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Diese Erfindung betrifft Kühlplatten, Bauelemente, die eine Kühlplatte umfassen, und Verfahren zum Herstellen von Kühlplatten.
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Halbleitermodule, die mindestens einen Halbleiterchip umfassen, insbesondere einen Leistungshalbleiterchip, produzieren während des Betriebs möglicherweise Wärme. Es kann notwendig sein, dass ein Mittel zum Abführen von solcher Wärme bereitgestellt wird, da sich das Halbleitermodul sonst möglicherweise überhitzt. Kühlplatten, die einen Kanal für eine Kühlflüssigkeit umfassen, können als ein solches Mittel genutzt werden. Die bestimmte Ausgestaltung der Kühlplatte kann einen thermischen Widerstand zwischen dem Halbleiterchip und der Kühlflüssigkeit beeinflussen. Es kann wünschenswert sein, dass der thermische Widerstand reduziert wird, um eine Kühlung des Halbleitermoduls zu verbessern. Des Weiteren kann die bestimmte Ausgestaltung der Kühlplatte ihre Fertigungskasten beeinflussen. Aus diesen und anderen Gründen besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sind einbezogen, um ein weitergehendes Verständnis von Aspekten zu ermöglichen, und sind in diese Beschreibung eingefügt und stellen einen Bestandteil von ihr dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Aspekte und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien von Aspekten zu erläutern. Andere Aspekte und viele der vorgesehenen Vorteile von Aspekten werden ohne Weiteres ersichtlich, wenn zur besseren Verständlichkeit auf die folgende ausführliche Beschreibung Bezug genommen wird. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht zwingend maßstabgetreu. Gleiche Bezugszeichen können entsprechende ähnliche Teile bezeichnen.
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1A zeigt einen Schnitt durch ein Beispiel einer Standardkühlplatte.
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1B zeigt einen Schnitt durch ein Bauelement, das ein Halbleitermodul und die Kühlplatte von 1A umfasst.
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2A zeigt einen Schnitt durch eine Kühlplatte gemäß einem Beispiel.
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2B zeigt einen Schnitt durch ein Bauelement, das ein Halbleitermodul und die Kühlplatte von 2A umfasst.
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3 zeigt eine Unteransicht der Kühlplatte von 2A.
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4A zeigt eine perspektivische Ansicht der Oberseite eines weiteren Beispiels einer Kühlplatte und eines Substrats.
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4B zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite der Kühlplatte von 4B.
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5A zeigt einen Schnitt durch ein anderes Beispiel einer Kühlplatte.
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5B zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht von Einzelheiten eines in der Kühlplatte von 5A umfassten Kanals.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Kühlplatte.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines eine Kühlplatte umfassenden Bauelements.
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8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Kühlplatte und eines Substrats.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Halbleiterbauelements.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die konkrete Aspekte veranschaulichen, gemäß denen sich die Offenbarung praktisch umsetzen lässt. In diesem Zusammenhang werden mit Bezug zur Orientierung der Figuren, die beschrieben werden, gegebenenfalls Richtungsbegriffe wie „Ober-”, „Unter-”, „Vorder-”, „Hinter-”, usw. genutzt. Da Komponenten beschriebener Bauelemente in etlichen unterschiedlichen Orientierungen positioniert sein können, können die Richtungsbegriffe zu Zwecken der Veranschaulichung genutzt werden und schränken in keiner Weise ein.
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Die verschiedenen kurz dargestellten Aspekte können in verschiedenen Formen ausgeführt werden. Die folgende Beschreibung zeigt beispielhaft verschiedene Kombinationen und Gestaltungen, gemäß denen sich die Aspekte praktisch umsetzen lassen. Es versteht sich, dass die beschriebenen Aspekte und/oder Beispiele lediglich Beispiele sind und dass noch andere Aspekte und/oder Beispiele herangezogen und strukturelle und funktionale Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Konzept der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht als einschränkend aufzufassen, und das Konzept der vorliegenden Offenbarung wird von den beigefügten Ansprüchen definiert. Zusätzlich kann ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt eines Beispiels, auch wenn dieses Merkmal oder dieser Aspekt möglicherweise bezüglich nur einer von diversen Implementierungen offenbart wird, mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es möglicherweise für eine beliebige gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht wird und vorteilhaft ist.
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Es versteht sich, dass hierin abgebildete Merkmale und/oder Elemente zu Zwecken der Einfachheit und zum leichteren Verständnis mit bestimmten Abmessungen relativ zueinander veranschaulicht werden können. Die eigentlichen Abmessungen der Merkmale und/oder der Elemente können sich von den hierin veranschaulichten unterscheiden.
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Wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen die Begriffe „verbunden”, „gekoppelt”, „elektrisch verbunden” und/oder „elektrisch gekoppelt” nicht bedeuten, dass die Elemente direkt zusammengekoppelt sein müssen. Zwischen den „verbundenen”, „gekoppelten”, „elektrisch verbundenen” und/oder „elektrisch gekoppelten” Elementen sind möglicherweise Zwischenelemente bereitgestellt.
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Die Wörter „über” und „auf”, die z. B. mit Bezug auf eine „über” oder „auf” einer Oberfläche eines Objekts ausgebildete oder befindliche Materialschicht genutzt werden, können hierin in der Bedeutung genutzt werden, dass sich die Materialschicht „direkt auf”, z. B. in direktem Kontakt mit, der gemeinten Oberfläche befinden kann (z. B. darauf ausgebildet, abgeschieden, usw. sein kann). Die Wörter „über” und „auf”, die z. B. mit. Bezug auf eine „über” oder „auf” einer Oberfläche ausgebildete oder befindliche Materialschicht genutzt werden, können hierin auch in der Bedeutung genutzt werden, dass sich die Materialschicht „indirekt auf” der gemeinten Oberfläche befinden kann (z. B. darauf ausgebildet, abgeschieden, usw. sein kann), wobei z. B. eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der gemeinten Oberfläche und der Materialschicht angeordnet sind.
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Sofern die Begriffe „enthalten”, „aufweisen”, „mit” oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen genutzt werden, sollen diese Begriffe ähnlich wie der Begriff „umfassen” Einschließlichkeit beinhalten. Auch soll der Begriff „beispielhaft” lediglich ein Beispiel und nicht das beste oder optimale Beispiel bezeichnen.
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Hierin beschrieben werden Halbleitermodule, Kühlplatten, Bauelemente, die Halbleitermodule und Kühlplatten umfassen, und Verfahren zum Herstellen der Kühlplatten und Bauelemente. Bemerkungen, die in Verbindung mit einem beschriebenen Bauelement oder einer beschriebenen Kühlplatte angeführt werden, können auch für ein entsprechendes Verfahren und umgekehrt gelten. Wenn zum Beispiel eine konkrete Komponente eines Bauelements oder einer Kühlplatte beschrieben wird, kann ein entsprechendes Verfahren zum Fertigen des Bauelements oder der Kühlplatte einen Vorgang des Bereitstellens der Komponente in einer geeigneten Weise enthalten, selbst wenn ein solcher Vorgang in den Figuren nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht wird. Eine sequenzielle Reihenfolge von Vorgängen eines beschriebenen Verfahrens kann ausgetauscht werden, falls technisch möglich. Mindestens zwei Vorgänge eines Verfahrens lassen sich mindestens teilweise gleichzeitig durchführen. Allgemein können die Merkmale der verschiedenen beispielhaften Aspekte, die hierin beschrieben werden, miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angemerkt.
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Halbleitermodule gemäß der Offenbarung können einen oder mehrere Halbleiterchips enthalten. Die Halbleiterchips können von unterschiedlichen Typen sein und können durch unterschiedliche Technologien gefertigt werden. Die Halbleiterchips können zum Beispiel integrierte elektrische, elektrooptische oder elektromechanische Schaltungen oder passive Bauelemente enthalten. Die integrierten Schaltungen sind möglicherweise ausgestaltet als integrierte Logikschaltungen, integrierte Analogschaltungen, integrierte Mischsignalschaltungen, integrierte Leistungsschaltungen, Speicherschaltungen, integrierte passive Bauelemente, mikroelektromechanische Systeme, usw. Die Halbleiterchips können aus einem beliebigen zweckmäßigen Halbleitermaterial gefertigt sein, zum Beispiel Si und/oder SiC und/oder SiGe und/oder GaAs und/oder GaN, usw. Des Weiteren können die Halbleiterchips anorganische und/oder organische Materialien, die keine Halbleiter sind, enthalten, zum Beispiel Isolatoren und/oder Kunststoffe und/oder Metalle, usw. Die Halbleiterchips können gehäust oder ungehäust sein.
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Insbesondere können einer oder mehrere der Halbleiterchips einen Leistungshalbleiter enthalten. Leistungshalbleiterchips haben möglicherweise eine vertikale Struktur, d. h. die Halbleiterchips sind möglicherweise derart hergestellt, dass elektrische Ströme in einer zu den Hauptflächen der Halbleiterchips senkrechten Richtung fließen können. Ein Halbleiterchip mit einer vertikalen Struktur weist möglicherweise Elektroden auf seinen zwei Hauptflächen auf, d. h. auf seiner Oberseite und seiner Unterseite. Insbesondere weisen Leistungshalbleiterchips möglicherweise eine vertikale Struktur auf und weisen möglicherweise Lastelektroden auf beiden Hauptflächen auf. Die vertikalen Leistungshalbleiterchips sind zum Beispiel möglicherweise gestaltet als Leistungs-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode), JFETs (Sperrschichtfeldeffekttransistoren), Super-Junction-Bauelemente, Leistungsbipolartransistoren, usw. Die Source-Elektrode und die Gate-Elektrode eines Leistungs-MOSFETs befinden sich möglicherweise auf einer Fläche, während die Drain-Elektrode des Leistungs-MOSFETs möglicherweise auf der anderen Fläche angeordnet ist. Zusätzlich enthalten die hierin beschriebenen Bauelemente möglicherweise integrierte Schaltungen, um die integrierten Schaltungen der Leistungshalbleiterchips zu steuern.
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Die Halbleiterchips enthalten möglicherweise Kontaktinseln (oder Kontaktanschlüsse), über die ein elektrischer Kontakt zu in den Halbleiterchips enthaltenen integrierten Schaltungen aufgebaut werden kann. Für den Fall eines Leistungshalbleiterchips entspricht eine Kontaktinsel möglicherweise einer Gate-Elektrode, einer Source-Elektrode oder einer Drain-Elektrode. Die Kontaktinseln enthalten möglicherweise eine oder mehrere Metall- und/oder Metalllegierungsschichten, die auf das Halbleitermaterial aufgetragen werden können. Die Metallschichten können mit einer beliebigen gewünschten geometrischen Form und einer beliebigen gewünschten Materialzusammensetzung gefertigt werden.
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Halbleitermodule gemäß der Offenbarung können einen Träger oder ein Substrat enthalten. Der Träger kann so gestaltet sein, dass er elektrische Zwischenverbindungen zwischen über dem Träger angeordneten elektronischen Komponenten und/oder Halbleiterchips bereitstellt, sodass sich eine elektronische Schaltung bilden lässt. In diesem Zusammenhang kann der Träger eine ähnliche Funktion wie eine Leiterplatte (PCB) haben. Die Materialien des Trägers können derart gewählt werden, dass sie eine Kühlung von über dem Träger angeordneten elektronischen Komponenten unterstützen. Der Träger kann derart gestaltet sein, dass er Starkströme führt und eine Hochspannungsisolierung bereitstellt, zum Beispiel von bis zu mehreren tausend Volt. Der Träger kann weiter so gestaltet sein, dass er bei Temperaturen von bis zu 150°C, insbesondere bis zu 200°C oder noch mehr, arbeitet. Da der Träger vor allem in Leistungselektronik verwendet werden kann, wird er gegebenenfalls auch als „Leistungselektroniksubstrat” oder „Leistungselektronikträger” bezeichnet.
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Der Träger kann einen elektrisch isolierenden Kern enthalten, der ein Keramikmaterial und/oder ein Kunststoffmaterial enthalten kann. Der elektrisch isolierende Kern enthält zum Beispiel möglicherweise Al2O3 und/oder AlN und/oder Si3N4, usw. Der Träger kann eine oder mehrere Hauptoberflächen aufweisen, wobei mindestens eine Hauptoberfläche möglicherweise derart ausgebildet ist, dass darauf ein oder mehrere Halbleiterchips angeordnet sein können. Insbesondere kann das Substrat eine erste Hauptoberfläche und eine der ersten Hauptoberfläche gegenüber angeordnete zweite Hauptoberfläche enthalten. Die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche können im Wesentlichen parallel zueinander sein. Der elektrisch isolierende Kern kann eine Dicke von zwischen ungefähr 50 μm (Mikrometer) und ungefähr 1,6 Millimeter aufweisen.
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Halbleitermodule gemäß der Offenbarung können ein erstes elektrisch leitendes Material enthalten, das möglicherweise über (oder auf) einer ersten Hauptoberfläche des Trägers angeordnet ist. Zusätzlich kann das Halbleitermodul ein zweites elektrisch leitendes Material enthalten, das möglicherweise über (oder auf) einer zweiten Hauptoberfläche des Trägers gegenüber der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist. Das erste und das zweite elektrisch leitende Material können unterschiedliche Metallzusammensetzungen umfassen. Der Begriff „Träger”, wie hierin genutzt, kann sich auf den elektrisch isolierenden Kern beziehen, kann sich jedoch auch auf den elektrisch isolierenden Kern beziehen, der das über dem Kern angeordnete elektrisch leitende Material enthält. Das elektrisch leitende Material enthält möglicherweise ein Metall und/oder eine Metalllegierung, zum Beispiel Kupfer und/oder eine Kupferlegierung oder Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Das elektrisch leitende Material kann geformt oder strukturiert sein, um elektrische Zwischenverbindungen zwischen über dem Träger angeordneten elektronischen Komponenten bereitzustellen. In diesem Zusammenhang enthält das elektrisch leitende Material möglicherweise elektrisch leitende Leitungen, Schichten, Oberflächen, Zonen, usw. Das elektrisch leitende Material kann zum Beispiel eine Dicke von zwischen ungefähr 0,1 Millimeter und ungefähr 0,5 Millimeter aufweisen.
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In einem Beispiel kann der Träger einem Direct-Copper-Bond(DCB)- oder einem Direct-Bond-Copper(DBC)-Substrat entsprechen (oder kann ein solches Substrat enthalten). Ein DCB-Substrat kann einen Keramikkern und eine dünne Lage oder Schicht aus Kupfer enthalten, die über (oder auf) einer oder beiden Hauptoberflächen des Keramikkerns angeordnet ist. Das Keramikmaterial enthält möglicherweise Aluminiumoxid (Al2O3), das eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 24 W/mK bis ungefähr 28 W/mK aufweisen kann, und/oder Aluminiumnitrid (AlN), das eine Wärmeleitfähigkeit von über ungefähr 150 W/mK aufweisen kann, und/oder Berylliumoxid (BeO), usw. Im Vergleich zu Reinkupfer kann der Träger einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der ähnlich oder gleich dem von Silizium ist.
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Das Kupfer wird zum Beispiel möglicherweise mittels eines Hochtemperaturbondprozesses an das Keramikmaterial gebondet. Zum Beispiel wird möglicherweise ein Hochtemperaturoxidationsprozess genutzt. Hier können das Kupfer und der Keramikkern auf eine geregelte Temperatur in einer Atmosphäre aus Stickstoff, der ungefähr 30 ppm Sauerstoff enthält, erwärmt werden. unter diesen Bedingungen kann sich ein Kupfer-Sauerstoff-Eutektikum bilden, das sich sowohl an Kupfer als auch an Oxide binden kann, die als Substratkern genutzt werden können. Die über dem Keramikkern angeordneten Kupferschichten können vor dem Brennen im Voraus gebildet werden oder können mittels einer Leiterplattentechnologie chemisch geätzt werden, um eine elektrische Schaltung zu bilden. Eine verwandte Technik verwendet möglicherweise eine Keimschicht, Fototechnik und eine zusätzliche Kupferplattierung, um zu erlauben, dass elektrisch leitende Leitungen und Durchkontakte eine Vorderhauptoberfläche und eine Hinterhauptoberfläche des Substrats verbinden.
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In einem weiteren Beispiel entspricht der Träger möglicherweise einem Active-Metal-Brazed(AMB)-Substrat (oder enthält möglicherweise ein solches Substrat). Bei der AMB-Technologie können Metallschichten an Keramikplatten angebracht werden. Insbesondere kann bei hohen Temperaturen von ungefähr 800°C bis ungefähr 1000°C eine Metallfolie mittels einer Lötpaste an einen Keramikkern gelötet werden.
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In noch einem weiteren Beispiel entspricht der Träger möglicherweise einem Insulated-Metal-Substrat (IMS) (oder enthält möglicherweise ein solches Substrat). Ein IMS kann eine Metallplatte enthalten, die von einer dünnen Schicht aus einem Dielektrikum und einer Schicht aus Kupfer abgedeckt wird. Die Metallplatte besteht zum Beispiel möglicherweise aus oder enthält möglicherweise Aluminium und/oder Kupfer, während das Dielektrikum möglicherweise eine epoxidbasierte Schicht ist. Die Kupferschicht kann eine Dicke von ungefähr 35 μm (Mikrometer) bis ungefähr 200 μm (Mikrometer) oder noch mehr aufweisen. Das Dielektrikum kann z. B. FR-4-basiert sein und kann eine Dicke von ungefähr 100 μm (Mikrometer) aufweisen.
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In noch einem weiteren Beispiel entspricht der Träger oder das Substrat möglicherweise einem Direct-Aluminum-Bond(DAB)-Substrat oder einem Direct-Copper-Aluminum-Bond(DCAB)-Substrat (oder enthält möglicherweise ein solches Substrat). Ein DCAB-Substrat kann mindestens eine Aluminiumschicht und mindestens eine auf der mindestens einen Aluminiumschicht angeordnete Kupferschicht umfassen.
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Halbleitermodule gemäß der Offenbarung können ein Einkapselungsmaterial enthalten, das eine oder mehrere Komponenten des Moduls abdecken kann. Das Einkapselungsmaterial kann den Träger zum Beispiel mindestens teilweise einkapseln. Das Einkapselungsmaterial kann elektrisch isolierend sein und kann einen Einkapselungskörper oder eine Einkapselmasse bilden. Das Einkapselungsmaterial enthält möglicherweise ein wärmehärtendes, ein thermoplastisches oder ein Hybridmaterial, eine Vergussmasse, ein Laminat (Prepreg), ein Siliziumgel, usw. Verschiedene Techniken können genutzt werden, um die Komponenten mit dem Einkapselungsmaterial einzukapseln, zum Beispiel Formpressen und/oder Spritzguss und/oder Pulverschmelzen und/oder Flüssigformen und/oder Laminieren, usw.
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Halbleitermodule gemäß der Offenbarung können ein oder mehrere elektrisch leitende Elemente enthalten. In einem Beispiel kann ein elektrisch leitendes Element eine elektrische Verbindung zu einem Halbleiterchip des Bauelements bereitstellen. Das elektrisch leitende Element kann zum Beispiel mit einem eingekapselten Halbleiterchip verbunden sein und kann aus dem Einkapselungsmaterial vorstehen. Daher kann es möglich sein, den eingekapselten Halbleiterchip von außerhalb des Einkapselungsmaterials über das elektrisch leitende Element elektrisch zu kontaktieren. In einem weiteren Beispiel kann ein elektrisch leitendes Element eine elektrische Verbindung zwischen Komponenten des Bauelements, zum Beispiel zwischen zwei Halbleiterchips, bereitstellen. Ein Kontakt zwischen dem elektrisch leitenden Element und z. B. einer Kontaktinsel eines Halbleiterchips lässt sich durch eine beliebige zweckmäßige Technik aufbauen. In einem Beispiel wird das elektrisch leitende Element möglicherweise an eine andere Komponente gelötet, zum Beispiel durch Anwendung eines Diffusionslötprozesses.
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In einem Beispiel enthält das elektrisch leitende Element möglicherweise eine oder mehrere Klammern (oder Kontaktklammern). Die Form einer Klammer ist nicht zwangsläufig auf eine konkrete Größe oder eine konkrete geometrische Form eingeschränkt. Die Klammer lässt sich durch Stanzen und/oder Lochen und/oder Pressen und/oder Schneiden und/oder Sägen und/oder Fräsen und/oder eine beliebige andere zweckmäßige Technik herstellen. Sie lässt sich zum Beispiel herstellen aus Metallen und/oder Metalllegierungen, insbesondere mindestens einem der Elemente Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel, Eisennickel, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Stahl, rostfreier Stahl, usw. In einem weiteren Beispiel enthält das elektrisch leitende Element möglicherweise einen oder mehrere Drähte (oder Bonddrähte oder Bondingdrähte). Der Draht enthält möglicherweise ein Metall oder eine Metalllegierung, insbesondere Gold, Aluminium, Kupfer oder eine oder mehrere Legierungen davon. Zusätzlich kann der Draht eine Beschichtung enthalten oder nicht. Der Draht kann eine Dicke von ungefähr 15 μm (Mikrometer) bis ungefähr 1000 μm (Mikrometer) und insbesondere eine Dicke von ungefähr 50 μm (Mikrometer) bis ungefähr 500 μm (Mikrometer) aufweisen.
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Im Folgenden werden verschiedene Beispiele einer Kühlplatte beschrieben. Eine Kühlplatte kann eine Metallplatte umfassen, wobei die Metallplatte Aluminium und/oder Kupfer und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder eine Kupferlegierung umfassen kann. Die Fertigung einer Kühlplatte kann Stanzen und/oder Walzen und/oder Pressen einer Metallplatte umfassen. Eine Kühlplatte kann aus einem einstückigen Bauteil bestehen, insbesondere einer einstückigen durchgehenden Metallplatte. Eine Kühlplatte kann eine beliebige geeignete Ausbildung oder Form aufweisen, insbesondere eine beliebige Ausbildung oder Form, die zum Koppeln der Kühlplatte an ein Substrat geeignet ist, welches gestaltet ist, um an einen Halbleiterchip, insbesondere einen Leistungshalbleiterchip, gekoppelt zu werden.
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Im Folgenden werden Beispiele von Kühlplatten, die einen einzigen Kanal umfassen, ausführlich beschrieben. In weiteren Beispielen können die Kühlplatten auch mehr als einen Kanal aufweisen.
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Das Herstellen einer Kühlplatte aus einem einstückigen Bauteil, insbesondere einer gewalzten, gestanzten und/oder gepressten Metallplatte, kann im Vergleich zu anderen Verfahren zum Herstellen einer Kühlplatte kosteneffizient sein.
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Eine Kühlplatte kann einen Kanal umfassen, der dafür gestaltet ist, dass eine Kühlflüssigkeit durch den Kanal fließt. Die Kühlflüssigkeit kann Wasser und/oder Öl umfassen. Der Kanal der Kühlplatte kann teilweise offen sein, was bedeutet, dass die Kühlplatte derart gestaltet sein kann, dass eine Seitenwand des Kanals „fehlt”. Der teilweise offene Kanal kann abgedichtet werden, indem die Kühlplatte an ein Substrat wie ein Substrat eines Halbleitermoduls gekoppelt wird, sodass mindestens ein Teil einer Hauptoberfläche des Substrats die „fehlende” Wand des Kanals bildet. Aufgrund dieser Kopplung können die hierin beschriebenen Kühlplatten „integrierte Wärmesenken” der Halbleitermodule genannt werden. Der teilweise offene Kanal lässt sich abdichten, ohne dass ein Dichtungsring genutzt werden muss. Stattdessen kann eine absolute Abdichtung erhalten werden, indem die Kühlplatte, wie im Folgenden grob dargestellt, an das Substrat gekoppelt wird.
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Eine Kühlplatte lässt sich mittels verschiedener Techniken an ein Halbleitermodul koppeln. Eine Kopplung kann Sintern und/oder Löten und/oder Schweißen und/oder Active Metal Brazing umfassen. Insbesondere lässt sich eine Kühlplatte derart an ein Halbleitermodul koppeln, dass zwischen einem Halbleiterchip des Halbleitermoduls und der Kühlplatte keine Wärmeleitpastenschicht angeordnet wird. Eine solche Ausgestaltung kann zur Reduzierung des thermischen Widerstands zwischen dem Halbleiterchip und der Kühlplatte beitragen.
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In den folgenden Figuren sind Beispiele von Kühlplatten, Halbleitermodulen und Bauelementen, die Kühlplatten und Halbleitermodule umfassen, gezeigt. Entsprechende Teile in den einzelnen Figuren sind mit Bezugszeichen versehen, deren letzte zwei Stellen identisch sind.
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1A zeigt einen Schnitt durch ein Beispiel einer Standardkühlplatte 100. Die Kühlplatte 100 umfasst einen Kanal 101, eine erste Öffnung 102 und eine zweite Öffnung 103. Die erste Öffnung 102 kann ein Einlass sein, der gestaltet ist, um eine Kühlflüssigkeit in den Kanal 101 hineinfließen zu lassen, und eine zweite Öffnung 103 kann ein Auslass sein, der gestaltet ist, um die Kühlflüssigkeit aus dem Kanal 101 herausfließen zu lassen. Die erste und die zweite Öffnung, 102 und 103, sind in einem Unterteil 104 der Kühlplatte 100 gegenüber einem Oberteil 105 angeordnet. Das Bezugszeichen 105A bezeichnet eine Oberseite und das Bezugszeichen 104A bezeichnet eine Unterseite einer Innenoberfläche des Kanals 101.
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1B zeigt ein Halbleitermodul 150, das mindestens einen ersten Halbleiterchip 151 und einen Träger oder ein Substrat 152 umfasst. Der Halbleiterchip 151 ist an eine erste Hauptoberfläche 152A des Substrats 152 gekoppelt. Eine zweite Hauptoberfläche 152B des Substrats 152 gegenüber der ersten Hauptoberfläche 152A ist gestaltet, um an eine Kühlplatte, zum Beispiel die Kühlplatte 100, gekoppelt zu werden. 13 zeigt eine Kühlplatte 100, die an das Halbleitermodul 150 gekoppelt ist, sodass das Kühlplattenoberteil 105 der zweiten Hauptoberfläche 152B des Substrats 152 zugewandt ist. Das Halbleitermodul 150 und die Kühlplatte 100, die gekoppelt sind, bilden ein Bauelement 10.
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Wärme, die im Halbleitermodul 150, zum Beispiel im Halbleiterchip 151, erzeugt wird, kann über das Substrat 152 und das Kühlplattenoberteil 105 an eine durch den Kanal 101 fließende Kühlflüssigkeit übertragen werden. Dabei kann die Kühlplatte 100 als Kühlsystem des Bauelements 10 zum Abführen von im Halbleitermodul 150 erzeugter Wärme fungieren.
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2A zeigt einen Schnitt durch ein anderes Beispiel einer Kühlplatte 200. Die Kühlplatte 200 kann der Kühlplatte 100 teilweise ähnlich sein. Jedoch ist ein Kanal 201 der Kühlplatte 200 teilweise offen. „Teilweise offen” bedeutet, dass der Kanal 201 keine Oberabdeckung wie das Oberteil 105 der Kühlplatte 100 aufweist. In 2A ist die offene obere Seite des Kanals 201 durch gestrichelte Linien 205 abgebildet. Die Kühlplatte 100 lässt sich mittels eines Verfahrens zum Herstellen einer Kühlplatte wie dem Verfahren 600 herstellen, das weiter unten beschrieben wird.
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2B zeigt ein Beispiel eines Bauelements 20, welches das Halbleitermodul 150 und die Kühlplatte 200 umfasst, die an das Halbleitermodul 150 gekoppelt ist, sodass die offene obere Seite 205 des Kanals 201 der zweiten Hauptoberfläche 152B des Substrats 152 zugewandt ist. Im Bauelement 20 fungiert die zweite Hauptoberfläche 152B als Oberabdeckung, die den Kanal 201 abdichtet, was bedeutet, dass eine obere Kühlplattenoberfläche 206 derart an die zweite Hauptoberfläche 152B gekoppelt ist, dass aus dem Kanal 201 keine Kühlflüssigkeit austritt. Da mindestens ein Teil der zweiten Hauptoberfläche 152B die „fehlende” Oberseiteninnenoberfläche 205A des Kanals 201 bildet, kann das Halbleitermodul 150 in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit innerhalb des Kanals 201 sein.
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Das Koppeln der Kühlplatte 200 an das Substrat 152 umfasst möglicherweise Sintern und/oder Schweißen und/oder Löten und/oder Active Metal Brazing und/oder irgendeine andere geeignete Kopplungstechnik. Geeignete Schweißtechniken können insbesondere unter anderem Laserschweißen, Lichtbogenschweißen und Reibschweißen umfassen.
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Es ist zu beachten, dass in einigen Beispielen eines Bauelements, das dem Bauelement 20 ähnlich ist, eine oder mehrere Materialschichten, die gestaltet sind, um ein Halbleitermodul wie das Halbleitermodul 150 an eine Kühlplatte wie die Kühlplatte 200 zu koppeln, auf der zweiten Hauptoberfläche 152B angeordnet sein können. Die eine oder die mehreren Materialschichten umfassen zum Beispiel möglicherweise eine Lotschicht. In diesem Fall bildet die äußerste der einen oder der mehreren Materialschichten die Oberseiteninnenoberfläche 205A des Kanals 201 und ist in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit innerhalb des Kanals 201.
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Alternativ können in einigen Beispielen eines Bauelements, das dem Bauelement 20 ähnlich ist, eine oder mehrere Materialschichten, die gestaltet sind, um ein Halbleitermodul wie das Halbleitermodul 150 an eine Kühlplatte wie die Kühlplatte 200 zu koppeln, auf der oberen Kühlplattenoberfläche 206 angeordnet sein (siehe 2A). In diesem Fall sind die eine oder die mehreren Materialschichten nicht über der offenen oberen Seite 205 angeordnet, und deshalb ist die zweite Hauptoberfläche 152B des Substrats 152 in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit innerhalb des Kanals.
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Der Kanal 201 kann eine beliebige gewünschte Tiefe D aufweisen und kann insbesondere eine Tiefe D im Bereich von 1 mm bis 6 mm aufweisen. Die Tiefe D kann entlang dem Kanal 201 vom Einlass zum Auslass einheitlich sein oder kann entlang dem Kanal 201 variieren.
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3 zeigt eine Unteransicht der Kühlplatte 200. Die gestrichelte Linie A-A' bildet den Schnitt durch die in den 2A und 2B gezeigte Kühlplatte 200 ab. 3 zeigt den Kanal 201 in gerader Form. Andere Kanalformen wie zum Beispiel eine Mäanderform können ebenfalls in der Kühlplatte 200 oder einer ihr ähnlichen Kühlplatte genutzt werden. Die konkrete Form des Kanals 201 kann von den Anforderungen der konkreten Anwendung abhängen.
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4A zeigt eine perspektivische Ansicht der Oberseite eines weiteren Beispiels einer Kühlplatte 400 und der Oberseite einer Komponente 450. Die Kühlplatte 400 kann als mit der Kühlplatte 200 identisch angesehen werden, außer dass ein Kanal 401 der Kühlplatte 400 eine Mäanderform aufweist. Hier bedeutet „Mäanderform”, dass der Kanal 401 mäanderförmig und senkrecht zu einer Vektorkoordinate X, die in eine Richtung vom Einlass 402 zum Auslass 403 weist, durch die Kühlplatte 400 verläuft. Die Komponente 450 kann ein Substrat 152 oder ein Halbleitermodul 150 umfassen. Des Weiteren kann die Komponente 450 ein Leistungshalbleitermodul umfassen.
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Es ist zu beachten, dass Halbleitermodule wie das Halbleitermodul 150 oder die Komponente 450 eine Grundplatte umfassen können. In diesem Fall sind die Kühlplatten 200 und 400 möglicherweise derart an eine Hauptfläche der Grundplatte gekoppelt, dass mindestens ein Teil der Hauptfläche als die „fehlende” Oberabdeckung der Kanäle 201 und 401, wie oben beschrieben, fungiert.
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4B zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite der Kühlplatte 400. Der Kanal 401 ragt aus einer Kühlplattenebenenunterseite 407 heraus, woraus eine Höhendifferenz d zwischen der Kühlplattenebenenunterseite 407 und einer Kanalaußenunteroberflächenregion 404B resultiert. Die Höhendifferenz d ist in der Schnittansicht von 2A abgebildet. Die Höhendifferenz d kann insbesondere mit der Kanaltiefe D identisch sein.
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Die Höhendifferenz d resultiert möglicherweise aus einem Herstellungsprozess für Kühlplatten wie die Kühlplatten 200 und 400, wobei der Herstellungsprozess Stanzen und/oder Walzen und/oder Pressen einer Metallplatte umfasst, um Kanäle wie die Kanäle 201 und 401 herzustellen. Des Weiteren resultieren aus einem solchen Herstellungsprozess möglicherweise Kanäle 201, 401, die S-förmige, vertikale Kanalseitenwände 208, 408 umfassen, wie in den 2A, 2B, 4A und 4B gezeigt.
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5A zeigt ein Beispiel einer Kühlplatte 500, die einen Kanal 501 umfasst, wobei der Kanal 501 Strukturen 509 umfasst, die gestaltet sind, um Turbulenzen in einer durch den Kanal 501 fließenden Kühlflüssigkeit zu erzeugen. Solche Turbulenzen können ein Wärmeaufnahmevermögen (oder eine Wärmeabsorptionsrate) einer durch den Kanal 501 fließenden Kühlflüssigkeit verbessern. Die Strukturen 509 der Kühlplatte 500 sind möglicherweise als Vertiefungen ausgebildet, die sich von ihrer unteren Seite in den Kanal 501 hineinerstrecken. Die Strukturen 509 sind in einem Kanalunterteil 504 angeordnet.
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Die Strukturen 509 können bei demselben Herstellungsschritt/denselben Herstellungsschritten wie der Kanal 501 hergestellt werden. Insbesondere können die Strukturen 509 bei derselben Stanz-, Walz- oder Pressbearbeitung hergestellt werden wie der Kanal 501. Die Strukturen 509 können einen Hohlkern 510 auf der Außenseite der Kühlplatte 500 aufweisen, der aus der Stanz-, Walz- oder Pressbearbeitung resultieren kann.
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5B zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Kanals 501. Die Strukturen 509 können eine beliebige gewünschte Form aufweisen, insbesondere können die Strukturen 509 eine runde Kontur aufweisen und können weiter eine kuppelförmige Spitze aufweisen. Die Strukturen 509 können eine beliebige gewünschte Höhe aufweisen, die von der unteren Seite des Kanals 501 her gemessen wird. Die Höhe der Strukturen 509 reicht möglicherweise von fast Null bis zu einer Höhe, die gleich der Kanaltiefe D ist. Deshalb kann die Spitze der Strukturen 509 eine zweite Hauptoberfläche eines Substrats, das an die Kühlplatte 500 gekoppelt ist und als Kanaloberabdeckung fungiert, berühren oder fast berühren.
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Die Strukturen 509 können in einer beliebigen geeigneten Weise innerhalb des Kanals 501 angeordnet sein, zum Beispiel in einer oder mehreren Reihen und/oder seitlich versetzt. Des Weiteren kann eine beliebige gewünschte Anzahl von Strukturen 509 genutzt werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Strukturen 509 kann eine zweite Hauptoberfläche eines Substrats, das an die Kühlplatte gekoppelt ist und als Kanaloberabdeckung fungiert, Strukturen umfassen, die in den Kanal hineinreichen. Diese Strukturen können derselben Funktion dienen wie die Strukturen 509. Ein Beispiel solcher Strukturen können sogenannte „Pin Fins” sein.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zum Herstellen einer Kühlplatte. Das Verfahren 600 umfasst einen ersten Verfahrensschritt 601, wobei der erste Verfahrensschritt 601 Bereitstellen einer Metallplatte umfasst. Das Verfahren 600 umfasst weiter einen zweiten Verfahrensschritt 602, wobei der zweite Verfahrensschritt 602 Bearbeiten der Metallplatte, um einen Kanal herzustellen, umfasst, wobei der Kanal teilweise offen ist. In einem Beispiel umfasst das Bearbeiten der Metallplatte möglicherweise Stanzen und/oder Walzen und/oder Pressen der Metallplatte.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen eines Bauelements, das ein Substrat und eine Kühlplatte umfasst. Das Substrat kann so gestaltet sein, dass es mindestens einen ersten Halbleiterchip aufweist, der an das Substrat gekoppelt ist. Das Verfahren 700 umfasst einen ersten Verfahrensschritt 701, wobei der erste Verfahrensschritt 701 Bereitstellen eines Substrats und einer einen teilweise offenen Kanal umfassenden Kühlplatte umfasst. Das Verfahren 700 umfasst weiter einen zweiten Verfahrensschritt 702, wobei der zweite Verfahrensschritt 702 Koppeln der Kühlplatte an das Substrat umfasst, sodass eine Hauptoberfläche des Substrats den teilweise offenen Kanal abdichtet.
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8 zeigt ein Substrat 850 und eine Kühlplatte 800, wobei die Kühlplatte 800 gestaltet ist, um an das Substrat 850 gekoppelt zu werden, um ein Halbleiterbauelement herzustellen. Die Herstellung der Kühlplatte 800 und das Koppeln der Kühlplatte 800 an das Substrat 850 können durchgeführt werden wie bezüglich der 1A–7 beschrieben. Das Substrat 850 kann eine Aluminiumschicht 852, eine Kupferschicht 853 umfassen, wobei die Kupferschicht 853 definierte Strukturen und mindestens einen Halbleiterchip 851 umfassen kann. Der Halbleiterchip 851 kann über Bonddrähte elektrisch an die Kupferschicht 853 gekoppelt sein.
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9 zeigt ein Beispiel eines Halbleiterbauelements 90, wobei das Halbleiterbauelement 90 ein Substrat 950 und eine an das Substrat 950 gekoppelte Kühlplatte 900 umfasst. Das Halbleiterbauelement 90 lässt sich herstellen wie bezüglich der 1A–8 beschrieben. Das Substrat 950 kann ein Beispiel eines Leistungshalbleitersubstrats sein.
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Obgleich die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Umgestaltungen hierin vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Konzept der Offenbarung, wie von den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.
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Es ist möglich, Merkmale der offenbarten Bauelemente und Verfahren zu kombinieren, sofern nicht ausdrücklich anders erklärt.
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Des Weiteren soll das Konzept der vorliegenden Anmeldung nicht eingeschränkt sein auf die bestimmten Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Fertigungsart, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und der Schritte, die in der Beschreibung beschrieben werden. Wie der Durchschnittsfachmann anhand der Offenbarung der vorliegenden Erfindung ohne Weiteres erkennt, können Prozesse, Maschinen, Fertigungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die es bereits gibt oder die später noch entwickelt werden, welche im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllen oder im Wesentlichen dasselbe Ergebnis erzielen wie die entsprechenden, hierin beschriebenen Ausführungsformen, gemäß der vorliegenden Erfindung herangezogen werden. Folglich soll das Konzept der beigefügten Ansprüche solche Prozesse, Maschinen, Fertigungsarten, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte enthalten.