CN104078433A - 功率半导体器件的集成冷却模块 - Google Patents

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CN104078433A CN201410121411.6A CN201410121411A CN104078433A CN 104078433 A CN104078433 A CN 104078433A CN 201410121411 A CN201410121411 A CN 201410121411A CN 104078433 A CN104078433 A CN 104078433A
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Abstract

本发明涉及功率半导体器件的集成冷却模块。公开了具有至少一个功率半导体器件的半导体模块，其中，所述至少一个功率半导体器件具有第一和第二平面侧；第一导热基板，与所述功率半导体器件的第一平面侧进行热接触；第一冷却模块，限定第一腔，该第一腔与第一导热基板进行热接触，并且第一冷却模块与第一导热基板进行机械连接；第一进口，被提供在第一腔中用于接收冷却剂；第一出口，被提供在第一腔中用于排放所述冷却剂；其中，所述功率半导体器件与所述腔是防冷却剂隔离的。

Description

功率半导体器件的集成冷却模块
技术领域
本公开涉及与功率半导体器件集成的冷却模块，并且更特别地涉及集成液体冷却模块结构。
背景技术
在从常规工业应用变化到家用电器应用等的宽泛的应用范围内利用诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块之类的功率半导体器件。在这些应用的许多应用中，在设备中产生热，并且可能需要从设备去除该产生的热。
通常，可用热沉从设备去除热。热沉可由导热材料构造而成，其可从设备吸收热且然后将热传递至周围环境。例如，包括柱鳍结构的热沉可直接地从功率半导体模块去除热。在更复杂的示例中，包括冷却柱鳍的热沉还可包括从功率半导体模块提取热的流体流系统。然而，冷却系统的成本由于冷却流体的利用也高度提高。例如，对于“六合一”模块封装而言，可能需要三个功率半导体模块用于将封装的一侧冷却，并且可能需要六个此类冷却模块用于将封装的两侧都冷却。在此类设计中，成本和重量变成首要的设计考虑。
冷却功率半导体器件的另一方法可涉及向冷却器施加热油脂以帮助从功率半导体器件耗散热。然而，利用的冷却器可能是昂贵的，并且此外，用这种方法，可能由于热油脂的高热阻而可能难以使热沉充分地从功率半导体器件耗散热。另外，向冷却器平坦且光滑地施加热油脂膏可能是有问题的。
因此，在本领域中需要提供一种用于以低成本、轻重量和容易的安装来提供用于功率半导体器件的冷却模块。
发明内容
根据本公开的一个方面，公开了一种半导体模块，具有：至少一个功率半导体器件，其中，所述至少一个功率半导体器件具有第一和第二平面侧；第二导热基板，与功率半导体器件的第一平面侧进行热接触；第一冷却模块，限定第一腔，该第一腔与第一导热基板进行热接触，并且第一冷却模块与第一导热基板机械相连；第一进口，被提供在第一腔中用于接收冷却剂；第一出口，被提供在第一腔中用于排放所述冷却剂；其中，功率半导体器件与腔是防冷却剂隔离的。功率半导体器件包括与二极管并联的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。第一导热基板是直接铜结合（DCB）基板或直接铝结合（DAB）基板。第一冷却模块由防冷却剂材料、例如塑料构成。冷却剂由气体、液体（例如水）以及气体、液体和固体的混合物中的一种构成。半导体模块还包括由注模填料构成的中间层，其中嵌入了功率半导体器件。此外，被模塑到中间层中的锚定件形成冷却模块与中间层之间的机械连接。
根据本公开的另一方面，公开的半导体模块还具有：至少一个导热隔离物，被嵌入中间层中，该导热隔离物具有第一和第二平面侧，其中，导热隔离物的第一平面侧被结合到功率半导体器件的第二平面侧；第二导热基板，与导热隔离物的第二平面侧进行热接触；第二冷却模块，限定第二腔，第二腔与第二导热基板进行热接触，并且第二冷却模块与第二导热基板进行机械连接；以及第二进口，被提供在第二腔中用于接收冷却剂；第二出口，被提供在第二腔中用于排放冷却剂。该中间层形成与导热隔离物的第二平面侧共面的表面。第二导热基板是直接铜结合（DCB）基板或直接铝结合（DAB）基板。第二冷却模块由防冷却剂材料、例如塑料构成。冷却剂由气体、液体（例如水）以及气体、液体和固体的混合物中的一种构成。
根据本公开的另一方面，半导体模块的第一进口、第一出口、第二进口和第二出口中的至少一个连接到泵。第一冷却模块和第二冷却模块中的至少一个包含冷却鳍。可替换地，第一冷却模块和第二冷却模块中的至少一个包含多个通道壁。
根据本公开的一方面，公开了一种用于产生具有冷却模块的功率半导体器件的方法，包括：在导热基板的第一侧提供功率半导体器件，其中，导热基板具有第一周界；将冷却模块机械地连接在导热基板的第二侧，其中，冷却模块具有在从导热基板的第二侧到第一侧的方向上延伸的至少一个突出结构；以及将功率半导体器件嵌入注模填料中，其中，所述注模填料啮合至少一个突出结构的至少一部分，在物理上将冷却模块接合到导热基板成为单个封装，并在冷却模块与导热基板之间提供防冷却剂密封。
附图说明
附图不一定按比例，而是通常将重点放在说明本公开的原理上。出于说明本公开的目的，示出了本公开的附图方面。然而，应理解的是本公开不限于所示的精确布置和手段。在所述附图中：
图1A示出了根据本公开的示例性实施例的功率半导体模块的截面图。
图1B示出了根据图1A中所示的示例性实施例的机械连接的详图。
图1C示出了根据本公开的示例性实施例的具有图1的双面冷却模块的功率半导体模块的透视图。
图2示出了根据本公开的另一示例性实施例的功率半导体模块的截面图。
图3示出了根据本公开的另一示例性实施例的功率半导体模块的截面图。
图4示出了根据本公开的示例性实施例的冷却模块部分的顶截面图。
图5示出了根据本公开的另一示例性实施例的冷却模块部分的顶截面图。
图6A是用于产生具有冷却模块的功率半导体模块的方法的流程图。
图6B是用于产生具有冷却模块的功率半导体模块的另一方法的流程图。
图7是用于产生具有冷却模块的功率半导体模块的方法的流程图。
具体实施方式
根据图1A，示出了根据本公开的示例性实施例的功率半导体模块的截面图。如图1A中所示的功率半导体模块100包括插入在两个冷却模块部分160b和160t之间的功率半导体部分150。功率半导体部分150被示为由具有顶侧132和底侧134的功率半导体103构成。顶侧132与隔离物106进行直接接触，并且底侧134被安装在基板110b上。通常，功率半导体103可以是与二极管104并联的绝缘栅双极晶体管（IGBT）102中的一个或多个。然而，可使用预期将在操作期间产生多余热的任何电子部件或半导体。相应地，出于本公开的目的，将术语“功率半导体器件”或“半导体器件”理解成并入在封装中能够被找到的任何电子器件或半导体芯片。由于清楚性原因，在图1A中图示出局限于具有二极管104的一对IGBT 102的部件，然而在由半导体部分150限定的区域中可找到任何数目的部件，其仅仅受限于包括例如对布线133或其他模块间连接的适应之类的可用空间和实践考虑因素。
IGBT 102、二极管104和隔离物106被示为被以注模填料108与隔离物106的顶侧136形成共面表面109t的方式模塑到注模填料108中。基板110t被设置在表面109t上，被连接到隔离物106的顶侧和共面表面并与之进行热接触。冷却模块部分160t位于邻近于表面109t的基板110t之上且同样地与基板110t进行热接触。同样地，冷却模块部分160b位于基板110b下面并与之进行热接触。在所示的配置中，IGBT 102和二极管104可直接接触基板110b，结果是冷却模块部分160t和160b分别与功率半导体模块100的热产生部件进行热接触。
每个冷却模块部分160b或160t由被结合到基板110b和110t中的一个的冷却壳112t或112b（共同地为冷却壳112）构成。冷却壳112中的一者或两者被成形为在其内部114中形成中空液密包围体或被成形为分别地在一个开放侧111t和111b上使内部114暴露的盖。冷却壳112被示为被提供有一个或多个冷却剂进出口118。冷却剂进出口118被示为具有中空圆筒形或管状结构，所述中空圆筒形或管状结构一端向冷却壳112的内部114开放且另一端通常远离壳延伸。
如所示，冷却壳112t和112b被分别地结合到功率半导体部分150，其中开放侧111t和111b被分别地放置在基板110t和110b上。通常，由开放侧111t或111b形成的周界被限制在基板110t或110b的周界内。换言之，冷却壳112t或112b的开口侧的面积小于基板110t或110b的面积。通常，基板110t和110b是能够提供优良热传导性、较高温度下的高压绝缘、高机械强度和机械稳定性、良好的粘附性和抗腐蚀性以及良好的热传播的基板，例如DCB（直接铜结合）基板或DAB（直接铝结合）基板。基板110t和110b仅仅分别地与冷却壳112t和112b进行机械连接，并且机械连接120还被模塑到注模填料108中并与之一起被密封。相应地，冷却壳112的内部114至少部分地在一侧被分别地直接暴露于基板110t和110b。
图1B是图1A的机械连接120的详细配置的一个示例性实施例。如图1B中所示，冷却壳112t的开口端可包含突出结构，诸如在垂直于基板110t的平面的方向上延伸的锚定件121。更特别地，锚定件112被定位成延伸到基板110t之外。注模填料108可以啮合锚定件121的至少一部分，并且因此在物理上将冷却壳112t接合到基板110t。通常，注模填料108的最外周界大于冷却壳112t的最外周界，从而包围从冷却壳112t延伸到注模填料108中的锚定件121，如图1B中所示。此外，用密封体123将冷却壳112t与基板110t之间的接口密封。通常，能够直接从注模填料108形成密封体123。换言之，注模填料108用于将冷却壳112t粘附于基板110t，并在其之间提供防冷却剂密封。现在返回到图1A，在本实施例中，隔离物106由导热材料、例如金属构成。冷却剂116可由气体、液体（例如水）以及气体、液体和固体的混合物中的一种构成。通常，冷却剂116由水构成。冷却壳112由任何轻的且防冷却剂的材料形成，诸如，例如金属或塑料、金属化塑料、陶瓷、环氧树脂等。
在图1A中所示的配置中，例如冷却壳112t的内部114与功率半导体模块100的热产生部件进行热接触。
在操作中，IGBT 102和二极管114通常产生被传导至器件的外表面的热。特别地，通常包括顶侧132和底侧134的主表面将在温度方面迅速地增加，结果是在器件与周围材料之间产生温度梯度。在IGBT 102和二极管104的底侧134处产生的热诸如通过经由基板110b的传导而被传送至冷却模块部分160b。基板通常用在功率半导体模块中，至少部分地由于其良好的热传导性。
基板110b诸如通过与功率半导体IGBT 102和二极管104的主表面、底侧134的接触而将热传送至冷却模块部分160b。另外，基板110b将功率半导体部分150、尤其是IGBT 102和二极管104与对冷却剂116的直接暴露隔离。同样地，在IGBT 102和二极管104的顶侧132处产生的热通过隔离物106、注模填料108被传导至基板110t，所述隔离物通常具有超过周围封装材料的那些的热传导性质。基板110t构成形成冷却壳112t的内部114的腔的整体部分，结果是在半导体部件102和104的操作期间产生的热被传导至基板110t并从而传导至冷却模块部分160t。另外，基板110b和110t防止冷却剂116侵入到功率半导体部分150、特别是IGBT 102和二极管104中。
如图1A中所示，冷却壳112被机械集成到功率半导体部分150并与之一起密封。冷却壳112可由轻的且防冷却剂的材料形成，例如在使用水作为冷却剂的情况下，由于其低重量和良好的热隔离性质，防水塑料片材将是优选的。另外，冷却壳112可防止热从模块110泄漏出来到直接围绕封装的区域中以保护可位于模块100周围的热敏部件。
冷却剂进出口118使得冷却剂116能够流入和流出冷却壳112的内部114。理想地，提供多个冷却剂进出口或进口/出口118以允许冷却剂116例如到一个进口118中和从相应出口118出来的连续流动。冷却剂116可以是气体、液体或气体、液体和固体的混合物以从功率半导体部分150吸收并传递热。由于其相对高的热容、安全性和丰足而被选择的水可以是典型示例，可能与酒精或类似的‘防冻剂’或‘防沸腾剂’混合对于冷却剂116而言是优选的，如果封装100和/或封装100被安装到其中的器件将针对极端温度而被硬化的话。冷却剂流传送走在与基板110的接触期间被传递至冷却剂的来自功率半导体部分150的热。依赖基板110的水密性质来将功率半导体器件IGBT 102和二极管104从与冷却剂116的接触隔离，以防止可根据所使用的流体而发生的功率半导体器件的腐蚀。冷却剂进出口118可以是被插入冷却壳112中并与之一起密封的管道。可替换地，还可在冷却壳112的制造阶段期间将冷却剂进出口118集成到冷却壳112中。
在本实施例中，热产生器件IGBT 102和二极管104被冷却模块部分160t和160b从顶侧和底侧两者包围，并且其提供全面、或者更准确地说是提供双面冷却环境。塑料冷却壳112和水用于冷却剂116能够以非常低的成本提供良好的热耗散。另外，由于冷却模块部分160b和160t在制造阶段中被集成到功率半导体部分150中并与之一起密封，所以增加了功率半导体模块100的市场价值，并且系统设计员和最终用户可避免冷却系统部分和功率半导体部分的大范围组装。
图1C是根据图1A中所示的实施例的具有双面冷却模块160t和160b的功率半导体产品100c。功率半导体100c由功率半导体部分150及冷却模块部分160t和160b构成。多个功率半导体103被模塑为功率半导体部分150，进口/出口管道118被集成到冷却模块部分160t和160b中。
在某些示例性实施例中，仅仅一个冷却模块被安装到产生热的功率半导体部分上，如图2中所描绘的。图2图示出与功率半导体部分150集成的单面冷却模块160。如图2中所示，冷却模块160通常被安装到更接近于热产生功率半导体的一侧。
在一个示例性实施例中，冷却模块部分160b和160t可包括一组冷却鳍370，如图3中所示。可在冷却壳112的内部114中实现鳍370，诸如以产生弯曲或曲折通道的交替图案。还可将鳍370实现为热传导表面，有效地增加冷却壳112的内部114中的表面面积以用于有效地从功率半导体部分150向冷却剂116传递热。另外，还可将冷却鳍370实现为用于增加接触面积或用于减慢并指引冷却剂116的流动的分隔板。应理解的是在图3中描绘的冷却鳍370仅仅是本公开的冷却模块的一个示例性实施例，并且可实现用作热传导和冷却剂分隔的任何适当的冷却鳍图案。例如，虽然示例性冷却鳍370被描绘为被安装于冷却模块部分160t或160b的顶表面和底表面两者，但应理解的是可将冷却鳍370仅仅安装在基板110t和110b上。此外，可提供冷却壳112内部的井或水滴式冷却鳍结构，以便使得冷却模块更高效。
在另一实施例中，为了改善冷却结构的热性质，如图4中所示在冷却壳112内部提供弯曲通道。特别地，图4描绘了在冷却壳112内部包括通道壁470的冷却模块部分400的顶截面图。通道壁470将冷却壳112的内部114划分成一组通道。冷却液116从进口管118i流入通道中，并且然后通过从通道壁470吸收热而被加热并通过出口管道118o离开。箭头表示冷却剂流动方向。有利地，由于通道壁470而增加冷却剂116的接触面积，因此热传导更加高效。
在另一实施例中，可如图5中所示将泵572放置在冷却剂进出口118与换热器574之间。泵572被配置成控制冷却壳112中的冷却剂116的流动，并促进冷却剂116的倒入和抽出。泵可以是并入了功率半导体模块110的设备中的现有的一个，或者其还可以是专用泵。在操作中，通常进行用以使换热器574暴露于热沉的供给，诸如空气，或冷冻液体的二次回路。可将从换热器574抽离的热排出到周围环境或传递至第二冷却系统（未示出）。
在一个实施例中，在图6A中提供了一种用于产生具有冷却模块的功率半导体器件的方法600a。在610中，在导热基板的一侧沉积功率半导体器件。导热基板可以是DCB或DAB基板。在620中，冷却模块被机械地连接在导热基板的另一侧。功率半导体器件因此在物理上与冷却模块隔离。
用于产生具有冷却模块的功率半导体器件的方法还可包括将功率半导体器件嵌入注模填料中并将冷却模块与注模填料一起密封，如图6B的630中所示。
在根据本公开的如图7中所示的另一方法中，在710中在基板的第一侧提供功率半导体器件或类似的热产生电子部件，例如，诸如DCB或DAB之类的导热基板，其中，导热基板具有第一周界。例如，参考图1示出并描述了此类基板110t或110b。在720中，冷却模块与基板热接触地定位，例如有利地在其第二侧。如上文公开的，冷却模块可形成诸如图1-5的冷却壳112之类的壳，具有内腔114。壳可被完全包围，或者可在一侧具有开口，该开口具有第二周界，有利地小于第一周界。更具体地，可有利地将冷却模块定位成使得第一周界至少限制第二周界。
在此位置，可将冷却模块的尺寸投射到基板上，使得冷却壳112的至少一部分在第一周界外面延伸。诸如锚定件121（如例如图1B中所示）的突出结构可延伸超过在此位置的基板。更特别地，锚定件被定位成从其第二侧向第一侧延伸到基板以外。
在730中，在基板的第一侧形成注模材料或类似中间结构。有利地，注模材料可覆盖所有半导体器件及相关结构，诸如电接触、布线、导热结构（诸如隔离物106，如例如图1中所示）并延伸至少远至基板上以限制第一周界，即基板的周界。另外，该注模材料有利地啮合或覆盖从冷却模块延伸的锚定件121的至少一部分。因此，可作为稍后硬化的液体施加的注模材料（例如环氧树脂材料）在物理上将冷却模块接合到基板成为单个封装，该封装包括集成冷却模块。
此外且有利地，注模材料可用于密封冷却模块与基板的第二侧之间的接口。特别地，在冷却模块形成腔的情况下，诸如具有开口侧的腔114，该开口侧诸如限定由基板、诸如基板110t或110b的（第一）周界限制的第二周界的如图1A中所示的开口111t或111b，可由注模材料本身形成密封体，诸如如图1B中所示的密封体123。更特别地，注模材料108可用于将冷却模块粘附于基板，并在其之间提供防冷却剂密封。
本领域的技术人员将认识到的是在不脱离其宽泛发明构思的情况下可以对上述实施例进行改变。因此，应理解的是本发明不限于公开的特定实施例，而是意图覆盖在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改。

Claims (20)

1.一种半导体模块，包括：
至少一个热产生器件，其中，所述至少一个热产生器件具有第一和第二平面侧；
第一导热结构，与所述热产生器件的第二平面侧进行热接触；
第一冷却模块，限定第一腔，所述第一腔与所述第一导热结构进行热接触，并且所述第一冷却模块与所述第一导热结构进行机械连接；
第一进口，被提供在所述第一腔中用于接收冷却剂；
第一出口，被提供在所述第一腔中用于排放所述冷却剂；
其中，所述热产生器件与所述腔是防冷却剂隔离的。
2.权利要求1的半导体模块，其中，所述热产生器件是功率半导体器件。
3.权利要求2的半导体模块，其中，所述功率半导体器件包括与二极管并联的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
4.权利要求1的半导体模块，其中，所述第一导热结构是来自直接铜结合（DCB）基板和直接铝结合（DAB）基板的基板中的一个。
5.权利要求1的半导体模块，其中，所述第一冷却模块由防冷却剂材料构成。
6.权利要求1的半导体模块，其中，所述第一冷却模块由塑料构成。
7.权利要求1的半导体模块，其中，所述冷却剂由气体、液体和气体、液体与固体的混合物中的一种构成。
8.权利要求1的半导体模块，其中，所述冷却剂由水构成。
9.权利要求1的半导体模块，还包括中间层，其中，所述热产生器件被嵌入其中。
10.权利要求9的半导体模块，其中，所述机械连接至少包含被模塑到所述中间层中的锚定件。
11.权利要求9的半导体模块，其中，所述中间层由注模填料构成。
12.权利要求9的半导体模块，还包括：
至少一个导热隔离物，其被嵌入所述中间层中，所述导热隔离物具有第一和第二平面侧，其中，所述导热隔离物的第一平面侧被结合到所述热产生器件的第二平面侧；
第二导热结构，与所述导热隔离物的第二平面侧进行热接触；
第二冷却模块，限定第二腔，所述第二腔与所述第二导热结构进行热接触，并且所述第二冷却模块与所述第二导热结构进行机械连接；以及
第二进口，被提供在所述第二腔中用于接收所述冷却剂；
第二出口，被提供在所述第二腔中用于排放所述冷却剂。
13.权利要求12的半导体模块，其中，所述中间层与所述导热隔离物的第二平面侧形成共面表面。
14.权利要求13的半导体器件，其中，所述第二导热结构是来自直接铜结合（DCB）基板和直接铝结合（DAB）基板的基板中的一个。
15.权利要求12的半导体模块，其中，所述第二冷却模块由防冷却剂材料构成。
16.权利要求12的半导体模块，其中，所述第二冷却模块由塑料构成。
17.权利要求12的半导体模块，其中，来自由第一进口、第一出口、第二进口和第二出口构成的组的至少一个连接到泵。
18.权利要求12的半导体模块，其中，第一冷却模块和第二冷却模块中的至少一个包含冷却鳍。
19.权利要求12的半导体模块，其中，第一冷却模块和第二冷却模块中的至少一个包含多个通道壁。
20.一种用于产生具有冷却模块的功率半导体器件的方法，包括：
在导热基板的第一侧提供所述功率半导体器件，其中，所述导热基板具有第一周界；
在所述导热基板的第二侧机械地连接所述冷却模块，其中，所述冷却模块具有在从所述导热基板的第二侧到第一侧的方向上延伸的至少一个突出结构；以及
将所述功率半导体器件嵌入注模填料中，其中，所述注模填料啮合所述至少一个突出结构的至少一部分，在物理上将所述冷却模块接合到所述导热基板成为单个封装，并在所述冷却模块与所述导热基板之间提供防冷却剂密封。
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