DE8418025U1 - Semiconductor component - Google Patents
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Description
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■ s ! Ingenieur . Hermann He'xdenreich ■ s ! Engineer. Hermann He'xdenreich
Lenzhalde 75 _., Λ ο_η1 . Lenzhalde 75 _., Λ ο _ η1 .
it S74 .22Dl /m it S74 .22Dl / m
7000 Stuttgart 17000 Stuttgart 1
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem ι; Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Halbleiterbauelemente % werden als sogenannte Chips in großen Mengen für elektronische % Geräte verwendet.The invention relates to a semiconductor component according to the ι; Preamble of claim 1. Such semiconductor components% are used as so-called chips in large quantities for electronic % devices.
Bekannt ist in der Elektronik die Integration von Ii?.uelementen in Substrate aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien. Dabei werden p- und η-leitende Schichten im Silizium erzeugt, welche die Basis für die elektronischen Schaltungselemente bilden. Durch die Entwicklung der entsprechenden Fertigungsverfahren konnten die Bauelemente zum einen wesentlich miniaturisiert werden, zum anderen wurde durch entsprechende Schaltungstechnik erreicht, daß eine Vielzahl von aktiven und passiven Elementen auf einem Substrat - allgemein als Halbleiterchip bezeichnet - untergebracht werden konnte. Dabei hat sich gezeigt, daß bei einer Steigerung der Packungsdichte und bei entsprechender Leistungsaufnahme dieser Bauelemente Wärme im Haxbleiterchip entsteht, die durch geeignete Kühlverfahren wieder abgeführt werden muß, um die Zuverlässigkeit der Bauelemente im Betrieb zu gewährleisten.The integration of elements is known in electronics in substrates made of silicon or other semiconductor materials. This creates p- and η-conductive layers in the silicon, which form the basis for the electronic circuit elements. By developing the appropriate manufacturing processes On the one hand, the components could be significantly miniaturized, on the other hand, through appropriate circuit technology, a large number of active and passive Elements on a substrate - commonly referred to as a semiconductor chip - could be accommodated. It has been shown that with an increase in the packing density and with a corresponding power consumption of these components heat in the Haxbleiterchip is created by suitable cooling processes must be discharged again to ensure the reliability of the components in operation.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Wärme in zuverlässiger Weise vom Halbleiterteil abzuführen.It is therefore an object of the invention to keep the heat in more reliable Way to dissipate from the semiconductor part.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch angegebenen Maßnahmen. - Aus der Energietechnik sind Bauelemente an sich bekannt, welche unter Verwendung von n- und p-leitenden Materialien dazu dienen, Wärme in Strom umzuwandeln. Dabei werden die bekannten Seebeck-, bzw. Peltier- unC Thomson-Effekte genutzt, und es wurden entsprechende Legierungen entwickelt (z.B. Wismuth-Antimon-Tallur als p-Leiter und Wismuth-Antimon-Selen als n-Lelter). Mit diesen Effekten kann elektrische Energie erzeugt werden, indem einer Wärmequelle Wärmeenergie entzogen wird.According to the invention, this object is achieved by the claim specified measures. - Components are known per se from power engineering which use n- and p-conducting Materials are used to convert heat into electricity. The well-known Seebeck or Peltier and Thomson effects are used here, and corresponding alloys have been developed (e.g. bismuth-antimony-tallur as p-type and bismuth-antimony-selenium as n-type). With these effects, electrical energy can be generated by extracting thermal energy from a heat source.
Die Erfindung beruht also auf der Integration von elektronischem Schaltungselement und thermoelektronischem Kühlelement. Durch diese Integration in einem Bauelement wird die vom einen Element abgegebene Wärme durch das andere Element wieder abgeführt, d.h. das Kühlsystem ist mitintegriert. Da beim thermoelektrischen Kühlelement die Stromumwandlung, d.h. Kühlleistung, mit steigendei Temperatur zunimmt, kann bei entsprechender Dimensionierung und Materialauswahl ein gleichbleibender Betriebstemperaturbereich erzielt werden.The invention is therefore based on the integration of an electronic circuit element and a thermoelectronic cooling element. By this integration in a component, the heat given off by one element is dissipated again through the other element, i.e. the cooling system is also integrated. Since with the thermoelectric cooling element the current conversion, i.e. cooling capacity, increases with i If the temperature increases, a constant operating temperature range can be achieved with appropriate dimensioning and material selection be achieved.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung d°r Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:Further details and advantageous developments of the invention emerge from those described below and In the drawing shown, in no way to be understood as a limitation of the invention, as well as from the subclaims. It shows:
Fig. 1 einen Schnitt durch den Aufbau eines thermoelektrischen Kühlelements, wie es bei der Erfindung verwendet wird, gesehen längs der Linie I-I der Fig. 2,1 shows a section through the structure of a thermoelectric cooling element as used in the invention, seen along the line I-I of Fig. 2,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Kühlelement der Fig. 1,FIG. 2 is a plan view of the cooling element of FIG. 1,
Fig. 3 die Anordnung eines Kühlelements gemäß Fig. 1 und 2 Rücken an Rücken mit einem Halbleitertyp konventioneller Bauart, der mittels Lötkugeln auf einem Trägerelement aufgesetzt ist,3 shows the arrangement of a cooling element according to FIGS. 1 and 2 back-to-back with a semiconductor type more conventional Type that is placed on a carrier element by means of solder balls,
Fig. 4 die Anordnung eines Kühlelements gemäß Fig. 1 und 2 auf der passiven Rückseite eines Halbleiterchips konventioneller Bauart, der mittels Lötkugeln auf einem Trägerelement aufgesetzt ist, 4 shows the arrangement of a cooling element according to FIGS. 1 and 2 on the passive rear side of a semiconductor chip of conventional design which is placed on a carrier element by means of solder balls,
Fig. 5 die Anordnung eines Kühlelements gemäß Fig. 1 und 2 direkt auf einem fertigen Chip, der in üblicher Weise mit Golddrähten angeschlossen ist, und5 shows the arrangement of a cooling element according to FIGS. 1 and 2 directly on a finished chip, which is connected in the usual way with gold wires, and
Fig. 6 die Anordnung eines Kühlelements gemäß Fig. 1 und 2 als integrierender Bestandteil eines konventionellen6 shows the arrangement of a cooling element according to FIGS. 1 and 2 as an integral part of a conventional one
Chips, der mit Golddrähten angeschlossen ist.Chip that is connected with gold wires.
Gleiche oder gleichwirkende Teile werden in den nachfolgenden Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.Parts that are the same or function in the same way are described in the following Figures are each designated by the same reference numerals and are usually only described once.
In den Figuren 1 und 2 sind die beiden Kühlkörper eines aktiven elektrischen Kühlelements 10 mit 11 und 12 bezeichnet. Die Kühlkörper 11, 12 auf der Kaltseite sind angeordnet auf einer p-dotierten Schicht 13 bzw. auf einer η-dotierten Schicht 14. An die beiden Kühlkörper 11 und 12 können elektrische Anschlußleitungen 15 bzw. 16 angeschlossen werden, um Verbindungen zu der p-Schicht 13 bzw. der n-Schicht 14 herzustellen.In FIGS. 1 and 2, the two heat sinks of an active electrical cooling element 10 are denoted by 11 and 12. The heat sinks 11, 12 on the cold side are arranged on a p-doped layer 13 or on an η-doped layer 14. Electrical connection lines can be connected to the two heat sinks 11 and 12 15 and 16 are connected in order to establish connections to the p-layer 13 and the n-layer 14, respectively.
Die p-Schicht 13 und die n-Schicht 14 ragen in die Heißseite 17 des Peltierelements, das auf einem flächigen Halbleiterteil 18 aus Silizium aufgebaut ist. Durch eine epitaxiale Deckschicht 19 ist das Kühlelement 10 nach oben abgedeckt.The p-layer 13 and the n-layer 14 protrude into the hot side 17 of the Peltier element, which is on a flat semiconductor part 18 is made of silicon. The cooling element 10 is covered at the top by an epitaxial cover layer 19.
Die Figuren 3 und 4 zeigen die Einsatzmöglichkeiten des thermoelektrischen Kühlelements 10 nach den Figuren 1 und 2 bei einem Halbleiterelement 22, das mittels Lötkugeln 23 der bekannten C4-Technologie auf einem Trägerelement 24 aufgesetzt ist. Bei Fig. 3 ist das Kühlelement 10 nachträglich auf den fertigen Halbleiterchip 22 aufgesetzt, während bei Fig. 4 das thermoelektrische Kühlelement 10 auf der passiven Rückseite des flächigen Halbleiterteils 22 direkt integriert wurde.Figures 3 and 4 show the possible uses of the thermoelectric Cooling element 10 according to Figures 1 and 2 in a semiconductor element 22, which by means of solder balls 23 of the known C4 technology is placed on a carrier element 24. In Fig. 3, the cooling element 10 is subsequently on the finished Semiconductor chip 22 placed, while in Fig. 4 the thermoelectric cooling element 10 on the passive back of the flat Semiconductor part 22 was integrated directly.
In gleicher Weise ist bei einem durch Golddrähte 29 angeschlossenen und umgekehrt montierten Halbleiterteil 30 gemäß Fig. 5 und 6 die Einsatzmöglichkeit des Kühlelements 10 gezeigt. Bei Fig. 5 ist dieses nachträglich auf dem fertigen Halbleiterteil 30 montiert, während bei Fig. 6 das Kühlelement komplett mit in den eigentlichen Halbleiterchip 30 integriert wurde.In the same way, one is connected by gold wires 29 and the reverse-mounted semiconductor part 30 according to FIGS. 5 and 6 shows the possibility of using the cooling element 10. In Fig. 5 is this is subsequently mounted on the finished semiconductor part 30, while in FIG. 6 the cooling element is completely integrated into the actual Semiconductor chip 30 was integrated.
Die Fig. 3-6 zeigen, wie die Kaltseiten 11 des thermoelektrischen Kühlelements 10 außerhalb der Verkapselung 35 des kompletten3-6 show how the cold sides 11 of the thermoelectric Cooling element 10 outside the encapsulation 35 of the complete
• ■ · *• ■ · *
Bauelements zu liegen kommen, um durch ein möglichst großes Temperaturgcfalle zwischen Kalt- und Heißseite eine entsprechende Kühlleistung durch die Wärme-Strom-Umwandlung zu erhalten.Component come to rest in order to achieve a corresponding temperature drop between the cold and hot side due to the greatest possible temperature drop Maintain cooling capacity by converting heat to electricity.
Durch die Integration der in ihrer Funktion unterschiedlichen Elemente wird in der Einheit eine verbesserte Gesamtkonzeption erreicht mit folgenden Vorteilen:The integration of the elements that differ in their function results in an improved overall concept in the unit achieved with the following advantages:
·· Herabsetzung der entstehenden Wärme. Damit entfallen andere kostspielige Kühleinrichtungen.·· Reduction of the heat generated. This eliminates others expensive cooling equipment.
- Eine höhere Leistungsfähigkeit der elektronischen Schaltung ist möglich.- A higher efficiency of the electronic circuit is possible.
- Eine höhere Integrationsdichte der elektronischen Schaltung ist möglich.- A higher integration density of the electronic circuit is possible.
- Eine Reduzierung der Gesamtleistungsaufnahme ist möglich, da bei einer Vielzahl derartiger Chips durch Parallel- und Serienschaltung der thermoelektrischen Kühlelemente eine Wiederverwendung der abgeführten Energie möglich ist.- A reduction in the total power consumption is possible, since with a large number of such chips by parallel and Series connection of the thermoelectric cooling elements enables the dissipated energy to be reused.
- Eine Erzielung eines gleichmäßigen Temperaturbereichs im Betriebszustand ist möglich.- It is possible to achieve a uniform temperature range in the operating state.
- Eventuelle Geräuschstörungen durch Gebläse entfallen.- There are no noise disturbances from the fan.
Durch die Erfindung erhält man also eine Vielzahl von Vorteilen, und es ist selbstverständlich, daß der Fachmann die dargestellten Ausführungsbeispiele in vielfacher Form abwandeln kann, ohne deshalb den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The invention thus provides a number of advantages, and it goes without saying that those skilled in the art will appreciate those shown Embodiments can modify in many forms without therefore departing from the scope of the invention.
Claims (5)
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