【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本公開涉及一種用于功率模塊的基板和一種制造用于功率模塊的基板的方法。本公開進一步涉及一種對應的半導體器件。
技術介紹
1、功率模塊例如用于汽車領域，并且需要可靠且高效的冷卻器以在操作期間散熱。這種冷卻器固定至功率模塊并引導冷卻劑來冷卻功率模塊。
2、需要提供一種用于功率模塊的基板，該基板有助于在功率模塊的操作期間有效且高效散熱。
技術實現思路
1、本公開的實施例涉及一種用于功率模塊的基板，該基板能夠實現可靠散熱。本公開的實施例還涉及一種用于這種基板的對應制造方法以及一種對應的半導體器件。
2、根據實施例，用于功率模塊的基板包括具有冷卻結構的下部部分，該冷卻結構被配置成在功率模塊操作期間接觸冷卻劑。下部部分可以包括冷卻結構或可以完全形成冷卻結構本身。基板進一步包括耦接至下部部分的上部部分。冷卻結構背向上部部分并且包括具有給定表面結構的表面，該給定表面結構包括多個突出部和ra>1μm的平均粗糙度中的至少一者，該多個突出部關于與冷卻結構的表面垂直的表面法線具有2μm或更大的相應高度。冷卻結構包括多個冷卻針翅和/或多個冷卻肋，并且給定表面結構形成在針翅或肋中的一個或多個上。此外，冷卻結構可以包括可以提高冷卻效率的其他表面結構。給定表面結構也形成在基板的上部部分的面向下部部分的底部表面上。例如，基板實現為包括多個冷卻針翅的針翅式基板。上部部分可以通過板狀基板實現，下部部分可以通過多個冷卻針翅實現。呈ra>1μm的最小平均粗糙度和/或具有2μm或更大的相應高
3、通過使用所描述的基板配置，由于冷卻結構的表面的特定修改，改進的熱行為是可行的。冷卻結構可以形成為具有多個針翅或肋和/或可以提高冷卻效率的其他表面結構，該多個針翅或肋和/或其他表面結構包括在其表面上的上述給定的平均粗糙度和/或突出部，以有助于在功率模塊操作期間進行可靠散熱。
4、粗糙度是基板表面或基板的下部部分上的冷卻結構的特性，該特性可以由實際表面的法向量方向與其理想形式的偏差來量化。平均粗糙度值ra與表面上的測量點到中心線的平均距離有關。中心線與參考截面內的真實輪廓相交，其方式為使得與中心線平行的平面內的輪廓偏差之和分布在測量截面的長度上。因此，平均粗糙度對應于與平均線的絕對偏差的算術平均值。
5、由于在功率半導體器件操作期間的損耗而產生強熱量的功率模塊需要可靠且充分的散熱，以避免過高的溫度。這可以通過將包括所描述的基板(作為功率模塊的下部部分)的功率模塊安裝到用于直接液體冷卻的冷卻器的空腔的一個或多個開口來實現。因此，用于功率模塊的基板的背面(對應于具有冷卻結構的下部部分)與冷卻劑直接接觸，這由于不需要冷卻器頂板而大幅縮短了熱路徑。在平坦的基板與冷卻器頂板之間的額外熱界面可能導致相對差的熱阻。
6、通過使用包括針翅式或肋式冷卻結構的基板而不是平坦的基板，可以實現散熱的進一步改善。一方面，多個冷卻翅片或肋的陣列擴大了基板的下部部分與流動冷卻劑之間的有效區域。另一方面，多個冷卻翅片或肋干擾冷卻劑的流動并有助于產生湍流，使得產生湍流而不是層流，從而引起甚至更大的散熱。
7、結合本公開認識到，用于功率模塊的基板的傳統概念涉及冷卻劑的速度和種類以及冷卻界面的幾何形狀。這種基板的冷卻部分典型地形成為相對平坦、沒有任何顯著的粗糙度。熱轉換(例如，在基板背面與冷卻劑之間的熱轉換)由兩個伙伴之間(即，基板背面部分與冷卻劑之間)的熱轉換系數決定。該參數不僅與材料本身或冷卻劑流的類型有關，而且由不同的機械參數決定。結合本公開認識到，冷卻部分的表面結構還可以對熱表現、以及因此可以消散的熱量具有顯著影響。通過使用突出部或預定的最小的平均粗糙度，熱轉換系數可以被顯著影響，從而為進一步的熱改進提供了明顯的潛力，并為具有如翅片或肋等冷卻結構的基板提供了進一步提高的冷卻效率。所描述的基板的冷卻結構的粗糙表面呈現了在湍流熱對流中提高熱傳遞效率的可能性。
8、上述結構一方面有助于擴大熱交換區域，另一方面支持核態沸騰(在兩相的情況下)并提供壁粗糙度，該壁粗糙度支持壁附近的湍流，從而增強熱交換。由于更好的散熱而引起的這種改進允許更高的電流能力、通過芯片總有源面積減小的尺寸減小、由于器件的加熱減少而產生的更高可靠性。當使用所提出的具有針翅或肋的結構時，一方面熱界面(表面)更大，另一方面能夠改進湍流流動。熱量和/或流量相關參數有助于提高功率模塊整體的性能。
9、根據基板的另一實施例，包括ra>1μm的平均粗糙度的給定表面結構通過蝕刻、研磨、噴砂、和激光輻照中的至少一種來形成。因此，可以制備適當粗糙的表面結構，以有益地影響功率模塊的散熱。制備期望表面結構的粗糙度的其他方法也是可能的。給定表面結構可以實現粗糙、波紋和/或不規則的表面結構、多孔結構和/或樹枝狀結構。樹枝狀結構可以包括分布在冷卻結構的表面上的隨機放置的針的針狀表面。例如，樹枝狀、多孔、或針狀結構可以與附接至上部部分和/或下部部分的涂層有關。
10、根據基板的另一實施例，給定表面結構包括涂層，使得冷卻結構的經涂覆的表面包括ra>1μm的平均粗糙度。例如，涂層可以部分地或完全地覆蓋呈針翅或肋的形式的冷卻結構。涂層可以包括顆粒和/或多孔材料、樹枝狀結構和/或不規則針狀，以提供ra>1μm的最小的平均粗糙度。例如，作為示例，涂層可以由鎳制成，和/或可以形成具有在最大為50μm的微米范圍內的厚度的層。由于鎳與液體冷卻劑接觸，因此鎳可以有助于冷卻結構的防腐。因此，期望的粗糙度和/或突出的表面結構可以通過涂層和/或通過機加工下部部分上的冷卻結構的表面以及可選地通過上部部分的底部表面實現的基板背面的平坦部分來制備。
11、根據基板的另一實施例，給定表面結構可以被修改為包括多個突出部，該多個突出部具有2μm或更大的相應高度，其中，兩個相鄰突出部的相應中心之間的節距或距離關于與表面法線垂直的側向方向具有10μm或更大的值。可替代地，節距的距離可以具有15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm至100μm或更大的值。此外，突出部的高度可以與其他部分的高度相同或不同。可替代地，高度可以具有3μm、4μm、5μm至10μm或更大的值。這種突出部可以應用于涂層或大塊材料，并且通過蝕刻或激光結構化提供用于制備規則結構的方法。
12、距離可以表示突出部的面對彼此的外表面之間的間距。節距可以表示彼此相鄰的突出部的中心之間的距離。一個或多個突出部可以對于與表面法線垂直的截面形成為矩形、三角形或圓形形狀或其他規則形狀。此外，突出部的適于提高冷卻效率的其他適用形狀也是可能的。表面法線在與突出部的高度相對應的方向上定向，并且垂直于突出部從其延伸的側向相鄰表面。突出部可以根據其目的(例如，不同的群體密度)形成為規則地或不規則地分布在冷卻結構的表面上。例如，突出部具有可復制的規則形狀。
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【技術保護點】
1.一種用于功率模塊(30)的基板(1)，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的基板(1)，其特征在于，所述給定表面結構(13，14)包括通過蝕刻、研磨、噴砂、和激光輻照中的至少一種來形成的Ra>1μm的所述平均粗糙度和/或具有2μm或更大的相應高度(H)的所述多個突出部。
3.根據權利要求1所述的基板(1)，其特征在于，所述給定表面結構包括涂層(13)，使得所述冷卻結構(11)的經涂覆的表面(12)包括Ra>1μm的平均粗糙度。
4.根據權利要求3所述的基板(1)，其特征在于，所述涂層(13)包括顆粒、多孔材料、針狀材料、樹枝狀材料和結構化中的至少一種，并且部分地或完全地覆蓋所述冷卻結構(11)。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的基板(1)，其特征在于，所述給定表面結構包括多個突出部(14)，所述多個突出部具有2μm或更大的相應高度(H)，其中兩個相鄰突出部(14)的相應中心之間的節距(P)關于與所述表面法線(A)垂直的側向方向(B)具有10μm或更大的值。
6.根據權利要求5所述的基板(1)，其
7.根據權利要求5所述的基板(1)，其特征在于，所述突出部(14)形成為不規則地分布在所述冷卻結構(11)的表面(12)上。
8.根據權利要求1-4中任一項所述的基板(1)，其特征在于，所述給定表面結構(13，14)包括具有4μm或更大的相應高度(H)的多個突出部和Ra>2μm的平均粗糙度中的至少一者。
9.根據權利要求1-4中任一項所述的基板(1)，其特征在于，包括由銅、鋁、銅合金、鋁合金、鋁碳化硅和鎂碳化硅中的一種制成的材料。
10.一種用于半導體器件的功率模塊(30)，其特征在于，包括：
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種用于功率模塊(30)的基板(1)，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的基板(1)，其特征在于，所述給定表面結構(13，14)包括通過蝕刻、研磨、噴砂、和激光輻照中的至少一種來形成的ra>1μm的所述平均粗糙度和/或具有2μm或更大的相應高度(h)的所述多個突出部。
3.根據權利要求1所述的基板(1)，其特征在于，所述給定表面結構包括涂層(13)，使得所述冷卻結構(11)的經涂覆的表面(12)包括ra>1μm的平均粗糙度。
4.根據權利要求3所述的基板(1)，其特征在于，所述涂層(13)包括顆粒、多孔材料、針狀材料、樹枝狀材料和結構化中的至少一種，并且部分地或完全地覆蓋所述冷卻結構(11)。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的基板(1)，其特征在于，所述給定表面結構包括多個突出部(14)，所述多個突出部具有2μm或更大的相應高度(h)，其...
【專利技術屬性】
技術研發人員：F·菲舍爾，H·拜爾，L·圣托拉里亞，M·馬利基，D·吉隆，
申請(專利權)人：日立能源有限公司，
類型：新型
國別省市：
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