冷却系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于半导体器件的冷却系统，该冷却系统包括冷却体和半导体器件。


背景技术：

2.用于半导体器件的冷却系统是必要的，以便快速导出由半导体器件产生的热量并由此防止半导体器件的损坏。由于对半导体器件关于其性能和小型化的要求不断升高，所以也需要越来越高效和紧凑的冷却系统。


技术实现要素：

3.因此本发明的任务是提供一种改进的冷却系统。
4.该任务通过根据权利要求1所述的冷却系统来解决。冷却系统的其他实施方式可以从其他权利要求中获悉。
5.提供一种用于半导体器件的冷却系统，该冷却系统包括半导体器件和第一冷却体，所述第一冷却体包含陶瓷材料作为主要成分。第一冷却体用于冷却半导体器件并且用作相对于半导体器件的电绝缘体。半导体器件具有第一接触面，半导体器件经由该第一接触面与第一冷却体机械连接。在第一冷却体的至少一个外表面上施加有第一含金属层，所述第一含金属层具有至少与半导体器件的第一接触面的面积对应的尺寸，其中半导体器件经由第一接触面借助第一连接层固定在第一含金属层上，所述第一连接层通过焊接或烧结构成。
6.连接层在这里和在下文中应被理解为当半导体器件借助焊接或烧结固定在含金属层上时不可避免地形成的层。
7.此外，提供一种用于半导体器件的冷却系统，该冷却系统包括半导体器件和第一冷却体，其中第二含金属层附加地可以施加在第一含金属层上，该第二含金属层部分地或完全地覆盖第一含金属层。半导体器件经由第一接触面借助第一连接层固定在第二含金属层上。
8.使用陶瓷材料作为冷却体的主要成分具有如下优点：确定的陶瓷材料具有实现高效地导出由半导体器件产生的热量的导热性。此外，使用包含陶瓷材料作为主要成分的冷却体具有如下优点：冷却体同时也用作相对于半导体器件的电绝缘体。由于冷却体的这些特性，可以紧凑地设计整个冷却系统。
9.在冷却系统的另一实施方式中，陶瓷结构可以施加到第一或第二含金属层的未被半导体器件覆盖的区域上。在此，陶瓷结构被施加，使得施加在半导体器件的第二接触面上的第二连接层的主表面与陶瓷结构的上侧在所提到的区域上形成平面。陶瓷结构例如可以是多个陶瓷薄膜，所述陶瓷薄膜视冷却系统的设计方案而定不同地设计和/或布置。
10.此外，也可以借助替代的制造方法、诸如3d打印方法或压铸法来产生陶瓷结构。也可以将至少两种不同的制造方法组合以用于制造陶瓷结构。
11.此外，陶瓷结构体可以包含另一陶瓷材料作为主要成分，所述另一陶瓷材料具有与包含在冷却体中的陶瓷材料的组成不同的组成。
12.陶瓷结构的上侧例如是陶瓷结构的如下面，所述面与陶瓷结构与第一或第二含金属层或第一冷却体直接接触所利用的面相对。上侧优选地平行或近似平行于所述陶瓷结构与第一或第二含金属层或第一冷却体直接接触所利用的面。
13.在冷却系统的另一实施方式中，第一冷却体的具有第一含金属层或第一含金属层和第二含金属层的外表面可以被设计为，使得第一冷却体的外表面具有凹部并且半导体器件布置在该凹部中。在此，包括电绝缘材料的另一层施加在第一冷却体的外表面的未被半导体器件覆盖的区域上。另一层被施加，使得第二连接层的施加在半导体器件的第二接触面上的主表面与另一层的上侧在所提到的区域上形成平面。
14.另一层例如可以包含聚氨酯作为电绝缘材料。
15.另一层的上侧在这里并且在下文中应被理解为另一层的一侧，该侧与第一或第二含金属层或第一冷却体不直接接触并且平行或近似平行于第二连接层的主表面。
16.优选地，半导体器件的第二接触面是半导体器件的与第一接触区相对的外表面。通常这种第二接触面平行或近似平行于第一接触面。
17.平面在这里并且在下文中应被理解为由第二连接层的主表面和另一层的上侧或陶瓷结构的上侧形成并且没有明显的突起或凹陷的面。
18.此外，第三含金属层或第三含金属层和第四含金属层可以施加在所述平面上，其中第三含金属层至少完全地覆盖第二连接层的主表面。第四含金属层施加在第三含金属层上，使得所述第四含金属层部分地或完全地覆盖第三含金属层。第二冷却体固定在第三含金属层或第四含金属层上，该第二冷却体包含陶瓷材料作为主要成分并且用于冷却并且用于半导体器件的电绝缘。
19.换言之，视实施方式而定，第二冷却体要么固定在第三含金属层上，要么固定在第四含金属层上。
20.此外，第一含金属层或第一和第四含金属层可以包含金属，所述金属选自包括铜和铝的组。优选地，第一含金属层或第一和第四含金属层包含铜。铜具有如下优点：铜与铝相比实现半导体器件与冷却体的改进的连接。
21.此外，第二含金属层或第二和第三含金属层可以包含银或由银组成。在所提到的层中使用银导致半导体器件与冷却体的连接的进一步改进。
22.因为含金属层与冷却体的空间伸展相比是薄的，所以含金属层的热膨胀系数对冷却系统没有显著影响。换言之，为了最优地布置冷却系统的各个部件，应主要考虑半导体器件和陶瓷冷却体的热膨胀系数。由于陶瓷冷却体的热膨胀系数通常与半导体器件的热膨胀系数相似，所以可以将冷却系统的由冷却系统的各个部件的不同热膨胀形成的机械负荷保持为低的。因此可以提高冷却系统的总稳定性。
23.此外，导电通路可以集成在第一冷却体中和/或在第二冷却体中和/或在陶瓷结构中。这些导电通路可以包含钨或由钨组成。
24.此外，导电通路可以被设计为使得所述导电通路是电磁屏蔽层或多层器件、如电容器。这些导电通路也可以具有曲折的或结构化的造型，以便将所限定的功率电阻引入到第一冷却体和/或第二冷却体和/或陶瓷结构中。
25.在冷却系统的另一实施方式中，冷却系统可以具有第三冷却体，该第三冷却体包含陶瓷材料作为主要成分。第三冷却体用于冷却半导体器件并且用作相对于半导体部件的电绝缘体。此外，第三冷却体具有硅微机电系统（mems）结构，用于电接触半导体器件。优选地，硅mems结构构成为使得半导体器件利用第一接触面的中间区域与第三冷却体直接接触，并且硅mems结构仅在半导体器件的第一接触面的边缘区域中与半导体器件直接接触。在此，电接触可以通过硅mems结构中的通孔进行，所述通孔包含铜。在此，通孔在第一半导体器件和含金属导电层之间建立导电接触。
26.含金属导电层布置在硅mems结构下面。换言之，含金属导电层布置在第三冷却体与硅mems结构之间。含金属导电层可以包含任何适合于传导电流的金属。优选地，含金属导电层包含铜。
27.第一接触面的中间区域在这里并且在下文中应被理解为第一接触面的在第一接触面的至少一个空间伸展方向上不延伸直至半导体器件的外表面和/或外边缘的区域。优选地，中间区域不在第一接触面的任何空间伸展方向上延伸到半导体器件的外表面和/或外边缘。
28.第一接触面的边缘区域在这里并且在下文中应被理解为第一接触面的与中间区域直接接触并且在第一接触面的至少一个空间伸展方向上延伸至半导体器件的外表面和/或外边缘的区域。
29.此外，第一冷却体和/或第二冷却体和/或第三冷却体可以至少在不具有含金属层或硅mems结构的另一外表面上具有用于表面扩大的结构。优选地，用于表面扩大的结构构成为冷却肋条。这些冷却肋条可以被冷却介质环绕冲刷。合适的冷却介质例如是乙二醇和水的混合物。
30.在一种实施方式中，第一冷却体和/或第二冷却体和/或第三冷却体具有用于表面扩大的复杂结构。这种结构例如是肋条。肋条之间的距离和造型应被优化，使得肋条可以良好地被冷却介质环流。
31.所描述的肋条的一种可能的实施方式是针翅，即以细针（英语：pins）的形式构成的肋条（英语：），所述肋条以大数量覆盖冷却体的为此设置的表面。
32.传统的制造工艺通常不足以提供这种复杂的表面结构。所描述的冷却体可以有利地通过增材制造或3d打印来制造。
33.此外，第三冷却体可以具有冷却介质流过的微通道。第三冷却体中的微通道优选地形成两个冷却回路，冷却介质在不同的流动方向上流过所述冷却回路。因为通过微通道可以省去用于表面扩大的结构，所以可以将冷却系统构造为非常紧凑的。
34.在一种实施方式中，通过适当地定位微通道，可以有针对性地冷却各个高温点，即所谓的热点。
35.在一种实施方式中，冷却系统的微通道包括内部结构，所述内部结构又用于表面扩大并且因此有助于改进热传递。
36.内部结构的尺寸适配于微通道的内部尺寸。
37.在一种实施方式中，内部结构具有复杂的几何形状，这些几何形状关于所需的大表面以及关于冷却介质的流量被优化。高流量有助于改进热传递。
38.如果提高流量，使得每个规定的时间段更多冷却介质流过微通道，则可以由冷却
介质导出更高的热量，使得从冷却体到冷却介质的热传递增加。
39.此外，可以通过适当地构成的内部结构优化流量，使得避免死空间、即内部结构之间的几乎不被流经或差地被流经的空间。这种死空间的缺点是那里的低的热量导出和因此低的冷却效果。
40.在另一实施方式中，冷却体包括单个冷却通道，冷却介质被引导通过该冷却通道。在还有另一实施方式中，冷却体包括多个这种冷却通道。
41.一个或多个冷却通道又包括内部结构，所述内部结构优选地具有复杂的几何形状，所述几何形状关于表面和冷却介质的流量被优化。
42.由于内部结构的高复杂性、内部结构的小尺寸以及为了在冷却通道中加工的受限制的可及性，所以内部结构有利地通过增材制造或3d打印来制造。
43.第一冷却体、第二冷却体、第三冷却体和陶瓷结构可以包含陶瓷材料作为主要成分，所述陶瓷材料选自包括氮化铝、氮化硅和氧化铝的组。
44.所使用的陶瓷材料优选地是良好导热的。此外，所提到的材料具有如下优点：所述材料不导电并且因此在要冷却的元件和冷却体之间不需要附加的电绝缘层。
45.所描述的由所提到的材料组成并具有所描述的用于表面扩大的结构的冷却体可以简单地且有利地通过增材制造来制造。这样，可以提供没有如在冷却体由多个单部件组装时出现的其他导热电阻的单片冷却体。此外，这样提高冷却体的机械稳定性。
46.半导体器件例如可以是具有绝缘栅电极的双极性晶体管（insulated gate bipolar transistor，igbt）。
47.半导体器件可以借助烧结、例如银烧结、或焊接固定在含金属层上。此外，在烧结的情况下也可以使用泡沫铝，以便将半导体器件固定在含金属层上。由于泡沫铝的多孔性，连接比例如焊接连接更柔性，由此该连接更不易受机械负荷影响。这进一步提高冷却系统的稳定性。
附图说明
48.在下文中借助示意图更详细地描述冷却系统的实施方式。
49.图1示出冷却系统的一种实施方式，图2示出冷却系统的另一实施方式，图3还示出冷却系统的另一实施方式，图4还示出冷却系统的另一实施方式，图5还示出冷却系统的另一实施方式，图6还示出冷却系统的另一实施方式。
具体实施方式
50.相同的、相似的或明显相同的元件在所述图中配备有相同的附图标记。所述图和所述图中的尺寸比并不是按正确比例的。
51.图1示出冷却系统的一种实施方式。冷却系统包括第一冷却体2，所述第一冷却体包含氮化铝作为主要成分。包含铜的含金属层3施加到第一冷却体的外表面2a上，其中该含金属层3完全覆盖第一冷却体的外表面2a。此外，半导体器件1经由第一接触面1a借助通过
银烧结所形成的第一连接层4固定在第一含金属层3上。第一冷却体的不具有第一含金属层并且与第一冷却体的外表面2a相对的另一外表面具有用于表面扩大的结构19。用于表面扩大的结构19构成为冷却肋条。冷却肋条由冷却介质环绕冲洗（未绘出），所述冷却介质基于乙二醇和水的混合物。
52.这里所示出的实施方式具有五层（半导体器件1、第一连接层4、第一含金属层3、第一冷却体2和冷却剂（未绘出））。由此得出从一层到下一层的四个热传递。由于这种结构具有比传统冷却系统更少的层并且因此也具有比传统冷却系统更少的热传递，所以冷却系统可以被设计为比传统冷却系统更紧凑。
53.图2示出与在图1中所示出的冷却系统相似的冷却系统，其中这里所示出的冷却系统还具有包含银的第二含金属层5。第二含金属层5施加在第一含金属层3上并完全覆盖该第一含金属层。与此相应地，半导体器件1经由第一接触面1a借助第一连接层4固定在第二含金属层5上。第二含金属层5改进半导体器件1与第一散热器2的连接。
54.图3还示出冷却系统的另一实施方式。该冷却系统包括第一冷却体2，其中第一含金属层3施加在第一冷却体的外表面2a上。此外，第一冷却体的外表面2a具有空腔。第一含金属层3完全覆盖第一冷却体的外表面2a。此外，第二含金属层5施加在第一含金属层3上。第二含金属层5仅在空腔的底部区域处覆盖第一含金属层3。半导体器件1布置在空腔中。半导体器件1经由第一接触面1a借助第一连接层4固定在第二含金属层5上。第一冷却体的外表面2a的未被半导体器件1覆盖的区域被包括绝缘材料的另一层6覆盖。
55.包括绝缘材料的另一层6构成为，使得另一层6的上侧6a与施加在半导体器件1的第二接触面1b上的第二连接层7的主表面7a在所提到的区域上形成平面8。
56.此外，包含银的第三含金属层9施加在平面8上。包含铜的第四含金属层10施加在第三含金属层9上。半导体器件经由第二接触面1b借助第二连接层7与第三含金属层9机械连接。包含陶瓷材料作为主要成分的第二冷却体11借助第二冷却体的外表面11a固定在在第四含金属层10上。
57.注意，为了制造这种冷却系统，首先将含金属层施加到第一和第二冷却体的相应的外表面上。换言之，首先将第四含金属层10施加在第二冷却体的外表面11a上，并且紧接着将第三含金属层9施加到第四含金属层10上。在下一步骤中，第二冷却体11经由第二冷却体的外表面11a与第二连接层7和另一层6连接。
58.此外，第一冷却体2和第二冷却体11在不具有含金属层并且与第一或第二冷却体的外表面（2a，11a）相对的其他外表面上具有构成为冷却肋条的用于表面扩大的结构19。
59.图4还示出冷却系统的另一实施方式。该冷却系统包括第一冷却体2，其中第一含金属层3施加在第一冷却体的外表面2a上。第一含金属层3完全覆盖外表面2a。半导体器件1经由第一接触面1a借助第一连接层4固定在第一含金属层3上。陶瓷结构12固定在第一含金属层3的未被半导体器件1覆盖的区域上。陶瓷结构12构成为陶瓷结构12的表面12a与第二连接层7的主表面7a在所提到的区域上形成平面8。
60.此外，第四含金属层10施加在平面8上。半导体器件1经由第二接触面1b借助第二连接层7与第四含金属层10机械连接。第二冷却体11借助第二冷却体的外表面11a固定在第四含金属层10上。
61.类似于在图3中所示出的冷却系统，第一冷却体2和第二冷却体11具有用于表面扩
大的结构19。
62.此外，在第一冷却体2、第二冷却体11中并且在陶瓷结构12中集成有包含钨的导电通路13。
63.图5还示出冷却系统的另一实施方式。这里所示出的冷却系统包括第三冷却体14，所述第三冷却体包含氮化铝作为主要成分。此外，第三冷却体14具有硅mems结构15。第三冷却体14成形为使得半导体器件1利用第一接触面1a的中间部分m与第三冷却体14直接接触。此外，硅mems结构15构成为使得该硅mems结构与半导体器件1的第一接触面1a的边缘区域r直接接触。硅mems结构具有包含铜的通孔17，由此半导体器件1与位于硅mems结构15下面的包含铜的含金属导电层16导电接触。第三冷却体14在不具有硅mems结构15的外表面上具有用于表面扩大的结构19。
64.在相似的未明确绘出的实施方式中，冷却体具有用于表面扩大的复杂结构。在当前的示例中，所述结构是针翅（pin-fins），所述针翅以大数量覆盖冷却体14的为此所设置的表面。各个针翅之间的距离在此情况下应保持尽可能小，并大约对应于一个针翅的直径。
65.所描述的冷却体是由诸如陶瓷的不导电材料制成的单片（monolith）。在当前示例中，冷却体14由aln构成。通过所描述的实施方案，可以优化通过冷却体从要冷却的元件到冷却介质的热传递。
66.传统的制造工艺通常不足以提供这种具有所需的复杂表面结构的单片冷却体。所描述的冷却体有利地通过增材制造或3d打印来制造。
67.此外，所描述的实施方式与先前描述的实施方式之一相同。
68.图6还示出冷却系统的另一实施方式。这里所示出的冷却系统与在图5中所示出的冷却系统相似。区别在于这里所示出的冷却系统不具有冷却肋条，但是为此具有冷却介质流过的微通道18。微通道18形成两个冷却回路，冷却介质在两个不同的流动方向上流过所述冷却回路。这样的所设计的冷却系统允许冷却系统的非常紧凑的结构。
69.通过适当地定位微通道18，高温点（hot spots（热点））的有针对性的冷却是可能的。
70.在未示出的另一实施例中，冷却系统的微通道18包括内部结构，所述内部结构又用于表面扩大并且因此有助于改进热传递。
71.内部结构具有复杂的几何形状，所述几何形状关于大的表面并且关于冷却介质的流量方面被优化。高流量有助于改进热传递。
72.通过提高的流量，每个规定的时间段更多的冷却介质流过微通道18，使得可以由冷却介质导出更多热量，由此从冷却体14到冷却介质的热传递增加。
73.通过内部结构的合适的几何造型，此外可以避免没有冷却剂的连续流动的死空间。
74.在另一实施方式（未示出）中，冷却体14包括单个冷却通道，冷却介质被引导通过该冷却通道。在还有另一实施方式中，冷却体14包括多个这种冷却通道。
75.一个或多个冷却通道又包括内部结构，这些内部结构优选地具有复杂的几何形状，所述几何形状关于大的表面并且关于冷却介质的流量被优化。
76.当前实施例的具有复杂内部结构的冷却体14有利地通过3d打印制造。
77.此外，所描述的实施方式与图6中的实施方式相同。
78.附图标记列表1 半导体器件1a 半导体器件的第一接触面1b 半导体器件的第二接触面2 第一冷却体2a 第一冷却体的外表面，在该外表面上施加有含金属层3 第一含金属层4 第一连接层5 第二含金属层6 包括电绝缘材料的另一层6a 另一层的上侧7 第二连接层7a 第二连接层的主表面8 平面9 第三含金属层10 第四含金属层11 第二冷却体11a 第二冷却体的外表面，在该外表面上施加有含金属层12 陶瓷结构12a 陶瓷结构的表面13 集成导电通路14 第三冷却体15 硅mems结构16 含金属导电层17 通孔18 微通道19 用于表面扩大的结构m 第一接触面的中间区域r 第一接触面的边缘区域。