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WO2007124776A1 - Mikrokühlkörper - Google Patents

Mikrokühlkörper Download PDF

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Publication number
WO2007124776A1
WO2007124776A1 PCT/EP2006/004124 EP2006004124W WO2007124776A1 WO 2007124776 A1 WO2007124776 A1 WO 2007124776A1 EP 2006004124 W EP2006004124 W EP 2006004124W WO 2007124776 A1 WO2007124776 A1 WO 2007124776A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
micro
cooling
cooling body
diode laser
component
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/004124
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Ebert
Original Assignee
Iq Evolution Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Iq Evolution Gmbh filed Critical Iq Evolution Gmbh
Priority to PCT/EP2006/004124 priority Critical patent/WO2007124776A1/de
Publication of WO2007124776A1 publication Critical patent/WO2007124776A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a micro-cooling body having a mounting surface for a component to be cooled, in particular a semiconductor component, which is in particular cuboid-like and has a microcooling inside, which is connected via connecting channels with at least one inlet opening and at least one drain opening, via the microstructure Cooling medium feed or can be discharged from it. Furthermore, the invention relates to a diode laser component with a soldered diode laser or a diode laser stack, which have such micro-cooling body, and a method for producing a Mikrokühlk ⁇ rpers.
  • microcooling bodies of the abovementioned type are known and described, for example, in DE 4 315 580 A1.
  • the micro-cooling bodies consist of a multiplicity of individual layers or layers of structured, approximately 300 ⁇ m thick copper foils.
  • the copper foils are stacked in a suitable manner in such a way,
  • CONFIRMS G UNGSKORE that the etched or stamped into the copper foils, for example, structures form a cooling circuit with a micro-cooling structure, connecting channels and an inlet and outlet.
  • the copper foils are connected by direct copper bonding.
  • oxide layers are formed on the surfaces of the copper layers, which are then welded together.
  • the layered microcooling body is flowed through by a cooling medium such as deionized water.
  • a cooling medium such as deionized water.
  • the compounds formed between the oxide layers have a low density, so that the micro-heat sink must have a minimum wall thickness of 400 microns to ensure a minimum level of security against leakage of the micro-cooling body.
  • the microcooling body is susceptible to corrosion.
  • passivation layers for example of nickel
  • the passivation layer is removed in particular at sharp edge regions and absorbed by the deionized water.
  • the ions thus introduced into the deionized water can act as a kind of "degradation catalyst.” The consequence is an optionally even accelerated susceptibility to corrosion of the copper released at the removed areas.
  • copper microcooling bodies Another problem with the use of copper microcooling bodies is that copper has a coefficient of thermal expansion of about 17, whereas a component to be soldered onto the microcooling body, such as a gallium marsenite high-power diode laser, has a thermal expansion coefficient of about 6.5. Due to the different thermal expansion coefficients tensions and distortion between the micro-heat sink and each soldered component can occur.
  • the document DE 195 06 091 Al proposes to provide ceramic layers between the individual copper layers and to connect the copper layers and the ceramic layers in each case areally using the direct copper bonding technique.
  • the ceramic layers are to their outer Provided with a KupferSchicht sides, wherein on the uppermost layer a component to be cooled, here a diode laser, is arranged. Below the diode laser arrangement, an insert or a buried layer of a material with extremely high thermal conductivity, for example diamond or T-cBN, is introduced into the ceramic layer to improve the thermal conductivity.
  • the use of the ceramic layers is intended to ensure that the substrate has a greatly reduced thermal expansion coefficient with respect to a substrate or heat sink which consists exclusively of metal and in particular of copper.
  • This object is achieved in that the micro-cooling body has a monolithic structure.
  • the invention is based on the basic idea that by avoiding joints, as they are present in layered microcold bodies, the tightness problem is reduced. This is achieved by producing a monolithic microcooling body. Due to the monolithic structure of the micro-cooling body, it is possible to greatly reduce the required minimum external wall thickness of the microcooling body relative to the wall thicknesses of the known copper heat sinks, so that a substantially larger coverage between the area through which a cooling medium, for example deionized water, for a Heat exchange can flow and the area in which the electronic components are soldered, is achieved.
  • a cooling medium for example deionized water
  • the micro-cooling body according to the invention can be produced by means of selective laser melting.
  • the selective laser melting process makes it possible to produce any monolithic, three-dimensional shapes and structures within the microcooling body.
  • outer wall thickness ⁇ 400 microns can be realized, in particular outer wall thicknesses of about 100 microns, so that the temperature temperature gradient within the soldered electronic components themselves is reduced.
  • An embodiment of the present invention provides to form the Mikrokühlk ⁇ rper stainless steel. Due to the corrosion resistance of the stainless steel, the risk of corrosion and thus caused by the corrosion leakage of the micro-heat sink is reduced, so that the minimum outer wall thickness can be kept correspondingly low. As a result of the resulting improved heat exchange in the overlap area between the micro-cooling body and the electrical component, the inferior thermal conductivity of the stainless steel, which is inherently less than that of copper, is compensated.
  • an alternative embodiment of the invention proposes to form the micro-cooling body from a matched to the thermal expansion coefficient of the component to be cooled material.
  • a member to be cooled made of gallium arsenite having a thermal expansion coefficient of about 6.5 molybdenum having a thermal expansion coefficient of about 5 may be selected as a material for the microcooling body.
  • the microcooling structure can be designed such that a turbulent flow is formed therein, whereby an improved cooling performance is achieved.
  • the micro-cooling structure may have comb-shaped projections arranged at a small distance from one another. Due to the small distances of the comb-shaped extensions to each other, the thus adjacent interfaces can also influence each other, which in turn leads to an improved cooling effect.
  • connection channels have a structure which is optimized in terms of flow, in particular in the form of rounded, in particular oval, inner walls and boundary surfaces, so that a nearly laminar flow is formed in the connection channels.
  • a laminar flow is desirable in the region of the connecting channels in order to minimize the pressure drop in the cooling medium during the flow through the microcooling body.
  • the microcold bodies according to the invention can also be used in so-called diode laser stacks for cooling the diode lasers located therein.
  • it is advantageous to perform the micro-cooling body cuboid since the micro-cooling bodies according to the invention are stacked in the stacks one above the other.
  • the cuboid Microcoolers each form a flat contact surface for the microcooler to be stacked above, so that a stable connection between the individual microcoolers can be produced.
  • the inlet or outlet openings of the individual micro-cooling bodies are connected to operate a stack in a stack formed in the common inlet channel and a common flow channel for the cooling medium.
  • Figure 1 is a perspective view of a micro-cooling body according to the invention.
  • Figure 2 is a longitudinal section through a micro-cooling body according to the figure 1 rotated by 180 °;
  • FIG. 3 is a perspective view of a cooling circuit formed in the micro-cooling body according to FIG. 1 from above;
  • Figure 4 is a perspective view of the cooling circuit of Figure 3 from below.
  • Figures 1 and 2 show an embodiment of a micro-cooling body 1 according to the invention.
  • the microcooling body 1 is formed substantially cuboid and has at the top in the front end-side end portion of a mounting surface 2 for a component to be cooled, such as a semiconductor device. Below the mounting surface 2, a micro-cooling structure 3 is arranged inside the micro-cooling body 1, which together with connecting channels 4, at least one inlet opening 5 and at least one drain opening 6 forms a cooling circuit 7, which for cooling purposes with a cooling medium, such as deionized water, flows through can.
  • a cooling medium such as deionized water
  • the micro-cooling structure 3 is formed in a manner known per se from comb-shaped extensions 8, which are arranged at a small distance from one another, so that the boundary surfaces of the comb-shaped projections 8 can influence one another.
  • connection channels 4 have a flow-optimized structure in the form of rounded, in particular oval walls and boundary surfaces 4 a, so that a nearly laminar flow is formed in the connection channels 4.
  • a pressure drop in the cooling medium flowing through the microcooling body 1 is reduced.
  • the cross-section of the connecting cable decreases. 4, which forms a turbulent flow in this area. This results in an improved heat exchange.
  • suitable structuring of the surfaces of the connecting channels 4 the formation of a turbulent flow can still be supported.
  • An exemplary flow course of the cooling medium in the microcooler 1 is indicated in FIG. 3 by black arrows.
  • the microcooling body 1 shown in the figures is intended to be used to cool a diode laser bar of gallium arsenite with a thermal expansion coefficient of approximately 6.5.
  • the microcooling body 1 is therefore made of molybdenum having a thermal expansion coefficient of about 5.
  • the thermal expansion coefficients of the diode laser bar and the material of the Mikrokühlk ⁇ rpers 1 residual stresses can be reduced.
  • the material selection is not limited to the aforementioned metallic materials. Other materials are conceivable depending on their mechanical properties and the cooperating components.
  • the microcooling body 1 can be produced by means of selective laser melting.
  • the component to be manufactured is first virtually cut into sections along the Zr plane of the component, and the resulting CAD data in the X and Y directions are input to a control unit.
  • a metallic material powder such as stainless steel or molybdenum free of binders and flux with a predetermined layer height, which corresponds to a penetration depth of a laser beam used in the process is applied to a retractable in the Z direction bottom plate of a process chamber.
  • a laser beam is moved on the powder layer in accordance with the CAD data entered into the control unit, so that the metallic material powder is locally heated to melting temperature and completely melted at the respective point of impact of the laser beam over its entire layer height. Subsequently, the bottom plate is lowered by an amount corresponding to the layer thickness of the filled metal powder. Then, another layer of the metallic material powder is applied to the already existing, treated with laser radiation metal powder layer, whose layer thickness in turn corresponds to the penetration depth of the laser beam. Thereafter, the laser beam is again traversed according to the entered in the control CAD data of the manufactured micro-cooling body in the X and Y directions and the material at the point of impact of the laser in turn completely melted over its entire layer thickness. This procedure is repeated until the micro-cooling body is completely structured and constructed.
  • the laser beam is guided in several tracks over the given area of the material layer so that each following track of the laser beam partially overlaps the previous track.
  • the melt of the powder and the melt of the adjacent already solidified solid contour which was previously melted and lies under the subsequently applied powder layer, are melted into a common molten bath. Thereafter, the molten bath enters a fusion metallurgical compound. This forms after solidification a homogeneous molded body with high strength and tightness and without grooves or other transition points.
  • the most diverse metallic material powder in addition to a Mikrokühlk ⁇ rpermaterial such as molybdenum and stainless steel, any other suitable metal conceivable.
  • the material powder to be produced from the metal to be used only has to have a sufficiently fine grain size in order to be able to build up the individual layers in a finely graduated manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrokühlkörper (1) mit einer Montagefläche (2) für ein zu kühlendes Bauteil, insbesondere ein Halbleiterbauelement, welcher insbesondere quaderartig ausgebildet ist und im Inneren eine Mikrokühlstruktur (3) aufweist, die über Verbindungskanäle (4) mit mindestens einer Zulauföffnung (5) und mindestens einer Ablauföffnung (6) verbunden ist, über die der Mikrokühlstruktur (3) ein Kühlmedium zuführ- bzw. aus ihr abführbar ist, wobei der Mikrokühlkörper eine monolithische Struktur aufweist.

Description

Beschreibung
ProLas Produktionslaser GmbH. St. Jobser-StraSe 53 D-52146 Würselen
Mikrokühlkörper
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrokühlkörper mit einer Montagefläche für ein zu kühlendes Bauteil, insbesondere ein Halbleiterbauelement, welcher insbesondere quaderartig ausgebildet ist und im Inneren eine Mikrokühlstruktur aufweist, die über Verbindungskanäle mit mindestens einer Zulauföffnung und mindestens einer Ablauföffnung verbunden ist, über die der Mikrostruktur ein Kühlmedium zuführ- bzw. aus ihr abführbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Diodenlaserbauelement mit einem aufgelöteten Diodenlaser bzw. einen DiodenlaserStack, die solche Mikrokühlkörper aufweisen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokühlkδrpers .
Mikrokühlkörper der oben genannten Art sind bekannt und beispielsweise in der DE 4 315 580 Al beschrieben. Die Mikrokühlkörper bestehen aus einer Vielzahl von einzelnen Lagen bzw. Schichten strukturierter, etwa 300 μm starker Kupferfolien.
Zur Herstellung des Mikrokühlkδrpers werden die Kupferfolien in geeigneter Weise derart übereinander geschichtet,
BESTÄTtGUNGSKORE daß die in die Kupferfolien beispielsweise geätzten oder gestanzten Strukturen einen Kühlkreislauf mit einer Mikrokühlstruktur, Verbindungskanälen und einem Zu- und Ablauf bilden.
Anschließend werden die Kupferfolien durch Direct Copper Bonding miteinander verbunden. Dazu werden an den Oberflächen der Kupferschichten Oxidschichten ausgebildet, die anschließend miteinander verschweißt werden.
Im Betrieb wird der Schichtförmig aufgebaute Mikrokühl- körper mit einem Kühlmedium wie beispielsweise deionisiertem Wasser durchströmt . Der Einsatz von deionisiertem Wasser als Kühlmedium wird als vorteilhaft angesehen, da es nur eine geringe Wechselwirkung mit dem Material des Mikrokühlkörpers zeigt .
Beim Direct Copper Bonding wird als problematisch angesehen, daß die zwischen den Oxidschichten gebildeten Verbindungen eine geringe Dichtigkeit aufweisen, so daß der Mikrokühlkörper eine Mindestwandstärke von 400 μm aufweisen muß, um ein Mindestmaß an Sicherheit vor einer Leckage des Mikrokühlkörpers zu gewährleisten.
Weiterhin ist aufgrund der Oxidschichten und dadurch, daß die den kühlkreislauf bildenden Strukturen in die Kupferfolien größtenteils geätzt werden, der Mikrokühlkörper korrosionsanfällig . Zur Vermeidung dieser Korrosion wird im Stand der Technik vorgeschlagen, Passivierungsschichten beispielsweise aus Nickel auf die Kupferschichten aufzubringen. Jedoch wird durch die Strömung des deionisierten Wassers in dem Mi- krokühlkörper die Passivierungsschicht insbesondere an scharfen Kantenbereichen abgetragen und von dem deionisierten Wasser aufgenommen. Die so in das deionisierte Wasser eingebrachten Ionen können dabei als eine Art „Abbaukatalysator" wirken. Die Folge ist eine ggf. sogar beschleunigte Korrosionsanfälligkeit des an den abgetragenen Bereichen freiwerdenden Kupfers .
Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Mikrokühlkör- pern aus Kupfer besteht darin, daß Kupfer einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 17 besitzt, wohingegen ein auf den Mikrokühlkörper aufzulötendes Bauteil wie beispielsweise ein Hochleistungsdiodenlaser aus Galliu- marsenit einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 6,5 aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten können Spannungen und Verzug zwischen dem Mikrokühlkörper und dem jeweils aufgelöteten Bauteil auftreten.
Zur Lösung dieses Problems schlägt das Dokument DE 195 06 091 Al vor, zwischen den einzelnen Kupferschichten Keramikschichten vorzusehen und die Kupferschichten und die Keramikschichten jeweils unter Verwendung der Direct- Copper-Bonding-Technik flächig miteinander zu verbinden. Die Keramikschichten werden dazu an ihren außen liegenden Seiten mit einer KupferSchicht versehen, wobei auf der obersten Schicht ein zu kühlendes Bauteil, hier einen Diodenlaser, angeordnet ist. Unterhalb der Diodenlaseran- ordnung ist in der Keramikschicht zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ein Einsatz oder eine vergrabene Schicht aus einem Material mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Diamant oder T-cBN, eingebracht. Durch die Verwendung der Keramikschichten soll gewährleistet werden, daß das Substrat gegenüber einem Substrat oder Kühlkörper, welcher ausschließlich aus Metall und insbesondere aus Kupfer besteht, einen stark reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist .
Bei der aus dem Dokument DE 195 06 091 Al bekannten Anordnung geht aufgrund der verwendeten Oxidschichten wie oben bereits erläutert sowohl ein Dichtigkeitsproblem als auch ein Korrosionsproblem einher. Ferner können auch zwischen den Kupfer- und Keramikschichten Eigenspannungen auftreten, die ebenfalls zu einer Leckage führen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mikrokühlkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, die eine Verringerung der Mindestaußen- wandstärken des Mikrokühlkδrpers ermöglichen, um eine verbesserte Wärmeabfuhr im Bereich der Montageflächen für elektronische Bauteile zu erreichen, ohne dabei eine Verringerung der Leckagesicherheit des Mikrokühlkδrpers in Kauf nehmen zu müssen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Mikrokühlkörper eine monolithische Struktur aufweist.
Mit anderen Worten basiert die Erfindung auf dem Grundgedanken, daß durch die Vermeidung von Fugen, wie sie in schichtförmig aufgebauten Mikrokühlkörpern vorhanden sind, das Dichtigkeitsproblem verringert wird. Dies wird erreicht, indem ein monolithischer Mikrokühlkörper hergestellt wird. Durch die monolithische Struktur des Mikro- kühlkörpers ist es möglich, die benötigte Mindestaußen- wandstärke des Mikrokühlkörpers gegenüber den Wandstärken der bekannten Kupferwärmesenken stark zu verringern, so daß eine wesentlich größere Überdeckung zwischen dem Bereich, durch den ein Kühlmedium, beispielsweise deionisiertes Wasser, für einen Wärmeaustausch fließen kann und dem Bereich, in dem die elektronischen Bauelemente aufgelötet sind, erreicht wird.
Zweckmäßigerweise kann der erfindungsgemäße Mikrokühlkörper mittels des selektiven Laserschmelzens hergestellt werden. Durch das Verfahren des selektiven Laserschmel- zens wird es möglich, beliebige monolithische, dreidimensionale Formen und Strukturen innerhalb des Mikrokühlkörpers zu erzeugen.
In dem erfindungsgemäßen Mikrokühlkörper können Außenwandstärken < 400 μm realisiert werden, insbesondere Außenwandstärken von ungefähr 100 μm, so daß auch der Tem- peraturgradient innerhalb der aufgelöteten elektronischen Bauelemente selbst verringert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, den Mikrokühlkόrper aus Edelstahl auszubilden. Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls wird die Gefahr von Korrosion und folglich einer durch die Korrosion hervorgerufenen Leckage des Mikrokühlkörpers vermindert, so daß die Mindestaußenwandstärke entsprechend gering gehalten werden kann. Durch den hieraus folgenden verbesserten Wärmeaustausch im Überdeckungsbereich zwischen Mikrokühlkörper und elektrischem Bauelement wird die gegenüber Kupfer an sich schlechtere Wärmeleitfähigkeit des Edelstahls ausgeglichen.
Um eventuell entstehende Eigenspannungen zwischen den elektronischen Bauteilen und dem Mikrokühlkörper aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verringern, schlägt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung vor, den Mikrokühlkörper aus einem an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des zu kühlenden Bauteils angepaßten Material auszubilden. Im Falle eines zu kühlenden Bauteiles aus Galliumarsenit mit einem Wärmeausdehnungkoeffizienten von ungefähr 6,5 kann beispielsweise Molybdän mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 5 als Material für den Mikrokühlkörper gewählt werden. Um den Kühleffekt im Überdeckungsbereich des elektronischen Bauteils mit dem Mikrokühlkörper weiter zu steigern, kann die Mikrokühlstruktur derart ausgeführt sein, daß sich darin eine turbulente Strömung ausbildet, wodurch eine verbesserte Kühlleistung erreicht wird.
Die Mikrokühlstruktur kann in geringem Abstand zueinander angeordnete kammförmige Fortsätze aufweisen. Durch die geringen Abstände der kammförmigen Fortsätze zueinander können sich die dadurch nahe beieinander liegenden Grenzflächen auch untereinander beeinflussen, was wiederum zu einer verbesserten Kühlwirkung führt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Verbindungskanäle eine strδmungsoptimierte Struktur, insbesondere in Form von abgerundeten insbesondere ovalen Innenwandungen und Grenzflächen auf, so daß sich in den Verbindungskanälen eine nahezu laminare Strömung ausbildet . Eine laminare Strömung ist im Bereich der Verbindungskanäle wünschenswert, um Druckabfall im Kühl- medium während des Durchstrδmens des Mikrokühlkörpers möglichst gering zu halten.
Die erfindungsgemäßen Mikrokühlkörper können auch in sogenannten Diodenlaserstacks zur Kühlung der darin befindlichen Diodenlaser eingesetzt werden. Für diese Anwendung ist es vorteilhaft, den Mikrokühlkörper quaderförmig auszuführen, da die erfindungsgemäßen Mikrokühlkörper in den Stacks übereinander gestapelt werden. Die quaderförmigen Mikrokühler bilden jeweils eine ebene Auflägefläche für den darüber zu stapelnden Mikrokühler, sodaß sich eine stabile Verbindung zwischen den einzelnen Mikrokühlern herstellen läßt. Die Zulauf- bzw. AblaufÖffnungen der einzelnen Mikrokühlkδrper werden zum Betrieb des Stacks an einen in dem Stack ausgebildeten gemeinsamen Zulaufkanal sowie einen gemeinsamen Ablaufkanal für das Kühlmedium angeschlossen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrokühlkörpers ;
Figur 2 einen Längsschnitt durch einen Mikrokühlkörper gemäß der Figur 1 um 180° gedreht;
Figur 3 eine perspektivische Darstellung einer in dem Mikrokühlkörper gemäß der Figur 1 ausgebildeten Kühlkreislauf von oben; und
Figur 4 eine perspektivische Darstellung des Kühlkreislaufs aus der Figur 3 von unten. Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrokühlkörpers 1.
Der Mikrokühlkörper 1 ist im wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist an der Oberseite im vorderen stirnseitigen Endbereich eine Montagefläche 2 für ein zu kühlendes Bauteil wie beispielsweise ein Halbleiterbauelement auf. Unterhalb der Montagefläche 2 ist im Inneren des Mikrokühlkörpers 1 eine Mikrokühlstruktur 3 angeordnet , die zusammen mit Verbindungskanälen 4 , mindestens einer Zulauföffnung 5 und mindestens einer Ablauföffnung 6 einen Kühlkreislauf 7 bildet, welcher zu Kühlzwecken mit einem Kühlmedium, wie beispielsweise mit deionisiertem Wasser, durchströmt werden kann.
Die Mikrokühlstruktur 3 ist in an sich bekannter Weise aus kammförmigen Fortsätzen 8 ausgebildet, die in geringem Abstand zueinander angeordnet sind, so daß sich die Grenzflächen der kammförmigen Fortsätze 8 untereinander beeinflussen können.
Wie in den Figuren 3 und 4 zu sehen ist, weisen die Verbindungskanäle 4 eine strömungsoptimierte Struktur in Form von abgerundeten, insbesondere ovalen Wandungen und Grenzflächen 4a auf, so daß sich in den Verbindungskanälen 4 eine nahezu laminare Strömung ausbildet . Dadurch wird ein Druckabfall in dem den Mikrokühlkörper 1 durchströmenden Kühlmedium vermindert. Zur Mikrokühlstruktur 3 hin verringert sich der Querschnitt der Verbindungska- näle 4, wodurch sich in diesem Bereich eine turbulente Strömung ausbildet. Dies hat einen verbesserten Wärmetausch zur Folge. Durch eine geeignete Strukturierung der Oberflächen der Verbindungskanäle 4 kann die Ausbildung einer turbulenten Strömung noch unterstützt werden. Ein beispielhafter Strömungsverlauf des Kühlmediums in dem Mikrokühler 1 ist in der Figur 3 durch schwarze Pfeile angedeutet .
Der in den Figuren gezeigte Mikrokühlkörper 1 soll dazu eingesetzt werden, einen Diodenlaserbarren aus Galliumar- senit mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 6,5 zu kühlen. Der Mikrokühlkörper 1 ist daher aus Molybdän mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 5 aufgebaut. Durch die Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Diodenlaserbarrens und des Materials des Mikrokühlkδrpers 1 können Eigenspannungen verringert werden. Zur Anpassung an den Wärmeausdehnungskoeffizienten ist die Werkstoffauswahl jedoch nicht auf die genannten metallischen Werkstoffe beschränkt. Auch weitere Werkstoffe sind in Abhängigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften und der zusammenwirkenden Bauteile denkbar.
Der Mikrokühlkörper 1 kann mittels des selektiven Laser- schmelzens hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird das herzustellende Bauteil zunächst entlang der ZrEbene des Bauteils virtuell in Schnitte zerlegt, und die sich daraus ergebenden CAD-Daten in X- und Y-Richtung werden in eine Steuereinheit eingegeben. Anschließend wird ein metallisches Werkstoffpulver beispielsweise aus Edelstahl oder Molybdän frei von Bindemitteln und Flußmitteln mit einer vorgegebenen Schichthöhe, die einer Eindringtiefe eines in dem Verfahren eingesetzten Laserstrahls entspricht auf eine in Z-Richtung versenkbare Bodenplatte einer Prozeßkammer aufgebracht. Unter Schutzgasatmosphäre wird ein Laserstrahl entsprechend der in die Steuereinheit eingegebenen CAD-Daten auf der Pulverschicht verfahren, so daß das metallische Werkstoffpulver lokal auf Schmelztemperatur erhitzt und an der jeweiligen Auftreffstelle des Laserstrahls über seine gesamte Schichthöhe vollständig aufgeschmolzen wird. Anschließend wird die Bodenplatte um einen Betrag abgesenkt, der der Schichtdicke des eingefüllten Metallpulvers entspricht . Dann wird eine weitere Schicht aus dem metallischen Werkstoffpulver auf die bereits vorhandene, mit Laserstrahlung behandelte Metallpulverschicht aufgebracht, deren Schichtdicke wiederum der Eindringtiefe des Laserstrahls entspricht . Danach wird der Laserstrahl erneut entsprechend der in der Steuerung eingegebenen CAD-Daten des herzustellenden Mikrokühlkörpers in X- und Y-Richtung verfahren und das Material an der Auftreffstelle des Lasers wiederum über seine gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen. Diese Vorgehensweise wird solange wiederholt, bis der Mikrokühlkörper vollständig strukturiert und aufgebautist .
Der Laserstrahl wird in mehreren Spuren über den vorgegebenen Bereich der WerstoffSchicht so geführt, daß jede folgende Spur des Laserstrahl die vorherige Spur teilweise überlappt. Durch die Überlappung wird die Schmelze des Pulvers und die Schmelze der angrenzenden bereits erstarrten festen Kontur, die zuvor aufgeschmolzen wurde und unter der nachträglich aufgetragenen Pulverschicht liegt, zu einem gemeinsamen Schmelzbad aufgeschmolzen. Daraufhin geht das Schmelzbad eine schmelzmetallurgische Verbindung ein. Dadurch bildet sich nach der Erstarrung ein homogener Formkörper mit hoher Festigkeit und Dichtigkeit und ohne Rillen oder sonstige Übergangsstellen aus .
Wurde auf diese Weise der Mikrokühlkδrper vollständig aufgebaut, so ist es anschließend lediglich notwendig, das in den inneren Strukturen zurückgebliebene Pulver zu entfernen. Dies kann beispielsweise mittels Druckluft erreicht werden oder indem der Mikrokühlkörper anschließend mit deionisiertem Wasser unter Druck durchspült wird.
Da mittels dieses Verfahrens die unterschiedlichsten metallischen Werkstoffpulver bearbeitet werden können, ist neben einem Mikrokühlkόrpermaterial wie Molybdän und Edelstahl auch jedes andere geeignete Metall denkbar. Das aus dem einzusetzenden Metall herzustellende Werkstoffpulver muß lediglich eine ausreichend feine Körnung aufweisen, um die einzelnen Schichten fein abgestuft aufbauen zu können.

Claims

Ansprüche :ProLas Produktionslaser GmbH.St. Jobser-Straße 53, D-52146 WürselenMikrokύhlkörper
1. Mikrokühlkörper (1) mit einer Montagefläche (2) für ein zu kühlendes Bauteil, insbesondere ein Halbleiterbauelement, welcher insbesondere quaderartig ausgebildet ist und im Inneren eine Mikrokühlstruktur (3) aufweist, die über Verbindungskanäle (4) mit mindestens einer ZulaufÖffnung (5) und mindestens einer AblaufÖffnung (6) verbunden ist, über die der Mikrokühlstruktur (3) ein Kühlmedium zuführ- bzw. aus ihr abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine monolithische Struktur aufweist .
2. Mikrokühlkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Außenwandstärken < 400 μm aufweist.
3. Mikrokühlkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Edelstahl gebildet ist.
4. Mikrokühlkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem an den Wärmeausdehnungskoeffizient des elektronischen Bauteils ange- paßten Material, insbesondere aus Molybdän gebildet ist.
5. Mikrokühlkörper (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (4) eine strömungsoptimierte Struktur, insbesondere in Form von abgerundeten Wandungen und Grenzflächen (4a) aufweist, so daß sich in den Verbindungskanälen (4) eine nahezu laminare Strömung ausbildet .
6. Mikrokühlkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro- kühlstruktur (3) derart ausgebildet ist, daß sich darin eine turbulente Strömung in diesem Bereich ausbildet.
7. Mikrokühlkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro- kühlstruktur (1) kammförmige Fortsätze (8) aufweist.
8. Mikrokühlkörper (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur (3) derart ausgebildet ist, daß die kammfδrmigen Fortsätze (8) der Mikrokühlstruktur (3) in geringem Abstand zueinander angeordnet sind.
9. Diodenlaserbauelement mit einem aufgelöteten Diodenlaser und einem Mikrokühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Diodenlaserstack mit mindestens zwei übereinander angeordneten Diodenlaserbauelementen, die jeweils einen Mikrokühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisen, wobei die Zulauf- bzw. Ablauföffnungen (5, 6) der Mikrokühlkörper (1) jeweils über einen gemeinsamen Zulaufkanal und einen gemeinsamen Ablaufkanal für das Kühlmedium miteinander in Verbindung stehen.
11. Verfahren zur Herstellung eines Mikrokühlkδrpers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrokühlkörper (1) durch selektives Laserschmelzen hergestellt wird.
PCT/EP2006/004124 2006-05-03 2006-05-03 Mikrokühlkörper WO2007124776A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2006/004124 WO2007124776A1 (de) 2006-05-03 2006-05-03 Mikrokühlkörper

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