双面冷却型功率半导体封装的制作方法

本发明涉及双面冷却型功率半导体封装。

背景技术：

1、众所周知，半导体元件是由半导体制成的电子电路元件。

2、在这样的半导体元件中，在功率装置的功率控制中利用了作为包括igbt和二极管而实现为封装的电力模块、功率模块或功率半导体封装(以下，表示为“功率半导体封装”)。

3、通常，所述功率半导体封装广泛使用于诸如逆变器、无断电供电装置、焊机、电梯等工业应用领域和汽车领域。

4、但是，这样的现有的功率半导体封装存在以下问题：在功率转换过程中产生较多的热损失，这样的热损失的产生不仅导致功率半导体封装的温度升高，而且，在所述功率半导体封装的温度升高而超过所述功率半导体封装的动作温度限制的情况下，可能会使所述功率半导体封装的功能受损。

5、考虑到这样的问题，公开了一种功率半导体封装的冷却装置，该功率半导体封装的冷却装置的冷却通道形成为与功率半导体封装的两面接触，以能够对所述功率半导体封装进行冷却。

6、然而，在这样的现有的功率半导体封装的冷却装置中，所述冷却通道长长地形成为依次经过所述功率半导体封装的顶面和底面，因此存在使所述冷却流体(冷却水)的流动阻力增加的问题。

7、另外，由于功率半导体封装的顶面的冷却通道的冷却流体的温度与所述功率半导体封装的底面的冷却通道的冷却流体的温度偏差增大，导致温度相对较高的区域的冷却不足，因此存在加速强制劣化的问题。

8、另外，相比于与所述冷却通道的冷却流体的温度相对较低的上游区域接触的功率半导体封装，与所述冷却通道的冷却流体的温度相对上升的下游区域接触的功率半导体封装存在冷却相对不足的问题。

9、另外，由于构成为所述功率半导体封装的表面与冷却通道的表面直接接触的结构，因此存在使所述功率半导体封装与冷却通道的内部的冷却流体的热交换不足的问题。

10、考虑到这样的问题，研究出在局部具有直接冷却流路的功率半导体封装的双面冷却装置，直接冷却流路使功率半导体封装的顶面和底面与冷却流体直接接触。

11、然而，在这样的现有的具有直接冷却流路的功率半导体封装的双面冷却装置中，由于功率半导体封装的顶面和底面与冷却流体直接接触，导致所述功率半导体封装的散热面积的增加存在限制，因此存在热交换不足的问题。

12、另一方面，在这样的现有的功率半导体封装的冷却装置中，由于当所述功率半导体封装的运转和停止时，所述功率半导体封装会反复热膨胀和收缩，导致在所述功率半导体封装和/或所述冷却通道的结合区域集中有应力，因此存在可能会使所述功率半导体封装和所述冷却通道损坏的问题。

13、现有技术文献

14、专利文献

15、专利文献1：kr1020170056196(2017.05.23.公开)

16、专利文献2：kr1020170042067(2017.04.18.公开)

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、因此，本发明的目的在于，提供一种能够在功率半导体封装热膨胀时抑制发生变形和损坏的双面冷却型功率半导体封装。

3、另外，本发明的另一目的在于，提供一种能够缩短冷却流体的流路的双面冷却型功率半导体封装。

4、另外，本发明的又一目的在于，提供一种能够抑制功率半导体封装的顶面和底面之间发生温度偏差的双面冷却型功率半导体封装。

5、解决问题的技术方案

6、为了解决如上所述的课题，本发明的双面冷却型功率半导体封装的特征在于，在配置于功率半导体封装的两面的冷却器连接有可伸缩的连接构件。

7、具体而言，复数个冷却器分别配置在沿功率半导体封装的厚度方向的两个板面，在复数个所述冷却器的一侧分别连接有可伸缩的连接构件，因此在所述功率半导体封装热变形(收缩和膨胀)时，所述连接构件吸收变形(收缩和膨胀)，从而能够抑制所述功率半导体封装和周边部件发生损坏。

8、本发明一实施例的双面冷却型功率半导体封装包括：板形状的功率半导体封装；复数个冷却器，在内部分别设置有冷却流体的流路，在所述功率半导体封装的两侧板面分别配置为能够进行热交换；以及连接构件，在内部设置有所述冷却流体的流路，与复数个所述冷却器可连通地连接；所述连接构件形成为可伸缩。

9、由此，所述功率半导体封装发生热变形(膨胀和收缩)时，所述连接构件通过伸缩来吸收变形(膨胀和收缩)，从而能够抑制所述功率半导体封装发生变形和/或所述冷却器发生变形。

10、在本发明一实施例中，所述连接构件具有波纹管形状。

11、具体而言，所述连接构件构成为具有结合部和褶皱部，所述结合部具有管形状并设置在两端部，所述褶皱部具有相比于所述结合部扩张的外径并且可伸缩。

12、由此，能够使所述连接构件顺畅地伸缩。

13、在本发明一实施例中，所述连接构件配置为能够沿所述功率半导体封装的厚度方向伸缩。

14、所述连接构件的一端部与复数个所述冷却器中的一个连接，另一端部与复数个所述冷却器中的另一个连接，从而在所述功率半导体封装沿厚度方向膨胀的情况下，所述连接构件能够通过沿厚度方向伸长来吸收变形。

15、另外，在所述功率半导体封装沿厚度方向收缩的情况下，所述连接构件能够通过沿厚度方向收缩来吸收变形。

16、在本发明一实施例中，所述连接构件形成为能够沿所述功率半导体封装的板面方向伸缩。

17、由此，在所述功率半导体封装沿板面方向膨胀的情况下，所述连接构件能够通过沿板面方向收缩来吸收变形。

18、另外，在所述功率半导体封装沿板面方向收缩的情况下，所述连接构件能够通过沿板面方向伸长来吸收变形。

19、在本发明一实施例中，复数个所述冷却器的每一个构成为具有：内侧板，与所述功率半导体接触；外侧板，与所述内侧板隔开配置；以及隔板，一侧与所述内侧板连接，另一侧与所述外侧板连接。

20、由此，能够使复数个所述冷却器与冷却流体的接触面积增加，从而使热交换量增加。

21、由此，能够促进所述功率半导体封装的散热(冷却)。

22、另外，由于可以利用挤压成型来制作复数个冷却器，因此能够容易地制作复数个冷却器。

23、在本发明一实施例中，复数个所述冷却器的每一个构成为具有：内侧板，与所述功率半导体封装接触；外侧板，与所述内侧板隔开配置；以及散热片，一侧与所述内侧板连接，另一侧与所述外侧板连接。

24、由此，能够增加复数个所述冷却器与所述冷却流体的热交换面积。

25、另外，能够通过调节散热片的尺寸、数量及间隔来调节所述冷却流体与复数个冷却器的热交换量。

26、由此，能够促进所述功率半导体封装的冷却。

27、在本发明一实施例中，复数个所述冷却器具有：上部冷却器，设置在所述功率半导体封装的上侧板面；以及下部冷却器，设置在所述功率半导体封装的下侧板面；所述连接构件以所述冷却流体的流动方向为基准，分别设置在所述下部冷却器及所述上部冷却器的流入侧端部、所述下部冷却器及所述上部冷却器的流出侧端部。

28、由此，当所述功率半导体封装热膨胀时，能够通过设置在所述下部冷却器及所述上部冷却器的流入侧端部的连接构件和设置在所述下部冷却器及所述上部冷却器的流出侧端部的连接构件来分别吸收变形。

29、由此，能够抑制因所述功率半导体封装的热膨胀导致所述功率半导体封装、所述上部冷却器及所述下部冷却器发生损坏。

30、在本发明一实施例中，所述冷却器还包括分别设置在所述下部冷却器的流入侧端部和流出侧端部、所述上部冷却器的流入侧端部和流出侧端部的头部，

31、所述连接构件垂直配置于所述上部冷却器的头部和所述下部冷却器的头部之间来与所述头部可连通地连接。

32、由此，当所述功率半导体封装热膨胀时，能够通过由所述连接构件吸收变形来抑制所述功率半导体封装、所述下部冷却器及所述上部冷却器发生损坏。

33、在本发明一实施例中，在所述头部设置有连接构件结合部，所述连接构件结合部供所述连接构件沿所述功率半导体封装的厚度方向以重叠的方式结合。

34、由此，能够充分确保所述连接构件的长度，从而使所述连接构件能够容易地变形(伸缩)。

35、在本发明一实施例中，所述连接构件结合部具有沿厚度方向凹陷的凹陷部，以能够容纳所述连接构件的端部。

36、由此，当所述连接构件收缩时，能够抑制所述连接构件被过度压缩。

37、在本发明一实施例中，所述凹陷部的内部宽度大于所述连接构件的最大外部宽度(所述褶皱部的外部宽度)。

38、由此，当所述连接构件收缩时，最外侧区域(所述褶皱部)沿所述连接构件的宽度方向容纳到所述凹陷部的内部，而不会干扰所述凹陷部。

39、在本发明一实施例中，所述连接构件结合部具有重叠区间，所述重叠区间从所述凹陷部凸出为沿长度方向与所述连接构件的端部(所述结合部)重叠。

40、由此，当所述连接构件收缩时，能够抑制所述连接构件的褶皱部沿所述连接构件的长度方向与所述凹陷部的底部接触。

41、在本发明一实施例中，所述重叠区间构成为长度小于所述凹陷部的深度。

42、由此，当所述连接构件收缩时，所述连接构件的褶皱部能够插入到所述凹陷部的内部。

43、在本发明一实施例中，所述内侧板、外侧板及散热片由金属构件形成，所述内侧板、外侧板及散热片利用钎焊来结合。

44、由此，能够抑制所述冷却器发生泄漏。

45、在本发明一实施例中，所述功率半导体封装包括沿板面方向隔开的第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装，

46、所述上部冷却器具有配置在所述第一功率半导体封装的上侧的第一上部冷却器、配置在所述第二功率半导体封装的上侧的第二上部冷却器以及配置在所述第三功率半导体封装的上侧的第三上部冷却器，

47、所述下部冷却器具有配置在所述第一功率半导体封装的下侧的第一下部冷却器、配置在所述第二功率半导体封装的下侧的第二下部冷却器以及配置在所述第三功率半导体封装的下侧的第三下部冷却器。

48、在此，所述第一上部冷却器、所述第二上部冷却器及所述第三上部冷却器串联连接，所述第一下部冷却器、所述第二下部冷却器及所述第三下部冷却器串联连接。

49、所述第一上部冷却器和第一下部冷却器利用所述连接构件可连通地连接，所述第三上部冷却器和第三下部冷却器利用所述连接构件可连通地连接。

50、由此，能够对所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装的顶面和底面均匀地冷却，从而抑制顶面和底面的温度发生偏差。

51、在本发明一实施例中，所述连接构件具有：上部水平连接构件，沿水平方向连接所述第一上部冷却器、所述第二上部冷却器及第三上部冷却器；以及下部水平连接构件，沿水平方向连接所述第一下部冷却器、所述第二下部冷却器及所述第三下部冷却器。

52、具体而言，所述第一上部冷却器与所述第二上部冷却器利用所述上部水平连接构件可连通地连接，所述第二上部冷却器与所述第三上部冷却器利用所述上部水平连接构件可连通地连接。

53、另外，所述第一下部冷却器与所述第二下部冷却器利用所述下部水平连接构件可连通地连接，所述第二下部冷却器与所述第三下部冷却器利用所述下部水平连接构件可连通地连接。

54、由此，当所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装热变形(收缩和膨胀)时，所述上部水平连接构件和所述下部水平连接构件通过伸长和收缩来吸收变形，从而能够抑制所述第一功率半导体封装、所述第二功率半导体封装、所述第三功率半导体封装、所述第一上部冷却器、所述第二上部冷却器、所述第三上部冷却器、所述第一下部冷却器、所述第二下部冷却器及所述第三下部冷却器因热变形(应力)而发生损坏。

55、在本发明一实施例中，所述功率半导体封装包括沿厚度方向隔开配置的第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装，

56、所述冷却器具有配置在所述第一功率半导体封装的下侧的第一冷却器、配置在所述第一功率半导体封装的上侧的第二冷却器、配置在所述第二功率半导体封装的上侧的第三冷却器以及配置在所述第三功率半导体封装的上侧的第四冷却器，

57、所述第一冷却器、所述第二冷却器、所述第三冷却器及所述第四冷却器的各自的流入侧端部利用所述连接构件可连通地连接，

58、所述第一冷却器、所述第二冷却器、所述第三冷却器及所述第四冷却器的各自的流出侧端部利用所述连接构件可连通地连接。

59、由此，能够抑制所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装的各个顶面和底面之间的温度发生偏差。

60、另外，当所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装热变形时，能够抑制所述第一功率半导体封装、所述第二功率半导体封装、所述第三功率半导体封装、所述第一冷却器、所述第二冷却器、所述第三冷却器及所述第四冷却器发生损坏。

61、在本发明一实施例中，以所述冷却流体的移动方向为基准，在所述第一冷却器的流入侧端部和流出侧端部分别设置有第一头部，在所述第二冷却器的流入侧端部和流出侧端部分别设置有第二头部，在所述第三冷却器的流入侧端部和流出侧端部分别设置有第三头部，在所述第四冷却器的流入侧端部和流出侧端部分别设置有第四头部，

62、所述连接构件具有沿垂直方向配置在沿上下隔开的所述第一头部、所述第二头部、所述第三头部及所述第四头部之间的第一垂直连接构件、第二垂直连接构件及第三垂直连接构件。

63、由此，当所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装热变形时，所述第一垂直连接构件、第二垂直连接构件及第三垂直连接构件能够分别通过伸长或收缩来吸收所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装的变形。

64、在本发明一实施例中，具有插入到所述功率半导体封装与所述冷却器的接触面之间的导热物质。

65、由此，所述功率半导体封装与所述冷却器的接触面之间的空气量减少，从而能够使热能从所述功率半导体封装容易地传递到所述冷却器。

66、由此，能够促进所述功率半导体封装的散热(冷却)。

67、在本发明一实施例中，所述功率半导体封装与所述冷却器的接触面可以利用焊接(slodering)来接合。

68、由此，能够减少所述功率半导体封装与所述冷却器的接触面之间的空气量。

69、由此，能够促进所述功率半导体封装的散热(冷却)。

70、发明效果

71、如上所述，根据本发明一实施例，在功率半导体封装的两侧设置有复数个冷却器，并设置有与复数个所述冷却器可连通地连接的连接构件，所述连接构件构成为可伸缩，因此在所述功率半导体封装热变形时，所述连接构件能够吸收变形来抑制所述功率半导体封装和冷却器受损。

72、另外，所述连接构件具有波纹管形状，因此能够容易地吸收变形。

73、另外，所述连接构件配置为能够沿所述功率半导体封装的厚度方向伸缩，因此，在所述功率半导体封装沿厚度方向热变形的情况下，所述连接构件通过伸缩来吸收变形，从而能够抑制所述功率半导体封装和冷却器发生损坏。

74、另外，所述连接构件形成为能够沿所述功率半导体封装的板面方向伸缩，因此，在所述功率半导体封装沿板面方向膨胀的情况下，所述连接构件通过收缩来吸收变形，从而能够抑制所述功率半导体封装和冷却器发生损坏。

75、另外，复数个所述冷却器构成为具有内侧板、外侧板及复数个隔板，使得与冷却流体的接触面积增加，从而能够促进散热。

76、另外，复数个冷却器具有内侧板、外侧板及散热片，因此，能够增加与冷却流体的热交换面积。

77、另外，复数个冷却器具有上部冷却器和下部冷却器，连接构件分别设置在上部冷却器及下部冷却器的流入侧端部、上部冷却器及下部冷却器的流出侧端部，因此，当所述功率半导体封装发生热变形时，能够利用分别设置在所述流入侧端部和流出侧端部的连接构件来吸收变形。

78、另外，在复数个所述冷却器的流入侧端部和流出侧端部分别设置有头部，所述各个头部设置有垂直连接构件结合部，以供垂直连接构件沿功率半导体封装的厚度方向以重叠的方式结合，因此，当所述垂直连接构件伸长时，能够确保充分的长度，从而能够容易地实现伸缩。

79、另外，所述垂直连接构件结合部具有沿厚度方向凹陷的凹陷部，因此，当所述垂直连接构件收缩时，能够抑制所述垂直连接构件被过度压缩。

80、另外，所述凹陷部的内部宽度大于所述垂直连接构件的最大外部宽度，因此，当垂直连接构件伸缩时，能够抑制与所述凹陷部发生干扰。

81、另外，所述内侧板、外侧板及散热片利用钎焊来结合，因此能够抑制所述冷却器发生泄漏。

82、另外，所述功率半导体封装具有沿板面方向隔开的第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装，所述上部冷却器具有第一上部冷却器、第二上部冷却器及第三上部冷却器，所述下部冷却器具有第一下部冷却器、第二下部冷却器及第三下部冷却器，因此，能够抑制所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装的顶面和底面的温度发生偏差。

83、另外，所述第一上部冷却器、第二上部冷却器及第三上部冷却器利用上部水平连接构件可连通地连接，所述第一下部冷却器、第二下部冷却器及第三下部冷却器利用下部水平连接构件可连通地连接，因此，当所述第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装热变形时，能够利用所述上部水平连接构件和所述下部水平连接构件来吸收变形。

84、另外，所述功率半导体封装包括沿厚度方向隔开配置的第一功率半导体封装、第二功率半导体封装及第三功率半导体封装，所述冷却器具有设置在所述第一功率半导体封装的下侧的第一冷却器、设置在所述第二功率半导体封装的上侧的第二冷却器、设置在所述第二功率半导体封装的上侧的第三冷却器以及设置在所述第三功率半导体封装的上侧的第四冷却器，因此，能够抑制所述第一功率半导体封装、所述第二功率半导体封装及所述第三功率半导体封装的顶面和底面的温度发生偏差。

85、另外，在所述第一冷却器的流入侧和流出侧设置有第一头部，在所述第二冷却器的流入侧和流出侧设置有第二头部，在所述第三冷却器的流入侧和流出侧设置有第三头部，在所述第四冷却器的流入侧和流出侧设置有第四头部，在所述第一头部、所述第二头部、所述第三头部及所述第四头部之间设置有第一垂直连接构件、第二垂直连接构件及第三垂直连接构件，因此，当所述第一功率半导体封装、所述第二功率半导体封装及所述第三功率半导体封装热变形时，所述第一垂直连接构件、所述第二垂直连接构件及所述第三垂直连接构件能够分别通过伸长或收缩来吸收所述第一功率半导体封装、所述第二功率半导体封装及所述第三功率半导体封装的变形。

86、另外，所述功率半导体封装和所述冷却器的接触面之间插入有导热物质，因此，所述功率半导体封装和所述冷却器的接触面之间的空气量减少，从而使热能能够从所述功率半导体封装容易地传递到所述冷却器。