DE102011083126A1

DE102011083126A1 - Mikrochip und Mikrochip-Anordnung mit einer Wärme ableitenden Umhüllung

Info

Publication number: DE102011083126A1
Application number: DE201110083126
Authority: DE
Inventors: Michael Clossen-von Lanken Schulz; Kai Kadau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Mikrochip (13) mit einer Wärme ableitenden Umhüllung. Diese kann erfindungsgemäß durch Graphenstrukturen (19, 18) gebildet werden, welche aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitungseigenschaften eine effiziente Abfuhr der im Mikrochip (13) entstehenden Wärme gewährleisten. Die Wärmeabfuhr kann durch einen Lüfter (20) zusätzlich unterstützt werden. Das Graphen kann auf die Oberfläche des Mikrochips (13) aufgewachsen werden. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Umhüllung mit mehreren blattartigen Lamellen (18).

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrochip und eine Mikrochip-Anordnung mit einer Wärme ableitenden Umhüllung.
Mikrochips mit Gehäusen sind allgemein bekannt. Diese Gehäuse gewährleisten neben einen Schutz gleichzeitig eine Ableitung von Wärme aus dem Mikrochip. Allerdings wird eine möglichst schnelle Wärmeableitung immer wichtiger bei der fortschreitenden Fortentwicklung der Mikrochips hinsichtlich ihrer Baugröße und ihrer Datenverarbeitungsgeschwindigkeit. Die Performance von Computern hängt im Wesentlichen vom Einsatz verbesserter CPUs und GPUs ab. Mit fortschreitender Rechenleistung steigt auch das Problem einer genügenden Wärmeabfuhr aus den Mikrochips.
Eine Möglichkeit, die Kühlung von Mikrochips zu verbessern, liegt beispielsweise darin, eine Luftkühlung durch eine Luftventilation im Gehäuse des Computers zu realisieren.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, Mikrochips mit Wärme ableitenden Umhüllungen anzugeben, bei denen eine verbesserte Wärmeabfuhr möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den eingangs angegebenen Mikrochip dadurch gelöst, dass die Umhüllung Graphen enthält. Bei Graphen handelt es sich um Strukturen aus Kohlenstoff, bei denen der Kohlenstoff in einem Netz wabenförmig angeordnet ist. Hierdurch entsteht ein zweidimensionales Netzwerk, welches eine hohe thermische Stabilität (Schmelzpunkt über 3000°C) und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit (ca. 5000 W / m·K ) aufweist. Hierdurch ist eine Wärmeableitung aus den Mikrochips vorteilhaft auf sehr effektive Weise möglich. Die Wärme wird sofort aus dem Chip geleitet, wodurch vorteilhaft auch eine passive Kühlung ohne den Einsatz von Lüftern möglich ist. Hierdurch können vorteilhaft größere Leistungen der Mikrochips realisiert werden. Die Wärmeabfuhr erfolgt überdies vorteilhaft passiv und nicht durch eine aktive Kühlung beispielsweise mittels Luft. Hierdurch wird Energie eingespart und gleichzeitig kann das Arbeitsgeräusch des Computers, der den Mikrochip verwendet, verringert werden.
Es ist möglich, dass die Umhüllung nur aus Graphen besteht. Mit anderen Worten kommt kein anderer Stoff zum Einsatz. Der Mikrochip kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise mit den Graphenstrukturen, die blattförmig ausgebildet sind, umwickelt werden. Auch ist es möglich, dass die Graphenstrukturen direkt auf das Material des Mikrochips aufgewachsen sind. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders gute Wärmeableitung erreicht werden, da eine gute thermische Kontaktierung möglich ist. Auch ist es möglich, dass die Graphenstrukturen beispielsweise nach dem Umwickeln oder Auflegen mit dem Mikrochip verbunden werden. Dies kann z. B. durch ein Ultraschall- oder Mikrowellenschmelzen des Graphens erfolgen. Auch ist es möglich, die Graphenstrukturen mittels eines Lasers aufzuschmelzen. Hierdurch entsteht punktuell eine innige Verbindung des Graphens mit dem Mikrochip, wodurch vorteilhaft der Wärmeübergang von dem Mikrochip auf das Graphen verbessert wird. Anschließend kann die gute Wärmeleitung des Graphens genutzt werden, die um eine Größenordnung höher liegt, als die beispielsweise von Kupfer.
Eine andere Möglichkeit, das Graphen auf dem Mikrochip zu befestigen, liegt darin, das Graphen in ein Umhüllungsmaterial einzubetten. Dieses kann beispielsweise aus einem Kunststoff bestehen, wobei hierdurch gleichzeitig ein Schutz des Mikrochips erreicht wird. Das Graphen wird durch die Einbettung auf den Mikrochip fixiert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Graphen direkt auf der Oberfläche des Mikrochips anliegt, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen. Auch kann man Graphen, was beispielsweise durch ein Aufwachsen auf den Mikrochip bereits innig mit diesem verbunden ist, zusätzlich zumindest teilweise in ein Umhüllungsmaterial einbetten. Hierdurch wird die Verbindung zwischen dem Mikrochip und dem Graphen geschützt, so dass einerseits ein guter Wärmeübergang von dem Mikrochip in das Graphen möglich ist, andererseits aber der Mikrochip durch das Umhüllungsmaterial zusätzlich geschützt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Graphenstrukturen von der Außenseite der Umhüllung abstehen. Hierdurch wird eine Oberflächenvergrößerung erreicht. Die Wärme kann daher von den Graphenstrukturen einfacher an die Umgebung abgegeben werden. Dies kann zusätzlich noch durch die bereits erwähnte Lüftung unterstützt werden, wenn eine besonders schnelle Wärmeabfuhr erforderlich ist.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die Graphenstrukturen mit einem Substratbauteil für den Mikrochip verbunden sind. Hierdurch kann auch eine Wärmeableitung in das Substratbauteil erfolgen. Außerdem ist es auch möglich, Wärme aus dem Spalt zwischen dem Mikrochip und dem Substratbauteil herauszuleiten und beispielsweise in den blattförmig abstehenden Graphenstrukturen an die Umgebung abzugeben. Dies ist in solchen Fällen von besonderem Vorteil, in denen das Substratbauteil beispielsweise durch eine hohe Packungsdichte an Mikrochips thermisch zu stark beansprucht wird.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Mikrochip Ausnehmungen, insbesondere Löcher, aufweisen, die mit Graphen ausgefüllt sind. Hierdurch werden mehrere Vorteile erreicht. Einmal wird die Oberfläche des Mikrochips vergrößert, so dass eine schnellere Wärmeabgabe an das Graphen erfolgen kann. Außerdem können die Löcher auch einer zuverlässigeren Befestigung des Graphens dienen, da die Ausnehmungen (insbesondere Löcher) zusätzliche Möglichkeiten einer Fixierung schaffen. Insbesondere können die Löcher nach Einbringen des Graphens mit dem bereits erwähnten Umhüllungsmaterial ausgefüllt werden. Dabei kann eine Umhüllung der Oberfläche des Mikrochips wahlweise unterbleiben oder zwecks eines zusätzlichen Schutzes vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Mikrochip als Sandwich-Konstruktion, bestehend aus Graphenstrukturen und einem Wafermaterial ausgeführt ist. Hierdurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Wärmeableitung auch innerhalb des Wafers verbessert werden kann. Hierdurch können Temperaturspitzen auf dem Wafer vermieden werden, wenn örtlich eine besondere Aktivität des durch den Wafer realisierten Mikrochips entsteht. Eine Wärmeableitung erfolgt nicht nur oberhalb der Oberfläche des Mikrochips, sondern auch in dessen Inneren. Durch eine Vergleichmäßigung der Wärmeentstehung innerhalb des Mikrochips (erreicht durch die interne Wärmeableitung) kann auch eine Wärmeabgabe nach extern durch die außerhalb des Mikrochips angebrachten Graphenstrukturen besser erfolgen.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe gelingt auch mit einer Mikrochipanordnung mit mehreren Mikrochips. Diese ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der oben bereits beschriebenen Mikrochips mit einer gemeinsamen Umhüllung versehen werden. Diese weist die oben bereits beschriebenen Eigenschaften auf, so dass insbesondere bei einer großen Packungsdichte, also der Verwendung mehrerer Mikrochips, die in großer räumlicher Nähe zueinander angeordnet und elektrisch kontaktiert werden können, die hoch konzentriert entstehende Wärme zuverlässig abgeführt werden kann. Insbesondere können die Mikrochips in der Umhüllung gestapelt werden. Dann ist es möglich, zwischen den jeweiligen Mikrochips verbleibende Spalte vorzusehen, die durch Graphenstrukturen ausgefüllt werden können. Diese Zwischenräume können auch der elektrischen Kontaktierung der Mikrochips untereinander dienen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrochip-Anordnung, bei der drei Mikrochips gestapelt und auf einem Substratbauteil montiert sind, im Schnitt,
2 ein Ausführungsbeispiel eines einzelnen Mikrochips, montiert auf einem Substratbauteil, im Schnitt und
3 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele von Mikrochips vor einer Montage im Schnitt.
In 1 ist ein Substratbauteil 11 dargestellt, auf dem ein Stapel 12 von Mikrochips 13 durch elektrische Kontaktierungen 14 befestigt ist. Der Stapel 12 ist durch Graphenstrukturen 15 umgeben, die eine Umhüllung 16 bilden und teilweise auch auf dem Substratbauteil 11 aufliegen. Die Haftung der Graphenstrukturen 15 auf dem Substratbauteil 11 kann beispielsweise durch einen Laserstrahl verbessert werden.
Gemäß 2 ist ein einzelner Mikrochip 13 mit Kontaktierungen 14 auf dem Substratbauteil 11 befestigt. Zwischen dem Mikrochip 13 und dem Substratbauteil 11 sind Graphenstrukturen 18 eingeklemmt. Außerdem sind auf der Oberfläche des Mikrochips 13 Graphenstrukturen 19 aufgewachsen, die aufgrund ihrer zweidimensionalen Ausdehnung blattartig von der Oberfläche des Mikrochips 13 abstehen. Hierdurch kann insbesondere bei Unterstützung durch einen mittels eines Lüfters 20 erzeugten Luftstroms 21 eine verbesserte Kühlung des Mikrochips 13 erreicht werden.
Der Mikrochip 13 gemäß 3 weist Löcher 22 auf, die zur Aufnahme von Graphenstrukturen 15 dienen können. Diese können durch die Löcher zusätzlich fixiert werden, wobei eine Umwicklung des Mikrochips 13 mit den Graphenstrukturen 15 möglich ist. Zusätzlich kann in nicht dargestellter Weise in den Löchern 22 ein Material eingegossen werden, mit dem die Graphenstrukturen fixiert werden können. Allerdings kann auch der durch die in den Löchern 22 befindlichen Graphenstrukturen 15 bewirkte Formschluss schon zu einer Befestigung der Graphenstrukturen 15 führen. Außerdem wird der Wärmeübergang zwischen dem Mikrochip 13 und den Graphenstrukturen 15 über die Oberfläche der Löcher 22 verbessert. Vorteilhaft könen die Löcher auf der senkrecht zur Zeichnungsebene liegenden Chipoberfläche auf den Ecken eines hexagonalen oder quadratischen Gitters angeordnet sein.
In 4 ist zu erkennen, dass Graphenstrukturen 23 auch durch das Aufbringen eines Umhüllungsmaterials 24 auf der Oberfläche des Mikrochips 13 befestigt werden können. Dabei sollten die Graphenstrukturen möglichst nahe an der Oberfläche des Mikrochips befindlich sein, um einen Wärmeübergang zu verbessern. Auch die in das Umhüllungsmaterial 24 eingebrachten Graphenstrukturen 23 können wie die aufgewachsenen Graphenstrukturen 19 von der Oberfläche des Mikrochips 13 abstehen, so dass eine verbesserte Kühlung erreicht wird. Sie sind somit nicht vollständig in das Umhüllungsmaterial 24 eingebettet.
In 5 ist ein Mikrochip 13 dargestellt, der als Sandwich von Graphenstrukturen 25 und dem Wafermaterial 26 besteht. Dieser ist schichtweise aufgebaut, so dass sich im Inneren des Mikrochips Graphenstrukturen befinden. Diese ermöglichen eine bessere Verteilung der Wärme in dem Mikrochip. Neben einer Wärmeabfuhr aus besonders stark belasteten Oberflächenbereichen des Mikrochips 13 wird auch ein gleichmäßigeres Temperaturprofil im Mikrochip 13 erreicht, wodurch beispielsweise die Entstehung thermisch bedingter Spannungen verringert werden kann.

Claims

Mikrochip (13) mit einer Wärme ableitenden Umhüllung (16) dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (16) Graphen enthält.
Mikrochip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (19) aus Graphen besteht.
Mikrochip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Graphen in ein Umhüllungsmaterial (24) eingebettet ist.
Mikrochip nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Graphenstrukturen (19) auf das Material des Mikrochips (13) aufgewachsen sind.
Mikrochip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (13) mit Graphenstrukturen (15) umwickelt ist.
Mikrochip nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphenstrukturen (19, 23) von der Außenseite der Umhüllung abstehen.
Mikrochip nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphenstrukturen (15, 18) mit einem Substratbauteil (11) für den Mikrochip (13) verbunden sind.
Mikrochip nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (13) Ausnehmungen, insbesondere Löcher (22) aufweist, die mit Graphen ausgefüllt sind.
Mikrochip nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochip (13) als Sandwich-Konstruktion, bestehend aus Graphenstrukturen (25) und einem Wafermaterial (26), ausgeführt ist.
Mikrochip-Anordnung mit mehreren Mikrochips, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mikrochips (13) nach einem der voranstehenden Ansprüche in einer gemeinsamen Umhüllung (16) untergebracht sind.
Mikrochip-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrochips (13) in der Umhüllung gestapelt sind.
Mikrochip-Anordnung nach einem der 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrochips (13) untereinander elektrisch kontaktiert sind.