具有液体冷却的功率半导体模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有液体冷却的功率半导体模块。根据一个实施例，该模块包括要冷却的衬底和被布置在衬底之下的两部分的冷却系统。冷却系统具有上部机件和下部机件。上部机件被构造，使得上部机件与衬底形成用于冷却液体的流动通道，其中上部机件具有第一入口以及出口，通过第一入口或出口，冷却液体可以被引入到流动通道中或从流动通道中被引出。该上部机件此外具有在纵向上与第一入口相间隔的至少一个第二入口。该下部机件构成有进入口和排出口，其中该排出口与出口连接并且该进入口与第一入口连接。该下部机件此外具有从进入口分岔的包含至少一个旁路通道的通道，该旁路通道与第二入口连接，使得冷却液体的一部分通过旁路通道到达流动通道中。
【专利说明】具有液体冷却的功率半导体模块
【技术领域】
[0001]本发明处于电子设备冷却的领域中，特别是一种具有液体冷却的功率半导体模块被描述。
【背景技术】
[0002]半导体模块和特别是功率半导体模块在运行期间在高的电流和电压的情况下产生热量，如果该热量没有相应地被导出，那么该热量减少那些模块的功率和寿命。在功率半导体元件和模块中，在相应高的损耗功率的情况下使用液体冷却，以便保障足够的热量运走。
[0003]在直接的液体冷却的情况下，功率半导体模块在其下侧上具有换热器(例如冷却体)，所述换热器吸收组件的热量并且通过与冷却液体的直接接触将那些热量传输给该冷却液体。因此该冷却液体在沿着模块的下侧流动期间加热被加热，其中冷却液体的温度越来越接近模块的运行温度。然而，冷却效应(即从模块到冷却液体的传热)强烈地依赖于组件和冷却液体之间的温度差并且因此模块在(冷的)冷却液体流入的那侧上比在(被加热的)冷却液体又流出的那侧上更好地被冷却。(在冷却液体的流动方向上来看)一个接一个地被布置在模块中的元件因此不均匀地被冷却并且因此承受不同的热负荷，这将整个模块的寿命限制在最差地被冷却的组件的寿命内。
[0004]至今的冷却解决方案只设置冷却液体在底板之下的纵向或横向流动，其中纵向流动沿着模块的(长的)纵向伸展并且横向流动沿着模块的(短的)横向伸展。在纵向流动的情况下，温度分布的不均匀性的效应在冷却液体中是最大的，因为冷却液体在模块的窄侧上被引入并且在模块的相对侧上又被引出。在模块的整个长度上(即沿着纵向侧)冷却液体相应地被加热，由此位于模块的每一侧的组件与在模块的相对侧上的组件相比利用更热的液体来冷却，其中在所述每一侧处被加热的液体被引出，在该相对侧处冷的冷却液体被引入。
[0005]通过横向流动的解决方案尽管解决不均匀性的问题，但是要求冷却液体的明显更大的体积流量，因为(长的)纵向侧的流动横截面被预先给定。与此相联系的更高的泵功率恰好在现代的应用范围、如电动或混合动力车辆中是不期望的。
【发明内容】
[0006]本发明所基于的任务在于，创建一种用于功率半导体模块的冷却装置，利用该冷却装置即使在中等的体积流量的情况下也保障从模块的均匀的热量运走。
[0007]该任务通过根据权利要求1的功率半导体模块来解决。本发明的不同的实施例和改进方案在从属权利要求中被说明。
[0008]根据第一实施例的功率半导体模块包括底板、至少一个被施加在该底板上的要冷却的衬底和被布置在该底板之下的两部分的冷却系统。该冷却系统具有上部以及下部机件。该上部机件被构造，使得其与该底板形成用于冷却液体的流动通道，其中该上部机件具有第一入口以及出口，通过该第一入口或出口，冷却液体可以被引入到所述流动通道中或从所述流动通道中被引出。此外，该上部机件具有至少一个第二入口，该第二入口在纵向上与第一入口相间隔。该下部机件被构成有进入口和排出口，其中该排出口与该出口连接并且该进入口与该第一入口连接。此外，该下部机件具有从进入口分岔的通道，该通道包含至少一个旁路通道，该旁路通道与该第二入口连接，使得冷却液体的一部分通过该旁路通道到达流动通道中。
[0009]根据另一个实施例的功率半导体模块包括要冷却的衬底和被布置在该衬底之下的两部分的冷却系统。该冷却系统具有上部以及下部机件。该上部机件被构造，使其与该衬底形成用于冷却液体的流动通道，其中该上部机件具有第一入口以及出口，通过该第一入口或出口，冷却液体可以被引入到所述流动通道中或从所述流动通道中被引出。此外，该上部机件具有至少一个第二入口，该第二入口在纵向上与第一入口相间隔。该下部机件被构成有进入口和排出口，其中该排出口与该出口连接并且该进入口与该第一入口连接。此夕卜，该下部机件具有从进入口分岔的通道，该通道包含至少一个旁路通道，该旁路通道与该第二入口连接，使得冷却液体的一部分通过该旁路通道到达流动通道中。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面借助附图来解释实例。附图用于解释基本原理，因此仅仅这样的用于理解基本原理所必需的方面被示出。附图不是按正确比例的。在附图中，相同的附图标记表示相同的特征。
[0011]图1以俯视阐明一种功率半导体模块，其中该模块由三个各具有八个功率半导体的衬底、底板以及冷却系统来构建，
图2阐明根据图1的功率半导体模块的水平的纵向剖面图，其中冷却系统中的可能的通道走向被勾画出；以及
图3对应于图2中的图示，然而模块和冷却系统以被装配的方式被示出。
[0012]在下面的详细的描述中，参考附图，在这些图中为了阐明示出了特别的实施例。不言而喻地，只要没有另外说明，不同的在此所描述的实施例的特征可以相互被组合。
【具体实施方式】
[0013]图1以从上方的俯视示出一种功率半导体模块50，该功率半导体模块由底板1、被布置在该底板之下的冷却系统2以及被施加在该底板I上的衬底3构成，功率半导体元件6可以位于所述衬底上。该功率半导体模块50通常是矩形的并且因此拥有较长侧(下面被称为纵向侧)和较短侧(下面被称为横向侧)。方向说明相应地作为纵向和横向来说明。半导体模块的几何形状也可以是正方形的。在该情况下，纵向侧和横向侧应该是等长的。但是为了使描述变得容易，在此非正方形的实施方式作为实例被描述。
[0014]不同于在图1中的实例中所示出的，衬底3本身可以承担底板的功能。在该情况下，经常也谈及“无底板”模块。在本描述的意义上，该“底板”或者是模块的分开的底板(大多由金属构成)，在该分开的底板上可以布置一个或多个衬底(大多由陶瓷构成，例如DCB衬底)，或者是(例如陶瓷)衬底本身，于是半导体元件直接被布置在该衬底上。底板I可以优选地在衬底3之间的区域中具有空隙，在这些空隙处不需要冷却。通过这些空隙可以节省材料并且降低冷却结构中的压力损失。一般来说，空隙对于冷却系统2的功能性不是必需的并且因此是可选的构型。
[0015]该冷却系统2在图1中仅仅示意性地被勾画出，以便阐明其定位。
[0016]图2示出在功率半导体模块50的纵向上的水平的剖面图。完整的模块基本上包括三个主部件。底板1、衬底3以及被布置在该衬底上的功率半导体元件6与被布置在底板I的要冷却的区域之下的冷却肋片7共同形成要冷却的模块100。在图2和图3中的要冷却的模块100的实施方式示出复合形式的底板1，该底板由两个不同的层构成。上层(覆盖层)在此由铜(Cu)构成,下层由招(Al)构成。但是,该底板I 一般可以由固体材料(Vollmaterial)(例如Al、AlSiC或Cu)制造。用于制造这样的底板的制造方法例如是冷挤压或金属注射成型(MM)。该冷却系统200被布置在要冷却的模块100的下侧上，该冷却系统基本上包括两个部件。
[0017]即该冷却系统200包括两个部分。直接与模块100的下侧连接的上部机件200’以及紧贴该上部机件200’的下部机件200”。该上部机件200’在此具有上侧，该上侧包含槽状开口，该开口被构成，使得该开口与要冷却的模块100形成用于冷却剂的流动通道9。在此该开口被构成，使得冷却结构(冷却肋片7)完全位于流动通道9中。
[0018]该上部机件200’此外具有至流动通道9的入口 10和来自流动通道9的出口 11，所述入口和出口从机件200’的下侧出发将上侧的槽状开口与该下侧连接。通过入口 10，冷却液体因此可以从机件200’的下侧被引入到流动通道9中并且在另一侧上在纵向上通过出口 11又流出。除了入口 10和出口 11之外，该上部机件200’具有至少一个其它的入口 8，所述至少一个其它的入口在纵向上(在流动方向上)与入口 10和出口 11相间隔，即因此在纵向上位于入口 10和出口 11之间。在此其它的入口 8的准确的位置被选择，使得该入口在纵向上位于两个冷却结构(冷却肋片7)之间。在本实例中，附加于入口 10设置有两个其它的入口 8。通过这些入口 8和10，“新鲜的”(即冷的)冷却剂可以在槽状开口的在流动方向(纵向)上不同的位置处被引入。各个入口 8、10在此被布置，使得新鲜的冷却剂可以直接流入底板I的那些直接位于热源(例如具有功率半导体元件6的DCB衬底3，参见图1)之下的区域。直接流入在该上下文中意味着，该冷却剂到达热源之下的底板I的要冷却的区域，而事先没有由相邻的热源值得一提地预热。旁路冷却系统的一个附加的优点是相较于标准冷却器系统由于通过流动通道9的较低的体积流量而明显更小的压力降。
[0019]该下部机件200”此外具有进入口 12和排出口 13，所述进入口和排出口将冷却液体的引入管道和引出管道与该下部机件200”的上侧连接。在此进入口 12和排出口 13被构成，使得在(例如通过粘接或拧紧)将该下部机件200”安装到该上部机件200’上时，该进入口 12与该入口 10连接并且该出口 11与该排出口 13连接，使得冷却液体可以从进入口12出发通过入口 10流到流动通道9中并且随后通过出口 11从排出口 13流出。
[0020]该下部机件200”此外具有从进入口分岔的通道14，该通道具有至少一个旁路通道15，该旁路通道与上部机件200’的其它的入口 8连接，使得冷却液体的一部分平行于流动通道9在该分岔的通道14中流动，直至通过旁路通道15到达流动通道9中。因此新鲜的(即冷的并且还没有被预热的)冷却水在与进入口相比在纵向上更靠近排出口的位置处被注射到流动通道9中，这相较于仅仅通过入口 10注射到流动通道9中导致位于那里的冷却结构(冷却肋片7)的更有效的冷却。在图3中的图示对应于图2中的图示，其中在图3中该功率半导体模块和该冷却系统以被装配的方式被示出。
【权利要求】
1.一种功率半导体模块(50)，包括: -底板(1)， -至少一个被布置在所述底板(I)上的要冷却的衬底(3)， -被布置在所述底板(I)之下的两部分的冷却系统(200)，所述冷却系统具有以下部分: -上部机件(200’)，所述上部机件被构造，使得所述上部机件与所述底板(I)形成用于冷却液体的流动通道(9)，其中所述上部机件(200’)具有第一入口(10)以及出口(11)，通过所述第一入口和出口，所述冷却液体能够被引入到所述流动通道(9)中或从所述流动通道(9)中被引出，并且其中所述上部机件(200’)具有至少一个第二入口(8)，所述第二入口在纵向上与所述第一入口( 10)相间隔， -下部机件(200”)，构成有进入口( 12)和排出口( 13)，其中所述排出口( 13)与所述出口( 11)连接并且所述进入口( 12 )与所述第一入口( 10 )连接，其中所述下部机件(200 ”)具有从所述进入口( 12)分岔的通道(14)，所述分岔的通道具有至少一个旁路通道(15)，所述旁路通道与所述第二入口(8)连接，使得所述冷却液体的一部分通过所述旁路通道(15)到达所述流动通道(9)中。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(50)，其中所述冷却液体的流动方向在所述模块的纵向上从所述进入口(12)伸展到所述排出口(13)。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块(50)，其中至少一个要冷却的功率半导体(6)被施加在所述衬底上。
4.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块(50)，其中所述衬底(3)和所述底板(I)一体地被构造。
5.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块(50)，其中所述底板(I)之下的冷却肋片(7)在要冷却的位置处伸入到所述通道(9)中并且被冷却液体在周围冲刷。
6.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块(50)，被构成，使得所述冷却系统(200)由单独的部分制成。
7.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块(50)，其中所述底板(I)由陶瓷或金属构成。
8.一种功率半导体模块(50)，包括: -至少一个要冷却的衬底(3)， -被布置在所述衬底(3)之下的两部分的冷却系统(200)，所述冷却系统具有以下部分: -上部机件(200’)，所述上部机件被构造，使得所述上部机件与所述衬底(3)形成用于冷却液体的流动通道(9)，其中所述上部机件(200’)具有第一入口(10)以及出口(11)，通过所述第一入口和出口，所述冷却液体能够被引入到所述流动通道(9)中或从所述流动通道(9)中被引出，并且其中所述上部机件(200’)具有至少一个第二入口(8)，所述第二入口在纵向上与所述第一入口( 10)相间隔， -下部机件(200”)，构成有进入口( 12)和排出口( 13)，其中所述排出口( 13)与所述出口( 11)连接并且所述进入口( 12 )与所述第一入口( 10 )连接，其中所述下部机件(200 ”)具有从所述进入口( 12)分岔的通道(14)，所述分岔的通道具有至少一个旁路通道(15)，所述旁路通道与所述第二入口(8)连接，使得所述冷却液体的一部分通过所述旁路通道(15)到达所述流动通道(9)中。
9.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块(50)，其中所述衬底(3)由陶瓷构成。
10.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块(50)，其中所述衬底(3)是DCB衬
。
【文档编号】H01L23/473GK104183561SQ201410220448
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2013年5月24日
【发明者】T.法特, A.尤莱曼 申请人:英飞凌科技股份有限公司