DE10104219A1 - Anordnung zur aktiven Kühlung eines Halbleiterbausteins - Google Patents

Abstract

Eine Anordnung zur aktiven Kühlung eines Halbleiterbausteins enthält einen Halbleiterbaustein (1) zur Flip-Chip-Montage auf einer Leiterplatte (5), mit einer Bausteinvorderseite und einer Bausteinrückseite, wobei auf der Bausteinvorderseite eine Bauelementschicht (2) und Kontaktierungselemente (3) zur Verbindung der Bauelementschicht (2) mit der Leiterplatte (5) angeordnet sind, eine Meßeinrichtung (5, 30) zur Bestimmung eines Maßes für eine Temperatur des Bausteins (1), eine auf der Bausteinrückseite angeordnete und mit dieser in gutem Wärmekontakt stehende thermoelektrisch aktive Kühlschicht (4), und eine mit der thermoelektrisch aktiven Kühlschicht (4) und der Meßeinrichtung (5, 30) zusammenwirkende Regeleinrichtung (6), welche die Kühlung des Halbleiterbausteins (1) in Abhängigkeit von Temperaturmeßwerten der Meßeinrichtung (5, 30) regelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur aktiven Kühlung eines Halbleiterbausteins, insbesondere eines dynami­ schen Halbleiterspeichers.

Die zunehmende Integrationsdichte von Halbleiterbauelementen führt zu immer größeren flächenbezogenen Stromdichten und da­ mit zu immer höheren thermischen Belastungen der Halbleiter­ bauelemente. Um die Bauelemente vor einer überhitzungsbeding­ ten Fehlfunktion oder gar Zerstörung zu schützen, müssen bei den steigenden Taktraten, bei denen die Bauelemente betrieben werden, vermehrt Maßnahmen zur Kühlung der Komponenten er­ griffen werden.

Beispielsweise wurden im Bereich dynamischer Halbleiterspei­ cher bis vor kurzem noch keine speziellen Maßnahmen zur Wär­ meabfuhr getroffen, da die Bauelemente mit einer gewöhnlichen Umluftkühlung ausreichend gekühlt werden konnten. Falls er­ forderlich, gewährleistet ein ausreichender Luftstrom entlang der Oberfläche der Bauelemente eine verstärkte Kühlung. Ins­ besondere wuchtige Kühlkörper mit einer großen Oberfläche er­ möglichen eine effektive Wärmeabfuhr. Gegebenenfalls werden Ventilatoren, die auf dem Kühlkörper montiert sind, zur ver­ stärkten Konvektionskühlung eingesetzt.

Nachteilig ist dabei jedoch, daß die Vorrichtungen zur Luft­ kühlung oftmals nicht ausreichend oder nur umständlich zu realisieren sind. So können beispielsweise übertaktete Pro­ zessoren und Hochleistungs-ICs nur über einen angeschlossenen Kühlmittelkreislauf ausreichend gekühlt werden.

Ein weiteres Problem ist die Bestimmung und Kontrolle der Oberflächentemperatur der Halbleiterbauelemente. Bisher wird zur Bestimmung der Temperatur der Bauelemente oft der temperaturabhängige Verlauf einer Diodenkennlinie verwendet. Al­ ternativ werden von außen Thermoelemente an den Bauelementen angebracht. Elektrische Schaltkreise messen dabei die Tempe­ ratur der Bausteine und schlagen bei einem festgesetzten Schwellenwert an, bei dem eine verstärkte Kühlung erforder­ lich wird.

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für einen Halbleiterbaustein anzugeben, die sowohl eine aktive Kühlung als auch eine Temperaturbe­ stimmung ermöglicht, und die produktionstechnisch ohne große Aufwand realisiert werden kann. Diese Aufgabe wird erfin­ dungsgemäß durch die Anordnung zur aktiven Kühlung nach An­ spruch 1 gelöst.

Die Anordnung zur aktiven Kühlung eines Halbleiterbausteins umfaßt einen Halbleiterbaustein zur Flip-Chip-Montage auf ei­ ner Leiterplatte, mit einer Bausteinvorderseite und einer Bausteinrückseite, wobei auf der Bausteinvorderseite eine Bauelementschicht und Kontaktierungselemente zur Verbindung der Bauelementschicht mit der Leiterplatte angeordnet sind. Die Anordnung umfaßt ferner eine Meßeinrichtung zur Bestim­ mung eines Maßes für eine Temperatur des Bausteins, eine auf der Bausteinrückseite angeordnete und mit dieser in gutem Wärmekontakt stehende thermoelektrisch aktive Kühlschicht, und eine mit der thermoelektrisch aktiven Kühlschicht und der Meßeinrichtung zusammenwirkende Regeleinrichtung, welche die Kühlung des Halbleiterbausteins in Abhängigkeit von Tempera­ turmeßwerten der Meßeinrichtung regelt.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß bei einem Halblei­ terbaustein zur Flip-Chip-Montage die Bausteinrückseite zur Anbringung einer aktiven Kühlschicht zur Verfügung steht. Dort kann die aktive Kühlschicht leicht platz- und kostenspa­ rend, sowohl während der Fertigung auf Waferebene, als auch später auf Modulebene aufgebracht werden. Eine solche Anbringung hat den Vorteil, daß der Baustein unmittelbar und ohne große Verluste durch Wärmeübergangswiderstände gekühlt wird. Die im Betrieb des Bausteins entstehende Wärme wird durch die aktive Schicht von der kritischen Bauelementschicht abgeführt und an einem unkritischen Ort abgegeben.

Die Meßeinrichtung bestimmt eine Temperatur des Bausteins, beispielsweise die Temperatur in der Ebene der Bauelemente, oder die Temperatur der Bausteinrückseite. Die Temperaturmeß­ werte dienen als Grundlage für die Regelung der Kühlung des Halbleiterbausteins durch eine Regeleinrichtung, was ermög­ licht, die Kühlung nur bei Bedarf einzusetzen um deren Ener­ gieverbrauch so gering wie möglich zu halten.

Bevorzugt umfaßt die aktive Kühlschicht eine Mehrzahl von Peltier-Elementen, insbesondere eine Peltier-Schicht aus ei­ ner Vielzahl von verbundenen Peltier-Elementen, mit einer Dicke von 0,1-3 mm, besonders bevorzugt von 0,5-2 mm. Die Kühlung mit Peltier-Elementen ist verschleißfrei und erlaubt eine hohe Kühlleistung auf kleinstem Raum. Zweckmäßig wird die Peltier-Kühlschicht ohne den sonst üblichen stabilisie­ renden und daher dicken Keramikträger als dünner Film oder lithographisch auf der Bausteinrückseite aufgebracht. Die ge­ ringe Dicke ermöglicht es, die sonst für den Halbleiterbau­ stein übliche Bauform und seine Einbindung in das gewöhnliche Umfeld trotz der zusätzlichen Kühlschicht beizubehalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Temperatur- Meßeinrichtung und/oder die Regeleinrichtung in die Bauele­ mentschicht des Halbleiterbausteins integriert. Sind beide Einrichtungen in die Bauelementschicht integriert, kann der gekühlte Halbleiterbaustein als "Stand alone"-Lösung verwen­ det werden, da jeder gekühlte Halbleiterbaustein dann weitge­ hend autark ist.

Bevorzugt weist die Anordnung weiter ein in gutem thermischen Kontakt mit der aktiven Kühlschicht stehendes Wärmeabfuhrblech auf. Guter thermische Kontakt wird beispielsweise durch eine Thermoleitpaste oder eine zwischengelegte Wärmeabfuhr­ matte hergestellt. Durch diese Maßnahme wird die von dem Halbleiterbaustein abgeführte Wärme in größerer Entfernung von der Bauelementschicht an die Umgebung abgegeben. Die Au­ ßentemperatur des Wärmeabfuhrblechs selbst ist dabei von un­ tergeordneter Bedeutung.

In einer Ausgestaltung umfaßt die Temperatur-Meßeinrichtung ein temperaturempfindliches Halbleiterbauelement der Bauele­ mentschicht. Dies kann beispielsweise eine Halbleiterdiode sein, deren temperaturabhängige Kennlinie die Bestimmung der Temperatur in der Bauelementschicht ermöglicht.

In einer weiteren Ausgestaltung umfaßt die Temperatur- Meßeinrichtung ein in die aktive Kühlschicht integriertes Thermoelement. Das Thermoelement kann dann beispielsweise die Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der aktiven Kühlschicht bestimmen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das integrierte Ther­ moelement durch einen Teilbereich der thermoelektrisch akti­ ven Kühlschicht gebildet. Dadurch wird der Aufwand zur gleichzeitigen Kühlung und Temperaturmessung besonders klein gehalten.

Die Regeleinrichtung ist dann zweckmäßig derart ausgelegt, daß sie zwischen einem stromtreibenden Kühlbetrieb der akti­ ven Kühlschicht und einem stromlosen Temperaturmeßbetrieb des Thermoelements wechselt. Dadurch ist es beispielsweise mög­ lich, in bestimmten Abständen durch eine Messung der Ther­ mospannung des Thermoelements ein Maß für die Temperatur der Bausteinrückseite zu erhalten und bei Bedarf durch das Ein­ schalten eines Stromflusses durch die aktive Kühlschicht den Baustein zu kühlen. Es ist sogar möglich, die gesamte thermo­ elektrisch aktive Schicht einerseits im stromtreibenden Modus als Kühlschicht einzusetzen und sie andererseits im stromlosen Betrieb durch Messung der Thermospannung als Temperatur- Meßeinrichtung zu benutzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wer­ den. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfin­ dung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Aus­ führungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Ausgestaltung einer thermoelektrisch aktiven Kühlschicht nach einem Ausführungsbeispiel der Er­ findung;

Fig. 4 eine Ausgestaltung einer Regeleinrichtung zum Be­ trieb mit der aktiven Kühlschicht nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Halbleiterspeicherchip 1 mit einer akti­ ven Bauelementschicht 2, der in Flip-Chip-Montage auf einer Leiterplatte 10 montiert ist. Dazu weist der Chip 1 auf sei­ ner Vorderseite, die auch die Bauelementschicht 2 trägt, eine Reihe von Lötkügelchen 3, ein sogenanntes Fine-Ball-Grid- Array auf. Auf der Rückseite des Chips 1, die durch die Rück­ seite des Siliziumsubstrats gebildet ist, ist eine Peltier- Kühlschicht 4 aufgebracht, die im Detail weiter unten be­ schrieben ist. In die Peltier-Kühlschicht 4 ist ein Thermo­ element 5 zur Bestimmung der Temperatur der Bausteinrückseite integriert. Die Kühlschicht 4 und das Thermoelement 5 sind mit einer Regeleinrichtung 6 verbunden, die auf Grundlage der Meßwerte des Thermoelements 5 die Kühlung durch die Kühl­ schicht 4 regelt.

Fig. 2 zeigt einen RDRAM (Rambus DRAM)-Speicherriegel, auf dem acht Speicherkomponenten im sogenannten Chip-Size-Package (CSP) montiert sind. Dabei ist jeder der Mehrzahl von Spei­ cherbausteinen 1 in Flip-Chip-Montage auf der Modulplatine 10 angebracht. Die Rückseiten jedes Bausteins 1 tragen, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Peltier-Kühlschicht 4 und ein Thermo­ element 5. Die Peltier-Schicht ermöglicht dabei eine aktive und lokale Kühlung der Chipoberfläche direkt am Ort der Wär­ meentstehung.

Die Stromzuführung für die Peltier-Schicht ist im Ausfüh­ rungsbeispiel auf der Modulplatine angeordnet, die Stromzu­ fuhr kann jedoch in gleicher Weise vom Chip oder von außen erfolgen. Die beim Betrieb und der Kühlung erzeugte Wärmemen­ ge wird über ein Aluminium-Wärmeabfuhrblech 8, das über eine Wärmeleitpaste 7 an die einzelnen Peltier-Schichten angekop­ pelt ist, nach außen abgeführt. An den Enden des Speicherrie­ gels ist das Wärmeabfuhrblech 8 mit Nieten 9 abgeschlossen.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung der Peltier-Kühlschicht 4, die aus einer Vielzahl von Peltier-Elementen 12-18 besteht. Sie besteht aus Materialien mit positiven (p, Bezugszeichen 14) und negativen (n, Bezugszeichen 12) Peltier- Koeffizienten, die entweder an der Oberseite (Bezugszeichen 18) oder der Unterseite (Bezugszeichen 16) der Kühlschicht miteinander verbunden sind.

Wird der Anordnung über Stromkontakte 22, 24 ein Strom I_p eingeprägt, so findet ein Wärmetransport von Unter- zu Ober­ seite der Peltier-Schicht statt. Die Größe des Wärmestroms ist in bekannter Weise durch

dQ/dt = Π.I_p

gegeben, wobei Π die Differenz der Peltier-Koeffizienten beider Materialien darstellt. Gängige Peltier-Elemente errei­ chen dabei eine Kühlleistung von etwa 30 mW/mm².

In einem Teilbereich der Kühlschicht 4 ist aus zwei Schenkeln von thermoelektrisch aktiven n- bzw. p-Materials und dem zu­ gehörigen Verbindungsstück an der Schichtunterseite ein Ther­ moelement gebildet. Die Thermospannung U_th wird an zwei Punk­ ten der Schichtoberfläche über Spannungskontakte 26, 28 abge­ griffen. Im stromlosen Zustand ist die Thermospannung eines Thermoelements durch

U_th = S.ΔT

gegeben, wobei S die Differenz der Seebeck-Koeffizienten der beiden Materialien und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen darstellt. Die Meßwert von U_th ist also ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unter­ seite der Kühlschicht 4.

Im Betrieb wird die Thermospannung U_th zwischen den Anschlüs­ sen 26 und 28 mit einer Spannungsmeßeinrichtung 30 gemessen und ein entsprechendes Signal an die Regeleinrichtung 6 gege­ ben (Fig. 4). Die Regeleinrichtung 6 erhält aus der bekann­ ten Charakteristik des Thermoelements 5 ein Maß für die Tem­ peratur der Bausteinrückseite.

Wird erkannt, daß diese Temperatur höher als ein Vorgabewert ist, gibt die Regeleinrichtung 6 ein entsprechendes Signal an die Stromversorgung 32, welche über die Stromkontakte 22, 24 der Kühlschicht 4 einen Strom I_p einprägt. Die Stromstärke richtet sich dabei nach der Größe der Abweichung des Soll­ werts von dem Istwert. Nach einer bestimmten Zeitdauer, die auch von der Größe der Abweichung abhängen kann, wird der Stromfluß durch die Kühlschicht durch die Regeleinrichtung 6 wieder abgeschaltet und ein neuer Temperaturwert durch eine weitere Messung der Thermospannung U_th ermittelt. Dadurch wird sichergestellt, daß die Kühlung des Halbleiterbausteins nur so viel Leistung benötigt, wie zur Einhaltung der gefor­ derten Temperatur notwendig.

Die Integration des Thermoelements 5 in die Kühlschicht 4 hat den Vorteil, daß die Temperatur lokal dort gemessen wird, wo die Kühlwirkung einsetzen kann. Die Kühlschicht kann auch während der Komponenten-Assembly und der Qualifikation des Produkts zur Temperaturkontrolle und Temperaturüberprüfung eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Anordnung zur aktiven Kühlung eines Halbleiterbausteins, umfassend
einen Halbleiterbaustein (1) zur Flip-Chip Montage auf ei­ ner Leiterplatte (10), mit einer Bausteinvorderseite und ei­ ner Bausteinrückseite, wobei auf der Bausteinvorderseite eine Bauelementschicht (2) und Kontaktierungselemente (3) zur Ver­ bindung der Bauelementschicht (3) mit der Leiterplatte (10) angeordnet sind,
eine Meßeinrichtung (5, 30) zur Bestimmung eines Maßes für eine Temperatur des Bausteins (1),
eine auf der Bausteinrückseite angeordnete und mit dieser in gutem Wärmekontakt stehende thermoelektrisch aktive Kühl­ schicht (4), und
eine mit der thermoelektrisch aktiven Kühlschicht (4) und der Meßeinrichtung (5, 30) zusammenwirkende Regeleinrichtung (6), welche die Kühlung des Halbleiterbausteins (1) in Abhän­ gigkeit von Temperaturmeßwerten der Meßeinrichtung (5, 30) re­ gelt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die aktive Kühlschicht (4) eine Mehrzahl von Peltier-Elementen (12-18) umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die aktive Kühl­ schicht eine Peltier-Schicht (4) mit einer Dicke von 0,1 bis 3 mm, bevorzugt von 0,5 bis 2 mm, umfaßt.

4. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Temperatur-Meßeinrichtung (5, 30) und/oder die Regeleinrich­ tung (6) in die Bauelementschicht (2) des Halbleiterbausteins (1) integriert ist.

5. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, die weiter ein in gutem thermischen Kontakt mit der aktiven Kühlschicht (4) stehendes Wärmeabfuhrblech (8) aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Temperatur-Meßeinrichtung (5, 30) ein temperaturempfindliches Halbleiterbauelement der Bauelementschicht (2) umfaßt.

7. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Temperatur-Meßeinrichtung (5, 30) ein in die aktive Kühl­ schicht (4) integriertes Thermoelement (5) umfaßt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Regeleinrichtung (6) derart ausgelegt ist, daß sie zwischen einem stromtrei­ benden Kühlbetrieb der aktiven Kühlschicht (4) und einem stromlosen Temperaturmeßbetrieb des Thermoelements (5) wech­ selt.