一種半導體電極整體件及冷卻裝置的製作方法
2023-05-22 09:12:31
技術領域
本發明涉及一種半導體電極整體件和半導體冷卻裝置，特別涉及一種多層交替層疊的高效率高可靠的半導體冷卻裝置。
背景技術：
現有大部分功率半導體模塊採用單面冷卻，專利CN103999213和CN102315210中採用雙面冷卻的半導體模塊，大幅改善了以往半導體模塊單面散熱導致的散熱效率低等問題，提高了半導體模塊的熱效率和功率密度。
專利CN103999213公開的半導體冷卻裝置其先將多個冷卻板（冷卻液通道）平行配置，各冷卻板之間以冷卻管連接，然後再將半導體封裝體插入各冷卻板之間，最後以託架和彈簧將其壓緊。首先，其工藝和結構較複雜，需要連接管和託架等輔助部件；其次，其通過將半導體封裝體插入兩冷卻板之間，中間難免存在較大的接觸熱阻，且傳熱中間環節多，導熱不是足夠好。
專利CN102315210通過先做成各個半導體封裝體，然後再將其相互堆疊構成。該結構和製造工藝相對也較複雜，且半導體元件與冷卻液之間的換熱效率也較低。
技術實現要素：
本發明通過克服現有技術的不足或從另一個角度構思，提供一種半導體電極整體件，其由半導體電極組件和塗覆於所述半導體電極組件外側的第一絕緣層構成；其中，所述半導體電極組件包括半導體晶片和設置於所述半導體晶片兩側的電極片，第一絕緣層由絕緣膠粘劑或絕緣塗料形成。並且，提供一種多層交替層疊的高效率高可靠的半導體冷卻裝置，其包括半導體散熱組體，所述半導體散熱組體包括若干半導體電極整體件和若干隔板；所述半導體電極整體件與所述隔板相互交替層疊設置，所述隔板的至少部分表面與所述半導體電極整體件的至少部分外表面直接接觸，並且所述隔板內設有冷卻液通道；其中，所述半導體電極整體件由半導體電極組件和設置於所述半導體電極組件外側的第一絕緣層構成，其中，所述半導體電極組件包括半導體晶片和設置於所述半導體晶片兩側的電極片。
以上，半導體晶片可以是IGBT晶片、或者二極體晶片、或者是此二者的多種組合，當然也可以是MOS管晶片。晶片的材料可以矽基晶片、碳化矽晶片或氮化鎵晶片等材料。本發明所用電極優選為平片狀的電極片，其具有更強的載流能力和更低的寄生電感，不同於目前常用的鍵合綁定線（wire bond）或鍵合綁定帶（ribbon bond）。每個半導體電極組件包含的電極片的數量可以是兩個，即半導體晶片兩側各一個（若半導體電極組件還有第三個電極，第三個電極可以是綁定線或綁定帶）；也可以是三個，比如半導體晶片下部有一個電極片，半導體晶片上部左右各有一個電極片；當然也可以是五個等其他數量的。電極片的材料可以是鋁合金、不鏽鋼或銅等，其中優選為不鏽鋼片，其可以做得更薄、但強度高、熱膨脹係數小。
本發明所述交替層疊設置，是指在垂直於冷卻液（或稱流體）流動方向上所述半導體電極整體件和所述隔板相互交替層疊設置。這種層疊設置的有益效果是用於冷卻各半導體晶片的冷卻液入口溫度更一致，從而使得各半導體晶片的性能更趨於一致。該冷卻液為導電的冷卻液，比如水或防凍液（主體成分為乙二醇和水）。當然，上述隔板內的冷卻液通道也可稱為冷卻介質通道。所述隔板內的冷卻液通道中容納的換熱介質，既可以是冷卻液，也可以是空氣。
其中，隔板的冷卻液通道（或稱流體通道）中有冷卻液流過，冷卻液帶走半導體晶片所發的熱量。本發明所採用的隔板的冷卻液通道分為封閉式冷卻液通道和開放式冷卻液通道兩種。所謂封閉式冷卻液通道是指，垂直於冷卻液流動方向的隔板的截面上的四周邊（即平行於介質流動方向的隔板的四周面）是封閉的（或者說相互連接的），冷卻液與半導體電極整體件之間不直接接觸；所謂開放式冷卻液通道是指，垂直於介質流動方向的隔板的截面上的四周邊不是完全封閉的，冷卻液與半導體電極整體件之間存在直接接觸的部分，即冷卻液與半導體電極整體件的第一絕緣層直接接觸。本發明中隔板至少有如下幾種：一種是扁管或板束，冷卻液在扁管或板束中間的通孔通過，冷卻液與半導體電極整體件不直接接觸；另一種是各種翅片或帶邊板的散熱翅片，由各種翅片或帶邊板的散熱翅片分隔和支撐上下兩側的半導體電極整體件，冷卻液在相鄰兩半導體電極整體件之間的翅片中流過，在流動過程中，冷卻液與半導體電極整體件和翅片接觸並換熱。
在工作時，上述冷卻裝置中還包括有冷卻介質。所述冷卻介質，可以是冷卻液或者空氣。其中，所述冷卻介質優選為冷卻液，進一步優選為防凍冷卻液（簡稱防凍液），如主要成分為乙二醇和水的混合液。
第一絕緣層設置在半導體電極組件外側，以使得半導體電極組件與隔板的金屬部分或/和冷卻液電絕緣。
本發明所謂塗覆，也可稱塗敷，是指塗料或膠粘劑施工工藝的統稱。
優選地，所述塗覆方法為噴塗、刷塗、輥塗、沉積、浸塗、點膠、絲網印、滾塗、以及刮塗中的一種或數種的組合。其中，更優選為採用噴塗、浸漬、沉積的方式。
進一步的，若半導體電極整體件的第一絕緣層為不耐冷卻液浸泡的絕緣材料，則相鄰兩所述隔板之間設置第一密封件，各第一密封件對半導體電極整體件的四周或整體形成密封。該密封可以有效保障半導體電極整體件與冷卻液隔離絕緣。
進一步的，所述第一絕緣層更為優選為耐冷卻液浸泡的絕緣材料。所謂耐冷卻液浸泡的絕緣材料是指該絕緣材料長期（如5年以上或10年以上）浸泡在冷卻液中仍能保持良好的絕緣功能，比如該絕緣材料不會被冷卻液溶解或溶脹等而導致絕緣失效。若選擇耐冷卻液浸泡的絕緣材料作為第一絕緣層材料，則也可選用該絕緣材料作為第一密封件；或者說該第一絕緣層同時也起第一密封件作用。若隔板為開放式冷卻液通道，即使冷卻介質是空氣，也優選採用耐冷卻水浸泡的絕緣材料，這樣可防止因空氣中有水分而導致絕緣層失效。
進一步的，所述耐冷卻液浸泡的絕緣材料有高分子絕緣材料、陶瓷絕緣材料、和摻雜有陶瓷的高分子絕緣材料中的任意一種或幾種。其中，陶瓷絕緣材料可以是陶瓷絕緣片或者絕緣陶瓷塗料，這種高分子絕緣材料有耐冷卻液浸泡的絕緣矽膠等等。
進一步的，設置第一絕緣層的方法為噴塗或浸塗。比如對半導體電極組件整體噴塗或浸塗絕緣矽膠層。與傳統DBC陶瓷絕緣片構造相比，該絕緣矽膠為彈性體抗溫度交變能力強，可以有效地適應半導體晶片溫度交變環境，延長半導體冷卻裝置的工作壽命；同時，該絕緣矽膠還可以作為密封件，有效地隔離半導體電極組件與外界導電部件。
進一步的，所述隔板內設置有封閉式冷卻液通道。
進一步的，所述隔板為板束或扁管。其中，板束可以是板翅式換熱器常用的板束，比如由板片、翅片和封頭形成。其中，扁管可以是單孔的，也可以是多孔的；可以是擠壓成型扁管，也可以是其他方式成型的扁管。
或者，進一步的，所述隔板內設有開放式冷卻液通道。
進一步的，所述隔板為波紋狀翅片、或者鋸齒形翅片、或者帶邊板的翅片。其中，所謂帶邊板的翅片包括有波紋狀翅片上下兩側釺焊有平直邊板的結構。該翅片或帶邊板的翅片一方面用於間隔和支撐其上下兩側的半導體電極整體件，另一方面用於強化換熱。即本技術方案為：該半導體冷卻裝置的半導體散熱組體由若干半導體電極整體件和若干鋸齒形翅片（或波紋狀翅片、或者帶邊板的翅片）相互交替層疊設置形成。由於第一絕緣層與冷卻液存在直接接觸的部分，故該方案所用的第一絕緣層選用耐冷卻液浸泡的絕緣材料。
進一步的，所述半導體散熱組體的最外兩側為隔板。從而保證所有半導體電極整體件上下兩側均有冷卻液通過進行換熱。
進一步的，所述電極片之間在除所述半導體晶片之外的部位還設置有第二絕緣層。該第二絕緣層可以有效防止因各電極片間爬電間距不足而導致的電導通。
進一步的，所述電極片與所述半導體晶片之間設置有凸臺。該凸臺一方面有利於使電極片與半導體晶片可靠電連接，另一方面可以增加上下兩側的電極片之間的間距，從而可以設置更厚的第二絕緣層，保障上下電極片之間可靠絕緣。
進一步的，上下兩側所述電極片覆蓋所述半導體晶片，所述半導體晶片四周設置有絕緣密封件與所述冷卻液隔離。該密封件也可以是上述絕緣矽膠。
進一步的，所述半導體晶片與所述電極片的電連接方式為導電膠粘接、或者錫焊、或者釺焊、或者壓接。相對於傳統錫焊，導電膠粘接的固化溫度更低，操作工藝更簡便。其中，導電膠的膠基體材料可優選採用矽膠，矽膠為彈性體抗溫度交變能力強，可以有效地適應半導體晶片溫度交變環境，延長半導體冷卻裝置的工作壽命。
進一步的，所述半導體冷卻裝置還包括外殼，所述外殼用於容納所述半導體散熱組體，所述電極片與外界的電連接部延伸於所述外殼之外並與所述外殼之間密封，所述外殼上設置有進液口和出液口。電極片與外界的電連接部可以是與電極片集成為一體的極耳，也可以是導線等其他電連接方式。
本發明技術方案的有益效果是：本發明未採用傳統的DBC陶瓷覆銅板的陶瓷層作為電極的絕緣層，而是以絕緣膠粘劑或塗料作為電極外的第一絕緣層，其工藝更簡便，成本更低。更為優選採用耐冷卻液浸泡的絕緣矽膠作為第一絕緣層，其不僅耐溫度交變能力強壽命長，而且同時可作為密封件，能有效隔離半導體電極組件與外界導電冷卻液。通過採用半導體電極整體件和隔板交替層疊設置的方式構成的半導體散熱組體的冷卻裝置，不需要中間連接冷卻管和用於緊固的外部託架和彈簧，結構簡單緊湊，中間熱阻小，傳熱效率高，功率密度大；並且由於本發明以平片狀電極片替代傳統的綁定線或綁定帶，電極片與半導體晶片的電連接面積大，電極片的載流能力大，且可有效降低寄生電感等影響半導體器件可靠性和壽命的負面作用。另外，本發明的隔板不包含專門的入口頭部和出口頭部，故其有效換熱面積更大，冷卻功率密度更大。
附圖說明
通過下面參照附圖做出的詳細描述，本發明的上述和其他目的、特徵和優點將變得更加顯而易見，在這些附圖中：
圖1 上側左電極條的示意圖；
圖2 上側左電極條上焊錫層位置的示意圖；
圖3 上側右電極條的示意圖；
圖4 上側右電極條上焊錫層位置的示意圖；
圖5 下側電極條的示意圖；
圖6 下側電極條上焊錫層位置的示意圖；
圖7 半導體電極組件頂視圖；
圖8 半導體電極整體件頂視圖；
圖9 圖8中的半導體電極整體件A-A剖面示意圖；
圖10 實施方式一中的半導體散熱組體剖面示意圖；
圖11 實施方式二中的半導體電極整體件剖視圖；
圖12 鋸齒型翅片示意圖；
圖13 實施方式二中的半導體散熱組體剖面示意圖；
圖14 實施方式三中的半導體電極整體件剖面示意圖；
圖15 實施方式三中的半導體散熱組體示意圖；
圖16 實施例四提供的另一種半導體電極整體件的半導體電極組件的平面打散圖；
具體實施方式
為了更加清楚完整地說明本發明技術方案，介紹如下具體實施方式。
實施方式一
該半導體冷卻裝置包括半導體散熱組體，所述半導體散熱組體包括六組半導體電極整體件和七根扁管；所述半導體電極整體件與扁管相互交替層疊設置的，所述扁管表面與所述半導體電極整體件外表面直接接觸，並且所述扁管內設有封閉式冷卻液通道；其中，所述半導體電極整體件由半導體電極組件和設置於所述半導體電極組件外側的第一絕緣層構成，其中，所述半導體電極組件包括半導體晶片和設置於所述半導體晶片上下兩側的電極片。本實施例中，採用將電極極耳與電極片集成在一起的電極條，該極耳即為與外界的電連接部。
為了確保半導體電極整體件四周與冷卻液充分密封，在相鄰兩扁管之間分別設置第一密封件，各第一密封件對半導體電極整體件除極耳之外的四周或整體形成密封。
圖1、3、5為分別由電極片21、31、51和極耳22、32、52組成的電極條2、3、5示意圖，圖2、4、6示出了各電極片上焊錫層位置的示意圖。圖7~9中所示，下側電極片51上表面分別布置有一個IGBT晶片6和一個二極體晶片7，下側電極片51通過焊錫層5b與IGBT晶片6的集電極電連接，通過焊錫層5a和二極體晶片7的負極電連接；上側左電極片21通過焊錫層2b與IGBT晶片6的發射極電連接，通過焊錫層2a和二極體晶片7的正極電連接；上側右電極片31通過焊錫層3a與IGBT晶片6的柵極電連接。上側左右兩邊的電極片21、31之間也需用第二絕緣層4隔離。若上下電極片之間的間距很小，抗爬電距離不足，則需在上下電極片之間除晶片6、7之外的地方塗覆第二絕緣層4以確保上下電極片之間可靠絕緣，其中第二絕緣層4可採用絕緣矽膠。由此，即形成了半導體電極組件。
該半導體電極組件兩側預留三個與外界的電連接部，即三個極耳22、32、52。該半導體電極組件上，電極片21、31、51上所有外露表面均塗覆第一絕緣層1a，更為優選地，整個半導體電極組件上除極耳之外其餘外露表面均塗覆第一絕緣層1a，形成半導體電極整體件101。
如圖10所示，隔板採用多孔擠壓扁管8，內部形成有封閉式冷卻液通道。半導體散熱組體由六組半導體電極整體件101和七根多孔擠壓扁管8交替層疊形成，即半導體散熱組體的最外兩側為扁管8。若第一絕緣層1a不耐冷卻液浸泡，則在每相鄰兩根扁管8之間設置第一密封件10，該密封件材料為耐防凍液的密封材料，以使得半導體電極整體件101與冷卻液隔離，由此，形成了半導體散熱組體。
本實施例還包括外殼（未示出），該外殼由左右兩半部分（或前後兩半部分）組成，外殼用於容納半導體散熱組體，電極條的極耳延伸於外殼之外以便與外界電連接，電極條與外殼之間做密封處理，外殼上設置有進液口和出液口。
上述結構的半導體冷卻裝置，發熱晶片與冷卻液之間的傳熱途徑較短，熱阻小，且晶片兩側均得到充分的冷卻，冷卻效率高；故該半導體冷卻裝置體積小，功率密度非常高。並且，本實施例以全電極片替代傳統的綁定線（wire bond）或綁定帶（ribbon bond），電極片與晶片的接觸面更大，故電極片的載流能力更強，且顯著減小了寄生電感，晶片的電流衝擊更小，晶片更安全。而且，該結構簡單，製造成本低。
實施方式二
該半導體冷卻裝置包括半導體散熱組體，所述半導體散熱組體由二組半導體電極整體件和三組與所述半導體電極整體件相互交替層疊設置的鋸齒形翅片組成；所述翅片部分表面與所述半導體電極整體件部分外表面直接接觸，並且所述翅片內設有開放式冷卻液通道；其中，所述半導體電極整體件由半導體電極組件和設置於所述半導體電極組件外側的第一絕緣層構成，其中，所述半導體電極組件包括半導體晶片和3個設置於所述半導體晶片上下兩側的電極片。本實施方式中，也採用極耳與電極片集成在一起的電極條。
如圖11所示為本實施例的半導體電極整體件102剖面圖。下側電極片51上表面分別布置有一個IGBT晶片6和一個二極體晶片7，下側電極片51通過焊錫層5b與IGBT晶片6的集電極電連接，通過焊錫層5a和二極體晶片7的負極電連接；上側左電極片21通過焊錫層2b與IGBT晶片6的發射極電連接，通過焊錫層2a和二極體晶片7的正極電連接；上側右電極片31通過焊錫層3a與IGBT晶片6的柵極電連接。上側左右兩邊的電極片21、31之間也需用第二絕緣層4隔離。若上下電極片之間的間距很小，抗爬電距離不足，則需在上下電極片之間除晶片6、7之外的地方塗覆第二絕緣層4以確保上下電極片之間可靠絕緣，其中第二絕緣層4可採用絕緣矽膠。由此，即形成了半導體電極組件。
該半導體電極組件兩側有三個與外界的電連接部，即三個極耳22、32、52。上述半導體電極組件上，除三個極耳22、32、52處之外，其餘所有外露表面均塗覆第一絕緣層1b，該第一絕緣層1b所用的材料是耐冷卻液浸泡的絕緣材料，比如耐冷卻液浸泡的絕緣矽膠，或者耐冷卻液浸泡的絕緣陶瓷塗料等，這些材料有瓦克絕緣矽膠Elastosil RT 728 A/B、志盛威華ZS-1091耐高溫絕緣陶瓷塗料等；由此，從而形成半導體電極整體件102。
本實施例還引入如圖12所示鋸齒型翅片9，將兩組上述半導體電極整體件102和三組翅片9交替層疊壓緊，形成如圖13所示的半導體散熱組體，其中翅片9中包含有開放式冷卻液通道，翅片9同時起支撐兩側半導體電極整體件102作用和起強化換熱作用，冷卻液直接與第一絕緣層1b接觸。本實施例中，兩隔板（即翅片9）之間無需專門設置第一密封件10，或者說用於密封半導體電極整體件102的第一密封件10為第一絕緣層1b材料。
本實施例包括外殼（未示出），該外殼由左右兩半部分（或前後兩半部分）組成，外殼用於容納半導體散熱組體，電極條的極耳延伸於外殼之外以便與外界電連接，電極條與外殼之間做密封處理，外殼上設置有進液口和出液口。
本實施例除了擁有實施例一所述的技術效果之外，本實施例結構更簡單，冷卻液與第一絕緣層直接接觸，避免了扁管壁面的導熱熱阻和扁管壁面與第一絕緣層之間的接觸熱阻，故換熱效率更高，成本更低。採用耐冷卻液浸泡的絕緣矽膠作為第一絕緣層，其不僅耐溫度交變能力強壽命長，而且同時可作為密封件，能有效隔離半導體電極組件與外界導電冷卻液。
實施方式三
本實施例部分參照實施方式二，本實施例的半導體電極整體件如圖14所示，下側電極片51上表面分別布置有一個IGBT晶片6和一個二極體晶片7，下側電極片51通過導電膠（導電膠均未圖示出）與IGBT晶片6的集電極電連接，通過導電膠和二極體晶片7的負極電連接；上側左電極片21上通過導電膠分別與凸臺2c、凸臺2d粘接在一起，上側右電極片31上通過導電膠分別與凸臺3c粘接在一起。上側左電極片21的凸臺2d通過導電膠與IGBT晶片6的發射極電連接，凸臺2c通過導電膠與二極體晶片7的正極電連接；上側右電極片31的凸臺3c通過導電膠與IGBT晶片6的柵極電連接。上側左右兩邊的電極片21、31之間也需用第二絕緣層4隔離。由於上下電極片之間的間距很小，抗爬電距離不足，故需在上下電極片之間除晶片6、7之外的地方塗覆第二絕緣層4以確保上下電極片之間可靠絕緣，其中第二絕緣層4可採用絕緣矽膠。由此，即形成了半導體電極組件。
上述電連接或者用壓接替代導電膠電連接，本發明所謂壓接是指通過外部壓力壓緊電極片、凸臺和晶片，使其可靠地電連接。
該半導體電極組件兩側預留三個與外界的電連接部，即三個極耳22、32、52。上述半導體電極組件上，除三個極耳22、32、52處之外，其餘所有外露表面均塗覆第一絕緣層1b，該第一絕緣層1b所用的材料是耐冷卻液浸泡的絕緣材料；由此，從而形成半導體電極整體件103。
本實施例還引入如圖12所示鋸齒型翅片9，將兩組上述半導體電極整體件103和三組翅片9交替層疊壓緊，形成如圖15所示的半導體散熱組體，其中翅片9中包含有開放式冷卻液通道，冷卻液直接與第一絕緣層1b接觸。
本實施例包括外殼（未示出），該外殼由左右兩半部分（或前後兩半部分）組成，外殼用於容納半導體散熱組體，電極條的極耳延伸於外殼之外以便與外界電連接，電極條與外殼之間做密封處理，外殼上設置有進液口和出液口。
本實施例除了擁有實施例一所示的技術效果之外，本實施例結構更簡單，冷卻液與第一絕緣層直接接觸，避免了扁管壁面的導熱熱阻和扁管壁面與第一絕緣層之間的接觸熱阻，故換熱效率更高，成本更低。導電膠的膠基體材料可優選採用矽膠，其固化溫度更低，操作工藝更簡便。矽膠為彈性體抗溫度交變能力強，可以有效地適應半導體晶片溫度交變環境，延長半導體冷卻裝置的工作壽命。
實施方式四
本實施例提供另一種半導體電極整體件。如圖16中所示為其半導體電極組件的平面打散圖，其中點劃線框中為半導體電極組件14，為了更清楚說明，上部電極片P3、P4、P5從半導體電極組件14上單獨抽離圖示出來，虛線框表述各上部電極片在半導體電極組件14上原來的位置。與實施例一不同的是，本實施例的半導體電極整體件包括5個電極片，下部有2個電極片P1、P2，上部有3個電極片P3、P4、P5，上下電極片之間設置有2個IGBT 晶片A1、A2和2個二極體晶片B1、B2。下部電極片P1分別與IGBT晶片A1的集電極、A2的發射極、二極體B1的負極和B2的正極電連接；P2與IGBT晶片A2的柵極電連接；上部電極片P3與A1的柵極電連接；P4與A1的發射極、B1的正極電連接；P5與A2的集電極、B2的負極電連接。由此，組成了包含有2個IGBT晶片和2個二極體晶片的半導體電極組件14；然後，在該半導體電極組件14上，除各極耳（未示出）之外，其餘所有外露部位噴塗絕緣膠粘劑形成第一絕緣層，從而形成了半導體電極整體件。
以上實施例僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變、組合、以及等效替換，但都將落入本發明的保護範圍內。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。