热沉和具有热沉的半导体器件
技术领域
本发明涉及一种通过使用冷却用的流体来冷却发热元件的热沉,以及具有该热沉的半导体器件,该发热元件是半导体元件。
背景技术
至今为止,使用散热器和热沉来冷却如半导体元件的发热元件。特别地,由于功率半导体器件的发热量是大的,用于在热沉内流通冷却用流体的布局已被提出(例如,参见JP-A-2006-19676)。
JP-A-2006-19676描述了其中设有用作发热元件的发光二极管的热沉被通过螺钉固定在固定夹具上的单位模块光源。还描述了热沉和固定夹具之间的树脂或金属部件的使用,该树脂或金属部件用于将供给端口和排放端口耦合到固定夹具的供给端口和排放端口,该供给端口用于将冷却用的流体引入到热沉中,以及该排放端口用于将流体从热沉排放出去,而不涉及水泄漏。
此外,为了布置多个单位模光源,JP-A-2006-19676描述了用于将单位模块光源的供给端口和排放端口耦合在一起而不涉及水泄漏的部件的使用。简而言之,描述了固定夹具的水密耦合。
JP-A-2006-19676中描述的技术陈述了在以一对一的关系将热沉耦合到固定夹具的时候,树脂或金属件的使用。在这种结构中,可以通过耦合多个固定夹具而集成多个热沉。但是,因为必须以水密方式耦合多个位置,因此存在发生水泄漏的可能性变得较高的问题。此外,没有描述防止供给端口或排放端口发生水泄漏的具体结构,以及水泄漏的防止被认为是通过在平面之间夹入树脂或金属件来获得。
发明内容
根据上述情况构思本发明,且本发明旨在提供一种通过将多个热沉集成到一个头部中,通过减小必须以水密方式耦合的位置的数目,来抑制流体泄漏发生的热沉,以及提供一种具有这种热沉的半导体器件。
本发明的第一方面目的在于一种适合于被耦合到头部的安装表面的热沉,在该头部中形成用于通过冷却液的供给路径和排放路径,该热沉包括:
支撑发热元件的热沉体,以及在其中形成用于冷却液的流动通道,该热沉体被耦合到头部,以便该热沉体的接触表面与头部的安装表面接触,
其中在该热沉体的接触表面上形成第一流通孔口和第二流通孔口,通过该第一流通孔口,从该供给路径引入冷却液,以及通过该第二流通孔口,排放冷却液到排放路径,
在头部的安装表面上形成多个供给端口和多个排放端口,通过该多个供给端口与供给路径连通,冷却液被提供给第一孔口,通过该多个排放端口与排放路径连通,冷却液被排放;
多个热沉体被耦合到头部,以及
第一流通孔口被以水密方式耦合到一个供给端口,以及第二流通孔口被以水密方式耦合到一个排放端口。
本发明的第二方面的特征在于,在热沉体和头部之间插入片状密封件,以便以水密方式耦合在热沉体和头部之间,以及
在该密封件中形成使第一流通孔口和供给端口互相连通的供给孔和使第二流通孔口和排放端口互相连通的排放孔,以便在密封件的厚度方向上贯穿。
本发明的第三方面的特征在于,在头部中形成第一接收管和第二接收管,该第一接收管在其一端与供给路径连通,并且以及在其另一端开口到供给端口,该第二接收管在其一端与排放路径连通,并且在其另一端开口到排放端口,
该热沉体包括在接触表面上设置的一对插入管,以便从那里凸出,以及使得其被插入头部中的第一和第二接收管中,
第一流通孔口被贯穿在一个插入管中,以及第二流通孔口被贯穿在另一插入管中,以及
密封件被设置在第一和第二接收管内部并与插入管的外圆周表面接触,以便第一和第二接收管的内圆周表面和插入管的外圆周表面以水密方式密封。
本发明的第四方面的特征在于,形成至少围绕热沉体的接触表面中的流通孔口,或围绕头部的安装表面中的供给端口和排放端口的凹陷,
在该凹陷中布置展示出橡胶弹性的环形密封部件,以及
该热沉体被连接到头部,以便该密封件被压紧在热沉体和头部之间。
本发明的第五方面的特征在于,该发热元件是发光二极管。
本发明的第六方面的特征在于,该头部用绝缘的人造树脂材料形成。
本发明的第七方面涉及一种半导体器件,包括:如上所述的热沉,其中所述发热元件是半导体元件,所述热沉体设有层叠体,其包括设有金属板并热耦合到半导体元件以及与半导体元件的一个电极电连接的基础基板,以及设有金属板并与半导体元件的另一电极电连接的覆盖基板,以及在基础基板和覆盖基板之间绝缘的绝缘材料层。
在本发明的第一方面中,在头部的安装表面上形成多个供给端口和多个排放端口,通过使该多个供给端口与供给路径连通,冷却液被提供给第一孔口,而通过将多个排放端口与排放路径连通,冷却液被排放,并且多个热沉体被耦合到头部。由此,通过以水密方式将在该热沉体中形成的第一流通孔口耦合到头部上的供给端口以及将在该热沉体中形成的第二流通孔口耦合到头部上的排放端口,可以集成多个热沉体,以便不发生流体的泄漏。此外,当构造集成有热沉体的器件时,仅仅在与热沉体的数目两倍的位置处提供水密耦合。必须以水密方式耦合的位置的数目可以差不多是常规结构中的位置数目的一半,在该常规结构中固定夹具也用水密方式耦合。因此,基于位置的减小,可以减小发生流体泄漏的可能性。
此外,由于多个热沉体被耦合到一个头部,因此通过由头部来分组冷却液到多个热沉主体的流动路径,可以共同地管理将冷却液供应到多个热沉主体和从多个热沉主体排放冷却液。此外,由于一个头部可用于多个热沉主体,因此基本要求是,在热沉主体被连接到头部的位置处,管理冷却液的泄漏,并且被管理的项数可以被减小。这有助于在维护和检查过程中实现的可操作性。
此外,当以水密方式耦合在热沉体中形成的第一和第二流通孔口以及头部上的供给端口和排放端口时,在定位之后,可以容易地将这些部件互相耦合。因此,用于将热沉主体连接到头部的工作变得容易,并且用于取代热沉主体的工作被促进。
在本发明的第二方面中,由于在热沉体和头部之间插入片状密封件,因此即使在对每个热沉体分别地设置密封件的情况下,对第一和第二孔口仅仅使用一片密封件。利用较小数目的密封件,亦即,仅仅与热沉体相同数目的密封件,就可以保持水密耦合。此外,也可以为多个热沉体提供一片密封件。由此,可以提供较小数目的部件。此外,在用绝缘材料形成密封件的情况下,该热沉体可以兼作电极,并且即使在头部由金属构成的情况下,密封件也可以兼作在热沉体和头部之间布置的绝缘材料。结果,可以减小部件数目。
在本发明的第三方面中,将在热沉体上凸出的插入管插入到在头部中设置的接收管中,并且通过在接收管内设置的密封件,而在插入管和接收管之间执行水密密封。由此,通过使密封位置处的密封距离长,可以增强水密性能。此外,通过在头部中的接收管中插入该插入管,该热沉体可以被定位和试验性地固定在头部上。因此,可以容易地执行热沉体到头部的安装工序。
在本发明的第四方面中,至少围绕热沉体的接触表面中的流通孔口,或围绕头部的安装表面中的供给端口和排放端口,形成凹陷,在该凹陷中布置展示出橡胶弹性的环形密封部件,并且该热沉体被连接到头部,以便该密封件被压紧在热沉体和头部之间。因此,该密封件与热沉体和头部几乎线性接触。该密封件与热沉体和头部可以紧密地接触,而与热沉体和头部的平坦度无关。结果,在该热沉体和密封件之间以及在头部和密封件之间没有形成间隙,以及即使施加高压,也几乎不发生冷却液的泄漏。
在本发明的第五方面中,通过冷却发光二极管,可以使用发光二极管来获得高输出光源。通常,当发光二极管的温度被升高时,发光效率被降低。在本发明中,通过流通冷却液而强制地冷却发光二极管,即使当输入大电流时,也可以抑制温度上升,以及可以照射具有高输出的光源,保持发光效率。
在本发明的第六方面中,由于用绝缘的人造树脂材料形成头部,因此即使该热沉体兼作电极的情况下,也可以在头部上安装热沉体,使得它们互相直接接触。因此,在热沉体和头部之间不必如在头部由金属构成的情况下那样地插入绝缘材料。因此,可以减小部件的数目。
在本发明的第七方面中,通过在基础基板和覆盖基板的两个金属板之间插入绝缘材料,而设置热沉体。在覆盖基板上安装的半导体器件的两个电极分别与基础基板和覆盖基板相连接。因此,与其中电连接使用端脚和导线的情况相比较,可以增加电极面积,以增加大电流容量。此外,由于热沉体兼作电连接部分,因此与其中分开地设置诸如端脚和引线的电连接部分的情况相比较,可以减小来自热沉体的凸出部件。因此,该热沉体可以被容易地连接到头部或其它部件,并可以被紧凑地容纳。
附图说明
图1是示出了第一实施例的热沉体的示例使用的剖面图;
图2A是热沉体的正面透视图;
图2B是热沉体的后面透视图;
图3A是热沉体的正视图;
图3B是热沉体的后视图;
图3C是热沉体的侧视图;
图4是示出了热沉体的示例使用的正视图;以及
图5是示出了热沉体的示例使用的分解透视图。
图6是示出了第二实施例的热沉体的示例使用的分解透视图。
图7是示出了第二实施例的热沉体的示例使用的剖面图。
图8是示出了第二实施例的另一例子使用中使用的密封件的透视图。
图9是示出了第三实施例的热沉体的示例使用的分解透视图。
图10是示出了第三实施例的热沉体的示例使用的剖面图。
具体实施方式
(第一实施例)
作为实例,通过采用该热沉包括作为发热元件的UV-射线发光二极管的情况,来说明下面描述的热沉。顺便提及,在本发明中,不仅发射紫外线波长范围光的UV-射线发光二极管,而且除UV-射线发光二极管以外的发光二极管,如发射可见光波长范围光的发光二极管,可以被用作发热元件。此外,其它功率半导体元件也可以被用作发热元件。
如图1至3所示,热沉体1被构造为通过层叠基础基板11、覆盖基板12以及绝缘材料层13产生的层状产品,该基础基板11由金属板制成,其上安装对应于承载芯片(bear chip)的UV-射线发光二极管2,该覆盖基板12由围绕安装有UV-射线发光二极管的基础基板11的区域的金属板制成,该绝缘材料层13被插入基础基板11和覆盖基板12之间并且使基础基板与覆盖基板12绝缘。基础基板11和覆盖基板12使用铜元素或铜基合金。
如图1所示,通过管芯键合而将UV-射线发光二极管2的一个电极(阳极)直接连接到基础基板11。UV-射线发光二极管2的另一电极(阴极)通过引线键合,被连接到覆盖基板12。总而言之,UV-射线发光二极管2的一个电极被电连接到基础基板11,而UV-射线发光二极管的另一电极被电连接到覆盖基板12。
在覆盖基板12中开口照射孔14,以便露出在基础基板11上安装的UV-射线发光二极管2。照射孔14的内圆周表面逐渐减小(tapered),以便随着距基础基板11的距离增加,照射孔14的内径变大。在照射孔14中装配具有中凸地-弯曲的(例如,球形)外表面的泛光灯透镜15。因此,在被基础基板11、覆盖基板12和泛光灯透镜15围绕的封闭空间中容纳所述UV-射线发光二极管2,并避免受诸如湿度的环境影响。通过调整泛光灯透镜15的位置和性能或者照射孔14的内圆周表面的倾斜角或反射率,可以控制从UV-射线发光二极管2辐射的光的发光强度分布。
在基础基板11的背面(与安装有覆盖基板12的基础基板11的表面相对的表面)形成一对流通孔口16,每个流通孔口被圆形地开口。在基础基板11中形成用于在流通孔口16之间建立相互连通的流动通道17。每个流动通道17形成为穿过安装有UV-射线发光二极管2的基础基板11的附近,由此流过流动通道17和UV-射线发光二极管2的冷却用的流体之间的热耦合度被增强。水可以用于冷却用的流体,但是也可以使用除水以外的材料,只要在室温下该材料处于液态并展示出接近1的比热容。
如图3所示,在本实施例中,当从泛光灯透镜15的正面观看时,基础基板11和覆盖基板12都形成为矩形形状和基本上相同的宽度。但是,在长度方面,基础基板11和覆盖基板12互相不同,并且基础基板11形成为比覆盖基板12更长。此外,基础基板11的纵向中心被定位为不同于覆盖基板12的纵向中心;或换句话说,覆盖基板12在其纵向上的一端被延伸至基础基板11沿其纵向的一侧。泛光灯透镜15的中心对准基础基板11的纵向中心。形成流通孔口16,同时流通孔口16在沿基础基板11的纵向互相隔开。
在基础基板11的每个纵向端,形成安装孔18。此外,在基础基板11和覆盖基板12中分别开口连接孔21和连接孔22,每个孔是螺纹孔。各个连接孔21和22位于基础基板11的纵向中心和各个安装孔18之间。在基础基板11的纵向中心和各个连接孔21和22之间存在等距离。为了UV-射线发光二极管2的电连接,设置连接孔21和22。
顺便提及,围绕各个流通孔口16,形成圆形地开口的凹陷23和24。换句话说,在凹陷23和24的内底表面中开口各个流通孔口16,以及在各个凹陷23和24上同心地形成各个流通孔口16。
在使用热沉主体1的时候,该热沉主体被耦合到头部3,其允许冷却用的流体流通,如图1、4和5所示。通过耦合螺钉3c固定地扣紧由金属材料制成的支撑台3a和由绝缘材料制成的隔片3b,而构造头部3。通过穿透支撑台3a,耦合螺钉3c被拧入隔片3b中。头部3不局限于上述形状。对于头部3的横断面没有具体限制,只要连接热沉主体1的安装表面31变为平坦面。在头部3中形成供给路径32和排放路径33,通过该供给路径32和排放路径33流通用于冷却的流体。在头部3的安装表面31的适当位置处开口供给端口34和排放端口35,该供给端口34与供给路径32保持相互连通,以及排放端口35与排放路径33保持相互连通。为了简化,图5省略掉隔片3b。
供给端口34和排放端口35分别被圆形地开口。所述端口的开口直径基本上等于流通孔口16的开口直径。使供给端口34和排放端口35之间的距离等于在热沉体1中形成的流通孔口16之间的距离。在头部3中多个地形成(例如,十个)由供给端口和排放端口35构成的组。
为了将热沉体1连接到头部3,开口有流通孔口对16的基础基板11的接触表面25与头部3的安装表面31接触,并且安装螺钉19通过安装孔18被拧入头部3中。此时,供给端口34的轴和排放端口35的轴被对准一个热沉体1的流通孔口16的各个轴,该供给端口34和排放端口35被开口在头部3的安装表面31中,并属于一个组。展示出橡胶弹性的环形密封件4被装配到各个凹陷23和24中,并且热沉体1被连接到头部3,以便密封件4被压挤在凹陷23和24的内底表面和头部3的安装表面31之间,于是供给端口34和排放端口35被连接到各个流通孔口16,而不包含间隙。密封件4可以使用O-形环。
密封件4假定一圆形横断面,以及具有环形形状。当被压挤在热沉体1和头部3之间时,密封件4以类似于线接触的状态分别接触热沉体1和头部3,由此防止间隙的形成。但是,由于线接触不取决于热沉体1的接触表面25和头部3的安装表面31的平坦度。供给端口34和排放端口35与相应流通孔口16相互连通,以免得在密封件4的橡胶弹性有效地起作用的范围内引起冷却用的流体的泄漏。
上述布局不使用导管或管子。因此,粘附热沉主体1到头部3是容易的。因此,用于将热沉主体1连接到头部3的操作变得更为方便,并且用于替换热沉主体1的操作也变得更为方便。换句话说,诸如热沉主体1的故障等的维护操作变得容易。
此外,多个热沉主体1被连接到头部3,由此基本要求是管理,以免得引起冷却用的流体从热沉主体1和头部3被连接在一起的位置泄漏。当与为每个热沉体1设置头部3的情况相比较时,避免了用于将头部3互相连接的需要,并且需管理的冷却用的流体泄漏的位置数目可以被减小。
在头部3的支撑台3a和隔片3b之间,也使用用于将热沉主体1的流通孔口16连接到头部3的供给端口34和排放端口35的结构。具体地,在支撑台3a和隔片3b之间必须建立供给路径32和排放路径33的相互连通。因此,在供给路径32和排放路径33将被连接的支撑台3a和隔片3b上的位置处,如图1所示,在支撑台3a中形成凹陷36,以及在各个凹陷36内设置的环形密封件37(O-环)被夹在支撑台3a和隔片3b之间,因此被压紧。
在上述实施例中,与热沉体1中的覆盖基板12相对的基础基板11的表面被视为接触表面25。但是,邻近于设置覆盖基板12的那个表面的基础基板11的表面也可以被视为接触表面25。例如,基础基板11的一个纵向端面也可以被视为接触表面25,并且在该接触表面中也可以设置流通孔口16。此外,在基础基板11的各个纵向端面处也可以设置流通孔口16,代替在一个表面中并排地设置两个流通孔口16,并且也可以设置两个头部3,使得对应于各个流通孔口16。此外,在上述实施例中,凹陷23和24被设置在热沉体1中。但是,凹陷23和24被设置也可以在头部3中,或者凹陷23和24也可以被设置在热沉体1和头部3两者中。
(第二实施例)
在第一实施例中,提供了通过利用密封件4以水密方式耦合热沉体1和头部3的结构。另一方面,在本实施例中,提供了采用片状密封件5而不是环形密封件4的结构。此外,在第一实施例中,在热沉体1中设置用于容纳密封件4的凹陷23和24。另一方面,在本实施例中,凹陷23和24是不必要的。
密封件5具有与构成与头部3相对的热沉体1的基础基板11的表面的整个面积相同的这种尺寸。密封件5由展示出橡胶弹性的材料构成,类似于密封件4。在密封件5中,提供用于将供给端口34和排放端口35连通到各个流通孔口16的供给孔41和排放孔42,使得在对应于热沉体1中的流通孔口16的位置处贯穿密封件5。在热沉体1中,在对应于安装孔18的位置,在密封件5中还设置穿通孔43。
因此,热沉体1被固定到头部3,以便密封件5被插入在热沉体1和头部1之间。因此,密封件5被压紧,以便供给端口34和排放端口35以水密方式耦合到流通孔16。
在本实施例中,不必在热沉体1中设置凹陷23和24,并且对于一个热沉体1仅仅设置一个密封件5。因此,可以容易地执行热沉体1到头部3的安装工序。此外,由于使得密封件5的尺寸大于第一实施例中使用的密封件4的尺寸,因此密封件5可以被更容易地处理。由此,提高了热沉体1到头部3的安装工序的可加工性。此外,通过用绝缘材料设置密封件5,即使当头部3由金属构成时,也可以在热沉体1和头部3之间保持绝缘。因此,如果使用由绝缘材料形成的安装螺钉19,隔片3b可以是不必要的。(图7示出了其中隔片3b被省略的结构。)
尽管在本实施例中,对每个热沉体1设置一片如上所述的密封件5,但是可以为多个热沉1设置一片密封件6,如图8所示。在该结构中,与其中为每个热沉体1分别地设置密封件5的情况相比较,可以减小密封件6的数目。因此,可以进一步减小部件的数目。在其它方面,第二实施例的结构和操作与第一实施例相同。
(第三实施例)
在本实施例中,如图9和10所示,设置一对插入管26和27,使得从热沉体1的基础基板11凸出,以及在头部3中插入该插入管26和27的状态下,在头部3上安装热沉体1。通过插入管26和27形成流通孔口16。
在头部3中,如图10所示,形成第一接收管38和第二接收管39,该第一接收管38在一端与供给路径32连通,并在另一端开口到供给端口34,该第二接收管39在一端与排放路径33连通,并在另一端开口到排放端口35。在每个接收管38和39内部,形成一对保持凹槽38a和39a,以保持密封件7,以便在接收管38和39中的预定位置处保持密封件7。
接收管38和39具有可以在其中插入所述插入管26和27的直径和高度。密封件7与插入管26和27的外圆周表面紧密接触,并且密封件7被压紧在插入管26和27以及保持凹槽38a和39a的底表面之间。结果,在接收管38和39的内圆周表面和插入管26和27的外圆周表面之间提供水密密封。
由此,通过将热沉体1的插入管26和27插入到头部3的接收管38和39中,以及通过用安装螺钉19将热沉体1固定到头部3,头部3和热沉体1以水密方式互相耦合。
顺便提及,在头部3由金属构成的情况下,热沉体1的基础基板11与头部3电连接。由此,当热沉体1被串联连接时,为了绝缘,提供隔片3b,如第一实施例所述;或用诸如人造树脂的绝缘材料形成头部3,这是合符需要的。另一方面,当热沉体1被并联连接时,通过用金属材料形成头部3,基础基板11可以与头部3直接连接。
根据通过利用在接收管38和39内设置的密封件7,以水密方式密封插入管26和27以及接收管38和39的本实施例的结构,通过使密封距离长,可以增强水密性能(该密封距离被定义为接收管中的相邻密封件的距离)。此外,由于热沉体1的插入孔26和27被插入到头部3的接收管38和39中,因此在完全安装之前,热沉体1可以被试验性地固定和定位在头部3上。因此,可以容易地执行头部3上的热沉体1的安装工序。
在其它方面,第三实施例的结构和操作与第一实施例和第二实施例相同。顺便提及,在第一和第二实施例中,通过用人造树脂形成头部3,以及采用由金属材料形成的安装螺钉19,也可以省略隔片3b。此外,在第一实施例中,当热沉体1被并联连接而非串联时,可以采用其中基础基板11与由金属制成的头部3直接接触的结构。另一方面,在第二实施例中,为了获得这种结构,有必要用导电材料(例如使用金属材料)来设置密封件6。