CN116779564A - 一种半导体电路冷却装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体电路冷却装置及制造方法，包括：第一制冷陶瓷片、多个NP型半导体、半导体电路、设置在半导体电路的两侧的引脚、设置在多个NP型半导体远离半导体电路一侧的金属片、设置在金属片远离多个NP型半导体一侧的第二制冷陶瓷片、设置在多个NP型半导体两侧的直流电源导电柱、封装体、以及设置在第二制冷陶瓷片和封装体一侧的散热器；直流电源导电柱的两端分别连接金属片和半导体电路，多个NP型半导体与金属片连接，封装体用于封装第一制冷陶瓷片、多个NP型半导体、半导体电路及金属片。本发明的半导体电路冷却装置集成方便，制冷效果好，可靠性高，满足高集成度电控小型化要求及提高安装效率。
Description
技术领域
本发明涉及智能功率模块技术领域，尤其涉及一种半导体电路冷却装置。
背景技术
半导体电路即模块化智能功率系统MIPS(Module Intelligent Power System)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，MIPS自身也可以不受损坏。MIPS一般使用IGBT作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。
现有MIPS模块化智能功率系统IC驱动控制电路、MIPS采样放大电路以及PFC电流保护电路等低压控制电路与高压半导体电路组成的逆变电路布局到同一板上，同时现有MIPS模块化智能功率系统都只集成单个MIPS模块，对于多个MIPS模块化智能功率系统集成还没有实现，而面对市场小型化、低成本竞争，对MIPS模块化智能功率系统高集成和高散热技术提出了更高的要求。
然而，上述的半导体电路冷却装置集成麻烦，制冷效果差，安装不方便，可靠性差，市场竞争力差。
发明内容
针对以上相关技术的不足，本发明提出一种集成方便，制冷效果好，可靠性高，安装方便的半导体电路冷却装置。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种半导体电路冷却装置，包括：第一制冷陶瓷片、设置在所述第一制冷陶瓷片的一侧的多个NP型半导体、设置在所述第一制冷陶瓷片的另一侧的半导体电路、设置在所述半导体电路的两侧的引脚、设置在所述多个NP型半导体远离所述半导体电路一侧的金属片、设置在所述金属片远离所述多个NP型半导体一侧的第二制冷陶瓷片、设置在所述多个NP型半导体两侧的直流电源导电柱、封装体、以及设置在所述第二制冷陶瓷片和所述封装体一侧的散热器；所述直流电源导电柱的两端分别连接所述金属片和所述半导体电路，所述多个NP型半导体与所述金属片连接，所述封装体用于封装所述第一制冷陶瓷片、所述多个NP型半导体、所述半导体电路及所述金属片。
优选的，所述半导体电路包括叠设在所述第一制冷陶瓷片的另一侧的铜箔层、设置在所述铜箔层上贴片电阻、贴片电容、元器件、元器件半成品、散热片以及多个导线；所述贴片电阻、所述贴片电容、所述元器件及所述元器件半成品分别与所述铜箔层通过所述多个导线电连接。
优选的，所述半导体电路还包括贴设于所述铜箔层上的保护层，所述保护层间隔设置于所述贴片电阻、所述贴片电容、所述元器件及所述元器件半成品之间。
优选的，所述散热片采用铜材表面镀银工艺实现所述元器件半导体与所述散热片贴合设置。
优选的，所述直流电源导电柱的一端第一制冷陶瓷片连接，所述直流电源导电柱的另一端与第二制冷陶瓷片连接。
优选的，所述多个NP型半导体包括4个，且并排设置于所述金属片上。
优选的，所述封装体由环氧树脂为基体树脂，以高性能酚醛树脂为固化剂，加入硅微粉为填料，以及添加多种助剂混配而成的粉状模塑料，通过热传递成型法挤压入模腔并将其中的所述半导体电路包埋，同时交联固化成型。
第二方面，本发明实施例提供一种半导体电路冷却装置的制造方法，包括以下步骤：
S1、通过自动化设备或人工手动将制冷陶瓷片的基板成品放置特制载具；
S2、在所述基板的铜箔层预留的元器件安装位通过刷锡膏或点银胶将半导体逆变电路芯片通过自动粘晶设备贴装到元器件安装位上；
S3、通过软焊料固晶机将高压功率器件贴装到表面镀银的散热片上，形成元器件半成品；
S4、通过自动贴片SMT设备将电阻、电容及元器件半成品贴装到元器件安装位上；
S5、通过机械手或人工将引线框架放置到金属基板对应焊接位，整个半成品包括载具一起过回流炉将所有的元器件焊接到对应安装位上；
S6、通过视觉检查AOI设备对元器件焊接质量进行检测；
S7、通过喷淋和超声的清洗方式，清除残留在所述多个金属板上的助焊剂和氧化的污染物；
S8、通过绑定线，使所述电阻、所述电容及所述元器件分别和所述铜箔层形成电连接；
S9、通过封装设备在特定模具里面对所述元器件半成品进行封装，然后经过激光打标对产品进行标记；
S10、通过高温烘箱对所述产品进行后固化去应力处理；
S11、通过切筋成型设备对引脚的连筋和假引脚进行切除并整型所需形状；
S12、通过测试设备进行电参数测试，形成合格成品。
与相关技术相比，本发明通过将半导体电路，通过在所述第一制冷陶瓷片的一侧的多个NP型半导体，在所述第一制冷陶瓷片的另一侧设置半导体电路，在所述半导体电路的两侧的设置引脚用于连接外部电源，在所述多个NP型半导体远离所述半导体电路一侧设置金属片，在所述多个NP型半导体两侧设置直流电源导电柱，在所述金属片远离所述多个NP型半导体一侧的第二制冷陶瓷片，在所述多个NP型半导体两侧的直流电源导电柱，在所述第二制冷陶瓷片和所述封装体一侧的散热器；所述直流电源导电柱的两端分别连接所述金属片和所述半导体电路，所述多个NP型半导体与所述金属片连接，所述封装体用于封装所述第一制冷陶瓷片、所述多个NP型半导体、所述半导体电路及所述金属片。这样利用半导体材料的Peltier效应当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，实现制冷的目的；通过半导体电路内部驱动IC芯片集成了温度检测电路，集成了自动制冷陶瓷基板直流电源控制电路，可以根据半导体电路的环境温度以及工作温度去控制陶瓷基板的制冷或制热，使半导体电路内部芯片始终处于一个相对恒温的工作环境，提高了产品的可靠性，实现了芯片集成；同时，制冷陶瓷基板为双陶瓷片结构，可以提高陶瓷基板与塑封料的结合力；通过直流电源接线端通过导电柱结构与半导体电路的线路相连，实现了内部电路集成，提高了产品的可靠性。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1为本发明半导体电路冷却装置的结构示意图；
图2为本发明半导体电路冷却装置的制造方法流程图。
图中，01、第一制冷陶瓷片，02、NP型半导体，03、铜箔层，04、保护层，05、贴片电阻，06、贴片电容，07、元器件，08、元器件半成品，09、散热片，10、引脚，11、封装体，12、导线，13、直流电源导电柱，14、金属片，15、散热器，16、半导体电路，17、第二制冷陶瓷片。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种半导体电路冷却装置，包括：第一制冷陶瓷片01、设置在所述第一制冷陶瓷片01的一侧的多个NP型半导体02、设置在所述第一制冷陶瓷片01的另一侧的半导体电路16、设置在所述半导体电路16的两侧的引脚10、设置在所述多个NP型半导体02远离所述半导体电路16一侧的金属片14、设置在所述金属片14远离所述多个NP型半导体02一侧的第二制冷陶瓷片17、设置在所述多个NP型半导体02两侧的直流电源导电柱13、封装体11、以及设置在所述第二制冷陶瓷片17和所述封装体11一侧的散热器15；所述直流电源导电柱13的两端分别连接所述金属片14和所述半导体电路16，所述多个NP型半导体02与所述金属片14连接，所述封装体11用于封装所述第一制冷陶瓷片01、所述多个NP型半导体02、所述半导体电路16及所述金属片14。
第一制冷陶瓷片01和第二制冷陶瓷片17用于作为半导体电路16的载体且对功率器件起到散热作用。N P型半导体是利用半导体材料的Peltier效应(珀耳帖效应)，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而实现制冷的目的。珀耳帖效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。
引脚10材质采用C194(-1/2H)(化学成分：Cu(≧97.0)Fe：2.4P：0.03Zn：0.12)或KFC(-1/2H)(化学成分：Cu(≧99.6)Fe：0.1(0.05～0.15)P：0.03(0.025～0.04))，通过机加工对0.5mm铜板材进行冲压加工形成所需形状，再对表面进行先镀镍厚度0.1-0.5um再镀锡厚度2-5um。
散热器15用于对第二制冷陶瓷片17吸收的热量进行散热处理，从而增加半导体电路16冷却装置的冷却性能。
这样利用半导体材料的Peltier效应当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，实现制冷的目的；通过半导体电路16内部驱动IC芯片集成了温度检测电路，集成了自动制冷陶瓷基板直流电源控制电路，可以根据半导体电路16的环境温度以及工作温度去控制陶瓷基板的制冷或制热，使半导体电路16内部芯片始终处于一个相对恒温的工作环境，提高了产品的可靠性，实现了芯片集成；同时，制冷陶瓷基板为双陶瓷片结构，可以提高陶瓷基板与塑封料的结合力；通过直流电源接线端通过导电柱13结构与半导体电路16的线路相连，实现了内部电路集成，提高了产品的可靠性。
具体的，制冷陶瓷片是由半导体组成的一种冷却装置，其工作原理是利用半导体材料的Peltier效应由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极出发，首先经过P型半导体，于此吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到另外一边造成温差而形成制冷端。本发明的制冷陶瓷基板分别由第一陶瓷片和第二陶瓷片构成，第一陶瓷片用于贴装器件一般是制冷端，第二陶瓷片连接散热器15一般是制热端，还可以通过改变直流电流的极性来实现两陶瓷片制冷或制热的转换。本发明在IC电路里面集成温度检测电路，通过IC电路里面温度检测电路对半导体电路16内部功率器件发热进行温度检测并根据检测结果去控制制冷陶瓷基板直流电流的极性，从而实现陶瓷基板的制冷最终实现陶瓷基板表面功率器件的散热。
在本实施例中，所述半导体电路16包括叠设在所述第一制冷陶瓷片01的另一侧的铜箔层03、设置在所述铜箔层03上贴片电阻05、贴片电容06、元器件07、元器件07半成品、散热片09以及多个导线12；所述贴片电阻05、所述贴片电容06、所述元器件07及所述元器件07半成品分别与所述铜箔层03通过所述多个导线12电连接。
铜箔层03通过对铜箔层03的蚀刻形成所需电路，制成电路布线层，同时作为一种焊接介质(焊盘pad)实现表面贴装元器件07与线路电连接，方便连接半导体电路16上的电路元件。
导线12一般为金、铝、铜等材质，导线12用于实现半导体电路16里面元器件07之间的电连接。
贴片电阻05在半导体电路16里面IGBT芯片栅极处接入，通过限流达到限制IGBT开关速度的作用。贴片电容06在半导体电路16里面起到滤波、耦合、自举作用；元器件07用于组成半导体电路16内部功能电路所需芯片；元器件07半成品用于将散热要求高的高压功率元器件07贴装到一个小散热片09上组成元器件07半成品；散热片09采用铜材表面镀银工艺可以实现表面元器件07与散热片09之间更好的贴合，提高散热能力。
具体的，通过在第一制冷陶瓷片01的另一侧设置的铜箔层03用于制成电路布线层，同时作为一种焊接介质(焊盘pad)实现表面贴装元器件07与线路电连接。这样实现铜箔层03通过导线12方便贴片电阻05、贴片电容06、元器件07、元器件07半成品之间进行电路连接，导电效果好，布线方便。
在本实施例中，所述半导体电路16还包括贴设于所述铜箔层03上的保护层04，所述保护层04间隔设置于所述贴片电阻05、所述贴片电容06、所述元器件07及所述元器件07半成品之间。保护层04又称为绿油层，防止不该上锡的地方不上锡，增加线路之间的耐压，防止因线路氧化或污染导致的短路，对线路起保护作用。
在本实施例中，所述散热片09采用铜材表面镀银工艺实现所述元器件半导体08与所述散热片09贴合设置。散热片09采用铜材表面镀银工艺可以实现表面元器件07与散热片09之间更好的贴合，提高散热能力。
在本实施例中，所述直流电源导电柱13的一端第一制冷陶瓷片01连接，所述直流电源导电柱13的另一端与第二制冷陶瓷片17连接。所述直流电源导电柱13用于制冷陶瓷片直流电接口，方便进行导通。
在本实施例中，所述多个NP型半导体02包括4个，且并排设置于所述金属片14上。所述多个NP型半导体02安装在金属片14上，使得所述金属片14实现NP两种半导体材料串联，形成一个电偶。
在本实施例中，所述封装体11由环氧树脂为基体树脂，以高性能酚醛树脂为固化剂，加入硅微粉为填料，以及添加多种助剂混配而成的粉状模塑料，通过热传递成型法挤压入模腔并将其中的所述半导体电路16包埋，同时交联固化成型。
实施例二
如图2所示，本发明实施例提供一种半导体电路冷却装置的制造方法，包括以下步骤：
S1、通过自动化设备或人工手动将制冷陶瓷片的基板成品放置特制载具；其中，载具可以是铝、合成石、陶瓷、PPS等耐高温200℃以上的材料。
S2、在所述基板的铜箔层预留的元器件安装位通过刷锡膏或点银胶将半导体逆变电路芯片通过自动粘晶设备贴装到元器件安装位上。
S3、通过软焊料固晶机将高压功率器件贴装到表面镀银的散热片上，形成元器件半成品。
S4、通过自动贴片SMT设备将电阻、电容及元器件半成品贴装到元器件安装位上。
S5、通过机械手或人工将引线框架放置到金属基板对应焊接位，整个半成品包括载具一起过回流炉将所有的元器件焊接到对应安装位上。
S6、通过视觉检查AOI设备对元器件焊接质量进行检测。
S7、通过喷淋和超声的清洗方式，清除残留在所述多个金属板上的助焊剂和氧化的污染物。
S8、通过绑定线，使所述电阻、所述电容及所述元器件分别和所述铜箔层形成电连接。
S9、通过封装设备在特定模具里面对所述元器件半成品进行封装，然后经过激光打标对产品进行标记。
S10、通过高温烘箱对所述产品进行后固化去应力处理。
S11、通过切筋成型设备对引脚的连筋和假引脚进行切除并整型所需形状。
S12、通过测试设备进行电参数测试，形成合格成品。
具体的，通过自动化设备或人工手动将制冷陶瓷片基板成品放置特制载具，在基板成品铜箔电路层预留的元器件安装位通过刷锡膏或点银胶将半导体逆变电路芯片通过自动粘晶设备(DA机)贴装到元器件安装位上通过软焊料固晶机将高压功率器件(PFC电路)贴装到表面镀银的铜散热片上，形成元器件半成品。通过自动贴片SMT设备将电阻、电容，元器件半成品贴装到元器件安装位上，通过机械手或人工将引线框架放置到金属基板对应焊接位，整个半成品包括载具一起过回流炉将所有的元器件焊接到对应安装位上通过视觉检查AOI设备对元器件焊接质量进行检测，通过喷淋、超声等清洗方式，清除残留在所述基板上的助焊剂和铝屑等异物通过绑定线，使所述电路元件和所述电路布线形成电连接，通过封装设备在特定模具里面对上述基板电路进行塑封，然后经过激光打标对产品进行标记，通过高温烘箱对产品进行后固化去应力处理，通过切筋成型设备对引脚的连筋和假引脚进行切除并整型所需形状，最后进行电参数测试后形成最终合格产品。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种半导体电路冷却装置，其特征在于，包括：第一制冷陶瓷片、设置在所述第一制冷陶瓷片的一侧的多个NP型半导体、设置在所述第一制冷陶瓷片的另一侧的半导体电路、设置在所述半导体电路的两侧的引脚、设置在所述多个NP型半导体远离所述半导体电路一侧的金属片、设置在所述金属片远离所述多个NP型半导体一侧的第二制冷陶瓷片、设置在所述多个NP型半导体两侧的直流电源导电柱、封装体、以及设置在所述第二制冷陶瓷片和所述封装体一侧的散热器；所述直流电源导电柱的两端分别连接所述金属片和所述半导体电路，所述多个NP型半导体与所述金属片连接，所述封装体用于封装所述第一制冷陶瓷片、所述多个NP型半导体、所述半导体电路及所述金属片。
2.如权利要求1所述的半导体电路冷却装置，其特征在于，所述半导体电路包括叠设在所述第一制冷陶瓷片的另一侧的铜箔层、设置在所述铜箔层上贴片电阻、贴片电容、元器件、元器件半成品、散热片以及多个导线；所述贴片电阻、所述贴片电容、所述元器件及所述元器件半成品分别与所述铜箔层通过所述多个导线电连接。
3.如权利要求2所述的半导体电路冷却装置，其特征在于，所述半导体电路还包括贴设于所述铜箔层上的保护层，所述保护层间隔设置于所述贴片电阻、所述贴片电容、所述元器件及所述元器件半成品之间。
4.如权利要求2所述的半导体电路冷却装置，其特征在于，所述散热片采用铜材表面镀银工艺实现所述元器件半导体与所述散热片贴合设置。
5.如权利要求1所述的半导体电路冷却装置，其特征在于，所述直流电源导电柱的一端第一制冷陶瓷片连接，所述直流电源导电柱的另一端与第二制冷陶瓷片连接。
6.如权利要求1所述的半导体电路冷却装置，其特征在于，所述多个NP型半导体包括4个，且并排设置于所述金属片上。
7.如权利要求1所述的半导体电路冷却装置，其特征在于，所述封装体由环氧树脂为基体树脂，以高性能酚醛树脂为固化剂，加入硅微粉为填料，以及添加多种助剂混配而成的粉状模塑料，通过热传递成型法挤压入模腔并将其中的所述半导体电路包埋，同时交联固化成型。
8.一种如权利要求1-7任一项所述半导体电路冷却装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过自动化设备或人工手动将制冷陶瓷片的基板成品放置特制载具；
S2、在所述基板的铜箔层预留的元器件安装位通过刷锡膏或点银胶将半导体逆变电路芯片通过自动粘晶设备贴装到元器件安装位上；
S3、通过软焊料固晶机将高压功率器件贴装到表面镀银的散热片上，形成元器件半成品；
S4、通过自动贴片SMT设备将电阻、电容及元器件半成品贴装到元器件安装位上；
S5、通过机械手或人工将引线框架放置到金属基板对应焊接位，整个半成品包括载具一起过回流炉将所有的元器件焊接到对应安装位上；
S6、通过视觉检查AOI设备对元器件焊接质量进行检测；
S7、通过喷淋和超声的清洗方式，清除残留在所述多个金属板上的助焊剂和氧化的污染物；
S8、通过绑定线，使所述电阻、所述电容及所述元器件分别和所述铜箔层形成电连接；
S9、通过封装设备在特定模具里面对所述元器件半成品进行封装，然后经过激光打标对产品进行标记；
通过高温烘箱对所述产品进行后固化去应力处理；
通过切筋成型设备对引脚的连筋和假引脚进行切除并整型所需形状；
通过测试设备进行电参数测试，形成合格成品。
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| CN202310751972.3A CN116779564A (zh) | 2023-06-25 | 2023-06-25 | 一种半导体电路冷却装置及制造方法 |
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