DE102004015446B4

DE102004015446B4 - Wärmesenke für ein diskretes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung sowie elektronische Komponente

Info

Publication number: DE102004015446B4
Application number: DE102004015446A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schwarz; Ulrich Dr. Steegmüller; Michael Dr. Kühnelt; Stefan GRÖTSCH
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: DE102004015446A1

Abstract

Wärmesenke (1) für ein diskretes Halbleiterbauelement (9), das einen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweist, mit einer Oberseite (5) und einer Unterseite (6), wobei
die Wärmesenke (1) aus mehreren Schichten aufgebaut ist,
wobei mindestens eine an die Ober- oder die Unterseite (5, 6) grenzende Außenschicht (7, 8) aus einem metallischen Werkstoff mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist,
und wobei eine Innenschicht (2) aus einem Halbleitermaterial mit einem dritten Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen ist, die zu der Außenschicht (7, 8) eine innige mechanische Verbindung aufweist, so dass die Außenschicht (7, 8) an der Ober- oder Unterseite einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem ersten Ausdehnungskoeffizienten des auf die Ober- oder Unterseite montierbaren Halbleiterbauelements (9) angenähert ist, wobei
in der Innenschicht (2) der Wärmesenke aktive Bauelemente (12, 14) integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmesenke für ein diskretes Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Komponente mit einer derartigen Wärmesenke.
Die Druckschriften US 6,084,895 A , DE 40 25 163 C2 , US 6,178,188 B1 , US 2003/0086465 A1 , DE 198 21 544 A1 , DE 100 11 892 A1 , DE 196 05 302 A1 offenbaren optoelektronische Vorrichtungen mit Halbleiterlasern, die zur Kühlung eine Wärmesenke aufweisen.
Halbleiterbauelemente, wie z. B. Leistungsdiodenlaser, erzeugen hohe Verlustleistungsdichten. Diese bewegen sich in einem Bereich größer als 12 W/mm². Für einen zuverlässigen Betrieb derartiger Halbleiterbauelemente muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Hierzu werden Wärmesenken mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet. Das beste Verhältnis hinsichtlich Preis und Leistung bieten dabei Wärmesenken aus Kupfer. Kupfer weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 390 W/mK auf.
Neben einer hohen thermischen Empfindlichkeit sind Halbleiterbauelemente empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen. Diese Belastungen sind durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterbauelements und der Wärmesenke verursacht. Je größer der Unterschied ist, desto höher wird die Belastung. Ein aus Galliumarsenid (GaAs) bestehender Leistungsdiodenlaser weist z. B. einen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 6 ppm/K auf, während eine aus Kupfer bestehende Wärmesenke einen Ausdehnungskoeffizienten von 17 ppm/K hat.
Es wäre deshalb wünschenswert, über eine Wärmesenke zu verfügen, die sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um eine möglichst große Wärme von dem Halbleiterbauelement abführen zu können, als auch an den Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Halbleiterbauelements angepasst ist.
Dazu ist bislang bekannt, das diskrete Halbleiterbauelement mit einem Hartlot auf eine aus einem Verbundwerkstoff bestehende Wärmesenke zu montieren. Verbundwerkstoffe aus CuW oder CuDiamant weisen einen an das Material des diskreten Halbleiterbauelementes angepassten Ausdehnungskoeffizienten auf. Nachteilig bei diesen aus Verbundwerkstoffen bestehenden Wärmesenken ist jedoch der hohe Preis.
Alternativ ist bekannt, das diskrete Halbleiterbauelement mit einem Weichlot direkt auf eine aus Kupfer bestehende Wärmesenke zu montieren. Das Weichlot ist in der Lage, einen großen Teil der in Betrieb des Halbleiterbauelementes entstehenden mechanischen Belastungen aufzunehmen und so von dem Halbleiterbauelement fernzuhalten. In der Praxis haben sich hierbei jedoch Probleme bei der Zuverlässigkeit des Bauteils, insbesondere bei sog. Zykeltests, ergeben. Weiterhin besteht bei dieser Variante die Notwendigkeit, geringe Schwankungen in der Betriebstemperatur sicher zu stellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Wärmesenke für ein diskretes Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welche die oben genannten Nachteile nicht mehr aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmesenke mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, durch eine elektronische Komponente mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmesenke mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Wärmesenke ist aus mehreren Schichten aufgebaut, wobei mindestens eine an die Ober- oder Unterseite der Wärmesenke grenzende Außenschicht aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist und eine Innenschicht aus einem Halbleitermaterial vorgesehen ist. Das zum Aufbringen auf die Wärmesenke vorgesehene diskrete Halbleiterbauelement weist einen ersten Ausdehnungskoeffizienten auf, die metallische Außenschicht weist einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten auf und die Innenschicht weist einen dritten Ausdehnungskoeffizienten auf. Die Innenschicht und die Außenschicht stehen in inniger mechanischer Verbindung zueinander, so dass die Außenschicht an der Ober- oder Unterseite einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterbauelementes angenähert ist, welches auf die Ober- oder Unterseite der Wärmesenke montierbar ist. In der Innenschicht der Wärmesenke sind aktive Bauelemente integriert.
Bevorzugt ist sowohl eine an die Oberseite als auch eine an die Unterseite der Innenschicht grenzende Außenschicht aus dem metallischen Werkstoff mit dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten gebildet, so dass die Innenschicht zwischen den Außenschichten angeordnet ist. Weitergehend können für die beiden Außenschichten auch verschiedene metallische Werkstoffe verwendet werden.
Beim Verbinden des Metalls der Außenschicht mit dem Halbleitermaterial der Innenschicht, was vorzugsweise durch einen galvanischen Abscheideprozess geschieht, entsteht an der Oberfläche des Metalls ein neuer, geringerer Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zu dem zweiten Ausdehnungskoeffizient des metallischen Materials. Dieser neue Ausdehnungskoeffizient ist damit dem ersten Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterbauelementes angenähert, wodurch sich mechanische Spannungen bzw. Belastungen im Betrieb der elektronischen Komponente verringern.
Je kleiner der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Innenschicht ist im Vergleich zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Außenschichten, desto stärker kann die Ausdehnung der metallischen Außenschicht an der Ober- oder Unterseite verringert werden. Aus diesem Grund eignet sich als Material für die Innenschicht insbesondere ein Halbleitermaterial, das im Falle von Silizium einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,5 ppm/K aufweist. Aufgrund seiner hohen thermischen Wärmeleitfähigkeit wird als metallischer Werkstoff Kupfer bevorzugt. Als Halbleitermaterial der Innenschicht kommt prinzipiell jeder beliebige Halbleiter in Betracht, bevorzugt wird jedoch Silizium verwendet.
Die Verwendung eines Halbleitermaterials als Innenschicht weist darüber hinaus weitere Vorteile auf. In der Innenschicht können so die aktiven Bauelemente, wie z. B. Thermistoren, Dioden, Fotodetektoren, usw., integriert sein. Die Innenschicht lässt sich dadurch als funktionale Schicht nutzen.
Um eine Diffusion von Metallionen aus einer der Außenschichten in Richtung der Innenschicht zu verhindern, ist es zweckmäßig, zwischen zumindest einer der Außenschichten und der Innenschicht eine Barriereschicht anzuordnen. Die Barriereschicht wird bevorzugt aus Platin ausgeführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist zumindest eine der Außenschichten zumindest eine Aussparung auf, in welcher auf oder in der Innenschicht Markierungen für passive Bauelemente, wie z. B. optische Komponenten, aufgebracht sind. Die Markierungen stellen Positionsmarken für Bauelemente optischer Art, die auf der Innenschicht – im Bereich der Aussparung der Metallschicht – angeordnet werden. Die Markierungen sind vorzugsweise in Dünnschichttechnik realisiert. Die Markierungen können zusammen mit den aktiven Bauelementen während der Prozessierung der Halbleiterschicht hergestellt werden, wodurch sich eine außerordentlich hohe Präzision bei der Fertigung erzielen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Innenschicht mit einem leitenden Material gefüllte Löcher vorgesehen, wobei das leitende Material in elektrischem und/oder thermischem Kontakt mit zumindest einer der Metallschichten stehen kann. Mit anderen Worten sind in der Innenschicht Durchkontaktierungen eingebracht, die mit den bekannten Methoden der Halbleiterfertigung erstellt werden können. Bei einer großen Anzahl solcher Durchkontaktierungen oder entsprechend großen Durchmessern kann ein hohes Maß an Wärme von der mit dem diskreten Halbleiterbauelement verbundenen Metallschicht zur anderen Metallschicht geleitet werden. Bevorzugt werden die Durchkontaktierungen deshalb in der Innenschicht im Bereich unterhalb des Bereiches, in dem später das diskrete Halbleiterbauelement montiert wird, angeordnet.
Die Befestigung des diskreten Bauelementes kann wahlweise mittels einem Hartlot oder einem Weichlot an der Außenschicht erfolgen. Hierbei ist die Direktmontage des diskreten Halbleiterbauelementes möglich. Das Halbleiterbauelement stellt insbesondere einen Leistungsdiodenlaser (z. B. aus GaAs) oder einen beliebigen anderen Halbleiter aus Si, InP, GaAs-LEDs usw. dar.
In einer weiteren Ausgestaltung ist unterhalb zumindest eines der Bauelemente optischer Art in der Innenschicht ein aktives Bauelement integriert. Stellt das Bauelement optischer Art beispielsweise einen Spiegel dar, so kann ein von dem diskreten Halbleiterbauelement emittierter Lichtstrahl durch diesen umgelenkt und einer unterhalb davon in der Innenschicht integrierten Empfangsdiode zugeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Wärmesenke umfasst die Schritte des Bereitstellens einer aus einem Halbleitermaterial bestehenden Innenschicht, in welcher aktive Bauelemente integriert sind, mit einer ersten und einer zweiten Hauptseite sowie des Aufbringens zumindest einer aus einem Metall bestehenden Außenschicht auf eine der Hauptseiten der Innenschicht, die in Form einer Folie aufgelötet, aufgeklebt oder mittels eines Thermokompressionsverfahrens aufgebondet wird. Alternativ kann die Außenschicht galvanisch abgeschieden werden.
Im Gegensatz zu bislang bekannten Wärmesenken aus einem Verbundwerkstoff, bei dem die Metallschicht direkt auf die Innenschicht gebondet wird, wird bei der Erfindung bevorzugt ein Galvanikprozess eingesetzt. Besondere Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich dann, wenn zumindest eine der Außenschichten eine Aussparung zum Freilegen einer der Hauptseiten der Innenschicht aufweisen soll. Mit einem galvanischen Abscheidungsprozess können Flanken mit einer hohen Konturschärfe erzeugt werden, im Gegensatz zu einem Ätzprozess. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Laserfacetten auf der Metallschicht aufgebracht werden sollen.
Prinzipiell braucht nur diejenige Außenschicht mittels galvanischer Abscheidung erzeugt werden, in welcher präzise Flanken benötigt werden. Bevorzugt ist es jedoch, beide auf der Innenschicht angeordnete Außenschichten mittels galvanischer Abscheidung herzustellen.
Zur Erzeugung von Aussparungen in der Metallschicht kann das galvanische Abscheiden gemäß einer Ausgestaltung unter Verwendung einer Maske erfolgen.
Die in der Wärmesenke vorgesehene Barriereschicht wird bevorzugt ebenfalls durch galvanische Abscheidung erzeugt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt vor dem Erzeugen der Außenschichten das Einbringen von zumindest einem Loch in die Innenschicht und das Auffüllen des zumindest einem Lochs mit einem metallischen Material. Dies geschieht zweckmäßigerweise nach dem Aufbringen einer gegebenenfalls vorhandenen Barriereschicht.
Bevorzugt werden vor dem Erzeugen der Außenschichten in der aus dem Halbleitermaterial bestehenden Innenschicht die aktiven Bauelemente integriert.
Die Verwendung eines Halbleitermaterials, insbesondere Silizium, anstatt eines keramischen Materials weist weiterhin den Vorteil auf, dass Glaskomponenten, wie z. B. Bauelemente optischer Art (Linsen, Prismen, Spiegel), mit diesem durch anodisches Bonden äußerst zuverlässig verbunden werden können.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Wärmesenke 1, die eine Innenschicht 2 aus einem Halbleitermaterial, bevorzugt Silizium, aufweist. Auf deren Oberseite 3 ist eine metallische Außenschicht 7 und auf deren Unterseite 4 ist eine metallische Schicht 8 aufgebracht. In die Innenschicht 2 sind integrierte Bauelemente 12 und 14 eingebracht, die an die Oberseite 3 der Innenschicht 2 grenzen. In der Innenschicht 2 sind weiterhin Markierungen 13 gelegen, die ebenfalls an die Oberseite 3 angrenzen. Die Markierungen 13 werden bevorzugt in Dünnschichttechnik auf bzw. in der Innenschicht abgeschieden. Diese dienen als Positionsmarken für ein optisches Bauelement 10, das in einer Aussparung 17 der Außenschicht 7 direkt auf die Innenschicht 2 aufgebracht ist. Das passive optische Bauelement 10 stellt z. B. ein Prisma zur Bündelung eines von einem Licht emittierenden Bauelement 9 abgegebenen Lichtstrahls dar.
Das diskrete Bauelement 9, z. B. ein Leistungsdiodenlaser, ist auf der von der Innenschicht 2 abgewandten Hauptseite 5 der Metallschicht 7 über dem integrierten Bauelement 14 aufgebracht. Dieses stellt beispielsweise einen Thermistor zur Detektion der Betriebstemperatur des Leistungsdiodenlasers dar.
Über dem als Empfangsdiode ausgeführten integrierten Bauelement 12 ist ein weiteres optisches Bauelement in der Aussparung 17 direkt auf der Oberseite 3 der Innenschicht 2 angeordnet. Das optische Bauelement 11 stellt einen Spiegel zur Umlenkung des von dem Leistungsdiodenlaser emittierten Lichtstrahls (Bezugszeichen 15) in Richtung der Empfangsdiode 12 dar. Diese kann mit einer (nicht gezeigten) Auswerteschaltung verbunden sein, die die Intensität des Lichtstrahls auswertet.
Zwischen der Innenschicht 2 und der Außenschicht 7 bzw. der Außenschicht 8 ist jeweils optional eine Barriereschicht 16, bevorzugt aus Platin, angeordnet. Die Barriereschicht dient dazu, dem Ausfall des diskreten Halbleiterbauelementes 9 zu begegnen, und verhindert eine Diffusion von Metallionen in Richtung der Innenschicht 2.
Die Barriereschicht 16 sowie die Außenschichten 7,8 werden vorteilhafterweise mit einem galvanischen Abscheideverfahren erzeugt. Hierdurch lassen sich insbesondere sehr präzise Flanken an den Wandungen der Aussparung 17 erzeugen.
Alternativ können diese Schichten auch in Form von Metallfolien aufgebracht werden, wobei die Metallfolien bevorzugt strukturiert ausgebildet sind. Metallfolien können beispielsweise aufgelötet, aufgeklebt oder mittels eines Thermokompressionsverfahrens aufgebondet werden.
Die aus einem Halbleiter bestehende Innenschicht ist bevorzugt als Einkristall-Wafer ausgeführt und wird vor der Beschichtung mit der Barriereschicht aus Platin oder den Außenschichten aus Kupfer mit den aktiven Bauelementen 12 und 14 versehen.
Die Außenschichten 7, 8 weisen eine Dicke zwischen 200 und 300 μm auf und können galvanisch in einer Dickresist-Lackmaske (z. B. SU-8) mit hohem Aspektverhältnis abgeschieden werden. Das beidseitige Abscheiden des Metalls ist deshalb vorteilhaft, um Spannungen oder Durchbiegungen zu begegnen. Von Vorteil ist die geringe Fügetemperatur von Kupfer und Silizium bei dem Galvanikprozess. Dies führt bei der Herstellung zu geringem thermischen Stress.
Obwohl in der Figur nicht dargestellt, können in der Innenschicht Löcher eingebracht werden, die anschließend mit galvanischen Schichten gefüllt werden und als Durchkontaktierungen dienen. Diese können sowohl elektrische als auch thermische Funktionen übernehmen.

Claims

Wärmesenke (1) für ein diskretes Halbleiterbauelement (9), das einen ersten Ausdehnungskoeffizienten aufweist, mit einer Oberseite (5) und einer Unterseite (6), wobei die Wärmesenke (1) aus mehreren Schichten aufgebaut ist, wobei mindestens eine an die Ober- oder die Unterseite (5, 6) grenzende Außenschicht (7, 8) aus einem metallischen Werkstoff mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, und wobei eine Innenschicht (2) aus einem Halbleitermaterial mit einem dritten Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen ist, die zu der Außenschicht (7, 8) eine innige mechanische Verbindung aufweist, so dass die Außenschicht (7, 8) an der Ober- oder Unterseite einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem ersten Ausdehnungskoeffizienten des auf die Ober- oder Unterseite montierbaren Halbleiterbauelements (9) angenähert ist, wobei in der Innenschicht (2) der Wärmesenke aktive Bauelemente (12, 14) integriert sind.
Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine an die Oberseite (5) als auch eine an die Unterseite (6) grenzende Außenschicht (7, 8) aus dem metallischen Werkstoff mit dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist und die Innenschicht (2) zwischen den Außenschichten angeordnet ist.
Wärmesenke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausdehnungskoeffizient größer als der erste und größer als der dritte Ausdehnungskoeffizient ist.
Wärmesenke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer Außenschicht (7, 8) und der Innenschicht (2) eine Barriereschicht (16) angeordnet ist, um eine Diffusion von Metallionen aus der Außenschichten (7, 8) in Richtung der Innenschicht zu verhindern.
Wärmesenke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Außenschichten (7, 8) zumindest eine Aussparung (17) aufweist, in welcher auf oder in der Innenschicht (2) Markierungen (13) für passive Bauelemente vorgesehen sind, die innerhalb der Aussparung auf die Innenschicht (2) zur Montage vorgesehen sind.
Wärmesenke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (13) in Dünnfilmtechnik realisiert sind.
Wärmesenke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Innenschicht (2) mit einem leitenden Material gefüllte Löcher vorgesehen sind, wobei das leitende Material in elektrischem und/oder thermischen Kontakt mit zumindest einer der Metallschichten stehen kann.
Wärmesenke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial der Innenschicht (2) Silizium ist.
Elektronische Komponente mit einer Wärmesenke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein diskretes Bauelement (9) auf einer der Außenschichten (7, 8) aufgebracht ist.
Elektronische Komponente nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das diskrete Bauelement mittels einem Hartlot oder einem Weichlot an der Außenschicht (7, 8) befestigt ist.
Elektronische Komponente nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass angrenzend an die Markierungen Bauelemente (10, 11) optischer Art auf der Innenschicht (2) angeordnet sind.
Elektronische Komponente nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb zumindest einem der Bauelemente (10, 11) optischer Art in der Innenschicht (2) ein aktives Bauelement (12) integriert ist.
Verfahren zum Herstellen einer Wärmesenke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten: – Bereitstellen einer aus einem Halbleitermaterial bestehenden Innenschicht (2) mit einer ersten und einer zweiten Hauptseite (3, 4), wobei in der Innenschicht (2) aktive Bauelemente (12, 14) integriert sind; – Aufbringen zumindest einer aus einem Metall bestehenden Außenschicht (7, 8) auf eine der Hauptseiten (3, 4) der Innenschicht (2), die in Form einer Folie aufgelötet, aufgeklebt oder mittels eines Thermokompressionsverfahrens aufgebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erzeugen der Außenschicht (7, 8) das Aufbringen einer als Diffusionssperre wirkenden Barriereschicht (16) auf die entsprechende Hauptseite (3, 4) der Innenschicht (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (16) galvanisch abgeschieden oder in Form einer Folie aufgelötet, aufgeklebt oder mittels eines Thermokompressionsverfahrens aufgebondet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erzeugen der Außenschicht (7, 8) das Einbringen von zumindest einem Loch in die Innenschicht (2) und das Auffüllen des zumindest einen Lochs mit einem metallischen Material erfolgt.