WO2012038121A1 - Flip-chip anordnung mit einem kühlelement und verfahren zur herstellung einer flip-chip anordnung - Google Patents

Flip-chip anordnung mit einem kühlelement und verfahren zur herstellung einer flip-chip anordnung Download PDF

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Definitions

  • Circuit board to be glued or soldered. Compared to the usual packaging, the chip is then reversed, ie with the active top side down, on the
  • Cooling elements according to the prior art usually have a higher thermal expansion coefficient than the flip-chip. If the flip-chip is adhesively bonded to the cooling element, then the system will become attached
  • Cooling element bonding which can damage the solder connection to the circuit carrier or the flip-chip itself.
  • the flip-chip can be connected to the cooling element instead of via a bond via a liquid or permanently elastic heat-conducting medium.
  • the cooling element must be pressed by suitable means on the flip-chip.
  • 5,610,442 discloses in a first variant a conventional chip arrangement in which the chip rests on a circuit carrier with the underside and is connected to the circuit carrier by means of bonding wires on the top side of the chip.
  • a planar substrate is glued, on which in turn an external heat sink is arranged.
  • the planar substrate comprises a rigid material such as silicon, ceramic or metal to serve automated handling of the chip. If the coefficient of thermal expansion of the planar material is different than that of the active die, a suitable adhesive of appropriate thickness may be used to avoid shear stresses due to differential thermal expansion.
  • the chip, the bonding wires and the side surfaces of the planar substrate are encapsulated.
  • US Pat. No. 5,610,442 discloses, in a second variant, a flip-chip arrangement in which the chip is soldered with the top side onto a circuit carrier. On an central partial surface of the underside of the chip, an external heat sink is arranged.
  • the flip-chip variant expressly does not use the planar substrate of the conventional variant.
  • the chip and the solder connection are encapsulated.
  • the flip-chip arrangement according to the invention has the advantage that a cooling element can be bonded to the flip-chip with a very thin adhesive layer, without mechanical stresses acting on the flip-chip as a result of this bonding in the event of temperature changes.
  • a cooling element has only a relatively small geometric extent and is used only as a spreading element to the
  • FIG. 1 is a schematic representation of a flip-chip arrangement according to a
  • Embodiment of the present invention shows
  • Fig. 2 is a schematic representation of a flip-chip arrangement according to another
  • Embodiment of the present invention shows.
  • Fig. 1 shows a flip-chip assembly 10 with a flip-chip 1 1 with contact surfaces 12 on an upper side 13 and on a lower side 14 of the flip-chip 1 1 arranged cooling element 15 according to an embodiment of the present invention.
  • the flip Chip 1 1 is by means of solder balls 16 on contact surfaces 12 with a circuit carrier 17,
  • the cooling element 15 is connected to the flip-chip 1 1 via an adhesive layer 19, which extends over the entire underside 14 of the flip-chip 11.
  • the cooling element 15 covers the entire bottom 14 of the flip-chip and extends laterally beyond the bottom 14 of the flip-chip 1 1 addition.
  • the cooling element 15 is made of a material which has a similar thermal expansion coefficient as the material of the flip-chip 1 1.
  • the cooling element 15 is made of graphite in this example. Alternative materials include ceramics and other materials
  • the flip-chip assembly 10 has the advantage that the cooling element 15 can be glued to the flip-chip 1 1 with a very thin adhesive layer 19, without mechanical stresses acting on the flip chip 1 1 by this bond with temperature changes.
  • Fig. 2 shows a flip-chip assembly 20 according to another embodiment of the present invention.
  • Flip-chip 21 is connected in the same way as flip-chip 1 1 of FIG. 1 to the circuit board 18.
  • a cooling element 22 is connected to the flip-chip 21 via an adhesive layer 23, which extends over the entire underside 24 of the flip-chip 21.
  • the cooling element 22 covers the entire underside 24 of the flip-chip and extends laterally beyond the bottom 24 of the flip-chip 21.
  • the cooling element 22 is now designed as a spreading element 25, which forms a heat connection to a heat sink 26.
  • the cooling element 22 is connected to the heat sink 26 by means of an elastic heat conducting medium in the heat conducting layer 27.
  • the cooling element 22 is made of a material which has a similar thermal expansion coefficient as the material of the flip-chip 21.
  • the cooling element 15 is made of graphite in this example.
  • the cooling element 22 has only a relatively small geometric extent and is used only as a spreading element 25 in order to increase the cross-sectional area in the heat flow direction.
  • the area of the heat-conducting layer 27 is much larger than the area of the adhesive layer 23 or the
  • the heat sink 26 may be an external heat sink, for example a housing part.
  • FIG. 3 shows in flowchart 30 the method for producing a flip-chip arrangement with a flip-chip having contact surfaces on an upper side and a cooling element arranged on the underside of the flip-chip according to an embodiment of the present invention.
  • the process begins with the process step
  • cooling element consists of a material which has a similar coefficient of thermal expansion as the material of the flip-chip.
  • the cooling element is glued to the underside of the flip-chip by means of adhesive.
  • the cooling element preferably comprises a material of ceramic and materials
  • Carbon base in particular the material graphite or the material aluminum with Carbon fibers, on.
  • a heat sink is arranged on the cooling element, wherein advantageously the cooling element is connected to the heat sink by means of an elastic heat conduction medium.

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

In einer Flip-Chip Anordnung (10, 20) mit einem Flip-Chip (11, 21) mit Kontaktflächen (12) auf einer Oberseite (13) und einem auf der einer Unterseite (14, 24) des Flip-Chip angeordneten Kühlelement (15, 22), besteht das Kühlelement (15, 22) aus einem Material, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip (11, 21) aufweist. Bevorzugte Materialien sind Keramik und Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern. Das Kühlelement (22) kann als Spreizelement (25) ausgeführt und mit einem externen Kühlkörper (26) mittels eines elastischen Wärmeleitmediums (27) verbunden werden.

Description

Beschreibung
Titel
Flip-Chip Anordnung mit einem Kühlelement und Verfahren zur Herstellung einer Flip-Chip Anordnung
Stand der Technik
Halbleiterbauelemente aus Silizium oder ähnlichen Halbleitermaterialien werden
üblicherweise in Gehäuse verpackt, die dann auf Schaltungsträger gelötet werden. Zum Wärmetransport werden in die Gehäuse oft Kupferbleche integriert, auf die die Halbleiter geklebt werden. In manchen Fällen werden die Halbleiterbauelemente auch als unverpackte Chips, "Bare Die", mit der Rückseite auf Schaltungsträger aus Keramik geklebt und dann auf der aktiven Vorderseite an den Schaltungsträger gebondet. Daneben gibt es noch die so genannte Flip-Chip-Technik, bei der die Chips mit der aktiven Seite direkt auf den
Schaltungsträger geklebt oder gelötet werden. Gegenüber den üblichen Verpackungen liegt der Chip dann umgedreht, also mit der aktiven Oberseite nach unten, auf dem
Schaltungsträger. Ohne zusätzliche Maßnahmen dürfen Flip-Chips nur eine begrenzte
Verlustwärme erzeugen, da die Wärme nicht flächig abgeführt werden kann, sondern nur über die Anschlusspunkte. Wenn Flip-Chips größere Verlustleistungen erzeugen, dann müssen sie über die Rückseite gekühlt werden. Dazu werden üblicherweise nach dem Löten metallische Kühlelemente auf die Rückseite geklebt oder angepresst, wobei der Klebe- oder Anpressspalt möglichst klein sein muss, um den Wärmewiderstand so klein wie möglich zu halten. Die Kühlelemente sind oft mit einem Gehäuse verbunden, das den gesamten
Schaltungsträger umschließt. Kühlelemente nach Stand der Technik haben meistens einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Flip-Chip. Wird der Flip-Chip durch Klebung fest mit dem Kühlelement verbunden, dann wird das System bei
Temperaturwechseln einem mechanischen Stress ausgesetzt, der entweder die
Kühlelement-Klebung, die Lötverbindung zum Schaltungsträger oder den Flip-Chip selbst schädigen kann. Als Abhilfe kann der Flip-Chip statt über eine Klebung über ein flüssiges oder dauerelastisches Wärmeleitmedium mit dem Kühlelement verbunden werden. Dabei muss das Kühlelement über geeignete Mittel auf den Flip-Chip gepresst werden. Diese Mittel sind meistens relativ aufwändig. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Schichtdicke des flüssigen oder dauerelastischen Wärmeleitmediums über die Lebensdauer nicht konstant ist oder nur mit aufwändigen Maßnahmen so klein gehalten werden kann, dass auch der Wärmewiderstand dieser Schicht ausreichend klein ist. Die US 5,610,442 offenbart in einer ersten Variante eine konventionelle Chip Anordnung, bei der der Chip mit der Unterseite auf einem Schaltungsträger aufliegt und mittels Bonddrähten auf der Oberseite des Chips an den Schaltungsträger angeschlossen ist. Auf eine zentrale Teilfläche der Oberseite des Chips ist ein planares Substrat geklebt, worauf wiederum ein externer Kühlkörper angeordnet ist. Das planare Substrat weist ein steifes Material wie Silizium, Keramik oder Metall auf, um der automatisierten Handhabung des Chips zu dienen. Falls der thermische Ausdehnungskoeffizient des planaren Materials verschieden von dem des aktiven Dies ist kann ein geeigneter Klebstoff in geeigneter Dicke verwendet werden, um Scherspannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zu vermeiden. Der Chip, die Bonddrähte und die Seitenflächen des planaren Substrats sind gekapselt.
Die US 5,610,442 offenbart in einer zweiten Variante eine Flip-Chip Anordnung, bei der der Chip mit der Oberseite auf einen Schaltungsträger gelötet ist. Auf einer zentralen Teilfläche der Unterseite des Chips ist ein externer Kühlkörper angeordnet. Die Flip-Chip Variante verwendet ausdrücklich nicht das planare Substrat der konventionellen Variante. Der Chip und die Lötverbindung sind gekapselt.
Offenbarung der Erfindung Dagegen hat die erfindungsgemäße Flip-Chip Anordnung den Vorteil, dass ein Kühlelement mit dem Flip-Chip mit einer sehr dünnen Klebeschicht verklebt werden kann, ohne dass durch diese Klebung bei Temperaturänderungen mechanische Spannungen auf den Flip- Chip wirken. In einer Ausführungsform der Erfindung hat ein Kühlelement nur eine relativ geringe geometrische Ausdehnung und wird lediglich als Spreizelement verwendet, um die
Querschnittsfläche in Wärmeflussrichtung zu vergrößern. Vorteilhaft ist darin bei größerer Querschnittsfläche im weiteren Verlauf des Wärmepfades die Schichtdicke einer
nachfolgenden flüssigen oder dauerelastischen Koppelschicht zu übergeordneten Kühlkörpern sehr viel weniger kritisch, d.h. durch den größeren Querschnitt bleibt der Wärmewiderstand einer solchen Schicht auch bei größerer Schichtdicke ausreichend klein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Flip-Chip Anordnung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Flip-Chip Anordnung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 3 ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 stellt eine Flip-Chip Anordnung 10 mit einem Flip-Chip 1 1 mit Kontaktflächen 12 auf einer Oberseite 13 und einem auf der einer Unterseite 14 des Flip-Chip 1 1 angeordneten Kühlelement 15 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Flip-Chip 1 1 ist mittels Lotkugeln 16 auf Kontaktflächen 12 mit einem Schaltungsträger 17,
beispielsweise einer Leiterplatte 18, verbunden. Das Kühlelement 15 ist mit dem Flip-Chip 1 1 über eine Klebstoff-Schicht 19, welche sich über die gesamte Unterseite 14 des Flip-Chip 1 1 erstreckt, verbunden. Das Kühlelement 15 deckt die gesamte Unterseite 14 des Flip-Chip ab und erstreckt sich seitlich über die Unterseite 14 des Flip-Chip 1 1 hinaus. Das Kühlelement 15 besteht aus einem Material, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip 1 1 aufweist. Das Kühlelement 15 besteht in diesem Beispiel aus Graphit. Alternative Materialien sind Keramik und andere Werkstoffe auf
Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern. Die erfindungsgemäße Flip-Chip Anordnung 10 hat den Vorteil, dass das Kühlelement 15 mit dem Flip-Chip 1 1 mit einer sehr dünnen Klebeschicht 19 verklebt werden kann, ohne dass durch diese Klebung bei Temperaturänderungen mechanische Spannungen auf den Flip- Chip 1 1 wirken. Fig. 2 zeigt eine Flip-Chip Anordnung 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Flip-Chip 21 ist in gleicher Weise wie Flip-Chip 1 1 aus Fig. 1 mit der Leiterplatte 18 verbunden. Wiederum ist ein Kühlelement 22 mit dem Flip-Chip 21 über eine Klebstoff-Schicht 23, welche sich über die gesamte Unterseite 24 des Flip-Chip 21 erstreckt, verbunden. Das Kühlelement 22 deckt die gesamte Unterseite 24 des Flip-Chip ab und erstreckt sich seitlich über die Unterseite 24 des Flip-Chip 21 hinaus. Das Kühlelement 22 ist jedoch nun als Spreizelement 25 ausgeführt, welches eine Wärmeverbindung zu einem Kühlkörper 26 bildet. Das Kühlelement 22 ist mit dem Kühlkörper 26 mittels eines elastischen Wärmeleitmediums in Wärmeleit-Schicht 27 verbunden. Das Kühlelement 22 besteht aus einem Material, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip 21 aufweist. Das Kühlelement 15 besteht in diesem Beispiel aus Graphit.
Alternative Materialien sind Keramik und andere Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis,
insbesondere das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern. Das Kühlelement 22 hat nur eine relativ geringe geometrische Ausdehnung und wird lediglich als Spreizelement 25 verwendet, um die Querschnittsfläche in Wärmeflussrichtung zu vergrößern. Die Fläche der Wärmeleit-Schicht 27 ist viel größer als die Fläche der Klebstoff-Schicht 23 bzw. der
Unterseite 24 des Flip-Chip 21 , daher bleibt der der Wärmewiderstand der Wärmeleit-Schicht 27 auch bei größerer Schichtdicke ausreichend klein und eine gute Wärmeleitung der Wärme von Flip-Chip 21 zum Kühlkörper 26 wird erreicht. Der Kühlkörper 26 kann ein externer Kühlkörper, beispielsweise ein Gehäuseteil, sein.
Fig. 3 zeigt in Flussdiagramm 30 das Verfahrens zur Herstellung einer Flip-Chip Anordnung mit einem Flip-Chip mit Kontaktflächen auf einer Oberseite und einem auf der Unterseite des Flip-Chip angeordneten Kühlelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beginnt mit dem Verfahrensschritt
a) Positionieren des Flip-Chip so, dass die Unterseite frei zugänglich ist. Anschließend folgt Verfahrensschritt
b) Anordnen des Kühlelements auf der Unterseite, wobei das Kühlelement aus einem Material besteht, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip aufweist.
Vorteilhaft wird das Kühlelement auf die Unterseite des Flip-Chip mittels Klebstoff aufgeklebt.
Das Kühlelement weist vorzugsweise ein Material aus Keramik und Werkstoffe auf
Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern, auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf dem Kühlelement ein Kühlkörper angeordnet, wobei vorteilhaft das Kühlelement mit dem Kühlkörper mittels einem elastischen Wärmeleitmedium verbunden wird.

Claims

Ansprüche
Flip-Chip Anordnung (10, 20) mit einem Flip-Chip (1 1 , 21 ) mit Kontaktflächen (12) auf einer Oberseite (13) und einem auf der einer Unterseite (14, 24) des Flip-Chip
angeordneten Kühlelement (15, 22), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) aus einem Material besteht, welches einen ähnlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip (1 1 , 21 ) aufweist.
Flip-Chip Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) die gesamte Unterseite (14, 24) des Flip-Chip (1 1 , 21 ) abdeckt.
Flip-Chip Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kühlelement (15, 22) seitlich über den Flip-Chip (1 1 , 21 ) hinaus erstreckt.
Flip-Chip Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) auf die Unterseite des Flip-Chip (1 1 , 21 ) mittels Klebstoff (14, 24) aufgeklebt ist.
Flip-Chip Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15, 22) ein Material aus der Gruppe Keramik und Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern, aufweist.
Flip-Chip Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass auf dem Kühlelement (22) ein Kühlkörper (26) angeordnet ist.
7. Flip-Chip Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (15) mit dem Kühlkörper (26) mittels einem elastischen Wärmeleitmedium (27) verbunden ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Flip-Chip Anordnung mit einem Flip-Chip mit
Kontaktflächen auf einer Oberseite und einem auf einer Unterseite des Flip-Chip angeordneten Kühlelement, mit den Verfahrensschritten a) Positionieren des Flip-Chip so, dass die Unterseite frei zugänglich ist; b) Anordnen des Kühlelements auf der Unterseite, wobei das Kühlelement aus einem Material besteht, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Flip-Chip aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement auf die Unterseite des Flip-Chip mittels Klebstoff aufgeklebt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement ein Material aus der Gruppe Keramik und Werkstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere das Material Graphit oder das Material Aluminium mit Kohlenstofffasern, aufweist.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kühlelement ein Kühlkörper angeordnet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Kühlelement mit dem Kühlkörper mittels einem elastischen Wärmeleitmedium verbunden wird.
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