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TECHNISCHES GEBIET
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Die Anmeldung betrifft eine Leiterplatte mit wenigstens einem eingebetteten Halbleiterchip, ein Chip-Kühlgehäuse, eine Baugruppe, sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Halbleiterchips.
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HINTERGRUND
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Elektronische Geräte umfassen typischerweise eine oder mehrere Leiterplatten, z.B. gedruckte Leiterplatten (engl. Printed Circuit Board, PCB). Die Leiterplatten tragen jeweils einen oder mehrere Halbleiterchips, wobei die Halbleiterchips auf den Leiterplatten angeordnet sein können oder auch in die Leiterplatten eingebettet sein können. Im Fall der Einbettung sind die Halbleiterchips beispielsweise von allen Seiten von Leiterplattenmaterial umgeben. Leistungshalbleiterchips erzeugen Wärme, die aus den Halbleiterchips abgeführt werden muss, um diese nicht durch Überhitzung zu beschädigen und die spezifizierte Lebensdauer garantieren zu können. Im Fall der Einbettung von Halbleiterchips in Leiterplatten kann eine Wärmeableitung durch ungünstige Wärmeleitungseigenschaften des isolierenden Materials der Leiterplatten erschwert werden.
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Wünschenswert ist eine Verbesserung der Kühlung von Halbleiterchips, die in eine Leiterplatte eingebettet sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leiterplatte. Die Leiterplatte weist einen elektrisch isolierenden Teil und einen elektrisch leitenden Teil auf. Die Leiterplatte weist wenigstens einen Halbleiterchip auf, der in einem Teil der Leiterplatte in den elektrisch isolierenden Teil eingebettet ist. Die Leiterplatte weist Durchgangsöffnungen in dem Teil der Leiterplatte zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit auf. Die Durchgangsöffnungen reichen von einer ersten Oberfläche der Leiterplatte zu einer zweiten Oberfläche der Leiterplatte. Der elektrisch leitende Teil weist eine erste äußere leitende Lage auf der ersten Oberfläche und eine zweite äußere leitende Lage auf der zweiten Oberfläche auf. Der elektrisch leitende Teil weist zudem eine erste innere leitende Lage auf, wobei die erste innere leitende Lage mit dem Halbleiterchip elektrisch verbunden ist. Die erste innere leitende Lage ist in dem Teil der Leiterplatte durch den elektrisch isolierenden Teil von der ersten äußeren leitenden Lage und von der zweiten äußeren leitenden Lage elektrisch isoliert.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft zudem ein Chip-Kühlgehäuse. Das Chip-Kühlgehäuse weist einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass auf. Das Chip-Kühlgehäuse ist eingerichtet, um an einer Leiterplatte derart befestigt zu werden, dass ein erster Teil der Leiterplatte vom Chip-Kühlgehäuse dicht umschlossen ist und ein Kühlraum zwischen dem ersten Teil der Leiterplatte und dem Chip-Kühlgehäuse ausgebildet ist, und ein zweiter Teil der Leiterplatte aus dem Chip-Kühlgehäuse herausragt.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft zudem eine Baugruppe. Die Baugruppe weist die Leiterplatte und das Chip-Kühlgehäuse auf. Das Chip-Kühlgehäuse ist an der Leiterplatte befestigt.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft zudem Verfahren zum Kühlen eines in eine Leiterplatte eingebetteten Halbleiterchips. Das Verfahren umfasst ein Befestigen des Chip-Kühlgehäuses an einer den Halbleiterchip aufweisenden Leiterplatte. Das Verfahren umfasst zudem ein Einbringen eines Kühlmittels in den Kühlraum.
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Weitere Merkmale und Vorteile des offenbarten Gegenstands erschließen sich dem Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die beigefügten Zeichnungen vermitteln ein tiefergehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen für eine Leiterplatte, ein Chip-Kühlgehäuse oder eine Baugruppe, sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen lediglich Ausführungsbeispiele und dienen zusammen Hierin beschriebene Leiterplatten, Chip-Kühlgehäuse und Baugruppen sind somit durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele und beabsichtigte Vorteile ergeben sich aus dem Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie aus Kombinationen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele, selbst wenn diese nicht explizit beschrieben sind. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
- 1A ist eine schematische Querschnittsansicht einer Leiterplatte mit eingebettetem Halbleiterchip und einer Durchgangsöffnung zur Chipkühlung.
- 1B ist eine schematische Draufsicht auf die Leiterplatte von 1A.
- 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Baugruppe mit einem Chip-Kühlgehäuse, das an einer Leiterplatte fixiert ist und einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass an gegenüberliegenden Seiten des Chip-Kühlgehäuses aufweist.
- 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Baugruppe mit einem Chip-Kühlgehäuse, das an einer Leiterplatte fixiert ist und einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass an derselben Seite des Chip-Kühlgehäuses aufweist.
- 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 5 und 6 zeigen schematische Querschnittsansichten von Baugruppen mit Chip-Kühlgehäuse und Leiterplatte sowie einer Barrierestruktur zur Beeinflussung des Kühlmittelflusses zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass.
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DETAILBESCHREIBUNG
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In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele einer Leiterplatte, eines Chip-Kühlgehäuses und einer Baugruppe gezeigt sind. Die Existenz weiterer Ausführungsbeispiele versteht sich von selbst. Ebenso versteht es sich von selbst, dass an den Ausführungsbeispielen strukturelle und/oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei von dem durch die Patentansprüche Definierten abgewichen wird. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist insoweit nicht begrenzend. Insbesondere können Merkmale von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Merkmalen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
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Bei den Begriffen „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen handelt es sich im Folgenden um offene Begriffe, die einerseits auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, andererseits das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
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Der Begriff oder Ausdruck „elektrisch verbunden“ beschreibt eine ohmige, z.B. eine niederohmige, Verbindung zwischen den elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter.
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Wird für eine physikalische Größe ein Wertebereich mit der Angabe eines Grenzwerts oder zweier Grenzwerte definiert, dann schließen die Begriffe „von“ und „bis“ oder „weniger“ und „mehr“ den jeweiligen Grenzwert mit ein. Eine Angabe der Art „von ... bis“ versteht sich demnach als „von mindestens ... bis höchstens“. Entsprechend versteht sich eine Angabe der Art „weniger ...“ („mehr ...“) als „höchstens ...“ („wenigstens ...“) .
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Die Abkürzung IGFET (insulated gate field effect transistor) bezeichnet spannungsgesteuerte Halbleiterschalter und umfasst neben MOSFETs (metal oxide semiconductor FETs) auch solche FETs, deren Gateelektrode dotiertes Halbleitermaterial aufweist und/oder deren Gatedielektrikum kein Oxid aufweist oder nicht ausschließlich aus einem Oxid besteht.
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Ein sicherer Betriebsbereich (safe operating area, SOA) definiert Umgebungs- und Betriebsbedingungen, für die ein ausfallsicherer Betrieb eines Halbleiterbauelements erwartet werden kann. Typischerweise wird der sichere Betriebsbereich durch Angabe von Maximalwerten für Umgebungs- und Betriebsbedingungen in einem Datenblatt für das Halbleiterbauelement, der sogenannten Bauelementspezifikation definiert, z.B., maximaler Dauerlaststrom, maximaler gepulster Laststrom, maximale Gatespannung, maximale Sperrspannung und anderes.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Leiterplatte. Die Leiterplatte kann beispielsweise einen elektrisch isolierenden Teil und einen elektrisch leitenden Teil aufweisen. Die Leiterplatte kann etwa als PCB ausgebildet sein und mehrere leitende Lagen umfassen, die durch isolierende Lagen voneinander getrennt sind. Die leitenden Lagen definieren den leitenden Teil und sind beispielsweise aus einem leitenden Material oder auch aus mehreren leitenden Materialien ausgebildet. Ein beispielhaftes leitendes Material ist ein Metall wie z.B. Kupfer, das in Form von leitenden Bahnen und/oder leitenden Anschlussbereichen ausgebildet sein kann. Als isolierender Teil wird beispielsweise ein faserverstärkter Kunststoff oder auch ein anderes isolierendes Material verwendet. Es können ein oder auch mehrere isolierende Materialien kombiniert sein, die den isolierenden Teil der Leiterplatte definieren. Leiterbahnen unterschiedlicher leitender Lagen, z.B. übereinander angeordnete Lagen, können beispielsweise über Durchkontaktierungen (sogenannte Vias) miteinander elektrisch verbunden sein. Die Vias erstrecken sich durch das isolierende Material zwischen den elektrisch zu verbindenden leitenden Lagen und verbinden etwa Leiterbahnen übereinander angeordneter Leiterbahnen elektrisch miteinander.
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Wenigstens ein Halbleiterchip kann in einem Teil der Leiterplatte in den elektrisch isolierenden Teil eingebettet sein. Der Teil der Leiterplatte ist beispielsweise zur Einbringung in ein Kühlgehäuse geeignet. Beispielsweise kann der wenigstens eine Halbleiterchip zwischen zwei übereinander angeordneten Lagen des leitenden Teils positioniert sein und über Vias mit Leiterbahnen oder Anschlussbereichen der jeweiligen leitenden Lagen elektrisch verbunden sein.
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Die Leiterplatte kann zudem Durchgangsöffnungen in dem Teil der Leiterplatte zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit aufweisen. Die Durchgangsöffnungen können mit einem gängigen Verfahren wie etwa Bohren, Laserbearbeitung oder Ätzen hergestellt werden. Die Durchgangsöffnungen können von einer ersten Oberfläche der Leiterplatte zu einer zweiten Oberfläche der Leiterplatte reichen.
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Der elektrisch leitende Teil kann eine erste äußere leitende Lage auf der ersten Oberfläche und eine zweite äußere leitende Lage auf der zweiten Oberfläche aufweisen. Der elektrisch leitende Teil kann zudem eine erste innere leitende Lage aufweisen, wobei die erste innere leitende Lage mit dem Halbleiterchip elektrisch verbunden sein kann. Die erste innere leitende Lage kann in dem Teil der Leiterplatte durch den elektrisch isolierenden Teil von der ersten äußeren leitenden Lage und von der zweiten äußeren leitenden Lage elektrisch isoliert sein. Somit können die äußeren leitenden Lagen den eingebetteten Halbleiterchip in dem Teil der Leiterplatte davor schützen, dass Kühlflüssigkeit ins Innere der Leiterplatte eindringt. Folglich dienen die äußeren leitenden Lagen in dem Teil der Leiterplatte dem Schutz vor eindringender Kühlflüssigkeit und nicht etwa der elektrischen Verbindung des eingebetteten Halbleiterchips. Die elektrische Verbindung des Halbleiterchips wird in dem Teil der Leiterplatte von der ersten inneren leitenden Lage übernommen.
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Beispielsweise sind die Durchgangsöffnungen derart eingerichtet, dass sie von einer Kühlflüssigkeit, z.B. einem Fluid wie etwa einer Ethylenglycolmischung, durchflossen werden können. Der Kühlmittelfluss durch die Durchgangsöffnungen kann Teil eines Kühlmittelkreislaufs sein, um den in die Leiterplatte eingebetteten Halbleiterchip oder die mehreren in die Leiterplatte eingebetteten Halbleiterchips während des Betriebs zu kühlen und somit vor einer Beschädigung durch Überhitzung zu schützen. Hierbei können die Durchgangsöffnungen derart dimensioniert und relativ zu dem einen oder zu den mehreren eingebetteten Durchgangsöffnungen positioniert sein, dass mit dem Kühlmittelfluss eine optimale Kühlung des Halbleiterkörpers erzielt wird. Die Durchgangsöffnungen ermöglichen beispielsweise ausgeglichene Druckverhältnisse des Kühlmittels in Bezug auf die Ober- und Unterseite eines Kühlraums. Dadurch kann beispielsweise eine mechanische Beanspruchung der Leiterplatte im Fall von Druckänderungen minimiert oder reduziert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leiterplatte kann der elektrisch leitende Teil eine zweite innere leitende Lage aufweisen. Die zweite innere leitende Lage kann mit dem Halbleiterchip elektrisch verbunden sein. Der Halbleiterchip kann beispielsweise zwischen der ersten inneren leitenden Lage und der zweiten inneren leitenden Lage angeordnet sein. Mit der ersten inneren leitenden Lage und der zweiten inneren leitenden Lage können beispielsweise vertikale Leistungshalbleiterbauelemente elektrisch kontaktiert werden, bei denen ein Laststromfluss über eine Vorder- und Rückseite des Halbleiterchips erfolgt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leiterplatte kann der elektrisch leitende Teil eine Seitenfläche der Durchgangsöffnungen vollständig bedecken. Damit kann beispielsweise der in die Leiterplatte eingebettete Halbleiterchip davor geschützt werden, dass Kühlflüssigkeit ins Innere der Leiterplatte eindringt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leiterplatte kann eine erste Korrosionsschutzstruktur auf dem elektrisch leitenden Teil an der Seitenfläche der Durchgangsöffnungen ausgebildet sein. Die erste Korrosionsschutzstruktur kann beispielsweise aus einer Schicht oder einem Schichtstapel geeigneter Materialien, die vor Korrosion schützen, aufgebaut sein. Beispielhafte Schutzschichten sind Zinn-, Silber- oder Nickelschichten, die etwa mit Hilfe elektrolytischer Prozesse ausgebildet werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leiterplatte kann die erste äußere leitende Lage an der ersten Oberfläche im gesamten Teil der Leiterplatte ausgebildet sein, und die zweite äußere leitende Lage kann an der zweiten Oberfläche im gesamten Teil der Leiterplatte ausgebildet ist. Die äußeren leitenden Lagen tragen somit dazu bei, dass ein Eindringen von Kühlflüssigkeit ins Innere der Leiterplatte über die erste und zweite Oberfläche verhindert wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Leiterplatte eine zweite Korrosionsschutzstruktur auf der ersten äußeren leitenden Lage und auf der zweiten äußeren leitenden Lage in dem Teil der Leitplatte aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leiterplatte kann der Teil der Leiterplatte einen Seitenflächenabschnitt der Leiterplatte umfassen. Der leitende Teil kann im gesamten Seitenflächenabschnitt ausgebildet sein. Wird der in die Leiterplatte eingebettete Halbleiterchip beispielsweise mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlt, die auch mit dem Seitenwandabschnitt in Kontakt steht, so kann mittels des leitenden Teils ein Eindringen von Kühlflüssigkeit ins Innere der Leiterplatte verhindert und damit ein Schutz des eingebetteten Halbleiterchips erzielt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Leiterplatte eine dritte Korrosionsschutzstruktur auf dem elektrisch leitenden Teil in dem Seitenflächenabschnitt der Leiterplatte aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Leiterplatte kann ein Durchmesser der Durchgangsöffnungen in einem Bereich von 100 µm bis 10 mm liegen. Durchgangsöffnungen mit einem Durchmesser in diesem Bereich ermöglichen eine geeignete Kühlwirkung für Halbleiterchips, die neben der Durchgangsöffnung in die Leiterplatte eingebettet sind. Ein Durchmesser der Durchgangsöffnungen kann beispielsweise derart gewählt sein, dass etwa mögliche Partikel im Kühlmittel durch die Durchgangsöffnungen passen. Auch kann der Durchmesser der Durchgangsöffnungen derart gewählt sein, dass ein Kompromiss zwischen Druckabfall und Verwirbelung des Kühlmittels bei kleineren Durchmessern und einer Robustheit gegenüber schmutzigen Kühlmitteln bei größeren Durchmessern erzielt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Chip-Kühlgehäuse. Das Chip-Kühlgehäuse kann einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweisen und eingerichtet sein, um an einer Leiterplatte derart befestigt zu werden, dass ein erster Teil der Leiterplatte vom Chip-Kühlgehäuse dicht umschlossen ist und ein Kühlraum zwischen dem ersten Teil der Leiterplatte und dem Chip-Kühlgehäuse ausgebildet ist, und ein zweiter Teil der Leiterplatte aus dem Chip-Kühlgehäuse herausragt. Der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass können beispielsweise als Öffnungen im Chip-Kühlgehäuse ausgebildet sein. Sowohl der Kühlmitteleinlass als auch der Kühlmittelauslass können beispielsweise derart eingerichtet sein, dass ein Kühlmittelzufuhrelement, z.B. ein Kühlmittelschlauch oder ein Kühlmittelrohr am Kühlmitteleinlass oder am Kühlmittelauslass befestigt werden kann. Eine Oberfläche des Kühlmitteleinlasses, des Kühlmittelauslasses und einer den Kühlraum definierenden Innenwand des Chip-Kühlgehäuses kann jeweils mit einer Korrosionsschutzstruktur ausgekleidet sein. Das dichte Umschließen des ersten Teils der Leiterplatte soll sicherstellen, dass Kühlmittel lediglich über den Kühlmitteleinlass in den Kühlraum gelangt und lediglich über den Kühlmittelauslass aus dem Kühlraum austritt. Die elektrische Ansteuerung eines in die Leiterplatte eingebetteten Halbleiterchips erfolgt beispielsweise über den zweiten Teil der Leiterplatte, der aus dem Chip-Kühlgehäuse herausragt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Chip-Kühlgehäuse einteilig ausgebildet sein und ein Abdichtelement aufweisen. Das Abdichtelement kann eingerichtet sein, um einen Spalt zwischen einer in den Kühlraum eingebrachten Leiterplatte und dem Chip-Kühlgehäuse abzudichten. Bei dem Abdichtelement kann es sich beispielsweise um einen Abdichtring handeln. Das Abdichtelement kann beispielsweise aus einem elastischen Material bestehen oder ein solches aufweisen. Damit können beispielsweise Leiterplatten mit unterschiedlichem Querschnitt abgedichtet werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Chip-Kühlgehäuse zweiteilig ausgebildet sein und ein Befestigungselement sowie ein Abdichtelement aufweisen. Das Befestigungselement kann eingerichtet sein, um einen ersten Teil des Chip-Kühlgehäuses und einen zweiten Teil des Chip-Kühlgehäuses miteinander und an der Leiterplatte zu befestigen. Das Abdichtelement kann zudem eingerichtet sein, um einen Spalt zwischen einer in den Kühlraum eingebrachten Leiterplatte und dem Chip-Kühlgehäuse abzudichten. Die Abdichtung kann beispielsweise ähnlich wie bei obigem Ausführungsbeispiel erfolgen. Bei dem Befestigungselement kann es sich beispielsweise um ein Klemm- oder Schraubelement handeln, das die beiden Teile des Chip-Kühlgehäuses zueinander fixiert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass an gegenüberliegenden Seiten des Chip-Kühlgehäuses ausgebildet sein. Dies ermöglicht beispielsweise eine turbulente Strömung des Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass sowie ausgeglichene Druckverhältnisse des Kühlmittels in Bezug auf die Ober- und Unterseite des Kühlraums. Dadurch kann beispielsweise eine mechanische Beanspruchung der Leiterplatte im Fall von Druckänderungen minimiert oder reduziert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass an einer selben Seite des Chip-Kühlgehäuses ausgebildet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Baugruppe. Die Baugruppe kann eine Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Anmeldung umfassen. Die Baugruppe kann zudem ein Chip-Kühlgehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Anmeldung umfassen, wobei das Chip-Kühlgehäuse an der Leiterplatte befestigt ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Baugruppe kann ein Weg eines Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass durch die wenigstens eine Durchgangsöffnung der Leiterplatte verlaufen. Der Kühlmittelfluss durch die Durchgangsöffnung ermöglicht eine Abfuhr von Wärme, die beispielsweise während des Betriebs eines in die Leiterplatte eingebetteten Leistungshalbleiterbauelements erzeugt wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Baugruppe eine Barrierestruktur aufweisen, die im Kühlraum zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse ausgebildet ist. Die Barrierestruktur kann eingerichtet sein, um eine Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels zu reduzieren. Beispielsweise kann die Barrierestruktur auf einer Vorder- und/oder einer Rückseite der Leiterplatte angebracht sein. Gemäß einem weiteren Beispiel kann die Barrierestruktur an einer Innenfläche des Chip-Kühlgehäuses angebracht sein. Da das Kühlmittel auf seinem Weg vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass den Weg des geringsten Widerstands nimmt, kann die Barrierestruktur zur Einstellung eines gewünschten Flussverhaltens des Kühlmittels beitragen. Beispielsweise ermöglicht die Barrierestruktur die Erzeugung lokaler Bereiche mit höherer Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels und mit turbulentem Flussverhalten und somit geringerem thermischen Widerstand. Andere Bereiche, deren thermische Ankopplung von nachgelagerter Bedeutung ist, können beispielsweise mit geringerer Flussgeschwindigkeit gestaltet werden. Mit derartigen Maßnahmen vereinfacht sich beispielsweise eine Platzierung des Kühlmitteleinlasses und Kühlmittelauslasses auf einer selben Seite des Chip-Kühlgehäuses. Nimmt man an, dass sich Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass an der Oberseite der Leiterplatte befinden, so kann mit Hilfe der Barrierestruktur eine definierte Flussrate an einer Unterseite der Leiterplatte erzielt werden, da der lokale Druckabfall an der Oberseite der Leiterplatte mit der Barrierestruktur gesteuert werden kann. Auch kann die Barrierestruktur neben der Funktion der Steuerung des Kühlmittelflusses zur Verbesserung der Wärmeabfuhr beitragen, z.B. durch Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Leiterplatte und dem Kühlmittel. Beispielsweise kann die Barrierestruktur mäanderförmig gestaltet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Barrierestruktur an der Leiterplatte befestigt sein. Die Befestigung kann beispielsweise eine Lötverbindung oder auch eine Bondverbindung sein. Im Fall einer Lötverbindung kann die Befestigung der Barrierestruktur beispielsweise in den Herstellungsprozess der Leiterplatte einbezogen sein, z.B. im Rahmen der PCB Bestückung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Weg eines Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass durch wenigstens zwei Durchgangsöffnungen in der Leiterplatte von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche und von der zweiten Oberfläche zur ersten Oberfläche verlaufen. Beispielsweise kann ein Weg des Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass bis zum Kühlmittelauslass mittels mehrerer Durchgangsöffnungen und geeignet platzierter Barrierestrukturen in einen oder mehrere Pfade unterteilt werden und auf eine günstige Abfuhr von Wärme aus dem Halbleiterchip hin optimiert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Halbleiterchips. Das Verfahren kann ein Befestigen eines Chip-Kühlgehäuses gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Anmeldung an einer den Halbleiterchip aufweisenden Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Anmeldung umfassen. Das Verfahren kann zudem ein Einbringen eines Kühlmittels in den Kühlraum umfassen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Kühlmittel in einem Kreislauf zirkuliert werden, wobei der Kreislauf den Kühlmitteleinlass und den Kühlmittelauslass einschließt.
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Im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsbeispielen gemachte strukturelle und/oder funktionale Angaben können auf die im Folgenden zeichnerisch dargestellten Beispiele übertragen werden.
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In der schematischen Querschnittsansicht von 1A ist ein Teil 121 einer Leiterplatte 100 dargestellt. In die Leiterplatte 100 ist wenigstens ein Halbleiterchip 102 eingebettet. Die Leiterplatte 100 weist einen elektrisch leitenden Teil 114 und einen elektrisch isolierenden Teil 112 auf. Der elektrisch leitende Teil 114 umfasst eine erste äußere leitende Lage 1181 auf einer ersten Oberfläche 108 und eine zweite äußere Lage 1182 auf einer zweiten Oberfläche 110 der Leiterplatte 100. Der elektrisch leitende Teil 114 weist eine erste innere leitende Lage 1191 auf, die mit dem Halbleiterchip 102 elektrisch verbunden ist. Die erste innere leitende Lage 1191 ist in dem Teil 121 der Leiterplatte 100 durch den elektrisch isolierenden Teil 112 von der ersten äußeren leitenden Lage 1181 und von der zweiten äußeren leitenden Lage 1182 elektrisch isoliert. Wenigstens eine Durchgangsöffnung 106 reicht von der ersten Oberfläche 108 der Leiterplatte 100 zur zweiten Oberfläche 110 der Leiterplatte 100. Beispielsweise kann die Durchgangsöffnung 106 mit dem leitenden Teil 114 ausgekleidet sein. Die Durchgangsöffnung kann alternativ oder zusätzlich mit einer Abdichtstruktur ausgekleidet sein. Ebenso können die erste und zweite Oberfläche 108, 110 als auch eine Seitenwand der Durchgangsöffnung mit einer Korrosionsschutzstruktur bedeckt sein.
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In dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel der Leiterplatte 100 liegt ein Durchmesser d der wenigstens einen Durchgangsöffnung 106 beispielsweise in einem Bereich von 100 µm bis 10 mm.
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Eine schematische Draufsicht auf das in 1A gezeigte Ausführungsbeispiel der Leiterplatte 100 ist in 1B dargestellt, wobei der in 1A gezeigte Querschnitt entlang der Schnittlinie AA` aufgenommen von 1B aufgenommen ist. Der in die Leiterplatte 100 eingebettete Halbleiterchip 102 ist in der Draufsicht von 1B in schematischer Weise mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Mit Bezug auf die schematische Querschnittsansicht von 2 wird eine Baugruppe 300 beschriebenen, welche die Leiterplatte 100 und ein Chip-Kühlgehäuse 200 aufweist. Das Chip-Kühlgehäuse 200 ist an der Leiterplatte 100 befestigt. Durch die Befestigung des Chip-Kühlgehäuses 200 an der Leiterplatte 100 kann auch eine Abdichtung des Teils 121 der Leiterplatte 100 innerhalb des Chip-Kühlgehäuses 200 erzielt werden.
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Obgleich die Leiterplatte 100 und das Chip-Kühlgehäuse in 2 und noch folgenden Abbildungen als Baugruppe dargestellt sind, können das Chip-Kühlgehäuse 200 und die Leiterplatte 100 auch getrennt voneinander als Einzelbauteile vorliegen.
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Bei der in 2 gezeigten Leiterplatte 100 ist der Halbleiterchip 102 in die Leiterplatte 100 eingebettet. Der Halbleiterchip 102 ist von dem isolierenden Teil 112 der Leiterplatte 100 umgeben. Die Leiterplatte weist zudem den leitenden Teil 114 auf, der in mehreren Lagen angeordnet ist, wobei die mehreren Lagen jeweils strukturiert sein können, z.B. in Leiterbahnen und/oder Anschlussbereiche. Die mehreren Lagen sind übereinander positioniert und durch den isolierenden Teil 112 getrennt. Beispielhaft weist die in 2 dargestellte Leiterplatte die erste äußere leitende Lage 1181 an der ersten Oberfläche 108 und die zweite äußere leitende Lage 1182 an der zweiten Oberfläche 110 auf. Ebenso weist die Leiterplatte die erste innere leitende Lage 1191 und eine zweite innere leitende Lage 1192 auf. Eine elektrische Verbindung zwischen leitenden Lagen wird durch Vias hergestellt, vgl. z.B. das Via 1161, das die erste äußere Lage 1181 mit der ersten inneren leitenden Lage 1191 in einem zweiten Teil 122 der Leiterplatte 100 elektrisch verbindet. Vias erstrecken sich durch den isolierenden Teil 112.
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Der Halbleiterchip 102 ist zwischen der ersten inneren leitenden Lage 1191 und der zweiten inneren leitenden Lage 1192 in das isolierende Material 112 eingebettet und wird an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterchips 102 elektrisch kontaktiert. Beispielsweise ist ein erster Lastanschluss des Halbleiterchips 102 mit der ersten inneren leitenden Lage 1191 über erste Vias 1161 elektrisch verbunden und ein zweiter Lastanschluss des Halbleiterchips 102 ist mit der zweiten inneren leitenden Lage 1192 über zweite Vias 1162 elektrisch verbunden. Ergänzend oder alternativ zu Vias sind auch gelötete, gesinterte oder auch gebondete elektrische Verbindungen zwischen den leitenden Lagen möglich. Bei dem Halbleiterchip kann es sich beispielsweise um ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement handeln, z.B. einen IGFET, einen IGBT, einen Thyristor, oder eine Diode.
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Das Chip-Kühlgehäuse 200 weist einen Kühlmitteleinlass 202 und einen Kühlmittelauslass 204 auf. Das Chip-Kühlgehäuse 200 ist eingerichtet, um an der Leiterplatte 100 derart befestigt zu werden, dass der erste Teil 121 der Leiterplatte 100 vom Chip-Kühlgehäuse 200 dicht umschlossen ist und ein Kühlraum 206 zwischen dem ersten Teil 121 der Leiterplatte 100 und dem Chip-Kühlgehäuse 200 ausgebildet ist, und der zweite Teil 122 der Leiterplatte 100 aus dem Chip-Kühlgehäuse 200 herausragt. Der Flussverlauf des Kühlmittels zwischen dem Kühlmitteleinlass 202 und dem Kühlmittelauslass 204 ist schematisch mit Pfeilen gekennzeichnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 2 ist das Chip-Kühlgehäuse 200 zweiteilig ausgebildet. Ein erster Teil 206 des Chip-Kühlgehäuses 200 und ein zweiter Teil 207 des Chip-Kühlgehäuses 200 sind durch ein Befestigungselement, z.B. eine Schraube 208 miteinander verbunden. Das Befestigungselement dient ebenso der Fixierung der Leiterplatte 100 am Chip-Kühlgehäuse 200. Ein Abdichtelement 210 des Chip-Kühlgehäuses 200 ist eingerichtet, um einen Spalt zwischen der in den Kühlraum 206 eingebrachten Leiterplatte 100 und dem Chip-Kühlgehäuse 200 abzudichten. Die Leiterplatte 100 kann zudem an einer oder an mehreren weiteren Stellen innerhalb des Kühlraums 206 an dem Chip-Kühlgehäuse 200 fixiert werden, um die Stabilität der Fixierung zu verbessern. In anderen Ausführungsformen kann das Chip-Kühlgehäuse 100 auch einteilig ausgebildet sein. Beispielweise kann das Chip-Kühlgehäuse mit einem Klappmechanismus versehen sein. Auch kann das Chip-Kühlgehäuse 200 aus mehr als zwei Teilen bestehen, die mittels Befestigungsvorrichtungen an der Leiterplatte fixiert werden können. Das Abdichtelement 210 kann sowohl als Teil des Chip-Kühlgehäuses 200 als auch als Teil der Leiterplatte 100 ausgebildet sein, oder auch getrennt hiervon vorliegen.
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Der Halbleiterchip 102 kann beispielsweise über Kontaktbereiche, z.B. den Kontaktbereich 124, auf den ersten und/oder zweiten äußeren leitenden Lagen 1181, 1182 im zweiten Teil 122 der Leiterplatte 100 elektrisch angesteuert werden. Eine Energieversorgung des Halbleiterchips 102, Ein- und Ausgangssignale, Steuersignale, oder auch ein Laststromfluss können somit über den zweiten Teil 122 der Leiterplatte zum Halbleiterchip 102 geführt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel des Chip-Kühlgehäuses 200 in 2 sind der der Kühlmitteleinlass 202 und der Kühlmittelauslass 204 an gegenüberliegenden Seiten des Chip-Kühlgehäuses 200 angeordnet. In der schematischen Querschnittsansicht von 3 sind der Kühlmitteleinlass 202 und der Kühlmittelauslass 204 des Chip-Kühlgehäuses 200 an derselben Seite des Chip-Kühlgehäuses 200 ausgebildet.
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In 4 ist eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Leiterplatte 100 dargestellt. In der Leiterplatte 100 sind mehrere Halbleiterchips 102 eingebettet. Die elektrische Ansteuerung der Halbleiterchips 102 erfolgt über die ersten und zweiten inneren leitenden Lagen 1191, 1192 der Leiterplatte 100. Die ersten und zweiten inneren leitenden Lagen 1191, 1192 der Leiterplatte 100 werden im ersten Teil 121 der Leiterplatte über Vias 1163 mit der ersten äußeren leitenden Lage 1181 elektrisch verbunden und können mit beispielhaft dargestellten Bauteilen 1241 auf der Leiterplatte 100 elektrisch verbunden sein.
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In den schematischen Querschnittsansichten von 5 und 6 sind Ausführungsbeispiele von Leiterplatten 100 und Chip-Kühlgehäusen 200 dargestellt, bei denen eine Barrierestruktur 212 im Kühlraum 206 zwischen der Leiterplatte 100 und dem Chip-Kühlgehäuse 200 ausgebildet ist, um eine Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels zu reduzieren. Die Barrierestruktur 212 kann eine geeignete Form und laterale Ausdehnung aufweisen, um den Kühlmittelfluss zwischen dem Kühlmitteinlass 202 und dem Kühlmittelauslass 204 in einer gewünschten Weise zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Barrierestruktur, wie in 5 gezeigt ist, stabförmig mit rechteckigem Querschnitt, oder auch, wie in 6 gezeigt ist, gewellt ausgebildet sein.
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Andere Ausführungsbeispiele von Leiterplatten unterscheiden sich beispielsweise von den beispielhaft gezeigten Leiterplatten in den 1 bis 6 unter anderem durch eine oder mehrere der Eigenschaften Anzahl der leitenden Lagen, Strukturierung der leitenden Lagen, Anzahl der Vias, Positionierung der Vias, Positionierung des eingebetteten Halbleiterchips, Anzahl der eingebetteten Halbleiterchips, Anzahl der Durchgangsöffnungen, Positionierung der Durchgangsöffnungen, Abmessungen der Leiterplatte, Materialzusammensetzung der Leiterplatte.
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Obwohl spezifische Ausführungsformen hier veranschaulicht und beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen herangezogen werden kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.
