DE102013019514A1 - Chipgehäuse mit niedrigem profil und mit modifiziertem wärmeverteilungselement - Google Patents

Chipgehäuse mit niedrigem profil und mit modifiziertem wärmeverteilungselement Download PDF

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Abstract

Ein integriertes Schaltungssystem umfasst ein Wärmeverteilungselement, das thermisch mit einem Halbleiterchip verbunden ist und eine Aussparung oder Öffnung aufweist, die in dem Wärmeverteilungselement ausgebildet ist. Die Aussparung oder die Öffnung ist so angeordnet, dass Kondensatoren und/oder andere passive Komponenten, die an dem gleichen Gehäusesubstrat wie der Halbleiterchip montiert sind, zumindest teilweise in der Aussparung oder der Öffnung aufgenommen sind. Da die passiven Komponenten in der Aussparung oder der Öffnung angeordnet sind, hat das integrierte Schaltungssystem eine reduzierte Gehäusedicke.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen generell Gehäusetechniken für integrierte Schaltungschips und insbesondere ein Chipgehäuse mit niedrigem Profil und mit modifiziertem Wärmeverteilungselement.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • In der Gehäusetechnik für integrierte Schaltungs-(IC)Chips ist es generell wünschenswert, die Größe und die Dicke von Chipgehäusen zu minimieren. In mobilen Rechengeräten, etwa in intelligenten Telefonen, mobilen Computern, elektronischen Tablett-Geräten, und dergleichen ist es insbesondere wünschenswert, die Dicke von IC-Gehäusen zu minimieren, so dass derartige Mobilgeräte weiterhin in Größe und Gewicht reduziert werden können. Generell kann jedoch die Dicke eines typischen IC-Gehäuses nicht in einfacher Weise aufgrund der mechanischen Wechselwirkung zwischen den diversen Komponenten des Chipgehäuses verringert werden. Dies gilt insbesondere für IC-Gehäuse bzw. IC mit Gehäuse, die Kondensatoren oder andere passive Bauelemente enthalten, die auf dem gleichen Substrat montiert sind wie der IC-Chip, da derartige externe Bauelemente stärker zur Dicke der IC mit Gehäuse beitragen, als der IC-Chip selbst, wodurch die minimale Dicke der IC mit Gehäuse begrenzt wird.
  • Daher gibt es einen Bedarf im Stand der Technik für eine IC mit Gehäuse, die eine reduzierte Dicke aufweist.
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein integriertes Schaltungssystem mit einer reduzierten Gehäusedicke. Das IC-System umfasst ein Wärmeverteilungselement, das thermisch mit einem Halbleiterchip gekoppelt ist und eine Aussparung oder Öffnung aufweist, die in dem Wärmeverteilungselement ausgebildet ist. Die Aussparung oder Öffnung ist so positioniert, dass Kondensatoren und/oder andere passive Komponenten, die auf dem Gehäusesubstrat montiert sind, zumindest teilweise in der Aussparung oder der Öffnung angeordnet sind.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine gegenseitige Störung zwischen passiven Bauelementen, die auf dem Gehäusesubstrat montiert sind, und dem Wärmeverteilungselement vermieden werden, so dass die Dicke des IC-Systems nur durch die Dicke des IC-Chips und des Wärmeverteilungselements beschränkt ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Um die Art und Weise, in der die oben genannten Merkmale der vorliegenden Erfindung detailliert verstanden werden können, anzugeben, wird eine speziellere Beschreibung der Erfindung, die zuvor kurz zusammengefasst ist, mit Bezug zu Ausführungsformen angegeben, wovon einige in den angefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die angefügten Zeichnungen nur typische Ausführungsformen dieser Erfindung darstellen, und daher nicht dazu gedacht sind, ihren Schutzbereich einzuschränken, da die Erfindung andere gleichermaßen wirksame Ausführungsformen zulässt.
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines integrierten Schaltungssystems, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist.
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des IC-Systems aus 1 entlang einem Schnitt A-A in 1.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines IC-Systems, das gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist.
  • 4 zeigt eine Recheneinrichtung, in der eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingerichtet werden können.
  • Der Klarheit halber werden, wo dies möglich ist, identische Bezugszeichen verwendet, um identische Elemente zu kennzeichnen, die in den Figuren gemeinsam auftreten können. Zu berücksichtigen ist, dass Merkmale einer Ausführungsform in anderen Ausführungsformen enthalten sein können, ohne dass dies speziell beschrieben ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines integrierten Schaltungs-(IC)Systems 100, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist. Das IC-System 100 umfasst einen IC-Chip (der in 2 dargestellt ist) und eine zugehörige Gehäuseanordnung 150, die ausgebildet ist, den IC-Chip elektrisch und mechanisch mit einer gedruckten Leiterplatte zu verbinden. Wie gezeigt, umfasst das IC-System 100 ferner ein Wärmeverteilungselement 151, das eine oder mehrere darin ausgebildete Öffnungen 152 aufweist.
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des IC-Systems 100 entlang des Schnittes A-A in 1. Das IC-System 100 enthält einen IC-Chip 120, eine oder mehrere passive Komponenten 130 und eine Gehäuseanordnung 150. Die Gehäuseanordnung 150 enthält das Wärmeverteilungselement 151, die darin ausgebildeten Öffnungen 152, ein Gehäusesubstrat 153 und Gehäuseanschlüsse 154.
  • Der IC-Chip 120 ist ein Halbleiterchip, etwa eine zentrale Recheneinheit (CPU), eine grafische Verarbeitungseinheit (GPU), ein Anwendungsprozessor, eine Speichereinrichtung oder eine andere Logikeinrichtung, ein System-auf-Chip, oder ein beliebiger Halbleiterchip, der genügend Wärme während des Betriebs erzeugt, so dass der von der Verwendung des Wärmeverteilungselements 151 profitiert. Generell ist der IC-Chip 120 ein nicht eingekapselter Chip, der nicht in einem Chipträger oder einem Gehäuse enthalten ist. Ferner ist der IC-Chip 120 auf dem Gehäusesubstrat 153 montiert und mit diesem elektrisch verbunden. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der IC-Chip 120 mit dem Gehäusesubstrat 153 elektrisch durch Mikro-Höker verbunden, die mit Verbindungsflächen verlötet sind, die auf dem Gehäusesubstrat 153 ausgebildet sind. Elektrische Verbindungen zwischen dem IC-Chip 120 und dem Gehäusesubstrat 153 können jedoch unter Anwendung einer beliebigen technisch machbaren Vorgehensweise hergestellt werden, die im Stand der Technik bekannt ist, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Unterfütterung bzw. Unterfüllung, Übergießen oder andere technisch machbare Gehäusetechniken können eingesetzt werden, um die elektrischen Verbindungen zwischen dem IC-Chip 120 und dem Gehäusesubstrat 153 zu schützen.
  • Die passiven Komponenten 130 sind ebenfalls auf dem Gehäusesubstrat 153 montiert und mit diesem elektrisch verbunden, und können Entkopplungskondensatoren, Widerstände, Induktivitäten oder andere passive elektrische Komponenten umfassen, die auf dem Gehäusesubstrat 153 montiert sind. Entkopplungskondensatoren werden typischerweise verwendet, um ein Rauschen auf Versorgungsleitungen und Signalleitungen zu dem IC-Chip 120 während des Betriebs zu reduzieren, und Induktivitäten und Widerstände, die auf dem Gehäusesubstrat 153 montiert sind, können verwendet werden, um ähnliche Funktionen auszuführen. In dem Maße, wie die Größe der IC-Chips, etwa des IC-Chips 120, zunehmend in der Dicke reduziert wird, erstrecken sich gegebenenfalls die passiven Komponenten 130, die auf dem Gehäusesubstrat 153 montiert sind, weiter über das Gehäusesubstrat 153 im Vergleich zu dem IC-Chip 120 hinaus. Insbesondere kann eine Höhe 135 der passiven Komponenten 130 größer sein als eine Dicke 125 des IC-Chips 120. Folglich ist eine minimale Dicke 105 des IC-Systems 100 durch die Höhe 135 der passiven Komponenten 130 anstatt durch die Dicke 125 des IC-Chips 120 bestimmt. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch Aussparungen oder Schlitze 152 in dem Wärmeverteilungselement 151 ausgebildet und zu den passiven Komponenten 130 so ausgerichtet, dass die passiven Komponenten 130 teilweise in den Aussparungen oder Schlitzen 152 angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Höhe 135 der passiven Komponenten 130 größer sein als die Dicke 125 des IC-Chips 120, ohne die minimale Dicke 105 des IC-Systems 100 zu vergrößern.
  • Die Gehäuseanordnung 150 schützt den IC-Chip 130 vor Umgebungsfeuchtigkeit und anderer Kontamination, minimiert mechanische Stöße und Belastungen auf den IC-Chip 120 und ermöglicht elektrische Verbindungen zwischen dem IC-Chip 120 und einer gedruckten Leiterplatte oder einem anderen Montagesubstrat, das außerhalb des IC-Systems 100 ist. Das Wärmeverteilungselement 151 der Gehäuseanordnung 150 ist thermisch mit dem IC-Chip 120 gekoppelt, um eine Übertragung von Wärme zu verbessern, die von den IC-Chip 120 erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen ist das Wärmeverteilungselement 151 aus einem einzelnen Metallstück mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt, etwa einer gestanzten Kupfer- oder Aluminiumplatte. Zu geeigneten Materialien für das Wärmeverteilungselement 151 gehören Kupfer, Aluminium oder ein anderes Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die zumindest gleich der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist, d. h. mindestens ungefähr 230 WB m–1K–1 ist.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Wärmeverteilungselement 151 thermisch mit dem IC-Chip 120 gekoppelt, indem es in direktem Kontakt damit angeordnet ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist das Wärmeverteilungselement 151 thermisch mit dem IC-Chip 120 durch ein thermisches Grenzschichtmaterial 159, das dazwischen angeordnet ist, verbunden. Das thermische Grenzschichtmaterial 159 ist eine dünne Schicht eines wärmeleitenden Materials, das ausgebildet ist, die Wärmeleitung zwischen dem IC-Chip 120 und dem Wärmeverteilungselement 151 zu maximieren. Zu geeigneten Materialien für das thermische Grenzschichtmaterial 159 gehören wärmeleitende Gele, thermische Schmiermittel, Lotmaterialien oder eine wärmeleitende Schicht, etwa mechanisch komprimierbares Spaltenfüllmaterial.
  • Ferner enthält das Wärmeverteilungselement 151 eine oder mehrere Aussparungen oder Öffnungen, etwa die Schlitze 152, die zu einer oder mehreren Komponenten, die auf dem Gehäusesubstrat 150 montiert sind, etwa die passiven Komponenten 130, ausgerichtet sind. Da die Schlitze 152 zu den passiven Komponenten 130 ausgerichtet sind, sind die passiven Komponenten 130 teilweise in den Schützen 152 aufgenommen, und die minimale Dicke 105 des IC-Systems 100 wird beträchtlich verringert. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die Öffnungen oder Aussparungen in dem Wärmeverteilungselement 151 vollständig durch das Wärmeverteilungselement 151 hindurch, wie in den 1 und 2 gezeigt ist. In derartigen Ausführungsformen können die Schlitze 152 durch eine beliebige technisch machbare Vorgehensweise, etwa maschinelle Bearbeitung, Stanzen und dergleichen hergestellt werden. In anderen Ausführungsformen erstrecken sich die Aussparungen, die in dem Wärmeverteilungselement 151 ausgebildet sind, nicht notwendigerweise durch das Wärmeverteilungselement 151. Eine derartige Ausführungsform ist nachfolgend in Verbindung mit 3 beschrieben.
  • Das Gehäusesubstrat 153 verleiht dem IC-System 100 strukturelle Steifigkeit und stellt eine elektrische Schnittstelle zur Signalführung von Eingangs- und Ausgangssignalen und Leistung zwischen dem IC-Chip 120 und einer gedruckten Leiterplatte oder einer anderen Montageeinrichtung bereit. Das Gehäusesubstrat 152 ist generell steif und typischerweise ein thermisch isolierendes Substrat, auf welchem der IC-Chip 120 montiert ist. In einigen Ausführungsformen ist das Gehäusesubstrat 152 ein schichtbasiertes Substrat und ist aus einem Stapel aus Aufbauschichten 153A oder Laminaten zusammengesetzt, die auf der Oberseitenfläche und der Unterseitenfläche eines Kerns 153B aufgebaut sind. Zwischenverbindungsschichten, die in den Aufbauschichten 153A ausgebildet sind, und leitende Durchführungen 153C, die in den Kernen 153B ausgebildet sind, stellen leitende Bahnen zwischen den IC-Chip 120 und den Gehäuseanschlüssen 154 bereit. Obwohl die Ausführungsform des IC-Systems 100, die in 2 gezeigt ist, zwei Aufbauschichten 153A auf jeder Oberfläche des Kerns 153B enthält, ist zu beachten, dass das Gehäusesubstrat 153 stattdessen auch mehr oder weniger Aufbauschichten 153A aufweisen kann, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Ferner umfasst in einigen Ausführungsformen das Gehäusesubstrat 152 eine geeignete Substratstruktur für die Montage des IC-Chips 120 und der passiven Komponenten 130. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen das Gehäusesubstrat 153 ein Substrat eines Zwischenelements statt eines geschichteten Gehäusesubstrats sein. In einer derartigen Ausführungsform kann das Zwischenelementsubstrat aus einer Halbleiterscheibe hergestellt sein, und hat eine oder mehrere Schichten für Zwischenverbindungen, die darauf ausgebildet sind, und kann Siliziumdurchführungen aufweisen, um elektrische Verbindungen von einer Seite des Zwischenelements zu der anderen Seite bereitzustellen.
  • Die Gehäuseanschlüsse 154 stellen elektrische Verbindungen zwischen dem IC-System 100 und einem Montagesubstrat außerhalb des IC-Systems 100 bereit, etwa zu einer gedruckten Leiterplatte. Die Gehäuseanschlüsse 154 können eine beliebige technisch machbare elektrische Chipgehäuseverbindung enthalten, die im Stand der Technik bekannt ist, wozu ein Kugelgitter-Array (BGA), ein Stiftgitter-Array (PGA) und dergleichen gehören.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines IC-Systems 300, das gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist. Das IC-System 300 ist im Wesentlichen ähnlich in Aufbau und Funktion zu dem IC-System 100 in 2 und umfasst den IC-Chip 120, die eine oder die mehreren passiven Komponenten 130 und eine Gehäuseanordnung 350. Die Gehäuseanordnung 350 unterscheidet sich von der Gehäuseanordnung 150 in 2 dahingehend, dass die Gehäuseanordnung 350 ein Wärmeverteilungselement 351 mit darin ausgebildeten Aussparungen 352 enthält anstelle von Öffnungen, die vollständig durch das Wärmeverteilungselement 351 hindurch ausgebildet sind. Wie gezeigt, sind die Aussparungen 352 zu den passiven Komponenten 130 so ausgerichtet, dass die passiven Komponenten 130 teilweise darin angeordnet sind, wodurch die minimale Dicke 105 des IC-Systems 300 reduziert wird. Die Aussparungen 352 können durch maschinelle Bearbeitung oder durch eine andere technisch machbare Vorgehensweise, die im Stand der Technik bekannt ist, hergestellt werden.
  • 4 zeigt ein Rechensystem, in welchem eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingerichtet werden können. Insbesondere ist 4 eine Blockansicht eines Computersystems 400 mit einem Halbleiterbauelement mit Gehäuse 420, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Wie gezeigt, umfasst das Computersystem 400 einen Speicher 410 und ein Halbleiterbauelement mit Gehäuse 420, das mit dem Speicher 410 verbunden ist. Das Computersystem 400 kann ein Tischrechner, ein tragbarer Rechner, ein intelligentes Telefon, ein digitaler Tablett-Rechner, ein persönlicher digitaler Assistent oder ein anderes technisch machbares Rechengeräte sein. Der Speicher 410 kann flüchtige, nicht-flüchtige und/oder entfernbare Speicherelemente, etwa Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), eine magnetische oder optische Festplatte, einen Flash-Speicher und dergleichen umfassen. Das Halbleiterbauelement mit Gehäuse 420 ist in Aufbau und Funktion im Wesentlichen ähnlich zu dem IC-System 100 oder 200, die zuvor in Verbindung mit den 1–3 beschrieben sind, und kann eine CPU, eine GPU, einen Anwendungsprozessor oder ein anderes Logikbauelement, oder ein beliebiges anderes einen IC-Chip enthaltendes Bauelement umfassen.
  • Zusammengefasst gilt: Ausführungsformen der Erfindung stellen ein IC-System mit einer reduzierten Gehäusedicke bereit. Das IC-System umfasst ein Wärmeverteilungselement, das thermisch mit einem Halbleiterchip gekoppelt ist und eine Aussparung oder eine Öffnung aufweist, die in dem Wärmeverteilungselement ausgebildet und so positioniert ist, dass Kondensatoren und/oder andere passive Bauelemente, die auf dem Gehäusesubstrat montiert sind, zumindest teilweise in der Aussparung oder der Öffnung aufgenommen werden. Vorteilhafterweise ist die Dicke eines derartigen IC-Systems durch die Dicke des IC-Chips anstatt durch die Höhe der passiven Komponenten, die auf dem gleichen Gehäusesubstrat wie der IC-Chip montiert sind, vorgegeben.
  • Obwohl das Vorhergehende sich an Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung richtet, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung erdacht werden, ohne von ihrem grundlegenden Schutzbereich abzuweichen, und ihr Schutzbereich ist durch die folgenden Patentansprüche festgelegt.

Claims (10)

  1. Ein System mit: einem Halbleiterchip, der auf einem Gehäusesubstrat montiert ist; einem Wärmeverteilungselement mit einem Teil einer Oberfläche, der thermisch mit dem Halbleiterchip gekoppelt ist, und mit einer Aussparung, die in der Oberfläche ausgebildet ist; und einem passiven Bauelement, das auf dem Substrat montiert und zumindest teilweise in der Aussparung angeordnet ist.
  2. Das System nach Anspruch 1, das ferner ein thermisches Grenzflächenmaterial aufweist, das zwischen dem Wärmeverteilungselement und dem Halbleiterchip angeordnet ist.
  3. Das System nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip eine zentrale Recheneinheit oder eine grafische Verarbeitungseinheit umfasst.
  4. Das System nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Gehäusesubstrat oder ein Gehäusezwischenelement umfasst.
  5. Das System nach Anspruch 1, wobei das passive Bauelement einen Kondensator, einen Widerstand oder eine Induktivität umfasst.
  6. Das System nach Anspruch 1, wobei das Wärmeverteilungselement ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von gleich oder größer ungefähr 230 W m–1K–1 aufweist.
  7. Das System nach Anspruch 1, das ferner mehrere passive Bauelemente, die auf dem Substrat montiert sind, und mehrere in der Oberfläche ausgebildete Aussparungen aufweist, wobei jedes der passiven Bauelemente zumindest teilweise in einer der Aussparungen angeordnet ist.
  8. Das System nach Anspruch 1, wobei die Aussparung eine Öffnung umfasst, die sich durch das Wärmeverteilungselement erstreckt.
  9. Das System nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip kürzer als das passive Bauelement ist.
  10. Das System nach Anspruch 1, das ferner ein zweites passives Bauelement aufweist, das an dem Substrat montiert ist und zumindest teilweise in der Aussparungen angeordnet ist.
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