СХЕМА С ДВУХСТОРОННИМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
DOUBLE-SIDE COOLING CIRCUIT

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.
2
3
Известно, что по меньшей мере на одну сторону керамических подложек из AlO(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.