CN101814469A

CN101814469A - 重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装

Info

Publication number: CN101814469A
Application number: CN 200910009142
Authority: CN
Inventors: 王玉富
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-08-25

Abstract

本发明公开了一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装包括板状金属安装平台，所述板状金属安装平台的上面一体化配置管状金属，与所述板状金属安装平台构成蒸发室，半导体功率器件管芯焊装于所述板状金属安装平台的下表面，用树脂或塑料将由所述安装平台和半导体功率器件管芯引出的输出和控制引线固定于封装的下面。

Description

重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装

技术领域

本发明属于半导体功率器件封装领域，具体涉及了一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装。

背景技术

以半导体功率器件、微电子和计算机技术为基础的现代电力电子技术是节能减排、开发绿色能源的核心和关键。而半导体功率器件得电特性和热特性又是核心的核心、关键的关键。一方面半导体功率器件的应用为人类节约了大量的能源，另方面其工作过程中无法避免的热效应而导致失效又是各类变换器损坏的主要原因。大部分半导体功率器件优化的工作温度为50℃以下，很多器件在75℃以上时就很容易失效。因此，一方面要降低器件的损耗，例如发展高速度低导通压降器件、软开关等技术，同时要改善器件的散热性能，缺一不可。

功率器件的散热主要有风冷却，水冷却和蒸发冷却三种方式。近年来随着功率密的增加，高效能的蒸发冷却越来越引起人们的重视，进行了大量的研究。如中国专利200320102854.8和CN1851908A各自公开了涉及半导体功率器件蒸发冷却装置，由用于安装器件的蒸发冷却散热器和冷凝器组成，功率半导体器件即电力电子器件用于散发热量的底座安装在蒸发冷却散热器的外侧板。半导体功率器件的封装主要有两种模式，即单管芯与金属传热底板直接键合的塑封单管和多管芯通过陶瓷等绝缘与金属传热底板接触的功率模块。由于半导体功率器件发热有很高的功率密度，器件与散热器的接触状况，即接触面的平整度和压力大小对热阻有很大的影响。模块热量由管芯到散热器至少经过两个绝缘体与金属的结合界面，一个金属间的压合界面，不考虑电绝缘也要经过一个金属间的压合界面，这不仅大大的增加了热阻，而且带来了很大的工艺不确定性。有文献统计指出，装配问题所致导热不良引起的功率器件失效为占总失效率的50％以上。

印刷电路板装配由于其多方面的优越性使其成为电子产品具有绝对优势的生产方式。各种电力电子变换器的主回路中的半导体功率器件及其散热装置成为印刷电路板装配的最大障碍。传统机电设备的端子连线装配方式不仅不利于大批量的工业生产，并且由于功率模块和滤波电容间寄生电感大，使得模块容易受过电压冲击。中国专利CN2409612Y公开了一种半导体功率器件的热管散热装置，较好地解决器件的散热，却使之更加不利于印制板装配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重力循环蒸发冷却技术方案，使半导体功率器件的封装不但具有更好的热传导特性，且适于印制板装配。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案如下：

一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述半导体功率器件封装包括板状金属安装平台，所述板状金属安装平台的上面一体化配置管状金属，与所述板状金属安装平台构成蒸发室，半导体功率器件管芯焊装于所述板状金属安装平台的下表面，用树脂或塑料将由所述安装平台和半导体功率器件管芯引出的输出和控制引线固定于封装的下面。蒸发室由导热性能好的金属制成，优选铜或铜合金。

所述管状金属伸出包封料的上表面，并在上端配置软管接头。选用具有良好电绝缘性能的冷媒，通过与之相容的塑料软管实现功率器件的电绝缘。

有时几个半导体功率器件间，例如单相整流桥的4个二极管，三相桥的6个二极管，桥臂的两只IGBT，有紧密的电联系，适宜一体封装。所述半导体功率器件封装则包括多个上面一体化配置有管状金属的板状金属安装平台，每个所述金属安装平台下面都焊装半导体功率器件管芯，所有的所述管状金属腔体由电绝缘的密封通道连接，在封装的上表面或上部配置有与所述密封通道的最高点相通的输出管道。由于封装本身解决了管芯的绝缘问题，所述输出管道外端可设置软管或铜管接头。

常用的冷煤汽化潜热可达每克200-300卡，具有很强的热传递能力，一根不是很粗的管道，优选的为4-12mm，当功率器件的发热量不是很大时即可以满足汽泡上行和液体下行的要求。功率器件的发热量很大时，可分别设置汽体上行和液体下行管道。

整个冷却***还应包括有冷凝器，冷凝器应高于所有的蒸发室，当冷凝器与蒸发器距离较远时，***还应设置汽液分离室。汽液分离室应尽量靠近蒸发室，以使由蒸发室上行的汽泡或汽水两相流分离形成干汽，很小的压力即可达到很高的速度，以至于接近声速极限。

本发明的有益效果

本发明技术方案采用重力循环蒸发冷却原理进行散热设计的半导体功率器件封装，在结构上，本发明的技术方案的蒸发冷却装置采用蒸发室在器件的内部，半导体管芯直接焊装在蒸发室上，实现了最好的热传递。器件进一步小型化，结构上更利于电子产品的印制板装配。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装的结构示意图；

图2为本发明实施例重力循环蒸发冷却多个半导体功率器件管芯一体封装示意图；

图3为本发明实施例重力循环蒸发冷却多个半导体功率器件管芯一体封装，并具有分离的液体冷煤下行管道和汽液两相流上行管道示意图；

图4的实施例为由多个本发明重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装的器件装配在印制板上，与循环管道、汽液分离室、冷凝器构成的蒸发冷却变换器***连接示意图；

其中，图1中，1为被封装的半导体功率器件管芯，2为板状金属安装平台，形状可为圆型，也可为方形，3为与金属安装平台一体化的管状金属，横截面以圆形为好，4为与管芯相连的引出线，5为与安装平台相连的引出线，6和7为器件的控制引出线，8为封装树脂或塑料，9为软管接头，10为软管。图2中，11为被封装的半导体功率器件管芯，12为另一个被封装的半导体功率器件管芯，21为半导体功率器件管芯11的板状金属安装平台，31为半导体功率器件管芯11的与金属安装平台一体化的管状金属，22为半导体功率器件管芯12的板状金属安装平台，32为半导体功率器件管芯12的与金属安装平台21一体化的管状金属，4为与管芯12相连的引出线，5为与安装平台21相连的引出线，54为管芯11与安装平台22的内部连线，61、71、62、72为器件的控制引出线，8为封装树脂或塑料，81为由封装树脂或塑料构成的连接管状金属31和32的通道，83为通道81的输出管道，9为软管或铜管接头，10为软管或铜管。图3中，11、12、13为被封装的半导体功率器件管芯，21、22、23分别为半导体功率器件管芯11、12、13的板状金属安装平台，31、32、33分别为半导体功率器件管芯11、12、13的金属安装平台21、22、23一体化的管状金属，4为与管芯11、12、13相连的引出线，51、52、53为分别与安装平台21，22，23相连的内部连线，61、71、62、72、63、73为器件的控制引出线，8为封装树脂或塑料，81为由封装树脂或塑料构成的连接管状金属31、32和33的通道，83为通道81的输出管道，91、93、92、94为软管或铜管接头，95为汽液两相流上行管道，96为冷煤液体下行管道，82为汽液分离室，85为汽液分离室的汽液两相流入口，86为汽液分离室的冷煤液体出口，84为汽液分离室的冷煤液体入口，88为汽液分离室的汽体出口。图4中11、12、13、14为本发明的重力循环蒸发冷却半导体功率封装的功率器件，66为印制板，41为汽液分离室，51为冷凝器，21为由汽液分离室至半导体功率器件的冷煤液体管道，23为冷煤灌注口，31为由半导体功率器件至汽液分离室的汽液两相流管道，22为由冷凝器至汽液分离室的冷煤液体管道，32为由汽液分离室至冷凝器的冷煤汽体管道，401为液位观察窗，33为残余空气、水汽排放口，502为冷凝器分汽管，501为冷凝器集液管。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施例来说明技术；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。

实施例1单个管芯重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装。

如图1所示，该重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装包括被封装的半导体功率器件管芯1，板状金属安装平台2，管状金属3，引出线4、5，器件的控制引出线6、7，封装树脂或塑料8，软管接头9，软管10。板状金属安装平台2和管状金属3应选用导热性好的金属，优选铜或铜的合金，板状金属安装平台2在下，管状金属3在上，一体铸造或焊接成一体构成蒸发室。半导体功率器件管芯1焊装于板状金属安装平台2的下表面，工作时其产生的热量通过板状金属安装平台2直接加热其上面管状金属3内的冷煤，使之蒸发带走热量。引出线4、5，器件的控制引出线6、7，由封装树脂或塑料8固定于封装的底部同一平面，方便功率器件向印制板的装配，管状金属3伸出包封料的上表面，上端配有软管接头9，并装配软管10，通过软管10蒸发的汽体上行，冷煤液体下行，保证电绝缘的同时实现了良好的热传递。

几个半导体功率器件管芯，例如单相整流桥的4个二极管，三相桥的6个二极管，桥臂的两只IGBT，有紧密的电联系，适宜一体封装。如图2所示，所述半导体功率器件封装包括多个一体化配置有管状金属(31，32)的板状金属安装平台21、22，每个所述金属安装平台下面都焊装半导体功率器件管芯11，12，管状金属腔体31、32由电绝缘的密封树脂或塑料8构成的通道81连通，在通道的上部配置输出管道83，由于管道83已经与半导体管芯电绝缘，其上端的管接头9和管道10可以是软管接头和软管，也可以是铜管接头和铜管。内部连线54用于实现两个管芯间的电连接。电输出引线4、5和器件控制引出线61、71、62、72置于封装的底部。

若半导体功率器件的发热量很大时，设置分离的冷煤液体下行管更有利于热循环。如图3所示，所述半导体功率器件封装包括多个一体化配置有管状金属(31，32，33)的板状金属安装平台21、22、23，每个所述金属安装平台下面都焊装半导体功率器件管芯(11，12、13)，除了在密封树脂或塑料8构成的通道81的最高点配置输出管道83而外，还在通道81的最低点配置输入管道87；输出管道83，软管或铜管接头91、93，软管或铜管95，管道85共同构成汽液两相流上行管道，通至汽液分离室的上部；软管或铜管接头92、94，软管或铜管96，管道86、87共同构成液体下行管道，由汽液分离室的下部连接至通道81的下部。

图4所示的实施例为重力循环蒸发冷却电力电子变换器***，包括本发明的重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装的功率器件11、12、13、14，印制板66，汽液分离室41，冷凝器51，功率器件11、12、13、14与汽液分离室41之间的冷煤液体下行管道21和汽液两相流上行管道31，汽液分离室41和冷凝器51之间的冷煤汽体管道上行管道32和冷煤液体下行管道22。功率器件11、12、13、14工作时产生的热量将其内部的冷煤蒸发形成汽液两相流，由上行管道31收集并传送至汽液分离室41。在汽液分离室41中汽液分离形成的干汽经冷煤汽体管道上行管道32送至冷凝器51。在冷凝器51中，冷煤汽体放出热量转化为液体，由冷凝器集液管501收集，经冷煤液体下行管道22送至汽液分离室41，汽液分离室41中的冷煤液体经下行管道21配送至半导体功率器件11、12、13、14。23为冷煤灌注口，***初始化或需补充时冷煤由灌注口23灌注。401为液位观察窗，正常液位在汽液分离室41高度的1/2到2/3为宜。33为残余空气、水汽排放口，宜选用工作压强大于大气压强的冷媒，***初始化时，***内原有的空气被压缩，由此排出。

通过蒸发冷却的方法，采用重力循环原理简单高效的将各种大功率半导体功率器件的热量直接导出，封装结构不仅解决了散热的技术难题，并且减小了体积、重量，使之适应于印制板装配。本领域普通技术人员根据本发明的内容，以及上面给出的实施例，按照实际的需求来选择决定，但凡基于本发明权利保护范围内的几种方式的组合以及不脱离本发明权利要求宗旨变化均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述半导体功率器件封装包括板状金属安装平台，所述板状金属安装平台的上面一体化配置管状金属，与所述板状金属安装平台构成蒸发室，半导体功率器件管芯焊装于所述板状金属安装平台的下表面，用树脂或塑料将由所述安装平台和半导体功率器件管芯引出的输出和控制引线固定于封装的下面。

2.根据权利要求1所述的重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述装置的蒸发室由导热性能好的金属制成，优选铜或铜合金。

3.根据权利要求1所述的重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述管状金属伸出包封料的上表面，并在上端配置软管接头。

4.一种重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于所述半导体功率器件封装包括多个上面一体化配置有管状金属的板状金属安装平台，每个所述金属安装平台下面都焊装半导体功率器件管芯，所有的所述管状金属腔体由电绝缘的密封通道连接，在封装的上表面或上部配置有与所述密封通道的最高点相通的输出管道，所述输出管道的外端配有软管或铜管接头。

5.根据权利要求4所述的重力循环蒸发冷却半导体功率器件封装，其特征在于配有与所述的密封通道的最低点相通的输入管道，用于液体冷媒流入，所述输入管道的外端配有软管或铜管接头。