DE102010041261A1

DE102010041261A1 - Flip-Chip Anordnung mit einem Kühlelement und Verfahren zur Herstellung einer Flip-Chip Anordnung

Info

Publication number: DE102010041261A1
Application number: DE201010041261
Authority: DE
Inventors: Volker Weeber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2012-03-29
Also published as: WO2012038121A1

Abstract

In einer Flip-Chip Anordnung (10, 20) mit einem Flip-Chip (11, 21) mit Kontaktflächen (12) auf einer Oberseite (13) und einem auf der einer Unterseite (14, 24) des Flip-Chip angeordneten Kühlelement (15, 22), besteht das Kühlelement (15, 22) aus einem Material, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip (11, 21) aufweist. Bevorzugte Materialien sind Keramik und Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern. Das Kühlelement (22) kann als Spreizelement (25) ausgeführt und mit einem externen Kühlkörper (26) mittels eines elastischen Wärmeleitmediums (27) verbunden werden.

Description

Stand der Technik
Halbleiterbauelemente aus Silizium oder ähnlichen Halbleitermaterialien werden üblicherweise in Gehäuse verpackt, die dann auf Schaltungsträger gelötet werden. Zum Wärmetransport werden in die Gehäuse oft Kupferbleche integriert, auf die die Halbleiter geklebt werden. In manchen Fällen werden die Halbleiterbauelemente auch als unverpackte Chips, ”Bare Die”, mit der Rückseite auf Schaltungsträger aus Keramik geklebt und dann auf der aktiven Vorderseite an den Schaltungsträger gebondet. Daneben gibt es noch die so genannte Flip-Chip-Technik, bei der die Chips mit der aktiven Seite direkt auf den Schaltungsträger geklebt oder gelötet werden. Gegenüber den üblichen Verpackungen liegt der Chip dann umgedreht, also mit der aktiven Oberseite nach unten, auf dem Schaltungsträger. Ohne zusätzliche Maßnahmen dürfen Flip-Chips nur eine begrenzte Verlustwärme erzeugen, da die Wärme nicht flächig abgeführt werden kann, sondern nur über die Anschlusspunkte. Wenn Flip-Chips größere Verlustleistungen erzeugen, dann müssen sie über die Rückseite gekühlt werden. Dazu werden üblicherweise nach dem Löten metallische Kühlelemente auf die Rückseite geklebt oder angepresst, wobei der Klebe- oder Anpressspalt möglichst klein sein muss, um den Wärmewiderstand so klein wie möglich zu halten. Die Kühlelemente sind oft mit einem Gehäuse verbunden, das den gesamten Schaltungsträger umschließt. Kühlelemente nach Stand der Technik haben meistens einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Flip-Chip. Wird der Flip-Chip durch Klebung fest mit dem Kühlelement verbunden, dann wird das System bei Temperaturwechseln einem mechanischen Stress ausgesetzt, der entweder die Kühlelement-Klebung, die Lötverbindung zum Schaltungsträger oder den Flip-Chip selbst schädigen kann. Als Abhilfe kann der Flip-Chip statt über eine Klebung über ein flüssiges oder dauerelastisches Wärmeleitmedium mit dem Kühlelement verbunden werden. Dabei muss das Kühlelement über geeignete Mittel auf den Flip-Chip gepresst werden. Diese Mittel sind meistens relativ aufwändig. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Schichtdicke des flüssigen oder dauerelastischen Wärmeleitmediums über die Lebensdauer nicht konstant ist oder nur mit aufwändigen Maßnahmen so klein gehalten werden kann, dass auch der Wärmewiderstand dieser Schicht ausreichend klein ist.
Die US 5,610,442 offenbart in einer ersten Variante eine konventionelle Chip Anordnung, bei der der Chip mit der Unterseite auf einem Schaltungsträger aufliegt und mittels Bonddrähten auf der Oberseite des Chips an den Schaltungsträger angeschlossen ist. Auf eine zentrale Teilfläche der Oberseite des Chips ist ein planares Substrat geklebt, worauf wiederum ein externer Kühlkörper angeordnet ist. Das planare Substrat weist ein steifes Material wie Silizium, Keramik oder Metall auf, um der automatisierten Handhabung des Chips zu dienen. Falls der thermische Ausdehnungskoeffizient des planaren Materials verschieden von dem des aktiven Dies ist kann ein geeigneter Klebstoff in geeigneter Dicke verwendet werden, um Scherspannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zu vermeiden. Der Chip, die Bonddrähte und die Seitenflächen des planaren Substrats sind gekapselt.
Die US 5,610,442 offenbart in einer zweiten Variante eine Flip-Chip Anordnung, bei der der Chip mit der Oberseite auf einen Schaltungsträger gelötet ist. Auf einer zentralen Teilfläche der Unterseite des Chips ist ein externer Kühlkörper angeordnet. Die Flip-Chip Variante verwendet ausdrücklich nicht das planare Substrat der konventionellen Variante. Der Chip und die Lötverbindung sind gekapselt.
Offenbarung der Erfindung
Dagegen hat die erfindungsgemäße Flip-Chip Anordnung den Vorteil, dass ein Kühlelement mit dem Flip-Chip mit einer sehr dünnen Klebeschicht verklebt werden kann, ohne dass durch diese Klebung bei Temperaturänderungen mechanische Spannungen auf den Flip-Chip wirken.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat ein Kühlelement nur eine relativ geringe geometrische Ausdehnung und wird lediglich als Spreizelement verwendet, um die Querschnittsfläche in Wärmeflussrichtung zu vergrößern. Vorteilhaft ist darin bei größerer Querschnittsfläche im weiteren Verlauf des Wärmepfades die Schichtdicke einer nachfolgenden flüssigen oder dauerelastischen Koppelschicht zu übergeordneten Kühlkörpern sehr viel weniger kritisch, d. h. durch den größeren Querschnitt bleibt der Wärmewiderstand einer solchen Schicht auch bei größerer Schichtdicke ausreichend klein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
1 eine schematische Darstellung einer Flip-Chip Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine schematische Darstellung einer Flip-Chip Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
3 ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
1 stellt eine Flip-Chip Anordnung 10 mit einem Flip-Chip 11 mit Kontaktflächen 12 auf einer Oberseite 13 und einem auf der einer Unterseite 14 des Flip-Chip 11 angeordneten Kühlelement 15 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Flip-Chip 11 ist mittels Lotkugeln 16 auf Kontaktflächen 12 mit einem Schaltungsträger 17, beispielsweise einer Leiterplatte 18, verbunden. Das Kühlelement 15 ist mit dem Flip-Chip 11 über eine Klebstoff-Schicht 19, welche sich über die gesamte Unterseite 14 des Flip-Chip 11 erstreckt, verbunden. Das Kühlelement 15 deckt die gesamte Unterseite 14 des Flip-Chip ab und erstreckt sich seitlich über die Unterseite 14 des Flip-Chip 11 hinaus. Das Kühlelement 15 besteht aus einem Material, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip 11 aufweist. Das Kühlelement 15 besteht in diesem Beispiel aus Graphit. Alternative Materialien sind Keramik und andere Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern. Die erfindungsgemäße Flip-Chip Anordnung 10 hat den Vorteil, dass das Kühlelement 15 mit dem Flip-Chip 11 mit einer sehr dünnen Klebeschicht 19 verklebt werden kann, ohne dass durch diese Klebung bei Temperaturänderungen mechanische Spannungen auf den Flip-Chip 11 wirken.
2 zeigt eine Flip-Chip Anordnung 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Flip-Chip 21 ist in gleicher Weise wie Flip-Chip 11 aus 1 mit der Leiterplatte 18 verbunden. Wiederum ist ein Kühlelement 22 mit dem Flip-Chip 21 über eine Klebstoff-Schicht 23, welche sich über die gesamte Unterseite 24 des Flip-Chip 21 erstreckt, verbunden. Das Kühlelement 22 deckt die gesamte Unterseite 24 des Flip-Chip ab und erstreckt sich seitlich über die Unterseite 24 des Flip-Chip 21 hinaus. Das Kühlelement 22 ist jedoch nun als Spreizelement 25 ausgeführt, welches eine Wärmeverbindung zu einem Kühlkörper 26 bildet. Das Kühlelement 22 ist mit dem Kühlkörper 26 mittels eines elastischen Wärmeleitmediums in Wärmeleit-Schicht 27 verbunden. Das Kühlelement 22 besteht aus einem Material, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip 21 aufweist. Das Kühlelement 15 besteht in diesem Beispiel aus Graphit. Alternative Materialien. sind Keramik und andere Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern. Das Kühlelement 22 hat nur eine relativ geringe geometrische Ausdehnung und wird lediglich als Spreizelement 25 verwendet, um die Querschnittsfläche in Wärmeflussrichtung zu vergrößern. Die Fläche der Wärmeleit-Schicht 27 ist viel größer als die Fläche der Klebstoff-Schicht 23 bzw. der Unterseite 24 des Flip-Chip 21, daher bleibt der der Wärmewiderstand der Wärmeleit-Schicht 27 auch bei größerer Schichtdicke ausreichend klein und eine gute Wärmeleitung der Wärme von Flip-Chip 21 zum Kühlkörper 26 wird erreicht. Der Kühlkörper 26 kann ein externer Kühlkörper, beispielsweise ein Gehäuseteil, sein.
3 zeigt in Flussdiagramm 30 das Verfahrens zur Herstellung einer Flip-Chip Anordnung mit einem Flip-Chip mit Kontaktflächen auf einer Oberseite und einem auf der Unterseite des Flip-Chip angeordneten Kühlelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beginnt mit dem Verfahrensschritt

a) Positionieren des Flip-Chip so, dass die Unterseite frei zugänglich ist. Anschließend folgt Verfahrensschritt
b) Anordnen des Kühlelements auf der Unterseite, wobei das Kühlelement aus einem Material besteht, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip aufweist.

Vorteilhaft wird das Kühlelement auf die Unterseite des Flip-Chip mittels Klebstoff aufgeklebt.
Das Kühlelement weist vorzugsweise ein Material aus Keramik und Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern, auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf dem Kühlelement ein Kühlkörper angeordnet, wobei vorteilhaft das Kühlelement mit dem Kühlkörper mittels einem elastischen Wärmeleitmedium verbunden wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5610442 [0002, 0003]

Claims

Flip-Chip Anordnung (10, 20) mit einem Flip-Chip (11, 21) mit Kontaktflächen (12) auf einer Oberseite (13) und einem auf der einer Unterseite (14, 24) des Flip-Chip angeordneten Kühlelement (15, 22), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) aus einem Material besteht, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip (11, 21) aufweist.
Flip-Chip Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) die gesamte Unterseite (14, 24) des Flip-Chip (11, 21) abdeckt.
Flip-Chip Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kühlelement (15, 22) seitlich über den Flip-Chip (11, 21) hinaus erstreckt.
Flip-Chip Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) auf die Unterseite des Flip-Chip (11, 21) mittels Klebstoff (14, 24) aufgeklebt ist.
Flip-Chip Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) ein Material aus der Gruppe Keramik und Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern, aufweist.
Flip-Chip Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kühlelement (22) ein Kühlkörper (26) angeordnet ist.
Flip-Chip Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15) mit dem Kühlkörper (26) mittels einem elastischen Wärmeleitmedium (27) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Flip-Chip Anordnung mit einem Flip-Chip mit Kontaktflächen auf einer Oberseite und einem auf einer Unterseite des Flip-Chip angeordneten Kühlelement, mit den Verfahrensschritten a) Positionieren des Flip-Chip so, dass die Unterseite frei zugänglich ist; b) Anordnen des Kühlelements auf der Unterseite, wobei das Kühlelement aus einem Material besteht, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement auf die Unterseite des Flip-Chip mittels Klebstoff aufgeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement ein Material aus der Gruppe Keramik und Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kühlelement ein Kühlkörper angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement mit dem Kühlkörper mittels einem elastischen Wärmeleitmedium verbunden wird.