專利名稱:半導(dǎo)體模組及半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體模組及半導(dǎo)體裝置,更具體地說,本發(fā)明涉 及用于使半導(dǎo)體模組中的功率器件冷卻的技術(shù)。
背景技術(shù):
目前,已經(jīng)提出用于有效地冷卻半導(dǎo)體模組中半導(dǎo)體元件的大量結(jié)構(gòu)。例如,日本發(fā)明創(chuàng)新研究所在其出版的技術(shù)報(bào)告NO. 2003-504490巾 公開這樣的結(jié)構(gòu),其具有浸到冷卻劑液體或類似流體中的散熱器,以冷卻 功率器件。此功率器件包括功率器件和布置在該功率器件的相反表面上并浸到冷卻劑流體中的散熱器。此功率器件具有這樣的散熱器,該散熱器在凹陷、彎曲表面上形成有 多個(gè)凸起,以增大表面積來冷卻功率器件,并且還有冷卻劑流通,以更有 效地冷卻功率器件。日本專利公開No. 7-189684公開了一種熱交換器件,其具有散熱片, 該散熱片的布置密度根據(jù)風(fēng)扇吹動(dòng)的、用于冷卻的空氣的流動(dòng)速率分布情 況而變化。對(duì)于散熱器的高速空氣流動(dòng)區(qū)域,該熱交換器件的散熱片間隔 較近,而對(duì)于散熱器的低速空氣流動(dòng)區(qū)域,散熱片間隔較遠(yuǎn)。這允許經(jīng)過 散熱器流通的空氣量在整個(gè)散熱器上基本均勻,以提高熱交換率。但是,如技術(shù)報(bào)告No. 2003-504490中所公開,該結(jié)構(gòu)的目的是更有 效地冷卻整個(gè)功率器件。其目的不是使功率器件能夠具有均勻的溫度分 布。一般而言,功率器件在其中心的溫度比其周邊高。因此,認(rèn)為器件中 心的溫度升高情況限制了流過功率器件的電流量。這樣,中心比周邊溫度 高的功率器件就不能夠充分發(fā)揮其能力。換言之,為了使功率器件能夠更充分地發(fā)揮其性能,重要的是能夠更 有效并且盡可能均勻地冷卻功率器件。此外,如果功率器件沒有均勻的溫度分布,則功率器件的內(nèi)部、將功 率器件和電極接合在一起的材料等會(huì)具有由此引起的應(yīng)力并促進(jìn)它們的劣化。日本專利公開No. 7-189684和技術(shù)報(bào)告No. 2003-504490沒有考慮到 這樣的不足。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)于克服上述缺點(diǎn)而做出本發(fā)明,本發(fā)明提供了半導(dǎo)體模組和半導(dǎo) 體裝置,以允許功率器件均勻冷卻。本半導(dǎo)體模組包括半導(dǎo)體元件;以及散熱器,布置于所述半導(dǎo)體元 件和冷卻所述半導(dǎo)體元件的冷卻部件之間,其鄰近于所述半導(dǎo)體元件的大致中心的部分的厚度比其鄰近于所述半導(dǎo)體元件的周邊的部分的厚度小。本半導(dǎo)體模組具有這樣的散熱器,該散熱器鄰近于所述半導(dǎo)體元件的 大致中心的部分的厚度比其鄰近于所述半導(dǎo)體元件的周邊的部分的厚度 小。因此,散熱器鄰近于所述半導(dǎo)體元件的大致中心的部分的熱阻小于鄰 近于所述半導(dǎo)體元件的周邊的部分的熱阻。因此,本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的大致中心比周邊可以更有效地冷卻,因 此具有均勻的溫度分布。由此,半導(dǎo)體元件可以充分發(fā)揮其能力。此外, 因?yàn)榘雽?dǎo)體元件可以具有均勻的溫度分布,所以可以防止半導(dǎo)體元件的內(nèi) 部、將半導(dǎo)體元件和電極接合在一起的材料等中引起應(yīng)力,并且防止促進(jìn) 它們的劣化。優(yōu)選地,所述散熱器由導(dǎo)體形成,并且還連接到所述半導(dǎo)體元件的電極。在本半導(dǎo)體模組中,散熱器可以充當(dāng)半導(dǎo)體模組的電極。因此,半導(dǎo) 體模組的尺寸可以減小。此外,本半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體元件;以及冷卻部件,包括多個(gè)散 熱片,所述多個(gè)散熱片被構(gòu)造成與所述半導(dǎo)體元件的中心附近相對(duì)的部分比與所述半導(dǎo)體元件的周邊相對(duì)的部分通過更大的面積散熱。本半導(dǎo)體裝置包括具有多個(gè)散熱片的冷卻部件,所述多個(gè)散熱片被構(gòu)
造成與所述半導(dǎo)體元件的中心附近相對(duì)的部分比與所述半導(dǎo)體元件的周邊 相對(duì)的部分通過更大的面積散熱。所述散熱片在半導(dǎo)體元件的中心附近比 在其周邊提供更強(qiáng)的散熱能力。因此,在本發(fā)明中,半導(dǎo)體元件的大致中心可以比周邊更有效地冷 卻,因此,具有均勻的溫度分布。由此,半導(dǎo)體元件的內(nèi)部可以具有均勻 的電流密度,并充分發(fā)揮其能力。此外,因?yàn)榘雽?dǎo)體元件可以具有均勻的 溫度分布,所以可以防止半導(dǎo)體元件的內(nèi)部、將半導(dǎo)體元件和電極接合在 一起的材料等中引起應(yīng)力,并防止促進(jìn)它們的劣化。優(yōu)選地,多個(gè)散熱片與半導(dǎo)體元件的中心附近相對(duì)的部分比與半導(dǎo)體 元件的周邊相對(duì)的部分布置得更密集。本半導(dǎo)體裝置可以具有這樣的散熱片,其與半導(dǎo)體元件的中心附近相 對(duì)的部分比與半導(dǎo)體元件的周邊相對(duì)的部分布置得更密集。這樣,散熱片 在半導(dǎo)體元件的中心附近比周邊提供更強(qiáng)的散熱能力。因此,本半導(dǎo)體裝 置可以用簡(jiǎn)單的構(gòu)造使半導(dǎo)體元件具有均勻的溫度分布。更優(yōu)選地,多個(gè)散熱片的每個(gè)散熱片為板狀形式;并且與半導(dǎo)體元件 的中心附近相對(duì)的多個(gè)散熱片比與半導(dǎo)體元件的周邊相對(duì)的散熱片間隔得 更近。因此,半導(dǎo)體裝置可以用相當(dāng)簡(jiǎn)單的構(gòu)造使半導(dǎo)體元件具有均勻的溫 度分布。此外,優(yōu)選地,與半導(dǎo)體元件的周邊相對(duì)的散熱片是每個(gè)散熱片為板狀形式的多個(gè)散熱片;并且與半導(dǎo)體元件的中心附近相對(duì)的散熱片是多個(gè)柱狀散熱片。本半導(dǎo)體裝置可以具有多個(gè)柱狀散熱器,該多個(gè)柱狀散熱器可以比多個(gè)板狀散熱片以更大面積接觸冷卻劑。因此,本半導(dǎo)體裝置允許用簡(jiǎn)單的 構(gòu)造使半導(dǎo)體元件具有均勻的溫度分布。此外,優(yōu)選地,多個(gè)散熱片的每個(gè)散熱片為板狀形式;并且與半導(dǎo)體 元件的中心附近相對(duì)的板狀形式的散熱片包括具有凸起和凹陷的表面。具有凸起和凹陷表面的多個(gè)板狀散熱片比沒有這種凸起和凹陷的散熱 片可以以更大面積接觸冷卻劑。這樣,散熱片在半導(dǎo)體元件的中心附近比
周邊提供了更強(qiáng)的散熱能力。因此,本半導(dǎo)體裝置允許用簡(jiǎn)單的構(gòu)造使半 導(dǎo)體元件具有均勻的溫度分布。此外,本半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體元件;冷卻部件,冷卻所述半導(dǎo)體 元件;以及散熱器,布置于半導(dǎo)體元件和冷卻部件之間,并且其鄰近于半 導(dǎo)體元件的大致中心的部分的厚度比其鄰近于半導(dǎo)體元件的周邊的部分的 厚度小。散熱器與冷卻部件相對(duì)的表面具有平面。散熱器與冷卻部件相對(duì) 的表面在與半導(dǎo)體元件的大致中心相對(duì)的部分被凹陷,以使背對(duì)半導(dǎo)體元 件中心的部分厚度最小化。冷卻部件與散熱器相對(duì)的表面被形成為與散熱 器的表面幾何匹配。在本半導(dǎo)體裝置中,冷卻部件與散熱器相對(duì)的表面被形成為與散熱器 的表面幾何匹配。這可以幫助定位冷卻器和散熱器,并且因此可以更好地 組裝半導(dǎo)體裝置。優(yōu)選地,冷卻部件包括用于冷卻劑的通路;通路被形成為與散熱器的表面幾何匹配。本半導(dǎo)體裝置可以具有帶有冷卻劑通路的冷卻部件,所述通路被形成 為與具有凹陷幾何形狀的散熱器表面幾何匹配。因此,冷卻劑不均勻流動(dòng) 或以湍流方式流動(dòng),以提高冷卻劑通路表面處冷卻劑的表面效應(yīng),以更有 效地冷卻部件。優(yōu)選地,散熱器被凹陷成沿冷卻劑通道為流線型。在本半導(dǎo)體裝置中,沿散熱器的表面幾何形狀布置的冷卻劑通路沿散熱器的表面幾何形狀為流線型。這可以有助于減少流經(jīng)該通路的冷卻劑的 壓力損失。此外,冷卻劑在對(duì)應(yīng)于散熱器的凹陷幾何形狀的位置的流動(dòng)速 率增大。因此,本半導(dǎo)體裝置可以使半導(dǎo)體元件更有效地冷卻。優(yōu)選地,冷卻部件包括多個(gè)散熱片,多個(gè)散熱片被構(gòu)造成與半導(dǎo)體元 件的中心附近相對(duì)的部分比與半導(dǎo)體元件的周邊相對(duì)的部分使用更大面積 散熱。本半導(dǎo)體裝置可以具有這樣的效果由于散熱器鄰近于半導(dǎo)體元件的中心附近的部分厚度比其鄰近于半導(dǎo)體元件的周邊的部分的厚度小,以及 由于冷卻部件在半導(dǎo)體元件的中心附近比在半導(dǎo)體元件的周邊的散熱面積
更大,這些效果可以協(xié)同作用,以使半導(dǎo)體元件的中心附近比周邊更有效 地冷卻。因此,本半導(dǎo)體裝置還可以使在中心附近和周邊之間具有相當(dāng)大溫度 差的半導(dǎo)體裝置具有均勻溫度分布。因此,在本發(fā)明中,半導(dǎo)體裝置的大致中心附近比周邊可以有效地冷 卻。所述半導(dǎo)體元件具有均勻溫度分布,由此不會(huì)由于在半導(dǎo)體元件中造 成局部受熱部分而對(duì)其造成電流方面的限制,并因此可以充分發(fā)揮其能 力。此外,在本發(fā)明中,因?yàn)榘雽?dǎo)體元件可以具有均勻的溫度分布,所以 可以防止半導(dǎo)體元件內(nèi)部、將半導(dǎo)體元件和電極接合在一起的材料等中引 起應(yīng)力,并可以防止它們劣化。
圖1是示意性示出包括變換器的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的框圖,該變換器使用 了本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體模組。圖2是形成圖1中所示變換器的U相上臂的半導(dǎo)體模組的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3示出圖2的半導(dǎo)體模組沿.ni-in的剖面圖。圖4是圖2中所示的電極板的接合到功率管的部分附近的放大圖。圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體模組的結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖6是本半導(dǎo)體模組的另一種結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖7是本半導(dǎo)體模組的又一種結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖9是本發(fā)明第四實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的冷卻部件結(jié)構(gòu)剖面圖。圖10-12分別是本發(fā)明第五、六和七實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)剖面圖。
具體實(shí)施方式
下面將參考附圖更具體地描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中,相同或相
似元件使用相同標(biāo)號(hào)。圖1是示意性示出包括變換器(inverter)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的框圖,該 變換器使用了本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體模組。參考附圖,負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路 100包括電池B、電容C、變換器10、控制器20、電源線PL和接地線 SL,以及U相線UL、 V相線VL和W相線WL。變換器10經(jīng)由電源線 PL和接地線SL連接到電池B。此外,變換器10經(jīng)由U相線UL、 V相線 VL和W相線WL連接到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路100驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG,該電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG例如由三 相交流(AC)同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG在供應(yīng)動(dòng)力的運(yùn)行狀態(tài) 時(shí),在從變換器10經(jīng)由U相線UL、 V相線VL和W相線WL接收的三相 AC電壓下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;在再生運(yùn)行狀態(tài)時(shí),產(chǎn)生并經(jīng)由U相線UL、 V 相線VL和W相線WL向變換器IO輸出三相AC電壓。電池B是直流(DC)電源,并由例如鎳金屬氫化物、鋰離子等的蓄 電池實(shí)現(xiàn)。電池B產(chǎn)生DC電壓,該DC電壓接著從電源線PL輸出到變 換器IO。此外,電池B從電源線PL接收由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生并由變換 器10整流的DC電壓,并由接收的DC電壓充電。變換器IO包括并聯(lián)連接在電源線PL和接地線SL之間的U相臂12、 V相臂14和W相臂16。 U相臂12由串聯(lián)連接的功率管Ql和Q2形成。 V相臂14由串聯(lián)連接的功率管Q3和Q4形成。W相臂16由串聯(lián)連接的功 率管Q5和Q6形成。每個(gè)功率管Ql-Q6例如由絕緣柵極雙極型晶體管 (IGBT)形成。功率管Ql-Q6在其各個(gè)集電極和發(fā)射極之間分別連接有 二極管D1-D6,以從其各個(gè)發(fā)射極向其各個(gè)集電極通過電流。U相臂12、 V相臂14和W相臂16分別連接到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的U、 V、 W相線圈與中性點(diǎn)相對(duì)那些端。變換器10響應(yīng)于從控制器20接收的信號(hào)PWM而運(yùn)行,以將電源線 PL上接收的DC電壓轉(zhuǎn)換成三相AC電壓,以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。因 此,電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG被驅(qū)動(dòng),以產(chǎn)生由轉(zhuǎn)矩控制值確定的轉(zhuǎn)矩。此外,在 電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG處于再生運(yùn)行狀態(tài)下,變換器10響應(yīng)于從控制器20接收 的信號(hào)PWM而將電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的三相AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓,
并將DC電壓從電源線PL輸出。電容C連接在電源線PL和接地線SL之間,以使電源線PL和接地線 SL之間的電壓變化平穩(wěn)??刂破?0根據(jù)電源線PL和接地線SL之間的電 壓以及電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩控制值來運(yùn)行,以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的信號(hào)PWM并將信號(hào)PWM輸出到變換器10。圖2和圖3示出了半導(dǎo)體模組的結(jié)構(gòu),所述半導(dǎo)體模組形成圖1中所 示變換器10每個(gè)U相臂、V相臂和W相臂的各個(gè)上、下臂。圖2是形成 圖1中所示的變換器10的U相上臂的半導(dǎo)體模組的結(jié)構(gòu)的剖面圖,圖3是圖2的半導(dǎo)體模組沿ni-m截面的剖面圖。注意,變換器io每個(gè)u相臂、V相臂和W相臂的各個(gè)上、下臂的結(jié)構(gòu)相同,圖2和圖3以代表性的 方式示出變換器10的U相上臂。參考圖2和圖3,半導(dǎo)體模組50包括功率管Q1、 二極管D1、電極52 和54、絕緣板56和58以及樹脂模60。此外,冷卻部件62和64被布置成 夾著半導(dǎo)體模組50。功率管Q1和二極管D1是扁平功率器件(flat power device)。當(dāng)它們 導(dǎo)通時(shí),它們?cè)谥行漠a(chǎn)生的熱量比周邊多。電極板52和54夾著功率管Ql和二極管Dl。電極板52經(jīng)由端子53 連接到圖1中所示的電源線PL,電極板54經(jīng)由端子55連接到圖1中所示 的U相線UL。電極板52、 54由例如銅形成,銅具有較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱 性,電極板52、 54充當(dāng)電極以及將熱量分別從功率管Ql和二極管Dl傳 輸?shù)嚼鋮s部件62、 64的散熱器。這里,電極板52鄰近功率管Ql的部分具有與冷卻部件62相對(duì)的、 大致為球形的表面,使得電極板52鄰近于功率管Ql的大致中心的部分的 厚度小于鄰近于功率管Ql周邊的部分的厚度。此外,電極板52鄰近于二 極管D部分處具有與冷卻部件62相對(duì)的、大致為球形的表面,使得電極 板52鄰近于二極管D的大致中心的部分的厚度比鄰近于二極管D周邊的 部分的厚度小。換言之,電極板52被形成為使鄰近于功率管Q1和二極管 Dl的大致中心的部分比周邊的部分熱阻小。此外,電極板54鄰近于功率管Ql的部分也具有與冷卻部件64相對(duì)
的、大致為球形的表面,使得電極板54鄰近于功率管Ql的大致中心的部分的厚度比鄰近于功率管Ql周邊的部分的厚度小。此外,電極板54鄰近 于二極管D的部分也具有與冷卻部件64相對(duì)的、大致為球形的表面,使 得電極板54鄰近于二極管D中心的部分的厚度比鄰近于二極管D周邊的 部分的厚度小。換言之,電極板54被形成為使鄰近于功率管Ql和二極管 Dl的大致中心的部分比周邊的部分熱阻小。絕緣板56布置于電極板52和冷卻部件62之間,以將電極板52和冷 卻部件62彼此絕緣。絕緣板58布置于電極板54和冷卻部件64之間,以 將電極板54和冷卻部件64彼此絕緣。絕緣板56、 58包含鋁或類似的高導(dǎo) 熱性填充材料,并克服小熱阻而將熱量從電極板52、 54分別傳輸?shù)嚼鋮s 部件62和64。樹脂模60例如由環(huán)氧樹脂形成。其將功率管Q1、 二極管D1、電極板 52和54、以及絕緣板56和58固定并密封為一體。冷卻部件62和64例如由鋁形成,鋁具有高導(dǎo)熱性,并在相反側(cè)冷卻 半導(dǎo)體模組50,半導(dǎo)體模組50由功率管Q1、 二極管D1、以及電極板52 和54、絕緣板56和58和樹脂模60形成。冷卻部件62沿電極板52的幾 何形狀被布置成與絕緣板56緊密接觸,并且其內(nèi)部具有冷卻劑通路66。 冷卻部件64沿電極板54的幾何形狀被布置成與絕緣板58緊密接觸,并且 其內(nèi)部具有冷卻劑通路68。冷卻劑通路66和68還被形成為分別與電極板 52和54幾何匹配。圖4是圖2中所示的電極板54的接合到功率管Ql的部分附近的放大 圖。注意,電極板54上接合到二極管Dl的部分以及電極板52上接合到 功率管Ql和二極管Dl的部分與圖4所示電極板54上接合到功率管Ql 的部分結(jié)構(gòu)相同。因此,圖4代表性地示出電極板54上接合到功率管Ql 的部分。參考圖4,充當(dāng)散熱器的電極板54的鄰近于功率管Ql的周邊的部分 具有厚度al,在鄰近于功率管Ql的大致中心的部分具有厚度a2,厚度a2 小于厚度al。鄰近于功率管Ql的大致中心的部分的厚度小于鄰近功率管Ql周邊的 部分的厚度,以允許功率管Ql在大致中心和周邊之間具有均勻的溫度分 布。更具體而言,功率管Ql在中心比周邊產(chǎn)生更大量的熱量。將鄰近于 功率管Ql的大致中心的部分的厚度減小成比鄰近功率管Ql周邊的部分的厚度更小,可以允許功率管Ql的大致中心到冷卻部件具有更小距離。由 此,鄰近于功率管Ql的大致中心的部分的熱阻可以比鄰近功率管Ql的周 邊的部分小,以使鄰近于功率管Ql大致中心的部分可以更有效地冷卻功 率管Q1。因此,功率管Q1在大致中心和周邊之間的溫度可以均勻。為了更有效地冷卻功率管Ql的大致中心,電極板54的厚度可以均勻 減小。然而,來自功率管Ql的熱量沿徑向擴(kuò)散到電極板54,如圖4中所 示,并且如果電極板54在功率管Ql周邊的厚度也減小,那么電極板54 的熱要沿著更小的厚度擴(kuò)散,引起電極板54的熱阻增大。因此,在功率 管Q1的周邊,確保電極板54厚度增大。此外,如果電極板54的厚度不均勻減小,而是鄰近于功率管Ql的大 致中心的部分的厚度比鄰近于功率管Ql的周邊的部分厚度小,則這樣的 電極板54由于以下原因而允許冷卻部件64更有效地冷卻功率管Ql:如圖 3中所示,冷卻部件64的與功率管Ql相對(duì)的部分被形成為沿電極板54具 有大致球形表面的幾何形狀,冷卻劑沿其流動(dòng)。因此,在與功率管Ql相 對(duì)的部分,冷卻劑流動(dòng)速率增大。此外,冷卻劑不是均勻流動(dòng)。因此,冷 卻劑以湍流方式(turbulently)地流動(dòng),可以提高冷卻劑通路和冷卻劑的表 面效應(yīng)。由此冷卻部件64可以更有效地冷卻功率管Q1。雖然在上述說明書中,電極板52、 54的鄰近于功率管Ql和二極管 Dl的部分被形成具有大致球形表面,但是電極板52、 54的這些部分也可 以形成為具有大致雙曲線形表面、大致拋物線形表面或類似表面,使鄰近 于功率管Ql和二極管Dl的大致中心的部分具有最小厚度。這樣的大致球 形、雙曲線形、拋物線形和類似的流線型表面可以最小化冷卻劑的壓力損 失,并防止削弱冷卻器件的效率。因此,在第一實(shí)施例中,充當(dāng)散熱器的電極板52、 54在鄰近于功率 管Ql和二極管Dl的大致中心的部分的厚度比鄰近于功率管Ql和二極管 Dl的周邊的部分小,以使前一部分的熱阻減小到小于后一部分。功率管 Ql和二極管Dl的中心比周邊可以更有效地冷卻,因此具有均勻溫度分布。因此,可以有效地利用功率管Q1的能力和二極管D1的能力。此外,冷卻部件62、 64被形成為與電極板52的表面幾何匹配,其可以容易地定位于半導(dǎo)體模組50中。由半導(dǎo)體模組50和冷卻部件62、 64形成的半導(dǎo)體裝置可以更好地組裝。此外,冷卻部件62、 64內(nèi)部可以具有冷卻劑通路66、 68,冷卻劑通路66、 68也形成為與電極板52的表面幾何匹配。這允許冷卻劑在與功率管Ql和二極管Dl大致中心相對(duì)的部分的流動(dòng)速率提高,并且提高了冷卻劑和冷卻劑通路之間的表面效應(yīng)。由此,功率管Q1和二極管D1可以被更有效地冷卻。此外,電極板52、 54上鄰近于功率管Ql和二極管Dl的部分沿冷卻 部件62、 64流通冷卻劑的方向被形成為流線型,這有助于減少冷卻劑在 冷卻部件62、 64中的壓力損失,并由此減少器件冷卻效率的削弱。第二實(shí)施例圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體模組的結(jié)構(gòu)剖面圖。注意,負(fù)載驅(qū) 動(dòng)器件包括使用第二實(shí)施的半導(dǎo)體模組的變換器,該負(fù)載驅(qū)動(dòng)器件與圖1 的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路100具有相同的電路構(gòu)造。此外,在第二實(shí)施例中,變換 器的每個(gè)U相臂、V相臂和W相臂的各個(gè)上、下臂構(gòu)造相同,因此,圖5 代表性地示出變換器的U相上臂的結(jié)構(gòu)。此外,圖5對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例屮 描述的圖2。參考圖5,半導(dǎo)體模組50A的構(gòu)造對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例中參考圖2描述 的半導(dǎo)體模組50,將電極板52、 54和絕緣板56、 58用電極板52A、 54A 和絕緣板56A、 58A取代。電極板52A的幾何形狀與第一實(shí)施例參考圖2描述的電極板52不同 之處在于前者的與冷卻部件62A相對(duì)并背對(duì)功率管Ql和二極管Dl的 表面被形成具有大致圓柱形曲線表面。更具體而言,沿剖面A-A觀察的半 導(dǎo)體模組50A與圖3所示一樣,并且半導(dǎo)體模組50A在背對(duì)功率管Ql和 二極管Dl的部分具有這樣的表面其沿冷卻部件62A內(nèi)部流通冷卻劑的 方向大致呈圓柱狀彎曲。
此外,電極板54A具有類似于電極板52A的幾何形狀,并且電極板 54A在背對(duì)功率管Ql和二極管Dl的部分具有這樣的表面其沿冷卻部件 64A內(nèi)部流通冷卻劑的方向大致呈圓柱狀彎曲。絕緣板56A沿電極板52A與冷卻部件62A相對(duì)的表面布置于電極板 52A和冷卻部件62A之間。絕緣板58A沿電極板54A與冷卻部件64A相 對(duì)的表面布置于電極板54A和冷卻部件64A之間。應(yīng)當(dāng)注意,如圖5中所示,電極板52A、 54A優(yōu)選地具有這樣的凹 陷,該凹陷寬度小于器件(即功率管Q1和二極管D1)的寬度,以更有效 地冷卻功率管Ql和二極管Dl的大致中心處,同時(shí)允許從功率管Ql和 Dl產(chǎn)生的熱量在電極板52A、 54A中沿更大面積擴(kuò)散,以減小電極板 52A、 54A的熱阻。冷卻部件62A被設(shè)置成幾何形狀沿電極板52A與絕緣板56A緊密接 觸,并且,冷卻部件64A被設(shè)置成幾何形狀沿電極板54A與絕緣板58A 緊密接觸。半導(dǎo)體模組60A還具有充當(dāng)散熱器的電極板52A、 54A,電極板 52A、 54A鄰近于功率管Ql和二極管Dl的大致中心的部分的厚度小于鄰 近于功率管Ql和二極管Dl的周邊的部分的厚度。功率管Ql和二極管 Dl各自的大致器件中心可以比器件周邊更有效地冷卻。器件的大致中心 和周邊之間可以具有均勻的溫度分布。此外,冷卻部件62A、 64A與功率管Q1和二極管D1相對(duì)的部分的兒 何形狀被形成為具有沿電極板52A、 54A的大致圓柱曲線表面,冷卻劑沿 其流動(dòng)。因此,在與功率管Q1和二極管D1相對(duì)的部分處,冷卻劑的流動(dòng) 速率提高。此外,冷卻劑有效地以湍流形式流動(dòng),并且可以改善冷卻劑通 路和冷卻劑的表面效應(yīng)。因此,冷卻部件62A、 64A可以更有效地冷卻功 率管Q1和二極管D1。因此,第二實(shí)施例也可以提供與第一實(shí)施例類似的效果。注意,本半導(dǎo)體模組的電極板(或散熱器)的幾何形狀并不限于第一 和第二實(shí)施例的那些形狀。例如,電極板(或散熱器)與冷卻部件相對(duì)的 表面和背對(duì)功率管(或二極管)的表面可以形成為具有圖6中所示的大致
錐形幾何形狀或圖7中所示的大致矩形幾何形狀。 第三實(shí)施例圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。參考附圖,半導(dǎo)體裝置51包括功率管Ql、 二極管Dl、電極板52D、 54D、絕緣板 56D、 58D、樹脂模60、以及冷卻部件62D、 64D。電極板52D、 54D被布置成夾著功率管Q1和二極管D1。在第三實(shí)施 例中,電極板52D、 54D不具有第一實(shí)施例中參考圖2所述的電極板52、 54的幾何形狀。相反,其為通常的平板。同電極板52、 54 —樣,電極板 52D、 54D由高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的材料(諸如銅)形成。電極板52D、 54D 充當(dāng)電極以及將熱量從功率管Ql和二極管Dl分別傳輸?shù)嚼鋮s部件62D、 64D的散熱器。絕緣板56D布置于電極板52D和冷卻部件62D之間,以將電極板 52D和冷卻部件62D彼此絕緣。絕緣板58D布置于電極板54D和冷卻部 件64D之間,以將電極板54D和冷卻部件64D彼此絕緣。冷卻部件62D由微通道冷卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑 通路66D和多個(gè)散熱片67,每個(gè)散熱片67為板狀。冷卻部件62D布置成 與絕緣板56D緊密接觸。更具體而言,冷卻部件62D與絕緣板56D接觸 的表面具有沿電極板52D表面的平的幾何形狀。冷卻部件64D由微通道冷 卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑通路68D和多個(gè)散熱片69, 每個(gè)散熱片69為板狀。冷卻部件64D布置成與絕緣板58D緊密接觸。更 具體而言,冷卻部件64D與絕緣板58D接觸的表面具有沿電極板54D表 面的平的幾何形狀。冷卻部件62D (或64D)具有多個(gè)散熱片67 (或69),該多個(gè)散熱 片67 (69)在與各個(gè)功率管Ql和二極管Dl (下文中也簡(jiǎn)稱為"功率器 件")的中心附近相對(duì)的位置比在與周邊位置間隔更近。更具體而言,散 熱片在與功率器件的中心附近相對(duì)的位置比在周邊位置布置得更密集。冷卻部件62D、 64D的散熱片在與功率器件的中心附近相對(duì)的位置比 在周邊位置具有更大的散熱面積,這允許功率器件的中心附近比周邊具有 更強(qiáng)的散熱能力。換言之,功率器件的中心附近比周邊可以更有效地冷 卻。由此,功率器件的大致中心與周邊之間的溫度可以更均勻。因此,在第三實(shí)施例中,功率器件的中心附近比周邊可以更有效地冷卻。因此,功率器件可以具有均勻的溫度分布。由此,功率器件在內(nèi)部可以具有均勻的電流密度,并因此充分發(fā)揮其能力。此外,功率器件可以具有均勻溫度分布,這可以減小功率器件、焊料或?qū)⒐β势骷碗姌O接合在一起的類似材料(未示出)等中引起的應(yīng)力,因此可以減輕它們的劣化。此外,冷卻器件62D、 64D在與功率器件的周邊相對(duì)、并與功率器件偏離的部分處可以具有較少數(shù)量的散熱片,因此有助于降低部件成本。此外,較小數(shù)量的散熱片可以有助于降低冷卻劑流經(jīng)冷卻劑通路66D、 68D 的壓力損失,并且可以更有效地冷卻功率器件。 第四實(shí)施例圖9是本發(fā)明第四實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的冷卻部件的結(jié)構(gòu)的剖面圖。 為了表現(xiàn)本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的特征,該圖示出了冷卻部件中平行于和 功率器件相對(duì)的平面的剖面圖。雖然圖9代表性示出與功率管Ql相對(duì)的 部分附近的結(jié)構(gòu),但是與二極管D1相對(duì)部分的結(jié)構(gòu)也相同。參考圖9,本實(shí)施例提供了這樣的半導(dǎo)體裝置51A,其具有采用微通 道冷卻器實(shí)現(xiàn)的冷卻部件62E,該^f卻部件62E包括多個(gè)冷卻通路66E、 多個(gè)散熱片67A且每個(gè)散熱片67A為板狀、以及多個(gè)柱狀散熱片70。多個(gè)柱狀散熱片70位于與功率管Ql的中心附近相對(duì)的位置。每個(gè)柱 狀散熱片70是柱狀(或棒狀)形式的散熱體,其布置成使延伸方向基本 垂直于與功率器件相對(duì)的冷卻部件平面(在圖9中,垂直于圖面的方 向)。在與功率管Q1周邊相對(duì)的位置,布置有板狀的散熱片67A。.將布置在一定面積內(nèi)的多個(gè)柱狀散熱片70與布置在相同面積內(nèi)的板 狀散熱片67A相比,前者可以在更大的面積上與冷卻劑接觸。因此,冷卻 部件62A允許在與多個(gè)柱狀散熱片70相對(duì)的功率管Ql的中心附近處比周 邊提供更強(qiáng)的散熱能力。換言之,功率管Ql的中心附近可以比周邊更有 效地冷卻,因此中心附近和周邊之間具有均勻溫度分布。注意,同功率管Q1—樣,二極管D1的中心附近與周邊之間也可以具
有均勻溫度分布。因此,第四實(shí)施例也允許功率器件具有均勻溫度分布。由此,功率器 件在內(nèi)部可以具有均勻電流密度,并且因此充分發(fā)揮其能力。 第五實(shí)施例圖10是本發(fā)明第五實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)的剖視圖。參考附圖,半導(dǎo)體模組51B的構(gòu)造對(duì)應(yīng)于第三實(shí)施例中參考圖8所述的半導(dǎo)體裝 置51 ,其中冷卻部件62D和64D分別用冷卻部件62F和64F代替。冷卻部件62F由微通道冷卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑 通路66F和多個(gè)散熱片67B、 67C,每個(gè)散熱片67B、 67C為板狀形式。冷 卻部件62F布置成與絕緣板56D緊密接觸。更具體而言,冷卻部件62F在 與絕緣板56D接觸的表面處具有沿電極板52D表面的平的幾何形狀。散熱片67B布置在與功率器件的中心附近相對(duì)的位置。散熱片67C布 置在不同位置,包括與功率器件的周邊相對(duì)的位置。散熱片67B具有這樣 的表面,該表面具有凹槽和凸起,并且例如設(shè)置有更小的散熱片,以提供 比散熱片67C更強(qiáng)的散熱能力。冷卻部件64F由微通道冷卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑 通路68F和多個(gè)散熱片69B、 69C,每個(gè)散熱片69B、 69C為板狀形式。冷 卻部件64F的構(gòu)造與冷卻部件62F相似。更具體而言,散熱片69B布置在 與功率器件的中心附近相對(duì)的位置,與布置在包括與功率器件的周邊相對(duì) 位置的不同位置的散熱片69C相比,其提供了更強(qiáng)的散熱能力。因此,冷卻部件62F、 64F也可以使功率器件的中心附近比周邊更有 效地冷卻,功率器件在中心附近與周邊之間可以具有均勻的溫度分布。因此,第五實(shí)施例也允許功率器件具有均勻的溫度分布。由此,功率 器件可以在內(nèi)部具有均勻的電流密度,并由此充分發(fā)揮其能力。第六實(shí)施例圖11是本發(fā)明第六實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的剖面圖。該圖示出半 導(dǎo)體裝置51C,該半導(dǎo)體裝置51C包括在第一實(shí)施例中參考圖2所述的半 導(dǎo)體模組50、以及冷卻部件62G、 64G。冷卻部件62G由微通道冷卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑 通路66G和多個(gè)散熱片67D,每個(gè)散熱片67D為板狀形式。冷卻部件62G 被布置成幾何形狀沿電極板52與絕緣板56緊密接觸。冷卻部件64G由微 通道冷卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑通路68G和多個(gè)散熱片 69D,每個(gè)散熱片69D為板狀形式。冷卻部件64G被布置成幾何形狀沿電 極板54與絕緣板58緊密接觸。注意,多個(gè)散熱片67 (或69)在與功率器件的中心附近相對(duì)的位置 比周邊位置間隔得更近。更具體而言,散熱片在與功率器件的中心附近相 對(duì)的位置布置得比周邊位置更密集。半導(dǎo)體裝置51C可以具有這樣的效果,即由于電極板52、 54的厚度 在鄰近于功率器件的中心附近的部分比鄰近于功率器件周邊的部分更薄, 并且由于冷卻部件62G、 64G在功率器件的中心附近比周邊用更大的面積 散熱,并且這些效果可以協(xié)同作用,以使功率器件中心附近比周邊更有效 地冷卻。因此,在第六實(shí)施例中,電極板52、 54可以被如上所述形成并且冷 卻部件62D、 64D可以具有如上所述構(gòu)造的散熱片,以更有效地冷卻功率 器件的中心附近。這使得中心附近和周邊的溫度具有顯著差別的功率器件 也能夠具有均勻的溫度分布。第七實(shí)施例圖12是本發(fā)明第七實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的剖面圖。該圖示出半 導(dǎo)體裝置51D,該半導(dǎo)體裝置51D包括第一實(shí)施例中參考圖2所述的半導(dǎo) 體模組50、以及冷卻部件62H、 64H。冷卻部件62H由微通道冷卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑 通路66H和多個(gè)散熱片67E、 67F,每個(gè)散熱片67E、 67F為板狀形式。冷 卻部件62H被布置成幾何形狀沿電極板52與絕緣板56緊密接觸。散熱片 67E布置在與功率器件的中心附近相對(duì)的位置。散熱片67F布置在不同位 置,包括與功率器件的周邊相對(duì)的位置。散熱片67E具有這樣的表面,其 具有凹槽和凸起并且例如設(shè)置有更小的散熱片,以提供比散熱片67F更強(qiáng) 的散熱能力。冷卻部件64H由微通道冷卻器實(shí)現(xiàn),該微通道冷卻器具有多個(gè)冷卻劑
通路68H和多個(gè)散熱片69E、 69F,每個(gè)散熱片69E、 69F為板狀形式。冷 卻部件64H被布置成幾何形狀沿電極板54與絕緣板58緊密接觸。冷卻部 件64H的構(gòu)造類似于冷卻部件62H。更具體而言,散熱片69E布置在與功 率器件的中心附近相對(duì)的位置,與布置在包括與功率器件周邊相對(duì)的位置 的不同位置的散熱片69F相比,其提供更強(qiáng)的散熱能力。因此,同第六實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置51C—樣,半導(dǎo)體裝置52D可以具 有這樣的效果即由于各自具有不同厚度的電極板52、 54以及各自具有 通過不同面積散熱的散熱片的冷卻部件62H、 64H,使半導(dǎo)體裝置的中心 附近比周邊更有效地冷卻。因此,第七實(shí)施也使功率器件的中心附近能夠比周邊更有效地冷卻。 這使得中心附近和周邊之間的溫度具有顯著差別的半導(dǎo)體裝置也具有均勻 的溫度分布。雖然上述說明是結(jié)合相對(duì)側(cè)受到冷卻的半導(dǎo)體模組和由電極夾著的功 率器件(功率管和二極管)進(jìn)行的,但是本發(fā)明并不限于這樣的半導(dǎo)體模 組,其還可以應(yīng)用到在一側(cè)受到冷卻的半導(dǎo)體模組。此外,本發(fā)明還可以應(yīng)用到在相對(duì)側(cè)受到冷卻的半導(dǎo)體模組,其只有 一個(gè)電極在鄰近于功率器件的大致中心的部分處的厚度減小。此外,雖然上述說明是結(jié)合由使用液體冷卻劑的冷卻部件來冷卻的半 導(dǎo)體模組進(jìn)行的,但是本發(fā)明并不局限于此,其還可以應(yīng)用到通過使用氣 體冷卻的冷卻部件來冷卻的半導(dǎo)體模組。雖然已然詳細(xì)描述和解釋本發(fā)明,但是應(yīng)當(dāng)清楚地理解,其僅是一種 解釋和示例,而不應(yīng)該作為限制,本發(fā)明的精神和范圍僅由權(quán)利要求限 定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體模組,包括半導(dǎo)體元件;以及散熱器,布置于所述半導(dǎo)體元件和冷卻所述半導(dǎo)體元件的冷卻部件之間,所述散熱器鄰近于所述半導(dǎo)體元件的大致中心的部分的厚度比其鄰近于所述半導(dǎo)體元件的周邊的部分的厚度小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體模組,其中所述散熱器由導(dǎo)體形成,并且還連接到所述半導(dǎo)體元件的電極。
3. —種半導(dǎo)體裝置,包括 半導(dǎo)體元件,,以及冷卻部件,包括多個(gè)散熱片,所述多個(gè)散熱片被構(gòu)造成與所述半導(dǎo)體 元件的中心附近相對(duì)的部分比與所述半導(dǎo)體元件的周邊相對(duì)的部分通過更 大的面積散熱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置,其中所述多個(gè)散熱片與所述半導(dǎo)體元件的所述中心附近相對(duì)的所述部分比與所述半導(dǎo)體元件的所述周邊 相對(duì)的所述部分布置得更密集。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置,其中所述多個(gè)散熱片的每個(gè)散熱片為板狀形式;并且 與所述半導(dǎo)體元件的所述中心附近相對(duì)的所述多個(gè)散熱片比與所述半 導(dǎo)體元件的所述周邊相對(duì)的所述散熱片間隔得更近。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置,其中與所述半導(dǎo)體元件的所述周邊相對(duì)的所述散熱片是每個(gè)散熱片為板狀形式的多個(gè)散熱片;并且與所述半導(dǎo)體元件的所述中心附近相對(duì)的所述散熱片是多個(gè)柱狀散熱片。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置,其中所述多個(gè)散熱片的每個(gè)散熱片為板狀形式;并且 與所述半導(dǎo)體元件的所述中心附近相對(duì)的所述板狀形式的所述散熱片
8. —種半導(dǎo)體裝置,包括 半導(dǎo)體元件;冷卻部件,冷卻所述半導(dǎo)體元件;以及散熱器,布置于所述半導(dǎo)體元件和所述冷卻部件之間,并且其鄰近于 所述半導(dǎo)體元件的大致中心的部分的厚度比其鄰近于所述半導(dǎo)體元件的周 邊的部分的厚度??;其中所述散熱器與所述半導(dǎo)體元件相對(duì)的表面具有平面;所述散熱器與所述冷卻部件相對(duì)的表面、在與所述半導(dǎo)體元件的所述 大致中心相對(duì)的部分、面向遠(yuǎn)離所述半導(dǎo)體元件的所述大致中心的部分被 凹陷,以最小化厚度;并且所述冷卻部件與所述散熱器相對(duì)的表面被形成為與所述散熱器的表面 幾何匹配。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置,其中 所述冷卻部件包括用于冷卻劑的通路;以及 所述通路被形成為與所述散熱器的表面幾何匹配。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體裝置,其中所述散熱器被凹陷成沿 所述冷卻劑的通路為流線型。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置,其中所述冷卻部件包括多個(gè) 散熱片,所述多個(gè)散熱片被構(gòu)造成與所述半導(dǎo)體元件的所述中心附近相對(duì) 的部分比與所述半導(dǎo)體元件的所述周邊相對(duì)的部分使用更大面積散熱。
全文摘要
充當(dāng)散熱器的電極板(52、54)被布置成夾著功率管(Q1)和二極管(D1)。電極板(52、54)在它們與冷卻部件(62、64)相對(duì)的表面與功率管(Q1)和二極管(D1)相對(duì)的部分被形成為大致鄰近于功率管(Q1)和二極管(D1)中心的部分的厚度比大致鄰近于功率管(Q1)和二極管(D1)周邊的部分的厚度小。冷卻部件(62、64)被布置成在幾何形狀方面沿電極板(52、54)夾著電極板(52、54)。
文檔編號(hào)H01L23/433GK101120446SQ20068000308
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日
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