Схема с двухсторонним охлаждением

Изобретение относится к конструктивному устройству кремниевой микросхемы. Конструктивное устройство состоит из первой керамической подложки (1) с верхней (1b) и нижней (1а) сторонами, причем на верхнюю сторону (1b) нанесена металлизация (2), на которой при помощи соединительного средства (3) своей нижней стороной смонтирована Si-микросхема (4). При этом охлаждение Si-микросхемы (4) реализовано посредством элементов с повышенной теплопроводностью и одновременно повышенной электропроводностью и при этом повышается эффективность конструктивного узла, в соответствии с предложенным в изобретении решением на верхнюю сторону Si-микросхемы (4) нанесено соединительное средство (5), на которое своей нижней стороной нанесена плоская керамическая подложка (6), а на плоской подложке (6) посредством металлизации (7) расположена вторая керамическая подложка (8), причем плоская керамическая подложка (6) содержит металлонаполненные термоэлектрические межслойные соединения (11), наполненные медью, а плоская керамическая подложка состоит из нитрида алюминия. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к детали, состоящей из первой керамической подложки с верхней и нижней сторонами, причем на верхнюю сторону нанесена металлизация, на которой при помощи соединительного средства своей нижней стороной смонтирован электронный схемный элемент.

Известно, что по меньшей мере на одну сторону керамических подложек из Al₂O₃(оксид алюминия) или AlN(нитрид алюминия) нанесена металлизация (прямо присоединенная медь (DCB-Cu), толстая пленка меди, серебро (Ag) или сплав вольфрам-никель-золото (W-Ni-Au)), на котором, в свою очередь, смонтирована Si-микросхема с фиксацией посредством давления, припоя, спеченного серебра, серебросодержащего клея и подобных средств.

На второй стороне подложки могут присутствовать другие площадки металлизации, на которые, например, приклеен или припаян охлаждающий элемент (радиатор), алюминиевый или из иных материалов. Следовательно, Si-микросхемы соединены с электроизоляционным теплоотводом максимум с одной стороны. Верхняя, свободная сторона Si-микросхемы в лучшем случае имеет газовое охлаждение. Под Si-микросхемой здесь в общем также понимается чип (кристалл схемы) или транзистор.

В основу настоящего изобретения положена задача улучшения детали, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, таким образом, чтобы охлаждение Si-микросхемы происходило с обеих ее сторон, т.е. как на ее нижней стороне, так и на ее верхней стороне. Двухстороннее охлаждение Si-микросхемы за счет элемента с высокой теплопроводностью и одновременно с высокой электропроводностью должно повысить эффективность конструктивного узла.

Согласно изобретению поставленная задача решается посредством детали с отличительными признаками п. 1 формулы изобретения.

Благодаря тому, что на верхнюю сторону Si-микросхемы нанесено соединительное средство, на которое своей нижней стороной нанесен плоская керамическая подложка, а на плоской подложке за счет металлизации расположена вторая керамическая подложка, причем плоская керамическая подложка содержит металлонаполненные термоэлектрические межслойные соединения и/или каналы системы охлаждения для проведения охлаждающей среды, охлаждение Si-микросхемы происходит с обеих ее сторон, т.е. как на ее нижней стороне, так и на ее верхней стороне. Реализация двухстороннего охлаждения Si-микросхемы посредством элементов с повышенной теплопроводностью и одновременно повышенной электропроводностью должна увеличить эффективность конструктивного узла Si-микросхемы. При этом металл в межслойных соединениях плоской керамической подложки прилегает как к металлизации второй подложки, так и к соединительному средству, находящемуся на Si-микросхеме.

Si-микросхема, предпочтительно, представляет собой чип или транзистор.

Предпочтительно, металлизации выполнены из прямо присоединенной меди (DCB-Cu), толстой пленки меди, Ag или W-Ni-Au и/или представляют собой металлизации, спеченные с керамической подложкой. Спеченные металлические слои плотно соединены с керамикой и вследствие этого имеют превосходную теплопередачу от Si-микросхемы в керамику.

Предпочтительно, чтобы соединительное средство представляло собой припой, спеченное серебро или клей на основе серебра.

В одном из вариантов исполнения изобретения межслойные соединения состоят из Cu или Ag, а подложки - из нитрида алюминия. Нитрид алюминия обладает высокой теплопроводностью.

В одном варианте исполнения на нижней стороне первой керамической подложки расположены охлаждающие элементы, такие как оребрение и т.п.

За счет наличия плоской керамической подложки с металлонаполненными межслойными соединениями, выполненной с возможностью соприкосновения со свободной верхней стороной Si-микросхемы посредством соединительного средства, удалось добиться улучшенного, двухстороннего отведения тепла. Эта плоская подложка содержит металлонаполненные термоэлектрические межслойные соединения, наполнителем в которых служит, например, медь или серебро. В случае выбора в качестве материала подложки нитрида алюминия, коэффициент теплового расширения которого составляет около 4,7 ppm/K(миллионных долей/Кельвин), по этому показателю он близок к материалу чипа, которым является кремний, у которого коэффициент теплового расширения равен порядка 4,2 ppm/K.

Присоединение этой керамики межслойного соединения (плоской подложки), как на стороне Si-микросхемы, так и на другой стороне металлизированной керамической подложки, можно осуществить посредством припоя, серебросодержащей пасты или серебряной прослойки на второй керамической подложке, или же она может быть соединена непосредственно с медным слоем металлизированной верхней подложки при выжигании медной пасты.

Для дополнительного повышения отведения теплоты вместо плоских керамических подложек также можно использовать керамические системы жидкостного охлаждения или таковые с керамическим оребрением.

На фигурах показаны уровень техники (Фиг. 1) и деталь согласно настоящему изобретению (Фиг. 2).

На фиг. 1 показана деталь 9 согласно уровню техники. Деталь состоит из первой керамической подложки 1 с верхней стороной 1b и нижней стороной 1а, причем на верхнюю сторону 1b нанесена металлизация 2, на которой при помощи соединительного средства 3 своей нижней стороной смонтирована Si-микросхема 4. Согласно изобретению на Si-микросхему 4, или, соответственно, на ее верхнюю сторону, при помощи соединительного средства 5 своей нижней стороной нанесена плоская керамическая подложка 6, а на плоской подложке 6 за счет металлизации 7 расположена вторая керамическая подложка 8, причем плоская керамическая подложка 6 содержит металлонаполненные термоэлектрические межслойные соединения (Vias) 11 и/или каналы системы охлаждения для проведения охлаждающей среды.

Керамические подложки 1, 8 предпочтительно выполнены пластинчатыми и предпочтительно изготовлены из нитрида алюминия, имеющего очень высокую теплопроводность.

Металлизации, предпочтительно, выполнены из прямо присоединенной меди (DCB-Cu), толстой пленки меди, Ag или W-Ni-Au и/или являются спеченными с керамическими подложками 1, 8.

Si-микросхема 4 представляет собой кремниевую микросхему в конструктивном исполнении чипа или транзистора.

Соединительные средства 3, 5 предпочтительно представляют собой припой, спеченное серебро или клей на основе серебра.

Межслойные соединения 11 выполнены, например, из меди или серебра.

На нижней стороне 1а первой керамической подложки 1 предпочтительно расположены охлаждающие элементы, на фиг. 2 не показанные. Эти охлаждающие элементы могут представлять собой ребра системы воздушного охлаждения. Вместе с тем, это могут быть и холодильники системы жидкостного охлаждения, внутри которых проводится охлаждающая жидкость.

Плоская керамическая подложка 6 служит для отведения выделяемой Si-микросхемой 4 теплоты в керамическую подложку 8 и, с другой стороны, также может быть использован для электрической состыковки Si-микросхемы 4 с металлизацией 7. Плоская подложка 6 предпочтительно также выполнена из нитрида алюминия. За счет ее металлонаполненных термоэлектрических межслойных соединений 11 происходит теплоперенос отходящей теплоты и формируется электрическое соединение. Межслойные соединения 11 предпочтительно проходят под прямым углом к поверхности плоской подложки 6.

На обоих чертежах номером 10 обозначены присоединенные микросваркой гибкие металлические проводники для обеспечения электрической связи с другими узлами.

1. Конструктивный узел Si-микросхемы (9), состоящий из первой керамической подложки (1) с верхней (1b) и нижней (1a) сторонами, причем на верхнюю сторону (1b) нанесена металлизация (2), на которой при помощи соединительного средства (3) своей нижней стороной смонтирована Si-микросхема (4), причем на верхнюю сторону Si-микросхемы (4) нанесено соединительное средство (5), на которое своей нижней стороной нанесена плоская керамическая подложка (6), а на плоской подложке (6) посредством металлизации (7) расположена вторая керамическая подложка (8) и плоская керамическая подложка (6) содержит металлонаполненные термоэлектрические межслойные соединения (11), отличающийся тем, что металлонаполненные термоэлектрические межслойные соединения (11) наполнены Cu и керамическая плоская подложка (6) является нитридом алюминия.

2. Конструктивный узел Si-микросхемы по п. 1, отличающийся тем, что Si-микросхема (4) представляет собой кремниевую микросхему, чип или транзистор.

3. Конструктивный узел Si-микросхемы по п. 1, отличающийся тем, что все металлизации (2, 7) выполнены из прямо присоединенной меди (DCB-Cu), толстой пленки меди, Ag или W-Ni-Au и/или представляют собой металлизации, спеченные с керамической подложкой (1, 8).

4. Конструктивный узел Si-микросхемы по п. 1, отличающийся тем, что соединительное средство (3, 5) представляет собой припой, спеченное серебро или клей на основе серебра.

5. Конструктивный узел Si-микросхемы по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что на нижней стороне (1a) первой керамической подложки (1) расположены охлаждающие элементы.