DE102022133534A1 - Halbleitergehäuse einschließlich Wärmestrahlungsstruktur, Kühlsystem unter Anwendung des Halbleitergehäuses, Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, und Verfahren zur Herstellung des Substrats - Google Patents

Halbleitergehäuse einschließlich Wärmestrahlungsstruktur, Kühlsystem unter Anwendung des Halbleitergehäuses, Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, und Verfahren zur Herstellung des Substrats Download PDF

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JMJ Korea Co Ltd
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Abstract

Bereitgestellt wird ein Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur, ein Kühlsystem unter Anwendung des Halbleitergehäuses, ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung des Substrats und insbesondere ein Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur, ein Kühlsystem unter Anwendung des Halbleitergehäuses, ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung des Substrats, wobei die Fläche, die mit einem Kühlmittel in Kontakt kommt, durch Wärmestrahlungsstifte mit unterschiedlichen Formen und Strukturen vergrößert ist und durch Stiftlöcher ein Kühlmittel-Strömungsweg gebildet wird, so dass von Halbleiterchips erzeugte Wärme effizient abgeleitet werden kann.

Description

  • OUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 21. Februar 2022 beim koreanischen Amt für Geistiges Eigentum eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2022-0022350 , auf deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur, ein Kühlsystem unter Anwendung des Halbleitergehäuses, ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung des Substrats und insbesondere auf ein Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur, ein Kühlsystem unter Anwendung des Halbleitergehäuses, ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung des Substrats, wobei die Fläche, die mit einem Kühlmittel in Kontakt kommt, durch Wärmestrahlungsstifte mit unterschiedlichen Formen und Strukturen vergrößert ist und durch Stiftlöcher ein Kühlmittel-Strömungsweg gebildet wird, so dass von Halbleiterchips erzeugte Wärme effizient abgeleitet werden kann.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Wie in der Technik wohlbekannt ist, erzeugen elektrische und elektronische Komponenten, insbesondere Halbleiterkomponenten, überschüssige Wärme, während sie betrieben werden, und somit wird eine Wärmesenke oder ein Kühlsystem benötigt, um ein Überhitzen zu verhindern und dadurch ihre Leistungsfähigkeit zu erhalten.
  • Insbesondere auf ein Anwendungsgebiet mit hohen Stromstärken angewendete Halbleiterkomponenten können eine Überhitzung effizient verhindern, indem sie ein Kühlsystem verwenden, in dem ein Kühlmittel zirkuliert.
  • Das Kühlsystem umfasst Stifte, die darin eingesteckt sind, um mit einem zirkulierenden Kühlmittel in Kontakt zu kommen, und leitet von den Halbleiterkomponenten auf die Stifte übertragene Wärme ab. Im Allgemeinen sind die Stifte einstückig mit einem oberen Substrat und/oder einem unteren Substrat ausgebildet und sind durch ein Fertigungsverfahren oder ein Gießproduktionsverfahren in das Kühlsystem eingearbeitet und weisen somit meistens eine lineare Struktur auf.
  • Das heißt, die Stifte mit einer einfachen linearen Struktur haben immer noch Einschränkungen bezüglich der Maximierung der Wärmeleitungswirkung oder der Wärmestrahlungswirkung. Dementsprechend werden Wärmestrahlungsstifte mit unterschiedlichen Formen und Strukturen benötigt, um die Fläche, die mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt, zu vergrößern und dadurch die Wärmeleitungswirkung und Wärmestrahlungswirkung mit Hilfe eines Verfahrens der direkten Kühlung durch ein Kühlmittel zu verbessern.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt Folgendes bereit: ein Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur, ein Kühlsystem unter Anwendung des Halbleitergehäuses, ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung des Substrats, wobei die Fläche, die mit einem Kühlmittel in Kontakt kommt, durch Wärmestrahlungsstifte mit unterschiedlichen Formen und Strukturen vergrößert ist und durch Stiftlöcher ein Kühlmittel-Strömungsweg gebildet wird, so dass von Halbleiterchips erzeugte Wärme effizient abgeleitet werden kann.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: ein Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur, umfassend wenigstens ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsmetallschicht, mit der Wärmestrahlungsstifte strukturell verbunden werden, und wenigstens eine Isolationsschicht umfasst; wenigstens einen Halbleiterchip, der eine untere Fläche, die mit dem Substrat verbunden ist, und eine obere Fläche, die über eine elektrische Signalleitung an einen Anschlussdraht elektrisch angeschlossen ist, umfasst; und ein geformtes Gehäuse, das die Halbleiterchips, einen Teil des Anschlussdrahts und einen Teil des Substrats oder das ganze Substrat bedeckt, wobei die Wärmestrahlungsstifte so ausgebildet sind, dass sie gegenüber der oberen Fläche, der unteren Fläche oder sowohl der oberen als auch der unteren Fläche des geformten Gehäuses exponiert sind, der Flächeninhalt der Isolationsschicht größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht, sich die Isolationsschicht in dem geformten Gehäuse vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht aus um eine vorbestimmte verlängerte Strecke nach außen erstreckt, der Abstand von der Unterseite der Isolationsschicht zur Unterseite des geformten Gehäuses, wo die Wärmestrahlungsstifte exponiert sind, 40 µm bis 4 mm beträgt, sich wenigstens ein Stiftloch zwischen den Wärmestrahlungsstiften, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel eines Kühlsystems, das verwendet wird, um durch die Halbleiterchips entstandene Wärme abzuführen, auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert.
  • Das wenigstens eine Substrat kann die wenigstens eine Wärmestrahlungsmetallschicht, die auf die Wärmestrahlungsmetallschicht gestapelte Isolationsschicht und eine Metallstrukturschicht, die die darauf installierten Halbleiterchips umfasst und auf die Isolationsschicht gestapelt ist, umfassen.
  • Eine Metallkleberschicht mit einer Dicke, die geringer ist als die Dicke der Metallstrukturschicht oder der Wärmestrahlungsmetallschicht, kann sich zwischen der Isolationsschicht und der Metallstrukturschicht oder zwischen der Isolationsschicht und der Wärmestrahlungsmetallschicht befinden.
  • Die Wärmestrahlungsstifte können dadurch gebildet werden, dass man das Substrat mit Hilfe einer Siebmaske oder einer Schablonenmaske maskiert, Metallpaste oder Nichtmetallpaste auf die Wärmestrahlungsmetallschicht druckt und dann aushärtet.
  • Bei den Wärmestrahlungsstiften kann es sich um ein Lötmetall handeln, das Sn-Bestandteil enthält, sie können aus einem einzigen Material einschließlich Al, Cu oder Keramik bestehen oder können aus einem Verbundstoff bestehen, der 50% oder mehr von Sn, Al, Cu und Keramik enthält.
  • Die Wärmestrahlungsmetallschicht und die Wärmestrahlungsstifte können eine Klebeschicht umfassen, die sich dazwischen befindet, damit beide aneinandergefügt werden können.
  • Die Klebeschicht kann aus einem einzelnen Material einschließlich Ag, Au, Cu, Ti, Ni, Pd oder Keramik oder einem Verbundstoff, der 50% oder mehr von einem von Ag, Au, Cu, Ti, Ni, Pd und Keramik enthält, bestehen.
  • Die Wärmestrahlungsstifte können wenigstens eine Wellenformstruktur aufweisen, wobei der Kamm der Welle an die untere Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht gefügt ist und jeweils zwischen benachbarten Kämmen zwischen der Wärmestrahlungsmetallschicht und der Wellenformstruktur wenigstens ein Stiftloch gebildet sein kann.
  • Die Wellenformstruktur kann unter Verwendung von Ultraschallschweißen an die Wärmestrahlungsmetallschicht gebunden sein.
  • Der wenigstens eine Wärmestrahlungsstift kann wenigstens einen Stiftverbindungsrahmen umfassen, der strukturell an eine seiner Flächen angefügt ist, so dass ein Stiftverbindungsteil entsteht.
  • Die Wärmestrahlungsstifte können Klebeschichten auf ihren oberen Flächen, unteren Flächen oder sowohl oberen als auch unteren Flächen umfassen.
  • Der Stiftverbindungsrahmen kann auf seiner oberen Fläche eine Klebeschicht umfassen.
  • Die Wärmestrahlungsmetallschicht kann wenigstens einen geschichteten Stiftverbindungsteil umfassen, der auf ihrer unteren Fläche gestapelt ist.
  • Der Abstand zwischen der Wärmestrahlungsmetallschicht und den Wärmestrahlungsstiften kann 10 µm bis 3 mm betragen.
  • Ein erster Abstand vom unteren Endteil der Isolationsschicht zum oberen Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht kann kürzer sein als ein zweiter Abstand vom unteren Endteil der Isolationsschicht zum unteren Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht.
  • Die Lücke zwischen dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand kann 1 µm bis 200 µm betragen.
  • Das geformte Gehäuse kann aus einem Verbundstoff bestehen, der eine Epoxidkomponente enthält.
  • Der Halbleiterchip kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET), ein IGBT (insulated gate bipolar transistor) oder eine Halbleitervorrichtung zur Stromumwandlung, die Galliumnitrid (GaN), Siliciumcarbid (SiC) oder Gallium (Ga) umfasst, sein.
  • Der Stiftverbindungsrahmen kann in das Kühlsystem eingesteckt sein.
  • Die elektrische Signalleitung kann ein Draht, eine Metallklammer oder ein Metallabstandshalter sein.
  • Die Wärmestrahlungsmetallschicht kann aus einem einzelnen Material einschließlich Au, Cu, Al oder Ni, einem Legierungsmaterial, das 50% oder mehr von einem aus Au, Cu, Al und Ni enthält, oder einem Metallmaterial mit einer mehrschichtigen Struktur, die das einzelne Material oder das Legierungsmaterial umfasst, bestehen.
  • Die Wärmestrahlungsmetallschicht und die Wärmestrahlungsstifte können aus demselben Material bestehen.
  • Der verlängerte Abstand kann 5 µm bis 3 mm betragen.
  • Die Isolationsschicht kann aus einem einzelnen Material einschließlich Al2O3, AlN, Si3N4 oder PI oder einem Verbundstoff, der eines aus Al2O3, AIN, Si3N4 und PI enthält, bestehen.
  • Die Wärmestrahlungsstifte können nach einem Formverfahren für das geformte Gehäuse an das Substrat angefügt werden.
  • Bei dem Kühlmittel kann es sich um Kühlwasser, eine Kühlflüssigkeit, die Kühlwasser enthält, Luft oder Stickstoff handeln, oder es kann eines aus Kühlwasser, einer Kühlflüssigkeit, die Kühlwasser enthält, Luft und Stickstoff umfassen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlsystem bereitgestellt, an das das oben beschriebene Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur angefügt ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Substrat bereitgestellt, das eine Wärmestrahlungsstruktur aufweist, umfassend:
    • eine Wärmestrahlungsmetallschicht, mit der Wärmestrahlungsstifte strukturell verbunden werden; und die wenigstens eine Isolationsschicht, die auf die Wärmestrahlungsmetallschicht gestapelt ist, wobei der Flächeninhalt der Isolationsschicht größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht, sich die Isolationsschicht vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht aus um eine vorbestimmte verlängerte Strecke nach außen erstreckt, sich wenigstens ein Stiftloch zwischen den Wärmestrahlungsstiften, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel eines Kühlsystems auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer Wärmestrahlungsstruktur angegeben, umfassend: Herstellen wenigstens einer Isolationsschicht; Bilden einer Wärmestrahlungsmetallschicht auf einer Fläche der Isolationsschicht; und strukturelles Anfügen der Wärmestrahlungsstifte an die Wärmestrahlungsmetallschicht, wobei der Flächeninhalt der Isolationsschicht größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht, sich die Isolationsschicht vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht aus um eine vorbestimmte verlängerte Strecke nach außen erstreckt, sich wenigstens ein Stiftloch zwischen den Wärmestrahlungsstiften, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel eines Kühlsystems auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher, indem man exemplarische Ausführungsformen davon im Einzelnen beschreibt, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird; dabei:
    • ist 1 eine Querschnittsansicht eines Halbleitergehäuses einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • zeigen die 2 bis 4 verschiedene Montagestrukturen von Wärmeleitungsstiften in dem Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur von 1;
    • zeigt 5 verschiedene Strukturen des Halbleitergehäuses einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur von 1;
    • zeigt 6 eine Kühlstruktur zwischen dem Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlung von 1 und einem Kühlsystem; und
    • ist 7 ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung ausführlicher anhand der Begleitzeichnungen beschrieben.
  • Ein Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Wärmestrahlungsmetallschicht 121, an die Wärmestrahlungsstifte 111 strukturell angefügt sind, wenigstens ein Substrat 120 einschließlich wenigstens einer Isolationsschicht 122, wenigstens einen Halbleiterchip 130, der eine untere Fläche, die mit dem Substrat 120 verbunden ist, und eine obere Fläche, die über eine elektrische Signalleitung an einen Anschlussdraht 132 elektrisch angeschlossen ist, umfasst, und ein geformtes Gehäuse 140, das die Halbleiterchips 130, einen Teil des Anschlussdrahts 132 und einen Teil des Substrats 120 oder das ganze Substrat bedeckt, wobei die Wärmestrahlungsstifte 111 so ausgebildet sind, dass sie gegenüber der oberen Fläche, der unteren Fläche oder sowohl der oberen als auch der unteren Fläche des geformten Gehäuses 140 exponiert sind, der Flächeninhalt der Isolationsschicht 122 größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht 121, sich die Isolationsschicht 122 in dem geformten Gehäuse 140 vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 aus um eine vorbestimmte verlängerte Strecke D1 nach außen erstreckt, der Abstand D2 von der Unterseite der Isolationsschicht 122 zur Unterseite des geformten Gehäuses 140, wo die Wärmestrahlungsstifte 111 exponiert sind, 40 µm bis 4 mm beträgt, sich zwischen den Wärmestrahlungsstiften 111, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, wenigstens ein Stiftloch 112 befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel eines Kühlsystems 150, das verwendet wird, um durch die Halbleiterchips 130 entstandene Wärme abzuführen, auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert. Dementsprechend ist die Fläche, die mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt, durch die Wärmestrahlungsstifte 111, die unterschiedliche Formen und Strukturen aufweisen, vergrößert, und dadurch kann Wärme, die durch die Halbleiterchips 130 erzeugt wird, effizient abgeführt werden.
  • Im Folgenden wird das Halbleitergehäuse einschließlich der Wärmestrahlungsstruktur ausführlicher anhand der Begleitzeichnungen beschrieben.
  • Erstens sind die Wärmestrahlungsstifte 111 strukturell an die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 angefügt, und dadurch wird Wärme von den Halbleiterchips 130 nach außerhalb des Substrats 120 übertragen.
  • Die Wärmestrahlungsstifte 111 können nach einem Formverfahren für das geformte Gehäuse 140 an das Substrat 120 angefügt werden.
  • Dann umfasst das wenigstens eine Substrat 120 die wenigstens eine Isolationsschicht 122.
  • Dabei kann das Substrat 120 wenigstens eine Wärmestrahlungsmetallschicht 121, die auf die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 gestapelte Isolationsschicht 122 und eine auf die Isolationsschicht 122 gestapelte Metallstrukturschicht 123 umfassen, wobei die Metallstrukturschicht 123 die darauf installierten Halbleiterchips 130 umfasst.
  • Eine Metallkleberschicht (nicht gezeigt) mit einer Dicke von unterhalb 100 µm, was dünner ist als die Dicke der Metallstrukturschicht 123 oder der Wärmestrahlungsmetallschicht 121, kann sich zwischen der Isolationsschicht 122 und der Metallstrukturschicht 123 oder zwischen der Isolationsschicht 122 und der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 befinden, und diese können miteinander verbunden sein.
  • Außerdem kann die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 aus einem einzelnen Material einschließlich Au, Cu, Al oder Ni, einem Legierungsmaterial, das 50% oder mehr von einem aus Au, Cu, Al und Ni enthält, oder einem Metallmaterial mit einer mehrschichtigen Struktur, die ein einzelnes Material oder ein Legierungsmaterial umfasst, bestehen. Dabei können die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 und die Wärmestrahlungsstifte 111 aus demselben Material bestehen.
  • Außerdem kann die Isolationsschicht 122 aus einem einzelnen Material einschließlich Al2O3, AIN, Si3N4 oder PI oder einem Verbundstoff, der eines aus Al2O3, AIN, Si3N4 und PI enthält, bestehen.
  • Dann sind die unteren Flächen des wenigstens einen Halbleiterchips 130 an das Substrat 120 angefügt, und die oberen Flächen des wenigstens einen Halbleiterchips 130 sind über eine elektrische Signalleitung 131 elektrisch an den Anschlussdraht 132 angeschlossen, so dass ein elektrisches Signal angelegt werden kann.
  • Dabei kann der Halbleiterchip 130 ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET), ein IGBT (insulated gate bipolar transistor) oder eine Halbleitervorrichtung zur Stromumwandlung, die Galliumnitrid (GaN), Siliciumcarbid (SiC) oder Gallium (Ga) umfasst, sein und kann auf eine Vorrichtung wie einen Inverter, einen Converter oder ein eingebautes Ladegerät (OBC), das verwendet wird, um Strom umzuwandeln oder zu steuern, angewendet werden. Da überschüssige Wärme erzeugt wird, während Strom in Strom mit einer speziellen Stromstärke, einer speziellen Spannung oder einer speziellen Frequenz umgewandelt wird, und damit wird Wärme durch das Kühlsystem 150 abgeführt.
  • Dann bedeckt das geformte Gehäuse 140 die Halbleiterchips 130, einen Teil des Anschlussdrahts 132 und einen Teil des Substrats 120 oder das ganze Substrat und kann dadurch gebildet werden, dass man es zu einem Verbundstoff, der eine Epoxidkomponente enthält, aushärtet.
  • Wenn wir uns dabei auf 1 beziehen, so werden die Wärmestrahlungsstifte 111 so ausgebildet, dass sie gegenüber der oberen Fläche, der unteren Fläche oder sowohl der oberen als auch der unteren Fläche des geformten Gehäuses 140 exponiert sind, der Flächeninhalt der Isolationsschicht 122 größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht 121, sich die Isolationsschicht 122 in dem geformten Gehäuse 140 vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 aus um die verlängerte Strecke D1 von 5 µm bis 3 mm nach außen erstreckt, der Abstand D2 von der Unterseite der Isolationsschicht 122 zur Unterseite des geformten Gehäuses 140, wo die Wärmestrahlungsstifte 111 exponiert sind, 40 µm bis 4 mm beträgt, sich zwischen den Wärmestrahlungsstiften 111, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, wenigstens ein Stiftloch 112 befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel des Kühlsystems 150, das verwendet wird, um durch die Halbleiterchips 130 entstandene Wärme abzuführen, zirkuliert auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg. Dementsprechend kann die Wärmestrahlungsfläche durch die Wärmestrahlungsstifte 111 vergrößert sein, und die Wärmestrahlungsstifte 111 können durch ein Kühlmittel direkt gekühlt werden, um die Kühleffizienz zu verbessern. Außerdem ist die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 von der Isolationsschicht 122 bedeckt, so dass an die Wärmestrahlungsstifte 111 übertragene Wärme nicht zurück übertragen werden kann, und somit können die Halbleiterchips 130 vor einer hohen Temperatur geschützt sein.
  • Außerdem kann es sich bei dem Kühlmittel, das durch einen Einlass und einen Auslass des Kühlsystems 150 zirkuliert, um ein Kühlmittel, ein Kühlgas und/oder Luft (kalte Luft) handeln.
  • Dabei kann das Kühlmittel aus einem von Kühlwasser, einer Kühlflüssigkeit, die Kühlwasser enthält, Luft (kalter Luft) und Stickstoff umfassen, oder es kann eines aus Kühlwasser, einer Kühlflüssigkeit, die Kühlwasser enthält, Luft (kalter Luft) und Stickstoff umfassen.
  • Die Wärmestrahlungsstifte 111 können so gebildet werden, dass eine Siebmaske oder eine Schablonenmaske verwendet wird, um die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 zu maskieren, und eine Metallpaste oder Nichtmetallpaste direkt auf die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 gedruckt und dann ausgehärtet wird. Dementsprechend können, wie in 2(A) gezeigt ist, die Wärmestrahlungsstifte 111 und die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 ohne eine separate Klebeschicht direkt aneinander gebunden und zusammengefügt werden.
  • Um außerdem die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, kann es sich bei den Wärmestrahlungsstiften 111 um ein Lötmetall handeln, das Sn-Bestandteil enthält, sie können aus einem einzigen Material einschließlich Al, Cu oder Keramik bestehen oder können aus einem Verbundstoff bestehen, der 50% oder mehr von Sn, Al, Cu und Keramik enthält.
  • Wie außerdem in 2(B) gezeigt ist, können die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 und die Wärmestrahlungsstifte 111 so aneinander gebunden und zusammengefügt werden, dass sich Klebeschichten 113 mit einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit dazwischen befinden, wobei die Klebeschichten 113 aus einem einzelnen Material einschließlich Ag, Au, Cu, Ti, Ni, Pd oder Keramik oder einem Verbundstoff, der 50% oder mehr von einem von Ag, Au, Cu, Ti, Ni, Pd und Keramik enthält, bestehen können.
  • Dabei kann, wenn wir uns auf die 2(B) und 3(C) und 3(D) beziehen, der Abstand D3, wo sich die Klebeschichten 113 zwischen der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 und den Wärmestrahlungsstiften 111 befinden, 10 µm bis 3 mm betragen.
  • Außerdem weist, wie in 2(C) gezeigt ist, der Wärmestrahlungsstift 111 wenigstens eine Wellenformstruktur A auf, wobei der Kamm der Welle an die untere Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 gefügt ist, jeweils zwischen benachbarten Kämmen zwischen der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 und der Wellenformstruktur A das wenigstens eine Stiftloch 112 gebildet sein kann, und die Wellenformstruktur A unter Verwendung von Ultraschallschweißen an die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 gebunden sein kann.
  • Wie außerdem in 3(A) gezeigt ist, ist wenigstens ein Stiftverbindungsrahmen 114 strukturell mit einer Fläche des wenigstens einen Wärmestrahlungsstifts 111 verbunden, wobei ein Stiftverbindungsteil B entsteht, so dass das Stiftverbindungsteil B mit der unteren Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 verbunden sein kann.
  • Insbesondere können im Stiftverbindungsteil B die Wärmestrahlungsstifte 111 unter Verwendung von Ultraschallschweißen an den Stiftverbindungsrahmen 114 gebunden sein, oder wie in 3(B) gezeigt ist, werden die Klebeschichten 113 auf den oberen Flächen, unteren Flächen oder sowohl oberen als auch unteren Flächen der Wärmestrahlungsstifte 111 gebildet, so dass die Wärmestrahlungsstifte 111 mit der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 und/oder dem Stiftverbindungsrahmen 114 verbunden sein kann.
  • Während als ein weiteres Beispiel das Stiftverbindungsteil B umgedreht wird, wird die Klebeschicht 113 auf der oberen Fläche des Stiftverbindungsrahmens 114 gebildet, wie in 3(C) gezeigt ist, so dass die Klebeschicht 113 mit der unteren Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 verbunden sein kann. Außerdem wird als weiteres Beispiel in 3(D) die Klebeschicht 113 mit der oberen Fläche des Stiftverbindungsrahmens 114 gebildet und ist an die untere Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 gefügt. Die Wärmestrahlungsstifte 111 und der Stiftverbindungsrahmen 114 können aneinander gebunden sein, indem die dazwischen liegende Klebeschicht 113 verwendet wird.
  • Wenigstens ein geschichtetes Stiftverbindungsteil B kann auf der unteren Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 ausgebildet sein, so dass der von den Stiftlöchern 112 gebildete Kühlmittel-Strömungsweg ausgedehnt wird, um die Kühleffizienz zu erhöhen.
  • Wie insbesondere in 4(A) gezeigt ist, können die Wärmestrahlungsstifte 111 in der Richtung, in der die Wärmestrahlungsstifte 111 an die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 gefügt ist, übereinander gestapelt sein, oder wie in 4(B) gezeigt ist, kann der Stiftverbindungsrahmen 114 eines oberen Stiftverbindungsteils B1 mit der unteren Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 verbunden sein, indem die dazwischen liegende Klebeschicht 113 verwendet wird, und die Wärmestrahlungsstifte 111 des oberen Stiftverbindungsteils B1 kann mit dem Stiftverbindungsrahmen 114 eines unteren Stiftverbindungsteils B2 verbunden sein, indem die dazwischen liegende Klebeschicht 113 verwendet wird. Wie in 4(C) gezeigt ist, können die Wärmestrahlungsstifte 111 des oberen Stiftverbindungsteils B1 mit den Wärmestrahlungsstiften 111 des umgedrehten unteren Stiftverbindungsteils B2 verbunden sein, indem die dazwischen liegende Klebeschicht 113 verwendet wird.
  • Wie außerdem in einer vergrößerten Ansicht von 1 gezeigt ist, kann ein erster Abstand D4 vom unteren Endteil der Isolationsschicht 122 zum oberen Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 kürzer sein als ein zweiter Abstand D5 vom unteren Endteil der Isolationsschicht 122 zum unteren Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht 121. Besonders bevorzugt kann die Lücke D6 zwischen dem ersten Abstand D4 und dem zweiten Abstand D5 1 µm bis 200 µm betragen. Da der zweite Abstand D5 vom unteren Endteil der Isolationsschicht 122 zum unteren Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 so ausgebildet ist, dass er länger ist als der erste Abstand D4 vom unteren Endteil der Isolationsschicht 122 zum oberen Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht 121, kann ein Material des geformten Gehäuses 140 leicht während der Formung des geformten Gehäuses 140 eingefüllt werden, nachdem die Halbleiterchips 130 gebondet wurden, und aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) erzeugte Spannungen können leicht ausgehalten werden. Außerdem kann Wärme, die durch die Halbleiterchips 130 erzeugt wird, effizient nach außen abgestrahlt werden, weil der zweite Abstand D5 so ausgebildet wird, dass er länger ist als der erste Abstand D4.
  • 5 zeigt verschiedene Strukturen des Halbleitergehäuses einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur von 1. 5(A) zeigt ein einseitiges Substrat, wo die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 und der Stiftverbindungsrahmen 114 aneinander gebunden sind, indem die dazwischen liegende Klebeschicht 113 verwendet wird, und ein Teil oder der gesamte Stiftverbindungsrahmen 114 ist in das geformte Gehäuse 140 eingesteckt. 5(B) zeigt ein doppelseitiges Substrat, wo die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 mit der Isolationsschicht 122 verbunden ist, und Metall-Abstandshalter 131C werden verwendet, um die Substrate nach oben und nach unten voneinander weg zu halten.
  • 6 zeigt eine Kühlstruktur zwischen dem Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlung von 1 und einem Kühlsystem. 6(A) zeigt, dass das Kühlsystem 150 mit einer Fläche eines einseitigen Substrats verbunden ist, und 6(B) zeigt, dass die Kühlsysteme 150 mit beiden Seiten des zweiseitigen Substrats verbunden sind. Wenn wir uns auf 6(B) beziehen, so ist der Stiftverbindungsrahmen 114 in das Kühlsystem 150 eingesteckt, und die Fläche, die mit dem zirkulierenden Kühlmittel in Kontakt kommt, ist vergrößert, so dass die Kühleffizienz verbessert werden kann.
  • Bei der oben genannten elektrischen Signalleitung 131 kann es sich um einen Draht 131A, eine durch Biegen eines Metallblechs gebildete Metallklammer 131B oder den Metall-Abstandshalter 131C handeln.
  • Wenn wir uns auf 6 beziehen, so wird gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Kühlsystem 150 bereitgestellt, an das das oben beschriebene Halbleitergehäuse einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur angefügt ist.
  • Wenn wir uns außerdem auf 2 beziehen, so umfasst in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur umfasst, die Wärmestrahlungsmetallschicht 121, an die Wärmestrahlungsstifte 111 strukturell angefügt sind, die wenigstens eine Isolationsschicht 122, die auf die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 gestapelt ist, und die Metallstrukturschicht 123, die auf die Isolationsschicht 122 gestapelt ist, wobei die Metallstrukturschicht 123 die darauf installierten Halbleiterchips 130 umfasst. Der Flächeninhalt der Isolationsschicht 122 ist größer als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht 121, die Isolationsschicht 122 erstreckt sich vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 aus um die verlängerte Strecke D1 von 5 µm bis 3 mm nach außen, wenigstens ein Stiftloch 112 befindet sich zwischen den Wärmestrahlungsstiften 111, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, um den Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel des Kühlsystems 150, das verwendet wird, um durch die Halbleiterchips 130 entstandene Wärme abzuführen, zirkuliert auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wenn wir uns auf 7 beziehen, so umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Substrats einschließlich einer Wärmestrahlungsstruktur das Herstellen der wenigstens einen Isolationsschicht 122 in Arbeitsschritt S110, das Bilden der Metallstrukturschicht 123, wo die Halbleiterchips 130 auf einer Fläche der Isolationsschicht 122 montiert sind, in Arbeitsschritt S120, das Bilden der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 auf der anderen Fläche der Isolationsschicht 122 in Arbeitsschritt S130 und das strukturelle Anfügen der Wärmestrahlungsstifte 111 an die Wärmestrahlungsmetallschicht 121 in Arbeitsschritt S140, wobei der Flächeninhalt der Isolationsschicht 122 größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht 121, sich die Isolationsschicht 122 vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht 121 aus um die verlängerte Strecke D1 von 5 µm bis 3 mm nach außen erstreckt, sich zwischen den Wärmestrahlungsstiften 111, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, so dass der Kühlungsmittel-Strömungsweg entsteht, wenigstens ein Stiftloch 112 befindet, und ein Kühlmittel des Kühlsystems 150, das verwendet wird, um durch die Halbleiterchips 130 entstandene Wärme abzuführen, auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Fläche, die mit einem Kühlmittel in Kontakt kommt, durch Wärmestrahlungsstifte mit unterschiedlichen Formen und Strukturen vergrößert, und durch die Stiftlöcher wird ein Kühlmittel-Strömungsweg gebildet, so dass von den Halbleiterchips erzeugte Wärme effizient abgeleitet werden kann. Außerdem ist die Wärmestrahlungsmetallschicht von der Isolationsschicht bedeckt, so dass an die Wärmestrahlungsstifte übertragene Wärme nicht zurück übertragen werden kann, und das Kühlsystem zum Kühlen der Wärmestrahlungsstifte kann jeweils sowohl auf ein einseitiges Substrat als auch auf ein zweiseitiges Substrat angewendet werden.
  • Während die vorliegende Erfindung insbesondere anhand von exemplarischen Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, ist sich der Fachmann darüber im Klaren, dass verschiedene Veränderungen in der Form und den Einzelheiten dort vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen.
  • 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
    • KR 1020220022350 [0001]

Claims (12)

  1. Halbleitergehäuse mit einer Wärmestrahlungsstruktur, wobei das Halbleitergehäuse Folgendes umfasst: wenigstens ein Substrat, das eine Wärmestrahlungsmetallschicht, mit der Wärmestrahlungsstifte strukturell verbunden werden, und wenigstens eine Isolationsschicht umfasst; wenigstens einen Halbleiterchip, der eine untere Fläche, die mit dem Substrat verbunden ist, und eine obere Fläche, die über eine elektrische Signalleitung an einen Anschlussdraht elektrisch angeschlossen ist, umfasst; und ein geformtes Gehäuse, das die Halbleiterchips, einen Teil des Anschlussdrahts und einen Teil des Substrats oder das ganze Substrat bedeckt, wobei die Wärmestrahlungsstifte so ausgebildet sind, dass sie gegenüber der oberen Fläche, der unteren Fläche oder sowohl der oberen als auch der unteren Fläche des geformten Gehäuses exponiert sind, der Flächeninhalt der Isolationsschicht größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht, sich die Isolationsschicht in dem geformten Gehäuse vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht aus um eine vorbestimmte verlängerte Strecke nach außen erstreckt, der Abstand von der Unterseite der Isolationsschicht zur Unterseite des geformten Gehäuses, wo die Wärmestrahlungsstifte exponiert sind, 40 µm bis 4 mm beträgt, sich wenigstens ein Stiftloch zwischen den Wärmestrahlungsstiften, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel eines Kühlsystems, das verwendet wird, um durch die Halbleiterchips entstandene Wärme abzuführen, auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert.
  2. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Substrat die wenigstens eine Wärmestrahlungsmetallschicht, die auf die Wärmestrahlungsmetallschicht gestapelte Isolationsschicht und eine Metallstrukturschicht, die die darauf installierten Halbleiterchips umfasst und auf die Isolationsschicht gestapelt ist, umfasst.
  3. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 2, wobei eine Metallkleberschicht mit einer Dicke, die geringer ist als die Dicke der Metallstrukturschicht oder der Wärmestrahlungsmetallschicht, sich zwischen der Isolationsschicht und der Metallstrukturschicht oder zwischen der Isolationsschicht und der Wärmestrahlungsmetallschicht befindet.
  4. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmestrahlungsstifte so ausgebildet sind, dass man das Substrat mit Hilfe einer Siebmaske oder einer Schablonenmaske maskiert, Metallpaste oder Nichtmetallpaste auf die Wärmestrahlungsmetallschicht druckt und dann aushärtet.
  5. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmestrahlungsmetallschicht und die Wärmestrahlungsstifte können eine Klebeschicht umfassen, die sich dazwischen befindet, damit beide aneinandergefügt werden können.
  6. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmestrahlungsstifte wenigstens eine Wellenformstruktur aufweisen, wobei der Kamm der Welle an die untere Fläche der Wärmestrahlungsmetallschicht gefügt ist und jeweils zwischen benachbarten Kämmen zwischen der Wärmestrahlungsmetallschicht und der Wellenformstruktur wenigstens ein Stiftloch ausgebildet ist.
  7. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Wärmestrahlungsstift wenigstens einen Stiftverbindungsrahmen umfasst, der strukturell an eine seiner Flächen angefügt ist, so dass ein Stiftverbindungsteil entsteht.
  8. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 1, wobei ein erster Abstand vom unteren Endteil der Isolationsschicht zum oberen Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht kürzer ist als ein zweiter Abstand vom unteren Endteil der Isolationsschicht zum unteren Endteil der Wärmestrahlungsmetallschicht.
  9. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 8, wobei die Lücke zwischen dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand 1 µm bis 200 µm beträgt.
  10. Halbleitergehäuse gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmestrahlungsstifte nach einem Formverfahren für das geformte Gehäuse an das Substrat angefügt werden.
  11. Substrat, das eine Wärmestrahlungsstruktur aufweist, umfassend: eine Wärmestrahlungsmetallschicht, mit der Wärmestrahlungsstifte strukturell verbunden werden; und die wenigstens eine Isolationsschicht, die auf die Wärmestrahlungsmetallschicht gestapelt ist, wobei der Flächeninhalt der Isolationsschicht größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht, sich die Isolationsschicht vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht aus um eine vorbestimmte verlängerte Strecke nach außen erstreckt, sich wenigstens ein Stiftloch zwischen den Wärmestrahlungsstiften, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel eines Kühlsystems auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit einer Wärmestrahlungsstruktur, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen wenigstens einer Isolationsschicht; Bilden einer Wärmestrahlungsmetallschicht auf einer Fläche der Isolationsschicht; und strukturelles Anfügen der Wärmestrahlungsstifte an die Wärmestrahlungsmetallschicht, wobei der Flächeninhalt der Isolationsschicht größer ist als der Flächeninhalt der Wärmestrahlungsmetallschicht, sich die Isolationsschicht vom Rand der Wärmestrahlungsmetallschicht aus um eine vorbestimmte verlängerte Strecke nach außen erstreckt, sich wenigstens ein Stiftloch zwischen den Wärmestrahlungsstiften, die in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, befindet, um einen Kühlungsmittel-Strömungsweg zu bilden, und ein Kühlmittel eines Kühlsystems auf dem Kühlungsmittel-Strömungsweg zirkuliert.
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