本說明書涉及用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的液冷功率模塊、裝置以及方法，并且涉及半導(dǎo)體器件模塊、半導(dǎo)體器件組件和半導(dǎo)體器件的組裝和封裝。更具體地，本說明書涉及用于高功率模塊的冷卻技術(shù)。

背景技術(shù)：

1、可以使用多個半導(dǎo)體管芯、多個基板(例如，管芯附接焊盤(die?attach?pad，dap))、多個電互連以及成型化合物，來實現(xiàn)半導(dǎo)體器件組件(例如，包括功率半導(dǎo)體器件的芯片組件)。功率晶體管可以包括例如絕緣柵雙極晶體管(insulated-gate?bipolartransistor，igbt)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductorfield?effect?transistor，mosfet)等。快速恢復(fù)二極管(fast?recovery?diode，frd)可以與功率晶體管結(jié)合使用。高功率半導(dǎo)體器件模塊內(nèi)的電互連可以包括例如鍵合線、導(dǎo)電墊片和導(dǎo)電夾。引線框架可用于為高功率半導(dǎo)體器件模塊提供外部電連接。聚合物成型化合物可作為封裝劑以保護(hù)器件組件中的部件。一些高功率芯片組件可以在例如約200v至約800v的范圍內(nèi)的電壓下工作。封裝為半導(dǎo)體器件模塊的此類高功率芯片組件可用作各種應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換器，各種應(yīng)用包括：電動車輛(electric?vehicle，ev)(例如，電動汽車、電動飛機(jī)或電動無人機(jī))、混合動力電動車輛(hybrid?electric?vehicle，hev)以及工業(yè)應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的液冷功率模塊，包括：直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)，該直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層以及設(shè)置于第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間的非導(dǎo)電層；半導(dǎo)體管芯，耦接至直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)述第一導(dǎo)電層；以及冷卻單元，耦接至直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)的第二導(dǎo)電層，該冷卻單元包括流體路徑，以使得當(dāng)冷卻流體流經(jīng)流體路徑時，冷卻流體從直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)的至少一部分中吸收熱量。

2、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，冷卻流體沖擊與直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)熱接觸的表面。

3、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間的介電層，并且冷卻流體沖擊與第二導(dǎo)電層熱接觸的表面。

4、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，冷卻單元包括基于聚合物的材料。

5、在一些方面，本文描述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，冷卻單元包括入口室和出口室，入口室和出口室彼此分離并且通過冷卻沖擊噴嘴連接。

6、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，冷卻單元被配置為：通過形成于冷卻單元中的噴嘴，將冷卻流體的流從模塊入口引導(dǎo)至直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)由出口室遠(yuǎn)離直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)。

7、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，已經(jīng)穿過噴嘴的冷卻流體中的一些冷卻流體通過出口室的模塊出口從冷卻單元排出。

8、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，當(dāng)冷卻流體在模塊入口與模塊出口之間流動時，冷卻流體上升的溫度至多介于2攝氏度到8攝氏度之間。

9、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，模塊入口和模塊出口包括o形環(huán)密封件。

10、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，還包括：位于半導(dǎo)體管芯上方的聚合物蓋。

11、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，還包括：位于聚合物蓋和半導(dǎo)體管芯之間的環(huán)氧樹脂。

12、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種液冷功率模塊，其中，冷卻流體包括乙二醇。

13、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的裝置，包括：具有入口的內(nèi)腔室；具有出口的外腔室，該外腔室至少部分地圍繞內(nèi)腔室；以及通道，該通道形成于內(nèi)腔室中，以將冷卻流體的流引導(dǎo)至外腔室。

14、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種裝置，其中，內(nèi)腔室和外腔室由聚合物材料通過3d打印形成。

15、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種裝置，其中，內(nèi)腔室和外腔室由聚合物材料通過注塑成型形成。

16、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種裝置，其中，通道對冷卻流體進(jìn)行加壓以形成氣溶膠。

17、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種裝置，其中，入口設(shè)置于內(nèi)腔室下方，出口設(shè)置于外腔室下方。

18、在一些方面，本文描述的技術(shù)涉及一種用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的方法，包括：將冷卻流體的流從入口引導(dǎo)至形成于基板內(nèi)的內(nèi)腔室中，以使得由冷卻流體吸收熱量，該基板支撐半導(dǎo)體管芯；將流從內(nèi)腔室引導(dǎo)至通過多個開口以形成加壓噴霧，使得冷卻流體沖擊與直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)熱接觸的金屬表面；在形成于基板內(nèi)的外腔室中接收冷卻流體；以及，通過出口從外腔室噴射冷卻流體，該出口與入口隔離。

19、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種方法，其中，冷卻流體設(shè)置于直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)下方。

20、在一些方面，本文所述的技術(shù)涉及一種方法，其中，直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層以及設(shè)置于第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間的非導(dǎo)電層。

技術(shù)特征：

1.一種用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的液冷功率模塊，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液冷功率模塊，其中，所述冷卻流體沖擊與所述直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)熱接觸的表面。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液冷功率模塊，其中，所述直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于所述第一導(dǎo)電層和所述第二導(dǎo)電層之間的介電層，并且所述冷卻流體沖擊與所述第二導(dǎo)電層熱接觸的表面。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液冷功率模塊，其中，所述冷卻單元包括基于聚合物的材料。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液冷功率模塊，其中，所述冷卻單元包括入口室和出口室，所述入口室和所述出口室彼此分離并且通過冷卻沖擊噴嘴連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液冷功率模塊，其中，所述冷卻單元被配置為：通過形成于所述冷卻單元中的噴嘴，將冷卻流體的流從模塊入口引導(dǎo)至所述直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)由所述出口室遠(yuǎn)離所述直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液冷功率模塊，其中，已經(jīng)穿過所述噴嘴的所述冷卻流體中的一些冷卻流體通過所述出口室的模塊出口從所述冷卻單元排出。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的液冷功率模塊，其中，當(dāng)所述冷卻流體在所述模塊入口與所述模塊出口之間流動時，所述冷卻流體上升的溫度至多介于2攝氏度到8攝氏度之間。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的液冷功率模塊，其中，所述模塊入口和所述模塊出口包括o形環(huán)密封件。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液冷功率模塊，還包括：位于所述半導(dǎo)體管芯上方的聚合物蓋。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的液冷功率模塊，還包括：位于所述聚合物蓋和所述半導(dǎo)體管芯之間的環(huán)氧樹脂。

12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液冷功率模塊，其中，所述冷卻流體包括乙二醇。

13.一種用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的裝置，其特征在于，包括：

14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述內(nèi)腔室和所述外腔室由聚合物材料通過3d打印形成。

15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述內(nèi)腔室和所述外腔室由聚合物材料通過注塑成型形成。

16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述通道對所述冷卻流體進(jìn)行加壓以形成氣溶膠。

17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述入口設(shè)置于所述內(nèi)腔室下方，所述出口設(shè)置于所述外腔室下方。

18.一種用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，包括：

19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述冷卻流體設(shè)置于所述直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)下方。

20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電層、第二導(dǎo)電層以及設(shè)置于所述第一導(dǎo)電層和所述第二導(dǎo)電層之間的非導(dǎo)電層。

技術(shù)總結(jié)
公開了一種用于冷卻高功率半導(dǎo)體器件的液冷功率模塊、裝置及方法。由直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)支撐的半導(dǎo)體管芯附接到冷卻單元，冷卻單元通過噴霧噴嘴將冷卻劑從內(nèi)腔室循環(huán)到外腔室，以使得冷卻劑沖擊與直接鍵合的金屬結(jié)構(gòu)熱接觸的金屬表面。與依靠固體金屬散熱器相比，使用冷卻流體提供了更有效和更具成本效益的冷卻。所公開的液冷功率模塊可以降低散熱組件的成本和重量，以兼容航空航天應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：約翰·穆肯
受保護(hù)的技術(shù)使用者：半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2