DE2441613C2

DE2441613C2 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2441613C2
Application number: DE19742441613
Authority: DE
Inventors: Hans 7900 Ulm Bendig
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-08-30
Filing date: 1974-08-30
Publication date: 1986-01-30
Also published as: DE2441613A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Ableitung von Verlustwärme eines Halbleiterkörpers werden üblicherweise Kühlkörper, z.B. aus Aluminium, verwendet wobei die Verlustwärme durch

Wärmeübertragung an den Kühlkörper gelangt

Aus der DE-OS 20 06 467 ist es bekannt in einem zu kühlenden Körper einen Vorratsraum anzubringen, der mit einem Kühlmittel gefüllt ist Dieses Kühlmittel gelangt durch eine Kapillare auch in einen Raum zwischen den zu kühlenden Körper (Wärmequelle) und einen weiteren Körper (Wärmesenke), so daß dadurch zwischen den Körpern eine Wärmeleitschicht entsteht Eine Temperaturänderung des zu kühlenden Körpers bewirkt eine Volumenänderung des Kühlmittels und letztendlich

eine Änderung der Fläche der Wärmeleitschicht Dadurch wird eine Regelung des Wärmetransportes zwischen den Körpern erreicht

Aus der DE-OS 20 35 252 ist weiterhin eine Anordnung bekannt, bei der zwischen einen zu kühlenden Halbleiterkörper (Wärmequelle) und einem Kühlkörper (Wärmesenke) eine dielektrische und gut wärmeleitende Trennschicht aus Aluminiumnitrid eingefügt ist

Daneben sind auch Anordnungen bekannt in denen die Verlustwärme durch Konvektion mit Hilfe eines Kühlmittelkreislaufs, beispielsweise einer Heatpipe-Struktur abgeleitet wird. Ein solches Wärmeableitrohr besteht aus einem evakuierten Metallrohr, das eine benetzende Flüssigkeit und ein Docht- oder Gewebematerial enthält das an der Rohrinnenwand anliegt Wird Wärme an dem einen Rohrende zugeführt verdampft das Kühlmittel entsprechend der zugeführten Wärmemenge, während der Dampf am anderen, d. h. dem kalten Rohrende kondensiert Das kondensierte Kühlmittel fließt sodann durch Kapillarwirkung zum erwärmten

so Rohrende zurück, wo es erneut verdampft

Aus dem Aufsatz »A built-in heat pipe proposed to cool GHz power transistors« in »Electronic Design«, 14, July 5^th 1974 ist es bekannt, dieses Prinzip auch zur Kühlung von Halbleiteranordnungen anzuwenden. Hierzu wird auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Kapiiiarstruktui¹ in Form von Docht- oder Gewebestücken aufgelegt, durch welche das Kühlmittel an die Wärmequelle herangeführt wird. Diese Oberfläche ist durch mindestens ein Gehäuse abgedeckt wodurch ein Zwi schenraum gebildet wird, in dem sich der Kühlmittel kreislauf abspielt.

Um den thermischen Innenwiderstand einer Halbleiteranordnung zu verringern und damit ihre Belastbarkeit sowie ihre Ausgangsleistung zu steigern, ist es je- doch notwendig, den Wirkungsgrad einer solchen Anordnung noch zu erhöhen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art

% 3

! anzugeben, welche sich durch einen verbesserten Wir- forderungen zu vermeiden, enden die Kanäle in der kungsgrad auszeichnet Wärmeleitschicht nicht in einer Reihe, sondern räumlich

B Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeich- gestaffelt(Fig. 10).

P nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk- Bei extrem kleinen Bauelementen, speziell für Mikro-

f! male. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbil- 5 wellenanwendung, kann es notwendig sein, Halbleiterdüngen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. chip und Kühlkörper in einer Ebene anzuordnen. Hierzu

% Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin wird die Wärmeleitschicht I über den Rand des Halblei-

K zu sehen, daß die Halbleiteranordnung sowohl den ge- terkörpers 4 hinaus auf vorzugsweise metallene Kühl- & wünschten höheren elektrischen Anforderungen genügt körper 6 geführt. Kühlkörper 6 und Halbleiterchip f als auch den Anforderungen nach Raum- und Gewichts- io sind in einem vorgehenden Prozeß integriert worden, jß einsparung entgegenkommt Zudem wird bei dieser An- z.B. nach der bekannten upside-down-Technik }i Ordnung eine Gleichförmigkeit der Betriebsdaten bei (Fig. 11). Die wärmeerzeugende Seite des Halbleiterwechselnder Belastung gewährleistet körpers muß hier jedoch zur Wärmeleitschicht gerichtet

Ll Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfüh- sein. Eine weitere mögliche Technik zeigt F i g.

t rungsbeispielen näher erläutert unter Bezugnahme auf 15 Zur Entlastung der Verspannungszone Metall-Halbfl schematische Zeichnungen. leiter können auf der Oberseite der Wärmeleitschicht

§ Die Kapillarstruktur in einem Halbleiterkörper wird Versteifungsrippen, vorzugsweise aus Metall, angeil zweckmäßig durch Kanäle oder Hohlräume in einer bracht werden. Sie werden zweckmäßig beim Galvani- |ϊ vorzugsweise aus dielektrischem Material bestehenden sierungsprozeß für den Kühlkörper gleichzeitig abgeil Wärmeleitschicht gebildet Eine solche Wärmeleit- 20 schieden.

schicht !,deren Deckschichten z. B. aus Si₃N₄ und deren

mittlere Schicht aus SiO₂ besteht, ist in F i g. 3 abgebil- Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

det Die Herstellung einer solchen Kapillarstruktur erfolgt zweckmäßig durch Anwendung folgender Verfahrensschritte. Nach Aufbringen der aus mehreren Einzelschichten bestehenden Schichtenfolge Si₃N₄-SiO₂-SIsN₄ (Fig. 1) wird auf die obere Deckschicht vorzugsweise durch fotolitografische Verfahren eine der Kapillarstruktur entsprechende Ätzmaske aufgebracht Durch eine erste Ätzung werden dabei zunächst schmale schlitzförmige öffnungen in der Deckschicht erzeugt (Fig.2). Die Fortsetzung dieser Struktur in der mittleren Schicht erfolgt sodann mit Hilfe eines zweiten Ätzmittels, welches die Deckschicht nicht angreift Hierbei wird eine Hinterätzung in der mittleren Schicht angestrebt, wodurch die öffnungen zu Kanälen oder Hohlräumen aufgeweitet werden (F i g. 3). Die untenliegende Deckschicht dient dabei zum Schutz der Oberfläche des Halbleiterkörpers 4.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können Wärmeleitschichten 1 und 2 auch in mehrere Ebenen übereinander angeordnet werden (F i g. 6). Zur Herstellung einer zweiten Ebene (F i g. 4) wird hierzu auf die mit Schlitzen versehene Deckschicht der bereits vorhandenen Wärmeleitschicht 1 eine Si3N₄-Schicht aufgebracht, wobei jedoch eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit gewählt wird, damit das auf der Deckschicht aufzubringende Material nicht durch die Schlitze hindurchtritt und die Kanäle oder Hohlräume der ersten Wärmeleitschicht 1 auffüllt Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen denjenigen, die bei der ersten Wärmeleitschicht angewandt wurden (F i g. 5 und F ig. 6).

Eine Verbesserung des Kühlmechanismus läßt sich erreichen, wenn die Kapillarstruktur am Ort der Verdampfung der Wärmequelle 5 unterbrochen ist zum Zweck einer ungehinderten Verdampfung. Hierzu wird zweckmäßig auf fotolitografischem Wege die Wärmeleitschicht 1 mit öffnungen versehen (F i g. 7), was nach dem bisherigen Stand der Technik nicht oder nur schwer möglich war. Die Wärmeleitschicht-Technologie ermöglicht auch eine gezielte und sackwegfreie Heranführung des Kühlmediums an den Ort der Verdampfung (F ig. 8)

Zur Übernahme des Kühlmediums ist die Wärmeleitschicht an der Peripherie des Halbleiterchips mit einer herkömmlichen Kapillarstruktur 3, wie z. B. Docht, Gewebe, verbunden (F i g. 9). Um überhöhte Genauigkeits-

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung, bestehend aus einem Halbleiterkörper, einer Wärmesenke und einem Kühlelement, insbesondere einem Wärmeableitrohr (»heat pipe«), das unter Verwendung eines Kühlmittelkreislaufs und von Phasenumwandlungen eines Kühlmittels Verlustwärme von einer Wärmequelle des Halbleiterkörpers zu der Wärmesenke überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (4) eine Kapillarstruktur enthält, durch die ein flüssiger Anteil des Kühlmittels an die im Halbleiterkörper (4) befindliche Wärmequelle (5) heranführbar ist, und daß an der Wärmequelle (5) verdampftes Kühlmittel in das Kühlelement zurückführbar ist (F i g. 7>

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur aus wenigstens einer Wärmeleitschicht (1) mit parallel zueinander oder radial zur Wärmequelle hin verlaufenden Kanälen oder Hohlräumen besteht, deren Durchmesser derart bemessen ist, daß eine dauernde Benetzung durch das Kühlmittel erfolgt

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitschicht (1) aus zumindest zwei Einzelschichten besteht, die selektiv ätzbar sind (F i g. 1).

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitschicht (1) aus drei Einzelschichten besteht, von denen die zwischen zwei Deckschichten befindliche mittlere Schicht die Kanäle oder Hohlräume enthält (F i g. 3).

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Deckschichten spaltförmige Öffnungen aufweist, die enger sind als die Kanäle oder Hohlräume in der mittleren Schicht (F i g. 3).

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht aus SiO₂ und die Deckschichten aus Si₃N₄ bestehen (F ig. 1).

7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitschicht (1) im Bereich der Wärmequelle (5) öffnungen aufweist, deren Weite derart bemessen sind, daß eine dauernde Benetzung durch das Kühlmittel erfolgt (F ig. 7,8).

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitschicht (1) an der Peripherie des Halbleiterkörpers (4) mit einer externen Wärmeleitstruktur verbunden ist (F i g. 9).

9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endungen der einzelnen Kanäle in der Verbindungszone zur externen Leitstruktur räumlich gestaffelt sind (Fig. 10).

10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitschicht (1) über den Rand des Halbleiterkörpers (4) hinausreicht (F i g. 11).

11. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Rand des Halbleiterkörpers (4) hinausreichende Wärmeleitschicht (1) mit einem Kühlkörper (6) verbunden ist (F ig. 11).

12. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprü-

ehe 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitschicht (1) zumindest im Bereich zwischen dem Halbleiterkörper (4) und dem Kühlkörper (6) mit einer mechanisch versteifenden Rippenstruktur verbunden ist

13. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß die Kanäle oder Hohlräume in mehreren übereinanderliegenden Wärmeleitschichten (1, 2) eingebracht sind