und zwar selbstverständlich außerhalb der durch die Strukturierung
erzeugten Öffnungen,
Kühlkanal-
und Kühlstrukturabschnitte.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen
sowie Abwandlungen möglich
sind, ohne daß dadurch
der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
So ist es beispielsweise möglich,
die Öffnungen 11 und 13 in
den Keramikschichten erst nachträglich nach
dem Aufbringen der Metallisierungen und nach einem zumindest teilweise
Strukturieren dieser Metallisierungen einzubringen, und zwar z.B.
durch Laser-Schneiden.
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- 1
- Wärmesenke
- 1a,
1b, 1c
- DCB-Substrat
- 2
- Bauelement
- 3
- Keramikschicht
- 4,
5, 5a
- Metallisierung
- 6,
6a, 7
- Metallisierung
- 8,
9
- Kanal
- 10,
12
- Öffnung in
Metallisierung
- 11,
13
- Öffnung in
Keramikschicht
- 14,
15, 16
- Kühlkanalabschnitt
- 17
- Kühlkanalstruktur
- 18
- Durchkontaktierung
- 19
- Wärmesenke