DE102016205082B4 - Gehäusezusammenbau zur Aufnahme eines Halbleiterbauelements - Google Patents

Gehäusezusammenbau zur Aufnahme eines Halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

Gehäusezusammenbau (11) zur Aufnahme eines Halbleiterbauelements oder einer Halbleiterschaltung, umfassend:eine Baugruppe mit (a) einem Halbleiterschaltermodul (12), welches mit einer metallischen Basis (10) auf einer Außenseite und metallischen Pads (57) ausgestattet ist; (b) einer das Halbleiterschaltermodul (12) aufnehmenden, metallischen Hülle (61), wobei die metallische Hülle (61) eine Ausnehmung (67) in einer Größe und Form zur Aufnahme des Halbleiterschaltermoduls (12) aufweist, die metallische Hülle (61) einen Satz von dielektrischen Gebieten (65) mit eingebetteten oder hindurchgehenden elektrischen Anschlüssen (50) besitzt, die von der metallischen Hülle (61) elektrisch isoliert oder getrennt sind, und die elektrischen Anschlüsse (50) elektrisch mit den metallischen Pads (57) verbunden sind, und (c) einer metallischen Überbrückungsverbindung (14), welche den Umfangsspalt zwischen der metallischen Basis (10) und der metallischen Hülle füllt und hydraulisch abdichtet,ein unteres Gehäuse (20) mit einer zentralen Öffnung (22), in welcher die das Halbleiterschaltermodul (12), die metallische Hülle (61) und die metallische Überbrückungsverbindung (14) umfassende Baugruppe aufgenommen ist, wobei das untere Gehäuse (20) einen ersten Umfangskanal (24) in Kommunikation mit einem ersten Port (30), einen zweiten Umfangskanal (26) in Kommunikation mit einem zweiten Port (28) und einen Satz von Kanalkappen (32, 34) umfasst, wobei die Umfangskanäle (24, 26) jeweils einen ersten Abschnitt umfassen, der sich entlang jeweils einer Seite der Baugruppe erstreckt und die Kanalkappen (32, 34) jeweils einen zweiten Abschnitt des ersten Umfangskanals (24) und des zweiten Umfangskanals (26) abdecken;einen Deckel (38) und ein Dichtungsrahmenwerk (36), die an dem unteren Gehäuse (20) gesichert sind, wobei sich das Dichtungsrahmenwerk (36) zwischen dem Deckel (38) und einem Abschnitt einer oberen Oberfläche des unteren Gehäuses (20) befindet und eine Kühlmittelkammer (43) zwischen der metallischen Basis (10), dem Deckel (38) und dem Dichtungsrahmenwerk (36) definiert ist und die Kühlmittelkammer (43) über die ersten und zweiten Abschnitte der Umfangskanäle (24, 26) in Kommunikation mit dem ersten Port (30) und dem zweiten Port (28) steht.

Description

  • Gebiet der Offenbarung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gehäusezusammenbau zur Aufnahme eines Halbleiterbauelements oder einer Halbleiterschaltung.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Für einige Halbleiterbauelemente sind gewisse Halbleiter-Gehäusezusammenbauten nach dem Stand der Technik verfügbar zum Löten an eine Kälteplatte oder zur Verbindung mit einer Kälteplatte über ein Wärmeleitmaterial. Falls Wärmeleitmaterial verwendet wird anstelle eines direkten Metallbondens oder einer Lötverbindung, ist die thermische Impedanz für das System aus dem Halbleiter-Gehäusezusammenbau und der Kälteplatte im Allgemeinen erhöht; somit kann die Wärmeableitung eines Halbleiterbauelements verschlechtert sein.
  • Um die thermische Impedanz zu reduzieren oder zu minimieren, unterstützen andere Halbleiterbauelemente nach dem Stand der Technik das Aufbringen von Kühlmittel direkt auf Halbleiter-Gehäusen über Kühlmittelvolumina, die von Dichtmitteln oder Dichtungen begrenzt sind. Falls jedoch die Dichtungen oder Dichtmittel lecken, kann eine mit dem Halbleiterbauelement assoziierte Elektronikbaugruppe oder das Halbleiterbauelement für einen katastrophalen Ausfall verwundbar werden, wie etwa mit Wasser oder Feuchtigkeit assoziierte Kurzschlüsse, durch das Eindringen von Kühlmittel in unter Strom stehende Elektronikschaltungsanordnungen und Einrichtungen.
  • Die DE 10 2013 102 829 A1 beschreibt einen Gehäusezusammenbau für ein Halbleitermodul, das in einer metallischen Hülle angeordnet ist, deren Seitenwände durch einen dichtenden Werkstoff mit einer Grundplatte verbunden sind, an deren Innenseite das Halbleitermodul befestigt ist. Die elektrischen Leitungen werden mittels isolierender Durchführungen durch die Hülle geführt und sind mit Leiterbahnen eines Isolierstoffkörpers verbunden, auf dem auch die Halbleiter sitzen. Bei einer Ausführungsform ist die Grundplatte mit Kühlrippen versehen und Kühlmittel wird durch einen Zwischenraum geführt, der zwischen der Grundplatte und einem sich parallel zur Grundplatte erstreckenden, unteren Deckel gebildet ist.
  • Die JP 2000 - 68 447 A zeigt ein Leistungsmodul, das innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, dessen Umfang von einem Kühlmittel umströmt wird.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Ein Gehäusezusammenbau zur Aufnahme eines Halbleiterbauelements oder einer Halbleiterschaltung umfasst:
    • eine Baugruppe mit (a) einem Halbleiterschaltermodul, welches mit einer metallischen Basis auf einer Außenseite und metallischen Pads ausgestattet ist; (b) einer das Halbleiterschaltermodul aufnehmenden, metallischen Hülle, wobei die metallische Hülle eine Ausnehmung in einer Größe und Form zur Aufnahme des Halbleiterschaltermoduls aufweist, die metallische Hülle einen Satz von dielektrischen Gebieten mit eingebetteten oder hindurchgehenden elektrischen Anschlüssen besitzt, die von der metallischen Hülle elektrisch isoliert oder getrennt sind, und die elektrischen Anschlüsse elektrisch mit den metallischen Pads verbunden sind, und (c) einer metallischen Überbrückungsverbindung, welche den Umfangsspalt zwischen der metallischen Basis und der metallischen Hülle füllt und hydraulisch abdichtet,
    • ein unteres Gehäuse mit einer zentralen Öffnung, in welcher die das Halbleiterschaltermodul, die metallische Hülle und die metallische Überbrückungsverbindung umfassende Baugruppe aufgenommen ist, wobei das untere Gehäuse einen ersten Umfangskanal in Kommunikation mit einem ersten Port, einen zweiten Umfangskanal in Kommunikation mit einem zweiten Port und einen Satz von Kanalkappen umfasst, wobei die Umfangskanäle jeweils einen ersten Abschnitt umfassen, der sich entlang jeweils einer Seite der Baugruppe erstreckt und die Kanalkappen jeweils einen zweiten Abschnitt des ersten Umfangskanals und des zweiten Umfangskanals abdecken;
    • einen Deckel und ein Dichtungsrahmenwerk, die an dem unteren Gehäuse gesichert sind, wobei sich das Dichtungsrahmenwerk zwischen dem Deckel und einem Abschnitt einer oberen Oberfläche des unteren Gehäuses befindet und eine Kühlmittelkammer zwischen der metallischen Basis, dem Deckel und dem Dichtungsrahmenwerk definiert ist und die Kühlmittelkammer über die ersten und zweiten Abschnitte der Umfangskanäle in Kommunikation mit dem ersten Port und dem zweiten Port steht.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Ausführungsform einer auseinandergezogenen Perspektivansicht eines Gehäusezusammenbaus für ein Halbleiterbauelement oder eine Halbleiterschaltung.
    • 2 ist eine Perspektivansicht eines Gehäusezusammenbaus des Halbleiterbauelements oder der Halbleiterschaltung, die mit 1 übereinstimmt, wobei ein Deckel entfernt ist, um eine Kammer für das Kühlmittel freizulegen.
    • 3 ist eine Perspektivansicht des Gehäusezusammenbaus des Halbleiterbauelements oder der Halbleiterschaltung von 1, wobei der Deckel und das Mittelteil (z.B. Verteiler) weggeschnitten sind, um das Halbleiterschaltermodul besser offenzulegen.
    • 4 ist eine Perspektivansicht des Gehäusezusammenbaus des Halbleiterbauelements oder der Halbleiterschaltung von 1, wobei das Gehäuse zusammengebaut ist.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht des Gehäusezusammenbaus des Halbleiterbauelements oder der Halbleiterschaltung von 4 bei Betrachtung entlang einer Referenzlinie 5-5 von 4.
    • 6 ist eine Querschnittsansicht des Mittelteils (z.B. Verteilers) und Halbleiterschaltermoduls, die separat von dem Rest des Gehäusezusammenbaus gezeigt sind.
    • 7 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der unteren Abschnitte des Mittelteils (z.B. Verteilers) und des Halbleiterschaltermoduls von 6.
  • Gleiche Bezugszahlen in einer beliebigen Menge oder Teilmenge der Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente oder Merkmale.
  • Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
  • Gemäß einer Ausführungsform veranschaulichen 1 bis 5 einschließlich ein Gehäusezusammenbaus 11 für ein Halbleiterbauelement oder eine Halbleiterschaltung. Der Gehäusezusammenbau 11 umfasst ein Halbleiterschaltermodul 12, das einen Halbleiter-Die 17 oder ein Halbleiterbauelement-Gehäuse umfasst. Das Halbleiterschaltermodul 12 oder der Halbleiter-Die 17 besitzt eine metallische Basis 10 auf einer Außenseite. Der Halbleiter-Die 17 kann metallische Pads (57 in 5) in dem Halbleiterschaltermodul 12 besitzen. Eine metallische Hülle (61 in 5) ist ausgelegt zum Aufnehmen des Halbleiter-Die 17, um das Halbleiterschaltermodul 12 auszubilden. Die metallische Hülle 61 besitzt eine Ausnehmung 67 mit einer Größe und Gestalt zum Aufnehmen des Halbleiter-Die 17, um ein Halbleiterschaltermodul 12 auszubilden. Die metallische Hülle 61 besitzt einen Satz von dielektrischen Gebieten 65 mit eingebetteten oder hindurchgehenden elektrischen Anschlüssen 50, die von der metallischen Hülle 61 elektrisch isoliert oder getrennt sind. Die elektrischen Anschlüsse 50 (in 5) sind elektrisch mit den metallischen Pads 57 verbunden. Eine metallische Überbrückungsverbindung 14 füllt und dichtet hydraulisch (z.B. oder hermetisch) das, was ansonsten ein Umfangsspalt zwischen der metallischen Basis 10 und der metallischen Hülle 61 sein würde.
  • Bei einer Ausführungsform wird eine abgedichtete metallische Hülle 53 durch die Kombination aus metallischer Hülle 61, metallischer Überbrückungsverbindung 14, metallischer Basis 10 kollektiv oder ihrem Äquivalent definiert. Beispielsweise umfasst die abgedichtete metallische Hülle 53 eine Basis 63 mit Seitenwänden 69, die sich von der Basis 63 nach oben erstrecken, eine Oberseite 14, die mit den Seitenwänden 69 und dem metallischen Basisabschnitt 10 hermetisch verbunden oder hydraulisch daran abgedichtet ist. Die abgedichtete metallische Hülle 53 kann hermetisch abgedichtet, hydraulisch abgedichtet oder beides sein, um dem Eindringen von Fluiden, Flüssigkeiten oder Kühlmittel bei den mit der Kammer 43 assoziierten Arbeitsdrücken zu widerstehen oder dies zu verhindern.
  • Die abgedichtete metallische Hülle 53 hält das Halbleiterschaltermodul 12. Die metallische Hülle 53 besitzt einen Satz von dielektrischen Gebieten 65 mit eingebetteten oder durchgehenden elektrischen Anschlüssen 50, die von der abgedichteten metallischen Hülle 53 elektrisch isoliert oder getrennt sind. Die elektrischen Anschlüsse 50 sind elektrisch mit den metallischen Pads 57 verbunden. Ein Gehäuse 20 (z.B. ein unteres Gehäuse) ist ausgelegt zum Unterbringen des Halbleiterschaltermoduls 12 innerhalb der abgedichteten metallischen Hülle 53. Das Gehäuse 20 umfasst eine Kammer 43 zum Halten oder Zirkulieren eines Kühlmittels, die über der metallischen Basis 10 liegt.
  • Ein Halbleiterschaltermodul 12 kann einen oder mehrere Halbleiterschalter oder hergestellte Schaltungen auf einem Halbleiter-Die 17 umfassen. Bei einem Beispiel kann das Halbleiterschaltermodul 12 Leistungsschalter für eine Phase eines Wechselrichters zum Steuern eines Elektromotors oder einer elektrischen Maschine in einem Motormodus, einem Leistungserzeugungsmodus oder beiden umfassen. Weiterhin kann das Halbleiterschaltermodul 12 einen Hochspannungshalbleiterschalter und einen Niederspannungshalbleiterschalter umfassen, wobei ihre geschalteten Anschlüsse zum Koppeln an eine direkte Leistungsversorgung oder einen Bus zur Verfügung stehen. Die Halbleiterschalter können IGBTs (Insulated Gate Bipolar Junction Transistors), Transistoren, Feldeffekttransistoren (FETs) oder andere Halbleiterbauelemente umfassen. Die geschalteten Anschlüsse eines IGBT umfassen einen Kollektor und einen Emitter, und der Steueranschluss umfasst ein Gate; der Steueranschluss einiger Transistoren kann als eine Basis bezeichnet werden. Analog umfassen die geschalteten Anschlüsse eines Feldeffekttransistors Drain und Source, und die Steueranschlüsse umfassen ein Gate.
  • Bei einer Ausführungsform werden Basisnuten oder-kanäle 151 (z.B. Mikronuten) in die metallische Basis 10 des Halbleiterschaltermoduls 12 oder den darunterliegenden Halbleiter-Die 17 geätzt oder darauf ausgebildet. Beispielsweise verlaufen die Basisnuten 151 oder -kanäle im Wesentlichen parallel, wie in 5 dargestellt. Bei gewissen Konfigurationen sind die Abmessungen (z.B. Tiefe, Breite, radiale Tiefe oder größte Abmessung) der Basisnuten 151 ausreichend klein, die als Mikrokanäle bezeichnet werden können, die es der metallischen Basis 10 gestatten, direkt durch ein Kühlmittel oder eine Flüssigkeit gekühlt oder über Wärmepaste (z.B. eine stark wärmeleitende Paste) oder ein geeignetes Wärmeleitmaterial an einer Kälteplatte oder einem Kühlkörper montiert zu werden.
  • Die metallische Basis 10 umfasst ein Pad oder ein Paddle (z.B. zentrales Pad) des Halbleiter-Gehäusezusammenbaus 11, wie etwa ein standardmäßiges Halbleiterschalter-Gehäuse. Bei gewissen Konfigurationen kann die metallische Basis 10 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen, wenngleich beliebige andere geeignete Metalle oder Legierungen verwendet werden können. Falls das Kupfer oder die Kupferlegierung für die metallische Basis 10 verwendet wird, kann das Kupfer oder die Kupferlegierung mit dem metallischen Behälter 61 oder der Schale gefügt, verschmolzen, gesintert, hartgelötet oder geschweißt werden, selbst falls der metallische Behälter 61 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
  • Bei einer Ausführungsform befinden sich die metallischen Pads 57 auf einer Innenseite gegenüber der Außenseite des Halbleiterschaltermoduls 12. Bei einer alternativen Ausführungsform jedoch können sich die metallischen Pads 57 auf den Seiten oder an anderer Stelle an dem Halbleiterschaltermodul 12 befinden. Die metallischen Pads 57 liefern Verbindungen zu den Gleichstromanschlüssen, geschalteten Anschlüssen oder Steueranschlüssen des Halbleiterschaltermoduls 12.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform können die metallischen Pads 57 durch Bonddrähte zu den Halbleiterbauelementen, Gebieten oder Anschlüssen des Halbleiter-Die 17 ersetzt werden.
  • Bei einer Konfiguration umfasst die metallische Hülle 61 eine Schale (z.B. eine vorgegossene Schale oder vorgeformte Schale). Beispielsweise umfasst die metallische Hülle 61 eine Basis 63 mit Seitenwänden 69, die sich von der Basis 63 nach oben erstrecken. Die metallische Überbrückungsverbindung 14 füllt und dichtet (z.B. dichtet hydraulisch, dichtet hermetisch oder beides) einen Umfangsspalt zwischen der metallischen Basis 10 und einem oberen Abschnitt der Seitenwände 69 gegen das Eindringen von Kühlmittel oder Flüssigkeit in das Innere der abgedichteten Hülle 53, wo sich das Halbleiterschaltermodul 12 befindet. Beispielsweise kann die metallische Überbrückungsverbindung 14 oder das Überbrückungsmaterial zwischen die metallische Basis 10 und den oberen Abschnitt der Seitenwände 69 gebondet, geschmolzen, gesintert, hartgelötet, gelötet oder geschweißt werden. Die metallische Überbrückungsverbindung 14 umfasst einen metallischen Ring, eine metallische Schleife oder einen im Wesentlichen rechteckigen Umriss aus metallischem Material, durch einen additiven Ultraschallherstellungsprozess, einen Direktmetalllasersinterprozess, selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen oder einen anderen additiven Metallherstellungsprozess hergestellt.
  • Analog können, anstatt Basisnuten 151 oder -kanäle chemisch in die metallische Basis 10 zu ätzen, Basisnuten 151 oder -kanäle ausgebildet werden durch Hinzufügen von Rippen oder Graten zur metallischen Basis 10 durch einen additiven Ultraschallherstellungsprozess, einen Direktmetalllasersinterprozess, selektives Laserschmelzen oder einen anderen additiven Metallherstellungsprozess. Im Allgemeinen kann die Dicke der metallischen Basis 10 für die additiven Metallherstellungsprozesse niedriger gehalten werden als für traditionelle mechanische Bearbeitungsprozesse.
  • Ein additiver Ultraschallherstellungsprozess bezieht sich auf das Erzeugen eines festen metallischen Objekts durch Ultraschallschweißen oder Verschmelzen aufeinanderfolgender Schichten aus Metall oder einer Legierung (z.B. Aluminium, Kupfer, Nickel, Stahl oder anderen Metallen oder Legierungen) zu einer Zielgröße und -gestalt. Beispielsweise kann additive Ultraschallherstellung Ultraschallschwingungen verwenden, um eine oder mehrere metallische Schichten (z.B. metallisches Band) zu bonden, um die metallische Überbrückungsverbindung 14 zwischen der metallischen Basis 10 und dem oberen Abschnitt der Seitenwände 69 auszubilden.
  • Ein Direktmetalllasersinterprozess bezieht sich auf einen Herstellungsprozess, der mit einem Laser pulverförmiges metallisches Material sintert, indem der Laser auf Raumpunkte gerichtet wird, um das Material miteinander zu verbinden, um eine feste Struktur gemäß einem dreidimensionalen Modell herzustellen. Beispielsweise kann das dreidimensionale Modell mit der Ausbildung der metallischen Überbrückungsverbindung 14 zwischen der metallischen Basis 10 und dem oberen Abschnitt der Seitenwände 69 übereinstimmen.
  • Das selektive Laserschmelzen ist ähnlich dem Direktmetalllasersintern. Beim selektiven Laserschmelzprozess jedoch wird das Material vollständig geschmolzen oder verschmolzen.
  • Bei gewissen Konfigurationen besteht die metallische Hülle 61 aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, einem Metall oder einer Legierung oder mehreren verschiedenen Schichten von Metallen oder Legierungen. Das Metall oder die Legierung der metallischen Hülle wird so gewählt, dass sie mit dem Bonden an die metallische Basis 10 des Halbleiterbauelements kompatibel ist. Beispielsweise kann die metallische Basis 10 aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, einem Aluminium, einer Legierung oder einem Metall bestehen.
  • Ein unteres Gehäuse 20 besitzt eine zentrale Öffnung 22 (in 1) zum Aufnehmen einer Baugruppe, die das Halbleiterschaltermodul 12, die metallische Hülle 61 und die metallische Überbrückungsverbindung 14 umfasst. Das untere Gehäuse 20 umfasst einen ersten Umfangskanal 24 in Kommunikation mit einem ersten Port 30, einen zweiten Umfangskanal 26 in Kommunikation mit einem zweiten Port 28 und einen Satz von Kanalkappen (32, 34) zum Bedecken des ersten Umfangskanals 24 und des zweiten Umfangskanals 26.
  • Das untere Gehäuse 20 kann aus Aluminium, einer Legierung oder einem Metall bestehen und kann so gewählt werden, dass es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem des Halbleiterschaltermoduls 12 entspricht oder ähnlich ist.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann das untere Gehäuse 20 aus einem Kunststoff, einem Polymer, einem Verbundwerkstoff, einem fasergefüllten Polymer, einem fasergefüllten Kunststoff oder einem Füllmittel bestehen, das durch ein Harz, ein Polymer oder eine Kunststoffmatrix gebunden ist.
  • Der Satz von Kanalkappen (32, 34) umfasst einen wegfolgenden Abdeckungsabschnitt und Seitenwände, die sich unter einem Winkel von dem Abdeckungsabschnitt erstrecken. Bei gewissen Konfigurationen liegen die Kanalkappen (32, 34) nur unter einem äußeren Klemmgebiet des Deckels 38.
  • Ein Deckel 38 und ein Dichtungsrahmenwerk 36, wobei sich das Dichtungsrahmenwerk 36 zwischen dem Deckel 38 und mindestens einem Abschnitt des Satzes von Kanalkappen (32, 34) befindet.
  • Ein Deckel 38 und ein Dichtungsrahmenwerk 36 können an dem unteren Gehäuse 20 gesichert sein. Wie dargestellt, ist der Deckel 38 an dem unteren Gehäuseteil 20 über mehrere Befestigungsvorrichtungen 40 gesichert, obwohl der Deckel 38 über Befestigungsvorrichtungen 40, Kleber, Schnappverbindungen oder andere geeignete Verbindungen am Gehäuse fixiert werden kann. Das Dichtungsrahmenwerk 36 befindet sich zwischen dem Deckel 38 und einem Abschnitt einer oberen Oberfläche des unteren Gehäuses 20. Das Dichtungsrahmenwerk 38 kann aus einem Kunststoff, einem Polymer, einem Verbundwerkstoff, einem fasergefüllten Polymer, einem fasergefüllten Kunststoff, einem Füllmittel, das durch ein Harz, ein Polymer oder eine Kunststoffmatrix verbunden ist, einem Elastomer, einem nachgiebigen Material, einem synthetischen Kautschuk oder Naturkautschuk bestehen.
  • Eine Kühlmittelkammer 43 ist zwischen dem Halbleiterschaltermodul 12 (z.B. metallischer Basis 10), dem Deckel 38 und dem Dichtungsrahmenwerk 36 definiert. Die Kühlmittelkammer 43 steht in Kommunikation mit dem ersten Port 30 und dem zweiten Port 28. Das Dichtungsrahmenwerk 36 umfasst eine Dichtung, ein Dichtmittel oder ein anderes Abdichtteil zum hydraulischen Abdichten einer Kühlmittelkammer, um den Austritt von Kühlmittel aus der Kühlmittelkammer 43 nach außen zu verhindern.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen sind der erste Port 30 und der zweite Port 28 mit einer Leitung zur Verbindung eines Radiators und einer Pumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels verbunden. Beispielsweise sind die Pumpe und der Radiator in Reihe mit einer Leitung verbunden, wobei eine Pumpe an einen Port gekoppelt ist und der Radiator an den anderen Port gekoppelt ist.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst ein Mittelteil 16 einen Verteiler mit einer Reihe von Innenkanälen 18 oder Passagen zum Zirkulieren von Kühlmittel. Ein Mittelteil 16 ist ausgelegt zum Einsetzen in die Kammer 43. Das Mittelteil 16 und der Fluss von Kühlmittel werden später in diesem Dokument ausführlicher beschrieben.
  • Die abgedichtete metallische Hülle 53 eignet sich gut zum Unterbringen des Halbleiterschaltermoduls 12, das von Kühlmittel oder Fluid getrennt ist, das zum direkten Kühlen der Außenseite der abgedichteten metallischen Hülle 53 oder der metallischen Basis 10 mit oder ohne Basisnuten 151 verwendet werden kann. Bei einigen Ausführungsformen ist das Kühlmittel derart in eine Kammer 43 eingeschlossen, darin gehalten oder wird darin zirkuliert, dass das Kühlmittel oder Fluid direkt in Kontakt mit der metallischen Basis und den Basisnuten 151 zirkulieren kann, um Wärme (z.B. mit großen Wärmeleitfähigkeiten an der Flüssigkeitsgrenzschicht und mit reduzierter thermischer Impedanz des Gehäusezusammenbaus 11) von dem Halbleiterschaltermodul 12 während seines Betriebs abzuführen. Dementsprechend erfordert die abgedichtete metallische Hülle 53 keine Dichtmittel oder Dichtungen, um das Halbleiterschalterbauelement 12 von dem Kühlmittel zu trennen, mit der möglichen Ausnahme des Dichtmittels, einer Vergussmasse, Elastomers oder dielektrischer Gebiete 65, die mit dem zuverlässig abgedichteten (z.B. ohne Dichtungen, ohne Dichtmittel oder beide) Ausgang von Leitern oder elektrischen Anschlüssen 50 aus der abgedichteten metallischen Hülle 53 assoziiert sind. Zudem erleichtert das Kühlmittel oder die Flüssigkeit die verbesserte thermische Ableitung von dem Halbleiterschaltermodul 12, was eine höhere Leistungsfähigkeit für ein gegebenes Halbleiterschaltermodul 12 zum Steuern größerer elektrischer Einrichtungen oder Maschinen (z.B. Elektromotoren) mit größerem nutzbarem Drehmoment an der Antriebswelle bedeutet.
  • 2 ist eine Perspektivansicht eines Gehäusezusammenbaus 11 des Halbleiterbauelements oder der Halbleiterschaltung, die mit 1 übereinstimmt, wobei ein Deckel 38 entfernt ist, um eine Kammer 43 für das Kühlmittel freizulegen. Der erste Umfangskanal 24 und der zweite Umfangskanal 26 stehen in hydraulischer Kommunikation mit der Kammer 43. Beispielsweise ist, wie dargestellt, jeder des ersten Umfangskanals 24 und des zweiten Umfangskanals 26 entlang seiner Länge zur Kammer 43 offen oder freigelegt, damit Fluid in der Kammer 43 über den ersten Port 30, den zweiten Port 28 oder beide zirkulieren kann. Eine erste Dichtung 41 dichtet zwischen einem Außenumfang oder einer äußeren Oberfläche 19 des Halbleiterschaltermoduls 12 und der oberen Oberfläche 51 des unteren Gehäuses 20 ab. Analog dichtet eine zweite Dichtung 42 zwischen einem Außenumfang oder einer äußeren Oberfläche 19 des Halbleitermoduls 12 und der oberen Oberfläche 51 des unteren Gehäuses 20 ab. Selbst falls die erste Dichtung 41 oder die zweite Dichtung 42 lecken oder versagen sollten, würde Kühlmittel nicht das Halbleiterschaltermodul 12 beschädigen, das gegenüber dem Eindringen von Kühlmittel oder Fluid an der Überbrückungsverbindung 14 abgedichtet ist. Natürlich kann eine Temperaturüberwachung des Halbleiterschaltermoduls 12 oder von Schalttransistoren verwendet werden, um einen oder mehrere Schalttransistoren oder das Halbleiterschaltermodul 12 abzuschalten oder zu deaktivieren für den Fall, dass ein Ausfall oder eine Leckage von Kühlmittel die Wärmeableitung des Halbleiterschaltermoduls 12 reduziert.
  • 3 ist eine Perspektivansicht des Gehäusezusammenbaus 11 des Halbleiterbauelements oder der Halbleiterschaltung von 1, wobei der Deckel 38 und das Mittelteil 16 weggeschnitten sind, um das Halbleiterschaltermodul 12 und die Kammer 43 besser offenzulegen. Das Mittelteil 16 umfasst Kanäle 18, in denen der Fluss von Kühlmittel in abwechselnden Richtungen für benachbarte Kanäle 18 geleitet werden kann.
  • 4 ist eine Perspektivansicht des Gehäusezusammenbaus 11 des Halbleiterbauelements oder der Halbleiterschaltung von 1, wobei der Gehäusezusammenbau 11 zusammengebaut ist. Der erste Port 30 und der zweite Port 28 können mit einem Radiator in Reihe mit einer Pumpe über eine Leitung verbunden sein, um Fluid in der Kammer 43 zu zirkulieren.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht des Gehäusezusammenbaus 11 des Halbleiterbauelements 12 oder der Halbleiterschaltung von 4 bei Betrachtung entlang einer Referenzlinie 5-5 von 4. 5 zeigt einen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement 12, das eine metallische Hülle 61 mit einer Basis 63 und Seitenwänden 69 umfasst, um eine Ausnehmung 67 für das Aufnehmen eines Halbleiter-Die 17 auszubilden. Wie dargestellt, besitzt der Halbleiter-Die 17 leitende Pads 57, die von der metallischen Hülle 61 und ihrer Basis 63 über dielektrische Gebiete 65 elektrisch isoliert oder getrennt sind. Bei einer Ausführungsform können die dielektrischen Gebiete 65 aus einem Elastomer, einem Kleber, einem Polymer (z.B. Silikon), einem Kunststoff oder einer Vergussmasse bestehen, um das Eindringen von Fluid oder Kühlmittel in das Halbleiterbauelement 12 zu verhindern. Die leitenden Pads 57 sind mechanisch und elektrisch mit Anschlüssen 50 verbunden, um elektrische Verbindungen zu Anschlüssen 50, wie etwa Gleichstromanschlüssen, Steueranschlüssen oder geschalteten Anschlüssen eines oder mehrerer Halbleiterschalter des Halbleiterschaltermoduls 12, bereitzustellen.
  • 5 veranschaulicht einen Querschnitt durch die Überbrückungsverbindung 14, die die Seite oder Kante der metallischen Basis 10 mit der Kante oder Seitenwänden 69 der metallischen Hülle 61 zusammenschaltet. Der Klarheit halber ist die Überbrückungsverbindung 14 als metallisches Material mit einer entgegengesetzten Schraffur zur umgebenden metallischen Hülle 61 gezeigt, obwohl die Überbrückungsverbindung 14 in dem Ausmaß mit der metallischen Hülle 61 verschmolzen, angeschweißt, hartgelötet oder gelötet ist, falls irgendeine Naht, die vorliegt oder erkannt werden kann, eine derartige Naht gegenüber der hydraulischen (z.B. oder pneumatischen) Passage oder dem hydraulischen Eindringen von Fluid oder Kühlmittel resistent ist. Weiterhin ist in gewissen Konfigurationen, obwohl die Überbrückungsverbindung 14 in dem Ausmaß mit der metallischen Hülle 61 verschmolzen, angeschweißt, hartgelötet oder gelötet ist, falls irgendeine Naht, die vorliegt oder erkannt werden kann, eine derartige Naht für die pneumatische Passage, das pneumatische Eindringen oder Entweichen von Gas oder Luft zwischen dem Inneren und Äußeren des Halbleiterschaltermoduls 12 resistent.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht des Mittelteils 16 (z.B. Verteilers) und des Halbleiterschaltermoduls 12, die separat von dem Rest des Gehäusezusammenbaus 11 gezeigt sind. Ein Mittelteil 16 befindet sich innerhalb der Kammer 43. Wie dargestellt, umfasst das Mittelteil 16 einen Verteiler mit einer Reihe von allgemein parallelen Hauptkanälen (75, 76). Kühlmittel kann innerhalb der oder durch die Hauptkanäle (75, 76) im Mittelteil 16 durch eine Pumpe oder einen Radiator zirkuliert werden, die durch eine Leitung, ein Rohr oder eine Rohrleitung zwischen dem ersten Port 30 und dem zweiten Port 28 in Reihe gekoppelt sind. Beispielsweise kann das Kühlmittel durch Einlässe 81 (z.B. Verteilereinlässe) zu den Hauptkanälen (75, 76) auf einer Seite des Mittelteils 16 eintreten und an Auslässen 82 (z.B. Verteilerauslässen) der Hauptkanäle (75, 76) an einer gegenüberliegenden Seite austreten. Zuerst kann das Kühlmittel über den ersten Port 30 und den ersten Umfangskanal 24 an die Einlässe 81 geliefert werden. Zweitens wird das Kühlmittel innerhalb des Mittelteils 16 zirkuliert.
  • Drittens kann das Kühlmittel das Mittelteil 16 über die Auslässe 82 verlassen, wo es zu dem zweiten Umfangskanal 26 fließt, und schließlich dem zweiten Port 28.
  • Bei alternativen Ausführungsformen versteht sich, dass die obige Flussrichtung zwischen dem ersten Port 30 und dem zweiten Port 28 umgekehrt werden kann. Wiederum kann die Flussrichtung innerhalb des Mittelteils 16 umgekehrt werden.
  • Die internen Kanäle 18 von 1 wurden als Hauptkanäle (75, 76) für 6 und 7 umettikettiert, weil die Hauptkanäle (75, 76) nur veranschaulichende Beispiele der internen Kanäle 18 sind, die verwendet werden können, um den Gehäusezusammenbau 11 für das Halbleiterbauelement auszuführen. Beispielsweise können in alternativen Ausführungsformen die internen Kanäle 18 Serpentinschleifen, umständliche Schleifen, Spiralpassagen oder andere Passagen umfassen, und solche Passagen oder Abschnitte davon können zu den Nuten 151 oder einer äußeren Oberfläche des Halbleiterschaltermoduls 12 offen sein oder damit in hydraulischer Kommunikation stehen.
  • Zu Zwecken der veranschaulichenden Ausführungsform von 6 und 7 besitzt jeder Hauptkanal (75, 76) ein Öffnungsende 84 an einem Ende des Kanals (75, 76) und ein terminierendes Ende 80 an einem entgegengesetzten Ende des Kanals gegenüber dem Öffnungsende 84. Das terminierende Ende 80 des Hauptkanals (75, 76) lenkt oder zwingt das Kühlmittel, in den Basisnuten 151 oder -kanälen des Halbleiterschaltermoduls 12 zu fließen. Von Einlässen 81, die mit jedem anderen Hauptkanal (75, 76) des Mittelteils 16 assoziiert sind, tritt das Kühlmittel in jeden Einlasshauptkanal 75 ein und wird am terminierenden Ende 80 blockiert.
  • Das Kühlmittel wird gelenkt, um von den Einlasshauptkanälen 76 zu den Basisnuten 151 oder -kanälen zu fließen oder gespeist zu werden, über Schlitze 83 zu den Auslasshauptkanälen 75. Die Basisnuten 151 oder -kanäle können als sekundäre Kanäle bezeichnet werden. Wie dargestellt, verläuft der sekundäre Fluss 93 des Kühlmittels innerhalb der Basisnuten 151 im Allgemeinen in einer im Wesentlichen quer verlaufenden oder im Wesentlichen orthogonalen Richtung zum Kühlmittelfluss in den Hauptkanälen (Einlasshauptkanälen 76 oder Auslasshauptkanälen 75) und weg vom Hauptfluss 91 in den Einlasshauptkanälen 76. Der Hauptfluss 91 in den Auslasshauptkanälen 75 ist zu den Auslässen 82. Größere Pfeile stellen die allgemeine Richtung des Hauptflusses 91 im Hauptkanal dar, wohingegen kleinere Pfeile die allgemeine Richtung eines überbrückenden Flusses oder sekundären Flusses 92 in den Basisnuten 151 darstellt.
  • Wie gezeigt besitzen die Hauptkanäle (75, 76) im Wesentlichen rechteckige Querschnitte mit kommunizierenden Schlitzen 83, wenngleich andere Querschnittsgestalten der Kanäle möglich sind und in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jeder Hauptkanal (75, 76) besitzt einen jeweiligen Schlitz 83, der in Längsrichtung entlang seines Hauptkanals oder allgemein parallel zum Hauptfluss 91 orientiert ist. Das Mittelteil 16 besitzt Auslasshauptkanäle 75 und Einlasshauptkanäle 76, wobei die Einlasshauptkanäle 76 Kühlmittel den Auslasshauptkanälen 75 über die Schlitze 83 und Basisnuten 151 oder -kanäle des Halbleiterschaltermoduls 12 zuführen können.
  • Das Mittelteil 16 oder der Verteiler kann aus einem Metall, einer Legierung, einem Polymer, einem Verbundmaterial, einem fasergefüllten Polymer, einem fasergefüllten Kunststoff oder einem Füllmittel, das durch ein Harz, ein Polymer oder eine Kunststoffmatrix gebunden ist, bestehen.
  • 7 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der unteren Abschnitte des Mittelteils 16 (z.B. Verteilers) und des Halbleiterschaltermoduls 12 von 6. Gleiche Bezugszahlen in 6 und 7 bezeichnen gleiche Elemente. 7 liefert zusätzliche Pfeile bezüglich eines veranschaulichenden Flusses von Kühlmittel innerhalb des Mittelteils 16 oder Verteilers und über angrenzende oder nahegelegene Nuten oder Kanäle des Halbleiterschaltermoduls 12.

Claims (9)

  1. Gehäusezusammenbau (11) zur Aufnahme eines Halbleiterbauelements oder einer Halbleiterschaltung, umfassend: eine Baugruppe mit (a) einem Halbleiterschaltermodul (12), welches mit einer metallischen Basis (10) auf einer Außenseite und metallischen Pads (57) ausgestattet ist; (b) einer das Halbleiterschaltermodul (12) aufnehmenden, metallischen Hülle (61), wobei die metallische Hülle (61) eine Ausnehmung (67) in einer Größe und Form zur Aufnahme des Halbleiterschaltermoduls (12) aufweist, die metallische Hülle (61) einen Satz von dielektrischen Gebieten (65) mit eingebetteten oder hindurchgehenden elektrischen Anschlüssen (50) besitzt, die von der metallischen Hülle (61) elektrisch isoliert oder getrennt sind, und die elektrischen Anschlüsse (50) elektrisch mit den metallischen Pads (57) verbunden sind, und (c) einer metallischen Überbrückungsverbindung (14), welche den Umfangsspalt zwischen der metallischen Basis (10) und der metallischen Hülle füllt und hydraulisch abdichtet, ein unteres Gehäuse (20) mit einer zentralen Öffnung (22), in welcher die das Halbleiterschaltermodul (12), die metallische Hülle (61) und die metallische Überbrückungsverbindung (14) umfassende Baugruppe aufgenommen ist, wobei das untere Gehäuse (20) einen ersten Umfangskanal (24) in Kommunikation mit einem ersten Port (30), einen zweiten Umfangskanal (26) in Kommunikation mit einem zweiten Port (28) und einen Satz von Kanalkappen (32, 34) umfasst, wobei die Umfangskanäle (24, 26) jeweils einen ersten Abschnitt umfassen, der sich entlang jeweils einer Seite der Baugruppe erstreckt und die Kanalkappen (32, 34) jeweils einen zweiten Abschnitt des ersten Umfangskanals (24) und des zweiten Umfangskanals (26) abdecken; einen Deckel (38) und ein Dichtungsrahmenwerk (36), die an dem unteren Gehäuse (20) gesichert sind, wobei sich das Dichtungsrahmenwerk (36) zwischen dem Deckel (38) und einem Abschnitt einer oberen Oberfläche des unteren Gehäuses (20) befindet und eine Kühlmittelkammer (43) zwischen der metallischen Basis (10), dem Deckel (38) und dem Dichtungsrahmenwerk (36) definiert ist und die Kühlmittelkammer (43) über die ersten und zweiten Abschnitte der Umfangskanäle (24, 26) in Kommunikation mit dem ersten Port (30) und dem zweiten Port (28) steht.
  2. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 1, wobei die metallische Basis (10) mehrere Nuten (151) oder Kanäle umfasst.
  3. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 2, wobei die Nuten (151) oder Kanäle im Wesentlichen parallel sind.
  4. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 1, wobei die metallischen Pads (57) sich auf einer Innenseite gegenüber der Außenseite des Halbleiterschaltermoduls (12) befinden.
  5. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 1, wobei die metallische Hülle (61) eine Basis (63) mit Seitenwänden (69), die sich von der Basis (63) nach oben erstrecken, umfasst.
  6. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 5, wobei die metallische Überbrückungsverbindung (14) den Umfangsspalt füllt und hydraulisch abdichtet, der ansonsten zwischen der metallischen Basis (63) und einem oberen Abschnitt der Seitenwände (69) bestehen würde, wobei die metallische Überbrückungsverbindung (14) zwischen die metallische Basis (63) und den oberen Abschnitt der Seitenwände (69) gebondet, gesintert, verschmolzen oder geschweißt ist.
  7. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 1, wobei die metallische Überbrückungsverbindung (14) einen metallischen Ring, eine metallische Schleife oder einen im Wesentlichen rechteckigen Umriss aus metallischem Material umfasst, der durch einen additiven Ultraschallherstellungsprozess, einen Direktmetalllasersinterprozess oder einen anderen additiven Metallherstellungsprozess hergestellt ist.
  8. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 1, wobei der Satz von Kanalkappen (32, 34) einen wegfolgenden Abdeckungsabschnitt und Seitenwände, die sich unter einem Winkel von dem Abdeckungsabschnitt erstrecken, umfasst.
  9. Gehäusezusammenbau (11) nach Anspruch 1, wobei ein in der Kühlkammer (43) angeordnetes Mittelteil (16) eine Reihe von Innenkanälen (18) oder Passagen zum Zirkulieren von Kühlmittel aufweist.
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