DE102006006538A1 - Kühlkörper für Chip und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Chip und ein Verfahren zu dessen Herstellung, der aus einer Basisplatte (12), einem Chip (13) und einem Gehäuse (15) besteht, wobei das Gehäuse (15) aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, der ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält und eine höhere Kühlwirkung aufweist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann ein CVD-Verfahren, ein PVD-Verfahren, ein Galvanisieren oder dergleichen sein. Der kristalline Kohlenstoff wird auf der Oberfläche des Metalls beschichtet oder das Metall wird mit dem kristallinen Kohlenstoff dotiert.
Leitbezugszeichen:
11 Anschlußstift
12 Basisplatte
121 obere Oberfläche
1211 Randbereich
13 Chip
131 obere Oberfläche
132 untere Oberfläche
14 Wärmekontaktschicht
15 Gehäuse
151 obere Oberfläche
152 untere Oberfläche.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Chip und ein verfahren zu dessen Herstellung, der aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält.
  • Die Abwärme der elektronischen Bauelemente muß abgeführt werden, um eine Beschädigung durch die Abwärme zu vermeiden. Mit der Entwicklung der elektronischen Technologie, werden die elektronischen Bauelemente immer kompakter und leitungsfähiger. Daher muß die Kühlwirkung der Kühlvorrich tung für die elektronischen Bauelemente entsprechend erhöht werden.
  • Als Material des Kühlkörpers wird üblicherweise Kupfer oder Aluminiumlegierung verwendet. FC-PGA (Flip Chip Pin Grid Array) und FC-BGA (Flip Chip Ball Grid Array) gehöhren zur Halbleiterpackungstechnik. Das erstere wird für auswechselbare Bauelemente, wie Zentraleinheit, und das letztere wird für nichtauswechselbare Bauelemente, wie North-Bridge- und South-Bridge-Chip, verwendet. Bei diesen beiden Packungen wird das Substrat freigelegt, damit die Betriebswärme abgeleitet werden kann. Zusätzlich kann einen integrierten Kühlkörper (Integrated Heat Spreader, IHS) verwendet werden, um den Chip zu schützen und die Kühlwirkung zu erhöhen.
  • 1 zeigt das FC-PGA mit einem integrierten Kühlkörper (IHS), das aus einer Vielzahl von Anschlußstiften 11, einer Basisplatte 12, einem Chip 13, einer Wärmekontaktschicht 14 und einem Gehäuse 15 besteht. Die Basisplatte 12 ist eine Schaltungsplatte aus organischem Material, wie gedruckte Schaltungsplatte (PCB), die mit der integrierten Schaltung des Chips 13 verbunden ist. Das Gehäuse 15 liegt auf einem Randbereich 1211 der oberen Oberfläche 121 des substrates 12 auf. Hierbei ist die integriertie Schaltung des Chips auf der unteren Oberfläche 132 vorgesehen, die mit der oberen Oberfläche 121 der Basisplatte 12 elektrisch verbunden ist. Die obere Oberfläche 131 des Chips 13 ist über die wärmekontaktschicht 14 mit der unteren Oberfläche 152 des Gehäuses 15 verbunden. Das Gehäuse 15 ist üblicherweise aus Kupfer oder Aluminiumlegierung hergestellt und dient zum Schützen des Chips und zum Erhöhen der Kühlwirkung.
  • Das Kühlmaterial aus Kupfer oder Alumininumlegierung kann jedoch nicht mehr die Kühlanforderung der elektronischen Bauelemente mit immer höherer Leistung erfüllen.
  • Der Diamant ist durch eine hohe Härte, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine große Brechung und eine Korrosionsbeständigkeit gekennzeichnet und findet somit in der Industrie eine breite Anwendung. Der Wärmeleitungskoeffizent des Diamantes ist das Fünffache des Wärmeleitungskoeffizentes des Kupfers, insbesondere bei höherer Temperatur. Daher kann durch die Kühlwirkung die Echtheit des Diamantes beurteilt werden. Zur Erzeugung einer Diamantschicht aus Gasen von der Kohlenwasserstoffreihe sind mehrere Verfahren bekannt, wie MPCVD (mikrowellenplasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung) und HFCVD (Hot-Filament-CVD). Dadurch kann eine polykristalline Diamantschicht erhalten werden, deren Eigenschaften mit denen des natürlichen einkristallinen Diamantes identisch sind.
    •
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper für Chip und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, der eine höhere Kühlwirkung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Kühlkörper für Chip gelöst, der aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, wobei das Metall Kupfer, Aluminium, Silber oder andere Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient und der kristalline Kohlenstoff Diamant sein kann. Der Kohlenstoff wird auf der Oberfläche des Metalls beschichtet oder das Metall wird mit dem Kohlenstoff dotiert oder deren Kombination. Das wärmeleitende Material kann z.B. durch CVD- Verfahren, PVD-Verfahren, Galvanisieren oder Zusammenschmelzen hergestellt werden.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 eine Schnittdarstellung der herkömmlichen Lösung,
  • 2 eine perspektivische Darstellung des Gehäuses gemäß 1,
  • 3 eine Darstellung des Spritzgießens des Gehäuses der Erfindung,
  • 4 eine perspektivische Darstellung des Chips gemäß 1,
  • 5 eine perspektivische Darstellung der Basisplatte gemäß 1,
  • 6 eine Darstellung des MPCVD-Verfahrens der Erfindung,
  • 7 eine Darstellung des Sputterns der Erfindung.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 2 zeigt das Gehäuse 15 in 1. Wie dargestellt, weist das Gehäuse 15 eine obere Oberfläche 151 und eine untere Oberfläche 152 auf, die durch eine gestrichelte Linie getrennt werden, wobei die untere Oberfläche 152 an vier Seitenflächen 1521, 1522, 1523, 1524 angrenzt, die vertikal zu der unteren Oberfläche 152 verlaufen, wodurch ein Raum 153 gebildet ist, in dem der Chip 13 aufgenommen ist. Die Seitenflächen 1521, 1522, 1523, 1524 grenzen an die Bodenflächen 15211, 15221, 15231, 15241 an, die auf dem Randbe reich 1211 der oberen Oberfläche 121 der Basisplatte 12 aufliegen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Gehäuse 15 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält. Auf der untere Oberfläche 152 des Gehäuses 15 kann die elektrisch isolierende Wärmekontaktschicht 14 aus einem Kühlstoff mit hohem Wärmeleitungskoeffizent, wie Kühlmasse und Kühlkleber, vorgesehen sein.
  • Das Gehäuse 15 wird, wie es in 3 dargestellt ist, durch das Spritzgießen geformt, das einen Formmassebehälter 31, ein Spritzgerät 32 und ein Formwerkzeug 33 verwendet. Die Formmasse wird von dem Spritzgerät 32 in die Formhöhle 34 des Formwerkzeuges 33 gespritzt, die der Form des Gehäuses 15 entspricht. Dadurch wird das Gehäuse 15 geformt, das eine obere Oberfläche 151 und eine untere Oberfläche 152 aufweist, wobei die untere Oberfläche 152 an vier Seitenflächen 1521, 1522, 1523, 1524 angrenzt, die vertikal zu der unteren Oberfläche 152 verlaufen. Die Formmasse kann die Schmelze eines Metalls und eines kristallinen Kohlenstoffs sein. Das Metall kann Kupfer, Aluminium, Silber oder andere Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient sein. Der Schmelzpunkt des Kohlenstoffs ist höher als der des Metalls.
  • 4 zeigt den Chip 13, der eine obere Oberfläche 131 und eine untere Oberfläche 132 aufweist. Die obere Oberfläche 131 ist durch das Substrat, das üblicherweise ein Siliziumsubstrat ist, gebildet. Auf der unteren Oberfläche 132 ist die integrierte Schaltung vorgesehen. Die elektrisch isolierende Wärmekontaktschicht 14 mit hohem wärmeleitungskoeffizent, wie Kühlmasse und Kühlkleber, kann auch direkt auf der oberen Oberfläche 131 des Chips 13 gebildet sein, auf der die untere Oberfläche 152 des Gehäuses 15 in 2 aufliegt.
  • 5 zeigt die Basisplatte 12 und die Anschlußstifte 11. Die obere Oberfläche 121 der Basisplatte 12 ist mit der integrierten Schaltung auf der unteren Oberfläche 132 des Chips 13 elektrisch verbunden. Durch eine gestrichelte Linie ist der Randbereich 1211 der oberen Oberfläche 121 dargestellt, auf dem das Gehäuse 15 in 2 aufliegt.
  • Der kristalline Kohlenstoff kann durch das CVD (chemische Gasphasenabscheidung) oder PVD (physikalische Gasphasenabscheidung)-Verfahren auf der Oberfläche des Metalls abgeschieden werden. 6 zeigt ein MACVD (mikrowellenplasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung) -Verfahren. Dabei wird ein Gemisch aus den Reaktionsgasen durch eine Einlaßöffnung 61 in die Reaktionskammer 66 geleitet. Ein Mikrowellenerzeuger 62 erzeugt Mikrowellen, durch die die aktiven Reaktionsionen der Reaktionsgase angeregt und auf der Oberfläche des Metalls 65 auf einem Träger 64 abgeschieden werden, wodurch eine kristalline Kohlenstoffschicht (Diamantschicht) erhalten wird. Das Metall 65, das das in 3 geformte Gehäuse sein kann, kann Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder deren Legierung sein. Die restlichen Reaktionsgase werden durch eine Auslaßöffnung 63 abgeführt. Dadurch wird das Metall mit einer Diamantschicht beschichtet.
  • 7 zeigt das Ionenstrahlsputtern, das ein PVD-Verfahren ist. Dabei wird ein Target 72 aus krsitallinem Kohlenstoff verwendet, der mit der Richtung des Ionenstrahls aus dem ersten Ionenstrahler 71 einen Winkel von 45° einschließt. Die durch den Beschuß von dem Ionenstrahl aus dem ersten Ionenstrahler 71 abgedampte Kohlenstoffionen verteilen sich und werden durch die kinetische Energie der Ionen aus dem zweiten Ionenstrahler 73 homogen auf der Oberfläche des Metalls 74 abgelagert, wodurch eine kristalline Kohlenstoffschicht erhalten wird. Das Metall 64, das das in 3 geformte Gehäuse sein kann, kann Kupfer, Aluminium, Silber oder oder anderen Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder deren Legeriung sein. Die restlichen Kohlenstoffatome werden durch die Auslaßöffnung 75 abgeführt. Dadurch wird das Metall mit einer Diamantschicht beschichtet.
  • Das wärmeleitende Material, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, kann neben dem obengenannten CVD- und PVD-Verfahren, auch mit anderen Verfahren, wie Galvanisieren und Zusammenschmelzen, hergestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    Figure 00080001
  • Figure 00090001

Claims (27)

  1. Kühlkörper für Chip, bestehend aus einer Basisplatte (12), die eine obere Oberfläche (121) aufweist, die mit der unteren Oberfläche (132) des Chips (13) elektrisch verbunden ist, und einem Gehäuse (15), das eine obere Oberfläche (151) und eine untere Oberfläche (152) aufweist, wobei die untere Oberfläche (152) an vier Seitenflächen (1521, 1522, 1523, 1524) angrenzt, die vertikal zu der unteren Oberfläche (152) verlaufen, wodurch ein Raum (153) gebildet ist, in dem der Chip (13) aufgenommen ist, wobei die Seitenflächen (1521, 1522, 1523, 1524) an die Bodenflächen (15211, 15221, 15231, 15241) angrenzen, die auf dem Randbereich (1211) der oberen Oberflä che (121) der Basisplatte (12) aufliegen, wobei zwischen der oberen Oberfläche (131) des Chips (13) und der unteren Oberfläche (152) des Gehäuses (15) eine Wärmekontaktschicht (14) vorgesehen ist und das Gehäuse (15) aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält.
  2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (12) eine Schaltungsplatte aus orgnischem Material ist.
  3. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (13) eine Zentraleinheit ist.
  4. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmekontaktschicht (14) aus einem Kühlstoff hergestellt ist.
  5. Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekontaktschicht (14) eine Kühlmasse ist.
  6. Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekontaktschicht (14) ein Kühlkleber ist.
  7. Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlstoff elektrisch isolierend ist und einen hohen Wärmeleitungskoeffizent besitzt.
  8. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.
  9. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
  10. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Silber ist.
  11. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Metall mit hohem Wärmeleitungskoeffizent ist.
  12. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
  13. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
  14. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
  15. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Zusammenschmelzen hergestellt ist.
  16. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren hergestellt ist.
  17. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekontaktschicht (14) auf der oberen Oberfläche (131) des Chips (13) gebildet ist.
  18. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekontaktschicht (14) auf der unteren Oberfläche (152) des Gehäuses (15) gebildet ist.
  19. Verfahren zur Herstellung des Kühlkörpers für Chip, enthaltend: eine Basisplatte (12) bereitstellen, einen Chip (13) bereitstellen, der eine obere Oberfläche (131) und eine untere Oberfläche (132) aufweist, ein wärmeleitendes Material, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, herstellen, und mit dem wärmeleitenden Material ein Gehäuse (15) spritzgießen, das eine obere Oberfläche (151) und eine untere Oberfläche (152) aufweist, wobei die untere Oberfläche (152) an vier Seitenflächen (1521, 1522, 1523, 1524) angrenzt, die vertikal zu der unteren Oberfläche (152) verlaufen, wodurch ein Raum (153) gebildet ist, in dem der Chip (13) aufgenommen ist, wobei die Seitenflächen (1521, 1522, 1523, 1524) an die Bodenflächen (15211, 15221, 15231, 15241) angrenzen, die auf dem Randbereich (1211) der oberen Oberfläche (121) der Basisplatte (12) aufliegen.
  20. verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der oberen Oberfläche (131) des Chips (13) und der unteren Oberfläche (152) des Gehäuses (15) eine Wärmekontaktschicht (14) vorgesehen ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Oberfläche (121) der Basisplatte (12) mit der unteren Oberfläche (132) des Chips (13) elektrisch verbunden ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (12) eine Schaltungsplatte aus orgnischem Material ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Zusammenschmelzen hergestellt ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren hergestellt ist.
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