DE19956565B4 - Method for producing a heat sink for electrical components - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Wärmesenke (1, 19) für elektrische Bauelemente (2), insbesondere für Laserdioden oder Laserdiodenbarren, wobei die Wärmesenke aus wenigstens zwei Keramikschichten (3) und mehreren Metallschichten (4–7; 5a, 6a) besteht, wobei zumindest die Keramikschichten (3) mit den jeweils angrenzenden Metallschichten durch ein Direct-Bonding-Verfahren miteinander verbunden sind, und wobei in die Keramikschichten (3) und Metallschichten Öffnungen zur Bildung von Kanälen (8, 9) zum Zuführen und/oder Abführen eines Kühlmediums sowie auch von dem Kühlmedium durchströmbare Kühlstrukturen (14–17) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei DCB-Substrate (1a, 1b) separat hergestellt werden, die an einer Keramikschicht (3) beidseitig mit einer Metallisierung (4–7; 5a, 6a) versehen sowie hinsichtlich Schichtfolge und Schichtdicke der Metallisierungen symmetrisch ausgeführt sind und die mit die Kühlmediumkanäle (8, 9) bildenden Öffnungen (10–13) versehen sind, dass zumindest eines der DCB-Substrate an wenigstens einer Metallisierung zur Bildung der Kühlstrukturen (14–17) derart strukturiert wird, dass das Metall der jeweiligen Metallisierung nicht vollständig entfernt...method for producing a heat sink (1, 19) for electrical components (2), in particular for laser diodes or laser diode bars, the heat sink of at least two ceramic layers (3) and a plurality of metal layers (4-7; 5a, 6a), wherein at least the ceramic layers (3) with the each adjacent metal layers by a direct-bonding process are interconnected, and wherein in the ceramic layers (3) and metal layers openings for the formation of channels (8, 9) for feeding and / or discharging a cooling medium as well as by the cooling medium flow-through cooling structures (14-17) are introduced, characterized in that at least two DCB substrates (1a, 1b) are produced separately, on a ceramic layer (3) provided on both sides with a metallization (4-7, 5a, 6a) and in terms of layer sequence and layer thickness of the metallizations symmetrical executed are and which with the cooling medium channels (8, 9) forming openings (10-13) provided in that at least one of the DCB substrates is attached to at least one of the DCB substrates Metallization to form the cooling structures (14-17) is structured such that the metal of the respective metallization not completely away...

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.The The invention relates to a method according to the preamble of the patent claim 1.

Bekannt ist es, die zum Herstellen von Leiterbahnen, Anschlüssen usw. benötigte Metallisierung auf einer Keramik, z.B. auf einer Aluminium-Oxid-Keramik oder Aluminium-Nitrid-Keramik mit Hilfe des sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) herzustellen, und zwar unter Verwendung von die Metallisierung bildenden Metall- bzw. Kupferfolien oder Metall- bzw. Kupferblechen, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug, (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z.B. Kupfers), so dass durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.It is known to metallise on a ceramic, for example on an aluminum oxide ceramic or aluminum nitride ceramic using the so-called "DCB process" (Direct-Copper-Bond Technology ), using metallization or copper foils or metal or copper sheets having on their surface sides a layer or coating (reflow layer) of a chemical compound of the metal and a reactive gas, preferably oxygen In this example, in the US-PS 37 44 120 or in DE-PS 23 19 854 described method, this layer or coating, (fusing layer) forms a eutectic having a melting temperature below the melting temperature of the metal (eg copper), so that by placing the film on the ceramic and by heating all layers These can be connected to each other, by melting the metal or copper substantially only in the region of the reflow layer or oxide layer.

Dieses DCB-Verfahren weist dann z.B. folgende Verfahrensschritte auf:

  • – Oxidieren einer Kupferfolie derart, dass sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
  • – Auflegen der Kupferfolie auf die Keramikschicht;
  • – Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z.B. auf ca. 1071°C;
  • – Abkühlen auf Raumtemperatur.
This DCB method then has, for example, the following method steps:
  • - Oxidizing a copper foil such that a uniform copper oxide layer results;
  • - placing the copper foil on the ceramic layer;
  • - Heating the composite to a process temperature between about 1025 to 1083 ° C, for example to about 1071 ° C;
  • - Cool to room temperature.

Grundsätzlich kann dieses Verfahren (als Direct Bonding Verfahren) auch bei Metallisierungen aus anderen Metallen angewendet werden.Basically This method (as a direct bonding method) also in metallization other metals are used.

Ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Keramiksubstrat wird im Sinne der Erfindung als „DCB-Substrat" bezeichnet, und zwar auch dann, wenn die Metallisierungen nicht aus Kupfer bestehen.One is produced by such a method ceramic substrate referred to as "DCB substrate" for the purposes of the invention, and even if the metallizations do not consist of copper.

Bekannt sind ferner mit Wasser gekühlte Wärmesenken zum Kühlen von elektrischen Bauelementen, insbesondere auch von Laserdioden. In der Praxis bestehen diese Wärmesenken aus Metall, beispielsweise Kupfer, und sind beispielsweise durch Bonden bzw. flächiges Verbinden von strukturierten Kupferplatten oder Folien, die eine Dicke von einigen 100 mμ aufweisen hergestellt. Die Strukturen der Kupferfolien sind dabei so gewählt, dass sich ein verzweigtes Kanalsystem (Kühlerstrukturen) ergibt, welches von dem Kühlmedium durchströmt wird.Known are also water cooled heat sinks for cooling of electrical components, in particular of laser diodes. In practice, these heat sinks exist made of metal, for example copper, and are for example by bonding or areal Joining structured copper plates or foils that have a Thickness of some 100 mμ have produced. The structures of the copper foils are chosen so that a branched channel system (cooler structures) results, which from the cooling medium flows through becomes.

Diese Wärmesenken können dann auch gestapelt in einer Kühleranordnung vorgesehen sein, wobei auf jeder Wärmesenke wenigstens ein Bauelement, z.B. eine Laserdiode oder ein Laserdiodenbarren angeordnet ist. Über durch die Wärmesenken hindurchreichende Kanäle sind die einzelnen Kühlerstrukturen an den Kreislauf des Kühlmediums angeschlossen und werden parallel mit diesem versorgt.These heat sinks can then also stacked in a cooler arrangement be provided, wherein on each heat sink at least one component, e.g. a laser diode or a laser diode bar is arranged. Over through passing through the heat sinks channels are the individual cooler structures to the circuit of the cooling medium connected and are supplied in parallel with this.

Ein gewisser Nachteil besteht bei diesen Wärmesenken aus reinem Metall darin, dass eine erhebliche Abweichung zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Wärmesenke und Halbleiter- oder Chipmaterial (z.B. GaAs) besteht. Hierdurch kommt es insbesondere im Verlauf von Ein- und Ausschaltzyklen der Laserdioden zu erheblichen mechanischen Spannungen im Chipmaterial bzw. in der Verbindung (insbesondere Lötverbindung) zwischen Chipmaterial und Wärmesenke.One There is a certain disadvantage with these heat sinks of pure metal in that a significant deviation between the thermal expansion coefficient of heat sink and semiconductor or chip material (e.g., GaAs). hereby it comes in particular in the course of on and off cycles of Laser diodes to considerable mechanical stresses in the chip material or in the connection (in particular solder connection) between chip material and heat sink.

Weiterhin ist bereits bekannt (WO 96/26560 A1), die Schichten in solchen Wärmesenken teilweise aus einem Material herzustellen, dessen thermischer-Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der entsprechende Ausdehnungskoeffizient von Metall und das damit eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der gesamten Wärmesenke an das Halbmaterial bewirkt.Farther is already known (WO 96/26560 A1), the layers in such heat sinks partially made of a material whose thermal expansion coefficient smaller than the corresponding coefficient of expansion of metal and thus an adjustment of the thermal expansion coefficient the entire heat sink causes the semi-material.

Die Herstellung dieser bekannten Wärmesenken in der Weise, dass die einzelnen Schichten übereinander gelegt und dann in einem Arbeitsgang miteinander verbunden bzw. gebondet werden, führt insbesondere dann zu erheblichen Problemen, wenn insbesondere feine Kühlerstrukturen angestrebt werden oder notwendig sind. Diese Verfahren erfordert nämlich, dass eine Vielzahl von Einzel-Schichten für das Bonden relativ zueinander exakt ausgerichtet und beim Bonden in dieser exakten Ausrichtung gehalten werden müssen, was insbesondere auch dann problematisch ist, wenn das Bonden während des sogenannten DCB-Prozesses bei hohen Temperaturen erfolgt.The Production of these known heat sinks in the way that the individual layers are superimposed and then be connected or bonded together in one operation, leads in particular then to considerable problems, especially if fine cooler structures be sought or necessary. This method requires that a variety of single layers for bonding relative to each other exactly aligned and when bonding in this exact alignment have to be kept which is particularly problematic if the bonding during the so-called DCB process takes place at high temperatures.

Eine Wärmesenke mit Anpassung des Ausdehungskoeffizenten an das Chipmaterial wird nachstehend als „thermisch angepasste Wärmesenke" bezeichnet.A heat sink with adaptation of the expansion coefficient to the chip material becomes hereinafter referred to as "thermal adapted heat sink ".

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem besonders einfach und preiswerter Weise eine thermisch angepasste Wärmesenke hergestellt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe sind ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.task The invention is to provide a method with the particular simple and inexpensive way a thermally adapted heat sink can be produced. To the solution This object is a method according to the claim 1 formed.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die jeweiligen Wärmesenke durch Verbinden wenigstens zweier DCB-Substrate zu einem Stapel hergestellt, und zwar unter Verwendung einer geeigneten Verbindungstechnik, beispielsweise ebenfalls durch eine Direct-Bonding-Technik oder aber Löttechnik.at the method according to the invention becomes the respective heat sink by connecting at least two DCB substrates to a stack prepared, using a suitable connection technique, For example, also by a direct-bonding technique or but soldering technology.

Keramikschichten sind bevorzugt solche mit hoher Wärmeleitfähigkeit, d.h. z.B. solche aus Aluminiumnitrid. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wärmesenke ist insbesondere in bezug auf das für Laserdioden verwendet Halbleitermaterial (GaAs) optimal thermisch angepasst. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil besteht auch darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Dehnungsunterschiede der einzelnen Teile beim Bonden bzw. Herstellen nicht auftreten, die Wärmesenke hinsichtlich der Schichtfolge und Schichtdicke der Metallisierungen beidseitig von den Keramikschichten symmetrisch ausgeführt ist und somit insbesondere auch keine Verwölbungen der Wärmesenke bei Temperaturschwankungen, beispielsweise bei getaktetem Betrieb der Halbleiterbauelemente auftreten können. Dies ist besonderes wesentlich, wenn die Wärmesenke für Laserdioden verwendet wird, da temperaturbedingte Verwölbungen der Wärmesenke zu nicht erwünschten Strahlabweichungen führen.ceramic layers are preferably those with high thermal conductivity, i. e.g. such Aluminum nitride. The produced by the process according to the invention heat sink is particularly with respect to the semiconductor material used for laser diodes (GaAs) optimally thermally adapted. Another, significant advantage It also consists in that in the method according to the invention strain differences the individual parts do not occur during the bonding or production, the heat sink with regard to the layer sequence and layer thickness of the metallizations Is performed symmetrically on both sides of the ceramic layers and thus in particular no warping of the heat sink with temperature fluctuations, for example in clocked operation the semiconductor devices may occur. This is especially essential when the heat sink for laser diodes is used, since temperature-induced warping of the heat sink too unwanted Beam deviations lead.

Etwaige Beeinträchtigungen dieses symmetrischen Aufbaus, die sich aus der Strukturierung der Metallisierungen für die Kühlstrukturen ergeben, können durch entsprechende Strukturierungen der übrigen Metallisierungen oder durch deren Dimensionierung leicht kompensiert werden.any impairments this symmetrical structure, resulting from the structuring of the metallizations for the cooling structures can surrender by appropriate structuring of the remaining metallizations or be easily compensated by their dimensioning.

Da die Keramikschichten nicht leitend sind, kann es zweckmäßig sein, in jeder Keramikschicht wenigstens eine Durchkontaktierung vorzusehen, über die die Metallisierungen miteinander verbunden sind, um so einen Stromfluss zwischen Oberseite und Unterseite der jeweiligen Wärmesenke und damit auch zwischen den Wärmesenken einer mehrere solche Wärmesenken im Stapel enthaltenen Kühleranordnung zu ermöglichen. Über die Durchkontaktierungen sind dann beispielsweise sämtliche Metallschichten oder Metallisierungen der Wärmesenke elektrisch miteinander verbunden. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, die Durchkontaktierungen bei entsprechender Sturkturierung der Metallisierung so auszuführen, dass zwar die äußeren Metallisierungen elektrisch miteinander verbunden sind, die zwischen den beiden äußeren Keramikschichten angeordneten Metallisierungen aber zumindest an ihren die Kühlkanäle oder Strukturen sowie die Kanäle zum Zuführen und Abführen des Kühlmediums bildenden Bereichen elektrisch von den äußeren Metallisierungen getrennt sind.There the ceramic layers are not conductive, it may be appropriate to provide in each ceramic layer at least one via, over which the metallizations are connected to each other, so a current flow between the top and bottom of each heat sink and therefore also between the heat sinks one of several such heat sinks in the stack contained cooler assembly to enable. About the Through holes are then, for example, all metal layers or Metallizations of the heat sink electrically connected with each other. in principle but it is also possible the vias with appropriate sturcture of the metallization to do so that while the outer metallizations electrically connected to each other, which are arranged between the two outer ceramic layers Metallizations but at least at their the cooling channels or structures and the channels for feeding and discharge of the cooling medium forming areas electrically separated from the outer metallizations are.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:further developments The invention are the subject of the dependent claims. The invention is in The following explained with reference to the figures of exemplary embodiments. It demonstrate:

1 in vereinfachter perspektivischer Darstellung eine Mikrokanal-Wärmesenke hergestellt mit dem Verfahren gemäß der Erfindung; 1 in a simplified perspective view of a microchannel heat sink produced by the method according to the invention;

2 die Wärmesenke in Seitenansicht sowie teilweise im Schnitt; 2 the heat sink in side view and partly in section;

3 eine Draufsicht auf die Wärmesenke der 1 und 2; 3 a plan view of the heat sink of 1 and 2 ;

4 und 5 jeweils eine eine Zwischenschicht der Wärmesenke der 1 und 2 bildende strukturierte Metallisierung in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen; 4 and 5 one each an intermediate layer of the heat sink of the 1 and 2 forming structured metallization in two different embodiments;

6 in vereinfachter perspektivischer Darstellung zwei DCB-Substrate vor ihrer Verbindung zu der Wärmesenke der 1 und 2; 6 in a simplified perspective view of two DCB substrates before their connection to the heat sink of 1 and 2 ;

7 in einer Darstellung ähnlich 2 eine weitere Ausführungsform einer mit dem erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Mikrokanal-Wärmesenke. 7 similar in a presentation 2 a further embodiment of a microchannel heat sink produced by the method according to the invention.

Die in den 1–6 allgemein mit 1 bezeichnete Mikrokanal-Wärmesenke dient zum Kühlen von elektrischen Leistungsbauelementen 2, beispielsweise zum Kühlen von Laser-Dioden oder Laserdiodenbarren mit einer Vielzahl von Laserlicht aussendenden Emittern. Dieses Halbleiterbauelement 2 ist bei der dargestellten Ausführungsform an der Oberseite der Wärmesenke 1 vorgesehen, und zwar in der Nähe einer Schmalseite der in Draufsicht rechteckförmigen Wärmesenke.The in the 1 - 6 generally with 1 designated micro-channel heat sink is used for cooling of electrical power devices 2 For example, for cooling laser diodes or laser diode bars with a plurality of laser emitting emitters. This semiconductor device 2 is in the illustrated embodiment at the top of the heat sink 1 provided, in the vicinity of a narrow side of the rectangular heat sink in plan view.

Die Wärmesenke 1 besteht aus zwei DCB-Substraten 1a und 1b. Jedes DCB-Substrat 1a bzw. 1b besteht aus einer dünnen Keramikplatte oder Keramikschicht 3, beispielsweise aus einer Schicht 3 aus einer Aluminiumnitrid-Keramik. Die Keramikschicht 3 ist beidseitig mit einer Metallisierung versehen, und zwar die Keramikschicht 3 des DCB-Substrates 1a mit den Metallisierungen 4 und 5 und die Keramikschicht 3 des Substrates 1b mit den beiden Metallisierungen 6 und 7. Die Metallisierungen bestehen jeweils aus einer Metallfolie, die durch die Direct-Bonding-Technik flächig mit der zugehörigen Keramikschicht 3 verbunden ist. Bevorzugt sind die Metallisierungen 4–7 von Kupferfolien gebildet, die dann mit der DCB-Technik (Direct-Copper-Bonding) flächig mit der zugehörigen Keramikschicht 3 verbunden sind.The heat sink 1 consists of two DCB substrates 1a and 1b , Each DCB substrate 1a respectively. 1b consists of a thin ceramic plate or ceramic layer 3 , for example, from a layer 3 from an aluminum nitride ceramic. The ceramic layer 3 is provided on both sides with a metallization, namely the ceramic layer 3 of the DCB substrate 1a with the metallizations 4 and 5 and the ceramic layer 3 of the substrate 1b with the two metallizations 6 and 7 , The metallizations each consist of a metal foil which, by means of the direct bonding technique, is planar with the associated ceramic layer 3 connected is. The metallizations are preferred 4 - 7 formed by copper foils, which then with the DCB technology (direct copper bonding) surface with the associated ceramic layer 3 are connected.

Wie in der 2 dargestellt ist, schließen die beiden DCB-Substrate 1a und 1b an den Metallisierungen 5 und 6 stapelartig aneinander an, d.h. auch diese Metallisierungen 5 und 6 sind an ihren einander zugewandten Oberflächenseiten flächig und dicht miteinander verbunden, beispielsweise ebenfalls unter Verwendung der DCB-Technik oder aber einer anderen, dem Fachmann bekannten Technik, beispielsweise durch Löten usw..Like in the 2 shown, close the two DCB substrates 1a and 1b at the metallizations 5 and 6 stacked together, ie also these metallizations 5 and 6 are connected flatly and tightly to one another on their mutually facing surface sides, for example likewise using the DCB technique or another technique known to the person skilled in the art, for example by soldering etc.

Bei der dargestellten Ausführungsform bildet das Substrat 1a bzw. dessen Metallisierung 4 die Oberseite der Wärmesenke 1. Auf einer durch Strukturierung der Metallisierung 4 geschaffenen Kontakt- und Montagefläche ist das Bauelement 2 beispielsweise durch Auflöten befestigt.In the illustrated embodiment, the substrate forms 1a or its metallization 4 the top of the heat sink 1 , On one by structuring the metallization 4 created contact and mounting surface is the device 2 attached for example by soldering.

Die Wärmesenke 1 wird beispielsweise in einer Kühleranordnung zusammen mit mehreren gleichartigen Wärmesenken in einem Stapel verwendet. Zum Zuführen und Abführen eines Kühlmediums in die bzw. aus der Wärmesenke 1 sind dort zwei mit ihren Achsen senkrecht zu den Oberflächenseiten der Keramikschichten 3 und der Metallisierungen 4–7 orientierte Kanäle vorgesehen, die bei der dargestellten Ausführungsform durchgehend ausgebildet sind, d.h. sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Wärmesenke 1 offen sind, so daß die Wärmesenke in der vorbeschriebenen Weise im Stapel mit mehreren gleichartigen Wärmesenken verwendet werden kann.The heat sink 1 For example, it is used in a cooler assembly along with multiple similar heat sinks in a stack. For supplying and discharging a cooling medium into and out of the heat sink 1 There are two with their axes perpendicular to the surface sides of the ceramic layers 3 and the metallizations 4 - 7 provided oriented channels, which are formed continuously in the illustrated embodiment, ie, both at the top and at the bottom of the heat sink 1 are open, so that the heat sink can be used in the manner described above in the stack with a plurality of similar heat sinks.

Die Kanäle 8 und 9 sind jeweils von mehreren, deckungsgleich angeordneten Öffnungen in den Keramikschichten 3 und den Metallisierungen 4–7 gebildet, und zwar der Kanal 8 von den Öffnungen 10 in den Metallisierungen 4–7 und den Öffnungen 11 in den Keramikschichten 3 und der Kanal 9 von den Öffnungen 12 in den Metallisierungen 4–7 und den Öffnungen 13 in den Keramikschichten 3. Die in den die Oberseite bzw. Unterseite der Wärmesenke 1 bildenden Metallisierungen 4 und 7 vorgesehenen Öffnungen 10 und 12 sind so strukturiert, daß in diesen Öffnungen Sitze für Dichtungs- oder O-Ringe gebildet sind, die die Kanäle 8 und 9 an den Übergängen zwischen zwei im Stapel benachbarten Wärmesenken 1 bzw. zu einer nicht dargestellten Abschluß- oder Anschlußplatte der Kühlanordnung hin abdichten.The channels 8th and 9 Each of a plurality of congruently arranged openings in the ceramic layers 3 and the metallizations 4 - 7 formed, namely the channel 8th from the openings 10 in the metallizations 4 - 7 and the openings 11 in the ceramic layers 3 and the channel 9 from the openings 12 in the metallizations 4 - 7 and the openings 13 in the ceramic layers 3 , The in the top or bottom of the heat sink 1 forming metallizations 4 and 7 provided openings 10 and 12 are structured so that in these openings seats for sealing or O-rings are formed, which are the channels 8th and 9 at the junctions between two heat sinks adjacent in the stack 1 or seal off to a non-illustrated termination or connection plate of the cooling arrangement.

Wie die 4 und 5 zeigen, sind die Metallisierungen 5 und 6, die zwischen den beiden Keramikschichten 3 vorgesehen sind und daher auch als „Zwischenschicht" bezeichnet werden können, zusätzlich strukturiert, und zwar derart, daß diese Metallisierungen mit den Kanälen 8 und 9 bzw. den Öffnungen 10 und 12 in Verbindung stehende bzw. an diese Kanäle angeschlossene Kühlkanalstrukturen bilden, die von dem Kühlmedium durchströmt werden, und zwar z.B. bei der in der 4 dargestellten Ausführung die beiden Kühlkanalabschnitte 14 und bei der in der 5 dargestellten Ausbildung die Kühlkanalabschnitte 15 und 16, die in die Öffnung 10 bzw. 12 mit einem Ende münden und an ihrem anderen Ende über eine Kühlkanalstruktur 17 miteinander in Verbindung stehen.As the 4 and 5 show are the metallizations 5 and 6 between the two ceramic layers 3 are provided and therefore also referred to as "intermediate layer", additionally structured, in such a way that these metallizations with the channels 8th and 9 or the openings 10 and 12 form in connection or connected to these channels cooling channel structures, which are flowed through by the cooling medium, for example in the in the 4 illustrated embodiment, the two cooling channel sections 14 and at the in the 5 illustrated training the cooling duct sections 15 and 16 in the opening 10 respectively. 12 open at one end and at the other end via a cooling channel structure 17 communicate with each other.

Die Metallisierungen 5 und 6 sind zur Bildung der Kühlkanalabschnitte 14 bzw. 15 und 16 und der Kühlkanalstruktur 17 bei der dargestellten Ausführungsform so strukturiert, daß im Bereich dieser Kühlkanalabschnitte 14–16 und der Kühlkanalstruktur 17 das Metall der jeweiligen Metallisierung 5 bzw. 6 nicht vollständig entfernt ist, d.h. zwischen dem Boden des jeweiligen Kühlkanalabschnitts 14–16 bzw. der Kühlkanalstruktur 17 und der benachbarten Keramikschicht 3 noch das Metall der Metallisierung 5 bzw. 6 mit einer vorgegebenen Schichtdicke vorhanden ist. Die Öffnungen 10 und 12 sind selbstverständlich durch die betreffende Metallisierung 4–7 durchgehend ausgeführt.The metallizations 5 and 6 are to form the cooling channel sections 14 respectively. 15 and 16 and the cooling channel structure 17 structured in the illustrated embodiment, that in the region of these cooling duct sections 14 - 16 and the cooling channel structure 17 the metal of the respective metallization 5 respectively. 6 not completely removed, ie between the bottom of the respective cooling channel section 14 - 16 or the cooling channel structure 17 and the adjacent ceramic layer 3 nor the metal of the metallization 5 respectively. 6 is present with a predetermined layer thickness. The openings 10 and 12 are of course by the metallization in question 4 - 7 executed continuously.

Die Herstellung der Wärmesenke 1 erfolgt derart, daß zunächst die beiden DCB-Substrate 1a und 1b getrennt hergestellt werden, und zwar unter Verwendung von Keramikplatten oder Schichten 3, die bereits mit den Öffnungen 11 und 13 versehen sind. Auf die Keramikschichten 3 werden dann jeweils in einem DCB-Prozeß die Metallisierungen 4 und 5 bzw. 6 und 7 aufgebracht. Anschließend werden in einem vorzugsweise zweistufigen Strukturier-Verfahren die Öffnungen 10 und 12 sowie die Kühlkanalstrukturen eingebracht, d.h. z.B. die Kühlkanalabschnitte 14–16 und die Kühlkanalstruktur 17. Für dieses Strukturieren wird beispielsweise eine Maskierungs- und Ätztechnik verwendet, bei der dann z.B. in einem ersten Schritt die Öffnungen 10 und 12 und in einem zweiten Schritt die Kühlkanalstrukturen 14–16 und 17 erzeugt werden.The production of the heat sink 1 takes place in such a way that first the two DCB substrates 1a and 1b be made separately, using ceramic plates or layers 3 that already with the openings 11 and 13 are provided. On the ceramic layers 3 Then each in a DCB process, the metallizations 4 and 5 respectively. 6 and 7 applied. Subsequently, in a preferably two-stage structuring process, the openings 10 and 12 and introduced the cooling channel structures, ie, for example, the cooling channel sections 14 - 16 and the cooling channel structure 17 , For this structuring, a masking and etching technique is used, for example, in which then, for example, in a first step, the openings 10 and 12 and in a second step, the cooling channel structures 14 - 16 and 17 be generated.

Nach dem Herstellen der beiden DCB-Substrate 1a und 1b werden diese in der 6 angedeuten Weise zusammengeführt und miteinander verbunden, wobei bei der in den 4 und 5 dargestellten Strukturierung die Ausbildung so getroffen ist, daß die Strukturierung der Metallisierungen 5 und 6 jeweils identisch ist und beide Metallisierungen mit ihren Strukturierungen deckungsgleich angeordnet sind, so daß sich die Strukturen in diesen Metallisierungen zu Kühlkanälen und/oder Kühlerstrukturen ergänzen.After making the two DCB substrates 1a and 1b these will be in the 6 merged way and connected together, where in the in the 4 and 5 structuring the formation is made so that the structuring of the metallizations 5 and 6 is identical and both metallizations are arranged congruent with their structuring, so that the structures in these metallizations complement each other to cooling channels and / or radiator structures.

Durch die Keramikschichten 3 sind die äußeren Metallisierungen 4 und 7 von den innenliegenden Metallisierungen 5 und 6 und damit auch voneinander elektrisch getrennt. Dies ist vielfach nicht erwünscht, und zwar insbesondere dann, wenn über die Metallisierungen elektrische Verbindungen zu dem jeweiligen Bauelement 2 notwendig sind. Mit 18 sind Durchkontaktierungen bezeichnet, die bei der Herstellung der DCB-Substrate 1a bzw. 1b z.B. durch Verwendung von in Öffnungen der Keramikschichten 3 eingesetzte Metallkörper erzeugt werden.Through the ceramic layers 3 are the outer metallizations 4 and 7 from the inside metallizations 5 and 6 and thus also electrically separated from each other. This is often undesirable, in particular if, via the metallizations, electrical connections to the respective component 2 necessary. With 18 vias are referred to in the manufacture of the DCB substrates 1a respectively. 1b eg by Use in in openings of the ceramic layers 3 used metal body can be generated.

Die 7 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform eine Wärmesenke 19, die sich von der Wärmesenke 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß zwischen den beiden DCB-Substraten 1a und 1b ein weiteres DCB-Substrat 1c vorgesehen ist, welches ebenfalls aus der Keramikschicht 3 besteht, die an ihren beiden Oberflächenseiten jeweils mit einer strukturierten Metallisierung 5a und 6a versehen ist, die den Metallisierungen 5 und 6 entsprechen.The 7 shows as a further possible embodiment, a heat sink 19 extending from the heat sink 1 essentially differs in that between the two DCB substrates 1a and 1b another DCB substrate 1c is provided, which also from the ceramic layer 3 exists, which at its two surface sides in each case with a structured metallization 5a and 6a which is the metallizations 5 and 6 correspond.

Die Herstellung der Wärmesenke 19 erfolgt in der gleichen Weise, wie dies oben für die Wärmesenke 1 beschrieben wurde, d.h. zunächst werden die einzelnen DCB-Substrate 1a, 1b und 1c gefertigt, und zwar beispielsweise wiederum mit den Öffnungen 11 und 13 in den Keramikschichten 3. Anschließend werden die Metallisierungen in der erforderlichen Weise strukturiert und die DCB-Substrate dann stapelartig miteinander derart verbunden, daß die Metallisierungen 5 und 5a bzw. 6 und 6a dicht aneinander anschließend, flächig miteinander verbunden sind, und zwar selbstverständlich außerhalb der durch die Strukturierung erzeugten Öffnungen, Kühlkanal- und Kühlstrukturabschnitte.The production of the heat sink 19 takes place in the same way as above for the heat sink 1 first, ie the individual DCB substrates 1a . 1b and 1c made, for example, again with the openings 11 and 13 in the ceramic layers 3 , Subsequently, the metallizations are patterned as required and the DCB substrates are then stacked together so that the metallizations 5 and 5a respectively. 6 and 6a adjacent to each other, are connected flat to each other, and of course outside the openings produced by the structuring, cooling duct and cooling structure sections.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es beispielsweise möglich, die Öffnungen 11 und 13 in den Keramikschichten erst nachträglich nach dem Aufbringen der Metallisierungen und nach einem zumindest teilweise Strukturieren dieser Metallisierungen einzubringen, und zwar z.B. durch Laser-Schneiden.The invention has been described above by means of exemplary embodiments. It is understood that numerous changes and modifications are possible without thereby departing from the inventive idea underlying the invention. So it is possible, for example, the openings 11 and 13 in the ceramic layers only after the application of the metallization and after an at least partially structuring of these metallizations introduce, for example by laser cutting.

11
Wärmesenkeheat sink
1a, 1b, 1c1a, 1b, 1c
DCB-SubstratDCB substrate
22
Bauelementmodule
33
Keramikschichtceramic layer
4, 5, 5a4, 5, 5a
Metallisierungmetallization
6, 6a, 76 6a, 7
Metallisierungmetallization
8, 98th, 9
Kanalchannel
10, 1210 12
Öffnung in MetallisierungOpening in metallization
11, 1311 13
Öffnung in KeramikschichtOpening in ceramic layer
14, 15, 1614 15, 16
KühlkanalabschnittCooling duct section
1717
KühlkanalstrukturCooling channel structure
1818
Durchkontaktierungvia
1919
Wärmesenkeheat sink

Claims (7)

Verfahren zum Herstellen einer Wärmesenke (1, 19) für elektrische Bauelemente (2), insbesondere für Laserdioden oder Laserdiodenbarren, wobei die Wärmesenke aus wenigstens zwei Keramikschichten (3) und mehreren Metallschichten (4–7; 5a, 6a) besteht, wobei zumindest die Keramikschichten (3) mit den jeweils angrenzenden Metallschichten durch ein Direct-Bonding-Verfahren miteinander verbunden sind, und wobei in die Keramikschichten (3) und Metallschichten Öffnungen zur Bildung von Kanälen (8, 9) zum Zuführen und/oder Abführen eines Kühlmediums sowie auch von dem Kühlmedium durchströmbare Kühlstrukturen (14–17) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei DCB-Substrate (1a, 1b) separat hergestellt werden, die an einer Keramikschicht (3) beidseitig mit einer Metallisierung (4–7; 5a, 6a) versehen sowie hinsichtlich Schichtfolge und Schichtdicke der Metallisierungen symmetrisch ausgeführt sind und die mit die Kühlmediumkanäle (8, 9) bildenden Öffnungen (10–13) versehen sind, dass zumindest eines der DCB-Substrate an wenigstens einer Metallisierung zur Bildung der Kühlstrukturen (14–17) derart strukturiert wird, dass das Metall der jeweiligen Metallisierung nicht vollständig entfernt wird, und anschließend mit dieser strukturierten Metallisierung flächig mit der Metallisierung eines weiteren DCB-Substrates verbunden wird.Method for producing a heat sink ( 1 . 19 ) for electrical components ( 2 ), in particular for laser diodes or laser diode bars, wherein the heat sink of at least two ceramic layers ( 3 ) and several metal layers ( 4 - 7 ; 5a . 6a ), wherein at least the ceramic layers ( 3 ) are connected to each adjacent metal layers by a direct bonding method, and wherein in the ceramic layers ( 3 ) and metal layers openings for the formation of channels ( 8th . 9 ) for supplying and / or discharging a cooling medium as well as cooling structures through which cooling medium can flow ( 14 - 17 ), characterized in that at least two DCB substrates ( 1a . 1b ), which are attached to a ceramic layer ( 3 ) on both sides with a metallization ( 4 - 7 ; 5a . 6a ) and are designed to be symmetrical in terms of layer sequence and layer thickness of the metallizations and with the cooling medium channels ( 8th . 9 ) forming openings ( 10 - 13 ) that at least one of the DCB substrates on at least one metallization to form the cooling structures ( 14 - 17 ) is structured such that the metal of the respective metallization is not completely removed, and is then connected to this structured metallization surface with the metallization of another DCB substrate. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei DCB-Substrate (1a, 1b, 1c) jeweils an wenigstens einer Metallisierung zur Bildung der Kühlkanalstrukturen strukturiert und mit diesen Metallisierungen flächig miteinander verbunden werden.Method according to claim 1, characterized in that the at least two DCB substrates ( 1a . 1b . 1c ) are each structured on at least one metallization to form the cooling channel structures and connected to one another in a planar manner with these metallizations. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der wenigstens zwei DCB-Substrate (1a, 1b, 1c) durch die Direct-Bonding-Technik erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the joining of the at least two DCB substrates ( 1a . 1b . 1c ) by the direct bonding technique. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der wenigstens zwei DCB-Substrate (1a, 1b, 1c) durch eine Löt-Technik erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the joining of the at least two DCB substrates ( 1a . 1b . 1c ) by a soldering technique. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei DCB-Substrate (1a, 1b, 1c) zu der Wärmesenke (19) über ihre Metallisierungen stapelartig verbunden werden, und dass vor dem Verbinden diese Metallisierungen zumindest teilweise zur Bildung von Kühlkanalstrukturen strukturiert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least three DCB substrates ( 1a . 1b . 1c ) to the heat sink ( 19 ) are stacked via their metallizations, and that prior to bonding, these metallizations are at least partially patterned to form cooling channel structures. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kanäle zum Zuführen und/oder Abführen des Kühlmediums bildenden Öffnungen (10–13) beim Herstellen der DCB-Substrate (1a, 1b, 1c) vor deren Verbindung zu der Wärmesenke erzeugt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the openings forming the channels for supplying and / or discharging the cooling medium ( 10 - 13 ) when preparing the DCB substrates ( 1a, 1b . 1c ) are generated before their connection to the heat sink. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Metallisierungen (4, 7) elektrisch mit einander verbunden werden.Method according to one of the preceding Claims, characterized in that the outer metallizations ( 4 . 7 ) are electrically connected to each other.
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