專利名稱：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(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(jìn)行了大量的研究。如中國專利 200320102854. 8和CN1851908A各自公開了涉及半導(dǎo)體功率器件蒸發(fā)冷卻裝置，由用于安 裝器件的蒸發(fā)冷卻散熱器和冷凝器組成，功率半導(dǎo)體器件即電力電子器件用于散發(fā)熱量的 底座安裝在蒸發(fā)冷卻散熱器的外側(cè)板。半導(dǎo)體功率器件的封裝主要有兩種模式，即單管芯 與金屬傳熱底板直接鍵合的塑封單管和多管芯通過陶瓷等絕緣與金屬傳熱底板接觸的功 率模塊。由于半導(dǎo)體功率器件發(fā)熱有很高的功率密度，器件與散熱器的接觸狀況，即接觸面 的平整度和壓力大小對熱阻有很大的影響。模塊熱量由管芯到散熱器至少經(jīng)過兩個絕緣體 與金屬的結(jié)合界面，一個金屬間的壓合界面，不考慮電絕緣也要經(jīng)過一個金屬間的壓合界 面，這不僅大大的增加了熱阻，而且?guī)砹撕艽蟮墓に嚥淮_定性。有文獻(xiàn)統(tǒng)計指出，裝配問 題所致導(dǎo)熱不良引起的功率器件失效為占總失效率的50%以上。印刷電路板裝配由于其多方面的優(yōu)越性使其成為電子產(chǎn)品具有絕對優(yōu)勢的生產(chǎn) 方式。各種電力電子變換器的主回路中的半導(dǎo)體功率器件及其散熱裝置成為印刷電路板裝 配的最大障礙。傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的端子連線裝配方式不僅不利于大批量的工業(yè)生產(chǎn)，并且由 于功率模塊和濾波電容間寄生電感大，使得模塊容易受過電壓沖擊。中國專利CN2409612Y 公開了一種半導(dǎo)體功率器件的熱管散熱裝置，較好地解決器件的散熱，卻使之更加不利于 印制板裝配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種重力循環(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。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—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 封裝包括板狀金屬安裝平臺，所述板狀金屬安裝平臺的上面一體化配置管狀金屬，與所述板狀金屬安裝平臺構(gòu)成蒸發(fā)室，半導(dǎo)體功率器件管芯焊裝于所述板狀金屬安裝平臺的下表面，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。蒸發(fā)室由導(dǎo)熱性能好的金屬制成，優(yōu)選銅或銅合金。所述管狀金屬伸出包封料的上表面，并在上端配置軟管接頭。選用具有良好電絕 緣性能的冷媒，通過與之相容的塑料軟管實(shí)現(xiàn)功率器件的電絕緣。有時幾個半導(dǎo)體功率器件間，例如單相整流橋的4個二極管，三相橋的6個二極 管，橋臂的兩只IGBT，有緊密的電聯(lián)系，適宜一體封裝。所述半導(dǎo)體功率器件封裝則包括多 個上面一體化配置有管狀金屬的板狀金屬安裝平臺，每個所述金屬安裝平臺下面都焊裝半 導(dǎo)體功率器件管芯，所有的所述管狀金屬腔體由電絕緣的密封通道連接，在封裝的上表面 或上部配置有與所述密封通道的最高點(diǎn)相通的輸出管道。由于封裝本身解決了管芯的絕緣 問題，所述輸出管道外端可設(shè)置軟管或銅管接頭。常用的冷煤汽化潛熱可達(dá)每克200-300卡，具有很強(qiáng)的熱傳遞能力，一根不是很 粗的管道，優(yōu)選的為4-12mm，當(dāng)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。整個冷卻系統(tǒng)還應(yīng)包括有冷凝器，冷凝器應(yīng)高于所有的蒸發(fā)室，當(dāng)冷凝器與蒸發(fā) 器距離較遠(yuǎn)時，系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置汽液分離室。汽液分離室應(yīng)盡量靠近蒸發(fā)室，以使由蒸發(fā)室上 行的汽泡或汽水兩相流分離形成干汽，很小的壓力即可達(dá)到很高的速度，以至于接近聲速 極限。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(jìn)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)體管芯直 接焊裝在蒸發(fā)室上，實(shí)現(xiàn)了最好的熱傳遞。器件進(jìn)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(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為本發(fā)明實(shí)施例重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻多個半導(dǎo)體功率器件管芯一體封裝示意 圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻多個半導(dǎo)體功率器件管芯一體封裝，并具 有分離的液體冷煤下行管道和汽液兩相流上行管道示意圖；圖4的實(shí)施例為由多個本發(fā)明重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝的器件裝 配在印制板上，與循環(huán)管道、汽液分離室、冷凝器構(gòu)成的蒸發(fā)冷卻變換器系統(tǒng)連接示意圖；其中，圖1中，1為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，2為板狀金屬安裝平臺，形狀可 為圓型，也可為方形，3為與金屬安裝平臺一體化的管狀金屬，橫截面以圓形為好，4為與管 芯相連的引出線，5為與安裝平臺相連的引出線，6和7為器件的控制引出線，8為封裝樹脂 或塑料，9為軟管接頭，10為軟管。圖2中，11為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，12為另一個 被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，21為半導(dǎo)體功率器件管芯11的板狀金屬安裝平臺，31為半 導(dǎo)體功率器件管芯11的與金屬安裝平臺一體化的管狀金屬，22為半導(dǎo)體功率器件管芯12的板狀金屬安裝平臺，32為半導(dǎo)體功率器件管芯12的與金屬安裝平臺21 —體化的管狀金屬，4為與管芯12相連的引出線，5為與安裝平臺21相連的引出線，54為管芯11與安裝平 臺22的內(nèi)部連線，61、71、62、72為器件的控制引出線，8為封裝樹脂或塑料，81為由封裝樹 脂或塑料構(gòu)成的連接管狀金屬31和32的通道，83為通道81的輸出管道，9為軟管或銅管 接頭，10為軟管或銅管。圖3中，11、12、13為被封裝的半導(dǎo)體功率器件管芯，21、22、23分別 為半導(dǎo)體功率器件管芯11、12、13的板狀金屬安裝平臺，31、32、33分別為半導(dǎo)體功率器件 管芯11、12、13的金屬安裝平臺21、22、23 —體化的管狀金屬，4為與管芯11、12、13相連的 引出線，51、52、53為分別與安裝平臺21，22，23相連的內(nèi)部連線，61、71、62、72、63、73為器 件的控制引出線，8為封裝樹脂或塑料，81為由封裝樹脂或塑料構(gòu)成的連接管狀金屬31、32 和33的通道，83為通道81的輸出管道，91、93、92、94為軟管或銅管接頭，95為汽液兩相流 上行管道，96為冷煤液體下行管道，82為汽液分離室，85為汽液分離室的汽液兩相流入口， 86為汽液分離室的冷煤液體出口，84為汽液分離室的冷煤液體入口，88為汽液分離室的汽 體出口。圖4中11、12、13、14為本發(fā)明的重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率封裝的功率器件，66 為印制板，41為汽液分離室，51為冷凝器，21為由汽液分離室至半導(dǎo)體功率器件的冷煤液 體管道，23為冷煤灌注口，31為由半導(dǎo)體功率器件至汽液分離室的汽液兩相流管道，22為 由冷凝器至汽液分離室的冷煤液體管道，32為由汽液分離室至冷凝器的冷煤汽體管道，401 為液位觀察窗，33為殘余空氣、水汽排放口，502為冷凝器分汽管，501為冷凝器集液管。
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單個管芯重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝。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，板狀金屬安裝平臺2，管狀金屬3，引出線4、5，器件的控制引出線6、7，封裝樹 脂或塑料8，軟管接頭9，軟管10。板狀金屬安裝平臺2和管狀金屬3應(yīng)選用導(dǎo)熱性好的金 屬，優(yōu)選銅或銅的合金，板狀金屬安裝平臺2在下，管狀金屬3在上，一體鑄造或焊接成一體 構(gòu)成蒸發(fā)室。半導(dǎo)體功率器件管芯1焊裝于板狀金屬安裝平臺2的下表面，工作時其產(chǎn)生 的熱量通過板狀金屬安裝平臺2直接加熱其上面管狀金屬3內(nèi)的冷煤，使之蒸發(fā)帶走熱量。 引出線4、5，器件的控制引出線6、7，由封裝樹脂或塑料8固定于封裝的底部同一平面，方便 功率器件向印制板的裝配，管狀金屬3伸出包封料的上表面，上端配有軟管接頭9，并裝配 軟管10，通過軟管10蒸發(fā)的汽體上行，冷煤液體下行，保證電絕緣的同時實(shí)現(xiàn)了良好的熱 傳遞。幾個半導(dǎo)體功率器件管芯，例如單相整流橋的4個二極管，三相橋的6個二極管， 橋臂的兩只IGBT，有緊密的電聯(lián)系，適宜一體封裝。如圖2所示，所述半導(dǎo)體功率器件封裝 包括多個一體化配置有管狀金屬(31，32)的板狀金屬安裝平臺21、22，每個所述金屬安裝 平臺下面都焊裝半導(dǎo)體功率器件管芯11，12，管狀金屬腔體31、32由電絕緣的密封樹脂或 塑料8構(gòu)成的通道81連通，在通道的上部配置輸出管道83，由于管道83已經(jīng)與半導(dǎo)體管 芯電絕緣，其上端的管接頭9和管道10可以是軟管接頭和軟管，也可以是銅管接頭和銅管。 內(nèi)部連線54用于實(shí)現(xiàn)兩個管芯間的電連接。電輸出引線4、5和器件控制引出線61、71、62、72置于封裝的底部。若半導(dǎo)體功率器件的發(fā)熱量很大時，設(shè)置分離的冷煤液體下行管更有利于熱循環(huán)。如圖3所示，所述半導(dǎo)體功率器件封裝包括多個一體化配置有管狀金屬(31，32，33) 的板狀金屬安裝平臺21、22、23，每個所述金屬安裝平臺下面都焊裝半導(dǎo)體功率器件管芯 (11，12、13)，除了在密封樹脂或塑料8構(gòu)成的通道81的最高點(diǎn)配置輸出管道83而外，還在 通道81的最低點(diǎn)配置輸入管道87 ；輸出管道83，軟管或銅管接頭91、93，軟管或銅管95，管 道85共同構(gòu)成汽液兩相流上行管道，通至汽液分離室的上部；軟管或銅管接頭92、94，軟管 或銅管96，管道86、87共同構(gòu)成液體下行管道，由汽液分離室的下部連接至通道81的下部。圖4所示的實(shí)施例為重力循環(huán)蒸發(fā)冷卻電力電子變換器系統(tǒng)，包括本發(fā)明的重力 循環(huán)蒸發(fā)冷卻半導(dǎo)體功率器件封裝的功率器件11、12、13、14，印制板66，汽液分離室41，冷 凝器51，功率器件11、12、13、14與汽液分離室41之間的冷煤液體下行管道21和汽液兩相 流上行管道31，汽液分離室41和冷凝器51之間的冷煤汽體管道上行管道32和冷煤液體下 行管道22。功率器件11、12、13、14工作時產(chǎn)生的熱量將其內(nèi)部的冷煤蒸發(fā)形成汽液兩相 流，由上行管道31收集并傳送至汽液分離室41。在汽液分離室41中汽液分離形成的干汽 經(jīng)冷煤汽體管道上行管道32送至冷凝器51。在冷凝器51中，冷煤汽體放出熱量轉(zhuǎn)化為液 體，由冷凝器集液管501收集，經(jīng)冷煤液體下行管道22送至汽液分離室41，汽液分離室41 中的冷煤液體經(jīng)下行管道21配送至半導(dǎo)體功率器件11、12、13、14。23為冷煤灌注口，系統(tǒng) 初始化或需補(bǔ)充時冷煤由灌注口 23灌注。401為液位觀察窗，正常液位在汽液分離室41高 度的1/2到2/3為宜。33為殘余空氣、水汽排放口，宜選用工作壓強(qiáng)大于大氣壓強(qiáng)的冷媒， 系統(tǒng)初始化時，系統(tǒng)內(nèi)原有的空氣被壓縮，由此排出。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，封裝結(jié)構(gòu)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(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
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板狀金屬安裝平臺，所述板狀金屬安裝平臺的上面一體化配置管狀金屬，與所述板狀金屬安裝平臺構(gòu)成蒸發(fā)室，半導(dǎo)體功率器件管芯焊裝于所述板狀金屬安裝平臺的下表面，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。
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.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，其特征在于所述管 狀金屬伸出包封料的上表面，并在上端配置軟管接頭。
4.一種重力循環(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 包括多個上面一體化配置有管狀金屬的板狀金屬安裝平臺，每個所述金屬安裝平臺下面都 焊裝半導(dǎo)體功率器件管芯，所有的所述管狀金屬腔體由電絕緣的密封通道連接，在封裝的 上表面或上部配置有與所述密封通道的最高點(diǎn)相通的輸出管道，所述輸出管道的外端配有 軟管或銅管接頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4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(diǎn)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。
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板狀金屬安裝平臺，所述板狀金屬安裝平臺的上面一體化配置管狀金屬，與所述板狀金屬安裝平臺構(gòu)成蒸發(fā)室，半導(dǎo)體功率器件管芯焊裝于所述板狀金屬安裝平臺的下表面，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。
文檔編號H05K7/20GK101814469SQ20091000914
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者王玉富 申請人:王玉富