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DE69126686T2 - Wärmetransportmodul für Anwendungen ultrahoher Dichte und Silizium auf Siliziumpackungen - Google Patents

Wärmetransportmodul für Anwendungen ultrahoher Dichte und Silizium auf Siliziumpackungen

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DE69126686T2
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetransporttechnologie zur Verwendung in Verbindung mit Halbleiterbauelementen hoher Packungsdichte für das schnelle Abführen von Wärme von den Halbleiterbauelementen.
    • KURZE BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Da Halbleiterbauelemente weiterhin immer kompakter, mit erhöhter Anzahl aktiver Komponenten in einem vorgeschriebenen Volumen an Halbleitermaterial, ausgeführt werden, steigt die von den Halbleiterbauelementen erzeugte Wärmemenge ebenfalls an. Die Frage der Wärmeabfuhr und des Wärmetransports bleibt daher ein immer größer werdendes Problem, das gelöst werden muß.
  • Beim Stand der Technik werden zahlreiche Ansätze zur Abfuhr von Wärme verwendet, wie beispielsweise die Anordnung der Bauelemente in Kühlmitteln und dergleichen. Dieser Ansatz ist beispielsweise in Verbindung mit modularen Einheiten nicht durchführbar, bei denen oftmals Teile des Bauelements entfernt werden.
  • Wärmeleitung wurde ebenfalls als Mittel zur Wärmeabfuhr verwendet. Solche Systeme tendieren jedoch dazu sperrig und schwer zu sein und können nicht verwendet werden, wenn Größe und Gewicht von Belang sind.
  • US-A 4 867 235 beschreibt ein Wärmetransportbauteil aus Aluminium mit darin eingebetteten Schichten aus Graphitfasern, auf dem Gehäuse von elektronischen Komponenten angebracht sind. Die angeführten Graphitfasern weisen eine größere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium auf. Die Fasern führen zu den zwei Enden des Wärmetransportbauteils, die an Kühlkörpern befestigt sind.
  • DE-A 32 04 231 beschreibt ein geschichtetes Material für die Befestigung eines Halbleiterbauelements auf einem isolierenden Substrat, das Metallschichten mit eingebetteten Fasern aufweist, die Kohlenstoffasern sein können und die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Bei einer Variante laufen die Fasern in einer Lage in einer Richtung, und die Fasern in angrenzenden Schichten laufen in hierzu verschiedene Richtungen.
  • Es ist bekannt, daß gewisse Abschnitte von Halbleiterbauelementen mehr Wärme als andere Abschnitte hiervon erzeugen können, und daß einige Halbleiterbauelemente in einer Struktur mit mehreren Bauelementen mehr Wärme als andere Bauelemente der Struktur mit mehreren Bauelementen produzieren können. Demgemäß kann eine Vorgehensweise, die zur Verhinderung des Überhitzens eines Abschnittes oder eines speziellen Bauteils vorgesehen ist, eine Wärmeverteilung mit sich bringen, bei der die Wärme von den Bauelementen oder Abschnitten von Bauelementen, die die größte Wärmemenge erzeugen, zu Bauelementen oder Abschnitten von Bauelementen verteilt wird, die weniger Wärme erzeugen, um die Erwärmung in den Bauelementen zu vergleichmäßigen oder so gleichförmig wie möglich zu machen. Diese Vorgehensweise wird in Verbindung mit einem Wärmetransport verwendet, wodurch Wärme ebenfalls durch Abführen von den Bauelementen selbst abgeleitet wird.
  • Die Erfindung stellt eine Wärmeverteilungsvorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung von Wärme zur Verfügung, die folgendes aufweist:
  • (a) ein Substrat, auf dem örtlich festgelegte wärmeerzeugende Elemente angeordnet sind, und
  • (b) eine Wärmeverteilungsvorrichtung, die thermisch an das Substrat gekoppelt ist, wobei die Wärmeverteilungsvorrichtung folgendes aufweist:
  • (c) ein wärmeleitendes Metall und
  • (d) mehrere wärmeleitende Fasern mit höherer Wärmeleitfähigkeit als das wärmeleitende Metall, wobei die Fasern in das Metall eingebettet sind und in parallelen, voneinander beabstandeten Schichten angeordnet sind und angrenzende Schichten sich zueinander in verschiedene Richtungen erstrecken.
  • Halbleiterchips, die unterschiedliche Wärmemengen erzeugen können, können auf einem Substrat aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und einem angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizient angeordnet sein, beispielsweise Keramik, Glaskeramik, Metallmatrixverbundwerkstoffe, beispielsweise Kupfer-Graphit und Aluminium-Graphit und vorzugsweise ein Substrat aus monokristallinem Silizium, wobei das Substrat an einer Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung der, von den Chips erzeugten Wärme über das Substrat in Form eines Metallmatrixverbundwerkstoffes befestigt ist, der vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer gebildet ist und Schichten aus gleichmäßig beabstandeten Fasern, vorzugsweise Kohlenstoffasern, aufweist, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Metall der Metallmatrix aufweisen und darin eingebettet sind, und wobei jede Schicht mehrere solcher Fasern in Reihen aufweist und jede Schicht vorzugsweise senkrecht zu den Schichten oberhalb und unterhalb ausgerichtet ist. Die Kohlenstoffasern jeder Reihe und angrenzender Reihen berühren sich vorzugsweise nicht. Die Metallmatrix kann an einer Struktur zur Ableitung von Wärme in Form eines Gehäuses mit einem darin befestigten metallkeramischen Schwamm hoher Wärmeleitfähigkeit befestigt sein. Der Schwamm ist vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer gebildet und weist eine zellulare Struktur auf, wobei die Zellen eine durchgehende Durchlässigkeit zeigen. Das Gehäuse enthält einen Fluideinlaß und einen Fluidauslaß, wodurch Fluid durch den Schwamm läuft und Wärme von der Wand der Schwammzellen abzieht. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Gehäuse an der Metallmatrix mit einer Hartlotschicht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung befestigt, die dazwischen eingelötet ist. Die Metallmatrix kann ebenfalls mit einer Schicht reinen Aluminiums zur Vermeidung oder Minimierung von Korrosion überzogen sein. Der Schwamm kann von den Gehäusewänden, die den Einlaß und den Auslaß enthalten, beabstandet sein, um der einströmenden Flüssigkeit zu ermöglichen, relativ gleichmäßig über das gesamte Volumen verteilt durch den Schwamm zu strömen, anstatt hauptsächlich auf dem direkten Weg zwischen Einlaß und Auslaß zu strömen.
  • Die Erfindung ermöglicht ebenfalls die Verwendung einer Wärmeverteilungsvorrichtung gemäß der Erfindung zur Vergleichmäßigung der Wärmeverteilung in einer Struktur mit wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine elektronische Schaltung mit einer Metallmatrix gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts der Ausführungsform der Fig. 1, wobei die Metallmatrix in auseinandergezogener Darstellung zu sehen ist;
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Ausführungsform der Fig. 1 mit einem wärmeableitenden Gehäuse mit darin enthaltenem Schwammaterial,
  • Fig. 4 ist eine Schnittansicht in Horizontalrichtung einer zweiten Ausführungsform des Gehäuses der Fig. 3; und
  • Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer weiteren Art einer Verbindung zwischen dem, den Schwamm enthaltenden Gehäuse und der Metallmatrix.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine typische elektronische Schaltung 1 gezeigt, die beispielsweise mehrere Speicherchips 3, die viel Energie benötigen und eine große Wärmemenge ableiten (beispielsweise 10 Watt pro Quadratinch, 1 Watt pro Quadratinch entspricht 0,155 Watt pro Quadratzentimeter), eine Verteilervorrichtung 5, die relativ wenig Energie benötigt und eine relativ kleine Wärmemenge ableitet (beispielsweise 1 bis 2 Watt pro Quadratinch), einen CPU-Chip 7, der viel Energie benötigt und eine relativ große Wärmemenge ableitet (beispielsweise 20 Watt pro Quadratinch) und einen weiteren Chip 9 aufweist, der nur mäßig Energie benötigt und eine mäßige Wärmemenge ableitet (ungefähr 5 Watt pro Quadratinch). Die Chips sind auf einem Substrat 11 angeordnet, das beispielsweise aus monokristallinem Silizium gebildet sein kann und das eine Verbindungsverdrahtung (nicht gezeigt) von gewöhnlicher Konstruktion aufweist, die vorgesehen ist, um sowohl die verschiedenen Chips hierauf miteinander zu verbinden als auch um sich zu Kontakten (nicht gezeigt) für den Nachrichtenverkehr von der Schaltung 1 nach außen zu erstrecken. Silizium wird bevorzugt, da es leicht verfügbar ist und ebenfalls dazu verwendet werden kann, elektronische Komponenten hierauf zu bilden. Das Substrat 11 ist auf einer Platte 13 aus einem Metallmatrixverbundwerkstoff angeordnet, die unten detaillierter beschrieben werden wird und die dazu dient, die erzeugte Wärme gleichmäßiger über das Substrat 11 zu verteilen und bei der Abfuhr von Wärme von der Vorrichtung 1 behilflich zu sein.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts der Schaltung der Fig. 1 gezeigt, die die Platte 13 aus Metallmatrixverbundwerkstoff einschließt, auf der das Substrat 11 mit den Chips 3 und 9 angeordnet ist. Die Platte 13 besteht aus einer Schicht aus wärmeleitendem Metall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, die eine Matrix aus Kohlenstoffasern 15 in mehreren Schichten aufweist, wobei jede Schicht mehrere solche Fasern in Reihen aufweist und jede Schicht senkrecht zu den Schichten oberhalb und unterhalb angeordnet ist. Die Kohlenstoffasern angrenzender Reihen berühren sich vorzugsweise nicht. Es ist zu erkennen, daß Wärme von den Chips 3 und 9 der Fig. 2 nach unten durch das Substrat 11 zu der Metallmatrix 13 transportiert wird. Die Wärme wird in der Metallmatrix zu den Kohlenstoffasern 15 gelangen, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Metall der Matrix aufweisen und die verursachen werden, daß die Wärme von ihrer Quelle weg in alle Richtungen, einschließlich nach unten, weiterläuft.
  • Es ist nun weiter notwendig, die durch die Metallmatrix 13 und von dem Substrat 11 weg laufende Wärme abzuleiten. Dies wird im allgemeinen durch die Verwendung von Luft, Wasser, Fluorkohlenstoff und anderen gut bekannten wärmeleitenden Materialien erreicht, die über eine oder mehrere Flächen der Metallmatrix 13 und eine daran befestigte Wärmetransportvorrichtung streichen.
  • Genauer ist unter Bezugnahme auf die Fig. 3 die Metallmatrix 13 mit dem hierauf angeordneten Substrat 11 mit Chips 3 und 9 gezeigt. Die Metallmatrix 13 ruht auf einem Gehäuseabschnitt 17 mit einer offenen Oberseite, der durch die Matrix 13 abgeschlossen ist und der in sich einen Schwamm 19 aufweist. Ein weiterer Seitenwandabschnitt 16 des Gehäuses ist an der Matrix 13 befestigt, und eine obere Abdeckplatte 18 ist an den Seitenwandabschnitten befestigt, um mit dieser die Chips einzuschließen. Die Gehäuseabschnitte 16, 17 und 18 sind aus einem Material gebildet, das bzgl. des Wärmeausdehnungskoeffizienten an das Substrat 11 angepasst ist und das eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene der Struktur aufweist, so daß es die Wärme seitlich und schnell ableiten kann. Verbundmaterialien, die aus Metallen und Graphitfasern hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind, werden als Gehäusematerial bevorzugt, wie beispielsweise mit Kupfer-Molybdän durchdrungene Metallmatrixverbundwerkstoffe, Aluminium-Aluminiumnitrid-Metallmatrixverbundwerkstoffe, Kupfer-Aluminiumgraphit und dergleichen. Theoretisch kann jedes Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit für das Gehäuse verwendet werden, vorausgesetzt, daß es dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 11 angepaßt ist.
  • Der Schwamm 19 wird aus einem Material gebildet, das vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und das in Form eines Drahtnetzes mit offener Zellstruktur vorliegt, die eine durchgehende Durchlässigkeit aufweist. Diese Struktur ist ähnlich zu "Stahlwolle". Eine bevorzugte Struktur weist ungefähr zehn Prozent (10 %) der theoretischen Dichte des Schwammaterials selbst auf. Solche Materialien sind bekannt und verfügbar. Das vorliegende bevorzugte Material ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seines geringen Gewichts Aluminium. Kupfer ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ebenfalls ein bevorzugtes Material. Es ist jedoch wesentlich schwerer als Aluminium. Der Kupferschwamm wird bevorzugt, wenn Gewicht keine Rolle spielt. In diesem Fall setzt der Schwamm 19 dem hindurchströmenden Fluid nur geringen Widerstand entgegen und stellt eine große Oberfläche für den Kontakt mit durch den Schwamm strömendem Fluid zur Verfügung, so daß eine große Wärmetransportfläche für einen wirksamen Wärmetransport zur Verfügung steht. Beispielsweise ist eine Oberfläche von 150 Quadratinch pro Kubikinch des Schwammes leicht mit den zehn Prozent der oben beschriebenen theoretischen Dichte erreichbar (1 Quadratinch = 6,45 Quadratzentimeter, 1 Kubikinch = 16,39 Kubikzentimeter).
  • Das Gehäuse 17 weist einen Fluideinlaß 21 und einen Fluidauslaß 23 für den Durchgang von Wärmetransportfluid auf, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist. Der Schwamm erlaubt den Wärmetransport bei sehr geringem Temperaturabfall von dem Schwamm zu dem wärmeabführenden Fluid. Das Schwammmaterial 19 ist vorzugsweise mit dem Gehäuse 17 verbunden, um eine Kontraktion desselben innerhalb des Gehäuses, verbunden mit einem Abfall des gewünschten Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche, zu vermeiden.
  • Fig. 4 zeigt ein zusätzliches Merkmal, demzufolge der Schwamm 19 von der Wand 29, die den Einlaß 21 enthält, und von der Wand 31, die den Auslaß 23 enthält, beabstandet ist. Auf diese Weise verteilt sich von dem Einlaß 21 in das Gehäuse eintretendes Fluid seitlich entlang der Wand 29, bevor es in den Schwamm 19 eintritt, und nach dem Durchgang durch den Schwamm läuft es entlang der Wand 31 nach innen zu dem Auslaß 23. Auf diese Weise ist die Fluidströmung durch den Schwamm 19 im wesentlichen über den ganzen Schwamm 19 gleichförmig, so daß ein gleichmäßigerer Wärmetransport über die gesamte Fläche der Platte 13, die den Schwamm berührt, erreicht ist.
  • Ein mögliches Problem kann dadurch entstehen, daß die Kohlenstoffasern beispielsweise eine batterieartige Wirkung zeigen, was zu Korrosion führt. Dieses Problem wird, unter Bezugnahme auf Fig. 5, durch Überziehen der Platte 13 mit Aluminium 25 minimiert, das eine Dicke von ungefähr 2 bis 3 mil (1 mil = 25,4 µm) aufweist. Der Aluminiumüberzug 25 wird vorzugsweise durch Ionenabscheidung aus der Dampfphase gebildet. Dies ergibt einen Aluminiumüberzug mit sehr großer Reinheit. Eine dünne Schicht aus einer Aluminium/Siliziumtafel 27, aus einer Legierung, ist über dem Aluminiumüberzug angeordnet. Der Schwamm 19 ist über der Tafel 27 angeordnet und mit dieser in üblicher Weise hart verlötet. Die Aluminium/Siliziumlegierung 27 wird als Lot oder Zusatzwerkstoff verwendet. Sowohl diese Anordnung als auch die oben beschriebenen ergeben an allen Metall-zu-Metall-Übergängen eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu der Verwendung von Epoxyharzen und dergleichen für die Verbindung von Materialien.
  • Es ist ersichtlich, daß eine Kühlkörperstruktur für eine Halbleiterschaltung geschaffen wurde, die einen Metall- Faser-Verbundwerkstoff mit neuartigem Aufbau verwendet, der Wärmepunktquellen verteilt, so daß Wärme von Bauteilen, die große Wärmemengen erzeugen, schnell abgeführt wird. Es wurde ebenfalls ein Kühlkörpermaterial in Form eines hoch wärmeleitfähigen, schwammartigen Materials geschaffen, das für die schnelle Ableitung von Wärme ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und eine durchgehende Durchlässigkeit aufweist. Weiterhin wurde ein Wärmetransportsystem geschaffen, das die Wärme auf einer Oberfläche mit Wärmepunktquellen anfänglich verteilt oder vergleichmäßigt und daraufhin die Wärme schnell von der wärmeerzeugenden Quelle wegtransportiert.

Claims (9)

1. Wärmeverteilungsvorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung von Wärme mit:
(a) einem Substrat (11), auf dem örtlich festgelegte wärmeerzeugende Elemente (3, 5, 7, 9) angeordnet sind und
(b) einer Wärmeverteilungsvorrichtung, die thermisch an das Substrat gekoppelt ist, wobei die Wärmeverteilungsvorrichtung (13) folgendes aufweist:
(c) ein wärmeleitendes Metall und
(d) mehrere wärmeleitende Fasern (15) mit höherer Wärmeleitfähgkeit als das wärmeleitende Metall, wobei die Fasern in das Metall eingebettet sind und in parallelen, voneinander beabstandeten Schichten angeordnet sind und angrenzende Schichten sich in verschiedene Richtungen zueinander erstrecken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Fasern aus Kohlenstoff bestehen und die Fasern (15) in jeder der Schichten in einer Richtung angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zu den Fasern (15) in einer angrenzenden Schicht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher die Fasern (15) aus Kohlenstoff bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher das Substrat (11) aus polykristallinem Silizium gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Fasern entlang ihrer gesamten Länge voneinander beabstandet sind.
6. Vorrichtung zur Ableitung von Wärme mit:
(a) einem Gehäuse (16, 17, 18) mit einem Fluideinlaß (21) und einem Fluidauslaß (23),
(b) einem wärmeleitenden Schwammaterial (19), das in dem Gehäuse befestigt ist, wobei der Schwamm Poren mit durchgehender Durchlässigkeit aufweist und
(c) einer Wärmeverteilungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die an dem Gehäuse befestigt ist und in thermischer Verbindung mit dem Schwamm steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Dichte des Schwammaterials (19) ungefähr 10 Prozent der theoretischen Dichte des Materials beträgt, aus dem der Schwamm hergestellt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei welcher das Schwammaterial (19) Kupfer oder Aluminium ist.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Vergleichmäßigung der Wärmeverteilung in einer Struktur, die wärmeerzeugende Halbleitervorrichtungen (3, 5, 7, 9) aufweist.
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