DE2458846A1

DE2458846A1 - Elektronische baugruppe mit halbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE2458846A1
Application number: DE19742458846
Authority: DE
Inventors: Alfred Aaron Rifkin; Robert Wallace Staats
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1974-12-12
Publication date: 1975-10-30
Also published as: FR2268433A1; JPS50137681A; GB1462748A; US3909678A; FR2268433B1; IT1034378B; DE2458846C2; JPS5243063B2; CA1023837A

Description

Amtliches Aktenzeichen:
Aktenzeichen der Anmelderin:

Böblingen, den 9. Dezember 19/4 bt-so

Neuanmeldung
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ELEKTRONISCHE BAUGRUPPE MIT HALBLEITERSCHALTUNGEN

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektronischen Baugruppen mit Halbleiterschaltungen, insbesondere integrierten Großschaltungen, wie sie insbesondere in der elektronischen Datenverarbeitung ausgedehnte Verwendung finden. Infolge der Verbesserung der Herstellungstechnologien für Halbleiterschaltungen ist es möglich geworden, immer größere Schaltungen, sogenannte integrierte Großschaltungen oder LSI-Schaltungen, auf einem einzigen Substrat wirtschaftlich, das heißt mit brauchbaren Ausbeuten, herzustellen. In einigen Fällen ist es sogar gelungen, einheitliche Großschaltungen mit tausenden von Einzelschaltkreisen zu produzieren. Eines der beim Einbau solcher Großschaltungen auftretenden Probleme ist der Heizeffekt, der sowohl in einer zerstörenden Überhitzung als auch in einer räumlichen Veränderung bei Erwärmung liegen kann. Ein weiteres Problem betrifft die Anbringung der Vielzahl elektrischer Anschlüsse, mit denen die Großschaltung - der Wafer versehen werden muß.

Für die Beherrschung des Erwärmungsproblems kann man auf eine zweckmäßig ausgebildete Kühlung, gegebenenfalls unter Benutzung einer Kühlflüssigkeit, zurückgreifen. Eine zufriedenstellende Baugruppe mit Großschaltkreisen sollte unempfindlich gegen mechanische Einflüsse wie Stoßbelastungen und Vibration während des Transports und der Benutzung sein. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Baugruppe zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch die im Patentbegehren angegebenen Merkmale.

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Die federnde Aufhängung der Halbleiterschaltung an dem zugehörigen Trägerelement bewirkt eine Unempfindlichkeit gegen Stoß- und Vibrations- ' belastungen. Dabei übernehmen die Verbindungsteile sowohl die elektrische Verbindung als auch die mechanische Befestigung. Das Auftreten von Wärmespannungen, die zur Zerstörung der Halbleiterschaltung führen können wird dadurch von vornherein vermieden; zumindest werden die mechanischen Spannungen auf ein ungefährliches Maß vermindert. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, eine Flüssigkeitskühlung der Halbleiterschaltung vorzusehen. Dabei werden die Trägerelemente verhältnismäßig starr mit einem zweckentsprechend ausgebildeten Gehäuse verbunden. Die federnde Aufhängung der Halbleiterschaltungen bewirkt nun, daß ein auf das Gehäuse treffender Stoß die Halbleiterschaltungen zumindest näherungsweise in Ruhe verharren läßt. Die nun überlicherweise nach einem solchen Anstoß auftretende Eigenschwingung des Feder-Masse-Systems aus Halbleiterschaltung und Verbindungsteilen wird nun durch die Kühlflüssigkeit, in der sich die Halbleiterschaltung befindet, gedämpft. Die Flüssigkeit weist also neben der Kühlfunktion noch eine Dämpfungsfunktion auf.

An sich ist eine Flüssigkeitskühlung elektronischer Schaltungen nicht neu, bei der Kühlung von integrierten Großschaltungen treten jedoch durch die möglicherweise ungleichmässige Wärmeverteilung einige zusätzliche Probleme auf. Diese können durch entsprechende Ausbildung der Gehäuse beseitigt werden,, die Halbleiterschaltungen und Kühlflüssigkeit umgeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einer Baugruppe mit einer Vielzahl von Schaltkreisen, die sich auf einem oder mehreren Halbleitersubstraten, sogenannten Wafern, befinden. Letztere sind auf kreis ringförmige Trägerelemente mittels federänficher Verbindungsteile montiert. Die einzelnen Trägerelemente werden mittels einer Vielzahl von leitfähigen Stiften, die sich an ihrem Außenrand befinden, zu einem mehrstöckigen "Silo" verbunden. Ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse umgibt das Silo, und erlaubt so, daß die Schaltungen von einer Kühlflüssigkeit umspült werden. Das Gehäuse ist mit wärmeleitfähigen Rippen innen und außen versehen, um die Wärmeableitung sicherzustellen. Das Silo, also der Stapel von Halbleiterschaltungen auf ihren jeweiligen Trägerelementen, ist mit einem Ende mit dem Kühlgehäuse fest ver-

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bunden. Das andere Ende befindet sich zur.Vermeidung von Wärmespannungen innerhalb des Silos auf einer Gleitbahn, die .eine gewisse Bewegung zwischen

; Siloende und Kühlgehäuse erlaubt, Das Silo ka.nn.sq eine Bewegung in. axialer Richtung ausführen. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Halbleiter-

; Schaltungen und dem äußeren Bereich werden durch flüssigkeitsdichte Ver,- -.

ι binder im Gehäuse und über flexible Leitungen zu den leitfähigen Stiften hergestellt. ........

Durch die Erfindung wird eine elektronische Baugruppe geschaffen, . j die sowohl gegen mechanische Belastungen widerstandsfähig, als auch ; gegen temperatur induzierte Dimensionsänderungen unempfindlich ist. Dazu ergeben sich noch Vorteile in Bezug auf die Kühlung der Halbleiterschaltungen.

' Anhand eines Ausführungsbeispiels, das auch in den Zeichnungen darge- \ . stellt ist, soll die Erfindung noch im Detail erläutert werden. Auf den Zeichnungen zeigen:

• Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer elektronischen Baugruppe gemäß, der Erfindung,

ι *

Fig 2 , eine perspektivische Teilansicht des Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine weitere Detailansicht des Ausführungsbeispiels.

Die zum Teil geschnittene Darstellung in Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektronische Baugruppe 11 weist insgesamt fünf integrierte Halbleitergroßschaltungen 1 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sollen diese Schaltungen zur Speicherung von Daten dienen. Diese sind - jedenfalls im Augenblick - mit sehr großer Dichte herstellbar und benötigen relativ wenige elektrische Anschlüsse.

Jede Halbleiterschaltung 1 ist mittels eines federartigen Verbindungsteils 3 auf eine Trägerelement 2 montiert. Letztere können aus konventionellen Material,, wie beispielsweise einem Epoxy-Glas-Laminat, .hergestellt sein. Die Verbindungselemente 3.bestehen vorzugsweise aus einem widerstands-

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fähigen Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit, z.B. einer Beryllium-Kupfer-Legierung. Das ausgewählte Material muß geeignet sein, mittels konventioneller Anschlußtechniken, z.B. durch Thermokompressions-Schweißung, Ultraschall-Verbindung oder Lötung sowohl mit den Trägerelementen als auch mit den Halbleiterschaltungen verbunden zu werden. Eine oder mehrere dieser Techniken können zur Befestigung der Verbindungselemente an der Halbleiterschaltung 1 und dem Trägerelement benutzt werden.

Im hier dargestellten Beispiel sollen kleine Anschlußflächen am Umfang der Halbleiterschaltung 1 angeordnet sein. Diese Anschlußflächen - sogenannte Pads - können sich auf der gleichen Seite wie die aktiven Schaltungen oder mittels entsprechender Verbindungen durch das Halbleitersubstrat hindurch, auf der anderen Seite der Schaltung 1 befinden. Die zweite Art der Anbringung weist trotz ihrer höheren Komplexität den Vorteil auf, daß mehr Raum für eine größere Anzahl von Kontaktflächen zur Verfugung steht. Außerdem kann natürlich eine Halbleiterschaltung Verwendung finden, die beidseitig mit aktiven und passiven Bauelementen bestückt ist.

Ein entsprechend komplementärer Satz von Anschlußflächen existiertauf dem Trägerelement 2. Die dort vorgesehenen Pads werden auf dem Laminat durch entsprechende Ätzung oder durch das Niederschlagen von Metall erzeugt. Jede Anschluß fläche ist so ausgebildet, daß sie sowohl den Anschluß eines Verbindungsteils 3, als auch eine Verbindung mit den leitfähigen Stiften 4 ermöglicht. Die Details dieser Anordnung sind in Figur 2 gezeigt. Dort sind nur drei Pads 6 dargestellt. Tatsächlich wird sich im Normalfall von jedem der Verbindungsstifte 4 ein Pad 6 nach innen erstrecken, wo er die Anschlußfläche für ein Verbindungsteil 3 bildet. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel geht von der Voraussetzung aus, daß sämtliche Ebenen des Silos parallel angesteuert werden. Die durchgehenden leitfähigen Stifte 4 verbinden die Trägerelemente 2 der verschiedenen Ebenen zu einem zylinderfömigen Silo, bei dem sich in jeder Ebene eine integrierte Halbleitergroßschaltung befindet.

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Wie in Fig. 2 dargestellt, können die federähnlichen Verbindungsteile 3 als relativ flache Leiter zur Erzielung einer optimalen Unterstützung für die Halbleiterschaltung 1, oder, alternativ, rund ausgebildet sein. Vorzugsweise wird der Kontakt zwischen den Verbindungsteilen 3 und den leitfähigen Pads 6 durch Ultraschall- oder Thermo korn press ions-Schweißung hergestellt. Es ist ebenso möglich, in den Pads 6 zusätzliche Löcher oder Schlitze vorzusehen, um Ausrichtung und elektrische und mechanische Befestigung der Verbindungsteile 3 mit den Pads 6, z.B. durch Löten, vorzunehmen.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung verwendet ein Trägerelement von Kreisringform. Diese Konfiguration ermöglicht einen optimalen Kühlmitteldurchfluß, ohne die mechanische Unterstützung der Halbleiterschaltung 1 negativ zu beeinflussen.

Fig. 3 illustriert eine besonders günstige Ausführungsform der Verbindungsteile 3. Diese sind als geknickte Federn ausgebildet, wodurch die Halbleiterschaltung 1 von Stoßbelastungen und Vibrationen, die über das Trägerelement 2 übertragen werden könnten, unbeeinflußt bleibt.

Wie in Figur 1 dargestellt, weist das unterste - bzw. am weitesten rechs liegende - Trägerelement 2a einen größeren Durchmesser als die Trägerelemente 2 auf. Diese Vergrößerung ermöglicht eine Befestigung des Trägerelements 2a mit Schrauben 10 an der Grundplatte 11a des Gehäuses 11.

Das Gehäuse 11 weist eine Grundplatte 11a und eine Deckplatte 11b auf dem Gehäusekörper lic auf. Die Deckplatte 11b besitzt eine Öffnung zur Aufnahme eines elektrischen Verbinders 15. Letzterer muß flüssigkeitsdicht an der Deckplatte 11b angebracht sein, um den Ausfluß des sich im Gehäuse 11 befindlichen flüssigen Kühlmittels zu verhindern. Die Grundplatte 11a und die Deckplatte 11b sind mit dem Gehäusekörper 11c z.B. mit nicht dargestellten Schrauben ebenfalls flüssigkeitsdicht verbunden. Die Grundplatte 11a besitzt eine Einfüllöffnung 16 mit einem entfernbaren Stöpsel 17, wodurch die Einführung eine Kühlmittels in das Gehäuse 11

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ermöglicht wird. Die Deckplatte 11b trägt eine zylindrische Laufhülse 18, deren innerer Durchmesser so bemessen ist, daß sie das oberste - bzw. am weitesten links liegende - Trägerelement 2c umschließt. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist dieses Trägerelement 2c keine Halbleiterschaltung auf. Stattdessen trägt es nicht dargestellte Leitungen, die zur Verbindung der Verbindungsstifte 4 mit flexiblen Leitungen 20 dienen. Letztere führen zum bereits genannten Verbinder 15. Alternativ können die flexiblen Leitungen 20 direkt an den Enden der Verbindungsstifte 4 befestigt werden. Dadurch wird es möglich, auf dem Trägerelement 2c ebenfalls eine Halbleiterschaltung anzubringen.

Der äußere Durchmesser des Trägerelements 2c ist um ein weniges kleiner als der innere Durchmesser der Laufhülse 18. Dies erlaubt dem Trägerelement 2c eine teleskopartige Auf- und Abbewegung in der Laufhülse 18. Da der Stapel aus Verbindungsstiften 4 und Trägerelementen 2 auf diese Weise einseitig - nämlich mittels des Trägerelements 2a - mit dem Gehäuse fest verbunden ist, während sein anderes Ende verschiebbar gelagert ist, wird das Auftreten von mechanischen Wärmespannungen vermieden. Diese treten aufgrund deren großer Länge besonders in den Verbindungsstiften 4-auf. Die teleskopartige Lagerung durch die Laufhülse 18 in Verbindung mit den Trägerelementen 2c wird dennoch eine radiale Bewegung des Silos vermieden.

Der Körper 11c des Gehäuses 11 weist sowohl auf der Innenseite als auch an seinem Äußeren eine Reihe von Kühlrippen 22 bzw. 23 auf. Die inneren Rippen 22 nehmen die Wärme der innerhalb des Gehäuses 11 befindlichen Kühlflüssigkeit auf. Über die Wand 24 wird diese Wärme auf die äußeren Rippen 23 übertragen, die aufgrund ihrer großen Oberfläche eine Übertragung auf die Umgebungsluft bewirken. Als Kühlflüssigkeit kann ein Fluor-Kohlenwasserstoff Verwendung finden, wie er häufig für die Kühlung von elektronischen Bauelementen benutzt wird. Dabei sollte berücksichtigt werden, daß die Kühlflüssigkeit zusätzlich zu ihrer Kühlfunktion eine Dämpfungsfunktion im Hinblick auf die Bewegungen der Halbleiterschaltungen 1 gegenüber den Trägerelementen 2 ausübt.

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Claims

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Elektronische Baugruppe mit mindestens einer Halbleiterschaltung, insbesondere einer integrierten Großschaltung, und mindestens einem Trägerelement zur'Aufnahme mindestens einer Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Halbleiterschaltung (1) und Trägerelement (2) durch federnde oder federähnliche Verbindungsteile (3) hergestellt wird.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile (3) als geknickte oder gekrümmte Blattfedern ausgebildet sind. - *
3. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente (2) rahmenförmig ausgebildet sind, wobei der inhere Ausschnitt ungefähr der Form der daran anzubringenden Halbleiterschaltung :(1) entspricht, und daß die Halbleiterschaltung (1) mittels

• am Rand des inneren Ausschnitts des Trägerelements (2) angebrachter Verbindunsteile (3) gehalten wird.
4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente (2) Kreisringform aufweisen.
5. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß "mehrere Trägerelemente (2) beabstandet aufeinändergestapelt sind, wobei Verbindungsstifte (4)" die elektrische und starre mechanische Verbindung zwischen den Trägerelementen (2) herstellen, und die Verbindungsteile (3) mit den Verbindungsstiften (4) elektrische verbunden sind.
6. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstife (4) am äußeren Umfang der Trägerelemente (2) angeordnet sind.

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7. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel aus Trägerelementen (2) mit daran befestigten Halbleiterschattungen (1) in einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten Gehäuse (11) angeordnet ist,
8. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) innen und außen Kühlrippen (22 bzw. 23) aufweist.
9. Baugruppe nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel aus Trägerelementen (2) und Halbleiterschaltungen (1) im Gehäuse (11) einerseits fest, andererseits zumindest in einer Richtung, vorzugsweise axial zum Stapel, beweglich angebracht ist.
10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Lager aus einer in einem Gehäuseteil (11b) angeordneten Laufbuchse (18), die eines der Trägerelemente (2) umschließt, besteht.
11. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine flüssigkeitsdichte elektrische Verbindung (15) im Bereich des beweglichen Lagers vorgesehen ist, die mit dem Stapel aus Trägerelementen (2) und Halbleiterschaltungen (1) durch flexible Leitungen (20) verbunden ist.

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