Halbleiteranordnung mit einem ersten Halbleiterelement und einem ersten Verbindungselement

Die Erfindung betri f ft eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterelement und zumindest einem Verbindungselement , wobei das Halbleiterelement zumindest einen Kontakt aufweist , wobei zumindest ein Verbindungselement mit einem Kontakt des Halbleiterelements verbunden ist , wobei das Halbleiterelement als Leistungshalbleitermodul ausgeführt ist , wobei das Verbindungselement als Stromschiene ausgeführt ist , welche mit dem Kontakt des Leistungshalbleitermoduls über eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, verbunden ist .

Ferner betri f ft die Erfindung eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterelement und zumindest einem Verbindungselement , wobei das Halbleiterelement zumindest einen Kontakt aufweist , wobei zumindest ein Verbindungselement mit einem Kontakt des Halbleiterelements verbunden ist , wobei das Halbleiterelement als Leistungshalbleiter ausgeführt ist , welcher zwischen einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat angeordnet und zumindest mit dem ersten Substrat , insbesondere stof f schlüssig, verbunden ist .

Ferner betri f ft die Erfindung einen Stromrichter mit mindestens einer Halbleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche .

Darüber hinaus betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterelement und zumindest einem Verbindungselement , wobei das Halbleiterelement zumindest einen Kontakt aufweist , wobei zumindest ein Verbindungselement mit einem Kontakt des Halbleiterelements verbunden wird wobei das Halbleiterelement als Leistungshalbleitermodul ausgeführt ist , wobei das Verbindungselement als Stromschiene ausgeführt ist , welche mit dem Kontakt des Leistungshalbleitermoduls über eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, verbunden wird .

Darüber hinaus betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterelement und zumindest einem Verbindungselement , wobei das Halbleiterelement zumindest einen Kontakt aufweist , wobei zumindest ein Verbindungselement mit einem Kontakt des Halbleiterelements verbunden wird, wobei das Halbleiterelement als Leistungshalbleiter ausgeführt ist , welcher zwischen einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat angeordnet und zumindest mit dem ersten Substrat , insbesondere stof f schlüssig, verbunden wird .

Derartige Anordnungen kommen beispielsweise in einem Stromrichter zum Einsatz . Unter einem Stromrichter ist beispielsweise ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Umrichter oder ein Gleichspannungswandler zu verstehen . Die Halbleiteranordnungen in einem Stromrichter werden üblicherweise in Form von Leistungshalbleitermodulen realisiert , welche beispielsweise mittels Stromschienen kontaktiert werden . Beispielsweise mittels einer planaren Aufbau- und Verbindungstechnik ist unter anderem eine erhöhte Miniaturisierung erreichbar .

Die Of fenlegungsschri ft WO 2020/249479 Al beschreibt einen elektronischen Schaltkreis mit einem ersten und einem zweiten Schaltungsträger sowie einem ersten und einem zweiten Halbleiterbauelement . Das erste Halbleiterbauelement liegt mit einer Oberseite an einer Unterseite des ersten Schaltungsträ- gers an sowie mit einer Unterseite an einer Oberseite des zweiten Schaltungsträgers . Der erste Schaltungsträger weist eine erste Durchkontaktierung auf , welche das erste Halbleiterbauelement mit einer ersten Leiterbahn verbindet . Der erste Schaltungsträger weist eine zweite Durchkontaktierung auf , welche ein zwischen den Schaltungsträgern angeordnetes Verbindungselement mit einer weiteren Leiterbahn elektrisch ver- bindet . Über das erste Verbindungselement wird eine stof fschlüssige Verbindung zwischen den Schaltungsträgern hergestellt . Das zweite Halbleiterbauelement liegt an der Unterseite des ersten Schaltungsträgers an und ist elektrisch mit der ersten oder zweiten Leiterbahn verbunden .

Durch die zunehmende Miniaturisierung der Leistungselektronik in Stromrichtern, insbesondere unter Verwendung einer derartigen planaren Aufbau- und Verbindungstechnik, ergeben sich neue Heraus forderungen hinsichtlich der Entwärmung einer Halbleiteranordnung, um eine hohe Zuverlässigkeit bei geringem Platzbedarf , auch unter Berücksichtigung der Herstellungskosten, zu gewährleisten .

Die Of fenlegungsschri ft EP 3 823 018 Al beschreibt ein Elektronikmodul . Das Elektronikmodul umfasst eine pulsierende He- atpipe mit einer Kanalstruktur, in der ein Wärmetransportmedium angeordnet ist , und wenigstens ein elektrisches Bauelement , das mit dem Wärmetransportmedium direkt in Kontakt steht und/oder mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktelement verbunden ist , das mit dem Wärmetransportmedium direkt in Kontakt steht .

Die Patentschri ft DE 10 2008 063 724 B4 beschreibt eine Sammelschienenanordnung, die umfasst : mehrere Sammelschienen, die eine erste DC-Sammelschiene , eine zweite DC-Sammelschiene und eine dazwischen vorgesehene AC- Sammel schiene in einer vertikal geschichteten Konfiguration umfassen; mehrere Leistungshalbleitereinrichtungen, die mit den mehreren Sammelschienen kontaktiert und dazwischen montiert sind; wobei mindestens eine der Sammelschienen ein eingebautes Kühlsystem umfasst .

Die Of fenlegungsschri ft WO 2006/ 058860 A2 beschreibt eine Wärmeaustauschvorrichtung aufweisend mindestens einen Schichtverbund mit einer Schicht und mindestens einer weiteren Schicht , wobei zwischen der Schicht und der weiteren Schicht ein Fluidkanal zum Durchleiten eines Temperierf luids derart angeordnet ist , dass der Fluidkanal von beiden Schichten begrenzt ist und zumindest eine der Schichten eine Kunststof f folie aufweist .

Die Veröf fentlichung „A review on friction stir-based channeling" von K . P . Mehta et al beschreibt ein FSC-Verf ahren .

Die Of fenlegungsschri ft US 2004 / 060965 Al beschreibt einen inneren Kanal in einem Metallkörper zur Verwendung bei Anwendungen, bei denen eine innere Flüssigkeitsströmung innerhalb eines Metallkörpers erwünscht ist , wie in einem Wärmetauscher . Der innere Kanal wird in dem Metallkörper durch Reibungsrühren mit einem in den Metallkörper eingetauchten Sti ft gebildet und der Metallkörper wird mit dem Sti ft durchquert .

Die Veröf fentlichung „Friction Stir Channeling Industrial Applications Prototype Design and Production Mechanical Engineering Jury" von M . Filgueiras et al beschreibt ein FSC- Verf ahren .

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Halbleiteranordnung mit einer verbesserten Entwärmung anzugeben, welche auf kostengünstige und einfache Weise herstellbar ist .

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiteranordnung eingangs genannter Art erfindungsgemäß dadurch gelöst , dass die Stromschiene eine geschlossene Kühlkanalstruktur mit zumindest einem Kühlkanal aufweist , welcher zumindest teilweise mittels eines FSC-Verf ährens hergestellt ist , wobei die Stromschiene zumindest eine Lasche aufweist , durch welche zumindest ein Kühlkanal der Kühlkanalstruktur verlaufend angeordnet ist .

Ferner wird die Aufgabe bei einer Halbleiteranordnung eingangs genannter Art erfindungsgemäß dadurch gelöst , dass das Verbindungselement eine geschlossene Kühlkanalstruktur mit zumindest einem Kühlkanal aufweist , welcher zumindest teilweise mittels eines FSC-Verf ährens hergestellt ist , wobei das Verbindungselement über das erste Substrat mit dem Kontakt des Leistungshalbleiters verbunden ist , wobei der Leistungshalbleiter mit dem Verbindungselement über das erste Substrat in einer thermisch leitfähigen Verbindung steht .

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromrichter mit mindestens einer derartigen Halbleiteranordnung .

Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einem Verfahren eingangs genannter Art dadurch gelöst , dass in der Stromschiene eine geschlossene Kühlkanalstruktur mit zumindest einem Kühlkanal zumindest teilweise mittels eines FSC- Verfahrens hergestellt wird, wobei die Stromschiene zumindest eine Lasche aufweist , durch welche zumindest ein Kühlkanal der Kühlkanalstruktur verlaufend angeordnet wird .

Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einem Verfahren eingangs genannter Art dadurch gelöst , dass im Verbindungselement eine geschlossene Kühlkanalstruktur mit zumindest einem Kühlkanal zumindest teilweise mittels eines FSC-Verf ährens hergestellt wird, wobei das Verbindungselement über das erste Substrat mit dem Kontakt des Leistungshalbleiters verbunden wird, wobei der Leistungshalbleiter mit dem Verbindungselement über das erste Substrat in einer thermisch leitfähigen Verbindung steht .

Die in Bezug auf die Halbleiteranordnung nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf den Stromrichter und das Herstellungsverfahren übertragen .

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde , die Zuverlässigkeit einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterelement zu erhöhen, indem die Entwärmung des Halbleiterelements kostengünstig und einfach verbessert wird . Das Halbleiterelement ist beispielsweise ein Leistungshalbleitermodul , welches in einem Gehäuse angeordnet sein kann und zumindest einen Kon- takt aufweist . Das Halbleiterelement kann aber auch als ein, insbesondere vertikaler, Halbleiter, insbesondere als ein In- sulated-Gate-Bipolar-Transistor ( IGBT ) , ausgeführt sein . Zumindest ein Verbindungselement ist mit einem Kontakt des Halbleiterelements verbunden . Das Verbindungselement kann unter anderem aus einem metallischen Werkstof f , einem Polymer oder einer Polymermatrix hergestellt und zur thermisch leitfähigen Kontaktierung des Halbleiterelements konfiguriert sein . Beispielsweise ist das Verbindungselement als eine Stromschiene oder als ein Kontaktierungs- und/oder Stützelement ausgeführt .

Um eine verbesserte Entwärmung zu gewährleisten, wird im Verbindungselement eine Kühlkanalstruktur mit zumindest einem Kühlkanal angeordnet , was , insbesondere bei einer hohen Integrationsdichte zu einer Wärmesprei zung und damit zu einer Verbesserung der Entwärmung des zumindest einen Halbleiterelements führt . Beispielsweise wird die durch den Betrieb des Halbleiterelements entstehende Wärme über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Konvektion an die Umgebung, insbesondere an die umgebende Luft , dissipiert .

Der Kühlkanal der Kühlkanalstruktur des Verbindungselements ist zumindest teilweise mittels eines FSC-Verf ährens hergestellt . Beim FSC-Verf ahren bzw . dem Friction Stir Channelling, auf Deutsch Rührreibkanalisieren genannt , handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Rührreibschweißens , bei dem das Rührreibverfahren so modi fi ziert wird, dass das Material absichtlich aus der Masse des Werkstücks herausbewegt und so ein Kanal ausgebildet wird . Durch ein derartiges Verfahren sind Kühlkanäle einfach und kostengünstig herstellbar . Insbesondere sind durch das FSC-Verf ahren filigrane Kühlkanäle bei derartigen Verbindungselementen möglichst nahe am Halbleiterelement kostengünstig und präzise realisierbar . Durch das FSC-Verf ahren wird ein flexibler Verlauf der Kühlkanalstruktur abhängig von der Geometrie des Bauteils ermöglicht . Das Halbleiterelement ist als Leistungshalbleitermodul ausgeführt , wobei das Verbindungselement als Stromschiene ausgeführt ist , welche mit dem ersten Kontakt des Leistungshalbleitermoduls über eine kraf tschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, verbunden ist . Ein derartiges Leistungshalbleitermodul umfasst beispielsweise Leistungshalbleiter, die in einem Gehäuse angeordnet sind und, unter anderem, Lastanschlüsse aufweisen, die mittels Stromschienen kontaktiert werden . Eine Schraubverbindung zur Kontaktierung ist zuverlässig und weist einen geringen thermischen Widerstand auf . In derartigen mit den Lastanschlüssen kontaktierten Stromschienen können hohe Ströme auftreten . Ferner sind die Leistungshalbleiter teilweise über die Stromschienen ent- wärmbar . Über in den Stromschienen angeordnete Kühlkanäle ist eine verbesserte Abgabe der Verlustwärme an die Umgebung erzielbar, sodass eine verbesserte Entwärmung der Halbleiteranordnung erfolgt .

Die Stromschiene weist zumindest eine Lasche auf , durch welche zumindest ein Kühlkanal der Kühlkanalstruktur verlaufend angeordnet ist . Eine derartige Lasche kann unter anderem zur Kontaktierung eines Lastanschlusses eines Leistungshalbleitermoduls verwendet werden, sodass der zumindest ein Kühlkanal sehr nahe am Leistungshalbleitermodul angeordnet ist , was einen verbesserten Wärmetransport und damit eine ef fi ziente Entwärmung ermöglicht .

Das Halbleiterelement ist als Leistungshalbleiter ausgeführt , welcher zwischen einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat angeordnet und zumindest mit dem ersten Substrat , insbesondere stof f schlüssig, verbunden ist , wobei das Verbindungselement über das erste Substrat mit dem Kontakt des Leistungshalbleiters verbunden ist , wobei der Leistungshalbleiter mit dem Verbindungselement über das erste Substrat in einer thermisch leitfähigen Verbindung steht . Eine derartige stof f schlüssige Verbindung kann unter anderem eine Lötverbindung und/oder eine Sinterverbindung aber auch eine adhäsive Verbindung, z . B . mit einem elektrisch und thermisch leitfähi- gen Kleber, sein . Der Leistungshalbleiter kann unter anderem als vertikaler Leistungstransistor , insbesondere als Insula- ted-Gate-Bipolar-Transistor ( IGBT ) , ausgeführt sein . Weitere Beispiele für derartige Leistungshalbleiter sind weitere Transistortypen wie Feldef fekttransistoren aber auch Triacs , Thyristoren und Dioden . Das Verbindungselement kann unter anderem die Funktion eines Kontaktierungs- und Stützelements aufweisen . Über eine in dem Verbindungselement angeordnete Kühlkanalstruktur ist eine verbesserte Entwärmung erzielbar . Beispielsweise kann ein derartiges Verbindungselement im Bereich eines Hotspots eingesetzt werden .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Verbindungselement eine geschlossene Kühlkanalstruktur aufweist . Eine derartige geschlossene Kühlkanalstruktur weist keine externen Anschlüsse zur Zufuhr eines Wärmetransport fluides während des Betriebes auf . Durch eine derartige geschlossene Kanalstruktur sind unter anderem ein Thermosiphon oder eine Heatpipe ausbildbar . Bildet die geschlossene Kühlkanalstruktur einen geschlossenen Kreislauf aus , ist eine pulsierende Heatpipe ausbildbar . Da während des Betriebes kein Wärmetransport fluid über externe Anschlüsse zugeführt bzw . abgeführt werden muss und somit zusätzliche Komponenten, wie z . B . eine Pumpe , entfallen, sind die Herstellung und der Betrieb eines Verbindungselements mit einer geschlossenen Kühlkanalstruktur einfach und kostengünstig .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Verbindungselement aus einem elektrisch leitfähigen Werkstof f , insbesondere einem metallischen Werkstof f , hergestellt und zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des Kontakts konfiguriert ist . Das Verbindungselement kann unter anderem Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Zinn oder eine ihrer Legierungen enthalten, wodurch eine gute elektrische und thermische Verbindung herstellbar ist .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass zumindest ein

Kühlkanal der Kühlkanalstruktur mäanderf örmig in dem Verbin- dungselements verlaufend angeordnet ist . Eine mäanderf örmige Kühlkanalstruktur ist mittels des FSC-Verf ährens groß flächig in einem Prozessschritt und damit einfach und kostengünstig herstellbar und ermöglicht eine ef fi ziente Entwärmung und Wärme sprei zung .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die Kühlkanalstruktur ein Wärmetransport fluid enthält . Ein derartiges Fluid kann elektrisch leitfähig und elektrisch nicht-leitfähig ausgeführt sein . Unter anderem kommen Luft , insbesondere deionisiertes , Wasser, eine Wasser-Glykol-Gemisch, dielektrische Flüssigkeiten und/oder Öle infrage . Somit wird einfach und kostengünstig ein Wärmetransport ermöglicht .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Wärmetransportfluid für eine Zweiphasenkühlung vorgesehen ist . Beispiele für eine Zweiphasenkühlungen sind unter anderem ein Thermosiphon, eine Heatpipe oder eine pulsierende Heatpipe . Insbesondere ist Perf luor-N-alkyl-morpholin aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit , seines Siedepunkts und seiner dielektrischen Eigenschaften gut als elektrisch nichtleitendes Wärmetransportmedium für die Zweiphasenkühlung geeignet . Durch eine derartige Zweiphasenkühlung wird eine ef fi ziente Entwärmung ermöglicht .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass der zumindest eine Kühlkanal eine mittels des FSC-Verf ährens hergestellte Öf fnung aufweist , wobei die Öf fnung zum Einfüllen des Wärmetransportfluides vorgesehen ist . Eine derartige Öf fnung entsteht während des FSC-Verf ährens üblicherweise als Nebenprodukt . Durch die Nutzung der Öf fnung zum Einfüllen des Wärmetransportfluides wird der Herstellungsprozess weiter vereinfacht und die Herstellungskosten werden durch Reduzierung der Fertigungsschritte weiter gesenkt .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Verbindungselement zur mechanischen und/oder thermischen Verbindung der Substrate vorgesehen ist . Auf diese Weise wird die Anzahl der erforderlichen Komponenten und der erforderliche Bauraum für die Halbleiteranordnung reduziert . Insbesondere im Bereich von Hotspots kann so einfach und kostengünstig eine Wärmesprei zung erzielt werden .

Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Verbindungselement aus einem elektrisch leitfähigen Werkstof f , insbesondere einem metallischen Werkstof f , hergestellt und zur elektrisch leitfähigen Verbindung des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat konfiguriert ist . Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit eines metallischen Werkstof fs ist ein ef fi zienter Wärmetransport erzielbar . Durch die Verwendung der Verbindungselemente zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung wird die Anzahl der erforderlichen Komponenten und der erforderliche Bauraum für die Halbleiteranordnung reduziert .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .

Es zeigen :

FIG 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,

FIG 2 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer zweiten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,

FIG 3 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer dritten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,

FIG 4 eine schematische Darstellung einer ersten Aus führungs form einer Stromschiene in einer Draufsicht ,

FIG 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Aus führungs form einer Stromschiene in einer Draufsicht , FIG 6 eine schematische Darstellung einer dritten Aus führungs form einer Stromschiene in einer Draufsicht .

FIG 7 eine schematische Querschnittsdarstellung einer vierten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,

FIG 8 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Kühlkanals in einem Verbindungselement mittels eines FSC-Verf ährens und

FIG 9 eine schematische Darstellung eines Stromrichters .

Bei den im Folgenden erläuterten Aus führungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung . Bei den Aus führungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Aus führungs formen j eweils einzelne , unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung j eweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind . Des Weiteren sind die beschriebenen Aus führungs formen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar .

Gleiche Bezugs zeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung .

FIG 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 mit einem ersten Halbleiterelement 4 , welches als Leistungshalbleitermodul 6 ausgeführt ist . Das Leistungshalbleitermodul 6 weist ein Gehäuse 7 und eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern 8 auf , welche unter anderem als , insbesondere vertikale , Transistoren, z . B . als Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren ( IGBTs ) , oder weitere Transistortypen, aber auch als ein Triacs , Thyristoren und/oder Dioden ausgeführt sein können . Ferner umfasst das Leistungshalbleitermodul 6 beispielhaft drei Kontakte 10 , 12 , 14 , welche als Lastanschlüsse 16 ausgeführt sind . Die Kontakte 10 , 12 , 14 des Leistungshalbleitermoduls 6 werden j eweils über eine kraf tschlüssige Verbindung 18 , welche beispielhaft als eine Schraubverbindung 20 ausgeführt ist , mit einem Verbindungselement 22 , 24 , 26 verbunden . Die Verbindungselemente 22 , 24 , 26 sind als Stromschienen 28 ausgeführt , welche in einer vertikalen Richtung v voneinander isoliert übereinander angeordnet sind . Die Stromschienen 28 sind aus einem elektrisch leitfähigen Werkstof f , insbesondere einem metallischen Werkstof f , hergestellt und zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung der Leistungshalbleiter 8 im Leistungshalbleitermodul 6 konfiguriert . Beispielsweise enthalten die Stromschienen 28 Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Zinn oder einer ihrer Legierungen . Beispielsweise wird die durch den Betrieb der Leistungshalbleitern 8 im Leistungshalbleitermodul 6 entstehende Wärme über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Konvektion an die Umgebung, insbesondere an die umgebende Luft , dissipiert .

Die Verbindungselemente 22 , 24 , 26 weisen j eweils eine Kühlkanalstruktur 30 mit zumindest einem Kühlkanal 32 auf . In der Kühlkanalstruktur 30 ist ein Wärmetransport fluid 34 angeordnet , das für eine Zweiphasenkühlung vorgesehen ist . Beispielsweise wird mit der Kühlkanalstruktur 30 ein Thermosiphon, eine Heatpipe oder pulsierende Heatpipe ausgebildet , sodass ein verbesserter Wärmetransport und eine Wärmespreizung erreicht wird . Eine Öf fnung zum Befüllen der Kühlkanalstruktur 30 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in FIG 1 nicht dargestellt . Das zweite Verbindungselement 24 und das dritte Verbindungselement 26 der übereinander angeordneten Verbindungselemente 22 , 24 , 26 weisen j eweils eine Lasche 36 auf , über welche die Verbindung zu den j eweiligen Kontakte 12 , 14 des Leistungshalbleitermoduls 6 mittels Schraubverbindung 20 hergestellt wird, wobei zumindest ein Kühlkanal 32 der Kühlkanalstruktur 30 durch die j eweilige Lasche 36 verlaufend angeordnet ist .

Der Kühlkanal 32 der Kühlkanalstruktur 30 ist mittels eines FSC-Verf ährens hergestellt . Bei einem derartigen ESC- Verfahren bzw . Friction Stir Channelling, auf Deutsch Rühr- reibkanalisieren genannt , handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Rührreibschweißens , bei dem das Rührreibverfahren so modi fi ziert wird, dass das Material absichtlich aus der Masse des Werkstücks herausbewegt und so ein Kanal ausgebildet wird . Ein mittels des FSC-Verf ährens hergestellter Kühlkanal 32 kann unter anderem einen eckigen, insbesondere rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen . Durch ein derartiges FSC-Verf ahren sind Kühlkanäle einfach und kostengünstig herstellbar .

FIG 2 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer zweiten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 , welche weitere , beispielhaft parallel geschaltete , Leistungshalbleitermodule 6 umfasst , die auf einem gemeinsamen Kühlkörper 38 verschraubt und zumindest thermisch leitfähig sind . Die ersten Kontakte 10 der Leistungshalbleitermodule 6 sind über ein gemeinsames erstes Verbindungselement 22 , das als Sammelschiene ausgeführt ist , kontaktiert . Der Kontakt wird über eine Schraubverbindung 20 hergestellt . Der Kühlkanal 32 der geschlossenen Kühlkanalstruktur 30 ist mäanderf örmig in dem ersten Verbindungselement 22 verlaufend angeordnet und enthält ein Wärmetransport fluid 34 , wobei die Kühlkanalstruktur 30 mit dem Wärmetransport fluid 34 als pulsierende Heat- pipe ausgeführt ist . Während des Betriebes der Leistungshalbleitermodule 6 entstehende Wärme wird z . B . über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Konvektion an die Umgebung, insbesondere an die umgebende Luft , dissipiert . Die weitere Ausgestaltung der Halbleiteranordnung 2 in FIG 2 entspricht der in FIG 1 .

FIG 3 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer dritten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 , welche zusätzlich ein gemeinsames zweites Verbindungselement 24 , das als Sammelschiene ausgeführt ist . Das gemeinsame zweite Verbindungselement 24 , das in einer vertikalen Richtung v über dem gemeinsamen ersten Verbindungselement 22 angeordnet ist , ist über Laschen 36 und eine Schraubverbin- dung 20 mit den zweiten Kontakten 12 der Leistungshalbleitermodule 6 verbunden . Der Kühlkanal 32 der geschlossenen Kühlkanalstruktur 30 des zweiten Verbindungselements 24 ist mäanderförmig im zweiten Verbindungselement 24 verlaufend angeordnet und enthält ein Wärmetransport fluid 34 , wobei die Kühlkanalstruktur 30 mit dem Wärmetransport fluid 34 als pulsierende Heatpipe ausgeführt ist . Die weitere Ausgestaltung der Halbleiteranordnung 2 in FIG 3 entspricht der in FIG 2 .

FIG 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungs form einer Stromschiene 28 in einer Draufsicht , wobei die Stromschiene 28 als Sammelschiene mit beispielhaft drei Laschen 36 ausgeführt ist . Die beispielhaft drei geschlossenen Kühlkanäle 32 der Kühlkanalstruktur 30 sind in den Laschen 36 verlaufend ausgebildet und können unter anderem eine Heatpipe oder ein Thermosiphon ausbilden . Die mittels des FSC-Verf ährens hergestellten Kühlkanäle 32 weisen j eweils eine mittels des FSC-Verf ährens hergestellte Öf fnung 40 auf , welche nach dem Befüllen der Kühlkanäle 32 mit dem Wärmetransportfluid 34 verschlossen werden . Die weitere Ausgestaltung der Stromschiene 28 in FIG 4 entspricht der in FIG 3 .

FIG 5 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungs form einer Stromschiene 28 in einer Draufsicht . Der Kühlkanal 32 der geschlossenen Kühlkanalstruktur 30 ist mäanderförmig in der Stromschiene 28 verlaufend angeordnet und verläuft durch die beispielhaft drei Laschen 36 . Der mittels des FSC-Verf ährens hergestellte Kühlkanal 32 weist eine mittels des FSC-Verf ährens hergestellte Öf fnung 40 auf , welche nach dem Befüllen des Kühlkanals 32 mit dem Wärmetransportfluid 34 verschlossen wird . Die mäanderf örmig ausgeführte Kühlkanalstruktur 30 bildet mit dem Wärmetransport fluid 34 eine pulsierende Heatpipe aus . Die weitere Ausgestaltung der Stromschiene 28 in FIG 5 entspricht der in FIG 4 .

FIG 6 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungs form einer Stromschiene 28 in einer Draufsicht . Einer der beispielhaft drei of fenen Kühlkanäle 32 der Kühlkanalstruktur 30 ist exemplarisch durch eine der drei Laschen 36 verlaufend ausgebildet . Ferner weisen die Kühlkanäle 32 j eweils beidseitig angeordnete Fluidanschlüsse 42 zur externen Zuführung eines Wärmetransport fluids 34 auf .

FIG 7 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer vierten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 , wobei das Halbleiterelement 4 als Leistungshalbleiter 8 ausgeführt ist , welcher zwischen einem ersten Substrat 44 und einem zweiten Substrat 46 angeordnet und mit den Substraten 44 , 46 stof f schlüssig verbunden ist . Die stof f schlüssige Verbindung kann unter anderem eine Lötverbindung und/oder eine Sinterverbindung aber auch eine adhäsive Verbindung, z . B . mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Kleber, sein . Die Substrate 44 , 46 weisen j eweils eine dielektrische Materiallage 48 , eine auf einer dem Halbleiterelement 4 zugewandten Seite angeordnete erste Metallisierung 50 und eine auf einer dem Halbleiterelement 4 abgewandten Seite angeordnete zweite Metallisierung 52 auf . Die dielektrische Materiallage 48 kann unter anderem einen keramischen Werkstof f , beispielsweise Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, oder einen organischen Werkstof f , beispielsweise ein Polyamid oder Epoxidharz , enthalten .

Der Leistungshalbleiter 8 ist beispielhaft als vertikaler Leistungstransistor , insbesondere als Insulated-Gate-Bipolar- Transistor ( IGBT ) , ausgeführt . Der Leistungstransistor ist über einen ersten Kontakt 10 , welcher als Lastanschluss 16 , insbesondere als Kollektor-Anschluss , ausgeführt ist , mit der ersten Metallisierung 50 des zweiten Substrats 46 verbunden . Auf einer dem ersten Kontakt 10 gegenüberliegenden Seite ist der Leistungstransistor über einen zweiten Kontakt 12 , welcher als Lastanschluss 16 , insbesondere als Emitter- Anschluss , ausgeführt ist , und einen dritten Kontakt 14 , welcher als Steueranschluss , insbesondere als Gate-Anschluss , ausgeführt ist , mit der ersten Metallisierung 50 des ersten Substrats 44 verbunden . Das erste Verbindungselement 22 ist über die erste Metallisierung 50 des ersten Substrats 44 elektrisch leitfähig mit dem dritten Kontakt 14 verbunden, während das zweite Verbindungselement 24 über die erste Metallisierung 50 des ersten Substrats 44 elektrisch leitfähig mit dem zweiten Kontakt 12 des Leistungshalbleiters 8 verbunden ist . Ferner sind die Verbindungselemente 22 , 24 zur mechanischen und thermischen Verbindung der Substrate 44 , 46 vorgesehen . Die Verbindungselemente 22 , 24 sind darüber hinaus aus einem elektrisch leitfähigen Werkstof f , insbesondere einem metallischen Werkstof f , hergestellt und zur elektrisch leitfähigen Verbindung des ersten Substrats 44 mit dem zweiten Substrat 46 konfiguriert . Somit haben die Verbindungselemente 22 , 24 unter anderem die Funktion eines Kontaktierungs- und Stützelements . Zwischen den Substraten 44 , 46 ist ein Vergussmaterial 54 angeordnet , in welchem das Halbleiterbauelement 4 sowie die Verbindungselemente 22 , 24 eingebettet sind .

Die Verbindungselemente 22 , 24 , welche unter anderem quaderförmig ausgeführt sein können, weisen j eweils eine geschlossene Kühlkanalstruktur 30 mit j eweils einem mäanderf örmig im j eweiligen Verbindungselement 22 , 24 verlaufenden Kühlkanal 32 auf . Der Kühlkanal 32 der Kühlkanalstruktur 30 ist mittels eines FSC-Verf ährens hergestellt . Im Kühlkanal 32 ist ein Wärmetransport fluid 34 angeordnet , das für eine Zweiphasenkühlung vorgesehen ist . Die mäanderf örmig ausgeführte Kühlkanal 32 der Kühlkanalstruktur 30 bildet mit dem Wärmetransportfluid 34 eine pulsierende Heatpipe aus . Die weitere Ausgestaltung der Halbleiteranordnung 2 in FIG 7 entspricht der in FIG 1 .

FIG 8 zeigt eine schematische Darstellung der Herstellung eines Kühlkanals 32 in einem Verbindungselement 22 mittels eines FSC-Verf ährens . Eine rotierenden Sonde 56 taucht in das

Verbindungselement 22 ein und wird in eine Bewegungsrichtung 58 verfahren, wobei eine Schulter 60 eine Oberfläche 62 des Verbindungselements 22 berührt . Durch die Rotationsbewe- gung eines gewindeartig profilierten rotierenden Stiftes 64 wird der metallische Werkstoff des Verbindungselements 22 plastifiziert. Es erfolgt eine Extrusion 66 eines Teils des plastifizierten Materials 68, das über zumindest eine Extrusionsöffnung 70 ausgestoßen wird. Diese Materialsubtraktion führt zur Ausbildung des geschlossenen, unter der Oberfläche 62 verlaufenden Kühlkanals 32.

FIG 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichters 72, welcher beispielhaft eine Halbleiteranordnung 2 umfasst .

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Halbleiteranordnung 2 mit einem Halbleiterelement 4 und zumindest einem Verbindungselement 22, 24, 26, wobei das Halbleiterelement 4 zumindest einen Kontakt 10, 12, 14 aufweist, wobei zumindest ein Verbindungselement 22, 24, 26 mit einem Kontakt 10, 12, 14 des Halbleiterelements 4 verbunden ist. Um die Entwärmung der Halbleiteranordnung 2 auf kostengünstige und einfache Weise zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Verbindungselement 22, 24, 26 eine Kühlkanalstruktur 30 mit zumindest einem Kühlkanal 32 aufweist, welcher zumindest teilweise mittels eines FSC-Verf ährens hergestellt ist.