CN112038307A - 用于功率模块的热传递 - Google Patents

用于功率模块的热传递 Download PDF

Info

Publication number
CN112038307A
CN112038307A CN202010412781.0A CN202010412781A CN112038307A CN 112038307 A CN112038307 A CN 112038307A CN 202010412781 A CN202010412781 A CN 202010412781A CN 112038307 A CN112038307 A CN 112038307A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
substrate
metal layer
ring
fins
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010412781.0A
Other languages
English (en)
Inventor
刘仁弼
J·蒂萨艾尔
林承园
姜东旭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Components Industries LLC
Original Assignee
Semiconductor Components Industries LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/512,686 external-priority patent/US11145571B2/en
Application filed by Semiconductor Components Industries LLC filed Critical Semiconductor Components Industries LLC
Publication of CN112038307A publication Critical patent/CN112038307A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3121—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed a substrate forming part of the encapsulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明题为“用于功率模块的热传递”。在一个总体方面，装置可以包括衬底、与该衬底的第一表面耦接的半导体管芯以及设置在该衬底的第二表面上的金属层。第二表面可以与第一表面相对。该装置还可以包括与金属层耦接的多个金属翅片以及与金属层耦接的金属环。金属环可以包围多个金属翅片。

Description

用于功率模块的热传递
技术领域
本说明书总体涉及与模块有关的热传递技术。
背景技术
通常，散热器或其他热传递技术可以将由半导体器件功率模块中包括的电子部件产生的热传递至例如周围的空气和/或液体冷却剂。通过将热传递或引导离开电子部件，可以将电子(例如半导体)部件的温度保持在期望的水平(例如，防止过热)。维持电子部件的温度以防止过热还可以防止损坏电子部件和/或包括这种部件的功率模块。过热以及对电子部件或相关的功率模块造成的任何损坏(例如，功率模块的翘曲)可能对这些部件和模块的可靠性产生负面影响。在一些技术中使用的热传递技术可能不期望用于某些应用。
发明内容
在一个总体方面，装置可以包括衬底、与该衬底的第一表面耦接的半导体管芯以及设置在该衬底的第二表面上的金属层。第二表面可以与第一表面相对。该装置还可以包括与金属层耦接的多个金属翅片以及与金属层耦接的金属环。金属环可以包围多个金属翅片。
在另一总体方面，装置可以包括第一半导体管芯和直接键合金属衬底。半导体管芯可以与直接键合金属衬底的第一表面耦接。该装置还可以包括设置在直接键合金属衬底的第二表面上的金属层。第二表面与第一表面相对。该装置可以进一步包括可以被活性金属钎焊到金属层的多个金属翅片以及可以与金属层进行活性金属钎焊的金属环。金属环可以包围多个金属翅片。
在另一总体方面，方法可以包括形成模块，该模块包括衬底和设置在衬底的表面上的金属层。该方法还可以包括将多个金属翅片与金属层耦接以及将金属环与金属层耦接。金属环可以包围多个金属翅片。
一个或多个实施方式的细节在附随附图和以下描述中阐明。其他特征将从说明书和附图中以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
图1A至图1E是示出具有热传递机构的衬底组件的各种视图的图示，该热传递机构可以包括在功率半导体器件模块和相关联的模块组件中。
图2是示出设置在诸如图1A至图1E所示的衬底组件的衬底组件上的半导体管芯的图示。
图3A和图3B是示出盖的图示。
图4A至图4E是示出用于模块组件的制造过程的图示。
图5A至图5F是示出用于模块组件的另一制造过程的图示。
图6是示出用于制造本文所述的模块组件的方法的流程图。
具体实施方式
如本文所述，模块组件包括：模块，该模块可以包括封装在模制材料中的一个或多个半导体管芯；以及衬底(例如，直接键合金属(DBM)衬底)，该衬底电耦接至半导体管芯。热传递机构(例如，多个金属翅片)可以诸如在衬底的与一个或多个半导体管芯相对的一侧上与衬底耦接。该模块还可以包括与衬底耦接的金属环(例如，衬底的与热传递机构的相同侧)。金属环可以为模块提供机械支撑，以防止由于加热(例如，由于模块的元件之间的热膨胀系数不匹配)而导致的模块翘曲。与当前的实施方式相比，金属环还可以用于增加衬底的直接冷却面积。即，诸如在本文所述的实施方式中，金属环的使用可以增加直接冷却的给定衬底的百分比。对于给定的衬底尺寸，这种增加的直接冷却面积可以实现热阻(例如，结到壳的热阻(ROJC)和/或结到流体的热阻(ROJF))的减小。因此，在一些实施方式中，由于由增加的直接冷却面积提供的改善的散热性能，较大的半导体管芯或附加的半导体管芯可以被包括在给定的衬底上。而且，在一些实施方式中，由于这种减小的热阻，对于给定的实施方式可以减小衬底的尺寸，这可以实现材料成本的降低。
模块组件(诸如本文所描述的那些模块组件)可以进一步包括围绕模块的至少一部分的盖，使得与衬底耦接的热传递机构设置在盖的通道内。热传递机构可以是或可以包括散热器，诸如从衬底延伸的多个金属翅片等。而且，本文所述的模块组件可以被配置为双重冷却模块组件。因此，本文所述的模块组件可以被配置为在满足模块组件的尺寸和成本目标的同时为模块提供足够的冷却。
本文所述的热传递机构可以提供改善的热性能，从而减小整个模块组件的管芯尺寸，同时提供对在高功率器件应用中实现的模块组件的最大电流能力的改进。例如，高功率器件应用可以包括大于例如600V的高功率应用(例如，特别是在使用碳化硅(SiC)管芯时)和大于例如400V(例如，在使用硅管芯时)的高功率应用。在一些实施方式中，模块组件可以被包括在各种应用中，包括但不限于汽车应用(例如，汽车高功率模块(AHPM)、电动车辆、混合动力电动车辆)、计算机应用、工业设备、车载充电应用、逆变器应用等。
图1A至图1E是示出具有热传递机构的衬底组件(组件)的各种视图的图示。图1A至图1E的衬底组件可以包括在半导体器件功率模块和相关的模块组件中。在图1A至图1E中的每个中，示出了方向轴线以供参考，并与所示实施方式的各种视图和相关视图进行比较。例如，在图1A和图1B中，示出了X轴和Y轴(Z轴进出页面)。在图1B至图1E中，示出了X轴和Z轴(Y轴进出页面)。在图1A至图1E的示例实施方式中，图1C和图1D与图1A对应，而图1E与图1B对应。
图1A是示出了可以被包括在半导体功率器件模块(功率模块、模块等)中的示例组件(衬底组件)100的图示。例如，组件100可以包括在功率模块中，该功率模块实现在具有直接冷却的模块组件中，诸如本文所述的那些。图1A示出了与图1C和图1D所示的剖面线1A-1A相对应的截面图。在图1A的示例中，组件100包括衬底110、多个翅片(例如，金属翅片)130和环(例如，密封环、金属环等)120。
在一些实施方式中，多个翅片130可以(例如，作为与金属层116耦接的散热器)整体形成。在一些实施方式中，可以将多个翅片中的每个翅片130耦接(例如，活性金属钎焊、焊接、软焊、胶合等)至衬底110的金属层116。在本文所述的实施方式中，当元件与另一个元件耦接或接触时，这些元件可以经由例如热界面材料、焊料、导电胶、活性金属钎焊等进行热耦接或热接触。
如图1A所示，衬底110可以是直接键合金属(DBM)衬底，诸如直接键合铜(DBC)衬底。在组件100中，衬底100可以包括绝缘层112(例如，陶瓷层)、设置在绝缘层112的第一侧(衬底110的第一侧)上的第一金属层(例如，第一铜层)112和设置在绝缘层112的第二侧(衬底110的第二侧)上的第二金属层(例如，第二铜层)116。如图1A所示，衬底110可以布置在沿X轴对齐的平面P1中。因此，金属层114和金属层116可以布置在与平面P1平行并且也沿着X轴对齐的相应平面中。
在一些实施方式中，第一金属层114可以是图案化的金属层，其上可以设置一个或多个半导体管芯(图1A中未示出)。如本文所述，信号和/或电力端子(图1A中未示出)也可以设置在第一金属层114上，其中金属层114可以在端子与半导体管芯之间提供电连接。如本文还所述的，可以在半导体管芯与金属层114之间形成引线键合，以在半导体管芯与端子之间提供诸如适合于特定实施方式的进一步电连接。
如图1A所示，至少在图1C和图1D中进一步示出的，环120可以包围翅片130。即，环120可以包括敞开的中心部分(开口)，并且如图1A所示当环120与衬底110耦接时，翅片130可以至少部分地设置在环120的开口内。如图1A所示，环120可以沿方向D1具有厚度(高度)H1，其中方向D1正交于平面P1并沿Y轴对齐。同样如图1A所示，翅片130可以具有沿着方向D1对齐并且比环120的厚度H1更大的高度H2。在一些实施方式中，H1可以在1至2毫米(mm)的范围内，并且H2可以在4至5mm的范围内。因此，在一些实施方式中，翅片130可以具有大于环120的厚度H1的高度H2。换句话说，在一些实施方式中，由环120的表面122(例如，如图1A中所示，环120的底表面)限定的平面可以与翅片130相交，使得翅片130的仅一部分被环120包围，例如，翅片130延伸超过环120的表面122。
图1B是示出了可以包括在半导体功率器件模块(功率模块、模块等)中的示例组件(衬底组件)100a的图示。如同图1A所示的组件100，组件100a可以包括在功率模块中，该功率模块实现在具有直接冷却的模块组件中，诸如本文所述的那些。图1B示出了组件100a的与图1E所示的剖面线1B-1B相对应的截面图。在该示例实施方式中，组件100a包括与图1A的组件100相似的方面和元件。为了简洁的目的，关于图1B不再再次详细描述那些方面。
组件100a与组件100的不同之处在于，组件100包括设置在环(密封环、金属环等)120a的凹槽140中的密封元件140。如本文进一步所述，密封元件140可以是O形圈，当盖与包括衬底组件100a的模块耦接时，密封元件140可以在环120a和盖之间形成不透液(不透水等)密封，以使得限定在盖中的通道用作水夹套以直接冷却相关的功率模块。
图1C是图1A所示的衬底组件100的示例实施方式的平面图。图1C所示的平面图是来自于从图1A所示的衬底组件100的底侧。在图1C中，用虚线表示衬底110的外周，以示出衬底110与环120的关系。如上所述，图1C中所示的剖面线1A-1A对应于图1A所示的截面图。再次，图1C所示的平面图是来自于从图1A所示的衬底组件100的底侧。
如图1C所示，在该示例中，与金属层116耦接的多个金属翅片130可以是多个平行布置的矩形翅片。在一些实施方式中，诸如图1D和图1E的示例，金属翅片130可以具有其他形状和布置。翅片130的形状和布置将取决于特定实施方式。
如图1C所示，在该示例中，环120可以具有第一宽度W1，衬底110可以具有第二宽度W2，并且环120中(包围金属翅片130)的开口可以具有第三宽度W3。同样，如图1C所示，环120可以具有第一长度L1，衬底110可以具有第二长度L2，并且环120中的开口可以具有第三长度L3。W1、W2、W3、L1和L2的具体尺寸将取决于特定实施方式。如图1C所示，在该示例中，宽度W1大于宽度W2和W3，并且宽度W2大于宽度W3。类似地，长度L1大于长度L2和L3，并且长度L2大于长度L3。如上所述，与当前方法相比，环120与衬底110的这种布置可以使得增加衬底110的直接冷却面积。将理解，上面讨论的(环120和衬底110的)宽度和长度的关系也可以适用于其他实施方式，例如本文所述的那些。例如，在一些实施方式中，W1和W3之间的差(和/或L1和L3之间的差)可以在4至5mm的范围内，W2和W3之间的差(和/或L2和L3之间的差)可以小于或等于3mm，并且W2和/或L2可以在40至45mm的范围内。
图1D是图1A所示的衬底组件100的另一示例实施方式的平面图。如同图1C所示的平面图，图1D中所示的示例衬底组件100的平面图是来自于图1A所示的衬底组件100的底侧。如上所述，图1D中所示的剖面线1A-1A对应于图1A所示的截面图。
图1D所示，在该示例中，与金属层116耦接的多个金属翅片130可以是矩形翅片的矩阵(例如，行和列)。在一些实施方式中，诸如图1C和图1E的示例，金属翅片130可以具有其他形状和布置。翅片130的形状和布置将取决于实施方式，并且不限于本文提供的示例。
图1E是图1B所示的衬底组件100a的示例实施方式的平面图。类似于图1C和图1D中所示的图1A的衬底组件100的示例的平面图，图1E所示的平面图是来自于图1B所示的衬底组件100a的底侧。如上所述，图1E中所示的剖面线1B-1B对应于图1B所示的截面图。
图1E示出了密封元件140(例如，O形圈)在环120a中的布置。如图1E所示，密封元件140可以设置在环120a中(例如，如图1B所示，在环120a的凹槽145中)。在一些实施方式中，密封元件140可以在环120a和与环120a(例如，和包括衬底组件100a的模块)耦接的盖之间形成不透液密封。
如图1E所示，在该示例中，与金属层116耦接的多个金属翅片130可以是圆形翅片的矩阵(例如，行和列)。在一些实施方式中，诸如图1C和图1D的示例，金属翅片130可以具有其他形状和布置。翅片130的形状和布置将取决于实施方式，并且不限于本文提供的示例。
图2是示出设置在诸如图1A至图1E所示的衬底组件的衬底组件上的半导体管芯的图示。为了说明的目的，进一步参照衬底组件100(其示例在图1A、图1C和图1D中示出)来描述图2的示例。在一些实施方式中，可以使用具有其他布置的其他衬底组件。
在该示例中，图2示意性地示出了设置在衬底组件100的衬底110上的多个半导体管芯200。例如，半导体管芯200可以设置在衬底114的金属层114(例如，图案化的金属层)上。在图2中，未示出金属层114的具体图案化。在一些实施方式中，与衬底组件100耦接的半导体管芯200的数量可以变化，半导体管芯200的相应尺寸可以变化等。例如，在一些实施方式中，可以包括单个半导体200，可以包括比图2所示更少的半导体管芯200，或者可以包括比图2所示更多的半导体管芯。注意，金属层114的图案化将取决于特定实施方式，诸如包括的半导体管芯、包括的信号端子和/或电力端子等。
图3A和图3B是示出可以包括在模块组件中的盖的图示。例如，图3A示出了第一盖300，并且图3B示出了在模块组件中与第一盖300耦接的第二盖305。另外，在图3B中，多个功率模块370被包括在所示的模块组件中，其中模块370设置在第一盖300和第二盖305之间。在图3B中，使用多个附接机构(例如，螺钉、铆钉等)360将第二盖305与第一盖300耦接(夹紧、附接等)。
在一些实施方式中，如图3B所示，将盖305附接到盖300还将模块370固定在盖300和305之间，并且可以在盖300和模块370的密封环(例如，环120、120a)之间形成不透水密封(例如，用于防止冷却剂流体流过盖300的泄漏)。图3B也示出了剖面线4-4，其对应于图4A至图4E和图5A至图5F的截面图。取决于实施方式，盖300和305可以由塑料、金属或任何其他合适材料形成。
如图3A所示，盖300包括入口端口310和出口端口320。在该示例中，入口端口310和出口端口320与盖300中的通道350流体连接，这允许流体(冷却剂)从入口端口310通过通道350流动到出口端口320，以实现在图3B所示的模块组件中包括的模块370的直接冷却。
例如，流体可以从盖300的入口端口310通过通道350流到出口端口350。在一些实施方式中(虽然在图3A和图3B中未具体示出)，盖305也可以包括入口端口、通道和出口端口。例如，盖305可以包括与盖300的入口端口310流体耦接的入口端口以及与盖300的出口端口320流体耦接的出口端口。盖305可以进一步包括流体地连接其入口端口和其出口端口的通道(例如，流体通道)。
如图3A所示，对于图3B所示的模块组件的每个模块370，盖305可以包括设置在盖300中的相应密封元件340。例如，密封元件340可以设置在盖300的相应凹槽中，诸如例如图4D和图4E所示。密封元件可以是O形圈、密封剂或可以设置在相应凹槽中的一些其他材料。在其中盖305还包括流体通道(诸如通道350)的实施方式中，密封元件可以类似地用于在盖305与包括在图3B所示的模块组件中的模块370之间形成不透液密封。
如图3A所示，盖300包括与图3B所示的模块组件的每个模块370相关联的开口，其中密封元件340围绕盖340中的每个开口限定相应的周边以产生相应的不透液密封。在一些实施方式中，盖305可以具有类似的开口和密封元件。同样如图3B所示，包括在所示模块组件中的每个模块370可以包括多个信号端子和/或电力端子375，其中端子375可以(例如，经由图案化的金属层114和/或一个或多个引线键合等)提供到模块中包括的半导体管芯200的电连接。
图4A至图4E是示出用于模块组件的制造过程的图示。在该示例中，图4A至图4E所示的图示是与图3B中的剖面线4-4相对应的截面图。在对图4A至图4E的过程的描述中，出于说明的目的以举例的方式，参照在本申请的其他附图中示出的装置的元件。在一些实施方式中，可以使用图4A至图4E所示的过程来生产具有除所示之外的配置并且包括具有除所示之外的配置的模块的模块组件。
在该示例中，如图4A所示，可以使用半导体器件模块组装工艺来生产模块370。如图4A所示，模块370可以包括衬底110、一个或多个半导体管芯200、电力端子和/或信号端子375以及模塑料410。半导体管芯200和端子375可以与衬底110的金属层114(例如，图案化的金属层)耦接。模块370还可以包括在一个或多个半导体管芯200与金属层114之间的一个或多个引线键合420。端子375、金属层114和/或一个或多个引线键合420可以提供到一个或多个半导体管芯200的多个电连接。
如图4A所示，模塑料410可以封装模块370的部分。如图4A所示，端子375可以从模塑料410内延伸到模塑料410的外部，其中端子375的设置在模塑料410外部的部分用于向半导体管芯200提供电力以及向该半导体管芯和/或从该半导体管芯传送电信号。同样如图4A所示，金属层116的表面可以通过模塑料410暴露。
现在参照图4B，在生产图4A的模块370之后，金属环120(或金属环120a)可以与衬底110的金属层116耦接(例如，钎焊、软焊等)。如图4B进一步所示，多个金属翅片130可以与金属层116耦接(例如，钎焊、软焊等)。在一些实施方式中，多个金属翅片130可以整体形成(例如，在基板上)，或者可以各自与金属层116单独耦接。在一些实施方式中，多个金属翅片130可以与金属层116整体形成。参照图4C，可以在模块370上执行镀覆操作(例如，镍镀覆操作、焊料镀覆操作等)430以镀覆环120、翅片130和端子375的暴露部分。
如图4D所示，在图4C的镀覆操作430之后，盖300可以与模块组件中的模块370(以及附加模块，诸如上面讨论的)耦接。如图4D所示，密封机构340(例如，O形圈、粘合剂等)可以设置在盖300的凹槽345中。如图4D所示，密封机构340可以压缩在环120与盖300之间(例如，在凹槽345内)，以在环120与盖300之间产生不透液密封。如图4D所示，多个翅片130可与盖300的通道350设置在一起，使得在通道350中流动的流体(冷却剂)在翅片130上流动，以为模块370提供直接冷却。
现在参照图4E，可以使用附接机构360(例如，螺钉、铆钉等)将盖305(第二盖)与第一盖300(和模块370)耦接。在一些实施方式中，盖305到盖300的附接可以压缩密封机构340以在盖300和环120之间产生水密封。如上所述(尽管在图4E中未示出)，盖305还可以包括流体通道，该流体通道可以用于在模块370(以及相关模块组件中包括的其他模块)的第二侧(例如，图4E中的顶侧)上进行直接冷却。
图5A至图5F是示出用于模块组件的另一制造过程的图示。在该示例中，类似于图4A至图4E的示例实施方式，图5A至图5F所示的图示是与图3B中的剖面线4-4对应的截面图。如同图4A至图4E的过程，在对图5A至图5F的过程的描述中，为了说明的目的以举例的方式，将参照本申请的其他附图中示出的装置的元件。在一些实施方式中，可以使用图5A至图5F所示的过程来生产具有除所示之外的配置并且包括具有除所示之外的配置的模块的模块组件。
如图5A所示，可以使用DBM衬底制造工艺来生产直接键合金属(DBM)衬底110。如本文所述，图5A中的衬底110包括绝缘层112、设置在绝缘层112的第一侧(例如，衬底110的第一侧)上的第一(图案化的)金属层114以及设置在绝缘层112的第二侧(例如，衬底110的第二侧)上的第二金属层116。
如图5B所示，可以将环120(密封环、金属环等)和多个翅片130与衬底110耦接以生产衬底组件100(例如，诸如图1A所示)。可以使用本文所述的方法(例如，活性金属钎焊、软焊、焊接、使用热界面材料等)将图5B中的环120和多个翅片130与金属层116耦接。如图5C所示，可以执行类似于镀覆操作430的镀覆操作530，以镀覆(例如，镍镀覆、焊料镀覆等)环120和翅片130。在一些实施方式中，代替地，可以在以下关于图5D讨论的操作之后执行镀覆操作530。
如图5D所示，可以执行模块组装过程以产生模块组件370。如图5D所示，类似于图4A，模块370可以包括衬底110、一个或多个半导体管芯200、电力端子和/或信号端子375以及模塑料510。半导体管芯200和端子375可以与衬底110的金属层114(例如，图案化的金属层)耦接。模块370还可以包括在一个或多个半导体管芯200和金属层114之间的一个或多个引线键合520。端子375、金属层114和/或一个或多个引线键合520可以提供到一个或多个半导体管芯200的多个电连接。
如图5D所示，模塑料510可以封装模块370的部分。如图5D所示，端子375可以从模塑料510内延伸到模塑料510的外部，其中端子375的设置在模塑料510外部的部分用于向半导体管芯200提供电力以及向半导体管芯和/或从半导体管芯传送电信号。同样如图5D所示，金属层116(以及环120和翅片530)的表面可以通过模塑料510(在模塑料外部)暴露。如上所述，在图5D所示的操作之后，可以对模块370执行图5C的镀覆操作(例如，镍镀覆操作、焊料镀覆操作等)530，以镀覆环120、翅片130和端子375的暴露部分。
如图5E所示，在图5D的操作之后(或在镀覆操作530之后)，盖300可以与模块组件中的模块370(以及诸如上面讨论的附加模块)耦接。如图5E所示，密封机构340(例如，O形圈、粘合剂等)可以设置在盖300的凹槽345中。如图5E所示，密封机构340可以压缩在环120和盖300之间(例如，在凹槽345内)，以在环120和盖300之间产生不透液密封。如图5E所示，多个翅片130可以与盖300的通道350设置在一起，使得在通道350中流动的流体(冷却剂)在翅片130上流动，以为模块370提供直接冷却。
现在参照图5F，可以使用附接机构360(例如，螺钉、铆钉等)将盖305(第二盖)与第一盖300(和模块370)耦接。在一些实施方式中，盖305到盖300的附接可以压缩密封机构340以在盖300和环120之间产生水密封。如上所述(尽管在图5F中未示出)，盖305也可包括流体通道，该流体通道可以用于模块370(以及相关模块组件中包括的其他模块)的第二侧(例如，图5F中的顶侧)的直接冷却。在一些实施方式中，图4A至图4E和图5A至图5F的模块组件可以包括图1B的密封机构140，该密封机构可以设置在密封环120的凹槽145中。在这样的实施方式中，可以代替密封机构340或除了该密封机构之外使用密封机构140。
图6是示出了可以用于制造本文所述的模块组件的方法600的流程图。方法600是以举例的方式并且出于说明的目的而示出的。在该示例中，方法600中的操作顺序总体对应于图4A至图4E所示的处理流程。在一些实施方式中，方法600的操作可以以与图6所示不同的顺序执行。例如，方法600的操作可以以总体与图5A至图5F所示的处理流程相对应的顺序来执行。在一些实施方式中，可以以不同的顺序执行用于制造模块组件(诸如本文所述的模块组件)的操作。出于讨论图6的目的，将至少进一步参照图4A至图4E来描述方法600。
如图6所示，方法600包括，在框610处，形成包括衬底的模块，该衬底包括设置在诸如DBM衬底(例如，DBC衬底)的衬底表面(例如，衬底的第一表面)上的金属层(例如，第一金属层)。在一些实施方式中，模块可以是例如图4A中所示的模块370。如所讨论的，模块370可以包括设置在衬底110的第二表面上的一个或多个半导体管芯200。例如，一个或多个半导体管芯200可以设置在图案化的直接键合金属层上，该金属层设置在衬底110的第一表面上。模块370还可以包括信号和/或电力引脚375、一个或多个引线键合420以及至少部分地封装模块370的元件的模塑料410。
在框620处，方法600包括将多个金属翅片与(例如，衬底110的第二侧上的)金属层116耦接。在一些实施方式中，框620的金属翅片可以采取图1C至图1E中所示的示例金属翅片130的形式。在一些实施方式中，金属翅片130可以采取其他形式。在一些实施方式中，与金属层116耦接的多个金属翅片130可以包括在整体式热传递机构(例如，散热器)中。在一些实施方式中，可以将多个金属翅片单独地(例如，直接地)耦接到金属层116。取决于特定实施方式，可以使用活性金属钎焊、软焊、热界面材料等将多个金属翅片130与金属层116耦接。
在框630处，方法600包括将金属环120与金属层116耦接，使得金属环120(例如，金属环120中的开口)包围多个金属翅片130。在一些实施方式中，框620和630的操作可以同时执行。例如，金属环120和金属翅片130可以在诸如使用活性金属钎焊、软焊、热界面材料等的常用工艺操作中与金属层116耦接。
在框640处，方法600包括将盖(例如，盖300)与金属环120耦接(例如，将盖300与模块370耦接)。如上所述，盖300可以包括用作对模块370直接冷却的水夹套的通道350。例如，在通道350中流动的水(或另一冷却剂)与金属翅片130结合可以为模块370提供直接冷却。如框640所示，将盖300与金属环120耦接可以在金属环120和盖300之间产生不透水密封。例如，将盖300与金属环120耦接(例如，如图4E所示)可以压缩盖300和金属环120之间的密封机构340(例如，O形圈、粘合剂等)。如本文所述，密封机构340可以设置在盖300中的凹槽(例如，凹槽345)中。在一些实施方式中，密封机构(例如，密封机构140)可以设置在金属环的凹槽中(例如，图1B所示的金属环120a的凹槽145)。
在一些实施方式中，诸如在图4E中所示，可以使用一个或多个附接机构(例如，螺钉360)将第二盖(例如，盖305)与模块370(例如，在模块370的与盖300相对的一侧上)耦接，其中一个或一个附接机构可以将模块370夹紧(固定、保持等)在盖300和盖305之间，使得密封机构140被压缩以在盖300和金属环120之间产生(提供、形成等)不透水密封。盖305可以是另一热传递机构，从而为模块370提供双侧冷却(双重冷却)。在一些实施方式中，诸如本文所述的那些实施方式，多个模块370可以被包括在使用方法600生产的模块组件中。即，多个模块370可以设置在第一盖300和第二盖305之间。
将理解，在前述描述中，当元件被提及为在另一个元件上、连接到另一个元件、电连接到另一个元件、耦接到另一个元件或电耦接到另一个元件时，该元件可以是直接地在另一个元件上、连接或耦接到另一个元件，或可以存在一个或多个中间元件。相反，当元件被提及直接在另一个元件上、直接连接到另一个元件、或直接耦接到另一个元件时，不存在中间元件。虽然在整个具体实施方式中可能不会使用术语直接在…上、直接连接到…、或直接耦合到…，但是被示为直接在元件上、直接连接或直接耦合的元件能以此类方式提及。本申请的权利要求书(如果存在的话)可被修订以叙述在说明书中描述或者在附图中示出的示例性关系。
如在本说明书中所使用的，除非根据上下文明确地指出特定情况，否则单数形式可包括复数形式。除了附图中所示的取向之外，空间相对术语(例如，在…上方、在…上面、在…之上、在…下方、在…下面、在…之下、在…之以下等)旨在涵盖器件在使用或操作中的不同取向。在一些实施方式中，在…上面和在…下面的相对术语可分别包括竖直地在…上面和竖直地在…下面。在一些实施方式中，术语邻近能包括横向邻近或水平邻近。
本文所述的各种技术的实施方式可在数字电子电路中、计算机硬件、固件、软件中或它们的组合中实现(例如，包括在其中)。一些实施方式可使用各种半导体处理和/或封装技术来实现。一些实施方式可使用与半导体衬底相关联的各种类型的半导体处理技术来实现，该半导体衬底包含但不限于，例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。
虽然所描述的实施方式的某些特征已经如本文所述进行了说明，但是本领域技术人员现在将想到许多修改形式、替代形式、变化形式和等同形式。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入具体实施的范围内的所有此类修改形式和变化形式。应当理解，这些修改形式和变化形式仅仅以举例而非限制的方式呈现，并且可以进行形式和细节上的各种变化。除了相互排斥的组合以外，本文所述的装置和/或方法的任何部分可以任意组合进行组合。本文所述的实施方式能包括所描述的不同实施方式的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。

Claims (12)

1.一种半导体器件装置，所述半导体器件装置包括：
衬底；
半导体管芯，所述半导体管芯与所述衬底的第一表面耦接；
金属层，所述金属层设置在所述衬底的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对；
多个金属翅片，所述多个金属翅片与所述金属层耦接；和
金属环，所述金属环与所述金属层耦接，所述金属环包围所述多个金属翅片。
2.根据权利要求1所述的半导体器件装置，其中：
所述金属翅片具有正交于所述衬底的所述第二表面的高度；并且
所述金属环具有正交于所述衬底的所述第二表面的厚度，所述高度大于所述厚度。
3.根据权利要求1所述的半导体器件装置，其中：
所述衬底的所述第一表面和所述衬底的所述第二表面具有第一宽度和第一长度；
所述金属环具有与所述第一宽度对齐的第二宽度和与所述第一长度对齐的第二长度；并且
所述金属环包括开口，所述开口的周边设置在所述多个金属翅片周围，
所述第二宽度大于所述第一宽度，并且所述第二长度大于所述第一长度，
所述开口具有与所述第一宽度和所述第二宽度对齐的第三宽度以及与所述第一长度和所述第二长度对齐的第三长度，
所述第三宽度小于所述第一宽度并且小于所述第二宽度，并且
所述第三长度小于所述第一长度并且小于所述第二长度。
4.根据权利要求1所述的半导体器件装置，所述半导体器件装置进一步包括：
盖，所述盖与所述金属环耦接，所述盖包括通道，所述多个金属翅片设置在所述通道内；和
密封机构，所述密封机构设置在所述盖和所述金属环之间，
所述盖包括入口开口和经由所述通道与所述入口开口流体连通的出口开口。
5.根据权利要求4所述的半导体器件装置，其中所述密封机构包括设置在以下中的至少一个内的O形圈：
包括在所述盖中的凹槽；或
包括在所述金属环中的凹槽。
6.根据权利要求4所述的半导体器件装置，其中所述盖是第一盖，所述装置进一步包括：
模塑料，所述模塑料封装所述衬底和所述半导体管芯；和
第二盖，所述第二盖与所述模塑料耦接，
所述第一盖经由横向于所述衬底设置的耦接机构耦接到所述第二盖。
7.根据权利要求1所述的半导体器件装置，其中：
所述金属层为直接键合铜层；
所述多个金属翅片为多个铜翅片；并且
所述金属环为铜环。
8.根据权利要求1所述的半导体器件装置，其中：
所述半导体管芯是第一半导体管芯，所述装置进一步包括耦接到所述衬底的所述第一表面的一个或多个其他半导体管芯；
所述金属层为第一金属层，所述装置进一步包括设置在所述衬底的所述第一表面上的第二金属层，所述第二金属层设置在所述衬底与所述第一半导体管芯之间，并且设置在所述衬底与所述一个或多个其他半导体管芯之间；并且
所述衬底为包括所述第一金属层和所述第二金属层的直接键合金属衬底。
9.一种半导体器件装置，所述半导体器件装置包括：
第一半导体管芯；
直接键合金属衬底，所述半导体管芯与所述直接键合金属衬底的第一表面耦接；
第一金属层，所述第一金属层设置在所述直接键合金属衬底的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对；
多个金属翅片，所述多个金属翅片被活性金属钎焊到所述金属层；
金属环，所述金属环与所述金属层活性金属钎焊，所述金属环包围所述多个金属翅片；
一个或多个其他半导体管芯，所述一个或多个其他半导体管芯耦接到所述直接键合金属衬底的所述第一表面；和
第二金属层，所述第二金属层设置在所述直接键合金属衬底的所述第一表面上，所述第二金属层设置在所述直接键合金属衬底与所述第一半导体管芯之间，并且设置在所述直接键合金属衬底与所述一个或多个其他半导体管芯之间。
10.一种用于生产半导体器件装置的方法，所述方法包括：
形成模块，所述模块包括：
衬底；和
金属层，所述金属层设置在所述衬底的表面上；
将多个金属翅片与所述金属层耦接；以及
将金属环与所述金属层耦接，所述金属环包围所述多个金属翅片。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
将所述多个金属翅片与所述金属层耦接包括：将所述多个金属翅片与所述金属层活性金属钎焊；并且
将所述金属环与所述金属层耦接包括：将所述金属环与所述金属层活性金属钎焊。
12.根据权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括：
将盖与所述金属环耦接，所述盖包括通道，所述多个金属翅片设置在所述通道内，所述盖与所述金属环的所述耦接在所述金属环和所述盖之间产生不透水密封。
CN202010412781.0A 2019-06-04 2020-05-15 用于功率模块的热传递 Pending CN112038307A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962856918P 2019-06-04 2019-06-04
US62/856,918 2019-06-04
US16/512,686 US11145571B2 (en) 2019-06-04 2019-07-16 Heat transfer for power modules
US16/512,686 2019-07-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112038307A true CN112038307A (zh) 2020-12-04

Family

ID=73578875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010412781.0A Pending CN112038307A (zh) 2019-06-04 2020-05-15 用于功率模块的热传递

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN112038307A (zh)
DE (1) DE102020003178A1 (zh)

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020003178A8 (de) 2021-08-19
DE102020003178A1 (de) 2020-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11145571B2 (en) Heat transfer for power modules
US10304756B2 (en) Power semiconductor module and cooler
JP6234630B2 (ja) パワーモジュール
US9379083B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
US7731079B2 (en) Cooling apparatus and method of fabrication thereof with a cold plate formed in situ on a surface to be cooled
US10665525B2 (en) Heat transfer for power modules
JP6300633B2 (ja) パワーモジュール
US20090194862A1 (en) Semiconductor module and method of manufacturing the same
US20120235162A1 (en) Power converter
CN108735692B (zh) 半导体装置
CN105493272A (zh) 半导体模块、半导体装置以及汽车
US11127651B2 (en) High power module semiconductor package with multiple submodules
EP1696484B1 (en) Process for assembling a double-sided circuit component
JP2015126168A (ja) パワーモジュール
CN111276447A (zh) 双侧冷却功率模块及其制造方法
KR101216896B1 (ko) 파워 모듈
EP3276658A1 (en) Cooler, power semiconductor module arrangement with a cooler and methods for producing the same
US11961782B2 (en) Integration of semiconductor device assemblies with thermal dissipation mechanisms
KR20180087330A (ko) 파워 모듈의 양면 냉각을 위한 금속 슬러그
JP3244461U (ja) パワー半導体モジュールおよび冷却器からなる構成
CN112038307A (zh) 用于功率模块的热传递
US20220418088A1 (en) Power module with housed power semiconductors for controllable electrical power supply of a consumer, and method for producing same
CN111081664B (zh) 具有用于热性能的相变材料的半导体器件的封装
EP4184567A1 (en) Cooler unit, semiconductor device and method for manufacturing a cooler unit
US20230282549A1 (en) Power module for vehicle and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination