CN101652857B - 冷却体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于功率电子组件或半导体结构元件的冷却体，具有扁平的金属散热板，该散热板在面对功率电子组件或半导体结构元件的侧面上具有矩阵状的结构化表面，该结构化表面具有凸出的凸起，该散热板和矩阵状的结构化表面由单件制成。

Description

冷却体
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于功率电子组件或半导体结构元件的冷却体。
背景技术
晶体管和微处理器在操作中产生相当大的余热。为了避免过热而可能导致发生功能故障或损坏结构元件，在用于个人计算机、IGBT、MOSFET等的现代处理器中，不用附加的辅助部件而自然散热是不够的。为了确保冷却效果最佳且功耗很小，必须尽可能快地让构件散热且扩大散热表面。为了达到冷却目的，还经常在散热板上额外地借助于导热膏糊安置冷却体。冷却可在空气或液体的支持下进行。在第一种情况下，冷却体为配有冷却肋的、常由铝或铜制成的金属块，冷却体上常附加地装有风扇。在第二种情况下，冷却体由流体流通的传热件构成。
例如IGBT、DCB元件、MOSFET等一类的功率电子组件现今都是多部分构造的。制造和后期操作中的主要问题在于，陶瓷载体和铜散热板的热膨胀系数大大不同，铜散热板用作机械稳定器并散热。在焊接结合工艺(DCB)中，例如由熔点为221℃以上的SnAgCu合金制成的焊剂加热至250-260℃的焊接温度，散热板加热至260℃。随后冷却时，整个构件发生变形，因为4-6×10-61/K的陶瓷热膨胀系数大大不同于17×10-61/K的铜散热板值。在不利的条件下，产生的应力会大到让陶瓷断裂。若散热板由膨胀系数小且导热性足够好的材料制成，可消除这一弊端。但是，这种材料因其组成和制造过程而较为昂贵。
作为替换，引入SMD技术亦可通过接线的连接将芯片载体直接装到常规的环氧化物玻璃层压件上。但是，对于无引线的陶瓷芯片载体(LCCC)，由于线性膨胀系数约6-8×10-61/K，相对于约12-15×10-61/K的所用印刷电路板材料的高值，同样会在芯片载体与焊点之间产生过高的剪应力。这种应力会导致芯片载体与焊点分开或甚至使芯片载体断裂。
通过在多层电路中安装核心基板可设法解决问题，其中，主要使用铜-殷钢-铜。铜-殷钢-铜层对称地安置在多层中并可用作接地和供电平面。这种安置方式的优点在于，在电路表面的附近，热膨胀系数为1.7-2×10-61/K，其与陶瓷芯片载体的值相匹配。SMD构件越大，则更有必要使多层表面的膨胀系数与陶瓷的相匹配。
就备选方案而言，在铜-殷钢-铜的多层中，殷钢也可作为0.5毫米-1.5毫米的较厚金属核置于多层的中心。除了电路表面上的膨胀系数受限制外，优点还主要在于，散热性也好。为此，双面装有SMD构件也是可行的。除了表面的膨胀控制外，铜-殷钢-铜-印刷电路板还可发挥散热片的功能。
作为其它具体方案，专利文献WO2006/109660A1公开了一种用于功率半导体结构元件的冷却体。在冷却体与半导体结构元件之间的公共接触面上安置有一中间层以消除热应力。该中间层是由铝板构成的，其具有多个孔以消除应力。该中间层的构件侧焊接有完全置于绝缘基体上的金属表面层和冷却体。
此外，专利文献DE10134187B4公开了一种用于功率半导体组件的冷却装置，其由一个壳体、多个连接元件、一个陶瓷基板以及多个半导体结构元件组成。功率半导体组件的散热是通过独立的冷却元件进行的，其本身由扁平的基体和指状的延续部组成。这些独立的冷却元件矩阵状地成排列安置在要冷却的表面上。独立冷却元件未面对要冷却的结构元件或组件的表面可具有光滑的或为了改善散热而任意构造的表面。
发明内容
因此，本发明的任务在于，进一步改进用于功率电子组件的冷却体，其复合结构承受有限的热应力。
本发明通过权利要求1的特征描述。其它回引的权利要求涉及本发明的有利构型和改型。
本发明包括一种用于功率电子组件或半导体结构元件的冷却体，具有扁平的金属散热板，该散热板在面对功率电子组件或半导体结构元件的侧面上具有矩阵状的结构化表面，该结构化表面具有凸出的凸起，该散热板和矩阵状的结构化表面由单件制成。
本发明在此作这样的构思，即，矩阵状结构化的冷却体表面适于通过弹性变形来接收产生的有限热应力。具有结构化表面的金属散热板可由高导电的铜或铜合金组成。在这一方面，列举的例如有软态E-Cu、SE-Cu、ETP-Cu、OFE-Cu、CuFe0,1、C
Figure G2008800114467D00031
uSn0,15。在此情况下，结构化表面可借助于一级或多级辗压工艺或冲压工艺由带材整体制成。通过变形过程，材料通常固定于结构化的轮廓体中。尤其是在各凸起之间构成的桥接件的区域中进行材料固定。此外，所实现的结构随后可借助于激光或通过熔炉中的热处理软化，以便使轮廓体的桥接件处于尽可能软的状态，桥接件可通过热膨胀缓解长度变化。作为备选方法，铣削、挤压或蚀刻也可用于结构化。
冷却体的结构化表面例如焊接到陶瓷基板的下方。这样桥接件或轮廓体就可吸收产生的应力，不会让组件发生变形。
特别有利的是，由冷却体、功率电子组件或半导体结构元件提供的复合件在各材料的弹性变形范围内经受有限的热应力。在此情况下，还可使用热膨胀系数完全不同的材料，不会出现有限热应力导致材料复合件分开的情况。此外，材料复合件可经受由较高焊接温度产生的受力状态。
在本发明的优选构型中，冷却体的结构化表面可具有角锥台状或截锥状凸起。这种相对简单的结构具有特别小的凸起与功率电子组件或半导体结构元件的公共接触面。这些朝向散热板变厚的凸起利于热量的散发，也即，利于引入热量在冷却体中的平面分布。
在本发明其它有利的构型中，结构化表面可具有蘑菇状凸起。在此情况下，散热板沿x方向和y方向结构化，于是T形蘑菇状结构或角锥台状结构与桥接件一起作为复合件朝向金属散热板相应地减小膨胀。为此轮廓体最后通过辗压或冲压而压制成。尤其是在凸起的中部区域中，该结构紧缩，由此在此构造成弹性可变形的区域，其特别有利地适于减小材料应力。
有利的是，该结构化表面可具有销状或针状凸起。作为备选，也可构造肋状或交叉肋状的凸起。各结构亦可按照要求彼此组合。例如，在热源从组件向冷却体局部引入热量时，可紧挨着地使用局部不同的结构，它们尤其有利地适用于导热或散热。
在有利构型中，结构化表面的结构大小原则上为几毫米，但优选为0.5-20毫米。此类微型结构的宽度B、长度L或直径D以及高度H可具有几微米至几毫米的尺寸。结构高度H是可变的。有利的是，凸起高度H与凸起的横向伸展量B、L、D所成的比至少为1∶1。采用低于此商的几何比存在一定的风险，即，材料应力不再能弹性均衡，由此复合件会断裂。
在本发明特别优选的构型中，凸起之间的空间可填充低膨胀的铁镍合金，基于的组分含量为Fe：64％、Ni：36％。在此情况下，金属散热板可由铜或铜合金制成。铜与铁镍合金相组合带来的优点在于，两种热膨胀不同的材料存在于微型结构化表面上。铁镍合金的热膨胀系数为1.7-2.0×10-61/K，其大致对应于陶瓷芯片载体材料的值。通过对凸起构成的空间进行填充，可提供冷却体例如和功率电子组件简单的、平面的焊接连接。
有利的是，散热板在背离功率电子组件或半导体结构元件的侧面上矩阵状地具有多个结构化凸起，例如采取大小为0.5-20毫米的肋或销形式，以进行散热。为此，可将散热板双面结构化，于是能够额外地省掉其他情况下需要的用于空气冷却的起肋冷却体和导热膏糊，由此消除由迄今为止的导热膏糊方案引起的热阻力。如此一来，结构化凸起和散热板可一体成型。就制造方法而言，使用例如辗压、铣削、挤压、冲压一类的加工技术或其它不同的方法。此外，较之多部分的方案，单部分的结构成本低。
由于这种结构优选对利用空气的散热有利，因此重要的是，进行较高程度的面积扩大。常见的几何形状是一些薄片或所谓的定位销，其可具有几厘米的高度和大于1毫米的间距。这些薄片或定位销也可机械地固定在散热板上。
作为备选，在背离功率电子组件或半导体结构元件的散热板侧面上，可安置具有封闭流体循环的冷却单元。在此情况下，可将散热板双面结构化，于是结构化背面直接充当畅通的液体冷却体的流动通道/结构。随后用一个附加的金属或塑料制成的盖子阻断热传递。
由于这种结构优选利于借助于单独的冷却介质(大多情况下是乙二醇-水混合物或其它电子工业中使用的制冷剂)进行的散热，所以应将通道部分或销构造为结构化通道。可通过单相过程例如液体冷却或两相过程例如蒸发来确保冷却。常见结构高度为0.5-10毫米，其中成形的通道可具有20微米至3毫米的宽度。
附图说明
本发明的其它实施例将在下面结合示意性的附图详细说明。其中：
图1示出了具有扁平下侧的冷却体的结构化表面的视图；
图2示出了具有扁平下侧的冷却体的结构化表面一构型的另一视图；
图3示出了具有扁平下侧的冷却体的结构化表面一构型的又一视图；
图4示出了下侧上安置有冷却元件的冷却体的结构化表面的视图；
图5示出了下侧上安置有带封闭流体循环的冷却元件的冷却体的结构化表面的视图。
具体实施方式
所有附图中彼此相应的部件采用相同的参考标号表示。
图1示出了冷却体1的结构化表面12的示意图，该冷却体1用于图中未示出的功率电子组件或半导体结构元件。
冷却体1的基本形状是由一块扁平的金属散热板11构成的，散热板11的上侧，也即面向功率电子组件或半导体结构元件的侧面，具有矩阵状的结构化表面12，该结构化表面12的形式为凸出的凸起13。散热板11和矩阵状结构化表面12的凸起13在此由单件制成。散热板11的下侧，也即背离功率电子组件或半导体结构元件的侧面，在这种情况下也是扁平的。凸起13构造为角锥台。凸起13之间的空间
Figure G2008800114467D00061
14未作填充。
此类结构的宽度B、长度L以及高度H可具有几微米到几毫米的尺寸。在这种情况下，凸起13的高度H与凸起13的横向伸展量B或L所成的比约为3∶1。按照发展趋势，凸起13的高度H通常大于其横向伸展量B或L。
图2示出了具有扁平下侧的冷却体1的结构化表面12一构型的另一视图。矩阵状的结构化表面12是按照凸出的角锥台状凸起13构造的。散热板11和矩阵状结构化表面12的凸起13在此仍由单件制成。
凸起13构造为角锥台，其底部在朝向散热板11的过渡区域中通过桥接件15变厚。该底部形状用于进一步改善基板与散热板11之间的接触面。凸起13之间的空间14仍未填充材料。
图3示出了具有扁平下侧的冷却体1的结构化表面12一构型的另一视图。散热板11在此沿x和y方向如此构造，以致形式为与角锥台状结构连接的T形蘑菇状结构的凸起13与桥接件15一起作为复合件朝向金属散热板11相应减小不同的膨胀。尤其是在颈部区域中，也即在凸起的中部区域中，结构紧缩，由此在此形成可弹性变形的区域，其特别有利地适用于吸收由功率电子组件的热负荷引起的应力。
图4示出了下侧安置有冷却元件16的冷却体1的结构化表面12的视图。在此，散热板11的下侧上安置有多个附加的肋状冷却元件16。冷却元件16例如焊接到散热板11上，机械地或利用导热膏糊接合到散热板11上，因此，在这种情况下是两件式构造。
不过，冷却元件16和散热板11也可以是单件构造。为此将散热板双面结构化，于是就可省掉附加的、利用导热膏糊固定的、用于空气冷却的冷却单元，由此消除由迄今为止的导热膏糊方案引起的热阻力。就制造方法而言，使用例如辗压、铣削、挤压、冲压一类的加工技术或其它不同的方法。
图5示出了下侧安置有具有封闭流体循环的冷却单元17的冷却体1的结构化表面12的视图。由于该结构优选有利于对借助于单独冷却介质进行的散热，所以构造通道结构，结构高度为0.5-10毫米，成形的通道具有20微米至3毫米的宽度。
为此，在散热板11的下侧矩阵状地安置多个附加的散热冷却肋18，这些冷却肋18在一个单件中与散热板11保持连接。随后，额外地加上由金属或塑料制成的盖子19来阻断热传递。
在这种情况下，散热板11双面结构化，且整个结构(除了冷却单元17的盖子19以外)为单件，于是结构化背面直接充当流体冷却体畅通的流动通道/结构。因此，这样提供由冷却体1和功率电子组件或半导体结构元件构成的复合件，以致该复合件在各材料弹性变形的范围内经受有限的热应力。
附图标记一览表
1  冷却体
11 散热板
12 结构化表面
13 凸起
14 空间
15 桥接件
16 结构化凸起，冷却元件
17 冷却单元
18 冷却肋
19 盖子
H  凸起高度
B  矩形凸起的宽度
L 矩形凸起的长度
D 矩形凸起的直径

Claims (9)

1.用于功率电子组件或半导体结构元件的冷却体(1)，具有扁平的金属散热板(11)，其特征在于，该散热板(11)在面对功率电子组件或半导体结构元件的侧面上具有矩阵状的结构化表面(12)，该结构化表面(12)具有凸出的凸起(13)，其中，该散热板(11)和矩阵状的结构化表面(12)由单件制成，其特征在于，在所述凸起(13)的中部区域中，该结构紧缩，由此造成弹性可变形的区域。
2.根据权利要求1所述的冷却体，其特征在于，该结构化表面(12)具有蘑菇状的凸起(13)。
3.根据权利要求1或2所述的冷却体，其特征在于，该结构化表面(12)的结构大小为0.5-20毫米。
4.根据权利要求1或2所述的冷却体，其特征在于，该凸起(13)的高度(H)与凸起(13)的横向伸展量(B、L、D)所成的比至少为1∶1。
5.根据权利要求1或2所述的冷却体，其特征在于，该凸起(13)之间的空间(14)可填充低膨胀的铁镍合金。
6.根据权利要求1或2所述的冷却体，其特征在于，该金属散热板(11)由铜或铜合金构成。
7.根据权利要求1或2所述的冷却体，其特征在于，该散热板(11)在背离功率电子组件或半导体结构元件的侧面上矩阵状地具有多个结构化凸起(16)以散热。
8.根据权利要求7所述的冷却体，其特征在于，该结构化凸起(16)和具有矩阵状的结构化表面(12)的散热板(11)是单件构造的。
9.根据权利要求1或2所述的冷却体，其特征在于，在背离功率电子组件或半导体结构元件的散热板(11)的侧面上，安置具有封闭流体循环的冷却单元(17)。
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