Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlele ments und ein Kühlelement hergestellt mit einem solchen Verfahren.

Aus dem Stand der Technik sind Kühlelemente zum Kühlen von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen, insbesondere Halbleitern, wie z. B. Laserdioden, hin länglich bekannt. Dabei entwickeln die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile während ihres Betriebs Wärme, die mittels des Kühlelements abgeführt werden soll, um so wiederum eine dauerhafte Funktionalität der elektrischen bzw. elektro nischen Bauteile zu gewährleisten. Dies trifft insbesondere für Laserdioden zu, bei denen bereits Temperaturunterschiede von wenigen °C zu signifikanten Beein trächtigungen der Leistung und/oder Lebensdauer führen können.

Zum Kühlen der Bauteile weisen die Kühlelemente, die in der Regel an die Bau teile angebunden sind, typischerweise einen Kühlkanal auf, durch den im Betrieb ein Kühlfluid geleitet wird, um vom elektrischen bzw. elektronischen Bauteil ausge hende Wärme aufzunehmen und abzutransportieren. Vorzugsweise wird hierbei eine Finnenstruktur verwendet, bei der mehrere stegartige Elemente in den Kühl kanal hineinragen, um eine möglichst große Kontaktfläche zum Kühlfluid bereitzu stellen, wodurch die Wärmeübertragung von Wandungen, die den Kühlkanal be grenzen, auf das Kühlfluid verbessert wird. Entsprechend ist es erstrebenswert, möglichst viele dieser stegartigen Elemente auf möglichst kleinstem Raum zu vereinen, um für eine optimale Kühlleistung am Übergang zwischen Finnenstruktur und Fluid zu sorgen. Diese feinstrukturierte Gestalt der stegartigen Elemente macht deren Flandhabung im Fierstellungsver fahren schwierig.

Aus der DE 102004002841 B3 ist ein Verfahren zur Fierstellen von Kühlelemen ten bekannt, bei dem ein Kühlelement hergestellt wird, in dem im Anschluss an eine Strukturierung ein Oxidieren der einzelnen Metallschichten vorgenommen wird. Die durch die Strukturierung realisierten Ausnehmungen bilden dann im ge fertigten Kühlelement zumindest einen Teilabschnitt eines Kühlkanals, der durch ein Stapeln der Metallschichten und ein anschließendes Verbinden der gestapel ten Metallschichten gebildet wird.

Fliervon ausgehend macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, das Fierstellen der Kühlelemente und die Kühlelemente zu verbessern, insbesondere wenn vergleichsweise schmale Kühlkanäle im Kühlelement vorgesehen sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Küh lelement gemäß Anspruchs 10. Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beige fügten Figuren.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Fler- stellung eines Kühlelements, insbesondere eines Mikrokühlelements, vorgesehen, umfassend:

- Bereitstellen mindestens einer ersten Metallschicht und mindestens einer zwei ten Metallschicht,

- Oxidieren der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der mindestens einen zweiten Metallschicht,

- Strukturieren der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der mindes tens einen zweiten Metallschicht zur Ausbildung mindestens einer Ausnehmung, - Verbinden der mindestens einen ersten Metallschicht und der mindestens einen zweiten Metallschicht zur Ausbildung des Kühlelements, insbesondere durch ein Bonden, beispielsweise durch ein Erhitzen, wobei in einem zusammengefügten Zustand durch die Ausnehmung in der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der mindestens einen zweiten Metallschicht zumindest ein Teilabschnitt eines Kühlkanals im Kühlelement gebildet wird, wobei vor dem Verbinden eine In nenseite der Ausnehmung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, befreit von einer oxidierten Oberfläche bereitgestellt wird bzw. eine Innenseite der Ausnehmung befreit von einer oxidierten Oberfläche dem Verbinden oder einem Verbindungsprozess zur Verfügung gestellt wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es vorgesehen, gezielt auf eine oxidierte Oberfläche an der Innenseite der Ausnehmungen zu verzichten, wodurch es in vorteilhafter Weise möglich ist, zu verhindern, dass im Anbindungsprozess bzw. beim Verbinden, bei dem die mindestens eine erste Metallschicht mit der mindes tens einen zweiten Metallschicht verbunden wird, eine Schmelze gebildet wird, die in den Bereich der Ausnehmung bzw. den später gefertigten Kühlkanal gelangen könnte und so eine Ausdehnung des Kühlkanals im Bereich der Ausnehmung re duziert oder sogar zu einer Verstopfung des Kühlkanals in diesem Teilabschnitt des Kühlkanals führen kann. Dies hat insbesondere für Kühlelemente mit ver gleichsweise dünnen bzw. schmalen Kühlkanälen, insbesondere bei Mikrokanal kühlern, einen entscheidenden Vorteil, da so in der Herstellung ein Risiko für ein Verstopfen der Kühlkanäle verhindert oder reduziert werden kann. Vorstellbar ist es dabei, dass eine oxidierte Oberfläche nach dem Oxidieren entfernt wird, bei spielsweise durch einen im Anschluss an das Oxidieren durchgeführten weiteren Ätzschritt, insbesondere wenn das Strukturieren vor dem Oxidieren erfolgte. Es ist auch vorstellbar, dass die oxidierte Oberfläche mechanisch entfernt wird, bei spielsweise durch ein Polieren oder einen spanenden Vorgang.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Oxidieren zeitlich vor dem Strukturie ren durchgeführt wird. Durch das Strukturieren, d. h. insbesondere das Ausbilden der mindestens einen Ausnehmung, zeitlich nach dem Oxidieren wird sicherge stellt, dass die hergestellte Ausnehmung keine oxidierte Oberfläche an ihrer In nenseite aufweist, da die Innenseite keine Oxidation nach dem Strukturieren mehr erfährt und erst nach dem Oxidieren gebildet wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es insbesondere vorgesehen, dass das Oxidieren vor dem Strukturie ren erfolgt, während es bei der Ausbildung von Kühlelementen im Stand der Tech nik üblich ist, zunächst das Strukturieren vorzunehmen und anschließend das Oxi dieren, was erforderlich ist, um im Rahmen eines vorgesehenen Verbindungsver fahrens, insbesondere durch Bonden, die notwendige Voraussetzung für die ge wünschte Verbindung zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Metallschicht zu schaffen. Durch das Abändern der Reihenfolge wird insbesondere verhindert, dass beispielsweise Ätzflanken der im Rahmen des Strukturierens gebildeten Ausnehmung durch ein anschließendes Oxidieren mit ei ner oxidierten Oberfläche versehen werden.

Durch das Abändern der zeitlichen Reihenfolge ist es außerdem in vorteilhafter Weise möglich, das Oxidieren nicht manuell durchführen zu müssen. Dies ist näm lich dann erforderlich, wenn das Strukturieren vor dem Oxidieren durchgeführt wird und zu feinstrukturierten Einzelbauteilen bzw. zu einer feinstrukturierten mindes tens einen ersten Metallschicht und/oder mindestens einen zweiten Metallschicht führt, die im Rahmen einer automatisierten Handhabe Gefahr läuft, beschädigt zu werden. Dementsprechend ist es mit der geänderten Reihenfolge insbesondere möglich, eine Automatisierung, insbesondere für das Oxidieren der mindestens ei nen ersten Metallschicht und/oder mindestens einen zweiten Metallschicht, vorzu nehmen. Es ist sogar vorstellbar, dass die mindestens eine erste Metallschicht und/oder die mindestens eine zweite Metallschicht während des Oxidierens bzw. unmittelbar vor oder nach dem Oxidieren mit einem Greifelement, insbesondere mit einem ein Unterdrück- bzw. ein Vakuum verwendenden Greifelement, gehand- habt werden. Außerdem lässt sich die Wahrscheinlichkeit für eine unzureichende Bindung durch ein fehlerhaftes Oxidieren zwischen der mindestens einen ersten Metallschicht und der mindestens einen zweiten Metallschicht reduzieren, wodurch die Anzahl der fehlerhaft gefertigten Kühlelemente reduziert wird. Insbesondere handelt es sich bei dem Kühlelement um ein Mikrokanalkühlele ment, das eine Anschlussfläche aufweist, an dem ein elektrisches Bauteil, insbe sondere eine Laserdiode, montiert werden kann. Vorzugsweise ist es weiterhin vorgesehen, dass das Verfahren ferner ein Stapeln der mindestens einen ersten Metallschicht und der mindestens einen zweiten Metallschicht entlang einer Sta pelrichtung unter Ausbildung des mindestens einen Teilabschnitts des Kühlfluidka nals umfasst. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Metallschicht und/oder die mindestens eine zweite Metallschicht sich entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstre ckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinandergestapelt werden. Die Ausnehmungen können dabei einen quadratischen, kreisförmigen, rechteckigen und/oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Ferner ist es dabei vorgesehen, dass der gefertigte Kühlkanal Teilabschnitte aufweist, die parallel, schräg oder senk recht zur Haupterstreckungsebene bzw. Stapelrichtung verlaufen. Beispielsweise ist die mindestens eine erste Metallschicht, die mindestens eine zweite Metall schicht und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht aus Kupfer. Dabei kön nen sich die mindestens eine erste Metallschicht, die mindestens eine zweite Me tallschicht und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht in Hinblick auf ihre Materialwahl einander entsprechen oder unterscheiden, beispielsweise in Bezug auf die Metallart, eine Menge an Fremdstoffen und/oder eine Ausgangskorngröße.

Vorzugsweise umfasst das Kühlelement mindestens eine dritte Metallschicht, die sich ebenfalls entlang einer Haupterstreckungsebene erstreckt und in einer senk recht zur Stapelrichtung zusammen mit der mindestens einen ersten Metallschicht und der mindestens einen zweiten Metallschicht übereinandergestapelt angeord net ist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass sich die mindestens eine erste Metallschicht, die mindestens eine zweite Metallschicht und die mindestens eine dritte Metallschicht hinsichtlich der Lage und Form ihrer Ausnehmungen von einander unterscheiden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die übereinander angeordneten mindestens eine erste Metallschicht, mindestens eine zweite Metall schicht und/oder mindestens eine dritte Metallschicht im gestapelten Zustand den Kühlkanal ausbilden, durch welchen das Kühlfluid während des Betriebs leitbar ist, um die Wärme von der Anschlussfläche wegzuführen.

Ferner weist der Kühlkanal insbesondere einen Zuleitungsbereich und einen Ab leitbereich auf, die sich beispielsweise durch die mindestens eine erste Metall schicht, die mindestens eine zweite Metallschicht und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht hindurcherstrecken, wobei der Kühlkanal vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass bei der Überführung des Kühlfluides von dem Zuleitungsbe reich in den Ableitbereich das Kühlfluid den Teil der Ausnehmung, der durch das Strukturieren erstellt worden ist, passieren muss. Vorzugsweise passiert das Kühl fluid die Finnenstruktur beim Übergang vom Zuleitungsbereich zum Ableitbereich. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Kühlfluid entlang der Stapelrichtung den Kühlkanal durchsetzt, insbesondere die Finnenstruktur entlang der Stapelrich tung passiert.

Weiterhin ist der Kühlkanal derart ausgelegt, dass das durch den Kühlkanal gelei tete Fluid von der mindestens einen ersten Metallschicht über die zumindest eine zweite Metallschicht bis in die mindestens eine dritten Metallschicht geleitet wird, woraufhin das Fluid in der mindestens einen dritten Metallschicht umgelenkt wird und wieder in die mindestens eine zweite Metallschicht und/oder mindestens eine erste Metallschicht zurückgeführt wird. Hier hat das Kühlfluid wieder Zugang zum Ableitbereich des Kühlkanals und lässt sich entsprechend aus dem Kühlkanal ab leiten. Alternativ ist es vorstellbar, dass die erste Metallschicht und/oder die zweite Metallschicht eine Finnenstruktur bilden, bei der Finnen in einen Fluidkanal hinein ragen, an dem das Kühlfluid entlang einer einzigen Strömungsrichtung vorbeige führt wird. Grundsätzlich sind verschiedenste Gestaltungen von Kühlkanälen vor stellbar, bei denen die stegartigen Elemente mittels Erodieren, Laser und/oder Ät zen hergestellt werden.

Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die mindestens eine erste Metall schicht mit der mindestens einen zweiten Metallschicht vorzugsweise durch Bon- den stoffschlüssig verbunden wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die min destens eine erste Metallschicht mit der mindestens einen zweiten Metallschicht, besonders bevorzugt mit der mindestens einen dritten Metallschicht oder weiteren Metallschichten, ohne die Verwendung eines Haftvermittlers oder eines klassi schen metallischen Lötmaterials miteinander verbunden wird. Beispielsweise wer den sie durch ein entsprechendes Erhitzen und ggf. unter Druck derart miteinan der verbunden, dass sich ein monolithischer Grundkörper für das Kühlelement ausbildet.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zum Strukturieren die mindestens eine erste Metallschicht und/oder die mindestens eine zweite Metallschicht geätzt, ge- lasert, laserunterstützt und/oder erodiert werden. Insbesondere durch das Erodie ren lassen sich besonders feine Strukturierungen und Ausnehmungen in der min destens einen ersten Metallschicht, in der mindestens einen zweiten Metallschicht und/oder in der mindestens einen dritten Metallschicht realisieren. Hier erweist sich die Reihenfolge, bei der das Oxidieren zeitlich vor dem Strukturieren erfolgt, als vorteilhaft, weil dadurch auf ein nachgeschaltetes Oxidieren, insbesondere ma nuelles Oxidieren, verzichtet werden kann. Das Strukturieren mittels Ätzen erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil es einfach, schnell und prozess sicher zu einer Strukturierung führt. Darüber hinaus wird dann im Falle eines dem Strukturieren vorangehenden Oxidierens gerade verhindert, dass sich Ätzflanken ausbilden, die mit einer oxidierten Oberfläche nach einem Oxidieren beschichtet wären.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass vor dem Verbinden ein an die Ausnehmung angrenzender Bereich einer Oberseite und/oder einer Unterseite der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der mindestens einen zweiten Metallschicht befreit von einer oxidierten Oberfläche bereitgestellt wird. Beispielsweise wird hier bei ein Teil der oxidierten Oberfläche an der Oberseite und/oder an der Unterseite der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der mindestens einen zweiten Metallschicht weggeätzt oder mechanisch, durch einen Polieren, wieder entfernt. Dadurch bildet dieser an die Ausnehmung angrenzende Bereich beim Verbinden keine Schmelze aus, die gegebenenfalls in die Ausnehmungen gelangen könnte, und den später gefertigten Kühlkanal verstopfen könnte. Beispielsweise verläuft oder bemisst sich der an die Ausnehmungen angrenzende Bereich an der Ober seite und/oder Unterseite in eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung bis zu 3 mm, bevorzugt bis zu 2 mm und besonders bevorzugt bis zu 1 mm vom Rand der Ausnehmung.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zusätzlich zu der Ausnehmung oder Aus sparung in der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der mindestens ei nen zweiten Metallschicht ein Bereich reduzierter Dicke realisiert wird. In dem Be reich mit der reduzierten Dicke kann ein weiterer, im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufender Teilabschnitt des Kühlkanals gebildet wer den, da dieser Bereich ebenfalls beim Verbinden keine Schmelze bildet, die eine Anbindung zwischen der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der min destens einen zweiten Metallschicht ermöglicht. Nach dem Verbinden der mindes tens einen ersten Metallschicht und der mindestens einen zweiten Metallschicht wird im Bereich mit der reduzierten Dicke ein einsprechender Hohlbereich zwi schen der mindestens einen ersten Metallschicht und der mindestens einen zwei ten Metallschicht ausgebildet. Beispielsweise wird im geplanten Bereich mit der re duzierten Dicke die mindestens eine erste Metallschicht bzw. die mindestens eine zweite Metallschicht nur von einer Seite, d. h. nur an einer Oberseite oder einer Unterseite, angeätzt bzw. geätzt, während zur Ausbildung der Ausnehmung die mindestens eine erste Metallschicht und/oder die mindestens eine zweite Metall schicht beidseitig, d. h. an Oberseite und Unterseite, angeätzt bzw. geätzt werden. Mit anderen Worten: die Maskierungen für die Oberseite und die Unterseite stim men in den Bereichen zur Ausbildung der Ausnehmung überein, während im Be reich der geplanten reduzierten Dicke eine der ober- bzw. unterseitigen Maskie rungen geschlossen ist. Ferner ist auch vorstellbar, dass der Bereich mit reduzier ter Dicke von der Ausnehmung beabstandet ist, um beispielsweise einen im We sentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Teilabschnitt des Kühlkanals zu bilden, dessen senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufen- den Ausdehnung durch den Betrag festgelegt wird, um den der Bereich mit der re duzierten Dicke gegenüber der Dicke der mindestens einen ersten Metallschicht, der mindestens einen zweiten Metallschicht und/oder der mindestens einen dritten Metallschicht reduziert ist.

Beispielsweise nimmt ein Verhältnis der reduzierten Dicke zur Dicke der mindes tens einen ersten bzw. zweiten Metallschicht einen Wert zwischen 0,25 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,7 und besonders bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 an.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Oxidieren thermisch und/oder chemisch, insbesondere nasschemisch, durchgeführt wird. Bevorzugt erfolgt das Oxidieren thermisch, da dies vorteilhaft ist für das anschließende Laminieren und dies erleichtert. Beispielsweise wird hierzu die mindestens eine erste Metall schicht und/oder die mindestens eine zweite Metallschicht durch eine entspre chende Anlage, insbesondere horizontal, befördert. Hier erweist sich die Vorge hensweise, bei der das Oxidieren vor dem Strukturieren erfolgt, als besonders vor teilhaft, weil dies eine vereinfachte Handhabe beim Oxidieren gestattet, wodurch der Fertigungsprozess des Kühlelements vereinfacht wird. Das Oxidieren kann vorzugsweise einseitige oder beidseitig erfolgen.

Vorzugsweise weist das gefertigte Kühlelement eine obere Deckschicht und/oder eine untere Deckschicht auf, wobei in Stapelrichtung gesehen unter der oberen Deckschicht und/oder über der unteren Deckschicht die mindestens eine erste Metallschicht und/oder die mindestens eine zweite Metallschicht und/oder mindes tens eine dritte Metallschicht angeordnet ist, wobei die obere Deckschicht und/o der die untere Deckschicht einen Anschlussbereich zur Anbindung eines zu küh lenden Bauteils, insbesondere einer Laserdiode, aufweist. Dabei ist es beispiels weise vorstellbar, dass die obere und/oder untere Deckschicht aus einer Keramik oder einem Keramikelement gefertigt ist. Dies erweist sich insbesondere als vor- teilhaft für solche Anwendungsfälle, in denen eine elektrische Isolation zum Küh lelement erforderlich ist. Hierzu wird bevorzugt ein Direktanbindungsverfahren, wie ein DCB-Verfahren, oder ein Aktivlötverfahren verwendet.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Ausnehmung in einer parallel zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung eine Ausdehnung, insbesondere eine Breite, bis zu 0,8 mm, bevorzugt bis zu 0,5 mm und besonders bevorzugt bis zu 0,4 mm aufweist. Für solche vergleichsweise schmalen Ausdehnungen erweist sich die beschriebene Vorgehensweise besonders vorteilhaft, da bei den entspre chenden Ausdehnungen, insbesondere bei denen bis zu 0,4 mm, ein erhöhtes Ri siko einer möglichen Verstopfung durch die Schmelze, ausgebildet beim Verbin den, existiert. Durch die beschriebene Vorgehensweise wird dennoch die Wahr scheinlichkeit reduziert, dass die Schmelze in die Ausnehmung gelangen kann und den späteren Teilabschnitt des Kühlkanals im gefertigten Zustand des Küh lelements verstopfen könnte. Unter der Breite versteht der Fachmann, insbeson dere bei rechteckigen Ausnehmungen, bevorzugt die Richtung, die senkrecht zur Längsrichtung der Ausnehmung verläuft und bevorzugt die schmalere Seite der Ausnehmung bildet.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Bonden, insbeson dere Erhitzen, zum Verbinden der mindestens einen ersten Metallschicht mit der mindestens einen zweiten Metallschicht bei einer Temperatur zwischen 500 °C und 1080 °C, insbesondere zwischen 850 °C und zwischen 1080 °C oder 500 °C und 660 °C, durchgeführt wird. Durch die angegebenen Temperaturen beim Bon den wird eine Schmelze in den Bereichen mit oxidierter Oberfläche ausgebildet, die zum Verbinden der mindestens einen ersten Metallschicht und/oder der min destens einen zweiten Metallschicht führt unter Ausbildung eines monolithischen bzw. einstückigen Kühlelements. Insbesondere entspricht das Verbinden einem Direktmetallanbindungsverfahren, beispielsweise einem DCB oder DAB- Verfahren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vor gesehen, dass die mindestens eine erste Metallschicht eine in Stapelrichtung be- messende Dicke von zwischen 100 pm und 1mm, bevorzugt zwischen 150 pm und 550 pm und besondere bevorzugt zwischen 150 pm und 350 pm aufweist. Dabei erstreckt sich die mindestens eine erste Metallschicht und/oder die mindes tens eine zweite Metallschicht entlang einer Haupterstreckungsebene und ist bei spielsweise aus Kupfer. Es ist auch vorstellbar, dass sich die mindestens eine erste Metallschicht von der mindestens einen zweiten Metallschicht unterscheidet, beispielsweise in Hinblick auf Ausgangskorngröße, Anteil an Fremdstoffen oder Material, z. B. eine Schicht aus Kupfer und eine weitere Schicht aus einer Kupfer legierung.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlelement herge stellt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für das Verfahren beschriebe nen Eigenschaften und Vorteile lassen sich analog auf das Kühlelement übertra gen und andersrum.

Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegen stands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigt:

Fig. 1: schematische Explosionsdarstellung eines Kühlelements ge mäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegen den Erfindung,

Fig. 2 schematische Darstellung einer ersten Metallschicht für ein

Kühlelement aus Figur 1 ,

Fig.3: schematische Darstellung eines Kühlelements gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung , Fig.4 schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung ei nes Kühlelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegende Erfindung und

Fig. 5a bis 5d schematische Darstellungen einer ersten Metallschicht und/o der einer zweiten Metallschicht für ein Kühlelement gemäß ei ner dritten, vierten, fünften und sechsten Ausführungsform der vorliegende Erfindung.

In Figur 1 ist schematisch eine Explosionsdarstellung eines Kühlelements 1 ge mäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar gestellt. Insbesondere handelt es sich bei dem Kühlelement 1 um ein solches, das zum Kühlen eines elektronischen oder elektrischen Bauteils (nicht dargestellt), ins besondere eines Halbleiterelements und besonders bevorzugt einer Laserdiode, vorgesehen ist. Zum Kühlen des elektrischen bzw. des elektronischen Bauteils bil det das gefertigte Kühlelement 1 einen Kühlkanal aus, durch den im Betrieb ein Kühlfluid leitbar ist, so dass das Kühlfluid Wärme, die von dem elektronischen bzw. elektrischen Bauteil im Betrieb ausgeht, aufnehmen und wegführen kann.

Hierzu sind in dem Kühlelement 1, insbesondere im Kühlkanal, vorzugsweise ein Zuleitungsbereich und ein Ableitungsbereich vorgesehen (nicht gezeigt), wobei über den Zuleitungsbereich das Kühlfluid eingeleitet wird und über den Ableitungs bereich wieder ausgeleitet wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Kühl kanal derart ausgestaltet ist, dass das Kühlfluid 1 beim Übergang vom Zuleitungs bereich zum Ableitungsbereich eine Finnenstruktur 25 passiert, die insbesondere in den Kühlkanal hineinragt bzw. diesen bildet. Bei der Finnenstruktur 25 handelt es sich vorzugsweise um stegartige Elemente 7 die in den Kühlkanal hineinragen, um eine möglichst große Kontaktfläche für das Fluid bereitzustellen, sodass eine wirkungsvolle Übertragung der Wärme vom stegartigem Element 7 bzw. der Wan dung des Kühlkanals auf das Fluid möglich ist. Vorzugsweise umfasst das Kühlelement 1 mindestens eine erste Metallschicht 11 , mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder mindestens eine dritte Metall schicht 13. Zur Ausbildung des Kühlkanals sind die mindestens eine erste Metall schicht 11 , die mindestens zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens dritte Metallschicht 13 durch mindestens eine Ausnehmung 21, 22 derart strukturiert, dass sie durch ein Aufeinanderstapeln bzw. ein übereinanderlegen entlang der Stapelrichtung S den Kühlkanal ausbilden.

Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die mindestens eine erste Metall schicht 11 , die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 jeweils anders strukturiert sind bzw. mit anders verlau fenden Ausnehmungen 21 , 22 ausgestattet sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die mindestens eine erste Metallschicht 11 , die mindestens eine zweite Me tallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 mindestens ei nen ersten Teil 21 in der mindestens einen Ausnehmung 21 , 22 ausformt, der die stegartigen Elemente 7 aufweist, die insbesondere sich in einer senkrecht zur Sta pelrichtung S verlaufenden Haupterstreckungsebene HSE erstrecken. Neben dem ersten Teil 21 der mindestens einen Ausnehmung 21 , 22 in der mindestens einen ersten Metallschicht 11 ist es vorzugsweise vorgesehen, dass ein zweiter Teil 22 der mindestens einen Ausnehmung 21 , 22 in der mindestens einen ersten Metall schicht 11 für das Zuleiten oder Ableiten des Kühlfluides in den ersten Teil 21 bzw. aus dem ersten Teil 21 vorgesehen ist bzw. einen Teil des Zuleitungsbereich und/oder Ableitungsbereichs bildet.

Das Kühlelement 1 wird vorzugsweise in Stapelrichtung S durch eine obere Deck schicht 15 und eine untere Deckschicht 14 begrenzt, wobei die erste mindestens eine erste Metallschicht 11, die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 in Stapelrichtung S gesehen zwischen der unteren Deckschicht 14 und der oberen Deckschicht 15 angeordnet ist. Insbe sondere ist die Formation aus der mindestens einen ersten Metallschicht 11 , der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 und/oder der mindestens einen dritten Metallschicht 13 sandwichartig zwischen der oberen Deckschicht 15 und der unte ren Deckschicht 14 angeordnet. Neben der mindestens einen Ausnehmung 21,

22, die sich zusammensetzt aus dem ersten Teil 21 und dem zweiten Teil 22, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Kühlelement 1 bzw. die mindestens eine erste Metallschicht 11 eine weitere Ausnehmung 24 aufweist, die kein Bestandteil des Kühlkanals mit der Finnenstruktur 25 ist. Weiterhin ist es vorzugsweise vorge sehen, dass an der oberen Deckschicht 15 und/oder der unteren Deckschicht 14 eine Anschlussfläche 30 vorgesehen ist. Insbesondere wird an dieser Anschluss fläche 30 das elektrische bzw. elektronische Bauteil angebunden, insbesondere in Stapelrichtung S gesehen, oberhalb bzw. unterhalb der Finnenstruktur 25, die sich vorzugsweise in einer senkrecht zur Stapelrichtung S verlaufenden Richtung er streckt. Mit anderen Worten: die Finnenstruktur 25, insbesondere deren stegarti gen Elemente 7, erstreckt sich unterhalb der Anschlussfläche 30 und vorzugs weise parallel dazu. Durch die entsprechende Anordnung der Finnenstruktur 25 aus den stegartigen Elementen 7 oberhalb bzw. unterhalb der Anschlussfläche 30 lässt sich das elektrische bzw. das elektronische Bauteil wirkungsvoll mittels der Finnenstruktur 25 kühlen.

In Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer mindestens einen ersten Metall schicht 11 dargestellt, die beispielsweise in Figur 1 verbaut ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Finnenstruktur 25 aus stegartigen Elementen 7 ausgebil det, die sich in Flaupterstreckungsebene FISE gesehen, unterschiedlich weit er strecken. Insbesondere nimmt eine Länge der stegartigen Elemente 7 zu einer Mittelachse M der mindestens einen ersten Metallschicht 11 zu. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Kühlwirkung insbesondere im Zentralbereich der Anschlussfläche 30 möglichst zu maximieren. Ferner ist es vorstellbar, dass die stegartigen Elemente parallel und/oder schräg zur Mittelachse M verlaufen. Vor zugsweise wird die Form der stegartigen Elemente 7 insbesondere deren Länge und/oder Neigung gegenüber der Mittelachse M entlang der Haupterstreckungs ebene HSE durch das entsprechende Anforderungsprofil für das Kühlen des ent sprechenden elektrischen oder elektronischen Bauteils bestimmt bzw. festgelegt. Um einen möglichst geringen Abstand A1 zwischen zwei benachbarten stegarti gen Elementen 7 zu erzielen, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Teil 21 der mindestens einen Ausnehmung 21 , 22 in der mindestens einen ersten Me tallschicht 11 durch ein Erodieren, insbesondere Funkenerodieren, und/oder ein Ätzen erfolgt. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Herstellen mittels Draht erodieren.

Ferner ist es vorgesehen, dass ein zweiter Teil 22 der mindestens einen Ausneh mung 21 , 22 durch ein Ätzen erfolgt. Vorzugsweise wird das Ätzen insbesondere in großflächigen Bereichen des zweiten Teils 22 der Ausnehmung 21, 22 durchge führt, d. h. in den späteren Zuführ- und/der Ableitbereichen, die für das Zuführen und das Ableiten des Kühlfluids ausgebildet sind. Im Gegensatz dazu ist es insbe sondere vorgesehen, dass das Erodieren für die feinstrukturierte Ausformung der Ausnehmung 21, 22, d. h. den ersten Teil 21 der Ausnehmung 21, 22 vorgesehen ist. Es hat sich herausgestellt, dass dadurch vergleichsweise sehr geringe Ab stände zwischen den stegartigen Elementen 7 hergestellt werden können, ohne dass man auf mehrere erste Metallschichten 11 mit geätzten ersten Teilen 21 der mindestens einen Ausnehmung 21, 22 angewiesen wäre, die übereinander gesta peltwerden müssten, um einen möglichst geringen Abstand zwischen zwei stegar tigen Elementen 7 zu realisieren. Vorzugsweise ist der Abstand A1 zwischen ge genüberliegenden Seitenwänden zwischen zwei stegartigen Elementen 7 kleiner als 0,4 mm, bevorzugt kleiner als 0,3 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,2 mm. Dadurch lassen sich möglichst viele stegartige Elemente 7 in die Finnenstruk tur 25 integrieren. Entsprechend ist es möglich, die Kühlwirkung zu erhöhen, da die Kontaktfläche zwischen Kühlfluid und Wandlung des Kühlkanals in entspre chender Weise erhöht werden kann.

Vorzugsweise weist die mindestens eine erste Metallschicht 11 , die mindestens eine zweite Metallschicht 12, die mindestens eine dritte Metallschicht 13, die obere Deckschicht 15 und/oder die untere Deckschicht 14 eine in Stapelrichtung S ge messene Dicke zwischen 0,2 und 0,7 mm, bevorzugt zwischen 0,35 und 0,6 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,4 mm auf. Vorzugsweise bilden die mindestens eine erste Metallschicht 11, die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 jeweils dieselbe Dicke aus. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine erste Me tallschicht 11 , die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindes tens eine dritte Metallschicht 13 im Rahmen eines Sinterverfahrens zu einem in tegralen Kühlkanal geformt werden, indem durch eine entsprechende Temperatur behandlung die Gefüge der mindestens einen ersten Metallschicht 11 , der mindes tens einen zweiten Metallschicht 12 und/oder der mindestens einen dritten Metall schicht 13 ineinander übergehen bzw. miteinander verschmelzen. Weiterhin ist es vorgesehen, dass auch die obere Deckschicht 15 und/oder die untere Deckschicht 14 jeweils mindestens eine Ausnehmung 21, 22 und/oder eine weitere Ausneh mung 24 aufweisen, wobei die obere Deckschicht 15 und/oder die untere Deck schicht 14 vorzugsweise frei sind von stegartigen Elementen 7 bzw. Bestandteilen einer späteren Finnenstruktur 25. Die weiteren Ausnehmungen 24 dienen vor zugsweise der Befestigung oder Fixierung des Kühlelements 1.

In Figur 3 ist ein Kühlelement 1 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungs form vorgesehen. Dabei entspricht das Kühlelement 1 im Wesentlichen demjeni gen Kühlelement 1 aus der Figur 1 und unterscheidet sich im Wesentlichen nur dahingehend, dass die untere Deckschicht 14 und/oder die obere Deckschicht 15 als Metall-Keramik-Verbund ausgebildet ist. Insbesondere ist es dabei vorgese hen, dass die obere Deckschicht 15 und/oder die untere Deckschicht 14 jeweils eine Keramikschicht aufweisen, vorzugsweise aus Aluminiumnitrid, die beispiels weise beidseitig mit einer Metallschicht, vorzugsweise einer Kupferschicht, be deckt ist. Beispielsweise handelt es sich um eine Keramikschicht aus Aluminium nitrid, deren Dicke in Stapelrichtung S bemessen einen Wert von 0,1 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 0,4 mm und besonders bevorzugt von im Wesentli chen 0,38 mm annimmt, während die außenliegenden Metallschichten, die die Ke ramikschicht jeweils bedecken, eine Dicke zwischen 0,05 und 0,4 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,25 mm aufweisen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Metallschichten, die an gegen überliegenden Seiten der Keramikschicht ausgebildet sind, unterschiedlich dick sind. Beispielsweise weist die eine Metallschicht eine Kupferdicke von 0,2 mm auf, während die gegenüberliegende Kupferschicht eine Dicke von 0,12 mm aufweist, die insbesondere durch ein Diamantschleifen nach dem Anbindungsprozess der Metallschicht an die Kupferschicht realisiert ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der oberen Deckschicht 15 und/oder der unteren Deckschicht 14 um ein Metall- Keramik-Verbund, der mittels eines DCB-Verfahrens hergestellt wurde.

Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Kühlelement 1 aus Figur 3 eine Dichtelementträgerschicht 17 aufweist, in der bzw. mit der beispielsweise O-Ringe fixiert werden können, um eine entsprechende Abdichtung im Anschlussbereich für den Zuführ- und den Ableitbereich des Kühlelements 1 zu gewährleisten. Vor zugsweise handelt es sich bei der Dichtelementträgerschicht 17 um eine Metall schicht mit entsprechenden Ausnehmungen 21 , 22 bzw. weiteren Ausnehmungen 24, wobei die Dichtelementträgerschicht 17 eine in Stapelrichtung bemessene Di cke zwischen 0,1 und 0,4 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,4 mm und beson ders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,3 mm aufweisen kann.

Darüber hinaus unterscheidet sich die Ausführungsform aus Figur 3 von derjeni gen aus der Figur 1 dahingehend, dass das Kühlelement 1 an seiner oberen Deckschicht 15 geschlossen ist und eine Eingangsöffnung für das Zuführen des Kühlfluides und eine Ausgangsöffnung zum Abführen des Kühlfluides ausschließ lich an der unteren Deckschicht 14 ausgebildet sind, sodass das Kühlfluid das über die untere Deckschicht 14 in das Kühlelement 1 eingeleitet wird, diese ent lang der Stapelrichtung S durchsetzt und in der mindestens einen dritten Metall schicht 13 umgelenkt wird, um dann in entgegengesetzter Richtung das Kühlele ment 1 wieder zu verlassen. Die obere Deckschicht 15 und die untere Deckschicht 14 aus einem Metall-Keramik-Verbund erweist sich insbesondere vorteilhaft für solche Anwendungsfälle, in denen das Kühlelement 1 elektrisch isoliert werden muss, von dem Bauelement, welches auf dem Kühlelement 1 bzw. an das Küh lelement 1 angebunden ist. In Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung ei nes Kühlelements 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegen den Erfindung gezeigt. Insbesondere ist es hier vorgesehen, dass in einem Vorbe reitungsschritt die mindestens eine erste Metallschicht 11 , die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 be reitgestellt werden. Insbesondere werden die mindestens eine erste Metallschicht 11 , die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 als plattenförmige und/oder unstrukturierte Metallbleche bzw. Folien bereitgestellt.

Die bereitgestellte mindestens eine erste Metallschicht 11, die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 wird vorzugsweise zunächst oxidiert, insbesondere indem sie durch eine entspre chende Anlage bzw. chemische Nasszelle, vorzugsweise horizontal, befördert wird oder werden. Durch dieses Oxidieren 101 wird die unstrukturierte mindestens eine erste Metallschicht 11, die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 mit einer oxidierten Oberfläche versehen bzw. ausgestattet, insbesondere über die gesamte Außenseite der mindestens ei nen ersten Metallschicht 11, der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 und/o der der mindestens einen dritten Metallschicht 13.

Anschließend wird die mindestens eine erste Metallschicht 11, die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindestens eine dritte Metallschicht 13 strukturiert, beispielsweise indem sie geätzt und/oder erodiert wird bzw. werden, zur Ausbildung einer Ausnehmung 21 , 22 und/oder einer weiteren Ausnehmung 24. Durch die Festlegung der Reihenfolge derart, dass ein Strukturieren 102 erst nach dem Oxidieren 101 erfolgt, ist es in vorteilhafter weise möglich, Ätzflanken an den Innenseiten der Ausnehmungen 21, 22 in der mindestens einen ersten Me tallschicht 11 , der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 und/oder der min destens einen dritten Metallschicht 13 zu realisieren, die frei sind von einer oxidier ten Oberfläche. Dies erweist sich als vorteilhaft, weil dadurch vermieden werden kann, dass beim späteren Verbinden 103 der mindestens einen ersten Metall schicht 11 mit der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 eine beim Bindungs prozess entstehende Schmelze nicht die Ausdehnung der Ausnehmung 21 , 22 re duziert oder hier sogar zu einer Verstopfung führt. Dies hat insbesondere einen positiven Effekt für solche Kühlelemente 1 , deren Kühlkanäle vergleichsweise schmal bzw. dünn sind.

Nach dem Strukturieren 102 werden die mindestens eine erste Metallschicht 11 und die mindestens eine zweite Metallschicht 12 entlang einer Stapelrichtung S übereinander gestapelt und anschließend in einem Verbindungsprozess miteinan der verbunden. Vorzugsweise wird hierzu das Ensemble aus der mindestens ei nen ersten Metallschicht 11 und der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 auf eine Temperatur zwischen 850 °C und 1080 °C erhitzt, wodurch eine Verbin dung der mindestens einen ersten Metallschicht 11 und der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 realisiert wird unter Ausbildung eines einstückigen bzw. monolithischen Kühlelements 1 mit mindestens einem Kühlkanal.

In den Figuren 5a bis 5d sind verschiedene Ausgestaltungsformen der mindes tens einen ersten Metallschicht 11 , der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 und/oder der mindestens einen dritten Metallschicht 13 gemäß einer dritten, vier ten, fünften und sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere handelt es sich um eine mindestens eine erste Metallschicht 11 , eine mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder eine mindestens eine dritte Metallschicht 13, aus denen durch Stapeln und anschließendes Verbinden Küh lelemente 1 geformt werden, die zur Kühlung von Leistungselektronik vorgesehen sind. Dabei werden die mindestens eine erste Metallschicht 11 und/oder die min destens eine zweite Metallschicht 12, insbesondere ihre Ausnehmungen 21, 22, versetzt zueinander bzw. lateral zueinander verschoben oder zueinander um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Achse verdreht und an schließend übereinander gestapelt. Dann werden die gestapelten Schichten mitei nander durch das Boden verbunden. Dabei wird bevorzugt das oben beschriebene Verfahren zum Herstellen des Kühlelements verwendet. Dadurch bilden sich in ge fertigten Kühlelementen 1 mäanderförmige bzw. schleifenförmige Verläufe, die eine möglichst große Kontaktfläche zwischen dem Metall und dem Kühlfluid bil den. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die ausgeformten Kühlkanäle einen im Wesentlichen U-förmigen Verlauf aufweisen, wobei durch den U-förmigen Verlauf das Kühlfluid zur zu kühlenden Seite, d. h. zur Bauteilseite oder Anschlussfläche, geführt wird und anschließend wieder weggeführt wird. Mit anderen Worten: im Gegensatz zu den Ausführungsformen aus den Figuren 1 und 3 verläuft das Kühl fluid im Wesentlichen nicht parallel zur zu kühlenden Außenseite des Kühlele ments 1, sondern im Wesentlichen bzw. größtenteils (d. h. mit Ausnehme des Um kehrabschnitts im schleifenförmigen Abschnitt des Kühlkanals) senkrecht oder schräg (d. h. geneigt zu einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlau fenden Richtung) zur zu kühlenden Außenseite des Kühlelements 1. Durch eine Vielzahl an solchen schleifenförmigen Kühlkanälen lässt sich dann eine wirkungs volle und ggf. lokal gezielt ausgerichtete Kühlung realisieren.

Die Ausnehmungen 21 , 22 in der mindestens einen ersten Metallschicht 11 , der mindestens einen zweiten Metallschicht 12 und/oder der mindestens einen dritten Metallschicht 13, insbesondere in den Figuren 5a bis 5d, haben dabei eine poly- gone Form, bei der beispielsweise die Ecken abgerundet sein können. Die in der Figuren 5a dargestellte Form hat eine im Wesentlichen hexagonale Grundform, wobei an jeder zweiten Ecke der Grundform der Ausnehmung 21 , 22 eine Auswöl bung ausgebildet ist. Im zusammengesetzten Zustand bilden die Auswölbungen der einzelnen übereinander gestapelten Metallschichten einen Pfosten, der sich insbesondere zu mehr als die Hälfe, bevorzugt zu mehr als 2/3 und besonders be vorzugt über mehr als % der senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE bemes senen Dicke des Kühlelements 1 erstreckt. Die in Figur 5b gezeigte Ausnehmung 21 , 22 hat eine im Wesentlichen V-förmige Kontur, wobei die Ausnehmungen 21 , 22 zweier benachbarten Reihen von Ausnehmungen 21 , 22 zueinander seitlich versetzt sind. In der Figur 5c sind rechteckige Ausnehmungen 21 , 22 vorgesehen, die sich in einem schachbrettähnlichen Muster über die mindestens eine erste Me tallschicht 11 , die mindestens eine zweite Metallschicht 12 und/oder die mindes tens eine dritte Metallschicht 13 erstrecken. In der Figur 5d sind die rechteckförmigen Ausnehmungen unterschiedlich orien tiert, insbesondere derart, dass ihre Längsrichtung zueinander senkrecht stehen. Mit anderen Worten, die rechteckförmigen Ausnehmungen sind zueinander um 90 ° gedreht. Bezuqszeichenliste:

I Kühlelement

7 stegartiges Element

I I erste Metallschicht 12 zweite Metallschicht

13 dritte Metallschicht

14 untere Deckschicht

15 obere Deckschicht,

17 Dichtelementträgerschicht 21 erster Teil der Ausnehmung

22 zweiter Teil der Ausnehmung

24 weitere Ausnehmung

25 Finnenstruktur

30 Anschlussfläche 101 Oxidieren

102 Strukturieren

103 Verbinden

A1 Abstand

S Stapelrichtung M Mittelachse

HSE Haupterstreckungsebene