电力电子组件和半导体器件叠层制造技术

电力电子组件和半导体器件叠层。所述电力电子组件包括半导体器件叠层，半导体器件叠层具有宽带隙半导体器件、半导体冷却芯片和第一电极，半导体冷却芯片热联接到宽带隙半导体器件，第一电极电联接到宽带隙半导体器件并定位在宽带隙半导体器件和半导体冷却芯片之间。半导体冷却芯片定位在衬底层和宽带隙半导体器件之间。衬底层包括衬底入口端口和衬底出口端口。集成流体通道系统在衬底入口端口和衬底出口端口之间延伸，并且包括：衬底流体入口通道，其从衬底入口端口延伸到衬底层中；衬底流体出口通道，其从衬底出口端口延伸到衬底层中；和一个或多个冷却芯片流体通道，其延伸到半导体冷却芯片中。

Power electronics assembly and semiconductor device stack

Power electronics assembly and semiconductor device stack. The power electronic component includes a semiconductor device layer, semiconductor device stack has a wide band gap semiconductor devices, semiconductor cooling chip and a first electrode, a semiconductor cooling chip thermally coupled to a wide bandgap semiconductor device, the first electrode is electrically coupled to the wide band gap semiconductor devices and is positioned between the wide bandgap semiconductor devices and semiconductor chip cooling. The semiconductor cooling chip is positioned between the substrate layer and the wide band gap semiconductor device. The substrate layer includes a substrate inlet port and a substrate outlet port. Integrated fluid channel system extends between the substrate and the substrate entrance port outlet port and includes a substrate fluid entrance channel, the entrance port extends into the substrate from the substrate layer in the substrate; the fluid outlet channel, the outlet port from the substrate extends to the substrate layer; and one or more chip cooling fluid passage, which extends to the semiconductor cooling chip.

【技术实现步骤摘要】
电力电子组件和半导体器件叠层相关申请的交叉引用本申请要求提交于2016年3月8日提交的美国临时专利申请NO.62/305,281的优先权。
本说明书大体涉及电力电子组件，更具体地，涉及具有半导体器件叠层和集成流体通道系统的电力电子组件，所述半导体器件叠层具有半导体冷却芯片，所述集成流体通道系统在半导体器件叠层内延伸。
技术介绍
散热装置可以联接到诸如电力电子器件这样的发热装置，以移除热量并降低发热装置的最大工作温度。可以使用冷却流体经由对流热传递来接收由发热装置产生的热量，并且从发热装置移除这种热量。例如，可以引导冷却流体的射流使得其冲击发热装置的表面。从发热装置移除热量的另一种方式是将发热装置联接到由导热材料(例如铝)制成的翅片式散热器。然而，由于新开发的电气系统的需求，电力电子组件被设计成在增大的功率水平下工作并且产生了相应增加的热通量，常规的散热器不能充分地除热通量来将电力电子组件的工作温度有效地降低到可接受的温度水平。此外，传统的散热器和冷却结构需要附加的接合层和热匹配材料(例如，结合层、衬底、热界面(thermalinterface)材料)。这些附加层使整个组件的热阻显著增大，并且使得电子系统的热管理更为困难。因此，需要具有内部冷却结构的替代电力电子组件和替代电力电子器件。
技术实现思路
在一个实施例中，一种电力电子组件包括半导体器件叠层，所述半导体器件叠层具有宽带隙半导体器件、半导体冷却芯片和第一电极，所述宽带隙半导体器件包括宽带隙半导体材料，所述半导体冷却芯片包括热联接到所述宽带隙半导体器件的半导体材料，所述第一电极电联接到所述宽带隙半导体器件并且定位在所述宽带隙半导体器件和所述半导体冷却芯片之间。所述电力电子组件还包括衬底层，所述衬底层联接到所述半导体器件叠层，使得所述半导体冷却芯片定位在所述衬底层和所述宽带隙半导体器件之间。所述衬底层包括衬底入口端口和衬底出口端口。集成流体通道系统在所述衬底层的衬底入口端口和衬底出口端口之间延伸。此外，所述集成流体通道系统包括衬底流体入口通道、衬底流体出口通道和一个或多个冷却芯片流体通道，所述衬底流体入口通道从所述衬底入口端口延伸到所述衬底层中，所述衬底流体出口通道从所述衬底出口端口延伸到所述衬底层中，所述一个或多个冷却芯片流体通道延伸到所述半导体冷却芯片中。所述一个或多个冷却芯片流体通道与所述衬底流体入口通道和所述衬底流体出口通道流体连通。在另一个实施例中，一种半导体器件叠层包括第一半导体冷却芯片和第二半导体冷却芯片，所述第一半导体冷却芯片联接到所述第二半导体冷却芯片。所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片每个均包括半导体材料、冷却芯片流体入口、冷却芯片流体出口和一个或多个冷却芯片流体入口通道，所述一个或多个冷却芯片流体入口通道定位在所述第一和第二半导体冷却芯片的凹部区域中并且与所述冷却芯片流体入口和所述冷却芯片流体出口流体连通。所述半导体器件叠层还包括宽带隙半导体器件、第一电极和第二电极，所述宽带隙半导体器件定位在所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片之间，并且热联接到所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片，所述第一电极电联接并且热联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述第一半导体冷却芯片和所述宽带隙半导体器件之间，所述第二电极电联接并且热联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述第二半导体冷却芯片和所述宽带隙半导体器件之间。在又一个实施例中，一种电力电子组件包括衬底层和多个半导体器件叠层，所述衬底层具有衬底流体入口和衬底流体出口。每个半导体器件叠层均包括第一半导体冷却芯片和第二半导体冷却芯片，所述第一半导体冷却芯片联接到所述第二半导体冷却芯片。所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片每个均包括半导体材料、冷却芯片流体入口、冷却芯片流体出口和一个或多个冷却芯片流体入口通道，所述一个或多个冷却芯片流体入口通道定位在所述第一和第二半导体冷却芯片的凹部区域中，并且与所述冷却芯片流体入口和所述冷却芯片流体出口流体连通。每个半导体器件叠层还包括宽带隙半导体器件、第一电极和第二电极，所述宽带隙半导体器件定位在所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片之间，并且热联接到所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片，所述第一电极电联接并且热联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述第一半导体冷却芯片和所述宽带隙半导体器件之间，所述第二电极电联接并且热联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述第二半导体冷却芯片和所述宽带隙半导体器件之间。此外，每个半导体器件叠层的冷却芯片流体入口均流体地联接到所述衬底层的衬底流体入口，并且每个半导体器件叠层的冷却芯片流体出口均流体地联接到所述衬底层的衬底流体出口。基于以下结合附图的详细描述，将更全面地理解由本文所述的实施例提供的这些和附加的特征。附图说明附图中所阐述的实施例本质上是说明性和示意性的，并且不旨在限制由权利要求限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，在这些附图中，相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：图1A示意性地示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的示例性电力电子组件，所述电力电子组件具有宽带隙半导体器件；图1B示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的图1A的示例性电力电子组件的剖视图，所述电力电子组件具有延伸到宽带隙半导体器件中的集成流体通道系统；图2A示意性地示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的示例性电力电子组件，所述电力电子组件具有宽带隙半导体器件和半导体冷却芯片；图2B示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的图2A的示例性电力电子组件的剖视图，所述电力电子组件具有延伸到半导体冷却芯片中的集成流体通道系统；图2C示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的图2A的示例性电力电子组件的另一个实施例的剖视图，所述电力电子组件具有延伸穿过半导体冷却芯片并延伸到宽带隙半导体器件中的集成流体通道系统；图3A示意性地示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的示例性电力电子组件，所述电力电子组件包括多个半导体器件叠层；图3B示意性地示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的图3A的示例性电力电子组件的示例性单个半导体器件叠层；和图3C示意性地示出了根据本专利技术所示出和描述的一个或多个实施例的图3B的示例性单个半导体器件叠层的单个半导体冷却芯片的第二芯片表面。具体实施方式总体参考附图，本公开的实施例涉及电力电子组件，所述电力电子组件包括衬底层和一个或多个半导体叠层。所述半导体叠层中的每个均包括一个或多个宽带隙半导体器件、电联接到所述宽带隙半导体器件的一个或多个电极，并且在一些实施例中还包括一个或多个半导体冷却芯片(coolingchip)。本公开的电力电子组件还包括集成流体通道系统，所述集成流体通道系统包括在电力电子组件的多个部件内延伸的冷却通道，例如，所述冷却通道延伸到衬底层、电极、半导体冷却芯片、宽带隙半导体器件、或以上部件的组合中。在工作中，介电冷却流体可以循环通过集成流体通道系统，以从电力电子器件移除热量。直接定位在电力电子器件内(例如直接定位在宽带隙半导体器件内)的冷却通道有助于从热源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力电子组件，所述电力电子组件包括：半导体器件叠层，所述半导体器件叠层包括：宽带隙半导体器件，所述宽带隙半导体器件包括宽带隙半导体材料；半导体冷却芯片，所述半导体冷却芯片包括热联接到所述宽带隙半导体器件的半导体材料；和第一电极，所述第一电极电联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述宽带隙半导体器件和所述半导体冷却芯片之间；衬底层，所述衬底层联接到所述半导体器件叠层，使得所述半导体冷却芯片定位在所述衬底层和所述宽带隙半导体器件之间，其中，所述衬底层包括衬底入口端口和衬底出口端口；集成流体通道系统，所述集成流体通道系统在所述衬底层的衬底入口端口和衬底出口端口之间延伸，其中，所述集成流体通道系统包括：衬底流体入口通道，所述衬底流体入口通道从所述衬底入口端口延伸到所述衬底层中；衬底流体出口通道，所述衬底流体出口通道从所述衬底出口端口延伸到所述衬底层中；和一个或多个冷却芯片流体通道，所述一个或多个冷却芯片流体通道延伸到所述半导体冷却芯片中，其中，所述一个或多个冷却芯片流体通道与所述衬底流体入口通道和所述衬底流体出口通道流体连通。

【技术特征摘要】
2016.03.08 US 62/305,281;2016.06.07 US 15/175,6221.一种电力电子组件，所述电力电子组件包括：半导体器件叠层，所述半导体器件叠层包括：宽带隙半导体器件，所述宽带隙半导体器件包括宽带隙半导体材料；半导体冷却芯片，所述半导体冷却芯片包括热联接到所述宽带隙半导体器件的半导体材料；和第一电极，所述第一电极电联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述宽带隙半导体器件和所述半导体冷却芯片之间；衬底层，所述衬底层联接到所述半导体器件叠层，使得所述半导体冷却芯片定位在所述衬底层和所述宽带隙半导体器件之间，其中，所述衬底层包括衬底入口端口和衬底出口端口；集成流体通道系统，所述集成流体通道系统在所述衬底层的衬底入口端口和衬底出口端口之间延伸，其中，所述集成流体通道系统包括：衬底流体入口通道，所述衬底流体入口通道从所述衬底入口端口延伸到所述衬底层中；衬底流体出口通道，所述衬底流体出口通道从所述衬底出口端口延伸到所述衬底层中；和一个或多个冷却芯片流体通道，所述一个或多个冷却芯片流体通道延伸到所述半导体冷却芯片中，其中，所述一个或多个冷却芯片流体通道与所述衬底流体入口通道和所述衬底流体出口通道流体连通。2.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述集成流体通道系统还包括一个或多个电极流体通道，所述一个或多个电极流体通道延伸到所述第一电极中，其中，所述一个或多个电极流体通道与所述一个或多个冷却芯片流体通道流体连通。3.根据权利要求2所述的电力电子组件，其中，所述集成流体通道系统还包括一个或多个半导体流体通道，所述一个或多个半导体流体通道延伸到所述宽带隙半导体器件中，使得所述一个或多个半导体流体通道与所述一个或多个电极流体通道和所述一个或多个冷却芯片流体通道流体连通。4.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述半导体冷却芯片的半导体材料包括Si、GaAs、SiC、GaN、AlN、BN和金刚石中的至少一种。5.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述半导体冷却芯片包括栅极驱动电路部分，所述栅极驱动电路部分电联接到所述宽带隙半导体器件。6.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述一个或多个冷却芯片流体通道的至少一部分包括从所述半导体冷却芯片延伸的多个槽道状翅片。7.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述一个或多个冷却芯片流体通道的至少一部分包括从所述半导体冷却芯片延伸的多个柱状翅片。8.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述宽带隙半导体器件的宽带隙半导体材料包括SiC、GaN、AlN、BN和金刚石中的至少一种。9.根据权利要求1所述的电力电子组件，所述电力电子组件还包括第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对地定位在所述宽带隙半导体器件上。10.根据权利要求9所述的电力电子组件，其中，所述第一电极包括漏极，并且所述第二电极包括源极，所述第一电极和所述第二电极每个均热联接并且电联接到所述宽带隙半导体器件，使得竖直电流路径从所述源极穿过所述宽带隙半导体器件延伸至所述漏极。11.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述衬底层包括熔化温度高于约300℃的高温衬底层。12.一种半导体器件叠层，所述半导体器件叠层包括：第一半导体冷却芯片和第二半导体冷却芯片，所述第一半导体冷却芯片联接到所述第二半导体冷却芯片，其中，所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片每个均包括：半导体材料；冷却芯片流体入口；冷却芯片流体出口；和一个或多个冷却芯片流体入口通道，所述一个或多个冷却芯片流体入口通道定位在所述第一半导体冷却芯片和第二半导体冷却芯片的凹部区域中，并且与所述冷却芯片流体入口和所述冷却芯片流体出口流体连通；宽带隙半导体器件，所述宽带隙半导体器件定位在所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片之间，并且热联接到所述第一半导体冷却芯片和所述第二半导体冷却芯片；第一电极，所述第一电极电联接并且热联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述第一半导体冷却芯片和所述宽带隙半导体器件之间；和第二电极，所述第二电极电联接并且热联接到所述宽带隙半导体器件，并且定位在所述第二半导体冷却芯片和所述宽带隙半导体器件之间。13.根据权利要求12所述的半导体器件叠层，其中，所述第一电极包括漏极，并且所述第二电极包括源极，所述第一电极和所述第二电极每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：福冈佑二，E·M·戴德，S·N·乔什，周锋，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，
类型：发明
国别省市：美国,US