Thermo- und Powermanagement bei Flip-Chips Zehnmal höherer Wärmestrom als herkömmliche thermoelektrische Elemente

Die amerikanische Startup-Firma Nextreme hat ein thermoelektrisch arbeitendes Modul vorgestellt, das die Kühlung von optoelektronischen und elektronischen Systemen revolutionieren könnte. Das Kühlelement ist für das Wärmemanagement auf Chipebene konzipiert und kann sowohl die Chips generell kühlen als auch zum gezielten Entwärmen von Hotspots eingesetzt werden. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Chip-Temperatur möglich, wie sie z.B. bei optoelektronischen Komponenten notwendig ist.

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Das in Durham, USA, ansässige Unternehmen Nextreme Thermal Solutions geht einen neuen Weg, um Halbleiterbauelemente zu entwärmen: „Eine aktive Kühlung ist an der Stelle am effizientesten, wo die Wärme entsteht“, meint Entwicklungsleiter David Koester. Bei der für moderne Prozessor- und Grafikchips gängigen Flip-Chip-Montage werden die Lötkontakte (Bumps) direkt auf dem Die platziert. Das Startup-Unternehmen integriert thermisch aktives Material in diese Lötkontakte und entwärmt so elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelementen effizient und einfach.

Der UPF (Ultra-High Packing Fraction) OptoCooler (siehe Bild) wurde auf das Wärmemanagement von Laserdioden, LEDs und Sensoren optimiert und leitet auf einer Fläche von 0,55 Quadratmillimeter maximal 420 mW bei einer Umgebungstemperatur von 25°C ab. Das entspricht einem Wärmestrom bis zu 78 W/cm2. Bei Umgebungstemperaturen von 85°C sollen die Werte auf 610 mW bzw. 112 W/cm2 steigen. „Der Wärmestrom ist damit etwa zehn mal so hoch wie die herkömmlicher TEC-Lösungen“, erzählt Koester. „Das ist ein großer Durchbruch. So ermöglicht diese Entwicklung das direkte Kühlen einer Laserdiode“. Das Kühleelement wird dezeit zur Temperatursteuerung in Laserdioden für die Signalgebung in Glasfasernetzen eingesetzt.

Kühlelement ist ein Mini-Peltier-Element

Die Grundlage für das auch als thermisches CPB (Copper Pillar Bumping) bezeichnete Kühlelement bildet eine halbleitende Dünnschichtstruktur von 5 bis 20 µm Dicke aus einer Wismuttellurid-Legierung, die direkt auf die Kupfer-Löt-Bumps aufgebracht wird. Somit wird eine Standard-Lötkontaktierung beim ungehäusten Chip zu einem aktiven thermoelektrischen Element, über das bei richtiger thermischer und elektrischer Konfiguration ein Wärmetransport erfolgt.

Die Richtung des Wärmestroms wird durch die Dotierung (n- oder p-leitend) der Thermo-Halbleiterschicht und somit die Richtung des fließenden Stroms bestimmt. Dieser Effekt ist auch als Peltier-Effekt bekannt, die Umkehrung als Seebeck-Effekt (eine Wärmdifferenz generiert einen Stromfluss). Das Kühlelement kann beide Effekte ausnutzen und so auch zum Powermanagement, z.B. beim Erhaltungsladen von Miniaturakkus, beitragen. Die Durchmesser der thermischen CPBs werden mit 238 µm angegeben, die Gesamtkontaktfläche ist größer. Das Modul kann sowohl in diskrete als auch integrierte Applikationen auf System-, Package- oder Waferlevel integriert werden, ohne dass Prozessänderungen notwendig sind. Die OptoCooler-Module sind zu einem Preis von 12 US-$ (1000 Stück) lieferbar und waren auf der Konferenz Photonics West in San Jose Ende Januar zu sehen.

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