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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleiterherstellung und betrifft ein Halbleiter-Bauelement, wie es beispielsweise in der Produktion von Chips oder für Laser eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Bei Halbleiter und Laserbauelementen wird während des Betriebs viel thermische Wärme produziert, die zu mechanischen Spannungen in dem Bauelement führen und bei diesem Schäden verursachen. Ebenso regt Wärme auch die unerwünschte Diffusion im Bauelement an, und kann somit ebenfalls in einer Verkürzung der Haltbarkeit des Bauelementes resultieren.
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Aus
DE 102 50 604 A1 ist ein Latentspeichermodul (= PCM) bekannt, das mechanisch an einem bestehenden Halbleiterbauelement, zumeist an dessen Substrat (Leiterplatte) befestigt wird. Dies gelingt mittels einer Schraubklemmung, wie anhand von
1 der
DE 102 50 604 A1 zu erkennen ist. Es wird das Problem einer Wärmezwischenspeicherung durch die Befestigung eines Latentwärmespeichermoduls mit Kühlkörper am Substrat, an der dem Halbleiter abgewandten Seite des Halbleiterbauelementes und außerhalb des Halbleiterbauelementes gelöst. Eine thermische Kontaktierung des Halbleiters erfolgt durch ein Wärmekopplungselement.
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Gemäß
WO 2001/004 950 A1 ist ein Kühlkörper bekannt, der mit einem Halbleiterbauelement in thermischen Kontakt gebracht wird. Dieser Kühlkörper enthält ein PCM, das auftretende Temperaturschwankungen abmildert.
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Ein PCM ist aus
US 8 937 384 B2 und
US 2013/0285 233 A1 bekannt, das mit einem passiven Kühlelement in thermischem Kontakt steht. Das passive Kühlelement ist dabei ganz oder teilweise in die Moldmasse, die das Halbleiterbauelement umgibt eingelassen, wobei die Moldmasse auch ein PCM darstellt.
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Nachteilig an dieser Lösung ist die Notwendigkeit des Einspritzens eines passiven Kühlelements, wobei die Detailvielfalt in Form der vielen Kühlrippen Lufteinschlüsse beim Spritzen hervorruft, die mittel- und langfristig bei Erhitzung (und der dabei folgenden Ausdehnung der eingeschlossenen Luft) zur Verkürzung der Lebensdauer führt.
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Gemäß
CN 101 090 098 B wird eine „Phase transformation portion“, die eine größere Grundfläche als der Halbleiter hat, und sich direkt (also ohne Zwischenschicht, Mold oder andere Kunststoffmasse) auf der „semiconductor chip backside“ (Rückseite, nicht aktiv) befindet, beschrieben. Nachteilig an dieser Lösung ist die fehlende Verbindung zwischen Halbleiter und Phase transformation portion sowie das Fehlen einer Möglichkeit für den Spannungsabbau.
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Bekannt ist eine Begrenzung der Abwärme durch Begrenzung der maximalen Leistung (Taktrate) (https://www.intel.de/content/www/de/de/support/articles/000005791/processors/intel-core-processors.html).
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Aus
WO 2005/036 587 A2 ist ein Wärmespeicher (PCM) in der Ummantelung des Halbleiterbauelementes bekannt. Nachteilig an der Lösung, die in
WO 2005/036 587 A2 beschrieben wird, ist die Befüllung einer porösen Hohlkammer mit einem PCM (Phase Change Material), wobei heißes PCM in die Ummantelung eines Halbleiterbauelementes gefüllt wird. Dies ist ein aufwendiger und fehlerträchtiger Prozess, der intensiver Überwachung bedarf. Weiter ist auch bei dieser Offenbarung nachteilig, dass eine Möglichkeit des definierten Spannungsabbaus fehlt.
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Bei Laser-Bauelementen verursachen immer weiter steigende Leistungsdichten eine erhöhte Verlustleistung. In Kombination mit feineren Strukturen in den Verschaltungen derselben resultiert dies in einer verringerten Lebensdauer und Ausfallsicherheit im Betrieb. Der meist unsymmetrische Aufbau eines Laser-Bauelements verstärkt diesen Effekt.
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Besondere Herausforderungen stellen sich aufgrund der immer weiter steigenden Miniaturisierung von Halbleiterstrukturen und Kontaktierungen (der Durchmesser von Kontaktdrähten aus Gold hat sich in den letzten 20 Jahren in der Halbleiterindustrie halbiert). Die Empfindlichkeit der Strukturen und Kontaktierungen gegenüber thermischer und mechanischer Belastung nimmt immer weiter zu. Verbesserte Produktionsverfahren und Technologien können diesen Trend nicht vollumfänglich ausgleichen, wobei der Bedarf groß ist, da sich die Anzahl der Bauteile eines Halbleiterbauelementes von ca. 100.000 im Jahr 2005 auf bis zu 20 Mrd. heutzutage um den Faktor 200.000 gewachsen ist (https://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetz).
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Gemäß
US 2013/0285233 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit Wärmeverteiler bekannt, der in das Halbleiterbauelement, das in bekannter BGA-Bauweise aufgebaut ist, einbracht ist. Der Wärmeverteiler umfasst auch ein PCM das bei einer Leistungsspitze im Betrieb Wärme aufnehmen, und danach abgeben kann. Für das Phase Change Material (PCM) selbst sind gemäß
US 2013/0285233 A1 nur beispielhafte Ausführungen genannt. Da jedes Material oder Element bei mindestens einer ausgezeichneten Temperatur einen Phasenwechsel hat, so ist gemäß
US 2013/0285233 A1 der Ausdruck PCM gleichbedeutend mit Material oder Element, und kann nur im Zusammenhang mit einer sinnvollen Anwendung verstanden werden. Gemäß
US 2013/0285233 A1 in Absatz [0051] dient der Wärmeverteiler und das PCM passiv zum Kühlen während des Betriebs. Dies lässt den Fachmann von einer max. Betriebstemperatur eines Halbleiters als obere Grenze ausgehen, die bei handelsüblichen Halbleiter-Bauelementen bei 105°C. Bei nicht kommerziellen Anwendungen kann die max. Betriebstemperatur höher liegen, wobei dann immer noch die Kühlung des Halbleiterbauelementes zum Schutz der temperaturempfindlichen BGA- Kontakte und der Leiterplatte gegeben sein muss. Zusätzlich wird gemäß
US 2013/0285233 A1 der Anwendungsfall von mobilen Geräte und die Gefahr, das sich Nutzer verbrennen, aufgeführt, was wiederum auf einen Temperaturbereich des Phasenwechsels, wie in Absatz [0073] der
US 2013/0285233 A1 aufgeführt, von 10-50°C schließen lässt.
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Zusätzlich werden aktuelle Halbleiterstrukturen in mehreren Ebenen aufgebaut, die die Abwärme und den dadurch ausgelösten thermomechanischen Stress noch weiter steigern (https://www.computerbase.de/2021-06/3d-v-cache-technology-amd-stapelt-l3-cache-bei-ryzen-auf-192-mbyte, https://gamingsym.in/gr/amds-v-cache-boosted-ryzen-7-5800x3d-laesstmoeglicherweise-keine-uebertaktung-zu/, https://www.pcwelt.de/tipps/Was-ist-ein-Chiplet-Begriff-erklaert-11128013.html).
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Eine auf die 3-dimensionale Struktur des Halbleiterbauelementes abgestimmte Positionierung von mehreren zur Anwendung kommenden Wärmespeichern wird immer dringender, um die Kundenerwartungen an Ausfallsicherheit und Leistungsfähigkeit auch in Zukunft gerecht werden zu können.
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Nachteile
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Nachteilig an den herkömmlichen Lösungen ist einerseits, dass thermomechanische Spannungen beim Einsatz von Halbleiter-Bauelementen auftreten, die ein Ermüden des Materials verursachen, und andererseits, die Wärmeströme nicht mittels einfacher und eindeutig nachvollziehbaren Methoden ermittelt werden können und dass die Herstellungskosten für derartige Sensoren hoch sind.
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Aufgabe
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Halbleiter-Bauelements, bei dem thermomechanische Spannungen reduziert sind und dessen Wärmeströme mittels einfacher Methoden ermittelt werden können und das eine längere Haltbarkeit als herkömmlichen Halbleiter-Bauelemente aufweist und günstiger in der Herstellung ist.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Ansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung miteinschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
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Lösung und Beschreibung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Halbleiter-Bauelement umfasst
- - eine aus nichtleitendem Material bestehende erste Schicht (1), die ein Substrat ist,
- - einer auf der ersten Schicht (1) angeordneten zweiten Schicht (2) bestehend aus metallischen Kontaktierungen,
- - einer auf der zweiten Schicht (2) angeordneten dritten Schicht (3) bestehend aus einem Halbleiter,
- - einer auf der dritten Schicht (3) angeordnete vierten Schicht (4) bestehend aus einer klebenden Schicht,
- - mindestens einer fünften Schicht (5) aus einem niedrigschmelzenden Material, wobei das niedrig schmelzende Material der fünften Schicht (5) aus einem phasenwechselnden Material (Phase Change Material = PCM) besteht, das mindestens aus einer Folie aus Kupfer und mindestens einer Folie aus Indium, und/oder Zinn oder Legierungen dieser ist und aus einer oder mehreren Lagen derer besteht, die bei einer oder verschiedenen Temperaturen eine oder mehrere Legierungen bildet, die von einer sechsten Schicht (6) umschlossen wird und die fünfte Schicht und die sechste Schicht (6) einen Wärmespeicher bilden, der mindestens teilweise auf der vierten Schicht (4) angeordnet ist, und
- - eine siebte Schicht (7) die erste (1) bis sechste (6) Schicht mindestens teilweise umschließt und aus einem elektrisch isolierenden organischen Material besteht, wobei der Wärmespeicher auf einer unstrukturierten oder nicht aktiven Seite eines Halbleiters angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß bilden sich während des Betriebs des Halbleiter-Bauelementes zwischen den Schichten Kupfer und Zinn und/oder Indium und/oder deren Legierungen über die Zeit und bei bestimmten Temperaturen intermetallische Phasen, die durch einfache Wärmezufuhr nicht reversibel sind. Diese sind mittels optischer Methoden unterscheidbar und eindeutig vom restlichen Material der Schichten unterscheidbar.
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Als optische Methoden lassen sich ein Lichtmikroskop oder alternativ als Methode per Röntgen verwenden. Eine vorhergehendes Ätzung der Schichten bei einer Probenpräparation kann den Kontrast bei einer optischen Mikrosokopie erhöhen. Weitere Methoden sind die Atomic Force Microscopy (AFM) oder auch Nanoindentation.
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Mittels dieser einfachen Methoden lässt sich auf den absoluten Wärmestrom rückschließen. Mittels thermodynamischer Berechnungen (z.B. Arrhenius-Gleichung oder Fick`sche Diffusionsgesetze) lässt sich der absolute Wärmestrom aus der Bildungsenthalpie bestimmen. Alternativ ist eine Abschätzung mittels Eichung der Bildung der intermetallischen Phasen möglich.
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Vorteilhafterweise sind ein oder mehrere Wärmespeicher mit unterschiedlichem oder gleichem Abstand zu einem oder mehreren Halbleitern (3) angeordnet sind
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Ebenfalls vorteilhafterweise enthält ein Material zur Verbindung des Wärmespeichers zum Halbleiter (3) ein Polymer enthält.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Wärmespeicher in einem Halbleiter- oder Laser-Bauelement verbaut.
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Auch vorteilhafterweise ist Teile des Halbleiters von mindestens einer organischen Schicht und haftvermittelnd zur vierten Schicht (4) und/oder umschließt die siebte Schicht (7) die sechste Schicht (6) vollständig.
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Ebenfalls vorteilhafterweise weist die sechste Schicht (6) eine oder mehrere Aussparungen auf.
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Oder die sechste Schicht (6) weist vorteilhafterweise eine größere Fläche als die dritte Schicht (3) und/oder vierte Schicht (4) auf.
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Weiter vorteilhafterweise weist die sechste Schicht (6) eine andere Formgebung als die dritte Schicht (3) und/oder vierte Schicht (4) auf.
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Ebenfalls vorteilhafterweise ist auf einer Oberfläche der dritten Schicht (3) eine organische Schicht als Haftvermittler aufgetragen als Kontakt zur vierten Schicht (4). Auch vorteilhafterweise ist die Fläche der vierten Schicht (4) unterschiedlich zur Fläche der dritten Schicht (3).
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Vorteilhafterweise sind ein oder mehrere Wärmespeicher mit zwei oder mehreren Halbleitern in einem Gehäuse verbaut, die bei besonderen Bauformen wieder untereinander mittels Drähten verbunden sein können.
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Vorteilhafterweise hat die fünfte Schicht (5) eine Phasenübergangstemperatur oberhalb einer kritischen Betriebstemperatur des Halbleiterbauelementes, insbesondere zwischen -40°C und 0°C.
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Auch vorteilhafterweise besteht die fünfte Schicht (5) aus mehreren Lagen oder einem Gemenge unterschiedlicher Materialien.
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Weiter vorteilhafterweise ist die sechste Schicht (6) von einer organischen Schicht umgeben ist, die haftvermittelnd zur siebten Schicht (7).
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Ebenso vorteilhafterweise sind die Schichten einer oder aller Wärmesenke(n) nicht planplanar zu einem oder mehreren Halbleitern in einem Halbleiter- oder Laser-Bauelement angeordnet.
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Vorteilhafterweise sind die fünfte Schicht (5) und die fünfte Schicht (5) umgebende sechste Schicht (6) nicht gleichmäßig dick oder gleichmäßig geformt.
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Besonders vorteilhafterweise weist die sechste Schicht (6) nach außen eine Öffnung auf, durch die Material der fünften Schicht (5) aber einer kritischen Temperatur und/oder einem kritischen Druck entweichen kann.
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Als kritische Temperatur oder Druck wird die Temperatur oder der Druck betrachtet, der dem Halbleiter-Bauelement Schaden zuführen kann, so dass die Lebensdauer des Bauelements drastisch verkürzt wird.
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Vorteilhafterweise bilden die fünfte Schicht (5) aus mehreren Lagen besteht, die bei einer oder verschiedenen Temperaturen eine oder mehrere Legierungen.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, die Lebensdauer von Halbleiter-Bauelementen zu verlängern sowie absoluten Wärmeströme über die Dauer des Halbleiter-Bauelements einfach und kostengünstig zu ermitteln, indem die thermomechanischen Spannungen innerhalb eines Halbleiter- oder Laser-Bauelements oder von Halbleiter- oder Laser-Bauelement zu seiner Umgebung verringert und so die Materialermüdung verzögert wird und die sich unter Temperatureinfluss bildenden intermetallischen Phasen und Verbindungen mittels optischer Methoden nachvollzogen werden können. Häufig ist dazu eine zerstörende Präparation notwendig.
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung näher, ohne den Umfang der Erfindung zu beschränken.
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Im Wesentlichen behandelt diese Erfindung die „Verpackung“ von sehr empfindlichen Bauelementen, die eine hohe Verlustleistung in Form von Wärmeabgabe haben.
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Die erfindungsgemäß einsetzbare Wärmespeicher bildet gleichzeitig ein temperatursensitives Schichtsystem, das Schichten aus Kupfer (Cu) und Zinn (Sn) und/oder Indium (In) oder Legierungen aus diesen Elementen umfasst.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement (wie MOSFET oder Wide-Bandgap-Halbleiter), dessen nachteilige Temperaturspitzen im Betrieb ermittelt werden. Das temperatursensitive Schichtsystem ist mittels eines Kleber-Polymers auf dem Halbleiter befestigt.
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Die Einsatztemperatur liegt meist zwischen -40°C und +300°C (beispielsweise im Fahrzeug), kann aber in Ausnahmefällen von -273°C bis mehrere Tausend Grad Celsius (beispielsweise in der Forschung) reichen (https://www.derstandard.de/story/2000131919769/erstmals-kommtein-raumschiff-mit-der-sonne-in-beruehrung).
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Die Fortschritte der letzten Jahre in Material- und Prozesstechnik (insbesondere Spritzgusstechnik) erfordern neue, vorteilhafte Lösungen, um die gestiegenen Anforderungen der Halbleiter- und Lasertechnik zu erfüllen. Diese liegen insbesondere in:
- a) höherer Genauigkeit der Positionierung von Wärmespeichern
- b) auslegbaren physikalischen Eigenschaften wie thermische Leitfähigkeit und Duktilität des Kontaktmaterials (zum Beispiel als Kleber) zwischen Halbleiter und Wärmespeicher, um eine erhöhte Lebensdauer oder/und längere Betriebsdauer und/oder höhere Leistung und/oder höhere Betriebssicherheit und/oder geringere Kosten in der Produktion bei einem nicht-kontinuierlichen Betrieb zu bewirken.
- c) Vermeidung der Notwendigkeit einer Befüllung eines Hohlraums mit einem PCM (wie aus dem Stand der Technik, beispielsweise WO 2005/036 587 A2 beschrieben).
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All diese Herausforderungen werden mit den erfindungsgemäßen Halbleiter- oder Laser-Bauelementen gelöst.
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Halbleiter- und Laserbauelemente sind in vielen unterschiedlichen baulichen Ausführungen bekannt.
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Bei Halbleiterbausteinen wird derzeit häufig die FBGA-Bauweise eingesetzt, bei der sich der Halbleiterbaustein „face down“ auf der Leiterplatte befindet. Unter „face down“ wird erfindungsgemäß verstanden, dass die aktive (strukturierte) Seite unten, daher in Richtung der Leiterplatte, ist. Erfindungsgemäß ist der Wärmespeicher auf der unstrukturierten oder nicht aktiven Seite des Chips.
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Halbleiter-Bauelemente sind in vielen unterschiedlichen baulichen Ausführungen bekannt.
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Aufgrund des hohen technischen Reifegrades der Halbleiterindustrie werden bereits jetzt bewährte Technologien und Methoden auch zur Produktion von Laserbauelementen eingesetzt, einschließlich Laserbauelementen mit organischen Farbstofflasern. Dies gilt zum Beispiel für die Kontaktierung mittels Drahtbonden (Wire Bonden) und stellt dabei Stand der Technik dar. Stand der Technik ist der Verbau mindestens einer Linse in einem Laser-Bauelement. LED oder OLED stellen ebenfalls dem Laser verwandte Bauelemente dar, eine Linse ist hier nicht verbaut.
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Bei allen verbreiteten Ausführungen ergeben sich aus ihrem unsymmetrischen Aufbau und betriebsbedingten Leistungsspitzen erhöhte thermomechanische Belastungen, die unterschiedliche und literaturbekannte Versagensmechanismen anregen und in der Folge meist zu einer verminderten Lebensdauer oder auch zum direkten Ausfall oder Funktionseinschränkung führen können. Das Wissen um die Belastungsgrenze der verwendeten Bauteile ist in der Praxis wesentlich.
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Die genannten Leistungsspitzen sind oft zeitlich begrenzt und deren Länge meist abschätzbar oder durch Software steuerbar. Leistungsspitzen werden beispielsweise beim Hochlauf eines PC oder Start einer App beim Handy oder beim gepulsten Betrieb eines Lasers erreicht.
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Um einen vorzeitigen Ausfall zu verhindern, haben sich in der Industrie einige Normen bewährt. Diese beschreiben bauliche Voraussetzungen und umfangreiche Testbedingungen, um die Stabilität von Halbleiterbauelementen über einer spezifizierten Lebensdauer bei vorgegebener Nutzung zu gewährleisten. Beispiele dafür sind AEC-Q und JEDEC.
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Aufgrund des unterschiedlichen Einsatzes von Halbleiterbauelementen reichen die Folgen eines Ausfalls vom Verlust einer Komfortfunktion bei einem Mobilfunkgerät über die Verringerung der Fahrsicherheit im Straßenverkehr durch den Ausfall von ABS, ESP, Verkehrszeichen-Erkennung oder autonomen Fahren bis zum Verlust von lebenswichtigen Funktionen, etwa im Flugverkehr bei der Steuerung vom Flugzeug oder der Klimaanlage im Flugzeug, oder bei künstlichen Implantaten in der Medizin bei der Funktionssteuerung eines künstlichen Herzens.
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Zur Vermeidung von die Lebensdauer beschränkenden Temperaturen im Bauelement durch Leistungsspitzen erfolgt eine Drosselung der Halbleiterbauelemente per Software. Aktive Kühlsysteme werden in den meisten Anwendungen selten eingesetzt, da diese ihrerseits eine beschränkte Lebensdauer oder einen hohen Raumbedarf oder zu hohe Kosten haben. In der Automobilindustrie scheitert ein Einsatz zumeist an der hohen Ausfallrate aktiver Kühlsysteme mit beweglichen Teilen für Halbleiterbauelemente über die geforderte Lebensdauer von meist mindestens 10 Jahren.
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Als Alternative zu aktiven Kühlsystemen mit beweglichen Teilen bieten sich sogenannte „Heat Pipes“ an. Diese transportieren Wärme aufgrund eines physikalischen Effektes. Aufgrund des hohen Preises und des benötigten Bauraums werden sie meist nicht genutzt.
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Da jede Funktionsabsicherung per Software wiederum fehleranfällig ist, bietet die erfindungsgemäße Lösung eine erhöhte Funktionssicherheit.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird während einer Leistungsspitze ein Teil überschüssiger Wärmeenergie durch den Wärmespeicher aufgenommen und zeitverzögert durch ein vorhandenes Kühlsystem abgegeben. Da die überschüssige Wärmeenergie im Halbleiter frei wird, wird diese erfindungsgemäß durch das Schmelzen eines niedrigschmelzenden Materials des Wärmespeichers aufgenommen, der thermisch gekoppelt mit dem Halbleiter ist. Der Schmelzpunkt des niedrigschmelzenden Materials des Wärmespeichers kann durch eine geeignete Wahl der Legierungsbestandteile auf den Anwendungsfall des Halbleiterbauteils abgestimmt werden.
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Die Wärmespeicher können dabei aus dem gleichen oder unterschiedlichen Material bestehen. Die Klebeschichten können ebenfalls aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Vorteilhafterweise sind die Wärmespeicher nicht nur oberhalb der dritten Schicht, sondern auch seitlich der ersten bis dritten Schicht angeordnet. Die einzelnen Teile des Wärmespeichers können, müssen aber nicht miteinander verbunden sein. Ein oder mehrere Wärmespeicher können sich auch unterhalb der ersten Schicht (1) befinden. Vorteilhafte Ausführungen sind in 2 und 4 dargestellt.
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Umschließt die siebte Schicht (7) die anderen Schichten nicht vollständig, so ist ein besserer thermischer Kontakt von Wärmespeicher zu Kühlkörper möglich, wie in 14 dargestellt.
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Vorteilhafterweise weist die sechste Schicht (6) eine größere Fläche als die dritte Schicht (3) und/oder vierte Schicht (4) auf und dient als ein mechanischer Schutz des Halbleiters, wie in 7 dargestellt.
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Vorteilhafterweise kann Schicht 6 aus mehreren Schichten unterschiedlicher Legierungen bestehen, die meist nebeneinander oder untereinander angeordnet sind. Dabei haben die unterschiedlichen Legierungen unterschiedliche Schmelztemperaturen, die eine unterschiedliche Wirkung bei unterschiedlichen Temperaturen aufweisen. Auch ist es möglich, dass sich diese unterschiedlichen Schichten erst bei Erreichen einer bestimmten Temperatur mischen und ein PCM bilden.
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Ebenso vorteilhafterweise ist die Fläche der vierten Schicht (4) (Kleber) größer als die Fläche der dritten Schicht (3) (Halbleiter), siehe 9 In Abhängigkeit der produktionstechnischen Voraussetzungen kann die Fläche der vierten Schicht auch kleiner sein als die Fläche der dritten Schicht. In Abhängigkeit vom Bauteildesign, den verwendeten Materialien oder auch Anwendungsbedingungen kann die vierte Schicht (4) (Kleber) auch unterteilt sein. Für ein produktionsgerechtes Design des Bauteils ist eine vierte Schicht (4) (Kleber), die eine größere Fläche als die sechste Schicht (6) aufweist, günstiger, siehe 1 und 9.
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Vorteilhafterweise sind die Schichten einer oder aller Wärmesenken nicht planplanar zu einem oder mehreren Halbleitern in einem Halbleiter- oder Laser-Bauelement angeordnet, siehe 19.
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Vorteilhafterweise weist das erfindungsgemäße Halbleiter- oder Laser-Bauelement eine Öffnung auf, durch welche eine in einem kritischen Temperaturbereich verdampfende Schicht entweichen kann. Dieser Aufbau ist für Anwendung mit einer geringen Anwendungszeit ausgelegt, wie beispielsweise bei einer Raumsonde, die durch die Corona der Sonne bei mehreren Millionen Grad Celsius fliegt. Dieser Aufbau ist in den 22 und 23 dargestellt.
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Weiter vorteilhafterweise besteht der Wärmespeicher der fünften Schicht (5) aus mehreren Lagen oder einem Gemengematerial, die bei einer gewünschten Temperatur ineinander diffundieren und eine Mischung oder Legierung bilden.
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Noch vorteilhafterweise besteht die sechste Schicht (6) aus mehreren Lagen Folien niedrig schmelzender Metalle, die durch die fortschreitende Bildung von Mischungen oder Legierungen dieser erhöhten Temperaturen oder den Temperaturverlauf während der Benutzung anzeigen können.
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Bei erfindungsgemäßer Verwendung mehrerer PCM können sowohl die Klebeschichten und die niedrig schmelzenden Schichten unterschiedlich in Volumen und Ausformung sein. Zwei Wärmespeicher mit Klebeschichten ähnlicher Ausformung und Volumina in einem Modul sind in 18 abgebildet.
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Vorteilhafterweise wird ein PCM auf den Halbleiter geklebt und anschließend eine umhüllende Schicht in einem Spritzgussverfahren für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiter- oder Laser-Bauelements aufgebracht.
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In der Halbleiterindustrie treten häufig ungerechtfertigte Reklamationen aufgrund unsachgemäßer Handhabung oder einer Übertaktung oder aufgrund eines elektrischen Schadens auf, die aufgrund der zur Bearbeitung notwendigen High-Tech Analysen mehr als 100.000 € kosten können.
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Die Zuordnung eines der oben genannten Reklamationsgründe kann durch den Einbau eines preisgünstigen Temperaturindikators, bestehend aus mehreren Lagen unterschiedlicher Metallfolien, abgekürzt und somit die Kosten gesenkt werden. Zwischen den Metallfolien bilden sich Legierungen, die abhängig von den verwendeten Metallkombinationen und nach Temperatur und Zeit zugeordnet werden können. Die Beobachtung dieser Legierungsbildung kann in vielen Fällen mittels Lichtmikroskop beobachtet werden. Eine Zuordnung des Reklamationsgrundes wäre somit einfacher und schneller bei gleichzeitig geringeren Kosten möglich.
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Die zusätzliche Nutzung von Veränderungen der niedrigschmelzenden sechsten Schicht (6) als Temperaturindikator der maximalen Betriebstemperatur bei Schadensfällen ist bei geeigneter Werkstoffauswahl erfindungsgemäß zusätzlich möglich.
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Die hochschmelzende sechste Schicht (6) besteht meist aus einem Polymer oder Al, Cu, Fe, Ni oder eine Legierung daraus. Zur Kostensenkung können diese Legierungen weitere Elemente mit einem Anteil von < 30 Masse-% enthalten, zum Beispiel Kohlenstoff oder Silizium.
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Abhängig von den Anwendungsbedingungen kann die hochschmelzende Schicht als Ummantelung der Lösung eine Schicht aus Kunststoff sein. Die Ummantelung besteht meist aus C, H, O, N, Cl, Br, I. Es bietet sich Teflon, PVC, PE oder auch PMMA an oder eine Mischung der zuvor genannten an.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines geeigneten Wärmespeichers dargestellt. Dieses kann durch einen ergänzten, in der Industrie üblichen Herstellungsprozesses für FBGA-Module erreicht werden. Nach erfolgtem Die-Attach (maschinelles Aufsetzen des Halbleiters auf die Klebefläche des Substrates) werden ein oder mehrere Klebepunkte auf dem Halbleiter aufgebracht/dosiert. Alternativ kann auch beidseitig eine Klebefläche auf dem Halbleiter aufgebracht werden. Auf dieser Klebefläche kann der vorgefertigte Wärmespeicher in einem Die-Attach Prozess abgelegt werden. Eine meist folgende Lamination verbindet die Bauteile. Meist erfolgt anschließend eine Kontaktierung des Halbleiters. Ein folgender Spritzguss-Prozess (Mold) umschließt die Bauelemente. Diese Prozessschritte sind milliardenfach und seit vielen Jahrzehnten in der Anwendung.
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Beim Mold-Prozess (Spritzguss) ergeben sich oft in schmalen Bereichen zwischen zwei Komponenten, die nicht ausreichend mit Mold (Spritzgussmasse) ausgefüllt werden, lückenhafte Bereiche. Luft wird an diesen Stellen eingeschlossen und führt bei späteren Prozessen, die zu einer raschen Erhitzung führen (Löten), zum bekannten „Pop-Corn“ Effekt. Dieser Effekt führt meist zur schweren Schädigung oder Ausfall des betroffenen Halbleiterbauelementes.
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Eine alternative, erfindungsgemäße Herstellung bezieht sich auf ein bereits gefertigtes Halbleiterbauelement, auf das eine Wärmesenke aufgebracht wird. Vorteilhafte Ausführungen sind in 22 und 23 dargestellt.
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Zur Reduzierung auftretender Spannungen im Halbleiterbauelement kann der stoffschlüssige Kontakt von dritter Schicht (3) zu vierter Schicht (4) derart strukturiert (mit Aussparungen versehen) ausgeführt werden, dass der Kontakt zur umgebenden Kunststoffmasse geeignet eingestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise kann bei Beachtung der Anwendungsbedingungen zur weiteren Kosteneinsparung die sechste Schicht (6) weggelassen werden. Eine mögliche vorteilhafte Ausführung ist in 21 und 13 abgebildet.
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Bei wiederholten Schmelz- und Erstarrungsprozessen im Wärmespeicher können in Abhängigkeit der gewählten Zusammensetzungen (Legierungen) teils erhebliche Druckunterschiede durch die Volumenänderung beim Phasenübergang auftreten. Um eine Verformung oder gar Platzen des Wärmespeichers zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, eine oder mehrere Aussparungen in der sechsten Schicht (6) zum Druckausgleich vorzusehen. Zweckmäßig ist die Positionierung dieser Aussparungen auf der vom Halbleiter abgewandten Seite des Wärmespeichers. Diese Aussparungen sind von einem dehnbaren Material verschlossen. Meist reicht die im Spritzgussprozess verwendete Kunststoffmasse (Mold) hierfür aus.
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In Abhängigkeit der Anwendung, beispielsweise in der Leistungselektronik, kann es sinnvoll sein, mehrere Halbleiterbauelemente in einem Gehäuse anzuordnen und eine gemeinsame Wärmesenke zu nutzen, wie in 3 dargestellt.
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Meist umschließt eine Kunststoffmasse den Halbleiterbaustein, um Feuchtigkeit fernzuhalten oder mechanische Schäden vom Halbleiterbaustein zu verringern und eine verbesserte Weiterverarbeitbarkeit sicher zu stellen, wie in 1 dargestellt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Umsetzung kann es zweckmäßig sein, die Wärmesenke ganz oder teils nicht mit Kunststoffmasse zu umschließen, um eine verbesserte Wärmeableitung vom Wärmespeicher zum Kühlsystem (Beispiel: aktiver Kühler) zu ermöglichen, wie in 14 dargestellt.
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Bei einigen Anwendungen kann eine Steuerung der Leistungsaufnahme des Halbleiters unter Berücksichtigung der Wärmekapazität des Wärmespeichers sinnvoll sein. Auch kann hierfür der Verbau eines Temperatursensors im Halbleiter und/oder am Wärmespeicher sinnvoll sein.
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Vorteilhaft können einige Schichten, wie Klebeschicht oder niedrig- oder hochschmelzende Schicht erfindungsgemäß größer sein als das Halbleiterbauelement, um dieses mechanisch zu schützen oder um die thermischen Eigenschaften geeignet einzustellen, wie in 10 angedeutet
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Vorteilhafterweise kann bei Beachtung der Anwendungsbedingungen auf eine vierte Schicht (4) Klebeschicht verzichtet werden. Vorteilhafterweise kann auf die Moldschicht um den Wärmespeicher verzichtet werden, um die Wärmeabführung zu verbessern.
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Um eine bessere Herstellbarkeit, insbesondere für optische Erkennungssysteme in der Produktion, zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß die Wärmesenke in einer Dimension (Beispiel Breite) kleiner oder gleich dem Halbleiter ausgeführt.
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Form und Platzierung der Wärmespeicher ist meist unterschiedlich und kann jede denkbare Form annehmen. Meist sind Quader oder Kugel sinnvoll, doch ist auch ein Kegelschnitt vorstellbar. Die Platzierung der Wärmespeicher ist im Halbleiterbauelement an jeder Stelle zur Verminderung von auftretenden thermomechanischen Spannungen und zur Verbesserung der Temperaturverteilung im Halbleiterbauelement möglich. Meist werden diese planplanar zum Halbleiter positioniert, um die Herstellbarkeit zu verbessern.
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Der Einsatz von Haftvermittlern zwischen artungleichen Schichten wird als Stand der Technik angesehen, und wird an einigen Stellen der vorliegenden Erfindung lediglich angedeutet.
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Die vorliegende Erfindung wird mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Eine Prinzipdarstellung eines Abschnitts eines Halbleiter- und eines Laser-Bauelementes, bestehend aus:
- nichtleitendem Material bestehender erster Schicht (1) wie Substrat, einer auf dieser verlaufenden zweiten Schicht (2) aus metallisch leitenden Kontaktierungen und einer dritten Schicht (3) aus einem Halbleitermaterial oder Laser-Barren, einer organischen vierten Schicht (4) (Kleber), einem Verbund bestehend aus einer fünften Schicht (5) aus niedrigschmelzenden Material (Phase Change Material), die eine sechste Schicht (6) Schicht aus hochschmelzendem Material umgibt. Meist sind diese fünf Schichten von einer elektrisch isolierenden siebten Schicht (7) (meist Kunststoffmasse) umgeben. Dicke und Ausführung der siebten Schicht (7) sind an Einsatztemperatur und Verlustleistung des Bauelementes angepasst. Die Kleberschicht kann zur besseren Wärmeleitung ein Geflecht wärmeleitfähigen Materials enthalten, das nicht vollflächig oder vollflächig ausgelegt sein kann. Je nach Anwendung liegt die die Dicke der siebten Schicht zwischen 0,01 bis 10 mm.
- 2 Das Bauelement ähnlich 1 mit mehreren, teils nicht miteinander verbundenen Wärmespeichern bestehend aus den Schichten 4, 5, 6 und Schichten 8, 9, 10. Die vierte Schicht (4) und achte Schicht (8) können unterschiedlich dick und aus unterschiedlichem Material sein.
- 3 Ein Bauelement ähnlich 1, bestehend aus mehreren Halbleitern (3) und (13), die mittels einer Klebeschicht (4) mit einem Wärmespeicher (5,6) verbunden und von einer elektrisch isolierender Kunststoffmasse umgeben sind.
- 4 Ein Bauelement ähnlich 2 und 3. Bei dieser Ausführung sind mehrere Halbleiter (3) und (13) und mehrere Wärmespeicher in einem Bauelement verbaut, um eine erhöhte Funktionalität zu gewährleisten und auftretenden, thermisch induzierten Spannungen entgegenzuwirken. Sowohl Material der Wärmespeicher und Funktion/ Bauweise/Dimensionen des Halbleiters können unterschiedlich sein.
- 5 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise, bei der die Wärmesenke in mindestens einer Dimension kleiner als der Halbleiter ist.
- 6 Die Darstellung zeigt eine alternative Bauweise, bei der die vierte Schicht (4) (Klebeschicht) mindestens in einer Dimension kleiner als die sechste Schicht (6) ausgeführt ist, um eine verbesserte Haftung der umgebenden siebten Schicht (7) (Moldmasse) zu gewährleisten, dies führt zu einer mechanischen Verklemmung.
- 7 Um einen zusätzlichen Schutz des Halbleiters zu gewährleisten, ist bei dieser vorzugsweisen Bauweise die Wärmesenke größer als der Halbleiter ausgeführt.
- 8 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 7 bei der die fünfte Schicht (5) dicker ausgeführt ist.
- 9 Die Darstellung zeigt eine alternative Bauweise, bei der die Wärmesenke um weitere Schichten des Halbleiterbauelementes herumgeführt ist, um einen mechanischen Schutz und/oder eine bessere Wirkung zu erreichen.
- 10 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise, bei der die Klebefläche unterteilt ist.
- 11 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise, bei der die Kontakte des Halbleiters zur Seite herausgeführt sind.
- 12 Die Darstellung zeigt eine alternative Bauweise zu 1 bei der die erste Schicht (1) größer als die dritte Schicht (3) ist.
- 13 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 1 bei der die sechste Schicht (6) weggelassen ist.
- 14 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 1 bei der die siebte Schicht (7) nicht vollständig die sechste Schicht (6) umhüllt
- 15 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 1 bei der das Ausgleichselement (14) die sechste Schicht (6) unterbricht.
- 16 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 1 bei der die vierte Schicht (4) nicht eben ausgeführt ist, sondern der Struktur der sechsten Schicht (6) folgt.
- 17 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 1 bei der die Schicht (15) einen Haftvermittler zur vierten Schicht (4) Klebeschicht bildet.
- 18 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 2, Klebeflächen (4) und (8) sind gleich dick.
- 19 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 1 mit aufgeklebtem Wärmespeicher.
- 20 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 19, die sechste Schicht (6) fehlt.
- 21 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 20, die Klebeschicht fehlt.
- 22 Die Darstellung zeigt eine vorzugsweise Bauweise zu 19 mit einer Entlüftungsöffnung.
- 23 Die Darstellung zeigt eine alternative Bauweise zu 1, mit einer Entlüftungsöffnung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste Schicht mit Substrat
- 2
- Zweite Schicht mit metallischen Kontaktierungen
- 3
- Dritte Schicht mit Halbleiter
- 4
- Vierte Schicht bestehend aus einer klebenden organischen Schicht
- 5
- Fünfte Schicht aus niedrigschmelzendem Material
- 6
- Sechste Schicht aus hochschmelzendem Material
- 7
- Siebte Schicht aus einem elektrisch isolierenden organischen Material
- 8
- Kleber
- 9
- Niedrigschmelzendes Material (ähnlich fünfter Schicht (5))
- 10
- Gleiches oder ähnliches Material wie sechste Schicht (6)
- 11
- Substrat
- 12
- Metallische Kontaktierungen
- 13
- Halbleiter
- 14
- Ausgleichselemente
- 15
- Haftvermittler
- 16
- Ähnliches Material wie vierte Schicht (4)
- 17
- Ähnliches Material wie siebte Schicht (7)
- 18
- Entlüftungsöffnung
- 19
- Alternativ ausgeführte Entlüftungsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10250604 A1 [0003]
- WO 2001004950 A1 [0004]
- US 8937384 B2 [0005]
- US 20130285233 A1 [0005, 0012]
- CN 101090098 B [0007]
- WO 2005036587 A2 [0009, 0045]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- https://www.intel.de/content/www/de/de/support/articles/000005791/processors/intel-core-processors.html [0008]
- https://www.computerbase.de/2021-06/3d-v-cache-technology-amd-stapelt-l3-cache-bei-ryzen-auf-192-mbyte, https://gamingsym.in/gr/amds-v-cache-boosted-ryzen-7-5800x3d-laesstmoeglicherweise-keine-uebertaktung-zu/, https://www.pcwelt.de/tipps/Was-ist-ein-Chiplet-Begriff-erklaert-11128013.html [0013]