DE10318424A1

DE10318424A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE10318424A1
Application number: DE2003118424
Authority: DE
Inventors: Stefan GRÖTSCH; Stephan Dr. Lutgen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2004-11-25

Abstract

Es ist eine Halbleiteranordnung vorgesehen, die aus einem Substrat besteht, auf dem einseitig eine Oberflächenschicht mit einer aktiven wärmeerzeugenden Struktur ausgebildet ist. Auf der der Oberflächenschicht gegenüberliegenden Rückseite des Substrats ist zumindest eine Vertiefung zum Einbringen einer Kühlflüssigkeit ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung gemäß Patentanspruch 1.
Mit zunehmendem Entwicklungsstand wird die in den Halbleiterbauelementen umgesetzte Energie immer größer. Dabei wird gleichzeitig zur Verminderung der Herstellungskosten versucht, die jeweilige Chipfläche zu vermindern. Derartige Anstrengungen werden jedoch nicht, wie weitgehend bekannt, nur bei Hochleistungsprozessoren zum Problem, sondern auch schon seit langem bei optischen Bauelementen wie LEDs bzw. Laserdioden.

Es ist seit langem bekannt, Halbleiterbauelemente, die so viel Wärme entwickeln, daß die entstehende Wärme für das Bauelement ein Problem darstellt, mit einer Wärmesenke zu versehen und das Bauelement dann mit seiner Wärmesenke auf einem metallischen Kühlkörper zu befestigen. Weiterhin ist der Einsatz von Ventilatoren zur Ableitung der Wärme vom Kühlkörper bekannt.

Diese bisher bekannten Maßnahmen sind mittlerweile nicht mehr für das Abführen der wärme ausreichend.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung vorzusehen, die mit geringem Aufwand erheblich effektiver kühlbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Dadurch, daß in der der Oberflächenschicht gegenüberliegenden Rückseite des Substrats zumindest eine Vertiefung eingebracht ist, kann diese zur Zuführung eines Kühlmittels dicht an der Quelle der Wärmeerzeugung verwendet werden, wodurch die Kühlbarkeit der Anordnung stark verbesserbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Patentansprüchen angegeben. Durch das Vorsehen mehrerer nebeneinanderliegender Vertiefungen im Substrat ist ein Kanalsystem leicht herstellbar, durch das mit hoher Effektivität ein Kühlmittel durchführbar ist.

Durch das Vorsehen eines offenen Grabens, der mit einer Abdeckung schließbar ist, ist mit einfachen Mitteln ein Kanalsystem kostengünstig herstellbar, das die Wärme in der Nähe ihrer Erzeugung gut ableitet.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Halbleiteranordnung,
2 zeigt die Draufsicht auf die Halbleiteranordnung gemäß 1,
3 zeigt eine Schnittdraufsicht auf eine Halbleiteranordnung gemäß einer Linie A-A,
4 zeigt eine Halbleiteranordnung zusammen mit einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Kühleinrichtung und
5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Kühleinrichtung.
1 zeigt eine Halbleiteranordnung, die aus einem Halbleitersubstrat 1 besteht, auf der einseitig eine aktive Ober flächenschicht 2 ausgebildet ist. Dabei weist diese Oberflächenschicht 2 eine wärmeerzeugende Struktur 3 auf.
Bei diesen wärmeerzeugenden Strukturen kann es sich beispielsweise um eine Hochleistungs-LED, eine Hochleistungslaser-Diode, Halbleiter-Scheibenlaser, Leistungstransistoren, Hochfrequenzbausteine oder auch Mikroprozessoren handeln. Von der der Oberflächenschicht 2 gegenüberliegenden Seite des Substrats 1 ist im Substrat eine Öffnung 4 ausgebildet, so daß die Vertiefung um den Abstand A von der Oberflächenschicht 2 entfernt ist. Dabei weist das Substrat 1 eine Dicke B auf.
Die Vertiefung 4 ist dabei z.B. mittels eines Ätzverfahrens ausgebildet.
Auf der Oberfläche des Substrats 1, in die die Vertiefung 4 eingebracht ist, ist eine Abdeckung 5 ausgebildet, die zwei Öffnungen 6 zur Vertiefung 4 aufweist.
An die Öffnungen 6 schließen sich Verbindungsleitungen 7 an, wobei eine Leitung 7 als Zulauf und die andere Leitung 7 als Ablauf vorgesehen ist.
Gemäß 2 ist eine Draufsicht auf die in 1 dargestellte Anordnung vorgesehen, wobei hierbei auf die Darstellung der Verbindungsleitungen 7 zur besseren Übersicht verzichtet wurde. In 2 ist zu erkennen, daß mehrere Vertiefungen 4 nebeneinanderliegend mit einer Breite C ausgebildet und durch Stege 8, die eine Dicke D aufweisen, beabstandet sind. Die Abdeckung 5 weist wiederum zwei Öffnungen 6 als Zuleitungs- bzw. Ableitungsöffnungen auf.
In 3 ist eine vergleichbare Anordnung in der Draufsicht dargestellt, wobei die Zwischenstege 8 nicht in der parallel geführten Längsrichtung über die Gesamtlänge der Vertiefung 4 ausgebildet sind, so daß an den beiden Längsenden der Vertie fung 4 jeweils ein Querkanal 4a, 4b ausgebildet ist. In einem solchen Fall ist es nicht notwendig, daß die Abdeckung 5 Öffnungen 6 aufweist, die über die gesamte Breite aller Vertiefungen 4 geht, damit alle Einzelkanäle der Vertiefung, wie dies in 2 notwendig ist, anschließbar sind. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel reicht es aus, wenn die Abdeckung nur in einem Teilbereich der Kanäle 4a, 4b eine jeweilige Zuleitungs- bzw. Ableitungsöffnung aufweist.
Mit den dargestellten Anordnungen ist es möglich, eine wärmeableitende Flüssigkeit im Substrat bis in die Nähe der eigentlichen Wärmequelle heranzuführen um die Wärme leicht abzuleiten. Dies erfolgt dann beispielsweise mittels einer Anordnung, wie sie in den 4 und 5 dargestellt sind.
Gemäß 4 ist eine Kühlanordnung an das Substrat 1 angekoppelt, die einen geschlossenen Kühlkreislauf bildet. Dieser Kühlkreislauf ist mit einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, unter einem Druck gefüllt, der in der Nähe des Dampfdrucks liegt. Durch die Wärmeerzeugung in der Oberflächenschicht 2 verdampft die Flüssigkeit in der in dem Substrat 1 ausgebildeten Vertiefung 4 und steigt über die obere Verbindungsleitung 4 in einen Kühlkörperinnenraum 10 auf. An den Innenflächen der Kühlrippen 11, die in Verbindung mit dem Kühlkörperinnenraum 10 liegen, kondensiert die verdampfte Kühlflüssigkeit wieder und fällt in eine Sammeleinrichtung 9 zurück, von wo die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft von alleine über die zweite untere Verbindungsleitung 7 zurück zum Substrat 1 geführt wird. Mit einer derartigen Anordnung sind Wärmekoeffizienten im Bereich von 100.000 W/m²K erzielbar. Kann der Rücktransport mittels Schwerkraft nicht erfolgen, so besteht als weitere Ausgestaltung die Möglichkeit, die rückführende Verbindungsleitung bzw. die Sammeleinrichtung 9 mit einem porösen Material zu füllen, um den Rücktransport der Flüssigkeit mittels Kapillarkräften zu ermöglichen.
Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Kühlrippenstruktur ist bei diesem sogenannten Heat-Pipe-Konzept nicht zwingend notwendig, sie vergrößert allerdings die für den Wärmeaustausch genutzte Oberfläche bedeutend. Zusätzlich zu der Kühlrippenstruktur oder anstelle der Kühlrippenstruktur kann auch noch über eine freie oder mit einem Lüfter erzwungene Konvektion die Wärme abgeführt werden. Ebenfalls ist der zusätzliche Einsatz einer konventionellen Wärmesenke möglich.
Im alternativen hierzu dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Kühleinrichtung 13 über die Verbindungsleitungen 7 mit dem Substrat 1 verbunden und mit einer wärmetransportierenden Kühlflüssigkeit gefüllt. Der Wärmetransport wird dabei mittels einer Pumpe 12 vorgenommen. Die in der Vertiefung 4 im Substrat 1 erwärmte Kühlflüssigkeit wird dabei mittels der Pumpe 12 zur Kühleinrichtung 13 geführt, wo sie über übliche wärmetauschende Maßnahmen abgekühlt und mittels des durch die Pumpe erzeugten Druckunterschieds zurück zum Substrat 1 geführt wird.
Die in den 1, 2 und 3 dargestellte Anordnung weist nunmehr in einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel die Vertiefung 4 in Form einer Mikrokanalstruktur auf. Ausgehend von einer Substratdicke B von 80 bis 1000 μm sind die Vertiefungen 4 so weit in das Substrat eingearbeitet, daß der in 1 dargestellte Abstand A typischerweise zwischen 100 und 200 μm besteht. Die dargestellte Mikrokanalstruktur gemäß 2 oder 3 wird dabei durch ein Ätzverfahren erzeugt. Die Breite C für die Mikrokanäle liegt genauso wie die Breite der die Mikrokanäle trennenden Trennstege 8 zwischen 50 bis 100 μm. Gemäß der Strömungstechnik bildet sich bei derart dünnen Kanälen an den Kanalwänden eine sehr dünne Fluidschicht aus, die sich nicht mit der Strömung der restlichen Flüssigkeit mitbewegt. Aufgrund der geringen Dicke von wenigen Mikrometern erfolgt somit ein effektiver Wärmetransport an das Kühlmedium, so daß hier ebenfalls ein Wärmekoeffizient von bis zu 100.000 W/m²K möglich ist. Insgesamt ist darauf zu achten, daß der Anschluß über die Abdeckung 5 mit der Verbindungsleitung 7 in allen Ausführungsbeispielen dicht ist, was beispielsweise durch Lötverbindungen herstellbar ist. Die Länge der Mikrokanäle bzw. der Vertiefung 4 hängt von der Größe des Halbleitersubstrats bzw. von der wärmeerzeugenden Struktur 3 innerhalb der Oberflächenschicht 2 ab.
Ein großer Vorteil der zuvor beschriebenen monolithisch integrierten Kühlkonzepte stellt sich durch den Verzicht einer Halbleiterchipmontage auf Wärmesenken und deren Montage auf einem Kühlkörper dar. Durch den Verzicht auf Wärmesenken aus anderen Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten können mit dem neuen Konzept quasi beliebige Chipstrukturen und -größen ohne Verspannungen langzeitstabil und ohne mögliche Diffusionsprobleme von Metallisierung und Lot montiert und effektiv gekühlt werden.

Claims

Halbleiteranordnung, die aus einem Substrat (1) besteht, auf dem einseitig eine Oberflächenschicht (2) ausgebildet ist, die eine aktive wärmeerzeugende Struktur (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in die der Oberflächenschicht (2) gegenüberliegende Rückseite des Substrats (1) zumindest eine Vertiefung eingebracht ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei der mehrere Vertiefungen (4) nebeneinanderliegend im Substrat ausgebildet sind.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (4) miteinander verbunden sind.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Vertiefungen (4) als Mikrokanäle ausgebildet sind.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (4) mittels einer Abdeckung (5) derart abgedeckt ist, daß eine Zuleitungs- und eine Ableitungsöffnung (6) zu den Vertiefungen (4) ausgebildet sind.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsöffnung (6) als Öffnung in der Abdeckung (5) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsöffnung (6) dadurch gebildet ist, daß die Abdeckung (5) einen Teil der Vertiefung freiläßt.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Ableitungs- und Zuleitungsöffnung (6) eine Kühlanordnung (13) verbunden ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlanordnung (13) eine Pumpe (12) und eine Wärmeabführeinrichtung (13) aufweist, wobei die Pumpe (12) eine Kühlflüssigkeit durch die Vertiefungen (4) zur Wärmeabführvorrichtung (13) pumpt.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (4) mit der Kühlanordnung einen geschlossenen druckdichten Kühlkreislauf bilden, der eine Kühlflüssigkeit enthält, die einem Druck nahe des Dampfdrucks ausgesetzt ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlanordnung derart ausgebildet ist, daß eine in der Vertiefung (4) verdampfte Kühlflüssigkeit über die Verbindungsleitung (7) zu einer Kühlvorrichtung (13) aufsteigt und nach einem Kondensieren über eine weitere Verbindungsleitung (7) als Kondensat zurückfließt.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlanordnung (13) eine Sammeleinrichtung aufweist, in der die kondensierte Kühlflüssigkeit zum Rückfluß zum Substrat gesammelt wird.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Verbindungsleitung (7) für den Rückfluß der kondensierten Kühlflüssigkeit mit einem eine Kapillarwirkung aufweisenden Material ausgefüllt ist.