DE102005012218A1 - Ball grid array type semiconductor component, has cooling unit from made of e.g. copper and including two sections, where one section is partially arranged between chip and substrate, and other section partially runs on housing surface - Google Patents

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Abstract

The component has a semiconductor chip arranged on a substrate, and a housing completely surrounding the chip and partially surrounding the substrate. A cooling unit (2) has two sections (14, 15), of which the section (14) is partially arranged between the chip and the substrate, and the section (15) partially runs on a surface of the housing, where the unit (2) is made from thermally conducting material .g. copper.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement sowie ein Kühlkörperelement für ein Halbleiterbauelement.The The present invention relates to a semiconductor device and a Heat sink element for a semiconductor device.

Zum Abführen von Wärme in Halbleiterbauelementen sind aus dem Stand der Technik verschiedne Techniken bekannt. So werden beispielsweise sogenannte thermische Vias oder Thermovias, d. h. elektrisch funktionslose bzw. redundante Vias (Durchkontaktierungen) für den Transport von Wärme im Substrat unterhalb des Halbleiterchips angeordnet. Jedoch besteht hierbei der Nachteil, dass die Leiterplatten oft thermisch überladen werden und somit nicht als Wärmesenke fungieren können. Auch ist der Einsatz von Thermovias wenig effizient, da die unter dem Halbleiterchip angeordnete Lötmaske, durch die die abzuleitende Wärme ebenfalls übertragen werden muss, thermisch schlecht leitet. Darüber hinaus besteht beim Vorsehen von Öffnungen in der Lötmaske auch ein sehr hohes Risiko, dass der Chipkleber, mittels welchem Halbleiterchips auf dem Substrat aufgebracht werden, im Feuchtetest von der Substratoberfläche, die z. B. aus NiAu hergestellt sein kann, delaminiert.To the lead away of heat in semiconductor devices are different from the prior art Techniques known. For example, so-called thermal Vias or thermovias, d. H. electrically non-functional or redundant Vias (vias) for the transport of heat arranged in the substrate below the semiconductor chip. However exists The disadvantage here is that the circuit boards often overheat thermally and thus not as a heat sink can act. Also, the use of thermovias is less efficient, as the under the semiconductor chip arranged solder mask, through the heat to be dissipated also transmitted must be thermally bad conducts. In addition, there is provision of openings in the solder mask also a very high risk that the chip adhesive, by means of which Semiconductor chips are applied to the substrate, in the moisture test from the substrate surface, the z. B. can be made of NiAu, delaminated.

Eine andere Variante zur Entwärmung von Halbleiterbauelementen ist der Einsatz von Kühlkörperelementen in Form sogenannter "Heatspreader" wie sie üblicherweise in Heat Slug Ball Grid Arrays (HSBGA) eingesetzt werden. Dabei wird ein Kühlkörper neben bzw. über einem Halbleiterchip platziert, so dass die Wärme zur Oberseite des Halbleiterbauelements hin abgeführt wird. Nachteilig ist hierbei allerdings der schlechte thermische Kontakt zwischen dem Heatspreader und dem Halbleiterchip, da die von dem Chip abzuführende Wärme erst das Substrat durchlaufen muss, um dann über das Heatspreaderelement an eine Oberfläche des Halbleiterbauelement-Gehäuses geleitet zu werden.A another variant for cooling of semiconductor devices is the use of heat sink elements in the form of so-called "heat spreader" as they usually used in Heat Slug Ball Grid Arrays (HSBGA). It will a heat sink next to it or over a semiconductor chip placed so that the heat to the top of the semiconductor device dissipated becomes. The disadvantage here, however, is the poor thermal Contact between the heatspreader and the semiconductor chip since that of the chip to be discharged Heat first must pass through the substrate, then over the Heatspreaderelement to a surface of the semiconductor device package to be guided.

Eine weitere Möglichkeit zum Abführen von Wärme in einem Halbleiterbauelement, welche im Stand der Technik angewandt wird, ist der Einsatz eines Kühlkörperelements in Form einer sogenannten "Heat Crown". Ein derartiges Kühlkörperelement steht partiell in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Halbleiterchip bzw. wird auf diesen aufgesetzt. Das Abführen der Wärme erfolgt über eine Gehäuseoberfläche oberhalb des Halbleiterchips dadurch, dass sich das Kühlkörperelement von dem Halbleiterchip zu der Gehäuseoberfläche erstreckt. Bei einer solchen Kühlkörperanordnung ist allerdings eine exakte Tolerierung der einzelnen Komponenten (z. B. Substrat/Halbleiterchip/Kühlkörperelement) notwendig, um zu vermeiden, dass der Kühlkörper während des Umspritzvorgangs zwischen der Wand der Spritzform und dem Halbleiterchip gestaucht wird. Ist dies jedoch der Fall, kommt es zu einer Beschädigung der Chipoberfläche und somit zum elektrischen Ausfall desselben. Außerdem ist bei dieser Konstruktion nachteilig, dass ein großer Abstand zwischen der Halbleiterchipoberfläche und dem Kühlkörperelement die Wirkung des Kühlkörperelements erheblich reduziert.A another possibility for discharging of heat in a semiconductor device used in the prior art is the use of a heat sink element in the form of a so-called "Heat Crown. "Such a thing Heatsink element is partially in contact with an upper surface of the semiconductor chip or is put on this. The dissipation of heat via a Housing surface above of the semiconductor chip in that the heat sink element of the semiconductor chip extends to the housing surface. In such a heat sink assembly However, this is an exact tolerance of the individual components (eg substrate / semiconductor chip / heat sink element) necessary to avoid the heat sink during the overmolding process compressed between the wall of the injection mold and the semiconductor chip becomes. If this is the case, damage occurs chip surface and thus to the electrical failure of the same. Also, with this construction disadvantageous that a great Distance between the semiconductor chip surface and the heat sink element the effect of the heat sink element considerably reduced.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement sowie ein in ein Halbleiterbauelement einzusetzendes Kühlkörperelement zu schaffen, wobei die thermischen Eigenschaften deutlich verbessert sind bzw. wobei das Abführen von Wärme außerordentlich effektiv ist, ohne dass hierzu eine aufwendige Konstruktion erforderlich ist.Therefore It is the object of the present invention, a semiconductor device and a heat sink element to be inserted into a semiconductor device to create, the thermal properties significantly improved are or wherein the discharge of heat extraordinarily is effective, without requiring a complicated construction required is.

Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Kühlkörperelement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.These The object is achieved by a semiconductor device according to claim 1 and by a Heat sink element with the features according to claim 14 solved. Advantageous developments are defined in the respective dependent claims.

Erfindungsgemäß bereitgestellt wird demnach ein Halbleiterbauelement, welches ein Substrat, einen über dem Substrat angeordneten Halbleiterchip, ein den Halbleiterchip vollständig und das Substrat zumindest teilweise umgebendes Gehäuse und ein Kühlkörperelement aufweist, wobei das Kühlkörperelement zumindest zwei Abschnitte aufweist, wobei der erste Abschnitt zumindest teilweise zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat angeordnet ist, und der zweite Abschnitt zumindest teilweise an einer Oberfläche oder im Bereich einer Oberfläche des Gehäuses verläuft. Demnach wird aus einem thermisch exzellent leitenden Material eine Struktur für ein integriertes dreidimensionales Kühlkörperelement geschaffen, welche in der Lage ist, die Wärme direkt dort, wo sie entsteht, nämlich am Halbleiterchip selbst, aufzunehmen und an eine Gehäuseoberfläche abzuführen. Mittels der erfindungsgemäßen einfachen Struktur dieses in einem Halbleiterbauelement vorgesehenen Kühlkörperelements wird der Halbleiterchip effizient thermisch leitend mit der Gehäuseoberseite verbunden und eine sehr effektive Wärmeableitung wird ermöglicht. Der primäre Wärmepfad erfolgt durch das Silizium des Halbleiterchips hin zu der thermisch exzellent leitfähigen Struktur des Kühlkörperelements. Die Wärmeabgabe erfolgt über offen liegende Bereiche des Kühlkörperelements an der Gehäuseoberfläche hin zu der Umgebung des Gehäuses des Halbleiterbauelements.Provided according to the invention Accordingly, a semiconductor device, which is a substrate, one above the Substrate disposed semiconductor chip, the semiconductor chip and a complete the substrate at least partially surrounding housing and a heat sink element wherein the heat sink element at least two sections, wherein the first section at least partially disposed between the semiconductor chip and the substrate is, and the second section at least partially on a surface or in the area of a surface of the housing runs. Accordingly, a thermally excellent conductive material becomes a Structure for an integrated three-dimensional heat sink element is provided which is able to heat right where it originates, namely on the semiconductor chip itself, take up and dissipate to a housing surface. through the simple invention Structure of this provided in a semiconductor device heat sink element For example, the semiconductor chip efficiently thermally conducts to the top of the housing connected and a very effective heat dissipation is possible. The primary thermal path occurs through the silicon of the semiconductor chip towards the thermal excellent conductive Structure of the heat sink element. The heat output done via open lying areas of the heat sink element on the housing surface to the environment of the housing of the semiconductor device.

Durch die Maßnahmen wird das Risiko einer Beschädigung der zu kühlenden Halbleiterchips drastisch vermindert, ohne dass Nachteile bei der Ankopplung des Kühlkörperelements an den Halbleiterchips entstehen. Dies ist insbesondere bei Halbleiterelementen, die keine wirebonding-Verbindungen aufweisen von Vorteil.The measures drastically reduce the risk of damage to the semiconductor chips to be cooled, without disadvantages in the coupling of the heat sink element to the semiconductor lead terchips arise. This is particularly advantageous for semiconductor elements which have no wirebonding connections.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Abschnitt innerhalb des Halbleiterbauelements oberhalb des ersten Abschnitts angeordnet. Der gegenüber dem ersten Abschnitt erhabene zweite Abschnitt ist so ausgeformt, dass nach dem Einkapseln des Halbleiterbauelements mit Pressmasse, beispielsweise mit Epoxidharz, zumindest Teile davon auf der Gehäuseoberfläche offen liegen.According to one preferred embodiment the second portion within the semiconductor device above arranged the first section. The second raised above the first section Section is shaped so that after encapsulation of the semiconductor device with molding compound, for example with epoxy resin, at least parts thereof open on the housing surface lie.

Der erste und der zweite Abschnitt über einen dritten Abschnitt miteinander verbunden sind, wobei der dritte Abschnitt innerhalb des Halbleiterbauelements schräg verläuft.Of the first and the second section about a third section are connected to each other, wherein the third Section extends obliquely within the semiconductor device.

Noch bevorzugter weist der dritte Abschnitt Öffnungen auf, durch welche Leitungsdrähte, welche den Halbeiterchip und auf dem Substrat aufgebrachte Kontaktflächen elektrisch verbinden, geführt sind. So wird eine Kontaktierung des Halbleiterchips mit den korrespondierenden Kontaktflächen auf dem Substrat durch das Kühlkörperelement hindurch ermöglicht.Yet more preferably, the third section has openings through which Lead wires, which the semiconductor chip and applied to the substrate contact surfaces electrically connect, guided are. Thus, a contacting of the semiconductor chip with the corresponding contact surfaces on the substrate through the heat sink element through it.

Ganz besonders bevorzugt ist, wenn der erste und der zweite Abschnitt über den dritten Abschnitt federnd verbunden sind bzw. das Kühlkörperelement in sich federnd ausgeformt ist. Somit kann die Struktur des Kühlkörperelements während des Umhüllens des Halbleiterbauelements mit Pressmasse in direkten Kontakt mit der Wand der Spritzform gebracht werden, ohne dass eine Beschädigung des Kühlkörperelements selbst, des Halbleiterchips, des Substrats oder auch der Spritzform hervorgerufen wird.All is particularly preferred when the first and the second section over the third section are resiliently connected or the heat sink element in is formed resiliently. Thus, the structure of the heat sink element while the wrapping of the Semiconductor device with molding compound in direct contact with the Wall of the mold can be brought without damaging the Heat sink element itself, the semiconductor chip, the substrate or the injection mold is caused.

Darüber hinaus sind die Leitungsdrähte gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Gold hergestellt.Furthermore are the lead wires according to one more preferred embodiment of the invention made of gold.

Vorzugsweise ist das Kühlkörperelement aus einem thermisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer hergestellt, da Kupfer eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit von 388 W/mK aufweist und daher besonders gut zum Abführen der Wärme geeignet ist.Preferably is the heat sink element of a thermally conductive material, in particular of copper manufactured, since copper a particularly high thermal conductivity of 388 W / mK and therefore particularly suitable for dissipating the heat is.

Auch ist von Vorteil, wenn das Kühlkörperelement mit einem Standardkleber auf einer auf dem Substrat vorgesehenen Lötmaske aufgebracht ist.Also is beneficial if the heat sink element with a standard adhesive on one provided on the substrate solder mask is applied.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Substrat thermisch leitfähige Vias auf.According to one another preferred embodiment the substrate has thermally conductive vias.

Dabei ist weiterhin von Vorteil, wenn das Kühlkörperelement mit thermisch leitfähigem Kleber direkt mit den thermisch leitfähigen Vias innerhalb des Substrats verbunden ist.there is also advantageous if the heat sink element with thermally conductive adhesive directly with the thermally conductive Vias is connected within the substrate.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Halbleiterchip mit einem thermisch leitfähigen Kleber, insbesondere mit einer Leitfähigkeit > 15 W/mK, auf dem ersten Abschnitt des Kühlkörpers aufgebracht ist.Also it is advantageous if the semiconductor chip with a thermal conductive Adhesive, in particular with a conductivity> 15 W / mK, on the first section of the Heatsink applied is.

Vorzugsweise ist das Gehäuse des Halbleiterbauelements aus einem thermoplastischem Material, insbesondere durch Spritzgießen, hergestellt.Preferably is the case the semiconductor device made of a thermoplastic material, in particular by injection molding, produced.

Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse ein Ball Grid Array-(BGA), Low Profile Ball Grid Array-(LBGA) oder Low Profile Fine Pitch Ball Grid Array- (LFBGA) Gehäuse.According to one more preferred embodiment The invention is the housing a Ball Grid Array (BGA), Low Profile Ball Grid Array (LBGA) or Low Profile Fine Pitch Ball Grid Array (LFBGA) Enclosure.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Kühlkörperelement für ein Halbleiterbauelement bereitgestellt, welches ein Substrat, einen über dem Substrat angeordneten Halbleiterchip und ein den Halbleiterchip vollständig und das Substrat zumindest teilweise umgebendes Gehäuse aufweist, wobei das Kühlkörperelement zumindest zwei Abschnitte aufweist, wobei der erste Abschnitt ausgebildet ist, um zumindest teilweise zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat angeordnet zu werden, und der zweite Abschnitt ausgebildet ist, um zumindest teilweise an einer Oberfläche des Gehäuses zu verlaufen. Wie bereits ausgeführt, kann so ein effizientes Abführen von Wärme an einer Oberfläche des Gehäuses ohne aufwendige konstruktive Maßnahmen erzielt werden.Farther is inventively a heat sink element for a Semiconductor device provided, which is a substrate, one above the Substrate arranged semiconductor chip and a semiconductor chip Completely and the substrate has at least partially surrounding housing, wherein the heat sink element has at least two sections, wherein the first section is formed is at least partially between the semiconductor chip and the Substrate to be arranged, and formed the second portion is to at least partially run on a surface of the housing. As already stated, can such an efficient discharge of heat on a surface of the housing without complex design measures be achieved.

Dabei ist es bevorzugt, wenn der zweite Abschnitt gegenüber dem ersten Abschnitts erhöht angeordnet ist, so dass nach dem Umhüllen des Systems mit Pressmasse zumindest Teile des Kühlkörperelements bzw. seines zweiten Abschnitts auf der Gehäuseoberfläche offen liegen, über welche die Wärme an die Umgebung abgeführt wird.there it is preferred if the second section opposite to first section increased is arranged so that after wrapping the system with molding compound at least parts of the heat sink element or its second portion are exposed on the housing surface, over which the heat discharged to the environment becomes.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Abschnitt über einen dritten Abschnitt miteinander verbunden sind, wobei der dritte Abschnitt schräg zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt verläuft.Also it is advantageous if the first and the second section over a third section are interconnected, with the third section obliquely between the first and the second section runs.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der dritte Abschnitt Öffnungen aufweist, welche derartig ausgebildet sind, dass Leitungsdrähte dadurch hindurch führbar sind. Dadurch wird eine Kontaktierung des Halbleiterchips mit korrespondierenden Kon taktflächen auf dem Substrat eines Halbleiterbauelements auf einfache Art und Weise ermöglicht.Especially it is preferred if the third section has openings which are such are formed, that lead wires can be guided through it. As a result, a contacting of the semiconductor chip with corresponding Contact surfaces on the substrate of a semiconductor device in a simple way and Way allows.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Abschnitt über den dritten Abschnitt federnd verbunden. Durch die federnde Ausführung des Kühlkörperelements werden Beschädigungen jeglicher Art während des Einkapselns des Halbleiterbauelements, wie z. B. Beschädigungen des Kühlkörperelements selbst, des Halbleiterchips, des Substrats oder der Spritzform vermieden.According to a preferred embodiment of the invention, the first and second sections are resiliently connected via the third section. Due to the resilient design of the heat sink element damage of any kind during the Encapsulating the semiconductor device, such. B. Damage to the heat sink element itself, the semiconductor chip, the substrate or the mold avoided.

Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Kühlkörperelement aus einem thermisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer hergestellt ist. Da Kupfer eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit von 388 W/mK aufweist, ist dieses Material besonders gut zum Abführen der Wärme geeignet.Yet another preferred embodiment provides that the heat sink element of a thermally conductive material, in particular of copper is made. Since copper has a particularly high thermal conductivity of 388 W / mK, This material is particularly suitable for dissipating the heat.

Vorzugsweise ist das Kühlkörperelement ausgebildet, um mit einem Standardkleber auf eine Lötmaske aufbringbar zu sein.Preferably is the heat sink element formed, to be applied with a standard adhesive on a solder mask.

Alternativ kann das Kühlkörperelement ausgebildet sein, um mit thermisch leitfähigem Kleber direkt mit thermisch leitfähigen Vias eines Substrats verbindbar zu sein.alternative may be the heat sink element be trained to thermally conductive with thermally conductive adhesive directly conductive Vias of a substrate to be connected.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Abschnitt derartig ausgebildet, dass ein Halbleiterchip darauf, insbesondere mittels eines thermisch leitfähigen Klebers mit einer Leitfähigkeit von beispielsweise 15 W/mK, aufklebbar ist.According to one more another preferred embodiment According to the invention, the first section is designed in such a way that a semiconductor chip thereon, in particular by means of a thermal conductive Adhesive with a conductivity of for example 15 W / mK, can be stuck on.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise näher beschrieben. In der Zeichnung zeigtThe Invention will be described by way of example with reference to the drawing. In the drawing shows

1 einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit einem Kühlkörperelement gemäß dem Stand der Technik; 1 a schematic cross section through a semiconductor device with a heat sink element according to the prior art;

2 einen schematischen Querschnitt durch ein weiters Halbleiterbauelement mit einem Kühlkörperelement gemäß dem Stand der Technik; 2 a schematic cross section through a further semiconductor device with a heat sink element according to the prior art;

3 einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement; 3 a schematic cross section through the semiconductor device according to the invention;

4 eine Schrägansicht von oben auf ein erfindungsgemäßes Kühlkörperelement. 4 an oblique view from above of an inventive heat sink element.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 1 des BGA-Typs gemäß dem Stand der Technik. Das Halbleiterbauelement 1 umfasst einen Halbleiterchip 3, welcher mit seiner Rückseite 8 auf einem Substrat 5 angeordnet ist und mit diesem über Leitungsdrähte 7 elektrisch verbunden ist. Auf einer unteren Oberfläche 9 des Substrats 5 ist eine Matrix aus einer Vielzahl von Lötkugeln 6 aufgebracht, mittels welcher das Halbleiterbauelement 1 auf eine Leiterplatte (nicht gezeigt) auflötbar ist. Der Halbleiterchip 3 ist vollständig von einem Gehäuse 4 aus einer thermoplastischen Pressmasse, üblicherweise aus Epoxidharz, umgeben. Oberhalb des Halbleiterchips 3 erstreckt sich in einem Abstand zu dem Halbleiterchip 3 ein Kühlkörperelement 2, welches sowohl das Substrat 4 kontaktiert als auch eine obere Oberfläche 10 des Gehäuses 4. Es handelt sich bei dieser Form eines Kühlkörperelements 2 um einen sogenannten Heatspreader, welcher von dem Halbleiterchip 3 produzierte Wärme über das Substrat 5 aufnimmt und an eine Oberseite des Halbleiterbauelements 1 abführt. 1 shows a schematic cross section through a semiconductor device 1 of the BGA type according to the prior art. The semiconductor device 1 includes a semiconductor chip 3 which with his back 8th on a substrate 5 is arranged and with this over lead wires 7 electrically connected. On a lower surface 9 of the substrate 5 is a matrix of a variety of solder balls 6 applied, by means of which the semiconductor component 1 on a circuit board (not shown) is soldered. The semiconductor chip 3 is completely from a housing 4 from a thermoplastic molding compound, usually surrounded by epoxy resin. Above the semiconductor chip 3 extends at a distance to the semiconductor chip 3 a heat sink element 2 which is both the substrate 4 contacted as well as an upper surface 10 of the housing 4 , It is in this form of a heat sink element 2 around a so-called heatspreader, which of the semiconductor chip 3 produced heat over the substrate 5 receives and to an upper side of the semiconductor device 1 dissipates.

In 2 ist ein weiterer schematischer Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 1 des BGA-Typs gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 umfasst, wie das in 1 dargestellte, einen Halbleiterchip 3, welcher über Leitungsdrähte 7 an entsprechende Kontaktstellen (nicht gezeigt) an dem Substrat 5 gebondet ist und auf dieses mit seiner Rückseite 8 aufgeklebt ist. An seiner unteren Oberfläche 9 weist das Substrat 5 ebenfalls eine Matrix aus Lötkugeln 6 auf, über welche das Halbleiterbauelement 1 auf eine PCB (nicht gezeigt) auflötbar ist. Der Halbleiterchip 3 ist ebenfalls von einem Gehäuse 4 umgeben. Das Kühlkörperelement 2, welches in dieser Anordnung verwendet wird, kontaktiert in Form einer sogenannten Heat Crown mit einem Abschnitt geringen Durchmessers 12 die Vorderseite 11 des Halbleiterchips 3. Der Abschnitt geringen Durchmessers 12 geht in einen Abschnitt vergrößerten Durchmessers 13 über, welcher sich bis an eine obere Oberfläche 10 des Gehäuses 4 erstreckt.In 2 is another schematic cross section through a semiconductor device 1 of the BGA type according to the prior art. The semiconductor device 1 includes, like that in 1 shown, a semiconductor chip 3 , which via lead wires 7 to corresponding pads (not shown) on the substrate 5 is bonded and on this with its back 8th is glued on. On its lower surface 9 has the substrate 5 also a matrix of solder balls 6 on, via which the semiconductor device 1 solderable onto a PCB (not shown). The semiconductor chip 3 is also from a housing 4 surround. The heat sink element 2 , which is used in this arrangement, contacted in the form of a so-called heat crown with a small diameter portion 12 the front 11 of the semiconductor chip 3 , The section of small diameter 12 goes into a section of enlarged diameter 13 over which extends to an upper surface 10 of the housing 4 extends.

3 zeigt schließlich einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement 1, welches wiederum vom BGA-Typ ist und einen Halbleiterchip 3, ein Substrat 5 mit einer Vielzahl von Lötkugeln 6 an seiner unteren Oberfläche 9, ein Gehäuse 4, welches den Halbleiterchip 2 vollständig und das Substrat 5 teilweise umgibt und Leitungsdrähte 7 aufweist, über welche der Halbleiterchip 3 an entsprechende Kontaktstellen (nicht gezeigt) des Substrats 5 gebondet ist. In dem Substrat 5 können weiterhin thermische Vias (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Die dreidimensionale Struktur des Kühlkörperelements 2, welches aus Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 388 W/mK hergestellt ist, weist einen ersten Abschnitt 14 und einen zweiten Abschnitt 15 auf, welcher gegenüber dem ersten Abschnitt 14 innerhalb der Anordnung des Halbleiterbauelements 1 erhöht ist. Der erste Abschnitt 14 ist flach ausgebildet und bildet die Mitte der Struktur des Kühlkörperelements 2. Auf den ersten Abschnitt 14 ist der Halbleiterchip 3 mittels eines thermisch gut leitenden Klebers mit einer Wärmeleitfähigkeit von 15 W/mK mit seiner Rückseite 8 aufgeklebt. Mit seiner Unterseite 16 ist der erste Abschnitt 14 des Kühlkörperelements 2 auf eine obere Oberfläche 18 des Substrats 5 aufgeklebt. Der erste Abschnitt 14 und der zweite Abschnitt 15 des Kühlkörperelements 2 sind miteinander über einen schräg zwischen den beiden Abschnitten verlaufenden dritten Abschnitt 19 federnd verbunden, so dass während des Verkapselungsprozesses des Halbleiterbauelements 1 keinerlei Beschädigungen erfolgen können. Der dritte Abschnitt 19 weist darüber hinaus Öffnungen 20 auf, durch welche Leitungsdrähte 7 aus Au von dem Halbleiterchip 2 zu dem Substrat 5 geführt sind. Der zweite erhöhte Abschnitt 15 des Kühlkörperelements 2 liegt mit seiner Oberseite 17 an der oberen Oberfläche 10 des Gehäuses 4 offen. Somit verläuft der primäre Wärmepfad durch das Silizium des Halbleiterchips 3 über den thermisch leitfähigen Kleber hin zu der thermisch hervorragend leitenden Struktur des Kühlkörperelements 2, d. h. über den ersten Abschnitt 13 und den dritten Abschnitt 19 zu dem zweiten Abschnitt 14. Die Wärmeabgabe erfolgt somit effizient über die offen liegenden Bereiche des Kühlköperelements 2, d. h. über die Oberseite 17 des zweiten Abschnitts 15 hin zu der Umgebung des Gehäuses 4. 3 finally shows a schematic cross section through the semiconductor device according to the invention 1 , which in turn is of the BGA type and a semiconductor chip 3 , a substrate 5 with a variety of solder balls 6 on its lower surface 9 , a housing 4 which the semiconductor chip 2 completely and the substrate 5 partially surrounds and wires 7 over which the semiconductor chip 3 to corresponding contact points (not shown) of the substrate 5 is bonded. In the substrate 5 Furthermore, thermal vias (not shown) may be provided. The three-dimensional structure of the heat sink element 2 , which is made of copper with a thermal conductivity of 388 W / mK, has a first section 14 and a second section 15 on, which is opposite the first section 14 within the arrangement of the semiconductor device 1 is increased. The first paragraph 14 is flat and forms the center of the structure of the heat sink element 2 , On the first section 14 is the semiconductor chip 3 by means of a thermally good conductive adhesive with a thermal conductivity of 15 W / mK with its back 8th glued. With its bottom 16 is the first section 14 of the heat sink element 2 on an upper surface 18 of the substrate 5 glued. The first paragraph 14 and the second section 15 of the heat sink element 2 are connected to each other via a third section extending obliquely between the two sections 19 resiliently connected so that during the encapsulation process of the semiconductor device 1 no damage can be done. The third section 19 also has openings 20 on, through which wires 7 Au from the semiconductor chip 2 to the substrate 5 are guided. The second elevated section 15 of the heat sink element 2 lies with his top 17 on the upper surface 10 of the housing 4 open. Thus, the primary heat path passes through the silicon of the semiconductor chip 3 via the thermally conductive adhesive to the thermally excellent conductive structure of the heat sink element 2 ie over the first section 13 and the third section 19 to the second section 14 , The heat is thus released efficiently over the exposed areas of the Kühlköperelements 2 ie over the top 17 of the second section 15 towards the environment of the housing 4 ,

4 zeigt nochmals ein erfindungsgemäßes Kühlkörperelement 2 mit einem darauf angeordneten bzw. darauf aufgeklebten Halbleiterchip 3 in Schrägansicht von oben. Hierbei ist die räumliche Erstreckung des ersten Abschnitts 14, des zweiten Abschnitts 15 und des dritten Abschnitts 19 erkennbar. Im Zentrum des Kühlkörperelements 2 befindet sich der flache erste Abschnitt 14, auf welchem der Halbleiterchip 3 angeordnet ist. Schräg nach oben, ausgehend von den Ecken des ersten Abschnitts 14, erstreckt sich der dritte Abschnitt 19 in Form von Stegen, um Öffnungen 20, durch welche Leitungsdrähte 7 geführt sind, freizulassen. Nach oben anschließend an den dritten Abschnitt 19 ist der zweite Abschnitt 15 des Kühlkörperelements 2 in Form eines in der Mitte offnen Quadrats vorgesehen. Die Oberseite 17 des zweiten Abschnitts wird beim Umspritzen des Halbleiterbauelements 1 mit Pressmasse von dieser frei bleiben, so dass über diese Oberseite 17 die Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgen kann. 4 shows again a heat sink element according to the invention 2 with a semiconductor chip arranged thereon or glued thereto 3 in an oblique view from above. Here is the spatial extent of the first section 14 , the second section 15 and the third section 19 recognizable. In the center of the heat sink element 2 is the flat first section 14 on which the semiconductor chip 3 is arranged. Slanting upwards, starting from the corners of the first section 14 , the third section extends 19 in the form of bars, around openings 20 through which lead wires 7 are led to release. Go up to the third section 19 is the second section 15 of the heat sink element 2 provided in the form of a square open in the middle. The top 17 of the second portion is during encapsulation of the semiconductor device 1 stay free of this with molding compound, leaving over this top 17 the heat can be released to the environment.

11
HalbleiterbauelementSemiconductor device
22
KühlkörperelementHeat sink element
33
HalbleiterchipSemiconductor chip
44
Gehäusecasing
55
Substratsubstratum
66
Lötkugelsolder ball
77
Leitungsdrahtlead wire
88th
Rückseite des Halbleiterchipsback of the semiconductor chip
99
untere Oberfläche des Substratslower surface of the substrate
1010
obere Oberfläche des Gehäusesupper surface of the housing
1111
Vorderseite des Halbleiterchipsfront of the semiconductor chip
1212
Abschnitt geringen Durchmesserssection small diameter
1313
Abschnitt vergrößerten Durchmesserssection enlarged diameter
1414
erster Abschnitt des Kühlkörperelementsfirst Section of the heat sink element
1515
zweiter Abschnitt des Kühlkörperelementssecond Section of the heat sink element
1616
Unterseite des ersten Abschnitts des Kühlkörperelebottom of the first section of the heat sink
mentsments
1717
Oberseite des zweiten Abschnitts des Kühlkörpereletop of the second section of the heat sink
mentsments
1818
obere Oberfläche des Substratsupper surface of the substrate
1919
dritter Abschnittthird section
2020
Öffnungenopenings

Claims (22)

Halbleiterbauelement (1), welches ein Substrat (5), einen über dem Substrat (5) angeordneten Halbleiterchip (3), ein den Halbleiterchip (3) vollständig und das Substrat (5) zumindest teilweise umgebendes Gehäuse (4) und ein Kühlkörperelement (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) zumindest zwei Abschnitte (14, 15) aufweist, wobei der erste Abschnitt (14) zumindest teilweise zwischen dem Halbleiterchip (3) und dem Substrat (5) angeordnet ist, und der zweite Abschnitt (15) zumindest teilweise an einer Oberfläche (10) oder im Bereich einer Oberfläche (10) des Gehäuses (4) verläuft.Semiconductor device ( 1 ), which is a substrate ( 5 ), one above the substrate ( 5 ) arranged semiconductor chip ( 3 ), a semiconductor chip ( 3 ) completely and the substrate ( 5 ) at least partially surrounding housing ( 4 ) and a heat sink element ( 2 ), characterized in that the heat sink element ( 2 ) at least two sections ( 14 . 15 ), the first section ( 14 ) at least partially between the semiconductor chip ( 3 ) and the substrate ( 5 ), and the second section ( 15 ) at least partially on a surface ( 10 ) or in the area of a surface ( 10 ) of the housing ( 4 ) runs. Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (15) innerhalb des Halbleiterbauelements (1) oberhalb des ersten Abschnitts (14) angeordnet ist.Semiconductor device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the second section ( 15 ) within the semiconductor device ( 1 ) above the first section ( 14 ) is arranged. Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abschnitt (14, 15) über einen dritten Abschnitt (19) miteinander verbunden sind, wobei der dritte Abschnitt (19) innerhalb des Halbleiterbauelements (1) schräg verläuft.Semiconductor device ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the first and second sections ( 14 . 15 ) via a third section ( 19 ), the third section ( 19 ) within the semiconductor device ( 1 ) runs obliquely. Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (19) Öffnungen (20) aufweist, durch welche Leitungsdrähte (7), welche den Halbeiterchip (3) und auf dem Substrat (5) aufgebrachte Kontaktflächen elektrisch verbinden, geführt sind.Semiconductor device ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the third section ( 19 ) Openings ( 20 ) through which lead wires ( 7 ), which the semiconductor chip ( 3 ) and on the substrate ( 5 ) electrically connect applied contact surfaces, are guided. Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abschnitt (14, 15) über den dritten Abschnitt (19) federnd verbunden sind.Semiconductor device ( 1 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the first and second sections ( 14 . 15 ) on the third section ( 19 ) are resiliently connected. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsdrähte (7) aus Au sind.Semiconductor device ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lead wires ( 7 ) are made of Au. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) aus einem thermisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer hergestellt ist.Semiconductor device ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heat sink element ( 2 ) is made of a thermally conductive material, in particular of copper. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) mit einem Standardkleber auf einer auf dem Substrat (5) vorgesehenen Lötmaske aufgebracht ist.Semiconductor device ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the heat sink element ( 2 ) with a standard adhesive on one on the substrate ( 5 ) provided solder mask is applied. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) thermisch leitfähige Vias aufweist.Semiconductor device ( 1 ) according to one of claims 1 to 7 , characterized in that the substrate ( 5 ) has thermally conductive vias. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) mit thermisch leitfähigem Kleber direkt mit den thermisch leitfähigen Vias innerhalb des Substrats (5) verbunden ist.Semiconductor component according to claim 9, characterized in that the heat sink element ( 2 ) with thermally conductive adhesive directly to the thermally conductive vias within the substrate ( 5 ) connected is. Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (3) mit einem thermisch leitfähigen Kleber, insbesondere mit einer Leitfähigkeit von > 15 W/mK, auf den ersten Abschnitt (14) des Kühlkörpers (2) aufgebracht ist.Semiconductor device ( 1 ) according to claim 10, characterized in that the semiconductor chip ( 3 ) with a thermally conductive adhesive, in particular with a conductivity of> 15 W / mK, on the first section ( 14 ) of the heat sink ( 2 ) is applied. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus einem thermoplastischem Material, insbesondere durch Spritzgießen, hergestellt ist.Semiconductor device ( 1 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the housing ( 4 ) is made of a thermoplastic material, in particular by injection molding. Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) ein BGA-, LBGA- oder LFBGA-Gehäuse ist.Semiconductor device ( 1 ) according to one of claims 1 to 13, characterized in that the housing ( 4 ) is a BGA, LBGA or LFBGA package. Kühlkörperelement (2) für ein Halbleiterbauelement (1), welches ein Substrat (5), einen über dem Substrat (5) angeordneten Halbleiterchip (3) und ein den Halbleiterchip (3) vollständig und das Substrat (5) zumindest teilweise umgebendes Gehäuse (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) zumindest zwei Abschnitte (14, 15) aufweist, wobei der erste Abschnitt (14) ausgebildet ist, um zumindest teilweise zwischen dem Halbleiterchip (3) und dem Substrat (5) angeordnet zu werden, und der zweite Abschnitt (15) ausgebildet ist, um zumindest teilweise an einer Oberfläche (10) des Gehäuses (4) zu verlaufen.Heat sink element ( 2 ) for a semiconductor device ( 1 ), which is a substrate ( 5 ), one above the substrate ( 5 ) arranged semiconductor chip ( 3 ) and a semiconductor chip ( 3 ) completely and the substrate ( 5 ) at least partially surrounding housing ( 4 ), characterized in that the heat sink element ( 2 ) at least two sections ( 14 . 15 ), the first section ( 14 ) is formed to at least partially between the semiconductor chip ( 3 ) and the substrate ( 5 ), and the second section ( 15 ) is formed to at least partially on a surface ( 10 ) of the housing ( 4 ) to run. Kühlkörperelement (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (15) gegenüber dem ersten Abschnitts (14) erhöht angeordnet ist.Heat sink element ( 2 ) according to claim 14, characterized in that the second section ( 15 ) compared to the first section ( 14 ) is arranged elevated. Kühlkörperelement (2) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abschnitt (14, 15) über einen dritten Abschnitt (19) miteinander verbunden sind, wobei der dritte Abschnitt (19) schräg zwischen dem ersten Abschnitt (14) und dem zweiten Abschnitt (15) verläuft.Heat sink element ( 2 ) according to claim 14 or 15, characterized in that the first and second sections ( 14 . 15 ) via a third section ( 19 ), the third section ( 19 ) obliquely between the first section ( 14 ) and the second section ( 15 ) runs. Kühlkörperelement (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (19) Öffnungen (20) aufweist, welche derartig ausgebildet sind, dass Leitungsdrähte (7) dadurch hindurch führbar sind.Heat sink element ( 2 ) according to claim 16, characterized in that the third section ( 19 ) Openings ( 20 ), which are formed such that lead wires ( 7 ) are thereby feasible. Kühlkörperelement (2) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abschnitt (14, 15) über den dritten Abschnitt (19) federnd verbunden sind.Heat sink element ( 2 ) according to claim 16 or 17, characterized in that the first and second sections ( 14 . 15 ) on the third section ( 19 ) are resiliently connected. Kühlkörperelement (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) aus einem thermisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer, hergestellt ist.Heat sink element ( 2 ) according to one of claims 14 to 18, characterized in that the heat sink element ( 2 ) is made of a thermally conductive material, in particular of copper. Kühlkörperelement (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) ausgebildet ist, um mit einem Standardkleber auf eine Lötmaske aufbringbar zu sein.Heat sink element ( 2 ) according to one of claims 14 to 19, characterized in that the heat sink element ( 2 ) is adapted to be applied with a standard adhesive to a solder mask. Kühlkörperelement (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperelement (2) ausgebildet ist, um mit thermisch leitfähigem Kleber direkt mit thermisch leitfähigen Vias des Substrats (5) verbindbar zu sein.Heat sink element ( 2 ) according to one of claims 14 to 19, characterized in that the heat sink element ( 2 ) is adapted to react with thermally conductive adhesive directly with thermally conductive vias of the substrate ( 5 ) to be connectable. Kühlkörperelement (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (14) derartig ausgebildet ist, dass ein Halbleiterchip (3) darauf, insbesondere mittels eines thermisch leitfähigen Klebers, aufklebbar ist.Heat sink element ( 2 ) according to one of claims 14 to 21, characterized in that the first section ( 14 ) is designed such that a semiconductor chip ( 3 ), in particular by means of a thermally conductive adhesive, is aufklebbar.
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