CN103413794A

CN103413794A - 一种半导体功率器件的散热封装结构

Info

Publication number: CN103413794A
Application number: CN2013103567211A
Authority: CN
Inventors: 徐国卿; 刘玢玢; 李卫民; 梁嘉宁; 林桂林; 常明
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明提供的半导体功率器件的散热封装结构，具有盛装冷却液的散热壳体，散热壳体的盖板的内侧设置散热组件进而形成流体通道，同时，盖板的另一侧成为半导体功率器件的基板，即，本发明中散热封装结构与半导体功率器件形成为一体，结构非常紧凑，更为重要的是，一体封装的形式避免了低导热系数硅胶产生的热阻，散热组件位于所述盖板（即基板）的另一侧，来自于功率器件的热量可以得到直接的散失，同时在散热组件的扰流作用下大大提高了半导体功率器件的散热效果。

Description

一种半导体功率器件的散热封装结构

技术领域

本发明涉及一种半导体功率器件的散热封装结构，属于半导体散热技术领域。

背景技术

温度过高会影响包括IGBT模块在内的大多半导体器件的使用性能，甚至造成功率器件的不可逆转的损坏，影响元器件的正常使用。10℃法则表明，当器件温度降低10℃，器件的可靠性将增长一倍。因此，从提高半导体器件的使用可靠性的角度出发，如何对半导体器件进行散热已经成为各国研究的热点。

以IGBT元件为例，目前世界上的IGBT元件通常在封装后通过风冷或水冷进行散热。传统水冷散热器，水冷腔体的水冷板壁与功率器件基板通过导热硅脂连接，由于导热硅脂的导热系数较低，且在涂抹时易产生气泡等，从而形成了较大热阻且极易造成局部温度过高，进而导致功率元件的整体散热效果较差。

中国专利文献CN202977400U公开了一种功率半导体模块冷却装置，其具有冷却器，冷却器具有壳体，壳体具有冷却液进口和冷却液出口，壳体的顶壁上通过螺纹安装有必要数量的IPM。该种结构的冷却装置，通过螺纹连接IPM与冷却器的壳体，冷却液无法对功率器件直接散热，散热效果依然不佳。

如今，随着大规模集成电路的发展，功率器件的功率大大提高，大规模集成电路和IGBT等所需冷却的面热通量已经达到了轻水炉反应堆的炉心热通量的量级，上述传统水冷散热器的散热效果已经无法满足功率器件高效率以及小尺寸的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种集成化的散热效果较佳的用于半导体功率器件的散热封装结构。

为此，本发明提供一种半导体功率器件的散热封装结构，包括散热壳体，所述散热壳体包括用于向其内部导入冷却液的冷却液进口和用于将冷却液导出的冷却液出口以及将所述散热壳体密封的盖板，所述盖板的内壁上设置若干个被安装于所述散热壳体内部的散热组件，所述散热组件彼此之间相互配合形成分别与冷却液进口和冷却液出口连通的流体通道，所述盖板同时为半导体功率器件的基板。

所述盖板的内部设置真空腔体，所述真空腔体的内部装有液态相变介质。

所述真空腔体的靠近半导体功率器件热量传来方向的面上成型有若干个便于所述液态相变介质均匀分布的毛细结构。

所述毛细结构的截面形状为三角形、梯形或矩形中的一种。

所述散热组件为垂直于所述盖板内壁的正多边形柱状散热片。

所述散热组件为多边形柱状，且其截面积向着远离半导体功率器件热量传来方向逐渐减小。

所述散热壳体的所述盖板上设置有N列所述散热组件，相邻两列的所述散热组件交错排布以形成波浪形的流体通道，其中，N为不小于2的整数且为2的倍数。

所述波浪形的流体通道包括若干个波峰以及位于相邻波峰之间的波谷。

所述盖板采用AlSiC制成。

所述散热壳体的边缘设置密封凹槽，所述密封凹槽内设置密封圈，所述盖板的边缘与所述密封凹槽内的所述密封圈配合以实现密封固定。

本发明提供的半导体散热封装结构具有以下优点：

1.本发明提供的半导体功率器件的散热封装结构，具有盛装冷却液的散热壳体，散热壳体的盖板的内壁设置散热组件进而形成流体通道，同时，盖板的另一侧成为半导体功率器件的基板，即，本发明中散热封装结构与半导体功率器件形成为一体，结构非常紧凑，更为重要的是，一体封装的形式避免了低导热系数硅胶产生的热阻，散热组件位于所述盖板（即基板）的另一侧，来自于功率器件的热量可以得到直接的散失，同时在散热组件的扰流作用下大大提高了半导体功率器件的散热效果。

2.本发明提供的半导体功率器件的散热封装结构，所述盖板的内部设置真空腔体，所述真空腔体的内部装有液态相变介质。所述真空腔体内注入液态相变介质，可以将半导体功率器件中核心较大的发热量通过蒸发及冷凝过程快速传导至基板（即散热壳体的盖板），封装入散热组件的一面，确保液态相变介质的蒸发过程均匀进行，热量得到快速均匀传导，从而有利于将来自于半导体功率器件的热量快速转移到散热壳体的冷却液中，进一步提高散热效率和效果。

3. 本发明提供的半导体功率器件的散热封装结构，所述真空腔体的靠近半导体功率器件热量传来方向的面上成型有若干个便于所述相变介质均匀分布的毛细结构，所述毛细结构的截面形状为三角形、梯形或矩形中的一种。毛细结构使得相变介质能够在靠近半导体功率器件热量传来方向的面上均匀分布，避免使用工况为非水平时，无相变介质区温度急剧上升情况的发生，从而使得液态相变介质的蒸发过程顺利进行，热量得到均匀传导，从而有利于将来自于半导体功率器件的热量快速转移入散热壳体的冷却液中，进一步提高散热效率和效果。

4. 本发明提供的半导体功率器件的散热封装结构，所述散热组件为垂直于所述盖板内壁的柱状散热片，若干个柱状散热片便于对冷却液进行扰流，从而使得热量能够与冷却液更加充分的接触，便于提高散热效果；同时，柱状散热片垂直于盖板，而由于柱状散热片垂直于盖板，即沿着热量传递方向，热量在传递过程中逐渐散失，向着远离盖板方向，所需要散失的热量越来越小，在远离盖板方向所需的柱状散热片的散热面积也较小，本发明将柱状散热片向着远离盖板方向（即远离热量传来方向）的截面积设置为逐渐减小不但满足散热需求，并且节省原料，降低散热结构的重量。

5. 本发明提供的半导体功率器件的散热封装结构，所述散热壳体的所述盖板上设置有N列所述散热组件，相邻两列的所述散热组件交错排布以形成波浪形的流体通道，其中，N为不小于2的整数且为2的倍数，相邻两列散热组件交错排布，从而形成波浪形的流体通道，所述波浪形的流体通道包括若干个波峰以及位于相邻波峰之间的波谷。波浪形的流体通道强化了扰流效果，使得热量通过柱状散热片传递的过程中，冷却液不断扰流，并使得热量始终并更加充分的与冷却液接触，并且，波浪形的流体通道增加了热量在流体通道内的运行距离，从而保证热量交换更加充分的进行。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的实施例1中的散热结构与半导体功率器件的封装结构示意图；

图2是本发明的实施例2中的散热结构与半导体功率器件的封装结构示意图；

图3是本发明的实施例1中的散热组件的截面示意图；

图4是本发明的实施例3中的散热组件的分布示意图；

图中附图标记表示为：

1-散热壳体；11-冷却液进口；12-冷却液出口；13-盖板（基板）；131-真空腔体；132-液态相变介质；133-介质导入口；134-面； 14-散热组件；15-流体通道；16-壁；17-第一侧壁；18-第二侧壁； 21-硅芯片；22-锡层；23-AlN陶瓷板；24-铜层。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种IGBT模块的散热封装结构，包括散热壳体1，所述散热壳体1是由壁16、第一侧壁17、第二侧壁18以及盖板13共同围成的方形壳体，其中，壁16、第一侧壁17以及第二侧壁18一体成型为一个开口槽，开口槽的边缘设置密封凹槽（图中未显示），所述密封凹槽内设置密封圈，盖板13的边缘与所述密封圈配合以实现盖板13与开口槽的密封安装，进而形成用于盛装冷却液的腔体，其中，第二侧壁18上设置冷却液进口11，第一侧壁17上设置冷却液出口12，冷却液通过冷却液进口11导入到散热壳体1的腔体中，使用完成后通过冷却液出口12导出散热壳体1的腔体。

所述盖板13的内壁上设置若干个相距特定距离的正六边形的柱状散热片作为散热组件14（如图3所示），所述散热组件14焊接固定在所述盖板13上或与盖板13一体加工，并与所述盖板13垂直设置，即所述散热组件14垂直于所述盖板13的内壁所在的平面，所述散热组件14被安装于散热壳体1的内部，并向着所述壁16的方向延伸，且其截面积向着远离盖板13的方向逐渐减小。若干个散热组件14相互配合形成用于冷却液流通的流体通道15，流体通道15分别与冷却液进口11和冷却液出口12连通。作为一种最佳实施方式，本实施例中的所述散热组件14在垂直于所述盖板13的内壁所在平面的同时，其也垂直于所述冷却液导入方向和冷却液导出方向（见图1中箭头所示的方向），并且所述散热组件14在所述盖板13的内壁上均匀分布。

在本实施例中，如图1所示，所述盖板13同时作为IGBT模块的基板，即IGBT模块与散热壳体1一体封装，所述盖板13的外壁上焊接IGBT模块的其他组成部分，包括焊接在盖板13（即基板）上的第一锡层22、与第一锡层22连接的第一铜层24、与第一铜层24连接的陶瓷板23、与陶瓷板23的另一面连接的第二铜层24、与第二铜层24焊接连接的第二锡层22，以及硅芯片21，所述盖板13采用AlSiC制成，陶瓷板采用AlN制成， AlN陶瓷板与AlSiC基板的导热系数与热膨胀系数更加相近，和以往产品所采用的Al₂O₃陶瓷板与Cu基板相比，因系数更加匹配，性能更加卓越，热应力大大减小，可靠性得到极大提高。

IGBT功率器件工作时，热量从硅芯片21处传来，最终传导到作为基板的盖板13上，由于盖板13同时作为散热壳体1的一个壁，散热组件14就设置在所述盖板13的内壁上，从而使得热量能够直接被传递到散热壳体1内部的冷却液中，在散热壳体1的内部，热量一方面沿着柱状散热片传递，冷却液在柱状散热片形成的流体通道15之间流动，并且不断得到柱状散热片的扰流作用，在此过程中，热交换不断进行，使得散热效果非常显著；另一方面，传递到盖板13上的热量，其另一部分直接与冷却液进行热交换，配合柱状散热片的散热作用，使得热交换全方面、多角度进行，大大增加了散热效果。

实施例2

本实施例是在实施例1基础上的变形，本实施例提供的散热封装结构相对于实施例1来说，其主要改变在于：盖板13的结构有所改变。

如图2所示，所述盖板13的内部设置真空腔体131，所述真空腔体131的内部装有液态相变介质132，液态相变介质132为新氟碳化合物，所述真空腔体131的靠近半导体功率器件热量传来方向的面134上成型有若干个便于所述液态相变介质132均匀分布的毛细结构（图中未显示），即凹槽，所述毛细结构的截面形状为三角形，当然，毛细结构的截面形状还可以为梯形或者矩形。

IGBT功率器件工作时，热量从硅芯片21处传来，最终传导到作为基板的盖板13上，所述真空腔体131的靠近半导体功率器件热量传来方向的面134上成型有若干个便于所述相变介质132均匀分布的毛细结构，使得相变介质132能够在靠近半导体功率器件热量传来方向的面134上均匀分布，避免了汽车在非平稳水平运动时无相变介质区温度急剧上升情况的发生，确保液态相变介质132的蒸发过程顺利进行，热量得到均匀传导，从而有利于将来自于半导体功率器件的热量快速传递入散热壳体1中，进一步提高散热效率和效果;同时，更容易快速将温度极值点的热量迅速传导出去，且真空腔体131的高热流密度使散热装置的体积更小，且有效减小了重量。

本实施例中，采用了新氟碳化合物为相变介质，其通过介质导入口133导入到真空腔体131中，其具有高绝缘性、沸点低、无毒、防爆、物化性质稳定等优点，无需在真空腔体131内涂绝缘涂层，使得封装工序减少，从而使得IGBT的防爆、耐腐蚀性、可靠性和安全性得到极大保证。

当然，作为本实施例的一种变形，所述液态相变介质132还可以采用其它具有上述效果或者类似效果的液态相变介质。

实施例3

本实施例提供一种半导体功率器件的散热封装结构，其是在实施例2基础上的变形，相对于实施例2的不同之处在于：散热组件14的设置方式有所改变。

如图4所示，本实施例中，所述散热壳体1的所述盖板13上设置有6列所述散热组件14，相邻两列的所述散热组件14交错排布以形成波浪形的流体通道15，所述波浪形的流体通道15包括若干个波峰以及位于相邻波峰之间的波谷，其中散热组件14为散热翅片，散热翅片焊接在所述盖板13上。

当然，所述散热组件14的列数可以根据需要进行其它设计，例如，设计为2列、4列、6列等。

IGBT功率器件工作时，热量从硅芯片21处传来，最终传导到作为基板的盖板13上，并被封装如散热壳体1中，波浪形的流体通道15强化了扰流效果，使得热量通过散热翅片传递的过程中，冷却液不断扰流，并且，波浪形的流体通道增加了热量的运行时间，使得热量更加充分的与冷却液接触，保证热量交换更加充分的进行。

需要说明的是，上述实施例1-3中提供的散热封装结构，其不但可以用于与IGBT模块一体封装，还可以用于与其他半导体功率器件一体封装，从而达到高散热效果和小体积的技术效果。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种半导体功率器件的散热封装结构，包括散热壳体（1），所述散热壳体（1）包括用于向其内部导入冷却液的冷却液进口（11）和用于将内部冷却液导出的冷却液出口（12）以及将所述散热壳体（1）密封的盖板（13），所述盖板（13）的内壁上设置若干个被安装于所述散热壳体（1）内部的散热组件（14），所述散热组件（14）彼此之间相互配合形成分别与冷却液进口（11）和冷却液出口（12）连通的流体通道（15），其特征在于：所述盖板（13）同时为半导体功率器件的基板。

2.根据权利要求1所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述盖板（13）的内部设置真空腔体（131），所述真空腔体（131）的内部装有液态相变介质（132）。

3.根据权利要求2所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述真空腔体（131）的靠近半导体功率器件热量传来方向的面(134)上成型有若干个便于所述液态相变介质（132）均匀分布的毛细结构。

4.根据权利要求3所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述毛细结构的截面形状为三角形、梯形或矩形中的一种。

5.根据权利要求1-4中任一项所述半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述散热组件（14）为垂直于所述盖板（13）内壁的正多边形柱状散热片。

6.根据权利要求5所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述散热组件（14）为多边形柱状，且其截面积向着远离半导体功率器件热量传来方向逐渐减小。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述散热壳体（1）的所述盖板（13）上设置有N列所述散热组件（14），相邻两列的所述散热组件交错排布以形成波浪形的流体通道（15），其中，N为不小于2的整数且为2的倍数。

8.根据权利要求7所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述波浪形的流体通道（15）包括若干个波峰以及位于相邻波峰之间的波谷。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述盖板（13）采用AlSiC制成。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的半导体功率器件的散热封装结构，其特征在于：所述散热壳体（1）的边缘设置密封凹槽，所述密封凹槽内设置密封圈，所述盖板（13）的边缘与所述密封凹槽内的所述密封圈压紧配合以实现密封固定。