浸没式冷却封装件的制作方法

浸没式冷却封装件
1.相关专利申请的交叉引用
2.本文档要求授予im等人的于2021年6月16日提交的名称为“immersion cooling package”的美国临时专利申请63/202,561的申请日期的权益，该申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
3.本文档的各方面整体涉及半导体封装件，诸如用于半导体器件的封装件。更具体的实施方式涉及用于功率半导体器件的封装件。


背景技术：

4.半导体封装件用于实现半导体管芯与系统中其他电子部件之间的电气连接。半导体封装件还设计成保护半导体管芯免受物理力(冲击、热应力、机械应力)和环境变量如湿度或光的影响。


技术实现要素：

5.半导体封装件的实施方式可包括一个或多个半导体管芯，该一个或多个半导体管芯嵌入在衬底中；至少三个销翅端子，该至少三个销翅端子耦接到衬底；耦接到衬底的至少一个信号引线连接器和固定器部分；以及涂层，该涂层直接耦接到衬底的在操作期间暴露于冷却剂的所有表面。该固定器部分可被配置为紧固到可包括冷却剂的浸没式冷却壳体中的固定器。
6.半导体封装的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
7.该一个或多个半导体管芯当嵌入在衬底中时可并联耦接。
8.该一个或多个半导体管芯当嵌入在衬底中时可堆叠。
9.该至少三个销翅端子可以是p端子、n端子和输出端子。
10.该n端子和该p端子可耦接到衬底的相反侧。
11.在封装件的各种实施方式中，可包括仅一个衬底。
12.该至少三个销翅端子可以是六个销翅端子，并且该六个插销端子可以是p端子、n端子、u输出端子、v输出端子和w输出端子。
13.该封装件可以是牵引逆变器模块。
14.浸没式冷却系统的实施方式可包括与冷却交换器耦接的包含冷却剂的浸没式冷却壳体；半导体封装件，该半导体封装件浸没在冷却剂中。该半导体封装件可包括：一个或多个半导体管芯，该一个或多个半导体管芯嵌入在衬底中；至少一个销翅端子，该至少一个销翅端子耦接到衬底；至少一个信号引线连接器；固定器部分，该固定器部分耦接到衬底；以及涂层，该涂层直接耦接到衬底的在操作期间暴露于冷却剂的所有表面。
15.浸没式冷却系统的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
16.该固定器部分可被配置为紧固到与浸没式冷却壳体耦接的固定器。
17.该一个或多个半导体管芯当嵌入在衬底中时可并联耦接。
18.该一个或多个半导体管芯当嵌入在衬底中时可堆叠。
19.该至少一个销翅端子可以是三个销翅端子，并且其中该三个销翅端子可以是p端子、n端子和输出端子。
20.该n端子和该p端子可耦接到衬底的相反侧。系统其中半导体封装件中可包括仅一个衬底。
21.该至少一个销翅端子可以是六个销翅端子，并且其中该六个销翅端子可以是p端子、n端子、u输出端子、v输出端子和w输出端子。
22.该半导体封装件可以是牵引逆变器模块。
23.形成半导体封装件的方法的实施方式可包括：将一个或多个半导体管芯嵌入在衬底中；使用接合工艺将至少一个销翅端子直接耦接到衬底的一侧；将至少一个信号引线连接器和固定器部分耦接到衬底；以及将涂层直接施加在衬底的在操作期间暴露于冷却剂的所有表面上。
24.形成半导体封装的方法的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
25.嵌入一个或多个半导体管芯还可包括：堆叠两个或更多个半导体管芯。
26.嵌入一个或多个半导体管芯还可包括：并联电耦接两个或更多个半导体管芯。
27.对于本领域的普通技术人员而言，通过具体实施方式以及附图并通过权利要求书，上述以及其他方面、特征和优点将会显而易见。
附图说明
28.将在下文中结合附图来描述实施方式，在附图中类似标号表示类似元件，并且：
29.图1是放置于浸没式冷却壳体内的半导体封装件的实施方式的透视图；
30.图2是放置于浸没式冷却壳体内的半导体封装件的实施方式的剖视图；
31.图3是半导体管芯(die)并联耦接的半导体封装件的实施方式的剖视图；
32.图4是半导体管芯堆叠在彼此上方的半导体封装件的实施方式的剖视图；
33.图5是在将半导体管芯嵌入在衬底中之后的衬底的实施方式的侧剖视图；
34.图6是在使用连结工艺将三个销翅(pin fin)端子耦接之后的图5的衬底实施方式的剖视图；
35.图7是在将端子与三个销翅端子耦接之后的图7的封装件实施方式的剖视图；并且
36.图8是在将涂层施加到暴露衬底表面之后的图7的封装件实施方式的剖视图。
具体实施方式
37.本公开、其各方面以及实施方式并不限于本文所公开的具体部件、组装工序或方法要素。本领域已知的符合预期半导体封装的许多另外的部件、组装工序和/或方法元素将显而易见地能与本公开的特定实施方式一起使用。因此，例如，尽管本发明公开了特定实施方式，但是此类实施方式和实施部件可包括符合预期操作和方法的本领域已知用于此类半导体封装件以及实施部件和方法的任何形状、尺寸、样式、类型、模型、版本、量度、浓度、材料、数量、方法元素、步骤，和/或类似的。
38.参考图1，示出了放置于浸没式冷却壳体4内的半导体封装件2的实施方式，该浸没
式冷却壳体在其中包括冷却剂6。如图所示，在该实施方式中，浸没冷却壳体4包括液相冷却剂8和气相冷却剂10两者。然而，在其他实施方式中，浸没式冷却壳体4中的冷却剂6可仅是液相的。如本文所用，“浸没式冷却”包括半导体封装件的至少一部分浸没在冷却剂的液相中的情况，并且因此包括在浸没式冷却壳体中采用单相或两相冷却剂的情况。在各种实施方式中，浸没式冷却壳体4被包括作为电子系统的一部分，诸如，作为非限制性示例，车用蓄电池、电动马达、车辆或采用半导体管芯的任何其他电子系统。浸没式冷却壳体4可以是独立成套的并且是封闭系统，没有依赖于壳体外表面的环境或外部强制对流冷却来移除从冷却剂6传递的热量的出口(对于两相和单相冷却剂两种情况)。在其他实施方式中，浸没式冷却壳体4可与冷却交换器耦接，该冷却交换器从壳体4的内部接收经加热的冷却剂6，从中移除热量，并且随后将经冷却的冷却剂循环回到浸没冷却壳体。如图1所示，示出了冷却交换器12，该冷却交换器接收汽化冷却剂10，并且随后使用热交换器14对该汽化冷却剂进行冷凝以将液体冷却剂8返回到壳体4。然而，在其他实施方式中，即使在壳体中存在两相冷却剂的情况下，该冷却交换也仅可接收和冷却来自浸没式冷却壳体的液体冷却剂。可使用本文档中公开的原理来构造广泛多种壳体类型和冷却交换类型。在特定实施方式中，所使用的冷却剂可以是化学惰性冷却剂。在其他实施方式中，所使用的冷却剂可以是电介质流体。在一些实施方式中，冷却剂可以是由明尼苏达州圣保罗的3m公司(3m,st.paul,mn)以商品名fluorinert销售的惰性冷却剂和电介质冷却剂中的一种。
39.如图1所示，所示的半导体封装件是被设计成将来自蓄电池的直流电转换成用于驱动电动马达的交流电的牵引逆变器。然而，本文公开的原理可用于形成用于许多其他电子器件类型的半导体封装件。在该封装件实施方式中，包括与电动马达的端子相对应的至少六个销翅端子：p端子16、n端子18、u端子20、v端子22和w端子24。该封装件中还包括信号引线连接器26。在操作期间，对应的电缆(出于说明的目的，在图1中未示出)将连接到端子和信号引线连接器中的每一者，以允许封装件电连接到电动马达。销翅端子包括多个翅片(在这种情况下为销翅)，该多个翅片延伸到冷却剂中并且对应地增加每个端子的表面积以增加从半导体封装件到冷却剂的热传递。虽然图1中示出了具有销翅端子的笔直翅片28的使用，但是各种实施方式可包括广泛多种翅片和其他突起部类型，诸如，作为非限制性示例，插销、锥体、截头圆锥形形状、矩形保护件、弯曲突起部或任何其他三维翅片或插销形状。
40.参考图2，示出了浸没式冷却壳体32中的半导体封装件30的侧剖视图。浸没式冷却壳体32以具有冷却剂34与冷却交换器36的两相模式一起操作，该冷却交换器与图1中所示的实施方式类似地起作用。在此，示出了半导体封装件30的内部结构，该内部结构示出了n销翅端子38、p销翅端子40和输出销翅端子42。销翅端子38、40、42中的每一个销翅端子包括被设计成与电缆耦接的端子部分44、46、48，该电缆与翅片部分50、52、54耦接。翅片部分50、52、54通过接合/键合(包括相关联的键合材料)直接耦接到衬底56。衬底56包括嵌入在衬底本身的材料中的四个半导体管芯58、60、62、64以及对应的迹线66、68，这些迹线将管芯58、60、62、64与对应的翅片部分50、52、54中的每个翅片部分电耦接。附加信号引线连接器70与固定器部分(fixture portion)72相邻地耦接在衬底56的端部处，该固定器部分被设计成允许整个封装件30耦接到浸没式冷却壳体32内的固定器(fixture)中。各种端子部分44、46、48、信号引线连接器70和固定器部分72的具体形状由所使用的特定电缆连接器或用于
与固定器部分72耦接的固定器结构确定。在各种实施方式中可采用广泛多种连接器类型和固定器耦接结构，并且本领域普通技术人员将容易地能够使用本文档中公开的原理来选择适当的端子、引线连接器和固定器部分类型和结构。
41.在一组实施方式中，衬底56的材料可以是用于电路板的广泛多种材料类型中的任一种，作为非限制性示例，包括fr1、fr2、fr4、fr5、fr6、g-10、g-11、氧化铝、玻璃增强环氧树脂层压板、层压件、绝缘金属衬底、聚酰亚胺箔或能够在其中嵌入半导体管芯的任何其他电路板材料类型。在另外的实施方式中，衬底的材料可以是直接键合铜(dbc)衬底。在其他实施方式中，衬底可以是绝缘金属衬底(ims)。在再一些其他实施方式中，衬底可以是陶瓷衬底。因为衬底56的部分即使在销翅端子38、40、42耦接到其之后也仍然暴露，所以涂层74耦接到衬底56的外表面。涂层74可提供大量的效果，诸如，作为非限制性示例，腐蚀防护；离子吸杂以延长寿命；组装期间的物理防护；针对跨表面的冷却剂流的机械防护；针对来自壳体、封装件和/或组件碎屑的颗粒的颗粒/薄片防护；以及由于保护衬底56的材料免受冷却剂34影响产生的其他积极效果。
42.虽然涂层74在图2中示出为被施加到衬底56的所有暴露表面，但是在其他实施方式中，可涂覆衬底56的一个、全部或任何数量的表面/侧面。涂层74的使用还可允许保护形成在/到衬底56上的，因为涂层可完全覆盖丝线键合并且机械地和物理地保护它们免受冷却剂流和颗粒的影响。涂层的使用还可帮助在组装期间修复封装件的任何部件，因为部件可在完全组装之前先被单独测试。虽然图2中示出了单层涂层材料，但是在各种实施方式中，可施加多层涂层材料，每层由相同或不同的材料制成。涂层74可由广泛多种材料中的任一种形成，作为非限制性示例，包括环氧树脂、酚醛树脂、聚合物膜、氧化铝、氮化钛、模制化合物、它们的任何组合或能够施加到衬底并且抵抗冷却剂材料的任何其他材料。在特定实施方式中，使用氧化铝和/或氮化钛作为涂层的能力可产生薄膜，该薄膜在浸没式冷却壳体的环境中提供足够的保护，同时促进来自衬底本身的附加热传递。例如，在由氧化铝和/或氮化钛形成的膜的情况下，作为非限制性示例，膜厚度可小于约5微米、介于约1微米至约5微米之间、介于约1.5微米至约3微米之间。
43.在各种衬底实施方案中，可利用广泛多种配置和类型的半导体管芯和迹线。参考图3，示出了半导体封装件76，该半导体封装件包括衬底78，该衬底包含通过迹线88与第二集成栅双极型晶体管(igbt)84和二极管86对并联电耦接到输出端子90的第一igbt 80和二极管82对。在此，第一igbt/二极管对80、82的射极和阳极通过迹线88的中心迹线与第二igbt/二极管对84、86的集极和阴极耦接。将管芯并联电耦接的能力允许更紧凑地制成封装件，并且允许第一igbt/二极管对80、82夹置于呈销翅端子92、94形式的两个散热器之间。与来自第二igbt/二极管对84、86的热传递相比，这可允许增加第一igbt/二极管对80、82的热传递。在衬底中的半导体管芯中的一个或多个半导体管芯相对于其他管芯需要增加的热传递的情况下和/或在期望半导体封装件的特定形状因数的情况下，这种配置可为合乎需要的。
44.图4示出了半导体封装件96实施方式，其中第一igbt/二极管对98、100以堆叠配置耦接在第二igbt/二极管对102、104上方。第一igbt/二极管对98、100的集极和阴极经由中心迹线106电耦接到第二igbt/二极管对102、104的射极和阳极。在这种配置中，第一igbt/二极管对98、100和第二igbt/二极管对102、104串联电耦接。在此，这种设计将嵌入在衬底
108中的所有半导体管芯放置在两个销翅端子110、112之间，由此确保每个半导体管芯可获得的冷却效果基本上等同，包括可充当通向输出销翅端子114的热管的中心迹线106的冷却效果。
45.在图3和图4两者中示出的实施方式中，涂层116、118施加在衬底78、108的暴露部分上。这些涂层116、118可以是本文档中公开的任何涂层材料。可使用本文档中公开的原理结合销翅端子的结构来构造广泛多种嵌入管芯配置。也可采用广泛多种半导体管芯中的任一种，作为非限制性示例，包括功率半导体管芯、处理器、存储器、igbt、二极管、整流器、金属氧化物场效应晶体管(mosfet)、砷化镓器件、高电子迁移率晶体管(hemt)、无源部件(电容器、电阻器、电感器等)或任何其他半导体器件或部件。嵌入管芯以及形成迹线的这一过程还用于将各种管芯并联耦接或将管芯堆叠在彼此上方。在各种方法实施方式中，可嵌入一个管芯，或者可嵌入多于一个管芯。
46.形成如本文档中公开的那些的半导体封装件的各种方法涉及形成衬底以及将部件紧固到衬底的过程。参考图5，示出了在将四个半导体管芯122嵌入衬底120实施方式中以及形成迹线124以互连管芯122的过程之后的衬底实施方式的剖视图。嵌入管芯以及形成迹线的过程可涉及以下中的任何一个：作为非限制性示例，将管芯层压成一层或多层电路板材料，层压迹线，图案化并蚀刻迹线，将管芯与电路板材料模制在一起，或用于在电路板材料中嵌入管芯和相关部件和/或形成迹线的任何其他处理步骤。将管芯嵌入到衬底120的材料中的能力使得能够在浸没式冷却壳体中使用半导体封装件，因为管芯未单独地暴露于冷却剂，而是受到衬底的材料的保护。该技术可确保封装件在浸没式冷却壳体中具有期望程度的可靠性和/或寿命。
47.参考图6，示出了在将三个翅片部分126、128、130耦接到衬底120的相反侧之后的图5的衬底120。其他这些翅片部分是如本文档中公开的那些的销翅，但是翅片部分可以是本文档中公开的任何其他类型。耦接翅片部分的过程可涉及广泛多种技术中的任一种，作为非限制性示例，包括焊接、键合、钎焊、胶合、热压键合、使用焊料的接合、使用附接膜的连结、使用粘合剂的连结、或用于将两种材料耦接在一起以促进通过其的热传递/电力的任何其他方法。如图6中可见，三个翅片部分126、128、130与迹线124电接触。以此方式，翅片部分能够既充当电连接器，又充当热传递器件。具有电介质冷却剂的浸没式冷却壳体的使用确保在操作期间，这些通电的翅片部分没有能力短路或以其他方式将电传导到不期望的结构/人员。用于三个翅片部分的材料可以是广泛多种导热材料中的任一种，作为非限制性示例，包括金属、金属合金、氧化铝、铜、铜合金、铝、铝合金或任何其他导热材料。
48.图6还示出了信号引线连接器138到衬底120的材料中的耦接由此将信号迹线(在图6的剖视图中未示出)与信号引线连接器138以机械的方式和电的方式耦接。在各种实施方式中，多个信号引线连接器可与衬底120耦接，这取决于包括在衬底中的信号迹线的数量。另外，固定器部分140被示出为耦接到衬底120的端部142/其周围/其中。在该点处耦接到衬底的特定信号引线连接器和固定器部分可以是本文档中公开的任何信号引线连接器和固定器部分，这取决于用于电缆的电连接器类型和用于在浸没式冷却壳体中支撑封装件的固定器类型。
49.参考图7，示出了在将端子132、134、136耦接到三个翅片部分126、128、130之后的图6的衬底120。耦接可使用广泛多种方法进行，作为非限制性示例，包括焊接、螺纹结合、键
合、粘附、夹紧、铆接或将两个金属件耦接在一起的任何其他方法。在图7所示的实施方式中，端子132是n端子，端子134是p端子，并且端子130是输出端子。每个端子132、134、136的具体形状和类型取决于将用于连接到每个端子的电缆的类型，该电缆可以是本文档中公开的任何电缆。
50.参考图8，示出了在将涂层146施加在衬底120的暴露部分上之后的完成的封装件144的视图。涂层146的材料可以是本文档中公开的任何材料。在某些方法实施方式中，在涂层具有两层或更多层的情况下，可顺序地执行多个施加步骤(连同对应数量的固化/干燥步骤)。例如，可在第一涂覆工艺中施加凝胶型材料，之后进行通过模制工艺施加模制化合物以形成两层涂层材料。在一些实施方式中，用于涂层的施加工艺可以是印刷工艺。在其他实施方式中，施加工艺可以是模制工艺。在其他实施方式中，作为非限制性示例，可使用喷涂、浸渍、点胶、化学气相沉积、溅射、物理气相沉积、膜施加或用于在衬底上形成材料层的任何其他方法来施加涂层。
51.在各种半导体封装件实施方案中，虽然本文所示的销翅被示出为悬置在冷却剂中，但是销翅端子中的一个或多个销翅端子可接触浸没式冷却壳体的壁。在一些实施方式中，销翅端子可通过螺纹结合/键合直接与/穿过这些壁耦接；在其他实施方式中，销翅端子可仅与浸没式冷却壳体的壁物理接触。在此类实施方式中，在通过/抵靠使用销翅的浸没式冷却壳体的壁可获得足够的机械支撑的情况下，可不使用固定器进一步将半导体封装件稳固在浸没式冷却壳体中。在此类实施方式中，衬底可不包括固定器部分/没有固定器部分可与衬底耦接。另外，在此类实施方式中，浸没式冷却壳体的壁可进行附加传导性热传递。用于各种半导体封装件实施方式的涉及与浸没式冷却壳体的壁接触/键合的销翅端子的广泛多种配置可使用本文档中公开的原理来设计。
52.半导体封装件的实施方式可包括至少三个销翅端子是p端子、n端子和输出端子的情况。
53.半导体封装件的实施方式可包括仅包括一个衬底的情况。
54.半导体封装件的实施方式可包括至少三个销翅端子是六个销翅端子并且六个插销端子是p端子、n端子、u输出端子、v输出端子和w输出端子的情况。
55.半导体封装件的实施方式可包括封装件是牵引逆变器模块的情况。
56.半导体封装件的实施方式可包括n端子和p端子耦接到衬底的相反侧的情况。
57.在以上描述涉及半导体封装件的特定实施方式以及实施部件、子部件、方法和子方法的地方，应当显而易见的是，可在不脱离其实质的情况下作出多种修改，并且这些实施方式、实施部件、子部件、方法和子方法可应用于其他半导体封装件类型。