本公开涉及一种用于功率模块的基板和一种制造用于功率模块的基板的方法。本公开进一步涉及一种对应的半导体器件。
背景技术：
1、功率模块例如用于汽车领域，并且需要可靠且高效的冷却器以在操作期间散热。这种冷却器固定至功率模块并引导冷却剂来冷却功率模块。
2、需要提供一种用于功率模块的基板，该基板有助于在功率模块的操作期间有效且高效散热。
技术实现思路
1、本公开的实施例涉及一种用于功率模块的基板，该基板能够实现可靠散热。本公开的实施例还涉及一种用于这种基板的对应制造方法以及一种对应的半导体器件。
2、根据实施例，用于功率模块的基板包括具有冷却结构的下部部分，该冷却结构被配置成在功率模块操作期间接触冷却剂。下部部分可以包括冷却结构或可以完全形成冷却结构本身。基板进一步包括耦接至下部部分的上部部分。冷却结构背向上部部分并且包括具有给定表面结构的表面，该给定表面结构包括多个突出部和ra>1μm的平均粗糙度中的至少一者，该多个突出部关于与冷却结构的表面垂直的表面法线具有2μm或更大的相应高度。冷却结构包括多个冷却针翅和/或多个冷却肋，并且给定表面结构形成在针翅或肋中的一个或多个上。此外，冷却结构可以包括可以提高冷却效率的其他表面结构。给定表面结构也形成在基板的上部部分的面向下部部分的底部表面上。例如，基板实现为包括多个冷却针翅的针翅式基板。上部部分可以通过板状基板实现，下部部分可以通过多个冷却针翅实现。呈ra>1μm的最小平均粗糙度和/或具有2μm或更大的相应高度的多个突出部的形式的给定表面结构可以形成在针翅的外表面上和/或在基板的上部部分的底部表面上在针翅之间。
3、通过使用所描述的基板配置，由于冷却结构的表面的特定修改，改进的热行为是可行的。冷却结构可以形成为具有多个针翅或肋和/或可以提高冷却效率的其他表面结构，该多个针翅或肋和/或其他表面结构包括在其表面上的上述给定的平均粗糙度和/或突出部，以有助于在功率模块操作期间进行可靠散热。
4、粗糙度是基板表面或基板的下部部分上的冷却结构的特性，该特性可以由实际表面的法向量方向与其理想形式的偏差来量化。平均粗糙度值ra与表面上的测量点到中心线的平均距离有关。中心线与参考截面内的真实轮廓相交，其方式为使得与中心线平行的平面内的轮廓偏差之和分布在测量截面的长度上。因此，平均粗糙度对应于与平均线的绝对偏差的算术平均值。
5、由于在功率半导体器件操作期间的损耗而产生强热量的功率模块需要可靠且充分的散热，以避免过高的温度。这可以通过将包括所描述的基板(作为功率模块的下部部分)的功率模块安装到用于直接液体冷却的冷却器的空腔的一个或多个开口来实现。因此，用于功率模块的基板的背面(对应于具有冷却结构的下部部分)与冷却剂直接接触，这由于不需要冷却器顶板而大幅缩短了热路径。在平坦的基板与冷却器顶板之间的额外热界面可能导致相对差的热阻。
6、通过使用包括针翅式或肋式冷却结构的基板而不是平坦的基板，可以实现散热的进一步改善。一方面，多个冷却翅片或肋的阵列扩大了基板的下部部分与流动冷却剂之间的有效区域。另一方面，多个冷却翅片或肋干扰冷却剂的流动并有助于产生湍流，使得产生湍流而不是层流，从而引起甚至更大的散热。
7、结合本公开认识到，用于功率模块的基板的传统概念涉及冷却剂的速度和种类以及冷却界面的几何形状。这种基板的冷却部分典型地形成为相对平坦、没有任何显著的粗糙度。热转换(例如，在基板背面与冷却剂之间的热转换)由两个伙伴之间(即，基板背面部分与冷却剂之间)的热转换系数决定。该参数不仅与材料本身或冷却剂流的类型有关，而且由不同的机械参数决定。结合本公开认识到，冷却部分的表面结构还可以对热表现、以及因此可以消散的热量具有显著影响。通过使用突出部或预定的最小的平均粗糙度，热转换系数可以被显著影响，从而为进一步的热改进提供了明显的潜力，并为具有如翅片或肋等冷却结构的基板提供了进一步提高的冷却效率。所描述的基板的冷却结构的粗糙表面呈现了在湍流热对流中提高热传递效率的可能性。
8、上述结构一方面有助于扩大热交换区域，另一方面支持核态沸腾(在两相的情况下)并提供壁粗糙度，该壁粗糙度支持壁附近的湍流，从而增强热交换。由于更好的散热而引起的这种改进允许更高的电流能力、通过芯片总有源面积减小的尺寸减小、由于器件的加热减少而产生的更高可靠性。当使用所提出的具有针翅或肋的结构时，一方面热界面(表面)更大，另一方面能够改进湍流流动。热量和/或流量相关参数有助于提高功率模块整体的性能。
9、根据基板的另一实施例，包括ra>1μm的平均粗糙度的给定表面结构通过蚀刻、研磨、喷砂、和激光辐照中的至少一种来形成。因此，可以制备适当粗糙的表面结构，以有益地影响功率模块的散热。制备期望表面结构的粗糙度的其他方法也是可能的。给定表面结构可以实现粗糙、波纹和/或不规则的表面结构、多孔结构和/或树枝状结构。树枝状结构可以包括分布在冷却结构的表面上的随机放置的针的针状表面。例如，树枝状、多孔、或针状结构可以与附接至上部部分和/或下部部分的涂层有关。
10、根据基板的另一实施例，给定表面结构包括涂层，使得冷却结构的经涂覆的表面包括ra>1μm的平均粗糙度。例如，涂层可以部分地或完全地覆盖呈针翅或肋的形式的冷却结构。涂层可以包括颗粒和/或多孔材料、树枝状结构和/或不规则针状，以提供ra>1μm的最小的平均粗糙度。例如，作为示例，涂层可以由镍制成，和/或可以形成具有在最大为50μm的微米范围内的厚度的层。由于镍与液体冷却剂接触，因此镍可以有助于冷却结构的防腐。因此，期望的粗糙度和/或突出的表面结构可以通过涂层和/或通过机加工下部部分上的冷却结构的表面以及可选地通过上部部分的底部表面实现的基板背面的平坦部分来制备。
11、根据基板的另一实施例，给定表面结构可以被修改为包括多个突出部，该多个突出部具有2μm或更大的相应高度，其中，两个相邻突出部的相应中心之间的节距或距离关于与表面法线垂直的侧向方向具有10μm或更大的值。可替代地，节距的距离可以具有15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm至100μm或更大的值。此外，突出部的高度可以与其他部分的高度相同或不同。可替代地，高度可以具有3μm、4μm、5μm至10μm或更大的值。这种突出部可以应用于涂层或大块材料，并且通过蚀刻或激光结构化提供用于制备规则结构的方法。
12、距离可以表示突出部的面对彼此的外表面之间的间距。节距可以表示彼此相邻的突出部的中心之间的距离。一个或多个突出部可以对于与表面法线垂直的截面形成为矩形、三角形或圆形形状或其他规则形状。此外，突出部的适于提高冷却效率的其他适用形状也是可能的。表面法线在与突出部的高度相对应的方向上定向，并且垂直于突出部从其延伸的侧向相邻表面。突出部可以根据其目的(例如，不同的群体密度)形成为规则地或不规则地分布在冷却结构的表面上。例如，突出部具有可复制的规则形状。
13、根据基板的另一实施例，给定表面结构包括具有4μm或更大的相应高度的多个突出部和ra>2μm的平均粗糙度中的至少一者。可替代地，平均粗糙度ra可以包括大于3μm、4μm、5μm至10μm或更大的值。
14、基板材料可以由铜制成或包括铜或铜合金、铝或铝合金。可替代地，基板可以由如铝碳化硅(alsic)或镁碳化硅(mgsic)等的复合材料制成或包括该复合材料。
15、根据实施例，半导体功率模块包括所描述的基板的实施例以及耦接至基板的上部部分的电子器件。基板可以形成功率模块的部件，或基板可以形成附接至功率模块的插入件或额外部件。电子器件可以包括芯片、集成电路和/或其他分立器件、开关元件(比如，igbt或功率mosfet和/或二极管)。
16、根据实施例，用于制造所描述的基板的实施例的方法包括提供具有冷却结构的下部部分，该冷却结构被配置成在功率模块操作期间接触冷却剂。该方法进一步包括提供耦接至下部部分的上部部分，以及在冷却结构的表面上形成给定表面结构，使得该给定表面结构包括多个突出部和ra>1μm的平均粗糙度中的至少一者，该多个突出部关于与冷却结构的表面垂直的表面法线具有2μm或更大的相应高度。
17、在冷却结构上形成给定表面结构可以包括通过蚀刻、研磨、喷砂、和激光辐照中的至少一种来对表面机加工。可替代地或附加地，在冷却结构上形成给定表面结构可以包括通过用给定涂覆材料部分地或完全地涂覆表面使得经涂覆的表面包括ra>1μm的平均粗糙度来对表面机加工。
18、由于所描述的半导体器件和所描述的制造方法包括或涉及生产基板的实施例，因此关于半导体器件和制造方法也公开了基板的所描述的特征和特性，反之亦然。
19、包括给定平均粗糙度和/或特别设计的突出部的所描述的粗糙表面实现了增强湍流热对流中的热传递效率或至少局部地在层流中提供湍流对流的有益方式。因此，在针翅式基板的冷却翅片的表面上实施粗糙或波纹状结构和/或突出结构可以提高热传递系数和散热。表面修改可以对针翅式基板的冷却针翅本身实施。此外，还可以对针翅式基板的上部部分的底侧的平坦部分的表面进行修改。
20、给定表面结构的实施或形成可以通过用提供粗糙结构的任何材料涂覆表面和/或通过任何表面机加工方法来完成。一方面，实现了冷却翅片或冷却结构的有效表面积的扩大。另一方面，粗糙表面结构支持支持由于湍流强度的增加而产生更有效的湍流冷却剂流，这提高了流的混合能力，因此提高了热交换。
21、主要益处与本发明的目的(即，由于冷却结构的粗糙和/或波纹表面以及因此降低的热阻而提高功率模块的散热)直接相关。这可以用于以下不同的可选改进：
22、·更高可能的散热，从而使功率模块的电流能力更高，而不用进一步的设计改变
23、·使功率半导体器件在较低温度操作时的损耗更低
24、·由于在与以前相同的电流和施加的功率下的热摆动较小，因此关于功率循环(特别是功率循环，特别是例如60秒的长循环时间)的使用寿命更长。
25、此外，通过涂覆的表面修改可以提高对冷却结构的的保护以及提高对基板背面或上部部分的底侧的防腐蚀和耐磨性的保护。基板的所描述的配置适用于直接冷却应用中的所有功率模块。