DE102022114918A1 - Immersionskühlgehäuse - Google Patents

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DE102022114918A1
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Seungwon Im
Oseob Jeon
Michael J. Seddon
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Semiconductor Components Industries LLC
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Abstract

Implementierungen eines Halbleitergehäuses können ein oder mehr in ein Substrat eingebettete Halbleiter-Dies; mindestens drei Stiftrippenanschlüsse, die mit dem Substrat gekoppelt sind; mindestens einen Signalanschlussdrahtverbinder und einen mit dem Substrat gekoppelten Aufnahmeabschnitt; und eine Beschichtung einschließen, die direkt mit allen Oberflächen des Substrats gekoppelt ist, die während des Betriebs einem Kühlmittel ausgesetzt sind. Der Aufnahmeabschnitt kann dazu konfiguriert sein, an einer Aufnahme in einer Immersionskühlkammer befestigt zu werden, die Kühlmittel einschließen kann.

Description

  • OUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Dieses Dokument beansprucht den Vorteil des Anmeldedatums der vorläufigen US-Patentanmeldung 63/202.561 mit dem Titel „Immersion Cooling Package“ von Im et al., die am 16. Juni 2021 eingereicht wurde und deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND
  • 1. Technisches Gebiet
  • Gesichtspunkte dieses Dokuments betreffen allgemein Halbleitergehäuse, wie beispielsweise Gehäuse für Halbleitervorrichtungen. Weitere spezifische Implementierungen beinhalten Gehäuse für Leistungshalbleitervorrichtungen.
  • 2. Hintergrund
  • Halbleitergehäuse dienen dazu, elektrische Verbindungen zwischen einem Halbleiter-Die und anderen elektrischen Komponenten in einem System herzustellen. Halbleitergehäuse wurden auch konzipiert, um ein Halbleiter-Die vor physischen Kräften (Aufprall, Wärmebelastung, mechanische Belastung) und vor Umgebungsvariablen wie Feuchtigkeit oder Licht zu schützen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Implementierungen eines Halbleitergehäuses können ein oder mehr in ein Substrat eingebettete Halbleiter-Dies; mindestens drei Stiftrippenanschlüsse, die mit dem Substrat gekoppelt sind; mindestens einen Signalanschlussdrahtverbinder und einen mit dem Substrat gekoppelten Aufnahmeabschnitt; und eine Beschichtung einschließen, die direkt mit allen Oberflächen des Substrats gekoppelt ist, die während des Betriebs einem Kühlmittel ausgesetzt sind. Der Aufnahmeabschnitt kann dazu konfiguriert sein, an einer Aufnahme in einer Immersionskühlkammer befestigt zu werden, die Kühlmittel einschließen kann.
  • Implementierungen von Halbleitergehäusen können eines, alle oder beliebige der folgenden einschließen:
    • Das eine oder die mehreren Halbleiter-Dies können parallel gekoppelt werden, wenn sie in das Substrat eingebettet sind.
  • Das eine oder die mehreren Halbleiter-Dies können gestapelt werden, wenn sie in das Substrat eingebettet sind.
  • Die mindestens drei Stiftrippenanschlüsse können ein P-Anschluss, N-Anschluss und ein Ausgangsanschluss sein.
  • Der N-Anschluss und der P-Anschluss können mit gegenüberliegenden Seiten des Substrats gekoppelt sein.
  • In verschiedenen Implementierungen von Gehäusen kann nur ein Substrat eingeschlossen sein.
  • Die mindestens drei Stiftrippenanschlüsse können sechs Stiftrippenanschlüsse sein und die sechs Stiftrippenanschlüsse können ein P-Anschluss, ein N-Anschluss, ein U-Ausgangsanschluss, ein V-Ausgangsanschluss und ein W-Ausgangsanschluss sein.
  • Das Gehäuse kann ein Traktionsumrichtermodul sein.
  • Implementierungen eines Immersionskühlsystems können eine Immersionskühlkammer einschließen, die ein Kühlmittel einschließt, das mit einem Kühl-Wärmetauscher gekoppelt ist; wobei ein Halbleitergehäuse in das Kühlmittel eingetaucht ist. Das Halbleitergehäuse kann ein oder mehrere Halbleiter-Dies, die in ein Substrat eingebettet sind; mindestens einen Stiftrippenanschluss, der mit dem Substrat gekoppelt ist; mindestens einen Signalanschlussdrahtverbinder; einen mit dem Substrat gekoppelten Aufnahmeabschnitt; und eine Beschichtung einschließen, die direkt mit allen Oberflächen des Substrats gekoppelt ist, die während des Betriebs einem Kühlmittel ausgesetzt sind.
  • Implementierungen eines Immersionskühlsystems können eines, alle oder beliebige der Folgenden einschließen:
    • Der Aufnahmeabschnitt kann dazu konfiguriert sein, an einer mit der Immersionskühlkammer gekoppelten Aufnahme befestigt zu werden.
  • Das eine oder die mehreren Halbleiter-Dies können parallel gekoppelt werden, wenn sie in das Substrat eingebettet sind.
  • Das eine oder die mehreren Halbleiter-Dies können gestapelt werden, wenn sie in das Substrat eingebettet sind.
  • Der mindestens eine Stiftrippenanschluss kann drei Stiftrippenanschlüsse sein und wobei die drei Stiftanschlüsse ein P-Anschluss, N-Anschluss und ein Ausgangsanschluss sein können.
  • Der N-Anschluss und der P-Anschluss können mit gegenüberliegenden Seiten des Substratsystems gekoppelt sein, wobei nur ein Substrat in das Halbleitergehäuse eingeschlossen sein kann.
  • Der/Die mindestens (eine) Stiftrippenanschlüsse können sechs Stiftrippenanschlüsse sein und wobei die sechs Stiftrippenanschlüsse ein P-Anschluss, ein N-Anschluss, ein U-Ausgangsanschluss, ein V-Ausgangsanschluss und ein W-Ausgangsanschluss sein können.
  • Das Halbleitergehäuse kann ein Traktionsumrichtermodul sein.
  • Implementierungen eines Verfahrens zum Bilden eines Halbleitergehäuses können das Einbetten eines oder mehrerer Halbleiter-Dies in ein Substrat; Koppeln mindestens eines Stiftrippenanschlusses direkt mit einer Seite des Substrats unter Verwendung eines Fügeprozesses; Koppeln mindestens eines Signalanschlussdrahtverbinders und eines mit dem Substrat gekoppelten Aufnahmeabschnitts; und Aufbringen einer Beschichtung direkt über alle Oberflächen des Substrats einschließen, die während des Betriebs einem Kühlmittel ausgesetzt sind.
  • Implementierungen eines Verfahrens zum Ausbilden eines Halbleitergehäuses können eines, alle oder jegliche der folgenden einschließen:
    • Das Einbetten des einen oder der mehreren Halbleiter-Dies kann ferner das Stapeln von zwei oder mehr Halbleiter-Dies einschließen.
  • Das Einbetten des einen oder der mehreren Halbleiter-Dies kann ferner das parallele elektrische Koppeln von zwei oder mehr Halbleiter-Dies einschließen.
  • Die vorstehenden und weitere Gesichtspunkte, Merkmale und Vorteile werden für den Fachmann aus der BESCHREIBUNG und den ZEICHNUNGEN sowie aus den ANSPRÜCHEN offensichtlich sein.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden werden Implementierungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleichartige Elemente bezeichnen und Folgendes gilt:
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Implementierung eines Halbleitergehäuses, das in einer Immersionskühlkammer platziert ist;
    • 2 ist eine Querschnittsansicht einer Implementierung eines Halbleitergehäuses, das in einer Immersionskühlkammer platziert ist;
    • 3 ist eine Querschnittsansicht einer Implementierung eines Halbleitergehäuses mit parallel gekoppeltem Halbleiter-Die;
    • 4 ist eine Querschnittsansicht einer Implementierung eines Halbleitergehäuses mit aufeinander gestapelten Halbleiter-Dies;
    • 5 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Implementierung eines Substrats nach dem Einbetten der Halbleiter-Dies darin;
    • 6 ist eine Querschnittsansicht der Substratimplementierung von 5 nach dem Koppeln von drei Stiftrippenanschlüssen unter Verwendung eines Fügeprozesses;
    • 7 ist eine Querschnittsansicht der Gehäuseimplementierung von 7 nach dem Koppeln von Anschlüssen mit den drei Stiftrippenanschlüssen; und
    • 8 ist eine Querschnittsansicht der Gehäusesausführung von 7 nach dem Aufbringen einer Beschichtung auf die freiliegenden Substratoberflächen.
  • BESCHREIBUNG
  • Diese Offenbarung, ihre Gesichtspunkte und Implementierungen sind nicht auf die hier offenbarten speziellen Komponenten, Montageprozeduren oder Verfahrenselemente beschränkt. Viele weitere im Stand der Technik bekannte Komponenten, Montageverfahren und/oder Verfahrenselemente, die mit dem angestrebten Halbleitergehäuse vereinbar sind, gehen aus dieser Offenbarung zur Verwendung mit besonderen Implementierungen hervor. Entsprechend können zum Beispiel, obwohl besondere Implementierungen offenbart sind, diese Implementierungen und implementierenden Komponenten beliebige Formen, Größen, Bauarten, Typen, Modelle, Versionen, Abmessungen, Konzentrationen, Materialien, Mengen, Verfahrenselemente, Verfahrensschritte und/oder dergleichen aus dem Stand der Technik für diese Halbleitergehäuse sowie implementierenden Komponenten und Verfahren umfassen, die mit der angestrebten Wirkungsweise und den angestrebten Verfahren vereinbar sind.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Implementierung eines Halbleitergehäuses 2 veranschaulicht, das innerhalb einer Immersionskühlkammer 4 platziert ist, die darin ein Kühlmittel 6 enthält. Wie veranschaulicht, enthält die Immersionskühlkammer 4 in dieser Implementierung sowohl Flüssigphasenkühlmittel 8 als auch Dampfphasenkühlmittel 10. In anderen Implementierungen kann das Kühlmittel 6 jedoch nur als flüssige Phase in der Immersionskühlkammer 4 vorliegen. Wie hierin verwendet, schließt „Immersionskühlung“ ein, dass mindestens ein Abschnitt des Halbleitergehäuses in eine flüssige Phase des Kühlmittels eingetaucht ist, und schließt somit Situationen ein, in denen ein Einphasen- oder Zweiphasenkühlmittel in einer Immersionskühlkammer eingesetzt wird. In verschiedenen Implementierungen ist die Immersionskühlkammer 4 als Teil eines elektronischen Systems enthalten, wie, als nicht einschränkendes Beispiel, einer Autobatterie, eines Elektromotors, eines Fahrzeugs oder eines beliebigen anderen elektronischen Systems, das ein Halbleiter-Die verwendet. Die Immersionskühlkammer 4 kann selbsttragend und ein geschlossenes System ohne einen Auslass sein, das auf Umgebungs- oder externe Zwangskonvektionskühlung der Außenfläche der Kammer beruht, um Wärme abzuführen, die von dem Kühlmittel 6 (sowohl für Situationen mit Zweiphasen- als auch Einphasen-Kühlmittel) übertragen wird. In anderen Implementierungen kann die Immersionskühlkammer 4 mit einem Kühl-Wärmetauscher gekoppelt sein, der erwärmtes Kühlmittel 6 vom Inneren der Kammer 4 aufnimmt, daraus Wärme entfernt und dann das gekühlte Kühlmittel wieder in die Immersionskühlkammer zurückführt. Wie in 1 veranschaulicht, ist ein Kühl-Wärmetauscher 12 veranschaulicht, der verdampftes Kühlmittel 10 aufnimmt und dann unter Verwendung des Wärmetauschers 14 kondensiert, um flüssiges Kühlmittel 8 zu der Kammer 4 zurückzuführen. In anderen Implementierungen kann der Kühl-Wärmeaustausch unter Umständen jedoch nur flüssiges Kühlmittel von der Immersionskühlkammer aufnehmen und kühlen, selbst wenn zwei Phasen des Kühlmittels in der Kammer vorhanden sind. Mit den in diesem Dokument offenbarten Prinzipien können eine große Vielfalt von Kammertypen und Kühl-Wärmeaustauschtypen aufgebaut werden. In bestimmten Implementierungen kann das verwendete Kühlmittel ein chemisch inertes Kühlmittel sein. In anderen Implementierungen kann das verwendete Kühlmittel ein dielektrisches Fluid sein. In einigen Implementierungen kann das Kühlmittel eines der inerten und dielektrischen Kühlmittel sein, die unter dem Handelsnamen FLUORINERT von 3M, St. Paul, Minnesota, vertrieben wird.
  • Wie in 1 veranschaulicht, ist das veranschaulichte Halbleitergehäuse ein Traktionsumrichter, der dazu ausgelegt ist, Gleichstrom von einer Batterie in Wechselstrom umzuwandeln, der zum Antreiben eines Elektromotors verwendet wird. Die hierin offenbarten Prinzipien können jedoch verwendet werden, um Halbleitergehäuse für viele andere Typen von elektronischen Vorrichtungen zu bilden. In dieser Gehäuseimplementierung sind mindestens sechs Stiftrippenanschlüsse eingeschlossen, die den Anschlüssen des Elektromotors entsprechen: P-Anschluss 16, N-Anschluss 18, U-Anschluss 20, V-Anschluss 22 und W-Anschluss 24. Signalanschlussdrahtverbinder 26 sind ebenfalls in diesem Gehäuse eingeschlossen. Während des Betriebs werden entsprechende elektrische Kabel (nicht zu Zwecken der Veranschaulichung in 1 gezeigt) mit jedem der Anschlüsse und Signalanschlussdrahtverbinder verbunden, um zu ermöglichen, dass das Gehäuse mit einem elektrischen Motor elektrisch verbunden wird. Die Stiftrippenanschlüsse schließen mehrere Rippen (in diesem Fall Stiftrippen) ein, die sich in das Kühlmittel erstrecken und die Oberfläche jedes Anschlusses entsprechend erhöhen, um die Wärmeübertragung von dem Halbleitergehäuse auf das Kühlmittel zu erhöhen. Während die Verwendung von geraden Rippen 28 mit den Stiftrippenanschlüssen in 1 veranschaulicht ist, können verschiedene Implementierungen eine große Vielfalt von Rippen und andere Projektionstypen einschließen, wie, als nicht einschränkendes Beispiel, Stifte, Kegel, kegelstumpfförmige Formen, rechteckige Schutzvorrichtungen, gekrümmte Vorsprünge oder jede andere dreidimensionale Rippen- oder Stiftform.
  • Bezug nehmend auf 2 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Halbleitergehäuses 30 in einer Immersionskühlkammer 32 veranschaulicht. Die Immersionskühlkammer 32 arbeitet in einem Zweiphasenmodus mit Kühlmittel 34 zusammen mit dem Kühl-Wärmetauscher 36, der ähnlich der in 1 veranschaulichten Implementierung funktioniert. Hier ist die interne Struktur des Halbleitergehäuses 30 veranschaulicht, das den N-Stiftrippenanschluss 38, den P-Stiftrippenanschluss 40 und den Ausgangsstiftrippenanschluss 42 zeigt. Jeder der Stiftrippenanschlüsse 38, 40, 42 schließt Anschlussabschnitte 44, 46, 48 ein, die dazu ausgelegt sind, mit einem elektrischen Kabel gekoppelt zu werden, das mit Rippenabschnitten 50, 52, 54 gekoppelt ist. Die Rippenabschnitte 50, 52, 54 sind direkt durch eine Fügestelle/Bondung (die das zugehörige Bonding-Material einschließt) mit dem Substrat 56 gekoppelt. Das Substrat 56 schließt vier Halbleiter-Dies 58, 60, 62, 64 ein, die in das Material des Substrats selbst zusammen mit entsprechenden Leiterbahnen 66, 68 eingebettet sind, die die Dies 58, 60, 62, 64 mit jedem der entsprechenden Rippenabschnitte 50, 52, 54 elektrisch koppeln. Ein zusätzlicher Signalanschlussdrahtverbinder 70 ist an einem Ende des Substrats 56 angrenzend an den Aufnahmeabschnitt 72 gekoppelt, der dazu ausgelegt ist, das Koppeln des gesamten Gehäuses 30 in eine Halterung innerhalb der Immersionskühlkammer 32 zu ermöglichen. Die besonderen Formen der verschiedenen Anschlussabschnitte 44, 46, 48, des Signalanschlussdrahtverbinders 70 und des Aufnahmeabschnitts 72 werden durch den besonderen elektrischen Kabelverbinder bestimmt, der verwendet wird, oder der Aufnahmestruktur, die verwendet wird, um die Kopplung mit dem Aufnahmeabschnitt 72 herzustellen. Eine große Vielfalt von Steckverbindertypen und Aufnahmekopplungsstrukturen kann in verschiedenen Implementierungen verwendet werden und der Durchschnittsfachmann ist leicht in der Lage, den geeigneten Anschluss, den Anschlussdrahtverbinder und die Aufnahmeabschnittstypen und -strukturen unter Verwendung der in diesem Dokument offenbarten Prinzipien auszuwählen.
  • In einem Satz von Implementierungen kann das Material des Substrats 56 ein beliebiges von einer großen Vielfalt von Materialtypen sein, die für Leiterplatten verwendet werden, einschließlich, als nicht einschränkendes Beispiel, FR1, FR2, FR4, FR5, FR6, G-10, G-11, Aluminiumoxid, glasverstärktes Epoxylaminat, Laminate, isolierte Metallsubstrate, Polyimidfolie oder ein anderer Leiterplatten-Materialtyp, in das Halbleiter-Dies eingebettet werden können. In einem anderen Satz von Implementierungen kann das Material des Substrats ein Direct-Bonded-Copper-Substrat (DBC-Substrat) sein. In noch anderen Implementierungen kann das Substrat ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) sein. In noch anderen Implementierungen kann das Substrat ein Keramiksubstrat sein. Da Abschnitte des Substrats 56 auch nach dem Koppeln der Stiftrippenanschlüsse 38, 40, 42 daran freiliegen, wird eine Beschichtung 74 mit der Außenfläche des Substrats 56 gekoppelt. Die Beschichtung 74 kann eine große Anzahl von Effekten bereitstellen, wie, als nicht einschränkendes Beispiel, Korrosionsschutz; Ionengettern zur Verlängerung der Lebensdauer; physischen Schutz während der Montage; mechanischen Schutz vor Kühlmittelfluss über die Oberfläche; Partikel-/Flockenschutz von Partikeln aus der Kammer, dem Gehäuse und/oder Montagedebris; und andere positive Auswirkungen, die sich aus dem Schutz des Materials des Substrats 56 vor dem Kühlmittel 34 ergeben.
  • Während die Beschichtung 74 in 2 veranschaulicht ist, wie sie auf alle freiliegenden Oberflächen des Substrats 56 aufgebracht wird, können in anderen Implementierungen eine, alle oder eine beliebige Anzahl der Oberflächen/Seiten des Substrats 56 beschichtet sein. Die Verwendung der Beschichtung 74 kann auch den Schutz der auf dem/an dem Substrat 56 gebildeten Drahtbonds ermöglichen, da die Beschichtung die Drahtbonds vollständig bedecken kann und diese mechanisch und physisch vor dem Kühlmittelfluss und Partikeln schützen kann. Die Verwendung der Beschichtung kann auch bei der Reparatur aller Komponenten des Gehäuses während der Montage helfen, da Komponenten vor der vollständigen Montage einzeln getestet werden können. Während in 2 eine einzige Schicht aus Beschichtungsmaterial veranschaulicht ist, können mehrere Schichten von Beschichtungsmaterial(en) in verschiedenen Implementierungen aufgebracht werden, die jeweils aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Die Beschichtung 74 kann aus einer großen Vielfalt von Materialien gebildet sein, einschließlich, als nicht einschränkendes Beispiel, Epoxiden, Novolakharzen, Polymerfilmen, Aluminiumoxid, Titannitrid, Formmasse, einer beliebigen Kombination davon oder einem beliebigen anderen Material, das in der Lage ist, auf das Substrat aufgebracht zu werden und gegen das Kühlmittel beständig ist. In bestimmten Implementierungen kann die Fähigkeit, Aluminiumoxid und/oder Titannitrid als Beschichtung zu verwenden, zu einer dünnen Folie führen, die einen angemessenen Schutz in der Umgebung der Immersionskühlkammer bereitstellt, während eine zusätzliche Wärmeübertragung von dem Substrat selbst erleichtert wird. Wenn zum Beispiel der Film aus Aluminiumoxid und/oder Titannitrid gebildet ist, kann die Filmdicke, als nicht einschränkendes Beispiel, weniger als etwa 5 Mikrometer, zwischen etwa 1 Mikrometer und etwa 5 Mikrometer, zwischen etwa 1,5 Mikrometer und etwa drei Mikrometer betragen.
  • Eine große Vielfalt von Konfigurationen und Typen von Halbleiter-Dies und Leiterbahnen können in verschiedenen Substratimplementierungen verwendet werden. Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Halbleitergehäuse 76 veranschaulicht, das ein Substrat 78, das ein erstes Paar von bipolaren Transistoren mit integriertem Gate (IGBT) 80 enthält, und eine Diode 82 einschließt, die elektrisch parallel zu einem zweiten Paar eines IGBT 84 und der Diode 86 durch Leiterbahnen 88 mit dem Ausgangsanschluss 90 gekoppelt ist. Hier sind der Emitter und die Anode des ersten IGBT-/Diodenpaares 80, 82 durch die zentrale Leiterbahn der Leiterbahnen 88 mit dem Kollektor und der Kathode des zweiten IGBT-/Diodenpaares 84, 86 gekoppelt. Die Fähigkeit, das Die elektrisch parallel zu koppeln, ermöglicht es, dass das Gehäuse kompakter gemacht wird und das erste IGBT-/Diodenpaar 80, 82 zwischen zwei Kühlkörpern in Form von Stiftrippenanschlüssen 92, 94 angeordnet ist. Dies kann eine erhöhte Wärmeübertragung für das erste IGBT-/Diodenpaar 80, 82 im Vergleich zu der Wärmeübertragung von dem zweiten IGBT-/Diodenpaar 84, 86 ermöglichen. Diese Konfiguration kann wünschenswert sein, wenn eine erhöhte Wärmeübertragung für ein oder mehrere der Halbleiter-Dies relativ zu einem anderen Die in dem Substrat erforderlich ist und/oder wobei ein bestimmter Formfaktor für das Halbleitergehäuse gewünscht wird.
  • 4 veranschaulicht eine Implementierung einer Halbleitervorrichtung 96, bei der ein erstes IGBT-/Diodenpaar 98, 100 in einer gestapelten Konfiguration über einem zweiten IGBT-/Diodenpaar 102, 104 gekoppelt ist. Elektrisch sind der Kollektor und die Kathode des ersten IGBT-/Diodenpaares 98, 100 über die zentrale Leiterbahn 106 mit dem Emitter und der Anode des zweiten IGBT-/Diodenpaares 102, 104 gekoppelt. In dieser Konfiguration sind das erste IGBT-/Diodenpaar 98, 100 und das zweite IGBT-/Diodenpaar 102, 104 elektrisch in Reihe gekoppelt. Hier platziert dieses Design alle der in das Substrat 108 eingebetteten Halbleiter-Dies zwischen den beiden Stiftrippenanschlüssen 110, 112, wodurch sichergestellt ist, dass die jeweils verfügbare Kühlwirkung im Wesentlichen äquivalent ist, einschließlich der Kühlwirkung der zentralen Leiterbahn 106, die als Wärmeleitung zum Ausgangsstiftrippenanschluss 114 fungieren kann.
  • Sowohl bei der in 3 als auch in 4 veranschaulichten Implementierung wird eine Beschichtung 116, 118 über die freiliegenden Abschnitte der Substrate 78, 108 aufgebracht. Diese Beschichtungen 116, 118 können jedes in diesem Dokument offenbarte Beschichtungsmaterial sein. Eine große Vielfalt von eingebetteten Die-Konfigurationen kann in Kombination mit der Struktur der Stiftrippenanschlüsse unter Verwendung der in diesem Dokument offenbarten Prinzipien konstruiert werden. Es kann ebenfalls einer von einer großen Vielfalt von Halbleiter-Dies verwendet werden, einschließlich, als nicht einschränkendes Beispiel, Leistungshalbleiter-Dies, Prozessoren, Speicher, IGBTs, Dioden, Gleichrichter, Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Galliumarsenidvorrichtungen, Hoch-Elektronen-Mobilitäts-Transistoren (HEMTs), passive Komponenten (Kondensatoren, Widerstände, Induktoren usw.) oder eine beliebige andere Halbleitervorrichtung oder -komponente. Dieser Prozess des Einbettens der Dies und des Bildens der Leiterbahnen funktioniert auch, um die verschiedenen Dies parallel zu koppeln oder die Dies übereinander zu stapeln. In verschiedenen Verfahrensimplementierungen kann ein Die eingebettet sein, oder es kann mehr als ein Die eingebettet sein.
  • Verschiedene Verfahren zum Bilden von Halbleitergehäusen wie diejenigen, die in diesem Dokument offenbart sind, beinhalten Prozesse des Bildens von Substraten und des Befestigens von Komponenten daran. Unter Bezugnahme auf 5 wird eine Querschnittsansicht einer Substrat-120-Implementierung nach dem Prozess des Einbettens von vier Halbleiter-Dies 122 darin und des Bildens von Leiterbahnen 124 zum Verbinden der Dies 122 miteinander veranschaulicht. Der Prozess zum Einbetten der Dies und des Bildens der Leiterbahnen kann, als nicht einschränkendes Beispiel, beliebige der folgenden Schritte beinhalten: Laminieren der Dies in eine oder mehrere Schichten von Leiterplattenmaterial, Laminieren der Leiterbahnen, das Strukturieren und Ätzen der Leiterbahnen, Formen der Dies mit dem Leiterplattenmaterial, oder jeden anderen Verarbeitungsschritt zum Einbetten der Dies und verwandten Komponenten und/oder Bilden der Leiterbahnen im Material der Leiterplatte. Die Fähigkeit, das Die in das Material des Substrats 120 einzubetten, ermöglicht die Verwendung des Halbleitergehäuses in einer Immersionskühlkammer, da die Dies nicht separat dem Kühlmittel ausgesetzt sind, sondern durch das Material des Substrats geschützt ist. Diese Technik kann sicherstellen, dass das Gehäuse einen gewünschten Grad an Zuverlässigkeit und/oder Langlebigkeit in der Immersionskühlkammer aufweist.
  • Bezug nehmend auf 6 ist das Substrat 120 von 5 nach der Kopplung von drei Rippenabschnitten 126, 128, 130 mit gegenüberliegenden Seiten des Substrats 120 veranschaulicht. Die Rippenabschnitte sind Stiftrippen, wie sie in diesem Dokument offenbart sind, aber die Rippenabschnitte können jeder andere Typ sein, der in diesem Dokument offenbart ist. Der Prozess des Koppelns der Rippenabschnitte kann eine große Vielfalt von Techniken beinhalten, einschließlich, als nicht einschränkendes Beispiel, Löten, Bonden, Hartlöten, Kleben, Thermokompressionsbonden, Fügen unter Verwendung eines Lötmittels, Fügen unter Verwendung eines Befestigungsfilms, Fügen unter Verwendung eines Klebstoffs oder eines anderen Verfahrens zum Koppeln von zwei Materialien miteinander, um die Wärmeübertragung/den Stromdurchgang zu erleichtern. Wie in 6 sichtbar, stellen die drei Rippenabschnitte 126, 128, 130 einen elektrischen Kontakt mit den Leiterbahnen 124 her. Auf diese Weise können die Rippenabschnitte eine Doppelfunktion als elektrische Anschlüsse sowie als Wärmeübertragungsvorrichtungen ausüben. Die Verwendung einer Immersionskühlkammer mit einem dielektrischen Kühlmittel gewährleistet, dass während des Betriebs diese elektrisch erregten Rippenabschnitte nicht die Fähigkeit haben, Kurzschlüsse auszulösen oder anderweitig Elektrizität zu unerwünschten Strukturen/Personen zu leiten. Die Materialien, die für die drei Rippenabschnitte verwendet werden, können eines von einer großen Vielfalt von thermisch leitfähigen Materialien sein, einschließlich, als nicht einschränkendes Beispiel, Metalle, Metalllegierungen, Aluminiumoxid, Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder jedes andere wärmeleitfähige Material.
  • 6 veranschaulicht auch die Kopplung des Signalanschlussdrahtverbinders 138 in das Material des Substrats 120, wodurch die Leiterbahnverbindungen (nicht in der Querschnittsansicht von 6 veranschaulicht) mit dem Signalanschlussdrahtverbinder 138 mechanisch und elektrisch gekoppelt werden. Mehrere Signalanschlussdrahtverbinder können in verschiedenen Implementierungen mit dem Substrat 120 gekoppelt sein, in Abhängigkeit von der Anzahl von Leiterbahnverbindungen, die in dem Substrat enthalten sind. Außerdem ist der Aufnahmeabschnitt 140 als mit dem/um das/in das Ende 142 des Substrats 120 gekoppelt veranschaulicht. Die bestimmten Signalanschlussdrahtverbinder und Aufnahmeabschnitte, die an diesem Punkt mit dem Substrat gekoppelt sind, können beliebige der in diesem Dokument offenbarten sein, je nach dem Typ des elektrischen Verbinders für die elektrischen Kabel und dem Aufnahmetyp, die verwendet werden, um das Gehäuse in der Immersionskühlkammer zu unterstützen.
  • Unter Bezugnahme auf 7 ist das Substrat 120 von 6 nach der Kopplung der Anschlüsse 132, 134, 136 in die drei Rippenabschnitte 126, 128, 130 veranschaulicht. Die Kopplung kann unter Verwendung einer großen Vielfalt von Verfahren erfolgen, einschließlich, als nicht einschränkendes Beispiel, durch Löten, Schrauben, Bonden, Kleben, Klemmen, Nieten oder jedes andere Verfahren zum Koppeln zweier Metallstücke miteinander. In der in 7 veranschaulichten Implementierung ist der Anschluss 132 ein N-Anschluss, der Anschluss 134 ist ein P-Anschluss, und der Anschluss 130 ist ein Ausgangsanschluss. Die besondere Form und der Typ jedes der Anschlüsse 132, 134, 136 sind abhängig von der Art des elektrischen Kabels, das verwendet wird, um die Verbindung mit jedem Anschluss herzustellen, der ein beliebiger sein kann, der in diesem Dokument offenbart ist.
  • Unter Bezugnahme auf 8 ist eine Ansicht des fertiggestellten Gehäuses 144 nach der Aufbringung der Beschichtung 146 über die freiliegenden Abschnitte des Substrats 120 veranschaulicht. Das für die Beschichtung 146 verwendete Material kann ein beliebiges sein, das in diesem Dokument offenbart ist. In bestimmten Verfahrensimplementierungen, bei denen die Beschichtung zwei oder mehr Schichten aufweist, können mehrere Anwendungsschritte nacheinander durchgeführt werden (zusammen mit einer entsprechenden Anzahl von Härtungs-/Trocknungsschritten). Zum Beispiel kann ein gelartiges Material in einem ersten Beschichtungsprozess aufgebracht werden, gefolgt von der Anwendung einer Formmasse durch einen Formprozess, um ein zweilagiges Beschichtungsmaterial zu bilden. In einigen Implementierungen kann der Aufbringungsprozess für die Beschichtung ein Druckprozess sein. In anderen Implementierungen kann der Aufbringungsprozess ein Formprozess sein. In anderen Implementierungen kann die Beschichtung unter Verwendung von, als nicht einschränkendes Beispiel, Sprühen, Tauchen, Dispensieren, chemischer Dampfabscheidung, Sputtern, physischer Dampfphasenabscheidung, Filmauftrag oder einem anderen Verfahren zum Bilden einer Materialschicht über einem Substrat aufgebracht werden.
  • In verschiedenen Halbleitergehäuse-Implementierungen, während die hierin veranschaulichten Stiftrippen als in dem Kühlmittel suspendiert veranschaulicht sind, können einer oder mehrere der Stiftrippenanschlüsse die Wand/Wände der Immersionskühlkammer berühren. In einigen können die Stiftrippenanschlüsse direkt mit den/über die Wände(n) durch Schrauben/Boden gekoppelt werden; in anderen können der/die Stiftrippenanschluss/-anschlüsse lediglich in physischem Kontakt mit der Wand/den Wänden der Immersionskühlkammer stehen. In derartigen Implementierungen, bei denen eine ausreichende mechanische Stütze durch/gegen die Wände der Immersionskühlkammer unter Verwendung der Stiftrippen verfügbar ist, kann unter Umständen keine Aufnahmevorrichtung verwendet werden, um das darin befindliche Halbleitergehäuse weiter zu sichern. In derartigen Implementierungen kann kein Aufnahmeabschnitt mit dem Substrat enthalten/gekoppelt sein. Außerdem ist in derartigen Implementierungen eine zusätzliche leitfähige Wärmeübertragung an die Wand/Wände der Immersionskühlkammer möglich. Eine große Vielfalt von Konfigurationen von Stiftrippenanschlüssen für verschiedene Halbleitergehäuse-Implementierungen, die Kontakt/Bonden mit der Wand/den Wänden der Immersionskühlkammer beinhalten, können unter Verwendung der in diesem Dokument offenbarten Prinzipien entwickelt werden.
  • Implementierungen eines Halbleitergehäuses können einschließen, dass die mindestens drei Stiftrippenanschlüsse ein P-Anschluss, N-Anschluss und ein Ausgangsanschluss sind.
  • Implementierungen eines Halbleitergehäuses können einschließen, dass nur ein Substrat enthalten ist.
  • Implementierungen eines Halbleitergehäuses können einschließen, dass die mindestens drei Stiftrippenanschlüsse sechs Stiftrippenanschlüsse sind und die sechs Stiftanschlüsse ein P-Anschluss, ein N-Anschluss, ein U-Ausgangsanschluss, ein V-Ausgangsanschluss und ein W-Ausgangsanschluss sind.
  • Implementierungen eines Halbleitergehäuses können einschließen, dass das Gehäuse ein Traktionsumrichtermodul ist.
  • Implementierungen eines Halbleitergehäuses können einschließen, dass der N-Anschluss und der P-Anschluss mit gegenüberliegenden Seiten des Substrats gekoppelt sind.
  • Es versteht sich ohne Weiteres, dass dort, wo sich die vorstehende Beschreibung auf besondere Implementierungen von Halbleitergehäusen und implementierenden Komponenten, Teilkomponenten, Verfahren und Teilverfahren bezieht, eine Reihe von Abwandlungen vorgenommen werden kann, ohne von ihrem Wesen abzuweichen, und dass diese Implementierungen, implementierenden Komponenten, Teilkomponenten, Verfahren und Teilverfahren auch auf andere Halbleitergehäusetypen angewendet werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63202561 [0001]

Claims (10)

  1. Halbleitergehäuse, umfassend: ein oder mehrere Halbleiter-Dies, die in ein Substrat eingebettet sind; mindestens drei Stiftrippenanschlüsse, die mit dem Substrat gekoppelt sind; mindestens einen Signalanschlussdrahtverbinder und einen mit dem Substrat gekoppelten Aufnahmeabschnitt; und eine Beschichtung, die direkt mit allen Oberflächen des Substrats gekoppelt ist, die während des Betriebs einem Kühlmittel ausgesetzt sind; wobei der Aufnahmeabschnitt dazu konfiguriert ist, an einer Aufnahme in einer Immersionskühlkammer befestigt zu werden, die das Kühlmittel umfasst.
  2. Gehäuse nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Halbleiter-Dies entweder parallel gekoppelt sind, wenn sie in das Substrat eingebettet sind, oder gestapelt sind, wenn sie in das Substrat eingebettet sind.
  3. Gehäuse nach Anspruch 1, wobei zwei der mindestens drei Stiftrippenanschlüsse mit gegenüberliegenden Seiten des Substrats gekoppelt sind.
  4. Immersionskühlsystem, umfassend: eine Immersionskühlkammer, die ein Kühlmittel umfasst, das mit einem Kühl-Wärmetauscher gekoppelt ist; ein Halbleitergehäuse, das in das Kühlmittel eingetaucht ist, wobei das Halbleitergehäuse Folgendes umfasst: ein oder mehrere Halbleiter-Dies, die in ein Substrat eingebettet sind; mindestens einen Stiftrippenanschluss, der mit dem Substrat gekoppelt ist; mindestens einen Signalanschlussdrahtverbinder und einen mit dem Substrat gekoppelten Aufnahmeabschnitt; und eine Beschichtung, die direkt mit allen Oberflächen des Substrats gekoppelt ist, die während des Betriebs einem Kühlmittel ausgesetzt sind;
  5. System nach Anspruch 4, wobei der Aufnahmeabschnitt dazu konfiguriert ist, an einer mit der Immersionskühlkammer gekoppelten Aufnahme befestigt zu werden.
  6. System nach Anspruch 4, wobei das eine oder die mehreren Halbleiter-Dies parallel gekoppelt sind, wenn sie in das Substrat eingebettet sind.
  7. System nach Anspruch 4, wobei das eine oder die mehreren Halbleiter-Dies gestapelt sind, wenn sie in das Substrat eingebettet sind.
  8. Verfahren zum Ausbilden eines Halbleitergehäuses, umfassend: Einbetten eines oder mehrerer Halbleiter-Dies in ein Substrat; Koppeln mindestens eines Stiftrippenanschlusses direkt mit einer Seite des Substrats unter Verwendung eines Fügeprozesses; Koppeln mindestens eines Signalanschlussdrahtverbinders und eines mit dem Substrat gekoppelten Aufnahmeabschnitts; und Aufbringen einer Beschichtung direkt über alle Oberflächen des Substrats, die während des Betriebs einem Kühlmittel ausgesetzt sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Einbetten des einen oder der mehreren Halbleiter-Dies ferner das Stapeln von zwei oder mehr Halbleiter-Dies umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Einbetten des einen oder der mehreren Halbleiter-Dies ferner das parallele elektrische Koppeln von zwei oder mehr Halbleiter-Dies umfasst.
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US17/664,482 US20220406683A1 (en) 2021-06-16 2022-05-23 Immersion cooling package

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