專利名稱：功率半導體器件或模塊的主動式蒸發(fā)散熱裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種功率型半導體器件或模塊的散熱技術，具體地說是一種功率半導體器件或模塊的主動式蒸發(fā)散熱裝置。
背景技術：
功率型半導體器件，從普通的晶閘管到新型的GTO、GTR、MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IPM等功率型電力電子半導體器件，以及功率型半導體模塊等，均是在具有大的自身耗散功率的前提下，才有可能獲得大的輸出功率。當有大電流流過時，發(fā)熱現(xiàn)象十分嚴重。只有將所產生的熱量迅速、及時、有效地散發(fā)出去，才能夠保證功率型半導體器件或模塊應具有的工作穩(wěn)定性和可靠性。因此，功率型電力電子半導體器件或功率半導體模塊在工作時的散熱方式，是其能否保證工作穩(wěn)定性和可靠性的制約條件。
目前已知的散熱技術，按照散熱效率由低到高的次序排列，依次是一、采用散熱片的自然對流冷卻；二、采用散熱片加風扇的外力下強制對流冷卻；三、裝配導熱管的流動物態(tài)變化冷卻；四、利用微細管冷卻板的液態(tài)冷卻。其中第一、二種散熱方式適用于普通的和小功率的電子器件，而對于功率型半導體器件或模塊則多采用第三、四種散熱方式。
功率型半導體器件或模塊通常是在高性能的陶瓷基片上集成半導體晶片、芯片或集成電路等，再封罩塑料或陶瓷外殼，內充樹脂類物質。由于樹脂類物質和塑料或陶瓷外殼的熱阻遠遠大于陶瓷基片的熱阻，所以陶瓷基片是功率型半導體器件或模塊的主要散熱面。在陶瓷基片的外表面鍍有一層金屬銅。上述的第三、四種散熱方式就是以陶瓷基片為基體，在其對外的覆銅面設置熱管式的導熱管，或者制出疊加的微細管冷板，以將陶瓷基片上所吸收的半導體晶片或芯片產生的熱量快速傳導出去。由于陶瓷基片本身也有熱阻，所以不可能將熱量在極短的時間內，迅速全部地傳導出去。特別是在工作電流瞬間增大時，器件或模塊的內部會產生瞬時局部過熱，這種瞬間產生的巨大熱量，就更不可能被瞬間傳導出去。而這種熱量的積聚，是目前影響功率型半導體器件或模塊工作穩(wěn)定性和可靠性的重要原因之一，也是引發(fā)器件或模塊被“燒”毀的主要原因之一。
功率型半導體器件或模塊上目前所用的各種散熱方式，是將電子器件所發(fā)出的熱量，通過集成載體(如陶瓷基片)傳遞至外部附設的散熱器上，再由散熱器散發(fā)出去，達到冷卻的目的。由此可見，散熱器的冷卻工作，是針對所傳遞出的熱量來進行的，因而是屬于一種被動式的散熱方式。而功率型半導體器件或模塊的這類被動式散熱模式，由于有熱阻存，所以傳熱過程長，散熱不徹底，因而不能避免器件或模塊因散熱不及時而被燒毀的現(xiàn)象發(fā)生，并且還會使得器件、模塊或裝置的工作穩(wěn)定性和可靠性受到不同程度的影響。
實用新型內容本實用新型的目的就是提供一種可針對單個或多個功率半導體器件或模塊進行的主動式蒸發(fā)散熱裝置，以進一步提高功率半導體器件或模塊的工作穩(wěn)定性和可靠性。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的該裝置是將功率半導體器件或模塊的外殼制成中空封閉的殼體，其中充填絕緣蒸發(fā)冷卻介質，在外殼上部設有冷凝器，二者通過管路聯(lián)通。
本實用新型的設計思想是將功率型半導體器件或模塊的殼體作為蒸發(fā)器的外殼，將絕緣蒸發(fā)冷卻介質直接導入其內部，再通過管路聯(lián)通與冷凝器相結合，即可形成一個全封閉的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。絕緣蒸發(fā)冷卻介質直接從半導體晶片或芯片上吸收熱量，達到蒸發(fā)溫度后迅速汽化，氣態(tài)的蒸發(fā)介質通過聯(lián)通管路上升進入冷凝器，并在冷凝器中重新凝結成液體后，返回到半導體器件或模塊的殼體中。如此循環(huán)往復，即可將功率半導體器件或模塊內所產生的巨大熱量迅速帶出，并快速散發(fā)出去。由于絕緣蒸發(fā)冷卻介質在功率型半導體器件或模塊內部可全方位包覆在半導體晶片或芯片上，通過介質的相變直接吸收半導體晶片或芯片所產生的熱量，對半導體晶片或芯片進行直接的冷卻，因而形成的是一種全新的主動式散熱方式。本實用新型的關鍵就在于此。
本實用新型的實質性特點就是，在封閉的集成電路、半導體器件或大功率電子電力模塊中，針對所有可能的發(fā)熱點和/或發(fā)熱面，設計了一個直接浸泡發(fā)熱部件的蒸發(fā)冷卻室，其蒸發(fā)冷卻裝置構成一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。在該蒸發(fā)冷卻循環(huán)系統(tǒng)中，絕緣蒸發(fā)冷卻介質直接與發(fā)熱點和/或發(fā)熱面相接觸，利用液態(tài)的冷卻介質蒸發(fā)時汽化吸熱的原理，從功率器件或模塊的芯部直接冷卻發(fā)熱體。在全浸泡的條件下，由于蒸發(fā)式冷卻散熱(又稱為“沸騰式冷卻散熱”)具有極高的冷卻效率，幾乎可以作到發(fā)熱處產生多少熱量，就可以帶走多少熱量，這樣就不會在發(fā)熱處尤其是在半導體的PN結處產生熱量聚集，所以本實用新型具有超強的冷卻散熱效果。另外，由于本實用新型所具有的這種超強的冷卻散熱效果，使得絕緣蒸發(fā)冷卻介質的沸點溫度，就成為了功率器件或模塊內部發(fā)熱點或發(fā)熱面的工作溫度。故此，本實用新型散熱裝置實質上就成為區(qū)別于現(xiàn)有各種已知被動式散熱模式的一種主動式散熱模式。
本實用新型適用于各類功率型半導體器件或模塊，其中包含了現(xiàn)代電力電子器件、高頻工作下的功率器件和高電壓下工作的功率器件，以及它們對應的模塊化產品。


附圖是本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
如附圖所示，功率半導體器件或模塊1中的半導體晶片、芯片或功率集成電路1a集成在陶瓷基片1b上(該陶瓷基片已無需覆銅)，然后置入密封或密閉的外殼2中。此外殼即為蒸發(fā)器的外殼。在中空的殼體中充填有絕緣蒸發(fā)冷卻介質3，使所有的發(fā)熱部分全部浸入其中。在外殼2的上部通過管路連通有冷凝器4。由此構成了帶正壓或負壓的全封閉的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，其中電力導線或控制線束1c以密封方式穿過外殼2，與外部電路相接。圖中，連接殼體2與冷凝器4的聯(lián)通管路為包括蒸汽管5和回流管6在內的兩根管路。當功率半導體器件或模塊工作時，半導體晶片、芯片或集成電路1a上有電流流過并發(fā)熱。熱量將實時、直接、全方位地被絕緣蒸發(fā)冷卻介質3所吸收并帶走，改變了傳統(tǒng)的僅通過覆銅的陶瓷基片將熱量傳導出去的散熱方式。此時半導體晶片、芯片或集成電路1a的工作溫度只取決于絕緣蒸發(fā)冷卻介質3的蒸發(fā)溫度。通過調節(jié)冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的真空度或壓力值，就可以有效地調控絕緣蒸發(fā)冷卻介質3的蒸發(fā)溫度。在實際應用中，首先是確定絕緣蒸發(fā)冷卻介質3的蒸發(fā)溫度，然后對應調整外殼2封裝時的內部壓力或真空度。由此即可將半導體晶片、芯片或集成電路1a的工作溫度設定在所調定的絕緣蒸發(fā)冷卻介質3的蒸發(fā)溫度上。這是現(xiàn)有任何散熱裝置所無法實現(xiàn)的。
對于較小功率的功率半導體器件或模塊，由于發(fā)熱量相對較低，可以將附圖中冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的蒸汽管5和回流管6合二為一，制成在殼體2與冷凝器4間為冷卻介質的蒸發(fā)氣體上升與冷凝液體回流共用的單根管路，此即熱管的工作原理。
本實用新型裝置中所采用的絕緣蒸發(fā)冷卻介質3的選擇，是從絕緣性能、不燃性、流動性環(huán)保性、工作溫度以及蒸氣壓強等諸方面統(tǒng)籌考慮確定的。一般可選用工作時沸點溫度適中(在一個大氣壓下沸點溫度約50℃左右)、符合上述要求的冷卻介質，典型的冷卻介質有氟里昂R-113和Fc-77等。以氟里昂R-113為佳，其耐壓可達幾萬伏，超過功率半導體器件或模塊最高耐壓的數(shù)倍。
更好的絕緣蒸發(fā)冷卻介質3為全氟三乙胺(分子式為(C2F5)2N)或十氟戊烷(分子式為C5H2F10)。它們的比重均大于1.5，且不溶解于水，在一個標準大氣壓下，其沸點分別為69℃和55℃。二者均具有絕緣性高、沸點合適、安全無毒、化學性質穩(wěn)定等特點，更加符合環(huán)保要求。其凝固點溫度分別為-35℃和-80℃左右，適合于低溫環(huán)境下功率器件或模塊的存貯與工作要求。通過調整系統(tǒng)內的工作壓力，加大負壓或真空度，冷卻介質的沸點溫度將進一步下降。提高壓力則冷卻介質的沸點溫度將會上升。系統(tǒng)內的工作壓力的選擇與確定，應視功率器件工作時的發(fā)熱量、工作時的環(huán)境溫度等因素，綜合考慮確定。
權利要求1.一種功率半導體器件或模塊的主動式蒸發(fā)散熱裝置，其特征在于該裝置是將功率半導體器件或模塊(1)的外殼(2)制成中空封閉的殼體，其中充填有絕緣蒸發(fā)冷卻介質(3)，在外殼(2)上部設有冷凝器(4)，二者通過管路聯(lián)通。
2.根據(jù)權利要求1所述的功率半導體器件或模塊的主動式蒸發(fā)散熱裝置，其特征在于在殼體(2)與冷凝器(4)間的聯(lián)通管路為蒸汽管(5)和回流管(6)。
3.根據(jù)權利要求1所述的功率半導體器件或模塊的主動式蒸發(fā)散熱裝置，其特征在于在殼體(2)與冷凝器(4)間為蒸發(fā)氣體與回流液體共用的單根管路。
4.根據(jù)權利要求1所述的功率半導體器件或模塊的主動式蒸發(fā)散熱裝置，其特征在于所述的絕緣蒸發(fā)冷卻介質(3)為全氟三乙胺(分子式為(C2F5)2N)或十氟戊烷(分子式為C5H2F10)，或者二者的混合物。
專利摘要本實用新型涉及一種功率型半導體器件或模塊的主動式蒸發(fā)散熱裝置。該裝置是將功率半導體器件或模塊的外殼制成中空封閉的殼體，其中充填絕緣蒸發(fā)冷卻介質，在外殼上部設有冷凝器，二者通過管路聯(lián)通。本實用新型以半導體器件或模塊的殼體作為蒸發(fā)器的外殼，形成全封閉的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，具有極高的冷卻散熱效率，相當于相同幾何尺寸的良導體(如實心銅)導熱率的350倍以上。可實現(xiàn)多個功率器件或模塊，特別是不同功率、不同發(fā)熱量的器件或模塊，在高度一體化或高度集成化的條件下，集中工作與散熱。本實用新型適于對高熱密度大功率器件的冷卻和對高密度安裝或集成了大功率器件的組合體進行冷卻。
文檔編號H01L23/427GK2773905SQ20042009199
公開日2006年4月19日 申請日期2004年10月27日 優(yōu)先權日2004年10月27日
發(fā)明者原澤, 原亮 申請人:原澤