功率半导体的封装和冷却装置制造方法及图纸

一种用于功率半导体的封装和冷却装置，包括印刷电路板和半导体模块。该半导体模块具有歧管元件和由功率半导体器件、导热板材以及蛇形翅片元件组成的半导体元件。半导体器件和蛇形翅片元件被结合至导热板材的相对两侧上以形成板材组件。板材组件被安装在歧管元件的窗口中形成半导体模块，这允许了从每个功率半导体器件中去除热量。半导体模块的端子被接收于在电路板的孔中，并被软钎焊至迹线。该封装和冷却装置可被灌注树脂以防止冷却剂泄漏或可使用夹紧的O型圈来实现密封。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于电子封装或部件的去除热量和冷却的方法和装置。
技术介绍
功率半导体器件是用作操作功率变换器的功率电子线路中的开关或整流器的电子器件。由于此器件的性质，因此大功率的产生将不可避免地导致器件功率损耗，该功率损耗可能损坏器件和/或削弱它的性能。为此目的，采用了封装和冷却技术解决方案来去除或消散由功率半导体器件所产生的热量。理想的是，将传热介质的有效性最大化并将换热器的尺寸最小化。换热机构或散热器促使热量去除或消散，通常用来维持器件温度。散热器的常规配置由带有平行翅片、锐锯齿型翅片或针翅片的安装板材组成，当空气或液体冷却剂流过或流经翅片时，这会导致热量从功率半导体器件传递至冷却介质。当诸如空气、水或油的冷却剂或流体被迫流经附接于板材上的翅片时，热量能从板材有效地传递至流体，从而用于冷却该板材和任何与该板材进行热接触的热源。该板材与引入流体之间的温差与功率损耗成正比例，其中的比例常数被称为热阻抗。通过将此常数最小化，使得对于特定的温度上升，热量消散会最大化。热阻抗可近似看作为三项的总和。第一项，TC，是冷却剂的有限导热系数的结果；第二项，TM，是冷却剂的有限热质量的结果；以及第三项，TR，是由于翅片材料的热阻。在翅片相对靠近的情况下，流体的流动通常为层流。在这种情况下，TC值近似等于四分之一的翅片间距除以流体导热系数和总翅片面积之积。由此，TC随着每单位长度上翅片数量的倒数平方而变化。因此，当附接于特定板材的翅片数量增加一倍，TC会减少至四分之一。第二项，TM，与冷却剂体积流率成反比地变化。零流率的话，则该项是无限的。压力下降(压头损失)与冷却剂粘度、体积流率和翅片长度之积成正比例并与总流动截面和翅片数量的平方之积成反比例。第三项，TR，与翅片高度成正比例并与翅片数量和每个翅片的横截面成反比例。基于上述内容，可得出结论，即翅片长度应始终为最小化，且如有可能，翅片应与板材的宽度尺寸平行延伸而不是与长度尺寸平行延伸，假如宽度小于长度的话。对于一设定的板材面积，当翅片长度减小时，流动横截面自动增加。在维持恒定压头损失的同时，这会增加体积流率并减小翅片间距，这进而导致TC和TM的值减小。当TC和TM大致相等时，就会出现最优化设计。在传统的电子应用中，功率半导体必须与散热器电绝缘。所需的绝缘材料使热阻抗和成本显著地增加。许多功率电子应用中，与功率半导体和相关部件的互连有关的漏电感(leakageinductance)极为关键。甚至相对较小的漏电感值就可能导致电压尖峰，该电压尖峰要求增加部件额定电压或增加缓冲电路，因此增加成本和尺寸。根据上述情况，需要一种用于功率半导体器件的改进的电子应用，其消除与绝缘材料有关的热能和成本损失，并使之能有更高的电压承受能力。这种所需的应用将会消除对设置于半导体器件和散热器之间的电子绝缘的需要，并通过使每个半导体元件保持电“热”将会实现整体热抗阻的进一步减小。此应用将使翅片长度减至相对较小值，这进而会使翅片密度和冷却剂流率两者增加，导致TC和TM分别减小。这种所需的应用将采用多个并联功率器件的使用与用于功率总线的多层电路板的使用相结合，这将允许漏电感维持在极低值。在这类应用中的电路板将作为低阻抗传输线运行，这样终端漏电感会变得极小。由于有效热传递和低漏电感的结合，使得这种改进的应用将能够设计大功率密度和低成本的功率电子系统，尤其是用于诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的功率器件，其中电流通常受限于热约束而不是受限于导通或关断的安全操作限制。
技术实现思路
为了使现有技术中所存在的限制和一阅读本说明书就会显现的限制最小化，本专利技术的优选实施方式提供了一种包括附接于电路板的半导体模块的封装和冷却装置。该半导体模块包括流体歧管和至少一个半导体元件，该半导体元件具有板材、翅片和至少一个所附接的功率半导体器件。板材的宽度小于其长度，附接于板材的翅片的长度小于板材的宽度。板材附接于每个半导体元件的至少一侧。对于每个半导体元件，翅片通过软钎焊(solder)而结合至每个板材的一侧。至少一个半导体器件附接于板材的背侧。流体歧管的一个实施方式包括顶部歧管部分、中央歧管部分、底部歧管部分，具有至少一个半导体元件和至少一个分支。在本专利技术的另一方面中，根据本专利技术的一种方法为用于封装和冷却功率半导体器件的方法。从半导体模块突出的端子穿过电路板中的孔，并且被软钎焊到迹线，以将半导体模块附接于电路板。翅片被定向成使得它们的长度轴线或流体流动方向与板材的宽度轴线平行。流体歧管用于引导冷却剂流经翅片。在本专利技术中，冷却剂经由入口进入顶部歧管部分，并经由顶部歧管内的腔而水平地分配至翅片的上端。然后冷却剂竖直向下流经翅片并进入与底部歧管部分相关联的腔，冷却剂在腔中水平地流动并经由出口流出。连接分离器用于连接歧管元件的前后端子，同时用作相对翅片之间的额外绝缘隔障。灌封材料(pottingmaterial)可环绕半导体模块和电路板，以防止冷却剂泄漏。在本专利技术的另一个实施方式中，具有至少一个半导体元件的半导体模块与非传导性流体歧管相匹配并且具有将板材密封于歧管的弹性体密封件，诸如O型圈。在本专利技术的一个可替换实施方式中，半导体模块和电路板被浸涂以防止冷却剂泄漏。本专利技术的一个目的在于提供可消除对半导体器件与散热器之间电绝缘要求的半导体模块。本专利技术的另一个目的在于提供能提供热阻抗进一步减小的半导体模块。本专利技术的另一个目的在于提供利用翅片结构和定向的使用来增加冷却剂流动和有效性的半导体模块。本专利技术的另一个目的在于提供对于功率电子应用而言的低成本解决方案。本专利技术的又一个目的在于提供能维持低水平漏电感的低成本功率电子应用。本专利技术的这些和其它优点和特点已进行具体描述，以便使本领域的普通技术人员能够理解本专利技术。附图说明图中的元件并不一定按比例绘制，这是为了提升它们的明晰度和提高对本专利技术的各种元件和实施方式的理解。另外，为了提供关于本专利技术的各种实施方式的清晰视图，没有描绘对本领域技术人员来说常见和很好理解的那些元件，因此为了清楚和简洁，附图在形式上进行了概括。图1示出了根据本专利技术的封装和冷却装置的立体图；图2示出了根据本专利技术的蛇形翅片结构的立体图；图3示出了根据本专利技术的单个半导体元件的两个视图；图4A示出了根据本专利技术的六个半导体元件和流体歧管的顶视图；图4B和4C示出了根据本专利技术的半导体元件和流体歧管的侧视图；图5示出了根据本专利技术的底部歧管(与顶部歧管一样)的顶视图和侧视图；图6A示出了根据本专利技术的中央歧管部分的顶视图和侧视图；图6B示出了根据本专利技术的中央歧管部分的截面图(A-A)；以及图7A和7B示出了本专利技术的另一个实施方式的立体图和截面图。图7C示出了必要时使用弹簧夹将半导体器件固定在散热板材上。具体实施方式在涉及本专利技术的若干实施方式和应用的以下论述中，参考了形成本专利技术一部分的附图，并且在附图中示出了可实践本专利技术的具体实施方式。需要理解的是，在不背离本专利技术的范围的情况下，可利用其它实施方式并且可作出一些改变。以下描述的各种专利技术特点能彼此单独使用或与其它特点结合使用。然而，任何单个的专利技术特点可能不会解决以上论述的所有问题，或仅解决以上论述的其中一个问题。另外，以上论述的一个或多个问本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体的封装和冷却装置，包括：印刷电路板；以及半导体模块，所述半导体模块包括：至少一个半导体元件，所述至少一个半导体元件包括：至少一个功率半导体器件；从所述功率半导体器件的底部突出的多个端子；至少一个导热板材；以及至少一个蛇形翅片元件，每个所述蛇形翅片元件由多个褶皱所限定；歧管元件，所述歧管元件由至少一个部分所限定；所述歧管元件包括：流体流入端口，设计为接收冷却剂并将所述冷却剂运送至所述蛇形翅片元件；流体流出端口，允许释放所述冷却剂；以及至少一个窗口，设计为接收所述至少一个半导体元件；其中所述多个端子穿过所述印刷电路板中的对应的孔，以将所述半导体模块连接至所述印刷电路板；其中每个所述功率半导体器件被结合至每个所述导热板材的一侧，并且每个所述蛇形翅片元件被结合至每个所述导热板材的相反一侧以形成一个或多个板材组件；并且其中每个所述板材组件被安装在所述歧管元件的所述窗口中，以允许进入所述歧管元件的所述冷却剂被迫流经每个所述蛇形翅片元件，以从每个所附接的所述功率半导体器件中去除热量。

【技术特征摘要】
2015.08.19 US 14/830,6841.一种功率半导体的封装和冷却装置，包括：印刷电路板；以及半导体模块，所述半导体模块包括：至少一个半导体元件，所述至少一个半导体元件包括：至少一个功率半导体器件；从所述功率半导体器件的底部突出的多个端子；至少一个导热板材；以及至少一个蛇形翅片元件，每个所述蛇形翅片元件由多个褶皱所限定；歧管元件，所述歧管元件由至少一个部分所限定；所述歧管元件包括：流体流入端口，设计为接收冷却剂并将所述冷却剂运送至所述蛇形翅片元件；流体流出端口，允许释放所述冷却剂；以及至少一个窗口，设计为接收所述至少一个半导体元件；其中所述多个端子穿过所述印刷电路板中的对应的孔，以将所述半导体模块连接至所述印刷电路板；其中每个所述功率半导体器件被结合至每个所述导热板材的一侧，并且每个所述蛇形翅片元件被结合至每个所述导热板材的相反一侧以形成一个或多个板材组件；并且其中每个所述板材组件被安装在所述歧管元件的所述窗口中，以允许进入所述歧管元件的所述冷却剂被迫流经每个所述蛇形翅片元件，以从每个所附接的所述功率半导体器件中去除热量。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率半导体器件经由所述印刷电路板而彼此互连并互连至外部部件。3.根据权利要求1所述的装置，其中至少两个所述功率半导体器件并联连接，以允许处理增加的电流。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率半导体器件被连接为形成至少一个开关极。5.根据权利要求4所述的装置，其中至少两个开关极被连接为形成逆变器。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率半导体器件被软钎焊至所述导热板材以实现结合。...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃利·E·里佩尔，保罗·F·卡罗萨，乔治·R·伍迪，朗·C·库珀，大卫·L·波格丹奇克，
申请(专利权)人：ACP动力公司，
类型：发明
国别省市：美国;US