DE3716196A1

DE3716196A1 - Anordnung aus einem elektronische bauelemente tragenden keramiksubstrat und einer waermeabfuehreinrichtung

Info

Publication number: DE3716196A1
Application number: DE19873716196
Authority: DE
Inventors: Martin Joseph Pitasi
Original assignee: Teradyne Inc
Current assignee: Teradyne Inc
Priority date: 1986-09-09
Filing date: 1987-05-14
Publication date: 1988-03-17
Also published as: CA1257010A; FR2603740B1; FR2603740A1; JPS6370498A; GB8711364D0; GB2195056A; DE3716196C2; GB2195056B; US4682269A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, befaßt sich also mit der Abführung von Wärme von elektronischen Bauelementen auf einem Keramiksubstrat.

Elektronische Bauelemente können auf einem Keramiksubstrat montiert und elektrisch miteinander durch von dem Substrat getragene metallisierte, d.h. durch Metallisierung erzeugte Leiter verbunden werden.

Aus der US-PS 42 92 647 ist eine Halbleiter-Baueinheit mit mehreren elektronischen Chips bekannt, die auf einem Keramiksubstrat montiert und mit direkt über ihnen angeordneten individuellen Wärmeleitelementen versehen sind. Aus der US-PS 45 41 004 ist es bekannt, Wärmeleitstifte entweder in eine Halbleiter-Baueinheit oder in ein an einer Halbleiter- Baueinheit befestigtes Substrat einzusetzen.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß Wärme sehr effektiv von elektronischen Bauelementen abgeführt werden kann, wenn man eine Keramikplatte benutzt, die an ein die elektronischen Bauelemente tragendes und von ihnen die Wärme empfangendes Keramiksubstrat mit ihrer einen Oberfläche geklebt ist und mehrere separate, beabstandete metallische zylindrische wärmeleitende Elemente aufweist, die auf der anderen Oberfläche der Platte montiert sind und sich von dieser wegerstrecken. Die wärmeleitenden Elemente und freiliegende Teile der Platte sollen eine kombinierte Oberflächengröße haben, die größer ist als das 1,5-fache der Oberflächengröße der Platte allein, wodurch die Wärmeabführfläche vergrößert wird.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die kombinierte Oberflächengröße größer als das 2,4-fache (insbesondere zwischen dem 3,5-fachen und dem 4,0-fachen) der Oberflächengröße der Platte allein, sind die metallischen Elemente zylindrische Kupferstifte und sind die Stifte durch Lötmaterial und auf die Keramikplatte niedergeschlagene metallisierte Unterlageschichten (Pads) an der Keramikplatte befestigt.

Da beide Platten aus Keramik bestehen, treten zwischen ihnen keine thermischen Spannungen auf. Da ferner die Keramikplatte, die etwa 1 mm dick sein kann, gute Wärmezerstreuungseigenschaften hat, wird der Temperaturunterschied der verschiedenen Stifte untereinander gering und die Wärmeabfuhr wirksam gefördert. Schließlich sorgen die Kupferstifte für eine gute Wärmeabgabe an die an ihnen vorbeiströmende Luft und zugleich für einen geringen Druckabfall in dieser Luft, während das Lötmaterial eine feste Verbindung gewährleistet und der hindurchfließenden Wärme einen geringen thermischen Widerstand entgegensetzt.

An dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht einer Wärmeabführeinrichtung, die erfindungsgemäß an einem elektronische Bauelemente tragenden Keramiksubstrat befestigt ist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Wärmeabführeinrichtung gemäß Fig. 1 von unten; und

Fig. 3 einen vertikalen, bezüglich Fig. 1 von oben nach unten umgekehrten Schnitt durch einen Teil der Wärmeabführeinrichtung längs der Ebene 3-3 in Fig. 1.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, trägt ein Keramiksubstrat (10) auf seiner oberen Oberfläche elektronische Bauelemente (12) und ist an seiner unteren Oberfläche an einer Wärmeabführeinrichtung (14) befestigt. Die elektronischen Bauelemente (12) sind miteinander elektrisch durch eine Metallisierung (16) auf den oberen und unteren Oberflächen der das Substrat (10) bildenden Keramikplatte verbunden. Die obere Oberfläche der das Substrat (10) bildenden Platte trägt über der Metallisierung (16) auch eine isolierende Schicht (18). Die Wärmeabführeinrichtung (Kühleinrichtung) (14) enthält eine Keramikplatte (20) (95% reines Aluminiumoxid), eine hitzehärtbare Klebschicht (22) (die etwa 0,13 mm dick sein kann und aus im Handel erhältlichem Material besteht) und metallische wärmeleitende Stifte (24) auf ihrer unteren Oberfläche.

Die Anordnung der Stifte (24) auf der Unterseite der Platte (20) ist Fig. 2 zu entnehmen. Die Stifte (24) sind auf im Vakuum niedergeschlagenen, 3,2 mm×3,2 mm großen quadratischen Unterlage schichten (Pads) (26) aus Palladium/Silber-Legierung montiert, welche einen gegenseitigen Abstand von 2,39 mm in der Breiten richtung und 2,74 mm in der Längenrichtung haben können. Die genauer in Fig. 3 erkennbaren Stifte (24) haben einen Durchmesser von ungefähr 2,5 mm, sind 6,35 mm lang und enthalten einen Kupferkern (28) und eine Zinnschicht (30). An den Unterlageschichten (26) sind die Stifte (24) durch Lötmaterial (32) befestigt. Die Gesamtfläche der Platte (20) beträgt demnach 29 cm² (4,69 cm Breite×6,2 cm Länge). Die Gesamtoberflächengröße der Stifte beträgt 44,57 cm², und die Gesamtoberflächengröße der freiliegenden Teile der Platte (20) und der Stifte beträgt 69,55 cm². Durch die Hinzufügung der Stifte wurde also die Gesamtgröße der Wärmeabführ oberfläche von derjenigen einer Platte ohne Stifte von 29 cm² auf etwa 70 cm² vergrößert, also eine Vergrößerung von ungefähr 2,4 erreicht. Die Dichte der Stifte kann geringer sein als bei dem Verhältnis von 2,4 (beispielsweise kann es genügen, wenn der Faktor größer ist als 1,5), um dennoch eine bessere Wärmeabführung oder Kühlung zu erreichen als bisher. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Dichte noch weiter zu erhöhen, beispielsweise liegt in vielen Fällen das Optimum für das Verhältnis der Gesamtflächengröße zu derjenigen der Platte allein zwischen 3,5 und 4,0.

Zur Herstellung der Wärmeabführeinrichtung (14) werden die Stifte (24) in der richtigen Anordnung in einer Einspannvorrichtung befestigt und an ihren freiliegenden Enden mit Lötpaste versehen. Die Keramikplatte (20) wird mit den auf ihr befindlichen Unterlage schichten (26) auf die freiliegenden Enden der Stifte (24) gelegt, worauf die Stifte (24) und die Keramikplatte (20) miteinander z.B. durch ein Dampflötverfahren verbunden werden. Nach Abkühlung der aus den Stiften und der Keramikplatte bestehenden Einheit wird die Klebschicht (22) aufgebracht, die mit einer (nicht dargestellten) Ablöseschicht versehen ist oder wird, welche vor dem Ankleben an das Substrat (10) entfernt wird. Die Wärmeabführeinrichtung (14) kann auf einfache Weise an das Substrat (10) geklebt werden, indem die untere Oberfläche der Keramikplatte (10) in Berührung mit der entblößten Klebschicht (22) gebracht wird, welche beim Gebrauch erhärtet. Zweckmäßig ist die Klebschicht (22) etwa 0,13 mm dick, wodurch Unregelmäßigkeiten nicht genau planarer Oberflächen der Keramikplatte kompensiert werden.

Im Betrieb wird Wärme von den elektronischen Bauelementen (12) durch die durch die Keramikplatte (10), die Klebschicht (22) und die Keramikplatte (20) gebildeten Schichten zu den wärmeleitenden Stiften (24) geleitet, von denen die Wärme an die an ihnen vorbeiströmende Umgebungsluft abgeführt wird. Da die Keramikplatte (20) Wärme gut verteilt, ist der Temperaturunterschied zwischen den verschiedenen Stiften (24) untereinander gering und die Wärmeabgabe an die Luft sehr effizient. Da beide Platten (20) und (10) aus Keramik bestehen, treten zwischen ihnen keine thermischen Spannungen auf. Auch hindern die metallischen Elemente nicht die Platte an einer Dehnung, da sie einen geringen Durchmesser haben, auf der Platte voneinander beabstandet sind und freistehende Enden haben, die an nichts befestigt sind, was eine Bewegung der Elemente bei einer Expandierung der Keramikplatte, auf der sie montiert sind, behindern könnte. Der einzige Zweck dieser metallischen Elemente ist die Wärmeabführung. Sie sind nicht elektrisch mit irgendwelchen Bauelementen verbunden. Sie sind auch nicht mit einzelnen, individuellen Bauelementen ausgerichtet, sondern stattdessen in einer solchen Anordnung auf dem Unterteil der Platte montiert, daß sich aufgrund ihrer Fähigkeit, Grenzschichten aufzubrechen, und der zusätzlichen Oberfläche die wirksamste Wärmeableitung ergibt. Die Stifte (24) aus Kupfer gewährleisten gute Wärmeübertragung an die an ihnen vorbeifließende Luft und geringen Druckabfall in derselben. Das Lötmaterial (32) gewährleistet gute Verbindungsfestigkeit und geringen thermischen Widerstand für die hindurchfließende Wärme. Die zylindrische Form der wärmeleitenden Elemente ist ebenfalls sehr wichtig, weil bei der Benutzung der hier beschriebenen zylindrischen Elemente die Luft in jeder Richtung fließen kann und man die Wärmeabführ einrichtung in eine große Kammer mit vielen anderen Bauelementen anordnen kann, welche dazu neigen würden, die Luft in schwierig vorhersehbarer Weise abzulenken. Es ist nicht notwendig, Luft strömung durch Führungen oder auf andere Weise gerichtet auf die wärmeleitenden Elemente zu lenken oder sie in einer speziellen Orientierung anzuordnen, wie es bei flügelartigen oder sonstigen Kühlrippen der Fall ist. Schließlich ist auch die zylindrische Form sehr günstig für eine wirksame Wärmeableitung, weil sich keine Grenzschichten wie bei flachen Rippen oder Platten bilden.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene und dargestellte spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

1. Anordnung aus einem Keramiksubstrat, das auf seiner einen Oberfläche elektronische Bauelemente trägt, und einer Wärmeabführeinrichtung für die elektronischen Bauelemente, gekennzeichnet durch eine angrenzend an das Keramiksubstrat (10) angeordnete Keramikplatte (20), deren erste Oberfläche in wärmeleitender Weise durch eine Klebeschicht (22) an der zu den Bauelementen entgegengesetzten Oberfläche des Substrates (10) haftet, und mehrere gesonderte, beabstandete, freistehende, metallische zylindrische wärmeleitende Elemente (24), die in einer Reihen- oder sonstigen Anordnung auf einer zweiten Oberfläche der Keramikplatte (20) montiert sind und von dieser wegstehen, und die von den elektronischen Bauelementen (12) elektrisch isoliert sind, wobei die wärmeleitenden Elemente (24) und freiliegende Teile der Keramikplatte (20) eine Gesamtoberflächengröße haben, die größer ist als das 1,5-fache der Oberflächengröße der Keramikplatte (20) allein.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtoberflächengröße größer ist als das 2,4-fache der Oberflächengröße der Keramikplatte (20) allein.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtoberflächengröße zwischen dem 3,5-fachen und dem 4,0-fachen der Oberflächengröße der Keramikplatte (20) allein beträgt.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (24) an metallisierte oder durch Metallisierung erzeugte Unterlage schichten (26) auf der zweiten Oberfläche gelötet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (24) aus Kupfer bestehen.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Unterlageschichten (26) aus einer Palladium/ Silber-Legierung bestehen.

7. Anordnung aus einem Keramiksubstrat, das auf seiner einen Oberfläche elektronische Bauelemente trägt, und einer Wärmeabführeinrichtung für die elektronischen Bauelemente, gekennzeichnet durch eine angrenzend an das Keramiksubstrat (10) angeordnete Keramikplatte (20), deren erste Oberfläche in wärmeleitender Weise durch eine Klebeschicht (22) an der zu den Bauelementen entgegengesetzten Oberfläche des Substrats (10) haftet, und mehrere gesonderte, beabstandete, freistehende, metallische zylindrische wärmeleitende Elemente (24), die in einer Reihen- oder sonstigen Anordnung auf einer zweiten Oberfläche der Keramikplatte (20) montiert sind und von dieser wegstehen, und die von den elektronischen Bauelementen (12) elektrisch isoliert sind; wobei die wärmeleitenden Elemente (24) eine Oberflächengröße haben, die größer ist als die Oberflächengröße der Keramikplatte (20) allein.