FR2745953A1

FR2745953A1 - Electronic Chip Heat Dissipation Method for Car Circuitry

Info

Publication number: FR2745953A1
Application number: FR9602999A
Authority: FR
Inventors: Roel Hellemans
Original assignee: Siemens Automotive SA
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 1997-09-12

Abstract

The electronic chip has a number of upper electronic tracks above an active face (10a). There is an upper thermal layer (18). Plated through holes are formed in the track layer, and the metallic deposition touches the thermal layer. The plated through holes touch either the upper or lower track or the active chip. This allows heat dissipation to the thermal layer.

Description

La présente invention concerne un procédé de dissipation de la chaleur émise par une puce électronique. L'invention vise également une puce électronique correspondante. The present invention relates to a method for dissipating the heat emitted by an electronic chip. The invention also relates to a corresponding electronic chip.

L'électronique embarquée à bord d'un véhicule automobile est soumise à des conditions de températures extrêmes. En outre le fonctionnement des composants génère une quantité de chaleur importante. Pour assurer un bon fonctionnement des composants électroniques contenus dans un boîtier électronique embarqué sur un véhicule, il est donc primordial d'évacuer vers l'extérieur du boîtier la chaleur générée par les composants eux mêmes. The electronics on board a motor vehicle are subjected to extreme temperature conditions. In addition, the operation of the components generates a significant amount of heat. To ensure correct operation of the electronic components contained in an electronic unit on board a vehicle, it is therefore essential to discharge the heat generated by the components themselves to the outside of the unit.

A cet effet il est usuel de munir les composants électroniques de moyens de refroidissement. For this purpose it is usual to provide the electronic components with cooling means.

Cependant une nouvelle technique d'emploi de puces électroniques c'est fait jour, et consiste à placer la face active de la puce directement en contact avec un substrat électronique, qui les alimente en énergie et transmet les signaux émis. Cette nouvelle technique est appelée flip chip ou puce inverse . However, a new technique for using electronic chips is emerging, and consists in placing the active face of the chip directly in contact with an electronic substrate, which supplies them with energy and transmits the signals transmitted. This new technique is called flip chip or reverse chip.

De ce fait les calories générées par ces puces sont transmises de manière préférentielle au substrat avec lequel elles sont en contact. Ainsi même si l'on muni la face inactive de telles puces de moyens de refroidissement les calories s'évacuent préférentiellement par la face active. De ce fait le substrat associé à la puce électronique est soumis à des températures exagérées. As a result, the calories generated by these chips are transmitted preferentially to the substrate with which they are in contact. Thus even if the inactive face is provided with such chips of cooling means, the calories are preferably removed by the active face. As a result, the substrate associated with the electronic chip is subjected to exaggerated temperatures.

Le but de la présente invention est de refroidir correctement une puce connectée selon la méthode dite de puce inverse , sans augmenter l'encombrement des moyens de refroidissement situés sur sa face inactive. The object of the present invention is to correctly cool a connected chip according to the so-called reverse chip method, without increasing the size of the cooling means located on its inactive face.

A cet effet la présente invention concerne un procédé de dissipation de la chaleur émise par une puce électronique, une face active de la dite puce étant solidaire d'une première face d'un substrat présentant une pluralité de premières pistes électriques, le dit substrat étant traversé par une pluralité de trous métallisés reliant la pluralité de première pistes à au moins une pluralité de seconde pistes électriques réalisées sur sa deuxième face, la deuxième face du dit substrat étant recouverte par une couche protectrice en matériau électriquement isolant, le procédé selon l'invention étant caractérisé en ce qu'il consiste à:
- réaliser dans le substrat une pluralité de perçages traversant au
moins la couche protectrice, certains de ces perçages se prolongeant
jusqu'à la face active de la puce et formant des puits thermiques,
d'autres perçages se prolongeant au moins, jusqu'à la
première ou la seconde pluralité de pistes,
- déposer un métal conducteur dans chacun des perçages, de telle
sorte que ce métal affleure à la seconde face du substrat et,
- solidariser la seconde face du substrat à une semelle thermique, en
matériau thermoconducteur, la dite semelle étant recouverte, au moins
sur sa surface en contact avec la seconde face du substrat, d'un
matériau électriquement isolant, de telle sorte que les calories émises
par la puce électronique lors de son fonctionnement soient dissipées
par la semelle thermique, via les puits thermiques.To this end, the present invention relates to a method for dissipating the heat emitted by an electronic chip, an active face of said chip being integral with a first face of a substrate having a plurality of first electrical tracks, said substrate being crossed by a plurality of metallized holes connecting the plurality of first tracks to at least a plurality of second electrical tracks formed on its second face, the second face of said substrate being covered by a protective layer of electrically insulating material, the method according to invention being characterized in that it consists in:
- make a plurality of holes through the substrate at
minus the protective layer, some of these holes extending
up to the active face of the chip and forming heat sinks,
other holes extending at least until the
first or second plurality of tracks,
- deposit a conductive metal in each of the holes, such
so that this metal is flush with the second face of the substrate and,
- securing the second face of the substrate to a thermal sole,
thermally conductive material, said sole being covered, at least
on its surface in contact with the second face of the substrate, of a
electrically insulating material, so that the calories emitted
by the electronic chip during its operation are dissipated
by the thermal sole, via the thermal wells.

En réalisant ainsi des liens thermiques directs entre la face active de la puce et la semelle thermique, les calories générées par la puce sont évacuées préférentiellement et rapidement vers le milieu externe. Ces liens thermiques sont réalisés sous la forme de puits thermique, constitués par de simples perçages dans lesquels un métal a été déposé. By thus producing direct thermal links between the active face of the chip and the thermal sole, the calories generated by the chip are preferably and quickly evacuated towards the external medium. These thermal links are produced in the form of thermal wells, constituted by simple holes in which a metal has been deposited.

Avantageusement des perçages métallisés relient également la première pluralité de pistes électriques et la semelle thermique, ainsi que la seconde pluralité de pistes et la semelle. En conséquence les calories présentent au niveau respectivement de la première, et de la seconde pluralité de pistes sont drainées vers la semelle thermique. II en résulte un meilleur refroidissement de la puce et du substrat qui lui est associé. Advantageously, metallized holes also connect the first plurality of electrical tracks and the thermal sole, as well as the second plurality of tracks and the sole. Consequently, the calories present at the level of the first, and of the second plurality of tracks respectively are drained towards the thermal sole. This results in better cooling of the chip and of the substrate associated with it.

Avantageusement la semelle thermique peut être prolongée en dehors du boîtier électronique renfermant les composants électroniques et leur substrat d'interconnexion. De ce fait la semelle peut être refroidie directement par l'air ambiant, ce qui améliore encore le refroidissement des composants électroniques. Advantageously, the thermal sole can be extended outside of the electronic box containing the electronic components and their interconnection substrate. As a result, the soleplate can be cooled directly by ambient air, which further improves the cooling of the electronic components.

La présente invention permet donc d'utiliser la technique dite de puce inverse pour des puces de faible et de forte puissance, alors qu'auparavant les puces de forte puissance n'étaient pas suffisamment refroidies et ne pouvaient pas être utilisées selon cette technique. The present invention therefore makes it possible to use the so-called reverse chip technique for low and high power chips, whereas previously the high power chips were not sufficiently cooled and could not be used according to this technique.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit, à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une vue schématique montrant une puce associée à un substrat de type connu,
- la figure 2 est une vue schématique semblable à la figure 1, montrant une puce associée à un substrat et à une semelle thermique selon l'invention, et
- la figure 3 est une vue schématique montrant un boîtier électronique comportant des puces électroniques refroidies par le procédé selon l'invention. Other objects, characteristics and advantages of the present invention will be better understood on reading the description which follows, by way of nonlimiting example and with reference to the appended drawings in which:
FIG. 1 is a schematic view showing a chip associated with a known type of substrate,
FIG. 2 is a schematic view similar to FIG. 1, showing a chip associated with a substrate and with a thermal sole according to the invention, and
- Figure 3 is a schematic view showing an electronic unit comprising electronic chips cooled by the method according to the invention.

Selon la forme de réalisation représentée aux figures 1 à 3 une puce électronique 10 est associée à un substrat 11 de type connu. La fonction de ce substrat dit d'interconnexion est d'alimenter en énergie la puce et de transmettre les signaux émis par la puce, vers d'autres composants électroniques, pour traitement. Dans l'exemple représenté à la figure 1, le substrat utilisé est un circuit double face à trous métallisés. Ce substrat pourrait, cependant, présenter plus de deux couches sans que cela ne sorte du domaine de l'invention. According to the embodiment shown in Figures 1 to 3 an electronic chip 10 is associated with a substrate 11 of known type. The function of this so-called interconnection substrate is to supply energy to the chip and to transmit the signals emitted by the chip, to other electronic components, for processing. In the example shown in Figure 1, the substrate used is a double-sided circuit with metallized holes. This substrate could, however, have more than two layers without departing from the scope of the invention.

Selon la technique dite de flip chip c'est directement la face active 10a de la puce qui est en contact avec une première face Il a du substrat. Plus exactement, comme le montre la figure 1, une colle conductrice 12 de type connu, solidarise la couche protectrice 16 recouvrant la face active 1 0a de la puce et la première face Il a du substrat. Ce substrat présente, une première pluralité de pistes 13 et une seconde pluralité de pistes 14, reliées entre elles par des trous métallisés 15. La première pluralité de pistes est réalisée sur la première face 11a du substrat et la seconde pluralité de pistes est réalisée sur la seconde face îîb du substrat. La seconde face du substrat 11 b est recouverte, tout comme la face active 10a de la puce, par une couche protectrice 16. According to the so-called flip chip technique, it is directly the active face 10a of the chip which is in contact with a first face 11a of the substrate. More exactly, as shown in Figure 1, a conductive adhesive 12 of known type, secures the protective layer 16 covering the active face 10a of the chip and the first face 11a of the substrate. This substrate has, a first plurality of tracks 13 and a second plurality of tracks 14, interconnected by metallized holes 15. The first plurality of tracks is formed on the first face 11a of the substrate and the second plurality of tracks is formed on the second side îîb of the substrate. The second face of the substrate 11b is covered, like the active face 10a of the chip, by a protective layer 16.

La seconde face Il b du substrat est rendue solidaire, par exemple par collage, avec une semelle thermique 17 réalisée en un matériau thermoconducteur. Au moins la partie de cette semelle, en contact avec la seconde face 11b du substrat est protégée par une couche 18 de matériau électriquement isolant. Dans l'exemple représenté c'est la totalité de la périphérie de la semelle qui est ainsi recouverte par un matériau 18 électriquement isolant. The second face II b of the substrate is made integral, for example by bonding, with a thermal sole 17 made of a thermally conductive material. At least the part of this sole, in contact with the second face 11b of the substrate is protected by a layer 18 of electrically insulating material. In the example shown, it is the entire periphery of the sole which is thus covered by an electrically insulating material 18.

Comme le montre la figure 2, le procédé selon l'invention consiste dans sa première étape et avant solidarisation de la semelle thermique à la seconde face du substrat, à:
- percer la couche protectrice 16 recouvrant la seconde face Il b du substrat et le substrat 11 lui même, jusqu'à atteindre soit la face active 10a de la puce, la première pluralité de pistes 13, ou la seconde pluralité de pistes 14. De tels perçages sont faciles à réaliser, par exemple à l'aide d'un outil laser. En effet dés que cet outil de perçage rencontre une surface métallique, il arrête de percer.As shown in FIG. 2, the method according to the invention consists in its first step and before the thermal sole is joined to the second face of the substrate, at:
- pierce the protective layer 16 covering the second face Il b of the substrate and the substrate 11 itself, until reaching either the active face 10a of the chip, the first plurality of tracks 13, or the second plurality of tracks 14. From such drilling is easy to perform, for example using a laser tool. As soon as this drilling tool meets a metal surface, it stops drilling.

Ainsi de manière complètement automatique et en fonction de l'endroit où l'outil effectue son perçage, il atteint soit la face active 10a de la puce, soit la première pluralité de pistes 13 soit la seconde pluralité de pistes 14. Lorsque ces perçages sont réalisés la seconde étape du procédé selon l'invention consiste à:
- déposer un métal conducteur électrique et thermique dans les perçages réalisés. On réalise ainsi des perçages métallisés 20, 21 et 22 entre la seconde face Il b du substrat et, respectivement la seconde pluralité de pistes 14, la première pluralité de pistes 13 et la face active 10a de la puce. Les perçages métallisés réalisés entre la face active 1 0a de la puce et la seconde face du substrat sont appelés puits thermiques 22. Ces puits thermiques permettent d'évacuer directement et rapidement les calories générées par la puce 10, vers l'extérieur du substrat 11. On réduit ainsi la température au voisinage immédiat de la puce électronique. La troisième étape du procédé selon l'invention consiste à:
- solidariser la semelle thermique 17 avec la seconde face Ilb du substrat de telle sorte que le métal déposé dans les perçages 20, 21, 22 affleure la seconde surface du substrat et contacte la couche isolante 18 de la semelle 17.Thus, completely automatically and depending on where the tool pierces, it reaches either the active face 10a of the chip, or the first plurality of tracks 13 or the second plurality of tracks 14. When these holes are carried out the second step of the process according to the invention consists in:
- deposit an electrically and thermally conductive metal in the holes made. Metallized holes 20, 21 and 22 are thus produced between the second face II b of the substrate and, respectively, the second plurality of tracks 14, the first plurality of tracks 13 and the active face 10a of the chip. The metallized holes made between the active face 10a of the chip and the second face of the substrate are called heat sinks 22. These heat sinks allow the calories generated by the chip 10 to be removed directly and quickly, towards the outside of the substrate 11 The temperature is thus reduced in the immediate vicinity of the electronic chip. The third step of the process according to the invention consists in:
- securing the thermal sole 17 with the second face Ilb of the substrate so that the metal deposited in the holes 20, 21, 22 is flush with the second surface of the substrate and contacts the insulating layer 18 of the sole 17.

On notera que la face inactive lOb de la puce est également munie de moyens de refroidissement 23. Ces moyens de refroidissement sont, de type connu, et ne seront pas détaillés ici. Note that the inactive side lOb of the chip is also provided with cooling means 23. These cooling means are of known type and will not be detailed here.

Comme le montre la figure 3, des puces électroniques 10 munies d'un substrat d'interconnexion 11 tel que décrit ci dessus, sont associées à une semelle thermique 17. Un boîtier électronique 25 réalisé par exemple en aluminium est adapté pour loger dans des évidements 26 ces puces 10. Le boîtier comporte en outre une partie 27 se refermant autour de la semelle thermique. La semelle thermique est, ainsi, pincée entre deux parties (25, 27) du boîtier et se prolonge à l'extérieur de ce boîtier. La partie de la semelle se prolongeant à l'extérieur du boîtier peut éventuellement être munie de moyens de refroidissement 24. As shown in FIG. 3, electronic chips 10 provided with an interconnection substrate 11 as described above, are associated with a thermal sole 17. An electronic box 25 made for example of aluminum is suitable for accommodating in recesses 26 these chips 10. The housing further comprises a part 27 which closes around the thermal sole. The thermal sole is thus pinched between two parts (25, 27) of the housing and extends outside of this housing. The part of the sole extending outside the housing may possibly be provided with cooling means 24.

On notera que l'électronique ainsi contenue dans le boîtier électronique est facilement refroidie grâce au prolongement de la semelle à l'extérieur du boîtier. It will be noted that the electronics thus contained in the electronic unit is easily cooled by virtue of the extension of the sole outside the unit.

Le boîtier électronique 25 représenté à la figure 3, n'est qu'un simple exemple de réalisation et un grand nombre de variantes de formes et de matériaux peuvent être envisagés sans sortir du domaine de l'invention. The electronic unit 25 shown in FIG. 3 is only a simple embodiment and a large number of variants of shapes and materials can be envisaged without departing from the scope of the invention.

L'important ici est que la semelle 17 puisse se prolonger à l'extérieur du boîtier de manière à être en contact avec l'air ambiant.The important thing here is that the sole 17 can extend outside the housing so as to be in contact with the ambient air.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation représenté, mais englobe toute variante à la portée de l'homme de l'art. Ainsi, le circuit d'interconnexion 11 utilisé peut comporter plus ou moins de deux pluralité de pistes conductrices. De même, la forme de la semelle thermique peut être adaptée à celle du boîtier dans lequel elle est mise en place et ne pas être d'épaisseur constante, comme cela a été représenté sur les dessins, dans un souci de simplification. Of course the present invention is not limited to the embodiment shown, but encompasses any variant within the reach of ordinary skill in the art. Thus, the interconnection circuit 11 used can include more or less than two plurality of conductive tracks. Similarly, the shape of the thermal sole can be adapted to that of the case in which it is placed and not be of constant thickness, as has been shown in the drawings, for the sake of simplification.

Claims

CLAIMS thermal wells (22). functioning are dissipated by the thermal sole (17), via the calories emitted by the electronic chip (10) during the sound of an electrically insulating material (18), so that the at least on its surface in contact with the second face of the substrate (17), made of thermally conductive material, the said sole being covered, - securing the second face (11 b) of the substrate to a thermal sole and, so that this metal is flush with the second face (1 lob) substrate - deposit a conductive metal in each of the holes (20, 21, 22), plurality of tracks, extending at least, until the first (13) or the second (14) forming heat sinks (22), d '' other holes (20,21) are holes extending to the active face (10a) of the chip and crossing at least the protective layer (16), some of these - make in the substrate (11) a plurality of holes (20, 21, 22)

1] Method for dissipating the heat emitted by an electronic chip (10), an active face (10a) of said chip being integral with a first face (11a) of a substrate (11) having a plurality of first tracks electrical (13), said substrate (11) being traversed by a plurality of metallized holes (15) connecting the plurality of first tracks (13) to at least a plurality of second electrical tracks (14) formed on its second face (11 b), the second face of said substrate being covered by a protective layer (16) of electrically insulating material, the method according to the invention being characterized in that it consists in:

2] A method according to claim 1, characterized in that the heat present on the first (13) and second (14) pluralities of thermal tracks is removed by the thermal sole (17) via the metallized holes (20, 21) in contact respectively with the first and second plurality of thermal tracks.

3] Method according to claim 1 or 2, characterized in that the metallization of the metallized holes (15), the bores (20, 21) and the heat sinks (22) is carried out using the same electrically conductive material and thermal.

4] Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the substrate (11) comprises more than two pluralities of tracks connected together by metallized holes.

5] A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the inactive face (10b) of the chip is also provided with heat dissipation means (23).

6] Electronic chip provided with a heat dissipation substrate produced according to any one of claims 1 to 5, said chip (10) being characterized in that its active face (10a) is secured to a first face ( lita) of a substrate and in that the second face (1 lb) of the substrate is integral with a thermal sole (17) adapted to dissipate the heat generated by the chip during its operation, by means of heat sinks (22) metallized connecting the active face (10a) of the chip and the thermal sole (17).

7] Electronic chip according to claim 6, characterized in that the substrate is a double-sided electrical circuit with metallized holes.

8] Electronic chip according to claim 6, characterized in that the substrate comprises more than two pluralities of electrical tracks connected together by metallized holes.