專利名稱：大功率半導體模塊的散熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到功率電子學領域。本發(fā)明涉及在其中有散熱器下半部和散熱器上半部的大功率散熱裝置，其中散熱器上半部與散熱器下半部是材料結合地連接在一起的，和在其中散熱器上半部有由金屬型片復合體制成的散熱板用于安放至少一個半導體元件。以及涉及此種大功率半導體模塊散熱裝置的制造方法，其中成形散熱器上半部和散熱器下半部和散熱器上半部和散熱器下半部相互是材料結合地連接的。
例如在EP-A-0′597′144中已知大功率在半導體模塊上有多個半導體元件(例如可控硅，IGBTs或者二極管)，在一個共同的殼體內(nèi)將這些組合成合理的功能單元。目前這種大功率半導體模塊運行在電壓范圍為6.5kV和必須相應地散熱。為此將半導體元件焊接在共同的散熱裝置上，一般來說使冷卻液流過散熱裝置。作為散熱裝置常常使用鋁散熱器。然而鋁的缺點是其熱膨脹系數(shù)與半導體元件特別是其電絕緣板或者半導體芯片的相應的熱膨脹系數(shù)不匹配。因此出現(xiàn)機械應力，這導致半導體元件和散熱裝置之間焊接層的疲勞和因此導致電觸點脫開。
因此DE-A-196′43′717建議一種散熱裝置，其熱膨脹系數(shù)與半導體元件的熱膨脹系數(shù)是匹配的。為此使用由金屬型片復合體制成的散熱裝置，特別是由鋁碳化硅(AlSiC)或者銅碳化硅(CuSiC)制成的。例如將制造這樣的金屬陶瓷復合材料的方法敘述在James A.Cornie所著“先進的壓力滲入鑄造技術制造近似絕對網(wǎng)狀的金屬型片合成部件的成本競爭”，材料技術，10卷，3/4期，3月/4月1995年。
有利的是散熱裝置有橫梢或者筋板形狀的散熱單元使散熱面增加和因此改善熱傳導，以致散熱裝置具有相對復雜的幾何形狀。在一種第一實施形式中散熱裝置是由金屬型片復合體整體澆注的。然而這樣的散熱裝置相對比較貴，因為特別是在復雜的幾何形狀下制造散熱裝置很麻煩和此外由相對比較貴的材料構成。在另外的實施形式中只是將散熱板由金屬型片復合體構成，其余零件是由價格便宜的材料特別是由塑料制成的，其中將兩個零件粘結在一起。這種實施形式的缺點是粘結連接受到壽命決定的疲勞現(xiàn)象。
在EP-A-0′661′917中已知一種另外的散熱裝置。這種散熱裝置是由散熱器下半部和散熱器上半部構成的，其中散熱器下半部與散熱器上半部是材料結合連接在一起的。兩個散熱器零件是由金屬型片復合體(MMC)組成的，例如由鋁碳化硅構成的。在制造過程中將散熱器零件材料結合連接在一起。為此首先制造散熱器零件的陶瓷預成形件(預成形)，上下重疊和隨后將金屬滲入到兩個零件上。共同的滲入應該允許借助于毛細流使金屬通過兩個零件的細孔流動和這樣將兩個零件相互連接。這種散熱裝置由于制造復雜和由于材料選擇相對比較貴。因為連接質(zhì)量依賴于毛細流，根據(jù)散熱器零件的形狀難于制造足夠結合密實的復合體。
因此本發(fā)明的任務是創(chuàng)造開始敘述類型的價格便宜和容易制造的散熱裝置。
此任務是這樣解決的，即在開始所述類型大功率半導體模塊的散熱裝置的散熱板上成形一個金屬邊和在散熱器上半部和散熱器下半部之間經(jīng)過金屬邊進行材料結合的連接。此大功率半導體模塊散熱裝置的制造方法是，成形散熱器上半部和散熱器下半部，散熱器上半部和散熱器下半部相互是材料結合連接的。為了構成散熱器上半部將散熱板由金屬型片復合體制造，和在其上成形金屬邊，散熱器下半部借助于金屬邊與散熱器上半部相連接。
按照本發(fā)明的散熱裝置是由一個散熱器下半部和一個散熱器上半部構成的，其中散熱器上半部有由金屬型片復合體制成的特別是鋁碳化硅制成的散熱板，在其上成形一個金屬邊。此時將兩個散熱器零件經(jīng)過金屬邊相互材料結合地連接。
如果為了形成散熱板在陶瓷預成形件的金屬滲入時使用余下的金屬構成金屬邊，則可以將散熱板和金屬邊在共同制造步驟中制造。
由于在散熱板上整體成形的金屬邊可以用簡單的方式和方法制成固定的和時間耐久的散熱器上半部與散熱器下半部的連接。散熱器下半部可以由價格便宜的，容易成形的和可加工的材料特別是由鋁制造。通過散熱器下半部適當?shù)牟牧线x擇在連接處可以避免應力和彎曲。優(yōu)先是散熱器下半部與散熱器上半部由同一種材料制造。作為連接方法最好是用摩擦焊，因為這只引起散熱裝置局部的熱影響。
這樣的散熱裝置將由金屬型片復合體制成預先知道的散熱元件的優(yōu)點與預先知道的鋁散熱器的優(yōu)點組合在一起，此時散熱裝置可以容易和價格便宜地制造。通過專門的邊，用簡單的方法可以與散熱器下半部連接，此時可以避免彎曲。
其他優(yōu)異的實施形式是由從屬權利要求得到的。
在下面借助附圖示出的優(yōu)異實施例詳細敘述本發(fā)明對象。附圖表示附

圖1按照本發(fā)明的散熱裝置的橫截面；附圖2按照附圖1從上部看的散熱裝置的透視圖和附圖3用于制造具有金屬邊散熱板的模型的橫截面。
附圖1和附圖2示出了按照本發(fā)明的散熱裝置。散熱裝置是由形狀為半個盤子的散熱器下半部1和主要為板形的散熱器上半部2組成的。散熱器上半部2和散熱器下半部1圍繞成一個空腔3，特別是這個空腔可以由冷卻介質(zhì)特別是水流過。為此將必要的入口和出口10,11安排在散熱器下半部1中。散熱器下半部1是由一種價格便宜的，容易成形的材料，特別是由一種金屬例如鋁或銅制造的。在這里示出的例子中散熱器下半部1有一個矩形輪廓，然而其他形狀也是可能的。
散熱器上半部2有由金屬型片復合體制成的散熱板20，特別是由碳化硅復合體制成的。散熱板20優(yōu)先是由鋁碳化硅(AlSiC)構成的。然而也可以考慮其他材料例如銅碳化硅(CuSiC)或者碳化銅(CuC)。將與散熱器下半部1反向的散熱板20的上表面20′構成為平面的和用于安放半導體元件4，例如IGBT′s，可控硅或者二極管。半導體元件4優(yōu)先直接焊在散熱板20上。如果半導體元件有氮化鋁(AlN)的底面這是毫無問題的。因為這種材料有與鋁碳化硅(AlSiC)近似的熱膨脹系數(shù)。
與散熱器下半部1相對的散熱板20的底面上存在有形狀為橫梢或者散熱筋板的散熱元件22，將這些用于提高熱傳導。散熱板20在其端面20″上完全被金屬邊21包圍。優(yōu)先是金屬邊21是由金屬型片復合體已經(jīng)使用的同一種金屬構成的，特別是由鋁(Al)構成的。散熱器下半部1也是由同一種材料構成的。
散熱板20典型的厚度為2-4mm。金屬邊的寬度b典型的為5-20mm。特別是金屬邊21和散熱板20有一樣的厚度。如附圖2所示，將散熱板20和金屬邊成形為矩形的。然而其他形狀也是可能的。
將散熱器上半部2放在散熱器下半部1上，和與散熱器下半部是材料結合地連接的。在附圖1上用5標志的連接在這里是由金屬邊21完成的。
在這里表示的實施例中將金屬邊21構成為平面的和位于散熱器下半部1的環(huán)繞著的臺階12上。然而其他形狀也是可能的。
借助將散熱板20由一種金屬型片復合體制造和在其上將金屬邊21成形，則可以用簡單的方式和方法制造散熱器上半部2。制造金屬邊21和制造金屬型片復合體可以在同一工藝步驟中進行。借助附圖3敘述了本方法優(yōu)異的變型。將造型為多孔陶瓷板2′的預制件(預成形)放入一個大的模型6中，則陶瓷板2′的端面20″與模型6的壁60構成為環(huán)繞的中間空腔7。如按照當前技術水平現(xiàn)在將陶瓷板2′用金屬8滲入。此時也將金屬8注入中間空腔7。當金屬隨后固化時一方面產(chǎn)生由金屬型片復合體制成的散熱板20和另一方面產(chǎn)生金屬邊21。通過選擇模型可以選擇金屬邊21的造型。
為了制造成散熱裝置只還需要連接散熱器上半部2和散熱器下半部1。當金屬邊21和散熱器下半部1使用鋁時為此特別適合于摩擦焊按照本發(fā)明具有AlSiC板和澆注的Al邊的散熱裝置，使價格便宜、容易制造和確保老化穩(wěn)定、緊密的連接成為可能。
參考符號表1 散熱器下半部(半盤形)10 入口11 出口12 臺階2 散熱器上半部2′陶瓷板20 散熱板20′ 上表面20″ 端面21 金屬邊22 散熱元件(橫梢，筋條)3 空腔4 半導體元件5 連接6 模型60 壁7 中間空腔8 金屬b 金屬邊寬度
權利要求
1．大功率半導體模塊的散熱裝置，在其中散熱裝置有散熱器下半部(1)和散熱器上半部(2)，在其中散熱器上半部(2)與散熱器下半部(1)是材料結合地連接在一起的和在其中散熱器上半部(2)有由金屬型片復合體制成的散熱板(20)用于安放至少一個半導體元件(4)，其特征為，在散熱板(20)上成形一個金屬邊(21)和在散熱器上半部(2)和散熱器下半部(1)之間經(jīng)過金屬邊(21)實現(xiàn)材料結合的連接。
2．按照權利要求1的散熱裝置，其特征為，散熱板(20)有與金屬邊(21)同樣的金屬。
3．按照權利要求1的散熱裝置，其特征為，散熱器下半部(1)是由金屬構成的。
4．按照權利要求l的散熱裝置，其特征為，金屬邊(21)和散熱器下半部(1)是由同樣的材料構成的。
5．按照權利要求1的散熱裝置，其特征為，散熱板(20)是由碳化硅復合材料構成的。
6．按照權利要求1的散熱裝置，其特征為，散熱板(20)是由鋁碳化硅(AlSiC)和金屬邊(21)是由鋁(A1)構成的。
7．大功率半導體模塊散熱裝置的制造方法，在其中成形散熱器上半部(2)和散熱器下半部(1)和散熱器上半部(2)和散熱器下半部(1)相互是材料結合連接的，其特征為，為了構成散熱器上半部(2)將散熱板(20)由金屬型片復合體制造的和在其上成形金屬邊(21)和散熱器上半部借助于金屬邊與散熱器下半部(1)相連接。
8．按照權利要求7的方法，其特征為，為了制造陶瓷上半部(2)將多孔陶瓷板(2′)放在模型(6)中，其中陶瓷板(2′)的端面(20″)與模型(6)的壁(60)構成為一個圍繞著陶瓷板(2′)的中間空腔(7)，將金屬注入到陶瓷板(2′)上和中間空腔(7)中和將金屬(8)固化。
9．按照權利要求8的方法，其特征為，借助于加壓滲入將金屬(8)引入。
10．按照權利要求7的方法，其特征為，將金屬邊(21)用摩擦焊與散熱器下半部(1)連接在一起。
全文摘要
大功率半導體模塊的散熱裝置有散熱器下半部(1)和散熱器上半部(2),其中散熱器上半部(2)與散熱器下半部(1)是材料結合連接在一起的。散熱器上半部(2)有由金屬型片復合體制成的散熱板(20),用于安放至少一個半導體元件(4)。為了使散熱器上半部(2)和散熱器下半部(1)直接的材料結合連接成為可能,在散熱板(20)上成形一個金屬邊(21)。因此創(chuàng)造了可以容易制造和價格便宜的散熱裝置。
文檔編號H01L23/373GK1308373SQ01102990
公開日2001年8月15日 申請日期2001年2月12日 優(yōu)先權日2000年2月11日
發(fā)明者S·考夫曼 申請人:Abb半導體有限公司