专利名称：一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体功率器件封装领域，具体涉及了一种重力循环蒸发冷却半导体 功率器件封装。
背景技术：
以半导体功率器件、微电子和计算机技术为基础的现代电力电子技术是节能减 排、开发绿色能源的核心和关键。而半导体功率器件得电特性和热特性又是核心的核心、关 键的关键。一方面半导体功率器件的应用为人类节约了大量的能源，另方面其工作过程中 无法避免的热效应而导致失效又是各类变换器损坏的主要原因。大部分半导体功率器件优 化的工作温度为50°C以下，很多器件在75°C以上时就很容易失效。因此，一方面要降低器 件的损耗，例如发展高速度低导通压降器件、软开关等技术，同时要改善器件的散热性能， 缺一不可。功率器件的散热主要有风冷却，水冷却和蒸发冷却三种方式。近年来随着功率密 的增加，高效能的蒸发冷却越来越引起人们的重视，进行了大量的研究。如中国专利公开了 一种重力循环蒸发冷却技术方案，使半导体功率器件的封装不但具有更好的热传导特性， 且适于印制板装配。但工业应用的大功率的半导体功率器件如可控硅、GTO会有很大的面 积，每个管芯直径常大于50mm，这样蒸发室的安装底面会很大，在冷媒的工作压力下，安装 平台的变形会使器件失效，并且太大的水平面积不利于整机装配，还有器件工作时外引线、 器件的有源区、衬底材料到安装平台有较大的温度梯度，长时间会产生应力，影响器件寿 命。
发明内容
本发明的目的在于提供一个解决以上问题的技术方案。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案如下一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述半导体功率器件封 装包括密封腔体蒸发室，所述的密封腔体蒸发室的侧面由板状金属安装平台构成，板状金 属安装平台的外表面焊装半导体功率器件管芯，用树脂或塑料将由所述安装平台和半导体 功率器件管芯引出的输出和控制引线固定于封装的下面或侧面，所述的蒸发室密封腔体的 最高点配有冷媒流通管道。蒸发室由导热性能好的金属制成，优选铜或铜合金。由于半导 体管芯是垂直装配，蒸发室的两个侧面都可用于管芯安装，提高了封装密度。常用的冷煤汽化潜热可达每克200-300卡，具有很强的热传递能力，一根不是很 粗的管道，优选的为4-12m m,当功率器件的发热量不是很大时即可以满足汽泡上行和液体 下行的要求。功率器件的发热量很大时，可分别设置汽体上行和液体下行管道。大功率的器件工作时外引线、器件的有源区、衬底材料到安装平台有较大的温度 梯度，长时间会产生应力，影响器件寿命。本发明提供的结构还包括将焊装有平板引线的半 导体功率器件管芯置于密封腔体蒸发室内的结构。
焊装有平板引线的半导体功率器件管芯，以垂直方向为优选，有利于汽泡的上行， 其平板引线由密封腔体蒸发室侧面引出，通过压紧和树脂密封整个冷却系统。
本发明的有益效果本发明技术方案采用重力循环蒸发冷却原理进行散热设计的半导体功率器件封 装，在结构上，本发明的技术方案的蒸发冷却装置采用蒸发室在器件的内部，半导体管芯立 向直接焊装在蒸发室上，可多面安装，不但实现了最好的热传递，而且装配紧凑，进而将功 率器件整体安装在蒸发室内，更减小了器件内的热机械应力，提高了寿命。器件进一步小型 化，结构上更利于电子产品的印制板装配。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为本发明实施例重力循环蒸发冷却半导体功率器件立式安装于蒸发室外封 装结构示意图；图2为本发明实施例重力循环蒸发冷却半导体功率器件立式安装于蒸发室内封 装示意图；图3为本发明实施例重力循环蒸发冷却半导体功率器件立式安装于蒸发室内单 面引出线封装示意图；图4的实施例为本发明器件带有独立的冷凝器，与系统换热的示意图；图5的实施例为本发明器件带有独立的冷凝器，与系统换热的示意图；其中，图1中，1为被封装的半导体功率器件管芯，2为引出线，3为金属安装平台 兼做蒸发室侧板，4绝缘材料，5为控制引出线，6包封树脂，7液体冷媒进口，8为冷媒通道。 图2中，1为被封装的半导体功率器件管芯，2为引出线，3为蒸发室侧板，4绝缘材料，5为 控制引出线，6为密封树脂，7液体冷媒进口，8为冷媒通道，9为管芯绝缘材料，10为器件内 各被功率器件管芯分隔空间的冷媒连接通道，以设置多个为好。图3中，1为被封装的半导 体功率器件管芯，2为各管芯引出线，21为管芯公共引出线，3为蒸发室外壳，4蒸发室外壳 腔体，7液体冷媒进口，8为冷媒通道。图4中，1为被封装的半导体功率器件管芯，2为引出 线，3为蒸发室侧板，4绝缘材料，5为控制引出线，6为密封树脂，7冷媒灌注口，8为冷媒通 道，9为管芯绝缘材料，10为器件内各被功率器件管芯分隔空间的连接通道，以设置多个为 好，11为换热器，其中110为管道接头，111为冷凝室，112为初始残余空气排放口，113为系 统换热媒体入口，114为系统换热媒体出口，115为换热器外壳。图5中，1为被封装的半导 体功率器件管芯，2为引出线，3为蒸发室侧板，4绝缘材料，5为控制引出线，6为密封树脂， 7冷媒灌注口，8为冷媒通道，9为管芯绝缘材料，10为器件内各被功率器件管芯分隔空间的 连接通道，以设置多个为好，11为换热器，其中110为管道接头，111为冷凝室，112为初始残 余空气排放口，113为系统换热媒体入口，114为系统换热媒体出口，115为冷凝室外壳。
具体实施例方式为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施例来说 明技术；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。实施例1重力循环蒸发冷却半导体功率器件管芯立式安装于蒸发室外封装。
如图1所示，该重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装包括被封装的半导体功率 器件管芯1，引出线2，金属安装平台兼做蒸发室侧板3，绝缘材料4，控制引出线5，包封树脂 6，液体冷媒进口 7，冷媒通道8。半导体功率器件管芯1焊装于金属安装平台兼做蒸发室侧 板3外表面，板状金属安装平台2应选用导热性好的金属，优选铜或铜的合金，半导体功率 器件管芯1的与金属安装平台兼做蒸发室侧板3相连的引出线2可由蒸发室的底部直接引 出，与半导体功率器件管芯1的外表面相连的引出线2通过绝缘4与蒸发室固定且电绝缘， 由底部引出，便于电装配，控制引线5可由半导体功率器件管芯1的外表面直接引出，靠外 包封树脂6固定，或是用引线压焊至绝缘固定于蒸发室表面的金属极板引出。密封蒸发室 的最高点配有冷媒通道8，当器件的发热量不是很大时，一条冷媒通道即可同时做冷媒汽泡 上行通道和冷媒液体下行通道，当器件的发热量很大时，在蒸发室的下部专门配置冷媒液 体下行通道。半导体功率器件管芯1工作时产生的热量，通过金属安装平台兼做蒸发室侧 板3导入蒸发室内，使冷媒蒸发，形成汽泡上行。实施例1当大功率的器件工作时外引线、器件的有源区、衬底材料到安装平台有 较大的温度梯度，长时间会产生应力，影响器件寿命。本发明提供的实施例2提供了将焊装 有平板引线的半导体功率器件管芯置于密封腔体蒸发室内的结构。如图2所示，该重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装包括被封装的半导体功率 器件管芯1，引出线2，蒸发室侧板3，绝缘材料4，控制引出线5，密封树脂6，液体冷媒进 口 7，冷媒通道8，为管芯绝缘材料9，为器件内各被功率器件管芯分隔空间的冷媒连接通道 10。所有的半导体功率器件管芯1和引出线2预先焊装成一体，并在相同的位置留出冷媒连 接通道10，与绝缘材料4，蒸发室侧板3紧密装配成一体，外边由树脂密封，构成蒸发腔室。 密封蒸发腔室的最高点配有冷媒通道8，当器件的发热量不是很大时，一条冷媒通道即可同 时做冷媒汽泡上行通道和冷媒液体下行通道，当器件的发热量很大时，在蒸发室的下部专 门配置冷媒液体下行通道7。半导体功率器件管芯1工作时产生的热量，和引出线2产生的 热量直接使冷媒蒸发，形成汽泡上行。实施例3如图3所示，该重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装包括被封装的半 导体功率器件管芯1，各管芯分别引出线2，各管芯公共引出线21，蒸发室壳体3，蒸发室腔 体4，液体冷媒进口 7，冷媒通道8。所有的半导体功率器件管芯1置于共同的蒸发室腔体4 内。密封蒸发腔室的最高点配有冷媒通道8，当器件的发热量不是很大时，一条冷媒通道即 可同时做冷媒汽泡上行通道和冷媒液体下行通道，当器件的发热量很大时，在蒸发室的下 部专门配置冷媒液体下行通道7。半导体功率器件管芯1工作时产生的热量、引出线2产生 的热量直接使冷媒蒸发，形成汽泡上行。实施例4如图4所示，该重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装包括被封装的半 导体功率器件管芯1，引出线2，蒸发室侧板3，绝缘材料4，控制引出线5，密封树脂6，液体 冷媒灌注口 7，冷媒通道8，为管芯绝缘材料9，为器件内各被功率器件管芯分隔空间的冷媒 连接通道10 ；还有由管道接头110，冷凝室111，初始残余空气排放口 112，整机系统换热媒 体入口 113，整机系统换热媒体出口 114，换热器外壳115组成的换热器11。功率器件产生 热量蒸发的汽泡经冷媒通道8进入换热器11，在冷凝室内转换成液体并回流。整机冷却系 统也以蒸发冷却为好，液体冷媒由整机系统换热媒体入口 113进入换热器11，吸收冷凝室 111的热量蒸发，汽体或汽水两相流由整机系统换热媒体出口 114流出带走热量。如为整机
5冷却系统为水冷却，则冷水由整机系统换热媒体入口 113进入，热水由整机系统换热媒体 出口 114流出带走热量。7为冷煤灌注口，112为初始残余空气排放口，系统初始化或需补 充时冷煤由灌注口 7灌注，冷凝室内111内的空气由初始残余空气排放口 112排出。实施例5如图5所示，与实施例4的区别在于该换热器的盘管与整机冷却系统连 通，外管腔体作为功率器件的冷凝室，有利于器件冷媒液体的回流。多个器件，甚至子系统 采用实施例4和5的方案亦可以方便的构成大的整机系统。由于蒸发冷却的高效率，低成 本，重复采用实施例4和5的方案，很容易实现具有换热备份或多种换热方式的高可靠系 统。
通过蒸发冷却的方法，采用重力循环原理简单高效的将各种大功率半导体功率器 件的热量直接导出，立式的封装结构增加了封装密度，蒸发腔室内的器件管芯封装消除了 热应力，分散配置的换热器减小了器件维修更换的难度，不仅解决了散热的技术难题，并且 减小了体积、重量，使之适应于印制板装配。本领域普通技术人员根据本发明的内容，以及 上面给出的实施例，按照实际的需求来选择决定，但凡基于本发明权利保护范围内的几种 方式的组合以及不脱离本发明权利要求宗旨变化均应在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述半导体功率器件封装包括密封腔体蒸发室，所述的密封腔体蒸发室的侧面由板状金属安装平台构成，板状金属安装平台的外表面焊装半导体功率器件管芯，用绝缘树脂将由所述安装平台和半导体功率器件管芯引出的输出和控制引线固定于封装的下面或侧面，所述的蒸发室密封腔体的最高点配有冷媒流通管道；
2.根据权利要求1所述的重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述装 置的蒸发室由导热性能好的金属制成，优选铜或铜合金；
3.一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述半导体功率器件封装 包括密封腔体蒸发室，焊装有平板引线的半导体功率器件管芯，所述的焊装有平板引线的 半导体功率器件管芯置于所述的密封腔体蒸发室内，以垂直方向为优选，所述的平板引线 由所述的密封腔体蒸发室侧面引出，引线间配置通过压紧和树脂密封，在将蒸发室分隔的 所述的平板引线和其绝缘片的上下部开有多个连通孔；
4.根据权利要求1和3所述的重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于配 有与所述的密封通道的最低点相通的输入管道，用于液体冷媒流入，所述输入管道的外端 配有软管或铜管接头；
5.根据权利要求1和3所述的重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于上 部配有专用的换热器与整机换热系统热交换，个别器件维修更换时不影响正机的蒸发冷却 或水冷却系统，所述的换热器下部配有管道接头，便于器件的拆装，与下部半导体功率器件 本体连通的冷凝室，所述的冷凝室的最上部留有初始残余空气排放口，与整机冷却系统联 通的蒸发室或冷却液体流通通道，两者间以具有盘管或翅片管类的换热结构为佳，在所述 器件封装的最低点设有冷媒液体灌注口。
全文摘要
本发明公开了一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装包括立式装配的半导体功率器件管芯和功率、控制引出线，蒸发室外贴装方式便于生产，管芯在蒸发室内的装配方式，换热效率高，更彻底的消除了器件的热应力，器件的封装密度大，易于整机的装配，二次换热的方法利于器件的更换和维修。
文档编号H01L23/367GK101944515SQ20091015726
公开日2011年1月12日 申请日期2009年7月6日 优先权日2009年7月6日
发明者王玉富 申请人:王玉富