DE10045193A1 - Entwärmungssystem mit einer Mehrzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Halbleiterchips sowie Verfahren zur thermischen Ankopplung von einer Mehrzahl von Halbleiterchips an ein Entwärmungssystem - Google Patents

Abstract

Durch ein direktes Aufsetzen von einzelnen Halbleiterchips auf elektrisch voneinander isolierte Kühlsysteme eines Kühlkörpers wird eine optimale thermische Ankopplung an die Umgebung und somit eine Steigerung der thermischen Effizienz des Halbleiterchips erreicht. Des weiteren wird der Gesamtaufbau eines Entwärmungssystems vereinfacht, indem die Zahl der erforderlichen Komponenten reduziert wird, was eine erhebliche Kosteneinsparung mit sich bringt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Entwärmungssystem mit ei­ ner Mehrzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Halblei­ terchips, die thermisch und mechanisch mit einem Kühlkörper verbunden sind.

Bekannte Prinzipien zur thermischen Ankopplung von einer Mehrzahl von Halbleiterchips an ein Entwärmungssystem sowie die damit verbundene elektrische und mechanische Anschluss­ technik sind sehr aufwendig. Dies wird insbesondere über additive Komponenten wie Chip-Gehäuse, DCB (Design Copper Bonding), also das Aufbringen der aus mehreren Halbleiter­ chips gebildeten Schaltungsstruktur auf eine in der Regel kupferne Gehäusebodenplatte mit Hilfe der bekannten Bonding- Technik, das Anschließen der Anschlusspins und die Verarbei­ tung verschiedener Verbindungsplatten zum Kühlkörper reali­ siert.

Nach dem bekannten Stand der Technik wird das Problem der thermischen Ankopplung von einer Mehrzahl von Halbleiterchips an ein Entwärmungssystem über modulintegrierte Halbleiter­ chips oder das bereits angesprochene DCB auf Kühlplatten ge­ löst. Über Schraubverbindungen und zusätzliche oder alterna­ tive Lötverbindungen wird dann die elektrische und die mecha­ nische Anschlusstechnik für einen stabilen Aufbau realisiert.

Daraus werden bereits der Aufwand und damit verbunden die ho­ hen Kosten herkömmlicher Lösungen deutlich.

Große Bedeutung kommt dabei der elektrischen Isolierung zwi­ schen den unterschiedlichen Halbleiterchips der Schaltung zu.

Außerdem muss eine elektrische Isolierung zum Entwärmungssys­ tem gewährleistet werden. Hierzu ist nach herkömmlichen Kon­ zepten eine zusätzliche Isolierung erforderlich, die sich wiederum negativ auf die Kosten auswirkt.

Herkömmliche Lösungen realisieren diese Anforderungen mit ho­ hem Kostenaufwand sowie mit Einschränkungen im Hinblick auf die Entwärmungsqualität und die Flexibilität der elektrischen und mechanischen Anschlusstechnik.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Anzahl der eingangs angeführten additiven Komponenten zu reduzieren, den Gesamtaufbau des genannten Entwärmungssystems zu verein­ fachen und den hohen Kostenaufwand zu reduzieren.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Entwärmungs­ system mit einer Mehrzahl von elektrisch gegeneinander iso­ lierten Halbleiterchips gelöst, die thermisch und mechanisch mit einem Kühlkörper verbunden sind, indem jeder Halbleiter­ chip thermisch und mechanisch auf einem eigenen Kühlsystem aufgebracht ist und mehrere solche Kühlsysteme innerhalb des Kühlkörpers elektrisch voneinander isoliert sind.

Zudem wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur thermischen Ankopplung von einer Mehrzahl von Halbleiterchips an ein Entwärmungssystem mit einem Kühlkörper gelöst, wobei die Halbleiterchips jeweils elektrisch voneinander isoliert sind, wobei der Kühlkörper in mindestens der Anzahl der Halb­ leiterchips entsprechende elektrisch voneinander isolierte Kühlsysteme aufgeteilt wird und jeder Halbleiterchip direkt auf ein diesem zugeordnetes Kühlsystem so aufgebracht wird, dass der Halbleiterchip thermisch und mechanisch mit dem je­ weiligen Kühlsystem verbunden wird.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird der jeweilige Halbleiterchip direkt auf das zugeordnete Kühlsystem aufgelötet oder aufgeklebt.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn jedes Kühlsystem aus einem Körper mit hohem Wärmeleitkoeffizienten, insbesondere einem Aluminiumkörper, besteht, auf den der je­ weilige Halbleiterchip direkt aufgelötet oder aufgeklebt ist.

Das direkte Aufsetzen von einzelnen Halbleiterchips auf elek­ trisch voneinander isolierte Kühlsysteme bringt unter anderem den Vorteil einer wesentlich verbesserten thermischen Anbin­ dung an die Umgebung und damit verbunden auch eine Steigerung der thermischen Effizienz des Halbleiterchips selbst mit sich. Durch die Erfindung lässt sich somit also auch die Leistungsfähigkeit des Halbleiterchips steigern bzw. der Halbleiterchip an einer höheren Leistungsgrenze betrieben.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die einzelnen Kühlsysteme innerhalb eines Kühlkörpers durch Zwischenisolie­ rungen aus Keramik elektrisch voneinander zu isolieren.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Kühlsysteme innerhalb eines Kühlkörpers durch Zwischenisolierungen aus Luft elektrisch voneinander isoliert.

Durch das beschriebene Entwärmungssystem und das Verfahren zur thermischen Anbindung von Halbleiterchips nach der Erfin­ dung wird, neben den bereits angeführten Vorteilen, der Ge­ samtaufbau wesentlich vereinfacht und es kann die Zahl der eingangs angeführten additiv notwendigen Zusatzkomponenten für bekannte Entwärmungssysteme reduziert werden.

Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich an­ hand des im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels, welches einer bekannten Lösung nach dem Stand der Technik ge­ genübergestellt wird. Dabei sind Elemente mit gleicher Funk­ tionalität mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Es zeigt:

Fig. 1 Schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Ent­ wärmungssystems für eine Mehrzahl von Halbleiter­ chips und

Fig. 2 Schematischer Aufbau eines herkömmlichen Entwär­ mungssystems.

Des besseren Verständnisses halber soll im folgenden zunächst der Aufbau eines herkömmlichen Entwärmungssystems, wie es in der Darstellung nach Fig. 2 gezeigt ist, näher erläutert wer­ den.

Gezeigt sind sechs Halbleiter-Einzelchips 1 bis 6, von denen die Halbleiterchips 1, 2 und 3 miteinander in direkter schal­ tungstechnischer Verbindung stehen. Diese Halbleiter-Einzel­ chips sind über entsprechende thermische und mechanische Ver­ bindungen 1a, 4a, 5a, 6a mit einer gemeinsamen Zwischeniso­ lierungsschicht 8 verbunden. Die drei verbundenen Halbleiter- Einzelchips 1 bis 3 sind über eine gemeinsame Verbindungs­ schicht 1a auf die Oberfläche der Zwischenisolierungsschicht 8 aufgebracht, insbesondere aufgelötet, aufgeklebt oder auch aufgeschweißt. Gleiches gilt für die übrigen Halbleiter-Ein­ zelchips 4 bis 6, welche über jeweilige Verbindungen 4a bis 6a, auf die Zwischenisolierungsschicht 8 aufgebracht sind.

Die Zwischenisolierungsschicht 8 besteht beispielsweise aus Keramik und muss über eine gute thermische Anbindung verfü­ gen, was durch die Lötung, Klebung oder Verschweißung 1a, 4a, 5a und 6a mehr oder weniger gut erreicht wird. Über diese Zwischenisolierungsschicht werden, was bereits der Name deut­ lich macht, die Halbleiter-Einzelchips elektrisch gegeneinan­ der isoliert.

Die Zwischenisolierungsschicht 8 wiederum ist mit ihrer ent­ gegengesetzten Oberfläche über eine weitere Verbindungs­ schicht 9 mit einer Gehäusebodenplatte 10 verbunden. Es han­ delt sich erneut um eine thermische und mechanische Verbin­ dung, z. B. durch Verlöten, Kleben oder Aufschweißen.

Die Gehäusebodenplatte 10 besteht in der Regel aus Metall, insbesondere aus Kupfer, und trägt das Gehäuse 12 in das die Halbleiter-Einzelchips mit der Zwischenisolierungsschicht eingebettet sind, z. B. ein Kunststoffgehäuse, in welches diese eingegossen sind.

Die Gehäusebodenplatte 10 wiederum ist über eine weitere thermische und mechanische Verbindungsschicht 11 mit dem ei­ gentlichen Kühlkörper 7 verbunden, über den die von den Halb­ leiter-Einzelchips 1 bis 6 produzierte Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Der Kühlkörper kann beispielsweise aus Alumi­ nium bestehen und zur Oberflächenvergrößerung Kühlrippen auf­ weisen.

Die Verbindung zwischen Gehäusebodenplatte 10 und Kühlkörper 7 wird thermisch z. B. über eine Wärmeleitpaste, mechanisch z. B. über eine Klebung oder Verschraubung hergestellt.

Anhand dieser "Sandwichstruktur" wird deutlich, wie viele Komponenten und Schichten additiv erforderlich sind, um ein ausreichend effektives Entwärmungssystem zu erhalten. Insbe­ sondere die Anforderungen an die Zwischenschicht 8 hinsicht­ lich einer guten thermischen Anbindung sind hoch.

Dem wirkt das Entwärmungskonzept nach der vorliegenden Erfin­ dung entgegen, wobei in der Darstellung nach Fig. 1 eine mög­ liche Ausführungsform eines solchen erfindungsgemäßen Entwär­ mungssystems gezeigt ist. Soweit die Bauelemente oder deren Funktionen übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen gewählt wie in Fig. 2.

Es sollen die gleichen Halbleiter-Einzelchips 1 bis 6 gekühlt werden, wobei die Halbleiter-Einzelchips 1 bis 3 wiederum miteinander in direkter schaltungstechnischer Verbindung ste­ hen. Anders als nach dem herkömmlichen Entwärmungskonzept werden die jeweiligen Halbleiter-Einzelchips 1 bis 6 nunmehr jedoch über eine thermische und mechanische Verbindung direkt auf den Kühlkörper aufgebracht, z. B. über eine Lötung oder Klebung. Der Kühlkörper besteht beispielsweise ebenfalls aus Aluminium.

Damit die erforderliche elektrische Isolierung zwischen den Halbleiter-Einzelchips 1 bis 3 und 4, 5, 6 gewährleistet wird, ist der Kühlkörper jedoch in diesen zugeordnete sepa­ rate Kühlsysteme 7a für die Halbleiter-Einzelchip-Gruppe 1 bis 3, 7b für den Halbleiter-Einzelchip 4, 7c für den Halb­ leiter-Einzelchip 5 und 7d für den Halbleiter-Einzelchip 6 untergegliedert.

Diese vier separaten Kühlsysteme 7a bis 7d sind durch ent­ sprechende Zwischenisolierungen 8a, 8b, 8c elektrisch vonein­ ander isoliert. Dabei isoliert die Zwischenisolierung 8a die beiden Kühlsysteme 7a und 7b gegeneinander, die Zwischeniso­ lierung 8b die beiden Kühlsysteme 7b und 7c sowie die Zwi­ schenisolierung 8c die beiden Kühlsysteme 7c und 7d.

Vorteilhaft ist hierbei vor allem, dass die Anforderungen an die Zwischenisolierungen 8a bis 8c geringer sind als an die Zwischenisolierungsschicht 8 des Standes der Technik nach Fig. 2. Die Zwischenisolierungen 8a bis 8c müssen nämlich nur eine elektrische Isolierung gewährleisten, jedoch keine gute thermische Anbindung gewährleisten. Dies erleichtert die Aus­ wahl geeigneter Isolatormaterialien, insbesondere sind güns­ tigere Isolierstoffe einsetzbar.

Auch ist eine bessere Entwärmung der Halbleiter-Einzelchips möglich, weil keine Zwischenschicht 8 zwischen Einzelchip und Kühlkörper 7 notwendig ist, die auch bei einer guten thermi­ schen Anbindung schlechtere Wärmeleiteigenschaften aufweist als eine direkte thermische und mechanische Anbindung der Halbleiter-Einzelchips an den Kühlkörper bzw. dessen jeweili­ ges Kühlsystem 7a bis 7d. Aufgrund der besseren Kühlwirkung lassen sich die Halbleiterchips somit bei einem Entwärmungs­ system nach der vorliegenden Erfindung an einer höheren Leis­ tungsgrenze betrieben, wodurch auch die technischen Eigen­ schaften einer elektronischen Schaltung positiv beeinflusst werden.

Claims (6)

1. Entwärmungssystem mit einer Mehrzahl von elektrisch gegen­ einander isolierten Halbleiterchips, die thermisch und mecha­ nisch mit einem Kühlkörper verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbleiterchip thermisch und mechanisch auf einem eige­ nen Kühlsystem aufgebracht ist und mehrere solche Kühlsysteme innerhalb des Kühlkörpers elektrisch voneinander isoliert sind.

2. Entwärmungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlsystem aus einem Körper mit hohem Wärmeleitkoeffi­ zienten, insbesondere einem Aluminiumkörper, besteht, auf den der jeweilige Halbleiterchip direkt aufgelötet oder aufge­ klebt ist.

3. Entwärmungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kühlsysteme innerhalb eines Kühlkörpers durch Zwischenisolierungen aus Keramik elektrisch voneinander iso­ liert sind.

4. Entwärmungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kühlsysteme innerhalb eines Kühlkörpers durch Zwischenisolierungen aus Luft elektrisch voneinander isoliert sind.

5. Verfahren zur thermischen Ankopplung von einer Mehrzahl von Halbleiterchips an ein Entwärmungssystem mit einem Kühl­ körper, wobei die Halbleiterchips jeweils elektrisch vonein­ ander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper in mindestens der Anzahl der Halbleiterchips entsprechende elektrisch voneinander isolierte Kühlsysteme aufgeteilt wird und jeder Halbleiterchip direkt auf ein die­ sem zugeordnetes Kühlsystem so aufgebracht wird, dass der Halbleiterchip thermisch und mechanisch mit dem jeweiligen Kühlsystem verbunden wird.

6. Verfahren zur thermischen Ankopplung von einer Mehrzahl von Halbleiterchips an ein Entwärmungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Halbleiterchip direkt auf das zugeordnete Kühl­ system aufgelötet oder aufgeklebt wird.