專利名稱：半導(dǎo)體功率器件雙面蒸發(fā)冷卻壓接封裝的制作方法
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(jì)算機(jī)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)體功率器件的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75V以下，很多器件在100°C以上時(shí)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(shí)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 密度的增加，高效能的蒸發(fā)冷卻越來越引起人們的重視，進(jìn)行了大量的研究，如中國(guó)專 利 200320102854.8，200910009142.3, 200910158009.4, 2009101572647,公開了一些重 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。但現(xiàn)實(shí)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(huì)有很大的 面積，每個(gè)管芯直徑常大于50mm，為了避免焊接產(chǎn)生熱應(yīng)力造成器件失效，大部分采用 壓接裝配工藝。解決熱應(yīng)力專利200910158009.4的方案更為理想，但一方面以壓接半導(dǎo) 體功率器件已經(jīng)形成很大的產(chǎn)能，另方面如器件失效，封裝能重復(fù)使用也具有很大的吸 引力，因?yàn)楫?dāng)今世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)使得功率器件管芯的成本低于甚至遠(yuǎn)低于封 裝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一個(gè)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)方案如下重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，使用2個(gè)密封腔體金屬蒸發(fā)室，每個(gè) 蒸發(fā)室有一個(gè)側(cè)面設(shè)有安裝平臺(tái)，兩個(gè)安裝平臺(tái)從兩面壓裝一個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯。 在與半導(dǎo)體功率器件管芯有控制引線的面壓接的金屬蒸發(fā)室的安裝平臺(tái)留有溝槽，控制 引線和其保護(hù)管穿過溝槽引出。當(dāng)兩個(gè)半導(dǎo)體功率器件，如整流管、可控硅、IGBT橋 臂，正反連接的可控硅相開關(guān)，共陰或共陽的二極管等有相連的電極時(shí)，可將一個(gè)金屬 蒸發(fā)室置于中間，兩側(cè)面都設(shè)置安裝平臺(tái)，這樣3個(gè)蒸發(fā)室即可以壓接兩個(gè)管芯。用以保證管芯和金屬蒸發(fā)室電和熱接觸的壓力，可以采用通用的彈簧方法產(chǎn)生，也可以利用 冷媒的壓強(qiáng)。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為本發(fā)明實(shí)施例半導(dǎo)體功率器件雙面蒸發(fā)冷卻壓接封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例半導(dǎo)體功率器件雙面蒸發(fā)冷卻壓接封裝用三個(gè)金屬蒸發(fā)室 壓接兩個(gè)管芯結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例金屬蒸發(fā)室具有薄壁安裝平臺(tái)，利用冷媒壓強(qiáng)形成管芯壓 接力的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖4的實(shí)施例為本發(fā)明的多個(gè)管芯共裝于一個(gè)金屬蒸發(fā)室，并配有DBC陶瓷導(dǎo) 熱絕緣金屬隔離島的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5的實(shí)施例為本發(fā)明的多個(gè)管芯共裝于一個(gè)金屬蒸發(fā)室，兩面裝配構(gòu)成一個(gè) 完整的變頻調(diào)速或開關(guān)電源主功率器件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6的實(shí)施例為本發(fā)明的多個(gè)管芯共裝于一個(gè)金屬蒸發(fā)室，兩面裝配構(gòu)成一個(gè) 完整的變頻調(diào)速或開關(guān)電源主功率器件，外邊的上下功率器件連線也為蒸發(fā)室構(gòu)成的結(jié) 構(gòu)示意圖。其中，圖1中，1為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，21和22為引出線，31和32 為金屬蒸發(fā)室，41和42為金屬蒸發(fā)室側(cè)板上的安裝平臺(tái)，5為控制引出線，6為包封樹 脂，7為液體冷媒進(jìn)口，8為冷媒氣體或汽液兩相流出口，91為定位固定螺栓，92為壓 力彈簧。圖2中，11和12為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，21、22和23為引出線， 32為兩面都有安裝平臺(tái)的金屬蒸發(fā)室，31和33為一面有安裝平臺(tái)的金屬蒸發(fā)室，41， 421，422，43為金屬蒸發(fā)室側(cè)板上的安裝平臺(tái)，5為控制引出線，6為包封樹脂，7為液 體冷媒進(jìn)口，8為冷媒氣體或汽液兩相流出口，91為定位固定螺栓，92為壓力彈簧。圖 3中，11和12為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，21、22和23為引出線，32為兩面都有 安裝平臺(tái)的金屬蒸發(fā)室，31和33為一面有安裝平臺(tái)的金屬蒸發(fā)室，其安裝平臺(tái)41和43 為0.5-1.5毫米厚，421和422為金屬蒸發(fā)室32側(cè)板上的安裝平臺(tái)，5為控制引出線，6為 包封樹脂，7為液體冷媒進(jìn)口，8為冷媒氣體或汽液兩相流出口，91為定位固定螺栓。圖 4中，11和12為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，2為引出線，3為金屬蒸發(fā)室，41和42 為安裝平臺(tái)，5為DBC陶瓷，6為包封樹脂，7為液體冷媒進(jìn)口，8冷媒氣體出口，91為 定位固定螺栓，92為壓力彈簧，93為墊塊，94為壓板，95為外殼，38為汽液分離室，20 為金屬蒸發(fā)室的正面示意圖，30為金屬蒸發(fā)室的冷媒腔體局部刨面示意圖。例如金屬蒸 發(fā)室一個(gè)側(cè)面壓裝6個(gè)二極管，上部設(shè)置3個(gè)安裝平臺(tái)，壓裝3個(gè)共陽極的二極管，下部 設(shè)置一個(gè)DBC陶瓷導(dǎo)熱絕緣隔離島，壓裝3個(gè)共陰極的二極管。在圖5所示的蒸發(fā)室的 背面對(duì)稱放置半導(dǎo)體功率器件管芯，其蒸發(fā)室以銅鋁型材或鑄件為佳。一個(gè)面放置整流 器件，另一個(gè)面放置IGBT類的開關(guān)器件13、14，兩面構(gòu)成一個(gè)完整的變頻調(diào)速或開關(guān)電 源主功率器件系統(tǒng)。圖6所示的系統(tǒng)與圖5系統(tǒng)的區(qū)別在于，外邊的上下功率器件連線 也為蒸發(fā)室構(gòu)成，圖中的31和33，其中的冷媒液體可經(jīng)絕緣管72由中央蒸發(fā)室引入，冷 媒汽液兩相流可經(jīng)由絕緣管82流入中央蒸發(fā)室，便于更大功率系統(tǒng)的散熱。
具體實(shí)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(shí)施例來 說明技術(shù)；需要強(qiáng)調(diào)的是，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明而不限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1半導(dǎo)體功率器件雙面蒸發(fā)冷卻壓接封裝。如圖1所示，該半導(dǎo)體功率器件雙面蒸發(fā)冷卻壓接封裝包括被封裝的半導(dǎo)體功 率器件管芯1，引出線21和22，金屬蒸發(fā)室31和32，金屬蒸發(fā)室側(cè)板上的安裝平臺(tái)41 和42，控制引出線5，包封樹脂6，液體冷媒進(jìn)口 7，冷媒氣體或汽液兩相流出口 8，定位 固定螺栓91，壓力彈簧92。金屬安裝平臺(tái)31和32應(yīng)選用導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好的金屬，優(yōu) 選銅或銅的合金，其各自具有的安裝平臺(tái)41和42的外表面要加工很高的光潔度，半導(dǎo)體 功率器件管芯1由兩個(gè)金屬安裝平臺(tái)31和32夾裝，其兩個(gè)表面分別與安裝平臺(tái)41和42 接觸。其中金屬蒸發(fā)室31的安裝平臺(tái)41表面留有溝槽，半導(dǎo)體功率器件管芯1的控制 引線5與其護(hù)管，穿過溝槽和包封樹脂引出。兩金屬安裝平臺(tái)31和32由四角的螺栓91 固定，并由彈簧92維持對(duì)管芯的穩(wěn)定壓力，以保證電和熱的接觸。工作時(shí)，半導(dǎo)體功率 器件管芯1由控制引出線5控制導(dǎo)通，電流由引出線22流入，通過金屬蒸發(fā)室32，經(jīng)安 裝平臺(tái)42流入功率器件管芯1，經(jīng)安裝平臺(tái)41流到金屬蒸發(fā)室31，由引出線21流出。 液體冷媒由液體冷媒進(jìn)口 7進(jìn)入蒸發(fā)室，吸收經(jīng)蒸發(fā)室側(cè)壁導(dǎo)入的器件產(chǎn)生的熱量，蒸 發(fā)形成氣泡，上行由冷媒氣體或汽液兩相流出口 8向上流出。圖2示出了具有公共引出線的兩個(gè)半導(dǎo)體管芯，如整流管、可控硅、IGBT橋 臂，正反連接的可控硅相開關(guān)，共陰或共陽的二極管等，由3個(gè)金屬蒸發(fā)室壓裝的實(shí)施 例。該半導(dǎo)體功率器件雙面蒸發(fā)冷卻壓接封裝包括被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯11和 12，引出線21、22和23，金屬蒸發(fā)室31、32和33，金屬蒸發(fā)室的安裝平臺(tái)41、421、 422和43，控制引出線5，包封樹脂6，液體冷媒進(jìn)口 7，冷媒氣體或汽液兩相流出口 8， 定位固定螺栓91，壓力彈簧92。其中金屬蒸發(fā)室32的兩面都有安裝平臺(tái)，左邊的安裝 平臺(tái)421與管芯11的右表面接觸，右邊的安裝平臺(tái)422與管芯12的左表面接觸，管芯11 和12另外的表面分別與金屬蒸發(fā)室31的安裝平臺(tái)41、金屬蒸發(fā)室33的安裝平臺(tái)43接 觸。工作時(shí)，半導(dǎo)體功率器件管芯11和12由控制引出線5控制導(dǎo)通，電流由引出線23 流入，通過金屬蒸發(fā)室33，經(jīng)安裝平臺(tái)43流入功率器件管芯12，經(jīng)安裝平臺(tái)422流到金 屬蒸發(fā)室32，由引出線22流出；另一路電流由引出線21流入，通過金屬蒸發(fā)室31，經(jīng) 安裝平臺(tái)41流入功率器件管芯11，經(jīng)安裝平臺(tái)421流到金屬蒸發(fā)室32，由引出線22流 出ο大部分冷媒在工作溫度范圍內(nèi)，會(huì)有10-20的大氣壓的壓強(qiáng)，實(shí)施例3與實(shí)施例 2的區(qū)別在于與半導(dǎo)體功率器件11的左面接觸的安裝平臺(tái)41的厚度僅為0.5-1.5毫米，與 半導(dǎo)體功率器件12的右面接觸的安裝平臺(tái)43的厚度僅為0.5-1.5毫米，3個(gè)金屬蒸發(fā)室剛 性連接，安裝平臺(tái)對(duì)管芯的壓力由冷媒的壓強(qiáng)來保證。如圖3所示。實(shí)施例4示出了 6個(gè)半導(dǎo)體功率器件共用一個(gè)金屬蒸發(fā)室，例如6個(gè)二極管組成 三相橋。包括被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯11和12，引出線2，金屬蒸發(fā)室3，安裝平 臺(tái)41和42，DBC陶瓷5，包封樹脂6，液體冷媒進(jìn)口 7，冷媒氣體出口 8，定位固定螺栓 91，壓力彈簧92，墊塊93，壓板94，外殼95，汽液分離室38，金屬蒸發(fā)室3的正面示意圖為20，金屬蒸發(fā)室3的冷媒腔體局部刨面示意圖為30。金屬蒸發(fā)室3的一個(gè)側(cè)面的上 部設(shè)置3個(gè)安裝平臺(tái)41，每個(gè)安裝平臺(tái)壓裝一個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯11，其陽極面與金 屬蒸發(fā)室3直接接觸，下部設(shè)置一個(gè)由DBC陶瓷5導(dǎo)熱絕緣隔離的島，島上部設(shè)置電連 接的3個(gè)安裝平臺(tái)42，每個(gè)安裝平臺(tái)壓裝一個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯12，其陰極面與安裝 平臺(tái)42接觸。引出線2連接相鄰的上下兩個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯。固定于定位固定螺 栓91下邊的彈簧92產(chǎn)生的力通過壓板94，墊快93將管芯11和12與安裝平臺(tái)41和42 與引出線2壓緊。引出線2由電位差的高低決定是通過上部的半導(dǎo)體功率器件管芯與蒸 發(fā)室3電連接并接至與蒸發(fā)室3相連的輸出引線，還是通過下部的半導(dǎo)體功率器件管芯與 安裝平臺(tái)42電連接并接至與安裝平臺(tái)42相連的輸出引線。大部分電力電子系統(tǒng)包括整流和變換兩大部分，通過直流連接，有共用正極和 負(fù)極連線。圖5中，在圖4所示的蒸發(fā)室的背面對(duì)稱放置半導(dǎo)體功率器件管芯，其蒸發(fā)室 以銅鋁型材或鑄件為佳。一個(gè)面放置整流器件，另一個(gè)面放置IGBT類的開關(guān)器件20， 就可以構(gòu)成一個(gè)完整的變頻調(diào)速或開關(guān)電源主功率器件系統(tǒng)。器件或整個(gè)系統(tǒng)共用冷凝 室，封裝的液體冷媒進(jìn)口7應(yīng)連至冷凝室下部的集液管，冷媒氣體出口8應(yīng)連至冷凝室上 部的集汽管。若上下功率器件連線也為蒸發(fā)室構(gòu)成便能適于更大功率系統(tǒng)的散熱，圖6示出 的系統(tǒng)與圖5系統(tǒng)的區(qū)別便在于此。圖中的31和33蒸發(fā)室同時(shí)電連接上下管芯，其中 的冷媒液體可經(jīng)絕緣管72由中央蒸發(fā)室引入，冷媒汽液兩相流可經(jīng)由絕緣管82流入中央 蒸發(fā)室。通過蒸發(fā)冷卻的方法，采用重力循環(huán)原理簡(jiǎn)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，壓接的方式更好的適應(yīng)了現(xiàn)存 的大功率半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)工藝，并易于管芯的直接更換和封裝零件的重復(fù)利用。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(shí)施例，按照實(shí)際的需求來選擇決 定，但凡基于本發(fā)明權(quán)利保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種重力循環(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2個(gè)密封腔體金屬蒸發(fā)室，所述的每個(gè)蒸發(fā)室的一個(gè)側(cè)面設(shè)有安裝平臺(tái)，兩個(gè)安 裝平臺(tái)從兩面壓裝一個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯，與所述半導(dǎo)體功率器件管芯有控制引線面 壓接金屬蒸發(fā)室的安裝平臺(tái)留有溝槽，控制引線與其保護(hù)管穿過溝槽引出，所述的2個(gè) 蒸發(fā)室的底部和上部分別設(shè)置冷媒液體入口和冷媒汽體或汽液兩相流出口，冷媒液體入 口由絕緣軟管并聯(lián)后或直接連接至系統(tǒng)冷凝器的冷媒液體回流管，汽體或汽液兩相流出 口由絕緣軟管并聯(lián)后或直接連或經(jīng)汽液分離室接至系統(tǒng)冷凝器的頂端；
2.一種重力循環(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3個(gè)密封腔體金屬蒸發(fā)室，其中的一個(gè)蒸發(fā)室兩個(gè)側(cè)面設(shè)有安裝平臺(tái)，其余的 兩個(gè)蒸發(fā)室一個(gè)側(cè)面設(shè)有安裝平臺(tái)，兩個(gè)側(cè)面設(shè)有安裝平臺(tái)的蒸發(fā)室置于中間，每個(gè)側(cè) 面各壓裝一個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯，其余的兩個(gè)蒸發(fā)室在兩個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯的外 面壓接，所述的3個(gè)蒸發(fā)室的底部和上部分別設(shè)置冷媒液體入口和汽體或汽液兩相流出 口，冷媒液體入口由絕緣軟管并聯(lián)后或直接連接至系統(tǒng)冷凝器的冷媒液體回流管，汽體 或汽液兩相流出口由絕緣軟管并聯(lián)后或直接連或經(jīng)汽液分離室接至系統(tǒng)冷凝器的頂端；
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，其特征在于蒸 發(fā)室由導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好的金屬制成，優(yōu)選銅或銅合金，所述蒸發(fā)室同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件與外 部的電連接；
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2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 述的蒸發(fā)室的周邊配有固定螺栓，所述的固定螺栓至少要與其中的一個(gè)蒸發(fā)室電絕緣， 固定螺栓的一邊或兩邊伸出蒸發(fā)室，并配置彈簧，保證對(duì)半導(dǎo)體功率器件管芯的壓力， 實(shí)現(xiàn)良好的電和熱傳遞；
5.一種重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝，所述半導(dǎo)體功率器件封裝包括密封 腔體金屬蒸發(fā)室，所述的每個(gè)蒸發(fā)室的一個(gè)或兩個(gè)側(cè)面設(shè)有安裝平臺(tái)，半導(dǎo)體功率器件 管芯由兩個(gè)安裝平臺(tái)從兩面壓裝，其特征在于其中的一個(gè)安裝平臺(tái)是由厚度為0.5-1.5mm 的薄銅板構(gòu)成，半導(dǎo)體功率器件管芯的壓力是由蒸發(fā)室內(nèi)的冷媒壓強(qiáng)通過薄銅板實(shí)現(xiàn)；
6.一種重力循環(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 裝包括密封腔體金屬蒸發(fā)室，所述的金屬蒸發(fā)室側(cè)面上壓裝多個(gè)半導(dǎo)體功率器件管芯， 直接電連接最多的管芯通過與所述金屬蒸發(fā)室的直接壓接同時(shí)實(shí)現(xiàn)電連接和熱接觸，在 所述的金屬蒸發(fā)室的側(cè)面上設(shè)置DBC陶瓷導(dǎo)熱絕緣隔離島，安裝無法與所述的金屬蒸發(fā) 室直接電連接的半導(dǎo)體功率器件管芯，工程實(shí)施例三相整流橋的金屬蒸發(fā)室一個(gè)側(cè)面壓 裝6個(gè)二極管，所述金屬蒸發(fā)室安裝面的上部設(shè)置3個(gè)安裝平臺(tái)，壓裝3個(gè)共陽極的二極 管，下部設(shè)置一個(gè)DBC陶瓷導(dǎo)熱絕緣隔離島，壓裝3個(gè)共陰極的二極管，工程實(shí)施例三 相整流橋的金屬蒸發(fā)室一個(gè)側(cè)面壓裝6個(gè)二極管，另一個(gè)側(cè)面壓裝6個(gè)IGBT，所述金屬 蒸發(fā)室安裝面的上部每面設(shè)置3個(gè)安裝平臺(tái)，下部每面設(shè)置一個(gè)DBC陶瓷導(dǎo)熱絕緣隔離 島，壓裝一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要功率器件。
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，金屬蒸發(fā)室。壓裝的方式更好的適應(yīng)了現(xiàn)存的大功率半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)工藝，并易于管芯的直接更換，封裝零件的重復(fù)利用，雙面蒸發(fā)室管換熱效率高。
文檔編號(hào)H01L23/367GK102013416SQ20091016989
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者王玉富 申請(qǐng)人:王玉富