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DE2748350A1 - Waermeableitvorrichtung fuer monolithisch integrierte halbleiterschaltungen - Google Patents

Waermeableitvorrichtung fuer monolithisch integrierte halbleiterschaltungen

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DE2748350A1
DE2748350A1 DE19772748350 DE2748350A DE2748350A1 DE 2748350 A1 DE2748350 A1 DE 2748350A1 DE 19772748350 DE19772748350 DE 19772748350 DE 2748350 A DE2748350 A DE 2748350A DE 2748350 A1 DE2748350 A1 DE 2748350A1
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solder
heat dissipation
semiconductor wafer
dissipation device
heat
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DE19772748350
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Kailash Chandra Joshi
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International Business Machines Corp
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Description

AnmelderIn: International Business Machines
Corporation, Arnonk, N.Y. 10504 ne/bm
Wärmeableitvorrlchtung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeableitvorrichtung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen.
Die wirksame Abfuhr von in monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen erzeugter Wärme stellt eine sehr bedeutende Begrenzung für den Entwurf derartiger Schaltungen dar. Ohne eine wirksame Wärmeableitvorrichtung sind die Schaltgeschwindigkeit und die Leistungsaufnahme einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung stark begrenzt. Bei früheren Halbleiterbauelementen wurde das Problem dadurch gelöst, daß eine der Elektroden sowohl einen thermischen als auch einen elektrischen direkten Kontakt zur Umgebung besaß und dadurch die Elektrode mit einer wirksamen Wärmeableitvorrichtung, wie beispielsweise einer mit Zähnen versehenen Wärmesenke, verbunden war. Dies war besonders zweckmäßig, wenn die Elektrode beispielsweise auf Brdpotential gehalten werden konnte. Typische diskrete Halbleiterbauelemente dieser Konfiguration sind in den US-Patenten 3 719 862 und 3 836 825 beschrieben. Dieser Weg wurde auch bei einigen der frühen Lösungsversuche zur Abfuhr der in integrierten Halbleiterschaltungen erzeugten Wärme beschriften. Beispielsweise ist in eines Artikel "Conduction Cooled Heat Plate for Modular Circuit Package", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13, Nr. 2, Juli 1970 ein Kühlverfahren beschrieben, bei dem eine durch Konduktion gekühlte isothermische Wärmeplatte verwendet wird, die metallurgisch über ein geeignetes Metall mit den verschiedenen Halbleiterplättchen einer integrierten Schaltungsanordnung verbunden ist. Bei dieser Lösung als auch bei der
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Lösung mit den diskreten Bauelementen nach dem Stand der Technijc wird dann das Halbleiterplättchen auf dem Potential der Wärmeplatte festgehalten, die sich häufig auf Erdpotential befand.
In den Fällen, in denen ein Stutzen direkt mit dem Halbleiterplättchen verbunden ist, treten verschiedene Beanspruchungen während der natürlichen Wärmezyklen auf, die die Bauelemente erfahren. Diese wiederholten Beanspruchungen verursachen Ermüdungserscheinungen in den verschiedenen Verbindungen innerhalb der Bauelemente, was zu Ausfällen der Bauelemente führen kann. Es gibt jedoch viele Fälle, in denen ein Halbleiterplättchen mit integrierten Schaltungen nicht auf Erdpotential gehalten werden kann oder auf dem Potential der Wärmesenke, was ein bedeutendes Problem darstellt, da die meisten guten Wärmeableitvorrichtungen auch gute elektrische Leiter sind. Bei vielen der gegenwärtigen Entwürfe für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungsanordnungen ist die integrierte Schaltung an diskreten Verbindungspunkten mit einem geeigneten Substrat verbunden und befindet sich in einer durch eine Abdeckhaube abgedichteten Atmosphäre eines inerten Gases. In diesen Anordnungen sind die einzigen Wege für die Wärme die Konvektion durch das inerte Gas zu der Abdeckhaube und die Konduktion durch die diskreten Verbindungspunkte mit dem Substrat. Diese stellen oft sehr bedeutende Wärmewiderstände dar, die die Verlustleistung der Schaltungsanordnung stark begrenzen. Diese Beschränkungen sind noch ernster für Anordnungen, bei denen die Halbleiterplättchen durch eine Reihe von Löttropfen oder Lotkugeln auf der aktiven Seite des Halbleiterplättchens mit dem Substrat verbunden sind. Hier sind die durch die Löttröpfchen gebildeten Flächen für die Wärmeableitung sehr klein und gewöhnlich nicht ausreichend für Schaltungsanordnungen größerer Leistung. Während es möglich ist, die Wärmeableitung von einem Halbleiterplättchen durch metallurgisches Verbinden der Rückseite des Halbleiterplättchens mit der Haube zu verbessern, führt es zu einer
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EN 97b 027
Reihe von Beanspruchungen für die Schaltungsanordnung und zu einem ernsthaften Zuverlässigkeitsproblem. Außerdem wird dadurch die elektrische Isolation an der Grenzfläche beseitigt. Darüberhinaus ist es, wenn die Kosten für die Schaltungsanordnung steigen, erwünscht, schadhafte Schaltungsanordnungen ausbessern zu können. Dies ist jedoch schwierig, wenn eine metallurgische Verbindung auf beiden Seiten der Schaltungsanordnung besteht, nämlich zu dem Substrat und zum Gehäuse.
Das Problem kann noch verschärft werden bei Moduln mit mehreren Halbleiterschaltungsplättchen, insbesondere, wenn sie auf einem Siliciumsubstrat befestigt sind. Es ist äußerst schwierig, eine metallurgische Bindung zwischen einem großen Siliciumsubstrat und einer Wärmesenke vorzusehen, ohne daß Risse in dem Substrat auftreten und daher ist es in der Praxis wirtschaftlich unmöglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeableitvorrichtung für eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltungsanordnung anzugeben, die die vorher genannten Nachteile nicht besitzt und insbesondere einen niedrigen Wärmewiderstand aufweist, während gleichzeitig ein hoher elektrischer Widerstand für die monolithisch integrierte Halbleiterschaltungsanordnung beibehalten wird und die auch eine Reparatur der Schaltungsanordnung ermöglicht sowie die Beanspruchung^ der monolithisch integrierten Halbleiterschaltung auf ein Minimum zurückführt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Wärmeableitvorrichtung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen gelöst, die die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Aueführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit d«n Zeichnungen näher beschrieben, von denen «eigen: 80981S/0753
EN 976 Ο27
Fig. 1 einen Querschnitt einer Abdeckhaube und eines Stiftes gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt einer monolithisch integrierten Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung vor dem Berühren des Stiftes und des Halbleiterplättchens;
Fig. 3 einen Querschnitt einer vollständigen monolithisch integrierten Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer vollständigen monolithisjch integrierten Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines anderen Ausführungsbeispieles einer mehrere Halbleiterplättchen enthaltenden integrierten Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und
Fig. 6 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispieles einer integrierten Schaltungsanordnung mit einem großen Träger für eine Reihe von Halbleiterplättchen .
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung aus einer Abdeckhaube mit einem eingesetzten Stift dargestellt, die aus einer wärmeleitenden Abdeckhaube 11 mit einer in ihrem oberen Teil befindlichen öffnung besteht, in die ein leitender Stift 13 eingesetzt ist. Eine Lötverbindung 15 aus einem niedrig schmelzenden Lot ist um die öffnung im oberen Teil der Abdeckhaube 11 in der Nachbarschaft des Stiftes 13 vorgesehen und ein Löttropfen 17 aus einem niedrigschmelzenden Lot befindet sich auf dem unteren Ende des Stiftes 13. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, kann die Abdeckhaubenanordnung 11 auf ein mit Anschlußstiften versehenes Substrat 18 aufgesetzt 809819/0753 *—
werden, das In geeigneter Heise mit Leiterzügen versehen ist, um für Verbindungen von dem auf ihm angeordneten Halbleiterplättchen 19 mit einer geeigneten Schaltwarte über die An-Bchlußstifte 21 zu sorgen. Eine Dichtung 23 ist zwischen den Enden des Substrates 18 und der Abdeckhaube 11 vorgesehen. Die Dichtung 23 kann eine hermetische Dichtung sein und in dem das Halbleiterplättchen 19 umgebenden Raum 25 kann sich ein unter niedrigem Druck stehendes Gas oder ein inertes Gas befinden. In diesem Zustand der Anordnung befindet sich der Stift 13 mit seinem Löttropfen 17 in einer geeigneten Entfernung von der oberen Fläche des Halbleiterplättchens
Der nächste Schritt besteht darin, die Anordnung soweit zu erwärmen, daß das niedrigschmelzende Lot 15, 17 schmilzt und falls notwendig für einen gesteuerten Druck auf den Stift 13 zu sorgen, um ihn in direkten Kontakt mit dem Halbleiterplättchen 19 zu bringen, wie das aus Fig. 3 zu ersehen ist.
Sodann wird die Anordnung auf die Umgebungstemperatur abgekühlt Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, zieht sich die Lötspitze 17 beim Abkühlen etwas von der oberen Fläche des Halbleiterplättchens 19 zurück und sorgt für einen Spalt 29 im Submikrometerbereich, der aufgrund der Zusammenziehung des Lotes und der Nichtbenetrbarkeit geschaffen wird, die an der Grenzfläche des Lotes 17 und der oberein Fläche des Halbleiterplättchens 19 besteht.
Da die Abdeckhaube 11 und der Stift 13 «as dem gleichen Metall bzw. der gleichen Legierung hergestellt werden können, führt jeder Wärmezyklus nur zu einer ulibedeutenden Änderung des Spaltes 29 zwischen dem Löt tropf en 17 und dem Halbleiterplättchen 19. Darüberhinaus verhindert der Spalt 29, daft irgendwelche Beanspruchungen von -Ass) Stift auf das Halbleiterplättchen während der Erwärmung Übertragen werden. On die
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elektrische Isolation zwischen dem Löttropfen 17 und den HaIbleiterplättchen 19 sicherzustellen, kann, wenn das erwünscht ist, auf der oberen Fläche des Halbleiterplättchens 19 eine Siliciumdioxidschicht, eine Beschichtung aus einem Epoxidharz oder eine Versiegelung vorgesehen werden. \
Das Konzept der Erfindung kann auch, wie das in den Fign. I 5 und 6 dargestellt ist, auf Module Anwendung finden, die j mehrere Halbleiterplättchen tragen. In Fig. 5 ist eine Reihe von Halbleiterplättchen 41, 43 über Löttropfen 47 mit einem | Substrat 45 verbunden und nicht dargestellte geeignete Leiter- ; züge auf der Oberfläche des Substrates 45 sorgen für die gewünschten Verbindungen zwischen den Halbleiterplättchen 41, 43 und den Randverbindungspunkten 49. In der Abdeckhaube 51 sind eine Reihe von Stiften 53, 55, 57, 58, 59 und 60 eingesetzt, die' gleitbar angebracht sind, so daß, wenn das Lot 61, das die Stifte umgibt, bis zu seinem Schmelzpunkt erwärmt wird, die Stifte in der gleichen Weise mit den Halbleiterplättchen in Kontakt gelangen, wie das in den Fign. 2 bis 4 dargestellt ist. Wieder entsteht beim Abkühlen ein Spalt im Submikroraeterbereich zwischen den Löttropfen 63 an den Enden der Stifte und der oberen Fläche der Halbleiterplättchen 41, 43. Wie leicht zu ersehen ist, hat diese mehrere Halbleiterplättchen enthaltende Konfiguration den gleichen Grad an Stabilität hinsieht lieh der Abmessungen wie die vorher erläuterten Anordnungen und besitzt auch eine verbesserte Reparaturmöglichkeit, da die Abdeckhaube 51 und die Stifte 53, 55, 57, 58, 59 und 60 vom Rest der Anordnung entfernt werden können, ohne daß dieser harten Beanspruchungen ausgesetzt wird.
Eine weitere Anwendung der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt Ein aus Silicium bestehendes Substrat 63 enthält eine Reihe von Halbleiterplättchen 65 mit monolithisch integrierten Schaltungen, die auf dem Substrat befestigt sind. Die Gesamtanzahl solcher auf dem Substrat befestigter Halblelter-
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!plättchen kann einige zehn oder sogar einige hundert betragen. !Bei einem so großen Siliciumsubstrat ist es unmöglich, eine vollständige metallurgische Bindung an das Substrat vorzusehen, ohne es zu beschädigen. Daher ist ein metallischer Wärmeaustauscher 67 mit der Unterseite des Substrates 63 Über einen Stempel 69 verbunden, wobei die Verbindung verhältnismäßig kleine Abmessungen aufweist, um keine Risse usw. zu verursachen. Danach wird eine Reihe von Stiften 71 mit Lottropfen an den Enden, welche Stifte in öffnungen 75 des Wärmeaustauschers 76 sich befinden, in Kontakt mit der Unterseite des Substrates 63 gebracht durch Erhitzen der Anordnung, um das niedrigschmelzende Lot zu schmelzen, was den Löttropfen 73 jan den Enden der Stifte 71 erlaubt, in innigen Kontakt mit
der Unterseite des Trägers 63 zu gelangen. Die Wärme kann von dem Wärmeaustauscher 76 durch verschiedene Vorrichtungen entfernt werden einschließlich einer zirkulierenden Flüssigkeit, wie z.B. Wasser.
Es sei bemerkt, daß die Erfindung auch anwendbar ist in den Fällen, wo Wärme von einem großen Siliciumsubstrat abzuführen ist, wo es technisch nicht ratsam ist, eine großflächige direktje metallurgische Verbindung vorzusehen. Wenn z.B. eine Siliciumfolie als Energiewandler in einer Solarzelle benutzt wird, kann das Konzept der Erfindung, wie es beispielsweise in Fig. gezeigt ist, dazu benutzt werden, um die Wärme von der Siliciuir folie abzuführen.
Daher ist leicht zu sehen, daß die Erfindung eine Wärmeableitvorrichtung für integrierte Schaltungsanordnungen schafft, die die Wärmeableiteigenschaften bedeutend verbessert, und zwar in einer Weise, die sowohl hinsichtlich des Entwurfs als auch der Produktion wirtschaftlich ist und ohne die Reparaturfähigkeit der Anordnung zu beeinflussen.
ΕΙΓ976-Ό27 809819/0753
Die Stifte und die Abdeckhauben können aus Meteil wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Nickel oder Messing bestehen. Die verwendeten niedrigschmelzenden Lote können beispielsweise aus Indium, Wismut, Zinn, Blei oder Antimon bestehen.
976 027 809819/0753

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE
1.) Wärmeableitvorrichtung für monolithisch integrierte j Halbleiterschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die j Abdeckhaube (11; Pig. 2) für jedes unter ihr befind- ; liehe Halbleiterplättchen (19) eine über diesem gelegene j öffnung aufweist, in die ein Metallstift (13) mit : großer Wärmeleitzahl mit Hilfe eines niedrigschmelzender Lotes (15), das sich als Löttropfen (17) auch am unteren Ende des Metallstiftes befindet, so eingelötet ist, ' daß erst beim Erwärmen der Anordnung der Metallstift
in eine gut wärmeleitende Verbindung mit dem Halbleiterplättchen gelangt und daß nach dem Abkühlen des Lotes Abdeckhaube und Substrat eine luftdichte Einkapselung für die Halbleiterplättchen bilden. I
!2. Wärmeableitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Metallstift gegenüberliegende Fläche des Halbleiterplättchens für Lot nicht benetzbar ist, so daß sich beim Abkühlen des Löttropfens zwischen diesem und dem Halbleiterplättchen ein Spalt bildet, dessen Breite im Submikrometerbereich liegt.
3. Wärmeableitvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Metallstift gegenüberliegende Fläche des Halbleiterplättchens von einer dünnen, nichtleitenden Schicht bedeckt ist.
4. Wärmeableitvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne, nichtleitende Schicht aus Siliciumdioxid besteht.
809819/0753
EN 976 027
ORIGINAL INSPECTED
5. Wärmeableitvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstifte aus einem oder mehreren der Metalle Kupfer, Aluminium, Nickel und Messing bestehen.
6. Wärmeableitvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das niedrig schmelzende Lot aus einem oder mehreren der Elemente Indium,
Wismut, Zinn, Blei und Antimon besteht.
7. Wärmeableitvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schmelzen des Lotes Druck auf die Metallstifte ausgeübt wird.
809819/0753
EN 976 O27
DE19772748350 1976-11-03 1977-10-28 Waermeableitvorrichtung fuer monolithisch integrierte halbleiterschaltungen Withdrawn DE2748350A1 (de)

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