用於大功率半導體模件的液體冷卻裝置的製作方法

2023-06-05 13:38:11 1

專利名稱：用於大功率半導體模件的液體冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及功率電子學領域。具體地說，涉及一種用於大功率半導體模件的液體冷卻裝置，它包括多個在冷卻表面上依次排列的發熱的子模，每個子模包含至少一個安置在電絕緣陶瓷基底上的功率半導體裝置，它被熔焊到所述陶瓷基底下側的冷卻面上，該液體冷卻裝置(1)帶有一個內含液體腔(4)的殼體(2)，冷卻液從所述液體腔中流過，在其上側形成冷卻面(3)。
大功率半導體模件是功率電子學的組成部分。一個模件一般包括多個半導體裝置，它們可以組合形成一個邏輯功能單元。這種模件(例如半導體開關元件，絕緣柵驅動雙極性電晶體(IGBT或二級管模塊)目前廣泛應用在最高為2500伏和幾百安培的功率範圍內，主要用於工業驅動設備。這種模件的已有實例可參見EP-A1-0597144或IEEEIGBT推進驅動設備學術討論會上的報告(1995年4月，倫敦)，作者為T.StocKmeier等的題目為「用於牽引的可靠的1200安培2500伏IGBT模件」的文章。
至今，這些模件在牽引設備上的應用還僅限於很有限的程度。原因之一是要求這種模件具有長期的可靠性，而傳統的模件尚達不到此要求。目前這種模件的主要故障是由於基底之間的接合層出現疲勞而引起的，基底上安裝矽片，水或液態冷卻劑連接到該模件。所述疲勞現象的出現，最終導至晶片的過熱和電接觸的分離。在一定的加載周期之後，可以看出這種疲勞效應，晶片工作期間發熱，經過散失，達到最大允許工作溫度，接著被冷卻恢復到冷卻水的溫度。發生上述故障之前的最大加載周期數主要與冷卻劑的溫度，溫度擺動幅度和溫度變化的速率有關。總之，與牽引領域中允許可靠使用的要求相比，可實現的耐加載周期強度要小得多。
DE 4244721 A1中介紹了一種電機用的半導體閥，帶有整體集成的液體冷卻系統。尤其是通過在該半導體基底或其陶瓷絕緣支架的背面直接形成的冷卻液管道的底板或頂蓋獲得有效的冷卻。這種解決方案的缺點在於，所述絕緣支架或半導體基底必須具有電絕緣介質和熱傳導載體的雙重作用。因此，對材料的選擇相當嚴格，首要選擇的是絕緣陶瓷，或綜合考慮必須滿足的熱傳導率。而且，所述的熱散失完全在該絕緣支架上發生，於是絕緣支架應具有大的表面積或寬度，以增大熱交換面積。另一方面，半導體元件具有小的表面積，它所產生的熱量是很有限的，當其經過半導體基底和絕緣支架時側向輕微地擴散，這一點通過實驗可得到證實。因此，採用這種方式，很難獲得足夠的冷卻性能。此外，由多種材料製成的冷卻管道成本較高，而且不同材料的熱膨脹係數有差別，特別是與絕緣支架的熱膨脹係數不同，因此這種模件的冷卻效率、熱穩定性和使用壽命都是不能令人滿意的。
由此，本發明的目的是提供一種用於大功率半導體模件的新式液體冷卻裝置，它能顯著地增加模件的耐加載周期強度。該目的是在本文開頭所述類型的裝置上實現的，這種液體冷卻裝置包括一個殼體，它是由金屬-陶瓷組合材料鑄造的，至少形成在冷卻面(3)上，其熱膨脹係數與陶瓷基底或子模件(8a-h)的功率半導體裝置的熱膨脹係數相一致，以及一個輔助裝置(11a-h；12)，用於改善冷卻面(3)和盛放在液體冷卻裝置(1)的液體腔(4)內的冷卻液體之間的熱傳遞性能。
根據本發明，基底用作冷卻面，所述子模件熔接在(例如熔焊連接)該基底上，基底的熱膨脹係數與子模件的熱膨脹係數相符合，於是可減少熱機械應力，從而防止或大大減少所述熔接點的疲勞效應。與之相反，傳統的模件中的冷卻裝置一般由如鋁或銅的普通合金材料製成，其熱膨脹係數較高，可達15-23ppm/k，而矽片和陶瓷基底的熱膨脹係數只有幾個ppm/k，它們之間相差太大，難以協調。
在本發明的優選的第一個實施例中，殼體材料的熱膨脹係數應小於10ppm/k，最好小於7ppm/k。這樣選擇是為了與熔接部分的熱膨脹係數相一致，減小熱機械應力到完全避免熔接部分產生疲勞的程度。尤其有利的是，可以進一步完善該實施例，即採用碳化矽複合材料作為殼體材料，最好是碳化鋁矽(Alsic)或碳化銅矽(CuSic)，它們的熱膨脹係數為5-7ppm/k，殼體由上述材料鑄型。如果鑄模設計合理，則可以簡單方式製造出優化的冷卻結構，它的熱機械性能與子模件的陶瓷基底和矽片達到最佳匹配。
從原理上可以設想該冷卻裝置的整個殼體採用具有相適配的熱膨脹係數的材料製成，特別是上述合成材料。但是，如果該裝置的冷卻結構的設計使冷卻器的背面不再起主要的冷卻作用，則根據另一實施方案，冷卻面可由不同的材料構成，最好是塑性材料。這樣可顯著減少該裝置的成本。
根據本發明的又一優選實施例，包括一輔助裝置，用於改善冷卻面和盛放在該裝置的液體腔內的冷卻液體之間的熱傳遞性能，這個輔助裝置包括多個從冷卻面突入液體腔內的杆，這些杆的用材與冷卻面的材料相同，而且與冷卻面整體形成。通過適當選擇杆的直徑，杆的高度和杆與杆之間的距離，對於確定的冷卻液流而言，可以獲得該冷卻結構的最佳的耐熱性能。應當指出，這些杆用於功率半導體的冷卻裝置的已有方案可以參閱DE-C2-4017749中的介紹。
根據這個實施例的進一步的完善，這些杆設計成圓柱形，圍繞其圓心軸垂直於所述冷卻面布置，並且按六角形對稱布置。
一般來自模件的熱不會均勻地散失到整個冷卻面上，而是聚集在幾處，經過子模件進入冷卻器。經過研究表明，擴散到冷卻器的熱量較小，即來自子模件的熱的橫向分布少，這就是說子模件的區域被足夠冷卻。因此，根據又一實施例，這些杆組合成組，並且每個子模件對應一個杆組。使冷卻局限到這樣一個範圍上，即在每個邊界處略大於子模件(最好在4毫米左右)。另一方面，較大的表面積被冷卻，冷卻無需再加水，只需增加流過冷卻器的冷卻液流。
為此，附加一種導流裝置是有益的，其作用是把液體腔中的冷卻液的流動基本上限制在上述各杆組的範圍內。如果冷卻裝置是由金屬陶瓷合成材料鑄造的，也可同樣製成所述的冷卻面，這樣無需多少花費，因為其他所有非冷卻表面是與冷卻液流隔絕的，於是對於給定的外部液流而言，能夠進一步提高冷卻器的效率。
通過下面結合附圖對本發明的詳細說明，可以更完整和清楚地理解本發明的技術方案及其優點。附圖為

圖1表示本發明的具有液體冷卻裝置的大功率半導體模件的基本實施例的主體圖；圖2表示根據圖1的截面II-II剖開的模件的剖視圖；圖3表示沿圖2的線III-III剖開的模件的剖視圖。
現在參見附圖，同樣的標號在各圖中代表相同的或相似的部件。在圖1的本發明的實施例中，大功率半導體模件14具有液體冷卻裝置1，圖1是一個主體示意圖。這個大功率半導體模件14包括多個分立的子模件8a-8h，它們相互相鄰地排列在一個冷卻面3上，圖中為簡化起見，省略了電連接線和接線端子。模件14的子模件8a-8h一般被一模件殼體7從四周罩住，圖1中用虛線表示該殼體。
各獨立的子模件8a-8h由大功率矽片式半導體器件構成，這些晶片例如半導體開關元件晶片、二極體晶片、IGBT晶片或類似器件。這些晶片在一個絕緣陶瓷基底上由電連接線相互連接，並且連接點熔焊連接到所述冷卻面3上。子模件8a-8h相互間隔開布置，其目的是絕緣和散熱。
液體冷卻裝置1包括一個封閉的(例如圖1中立方體的)殼體2，其內包含液體腔4(圖2)，冷卻液流過所述液體腔，在液體腔的上側形成冷卻面3。冷卻液-通常是水-沿箭頭所示方向從入口5流入液體腔4內，被加熱的液體又從出口6排出。除了圖中所示的單個入口和出口的結構方案外，在裝置1上還可以配置多個入口和出口。
在上述區域下面，在冷卻面3上焊接有子模件8a-8h，成六角形對稱布置的圓柱形杆12從冷卻面3伸出，並插入液體腔4內。在這個實施例中，杆12相互組合成杆組11a-11h，每個子模件8a-8h各與一組杆組11a-11h相對應。在生產時，這些杆12是與冷卻面3一體形成的，即鑄造金屬陶瓷合成材料的殼體2時整體形成的，所述合成材料最好是碳化矽鉛(AlSic)或碳化矽銅(CuSic)，這樣能夠明顯提高在殼體2和冷卻液之間的熱傳遞性能，各獨立的杆組11a-11h形成在冷卻裝置1的區域內，直接住於子模件之下，並且略大於子模件的邊界，這樣可顯著降低熱阻。以此方式，可以最佳的液體實現冷卻，將冷卻流導向子模件下要被冷卻的中心部分，在那裡發生最佳熱傳輸效應。如果在子模件區域間的空間儘可能多地實現對冷卻液體的阻隔的話，例如圖2所示的在子模件行與行之間增加一隔壁10，則可進一步改進冷卻效率。上述隔壁可在鑄造殼體2時與杆12一起形成。
如本文開頭部分所述，通過適當選擇圓柱形杆的直徑、杆之間的距離和杆的高度，可以獲得優化了的熱阻Rth。如果對杆的高度的邊界條件予以考慮，冷卻器的背面幾乎不起冷卻作用，圖3中冷卻器的背面用作殼體底面，它可由塑料製成，並且與殼體的其它部分粘合在一起。應當指出，在這種情況下，模件的功率損耗有所下降，圓柱形杆結構可定位在冷卻器的塑性材料面上。於是冷卻器的金屬面(AlSic，CuSic)簡化為一平板，其生產成本大大減少。還應指出，增加圓柱形杆改善熱傳遞性能的結構不是必須的，還可採用任何所需的結構，只要能夠足夠地排除熱量和可由AlSic(或CuSic)材料製造。尤其可以選擇例如加長肋等簡單的結構。
經過對本發明AlSic鑄成的冷卻裝置(帶有杆組)的實驗，當液體流為41/m時，該樣品的熱阻大約為8k/kw。與傳統的由鉛製成的冷卻器相比，類似性能提高了約13％。經過交替的溫度試驗證明，由於組合材料的冷卻器的熱膨脹減少，顯著減少了焊接點疲勞的現象，並且改善了耐加載周期強度。
顯然，基於上述教導可能獲得本發明的各種改進和完善。因此，基於上述描述而實施本發明的可能的各種方案均在所附的權利要求所述的範圍之內。
權利要求
1.一種用於大功率半導體模件(14)的液體冷卻裝置(1)，包括多個依次配置在一冷卻表面(3)上的發熱的子模件(8a-h)，每個子模件(8a-h)包含至少一個功率半導體裝置，該裝置安裝到電絕緣陶瓷基底上，並且熔焊到陶瓷基底的底側的冷卻表面(3)上，所述液體冷卻裝置(1)的殼體(2)內具有液體腔(4)，冷卻液流過該液體腔，冷卻表面(3)形成在液體腔的上側，其特徵在於，液體冷卻裝置(1)的殼體(2)由金屬陶瓷合成材料鑄造而成，它至少位於冷卻表面(3)的區域內，其熱膨脹係數與陶瓷基底或子模件(8a-h)的功率半導體裝置的熱膨脹係數相一致，以及一個輔助裝置(11a-h；12)，用於改善冷卻面(3)和盛放在液體冷卻裝置(1)的液體腔(4)內的冷卻液體之間的熱傳遞性能。
2.如權利要求1所述的液體冷卻裝置，其特徵在於，殼體材料的熱膨脹係數小於10ppm/k，最好小於7ppm/k。
3.根據權利要求2所述的液體冷卻裝置，其特徵在於，殼體材料採用碳化矽合成材料，最好是碳化鉛矽(AlSic)或碳化銅矽(CuSic)，並且殼體(2)是由這些材料鑄造而成。
4.根據權利要求1-3之一的液體冷卻裝置，其特徵在於，冷卻裝置(1)的整個殼體(2)的用料具有相互適配的熱膨脹係數。
5.根據權利要求1-3之一的液體冷卻裝置，其特徵在於，與冷卻表面(3)相對設置的殼體底板(13)採用不同的材料製成，例如塑性材料。
6.根據權利要求1-5之一的液體冷卻裝置，其特徵在於，輔助裝置(11a-h；12)包括多個從冷卻面(3)插入液體腔(4)的杆(12)。
7.如權利要求6所述的液體冷卻裝置，其特徵在於，杆採用與冷卻表面(3)相同的材料製成，而且這些杆是與冷卻表面(3)一體形成的。
8.根據權利要求6和7之一的液體冷卻裝置，其特徵在於，杆(12)是圓柱形的，其圓柱體軸芯垂直於冷卻液面(3)布置。
9.根據權利要求6-8之一的液體冷卻裝置，其特徵在於，所述杆(12)呈六角形對稱布置。
10.根據權利要求6-9之一的液體冷卻裝置，其特徵在於，杆(12)組合成杆組(11a-h)，並且各個杆組(11a-h)與子模件(8a-h)相對應。
11.根據權利要求10的液體冷卻裝置，其特徵在於，裝置(10)用於限制液體腔(4)內的冷卻液流基本上流向杆組(11a-h)所處的區域。
全文摘要
一種大功率半導體模件(14)用的液體冷卻裝置(1),每個子模件(8a－h)包含至少一個功率半導體裝置,該裝置安裝到電絕緣陶瓷基底上,並且熔焊到陶瓷基底的背面的冷卻表面(3)上,液體冷卻裝置(1)的殼體(2)內具有液體腔(4),冷卻表面(3)形成在液體腔的上側,其中液體冷卻裝置(1)的殼體(2)由金屬陶瓷合成材料鑄造而成,其熱膨脹係數與陶瓷基底或子模件(8a－h)的功率半導體裝置的熱膨脹係數相一致,以及一個輔助裝置(11a－h;12)。
文檔編號H01L23/373GK1180990SQ9712121
公開日1998年5月6日 申請日期1997年10月23日 優先權日1996年10月23日
發明者T·弗雷, A·斯吐克, R·澤林格爾 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司