DE102016114303A1 - Packung mit teilweise gekapseltem Kühlkanal zum Kühlen eines gekapselten Chips - Google Patents

Packung mit teilweise gekapseltem Kühlkanal zum Kühlen eines gekapselten Chips Download PDF

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Andreas Grassmann
Wolfram Hable
Jürgen Högerl
Achim Strass
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Abstract

Ein Leistungsmodul (100), das einen Halbleiterchip (102), mindestens eine Kühlplatte (120) mit mindestens einem Kühlkanal (104), thermisch mit dem Halbleiterchip (102) gekoppelt und so konfiguriert, dass ein Kühlmittel durch den mindestens einen Kühlkanal (104) leitbar ist, und ein Kapselungsmittel (108) umfasst, das mindestens einen Anteil des Halbleiterchips (102) und einen Anteil des mindestens einen Kühlkanals (104) kapselt, wobei mindestens ein Anteil einer Hauptoberfläche der Kühlplatte (120) einen Anteil einer externen Oberfläche des Leistungsmoduls (100) bildet.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, eine Packung, ein Fahrzeug, ein Verwendungsverfahren, ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls und ein Verfahren zum Herstellen einer Packung.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Leistungsmodul, zum Beispiel für Automobilanwendungen, stellt eine physische Einschließung für Leistungskomponenten bereit, üblicherweise Leistungshalbleitervorrichtungen in Form elektronischer Chips, die ein oder mehrere integrierte Schaltungselemente aufweisen. Beispiele integrierter Schaltungselemente von Leistungsmodulen stellen ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistor (IGBT)) und eine Diode dar.
  • Es gibt potenziell noch Spielraum, um Herstellungskosten zu verringern und ein Verbinden der elektronischen Chips von Leistungsmodulen mit einer äußeren Schaltung zu vereinfachen, während Wärme wirksam abgeführt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es kann ein Bedarf nach einer Packung bestehen, die eine effiziente Abfuhr von während eines Betriebs erzeugter Wärme erlaubt, während sie einfach in der Herstellung ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Leistungsmodul bereitgestellt, das einen Halbleiterchip, mindestens eine Kühlplatte mit mindestens einem Kühlkanal, der thermisch mit dem Halbleiterchip gekoppelt und so konfiguriert ist, das ein Kühlmittel (wie beispielsweise ein Fluid, d. h. ein Gas und/oder eine Flüssigkeit) durch den mindestens einen Kühlkanal leitbar ist, und ein Kapselungsmittel umfasst, dass mindestens einen Anteil des Halbleiterchips und einen Anteil des mindestens einen Kühlkanals kapselt, wobei mindestens ein Anteil einer Hauptoberfläche der Kühlplatte einen Anteil einer externen Oberfläche des Leistungsmoduls bildet.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Packung bereitgestellt, die einen elektronischen Chip mit einer ersten Hauptoberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche, einen ersten Kühlkanal, der thermisch mit der ersten Hauptoberfläche des elektronischen Chips gekoppelt und so konfiguriert ist, dass ein Kühlmittel durch den ersten Kühlkanal leitbar ist, einen zweiten Kühlkanal, der thermisch mit der zweiten Hauptoberfläche des elektronischen Chips gekoppelt und so konfiguriert ist, dass ein Kühlmittel durch den zweiten Kühlkanal leitbar ist, und ein Kapselungsmittel umfasst, das mindestens einen Anteil des elektronischen Chips, einen Anteil des ersten Kühlkanals und einen Anteil des zweiten Kühlkanals kapselt, wobei mindestens ein Abschnitt von mindestens einem von dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal (insbesondere mindestens ein Abschnitt einer Kühlplatte, die den mindestens einen ersten Kühlkanal bzw. den mindestens einen zweiten Kühlkanal einschließt) umfänglich (d. h. um eine Strömungsrichtung des Kühlmittels herum) teilweise durch das Kapselungsmittel bedeckt und teilweise von dem Kapselungsmittel freiliegend ist.
  • Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls bereitgestellt, wobei das Verfahren ein thermisches Koppeln eines Halbleiterchips mit mindestens einer Kühlplatte, die mindestens einen Kühlkanal (der eine hohle Leitung besitzen kann) besitzt, durch den in Kühlmittel leitbar ist, und ein Kapseln von mindestens einem Anteil des Halbleiterchips und einem Anteil des mindestens einen Kühlkanals durch ein Kapselungsmittel, sodass mindestens ein Anteil einer Hauptoberfläche der Kühlplatte einen Anteil einer externen Oberfläche des Leistungsmoduls bildet.
  • Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Herstellen einer Packung bereitgestellt, wobei das Verfahren ein thermisches Koppeln einer ersten Hauptoberfläche eines elektronischen Chips mit einem ersten Kühlkanal (der einen Hohlraum begrenzen kann), durch den ein Kühlmittel leitbar ist, ein thermisches Koppeln einer zweiten Hauptoberfläche des elektronischen Chips mit einem zweiten Kühlkanal (der einen Hohlraum begrenzen kann), durch den ein Kühlmittel leitbar ist, und ein Kapseln von mindestens einem Anteil des elektronischen Chips und einem Anteil des ersten Kühlkanals und einem Anteil des zweiten Kühlkanals durch ein Kapselungsmittel umfasst, sodass mindestens ein Abschnitt (insbesondere ein Abschnitt auf und/oder in einem Materialblock der Packung, der mindestens den mindestens einen elektronischen Chip und das Kapselungsmittel umfasst) von mindestens einem von dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal umfänglich teilweise durch das Kapselungsmittel gekapselt und teilweise von dem Kapselungsmittel freiliegend ist.
  • Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das ein Leistungsmodul mit den vorstehend erwähnten Merkmalen oder eine Packung mit den vorstehend erwähnten Merkmalen umfasst.
  • Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Leistungsmodul mit den vorstehend erwähnten Merkmalen oder eine Packung mit den vorstehend erwähnten Merkmalen für eine Automobilanwendung verwendet.
  • Ein Ausführungsbeispiel kann den Vorteil aufweisen, dass die Abfuhr von durch den Halbleiterchip während eines Betriebs des Leistungsmoduls erzeugter Wärme als eine Folge der Kühlkanalgestaltung der Packung hoch effizient sein kann. Das kann erreicht werden, indem ein oder vorzugsweise mehr als ein teilweise gekapselter Kühlmittelkanal thermisch mit dem Chip gekoppelt in die Packung integriert oder eingebettet werden. Ein Anordnen von vorzugsweise mehreren teilweise gekapselten Kühlkanälen, die thermisch mit dem Chip gekoppelt sind, auf vorzugsweise zwei externen Oberflächen des Chips führt vorteilhafterweise zu einer hoch effizienten doppelseitigen Kühlung. Folglich wird es einem Kühlmittel (wie beispielsweise einem Kühlfluid), das zum thermischen Wechselwirken mit dem einen oder den mehreren Chips zum Durchführen eines Wärmeaustauschs intern innerhalb des einen oder der mehreren Kühlkanäle fließt, ermöglicht, durch den einen oder die mehreren Chips während des Betriebs der Packung erzeugte Wärme effizient abzuführen. Hoch vorteilhaft können der eine oder die mehreren Kühlkanäle, insbesondere eine Kühlplatte mit mindestens einem solchen Kühlkanal, mit ihrer umfänglichen Oberfläche teilweise zu einem Inneren des Moduls, d. h. zum Kapselungsmittel und/oder dem Chip, und teilweise zu einem Äußeren des Moduls, d. h. von dem Kapselungsmittel und/oder dem Chip weg, ausgerichtet sein. Durch Vornehmen dieser Maßnahme wird der Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Chip einerseits sowie zwischen Kühlmittel und Kühlkanal mit der Umgebung wirksam gefördert, wodurch eine sehr hohe Kühleffizienz erlangt wird.
  • Angesichts der äußerst effizienten Kühlleistungsfähigkeit des Moduls oder der Packung kann das oder die letztere für eine Automobilanwendung in einem Fahrzeug verwendet werden. In solch einer technischen Umgebung (zum Beispiel hinsichtlich eines Inverters eines zumindest teilweise elektrisch mit Energie versorgten Fahrzeugs) ist eine Wärmeerzeugung beachtlich und eine effiziente Wärmeabfuhrfähigkeit von äußerster Wichtigkeit. Des Weiteren stellt eine Automobilumgebung die Gelegenheit bereit, Betriebsflüssigkeit von solch einem Fahrzeug (insbesondere Wasser) als Kühlmittel zu verwenden, das durch den mindestens einen Kühlkanal geleitet werden soll.
  • Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des Leistungsmoduls, der Packung, des Fahrzeugs und der Verfahren erklärt.
  • In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Kühlkanal einen ersten Kühlkanal, der thermisch mit einer ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips gekoppelt ist. Somit wird eine effiziente Abfuhr von Wärme von der ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips ermöglicht.
  • In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Kühlkanal mindestens einen weiteren ersten Kühlkanal, der thermisch mit der ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips gekoppelt ist. Daher können mehrere Kühlkanäle gleichzeitig Wärme von der ersten Hauptoberfläche abführen, wodurch eine ausgezeichnete Kühlleistungsfähigkeit erlangt wird.
  • In einer Ausführungsform bilden der erste Kühlkanal und der mindestens eine weitere erste Kühlkanal einen Anteil eines integralen ersten Kühlkörpers, insbesondere derselben Kühlplatte. Alle ersten Kühlkanäle können einen Anteil der ersten Kühlplatte bilden. Diese erste Kühlplatte kann auf der oder im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips angeordnet sein. Deshalb kann ein einziger integral ausgebildeter Körper bereitgestellt werden, der aus einem hoch wärmeleitfähigen Material aufgebaut sein kann und mehrere Kühlkanäle beherbergen kann. Solch eine Kühlplatte kann mit geringen Kosten und geringem Aufwand hergestellt werden, z. B. durch Extrudieren. Eine parallele Strömung von Kühlmittel durch die mehreren ersten Kühlkanäle kann zu einer effizienten Wärmeabfuhr führen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Beabstanderkörper, insbesondere mindestens einen wärmeleitfähigen Beabstanderkörper, der zwischen dem Halbleiterchip und dem einen oder den mehreren ersten Kühlkanälen/der ersten Kühlplatte angeordnet ist. Durch einen massiven, aus einem wärmeleitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer hergestellten Beabstanderkörper ist es möglich, die Wärmeabfuhr von der entsprechenden Hauptoberfläche des Halbleiterchips weiter zu fördern. Der Beabstanderkörper kann vorzugsweise mit im Wesentlichen der gesamten Hauptoberfläche des Halbleiterchips in Kontakt stehen, um eine besonders ausgeprägte Wärmeabfuhrfähigkeit bereitzustellen. Der mindestens eine Beabstanderkörper kann gleichzeitig Höhenunterschiede zwischen verschiedenen Komponenten des Moduls oder der Packung ausgleichen.
  • In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Kühlkanal einen zweiten Kühlkanal, der thermisch mit einer zweiten Hauptoberfläche (die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegen kann) des mindestens einen Halbleiterchips gekoppelt ist. Somit kann die Leistungspackung für ein doppelseitiges Kühlen konfiguriert sein, d. h. auf einer bestimmten Seite über den mindestens einen ersten Kühlkanal (der insbesondere einen Anteil einer ersten Kühlplatte bildet) und auf der anderen Seite über den zweiten Kühlkanal (der insbesondere einen Anteil der zweiten Kühlplatte bildet). Dies macht die Leistungspackung zudem für Anwendungen, wie beispielsweise Automobilanwendungen, geeignet, in denen enorme Mengen von Wärme erzeugt werden und von der Leistungspackung abgeführt werden müssen. Es sollte jedoch betont werden, dass sich andere Ausführungsbeispiele der Erfindung auf ein einseitiges Kühlen anstatt auf ein zweiseitiges Kühlen stützen.
  • In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Kühlkanal mindestens einen weiteren zweiten Kühlkanal, der thermisch mit der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips gekoppelt ist. Somit kann auch auf der zweiten Hauptoberfläche ein paralleles Kühlen durch Leiten von Kühlmittel entlang mehrerer der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips benachbarter Kühlkanäle erzielt werden, um die Kühleffizienz weiter zu verbessern.
  • In einer Ausführungsform bilden der zweite Kühlkanal und der mindestens eine weitere zweite Kühlkanal einen Anteil eines integralen zweiten Kühlkörpers, insbesondere einer integralen zweiten Kühlplatte. Alle zweiten Kühlkanäle können einen Anteil der zweiten Kühlplatte bilden. Sie kann auf oder im Wesentlichen parallel zur zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips angeordnet sein. Hoch vorteilhaft kann ein und derselbe Kühlplattentyp auf beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen des einen oder der mehreren elektronischen Chips verwendet werden. Dies verringert den Aufwand und die Kosten zum Herstellen der Kühlpackung.
  • In einer Ausführungsform umfasst mindestens einer von dem ersten Kühlkörper (bei dem es sich insbesondere um eine erste Kühlplatte handeln kann) und dem zweiten Kühlkörper (bei dem es sich insbesondere um eine zweite Kühlplatte handeln kann) einen Keramikkörper (insbesondere einen dielektrischen Keramikkörper) oder einen Metallkörper (insbesondere einen Metallkörper mit einer dielektrischen Beschichtung oder Oberfläche) oder besteht jeweils daraus. Insbesondere ein extrudiertes Keramikprofil oder ein metallisches Profil mit internen Kanälen können mit geringen Kosten hergestellt werden. Eine elektrisch isolierende Beschichtung eines elektrisch leitfähigen Kühlkörpers (wie beispielsweise einer Kühlplatte) isoliert die entsprechende Kühlplatte elektrisch von dem mindestens einen Halbleiterchip oder einer Verdrahtungsstruktur zum elektrischen Kontaktieren des mindestens einen Halbleiterchips und verhindert dadurch einen unerwünschten Kurzschluss.
  • In einer Ausführungsform umfasst mindestens einer von dem ersten Kühlkörper und dem zweiten Kühlkörper eine elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur, die für ein elektrisches Verbinden des einen oder der mehreren Halbleiterchips in Hinsicht auf eine Umgebung konfiguriert ist. Wenn solch eine elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur, zum Beispiel eine strukturierte Metallschicht, auf eine dielektrische Beschichtung des jeweiligen Kühlkörpers gebondet oder darauf aufgebracht wird oder auf einen vollständig dielektrischen Kühlkörper gebondet oder darauf aufgebracht wird, kann die Bereitstellung eines Chipträgers zwischen dieser Kühlplatte und dem jeweiligen Halbleiterchip entbehrlich sein, weil die winzige Verdrahtungsstruktur dieselbe Funktion erfüllen kann. Dies erlaubt es, hoch kompakte und ein geringes Gewicht aufweisende Leistungspackungen herzustellen, ohne auf die Freiheit zu verzichten, jede gewünschte elektrische Verbindungsarchitektur des mindestens einen Halbleiterchips gestalten zu können.
  • In einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Kühlkanälen parallel zueinander ausgerichtet. In einer bestimmten Ausführungsform fließt separates Kühlmittel durch unterschiedliche parallele Kühlkanäle. In einer weiteren Ausführungsform fließt dasselbe Kühlmittel durch unterschiedliche Kühlkanäle, die miteinander verbunden sein können, zum Beispiel durch eine mäandrische Kanalstruktur oder ein gegabeltes Kanalnetz innerhalb eines Kühlkörpers, wie beispielsweise einer Kühlplatte. Die beschriebenen Architekturen erlauben eine kosteneffiziente Herstellung der Kühlplatten, insbesondere durch Extrusion oder durch Molden (zum Beispiel Spritzgießen) und erlaubt es, die bereitstellbare Kühlleistung durch Anpassen der Anzahl paralleler Kühlkanäle einzustellen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Kapselungsmittel eine Moldmasse. Für das Kapseln durch Molden können ein Kunststoffmaterial oder ein Keramikmaterial verwendet werden. Das Kapselungsmittel kann ein Epoxidmaterial umfassen. Füllstoffpartikel (zum Beispiel SiO2, Al2O3, Si3N4, BN, AlN, Diamant usw.) können, zum Beispiel zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit, in einer Matrix auf Epoxidbasis des Kapselungsmittels eingebettet sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip mindestens ein integriertes Schaltungselement aus einer Gruppe bestehend aus einem Schalter, insbesondere einem Transistorschalter, genauer einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, einer Diode, einer Halbbrücke und einem Inverter. Es können jedoch auch andere Elektronikanwendungen durch den einen oder die mehreren Halbleiterchips der Leistungspackung verwirklicht werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul eine Kühlmittelversorgungseinheit, die zum Antreiben von Kühlmittel, insbesondere mindestens eines von einem flüssigen Kühlmittel und einem gasförmigen Kühlmittel, konfiguriert ist, damit es durch den mindestens einen Kühlkanal strömt. Zum Beispiel kann die Kühlmittelversorgungseinheit in einer kosteneffizienten Weise durch Spritzgießen hergestellt werden. Eine Betriebsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder Kühlflüssigkeit, wie in einem Auto verfügbar, kann verwendet werden, wenn die Leistungspackung in einer Automobilanwendung implementiert wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul einen Chipträger zwischen einer ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips und der ersten Kühlplatte/dem mindestens einen ersten Kühlkanal. Entsprechend kann das Leistungsmodul einen weiteren Chipträger auf einer zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips gegenüber der ersten Hauptoberfläche umfassen. Der mindestens eine Halbleiterchip kann mit dem jeweiligen Chipträger zum Beispiel unter Verwendung eines Haftmittels, durch Löten, durch Schweißen und optional indirekt über eine weitere Komponente (wie beispielsweise einen Beabstanderkörper) usw. verbunden werden.
  • In einer Ausführungsform ist mindestens einer von dem Chipträger und dem weiteren Chipträger als eines konfiguriert aus der Gruppe bestehend aus einem Leadframe, einem Stapel von Metall – elektrischem Leiter und Wärmeleiter-Metall, einem Direktkupferbonding(Direct Copper Bonding (DCB))-Substrat und einen Direktaluminiumbonding(Direct Aluminium Bonding (DAB))-Substrat. Bei einem Leadframe kann es sich um eine Metallstruktur innerhalb einer Chippackung handeln, die zum Tragen von Signalen vom elektronischen Chip nach außen und/oder umgekehrt gestaltet ist. Der elektronische Chip innerhalb der Packung oder der elektronischen Komponente kann an dem Leadframe angebracht werden, und dann können Bonddrähte zum Anbringen von Pads des elektronischen Chips an Anschlüssen des Leadframe bereitgestellt werden. Nachfolgend kann der Leadframe in ein Kunststoffgehäuse oder irgendein anderes Kapselungsmittel gemoldet werden. Alternative Chipträger, die für andere Ausführungsformen verwendet werden können, können ein beliebiger Interposer, wie ein Substrat, ein Keramiksubstrat, ein laminares Substrat, ein DCB (Direct Copper Bonded Substrate – direkt kupfergebondetes Substrat), ein IMS (Insulated Metal Substrate – isoliertes Metallsubstrat), eine PCB (printed circuit board – Leiterplatte) usw. sein.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist der elektronische Chip als ein Leistungshalbleiterchip konfiguriert. Somit kann der elektronische Chip (wie beispielsweise ein Halbleiterchip) für Leistungsanwendungen zum Beispiel im Automobilbereich verwendet werden und zum Beispiel mindestens einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und/oder mindestens einen Transistor eines anderen Typs (wie beispielsweise einen MOSFET, einen JFET usw.) und/oder mindestens eine integrierte Diode aufweisen. Solche integrierten Schaltungselemente können zum Beispiel in Siliziumtechnologie oder auf Basis von Halbleitern mit breiter Bandlücke (wie beispielsweise Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumnitrid auf Silizium) aufgebaut sein. Ein Leistungshalbleiterchip kann einen oder mehrere Feldeffekttransistoren, eine oder mehrere Dioden, Inverterschaltungen, Halbbrücken, Vollbrücken, Treiber, Logikschaltungen, weitere Vorrichtungen usw. umfassen.
  • In einer Ausführungsform erfährt der elektronische Chip einen vertikalen Stromfluss. Die Packungsarchitektur gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ist besonders geeignet für Hochleistungsanwendungen, in denen ein vertikaler Stromfluss gewünscht wird, d. h. ein Stromfluss in einer Richtung senkrecht zu den zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen des elektronischen Chips, von denen eine zum Montieren des elektronischen Chips auf dem Träger verwendet wird. In solch einer Ausführungsform ist doppelseitiges Kühlen von großer Wichtigkeit.
  • In Ausführungsformen können die Halbleiterchips eine Schaltung bilden, die als eine Halbbrücke, eine Kaskodenschaltung, eine Schaltung, die durch einen Feldeffekttransistor und einen Bipolartransistor zusammengesetzt ist, die parallel miteinander verbunden sind, oder eine Leistungshalbleiterschaltung funktioniert. Daher ist die Packungsarchitektur gemäß Ausführungsbeispielen mit den Anforderungen sehr unterschiedlicher Schaltungskonzepte kompatibel.
  • In einer Ausführungsform ist das Leistungsmodul oder die Packung als eines aus der Gruppe konfiguriert bestehend aus einem mit einem Leistungsmodul verbundenen Leadframe, einer elektronischen „Transistor Outline”(TO)-Komponente, einer elektronischen „Quad Flat No Leads Package”(QFN)-Komponente, einer elektronischen „Small Outline”(SO)-Komponente), einer elektronischen „Small Outline Transistor”(SOT)-Komponente und einer elektronischen „Thin More Outline Package”(TSOP)-Komponente. Deshalb ist das Modul oder die Packung gemäß einem Ausführungsbeispiel vollständig mit Standardpackungskonzepten kompatibel (insbesondere vollständig mit Standard-TO-Packungskonzepten kompatibel) und erscheint nach außen wie ein herkömmliches Modul oder eine herkömmliche Packung, das oder die hoch benutzerfreundlich ist. In einer Ausführungsform ist die Packung als ein Leistungsmodul, zum Beispiel ein gemoldetes Leistungsmodul, konfiguriert.
  • Als Substrat oder Wafer, das oder der die Basis des einen oder der mehreren Halbleiterchips oder elektronischen Chips bildet, kann ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, verwendet werden. Alternativ dazu kann ein Siliziumoxid oder ein anderes Isolatorsubstrat bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, ein Germaniumsubstrat oder ein III-V-Halbleiter-Material zu implementieren. Zum Beispiel können Ausführungsbeispiele in der GaN- oder SiC-Technologie implementiert werden.
  • Des Weiteren können Ausführungsbeispiele Standard-Halbleiterbearbeitungstechnologien verwenden, wie beispielsweise geeignete Ätztechnologien (einschließlich isotroper und anisotroper Ätztechnologien, insbesondere Plasmaätzen, Trockenätzen, Nassätzen), Strukturierungstechnologien (die lithographische Masken einbeziehen können), Aufbringungstechniken (wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition (CVD)), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)), Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition (ALD)), Sputtern usw.).
  • Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der angehängten Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die begleitenden Zeichnungen, die eingeschlossen sind, um ein weitergehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen bereitzustellen, und einen Anteil der Patentschrift darstellen, veranschaulichen Ausführungsbeispiele.
  • In den Zeichnungen:
  • zeigt 1 ein Leistungsmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • zeigen 2 bis 4 dreidimensionale Ansichten einer Vorform eines Leistungsmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Zuständen während eines Ausführens eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls;
  • zeigen 5 und 6 dreidimensionale Ansichten einer Vorform eines Leistungsmoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Zuständen während eines Ausführens eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls;
  • veranschaulicht 7 schematisch ein Fahrzeug, das eine Leistungspackung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Die Veranschaulichung in der Zeichnung ist schematisch.
  • Vor Beschreiben weiterer Ausführungsbeispiele in weiterer Detaillierung werden einige grundlegende Überlegungen der vorliegenden Erfinder zusammengefasst, auf deren Grundlage Ausführungsbeispiele entwickelt wurden, die ein kosteneffizientes Kühlen eines Leistungsmoduls bereitstellen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine hoch effizient gekühlte Packung oder ein hoch effizient gekühltes Leistungsmodul bereitgestellt (die oder das insbesondere von zwei Seiten gekühlt wird, d. h. eine doppelseitige Kühlleistungsfähigkeit bereitstellend). Andere Ausführungsformen stellen jedoch eine effiziente einseitige Kühlarchitektur bereit.
  • Eine erhöhte Leistungsdichte von gemoldeten Leistungsmodulen erfordert neue Lösungen für eine Wärmeabfuhr. Herkömmliche Konzepte erreichen ihre Grenzen, insbesondere für Anwendungen wie beispielsweise Automobilanwendungen, in denen die erzeugte Wärmemenge enorm ist.
  • Angesichts dieser Überlegungen stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Modul (insbesondere ein Modul mit einer doppelseitigen Kühlkonfiguration) bereit, wobei ein oder mehrere Kühlkanäle (insbesondere in eine oder mehrere Kühlplatten integriert) direkt in das Modul oder die Packung eingebettet oder integriert sind. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise ein Kühlfluid, kann durch den einen oder die mehreren Kühlkanäle strömen, um dadurch eine Fähigkeit für eine direkte Kühlleistungsfähigkeit bereitzustellen. Als ein Ergebnis kann ein hoch komplexes System mit einer ausgezeichneten Wärmeabfuhrleistung erlangt werden.
  • Hoch vorteilhaft können die integrierten oder eingebetteten Kühlkanäle teilweise zu einer Umgebung hin freiliegend sein, sodass zusätzlich zur Wärmeabfuhr durch das strömende Kühlmittel ein zusätzlicher Wärmeabfuhrbeitrag durch Wärmeleitung, Wärmekonvektion und/oder Wärmestrahlung über eine freiliegende Oberfläche des einen oder der mehreren Kühlkanäle oder der einen oder der mehreren Kühlplatten erzielt werden kann. Insbesondere kann ein Anteil einer Außenoberfläche des Moduls oder der Packung durch die Oberfläche des einen oder der mehreren Kühlkanäle oder der einen oder mehreren Kühlplatten ausgebildet sein. Ein weiterer Anteil der äußeren Oberfläche der Oberfläche des einen oder der mehreren Kühlkanäle oder der einen oder mehreren Kühlplatten kann in Kontakt mit dem Kapselungsmittel, dem einen oder den mehreren Halbleiterchips, einem oder mehreren Chipträgern, einem oder mehreren Beabstanderkörpern usw. des Moduls oder der Packung stehen oder dorthin weisen. Die Kühlplatte und die Kühlkanäle besitzen einen äußeren Umfang (nicht dem Kühlmittel ausgesetzt). Ein Anteil dieses äußeren Umfangs kann in Kontakt mit einem Kapselungsmittel, einem oder mehreren Chips und/oder einem anderen Packungsmaterial stehen, wohingegen ein anderer Anteil dieses äußeren Umfangs einer Umgebung der Packung oder des Moduls ausgesetzt sein kann. Dies fördert zusätzlich eine Wärmeabfuhr von dem erwärmten Kühlwasser/der erwärmten Kühlplatte/dem erwärmten Kühlkanal über seine oder ihre extern freiliegende Oberfläche in die Umgebung.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine doppelseitige Kühlleistungsfähigkeit von einem oder mehreren Halbleiterchips durch die Implementierung von winzigen Fluidleitungen erreicht werden, die zum Beispiel aus Keramik oder einem anderen wärmeleitfähigen Material (zum Beispiel einem dielektrisch beschichteten Material) direkt in die Moldpackung, jedoch mit Freiliegen der Oberfläche, aufgebaut sein können. In diesem Kontext können der eine oder die mehreren Halbleiterchips (die auf einer oder beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen Pads besitzen können, wobei zusätzlich wärmeleitfähige Beabstanderkörper auf einer oder beiden Hauptoberflächen bereitgestellt sein können) direkt mit der Oberfläche der Kühlkanäle verbunden sein oder können mit den Kühlkanälen über eine zusätzliche Montageplatte oder einen zusätzlichen Chipträger verbunden sein, die oder der wiederum mit dem einen oder den mehreren Kühlkanälen verbunden sein kann. Hinsichtlich einer doppelseitigen Kühlarchitektur kann ein Hohlvolumen zwischen zwei gegenüberliegenden Sätzen von Kühlkanälen oder Kühlplatten mit einem Kapselungsmittel, zum Beispiel einer Moldmasse, gefüllt sein.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Packung oder eines Leistungsmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Das Leistungsmodul 100 umfasst zwei Halbleiterchips 102, die auf einer unteren Kühlplatte 120 montiert sind (nur ein Querschnitt davon ist in 1 gezeigt, es wird jedoch Bezug auf 2 bis 6 genommen). Obwohl nicht gezeigt, können die Leistungshalbleiterchips 102 jeweils ein oder mehrere darin ausgebildete integrierte Schaltungselemente umfassen, zum Beispiel einen Transistorschalter, eine Diode usw. Die Halbleiterchips 102 können Pads 141 auf einer oberen Hauptoberfläche und/oder einer unteren Hauptoberfläche davon besitzen. Die untere Kühlplatte 120 ist mit mehreren Kühlkanälen 104 ausgestattet, die sich parallel zueinander erstrecken (in 1 nicht gezeigt, wo nur ein einziger Kühlkanal 104 in der unteren Kühlplatte 120 sichtbar ist). In einem Inneren jedes Kühlkanals 104 ist ein jeweiliger Hohlraum 133 definiert, der zum Beherbergen des Kühlmittels während des Betriebs dient. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist durch Pfeile 157 angegeben. Die untere Kühlplatte 120 ist thermisch mit den Halbleiterchips 102 gekoppelt. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise eine Flüssigkeit wie Wasser, ist für ein aktives Kühlen der Halbleiterchips 102 während des Betriebs des Leistungsmoduls 100 durch die Kühlkanäle 104 leitbar. Des Weiteren ist ein Kapselungsmittel 108 eines Moldtyps bereitgestellt, das die Halbleiterchips 102 vollständig kapselt und Innenoberflächenabschnitte der Kühlkanäle 104 teilweise kapselt, während Außenoberflächenabschnitte der Kühlkanäle 104 zu einer Umgebung außerhalb des Leistungspackung 100 hin freiliegend gehalten werden.
  • Folglich bildet eine untere Hauptoberfläche der unteren Kühlplatte 120, welche die unteren Hauptoberflächen der Halbleiterchips 102 kühlt, einen Anteil einer externen Außenoberfläche des Leistungsmoduls 100. Somit ist ein modulinterner Abschnitt der Kühlkanäle 104 in der unteren Kühlplatte 120 umfänglich teilweise durch das Kapselungsmittel 108 bedeckt und ist teilweise von dem Kapselungsmittel 108 freiliegend. Die Kühlfunktion des Leistungsmoduls 100 beruht deshalb einerseits auf einem Kühlen aufgrund des strömenden Kühlmittels, das während des Betriebs Wärme von den Halbleiterchips 102 wegleitet. Andererseits erlaubt die Tatsache, dass die untere Oberfläche der Leistungspackung 100 teilweise durch das wärmeleitfähige Material der Kühlkanäle 104 der unteren Kühlplatte 120 ausgebildet ist, zudem, dass zusätzliche Wärme durch das freilegende, hoch wärmeleitfähige Material der Kühlplatte 120 abgeführt wird, das üblicherweise eine erheblich höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als das Material des Kapselungsmittels 108.
  • Ein jeweiliger wärmeleitfähiger Beabstanderkörper 130, zum Beispiel ein Kupferblock, ist auf einer oberen Hauptoberfläche von jedem der Halbleiterchips 102 angeordnet, um die Wärmeabfuhr von den Halbleiterchips 102 während des Betriebs weiter zu fördern. Eine obere Oberfläche der Beabstanderkörper 130 wird in eine direkte wärmeleitfähige Verbindung mit einer oberen wärmeleitfähigen Kühlplatte 122 gebracht, die in derselben Weise konfiguriert sein kann, wie die untere Kühlplatte 120. In anderen Worten besitzt die Kühlplatte 122 zudem eine Mehrzahl von parallel ausgerichteten Kühlkanälen 104 und ist aus einem Keramikmaterial aufgebaut.
  • Folglich bildet auch eine obere Hauptoberfläche der oberen Kühlplatte 122, welche über die wärmeleitfähigen Beabstanderkörper 130 die oberen Hauptoberflächen der Halbleiterchips 102 kühlt, einen Anteil einer externen Außenoberfläche des Leistungsmoduls 100. Somit ist auch ein modulinterner Abschnitt der Kühlkanäle 104 in der oberen Kühlplatte 122 umfänglich teilweise durch das Kapselungsmittel 108 bedeckt und teilweise von dem Kapselungsmittel 108 freiliegend. In Kombination mit den vorstehend beschrieben Eigenschaften der unteren Kühlplatte 120 stellt die obere Kühlplatte 122 ein doppelseitiges Kühlen der Halbleiterchips 102 bereit.
  • Wie einem Detail 145 in 1 entnommen werden kann, kann die obere Hauptoberfläche der ersten Kühlplatte 120 (zusätzlich oder alternativ die untere Hauptoberfläche der zweiten Kühlplatte 122) eine elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur 143 umfassen, die für ein elektrisches Verbinden des einen oder der mehreren Pads 141 der Halbleiterchips 102 in Hinsicht auf eine Umgebung konfiguriert ist. Somit kann jede gewünschte elektrische Kontaktkonfiguration zum Beispiel durch Anbringen und Strukturieren einer dünnen Metallschicht auf der jeweiligen Kühlplatte 120, 122 oder durch Abscheiden und Strukturieren einer elektrisch leitfähigen Schicht darauf erreicht werden, um dadurch die elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur 143 auszubilden.
  • Die plane obere und untere Hauptoberfläche der Halbleiterchips 102 sowie die plane obere und untere Hauptoberfläche der Kühlplatten 120, 122 können parallel zueinander ausgerichtet sein (gemäß 1 horizontal). Die Kühlkanäle 104 der Kühlplatten 120, 122 können innerhalb einer horizontalen Ebene senkrecht zur Papierebene von 1 parallel zueinander ausgerichtet sein. Somit kann eine flache und daher sehr kompakte Konfiguration mit ausgezeichneter Kühlleistungsfähigkeit erlangt werden.
  • Vor dem Betrieb des Leistungsmoduls 100 (das für eine Automobilanwendung zum Beispiel als ein Inverter in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug verwendet werden kann) kann eine Kühlmittelversorgungseinheit 126 fluidtechnisch mit den Kühlkanälen 104 verbunden werden, um zum Kühlen der Halbleiterchips 102 ein Kühlmittel (zum Beispiel Wasser) durch die Kühlkanäle 104 zu führen. Die Kühlmittelversorgungseinheit 126 kann durch eine Rohr- oder Schlauchstruktur 156, die in der gezeigten Ausführungsform flexibel konfiguriert ist, fluidtechnisch mit den Kühlkanälen 104 gekoppelt werden. Die Kühlmittelversorgungseinheit 126 ist zum Pumpen des Kühlmittels derart konfiguriert, dass es durch die Kühlkanäle 104 entlang einer geschlossenen Schleife strömt, wie schematisch in 1 angezeigt. Gemäß 1 sind die Kühlkanäle 104 in beiden Kühlplatten 120, 122 nur teilweise innerhalb des Kapselungsmittels 108 gekapselt, was die Wärmeabfuhr sogar noch effizienter macht.
  • Um das in 1 gezeigte Leistungsmodul 100 herzustellen, werden die Halbleiterchips 102, zum Beispiel durch Löten, an der unteren Kühlplatte 120 montiert und werden über die Beabstanderkörper 130, die als hoch wärmeleitfähige Quader ausgebildet sein können, mit der oberen Kühlplatte 122 verbunden. Die letztere Verbindung kann ebenfalls durch Löten erzielt werden. Die hoch wärmeleitfähigen Beabstanderkörper 130 verbessern zusätzlich die Wärmeabfuhrfähigkeit des Leistungsmoduls 100 und tragen zur aktiven Kühlleistungsfähigkeit bei. Sie können aus Kupfer, Siliziumcarbid in einer Aluminiummatrix, Molybdän usw. aufgebaut sein. Die Hohlregion zwischen den Kühlplatten 120, 122 kann dann mit einer Moldmasse als das Kapselungsmittel 108 gefüllt werden. Zum Beispiel können die Kühlplatten 120, 122 als Keramikkörper mit verschiedenen Hohlräumen 133 ausgebildet sein, die durch die Kühlkanäle 104 definiert werden. Ein Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, Luft, Stickstoff oder eine flüchtige/verdunstbare/verdampfbare Flüssigkeit, kann zum Fördern der Wärmeabfuhr während des Betriebs des Leistungsmoduls 100 durch die Kühlkanäle 104 geführt werden. Wie in 1 gezeigt, kann die elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur 143 zwischen den Halbleiterchips 102 und der unteren Kühlplatte 120 zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung der Halbleiterchips 102 in Hinsicht auf eine elektronische Peripherie des Leistungsmoduls 100 sandwichartig eingeschlossen sein.
  • 2 bis 4 zeigen dreidimensionale Ansichten von Vorformen eines Leistungsmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Zuständen während eines Ausführens eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls 100.
  • Bezug nehmend auf 2 ist die aus Keramikmaterial (wie beispielsweise Aluminiumnitrid) aufgebaute untere Kühlplatte 120 gezeigt, auf der ein Direktkupferbonding(DCB)-Substrat als ein unterer Chipträger 128 montiert ist. Alternativ dazu kann es sich bei dem unteren Chipträger 128 um einen Leadframe usw. handeln. Die Kühlplatte 120 kann mit geringem Aufwand durch Extrusion hergestellt werden. Nachfolgend werden die Halbleiterchips 102 auf dem Chipträger 128, zum Beispiel durch Löten, montiert. Alternativ dazu ist es möglich, dass eine mechanische Verdrahtungsstruktur (nicht gezeigt) zum elektrischen Kontaktieren der Halbleiterchips 102 auf der unteren Kühlplatte 120 angebracht wird. In solch einem Szenario kann der untere Chipträger 128 weggelassen werden.
  • Bezug nehmend auf 3 können optionale Beabstanderkörper 130 (in 3 nicht sichtbar) auf den Halbleiterchips 102 montiert werden und können durch einen zweiten Chipträger 134, der als ein weiteres Direktkupferbonding(DCB)-Substrat ausgeführt sein kann, bedeckt sein. Alternativ dazu kann es sich bei dem oberen Chipträger 134 um einen Leadframe oder Ähnliches handeln. Der untere Chipträger 128, der auch als untere Montageplatte bezeichnet werden kann, kann durch einen Leadframe 140 angeschlossen sein, um dadurch externe Anschlüsse auszubilden. Als eine Alternative zum oberen Chipträger 134 ist es wiederum möglich, eine elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur auf der Hauptoberfläche der weiteren Kühlplatte 122 bereitzustellen, die zu dem Halbleiterchips 102 weist.
  • Ein erster Anteil einer – hier starren – Rohr- oder Schlauchstruktur 156 zum Bereitstellen einer Fluidkommunikation mit einer Kühlmittelversorgungseinheit 126 (in 3 nicht gezeigt) ist an der unteren Kühlplatte 120 angebracht. Eine Fluidleitung der Rohr- oder Schlauchstruktur 156 ist dadurch fluidtechnisch mit den Kühlkanälen 104 der unteren Kühlplatte 120 gekoppelt. Die Rohr- oder Schlauchstruktur 156 kann später einen Anteil der fertig hergestellten Leistungspackung 100 bilden.
  • Bezug nehmend auf 4 kann der obere Chipträger 134 durch die obere Kühlplatte 122, bei der es sich um einen weiteren Keramikkühlkörper handeln kann, bedeckt und thermisch damit verbunden sein. Ein zweiter Anteil der – hier starren – Rohr- oder Schlauchstruktur 156 zum Bereitstellen einer Fluidkommunikation mit der Kühlmittelversorgungseinheit 126 (in 4 nicht gezeigt) ist an der oberen Kühlplatte 122 angebracht. Eine weitere Fluidleitung der Rohr- oder Schlauchstruktur 156 ist dadurch fluidtechnisch mit den Kühlkanälen 104 der oberen Kühlplatte 122 gekoppelt.
  • Obwohl in 4 nicht gezeigt, wird die Hohlregion zwischen der oberen und der unteren Kühlplatte 120, 122 nachfolgend durch ein Kapselungsmittel 108 gekapselt, das als eine Moldmasse ausgeführt sein kann. Die Kühlplatten 120, 122 können durch die Rohr- oder Schlauchstruktur 156 fluidtechnisch mit Kühlmittel gekoppelt sein. Zu diesem Zweck kann das Kühlmittel über Kühlmitteleinlässe 171 der Rohr- oder Schlauchstruktur 156 zugeleitet werden und kann über Kühlmittelauslässe 173 der Rohr- oder Schlauchstruktur 156 abgeleitet werden.
  • 5 und 6 zeigen dreidimensionale Ansichten von Vorformen eines Leistungsmoduls 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Zuständen während eines Ausführens eines Verfahrens zum Herstellen eines Leistungsmoduls 100.
  • Bezug nehmend auf 5 ist eine Alternative zu den Kühlplatten 120, 122 des Keramiktyps gemäß 1 bis 4 gezeigt. Gemäß 5 ist die Kühlplatte 120 als ein Metallprofil (zum Beispiel aus Aluminium aufgebaut) ausgeführt, das mit einer elektrisch isolierenden Schicht (zum Verhindern von unerwünschtem elektrischem Kurzschließen) beschichtet sein kann. Dies stellt ein elektrisches Entkoppeln zwischen den Kühlplatten 120, 122 einerseits und den Leistungshalbleiterchips 102 andererseits bereit. Solch eine Beschichtung kann zum Beispiel durch Drucken einer dielektrischen Schicht auf das Metallprofil oder durch Oxidieren einer metallischen Oberfläche (wie beispielsweise Aluminium) ausgebildet werden, um eine elektrisch isolierende Oberfläche (wie beispielsweise Aluminiumoxid) auszubilden. Vorteilhafterweise kann solch eine Beschichtung so ausgeführt werden, dass eine elektrische Durchbruchspannung in einem Bereich zwischen 1 kV und 10 kV liegt. Solch eine Beschichtung kann durch physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition (PVD)), chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition (CVD)), galvanisch usw. ausgebildet werden.
  • Es ist zudem möglich, eine elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur (wie beispielsweise eine strukturierte Kupferschicht) auf die dielektrische Schicht anzubringen, um einen unteren Chipträger 128 (siehe 6) entbehrlich zu machen.
  • Alternativ dazu ist es möglich, dass das Metallprofil als die Kühlplatte 120 ohne dielektrische Beschichtung verwendet wird.
  • Bezug nehmend auf 6 kann ein unterer Chipträger 128 (wie beispielsweise ein DCB-Substrat) auf dem Metallprofil angebracht werden. In solch einem Szenario kann eine dielektrische Beschichtung der Kühlplatte 120 zum Beispiel weggelassen werden.
  • 7 veranschaulicht schematisch ein Fahrzeug 150, das eine Leistungspackung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Spezifischer kann die Leistungspackung 100 einen Anteil eines Steuerblocks 152 bilden, der einen Betrieb des Motor/Batterie(oder Akku)-Blocks 154 steuert. Somit kann eine Packung oder ein Leistungsmodul 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Automobilanwendung verwendet werden. Eine bevorzugte Anwendung solch einer Leistungspackung 100 stellt eine Implementierung als eine Inverterschaltung oder ein Wechselrichter für das Fahrzeug 150 dar, bei dem es sich um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug handeln kann oder bei dem es sich um ein Hybridfahrzeug handeln kann. Solch ein Inverter kann einen Gleichstrom (direct current (DC)) der Batterie/des Akkus in einen Wechselstrom (alternating current (AC)) zum Antreiben des Elektromotors des Fahrzeugs 150 umwandeln. Bei einem Hybridfahrzeug ist es zudem möglich, mechanische Energie zumindest teilweise zurückzugewinnen und sie, durch den Inverter, zurück in elektrische Energie umzuwandeln, um die Batterie wiederaufzuladen. In solch einer automobilen Inverteranwendung werden während des Betriebs des Leistungsmoduls 100 extreme Wärmemengen erzeugt. Diese Wärme kann durch das doppelseitige Kühlkonzept gemäß 1 bis 6 effizient abgeführt werden. Es sollte jedoch gesagt werden, dass in anderen Ausführungsformen auch einseitiges Kühlen ausreichend sein kann.
  • Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „umfassend” andere Elemente oder Merkmale nicht ausschließt, und dass „ein” oder „eine” sowie deren Deklinationen eine Mehrzahl nicht ausschließt. Es können auch Elemente kombiniert werden, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben werden. Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass Bezugszeichen nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend zu betrachten sind. Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten, in der Patentschrift beschriebenen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, Herstellungsweise, gegenständlichen Zusammensetzung, Mittel, Verfahren und Schritte beschränkt sein. Dementsprechend sollen die angehängten Ansprüche innerhalb ihres Umfangs solche Prozesse, Maschinen, Herstellungsweisen, gegenständlichen Zusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte einschließen.

Claims (21)

  1. Leistungsmodul (100), umfassend: • einen Halbleiterchip (102); • mindestens eine Kühlplatte (120) mit mindestens einem Kühlkanal (104), thermisch mit dem Halbleiterchip (102) gekoppelt und so konfiguriert, dass ein Kühlmittel durch den mindestens einen Kühlkanal (104) leitbar ist; und • ein Kapselungsmittel (108), das mindestens einen Anteil des Halbleiterchips (102) und mindestens einen Anteil des mindestens einen Kühlkanals (104) kapselt; • wobei mindestens ein Anteil einer Hauptoberfläche der Kühlplatte (120) einen Anteil einer externen Oberfläche des Leistungsmoduls (100) bildet.
  2. Leistungsmodul (100) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Kühlkanal (104) einen ersten Kühlkanal umfasst, der thermisch mit einer ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102) gekoppelt ist.
  3. Leistungsmodul (100) nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Kühlkanal (104) mindestens einen weiteren ersten Kühlkanal umfasst, der thermisch mit der ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102) gekoppelt ist.
  4. Leistungsmodul (100) nach den Ansprüchen 2 und 3, wobei der erste Kühlkanal und der mindestens eine weitere erste Kühlkanal einen Anteil derselben Kühlplatte (120) bilden, insbesondere im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102) angeordnet sind.
  5. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, umfassend einen Beabstanderkörper (130), insbesondere einen wärmeleitfähigen Beabstanderkörper (130), der zwischen dem Halbleiterchip (102) und dem ersten Kühlkanal angeordnet ist.
  6. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der mindestens eine Kühlkanal (104) einen zweiten Kühlkanal umfasst, der, insbesondere durch einen direkten metallischen oder Kunststoffkontakt, thermisch mit einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102) gekoppelt ist.
  7. Leistungsmodul (100) nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Kühlkanal (104) mindestens einen weiteren zweiten Kühlkanal umfasst, der, insbesondere durch einen direkten metallischen oder Kunststoffkontakt, thermisch mit der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102) gekoppelt ist.
  8. Leistungsmodul (100) nach den Ansprüchen 6 und 7, wobei der zweite Kühlkanal und der mindestens eine weitere zweite Kühlkanal einen Anteil einer weiteren gemeinsamen Kühlplatte (122) bilden, insbesondere im Wesentlichen parallel zur zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102) angeordnet.
  9. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eines von der Kühlplatte (120) und dem mindestens einen Kühlkanal (104) mindestens eines umfasst oder daraus besteht aus der Gruppe bestehend aus einem Keramikkörper und einem Metallkörper, insbesondere einem Metallkörper mit einer dielektrischen Beschichtung.
  10. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine elektrisch leitfähige Verdrahtungsstruktur (143), die zwischen dem mindestens einen Kühlkanal (104) und dem Halbleiterchip (102) angeordnet ist und zum elektrischen Verbinden des Halbleiterchips (102) in Hinsicht auf eine Umgebung konfiguriert ist.
  11. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Kapselungsmittel (108) ein Kapselungsmittel (108) eines Moldtyps umfasst oder daraus besteht.
  12. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend eine Kühlmittelversorgungseinheit (126), die zum Antreiben von Kühlmittel, insbesondere mindestens einem von einem flüssigen Kühlmittel und einem gasförmigen Kühlmittel, konfiguriert ist, damit es durch den mindestens einen Kühlkanal (104) strömt.
  13. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend einen Chipträger (128) zwischen einer ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102) und mindestens einem ersten Kühlkanal des mindestens einen Kühlkanals (104).
  14. Leistungsmodul (100) nach Anspruch 13, umfassend einen weiteren Chipträger (134) auf einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips (102).
  15. Leistungsmodul (100) nach Anspruch 13 oder 14, wobei mindestens eines von dem Chipträger (128) und dem weiteren Chipträger (134) als mindestens eines konfiguriert ist aus der Gruppe bestehend aus einem Leadframe, einem Schichtstapel von Metall – elektrischem Leiter und Wärmeleiter-Metall, einem Direktkupferbonding-Substrat und einen Direktaluminiumbonding-Substrat.
  16. Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die mindestens eine Kühlplatte (120) für ein direktes Kühlen durch ein Kühlmittel in der Form einer Flüssigkeit und/oder eines Gases konfiguriert ist.
  17. Packung (100), umfassend: • einen elektronischen Chip (102) mit einer ersten Hauptoberfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche; • einen ersten Kühlkanal (104), der thermisch mit der ersten Hauptoberfläche des elektronischen Chips (102) gekoppelt und so konfiguriert ist, dass ein Kühlmittel durch den ersten Kühlkanal (104) leitbar ist; • einen zweiten Kühlkanal (104), der thermisch mit der zweiten Hauptoberfläche des elektronischen Chips (102) gekoppelt und so konfiguriert ist, dass ein Kühlmittel durch den zweiten Kühlkanal (104) leitbar ist; • ein Kapselungsmittel (108), das mindestens einen Anteil des elektronischen Chips (102), einen Anteil des ersten Kühlkanals (104) und einen Anteil des zweiten Kühlkanals (104) kapselt; • wobei mindestens ein Abschnitt von mindestens einem von dem ersten Kühlkanal (104) und dem zweiten Kühlkanal (104) umfänglich teilweise durch das Kapselungsmittel (108) bedeckt und teilweise von dem Kapselungsmittel (108) freiliegend ist.
  18. Fahrzeug (150), umfassend ein Leistungsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder eine Packung (100) nach Anspruch 17.
  19. Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls (100), wobei das Verfahren umfasst: • ein thermisches Koppeln eines Halbleiterchips (102) mit mindestens einer Kühlplatte (120), die mindestens einen Kühlkanal (104) aufweist, durch den ein Kühlmittel leitbar ist; und • ein Kapseln von mindestens einem Anteil des Halbleiterchips (102) und einem Anteil des mindestens einen Kühlkanals (104) durch ein Kapselungsmittel (108), sodass mindestens ein Anteil einer Hauptoberfläche der Kühlplatte (120) einen Anteil einer externen Oberfläche des Leistungsmoduls (100) bildet.
  20. Verfahren zum Herstellen einer Packung (100), wobei das Verfahren umfasst: • ein thermisches Koppeln einer ersten Hauptoberfläche eines elektronischen Chips (102) mit einem ersten Kühlkanal (104), durch den ein Kühlmittel leitbar ist; • ein thermisches Koppeln einer zweiten Hauptoberfläche des elektronischen Chips (102) mit einem zweiten Kühlkanal (104), durch den ein Kühlmittel leitbar ist; • ein Kapseln von mindestens einem Anteil des elektronischen Chips (102) und einem Anteil des ersten Kühlkanals (104) und einem Anteil des zweiten Kühlkanals (104) durch ein Kapselungsmittel (108), sodass mindestens ein Abschnitt von mindestens einem von dem ersten Kühlkanal (104) und dem zweiten Kühlkanal (104) umfänglich teilweise durch das Kapselungsmittel (108) bedeckt und teilweise von dem Kapselungsmittel (108) freiliegend ist.
  21. Verfahren zum Verwenden eines Leistungsmoduls (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder einer Packung (100) nach Anspruch 17 für eine Automobilanwendung, insbesondere als eine Inverterschaltung für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (150).
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