DE2458846C2

DE2458846C2 - Baugruppe mit mehreren Halbleiterelementen

Info

Publication number: DE2458846C2
Application number: DE2458846A
Authority: DE
Inventors: Alfred Aaron Wappingers Falls N.Y. Rifkin; Robert Wallace Lagrangeville N.Y. 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: 1986-12-18
Also published as: US3909678A; FR2268433A1; GB1462748A; CA1023837A; FR2268433B1; JPS5243063B2; JPS50137681A; IT1034378B; DE2458846A1

Description

und über flexible Leitungen zu den leitfähigen Stiften hergestellt

Anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, wird die Erfindung im Detail erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schnittdarstellung eine» elektronischen Baugruppe des Ausführungsbeispiels,

F i g. 2 eine perspektivische Teilansicht des Ausführungsbeispiels,

Fig.3 eine weitere Detailansicht des Ausführungsbeispiels.

Die in F i g. 1 dargestellte elektronische Baugruppe 11 weist insgesamt fünf integrierte Halbleiterelemente 1 mit integrierten Schaltungen 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.

Jedes Halbleiterelement 1 ist mittels eines federnden Verbindungselements 3 auf ein Trägerelement 2 montiert. Letzteres kann aus konventionellem Material, wie beispielsweise einem Epoxy-Glas-Laminat, hergestellt sein. Die Verbindungselemente 3 bestehen aus einem widerstandsfähigen 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 werdan. Eine oder mehrere dieser Techniken können zur Befestigung der Verbindungselemente an dem Halbleiterelement 1 und dem Trägerelement 2 benutzt werden.

Im hier dargestellten Beispiel sollen Kontaktflächen am Umfang des Halbleiterelements 1 angeordnet sein. Diese Kontaktflächen können sich auf der gleichen Seite wie die aktiven Schaltungen oder mittels entsprechender Verbindungen durch das Halbleitersubstrat hindurch, auf der anderen Seite des Halbleiterelements 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 ein Halbleiterelement 1 Verwendung finden, das beidseitig mit aktiven und passiven Bauelementen bestückt ist

Ein entsprechend komplementärer Satz von Anschlußflächen existiert auf dem Trägerelement 2. Die dort vorgesehenen Anschlußflächen werden auf dem Laminat durch entsprechende Ätzung oder durch das Niederschlagen von Metall erzeugt. Jede Anschlußfläche ist so ausgebildet, daß sie sowohl den Anschluß eines Verbindungselemente 3, als auch eine Verbindung mit den leitfähigen Stiften 4 ermöglicht. Die Details dieser Anordnung sind in F i g. 2 gezeigt. Dort sind nur drei Anschlußflächen 6 dargestellt Tatsächlich wird sich im Normalfall von jedem der Verbindungsstifte 4 eine Anschlußfläche 6 nach innen erstrecken, an die ein Verbindungsteil 3 befestigt wird. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel geht von der Voraussetzung aus, daß sämtliche Ebenen des Stapels parallel angesteuert werden. Die durchgehenden leitfähigen Stifte 4 verbinden die Trägerelemente 2 der verschiedenen Ebenen zu einem zylinderförmigen Stapel, bei dem sich in jeder Ebene ein Halbleiterelement 1 befindet

Wie in F i g. 2 dargestellt, können die federnden Verbindungselemente 3 als relativ flache Leiter zur Erzielung einer optimalen Unterstützung für das Halbleiterelement 1, oder gekrümmt ausgebildet sein. Vorzugsweise wird der Kontakt zwischen den Verbindungselementen 3 und den Kontaktflächen 6 durch Ultraschalloder Thermokompressions-Schweißung hergestellt Es ist ebenso möglich, in den Anschlußflächen 6 zusätzliche Löcher oder Schlitze vorzusehen, um Ausrichtung und elektrische und mechanische Befestigung der Verbindungselemente 3 mit den Anschlußflächen 6 vorzunehmen.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung verwendet ein Trägerelement von Kreisringform. Diese Konfiguration ermöglicht einen optimalen Kühlmitteldurchfluß, ohne die mechanische Unterstützung des Halbleiterelements 1 negativ zu beeinflussen.
Fig.3 illustriert eine besonders günstige Ausführungsform der Verbindungsteile 3. Diese sind als geknickte Federn ausgebildet wodurch das Halbleiterelement 1 von Stoßbelastungen und Vibrationen, die über das Trägerelement 2 übertragen werden könnten, unbeeinflußt bleibt

Wie in F i g. 1 dargestellt weist das in der Figur am weitesten rechts liegende Trägerelement 2a einen größeren Durchmesser als die Trägerelemente 2 auf. Diese Vergrößerung ermöglicht eine Befestigung des T'rägerelements 2a mit Schrauben 10 an der Grundplatte 11a des Gehäuses 11.

Das Gehäuse 11 weist eine Grundplatte 11a und eine Deckplatte 116 auf dem Gehäusekörper lic auf. Die Deckplatte 11 b besitzt eine öffnung zur Aufnahme eines elektrischen Kupplungsteils 15 für die äußeren An-Schlußleitungen. Letzteres muß flüssigkeitsdicht an der Deckplatte Wb angebracht sein, um den Ausfluß des sich im Gehäuse 11 befindlichen flüssigen Kühlmittels zu verhindern. Die Grundplatte 11a und die Deckplatte 116 sind mit dem Gehäusekörper Hc z.B. mit nicht dargestellten Schrauben ebenfalls flüssigkeitsdicht verbunden. Die Grundplatte 11a besitzt eine Einfüllöffnung 16 mit einem entfernbaren Stöpsel 17, wodurch die Einführung eines Kühlmittels in das Gehäuse 11 ermöglicht wird. Die Deckplatte Wb trägt eine zylindrische Laufhülse oder Buchse 18, deren innerer Durchmesser so bemessen ist daß sie das am weitesten links in F i g. 1 liegende Trägerelement 2c umschließt. Bei der in F i g. 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 Kupplungsteil 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 Buchse 18. Dies erlaubt dem Trägerelement 2c eine teleskopartige Auf- und Abbewegung in der Buchse 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 telesl'opartige Lagerung durch die Buchse 18 in Verbindung mit den Trägerelementen 2c stellt sicher, daß eine radiale Bewegung des Stapels vermieden wird.

Der Körper lic 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 neh-

5 6 _;V

men die Wärme der innerhalb des Gehäuses 11 befindlichen Kühlflüssigkeit auf. Ober die Wand 24 wird diese ^;;■·' Wärme auf die äußeren Rippen 23 übertragen, die auf- Jf, grund ihrer großen Oberfläche eine Übertragung auf ψ die Umgebungsluft bewirken. Als Kühlflüssigkeit kann 5 || eine Fluor-Kohlenwasserstoff-Verbindung verwendet §S werden, wie diese häufig für die Kühlung von elektroni- ?' sehen Bauelementen benutzt wird. Dabei sollte berück- ^;. sichtigt werden, daß die Kühlflüssigkeit zusätzlich zu J, ihrer Kühlfunktion eine Dämpfungsfunktion im Hin- io f; blick auf die Bewegungen der Halbleiterelemente 1 gegenüber den Trägerelementen 2 ausübt. S

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 trisch leitende Wärmeableitelemente abwechselnd in ei- Patentansprüche: nem Stapel angeordnet und durch Tellerfedern zur Er reichung eines guten Kontaktes gegeneinander gepreßt

1. Baugruppe mit mehreren Halbleiterelementen, werden. Zur Übertragung des Federdrucks auf den Stadie mit dazugehörigen scheibenförmigen Trägerele- 5 pel dient hierbei ein mit Flüssigkeit gefüllter Balg. Zur menten zu einem Stapel vereinigt sind, wobei die besseren Wärmeabführung ist die Anordnung von ei-Halbleiterelemente je eine Anzahl Kontaktflächen nem allseitig abgedichteten und mit Flüssigkeit gefüllten aufweisen, die Trägerelemente aus elektrisch isolie- Gehäuse umgeben. Das Problem der Abschirmung merendem Material bestehen und entsprechende An- chanischer Störeinflüsse findet bei dieser Anordnung schlußflächen aufweisen, alle Trägerelemente durch 50 keine Beachtung.

gemeinsame elektrisch leitende Verbindungsstifte Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Baumiteinander verbunden sind, und die Verbindungs- gruppe anzugeben, die für eine Vielzahl von Halbleiterstifte in elektrischem Kontakt mit den Anschlußflä- Schaltungselementen zusätzlich zur räumlich günstigen chen der Trägerelemente stehen, dadurch ge- Anordnung der Zu- und Ableitungen für die Eingangsken 11 zeichnet, daß die Kontaktflächen eines 15 und Ausgangssignale eine stoßgedämpfte Anordnung jeden Halbleiterelements (1) mit den entsprechen- der Halbleiterschaltungen vorsieht bei gleichzeitiger den Anschlußflächen (6) des zugehörigen Trägerele- Verbesserung der Kühlungsmöglichkeit Die Merkmale ments (2) durch je ein federndes Verbindungsele- zur Lösung dieser Aufgabe sind im Patentanspruch 1 ment (3) elektrisch und mechanisch verbunden sind. gekennzeichnet Die Unteransprüche geben vorteilhaf-

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 te Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung zeichnet, daß die Verbindungselemente (3) als ge- an.

knickte oder gekrümmte Blattfedern ausgebildet Die federnde Aufhängung der Halbleiterschaltung an

sind. dem zugehörigen Trägerelement bewirkt eine Unemp-

3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch findlichkeit gegen Stoß- und Vibrationsbelastungen, gekennzeichnet daß die Trägerelemente (2) rah- 25 Dabei übernehmen die Verbindungsteile sowohl die menförmig ausgebildet sind, wobei der innere Aus- elektrische Verbindung als auch die mechanische Befeschnitt der Form des daran anzubringenden Halblei- stigung. Das Auftreten von Wärmespannungen, die zur terelements (1) entspricht, und daß die Verbindungs- Zerstörung der Halbleiterschaltung führen können, elemente (3) vom Rand des inneren Ausschnitts des wird dadurch von vornherein vermieden, und die me-Trägerelements (2) zum zugehörigen Halbleiterele- 30 chanischen Spannungen werden auf ein zulässiges Maß ment (1) führen. vermindert. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei Anwen-

4. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dung einer Flüssigkeitskühlung der Halbleiterschaldadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente (2) tungselemente. Dabei werden die Trägerelemente ver-Kreisringform aufweisen. hältnismäßig starr mit einem zweckentsprechend ausge-

5. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 35 bildeten Gehäuse verbunden. Die federnde Aufhängung mit in einem Gehäuse angeordneten Stapel aus Trä- der Halbleiterschaltungen bewirkt nun, daß ein auf das gerelementen und Halbleiterelementen, dadurch ge- Gehäuse treffender Stoß die Halbleiterschaltungen zukennzeichnet, daß der Stapel in dem Gehäuse (11) an mindest näherungsweise in Ruhe .verharren läßt. Die einem Ende fest und am anderen Ende axial beweg- nun üblicherweise nach einem solchen Anstoß auftrelich angebracht ist. 40 tende Eigenschwingung des Feder-Masse-Systems aus

6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Halbleiterschaltung und Verbindungsteilen wird durch dadurch gekennzeichnet, daß an dem beweglichen die Kühlflüssigkeit gedämpft, die die Halbleiterschal-Ende des Stapels ein Führungselement (2c) angeord- tungselemente allseitig umgibt. Die Flüssigkeit weist sonet ist, das in einer Buchse (18) teleskopartig ver- mit neben der Kühlfunktion noch eine Dämpfungsfunkschiebbar ist und daß die Verbindungsstifte (4) über 45 tion auf.

flexible Leitungen (20) an ein elektrisches Kupp- Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht aus ei-

lungsteil (15) angeschlossen sind, das flüssigkeits- ner Baugruppe mit einer Vielzahl von Schaltkreisen, die

dicht am Gehäuse (11) angebracht ist. sich auf einer Anzahl Halbleitersubstraten befinden.

7. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, Letztere sind auf kreisringförmige Trägerelemente mitdadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsteil (15) 50 tels federähnlicher Verbindungsteile montiert. Die einim Bereich der Buchse (18) angeordnet ist. zelnen Trägerelemente werden mittels einer Vielzahl

von leitfähigen Verbindungsstiften, die sich an ihrem

Außenrand befinden, zu einem mehrstöckigen Stapel

verbunden. Ein flüssigkeitsdichtes Gehäuse des Stapels 55 erlaubt es, daß die Schaltungen von einer Kühlflüssig-

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit mehreren keit umgeben sind. Das Gehäuse ist mit wärmeleitfähi-Halbleiterelementen, die mit dazugehörigen scheiben- gen Rippen innen und außen versehen, um die Wärmeförmigen Trägerelementen zu einem Stapel vereinigt ableitung sicherzustellen. Der Stapel von Halbleitersind, wobei die Halbleiterelemente je eine Anzahl Kon- schaltungen auf ihren jeweiligen Trägerelementen ist taktflachen aufweisen, die Tragereiemente aus eiek- 60 mit einem Ende mit dem Kühlgehäuse fest verbunden, trisch isolierendem Material bestehen und entsprechen- Das andere Ende befindet sich zur Vermeidung von de Anschlußflächen aufweisen, alle Trägerelemente Wärmespannungen innerhalb des Stapels auf einer durch gemeinsame elektrisch leitende Verbindungsstifte Gleitbahn, die eine gewisse Bewegung zwischen Stapel miteinander verbunden sind, und die Verbindungsstifte und Kühlgehäuse erlaubt. Der Stapel kann so eine Bein elektrischem Kontakt mit den Anschlußflächen der 65 wegung in axialer Richtung ausführen. Die elektrischen Trägerelemente stehen. Verbindungen zwischen den Halbleiterschaltungen und

Eine gattungsgemäße Baugruppe ist aus der US-PS dem äußeren Bereich werden durch flüssigkeitsdichte, 00 191 bekannt,beider Halbleiterelemente und elek- im Gehäuse angeordnete äußere Anschlußleitungen