具体实施方式

如下文详细地描述的，实施方案包括用于执行半导体功率模块的射流冲击冷却的热交换组件。在示例性实施方式中，可以高准确度和/或高精度引导将冷却液体高速高压地施加到半导体功率模块的所识别的热点。

所述的射流冲击热交换(冷却)组件实施方案在潜在多个射流喷嘴或排出口中的每个射流喷嘴或排出口处提供均匀压力，从而向对应多个热点提供均匀冷却。射流冲击冷却组件是有效的，因为射流冲击至少在(例如，仅在)所期望的且必要的热点处发生。射流冲击冷却组件实施方案提供冷却流体与要冷却的衬底(例如，直接键合铜(DBC)衬底(例如，包括设置在一对金属层之间以用于跟踪和/或键合的电介质的衬底))的背面的直接接触。

所述的实施方案提供了靠近要冷却的衬底表面的射流喷嘴或排出口，这在射流喷嘴与衬底之间限定相对窄的间隙。因此，发生冷却液体高速高压地流动到所期望的热点上。可提供与射流喷嘴相邻的相对大的间隙以实现相对低速低压流，该相对低速低压流可用于半导体芯片或具有较低热分布的其他器件(例如，二极管)，和/或可用于使冷却流体的流体有效地返回到流体泵。

半导体功率模块可包括多个半导体管芯(例如，芯片)或其他器件，器件中的一些器件与其他器件相比，在操作期间可产生更高的热。即使对于其中包括相同或类似半导体芯片的半导体功率模块，也可将单独的半导体芯片放置(例如，耦接)在模块内或模块上的不同位置处。

因此，本文所述的所述的射流冲击冷却组件实施方案是能够高度配置的，并且可被配置为使射流冲击冷却与指定的半导体芯片或要求冷却的其他元件对准。例如，单一基部可与多个可互换射流板兼容，其中不同射流板可被配置为匹配对应半导体功率模块的热点。

在特定示例中，所述的射流冲击冷却组件可用于在汽车或其他发动机应用的上下文中的冷却。此类应用通常在高温环境内具有高功率要求，同时还满足安全规定。

图1是用于高功率半导体器件的射流冲击冷却组件的示例性分解图。在图1中，热交换基部102包括入口连接104和出口连接106，该入口连接和出口连接可与流体泵(图1中未示出)流体接触。因此，可维持流体流(诸如水流)通过入口连接104，通过在热交换基部102内的一个或多个腔(如下所述)，并且从出口连接106离开。在图1中，热交换基部102被示为具有矩形棱柱的形状，但示例性实施方案可利用任何合适的形状，诸如例如立方形或长方形壳体。

射流板108可定位在热交换基部102内。例如，热交换基部102可包括室分隔件109，该室分隔件将热交换基部102的内部分隔为入口室(图1中不可见，但例如在图2中被示为入口室202)和出口室134，如下所述。

例如，射流板108可能够安装在热交换基部102内并能够从该热交换基部移除。因此，具有各种所期望的配置的多个射流板108可相对于单一热交换基部102进行互换。在一些示例中，射流板108可与室分隔件109分开并安装到该室分隔件。在其他实施方式中，射流板108可与室分隔件109成一体，并且可与其结合地插入和/或移除。

射流板108可包括凸起射流基座110，该凸起射流基座包括射流排出口或喷嘴112，如图2的剖视图所示。射流板108还包括射流基座114，该射流基座包括射流喷嘴116。换句话说，射流基座110、114各自具有凸起表面，该凸起表面中形成了对应射流喷嘴112、116。尽管图1的示例示出了具有两个射流基座110、114的射流板108，但射流板108的其他示例性实施方式可包括单一射流基座，或者可包括三个或更多个射流基座。

射流喷嘴112提供排出口、间隙或开口，流过入口连接104的加压流体被推动通过该排出口、间隙或开口，这样的流体被示为高速流体流118。类似地，射流喷嘴116也提供排气孔、间隙或开口，流过入口连接104的加压流体被推动通过该排出口、间隙或开口，这样的流体被示为高速流体流120。因此，射流板108与室分隔件109以及与热交换基部102形成密封连接，使得通过入口连接104接纳的任何流体被推动通过射流喷嘴112、116。

半导体功率模块122可包括在图1中大体上被示为器件124、126、128和130的多个半导体芯片或其他器件的电路板或其他组件。如上所述，半导体功率模块器件124至130中的一些可具有高热特征图，而其他可能要求很少冷却或不要求冷却。鉴于图1的示例，假设器件124和126具有高热特征图并形成相对热点，而假设器件128、130具有低热特征图并要求很少冷却。

然后，如上所述，并且如图1所示，热交换基部102被配置为接纳半导体功率模块122，使得当将半导体功率模块122附接到热交换基部102时，射流喷嘴112、116可定位成分别位于器件124、126正下方。因此，来自入口连接104的流体流可被推动通过射流喷嘴112、116，并且可然后直接地冲击到器件124、126的对应背面。这种方法提供了器件124、126的高效率且直接的冷却。

在这样射流冲击到器件124、126上后，流体流可继续通过限定在射流基座110、114之间或限定在射流基座110、114中的一者与热交换基部102的至少一个壁之间的相对宽的流体返回通道。例如，在图1中，相对低速流体流131被示为出现在限定在射流基座110、114之间的宽间隙或通道132内。当附接到热交换基部102时，返回流体流也会受半导体功率模块122的存在的约束。

如图1所示，返回流体流可继续通过出口室134并然后通过出口连接106，从而返回到在使用的流体泵。在一些实施方式中，通过出口室134的返回流体流的存在可向半导体功率模块122的器件128、130提供附加冷却。也就是说，在图1的示例中，可假设与器件124、126相比，器件128、130要求显著地更少的冷却，使得可满足相关联的冷却需求，而不要求关于器件124、126描述的射流冲击的类型。

图2是图1的射流冲击冷却组件的剖视图。在图2中，入口室202是可见的，并且所述的流体流被更详细地示出。

特别地，入口流体流204被示为转变为加压流206、208，其分别通过射流喷嘴112、116排出。返回流体流在图2中被示为在射流基座110与热交换基部102的壁之间行进的相对低速流210，以及在射流基座110、114之间行进的相对低速流212。

图3是图1的热交换器壳体的另一个视图。在图3的实施方式中，示出了对应于图1的室分隔件109的实施方式的室分隔件302。也就是说，如上所述，图1的室分隔件109可表示与射流板108集成的分隔件，或者附接到热交换基部102的单独的分隔件。图3示出了后一种场景，其中室分隔件302与热交换基部102的壁成一体，或者附接到该壁，并且将热交换基部102的内部分隔为入口室304和出口室306。

图4A示出了可结合图1至图3的示例性实施方式使用的示例性射流板402。特别地，射流板402被示为与图3的室分隔件302分开，并且适于安装在入口室304上方。

在图4A中，射流基座404被示为具有射流喷嘴406，而射流基座408被示为具有射流喷嘴410。在图4A的示例中，射流基座404、408被示为梯形棱柱，而射流喷嘴406、410被示为矩形，但也可使用其他配置，诸如圆形或椭圆形。一般来讲，射流基座可限定在冷却操作期间沿着流体流从其中通过的方向减小的体积，以便引导和集中高压流体流通过射流喷嘴406、410。然而，在一些实施方式中，射流基座可具有完全地垂直于射流板402的表面的壁。另外，射流喷嘴406、410可形成为除矩形之外的形状，诸如正方形、圆形或椭圆形。

如图1和图4A两者所示，各种射流基座的宽度和长度可大体上匹配于要冷却的对应器件(诸如图1的器件124、126)。在适于维持高速高压射流冲击到要冷却的器件上的范围内，每个射流基座的高度也是能够配置的。

换句话说，射流基座高度在对应射流喷嘴与要冷却的器件之间限定相对窄的间隙或空间。通过使射流基座的平面或表面尺寸与其对应的要冷却的器件匹配，在射流冲击之后并在返回到出口室(例如，图1的134或图3的304)之前，可维持冷却流体与要冷却的器件的进一步接触。在射流基座顶表面上的轮廓可平行于图1所示的半导体模块的背面表面，或者可具有倾斜表面，以产生加速或减速流。

在图4B中，射流板424类似于图4A的射流板402，但开口412被示为接纳可互换射流基座414并包括射流喷嘴416。类似地，开口418可接纳可互换射流基座420并包括网状喷嘴418。例如，类似于图4B的实施方案的实施方案可在其中射流喷嘴中心的位置不会随应用变化而改变但所期望的覆盖区域增大或减小的任何场景中使用。因此，一般来讲，射流基座可能够从射流板移除并能够与第二射流基座互换，该第二射流基座具有大小与第一射流喷嘴不同的第二射流喷嘴。

在图1至图3中，入口连接104和出口连接106被示为位于热交换基部102、302的同一侧或壁中。然而，在其他示例性实施方式中，诸如关于图5至图7所示，连接可位于不同基部壁上。

例如，在图5中，热交换基部502具有穿过壁505构造的入口连接504和与入口连接504成直角并穿过与壁505成直角的壁507构造的出口连接506。

然后，室分隔件508限定入口室510和出口室512。因此，图5的实施方案可结合具有与上文所示的构造不同的构造的射流板使用。

例如，图6示出了L形射流板602，该L形射流板被配置为安装在图5的入口室510上方并用于覆盖和密封该入口室。如图所示，L形射流板602包括射流基座604，该射流基座具有射流喷嘴606，该射流喷嘴限定射流冲击流体流608。另外，L形射流板602包括射流基座610，该射流基座具有射流喷嘴612，该射流喷嘴限定射流冲击流体流614。更进一步，L形射流板602包括射流基座616，该射流基座具有射流喷嘴618，该射流喷嘴限定射流冲击流体流620。然后，在射流基座604、610和616之间，以及在射流基座604与壁505之间，以及在射流基座616与壁507之间，可出现相对低速低压流622。

图7是图5的示例性射流冲击冷却组件的剖切视图，其中图6的示例性射流板安装在其中。尽管图7中未示出，但应当理解，图7的示例可设计成与半导体功率模块一起使用，在该半导体功率模块中，单独的半导体芯片或器件被成形并布置成L形配置，并且一般被设定大小并间隔开以使每个这样的器件的中心与各种射流喷嘴606、612、618的中心对准。如图1中那样，这样的半导体功率模块还可包括一个或多个附加低功率器件，该附加低功率器件可被配置为与出口室512对准。

图8示出了另一个示例性射流板802。在图8的示例中，射流板802包括线性地布置的三个射流基座804、806、808。如关于射流基座804具体地指定但对射流基座806、808也通用的，射流基座804包括双重射流喷嘴810、812。

图9A示出了使用图8的示例性射流板的图1的射流冲击冷却组件的另一个示例性实施方案。如图所示，热交换基部902具有入口连接904和出口连接906。可互换射流板802安装在热交换基部902内。在射流板802下方并与入口连接904流体连接的入口室在图9A中不可见，而出口室908被示为与出口连接906流体连接。

在图9A中，附接板910被示为被配置为附接到热交换基部902。图9A示出了螺钉附接件912、914，但可使用任何合适的附接装置。

附接板910被示为具有模块安装开口916，该模块安装开口被大小设定为和/或被配置为接纳(例如，耦接到或邻近于)一个或多个半导体功率模块918。如图9A所示，并且如本文所述，射流基座804、806、808和所包括的射流喷嘴(例如，810、812)可被选择并配置为对应于功率模块918的单独的器件元件920、922。

图9B是图9A的示例的另一个示例性视图。图9B是示出可根据需要打开或关闭模块安装开口916的顶视图，这取决于要添加的半导体功率模块918的数量。

图9C是图9A和图9B的示例的示例性剖视图。如图所示，图9C示出了流体流924，该流体流通过入口连接904和各种射流基座804、806、808，并且然后通过射流喷嘴810、812。

图10是根据本文所述的示例性实施方案的示出用于制造射流冲击冷却组件的示例性制造工艺的流程图。在图10的简化非限制性示例中，操作1002至1010被示为单独的顺序操作。然而，在一些示例性实施方式中，可包括附加或另选的操作或子操作，或者可将两个或更多个操作一起实施为单一操作。

在图10的示例中，可形成具有入口室和出口室的热交换基部(1002)。可形成与入口室流体连接的入口连接(1004)，并且可形成与出口室流体连接的出口连接(1006)。

可形成被配置为耦接到入口室的射流板(1008)。可在射流板上形成射流基座，并且该射流基座具有凸起表面，该凸起表面中形成有射流喷嘴(1010)。

在各种示例中，如本文所述，射流基座可定位在射流板上以使流体流从入口室射流冲击通过射流喷嘴并到达半导体器件的背面上。流体流路径可限定为从入口连接到入口室，通过射流喷嘴，到达半导体器件的背面上，通过由射流基座的基座壁限定的至少一个返回通道并由此而到达出口室，并且从出口室通过出口连接。

返回通道可限定在基座壁与热交换基部的至少一个壁之间。射流板可包括带有第二射流喷嘴的第二射流基座，并且返回通道可限定在基座与第二基座之间。

射流基座可在射流板上具有第一配置，并且射流板可能够在热交换基部内与第二射流板互换，其中至少第二基座具有第二配置。

射流板可具有以任何合适的方式相对于彼此布置和定向的任何合适的数量的射流基座。任何射流基座都可具有一个、两个或多个射流喷嘴。在同一射流板上的不同射流基座可具有不同数量、形状、大小或配置的射流喷嘴。多个射流板可大小设定成适配单一热交换基部，使得可交换射流板以在也与同一热交换基部兼容的对应多个半导体功率模块上执行射流冲击冷却。

图11示出了展示与常规技术相比由本文所述的各种实施例提供的改进的冷却的曲线图。如图所示，与无冷却增强的场景相比，或者与其他常规技术(例如，DBC鳍片、管脚鳍片、板鳍片、蜂巢3叠堆或蜂巢5叠堆)相比，对于本文所述的射流冲击技术来说，半导体功率模块的多个潜在热点(例如，散热器基部、散热器焊料、DBC、陶瓷、DBC顶部、焊料或IGBT(绝缘栅双极晶体管))中的每个潜在热点的最大温度范围显著地较低。

用于半导体器件的射流冲击冷却组件可包括：热交换基部，该热交换基部具有入口室和出口室；入口连接，该入口连接与入口室流体连接；以及出口连接，该出口连接与出口室流体连接。用于半导体器件的射流冲击冷却组件还可包括：射流板，该射流板耦接到入口室；以及射流基座，该射流基座形成在射流板上并具有凸起表面，该凸起表面中形成有射流喷嘴。

在各种实施方式中，热交换基部可被配置为接纳半导体模块，该半导体模块包括至少一个半导体器件，其中正面背对入口室，并且背面面向射流板。射流基座可定位在射流板上以使流体流从入口室射流冲击通过射流喷嘴并到达半导体器件的背面上。流体流路径可限定为从入口连接到入口室，通过射流喷嘴，到达半导体器件的背面上，通过由射流基座的基座壁限定的至少一个返回通道并由此而到达出口室，并且从出口室通过出口连接。返回通道可限定在基座壁与热交换基部的至少一个壁之间。射流板可具有带有第二射流喷嘴的第二射流基座，并且返回通道可限定在基座与第二基座之间。

在用于半导体器件的射流冲击冷却组件的实施方式中，入口连接和出口连接可定位在热交换基部的单一侧上。入口连接可定位在热交换基部的第一侧上，并且出口连接可定位在热交换基部的第二侧上。

在各种实施方式中，用于半导体器件的射流冲击冷却的射流板组件可包括：射流板，该射流板被配置为被接纳在热交换基部内；以及射流基座，该射流基座形成在射流板上并具有形成在凸起表面内的至少一个射流喷嘴，该凸起表面通过将射流板连接到凸起表面的至少一个射流基座壁从射流板表面凸起。射流板当被接纳在热交换基部内时可限定从热交换基部的入口室通过射流喷嘴并通过由至少一个射流基座壁限定的返回路径到达热交换基部的出口室的流体流路径。

在各种实施方式中，射流板可被配置为被接纳在至少第二热交换基部内。在各种实施方式中，射流板可包括具有第二射流喷嘴的第二射流基座。

应当理解，在前述描述中，当元件诸如层、区域、衬底或部件被提及为在另一个元件上，连接到另一个元件，电连接到另一个元件，耦接到另一个元件，或电耦接到另一个元件时，元件可以直接地在另一个元件上，连接到或耦接到另一个元件上，或者可以存在一个或多个中间元件。相反，当元件被提及直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、或直接耦接到另一个元件或层时，不存在中间元件或层。虽然在整个具体实施方式中可能不会使用术语直接在…上、直接连接到…、或直接耦接到…，但是被示为直接在元件上、直接连接或直接耦接的元件能以此类方式提及。本申请的权利要求书(如果存在的话)可被修订以叙述在说明书中描述或者在附图中示出的示例性关系。

如在本说明书和权利要求书中所使用的，除非根据上下文明确地指出特定情况，否则单数形式可包括复数形式。除了附图中所示的取向之外，空间相对术语(例如，在…上方、在…上面、在…之上、在…下方、在…下面、在…之下、在…之以下等)旨在涵盖器件在使用或操作中的不同取向。在一些实施方式中，在…上面和在…下面的相对术语可分别包括竖直地在…上面和竖直地在…下面。在一些实施方式中，术语邻近能包括横向邻近或水平邻近。

一些实施方式可使用各种半导体处理和/或封装技术来实现。一些实施方式可使用与半导体基板相关联的各种类型的半导体处理技术来实现，该半导体基板包含但不限于，例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。

虽然所描述的实施方式的某些特征已经如本文所述进行了说明，但是本领域技术人员现在将想到许多修改形式、替代形式、变化形式和等同形式。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入具体实施的范围内的所有此类修改形式和变化形式。应当理解，这些修改形式和变化形式仅仅以举例而非限制的方式呈现，并且可以进行形式和细节上的各种变化。除了相互排斥的组合以外，本文所述的装置和/或方法的任何部分可以任意组合进行组合。本文所述的实施方式能包括所描述的不同实施方式的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。