DE19945434A1 - Selektive Kühlung von Teilflächen eines flächigen elektronischen Bauteils - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Kühlung eines integrierten Schaltkreises eines elektronischen, vorzugsweise mobilen Geräts beschrieben, wobei die Vorrichtung zur Kühlung ein Kühlelement aufweist, der integrierte Schaltkreis Bereiche mit unterschiedlich starkem Leistungsverbrauch umfaßt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie mindestens zwei Kühlelemente zur selektiven Kühlung jeweils eines Teilbereichs des integrierten Schaltkreises aufweist. Die Temperatur stark beanspruchter oder geschwindigkeitsbestimmender Bereich eines Schaltkreises wird so gezielt beeinflußt. Verschiedene Kühlelemente können je nach einzuhaltender Temepratur oder momentaner Rechenleistung des zu kühlenden Bereichs gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung eines flächigen elektronischen Bauteils sowie ein flächiges elektronisches Bauteil mit einer Kühlvorrichtung.

Kühlvorrichtungen werden in der Mikroelektronik zur Kühlung integrierter Schaltkreise mit zunehmend hoher Rechenleistung eingesetzt. DE 43 36 354 offenbart eine solche Kühlvorrich­ tung, die in einem Gehäuse eingesetzt zur ganzflächigen Küh­ lung eines integrierten Halbleiterschaltkreises dient.

Integrierte Schaltkreise hoher Rechenleistung erfordern eine ausreichende Versorgungsspannung, damit die in den jeweiligen Teilbereichen durchgeführten Rechenoperationen auch bei Tem­ peraturschwankungen aufreichend schnell ablaufen. Insoweit ist eine hohe Versorgungsspannung günstig. Nachteilige Aus­ wirkungen höherer Stromflüsse in integrierten Schaltkreisen sind jedoch ein erhöhter Stromverbrauch, eine aufwendigere Technologie bei der Chipherstellung und vor allem eine höhere Verlustleistung durch Joule'sche Wärme. Letztere führt zu ei­ ner Temperaturerhöhung des integrierten Schaltkreises und in Folge zu geringerer Ladungsträgerbeweglichkeit sowie zu ver­ ringerter Schaltzeit. Der mit höherer Versorgungsspannung be­ triebene Schaltkreis muß daher um so stärker gekühlt werden, um den wärmebedingten Verlust an Schaltgeschwindigkeit zu kompensieren.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvor­ richtung und einen damit versehenen Schaltkreis bereitzustel­ len, die bei gleicher Technologie der Chipherstellung kleine­ re Schaltzeiten ermöglichen bzw. schon mit einfacheren Tech­ nologien die herkömmlich erzielbaren Schaltzeiten erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1, 10 und 24 gelöst. Gemäß Anspruch 1 weist eine Vorrichtung zur Kühlung eines flächigen elektronischen Bauteils erfindungsge­ mäß mindestens zwei Kühlelemente zur selektiven Kühlung le­ diglich von Teilflächen des Bauteils auf. Ausgangspunkt die­ ser Erfindung ist die Beobachtung, daß nur wenige Teilberei­ che eines elektronischen Bauteils die anliegende Versorgungs­ spannung wirklich benötigen; viele Bereiche - etwa Speicher­ felder integrierter Schaltkreise -kommen mit niedrigerer Spannung aus. Dennoch wird das gesamte Bauteil mit ver­ gleichsweise hoher Spannung betrieben und die zusätzlich er­ zeugte Verlustwärme durch ganzflächige Kühlelemente abge­ führt.

Demgegenüber sind erfindungsgemäß zwei oder mehr Kühlelemente vorgesehen, die lediglich Teilflächen des Bauteils selektiv kühlen. Diese Teilflächen sind in der Regel diejenigen Berei­ che, die aufgrund der anliegenden Spannung oder der Packungs­ dichte von Schaltelementen am stärksten erwärmt werden. Für die anderen Bereiche des Bauteils hingegen, die mit niedrige­ rer Spannung betrieben werden können oder zum Beispiel auf­ grund geringerer Packungsdichte weniger Wärme erzeugen, ist keine Kühlung erforderlich. Die erfindungsgemäße Kühlvorrich­ tung weist also Kühlelemente zur Kühlung der besonders ge­ schwindigkeitskritischen Schaltungsblöcke auf.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß mehrere Kühle­ lemente in einer Ebene angeordnet sind. Diese Anordnung kann in direkten Kontakt mit einer integrierten Halbleiterschal­ tung gebracht werden; die Anordnung der Kühlelemente inner­ halb der Ebene entspricht der Anordnung besonders wärmekriti­ scher Bereiche auf der Chipfläche.

Die Kühlelemente sind vorzugsweise Peltier-Elemente, da sie wenig Raum benötigen und elektrisch und somit schnell zu steuern sind. Ein in Sperrichtung vorgespanntes Pel­ tier-Element entzieht seiner Umgebung Wärme und wird daher möglichst dicht am elektronischen Bauteil angebracht. In Durchlaßrichtung vorgespannte und dann wärmeerzeugende Pel­ tier-Übergänge werden weiter entfernt angeordnet; ihre Wärme wird nach außen abgeführt. Um einen Wärmerückfluß von einem wärmeerzeugenden zu einem kühlenden Peltier-Übergang zu ver­ hindern, bestehen die Schenkel eines Peltier-Elements zweck­ mäßiger Weise aus einem Material hoher elektrischer und ge­ ringer thermischer Leitfähigkeit.

Die Peltier-Elemente können weiteren Ausführungsformen gemäß Kontakte zwischen verschiedenen Metallen oder auch zwischen p- und n-Halbleitern aufweisen, wobei sich dotiertes Silizium anbietet, um das Kühlelement in den Schaltkreis oder zumin­ dest in dasselbe Siliziumsubstrat zu integrieren. Die Kühle­ lemente können auch zusätzliche Stoffe wie etwa Wismuttellu­ rid in Kombination mit p- und n-dotierten Schenkeln aufwei­ sen.

Weitere Ausführungsformen sehen vor, daß die Kühlelemente pa­ rameterabhängig und insbesondere individuell verschieden steuerbar sind. Die einzelnen Kühlleistungen können z. B. der Umgebungstemperatur oder der momentanen Wärmeentwicklung ein­ zelner Schaltbereiche des Chips angepaßt werden.

Die obenstehend beschriebene Kühlvorrichtung kann erfindungs­ gemäß mit einem flächigen elektronischen Bauteil kombiniert werden, das nur noch in Teilbereichen mit vergleichsweise ho­ her Spannung betrieben wird und daher lediglich dort zu küh­ len ist.

Die Kühlelemente können ober- bzw. unterhalb des Bauteils an­ geordnet oder als dessen Bestandteil darin integriert sein. Grundsätzlich kann jedes flächige elektronische Bauteil mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kombiniert werden; be­ sonders eignen sich dazu jedoch integrierte Schaltkreise (ICs), die meist unterschiedlich stark wärmeerzeugende Schalteinheiten, d. h. Schaltelemente oder Schaltgruppen auf­ weisen. Zweckmäßigerweise werden gerade die am stärksten be­ anspruchten Schalteinheiten oder die für die Rechenleistung maßgeblichen Teilflächen des Schaltkreises selektiv gekühlt.

Die selektive Kühlung einzelner Schalteinheiten wird durch seitlich oder darüber angeordnete thermische Isolierungen un­ terstützt. Eine galvanische Trennung von Schaltkreis und Kühlvorrichtung bietet sich an, um unbeabsichtigte Einflüsse der Vorgänge im Schaltkreis auf die Steuerung der Kühlvor­ richtung zu verhindern. Zur thermischen und zur elektrischen Isolierung sind SiO₂-Schichten mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,014 W/cmK besonders geeignet. Die von dem Schaltkreis galvanisch getrennte Kühlvorrichtung kann durch einfache Kle­ betechniken mit der Rückseite eines Substrats verbunden wer­ den; aufwendige elektronische Verbindungen sind nicht nötig. Andere Ausführungsformen sehen vor, daß der Schaltkreis oder das Substrat Justiermarken zur Anordnung der Kühlelemente aufweisen, die z. B. mit Hilfe von Infrarotstrahlen durch das Substrat hindurch gelesen werden können, und daß die Kühlele­ mente je nach Rechenleistung der Schalteinheiten steuerbar sind.

Die Art der Steuerung der selektiven Kühlung einzelner Teilflächen, z. B. der leistungsbestimmenden oder besonders beanspruchten Schaltungseinheiten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann von den bereits beschriebenen oder weiteren Parametern abhängen; insbesondere können verschiedene Teilflächen unterschiedlich stark gekühlt werden. Weitere Ausführungsarten der Erfindung ergeben sich bei Anwendung der Kenntnisse und Fähigkeiten des Fachmanns.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erfin­ dung,

Fig. 2a bis 2c eine erste und

Fig. 3a bis 3c eine zweite Ausführungsform der Erfin­ dung.

Gemäß Fig. 1 ist unterhalb eines integrierten Schaltkreises 1, der mehrere zu kühlende Blöcke 2 aufweist, eine erfin­ dungsgemäße Kühlplatte 3 vorgesehen. Die Kühlplatte weist in der dem Schaltkreis zugewandten Fläche mehrere Peltier- Elemente 4 zur Kühlung der Blöcke 2 auf. Die Größe der Pel­ tier-Elemente und ihre Lage innerhalb der Fläche entsprechen der Größe bzw. der Lage der Blöcke 2.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2a in Querschnittansicht und in den Fig. 2b und 2c als Drauf­ sicht auf die horizontalen Schnittebenen A und B dargestellt. In Fig. 2a sind unterhalb eines zu kühlenden Blocks 2 des Schaltkreises 1 drei Peltier-Elemente vorgesehen, die jeweils aneinandergrenzende Bereiche positiv und negativ dotiertem Siliciums aufweisen. Diese Bereiche besitzen nach unten wei­ sende Schenkel, über die sie mit in der Ebene B verlaufenden Leitungen 5 und 6 verbunden sind. Diese Leitungen versorgen die Peltier-Elemente mit der in Sperrichtung angelegten Span­ nung V_P.

Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung der p- und n-leitenden Siliziumstreifen dicht unterhalb des Chips in Hö­ he der Schnittebene A. Die aus dieser Perspektive darunter liegenden Leitungen zur Spannungsversorgung sind in Fig. 2c dargestellt. Die Stege 5 verbinden die Bereiche positiv do­ tierten Siliziums mit dem Potential -V_P, während demgegenüber die negativ dotierten Bereiche durch die Stege 6 positiv vor­ gespannt sind. Diese in Sperrichtung vorgespannten pn-Kühlelemente sind hier parallel geschaltet.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 3a bis 3c dargestellt und unterscheidet sich von der ersten nur durch die Art der Verschaltung der drei Peltier-Elemente in der Ebene B. Die in den Fig. 3a und 3c erkennbaren lei­ tenden Bereiche 7 verbinden die äußeren Peltier-Elemente mit der an liegenden Spannung und benachbarte Peltier-Elemente untereinander; die Peltier-Elemente sind in Serie geschaltet. In der Praxis werden die vorhandenen Spannungsversorgungen und die gewünschten Ansteuermöglichkeiten einzelner Kühlele­ mente bestimmen, in welcher Weise diese miteinander verschal­ tet werden. Lediglich aus Gründen der Klarheit sind in den Figuren reine Serien- und Parallelschaltungen abgebildet.

Auch hinsichtlich sonstiger Merkmale sind die beschriebenen Figuren nur schematisch. Es kann beispielsweise die Zusammen­ setzung der dotierten Schichten der Peltier-Elemente opti­ miert werden, indem in den Raumladungszonen viele Generati­ onszentren eingebaut werden, um die Kühlleistung zu steigern. Zwischen den Kühlelementen und dem zu kühlenden Substrat kann eine galvanische Trennschicht aus SiO₂ vorgesehen sein, und unterhalb der Peltier-Elemente ist eine gute Wärmeabfuhr si­ cherzustellen.

Die zu kühlenden Blöcke können Schaltungseinheiten wie z. B. Multiplizierer oder andere arithmetisch-logische Einheiten sein oder auch einzelne Gatter oder Bauelemente, etwa Transi­ storen am Ausgang einer Treiberstufe. Die Temperaturen der zu kühlenden Blöcke können im einfachsten Fall so geregelt wer­ den, daß konstante blockspezifische Parameter, etwa blockspe­ zifische Temperaturen oder Rechenleistungen erreicht werden. Die Regelung kann auch auf die Gewährleistung einer konstan­ ten Frequenz eines Monitoroszillators oder einer zeitlichen Signalabfolge ausgerichtet sein. Für solche Zwecke läßt sich das in einer kritischen Gatterkette entstehende Verhältnis von Taktperiode und Verzögerungszeit als Regelgröße nutzen. Kenngrößen können auf dem Chip abgefragt und an die Peltier- Kühleinheiten weitergegeben werden. Ferner sind Kenngrößen, die die momentane Anforderung an die Rechenleistung beschrei­ ben, als Regelgrößen verwendbar, beispielsweise die Bandbrei­ te des Frequenzspektrums eintreffender Signale oder vom Be­ nutzer definierbare Qualitätsparameter. Die konkret gewählte Ausführungsform der Erfindung richtet sich nach dem jeweili­ gen Anwendungsbeispiel.

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Kühlung eines integrierten Schaltkreises eines elektronischen, vorzugsweise mobilen Geräts, wobei die Vorrichtung zur Kühlung ein Kühlelement aufweist der inte­ grierte Schaltkreis Bereiche mit unterschiedlich starkem Lei­ stungsverbrauch umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens zwei Kühlelemente zur selektiven Kühlung jeweils eines Teilbereichs des integrierten Schaltkreises aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente in einer Ebene angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlelemente Peltier-Elemente sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltier-Elemente Metall-Metall-Kontakte aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltier-Elemente Kontakte von p- und n-Halbleitern auf­ weisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die p- und n-Halbleiter Siliziumhalbleiter sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlelemente zusätzliche Stoffe wie etwa Bismut­ tellurid (Bi₂Te₃) im Kontakt mit p- und n-Halbleitern aufwei­ sen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlelemente parameterabhängig steuer­ bar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlelemente individuell steuerbar sind.

10. Flächiges elektronisches Bauteil mit einer Kühlvorrich­ tung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente ober- und/oder unterhalb des flächigen Bauteils und parallel dazu angeordnet sind.

12. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente Bestandteil des flächigen Bauteils sind.

13. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das flächige Bauteil ein integrierter Schaltkreis ist.

14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden Teilflächen stark beanspruchte Schalteinheiten, d. h. Schaltelemente oder Schaltgruppen des integrierten Schaltkreises aufweisen.

15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheiten der zu kühlenden Teilflächen für die Rechen­ leistung des Schaltkreises bestimmend sind.

16. Bauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich und/oder oberhalb der Schalteinheiten eine ther­ mische Isolierung vorgesehen ist.

17. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaltkreis und die Kühlvorrichtung voneinander galvanisch getrennt sind.

18. Bauteil nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine ther­ mische und/oder elektrische Isolierung aus SiO₂.

19. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung mit der Rückseite eines Substrats verklebt ist.

20. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaltkreis oder das Substrat Justier­ marken zur Anordnung der Kühlelemente aufweisen.

21. Bauteil nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlelemente je nach Rechenleistung der Schalteinheiten steuerbar sind.

22. Verfahren zur Kühlung eines flächigen elektronischen Bau­ teils und insbesondere eines integrierten Schaltkreises, da­ durch gekennzeichnet, daß lediglich ein oder mehrere Teilflä­ chen des Bauteils selektiv gekühlt werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß mit leistungsbestimmenden, z. B. besonders beanspruchten Schaltungseinheiten versehene Teilflächen gekühlt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeich­ net, daß die Teilflächen parameterabhängig gekühlt werden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß verschiedene Teilflächen unterschiedlich stark gekühlt werden.