DE2458789A1

DE2458789A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2458789A1
Application number: DE19742458789
Authority: DE
Inventors: Hans Bendig; Gerd Beyermann; Helga Lux
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-08-30
Filing date: 1974-12-12
Publication date: 1976-06-16
Also published as: DE2458789C2

Description

"Halbleiteranordnung" Zusatz zu DBF.......
(Patentanmeldung P 24 41 613.5) Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper und einem Kühlelement zur Ubertragung von Verlustwärme von einer Wärmequelle im Halbleiterkörper auf eine Wärmesenke unter Verwendung eines Kühlmittelkreislaufs, wobei der Halbleiterköper eine Kapillarstruktur enthält, durch welche das Kühlmittel an die Wämequelle herangeführt wird ur!d wobei der Halbleiterkörper zumindest teilweise in ein abgeschlossenes System eingebaut ist, welches mit der Wärmesenke verbunden ist, nach DBF.... .... (Patentanmeldung P 24 41 613.5).
Die Ableitung von Verlustwärme durch Konvektion mit Hilfe eines Kühlmittelkreislaufs, beispielsweise unter Verwendung einer sogenannten Heatpipe ist insbesondere wegen des erreichbaren hohen Wirkungsgrades auch für die Kühlung von Halbleiterbauelementen immer interessanter geworden. So wird z. B. in dem Aufsatz "A built-in heat pipe proposed to cool GHz power transistors" in 'tElectrovwic Design", 14, July 5th 1974 eine Möglichkeit beschrieben, die Oberfläche von Halbleiterkörpern durch Kapillarstrukturen, welche in ihrer Wirkung mit einer Heatpipe-Struktur vergleichbar sind, zu kühlen. Allerdings ist der Wärmeübergang zwischen Halbleiterkörper und Kapillarstruktur auf diejenigen Oberflächenbereiche beschränkt, an denen ein direkter Kontakt stattfindet. Diese Oberflächenbereiche machen jedoch nur einen kleinen Teil der Gesamtoberfläche aus, so daß auch der Wirkungsgrad entsprechend gering ist.
Die Hauptanmeldung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, den Wirkungsgrad beim Wärmeübergang von Halbleiterkörper auf Kapillarstruktur zu erhöhen. Gemäß der Hauptanmeldung wird vorgeschlagen, Tialbleiterkörper und Kapillarstruktur zu einem einheitlielAen Bauelement zusammenzufassen und den Halbleiterkörper zumindest teilweise in ein abgeschlossenes System einzubauen, welches mit einer Wärmesenke verbunden ist.
Solche Kapillarstrukturen können beispielsweise mit Hilfe eines Ätzverfahrens in eine Schicht aus SiO2 eingebracht werden, auf die ein- oder beidseitig Deckschichten aus Si) N aufgebracht sind. Wegen ihrer hohen Sprödigkeit kann bei diesen anorganischen Stoffen, insbesondere bei Schichtdicken > 5;um jedoch die Gefahr von Rißbildungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der aneinandergrenzenden Materialien auftreten. Diese unterschiedliche Wärmeausdehnung macht sich z. B. an der Grenzschicht zwischen dem halbleitenden Material und der SiO2-Schicht sowie in ganz besonders starkem Maße zwischen der SiO2-Schicht und den auf der Halbleiteroberfläche verlaufenden metallischen Leiterbahnen oder Materialgrenzen im Halbleiter bemerkbar. Weiterhin lassen sich mit Hilfe solcher SiO2-Schichten Unebenheiten in der Halbleiteroberfläche nur sehr schwer überbrücken.
Eine Schichtdicke von mindestens 5/um ist aber auch deshalb unumgänglich, weil ein Kapillardurchmesser < 5µm den Strömungswiderstand erhöhen und den Kühlmittelkreislauf zu stark behindern würde.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften der Leitschicht, in welche die Kapillarstruktur eingebracht werden soll, derart zu verbessern, daß Kapillarstrukturen mit einem Durchmesser )t 5/um möglich sind, ohne daß Rißbildungen bei thermischen Belastungen zu befürchten sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine die Kapillarstruktur enthaltende Leitschicht vorgesehen ist, welche im wesentlichen aus einem duktilen organischen Material besteht und eine dem Kapillardurchmesser entsprechende Schichtdicke von mindestens 5/um aufweist und daß auf die Leitschicht, gegebenenfalls unter Einfügung einer Zwischenschicht, eine zum Teil durchbrochene Deckschicht aufgebracht ist, welche im wesentlichen aus einem duktilen organischen Material besteht, in das zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit Faserbrücken eingelagert sind.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch Verwendung duktiler Materialien die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Schichten besser zu beherrschen ist. Zudem lassen sich solche Schichten mittels einfacher Verfahrensschritte auf dem Halbleiterkörper aufbringen, im Gegensatz etwa zu kostspieligen pyrolytischen Methoden, wie sie beim Aufbringen von SiO2-- oder SiN4-Schichten erforderlich sind. Als organische Materialien werden zweckmäßig Poto- oder Electron-Resist-Schichten verwendet, welche mit Hilfe von Fotoätzverfahren bearbeitet werden können.
Die Erfindung soll anhand dreier Beispiele zur Herstellung von Kapillarstrukturen näher erläutert werden.
Gemäß Figur 1 wird zunächst der Halbleiterkörper mit einem positiv arbeitenden Foto- ender Electron-Resist-Material beschichtet, dem gegebenenfalls noch ein gekön tei Füllstoff zugesetzt sein kann. Diese strahlung sempfindliche erste Schicht wird sodann mittels einer energiereichen StrahLung, z. B. einer W- oder Elektronenstrahlung, an denjenigen Stellen bestrahlt, an denen später die Kapillarstrukturen, z. B. in Form von Kanälen oder Hohlräumen, eingebracht werden sollen (Figur 2). Nach dem Bestrahlungsvorgang wird auf die erste Schicht eine zweite Schicht aufgebracht, die aus einem positiv arbeitenden Foto- oder Electron-Resist-Material besteht, in das ätzmittel-resistente Faserbrücken eingelagert sind (Figur 3)« Diese zweite Schicht wird sodann in der Weise bestrahlt, daß eine der Struktur in der ersten Schicht entsprechende Struktur jedoch mit einem geringeren KapiliardurchmesscL' entsteht (Figur 4). Mit Hilfe einer Atzlösung werden nun die bestrahlten Bereiche in der ersten und zweiten Schicht herausgelöst. Hierbei bleiben die ätamittel-resistenten Faserbrücken übrig und bewirken eine mechanische Stabilisierung de Schichtenfolge (Figur 5).
Die Faserbrücken müssen zu diesem Zweck eine solche Länge aufweisen, daß ihre Enden noch in den nicht herausgelösten Bereichen verankert sind. Die Dicke dieser Faser;brücken soll entspi1echenl klein gegenüber der Länge sein. Weiterhin sollen diese Faserbrücken im Mittel einen solchen Abstand voneinander besitzen, daß die Ätzlösung ohne große Behinderung durch die Zwischenräume hindurchdringen kann.
Sollen mehrere Kapillarstrukturen übereiuander aufgebaut werden, so muß das beschriebene Verfahren lediglich mehrmals nacheinander angewandt werden5 sie aus Figur 6 unmittelbar ersichtlich ist.
In ähnlicher Weise können die Kapillarstrukturen auch durch Verwendung von negativ arbeitenden Foto- oder Electron-Resist-Schichten hergestellt werden (Figur 7). Hierbei müssen nun diejenigen Bereiche bestrahlt werden, die zwischen den später herauszulösenden Kapillarstrukturen liegen (Figur 8).
Auf die strahlungsepfindliche Schicht wird nun eine strahlungsudurchlässige Zwischenschicht (Figur 9) aufgebracht und auf diese wiederum eine die Faserbrücken enthaltende Schicht (Figur 1). Diese Schickt wird nun gemäß Figur 11 derart bestrahlt daß schmale Bereiche über den Kapillarstrukturen unverändert bleiben, während die angrenzenden Bereiche vernetzt und ihre Löslictikeit dadurch vermindert wird. Mittels Ätzlösungen wird nun der unveränderte Bereich (Figur 12) sowie der darunterliegende Bereich der Zwischenschicht (Figur 13) sowie die Kapillarstruktur in der ersten unteren Schicht herausgelöst Bei diesem Beispiel ist also eine strahlungsundurchlässige Zwischenschicht als zusätzliche Schicht erforderlich. Diese Schicht hat einerseits die Aufgabe, die erste untere Schicht während der Bestrahlung der oberen strahiungsempfindlichen Schicht abzudecken. Weiterhin verhindert sie beim Aufbringen der oberen strahlungsempfindlichen Schicht ein Aufquellen der unteren Schicht und übt schließlich auch eine versteifende Wirkung auf die darüberliegende Schicht aus. Die strahlungstui.durchlässige Schicht soll eine möglichst geringe Schichtdicke aufweisen und aus einer strahlungsabsorbierenden Substanz, z. B. einem Farbstoff, einem entsprechend eingefärbten Kunststoff oder auch einem Metalloxyd oder einem Metall bestehen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Kapillarstrukturen unter Verwendung von negativ arbeitenden Foto- oder Electron-Resist-Schichten ist in den Figuren 15 bis 22 wiedergegeben. Die Verfahrensschritte gemäß Figur 15 und 16 entsprechen denen in Figur 7 und 8. Dann jedoch wird eine mit Faserbrücken versehene Deckschicht aus strahlungsunempfindlichem Material aufgebracht -(Figur 17) und auf diese erst eine negativ arbeitende Foto- oder Electron-Resist-Schicht (Figur 18). Nach Bestrahlung der obersten Schicht (Figur 19) in analoger Weise wie bei Figur 11 wird zunächst mittels Ätzlösungen der nicht vernetzte Bereich herausgelöst (Figur 20), sondann der desuncerleigemie Bereich der Deckschicht (Figur 21) und schileßlich die Kapillarstruktur in der Leitschicht (Figur 22).
Selbstverständlich ist ach hier wieder ein Aufbau in mehreren Ebenen übereinander entsprechend Figur 6 möglich.

Claims

cl. t @ @ t a n @ >, & n e

1. Halbleiteranordnung mit einen Halblieterkörper und einem Kühlelement zur Übertragung von Verlustwärme von einer Wärmequelle im Halbleiterkörper auf eine Wärmesenke unter Verwendung eines Kühlmittelkreislaufs, wobei der Halbleiterkörper eine Kapillarstnuktur enthält, durch welche das Kählmittel an die Wärmepelle herangeführt wird und wobei der Halbleiterkörper zumindest teilweise in ein abgeschlossenes System eingebaut ist, welches mit der Wärmesenke verbunden ist, nach DBP . , ... (Patentanmeldung P 24 41 613.5), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zumindest eine die Kapillarstruktur enthaltende Leitschicht vorgesehen ist, welche im wesentlichen aus einem duktilen organischen Material besteht und eine dem Kapillardurchmesser entsprechende Schichtdicke von mindestenstens 5 µm aufweist und daß auf die Lietschicht, gegebenenfalls unter Einfügung eine Zwischenschicht, eine zun Teil durchbrochene Deckschicht aufgebracht ist, welche im wesentlichen aus einem duktilen organischen Material besteht, in das zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit Faserbrücken eingelagert sind.

2. Halbleiteralechung @ach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, da die Kapillarstruktoren mittels eines Fotoätzverfahrens in die Leitschicht eingebracht sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 einer Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschicht im wesentlichen aus einem F@@@- oder Electron-Resist-Material besteht,

4 Halblieteranor@@@ung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, d aß die Deckschicht im wesentlichen aus einem Foto- oder Electron-Resist-Material besteht.

5. Halbleiteranordni;ng nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Deckschicht aus einem in Ätzmittellöslichen Material besteht und daß auf die Deckschicht eine Foto- oder Electron-Resist-Schich aufgebracht ist.

6. Halbleiteranordnung g nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht; aus einem in Ätzmittel löslichen strahlungsundurchlassigen Material besteht.