功率半導體模塊以及用于冷卻功率半導體模塊的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及功率半導體模塊，并且特別地涉及對功率半導體模塊的冷卻。
【背景技術】
[0002]在較低功率范圍內的電力電子器件(例如，額定功率小于約50kW的器件)通常基于印刷電路板(PCB)結構。主電路和信號電子線路兩者的導電跡線都可以集成至PCB中。電氣部件例如半導體開關、無源部件以及集成電路(1C)通常通過焊接附接至PCB的表面。通過使用PCB，可以降低大規(guī)模生產的成本，同時可以增加器件緊湊度。
[0003]隨著更多的部件被集成至PCB，PCB的單位面積功耗也會增加。此外，在PCB上的部件可能有不同的冷卻要求，特別是在PCB包括埋置的功率半導體的情況下更是如此。因此，在PCB上可能出現局部熱點。圖1示出了包括六個IGBT 11和六個二極管12的典型三相逆變器模塊構造的示例性實施方式，其中每個芯片被燒結至銅基板的一個表面。在圖1中，將固定均勻的冷卻條件(6000W/cm2K)施加至封裝件的相反表面。盡管冷卻速率較高，但是由于IGBT與二極管之間的不均勻散熱，熱點在封裝件中是普遍的。
[0004]在封裝件的使用期內，不均勻的熱狀況可能在PCB封裝件中引起熱應力和熱疲勞，這可能導致力學破壞，例如，脫層或開裂。
[0005]在高傳熱系數和局部熱點管理為主要需求的一些熱管理領域(例如，電子封裝和光子學)中，已經考慮了微流體夾層。然而，微通道可能制造起來復雜。此外，微通道實施通常涉及特定的模塊設計/封裝件設計，并且對于其他封裝件設計可能是不可實施的。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種功率半導體模塊以及用于半導體模塊的冷卻方法，以減輕以上缺點。通過其特征在于獨立權利要求中所述的特征的方法和模塊來實現本發(fā)明的目的。在從屬權利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
[0007]可以在PCB基模塊中使用熱傳導泡沫(TCF)以用于對流熱管理。利用TCF，可以實現冷卻劑的有效流動控制以及隨后的熱點冷卻?？梢詫CF層置于PCB基板中，并且該夾層可以用于將冷卻劑的流動引導至封裝件的特定區(qū)，以便于提高與埋置部件的對流傳熱。與在微通道結構中的情況不同，可以通過泡沫的孔隙率來控制冷卻劑流動路徑，借以迫使冷卻劑流動至具有較低的體積密度(即，較高的孔隙率)并且因而具有較低的流阻的區(qū)域。TCF層可以形成與芯片引線框直接或間接接觸的特定插入層。
[0008]可以通過改變TCF的空間孔隙率來控制冷卻劑的流動，由此實現熱點冷卻。例如，可以借助于預制TCF層來給每個封裝件賦予特定的流動路徑。TCF層可以被預設計成在熱點普遍的芯片正下方具有增強的冷卻。因此，可以實現在封裝件內的更均勻的熱通量并且因而減少與熱相關的失效。這樣的實施還可以降低封裝件的熱阻Rth[3]。另外，還可以控制孔隙方向(例如，沿流動方向的孔隙伸長度)以使壓降最小化。
[0009]所公開的冷卻設計具有高的可制造性:其不需要昂貴的通過基板的通道路線，這減少了板內誘導熱應力和制造時間。所公開的冷卻設計由于TCF材料的低用量而具有最低的材料成本。得到的冷卻件重量輕并且具有良好的力學性能和結構性能。
【附圖說明】
[0010]下面將參照附圖通過優(yōu)選實施方式更詳細地描述本發(fā)明，其中
[0011]圖1示出了包括六個IGBT和六個二極管的典型三相逆變器模塊構造的示例性實施方式，其中每個芯片被燒結至銅基板的一個表面；
[0012]圖2(a)至圖2(c)示出了示例性鋁泡沫塊的細節(jié)；
[0013]圖3示出了根據本公開內容的功率半導體模塊的簡化的示例性實施方式；
[0014]圖4示出了其中引線框和熱傳導泡沫層被形成為單一件的實施方式；以及
[0015]圖5(a)和圖5(b)示出了具有多個熱傳導泡沫島的簡化的示例性實施方式。
【具體實施方式】
[0016]本公開內容提出了一種包括印刷電路板(PCB)的功率半導體模塊。該PCB包括埋置至印刷電路板內的熱傳導泡沫(TCF)和至少一個功率半導體器件。例如，功率半導體器件可以是二極管或半導體開關。熱傳導泡沫是指一種多孔材料，其是熱傳導的并且可以使冷卻劑通過。例如，熱傳導泡沫可以是由鋁或銅制成的開孔金屬泡沫。
[0017]圖2(a)至圖2(c)示出了示例性鋁泡沫塊的細節(jié)。圖2 (a)示出了鋁泡沫塊，其尺寸為10.0cmX4.0cmX 1.5cm，并且孔隙率為92% (每線性英寸10個孔隙=6.9mm孔隙直徑)。圖2(b)示出了圖2(a)中的泡沫塊的單個孔隙的放大圖。在圖2(b)中，孔隙尺寸(即，孔隙的近似直徑)為7mm。圖2(c)示出了圖2(a)中描繪的示例性鋁泡沫塊，但是現在其總體積被壓縮至四分之一，這將孔隙率從92%降低至76% [1]。
[0018]功率半導體器件和TCF被定位成彼此堆疊。TCF被布置成形成對功率半導體器件進行冷卻的冷卻劑的路徑。為了冷卻功率半導體器件，供應冷卻劑穿過熱傳導泡沫。泡沫從功率半導體器件傳導熱并通過對流將熱傳遞給冷卻劑?？梢詫CF層置于PCB基板中，并且該夾層可以用于將冷卻劑的流動引導至封裝件的特定區(qū)以便于提高與埋置的一個部件或多個部件的對流熱傳遞。
[0019]在根據本公開內容的模塊中的TCF層可以被預設計成在期望位置處(例如，在引起熱點的芯片的正下方)具有增強的冷卻?？梢酝ㄟ^改變TCF的(空間)孔隙率來控制冷卻劑流動路徑，這實現了局部熱點冷卻。例如，TCF層可以包括平均孔隙尺寸不同的部分。例如，可以通過壓縮TCF來控制平均孔隙尺寸和孔隙密度。例如，可以將與圖2 (a)至圖2 (c)中所示的TCF塊類似的一個/多個預制的TCF塊集成至PCB中。
[0020]可以引導冷卻劑流動至具有較低體積密度的區(qū)。例如，離功率半導體器件最近的泡沫部分可以具有較大的平均孔隙尺寸，以便于在離功率半導體器件最近的泡沫部分中實現較大流量的冷卻劑?？梢越柚陬A制的TCF層來給每個封裝件賦予特定的流動路徑。
[0021]另外，可以將TCF制作成對于冷卻劑沿一個方向比沿另一方向更可滲透?？梢钥刂瓶紫斗较?例如，沿流動方向的孔隙伸長度)來使壓降最小化。為了在根據本公開內容的模塊中實現更加均勻的熱分布，還可以控制泡沫的熱導率。例如，根據本公開內容的功率半導體模塊可以包括含有熱導率不同的部分的TCF層。例如，使用直徑在兩個不同尺寸范圍內的石墨顆粒的犧牲式孔隙形成工藝可以修改泡沫基板，使得在孔隙率上可以出現結構各向異性，影響了熱導率、流動路徑和局部熱性能[2]。
[0022]圖3示出了根據本公開內容的功率半導體模塊的簡化的示例性實施方式。在圖3中，示出了具有埋置的芯片和TCF層的PCB封裝件31的橫截面。PCB 31可以包括多個預浸料層。
[0023]在圖3中，在模塊的PCB 31中埋置有第一功率半導體器件32的芯片。例如，第一功率半導體器件32可以是IGBT或功率M0SFET。另外，在PCB 31中埋置有第二功率半導體器件33的芯片。例如，第二半導體器件可以是二極管。例如，器件32和器件33可以一起形成三相逆變器的一個支路的上橋臂或下橋臂。圖3示出了形成至PCB 31中的銅過孔40和銅跡線41。例如，銅過孔和銅跡線可以連接至半導體并用作導電體。