DE102019113714A1

DE102019113714A1 - Adapterelement zum Anbinden eines Elektronikbauteils an ein Kühlkörperelement, System mit einem solchen Adapterelement und Verfahren zum Herstellen eines solchen Adapterelements

Info

Publication number: DE102019113714A1
Application number: DE102019113714.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Wiesend
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-26
Also published as: CN113892216A; CN113892216B; WO2020233987A1; EP3973602A1; US20220271498A1

Abstract

Adapterelement (10) zum Anbinden eines Elektronikbauteils (30), das einen ersten Anschlussbereich (31), einen zweiten Anschlussbereich (32) und mindestens einen zwischen dem ersten Anschlussbereich (31) und dem zweiten Anschlussbereich (32) angeordneten Aktivelementbereich (5) aufweist, an ein Kühlkörperelement (20), umfassend:- eine Isolationsschicht (15), die entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) verläuft, und- mindestens ein erstes Stegelement (11) und ein zweites Stegelement (12),-- die in einer parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung unter Ausbildung eines Freibereichs (13) nebeneinander angeordnet sind,-- die im montierten Zustand in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung zwischen der Isolationsschicht (15) und dem Elektronikbauteil (30) angeordnet sind und-- auf deren der Isolationsschicht (15) abgewandten Stirnseiten (18) im montierten Zustand das Elektronikbauteil (30) angeordnet ist, wobei ein in einer parallel zur Haupterstreckungsebene bemessener Abstand (A) zwischen dem ersten Stegelement (11) und dem zweiten Stegelement (12) kleiner als 350 µm ist, bevorzugt einen Wert zwischen 100 µm und 300 µm und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 125 und 200 µm annimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Adapterelement zum Anbinden eines Elektronikbauteils an ein Kühlkörperelement, ein System mit einem solchen Adapterelement und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Adapterelements.
Aus dem Stand der Technik ist es hinlänglich bekannt, Elektronikbauteile, die im Betrieb Wärme entwickeln, mittels eines entsprechenden Kühlkörperelements zu kühlen. Hierzu umfassen solche Kühlkörperelemente beispielsweise ein oder mehrere Kanäle, durch die eine Kühlflüssigkeit während des Betrieb des Elektronikbauteils gefördert wird. Diese Kühlkörperelemente sind typischerweise an der Unterseite der Elektronikbauteile vorgesehen.
Ferner kennt der Stand der Technik solche Elektronikbauteile, die einen ersten Anschlussbereich und einen zweiten Anschlussbereich aufweisen, wobei zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich ein Aktivelementbereich ausgebildet ist. Beispielsweise wird der Aktivelementbereich durch eine Laserdiode bzw. einen Laserdioden-Chip ausgebildet, und dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich sind unterschiedliche elektrische Potentiale zuzuordnen, so dass eine Spannung über das Elektronikbauteil abfällt.
Zur Anbindung solcher Elektronikbauteile hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Adapterelemente zwischen dem Elektronikbauteil und dem Kühlkörperelement anzuordnen, wobei das Adapterelement primär dazu dient, den ersten Anschlussbereich vom zweiten Anschlussbereich elektrisch zu isolieren. Als besonders vorteilhaft haben sich solche Adapterelemente erwiesen, die kammartige Stegelemente aufweisen, die senkrecht von einer Isolationsschicht abstehen, sodass im montierten Zustand auf den einzelnen Stegelementen jeweils der erste Anschlussbereich und/oder der zweite Anschlussbereich des Systems angeordnet werden kann bzw. an diesen jeweils angebunden ist. Solche Adapterelemente werden hergestellt, indem eine erste Metallschicht an eine Isolationsschicht angebunden wird und anschließend Freibereiche zur Bildung des ersten Stegelements und/oder des zweiten Stegelements mittels eines Ätzverfahrens realisiert werden.
Hiervon ausgehend macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, solche Adapterelemente bereitzustellen, die gegenüber denen aus dem Stand der Technik verbessert sind, insbesondere hinsichtlich ihrer Kühlleistungsfähigkeit im System, das im montierten Zustand neben dem Elektronikbauteil und dem Adapterelement auch das Kühlkörperelement umfasst.
Diese Aufgabe wird durch ein Adapterelement gemäß Anspruchs 1, ein System gemäß Anspruchs 8 und ein Verfahren gemäß Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren, angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Adapterelement zum Anbinden mindestens eines Elektronikbauteils, das einen ersten Anschlussbereich, einen zweiten Anschlussbereich und mindestens einen zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich angeordneten Aktivelementbereich aufweist, an einem Kühlkörperelement, vorgesehen, umfassend:

- eine Isolationsschicht, die entlang einer Haupterstreckungsebene verläuft, und
- mindestens ein erstes Stegelement und ein zweites Stegelement,
- -- die in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung unter Ausbildung eines Freibereichs nebeneinander angeordnet sind,
- -- die im montierten Zustand in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung zwischen der Isolationsschicht und dem Elektronikbauteil angeordnet sind und
- -- auf deren der Isolationsschicht abgewandten Stirnseiten im montierten Zustand das Elektronikbauteil angeordnet ist,
wobei ein in einer parallel zur Haupterstreckungsebene bemessener Abstand zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement kleiner als 350 µm ist, bevorzugt einen Wert zwischen 100 µm und 300 µm und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 125 und 200 µm annimmt.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Adapterelementen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, einen geringeren Abstand zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement zu realisieren, als es mit den herkömmlichen Ätzverfahren für Adapterelemente aus dem Stand der Technik möglich ist. Hierzu wird insbesondere mittels spanender Bearbeitung, beispielsweise unter Verwendung einer Säge, insbesondere einer Wafer - Säge, ein anspruchsgemäß kleiner Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Stegelement realisiert.
Durch den vergleichsweise sehr kleinen Abstand zwischen dem ersten und dem zweitem Stegelement ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Anschlussfläche für die einzelnen Bereiche des Elektronikbauteils zu vergrößern. Hierbei bilden sich die Anschlussflächen an den von der Isolationsschicht abgewandten Stirnseiten des ersten Stegelements und/oder des zweiten Stegelements aus. Mit anderen Worten: gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Stegelementen sind das anspruchsgemäße erste Stegelement und das zweite Stegelement vorteilhafterweise derart dimensioniert, dass eine vergrößerte Kontaktfläche bzw. Anschlussfläche, über die das erste Stegelement beispielsweise mit dem ersten Anschlussbereich und/oder das zweite Stegelement mit einem Zwischenstück oder dem zweiten Anschlussbereich kontaktiert, realisiert wird. Infolgedessen lässt sich die Effizienz des Abführens der Wärme gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Adapterelementen signifikant verbessern. Dadurch lässt sich insbesondere die Kühleffizienz eines Systems optimieren, das das anspruchsgemäße Adapterelement als Bindeglied zwischen dem Elektronikbauteil und dem Kühlkörperelement nutzt.
Vorzugsweise stehen das erste Stegelement und das zweite Stegelement von der Isolationsschicht, insbesondere senkrecht von der Isolationsschicht, ab, wobei beispielsweise die zur Anbindung des Elektronikbauteils vorgesehene Stirnseite des ersten Stegelements der Isolationsschicht abgewandt ist und als Anschlussfläche für den ersten Anschlussbereich bereitgestellt wird, während die Stirnseite des zweiten Stirnelements, die der Isolationsschicht abgewandt ist, beispielsweise zum Anschluss des zweiten Anschlussbereichs und/oder eines Zwischenstücks dient. Dabei sind das erste Stegelement und das zweite Stegelement beispielsweise aus einem Metall gefertigt und die Isolationsschicht vorzugweise aus einer Keramik.
Vorzugsweise weist die Isolationsschicht Al₂O₃, Si₃N₄, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer Al₂O₃- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO₂ umfasst, beispielsweise Al₂O₃ mit 9% ZrO₂ = HPS9 oder Al₂O₃ mit 25% ZrO₂ = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA als Material für die Keramik auf. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Vorzugsweise wird eine hochwärmeleitfähige Keramik für einen möglichst geringen Wärmwiderstand verwendet.
Als Materialien für die Metallschicht, die die Stegelemente umfasst, sind Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AICu und/oder CuCu, insbesondere eine Kupfersandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unterscheidet, vorstellbar.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass eine Breite des ersten Stegelements, des zweiten Stegelements und/oder des dritten Stegelements (gemessenen parallel zur Abstandsmessung des Abstand zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement) derart dimensioniert ist, dass die Bereite etwa dem 0,5 bis 0,95-fachen, bevorzugt dem 0,6 bis 0,95-fachen und besonders bevorzugt dem 0,75 bis 0,95 einer Erstreckung desjenigen Bereichs des Elektronikbauteils, beispielsweise dem ersten Anschlussbereich dem zweiten Anschlussbereich und/oder dem Zwischenstück, entspricht, der auf der Stirnseite des entsprechenden ersten Stegelements, des zweiten Stegelements bzw. des dritten Stegelements aufliegt. Beispielsweise bemisst sich eine Breite des ersten Stegelements, des zweiten Stegelements und/oder des dritten Stegelements zwischen 0,5 mm und 3,0 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 2,50 und besonders bevorzugt zwischen 1,00 und 2,00 mm.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass das ersten Stegelemente und das zweiten Stegelemente in einer Schnittansicht des Adapterelements eine kammartige Struktur bilden und die einzelnen Stegelemente, das heißt das erste Stegelement und/oder das zweite Stegelement, vorzugsweise parallel zueinander längs erstreckt sind in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Anschlussbereich, der zweite Anschlussbereich und/oder ein Zwischenstück jeweils an mindestens ein erstes Stegelement und/oder zweites Stegelement angebunden sind. Bevorzugt ist es vorstellbar, dass der erste Anschlussbereich, der zweite Anschlussbereich und das Zwischenstück jeweils an genau ein erstes Stegelement und/oder zweites Stegelement und/oder drittes Stegelement angebunden sind. Weiterhin ist es besonders bevorzugt vorgesehen, wenn der Abstand zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement auf Höhe der Stirnseite des ersten Stegelement und/oder zweiten Stegelements realisiert ist. Weiterhin ist es vorstellbar, dass neben dem ersten Stegelement, dem zweiten Stegelement und/oder dem dritten Stegelement zumindest ein viertes Stegelement vorgesehen ist, das im montierten Zustand umbesetzt bleibt, d. h. an dessen Stirnseite kein Bereich zur Anlage des Elektronikbauteils im montierten Zustand vorgesehen ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei einem Aktivelementbereich um denjenigen Bereich, der durch die Ausdehnung einer funktionellen Einheit definiert ist. Beispielsweise handelt es sich bei der funktionellen Einheit um eine Laserdiode und/oder einen Laserdioden - Chip, die bzw. der zur Emission von Licht vorgesehen ist, und im Betrieb über den ersten Anschlussbereich und den zweiten Anschlussbereich mit einer Spannung versorgt wird. Dabei ist es üblicherweise vorgesehen, dass der Aktivelementbereich nicht das erste Stegelement und/oder das zweite Stegelement bzw. das Adapterelement kontaktiert bzw. auf diesem aufliegt. Vielmehr ist es vorgesehen, dass der Aktivelementbereich oberhalb des Freibereiches zwischen dem ersten Stegelement und das zweiten Stegelement, vorzugsweise im Wesentlichen mittig, angeordnet ist.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das erste Stegelement und das zweite Stegelement Teil einer Metallschicht ist und/oder wobei das erste Stegelement und das zweite Stegelement bündig miteinander an der Oberseite des Adapterelements abschließen, das heißt die Stirnseite des ersten Stegelements und die Stirnseite des zweiten Stegelements sind in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung auf einer gemeinsamen Höhe angeordnet. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Metallschicht eine erste Dicke und der Isolationsschicht eine zweite Dicke zugeordnet ist. Beispielsweise bemisst sich die erste Dicke in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung auf einen Wert zwischen 0,1 und 2 mm und die zweite Dicke in derselben Richtung zwischen 0,15 und 1 mm. Besonders bevorzugt wird eine sogenannte Restmetalldicke, d. h. eine Dicke des massiven bzw. geschlossenen Bereichs der Metallschicht, insbesondere eine Restkupferdicke, von 0,1 bis 0,3 mm eingestellt bzw. realisiert. Die Isolationsschicht weist eine zweite Dicke zwischen 0,1 und 1,5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 1 mm und besonders bevorzugt 0,1 und 0,6 mm auf. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass an der Unterseite des Adapterelementes das Kühlkörperelement vorgesehen ist, wobei sich das Kühlkörperelement im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung erstreckt und mindestens einen Kühlkanal umfasst, der geeignet ist, eine Kühlflüssigkeit im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene zu führen, sodass beispielsweise eine Kühlflüssigkeit entlang der Isolationsschicht geführt und so zur Wärmeabfuhr genutzt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis einer parallel zur Haupterstreckungsebene bemessenen Ausdehnung des Aktivelementbereich zu dem parallel zur Haupterstreckung bemessenen Abstand zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement einen Wert zwischen 0,7 und 1, bevorzugt einen Wert zwischen 0,85 und 1 und besonders bevorzugt eine Wert von im Wesentlichen 0,99 annimmt.. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die der Isolation dienenden Freibereiche so zu gestalten, dass sie etwas größer sind als die Dimensionierung bzw. Ausdehnung des Aktivelementbereichs. Entsprechend groß und thermisch effizient können die Stirnseiten des ersten und des zweiten Stegelementes als Kontaktflächen ausgebildet werden. Insbesondere für einen Wert von 0,8 bzw. ein Verhältnis zwischen 0,75 und 0,85 ist der Abstand dabei derart dimensioniert, dass ein ausreichend große Fertigungstoleranz beim Anbinden des Elektronikbauteils an das Adapterelement gewährleisten werden kann, sodass nicht befürchtet werden muss, dass versehentlich beim Anbinden des Elektronikbauteils an das Adapterelement der Aktivelementbereich in Anlage mit dem ersten und/oder zweiten Stegelement gerät.
In vorteilhafter Weise ist es vorgesehen, dass in einem montierten Zustand der Aktivelementbereich in einer senkrecht zur Haupterstreckung verlaufenden Richtung oberhalb des Freibereichs angeordnet ist, insbesondere ist es vorgesehen, dass der Aktivelementbereich in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung gesehen zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement angeordnet ist, vorzugsweise mittig zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement angeordnet ist.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement ausgebildete Freibereich bis in die Isolationsschicht hineinragt. Beispielsweise ist eine Tiefe des Freibereichs, bemessen in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung (von der Stirnseite des ersten Stegelements aus gesehen) größer als eine erste Dicke der Metallschicht. Mit anderen Worten: ein Boden des Freibereichs liegt innerhalb der Isolationsschicht. Dadurch kann die Isolationsfähigkeit des Adapterelements weiter verbessert werden. Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, dass sich beim spanenden Herstellen der Freibereiche diese bis in die Isolationsschicht hineingreifenden bzw. eingelassenen Freibereiche einfacher herstellen lassen als solche, die andernfalls durch ein zweistufiges Ätzverfahren realisiert werden müssten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass sich das erste Stegelement und/oder das zweite Stegelement von einer ersten Seite des Adapterelements zu einer der ersten Seite des Adapterelements gegenüberliegenden zweiten Seite erstreckt. Mit anderen Worten: das erste Stegelement und/oder das zweite Stegelement erstrecken sich vorzugsweise durchgehend, entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung über eine vollständige Quererstreckung und/oder Längserstreckung des Adapterelements, d. h. über die gesamte Breite bzw. Länge. Derartige erste und zweite Stegelemente lassen sich insbesondere beim Sägen mittels einer Sägeblatts vergleichsweise einfach herstellen, insbesondere wenn mehrere zukünftige Adapterelemente nebeneinander angeordnet werden und dann gemeinsam die Freibereiche für mehrere Adapterelemente in einem Sägevorgang realisiert werden. Außerdem erweist es sich als vorteilhaft, mehrere solche Adapterelemente nebeneinander anzuordnen, wodurch die Kühlleistungsfähigkeit des Systems weiter verbessert wird, da auf zusätzlich quer bzw. senkrecht verlaufende Stegelemente verzichtet werden kann. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Adapterelement kein Stegelement aufweist, das quer und/oder senkrecht zum ersten und zweiten Stegelement verläuft.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Freibereich ein Aspektverhältnis zwischen 1 und 25, bevorzugt zwischen 1 und 15 und besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 3 aufweist.
Mittels der spanenden Bearbeitung, insbesondere der Herstellung mittels einer Wafer-Säge lassen sich sehr große Aspektverhältnisse erzielen, die insbesondere mit den üblichen Ätzverfahren nicht realisierbar wären. Durch das Ätzen lässt sich allenfalls ein begrenztes Aspektverhältnus einstellen, insbesondere wenn eine Restmetalldicke von etwa 0,2 mm realisiert werden soll. Bisher üblich war es die Restmetalldicke zu reduzieren, um feinere Strukturen zu realisieren, insbesondere indem zunächst die Restmetalldicke auf 0,2 mm reduziert wird, anschließend ein Strukturätzen erfolgt und schließlich mit einer Diamantfräse die Metallschicht auf 0,1 mm reduziert wird. Zwar können Gräben mit einer Tiefe von 0,3 mm erzeugt werden, allerdings führt die Reduzierung der Restmetalldicke in unerwünschter Weise zu einer eingeschränkten Nutzung der Wärmespreizung. Mit anderen Worten: das vorgeschlagene Verfahren gestattet die Realisierung von vergleichsweise großen Aspektverhältnissen, ohne auf die vorteilhafte Ausbildung einer ausreichend groß dimensionierten Restmetalldicke verzichten zu müssen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass mehrere Freibereiche vorgesehen sind, wobei sich ein Abstand zwischen zwei benachbarten Freibereichen entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung verändert. Insbesondere ist es vorstellbar, dass die Abstände zwischen zwei benachbarten Freibereichen angepasst sind an die jeweiligen Dimensionierung des ersten Anschlussbereichs, des zweiten Anschlussbereichs und/oder des Zwischenstücks, wodurch eine möglichst optimierte Anlagefläche an den jeweiligen Stirnseiten des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Stegelements realisiert werden kann. Dadurch ist es möglich, gesamtheitlich die Kühleffizienz des Systems weiter zu optimieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Kühlen eines Elektronikbauteils, umfassend:

- ein erfindungsgemäßes Adapterelement und
- ein Kühlkörperelement, das an der Isolationsschicht an deren dem erste und dem zweiten Stegelementen abgewandten Seite angebunden ist, wobei im montierten Zustand das Adapterelement zwischen dem Elektronikbauteil und dem Kühlkörperelement angeordnet ist. Alle für das Adapterelement beschriebenen Merkmale und Vorteile lassen sich analog übertragen auf das System zum Kühlen eines Elektronikbauteils und visa versa.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das System aus mehreren nebeneinander geordneten Adapterelementen besteht. Vorzugsweise sind die Adapterelemente derart nebeneinander angeordnet, dass die ersten Stegelemente der verschiedenen Adapterelemente zueinander fluchtend angeordnet sind, das heißt die einzelnen Stegelemente setzen ihren Verlauf über die verschiedenen Adapterelemente gesehen fort. Dadurch wird eine große Anlagefläche für das Anbinden der Elektronikbauteile realisiert, die durch diese entsprechende Geometriesierung bzw. Anordnung eine verbesserte Kühleffizienz realisiert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellen eines erfindungsgemäßen Adapterelement, umfassend

- Bereitstellen einer Isolationsschicht,
- Bereitstellen einer Metallschicht,
- Anbinden der Metallschicht an die Isolationsschicht, vorzugsweise mittels eines Direktmetallanbindungs- oder ein Aktivlötverfahrens,
- Einbringen eines Freibereichs in die Metallschicht oder Einbringen eines Freibereichs in die Metallschicht und die Isolationsschicht zur Ausbildung eines ersten Stegelements und eines zweiten Stegelements,

Beispielsweise handelt es sich bei dem Sägeblatt um ein Sägeblatt, das mit Diamenten versehen ist und/oder ein Hartmetall umfasst.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Anbindung der Metallschicht an die Isolationsschicht über ein Direktmetallanbindungsverfahren oder ein Aktivlötverfahren realisiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht mittels eines DCB-Verfahrens oder eines Aktivlötverfahrens an die Isolationsschicht angebunden wird.
Unter einem Direktmetallabbindungsverfahren, wie einem „DCB-Verfahren“ (Direct-Copper-Bond-Technology) bzw. DAB-Verfahren“ (Direct-Aluminium -Bond-Technology), versteht der Fachmann ein solches Verfahren, das beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z. B. Kupferblechen oder - folien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US 3 744 120 A oder in der DE23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfer), 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.
Insbesondere weist das DCB-Verfahren 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.

Unter einem Aktivlot-Verfahren, z. B. zum Verbinden von Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial, ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird. Hier wird bei einer Temperatur zwischen ca. 650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente wie Kupfer, Silber und/oder Gold, auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Alternativ sind zur Anbindung auch ein DAB - Verfahren bei Aluminiummetallisierung und/oder ein Dickschichtverfahren vorstellbar.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügte Figur. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
Es zeigt:

1 ein Adapterelement gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht (oben) und in einer Schnittansicht (unten);
2 ein Verfahren zum Herstellen eines Adapterelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Adapterelement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Anordnung von mehreren Adapterelementen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist ein Adapterelement 10 zum Anbinden eines Elektronikbauteils 30 an ein Kühlkörperelement 20 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Insbesondere zeigt 1 oben ein Adapterelement 10 in einer Draufsicht auf eine Haupterstreckungsebene HSE, während unten eine Schnittansicht des Systems 1 aus Adapterelement 10, Elektronikbauteil 30 und Kühlkörperelement 20 im montierten Zustand illustriert ist. Dabei weist das Elektronikbauteil 30, das über das Adapterelement 10 an das Kühlkörperelement 20 angebunden wird bzw. im montierten Zustand angebunden ist, einen ersten Anschlussbereich 31 und einen zweiten Anschlussbereich 32 auf. Zwischen dem ersten Anschlussbereich 31 und dem zweiten Anschlussbereich 32 ist dabei mindestens ein Aktivelementbereich 5 vorgesehen. Im montierbaren Zustand sind dabei der erste Anschlussbereich 31, der zweite Anschlussbereich 32 und der Aktivelementbereich 5 parallel zur Haupterstreckungsebene HSE nebeneinander angeordnet.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist neben dem Aktivelementbereich 5 ein weiterer Aktivelementbereich 5' vorgesehen, wobei der Aktivelementbereich 5 und der weitere Aktivelementbereich 5' zwischen dem ersten Anschlussbereich 31 und dem zweiten Anschlussbereich 32 angeordnet sind und voneinander durch einen Zwischenstück 33 getrennt sind. Im montierten Zustand, insbesondere in Betrieb des Elektronikbauteils 30 ist es dabei vorgesehen, dass der erste Anschlussbereich 31 und der zweite Anschlussbereich 32 auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen, sodass sich eine Spannung ausbildet, die über das Elektronikbauteil 30 abfällt. Dem Adapterelement 10 kommt die Aufgabe zu, einzelne Bereiche des Elektronikbauteils 30, das heißt den ersten Anschlussbereich 31, den zweiten Anschlussbereich 32 und/oder das Zwischenstück 33 voneinander elektrisch zu isolieren. Hierzu umfasst das Adapterelement 10 eine sich im Wesentlichen entlang einer Haupterstreckungsebene HSE erstreckende Isolationsschicht 15, die vorzugsweise aus einer Keramik gefertigt ist. Von der Isolationsschicht 15 stehen in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenen Richtung zumindest ein erstes Stegelement 11 und ein zweites Stegelement 12 ab, wobei das erste Stegelement 11 und/oder das zweite Stegelement 12 aus Metall gefertigt sind. Im montierten Zustand ist das Elektronikbauteil 30 an den Stirnseiten 18 des ersten Stegelements 11 und des zweiten Stegelements 12 angeordnet, insbesondere angebunden, wobei vorzugsweise der erste Anschlussbereich 31 an der Stirnseite 18 des ersten Stegelements 11 angebunden ist und das Zwischenstück 33 an der Stirnseite 18 des zweiten Stegelements 12 angebunden ist. Ferner ist es vorgesehen, dass der zweite Anschlussbereich 32 an einem dritten Stegelement 23 angebunden ist. Insbesondere liegt das Elektronikbauteil 30 an einer Oberseite OS des Adapterelements 10 auf. Dadurch ist es möglich, den ersten Anschlussbereich 31, das Zwischenstück 33 und den dritten Anschlussbereich jeweils voneinander elektrisch zu isolieren, insbesondere durch die Isolationsschicht 15 des Adapterelements 10 und die voneinander beabstandeten ersten Stegelemente 11, zweiten Stegelemente 12 und/oder dritten Stegelemente 23.
Dabei ist es ferner vorgesehen, dass das erste Stegelement 11, das zweite Stegelement 12 und das dritte Stegelement 23 Teil einer Metallschicht 16 sind, die an die Isolationsschicht 15 beispielsweise über ein DCB-Verfahren und/oder ein Aktivlötverfahren angebunden ist. Im montierten Zustand ist es weiter vorgesehen, dass an einer Unterseite US des Adapterelements 10, das heißt insbesondere an einer dem ersten Stegelement 11 und dem zweiten Stegelement 12 gegenüberliegenden Seite, ein Kühlkörperelement 20 angebunden ist. Vorzugsweise wird dieses Kühlkörperelement 20 mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt, wobei die Kühlflüssigkeit über entsprechende Öffnungen 7 an einer Oberseite OS des Systems 1 aus Adapterelement 10, Elektronikbauteil 30 und Kühlkörperelement 20 eingeleitet wird und zunächst entlang einer parallel zu einer Stapelrichtung S (in Richtung der Unterseite US) verlaufenden Richtung in das Kühlkörperelement 20 an einem Ende eingeführt wird. Innerhalb des Kühlkörperelementes 20 fließt die Kühlflüssigkeit vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene HSE, um an einem anderen Ende entlang der Stapelrichtung S (in Richtung der Oberseite OS) an die Oberseite OS des Adapterelements 10 zu fließen, um über die Öffnung 7 das Adapterelement 10 bzw. das System 1 wieder zu verlassen.
In 2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Adapterelements 10 gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer Metallschicht 16 und einer Isolationsschicht 15. Nach einem Anbinden der Metallschicht 16 an die Isolationsschicht 15, vorzugsweise mittels eines Direktmetallverfahrens, beispielsweise einem DCB- oder DAB - Verfahrens, und/oder eines Aktivlötverfahrens ist es hierbei vorzugsweise vorgesehen, dass durch eine sparende Bearbeitung Freibereiche 13 in das Adapterelement 10 eingelassen werden. Wie in der 2 dargestellt, wird mittels eines Sägeblatts 9, insbesondere einer Wafer Säge, der Freibereich 13 im Adapterelement 10 realisiert. Der Freibereich 13 trennt im gefertigten Adapterelement 10 das erste Stegelement 11 vom zweiten Stegelement 12.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass sich mittels der spanenden Bearbeitung der Freibereich 13 bis in die Isolationsschicht 15 hinein erstreckt. Mit anderen Worten: ein Boden 17 bzw. Abschluss des Freibereichs 13 liegt innerhalb der Isolationsschicht 15. Weiterhin ist es vorstellbar, dass an der Unterseite US der Isolationsschicht 15 das Kühlkörperelement 20 vorgesehen ist bzw. bereits angebunden ist, sobald mittels dem Sägeblatt 9 der Freibereich 13 realisiert wird. Mittels der spanenden Bearbeitung bei der Herstellung des Freibereichs 13 ist es in vorteilhafter Weise möglich, einen Abstand A zwischen dem ersten Stegelement 11 und dem zweiten Stegelement 12 zu realisieren, der kleiner ist als 350 µm. Vorzugsweise nimmt der Abstand A einen Wert zwischen 100 µm und 300 µm und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 125 und 200 µm an.
In 3 ist ein Adapterelement 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere zeigt 3 oben ein Adapterelement 10 in einer Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene HSE, während unten eine Schnittansicht des Systems 1 aus Adapterelement 10, Elektronikbauteil 30 und Kühlkörperelement 20 im montierten Zustand illustriert ist. Durch die sparende Bearbeitung ist es in vorteilhafter Weise möglich Freibereiche 13 zu realisieren, die gegenüber den aus dem Stand der Technik deutlich schmaler sind. Entsprechend kann ein erstes Stegelement 11 bzw. ein zweites Stegelement 12 realisiert werden, das an seinen Stirnseiten 18 eine größere Auflagefläche für den ersten Anschlussbereich 31, das Zwischenstück 33 und/oder den zweiten Anschlussbereich 32 bereitstellt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Wärmeabfuhr zu erhöhen im Vergleich zu solchen Adapterelementen 10, die mittels vergleichsweise dünner Stegelemente 12, 12, 23 die einzelnen Bereiche des Elektronikbauteils 30 kontaktieren. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich das Adapterelement 10 dabei aus einer Metallschicht 16 mit einer ersten Dicke D1 und einer Isolationsschicht 15 mit einer zweiten Dicke D2 zusammensetzt, wobei die in das Adapterelement 10 eingelassenen Freibereiche 13 eine Tiefe T aufweisen, die größer ist als die erste Dicke D1, sodass die einzelnen Freibereiche 13 bis in die Isolationsschicht hineinragen. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis der zweiten Dicke D2 zur ersten Dicke D1 einen Wert zwischen 0,3 und 0,8 bevorzugt zwischen 0,5 und 0,75 und besonders bevorzugt 0,6 und 0,7 annimmt.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis der ersten Dicke zu der Tiefe T einen Wert zwischen 0,6 und 0,95, bevorzugt zwischen 0,7 und 0,9 und besonders bevorzugt zwischen 0,75 und 0,85 annimmt.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine parallel zur Haupterstreckungsebene HSE gemessene Ausdehnung 51 des Aktivelementbereichs 5 derart gestaltet ist, dass der Aktivelementbereich 5 oberhalb des Freibereichs 13 des Adapterelements 10 angeordnet ist. Mit anderen Worten: der Abstand A zwischen dem ersten Stegelement 11 und dem zweiten Stegelement 12 ist derart dimensioniert, dass ein Verhältnis zwischen der Ausdehnung 51 des Aktivelementbereichs 5 zu dem Abstand A des ersten Stegelements 11 und dem zweiten Stegelement 12 einen Wert zwischen 0,7 und 0,9, bevorzugt einen Wert zwischen 0,75 und 0,85 und besonders bevorzugt einen Wert von im Wesentlichen 0,8 annimmt. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst große Auflagefläche bzw. Kontaktfläche für den ersten Anschlussbereich 31, den zweiten Anschlussbereich 32 und/oder das Zwischenstück 33 realisieren und gleichzeitig sicherstellen, dass eine vergleichsweise einfach zu realisierende Anordnung des Aktivelementbereichs 5 oberhalb des Freibereichs 13 realisiert werden kann. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der Aktivelementbereich 55 nicht das Adapterelement 10 kontaktiert, insbesondere nicht das erste Stegelement 11 und/oder zweite Stegelement 12. Mit anderen Worten: in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ist der Aktivelementbereich 5 zwischen dem ersten Stegelement 11 und dem zweiten Stegelement 12 angeordnet.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass sich die kammartigen ersten Stegelemente 11 und/oder zweiten Stegelemente 12 von einer ersten Seite S1 des Adapterelements 10 bis hin zu einer der ersten Seite S1 gegenüberliegenden zweiten Seite S2 hin erstrecken. Dabei verlaufen das erste Stegelement 11 und das zweite Stegelement 12 parallel zueinander und füllen die Oberseite OS von einer Seite S1 bis zur zweiten Seite S2, das heißt es gibt keine senkrecht oder schräg zum ersten Stegelement S11 und zweiten Stegelement S12 verlaufenden weiteren Stegelemente, die ein Abschluss an der ersten Seite S1 und/oder zweiten Seite S2 bilden (vgl. 1).
In 4 ist ein System 1 zum Kühlen eines Elektronikbauteils 30 dargestellt, bei dem mehrere Adapterelemente 10 nebeneinander angeordnet sind. Dabei sind die Adapterelemente 10 derart nebeneinander angeordnet, dass das erste Stegelement 11 eines Adapterelements 10 und das erste Stegelement 12 eines benachbarten Adapterelements 10 zueinander fluchtend angeordnet sind. Durch die unmittelbare Anordnung der einzelnen Adapterelemente 10 nebeneinander, insbesondere in einer fluchtenden Anordnung zueinander bezüglich der ersten Stegelemente 11 und/oder zweiten Stegelemente 12, ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Leistungsfähigkeit des Kühlkörperelements weiter zu verbessern bzw. des ganzen Systems 1 zum Kühlen des Elektronikbauteils 30.
Bezugszeichenliste

1: System
5: Aktivelementbereich
5': weiterer Aktivelementbereich
7: Öffnung
9: Sägeblatt
10: Adapterelement
11: erstes Stegelement
12: zweitens Stegelement
13: Freibereich
15: Isolationsschicht
16: Metallschicht
17: Boden
18: Stirnseite
20: Kühlkörperelement
23: drittes Stegelement
30: Elektronikbauteil
31: erster Anschlussbereich
32: zweiter Anschlussbereich
33: Zwischenstück
51: Ausdehnung
A: Abstand
S1: erste Seite
S2: zweite Seite
D1: erste Dicke
D2: zweite Dicke
OS: Oberseite
US: Unterseite
T: Tiefe
HSE: Haupterstreckungsebene
S: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3744120 A [0030]
DE 2319854 C2 [0030]

Claims

Adapterelement (10) zum Anbinden eines Elektronikbauteils (30), das bevorzugt einen ersten Anschlussbereich (31), einen zweiten Anschlussbereich (32) und mindestens einen zwischen dem ersten Anschlussbereich (31) und dem zweiten Anschlussbereich (32) angeordneten Aktivelementbereich (5) aufweist, an einem Kühlkörperelement (20), umfassend: - eine Isolationsschicht (15), die entlang einer Haupterstreckungsebene (HSE) verläuft, und - mindestens ein erstes Stegelement (11) und ein zweites Stegelement (12), -- die in einer parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung unter Ausbildung eines Freibereichs (13) nebeneinander angeordnet sind, -- die im montierten Zustand in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung zwischen der Isolationsschicht (15) und dem Elektronikbauteil (30) angeordnet sind und -- auf deren der Isolationsschicht (15) abgewandten Stirnseiten (18) im montierten Zustand das Elektronikbauteil (30) angeordnet ist, wobei ein in einer parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) bemessener Abstand (A) zwischen dem ersten Stegelement (11) und dem zweiten Stegelement (12) kleiner als 350 µm ist, bevorzugt einen Wert zwischen 100 µm und 300 µm und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 125 und 200 µm annimmt.
Adapterelement (10) gemäß Anspruch 1, wobei ein Verhältnis einer parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) bemessenen Ausdehnung (51) des Aktivelementbereichs (5) zu dem parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) bemessenen Abstand (A) zwischen dem ersten Stegelement (11) und dem zweiten Stegelement (S2) einen Wert zwischen 0,7 und 1, bevorzugt einen Wert zwischen 0,85 und 1 und besonders bevorzugt eine Wert von im Wesentlichen 0,99 annimmt.
Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem montierten Zustand der Aktivelementbereich (5) in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung oberhalb des Freibereichs (13) angeordnet ist.
Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zwischen dem ersten Stegelement (11) und dem zweiten Stegelement (12) ausgebildete Freibereich (13) bis in die Isolationsschicht (15) hineinragt.
Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Stegelement (11) und/oder das zweite Stegelement (12) von einer ersten Seite (S1) des Adapterelements (10) zu einer der ersten Seite (S2) des Adapterelements (10) gegenüberliegenden zweiten Seite (S2) verläuft.
Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Freibereich (13) ein Aspektverhältnis zwischen 1 und 25, bevorzugt zwischen 1 und 15 und besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 3 aufweist.
Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Freibereiche (13) vorgesehen sind, wobei sich ein Abstand zwischen zwei benachbarten Freibereichen (13) entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung verändert.
System (1) zum Kühlen eines Elektronikbauteils (30), umfassend: - Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und - ein Kühlkörperelement (30), das an die Isolationsschicht (15) an deren dem erste Stegelement (11) und dem zweiten Stegelemente (12) abgewandten Unterseite (US) angebunden ist, wobei im montierten Zustand das Adapterelement (10) zwischen dem Elektronikbauteil (30) und dem Kühlkörperelement (20) angeordnet ist.
System (1) zum Kühlen eines Elektronikbauteils (30) gemäß Anspruch 8, wobei mehrere Adapterelemente (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellen eines Adapterelements (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend - Bereitstellen einer Isolationsschicht (15), - Bereitstellen einer Metallschicht (16), - Anbinden der Metallschicht (16) an die Isolationsschicht (15), vorzugsweise mittels eines Direktmetallanbindungs- oder eines Aktivlötverfahrens, - Einbringen eines Freibereichs (13) in die Metallschicht (16) oder Einbringen eines Freibereichs (13) in die Metallschicht (16) und die Isolationsschicht (15) zur Ausbildung eines ersten Stegelements (11) und eines zweiten Stegelements (12), wobei der Freibereich (13) durch eine spanende Bearbeitung, vorzugsweise durch ein Sägen mit einem Sägeblatt (9), realisiert wird.