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Kühlkörper für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile und Montageverfahren - Dokument DE102005012216A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005012216A1 21.09.2006
Titel Kühlkörper für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile und Montageverfahren
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Syri, Erich, Dipl.-Ing., 93173 Wenzenbach, DE;
Gründler, Gerold, Dipl.-Phys., 93059 Regensburg, DE;
Högerl, Jürgen, Dipl.-Ing., 93053 Regensburg, DE;
Killer, Thomas, Dipl.-Ing., 93155 Hemau, DE;
Strutz, Volker, Dipl.-Ing., 93105 Tegernheim, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 15.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005012216
Offenlegungstag 21.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.09.2006
IPC-Hauptklasse H01L 23/36(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H05K 7/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper (1) für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile (2) und ein Verfahren zur Montage derselben. Der Kühlkörper ist für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile (2) auf einer übergeordneten Schaltungsplatine eines elektronischen Moduls vorgesehen und weist eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte (4) mit einem Andruckbereich (5) und mit Schnapphaken (6) auf. Die Schnapphaken (6) sind annähernd rechtwinklig zu dem Andruckbereich (5) angeordnet und mit dem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers (1) federelastisch über einen federelastischen Verbindungsbereich des Kühlkörpers (1) verbunden. Die Schnapphaken (6) stehen unter Druckerzeugung des Andruckbereichs (5) mit Randbereichen (30) einer thermisch leitenden Kopplungsplatte (29) in Eingriff. Dazu ist die Kopplungsplatte auf einer Rückseite (7) eines Halbleiterchips (16) des oberflächenmontierten Halbleiterbauteils (2) fixiert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile auf einer übergeordneten Schaltungsplatine eines elektronischen Moduls und ein Montageverfahren desselben.

Aus der Druckschrift US 6,233,150 B1 ist ein Speichermodul bekannt, das eine Speicherkarte aufweist, die eine Schaltungsplatine und eine Anzahl elektronischer Komponenten, die auf der Schaltungsplatine montiert sind, beinhaltet. Als Kühlkörper weist das Speichermodul ein Paar Abdeckungen auf, die auf einander gegenüber liegenden Oberflächen der Schaltungsplatine angeordnet sind und ein Paar Klemmen, welche die beiden Abdeckungen auf die Schaltungsplatine pressen. Dabei ist jede der Abdeckungen thermisch und elektrisch leitend und schützt vor elektromagnetischen Strahlen.

Ein derartiger kompletter Kühlkörper erstreckt sich über alle Halbleiterbauteile eines Speichermoduls und koppelt somit thermisch sämtliche Halbleiterbauteile unabhängig von ihren unterschiedlichen Verlustleistungen in einem gemeinsamen Gehäuse. Ein Nachteil ist eine unzulässige Erwärmung benachbarter Halbleiterbauteile. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Materialaufwand, der damit die Kosten steigert, und schließlich ergibt sich der Nachteil, dass zusätzlich zu der Herstellung der Abdeckungen noch Klemmelemente in Form von Klammern zu produzieren sind, was die Fertigungskosten erhöht.

Aus der Druckschrift US 6,188,576 B1 ist ein Speichermodul bekannt, das eine Gehäuseabdeckung aufweist, um eine Schaltungsplatine einzuschließen, welche eine Mehrzahl von einzelnen Halbleiterbauteilen aufweist, die dynamisch unterschiedliche Wärmemengen erzeugen. Die Gehäuseabdeckung liefert eine Wärmeableitung der Mehrzahl der unterschiedlichen Speicherchips. Die unterschiedlichen Speicherchips sind somit untereinander über die Schaltungsplatine und über dementsprechende Lotbälle thermisch verbunden. Neben der Wärmeableitung schützt das starre Gehäuse sowohl die Schaltungsplatine als auch die Chips.

In einer aus der US 6,188,576 B1 bekannten Ausführungsform beinhaltet das Speichermodul eine thermisch leitende Substanz, die innerhalb der Gehäuseabdeckung angeordnet ist, um Wärme von den einzelnen Chips zu der Gehäuseabdeckung zu leiten. Dabei weisen die Abdeckungen Schnapphaken auf, die über die Ränder der Schaltungsplatine greifen und die Abdeckungen von beiden Seiten auf die Schaltungsplatine klemmen. Auch bei dieser Lösung besteht die Gefahr einer unzulässigen Erwärmung benachbarter Halbleiterbauteile, die eine verminderte Verlustleistung von sich aus erzeugen und nun durch die Wärmeverteilung der thermisch leitenden Substanz und der thermisch leitenden Abdeckungen unzulässig zusätzlich erwärmt werden. Darüber hinaus besteht auch hier der Nachteil eines erhöhten Materialaufwandes, was die Kosten in die Höhe treibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkörper anzugeben, der eine Kühlung eines Produktes mit Flipchip-Halbleitergehäuse gemäß einem BGA-Typus (ball grid array) mit offener Chiprückseite ermöglicht, wobei der Halbleiterchip auf dem Substrat eines Speichermoduls mit seinen Flipchip-Kontakten montiert ist, und wobei das Speichermodul beispielsweise ein DIMM-Halbleiterbauteil (dual inline memory module) ist. Dabei soll es möglich sein, dass der Halbleiterchip mit Flipchip-Kontakten im Betriebszustand heißer ist als die umgebenden Bauelemente. Durch den Kühlkörper sollen lediglich einzelne Halbleiterbauteile mit derartigen Halbleiterchips gekühlt werden, ohne dass weitere Bauelemente, wie beispielsweise DRAMs, durch die erzeugte Wärme der Flipchip-Kontakte aufweisenden Halbleiterchips unzulässig erwärmt werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Kühlkörper für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile auf einer übergeordneten Schaltungsplatine eines elektronischen Moduls geschaffen. Der Kühlkörper weist eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte mit einem Andruckbereich und mit Schnapphaken auf. Die Schnapphaken sind annähernd rechtwinklig zu dem Andruckbereich angeordnet und mit dem Andruckbereich des Kühlkörpers federelastisch über einen federelastischen Verbindungsbereich des Kühlkörpers verbunden. Die Schnapphaken stehen, unter Druckerzeugung des Andruckbereichs auf eine Kopplungsplatte, mit Randbereichen der thermisch leitenden Kopplungsplatte in Eingriff, wobei die Kopplungsplatte auf einer Rückseite eines Halbleiterchips des oberflächenmontierten Halbleiterbauteils fixiert ist.

Durch das sowohl thermisch wie auch mechanisch berechnete und simulierte Design des Kühlkörpers werden folgende Vorteile erreicht:

  • 1. Die Toleranzen des Halbleiterbauteils und die Toleranzen der Schaltungsplatine werden durch die Ausführungsform des federelastischen Verbindungsbereichs des Kühlkörpers in Verbindung mit der Kopplungsplatte nicht eingeschränkt.
  • 2. Im montierten Zustand erlaubt der Kühlkörper, dass forcierte Kühlluft auf der gesamten Oberfläche des Kühlkörpers und insbesondere auch in Bereichen der Unterseite des Kühlkörpers zur Kühlung beiträgt. Für die Unterseitenkühlung sind die federelastischen Verbindungen zu den Schnapphaken entsprechend flächig ausgebildet.
  • 3. Der Kühlkörper wird bei der Montage definiert gepresst und elastisch verformt, um die Schnapphaken an den Rändern der Kopplungsplatte zu verkrallen. Nach der Montage und der dann frei werdenden Federkraft der elastischen Verbindung zwischen Andruckbereich und Schnapphaken hält dieser Andruckbereich sicher auf der Kopplungsplatte, die ihrerseits auf der Rückseite des Halbleiterchips fixiert ist.
  • 4. Die Schnapphaken, die über den Rand der Kopplungsplatte greifen, verankern den Kühlkörper zuverlässig und sicher auf der Kopplungsplatte und mittels einer Klebstoffschicht auf der Rückseite des Halbleiterchips. Dabei hat es sich gezeigt, dass sich bei Schocktests und Vibrationstests ein fester Halt ergibt, und weder eine Deformation der Kopplungsplatte noch eine Beschädigung des Halbleiterchips oder gar ein Abriss der fixierten Kopplungsplatte von dem Halbleiterchip auftritt.
  • 5. Durch sog. Supportteile wie Anschlagwinkel am Kühlkörper kann dieser nur in einem bestimmten zulässigen Bereich an den Rändern der Kopplungsplatte federelastisch vorgespannt werden, so dass das Halbleiterbauteil und der zugehörige Halbleiterchip nicht belastet und/oder beschädigt werden.
  • 6. Da der Kühlkörper eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte darstellt, ist er für die Massenproduktion geeignet und maschinenbestückbar ausgeführt.
  • 7. Der Kühlkörper ist aufgrund der Schnapphaken leicht entfernbar und erleichtert nach Entfernung die Reparatur der darunterliegenden oder der daneben auf einer Schaltungsplatine angeordneten Halbleiterbauteile.
  • 8. Die Kopplungsplatte ist derart an die flächige Erstreckung der Rückseite des zu kühlenden Halbleiterchips angepasst, dass sie bei der Handhabung zu Prüfzwecken, beim Transport und bei der Montage des Halbleiterbauteils auf übergeordneten Schaltungsplatinen den Halbleiterchip auch ohne sperrigen Kühlkörper perfekt schützt.
  • 9. Der Kühlkörper ermöglicht die Reparatur benachbarter Halbleiterbauteile, wie DRAMs, auch ohne Entfernung des Kühlkörpers selbst.
  • 10. Der Kühlköper aus einer geformten Metallplatte ist praktisch eine überdimensionale Metallfeder, die gute elastische Eigenschaften und gute thermische Eigenschaften kombiniert und vorteilhafterweise erst aufgesetzt werden kann, wenn die kritische Montage, beispielsweise durch Auflöten des oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteils auf einer übergeordneten Schaltungsplatine, endgültig beendet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elastizität des federelastischen Verbindungsbereichs zwischen Andruckbereich und Schnapphaken dem erforderlichen Druck im Andruckbereich angepasst. Durch diese mechanisch berechnete und simulierte Konstruktion ist es möglich, dass der Wärmeübergang im Anruckbereich optimal ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kopplungsplatte der flächigen Erstreckung der Rückseite des Halbleiterchips derart eng angepasst, dass ihre Ränder mit einem Überstand w ≤ 1 mm über die Ränder der Rückseite der Halbleiterchips hinausragen. Das hat den Vorteil, dass der Halbleiterchip und das Halbleiterbauteil weder auf Biegung noch auf Scherung beansprucht werden, wenn ein vertikaler Druck bei der Montage des Halbleiterbauteils auf die Kopplungsplatte ausgeübt wird. Außerdem ist das Gewicht der Kopplungsplatte derart gering, dass das Gesamtgewicht einer übergeordneten Schaltungsplatine durch die Kopplungsplatte ohne Kühlkörper nur unerheblich vergrößert wird, sodass präventiv jedes Halbleiterbauteil, das für ein Halbleiterspeichermodul vorgesehen ist, mit einer derartigen Kopplungsplatte ausgestaltet sein kann, ohne den Raumbedarf und das Gewicht signifikant zu erhöhen.

Vorzugsweise weist der Kühlkörper eine Symmetrieachse in seinem Querschnitt auf und besitzt mindestens eine federelastische Schleife auf jeder Seite der Symmetrieachse im federelastischen Verbindungsbereich. Damit ist der Vorteil verbunden, dass gleiche Federkräfte beiderseits der Symmetrieachse auf die Kopplungsplatte im Andruckbereich des Kühlkörpers nach einem Einrasten der Schnapphaken an Rändern der Kopplungsplatte einwirken. Die Schleifenkontur lässt sich in vorteilhafter Weise zu einer Mäanderkontur aus mehreren Schleifen beiderseits der Symmetrieachse ergänzen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkörper mindestens zwei Schnapphaken auf, die gegenüberliegend zu dem Andruckbereich angeordnet sind. Der flächige Ausgleich kann trotz der zwei Schnapphaken im Andruckbereich der Kopplungsplatte erreicht werden, da mit Hilfe der flächigen Erstreckung des Andruckbereichs der räumlich strukturierten wärmeleitenden Platte, aus welcher der Kühlkörper gebildet ist, die zwei Punkte-Fixierung stabilisiert wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Andruckbereich viereckig und an die Form der Rückseite des Halbleiterchips eines oberflächenmontierten Halbleiterbauteils angepasst, so dass er vorzugsweise vier Schnapphaken, d.h. jeweils einen an jeder Ecke, aufweist. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Andruckwirkung der Schnapphaken egalisiert.

Um einen formstabilen und starren Andruckbereich zu erreichen, weist die räumlich strukturierte Platte eine Abwinklung zwischen dem federelastischen Bereich des Kühlkörpers und dem Andruckbereich auf. Die Abwinklung bildet dabei die Ränder des Andruckbereiches und sorgt damit für die formstabile Kontur des Andruckbereiches gegenüber der federelastischen Struktur des Kühlkörpers, die sich vom Andruckbereich bis zu den nahezu rechtwinklig vom Andruckbereich abgewinkelten Schnapphaken erstreckt.

Der Kühlkörper selbst kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus thermisch gut leitendem Metall, wie beispielsweise einer Kupferlegierung in Form von CuCrSiTi mit Cr 0,3 Gew.%, Ti 0,1 Gew.%, Si 0,02 Gew.%, Rest Kupfer und mit einer Wärmeleitfähigkeit von 310 W/mK bestehen.

Das verwendete Metall für die als Kühlkörper eingesetzte räumlich strukturierte wärmeleitende Platte hat entsprechende mechanische Eigenschaften, um einerseits im federelastischen Bereich die Federeigenschaften zu gewährleisten und andererseits im Anpressbereich eine entsprechende Formstabilität aufzuweisen. Die mechanischen Eigenschaften weisen vorzugsweise eine Zugfestigkeit > 530 MPa und eine 0,2%-Dehngrenze > 460 MPa auf. Die thermische Kontaktfläche des Kühlkörpers bildet der oben erwähnte Andruckbereich, der nach der Montage des Kühlkörpers auf der Kopplungsplatte aufliegt und damit die Rückseite des Halbleiterchips intensiv kühlt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkörper mit Andruckbereich und Schnapphaken einstückig aufgebaut. Dieses hat den Vorteil, dass aus einer entsprechenden Metallplatte mit einem einzigen Stanz- und Formgebungsprozess der komplette Kühlkörper mit Andruckbereich, federelastischem Verbindungsbereich und Schnapphaken einstückig geformt werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Schnapphaken Schenkel auf, die Anschlagwinkel besitzen und den Eingriffsbereich der Schnapphaken begrenzen. Die Anschlagwinkel sind annähernd rechtwinklig an den Schenkeln angeordnet und stützen sich auf der Oberseite der Kopplungsplatte ab, wenn die Schnapphaken an den Randseiten der Kopplungsplatte montiert werden. Dabei begrenzen die Anschlagwinkel die Kräfte, welche auf die Kopplungsplatte und damit auf das Halbleiterbauteil bei der Montage einwirken.

Der Kühlkörper kann zwischen der Kopplungsplatte und der Rückseite des Halbleiterchips eine thermisch leitende Klebstoffschicht aufweisen, mit der die Kopplungsplatte auf der Rückseite des Halbleiterchips fixiert ist. Weiterhin kann zwischen dem Andruckbereich des Kühlkörpers und der Kopplungsplatte eine Zwischenschicht aus einem duktilen thermisch leitenden Material angeordnet sein, um den Wärmeübergang von der Kopplungsplatte zu dem Kühlkörper zu verbessern. Die Kopplungsplatte selbst weist vorzugsweise eine wärmeleitende Kupferlegierung auf.

Die Erfindung bezieht sich nicht allein nur auf den Kühlkörper, sondern auch auf Halbleiterbauteile, die mit einem derartigen Kühlkörper versehen sind. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf Halbleitermodule, insbesondere Speichermodule in DIMM-Technik (dual in line memory module-Technik), die einzelne oder auch mehrere derartige Kühlkörper aufweisen können.

In einer weiteren spezifischen Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauteil ein Schaltungssubstrat mit oberflächenmontierbaren Kontakten auf seiner Unterseite und einem Halbleiterchip mit Flipchip-Kontakten auf seiner Oberseite auf. Dabei ist die Kopplungsplatte auf der Rückseite des Halbleiterchips mit Flipchip-Kontakten angeordnet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird über den Andruckbereich des Kühlkörpers ein Druck auf die Kopplungsplatte ausgeübt, aber kein Druck auf die Rückseite des Halbleiterchips. Bei der Montage des Kühlkörpers wird eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Druckbelastung des Halbleiterchips auf seiner Rückseite durch die Kopplungsplatte erreicht. Die Größe dieses Druckes bzw. der Kraft auf die Rückseite hängt von der Federelastizität des Verbindungsbereichs des Kühlkörpers ab und kann so bemessen werden, dass nach Anbringung des Kühlkörpers eine optimale thermische Kopplung von Kühlkörper und Halbleiterbauteil über die Kopplungsplatte erzielt wird.

Ein Montageverfahren zur Anbringung eines Kühlkörpers auf einem oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteil weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine thermisch leitende Kopplungsplatte auf einer Rückseite eines Halbleiterchips des oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteils derart montiert, dass die Ränder der Kopplungsplatte über die Kanten der Rückseite des Halbleiterchips überstehen. Dann wird ein Kühlkörper von einem Kühlkörpervorratstablett aufgenommen, wobei der Kühlkörper Schnapphaken aufweist, die über einen federelastischen Verbindungsbereich mit einem Andruckbereich des Kühlkörpers verbunden sind. Die Schnapphaken werden auf die Ränder der Kopplungsplatte ausgerichtet. Danach werden die Schnapphaken unter elastischer Verformung des federelastischen Verbindungsbereichs und unter Andruck des Andruckbereichs auf die Kopplungsplatte mit den Rändern der Kopplungsplatte in Eingriff gebracht.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass zum Anbringen des Kühlkörpers lediglich die Kopplungsplatte auf der Rückseite mit den Schnapphaken und dem Andruckbereich des Kühlkörpers in Berührung kommt und somit bei Transport und Montage eines oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteils der Kühlkörper nicht an dem Halbleiterbauteil fixiert sein muss, sodass die Montage und der Transport erleichtert werden. Ferner kann der Kühlkörper individuell auf einzelnen Halbleiterbauteilen fixiert werden, ohne dass das Layout und Design der Schaltungsplatine und Schaltungssubstrats eines Hableitermoduls zu ändern oder an den Kühlkörper anzupassen ist.

Das Aufsetzen oder Fixieren des Kühlkörpers kann nachträglich erfolgen, wenn sich bei Tests herausstellen sollte, dass eines der oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteile eines Halbleitermoduls eine unzulässig hohe Verlustwärme erzeugt. Dazu kann zunächst das Halbleiterbauteil ohne Kühlkörper mit einer auf der Rückseite des Halbleiterchips des Halbleiterbauteils fixierten Kopplungsplatte auf einer Schaltungsplatine montiert werden und anschließend der Kühlkörper mit seinen Schnapphaken an den Rändern der Kopplungsplatte zum Eingriff gebracht werden.

In einer bevorzugten Durchführung des Montageverfahrens wird zum Fixieren der thermischen Kopplungsplatte auf der Rückseite eines Halbleiterchips die Kopplungsplatte mit einem thermisch leitenden Klebstoff aufgeklebt. Die thermische Leitfähigkeit des Klebstoffs kann durch einen thermisch gut leitenden Füllstoff verbessert werden.

Dieses Verfahren hat ferner den Vorteil, dass mit wenigen automatischen Handhabungen der Kühlkörper auf entsprechende Positionen in einem Halbleiterspeichermodul angeordnet und verankert sowie gleichzeitig eine intensive thermische Kopplung zwischen Kühlkörper und Halbleiterbauteil hergestellt werden kann. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass oberflächenmontierbare Kontakte des Halbleiterbauteils auf Kontaktanschlussflächen der Schaltungsplatine des Halbleitermoduls aufgelötet werden, sodass extreme Belastungen übertragen werden können. Ferner ist es möglich, die oberflächenmontierbaren Kontakte auf die Kontaktanschlussflächen der Schaltungsplatine mit einem Leitkleber aufzukleben.

Mit Hilfe von Simulationsverfahren und Windkanalexperimenten wurde die Wirksamkeit des neuartigen Kühlkörpers für Speichermodule verifiziert.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper;

2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil vor einem Fixieren einer Kopplungsplatte;

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil der 3 mit fixierter Kopplungsplatte;

5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil der 4 nach Aufbringen des Halbleiterbauteils auf einer übergeordnete Schaltungsplatine.

6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper, der auf einem Halbleiterbauteil fixiert ist;

7 zeigt eine schematische Seitenansicht des Kühlkörpers gemäß 3;

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Kühlkörper 1 ist hier im Profil gezeigt und weist einen Andruckbereich 5 in seinem Zentrum und zwei federelastische Verbindungsbereiche 8 und 11 auf jeder Seite einer Symmetrieachse 27, die den Andruckbereich 5 halbiert, auf. Der Andruckbereich 5 weist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Wannenkontur mit einem ebenen Boden 22 und hochgezogenen Rändern 23 und 24 auf. Diese Ränder 23 und 24 gehen in die Verbindungsbereiche 8 und 11 über, die eine mäanderförmig geformte Kontur 28 aufweisen, die in schleifenförmig gebogene Schnapphakenschenkel 34 und 35 mit Schnapphaken 6 an den Schenkelenden 37 bzw. 38 übergehen. Diese Schnapphaken 6 können mit Rändern einer nicht gezeigten Kopplungsplatte in Eingriff gebracht werden, so dass der Andruckbereich 5 mit seinem Boden 22 auf die Oberseite der thermischen Kopplungsplatte gepresst wird.

2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper 1. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. In dieser Ausführungsform sind an den Schnapphakenschenkeln 34 und 35 Anschlagwinkel 12 angeordnet, die den Eingriffsbereich der Schnapphaken 6 bei der Montage des Kühlkörpers 1 begrenzen.

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein oberflächenmontierbares Halbleiterbauteil 2 vor einem Fixieren einer Kopplungsplatte auf dem Halbleiterbauteil 2. Das Halbleiterbauteil 2 weist einen BGA-Aufbau auf. Dieser besteht in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einem Schaltungssubstrat 13 mit einer Verdrahtungsstruktur 41 auf der Oberseite 18 und weist oberflächenmontierbare Kontakte 14 auf der Unterseite 15 auf. Die oberflächenmontierbaren Kontakte 14 auf der Unterseite 15 stehen elektrisch mit der Verdrahtungsstruktur 41 auf der Oberseite 18 des Schaltungssubstrats 13 über Durchkontakte 42 in Verbindung. Auf der Oberseite 18 des Schaltungssubstrats 13 ist ein Halbleiterchip 16 angeordnet, der über Flipchip-Kontakte 17 mit der Verdrahtungsstruktur 41 auf der Oberseite 18 des Verdrahtungssubstrats 13 elektrisch verbunden ist, wobei der Zwischenraum zwischen der aktiven Oberseite 43 des Halbleiterchips 16 und der Oberseite 18 des Schaltungssubstrats 13 mit einer gefüllten Kunststoffmasse 44 aufgefüllt ist.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil 2 der 3 mit fixierter Kopplungsplatte 29. Diese thermisch leitende Kopplungsplatte 29 aus einer gut leitenden Metalllegierung ist über eine Klebstoffschicht 39 auf der Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 fixiert. Die flächige Erstreckung der Kopplungsplatte 29 ist dem Halbleiterchip 16 angepasst und überragt die Ränder des Halbleiterchips 16 um eine Breite w ≤ 1 mm, so dass an diesen Rändern die Schnapphaken des Kühlkörpers einrasten können.

5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil 2 der 4 nach Aufbringen des Halbleiterbauteils 2 auf eine übergeordnete Schaltungsplatine 3, die beispielsweise eine Speicherkarte ist und zu einem Halbleiterspeichermodul gehört. 5 zeigt in vorteilhafter Weise, dass das Halbleiterbauteil 2 mit Kopplungsplatte 29 wie ein genormtes oberflächenmontierbares Halbleiterbauteil 2 eingesetzt werden kann, ohne das Design oder die Anordnungen auf einer übergeordneten Schaltungsplatine 3 an das mit einer Kopplungsplatte 29 versehene Halbleiterbauteil 2 anpassen zu müssen oder in besonderer Weise die Schaltungsplatine 3 zur Aufnahme eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers ändern zu müssen.

6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kühlkörper 1, der auf einem Halbleiterbauteil 2 fixiert ist. Die Metalllegierung des Kühlkörpers 15 besteht in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einer gut leitenden Kupferlegierung CuCrSiTi (aus Cr 0,3 Gew.%, Ti 0,1 Gew.%, Si 0,02 Gew.% und Rest Kupfer). Diese Kupferlegierung verfügt über eine Wärmeleitfähigkeit von 310 W/mK und besitzt eine Zugfestigkeit, die größer als 530 MPa ist. Die 0,2%-Dehngrenze liegt bei über 460 Mpa. Diese mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Zugfestigkeit und die Dehngrenze ermöglichen es, aus einer Blechplatte dieses Metalls auch die Verbindungsbereiche 8 und 11 mit ihren federelastischen Eigenschaften zu bilden, wobei eine Plattendicke zwischen 0,3 mm und 0,5 mm eingesetzt wird

Der Kühlkörper 1 ist somit eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte 4, die neben dem Andruckbereich 5 Verbindungsbereiche 8 und 11 zu beiden Seiten des Andruckbereichs 5 aufweist, wobei die Verbindungsbereiche 8 und 11 federelastisch sind und nahezu vertikal zu den Verbindungsbereichen 8 und 11 und zu dem Andruckbereich 5 in Schnapphaken 6 übergehen. Diese Schnapphaken 6 sind an den Enden von einer meanderförmigen Kontur 28 der federelastischen Verbindungsbereiche 8 und 11 der Platte 4 des Kühlkörpers 1 angeordnet und stehen mit den Rändern 30 der Kopplungsplatte 29 im Eingriff.

Der Querschnitt des montierten Kühlkörpers 1 zeigt, dass bei einem bewegten Kühlmedium, wie Luft, sowohl die Unterseite 32 als auch die Oberseite 33 des Kühlkörpers 1 aktiv vom Kühlmedium umspült werden. Eine Zwischenschicht 10 aus einem duktilen thermisch leitenden Material 9 zwischen Kopplungsplatte 29 und Kühlkörper 1 vermindert den thermischen Übergangswiderstand von der Rückseite 7 des Halbleiterchips 16 zu der umgebenden Luft des Kühlkörpers 1.

Die Schaltungsplatine 3 weist eine gedruckte Schaltung für ein Halbleitermodul auf. Die übrigen Bauteile des Halbleitermoduls sind hier nicht gezeigt und können teilweise ebenfalls einen derartigen Kühlkörper aufweisen. Wenn jedoch die Verlustleistung der übrigen Bauelemente nicht sehr hoch ist, wie beispielsweise bei sog. DRAMs, wird ein derartiger Kühlkörper 1 weggelassen.

7 zeigt eine schematische Seitenansicht des Kühlkörpers 1 gemäß 6. In dieser Seitenansicht ist die Kühlfläche der Seite 25 des Kühlköpers 1, die allein durch einen Schenkel 34 eines Schnapphakens 6 gebildet wird, bedeutend größer als die wärmeableitenden Oberseiten des zu kühlenden aktiven Halbleiterchips. Die oberflächenmontierbaren Kontakte 14 des Schaltungssubstrats 13 sind in dieser Ausführungsform Lötkontakte 20 und auf entsprechende Kontaktanschlussflächen 19 auf der Oberseite 31 der Schaltungsplatine 3 gelötet. Die Kontaktanschlussflächen 19 sind ein Teil einer Verdrahtungsstruktur 36 der Schaltungsplatine 3. Die Unterseite 21 der Schaltungsplatine 3 kann mit weiteren Halbleiterbauteilen bestückt sein.

1Kühlkörper 2oberflächenmontierbares Halbleiterbauteil 3übergeordnete Schaltungsplatine 4strukturierte Platte 5Andruckbereich 6Schnapphaken 7Rückseite des Halbleiterchips 8federelastischer Verbindungsbereich 9duktile thermisch leitende Masse 10Zwischenschicht 11federelastischer Verbindungsbereich 12Anschlagwinkel 13Schaltungssubstrat 14oberflächenmontierbare Kontakte des Schaltungssubstrats 15Unterseite des Schaltungssubstrats 16Halbleiterchip 17Flipchip-Kontakte 18Oberseite des Schaltungssubstrats 19Kontaktanschlussflächen der Schaltungsplatine 20Lötkontakt 21Unterseite der Schaltungsplatine 22Boden des Kühlkörpers 23hochgezogener Rand 24hochgezogener Rand 25Seite des Kühlkörpers 27Symmetrieachse des Kühlkörpers 28mäanderförmige Kontur 29Kopplungsplatte 30Ränder der Kopplungsplatte 31Oberseite der Schaltungsplatine 32Unterseite des Kühlkörpers 33Oberseite des Kühlkörpers 34Schenkel des Schnapphakens 35Schenkel des Schnapphakens 36Verdrahtungsstruktur der Schaltungsplatine 37Schenkelende 38Schenkelende 39Klebstoffschicht 41Verdrahtungsstruktur auf der Oberseite des Schaltungssubstrats 42Durchkontakt 43aktive Oberseite des Halbleiterchips 44Kunststoffmasse

Anspruch[de]
  1. Kühlkörper für oberflächenmontierte Halbleiterbauteile (2) auf einer übergeordneten Schaltungsplatine eines elektronischen Moduls, wobei der Kühlkörper (1) eine räumlich strukturierte wärmeleitende Platte (4) mit einem Andruckbereich (5) und mit Schnapphaken (6) aufweist, wobei die Schnapphaken (6) annähernd rechtwinklig zu dem Andruckbereich (5) angeordnet sind und mit dem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers (1) federelastisch über einen federelastischen Verbindungsbereich des Kühlkörpers (1) verbunden sind, und wobei unter Druckerzeugung des Andruckbereichs (5) auf eine Kopplungsplatte (29) die Schnapphaken (6) mit Randbereichen (30) der thermisch leitenden Kopplungsplatte (29) in Eingriff stehen, und wobei die Kopplungsplatte (29) auf einer Rückseite (7) eines Halbleiterchips (16) des oberflächenmontierten Halbleiterbauteils (2) fixiert ist.
  2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität des federelastischen Verbindungsbereichs zwischen Andruckbereich und Schnapphaken dem erforderlichen Druck im Andruckbereich angepasst ist.
  3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsplatte der flächigen Erstreckung der Rückseite des Halbleiterchips derart eng angepasst ist, dass ihre Ränder mit einem Überstand w ≤ 1 mm über die Ränder der Rückseite der Halbleiterchips hinausragen.
  4. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper eine wärmeleitende Kupferlegierung, vorzugsweise CuCrSiTi mit 0,3 Gew.% Chrom, 0,1 Gew.% Titan, 0,02 Gew.% Silizium und Rest Kupfer, aufweist.
  5. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mindestens zwei Schnapphaken (6) aufweist, die gegenüberliegend zu dem Andruckbereich (5) angeordnet sind.
  6. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Andruckbereich (5) viereckig an die Form der Rückseite (7) des Halbleiterchips des oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteils (2) angepasst ist und vorzugsweise vier Schnapphaken (6) aufweist.
  7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper eine Symmetrieachse in seinem Querschnitt und mindestens eine federelastische Schleife auf jeder Seite der Symmetrieachse im federelastischen Verbindungsbereich aufweist.
  8. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mit Andruckbereich (5) und Schnapphaken (6) einstückig ist.
  9. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnapphaken (6) Schenkel (34, 35) mit Anschlagwinkeln (12) aufweisen, wobei die Anschlagwinkel (12) den Eingriffsbereich der Schnapphaken (6) begrenzen.
  10. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kopplungsplatte (29) und der Rückseite (7) des Halbleiterchips (16) eine thermisch leitende Klebstoffschicht (39) angeordnet ist.
  11. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Andruckbereich (5) und der Kopplungsplatte (29) eine Zwischenschicht (10) aus einem duktilen thermisch leitenden Material (9) angeordnet ist.
  12. Halbleiterbauteil, montiert auf einer Schaltungsplatine (3), das den Kühlkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  13. Halbleiterbauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (2) ein Schaltungssubstrat (13) mit oberflächenmontierbaren Kontakten (14) auf seiner Unterseite (15) und einen Halbleiterchip (16) mit Flipchip-Kontakten (17) auf seiner Oberseite (18) aufweist, wobei die oberflächenmontierbaren Kontakte (14) des Schaltungssubstrats (13) mit Kontaktanschlussflächen (19) der übergeordneten Schaltungsplatine (3) Lötverbindungen (20) aufweisen.
  14. Halbleitermodul auf einer Schaltungsplatine, das den Kühlkörper (1) oder ein Halbleiterbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  15. Montageverfahren zur Anbringung eines Kühlkörpers (1) auf einem oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteil (2):

    – Fixieren einer thermischen Kopplungsplatte auf einer Rückseite eines Halbleiterchips eines oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteils, sodass die Ränder der Kopplungsplatte über die Kanten der Rückseite überstehen;

    – Aufnehmen des Kühlkörpers (1) von einem Kühlkörpervorratstablett, wobei der Kühlkörper (1) Schnapphaken (6) aufweist, die über einen federelastischen Verbindungsbereich mit einem Andruckbereich (5) des Kühlkörpers verbunden sind;

    – Ausrichten der Schnapphaken (6) auf die Ränder der Kopplungsplatte;

    – Einrasten der Schnapphaken (6) unter Verformung des federelastischen Verbindungsbereichs und unter Andruck des Andruckbereichs auf die Kopplungsplatte.
  16. Montageverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Montage eines Halbleitermoduls mit mindestens einem oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteil und einem Kühlkörper zunächst das Halbleiterbauteil ohne Kühlkörper mit einer auf der Rückseite des Halbleiterchips des Halbleiterbauteils fixierten Kopplungsplatte auf einer Schaltungsplatine montiert wird und anschließend der Kühlkörper mit seinen Schnapphaken an den Rändern der Kopplungsplatte eingerastet wird.
  17. Montageverfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Fixieren der thermischen Kopplungsplatte auf der Rückseite eines Halbleiterchips die Kopplungsplatte mit einem thermisch leitenden Klebstoff aufgeklebt wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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