专利名称：功率半导体系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于已公知的功率半导体模块的功率半导体系统。
背景技术：
功率半导体模块以不同的实施形式被公知。在典型的实施形式中，带功率半导体电路的衬底和基体一起被组装成功率半导体模块。在此情况下需要注意的是在功率半导体电路、基体和为此所布置的冷却体之间的热传递确保对由功率半导体电路中产生的废热的所期望的运走；以及简单地、优选自动化地安装功率半导体模块能实现。例如DE 10 2005 037 522描述了一种用于在冷却体上安装的功率半导体模块， 其中，功率半导体模块具有金属的基体，该基体形成盆并且在五个侧面上包围布置在该盆中的、承载了功率半导体电路的衬底。该基体基于铜突出的热导性而优选由铜制成。基体可以直接例如借助粘接连接或螺栓连接与冷却体相连。这种功率半导体模块的缺陷是通过基板和冷却体之间的连接所造成的、不理想的从功率半导体电路朝冷却体的热传递。
发明内容
在这种背景下，本发明基于如下任务，S卩，提出一种经改良的功率半导体系统，在这种功率半导体系统中，能实现从功率半导体电路到冷却介质上的有效热传递。此外，本发明建议，将功率半导体电路布置在壁元件的外壁上，壁元件的内壁形成了设置用于冷却半导体电路的、导引流动的工作介质的管路系统的液密和/或气密的壁。 由此实现对功率半导体电路的出色的冷却。依据本发明的功率半导体系统具有用于流动的工作介质、例如冷却液或冷却气体的管路系统。该管路系统可以是被封闭的管路系统或形成除入口和出口之外的被封闭的管路系统。由此，防止工作介质发生不期望的泄漏。入口和出口可以布置在金属成型体的同侧、优选布置在金属成型体的端侧上。另外，入口和出口可以用于将管路系统联接到泵系统上。该管路系统可以联接到泵系统上，以便通过管路系统泵送工作介质。在此，管路系统可以和泵系统一起形成被封闭的管路系统。用于送出热量的、在管路系统内的工作介质循环， 既可以被动地基于工作介质的加热例如以热虹吸管形式或所谓的热管形式实现，也可以主动地例如通过如上所述的泵系统实现。可以自由选择工作介质。工作介质在正常条件下可以是气态或液态的。技术人员已知对于热虹吸管和热管而言适用的工作介质。此外，属于此的有水、油、乙醇、丙酮和氨或这些物质的混合物。在管路系统内传送热量时，工作介质可以在液态和气态之间变换。功率半导体系统具有带外侧和内侧的壁元件。外侧可以理解成是壁元件的基本上背离管路系统的那一侧以及内侧可以理解成是壁元件的基本上面朝管路系统的那一侧。在此，壁元件的内侧和外侧可以形成壁元件的主面。内侧和外侧可以(分别单独)平坦地构造或结构化地构造。例如上侧可以具有至少一个用于固定功率半导体电路的结构元件。
壁元件可以是板状的或基本上板状的或具有至少一个基本上板状的区段，该区段形成壁元件的基本元件。在此情况下，“基本”被如下地理解，即，至少部分通过该元件或区段确保了壁元件的所述功能，倘若这些功能对壁元件的相应的实施形式而言不是随意选择的。在基本上板状的壁元件中，在壁元件的内侧和外侧之间的间距与壁元件的长度相比要小，例如小于壁元件长度的10%或5%。类似地，在板状区段的区域中，壁元件的内侧和外侧之间的间距与板状区段的长度相比要小，例如小于板状区段长度的10%或5%。通过这个至少部分小的间距，实现了内侧和外侧之间良好的热导性。通过板状的形状、至少局部板状的形状，用很少的材料消耗就达到了传热面积与内侧与外侧之间的间距的良好比例。功率半导体系统具有布置在壁元件的外侧上的功率半导体电路。在适当选择壁元件的形状和/或大小的情况下能够有利于功率半导体电路在壁元件的外侧上的简单的和/ 或自动化的和/或可靠的安装。此外，壁元件可以赋予功率半导体电路稳定性，这种稳定性在之后将壁元件与管路系统组装时保护功率半导体电路。当功率半导体电路在其开始运行之后，也就是说在使用位置上，应该进行更换时，那么这一点会起作用。在本公开的意义中，功率半导体电路可以是带有至少一个额定电压超过100V或甚至超过600V的半导体器件的电路。在本发明公开的意义中，功率半导体电路可以是一种电路，用这种电路可以让第一电势和第二电势之间的电流路径根据至少一个控制信号选择性地在基本上闭合(低阻抗)的状态和基本上打开(高阻抗)的状态之间切换，其中，在第一电势和第二电势之间的差大于100V或甚至大于600V，或其中，在闭合状态下规律通过电流路径流动的电流大于100A或甚至大于1000A。依据本公开的教导，壁元件的内侧形成管路系统的液密和/或气密的壁。以此方式可以实现，使功率半导体电路布置得十分靠近设在管路系统中的、流动的工作介质，由此，有利于在功率半导体电路和流动的工作介质之间的热传递以及因而也有利于在功率半导体电路中产生的废热的运出。壁元件的内侧应当形成管路系统的气密的壁还是应当仅形成管路系统的液密的壁，则取决于所使用的工作介质以及有待预期的运行状况。若预料到工作介质可能处在气态，那么壁元件的内侧应当具有气密性。功率半导体系统可以具有金属成型体，例如完全或部分由铜和/或铝制成的金属成型体，该金属成型体是与壁元件分开的或能分开的构造物。在此情况下优选的是，金属成型体和壁元件由相同的材料、优选由铝构造。壁元件可以力锁合和/或形状锁合地固定在金属成型体上。在此情况下已公知的螺栓连接、卡扣止动连接或通过壁元件和/或金属成型体的区段式的变形所构造的连接是优选的。基于金属通常良好的热导性，金属是适合传输废热的材料，所述废热例如基于温度梯度而从功率半导体电路传送给金属成型体。金属成型体可以形成为冷却体，例如带凸纹的冷却体。管路系统可以布置在金属成型体之内和/或之上。与工作介质是液态还是气态无关，这类金属成型体通常被标称为经液体冷却的冷却体，并且在该位置中，大量废热由金属成型体运走，因为工作介质用作热量传送剂。管路系统的一部分尤其通过金属成型体内的空腔、例如通过钻孔形成。由此有利于将热量从金属成型体传递给工作介质。金属成型体也可以具有凹部，电容器布置在该凹部中，电容器借助浇铸材料相对金属成型体电绝缘。以此方式可以将金属成型体用作冷却体和/或用作用于各种功率半导体组件的承载件。金属成型体可以具有形成管路系统一部分的第一空腔，该第一空腔具有在金属成型体的至少一个表面上的开口。壁元件可以以如下方式安装在金属成型体上，即，使得壁元件的内侧液密和/或气密地封闭所述开口。这类空腔可以简单地制造，例如通过使用用于制造金属成型体的相应的铸模或通过对金属成型体进行钻孔或铣削。同样简单地可以基于壁元件的内侧的液密性和/或气密性封闭所述开口。例如，壁元件的内侧可以完全遮盖开口且壁元件的内侧可以将开口朝外通过在开口的整个周边上沿着开口的整个周边与金属成型体的直接接触、优选借助弹性的密封元件而液密和/或气密地密封。在此，壁元件可以贴靠在金属成型体的外表面上或该壁元件可以在开口的内部，例如沿着设在开口内周边上的接片，建立起与金属成型体的气密或液密的连接。因此开口，连同另外的设在金属成型体中的空腔，形成管路系统的一部分。流入到第一空腔中的工作介质可以与壁元件的内侧直接接触。功率半导体系统可以具有弹性的密封元件、例如0形圈。也可以由多个单独的密封元件所形成的密封元件可以和壁元件、例如和壁元件的内侧共同作用，以便在金属成型体的至少一个上表面上液密和/或气密地封闭如上所述的开口。壁元件例如可以固定在金属成型体上并且密封元件以众所周知的方式以如下方式夹紧在壁元件和金属成型体之间并且绕开口周围布置，即，使得开口被液密和/或气密地封闭。密封元件例如可以布置在开口的内周边的区域中。密封元件可以邻近开口的周边、例如沿着设在开口的内周边上的接片，绕开口周围延伸。在此，密封元件可以位于开口之内或之外。弹性的密封元件的使用可以在将壁元件安装在金属成型体上时降低功率半导体电路受损的危险，因为必须为了确保密封性在壁元件上施加相对较小的力。上面所提及的在金属成型体中的第一空腔可以具有与管路系统的入口侧区段连接的第一开口和/或与管路系统的出口侧区段连接的第二开口。以此方式可以确保，工作介质通过第一空腔至少在第一和第二开口之间流动。出于这个原因，空腔可以具有稍长的形状，其中第一开口位于空腔长度的最外面的三分之一处，以及第二开口位于空腔长度的与第一开口对置的最外面的三分之一处。第一和第二开口可以分别延伸超过空腔宽度的 60%或超过80%。由此，确保了工作介质流穿过空腔的大部分。管路系统的入口侧的区段和/或出口侧的区段可以分别通过单独的钻孔形成。例如，管路系统的入口侧的区段和/ 或出口侧的区段可以通过金属成型体内的钻孔形成，该钻孔横向于第一空腔的长度延伸。 因而，可以以如下方式来制造第一和/或第二开口，即，将空腔铣削直至钻孔到金属成型体的平面中。在空腔和钻孔之间的接口处，无须进一步附加工序就生成了第一和/或第二孔口。可以以如下方式彼此平行地在金属成型体中成型多个空腔，即，使这些空腔仅鉴于它们的纵轴分别彼此错开。以此方式可以使单个钻孔起到作为用于所有空腔的管路系统的入口侧的区段和/或出口侧的区段的作用。金属成型体可以具有入口和出口。管路系统可以液密和/或气密地在入口和出口之间延伸。对于良好地连接到其它管路系统上、例如连接到泵系统的管路系统上而言有益的是，金属成型体具有被限定的入口和被限定的出口。例如，金属成型体可以具有仅一个单独的入口和/或仅一个单独的出口。由此也更为简单地确保了管路系统的液密性和/或气密性。管路系统应当气密还是应当仅液密地在入口和出口之间延伸，取决于所使用的工作介质和有待预期的运行情况。当预料到工作介质可能是气态时，那么管路系统应当具有气密性。
功率半导体系统可以具有固定在金属成型体上的框架。框架可以使壁元件力锁合和/或形状锁合地固定在金属成型体上。例如，框架可以将壁元件相对金属成型体按压。框架的使用允许了到壁元件的不同部位上的同时力作用。由此可以降低布置在壁元件上的功率半导体电路发生有害的机械变形的可能性。框架可以由电绝缘的材料、例如合成材料制成。框架也可以至少绝大部分地由导电的材料、例如金属制成，导电的材料借助绝缘材料相对功率半导体电路的导引电流的元件电绝缘。框架可以以如下方式形成，即，使框架仅在壁元件的外侧的外边缘区域中贴靠在壁元件上。框架可以借助能自动化建立的连接、例如借助螺栓连接或卡扣连接固定在金属成型体上。由此，有利于壁元件和框架的自动化安装。功率半导体电路的导引电流的元件可以相对所述壁元件的内侧电绝缘，功率半导体电路布置在该内侧上。功率半导体电路的导引电流的元件可以相对所述壁元件的外侧电绝缘，功率半导体电路布置在该外侧上。以此方式避免了在功率半导体电路和功率半导体系统的另外的元件、例如金属成型体和/或工作介质之间产生不期望的电流路径。功率半导体电路可以以专业公知的方式具有装备有功率半导体的衬底。壁元件的金属冷却体可以构造成简单的金属板或构造成带垂直于或基本上垂直于金属面的主面持距放置的冷却肋或冷却销。冷却肋和/或冷却销可以造成冷却体的散热面积变大。管路系统可以用流动的工作介质填充。工作介质可以使壁元件的内侧与工作介质接触。通过工作介质与壁元件的内侧直接接触，实现了非常良好的将由功率半导体电路产生的废热的送出。功率半导体系统可以具有多个如上所述的第一空腔。功率半导体系统可以具有多个如上所述的壁元件。通过单独的空腔在金属成型体的至少一个表面上形成的、单独的开口中的多个或所有开口可以通过唯一的壁元件被液密和/或气密地封闭。同时，单独的开口中的各个开口可以分别通过各个壁元件液密和/或气密地封闭。功率半导体系统可以具有如上所述的框架，该框架将多个壁元件例如以上述方式相对金属成型体按压。
随后根据实施例说明本发明，实施例根据附图作详细阐释。附图中图1示出了用于依据第一实施形式的功率半导体系统的金属成型体的立体图；图2示出了依据第二实施形式的功率半导体系统的立体图；图3示出了依据第三实施形式的功率半导体系统的立体图；图4示出了依据第四实施形式的功率半导体系统；图5示出了依据第四实施形式的功率半导体系统的示意性剖面图；以及图6示出了依据第六实施形式的功率半导体系统的示意性剖面图。在随后的说明中对于相同的和作用相同的部件应用了相同的附图标记。
具体实施例方式图1示出了用于依据第一实施形式的功率半导体系统100的金属成型体40的立体图。金属成型体作为用于功率半导体电路的冷却体，该冷却体可以通过流动的工作介质冷却。金属成型体40具有多个大致呈矩形的空腔41和这些空腔的多个开口 42。设置有入口和出口 13、14用来输入和输出工作介质。入口通过相应的开口 42与金属成型体40的相应的空腔41以如下方式连接，即，空腔41与入口 13形成用于流动的工作介质的管路系统 10。开口 43在图1中没有示出，用于流动的工作介质的空腔41通过开口 43 (与开口 42类似)与出口 14连接。流入到入口 13中的工作介质因此经由开口 42流过空腔41并且紧接着流向出口 14。将相应的密封元件50绕相应的空腔41周边布置，密封元件与承载功率半导体电路30的、在图1中未示出的壁元件20共同作用，以便液密和/或气密地封闭在金属成型体的上表面中形成相应的空腔41的相应的开口。图2是依据第二实施形式的功率半导体系统100的立体图。在图2中所示出的实施形式也具有如图1中所示的、带有上述特征的金属成型体40。在图2中所示出的功率半导体系统100也具有多个壁元件20。在相应的壁元件20的背离金属成型体40的外侧上布置有功率半导体电路30。每个壁元件20遮盖一个在图2的视图中由于通过相应的壁元件 20遮盖而无法看到的空腔41，由此，液密和/或气密地封闭在金属成型体40的上表面中形成相应地被遮盖的空腔41的相应的开口。在此，相应的壁元件20的在图2的视图中无法看到的内侧22形成上面所提及的管路系统10的液密和/或气密的壁。这些内侧22与流过管路系统10的流动的工作介质直接接触，这造成壁元件20的非常良好的冷却以及因而也造成布置在壁元件20的外侧上的功率半导体电路30的非常良好的冷却。图3示出了依据第三实施形式的功率半导体系统100的立体图。在图3中所示出的实施形式也具有如在图2中所示的、带有上述特征的功率半导体系统100。在图3中所示出的功率半导体系统100附加地具有固定在金属成型体40上的合成材料框架60。合成材料框架60以如下方式包围在图3中无法看到的各个壁元件20，即，使各个壁元件20的相应的外侧仅略微、例如小于10%或小于5%被合成材料框架遮盖。同时，合成材料框架60将壁元件20朝着金属成型体40方向相对密封元件50按压，由此，壁元件20与密封元件50 共同作用，以便液密和/或气密地封闭在金属成型体40的上表面中通过空腔41形成的开口。单独的框架60的应用简化了安装。图4示出了依据第四实施形式的功率半导体系统100的示意性分解图。相对于根据图1的实施形式，在此额外设置有带未被加装壳体的电容器84的附加的电容器模块和用电绝缘材料所制成的、用于将电容器84布置在金属成型体40的凹部80中的间距保持件 82。为了使电容器84相对金属成型体40电绝缘，额外地在凹部80中设置有未示出的浇铸材料。通过电容器84与空腔41或壁元件20的这种紧密相邻的布置，可以使该电容器84 同时与功率电路一起冷却。同样可识别出电容器84用其联接元件86与功率电路30的配属给那些电容器的联接元件的联接元件36进行连接的直接可能性。在此情况下优选的是， 以如下方式构造和相互布置相应的联接元件36，S卩，能够构造出焊接连接。为此，功率半导体系统100具有足够的自由空间，以便能够利用焊接装置来实现两个联接元件36、86。也可以优选的是，电容器84的联接元件86和功率电路30的所配属的联接元件36 不是持久地材料锁合地相互连接，而是能拆卸地、优选力锁合地相互连接。此外，并且与至此先前所述特征无关地可以有利地，如在此所示那样，金属成型体 40具有其它的凹座48，以便在那里布置未示出的外部连接元件，并且将该连接元件分别且电路适宜地与功率电路30的其它联接元件38连接起来。优选的是，该凹座48侧向地相对功率电路30或相对所配属的壁元件20设置在电容器84的对面。该凹座48从金属成型体 40的在其上设置有壁元件20的那个主侧朝对置的主侧伸展。图5示出了依据第五实施形式的功率半导体系统100的示意性剖面图。所示的功率半导体系统100具有管路系统10、壁元件20、多个功率半导体电路30、金属成型体40和密封元件50。管路系统10构造用于导引用作冷却液的、流动的工作介质，并且具有入口侧的区段11和出口侧的区段12，这两个区段分别与图4中未示出的入口和出口 13、14连接。壁元件20具有基本上背离管路系统的外侧21和基本上面朝管路系统的内侧22。 壁元件20具有金属的冷却体23，该冷却体在此处所示的实施形式中形成壁元件20的内侧 22，壁元件20还具有多个衬底31。冷却体23具有突起部25，所述突起部垂直地从壁元件 20的外侧21的主面伸出，并且将衬底31布置在这些突起部上。功率半导体电路30中的每个具有装备有功率半导体的衬底31，为了使衬底31相对冷却体23电绝缘，衬底具有陶瓷板M。金属成型体40具有形成管路系统10的一部分的第一空腔41。该空腔41可以由此形成，即，将金属成型体40相应地铣削或在相应的铸模中制造。该空腔41具有第一开口 42，流动的工作介质可以通过该开口在空腔41和入口侧的区段11之间流动；以及具有第二开口 43，流动的工作介质可以通过该开口 43在空腔41和出口侧的区段12之间流动。 入口侧和出口侧的区段11、12可以以简单的方式通过金属成型体内的相应的钻孔形成。第一和第二开口 42、43可以以简单的方式由此形成，即，这些钻孔局部切开空腔41。在壁元件20的内侧22和金属成型体40之间布置有密封元件50。该壁元件借助螺栓70固定在金属成型体40上。该密封元件以专业公知的方式与壁元件20的内侧22共同作用，以便液密和/或气密地封闭在金属成型体40的上表面中通过空腔41形成的开口。 由此，壁元件20的内侧22形成了管路系统10的壁。图6示出了依据第六实施形式的功率半导体系统100的示意性剖面图。所示的功率半导体系统100具有管路系统10、壁元件20、多个功率半导体电路30、金属成型体40、密封元件50和框架60。管路系统10构造用于导引用作冷却液的、流动的工作介质，并且具有入口侧的区段11和出口侧的区段12，这两个区段分别与入口和出口 13、14连接。壁元件20具有基本上背离管路系统的外侧21和基本上面朝管路系统的内侧22。 壁元件20具有金属的冷却体23，该冷却体在此处所示的实施形式中形成壁元件20的内侧 22，冷却体23具有销沈，这些销垂直地从壁元件20的内侧22的主面伸出并且扩大了壁元件20的内侧22的散热面积。功率半导体电路30中的每个具有装备有功率半导体的衬底31，该衬底31为了相对冷却体23电绝缘而具有陶瓷板M。金属成型体40具有形成管路系统10的一部分的空腔41。该空腔41可以由此形成，即，将金属成型体40相应地铣削或在相应的铸模中制造。空腔41具有第一开口 42， 流动的工作介质可以通过该开口 42在空腔41和入口侧的区段11之间流动；以及具有第二开口 43，流动的工作介质可以通过该开口 43在空腔41和出口侧的区段12之间流动。入口侧和出口侧的区段11、12可以以简单的方式通过金属成型体内的相应的钻孔形成。第一开口和第二开口 42、43可以以简单的方式由此形成，S卩，钻孔局部切开空腔41。在壁元件20的内侧22和金属成型体40之间布置有密封元件50。该密封元件以专业公知的方式与壁元件20的内侧22共同作用，以便液密和/或气密地封闭在金属成型体40的上表面中通过空腔41形成的开口。由此，壁元件20的内侧22形成了管路系统10的壁。可以由不传导的材料制成的且借助螺栓70固定在金属成型体上的框架60，将壁元件20固定在金属成型体40上。在此，框架60相对壁元件20的外侧21按压并且仅在壁元件20的外侧21的外边缘区域中贴靠在壁元件20上。在此要明确指出，在附图中所示出的实施形式可以以每个在该公开中所述的类型进行转化。在此此外要指出，对于单独发生的，以及以各个组合的所有上述的特征、尤其是在附图中所示出的作为本发明至关重要的细节可以被要求权利。本领域技术人员熟知由此而来的变型。
权利要求
1.一种功率半导体系统(100)，所述功率半导体系统带有用于流动的工作介质的管路系统(10)；带外侧和内侧02)的至少一个壁元件OO)；以及布置在所述壁元件OO)的所述外侧上的功率半导体电路(30)，其中，所述壁元件OO)的所述内侧0 形成所述管路系统(10)的液密和/或气密的壁。
2.根据权利要求1所述的功率半导体系统(100)，所述功率半导体系统带有金属成型体(40)，其中，所述管路系统(10)的一部分通过多个在所述金属成型体GO)中的第一空腔形成。
3.根据权利要求2所述的功率半导体系统(100)，其中，所述金属成型体00)具有至少一个形成所述管路系统(10)的一部分的所述第一空腔(41)，所述第一空腔形成在所述金属成型体GO)的表面上的开口，以及所述壁元件00)以如下方式安装在所述金属成型体GO)上，即，使所述壁元件00)的所述内侧0 液密和/或气密地封闭所述开口。
4.根据权利要求3所述的功率半导体系统(100)，其中，所述壁元件的所述内侧02) 相对所述金属成型体GO)借助弹性的密封元件(50)被封闭。
5.根据权利要求3或4所述的功率半导体系统(100)，其中，凹隙具有与所述管路系统(10)的入口侧区段(11)连接的第一开口(42)，和与所述管路系统(10)的出口侧区段(12)连接的第二开口 (43) 0
6.根据权利要求2至5中任一项所述的功率半导体系统(100)，所述功率半导体系统带有固定在所述金属成型体G0)上的框架(60)，所述框架将所述壁元件00)形状锁合和 /或力锁合地固定在所述金属成型体GO)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体系统(100)，其中，所述功率半导体电路(30)的导引电流的元件相对所述壁元件00)的所述内侧电绝缘。
8.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体系统(100)，其中，所述功率半导体电路(30)具有装备有功率半导体的衬底(31)。
9.根据权利要求1所述的功率半导体系统(100)，其中，所述壁元件00)构造为金属的冷却体03)。
10.根据权利要求9所述的功率半导体系统(100)，其中，所述冷却体03)具有肋和/ 或销(26)，所述肋和/或所述销造成所述冷却体的散热面积变大。
11.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体系统(100)，其中，用流动的工作介质填充所述管路系统(10)，并且所述壁元件00)的所述内侧02)与所述工作介质接触。
12.根据权利要求1所述的功率半导体系统(100)，其中，金属成型体00)具有用于至少一个直接与所述至少一个壁元件00)相邻布置的且通过所述金属成型体G0)进行冷却的电容器(84)的凹部(80)。
13.根据权利要求12所述的功率半导体系统(100)，其中，所述电容器(84)是未被加装壳体的电容器并借助间距保持件(8 和浇铸剂布置在凹部(80)中。
全文摘要
本发明涉及一种功率半导体系统以及一种用于制造功率半导体系统的方法。功率半导体系统带有用于流动的工作介质的管路系统；带有外侧和内侧的壁元件；以及布置在壁元件的外侧上的功率半导体电路，其中，壁元件的内侧形成管路系统的液密和/或气密的壁。根据本发明的改良的功率半导体系统能实现从功率半导体电路到冷却介质上的有效热传递。
文档编号H01L23/46GK102456642SQ20111034468
公开日2012年5月16日 申请日期2011年11月4日 优先权日2010年11月5日
发明者哈特姆特·库拉斯, 弗兰克·埃伯斯贝格尔, 彼得·贝克达尔 申请人:赛米控电子股份有限公司