CN1601733A - 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率型半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术。该技术是将功率半导体器件或模块的外壳制成中空封闭的壳体，其中充填绝缘蒸发冷却介质，在外壳上部设有冷凝器，二者通过管路联通。本发明以半导体器件或模块的壳体作为蒸发器的外壳，形成全封闭的冷却循环系统，具有极高的冷却散热效率，相当于相同几何尺寸的良导体(如实心铜)导热率的350倍以上。可实现多个功率器件或模块，特别是不同功率、不同发热量的器件或模块，在高度一体化或高度集成化的条件下，集中工作与散热。本发明适于对高热密度大功率器件的冷却和对高密度安装或集成了大功率器件的组合体进行冷却。

Description

功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术

技术领域

本发明涉及一种功率型半导体器件或模块的散热技术，具体地说是一种功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术。

背景技术

功率型半导体器件，从普通的晶闸管到新型的GTO、GTR、MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IPM等功率型电力电子半导体器件，以及功率型半导体模块等，均是在具有大的自身耗散功率的前提下，才有可能获得大的输出功率。当有大电流流过时，发热现象十分严重。只有将所产生的热量迅速、及时、有效地散发出去，才能够保证功率型半导体器件或模块应具有的工作稳定性和可靠性。因此，功率型电力电子半导体器件或功率半导体模块在工作时的散热方式，是其能否保证工作稳定性和可靠性的制约条件。

目前已知的散热技术，按照散热效率由低到高的次序排列，依次是：一、采用散热片的自然对流冷却；二、采用散热片加风扇的外力下强制对流冷却；三、装配导热管的流动物态变化冷却；四、利用微细管冷却板的液态冷却。其中第一、二种散热方式适用于普通的和小功率的电子器件，而对于功率型半导体器件或模块则多采用第三、四种散热方式。

功率型半导体器件或模块通常是在高性能的陶瓷基片上集成半导体晶片、芯片或集成电路等，再封罩塑料或陶瓷外壳，内充树脂类物质。由于树脂类物质和塑料或陶瓷外壳的热阻远远大于陶瓷基片的热阻，所以陶瓷基片是功率型半导体器件或模块的主要散热面。在陶瓷基片的外表面镀有一层金属铜。上述的第三、四种散热方式就是以陶瓷基片为基体，在其对外的覆铜面设置热管式的导热管，或者制出叠加的微细管冷板，以将陶瓷基片上所吸收的半导体晶片或芯片产生的热量快速传导出去。由于陶瓷基片本身也有热阻，所以不可能将热量在极短的时间内，迅速全部地传导出去。特别是在工作电流瞬间增大时，器件或模块的内部会产生瞬时局部过热，这种瞬间产生的巨大热量，就更不可能被瞬间传导出去。而这种热量的积聚，是目前影响功率型半导体器件或模块工作稳定性和可靠性的重要原因之一，也是引发器件或模块被“烧”毁的主要原因之一。

功率型半导体器件或模块上目前所用的各种散热方式，是将电子器件所发出的热量，通过集成载体(如陶瓷基片)传递至外部附设的散热器上，再由散热器散发出去，达到冷却的目的。由此可见，散热器的冷却工作，是针对所传递出的热量来进行的，因而是属于一种被动式的散热方式。而功率型半导体器件或模块的这类被动式散热模式，由于有热阻存，所以传热过程长，散热不彻底，因而不能避免器件或模块因散热不及时而被烧毁的现象发生，并且还会使得器件、模块或装置的工作稳定性和可靠性受到不同程度的影响。

大功率的电力电子装置作为大功率电量处理设备，其核心的功率半导体器件自身的损耗要占到所处理功率的1％以上，而器件的表面积相对很小，功率密度很高。由于不能进行有效地散热，因而会产生很高的温升。而所有的半导体器件都是热敏器件，性能参数随温度的变化而变化。温度升高，性能参数就相应变差。温升过高，就会造成器件损坏。所以保证功率型半导体器件或模块运行在规定的温度下，是保证系统稳定可靠运行的基本条件。尤其对于大功率半导体器件或高频工况下功率器件，其冷却问题尤显重要。因为在很小的接触面积内要有效地传导出几百瓦甚至上千瓦的损耗热量是十分困难的。而在高电压下工作的大功率器件，除了散热问题外，还要保证有足够的耐压绝缘强度，这就更增加了冷却装置的设计难度，增加了功率型半导体器件或模块的制造困难。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可针对单个或多个功率半导体器件或模块进行的主动式蒸发散热技术，以进一步提高功率半导体器件或模块的工作稳定性和可靠性。

本发明是这样实现的：该技术是将功率半导体器件或模块的外壳制成中空封闭的壳体，其中充填绝缘蒸发冷却介质，在外壳上部设有冷凝器，二者通过管路联通。

本发明的设计思想是将功率型半导体器件或模块的壳体作为蒸发器的外壳，将绝缘蒸发冷却介质直接导入其内部，再通过管路联通与冷凝器相结合，即可形成一个全封闭的冷却循环系统。绝缘蒸发冷却介质直接从半导体晶片或芯片上吸收热量，达到蒸发温度后迅速汽化，气态的蒸发介质通过联通管路上升进入冷凝器，并在冷凝器中重新凝结成液体后，返回到半导体器件或模块的壳体中。如此循环往复，即可将功率半导体器件或模块内所产生的巨大热量迅速带出，并快速散发出去。由于绝缘蒸发冷却介质在功率型半导体器件或模块内部可全方位包覆在半导体晶片或芯片上，通过介质的相变直接吸收半导体晶片或芯片所产生的热量，对半导体晶片或芯片进行直接的冷却，因而形成的是一种全新的主动式散热方式。本发明的关键就在于此。

本发明的实质性特点就是，在封闭的集成电路、半导体器件或大功率电子电力模块中，针对所有可能的发热点和/或发热面，设计了一个直接浸泡发热部件的蒸发冷却室，其蒸发冷却装置构成一个密闭的循环系统。在该蒸发冷却循环系统中，绝缘蒸发冷却介质直接与发热点和/或发热面相接触，利用液态的冷却介质蒸发时汽化吸热的原理，从功率器件或模块的芯部直接冷却发热体。在全浸泡的条件下，由于蒸发式冷却散热(又称为“沸腾式冷却散热”)具有极高的冷却效率，几乎可以作到发热处产生多少热量，就可以带走多少热量，这样就不会在发热处尤其是在半导体的PN结处产生热量聚集，所以本发明具有超强的冷却散热效果。另外，由于本发明所具有的这种超强的冷却散热效果，使得绝缘蒸发冷却介质的沸点温度，就成为了功率器件或模块内部发热点或发热面的工作温度。故此，本发明散热技术实质上就成为区别于现有各种已知被动式散热模式的一种主动式散热模式。

本发明适用于各类功率型半导体器件或模块，其中包含了现代电力电子器件、高频工作下的功率器件和高电压下工作的功率器件，以及它们对应的模块化产品。

本发明的优点之一是具有极高的冷却散热效率，其对流换热系数可达(3000～7000)×4.18×10³J/h·m²·K，相当于相同几何尺寸的良导体(如实心铜)导热率的350倍以上。由于其冷却效果远高于仅从器件或模块的外壳进行蒸发冷却的已知技术，这样就使得在功率半导体器件或模块内部的其他一些对温度敏感的器件或电路也一同受到了冷却保护。另外，由于工作环境有了稳定的温度保障，从而可使得这些器件或模块内部被集成的电子器件和电路所选用的材料筛选条件大为宽松。特别是对造价昂贵、性能优良的陶瓷基片的制作工艺和工作要求，也随之大为降低和放宽。这些因素都可直接降低功率半导体器件或模块的生产成本，改善和放宽其生产条件和工艺。并且由于采用本发明技术进行散热，因而功率半导体器件的集成度可大为提高，使得功率半导体器件或模块的体积连同整个冷却装置(系统)的体积也可缩小许多。

本发明冷却介质温度均匀，冷却效率高，适于对高热密度大功率器件的冷却和对高密度安装或集成了大功率器件的组合体的冷却。

利用本发明可对发热体进行极高效率的传热和冷却，使用很细的蒸发管即可传递很大的热功率，而且冷凝器不必像现有散热方式那样，要紧贴着功率器件进行散热，即散热端不必和功率器件或模块紧密结合在一起。这样，电系统的体积就可以得到有效地缩小，散热条件亦将宽松很多。如果将散热器与功率器件或模块相分离，还可实现远程散热，从而可在有限和尽量小的电子系统及装备内，或在要求有限的安装空间内，导出较大的热功率。这样，还可实现散热系统自身重量的最轻化。

本发明的优点之二是主动式的蒸发冷却散热方式在冷却介质沸腾时，冷却介质温度均匀。由于在一定的压力下，相变吸热温度几乎不变，这样各个功率半导体器件或模块就有可能安装在相同温度的散热平台上，并且不会产生局部过热点或高温热区。这就有利于提高器件或模块的安装密集度，尤其是不同功率等级、不同发热量、甚至不同工作电压的器件和模块，均可在这样的散热平台上同时进行工作和高效率散热。由此可实现多个功率器件或模块，特别是不同功率、不同发热量的器件或模块，在高度一体化或高度集成化的条件下，集中工作与散热。这样既有利于散热器的高效工作，又可减少体积、重量及配置，结构也简单了许多，安装更为便捷。这是现有散热技术完全不具备的技术优势。

本发明的优点之三是由于冷却效率极高，因而适于高热密度发热体的冷却。绝缘蒸发冷却介质沸腾换热时的热传导率约为风冷散热时100余倍以上，其放热系数约为1000-2000W/m²·K，而空气强迫对流时的放热系数仅为15-290W/m²·K。由于大容量或大功率半导体器件或模块的单位面积发热量多，但散热与传热的面积和能力均很有限，所以采用主动式蒸发冷却效果好。而高冷却效率，则为冷却装置的小型化和轻量化创造了有利条件。

另外，冷却的高效率，还可使功率半导体器件或模块在大电流或大功率输出的工况下，温升始终保持在允许的范围之内，使其实际工作特性曲线基本达到理想的等温曲线，从而在工作状态发生急剧变化时，不会导致温度的急速变化，保持了电参数的基本稳定，避免了因大电流或大电流冲击所致局部温升不均而引起的较大机械应力的产生，也就避免了由此所引发的硬件损坏。

本发明的优点之四是通过设定功率半导体器件或模块内的压力在负压(真空)或有压的不同条件下，即可使绝缘蒸发冷却介质在不同的温度条件下进入蒸发沸腾状态。这样通过调整绝缘蒸发冷却介质的蒸发温度，就提供了半导体恒温工作的环境保障，保证了半导体材料对温度的要求。由此可在功率半导体材料、陶瓷基片、散热器件和封装工艺等方面，降低生产成本和技术要求，简化封装成本和工艺难度。

本发明的优点之五是无动力自循环工作方式。冷却系统由于依靠自身重量及压差来进行循环，即器件或模块的损耗发热直接传导给绝缘蒸发冷却介质。冷却介质在沸点蒸发汽化，气态介质上升到上部冷凝器中，冷凝后成为液体，重新滴落或回流到蒸发室中。故本发明不需要泵类等提供外力，即可实现自循环的方式工作，从而节约能源。

本发明的优点之六是具有高安全性和可靠性。由于绝缘蒸发冷却介质本身具有很高的绝缘性和易流动性，因此在发生半导体器件或模块被击穿时，或在其他电路故障时，特别是在高电压或大电流条件下，可以有效地防止电弧的产生，从而避免火灾事故的发生。

附图说明

附图是本发明一种具体实现方式的结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，功率半导体器件或模块1中的半导体晶片、芯片或功率集成电路1a集成在陶瓷基片1b上(该陶瓷基片已无需覆铜)，然后置入密封或密闭的外壳2中。此外壳即为蒸发器的外壳。在中空的壳体中充填有绝缘蒸发冷却介质3，使所有的发热部分全部浸入其中。在外壳2的上部通过管路连通有冷凝器4。由此构成了带正压或负压的全封闭的冷却循环系统，其中电力导线或控制线束1c以密封方式穿过外壳2，与外部电路相接。图中，连接壳体2与冷凝器4的联通管路为包括蒸汽管5和回流管6在内的两根管路。当功率半导体器件或模块工作时，半导体晶片、芯片或集成电路1a上有电流流过并发热。热量将实时、直接、全方位地被绝缘蒸发冷却介质3所吸收并带走，改变了传统的仅通过覆铜的陶瓷基片将热量传导出去的散热方式。此时半导体晶片、芯片或集成电路1a的工作温度只取决于绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度。通过调节冷却循环系统中的真空度或压力值，就可以有效地调控绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度。在实际应用中，首先是确定绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度，然后对应调整外壳2封装时的内部压力或真空度。由此即可将半导体晶片、芯片或集成电路1a的工作温度设定在所调定的绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度上。这是现有任何散热技术所无法实现的。

对于较小功率的功率半导体器件或模块，由于发热量相对较低，可以将附图中冷却循环系统中的蒸汽管5和回流管6合二为一，制成在壳体2与冷凝器4间为冷却介质的蒸发气体上升与冷凝液体回流共用的单根管路，此即热管的工作原理。

本发明技术中所采用的绝缘蒸发冷却介质3的选择，是从绝缘性能、不燃性、流动性环保性、工作温度以及蒸气压强等诸方面统筹考虑确定的。一般可选用工作时沸点温度适中(在一个大气压下沸点温度约50℃左右)、符合上述要求的冷却介质，典型的冷却介质有氟里昂R-113和Fc-77等。以氟里昂R-113为佳，其耐压可达几万伏，超过功率半导体器件或模块最高耐压的数倍。

更好的绝缘蒸发冷却介质3为全氟三乙胺(分子式为(C₂F₅)₂N)或十氟戊烷(分子式为C₅H₂F₁₀)。它们的比重均大于1.5，且不溶解于水，在一个标准大气压下，其沸点分别为69℃和55℃。二者均具有绝缘性高、沸点合适、安全无毒、化学性质稳定等特点，更加符合环保要求。其凝固点温度分别为-35℃和-80℃左右，适合于低温环境下功率器件或模块的存贮与工作要求。通过调整系统内的工作压力，加大负压或真空度，冷却介质的沸点温度将进一步下降。提高压力则冷却介质的沸点温度将会上升。系统内的工作压力的选择与确定，应视功率器件工作时的发热量、工作时的环境温度等因素，综合考虑确定。

Claims (4)

1、一种功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术，其特征在于该技术是将功率半导体器件或模块(1)的外壳(2)制成中空封闭的壳体，其中充填有绝缘蒸发冷却介质(3)，在外壳(2)上部设有冷凝器(4)，二者通过管路联通。

2、根据权利要求1所述的功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术，其特征在于在壳体(2)与冷凝器(4)间的联通管路为蒸汽管(5)和回流管(6)。

3、根据权利要求1所述的功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术，其特征在于在壳体(2)与冷凝器(4)间为蒸发气体与回流液体共用的单根管路。

4、根据权利要求1所述的功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术，其特征在于所述的绝缘蒸发冷却介质(3)为全氟三乙胺(分子式为(C₂F₅)₂N)或十氟戊烷(分子式为C₅H₂F₁₀)，或者二者的混合物。

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