DE102005002812B4 - Kühlkörper für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile und Montageverfahren - Google Patents

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Abstract

Halbleitermodul aufweisend einen Kühlkörper zur Kühlung eines einzelnen, oberflächenmontierten Halbleiterbauteiles (2) auf einer übergeordneten Schaltungsplatine (3) des Halbleitermoduls, wobei das Halbleiterbauteil (2) einen Halbleiterchip (16) mit einer Rückseite (7) aufweist und der Kühlkörper (1) eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte (4) mit einem Andruckbereich (5) und mit Schnapphaken (6) aufweist, wobei die Schnapphaken (6) annähernd rechtwinklig zu dem Andruckbereich (5) angeordnet sind und mit dem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers (1) federelastisch verbunden sind und unter Druckerzeugung des Andruckbereichs (5) auf die Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) in entsprechende Durchgangsöffnungen (8) der Schaltungsplatine (3) eingerastet sind, wobei eine plastisch verformbare thermisch leitende Masse (9) zwischen der Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) und dem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers (1) als thermisch leitende Zwischenschicht (10) angeordnet ist, und wobei die Zwischenschicht (10) die Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) vollständig bedeckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile auf einer übergeordneten Schaltungsplatine eines elektronischen Module und ein Montageverfahren desselben.
  • Aus der Druckschrift US 6 233 150 B1 ist ein Speichermodul bekannt, das eine Speicherkarte aufweist, die eine Schaltungsplatine und eine Anzahl elektronischer Komponenten, die auf der Schaltungsplatine montiert sind, beinhaltet. Als Kühlkörper weist das Speichermodul ein Paar Abdeckungen auf, die auf einander gegenüber liegenden Oberflächen der Schaltungsplatine angeordnet sind und ein Paar Klemmen, welche die beiden Abdeckungen auf die Schaltungsplatine pressen. Dabei ist jede der Abdeckungen thermisch und elektrisch leitend und schützt vor elektromagnetischen Strahlen.
  • Ein derartiger kompletter Kühlkörper erstreckt sich über alle Halbleiterbauteile eines Speichermoduls und koppelt somit thermisch sämtliche Halbleiterbauteile unabhängig von ihren unterschiedlichen Verlustleistungen in einem gemeinsamen Gehäuse. Ein Nachteil ist eine unzulässige Erwärmung benachbarter Halbleiterbauteile. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Materialaufwand, der damit die Kosten steigert, und schließlich ergibt sich der Nachteil, dass zusätzlich zu der Herstellung der Abdeckungen noch Klemmelemente in Form von Klammern zu produzieren sind, was die Fertigungskosten erhöht.
  • Aus der Druckschrift US 6 188 576 B1 ist ein Speichermodul bekannt, das eine Gehäuseabdeckung aufweist, um eine Schaltungsplatine einzuschließen, welche eine Mehrzahl von einzelnen Halbleiterbauteilen aufweist, die dynamisch eine unterschiedliche Wärmemenge erzeugen. Die Gehäuseabdeckung liefert eine Wärmeableitung der Mehrzahl der unterschiedlichen Speicherchips. Die unterschiedlichen Speicherchips sind somit untereinander über die Schaltungsplatine und über dementsprechende Lotbälle untereinander thermisch verbunden. Neben der Wärmeableitung schützt das starre Gehäuse sowohl die Schaltungsplatine als auch die Chips.
  • In einer aus der US 6 188 576 B1 bekannten Ausführungsform beinhaltet das Speichermodul eine thermisch leitende Substanz, die innerhalb der Gehäuseabdeckung angeordnet ist, um Warme von den einzelnen Chips zu der Gehäuseabdeckung zu leiten. Dabei weisen die Abdeckungen Schnapphaken auf, die über die Ränder der Schaltungsplatine greifen und die Abdeckungen von beiden Seiten auf die Schaltungsplatine klemmen. Auch bei dieser Lösung besteht die Gefahr einer unzulässigen Erwärmung benachbarter Halbleiterbauteile, die eine verminderte Verlustleistung von sich aus erzeugen und nun durch die Wärmeverteilung der thermisch leitenden Substanz und der thermisch leitenden Abdeckungen unzulässig zusätzlich erwärmt werden. Darüber hinaus besteht auch hier der Nachteil eines erhöhten Materialaufwandes, was die Kosten in die Höhe treibt.
  • Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, einzelne Halbleiterbauteile direkt mit einem Kühlkörper zu versehen, wobei der Kühlkörper durch einen thermisch leitenden Klebstoff auf die Gehäuserückseite aufgeklebt wird. Derartige Lösungen haben den Nachteil, dass bei mechanischen Schocktests und bei Vibrationstests sowie bei anderen manuellen Einwirkungen ein unzulässig hoher mechanischer Stress auf die zu kühlenden Bauteile durch den aufgeklebten Kühlkörper ausgeübt werden kann, was eine Beschädigung des Halbleiterbauteils zur Folge haben kann.
  • Aus der US 2004/0264135 A1 und der US 2003/0128521 A1 sind solche Kühlkörper zur direkten Anbringung am Halbleiterbauteil bekannt, deren Abmessungen zur Bereitstellung einer möglichst großen Oberfläche wesentlich größer sind, als das zu kühlende Halbleiterbauteil.
  • Aus der DE 100 26 348 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der ein Kühlkörper statt mit Schrauben oder Federn mit Schnapphaken an das das Halbleiterbauteil tragende Substrat angedrückt und an diesem befestigt werden kann.
  • Die US 6 208 517 B1 offenbart einen Kühlkörper mit Montagefüßen, einer Vielzahl von Falten und einem Bügel. Jede Falte hat einen Bodenbereich und der Bügel verbindet zumindest zwei Falten miteinander, um ein fächerförmiges Ausbreiten der Falten in einem Kontaktbereich zu verhindern, der von benachbarten Bodenbereichen gebildet wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkörper anzugeben, der eine Kühlung eines Produktes mit Flipchip-Halbleitergehäuse gemäß einem BGA-Typus (ball grid array) mit offener Chiprückseite ermöglicht, wobei der Halbleiterchip auf dem Substrat eines Speichermoduls mit seinen Flipchip-Kontakten montiert ist, und wobei das Speichermodul beispielsweise ein DIMM-Halbleiterbauteil (dual inline memory module) ist. Dabei soll es möglich sein, dass das Flipchip-Gehäuse im Betriebszustand heißer ist als die umgebenden Bauelemente. Durch den Kühlkörper sollen lediglich einzelne Halbleiterbauteile in Form von Flipchip-Gehäusen gekühlt werden, ohne dass weitere Bauelemente, wie beispielsweise DRAMs durch die von den Flipchip-Gehäusen erzeugte Wärme nicht oder nur vermindert zusätzlich erwärmt werden sollen.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Halbleitermodul, aufweisend einen Kühlkörper zur Kühlung eines einzelnen, oberflächenmontierten Halbleiterbauteiles auf einer übergeordneten Schaltungsplatine des Halbleitermoduls angegeben. Das Halbleiterbauteil weist einen Halbleiterchip mit einer Rückseite auf und der Kühlkörper weist eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte mit einem Andruckbereich und mit Schnapphaken auf. Die Schnapphaken sind annähernd rechtwinklig zu dem Andruckbereich angeordnet und mit dem Andruckbereich des Kühlkörpers federelastisch verbunden und sind unter Druckerzeugung des Andruckbereichs auf die Rückseite des Halbleiterchips in entsprechende Durchgangsöffnungen der Schaltungsplatine eingerastet. Eine plastisch verformbare thermisch leitende Masse ist zwischen der Rückseite des Halbleiterchips und dem Andruckbereich des Kühlkörpers als thermisch leitende Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht bedeckt die Rückseite des Halbleiterchips vollständig.
  • Durch das sowohl thermisch wie auch mechanisch berechnete und simulierte Design des Kühlkörpers und durch das Design der plastisch verformbaren und thermisch leitenden Masse werden folgende Vorteile erreicht:
    • 1. Die Toleranzen des Halbleiterbauteils und die Toleranzen der Schaltungsplatine werden durch die Ausführungsform der federelastischen Verbindungen des Kühlkörpers und durch das Design und die Eigenschaften der plastisch verformbaren und thermisch leitenden Masse weitgehend kompensiert. Das bedeutet, dass bei maximalen Abmessungen in Bezug auf die Dicke des zu kühlenden Halbleiterbauteils und den Abmessungen der Schaltungsplatine durch die dann vergrößerte Federkraft der elastischen Verbindungen des Kühlkörpers die plastisch verformbare und thermisch leitende Masse zwischen Andruckbereich und Schnapphaken eine dünnere Zwischenschicht ausbildet. Bei minimalen Abmessungen verhält sich die plastisch verformbare thermisch leitende Masse dann gegenläufig. Das bedeutet, dass die plastisch verformbare und thermisch leitende Masse eine den Toleranzen entsprechende dickere Zwischenschicht ausbildet.
    • 2. Im montierten Zustand erlaubt der Kühlkörper, dass fordierte Kühlluft auf der gesamten Oberfläche des Kühlkörpers und insbesondere auch in Bereichen der Unterseite des Kühlkörpers zur Kühlung beiträgt. Für die Unterseitenkühlung sind die federelastischen Verbindungen zu den Schnapphaken entsprechend flächig ausgebildet.
    • 3. Der Kühlkörper wird bei der Montage definiert gepresst und verformt, um die Schnapphaken in die Schaltungsplatine bzw. in die Durchgangsöffnungen in der Schaltungsplatine einzuführen. Nach der Montage und der dann frei werdenden Federkraft der elastischen Verbindung zwischen Andruckbereich und Schnapphaken hält dieser Andruckbereich sicher auf dem Halbleiterbauteilgehäuse und auf der Schaltungsplatine. Dabei ist die plastisch verformbare und thermisch leitende Masse auf eine die Toleranzen ausgleichende Dicke der Zwischenschicht zusammengepresst.
    • 4. Die Schnapphaken, die durch die Befestigungsöffnungen bzw. Durchgangsöffnungen der Schaltungsplatine hindurchgreifen, verankern den Kühlkörper zuverlässig und sicher. Dabei hat es sich gezeigt, dass bei Schocktests bis zu 1500 g und Vibrationstests sich ein fester Halt und keine Deformation des Kühlkörpers ergibt.
    • 5. Durch sog. Supportteile wie Anschlagwinkel am Kühlkörper kann dieser nur in einem bestimmten zulässigen Bereich federelastisch vorgespannt werden, so dass das Halbleiterbauteil und der zugehörige Halbleiterchip nicht beschädigt werden.
    • 6. Durch ein optimiertes Design der Schnapphaken wird lediglich eine minimale Befestigungsfläche in der Schaltungsplatine benötigt, so dass die Fläche für die Verdrahtung auf der Schaltungsplatine nur minimal reduziert wird.
    • 7. Da der Kühlkörper eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte darstellt, ist er für die Massenproduktion geeignet und maschinenbestückbar ausgeführt.
    • 8. Der Kühlkörper ist aufgrund der Schnapphaken leicht entfernbar und erlaubt die Reparatur der darunter liegenden Halbleiterbauteile.
    • 9. Der Kühlkörper ermöglicht die Reparatur benachbarter Halbleiterbauteile, wie DRAMs, ohne Entfernung des Kühlkörpers selbst.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Plastizität der plastisch verformbaren Masse an den Druck im Andruckbereich für Elastizität einer federelastischen Verbindung zwischen Andruckbereich und Schnapphaken angepasst. Durch diese mechanisch berechnete und simulierte Konstruktion ist es möglich, dass, wie oben erwähnt, minimale Toleranzen der Halbleiterbauteile in ihrer Dicke durch die Zwischenschicht und damit durch die plastisch verformbare Masse ausgeglichen werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Durchgangsöffnungen durch die Schaltungsplatine metallbeschichtet. Das hat den Vorteil, dass über die Metallbeschichtung der Durchgangsöffnungen der Kühlkörper elektrisch auf ein Massepotential gelegt werden kann und somit zusätzlich eine Abschirmwirkung gegenüber elektromagnetischen Störstrahlungen aufweist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkörper mindestens zwei Schnapphaken auf, die gegenüber liegend zu dem Andruckbereich angeordnet sind. Der flächige Ausgleich durch die zwei Schnapphaken kann und wird durch die flächige Erstreckung der räumlich strukturierten wärmeleitenden Platte, aus der der Kühlkörper gebildet ist, erreicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Andruckbereich viereckig und an die Form der Rückseite eines oberflächenmontierten Halbleiterbauteils angepasst, so dass er vorzugsweise vier Schnapphaken, d. h. jeweils einen an jeder Ecke, aufweist. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Andruckwirkung der Schnapphaken egalisiert, und hilft, Toleranzen in der Bauteildicke auszugleichen. Um einen formstabilen und starren Andruckbereich zu erreichen, weist die räumlich strukturierte Platte eine Kröpfung zwischen dem federelastischen Bereich des Kühlkörpers und dem Andruckbereich auf. Die Kröpfung bildet dabei die Ränder des Andruckbereiches und sorgt damit für die formstabile Kontur des Andruckbereiches gegenüber der federelastischen Struktur des plattenförmigen Kühlkörpers, die sich vom Andruckbereich bis zu den rechtwinklig vom Andruckbereich abgewinkelten Schnapphaken erstreckt.
  • Die plastisch verformbare thermisch gut leitende Masse weist vorzugsweise ein Silikonelastomer auf, das mit Aluminiumoxid oder Bornitrid gefüllt ist. Dabei übernimmt das Silikonelastomer die plastisch verformbare Funktion, während die Wärmeleitung über das Aluminiumoxid und Bornitrid erfolgt bzw. verbessert wird. Der Kühlkörper selbst kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus thermisch gut leitendem Metall, wie beispielsweise einer Kupferlegierung in Form von CuCrSiTi (Cr 0,3 Gew.-%, Ti 0,1 Gew.-%, Si 0,02 Gew.-%, Rest Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 310 W/mK) bestehen.
  • Das verwendete Metall für die als Kühlkörper eingesetzte räumlich strukturierte wärmeleitende Platte hat entsprechende mechanische Eigenschaften, um einerseits im federelastischen Bereich die Federeigenschaften zu gewährleisten und andererseits im Anpressbereich eine entsprechende Formstabilität aufzuweisen. Die mechanischen Eigenschaften weisen vorzugsweise eine Zugfestigkeit > 530 MPa und eine 0,2%-Dehngrenze > 460 MPa auf. Die thermische Kontaktfläche des Kühlkörpers bildet der oben erwähnte Andruckbereich, der nach der Montage des Kühlkörpers, auf der Rückseite des Halbleiterbauteils unter Verankern der Schnapphaken fest auf dem Halbleiterbauteil bzw. auf der Zwischenschicht aus plastisch verformbarem thermisch leitendem Material aufliegt.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die plastisch verformbare Masse eine Metalllegierung aus niedrig schmelzenden Metallen, vorzugsweise Indium, Zinn und/oder Blei. Diese metallische Masse hat den Vorteil, dass sie nicht nur thermisch gut leitend ist, sondern auch elektrisch eine gute Verbindung darstellt, falls die Rückseite des Halbleiterbauteils auf Masse gelegt werden soll.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die plastisch verformbare Masse eine Kunststoffmischung mit Weichmacherzusätzen und thermisch leitenden Metallpartikeln auf. Dabei sorgen die Weichmacherzusätze dafür, dass der Kunststoff plastisch verformbar und somit duktil wird und die leitenden Metallpartikel sorgen in vorteilhafter Weise für die guten thermischen Eigenschaften. Schließlich ist es auch möglich, als plastisch verformbare Masse eine zähviskose Metallpaste, vorzugsweise eine Aluminiumpaste, einzusetzen, die sich einerseits den Toleranzen der Halbleiterbauteile bereits unter geringem Druck anpasst und andererseits eine ideale Zwischenschicht mit thermisch leitenden Eigenschaften bildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkörper mit Andruckbereich und Schnapphaken einstückig aufgebaut. Dieses hat den Vorteil, dass aus einer entsprechenden Metallplatte mit einem einzigen Stanzprozess der komplette Kühlkörper mit Andruckbereich, federelastischem Verbindungsbereich und Schnapphaken einstückig ausgestanzt werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Schnapphaken Schenkel auf, die durch eine Versteifungssicke verstärkt sind und Anschlagecken aufweisen, die den Eingriffsbereich der Schnapphaken begrenzen. Die Anschlagecken sind ebenfalls annähernd rechtwinklig an den Schenkeln angeordnet und stützen sich auf der Oberseite der Schaltungsplatine beim Einbringen der Schnapphaken in die Öffnung der Schaltungsplatine ab und begrenzen damit die Kraft, welche auf die verformbare thermisch leitende Masse zwischen Kühlkörper und Halbleiterbauteil wirkt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkörper Anschlagwinkel auf. Dieses hat den Vorteil, dass hiermit ein übermäßiges Kippen des Kühlkörpers verhindert wird und das Halbleiterbauteil bzw. der Halbleiterchip durch Schock, Vibration oder falsche Handhabung nicht beschädigt wird.
  • In einer weiteren spezifischen Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauteil ein Schaltungssubstrat mit oberflächenmontierbaren Kontakten auf seiner Unterseite und einem Halbleiterchip mit Flipchip-Kontakten auf seiner Oberseite auf. Dabei stehen die Schnapphaken mit den Öffnungen der Schaltungsplatine in Eingriff. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird über den Andruckbereich des Kühlkörpers und die dazwischen angeordnete plastisch verformbare Masse ein Druck auf die Rückseite des Halbleiterchips ausgeführt und eine regelmäßige Verteilung der thermisch leitenden Masse auf der Rückseite des Halbleiterbauteils erreicht. Die Größe dieses Druckes bzw. der Kraft auf die verformbare Masse hängt von der Federelastizität des Verbindungsbereichs des Kühlkörpers ab und kann so bemessen werden, dass eine optimale thermische Kopplung von Kühlkörper und Halbleiterbauteil unter Berücksichtigung der Toleranzen der beteiligten Komponenten des Halbleiterbauteils und gleichzeitiger Verformung der plastisch verformbaren thermisch leitenden Masse erzielt wird.
  • Während einerseits die Außenkontakte des Halbleiterbauteils auf der übergeordneten Schaltungsplatine durch Lötverbindungen oberflächenmontiert sein können, ist es in einem weiteren Aspekt der Erfindung möglich, die Federkraft des Kühlkörpers und die Verformbarkeit der plastisch verformbaren Masse derart aufeinander abzustimmen, dass die flächenmontierbaren Kontakte auf der Unterseite des Schaltungssubstrats des Halbleiterbauteils einen Druckkontakt oder eine Druckkontaktverbindung zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen der Schaltungsplatine ausbilden. Somit ergibt sich in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dass die oberflächenmontierbaren Kontakte des Schaltungssubstrats mit Kontaktanschlussflächen der übergeordneten Schaltungsplatine Druckkontaktverbindungen aufweisen, wobei der Kontaktdruck durch die Anschlagwinkel und den Andruckbereich auf die oberflächenmontierbaren Kontakte aufgebracht wird.
  • Die Erfindung bezieht sich nicht allein nur auf den Kühlkörper, sondern auch auf Halbleiterbauteile, die mit einem derartigen Kühlkörper versehen sind. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf Halbleitermodule, insbesondere Speichermodule in DIMM-Technik (dual in line memory module-Technik), die einzelne oder auch mehrere derartige Kühlkörper aufweisen können.
  • Ein Montageverfahren zur Anbringung eines Kühlkörpers auf einer Schaltungsplatine mit mindestens einem Halbleiterbauteil weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein oberflächenmontierbares Halbleiterbauteil mit Schaltungssubstrat auf der übergeordneten Schaltungsplatine mit Durchgangsöffnung für Schnapphaken des Kühlkörpers ausgerichtet und positioniert. Vorbereitend wird die plastisch verformbare thermisch leitende Masse auf den Kühlkörper in seinem Andruckbereich aufgebracht. Anschließend wird ein Kühlkörper von einem Kühlkörper-Vorratstablett aufgenommen, wobei der Kühlkörper Schnapphaken rechtwinklig zu dem Andruckbereich aufweist, der seinerseits federelastisch mit den Schnapphaken verbunden ist. Danach werden die Schnapphaken des Kühlkörpers auf die Durchgangsöffnungen der Schaltungsplatine ausgerichtet.
  • Anschließend wird durch Druckaufgabe ein Einrasten der Schnapphaken unter Verformung der plastisch verformbaren thermisch leitenden Masse zu einer Zwischenschicht zwischen dem Kühlkörper und der Rückseite des Halbleiterbauteils erreicht, wobei die Zwischenschicht die Rückseite des Halbleiterchips vollständig bedeckt.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mit wenigen automatischen Handhabungen der Kühlkörper auf entsprechende Positionen in einem Halbleiterspeichermodul angeordnet und verankert sowie gleichzeitig eine intensive thermische Kopplung zwischen Kühlkörper und Halbleiterbauteil über die plastisch verformbare thermisch leitende Masse hergestellt werden kann.
  • Eine Variante des Verfahrens hat den Vorteil, dass auf ein Anlöten der Oberflächenkontakte des Halbleiterbauteils bzw. des Schaltungssubstrats auf die Schaltungsplatine eventuell verzichtet werden kann, wenn der Andruck ausreicht, der auf den Andruckbereich des Kühlkörpers ausgeübt wird, um über die Kräfte der verankerten Schnapphaken und dem Verbindungsbereich zwischen Schnapphaken und Andruckbereich die oberflächenmontierbaren Kontakte in ihrer Position auf den Kontaktanschlussflächen der Schaltungsplatine zu fixieren. Jedoch ist primär vorgesehen, die oberflächenmontierbaren Kontakte auf den Kontaktanschlussflächen der Schaltungsplatine aufzulöten, sodass extreme Belastungen übertragen werden können. Ferner ist es möglich, ein Aufkleben mit einem Leitkleber der oberflächenmontierbaren Kontakte auf die Kontaktanschlussflächen der Schaltungsplatine durchzuführen.
  • Die oben erwähnte Druckkontaktierung hat gegenüber dem Auflöten oder dem Aufkleben der oberflächenmontierbaren Kontakte den weiteren Vorteil, dass weniger Scherspannungen auf die oberflächenmontierbaren Kontakte bei zyklischer thermischer Belastung einwirken. Damit wird die Zuverlässigkeit der Halbleiterbauteile durch diese Montage auf der Schaltungsplatine erhöht.
  • Mit Hilfe von Simulationsverfahren und Windkanalexperimenten wurde die Wirksamkeit des neuartigen Kühlkörpers für Speichermodule verifiziert. Tabelle 1
    TUmgebung = 55°C VLuft = 1,5 m/s Dicke: 0,3 mm Dicke: 0,5 mm
    λ = 120 W/mK λ = 243 W/mK λ = 310 W/mK λ = 120 W/mK λ = 243 W/mK λ = 310 W/mK
    Fläche des Halbleiterchips: 62,25 mm2 laminar Tmax (AMB) 103 100 99 100 98 97
    Tmax (DRAM) 96 96 96 96 96 96
    turbulent Tmax (AMB) 98 95 94 95 93 92
    Tmax (DRAM) 88 88 88 88 88 88
  • Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse einer thermischen Simulation, bei der ein Kühlkörper mit einer Gesamthöhe von 3,49 mm getestet wurde. Der Test wurde bei einer Umgebungstemperatur TUmgebung = 55°C und bei einer Luftgeschwindigkeit VLuft = 1,5 m/s in einem Windkanal durchgeführt. Die Fläche der Rückseite des Halbleiterchips, auf dem der Kühlkörper mit seinem Anpressbereich über eine Zwischenschicht aus einer plastisch verformbaren und thermisch leitfähigen Masse aufgedrückt wird, beträgt 62,25 mm2. Die Tests wurden mit räumlich strukturierten Platte als Kühlkörper durchgeführt, die eine Dicke von 0,3 mm und dazu im Vergleich eine Dicke von 0,5 mm aufweisen.
  • Die maximalen Temperaturen an denen mit einem Kühlkörper versehenen AMB-Bauteilen und die maximalen Temperaturen an den ohne Kühlflächen ausgestatteten DRAMs wird bei unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten λ der Kühlmaterialien gemessen. Die Wärmeleitfähigkeiten wurden in drei Stufen mit λ = 120 W/mK, 243 W/mK und 310 W/mK variiert. Dabei ist ersichtlich, dass die maximale Temperatur der mit Kühlkörpern versehenen AMB-Bauteile mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit abnimmt, und zwar von 103°C auf 99°C. Bei den Kühlkörpern aus einer Wandstärke von 0,5 mm werden entsprechend niedrigere maximale Temperaturen für die AMB-Bauteile zwischen 100 und 97°C erreicht.
  • Die DRAMs ohne Kühlkörper konnten konstant auf 96°C bei laminarer Luftströmung und konstant auf 88°C bei turbulenter Strömung gehalten werden, obgleich zu den DRAMs benachbart die AMB-Bauteile mit ihrer erhöhten Verlustleistungen auf einer Schaltungsplatine angeordnet sind.
  • Wird die Umgebungstemperatur um wenige Grad erhöht auf 60°C, und gleichzeitig eine Dicke zwischen den beiden Dicken, die in der Tabelle angegeben sind, von 0,4 mm angenommen, so ergibt sich in der Simulation bei einem höchsten Wärmeleitfähigkeitswert von 310 W/mK und turbulenter Strömung eine maximale Temperatur der AMB-Bauteile von 98°C.
  • Damit konnte gezeigt werden, dass eine effektive Kühlung durch die Kühlkörper einzelner Halbleiterbauteile möglich ist, ohne dass die Temperatur der benachbarten DRAM-Bauteile davon negativ beeinflusst wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper;
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Kühlkörper gemäß 1;
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt auf ein Halbleiterbauteil mit einem Kühlkörper der 1, wobei der Kühlkörper ein plastisch verformbares thermisch leitendes Material beim Aufsetzen auf eine Schaltungsplatine verformt;
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kühlkörpers unter federelastischer Verformung beim Einführen der Schnapphaken in Durchgangsöffnungen der Schaltungsplatine;
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kühlkörpers nach einem Verankern der Schnapphaken;
  • 6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers mit zwei Schnapphaken, wobei einer der Schnapphaken vor dem Einführen in eine Durchgangsöffnung gezeigt wird;
  • 7 zeigt eine schematische Untersicht des Kühlkörpers der 1 mit aufgetragener plastisch verformbarer thermisch leitender Masse;
  • 8 zeigt eine schematische perspektivische Untersicht auf die Unterseite der Schaltungsplatine nach Arretieren eines Schnapphakens;
  • 9 zeigt eine schematische Seitenansicht des Kühlkörpers mit arretiertem Schnapphaken und Anschlagwinkel;
  • 10 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf die Rückseite eines Halbleiterchips mit verformter thermisch leitender plastisch verformbarer Masse nach Entfernen des Kühlkörpers.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper 1. Der Kühlkörper 1 ist hier im Profil gezeigt und weist einen Andruckbereich 5 in seinem Zentrum und zwei federelastische Verbindungsbereiche 11 auf jeder Seite des Andruckbereichs 5 auf. Der Andruckbereich 5 weist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Wannenkontur mit einem ebenen Boden 22 und hochgezogenen Rändern 23 und 24 auf. Diese Ränder 23 und 24 gehen in die Verbindungsbereiche 11 über, an denen nahezu senkrecht Schnapphaken 6 angeordnet sind. Diese Schnapphaken 6 können in Durchgangsöffnungen einer nicht gezeigten Schaltungsplatine eingreifen und sich an der Schaltungsplatine verankern, so dass der Andruckbereich 5 mit seinem Boden 22 auf die Rückseite eines nicht gezeigten Halbleiterbauteils gepresst und dort fixiert werden kann. Senkrecht abgewinkelt zu den Verbindungsbereichen 11 sind außerdem Anschlagwinkel 12 angeordnet, die ein übermäßiges Kippen des Kühlkörpers verhindern.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Kühlkörper 1 gemäß 1. In dieser Draufsicht ist zu erkennen, dass zwei Schnapphaken 6 relativ zentral auf einander gegenüber liegenden Seiten 25 und 26 des Kühlkörpers 1 angeordnet sind. Die strichpunktierte Linie 27 zeigt die äußere Kontur des Halbleiterbauteils 2, das ein Schaltungssubstrat 13 aufweist, auf dem sich ein Halbleiterchip 16 befindet, dessen Ränder 30 durch eine doppelpunktierte Linie 28 gekennzeichnet sind. Die Umrisse des Halbleiterchips 16 liegen innerhalb des Bodens 22 des Andruckbereichs 5 des Kühlkörpers 1. Der Kühlkörper 1 weist in den federelastischen Verbindungsbereichen 11 vier Anschlagwinkel 12 in den vier Ecken 37, 38, 39 und 40 auf, um ein Rippen des Kühlkörpers zu begrenzen und um Beschädigungen des Halbleiterchips zu vermeiden.
  • Im Zentrum des Kühlkörpers 1 übt der Andruckbereich 5 einen Druck auf die hier nicht sichtbare plastisch verformbare Masse aus, die sich unter Druck ganzflächig auf der Rückseite eines Halbleiterbauteils ausbreitet und einen guten thermischen Übergang von dem Kühlkörper 1 im Andruckbereich 5 zu einem hier nicht gezeigten Halbleiterchip herstellt. Der Kühlkörper 1 weist an den Rändern des Andruckbereichs Schlitze 29 auf, die den Übergang zum federelastischen Verbindungsbereich 11 nachgiebiger machen.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterbauteils 2, das durch den Kühlkörper 1 der 1 auf eine Schaltungsplatine 3 gepresst wird. Das Halbleiterbauteil 3 weist einen BGA-Aufbau auf. Dieser besteht in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einem Schaltungssubstrat 13 einer Verdrahtungsstruktur 41 auf der Oberseite 18 und weist oberflächenmontierbare Kontakte 14 auf der Unterseite 15 auf. Die oberflächenmontierbaren Kontakte 14 auf der Unterseite 15 stehen elektrisch mit der Verdrahtungsstruktur 41 auf der Oberseite 18 des Schaltungssubstrats 13 in Verbindung. Auf der Oberseite 18 des Schaltungssubstrats 13 ist ein Halbleiterchip 16 angeordnet, der über Flipchip-Kontakte 17 mit der Verdrahtungsstruktur 41 auf der Oberseite 18 des Verdrahtungssubstrats 13 elektrisch verbunden ist.
  • Auf die Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 wirkt ein Anpressdruck des Andruckbereichs 5 in Pfeilrichtung A. Zwischen dem Andruckbereich 5 des Kühlkörpers 1 und der Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 ist eine plastisch verformbare thermisch leitende Masse 9 angeordnet, die eine Zwischenschicht 10 bildet und Toleranzen in der Dicke des Halbleiterchips 16 sowie in der Dicke des Schaltungssubstrats 13 sowie in der Höhe der oberflächenmontierbaren Kontakte 14 ausgleicht. Außerdem stellt sie den thermischen Kontakt zwischen der Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 und dem Kühlkörper 1 sicher. Diese plastisch verformbare Masse 9 besteht in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einem Silikonelastomer, das mit Aluminiumoxid und Bornitrid gefüllt ist. Dabei sorgt das Aluminiumoxid und das Bornitrid für eine gute thermische Leitfähigkeit und das Silikonelastomer für die Duktilität dieser Masse der Zwischenschicht 10.
  • Der Kühlkörper 1 ist eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte 4, die neben dem Andruckbereich 5 Verbindungsbereiche 11 zu beiden Seiten des Andruckbereichs 5 aufweist, wobei die Verbindungsbereiche 11 federelastisch sind und in nahezu vertikal zum Verbindungsbereich 11 und zu dem Andruckbereich 5 angeordnete Schnapphaken 6 übergehen. Diese Schnapphaken 6 sind nur auf kurzen Seitenabschnitten des Kühlkörpers 1 angeordnet. Sie erstrecken sich durch Durchgangsöffnungen 8 der Schaltungsplatine 3, auf deren Oberseite 31 das Halbleiterbauteil 2 angeordnet ist und stehen mit der Unterseite 21 der Schaltungsplatine 3 im Eingriff. Die Schaltungsplatine 3 weist eine gedruckte Schaltung für ein Halbleitermodul auf. Die übrigen Bauteile des Halbleitermoduls sind hier nicht gezeigt und können teilweise ebenfalls einen derartigen Kühlkörper aufweisen. Wenn die Verlustleistung der übrigen Bauelemente nicht sehr hoch ist, wie beispielsweise bei sog. DRAMs, wird ein derartiger Kühlkörper 1 weggelassen.
  • Der Querschnitt des montierten Kühlkörpers 1 auf der Schaltungsplatine 3 zeigt, dass bei einem bewegten Kühlmedium, wie Luft, sowohl die Unterseite 32 als auch die Oberseite 33 des Kühlkörpers 1 aktiv von Kühlmedium umspült werden. Das Material des Kühlkörpers 1 besteht in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einer gut leitenden Kupferlegierung CuCrSiTi (auf Cr 0,3 Gew.-%, Ti 0,1 Gew.-%, Si 0,02 Gew.-% und Rest Kupfer). Diese Kupferlegierung verfügt über eine Wärmeleitfähigkeit von 310 W/mK und besitzt eine Zugfestigkeit, die größer als 530 MPa ist. Die 0,2%-Dehngrenze liegt bei über 460 Mpa. Diese mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Zugfestigkeit und die Dehngrenze ermöglichen es, aus einer Blechplatte dieses Metalls auch die Verbindungsbereiche 11 mit ihren federelastischen Eigenschaften zu bilden, wobei eine Plattendicke zwischen 0,3 und 0,5 mm eingesetzt wird. Durch die Zwischenschicht 10 aus einem plastisch verformbaren thermisch leitenden Material 9 kann ein thermischer Übergangswiderstand von ungefähr 10 bis 11 K/W zwischen der Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 und der umgebenden Luft des Kühlkörpers 1 geschaffen werden.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kühlkörpers 1 unter federelastischer Verformung beim Einführen der Schnapphaken 6 in die Durchgangsöffnungen 8 einer Schaltungsplatine 3. Dazu werden die Schenkel 34 und 35 der Schnapphaken 6 in Pfeilrichtung B zusammengepresst, so dass sie durch die Durchgangsöffnungen 8 der Schaltungsplatine 3 geführt werden können. Dazu wird der Kühlkörper 1 in Pfeilrichtung A abgesenkt und gleichzeitig ein Druck auf die Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 ausgeübt und das Halbleiterbauteil 2 mit seinen Kontakten 14 auf die Oberseite 31 der Schaltungsplatine 3 mit ihren Kontaktanschlussflächen 19 gepresst.
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kühlkörpers 1 nach einem Verankern der Schnapphaken 6 auf der Unterseite 21 der Schaltungsplatine 3. Die Durchgangsöffnungen 8 sind in dieser Ausführungsform der Erfindung metallisiert, so dass die Möglichkeit besteht, den Kühlkörper 1 auf ein Massepotential mit Hilfe der Metallschicht 42 der Durchgangsöffnungen 8 zu legen. Die Federkraft der Verbindungsbereiche 11 sorgt für den Andruck in Pfeilrichtung A im Andruckbereich 5 des Kühlkörpers 1 auf das Halbleiterbauteil 2. Durch den Andruck wird die plastisch verformbare Masse 9 ganzflächig auf der Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 ausgebreitet und stellt einen guten thermischen Übergang vom Kühlkörper 1 zum Halbleiterchip 16 her.
  • 6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers 1 mit zwei Schnapphaken 6, wobei hier einer der Schnapphaken 6 vor dem Einführen in eine Durchgangsöffnung 8 gezeigt wird. Ferner ist von dem Halbleiterbauteil 2 das Schaltungssubstrat 13 schematisch zu sehen. Der Schenkel 35 des Schnapphakens 6 weist eine Versteifungssicke 44 auf, die eine Schenkelverbiegung bei Schock- oder Vibrationsbelastungen verhindert. Außerdem sind an dem Schenkel 35 zwei Anschlagecken 45 und 46 vorgesehen, die bei der Montage des Kühlkörpers 1 verhindern, dass dieser zu tief in die Schaltungsplatine 3 eingeführt werden kann und dabei die thermisch leitende plastisch verformbare Masse zu stark verformt. Die endgültige Dicke der plastisch verformbaren Masse wird durch die im Kühlkörper vorhandene Federkraft eingestellt.
  • 7 zeigt eine schematische Untersicht des Kühlkörpers 1 der 1 mit aufgetragener plastisch verformbarer thermisch leitender Masse 9. Diese Masse 9 wird auf die Unterseite 32 im Positionsbereich des Halbleiterchips aufgebracht, bevor der Kühlkörper 1 mit Hilfe der Schnapphaken 6 auf der nicht gezeigten Schaltungsplatine fixiert wird.
  • 8 zeigt eine schematische perspektivische Untersicht auf die Unterseite 21 der Schaltungsplatine 3 nach Arretierung eines Schnapphakens 6. Die Durchgangsöffnung 8 weist eine Metallschicht 42 auf, so dass das Metall des Schnapphakens 6 einen Druckkontakt mit der Metallschicht 42 der Durchgangsöffnung 8 bildet. Ferner ist die Verdrahtungsstruktur 36 auf der Unterseite 21 der Schaltungsplatine 3 sichtbar.
  • 9 zeigt eine schematische Seitenansicht des Kühlkörpers 1 mit arretiertem Schnapphaken 6 in der Schaltungsplatine 3 und Anschlagwinkeln 12. Die Anschlagwinkel 12 verhindern ein Kippen des Kühlkörpers 1 und eine Beschädigung des Halbleiterbauteils.
  • 10 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf die Rückseite 7 eines Halbleiterchips 16 mit aufgebrachter plastisch verformbarer Zwischenschicht 10. Um dieses Bild zu zeigen, wurde der Kühlkörper mit seinem Andruckbereich entfernt. Deutlich ist zu erkennen, dass die plastisch verformbare thermisch leitende Masse 9 durch den vorher ausgeübten Druck des Kühlkörpers die Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 vollständig bedeckt. Toleranzen in der Dickenvariation sowohl des Halbleiterchips 16 als auch des Schaltungssubstrats 13 sowie in der Höhe der Kontakte 14 auf der Unterseite 15 des Schaltungssubstrats 13 werden durch diese plastisch verformbare thermisch leitende Masse 9 ausgeglichen.

Claims (14)

  1. Halbleitermodul aufweisend einen Kühlkörper zur Kühlung eines einzelnen, oberflächenmontierten Halbleiterbauteiles (2) auf einer übergeordneten Schaltungsplatine (3) des Halbleitermoduls, wobei das Halbleiterbauteil (2) einen Halbleiterchip (16) mit einer Rückseite (7) aufweist und der Kühlkörper (1) eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte (4) mit einem Andruckbereich (5) und mit Schnapphaken (6) aufweist, wobei die Schnapphaken (6) annähernd rechtwinklig zu dem Andruckbereich (5) angeordnet sind und mit dem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers (1) federelastisch verbunden sind und unter Druckerzeugung des Andruckbereichs (5) auf die Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) in entsprechende Durchgangsöffnungen (8) der Schaltungsplatine (3) eingerastet sind, wobei eine plastisch verformbare thermisch leitende Masse (9) zwischen der Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) und dem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers (1) als thermisch leitende Zwischenschicht (10) angeordnet ist, und wobei die Zwischenschicht (10) die Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) vollständig bedeckt.
  2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastizität der plastisch verformbaren Masse (9) an den Druck im Andruckbereich (5) über die Elastizität einer federelastischen Verbindung (11) zwischen Andruckbereich (5) und Schnapphaken (6) angepasst ist.
  3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper eine wärmeleitende Kupferlegierung, vorzugsweise CuCrSiTi mit 0,3 Gew.-% Chrom, 0,1 Gew.-% Titan, 0,02 Gew.-% Silizium und Rest Kupfer aufweist.
  4. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mindestens zwei Schnapphaken (6) aufweist, die gegenüber liegend zu dem Andruckbereich (5) angeordnet sind.
  5. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Andruckbereich (5) viereckig an die Form der Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) angepasst ist und vorzugsweise vier Schnapphaken (6) aufweist.
  6. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plastisch verformbare Masse (9) einen mit Aluminiumoxid und Bornitrid gefüllten Silikonelastomer aufweist.
  7. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die plastisch verformbare Masse (9) eine Kunststoffmischung mit Weichmacherzusätzen und thermisch leitenden Metallpartikeln aufweist.
  8. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die plastisch verformbare Masse (9) eine zähviskose Metallpaste, vorzugsweise eine Aluminiumpaste ist.
  9. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mit Andruckbereich (5) und Schnapphaken (6) einstückig ist.
  10. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnapphaken (6) Schenkel (34, 35) mit Anschlagecken aufweisen, wobei die Anschlagecken den Eingriffsbereich der Schnapphaken (6) begrenzen.
  11. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) Anschlagwinkel (12) aufweist.
  12. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom eingerasteten Kühlkörper (1) erzeugte Kraft die Verformung der plastisch verformbaren thermisch leitenden Masse (9) zu einer Zwischenschicht (10) unter Erzielung einer optimalen thermischen Kopplung von Kühlkörper (1) und Halbleiterbauteil (2) bewirkt, wobei die erzeugte Kraft des Kühlkörpers (1) und das Design der Masse (9) unter Berücksichtigung der Toleranzen der beteiligten Komponenten des Halbleiterbauteils (2) derart angepasst sind, dass eine optimale Verformung der thermisch leitenden Masse (9) zu der thermisch leitenden Zwischenschicht (10) vorherrscht.
  13. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (2) ein Schaltungssubstrat (13) mit oberflächenmontierbaren Kontakten (14) auf seiner Unterseite (15) und einen Halbleiterchip (16) mit Flipchip-Kontakten (17) auf seiner Oberseite (18) aufweist, wobei die oberflächenmontierbaren Kontakte (14) des Schaltungssubstrats (13) mit Kontaktanschlussflächen (19) der übergeordneten Schaltungsplatine (3) Lötverbindungen (20) aufweisen.
  14. Montageverfahren zur Anbringung eines Kühlkörpers (1) auf einer Schaltungsplatine (3) mit mindestens einem Halbleiterchip (16): – Positionieren des Halbleiterchips (16) mit Schaltungssubstrat (13) auf der übergeordneten Schaltungsplatine (3) mit Durchgangsöffnungen (8) für Schnapphaken (6) des Kühlkörpers (1); – Aufbringen einer plastisch verformbaren thermisch leitenden Masse (9) auf den Kühlkörper (1) in einem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers (1); – Aufnehmen des Kühlkörpers (1) von einem Kühlkörpervorratstablett, wobei der Kühlkörper (1) die Schnapphaken (6) annähernd rechtwinklig zu dem Andruckbereich (5), der federelastisch mit den Schnapphaken (6) verbunden ist, aufweist; – Ausrichten der Schnapphaken (6) des Kühlkörpers (1) auf die Durchgangsöffnungen (8) der Schaltungsplatine (3); – Einrasten der Schnapphaken (6) unter Verformung der plastisch verformbaren thermisch leitenden Masse (9) zu einer Zwischenschicht (10) zwischen dem Kühlkörper (1) und der Rückseite (7) des Halbleiterchips (16), wobei die Zwischenschicht (10) die Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) vollständig bedeckt.
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