DE102017122053A1 - Magnetisches Phasenwechselmaterial zur Wärmeabfuhr - Google Patents

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Abstract

Eine elektronische Komponente (100) weist einen elektronischen Chip (102) und ein magnetisches Phasenwechselmaterial (104), das konfiguriert ist zum Verbrauchen von Energie beim Wechseln zwischen unterschiedlichen magnetischen Phasen in Antwort auf ein Erwärmen oberhalb einer Phasenwechseltemperatur, auf, wobei das Phasenwechselmaterial (104) mit dem elektronischen Chip (102) thermisch gekoppelt ist, um dadurch Wärme von dem elektronischen Chip (102) beim Erwärmen bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur abzuführen.

Description

  • Hintergrund
  • Technisches Gebiet
  • Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine elektronische Komponente, ein Betriebsverfahren und ein Verfahren zum Verwenden.
  • Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
  • Herkömmliche Verkapselungsmaterialien, wie zum Beispiel Moldstrukturen, für elektronische Komponenten und insbesondere elektronische Chips haben sich auf ein Level entwickelt, wo das Package die Leistungsfähigkeit der Komponenten nicht länger signifikant behindert. Ein Verkapseln von elektronischen Komponenten während der Packageherstellung kann sie gegenüber der Umgebung schützen. Es ist auch gebräuchlich, unverkapselte Packages oder sogar nackte Chips für verschiedene elektronische Anwendungen zu verwenden.
  • Es gibt jedoch immer noch potenziell Raum, die Herstellungskosten zu reduzieren und die Bearbeitung zu vereinfachen, während die thermische Leistungsfähigkeit verbessert wird. Auch ist eine ordentliche mechanische Zuverlässigkeit erwünscht.
  • Zusammenfassung
  • Es mag ein Bedarf bestehen für eine elektronische Komponente mit effizienter Wärmeabfuhr und ordentlicher mechanischer Zuverlässigkeit.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird eine elektronische Komponente bereitgestellt, die einen elektronischen Chip und ein magnetisches Phasenwechselmaterial aufweist, das konfiguriert ist zum Verbrauchen von Energie beim Wechseln zwischen unterschiedlichen magnetischen Phasen (zum Beispiel unterschiedlichen Zuständen magnetischer Ordnung) in Antwort auf ein Erwärmen bis zu oder oberhalb einer Phasenwechseltemperatur, wobei das Phasenwechselmaterial mit dem elektronischen Chip thermisch gekoppelt ist, um dadurch Wärme von dem elektronischen Chip beim Erwärmen bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur abzuführen (insbesondere durch Schmelzen eines magnetisch geordneten Zustands an der Phasenwechseltemperatur oder Übergangstemperatur).
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das ein Bereitstellen eines elektronischen Chips, der thermisch gekoppelt mit einem magnetischen Phasenwechselmaterial ist, aufweist. Dieses Material ist konfiguriert zum Verbrauchen von Energie beim Wechseln zwischen unterschiedlichen magnetischen Phasen in Antwort auf ein Erwärmen bis zu oder oberhalb einer Phasenwechseltemperatur. Das Verfahren weist ferner ein Betreiben des elektronischen Chips auf und dadurch ein Erzeugen von Wärme, die das Phasenwechselmaterial bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur erwärmt, um dadurch Wärme von dem elektronischen Chip durch den Phasenwechsel abzuführen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein magnetisches Phasenwechselmaterial, das Energie verbraucht beim Wechseln seiner magnetischen Phase in Antwort auf ein Erwärmen, zur Temperaturstabilisierung verwendet.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Phasenwechselmaterial thermisch an einen elektronischen Chip gekoppelt. Das Phasenwechselmaterial kann von der Art sein, die Energie verbraucht beim Wechseln der Phase in Antwort auf ein Erwärmen bis zu oder oberhalb einer Phasenwechseltemperatur. Wenn der elektronische Chip erwärmt oder sogar überhitzt wird, so dass die lokale Temperatur des elektronischen Chips hoch oder sogar kritisch wird, tritt somit der Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials automatisch auf und nimmt von dem erwärmten elektronischen Chip die Energie weg, die für diesen Phasenwechsel benötigt wird. Dadurch kann eine automatische und hocheffiziente Wärmeabfuhr weg von dem elektronischen Chip erreicht werden, die in vorteilhafter Weise an einer lokal präzise definierbaren Position wirkt, d.h. der Position des Phasenwechselmaterials. Daher kann das Phasenwechselmaterial in der Nähe von einer oder mehrerer thermisch kritischen Bereichen einer elektronischen Komponente platziert werden, zum Beispiel einer oder mehrerer erwarteter oder bekannter heißer Stellen, unter Erhalt eines hocheffizienten Temperaturstabilisierungsmerkmals. Ein Vorteil von beispielhaften Ausführungsformen ist es, dass der Phasenübergang im Wesentlichen nur Elektronen an der Fermi-Kante hervorrufen kann und nahezu keinen Effekt auf die Gitterparameter des Phasenwechselmaterials (zum Beispiel eine Legierung) hat. Somit kann eine unerwünschte Erzeugung von signifikantem mechanischem Stress, der zu einem Verzug der elektronischen Komponente oder einem Teil davon, zum Beispiel ein Wafer und/oder ein Chip, führt, in vorteilhafter Weise vermieden werden.
  • Besondere Vorteile können erhalten werden, wenn das Phasenwechselmaterial ein magnetisches Material ist und der Phasenwechsel ein Wechsel von einer magnetischen Phase zu einer anderen magnetischen Phase ist: Wenn ein magnetisches Phasenwechselmaterial einen magnetischen Phasenübergang durchmacht, ändert sich seine kristalline Struktur nicht notwendigerweise signifikant. Dies kann die Ordnung der Momente von magnetischen Ionen sowie die Momente von lokalisierten Elektronen oder des itineranten Magnetismus von Elektronen in der Bandstruktur als eine Funktion ihres Spins beinhalten. In vorteilhafter Weise hat dies aber oft nur einen kleinen Effekt auf die Gitterparameter des Materials. Als ein Ergebnis ändert sich die Dichte des magnetischen Phasenwechselmaterials nicht oder zumindest nicht signifikant, wenn der magnetische Phasenwechsel auftritt. Demzufolge leidet der elektronische Chip und mögliche andere Bestandteile der elektronischen Komponente nicht unter hohem mechanischen Stress während des Phasenwechsels als eine Folge einer plötzlichen Änderung der Dichte. Daher fördert der Einsatz eines magnetischen Phasenwechselmaterials die Entfernung von Wärme von dem elektronischen Chip und garantiert gleichzeitig die mechanische Integrität der elektronischen Komponente. Gleichzeitig kann die Dicke des magnetischen Phasenwechselmaterials gering gehalten werden, was die mechanische Last, die auf die elektronische Komponente wirkt, weiter verringert.
  • Darüber hinaus ist die Schaltfrequenz eingeschränkt aufgrund der begrenzten Erholungszeit der magnetischen (insbesondere antiferromagnetischen) Ordnung, so dass eine entsprechende beispielhafte Ausführungsform insbesondere für Anwendungen mit hoher thermischer Last während des Schaltens und einer niedrigen Schaltfrequenz ideal geeignet ist, zum Beispiel für Linearmodusanwendungen (insbesondere ein Schalten zwischen zwei Leistungsquellen).
  • Beschreibung von weiteren beispielhaften Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden weitere beispielhafte Ausführungsformen der elektronischen Komponente und der Verfahren erklärt.
  • Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Ausdruck „elektronische Komponente“ insbesondere jedes beliebige Element oder Gerät bezeichnen, das mindestens einen elektronischen Chip, der Wärme während des Betriebs erzeugt, einsetzt.
  • Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Ausdruck „elektronischer Chip“ insbesondere ein nackter Chip oder ein verkapselter bzw. gekapselter Halbleiterchip bedeuten, der eine elektronische Funktion erfüllt. Zum Beispiel ist der elektronische Chip ein Halbleiterchip, insbesondere ein Leistungshalbleiterchip.
  • Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Ausdruck „Phasenwechselmaterial“ insbesondere ein Material bezeichnen, das seine Phase (vorzugsweise durch einen Phasenübergang erster Ordnung) in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Insbesondere kann solch ein Phasenwechselmaterial fest bleiben, aber es kann in unterschiedlichen Zuständen magnetischer Ordnung bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegen. Auch wenn Phasenwechselmaterialien, die fest bleiben beim Wechseln ihrer Phase, die durch eine Temperaturänderung ausgelöst ist, bevorzugt sind, können andere Ausführungsformen auch Phasenwechselmaterialien einsetzen, die die Phase zum Beispiel von fest zu flüssig wechseln und dadurch Energie verbrauchen, die zum Zerstören eines Ordnungszustands, der unterhalb der Phasenübergangstemperatur vorliegt und der oberhalb der Phasenübergangstemperatur verloren wird, benötigt wird.
  • Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Ausdruck „magnetisches Phasenwechselmaterial“ insbesondere ein Material bezeichnen, das seine magnetische Phase (vorzugsweise durch einen Phasenübergang erster Ordnung) in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Zum Beispiel sind unterschiedliche magnetische Phasen eine ferromagnetische Phase, eine ferrimagnetische Phase, eine antiferromagnetische Phase, eine paramagnetische Phase und eine diamagnetische Phase sowie gar keine magnetische Ordnung. Anschaulich gesprochen kann ein magnetisches Phasenwechselmaterial ein Schema magnetischer Ordnung oberhalb einer Phasenübergangstemperatur verlieren. Dieser Verlust an Ordnung benötigt eine bestimmte Energie, die verbraucht wird und aus der Umgebung genommen wird, wenn das magnetische Phasenwechselmaterial auf seine Phasenübergangstemperatur erwärmt wird. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann dies in vorteilhafter Weise den Temperaturanstieg stoppen, bis der Phasenübergang vollständig durchgeführt ist.
  • Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Ausdruck „thermisch gekoppelt“ insbesondere bezeichnen, dass der elektronische Chip und das Phasenwechselmaterial in solch einer Weise gekoppelt sind, dass eine Wärmeübertragung (insbesondere eine Wärmeleitung) zwischen dem Chip und dem Phasenübergangsmaterial ermöglicht ist. Zum Beispiel kann für diesen Zweck ein direkter physikalischer Kontakt zwischen dem elektronischen Chip und dem Phasenwechselmaterial aufgebaut sein.
  • Zum Beispiel sind sehr geeignete Materialien für das Phasenwechselmaterial Heuslersche Legierungen (wie CuMnAs), Nickel und/oder ein Ferrofluid. Zwei oder mehr der genannten Materialien können kombiniert werden. Heuslersche Legierungen können als magnetische intermetallische Verbindungen bezeichnet werden mit flächenzentrierter kubischer Kristallstruktur und einer Zusammensetzung von XYZ (Halb-Heuslersche) oder X2YZ (Voll-Heuslersche), wobei X und Y Übergangsmetalle (wie zum Beispiel Cu, Mn, Ni, Co, Fe) und Z aus dem p-Block (wie zum Beispiel As, In, Sn, Sb, Ga) ist. Ein Ferrofluid kann eine Suspension von kleinen ferromagnetischen Teilchen innerhalb einer Schutzhülle (zum Beispiel ein Polymer, vorzugsweise ein hochtemperaturstabiles Polymer, wie zum Beispiel Polyimid) sein. Andere magnetische Materialien können ebenfalls eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass sie einen magnetischen Phasenübergang zeigen, der Energie verbraucht beim Erwärmen durch die Phasenübergangstemperatur. Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial eine CuMnAs Legierung. Jedoch können auch andere Phasenübergangsmaterialien geeignet sein zur Chiptemperaturstabilisierung durch thermisch ausgelöste Wärmeabfuhr, insbesondere als Metallkontakt mit integrierter Kühlfunktion.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial ein magnetisches Phasenwechselmaterial, das zum Wechseln zwischen zwei nicht-ferromagnetischen Phasen konfiguriert ist. Insbesondere kann eine der nicht-ferromagnetischen Phasen eine antiferromagnetische Phase sein. Die andere nicht-ferromagnetische Phase kann eine paramagnetische Phase sein. Wenn eine der beiden beteiligten magnetischen Phasen eine antiferromagnetische Phase ist (und nicht eine ferromagnetische Phase), werden keine Spannungsspitzen durch das Phasenwechselmaterial erzeugt angesichts von Induktionseffekten während des Betriebs der elektronischen Komponente. In anderen Worten erzeugt ein magnetisches Phasenwechselmaterial in einer antiferromagnetischen Phase selbst kein makroskopisches magnetisches Feld, das die elektronische Funktionalität der elektronischen Komponente stören würde. Auch eine paramagnetische Phase ist vorteilhaft, da sie ein externes magnetisches Feld nur leicht verstärkt und daher signifikant weniger störend für die elektronische Funktionalität der elektronischen Komponente ist als ein ausgeprägter ferromagnetischer Einfluss.
  • In anderen Ausführungsformen jedoch, bei denen die Auswirkung des magnetischen Felds, das durch das Phasenwechselmaterial selbst erzeugt wird, nicht störend ist, kann auch ein magnetisches Phasenwechselmaterial mit einer ferromagnetischen Phase eingesetzt werden.
  • Anschaulich gesprochen, kann die Umordnung bzw. Neuanordnung von magnetischen Momenten, die bei dem Temperatur-ausgelösten Phasenwechsel von magnetischen Phasenwechselmaterialien beteiligt sind, Energie benötigen, die aus der Umgebung genommen wird. Diese Umgebung kann durch den elektronischen Chip definiert sein oder diesen beinhalten, der dadurch thermisch entspannt wird durch Abfuhr von Wärme, die den Phasenwechsel auslöst und dadurch abgeführt wird. Somit verwenden beispielhafte Ausführungsformen ein oder mehrere Phasenwechselmaterialien (wie zum Beispiel CuMnAs), die vorzugsweise einen Übergang von antiferromagnetischer zu paramagnetischer Phase bieten zur Erhöhung der Wärmekapazität und für Zwecke der Temperaturstabilisierung.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial ein elektrisch leitfähiges Material. Insbesondere kann solch ein Phasenwechselmaterial in vorteilhafter Weise als ein Metallkontakt mit integrierter Kühlfunktion konfiguriert sein. In solch einer Ausführungsform kann das Phasenwechselmaterial gleichzeitig auch eine elektronische Funktion erfüllen, zum Beispiel ein elektrisches Signal oder elektrische Energie zu dem elektronischen Chip zuführen, und/oder von dem elektronischen Chip zu einer elektronischen Umgebung.
  • In einer Ausführungsform erstreckt sich das Phasenwechselmaterial von dem elektronischen Chip bis zu einer äußeren Oberfläche der elektronischen Komponente. In solch einer Ausführungsform kann das Phasenwechselmaterial nicht nur die Temperatur des elektronischen Chips während des Phasenwechsels stabilisieren, sondern kann auch Elektrizität und/oder thermische Energie von dem elektronischen Chip zu der äußeren Oberfläche der elektronischen Komponente leiten.
  • In einer Ausführungsform bildet das Phasenwechselmaterial zumindest einen Teil einer Chipmetallisierung, insbesondere mindestens eine von einer front end of the line (FEOL) Metallisierung und einer back end of the line (BEOL) Chipmetallisierung. Die front end of line (FEOL) kann als der erste Abschnitt bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen bezeichnet werden, wo die einzelnen Geräte (Transistoren, Kondensatoren, Widerstände etc.) in den Halbleiter gemustert bzw. strukturiert werden. FEOL deckt im Allgemeinen alles bis zu (aber nicht einschließlich) der Abscheidung von metallischen Verbindungsschichten ab. Die back end of line (BEOL) kann als der zweite Abschnitt bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen bezeichnet werden, wo die einzelnen Geräte (Transistoren, Kondensatoren, Widerstände etc.) mit Verdrahtungen auf dem Wafer, der Metallisationsschicht, untereinander verbunden werden. BEOL beginnt im Allgemeinen, wenn die erste Schicht an Metall auf dem Wafer abgeschieden wird. BEOL beinhaltet Kontakte, isolierende Schichten, Metallebenen und Bindungsstellen für Chip-Package-Verbindungen.
  • Zum Beispiel kann der elektronische Chip ein Transistorchip sein (spezieller ein Feldeffekttransistorchip), der eine Transistorfunktion implementiert. Zum Beispiel können ein Source-Pad und ein Gate-Pad auf einer ersten Hauptoberfläche (die auch als eine Frontseite bezeichnet werden kann) des elektronischen Chips gelegen sein, während ein Drain-Pad auf einer entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden anderen Hauptoberfläche (die auch als eine Rückseite bezeichnet werden kann) des elektronischen Chips gelegen sein kann. Insbesondere kann die Rückseite (aber zusätzlich oder alternativ auch die Frontseite) mit dem magnetischen Phasenwechselmaterial gemäß einer bevorzugten Ausführungsform versehen sein. Solch ein elektronisches Gerät kann einen vertikalen Stromfluss während des Betriebs durchmachen und kann hierdurch Ohmsche Wärme erzeugen.
  • In einer Ausführungsform kann eine Zwischenschicht (die eine einzelne Schicht oder ein Stapel von mehreren Schichten sein kann) zwischen Halbleitermaterial des elektronischen Chips einerseits und dem Phasenwechselmaterial andererseits bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann solch eine Zwischenschicht eine Impfschicht sein. Solch eine Zwischenschicht kann die Haftung zwischen dem Halbleiter- (insbesondere Silicium) Material des elektronischen Chips einerseits und dem magnetischen Phasenwechselmaterial andererseits verbessern. Zum Beispiel kann solch eine Impfschicht eine Titanschicht umfassen (zum Beispiel mit einer Dicke von 200 nm) direkt auf (vorzugsweise aufgerautem) Silicium oder anderem Halbleitermaterial des elektronischen Chips. Darüber hinaus kann solch eine Impfschicht eine zusätzliche Kupferschicht (zum Beispiel mit einer Dicke von 300 nm und die als eine Passivierungsschicht dient) auf der Titanschicht umfassen und als eine Basis für das magnetische Phasenwechselmaterial dienen. Letztere kann zum Beispiel durch Techniken, wie zum Beispiel Verdampfung, Sputtern, Molekularstrahlepitaxie, elektrochemische Abscheidung etc. auf dieser Kupferschicht abgeschieden werden. Auch sind andere Zwischenschichten oder Schichtenstapel möglich, zum Beispiel eine der Folgenden: Al-Ti-Ag, Al-Ti-Ni-Ti-Ag, Al-Ti-TiN-Ti-Ni-Ti-Ag, Al-Ti-NiV-Ag, Ti-NiV-Ag, Ti-AuSn, Al-Ti-AuSn, Al-Ti-NiV-AuSn.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial so konfiguriert, dass eine Änderung der Dichte des Phasenwechselmaterials während des Phasenwechsels weniger als 10% beträgt, insbesondere weniger als 5% beträgt. Diese Eigenschaft von vielen magnetischen Phasenwechselmaterialien, die eine ausgeprägte Änderung in der Elektronenhülle (die hauptsächlich für das magnetische Verhalten verantwortlich ist) oder ein Aufspalten der Banden in Spin-up- und Spin-down-Banden, was mit einem Energiegewinn einhergeht, das den itineranten geordneten Zustand stabilisiert, aber nicht so sehr in dem Kristallgitter während des Wechsels der Phasen erfahren, ist sehr vorteilhaft, um den mechanischen Stress innerhalb der elektronischen Komponente klein zu halten.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial so konfiguriert, dass die Phasenwechseltemperatur in einem Bereich zwischen -100 °C und 700 °C, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 °C und 200 °C, ist. Bei Ausführungsformen, bei denen Leistungspackages in Siliciumcarbidtechnologie eingesetzt werden, kann ein Phasenwechsel in einem Bereich zwischen 50 °C und 700 °C relevant sein. In anderen Ausführungsformen, bei denen Leistungspackages in Siliciumtechnologie eingesetzt werden, kann ein Phasenwechsel in einem Bereich zwischen 50 °C und 250 °C, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 °C und 150 °C, relevant sein. In noch anderen Ausführungsformen, zum Beispiel bei Halbleitersensoren, sind sogar Betriebstemperaturen bis hinunter zu -100 °C möglich. In Abhängigkeit von der Anwendung können Phasenwechselmaterialien mit sehr unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen eingesetzt werden.
  • In einer Ausführungsform hat das Phasenwechselmaterial eine Dicke von weniger als 5 µm, insbesondere von weniger als 1,5 µm, ganz besonders von weniger als 1 µm. Noch allgemeiner kann die Dicke des Phasenwechselmaterials sehr klein sein aufgrund der Energiesenke bzw. des Energieabflusses bei dem Phasenübergang. Die genannten kleinen Dicken der Schichten an Phasenwechselmaterial (die zum Beispiel die Metallisierung eines elektronischen Chips oder eines Teils davon bilden) verhindern einerseits eine unerwünschte Zunahme an mechanischem Stress aufgrund einer sehr dicken Metallisierung, was sehr vorteilhaft und gleichzeitig kritisch ist, insbesondere für sehr kleine Halbleiterchips (zum Beispiel mit einer Dicke unter 50 µm). Gleichzeitig und synergistisch sind solche kleinen Dicken ausreichend, um trotzdem zuverlässig Wärme zu entfernen und die Temperatur des elektronischen Chips zu stabilisieren, selbst unter den harschen Bedingungen der Leistungshalbleitertechnologie.
  • Jedoch in anderen Ausführungsformen kann das Phasenwechselmaterial andere Dicken haben als die in dem vorstehenden Absatz genannten.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial konfiguriert zum Durchmachen eines Fest/Fest-Phasenübergangs. In anderen Worten kann das Phasenwechselmaterial in all den unterschiedlichen magnetischen Phasen fest sein. Somit kann zuverlässig verhindert werden, dass eine flüssige oder gasförmige Phase sich von einem verbleibenden festen Teil der elektronischen Komponente beim Phasenwechsel abtrennt. Wenn das Phasenwechselmaterial in beiden Phasen fest bleibt, bleibt die gesamte elektronische Komponente immer ein integraler bzw. einstückiger Körper. Es kann dann auch verhindert werden, dass nicht-festes Phasenwechselmaterial in unerwünschte Bereiche fließt. Ein wesentlicher Vorteil einer Ausführungsform, die ein oder mehrere solcher Materialien einsetzt, ist es, dass sie in der festen Phase während des Phasenübergangs bleiben, was eine einfache Integration in Halbleiterprodukten (wie zum Beispiel elektronischen Chips oder Packages) ermöglicht.
  • Eine Gruppe an magnetischen Phasenwechselmaterialien, die einen Fest/Fest-Phasenübergang durchmachen mit der damit verbundenen Absorption oder Freisetzung von großen Mengen an Wärme, sind besonders bevorzugt. Diese Materialien ändern ihre magnetische Struktur bei einer festen und gut definierten Temperatur und die Transformation kann eine beträchtliche latente Wärme mit sich bringen. Solche Materialien sind geeignet, da sie keine Keimbildung bzw. Nukleierung benötigen, um ein Unterkühlen zu vermeiden. Zusätzlich gibt es bei einem Fest/Fest-Phasenübergang keine sichtbare Änderung im Erscheinungsbild des Phasenwechselmaterials und es gibt keine Probleme, die mit der Handhabung von Flüssigkeiten verbunden sind, d.h. Behältnisse, mögliche Lecks etc. Bei FEOL und/oder BEOL kann Phasenwechsel im Innenbereich als ein oder mehrere temperaturstabilisierende Bereiche eingesetzt werden.
  • In einer Ausführungsform ist die elektronische Komponente als ein nackter Chip (d.h. ein bloßes Stück Halbleiter) mit einer Oberflächenmetallisierung konfiguriert. Der nackte Chip kann daher einen integralen Überhitzungsschutz in Form des Phasenwechselmaterials haben. Zum Beispiel bildet das Phasenwechselmaterial zumindest einen Teil der Oberflächenmetallisierung. Zusätzlich zu seinem Effekt des Verzögerns oder Verlangsamens eines Temperaturanstiegs, bis der Phasenwechsel abgeschlossen ist, kann das äußere bzw. außen liegende Phasenwechselmaterial dann auch eine zusätzliche Funktion erfüllen, zum Beispiel einen externen elektrischen Kontakt und/oder eine Wärmesenke bzw. einen Kühlkörper, der mit einer Umgebung der elektronischen Komponente thermisch gekoppelt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die elektronische Komponente als ein gekapseltes bzw. verkapseltes Package konfiguriert. Der elektronische Chip kann dann zumindest teilweise durch ein Verkapselungsmittel gekapselt sein. In einer Ausführungsform ist das Verkapselungsmittel ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Moldverbindung und einem Laminat. Für das Verkapseln durch Molden kann ein Plastikmaterial oder ein keramisches Material verwendet werden. Das Verkapselungsmittel kann ein Epoxymaterial aufweisen. Füllstoffpartikel (zum Beispiel SiO2, Al2O3, Si3N4, BN, AlN, Diamant etc.), zum Beispiel zum Verbessern der thermischen Leitfähigkeit, können in einer auf Epoxy basierenden Matrix des Verkapselungsmittels eingebettet sein.
  • In einer Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial zumindest teilweise innerhalb des Verkapselungsmittels des gekapselten Packages angeordnet. Obwohl ein Verkapselungsmittel vorteilhafte Effekte im Hinblick auf einen mechanischen Schutz des elektronischen Chips und einem elektrischen Entkoppeln des elektronischen Chips in Bezug auf die Umgebung hat, kann es sein, dass seine Wärmeabfuhrfähigkeit nur gering bis mäßig ist. Durch Ausstatten eines Innenraums von solch einem Package (insbesondere ein Innenraum von solch einem Verkapselungsmittel) mit einer oder mehreren Phasenwechselmaterialstrukturen, kann jede von diesen Phasenwechselmaterialstrukturen Wärme verbrauchen und abführen bei einer erhöhten Temperatur und kann daher zu einem gewünschten Verzögern oder Verlangsamen einer Temperaturzunahme bei der Phasenwechseltemperatur beitragen.
  • In einer Ausführungsform weist die elektronische Komponente ein zumindest teilweise elektrisch leitfähiges Verbindungselement auf, durch das der elektronische Chip verbunden ist. Die elektronische Komponente kann auch ein Verkapselungsmittel aufweisen, das zumindest einen Teil des Verbindungselements und des elektronischen Chips verkapselt. Insbesondere kann solch ein Verbindungselement einen Chipträger und/oder einen Clip aufweisen.
  • Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Ausdruck „Chipträger“ insbesondere eine elektrisch leitfähige Struktur bezeichnen, die als eine Montagebasis für den einen oder mehreren Chips dient und die auch zu der elektrischen Verbindung zwischen den Chips beiträgt. In anderen Worten kann der Chipträger eine mechanische Trägerfunktion und eine elektrische Verbindungsfunktion erfüllen. Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Begriff „Leadframe“ insbesondere ein bevorzugtes Beispiel eines Chipträgers bedeuten, der als eine blattartige metallische Struktur konfiguriert ist, die gestanzt oder mit einem Muster versehen sein kann, um so Leadframekörper als Montageabschnitte zum Montieren des bzw. der Chips und Verbindungsanschlüsse als Pin-Abschnitte zur elektrischen Verbindung des Packages an eine elektronische Umgebung, wenn die Chips auf dem Leadframe montiert sind, zu bilden. In einer Ausführungsform kann der Leadframe eine Metallplatte sein (die insbesondere aus Kupfer gemacht sein kann), die mit einem Muster bzw. einer Strukturierung versehen sein kann, zum Beispiel mittels Prägen oder Ätzen. Ein Bilden des Chipträgers als ein Leadframe ist eine kosteneffiziente und mechanisch sowie elektrisch hoch vorteilhafte Konfiguration, bei der eine niedrigohmsche Verbindung der Chips mit einer robusten Trägerfähigkeit des Leadframes kombiniert werden kann. Des Weiteren kann ein Leadframe zu der thermischen Leitfähigkeit des Packages beitragen und kann Wärme entfernen, die während des Betriebs des Chips erzeugt wird, infolge der hohen thermischen Leitfähigkeit des metallischen (insbesondere Kupfer) Materials des Leadframes. Solch ein Chipträger kann mindestens eines aus der Gruppe, bestehend aus einem Leadframe, einem Direct Copper Bonding (DCB) Substrat und einem Direct Aluminum Bonding (DAB) Substrat aufweisen. Ein Leadframe kann bevorzugt sein, wenn Einfachheit erforderlich ist. Ein DCB- oder DAB-Substrat hat den Vorteil einer ausgeprägten Wärmeabfuhr, während ein Inneres des Packages elektrisch isoliert wird in Bezug zu einem Äußeren davon aufgrund einer elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Schicht (zum Beispiel eine keramische Schicht) zwischen den beiden entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Schichten (die aus Kupfer oder Aluminium gemacht sind).
  • Im Kontext der vorliegenden Anmeldung mag der Ausdruck „Clip“ insbesondere ein dreidimensionales gebogenes Verbindungselement sein, das ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und ein integraler bzw. einstückiger Körper ist mit Abschnitten, die an Chipanschlüsse und/oder den Chipträger zu verbinden sind.
  • In einer Ausführungsform bildet das Phasenwechselmaterial zumindest einen Teil des einen oder der mehreren Verbindungselementen (insbesondere Chipträger und/oder Clip). Zum Beispiel kann der Chipträger (insbesondere Leadframe) oder der Clip eine Beschichtung des magnetischen Phasenwechselmaterials auf einem Kern (der zum Beispiel aus Kupfer gemacht ist) aufweisen. Magnetische Phasenwechselmaterialien können durch Sputtern präzise aufgetragen werden und gut an Basismaterialien, wie zum Beispiel Kupfer, haften. Alternativ kann der Chipträger oder Clip aus unförmigem magnetischen Phasenwechselmaterial bestehen.
  • In einer Ausführungsform weist die elektronische Komponente einen Wärmeabfuhrkörper auf, der so befestigt ist, dass er zumindest einen Teil einer äußeren Oberfläche der elektronischen Komponente bildet. Solch ein Wärmeabfuhrkörper (wie ein Kühlkörper mit Kühlrippen bzw. Kühllamellen) kann Wärme von der elektronischen Komponente mittels Wärmeleitung und/oder Wärmekonvektion entfernen. In vorteilhafter Weise kann das Phasenwechselmaterial zumindest einen Teil des Wärmeabfuhrkörpers bilden. Wenn der Wärmeabfuhrkörper sich aufheizt auf eine erhöhte Temperatur, während er seine Funktion erfüllt, wird bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur zusätzlich thermische Energie für den Phasenwechsel in einer synergistischen Weise verbraucht.
  • In einer Ausführungsform ist das magnetische Phasenwechselmaterial konfiguriert zum Verbrauchen von weiterer Energie beim Wechseln zu einer weiteren magnetischen Phase in Antwort auf ein weiteres Erwärmen bis zu oder oberhalb einer weiteren (oder zweiten) Phasenwechseltemperatur oberhalb der vorher genannten (oder ersten) Phasenwechseltemperatur. Da das Phasenwechselmaterial mit dem elektronischen Chip thermisch gekoppelt ist, wird weitere Wärme von dem elektronischen Chip abgeführt beim Erwärmen bis zu oder oberhalb der weiteren Phasenwechseltemperatur. Somit kann ein Phasenwechselmaterial verwendet werden, das mehrere magnetische Phasenübergänge beim Erwärmen zeigt, wobei jeder dieser Phasenübergänge, die durch eine fortgesetzte Temperaturerhöhung ausgelöst werden, Energie verbraucht. Zum Beispiel kann solch ein magnetisches Phasenwechselmaterial durch eine geeignete Legierung verkörpert bzw. ausgestaltet sein (bezüglich des Beispiels einer Fe-Co-Legierung wird auf 9 verwiesen). Durch diese Maßnahme können zwei oder mehr unterschiedliche Verlangsamungseffekte bei der Temperaturzunahme erhalten werden bei unterschiedlichen Temperaturniveaus. Dies verbessert weiter die Temperaturstabilisierung oder den Überhitzungsschutz des elektronischen Chips.
  • In einer Ausführungsform weist die elektronische Komponente eine Montagebasis auf, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB), auf der der (insbesondere unverkapselte oder verkapselte) elektronische Chip montiert wird (zum Beispiel mittels Löten, Sintern oder Kleben). Auch bei solch einer Architektur kann die Bereitstellung von kühlenden oder wärmeabführenden Phasenwechselmaterialien in vorteilhafter Weise als ein Merkmal zur thermischen Stabilisierung eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial konfiguriert zum Erhöhen seiner Wärmekapazität beim Wechseln der Phase in Antwort auf ein Erwärmen bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur. Wenn der Wert der Wärmekapazität oberhalb der Phasenwechseltemperatur höher ist als unterhalb der Phasenwechseltemperatur, kann das Ereignis des Überschreitens der Phasenwechseltemperatur durch das magnetische Phasenwechselmaterial - zusätzlich zu dem Verbrauch von latenter Wärme - auch die Wärmekapazität erhöhen. In dem unerwünschten Fall eines weiteren Erwärmens des elektronischen Chips über die Phasenwechseltemperatur aufgrund exzessiver thermischer Energie wird als ein Ergebnis ein Erwärmen des Phasenwechselmaterials eine erhöhte zusätzliche Menge an Wärme benötigen und verbrauchen. Dies kann zumindest das Erwärmen des elektronischen Chips verringern und kann daher ein weiteres wärmebeschränkendes Merkmal implementieren.
  • In einer Ausführungsform weist das Verfahren ein Zuführen der Energie, die durch das Phasenwechselmaterial (beim Wechseln der Phase) verbraucht wird, zumindest teilweise aus Ohmscher Wärme, die durch einen Halbleiterchip während des Betriebs davon abgeführt wird. Zum Beispiel kann ein Stromfluss durch den elektronischen Chip und/oder jedes beliebige andere elektronische Element der elektronischen Komponente Ohmsche Verluste erzeugen, die die Temperatur in der Umgebung des fließenden Stroms erhöhen. Dies erwärmt die Umgebung des fließenden Stroms, einschließlich das Phasenwechselmaterial. Wenn die Phasenwechseltemperatur überschritten ist, absorbiert das Phasenwechselmaterial die Energie, die für den Phasenwechsel benötigt wird, aus seiner Umgebung und verbraucht zumindest teilweise die Ohmschen Verluste und führt diese dadurch ab. Somit kann ein unabhängiger bzw. autarker Überhitzungsschutz in einem elektronischen System integriert werden, das unter einer Hitzelast aufgrund von Ohmschen Verlusten leidet.
  • In einer Ausführungsform weist das Verfahren ein Verwenden des Phasenwechselmaterials zum Umschalten mit hoher thermischer Last und niedriger Schaltfrequenz auf. Noch spezieller kann das Verfahren ein Verwenden des Phasenwechselmaterials zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Leistungsquellen aufweisen. Bei solcher Art Anwendungen sind die beschriebenen Vorteile von beispielhaften Ausführungsformen besonders ausgeprägt.
  • In einer Ausführungsform ist die elektronische Komponente konfiguriert als eines aus der Gruppe, bestehend aus einem mit einem Leadframe verbundenen Leistungsmodul, einer Transistor Outline (TO) elektronischen Komponente, einer Quad Flat No Leads Package (QFN) elektronischen Komponente, einer Small Outline (SO) elektronischen Komponente, einer Small Outline Transistor (SOT) elektronischen Komponente und einer Thin Small Outline Package (TSOP) elektronischen Komponente. Daher ist die elektronische Komponente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform voll kompatibel mit Standard Packaging-Konzepten (insbesondere voll kompatibel mit Standard TO Packaging-Konzepten) und erscheint nach außen als eine herkömmliche elektronische Komponente, die sehr benutzerfreundlich ist. In einer Ausführungsform ist das Package konfiguriert als ein Leistungsmodul, z.B. ein gemoldetes Leistungsmodul. Zum Beispiel kann eine beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Komponente ein intelligentes Leistungsmodul (intelligent power module, IPM) sein. Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Komponente ist ein Dual Inline Package (DIP).
  • In einer Ausführungsform ist die elektronische Komponente angepasst für ein doppelseitiges Kühlen. Zu diesem Zweck kann magnetisches Phasenwechselmaterial auf beiden entgegengesetzten Hauptoberflächen der elektronischen Komponente bereitgestellt sein.
  • In einer Ausführungsform ist der elektronische Chip als ein Leistungshalbleiterchip konfiguriert. Somit kann der elektronische Chip (wie zum Beispiel ein Halbleiterchip) für Leistungsanwendungen verwendet werden, zum Beispiel auf dem Gebiet des Automobilbaus, und kann zum Beispiel mindestens einen integrierten Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (integrated insulated-gate bipolar transistor, IGBT) und/oder mindestens einen Transistor einer anderen Art (wie zum Beispiel ein MOSFET, ein JFET, etc.) und/oder mindestens eine integrierte Diode haben. Solche integrierten Schaltkreiselemente können zum Beispiel in Silicium-Technologie gemacht werden oder auf Halbleitern mit weiter Bandlücke (wide-bandgap semiconductors) basieren (wie zum Beispiel Siliciumcarbid). Ein Halbleiterleistungschip kann einen oder mehrere Feldeffekttransistoren, Dioden, Inverter-Schaltkreise, Halbbrücken, Vollbrücken, Treiber, Logikschaltkreise, weitere Geräte, etc. aufweisen.
  • In einer Ausführungsform erfährt der elektronische Chip einen vertikalen Stromfluss. Die Packagearchitektur gemäß beispielhafter Ausführungsformen ist insbesondere geeignet für Hochleistungsanwendungen, bei denen ein vertikaler Stromfluss erwünscht ist, d.h. ein Stromfluss in einer Richtung, die senkrecht zu den zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen des elektronischen Chips ist.
  • Als Substrat oder Wafer, das bzw. der die Basis der elektronischen Chips bildet, kann ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein Substrat aus Silicium, verwendet werden. Alternativ kann ein Siliciumoxid oder ein anderes Isolatorsubstrat bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, ein Substrat aus Germanium oder ein III-V-Halbleitermaterial zu implementieren. Zum Beispiel können beispielhafte Ausführungsformen in GaN oder SiC Technologie implementiert werden.
  • Des Weiteren verwenden beispielhafte Ausführungsformen Standard Halbleiterverarbeitungstechnologien, wie zum Beispiel geeignete Ätztechnologien (einschließlich isotrope und anisotrope Ätztechnologien, insbesondere Plasmaätzen, Trockenätzen, Nassätzen), Musterungstechnologien (die lithografische Masken mit sich bringen können), Abscheidungstechnologien (wie zum Beispiel chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD), Sputtern, etc.).
  • Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen offensichtlich, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen herangezogen werden, in denen gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen, die beigefügt sind, um ein weiteres Verständnis von beispielhaften Ausführungsformen bereitzustellen, und die einen Teil der Beschreibung darstellen, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen.
  • Für die Zeichnungen gilt:
    • 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, die oberflächenmontiert auf einer Montagebasis sein kann oder die durch ein Verkapselungsmittel gekapselt sein kann.
    • 2 ist ein Diagramm, das eine Abhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität von der Temperatur eines magnetischen Phasenwechselmaterials einer elektronischen Komponente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
    • 3 ist ein Diagramm, das eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur des Phasenwechselmaterials von 2 veranschaulicht.
    • 4 ist ein Diagramm, das eine Abhängigkeit einer Verzögerung der Temperaturänderung von der Temperatur des Phasenwechselmaterials von 2 veranschaulicht.
    • 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente, die als ein verkapselter elektronischer Chip auf einem Chipträger konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 6 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente, die als ein verkapselter elektronischer Chip mit beidseitiger Kühlung konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente, die als ein nackter Chip mit einer Oberflächenmetallisierung konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 8 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente, die sich aus einem verkapselten und einem unverkapselten elektronischen Chip auf einer Montagebasis zusammensetzt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 9 ist ein Diagramm, das veranschaulicht, dass mit bestimmten Legierungen Phasenwechselmaterialien bereitgestellt werden können, die mehr als zwei unterschiedliche Zustände magnetischer Ordnung bei unterschiedlichen Temperaturwerten haben.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch und nicht maßstabsgetreu.
  • Bevor beispielhafte Ausführungsformen mehr im Detail beschrieben werden unter Bezugnahme auf die Figuren, werden einige allgemeine Überlegungen zusammengefasst, auf deren Grundlage beispielhafte Ausführungsformen entwickelt worden sind.
  • Nach dem FEOL-Bearbeiten von Leistungshalbleitern bekommen die bearbeiteten Wafer Metallisierungen an der Frontseite und der Rückseite zum elektrischem Kontaktieren. Diese Metallisierungsschichten weisen typischerweise Stapel von individuellen Metallschichten auf, die sowohl für einen guten Ohmschen Kontakt zu dem Silicium als auch für eine gute Wärmesenke zum Entfernen der Wärmelast von der elektrisch aktiven dünnen halbleitenden Schicht während der Bearbeitung des Geräts dienen. Für sehr dünne Leistungshalbleiter, insbesondere mit einer Dicke von weniger als 80 µm, ganz besonders weniger als 50 µm (zum Beispiel mit einer Dicke von 40 µm Silicium), muss die Dicke der Metallkontakte erhöht werden, um einen ausreichenden Kühlkörper bereitzustellen.
  • Herkömmliche Metallstapel weisen Metallschichten auf, wie zum Beispiel eine Ti/Cu-Impfschicht und Cu-Schichten mit Dicken bis zu 10 µm für sowohl die Frontseite als auch die Rückseite. Für dünnere Siliciumschichten müssen die Kupferdicken erhöht werden bis zu 15 µm bis 20 µm, um die Wärmesenke zum Schutz des elektrisch aktiven dünnen Siliciums zu erhöhen. Diese dicken Kupferschichten führen jedoch zu einem erhöhten Schichtenstress in den Wafern, was zu einem hohen Bogenverzug des Wafers (zum Beispiel 1 mm oder mehr) und Bogenverzug des Chips führt, was sowohl die Waferhandhabung im front end und die Chipbefestigung im back end sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich, macht.
  • Herkömmliche Prozesse für Frontseiten- und Rückseitenmetallisierungen beinhalten Metalle mit zum Beispiel kubisch flächenzentrierter kristallografischer Symmetrie und einer Wärmekapazität, die von ihrer Symmetrie herrührt. Jede Zunahme an Wärmekapazität ist nur möglich mit einer Zunahme der Metallschichtdicke, was sowohl zu höheren Herstellungskosten als auch zu einer Zunahme an Schichtenstress führt. Auch tritt ein hoher Bogenverzug beim Wafer und beim Chip auf, was die Herstellbarkeit sehr schwierig oder sogar unmöglich macht. Die absolute Menge an Wärme, die abgeführt werden kann in einem bestimmten Zeitrahmen, ist jedoch beschränkt durch die leitfähige Fläche und die Wärmebeständigkeit des Metalls an der Frontseite oder des Metalls an der Rückseite.
  • Wärmerohre können eingesetzt werden zur Förderung der Wärmeabfuhr, aber sie machen das Gerät groß und komplex.
  • Peltierelemente haben den Nachteil, eine zusätzliche Menge an Energie zu verbrauchen, und führen dazu, dass das Leistungshalbleitergerät zu groß wird, um in Standardpackages zu passen.
  • Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr und zur Erhöhung der Wärmekapazität einer elektronischen Komponente stellt eine beispielhafte Ausführungsform eine elektrisch leitfähige Schicht (oder eine andere elektrisch leitfähige Struktur) bereit, die aus einem Material gemacht ist, das einen magnetischen Phasenübergang bei einer bestimmten Übergangstemperatur zeigt, was zu einem zusätzlichen Beitrag zu der Wärmekapazität führt und Energie während des magnetischen Phasenübergangs verbraucht. Solch ein magnetisches Phasenwechselmaterial kann ein Material sein mit einem magnetischen Phasenübergang bei einer bestimmten Temperatur, die eine Änderung der magnetischen Ordnung aufweist. Zum Beispiel hat die Legierung CuMnAs einen Phasenübergang bei etwa 325 K (d.h. etwa 50 °C bis 60 °C). Diese Metalllegierung hat eine antiferromagnetische Ordnung unterhalb dieser Phasenwechseltemperatur und keine magnetische Ordnung oberhalb der Phasenwechseltemperatur. Die Zerstörung der antiferromagnetischen Ordnung verbraucht eine bestimmte Menge an Wärme, ist reversibel und hat keinen kritischen Einfluss auf die kristallografische Struktur der Legierung. Ein Hauptvorteil von solch einem Konzept ist die kurze Zeitskala, auf der das Herunterschmelzen der antiferromagnetischen Ordnung stattfindet (typischerweise im Bereich von einigen wenigen Nanosekunden). Somit findet solch ein magnetischer Phasenübergang viel schneller statt als zum Beispiel strukturelle Phasenübergänge (wie zum Beispiel ein Schmelzen von Feststoffen oder eine Verdampfung von Flüssigkeiten). Somit beeinflusst der magnetische Phasenwechsel nicht die dynamischen Parameter des elektronischen Chips oder der integrierten Schaltkreiselemente davon (zum Beispiel Leistungstransistor), zum Beispiel Leistungsschalteigenschaften.
  • Bei vielen Anwendungen ist es bevorzugt, dass die Phasenübergangstemperatur in einem Bereich zwischen 50 °C und 250 °C ist, d.h. typischen Betriebstemperaturen einer elektronischen Komponente. Durch Sicherstellen, dass die Phasenwechseltemperatur oder der Phasenübergang nicht bei einer zu hohen Übergangstemperatur auftritt, kann sichergestellt werden, dass der Kühleffekt in typischen Betriebstemperaturbereichen von elektronischen Komponenten stattfindet. Darüber hinaus sollte die Rückkopplung des magnetischen Phasenwechselmaterials zu dem elektrischen Strom durch die Metallisierung nicht stark die Strom/Spannungskurve beeinflussen, was eine Verschlechterung der elektrischen Leistungsfähigkeit eines Leistungshalbleitergeräts während des Betriebs verhindert.
  • Durch Konfigurieren des Phasenwechselmaterials, einen Fest/Fest-Phasenwechsel durchzuführen, kann ein Fest/Flüssig-Phasenübergang verhindert werden, wodurch Dichteanomalien (d.h. eine höhere Dichte im flüssigen Zustand im Vergleich zu dem festen Zustand) verhindert werden, die einen beträchtlichen Stress in das Material einführen können.
  • 1 veranschaulicht (schematisch und nicht maßstabsgetreu) eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, die zum Beispiel oberflächenmontiert auf einer Montagebasis (siehe Bezugszeichen 118 in 5 und 8) sein kann oder die verkapselt sein kann durch ein Verkapselungsmittel (siehe Bezugszeichen 112 in 5 und 6).
  • Die elektronische Komponente 100 weist einen elektronischen Chip 102 auf, der zum Beispiel als ein Leistungshalbleiterchip verkörpert bzw. ausgestaltet sein kann. Ein magnetisches Phasenwechselmaterial 104 ist als temporärer Kühlkörper (d.h. ein Kühlkörper, der besonders ausgeprägt während Phasenübergängen funktioniert) angeordnet und ist zum Verbrauchen von Energie beim Wechseln einer magnetischen Phase oder eines Zustands magnetischer Ordnung in Antwort auf ein Erwärmen oberhalb einer Phasenwechseltemperatur konfiguriert. Anschaulich gesprochen wird die Wärme nicht überwiegend wegtransportiert von dem temporären kühlkörperartigen Phasenwechselmaterial 104 während des magnetischen Phasenübergangs, sondern benutzt zum „Schmelzen“ oder Zerstören der magnetischen Ordnung, um den magnetischen Phasenzustand zu ändern. Als ein Ergebnis wird eine bestimmte Menge an Wärme sehr schnell verbraucht bei dem Ereignis eines Phasenwechsels und kann verwendet werden zum Abführen von Wärme von der Umgebung des Phasenwechselmaterials 104, insbesondere von dem elektronischen Chip 102, auf dem das Phasenwechselmaterial 104 montiert ist. In anderen Worten ist das Phasenwechselmaterial 104 thermisch gekoppelt mit der elektronischen Komponente 102, um dadurch Wärme von dem elektronischen Chip 102 beim Erwärmen bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur abzuführen.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist das Phasenwechselmaterial 104 ein elektrisch leitfähiges magnetisches Phasenwechselmaterial 104, das konfiguriert ist zum Wechseln zwischen unterschiedlichen magnetischen Phasen in Abhängigkeit von der Temperatur. Noch spezieller kann ein thermisch induziertes Umschalten zwischen einer antiferromagnetischen Phase (unterhalb der Phasenübergangstemperatur) und einer paramagnetischen Phase (oberhalb der Phasenübergangstemperatur) durchgeführt werden. Ein bevorzugtes Material für das Phasenwechselmaterial 104 ist eine CuMnAs-Legierung.
  • Darüber hinaus macht die elektrisch leitfähige Eigenschaft des Phasenwechselmaterials 104 es möglich, dass Letzteres gleichzeitig zur Leitung eines elektrischen Signals genutzt wird, zum Beispiel konfiguriert ist als ein elektrischer Kontakt (zum Beispiel als ein Chippad) des elektronischen Chips 102. Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich das Phasenwechselmaterial 104 von dem elektronischen Chip 102 bis zu einer äußeren Oberfläche der elektronischen Komponente 100 und ist daher freiliegend, um mit einem weiteren elektronischen Element elektrisch gekoppelt zu werden (zum Beispiel durch Sintern oder Löten oder elektrisch leitfähiges Kleben).
  • In sehr vorteilhafter Weise ist das Phasenwechselmaterial 104 fest in den beiden magnetischen Phasen oberhalb und unterhalb der Phasenübergangstemperatur, so dass keine Probleme mit nicht-festem Material der elektronischen Komponente 104 auftritt gemäß der 1, zum Beispiel Handhabungsprobleme mit flüssigem Material. Somit ist das Phasenwechselmaterial 104 in vorteilhafter Weise konfiguriert zum Durchmachen eines magnetischen Fest/Fest-Phasenübergangs.
  • Es ist auch bevorzugt, dass das Phasenwechselmaterial 104 eine erhöhte Wärmekapazität oberhalb der Phasenwechseltemperatur zeigt im Vergleich zu unterhalb der Phasenwechseltemperatur. Dies ermöglicht ein Verzögern oder Verhindern von unbeabsichtigtem exzessivem Überhitzen des elektronischen Chips 102 oberhalb der Phasenwechseltemperatur, da die erhöhte Wärmekapazität eine erhöhte Menge an Wärme verbraucht, wenn es um eine bestimmte Temperaturdifferenz oberhalb der Phasenwechseltemperatur erwärmt wird im Vergleich zu unterhalb der Phasenwechseltemperatur. Somit verbessert die erhöhte Wärmekapazität oberhalb der Phasenwechseltemperatur weiter die thermische Leistungsfähigkeit der elektronischen Komponente 100 zusätzlich zu dem positiven Effekt der latent wärmeverbrauchenden Energie des elektronischen Chips 102, wenn die Phasenwechseltemperatur erreicht oder überschritten wird.
  • Gemäß 1 bildet das Phasenwechselmaterial 104 eine Chipmetallisierung 106 und kann eine front end of the line (FEOL) Metallisierung und/oder eine back end of the line (BEOL) Chipmetallisierung betreffen. Die Konfiguration der elektronischen Komponente 100 gemäß 1 zeigt den elektronischen Chip 102 in der Form eines nackten Chips 108 mit einer Oberflächenmetallisierung 106, so dass das Phasenwechselmaterial 104 hier die Oberflächenmetallisierung 106 bildet.
  • Wenn die elektronische Komponente 100 betrieben wird, fließt Strom durch den elektronischen Chip 102 und das Phasenwechselmaterial 104. Als ein Ergebnis wird Ohmsche Wärme abgeführt, so dass insbesondere die elektronische Komponente 100 sich erwärmt. Bei einem bestimmten Zeitpunkt erreicht das Phasenwechselmaterial 104 seine Phasenwechseltemperatur als ein Ergebnis des Erwärmens und dadurch ändert sich seine magnetische Phase, während in vorteilhafter Weise es fest bleibt. In sehr vorteilhafter Weise trägt die Ohmsche Wärme (die von dem elektronischen Chip 102 wegzuführen ist) zu der Energie bei, die durch das Phasenwechselmaterial 104 beim Durchmachen des magnetischen Phasenwechsels verbraucht wird. Folglich wird die Temperatur der elektronischen Komponente 100 durch einen autarken Phasenwechsel stabilisiert, der durch einen Wärmeverbrauchmechanismus ausgelöst wird.
  • Zum Beispiel kann eine Dicke D des elektronischen Chips 102 40 µm sein. Eine Dicke d der Schicht des magnetischen Phasenwechselmaterials 104 kann in einem Bereich zwischen 0,5 µm und 0,8 µm sein. Solch ein magnetisches Phasenwechselmaterial 104 ist einerseits in der Lage, ausreichend thermische Energie abzuführen zur Vermeidung einer Überhitzung und zur Stabilisierung der Temperatur des elektronischen Chips 102. Andererseits kann solch ein magnetisches Phasenwechselmaterial 104 dünn genug bereitgestellt werden, um mechanischen Stress der elektronischen Komponente 100 zu vermeiden. Solch ein Stress kann entstehen aus einer thermischen Diskrepanz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleitermaterial des elektronischen Chips 102 im Vergleich zu dem magnetischen Material des Phasenwechselmaterials 104. Darüber hinaus macht solch eine kleine Dicke d es in einfacher Weise möglich, das Phasenwechselmaterial 104 mittels Sputtern aufzutragen.
  • Optional, aber vorzugsweise, kann eine Zwischenschicht 177 zwischen dem Halbleitermaterial des elektronischen Chips 102 und dem magnetischen Phasenwechselmaterial 104 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Zwischenschicht 177 (die einen Teil der Metallisierung 106 bilden kann) als eine Impfschicht wirken, die die Haftung zwischen dem elektronischen Chip 102 und dem Phasenwechselmaterial 104 fördert. Zum Beispiel kann die Zwischenschicht 177 der Dicke b eine Doppelschicht sein (die eine Gesamtdicke unter 1 µm haben kann), die sich aus einer Titanschicht in physikalischem Kontakt mit dem elektronischen Chip 102 und einer Kupferschicht auf der Titanschicht und die in Kontakt mit dem magnetischen Phasenwechselmaterial 104 ist, zusammensetzt.
  • Die vorteilhaften Eigenschaften eines bevorzugten Materials für das Phasenwechselmaterial 104 CuMnAs im Hinblick auf beispielhafte Ausführungsformen wird im Folgenden erklärt auf Basis von experimentellen Beweisen gemäß 2 bis 4 (vgl. F. Maca et al., „Room-temperature antiferromagnetism of CuMnAs“, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 324 (2012), Seiten 1606 bis 1612):
  • 2 ist ein Diagramm 200 mit einer Abszisse 202, entlang der die Temperatur in Kelvin aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 204 ist die magnetische Suszeptibilität aufgetragen. Somit veranschaulicht 2 eine Abhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität von der Temperatur des Phasenwechselmaterials 104. Eine Phasenwechseltemperatur (ungefähr 325 K für das genannte Material) des Phasenwechselmaterials 104 ist mit dem Bezugszeichen 206 in 2 angezeigt. Es tritt nur antiferromagnetische Ordnung auf. 2 veranschaulicht die Antwort des magnetischen Phasenwechselmaterials 104 auf ein externes magnetisches Feld. 3 ist ein Diagramm 210 mit einer Abszisse 202, entlang der die Temperatur in Kelvin aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 212 ist der elektrische Widerstand aufgetragen. Wie 3 entnommen werden kann, sichert der metallische Charakter des Phasenwechselmaterials 104 im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit sowohl einen guten thermischen Transport als auch ermöglicht er das Leiten von elektrischen Signalen über das Phasenwechselmaterial 104. 4 ist ein Diagramm 220 mit einer Abszisse 202, entlang der die Temperatur in Kelvin aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 222 ist ein Parameter aufgetragen, der auf die Verzögerung des Temperaturwechsels des Phasenwechselmaterials 104 hinweist.
  • Für das Beispielmaterial einer CuMnAs-Legierung als Phasenwechselmaterial 104 sind die entsprechenden Diagramme 200, 210, 220 angegeben: Das Diagramm 200 zeigt die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität, das Diagramm 210 veranschaulicht die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands und das Diagramm 220 zeigt die Verzögerung der Temperatur der Legierung CuMnAs während des Aufheizens (im Vergleich zu einem Referenzmaterial ohne Phasenübergang). Das Diagramm 220 zeigt klar einen zusätzlichen Peak ungefähr bei der Phasenwechseltemperatur 206, was einen zusätzlichen wärmeverbrauchenden Prozess innerhalb der Legierung anzeigt, der in vorteilhafter Weise durch beispielhafte Ausführungsformen benutzt wird.
  • Ein Hauptvorteil des beschriebenen Phänomens im Hinblick auf eine beispielhafte Ausführungsform ist es, dass der magnetische Phasenübergang sich nur auf die Elektronen an der Fermi-Kante auswirkt und nahezu keinen Effekt auf die Gitterparameter der Legierung hat. Somit wird weder ein mechanischer Stress erzeugt, noch tritt ein Verzug des Wafers oder des elektronischen Chips 104 auf.
  • 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente 100, die als ein verkapselter elektronischer Chip 102 auf einem Chipverbindungselement 114 konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Noch spezieller veranschaulicht 5 eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente 100, die als ein Transistor Outline (TO) Package ausgestaltet bzw. verkörpert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die elektronische Komponente 100 ist auf einer Montagebasis 118 montiert, hier als eine gedruckte Leiterplatte (PCB) ausgestaltet bzw. verkörpert.
  • Die Montagebasis 118 weist einen elektrischen Kontakt 134 auf, der als eine Plattierung in einem Durchgangsloch der Montagebasis 118 ausgestaltet bzw. verkörpert ist. Wenn die elektronische Komponente 100 auf der Montagebasis 118 montiert ist, ist der elektronische Chip 102 der elektronischen Komponente 100 elektrisch verbunden mit dem elektrischen Kontakt 134 über das elektrisch leitfähige Verbindungselement 114, das hier als ein aus Kupfer gemachter Leadframe ausgestaltet bzw. verkörpert ist, der elektronischen Komponente 100.
  • Der elektronische Chip 102 (der hier als ein Leistungshalbleiterchip ausgestaltet bzw. verkörpert ist) ist klebend oder gelötet (durch zum Beispiel elektrisch leitfähigen Klebstoff, Lötpaste, Lötdraht oder Diffusionslöten) auf dem Verbindungselement 114 montiert (siehe Bezugszeichen 136). Ein Verkapselungsmittel 112 (hier als eine Moldverbindung ausgestaltet bzw. verkörpert) verkapselt einen Teil des leadframeartigen Verbindungselements 114 und des elektronischen Chips 102. Wie 5 entnommen werden kann, ist ein Pad auf einer oberen Hauptoberfläche des elektronischen Chips 102 elektrisch gekoppelt mit dem teilweise verkapselten leadframeartigen Verbindungselement 114 über ein voll verkapseltes clipartiges weiteres Verbindungselement 114.
  • Während des Betriebs des Leistungspackages oder der elektronischen Komponente 100 erzeugt der Leistungshalbleiterchip in Form des elektronischen Chips 102 eine beträchtliche Menge an Wärme. Gleichzeitig soll sichergestellt sein, dass jeglicher unerwünschter Stromfluss zwischen einer unteren Oberfläche der elektronischen Komponente 100 und einer Umgebung zuverlässig vermieden wird.
  • Zum Sicherstellen einer elektrischen Isolierung des elektronischen Chips 102 und zum Entfernen von Wärme von einem Inneren des elektronischen Chips 102 hin zu einer Umgebung wird eine elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Schnittstellen- bzw. Grenzflächenstruktur 152 bereitgestellt, die einen freiliegenden Oberflächenteilbereich des leadframeartigen Verbindungselements 114 und einen verbundenen Oberflächenteilbereich des Verkapselungsmittels 112 an der Unterseite der elektronischen Komponente 100 bedeckt. Die elektrisch isolierende Eigenschaft der Grenzflächenstruktur 152 verhindert einen unerwünschten Stromfluss selbst in Gegenwart von hohen Spannungen zwischen einem Inneren und einem Äußeren der elektronischen Komponente 100. Die thermisch leitfähige Eigenschaft der Grenzflächenstruktur 152 fördert eine Entfernung der Wärme von dem elektronischen Chip 102 über das elektrisch leitfähige leadframeartige Verbindungselement 114 durch die Grenzflächenstruktur 152 und hin zu einem Wärmeabfuhrkörper 116. Der Wärmeabfuhrkörper 116, der aus einem hoch thermisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, gemacht sein kann, hat einen Basiskörper 154, der direkt mit der Grenzflächenstruktur 152 verbunden ist, und eine Mehrzahl an Kühlrippen bzw. Kühllamellen 156, die sich von dem Basiskörper 154 erstrecken und parallel zueinander sind, um so die Wärme zu der Umgebung hin abzuführen.
  • Ein oder mehrere Bestandteile des verkapselten Packages 110 können mit einem magnetischen Phasenwechselmaterial 104 bereitgestellt sein zur Wärmeabfuhr oder Temperaturstabilisierung. Zum Beispiel kann das Phasenwechselmaterial 104 einen Teil von einem oder beiden der Verbindungselemente 114 bilden, zum Beispiel kann es eine Beschichtung auf einem Kupferkörper sein. Noch spezifischer kann das nur teilweise verkapselte Verbindungselement 114, das als ein Chipträger fungiert, magnetisches Phasenwechselmaterial 104 aufweisen (oder alternativ daraus bestehen) und/oder das voll verkapselte Verbindungselement 114, das als ein Clip fungiert, kann magnetisches Phasenwechselmaterial 104 aufweisen (oder alternativ daraus bestehen). Zusätzlich oder alternativ kann das Chipbefestigungsmaterial (z.B. der elektrisch leitfähige Klebstoff, Lötpaste/-draht oder Metallstapel zum Diffusionslöten auf der Chiprückseite), durch das der elektronische Chip 102 auf dem Chipverbindungselement 114 montiert ist, ein Phasenwechselmaterial 104 aufweisen, zum Beispiel Phasenwechselmaterialpartikel in einer klebenden Matrix. Auch eine Metallisierung des elektronischen Chips 102 kann ein Phasenwechselmaterial 104 (nicht gezeigt im Detail) aufweisen oder daraus bestehen. Des Weiteren kann der Wärmeabfuhrkörper 116, der an dem thermischen Grenzflächenmaterial 152 zum Entfernen und Verteilen von Wärme befestigt ist, ein Phasenwechselmaterial 104 aufweisen, zum Beispiel in Form einer beschichteten Oberflächenschicht.
  • Im Fall eines übermäßigen Erwärmens von einem oder mehreren der genannten Bestandteile der elektronischen Komponente 120, die in 5 gezeigt sind, veranlasst ein Erwärmen von einem oder mehreren der Phasenwechselmaterialien 104 bis zu ober oberhalb der Phasenwechseltemperatur 206 das entsprechende Phasenwechselmaterial 104 dazu, Wärme von dem elektronischen Chip 102 abzuführen durch Verbrauch von thermischer Energie, um dadurch in der Lage zu sein, den magnetischen Phasenwechsel durchzuführen.
  • 6 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente 100, die als ein verkapselter elektronischer Chip 102 mit doppelseitiger Kühlung konfiguriert ist, gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
  • Das Package gemäß 6 weist zwei elektronische Chips 102 auf, die hier als Leistungshalbleiterchips ausgestaltet bzw. verkörpert sind. Der auf der linken Seite von 6 gezeigte elektronische Chip 102 kann ein Diodenchip sein, während der auf der rechten Seite von 6 gezeigte elektronische Chip 102 ein IGBT (Bipolartransitor mit isolierter Gate-Elektrode, Insulated Gate Bipolar Transistor) Chip sein kann.
  • Ein erster Wärmeabfuhrkörper oder ein erstes Verbindungselement 114, das hier als Direct Copper Bonding (DCB) Substrat ausgestaltet bzw. verkörpert ist, ist thermisch und mechanisch an eine erste Hauptoberfläche des elektronischen Chips 102 gekoppelt und bildet einen Teil einer äußeren Oberfläche des Packages 100. Das erste Verbindungselement 114 ist konfiguriert zum Entfernen von thermischer Energie von dem elektronischen Chip 102 während des Betriebs des Packages oder der elektronischen Komponente 100 zu einem Kühlkörper und/oder einem Kühlfluid (nicht gezeigt) außerhalb des Packages. Das erste Verbindungselement 114 weist eine zentrale elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Schicht 160 auf, die hier aus einem keramischen Material gemacht ist und eine erste Hauptoberfläche hat, die durch eine erste elektrisch leitfähige Schicht 162 bedeckt ist, und eine entgegengesetzte zweite Hauptoberfläche hat, die durch eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 164 bedeckt ist. Die elektronischen Chips 102 sind auf dem ersten Verbindungselement 114 montiert und gelötet oder gesintert und sind mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 162 durch Bonddrähte 176 elektrisch verbunden. Somit fungiert das erste Verbindungselement 114 als ein Chipverbindungselement und als ein Kühlkörper bzw. eine Wärmesenke. Die zweite elektrisch leitfähige Schicht 164 des ersten Verbindungselements 114 bildet einen Teil einer äußeren Oberfläche des Packages und trägt dadurch signifikant zu der Wärmeabfuhr von den elektronischen Chips 102 während des Betriebs des Packages bei.
  • Optionale elektrisch leitfähige und thermisch leitfähige Abstandshalterkörper 166, die als Kupferblocks ausgestaltet bzw. verkörpert sein können, sind auf oberen Hauptoberflächen der elektronischen Chips 102 gelötet oder gesintert.
  • Darüber hinaus ist ein zweites Verbindungselement 114 thermisch gekoppelt an eine zweite Hauptoberfläche der elektronischen Chips 102 über die Abstandshalterkörper 166. Auch das zweite Verbindungselement 114 weist eine zentrale elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Schicht 160 auf, die aus einer Keramik gemacht sein kann und eine erste Hauptoberfläche hat, die durch eine erste elektrisch leitfähige Schicht 162 bedeckt ist, und eine entgegengesetzte zweite Hauptoberfläche hat, die durch eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 164 bedeckt ist. Die erste elektrisch leitfähige Schicht 162 des zweiten Verbindungselements 114 ist auf die Abstandshalterkörper 166 gelötet oder gesintert oder geschweißt. Die zweite elektrisch leitfähige Schicht 164 des zweiten Verbindungselements 114 bildet einen Teil einer äußeren Oberfläche des Packages und trägt dadurch wesentlich zu der Wärmeabfuhr von den elektronischen Chips 102 während des Betriebs des Packages bei. Als ein Ganzes ist das zweite Verbindungselement 114 als ein Kühlkörper bzw. eine Wärmesenke zum Entfernen von thermischer Energie von den elektronischen Chips 102 konfiguriert.
  • Eine elektrisch leitfähige Kontaktstruktur 168, die hier als ein Leadframe ausgestaltet bzw. verkörpert ist, erstreckt sich teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Verkapselungsmittels 112 und ist elektrisch gekoppelt mit den elektronischen Chips 102 über eine Löt- oder Sinterverbindung mit der mit einem Muster versehenen bzw. strukturierten ersten elektrisch leitfähigen Schicht 162 des ersten Verbindungselements 114 und über die Bonddrähte 176.
  • Die elektronischen Chips 102 sind auf der mit einem Muster versehenen bzw. strukturierten ersten elektrisch leitfähigen Schicht 162 des ersten Verbindungselements 114 durch eine erste Zwischenverbindung 170 montiert. Die Abstandshalterkörper 166 sind auf den elektronischen Chips 102 durch eine zweite Zwischenverbindung 172 montiert. Die erste elektrisch leitfähige Schicht 162 des zweiten Verbindungselements 114 ist auf den Abstandshalterkörpern 166 und oberhalb der elektronischen Chips 102 durch eine dritte Zwischenverbindung 174 montiert. Jede von der ersten Zwischenverbindung 170, der zweiten Zwischenverbindung 172 und der dritten Zwischenverbindung 174 kann eine Lötstruktur oder eine Sinterstruktur sein oder kann durch Schweißen gebildet werden.
  • Wie in 6 schematisch angedeutet, können ein oder mehrere der folgenden Bestandteile der elektrischen Komponente 100 mit einem Phasenwechselmaterial 104 bereitgestellt sein: die elektrisch leitfähige Kontaktstruktur 168; mindestens eine der ersten elektrisch leitfähigen Schichten 162; mindestens eine der zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 164; die erste Zwischenverbindung 170; die zweite Zwischenverbindung 172; die dritte Zwischenverbindung 174. Ein Entwerfer eines Schaltkreises ist vollkommen frei, jeden beliebigen heißen Punkt innerhalb der elektronischen Komponente 100 mit magnetischem Phasenwechselmaterial 104 als eine lokale autarke Kühlung auszustatten.
  • Wie 6 ebenfalls entnommen werden kann, weist das elektronische Gerät 100 zusätzlich eine Mehrzahl an Einschlüssen 179 auf, die ebenfalls magnetisches Phasenwechselmaterial 104 aufweisen können. Zum Beispiel können die Einschlüsse 179 eine thermisch stabile Hülle (die zum Beispiel aus Polyimid oder einem anderen geeigneten Polymer gemacht ist), die mit magnetischen Partikeln, wie zum Beispiel Ferrofluiden, als magnetisches Phasenwechselmaterial 104 gefüllt sind, aufweisen. Solche Einschlüsse 179 können zu einer flüssigen Formmasse, die zur Herstellung des Verkapselungsmittels 112 benutzt wird, zugegeben werden. Diese Einschlüsse 179 verbessern weiter die thermische Leistungsfähigkeit der elektronischen Komponente 100.
  • 7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente 100, die als ein nackter Chip 108 mit einer Oberflächenmetallisierung 106, die ein Phasenwechselmaterial 104 aufweist, konfiguriert ist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Ein Halbleiterkörper 230 des elektronischen Chips 102 hat dotierte Bereiche 232 und/oder beliebige andere integrierte Schaltkreiselemente, die eine spezifische elektronische Funktion erfüllen. Eine mit einem Muster versehene bzw. strukturierte dielektrische Schicht 233 wird auf dem Halbleiterkörper 230 aufgetragen, wobei die dotierten Bereiche 232 freiliegen. Eine Mehrlagen back end of the line (BEOL) Verdrahtungsstruktur 234 kontaktiert die freiliegenden dotierten Bereiche 232 elektrisch. Wie schematisch in 7 angedeutet, kann jede der Verdrahtungsstrukturen 234, die eine Oberflächenmetallisierung des nackten Chips 108 bildet, mit Phasenwechselmaterial 104 als lokale wärmeabführende Merkmale für den elektronischen Chip 102 bereitgestellt werden.
  • 8 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektronischen Komponente 100, die sich aus einem verkapselten oder unverkapselten elektronischen Chip 102 auf einer Montagebasis 118 zusammensetzt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Die elektronische Komponente 100 weist einen nackten elektronischen Chip 102 mit elektrisch leitfähigen Chippads 180 auf. Darüber hinaus ist eine Montagebasis 118 (wie zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte PCB oder ein Leadframe) mit Pads 182 vorgesehen, auf denen der elektronische Chip 102 verbunden ist, zum Beispiel unter Verwendung von Lötstrukturen 184. 8 zeigt somit die Kopplung eines elektronischen Chips 102 an eine Montagebasis 118 als ein Substrat über Pads 180 auf der Frontseite des elektronischen Chips 102.
  • Zur Vermeidung einer Überhitzung einer Grenzfläche zwischen dem elektronischen Chip 102 und der Montagebasis 118 ist es zum Beispiel möglich, mindestens eines der Pads 180, 182 zumindest teilweise aus Phasenwechselmaterial 104 zu konfigurieren.
  • 9 ist ein Diagramm 200, das veranschaulicht dass, zum Beispiel in der Form von bestimmten Legierungen (in dem gezeigten Beispiel eine Fe-Co-Legierung) Phasenwechselmaterialien 104 in einer elektronischen Komponente 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eingesetzt werden können, wobei die Phasenwechselmaterialien 104 mehr als zwei (drei in der gezeigten Ausführungsform) unterschiedliche Zustände magnetischer Ordnung bei unterschiedlichen Temperaturen haben. Folglich haben solche Phasenwechselmaterialien 104 mindestens zwei unterschiedliche Phasenwechsel bei unterschiedlichen Temperaturniveaus. Wenn jeder der entsprechenden mindestens zwei Phasenwechsel, die durch eine kontinuierliche Temperaturzunahme des Phasenwechselmaterials 104 ausgelöst werden, Energie verbraucht, stellt der Einsatz von solch einem Phasenwechselmaterial 104 in einer elektronischen Komponente 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform mehrere Verzögerungseffekte der Temperaturzunahme bei unterschiedlichen Temperaturniveaus bereit. Dies stabilisiert den elektronischen Chip 102 zusätzlich thermisch.
  • Unter Bezugnahme nun auf Diagramm 200 in größerem Detail zeigt die Abszisse 202 ein Verhältnis X der Legierung zwischen Eisen und Kobalt (auf der linken Seite reines Eisen, auf der rechten Seite reines Kobalt, dazwischen variierende Verhältnisse von Eisen und Kobalt). Entlang einer ersten Ordinate 204 ist die Temperatur in Kelvin aufgetragen. Entlang einer zweiten Ordinate 204 ist ein Parameter γ (der Sommerfeld-Koeffizient der spezifischen Wärme) in mJ/(mol K2) sowie ein Exponent α des elektrischen Niedrigtemperaturwiderstands ρ als Funktion der Temperatur T (gemäß der Gleichung ρ(T) = ρ0+A*Tα, mit ρ0 als Restwiderstand bei T = 0 K und A als Konstante) aufgetragen. In einem zentralen Bereich (ungefähr 35% bis 60% Kobalt) zeigt das Diagramm 200 einen magnetischen Niedertemperaturordnungszustand M2, gefolgt von einem Hochtemperaturordnungszustand M1, wobei keine magnetische Ordnung vorhanden ist bei noch höheren Temperaturwerten. Somit zeigt die veranschaulichte Legierung zwei magnetische Phasenwechsel bei unterschiedlichen Temperaturniveaus.
  • Betreffend der Charakteristik, die in 9 als solche gezeigt ist, wird verwiesen auf Bergmann, Christoph, Dissertation, Technische Universität Dresden, Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe Dresden, „SrCo2P2 und Lu(Fe1-x Cox)4Ge2: zwei Systeme mit ungewöhnlichem itineranten Magnetismus“, 2015. Es sei angemerkt, dass der Ausdruck „aufweisend“ (oder „umfassend“) nicht andere Elemente oder Merkmale ausschließt, und dass der Ausdruck „ein“, „eine“, „eines“ oder „einer“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sei auch angemerkt, dass Bezugszeichen nicht so auszulegen sind, dass sie den Schutzumfang der Patentansprüche beschränken. Des Weiteren ist es nicht beabsichtigt, dass der Umfang der vorliegenden Anmeldung auf die bestimmten Ausführungsformen des Verfahrens, der Maschine, der Herstellung, der Zusammensetzung von Materialien, der Mittel, der Verfahren und der Schritte, die in dieser Beschreibung beschrieben sind, beschränkt ist. Folglich ist beabsichtigt, dass die beigefügten Patentansprüche in ihrem Schutzumfang derartige Prozesse, Maschinen, Herstellungsverfahren, Zusammensetzungen von Materialien, Mittel, Verfahren oder Schritte enthalten.

Claims (24)

  1. Eine elektronische Komponente (100), wobei die elektronische Komponente (100) Folgendes aufweist: • einen elektronischen Chip (102); • ein magnetisches Phasenwechselmaterial (104), das konfiguriert ist zum Verbrauchen von Energie beim Wechseln zwischen unterschiedlichen magnetischen Phasen in Antwort auf ein Erwärmen bis zu oder oberhalb einer Phasenwechseltemperatur; • wobei das Phasenwechselmaterial (104) mit dem elektronischen Chip (102) thermisch gekoppelt ist, um dadurch Wärme von dem elektronischen Chip (102) beim Erwärmen bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur abzuführen.
  2. Die elektronische Komponente (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial (104) mindestens eines aus der Gruppe, bestehend aus einer Heuslerschen Legierung, CuMnAs, CuMnSb, Nickel und einem Ferrofluid aufweist.
  3. Die elektronische Komponente (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial (104) konfiguriert ist zum Wechseln zwischen zwei nicht-ferromagnetischen Phasen, insbesondere einer antiferromagnetischen Phase und einer weiteren magnetischen Phase, insbesondere einer paramagnetischen Phase.
  4. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Phasenwechselmaterial (104) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist oder daraus besteht.
  5. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Phasenwechselmaterial (104) konfiguriert ist, so dass die Phasenwechseltemperatur in einem Bereich zwischen -100 °C und 700 °C, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 °C und 200 °C, ist.
  6. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Phasenwechselmaterial (104) konfiguriert ist, so dass ein Unterschied zwischen einer Dichte des Phasenwechselmaterials (104) in den unterschiedlichen magnetischen Phasen weniger als 10% beträgt, insbesondere weniger als 5% beträgt.
  7. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Phasenwechselmaterial (104) konfiguriert ist zum Durchmachen eines Fest/Fest-Phasenübergangs.
  8. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Phasenwechselmaterial (104) eine Dicke von weniger als 5 µm, insbesondere von weniger als 1,5 µm, ganz besonders von weniger als 1 µm, hat.
  9. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Phasenwechselmaterial (104) konfiguriert ist zum Erhöhen seiner Wärmekapazität beim Wechseln der Phase in Antwort auf ein Erwärmen bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur.
  10. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Phasenwechselmaterial (104) zumindest einen Teil einer Chipmetallisierung (106) bildet, insbesondere mindestens eine von einer front end of the line Metallisierung und einer back end of the line Chipmetallisierung.
  11. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend eine Zwischenschicht (177), insbesondere eine Impfschicht, zwischen Halbleitermaterial von dem elektronischen Chip (102) und dem Phasenwechselmaterial (104).
  12. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der elektronische Chip (102) ein Halbleiterchip (102), insbesondere ein Leistungshalbleiterchip (102), ist.
  13. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, die als ein nackter Chip (108) mit einer Oberflächenmetallisierung (106) konfiguriert ist.
  14. Die elektronische Komponente (100) gemäß Anspruch 13, wobei das Phasenwechselmaterial (104) zumindest einen Teil der Oberflächenmetallisierung (106) bildet.
  15. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, die als ein gekapseltes Package (110) konfiguriert ist.
  16. Die elektronische Komponente (100) gemäß Anspruch 15, wobei das Phasenwechselmaterial (104) zumindest teilweise innerhalb eines Verkapselungsmittels (112) des gekapselten Packages (110) angeordnet ist.
  17. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, aufweisend: • ein zumindest teilweise elektrisch leitfähiges Verbindungselement (114), insbesondere ein Chipträger oder ein Clip, durch das der elektronische Chip (102) verbunden ist; • ein Verkapselungsmittel (112), das zumindest einen Teil des Verbindungselements (114) und des elektronischen Chips (102) verkapselt.
  18. Die elektronische Komponente (100) gemäß Anspruch 17, wobei das Phasenwechselmaterial (104) zumindest einen Teil des Verbindungselements (114) bildet.
  19. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, aufweisend einen Wärmeabfuhrkörper (116), der so befestigt ist, dass er zumindest einen Teil einer äußeren Oberfläche der elektronischen Komponente (100) bildet.
  20. Die elektronische Komponente (100) gemäß Anspruch 19, wobei das Phasenwechselmaterial (104) zumindest einen Teil des Wärmeabfuhrkörpers (116) bildet.
  21. Die elektronische Komponente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, • wobei das magnetische Phasenwechselmaterial (104) konfiguriert ist zum Verbrauchen von weiterer Energie beim Wechseln zu einer weiteren magnetischen Phase in Antwort auf ein weiteres Erwärmen bis zu oder oberhalb einer weiteren Phasenwechseltemperatur oberhalb der Phasenwechseltemperatur; • wobei das Phasenwechselmaterial (104) mit dem elektronischen Chip (102) thermisch gekoppelt ist, um dadurch weitere Wärme von dem elektronischen Chip (102) beim Erwärmen bis zu oder oberhalb der weiteren Phasenwechseltemperatur abzuführen.
  22. Ein Verfahren, aufweisend: • Bereitstellen eines elektronischen Chips (102), der thermisch gekoppelt ist mit einem magnetischen Phasenwechselmaterial (104), das konfiguriert ist zum Verbrauchen von Energie beim Wechseln zwischen unterschiedlichen magnetischen Phasen in Antwort auf ein Erwärmen bis zu oder oberhalb einer Phasenwechseltemperatur; • Betreiben des elektronischen Chips (102) und dadurch Erzeugen von Wärme, die das Phasenwechselmaterial (104) bis zu oder oberhalb der Phasenwechseltemperatur erwärmt, um dadurch Wärme von dem elektronischen Chip (102) durch den Phasenwechsel abzuführen.
  23. Ein Verfahren zum Verwenden eines magnetischen Phasenwechselmaterials (104), das Energie verbraucht beim Wechseln seiner magnetischen Phase in Antwort auf ein Erwärmen, zur Temperaturstabilisierung.
  24. Das Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Verfahren ein Zuführen von Energie, die durch das Phasenwechselmaterial (104) beim Wechseln der Phase verbraucht wird, zumindest teilweise aus Ohmscher Wärme, die durch einen Halbleiterchip (102) während des Betriebs davon abgeführt wird, aufweist.
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