半导体组件的制作方法
【专利摘要】本公开内容涉及半导体组件。一种电力电子组件以及制造电力电子组件的方法。该组件包括具有多个半导体电力电子开关部件的电力电子模块，该电力电子模块包括基板，电力电子组件还包括用于冷却电力电子模块的冷却装置。冷却装置包括被适用于附接倚靠电力电子模块的基板的冷却表面，其中，冷却装置还包括形成在冷却表面中的、用于分散冷却装置中的热以及从冷却装置移除热的一个或多个热管。电力电子组件还包括布置在电力电子模块的基板与冷却装置的冷却表面之间的碳基材料层，该碳基材料层被适用于分散半导体电力电子开关部件所生成的热以及将热从电力电子组件传递至冷却装置。
【专利说明】
半导体组件
技术领域
[0001]本发明涉及半导体组件，以及具体地涉及具有冷却结构的大功率半导体组件。
【背景技术】
[0002]电力电子模块是广泛使用的部件，其中，在单个模块中布置有多个电力电子开关或设备。电力电子模块的开关在模块内以指定方式连线，以使得电力电子模块可以在不同电路结构中使用。这样的电路结构例如是不同功率转换器的功率级。出于此目的，电力电子模块可以包括不同的半桥式、全桥式或其他桥式拓扑，其中，可控开关部件内部连接有功率二极管。电力电子模块还包括端子，如控制端子和功率端子，其使得能够将模块连接至其他需要的电路系统并且可能连接至其他模块。
[0003]电力电子模块内部的部件通常被安装在衬底上，该衬底热连接至模块的基板。基板是集成至模块的底部的金属片，并且基板意在附接至冷却构件(如热沉)的表面。模块内部的半导体开关在开关被操作时生成热。开关电流可以超过数百安培或者甚至数千安培，并且模块的功率半导体的电压阻断能力为几千伏特。这些半导体开关以几千赫兹的相对高频被进一步操作。
[0004]为了将模块的温度保持在容许范围，已知将模块附接至热沉。这是通过将基板的平面表面附接至热沉的对应的平面表面来实施。通过使用热界面材料(TIM)来增强基板与热沉之间的热传递。这样的材料或层被布置在基板与热沉的表面之间。
[0005]最有效的热沉之一是热管被集成至热沉的与电力电子模块的基板靠近的表面的类型。热管形成在热沉的表面中，以分散热沉块中生成的热，以使得更均匀地从热沉向周围移除热。热管在管内部的液体蒸发成气体时以已知的方式操作以吸收热。蒸发的气体在管内朝向更冷的位置移动，并且再次凝结成液体，由此释放热。在毛细管力和重力的辅助下液体再次朝向更暖的方向移动。
[0006]尽管热管提供了针对功率半导体模块的良好冷却性能，但是某些操作仍被半导体的过量散热所限制。例如，由于冷却制约导致采用功率半导体模块的频率转换器的一些使用被限制。在功率半导体的循环操作中，已知设备采用定额过高的部件，以使得由于循环荷载导致的温度变化被保持在容许限度中。
[0007]当需要高开关频率的逆变器例如用于驱动高速电动机时遇到另一问题。尽管可以用所需的高频对功率半导体进行切换，但是输出功率必须降低以使得半导体的温度保持在容许限度内。
[0008]在以上示例中，通过限制电子设备的性能或者将电子设备的部件定额过高，来考虑高温或循环温度。尽管以上解决方案使得能够使用电子设备，但是设备的性能并未被完全利用。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种电力电子组件以解决以上问题。本发明的目的是通过其特征在于独立权利要求中陈述的组件来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
[0010]本发明是基于在电力电子模块的基板与具有一个或多个热管的冷却装置的冷却表面之间采用碳基材料层的构思。注意到，碳基材料层的属性能够适用于以较大表面面积分散电力电子模块中生成的热，以使得更有效地将热传递至冷却装置。此外，当冷却装置或热沉设置有热管时，显著地增强从电力电子模块热移除。冷却装置的热管对热负荷变化响应非常快，并且有效地分散热，以及碳基材料层和热管的组合操作使得能够以有效方式利用冷却装置块。当冷却装置块均匀地变热时，与热不均匀分布的情况相比，冷却装置的温度更低。这还意味着:与不分散热的情况相比，具有分散热的能力的冷却装置能够将半导体部件的温度保持更低。
[0011]本发明的组件的优势在于其使得能够增强半导体部件的冷却。当半导体部件的冷却增强时，使用了半导体的设备能够在不减小设备的输出功率的情况下承受更高开关频率。类似地，当由于冷却性能增强以及热沉的热响应时间更快而导致温度水平和温度变化减小时，这样的设备可以容许更多的循环荷载。
[0012]使用碳基材料层的另一优势在于其可以被制造成具有低硬度值。注意到，电力电子模块的基板在循环使用期间经受形式的变化。这些变化包括基板的弯曲和扭转。当电力电子模块的基板具有比较大的表面面积时，基板的变形会导致影响冷却行为的变化，这是因为在冷却装置与基板之间形成有间隙。
[0013]当使用低硬度值制造碳基材料时，碳基材料能够充分地适应于变形的基板，从而填充在基板扭转或弯曲时形成的可能的间隙。此外，除低硬度以外，可以使用足够的厚度来制造碳基材料层，这又进而有助于填充在电力电子模块的使用期间可能形成的间隙。
【附图说明】
[0014]在下文中，将参照附图借助于优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中:
[0015]图1例示了电力电子组件的基本结构；
[0016]图2例示了经装配的图1的结构；
[0017]图3示出了电力电子模块中的半导体开关部件的布置的顶视图的示例；
[0018]图4示出了相对于半导体开关部件布置两个热管的示例；
[0019]图5示出了图4的横截面；以及
[0020]图6示出了对生成的热的分散。
【具体实施方式】
[0021]图1和图2示出了根据实施例的电力电子组件的基本结构。在图1中，将结构的主要部分示出为彼此分离，而在图2中，装配完成。电力电子组件包括电力电子模块1、具有热管的冷却装置2以及碳基材料层3。电力电子模块是包括多个电力电子开关的部件。这样的模块用于建立切换大电流并且使用高压的电力电子设备。操作这样的功率半导体开关的典型方式是使部件或者完全导通或者完全阻断，以使得电流仅在部件两端的电压接近零时才流经部件。尽管以使损耗最小化这样的方式控制部件，但是一些损耗是在切换瞬间期间和传导期间引起。开关部件的损耗使模块生成热，如果不从模块移除可能对部件不利。图1和图2作为示例被呈现，用于更佳地理解本发明的构思。应当注意，图1和图2未按比例呈现组件的部件。例如，出于例示目的，在图中将碳基材料层示出为厚块。
[0022]为了从模块移除热，模块通常以下述方式来内部构造:将热传递至模块的基板，并且通过穿过基板从部件移除热，可以将开关部件的温度保持在容许限度内。基板是模块的一体部分，并且通常是金属的以使得能够经由基板传递热。基板的物理长度在数百毫米范围内。
[0023]为了移除热，基板以机械方式连接至冷却装置的配合表面。从而冷却装置具有可以从电力电子模块接收热并且进一步传递热以将半导体芯片的温度保持在容许限度的表面。
[0024]根据本发明，冷却装置包括一个或多个热管。热管形成在冷却装置的冷却表面中，用于分散冷却装置中的热以及用于移除热。
[0025]热管中的至少之一优选地布置在冷却表面的表面处，也就是说，热管的表面形成冷却装置的冷却表面的一部分。从而至少一个热管在冷却装置的表面中可视。因为优选使冷却表面平坦，所以至少一个热管以使得热管的表面平坦的方式被形成，同时表面的其余部分未留下可以隐藏热连接的间隙。
[0026]冷却装置可以包括热管，热管在冷却装置内部用于分散发热块内部的热。热沉或类似的冷却装置可以被用机器制造成包括可以以期望方式将热管安装至其的钻孔或腔。
[0027]根据本发明的一方面，热管被布置在电力电子模块的半导体开关部件的基本下方，以使得至少两个半导体部件位于与同一热管靠近。图3示出了电力电子模块中的半导体芯片的布置的简化示例。图3是从模块的顶部看到的例示，其示出了基板33、两个IGBT芯片32以及两个二极管芯片3UIGBT芯片比二极管芯片稍微大，并且还具有比二极管芯片更高的损耗。
[0028]图4示出了具有两个热管40的冷却装置。图4还示出了当模块和冷却装置34安装至彼此时图3的半导体芯片31和32相对于热管的布置。图4中看到，热管被对齐以使得一个IGBT和一个二极管与每一个热管靠近。靠近意为半导体芯片如图5中所示布置在热管上方，图5是在半导体开关的点处图4的示例的横截面。已知与IGBT:s相比二极管通常生成较少热量。因此，当在二极管的损耗引起热的区域中对IGBT生成的热也进行分散时冷却结构块被有效地使用。
[0029]图5示出了在半导体开关芯片31和32下方的热管40。半导体开关位于功率半导体模块52中，并且被示出在模块的壳体53内部。图5还示出了具有冷却叶片或冷却肋片51的冷却装置34以及碳基材料层50。出于例示原因，功率半导体模块52、冷却装置34及碳基材料层50彼此分呙。
[0030]根据本发明，电力电子组件包括碳基材料层，碳基材料层布置在电力电子模块的基板与冷却装置的冷却表面之间。碳基材料层被适用于分散半导体电力电子开关部件生成的热以及将热传递至冷却装置。
[0031]碳基材料优选地为单独的层的形式，在组件的安装期间，碳基材料可以被放置在基板与冷却表面之间。碳基材料优选地为厚度在75μπι至250μπι范围的软质层的形式。碳基材料优选地为天然石墨、热解石墨或人造石墨。
[0032]材料的柔软度和厚度允许其在模块附接至冷却表面期间适应并充分填充电力电子模块的基板的表面与冷却装置的冷却表面的表面之间的间隙。
[0033]电力电子模块操作和操作期间的电力循环使基板弯曲和/或扭转。这意味着电力电子模块基板与冷却表面之间的距离变化，从而引起各部分之间的变化的热阻。然而，以上描述的材料具有补偿变形的基板至电力电子模块冷却的负面效应的特定属性。这些材料属性包括依赖于情况的充分的初始厚度，并且非常小的硬度(以Shore(肖氏)00计小于10)使得材料能够适应并填充电力电子模块的基板的表面与冷却表面的表面之间的间隙。
[0034]碳基材料的非常低的硬度的另外的优势在于电力电子模块的固定用螺钉不需要在装配之后重新上紧。装配中很难存在可以随时间释放并且引起松散紧固的任何其余张力。
[0035]此外，碳基材料具有充分高的面内热导率(>200W/mK)以及全厚度(through-thickness)热导率(>3W/mK)。在操作期间，面内热导率和全厚度热导率的组合效果有效地平衡由于可能形成的空气间隙引起的局部热阻增大。
[0036]碳层包含足够小的(纳米)粒子，这些粒子可以穿透并且填充基板和冷却表面的表面结构。此外，例如，碳材料尤其是石墨与金属相比具有良好润滑性能。该性能使得碳层能够承受与在装配和操作期间电力电子模块的变形有关的机械力。材料保持就位并且不被撕裂成片。
[0037]图6示出了从半导体芯片31和32至周围空气的热传递。当在功率半导体模块使用期间半导体芯片变热时，通过基板将热传递至碳基材料层50，碳基材料层50作用为基板与冷却装置之间的热界面。如以上提到的那样，碳基材料层在全厚度和面内两个方向具有良好的热传导率。当热被传递至冷却装置时，热还遍布于碳基材料层，这增大了从基板的热传递并且有助于冷却功率半导体。被布置成与功率半导体靠近的热管40在与功率半导体最靠近的区域内变热61，并且在变热的点附近的热管内的液体吸收热并且蒸发，开始朝向管内部的较冷位置流动62。一旦气体的温度降低，就向周围的冷却装置块释放热63，并且将其相再次改变成液体。在二者都分散热的碳基材料层和热管的辅助下，冷却装置块均匀地变热。
[0038]热从冷却装置的表面被进一步移除64至周围空气，并且通常通过使用叶片或肋片获得充分的热传递率，以及可以通过使用鼓风机来保持空气在叶片或肋片中移动来增强热的移除。为了更好地理解该过程，图6中的热传递用箭头以及所提及的附图标记示出。尽管图6示出了仅使用热管从半导体开关移除热，但是应当理解碳基材料层分散所生成的热并且还将热从基板传递至冷却装置。
[0039]在以上示例中，一个或多个热管被示出为布置在冷却装置的某水平面，即从冷却装置的顶部至热管的距离相同的水平面。清楚的是，当热管在冷却装置的冷却表面的表面中时，至热管的热传递最大。然而，为了分散冷却装置块中的热，可取的是使用不同定向来布置一个或多个热管。例如，热管可以布置在不同水平面和不同定向。第一部分热管可以在冷却装置的表面处布置在第一方向，第二部分热管可以布置成垂直于第一部分热管以使得第二部分热管完全地位于冷却装置内部。热管从而可以位于冷却装置中的多个水平面中。
[0040]热管中的一个或多个还可以位于相对于冷却装置的冷却表面偏离零的角度处。在这种情况下，热管的一端可以被布置在冷却表面的表面处，而另一端在冷却装置内部更深。
[0041]此外，热管的一端可以脱离冷却结构，并且可以被布置在冷却装置的冷却叶片或冷却肋片中。在这样的布置下，使用热管将热从冷却装置块带出。在这种情况下，热管具有弯曲形状。在冷却装置块内部或在冷却表面的表面处热管还可以具有弯曲形状。
[0042]电力电子组件通常在电力电子设备中使用。本发明的电力电子设备包括本发明的一个或多个电力电子组件。电力电子设备例如是转换器、逆变器、频率转换器或任何其他大功率设备。通常，电力电子设备是输出要向负载供应的受控电压或电流的设备。电力电子组件包含电学端子，如控制端子和输出端子，电力电子组件可以使用这些电学端子耦接至其他电路结构并且启用电路的操作。
[0043]本发明的方法使得能够制造电力电子组件。在该方法中，提供了电力电子模块和具有一个或多个热管的冷却装置。电力电子模块包括基板，以及冷却装置包括冷却表面。在该方法中，在电力电子模块的基板与冷却装置的冷却表面之间设置碳基层。电力电子模块还被使用紧固器件紧固至冷却装置。紧固器件优选地为螺钉或螺栓，使用其将组件的部件稳固地保持在一起。螺钉或螺栓被拧紧至特定扭矩，该扭矩取决于模块并且通常由电力电子模块的制造商给出。通常，电力电子模块包括通孔，螺栓通过通孔可以被装配。冷却装置具有对应的螺纹孔，螺栓可以附接至螺纹孔以使得配合表面稳固地彼此抵接。本发明的组件不需要对基板、冷却表面的任何修改或对模块和冷却装置的紧固的任何修改。
[0044]根据实施例，碳基层的厚度以下述方式变化:使得与距模块和冷却装置的固定点更远的位置相比，在靠近固定点处的区域中，层更薄。在这样的非均匀层中，在表面的中心区域中，表面之间的压力更大。这还意味着材料填充在电力电子组件的使用期间形成的间隙的能力增强。
[0045]以上提及的性能的联合效应使碳成为一种在电力电子模块的基板与冷却装置的冷却表面之间的非常好的热界面材料。这种类型的材料具有非常良好的热传递性能，并且也被证明具有优良使用寿命。如以上所提及的那样，碳基层还在平面方向有效地分散热，并且由此与本发明的热管一起工作以将热均匀地分散至冷却装置块。
[0046]已经发现碳基??Μ材料提供与金属箔、散热管及相变??Μ类似的热传导性能。碳基??Μ尤其是石墨??Μ比其他替选的决定性优势在于其确保剪切负荷并保持足够良好的热接触的能力。剪切负荷是由功率循环以及热界面上热扩张的系数的不匹配引起。
[0047]在说明书中，将模块的半导体部件统称为二极管和IGBT:n。然而清楚的是，电力电子模块可以保持由于高损耗而需要冷却的任何其他大功率开关部件。
[0048]在说明书中，使用相对术语用于指示特定部件和部分相对于其他部件和部分的关系。所使用的这样的相对术语的示例包括下方、顶部和上方。参照附图，这些术语的含义是清楚的。例如，当半导体芯片被放置在热管上方时，部件的组成是使得热沉是将冷却表面与热管水平定向的较低部件，并且半导体部件在水平延伸的热管上方。尽管附图示出了组件的定向为使得冷却结构是最低的部件，然而组件的定向不限于该定向。
[0049]对于本领域技术人员明显的是，随着技术进步，发明构思可以以各种方式来实现。本发明及其实施例并不限于以上描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
【主权项】
1.一种电力电子组件，包括具有多个半导体电力电子开关部件的电力电子模块，所述电力电子模块包括基板， 所述电力电子组件还包括用于冷却所述电力电子模块的冷却装置，所述冷却装置包括被适用于附接倚靠所述电力电子模块的基板的冷却表面，其中， 所述冷却装置还包括形成在所述冷却表面中的、用于分散所述冷却装置中的热以及从所述冷却装置移除热的一个或多个热管，以及 其中，所述电力电子组件还包括布置在所述电力电子模块的所述基板与所述冷却装置的所述冷却表面之间的碳基材料层，所述碳基材料层被适用于分散所述半导体电力电子开关部件生成的热以及将热从所述电力电子组件传递至所述冷却装置。2.根据权利要求1所述的电力电子组件，其中，所述碳基材料层是天然石墨、热解石墨或人造石墨的单独的层。3.根据权利要求1或2所述的电力电子组件，其中，所述碳基材料层的厚度在75μπι至250ym的范围内。4.根据权利要求1、2或3所述的电力电子组件，其中，所述碳基材料层的硬度为以肖氏00计小于10。5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的电力电子组件，其中，所述一个或多个热管中的至少之一布置在所述冷却装置的所述冷却表面的表面处。6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的电力电子组件，其中，当从所述电力电子模块的方向看时，所述一个或多个热管中的至少之一布置在所述电力电子模块的至少一个电子开关部件下方。7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的电力电子组件，其中，当从所述电力电子模块的方向看时，所述一个或多个热管中的至少之一布置在所述电力电子模块的两个电子开关部件下方，并且优选地，所述两个电子开关部件具有不同功耗。8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的电力电子组件，其中，所述组件包括至少两个热管，并且其中，所述热管在所述冷却装置中以不同水平面和/或不同定向布置。9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的电力电子组件，其中，所述一个或多个热管中的至少之一被布置在相对于所述冷却装置的所述冷却表面偏离零的角度处。10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的电力电子组件，其中，所述电力电子模块的多个半导体电力电子部件中的至少之一被额定成在数百安培范围内的电流。11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的电力电子组件，其中，所述电力电子模块的基板的长度在超过100毫米的范围内。12.—种电力电子设备，包括一个或多个根据前述权利要求1至11中任一项所述的电力电子组件。13.根据权利要求12所述的电力电子设备，其中，所述电力电子设备是频率转换器。14.一种制造电力电子组件的方法，包括以下步骤: 提供结合多个半导体电力电子开关部件的电力电子模块，所述电力电子模块包括基板； 提供用于冷却所述电力电子模块的冷却装置，所述冷却装置包括冷却表面和一个或多个热管，所述冷却表面被适用于附接倚靠所述电力电子模块的基板，所述一个或多个热管用于分散所述冷却装置中的热以及从所述冷却装置移除热； 在所述电力电子模块的所述基板与所述冷却装置的所述冷却表面之间提供碳基材料层，所述碳基材料层被适用于分散所述半导体电力电子开关部件生成的热以及将热从所述电力电子组件传递至所述冷却装置；以及 使用紧固器件将所述电力电子模块紧固至所述冷却装置。
【文档编号】H01L23/373GK106067453SQ201610262614
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年4月25日 公开号201610262614.6, CN 106067453 A, CN 106067453A, CN 201610262614, CN-A-106067453, CN106067453 A, CN106067453A, CN201610262614, CN201610262614.6
【发明人】米卡·西尔文诺伊宁, 约尔马·曼尼宁, 尤哈·马丁马
【申请人】Abb技术有限公司