DE19605302A1 - Kühlkörper mit einer Montagefläche für ein elektronisches Bauteil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper mit einer Montageflä­ che für ein elektronisches Bauteil, insbesondere für ein Halbleiterbauelement, wobei im Bereich dessen Montagefläche mittels einer Lotschicht einer Lotverbindung, die dünner als 100 µm ist, ein Bauteil montierbar ist, wobei der Kühlkörper im wesentli­ chen aus Kupfer gefertigt ist, eine Schichtstruktur aufweist und eine im Vergleich zu seinen Flächenabmessungen geringe Höhe aufweist.

Für die Leistung und die Lebensdauer elektronischer Bauteile, insbesondere von optoelektronischen Bauelementen mit hohen Wärmeverlustleistungen, ist eine opti­ male Wärmeabfuhr ein wesentliches Kriterium. Die Wärmeabfuhr ist insbesondere ein Problem bei dem Betrieb von Hochleistungsdiodenlasern mit aus einzelnen La­ serdioden zusammengesetzten Diodenlaserbarren bzw. -feldern. Ungefähr 60 - 70% der eingebrachten elektrischen Leistung wird bei solchen Diodenlaserbarren in Wärme umgewandelt und muß abgeführt werden, so daß eine Wärmeabfuhr von mehr als 1 KW/cm² erforderlich ist.

Eine Wärmeabführung von den Bauteilen, insbesondere in Bezug auf Diodenlaser­ barren, ist sowohl auf konduktivem als auch auf konvektivem Wege möglich.

Nach dem Stand der Technik werden hierzu unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, um den Wärmeproblemen zu entgegnen.

In der DE-A1 43 15 581 ist beispielsweise eine Anordnung aus Laserdioden mit ei­ nem Kühlsystem in Schichtbauweise beschrieben, bei dem eine Schicht ein Substrat ist, das eine oder mehrere Laserdiode(n) beinhaltet, und wobei wenigstens eine Schicht derart konstruiert ist, daß nach Aneinanderfügen der Schichten abge­ schlossene Kanäle entstehen, durch die ein Kühlmedium strömt, und das Substrat in unmittelbarem Kontakt zum Kühlmedium steht. Durch diesen direkten Kontakt des Kühlmediums mit dem Substrat bzw. dem Laserdioden-Chip soll der thermische Wi­ derstand von der laseraktiven Zone bis zum Kühlmedium stark reduziert werden.

Aus der DE-A1 45 15 580 ist eine mit der Anordnung nach der DE-A1 43 15 581 vergleichbare Laserdiodenanordnung mit Kühlsystem bekannt, die sich im wesentli­ chen mit der Herstellung einer solchen Kühlanordnung befaßt. Der Kühlkörper ist aus einzelnen Schichten aufgebaut, die derart strukturiert sind, daß sich die in den einzelnen Schichten des Kühlkörpers gebildeten Ausschnitte zu Kühlkanalstruktu­ ren ergänzen, die sich durch den Kühlkörper horizontal und vertikal erstrecken.

Aus der DE-A1 15 14 055 ist eine Kühlvorrichtung für ein Halbleiterbauelement mit mindestens zwei zueinander parallel verlaufenden Kühlblechen bekannt, wobei die Kühlbleche aus Indium oder aus Zinn bestehen können. Weiterhin ist aus der DE-A1 4328 353 ein Mehrschicht-Substrat für elektrische Schaltkreise oder Bauele­ mente, bestehend aus einer Vielzahl von Keramikschichten und Metallisierungen, bekannt, aus denen Kühlkörper mit einer verbesserten Wärmeableitung aufgebaut werden. Der Kühlkörper selbst besteht aus einem zickzackförmigen Kühlblech.

In der US-PS 5,105,429 ist ein modularer Aufbau einer Kühleinrichtung für ein La­ serdiodenarray beschrieben. Der Kühlkörper kann aus einer Schichtstruktur aufge­ baut sein, wobei als thermisch gut leitendes Material Kupfer oder eine Kupfer-Wolf­ ram-Legierung eingesetzt werden soll.

Schließlich ist in der PCT/W092/19027 eine Anordnung eines Laserdiodenarrays mit einer Mikrokanal-Kühlstruktur aus Silizium bekannt. Die Kühlkörper sind aus homogenem Material aufgebaut.

Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, daß ein wesentliches Problem in Be­ zug auf die Lebensdauer von Hochleistungslaserdioden die in dem Trägersubstrat sowie die in dem Kühlkörper mit dessen Kühlstrukturen auftretenden thermo-mecha­ nische Spannungen darstellen, die zu einer Schädigung der zu kühlenden elektroni­ schen Bauteile, wie beispielsweise Diodenlaserbarren, führen können. Zum einen erwärmt sich der Kühlkörper während des Betriebs des Bauteils, wobei die Ausdeh­ nung des Kühlkörpers größer als diejenige des elektronischen Bauteils mit seinem Substrat-Träger ist. Dieser Effekt tritt verstärkt bei Diodenlaserbarren aufgrund der hohen Wärmeverlustleistung auf. Zum anderen wird bei der Montage beispielsweise eines Diodenlaserbarrens mittels eines Lötprozesses die Wärmesenke in Form des Kühlkörpers auf ca. 180°C erhitzt und dann die Diode aufgesetzt. Der Verbund kühlt sich innerhalb von Sekunden dann wieder auf Umgebungstemperatur ab. Üblicher­ weise wird während dieses Vorgangs das an dem Kühlkörper zu montierende Bau­ teil nicht gekühlt. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers, überwiegend aus Kupfer, und des Halbleitermaterials, beispielsweise Galliumarsenid (Diodenlaserbarren), haben sich diese beiden Komponenten unter­ schiedlich stark ausgedehnt. Nach Erstarren des Lotes und bedingt durch die Ab­ kühlung ziehen sich die Komponenten wieder zusammen und durch die stoffschlüs­ sige Lötverbindung zwischen Kühlkörper und Diodenlaserbarren entstehen Span­ nungen in dem Bauteil, die insbesondere im späteren Betrieb zu Ablösungen oder Versetzungen und damit zu einem Ausfall des Bauteils führen können.

Wie bereits vorstehend erwähnt ist, sind gegenwärtig im wesentlichen aktive Kühl­ körper, d. h. mit Kühlkanälen für ein Kühlfluid durchzogene Kühlkörper, mit einem sehr geringen Wärmewiderstand verfügbar, die jedoch aufgrund der zu dem elektro­ nischen Bauteil stark abweichenden Wärmeausdehnungen zu massiven Problemen beim Lötprozeß und zu eingeschränkten Lebensdauern der Bauteile führen; dies ist besonders gravierend in Bezug auf Diodenlaserbarren aufgrund des erheblichen Wärmegradienten zwischen Dioden und Kühlkörper.

Lösungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel CVD-Diamant als Material für den Kühlkör­ per, der in Verbindung mit Diodenlaserbarren eingesetzt wird, bringen das Problem mit sich, daß CVD-Diamant nicht lötbar ist; die Wärmedehnungskoeffizienten diffe­ rieren um eine Zehnerpotenz gegenüber Faktor 6 zu GaAs und die nach dem Er­ starren des Lotes entstehenden Spannungen können zu einer Ablösung und Zerstö­ rung der Bauteile führen.

Eine alternative Möglichkeit, die sich bei dem Aufbau und der Kühlung von Dioden­ laserbarren bietet, sind aktive Mikrokühler aus Silizium. Die Wärmedehnung von Si­ lizium liegt im Bereich der Wärmedehnung des Diodenlaserbarrenmaterials, aller­ dings stellt sich das Problem, daß die Wärmeleitfähigkeit nur bei etwa 20% derjeni­ gen von Kupfer liegt. Darüberhinaus liegen die Herstellkosten solcher Kühlkörper um den Faktor 2 höher als diejenigen eines Kupferkühlers. Schließlich erfordert die elektrisch isolierende Eigenschaft von Silizium eine Metallisierung der Kühler in Schichtdicken größer 20 µm. Aufgrund der sehr hohen Stromdichten in den elek­ trisch leitenden Schichten, die bei einem Betrieb von Diodenlaserbarren benötigt werden, besteht die Gefahr einer sogenannten "Whisker-" und "Hillock-" Bildung, die durch Elektro-Migration bei hohen Stromdichten verursacht wird, und dies führt damit zu einem Totalausfall des Diodenlasers üblicherweise nach einigen 1000 Betriebsstunden.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik und den aus um­ fangreichen Versuchen gewonnenen Erkenntnissen liegt der vorliegenden Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper mit einer Montagefläche für ein elek­ tronisches Bauteil der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß die wäh­ rend des Betriebs des Bauelements, insbesondere eines Diodenlaserbarrens, auf­ tretenden Spannungen, insbesondere im Bereich der Grenzschicht zwischen dem Substrat bzw. dem Halbleitermaterial und dem Kühlkörper bzw. der Wärmesenke, reduziert sind und die Beanspruchungen während des Verbindungsprozesses zwi­ schen dem Bauelement und der Wärmesenke nach der Erstarrung und Erkaltung durch den Lötvorgang minimiert werden.

Gelöst wird die Aufgabe in Bezug auf einen Kühlkörper mit einer Montagefläche für ein elektronisches Bauteil der angegebenen Art dadurch, daß mindestens zwischen zwei Kupferschichten eine Zwischenschicht zwischengelegt ist, die im wesentlichen aus einem oder mehreren der Material(ien) Molybdän, Wolfram, Aluminiumnitrid, py­ rolytisches Graphit, das eine Wärmeleitfähigkeit (λ) größer 100 W/m · K besitzt, wo­ bei die Dicke(n) der Zwischenschicht(en) so gewählt ist (sind), daß an der Montage­ fläche ein Wärmeausdehnungskoeffizient eingestellt wird, der so dem Wärmeaus­ dehnungskoeffizient der Montagefläche eines zu montierenden Bauteils angepaßt ist, daß er von diesem nicht mehr als 10% abweicht.

Durch den erfindungsgemäßen Kühlkörper wird zum einen von der guten Wärme­ leitfähigkeit bekannter Kupfer-Kühler Gebrauch gemacht, zum anderen wird durch die mindestens eine Zwischenschicht zwischen zwei Kupferschichten aus einem Material, das im wesentlichen aus einem oder mehreren der Material(ien) Molybdän, Wolfram, Aluminiumnitrid, pyrolytisches Graphit, das eine Wärmeleitfähigkeit (λ) größer 100 W/m · K besitzt, besteht, und durch die geeignete Wahl der Zwischen­ schichtstrukturen ein Wärmeausdehnungskoeffizient eingestellt, der sich an das über die Lotschicht an der Montagefläche verbundene Bauteil anpaßt. Insbesondere werden die durch den Lötprozeß beim Montieren des Bauteils, gerade im Hinblick auch auf die Montage von Diodenlaserbarren, entstehenden Spannungen aufgrund stark unterschiedlicher Wärmeausdehnungen eliminiert. Da der Kühler nach wie vor aus elektrisch leitendem Material aufgebaut werden kann, das in Form von Kupfer­ schichten vorhanden ist, sind keine dicken Metallisierungen an Kontakten und Ver­ bindungsflächen erforderlich. Es besteht nicht die Gefahr der Whisker- und Hillock- Bildung, wie dies bei elektrisch isolierenden Materialien, wie Silizium, der Fall ist.

Die durchgeführten Untersuchungen haben auch gezeigt, daß aufgrund der unter­ schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer-Kühlkörpern und den Halbleitermaterialien der Diodenlaser eine stark unterschiedliche Ausdehnung wäh­ rend des Montageprozesses entsteht. Nach dem Abkühlen wird ein Streßzustand quasi in dem Bereich der Verbindungsebene zwischen Diodenbarren und Wärme­ senke "eingefroren"; die Kräfte, die dadurch entstehen, wirken idealisiert als äußere Druckkräfte auf das befestigte Bauteil. Zusätzlich zu den induzierten Druckspannungen tritt eine weitere Belastung durch eine unterschiedliche Ausdeh­ nung während des Lötens bzw. der Kontraktion der beiden Komponenten während und nach dem Abkühlen auf, so daß zu den Druckspannungen eine Beanspruchung aufgrund einer Durchbiegung auftritt. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau des Kühl­ körpers werden diese Druck- und Biegebeanspruchungen weitgehendst vermieden und es kann eine im Vergleich zu Kupferkühlem verbesserte Ebenheit durch die Verringerung der auftretenden Biegungen der Montagefläche von 4 µm/cm auf etwa 2,5 µm/cm erreicht werden. Desweiteren werden Risse, die bisher durch span­ nungsbedingte Überlastung das Lot schädigen und damit die Wärmeabfuhr und die Verbindungskräfte reduzieren, eliminiert. Es ist ersichtlich, daß natürlich die Zwi­ schenschichten aus den angegebenen Materialien in Bezug auf die Wärmeleitfähig­ keit des gesamten Kühlkörpers einen Kompromiß darstellen. Diese Kompromisse kompensieren allerdings um ein Vielfaches die Nachteile, die ein Kühlkörper aus ei­ nem Kupfermaterial oder ein Kühlkörper aus einer Keramik mit sich bringt, abgese­ hen davon, daß vollständige Ausfälle des gesamten Bauteils vermieden werden können; dies trifft insbesondere in Bezug auf Diodenlaser oder Hochleistungs-Di­ odenlaser zu. Eine wesentliche Maßnahme zur Erzielung der angestrebten Effekte ist diejenige, daß die Dicke der Zwischenschicht oder die Dicken der Zwischen­ schichten so eingestellt werden, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühl­ körpers an der Montagefläche des Kühlkörpers dem Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten der Montagefläche eines zu montierenden Bauteils so angepaßt ist, daß sie nicht mehr als 10% voneinander abweichen. Mit einer solchen Maßnahme werden die sich eventuell aufbauenden Beanspruchungen in dem Kühlkörper bzw. zwischen dem Kühlkörper und dem Bauteil so weit reduziert, daß Ausfälle weitgehend ausge­ schlossen werden können. In Bezug auf eine Schicht mit dem Aufbau, beispielswei­ se drei Kupferschichten und zwei Zwischenschichten aus den Materialien Mo­ lybdän, Wolfram, Aluminiumnitrid, pyrolytisches Graphit mit einer Wärmeleitfähigkeit (λ) größer 100 W/m· K, sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient an der Montage­ fläche des Bauteils nicht mehr als 10% von demjenigen des zu montierenden Bau­ teils abweichen.

Bevorzugt wird die Zwischenschicht zwischen den mindestens zwei Kupferschichten aus einem pyrolytischen Graphit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit dann gebildet, wenn höchste optische Ausgangsleistungen der Diodenlaser durch effektivste Wärmeabfuhr gefordert werden.

Zwischenschichten aus Molybdän sind dann zu bevorzugen, wenn besonders ebe­ ne Emitterlinien für die optische Strahlformung von Diodenlaserstrahlung gefordert werden.

Die Zwischenschichten können strukturiert sein, um Kühlkanäle zu bilden, durch die gegebenenfalls ein Kühlfluid hindurchgeführt wird. Solche Kühlkanäle gerade in den Zwischenschichten besitzen den Vorteil, daß durch den geeigneten konduktiven Wi­ derstand im Falle von pyrolythischen Graphit der thermische Widerstand reduziert und damit die maximale Leistung und Lebensdauer von Diodenlasern gesteigert werden, insbesondere dann, wenn diese Strukturierung zu den jeweiligen Kupfer­ schichten hin gebildet ist bzw. zu den Kupferschichten hin offen ist, so daß eine Sei­ te des Kühlkanals durch die angrenzende Kupferschicht abgeschlossen wird.

Es hat sich gezeigt, daß Zwischenschichten eine Dicke von 50 µm bis 700 µm ha­ ben sollten, allerdings mit der Maßgabe, daß die Dicke einer Zwischenschicht maxi­ mal 50% der Gesamtdicke des Kühlkörpers beträgt. In diesem Dimensionierungsbe­ reich sind dünne Dicken der Zwischenschichten in dem unteren Teil des angegebe­ nen Bereichs zu bevorzugen, wobei dann auch vorzugsweise die Anzahl der Schichten entsprechend erhöht werden sollte, um eine ausreichend abgestufte An­ passung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erzielen.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvarianten wird die Deckschicht des Kühlkörpers, die die Lotschicht trägt, über die das elektronische Bauteil an dem Kühlkörper befestigt wird, aus Sauerstoff-freiem Kupfer gebildet. Hierdurch wird er­ reicht, daß eine Oberfläche des Kühlkörpers bereitgestellt wird, die sowohl eine Oberflächenendbearbeitung mittels Diamantbearbeitung ermöglicht als auch als Grundlage zur Abscheidung von Pinholes (Nachstichporen) freien Metallisierungs­ schichten dient. Die Dicke der Deckschicht beträgt hierbei 50 bis 600 µm, vorzugs­ weise etwa 100 µm. Die Deckschicht sollte demnach sehr dünn gehalten werden, um den Einfluß ihrer eigenen Wärmeausdehnung gering zu halten; bei dickeren Deckschichten kann es dazu kommen, daß die Wärmeausdehnung an der Montage­ fläche zunimmt.

In einem besonders bevorzugten Aufbau des Kühlkörpers wird auf der der Montage­ fläche gegenüberliegenden Seite eine Außenschicht aufgebracht, die aus einem Material entsprechend der Zwischenschichten gebildet ist. Hierdurch kann einer Verbiegung bzw. Aufwölbung des Kühlkörpers durch unterschiedliche Ausdehnun­ gen an Unter- und Oberseite durch diese Schicht entgegengewirkt werden, so daß gerade mit einer solchen Außenschicht auf der der Montagefläche gegenüberlie­ genden Seite ein äußerst formstabiler Kühlkörper erzielt wird. Ein symmetrischer Aufbau um eine Mittelebene der Schichtstruktur ist demnach zu bevorzugen.

Für einige Anwendungen, wie beispielsweise bei Einsatz nicht elektrisch leitfähiger Zwischenschichten und als Voraussetzung für die Diamantbearbeitung der Monta­ gefläche und -kante, kann es erforderlich sein, daß der gesamte Kühlkörper eine geschlossene Kupferoberfläche besitzt. Um eine haltbare Kupferbeschichtung gera­ de im Bereich der Zwischenschichten auf den nach außen hin freiliegenden Stirn­ kanten zu erzielen, werden die Zwischenschichten in ihrer lateralen Richtung ge­ ringfügig kürzer als die Kupferschichten ausgeführt, so daß jeweils zwischen den Stirnkanten der Kupferschichten Nuten mit den zurückversetzten Kanten der Zwi­ schenschichten gebildet werden. Diese verbleibenden Spalte können dann, vor­ zugsweise durch galvanische Abscheidung, mit Kupfer gefüllt werden.

Vorzugsweise erfolgt die Verbindung der einzelnen Schichten, die den Kühlkörper ergeben, durch einen Diffusionsschweißprozeß. Hierdurch wird eine sehr haltbare Verbindung geschaffen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit einer Zwischenschicht und einem angedeuteten Diodenlaserbarren zur Montage auf dem Kühlkörper,

Fig. 2 den Kühlkörper der Fig. 1 mit weiteren Schichten auf seiner Unterseite,

Fig. 3 schematisch einen Kupferkühlkörper mit einem darauf angeordneten Halbleiterbauteil zur Erläuterung der möglichen, auftretenden Druck­ spannungen,

Fig. 4 einen Aufbau entsprechend der Fig. 3 zur Erläuterung der auftretenden Biegespannungen,

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines mehrschichtigen Kühlkörpers mit einer zusätzlichen Kupferbeschichtung im Bereich der verkürzt ausgebildeten Zwischenschichten.

Der Kühlkörper, wie ihn die Fig. 1 zeigt, weist eine obere Kupferschicht 2, eine Zwischenschicht 3 und eine untere Kupferschicht 4 auf. Während die beiden Kup­ ferschichten 2, 4 in diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke d_k von etwa 50 µm be­ sitzen, ist die eingefügte Zwischenschicht 3 in einer Dicke d_z von etwa 300 µm ausgeführt. Bei dem Material für die Zwischenschicht 3 kann es sich um Molybdän, Wolfram, Aluminiumnitrid oder ein pyrolytisches Graphit, das eine Wärmeleitfähig­ keit (λ) größer 100 W/m ·K besitzt, handeln. Bevorzugt wird, wie in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel, die Zwischenschicht 3 aus Molybdän oder pyrolytischem Graphit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet, da hierdurch hohe optische Ausgangs­ leistungen der Diodenlaser durch die effektive Wärmeabfuhr erzielt werden. Auf der Oberseite der oberen Kupferschicht 2, und zwar an dem in Fig. 1 vorderen Rand­ bereich, ist eine Montagefläche 5, die eine Lotschicht für ein anzulötendes Bauteil trägt, vorgesehen. Die Größe dieser Montagefläche 5 entspricht der Grundfläche des Bauteils 6, bei dem es sich in der Darstellung der Fig. 1 um einen Diodenla­ serbarren 6 handelt, der oberhalb der Montagefläche 5 in Fig. 1 schematisch an­ gedeutet ist. Unterhalb der die Montagefläche 5 bildenden Lotschicht ist zusätzlich eine Deckschicht aus Sauerstoff-freiem Kupfer vorgesehen. Diese Deckschicht dient dazu, eine Diamant-Ultrapräzisions-Bearbeitung zu ermöglichen und ist zu­ gleich Basis für die chemo-galvanischen Bearbeitungsverfahren.

Im hinteren Bereich des Kühlkörpers 1 sind zwei Ausnehmungen 7 vorhanden, die jeweils eine Eintritts- und Austrittsöffnung für eine innere, nicht näher dargestellte Kanalstruktur bilden, durch die für eine aktive Kühlung ein Fluid, beispielsweise Wasser, geleitet wird. Diese Ausnehmungen bzw. die Kanalstruktur erstreckt sich auch durch die Zwischenschicht 3, wie in Fig. 1 zu erkennen ist.

Aufgrund der Zwischenschicht 3, durch die das Kupfermaterial des Kühlkörpers substituiert ist, wird eine stabile, sich nicht verwölbende oder mit starken inneren Spannungen behaftete Struktur erzielt; der auf der Montagefläche 5 montierte Laserdiodenbarren 6 mit einer Wärmeabgabe im Betrieb von bis zu 1 KW/cm² kann somit betriebssicher gehalten und gekühlt werden.

Anhand der Fig. 3 und 4 können die üblicherweise mit einem vollständig aus Kupfer gebildeten Kühlkörper 8, auf dem ein Halbleiterbauteil 9, beispielsweise aus Galliumarsenid, montiert ist, auftretenden Probleme erläutert werden.

Eine Erwärmung der Wärmesenken in Form des Kühlkörpers 8 aus Kupfer, wie dies die Fig. 3 zeigt, führt zu einer größeren Ausdehnung des Kühlkörpers 8 als derje­ nigen des Galliumarsenid-Halbleiterbauelements (Diodenlaserbarren) 9. Dadurch entstehen thermomechanische Spannungen, die das Halbleiterbauelement schädi­ gen können. Diese Spannungen werden zum einen durch die Erwärmung der Wär­ mesenke, die zwischen 30°C und 50°C im Betrieb liegt, zum anderen während des Auflötvorgangs, bei dem die Wärmesenke bis auf etwa 180°C kurzzeitig erhitzt wird, sich danach allerdings die Diode innerhalb von Sekunden wieder auf Umge­ bungstemperatur abkühlt, hervorgerufen. Üblicherweise wird während eines solchen Lötvorgangs das Halbleiterbauelement nicht aktiv gekühlt. Aufgrund der unter­ schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Galliumarsenid ha­ ben sich die Komponenten dann zunächst unterschiedlich stark ausgedehnt und ziehen sich danach entsprechend wieder während der Abkühlung bei bereits er­ starrtem Lot zusammen. Dadurch entsteht ein Streßzustand in der Verbindungsebe­ ne zwischen dem Halbleiterbauelement 9 und dem Kupfer-Kühlkörper 8, wie durch die Pfeile 10 angedeutet werden soll.

Zusätzlich zu den vorstehend angeführten Druckspannungen tritt eine weitere Bela­ stung des Halbleiterbauelements bzw. des Diodenlaserbarrens aufgrund der unter­ schiedlichen Ausdehnung bzw. der Kontraktion der beiden Komponenten, insbeson­ dere aufgrund der starken Temperaturschwankungen während des Lötvorgangs zur Montage des Halbleiterbauelements 9 auf dem Kühlkörper 8, auf, wie in Fig. 4 ge­ zeigt ist. Da das Halbleiterbauelement nach der Erwärmung durch seine geringere Kontraktion der stärkeren Kontraktion der Wärmesenke 8 entgegenwirkt, die an der Unterseite des Kühlkörpers 8 nicht vorhanden ist, folgt eine Durchbiegung des Kühl­ körpers, wie dies dargestellt ist, die nach der Abkühlung durch die verschobenen Verbindungsflächen verbleibt. Wie bereits vorstehend erläutert ist, wird durch die Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Laserdiodenbarren 6 (Fig. 1) und dem Kühlkörper 1 aufgrund der mindestens einen Zwischenschicht 3 der Möglichkeit des Auftretens sowohl der Druckspannungen, die sich bei der Ver­ bindung eines Halbleiterbauelements mit einem reinem Kupferkörper entsprechend der Erläuterungen anhand der Fig. 3 aufbauen, als auch der Wölbung des Kupfer­ körpers, wie dies anhand der Fig. 4 erläutert wurde, entgegengetreten.Wesentlich dafür, daß innerhalb des Kühlkörpers die anhand der Fig. 3 und 4 erläuterten Druck- und Biegespannungen nicht auftreten, ist, daß der Wärmeausdehnungskoef­ fizient an der Montagefläche 5 des Kühlkörpers so eingestellt wird, daß er von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Montagefläche eines zu montierenden Bau­ teils nicht mehr als 10% abweicht. In der Ausführung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, beträgt beispielsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient α des Laserdioden­ barrens, mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet, etwa 6,5 · 10^-6/K, so daß an der Oberseite der Montagefläche 5 ein entsprechender Wärmeausdehnungskoeffizient von etwa α = 6,5 · 10^-6/K einzustellen ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die darun­ terliegende Kupferschicht 2, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von α= 16,5 · 10^-6/K aufweist, mit einer Dicke d_k von 50 µm, auf einer Zwischenschicht aus Molybdän getragen wird, die eine Dicke d_z von 500 µm mit einem Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten im Beispiel von α= 4 · 10^-6/K besitzt. Die Zwischenschicht 3 trägt wiederum auf ihrer Unterseite eine 50 µm dicke Kupferschicht 4. Durch die­ sen Aufbau wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers 1 graduell von der Unterseite, d. h. der unteren Kupferschicht 4, zu der Montagefläche 5 hin geändert, so daß kein Übergang in Bezug auf den Wärmeausdehnungsko­ effizienten α zwischen der Montagefläche und den einzelnen Schichten 2, 3 und 4 zum montierenden Bereich vorhanden ist.

Während in Fig. 1 ein einfacher Strukturaufbau dargestellt ist, der im wesentlichen nur zur Veranschaulichung der Substitution eines Bereichs eines Kupfer-Kühlkör­ pers durch eine Zwischenschicht 3 dienen soll, ist in Fig. 2 ein Aufbau des Kühl­ körpers 11 gezeigt, bei dem auf der Unterseite eine weitere Kupferschicht 12 vorge­ sehen ist, die auf ihrer Unterseite einen weiteren Kühlkörperteil 13 trägt, der in sei­ nem Aufbau dem oberen Kühlkörperteil 1, der die Montagefläche 5 trägt, entspricht, und zwar wiederum aus einer oberen Kupferschicht 2, einer Zwischenschicht 3 und einer unteren Kupferschicht 4 gebildet. Durch diesen in der Schichtstruktur symme­ trischen Aufbau des Kühlkörpers 11 um die mittlere, weitere Kupferschicht 12 herum wird einer Wölbung des Körpers 11, insbesondere bei dem Lötschritt zum Befesti­ gen des Laderdiodenbarrens 6 auf der Montagefläche 5, entgegengewirkt. Während in Fig. 2 der Schichtaufbau schematisch dargestellt ist, wird verständlich werden, daß die untere, dünne Kupferschicht 4 bzw. die obere, dünne Kupferschicht 2 des Kühlkörperteils 13 zusammen mit der weiteren Kupferschicht 12 einteilig ausgebil­ det werden kann. Der dargestellte strukturelle Aufbau in der Form, daß die beiden Zwischenschichten 3 jeweils die dünnen Kupferschichten 4, die der weiteren Kupferschicht 12 zugewandt sind, tragen, hat den Vorteil, daß ein einfacheres Diffu­ sionsverschweißen mit der weiteren Kupferschicht 12 erfolgen kann die jeweiligen Baukörper, aus denen der Kühlkörper 11 aufgebaut wird, können jeweils in Form der Zwischenschichten 3 mit den darauf aufgebrachten oberen und unteren Kupfer­ schichten 2, 4, die zur Verbindung dienen und beispielsweise galvanisch aufge­ bracht sein können, als Vorprodukte hergestellt werden. Sie können dann einfach vor der Verbindung miteinander strukturiert werden, um die Kühlkanäle zu bilden.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform schematisch (nicht maßstabsgetreu) im Schnitt dargestellt, mit einem Bauteil 9 und einem Kühlkörper 21. Der Kühlkörper 21 in dieser Ausführungsform ist aus zwei Zwischenschichten 3, beispielsweise aus Molybdän, zwischen jeweils einer Kupferschicht 22 aufgebaut, wobei der Kühlkörper 21 an seiner Unterseite mit einer Kupferschicht 22 endet, ebenso auf seiner Oberseite, die zu dem Halbleiterbauelement 9 hin gerichtet ist, mit einer Kupfer­ schicht 22 abschließt. Diese oberste Kupferschicht 22 ist eine Deckschicht aus Sau­ erstoff-freiem Kupfer mit einer Dicke von etwa 5 µm, die die Lotschicht 23 trägt, über die das Bauelement 9 angelötet ist. Wie in der Schnittdarstellung der Fig. 5 zu er­ kennen ist, sind die einzelnen Zwischenschichten 3 in ihrer seitlichen Erstreckung kürzer ausgebildet als die jeweiligen Kupferschichten 22, so daß eine Art Kanal je­ weils gebildet ist. Dieser Kanal bzw. diese Vertiefung ist mit Kupfer 24 gefüllt, das beispielsweise galvanisch abgeschieden ist, so daß sich auf der Außenseite des Kühlkörpers 21 eine geschlossene Kupferschicht ergibt. Ein solcher Kupferüberzug des gesamten Kühlkörpers 21 kann dann erforderlich sein, wenn eine spanabhe­ bende Bearbeitung der Außenflächen notwendig ist und wenn die Zwischenschich­ ten nicht elektrisch leitfähig sind. Die vorstehend erwähnte Schicht aus Sauerstoff­ freiem Kupfer, die die Lotschicht 23 trägt, dient dazu, eine gute Bearbeitung zu er­ möglichen, und dient als Schicht für die Abscheidung von Metallisierungsschichten, frei von Nadelstichporen. Vor dem Zusammenbau des Kühlkörpers 21 können die Zwischenschichten 3 beispielsweise mit Kupfer metallisiert werden, um die Verbin­ dung mit den Kupferschichten 22 zu erleichtern.

Claims (13)

1. Kühlkörper mit einer Montagefläche für ein elektronisches Bauteil, insbesondere für ein Halbleiterbauelement, wobei im Bereich dessen Montagefläche mittels einer Lotschicht einer Lotverbindung, die dünner als 100 µm ist, ein Bauteil montierbar ist, wobei der Kühlkörper im wesentlichen aus Kupfer gefertigt ist, eine Schichtstruktur aufweist und eine im Vergleich zu seinen Flächenabmessungen geringe Höhe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen zwei Kupferschichten (2, 4; 12; 22) eine Zwischenschicht (3) zwischengelegt ist, die im wesentlichen aus einem oder mehreren der Material(ien) Molybdän, Wolfram, Alu­ miniumnitrid, pyrolytisches Graphit, das eine Wärmeleitfähigkeit (λ) größer 100 W/m ·K besitzt, wobei die Dicke(n) der Zwischenschicht(en) (3) so gewählt ist (sind), daß an der Montagefläche (5) ein Wärmeausdehnungskoeffizient eingestellt wird, der so dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Montagefläche (5) eines zu montierenden Bauteils (6) angepaßt ist, daß er von diesem nicht mehr als 10% abweicht.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus pyrolytischem Graphit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet ist.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus Molybdän gebildet ist.

4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) strukturiert ist.

5. Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung in der Zwischenschicht (3) zumindest zu dem Kupfer hin gebildet ist.

6. Kühlkörper nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung in Form von Kanälen (17) gebildet ist.

7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) eine Dicke (d_z) zwischen 50 µm und 700 µm beträgt, wobei die Dicke maximal 50% der Dicke des Kupfer-Kühlkörpers (1, 11) ist.

8. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckschicht, die die Lotschicht (23) trägt, aus Sauerstoff-freiem Kupfer vorgesehen ist.

9. Kühlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht eine Dicke von 50 bis 600 µm, vorzugsweise etwa 100 µm, aufweist.

10. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Montagefläche (5) gegenüberliegenden Seite eine Außenschicht aus ei­ nem Material gebildet ist, die im wesentlichen aus einem oder mehreren der Mate­ rial(ien) Molybdän, Wolfram, Aluminiumnitrid, pyrolytisches Graphit, das eine Wärmeleitfähigkeit (λ) größer 100 W/m ·K besitzt, gebildet ist.

11. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten (3) in ihrer longitudinalen Richtung geringfügig kürzer als die Kupferschichten (22) ausgeführt sind, wobei die sich ergebenden Spalte mit Kupfer gefüllt sind.

12. Kühlkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte durch galvanische Abscheidung von Kupfer (24) gefüllt sind.

13. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten mittels Diffusionsschweißen verbunden sind.