專利名稱：一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件封裝領(lǐng)域，具體涉及了一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體 功率器件封裝。
背景技術(shù)：
以半導(dǎo)體功率器件、微電子和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)是節(jié)能減 排、開發(fā)綠色能源的核心和關(guān)鍵。而半導(dǎo)體功率器件得電特性和熱特性又是核心的核心、關(guān) 鍵的關(guān)鍵。一方面半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用為人類節(jié)約了大量的能源，另方面其工作過程中 無法避免的熱效應(yīng)而導(dǎo)致失效又是各類變換器損壞的主要原因。大部分半導(dǎo)體功率器件優(yōu) 化的工作溫度為50°C以下，很多器件在75°C以上時就很容易失效。因此，一方面要降低器 件的損耗，例如發(fā)展高速度低導(dǎo)通壓降器件、軟開關(guān)等技術(shù)，同時要改善器件的散熱性能， 缺一不可。功率器件的散熱主要有風(fēng)冷卻，水冷卻和蒸發(fā)冷卻三種方式。近年來隨著功率密 的增加，高效能的蒸發(fā)冷卻越來越引起人們的重視，進行了大量的研究。如中國專利公開了 一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻技術(shù)方案，使半導(dǎo)體功率器件的封裝不但具有更好的熱傳導(dǎo)特性， 且適于印制板裝配。但工業(yè)應(yīng)用的大功率的半導(dǎo)體功率器件如可控硅、GTO會有很大的面 積，每個管芯直徑常大于50mm，這樣蒸發(fā)室的安裝底面會很大，在冷媒的工作壓力下，安裝 平臺的變形會使器件失效，并且太大的水平面積不利于整機裝配，還有器件工作時外引線、 器件的有源區(qū)、襯底材料到安裝平臺有較大的溫度梯度，長時間會產(chǎn)生應(yīng)力，影響器件壽 命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一個解決以上問題的技術(shù)方案。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于所述半導(dǎo)體功率器件封 裝包括密封腔體蒸發(fā)室，所述的密封腔體蒸發(fā)室的側(cè)面由板狀金屬安裝平臺構(gòu)成，板狀金 屬安裝平臺的外表面焊裝半導(dǎo)體功率器件管芯，用樹脂或塑料將由所述安裝平臺和半導(dǎo)體 功率器件管芯引出的輸出和控制引線固定于封裝的下面或側(cè)面，所述的蒸發(fā)室密封腔體的 最高點配有冷媒流通管道。蒸發(fā)室由導(dǎo)熱性能好的金屬制成，優(yōu)選銅或銅合金。由于半導(dǎo) 體管芯是垂直裝配，蒸發(fā)室的兩個側(cè)面都可用于管芯安裝，提高了封裝密度。常用的冷煤汽化潛熱可達每克200-300卡，具有很強的熱傳遞能力，一根不是很 粗的管道，優(yōu)選的為4-12m m,當功率器件的發(fā)熱量不是很大時即可以滿足汽泡上行和液體 下行的要求。功率器件的發(fā)熱量很大時，可分別設(shè)置汽體上行和液體下行管道。大功率的器件工作時外引線、器件的有源區(qū)、襯底材料到安裝平臺有較大的溫度 梯度，長時間會產(chǎn)生應(yīng)力，影響器件壽命。本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)還包括將焊裝有平板引線的半 導(dǎo)體功率器件管芯置于密封腔體蒸發(fā)室內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
焊裝有平板引線的半導(dǎo)體功率器件管芯，以垂直方向為優(yōu)選，有利于汽泡的上行， 其平板引線由密封腔體蒸發(fā)室側(cè)面引出，通過壓緊和樹脂密封整個冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明技術(shù)方案采用重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻原理進行散熱設(shè)計的半導(dǎo)體功率器件封 裝，在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的技術(shù)方案的蒸發(fā)冷卻裝置采用蒸發(fā)室在器件的內(nèi)部，半導(dǎo)體管芯立 向直接焊裝在蒸發(fā)室上，可多面安裝，不但實現(xiàn)了最好的熱傳遞，而且裝配緊湊，進而將功 率器件整體安裝在蒸發(fā)室內(nèi)，更減小了器件內(nèi)的熱機械應(yīng)力，提高了壽命。器件進一步小型 化，結(jié)構(gòu)上更利于電子產(chǎn)品的印制板裝配。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述圖1為本發(fā)明實施例重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件立式安裝于蒸發(fā)室外封 裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件立式安裝于蒸發(fā)室內(nèi)封 裝示意圖；圖3為本發(fā)明實施例重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件立式安裝于蒸發(fā)室內(nèi)單 面引出線封裝示意圖；圖4的實施例為本發(fā)明器件帶有獨立的冷凝器，與系統(tǒng)換熱的示意圖；圖5的實施例為本發(fā)明器件帶有獨立的冷凝器，與系統(tǒng)換熱的示意圖；其中，圖1中，1為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，2為引出線，3為金屬安裝平臺 兼做蒸發(fā)室側(cè)板，4絕緣材料，5為控制引出線，6包封樹脂，7液體冷媒進口，8為冷媒通道。 圖2中，1為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，2為引出線，3為蒸發(fā)室側(cè)板，4絕緣材料，5為 控制引出線，6為密封樹脂，7液體冷媒進口，8為冷媒通道，9為管芯絕緣材料，10為器件內(nèi) 各被功率器件管芯分隔空間的冷媒連接通道，以設(shè)置多個為好。圖3中，1為被封裝的半導(dǎo) 體功率器件管芯，2為各管芯引出線，21為管芯公共引出線，3為蒸發(fā)室外殼，4蒸發(fā)室外殼 腔體，7液體冷媒進口，8為冷媒通道。圖4中，1為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，2為引出 線，3為蒸發(fā)室側(cè)板，4絕緣材料，5為控制引出線，6為密封樹脂，7冷媒灌注口，8為冷媒通 道，9為管芯絕緣材料，10為器件內(nèi)各被功率器件管芯分隔空間的連接通道，以設(shè)置多個為 好，11為換熱器，其中110為管道接頭，111為冷凝室，112為初始殘余空氣排放口，113為系 統(tǒng)換熱媒體入口，114為系統(tǒng)換熱媒體出口，115為換熱器外殼。圖5中，1為被封裝的半導(dǎo) 體功率器件管芯，2為引出線，3為蒸發(fā)室側(cè)板，4絕緣材料，5為控制引出線，6為密封樹脂， 7冷媒灌注口，8為冷媒通道，9為管芯絕緣材料，10為器件內(nèi)各被功率器件管芯分隔空間的 連接通道，以設(shè)置多個為好，11為換熱器，其中110為管道接頭，111為冷凝室，112為初始殘 余空氣排放口，113為系統(tǒng)換熱媒體入口，114為系統(tǒng)換熱媒體出口，115為冷凝室外殼。
具體實施例方式為了更詳盡的表述上述發(fā)明的技術(shù)方案，以下本發(fā)明人列舉出具體的實施例來說 明技術(shù)；需要強調(diào)的是，這些實施例是用于說明本發(fā)明而不限制本發(fā)明的范圍。實施例1重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件管芯立式安裝于蒸發(fā)室外封裝。
如圖1所示，該重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝包括被封裝的半導(dǎo)體功率 器件管芯1，引出線2，金屬安裝平臺兼做蒸發(fā)室側(cè)板3，絕緣材料4，控制引出線5，包封樹脂 6，液體冷媒進口 7，冷媒通道8。半導(dǎo)體功率器件管芯1焊裝于金屬安裝平臺兼做蒸發(fā)室側(cè) 板3外表面，板狀金屬安裝平臺2應(yīng)選用導(dǎo)熱性好的金屬，優(yōu)選銅或銅的合金，半導(dǎo)體功率 器件管芯1的與金屬安裝平臺兼做蒸發(fā)室側(cè)板3相連的引出線2可由蒸發(fā)室的底部直接引 出，與半導(dǎo)體功率器件管芯1的外表面相連的引出線2通過絕緣4與蒸發(fā)室固定且電絕緣， 由底部引出，便于電裝配，控制引線5可由半導(dǎo)體功率器件管芯1的外表面直接引出，靠外 包封樹脂6固定，或是用引線壓焊至絕緣固定于蒸發(fā)室表面的金屬極板引出。密封蒸發(fā)室 的最高點配有冷媒通道8，當器件的發(fā)熱量不是很大時，一條冷媒通道即可同時做冷媒汽泡 上行通道和冷媒液體下行通道，當器件的發(fā)熱量很大時，在蒸發(fā)室的下部專門配置冷媒液 體下行通道。半導(dǎo)體功率器件管芯1工作時產(chǎn)生的熱量，通過金屬安裝平臺兼做蒸發(fā)室側(cè) 板3導(dǎo)入蒸發(fā)室內(nèi)，使冷媒蒸發(fā)，形成汽泡上行。實施例1當大功率的器件工作時外引線、器件的有源區(qū)、襯底材料到安裝平臺有 較大的溫度梯度，長時間會產(chǎn)生應(yīng)力，影響器件壽命。本發(fā)明提供的實施例2提供了將焊裝 有平板引線的半導(dǎo)體功率器件管芯置于密封腔體蒸發(fā)室內(nèi)的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝包括被封裝的半導(dǎo)體功率 器件管芯1，引出線2，蒸發(fā)室側(cè)板3，絕緣材料4，控制引出線5，密封樹脂6，液體冷媒進 口 7，冷媒通道8，為管芯絕緣材料9，為器件內(nèi)各被功率器件管芯分隔空間的冷媒連接通道 10。所有的半導(dǎo)體功率器件管芯1和引出線2預(yù)先焊裝成一體，并在相同的位置留出冷媒連 接通道10，與絕緣材料4，蒸發(fā)室側(cè)板3緊密裝配成一體，外邊由樹脂密封，構(gòu)成蒸發(fā)腔室。 密封蒸發(fā)腔室的最高點配有冷媒通道8，當器件的發(fā)熱量不是很大時，一條冷媒通道即可同 時做冷媒汽泡上行通道和冷媒液體下行通道，當器件的發(fā)熱量很大時，在蒸發(fā)室的下部專 門配置冷媒液體下行通道7。半導(dǎo)體功率器件管芯1工作時產(chǎn)生的熱量，和引出線2產(chǎn)生的 熱量直接使冷媒蒸發(fā)，形成汽泡上行。實施例3如圖3所示，該重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝包括被封裝的半 導(dǎo)體功率器件管芯1，各管芯分別引出線2，各管芯公共引出線21，蒸發(fā)室殼體3，蒸發(fā)室腔 體4，液體冷媒進口 7，冷媒通道8。所有的半導(dǎo)體功率器件管芯1置于共同的蒸發(fā)室腔體4 內(nèi)。密封蒸發(fā)腔室的最高點配有冷媒通道8，當器件的發(fā)熱量不是很大時，一條冷媒通道即 可同時做冷媒汽泡上行通道和冷媒液體下行通道，當器件的發(fā)熱量很大時，在蒸發(fā)室的下 部專門配置冷媒液體下行通道7。半導(dǎo)體功率器件管芯1工作時產(chǎn)生的熱量、引出線2產(chǎn)生 的熱量直接使冷媒蒸發(fā)，形成汽泡上行。實施例4如圖4所示，該重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝包括被封裝的半 導(dǎo)體功率器件管芯1，引出線2，蒸發(fā)室側(cè)板3，絕緣材料4，控制引出線5，密封樹脂6，液體 冷媒灌注口 7，冷媒通道8，為管芯絕緣材料9，為器件內(nèi)各被功率器件管芯分隔空間的冷媒 連接通道10 ；還有由管道接頭110，冷凝室111，初始殘余空氣排放口 112，整機系統(tǒng)換熱媒 體入口 113，整機系統(tǒng)換熱媒體出口 114，換熱器外殼115組成的換熱器11。功率器件產(chǎn)生 熱量蒸發(fā)的汽泡經(jīng)冷媒通道8進入換熱器11，在冷凝室內(nèi)轉(zhuǎn)換成液體并回流。整機冷卻系 統(tǒng)也以蒸發(fā)冷卻為好，液體冷媒由整機系統(tǒng)換熱媒體入口 113進入換熱器11，吸收冷凝室 111的熱量蒸發(fā)，汽體或汽水兩相流由整機系統(tǒng)換熱媒體出口 114流出帶走熱量。如為整機
5冷卻系統(tǒng)為水冷卻，則冷水由整機系統(tǒng)換熱媒體入口 113進入，熱水由整機系統(tǒng)換熱媒體 出口 114流出帶走熱量。7為冷煤灌注口，112為初始殘余空氣排放口，系統(tǒng)初始化或需補 充時冷煤由灌注口 7灌注，冷凝室內(nèi)111內(nèi)的空氣由初始殘余空氣排放口 112排出。實施例5如圖5所示，與實施例4的區(qū)別在于該換熱器的盤管與整機冷卻系統(tǒng)連 通，外管腔體作為功率器件的冷凝室，有利于器件冷媒液體的回流。多個器件，甚至子系統(tǒng) 采用實施例4和5的方案亦可以方便的構(gòu)成大的整機系統(tǒng)。由于蒸發(fā)冷卻的高效率，低成 本，重復(fù)采用實施例4和5的方案，很容易實現(xiàn)具有換熱備份或多種換熱方式的高可靠系 統(tǒng)。
通過蒸發(fā)冷卻的方法，采用重力循環(huán)原理簡單高效的將各種大功率半導(dǎo)體功率器 件的熱量直接導(dǎo)出，立式的封裝結(jié)構(gòu)增加了封裝密度，蒸發(fā)腔室內(nèi)的器件管芯封裝消除了 熱應(yīng)力，分散配置的換熱器減小了器件維修更換的難度，不僅解決了散熱的技術(shù)難題，并且 減小了體積、重量，使之適應(yīng)于印制板裝配。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，以及 上面給出的實施例，按照實際的需求來選擇決定，但凡基于本發(fā)明權(quán)利保護范圍內(nèi)的幾種 方式的組合以及不脫離本發(fā)明權(quán)利要求宗旨變化均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于所述半導(dǎo)體功率器件封裝包括密封腔體蒸發(fā)室，所述的密封腔體蒸發(fā)室的側(cè)面由板狀金屬安裝平臺構(gòu)成，板狀金屬安裝平臺的外表面焊裝半導(dǎo)體功率器件管芯，用絕緣樹脂將由所述安裝平臺和半導(dǎo)體功率器件管芯引出的輸出和控制引線固定于封裝的下面或側(cè)面，所述的蒸發(fā)室密封腔體的最高點配有冷媒流通管道；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于所述裝 置的蒸發(fā)室由導(dǎo)熱性能好的金屬制成，優(yōu)選銅或銅合金；
3.一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于所述半導(dǎo)體功率器件封裝 包括密封腔體蒸發(fā)室，焊裝有平板引線的半導(dǎo)體功率器件管芯，所述的焊裝有平板引線的 半導(dǎo)體功率器件管芯置于所述的密封腔體蒸發(fā)室內(nèi)，以垂直方向為優(yōu)選，所述的平板引線 由所述的密封腔體蒸發(fā)室側(cè)面引出，引線間配置通過壓緊和樹脂密封，在將蒸發(fā)室分隔的 所述的平板引線和其絕緣片的上下部開有多個連通孔；
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于配 有與所述的密封通道的最低點相通的輸入管道，用于液體冷媒流入，所述輸入管道的外端 配有軟管或銅管接頭；
5.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于上 部配有專用的換熱器與整機換熱系統(tǒng)熱交換，個別器件維修更換時不影響正機的蒸發(fā)冷卻 或水冷卻系統(tǒng)，所述的換熱器下部配有管道接頭，便于器件的拆裝，與下部半導(dǎo)體功率器件 本體連通的冷凝室，所述的冷凝室的最上部留有初始殘余空氣排放口，與整機冷卻系統(tǒng)聯(lián) 通的蒸發(fā)室或冷卻液體流通通道，兩者間以具有盤管或翅片管類的換熱結(jié)構(gòu)為佳，在所述 器件封裝的最低點設(shè)有冷媒液體灌注口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于所述重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝包括立式裝配的半導(dǎo)體功率器件管芯和功率、控制引出線，蒸發(fā)室外貼裝方式便于生產(chǎn)，管芯在蒸發(fā)室內(nèi)的裝配方式，換熱效率高，更徹底的消除了器件的熱應(yīng)力，器件的封裝密度大，易于整機的裝配，二次換熱的方法利于器件的更換和維修。
文檔編號H01L23/367GK101944515SQ20091015726
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月6日
發(fā)明者王玉富 申請人:王玉富