WO2011009680A2 - Optoelektronische baueinheit und verfahren zur herstellung einer solchen baueinheit - Google Patents

Optoelektronische baueinheit und verfahren zur herstellung einer solchen baueinheit Download PDF

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WO2011009680A2
WO2011009680A2 PCT/EP2010/058516 EP2010058516W WO2011009680A2 WO 2011009680 A2 WO2011009680 A2 WO 2011009680A2 EP 2010058516 W EP2010058516 W EP 2010058516W WO 2011009680 A2 WO2011009680 A2 WO 2011009680A2
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Svetlana Levchuk
Gerhard Mitic
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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    • H01L33/641—Heat extraction or cooling elements characterized by the materials

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic assembly according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for producing such.
  • DE-A 10 2004 036 960 discloses a printed circuit board and a method for producing such a printed circuit board.
  • a thermally conductive and electrically insulating layer on the upper side and a heat element is used which thermally connects the layer to the underside of the printed circuit board.
  • the layer is especially diamond-like carbon.
  • the object of the present invention is to provide the most efficient possible cooling for an optoelectronic component.
  • the heat spreading plays a decisive role, wherein the waste heat is first spread and then discharged to a heat sink, in particular made of aluminum.
  • a heat sink in particular made of aluminum.
  • the socket sockets are made of metal alloys such as aluminum or copper alloy.
  • LEDs are applied to electrically insulating substrates, usually ceramics, or conductive substances, usually metals. It turns out that about 80% of the temperature gradient falls on the first 7 mm below the LED. In order to reduce the thermal resistance high-thermal conductive materials must be used here.
  • an aluminum alloy is usually chosen.
  • the thermal conductivity is at typical values of 235 W / mK in the case of an aluminum alloy such as A11060 and 390 W / mK in the case of a copper alloy such as Cul787 or Cul7666 limited.
  • AlN is frequently used, the thermal conductivity of which is 180 W / (m * K).
  • highly heat-conductive composite materials are used to spread the heat in the first millimeter under the heat source.
  • composite materials such as Al-diamond or Cu-diamond have proven to be suitable.
  • metallic fiber composites with carbon fibers show a high thermal conductivity. For cost reasons, it is advantageous if these composites are used only for the first millimeter of heat sources. Composites involving diamond particles or C fibers have generally been found to be particularly suitable.
  • Al / diamond is a composite of aluminum and diamond particles. These are typically about 100 ⁇ m industrial diamonds embedded in an aluminum matrix, so that the diamonds participate in thermal management.
  • the diamonds have a thermal conductivity of about 1000 W / m * K, whereas aluminum has only about 200 W / m * K.
  • the combination of these two materials increases the thermal conductivity up to 600 W / m * K, depending on the volume fraction of the diamonds.
  • the thermal expansion is reduced because diamond has a low coefficient of thermal expansion.
  • the industrial diamonds are also used in tools such as grindstones and are therefore relatively inexpensive.
  • the invention is about the combined heat spreading and dissipation of the heat.
  • point sources of heat such as LEDs not only the heat dissipation as such is in the foreground, here is an additional improvement by heat dissipation into play, ie the broadening of heat dissipation to a larger cross section immediately below the punctiform chip.
  • highly heat-conductive composites are available in one level directly below the LED.
  • Known from the prior art is only the simple heat dissipation of the LEDs. But there are no measures for improved targeted heat spreading provided immediately below the LED. The improved heat spread results in a significantly reduced thermal resistance of the overall structure.
  • Fig. 2 is a graph showing the temperature history of aluminum as a pedestal
  • Fig. 3 is a graph showing the temperature history for pedestals of various materials where 100% of the temperature gradient in the Al alloy pedestal is defined;
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the heat dissipation with heat spreading
  • Fig. 5 is a schematic diagram of the heat dissipation without heat spreading
  • Fig. 6 is a graph plotting thermal conductivity versus coefficient of thermal expansion for various materials;
  • Figure 7 schematically shows a particle of the reinforcing material embedded in the matrix to form a carbide layer.
  • FIG. 1 shows a structural unit 10 with a substrate 1 with soldered-on LEDs, a heat-conducting base 11 as a means of de-heating and a heat sink 4.
  • the direction of the z-axis of the structural unit is indicated.
  • the heat conducting base 11 consists of two parts 2 and 3.
  • the first part 2 is adjacent to the substrate and is made of a composite material with increased thermal conductivity, while the second part 3 consists of a conventional metal alloy, for example aluminum alloy.
  • the first part 2, the layer adjacent to the substrate, is made of Al / diamond.
  • FIG. 2 shows a diagram with the temperature profile in the z-direction, that is to say perpendicular to the structural unit 10.
  • the cooling-down means 11 is approximately 15 mm thick and consists simply of aluminum alloy, it can be seen that -as shown in FIG. a thickness of the layer adjacent to the substrate of 7 mm provides optimum results, because then the residual temperature drop in the remaining part of the heat conducting base is limited to 20% due to the heat spreading occurring there.
  • the diamond particles should only be located in the first part 2 of the "LED base" which is otherwise made of an aluminum alloy, and this uppermost part 2 directly adjacent to the LED is preferably at most 7 mm thick with a total thickness of 15 mm of the heat-conducting base, which shows a reduction of the temperature gradient by more than 50% compared to an LED base without diamond particles, see FIG. 3.
  • the temperature gradient in bases made of different materials were related to the temperature gradient in a base of an Al alloy.
  • the heat-conducting base is uniformly made only of an aluminum alloy.
  • the upper part of the heat conduction base is made of Al / diamond composite material and the lower part is made of an aluminum alloy.
  • Curve 3 describes the behavior of a heat-conducting base made entirely of Al / diamond composite material.
  • FIG. 4 shows the principle of operation of the efficient heat spreading by the use of a two-part heat-conducting base according to the invention.
  • the upper part 2 is made of a highly heat-conductive material, e.g. Al / diamond composite material, while the lower part 3 consists of a conventional metal alloy.
  • the heat-conducting base is connected to a conventional heat sink 4.
  • Figure 5 shows a less efficient spreading in the prior art use of a cakesleitsockels 33 of a conventional metal alloy.
  • the difference between heat spreading and heat dissipation alone is illustrated.
  • the thermal resistance R t h can be significantly reduced only if efficient heat spreading (by means of part 2) is switched before further heat dissipation (by means of part 3).
  • US-B 6055154 describes a construction with a block with anisotropic thermal properties, so that the heat conduction is improved and the heat spreading is even worsened.
  • the patent does not describe measures for heat spreading.
  • DE-A 10234995 describes a "better thermally conductive insert" similar to a thermal vias for improved heat dissipation.
  • DE-A 10246892 and DE-A 10 2004 036 960 explicitly provide and describe only heat dissipation. Measures to improve the heat spread are not described.
  • EP-A 1622432 and EP-A 1622433 each relate to printed circuit boards.
  • a diamond layer for electrical insulation is described, which is very good thermal conductivity, but with a thickness of up to 3 microns can not contribute to the heat spreading.
  • a meaningful one Minimum thickness of the first part 2 is 2 mm, preferably 4.5 mm.
  • Figure 6 shows a representation of the thermal conductivity in W / (cm * K) as a function of the thermal expansion coefficients in 10 -6 / K for various metals and ceramics.
  • Technically required according to the invention a possible reduced thermal expansion coefficient and at the same time the highest possible thermal conductivity.
  • the thermomechanical stability should not suffer as a result.
  • the thermal cycling must be taken into account in such devices as LEDs, the same applies to the surface roughness and metallization.
  • the composite or composite material is generally composed of a metal matrix and a reinforcing material.
  • Suitable reinforcing materials in the composite material are particles or fibers, in particular diamond or SiC as particles or else carbon fibers.
  • copper, silver and aluminum alloys are particularly suitable as the metal matrix of the composite material.
  • Preferred composites are the material systems Cu / diamond, Ag / diamond, Al / diamond, with limitations also Al / SiC, and Cu / C.
  • the thermal expansion coefficient of the entire composite material is reduced. Therefore, this volume fraction, depending on the reinforcing material by the requirement of a thermal expansion coefficient of about 4.5 to 8.5 * 10 ⁇ 6 / K defined.
  • the most suitable range is shown as optimum in the middle. Suitable is a range of at least 2 W / cm * K in a thermal expansion coefficients of about 4.5 to 8 * 10 -6 / K.
  • Preferred is a range of 6 to 10 W / cm * K with a thermal expansion coefficient of about 4.5 to 8 * 10 "6 / K.
  • the production of the composite material such as Al / diamond takes place, for example, as known per se by gas pressure infiltration or compression molding (squeeze casting).
  • gas pressure infiltration the solidification phase is significantly longer than with squeeze casting, so that the reaction time in the first case is sufficient for the formation of a thin carbide layer at the interface.
  • a heat treatment may be necessary.
  • This carbide layer should be chosen to be optimally thick, in particular 10 nm to 10 ⁇ m, depending on the system. Too thick a layer acts as a thermal barrier.
  • FIG. 7 shows, purely schematically, a section of the composite material with a metal matrix 15, a diamond particle 16 and an interface of metal carbide 18.
  • the diamond is also roughened, which is symbolized by the corners 17.
  • the metal carbide layer 18 can also be formed without prior roughening of the particles 16.

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Abstract

Eine optoelektronische Baueinheit (10) weist ein optoelektronisches Bauteil (1) und eine Unterlage (11) dafür auf, wobei die Unterlage (11) zur Wärmeableitung der vom Bauteil (1) erzeugten Abwärme dient. Dabei weist die Unterlage (11) eine dem Bauteil (1) benachbarte Schicht (1) auf, die aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist, der aus einer Metallmatrix und einem Verstärkungsmaterial besteht, das in die Metallmatrix eingebettet ist.

Description

Titel: Optoelektronische Baueinheit und Verfahren zur Herstellung einer solchen Baueinheit
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Baueinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus be- trifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen .
Stand der Technik
Aus der DE-A 10 2004 036 960 ist eine Leiterplatte und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Leiterplatte angegeben. Dabei wird eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht an der Oberseite und ein Wärmeelement verwendet, das die Schicht thermisch mit der Unterseite der Leiterplatte verbindet. Die Schicht ist insbesondere diamantartiger Kohlenstoff.
Aus der DE-A 10 2005 063 106 ist ein optoelektronischer Halbleiterchip bekannt mit Passivierungsschicht, die Aluminiumnitrid oder diamantartigen Nanoverbundwerkstoff enthält .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst effiziente Kühlung für eine optoelektronische Bau- einheit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die derzeitige Tendenz der Entwicklung von optoelektronischen Bauteilen ist durch eine ständige Erhöhung der Leistungsdichte gekennzeichnet. Dadurch gewinnt das Thema des thermischen Managements in Aufbauten mit punktuellen Wärmequellen eine immer größere Bedeutung, beispielsweise für Prozessoren, Leistungselektronik und LEDs als Bauteil. Grundsätzlich muss die Überhitzung dieser Bauteile und die damit verbundenen Folgen vermieden werden.
Für eine effiziente Kühlung spielt die Wärmespreizung eine entscheidende Rolle, wobei die Abwärme zunächst gespreizt und danach an einen Kühlkörper, insbesondere aus Aluminium, abgeführt wird. Insbesondere für LEDs in der Allgemeinbeleuchtung werden zukünftig Sockel-Fassungssysteme gewünscht, die eine gute thermische Ankoppelung des Sockels an den Kühlkörper sicherstellen. Aus thermischen Gründen bestehen die Sockel- Fassungssysteme aus Metalllegierungen wie Aluminium- oder Kupfer-Legierung. Abhängig von der Technologie werden LEDs auf elektrisch isolierenden Substraten, meist Keramiken, oder leitfähigen Substanzen, meist Metallen, aufgebracht. Es zeigt sich, dass etwa 80% des Temperatur- Gefälles auf die ersten 7 mm unterhalb der LED entfallen. Um den thermischen Widerstand zu verringern müssen hier hochwärmeleitfähige Materialien eingesetzt werden.
Bekannt ist es wärmeleitfähige Metalle einzusetzen um die
Abwärme zu spreizen und abzuleiten. Aus Gewichtsgründen wird meist eine Aluminiumlegierung gewählt. Die Wärme- leitfähigkeit ist dabei auf typische Werte von 235 W/mK im Fall einer Aluminiumlegierung wie A11060 bzw. 390 W/mK im Fall einer Kupferlegierung wie Cul787 oder Cul7666 beschränkt. Bei elektrisch isolierenden Aufbauten wird häufig AlN eingesetzt, dessen Wärmeleitfähigkeit bei 180 W/ (m*K) liegt.
Erfindungsgemäß werden hochwärmeleitfähige Verbundwerkstoffe eingesetzt, um die Wärme in den ersten Millimetern unter der Wärmequelle zu spreizen. Als hochwärmeleitfähi- ger Verbundwerkstoff haben sich Verbundwerkstoffe wie Al- Diamant oder Cu-Diamant als geeignet erwiesen. Auch metallische Faser-Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern zeigen eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Aus Kostengründen ist es günstig, wenn diese Verbundwerkstoffe nur für die ersten Millimeter unter Wärmequellen eingesetzt werden. Verbundwerkstoffe unter Einbeziehung von Diamantpartikeln oder C-Fasern haben sich allgemein als besonders geeignet erwiesen .
Für punktuelle Wärmequellen wie LEDs ist die Wärmespreizung von besonderer Bedeutung. Die Erschließung hoher Leistungsdichten in elektronischen Bauteilen ist in erste Linie durch das dabei erforderliche thermische Management beschränkt. Der Einsatz hochwärmeleitfähiger Verbundwerkstoffe ur Wärmespreizung in unmittelbarer Nähe zu Wärmequellen trägt entscheidend dazu bei, den thermischen Wi- derstand zu reduzieren. Dies ermöglicht eine effiziente Entwärmung. Als Folge können beispielsweise bei LEDs hohe Leuchtdichten erreicht werden. Die verbesserte Kühlung erhöht sowohl die Lebensdauer der LEDs als auch die Effizienz der Lichtausbeute. Al/Diamant ist ein Verbundwerkstoff aus Aluminium und Diamant-Partikeln. Es handelt sich dabei typisch um ca. 100 μm große Industriediamanten, die in einer Aluminiummatrix eingebettet sind, so dass die Diamanten am thermischen Management teilnehmen. Die Diamanten haben eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 1000 W/m*K, wohingegen Aluminium nur ca. 200 W/m*K besitzt. Die Kombination dieser beiden Werkstoffe erhöht die Wärmeleitfähigkeit je nach Volumenanteil der Diamanten auf bis zu 600 W/m*K. Gleichzeitig wird die thermische Ausdehnung reduziert, da Diamant einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Somit wird der thermische Mismatch gegenüber Keramiken, die häufig in der Aufbautechnik benutzt werden, reduziert, so dass sich die Lebensdauer des LED-Aufbaus erhöht. Die Industriediamanten werden auch in Werkzeugen wie z.B. Schleifsteinen eingesetzt und sind daher vergleichsweise kostengünstig.
Möglich ist nicht nur die Kombination von Aluminium und Diamant, sondern z.B. auch von Aluminium bzw. Kupfer mit Graphit oder Kohlenstofffasern, welche auch eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen.
Erfindungsgemäß geht es um die kombinierte Wärmespreizung und Ableitung der Wärme. Bei punktuellen Wärmequellen wie LEDs steht nicht nur die Wärmeableitung als solche im Vordergrund, hier kommt eine zusätzliche Verbesserung durch Wärmespreizung ins Spiel, d.h. die Verbreiterung des Wärmeabflusses auf einen größeren Querschnitt unmittelbar unterhalb des punktförmigen Chips . Hier bieten sich hochwärmeleitfähige Verbundwerkstoffe in einer Ebene unmittelbar unterhalb der LED an. Aus dem Stand der Technik bekannt ist nur die einfache Wärmeableitung der LEDs. Dort sind aber keine Maßnahmen zur verbesserten gezielten Wärmespreizung unmittelbar unterhalb der LED vorgesehen. Aus der verbesserten Wärme- spreizung resultiert ein deutlich verringerter thermischer Widerstand des Gesamtaufbaus.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zei- gen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Baueinheit,
Fig. 2 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf für Aluminium als Sockel zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf für Sockel aus verschiedenen Materialien zeigt, wo als 100% der Temperaturgradient im Al-Legierung-Sockel definiert ist;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Entwärmung mit Wärmespreizung; Fig. 5 eine Prinzipdarstellung der Entwärmung ohne Wärmespreizung;
Fig. 6 ein Diagramm, in dem die Wärmeleitfähigkeit gegen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgetragen ist, für verschiedene Materialien; Figur 7 schematisch ein Partikel des Verstärkungsmaterials, eingebettet in der Matrix unter Ausbildung einer Carbidschicht . Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Baueinheit 10, mit einem Substrat 1 mit aufgelöteten LEDs, einem Wärmeleit-Sockel 11 als Ent- wärmungsmittel und einem Kühlkörper 4. Die Richtung der z-Achse der Baueinheit ist angegeben. Der Wärmeleitsockel 11 besteht aus zwei Teilen 2 und 3. Der erste Teil 2 ist dem Substrat benachbart und ist aus einem Verbundwerkstoff mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit hergestellt, während der zweite Teil 3 aus einer herkömmlichen Metalllegierung besteht, beispielsweise Aluminium-Legierung. Der erste Teil 2, die dem Substrat benachbarte Schicht, ist aus AI/Diamant gefertigt.
Figur 2 zeigt ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf in z-Richtung, also senkrecht zu der Baueinheit 10. Im Falle, dass das Entwärmungsmittel 11 etwa 15 mm dick ist und einfach nur aus Aluminiumlegierung besteht, zeigt sich, dass -wie in Figur 2 dargestellt- eine Dicke der dem Substrat benachbarten Schicht von 7 mm optimale Ergebnisse liefert, weil dann durch die dort auftretende Wärmespreizung der restliche Temperaturabfall im restlichen Teil des Wärmeleitsockels auf 20% begrenzt ist.
Die Kernaussage von Figur 1 ist, dass sich die Diamantpartikel nur in dem ersten Teil 2 des „LED-Sockels", der sonst aus einer Aluminium-Legierung gefertigt ist, befinden sollen. Dieser oberste, der LED direkt benachbarte Teil 2 ist bevorzugt höchstens 7 mm dick bei einer Gesamtdicke von 15 mm des Wärmeleitsockels. Hier zeigt sich eine Reduktion des Temperaturgradienten um mehr als 50% verglichen mit einem LED-Sockel ohne Diamantpartikel, siehe Figur 3. Der Temperaturgradient in Sockeln aus ver- schiedenen Materialien wurde in Relation gesetzt zum Temperaturgradienten in einem Sockel aus einer AI-Legierung. Dabei ist bei Kurve 1 der Wärmeleitsockel einheitlich nur aus einer Aluminium-Legierung. Bei Kurve 2 ist der obere Teil des Wärmeleitsockels aus Al/Diamant-Verbundwerkstoff und der untere aus einer Aluminium-Legierung. Die Kurve 3 beschreibt das Verhalten eines Wärmeleitsockels, der komplett aus Al/Diamant-Verbundwerkstoff besteht.
Besteht der gesamte Wärmelei tsockel aus Al/Diamant- Verbundwerkstoff, so verringert sich zwar der Temperaturgradient um ca. 10%, siehe Kurve 3 in Figur 3, verglichen mit der Lösung gemäß Kurve 2. Dem stehen aber wesentlich höhere Kosten für den Wärmeleitsockel gegenüber. Es zeigt sich somit, dass ein 7 mm dicker oberer Teil des Wärme- leitsockels aus Verbundwerkstoff für eine effiziente Ent- wärmung bereits gut ausreicht. Allgemein sollte die Dicke des ersten Teils mindestens 30% der Dicke des Wärmeleitsockels ausmachen. Bevorzugt sind 40%, besonders bevorzugt 50%. Figur 4 zeigt das Wirkungsprinzip der effizienten Wärmespreizung durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen zweiteiligen Wärmeleitsockels. Der obere Teil 2 wird aus einem hochwärmeleitfähigen Material wie z.B. Al/Diamant- Verbundwerkstoff hergestellt, während der untere Teil 3 aus einer herkömmlichen Metalllegierung besteht. Der Wärmeleitsockel ist an einem üblichen Kühlkörper 4 angeschlossen .
Dagegen zeigt Figur 5 eine weniger effiziente Spreizung bei der vorbekannten Verwendung eines Wärmeleitsockels 33 aus einer herkömmlichen Metalllegierung. In Figur 4 und 5 ist der Unterschied zwischen Wärmespreizung und alleiniger Wärmeableitung verdeutlicht. Der thermische Widerstand Rth lässt sich nur dann merklich reduzieren, wenn eine effiziente Wärmespreizung (mittels Teil 2) vor die weitere Wärmeableitung (mittels Teil 3) geschaltet wird.
Die US-B 6055154 beschreibt einen Aufbau mit einem Block mit anisotropen thermischen Eigenschaften, so dass die Wärmeleitung verbessert und die Wärmespreizung sogar ver- schlechtert werden. Das Patent beschreibt keine Maßnahmen zur Wärmespreizung.
Die DE-A 10234995 beschreibt einen "besser wärmeleitenden Einsatz" ähnlich eines thermischen Vias zur verbesserten Wärmeableitung . Bei den DE-A 10246892 und DE-A 10 2004 036 960 ist explizit nur eine Wärmeableitung vorgesehen und beschrieben. Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmespreizung werden nicht beschrieben.
Bei der DE-A 10 2005 063 106 wird die Wärmespreizung auf den Chip durch eine hochwärmeleitfähige Beschichtung verbessert, damit keine lokalen Hot Spots entstehen. Die Wärmespreizung unterhalb des Chips hin zum Kühlkörper wird nicht verbessert.
Die EP-A 1622432 und EP-A 1622433 bezieht sich jeweils auf Leiterplatten. Hier wird eine Diamant Schicht zur elektrischen Isolation beschrieben, die zwar thermisch sehr gut leitend ist, die aber mit einer Dicke bis 3 μm nicht zur Wärmespreizung beitragen kann. Eine sinnvolle Mindestdicke des ersten Teils 2 ist 2 mm, bevorzugt sind 4 , 5 mm.
Figur 6 zeigt eine Darstellung der Wärmeleitfähigkeit in W/(cm*K) als Funktion des thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten in 10~6 /K für verschiedene Metalle und Keramiken. Technisch gefordert ist erfindungsgemäß ein möglichst reduzierter thermischen Ausdehnungskoeffizient und gleichzeitig eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit. Die ther- momechanische Stabilität soll nicht darunter leiden. Auch die Temperaturwechselbelastung muss bei derartigen Geräten wie LEDs berücksichtigt werden, ähnliches gilt für die Oberflächen-Rauhheit und Metallisierung.
Das Verbundmaterial oder Kompositmaterial ist allgemein aus einer Metallmatrix und einem Verstärkungsmaterial zu- sammengesetzt .
Geeignete Verstärkungsmaterialien im Verbundmaterial sind Partikel oder Fasern, insbesondere Diamant oder SiC als Partikel oder auch Kohlenstoff-Fasern.
Als Metallmatrix des Kompositmaterials eignen sich grund- sätzlich bevorzugt vor allem Kupfer-, Silber-, und Aluminium-Legierungen .
Bevorzugte Verbundwerkstoffe sind die Material-Systeme Cu/Diamant, Ag/Diamant, AI/Diamant, mit Einschränkungen auch Al/SiC, und Cu/C. Durch Erhöhung des Volumenanteils der Verstärkungskomponenten in der Metallmatrix wird der thermische Ausdehnungskoeffizient des gesamten Verbundwerkstoffes verringert. Deswegen wird dieser Volumenanteil je nach Verstärkungsmaterial durch die Forderung eines thermischen Aus- dehnungskoeffizienten von etwa 4,5 bis 8,5 *10~6/K definiert. Der am besten geeignete Bereich ist als Optimum in der Mitte gezeigt. Geeignet ist ein Bereich von mindestens 2 W/cm*K bei einem thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten von etwa 4,5 bis 8 *10~6/K.
Bevorzugt ist ein Bereich von 6 bis 10 W/cm*K bei einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4,5 bis 8 *10"6/K.
Die sorgfältig optimierte Ausbildung der Grenzfläche zwi- sehen der Matrix und der verstärkenden Phase spielt eine wichtige Rolle für die thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes. Z.B. reicht für das System AI/Diamant eine verbesserte rein mechanische Anbindung von Diamanten an die Matrix nicht, wie sie durch Aufrauhen der Oberflä- che von Diamanten möglich ist (Tabelle 1), um eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes zu bekommen (Tabelle 1). Vielmehr ist die bewusste Ausbildung einer dünnen Carbidschicht als Grenzfläche sehr vorteilhaft.
Die Herstellung des Verbundwerkstoffes wie AI/Diamant er- folgt beispielsweise wie an sich bekannt durch Gasdruckinfiltration oder Pressgießen (Squeeze Casting) . Bei der Gasdruckinfiltration ist die Erstarrungsphase deutlich länger als bei Squeeze Casting, sodass die Reaktionszeit im ersten Fall für die Ausbildung einer dünnen Carbid- schicht an der Grenzfläche reicht. Für die Squeeze Casting Verbundwerkstoffe kann eine Wärmebehandlung notwendig sein. Diese Carbidschicht soll optimal dick gewählt sein, insbesondere 10 nm bis 10 μm je nach System. Eine zu dicke Schicht wirkt als eine thermische Barriere. Figur 7 zeigt rein schematisch einen Ausschnitt aus dem Kompositmaterials mit einer Metallmatrix 15, einem Diamantpartikel 16 und einer Grenzfläche aus Metallcarbid 18. zur Optimierung ist außerdem der Diamant aufgerauht, was durch die Ecken 17 symbolisiert ist. Selbstverständlich kann die Metallcarbidschicht 18 auch ohne vorherige Aufrauhung der Partikel 16 gebildet werden.
Tab. 1
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Claims

Ansprüche
1. Optoelektronische Baueinheit mit einem optoelektronischen Bauteil und einem Wärmeleit-Sockel, der dem Substrat anliegt, wobei der Wärmeleit-Sockel zur Wärmeableitung der vom Bauteil erzeugten Abwärme dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleit-Sockel eine Schicht aufweist, die aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist, der aus einer Metallmatrix und einem Verstärkungsmaterial besteht, das in die Metallmatrix eingebettet ist.
2. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleit-Sockel aus zwei Teilen besteht, wobei eine erste Schicht aus dem Verbundwerkstoff dem Substrat benachbart ist, insbesondere in direktem Kontakt mit der vollständigen Grundfläche des Sub- strats ist, und insbesondere diese erste Schicht mindestens 2 mm dick ist, während der zweite Teil, der in Kontakt mit der ersten Schicht steht, aus Metall oder einer Metall-Legierung gefertigt ist.
3. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmatrix aus einer Cu-, Al-, oder Ag-
Legierung besteht.
4. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial eine Modifikation von Kohlenstoff oder ein Carbid ist.
5. Baueinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial Diamant oder Kohlenstofffaser ist.
6. Baueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff oder ein Carbid als Partikel oder Faser in der Metallmatrix verteilt ist, so dass sich zwischen Matrix und Verstärkungsmaterial Grenz- flächen befinden.
7. Baueinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenzfläche ein Carbid des Metalls der Metallmatrix gebildet ist.
8. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Substrat als Grundkörper aufweist .
9. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Wärmeleitsockels (11) mindestens dreimal, bevorzugt mindestens zehnmal, so groß ist wie eine Grundfläche des Bauteils (1) .
10. Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des ersten Teils des Wärmeleitsockels mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4,5mm, und besonders bevorzugt mindestens 7 mm beträgt.
11. Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Schicht 2, die zur Wärmespreizung dient, ein zweiter Teil (3) zur Wärmeableitung und daran ggf. ein Kühlkörper (4) ansetzt.
12. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Baueinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff durch Gasdruckinfiltration, Squeeze Casting oder Heiß-Isostatisches Pressen hergestellt wird.
PCT/EP2010/058516 2009-07-21 2010-06-17 Optoelektronische baueinheit und verfahren zur herstellung einer solchen baueinheit WO2011009680A2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910034082 DE102009034082A1 (de) 2009-07-21 2009-07-21 Optoelektronische Baueinheit und Verfahren zur Herstellung einer solchen Baueinheit
DE102009034082.3 2009-07-21

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