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DE10345157B4 - Wärmeleitende Verpackung von elektronischen Schaltungseinheiten - Google Patents

Wärmeleitende Verpackung von elektronischen Schaltungseinheiten Download PDF

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DE10345157B4
DE10345157B4 DE10345157A DE10345157A DE10345157B4 DE 10345157 B4 DE10345157 B4 DE 10345157B4 DE 10345157 A DE10345157 A DE 10345157A DE 10345157 A DE10345157 A DE 10345157A DE 10345157 B4 DE10345157 B4 DE 10345157B4
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Abstract

Verpackungsmittel (100) zur Verpackung elektronischer Schaltungseinheiten (102), wobei das Verpackungsmittel die elektronische Schaltungseinheit (102) umgibt und elektrisch isolierend ist, mit:
a) in dem Verpackungsmittel (100) dispergierten Partikeln, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen,
b) wobei die in dem Verpackungsmittel (100) dispergierten Partikel als Nanoelemente (101) ausgebildet sind, und
c) mit einer elektrisch isolierenden Ummantelungsschicht (106) versehen sind;
dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101)
d) als Nanoröhrchen bereitgestellt sind; und
e) derart funktionalisiert sind, dass elektrische Leitungseigenschaften der Nanoelemente (101) unterdrückt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verpackungsmittel zur Verpackung elektronischer Schaltungseinheiten. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verpacken elektronischer Schaltungseinheiten.
  • Eine zunehmende Miniaturisierung elektronischer Schaltungseinheiten erfordert es, dass eine effiziente Entwärmung bzw. eine effiziente Wärmeabfuhr der in den elektronischen Schaltungseinheiten umgesetzten Wärme zu der Außenseite eines Gehäuses bzw. einer Verpackung hin erfolgt. Eine Wärmeentwicklung, die bei einem Betrieb von integrierten Schaltungen, welche beispielsweise auf Siliziumbasis betrieben werden, entsteht, muss daher effektiv an die Umgebung abgeführt werden.
  • Der entsprechende Wärmestrom durchläuft dabei eine Reihe von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften. Derartige Materialien umfassen beispielsweise bei einem Halbleistungshalbleiter das Material Silizium mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, ein Gehäusematerial aus einer organischen Pressmasse, das eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist, eine Kupferplatte oder einen metallischer Kühlkörper mit einer entsprechend guten Wärmeleitfähigkeit; oder bei einer Hochleistungs-CPU (Central Processing Unit, zentrale Verarbeitungseinheit) die Materialien Silizium mit guter Wärmeleitfähigkeit, Klebemittel mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und einen Wärmeverteiler mit guter Wärmeleitfähigkeit, ein weiteres Klebemittel mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, eine Kupferplatte mit guter Wärmeleitfähigkeit und einen Kühlkörper mit entsprechend guter Wärmeleitfähigkeit.
  • Da derartige Materialien hinsichtlich des Wärmestroms in Reihe angeordnet sind, gibt das Element mit dem größten thermischen Widerstand bzw. der schlechtesten Wärmeleitfähigkeit ein Maß für eine obere Grenze der Wärmeleitfähigkeit der Verpackung der elektronischen Schaltungseinheit vor. In dem oben genannten Beispiel ist der Kleber bzw. das Gehäusematerial bzw. das Verpackungsmittel der elektronischen Schaltungseinheit das Element, das den größten thermischen Widerstand aufweist.
  • In herkömmlicher Weise sind Materialien, die als thermische Leiter, Klebemittel etc. verwendet werden, als organische Kunststoffe bereitgestellt, wie beispielsweise Epoxide, Polyimide etc. Die Wärmeleitfähigkeit derartiger organischer Kunststoffe beträgt typischerweise 0,2 W/mK. Es ist somit ein Nachteil herkömmlicher Verpackungsmittel, dass deren Wärmeleitfähigkeit einen sehr geringen Wert aufweist. Unter anderem Weise kann die durch die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Schaltungseinheiten entstehende Wärme nicht mehr in ausreichendem Maße abgeführt werden.
  • Zur Behebung dieses Nachteils ist vorgeschlagen worden, die thermische Leitfähigkeit derartiger organischer Kunststoffe durch eine Einbringung von Partikeln oder Clustern zu erhöhen, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Insbesondere ist vorgeschlagen worden, Siliziumpartikel in die organischen Kunststoffe einzubringen, wobei die entstehenden Kompositmaterialien dann Wärmeleitfähigkeiten in dem Bereich um 1 W/mK erreichen (W = Watt, m = Meter, K = Kelvin).
  • 3 zeigt eine herkömmliche Verpackungsvorrichtung zur Verpackung eines Leistungshalbleiters mittels eines Komposit materials, welches Siliziumpartikel enthält. Innerhalb des Verpackungsmittels befindet sich ein Metall als ein Basiskörper, auf welchem ein Siliziumchip (Si-Chip) angebracht ist. Zur elektrischen Kontaktierung dienen elektrische Anschlüsse, die mit dem Siliziumchip über einen Verbindungspfad elektrisch verbunden sind.
  • In nachteiliger Weise ist die in 3 gezeigte Anordnung zur Entwärmung von Leistungshalbleitern bei höheren Wärmeentwicklungen nicht geeignet, da das Kompositmaterial mit dem eingebrachten Silizium-Partikeln eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1 W/mK aufweist.
  • Weiterhin ist vorgeschlagen worden, einen Wärmeverteiler für elektronische Schaltungen vorzusehen, der ein Matrixmaterial umfasst, in welches Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingebracht sind, wie in der US 6 407 922 B1 beschrieben. Derartige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT, Carbon Nano Tube) sind in hohem Maße thermisch leitfähig und wirken sehr effektiv, eine Wärme von einer Schaltungseinheit in einer Richtung abzutransportieren.
  • Weiterhin ist aus der Publikation "Biercuk et al.: Applied Physics Letters, vol. 80, no. 15, p. 2767 ff. (2002) Carbon nanotube composites for thermal management" bekannt, Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Komposite zur Wärmeleitung einzusetzen. Ein Nachteil der offenbarten Vorrichtungen zur Wärmeleitung besteht darin, dass die Komposite mit einem zunehmenden Anteil von Kohlenstoff-Nanoröhrchen elektrisch leitend werden, was dazu führt, dass der Füllungsanteil begrenzt ist.
  • In nachteiliger Weise beträgt der Füllungsanteil von Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei derartigen Wärmeleitungseinrichtungen 0,1 bis 0,2%. Dies führt unzweckmäßiger Weise dazu, dass eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eingeschränkt ist.
  • Es ist somit ein wesentlicher Nachteil herkömmlicher Verfahren und Vorrichtungen zur Verpackung elektronischer Schaltungseinheiten, dass die Verpackungsmittel keine ausreichende Wärmeleitfähigkeit bei einer erforderlichen elektrischen Isolation aufweisen.
  • Die DE 197 56 887 A1 beschreibt einen integrierten Schaltkreis, auf welchem mit einer Kleberschicht ein Chip aus einem Halbleitermaterial befestigt ist. Die Kleberschicht weist einen Füllstoff auf, welcher nanoscalige Partikel umfasst, die leitfähig oder isolierend sein können. Dabei kann der gesamte Chip mit dem Füllstoff umhüllt werden.
  • Die WO 03/0541 958 A1 beschreibt Kühlstrukturen für elektronische Schaltungen. Die Kühlstrukturen weisen Kohlenstoff-Nanorohrchen auf, welche die thermische Leitfähigkeit verbessern sollen.
  • In der JP 2001-098 160 A ist eine als Isolationsmaterial fungierende Harzmischung beschrieben. Die Harzmischung umfasst eine Komponente mit einem Hohlaufbau, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
  • Des Weiteren beschreibt die US 2003/0 026 989 A1 Partikel aus einer Keramik oder einem Metall, welche eine beschichtete Oberfläche aufweisen. Die Partikel können beispielsweise mit einem Oxyd beschichtet sein. Die beschichteten Partikel können als Füllmaterial für Verpackungen elektronischer Systeme verwendet werden.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verpackungsvorrichtung zur Verpackung elektronischer Schaltungseinheiten zu schaffen, die eine ausreichende thermische Leitfähigkeit bei guten Isolationseigenschaften aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verpackungsmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verpacken elektronischer Schaltungseinheiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine hohe Wärmeleitfähigkeit von Nanoelementen, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen, zu nutzen, indem diese in ein Verpackungsmittel einer Verpackungsvorrichtung dispergiert werden, wobei in vorteilhafter Weise eine ausreichende elektrische Isolation durch ein Unterdrücken der elektrischen Leitfähigkeit der Nanoelemente bereitgestellt wird.
  • In zweckmäßiger Weise wird eine Leitfähigkeit der Nanoelemente bzw. der Nanoröhrchen dadurch bereitgestellt, dass die Nanoelemente mit einer elektrisch isolierenden Ummantelungsschicht versehen werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die in dem Verpackungsmittel dispergierten Partikel, die durch die Nanoelemente mit der hohen Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt werden, derart funktionalisiert sind, dass elektrische Leitungseigenschaften der Nanoelemente unterdrückt werden.
  • Nanoelemente, die als Nanoröhrchen ausgebildet sind, weisen entlang ihrer Längsachse eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass es in vorteilhafter Weise möglich ist, die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente in ihrer Längsachse parallel zumindest in einem Wärmestrom, der zwischen der Schaltungseinheit und einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung fließt, ausrichtbar sind.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, eine Länge der Nanoröhrchen deutlich kürzer einzustellen als eine Dicke des Verpackungsmittel für die elektronische Schaltungseinheit. Durch eine Einbringung von Nanoelementen in das Verpackungsmittel wird weiterhin der Vorteil erzielt, dass das gesamte Kompositmate rial durch die Beimischung von Nanoröhrchen äußerst hart und dadurch kratzfest wird.
  • Die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente sind als Nanoröhrchen bereitgestellt. Die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente sind mit einer elektrisch isolierenden Ummantelungsschicht versehen. Somit ist es zweckmäßig, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei einer gleichzeitigen Unterdrückung der elektrischen Leitfähigkeit der dispergierten Partikel erhalten wird. Die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente sind derart funktionalisiert, dass elektrische Leitungseigenschaften der Nanoelemente unterdrückt werden.
  • Bevorzugtermaßen sind die Nanoröhrchen im Wesentlichen aus Kohlenstoff aufgebaut und somit als Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT = Carbon Nano Tube) ausgebildet.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente derart intrinsisch dotiert sind, dass ein metallisches Π-System eliminiert ist.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente als Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) bereitgestellt und mit Stickstoff (N) und/oder mit Bor (B) derart intrinsisch dotiert, dass das metallische Π-System eliminiert ist.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die die dispergierten Partikel bil denden Nanoelemente als Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt, welche eine große Bandlücke aufweisen. Vorzugsweise sind die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente als derartige Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt, welche Bornitrid (BN), Bohr-Kohlenstoffnitrid (BCN) und/oder Vanadiumpentoxid (V2O5) enthalten.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente mit einer Längsachse parallel zu mindestens einem Wärmestrom, der zwischen der Schaltungseinheit und einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung fließt, ausgerichtet.
  • Vorzugsweise weisen die Längsachsen der die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente Ausdehnungen auf, die wesentlich kleiner als eine Dicke des Verpackungsmittels sind.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die elektrisch isolierende Ummantelungsschicht, z. B. Polymere, Tenside, Oxide (SiO2, Ta2O5), welche die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente umgibt, eine Schichtdicke in einem Bereich von 5 nm bis 50 nm (Nanometer) auf.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird das Verpackungsmittel nach einem Umgeben der elektronischen Schaltungseinheit mit dem Verpackungsmittel, in welchem die Partikel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit dispergiert sind, ausgehärtet. Vorzugsweise wird das Aushärten bei einer erhöhten Temperatur bereitgestellt.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmestrom von der Schaltungseinheit zu einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung über das Verpackungsmittel, in welchem die Partikel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit dispergiert sind, transportiert, um die Schaltungseinheit zu kühlen.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmestrom von einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung zu der Schaltungseinheit über das Verpackungsmittel, in welchem die Partikel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit dispergiert sind, transportiert, um die Schaltungseinheit zu erwärmen.
  • Vorzugsweise werden die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente mit einer Längsachse parallel zu mindestens . einem Wärmestrom, der zwischen der Schaltungseinheit und einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung fließt, ausgerichtet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Verpackungsvorrichtung, in welcher ein Leistungshalbleiter als eine elektronische Schaltungseinheit verpackt ist, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Verpackungsvorrichtung, die in einem Flip-Chip-Gehäuse angeordnet ist, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 eine herkömmliche Verpackungsvorrichtung für elektronische Schaltungseinheiten.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
  • Bei der in 1 gezeigten Anordnung ist eine elektronische Schaltungseinheit 102, die auf einem Basiskörper 103 aufgebracht ist, in der erfindungsgemäßen Verpackungsvorrichtung verpackt gezeigt. Die Schaltungseinheit 102 und der Basiskörper 103 bilden beispielsweise einen Leistungshalbleiter derart, dass der Basiskörper 103 aus einem Metall ausgelegt ist, auf welchem ein Siliziumchip (Si-Chip) aufgebracht ist.
  • Zur elektrischen Kontaktierung der Schaltungseinheit 102 dient eine Anschlusseinheit 104, welche mit der Schaltungseinheit 102 über eine Verbindungseinheit 105 verbunden ist. Zur Verpackung des aus der Schaltungseinheit 102 und dem Basiskörper 103 gebildeten Leistungshalbleiters dient ein Verpackungsmittel 100, welches die Schaltungseinheit 102, den Basiskörper 103, die Verbindungseinheit 105 und einen Teil der Anschlusseinheit 104 umgibt. Der nach außen vorstehende Teil der Anschlusseinheit 104 dient einer elektrischen Kontaktierung der Schaltungseinheit 102.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass, um eine Funktionsfähigkeit der Schaltungseinheit 102 aufrecht zu erhalten, eine hohe Isolationsfähigkeit des Verpackungsmittels 100 vorhanden sein muss. Das heißt, das Verpackungsmittel 100 muss einen elektrischen Isolator darstellen, um jegliche Spannungsdurchbrüche, die insbesondere bei Leistungshalbleitern bzw. Leistungsbauteilen auftreten können, zu verhindern.
  • Erfindungsgemäß ist das Verpackungsmittel 100 mit Partikeln versetzt, die in dem Verpackungsmittel 100 dispergiert sind. 1(a) zeigt die Verpackungsvorrichtung 100 mit der elektronischen Schaltungseinheit 102 und den als Nanoelementen 101 ausgebildeten dispergierten Partikeln.
  • 1(b) zeigt ein Detail A der 1(a). In 1(b) ist zu ersehen, dass ein Nanoelement 101 mit einer Ummantelungsschicht 106 versehen ist, welche elektrisch isolierend ist. Auf diese Weise wird es ermöglicht, die sehr guten Wärmeleitungseigenschaften mit einer elektrischen Isolation zu kombinieren. Eine derartige isolierende Umhüllungsschicht bzw. Ummantelungsschicht 106 weist eine Schichtdicke vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 Nanometern (nm) auf, in noch bevorzugterer Weise beträgt die Schichtdicke 25 nm. Bei einer Dicke der Ummantelungsschicht 106 von 25 nm beträgt der Mindestabstand zwischen den Nanoelementen 101, die vorzugsweise aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgebildet sind, 50 nm.
  • Dieser Mindestabstand zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist ausreichend, um eine hervorragende elektrische Isolation des Verpackungsmittels sicherzustellen. Bei Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit typischen Durchmessern von 10 nm beträgt der maximale, geometrisch mögliche Volumenanteil für eine derartige Konfiguration 3% und ist damit wesentlich höher als der Anteil von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in herkömmlichen Verpackungsmitteln, welcher, wie obenstehend erläutert, bei 0,2% bis 0,3% liegt. Ein besonderer Vorteil liegt in der extrem hohen Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in der Größenordnung von 6000 W/mK in axialer Richtung liegt. Bei einer Verringerung der Schichtdicke der Ummantelungsschicht 106 auf 5 nm, welche in manchen Fällen geeignet ist, um eine gute elektrische Isolation sicherzustellen, ergibt sich ein Volumenanteil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Größenordnung von 25%.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass ein Abstand der Kohlenstoff-Nanoröhrchen untereinander lediglich groß genug sein muss, um ein Fließen von Tunnelströmen zu verhindern.
  • Weiterhin ist es möglich, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente derart funktionalisiert werden, dass ein elektrisches Leitungsverhalten der Nanoelemente unterdrückt wird. Dies wird beispielsweise durch ein "Funktionalisieren" von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erreicht. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 1(b) gezeigte Isolierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nur eine Möglichkeit darstellt, die Nanoelemente elektrisch zu isolieren. Bei einem Funktionalisieren (in den Figuren nicht gezeigt) von Kohlenstoff-Nanoröhrchen wird die hohe Wärmeleitfähigkeit des phononischen Systems, d. h. der thermisch angeregten Schwingungen der Gitteratome aufrecht erhalten, da die Wärmeleitfähigkeit weitgehend unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit ist. Die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen beruht auf der Tatsache, dass die Leitungselektronen ein delokalisiertes Π-Elektronensystem ausbilden.
  • Eine derartige Unabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Wärmeleitfähigkeit wird beispielsweise auch in einem Diamant-Material bereitgestellt. Diamant-Material weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die von dem phononischen System des Diamant-Materials getragen wird, während das Diamant-Material ein ausgezeichneter elektrischer Isolator ist. Bei Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist es möglich, das elektronische System durch ein kontrolliertes chemisches Funktionalisieren, d. h. einen chemischen Angriff, beispielsweise mit Halogenen, Schwefel und/oder Sauerstoff-Gruppen derart zu modifizieren, dass der metallische Charakter der Kohlenstoff-Nanoröhrchen unterdrückt wird. Durch eine derartige Funktionalisierung werden die für das phononische System maßgeblichen Bindungsverhältnisse zwischen den Kohlenstoffatomen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen nur wenig beeinflusst.
  • Dies führt dazu, dass die wärmeleitenden Eigenschaften erhalten bleiben, während gleichzeitig eine elektrische Leitfähigkeit eliminiert wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den Figuren nicht gezeigt ist, ist es möglich, die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente 102 derart intrinsisch zu dotieren, dass ein metallisches Π-System eliminiert wird. Ein derartiges intrinsisches Dotieren von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erfolgt beispielsweise mit Stickstoff oder Bor, wodurch das metallische Π-System zerstört wird.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass ein derartiges Funktionalisieren und/oder intrinsisches Dotieren Durchschnittsfachleuten bekannt ist, wie beispielsweise in den Publikationen "Seifert et al.: Applied Physics Letters, vol. 77, p. 1313 ff., (2000): Molecular wires, solenoids, and capacitors by sidewall functionalization of carbon nanotubes" und "Goldberg et al.: Chemical Physics Letters, vol. 308, p. 307 ff. (1999): Single-walled B-doped Carbon, B/N-doped carbon and BN nanotubes synthesized from single-walled carbon nanotubes through substitution reaction" offenbart.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente 102 als Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt, derart, dass eine große Bandlücke entsteht. Derartige Hetero-Nanoröhrchen sind beispielsweise aus einem Material BN (Bornitrid), BCN (Bor-Kohlenstoffnitrid) und/oder V2O5 (Vanadiumpentoxid) mit jeweils großen Energielücken ausgebildet.
  • So beträgt die Energielücke für Bornitrid (BN) beispielsweise 5 eV derart, dass die Bandlücke zu einem elektrisch isolierenden Verhalten führt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bandlücke bei Silizium lediglich < 1 eV beträgt.
  • Hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit weisen die Hetero-Nanoröhrchen die gleiche räumliche Anordnung wie die Atome bekannter Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf. Es ist daher bei den Hetero-Nanoröhrchen eine ähnliche Struktur des phononischen Systems wie bei den Kohlenstoff-Nanoröhrchen gegeben, derart, dass eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit der Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt wird.
  • Durchschnittsfachleuten sind Herstellungsverfahren von beispielsweise Bornitrid-Nanoröhrchen bekannt, wie in der Publikation "Fuentes et al.: Physical Review B, vol. 67, p. 035429 ff. (2003): Electronic structure of multiwall boron nitride nanotubes" offenbart.
  • 2 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Basiskörper 103 ist als ein Halteelement angeordnet, der eine Grundlage eines Flip-Chip-Gehäuses bildet. Der Basiskörper 103 ist beispielsweise aus einem Metall ausgeführt, auf welches das Verpackungsmittel 100 aufgebracht ist, das die Nanoelemente 101 enthält.
  • In der in 2 gezeigten Anordnung ist eine integrierte Schaltungseinheit auf einem Siliziumchip als die Schaltungseinheit 102 angeordnet, die mit Schaltungseinheit-Anschlusselementen 107 versehen ist. Zur Isolation der Schaltungseinheit 102 von dem Basiskörper 103 dient das Verpackungsmittel 100, das erfindungsgemäß mit Nanoelementen 101 versehen ist. Die Nanoelemente 101 stellen, wie bereits unter Bezugnahme auf 1 obenstehend erwähnt, eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit des Verpackungsmittels dar, derart, dass Wärmeströme zwischen dem Basiskörper 103 und der Schaltungseinheit 102 effizient übertragen werden können.
  • Erfindungsgemäß ist eine elektrische Leitfähigkeit der Nanoelemente unterdrückt, derart, dass das Verpackungsmittel 100, das in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein Verbindungsmittel zwischen dem Basiskörper 103 und der Schaltungseinheit 102 fungiert, eine ausreichende elektrische Isolationseigenschaft aufweist.
  • Bezüglich der in 3 dargestellten, herkömmlichen Verpackungsvorrichtung wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.

Claims (20)

  1. Verpackungsmittel (100) zur Verpackung elektronischer Schaltungseinheiten (102), wobei das Verpackungsmittel die elektronische Schaltungseinheit (102) umgibt und elektrisch isolierend ist, mit: a) in dem Verpackungsmittel (100) dispergierten Partikeln, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, b) wobei die in dem Verpackungsmittel (100) dispergierten Partikel als Nanoelemente (101) ausgebildet sind, und c) mit einer elektrisch isolierenden Ummantelungsschicht (106) versehen sind; dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) d) als Nanoröhrchen bereitgestellt sind; und e) derart funktionalisiert sind, dass elektrische Leitungseigenschaften der Nanoelemente (101) unterdrückt sind.
  2. Verpackungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhrchen im wesentlichen aus Kohlenstoff aufgebaut und als Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) ausgebildet sind.
  3. Verpackungsmittel nach einem Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) derart intrinsisch dotiert sind, dass ein metallisches Π-System eliminiert ist.
  4. Verpackungsmittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) als Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) bereitgestellt sind und mit Stickstoff (N) und/oder mit Bor (B) derart intrinsisch dotiert sind, dass das metallisches Π-System eliminiert ist.
  5. Verpackungsmittel nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) als Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt sind, welche eine große Bandlücke aufweisen.
  6. Verpackungsmittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) als Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt sind, welche Bornitrid (BN), Bor-Kohlenstoffnitrid (BCN) und/oder Vanadiumpentoxid (V2O5) enthalten.
  7. Verpackungsmittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) mit einer Längsachse parallel zu mindestens einem Wärmestrom, der zwischen der Schaltungseinheit (102) und einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung fließt, ausgerichtet sind.
  8. Verpackungsmittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) in ihren Längsachsen Ausdehnungen aufweisen, die wesentlich kleiner als eine Dicke des Verpackungsmittels sind.
  9. Verpackungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Ummantelungsschicht (106), welche die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) umgibt, eine Schichtdicke in einem Bereich von 20 nm bis 30 nm aufweist.
  10. Verfahren zum Verpacken elektronischer Schaltungseinheiten (102), mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Verpackungsmittels (100), das elektrisch isolierend ist; b) Dispergieren von Partikeln, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, in dem Verpackungsmittel (100); und c) Umgeben der elektronischen Schaltungseinheit (102) mit dem Verpackungsmittel (100), in welchem die Partikel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit dispergiert sind, d) wobei die in dem Verpackungsmittel (100) dispergierten Partikel als Nanoelemente (101) bereitgestellt werden, e) wobei die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) mit einer elektrisch isolierenden Ummantelungsschicht (106) überzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) als Nanoröhrchen bereitgestellt werden und dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) derart funktionalisiert werden, dass elektrische Leitungseigenschaften der Nanoelemente (101) unterdrückt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpackungsmittel nach einem Umgeben der elektronischen Schaltungseinheit (102) mit dem Verpackungsmittel (100), in welchem die Partikel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit dispergiert sind, ausgehärtet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmestrom von der Schaltungseinheit (102) zu einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung über das Verpackungsmittel (100), in welchem die Partikel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit dispergiert sind, transportiert wird, um die Schaltungseinheit (102) zu kühlen.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmestrom von einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung zu der Schaltungseinheit (102) über das Verpackungsmittel (100), in welchem die Partikel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit dispergiert sind, transportiert wird, um die Schaltungseinheit (102) zu erwärmen.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhrchen im wesentlichen aus Kohlenstoff in der Form von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) hergestellt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) derart intrinsisch dotiert werden, dass ein metallisches Π-System eliminiert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) als Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) bereitgestellt werden und mit Stickstoff (N) und/oder mit Bor (B) derart intrinsisch dotiert werden, dass das metallisches Π-System eliminiert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) als Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt werden, welche eine große Bandlücke aufweisen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) als Hetero-Nanoröhrchen bereitgestellt werden, welche Bornitrid (BN), Bor-Kohlenstoffnitrid (BCN) und/oder Vanadiumpentoxid (V2O5) enthalten.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) mit einer Längsachse parallel zu mindestens einem Wärmestrom, der zwischen der Schaltungseinheit (102) und einer Außenseite der Verpackungsvorrichtung fließt, ausgerichtet werden.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die die dispergierten Partikel bildenden Nanoelemente (101) in ihren Längsachsen Ausdehnungen aufweisen, die wesentlich kleiner als eine Dicke des Verpackungsmittels sind.
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