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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul gemäß Oberbegriff von
Patentanspruch 1.
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Bekannt
ist es, bei Keramik-Metall-Substraten die für Leiterbahnen, Anschlüssen usw.
benötigte Metallisierung
auf einer Keramik, z. B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik mit Hilfe
des sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen,
und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder
Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder
einen Überzug
(Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall
und einem reaktiven Gas bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem
beispielsweise in der
US
37 44 120 A oder in der
DE 23 19 854 A beschriebenen Verfahren bildet
diese Schicht oder dieser Überzug
(Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter
der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so dass durch
Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher
Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen
des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht
bzw. Oxidschicht.
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Dieses
DCB-Verfahren weist dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:
- • Oxidieren
einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
- • Auflegen
des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
- • Erhitzen
des Verbundes auf eine Prozesstemperatur zwischen etwa 1025 bis
1083°C,
z. B. auf ca. 1071°C;
- • Abkühlen auf
Raumtemperatur.
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Bekannt
ist weiterhin auch ein sogenannter Mikrokühler (
DE 197 10 783 A1 ), der
aus mehreren stapelartig übereinander
angeordneten Metallplatten, beispielsweise Kupferplatten besteht,
die mit Hilfe des DCB-Verfahrens flächig miteinander verbunden sind.
Mit Ausnahme der äußeren Metallschichten sind
die dazwischen liegenden Metallschichten jeweils strukturiert, d.
h. mit einer Vielzahl von Öffnungen
und diese umgebenden Stegen versehen, und zwar derart, dass sich
in dem von diesen strukturierten Metallschichten gebildeten Bereich
des Mikrokühlers
durch die Öffnungen
hindurch eine von einem Kühlmedium
durchströmbare
Mikrokühlerstruktur
ergibt, die (Mikrokühlerstruktur)
sich durch einen ständig
dreidimensional verzweigenden Strömungsweg für das Kühlmedium auszeichnet.
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Bekannt
ist weiterhin auch (
DE
196 43 717 A1 ) bei einem Halbleitermodul mit Flüssigkeits-Kühlung die
Halbleiterbauelemente in einem und den Kühlmediumanschlüssen getrennten
und hermetisch verschlossenen Innenraum vorzusehen.
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Bekannt
ist weiterhin eine Kühleinrichtung zum
Kühlen
von Lasern (
JP 2001-358
397 A ) bestehend aus einem von einem Kühlmedium durchströmbaren Wärmetauscher
an dem mehrere Laserdioden vorgesehen sind.
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Bekannt
ist weiterhin eine Laserdiodenanordnung (
DE 195 06 093 A1 ), bei
der ein Laserbarren an einem von mehreren Metallschichten gebildeten Kühler vorgesehen
ist. Zur Ausbildung eines von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkanals
sind die Metallschichten mit Schlitzen und Öffnungen versehen.
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Bekannt
ist weiterhin eine Diodenlaseranordnung (
DE 100 61 265 A1 ) bestehend
aus einer Vielzahl von Laserdioden, die jeweils in Gruppen auf Wärmespreizer
bildend Platten angeordnet sind, die ihrerseits auf einem Kühler befestigt
sind.
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Bekannt
ist schließlich
ein Package (
US 4 758 926 )
zur geschlossenen Aufnahme und zum Kühlen von Bauelementen oder
Halbleiterchips, bestehend aus einem von mehreren Platten gebildeten Substrat,
in welchem durch Ausnehmungen in den Platten von einem Kühlmedium
durchströmbare
Kanäle
gebildet sind. An einer Seite des Substrates sind Halbleiterbauelemente
vorgesehen. Beide Seiten des Substrates sind jeweils mit einem deckelartigen Gehäuseteil
abgedeckt. Die elektrischen Anschlüsse für die Bauelemente sind teilweise
an dem diese Bauelemente abdeckenden Gehäuseteil vorgesehen. Teilweise
dienen zur Versorgung der Bauelemente auch das mehrschichtige Substrat
durchdringende und die Schichten dieses Substrates zusammenhaltende
Schrauben. Die einzelnen Schichten bestehen aus einem nichtmetallischen
Material, nämlich
aus Silizium.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Halbleitermodul aufzuzeigen, welches bei
hoher Betriebssicherheit eine optimale Kühlung für das verwendete Halbleiterbauelement
(z. B. Halbleiterleistungsbauelement) gewährleistet. Zur Lösung dieser
Aufgabe ist ein Halbleitermodul entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet.
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Das
erfindungsgemäße Halbleitermodul zeichnet
sich u. a. durch eine perfekte Trennung zwischen dem Bereich Kühlung, insbesondere
zwischen der Mikrokühlerstruktur
mit den Anschlüssen
zum Zuführen
und Abführen
des Kühlmediums
und demjenigen Bereich aus, an dem das wenigstens eine Halbleiterbauelement
vorgesehen ist.
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Durch
die Verwendung der Mikrokühlerstruktur
mit hoher Kühlleistung
ist eine kleinvolumige und kompakte Ausbildung des Halbleitermoduls
möglich. Insbesondere
können
großvolumige
Wärmespreizer vermieden
werden. Vielmehr ist die Montage des jeweiligen Halbleiterbauteils
auf einer relativ dünnen Befestigungs-
und Anschlussplatte an einem relativ dünnen, metallischen Montagebereich
möglich,
der preiswert durch eine strukturierte Metallschicht oder -folie
realisierbar ist.
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Durch
den Mikrokühler
lässt sich
auch bei großflächiger Ausbildung
des Kühlers
bzw. des diesen Kühler
bildenden Substrates, speziell auch bei mehreren auf diesem Substrat
vorgesehenen Halbleiterbauelementen eine sehr gleichmäßige Kühlwirkung
für sämtliche
Bauelemente erreichen. Als Kühlmedium
eignet sich bei dem erfindungsgemäßen Halbleitermodul übliches
Wasser.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im
Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Halbleiterleistungsmodul
gemäß der Erfindung;
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2 eine
Draufsicht auf die Oberseite des als Mikrokühler ausgeführten Mehrschichtsubstrats des
Moduls der 1;
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3 in
Einzeldarstellung und in Draufsicht eine strukturierte Metall- oder
Metallschicht des Mikrokühlers
der 1 und 2;
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4 in
vergrößerter Teildarstellung
nochmals einen Schnitt durch die Schichten des Mikrokühlers der 1;
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5 und 6 in
Darstellungen ähnlich den 1 und 2 eine
weitere mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Moduls;
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7 in
einer Schnittdarstellung entsprechend 1 eine weitere
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Moduls;
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8 und 9 in
vergrößerter Detaildarstellung
jeweils einen Schnitt durch den Mikrokühler im Bereich eines elektrischen
Anschluss für
die Halbleiterbauelemente bei weiteren möglichen Ausführungsformen
der Erfindung;
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10 in
vergrößerter Darstellung
eine Schraubbefestigung zum Befestigen einer Trag- und Anschlussplatte
eines Halbleiterbauelementes bei dem erfindungsgemäßen Modul;
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11 in
einer Schnittdarstellung ähnlich 1 eine
weitere mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls.
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Das
in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Halbleitermodul
besteht u. a. aus einem plattenförmigen
Mehrschichtsubstrat oder Mikrokühler 2,
aus einem an der Oberseite 2' des
Mikrokühlers 2 vorgesehenen
napfartigen Gehäuse 3,
welches einen parallel oder in etwa parallel zum Mikrokühler 2 angeordneten
und von diesem beabstandeten Gehäuseboden 4 und
eine Gehäusewand 5 aufweist.
Mit dieser bzw. mit dem freien Rand 5' ist das Gehäuse 3 dicht mit der
Oberseite des Mikrokühlers 2 verbunden
ist, so daß ein
von dem Gehäuseboden 4,
dem Rand 5 und der Oberseite 2' begrenzter, nach außen hin
hermetisch abgeschlossener Gehäuseinnenraum 6 gebildet
ist. In diesem Gehäuseinnenraum 6 sind
bei dem Halbleitermodul 1 zwei Leistungs-Halbleiterbauelemente 7 vorgesehen,
und zwar in Form von Laserdiodenbarren mit jeweils mehreren aktiven
Bereichen oder Laserdioden.
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Für die Strom-
bzw. Spannungsversorgung der Halbleiterbauelemente 7, die
bei der dargestellten Ausführungsform
in Serie geschaltet sind, sind zwei elektrische Anschlüsse 8 und 9 vorgesehen,
die isoliert durch den Mikrokühler 2 hindurchgeführt sind und über die
dem Gehäuse 3 abgewandte
Unterseite 2'' des Mikrokühlers 2 herausgeführt sind.
Die Unterseite 2'' bildet auch
die Unterseite 10 des Halbleitermoduls 1. Mit 10 ist
ein weiterer, ebenfalls elektrisch isoliert durch den Mikrokühler 2 hindurchgeführter Anschluß angedeutet,
der z. B. ein Meßkontakt
ist.
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Der
Mikrokühler 2 ist
mehrschichtig aufgebaut, d. h. er besteht aus einer Vielzahl von
Schichten. Hinsichtlich der Art und Anordnung dieser Schichten ist
der Mikrokühler 2 bei
dieser Ausführungsform
symmetrisch zu einer gedachten Mittelebene M ausgebildet, die parallel
zu der Oberseite 2' und
der Unterseite 2'' liegt. In diesem
Sinne weist der Mikrokühler 2 bei
der dargestellten Ausführungsform ausgehend
von der Oberseite 2',
aber auch ausgehend von der Unterseite 2'' jeweils
eine äußere Metallschicht 11,
daran anschließend
eine Keramikschicht 12 und daran anschließend eine
weitere Metallschicht 13 auf. Zwischen den Metallschichten 13 an
der Oberseite 2' bzw.
Unterseite 2'' ist der von
einem Kühlmedium,
vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmedium,
z. B. von Wasser durchströmte
Bereich 14 (Mikrokühlerstruktur)
des Mikrokühlers 2 gebildet. Dieser
Bereich besteht aus mehreren strukturierten Metallschichten 15 (hierzu
auch 3), die durch ihre Strukturierung dreidimensional
sich verzweigende Kanäle
für das
Kühlmedium
bilden. Die Strukturierung der Metallschichten 15 ist weiterhin
so gewählt, daß diese
Metallschichten 15 durchgehende, vom Kühlmedium ebenfalls umströmte Pfosten 16 (4) zwischen
den innen liegenden Metallschichten 13 bilden, wie diese
mit 16 in der 4 angedeutet ist. Zur Strukturierung
der Metallschichten 15 eignen sich unterschiedlichste Verfahren,
u. a. Ätzverfahren,
Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Stanzen usw.
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Die
Metallschichten 11, 13 und 15 weisen
bei der dargestellten Ausführungsform
jeweils die gleiche Dicke auf. An der Unterseite 2'' sind zwei Anschlüsse 17 und 18 vorgesehen,
und zwar zum Zuführen
und zum Abführen
des Kühlmediums
in den Bereich 14 bzw. aus diesem Bereich. Die einzelnen Schichten 11, 12, 13 und 15 sind
mit Hilfe der DCB-Technik vollflächig
miteinander verbunden.
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Ein
derartiger Mikrokühler
weist bei geringem Bauvolumen eine extrem hohe Kühlleistung auf, zumal die innere,
vom Kühlmedium
umströmte
Kühlfläche des
Bereichs 14 um ein Vielfaches größer ist als die äußere Kühlfläche, d.
h. die an der Oberseite 2' gebildete
Kühlfläche zum
Kühlen
der Halbleiterbauelemente 7. Durch die Pfosten 16 weist
der Mikrokühler 2 eine
hohe Stabilität
gegen ein Verwölben seiner
Oberseite 2' auf,
insbesondere auch bei Temperaturänderungen
und/oder Druckänderungen
im Mikrokühler 2.
Durch den in Bezug auf die Mittelebene M symmetrischen Aufbau des
Mikrokühlers 2 ist weiterhin
wirksam verhindert, daß sich
dieser Mikrokühler
bei Temperaturschwankungen insgesamt verformt bzw. verwölbt (Bimetall-Effekt).
Diese thermische Festigkeit wird auch durch das Gehäuse 3 noch verstärkt.
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Wie
die 2 zeigt, ist die Metallschicht 11 an
der Oberseite 2' so
strukturiert, daß dort
zwei Inseln oder Montagebereiche 11' gebildet sind, die bei der dargestellten
Ausführungsform
eine quadratische Formgebung aufweisen und elektrisch voneinander sowie
auch von dem Rest dieser Metallschicht 11 getrennt sind.
Auf jedem Bereich 11' ist
eine Trag- oder Anschlußplatte 19 aus
einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer befestigt,
auf der dann auch das jeweilige Halbleiterbauelement 7 in geeigneter
Weise, beispielsweise durch Auflöten
befestigt ist. Die Tragplatte 19 besitzt einen Zuschnitt, dessen
Abmessungen gleich oder geringfügig
kleiner sind als die Abmessungen des Bereichs 11. Über Draht-Bonds
oder andere interne Anschlüsse 20 und 21 sind
die Halbleiterbauelemente 7 mit den äußeren Anschlüssen 8 bzw. 9 sowie
auch miteinander verbunden.
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Für die elektrisch
isolierte Durchführung
der aus elektrisch leitendem Material bestehenden Anschlüsse 8–10 sind
im Mikrokühler 2 bzw.
in dessen Schichten 11– 13 und 15 sich
deckende Bohrungen 22 vorgesehen, in jede Bohrung 22 ist
ein hülsenförmiger Einsatz 23 aus
einem elektrisch isolierenden Material beispielsweise Keramik eingesetzt
und in geeigneter Weise befestigt, in dem dann auch der jeweilige
Anschluß 8–10 so
gehalten ist, daß jeder
Anschluß über die
Oberseite 2' und
die Unterseite 2'' vorsteht. Die
Bohrungen 22 sind außerhalb
der Strukturierung bzw. Öffnungen
in den Metallschichten 15 vorgesehen. Die Befestigung der
Einsätze 23 im
Mikrokühler 2 erfolgt
beispielsweise ebenfalls mit Hilfe der DCB-Technik oder aber auf
andere, geeignete Weise.
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Für den Lichtaustritt
des von den als Laserdioden ausgeführten Halbleiterbauelementen 7 austretenden
Laserlicht ist in der Gehäusewand 5 ein
Fenster 24 vorgesehen, dessen Fensteröffnung durch ein Glas verschlossen
ist, so daß zwar
ein Lichtaustritt möglich,
aber der Gebäudeinnenraum 6 aber
auch im Bereich des Fensters 24 hermetisch verschlossen ist.
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Das
Gehäuse 3 ist
beispielsweise ebenfalls aus Metall gefertigt. Grundsätzlich besteht
auch die Möglichkeit,
dieses Gehäuse
aus einem temperaturbeständigen
Kunststoff, vorzugsweise mit einer Beschichtung aus Metall zu fertigen.
Auch die Herstellung aus Keramik ist denkbar. Die Verbindung zwischen
dem Gehäuse 3 und
dem Mikrokühler 2 kann auf
unterschiedlichste Weise realisiert werden, beispielsweise durch
Schweißen,
Löten sowie
Kleben.
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Wesentliche
Vorteile des Halbleitermoduls 1 sind u. a.:
- – Kleinvolumige
Bauform bei optimaler Kühlung durch
den Mikrokühler 2,
wobei insbesondere auch große
bzw. großvolumige
Wärmespreizer vermieden
sind;
- – extrem
niedriger Wärmeleitwiderstand
zwischen den zu kühlenden
Halbleiterbauelementen 7 und dem Mikrokühler 2 sowie innerhalb
dieses Kühlers,
insbesondere auch durch die Verwendung der DCB-Technik, so daß niedrige
Arbeitstemperaturen der Halbleiterbauelemente 7 erreicht
werden;
- – Möglichkeit
einer dichten Anordnung der Halbleiterbauelemente 7 durch
gleichmäßige und
wirksame Kühlung;
- – stabile
Arbeitstemperatur für
die Halbleiterbauelemente 7 durch effektive Kühlung;
- – vollständige Trennung
der Halbleiterbauelemente 7 bzw. des Gehäuseinnenraumes 6 insbesondere
durch durchgehende Schichten 11–13 von der Mikrokühlerstruktur
und der an der Unterseite 2' vorgesehenen
Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums
(Anschlüsse 17 und 18);
- – hermetischer,
insbesondere auch gasdichter Abschluß des die Halbleiterbauelemente 7 enthaltenden
Gehäuseinnenraumes 6;
- – Potentialfreiheit
des Gehäuses 3 und
des Mikrokühlers 2 insbesondere
auch durch die isolierte Durchführung
der Anschlüsse 8–10 sowie
durch die Anordnung der Halbleiterbauelemente 7 bzw. deren
Tragplatten 19 auf den isolierten Bereichen 11', so daß insbesondere
eine Serienschaltung der Halbleiterbauelemente 7 möglich ist.
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Die 5 und 6 zeigen
in Darstellungen ähnlich
den 1 und 2 als weitere mögliche Ausführungsform
der Erfindung ein Halbleitermodul 1a, welches sich von
dem Halbleitermodul 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet,
daß anstelle
des Mikrokühlers 2 der
Mikrokühler 2a vorgesehen
ist, und zwar bestehend aus den Metallschichten 13 und 15,
die wiederum mit Hilfe der DCB-Technik miteinander flächig verbunden
sind. Die Oberseite 2a' des
Mikrokühlers 2a ist
von der den Schichten 15 abgewandten Oberflächenseite
der oberen Schicht 13 gebildet, die Unterseite 2a'' von der den Schichten 15 abgewandten
Oberflächenseite
der unteren Schicht 13.
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Auf
der Oberseite 2a' sind
mehrere den Bereichen 11' entsprechende
Montagebereiche 11a' vorgesehen,
und zwar jeweils durch eine Keramikschicht 12a elektrisch
von der darunter liegenden Schicht 13 getrennt. Die Keramikschichten 12a besitzen
bei der dargestellten Ausführungsform
in Draufsicht den gleichen Zuschnitt wie der zugehörige, von einer
Metallschicht, beispielsweise Metallschicht gebildete Bereich 11a', wobei die
Abmessungen der Keramikschichten 12a allerdings etwas größer sind als
die Abmessungen des zugehörigen
Bereichs 11a'.
Die Verbindung der Keramikschichten 12a mit der die Oberseite 2a bildenden
Metallschicht 13 sowie die Verbindung des jeweiligen Bereichs 11a' mit der zugehörigen Keramikschicht 12a sind
wiederum mit Hilfe der Direct-Bonding-Technik realisiert. Aus Gründen der
Symmetrie, d. h. zur Erhöhung
der Stabilität
gegen unerwünschtes
Verwölben
des Mikrokühlers 2a bei
Temperaturänderungen
(Bimetalleffekt) können
auch bei diesem Mikrokühler
auf der unteren Metallschicht 13 noch weitere Schichten
vorgesehen sein, und zwar eine Keramikschicht und auf dieser die
weitere Metallschicht, die dann bei dieser Ausführung die Unterseite des Mikrokühlers 2a bildet.
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Die
beiden Halbleiterbauelemente 7, die wiederum Laserdiodenbarren
sind, sind jeweils mit ihrer Tragplatte 19 auf dem zugehörigen Bereich 11a' in geeigneter
Weise befestigt und mit den Drahtbonds oder anderen Inneren Anschlüssen 20 bzw. 21 mit den äußeren Anschlüssen 8 und 9 sowie
untereinander zu einer Serienschaltung verbunden.
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Die 7 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
ein Halbleitermodul 1b, welches sich von dem Halbleitermodul 1a der 4 und 5 im
wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß die jeweilige Trag- und Anschlußplatte 19 nicht
direkt auf dem zugehörigen
Bereich 11a' befestigt
ist, sondern daß zwischen
der Tragplatte 19 und dem Bereich 11a' eine Peltier-Anordnung 25 vorgesehen
ist, die zumindest ein Peltier-Element aufweist. Die zusätzlichen Anschlüsse 10,
die bei der Darstellung der 7 hintereinander
angeordnet sind und von denen daher nur einer sichtbar ist, dienen
zur elektrischen Versorgung der Peltier-Anordnungen 25.
Die Polarität
der Peltier-Elemente ist so gewählt,
daß diese
als Wärmesenke
für die
jeweilige Tragplatte 19 wirken und die von der jeweiligen
Tragplatte 19 bzw. dem jeweiligen Halbleiterbauelement 7 abgegebene
Verlustwärme
an den Mikrokühler 2a weiterleiten.
Durch die Peltier-Anordnungen 25 wird nicht nur eine verbesserte
Kühlwirkung
erreicht, sondern mit diesen Elementen ist es insbesondere auch
möglich,
die Arbeitstemperatur der Halbleiterbauelemente 7 durch
eine weitestgehend verzögerungsfreie
Regelung exakt auf einem vorgegebenen Wert zu halten, und zwar für die Abgabe
von Laserlicht mit einem konstanten Spektrum.
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Die 8 zeigt
in vergrößerter Teildarstellung
nochmals eine Durchführung
bzw. einen Anschluß 26,
wie er anstelle der Anschlüsse 8–10 verwendet
werden kann. Der Anschluß 26 besteht
im wesentlichen aus einem Anschlußbolzen 27 aus einem
elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer. Dieser
Bolzen besitzt einen Abschnitt 27' mit größerem Durchmesser und einen
achsgleich mit dem Abschnitt 27' angeordneten Abschnitt 27'' mit kleinerem Durchmesser.
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Mit
dem Abschnitt 27',
der an seinem freien Ende eine axiale Bohrung 28 mit einem
Innengewinde aufweist und an dem über eine Schraubverbindung
ein äußeres Anschlußkabel angeschlossen werden
kann, bildet den über
die Unterseite 2'' vorstehenden
Teil des elektrischen Anschlusses 26. Mit dem Abschnitt 27'' ist der Anschlußbolzen 27 durch den
Mikrokühler 2 hindurchgeführt und
steht über
die Oberseite 2' dieses
Kühlers
in den Gehäuseinnenraum 6 vor.
Die die Unterseite 2'' bildende Metallschicht,
beispielsweise Metallschicht 11 ist so strukturiert, daß sie im
Bereich des Anschlusses 26 einen von dem übrigen Teil
der Metallschicht 11 elektrisch getrennten Bereich 11'' bildet. In gleicher Weise ist auch
die Metallschicht 11 an der Oberseite 2' des Mikrokühlers 2 strukturiert,
d. h. auch dort ist ein Bereich 11'' gebildet,
der elektrisch von dem übrigen
Teil der Metallschicht 11 getrennt ist. Bei der dargestellten
Ausführungsform
sind die Bereiche 11'' und 11'' kreisförmig ausgeführt.
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Jeder
Bereich 11'' und 11'' ist ebenso wie die sich anschließende Keramikschicht 12 mit
einer Bohrung 29 bzw. 30 versehen. Die deckungsgleich
angeordneten Bohrungen 29 und 30 besitzen jeweils
den gleichen Durchmesser, der dem Außendurchmesser des Abschnittes 27'' entspricht. In den anschließenden Schichten 13 und 15,
die den aktiven Bereich 14 des Mikrokühlers 2 bilden, ist
eine durchgehende Bohrung 31 vorgesehen, und zwar mit einem
Durchmesser größer als
der Außendurchmesser
des Abschnittes 27''. Der den Abschnitt 27'' innerhalb der Bohrung 31 umgebende
Ringraum ist von einer den Abschnitt 27'' umschließenden Hülse 32 aus
einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Keramik
oder Kunststoff ausgefüllt.
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An
dem zwischen den Abschnitten 27' und 27'' gebildeten
Absatz ist der Anschlußbolzen 27 mit dem
Bereich 11'' verbunden,
beispielsweise durch Löten,
durch Direct-Bonden oder auf andere geeignete Weise. Ebenso ist
der Bolzenabschnitt mit dem Bereich 11'' durch
Verlöten
verbunden.
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Die 9 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
einen elektrischen Anschluß 26a,
der ebenso wie der Anschluß 26 beispielsweise
bei dem Halbleitermodul 1 anstelle der Anschlüsse 8–10 verwendbar
ist und der sich vom Anschluß 26 dadurch unterscheidet,
daß anstelle
des Anschlußbolzens 27 ein
Anschlußbolzen 27a verwendet
ist, der insgesamt drei Abschnitte aufweist, und zwar einen in der 9 oberen
Abschnitt 27a',
der über
die Oberseite 2' des
Mikrokühlers 2 in
den Gehäuseinnenraum 6 vorsteht,
daran anschließend
den Abschnitt 27a'' mit einem vergrößerten Durchmesser,
der (Abschnitt) gegen die Oberseite des Bereichs 11'' anliegt und mit diesem beispielsweise
durch Löten
oder Direct-Bonden oder auf andere geeignete Weise verbunden ist, sowie
aus dem Abschnitt 27a'', der durch
den Mikrokühler
hindurchgeführt
ist und über
die Unterseite 2'' des Mikrokühlers vorsteht.
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Der
Anschluß 26a hat
gegenüber
dem Anschluß 26 den
Vorteil, daß mit
der Verbindung des Bolzenabschnitts 27a'' mit
dem Bereich 11'' eine Abdichtung
der Durchführung
des Anschlußbolzens 27a unmittelbar
in der Ebene erfolgt, die auch die Trennebene zwischen dem Gehäuseinnenraum 6 und
der Kühlung
liegt und daß eine
zweite Verbindung des Bolzens 27a mit dem Bereich 11'' nicht notwendig ist.
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Die
in den 8 und 9 dargestellten Anschlüsse 26 und 26a ermöglichen
auch eine direkte Verbindung zu den Anschluß- und Montagebereichen 11' bzw. 11a' ohne die Notwendigkeit
eines inneren Anschlusses 20, und zwar dadurch, daß der Bereich 11'' Teil des Bereichs 11' bzw. 11a' oder aber bei
entsprechender Strukturierung der Metallschicht 11 Teil
eines mit dem Bereich 11' verbundenen
Leiters ist.
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Bei
den Anschlüssen 26 und 26a ist
es weiterhin auch möglich,
auf die dortigen Hülsen 32 zu verzichten.
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Aus
Fertigungsgründen
kann es zweckmäßig sein,
die auf ihrer jeweiligen Anschluß- und Tragplatte 19 montierten
Halbleiterbauelemente 7 durch eine Schraubbefestigung auf
dem Bereich 11' bzw. 11a' zu befestigen.
Diese Befestigung muß dann aber
in der Weise ausgebildet sein, daß trotz einer ausreichenden
Anpreßkraft
der jeweiligen Platte 19 gegen den Bereich 11' bzw. 11a' über die
verwendeten Befestigungselemente (z. B. Schrauben) und die zugehörigen Gewinde
keine elektrische Verbindung zu den Metallschichten des Mikrokühlers 2 bzw. 2a besteht.
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Die 10 zeigt
eine mögliche
Ausführung für eine Schraubverbindung.
Wesentlicher Bestandteil dieser Verbindung ist ein Muttergewindestück 33 aus
einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus Keramik.
Das Muttergewindestück 33 ist
in einer als Sackbohrung ausgebildeten Ausnehmung 34 angeordnet,
die (Ausnehmung) in einigen Schichten 15 ausgebildet ist,
die auf die obere Schicht 13 des Mikrokühlers 2 bzw. 2a folgen.
Das Muttergewindestück 33 liegt
mit der Achse seines Innengewindes senkrecht zur Ober- bzw. Unterseite
des Mikrokühlers.
Achsgleich mit der Achse des Muttergewindestücks 33 sind in der
Metallschicht 13, der darüber liegenden Keramikschicht 12 und
dem darüber
liegenden Abschnitt 11' bzw. 11a' der Metallschicht 11 Bohrungen 35, 36 und 37 vorgesehen.
Die Bohrungen 35 und 37 weisen einen größeren Durchmesser als
die Bohrung 36 auf, der Durchmesser sämtlicher Bohrungen 35–37 ist
aber kleiner als der Außendurchmesser
des Muttergewindestücks 33 und
größer ist
als der Durchmesser der Gewindebohrung 33' dieses Muttergewindestücks.
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Wie
dargestellt, ist der Außendurchmesser des
Muttergewindestücks 33 kleiner
als der Durchmesser der Ausnehmung 34. Weiterhin ist auch
die axiale Länge
des Muttergewindestücks 33 kleiner
als die Tiefe der Ausnehmung 34, so daß das gegen die Unterseite
der Metallschicht 13 mit einer Stirnseite anliegende und
dort beispielsweise durch Direct-Bonden fixierte Muttergewindestück 33 sowohl von
der Umfangswand der Ausnehmung 34, als auch von dem Boden
dieser Ausnehmung beabstandet ist.
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Angedeutet
ist in der 10 auch eine Befestigungsschraube 38,
mit der die jeweilige Tragplatte 19 auf dem Bereich 11' bzw. 11a' befestigt ist.
Die Schraube 38 greift mit ihrem Schaft in das Gewinde 33' ein und liegt
mit ihrem Kopf gegen die Oberseite der Platte 19 an.
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Die 11 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
ein Halbleitermodul 1c, welches sich von den Halbleitermodulen 1–1b dadurch
unterscheidet, daß keine
durch den Mikrokühler 2 hindurchgeführte Anschlüsse 8–10 bzw. 26 oder 26a vorgesehen
sind, sondern Anschlüsse 39 an
der Oberseite des Halbleitermoduls 1c bzw. des Mikrokühlers 2.
Bei dieser Ausführungsform
ist der Mikrokühler 2c,
der in seinem Aufbau im wesentlichen dem Mikrokühler 2 entspricht,
so ausgeführt,
daß er
an wenigstens zwei einander gegenüberliegenden Seiten über das
Gehäuse 3 vorsteht.
Die Metallschicht 11 ist so strukturiert, daß sie Leiterbahnen 11'' bildet, die bis an den Rand des
Mikrokühlers
reichen, und zwar dort, wo dieser Mikrokühler über das Gehäuse 3 seitlich wegsteht.
Auf der Metallschicht 11 ist eine weitere Keramikschicht 40 und
auf dieser eine weitere Metallschicht 41 vorgesehen. Die
Metallschicht 41, mit der das Gehäuse 3 mit dem freien
Rand der Gehäuseumfangswandung 5 dicht
verbunden ist, bildet durch entsprechende Strukturierung einerseits
Bereiche 41',
die von ihrer Funktion den Bereichen 11' entsprechen, und andererseits
Kontaktflächen 41'', die über die Drahtbonds oder interne
Verbindungen 20 mit den Bauelementen 7 oder deren
Anschluß-
und Tragplatten 19 verbunden sind. Durch Durchkontaktierungen 42 sind
die Bereiche 41 jeweils mit einem Leiter 11'' verbunden, der seinerseits außerhalb
des Gehäuses 3 mit
einem der stiftförmigen
Anschlüsse 39 verbunden
ist, die über
die Oberseite 2c' des
Mikrokühlers 2c wegstehen.
Die Bereiche 41' und 41'' sind wiederum durch entsprechende
Strukturierung der Metallschicht 41 von dem restlichen
Teil dieser Metallschicht elektrisch isoliert.
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Als
Keramikmaterialien eignen sich bei der Erfindung allgemein Al2O3, AlN, BeO, CBN,
Si3N4 und SiC.
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Als
Metall für
die Metallschichten eignet sich Kupfer und Kupferlegierungen, beispielsweise
Kupferwolfram sowie Aluminium und Aluminiumlegierungen.
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Die
Dicke der Schichten 13 und 15 liegt beispielsweise
in der Größenordnung
zwischen 200 bis 1000 μm.
Die übrigen
Schichten besitzen beispielsweise eine Dicke von 200 bis 600 μm, wobei
die Dicke der Trag- oder Kontaktplatten 19 beispielsweise wesentlich
größer ist
als die Dicke der zugehörigen Kontaktbereiche 11', 11a' bzw. 41'.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an verschiedenen Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche weitere Änderungen
sowie Abwandlungen möglich
sind, ohne daß dadurch der
der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
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So
ist es beispielsweise möglich,
am Gehäuse 3 eine
oder mehrere als isolierte Durchführungen ausgebildete Anschlüsse vorzusehen,
wie dies beispielsweise in der
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1 für den dortigen
Anschluß 43 gezeigt ist,
der unter Verwendung einer aus Glas bestehenden Isolierung 44 durch
die Gehäusewand 5 hindurchgeführt ist.
Der Anschluß 43 dient
beispielsweise als Logikanschluß oder
als Anschluß für Steuersignale
und ist im Gehäuseinnenraum über eine
Verbindung 45 mit einem Halbleiterbauelement 7,
beispielsweise mit einem Steueranschluß oder Gate dieses Bauelementes
verbunden. Bei dieser Ausführung
ist das Gehäuse 3 bevorzugt
zweiteilig ausgebildet, und zwar bestehend aus der rahmenartigen
Gehäuseumfangswand 5 und
dem Gehäuseboden 4, der
in geeigneter Weise, beispielsweise durch Rollschweißen dicht
mit der Gehäusewand 5 verbunden ist.
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- 1,
1a, 1b, 1c
- Halbleitermodul
- 2,
2a, 2c
- Mikrokühler
- 2', 2a', 2c'
- Mikrokühleroberseite
- 2'', 2a'', 2c''
- Mikrokühlerunterseite
- 3
- Gehäuse
- 4
- Gehäuseboden
- 5
- Gehäuseumfangswand
- 5'
- Gehäuserand
- 6
- Gehäuseinnenraum
- 7
- Halbleiterbauelement
bzw. Laserdiode
- 8–10
- interne
elektrische Verbindung
- 11
- Metallschicht
- 11', 11'', 11'''
- Bereich
- 11''
- Anschluß-Leiterbahn
- 11a'
- Bereich
- 12,
12a
- Keramikschicht
- 13
- Metallschicht
- 14
- Strukturierter
Bereich des Mikrokühlers
- 15
- Strukturierte
Metallschicht
- 16
- Pfosten
- 17,
18
- Anschluß für Kühlmediumvorlauf und
-rücklauf
- 19
- Halte-
und Anschlußplatte
- 20/21
- interne
Verbindung
- 22
- Bohrung
- 23
- Einsatz
aus isolierendem Material, beispielsweise Keramik
- 24
- Austrittsfenster
für Laserlicht
- 25
- Peltieranordnung
- 26,
26a
- elektrischer
Anschluß
- 27,
27a
- Anschlußbolzen
- 27', 27'', 27a'
- Bolzenabschnitt
- 27a'', 27a'''
- Bolzenabschnitt
- 28
- Gewindebohrung
- 29–31
- Bohrung
- 32
- Hülse
- 33
- Muttergewindestück aus isolierendem
Material, vorzugsweise Keramik
- 33'
- Gewindebohrung
- 34
- Ausnehmung
- 35–37
- Bohrung
- 38
- Befestigungsschraube
- 39
- Anschlußbolzen
- 40
- Keramikschicht
- 41
- Metallschicht
- 41', 41''
- Bereich
- 42
- Durchkontaktierung
- 43
- Anschluß
- 44
- isolierte
Durchführung
für Anschluß 43
- 45
- interne
Verbindung