2. Struktur und Profillinien - ifw Jena

7. Ausgewählte Forschungs- und
Entwicklungsergebnisse
7.10
Technologieentwicklung
und Musterbereitstellung
von Mikro-Heatpipes für
Hochleistungsdiodenlaserbarren
Bild 1:
Ausschnitt aus tiefengeätzter Verdampferstruktur
(REM - Aufnahme)
Ansprechpartner:
Dr. Ing. Th. Schroeter
E-Mail: tschroeter@ifw-jena.de
Projektträger:
TMWFK
Förder-Nr.: B 409 –98006
Projektpartner:
FhG IOF Jena: Dr. U. Poßner; Dr. Dannberg
FH Jena: Prof. Dr. rer.nat. Dennert; Dr. J.
Wolf
Jenoptik Laserdiode: Herr D. Lorenzen
Aufgabe
In Baugruppen der Mikroelektronik
und Mikrosystemtechnik treten häufig
so große Verlustleistungen auf die
nur mit einer aktiven Kühlung abgeführt
werden können. Diese Wärmeabfuhr
wird z.B. durch Luftströmung
oder mit Flüssigkeiten realisiert.
Bei vielen Anwendungen ist
eine Luftkühlung nicht ausreichend
und es muß eine fluidische Kühlung
verwendet werden.
Ein solches Kühlelement ist eine
Mikroheatpipe, diese besteht aus
vielen parallel verlaufenden Mikrotransportkanälen
mit einem Verdampferbereich
am Ende. Die Funktion
beruht darauf, daß die Abwärme
die vorhandene Flüssigkeit in den
Verdampferstrukturen verdampft und
dieser dann am kalten Ende der
Mikroheatpipe kondensiert. Dieses
Kondensat gelangt auf Grund der
Kapillarwirkung der Transportkanäle
wieder in den Verdampferbereich und
schließt den Kühlkreislauf.
Das Ziel des Projektes ist die Herstellung
von funktionsfähigen Mikroheatpipes
aus Silizium. Aufbauend
auf diesen Erfahrungen sollen dann
wegen der besseren thermodynamischen
Eigenschaften Mikrokühlsysteme
aus Kupfer für von Laserdiodenbarren
entwickelt werden.
Lösungsweg
Im Ergebnis von theoretischen Untersuchungen
der FH Jena lagen die
Dimensionierung von Heatpipeteststrukturen
bereits vor. Diese sollten
dann in Siliziumtechnologie als offene
Prototypen realisiert und auf ihre
Funktion untersucht werden. Die
Hauptaufgaben des IFW lagen in der
Technologieentwicklung zur Realisierung
von Mikrokanalstrukturen für die
Herstellung offener und geschlossener
Heatpipes aus Silizium, deren
hermetisch dichter Verschluss und
des Fügens der Chips auf den Kupfergrundkörper.
Bild 2:
geschlossene Heatpipetestmuster
36
Ergebnisse
Die offenen Verdampfer zur Bestimmung
der Verdampferparameter
waren wie in Bild 1 aufgebaut. Den
späteren Wärmeeintrag realisierten
Dünnschichtheizer und mit mehrerer
Dünnschichttemperatursensoren
wurde der Temperaturgradient entlang
der Heatpipe gemessen (Bild 3).
Verdampferstruktur
Bild 3:
Prinzipskizze einer Heatpipe- Teststruktur
Um die optimale Verdampferleistung
zu ermitteln, wurden die Strukturbreiten
der Verdampferbereiche und
der Transportkanäle sowie die Ätztiefe
der Transportkanäle (Aspektverhältnis)
innerhalb eines Wafers
variiert. Mit der optimalen Struktur
wurden dann die Technologie für
geschlossene Heatpipetestmuster
entwickelt. Das Problem der Integration
eines mechanisch stabilen Befüllungsstutzens
in das geschlossene
Heatpipe konnte nur unter Anwendung
eines Metallgehäuses realisiert
werden (Bild 4).
Kovarrahmen
Befüllungsröhrchen
(lasergeschweißt)
Pt Dünnschicht- Temperaturfühler
Pt Dünnschicht- Heizer
Strukturierter
Si-Chip
Transportkanäle
Silizium
Lotkehle
Dampfkanal
Höhe: 0,5mm
Kovardeckel
Bild 4:
Schematischer Aufbau der geschlossenen
Heatpipetestmuster (22,5 *17 *3,2 mm 3 )
Im Rahmen dieses Projektes wurde
erfolgreich die Technologie zur Herstellung
von Mikroheatpipechips aus
Silizium für die Kühlung von Hochleistungslaserbarren
erarbeitet. Die
geforderten minimalen Strukturbreiten
der Transportkanäle von ca.
50 µm und die der Verdampferbereiche
von ca. 5 µm wurden erfüllt.
Gleichfalls wurde die Technologie zur
Herstellung geschlossener Testheatpipes
aus Silizium mit Kovargehäuse
und für das dauerhafte und hermetisch
dichte Verbinden von Siliziumund
Kupferchips auf einen Kupfergrundkörper
mittels AuSn-Lot realisiert.