DE10035170A1 - Keramikkörper mit Temperiervorrichtung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung des Keramikkörpers - Google Patents
Keramikkörper mit Temperiervorrichtung, Verfahren zum Herstellen und Verwendung des KeramikkörpersInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Keramikkörper (1) mit einem ersten und einem weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3), einer den ersten und den weiteren Oberflächenabschnitt verbindenden thermischen Durchkontaktierung (4) durch den Keramikkörper zum Austausch einer Wärmemenge zwischen den beiden Oberflächenabschnitten und einer mit einem der Oberflächenabschnitte verbundenen Temperiervorrichtung (6) zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Wärmemenge. Der Keramikkörper, beispielsweise ein Mehrschichtkörper (14) in LTCC-Technologie, fungiert als Wärme ableitendes Substrat eines aktiven elektronischen Bauelements 18.
Description
Die Erfindung betrifft einen Keramikkörper mit
Temperiervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen des
Keramikkörpers. Darüber hinaus wird eine Verwendung des
Keramikkörpers angegeben.
Der Keramikkörper ist beispielsweise ein keramischer
Mehrschichtkörper. Der Mehrschichtkörper besteht aus mehreren
übereinander angeordneten Keramikschichten. Ein derartiger
Mehrschichtkörper und ein Verfahren zum Herstellen des
Mehrschichtkörpers geht beispielsweise aus der
Veröffentlichung D. L. Wilcox et al. Proceedings 1997, ISHM,
Philadelphia, Seiten 17-23, hervor. Unter Verwendung der
LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic)-Technologie werden
keramische Grünfolien übereinander zu einem Stapel
angeordnet, laminiert und gemeinsam gesintert. Die Grünfolien
werden teilweise strukturiert und mit einer Metallisierung
versehen, um im Volumen des Mehrschichtkörpers ein passives
elektronisches Bauelement zu integrieren. Das Bauelement ist
beispielsweise eine Antenne. Die Grünfolien weisen
Glaskeramik auf. Die Glaskeramik besteht aus einem
Keramikmaterial (keramischer Werkstoff) und einem
Glasmaterial. Durch das Glasmaterial liegt eine
Sintertemperatur des Stapels zwischen 850°C bis 950°C.
Dadurch kann als Metallisierung ein elektrisch
hochleitfähiger, metallischer Werkstoff wie Kupfer, Silber
oder Gold mit relativ niedriger Schmelztemperatur verwendet
werden.
Der beschriebene Keramikkörper kann als Substrat eines
aktiven elektronischen Bauelements verwendet werden. Auf
einem Oberflächenabschnitt des Keramikkörpers wird das
elektronische Bauelement montiert. Das aktive elektronische
Bauelement ist beispielsweise ein Leistungshalbleiter. Der
Leistungshalbleiter ist beispielsweise ein Transistor, eine
Diode oder ein Thyristor. Dabei kann eine Elektrode des
Leistungshalbleiters, beispielsweise ein Emitter oder ein
Kollektor, gegen eine hohe Spannung elektrisch isolierend auf
dem Oberflächenabschnitt aufgebracht sein.
Im Betrieb des Leistungshalbleiters kann es zu einer
Entwicklung einer großen Wärmemenge im Leistungshalbleiter
kommen. Um eine Betriebssicherheit des Leistungshalbleiters
zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Wärmemenge
effizient an eine Umgebung des Leistungshalbleiters abgegeben
wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie
eine Wärmemenge, die im Betrieb eines aktiven, auf einem
Keramikkörper aufgebrachten elektronischen Bauelements
entsteht, einfach und effizient abgeführt werden kann,.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Keramikkörper angegeben, mit
einem ersten und mindestens einem weiteren
Oberflächenabschnitt, mindestens einer den ersten und den
weiteren Oberflächenabschnitt verbindenden thermischen
Durchkontaktierung durch den Keramikkörper zum Austausch
einer Wärmemenge zwischen den beiden Oberflächenabschnitten
und mindestens einer mit einem der Oberflächenabschnitte
verbundenen Temperiervorrichtung zum Aufnehmen und/oder
Abgeben der Wärmemenge.
Der Keramikkörper ist beispielsweise eine Keramikplatte oder
ein oben beschriebener keramischer Mehrschichtkörper, der aus
einzelnen Keramikschichten besteht. Denkbar ist auch, dass
der Keramikkörper ein Teil eines Mehrschichtkörpers ist. Bei
der Keramikplatte oder der Keramikschicht des
Mehrschichtkörpers ist eine Abmessung entlang einer lateralen
Ausdehnung der Keramikplatte oder der Keramikschicht
wesentlich größer als eine Schichtdicke der Keramikplatte
oder der Keramikschicht. Eine Grundfläche der Keramikplatte,
der Keramikschicht oder des Mehrschichtkörpers kann beliebig
geformt sein. Beispielsweise ist die Grundfläche rechteckig.
Der Keramikkörper weist eine Oberfläche auf. Die Oberfläche
kann beliebig geformt sein. Beispielsweise ist die Oberfläche
gekrümmt, also uneben. Vorzugsweise ist die Oberfläche eben.
Bei einer Keramikplatte oder einer Keramikschicht ist
beispielsweise die Oberfläche des Keramikkörpers aus zwei im
Wesentlichen planparallelen Hauptflächen des Keramikkörpers
gebildet. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass eine bestimmte
Oberflächenabweichung der Oberfläche zulässig ist. Die
Oberflächenabweichung betrifft beispielsweise eine Welligkeit
oder Rauhtiefe der Oberfläche. Denkbar ist auch, dass die
Oberflächenabweichung in Form einer Strukturierung der
Oberfläche vorhanden ist.
Die Oberfläche ist eine Grenzfläche zwischen dem
Keramikkörper und einer Umgebung des Keramikkörpers. Die
Umgebung kann ein Festkörper, eine Flüssigkeit und/oder ein
Gas sein. Beispielsweise ist der Keramikkörper eine
Keramikschicht eines Mehrschichtkörpers. Die Oberfläche der
Keramikschicht ist beispielsweise eine Grenzfläche der
Keramikschicht zu einer benachbarten Elektrode und/oder
Elektrodenschicht des Mehrschichtkörpers. Als Oberfläche ist
auch eine Grenzfläche zu einer benachbarten Keramikschicht zu
verstehen. Die benachbarte Keramikschicht kann dabei aus
einem anderen Keramikmaterial bestehen, als die
Keramikschicht. Denkbar ist aber auch, dass die
Keramikschicht und die benachbarte Keramikschicht aus dem
gleichen Keramikmaterial bestehen.
Ein Oberflächenabschnitt ist ein Teil der Oberfläche des
Keramikkörpers. Der erste und der weitere
Oberflächenabschnitt sind sowohl durch das Volumen als auch
entlang der Oberfläche des Keramikkörpers miteinander
verbunden.
Die Oberflächenabschnitte sind durch das Volumen des
Keramikkörpers thermisch kontaktiert. Dies gelingt mit Hilfe
der thermischen Durchkontaktierung (thermisches "via") durch
den Keramikkörper zum Austausch einer Wärmemenge zwischen den
Oberflächenabschnitten. Durch den Austausch der Wärmemenge
findet durch den Keramikkörper hindurch ein Temperieren der
Oberflächenabschnitte statt. Das Temperieren umfasst dabei
sowohl ein Erwärmen als auch ein Kühlen der
Oberflächenabschnitte. Ein Vorzeichen der ausgetauschten
Wärmemenge kann also positiv oder negativ sein.
Beispielsweise fungiert eine oben beschriebene Keramikplatte
als Substrat eines aktiven elektronischen Bauelements in Form
eines Leistungshalbleiters. Die beiden Oberflächenabschnitte
sind jeweils an einer der Hauptflächen der Keramikplatte
angeordnet. Die thermische Durchkontaktierung ist entlang
einer Dickenrichtung der Keramikplatte vom ersten
Oberflächenabschnitt zum weiteren Oberflächenabschnitt
geführt. Der Leistungshalbleiter ist beispielsweise mit dem
ersten Oberflächenabschnitte mit Hilfe einer thermisch
leitfähigen Verbindung verbunden. Diese Verbindung ist
beispielsweise ein Lot. Im Betrieb des Leistungshalbleiters
kann sich eine Wärmemenge entwickeln, die über das Lot auf
den ersten Oberflächenabschnitt übertragen wird. Durch die
thermische Durchkontaktierung wird diese Wärmemenge vom
ersten Oberflächenabschnitt auf den weiteren
Oberflächenabschnitt weitergeleitet. Der weitere
Oberflächenabschnitt ist beispielsweise über ein Lot mit der
Temperiervorrichtung verbunden. Die weitergeleitete
Wärmemenge wird von der Temperiervorrichtung aufgenommen.
Denkbar ist dabei, dass die Wärmemenge durch die
Temperiervorrichtung wiederum weitergeleitet wird. Insgesamt
findet ein Kühlen des Leistungshalbleiters durch den
Keramikkörper hindurch statt, wobei eine Wärmemenge ausgehend
vom Leistungshalbleiter über die thermische
Durchkontaktierung auf die Temperiervorrichtung übertragen
wird. Dadurch wird erreicht, dass der Leistungshalbleiter bei
einer bestimmten Betriebstemperatur betrieben werden kann.
Die Betriebstemperatur kann dabei mehr oder weniger konstant
gehalten werden. Denkbar ist aber auch, dass ein bestimmtes
Temperaturprofil (zeitabhängiger Temperaturverlauf) erzeugt
wird. Der Temperaturverlauf ist bestimmt durch gezieltes,
zeitabhängiges Kühlen und/oder Erwärmen des elektronischen
Bauelements.
In Abhängigkeit von der Grundfläche des Keramikkörpers, einer
Wärmeleitzahl eines Materials der thermischen
Durchkontaktierung, der Ausdehnung der Oberflächenabschnitte
und der Wärmemenge, die lokal an einem der
Oberflächenabschnitte auftritt, ist ein Querschnitt der
thermischen Durchkontaktierung gewählt. Der Querschnitt kann
wenige µm betragen. Denkbar ist aber auch ein Querschnitt im
mm- und cm-Bereich. Zur Vergrößerung des Querschnitts können
mehrere thermische Durchkontaktierungen vorhanden sein.
Entlang der Oberfläche sind die Oberflächenabschnitte
vorzugsweise thermisch von einander isoliert. Das
Keramikmaterial des Keramikkörpers der Oberfläche zwischen
den Oberflächenabschnitten weist eine geringe thermische
Leitfähigkeit auf. Eine Wärmeleitzahl dieses Keramikmaterials
beträgt beispielsweise unter 1 W/m.K. Denkbar ist aber auch,
dass die Oberflächenabschnitte entlang der Oberfläche
thermisch kontaktiert sind. Entlang der Oberfläche kann es
zum Austausch einer Wärmemenge zwischen den
Oberflächenabschnitten kommen.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die
Temperiervorrichtung aus der Gruppe Temperierkörper und/oder
Temperierflüssigkeit und/oder Temperiergas ausgewählt. Eine
Übertragung der Wärmemenge erfolgt vorzugsweise durch
Wärmekonvektion und/oder Wärmeleitung. Ein Erwärmen könnte
auch mittels Wärmestrahlung durchgeführt werden.
Der Temperierkörper ist beispielsweise ein Kühlkörper mit
einer relativ hohen Wärmekapazität. Der Kühlkörper ist in der
Lage, die am entsprechenden Oberflächenabschnitt auftretende
Wärmemenge aufzunehmen. Der Kühlkörper kann dabei als
Substrat des Keramikkörpers fungieren. Möglich ist auch, dass
bei einem keramischen Mehrschichtkörper der Kühlkörper von
einer Schicht des Mehrschichtkörpers gebildet ist. Über die
Schicht wird die aufgenommene Wärmemenge nach Außen hin
abgegeben. Denkbar ist auch eine Kombination aus mehreren
Kühlkörpern, die zudem aus unterschiedlichen Materialien
bestehen können. Beispielsweise ist ein Mehrschichtkörper
über einen Kühlkörper in Form einer Schicht mit einem
Kühlkörper in Form eines Substrats verbunden.
Die Temperierflüssigkeit ist beispielsweise eine
Kühlflüssigkeit, die zur Aufnahme und/oder Abgabe der
Wärmemenge an einem der Oberflächenabschnitte vorbeigeleitet
wird. Gleiches ist mit einem Temperiergas bzw. Kühlgas
möglich. Denkbar ist insbesondere auch eine Kombination aus
Temperierkörper und/oder Temperierflüssigkeit und/oder
Temperiergas. Beispielsweise ist der Temperierkörper mit dem
Oberflächenabschnitt verbunden. Die Temperierflüssigkeit wird
nicht am Oberflächenabschnitt, sondern an einer dem
Oberflächenabschnitt abgekehrten Seite des Temperierkörpers
vorbeigeleitet. Somit kann die Wärmemenge effizient auf-
und/oder abgegeben werden.
Zu einem effizienten Temperieren zeichnen sich die thermische
Durchkontaktierung und/oder der Temperierkörper durch ein
Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit aus. Die
Wärmeleitzahl dieses Materials beträgt insbesondere über 100 W/m.K.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen die
thermische Durchkontaktierung und/oder der Temperierkörper
zumindest einen metallischen Werkstoff auf. Der metallische
Werkstoff ist insbesondere aus der Gruppe Gold und/oder
Kupfer und/oder Molybdän und/oder Silber und/oder Wolfram
ausgewählt. Beispielsweise besteht die thermische
Durchkontaktierung aus Kupfer, das bei Raumtemperatur eine
Wärmeleitzahl von etwa 400 W/m.K aufweist. Denkbar sind auch
Silber oder Gold mit einer Wärmeleitzahl von etwa 430 W/m.K
und 320 W/m.K (siehe beispielsweise Handbook of Chemistry and
Physics, 56th edition 1975-1976, Seite E-10). Der
Temperierkörper besteht beispielsweise wie die thermische
Durchkontaktierung aus Kupfer. Denkbar ist dabei eine
Legierung des Kupfers mit Molybdän und/oder Wolfram.
Neben den genannten Materialien für die thermische
Durchkontaktierung und den Temperierkörper ist jeder
beliebige metallische Werkstoff denkbar. Eine Einschränkung
ergibt sich hinsichtlich des Herstellens des Keramikkörpers
mit der thermischen Durchkontaktierung und/oder dem
Temperierkörper aus dem metallischen Werkstoff.
Beispielsweise wird der Keramikkörper durch Sintern eines
keramischen Grünkörpers hergestellt. Der Grünkörper weist zum
Herstellen der thermischen Durchkontaktierung ein Loch auf,
das mit dem metallischen Werkstoff befüllt ist. Unter einer
Sinterbedingung, beispielsweise Sintertemperatur und
Sinteratmosphäre (oxidierend oder reduzierend), muss der
metallische Werkstoff verarbeitet werden können.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen die thermische
Durchkontaktierung und/oder der Temperierkörper einen
elektrischen Isolator auf. Der elektrische Isolator verfügt
beispielsweise über eine elektrische Leitfähigkeit von unter
10-9 S/m. Der elektrische Isolator ist beispielsweise ein
polymerer Werkstoff. Denkbar ist auch ein Glasmaterial. Der
elektrische Isolator ist beispielsweise so angeordnet, dass
eine effiziente Ableitung der Wärmemenge eines elektronischen
Bauteils eines Keramikkörpers über die thermische
Durchkontaktierung zum Temperierkörper hin bei gleichzeitiger
elektrischer Isolierung des Temperierkörpers vom
elektronischen Bauelement gewährleistet ist. Dies gelingt
beispielsweise mit einer Beschichtung der thermischen
Durchkontaktierung oder des Temperierkörpers aus dem
elektrischen Isolator.
In einer besonderen Ausgestaltung weist der elektrische
Isolator zumindest einen keramischen Werkstoff auf.
Insbesondere ist der keramische Werkstoff aus der Gruppe
Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Aluminiumnitrid (AlN) und/oder
Berylliumoxid (BeO) gewählt. Ein derartiger keramischer
Werkstoff zeichnet sich durch eine niedrige elektrische
Leitfähigkeit bei gleichzeitig relativ hoher thermischer
Leitfähigkeit aus. Polykristallines Berylliumoxid weist
beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 100°F (311 K)
eine thermische Leitfähigkeit von etwa 125 Btuth . h-1 . ft-1 . F-1
(220 W/m.K, siehe beispielsweise Handbook of Chemistry and
Physics, 56th edition 1975-1976, Seiten E-5 und E-17).
Denkbar ist beispielsweise, dass die thermische
Durchkontaktierung ganz oder teilweise aus einem derartigen
keramischen Werkstoff besteht. Insbesondere besteht bei einem
keramischen Mehrschichtkörper eine Schicht und/oder ein
Substrat des Mehrschichtkörpers aus einem solchen keramischen
Werkstoff. Beispielsweise ist eine Schicht oder ein Substrat
aus Aluminiumoxid mit einem der Oberflächenabschnitte des
Keramikkörpers thermisch leitend verbunden. Es kann eine
Wärmeableitung über die thermische Durchkontaktierung auf die
Schicht oder das Substrat erfolgen. Eine Effizienz der
Wärmeableitung lässt sich dadurch erhöhen, dass der
Temperierkörper in Form der Schicht oder in Form des
Substrats mit einem weiteren Temperierkörper, beispielsweise
einem Temperierkörper aus Kupfer, thermisch leitend verbunden
ist. In einer derartigen Kombination von Temperierkörpern ist
eine effiziente Wärmeableitung bei gleichzeitig hoher
elektrischer Isolierung gewährleistet. Durch die Schicht oder
das Substrat mit dem elektrischen Isolator aus dem
keramischen Werkstoff sind der Temperierkörper aus Kupfer und
das elektronische Bauelement des Mehrschichtkörpers
elektrisch voneinander isoliert. Dies ist auch für hohe
Spannungen möglich.
In einer besonderen Ausgestaltung weist der Temperierkörper
zumindest einen Hohlraum auf zum Durchleiten einer
Temperierflüssigkeit und/oder eines Temperiergases. Dadurch
ist die Kombination aus Temperierkörper und
Temperierflüssigkeit und/oder Temperiergas realisiert. Beim
Durchleiten der Temperierflüssigkeit und/oder des
Temperiergases durch den Hohlraum des Temperierkörpers wird
die vom Temperierkörper aufgenommene Wärmemenge auf die
Temperierflüssigkeit und/oder das Temperiergas übertragen und
weitertransportiert. Zur Erhöhung der Effizienz der
Übertragung der Wärmemenge ist es vorteilhaft, wenn im
Temperierkörper eine Vielzahl derartiger Hohlräume vorhanden
sind.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen der Keramikkörper
und/oder der Temperierkörper einen keramischen
Mehrschichtkörper auf. Insbesondere weist der keramische
Mehrschichtkörper Glaskeramik auf. Der Mehrschichtkörper ist
insbesondere mit Hilfe der LTCC-Technologie hergestellt. Mit
Hilfe der LTCC-Technologie lässt sich der Mehrschichtkörper
im Volumen beliebig strukturieren. 50 lassen sich auf
einfache Weise die genannten Hohlräume realisieren. Die in
der LTCC-Technologie eingesetzten, elektrisch hochleitfähigen
metallischen Werkstoffe wie Kupfer, Gold und Silber sind
gleichzeitig auch thermisch hoch leitfähig.
Neben dem Keramikkörper wird zur Lösung der Aufgabe ein
Verfahren zum Herstellen eines solchen Keramikkörpers
angegeben. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte
auf: a) Erzeugen der thermischen Durchkontaktierung im
Keramikkörper und b) Erzeugen einer thermisch leitfähigen
Verbindung zwischen einer der Oberflächenabschnitte des
Keramikkörpers und der Temperiervorrichtung. Über die
thermisch leitfähige Verbindung kann die Temperiervorrichtung
eine Wärmemenge, die am Oberflächenabschnitt auftritt,
aufnehmen.
In einer besonderen Ausgestaltung werden zum Erzeugen der
thermischen Durchkontaktierung folgende Verfahrensschritte
durchgeführt: c) Erzeugen eines Lochs in einem keramischen
Grünkörper, d) Befüllung des Lochs mit thermisch leitfähigem
Material und/oder einer Ausgangsverbindung dieses Materials
und e) Sintern des keramischen Grünkörpers zum
Keramikkörpers.
Der keramische Grünkörper ist beispielsweise eine keramische
Grünfolie. Das Loch wird beispielsweise durch Bohren und/oder
Stanzen erzeugt. Das Bohren wird beispielsweise mit Hilfe
eines Lasers durchgeführt. Das Loch ist dabei insbesondere
ein Durchtrittsloch durch die keramische Grünfolie. Das Loch
wird beispielsweise in einem Siebdruckverfahren mit dem
thermisch leitfähigem Material befüllt. Das thermisch
leitfähige Material ist beispielsweise eine Paste mit einem
der oben genannten metallischen Werkstoffe. Denkbar ist auch
ein Ausgangsstoff eines thermisch leitfähigen Materials, dass
erst im nachfolgenden Herstellungsprozess in das thermisch
leitfähige Material überführt wird. Mehrere der beschriebenen
keramischen Grünfolien können zu einem Stapel aus keramischen
Grünfolien laminiert, entbindert und nachfolgend gesintert
werden. Es bildet sich ein keramischer Mehrschichtkörper,
bestehend aus mehreren Keramikschichten. Aus der Paste
entsteht die thermische Durchkontaktierung.
Als Temperiervorrichtung wird insbesondere ein
Temperierkörper verwendet. Dabei wird beispielsweise als
thermisch leitfähige Verbindung zwischen dem Temperierkörper
und einem der Oberflächenabschnitte des Keramikkörpers ein
Lot verwendet. Der Keramikkörper und der Temperierkörper
werden zusammengelötet.
In einer besonderen Ausgestaltung wird das Erzeugen der
thermisch leitfähigen Verbindung zwischen dem
Oberflächenabschnitt des Keramikkörpers und des
Temperierkörpers während des Sinterns des keramischen
Grünkörpers zum Keramikkörper durchgeführt. Beispielsweise
wird als Temperiervorrichtung ein Substrat (Platte) aus
Aluminiumnitrid verwendet. Das Substrat, das vor dem Sintern
als keramischer Grünkörper oder bereits als Sinterkörper
vorliegen kann, wird mit einem laminierten Stapel aus
metallisierten Grünfolien zusammengefügt. Ein Zusammenfügen
erfolgt derart, dass der Stapel über einen (sich während des
Sinterns bildenden) Oberflächenabschnitt mit dem Substrat
verbunden ist. Es findet ein gemeinsames Sintern dieses
Stapels und des Substrats statt. Es entsteht ein
monolithischer keramischer Mehrschichtkörper auf dem Substrat
aus Aluminiumnitrid. Vorteilhaft dabei ist, dass mit Hilfe
des Substrats aus Aluminiumnitrid ein laterales Schwinden des
Stapels aus Grünfolien während des Sinterns unterbunden
werden kann. Zudem ist es auch nicht nötig, das Substrat vor
dem Herstellen des Keramikkörpers zu bearbeiten. Einen
ähnlichen Effekt hinsichtlich einer Unterdrückung des
lateralen Schwindens lässt sich dadurch erzielen, dass
anstelle des Substrats eine Grünfolie oder Schicht mit
Aluminiumnitrid verwendet wird. Beispielsweise wird eine
keramische Grünfolie aus Aluminiumnitrid mit den
metallisierten Grünfolien gestapelt, laminiert und gesintert.
Die Schicht aus Aluminiumnitrid kann im gesinterten
Mehrschichtkörper als Temperierkörper fungieren. Anstelle des
Aluminiumnitrids lassen sich Aluminiumoxid und Berylliumoxid
in entsprechender Weise einsetzen.
Neben einem Temperierkörper aus einem keramischen Werkstoff
kann auch ein Temperierkörper aus einem metallischen
Werkstoff einem gemeinsamen Sinterprozess unterworfen werden.
Beispielsweise kann der Temperierkörper aus Kupfer oder einer
Legierung aus Kupfer und Molybdän und/oder Wolfram bestehen.
Auf den Temperierkörper wird der Stapel aus den Grünfolien
auflaminiert und gemeinsam mit dem Temperierkörper gesintert.
Der beschriebene Keramikkörper wird insbesondere als Substrat
eines aktiven elektronischen Bauelements angegeben. Das
Substrat ist ein Trägerkörper des aktiven elektronischen
Bauelements. Als Substrat eignet sich insbesondere ein mit
Hilfe der LTCC-Technologie hergestellter keramischer
Mehrschichtkörper. Das aktive elektronische Bauelement ist
beispielsweise ein eingangs erwähnter Leistungshalbleiter.
Der Leistungshalbleiter wird auf einer der
Oberflächenabschnitte des Keramikkörpers montiert. Dies
gelingt beispielsweise durch Löten einer Halbleiterelektrode
des Leistungshalbleiters an einen Oberflächenabschnitt des
Keramikkörpers.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende
besonderen Vorteile:
- - Der Keramikkörper kann als Substrat eines aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelements verwendet werden, das im Betrieb eine erhebliche Wärmemenge erzeugt. Mit Hilfe der thermischen Durchkontaktierung des Keramikkörpers ist eine effiziente Ableitung der Wärmemenge durch das Volumen des Keramikkörpers möglich.
- - Bei Verwendung eines Temperierkörpers aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und/oder Berylliumoxid ist zudem eine hohe elektrischer Isolierung des elektronischen Bauelements gegenüber einem weiteren, wirkungsvollen, metallischen Temperierkörper gewährleistet.
- - Bei Verwendung der LTCC-Technologie können im Temperierkörper in Form eines keramischen Mehrschichtkörpers leicht Hohlräume integriert werden. Die Hohlräume können zur zusätzlichen Wärmeableitung mit einem Kühlmittel befüllt werden.
- - Mit Hilfe der LTCC-Technologie kann durch einen einzigen Sinterschritt der gesamte Keramikkörper mit thermischer Durchkontaktierung und Temperierkörper hergestellt werden.
Anhand folgender Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen
Figuren wird ein Keramikkörper mit Temperiervorrichtung und
ein Verfahren zur Herstellung des Keramikkörpers vorgestellt.
Die Figuren sind schematisch und stellen keine
maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Keramikkörper mit
Temperiervorrichtung.
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines
Keramikkörpers mit Temperiervorrichtung.
Gegeben ist jeweils ein Keramikkörper 1 in Form eines
monolithischen keramischen Mehrschichtkörpers 14. Der
keramische Mehrschichtkörper 14 besteht aus übereinander
angeordneten Keramikschichten 16 aus Glaskeramik 15. Im
Volumen 28 und an einer Oberfläche 19 des keramischen
Mehrschichtkörpers 14 ist eine Vielzahl passiver
elektronischer Bauteile 17 integriert. Die passiven
elektronischen Bauteile 17 sind elektrische Leiterbahnen,
Kondensatoren und Induktivitäten.
Von einem ersten Oberflächenabschnitt 2 der Oberfläche 19 des
Mehrschichtkörpers 14 führen durch den Mehrschichtkörper 14
in Dickenrichtung 20 des Mehrschichtkörpers 14 mehrere
thermische Durchkontaktierungen 4 zum weiteren
Oberflächenabschnitt 3 der Oberfläche 19. Die
Oberflächenabschnitte 2 und 3 sind durch das Volumen 28 des
Mehrschichtkörpers 14 mit Hilfe der thermischen
Durchkontaktierung thermisch leitend verbunden. Zwischen den
beiden Oberflächenabschnitten 2 und 3 ist der Austausch 5
einer Wärmemenge möglich. Die thermischen
Durchkontaktierungen 4 bestehen aus einem metallischen
Werkstoff 12 in Form von Silber.
Mit dem ersten Oberflächenabschnitt 2 ist eine
Temperiervorrichtung 6 in Form eines Temperierkörpers 8
(Kühlkörper, Wärmesenke) zum Aufnehmen der Wärmemenge
berührend und thermisch leitend verbunden. Zum Herstellen des
keramischen Mehrschichtkörpers 14 mit dem Temperierkörper 8
werden in keramischen Grünfolien neben Löchern für
elektrische Durchkontaktierungen 4 zum Herstellen der
elektrisch passiven Bauelemente 17 auch Löcher für die
thermischen Durchkontaktierungen erzeugt (Verfahrensschritt
401, Fig. 4). Dies geschieht durch Stanzen. Im nächsten
Verfahrensschritt 402 werden die Löcher mit einer Silberpaste
im Siebdruckverfahren befüllt. Die derart metallisierten
Grünfolien werden danach passgenau übereinander zu einem
Stapel angeordnet und auf den Temperierkörper 8 auflaminiert.
Es entsteht ein Grünkörper mit dem Stapel aus Grünfolien und
Temperierkörper 8. Im folgenden Verfahrensschritt 403 wird
dieser Grünkörper gesintert, wobei eine thermisch leitfähige
Verbindung 21 zwischen weiteren Oberflächenabschnitt 3 und
dem Temperierkörper 8 gebildet wird.
Der Mehrschichtkörper 14 mit Temperierkörper 8 fungiert als
Substrat für ein aktives elektronischen Bauelement 18 in Form
eines Leistungshalbleiters. Der Leistungshalbleiter ist an
einem weiteren Oberflächenabschnitt 3 der Oberfläche 19 des
keramischen Mehrschichtkörpers 14 mit Hilfe von Lot 22
angebracht. Im Betrieb des Leistungshalbleiters 18 entsteht
eine Wärmemenge, die mit Hilfe von thermischen
Durchkontaktierungen 4 in Richtung des ersten
Oberflächenabschnitts 2 abgeleitet werden kann.
Der keramische Mehrschichtkörper 14 ist mit zwei
Temperierkörpern 8 verbunden. Ein erster Temperierkörper 8
ist eine Platte 23 aus Aluminiumoxid als keramischer
Werkstoff 11 (Fig. 1). Diese Platte 23 ist mit einem zweiten
Temperierkörper 8 in Form eines Blocks 25 aus einer Kupfer-
Wolfram-Legierung flächig und thermisch leitend verbunden.
Der Block 25 ist über eine elektrische Leitung auf
Erdpotenzial 26 gelegt. Der Temperierkörper 8 ist über die
Platte 23 mit dem ersten Oberflächenabschnitt 2 des
keramischen Mehrschichtkörpers thermisch leitend verbunden.
Die Platte 23, die als Substrat des keramischen
Mehrschichtkörpers 14 betrachtet werden kann, fungiert als
elektrischer Isolator 24 zwischen dem Block 25 aus der
Kupfer-Wolfram-Legierung und den elektrischen
Durchkontaktierungen 4 aus Silber beziehungsweise dem
Leistungshalbleiter 18.
Die im Betrieb des Leistungshalbleiter 18 entstehende
Wärmemenge wird über den weiteren Oberflächenabschnitt 3, die
thermischen Durchkontaktierungen 4 und den ersten
Oberflächenabschnitt 2 auf die wärmeleitfähige Platte 23 aus
Aluminiumoxid, und von dort auf den Block 25 abgeleitet. Es
findet ein effizientes Temperieren des Leistungshalbleiters
18 statt, wobei der Leistungshalbleiter 18 durch die
elektrische Isolierung gegenüber dem Block 25 aus der Kupfer-
Wolfram-Legierung elektrisch sehr gut isoliert und gegen
Erdpotenzial 26 kapazitätsarm betrieben werden kann. Eine
derartige Anordnung ist insbesondere für eine zum Betrieb des
Leistungshalbleiters 18 notwendige, hohe elektrische Spannung
geeignet.
Zum Herstellen des Mehrschichtkörpers 14 mit den beiden
Temperierkörpern 8 werden der Stapel aus den keramischen
Grünfolien, eine bereits gesinterte Platte 23 aus
Aluminiumoxid und der Block 25 aus der Kupfer-Wolfram-
Legierung übereinander zu einem Grünkörper angeordnet und
gemeinsam gesintert. Zum Herstellen der Verbindung aus der
gesinterten Platte 23 und dem Block 25 wird vor dem Sintern
eine Metallisierung aus Silber auf der Platte 25 aufgetragen.
Die Metallisierung dient in dem fertig gesinterten
Mehrschichtkörper 14 dem Anlegen des Erdpotenzials 26.
In einem dazu alternativen Ausführungsbeispiel ist das
Substrat aus Aluminiumnitrid. Gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel ist der Block 25 des Temperierkörper 8
aus einer Kupfer-Molybdän-Legierung.
Die Temperiervorrichtung 6 des keramischen Mehrschichtkörpers
14 besteht aus einem Temperierkörper 8 in Form einer Platte
23 aus Aluminiumoxid, wie sie im Beispiel 1 beschrieben ist,
und einem Temperierkörper 8 in Form eines keramischen
Mehrschichtkörpers (mehrschichtiger Temperierkörper) 27
(Fig. 2). Sowohl die Platte 23 als auch der mehrschichtige
Temperierkörper 27 sind im Volumen 28 des keramischen
Mehrschichtkörpers 14 integriert. Der mehrschichtige
Temperierkörper 27 verfügt über thermische
Durchkontaktierungen 4 aus Silber und Hohlräume 13, durch die
eine Temperierflüssigkeit 9 geleitet werden kann. Der
mehrschichtige Temperierkörper 27 besteht aus
Keramikschichten 16 aus Glaskeramik 15. Die Hohlräume 13
werden durch entsprechende Löcher in keramischen Grünfolien
erhalten.
Im Betrieb des Leistungshalbleiters 18 komplettiert die
Temperierflüssigkeit 9 die Temperiervorrichtung 6 mit den
beiden Temperierkörpern 23 und 27. Dadurch ist eine sehr gute
Wärmeableitung möglich. Durch die Verbindung mit dem
Erdpotenzial 26 ist ebenfalls bei hoher elektrischer
Isolierung durch die Platte 23 ein Betrieb mit niedriger
Kapazität gegen Erdpotenzial erreicht.
Alternative Ausführungsformen ergeben sich dadurch, dass
anstelle der Temperierflüssigkeit 9 ein Temperiergas 10 durch
die Hohlräume 13 geleitet wird und dass die Platte 23 aus
Aluminiumnitrid besteht.
Im Gegensatz zu den vorangegangenen Beispielen weist der
Temperierkörper 8 keinen elektrischen Isolator 24 auf (Fig.
3). Der Temperierkörper 8 besteht nur aus dem im Beispiel 1
beschriebenen Block 25 aus der Kupfer-Wolfram-Legierung. Es
resultiert eine hohe Effizienz der Wärmeableitung ohne
Sicherstellung einer elektrischen Isolierung beziehungsweise
eines kapazitätsarmen Aufbaus gegen Erdpotenzial.
Claims (14)
1. Keramikkörper (1), mit
einem ersten und mindestens einem weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3),
mindestens einer den ersten und den weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3) verbindenden thermischen Durchkontaktierung (4) durch den Keramikkörper (1) zum Austausch (5) einer Wärmemenge zwischen den beiden Oberflächenabschnitten (2, 3) und
mindestens einer mit einem der Oberflächenabschnitte (2, 3) verbundenen Temperiervorrichtung (6) zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Wärmemenge.
einem ersten und mindestens einem weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3),
mindestens einer den ersten und den weiteren Oberflächenabschnitt (2, 3) verbindenden thermischen Durchkontaktierung (4) durch den Keramikkörper (1) zum Austausch (5) einer Wärmemenge zwischen den beiden Oberflächenabschnitten (2, 3) und
mindestens einer mit einem der Oberflächenabschnitte (2, 3) verbundenen Temperiervorrichtung (6) zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Wärmemenge.
2. Keramikkörper nach Anspruch 1, wobei die
Temperiervorrichtung (6) aus der Gruppe Temperierkörper
(8, 23, 25) und/oder Temperierflüssigkeit (9) und/oder
Temperiergas (10) gewählt ist.
3. Keramikkörper nach Anspruch 2, wobei die thermische
Durchkontaktierung (4) und/oder der Temperierkörper (8,
25) zumindest einen metallischen Werkstoff (12)
aufweisen.
4. Keramikkörper nach Anspruch 3, wobei der metallische
Werkstoff (12) aus der Gruppe Gold und/oder Kupfer
und/oder Molybdän und/oder Silber und/oder Wolfram
gewählt ist.
5. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei
die thermische Durchkontaktierung (4) und/oder der
Temperierkörper (8, 23) einen elektrischen Isolator (24)
aufweisen.
6. Keramikkörper nach Anspruch 5, wobei der elektrische
Isolator (24) zumindest einen keramischen Werkstoff (11)
aufweist.
7. Keramikkörper nach Anspruch 6, wobei der keramische
Werkstoff aus der Gruppe Aluminiumoxid und/oder
Aluminiumnitrid und/oder Berylliumoxid gewählt ist.
8. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei
der Temperierkörper (8, 23, 25) zumindest einen Hohlraum
(13) aufweist zum Durchleiten der Temperierflüssigkeit
(9) und/oder des Temperiergases (10).
9. Keramikkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei
der Keramikkörper (1) und/oder der Temperierkörper(8,
23) einen keramischen Mehrschichtkörper (14, 27)
aufweisen.
10. Keramikkörper nach Anspruch 9, wobei der keramische
Mehrschichtkörper (14, 27) Glaskeramik (15) aufweist.
11. Verfahren zum Herstellen eines Keramikkörpers nach einem
der Ansprüche 1 bis 10, mit den Verfahrensschritten:
- a) Erzeugen der thermischen Durchkontaktierung (4) im Keramikkörper (1) und
- b) Erzeugen einer thermisch leitfähigen Verbindung (21) zwischen einer der Oberflächenabschnitte (2, 3) des Keramikkörpers (1) und der Temperiervorrichtung (6).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei zum Erzeugen der
thermischen Durchkontaktierung folgende
Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- a) Erzeugen eines Lochs in einem keramischen Grünkörper,
- b) Befüllen des Lochs mit thermisch leitfähigem Material und/oder einer Ausgangsverbindung dieses Materials und
- c) Sintern des keramischen Grünkörpers zum Keramikkörper.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als
Temperiervorrichtung (6) ein Temperierkörper (8)
verwendet wird und das Erzeugen der thermisch
leitfähigen Verbindung (21) zwischen dem
Oberflächenabschnitt (2) des Keramikkörpers (1) und des
Temperierkörpers (8) während des Sinterns des
keramischen Grünkörpers zum Keramikkörper durchgeführt
wird.
14. Verwendung eines Keramikkörpers nach einem der Ansprüche
1 bis 10 als Substrat eines aktiven elektronischen
Bauelements (18).
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