CN1146041C - 包括冷却器的电力电子部件 - Google Patents
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Abstract
电力电子部件，包括第一热传递和电绝缘复合结构，该复合结构包括第一和第二导电或半导体层，以及在其间的一个隔离层；安装在第一复合结构的上述第一导电或半导体层上的至少一个电力半导体电路，电力半导体电路包括多个位于其与第一复合结构相反侧面上的连接端；第二热传递和电绝缘复合结构，该复合结构包括互相绝缘的导电元件的一个平面阵列；和第三导电或半导体层，以及在其间的第二个隔离层；连接端被固定到平面阵列上，并且第一复合结构的第二导电或半导体层或第二复合结构的第三导电或半导体层中至少一个包括热传递流体的流送器；以改进电力电子部件的冷却，减小体积，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力(功率)电子部件。
背景技术
电力电子部件，特别是用于铁轨牵引的施工变压器的电力电子部件，通常包括用例如铜制成的基片。把具有热传递和电隔离功能的导体-绝缘体-导体复合结构安装到基片。基片成直接键合铜(DBC)的铜-陶瓷-铜叠片的形式。这些复合结构也可以成包括铝或铜底层、环氧树脂中间层和可以形成几个部分的铜顶层的绝缘金属基片(IMS)的形式。
在各种复合结构上排列许多例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或二极管的电力半导体电路。半导体电路的一个侧面上带有接线端而电路安装在没有接线端的侧面上的复合结构中的自由金属层上。电路用例如锡-铝或者锡-铅-银软熔焊料固定。
然后把一般具有直径在380到500微米范围内的铝引线焊到各个接线端。这与引线中的每根引线也被焊接到复合结构中的顶部金属层。然后把基片、复合结构和电力半导体电路的组合件放入填满硅酮胶的外壳并且用环氧树脂帽盖住而形成电力电子部件。
通常把部件放在可以是水冷板、空气散热器或者“热导管”蒸发器板的冷却装置上。这样的装置设计成能使电力电子部件的温度维持在125℃以下以保持其完整性。
由于大约125℃的阈温度确定部件的额定电流所以在电力电子部件领域内冷却问题是特别关键的。
特别是，为了增大上述的部件的额定电流容量必须增加所使用的半导体材料，这显然增加单位成本。
发明内容
所以本发明的目的是改进电力电子部件的冷却以便或是增大一定体积的额定电流而因此提高单价或是对给定的额定电流来说，减少体积而因此降低单价。
本发明特此提出提供一种与在先技术部件的总结构不同的总结构而因此改进冷却的电力电子部件。
本发明包括一种电力电子部件，包括第一热传递和电绝缘复合结构，该复合结构包括第一和第二导电或半导体层，以及在上述第一和第二导电或半导体层之间的一个隔离层；安装在上述第一复合结构的上述第一导电或半导体层上的至少一个电力半导体电路，上述电力半导体电路包括多个位于其与上述第一复合结构相反侧面上的连接端，其特征在于：第二热传递和电绝缘复合结构，该复合结构包括互相绝缘的导电元件的一个平面阵列；第三导电或半导体层，以及在上述平面阵列和上述第三导电或半导体层之间的第二个隔离层；其中，上述连接端被固定到上述互相绝缘的导电元件的平面阵列上，并且第一复合结构的第二导电或半导体层或第二复合结构的第三导电或半导体层中至少一个包括热传递流体的流送器。
本发明的其它特征：
第二和第三导电或半导体层的至少一个层是由半导体材料特别是硅组成的；
第二和第三导电或半导体层的至少一个包括组合在一起的第一和第二薄片，至少其中的一片薄片具有凹槽；以及热传递流体流送器包括在上述第二和第三导电或半导体层的至少一个中的贯穿通道，上述通道是通过在上述的薄片上的上述槽之间结合形成的；
薄片具有相应的凹槽，且通道通过在二片薄片的接合面P上的上述面对的凹槽之间结合形成；
通道具有六边形的横截面；
由金属材料组成上述第二和第三导电或半导体层的至少一个；
热传递流体流送器通到上述第二和第三导电或半导体层至少一个的末端面；
流送器包括在上述第二和第三导电或半导体层的至少一个层的面积中的至少一部分上延伸的至少一条通道；
连接端是通过熔焊至少一个锡-铅-银凸起部安装到第二复合结构中的上述的平面阵列；
通过附着该凸起部或每个凸起部的敷层将上述的连接端与该凸起部或每个凸起部分开；
敷层为钛-镍-金沉积层。
附图说明
在下文，参照仅仅是非限制性的例子给出的附图描述本发明，其中：
图1至3是表示形成包括在根据本发明的电力电子部件中的复合结构部分的层的制作的附图，
图4是表示由图1至3所示的层形成的复合结构和在上述的结构上的电力半导体电路的附图，
图5是表示图4中的半导体电路的放大比例图，
图6是表示包括二种像图4所示的复合结构的根据本发明的部件的附图，
图7至9是表示根据本发明的电力电子部件中的各种复合结构，和
图10是表示包括像图8和9所示的二种结构的根据本发明的部件的附图。
具体实施方式
图1至3表示使根据本发明的电力电子部件集成化的半导体层的制作。工艺过程使用图1所示的按惯例称之为第一薄片2和第二薄片4的二片单晶硅薄片。二片单晶硅薄片具有同样的尺寸，即厚度e大约为1毫米而主面积大约为50毫米×50毫米。
如图2所示，下一步骤是在第一薄片2中形成凹槽6。用湿法化学蚀刻工艺方法以技术上众所周知的方式形成凹槽。已知单晶硅的性质，那么这种操作是特别容易的并且形成具有带倾斜侧面的U形断面的凹槽，沿着晶面完成蚀刻。规定凹槽中的侧面6A的倾斜角度α大约为57°。凹槽与薄片中的其中的一个主方向平行并在薄片的相对的边缘的中间。
在凹槽的深度P大约等于凹槽的宽度L的一半时停止蚀刻。在所示的实施例中，在薄片2上形成大约50个凹槽，这相当于每厘米大约10个凹槽的密度。同样，凹槽6可以是V形的。
图2仅仅是表示在薄片2上形成凹槽6，在所述的实施例中在第二薄片4上形成相似的凹槽8是不言而喻的。
下一步骤是把二片薄片2和4组合在一起。为此，使相应的连串的凹槽6、8互相对挤以后使二片薄片结合在一起。在大约600℃的温度时进行这种操作。
通过用上述的方法把二片薄片2和4组合在一起而形成层10。层10具有大量的通过在相应的薄片2和4中的面对的凹槽6和8的形状结合形成通道12。通道12是在二片薄片2、4之间接合面的相应的相对的侧面上，大体上是六边形的，并且具有大体上等于其高度H的宽度L。在通道从层10的二条相对的边缘中的一条边缘延伸到另一边缘的意义上通道是穿透的通道。
在以上的例子中，在二片薄片2和4的范围内形成凹槽。也可以只在一片薄片上形成凹槽，在这种情况下由该凹槽和另一薄片的表平面形成通道。
如图4所示，然后把隔离的氧化硅层16配置在层10的顶面上而把附加的单晶硅晶层18配置在隔离的氧化硅层16上以致形成复合结构19。以采用在电子技术中众所周知的薄膜沉积和电镀的工艺技术的一般方法制作包括层10、16和18的结构19。
像IGBT或二极管之类的电力半导体电路20一般靠锡-铅焊料组成的层22安装到晶层18的自由表面(free face)。注意到，和标准电力电子部件不一样，电路20的连接端23不是用铝引线与晶层18连接。
图5表示在根据本发明的电力电子部件的制作中的后续步骤，后续步骤要点首先是用例如喷射工艺方法在连接端23的自由表面上沉积大约0.8微米厚的多层钛-镍-金覆盖层24。
在多层覆盖层24上配置锡-铅-银凸起部26，其尺寸相当于连接端23的尺寸。在以上的例子中，凸起部含有大约2％锡、95.5％铅和2.5％银。注意到多层覆盖层24实现了凸起部26与接线端23的极好的机械结合。
下一步骤是制作具有热传递和电隔离功能的第二复合结构119。
结构119包括与结构19中的层10和16相同的层110和116。用构形和将要覆盖平面阵列118的半导体电路20的构形一样的互相绝缘的导电元件的平面阵列覆盖层116。
然后把第二结构119翻过来并使其平面阵列118与电力半导体电路20中的连接端23上的各个凸起部26接触。然后通过使各个凸起部26加热到例如330℃在10秒内熔化。就这样把连接端23安装到复合结构119中的平面阵列118。在下文中阵列118被称之为相邻阵列，由于与层110相对，所以在下文中层110被称之为相对层。
然后通过层10和110能够使形成的电力电子部件28冷却。其中通道12和112能够输送气态或液态热传递流体而在后者的末端与上述的流体源连接。
本发明的电力电子部件28的构形不需要通常在在先技术部件中使用的铝引线。在这里，第二复合结构119中的平面阵列118具有与这些铝引线同样的功能。
图7至9表示为使根据本发明的电力电子部件集成化而设计的另一种复合结构的制作。
工艺过程从图7所示的通常构形中的导体-绝缘体-导体复合结构开始。这种结构包括在固定由例如铜组成的第二或上金属层206的隔离中间层204的顶面上的同样由铜组成的第一或底面层202。导电层202和206为3至4毫米厚，并具有48毫米×48毫米的主面积。隔离层204为0.636毫米厚并具有主面积50毫米×50毫米。
图8和图9表示为使根据本发明的部件集成化而设计并根据图7所示的结构制作的复合结构208。结构208的底面层202具有构成热传递流体流送器的许多通道或导管210。特别是如图8所示，通道从底面层202的底面开始与底面层202的主面积中的一个主面积平行。每条通道延伸了相当大部分的底面层202的厚度，例如延伸到从2到3毫米范围内的高度。通道210也可以延伸贯穿底面层202的厚度。通道为例如200微米宽和40至50毫米长。在所述的实施例中有大约50条通道210而所以二条相邻的通道相隔200至300微米。
如图10所示，然后把与图4至6中的电路20相同的二个电力半导体电路220配置在层206的顶面上。然后以与参照图5所描述的类似方法把锡-铅-银凸起部226配置在半导体电路中的各个连接端23上。
下一步骤是制作包括与层202和204一样的层302和304的第二复合结构308。
用构形与覆盖平面阵列的半导体电路220的构形一样的互相隔离的导电元件的平面阵列306覆盖层304。
然后把结构308翻过来并使其平面阵列306与凸起部326接触。然后用参照图6描述的方法使后者熔化。
就这样把连接端223安装到第二复合结构308中的平面阵列306。阵列306在下文中被称之为相邻阵列，由于与层302相对所以层302在下文中被称之为相对层。
然后用与半导体电路相对的层202、203能够使形成的电力电子部件冷却。其中通道210、310能够输送气态或液态热传递流体而在后者的末端与上述的流体源连接。
在这个例子中，通道通到层202和302的远端面，即离半导体电路20较远距离的层202和302的表面。
根据本发明的电力电子部件达到预先确定的目的。免除了对在先技术使用的铝引线的要求。由于引线是按与在引线中流动的电流的平方成正比地发热并因为引线是埋置在硅酮胶中因此难以使引线冷却，所以上述的引线构成有关冷却的限制因素。此外，铝引线会造成整个电力电子部件的严重故障。引线处于热循环使用时会使引线断裂。
且不说部件不使用铝引线的实际情况，本发明的部件保证构成部件中的电力半导体电路从其顶面和底面同时冷却。
此外，形成根据本发明的部件的复合结构除了其使用的热传递和电隔离功能外具有冷却功能。把冷却元件集成到复合结构，限制了构成本发明部件的各种层之间的界面的数目。这样通过与在相对各个复合结构的层中形成的通道内流动的热传递流体对流也增大热交换系数。
就一定的额定电流而言，与在先技术的电力电子部件需要的硅的体积相比较，上述情况非常可观地减少所需要的硅体积。此外，就与用于在先技术的部件的硅体积相差不大的硅体积来说，本发明的部件具有非常大的额定电流。
Claims (11)
1.一种电力电子部件(28；228)，包括第一热传递和电绝缘复合结构(19，208)，该复合结构包括第一和第二导电或半导体层(18，10；206，202)，以及在上述第一和第二导电或半导体层之间的一个隔离层(16；204)；安装在上述第一复合结构的上述第一导电或半导体层(18；206)上的至少一个电力半导体电路(20，220)，上述电力半导体电路包括多个位于其与上述第一复合结构相反侧面上的连接端(23；223)，其特征在于：第二热传递和电绝缘复合结构(119；308)，该复合结构包括互相绝缘的导电元件的一个平面阵列(118；306)；第三导电或半导体层(110；302)，以及在上述平面阵列和上述第三导电或半导体层之间的第二个隔离层(116；304)；其中，上述连接端被固定到上述互相绝缘的导电元件的平面阵列上，并且第一复合结构的第二导电或半导体层(10；202)或第二复合结构的第三导电或半导体层(110；302)中至少一个包括热传递流体的流送器(12，210；112，310)。
2.根据权利要求1的部件(28)，特征在于上述第二和第三导电或半导体层(10，110)的至少一个层是由半导体材料特别是硅组成的。
3.根据权利要求2的部件，特征在于上述第二和第三导电或半导体层(10，110)的至少一个包括组合在一起的第一和第二薄片(2、4；102、104)，至少其中的一片薄片具有凹槽(6、8；106、108)；以及热传递流体流送器包括在上述第二和第三导电或半导体层(10、110)的至少一个中的贯穿通道(12、112)，上述通道是通过在上述的薄片(2、4；102、104)上的上述槽(6，8；106，108)之间结合形成的。
4.根据权利要求3的部件，特征在于上述的薄片具有相应的凹槽(6、8；106，108)，且通道(12、112)通过在二片薄片(2、4；102、104)的接合面P上的上述面对的凹槽(6、8；106、108)之间结合形成。
5.根据权利要求4的部件，特征在于上述的通道(12、112)具有六边形的横截面。
6.根据权利要求1的部件(228)，特征在于由金属材料组成上述第二和第三导电或半导体层(202、302)的至少一个。
7.根据权利要求6的部件，特征在于上述的热传递流体流送器(210、310)通到上述第二和第三导电或半导体层(202、302)至少一个的末端面。
8.根据权利要求7的部件，特征在于上述的流送器包括在上述第二和第三导电或半导体层(202、302)的至少一个层的面积中的至少一部分上延伸的至少一条通道(210、310)。
9.根据前面的任一权利要求的部件(28；228)，特征在于上述的连接端(23；223)是通过熔焊至少一个锡-铅-银凸起部(26；226)安装到第二复合结构(119；308)中的上述的平面阵列(118；306)。
10.根据权利要求9的部件，特征在于通过附着该凸起部或每个凸起部(26；226)的敷层将上述的连接端(23；223)与该凸起部或每个凸起部(26；226)分开。
11.根据权利要求10的部件，特征在于上述敷层为钛-镍-金沉积层(24)。
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