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Dokumentenidentifikation DE102006001792A1 26.07.2007
Titel Halbleitermodul mit Halbleiterchipstapel und Verfahren zur Herstellung desselben
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Brunnhuber, Markus, Dr.rer.nat., 93138 Lappersdorf, DE;
Jetten, Hans-Gerd, Dipl.-Ing., 93059 Regensburg, DE;
Fink, Markus, Dipl.-Ing. (FH), 93199 Zell, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 12.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006001792
Offenlegungstag 26.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.07.2007
IPC-Hauptklasse H01L 23/36(2006.01)A, F, I, 20060112, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 25/065(2006.01)A, L, I, 20060112, B, H, DE   H01L 23/50(2006.01)A, L, I, 20060112, B, H, DE   H01L 21/50(2006.01)A, L, I, 20060112, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul (1) mit Halbleiterchipstapel (2) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Der Halbleiterchipstapel (2) ist auf einem Verdrahtungssubstrat (3) angeordnet. Zwischen den Halbleiterchips (4, 5) ist eine wärmeleitende Schicht (6), insbesondere eine Folie (19), mit anisotrop wärmeleitenden Partikeln (7) angeordnet. Die anisotrop wärmeleitenden Partikel (7) weisen in Richtung vertikal zu der Schicht (6) bzw. der Folie (19) eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als in Richtung der Schicht (6) bzw. der Folie (19).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit einem Halbleiterchipstapel, wobei der Halbleiterchipstapel auf einem Verdrahtungssubstrat angeordnet ist.

Bei derartigen Halbleiterchipstapeln in Halbleitermodulen verringert sich durch das Stapeln die Siliziumfläche, die zur Wärmeabfuhr beitragen kann. Diese Tatsache führt zu Einschränkungen bei der Kombination von unterschiedlichen Bauteilen mit Halbleiterchipstapeln. Um diese Wärme abzuführen, können auf der Oberseite des Halbleiterchipstapels und/oder auf der Unterseite des Halbleiterchipstapels Kühlkörper angeordnet werden, die jedoch nicht unmittelbar die Wärme zwischen den gestapelten Halbleiterchips abführen können.

Die Wärmeabfuhr von der Rückseite eines Halbleiterchips über einen Wärmeverteiler zu einer Wärmesenke ist aus der Druckschrift US 6,407,922 B1 bekannt. Dabei ist auf der Rückseite des Halbleiterchips ein Wärmeverteiler angeordnet, der die Wärme über Kohlenstoffnanoröhren von der Rückseite des Halbleiterchips auf eine größere Fläche der Wärmesenke verteilt, indem die Kohlenstoffnanoröhren sich von der Rückseite des Verlustwärme erzeugenden Halbleiterchips zu der Wärmesenke erstrecken. Diese Lösung der Wärmeableitung zu einer Wärmesenke von der Rückseite eines Halbleiterchips aus hat den Nachteil, dass sie für eine Wärmeableitung zwischen den Halbleiterchips nicht geeignet ist, auch wenn dort Rückseiten der Halbleiterchips zur Verfügung stehen. Ein Wärmeverteiler, wie er aus der obigen Druckschrift bekannt ist, lässt sich auf das Problem der Wärmeabfuhr zwischen den einzelnen Halbleiterchips eines Halbleiterchipstapels nicht übertragen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement zu schaffen und eine Folie oder eine Schicht anzugeben, mit der die Wärme zwischen den einzelnen Halbleiterchips eines Halbleiterchipstapels wirkungsvoll abgeführt werden kann.

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

Erfindungsgemäß wird ein Halbleitermodul mit Halbleiterchipstapel geschaffen, wobei der Halbleiterchipstapel auf einem Verdrahtungssubstrat angeordnet ist und zwischen den Halbleiterchips eine wärmeleitende Schicht, insbesondere eine Folie mit anisotrop wärmeleitenden Partikeln, angeordnet ist. Dazu weisen die anisotrop wärmeleitenden Partikel in Richtung vertikal zu der Schicht bzw. zu der Folie eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als in Richtung der Schicht bzw. Folie

Ein derartiges Halbleitermodul hat den Vorteil, dass die anisotrop wärmeleitende Schicht bzw. Folie, die zwischen den gestapelten Halbleiterchips angeordnet ist, die Verlustwärme, direkt von dem Halbleiterchipstapel in lateraler Richtung abtransportiert, zumal durch das Stapeln der Halbleiterchips die vertikale Richtung sowieso blockiert ist und zur Wärmeableitung so gut wie nichts beitragen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die wärmeleitenden Partikel in lateraler Richtung der Schicht bzw. in Richtung der Folie eine Wärmeleitfähigkeit auf, die um mindestens eine Größenordnung größer ist als in vertikaler Richtung zu der Schicht bzw. zu der Folie. Durch diese spezielle Ausrichtung der wärmeleitenden Partikel ist es möglich, dass die Wärme, die zwischen zwei Halbleiterchips in einem Halbleiterchipstapel anliegt, lateral bzw. horizontal aus dem Halbleiterchip abgeführt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die anisotrop wärmeleitende Schicht bzw. die Folie mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren auf, deren Längserstreckung der Schicht angepasst ist.

Derartige Kohlenstoffnanoröhren haben den Vorteil einer geringen Dichte, die mit 1,33 bis 1,4 g/cm2 um einen Faktor 2 geringer ist als die Dichte von Aluminium. Auch die Zugfestigkeit der Kohlenstoffnanoröhren ist mit etwa 1011 Pa um mehrere Größenordnungen besser als bei herkömmlichen Folien, so dass Folien, die Partikel aus Kohlenstoffnanoröhren aufweisen, größere Abstände in einem Hohlraumgehäuse überbrücken können und die Gefahr eines Abrisses dieser wärmeleitenden Schicht aus Kohlenstoffnanoröhren bei hoher thermischer Belastung aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien in einem Halbleitermodul oder auf einer übergeordneten Schaltungsplatine gegenüber herkömmlichen Wärmeleitungsschichten geringer ist.

Da Kohlenstoffnanoröhren auf einer Länge von 10 Nanometern bis zu einigen Millimetern keine Korngrenzen aufweisen, ist ihre Verformbarkeit und Elastizität wesentlich größer als bei herkömmlichen Materialien und ein Aufbrechen oder eine Mikrorissbildung an Korngrenzen ist praktisch nicht möglich. Schließlich ist von besonderer Bedeutung für die Ableitung der Verlustwärme aus Halbleiterchipstapeln, dass die Wärmeleitung derartiger Kohlenstoffnanoröhren mit 6.000 W/m und °K (Watt pro Meter und Grad Kelvin) nahezu doppelt so hoch ist wie bei Diamant. Darüber hinaus können die Eigenschaften weiter verbessert werden, insbesondere in der Strombelastung und der Bruchfestigkeit durch die Mehrwandigkeit der Kohlenstoffnanoröhren.

Der Durchmesser derartiger mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren liegt zwischen 10 und 300 Nanometern, wobei die Wärmeleitung bevorzugt in Längsrichtung der Kohlenstoffnanoröhren erfolgt und um mehrere Größenordnungen größer ist als senkrecht zu der Längsrichtung der Kohlenstoffnanoröhren. Kohlenstoffnanoröhren weisen dazu zylinderförmige Wände auf, die ineinander geschachtelt sind, wobei jede Zylinderwand aus sechszähligen Kohlenstoffringen, die aneinander gereiht sind, aufgebaut ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die wärmeleitenden Partikel in Form von Kohlenstoffnanoröhren kreuz und quer und nicht senkrecht zu der Schicht bzw. der Folie angeordnet. Damit ergibt sich eine Anisotropie, die n der Fläche der Schicht, als im kartesischen Koordinatensystem in den Richtungen X und Y gleichwertig sind, während sie senkrecht dazu in Z-Richtung eine um mehrere Größenordnungen geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die anisotrop wärmeleitenden Partikel in eine gemeinsame Richtung innerhalb der Schicht bzw. innerhalb der Folie ausgerichtet sind. In diesem Fall erfolgt die Wärmeleitung überwiegend in dieser Hauptrichtung, so dass bereits innerhalb der Schicht bzw. der Folie eine starke Anisotropie herrscht, die jedoch durch entsprechende Strukturierungsmaßnahme in vorteilhafter Weise für Halbleiterchipstapel genutzt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die anisotrop wärmeleitende Schicht bzw. die Folie in dem Halbleitermodul von einer Randseite bis zu einer gegenüber liegenden Randseite des Halbleitermoduls und ist auf den Randseiten des Halbleitermoduls frei zugänglich, so dass die abgeleitete Wärme unmittelbar an die Umgebung abgegeben werden kann.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung steht der untere Halbleiterchip mit dem Verdrahtungssubstrat über Flipchip-Kontakte elektrisch in Verbindung. Dazu kann zwischen dem Verdrahtungssubstrat und dem unteren Halbleiterchip eine Unterfüllmasse angeordnet sein, welche die Flipchip-Kontakte einhüllt, um die Differenzen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips und des Verdrahtungssubstrats auszugleichen.

Vorzugsweise weist das Halbleitermodul mindestens einen gestapelten Halbleiterchip auf, der über Bondverbindungen mit dem Verdrahtungssubstrat elektrisch in Verbindung steht. Da die anisotrop leitende Schicht bzw. Folie quer durch den Halbleiterchipstapel hindurchgeht bzw. zwischen dem unteren und dem oberen Halbleiterchip angeordnet ist, werden die Bondverbindungen durch die anisotrop wärmeleitende Schicht bzw. Folie hindurchgeführt, wozu vorzugsweise diese Folie bzw. die Schicht entsprechend große Öffnungen aufweist. Vorzugsweise sind deshalb die Bondverbindungen an zwei gegenüber liegenden Randseiten des gestapelten Halbleiterchips angeordnet, so dass auf zwei Randseiten die Folie bzw. die Schicht jeweils eine langgestreckte Öffnung aufweist, um die Bondverbindungen hindurchzuführen. Das hat den Vorteil, dass die verbliebenen Randbereiche durchgängig von einer anisotrop wärmeleitenden Schicht bzw. Folie durchzogen werden können.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Rückseite eines gestapelten Halbleiterchips eine wärme- und elektrischleitende Metallschicht, vorzugsweise eine Kupfer- oder eine Aluminiumschicht oder eine Schicht aus einer Legierung derselben aufweist. Eine derartige Metallschicht ist schon aus Gründen der elektrischen Funktionalität für die meisten Halbleiterchips vorgesehen und kann zur Verbesserung der Wärmeleitung eine höhere Dicke als normal aufweisen, um den Wärmewiderstand zu der anisotrop wärmeleitenden Schicht bzw. anisotrop wärmeleitenden Folie zu verringern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der untere und der obere Halbleiterchip von unteren und/oder oberen Wärmeleitungsringen umgeben, die an die Dicke der Halbleiterchips angepasst sind. Diese Wärmeleitungsringe sind aus einem wärmeleitenden Metall. Der untere Wärmeleitungsring trägt die anisotrop wärmeleitenden Schicht bzw. Folie und weist dementsprechend eine Höhe auf, die der Dicke des unteren Halbleiterchips entspricht. Dieser untere Wärmeleitungsring ist auf dem Verdrahtungssubstrat unter Freilassung von Kontaktanschlussflächen für die Bondverbindung zum gestapelten Halbleiterchip angeordnet und bildet mit dem Verdrahtungssubstrat den unteren Bereich des Halbleitermoduls. Dieser untere Bereich des Halbleitermoduls wird von der wärmeleitenden Folie bzw. Schicht abgedeckt, so dass sich ein unterer Hohlraum durch den Abstand zwischen den Wärmeleitungsringen und dem unteren Halbleiterchip ausbildet.

Auf der den unteren Bereich abschließenden wärmeleitenden Schicht bzw. wärmeleitenden Folie ist dann ein oberer Wärmeleitungsring angeordnet, dessen Höhe der Dicke des oberen Halbleiterchips und, falls erforderlich, an die Größe der Bogen, mit denen die Bondverbindungen den oberen Halbleiterchip überragen, angepasst ist. Außerdem kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der obere Wärmeleitungsring in eine obere Abdeckung übergehen, so dass der obere Wärmeleitungsring das Hohlgehäuse mit dem eingeschlossenen Chipstapel umgibt.

Weiterhin ist es möglich und vorteilhaft, auf der Abdeckung Kühlrippen vorzusehen, um die Wärme über die anisotrop wärmeleitenden Schicht bzw. Folie und die Wärmeleitungsringe sowie die Kühlrippen auf der Abdeckung des oberen Wärmeleitungsrings abzuführen. Die Wärmeleitungsringe weisen vorzugsweise eine eckige Kontur auf, die der eckigen Form der Halbleiterchips angepasst ist. Außerdem können die Wärmeleitungsringe aus Wärmeleitungsblöcken bestehen, die den Halbleiterchipstapel umgeben.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Folie zur Wärmeableitung eines Halbleiterchipstapel, die zwischen und/oder oberhalb und/oder unterhalb des Halbleiterchipstapels angeordnet wird und anisotrop wärmeleitende Partikel aufweist, wobei die anisotrop wärmeleitenden Partikel in Richtung vertikal zu der Folie eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in lateraler Richtung der Folie aufweisen. Eine derartige Folie hat den Vorteil, dass sie in der Halbleitertechnik vielseitig eingesetzt werden kann und überall dort Verwendung findet, wo es darum geht, Wärme in einer vorgegebenen Richtung abzuführen. Dazu weist die wärmeleitende Folie wärmeleitende Partikel in lateraler Richtung der Folie auf, die eine größere Wärmeleitung in lateraler Richtung besitzen als in vertikaler Richtung zu der Folie. Dabei unterscheiden sich die Wärmeleitfähigkeiten zwischen der horizontalen Richtung und der vertikalen Richtung um mindestens eine Größenordnung.

Dazu sind in der anisotrop wärmeleitenden Folie mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren angeordnet, deren Längserstreckung der anisotrop wärmeleitenden Schicht angepasst ist. Die Wärmeleitung der Kohlenstoffnanoröhren in Längsrichtung ist mit 6.000 W/m und °K nahezu doppelt so hoch wie bei einem Diamant, der bekanntlich die bisher höchste Wärmeleitfähigkeit von Feststoffen aufweist.

Die Größenordnung derartiger Kohlenstoffnanoröhren in einem Durchmesser d in Nanometern zwischen 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und einer Länge in der Größenordnung von einigen 10 Nanometern bis einigen Millimetern lassen eine vielfältige Anwendung der anisotrop wärmeleitenden Partikel zu. Dazu gehört es, dass die Partikel in der anisotrop wärmeleitenden Folie in einer einzigen lateralen Richtung ausgerichtet sein können.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls mit Halbleiterchipstapeln weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Verdrahtungssubstrat mit Kontaktanschlussflächen für Flipchipkontakte eines unteren Halbleiterchips im Zentrum des Verdrahtungssubstrats und Kontaktanschlussflächen für mindestens einen zu stapelnden Halbleiterchip in Randbereichen des Verdrahtungssubstrats hergestellt. Anschließend wird ein unterer Halbleiterchip mit Flipchipkontakten im Zentrum des Verdrahtungssubstrats aufgebracht. Danach erfolgt ein Aufbringen von unteren Wärmeleitungsblöcken bzw. einem Wärmeleitungsring, der die Höhe aufweist, welche der Dicke des unteren Halbleiterchips entspricht. Dann erfolgt ein Aufbringen einer Folie mit einer anisotrop wärmeleitenden Schicht auf die unteren Halbleiterchips und die unteren Wärmeleitungsblöcke bzw. den Wärmeleitungsring.

Danach kann auf dieser Struktur ein Halbleiterchip direkt auf der Folie bzw. der wärmeleitenden Schicht über dem unteren Halbleiterchip ausgerichtet werden. Diese Folie weist mindestens eine Öffnung auf, durch die Bondverbindungen zwischen dem gestapelten Halbleiterchip und den Kontaktanschlussflächen in Randbereichen des Verdrahtungssubstrats aufgebracht werden können. Nach dem Aufbringen derartiger Bondverbindungen werden obere Wärmeleitungsblöcke bzw. ein oberer Wärmeleitungsring in Randbereichen der Folie unter Ausrichten auf die unteren Wärmeleitungsblöcke bzw. den unteren Wärmeleitungsring aufgebracht.

Schließlich wird der Halbleiterchipstapel durch Aufbringen einer wärmeleitenden Abdeckung auf die oberen Wärmeleitungsblöcke bzw. den Wärmeleitungsring abgeschlossen, so dass ein Hohlraumgehäuse entstanden ist, dessen Hohlraum in einzelne kleinere Hohlräume durch die anisotrop wärmeleitende Schicht bzw. die Folie geteilt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass beliebig viele Halbleiterchips mit dazwischen angeordneten anisotrop wärmeleitenden Schichten bzw. Folien aufeinander gestapelt werden können. Damit ergibt sich ein Halbleitermodul, dessen Verlustwärme optimal nach außen über die anisotrop wärmeleitenden Folien und die Wärmeleitungsblöcke bzw. Wärmeleitungsringe gekühlt werden kann.

Als untere und/oder obere Wärmeleitungsblöcke werden vorzugsweise Metallringe aufgebracht, welche die Halbleiterchips in den Randbereichen des Verdrahtungssubstrats bzw. der Folie umgeben. Dazu weist die Folie im Kernbereich eine anisotrop wärmeleitenden Schicht auf und ist von wärmeleitenden Klebstoffschichten beidseitig bedeckt.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleitermodule mit Halbleiterchipstapeln weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Verdrahtungssubstrat mit in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleitermodulpositionen hergestellt. Danach wird das Halbleitersubstrat mit unteren Halbleiterchips in den Halbleitermodulpositionen bestückt. Auf diese unteren Halbleiterchips wird dann eine anisotrop wärmeleitende Schicht aufgebracht. Danach kann bereits das Stapeln beginnen und schließlich können Bondverbindungen zwischen dem gestapelten Halbleiterchip und dem Verdrahtungssubstrat aufgebracht werden.

Anschließend erfolgt ein Einbetten der Randseiten des unteren Halbleiterchips in eine untere Kunststoffgehäusemasse unter teilweise Umhüllen der Bondverbindungen für alle Halbleitermodulpositionen. Auf die eingebetteten Randseiten aus einer Kunststoffgehäusemasse wird nun ebenfalls eine anisotrop wärmeleitende Schicht aufgebracht, so dass nun eine durchgängig wärmeleitende Schicht auf dem Verdrahtungssubstrat bzw. auf der unteren Kunststoffgehäusemasse angeordnet ist. Anschließend kann dann eine obere Kunststoffgehäusemasse auf die anisotrop wärmeleitende Schicht unter Einbetten des gestapelten Halbleiterchips und dem Rest der Bondverbindung in die obere Kunststoffgehäusemasse zu einer Verbundplatte aufgebracht werden. Schließlich kann die Verbundplatte in einzelne Halbleitermodule aufgetrennt werden.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass gleichzeitig in parallelen Fertigungsschritten mehrere Halbleitermodule hergestellt werden können, wobei die Schwierigkeit überwunden wird, die anisotrop wärmeleitende Schicht in zwei Stufen aufzubringen. Dabei umfasst eine erste Stufe das Aufbringen der anisotrop wärmeleitenden Schicht zwischen zwei gestapelten Halbleiterchips und anschließe4nd das Aufbringen der anisotrop wärmeleitenden Schicht auf der unteren Kunststoffgehäusemasse. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Zwischenräume zwischen dem unteren Halbleiterchip und dem Verdrahtungssubstrat mit einem Unterfüllmaterial aufgefüllt und dabei gleichzeitig die Flipchipkontakte des unteren Halbleiterchips in dieses Unterfüllmaterial eingebettet.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die anisotrop wärmeleitende Schicht bzw. Folie den Wärmefluss im Halbleiterchipstapel derart verändert, dass eine Entwärmung über die Außenränder des Halbleiterchipstapels bzw. des Halbleitermoduls stattfinden kann. Die anisotrop wärmeleitende Schicht bzw. die Folie werden vorzugsweise mit einem sog. "Film-Casting" für Kohlenstoffnanoröhren auf der zu entwärmenden Grenzfläche eines Halbleiterchips aufgetragen. Aufgrund der bis zu drei Zehnerpotenzen größeren Wärmeleitfähigkeit entlang der Längsachse der Kohlenstoffnanoröhren wird die Wärme bevorzugt lateral abgeleitet.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitermodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine anisotrop wärmeleitende Folie für ein Halbleitermodul gemäß 1;

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die anisotrop wärmeleitende Folie gemäß 2;

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch Kohlenstoffnanoröhrchen in einer anisotrop wärmeleitenden Schicht;

5 zeigt eine schematische Seitenansicht der Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß 4;

6 zeigt eine Prinzipskizze eines Kohlenstoffnanoröhrchens;

7 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul gemäß 1;

8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul gemäß 1.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitermodul 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleitermodul 1 ist auf einem Verdrahtungssubstrat 3 aufgebaut, das auf seiner Unterseite 23 Außenkontakte 24 aufweist. Auf der Oberseite 34 des Verdrahtungssubstrats 3 ist im Zentrum ein Halbleiterchipstapel 2 mit einem unteren Halbleiterchip 4 und einem oberen Halbleiterchip 5 angeordnet. Der Halbleiterchipstapel 2 wird von einem Hohlraumgehäuse umgeben, das in dieser Ausführungsform der Erfindung drei Komponenten aufweist. Zunächst ist im Randbereich der Oberseite 34 des Verdrahtungssubstrats 3 ein Wärmeleitungsring 16 aus einem Metall angeordnet.

Der Wärmerleitungsring 16 umgibt als Metallring 22 den unteren Halbleiterchip 4 und weist eine Höhe h auf, die der Dicke D des unteren Halbleiterchips 4 mit den Flipchipkontakten 11 entspricht. Mit den Flipchipkontakten 11 ist der untere Halbleiterchip 4 im Zentrum auf dem Verdrahtungssubstrat 3 fixiert. Die Flipchipkontakte 11 auf der aktiven Oberseite 25 des unteren Halbleiterchips 4 stehen über eine Verdrahtungsstruktur aus nicht gezeigten Leiterbahnen und Durchkontakten mit den Außenkontakten 24 des Halbleitermoduls in Verbindung. Auf der Rückseite 26 des unteren Halbleiterchips 4 ist eine anisotrop wärmeleitende Folie 19 angeordnet, die sich auch über den Wärmeleitungsring 16 erstreckt, so dass die in dem unteren Halbleiterchip 4 erzeugte Verlustwärme über die anisotrop wärmeleitende Folie 19 bis an die Randseiten 9 und 10 des Halbleitermoduls lateral transportiert wird und dort in Pfeilrichtung A an die Umgebung abgestrahlt werden kann.

Mit der anisotrop wärmeleitenden Folie 19 wird praktisch ein unterer Bereich 27 des Halbleitermoduls 1 abgeschlossen, wobei sich im unteren Bereich 27 ein Hohlraum 17 ausbildet. Auf der anisotrop wärmeleitenden Folie 19 ist im Zentrum des Halbleitermoduls 1 ein oberer Halbleiterchip 5 gestapelt, der auf seiner Rückseite 14 eine Metallschicht 15 aufweist, welche die Wärmeableitung an die anisotrop wärmeleitende Folie 19 unterstützen soll. Auf der aktiven Oberseite 29 des oberen Halbleiterchips 5 sind Bondverbindungen 12 angeordnet, die aus Bonddrähten 13 bestehen und eine Verbindung zwischen dem oberen Halbleiterchip 5 und dem Verdrahtungssubstrat 3 herstellen.

In den Randbereichen des Halbleitermoduls 1 ist im oberen Bereich 28 des Halbleitermoduls 1 ein Wärmleitungsring 16 angeordnet, der einstückig in eine Abdeckung 18 übergeht, die ihrerseits Kühlrippen 20 trägt, um eine effektive Wärmeableitung an die Umgebung zu erreichen. Dabei wird von dem Wärmeleitungsring 16 und der Abdeckung 18 ein Hohlraum 17 ausgebildet, der im oberen Bereich 28 des Halbleitermoduls 1 dem gestapelten Halbleiterchip 5 mit seinen Bondverbindungen 13 angepasst ist.

Der Vorteil dieses Halbleiterbauelements ist es, dass die anisotrop wärmeleitende Folie in Pfeilrichtung A eine um mindestens eine Größenordnung höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als vertikal dazu.

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine anisotrop wärmeleitende Folie 19 für das Halbleitermodul 1 gemäß 1. Die anisotrop wärmeleitende Folie 19 weist mit ihren Randseiten 9, 10, 30 und 31 eine Kontur auf, die der Außenkontur des Halbleitermoduls angepasst ist, so dass die Randseiten 9, 10, 30 und 31 der anisotrop wärmeleitenden Folie 19 mit der Umgebung Wärme austauschen können. Ferner weist die Folie 19 zwei Öffnungen 21 auf, durch welche Bonddrähte bzw. Bondverbindungen geführt werden können.

Die Anisotropie der Wärmeleitung wird durch anisotrop wärmeleitende Partikel, die in der Folie 19 eingeschlossen sind bzw. aus der die Folie aufgebaut ist, verursacht. Diese können sich lateral kreuz und quer in der Folie 19 erstrecken, so dass in X- und Y-Richtung keine Anisotropie feststellbar ist und lediglich gegenüber der Z-Richtung eine Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit wirksam wird. Andererseits ist es auch möglich, die Partikel in einer Richtung, vorzugsweise in Y-Richtung, auszurichten, so dass die höchst mögliche Wärmeableitung in Y-Richtung erfolgt.

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die anisotrop wärmeleitende Folie 19. Mit dem Querschnitt wird außerdem gezeigt, dass die Folie eine anisotrop wärmeleitende Schicht 6 als Kernschicht aufweist, die auf ihrer Oberseite und Unterseite von Klebstoffschichten bedeckt ist. Diese Klebstoffschichten sind ebenfalls wärmeleitend, um einen guten Kontakt zu den gestapelten Halbleiterchips sowie zu dem Stapel der Wärmeleitungsringe aufzubauen.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch Kohlenstoffnanoröhrchen 8 in einer anisotrop wärmeleitenden Schicht 6 mit anisotrop wärmeleitenden Partikeln 7. Diese Kohlenstoffnanoröhren 8 sind in Längsrichtung aufeinander gestapelt und haben in dieser Längsrichtung eine um drei Zehnerpotenzen höhere Wärmeleitfähigkeit als quer zu dieser Richtung. Außerdem weisen die Kohlenstoffnanoröhren 8 eine Mehrwandigkeit auf aus mehreren hundert atomaren Schichten, die zylindrisch ineinander geschachtelt sind. Dabei beträgt der Durchmesser d dieser mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen zwischen 10 mm ≤ d ≤ und 300 nm.

5 zeigt eine schematische Seitenansicht der Kohlenstoffnanoröhren 8 gemäß 4 und verdeutlicht, dass in dieser Ausführungsform der Erfindung Kohlenstoffnanoröhrchen in der anisotrop wärmeleitenden Folie dicht gepackt und in eine Richtung ausgerichtet sind. In dieser Längserstreckung beträgt ihre Wärmeleitfähigkeit 6000 W/m und °K, was nahezu der doppelten Wärmeleitfähigkeit von Diamant entspricht.

6 zeigt eine Prinzipskizze eines Kohlenstoffnanoröhrchens und insbesondere die atomare Struktur derartiger Kohlenstoffnanoröhrchen. Die Länge l kann mehrere 10 Nanometer bis mehrere Millimeter betragen. Der Durchmesser d, wie bereits oben erwähnt, ist ebenfalls variabel. In dieser Strukturdarstellung des Kohlenstoffnanoröhrchens ist ein einwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen gezeigt, das üblicherweise einen Durchmesser d von etwa 0,3 nm aufweist. Jedoch, wie oben bereits erwähnt, können eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen in zylindrischer Form übereinander bzw. ineinander geschachtelt sein. Die Kohlenstoffatome C sind auf der Mantelfläche des Kohlenstoffnanoröhrchens in einer sechszähligen Ringstruktur angeordnet. Da die Kohlenstoffnanoröhrchen keine Kristallgrenzen ausbilden, sind sie äußerst elastisch und bruchfest.

7 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Halbleitermodul 1 gemäß 1. Jedoch wurde die Abdeckung weggelassen, so dass der obere Wärmeleitungsring 16 sichtbar ist. Darunter ist die anisotrop wärmeleitende Folie 19 angeordnet, auf der der obere Halbleiterchip 5 fixiert ist. Dieser Halbleiterchip 5 weist Kontaktflächen 32 in Randbereichen von zwei Randseiten 30 und 31 auf, auf denen Bonddrähte 13 gebondet sind, die durch die Öffnungen 21 der anisotrop wärmeleitenden Folie 19 hindurchgeführt werden zu Kontaktanschlussflächen 33 auf der Oberseite 34 des Verdrahtungssubstrats 3. Um eine größtmögliche Wärmeableitung durch die Kohlenstoffnanoröhrchen zu erreichen, sind diese in Pfeilrichtung A ausgerichtet, so dass in dieser Richtung auf den Außenseiten 9 und 10 des Halbleitermoduls 1 der größte Teil der Wärme abgeführt werden kann.

8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleitermodul 1 gemäß 1. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert. Dieser Querschnitt erstreckt sich von der Randseite 30 zur Randseite 31 und zeigt den Hohlraum 17 des Hohlraumgehäuses in dem Bereich, in dem Bonddrähte 13 angeordnet sind. Diese Bonddrähte 13 bilden Bondverbindungen 12 zwischen Kontaktflächen 32 des gestapelten und oberen Halbleiterchips 5 mit Kontaktflächen 33 der Verdrahtungsstruktur des Verdrahtungssubstrats 3. Dabei werden die Bonddrähte 13 durch die Öffnungen 21 in der anisotrop wärmeleitenden Folie 19 mit einer wärmeleitenden Schicht 6 als Kernschicht geführt.

Über die Verdrahtungsstruktur des Verdrahtungssubstrats 3 sind die Kontaktanschlussfläche 33 mit entsprechenden Kontaktanschlussflächen für die Flipchipkontakte 11 des unteren Halbleiterchips 4 über nicht gezeigte Leiterbahnen verbunden und über nicht gezeigte Durchkontakte mit den Außenkontakten 24 des Halbleitermoduls 1 auf der Unterseite 23 des Verdrahtungssubstrats 3 verbunden. Ein oberer Wärmeleitungsring 16 geht bei dieser Ausführungsform der Erfindung in einen Deckel 18 über, der wiederum Kühlrippen 20 aufweist, wobei der Wärmeleitungsring 16, die Abdeckung 18 und die Kühlrippen 20 einstückig mit einem Herstellungsschritt gegossen wurden, um die Montage und die Lagerung zu vereinfachen.

1
Halbleitermodul
2
Halbleiterchipstapel
3
Verdrahtungssubstrat
4
Halbleiterchip (unten)
5
Halbleiterchip (oben)
6
wärmeleitende Schicht
7
Partikel
8
Kohlenstoffnanoröhre (mehrwandig)
9
Außenrandseite
10
Außenrandseite
11
Flipchipkontakt (des Halbleiterchips 4)
12
Bondverbindung
13
Bonddraht
14
Rückseite des gestapelten Halbleiterchips
15
Metallschicht auf Rückseite
16
Wärmeleitungsring bzw. Wärmeleitungsblock
17
Hohlraum
18
Abdeckung
19
Folie
20
Kühlrippe
21
Öffnung
22
Metallring
23
Unterseite des Substrats
24
Außenkontakt
25
Oberseite des unteren Halbleiterchips
26
Rückseite des unteren Halbleiterchips
27
unterer Bereich des Halbleitermoduls
28
oberer Bereich des Halbleitermoduls
29
Oberseite des oberen Halbleiterchips
30
Randseite der Folie
31
Randseite der Folie
32
Kontaktflächen auf dem Halbleiterchip
33
Kontaktanschlussflächen auf dem Verdrahtungssubstrat
34
Oberseite des Verdrahtungssubstrats
A
Pfeilrichtung
C
Kohlenstoffatom
D
Dicke des Halbleiterchips
d
Durchmesser des Kohlenstoffnanoröhrchens
h
Höhe des Wärmeleitungsringes
l
Länge des Kohlenstoffnanoröhrchens


Anspruch[de]
Halbleitermodul mit Halbleiterchipstapel (2), wobei der Halbleiterchipstapel (2) auf einem Verdrahtungssubstrat (3) angeordnet ist und zwischen den Halbleiterchips (4, 5) eine wärmeleitende Schicht (6), insbesondere eine Folie (19) mit anisotrop wärmeleitenden Partikeln (7) angeordnet ist, wobei die anisotrop wärmeleitenden Partikel (7) in Richtung vertikal zu der Schicht (6) bzw. der Folie (19) eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in Richtung der Schicht (6) bzw. der Folie (19). Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitenden Partikel (7) in Richtung der Schicht (6) bzw. Folie (19) eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die um mindestens eine Größenordnung größer ist, als in Richtung vertikal zu der Schicht (6) bzw. Folie (19). Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die anisotrop wärmeleitende Schicht (6) bzw. Folie (19) mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (8) aufweist, deren Längserstreckung der Schicht (6) bzw. Folie (19) angepasst ist. Halbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (8) einen Durchmesser d in der Größenordnung von Nanometern, vorzugsweise zwischen 10 nm ≤ d ≤ 300 nm aufweisen. Halbleitermodul nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (8) einen Länge l in der Größenordnung von einigen 10 Nanometern bis einigen Millimetern aufweisen. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die anisotrop wärmeleitenden Partikeln (7) kreuz und quer und nicht senkrecht in der Schicht (6) bzw. Folie (19) angeordnet sind. Halbleitermodul nach einem der Ansprüchel bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die anisotrop wärmeleitenden Partikel (7) in eine gemeinsamen Richtung in der Schicht (6) bzw. Folie (19) ausgerichtet sind. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die anisotrop wärmeleitende Schicht (6) bzw. Folie (19) in dem Halbleitermodul (1) von einer Randseite (9) bis zu einer gegenüberliegenden Randseite (10) des Halbleitermoduls (1) erstreckt und auf den Randseiten (9, 10) des Halbleitermoduls (1) frei zugänglich ist. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Halbleiterchip (4) mit dem Verdrahtungssubstrat (3) über Flipchipkontakte (11) elektrisch in Verbindung steht. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gestapelter Halbleiterchip (5) über Bondverbindungen (12) mit dem Verdrahtungssubstrat (3) elektrisch in Verbindung steht. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bonddrähte (13) eine Öffnung (21) in der anisotrop wärmeleitenden Schicht (6) bzw. Folie (19) durchqueren. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (14) eines gestapelten Halbleiterchips (5) eine wärme- und elektrisch leitende Metallschicht (15), vorzugsweise eine Kupfer- oder eine Aluminiumschicht oder eine Schicht aus einer Legierung derselben aufweist. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere und der obere Halbleiterchip (4, 5) von unteren und/oder oberen Wärmeleitungsringen (16) umgeben sind, die an die Dicke der Halbleiterchips angepasst sind. Halbleitermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitungsringe (16) aus Wärmeleitungsblöcken zusammengesetzt sind und einen Hohlraum (17) bilden, in dem der Halbleiterchipstapel (2) angeordnet ist, und wobei der Hohlraum (17) von einer Abdeckung (18) abgeschlossen ist. Halbleitermodul nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitungsringe (16) über eine Folie (19) mit anisotrop wärmeleitender Schicht (6) thermisch verbunden sind Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der obere Wärmeleitungsring (16) eine wärmeleitende Abdeckung (18) aufweist, die vorzugsweise Kühlrippen (20) besitzt. Folie zur Wärmeableitung eine Halbleiterchipstapels, die zwischen und/oder oberhalb und/oder unterhalb des Halbleiterchipstapels (2) angeordnet wird und anisotrop wärmeleitende Partikel (7) aufweist, wobei die anisotrop wärmeleitenden Partikel (7) in Richtung vertikal zu der Folie (19) eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in Richtung der Folie (19). Folie nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitenden Partikel (7) in Richtung der Folie (19) eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die um mindestens eine Größenordnung größer ist, als in Richtung vertikal zu der Folie. Folie nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die anisotrop wärmeleitende Folie (19) mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (8) aufweist, deren Längserstreckung der Schicht angepasst ist. Folie nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (8) einen Durchmesser d in der Größenordnung von Nanometern, vorzugsweise zwischen 10 nm ≤ d ≤ 300 nm aufweisen. Folie nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (8) eine Länge l in der Größenordnung von einigen 10 Nanometern bis einigen Millimetern aufweisen. Folie nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das die anisotrop wärmeleitenden Partikel (7) kreuz und quer und nicht senkrecht in der Folie (19) angeordnet sind. Folie nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das die anisotrop wärmeleitenden Partikel (7) in eine gemeinsamen Richtung in der Folie (19) ausgerichtet sind. Folie nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die anisotrop wärmeleitende Folie (19) in einem Halbleitermodul (1) mit dem Halbleiterchipstapel (2) sich von einer Randseite (9) bis zu einer gegenüberliegenden Randseite (10) des Halbleitermoduls (1) erstreckt und auf den Randseiten (9, 10) des Halbleitermoduls (1) frei zugänglich ist. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls (1) mit Halbleiterchipstapel (2), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Herstellen eines Verdrahtungssubstrats (3) mit Kontaktanschlussflächen für Flipchipkontakte (11) eines unteren Halbleiterchips (4) im Zentrum des Verdrahtungssubstrats (3) und Kontaktanschlussflächen für mindestens einen zu stapelnden Halbleiterchip (5) in Randbereichen des Verdrahtungssubstrats (3);

– Aufbringen eines unteren Halbleiterchips (4) mit Flipchipkontakten (11) im Zentrum des Verdrahtungssubstrats (3);

– Aufbringen von unteren Wärmeleitungsblöcken (16), die eine Höhe aufweisen, welche der Dicke des unteren Halbleiterchips (4) entspricht auf die Randbereiche des Verdrahtungssubstrats (3) unter Freilassen der Kontaktanschlussflächen für den zu stapelnden Halbleiterchip (5);

– Aufbringen einer Folie (19) mit einer anisotrop wärmeleitenden Schicht (6) auf die unteren Halbleiterchips (4) und die unteren Wärmeleitungsblöcke (16);

– Stapeln eines Halbleiterchips (5) auf der Folie (19) über dem unteren Halbleiterchip (4);

– Aufbringen von Bondverbindungen (12) zwischen dem gestapelten Halbleiterchip (5) und den Kontaktanschlussflächen in Randbereichen des Verdrahtungssubstrats (3);

– Aufbringen von oberen Wärmeleitungsblöcken (16) in Randbereichen der Folie (19), ausgerichtet auf den unteren Wärmeleitungsblöcken (16);

– Aufbringen einer wärmeleitenden Abdeckung (18) auf die oberen Wärmeleitungsblöcke (16).
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass als untere und/oder obere Wärmeleitungsblöcke (16) Metallringe (22) aufgebracht werden, welche die Halbleiterchips (4, 5) in den Randbereichen des Verdrahtungssubstrats (3) bzw. der Folie (19) umgeben. Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleitermodule (1) mit Halbleiterchipstapel (2), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Herstellen eines Verdrahtungssubstrats (3) mit in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleitermodulpositionen;

– Bestücken des Verdrahtungssubstrats (3) mit unteren Halbleiterchips (4) in den Halbleitermodulpositionen;

– Aufbringen einer anisotrop wärmeleitenden Schicht (6) auf die unteren Halbleiterchips (4);

– Stapeln eines Halbleiterchips (5) auf der anisotrop wärmeleitenden Schicht (6);

– Aufbringen von Bondverbindungen (12) zwischen dem gestapelten Halbleiterchip (5) und dem Verdrahtungssubstrat (3);

– Einbetten der Randseiten des unteren Halbleiterchips (4) in einer unteren Kunststoffgehäusemasse unter teilweisem Umhüllen der Bondverbindungen (12);

– Aufbringen einer anisotrop wärmeleitenden Schicht (6) auf die untere Kunststoffgehäusemasse;

– Aufbringen einer oberen Kunststoffgehäusemasse auf die anisotrop wärmeleitende Schicht (6) unter Einbetten des gestapelten Halbleiterchips (5) und dem Rest der Bondverbindungen (12) in die obere Kunststoffgehäusemasse zu einer Verbundplatte;

– Auftrennen der Verbundplatte in mehrere Halbleitermodule (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenräume zwischen dem unteren Halbleiterchip (4) und dem Verdrahtungssubstrat (3) mit einem Unterfüllmaterial aufgefüllt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (19) aus einer anisotrop wärmeleitenden Kernschicht (6) mit Kohlenstoffnanoröhren (8) und beidseitig thermischleitenden Klebstoffschichten hergestellt wird.






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