DE19500422A1 - Halbleiterbaustein mit hoher thermischer Emission - Google Patents

Halbleiterbaustein mit hoher thermischer Emission

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Jong Guk Kim
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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterbaustein mit hoher thermischer Emission nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Halbleiterbausteine mit hoher thermischer Emission sind bei­ spielsweise für sehr schnelle oder sehr hochfrequente Einrichtungen wie anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) oder Speicher mit schnellem Zugriff verwendbar. Für derartige Bausteine wird die thermi­ sche Emission von immer größerer Bedeutung.
Die thermisch emittierenden Bausteine, die entwickelt werden oder wurden, kann man in zwei Gruppen klassifizieren: Bausteine mit Pla­ stikgehäuse mit Lötkontaktmatrix, in dem ein Leistungstransistor oder -modul mit einer Wärmesenke vorgesehen ist, und mit metallgehausten Ke­ ramiksubstraten.
Die meisten der schnellen und Hochleistungsmikroprozessoren, ASICs oder schnellen Speicher besitzen vielkontaktige Eingangs-/Aus­ gangsanschlüsse und die Halbleiterbausteine zur Herstellung dieser Ein­ richtungen sollten ebenfalls eine vielkontaktige Ausführung haben. Zu diesem Zweck werden Plastik- oder Keramikgehäuse mit Anschlußstiftma­ trixträger, Kontaktfleckmatrixträger, Kugelanschlußmatrixträger oder Vierfachflachträger verwendet.
Jedoch ist die Verwendung dieser Trägergehäuse aus konventio­ nellem Material für Hochleistungsgeräte aufgrund ihrer geringen thermi­ schen Emissionseigenschaften beschränkt.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines bekannten thermisch emissiven Halbleiterbausteins 10 mit einem Keramiksubstrat 11 mit einer Vielzahl von Signaleingangs- und -ausgangsanschlüssen 12 in Form einer Anschluß­ stiftmatrix, einem Halbleiterchip 14 mit Lötkontakthügeln 13, der auf dem Keramiksubstrat montiert ist, einem thermischen Stoff 15, der auf dem Halbleiterchip 14 angeordnet ist, einer Metallkappe 16, die alle Komponenten kapselt, und einer Wärmesenke (17), die auf der Metallkappe 16 angeordnet ist.
Hierbei verteilt sich die während des Betriebs des Halbleiter­ chips 14 erzeugte Wärme in Richtung der eingezeichneten Pfeile, wobei die aufwärts abfließende Wärme durch den thermischen Stoff 15 emittiert wird.
Eine derartige Struktur wird üblicherweise auf Bausteine mit Multichipmodulen angewendet. Jedoch hat diese Struktur ein Problem, da die Ausbildung von Lötkontakthügeln 13 an der Unterseite des Halbleiter­ chips 14 zum Zweck von dessen Montage auf dem Keramiksubstrat 11 schwie­ rig auszuführen ist.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines bekannten Bausteins 20 mit einem Keramiksubstrat 21, das eine zentrale bodenseitige Ausneh­ mung und eine Vielzahl von Signaleingangs- und -ausgangsanschlüssen 22 an beiden Seiten hiervon aufweist, einem Halbleiterchip 24, der an dem Substrat 21 durch ein Chipanschlußmaterial 25 in der Ausnehmung rücksei­ tig befestigt ist, einem Deckel 23 zum Schutz des Halbleiterchips 24 un­ ter dem Substrat 21 und einer Wärmesenke 27, die auf dem Substrat 21 über ein zwischengeschaltetes Material 28 befestigt ist.
Bei dem Baustein 20 von Fig. 2 dissipiert die Wärme in Rich­ tung der eingezeichneten Pfeile. Allerdings besteht das Problem, daß keine genügende Anzahl von Anschlußstiften untergebracht werden kann.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines bekannten Bausteins 30 mit einem Keramiksubstrat 31, das eine zentrale Ausnehmung an der Oberseite und eine Vielzahl von Signaleingangs- und -ausgangsanschlüssen in Form einer Anschlußstiftmatrix an der Unterseite aufweist, einem Halbleiterchip 34, der rückseitig an dem Substrat 31 durch ein Chipan­ schlußmaterial 35 in der Ausnehmung befestigt ist, einem Deckel 36 zum Schutz des Halbleiterchips 34 auf dem Substrat 31 und einer Wärmesenke 37, die auf dem Deckel 36 über ein zwischengeschaltetes Material 38 be­ festigt ist.
Bei dem Baustein 30 von Fig. 3 dissipiert die Wärme in Rich­ tung der eingezeichneten Pfeile. Allerdings besteht das Problem, daß die Wärmedissipation beschränkt ist, da die von der Oberseite des Halblei­ terchips 34 erzeugte Wärme durch die Unterseite des Substrats 31 zu des­ sen Seiten abfließen muß.
Außerdem ist es bei den Bausteinen 10, 20, 30 aufgrund der dann komplexeren Herstellung problematisch, andere als Keramiksubstrate zu verwenden.
Fig. 4 zeigt einen Baustein 40 entsprechend der US-PS 5 216 278 mit einem Trägersubstrat 41, das ein Paar von gefüllten Durchkontak­ ten 42 aufweist, einer Lötmaske 45 auf der Bausteinmontagefläche 46, ei­ ner Vielzahl von Durchkontakten 43 in einer an beiden Enden des Sub­ strats 41 befindlichen, durchdrahteten Schicht 44, einer elektronischen Komponente 47, die auf der Chipkontaktstelle des Substrats 41 montiert ist, Drähten 48 zwischen den Kontaktinseln der elektronischen Komponente 47 und der Schicht 44, einer thermischen Kopplungsschicht 49, die auf der Oberseite der elektronischen Komponente 47 angeordnet ist, einem Wärmeverteiler 51, der an der Oberseite des Bausteins 40 angeordnet ist, einem gespritzten Bausteinkörper 52 und Lötkugeln 53, 54, die an der Un­ terseite der Lötmaske 45 ausgebildet sind.
Bei dem Baustein 40 von Fig. 4 dissipiert die von der Obersei­ te der elektronischen Komponente 47 erzeugte Wärme durch die thermische Kopplungsschicht 49 und den Wärmeverteiler 51, während die von der Un­ terseite der Komponente 47 erzeugte Wärme zu den Durchkontakten 34 dis­ sipiert. Da jedoch der Wärmedissipationsweg innerhalb des Bausteinkör­ pers 52, der aus Epoxydharz (EMC) geformt ist, ausgebildet ist, erfolgt die Wärmeableitung nicht effizient. Weiter ist es schwierig, die thermi­ sche Kopplungsschicht 49 und den Wärmeverteiler 52 an der Oberseite der elektronischen Komponente 47 sowie Lötkugeln an der Unterseite der Kom­ ponente 47 auszubilden.
Um die mit diesen bekannten Bausteinen verbundenen Probleme zu vermeiden, wurde ein Baustein 60 vorgeschlagen, wie er in Fig. 5(A) und 5(B) dargestellt ist.
Gemäß Fig. 5(A) umfaßt der Baustein 60 ein vielschichtiges Ke­ ramiksubstrat 61 mit einer Ausnehmung, eine Vielzahl von Signaleingangs- und -ausgangsanschlüssen 62 an der Unterseite des Substrats 61, einen in der Ausnehmung des Substrats 61 angeordneten Halbleiterchip 64, eine dielektrische Flüssigkeit 65, die in den verbleibenden Raum der Ausneh­ mung gefüllt ist, und einen Metalldeckel 66, der die dielektrische Flüs­ sigkeit nach außen abdeckt.
Gemäß Fig. 5(B) ist der Baustein 60 zusätzlich mit einer Wär­ mesenke 67 auf dem Metalldeckel 66 versehen.
Bei den Bausteinen 60 dissipiert die während des Betriebs der elektronischen Komponente erzeugte Wärme durch Verdampfung und Kondensa­ tion der dielektrischen Flüssigkeit. Jedoch existiert hier eine ent­ scheidende Einschränkung insofern, als der Halbleiterchip 64 nicht di­ rekt mit dem Metalldeckel kontaktiert ist, auf dem gegebenenfalls die Wärmesenke montiert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Halbleiterbaustein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der bei einfacher Konstruktion und Herstellung eine effektive Wärmeabführung gewährlei­ stet.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 bis 4 zeigen bekannte hoch wärmeemittierende Halblei­ terbausteine.
Fig. 5(A) und 5(B) zeigen eine Ausführungsform eines weiteren vorgeschlagenen Halbleiterbausteins mit hoher Wärmeemission.
Fig. 6 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Halb­ leiterbausteinen mit hoher Wärmeemission.
Fig. 10(A) bis 10(D) zeigen verschiedene Formen für Wärmeab­ leiter.
Gemäß der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist ein Sub­ strat 71 vorgesehen, das eine Vielzahl von Lötkugeln SB, d. h. eine Viel­ zahl von äußeren Verbindungsanschlüssen, eine Vielzahl von Verbindungs­ flecken und Drähten zwischen Verbindungsanschlüssen und -flecken und ei­ ne Metallkappe 79 aufweist, die an der Oberseite des Substrats 71 unter Verwendung eines Dichtmaterials 72 befestigt ist.
Das Substrat 71 kann eine gedruckte Leiterkarte oder ein kera­ misches, metallisches oder Siliciumsubstrat sein, das für verschiedene Halbleiterbausteine wie solche mit Anschlußstiftmatrix, Kontaktfleckma­ trix oder Lötkugelmatrixträger verwendbar ist.
Ein Halbleiterchip 74 ist auf der Chipkontaktstelle 73 des Substrats 71 montiert und die Bondinsel (nicht dargestellt) des Halblei­ terchips 74 ist elektrisch durch Drahtungskontaktieren 75 mit Verbin­ dungsflecken (nicht dargestellt) des Substrats 71 verbunden.
Die Verbindung zwischen der Chipkontaktstelle 73 und der Bond­ insel kann auch unter Verwendung der TAB-Technik vorgenommen werden.
Die Oberseite des Halbleiterchips 74 ist mit Klebstoff 76 nur auf der Innenseite der Bondinsel versehen. Der Klebstoff 76 sollte die Oberfläche des Halbleiterchips 74 nicht beeinträchtigen und einen Wärme­ ableiter 77 geeignet tragen.
Der Klebstoff 76 ist ein nichtleitendes thermoplastisches Ep­ oxydharz und wird in einer Stärke von 0,05 mm aufgetragen. Der Klebstoff 76 ist mit hochgradig thermisch leitenden Materialien wie AlN-Teilchen von 150 bis 220 W/m°K oder Diamantteilchen von 1200 bis 2300 W/m°K ge­ füllt, wobei diese Teilchen eine runde Form besitzen, damit die Oberflä­ che des Halbleiterchips 74 nicht verkratzt wird.
Wie aus Fig. 10(A) bis 10(D) ersichtlich, kann der Wärmeablei­ ter 77 flach (Fig. 10(A)), einfach gefalzt (Fig. 10(B)), beidseitig ge­ falzt (Fig. 10(C)) oder S-förmig (Fig. 10(D)) sein. Alternativ kann er eine radiale Finger aufweisende Form besitzen.
Insbesondere ist der Wärmeableiter 77 aus Substanzen wie Kup­ fer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Stahl oder rostfreiem Stahl hergestellt, die sämtlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Vorzugsweise wird ein Wärmeableiter 77 aus Kupfer mit einer Dicke von 0,05 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 398 W/m°K in einer einfach gefalzten Form entsprechend Fig. 10(B) verwendet.
Der so gebildete Baustein wird dann mit der Metallkappe 79 ab­ gedeckt. Es wird bevorzugt, als Wärmedissipationsmittel einen thermisch gut leitenden Stoff zwischen dem Wärmeableiter 77 und der Metallkappe 79 anzuordnen, um den Stoffschluß oder die Wärmeverteilung zu verbessern.
Als thermischer Stoff 78 wird zweckmäßigerweise ein Silicium­ gel verwendet, das unter dem Handelsnamen TSE 3280G von Toshiba, Japan vertrieben wird. Als thermischer Stoff kann auch irgendein thermisches Elastomer oder nicht elektrisch leitendes Material mit hoher Wärmeleit­ fähigkeit verwendet werden. Diese nicht elektrisch leitenden Materialien können hoch thermisch leitende Epoxypolyimide sein.
Die Metallkappe 79 kann aus Aluminiumlegierungen, Kupferlegie­ rungen oder rostfreiem Stahl sein.
Die Metallkappe 79 wird durch das Dichtmaterial 72 fest an dem Substrat 71 befestigt, und der thermische Stoff 78 wird gehärtet, wenn das Dichtmaterial 72 gehärtet wird.
Nötigenfalls kann eine Wärmesenke HS auf der Metallkappe 79 montiert werden, um die Wärmeaufzehrung zu verbessern. Die Wärmesenke HS kann Flossenform haben.
Gemäß Fig. 7 ist der Halbleiterchip 84 auf der Chipkontakt­ stelle 83 des Substrats 81 montiert, wobei die Bondinsel (nicht darge­ stellt) des Halbleiterchips 84 elektrisch durch Verbindungsdrähte 85 mit Verbindungsflecken (nicht dargestellt) des Substrats 81 verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Chipkontaktstelle 83 und der Bondinsel kann wie bei der Ausführungsform von Fig. 6 auch in TAB-Technik ausgeführt sein.
Auf die Oberseite des Halbleiterchips 84 ist der thermische Stoff 88, der eine runde Form aufweist, direkt aufgebracht und dann die Metallkappe 89 daran haftend befestigt.
Der thermische Stoff 88 kann ein Siliciumgel oder thermisches Elastomer sein. Da der thermische Stoff 88 eine niedrigere Wärmeleitfä­ higkeit als Metalle hat, wird bevorzugt, ihn direkt auf der Oberseite des Halbleiterchips 84, der Wärmeabfuhr benötigt, anzubringen.
Der thermische Stoff 88 wird als dicke Schicht zwischen der Oberseite des Halbleiterchips 84 und der Metallkappe 89 angeordnet.
Die Metallkappe 89 wird an dem Substrat 81 mittels des Dicht­ materials 82 befestigt, und der thermische Stoff 88 wird gehärtet, wenn das Dichtmaterial 82 gehärtet wird.
Nötigenfalls kann eine Wärmesenke HS auf der Metallkappe 89 montiert werden, um die Wärmeaufzehrung zu verbessern. Die Wärmesenke HS kann Flossenform haben.
Gemäß der Ausführungsform von Fig. 8 sind Wärmeableiter 97 in Form von Radialfingern auf dem Halbleiterchip 94 montiert und erstrecken sich zur Metallkappe 99.
Gemäß Fig. 8 ist der Halbleiterchip 94 auf der Chipkontakt­ stelle 93 des Substrats 91 montiert, wobei die Bondinsel (nicht darge­ stellt) des Halbleiterchips 94 elektrisch durch Verbindungsdrähte 95 mit Verbindungsflecken (nicht dargestellt) des Substrats 91 verbunden ist.
Auf die Oberseite des Halbleiterchips 84 sind ein Klebstoff 96 in runder Form aufgebracht und dann die Wärmeableiter 97 daran befe­ stigt.
Um den Wärmeableiter 97 gegenüber dem Klebstoff 96 zu stützen, kann ein thermischer Stoff 98 von der Oberseite des Substrats 91 zum oberen Ende des Wärmeableiters 97 sich erstreckend angebracht werden.
Bei diesem Baustein wird das Substrat 91 mit der Metallkappe 99 durch das Dichtmaterial 92 fest verbunden, wobei der thermische Stoff 98 gehärtet wird, wenn das Dichtmaterial 92 gehärtet wird.
Nötigenfalls kann eine Wärmesenke HS auf der Metallkappe 99 montiert werden, um die Wärmeaufzehrung zu verbessern. Die Wärmesenke HS kann Flossenform haben.
Gemäß Fig. 9 ist das Substrat 101 unterseitig mit Lötkugeln SB versehen und besitzt auf beiden Seiten Einström- und Ausströmöffnungen 110, wobei die das Substrat 101 kapselnde Metallkappe 109 ebenfalls eine Öffnung 106 aufweist und der durch die Kapselung gebildete Raum mit ei­ ner dielektrischen Flüssigkeit 108 gefüllt ist.
Der Halbleiterchip 104 ist auf der Chipkontaktstelle 104 des Substrats 101 montiert, wobei die Bondinsel (nicht dargestellt) des Halbleiterchips 104 elektrisch durch Verbindungsdrähte 105 mit Verbin­ dungsflecken (nicht dargestellt) des Substrats 101 verbunden ist.
Das Substrat 101 ist unter Verwendung des Dichtmaterials 102 mit der Metallkappe 109 verbunden. Der durch die Einkapselung gebildete Hohlraum wird mit dielektrischer Flüssigkeit 108 durch die Öffnung 106 der Metallkappe 109 oder die Öffnungen 110 des Substrats 101 gefüllt.
Bei der dielektrischen Flüssigkeit 108, die hier verwendet werden kann, kann es sich um hoch thermisch leitfähige Materialien ent­ haltende Mineralöle handeln. Die Wärmeleitfähigkeit kann im Bereich von etwa 30 bis 70 W/m°K liegen. Die hoch thermisch leitfähigen Materialien sind beispielsweise Bornitrid (BN), das eine thermische Leitfähigkeit von etwa 50 W/m°K besitzt, oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliciumcar­ bid (SiC). Nach dem Befüllen mit dielektrischer Flüssigkeit sollten die Öffnungen 106, 110 mit Lötmaterial oder Epoxydharz verschlossen werden, damit die Flüssigkeit nicht austreten kann.
Nötigenfalls kann eine Wärmesenke HS auf der Metallkappe 109 montiert werden, um die Wärmeaufzehrung zu verbessern. Die Wärmesenke HS kann Flossenform haben.
Bei diesen Bausteinen wird eine hohe Anschlußstiftzahl wegen einer großen Anzahl von Lötkugeln SB an der Unterseite des Substrats er­ möglicht, wobei ferner die von dem Halbleiterchip erzeugte Wärme wirksam in Aufwärts- und Abwärtsrichtung verteilt und abgeleitet wird, wobei verschiedene Typen von Wärmeableitern verwendet werden können. Außerdem sind die Produktionskosten gering, da der Halbleiterchip direkt an der Metallkappe befestigt wird, der nötigenfalls mit einer Wärmesenke verse­ hen ist.
Anstelle eines können auch zwei oder mehr Halbleiterchips auf dem Substrat angeordnet sein.

Claims (10)

1. Halbleiterbaustein mit hoher thermischer Emission mit einem Substrat (71, 81, 91, 101) mit einer Vielzahl von äußeren Verbindungsan­ schlüssen (SB), einer Vielzahl von Verbindungsflecken und Drähten zwi­ schen den Verbindungsanschlüssen und -flecken, wenigstens einem auf dem Substrat (71, 81, 91, 101) angeordneten Halbleiterchip (74, 84, 94, 104), Verbindungsdrähten (75, 85, 95, 105), die die Bondinseln des Halb­ leiterchips (74, 84, 94, 104) mit den Verbindungsflecken des Substrats (71, 81, 91, 101) verbinden, wobei eine Metallkappe (79, 89, 99, 109) als Kapsel mit dem Substrat (71, 81, 91, 101) verbunden ist, wobei ein Wärmeableiter (77, 88, 97, 108) mit hoher thermischer Leitfähigkeit, der auf der Oberseite der Bondinsel durch isolierenden Klebstoff (76, 96) mit guter Wärmeleitfähigkeit befestigt ist und mit der Metallkappe (79, 99) in thermisch gut leitender Verbindung steht oder der zwischen der Oberseite der Bondinsel und der Metallkappe (89) als gut wärmeleitender Stoff (88) angeordnet ist oder der den Innenraum zwischen Metallkappe (109) und Substrat (101) als gut wärmeleitende dielektrische Flüssigkeit (108) ausfüllt, vorgesehen ist.
2. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Metallkappe (79, 89, 99, 109) eine Wärmesenke (HS) angeord­ net ist.
3. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmeableiter (97) in Form von radialen Fingern ausge­ bildet ist.
4. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmeableiter (77) flach, einfach gefalzt, beidseitig gefalzt oder S-förmig ist.
5. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (76, 96) aus einer thermisch gut leitenden Epoxydharzverbindung besteht.
6. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem aufgeklebten Wärmeableiter (77) und der Metallkappe (79) ein thermisch gut leitender Stoff (78) angeord­ net ist.
7. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der thermisch gut leitende Stoff (78) ein härtbarer Stoff, insbesondere ein Siliciumgel oder ein Elastomer ist.
8. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der durch Kleben befestigte Wärmeableiter (77, 97) aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegie­ rung, Stahl oder rostfreiem Stahl besteht.
9. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dielektrische Flüssigkeit (108) ein hoch thermisch leitfähige Substanzen enthaltendes Mineralöl ist.
10. Halbleiterbaustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die hoch thermisch leitfähige Substanz Bornitrid (BN), Alumini­ umnitrid (AlN) oder Siliciumcarbid (SC) ist.
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