功率半导体模块以及用于冷却功率半导体模块的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率半导体模块，并且特别地涉及对功率半导体模块的冷却。
【背景技术】
[0002]在较低功率范围内的电力电子器件(例如，额定功率小于约50kW的器件)通常基于印刷电路板(PCB)结构。主电路和信号电子线路两者的导电迹线都可以集成至PCB中。电气部件例如半导体开关、无源部件以及集成电路(1C)通常通过焊接附接至PCB的表面。通过使用PCB，可以降低大规模生产的成本，同时可以增加器件紧凑度。
[0003]随着更多的部件被集成至PCB，PCB的单位面积功耗也会增加。此外，在PCB上的部件可能有不同的冷却要求，特别是在PCB包括埋置的功率半导体的情况下更是如此。因此，在PCB上可能出现局部热点。图1示出了包括六个IGBT 11和六个二极管12的典型三相逆变器模块构造的示例性实施方式，其中每个芯片被烧结至铜基板的一个表面。在图1中，将固定均匀的冷却条件(6000W/cm2K)施加至封装件的相反表面。尽管冷却速率较高，但是由于IGBT与二极管之间的不均匀散热，热点在封装件中是普遍的。
[0004]在封装件的使用期内，不均匀的热状况可能在PCB封装件中引起热应力和热疲劳，这可能导致力学破坏，例如，脱层或开裂。
[0005]在高传热系数和局部热点管理为主要需求的一些热管理领域(例如，电子封装和光子学)中，已经考虑了微流体夹层。然而，微通道可能制造起来复杂。此外，微通道实施通常涉及特定的模块设计/封装件设计，并且对于其他封装件设计可能是不可实施的。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种功率半导体模块以及用于半导体模块的冷却方法，以减轻以上缺点。通过其特征在于独立权利要求中所述的特征的方法和模块来实现本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
[0007]可以在PCB基模块中使用热传导泡沫(TCF)以用于对流热管理。利用TCF，可以实现冷却剂的有效流动控制以及随后的热点冷却。可以将TCF层置于PCB基板中，并且该夹层可以用于将冷却剂的流动引导至封装件的特定区，以便于提高与埋置部件的对流传热。与在微通道结构中的情况不同，可以通过泡沫的孔隙率来控制冷却剂流动路径，借以迫使冷却剂流动至具有较低的体积密度(即，较高的孔隙率)并且因而具有较低的流阻的区域。TCF层可以形成与芯片引线框直接或间接接触的特定插入层。
[0008]可以通过改变TCF的空间孔隙率来控制冷却剂的流动，由此实现热点冷却。例如，可以借助于预制TCF层来给每个封装件赋予特定的流动路径。TCF层可以被预设计成在热点普遍的芯片正下方具有增强的冷却。因此，可以实现在封装件内的更均匀的热通量并且因而减少与热相关的失效。这样的实施还可以降低封装件的热阻Rth[3]。另外，还可以控制孔隙方向(例如，沿流动方向的孔隙伸长度)以使压降最小化。
[0009]所公开的冷却设计具有高的可制造性:其不需要昂贵的通过基板的通道路线，这减少了板内诱导热应力和制造时间。所公开的冷却设计由于TCF材料的低用量而具有最低的材料成本。得到的冷却件重量轻并且具有良好的力学性能和结构性能。
【附图说明】
[0010]下面将参照附图通过优选实施方式更详细地描述本发明，其中
[0011]图1示出了包括六个IGBT和六个二极管的典型三相逆变器模块构造的示例性实施方式，其中每个芯片被烧结至铜基板的一个表面；
[0012]图2(a)至图2(c)示出了示例性铝泡沫块的细节；
[0013]图3示出了根据本公开内容的功率半导体模块的简化的示例性实施方式；
[0014]图4示出了其中引线框和热传导泡沫层被形成为单一件的实施方式；以及
[0015]图5(a)和图5(b)示出了具有多个热传导泡沫岛的简化的示例性实施方式。
【具体实施方式】
[0016]本公开内容提出了一种包括印刷电路板(PCB)的功率半导体模块。该PCB包括埋置至印刷电路板内的热传导泡沫(TCF)和至少一个功率半导体器件。例如，功率半导体器件可以是二极管或半导体开关。热传导泡沫是指一种多孔材料，其是热传导的并且可以使冷却剂通过。例如，热传导泡沫可以是由铝或铜制成的开孔金属泡沫。
[0017]图2(a)至图2(c)示出了示例性铝泡沫块的细节。图2 (a)示出了铝泡沫块，其尺寸为10.0cmX4.0cmX 1.5cm，并且孔隙率为92% (每线性英寸10个孔隙=6.9mm孔隙直径)。图2(b)示出了图2(a)中的泡沫块的单个孔隙的放大图。在图2(b)中，孔隙尺寸(即，孔隙的近似直径)为7mm。图2(c)示出了图2(a)中描绘的示例性铝泡沫块，但是现在其总体积被压缩至四分之一，这将孔隙率从92%降低至76% [1]。
[0018]功率半导体器件和TCF被定位成彼此堆叠。TCF被布置成形成对功率半导体器件进行冷却的冷却剂的路径。为了冷却功率半导体器件，供应冷却剂穿过热传导泡沫。泡沫从功率半导体器件传导热并通过对流将热传递给冷却剂。可以将TCF层置于PCB基板中，并且该夹层可以用于将冷却剂的流动引导至封装件的特定区以便于提高与埋置的一个部件或多个部件的对流热传递。
[0019]在根据本公开内容的模块中的TCF层可以被预设计成在期望位置处(例如，在引起热点的芯片的正下方)具有增强的冷却。可以通过改变TCF的(空间)孔隙率来控制冷却剂流动路径，这实现了局部热点冷却。例如，TCF层可以包括平均孔隙尺寸不同的部分。例如，可以通过压缩TCF来控制平均孔隙尺寸和孔隙密度。例如，可以将与图2 (a)至图2 (c)中所示的TCF块类似的一个/多个预制的TCF块集成至PCB中。
[0020]可以引导冷却剂流动至具有较低体积密度的区。例如，离功率半导体器件最近的泡沫部分可以具有较大的平均孔隙尺寸，以便于在离功率半导体器件最近的泡沫部分中实现较大流量的冷却剂。可以借助于预制的TCF层来给每个封装件赋予特定的流动路径。
[0021]另外，可以将TCF制作成对于冷却剂沿一个方向比沿另一方向更可渗透。可以控制孔隙方向(例如，沿流动方向的孔隙伸长度)来使压降最小化。为了在根据本公开内容的模块中实现更加均匀的热分布，还可以控制泡沫的热导率。例如，根据本公开内容的功率半导体模块可以包括含有热导率不同的部分的TCF层。例如，使用直径在两个不同尺寸范围内的石墨颗粒的牺牲式孔隙形成工艺可以修改泡沫基板，使得在孔隙率上可以出现结构各向异性，影响了热导率、流动路径和局部热性能[2]。
[0022]图3示出了根据本公开内容的功率半导体模块的简化的示例性实施方式。在图3中，示出了具有埋置的芯片和TCF层的PCB封装件31的横截面。PCB 31可以包括多个预浸料层。
[0023]在图3中，在模块的PCB 31中埋置有第一功率半导体器件32的芯片。例如，第一功率半导体器件32可以是IGBT或功率M0SFET。另外，在PCB 31中埋置有第二功率半导体器件33的芯片。例如，第二半导体器件可以是二极管。例如，器件32和器件33可以一起形成三相逆变器的一个支路的上桥臂或下桥臂。图3示出了形成至PCB 31中的铜过孔40和铜迹线41。例如，铜过孔和铜迹线可以连接至半导体并用作导电体。