DE19626227C2 - Anordnung zur Wärmeableitung bei Chipmodulen auf Mehrschicht-Keramikträgern, insbesondere für Multichipmodule, und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Anordnung zur Wärmeableitung bei Chipmodulen auf Mehrschicht-Keramikträgern, insbesondere für Multichipmodule, und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Wärmeableitung bei Chipmodulen auf Mehrschicht-Keramikträgern, insbesondere für Multichipmodule, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Eine bekannte Anordnung zur Wärmeableitung bei Modulen, bei denen ein Chip auf einem Keramikträger angeordnet ist, ist in der EP 0 693 776 A2 offenbart. Diese Druckschrift beschreibt einen Modul mit einer mehrlagigen keramischen Leiterplatte und einem auf einer Wärmesenke angeordneten Chip, wobei die Wärmesenke wiederum aus einer zwischen wärmeabführenden Keramiklagen angeordneten Aluminiumplatte besteht. Die Wärmeableitung kann durch die Anordnung von Kühlrippen vergrößert werden. Zwischen dem Modul und den einzelnen Abschnitten der mehrlagigen keramischen Leiterplatte sind Freiräume vorhanden, die wärmeabstrahlende keramische Basisplatte ist dagegen in sich geschlossen.
Weiterhin ist aus dem IBM Tech. Discl. Bulletin, Band 37, 1994, Seite 171 eine Vorrichtung bekannt, bei der ein zu kühlender Mikroprozessor in Wärmekontakt steht mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit, welche an Kühlrippen kondensiert und in einen dem Mikroprozessor unmittelbar benachbarten Verdampfer zurückfließt. Mit einer derartigen Anordnung kann sehr wirkungsvoll Wärme von der Oberfläche eines Halbleiterbauelementes abgeführt werden, wenn für eine gute Abführung der verdampften Kühlflüssigkeit und eine wirkungsvolle Kondensation und schnelle Rückführung der Kühlflüssigkeit Sorge getragen ist.
Generell sei angemerkt, daß Heatpipe-Strukturen Vorrichtungen sind, die zur Abfuhr von Wärmemengen dienen von einem Ort der Erzeugung zu einem anderen. Bei entsprechender Auslegung ist ihr effektiver Wärmetransport um 10er Faktoren höher als der von besten metallischen Wärmeleitern. Eine gute Beschreibung ihrer Wirkung wird beispielsweise von Y. Eastman in Scientific American, 5/68, Seite 38-46, gegeben.
Das Prinzip der Heatpipes läßt sich wie folgt beschreiben:
am heißen Bereich der Anordnung verdampft eine geeignete Flüssigkeit mit hoher latenter Verdampfungswärme. Der bei der Verdampfung entstehende Druck treibt den Dampf zum kalten Teil der Anordnung. Dort kondensiert der Dampf in die flüssige Phase und gibt die transportierte Wärme wieder ab. Das flüssige Kondensat wird wieder zur Verdampfungsstelle zurückgeführt. Damit ist ein Kreislauf aufgebaut.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Wärmeableitung bei Chipmodulen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil, daß das Prinzip der heatpipes in miniaturisierter Form zur effektiven Kühlung von Leistungs-ICs, die auf relativ schlecht leitenden Mehrschicht-Keramikträgern, insbesondere Glaskeramik-Mehrlagenschaltungen, aufgebracht sind, angewandt wird. Die Wärme wird wesentlich effektiver zur metallischen Wärmesenke abgeführt, wobei Schaltungsdichte und Schaltungsflexibilität erhalten bleiben, da der notwendige Flächenverbrauch minimiert ist.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die thermischen Durchlässe in der obersten Lage des Mehrschicht- Keramikträgers ausgebildet sind, daß in der darunter befindlichen nächsten Lage des Mehrschicht-Keramikträgers im Bereich des aufzubringenden Chips ein als Verdampfungsraum wirkender Hohlraum ausgebildet ist, daß im metallischen Kühlkörper im Bereich des aufzubringenden Chips eine wannenähnliche Aussparung, die als Kondensor wirkt, vorhanden ist und daß die Lagen des Mehrschicht-Keramikträgers, die zwischen dem Verdampfungsraum und dem Kondensor liegen, im Bereich dieser Räume mit einer Anzahl von großflächigen Dampfkanälen und kleinflächigen, als Kapillaren wirkenden Kondensatkanälen versehen sind, welche die beiden Räume miteinander verbinden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der im Anspruch 1 angegebenen Anordnung zur Wärmeableitung möglich.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind auf dem Mehrschicht-Keramikträger eine Vielzahl von Chips, insbesondere erhebliche Verlustwärme erzeugende Leistungs-ICs, aufbringbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jede als Kondensor wirkende wannenförmige Aussparung mit einer verschließbaren Füllöffnung zum Einfüllen eines wärmeleitenden Mediums versehen.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften und einfach herzustellenden Ausführungsform der Erfindung sind die großflächigen Dampfkanäle und die kleinflächigen Kondensatkanäle als gerade Kanäle zwischen den zugehörigen Schichten des Mehrschicht-Keramikträgers ausgeführt.
Gemäß einer zu dieser Ausführungsform alternativen Gestaltungsform der Erfindung, die bei manchen Anwendungen insbesondere im Hinblick auf den Flächenbedarf sowie die Anordnung von Leitungen interessant ist, sind die kleinflächigen Kondensatkanäle zumindest zum Teil als abgewinkelte Kanäle ausgebildet, von denen zumindest ein Teilbereich in der Ebene einer oder mehrerer Lagen des Mehrschicht-Keramikträgers verläuft. Die in der Ebene einer oder mehrerer Lagen verlaufenden Teile der Kondensatkanäle können auf verschiedene Weise hergestellt werden. So können sie durch Drucken hergestellt werden, wobei die entsprechenden Teile der Kanäle mit Kohlepaste gedruckt werden, welche später zur Erzeugung der Teilkanäle ausgebrannt wird, oder sie können durch Ausstanzen oder Ausfräsen oder durch Prägen der Teile der Kanäle in dem ungebrannten Keramikmaterial, insbesondere einem Keramiktape, hergestellt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die großflächigen Dampfkanäle einen Durchmesser von ca. 1,5 mm und die kleinflächigen Kondensatkanäle einen Durchmesser von ca. 0,1 mm auf.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung, die zur Verbesserung der Kondensatleitung beitragen kann, sind die kleinflächigen Kondensatkanäle mit porösem Keramikpulver oder mit nicht gesinterten metallischen Fritten gefüllt.
Um direktes Verdampfen des Kondensats zu verhindern, können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die großflächigen Dampfkanäle im Bereich des im metallischen Kühlkörper vorgesehenen Kondensorraums eine Durchlaßfläche aufweisen, die geringer ist als die in weiter entfernten Schichten des Mehrschicht-Keramikträgers vorgesehene Durchlaßfläche des Dampfkanals.
In zweckmäßiger Ausführung der Erfindung ist als wärme­ leitende Arbeitsflüssigkeit eine Flüssigkeit mit möglichst hoher Verdampfungswärme bei geeigneter Verdampfungstemperatur, sowie mit hoher Oberflächenspannung und Benetzungswinkel für die Kapillaren vorgesehen, insbesondere Alkohole und Kohlenwasserstoffe.
Bei der Erfindung ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß der oder die einzelnen Chips durch einen geeigneten, Wärme leitenden Klebstoff auf dem Mehrschicht-Keramikträger befestigbar ist bzw. sind und/oder daß der Mehrschicht-Keramikträger durch einen geeigneten, Wärme leitenden Klebstoff auf dem metallischen Kühlkörper befestigt ist.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch in einem Schnittbild in der x-y-Ebene einen Ausschnitt aus einem Mehrschicht-Keramikträger, der auf einem metallischen Kühlköper aufgebracht ist und auf den selbst ein Chip bzw. ein Leistungs-IC montiert ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur ist in einem Schnittbild eine Anordnung von einem metallischem Kühlkörper 1, einem Mehrschicht-Keramikträger 2 und einem darauf montiertem Chip 3 schematisch dargestellt. Die Darstellung ist nicht unbedingt maßstabsgerecht. So sind die Dimensionen in x-Richtung etwa 10-fach und die Dimensionen in y-Richtung etwa 40-fach vergrößert dargestellt. Weiterhin sind die elektrischen Verbindungen des Chips 3 mit der Schaltung über Bonddrähte sowie auch die elektrischen Bahnen innerhalb der einzelnen Lagen des Mehrschicht-Keramikträgers 2 nicht dargestellt.
Der im dargestellten Beispiel aus sieben Lagen bzw. Schichten L1 bis L7 bestehende Mehrschicht-Keramikträger 2 ist mittels einer Kleblage 4 auf dem metallischen Kühlkörper 1 befestigt. Der Chip 3, der einen Leistungs-IC, eine relativ viel Verlustwärme erzeugende integrierte Schaltung) darstellt und dessen erzeugte Verlustwärme abzuleiten ist, ist ebenfalls mittels einer Klebschicht 5 befestigt, und zwar auf der obersten Lage L1 des Mehrschicht-Keramikträgers 2. Der oder die für die klebenden Schichten 4 und 5 verwendeten Klebstoffe sind wärmeleitend.
In der obersten Lage L1 des Mehrschicht-Keramikträgers 2 sind im Bereich des aufzubringenden Chips 3, etwa in dessen flächiger Größenausdehnung, eine Reihe von thermischen Durchlässen 6 vorgesehen. Diese Durchlässe 6 sind durch Ausstanzen der Lage L1 in Form eines regelmäßigen Lochmusters hergestellt. Nach dem Stanzen oder Bohren dieser als Durchlässe 6 dienenden Bohrungen werden sie zur besseren Wärmeleitung mit Silberpaste gefüllt. Die Bohrungen bzw. Durchlasse 6 können einen Durchmesser von ca. 0,2 mm und einen gleich großen Zwischenraum haben.
In der darunter befindlichen nächsten Lage L2 des Mehrschicht-Keramikträgers 2 ist ein Hohlraum 7 vorgesehen. Dieser Hohlraum 7 ist ausdehnungsmäßig größer als das darüber befindliche Lochmuster. Vorzugsweise ist es auch größer als der zu montierende Chip 3. Dies ist in der Figur dargestellt. Der Hohlraum 7 kann durch Ausstanzen der Lage L2 in der notwendigen Größe auf einfache Weise gebildet werden. Der Hohlraum 7 bildet unterhalb des Chips 3 und somit sehr nahe an der Wärmequelle einen Verdampfungsraum. Dieser Verdampfungsraum steht durch die Vielzahl der Durchlässe 6 in intensiver Wärmekopplung mit dem Chip 3.
Der metallische Kühlkörper 1 ist im Bereich des aufzubringenden Chips 3 mit einer wannenähnlichen Aussparung 8 an der dem Mehrschicht-Keramikträger 2 zugewandten Seite versehen. Die flächenmäßige Ausdehnung dieser Aussparung 8 entspricht in etwa derjenigen des zugehörigen, darüber anzuordnenden Chips 3. Sie kann auch, wie in der Figur dargestellt, geringfügig größer sein. Die wannenähnliche Aussparung 8 im metallischen Kühlkörper bildet den Kondensor. In diesem Raum wird aus der verdampften Arbeitsflüssigkeit wieder die flüssige Arbeitsflüssigkeit.
In denjenigen Lagen, im in der Figur dargestellten Beispiel sind dies die Lagen L3-L7, des Mehrschicht-Keramikträgers 2, die zwischen dem den Verdampfungsraum bildenden Hohlraum 7 in Lage L2 und der den Kondensor bildenden wannenähnliche Aussparung 8 im Kühlkörper 1 liegen, sind eine Anzahl von großflächigen Dampfkanälen DK1-DKn und kleinflächigen, als Kapillaren wirkende Kondensatkanäle KK0-KKn angebracht. Diese Dampfkanäle DK1-DKn und diese Kondensatkanäle KK0-KKn sind im Bereich der Räume 7 und 8 angeordnet und verbinden diese beiden Räume miteinander. In dem in der Figur dargestellten Ausfürungsbeispiel sind die großflächigen Dampfkanale DK1-DKn mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm gezeigt und die kleinflächigen Kondensatkanäle KK0-KKn mit einem Durchmesser von ca. 0,1 mm.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die wannenähnliche Ausnehmung 8 im Kühlkörper 1, die durch Ausfräsen hergestellt werden kann, mit einer Füllöffnung 9 versehen, die durch eine Schraube 10 verschließbar ist. Durch diese Füllöffnung 9, die auf der der Ausnehmung 8 gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 1 angeordnet ist, wird nach Montage des Chips 3 das wärmeleitende Medium, die verdampfende und wieder kondensierende Arbeitsflüssigkeit, eingefüllt. Nach Verschließen der Füllöffnung 9 durch die Schraube 10 kann der Betrieb aufgenommen werden. Als wärmeleitende Arbeitsflüssigkeit wird in vorteilhafter Weise eine Flüssigkeit mit möglichst hoher Verdampfungswärme bei geeigneter Verdampfungstemperatur verwendet, die mit hoher Oberflächenspannung und Benetzungswinkel für die Kapillaren versehen ist. Dies können insbesondere Alkohole und Kohlenwasserstoffe sein.
Im in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die großflächigen Dampfkanäle DK1-DKn als auch die kleinflächigen Kondensatkanäle KK0-KKn als gerade Kanäle zwischen den zugehörigen Schichten bzw. Lagen L3 und L7 des Mehrschicht-Keramikträgers 2 ausgeführt. Alternativ dazu ist es möglich, die Dampfkanäle DK1-DKn in der untersten Lage L7 mit kleinerem Durchmesser als in den anderen Laden L6-L3 zu versehen, um eine direkte Verdampfung von Kondensat zu verhindern. Es ist auch möglich, zumindest einige der kleinflächigen Kondensatkanäle KK0-KKn statt als gerade Kanäle zumindest in Teilbereichen davon abweichend mit horizontalen Strecken, die in der Ebene von Schichten, d. h. innerhalb von Lagen des Mehrschicht-Keramikträgers 2 verlaufen, zu versehen. Diese das Kondensat zu dem Verdampfungsraum führende Kapillarkanäle werden dann teilweise in der Schichtlage ausgeführt. Auch eine Kombination von geraden und abgewinkelten Kondensatkanälen ist möglich. Dadurch ist eine besonders flexible Anpassungsmöglichkeit an Schaltungsnotwendigkeiten und Platzverhältnisse in einzelnen oder mehreren Lagen eröffnet.
Die Kapillarkanäle, die teilweise in einer Schichtlage ausgeführt sind, können nach einer möglichen Ausführungsform durch Drucken hergestellt werden. Dabei werden die Kanäle mit Kohlepaste gedruckt, welche später zur Erzeugung der Kanäle ausgebrannt wird. Andere Möglichkeiten der Herstellung bestehen im Ausstanzen, im Ausfräsen der Kanäle. Eine besonders zweckmäßige Möglichkeit besteht im Prägen der Kanäle in dem ungebrannten Keramikmaterial, insbesondere dem Keramiktape.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können die als Kapillarkanäle dienenden Bohrungen KK0-KKn, die Kondensatkanäle, statt leer zu sein auch mit geeignetem Material gefüllt sein. Beispielsweise kann poröses Keramikpulver oder bei den verwendeten Brenntemperaturen von ca. 900°C nicht sinternde metallische Fritten eingesetzt werden. Dadurch wird der besondere Vorteil erzielt, daß die Kapillarkräfte beeinflußt werden können. Es kann somit der Durchmesser der kleinflächigen Kondensatkanäle KK0-KKn größer gestaltet und damit die Durchsaugmenge des Kondensats erhöht werden.
Die in der Fig. für einen Chip 3 dargestellte Anordnung zur Wärmeableitung ist dann von besonderem Vorteil, wenn mehrere Chips 3 auf ein und demselben Mehrschicht-Keramikträger 2 sind und dieser wiederum auf einem Kühlkörper 1 montiert ist. Dann besonders ist die gewonnene Schaltungsdichte und Effektivität der Wärmeableitung von enormem Vorteil. Die geschaffene miniaturisierte Heatpipe-Struktur erlaubt also bei erhöhter Wärmeabfuhr eine wesentlich größere Schaltungsdichte und Flexibilität in der Gestaltung der Schaltung. Die erfindungsgemäß gestaltete Anordnung stellt einen effektiven Wärme ableitenden Kreislauf sicher, welcher in miniaturisierter Ausführung bei kurzen Wegen viel Energie pro Zeiteinheit transportieren kann.

Claims (11)

1. Anordnung zur Wärmeableitung bei Chipmodulen auf Mehrschicht-Keramikträgern, insbesondere für Multichipmodule, wobei im Keramikträger im Bereich des aufzubringenden Chips (3) Durchlässe für ein wärmeleitendes Medium vorgesehen sind und wobei der Mehrschicht-Keramikträger (2) auf einem metallischen Kühlkörper (1) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Durchlässe in der obersten Lage (L1) des Mehrschicht-Keramikträgers (2) ausgebildet sind, daß in der darunter befindlichen nächsten Lage (L2) des Mehrschicht-Keramikträgers (2) im Bereich des aufzubringenden Chips (3) ein als Verdampfungsraum wirkender Hohlraum (7) ausgebildet ist, daß im metallischen Kühlkörper (1) im Bereich des aufzubringenden Chips (3) eine wannenähnliche Aussparung (8), die als Kondensor wirkt, vorhanden ist, und daß Lagen (L3-L7) des Mehrschicht-Keramikträgers (2), die zwischen dem Verdampfungsraum (7) und dem Kondensor (8) liegen, im Bereich dieser Räume mit einer Anzahl von großflächigen Dampfkanälen (DK1-DKn) und kleinflächigen, als Kapillaren wirkenden Kondensatkanälen (KK0-KKn) versehen sind, welche die beiden Räume miteinander verbinden
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Mehrschicht-Keramikträger (2) eine Vielzahl von Chips (3), insbesondere erhebliche Verlustwärme erzeugende Leistungs-ICs, aufbringbar sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede wannenförmige Aussparung (8) mit einer verschließbaren Füllöffnung (9, 10) zum Einfüllen eines wärmeleitenden Mediums versehen ist.
4. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die großflächigen Dampfkanäle (DK1-DKn) und die kleinflächigen Kondensatkanäle (KK0-KKn) als gerade Kanäle zwischen den zugehörigen Schichten (L3-L7) des Mehrschicht-Keramikträgers (2) ausgeführt sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den kleinflächigen Kondensatkanälen (KK0-KKn) zumindest einige als abgewinkelte Kanäle ausgebildet sind, von denen zumindest ein Teilbereich in der Ebene einer oder mehrerer Lagen (L3-L7) des Mehrschicht-Keramikträgers (2) verläuft.
6. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die großflächigen Dampfkanäle (DK1-DKn) einen Durchmesser von ca. 1,5 mm und die kleinflächigen Kondensatkanäle (KK0-KKn) einen Durchmesser von ca. 0,1 mm aufweisen.
7. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinflächigen Kondensatkanäle (KK0-KKn) mit porösem Keramikpulver oder mit nicht gesinterten metallischen Fritten gefüllt sind.
8. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die großflächigen Dampfkanäle (DK1-DKn) im Bereich der wannenähnlichen Aussparung eine Durchlaßfläche aufweisen, die geringer ist als die in weiter entfernten Schichten (L6-L3) des Mehrschicht-Keramikträgers (2) vorgesehene Durchlaßfläche des Dampfkanals.
9. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeleitende Arbeitsflüssigkeit eine Flüssigkeit mit möglichst hoher Verdampfungswärme bei geeigneter Verdampfungstemperatur, sowie mit hoher Oberflächenspannung und Benetzungswinkel für die Kapillaren verwendet wird, insbesondere Alkohole und Kohlenwasserstoffe.
10. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die einzelnen Chips (3) durch einen wärmeleitenden Klebstoff (5) auf dem Mehrschicht-Keramikträger (2) befestigbar ist und/oder daß der Mehrschicht-Keramikträger (2) durch einen wärmeleitenden Klebstoff (4) auf dem metallischen Kühlkörper (1) befestigt ist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene einer Lage verlaufenden Teile von Kondensatkanälen (KK0-KKn) durch Drucken hergestellt werden, wobei die entsprechenden Teile der Kanäle mit Kohlepaste gedruckt werden, welche später zur Erzeugung der Teilkanäle ausgebrannt wird, oder durch Ausstanzen oder Ausfräsen oder durch Prägen der Teile der Kanäle in dem ungebrannten Keramikmaterial.
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