半導體組件的制作方法

半導體組件的制作方法
【專利摘要】本公開內容涉及半導體組件。一種電力電子組件以及制造電力電子組件的方法。該組件包括具有多個半導體電力電子開關部件的電力電子模塊，該電力電子模塊包括基板，電力電子組件還包括用于冷卻電力電子模塊的冷卻裝置。冷卻裝置包括被適用于附接倚靠電力電子模塊的基板的冷卻表面，其中，冷卻裝置還包括形成在冷卻表面中的、用于分散冷卻裝置中的熱以及從冷卻裝置移除熱的一個或多個熱管。電力電子組件還包括布置在電力電子模塊的基板與冷卻裝置的冷卻表面之間的碳基材料層，該碳基材料層被適用于分散半導體電力電子開關部件所生成的熱以及將熱從電力電子組件傳遞至冷卻裝置。
【專利說明】
半導體組件
技術領域
[0001]本發明涉及半導體組件，以及具體地涉及具有冷卻結構的大功率半導體組件。
【背景技術】
[0002]電力電子模塊是廣泛使用的部件，其中，在單個模塊中布置有多個電力電子開關或設備。電力電子模塊的開關在模塊內以指定方式連線，以使得電力電子模塊可以在不同電路結構中使用。這樣的電路結構例如是不同功率轉換器的功率級。出于此目的，電力電子模塊可以包括不同的半橋式、全橋式或其他橋式拓撲，其中，可控開關部件內部連接有功率二極管。電力電子模塊還包括端子，如控制端子和功率端子，其使得能夠將模塊連接至其他需要的電路系統并且可能連接至其他模塊。
[0003]電力電子模塊內部的部件通常被安裝在襯底上，該襯底熱連接至模塊的基板。基板是集成至模塊的底部的金屬片，并且基板意在附接至冷卻構件(如熱沉)的表面。模塊內部的半導體開關在開關被操作時生成熱。開關電流可以超過數百安培或者甚至數千安培，并且模塊的功率半導體的電壓阻斷能力為幾千伏特。這些半導體開關以幾千赫茲的相對高頻被進一步操作。
[0004]為了將模塊的溫度保持在容許范圍，已知將模塊附接至熱沉。這是通過將基板的平面表面附接至熱沉的對應的平面表面來實施。通過使用熱界面材料(TIM)來增強基板與熱沉之間的熱傳遞。這樣的材料或層被布置在基板與熱沉的表面之間。
[0005]最有效的熱沉之一是熱管被集成至熱沉的與電力電子模塊的基板靠近的表面的類型。熱管形成在熱沉的表面中，以分散熱沉塊中生成的熱，以使得更均勻地從熱沉向周圍移除熱。熱管在管內部的液體蒸發成氣體時以已知的方式操作以吸收熱。蒸發的氣體在管內朝向更冷的位置移動，并且再次凝結成液體，由此釋放熱。在毛細管力和重力的輔助下液體再次朝向更暖的方向移動。
[0006]盡管熱管提供了針對功率半導體模塊的良好冷卻性能，但是某些操作仍被半導體的過量散熱所限制。例如，由于冷卻制約導致采用功率半導體模塊的頻率轉換器的一些使用被限制。在功率半導體的循環操作中，已知設備采用定額過高的部件，以使得由于循環荷載導致的溫度變化被保持在容許限度中。
[0007]當需要高開關頻率的逆變器例如用于驅動高速電動機時遇到另一問題。盡管可以用所需的高頻對功率半導體進行切換，但是輸出功率必須降低以使得半導體的溫度保持在容許限度內。
[0008]在以上示例中，通過限制電子設備的性能或者將電子設備的部件定額過高，來考慮高溫或循環溫度。盡管以上解決方案使得能夠使用電子設備，但是設備的性能并未被完全利用。

【發明內容】

[0009]本發明的目的在于提供一種電力電子組件以解決以上問題。本發明的目的是通過其特征在于獨立權利要求中陳述的組件來實現。在從屬權利要求中公開了本發明的優選實施例。
[0010]本發明是基于在電力電子模塊的基板與具有一個或多個熱管的冷卻裝置的冷卻表面之間采用碳基材料層的構思。注意到，碳基材料層的屬性能夠適用于以較大表面面積分散電力電子模塊中生成的熱，以使得更有效地將熱傳遞至冷卻裝置。此外，當冷卻裝置或熱沉設置有熱管時，顯著地增強從電力電子模塊熱移除。冷卻裝置的熱管對熱負荷變化響應非常快，并且有效地分散熱，以及碳基材料層和熱管的組合操作使得能夠以有效方式利用冷卻裝置塊。當冷卻裝置塊均勻地變熱時，與熱不均勻分布的情況相比，冷卻裝置的溫度更低。這還意味著:與不分散熱的情況相比，具有分散熱的能力的冷卻裝置能夠將半導體部件的溫度保持更低。
[0011]本發明的組件的優勢在于其使得能夠增強半導體部件的冷卻。當半導體部件的冷卻增強時，使用了半導體的設備能夠在不減小設備的輸出功率的情況下承受更高開關頻率。類似地，當由于冷卻性能增強以及熱沉的熱響應時間更快而導致溫度水平和溫度變化減小時，這樣的設備可以容許更多的循環荷載。
[0012]使用碳基材料層的另一優勢在于其可以被制造成具有低硬度值。注意到，電力電子模塊的基板在循環使用期間經受形式的變化。這些變化包括基板的彎曲和扭轉。當電力電子模塊的基板具有比較大的表面面積時，基板的變形會導致影響冷卻行為的變化，這是因為在冷卻裝置與基板之間形成有間隙。
[0013]當使用低硬度值制造碳基材料時，碳基材料能夠充分地適應于變形的基板，從而填充在基板扭轉或彎曲時形成的可能的間隙。此外，除低硬度以外，可以使用足夠的厚度來制造碳基材料層，這又進而有助于填充在電力電子模塊的使用期間可能形成的間隙。
【附圖說明】
[0014]在下文中，將參照附圖借助于優選實施例來更詳細地描述本發明，在附圖中:
[0015]圖1例示了電力電子組件的基本結構；
[0016]圖2例示了經裝配的圖1的結構；
[0017]圖3示出了電力電子模塊中的半導體開關部件的布置的頂視圖的示例；
[0018]圖4示出了相對于半導體開關部件布置兩個熱管的示例；
[0019]圖5示出了圖4的橫截面；以及
[0020]圖6示出了對生成的熱的分散。
【具體實施方式】
[0021]圖1和圖2示出了根據實施例的電力電子組件的基本結構。在圖1中，將結構的主要部分示出為彼此分離，而在圖2中，裝配完成。電力電子組件包括電力電子模塊1、具有熱管的冷卻裝置2以及碳基材料層3。電力電子模塊是包括多個電力電子開關的部件。這樣的模塊用于建立切換大電流并且使用高壓的電力電子設備。操作這樣的功率半導體開關的典型方式是使部件或者完全導通或者完全阻斷，以使得電流僅在部件兩端的電壓接近零時才流經部件。盡管以使損耗最小化這樣的方式控制部件，但是一些損耗是在切換瞬間期間和傳導期間引起。開關部件的損耗使模塊生成熱，如果不從模塊移除可能對部件不利。圖1和圖2作為示例被呈現，用于更佳地理解本發明的構思。應當注意，圖1和圖2未按比例呈現組件的部件。例如，出于例示目的，在圖中將碳基材料層示出為厚塊。
[0022]為了從模塊移除熱，模塊通常以下述方式來內部構造:將熱傳遞至模塊的基板，并且通過穿過基板從部件移除熱，可以將開關部件的溫度保持在容許限度內。基板是模塊的一體部分，并且通常是金屬的以使得能夠經由基板傳遞熱。基板的物理長度在數百毫米范圍內。
[0023]為了移除熱，基板以機械方式連接至冷卻裝置的配合表面。從而冷卻裝置具有可以從電力電子模塊接收熱并且進一步傳遞熱以將半導體芯片的溫度保持在容許限度的表面。
[0024]根據本發明，冷卻裝置包括一個或多個熱管。熱管形成在冷卻裝置的冷卻表面中，用于分散冷卻裝置中的熱以及用于移除熱。
[0025]熱管中的至少之一優選地布置在冷卻表面的表面處，也就是說，熱管的表面形成冷卻裝置的冷卻表面的一部分。從而至少一個熱管在冷卻裝置的表面中可視。因為優選使冷卻表面平坦，所以至少一個熱管以使得熱管的表面平坦的方式被形成，同時表面的其余部分未留下可以隱藏熱連接的間隙。
[0026]冷卻裝置可以包括熱管，熱管在冷卻裝置內部用于分散發熱塊內部的熱。熱沉或類似的冷卻裝置可以被用機器制造成包括可以以期望方式將熱管安裝至其的鉆孔或腔。
[0027]根據本發明的一方面，熱管被布置在電力電子模塊的半導體開關部件的基本下方，以使得至少兩個半導體部件位于與同一熱管靠近。圖3示出了電力電子模塊中的半導體芯片的布置的簡化示例。圖3是從模塊的頂部看到的例示，其示出了基板33、兩個IGBT芯片32以及兩個二極管芯片3UIGBT芯片比二極管芯片稍微大，并且還具有比二極管芯片更高的損耗。
[0028]圖4示出了具有兩個熱管40的冷卻裝置。圖4還示出了當模塊和冷卻裝置34安裝至彼此時圖3的半導體芯片31和32相對于熱管的布置。圖4中看到，熱管被對齊以使得一個IGBT和一個二極管與每一個熱管靠近。靠近意為半導體芯片如圖5中所示布置在熱管上方，圖5是在半導體開關的點處圖4的示例的橫截面。已知與IGBT:s相比二極管通常生成較少熱量。因此，當在二極管的損耗引起熱的區域中對IGBT生成的熱也進行分散時冷卻結構塊被有效地使用。
[0029]圖5示出了在半導體開關芯片31和32下方的熱管40。半導體開關位于功率半導體模塊52中，并且被示出在模塊的殼體53內部。圖5還示出了具有冷卻葉片或冷卻肋片51的冷卻裝置34以及碳基材料層50。出于例示原因，功率半導體模塊52、冷卻裝置34及碳基材料層50彼此分咼。
[0030]根據本發明，電力電子組件包括碳基材料層，碳基材料層布置在電力電子模塊的基板與冷卻裝置的冷卻表面之間。碳基材料層被適用于分散半導體電力電子開關部件生成的熱以及將熱傳遞至冷卻裝置。
[0031]碳基材料優選地為單獨的層的形式，在組件的安裝期間，碳基材料可以被放置在基板與冷卻表面之間。碳基材料優選地為厚度在75μπι至250μπι范圍的軟質層的形式。碳基材料優選地為天然石墨、熱解石墨或人造石墨。
[0032]材料的柔軟度和厚度允許其在模塊附接至冷卻表面期間適應并充分填充電力電子模塊的基板的表面與冷卻裝置的冷卻表面的表面之間的間隙。
[0033]電力電子模塊操作和操作期間的電力循環使基板彎曲和/或扭轉。這意味著電力電子模塊基板與冷卻表面之間的距離變化，從而引起各部分之間的變化的熱阻。然而，以上描述的材料具有補償變形的基板至電力電子模塊冷卻的負面效應的特定屬性。這些材料屬性包括依賴于情況的充分的初始厚度，并且非常小的硬度(以Shore(肖氏)00計小于10)使得材料能夠適應并填充電力電子模塊的基板的表面與冷卻表面的表面之間的間隙。
[0034]碳基材料的非常低的硬度的另外的優勢在于電力電子模塊的固定用螺釘不需要在裝配之后重新上緊。裝配中很難存在可以隨時間釋放并且引起松散緊固的任何其余張力。
[0035]此外，碳基材料具有充分高的面內熱導率(>200W/mK)以及全厚度(through-thickness)熱導率(>3W/mK)。在操作期間，面內熱導率和全厚度熱導率的組合效果有效地平衡由于可能形成的空氣間隙引起的局部熱阻增大。
[0036]碳層包含足夠小的(納米)粒子，這些粒子可以穿透并且填充基板和冷卻表面的表面結構。此外，例如，碳材料尤其是石墨與金屬相比具有良好潤滑性能。該性能使得碳層能夠承受與在裝配和操作期間電力電子模塊的變形有關的機械力。材料保持就位并且不被撕裂成片。
[0037]圖6示出了從半導體芯片31和32至周圍空氣的熱傳遞。當在功率半導體模塊使用期間半導體芯片變熱時，通過基板將熱傳遞至碳基材料層50，碳基材料層50作用為基板與冷卻裝置之間的熱界面。如以上提到的那樣，碳基材料層在全厚度和面內兩個方向具有良好的熱傳導率。當熱被傳遞至冷卻裝置時，熱還遍布于碳基材料層，這增大了從基板的熱傳遞并且有助于冷卻功率半導體。被布置成與功率半導體靠近的熱管40在與功率半導體最靠近的區域內變熱61，并且在變熱的點附近的熱管內的液體吸收熱并且蒸發，開始朝向管內部的較冷位置流動62。一旦氣體的溫度降低，就向周圍的冷卻裝置塊釋放熱63，并且將其相再次改變成液體。在二者都分散熱的碳基材料層和熱管的輔助下，冷卻裝置塊均勻地變熱。
[0038]熱從冷卻裝置的表面被進一步移除64至周圍空氣，并且通常通過使用葉片或肋片獲得充分的熱傳遞率，以及可以通過使用鼓風機來保持空氣在葉片或肋片中移動來增強熱的移除。為了更好地理解該過程，圖6中的熱傳遞用箭頭以及所提及的附圖標記示出。盡管圖6示出了僅使用熱管從半導體開關移除熱，但是應當理解碳基材料層分散所生成的熱并且還將熱從基板傳遞至冷卻裝置。
[0039]在以上示例中，一個或多個熱管被示出為布置在冷卻裝置的某水平面，即從冷卻裝置的頂部至熱管的距離相同的水平面。清楚的是，當熱管在冷卻裝置的冷卻表面的表面中時，至熱管的熱傳遞最大。然而，為了分散冷卻裝置塊中的熱，可取的是使用不同定向來布置一個或多個熱管。例如，熱管可以布置在不同水平面和不同定向。第一部分熱管可以在冷卻裝置的表面處布置在第一方向，第二部分熱管可以布置成垂直于第一部分熱管以使得第二部分熱管完全地位于冷卻裝置內部。熱管從而可以位于冷卻裝置中的多個水平面中。
[0040]熱管中的一個或多個還可以位于相對于冷卻裝置的冷卻表面偏離零的角度處。在這種情況下，熱管的一端可以被布置在冷卻表面的表面處，而另一端在冷卻裝置內部更深。
[0041]此外，熱管的一端可以脫離冷卻結構，并且可以被布置在冷卻裝置的冷卻葉片或冷卻肋片中。在這樣的布置下，使用熱管將熱從冷卻裝置塊帶出。在這種情況下，熱管具有彎曲形狀。在冷卻裝置塊內部或在冷卻表面的表面處熱管還可以具有彎曲形狀。
[0042]電力電子組件通常在電力電子設備中使用。本發明的電力電子設備包括本發明的一個或多個電力電子組件。電力電子設備例如是轉換器、逆變器、頻率轉換器或任何其他大功率設備。通常，電力電子設備是輸出要向負載供應的受控電壓或電流的設備。電力電子組件包含電學端子，如控制端子和輸出端子，電力電子組件可以使用這些電學端子耦接至其他電路結構并且啟用電路的操作。
[0043]本發明的方法使得能夠制造電力電子組件。在該方法中，提供了電力電子模塊和具有一個或多個熱管的冷卻裝置。電力電子模塊包括基板，以及冷卻裝置包括冷卻表面。在該方法中，在電力電子模塊的基板與冷卻裝置的冷卻表面之間設置碳基層。電力電子模塊還被使用緊固器件緊固至冷卻裝置。緊固器件優選地為螺釘或螺栓，使用其將組件的部件穩固地保持在一起。螺釘或螺栓被擰緊至特定扭矩，該扭矩取決于模塊并且通常由電力電子模塊的制造商給出。通常，電力電子模塊包括通孔，螺栓通過通孔可以被裝配。冷卻裝置具有對應的螺紋孔，螺栓可以附接至螺紋孔以使得配合表面穩固地彼此抵接。本發明的組件不需要對基板、冷卻表面的任何修改或對模塊和冷卻裝置的緊固的任何修改。
[0044]根據實施例，碳基層的厚度以下述方式變化:使得與距模塊和冷卻裝置的固定點更遠的位置相比，在靠近固定點處的區域中，層更薄。在這樣的非均勻層中，在表面的中心區域中，表面之間的壓力更大。這還意味著材料填充在電力電子組件的使用期間形成的間隙的能力增強。
[0045]以上提及的性能的聯合效應使碳成為一種在電力電子模塊的基板與冷卻裝置的冷卻表面之間的非常好的熱界面材料。這種類型的材料具有非常良好的熱傳遞性能，并且也被證明具有優良使用壽命。如以上所提及的那樣，碳基層還在平面方向有效地分散熱，并且由此與本發明的熱管一起工作以將熱均勻地分散至冷卻裝置塊。
[0046]已經發現碳基??Μ材料提供與金屬箔、散熱管及相變??Μ類似的熱傳導性能。碳基??Μ尤其是石墨??Μ比其他替選的決定性優勢在于其確保剪切負荷并保持足夠良好的熱接觸的能力。剪切負荷是由功率循環以及熱界面上熱擴張的系數的不匹配引起。
[0047]在說明書中，將模塊的半導體部件統稱為二極管和IGBT:n。然而清楚的是，電力電子模塊可以保持由于高損耗而需要冷卻的任何其他大功率開關部件。
[0048]在說明書中，使用相對術語用于指示特定部件和部分相對于其他部件和部分的關系。所使用的這樣的相對術語的示例包括下方、頂部和上方。參照附圖，這些術語的含義是清楚的。例如，當半導體芯片被放置在熱管上方時，部件的組成是使得熱沉是將冷卻表面與熱管水平定向的較低部件，并且半導體部件在水平延伸的熱管上方。盡管附圖示出了組件的定向為使得冷卻結構是最低的部件，然而組件的定向不限于該定向。
[0049]對于本領域技術人員明顯的是，隨著技術進步，發明構思可以以各種方式來實現。本發明及其實施例并不限于以上描述的示例，而是可以在權利要求的范圍內變化。
【主權項】
1.一種電力電子組件，包括具有多個半導體電力電子開關部件的電力電子模塊，所述電力電子模塊包括基板， 所述電力電子組件還包括用于冷卻所述電力電子模塊的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括被適用于附接倚靠所述電力電子模塊的基板的冷卻表面，其中， 所述冷卻裝置還包括形成在所述冷卻表面中的、用于分散所述冷卻裝置中的熱以及從所述冷卻裝置移除熱的一個或多個熱管，以及 其中，所述電力電子組件還包括布置在所述電力電子模塊的所述基板與所述冷卻裝置的所述冷卻表面之間的碳基材料層，所述碳基材料層被適用于分散所述半導體電力電子開關部件生成的熱以及將熱從所述電力電子組件傳遞至所述冷卻裝置。2.根據權利要求1所述的電力電子組件，其中，所述碳基材料層是天然石墨、熱解石墨或人造石墨的單獨的層。3.根據權利要求1或2所述的電力電子組件，其中，所述碳基材料層的厚度在75μπι至250ym的范圍內。4.根據權利要求1、2或3所述的電力電子組件，其中，所述碳基材料層的硬度為以肖氏00計小于10。5.根據前述權利要求1至4中任一項所述的電力電子組件，其中，所述一個或多個熱管中的至少之一布置在所述冷卻裝置的所述冷卻表面的表面處。6.根據前述權利要求1至5中任一項所述的電力電子組件，其中，當從所述電力電子模塊的方向看時，所述一個或多個熱管中的至少之一布置在所述電力電子模塊的至少一個電子開關部件下方。7.根據前述權利要求1至6中任一項所述的電力電子組件，其中，當從所述電力電子模塊的方向看時，所述一個或多個熱管中的至少之一布置在所述電力電子模塊的兩個電子開關部件下方，并且優選地，所述兩個電子開關部件具有不同功耗。8.根據前述權利要求1至7中任一項所述的電力電子組件，其中，所述組件包括至少兩個熱管，并且其中，所述熱管在所述冷卻裝置中以不同水平面和/或不同定向布置。9.根據前述權利要求1至8中任一項所述的電力電子組件，其中，所述一個或多個熱管中的至少之一被布置在相對于所述冷卻裝置的所述冷卻表面偏離零的角度處。10.根據前述權利要求1至9中任一項所述的電力電子組件，其中，所述電力電子模塊的多個半導體電力電子部件中的至少之一被額定成在數百安培范圍內的電流。11.根據前述權利要求1至10中任一項所述的電力電子組件，其中，所述電力電子模塊的基板的長度在超過100毫米的范圍內。12.—種電力電子設備，包括一個或多個根據前述權利要求1至11中任一項所述的電力電子組件。13.根據權利要求12所述的電力電子設備，其中，所述電力電子設備是頻率轉換器。14.一種制造電力電子組件的方法，包括以下步驟: 提供結合多個半導體電力電子開關部件的電力電子模塊，所述電力電子模塊包括基板； 提供用于冷卻所述電力電子模塊的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括冷卻表面和一個或多個熱管，所述冷卻表面被適用于附接倚靠所述電力電子模塊的基板，所述一個或多個熱管用于分散所述冷卻裝置中的熱以及從所述冷卻裝置移除熱； 在所述電力電子模塊的所述基板與所述冷卻裝置的所述冷卻表面之間提供碳基材料層，所述碳基材料層被適用于分散所述半導體電力電子開關部件生成的熱以及將熱從所述電力電子組件傳遞至所述冷卻裝置；以及 使用緊固器件將所述電力電子模塊緊固至所述冷卻裝置。
【文檔編號】H01L23/373GK106067453SQ201610262614
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月25日 公開號201610262614.6, CN 106067453 A, CN 106067453A, CN 201610262614, CN-A-106067453, CN106067453 A, CN106067453A, CN201610262614, CN201610262614.6
【發明人】米卡·西爾文諾伊寧, 約爾馬·曼尼寧, 尤哈·馬丁馬
【申請人】Abb技術有限公司