WO2009052814A2 - Cooling device for semiconductor elements, semiconductor cooling arrangement and method for producing the same - Google Patents

Cooling device for semiconductor elements, semiconductor cooling arrangement and method for producing the same Download PDF

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Definitions

  • Semiconductor device cooling device semiconductor cooling device, semiconductor cooling device, and method of manufacturing the same
  • the invention relates to a cooling device for semiconductor devices, cooling device for at least one heat generating semiconductor device in its operation with at least one, at least one mounting surface for material attachment of at least one semiconductor device having, simultaneouslyleit Scheme and at least one cooling channel structure, at least partially facing away from the mounting surface side the nickelleit Schemees is arranged and with at least one coolant inlet and at least one coolant outlet fluidly connected, wherein the cooling channel structure at least partially cohesively bonded to the heat conduction region and wegriad from the sauit Scheme cooling fins.
  • microchannel heat sinks which are usually made of copper for cost reasons and because of the required high thermal conductivity, are not resistant to corrosion for a variety of reasons, especially since copper is susceptible to corrosion, for example, compared to oxygen-containing water as coolant pH of the water deviates from 9.
  • JP 2003 273 441 A therefore, it is proposed to provide the inner wall surface of the cooling channel with a protective layer consisting of two partial layers, which forms a coolant contact of the Interior wall surface prevented.
  • a first layer which contains gold, silver or alloys of these precious metals as main components, is in contact with the cooling liquid as the actual protective layer and a second layer, which is composed of the main components Ni, Mo, W or Ti, lies as a diffusion barrier between the first Layer and the inner wall surface.
  • a disadvantage of this solution is that the sensitive noble metal layer forms a local element in case of injury with the underlying second layer and this can then be resolved by pitting.
  • At least one core region of the cooling ribs consists predominantly of tantalum and / or niobium in terms of atomic, weight and / or volume fractions.
  • the cooling fins themselves are corrosion resistant.
  • the thermal conductivity of these metals compared to copper is only one-seventh (copper 400 W / m / K, tantalum of 57 W / m / K), but it has been shown that the thermal resistance of two cooling fin structures of different materials whose thermal conductivity around a factor x have the same thermal resistance when the rib widths differ from each other by the factor of the square root of this factor x.
  • Equation 3 is the heat transfer coefficient at the cooling rib flanks.
  • ⁇ s is the thermal conductivity of the cooling fluid, that is, the hydraulic diameter of the cooling channels associated with the fin structure, and Nu the Nusselt number of the flow of the cooling fluid.
  • the heat transfer area, which is larger than a flat area A, of a cooling rib which protrudes from this flat area can be described by an effective heat transfer coefficient aeff of this area, so that equation 1 can also be described as
  • Equation 3 Equation 3
  • This function is plotted in FIG. 4 for the cooling medium water as a function of the thermal conductivity of the ribs As with different channel / rib widths b as parameters.
  • the thermal resistance of cooling fins of copper (Cu) having a width of about 0.3 mm can be reproduced by tantalum (Ta) cooling fins having a width of 0.1 mm (lower double arrow in FIG. 4).
  • the thermal resistance of cooling fins of copper (Cu) having a width of about 0.15 mm can be reproduced by tantalum (Ta) cooling fins having a width of 0.05 mm (upper double-headed arrow in Fig. 4) for cooling fins from the slightly cheaper niobium (Nb).
  • cooling fins are not limited to a specific geometry, as suggested, for example, by the cited publications.
  • the cooling fins can be formed as threads, domes and rods with any, along the extension direction constant or variable, cross-sectional profile.
  • cross-sectional profiles are rectangles, circles, squares, crosses, triangles, rhombuses, trapezoids, spherical or cylindrical shell sections, and so forth.
  • a cooling rib for example a cooling web, or the juxtaposition of a plurality of cooling rib sections parallel to a connection surface to the sauceleit Scheme set: straight as well as zigzag, serpentine, U or sinusoidal and other gradients are suitable, one or more in the extension direction to limit, enclose or form superimposed cooling channels or cooling channel sections between the cooling fins or their sections.
  • the cooling fin ends can lie freely in the space provided for the flow of the cooling medium (free end) or open into a solid region of the cooling device opposite the heat-conducting region or abut against it, wherein they are connected to this solid-state region thermally (preferably firmly bonded) (bound end).
  • the cooling fins have a high aspect ratio and the area between the mounting surface and the cooling channel structure has sufficient heat spread. This can be achieved in that the total height of the cooling fins between the fin base and fins fin is at least three times as large as the fulcrum width and less than the thickness of the heat sink area between the mounting surface and the cooling channel structure.
  • the cooling rib width should be less than 200 microns.
  • the cooling fin height is in the range of 100 microns to 600 microns.
  • tantalum and niobium have thermal expansion coefficients which approximately correspond to those of semiconductor components, in particular those of GaAs (tantalum: 6.3 ppm / K, niobium: 7.3 ppm / K), which is thermomechanically favorable on temperature-dependent bonding methods, such as soldering or welding the cooling fin structure with a heat-spreading carrier for the semiconductor device having a coefficient of thermal expansion similar to that of the semiconductor device.
  • the invention thus fulfills the thermally conductive and connection-technical aspects of a quality-compliant design of microchannel heat sinks.
  • a semiconductor cooling device for example a diode laser component in the case in which the heat generating during operation
  • Semiconductor device is a laser diode element.
  • Cooling rib geometry achieve better heat dissipation in the cooling channel structure than the solution according to the invention.
  • the distance from the heat source to the cooling channel structure caused by the inventive heat conduction region is preferably greater in the cooling arrangement according to the invention than in cooling arrangements according to the prior art, which are provided with cooling ribs of higher thermal conductivity.
  • a heat-conducting region or body is present between the cooling ribs and the semiconductor component, which preferably has a higher thermal conductivity than the core regions of the cooling ribs or the cooling ribs themselves. Preferably, it extends beyond the mounting surface in at least one direction parallel to the mounting surface and has one
  • Thickness which is preferably at least three times as large as the height of the cooling fins, in order to spread or distribute the heat generated by the semiconductor device over a large cooling fin area.
  • a heat-spreading region or body consists of a highly thermally conductive composite whose thermal expansion coefficient - as well as that of tantalum and niobium - approximately that of the semiconductor device - for example, a laser diode element based on GaAs - corresponds.
  • Expansion coefficients makes it possible to produce both the joint connection between heat spreader and semiconductor device and the joint connection with the microchannel heat sink or the cooling fin structure alone with a reliable high gold-containing gold-tin solder when using a heat spreader.
  • the mounting surface of the heat-conducting region, a cooling fin body having the cooling fins on an adhesive bonding surface facing the heat-conducting region and / or the cooling fins including their base and their ends on the surfaces carry an electrically insulating layer.
  • the electrical insulation of the cooling fins reference is made to the German patent application 10 2007 051 797.3, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
  • cooling fins or a cooling fin body of tantalum and / or niobium with a tantalum oxide and / or niobium oxide layer, for example by oxidation of the tantalum and / or the niobium of the cooling fin body or of the cooling fins.
  • FIG. 1 shows a section through a first embodiment of a cooling device according to the invention
  • FIG. 2 shows a cooling rib structure
  • Fig. 3 is a section through a second embodiment of a cooling device according to the invention.
  • Equation (8) is a graphical representation of equation (8), which has already been explained.
  • a heat spreader 1 made of a silver-diamond composite material has a mounting surface 2 for a semiconductor component 3 to be cooled and a connection surface 4 opposite the mounting surface 2 for a cooling rib structure 5 a.
  • the cooling rib structure 5a is produced by introducing 50 ⁇ m wide microgrooves into a 0.3 mm thick tantalum sheet by laser cutting or reactive ion etching, wherein an unstructured edge region 6 surrounding the microgrooves remains in the tantalum sheet.
  • the microgrooves extend over the entire thickness of the tantalum sheet, so that elongated holes are formed in the tantalum sheet with cooling fins 7 .mu.m high in height.
  • the microgrooves end 50 microns before they open the opposite side of the tantalum, so that 250 micron high cooling fins 7 arise.
  • the cooling rib structure 5b has a cooling rib base plane B, oriented parallel to the sheet surface, on which the heat is introduced and a plane E opposite the cooling rib base plane B, in which the cooling ribs 7 end and which coincides with sections of the sheet metal surface (FIG. 2).
  • the cooling rib structure 5b is fastened to the joining surface 4 of the heat spreader 1, preferably with a solder 8, by means of the joining surface 13 contained in the base-side sheet metal surface.
  • an electrically insulating layer 9 is applied to the base-side sheet metal surface of the cooling fin structure 5b according to the second embodiment, which is subsequently metallized in a solderable manner, wherein the solderable metallization has the joining surface 13.
  • connection component 10 is placed on the cooling rib structure 5a / 5b fastened to the heat spreader 1 so that the cooling rib structure 5a / 5b is closed and a cooling channel structure is formed within a microchannel heat sink.
  • a cohesive connection is produced between the connection component 10 and the cooling rib structure 5a / 5b, wherein the joining zone 11 is located in the region of the unstructured edge region 6 of the tantalum sheet.
  • the connection component 10 is preferably a plate made of LTC (low-temperature cofired) ceramic with at least one inlet channel 12 for supplying a coolant to the cooling channel structure and at least one flow channel, not shown, for discharging the coolant from the cooling channel structure.
  • the outlet channel opens into a coolant outlet (both not shown).
  • the semiconductor device 3 for example, a laser diode bar - attached to the mounting surface 2 of the microchannel heat sink by means of a solder cohesively.
  • the cooling rib structure 5b from FIG. 2 is first connected to the connection component 10 on the cooling rib side, as a result of which a microchannel heat sink according to the invention having a joining surface 13 is produced.
  • a laser diode bar formed semiconductor device 3 is connected by its contact surface 14 cohesively via a solder joint with the heat spreader 1.
  • the heat spreader 1 is connected by its side opposite the laser diode bar attachment surface 4 cohesively via a solder joint with the joint surface 13 of the microchannel heat sink.

Abstract

The invention relates to a cooling device for semiconductor elements. The aim of the invention is to increase the effectiveness of the corrosion proofing and to increase the service life of the cooling device by reducing the corrodibility of the cooling channels while safeguarding the reliability of the device in relation to the semiconductor element. The invention is characterized in that a cooling channel structure which is interspaced from the assembly surface for the semiconductor element has cooling ribs that are integrally bonded to the heat-conducting zone and that mainly contain tantalum and/or niobium in at least one core zone.

Description

Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente, Halbleiter-Kühlanordnung und Verfahren zu deren Herstellung Semiconductor device cooling device, semiconductor cooling device, and method of manufacturing the same
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2007 051 796.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.This patent application claims the priority of German Patent Application 10 2007 051 796.5, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente, Kühlvorrichtung für wenigstens ein in seinem Betrieb Wärme erzeugendes Halbleiterbauelement mit wenigstens einem, wenigstens eine Montagefläche zur stoffschlüssigen Befestigung wenigstens eines Halbleiterbauelementes aufweisenden, Wärmeleitbereich und wenigstens einer Kühlkanalstruktur, die zumindest abschnittsweise auf einer der Montagefläche abgewandten Seite des Wärmeleitbereiches angeordnet ist und mit wenigstens einem Kühlmitteleinlass und wenigstens einem Kühlmittelauslass strömungstechnisch in Verbindung steht, wobei die Kühlkanalstruktur zumindest abschnittweise stoffschlüssig an den Wärmeleitbereich angebundene und von dem Wärmeleitbereich wegstehende Kühlrippen aufweist.The invention relates to a cooling device for semiconductor devices, cooling device for at least one heat generating semiconductor device in its operation with at least one, at least one mounting surface for material attachment of at least one semiconductor device having, Wärmeleitbereich and at least one cooling channel structure, at least partially facing away from the mounting surface side the Wärmeleitbereiches is arranged and with at least one coolant inlet and at least one coolant outlet fluidly connected, wherein the cooling channel structure at least partially cohesively bonded to the heat conduction region and wegstehende from the Wärmeleitbereich cooling fins.
Zur Kühlung von Halbleiterbauelementen mit - zu dieser Gruppe von Kühlvorrichtungen gehörigen - Mikrokanalwärmesenken wurden, ausgehend von Kühlrippen aus Silizium (D. B. Tuckerman, R. F. W. Pease: "High Performance Heat Sinking for VLSI", IEEE Electron. Dev. Lett. 2 (5), 126-129 (1981)), zur Verbesserung der Kühlung mit fortschreitender Zeit Kühlrippenmaterialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit als Silizium vorgeschlagen: nämlich Kühlrippen aus Kupfer (V. Krause et al.: "MicroChannel Coolers for high-power laser diodes in copper technology", Proc. SPIE 2148, 351-358 (1994)) und aus Diamant (K. E. Goodson et al.: "Improved Heat Sinking for Laser-Diode Arrays Using Microchannels in CVD Diamond", IEEE Trans. Comp. Hyb. Manuf. Tech. B 20 (1), 104-109 (1997)).For cooling semiconductor devices with microchannel heat sinks belonging to this group of cooling devices, starting from silicon cooling fins (DB Tuckerman, RFW Pease: "High Performance Heat Sinking for VLSI", IEEE Electron. Dev. Lett. 2 (5), 126 -129 (1981)), to improve the cooling with time advancing cooling fin materials with higher thermal conductivity than silicon proposed: namely cooling fins made of copper (V. Krause et al .: "MicroChannel Coolers for high-power laser diode in copper technology", Proc. SPIE 2148, 351-358 (1994)) and diamond (KE Goodson et al., "Improved Heat Sinking for Laser-Diode Arrays Using Microchannels in CVD Diamond", IEEE Trans. Comp. Hyb. Manuf. Tech. 1), 104-109 (1997)).
Es ist bekannt, dass Mikrokanalwärmesenken, die aus Kostengründen und wegen der geforderten hohen Wärmeleitfähigkeit in der Regel aus Kupfer bestehen, aus verschiedenen Gründen nicht korrosionsbeständig sind, insbesondere da Kupfer zum Beispiel gegenüber sauerstoffhaltigem Wasser als Kühlmittel korrosionsempfindlich ist und zwar umso mehr, je weiter der pH-Wert des Wassers von 9 abweicht.It is known that microchannel heat sinks, which are usually made of copper for cost reasons and because of the required high thermal conductivity, are not resistant to corrosion for a variety of reasons, especially since copper is susceptible to corrosion, for example, compared to oxygen-containing water as coolant pH of the water deviates from 9.
In der JP 2003 273 441 A wird deshalb vorgeschlagen, die Innenwandoberfläche des Kühlkanals mit einer aus zwei Teilschichten bestehenden Schutzschicht zu versehen, die einen Kühlmittelkontakt der Innenwandoberfläche verhindert. Eine erste Schicht, die Gold, Silber oder Legierungen dieser Edelmetalle als Hauptkomponenten enthält, steht als eigentliche Schutzschicht im Kontakt mit der Kühlflüssigkeit und eine zweite Schicht, die sich aus den Hauptkomponenten Ni, Mo, W oder Ti zusammensetzt, liegt als Diffusionsbarriere zwischen der ersten Schicht und der Innenwandoberfläche. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die empfindliche Edelmetallschicht bei Verletzung ein Lokalelement mit der darunter liegenden zweiten Schicht bildet und diese anschließend durch Lochfraß aufgelöst werden kann.In JP 2003 273 441 A, therefore, it is proposed to provide the inner wall surface of the cooling channel with a protective layer consisting of two partial layers, which forms a coolant contact of the Interior wall surface prevented. A first layer, which contains gold, silver or alloys of these precious metals as main components, is in contact with the cooling liquid as the actual protective layer and a second layer, which is composed of the main components Ni, Mo, W or Ti, lies as a diffusion barrier between the first Layer and the inner wall surface. A disadvantage of this solution is that the sensitive noble metal layer forms a local element in case of injury with the underlying second layer and this can then be resolved by pitting.
Überdies ist generell die Aufbringung einer Korrosionsschutzschicht auf die besonders korrosionsempfindlichen Kühlrippen einer Kühlkanalstruktur aufgrund von materialtechnisch und/ oder aufbautechnisch bedingten Prozessinkompatibilitäten sowie im Zusammenhang mit der Erreichbarkeit der Kühlrippen in der Kühlvorrichtung zur Beschichtung oftmals nicht in befriedigender Weise durchführbar oder gar unmöglich.Moreover, the application of a corrosion protection layer to the particularly corrosion-sensitive cooling ribs of a cooling channel structure is generally not feasible or even impossible in a satisfactory manner because of material-technically and / or structurally related process incompatibilities and in connection with the accessibility of the cooling ribs in the cooling device for coating.
Es besteht deshalb die Aufgabe, die Wirksamkeit des Korrosionsschutzes zu erhöhen und die Lebensdauer der Kühlvorrichtung durch eine verringerte Korrosionsanfälligkeit der Kühlkanäle zu verlängern, und dabei einen niedrigen thermischen Widerstand einer Halbleiter-Kühlanordnung mit einer solchen Kühlvorrichtung und einem zu kühlenden Halbleiterbauelement und eine hohe die Zuverlässigkeit der Fügeverbindung zwischen der Kühlvorrichtung und dem Halbleiterbauelement sowie der des Halbleiterbauelementes selbst zu ermöglichen.It is therefore an object to increase the effectiveness of the corrosion protection and to extend the life of the cooling device by a reduced susceptibility to corrosion of the cooling channels, while a low thermal resistance of a semiconductor cooling device with such a cooling device and a semiconductor device to be cooled and a high reliability allow the joint connection between the cooling device and the semiconductor device as well as the semiconductor device itself.
Diese Aufgabe wird bei einer Mikrokanalwärmesenke der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass jeweils wenigstens ein Kernbereich der Kühlrippen hinsichtlich Atom-, Gewichts- und/ oder Volumenanteilen überwiegend aus Tantal und/ oder Niob besteht.This object is achieved with a microchannel heat sink of the type mentioned above in that at least one core region of the cooling ribs consists predominantly of tantalum and / or niobium in terms of atomic, weight and / or volume fractions.
Es ist aus den Pourbaix-Diagrammen bekannt, dass die einander chemisch sehr ähnlichen Refraktärmetalle Tantal und Niob die größte Korrosionsresistenz aller bekannten Nichtedelmetalle insbesondere gegenüber wässrigen Kühlflüssigkeiten besitzen.It is known from the Pourbaix diagrams that the chemically very similar refractory metals tantalum and niobium possess the greatest corrosion resistance of all known non-noble metals, in particular with respect to aqueous cooling liquids.
Damit sind - im Gegensatz zu der bekannten Lösung, korrosionsempfindliche Kühlrippen zu schützen - die Kühlrippen selbst korrosionsunempfindlich ausgeführt. Zwar beträgt die Wärmeleitfähigkeit dieser Metalle gegenüber Kupfer nur ein Siebentel (Kupfer 400 W/m/K, Tantal von 57 W/m/K), jedoch hat es hat sich gezeigt, dass der thermische Widerstand zweier Kühlrippenstrukturen unterschiedlicher Materialien, deren Wärmeleitfähigkeiten sich um einen Faktor x unterscheiden, denselben thermischen Widerstand aufweisen, wenn sich die Rippenbreiten um den Faktor des Kehrwertes der Quadratwurzel aus diesem Faktor x voneinander unterscheiden.Thus, in contrast to the known solution to protect corrosion-sensitive cooling fins - the cooling fins themselves are corrosion resistant. Although the thermal conductivity of these metals compared to copper is only one-seventh (copper 400 W / m / K, tantalum of 57 W / m / K), but it has been shown that the thermal resistance of two cooling fin structures of different materials whose thermal conductivity around a factor x have the same thermal resistance when the rib widths differ from each other by the factor of the square root of this factor x.
Folgende Herleitung rechtfertigt diese Aussage: Von den Seiten 49-50 der Dissertation von Dirk Lorenzen ("Methoden zur zuverlässigkeitsorientierten Optimierung der Aufbau- und Verbindungstechnik von Hochleistungs-Diodenlaserbarren", Technische Universität Berlin, 2003, ISBN 3-89574-502-2) ist bekannt, dass der thermische Widerstand Rm einer Kühlrippe der Höhe h, der Breite b, der Länge L » b und der Wärmeleitfähigkeit λs des Kühlrippenmaterials bei thermisch isoliertem RippenendeThe following derivation justifies this statement: From pages 49-50 of the dissertation by Dirk Lorenzen ("Methods for reliability-oriented optimization of the construction and connection technology of high-power diode laser bars", Technische Universität Berlin, 2003, ISBN 3-89574-502-2) It is known that the thermal resistance Rm of a fin of the height h, the width b, the length L »b and the thermal conductivity λ s of the fin material with thermally insulated fin end
coth( mh) ,r*t ■ u i \ coth (mh), r * t ■ ui \
Rth = , \ / (Gleichung 1) λsmbL mitR th =, \ / (Equation 1) λ s mbL with
m = \— (Gleichung 2)m = \ - (Equation 2)
ist, wobeiis, where
a = - (Gleichung 3)a = - (Equation 3)
der Wärmeübergangskoeffizient an den Kühlrippenflanken ist. In Gleichung 3 ist λs die Wärmeleitfähigkeit des Kühlfluids, dh der hydraulische Durchmesser der mit der Kühlrippenstruktur assoziierten Kühlkanäle und Nu die Nusseltzahl der Strömung des Kühlfluids. Die gegenüber einer ebenen Fläche A vergrößerte Wärmeübertragungsfläche einer aus dieser ebenen Fläche hervorstehenden Kühlrippe lässt sich durch einen effektiven Wärmeübergangskoeffizienten aeff dieser Fläche beschreiben, so dass sich Gleichung 1 auch alsis the heat transfer coefficient at the cooling rib flanks. In Equation 3, λs is the thermal conductivity of the cooling fluid, that is, the hydraulic diameter of the cooling channels associated with the fin structure, and Nu the Nusselt number of the flow of the cooling fluid. The heat transfer area, which is larger than a flat area A, of a cooling rib which protrudes from this flat area can be described by an effective heat transfer coefficient aeff of this area, so that equation 1 can also be described as
RΛ = — — (Gleichung 4) aeff A formulieren lässt. Nimmt man an, daß die Kanalbreite w gleich der Rippenbreite b ist, und kein Wärmeübergang an der Rippenbasis stattfindet, so ist die Wärmeeintragsfläche A in die Kühlkanalstruktur im Mittel 2bL und es ergibt sich mit Gleichung 1 aeff = -^ tanh(/?iÄ) . (Gleichung 5)R Λ = - - (Equation 4) let aeff A be formulated. Assuming that the channel width w is equal to the rib width b and there is no heat transfer at the fin base, the heat input area A into the cooling channel structure is on the average 2bL and it follows from Equation 1 a eff = - ^ tanh (/? iÄ). (Equation 5)
Sei nun die Strömung sei laminar und die Höhe der Kanäle h wesentlich größer als die Breite b: h » b. Dann ist dh = 2b und näherungsweise Nu = 9. Somit ist Gleichung 3 zuLet the flow be laminar and the height of the channels h be much greater than the width b: h »b. Then dh = 2b and approximately Nu = 9. Thus Equation 3 is closed
Ci = --!- (Gleichung 6)Ci = -! - (Equation 6)
approximierbar und Gleichung 2 zuapproximable and equation 2 too
Hi = - 3 M μ.- . (Gleichung 7)Hi = - 3 M μ.-. (Equation 7)
Für das Kühlfluid Wasser ist nun Af = 0,6 W/m/K. Die Tangenshyperbolicus-Funktion tanh kann für Argumente größer als 1 ,5 näherungsweise gleich 1 gesetzt werden (tanh(1 ,5) = 0,91). Nimmt man im Fall von Wasser an, dass h = 5b, trifft dies zu im Falle, dass λs < 100 Af ist [λs < 60 W/m/K). Für A5 > 400 Af {As > 240 W/m/K) ist dann vorauszusetzen, dass h > 10b ist. Unter diesen Einschränkungen gilt abschließend in einfacher Weise für Gleichung 5 die NäherungFor the cooling fluid water is now Af = 0.6 W / m / K. The hyperbolic tangent function tanh can be set approximately equal to 1 for arguments greater than 1.5 (tanh (1, 5) = 0.91). Assuming in the case of water that h = 5b, this is true in the case that λ s <100 Af [λ s <60 W / m / K]. For A 5 > 400 Af {As> 240 W / m / K) it must be assumed that h> 10b. Finally, under these constraints, equation 5 is simply approximated
aeff = ^-^Äμ; . (Gleichung 8)A eff = ^ - ^ Äμ; , (Equation 8)
Diese Funktion ist in Fig. 4 für das Kühlmedium Wasser als Funktion der Wärmeleitfähigkeit der Rippen As mit verschiedenen Kanal-/ Rippenbreiten b als Parameter aufgetragen.This function is plotted in FIG. 4 for the cooling medium water as a function of the thermal conductivity of the ribs As with different channel / rib widths b as parameters.
Demnach kann der thermische Widerstand von Kühlrippen aus Kupfer (Cu) mit einer Breite von ca. 0,3 mm durch Kühlrippen aus Tantal (Ta) mit einer Breite von 0,1 mm reproduziert werden (unterer Doppelpfeil in Fig. 4). Genauso kann der thermische Widerstand von Kühlrippen aus Kupfer (Cu) mit einer Breite von ca. 0,15 mm durch Kühlrippen aus Tantal (Ta) mit einer Breite von 0,05 mm reproduziert werden (oberer Doppelpfeil in Fig. 4) Das gleiche gilt für Kühlrippen aus dem etwas kostengünstigeren Niob (Nb).Thus, the thermal resistance of cooling fins of copper (Cu) having a width of about 0.3 mm can be reproduced by tantalum (Ta) cooling fins having a width of 0.1 mm (lower double arrow in FIG. 4). Similarly, the thermal resistance of cooling fins of copper (Cu) having a width of about 0.15 mm can be reproduced by tantalum (Ta) cooling fins having a width of 0.05 mm (upper double-headed arrow in Fig. 4) for cooling fins from the slightly cheaper niobium (Nb).
Dabei ist die Form der Kühlrippen nicht auf eine bestimmte Geometrie beschränkt, wie sie beispielsweise durch die eingangs zitierten Publikationen nahe gelegt ist. Unter Kühlrippen werden im Sinne der Erfindung alle Arten von, von dem Wärmeleitbereich ausgehenden Erhebungen, verstanden, die die Oberfläche an der Schnittstelle zwischen Wärmeleitbereich und Kühlmedium gegenüber einer ebenen Wärmeübergangsfläche vergrößern, insbesondere solche, deren Höhen, die durch den Abstand ihrer vom Wärmeleitbereich wegweisenden Enden (Kühlrippenende) vom Wärmeleitbereich (Kühlrippenbasis) definiert sind, größer sind als wenigstens eine ihrer lateralen Abmessungen senkrecht zur ihrer vom Wärmeleitbereich wegstehenden Erstreckung.The shape of the cooling fins is not limited to a specific geometry, as suggested, for example, by the cited publications. Under cooling fins are in the sense of Invention all types of outgoing from the Wärmeleitbereich surveys understood that increase the surface at the interface between the heat conduction and cooling medium against a flat heat transfer surface, in particular those whose heights, by the distance pointing away from the Wärmeleitbereich ends (fin end) from Wärmeleitbereich ( Cooling rib base) are defined, are greater than at least one of its lateral dimensions perpendicular to their extension projecting from the heat-conducting.
So können die Kühlrippen als Fäden, Domen und Stäbe mit beliebigem, entlang der Erstreckungsrichtung konstanten oder variablen, Querschnittsprofil ausgebildet sein. Beispiele für solche Querschnittsprofile sind Rechtecke, Kreise, Quadrate, Kreuze, Dreiecke, Rhomben, Trapeze, Kugel- oder Zylinderschalenabschnitte und so weiter. Ebensowenig ist die Ausprägung des Verlaufs einer Kühlrippe, beispielsweise eines Kühlsteges, beziehungsweise der Aneinanderreihung mehrerer Kühlrippenabschnitte parallel zu einer Anbindungsfläche an den Wärmeleitbereich festgelegt: Geradlinige sowie Zickzack-, Schlangenlinien-, U- oder sinusförmige und andere Verläufe sind geeignet, einen oder mehrere in Erstreckungsrichtung übereinander angeordnete Kühlkanäle oder Kühlkanalabschnitte zwischen den Kühlrippen oder ihren Abschnitte zu begrenzen, einzuschließen oder auszubilden. Die Kühlrippenenden können frei im für die Strömung des Kühlmediums vorgesehenen Raum liegen (freies Ende) oder in einen dem Wärmeleitbereich gegenüberliegenden Festkörperbereich der Kühlvorrichtung münden oder an diesen stoßen, wobei sie thermisch, vorzugsweise stoffschlüssig, an diesen Festkörperbereich angebunden sind (gebundenes Ende).Thus, the cooling fins can be formed as threads, domes and rods with any, along the extension direction constant or variable, cross-sectional profile. Examples of such cross-sectional profiles are rectangles, circles, squares, crosses, triangles, rhombuses, trapezoids, spherical or cylindrical shell sections, and so forth. Nor is the expression of the course of a cooling rib, for example a cooling web, or the juxtaposition of a plurality of cooling rib sections parallel to a connection surface to the Wärmeleitbereich set: straight as well as zigzag, serpentine, U or sinusoidal and other gradients are suitable, one or more in the extension direction to limit, enclose or form superimposed cooling channels or cooling channel sections between the cooling fins or their sections. The cooling fin ends can lie freely in the space provided for the flow of the cooling medium (free end) or open into a solid region of the cooling device opposite the heat-conducting region or abut against it, wherein they are connected to this solid-state region thermally (preferably firmly bonded) (bound end).
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kühlrippen ein hohes Aspektverhältnis und der Bereich zwischen der Montagefläche und der Kühlkanalstruktur eine ausreichende Wärmespreizung aufweisen. Das kann dadurch erreicht werden, dass die Gesamthöhe der Kühlrippen zwischen Kühlrippenbasis und Kühlrippenende mindestens drei mal so groß ist wie die Kühlrippenbreite und geringer ist als die Dicke des Wärmesenkenbereiches zwischen der Montagefläche und der Kühlkanalstruktur. Insbesondere sollte die Kühlrippenbreite kleiner sein als 200 μm. Vorzugsweise liegt die Kühlrippenhöhe im Bereich von 100 μm bis 600 μm.It is particularly advantageous if the cooling fins have a high aspect ratio and the area between the mounting surface and the cooling channel structure has sufficient heat spread. This can be achieved in that the total height of the cooling fins between the fin base and fins fin is at least three times as large as the fulcrum width and less than the thickness of the heat sink area between the mounting surface and the cooling channel structure. In particular, the cooling rib width should be less than 200 microns. Preferably, the cooling fin height is in the range of 100 microns to 600 microns.
Vorteilhaft wirkt sich außerdem aus, dass Tantal und Niob thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die näherungsweise denen von Halbleiterbauelementen, insbesondere denen aus GaAs, entsprechen (Tantal: 6,3 ppm/K, Niob: 7,3 ppm/K), was sich thermomechanisch günstig auf temperaturabhängige Verbindungsverfahren, wie das Löten oder Schweißen der Kühlrippenstruktur mit einem wärmespreizenden Träger für das Halbleiterbauelement auswirkt, das einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleiterbauelement aufweist.Advantageously, it also has the effect that tantalum and niobium have thermal expansion coefficients which approximately correspond to those of semiconductor components, in particular those of GaAs (tantalum: 6.3 ppm / K, niobium: 7.3 ppm / K), which is thermomechanically favorable on temperature-dependent bonding methods, such as soldering or welding the cooling fin structure with a heat-spreading carrier for the semiconductor device having a coefficient of thermal expansion similar to that of the semiconductor device.
Die Erfindung erfüllt somit die wärmeleittechnischen und verbindungstechnischen Aspekte einer qualitätsgerechten Konstruktion von Mikrokanalwärmesenken.The invention thus fulfills the thermally conductive and connection-technical aspects of a quality-compliant design of microchannel heat sinks.
Mit der Befestigung des Halbleiterbauelementes an der dafür vorgesehenen Montagefläche der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung entsteht eine erfindungsgemäße Halbleiter-Kühlanordnung, beispielsweise ein Diodenlaserbauelement in dem Fall, in dem das das im Betrieb Wärme erzeugendeWith the attachment of the semiconductor device to the designated mounting surface of the cooling device according to the invention, a semiconductor cooling device according to the invention, for example a diode laser component in the case in which the heat generating during operation
Halbleiterbauelement ein Laserdiodenelement ist.Semiconductor device is a laser diode element.
Es ist unstrittig, dass Materialien mit höherer thermischer Leitfähigkeit als Tantal und Niob bei gleicherIt is indisputable that materials with higher thermal conductivity than tantalum and niobium at the same
Kühlrippengeometrie eine bessere Wärmeabfuhr in der Kühlkanalstruktur erzielen als die erfindungsgemäße Lösung.Cooling rib geometry achieve better heat dissipation in the cooling channel structure than the solution according to the invention.
Aus diesem Grunde ist der durch den erfindungsgemäßen Wärmeleitbereich bedingte Abstand von der Wärmequelle zu der Kühlkanalstruktur bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung vorzugsweise größer als bei Kühlanordnungen nach dem Stand der Technik, die mit Kühlrippen höherer Wärmeleitfähigkeit versehen sind.For this reason, the distance from the heat source to the cooling channel structure caused by the inventive heat conduction region is preferably greater in the cooling arrangement according to the invention than in cooling arrangements according to the prior art, which are provided with cooling ribs of higher thermal conductivity.
In der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ist zwischen den Kühlrippen und dem Halbleiterbauelement ein Wärmeleitbereich oder -körper vorhanden, der vorzugsweise eine höhere thermische Leitfähigkeit besitzt als die Kernbereiche der Kühlrippen oder die Kühlrippen selbst. Vorzugsweise erstreckt er sich in wenigstens einer zur Montagefläche parallelen Richtung über die Montagefläche hinaus und weist eineIn the cooling arrangement according to the invention, a heat-conducting region or body is present between the cooling ribs and the semiconductor component, which preferably has a higher thermal conductivity than the core regions of the cooling ribs or the cooling ribs themselves. Preferably, it extends beyond the mounting surface in at least one direction parallel to the mounting surface and has one
Dicke auf, die vorzugsweise wenigstens drei mal so groß ist wie die Höhe der Kühlrippen, um die von dem Halbleiterbauelement erzeugte Wärme über einen großen Kühlrippenbereich zu spreizen beziehungsweise zu verteilen. Vorzugsweise besteht ein solcher Wärmespreizbereich oder -körper aus einem hoch wärmeleitfähigen Verbundwerkstoff, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient - ebenso wie derjenige von Tantal und Niob - näherungsweise dem des Halbleiterbauelementes - beispielsweise einem Laserdiodenelement auf Basis von GaAs - entspricht. Diese Anpassung der thermischenThickness, which is preferably at least three times as large as the height of the cooling fins, in order to spread or distribute the heat generated by the semiconductor device over a large cooling fin area. Preferably, such a heat-spreading region or body consists of a highly thermally conductive composite whose thermal expansion coefficient - as well as that of tantalum and niobium - approximately that of the semiconductor device - for example, a laser diode element based on GaAs - corresponds. This adaptation of the thermal
Ausdehnungskoeffizienten gestattet es, bei der Verwendung eines Wärmespreizkörpers sowohl die Fügeverbindung zwischen Wärmespreizkörper und Halbleiterbauelement als auch die Fügeverbindung mit der Mikrokanalwärmesenke oder der Kühlrippenstruktur allein mit einem zuverlässigen hoch goldhaltigen Gold-Zinn-Lot herzustellen. Zur vorteilhaften elektrischen Isolierung des Halbleiterbauelementes gegenüber dem Kühlmedium können die Montagefläche des Wärmeleitbereiches, eine die Kühlrippen aufweisender Kühlrippenkörper an einer dem Wärmeleitbereich zugewandten Anbindungsfläche und/ oder die Kühlrippen einschließlich ihrer Basis und ihrer Enden an den Oberflächen eine elektrisch isolierende Schicht tragen. Hinsichtlich der elektrischen Isolierung der Kühlrippen wird auf die deutsche Patentanmeldung 10 2007 051 797.3 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, Kühlrippen oder einen Kühlrippenkörper aus Tantal und/ oder Niob mit einer Tantaloxid- und/ oder Nioboxidschicht zu überziehen, beispielsweise durch Oxidation des Tantals und/ oder des Niob des Kühlrippenkörpers beziehungsweise der Kühlrippen.Expansion coefficients makes it possible to produce both the joint connection between heat spreader and semiconductor device and the joint connection with the microchannel heat sink or the cooling fin structure alone with a reliable high gold-containing gold-tin solder when using a heat spreader. For advantageous electrical insulation of the semiconductor component with respect to the cooling medium, the mounting surface of the heat-conducting region, a cooling fin body having the cooling fins on an adhesive bonding surface facing the heat-conducting region and / or the cooling fins including their base and their ends on the surfaces carry an electrically insulating layer. With regard to the electrical insulation of the cooling fins, reference is made to the German patent application 10 2007 051 797.3, the disclosure of which is hereby incorporated by reference. In particular, it is advantageous to cover cooling fins or a cooling fin body of tantalum and / or niobium with a tantalum oxide and / or niobium oxide layer, for example by oxidation of the tantalum and / or the niobium of the cooling fin body or of the cooling fins.
Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und Halbleiter-Kühlanordnung und deren Herstellung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen und den abhängigen Ansprüchen.Further expedient and advantageous refinements and developments of the cooling device according to the invention and the semiconductor cooling arrangement and their production result from the exemplary embodiments and the dependent claims.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, Fig. 2 eine Kühlrippenstruktur,1 shows a section through a first embodiment of a cooling device according to the invention, FIG. 2 shows a cooling rib structure,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung undFig. 3 is a section through a second embodiment of a cooling device according to the invention and
Fig.4 eine graphische Darstellung von Gleichung (8), die bereits erläutert wurde.4 is a graphical representation of equation (8), which has already been explained.
Ein Wärmespreizkörper 1 aus einem Silber-Diamant-Verbundwerkstoff besitzt eine Montagefläche 2 für ein zu kühlendes Halbleiterbauelement 3 und eine der Montagefläche 2 gegenüberliegende Anbindungsfläche 4 für eine Kühlrippenstruktur 5a. Die Kühlrippenstruktur 5a wird dadurch erzeugt, dass in ein 0,3 mm dickes Tantalblech durch Laserschneiden oder reaktives lonenätzen 50 μm breite Mikronuten eingebracht werden, wobei ein die Mikronuten umgebender, unstrukturierter Randbereich 6 im Tantalblech bestehen bleibt. In einer ersten Ausführung erstrecken sich die Mikronuten über die gesamte Dicke des Tantalbleches, so dass Langlöcher im Tantalblech mit 300 μm hohen Kühlrippen 7 gebildet werden.A heat spreader 1 made of a silver-diamond composite material has a mounting surface 2 for a semiconductor component 3 to be cooled and a connection surface 4 opposite the mounting surface 2 for a cooling rib structure 5 a. The cooling rib structure 5a is produced by introducing 50 μm wide microgrooves into a 0.3 mm thick tantalum sheet by laser cutting or reactive ion etching, wherein an unstructured edge region 6 surrounding the microgrooves remains in the tantalum sheet. In a first embodiment, the microgrooves extend over the entire thickness of the tantalum sheet, so that elongated holes are formed in the tantalum sheet with cooling fins 7 .mu.m high in height.
In einer zweiten Ausführung enden die Mikronuten 50 μm, bevor sie die gegenüberliegende Seite des Tantalbleches öffnen, so dass 250 μm hohe Kühlrippen 7 entstehen.In a second embodiment, the microgrooves end 50 microns before they open the opposite side of the tantalum, so that 250 micron high cooling fins 7 arise.
Die Kühlrippenstruktur 5b besitzt eine parallel zur Blechoberfläche orientierte Kühlrippenbasisebene B, an welcher der Wärmeeintrag erfolgt sowie eine der Kühlrippenbasisebene B gegenüberliegende Ebene E, in der die Kühlrippen 7 enden und die mit Abschnitten der Blechoberfläche übereinstimmt (Fig. 2).The cooling rib structure 5b has a cooling rib base plane B, oriented parallel to the sheet surface, on which the heat is introduced and a plane E opposite the cooling rib base plane B, in which the cooling ribs 7 end and which coincides with sections of the sheet metal surface (FIG. 2).
Die Kühlrippenstruktur 5b wird mit der in der basisseitigen Blechoberfläche enthaltenden Fügefläche 13 an der Anbindungsfläche 4 des Wärmespreizkörpers 1 vorzugsweise mit einem Lot 8 befestigt.The cooling rib structure 5b is fastened to the joining surface 4 of the heat spreader 1, preferably with a solder 8, by means of the joining surface 13 contained in the base-side sheet metal surface.
In einer dritten Ausführung wird auf der basisseitigen Blechoberfläche der Kühlrippenstruktur 5b gemäß der zweiten Ausführung eine elektrisch isolierende Schicht 9 aufgebracht, die anschließend lötfähig metallisiert wird, wobei die lötfähige Metallisierung die Fügefläche 13 aufweist.In a third embodiment, an electrically insulating layer 9 is applied to the base-side sheet metal surface of the cooling fin structure 5b according to the second embodiment, which is subsequently metallized in a solderable manner, wherein the solderable metallization has the joining surface 13.
Schließlich wird auf die an dem Wärmespreizkörper 1 befestigte Kühlrippenstruktur 5a/ 5b ein Anschlussbauteil 10 aufgesetzt, so dass die Kühlrippenstruktur 5a/ 5b verschlossen wird und sich eine Kühlkanalstruktur innerhalb einer Mikrokanalwärmesenke ausbildet. Zwischen dem Anschlussbauteil 10 und der Kühlrippenstruktur 5a/5b wird eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt, wobei sich die Fügezone 11 im Bereich des unstrukturierten Randbereiches 6 des Tantalbleches befindet. Das Anschlussbauteil 10 ist bevorzugt eine Platte aus LTC(low-temperature cofired)-Keramik mit wenigstens einem Zulaufkanal 12 zur Zuführung eines Kühlmittels zu der Kühlkanalstruktur sowie wenigstens einem nicht dargestellten Ablaufkanal zur Abführung des Kühlmittels aus der Kühlkanalstruktur. Während der Zulaufkanal 12 mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung steht, mündet der Ablaufkanal in einen Kühlmittelauslass (beide nicht dargestellt). Anschließend wird das Halbleiterbauelement 3 - beispielsweise ein Laserdiodenbarren - an der Montagefläche 2 der Mikrokanalwärmesenke mit Hilfe eines Lotes stoffschlüssig befestigt.Finally, a connection component 10 is placed on the cooling rib structure 5a / 5b fastened to the heat spreader 1 so that the cooling rib structure 5a / 5b is closed and a cooling channel structure is formed within a microchannel heat sink. A cohesive connection is produced between the connection component 10 and the cooling rib structure 5a / 5b, wherein the joining zone 11 is located in the region of the unstructured edge region 6 of the tantalum sheet. The connection component 10 is preferably a plate made of LTC (low-temperature cofired) ceramic with at least one inlet channel 12 for supplying a coolant to the cooling channel structure and at least one flow channel, not shown, for discharging the coolant from the cooling channel structure. While the inlet channel 12 communicates with a coolant inlet, the outlet channel opens into a coolant outlet (both not shown). Subsequently, the semiconductor device 3 - for example, a laser diode bar - attached to the mounting surface 2 of the microchannel heat sink by means of a solder cohesively.
In einer zweiten Variante dieses Ausführungsbeispiels wird die Kühlrippenstruktur 5b aus Fig. 2 zunächst kühlrippenseitig mit dem Anschlussbauteil 10 verbunden, wodurch eine erfindungsgemäße Mikrokanalwärmesenke mit einer Fügefläche 13 hergestellt wird. Ein als Laserdiodenbarren ausgebildetes Halbleiterbauelement 3 wird seitens seiner Kontaktfläche 14 stoffschlüssig über eine Lötfuge mit dem Wärmespreizkörper 1 verbunden. Anschließend wird der Wärmespreizkörper 1 seitens seiner dem Laserdiodenbarren gegenüberliegenden Anbindungsfläche 4 stoffschlüssig über eine Lötfuge mit der Fügefläche 13 der Mikrokanalwärmesenke verbunden. In a second variant of this exemplary embodiment, the cooling rib structure 5b from FIG. 2 is first connected to the connection component 10 on the cooling rib side, as a result of which a microchannel heat sink according to the invention having a joining surface 13 is produced. One as a laser diode bar formed semiconductor device 3 is connected by its contact surface 14 cohesively via a solder joint with the heat spreader 1. Subsequently, the heat spreader 1 is connected by its side opposite the laser diode bar attachment surface 4 cohesively via a solder joint with the joint surface 13 of the microchannel heat sink.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Kühlvorrichtung für wenigstens ein in seinem Betrieb Wärme erzeugendes Halbleiterbauelement mit1. Cooling device for at least one heat generating semiconductor device in its operation
- wenigstens einem, wenigstens eine Montagefläche zur stoffschlüssigen Befestigung wenigstens eines Halbleiterbauelementes aufweisenden, Wärmeleitbereich und- At least one, at least one mounting surface for the material-locking attachment of at least one semiconductor device having, Wärmeleitbereich and
- wenigstens einer Kühlkanalstruktur, die zumindest abschnittsweise auf einer der Montagefläche abgewandten Seite des Wärmeleitbereiches angeordnet ist und mit wenigstens einem Kühlmitteleinlass und wenigstens einem Kühlmittelauslass strömungstechnisch in Verbindung steht, wobei die Kühlkanalstruktur zumindest abschnittweise stoffschlüssig an den Wärmeleitbereich angebundene und von dem Wärmeleitbereich wegstehende Kühlrippen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens ein Kernbereich der Kühlrippen hinsichtlich Atom-, Gewichts- und/ oderat least one cooling channel structure, which is arranged at least in sections on a side facing away from the mounting surface of the Wärmeleitbereiches and fluidly communicates with at least one coolant inlet and at least one coolant outlet, wherein the cooling channel structure at least partially cohesively bonded to the Wärmeleitbereich and wegstehende from the Wärmeleitbereich cooling fins, characterized in that in each case at least one core region of the cooling ribs with respect to atomic, weight and / or
Volumenanteilen überwiegend aus Tantal und/ oder Niob besteht.Volume proportions consists mainly of tantalum and / or niobium.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen vollständig aus wenigstens einem Material bestehen, das hinsichtlich Atom-, Gewichts- und/ oder Volumenanteilen überwiegend Tantal und/oder Niob enthält.2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the cooling fins consist entirely of at least one material containing predominantly tantalum and / or niobium in terms of atomic, weight and / or volume fractions.
3. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich der Kühlrippen vollständig aus Tantal und/ oder Niob besteht.3. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the core region of the cooling fins consists entirely of tantalum and / or niobium.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen vollständig aus Tantal und/ oder Niob bestehen4. Cooling device according to claim 3, characterized in that the cooling fins consist entirely of tantalum and / or niobium
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenbreite kleiner ist als 200 μm und/ oder die Kühlrippenhöhe zwischen 100 μm und 600 μm liegt.5. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling rib width is smaller than 200 microns and / or the cooling fin height between 100 microns and 600 microns.
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen Bestandteile eines Kühlrippenkörpers sind. 6. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling ribs are components of a cooling fin body.
7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlrippenkörper vollständig aus Tantal und/ oder Niob besteht.7. Cooling device according to claim 6, characterized in that the cooling fin body consists entirely of tantalum and / or niobium.
8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitbereich 5 zumindest abschnittsweise Teil des Kühlrippenkörpers ist.8. Cooling device according to claim 6 or 7, characterized in that the heat-conducting region 5 is at least partially part of the cooling fin body.
9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlrippenkörper über an eine Anbindungsfläche stoffschlüssig an den Wärmeleitbereich angebunden ist.9. Cooling device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the cooling fin body is connected to a bonding surface cohesively to the heat conduction region.
1010
10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlrippenkörper wenigstens eine parallel und/ oder senkrecht zur Anbindungsfläche gerichtete Kühlrippenverbindungsplatte aufweist, über die die Kühlrippen miteinander verbunden sind.10. Cooling device according to claim 9, characterized in that the cooling fin body has at least one parallel and / or perpendicular to the connection surface directed cooling fin connection plate, via which the cooling fins are interconnected.
15 11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen eine Kühlrippenhöhe von der Ausdehnung der Kühlrippen senkrecht zur Anbindungsfläche aufweisen, die mindestens drei mal so groß ist wie die Kühlrippenbreite der kleineren Ausdehnung einzelner Kühlrippen parallel zur Anbindungsfläche.11. Cooling device according to claim 9, wherein the cooling ribs have a cooling rib height of the extent of the cooling ribs perpendicular to the connection surface, which is at least three times as large as the cooling rib width of the smaller extension of individual cooling ribs parallel to the connection surface.
20 12. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen zumindest abschnittsweise in Projektion der Montagefläche senkrecht zur Montagefläche liegen und eine Kühlrippenhöhe von der Ausdehnung der Kühlrippen senkrecht zur Montagefläche aufweisen, die mindestens drei mal so groß ist wie die Kühlrippenbreite der kleineren Ausdehnung einzelner Kühlrippen parallel zur Montagefläche.12 12. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling fins are at least partially in projection of the mounting surface perpendicular to the mounting surface and have a cooling fin height of the extension of the cooling fins perpendicular to the mounting surface, which is at least three times as large as the cooling rib width of the smaller Expansion of individual cooling fins parallel to the mounting surface.
2525
13. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Montagefläche und der Kühlkanalstruktur liegende Wärmeleitbereich überwiegend aus einem Werkstoff besteht, dessen thermische Leitfähigkeit größer ist als die der Kernbereiche der Kühlrippen.13. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the lying between the mounting surface and the cooling channel structure Wärmeleitbereich mainly consists of a material whose thermal conductivity is greater than that of the core regions of the cooling fins.
3030
14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen zumindest abschnittsweise in Projektion der Montagefläche senkrecht zur Montagefläche liegen und der Abstand der Montagefläche von den Kühlrippen mindestens drei mal so groß ist wie die Kühlrippenhöhe von der Ausdehnung der Kühlrippen senkrecht zur Montagefläche.14. Cooling device according to claim 13, characterized in that the cooling ribs lie at least in sections in projection of the mounting surface perpendicular to the mounting surface and the Distance of the mounting surface of the cooling fins is at least three times as large as the cooling fin height of the extension of the cooling fins perpendicular to the mounting surface.
15. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Montagefläche und der Kühlkanalstruktur liegende Wärmeleitbereich überwiegend aus einem15. Cooling device according to claim 13 or 14, characterized in that the lying between the mounting surface and the cooling channel structure Wärmeleitbereich predominantly from a
Verbundwerkstoff besteht, dessen mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient annähernd dem des Halbleiterbauelementes entspricht.Composite material is the average thermal expansion coefficient approximately equal to that of the semiconductor device.
16. Kühlvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Material des Verbundwerkstoffes wenigstens ein Metall der Gruppe Kupfer, Silber und Aluminium enthält und wenigstens ein zweites Material des Verbundwerkstoffes wenigstens einen Werkstoff der Gruppe Wolfram, Molybdän, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid und Kohlenstoff.16. Cooling device according to claim 15, characterized in that a first material of the composite material contains at least one metal of the group copper, silver and aluminum and at least one second material of the composite material at least one material of the group tungsten, molybdenum, boron nitride, aluminum nitride, silicon carbide and carbon ,
17. Kühlvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff wenigstens zwei der Materialien Silizium, Siliziumkarbid und Kohlenstoff enthält.17. Cooling device according to claim 15 or 16, characterized in that the composite material contains at least two of the materials silicon, silicon carbide and carbon.
18. Kühlvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff wenigstens in einer der Modifikationen Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstofffaser und Kohlenstoffnanoröhrchen vorliegt.18. Cooling device according to claim 16 or 17, characterized in that carbon is present in at least one of the modifications diamond, graphite, graphene, carbon fiber and carbon nanotubes.
19. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen an ihrer Oberfläche zumindest abschnittsweise eine elektrisch isolierende Schicht tragen.19. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling ribs on their surface at least partially wear an electrically insulating layer.
20. Kühlvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht Tantaloxid und/ oder Nioboxid aufweist oder aus Tantal und/ oder Nioboxid besteht.20. Cooling device according to claim 19, characterized in that the electrically insulating layer has tantalum oxide and / or niobium oxide or consists of tantalum and / or niobium oxide.
21. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Montagefläche und den Kühlrippen wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist, die das Halbleiterbauelement und die Kühlrippen elektrisch voneinander isoliert.21. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that between the mounting surface and the cooling fins at least one electrically insulating layer is arranged, which electrically isolates the semiconductor device and the cooling fins from each other.
22. Kühlvorrichtung nach der Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen Bestandtteile eines Kühlrippenkörpers mit Kühlrippenverbindungsplatte sind, über die die Kühlrippen miteinander verbunden sind, und die Kühlrippenverbindungsplatte die elektrisch isolierende Schicht auf einer der dem Montagefläche und/ oder dem Wärmeleitbereich zugewandten Seite trägt.22. Cooling device according to claim 21, characterized in that the cooling fins are constituent parts of a cooling fin body with cooling fin connection plate, via which the cooling fins with each other are connected, and the fin connecting plate carries the electrically insulating layer on one of the mounting surface and / or the Wärmeleitbereich facing side.
23. Halbleiter-Kühlanordnung mit einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und 5 wenigstens einem stoffschlüssig über die Montagefläche mit der Kühlvorrichtung verbundenen23. Semiconductor cooling arrangement with a cooling device according to one of claims 1 to 22 and 5 at least one materially connected via the mounting surface with the cooling device
Halbleiterbauelement.Semiconductor device.
24. Halbleiter-Kühlanordnung nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung von Halbleiterbauelement und Kühlvorrichtung nur eine Fügezone zwischen dem24. Semiconductor cooling arrangement according to claim 23, characterized in that the cohesive connection of semiconductor component and cooling device only one joining zone between the
10 Halbleiterbauelement und der Kühlvorrichtung aufweist.10 semiconductor device and the cooling device comprises.
25. Halbleiter-Kühlanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügezone die Elemente Gold und Zinn enthält.25. Semiconductor cooling arrangement according to claim 24, characterized in that the joining zone contains the elements gold and tin.
15 26. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Herstellung eines Anschlussbauteils,26. Method for producing a cooling device according to one of claims 1 to 22, characterized by the following steps: production of a connection component,
Herstellung eines Kühlrippenkörpers mit einer Kühlrippenstruktur, die Kühlrippen aufweist, die jeweils wenigstens in einem Kernbereich hinsichtlich Atom-, Gewichts- und/ oder Volumenanteilen 20 überwiegend aus Tantal und/ oder Niob bestehen, wobei der Kühlrippenkörper und das Anschlussbauteil gemeinsam wenigstens zwei Öffnungen aufweisen,Production of a cooling rib body with a cooling rib structure, which has cooling ribs, each consisting at least in a core region in terms of atomic, weight and / or volume fractions 20 predominantly tantalum and / or niobium, wherein the cooling rib body and the connection component together have at least two openings,
Herstellung einer Mikrokanalwärmesenke durch stoffschlüssiges Verbinden desProduction of a microchannel heat sink by materially connecting the
Kühlrippenkörpers mit dem Anschlussbauteil, wobei die Kühlrippenstruktur durch dasCooling fin body with the connection component, wherein the cooling fin structure through the
25 Anschlussbauteil verdeckt und zu einer Kühlkanalstruktur ausgebildet wird, die in strömungstechnischer Verbindung mit beiden Öffnungen steht, von denen eine erste als25 connecting member is concealed and formed into a cooling channel structure, which is in fluid communication with two openings, of which a first as
Kühlmitteleinlass und eine zweite als Kühlmittelauslass wirkt.Coolant inlet and a second acts as a coolant outlet.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippenstruktur dadurch erzeugt 30 wird, dass eine Vielzahl von Mikronuten durch Laserschneiden oder reaktives lonenätzen in eine27. The method according to claim 26, characterized in that the cooling fin structure is generated by a plurality of microns grooves by laser cutting or reactive ion etching in a
Platte, die im überwiegend aus Tantal und/oder Niob besteht, eingebracht werden. Plate, which consists predominantly of tantalum and / or niobium, are introduced.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Nuten umgebender, unstrukturierter Randbereich der Platte bestehen bleibt.28. The method according to claim 27, characterized in that a surrounding the grooves, unstructured edge region of the plate remains.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Kühlrippenkörpers die Verbindung der Kühlrippenstruktur mit einem Wärmeleitkörper beinhaltet, der die Montagefläche umfasst.29. The method according to any one of claims 28 to 28, characterized in that the production of the cooling fin body includes the connection of the cooling fin structure with a heat conducting body, which comprises the mounting surface.
30. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, gekennzeichnet durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28 und die stoffschlüssige Verbindung des Halbleiterbauelementes mit der30. A method for producing a semiconductor cooling arrangement according to one of claims 23 to 25, characterized by a method for producing a cooling device according to one of claims 26 to 28 and the cohesive connection of the semiconductor device with the
Kühlvorrichtungcooler
31. Verfahren nach Anspruch 30 gekennzeichnet durch und folgende zusätzliche Schritte:31. The method according to claim 30 characterized by and the following additional steps:
Herstellen eines Wärmeleitkörpers, - stoffschlüssiges Verbinden des Halbleiterbauelementes mit dem Wärmeleitkörper, stoffschlüssiges Verbinden des Wärmeleitkörpers mit der Mikrokanalwärmesenke.Producing a Wärmeleitkörpers, - cohesively connecting the semiconductor device with the heat conducting body, cohesively connecting the heat conducting body with the Mikrokanalwärmesenke.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet dass die Reihenfolge der beiden Verbindungsschritte beliebig ist.32. The method according to claim 31, characterized in that the order of the two connecting steps is arbitrary.
33. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, gekennzeichnet durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 29 und die stoffschlüssige Verbindung des Halbleiterbauelementes mit der Kühlvorrichtung, wobei der Verbindung des Kühlrippenkörpers mit dem Anschlussbauteil die stoffschlüssigen Verbindung des Halbleiterbauelementes mit dem Kühlrippenkörper vorangeht.33. A method for producing a semiconductor cooling arrangement according to one of claims 23 to 25, characterized by a method for producing a cooling device according to claim 29 and the cohesive connection of the semiconductor device with the cooling device, wherein the connection of the cooling fin body with the connection component, the material connection of the Semiconductor component with the cooling fin body precedes.
34. Verfahren nach Anspruch 33 dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindung der Kühlrippenstruktur mit dem Wärmeleitkörper die stoffschlüssige Befestigung des Halbleiterbauelementes an der Montagefläche des Wärmeleitkörpers vorangeht. 34. The method according to claim 33, characterized in that the connection of the cooling rib structure with the heat conducting body precedes the cohesive fastening of the semiconductor component to the mounting surface of the heat conducting body.
35. Verfahren nach Anspruch 30 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Herstellung der Mikrokanalwärmesenke die stoffschlüssige Befestigung des Halbleiterbauelementes auf der Montagefläche anschließt. 35. The method of claim 30 or 33, characterized in that the production of the micro-channel heat sink is followed by the cohesive attachment of the semiconductor component on the mounting surface.
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