EP3973602A1 - Adapterelement zum anbinden eines elektronikbauteils an ein kühlkörperelement, system mit einem solchen adapterelement und verfahren zum herstellen eines solchen adapterelements - Google Patents
Adapterelement zum anbinden eines elektronikbauteils an ein kühlkörperelement, system mit einem solchen adapterelement und verfahren zum herstellen eines solchen adapterelementsInfo
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- EP3973602A1 EP3973602A1 EP20725456.6A EP20725456A EP3973602A1 EP 3973602 A1 EP3973602 A1 EP 3973602A1 EP 20725456 A EP20725456 A EP 20725456A EP 3973602 A1 EP3973602 A1 EP 3973602A1
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Definitions
- Adapter element for connecting an electronic component to a heat sink element system with such an adapter element and method for
- the present invention relates to an adapter element for connecting an electronic component to a heat sink element, a system with such an adapter element and a method for producing such an adapter element.
- heat sink elements include, for example, one or more channels through which a cooling liquid is conveyed during operation of the electronics component.
- These heat sink elements are typically provided on the underside of the electronic components.
- the prior art knows such electronic components that have a first connection area and a second connection area, an active element area being formed between the first connection area and the second connection area.
- the active element area is formed by a laser diode or a laser diode chip, and different electrical potentials are to be assigned to the first connection area and the second connection area, so that a voltage drops across the electronic component.
- Adapter elements have proven to be particularly advantageous which have comb-like web elements that protrude perpendicularly from an insulation layer so that in the assembled state the first connection area and / or the second connection area of the system can be arranged on the individual bar elements or on them is connected in each case.
- Such adapter elements are produced by connecting a first metal layer to an insulation layer and then realizing free areas for forming the first bar element and / or the second bar element by means of an etching process.
- the present invention sets itself the task of providing adapter elements that are improved over those from the prior art, in particular with regard to their cooling capacity in the system, which in the assembled state also includes the heat sink element in addition to the electronic component and the adapter element .
- an adapter element for connecting at least one electronic component which has a first connection area, a second connection area and at least one active element area arranged between the first connection area and the second connection area, is provided on a heat sink element, comprising: - An insulation layer that runs along a main plane ver, and
- a distance between two measured in a parallel to the main extension plane between the first bar element and the second bar element is less than 350 pm, preferably a value between 100 pm and 300 pm and particularly preferably a value between 125 and 200 pm.
- the invention provides to realize a smaller distance between the first bar element and the second bar element than is possible, please include with the conventional etching process for adapter elements from the prior art. For this purpose, in particular by means of machining, for example using a saw, in particular a wafer saw, a small distance between the first and the second web element is realized.
- connection surfaces are formed on the end faces of the first web element and / or of the second web element facing away from the insulation layer.
- the claim according to the first web element and the second web element advantageously dimensioned in such a way that an enlarged contact surface or connection surface via which the first web element makes contact with the first connection region and / or the second web element with an intermediate piece or the second connection region is realized.
- the first web element and the second web element preferably protrude from the insulation layer, in particular perpendicularly from the insulation layer, with the end face of the first web element provided for connecting the electronic component facing away from the insulation layer and being provided as a connection surface for the first connection area, for example
- the end face of the second end element that faces away from the insulation layer is used, for example, to connect the second connection area and / or an intermediate piece.
- the first bar element and the second bar element are made from a metal, for example, and the insulation layer is preferably made from a ceramic.
- the insulation layer is designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, each differing in terms of their material composition, are arranged on top of one another and joined together to form an insulation layer to combine various desired properties.
- a highly thermally conductive ceramic is preferably used for the lowest possible thermal resistance.
- the materials for the metal layer are copper, aluminum, molybdenum and / or their alloys, as well as laminates such as CuW, CuMo, CuAI, AICu and / or CuCu, in particular a copper sandwich structure with a first copper layer and a second copper layer, wherein a grain size in the first copper layer differs from a second copper layer, imaginable.
- a width of the first web element, the second web element and / or the third web element is dimensioned such that the width is approximately the 0.5 to 0.95 times, preferably 0.6 to 0.95 times and particularly preferably 0.75 to 0.95 times an extension of that area of the electronic component, for example the first connection area, the second connection area and / or the intermediate piece, which rests on the end face of the corresponding first bar element, the second bar element or the third bar element.
- a width of the first web element, the second web element and / or the third web element is between 0.5 mm and 3.0 mm, preferably between 0.8 mm and 2.50 and particularly preferably between 1.00 and 2, 00 mm.
- first bar element and the second bar element form a comb-like structure in a sectional view of the adapter element and that the individual bar elements, that is, the first bar element and / or the second bar element, are preferably parallel to each other along it in a parallel direction running to the main plane of extent. It is particularly preferably provided that the connection area, the second connection area and / or an intermediate piece are each connected to at least one first web element and / or second web element. It is preferably conceivable that the first connection area, the second connection area and the intermediate piece each to exactly one first web element and / or second Bar element and / or third bar element are connected.
- the distance between the first Stegele element and the second web element is realized at the level of the end face of the first Stegele element and / or second web element. Furthermore, it is conceivable that in addition to the first bar element, the second bar element and / or the third bar element, at least one fourth bar element is provided that remains reoccupied in the assembled state, ie no area is provided on the front side for the electronic component to rest in the assembled state.
- An active element area is preferably that area which is defined by the extent of a functional unit.
- the functional unit is a laser diode and / or a laser diode chip which is intended to emit light and is supplied with a voltage via the first connection area and the second connection area during operation. It is usually provided that the active element area is not the first web element and / or the second
- the active element area is arranged above the free area between the first bar element and the second bar element, preferably essentially in the middle.
- first web element and the second web element are part of a metal layer and / or wherein the first web element and the second web element are flush with one another on the top of the adapter element, i.e. the end face of the first web element and the end face of the second Web elements are arranged at a common height in a direction running perpendicular to the main extension plane.
- the metal layer is assigned a first thickness and the insulation layer is assigned a second thickness.
- the first thickness is measured in a direction running perpendicular to the main extension plane to a value between 0.1 and 2 mm and the second thickness in the same ben direction between 0.15 and 1 mm.
- a so-called residual metal thickness ie a thickness of the solid or closed area of the metal layer, in particular a residual copper thickness, of 0.1 to 0.3 mm is particularly preferably set or implemented.
- the insulation layer has a second thickness between 0.1 and 1.5 mm, preferably between 0.1 and 1 mm and particularly preferably 0.1 and 0.6 mm.
- the heat sink element is provided on the underside of the adapter element, the heat sink element extending essentially parallel to the main direction of extent and comprising at least one cooling channel which is suitable for guiding a cooling fluid essentially parallel to the main plane of extent, so that For example, a cooling liquid can be guided along the insulation layer and thus used to dissipate heat.
- a ratio of an extension of the active element area measured parallel to the main extension plane to the distance measured parallel to the main extension between the first web element and the second web element has a value between 0.7 and 1, preferably a value between 0.85 and 1 and particularly preferably assumes a value of essentially 0.99 ..
- the distance is dimensioned such that a sufficiently large manufacturing tolerance can be ensured when connecting the electronic component to the adapter element, so that there is no need to fear that inadvertently when the electronic component is connected to the adapter element, the active element area comes into contact with the first and / or second web element.
- the active element area in an assembled state, is arranged in a direction running perpendicular to the main extension direction above the free area; in particular, it is provided that the active element area, seen in a direction running parallel to the main extension plane, is between the first web element and the second web element is arranged, is preferably arranged centrally between the first Stegele element and the second web element.
- the free area formed between the first web element and the second web element protrudes into the insulation layer.
- a depth of the free area measured in a direction perpendicular to the main extension plane (viewed from the end face of the first web element), is greater than a first thickness of the metal layer.
- a floor of the open area lies within the insulation layer.
- first bar element and / or the second bar element extends from a first side of the adapter element to a second side opposite the first side of the adapter element.
- first bar element and / or the second bar element preferably extend continuously, along a direction running parallel to the main extension plane, over a complete transverse extent and / or longitudinal extent of the adapter element, ie over the entire width or length.
- Such first and second web elements can be produced comparatively easily, especially when sawing by means of a saw blade, in particular if several future adapter elements are arranged next to one another and then together the Free areas for several adapter elements realized in one sawing process.
- the adapter element does not have a web element which runs transversely and / or perpendicularly to the first and second web element.
- the first connection area is arranged on the first web element and the second connection area is arranged, in particular rests, on the second web element.
- the first bar element is assigned to the first connection area and the second bar element is assigned to the second connection area.
- the distance between the first bar element and the second bar element is designed such that the area with the active element can be bridged with the free area between the first bar element and the second bar element. It is provided in particular that the first bar element and the second bar element are each electrically connected to the first and the second connection area.
- no further bar element or neither the first nor the second bar element is arranged below the active element.
- an area free from web elements is advantageously formed between the insulation layer and the electrical component.
- a free area is formed between the electrical component and the insulation layer.
- a first thickness of the first web element and / or the second web element is greater than a width of the first web element and / or second web element, the width of the first web element and / or the second web element along a distance between tween the first bar element and the second bar element defining direction is to be measured.
- the first bar element and / or the second bar element is advantageously provided with sufficient heat capacity, which proves to be an advantageous buffer for transporting the heat away, especially in overload situations.
- the first thickness is preferably more than 2 times, preferably more than 5 and particularly preferably more than 8 times as large as the width of the first bar element and / or the second bar element.
- first and the second web element form a continuous body, the width of which preferably corresponds essentially to the extension of the first connection area or the second connection area, dimensioned in the same direction. This provides the largest possible and, in particular, continuous contact area.
- the first bar element is arranged directly adjacent to the second bar element, ie the free area between the first bar element and the second bar element, which are each in contact with the first connecting area and the second connecting area, adjoins both the first bar element and the second Bar element. Furthermore, it is preferably provided that, in the assembled state, a single first web element is arranged below the first connection region and / or that in the assembled state a single second web element is arranged under the second connection region.
- the first thickness of the first bar element and / or the second bar element is greater than a thickness of the insulation layer.
- the free area has an aspect ratio between 1 and 25, preferably between 1 and 15 and particularly preferably between 1.5 and 3.
- a plurality of free areas are provided, a distance between two adjacent free areas changing along a direction running parallel to the main extension plane.
- the distances between two adjacent free areas are adapted to the respective dimensioning of the first connection area, the second connection area and / or the intermediate piece, whereby an optimally optimized contact surface can be realized on the respective end faces of the first and / or the second and / or the third web element. This makes it possible to further optimize the overall cooling efficiency of the system.
- Another aspect of the present invention is a system for cooling an electronic component comprising:
- a heat sink element which is connected to the insulation layer on the side facing away from the first and second web elements, the adapter element being arranged between the electronic component and the heat sink element in the mounted state. All of the features and advantages described for the adapter element can be transferred analogously to the system for cooling an electronic component and visa versa.
- the system consists of several adapter elements arranged next to one another.
- the adapter elements are preferably arranged next to one another in such a way that the first web elements of the various adapter elements are arranged in alignment with one another, that is, the individual web elements continue their course over the various adapter elements.
- Another aspect of the present invention is a method for producing an adapter element according to the invention, comprising
- the saw blade is a saw blade that is provided with diamonds and / or comprises a flart metal.
- connection of the metal layer to the insulation layer is implemented using a direct metal connection process or an active soldering process.
- the metallization layer is connected to the insulation layer by means of a DCB method or an active soldering method.
- a direct metal bonding process such as a “DCB process” (Direct Copper Bond Technology) or DAB process (Direct Aluminum Bond Technology), is understood by the person skilled in the art to be such a process which, for example, is used for connecting Metal layers or sheets (e.g. copper sheets or foils) are used with one another and / or with ceramic or ceramic layers, specifically un ter the use of metal or copper sheets or metal or copper foils, which have a layer on their surface sides or have a coating (melting layer).
- this layer or this coating (melting layer) forms a eutectic with a melting temperature below the melting temperature of the metal (e.g. copper), so that through Laying on the foil on the ceramic and by heating all the layers these can be connected to one another, namely by melting the metal or copper essentially only in the area of the melting layer or oxide layer.
- an active soldering process e.g. B. for connecting metal layers or Me tallfolien, in particular also of copper layers or copper foils with ceramic material
- a method is to be understood, which is specifically used for the manufacture of metal-ceramic substrates.
- a connection between a metal foil, for example a copper foil, and a ceramic substrate, for example aluminum nitride ceramic is produced using a hard solder, which in addition to a main component such as copper, silver and / or gold, also contains an active metal.
- This active metal which is, for example, at least one element from the group Hf, Ti, Zr, Nb, Ce, creates a connection between the solder and the ceramic through a chemical reaction, while the connection between the solder and the metal is a metallic brazed connection .
- FIG. 1 shows an adapter element according to the prior art in a plan view
- FIG. 2 shows a method for producing an adapter element according to a preferred embodiment of the present invention
- FIG 3 shows an adapter element according to a preferred embodiment of the present invention.
- FIG. 4 shows an arrangement of several adapter elements according to a preferred embodiment of the present invention.
- FIG. 1 an adapter element 10 for connecting an electronic component 30 to a heat sink element 20 according to the prior art is shown.
- FIG. 1 shows at the top an adapter element 10 in a plan view of a main plane of extent HSE, while at the bottom a sectional view of the system 1 comprising adapter element 10, electronic component 30 and heat sink element 20 in the assembled state is illustrated.
- the electronic component 30, which is connected to the heat sink element 20 via the adapter element 10 or is connected in the assembled state, has a first connection area 31 and a second connection area 32. At least one active element area 5 is provided between the first connection area 31 and the second connection area 32. In the mountable state, the first connection area 31, the second connection area 32 and active element area 5 are arranged next to one another parallel to the main extension plane HSE.
- a further active element area 5 ' is provided in addition to the active element area 5, the active element area 5 and the further active element area 5' being arranged between the first connection area 31 and the second connection area 32 and from one another by an intermediate piece 33 are separated.
- the adapter element 10 has the task of electrically isolating individual areas of the electronic component 30, that is to say the first connection area 31, the second connection area 32 and / or the intermediate piece 33 from one another.
- the adapter element 10 comprises an insulation layer 15 which extends essentially along a main extension plane HSE and which is preferably made from a ceramic.
- At least one first web element 11 and a second web element 12 protrude from the insulation layer 15 in a direction perpendicular to the main extension plane HSE, the first web element 11 and / or the second web element 12 being made of metal.
- the electronics component 30 is arranged on the end faces 18 of the first web element 11 and the second web element 12, in particular connected, with the first connection area 31 preferably being connected to the end face 18 of the first web element 11 and the intermediate piece 33 on the end face 18 of the second Stegele element 12 is connected. It is also provided that the second connection region 32 is connected to a third web element 23.
- the electronic component 30 rests on an upper side OS of the adapter element 10.
- first bar element 11, the second bar element 12 and the third bar element 23 are part of a metal layer 16 that is connected to the insulation layer 15, for example, via a DCB process and / or an active soldering process.
- a cooling element 20 is connected to an underside US of the adapter element 10, that is to say in particular to a side opposite the first web element 11 and the second web element 12.
- a cooling liquid preferably flows through this heat sink element 20, the cooling liquid being introduced via corresponding openings 7 on an upper side OS of the system 1 comprising adapter element 10, electronic component 30 and heat sink element 20 and initially along a stacking direction S parallel to a stacking direction S (in the direction of the Underside US) extending direction is introduced into the heat sink element 20 at one end.
- the cooling liquid preferably flows essentially parallel to the main extension plane HSE in order to flow at another end along the stacking direction S (in the direction of the upper side OS) to the upper side OS of the adapter element 10 in order to pass the adapter element 10 via the opening 7 or to leave system 1 again.
- FIG. 2 shows a method for producing an adapter element 10 according to a preferred embodiment of the present invention.
- the method includes providing a metal layer 16 and an insulation layer 15. After bonding the metal layer 16 to the insulation layer 15, preferably by means of a direct metal process, for example a DCB or DAB process, and / or an active soldering process, it is preferred here provided that free areas 13 are let into the adapter element 10 by saving machining.
- a direct metal process for example a DCB or DAB process
- an active soldering process it is preferred here provided that free areas 13 are let into the adapter element 10 by saving machining.
- a direct metal process for example a DCB or DAB process
- an active soldering process it is preferred here provided that free areas 13 are let into the adapter element 10 by saving machining.
- the free area 13 is implemented in the adapter element 10.
- the free area 13 separates the first bar element 11 from the second bar element 12 in the manufactured adapter element 10.
- the free area 13 extends into the insulation layer 15 by means of the machining.
- a bottom 17 or closure of the free area 13 lies within the insulation layer 15.
- the cooling element 20 is provided on the underside US of the insulation layer 15 or is already connected as soon as the saw blade 9 is used the free area 13 is realized.
- the distance A preferably assumes a value between 100 pm and 300 pm and particularly preferably a value between 125 and 200 pm.
- FIG. 3 shows above an adapter element 10 in a plan view of the plane of extension HSE, while below shows a sectional view of the system 1 comprising adapter element 10, electronic component 30 and heat sink element 20 in the assembled state.
- a first web element 11 or a second web element 12 can be implemented, which provides a larger support surface for the first connection area 31, the intermediate piece 33 and / or the second connection area 32 on its end faces 18.
- the adapter element 10 is composed of a metal layer 16 with a first thickness D1 and an insulation layer 15 with a second thickness D2, the in The free areas 13 embedded in the adapter element 10 have a depth T which is greater than the first thickness D1, so that the individual free areas 13 protrude into the insulation layer.
- a ratio of the second thickness D2 to the first thickness D1 assumes a value between 0.3 and 0.8, preferably between 0.5 and 0.75 and particularly preferably between 0.6 and 0.7.
- a ratio of the first thickness to the depth T assumes a value between 0.6 and 0.95, preferably between 0.7 and 0.9 and particularly preferably between 0.75 and 0.85.
- an extension 51 of the active element area 5 measured parallel to the main plane of extent FISE is designed such that the active element area 5 is arranged above the free area 13 of the adapter element 10.
- the distance A between the first web element 11 and the second web element 12 is dimensioned such that a ratio between the extension 51 of the active element area 5 to the distance A of the first web element 11 and the second web element 12 is between 0.7 and 0.9, preferably a value between 0.75 and 0.85 and particularly preferably a value of essentially 0.8.
- the largest possible contact surface or contact surface for the first connection area 31, the second connection area 32 and / or the intermediate piece 33 can advantageously be realized and at the same time it is possible to ensure that the active element area 5 is arranged above the free area 13, which is comparatively easy to realize can be. It is provided in particular that the active element area 55 does not contact the adapter element 10, in particular not the first web element 11 and / or second web element 12. In other words: in a direction parallel to the main extension plane HSE, the active element area 5 is between the first
- Web element 1 1 and the second web element 12 arranged. Furthermore, it is provided that the comb-like first web elements 11 and / or second web elements 12 extend from a first side S1 of the adapter element 10 to a second side S2 opposite the first side S1. The first bar element 11 and the second bar element 12 run parallel to one another and fill the top OS from one side
- FIG. 4 shows a system 1 for cooling an electronic component 30, in which a plurality of adapter elements 10 are arranged next to one another.
- the adapter elements 10 are arranged next to one another in such a way that the first web element 11 of an adapter element 10 and the first web element 12 of an adjacent adapter element 10 are arranged in alignment with one another. Due to the un indirect arrangement of the individual adapter elements 10 next to one another, in particular in an aligned arrangement with respect to the first Stegele elements 11 and / or second web elements 12, it is advantageously possible to further improve the performance of the heat sink element or the entire system 1 for cooling the electronic component 30.
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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.
Description
Adapterelement zum Anbinden eines Elektronikbauteils an ein Kühlkörperelement, System mit einem solchen Adapterelement und Verfahren zum
Herstellen eines solchen Adapterelements
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Adapterelement zum Anbinden eines Elektro nikbauteils an ein Kühlkörperelement, ein System mit einem solchen Adapterele ment 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 meh rere Kanäle, durch die eine Kühlflüssigkeit während des Betrieb des Elektronik bauteils gefördert wird. Diese Kühlkörperelemente sind typischerweise an der Un terseite der Elektronikbauteile vorgesehen.
Ferner kennt der Stand der Technik solche Elektronikbauteile, die einen ersten Anschlussbereich und einen zweiten Anschlussbereich aufweisen, wobei zwi schen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich ein Akti velementbereich ausgebildet ist. Beispielsweise wird der Aktivelementbereich durch eine Laserdiode bzw. einen Laserdioden-Chip ausgebildet, und dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich sind unterschiedliche elekt rische 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 an zuordnen, wobei das Adapterelement primär dazu dient, den ersten Anschlussbe reich vom zweiten Anschlussbereich elektrisch zu isolieren. Als besonders vorteil haft haben sich solche Adapterelemente erwiesen, die kammartige Stegelemente aufweisen, die senkrecht von einer Isolationsschicht abstehen, sodass im montier ten 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, in dem eine erste Metallschicht an eine Isolationsschicht angebunden wird und an schließend Freibereiche zur Bildung des ersten Stegelements und/oder des zwei ten 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 Tech nik verbessert sind, insbesondere hinsichtlich ihrer Kühlleistungsfähigkeit im Sys tem, das im montierten Zustand neben dem Elektronikbauteil und dem Adapterele ment auch das Kühlkörperelement umfasst.
Diese Aufgabe wird durch ein Adapterelement gemäß Anspruchs 1 , ein System gemäß Anspruchs 13 und ein Verfahren gemäß Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den beiliegen den Figuren, angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Adapterelement zum Anbinden mindestens eines Elektronikbauteils, das einen ersten Anschluss bereich, einen zweiten Anschlussbereich und mindestens einen zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich angeordneten Akti velementbereich aufweist, an einem Kühlkörperelement, vorgesehen, umfassend:
- eine Isolationsschicht, die entlang einer Haupterstreckungsebene ver läuft, und
- mindestens ein erstes Stegelement und ein zweites Stegelement,
-- die in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung unter Ausbildung eines Freibereichs nebeneinander an geordnet sind,
-- die im montierten Zustand in einer senkrecht zur Haupterstre ckungsebene verlaufenden Richtung zwischen der Isolations schicht 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 zwi schen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement kleiner als 350 pm ist, bevorzugt einen Wert zwischen 100 pm und 300 pm und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 125 und 200 pm 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 her kömmlichen Ätzverfahren für Adapterelemente aus dem Stand der Technik mög lich ist. Hierzu wird insbesondere mittels spanender Bearbeitung, beispielsweise unter Verwendung einer Säge, insbesondere einer Wafer - Säge, ein anspruchs gemäß kleiner Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Stegelement reali siert.
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 Stirnsei ten des ersten Stegelements und/oder des zweiten Stegelements aus. Mit ande ren Worten: gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Stegelemen ten 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 o- der 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 anspruchsge mäße 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 bei spielsweise 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 beispiels weise aus einem Metall gefertigt und die Isolationsschicht vorzugweise aus einer Keramik.
Vorzugsweise weist die Isolationsschicht AI2O3, S13N4, AIN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer AI2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an Zΐqi umfasst, beispielsweise AI2O3 mit 9% Zΐqi = HPS9 oder AI2O3 mit 25% Zΐqi = 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 gewünsch ter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu ei ner Isolationsschicht zusammengefügt sind. Vorzugsweise wird eine hochwärme leitfähige 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 Korn größe in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unterscheidet, vorstellbar.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass eine Breite des ersten Stegele ments, des zweiten Stegelements und/oder des dritten Stegelements (gemesse nen parallel zur Abstandsmessung des Abstand zwischen dem ersten Stegele ment 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 Elektro nikbauteils, beispielsweise dem ersten Anschlussbereich dem zweiten Anschluss bereich und/oder dem Zwischenstück, entspricht, der auf der Stirnseite des ent sprechenden ersten Stegelements, des zweiten Stegelements bzw. des dritten Stegelements aufliegt. Beispielsweise bemisst sich eine Breite des ersten Stegele ments, 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 Struk tur bilden und die einzelnen Stegelemente, das heißt das erste Stegelement und/oder das zweite Stegelement, vorzugsweise parallel zueinander längs er streckt 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 be sonders bevorzugt vorgesehen, wenn der Abstand zwischen dem ersten Stegele ment und dem zweiten Stegelement auf Höhe der Stirnseite des ersten Stegele ment 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 Be reich, der durch die Ausdehnung einer funktionellen Einheit definiert ist. Beispiels weise 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. Viel mehr 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 Adapterele ments abschließen, das heißt die Stirnseite des ersten Stegelements und die Stirnseite des zweiten Stegelements sind in einer senkrecht zur Haupterstre ckungsebene 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 dersel-
ben Richtung zwischen 0,15 und 1 mm. Besonders bevorzugt wird eine soge nannte Restmetalldicke, d. h. eine Dicke des massiven bzw. geschlossenen Be reichs 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 er streckt und mindestens einen Kühlkanal umfasst, der geeignet ist, eine Kühlflüs sigkeit 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 Verhält nis einer parallel zur Haupterstreckungsebene bemessenen Ausdehnung des Akti velementbereich zu dem parallel zur Haupterstreckung bemessenen Abstand zwi schen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement einen Wert zwi schen 0,7 und 1 , bevorzugt einen Wert zwischen 0,85 und 1 und besonders bevor zugt 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 Aktivelementbe reichs. Entsprechend groß und thermisch effizient können die Stirnseiten des ers ten und des zweiten Stegelementes als Kontaktflächen ausgebildet werden. Insbe sondere 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 Fertigungstole ranz beim Anbinden des Elektronikbauteils an das Adapterelement gewährleisten werden kann, sodass nicht befürchtet werden muss, dass versehentlich beim An binden 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 Rich tung oberhalb des Freibereichs angeordnet ist, insbesondere ist es vorgesehen, dass der Aktivelementbereich in einer parallel zur Haupterstreckungsebene ver laufenden Richtung gesehen zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement angeordnet ist, vorzugsweise mittig zwischen dem ersten Stegele ment 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 hin einragt. Beispielsweise ist eine Tiefe des Freibereichs, bemessen in einer senk recht 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 Isolations schicht. Dadurch kann die Isolationsfähigkeit des Adapterelements weiter verbes sert 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 hersteilen 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 Adap terelements 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 Säge blatts vergleichsweise einfach hersteilen, insbesondere wenn mehrere zukünftige Adapterelemente nebeneinander angeordnet werden und dann gemeinsam die
Freibereiche für mehrere Adapterelemente in einem Sägevorgang realisiert wer den. Außerdem erweist es sich als vorteilhaft, mehrere solche Adapterelemente nebeneinander anzuordnen, wodurch die Kühlleistungsfähigkeit des Systems wei ter verbessert wird, da auf zusätzlich quer bzw. senkrecht verlaufende Stegele mente verzichtet werden kann. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Adap terelement kein Stegelement aufweist, das quer und/oder senkrecht zum ersten und zweiten Stegelement verläuft.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass im montierten Zustand der erste An schlussbereich auf dem ersten Stegelement und der zweite Anschlussbereich auf dem zweiten Stegelement angeordnet ist, insbesondere aufliegt. Mit anderen Wor ten: das erste Stegelement ist dem ersten Anschlussbereich und das zweite Stegelement ist dem zweiten Anschlussbereich zugeordnet. Entsprechend ist der Abstand zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement derart ausgelegt, dass mit dem Freibereich zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement der Bereich mit dem Aktivelement überbrückt werden kann. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das erste Stegelement und das zweite Stegelement jeweils elektrisch verbunden ist mit dem ersten bzw. dem zweiten Anschlussbereich.
Insbesondere ist unterhalb des Aktivelements kein weiteres Stegelement bzw. we der das erste noch das zweite Stegelement angeordnet. Dadurch bildet sich mit Vorteil ein stegelementfreier Bereich zwischen der Isolationsschicht und dem elektrischen Bauteil aus. Insbesondere ist ein Freibereich zwischen dem elektri schen Bauteil und der Isolationsschicht ausgebildet. Infolgedessen ist es beispiels weise in vorteilhafter Weise möglich, den Anbindungsprozess des elektrischen Bauteils zu vereinfachen, da ein Bauteil zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement nicht berücksichtigt werden muss, insbesondere auf ei nen möglichen Kontakt mit dem Aktivelement.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine erste Dicke des ersten Stegele ments und/oder des zweiten Stegelements größer ist als eine Breite des ersten Stegelements und/oder zweiten Stegelements, wobei die Breite des ersten Stegelements und/oder des zweiten Stegelements entlang einer den Abstand zwi schen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement festlegenden Rich tung zu bemessen ist. Dadurch wird dem ersten Stegelement und/oder dem zwei ten Stegelement in vorteilhafter Weise eine ausreichende Wärmkapazität bereitge stellt, die insbesondere in Überlastsituation sich als vorteilhafter Puffer für den Ab transport der Wärme erweist. Vorzugsweise ist die erste Dicke mehr als 2-mal, be vorzugt mehr als 5 und besonders bevorzugt mehr als 8 mal so groß wie die Breite des ersten Stegelements und/oder des zweiten Stegelements.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass im montierten Zustand ein einzelnes erstes Stegelement unterhalb des ersten Anschlussbereichs angeordnet ist und/oder im montierten Zustand ein einzelnes zweites Stegelement unter dem zweiten An schlussbereich angeordnet ist. Dadurch ist dem ersten Anschlussbereich bzw. dem zweiten Anschlussbereich genau ein erstes bzw. ein zweites Stegelement zu geordnet. Mit anderen Worten: das erste und das zweite Stegelement bilden einen durchgehenden Körper, deren Breite vorzugsweise im Wesentlichen der Ausdeh nung des ersten Anschlussbereichs bzw. des zweiten Anschlussbereichs, bemes senen in derselben Richtung, entspricht. Damit wird eine möglichst große und ins besondere durchgehende Kontaktfläche bereitgestellt.
Insbesondere ist das erste Stegelement unmittelbar benachbart zum zweiten Stegelement angeordnet, d. h. der Freibereich zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement, die jeweils in Kontakt mit dem ersten Anschlussbe reich und dem zweiten Anschlussbereich stehen, grenzt sowohl an das erste Stegelement als auch an das zweite Stegelement an.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass im montierten Zustand ein einzelnes erstes Stegelement unterhalb des ersten Anschlussbereichs angeordnet ist und/o der im montierten Zustand ein einzelnes zweites Stegelement unter dem zweiten Anschlussbereich angeordnet ist.
Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die erste Dicke des ersten Stegelements und/oder zweiten Stegelements größer ist als eine Dicke der Isolationsschicht.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Freibereich ein Aspektverhältnis zwi schen 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 Wor ten: das vorgeschlagene Verfahren gestattet die Realisierung von vergleichsweise großen Aspektverhältnissen, ohne auf die vorteilhafte Ausbildung einer ausrei chend groß dimensionierten Restmetalldicke verzichten zu müssen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorge sehen, dass mehrere Freibereiche vorgesehen sind, wobei sich ein Abstand zwi schen zwei benachbarten Freibereichen entlang einer parallel zur Haupterstre ckungsebene 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 An schlussbereichs 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 mon tierten 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 angeord net sind, das heißt die einzelnen Stegelemente setzen ihren Verlauf über die ver schiedenen 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 ei nes 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 Freibe reichs in die Metallschicht und die Isolationsschicht zur Ausbildung eines ersten Stegelements und eines zweiten Stegelements,
wobei der Freibereich durch eine spanende Bearbeitung, vorzugsweise durch ein Sägen mit einem Sägeblatt, realisiert wird. Alle für das Adapterelement und Sys tem beschriebenen Vorteile und Merkmale lassen sich analog auf das Verfahren zum Fierstellen eines Adapterelements übertragen und visa versa.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Sägeblatt um ein Sägeblatt, das mit Dia- menten versehen ist und/oder ein Flartmetall umfasst.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Anbindung der Metallschicht an die Isolationsschicht über ein Direktmetallanbindungsverfahren oder ein Aktiv lötverfahren realisiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vor gesehen, dass die Metallisierungsschicht mittels eines DCB-Verfahrens oder eines Aktivlötverfahrens an die Isolationsschicht angebunden wird.
Unter einem Direktmetallabbindungsverfahren, wie einem„DCB-Verfahren” (Di- rect-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 -fo- lien) miteinander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten dient, und zwar un ter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelz schicht) 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 Über zug (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 ver bunden 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 Kupfer oxidschicht 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 Me tallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramik material, ist ein Verfahren zu verstehen, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird. Hier wird bei einer Temperatur zwi schen ca. 650-1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Ke ramik, 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 Aluminiummetallisie rung 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 kön nen dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
Es zeigt:
Fig.1 ein Adapterelement gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht
(oben) und in einer Schnittansicht (unten);
Fig.2 ein Verfahren zum Herstellen eines Adapterelements gemäß einer be vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig.3 ein Adapterelement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig.4 eine Anordnung von mehreren Adapterelementen gemäß einer bevor zugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 1 ist ein Adapterelement 10 zum Anbinden eines Elektronikbauteils 30 an ein Kühlkörperelement 20 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Insbeson dere zeigt Figur 1 oben ein Adapterelement 10 in einer Draufsicht auf eine Haupt erstreckungsebene 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 Adap terelement 10 an das Kühlkörperelement 20 angebunden wird bzw. im montierten Zustand angebunden ist, einen ersten Anschlussbereich 31 und einen zweiten An schlussbereich 32 auf. Zwischen dem ersten Anschlussbereich 31 und dem zwei ten Anschlussbereich 32 ist dabei mindestens ein Aktivelementbereich 5 vorgese hen. Im montierbaren Zustand sind dabei der erste Anschlussbereich 31 , der
zweite Anschlussbereich 32 und der Aktivelementbereich 5 parallel zur Haupter streckungsebene HSE nebeneinander angeordnet.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist neben dem Aktivelementbe reich 5 ein weiterer Aktivelementbereich 5‘ vorgesehen, wobei der Aktivelement bereich 5 und der weitere Aktivelementbereich 5‘ zwischen dem ersten Anschluss bereich 31 und dem zweiten Anschlussbereich 32 angeordnet sind und voneinan der durch einen Zwischenstück 33 getrennt sind. Im montierten Zustand, insbe sondere in Betrieb des Elektronikbauteils 30 ist es dabei vorgesehen, dass der erste Anschlussbereich 31 und der zweite Anschlussbereich 32 auf unterschiedli chen 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 Anschluss bereich 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 Haupterstreckungs ebene 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 Elektronik bauteil 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 ange bunden ist und das Zwischenstück 33 an der Stirnseite 18 des zweiten Stegele ments 12 angebunden ist. Ferner ist es vorgesehen, dass der zweite Anschluss bereich 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, ins-
besondere durch die Isolationsschicht 15 des Adapterelements 10 und die vonei nander beabstandeten ersten Stegelemente 11 , zweiten Stegelemente 12 und/o der 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 gegenüberlie genden Seite, ein Kühlkörperelement 20 angebunden ist. Vorzugsweise wird die ses Kühlkörperelement 20 mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt, wobei die Kühl flüssigkeit 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 Kühlflüssig keit 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 Figur 2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Adapterelements 10 gemäß ei ner bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer Metallschicht 16 und einer Isolati onsschicht 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 vorzugs weise vorgesehen, dass durch eine sparende Bearbeitung Freibereiche 13 in das Adapterelement 10 eingelassen werden. Wie in der Figur 2 dargestellt, wird mittels
eines Sägeblatts 9, insbesondere einer Wafer Säge, der Freibereich 13 im Adap terelement 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 Isolations schicht 15. Weiterhin ist es vorstellbar, dass an der Unterseite US der Isolations schicht 15 das Kühlkörperelement 20 vorgesehen ist bzw. bereits angebunden ist, sobald mittels dem Sägeblatt 9 der Freibereich 13 realisiert wird. Mittels der spa nenden Bearbeitung bei der Fierstellung 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 pm. Vorzugsweise nimmt der Abstand A einen Wert zwischen 100 pm und 300 pm und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 125 und 200 pm an.
In Figur 3 ist ein Adapterelement 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere zeigt Figur 3 oben ein Adap terelement 10 in einer Draufsicht auf die Flaupterstreckungsebene HSE, während unten eine Schnittansicht des Systems 1 aus Adapterelement 10, Elektronikbauteil 30 und Kühlkörperelement 20 im montierten Zustand illustriert ist. Durch die spa rende Bearbeitung ist es in vorteilhafter Weise möglich Freibereiche 13 zu realisie ren, die gegenüber den aus dem Stand der Technik deutlich schmaler sind. Ent sprechend kann ein erstes Stegelement 11 bzw. ein zweites Stegelement 12 reali siert werden, das an seinen Stirnseiten 18 eine größere Auflagefläche für den ers ten Anschlussbereich 31 , das Zwischenstück 33 und/oder den zweiten Anschluss bereich 32 bereitstellt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Wärme abfuhr zu erhöhen im Vergleich zu solchen Adapterelementen 10, die mittels ver gleichsweise dünner Stegelemente 12, 12, 23 die einzelnen Bereiche des Elektro nikbauteils 30 kontaktieren. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich das Adap terelement 10 dabei aus einer Metallschicht 16 mit einer ersten Dicke D1 und ei ner 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 an nimmt.
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 Haupterstreckungs- ebene FISE gemessene Ausdehnung 51 des Aktivelementbereichs 5 derart gestal tet ist, dass der Aktivelementbereich 5 oberhalb des Freibereichs 13 des Adap terelements 10 angeordnet ist. Mit anderen Worten: der Abstand A zwischen dem ersten Stegelement 1 1 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 1 1 und dem zweiten Stegelement 12 ei nen 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 ver gleichsweise 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 kon taktiert, insbesondere nicht das erste Stegelement 1 1 und/oder zweite Stegele ment 12. Mit anderen Worten: in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung ist der Aktivelementbereich 5 zwischen dem ersten
Stegelement 1 1 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 Adapterele ments 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
51 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
52 bilden (vgl. Figur 1 ).
In Figur 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 Stegele ment 11 eines Adapterelements 10 und das erste Stegelement 12 eines benach- barten Adapterelements 10 zueinander fluchtend angeordnet sind. Durch die un mittelbare Anordnung der einzelnen Adapterelemente 10 nebeneinander, insbe sondere in einer fluchtenden Anordnung zueinander bezüglich der ersten Stegele mente 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.
Bezuqszeichenliste:
1 System
5 Aktivelementbereich
5‘ weiterer Aktivelementbereich
7 Öffnung
9 Sägeblatt
10 Adapterelement
1 1 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
Claims
1. Adapterelement (10) zum Anbinden eines Elektronikbauteils (30), das bevor zugt 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) ver laufenden Richtung unter Ausbildung eines Freibereichs (13) ne beneinander angeordnet sind,
-- die im montierten Zustand in einer senkrecht zur Haupterstre ckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung zwischen der Isolati onsschicht (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 pm ist, bevorzugt einen Wert zwischen 100 pm und 300 pm und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 125 und 200 pm annimmt.
2. Adapterelement (10) gemäß Anspruch 1 , wobei ein Verhältnis einer parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) bemessenen Ausdehnung (51 ) des Akti velementbereichs (5) zu dem parallel zur Haupterstreckungsebene (HSE) be messenen 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 We sentlichen 0,99 annimmt.
3. 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 Freibe reichs (13) angeordnet ist.
4. 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.
5. 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.
6. Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im montierten Zustand der erste Anschlussbereich (31 ) auf dem ersten Stegelement (11 ) und der zweite Anschlussbereich (32) auf dem zweiten Stegelement (12) angeordnet ist, insbesondere aufliegt.
7. Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Dicke (D1 ) des ersten Stegelements (11 ) und/oder des zweiten Stegelements (12) größer ist als eine Breite des ersten Stegelements (12) und/oder zweiten Stegelements (12), wobei die Breite des ersten Stegele ments (11 ) und/oder des zweiten Stegelements (12) entlang einer den Ab stand zwischen dem ersten Stegelement und dem zweiten Stegelement fest legenden Richtung zu bemessen ist.
8. Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Stegelement (11 ) unmittelbar benachbart zum zweiten Stegele ment (12) angeordnet ist.
9. Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im montierten Zustand ein einzelnes erstes Stegelement (11 ) unterhalb des ersten Anschlussbereichs (31 ) angeordnet ist und/oder im montierten Zu stand ein einzelnes zweites Stegelement (12) unter dem zweiten Anschluss bereich (32) angeordnet ist.
10. Adapterelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Dicke des ersten Stegelements (11 ) und/oder zweiten Stegelements (12) größer ist als eine Dicke der Isolationsschicht (15).
11. Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Freibereich (13) ein Aspektverhältnis zwischen 1 und 25, bevorzugt zwi schen 1 und 15 und besonders bevorzugt zwischen 1 ,5 und 3 aufweist.
12. Adapterelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Freibereiche (13) vorgesehen sind, wobei sich ein Abstand zwi schen zwei benachbarten Freibereichen (13) entlang einer parallel zur Flaupterstreckungsebene (FISE) verlaufenden Richtung verändert.
13. 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 Adap terelement (10) zwischen dem Elektronikbauteil (30) und dem Kühlkörperele ment (20) angeordnet ist.
14. System (1 ) zum Kühlen eines Elektronikbauteils (30) gemäß Anspruch 13, wobei mehrere Adapterelemente (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 nebeneinander angeordnet sind.
15. Verfahren zur Herstellen eines Adapterelements (10) gemäß einem der An sprüche 1 bis 12, 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 Einbrin gen 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.
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2020
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