DE10134983A1 - Anordnung zur Kühlung integrierter Halbleiterbausteine - Google Patents

Abstract

Eine Anordnung zur Kühlung integrierter Halbleiterbausteine umfaßt eine Modulplatine (1) mit einer Oberseite (2a) und einer Unterseite (2b) zur beiderseitigen Aufnahme integrierter Bausteine (3a, 3b) und einen einstückigen Kühlkörper (4) zur Kühlung der integrierten Bausteine (3a, 3b), der die auf der Oberseite (2a) und Unterseite (2b) der Modulplatine (1) angeordneten Bausteine (3a, 3b) bedeckt und sich von auf der Oberseite (2a) der Modulplatine (1) angeordneten integrierten Bausteinen über eine Stirnseite (2c) der Modulplatine (1) zu auf der Unterseite (2b) der Modulplatine (1) angeordneten Bausteinen (3b) erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Kühlung integrierter Halbleiterbausteine, insbesondere die Kühlung von Halbleiter­ speicherbausteinen, die beiderseits einer Modulplatine ange­ ordnet sind.

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.

Wird die Verlustleistung der Halbleiterbauelemente betrach­ tet, so beobachtet man eine laufende Steigerung. Verantwort­ lich dafür sind im wesentlichen die immer stärkere Integrati­ on bei gleichzeitig zunehmender Größe der Bauelemente und zu­ nehmenden Schaltgeschwindigkeiten.

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.

Auf dem Gebiet der Halbleiterspeicherbausteine werden oft beidseitig bestückte Modulplatinen verwendet, bei denen die Speicherbausteine sowohl auf der Oberseite, als auch auf der Unterseite der Platine angeordnet sind.

Sind überhaupt Maßnahmen zur Kühlung einer derartigen beid­ seitig bestückten Modulplatine vorgesehen, so wird auf jeder Seite der Platine ein Kühlblech angeordnet. Die beiden Kühl­ bleche können dann beiderseits der Speicherbausteine mit Nie­ ten befestigt sein.

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kühlung integrierter Halbleiterbausteine anzugeben, die bei einfacher Herstellung eine effektive Küh­ lung der Bausteine ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungs­ gemäß durch die Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der anhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß weist eine Anordnung zur Kühlung integrierter Halbleiterbausteine eine Modulplatine mit einer Oberseite und einer Unterseite zur beiderseitigen Aufnahme integrierter Bausteine auf, sowie einen einstückigen Kühlkörper zur Küh­ lung der integrierten Bausteine. Der Kühlkörper bedeckt die auf der Oberseite und Unterseite der Modulplatine angeordne­ ten Bausteine und erstreckt sich von auf der Oberseite der Modulplatine angeordneten integrierten Bausteine über eine Stirnseite der Modulplatine zu auf der Unterseite der Modul­ platine angeordneten Bausteine.

Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, anstelle von zwei getrennten Kühlkörpern für jede Seite der Modulplatine einen einzigen, einstückigen Kühlkörper vorzusehen, der sich von der Oberseite über eine Stirnseite zur Unterseite der Platine erstreckt.

Dies führt zur Kosteneinsparungen bei der Modulproduktion, da nicht mehr zwei Kühlkörper von beiden Seiten an das Modul ge­ halten und fixiert werden müssen, sondern nur ein einziger Kühlkörper, wie weiter unter genauer beschrieben, auf die Mo­ dulplatine montiert wird.

Dabei sind die Herstellungs- und Materialkosten für den dop­ pelseitigen Kühlkörper selbst mit den Herstellungs- und Mate­ rialkosten für zwei einseitig Kühlkörper vergleichbar oder sogar geringer.

Durch die insgesamt vergrößerte Kühlfläche erhöht sich der Wirkungsgrad der Kühlung.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich dabei daraus, daß freiwer­ dende Verlustwärme über beide Seiten der Modulplatine abgege­ ben werden kann, auch wenn über einen bestimmten Zeitraum nur die Bausteine auf einer Seite der Platine angesprochen wer­ den. Bei den bisherigen Ausführung ist in solchen Fällen die Wärmeabfuhr auf die gerade aktive Modulseite beschränkt.

Die Kopplung der Wärmeabgabe von Ober- und Unterseite der Platine führt darüber hinaus zu einer insgesamt gleichmäßige­ ren Wärmeabgabe der integrierten Bausteine. Dadurch werden hot-spots vermieden und die Bausteine können bei gleicher Taktrate dichter auf das Modul gepackt werden.

In einer Ausgestaltung weist der einstückige Kühlkörper im Bereich zwischen den integrierten Bausteinen und der Stirn­ seite der Modulplatine eine oder mehrere Aussparungen auf. Dadurch kann der Materialverbrauch und das Gewicht gesenkt werden, ohne die Wärmekopplung der beiden Platinenseiten auf­ zugeben.

Bevorzugt umfaßt der Kühlkörper ein Metall, insbesondere ist er aus einem biegsamen, gut wärmeleitenden Metall gebildet. Besonders bevorzugt ist der Kühlkörper aus Aluminium, Blech oder einer metallisch beschichteten Kunststoffplatte gebil­ det.

Ein metallischer oder Metall enthaltender Kühlkörper wird entweder bereits in einer für die Anbringung geeigneten Form beschafft, oder vor der Montage in der Mitte gebogen. Die mit Halbleiterbausteinen bestückte und optional mit einem leitfä­ higen Kleber oder Klebeband versehene Modulplatine kann dann in den gebogenen Kühlkörper geschoben werden. Fixiert wird der Kühlkörper bei Verwendung eines Haftmittels beispielswei­ se durch Anpressen und/oder eine Wärmebehandlung, ansonsten oder zusätzlich beispielsweise durch Nieten.

In einer anderen Ausgestaltung ist es zweckmäßig, den Kühl­ körper aus einem wärmeleitenden Kunststoff, oder einem ande­ ren verformbaren, wärmeleitendem Material zu bilden. Montiert werden kann ein solcher Kunststoffkühlkörper wie oben für me­ tallische Kühlkörper beschrieben.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Kühlkörper aus einer wärmeleitende Folie gebildet, insbesondere einer wärmeleiten­ de Polymer- oder Plastikfolie. Eine derartige Folie kann zu­ sammen mit einem wärmeleitfähigen Kleber in einem Stück auf Ober- und Unterseite des Moduls aufgebracht werden. Die Fi­ xierung kann dann durch Anpressen und/oder Wärmebehandlung erfolgen.

Bei Verwendung einer selbstklebenden Folie kann dabei auf ein zusätzliches Haftmittel verzichtet werden.

Bei allen genannten Möglichkeiten ist es zweckmäßig, wenn der Kühlkörper mit einem wärmeleitfähigen Haftmittel auf den in­ tegrierten Bausteinen fixiert ist.

Als integrierte Bausteine kommen bei den beschriebenen Anord­ nungen insbesondere Speicherbausteine, beispielsweise auf beiden Seiten der Modulplatine angeordnete DRAM-Chips (Dyna­ mic Random Access Memory) in Frage.

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

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels der Erfindung in Seitenansicht;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines anderen Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung in perspektivischer Ansicht;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus­ führungsbeispiels der Erfindung in Seitenansicht;

Fig. 1 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Modulplati­ ne 1, die sowohl auf ihrer Oberseite 2a, als auch auf ihrer Unterseite 2b jeweils mit einer Reihe von Speicherbausteinen 3a, 3b, bestückt ist. Beispielsweise können auf der Ober- und Unterseite der Modulplatine 1 jeweils acht Speicherbausteine angeordnet sein.

Nach der Bestückung werden die Oberseiten der Speicherbau­ steine 3a, 3b mit einem leitfähigen Kleber 5 versehen. Danach wird ein einstückiger metallischer Kühlkörper 4, der im Aus­ führungsbeispiel durch das Biegen eines Bleches in der Mitte gebildet wurde, über die bestückte Modulplatine 1 geschoben. Der Kühlkörper 4 wird dann durch Anpressen und eine Wärmebe­ handlung auf den Chipoberseiten befestigt.

Der einstückige Kühlkörper 4 erstreckt sich von den auf der Oberseite angeordneten Speicherbausteinen 3a über die Stirn­ seite 2c der Modulplatine bis zu den auf der Unterseite der Platine befindlichen Speicherbausteinen 3b. Auf der der Stirnseite 2c abgewandten Seite der Bausteine 3a, 3b sind im Ausführungsbeispiel Nieten 7 zur weiteren Fixierung des Kühl­ bleches 4 vorgesehen.

Durch das doppelseitige Kühlblech 4 wird gegenüber der her­ kömmlichen Ausführung mit zwei einseitigen Kühlblechen eine vergrößerte Kühlfläche und damit ein erhöhter Wirkungsgrad der Kühlung erreicht. Zusätzlich wird die freiwerdende Wärme auf beide Modulseiten verteilt, auch wenn nur die Speicher­ bausteine einer Modulseite vom Controller angesprochen wer­ den. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßigere Wärmeabfuhr, so daß die Speicherbausteine bei gleicher Taktrate dichter auf das Modul gepackt werden können, oder bei gleicher Packungs­ dichte thermisch weniger beansprucht werden.

Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 2 perspektivisch dar­ gestellt. Die Größenverhältnisse sind allerdings nicht maß­ stäblich gezeigt. Auch hier ist eine Modulplatine 1 sowohl auf ihrer Oberseite als auch auf ihrer Unterseite mit einer Reihe von Speicherbausteinen 3a, 3b, bestückt. Der Kühlkörper 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einer wärmeleitenden Kunststoffplatte gebogen worden. Er wurde über die Modulpla­ tine 1 geschoben und mit der Oberseite der Speicherbausteine 3a, 3b über ein wärmeleitendes Klebeband 5 verbunden.

Um Material und Gewicht zu sparen, sind in den Bereich zwi­ schen den Speicherbausteinen und der Stirnseite 2c der Modul­ platine 1 eine Reihe von Aussparungen 6 vorgesehen. Die da­ zwischenliegenden Stege stellen eine ausreichende Wärmekopp­ lung zwischen Ober- und Unterseite her, um die oben beschrie­ benen Vorteile der Erfindung zu erzielen.

In einer weiteren Ausführungsform (Fig. 3) ist der Kühlkör­ per 4 durch eine wärmeleitende Polymerfolie gebildet, die mit einem wärmeleitenden Kleber 5 auf die Speicherbausteine 3a, 3b aufgebracht ist.

Selbstverständlich können die beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, also beispielsweise auch ein metallischer Kühlkörper oder eine Kühlfolie mit Aussparungen versehen werden, wie sie im Zusammenhang mit Kunststoffkühl­ platten beschrieben sind.

Claims (8)

1. Anordnung zur Kühlung integrierter Halbleiterbausteine mit
einer Modulplatine (1) mit einer Oberseite (2a) und einer Unterseite (2b) zur beiderseitigen Aufnahme integrierter Bau­ steine (3a, 3b) und
einem einstückigen Kühlkörper (4) zur Kühlung der inte­ grierten Bausteine (3a, 3b), der die auf der Oberseite (2a) und Unterseite (2b) der Modul­ platine (1) angeordneten Bausteine (3a, 3b) bedeckt, und sich von auf der Oberseite (2a) der Modulplatine (1) angeord­ neten integrierten Bausteinen über eine Stirnseite (2c) der Modulplatine (1) zu auf der Unterseite (2b) der Modulplatine (1) angeordneten Bausteinen (3b) erstreckt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der einstückige Kühl­ körper (4) im Bereich zwischen den integrierten Bausteinen (3a, 3b) und der Stirnseite (2c) der Modulplatine (1) eine oder mehrere Aussparungen (6) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kühlkörper (4) ein Metall umfaßt, insbesondere aus einem biegsamen, gut wärmeleitenden Metall gebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, bei der der Kühlkörper (4) aus Aluminium, Blech oder einer metallisch beschichteten Kunst­ stoffplatte gebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Kühlkörper (4) aus einem wärmeleitenden Kunststoff oder einem anderen verformbaren, wärmeleitendem Material gebildet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Kühlkörper (4) aus einer wärmeleitende Folie gebildet ist.

7. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Kühlkörper (4) mit einem wärmeleitfähigen Haftmittel (5) auf den integrierten Bausteinen fixiert ist.

8. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der beid­ seitig der Modulplatine (1) integrierte Speicherbausteine, insbesondere DRAN-Chips angeordnet sind.