DE102018107094A1 - Multi-Package-Oberseitenkühlung - Google Patents

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Abstract

Eine Leistungshalbleiteranordnung (500) umfasst einen Träger (200) und mehrere Packages (300). Jedes Package (300) schließt ein Leistungshalbleiter-Die ein, wobei das Die einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss aufweist und dazu ausgelegt ist, eine zwischen den Lastanschlüssen angelegte Sperrspannung zu sperren und einen Die-Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten; weist einen Package-Körper (30) mit einer Package-Oberseite (301), einer Package-Lötflächenseite (302) und Package-Seitenwänden (303), wobei sich die Package-Seitenwände (303) von der Package-Lötflächenseite (302) zu der Package-Oberseite (301) erstrecken; eine Leiterrahmenstruktur (31), die dazu ausgelegt ist, das Package (300) elektrisch und mechanisch mit dem Träger (200) zu koppeln, wobei die Package-Lötflächenseite (302) dem Träger (200) zugekehrt ist, wobei die Leiterrahmenstruktur (31) mindestens einen ersten Außenanschluss (311) umfasst, der mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist; eine obere Schicht (32), die auf der Package-Oberseite (301) angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist, auf. Die Leistungshalbleiteranordnung umfasst einen oberen Kühlkörper (400). Der obere Kühlkörper (400): ist an jeder der oberen Schichten (32) der Packages (300) befestigt; ist mit jeder der oberen Schichten (32) der Packages (300) elektrisch kontaktiert, und dazu ausgelegt, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Patentschrift bezieht sich auf Ausführungsformen einer Leistungshalbleiteranordnung, die mehrere auf einem Träger angeordnete Packages umfasst, Ausführungsformen eines Systems, das solch eine Leistungshalbleiteranordnung aufweist und dazu ausgelegt ist, ein Lastteilsystem mit Leistung zu versorgen, und auf Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung einer Leistungshalbleiteranordnung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Patentschrift auf das gleichzeitige Kühlen mehrerer Packages.
  • HINTERGRUND
  • Viele Funktionen moderner Vorrichtungen in Kraftfahrzeug-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa die Umwandlung von elektrischer Energie und das Antreiben eines Elektromotors oder einer elektrischen Maschine, stützen sich auf Leistungshalbleiterbauelemente.
  • Zum Beispiel sind Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistors), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) und Dioden, um nur einige zu nennen, für verschiedene Anwendungen verwendet worden, einschließlich Schaltern in Leistungsversorgungen und Leistungsumsetzern, aber nicht darauf beschränkt.
  • Ein Leistungshalbleiterbauelement umfasst üblicherweise ein Leistungshalbleiter-Die, das dazu ausgelegt ist, einen Laststrom entlang einem Laststrompfad zwischen zwei Lastanschlüssen des Dies zu leiten. Ferner kann der Laststrompfad zum Beispiel mittels einer isolierten Elektrode, die manchmal als Gate-Elektrode bezeichnet wird, gesteuert werden. Bei Empfang eines entsprechenden Steuersignals von beispielsweise einem Treiber kann die Steuerelektrode zum Beispiel das Leistungshalbleiterbauelement in einen leitenden Zustand oder einen gesperrten Zustand setzen.
  • Nach der Herstellung des Leistungshalbleiter-Dies wird es üblicherweise in ein Package installiert, zum Beispiel auf eine Art und Weise, die die Anordnung des Packages mit dem Die in einer Anwendung, zum Beispiel in einem Leistungsumsetzer oder einer Leistungsversorgung, zum Beispiel so gestattet, dass das Die mit einem Träger, zum Beispiel einer Leiterplatte (PCB - printed circuit board), gekoppelt werden kann.
  • Dazu ist eine gemeinhin als Oberflächenmontagetechnik (SMT - surface-mount technology) bezeichnete Technik bekannt, wobei sich dieser Begriff allgemein auf die Herstellung elektronischer Schaltungen, bei denen die Bauteile direkt auf die Oberfläche einer PCB montiert oder platziert werden, beziehen kann. Solch ein Bauteil wird somit als Oberflächenmontagebauelement (SMD-Bauelement, SMD - surface-mount device) bezeichnet. Zum Beispiel hat diese Technik zumindest in einigen Anwendungsbereichen das sogenannte Durchstecktechnik-Konstruktionsverfahren des Anordnens von Bauteilen mit Anschlussdrähten in Löcher in der Leiterplatte ersetzt.
  • Im Allgemeinen kann ein SMD-Bauteil kleiner als sein Durchsteck-Gegenstück sein. Es kann kurze Stifte oder Leitungen von verschiedenen Arten, Flachkontakte (auch als „Anschluss-Pads“ bekannt), eine Matrix von Lotperlen (zum Beispiel ein sogenanntes Ball Grid Array (BGA)) und/oder Anschlüsse am Package-Körper des Bauteils aufweisen.
  • Beispielhafte Konfigurationen eines SMD-Packages sind aus den Schriften DE 10 2015 101 674 A1 und DE 10 2015 120 396 A1 bekannt. Jedes dieser SMD-Packages umschließt ein Leistungshalbleiter-Die und weist einen Package-Körper mit einer Package-Oberseite, einer Package-Lötflächenseite und Package-Seitenwänden auf, wobei sich die Package-Seitenwände von der Package-Lötflächenseite zu der Package-Oberseite erstrecken. Das Die weist einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss auf und ist dazu ausgelegt, eine zwischen den Lastanschlüssen angelegte Sperrspannung zu sperren. Die Packages umfassen ferner jeweils eine Leiterrahmenstruktur, die dazu ausgelegt ist, das Package elektrisch und mechanisch mit einem Träger zu koppeln, wobei die Package-Lötflächenseite dem Träger zugekehrt ist. Die Leiterrahmenstruktur umfasst Außenanschlüsse, die sich aus der Package-Seitenwand erstrecken und mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden sind. Ferner umfasst jedes der Packages eine obere Schicht, die auf der Package-Oberseite angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist.
  • Demgemäß kann jedes dieser aus den Schriften DE 10 2015 101 674 A1 und DE 10 2015 120 396 A1 bekannten SMD-Packages eine Package-Oberseite aufweisen, die dem Träger abgekehrt ist und die mit einer oberen Schicht versehen ist, an der eine Wärmeableitungsvorrichtung, zum Beispiel ein oberer Kühlkörper, montiert sein kann. Dadurch kann von dem das Die umschließenden Package Wärme abgezogen werden. Solche Package-Arten können somit als SMD-TSC-Packages (TSC - Top Side Cooling/Oberflächenkühlung) bezeichnet werden.
  • Die Hauptfunktion der Wärmeableitungsvorrichtung besteht darin, Wärme von dem Package-Körper abzuziehen. Es ist bekannt, dazu einen oberen Kühlkörper mit der oberen Schicht zu koppeln, wobei der obere Kühlkörper von der oberen Schicht elektrisch isoliert sein kann.
  • KURZFASSUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Leistungshalbleiteranordnung einen Träger und mehrere Packages. Jedes Package: schließt ein Leistungshalbleiter-Die ein, wobei das Die einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss aufweist und dazu ausgelegt ist, eine zwischen den Lastanschlüssen angelegte Sperrspannung zu sperren und einen Die-Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten; weist einen Package-Körper mit einer Package-Oberseite und einer Package-Lötflächenseite und Package-Seitenwänden auf, wobei sich die Package-Seitenwände von der Package-Lötflächenseite zu der Package-Oberseite erstrecken; weist eine Leiterrahmenstruktur auf, die dazu ausgelegt ist, das Package elektrisch und mechanisch mit dem Träger zu koppeln, wobei die Package-Lötflächenseite zu dem Träger weist, wobei die Leiterrahmenstruktur mindestens einen ersten Außenanschluss umfasst, der mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist, und weist eine obere Schicht auf, die auf der Package-Oberseite angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist. Die Leistungshalbleiteranordnung umfasst einen oberen Kühlkörper. Der obere Kühlkörper: ist an jeder der oberen Schichten der Packages befestigt; mit jeder der oberen Schichten der Packages elektrisch kontaktiert; und dazu ausgelegt, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform umfasst ein System eine DC-Leistungsversorgung; ein Lastteilsystem; einen Hauptleistungspfad (800), der die DC-Leistungsversorgung mit dem Lastteilsystem koppelt, damit die DC-Leistungsversorgung dem Lastteilsystem über den Hauptleistungspfad Leistung zuführen kann; und eine Leistungshalbleiteranordnung, die in dem Hauptleistungspfad angeordnet ist, wobei die Leistungshalbleiteranordnung dazu ausgelegt ist, den Hauptleistungspfad selektiv in einen leitenden Zustand oder einen sperrenden Zustand zu setzen. Die Leistungshalbleiteranordnung kann auf eine im vorhergehenden Absatz beschriebene Weise ausgelegt sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleiteranordnung Bereitstellen eines Trägers; und Bereitstellen mehrerer Packages. Jedes Package: umschließt ein Leistungshalbleiter-Die, wobei das Die einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss aufweist und dazu ausgelegt ist, eine zwischen den Lastanschlüssen angelegte Sperrspannung zu sperren und einen Die-Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten; weist einen Package-Körper mit einer Package-Oberseite und einer Package-Lötflächenseite und Package-Seitenwänden auf, wobei sich die Package-Seitenwände von der Package-Lötflächenseite zu der Package-Oberseite erstrecken; weist eine Leiterrahmenstruktur auf, die dazu ausgelegt ist, das Package elektrisch und mechanisch mit dem Träger zu koppeln, wobei die Package-Lötflächenseite dem Träger zugekehrt ist, wobei die Leiterrahmenstruktur mindestens einen ersten Außenanschluss umfasst, der mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist, und weist eine obere Schicht auf, die auf der Package-Oberseite angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist. Ferner umfasst das Verfahren Bereitstellen eines oberen Kühlkörpers, der dazu ausgelegt ist, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten. Dann wird der obere Kühlkörper an jeder der oberen Schichten der Packages befestigt, derart, dass der obere Kühlkörper mit jeder der oberen Schichten der Packages elektrisch kontaktiert ist.
  • Der Fachmann erkennt bei Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung und bei Betrachtung der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile.
  • Figurenliste
  • Die Teile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird Wert auf veranschaulichende Grundzüge der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile, wobei in den Zeichnungen:
    • 1A-D schematisch und beispielhaft Abschnitte von zwei vertikalen Querschnitten, einen Abschnitt einer horizontalen Projektion und einen Abschnitt einer perspektivischen Ansicht einer Leistungshalbleiteranordnung, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulichen; und
    • 2A-D schematisch und beispielhaft Abschnitte von zwei vertikalen Querschnitten, einen Abschnitt einer horizontalen Projektion und einen Abschnitt einer perspektivischen Ansicht einer Leistungshalbleiteranordnung, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulichen;
    • 3 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer perspektivischen Ansicht eines Packages gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 4 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer Leistungshalbleiteranordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 5 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines oberen Kühlkörpers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht; und
    • 6 schematisch und beispielhaft ein Schaltschema eines eine Leistungshalbleiteranordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen umfassenden Systems veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen spezielle Ausführungsformen als Veranschaulichung gezeigt werden, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann.
  • In dieser Hinsicht kann Richtungsterminologie, wie zum Beispiel „oben“, „unten“, „unter“, „vorne“, „hinten“, „zurück“, „führender“, „nachlaufender“, „unterhalb“, „oberhalb“ usw., mit Bezug auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren verwendet werden. Da Teile von Ausführungsformen in einer Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist keineswegs einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachstehende detaillierte Beschreibung soll daher nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.
  • Es wird nunmehr ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von welchen ein oder mehrere Beispiele in den Figuren dargestellt werden. Jedes Beispiel wird als Erläuterung bereitgestellt und soll die Erfindung nicht einschränken. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben werden, können beispielsweise bei oder kombiniert mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Die vorliegende Erfindung soll solche Modifikationen und Variationen mit einschließen. Die Beispiele werden unter Verwendung einer speziellen Ausdrucksweise beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche einschränkend ausgelegt werden soll. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich veranschaulichenden Zwecken. Der Übersicht halber wurden in den verschiedenen Zeichnungen die gleichen Elemente oder Herstellungsschritte mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, sofern nichts Anderes angegeben ist.
  • Der Begriff „horizontal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Ausrichtung im Wesentlichen parallel zu einer horizontalen Fläche eines Halbleitersubstrats oder einer Halbleiterstruktur beschreiben. Dies kann zum Beispiel die Fläche eines Halbleiterwafers oder eines Dies oder eines Chips sein. Zum Beispiel können sowohl die (erste) laterale Richtung X als auch die (zweite) laterale Richtung Y, die nachstehend erwähnt werden, horizontale Richtungen sein, wobei die erste laterale Richtung X und die zweite laterale Richtung Y senkrecht zueinander sein können.
  • Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Fläche, das heißt, parallel zu der normalen Richtung der Fläche des Halbleiterwafers/-Chips/-Dies, angeordnet ist. Zum Beispiel kann die nachstehend erwähnte Erstreckungsrichtung Z eine Erstreckungsrichtung sein, die sowohl zu der ersten lateralen Richtung X als auch der zweiten lateralen Richtung Y senkrecht ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Patentschrift sollen die Begriffe „in ohmschem Kontakt“, „in elektrischem Kontakt“, „in ohmscher Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben, dass eine niederohmige elektrische Verbindung oder ein niederohmiger Strompfad zwischen zwei Regionen, Bereichen, Zonen, Abschnitten oder Teilen des hierin beschriebenen Bauelements besteht. Außerdem soll im Rahmen der vorliegenden Patentschrift der Begriff „in Kontakt“ beschreiben, dass eine direkte physische Verbindung zwischen zwei Elementen des entsprechenden Halbleiterbauelements besteht; zum Beispiel umfasst ein Übergang zwischen zwei in Kontakt miteinander befindlichen Elementen möglicherweise keine weiteren Zwischenelemente oder dergleichen.
  • Darüber hinaus wird im Rahmen der vorliegenden Patentschrift der Begriff „elektrische Isolierung“, wenn nicht anders angegeben, im Rahmen seines allgemein gültigen Verständnisses verwendet und soll somit beschreiben, dass zwei oder mehr Komponenten separat voneinander angeordnet sind und dass keine ohmsche Verbindung besteht, die jene Komponenten verbindet. Jedoch können elektrisch voneinander isolierte Komponenten nichtsdestotrotz miteinander gekoppelt, zum Beispiel mechanisch gekoppelt und/oder kapazitiv gekoppelt und/oder induktiv gekoppelt, sein. Um ein Beispiel zu nennen, können zwei Elektroden eines Kondensators elektrisch voneinander isoliert, und gleichzeitig mechanisch und kapazitiv, zum Beispiel mit Hilfe einer Isolierung, zum Beispiel eines Dielektrikums, miteinander gekoppelt sein.
  • In dieser Beschreibung besprochene spezielle Ausführungsformen betreffen ein Leistungshalbleiter-Die, zum Beispiel ein Leistungshalbleiter-Die, das innerhalb eines Leistungsumsetzers oder eines Netzteils verwendet werden kann, sind aber nicht darauf beschränkt. Somit kann ein solches Die bei einer Ausführungsform dazu ausgelegt sein, einen Laststrom zu führen, der jeweils einer Last zugeführt werden soll und/oder von einem Netzteil bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann das Die eine oder mehrere aktive Leistungshalbleiterzellen, wie zum Beispiel eine monolithisch integrierte Diodenzelle und/oder eine monolithisch integrierte Transistorzelle und/oder eine monolithisch integrierte IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte RC-IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte MGD-Zelle (MOS Gated Diode) und/oder eine monolithisch integrierte MOSFET-Zelle und/oder Abwandlungen davon, umfassen. Es können mehrere solche Diodenzellen und/oder solche Transistorzellen in dem Die integriert sein.
  • Der Begriff „Leistungshalbleiter-Die“, wie er in dieser Patentschrift verwendet wird, soll ein einziges Die mit Möglichkeiten zum Sperren einer hohen Spannung und/oder Führen eines hohen Stroms beschreiben. Mit anderen Worten ist ein solches Leistungshalbleiter-Die für einen hohen Strom, typischerweise im Ampere-Bereich, zum Beispiel bis zu 5 oder 100 Ampere, und/oder Spannungen, typischerweise über 15 V, besonders typisch bis zu 40 V und darüber, zum Beispiel bis zu mindestens 500 V oder mehr als 500 V, zum Beispiel mindestens 600 V, bestimmt. Das bzw. die Leistungshalbleiter-Die(s) werden auch einfach als Die(s) bezeichnet.
  • Zum Beispiel kann das unten beschriebene Leistungshalbleiter-Die ein Die sein, das dazu ausgelegt ist, als ein Leistungsbauteil in einer Nieder-, Mittel- und/oder Hochspannungsanwendung eingesetzt zu werden. Ferner ist der Begriff „Leistungshalbleiter-Die“, wie er in dieser Patentschrift verwendet wird, nicht auf logische Halbleiterbauelemente ausgerichtet, die zum Beispiel zum Speichern von Daten, Berechnen von Daten und/oder andere Arten von halbleiterbasierter Datenverarbeitung verwendet werden.
  • Bevor das Leistungshalbleiter-Die in einer Anwendung eingesetzt werden kann, wird es in der Regel in einem Package gehäust, das eine mechanische Montage und elektrische Verbindung des Dies in der Anwendung gestatten kann, zum Beispiel auch für Wärmeverteilungszwecke. Wie eingangs erwähnt worden ist, kann dies Anwenden der Oberflächenmontagetechnik (SMT) umfassen.
  • Ausführungsbeispiele des hierin offenbarten Packages sind Packages für oberflächenmontierte Bauelemente (SMD-Packages). Zum Beispiel sind Ausführungsformen des hierin offenbarten Packages SMD-Packages mit Flachkontakten, die mit einem Träger, zum Beispiel einer PCB, zusammenwirken.
  • Ein beispielhaftes Package 300 wird in 3 veranschaulicht, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, zum Beispiel weist das Package 300 einen Package-Körper 30 auf, der im Wesentlichen so wie in der DE 10 2015 101 674 A1 und/oder in der DE 10 2015 120 396 A1 beschrieben ausgelegt sein kann.
  • Das Package 300 umschließt ein Leistungshalbleiter-Die (nicht veranschaulicht), das im Folgenden auch als Die bezeichnet wird. Zum Beispiel weist das Die eine Leistungshalbleitertransistorkonfiguration oder eine Leistungshalbleiterdiodenkonfiguration, zum Beispiel eine MOSFET-Konfiguration, eine IGBT-Konfiguration oder eine von diesen Grundkonfigurationen abgeleitete Konfiguration, auf.
  • Bei einer Ausführungsform basiert das im Package 300 eingeschlossene Leistungshalbleiter-Die auf Silicium (Si). Bei einer anderen Ausführungsform basiert das im Package 300 eingeschlossene Leistungshalbleiter-Die auf einem Wide-Bandgap-Halbleitermaterial (WBG-Hableitermaterial, WBG - wide bandgap), zum Beispiel Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), oder einem anderen WBG-Material.
  • Das Leistungshalbleiter-Die kann somit einen ersten Lastanschluss (nicht veranschaulicht) und einen zweiten Lastanschluss (nicht veranschaulicht) umfassen und kann dazu ausgelegt sein, einen Laststrom zwischen diesen Lastanschlüssen zu führen. Der Laststrom kann in dem Bereich von 1 A bis 700 A, zum Beispiel in dem Bereich von 10 A bis 50 A, liegen. Der maximale Laststrom, der durch das Die kontinuierlich geführt werden kann, kann durch einen Laststromnennwert des Dies angezeigt werden. Ferner kann das umschlossene Die dazu ausgelegt sein, eine zwischen dem ersten Lastanschluss und dem zweiten Lastanschluss angelegte Sperrspannung, zum Beispiel in dem Bereich von 10 V bis 1000 V, zum Beispiel in dem Bereich von 50 V bis 600 V, zu sperren. Die maximale Spannung, die durch das Die kontinuierlich gesperrt werden kann, kann durch einen Sperrspannungsnennwert des Dies angegeben werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann das Die eine Leistungsdiode, in welchem Fall der erste Lastanschluss ein Anodenport und der zweite Lastanschluss ein Kathodenport sein kann, ein Leistungs-IGBT, in welchem Fall der erste Lastanschluss ein Emitteranschluss und der zweite Lastanschluss ein Kollektoranschluss sein kann, ein MOSFET, in welchem Fall der erste Lastanschluss ein Source-Anschluss und der zweite Lastanschluss ein Drain-Anschluss sein kann, oder ein von einer oder mehreren dieser Grundkonfigurationen abgeleitetes Leistungsbauelement, zum Beispiel ein JFET (Junction Field Effect Transistor / Sperrschichtfeldeffekttransistor (SFET)), sein.
  • Hierin beschriebene Ausführungsformen konzentrieren sich auf den Fall, dass das Die mit einer Transistorkonfiguration (zum Beispiel einer MOSFET-Konfiguration) implementiert ist, so dass das das Die umschließende Package zum Beispiel zusammen mit weiteren Packages mindestens einen Teil eines Leistungshauptschalters, zum Beispiel zum Steuern der Leistungsversorgung eines Lastteilsystems von einer Batterie (oder einer anderen DC-Versorgung) bilden kann. Zum Beispiel ist das Die bezüglich einer Priorität von geringen Leitungsverlusten über geringe Schaltverluste optimiert, wie zum Beispiel in der US 9,691,892 B2 und parallel DE 10 2015 201 045 A1 beschrieben, deren Inhalt hierdurch durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Aber die vorliegende Patentschrift ist nicht auf solche Konfigurationen beschränkt.
  • Ferner kann das durch das Package 300 umschlossene Die eine vertikale Konfiguration aufweisen, gemäß der der erste Lastanschluss auf einer Die-Vorderseite angeordnet ist und der zweite Lastanschluss auf einer Die-Rückseite angeordnet ist. In lateralen Richtungen, zum Beispiel in den lateralen Richtungen X und Y und linearen Kombinationen davon, kann das Die durch einen Die-Rand, zum Beispiel eine Seitenfläche, abgeschlossen sein.
  • Das das Die umschließende Package 300 weist einen Package-Körper 30 mit einer Package-Oberseite 301, einer Package-Lötflächenseite 302 und Package-Seitenwänden 303 auf, wobei sich die Package-Seitenwände 303 von der Package-Lötflächenseite 302 zu der Package-Oberseite 301 erstrecken und einen Rand 304 damit bilden. Der Package-Körper 30 kann aus einer Vergussmasse hergestellt sein.
  • Zum Beispiel weist der Package-Körper 30 eine flache Konfiguration auf, gemäß der: sich sowohl die Package-Oberseite 301 als auch die Package-Lötflächenseite 302 im Wesentlichen horizontal erstrecken; sich die Package-Seitenwände 303 im Wesentlichen vertikal erstrecken; und sich eine maximale horizontale Erstreckung der Package-Lötflächenseite 302 auf mindestens das Doppelte einer maximalen vertikalen Erstreckung der Package-Seitenwände 303 beläuft.
  • Zum Beispiel ist das Die zwischen der Package Oberseite 301 und der Package-Lötflächenseite 302 angeordnet. Der Package-Körper 30 kann das Die vollständig umgeben und das Die gegen die Umgebung abdichten.
  • Das das Die umschließende Package 300 kann, zum Beispiel gemäß der Oberflächenmontagetechnik, auf einem Träger (vgl. Bezugszahl 200 in den 1A-2D und 4) montiert sein. Zum Beispiel kann das Package 300 ein Oberflächenmontagebauelement-Package (SMD-Package) sein. Bei Montage des in dem Package 300 enthaltenen Dies auf dem Träger 200 kann es ferner mit anderen auf dem Träger 200 angeordneten Komponenten, zum Beispiel weiteren Packages, elektrisch verbunden werden.
  • Das Die kann in dem Package 300 so angeordnet sein, dass die Die-Vorderseite der Package-Lötflächenseite 302 zugekehrt ist und dass die Die-Rückseite der Package-Oberseite 301 zugekehrt ist, oder umgekehrt. Ferner kann die Package-Lötflächenseite 302 einer vorderseitigen Fläche 201 des Trägers 200 zugekehrt sein. Zum Beispiel ist die vorderseitige Fläche 201 horizontal, zum Beispiel parallel zu der durch die erste laterale Richtung X und die zweite laterale Richtung Y definierten Ebene, angeordnet.
  • Das Package 300 kann zum Beispiel eine Leiterrahmenstruktur 31 umfassen, die zur elektrischen und mechanischen Kopplung des Packages 300 mit dem Träger 200 ausgelegt ist. Die Leiterrahmenstruktur 31 kann zum Beispiel zur Kopplung des Packages 300 mit dem Träger 200 mit dem Träger 200 zugekehrter Package-Lötflächenseite 302 ausgelegt sein, zum Beispiel derart, dass die Package-Lötflächenseite 302 der vorderseitigen Fläche 201 des Trägers 200 zugekehrt ist, wie in 1A veranschaulicht wird.
  • Die Leiterrahmenstruktur 31 kann als eine elektrisch leitende Grenzfläche zwischen den Lastanschlüssen des Dies (und, falls vorhanden, dem einen oder den mehreren weiteren Anschlüssen des Dies) und weiteren Bauteilen (in 3 nicht veranschaulicht), die am Träger 200 fixiert sind, dienen. Der Träger 200 kann zum Beispiel andere Bauteile (zum Beispiel ein oder mehrere weitere Packages und/oder eine Steuerung, einen Sensor, ein passives Bauteil, eine Last oder dergleichen) umfassen oder damit versehen sein, mit denen die Anschlüsse des Dies über die Leiterrahmenstruktur 31 gekoppelt werden sollen. Eine Verbindung zwischen der Leiterrahmenstruktur 31 und den Anschlüssen des Dies, zum Beispiel den Lastanschlüssen, kann durch innere Packages-Verbindungsmittel (nicht veranschaulicht) realisiert werden. Zur Verbindung des Dies mit anderen am Träger 200 fixierten Bauteilen kann der Leiterrahmen 31 einen oder mehrere Außenanschlüsse umfassen, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.
  • Zum Beispiel umfassen die Außenanschlüsse der Leiterrahmenstruktur 31 mindestens einen ersten Außenanschluss 311, der sich aus der Package-Lötflächenseite 302 und/oder aus einer der Seitenwände 303 erstreckt und mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist. Natürlich können mehr als ein solcher erster Außenanschluss 311 vorgesehen sein, die jeweils mit dem ersten Lastanschluss des Dies verbunden sind. Ferner können die Außenanschlüsse der Leiterrahmenstruktur 31 mindestens einen zweiten Außenanschluss 312 umfassen, der sich aus der Package-Lötflächenseite 302 und/oder aus einer der Seitenwände 303 erstreckt (zum Beispiel aus einer Seitenwand 303, die gegenüber der Seitenwand 303 angeordnet ist, aus der sich der bzw. die erste(n) Außenanschluss (Außenanschlüsse) 311 erstrecken können, vgl. 3), und mit einem Steueranschluss (zum Beispiel einem Gate-Anschluss) des Dies elektrisch verbunden sein. Natürlich können mehr als ein solcher zweiter Außenanschluss 312 vorgesehen sein, die jeweils mit dem Steueranschluss des Dies verbunden sind. Ferner können die Außenanschlüsse der Leiterrahmenstruktur 31 mindestens einen dritten Außenanschluss (nicht veranschaulicht) umfassen und/oder mindestens einen vierten Außenanschluss (nicht veranschaulicht) umfassen, die sich aus der Package-Lötflächenseite 302 und/oder aus einer der Seitenwände 303 erstrecken und mit einem Sensoranschluss (zum Beispiel einem Stromsensoranschluss) des Dies elektrisch verbunden sind. Natürlich können mehr als ein solcher dritter/vierter Außenanschluss vorgesehen sein.
  • Jeder der Außenanschlüsse 311, 312 der Leiterrahmenstruktur 31 kann zur elektrischen und mechanischen Kopplung mit dem Träger 200, zum Beispiel durch Löten, ausgelegt sein.
  • In der vorliegenden Patentschrift kann der Begriff „Außen...“ ausdrücken, dass der erste Außenanschluss bzw. die ersten Außenanschlüsse 311 und der zweite Außenanschluss bzw. die zweiten Außenanschlüsse 312 dazu ausgelegt sein können, mittels sich außerhalb des Package-Körpers 30 befindender Bauteile elektrisch kontaktiert zu werden.
  • Bei einer Ausführungsform sind die Außenanschlüsse 311, 312 planare Außenanschlüsse. In der vorliegenden Patentschrift kann der Begriff „planar“ zum Beispiel ausdrücken, dass der erste Anschluss bzw. die ersten Anschlüsse 311 und der zweite Anschluss bzw. die zweiten Anschlüsse 312 eine jeweilige im Wesentlichen ebene untere Fläche aufweisen können, deren Horizontalabmessungen (zum Beispiel sowohl entlang der ersten lateralen Richtung X als auch der zweiten lateralen Richtung Y) mindestens so groß wie eine Vertikalabmessung des jeweiligen Anschlusses 311, 312 (zum Beispiel entlang der vertikalen Richtung Z) ist, wie in 3 beispielhaft veranschaulicht wird. Zum Beispiel weist die Leiterrahmenstruktur 31 eine Oberflächenmontagekonfiguration auf. Dazu können die Außenanschlüsse 311 und 312 dazu ausgelegt sein, eine Montage des Packages 300 gemäß der Oberflächenmontagetechnik zu gestatten. Ferner können sowohl der erste Außenanschluss 311 als auch der zweite Außenanschluss 312 sogenannte Flachkontakte (auch als „Anschluss-Pads“ bekannt), die gemäß der Oberflächenmontagetechnik gebildet sind, sein.
  • Gemäß den in den 1A-3 veranschaulichten Ausführungsformen können die Außenanschlüsse 311 und 312 als Kontaktstifte oder als Kontaktbälle ausgelegt sein.
  • Im Gegensatz zu den schematischen Darstellungen in den 1A-3, kann das Package 300 ein leadless Package (Package ohne „Beinchen“), zum Beispiel ein leadless SMD-Package, sein, wie zum Beispiel in 4 schematisch veranschaulicht wird. Zum Beispiel kann/können der erste Außenanschluss bzw. die ersten Außenanschlüsse 311 in solch einer Konfiguration einen Teil der Package-Lötflächenseite 302 und/oder einen Teil der Package-Seitenwand 303 bilden. Der erste Außenanschluss bzw. die ersten Außenanschlüsse 311 können zum Beispiel koplanar mit der Package-Lötflächenseite 303 des Package-Körpers 30 abschließen und/oder einen Teil des Package-Rands 304 bilden. Zu Beispielen für leadless SMD-Packages zählen Infineon-Packages, die unter dem Namen „Super SO8 package“ oder „TO leadless packages“ oder „TOLL packages“ im Handel erhältlich sind.
  • Der erste Außenanschluss bzw. die ersten Außenanschlüsse 311 können getrennt und elektrisch isoliert von dem zweiten Außenanschluss bzw. den zweiten Außenanschlüssen 312 angeordnet sein.
  • Zum Beispiel kann auf dem Träger 200 eine erste Kontaktfläche des ersten Außenanschlusses 311 mit einer oder mehreren ersten Leiterbahnen (in 3 nicht veranschaulicht), zum Beispiel Kupferleitungen oder -leitern/- verbindungsgliedern (vgl. Bezugszahl 21 in den 2A und 4), des Trägers 200 elektrisch verbunden sein, und eine zweite Kontaktfläche des zweiten Außenanschlusses 312 kann mit einer oder mehreren zweiten Leiterbahnen (nicht veranschaulicht), zum Beispiel Kupferleitungen, des Trägers 200 elektrisch verbunden sein, um zum Beispiel dem eingeschlossenen Die ein Gate-Signal zuzuführen.
  • Das Package 300 kann ferner eine obere Schicht 32 umfassen, die auf der Package-Oberseite 301 angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist. Die obere Schicht 32 kann aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein. Die obere Schicht 32 kann somit das gleiche elektrische Potenzial wie der zweite Lastanschluss des Dies, zum Beispiel das hohe Potenzial (zum Beispiel das Drain-Potenzial), aufweisen. Ferner kann die obere Schicht 32 gegen die Leiterrahmenstruktur, zum Beispiel sowohl gegen den (die) erste(n) Außenanschluss (Außenanschlüsse) 311 als auch den (die) zweite(n) Außenanschluss (Außenanschlüsse) 312 elektrisch isoliert sein.
  • Die obere Schicht 32 kann zum Beispiel im Wesentlichen koplanar mit der Package-Oberseite 301 angeordnet sein; zum Beispiel ragt die obere Schicht 32 nicht wesentlich von der Package-Oberseite 301 vor.
  • Die obere Schicht 32 kann eine horizontale Oberfläche aufweisen, die sich auf mindestens 50%, auf mindestens 60% oder sogar mehr als 80% (aber auf weniger als 100%) der gesamten Oberfläche der Package-Oberseite 301 beläuft. Diese Oberfläche kann zu der Umgebung des Package-Körpers 30 freiliegen, das heißt, die Oberfläche der oberen Schicht 32 ist nicht in dem Package-Körper 30 eingeschlossen, sondern bildet einen Teil einer Außenwand.
  • Das Package 300 ist zum Beispiel ein Package mit Oberseitenkühlung, wobei die obere Schicht 32 als eine Oberseitenkühlung ausgelegt ist. Zum Beispiel verlässt mindestens ein Großteil der durch das Package 300 abzuleitenden Wärme den Package-Körper 30 über die obere Schicht 32.
  • Die vorliegende Patentschrift bezieht sich auf eine Anordnung, die mehrere Packages 300, zum Beispiel mehrere Packages 300 der unter Bezugnahme auf 3 beispielhaft beschriebenen Art, umfasst. Zum Beispiel sind die mehreren Packages (die zum Beispiel das jeweilige eingeschlossene Die enthalten) zum Beispiel bezüglich der Außenabmessungen, wie zum Beispiel der Höhe, Länge und Breite, im Wesentlichen gleich ausgelegt.
  • Die 1A-D und 4 veranschaulichen jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Leistungshalbleiteranordnung 500, bei der zwei Packages 300 vorgesehen sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der in den 2A-D veranschaulichten Leistungshalbleiteranordnung 500 sind 12 Packages 300 vorgesehen. Diese Beispiele sind in keiner Weise einschränkend, sondern die Gesamtanzahl der Packages 300 der Leistungshalbleiteranordnung 500 kann größer als zwei bzw. kleiner oder größer als 12 sein. Zum Beispiel kann die Gesamtanzahl der Packages 300 in Abhängigkeit von einem bestimmten Gesamtlastromvermögen der Leistungshalbleiteranordnung 500 gewählt werden, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden wird. Wie oben aufgezeigt wurde, können bei einer Ausführungsform die in den Packages 300 eingeschlossenen Leistungshalbleiter-Dies auf Silicium (Si) basieren. Bei einer anderen Ausführungsform basieren die in den Packages 300 eingeschlossenen Leistungshalbleiter-Dies auf einem Wide-Bandgap-Halbleitermaterial (WBG-Halbleitermaterial) (zum Beispiel Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), oder einem anderen WBG-Halbleitermaterial.
  • Bei einer Ausführungsform sind die mehreren Packages 300 parallel zueinander verbunden. Somit kann die zwischen den ersten Außenanschlüssen 311 und der oberen Schicht 32 vorliegende Spannung für jedes der Packages 300 gleich sein. Zumindest das an der oberen Schicht 32 vorliegende elektrische Potenzial kann für jedes der Packages 300 gleich sein. Bei einer Ausführungsform weist jedes der Dies einen ohmschen Widerstand auf, der mit einem zunehmenden Die-Laststrom zunimmt, so dass zum Beispiel eine günstige Parallelisierung des Gesamtlaststroms gewährleistet werden kann.
  • Wie oben aufgezeigt und in den 1A-D, 2A-D und in 4 veranschaulicht wurde, können die mehreren Packages 300 auf dem Träger 200 angebracht sein.
  • Der Träger 200 kann eine Leiterplatte (PCB - printed circuit-board) oder kann ein Bauteil auf einer PCB sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Träger 200 ein DCB-Substrat (DCB - Direct Copper Bond / direkte Kupferverbindung), zum Beispiel eine keramische Leiterplatte, sein, oder kann ein Bauteil eines DCB-Substrats sein. Bei noch einer anderen Ausführungsform kann der Träger 200 auch auf einem IMS (Insulated Metallic Substrate / isoliertes metallisches Substrat) basieren. Der Träger 200 kann aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, zum Beispiel aus einem Polymer, einem PCB-Laminat, einer Keramik, einem Flammschutz(FR)-Material (zum Beispiel FR4), einem Verbund-Epoxid-Material (CEM, composite epoxy material), wie zum Beispiel CEM1 oder CEM3, einem Bismaleimid-Triazin-Harz(BT)-Material, einem Imid, einem Polyimid, einem ABF oder aus einer Kombination aus den oben genannten beispielhaften Materialien hergestellt sein.
  • Der Träger 200 kann eine vorderseitige Fläche 201 mit einer Gesamtfläche von mindestens 25 cm2, mindestens 100 cm2 oder sogar mehr als 375 cm2 aufweisen.
  • Ferner kann der Träger 200 so ausgelegt sein, dass mindestens zwei, mindestens fünf oder sogar mehr als zehn Packages (mit zum Beispiel im Wesentlichen gleicher Konfiguration) auf die vorderseitige Fläche 201 passen. Ferner kann sich ein horizontaler Mindestabstand, zum Beispiel entlang der ersten oder der zweiten lateralen Richtung X, Y zwischen zwei beliebigen der mehreren Packages 300 auf mindestens 3 mm oder auf mindestens 5 mm belaufen. Zum Beispiel wird solch ein Abstand zwischen zwei einander zugekehrten Package-Seitenwänden 303 gemessen. Zum Beispiel kann der Abstand in Abhängigkeit von den Nennspannungen der Packages 300 gewählt werden.
  • Nunmehr unter eingehenderer Bezugnahme auf die 1A-D, 2A-D und 4 umfasst die Leistungshalbleiteranordnung 500 einen oberen Kühlkörper 400.
  • Der obere Kühlkörper 400 ist an jeder der oberen Schichten 32 der Packages 300 befestigt. Zum Beispiel ist der obere Kühlkörper so ausgelegt, dass er durch die mehreren Packages 300 erzeugte Leistungsverluste passiv ableitet, wobei die Leistungsverluste im Bereich von mindestens 100 W liegen können. Die erzeugten Leistungsverluste können sogar noch höher als 100 W, zum Beispiel höher als 500 W oder sogar höher als 1 kW, sein. Um diese Leistungsverluste zumindest teilweise abzuleiten, wird der obere Kühlkörper 400 vorgesehen.
  • Der obere Kühlkörper 400 ist mit jeder der oberen Schichten 32 der Packages 400 elektrisch kontaktiert. Zum Beispiel koppelt ein niederohmiger Kontakt den oberen Kühlkörper 400 mit den oberen Schichten 32. Dazu kann der obere Kühlkörper 400 durch eine Lötverbindung (nicht veranschaulicht), zum Beispiel eine Diffusionslötverbindung oder eine Aufschmelzlötverbindung, und/oder eine elektrisch leitende Folie (vgl. Bezugszahl 47 in 4) und/oder eine elektrisch leitende Adhäsionspaste (nicht veranschaulicht) und/oder eine Schweißverbindung (nicht veranschaulicht) an jeder der oberen Schichten 32 der Packages 300 befestigt werden. Somit kann das elektrische Potenzial des oberen Kühlkörpers 400 mit dem elektrischen Potenzial der oberen Schichten 32 identisch sein, das heißt mit dem elektrischen Potenzial der zweiten Lastanschlüsse der in den Packages 300 enthaltenen Dies identisch sein.
  • Der obere Kühlkörper 400 kann aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein, zum Beispiel Kupfer und/oder Gold und/oder Silber und/oder Aluminium und/oder einen Stahl und dergleichen umfassen.
  • Hinsichtlich der Form des oberen Kühlkörpers 400 kann der obere Kühlkörper 400 gemäß einer Ausführungsform ein monolithisches Bauteil sein. Der obere Kühlkörper 400 ist zum Beispiel nicht aus mehreren getrennten Kühlkörperelementen, die zum Beispiel mittels Drähten oder dergleichen miteinander gekoppelt sind, hergestellt. Stattdessen kann der obere Kühlkörper 400 bei solch einer Ausführungsform ein monolithischer elektrisch leitender Block mit oder ohne eine(r) oder mehrere(n) strukturierte(n) Seiten sein. In einer einfachen Form kann der obere Kühlkörper 400 eine Quaderform aufweisen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform (nicht veranschaulicht) kann der obere Kühlkörper 400 mehrere Kühlkörperuntereinheiten, zum Beispiel eine getrennte Kühlkörperuntereinheit für ein oder zwei oder mehr der mehreren Packages 300, umfassen, wobei die mehreren Kühlkörperuntereinheiten mittels niederohmiger Verbindungen, zum Beispiel niederohmiger Brückenbauteile oder Drähte oder dergleichen, elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Der obere Kühlkörper 400 weist eine untere Fläche 402, die den oberen Schichten 32, das heißt den Package-Oberseiten 301, zugekehrt ist, und eine dieser gegenüberliegende obere Fläche 401 auf. Die untere Fläche 402 kann planar sein; somit ist bei einer Ausführungsform die planare untere Fläche 402 des oberen Kühlkörpers 400 an den oberen Schichten 32 der Packages 300 befestigt. Insbesondere können die oberen Schichten 32 der Packages 300 koplanar miteinander angeordnet sein, und die planare untere Fläche 402 kann parallel zu den oberen Schichten 32 der Packages 300 angeordnet sein. Zum Beispiel weist die untere Fläche 402 eine Gesamtfläche auf, die sich auf mindestens 120% der Summe der Gesamtoberflächen der Package-Oberseiten 301 der Packages 300 beläuft. In Abhängigkeit von der Dichte, gemäß der die Packages 300 auf dem Träger 200 angeordnet sind, kann dieser Faktor variieren, zum Beispiel größer als beispielsweise 150% sein. Bei einer Ausführungsform ist die untere Fläche aber nicht wesentlich größer als das Doppelte der durch den (fiktiven) Umhüllungsverlauf, der den Großteil der der mehreren Packages 300 umgibt, definierten Fläche.
  • Immer noch hinsichtlich der Form des oberen Kühlkörpers 400 kann diese obere Fläche 401, wie in 5 näher veranschaulicht wird, durch mehrere Kühlrippen 41 gebildet werden. Bei einer Ausführungsform weist der obere Kühlkörper 400 einen vertikalen Querschnitt auf, wie zum Beispiel in einer der 1C und 5 beispielhaft veranschaulicht wird, der entlang der lateralen Richtung (zum Beispiel der zweiten lateralen Richtung Y) über mindestens eine Strecke, die sich lateral mit mindestens zwei der mehreren Packages 300 überlappt, oder über eine Strecke, die sich mit allen der Packages 300 lateral überlappt, unverändert bleibt.
  • Bei einer monolithischen Implementierung ist der obere Kühlkörper 400 hinsichtlich der Struktur, außer der Größe des oberen Kühlkörpers 400, zum Beispiel nicht an die mehreren Packages 300 angepasst. Im Gegensatz zu anderen Ausführungsformen, bei denen zum Beispiel die getrennte Kühlkörperuntereinheit für jedes einzelne Package 300 vorgesehen sein kann, ist es somit gemäß einer Ausführungsform möglich, den (zum Beispiel monolithischen) oberen Kühlkörper 400 für die mehreren auf dem Träger 200 angeordneten Packages 300 vorzusehen; dann wird jedes der Packages 300 mit ein und demselben oberen Kühlkörper 400 gekoppelt. Somit kann der obere Kühlkörper 400 eine mechanische und elektrische Verbindungsleitung für alle der Packages 300 bereitstellen.
  • Hinsichtlich der Kopplung zwischen dem oberen Kühlkörper 400 und den oberen Schichten 32 wird auf die eigene anhängige deutsche Patentanmeldung DE 10 2017 120 747.2 mit dem Titel „SMD Package with Top Side Cooling“ (SMD-Package mit Oberseitenkühlung) verwiesen; dort wird unter anderem vorgeschlagen, einen außerhalb eines Package-Körpers angeordneten und mit einer oberen Schicht in elektrischem Kontakt stehenden Wärmespreizer vorzusehen, wobei eine untere Fläche des Wärmespreizers der oberen Schicht zugekehrt ist, wobei der Wärmespreizer ferner eine obere Fläche aufweist, wobei die Fläche der oberen Fläche größer als die Fläche der unteren Fläche ist. Gemäß solch einem Design kann zum Beispiel gewährleistet werden, dass die Abschnitte des Wärmespreizers, die die Oberflächenvergrößerung bewirken, räumlich von einer Package-Oberseite versetzt sind, so dass sich Sicherheitsanforderungen hinsichtlich beispielsweise einer Kriechlänge leichter erfüllen lassen. Dieses Konzept kann gemäß einer Ausführungsform analog für den oberen Kühlkörper 400 angewandt werden, wie in 1C beispielhaft veranschaulicht wird, wobei die obere Fläche 401 natürlich eine größere Fläche als die untere Fläche 402 aufweist; die veranschaulichte stufenförmige Ausnehmung auf der rechten Seite des oberen Kühlkörpers 400 kann eine Vergrößerung zwischen dem ersten Außenanschluss bzw. den ersten Außenanschlüssen 311 (die zum Beispiel das elektrische Potenzial des ersten Lastanschlusses der Dies aufweisen) und dem oberen Kühlkörper 400 (der zum Beispiel das elektrische Potenzial des zweiten Lastanschlusses der Dies aufweist) gewährleisten.
  • Nunmehr die Funktionalität des oberen Kühlkörpers 400 betrachtend, ist der obere Kühlkörper 400 gemäß einer Ausführungsform nicht nur dazu ausgelegt, durch die Packages 300 erzeugte Leistungsverluste abzuleiten, sondern auch, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten. Zum Beispiel kann der obere Kühlkörper 400 als eine Stromschiene ausgelegt sein, um mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten. Solch eine Konfiguration des oberen Kühlkörpers 400 kann auch implementiert werden, wenn der obere Kühlkörper nicht monolithisch ist, sondern die (nicht veranschaulichten) mehreren Kühlkörperuntereinheiten umfasst; dann würden die Kühlkörperuntereinheiten gleichzeitig einen jeweiligen Teil mindestens der Summe der Die-Lastströme leiten.
  • Wie oben bereits erläutert wurde, können die in den Packages 300 enthaltenen Dies dazu ausgelegt sein, die zwischen ihren Lastanschlüssen angelegte Spannung zu sperren und den Die-Laststrom zu leiten. Die in den Packages 300 eingeschlossenen Dies können parallel zueinander verbunden sein und dazu ausgelegt sein, gemeinsam in einen jeweiligen leitenden Zustand gesetzt zu werden, wobei der obere Kühlkörper 400 dazu konfiguriert sein kann, mindestens die Summe der Die-Lastströme während des leitenden Zustands zu leiten. Zum Beispiel ist jedes der eingeschlossenen Dies als ein Leistungshalbleitertransistor, zum Beispiel ein MOSFET, ausgelegt. Zum Beispiel werden diese Leistungshalbleitertransistoren gemeinsam eingeschaltet oder abgeschaltet, und wenn sie alle eingeschaltet sind, leitet jeder Transistor einen jeweiligen Anteil des durch den oberen Kühlkörper 400 geleiteten Gesamtlaststroms.
  • Wie in den 1A und 2A deutlicher veranschaulicht wird, ist die Leistungshalbleiteranordnung 500 zum Beispiel dazu ausgelegt, den sich auf die Summe der Die-Lastströme belaufenden Gesamtlaststrom entlang einem Laststrompfad zu leiten, wobei der Laststrompfad mindestens durch den oberen Kühlkörper 400 (vgl. Bezugszahl 49), die Packages 300 (vgl. Bezugszahlen 39-1 bis 39-6) und den Träger 200 (vgl. Bezugszahl 29) gebildet wird, und wobei der Gesamtlaststrom dem Strompfad 49, 39-1, 39-2, 29 folgt, indem er nacheinander durch den oberen Kühlkörper 400, die Packages 300 und den Träger 200 oder umgekehrt passiert. Demgemäß kann der durch die Leistungshalbleiter-Dies zwischen ihrem jeweiligen ersten Lastanschluss und dem jeweiligen zweiten Lastanschluss geleitete Laststrom das jeweilige Package 300 mittels des (der) ersten Außenanschlusses (Außenanschlüsse) 311 (die mit dem Träger 200 gekoppelt sind) „verlassen“ bzw. darin „eintreten“ und in das Package 300 mittels der oberen Schicht 32 (die in elektrischem Kontakt mit dem oberen Kühlkörper 400 angeordnet ist) „eintreten“ bzw. es „verlassen. Analog dazu kann die Leistungshalbleiteranordnung 500 so ausgelegt sein, dass der Träger 200 den Gesamtlaststrom leitet, entweder bevor er in die Packages 300 eintritt oder nachdem er durch die Packages 300 passiert ist.
  • Zum Aufnehmen bzw. Abgeben des Gesamtlaststroms von/nach außerhalb der Leistungshalbleiteranordnung 500 kann mindestens ein oberer Koppler 45 an dem oberen Kühlkörper 400 befestigt sein. Der obere Koppler 45 kann zum Beispiel als eine Schraubenanordnung ausgelegt sein, die eine Schraube 451 und eine Gegenschraube (oder eine Mutter) 452 aufweist. Bei einer Ausführungsform ist der obere Koppler 45 dazu ausgelegt, den Gesamtlaststrom von/zu dem oberen Kühlkörper 400 aufzunehmen oder abzugeben. Zum Beispiel kann der obere Koppler 45 beispielsweise mittels einer Öse oder dergleichen (nicht veranschaulicht) mit einem Leistungskabel eines Hauptleistungspfads verbunden sein.
  • Bei einer Ausführungsform ist der obere Koppler 45 ferner dazu ausgelegt, den oberen Kühlkörper 400 zum Beispiel durch Koppeln des oberen Kühlkörpers 400 mit dem Träger 200, wie in den 2A-D beispielhaft veranschaulicht wird, mechanisch zu fixieren. Zum Beispiel erstreckt sich die Schraube 451 durch den oberen Kühlkörper 400 und in den Träger 200.
  • Zum Dämpfen von mechanischer Spannung, die in der Leistungshalbleiteranordnung 500 auftreten kann, kann der obere Koppler 45 ferner in Federlagern (nicht veranschaulicht) angebracht sein oder mit anderen Dämpfungselementen versehen sein. Insbesondere kann mechanische Spannung entlang der vertikalen Richtung Z dadurch gedämpft werden, und der elektrische Kontakt zwischen den oberen Schichten 32 und dem oberen Kühlkörper 400 ist zuverlässiger.
  • Nunmehr ausführlicher auf die 2A-D und 4 Bezug nehmend, kann der Träger 200 Leiter 21 umfassen, die mit den ersten Außenanschlüssen 311 der Packages 300 elektrisch verbunden sind und somit mit den ersten Lastanschlüssen der Dies elektrisch verbunden sind. Obgleich die 1A-D diese Leiter 21 nicht veranschaulichen, sei darauf hingewiesen, dass die Leiter 21 auch gemäß diesen Ausführungsformen der 1A-D in dem Träger 200 vorhanden sein können.
  • Bei einer Ausführungsform sind alle Leiter 21 elektrisch miteinander verbunden. Somit sind zum Beispiel die Packages 300, das heißt die darin enthaltenen Leistungshalbleiter-Dies, mittels a) des oberen Kühlkörpers 400 und b) der Leiter 21 des Trägers 200 parallel zueinander verbunden.
  • Zum Beispiel können die Leiter 21 als typische sich horizontal erstreckende Kupferleitungen einer gedruckten Schaltung implementiert werden. Dadurch können die Leiter zum Beispiel einen Laststrompfadteil 29 bereitstellen, wie in 1A schematisch veranschaulicht wird (wobei die Leiter 21 in 1A nicht veranschaulicht werden).
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann jeder Leiter 21, wie in den 2A und 4 veranschaulicht wird, mindestens ein elektrisch leitendes Verbindungsglied für jedes Package 300 umfassen, wobei sich jedes Verbindungsglied vertikal durch den Träger 200 erstreckt, um eine elektrische Verbindung zwischen einem Bauteil unter dem Träger 200 und einem jeweiligen der ersten Außenanschlüsse 311 (wie zum Beispiel einen sich vertikal erstreckenden leitenden Verbindungskontakt bzw. einen sich vertikal erstreckenden leitenden Durchgang) zu bilden. Zum Beispiel werden die Leiter 21 durch die elektrisch leitenden Verbindungsglieder realisiert. Somit wird im Folgenden auch auf die elektrisch leitenden Verbindungsglieder unter Verwendung des Bezugszeichens 21 verwiesen.
  • In den 2A und 4 sind die elektrisch leitenden Verbindungsglieder 21 nur schematisch veranschaulicht. Ferner sollte auf der Hand liegen, dass für jedes Package 300 mehr als nur ein elektrisch leitendes Verbindungsglied 21 vorgesehen sein kann.
  • Mittels der Leiter/elektrisch leitenden Verbindungsglieder 21 stellt der Träger 200 den Teil 29 des Laststrompfads bereit, der von dem durch die Leistungshalbleiteranordnung 500 geleiteten Gesamtlaststrom benutzt wird. Insbesondere kann der Träger 200 eine elektrisch leitende Schnittstelle mit den ersten Lastanschlüssen der durch die Packages 300 eingeschlossenen Dies bereitstellen. Wie oben unter Bezugnahme auf 1A erläutert wurde, kann sich der Laststrompfadteil 29 im Wesentlichen horizontal erstrecken. Wie anhand der Beschreibung der 2A-D ersichtlich wird, kann sich der Laststrompfadteil 29 im Wesentlichen vertikal erstrecken, zum Beispiel, wenn die Leiter 21 mittels der sich vertikal durch den Träger 200 erstreckenden elektrisch leitenden Verbindungsglieder 21 (zum Beispiel des Verbindungkontakts oder der Durchgänge) realisiert werden.
  • Bei einer Ausführungsform ist der Träger 200 ohne mit den oberen Schichten 32 elektrisch verbundenen Leitern. Somit wird die Spannungsdifferenz, die zwischen den ersten Lastanschlüssen und den zweiten Lastanschlüssen herrschen kann, wenn sich die Leistungshalbleiter-Dies in dem gesperrten Zustand befinden, (und die somit zwischen dem oberen Kühlkörper 400 und den Leitern 21 herrschen kann) zum Beispiel im Träger 200 nicht beobachtet. Ferner kann der Laststrompfadteil 29, der im Träger 200 gebildet sein kann, zum Beispiel entweder den Laststrom, der den Packages 300 zugeführt wird, oder den Laststrom, der von den Packages 300 empfangen wird, aber zum Beispiel nicht beide, leiten. Hinsichtlich eines elektrischen Ersatzschaltbilds kann der in dem Träger 200 gebildete Laststrompfadteil 29 bei einer Ausführungsform somit entweder stromabwärtig oder stromaufwärtig der Packages 300 verbunden sein.
  • Der Träger 200 kann jedoch mit weiteren Leitern (nicht veranschaulicht) ausgestattet sein, die eine elektrische Verbindung mit den zweiten Außenanschlüssen 312, die mit einem jeweiligen Gate-Anschluss der eingeschlossenen Leistungshalbleiter-Dies verbunden sein können, wie oben gezeigt wird, bereitstellen.
  • Bei einer Ausführungsform ist die oben genannte Komponente, die unter dem Träger 200 angeordnet ist, ein unterer Kühlkörper 100. Somit kann der obere Kühlkörper 400 über dem Träger 200 angeordnet sein, zum Beispiel der vorderseitigen Fläche 201 des Trägers 200 zugekehrt sein, und der untere Kühlkörper 100 kann der unterseitigen Fläche 202 des Trägers 200 zugekehrt sein.
  • Der untere Kühlkörper 400 kann mit jedem der ersten Außenanschlüsse 311 der Packages 300 elektrisch kontaktiert sein. Somit kann der untere Kühlkörper 400 mit den ersten Lastanschlüssen der eingeschlossenen Leistungshalbleiter-Dies elektrisch verbunden sein. Bei einer Ausführungsform wird diese elektrische Verbindung zumindest teilweise durch die sich vertikal erstreckenden elektrisch leitenden Verbindungsglieder 21 realisiert, wie in den 2A und 4 dargestellt wird.
  • Der untere Kühlkörper 100 kann sowohl hinsichtlich seiner räumlichen Abmessungen als auch seiner Funktionalität ähnlich wie der obere Kühlkörper 400 ausgelegt sein. Somit wird im Hinblick auf beispielhafte Konfigurationen des unteren Kühlkörpers 100 auf die oben erläuterten beispielhaften Konfigurationen des oberen Kühlkörpers 400 verwiesen. Ferner kann der untere Kühlkörper 100 zum Beispiel dazu ausgelegt sein, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten.
  • Wieder Bezug nehmend auf den Laststrompfad, der von dem Gesamtlaststrom der Leistungshalbleiteranordnungen 500 benutzt wird, kann der Laststrom, wenn sich die Leistungshalbleiter-Dies im leitenden Zustand befinden, von außerhalb der Leistungshalbleiteranordnung 500 über den oberen Koppler 45 empfangen und dann durch den oberen Kühlkörper 400 entlang dem ersten Pfadteil 49 verarbeitet werden, um in durch die Packages 300 realisierte mehrere Pfadteile 39-1,..., 39-6 geteilt zu werden, die Packages 300 durch die ersten Außenanschlüsse 311, die mit den sich vertikal erstreckenden elektrisch leitenden Verbindungsgliedern 29, die die Pfadteile 29 im Träger 200 bereitstellen, gekoppelt sind, verlassen und sich dann innerhalb des unteren Kühlkörpers 100, der den Laststrompfadteil 19 bereitstellt, der zum Beispiel in einen oder mehrere untere Koppler 25 übergehen kann, welche mindestens einen Teil einer Schnittstelle mit außerhalb der Leistungshalbleiteranordnung 500 bilden können, wieder vereinen.
  • Analog zu dem einen oder den mehreren oberen Koppler(n) 45 können ein oder mehrere untere Koppler 25 dazu ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer Öse oder einer anderen Abschlussstruktur eines Leistungskabels an ein Leistungskabel eines Hauptleistungspfads angekoppelt zu werden. Ferner können der eine oder die mehreren unteren Koppler 25 dazu ausgelegt sein, den unteren Kühlkörper 100 mechanisch zu fixieren, zum Beispiel auch an dem Träger 200.
  • Natürlich ist der obere Kühlkörper 400 von dem unteren Kühlkörper 100 elektrisch isoliert. Demgemäß können auch die oberen Koppler 45 von den unteren Kopplern 25 elektrisch isoliert sein (wobei auf der Hand liegen sollte, dass, wenn sich die Dies in dem leitenden Zustand befinden, die Spannungsdifferenz zwischen den Komponenten 400 und 100 (bzw. 45 und 25) fast null beträgt). Obgleich die unteren Koppler 25 in der Darstellung in der Nähe des oberen Kühlkörpers 400 angeordnet sind (vgl. 2B) sollte auf der Hand liegen, dass somit die unteren Koppler 25 von dem oberen Kühlkörper 400 elektrisch isoliert sind. Das gleiche gilt für die Beziehung zwischen den oberen Kopplern 45 und dem unteren Kühlkörper 100. Zum Beispiel kann der untere Kühlkörper 100 mit einem ausgenommenen Bereich 105 versehen sein, der der unterseitigen Fläche 202 des Trägers 200 zugekehrt ist, um ausreichend Raum für die Installation des oberen Kopplers 45 zu lassen, wie in den 2C-D veranschaulicht wird.
  • Bei einer Ausführungsform erstreckt sich der Träger 200 in einer horizontalen Schicht, wobei der durch die Leistungshalbleiteranordnung 500 geleitete Gesamtlaststrom ausschließlich entlang der senkrecht zu der horizontalen Schicht verlaufenden vertikalen Richtung Z durch die horizontale Schicht passiert. Dazu können zum Beispiel die sich vertikal erstreckenden und elektrisch leitenden Verbindungsglieder 21 vorgesehen sein. Bei einer Ausführungsform belaufen sich die elektrisch leitenden Verbindungsglieder 21 auf einen Anteil von weniger als 10% des Gesamtvolumens der horizontalen Schicht, wobei der verbleibende Teil des Volumens der horizontalen Schicht durch den verbleibenden Teil des Trägers 200 gebildet wird. Somit durchquert der Gesamtlaststrom den Träger 200 im Wesentlichen nicht entlang der horizontalen Richtung (zum Beispiel entlang der ersten lateralen Richtung X oder entlang der zweiten lateralen Richtung Y), sondern nur entlang der vertikalen Richtung Z. Dadurch kann der Träger 200 zum Beispiel von geringer Komplexität und kostengünstig sein, da keine horizontal verlaufenden Strompfade im Träger 200 implementiert werden müssen. Darüber hinaus kann diese Variante eine verbesserte Dämpfung unerwünschter elektrischer Felder außerhalb der Packages 300, die aufgrund des Betriebs der in den Packages 300 eingeschlossenen Leistungshalbleiter-Dies auftreten können, gewährleisten.
  • Die Dicke des Trägers 200 entlang der vertikalen Richtung Z kann innerhalb des Bereichs von zum Beispiel 1 mm bis 3 mm, zum Beispiel in einem Bereich von typischen Leiterplatten, liegen. Da gemäß einer Ausführungsform der Gesamtlaststrom nicht zwangsweise entlang den horizontalen Richtungen im Träger 200 geleitet werden muss, kann der Träger 200 zum Beispiel so ausgeführt sein, dass er eine vergleichsweise geringe Dicke aufweist. Wenn der Laststrom zum Beispiel im Wesentlichen entlang der vertikalen Richtung Z durch die Packages 300 und durch den Träger 200 passiert ist, kann der Gesamtlaststrom dann zum Beispiel mittels des unteren Kühlkörpers 100 statt durch den Träger 200 entlang den horizontalen Richtungen (zum Beispiel X, Y) geleitet werden. In Abhängigkeit von dem bestimmten Gerät, in dem die Leistungshalbleiteranordnung 500 eingesetzt werden soll, kann die Dicke des Trägers 200 variiert werden und von dem Bereich abweichen.
  • Der obere Kühlkörper 400 und/oder der untere Kühlkörper 100 können mit mindestens einer Antiwärmespannungskomponente (nicht veranschaulicht) ausgestattet sein, um des Weiteren mechanische Spannung entlang den horizontalen Richtungen (zum Beispiel entlang der ersten lateralen Richtung X und/oder der zweiten lateralen Richtung Y) auszugleichen. Da die Packages 300 gleich ausgelegt sein können und da somit der durch diese Packages 300 geleitete Gesamtlaststrom gleich verteilt sein sollte und da somit die durch die Packages 300 erzeugten Leistungsverluste dementsprechend gleich verteilt sein sollten, wird jedoch angenommen, dass die Wärmeverteilung in den Kühlkörpern 100 und 400 homogen verläuft. Somit sollte keine durch lokale Temperaturspitzen erzeugte Wärmespannung auftreten.
  • Es wird hierin auch ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleiteranordnung vorgestellt, das Bereitstellen eines Trägers; und Bereitstellen mehrerer Packages umfasst. Jedes Package: umschließt ein Leistungshalbleiter-Die, wobei das Die einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss aufweist und dazu ausgelegt ist, eine zwischen den Lastanschlüssen angelegte Sperrspannung zu sperren und einen Die-Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten; weist einen Package-Körper mit einer Package-Oberseite und einer Package-Lötflächenseite und Package-Seitenwänden auf, wobei sich die Package-Seitenwände von der Package-Lötflächenseite zu der Package-Oberseite erstrecken; weist eine Leiterrahmenstruktur auf, die dazu ausgelegt ist, das Package elektrisch und mechanisch mit dem Träger zu koppeln, wobei die Package-Lötflächenseite dem Träger zugekehrt ist, wobei die Leiterrahmenstruktur mindestens einen ersten Außenanschluss umfasst, der mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist, und weist eine obere Schicht auf, die auf der Package-Oberseite angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist. Ferner umfasst das Verfahren Bereitstellen eines oberen Kühlkörpers, der dazu ausgelegt ist, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten. Dann wird der obere Kühlkörper an jeder der oberen Schichten der Packages befestigt, derart, dass der obere Kühlkörper mit jeder der oberen Schichten der Packages elektrisch kontaktiert ist.
  • Hinsichtlich Ausführungsbeispielen des Herstellungsverfahrens wird gänzlich auf das Obige verwiesen. Somit können die optionalen Merkmale der Ausführungsformen der Leistungshalbleiteranordnung 500, die oben unter Bezugnahme auf die 1A-5 beschrieben werden, analog zum Bilden von Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens vorgesehen werden. Zum Beispiel kann das Koppeln des oberen Kühlkörpers 400 mit den oberen Schichten 32 der Packages 300 Durchführen eines Lötverarbeitungsschritts und/oder Bereitstellen einer elektrisch leitenden Folie und/oder Bereitstellen einer elektrisch leitenden Adhäsionspaste und/oder Durchführen eines Schweißverarbeitungsschritts umfassen.
  • Ferner wird hierin ein System 1000 vorgestellt, von dem eine Ausführungsform in 6 schematisch und beispielhaft veranschaulicht wird. Das System 1000 umfasst eine DC-Leistungsversorgung 600, ein Lastteilsystem 700 und einen Hauptleistungspfad 800, der die DC-Leistungsversorgung 600 mit dem Lastteilsystem 700 koppelt, damit die DC-Leistungsversorgung 600 dem Lastteilsystem 700 über den Hauptleistungspfad 800 Leistung zuführen kann.
  • Ferner umfasst das System 1000 eine Leistungshalbleiteranordnung 500, die gemäß einem oder mehreren der oben unter Bezugnahme auf die 1A-5 beschriebenen Beispiele ausgelegt ist. Die Leistungshalbleiteranordnung 500 ist in dem Hauptleistungspfad 800 angeordnet und ist dazu ausgelegt, den Hauptleistungspfad 800 selektiv in einen leitenden Zustand oder einen sperrenden Zustand zu setzen.
  • Zum Beispiel ist ein Eingangsleistungskabel des Hauptleistungspfads 800 mittels eines ersten Abschlusses 801, der, wie oben aufgezeigt wurde, Mittel enthalten kann, die zum Koppeln des einen oder der mehreren oberen Koppler 45 ausgelegt sind, zum Beispiel eine Öse, an die Leistungshalbleiteranordnung 500 angekoppelt. Der erste Abschluss 801 kann mit dem ersten Ausgangsanschluss 601 der DC-Leistungsversorgung 600, der das hohe Potenzial der DC-Leistungsversorgung 600 aufweisen kann, elektrisch verbunden sein.
  • Ein Ausgangsleistungskabel des Hauptleistungspfads 800 kann mittels eines zweiten Abschlusses 802, der, wie oben aufgezeigt wurde, Mittel enthalten kann, die zum Koppeln mit dem einen oder den mehreren unteren Kopplern 25 ausgelegt sind, an die Leistungshalbleiteranordnung 500 angekoppelt sein. Der zweite Abschluss 802 kann mittels des Lastteilsystems 700 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 602 der DC-Leistungsversorgung 600 gekoppelt sein.
  • Die DC-Leistungsversorgung 600 kann eine Batterieanordnung, zum Beispiel eine Batterie eines Fahrzeugs, umfassen. Bei einer Ausführungsform kann die DC-Leistungsversorgung 600 ein Schaltnetzteil, wie zum Beispiel einen Tiefsetzsteller und/oder einen Hochsetzsteller, umfassen. Das Lastteilsystem 700 kann eine oder mehrere elektrische Lasten, zum Beispiel elektrische Lasten eines Fahrzeugs, wie beispielsweise elektrische Antriebe und Schaltnetzteile, zum Beispiel zum Betrieb von Bremsen, Sitzen und anderen Verbrauchern von elektrischer Energie, umfassen.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann die Leistungshalbleiteranordnung 500 dazu ausgelegt sein, den Hauptleistungspfad 800 in den leitenden Zustand oder den sperrenden Zustand zu setzen. Während des sperrenden Zustands kann das Lastteilsystem 700 nicht mit Energie der DC-Leistungsversorgung 600 gespeist werden. Im leitenden Zustand des Hauptleistungspfads 800 kann der Laststrom entlang dem Hauptleistungspfad 800, der die Leistungshalbleiteranordnung 500 enthält, geleitet werden.
  • Die Leistungshalbleiteranordnung 500 kann in der veranschaulichten Konfiguration von 6 als ein Hauptnetzschalter dienen. Zum Beispiel wird die Leistungshalbleiteranordnung 500 mit einer vergleichsweise geringen und variierenden Schaltfrequenz ein- und ausgeschaltet. Somit können die in den Packages 300 der Leistungshalbleiteranordnung 500 enthaltenen Leistungshalbleiter-Dies bezüglich einer Priorität von geringen Leitungsverlusten über geringe Schaltverluste optimiert werden. Wie oben erläutert wurde, ist zum Ableiten der Leitungsverluste der obere Kühlkörper 400 vorgesehen, der gleichzeitig als eine Stromschiene zum Leiten der Lastströme der mehreren Leistungshalbleiter-Dies dienen kann.
  • Sich auf Raum beziehende Begriffe, wie zum Beispiel „unter“, „unterhalb“, „niedriger“, „über“, „oberer“ und dergleichen, werden der Einfachheit der Beschreibung halber dazu verwendet, die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu beschreiben. Diese Begriffe sollen zusätzlich zu Ausrichtungen, die von jenen, die in den Figuren veranschaulicht sind, verschieden sind, verschiedene Ausrichtungen des jeweiligen Bauelements mit einschließen. Ferner werden Begriffe, wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen auch zum Beschreiben verschiedener Elemente, Regionen, Abschnitte usw. verwendet und sollen ebenfalls nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
  • Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „aufweisen“, „beinhalten“, „enthalten“, „umfassen“, „zeigen“ und dergleichen offene Begriffe und geben das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale an, schließen aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus.
  • Unter Berücksichtigung der vorstehenden Variationen und Anwendungen sollte auf der Hand liegen, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt wird, noch wird sie durch die beigefügten Zeichnungen eingeschränkt. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung lediglich durch die folgenden Ansprüche und ihre legalen Äquivalente eingeschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015101674 A1 [0008, 0009, 0028]
    • DE 102015120396 A1 [0008, 0009, 0028]
    • US 9691892 B2 [0033]
    • DE 102015201045 A1 [0033]
    • DE 102017120747 [0070]

Claims (20)

  1. Leistungshalbleiteranordnung (500), umfassend: - einen Träger (200); - mehrere Packages (300), wobei jedes Package (300): - ein Leistungshalbleiter-Die einschließt, wobei das Die einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss aufweist und dazu ausgelegt ist, eine zwischen den Lastanschlüssen angelegte Sperrspannung zu sperren und einen Die-Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten; - einen Package-Körper (30) mit einer Package-Oberseite (301), einer Package-Lötflächenseite (302) und Package-Seitenwänden (303) aufweist, wobei sich die Package-Seitenwände (303) von der Package-Lötflächenseite (302) zu der Package-Oberseite (301) erstrecken; - eine Leiterrahmenstruktur (31) aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Package (300) elektrisch und mechanisch mit dem Träger (200) zu koppeln, wobei die Package-Lötflächenseite (302) zu dem Träger (200) weist, wobei die Leiterrahmenstruktur (31) mindestens einen ersten Außenanschluss (311) umfasst, der mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist, - eine obere Schicht (32) aufweist, die auf der Package-Oberseite (301) angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist, und - einen oberen Kühlkörper (400), wobei der obere Kühlkörper (400): - an jeder der oberen Schichten (32) der Packages (300) befestigt ist; - mit jeder der oberen Schichten (32) der Packages (300) elektrisch kontaktiert ist, und - dazu ausgelegt ist, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten.
  2. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach Anspruch 1, wobei der obere Kühlkörper (400) dazu ausgelegt ist, durch die mehreren Packages (300) erzeugte Leistungsverluste von mindestens 100 W passiv abzuleiten.
  3. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der obere Kühlkörper (400) als eine Stromschiene ausgelegt ist.
  4. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in den Packages (300) eingeschlossenen Dies parallel zueinander verbunden sind und dazu ausgelegt sind, gemeinsam in einen jeweiligen leitenden Zustand gesetzt zu werden, und wobei der obere Kühlkörper (400) dazu ausgelegt ist, während des leitenden Zustands mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten.
  5. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere Kühlkörper (400) eine planare untere Fläche (402) aufweist, die an den oberen Schichten (32) der Packages (300) befestigt ist.
  6. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach Anspruch 5, wobei die oberen Schichten (32) der Packages (300) koplanar miteinander angeordnet sind, und wobei die planare untere Fläche (402) parallel zu den oberen Schichten (32) der Packages (300) angeordnet ist.
  7. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die planare untere Fläche (402) eine Gesamtfläche aufweist, die sich auf mindestens 120% der Summe der Gesamtoberflächen der Package-Oberseiten (301) der Packages (300) beläuft.
  8. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungshalbleiteranordnung (500) dazu ausgelegt ist, einen Gesamtlaststrom, der sich auf die Summe der Die-Lastströme beläuft, entlang einem Laststrompfad (49, 39-1, 39-2, 29, 19) zu leiten, wobei der Laststrompfad 49, 39-1, 39-2,...) mindestens durch den oberen Kühlkörper (400), die Packages (300) und den Träger (200) gebildet wird und wobei der Gesamtlaststrom dem Strompfad folgt, indem er nacheinander durch den oberen Kühlkörper (400), die Packages (300) und den Träger (200) oder umgekehrt passiert.
  9. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (200) Leiter (21) umfasst, die mit den ersten Außenanschlüssen (311) der Packages (300) elektrisch verbunden sind.
  10. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (200) ohne mit den oberen Schichten (32) elektrisch verbundene Leiter ist.
  11. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der eingeschlossenen Leistungshalbleiter-Dies auf einem Wide-Bandgap-Halbleitermaterial basiert.
  12. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere Kühlkörper (400) einen vertikalen Querschnitt aufweist, der über mindestens eine Strecke, die sich lateral mit mindestens zwei der mehreren Packages (300) überlappt, entlang einer lateralen Richtung (Y) unverändert bleibt.
  13. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere Kühlkörper (400) durch: - eine Lötverbindung, zum Beispiel eine Diffusionslötverbindung oder eine Aufschmelzlötverbindung und/oder - eine elektrisch leitende Folie (47) und/oder - eine elektrisch leitende Adhäsionspaste und/oder - eine Schweißverbindung an jeder der oberen Schichten (32) der Packages (300) befestigt ist.
  14. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen oberen Koppler (45), der an dem oberen Kühlkörper (400) befestigt ist und zum Empfangen oder Abgeben des Gesamtlaststroms ausgelegt ist.
  15. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach Anspruch 14, wobei der obere Koppler (45) zum Koppeln des oberen Kühlkörpers (400) mit dem Träger (200) ausgelegt ist.
  16. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen unteren Kühlkörper (100), wobei der obere Kühlkörper (400) über dem Träger (200) angeordnet ist, und wobei der untere Kühlkörper (100): - unter dem Träger (200) angeordnet ist; - mit jedem mit jedem der ersten Außenanschlüsse (311) der Packages (300) elektrisch kontaktiert ist; und - zum Leiten mindestens der Summe der Die-Lastströme ausgelegt ist.
  17. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach den Ansprüchen 9 und 16, wobei die Leiter (21) mindestens ein elektrisch leitendes Verbindungsglied für jedes Package (300) umfassen, wobei sich jedes Verbindungsglied (21) vertikal durch den Träger (200) erstreckt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem unteren Kühlkörper (100) und einem jeweiligen der ersten Außenanschlüsse (311) zu bilden.
  18. Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Träger (200) in einer horizontalen Schicht erstreckt, und wobei der durch die Leistungshalbleiteranordnung (500) geleitete Gesamtlaststrom ausschließlich entlang einer senkrecht zu der horizontalen Schicht verlaufenden vertikalen Richtung durch die horizontale Schicht passiert.
  19. System (1000), umfassend: - eine DC-Leistungsversorgung (600); - ein Lastteilsystem (700); - einen Hauptleistungspfad (800), der die DC-Leistungsversorgung (600) mit dem Lastteilsystem (700) koppelt, damit die DC-Leistungsversorgung (600) dem Lastteilsystem (700) über den Hauptleistungspfad (800) Leistung zuführen kann; - eine Leistungshalbleiteranordnung (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in dem Hauptleistungspfad (800) angeordnet ist, wobei die Leistungshalbleiteranordnung (500) dazu ausgelegt ist, den Hauptleistungspfad (800) selektiv in einen leitenden Zustand oder einen sperrenden Zustand zu setzen.
  20. Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleiteranordnung (500), umfassend: - Bereitstellen eines Trägers (200); - Bereitstellen mehrerer Packages (300) am Träger (200), wobei jedes Package(300) - ein Leistungshalbleiter-Die umschließt, wobei das Die einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss aufweist und dazu ausgelegt ist, eine zwischen den Lastanschlüssen angelegte Sperrspannung zu sperren und einen Die-Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten; - einen Package-Körper (30) mit einer Package-Oberseite (301), einer Package-Lötflächenseite (302) und Package-Seitenwänden (303) aufweist, wobei sich die Package-Seitenwände (303) von der Package-Lötflächenseite (302) zu der Package-Oberseite (301) erstrecken; - eine Leiterrahmenstruktur (31) aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Package (300) elektrisch und mechanisch mit dem Träger (200) zu koppeln, wobei die Package-Lötflächenseite (302) dem Träger (200) zugekehrt ist, wobei die Leiterrahmenstruktur (21) mindestens einen ersten äußeren Anschluss (311) umfasst, der mit dem ersten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist; - eine obere Schicht (32) aufweist, die auf der Package-Oberseite (301) angeordnet ist und mit dem zweiten Lastanschluss des Dies elektrisch verbunden ist; und - Bereitstellen eines oberen Kühlkörpers (400), der dazu ausgelegt ist, mindestens die Summe der Die-Lastströme zu leiten und - Befestigen des oberen Kühlkörpers (400) an jeder der oberen Schichten (32) der Packages (300), derart, dass der obere Kühlkörper (400) mit jeder der oberen Schichten (32) der Packages (300) elektrisch kontaktiert ist.
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