專利名稱：具有功率覆蓋層的雙側(cè)冷卻的功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及用于冷卻熱表面的設(shè)備，且更特定而言，涉及使用功率覆蓋 (power overlay)技術(shù)來以平面方式互連半導(dǎo)體功率器件的雙側(cè)冷卻的功率模塊。
背景技術(shù)：
較高密度的電力電子器件的發(fā)展使得冷卻功率半導(dǎo)體器件日益更加困難。對于能 夠耗散高達(dá)500W/cm2的現(xiàn)代硅基功率器件，存在對于改進(jìn)的熱管理方案的需求。當(dāng)器件溫 度限于50K的升高時，自然和強(qiáng)制空氣冷卻機(jī)制僅可處理直至大約一(l)W/cm2的熱通量。 常規(guī)液體冷卻板可實現(xiàn)大約二十(20)W/cm2的熱通量。熱管、沖擊噴霧和液體沸騰能夠有 更大的熱通量，但這些技術(shù)可導(dǎo)致制造困難和高成本。高熱通量功率器件的常規(guī)冷卻中所遇到的一個額外問題是在熱表面上的不均勻 的溫度分布。這是由于不均勻的冷卻通道結(jié)構(gòu)，以及在冷卻流體流動通過平行于熱表面的 長通道時該冷卻流體的溫度上升而引起的。一種用于高性能熱管理的有前景的技術(shù)是微通道冷卻。在20世紀(jì)80年代，其被 證明為冷卻硅集成電路的有效方式，且設(shè)計證明了高達(dá)lOOOW/cm2的熱通量和低于100°C的 表面溫度上升。已知的微通道設(shè)計需要將襯底(微通道制造于底部銅層中)焊接到金屬復(fù) 合物散熱器上，該金屬復(fù)合物散熱器包含歧管以將冷卻流體分配到微通道。另外，這些已知 的微通道設(shè)計采用很復(fù)雜的背側(cè)微通道結(jié)構(gòu)以及構(gòu)建起來極為復(fù)雜且因此制造起來成本 很高的散熱器。盡管已采用功率覆蓋技術(shù)(POL)來提供雙側(cè)冷卻，但這些已知的結(jié)構(gòu)并未利用微 通道特征來提高POL模塊的熱性能。另外，已知的POL技術(shù)通常需要平滑化、銅焊和/或焊 接操作，以便將散熱器滿意地結(jié)合到POL上。鑒于前文所述，期望的是提供一種使用功率覆蓋技術(shù)的雙側(cè)冷卻的功率模塊，該 模塊采用冷卻通道特征來提高POL模塊的熱性能，且其組裝起來相對簡單，并且其在構(gòu)造 襯底冷卻通道之后的后續(xù)加工操作中不會損害冷卻通道特征。如果使用POL技術(shù)的雙側(cè)冷 卻的功率模塊可在不使用平滑化、銅焊或焊接操作的情況下實施，則將也是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)一個實施例，一種功率覆蓋模塊包括至少一個半導(dǎo)體功率器件；結(jié)合到該至少一個半導(dǎo)體功率器件上的功率覆蓋層(POL)；在該至少一個半導(dǎo)體功率器件的與POL相對的一側(cè)上結(jié)合到該至少一個半導(dǎo)體功率器件上的第一散熱器；以及與POL的結(jié)合到至少一個半導(dǎo)體上的一側(cè)相對而單獨地經(jīng)由柔順熱界面材料 (TIM)結(jié)合到POL上的第二散熱器，該至少一個半導(dǎo)體功率器件、POL、第一散熱器和第二散 熱器一起形成雙側(cè)冷卻的功率覆蓋模塊。根據(jù)另一實施例，一種功率覆蓋模塊包括至少一個半導(dǎo)體功率器件；結(jié)合到至少一個半導(dǎo)體功率器件上的功率覆蓋層；結(jié)合到該至少一個半導(dǎo)體功率器件上的第一襯底組件，該第一襯底組件包括包括第一平坦表面和基本上平行于第一平坦表面的第二平坦表面的陶瓷層；結(jié)合到第一平坦表面上的金屬層；結(jié)合到第二平坦表面上的通道層；以及結(jié)合到通道層的與第二平坦表面相對的表面上的歧管層，第一襯底組件層一起被 構(gòu)造成單個整體式襯底；以及單獨地經(jīng)由柔順熱界面材料(TIM)結(jié)合到功率覆蓋層上的第二襯底組件，該第二 襯底組件包括包括第三平坦表面和基本上平行于第三平坦表面的第四平坦表面的陶瓷層；結(jié)合到第三平坦表面上的金屬層；結(jié)合到第四平坦表面上的通道層；以及結(jié)合到與第四平坦表面相對的通道層的表面上的歧管層，第二襯底組件層一起被 構(gòu)造成單個整體式襯底。


當(dāng)參看附圖來閱讀下文的具體實施方式
時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu) 點將會得到更好地理解，在附圖中，相似的標(biāo)記在所有圖中表示相似的部件，其中圖1是示出了本領(lǐng)域中已知的具有功率覆蓋層的雙側(cè)熱交換器冷卻的功率模塊 的側(cè)視側(cè)面圖；圖2是示出了根據(jù)一實施例的具有功率覆蓋層的雙側(cè)通道冷卻的功率模塊的側(cè) 視側(cè)面圖；圖3是示出了適用于與圖2所示的帶功率覆蓋層的雙側(cè)通道冷卻的功率模塊一起 使用的通道散熱器的側(cè)視側(cè)面圖；以及圖4是根據(jù)另一實施例的帶有功率覆蓋層的雙側(cè)通道冷卻的功率模塊的透視圖。雖然以上所標(biāo)識的附圖闡述了備選實施例，但是還構(gòu)想了本發(fā)明的其它實施例， 如在討論中所指出的那些。在所有情況下，本公開內(nèi)容以示意而非限制的方式展現(xiàn)了本發(fā) 明的示出的實施例。可由本領(lǐng)域技術(shù)人員設(shè)計出落在本發(fā)明原理的范疇和精神內(nèi)的許多種 其它修改和實施例。部件列表(10)雙側(cè)熱交換器冷卻的功率模塊(12)功率芯片(14)頂側(cè)熱交換器
(16)底側(cè)熱交換器(20)雙側(cè)通道冷卻的功率模塊(22)半導(dǎo)體功率芯片(24)功率覆蓋層(POL)(26)柔順熱界面材料(TIM)(27)金屬層(28)通道散熱器組件(30)通道散熱器組件(32)襯底(34)頂部金屬層(36)焊接結(jié)合部(38)襯底(40)通道層(42)歧管層(43)殼體入口端口(44)殼體(45)殼體(46)通道(48)殼體出口端口(50)雙側(cè)通道冷卻的功率模塊
具體實施例方式圖1是示出了本領(lǐng)域已知的使用功率覆蓋技術(shù)的雙側(cè)熱交換器冷卻的功率模塊10的側(cè)視側(cè)面圖。使用功率覆蓋技術(shù)的半導(dǎo)體功率模塊的雙側(cè)冷卻在本領(lǐng)域中是已知的。 由于功率覆蓋技術(shù)的獨特平面結(jié)構(gòu)，使用功率覆蓋技術(shù)的模塊可從功率模塊的頂側(cè)和底側(cè) 兩側(cè)上冷卻，因為在平滑化操作后從功率器件的頂面上消除了絲焊料(Wire bond)或甚至 焊接凸塊使得該頂面實質(zhì)上是平坦的。因為熱冷卻結(jié)構(gòu)連接到產(chǎn)生熱量的芯片區(qū)域，圖1 所示的結(jié)構(gòu)可具有顯著較低的接合溫度。利用功率覆蓋技術(shù)的雙側(cè)熱交換器冷卻的功率模塊10包括功率芯片12，功率芯 片12被構(gòu)造成使用功率覆蓋技術(shù)且經(jīng)由冶金結(jié)合而附連到頂側(cè)常規(guī)熱交換器14和底側(cè)常 規(guī)熱交換器16上的功率模塊。然而，包括使用微通道技術(shù)的已知方法的常規(guī)熱交換器技術(shù) 采用冶金結(jié)合技術(shù)，諸如焊接或銅焊，且因此諸如上文所述需要額外的表面平滑化操作。圖2是示出了根據(jù)一實施例使用功率覆蓋技術(shù)的雙側(cè)通道冷卻的功率模塊20的 側(cè)視圖。功率模塊20包括結(jié)合到功率覆蓋層(POL) 24上的多個半導(dǎo)體功率芯片22，功率覆 蓋層(POL) 24具有可包括(例如)銅和卡普頓(Kapton)的區(qū)域。根據(jù)一實施例，具有大于 大約2W/mK的熱導(dǎo)率的柔順熱界面材料(TIM) 26層結(jié)合到POL 24上、與POL 24的結(jié)合到 半導(dǎo)體功率芯片22的一側(cè)相對。合適的TIM的實例包括但不限于粘合劑、油脂、凝膠、墊、 膜、液態(tài)金屬、可壓縮金屬以及相變材料。液態(tài)金屬TIM(例如)通常為在電力電子應(yīng)用中 通常遇到的溫度下呈液態(tài)的銦_鎵合金?？蓧嚎s金屬足夠軟以在散熱器與POL配合表面之間進(jìn)行密切接觸，且可包括例如銦。以此方式，諸如本文所述的散熱器可熱學(xué)地結(jié)合到POL 24上而不用將散熱器直接銅焊或冶金結(jié)合到POL 24上，或者無需在將POL 24結(jié)合到散熱 器上之前使P0L24平面化。包括(例如)氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)或氮化硅(Si3N4)的第 一陶瓷襯底32經(jīng)由第一銅金屬層27結(jié)合到TIM 26上。諸如銅34的頂部金屬層以冶金的 方式結(jié)合到陶瓷襯底32的相對側(cè)上。也可采用其它類似陶瓷材料，只要該陶瓷材料可與銅 層27、34以冶金的方式結(jié)合。金屬層27、34可為(例如)結(jié)合到陶瓷襯底32上的直接結(jié) 合銅(DBC)或活性金屬焊接(AMB)層。
根據(jù)一實施例，第一通道散熱器組件28經(jīng)由焊接結(jié)合部36附連到襯底32上，該 焊接結(jié)合部36在與襯底32的結(jié)合到TIM 26上的一側(cè)相對的銅層34與通道散熱器組件28 之間。第二襯底38和第二通道散熱器組件30類似地結(jié)合到半導(dǎo)體功率芯片22的外部暴 露的平坦表面上，與結(jié)合到POL 24上的半導(dǎo)體功率芯片22的一側(cè)相對。根據(jù)一方面，通道 散熱器組件28可與通道散熱器組件30相同且因此在本文中僅詳細(xì)地描述通道組件28，以 在理解此實施例時保留簡要性且提高清楚性。根據(jù)其它實施例，散熱器組件28也可具有與 散熱器組件30不同的結(jié)構(gòu)。一種散熱器組件(例如)可為空氣冷卻的，而另一散熱器組件 可為液體冷卻的，以提供具有功率覆蓋層的雙側(cè)冷卻的功率模塊。根據(jù)一實施例，通道散熱器28包括通道層40，在下文中參看圖3更詳細(xì)地描述了 該通道層40，通道層40以冶金的方式結(jié)合到歧管層42上，歧管層42也在下文中參看圖3 進(jìn)一步詳細(xì)地進(jìn)行了描述?，F(xiàn)在參看圖3，根據(jù)一實施例，散熱器組件28包括大約0. 3mm的通道層40厚度和 大約0. 3mm的歧管層42厚度。根據(jù)另一實施例，散熱器組件28包括大約0. 15mm的通道層 40厚度和大約0. 15mm的歧管層42厚度。通道層40可包括包含微通道尺寸到毫通道尺寸的通道幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的 一些方面，通道46可具有(例如)大約0. 05mm至大約5. Omm的特征大小。示例性通道46 構(gòu)造可由沿著襯底延伸的連續(xù)微通道形成。根據(jù)另一實施例，通道46為大約0. Imm寬且由 若干大約0. 2mm的間隙分開。根據(jù)又一實施例，通道46為大約0. 3mm寬且由若干大約0. 5mm 的間隙分開。根據(jù)再一實施例，通道46為大約0. 6mm寬且由若干大約0. 8mm的間隙分開。歧管層42限定了若干入口歧管和若干出口歧管(未示出)。入口歧管被構(gòu)造成以 便接收冷卻劑，且出口歧管被構(gòu)造成以便排出冷卻劑。在一實施例中，入口歧管和出口歧管 是交錯的。根據(jù)本發(fā)明的一方面，通道層40內(nèi)的通道46可大體上垂直于入口歧管和出口 歧管而定向。這種結(jié)構(gòu)提供簡單的組裝過程，這降低了散熱器組件28的總成本。通道散熱器組件28也可附連到基板/殼體44上，以緊鄰功率器件22表面提供流 體通路，從而使得能實用地且具有成本效益地實施通道冷卻技術(shù)?；?殼體44包括入口 端口 43和出口端口 48，入口端口 43被構(gòu)造成以便向入口歧管供應(yīng)冷卻劑，且出口端口 48 被構(gòu)造成以便從出口歧管排出冷卻劑。圖4是根據(jù)另一實施例使用功率覆蓋技術(shù)的雙側(cè)通道冷卻的功率模塊50的透視 圖。根據(jù)一實施例，功率模塊50包括第一基板/殼體44，第一基板/殼體44結(jié)合到諸如圖 2和圖3中所描繪的散熱器組件28上，且其包括與歧管層42內(nèi)的歧管通路成鏡像(mirror) 的流體通路(未示出)。基板/殼體44進(jìn)一步包括至少一個入口端口 43和至少一個出口端口 48，且更特別地結(jié)合到諸如圖3中所描繪的歧管層42的表面上，其以諸如上文所述的 方式形成散熱器組件28的一部分，以提供延伸的歧管層入口端口和出口端口。由于僅要求 基板44提供傳遞冷卻流體的機(jī)構(gòu)，基板44無需由適合于提供傳熱機(jī)構(gòu)的金屬構(gòu)成。作為 替代，實際傳熱過程由襯底層、通道層與歧管層之間的冶金結(jié)合來實現(xiàn)。第二基板/殼體45如圖4所示在功率模塊50的相對側(cè)上結(jié)合到圖2所示的熱交 換器組件30上，以提供使用功率覆蓋技術(shù)的雙側(cè)通道冷卻的功率模塊50。根據(jù)一實施例， 通道層40、歧管層42和對應(yīng)的基板/殼體44、45被構(gòu)造成結(jié)合到對應(yīng)的襯底32、38上的整 體式散熱器組件。根據(jù)另一實施例，通道層40和歧管層42 —起被構(gòu)造成結(jié)合到對應(yīng)的襯 底32、38上的整體式散熱器組件。對應(yīng)的基板/殼體44、45則結(jié) 合到包括諸如圖3所描繪 的通道層40和歧管層42的各個整體式散熱器組件上。根據(jù)另一實施例，各個襯底32、38 結(jié)合到對應(yīng)的通道層40和對應(yīng)的歧管層42上，以形成相應(yīng)的整體式散熱器組件。然后，基 板/殼體44、45附連到各個相應(yīng)的整體式散熱器組件上，以完成如圖4所示的雙側(cè)通道冷 卻的功率模塊50。根據(jù)本發(fā)明的一方面，歧管通路的截面比與通道層通道相關(guān)聯(lián)的截面更大，以便 為對應(yīng)的散熱器組件28、30提供所希望的高水平的冷卻能力?？刹捎迷S多冷卻劑以用于散 熱器組件28、30，且實施例并不限于特定的冷卻劑。示范性冷卻劑包括水、乙二醇、丙二醇、 油、飛行器燃料和其組合。根據(jù)一些實施例，冷卻劑包括單相液體和/或多相液體。在操作 中，冷卻劑經(jīng)由基板/殼體入口端口 43進(jìn)入歧管42且流動通過通道層通道，之后經(jīng)由基板 /殼體出口端口 48通過排出歧管返回。根據(jù)一方面，通道層通道并不延伸穿過通道層40，以便使冷卻劑與功率器件22的 熱表面隔離。更特定而言，各個陶瓷襯底32、38充當(dāng)功率器件22與冷卻劑之間的電介質(zhì)阻 礙物。總體闡述，已參看圖2至圖4描述了通道型冷卻組件實施例和制造這些實施例的 方法。這些實施例可使用高溫銅焊工藝，該工藝避免了大體與焊接技術(shù)相關(guān)聯(lián)的對通道46 的污染或損壞。另外，可密切地控制可包括對應(yīng)的襯底32、38、歧管層42和通道層40的散 熱器層的材料和厚度，以防止在加熱和冷卻處理步驟期間層之間的不希望的相互作用。以 此方式，與對應(yīng)的通道層40相關(guān)聯(lián)的更精細(xì)的特征可受到保護(hù)以防止在制造過程期間受 損壞；而且可以高度的確定性形成散熱器組件特征。根據(jù)一實施例，各個襯底結(jié)構(gòu)在子組裝過程期間被構(gòu)造成單個整體式器件，該器 件包括對應(yīng)的陶瓷層32、38，冶金結(jié)合到陶瓷層32、38上的金屬層27，冶金結(jié)合到陶瓷層 32,38上的通道層40以及冶金結(jié)合到通道層40的表面上的歧管層42。包括至少一個入口 端口 43和至少一個出口端口 48的單獨的基板/殼體44、45在襯底結(jié)構(gòu)子組裝過程之后的 最終組裝過程期間結(jié)合到襯底結(jié)構(gòu)的表面上，且被構(gòu)造成以便提供延伸的歧管層入口端口 和出口端口。在最終組裝階段期間組合整體式襯底結(jié)構(gòu)與整體式基板/殼體有利地避免了使 用常規(guī)微通道構(gòu)造技術(shù)通常與焊接技術(shù)相關(guān)聯(lián)的對通道46的污染或損壞。由于基板/殼 體44、45僅充當(dāng)冷卻流體流動機(jī)構(gòu)且并不用作散熱器裝置，基板/殼體44、45可由適用于 在不使用焊接的情況下將基板/殼體結(jié)合到襯底結(jié)構(gòu)上的塑料或其它非金屬化合物制備。盡管已在本文中示出和描述了本發(fā)明的僅某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此，將理解的是，所附權(quán)利要求書意圖涵蓋落在本發(fā)明的真實精神內(nèi)的所 有這些修改和 變化。
權(quán)利要求
一種功率模塊(20)，包括至少一個半導(dǎo)體功率器件(22)；結(jié)合到所述至少一個半導(dǎo)體功率器件(22)上的功率覆蓋層(POL)(24)；在所述至少一個半導(dǎo)體功率器件(22)的與所述POL(24)相對的一側(cè)上結(jié)合到所述至少一個半導(dǎo)體功率器件(22)上的第一散熱器組件(30)；以及與所述POL(24)的結(jié)合到所述至少一個半導(dǎo)體(22)上的一側(cè)相對而單獨地經(jīng)由柔順熱界面材料(TIM)(26)結(jié)合到所述POL(24)上的第二散熱器組件(28)，所述至少一個半導(dǎo)體功率器件(22)、POL(24)、第一散熱器組件(30)和第二散熱器組件(28)一起形成雙側(cè)冷卻的功率覆蓋模塊(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊(20)，其特征在于，各個散熱器組件包括一起被構(gòu) 造成單個整體式散熱器的對應(yīng)的陶瓷層(32)、(38)，通道層(34)和歧管層(36)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率模塊(20)，其特征在于，所述陶瓷層(32)、(38)選自氧 化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)和氮化硅(Si3N4) 0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊(20)，其特征在于，所述功率模塊(20)還包括結(jié) 合于所述第一散熱器組件(30)與所述至少一個半導(dǎo)體功率器件(22)之間的第一陶瓷層 (38)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率模塊(20)，其特征在于，所述功率模塊(20)還包括結(jié)合 于所述第二散熱器組件(28)與所述P0L(24)之間的第二陶瓷層(32)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率模塊(20)，其特征在于，各個陶瓷層(32)、(38)選自氧 化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)和氮化硅(Si3N4) 0
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率模塊(20)，其特征在于，各個散熱器組件(28)、(30)包 括一起被構(gòu)造成單個整體式散熱器的對應(yīng)的通道層(34)和歧管層(36)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊(20)，其特征在于，各個散熱器組件(28)、(30)包 括一起被構(gòu)造成單個整體式散熱器的對應(yīng)的陶瓷層(32)、(38)，通道層(34)，歧管層(36) 和對應(yīng)的充實殼體(44)、(45)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊(20)，其特征在于，所述TIM(24)具有大于大約2W/ mK的熱導(dǎo)率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊(20)，其特征在于，所述TIM(24)選自粘合劑、油 月旨、凝膠、墊、膜、液態(tài)金屬、可壓縮金屬和相變材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有功率覆蓋層的雙側(cè)冷卻的功率模塊。一種功率模塊(20)包括一個或多個半導(dǎo)體功率器件(22)，該一個或多個半導(dǎo)體功率器件(22)具有結(jié)合到該器件上的功率覆蓋層(POL)(24)。第一散熱器組件(30)在與POL(24)相對的一側(cè)上結(jié)合到半導(dǎo)體功率器件(22)上。第二散熱器組件(28)與POL(24)的結(jié)合到半導(dǎo)體功率器件(22)上的一側(cè)相對而結(jié)合到該POL(24)上。半導(dǎo)體功率器件(22)、POL(24)、第一通道散熱器組件(30)和第二通道散熱器組件(28)一起形成雙側(cè)冷卻的功率覆蓋模塊。第二通道散熱器組件(28)單獨地經(jīng)由柔順熱界面材料(26)結(jié)合到POL(24)上而無需平面化、銅焊或冶金結(jié)合。
文檔編號H01L23/46GK101840914SQ20101014695
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者A·V·高達(dá), L·D·J·斯特瓦諾維克, R·A·博普雷, S·A·索洛維奇 申請人:通用電氣公司