半导体功率装置、半导体功率系统和用于冷却半导体功率装置的方法与流程

本公开涉及一种半导体功率装置和一种用于冷却半导体功率装置的方法。本公开进一步涉及一种对应的半导体功率系统。

背景技术：

1、功率模块例如用于汽车逆变器中，并且需要用于液体冷却的冷却器以在操作期间耗散热量。这种冷却器固定到功率模块，并且可能需要附加的部件来设立稳定的连接和紧密且可靠的密封。

2、需要提供一种半导体功率装置，其在操作期间改进并促成半导体功率装置的功率模块的可靠且有效的热耗散。

技术实现思路

1、本公开的实施例涉及一种半导体功率装置，其具有功率模块和实现有效且可靠的热耗散的冷却概念。本公开的实施例还涉及一种用于冷却这种半导体功率装置的对应方法和一种对应的半导体功率系统。

2、根据实施例，半导体功率装置包括功率模块，该功率模块具有上表面以及与上表面相对的下表面。半导体功率装置进一步包括壳体，该壳体布置在功率模块的上表面上，从而在功率模块和壳体之间限定用于对功率模块进行液体冷却的上部流动区段。上部流动区段包括入口、出口以及在入口和出口之间的给定的上部流动路径，该上部流动路径被配置成使得有效的上部流动方向是预定义的。半导体功率装置进一步包括冷却单元，该冷却单元布置在功率模块的下表面上，从而在冷却单元内部和/或在功率模块和冷却单元之间限定用于对功率模块进行液体冷却的下部流动区段。下部流动区段包括入口、出口以及在入口和出口之间的给定的下部流动路径，该下部流动路径被配置成使得有效的下部流动方向是预定义的。半导体功率装置被配置成使得在操作期间冷却剂流过上部流动区段和下部流动区段，从而提供对功率模块的双面液体冷却，其中，有效的上部流动方向不同于有效的下部流动方向。

3、通过使用所描述的配置，半导体功率装置是可行的，其在功率模块的操作期间促成可靠且有效的热耗散。除其他外，半导体功率装置适合于高电压应用(例如，至少0.5kv的电压)中使用的功率模块。也可以组装所描述的具有壳体和壳体内部的上部流动路径的上部结构以补充现有的功率封装，从而实现对相应的功率模块的双面液体冷却。

4、功率模块通常包括电子器件，电子器件可包括端子、芯片、集成电路和/或其他分立装置。芯片或其他装置通常例如安装到功率模块的隔离基板、绝缘金属底板、印刷电路板或引线框。尤其地，电子器件可以包括功率半导体芯片，比如igbt、功率mosfet、jfet、hemt和/或二极管。所描述的基板设置然后可选地安装到底板或结合底板(例如，在绝缘金属底板的情况下)；也可能的是，不使用底板并且基板的背面与冷却介质直接接触。

5、在本公开的上下文中发现，例如，最高芯片温度及因此热耗散能力是在应用中常规功率半导体模块的电流能力的限制因素。高电流能力减少了客户应用中所需的功率模块的数量。替代地，可以减少功率模块中的芯片(例如，在碳化硅装置的情况下，这些芯片非常昂贵)的数量以实现功率模块的成本降低。然而，可以由功率半导体模块实现可靠的热耗散，例如借助于安装或联接到冷却器的特定底板结构。底板可以形成功率模块的一部分。然而，在常规概念中，热耗散仅发生在底板的背面上，使得热路径相当长。

6、由于半导体功率装置的所描述的配置所致，即使在只有一个单一冷却器的情况下，对功率模块的双面冷却在低成本下也是可行的，例如与其中通过将模块布置在两个冷却器或冷却路径之间来实现双面冷却的设置形成对比。上部流动区段和下部流动区段不仅在功率模块的底面或背面上而且在顶面上都能实现高效的热耗散。

7、上部流动区段和下部流动区段、上部流动路径和下部流动路径、以及上部流动方向和下部流动方向与半导体功率装置的各部分相对于组装状态和对应的堆叠方向的位置和/或取向有关。因此，堆叠方向可实现准备操作的半导体功率装置的竖直方向，而横向方向可实现垂直于堆叠方向的方向。

8、根据实施例，上部流动区段和下部流动区段被配置成使得有效的上部流动方向和有效的下部流动方向至少在区段中是相反或反平行的。替代地或附加地，有效的上部流动方向和有效的下部流动方向可彼此不同，使得它们至少在区段中是垂直的。有效的上部流动方向和有效的下部流动方向可由流过相应的流动路径的对应冷却液的主体积流的方向限定。替代地或附加地，有效的上部流动方向和有效的下部流动方向可由与流过相应的流动路径的冷却剂的冷却加权平均值有关的方向限定。替代地或附加地，有效的上部流动方向和有效的下部流动方向可由相关联的上部流动区段和下部流动区段的对应入口和出口的位置限定。然而，在上部流动区段中和在下部流动区段中可存在基本上具有相同流动方向的部分。但主要地，有效的上部流动方向不同于有效的下部流动方向。例如，上部路径和下部路径的有效的流动方向相差最小90°。然而，有效的上部流动方向和有效的下部流动方向之间的低于90°的替代性角度也是可能的。

9、根据半导体功率装置的另外的实施例，上部流动区段的入口和下部流动区段的出口彼此流体地连接。因此，上部流动路径和下部流动路径可以实现用于冷却剂的公共连续流动通道，以在操作期间耗散来自功率模块的热量。例如，下部流动区段的入口和上部流动区段的出口布置在半导体功率装置的同一侧处，使得上部流动路径和下部流动路径基本上形成u形流动通道。例如，功率模块包括底板或基板或者由底板或基板支撑，并且进入上部流动路径中的入口和离开下部流动路径的出口由在预定位置处穿透底板或基板的开口或凹部(例如，呈钻孔的形式)形成。替代地，上部流动路径和下部流动路径可以实现彼此流体地分离的相应的流动通道。

10、考虑到上述堆叠方向并且关于沿着横向方向之一的侧视图，冷却剂可以例如通过下部流动区段的入口(该入口在冷却单元的壳体的右侧壁处)而进入下部流动区段，并且可以通过下部流动区段的出口(该出口在左侧壁处或旁边)而离开下部流动区段或者在左侧处被向上引导而进入上部流动区段。例如，上述或另一种冷却剂可以通过上部流动区段的入口(该入口可形成在左侧壁处)或从下方穿过下部流动区段的出口而进入上部流动区段，并且可以通过上部流动区段的出口(该出口可形成在半导体功率装置的右侧壁处或旁边)而离开上部流动区段。因此，有效的下部流动方向指向左侧，而有效的上部流动方向指向右侧。如果下部流动区段的出口形成上部流动区段的入口，则冷却剂的有效的流动方向经历方向改变，并且有效的下部流动方向和有效的上部流动方向是反平行或相反的。

11、根据另外的实施例，半导体功率装置包括冷却结构，该冷却结构具有布置在上部流动路径和/或下部流动路径内部的针翅(pin-fin)区域、肋、切削式结构和曲折通道中的至少一者。这种附加的冷却结构例如促成表面增强和/或形成预期的湍流，并且可以有益地影响热耗散。

12、根据半导体功率装置的另外的实施例，上部流动路径包括流动通道，该流动通道的高度相对于半导体功率装置的例如从下部流动区段指向上部流动区段的堆叠方向为下部流动路径的流动通道的高度的至少10％。替代地或附加地，上部流动区段和下部流动区段的流动通道的尺寸可以就流过相应的流动通道的冷却剂的宽度、长度、体积和/或质量流量而言被置于彼此相对。例如，就上述特性中的一者或多者而言，上部流动路径的所述一个或多个流动通道基本上等于下部流动路径的所述一个或多个流动通道。

13、根据半导体功率装置的另外的实施例，壳体形成为围封功率模块的树脂和/或凝胶包封物(encapsulation)，并且其中，上部流动路径形成为嵌入于该包封物中。壳体可以形成为模制或罐封树脂或凝胶的树脂体，并由此形成实现半导体功率装置的上部部分的模制功率封装。包封物可以实现具有框架和盖的壳体，框架和盖形成空腔，该空腔由凝胶或树脂填充，例如在灌封过程中。替代地，包封物或壳体可以实现为模制封装，其中，包封物在模制过程中由树脂材料形成，例如借助于传递模制。上部流动路径可以包括直接在包封物内部形成预定的管路系统的一个或多个流动通道。替代地或附加地，上部流动路径可以包括形成预定的流动方向的引导元件，诸如壁、板、管和/或壳体元件。

14、根据半导体功率装置的另外的实施例，上部流动路径和/或下部流动路径由包括铜、铜合金、铝和铝合金中的至少一者的壁限制。例如，在半导体功率装置的下部部分处的冷却器单元的壳体由铝制成，并且上部流动路径包括形成由铜制成的管路系统的一个或多个流动通道。上部流动路径与基板或芯片电隔离，例如通过在两者之间的隔离元件或片材或者通过由电隔离材料制成的上部流动路径。

15、根据半导体功率装置的另外的实施例，功率模块包括电子器件(比如，芯片)以及基板金属化物(metallization)和隔离陶瓷片材，并且上部流动路径被配置成使得在操作期间冷却剂与电子器件和基板金属化物中的至少一者热接触。由于与发热元件的紧密或直接接触所致，可以有益地执行热耗散。例如，上部流动路径实现或包括冷却流动通道，该冷却流动通道与芯片表面或对应的平面连接件或者与功率模块的基板金属化物或由陶瓷或树脂制成的隔离片材的表面热接触和/或机械接触，以耗散热量。这种上部冷却通道还可允许冷却端子的热临界部分。

16、根据半导体功率装置的另外的实施例，上部流动路径包括彼此分离的至少两个流动通道。附加地，可以存在布置成分离两个相邻的流动通道的隔离元件。例如，可以存在隔离材料的片材，这些片材布置在上部流动路径的附加的冷却流动通道和功率模块的各部分之间。因此，实现了安全的热耗散。此外，相应的隔离界面可以布置在上部冷却路径和下面进行接触的基板或芯片之间。替代地或附加地，上部冷却通道本身可由隔离材料自身制成。

17、根据半导体功率装置的另外的实施例，上部流动区段被配置成使得上部流动路径的顶壁从壳体暴露。例如，上部流动区段的附加的冷却流动通道的顶表面从模制功率模块的封装体暴露或在封装体上方突出，这可以进一步促成有效且可靠的热耗散。替代地或附加地，上部流动路径可以布置在壳体的顶部上，使得上部流动路径可与散热器的暴露部分或端子接触，尤其是在模制功率封装中。

18、根据实施例，半导体功率系统包括所描述的半导体功率装置的第一实施例、以及所描述的半导体功率装置的第二实施例。第一半导体功率装置和第二半导体功率装置的相应的上部流动区段和下部流动区段彼此流体地连接。半导体功率系统还可以包括所描述的半导体功率装置的第三或更多的另外的实施例，它们彼此流体地联接以分别形成连续的上部流动路径和下部流动路径或者上部流动区段和下部流动区段。

19、根据半导体功率系统的实施例，第一半导体功率装置的下部流动区段流体地连接到第二半导体功率装置下部流动区段。第二半导体功率装置的下部流动区段进一步流体地连接到第二半导体功率装置的上部流动区段，并且第二半导体功率装置的上部流动区段流体地连接到第一半导体功率装置的上部流动区段。因此，第一半导体功率装置和第二半导体功率装置的相应的上部流动区段和下部流动区段可以形成流体串联回路或连接。

20、根据半导体功率系统的另外的实施例，第一半导体功率装置和第二半导体功率装置的相应的冷却单元形成为公共连续冷却器，使得第一半导体功率装置和第二半导体功率装置的下部流动区段形成公共下部流动区段。第一半导体功率装置和第二半导体功率装置的相应的上部流动区段借助于流连接区段和一个或多个密封构件(例如，呈o形环的形式)彼此流体地连接。这些半导体功率装置中的每一者可以包封到自己的或公共的模块壳体或包封物中。

21、根据实施例，一种用于冷却所描述的半导体功率装置的实施例的方法包括：提供至少一种冷却剂以用于对功率模块进行液体冷却；以及将所述至少一种冷却剂馈送到下部流动区段的下部流动路径中。该方法进一步包括：将所述至少一种冷却剂或另外的冷却剂馈送到上部流动区段的上部流动路径中，使得在操作期间相应的冷却剂流过下部流动区段和上部流动区段并提供对功率模块的双面液体冷却，其中，有效的上部流动方向不同于有效的下部流动方向。

22、由于所描述的半导体系统和所描述的冷却方法包括冷却半导体功率装置的实施例或与其有关，因此也关于半导体系统和冷却方法公开了半导体功率装置的所描述的特征和特性，且反之亦然。

23、半导体功率装置的所描述的实施例和用于液体冷却的一个或多个附加流动通道的集成对于制造商但同样对于消费者实现了以下益处中的一者或多者：

24、·功率模块的热阻显著降低，从而导致改进热耗散。因此，功率模块在给定的最高芯片温度下的电流能力显然更高。因此，可以减少客户应用中所需的功率模块的数量，和/或可以减少集成在功率模块中的芯片的数量。这可以进一步要么导致可靠性的提高和/或要么导致成本降低。

25、·由于下部流动路径和附加的上部流动路径实现了主流动路径中的不同(例如，反平行)冷却剂流动方向，因此关于半导体功率系统的功率模块布置中的最热芯片和最冷芯片之间的温差，功率模块自身内部的芯片温度但同样例如布置成一排的多个功率模块的芯片温度是相等的或更均匀的。可以降低功率模块中或多个功率模块的布置中的最热芯片的温度，该温度限制最大施加功率。

26、·可获得关于冷却器产品的更多附加值，从而导致提高对于客户的实用性及因此商业保护。

27、半导体功率装置的所提出的结构与常规装置兼容，并且可以添加到常规装置。例如，铜金属化物可以附接到功率模块的陶瓷基板的顶表面，以借助于内部陶瓷通道和铜金属化物形成上部流动通道。因此，根据本公开的所描述的半导体功率装置适用于几种现有的和未来的产品，尤其是在用于电动汽车的汽车产品领域中，比如单模块或six-pack设置、以及下一代冷却器。