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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleitereinrichtungen mit
Schichten, die erweiterte Umfänge
aufweisen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
Halbleitereinrichtungen mit erweiterten Umfängen für eine verbesserte Kühlung durch
Flüssigkühlsysteme
in Halbleitermodulen und Verfahren zum Kühlen von Halbleitereinrichtungen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bestimmte
Halbleitereinrichtungen erzeugen bekanntlich übermäßige Wärme während des Betriebs. Dies gilt
besonders für
Leistungshalbleitereinrichtungen, welche gewöhnlich als Schalter oder Gleichrichter
in Hochleistungs-Elektroschaltungen genutzt werden. Leistungsinverter
beispielsweise werden in Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen genutzt,
um eine Dreiphasen-Betriebsleistung an den elektrischen Antriebsmotor
des Fahrzeugs zu liefern. Leistungsinverter und andere solche Einrichtungen müssen typischerweise
gekühlt
werden, um ein korrektes Funktionieren sicherzustellen. Aus diesem Grund
sind die Leistungsmodule, die solche Leistungseinrichtungen beherbergen,
oft mit einer gewissen Form von Kühlsystemen versehen. Zum Beispiel verwenden
herkömmliche
Kühlsysteme
gewöhnlich eine
kalte Platte (z. B. eine Wärmesenke),
um Wärme
von der Leistungseinrichtung weg zu übertragen. Die Wärmesenke
kann einen Metallkörper
(z. B. Aluminium, Kupfer etc.) mit einer flachen Oberfläche und mehreren,
von dort ausgehenden Vorsprüngen ("Pin-Fins") aufweisen. Die
flache Oberfläche
der Wärmesenke
ist in thermischem Kontakt mit der Leistungseinrichtung angeordnet
(z. B. an ein Substrat gelötet,
das die Leistungseinrichtung trägt),
und die Pin-Fins werden einer Kühlquelle,
typischerweise Luft oder ein Kühlmittelfluid
(z. B. Glykolwasser), ausgesetzt. Ein Flüssigkühlsystem nutzt eine Pumpe, um
Kühlmittelfluid über und
auf den oberen Abschnitt der Leistungseinrichtung zirkulieren zu
lassen. Während
eines Betriebs der Einrichtung wird Wärme von der Leistungseinrichtung
weg und in die Pin-Fins geleitet, welche durch die Kühlquelle
konvektiv gekühlt werden.
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Herkömmliche
Halbleitereinrichtungen können
eine optimale Kühlung
in den oben beschriebenen Kühlsystemen
nicht erreichen. Typischerweise wird ein Großteil der Wärme der Halbleitereinrichtungen
durch die Halbleiterkomponente selbst erzeugt. In einer Einrichtung
mit Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), die als Leistungseinrichtung
genutzt wird, kann der Transistor einen Großteil der Wärme in der Einrichtung (z.
B. Schalt- und Leistungsverluste) erzeugen. In solch einer Einrichtung kann
jedoch der Transistor durch das flüssige Kühlmittel nicht effektiv gekühlt werden,
weil das flüssige Kühlmittel
Wärme über mehrere, über dem
Transistor positionierte dazwischen liegende Schichten, z. B. Zwischenverbindungen
und isolierende Schichten, von der Einrichtung weg leiten muss.
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Demgemäß ist es
wünschenswert,
eine Halbleitereinrichtung zu schaffen, die eine effizientere Kühlung mit
einem Flüssigkühlsystem
ermöglicht. Außerdem ist
auch wünschenswert,
ein Halbleitermodul zu schaffen, das eine Halbleitereinrichtung und
ein Flüssigkühlsystem
einschließt,
das die Halbleitereinrichtung effektiv kühlt. Außerdem ist es wünschenswert,
ein Verfahren zum Kühlen
einer Halbleitereinrichtung mit einem Flüssigkühlsystem zu schaffen, das effizienter
als herkömmliche
Verfahren ist. Andere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich
werden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem
vorhergehenden technischen Gebiet und Hintergrund geliefert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
wird eine Halbleitereinrichtung geschaffen, und diese enthält einen
Wafer mit ersten und zweiten gegenüberliegenden metallisierten
Hauptflächen
und einen Transistor, der auf die erste metallisierte Fläche des
Werfers gebondet ist. Der Transistor enthält eine erste Oberfläche, und
die erste Oberfläche
definiert einen ersten Bereich bzw. eine erste Fläche. Die Einrichtung
enthält
ferner eine erste Metallschicht, die eine erste Oberfläche des
Transistors gebondet ist. Die erste Metallschicht hat eine erste
Oberfläche, die
eine zweite Fläche
definiert, die größer als
die erste Fläche
des Transistors ist. Die Einrichtung enthält ferner eine Keramikschicht,
die an die erste Oberfläche
der ersten Metallschicht gebondet ist.
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Gemäß einer
anderen beispielhaften Ausführungsform
wird ein Halbleitermodul geschaffen, und dieses enthält ein Gehäuse mit
einem Hohlraum darin und zumindest einer Halbleitereinrichtung,
die sich innerhalb des Hohlraums befindet. Die zumindest eine Halbleitereinrichtung
enthält
einen Wafer mit ersten und zweiten gegenüberliegenden metallisierten
Hauptflächen;
einen Transistor, der an die erste metallisierte Fläche des
Werfers gebondet ist und eine erste Oberfläche aufweist, die eine erste Fläche definiert;
eine erste Metallschicht, die an die erste Oberfläche des Transistors
gebondet ist und eine erste Oberfläche aufweist, die eine zweite
Fläche
definiert, die größer als
die erste Fläche
des Transistors ist; eine Keramikschicht, die an die erste Metallschicht
gebondet ist; und ein Kühlsystem.
Das Kühlsystem
umfasst einen Strömungsdurchgang durch
das Gehäuse
und ist fluidmäßig mit
dem Hohlraum gekoppelt, und das Kühlsystem ist so ausgeführt, dass
ein Kühlmittelfluid
durch den Strömungsdurchgang
und in Kontakt mit der ersten Metallschicht der zumindest einen
Halbleitereinrichtung zirkuliert.
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Gemäß noch einer
anderen beispielhaften Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Kühlen
einer Halbleitereinrichtung geschaffen, und dieses umfasst die Schritte:
Zirkulierenlassen eines Kühlmittelfluids
durch einen Strömungsdurchgang;
Leiten des Kühlmittelfluids
auf eine erste Metallschicht der Halbleitereinrichtung; wobei die
erste Metallschicht an einen Transistor in der Halbleitereinrichtung
gebondet ist; und Sammeln des Kühlmittelfluids
und zurück
Zirkulierenlassen des Kühlmittelfluids
durch den Strömungsdurchgang.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungsfiguren beschrieben, worin gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen
und worin:
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1 eine
erste Querschnittansicht eines Halbleitermoduls gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
zweite Querschnittansicht des in 1 gezeigten
Halbleitermoduls ist, gelegt entlang einer Ebene 2-2;
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3 eine
isometrische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Halbleitereinrichtung
ist, die in dem Halbleitermodul von 1 und 2 genutzt
wird;
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4 eine
auseinander gezogene isometrische Ansicht der Halbleitereinrichtung
von 3 ist; und
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5 eine
Draufsicht einer beispielhaften Metallschicht ist, die in der Halbleitereinrichtung
in 1–4 genutzt
wird,
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BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende detaillierte Beschreibung ist in ihrer Art nur beispielhaft
und soll die Erfindung oder die Anwendung und Nutzungen der Erfindung
nicht beschränken. Überdies
soll sie durch keine ausgedrückte
oder implizierte Theorie beschränkt
werden, die in dem vorhergehenden technischen Gebiet, Hintergrund,
der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung
präsentiert
wird.
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1 ist
eine erste Querschnittansicht eines Halbleitermoduls 20 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und 2 ist eine
zweite Querschnittansicht des Halbleitermoduls 20, gelegt
entlang einer Ebene 2-2 in 1. Das Halbleitermodul 20 kann
ein Leistungsmodul (z. B. ein Invertermodul) sein, das für einen
Einsatz an einem Elektro- oder Hybridfahrzeug geeignet ist. Das Halbleitermodul 20 kann
in einem Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenautomobil beispielsweise
mit einem Elektromotor (A/C) dreiphasigen Wechselstrom genutzt werden.
Das Halbleitermodul 20 kann eine Inverterschaltung sein,
die geschalteten Wechselstrom an den Wechselstrom-Elektromotor liefert.
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Das
Halbleitermodul 20 umfasst ein Gehäuse 22, das wiederum
eine Modulabdeckung 24 und eine Basis 26 umfasst.
Die Basis 26 kann z. B. eine kalte Platte umfassen, und
hierin wird hierauf als solche verwiesen. Der Ausdruck kalte Platte
wird hierin in seinem weitesten Sinn genutzt und umfasst jegliche
Einrichtung (z. B. eine Wärmesenke),
die zum Entfernen bzw. Abführen
von Wärme
vom Halbleitermodul 20 geeignet ist. Die Abdeckung 24 kann
aus einem thermisch nicht leitenden Material gefertigt sein, z.
B. aus einem geeigneten Polymer wie z. B. Kunststoff geformt bzw.
gegossen, und die kalte Platte 26 kann aus einem thermisch
leitenden Material wie z. B. Aluminium oder Kupfer konstruiert sein.
Die Abdeckung 24 umfasst eine Innenfläche 28, und die kalte
Platte 26 weist eine Auflagefläche 30 auf. Die Abdeckung 24 ist
abdichtend mit der kalten Platte 26 so gekoppelt, dass
die Innenfläche 28 und
die Auflagefläche 30 zusammenwirken,
um einen Hohlraum 32 innerhalb des Gehäuses 22 zu definieren.
Wie der Fachmann erkennt, kann die Abdeckung 24 abdichtend
mit der kalten Platte 26 auf verschiedene Weisen gekoppelt
sein. Zum Beispiel kann die Abdeckung 24 über einen
Klebstoff oder mehrere Befestigungsmittel mit der kalten Platte 26 gekoppelt
sein. Alternativ dazu kann die Abdeckung 24 so geformt sein,
dass sie mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale aufweist, die
mit der Auflagefläche 30 in Eingriff
stehen, oder die Abdeckung 24 kann einfach direkt auf die
kalte Platte 26 geformt sein. Falls Befestigungsmittel
oder mechanische Verriegelungseinrichtungen genutzt werden, kann
ein (nicht dargestellter) elastomerer O-Ring zwischen der Innenfläche 28 und
der Auflagefläche 30 angeordnet
werden, um sicherzustellen, dass eine flüssigkeits- und dampfdichte
Abdichtung zwischen der Abdeckung 24 und der kalten Platte 26 gebildet
wird.
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Eine
oder mehr Halbleitereinrichtungen 34 (z. B. Leistungseinrichtungen
wie z. B. Inverter mit Transistoren) sind innerhalb des Hohlraums 32 an geordnet
und mit der Auflagefläche 30 der
kalten Platte 26 gekoppelt. Die Halbleitereinrichtungen 34 sind
in 1 und 2 schematisch veranschaulicht
und werden mit Verweis auf 3–5 in
weiteren Einzelheiten beschrieben. Die Halbleitereinrichtungen 34 können z.
B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sein. IGBTs sind
Halbleitereinrichtungen, die besonders zur Verwendung in Leistungsanwendungen
geeignet sind. IGBTs können
sowohl hohe Spannungen als auch hohe Ströme mit kleinen Chipgrößen und
mit verhältnismäßig niedrigem "An"-Widerstand verarbeiten.
IGBTs können
außerdem
schnell geschaltet werden, wodurch IGBTs als Schalter in Dreiphasen-Invertern
für Hochleistungsanwendungen
mit Wechselstrommotoren nützlich werden,
wie z. B. Motoren, die genutzt werden, um Elektro-Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge
anzutreiben.
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Die
Halbleitereinrichtungen 34 werden von einem Substrat 36 getragen
und sind mit ihm fest gekoppelt. Das Substrat 36 kann ein
direkt gebondetes Kupfersubstrat (z. B. ein kupfer-laminiertes Aluminiumoxid
oder ein Keramiksubstrat) sein, und die Halbleitereinrichtungen 34 können an
das Substrat 36 gelötet
sein; jedoch sollte erkannt werden, dass andere Substrate und Befestigungsmittel
genutzt werden können.
Das Substrat 36 kann mit der Auflagefläche 30 thermisch gekoppelt
(z. B. daran gelötet)
werden, wodurch die Halbleitereinrichtungen 34 in thermischer
Verbindung mit der kalten Platte 26 platziert werden.
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Während eines
Betriebs des Halbleitermoduls 20 wird Wärme durch die Halbleitereinrichtungen 34 erzeugt.
Insbesondere wird Wärme
durch elektrische Komponenten (z. B. Leistungsschalter, Dioden etc.)
erzeugt, die von Halbleitereinrichtungen 34 verwendet werden.
Ein Kühlsystem 35 ist
folglich innerhalb des Gehäuses 22 vorgesehen,
um von den Halbleitereinrichtungen 34 erzeugte Wärme zu dissipieren,
indem man ein Kühlmittelfluid 38 durch
das Gehäuse 22 und über oder
auf die Halbleitereinrichtungen 34 aktiv zirkulieren lässt. Wie
im Folgenden detaillierter beschrieben wird, leitet das Kühlsystem 35 vorzugsweise
ein oder mehr Fluidströme
oder zerstäubte
Sprühnebel
eines Kühlmittelfluids
direkt auf obere Oberflächen
bzw. Oberseiten der Halbleitereinrichtungen 34, um die
Halbleitereinrichtungen 34 zu kühlen.
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Das
Kühlmittelfluid 38 ist
vorzugsweise eine dielektrische Flüssigkeit. Wie der Fachmann
erkennt, wird die besondere ausgewählte dielektrische Flüssigkeit
von der Chemie und Anwendung der Einrichtung abhängen. Geeignete dielektrische
Flüssigkeiten
können,
sind aber nicht darauf beschränkt,
Fluorkohlenstoffe, Silikonöle
und Polyalphaolephine einschließen.
Das Kühlmittelfluid 38 sammelt
sich innerhalb eines Reservoirs 37 für Kühlmittelfluid, welches innerhalb
des Hohlraums 32 angeordnet ist, und im Wesentlichen durch
die Auflagefläche 30 und
die Innenfläche 28 definiert
wird. Wie veranschaulicht kann das Reservoir 37 für Kühlmittelfluid
teilweise oder vollständig
ein oder mehrere Halbleitereinrichtungen 34 umschließen; es
sollte sich jedoch verstehen, dass es beileibe nicht notwendig ist,
dass das Kühlmittelfluid 38,
das innerhalb des Reservoirs 37 für Kühlmittelfluid enthalten ist,
irgendeinen Abschnitt der Halbleitereinrichtungen 34 berührt. Tatsächlich kann
es vorzuziehen sein, dass Oberflächen
der Halbleitereinrichtungen 34 so freigelegt sind, dass sie
ein direktes Auftreffen bzw. Aufprallen des Kühlmittelfluids 38 darauf
von Prallauslässen 46 des Kühlmittelsystems 35 gestatten,
wie im Folgenden detaillierter diskutiert wird. Bei anderen Ausführungsformen
können
die Halbleitereinrichtungen 34 ganz vom Kühlmittelfluid 38 umgeben
bzw. in dieses getaucht (engl. submerged) sein, welches den Hohlraum 32 im
Wesentlichen füllen
kann. Ausführungsformen
dieses Typs können
eine verbesserte thermische Leistung und/oder verringerte Empfindlichkeit hinsichtlich
einer Orientierung der Einrichtung aufweisen; z. B. eine verrin gerte
Möglichkeit
einer Gasansaugung durch eine Pumpe (z. B. eine unten beschriebene
Pumpe 42), die innerhalb des Halbleitermoduls 20 angeordnet
ist, wenn das Halbleitermoduls 20 geneigt ist oder wenn
das Halbleitermodul 20 Zentrifugalkräften oder andere Schwerkraft-
oder Beschleunigungskräften
ausgesetzt ist.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
umfasst die kalte Platte 26 eine Wärmesenke mit einem Rumpfabschnitt 39,
der die Auflagefläche 30 aufweist.
Mehrere Vorsprünge 40 ("Pin-Fins") sind mit dem Rumpfabschnitt 39 gekoppelt
oder integral mit diesem ausgebildet und erstrecken sich im Wesentlichen
entgegengesetzt zur Auflagefläche 30 weg
von ihm. Die Pin-Fins 40 vergrößern die
Oberfläche
des unteren Abschnitts der kalten Platte 26 und fördern somit
die konvektive Kühlung
der kalten Platte 26. Die Pin-Fins 40 sind in
bekannter Art und Weise einer Kühlquelle
ausgesetzt, z. B. können
die Pin-Fins 40 einer Luftquelle ausgesetzt sein, die durch
einen (nicht dargestellten) Ventilator über die Pin-Fins 40 geleitet
wird. Alternativ dazu können
die Pin-Fins 40 einem zweiten flüssigen Kühlmittel (z. B. Glykolwasser)
ausgesetzt sein. Auf diese Weise wirkt die kalte Platte 26 mit
dem Substrat 36 zusammen, um einen leitenden Wärmedissipationspfad
zu schaffen. Das heißt, überschüssige Wärme, die
von den Halbleitereinrichtungen 34 erzeugt wird, wird durch
das Substrat 36 leitend absorbiert und gelangt durch den Rumpfabschnitt 39 zu
den Pin-Fins 40. Die Kühlquelle,
die auf die Pin-Fins 40 angesetzt wird, dissipiert dann
konvektiv die überschüssige Wärme, wodurch die
kalte Platte 26 gekühlt
wird.
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Wie
vorher bemerkt wurde, lässt
man das Kühlmittelfluid 38 aktiv
durch das Gehäuse 22 mittels eines
Kühlsystems 35 zirkulieren,
das innerhalb des Halbleitermoduls 20 enthalten ist. Dieses
Kühlsystem 35 umfasst
einen Strömungsdurchgang 41 (1) durch
das Gehäuse 22 mit
einem Einlass und von zumindest einem Auslass. Außerdem kann
das Kühlsystem
ferner eine Pumpe 42 (1) aufweisen,
die mit dem Strömungsdurchgang 41 fluidmäßig gekoppelt
ist. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält der Strömungsdurchgang 41 einen
Reservoireinlass 44, der durch die Auflagefläche 30 angeordnet
ist, und mehrere Prallauslässe 46,
die durch die Innenfläche 28 angeordnet
sind. Die Prallauslässe 46 sind
vorzugsweise so positioniert, dass sie das zirkulierende Kühlmittelfluid 38 auf
die Halbleitereinrichtungen 34 lenken. Eine Gruppe der
Prallauslässe 46 kann
im Wesentlichen oberhalb einer verschiedenen von Halbleitereinrichtungen 34,
wie in 1 und 2 gezeigt, angeordnet sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform
sind fünf
Prallauslässe 46 für jede Halbleitereinrichtung 34 vorgesehen,
mit einem Prallauslass 46 für eine Seitenecke und einem
für die Mitte
vorgesehenen Prallauslass 46. In einer alternativen Ausführungsform
können
die Prallauslässe 46 an
den Ecken der Halbleitereinrichtungen 34 angeordnet sein.
Die Prallauslässe 46 können eine
beliebige Form einnehmen, die zum Leiten des Kühlmittelfluids 38 auf
die Halbleitereinrichtungen 34 geeignet ist. Zum Beispiel
können
die Prallauslässe 46 jeweils die
Form eines oder mehrerer Löcher
aufweisen, die durch die Innenfläche 28 der
Abdeckung 24 geschaffen wurden. Die Prallauslässe 46 können jedoch
jeweils vorzugsweise eine (veranschaulichte) Fluidstromdüse umfassen,
die so ausgebildet ist, dass ein Strom eines Kühlmittelfluids 38 erzeugt
wird, oder einen Zerstäuber,
der so ausgebildet ist, dass ein feiner oder zerstäubter Nebel
erzeugt wird. Ein besonderes Modul kann Fluidstromdüsen, Zerstäuber oder
eine Kombination von Düsen
und Zerstäubern
in Abhängigkeit
von gewünschten
Leistungseigenschaften verwenden. In Bezug auf Fluidstromdüsen liefern Zerstäuber eher
eine effizientere thermische Kühlung.
Umgekehrt helfen Fluidstromdüsen
dabei, die Qualität
des Kühlmittelfluids
zu bewahren, und können
ermöglichen,
dass die Pumpe 42 eine Niederdruckausführung ist, wodurch Kosten reduziert
und die Systemzuverlässigkeit
erhöht
werden.
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Obgleich
nur ein Strömungsdurchgang 41 in 1 und 2 gezeigt
ist, sollte erkannt werden, dass bestimmte Ausführungsformen des Halbleitermoduls 20 mehrere
(z. B. duale) Strömungskanäle aufweisen
können.
Der Strömungsdurchgang 41 ist vorzugsweise
durch einen Umfangsabschnitt der kalten Platte 26 ausgebildet,
um eine direkte Einwirkung auf den leitenden Wärmepfad im Wesentlichen zu vermeiden,
der durch das Substrat 36 und die kalte Platte 26 vorgesehen
ist. Außerdem
versteht der Fachmann, dass der Abschnitt des Strömungsdurchgangs
(oder der Durchgänge) 41,
der durch die kalte Platte 26 ausgebildet ist, verschiedene
Formen und Ausführungen
annehmen kann (z. B. eine serpentinenartige oder gitterartige Ausführung),
um die Länge
des Strömungskanals
zu vergrößern und
daher eine Wärmeübertragung
von dem Kühlmittelfluid 38 auf
die kalte Platte 26 zu maximieren.
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Bezug
nehmend noch auf das beispielhafte Halbleitermodul 20 umfasst
der Strömungsdurchgang 41 zwei
Strömungskanalsektionen:
eine erste Strömungskanalsektion 48,
die durch die kalte Platte 26 ausgebildet ist, und eine
zweite Strömungskanalsektion 50,
die mittels der Abdeckung 24 (z. B. durch einen oberen
Abschnitt der Abdeckung 24) ausgebildet ist. Die erste
Strömungskanalsektion 48 enthält den Reservoireinlass 44,
und die zweite Strömungskanalsektion 50 enthält die mehreren
Prallauslässe 46.
Die Pumpe 42 ist innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet
und fluidmäßig zwischen
die erste Strömungskanalsektion 48 und
die zweite Strömungskanalsektion 50 gekoppelt.
Zum Beispiel kann sich die Pumpe 42 innerhalb eines Umfangsabschnitts 43 (1)
der Abdeckung 24 befinden und fluidmäßig zwischen einen Auslass 52 der
ersten Strömungskanalsektion 48 und
einen Einlass 54 der zweiten Strömungskanalsektion 50 gekoppelt sein.
Wenn eingeschaltet wälzt
die Pumpe 42 das Kühlmittelfluid 38 durch
den Strömungsdurchgang 41 und über die Halbleitereinrichtung 34 um.
Konkreter wird unter dem Einfluss der Pumpe 42 das Kühlmittelfluid 48 zuerst
aus dem Rerservoir 37 für
Kühlmittelfluid
in den Reservoireinlass 44 der ersten Strömungskanalsektion 48 gesaugt.
Das Kühlmittelfluid 38 strömt dann durch
die erste Strömungskanalsektion 48 und
in die Pumpe 42. Als nächstes
stößt die Pumpe 42 das Kühlmittelfluid 38 in
die zweite Strömungskanalsektion 50 aus.
Das ausgestoßene
Kühlmittelfluid 38 strömt durch
die zweite Strömungskanalsektion 50, bis
es die Prallauslässe 46 erreicht,
welche dann das Kühlmittelfluid 38 auf
die Halbleitereinrichtungen 34 leiten. Nach Aufprall auf
die Halbleitereinrichtungen 34 kehrt das Kühlmittelfluid 38 zum
Reservoir 37 für das
Kühlmittelfluid
zurück,
und der Zyklus wird wiederholt.
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Wenn
das Kühlmittelfluid 38 auf
die Halbleitereinrichtungen 34 auftrifft, wird Wärme von
den Halbleitereinrichtung 34 zum Kühlmittelfluid 38 übertragen,
was folglich einen konvektiven Wärmedissipationspfad
schafft. Dies hat eine Wärmeübertragung
von den Halbleitereinrichtungen 34 auf das Kühlmittelfluid 38 zur
Folge. Im erhitzten Zustand strömt
das Kühlmittelfluid 38 in
das Reservoir 37 für das
Kühlmittelfluid
und wird letztendlich in den Reservoireinlass 44 gesaugt.
Während
das erhitzte Kühlmittelfluid 38 durch
die erste Strömungskanalsektion 48 strömt, bewirkt
die kalte Platte 26, dass das Kühlmittelfluid 38 in
der oben beschriebenen Weise kühlt. Wie
in 1 gezeigt ist, überspannt die erste Strömungskanalsektion 48 vorzugsweise
den Hauptteil der Länge
der kalten Platte 26, um Wärmedissipation zu maximieren. Überdies
ist, wie in 2 gezeigt ist, die Breite der
ersten Strömungskanalsektion 48 vorzugsweise
im Wesentlichen geringer als diejenige der kalten Platte 26,
um eine Wärmedissipation
entlang dem oben beschrieben leitenden Pfad zu erhöhen.
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Obgleich 1 und 2 das
Kühlsystem innerhalb
des Gehäuses 22 veranschaulichen,
können
Abschnitte des Kühlsystems 35 außerhalb
des Gehäuses 22 liegen.
Zum Beispiel kann/können
die Pumpe 42 und/oder die kalte Platte 26 außerhalb
des Gehäuses 22 liegen.
Außerdem
kann das erhitzte Kühlmittelfluid 38 in
einem Reservoir außerhalb
des Gehäuses 22 gesammelt
werden. In einer anderen Ausführungsform
sammelt sich das Kühlmittelfluid 38 nicht
im Reservoir 37 für
Kühlmittelfluid.
Stattdessen ändert
das Kühlmittelfluid 38 die
Phase in Dampf, nachdem es auf die Halbleitereinrichtungen 34 mit höherer Temperatur
gesprüht
wurde. Der Dampf kann zur kalten Platte auf der oberen Innenfläche 28 des
Gehäuses
steigen, wo das Wasser in das Kühlmittelfluid 38 zurück kondensiert
und in den Strömungsdurchgang 41 zurückströmt. Alternativ
dazu kann der Dampf aus dem Gehäuse 22 und
in eine kalte Platte oder einen anderen Wärmetauscher geleitet werden,
der den Dampf in das Kühlmittelfluid 38 kondensiert
und das Kühlmittelfluid 38 in
den Strömungsdurchgang 41 zurückleitet.
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3 ist
eine isometrische Ansicht einer der Halbleitereinrichtungen 34,
die in dem in 1 und 2 veranschaulichten
Halbleitermodul 20 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
genutzt werden können,
und 4 ist eine auseinander gezogene isometrische Ansicht
der Halbleitereinrichtungen 34 von 3. Die Halbleitereinrichtung 34 enthält einen
Wafer 53, der etwa 0,5–1
mm dick und etwa 25 mm lang mal etwa 19 mm breit ist, obgleich größere oder
kleinere Ausmaße
ebenfalls vorgesehen werden können,
und weist Metallfolienschichten 55 und 56, die
auf gegenüberliegenden
Seiten daran gebondet sind. Der Wafer 53 besteht aus einer
isolierenden Schicht wie z. B. Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid,
Siliziumnitrid oder Bornitrid, während die
Folienschichten 55 und 56 Kupfer oder Aluminium mit
einer Dicke von etwa 0,25 mm sind. Die Fo lienschichten 55 und 56 sind
vorzugsweise direkt an den Wafer 53 gebondet. Die Folienschicht 55 weist
eine Nase 58 auf, die zum Verbinden der Folienschicht 55 mit
einer anderen Komponente des Halbleitermoduls 20 geeignet
ist.
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Ein
zweiter, aber kleinerer Keramikwafer 68 ist an die Folienschicht 55 des
Wafers 53 gebondet. Ein drittes Kupferfolienelement 70 ist
an dem Keramikwafer 68 angebracht und weist eine davon
ausgehende zweite Nase 72 auf. Die zweite Nase 72 ist
von der ersten Nase 58 durch den Keramikwerfer 68 isoliert.
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Ein
Siliziumhalbleiter-Schalttransistor 60 (4)
wie z. B. ein IGBT oder MOSFET ist an einen ersten Abschnitt der
Folienschicht 55 des Wafer 53 gebondet oder geklebt.
Eine erste Metallschicht 74 ist an einen Transistor 60 gelötet und
weist eine Kontaktfläche 92,
die als Leiter zum Transistor 60 dient. Wie hierin verwendet
werden die Ausdrücke
gelötet, gebondet
und angebracht in ihrem weitesten Sinn verwendet und können in
verschiedenen Ausführungsformen
als austauschbare Prozesse verwendet werden. 5 ist eine
Draufsicht der ersten Metallschicht 74, die von der Halbleitereinrichtung 34 entfernt
ist. Die erste Metallschicht 74 kann Kupfer, Aluminium,
Gold, Silber oder Beryllium sein. Der Transistor 60 kann
jede beliebige Größe, z. B.
2 mm mal 2 mm oder 15 mm mal 15 mm, haben. Im Allgemeinen kann in
einer Ausführungsform
der Transistor 60 einen rechtwinkeligen oder quadratischen
Formfaktor aufweisen, und die erste Metallschicht 74 kann
in einer oder mehr linearen Richtungen 1–3 mm größer als der Transistor 60 sein.
Eine Keramikschicht 76 mit einem Fenster 78 ist
an die erste Metallschicht 74 gebondet. Eine D-förmige Scheibe 80 mit
einer Kontaktnase 82, die durch das Fenster 78 vorragt,
ist an die Keramikschicht 76 angebracht und mit einem abstimmbaren
Widerstand 84 verbunden.
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Die
erste Metallschicht 74 definiert einen Bereich bzw. eine
Fläche,
die größer als
die Fläche
ist, die durch den Transistor 60 definiert wird, die Fläche, die
durch die Keramikschicht 76 definiert wird, und die Fläche, die
durch die D-förmige
Scheibe 80 definiert wird. Die erste Metallschicht 74 enthält mehrere erweiterte
Umfangsbereiche 86, 88 und 90. Die Kontaktfläche 92 kann
sich von einer Seite der ersten Metallschicht 74 aus erstrecken,
und die erweiterten Umfangsbereiche 86, 88 und 90 können von
den anderen drei Seiten ausgehen. Die erste Metallschicht 74 bedeckt
den Schalttransistor 60, und die erweiterten Umfangsbereiche 86, 88 und 90 erstrecken
sich über
den Transistor 60 hinaus. Die erweiterten Umfangsbereiche 86, 88 und 90 der
ersten Metallschicht 74 erstrecken sich auch über die
Keramikschicht 76 und die D-förmige Scheibe 80 hinaus.
An sich berührt,
wenn die Halbleitereinrichtung 34 durch das Kühlsystem
gekühlt
wird, das Kühlmittelfluid 38 direkt die
erweiterten Umfangsbereiche 86, 88 und 90 der ersten
Metallschicht 74, die wiederum den Transistor 60 direkt
berührt.
Die erweiterten Umfangsbereiche 86, 88 und 90 schaffen
einen Mechanismus, durch den das Kühlmittelfluid 38 Wärme vom
Transistor 60 effektiver abführen (engl. wick) kann. Wie
oben bemerkt wurde, können
sich die erweiterten Umfangsbereiche 86, 88 und 90 1–3 mm vom
Umfang des Transistors 60 und/oder der Keramikschicht 76 aus erstrecken.
Obgleich die Größe der erweiterten
Umfangsbereiche 86, 88 und 90 durch die
Größe der Halbleitereinrichtung 34 beschränkt sein
kann, ist die Kühlung
des Transistors 60 besser, je größer die Oberfläche der
erweiterten Umfangsbereiche 86, 88 und 90.
In einer alternativen Ausführungsform
ist die erste Metallschicht 74 im Wesentlichen rechtwinkelig, obgleich
die Oberfläche
der ersten Metallschicht 74 größer als der Transistor 60 und
die Keramikschicht 76 ist.
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Eine
schnelle Siliziumhalbleiterdiode (SFD) 62 ist an einen
zweiten Abschnitt der Folienschicht 55 gebondet. Die SFD 62 schafft
eine Sperrdiode für den
Transistor 60 und besteht vorzugsweise aus einem Material,
das im Wesentlichen ähnlich
dem Transistor 60 ist. Eine Diodenkontaktfläche 64 und ein
Keramikwerfer 66 bilden einen Teil des SFD 62. Eine
zweite Metallschicht 94 ist über der SFD 62 positioniert,
und eine Keramikschicht 104 ist über der zweiten Metallschicht 94 positioniert.
Die zweite Metallschicht 94 definiert ferner eine größere Fläche als die
Fläche,
die durch die SFD 62 definiert wird, und die Fläche, die
durch die Keramikschicht 104 definiert wird. Die zweite
Metallschicht 94 enthält
eine Kontaktfläche 102,
die als Leiter zur SFD 62 dient. Die zweite Metallschicht 94 weist
ferner mehrere erweiterte Umfangsbereiche 96, 98 und 100 auf.
Die Kontaktfläche 102 kann
sich von einer Seite der zweiten Metallschicht 94 aus erstrecken,
und die erweiterten Umfangsbereiche 96, 98 und 100 können von
den anderen drei Seiten ausgehen. Die zweite Metallschicht 94 bedeckt
die SFD 62, und die erweiterten Umfangsbereiche 96, 98 und 100 erstrecken
sich über
die SFD 62 hinaus. Die erweiterten Umfangsbereiche 96, 98 und 100 der
zweiten Metallschicht 94 erstrecken sich auch über die
Keramikschicht 104 hinaus. Eine dritte Metallschicht 106 kann
an der Oberseite des Keramikwerfers 104 angebracht werden. Die
Metallschicht 106 kann dazu dienen, die Fehlpassung von
Expansionskoeffizienten auszugleichen, um einen bimetallischen Federeffekt
zu verhindern. An sich berührt,
wenn die Halbleitereinrichtung 34 durch das Kühlsystem
gekühlt
wird, das Kühlmittelfluid 38 direkt
die erweiterten Umfangsbereiche 96, 98 und 100 der
zweiten Metallschicht 94, die wiederum die SFD 62 direkt
berührt.
Die erweiterten Umfangsbereiche 96, 98 und 100 schaffen
einen Mechanismus, durch den das Kühlmittelfluid 38 effektiver Wärme von
der SFD 62 abführen
kann. Die erweiterten Umfangsbereiche 96, 98 und 100 können sich
z. B. 1–3
mm erstrecken. Obgleich die Größe der erweiterten
Umfangsbereiche 96, 98 und 100 durch
die Größe der Halbleitereinrich tung 34 beschränkt sein kann,
ist die Kühlung
der SFD 62 besser, je größer die Oberfläche der
erweiterten Umfangsbereiche 96, 98 und 100 ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist
die zweite Metallschicht 94 im Wesentlichen rechtwinkelig,
obgleich die Oberfläche
der ersten Metallschicht 94 größer als die SFD 62 und
die Keramikschicht 104 ist. Im Allgemeinen wird die Größe der zweiten
Metallschicht 94 durch die Halbleitergeometrie getrieben.
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Obgleich
zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden
detaillierten Beschreibung präsentiert
wurde, sollte man erkennen, dass eine riesige Anzahl von Variationen
existiert. Es sollte auch erkannt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform
oder beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind und nicht den Umfang, die Anwendbarkeit oder
Ausführung
der Erfindung in irgendeiner Weise begrenzen sollen. Vielmehr liefert die
vorhergehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine zweckmäßige Anleitung,
um die beispielhafte Ausführungsform
oder beispielhaften Ausführungsformen
auszuführen.
Es sollte sich verstehen, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und
Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
abzuweichen, wie sie hierin in den beigefügten Ansprüchen und deren gesetzlichen Äquivalenten
dargelegt ist.