CN111613590A - 具有集成导电冷却通道的半导体 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“具有集成导电冷却通道的半导体”。一种半导体组件包括功率半导体、包含所述功率半导体的壳体以及导电通道。所述导电通道被布置为引导冷却剂通过所述壳体。因此，由所述功率半导体产生的热量可以被所述冷却剂吸收。所述导电通道还与所述功率半导体电连接以形成所述功率半导体的端子。

Description

具有集成导电冷却通道的半导体
技术领域
本公开涉及用于半导体装置的冷却系统。
背景技术
功率半导体在某些功率电子器件，诸如开关模式电源中用作开关或整流器。它们也称为功率装置，或当用于集成电路中时，称为功率集成电路(IC)。
功率半导体通常以换相模式(导通或关断)使用，并且具有针对这种用途而优化的设计。
功率半导体在提供数十毫瓦的系统(例如，耳机放大器)和输送千兆瓦的系统(例如，高压直流输电线)中使用。
发明内容
一种半导体组件包括功率半导体、包含所述功率半导体的壳体以及导电通道。所述导电通道引导冷却剂通过所述壳体以吸收由所述功率半导体产生的热量。所述导电通道与所述功率半导体电连接以形成所述功率半导体的端子。
一种半导体装置包括：半导体衬底和金属层，所述半导体衬底和金属层被布置为形成半导体开关；包含所述半导体开关的壳体；导电通道；以及电力系统。所述导电通道通过其运送流体以冷却所述半导体开关和壳体，并且与所述金属层电连接。所述电力系统向所述导电通道提供电流或电压。
一种功率设备具有半导体组件，所述半导体组件包括半导体开关、包含所述半导体开关的壳体以及导电通道，所述导电通道与所述半导体开关电连接。所述导电通道引导冷却剂通过所述壳体以吸收由所述半导体开关产生的热量。所述功率设备还具有热传递系统和电力系统。所述热传递系统使所述冷却剂移动通过所述导电通道。所述电力系统向所述导电通道提供电流或电压。
附图说明
图1是金属氧化物半导体场效应晶体管的横截面侧视图。
图2是带有集成导电冷却通道的半导体装置的透视图。
图3是图2的半导体装置的横截面侧视图。
图4是带有集成导电冷却通道的另一种半导体装置的横截面侧视图。
具体实施方式
本文中描述了本公开的各个实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可与在一个或多个其他附图中所示出的特征相结合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示出特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的传授内容一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所期望的。
示例功率半导体包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率二极管、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和晶闸管。
IGBT通常具有与双极结型晶体管(BJT)和MOSFET共有的特性。其可能具有高栅极阻抗，并且因此具有低栅极电流要求，像MOSFET 一样。其在工作模式中可能具有低通态压降，像BJT一样。某些IGBT 可以用于阻断正电压和负电压。
MOSFET可以是耗尽型沟道装置或增强型沟道装置。为了控制从漏极到源极的传导路径，可能需要电压而不是电流。在低频下，这可以减小栅极电流，这是因为仅需要在开关期间对栅极电容充电。开关时间的范围为几十纳秒到几百微秒。通常，MOSFET装置不是双向的并且不是反向电压阻断的。
晶闸管可以描述一族三端子装置，其包括硅控整流器(SCR)、可关断晶闸管(GTO)以及MOS控制晶闸管(MCT)。选通脉冲通常可以导通这些装置。并且响应于阳极电压下降到相对于阴极的值以下，可以关断装置。在关断时，其可以阻断在某些配置中的反向电压。
当存在选通脉冲时，SCR像标准二极管一样操作。如上所述，当阳极与阴极相比为负时，这些装置中的一些关断并且阻断了存在的正电压或负电压。栅极电压可能不允许装置关断。
可以用选通脉冲来导通和关断GTO。通常，关断栅极电压比导通电平大，并且需要更多电流。该关断电压是从栅极到源极的负电压。可能需要缓冲电路来提供可用的开关曲线。在没有缓冲电路的情况下，GTO可能无法用于关断电感负载。
MCT可以通过至其MOSFET栅极的脉冲来触发导通或关断。就这点而言，几乎没有电流流动，从而允许低功率控制信号。通常，这些是由两个MOSFET输入和一对BJT输出级构成的，然而其他布置也是可能的。输入MOSFET被配置为允许在正半周期和负半周期期间进行导通控制。输出BJT可以被配置为允许双向控制和低压反向阻断。
参考图1并且更具体地讲，示例金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)10包括本体(p型衬底)12，其带有由形成沟道区域18的距离L分离的n+掺杂区域14、16。与n+掺杂区域14、16相对，本体 12在其上面具有金属层20。同样地，n+掺杂区域14、16中的每一个在其上面具有相应的金属层22、24。n+掺杂区域14和金属层22形成源极(S)。n+掺杂区域16和金属层24形成漏极(D)。并且，沟道区域18在其上面具有形成栅极(G)的一部分的绝缘(例如，氧化物)层26 和金属层28。如所描绘的，MOSFET 10是四端子装置。然而，连接本体12和源极(S)将产生三端子装置。
向栅极(G)施加电压将促使在沟道区域18中形成电通路，该电通路将允许电子在源极(S)和漏极(D)之间流动。该操作可能产生热量。
冷却布置可以用于将热量带离半导体装置。例如，围绕或通过半导体装置的壳体的内部通路或通道可以用于引导冷却剂从其通过。然而，在这里，我们提出将半导体装置的电导体与其冷却通道集成在一起。这样的组合可以消除某些电气部件，从而产生较小的整体封装。
参考图2和图3，示例半导体开关30(例如，MOSFET)包括壳体31(例如，塑料或其他电绝缘壳体)、本体32(其可以包括掺杂区域、沟道区域等)、绝缘层34和包含在壳体31内的金属层36、38、40、 42。半导体开关30还包括包含在壳体31内的导电(例如，金属)微通道44、46、48、50。
热传递系统52可以与导电微通道44、46、48、50一起使用，以便在操作期间从半导体开关30移除热量。热传递系统52可以包括泵和热交换器54以及相关联的导管56，导管56可以是不导电的且与导电微通道44、46、48、50流体连通。泵54可以操作以使冷却剂58经由导管56移动通过导电微通道44、46、48、50。导电微通道 44、46、48、50与半导体开关30的各个部件的接近性将允许从半导体开关30至冷却剂58的热传递。然后，由冷却剂58所携带的热量可以经由热交换器54排出。
电力系统52可以与导电微通道44、46、48、50一起使用，以便操作半导体开关30。电力系统60可以包括电池(或其他电源)、电路和要由半导体开关30服务的电气装置62。在该示例中，导电微通道 44、46、48、50中的每一个经由导线45、47、49、51与金属层36、 38、40、42中相应的一个电连接。金属层36形成源极(S)的一部分。金属层38形成栅极(G)的一部分。金属层40形成漏极(D)的一部分。并且，金属层42形成本体32的一部分。导电微通道44、46、48、 50因此提供了从壳体31的内部到壳体31的外部的电通路，从而消除了提供类似功能的单独的部件。即，导电微通道44、46、48、50 是用于源极(S)、栅极(G)、漏极(D)和本体32的端子。
可以使用多种材料和配置来实现导电微通道。在图3的示例中，使用了金属管。然而，可以穿过壳体形成通路(例如，蚀刻、沉积等)，并且将导电材料施加到壳体的壁上以创建导电微通道。而且，与导电微通道的电连接不必是金属线。导电材料可以策略性地集成/印刷在壳体等的部分中。此外，导电微通道可以根据特定设计所允许的具有不同的数量、取向、形状、放置等。
参考图4，另一种示例半导体开关64(例如，MOSFET、绝缘栅双极晶体管等)包括壳体66，以及各种半导体部件68和包含在壳体 66内的金属层70、72、74、76。半导体开关64还包括导电微通道 78、80、82、84和不导电微通道86、88。导电微通道78、80、82中的每一个经由导电引线90、92、94与金属层70、72、74中的相应一个电连接。导电微通道84和不导电微通道86、88中的每一个与金属层76直接接触。不需要导电引线。
与上述那些一样，导电微通道78、80、82、84和不导电微通道 86、88可以与热传递系统一起使用以便通过引导冷却剂96在靠近半导体部件68和金属层70、72、74、76处通过壳体66来从半导体开关64移除热量。类似地，导电微通道78、80、82、84可以与电力系统一起使用，以使得导电微通道78、80、82、84用作半导体开关64 的端子。
因为本文所述的冷却通道具有双重目的(引导冷却剂并且导电)，所以可以产生节省空间的设计。可以消除与某些半导体装置相关联的单独的端子配置，从而增加了封装的灵活性。
本文关于控制通过通道的冷却流体、控制经由通道施加到半导体装置的电压或电流等所设想的过程、方法或算法可以递送到处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述过程、方法或算法可作为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令来存储，所述形式包括但不限于：永久存储在不可写存储介质(诸如只读存储器(ROM)装置)上的信息以及可变更地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、光盘(CD)、随机存取存储器(RAM)装置以及其他磁性和光学介质)上的信息。所述过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。可替代地，可使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列 (FPGA)、状态机、控制器或者其他硬件部件或装置)或硬件、软件和固件部件的组合来全部或部分地体现所述过程、方法或算法。
在说明书中所使用的用词是描述用词而非限制用词，并且应当理解，可在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。在某些MOSFET技术的背景下描述了上述某些示例。然而，本文所设想的导电集成冷却通道技术可以在任何适当的半导体技术(例如，BJT技术、IGBT技术、其集成电路封装等)的背景下应用。
例如，在替代布置中，电力系统可以经由通道中的导电流体与半导体装置电连通。在这样的布置中，每个冷却通道可以彼此电隔离并且流体隔离。可能需要单独的泵等。然后，可以适当地向每个通道中的流体施加电荷/电势，并且因此将其传递到所讨论的半导体装置的相应端子。还构想了其它布置。
如前所述，各个实施例的特征可组合以形成可能未明确描述或示出的其他实施例。虽然各个实施例可被描述为关于一个或多个所期望特性相对于其他实施例或现有技术实现方式提供优点或更优，但是本领域普通技术人员认识到，可折衷一个或多个特征或特性以实现所期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实现方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于组装等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。
根据本发明，提供了一种半导体组件，其具有：功率半导体；包含所述功率半导体的壳体；以及导电通道，所述导电通道被配置为引导冷却剂通过所述壳体以吸收由所述功率半导体产生的热量，且与所述功率半导体电连接以形成所述功率半导体的端子。
根据一个实施例，本发明的特征还在于热传递系统，所述热传递系统被配置为使所述冷却剂移动通过所述导电通道；以及电力系统，所述电力系统与所述导电通道电连接以向所述功率半导体提供电流或电压。
根据一个实施例，所述功率半导体包括金属层，并且其中所述导电通道中的每一个电连接到所述金属层中的一个。
根据一个实施例，所述导电通道与所述金属层直接接触。
根据一个实施例，所述导电通道经由金属线或金属迹线电连接到所述金属层。
根据一个实施例，所述功率半导体是绝缘栅双极晶体管、二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管或晶闸管。
根据一个实施例，本发明的特征还在于在所述导电通道中的导电流体。
根据一个实施例，所述壳体是电绝缘的。
根据本发明，提供了一种半导体装置，其具有：半导体衬底和金属层，所述半导体衬底和金属层被布置为形成半导体开关；包含所述半导体开关的壳体；导电通道，所述导电通道被配置为通过其运送流体以冷却所述半导体开关和壳体，且与所述金属层电连接；以及电力系统，所述电力系统被配置为向所述导电通道提供电流或电压。
根据一个实施例，所述导电通道中的每一个电连接到所述金属层中的一个。
根据一个实施例，所述导电通道与所述金属层直接接触。
根据一个实施例，所述导电通道经由金属线或金属迹线电连接到所述金属层。
根据一个实施例，本发明的特征还在于热传递系统，所述热传递系统被配置为使所述流体移动通过所述导电通道。
根据一个实施例，所述半导体开关是绝缘栅双极晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据一个实施例，所述壳体是绝缘的。
根据本发明，提供了一种功率设备，其具有：半导体组件，所述半导体组件包括半导体开关、包含所述半导体开关的壳体以及导电通道，所述导电通道与所述半导体开关电连接并且被配置为引导冷却剂通过所述壳体以吸收由所述半导体开关产生的热量；热传递系统，所述热传递系统被配置为使所述冷却剂移动通过所述导电通道；以及电力系统，所述电力系统被配置为向所述导电通道提供电流或电压。
根据一个实施例，所述导电通道经由金属线或金属迹线与所述半导体开关电连接。
根据一个实施例，所述导电通道与所述半导体开关直接接触。
根据一个实施例，所述半导体开关是绝缘栅双极晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据一个实施例，所述壳体是电绝缘的。

Claims (15)

1.一种半导体组件，其包括：
功率半导体；
壳体，所述壳体包含所述功率半导体；以及
导电通道，所述导电通道被配置为引导冷却剂通过所述壳体以吸收由所述功率半导体产生的热量，并且与所述功率半导体电连接以形成所述功率半导体的端子。
2.如权利要求1所述的半导体组件，其还包括热传递系统和电力系统，所述热传递系统被配置为使所述冷却剂移动通过所述导电通道，所述电力系统与所述导电通道电连接以向所述功率半导体提供电流或电压。
3.如权利要求1所述的半导体组件，其中所述功率半导体包括金属层，并且其中所述导电通道中的每一个电连接到所述金属层中的一个。
4.如权利要求3所述的半导体组件，其中所述导电通道与所述金属层直接接触。
5.如权利要求3所述的半导体组件，其中所述导电通道经由金属线或金属迹线电连接到所述金属层。
6.如权利要求1所述的半导体组件，其中所述功率半导体是绝缘栅双极晶体管、二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管或晶闸管。
7.如权利要求1所述的半导体组件，其还包括在所述导电通道中的导电流体。
8.一种半导体装置，其包括：
半导体衬底和金属层，所述半导体衬底和金属层被布置为形成半导体开关；
壳体，所述壳体包含所述半导体开关；
导电通道，所述导电通道被配置为通过其运送流体以冷却所述半导体开关和壳体，并且与所述金属层电连接；以及
电力系统，所述电力系统被配置为向所述导电通道提供电流或电压。
9.如权利要求8所述的半导体装置，其中所述导电通道中的每一个电连接到所述金属层中的一个。
10.如权利要求9所述的半导体装置，其中所述导电通道与所述金属层直接接触。
11.如权利要求9所述的半导体装置，其中所述导电通道经由金属线或金属迹线电连接到所述金属层。
12.如权利要求8所述的半导体装置，其还包括热传递系统，所述热传递系统被配置为使所述流体移动通过所述导电通道。
13.一种功率设备，其包括：
半导体组件，所述半导体组件包括半导体开关、包含所述半导体开关的壳体以及导电通道，所述导电通道与所述半导体开关电连接并且被配置为引导冷却剂通过所述壳体以吸收由所述半导体开关产生的热量；
热传递系统，所述热传递系统被配置为使所述冷却剂移动通过所述导电通道；以及
电力系统，所述电力系统被配置为向所述导电通道提供电流或电压。
14.如权利要求13所述的功率设备，其中所述导电通道经由金属线或金属迹线与所述半导体开关电连接。
15.如权利要求13所述的功率设备，其中所述导电通道与所述半导体开关直接接触。
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