具有导热防腐涂层的功率模块及其制造方法、功率模块冷却装置与流程

本发明涉及功率模块和功率模块冷却策略领域。具体地，本发明涉及功率模块和功率模块阵列的直接液冷，以获得更好的热性能和更高的功率密度。本发明还涉及保护直接浸入冷却液中的直接冷却功率模块的基板免受电化学和机械侵袭。

背景技术：

1、功率模块的冷却对于防止功率模块过热和延长功率模块的使用寿命非常重要。为了提高下一代功率模块和封装件的功率密度和效率，良好的热管理和电气管理至关重要。迄今为止，功率模块的冷却要么使用热界面材料间接进行，要么使用与功率模块固定连接的隔离冷却器直接进行。这些冷却概念的缺点是，在这两种情况下，器件的热阻(rth)较高，结温增加，因此模块的额定功率较低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种无上述缺点的冷却功率模块的方案。

2、具体地，本发明提出了一种热阻(rth)降低、额定功率增加的冷却功率模块的方案。这种功率模块的热阻明显降低。

3、上述和其它目的通过独立权利要求的特征实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

4、要解决热阻rth较高这一问题，可将模块阵列直接浸入冷却液中，采用合适的密封设备并对单个模块涂覆具有高温稳定性的保护隔离涂层，这可以保证阵列的全覆盖功能。同样可以使用涂覆有具有高温稳定性的保护隔离涂层的单个模块代替模块阵列。

5、本发明中提出的方案通过用薄保护层覆盖模块(例如cu、emc、al等)的可用散热片，使所有可用散热片或至少大部分可用散热片与冷却液直接接触，以可行的成本实现上述目的。保护层设计用于防止电化学侵袭，并用于机械保护和电气隔离。

6、本发明涉及根据第一方面所述的功率模块、根据第二方面所述的功率模块冷却装置、根据第三方面所述的用于制造功率模块的方法、根据第四方面所述的计算机程序产品以及根据第五方面所述的计算机可读介质，如下文所述。

7、根据第一方面，本发明涉及一种功率模块，所述功率模块包括：第一模块侧和与所述第一模块侧相对的第二模块侧；布置在所述第一模块侧和所述第二模块侧之间的模体；嵌入在所述模体内的至少一个半导体芯片，其中，所述第二模块侧包括金属层，所述金属层形成所述功率模块的散热表面；冷却剂通道，其中，所述冷却剂通道包括用于冷却所述功率模块的所述散热表面的冷却剂；沉积于所述金属层上的导热防腐涂层，其中，所述导热防腐涂层用于保护所述金属层免受所述冷却剂的影响，以防止所述金属层发生腐蚀。

8、这种功率模块的优点在于，由于导热防腐涂层沉积于金属层上，金属层可以直接由冷却剂冷却，从而改善冷却特性和散热。通过这种直接冷却的概念，可以降低热阻，从而更好地冷却功率模块。导热防腐涂层保护金属层免受冷却剂的影响。冷却剂可能是侵蚀性流体，当冷却剂与金属层直接接触时，尤其是当冷却剂长时间与金属层直接接触时，可能会对金属层造成损害。

9、模体可以包括电气外部连接件，电气外部连接件也称为触指，用于嵌入的半导体芯片的电气连接。

10、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述防腐涂层是电气绝缘的。

11、这样做的优点在于，金属层的高压可以与冷却剂通道或冷却器主体隔离。这样，冷却剂通道就不会携带危险的高压。

12、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述防腐涂层包括原子层沉积(atomiclayer deposition，ald)层、化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)层或物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)层中的至少一个。

13、例如，pvd层可以包括具有氧化硅和/或氮化硅的纳米结构薄层。

14、这些薄膜层由于其抗阻性、硬度、耐腐蚀性、介电性、光学透明度和其它材料特性而改善了模体的表面特性。

15、防腐涂层的作用是防止非贵金属的电化学侵袭，并且可以自由选择冷却器主体材料。

16、在所述功率模块的示例性实现方式中，防腐涂层可以包括一个ald层或者包括叠层，其中，叠层包括多个ald层。例如，ald可以包括一层30nm(例如，在5nm至100nm的范围内)的al2o3或20nm(例如，在5nm至50nm的范围内)的hfo2或者包括hfo2和al2o3的叠层。这种结构可以用作定义的离子阻挡层。

17、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述防腐涂层进一步沉积于所述模体在所述第二模块侧处延伸的至少一部分上。

18、这样做的优点在于，可以通过防腐涂层保护模体免受有害环境影响。这样可以增加模体的使用寿命。

19、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述第一模块侧包括第二金属层，其中，所述第二金属层形成所述功率模块的第二散热表面，所述导热防腐涂层沉积于两个金属层上，保护所述两个金属层免受所述冷却剂的影响，以防止所述两个金属层发生腐蚀。

20、这样做的优点在于可以进行双面冷却，双面冷却可以提高冷却效率。由于导热防腐涂层沉积于两个金属层(即在第一模块侧和第二模块侧)上，因此两侧的金属层可以直接由冷却剂冷却，从而改善冷却特性和散热。可以降低热阻，从而更好地冷却这种双面冷却功率模块。导热防腐涂层保护两个金属层免受冷却剂的影响。

21、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述防腐涂层进一步沉积于所述模体在所述第一模块侧处延伸的至少一部分上。

22、这样做的优点在于，可以通过防腐涂层从两个模块侧保护模体免受有害环境影响。如上所述，这样可以增加模体的使用寿命。

23、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述防腐涂层完全覆盖所述模体、所述金属层和所述第二金属层，以密封所述功率模块，从而抵御外界湿气。

24、这样做的优点在于，可以高效地保护功率模块免受外界湿气等有害环境影响，这样可以增加功率模块的使用寿命。

25、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述功率模块包括设置在所述冷却剂通道和所述第二模块侧之间的密封件，其中，所述密封件用于密封所述冷却剂通道，以防止所述冷却剂发生损耗。

26、密封件的优点在于，冷却剂通道可以高效地连接到功率模块，并且密封件可以高效地密封功率模块的第二模块侧和冷却剂通道之间的接触区域。

27、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述密封件用于提供与具有所述防腐涂层的所述金属层和所述冷却剂通道的气密密封连接。

28、这样做的优点在于，密封件使得具有防腐涂层的金属层和冷却剂通道中的不平整区域可以很好地密封。

29、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述密封件设置在所述冷却剂通道和具有所述防腐涂层的所述金属层之间，或者设置在所述冷却剂通道和具有所述防腐涂层的所述模体在所述第二模块侧处延伸的一部分之间。

30、这样做的优点在于可以进行灵活制造。在第一种情况下，即当密封件设置在冷却剂通道和具有防腐涂层的金属层之间时，金属层的涂层(例如，通过ald工艺进行)可以在模制之前或之后进行涂覆。在第二种情况下，即当密封件设置在冷却剂通道和具有防腐涂层的模体的一部分之间时，模体的涂层应在模制后进行涂覆。

31、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述功率模块包括设置在所述冷却剂通道和所述第一模块侧之间的第二密封件，其中，所述第二密封件用于密封所述冷却剂通道，以防止所述冷却剂发生损耗。

32、如上文针对密封件所述，第二密封件的优点在于，冷却剂通道可以高效地连接到功率模块，并且第二密封件可以高效地密封功率模块的第一模块侧和冷却剂通道之间的接触区域。因此，冷却剂通道可以围绕功率模块进行高效冷却。

33、在所述功率模块的示例性实现方式中，所述第二密封件设置在所述冷却剂通道和具有所述防腐涂层的所述第二金属层之间，或者设置在所述冷却剂通道和具有所述防腐涂层的所述模体在所述第一模块侧处延伸的一部分之间。

34、这样做的优点在于，应用双面冷却时可以进行灵活制造。在第一种情况下，即当第二密封件设置在冷却剂通道和具有防腐涂层的第二金属层之间时，第二金属层的涂层(例如，通过ald工艺进行)可以在模制之前或之后进行涂覆。在第二种情况下，即当第二密封件设置在冷却剂通道和具有防腐涂层的模体在第一模块侧处延伸的一部分之间时，模体的涂层应在模制后进行涂覆。

35、根据第二方面，本发明涉及一种功率模块冷却装置，所述功率模块冷却装置包括：根据上述第一方面所述的多个功率模块，其中，所述多个功率模块通过所述多个功率模块的相应第一模块侧和第二模块侧彼此堆叠，相应功率模块的冷却剂通道形成公共冷却剂通道。

36、通过实现这种公共冷却剂通道，可以非常高效地冷却形成功率模块冷却装置的堆叠的功率模块的整个阵列，因为公共冷却剂通道的冷却液可以流经所有功率模块的金属层表面，从而确保高效冷却。

37、在所述功率模块冷却装置的示例性实现方式中，所述公共冷却剂通道在所述多个功率模块中的每个功率模块的所述第一模块侧和所述第二模块侧上方延伸。

38、由于冷却液与每个功率模块的第一模块侧和第二模块侧直接接触，因此该装置提供了高效的冷却。

39、在所述功率模块冷却装置的示例性实现方式中，所述功率模块冷却装置包括至少一个中间密封件，其中，所述至少一个中间密封件设置在彼此堆叠的两个功率模块的相应第一模块侧和相应第二模块侧之间，所述至少一个中间密封件用于密封所述堆叠的功率模块内的所述公共冷却剂通道，以防止冷却剂发生损耗。

40、该中间密封件的优点在于，堆叠的功率模块也可以从彼此堆叠的模块侧冷却。中间密封件使得冷却剂可以流经彼此堆叠的模块侧。

41、在所述功率模块冷却装置的示例性实现方式中，每个中间密封件设置在模体之间或者所述两个堆叠的功率模块的相应第一模块侧和相应第二模块侧的金属层之间。

42、这样做的优点在于，可以灵活制造功率模块冷却装置。在第一种情况下，即当中间密封件设置在相应第一模块侧和相应第二模块侧的模体之间时，涂层(例如，通过ald工艺进行)应在模制之后进行涂覆。在第二种情况下，即当中间密封件设置在相应第一模块侧和相应第二模块侧的金属层之间时，涂层(例如，通过ald工艺进行)可以在模制之前或之后进行涂覆。

43、这些中间密封件可以由密封网形成，例如由适当设计的橡胶网形成。

44、根据第三方面，本发明涉及一种用于制造功率模块的方法，所述方法包括：在模体内模制至少一个半导体芯片，以形成功率模块，其中，所述功率模块具有第一模块侧和与所述第一模块侧相对的第二模块侧，所述模体布置在所述第一模块侧和所述第二模块侧之间；通过金属层在所述第二模块侧处形成所述功率模块的散热表面；在所述金属层上沉积导热防腐涂层，保护所述金属层免受冷却剂的影响，以防止所述金属层发生腐蚀；提供冷却剂通道，其中，所述冷却剂通道包括用于冷却所述功率模块的所述散热表面的冷却剂。

45、这种方法可以制造上文针对第一方面所述的功率模块。通过该方法制造的功率模块提供了上文针对第一方面所述的优点。即，由于导热防腐涂层沉积于金属层上，金属层可以直接由冷却剂冷却，从而改善冷却特性和散热。可以降低热阻，从而更好地冷却功率模块。导热防腐涂层保护金属层免受冷却剂的影响。

46、在所述方法的示例性实现方式中，防腐涂层在模制之前或之后沉积于金属层和/或模体上。

47、这样做的优点在于具有灵活设计选项。根据相应的设计，可以节省制造步骤，以降低成本。

48、根据第四方面，本发明涉及一种计算机程序产品。所述计算机程序产品包括计算机可执行代码或计算机可执行指令。当所述计算机可执行代码或计算机可执行指令执行时，使得至少一台计算机执行根据上述第三方面所述的方法。

49、所述计算机程序产品可以在用于实现上述方法的控制器或处理器上运行，以制造上述根据第一方面所述的功率模块和/或根据第二方面所述的功率模块冷却装置。

50、根据第五方面，本发明涉及一种计算机可读介质。所述计算机可读介质存储指令，当所述指令由计算机执行时，使得所述计算机执行根据上述第三方面所述的方法。这样的计算机可读介质可以是非瞬时性可读存储介质。存储在计算机可读介质上的指令可以由控制器或处理器执行。