BR102018005813B1 - Conjunto eletrônico com arrefecimento de mudança de fase de um dispositivo semicondutor - Google Patents

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Abstract

Um conjunto eletrônico compreende um dispositivo semicondutor gerador de calor que tem um primeiro lado e um segundo lado oposto ao primeiro lado. Uma pilha de evaporador tem um piso e um corpo oco. A pilha de evaporador está sobrejacente ao primeiro lado do dispositivo semicondutor. O piso aquecido pode converter uma fase líquida de um arrefecedor (por exemplo, refrigerante) em uma fase gasosa do arrefecedor. Um recipiente de condensação está em comunicação com a pilha de evaporador e é arranjado para receber uma fase gasosa do arrefecedor. O recipiente de condensação é configurado para converter a fase gasosa recebida do arrefecedor em uma fase líquida para reabastecer o arrefecedor de fase líquida para interação com o piso da pilha de evaporador.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] Esta descrição se refere a um conjunto eletrônico com resfriamento com mudança de fase de um dispositivo semicondutor ou um outro componente gerador de calor.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[002] Em um sistema eletrônico de potência, os componentes geradores de calor principais são frequentemente dispositivos semicondutores de potência tais como transistores bipolares de porta isolada de silício (IGBTs) ou transistores de efeito de campo de óxido de metal semicondutor (MOSFETs) de carboneto de silício (SiC). O desenho térmico do sistema eletrônico de potência precisa regular apropriadamente a temperatura de junção do dispositivo semicondutor de potência para atingir a longevidade e confiabilidade desejadas.
[003] Existem geralmente duas abordagens de resfriamento alternativas: (1) configurações resfriadas com ar e (2) configurações resfriadas com líquido. Em virtude do alto fluxo de calor gerado pelos dispositivos semicondutores de potência, resfriamento com ar tem capacidade limitada para extração de calor. Portanto, resfriamento com líquido é frequentemente usado no sistema eletrônico (por exemplo, inversor) para veículos de trabalho pesado. O inconveniente de configurações resfriadas com líquido inclui o custo e complexidade de uma bomba externa e sistemas de radiador para extrair calor do líquido que escoa através de canais de refrigerante no sistema eletrônico. Assim, existe uma necessidade de um conjunto eletrônico com resfriamento de mudança de fase do dispositivo semicondutor.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[004] De acordo com uma modalidade, um conjunto eletrônico compreende um dispositivo semicondutor gerador de calor que tem um primeiro lado e um segundo lado oposto ao primeiro lado. Uma pilha de evaporador tem um piso e um corpo oco. A pilha de evaporador está sobrejacente ao primeiro lado do dispositivo semicondutor. O piso aquecido pode converter uma fase líquida de um refrigerante em uma fase gasosa do refrigerante. Um recipiente de condensação fica em comunicação com a pilha de evaporador e é arranjado para receber uma fase gasosa ou fase de vapor de um refrigerante. O recipiente de condensação é configurado para converter a fase gasosa recebida do refrigerante em uma fase líquida para reabastecer o refrigerante de fase líquida para interação com o piso da pilha de evaporador.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
[005] A FIG. 1 é uma vista em perspectiva de um lado superior de uma modalidade do conjunto eletrônico.
[006] A FIG. 2 é uma vista em perspectiva de um lado inferior do conjunto eletrônico da FIG. 1.
[007] A FIG. 3 é uma vista em perspectiva de uma segunda porção de recinto (por exemplo, porção de recinto inferior) do conjunto eletrônico da FIG. 1 com a primeira porção de recinto (por exemplo, porção de recinto superior) removida.
[008] A FIG. 4A é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma placa de circuito em uma segunda porção de recinto com pilhas de evaporadores que estão sobrejacentes a dispositivos semicondutores correspondentes na placa de circuito.
[009] A FIG. 4B é uma vista em perspectiva de uma modalidade alternativa de uma placa de circuito com pilhas de evaporador que estão sobrejacentes a traços condutores da placa de circuito.
[0010] A FIG. 4C é uma vista ampliada da área retangular rotulada 4C na FIG. 4B.
[0011] A FIG. 5 é uma vista em perspectiva da segunda porção de recinto da FIG. 4A compreendendo adicionalmente um arranjo ou banco de capacitores montado na segunda porção de recinto.
[0012] A FIG. 6A é uma vista em perspectiva de uma modalidade da segunda porção de recinto da FIG. 5 compreendendo adicionalmente recipientes de condensação acima das pilhas de evaporador correspondentes com vedações em ranhuras em torno de uma abertura de tampa de cada recipiente de condensação.
[0013] A FIG. 6B é uma vista em perspectiva de uma outra modalidade da segunda porção de recinto da FIG. 5 compreendendo adicionalmente recipientes de condensação acima das pilhas de evaporador correspondentes com gaxetas em torno de uma abertura de tampa de cada recipiente de condensação.
[0014] A FIG. 6C é uma vista em perspectiva de uma modalidade alternativa da segunda porção de recinto compreendendo adicionalmente recipientes de condensação acima de pilhas de evaporador correspondentes da FIG. 4B.
[0015] A FIG. 7A mostra uma seção transversal do conjunto eletrônico visto ao longo da linha de referência 7-7 da FIG. 1 com vedações entre a primeira porção de recinto (por exemplo, tampa de condensação) e os recipientes de condensação.
[0016] A FIG. 7B mostra uma seção transversal do conjunto eletrônico visto ao longo da linha de referência 7-7 da FIG. 1 com gaxetas entre a primeira porção de recinto (por exemplo, tampa de condensação) e os recipientes de condensação.
[0017] A FIG. 8 é uma vista retangular ampliada da porção do conjunto eletrônico indicado pelo retângulo tracejado 8 da FIG. 4A.
[0018] A FIG. 9A é uma seção transversal do conjunto eletrônico visto ao longo da linha de referência 9-9 da FIG. 1 com vedações entre a primeira porção de recinto e os recipientes de condensação.
[0019] A FIG. 9B é uma seção transversal do conjunto eletrônico visto ao longo da linha de referência 9-9 da FIG. 1 com gaxetas entre a primeira porção de recinto e os recipientes de condensação.
[0020] A FIG. 9C é uma seção transversal do conjunto eletrônico visto ao longo da linha de referência 9-9 da FIG. 1 com setas mostrando a direção de fluxo de calor para fora do semicondutor gerador de calor e dos capacitores
[0021] A FIG. 10 é uma vista retangular ampliada de uma porção do conjunto eletrônico como indicado pelo retângulo tracejado 10 da FIG. 9A.
[0022] A FIG. 11A é uma seção transversal de uma modalidade do conjunto de pilha de evaporador visto ao longo da linha de referência 11-11 da FIG. 8, onde o fundo da pilha de evaporador é ligado a ou está sobrejacente diretamente ao bloco metálico de topo do dispositivo semicondutor.
[0023] A FIG. 11B é uma seção transversal de uma outra modalidade do conjunto de pilha de evaporador visto ao longo da linha de referência 1111 da FIG. 8, onde o fundo da pilha de evaporador é eletricamente isolada do bloco metálico de topo do dispositivo semicondutor pelo material dielétrico da interface térmica.
[0024] Em qualquer conjunto de dois ou mais desenhos, números de referência iguais indicam elementos ou recursos iguais.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0025] Um conjunto eletrônico (111 ou 211) compreende um dispositivo semicondutor gerador de calor 20 (na FIG. 10), um componente gerador de calor, ou recurso condutor de calor (por exemplo, traço metálico 21 na FIG. 4B próximo ao dispositivo semicondutor gerador de calor 120). De acordo com uma modalidade, como ilustrado na FIG. 10, o dispositivo semicondutor 20 tem um primeiro lado 22 e um segundo lado 24 oposto ao primeiro lado 22. Uma pilha de evaporador 26 compreende um corpo oco 42 com um piso 28 em uma primeira extremidade 30 e uma saída 40 em uma segunda extremidade 32 oposta à primeira extremidade 30. Em uma modalidade, a pilha de evaporador 26 está sobrejacente a o primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20, componente gerador de calor ou recurso condutor de calor, em que a pilha de evaporador 26 ou seu piso aquecido 28 (por exemplo, uma vez aquecido a uma temperatura crítica pelo dispositivo semicondutor 20) pode converter uma fase líquida de um refrigerante 34 (por exemplo, refrigerante) em uma fase gasosa do refrigerante 34. Um recipiente de condensação 36 tem uma abertura 38 em comunicação com a saída 40 da pilha de evaporador 26. O recipiente de condensação 36 é adaptado para receber uma fase gasosa ou fase de vapor de um refrigerante 34 e resfriar ou converter a fase gasosa recebida do refrigerante 34 em uma fase líquida para reabastecer o refrigerante de fase líquida para interação com o piso 28 da pilha de evaporador 26.
[0026] Em uma modalidade, o refrigerante 34 pode compreender um refrigerante, tal como R134a ou R245fa, ou um outro refrigerante comercialmente disponível.
[0027] A FIG. 1 fornece uma vista em perspectiva de um lado superior de uma modalidade do conjunto eletrônico 111. O conjunto eletrônico 111 compreende um recinto para alojar uma placa de circuito 44 (na FIG. 4A) e componentes eletrônicos. Como ilustrado, o recinto compreende uma primeira porção de recinto 66 e uma segunda porção de recinto 68. A primeira porção de recinto 66 e a segunda porção de recinto 68 podem ser fixadas ou presas uma na outra por meio de um ou mais prendedores ou retentores. A primeira porção de recinto 66 é ou compreende um dissipador de calor superior 64, ao passo que a segunda porção de recinto 68 é ou compreende um dissipador de calor inferior 62. O dissipador de calor superior 64 e o dissipador de calor inferior 62 têm cada qual aletas 74 para aumentara a área superficial para melhor dissipação térmica de um ou mais elementos geradores de calor dentro do recinto ou conjunto eletrônico. Embora o recinto possa compreender tanto um dissipador de calor inferior 62 quanto um dissipador de calor superior 64, em algumas modalidades, o recinto ou conjunto eletrônico 111 pode compreender apenas um dissipador de calor inferior 62 ou um dissipador de calor superior 64.
[0028] Como mostrado na FIG. 1, o conjunto eletrônico ilustrativo compreende adicionalmente uma porta de corrente contínua (CC) 90, uma porta ou portas de corrente alternada (CA) 92, e uma porta de controle 94. A porta CC 90 pode ser conectada a um suprimento de corrente contínua de energia elétrica. A porta CA 92 produz um ou mais sinais de saída de corrente alternada, tais como os sinais de fase de saída de um controlador ou um inversor. A porta de controle 94 pode ser acoplada a um barramento de dados, cabo ou outra linha de transmissão para comunicação de sinais digitais de entrada e saída, sinais analógicos, ou ambos.
[0029] A FIG. 2 é uma vista em perspectiva de um lado inferior do conjunto eletrônico 111 da FIG. 1.
[0030] A FIG. 3 é uma vista em perspectiva de uma segunda porção de recinto 68 (por exemplo, porção de recinto inferior) do conjunto eletrônico 111 da FIG. 1 com a primeira porção de recinto 66 (por exemplo, porção de recinto superior) removida. O recinto interior 96 da segunda porção de recinto 68 é arranjado para receber uma placa de circuito 44 ou conjunto de placa de circuito e um capacitor 76.
[0031] A FIG. 4A e FIG. 4B ilustram um ou mais conjuntos de pilha (98, 198) das pilhas de evaporador 26 montados em uma placa de circuito 44. Na FIG. 4A, um conjunto de pilha 98 se refere a uma pilha de evaporador 26, traços metálicos associados 21 na placa de circuito 44, e abas metálicas 46; o conjunto de pilha 98 pode incluir dispositivo semicondutor 20 no qual a pilha de evaporador 26 é montada. Similarmente, na FIG. 4B um conjunto de pilha 98 se refere a uma pilha de evaporador 26, traços metálicos associados 21 na placa de circuito 44, e abas metálicas 46; o conjunto de pilha 98 pode incluir um bloco condutor 29 no qual a pilha de evaporador 26 é montada.
[0032] Cada pilha de evaporador 26 está sobrejacente a um componente gerador de calor, um dispositivo semicondutor 20, ou um traço metálico 21 próximo ou coextensivo com um terminal de saída do dispositivo semicondutor (20 ou 120). Os terminais de corrente contínua (CC) 23 fornecem energia de corrente contínua aos dispositivos semicondutores 20. A pilha de evaporador 26 facilita uma primeira trajetória térmica 78 do componente gerador de calor, o semicondutor gerador de calor (20 ou 120), ou traço metálico aquecido 21 para a primeira porção de recinto 66 ou o dissipador de calor superior 64, onde o calor ou energia térmica é dissipada para o ar ambiente ou arredores.
[0033] A FIG. 4A é uma vista em perspectiva de uma modalidade de uma placa de circuito 44 em uma segunda porção de recinto 68 com pilhas de evaporador 26 que está sobrejacente a dispositivos semicondutores correspondentes 20 na placa de circuito 44. Em uma configuração, uma respectiva pilha de evaporador 26 ou conjunto de pilha 98 pode ser usado para cada dispositivo semicondutor 20 de um conjunto eletrônico 111. Por exemplo, se o conjunto eletrônico 111 compreender um inversor trifásico, uma respectiva pilha de evaporador 26 pode ser montada acima de cada dispositivo semicondutor correspondente 20 de maneira tal que a placa de circuito 44 é povoada com seis pilhas de evaporador totais 26. Em uma modalidade, a pilha de evaporador 26 tem abas metálicas que se estendem radialmente 46 que se estendem até próximas ou na primeira extremidade 30 (por exemplo, fundo ou piso 28) da pilha de evaporador 26. As abas metálicas 46 da pilha de evaporador 26 podem ser conectadas ou soldadas à placa de circuito 44 para montagem de superfície da pilha de evaporador 26. Adicionalmente, as abas metálicas 46 podem compreender uma armação dianteira para conexão de terminais de dispositivo do dispositivo semicondutor 20 a traços metálicos correspondentes 21 da placa de circuito 44.
[0034] Como mostrado na FIG. 4A, os terminais de saída 47 de cada fase do conjunto eletrônico 111 ou inversor podem ser associados com um sensor de corrente 97, tal como sensor de campo magnético ou de campo elétrico para detectar um nível ou magnitude de corrente elétrica de cada sinal de fase de saída (por exemplo, sinal modulado pela largura do pulso). O sensor de corrente 97 é eletromagneticamente acoplado à corrente que passa no traço metálico 21 da placa de circuito 44, mas não é diretamente eletricamente acoplado ao traço metálico 21 da placa de circuito 44.
[0035] A FIG. 4B é uma vista em perspectiva de uma modalidade alternativa do conjunto eletrônico 211. O conjunto eletrônico 211 da FIG. 4B é similar ao conjunto eletrônico da FIG. 4A, exceto que as pilhas de evaporador 26 está sobrejacente a uma porção (por exemplo, bloco metálico, bloco metálico espesso, ou vazamento pesado) dos traços metálicos 21 da placa de circuito 44 e as pilhas de evaporador 26 são próximas a dispositivos semicondutores correspondentes 120 de cada fase. Aqui, no conjunto eletrônico 211, a pilha de evaporador 26 pode ser usada independentemente do empacotamento do dispositivo semicondutor (por exemplo, 120); consequentemente, do fabricante do dispositivo semicondutor. Por exemplo, como ilustrado, o dispositivo semicondutor 120 tem um dissipador de calor de aletas integral ou outro dissipador de calor integral. Se o dispositivo semicondutor 120 compreender um transistor de potência de um inversor, uma única fase de um inversor exige dois transistores e pode ter uma saída comum na qual os terminais de saída do transistor do lado alto e transistor do lado baixo de uma fase são conectados. Na prática, os terminais de saída de um transistor em um inversor podem compreender o dreno e a fonte de um transistor de efeito de campo, ou o coletor e emissor de transistores de junção bipolar. A armação dianteira 99 de cada dispositivo semicondutor 120 é soldada ou conectada aos traços metálicos correspondentes 21. Os terminais de corrente contínua (CC) fornecem energia de corrente contínua aos dispositivos semicondutores 120.
[0036] A FIG. 4C é uma vista ampliada da área retangular rotulada 4C na FIG. 4B. Como ilustrado na FIG. 4B e FIG. 4C, uma pilha de evaporador 26 está sobrejacente a um traço metálico 21 no ou próximo ao terminal da fase de saída próximo a um par de dispositivos semicondutores 120 (por exemplo, transistores para uma fase do inversor). Em uma configuração, a pilha de evaporador 26 pode ser posicionada em uma folga alvo com relação a um ou mais dispositivos semicondutores 120. A folga alvo pode ser baseada em uma distância radial equidistante, r, do eixo geométrico vertical 77 da pilha de evaporador a uma pluralidade de dispositivos semicondutores 120, onde uma primeira distância radial, d1, é igual a uma segunda distância radial, d2. A primeira distância radial é entre o eixo geométrico vertical 77 e o ponto mais próximo no perímetro do pacote externo do dispositivo semicondutor 120; a segunda distância radial é entre o eixo geométrico vertical 77 e o ponto mais próximo no perímetro do pacote externo do dispositivo semicondutor 120. Adicionalmente, a folga alvo pode manter uma separação entre um ponto mais próximo do pacote externo do dispositivo semicondutor 120 e a máxima extensão radial da pilha de evaporador de um eixo geométrico substancialmente vertical 77 da pilha de evaporador 26. A folga alvo da pilha de evaporador 26 pode depender de tolerâncias de fabricação do pacote de semicondutor, da pilha de evaporador 26 e do coeficiente de expansão térmica do pacote de semicondutor e da pilha de evaporador.
[0037] Em uma outra configuração, a pilha de evaporador 26 pode ser posicionada: (1) o mais próximo possível dos pacotes dos dispositivos semicondutores 120 com margens para tolerâncias de fabricação e expansão térmica, (2) de modo equidistante dos dispositivos semicondutores 120 de uma única fase que são resfriados, e/ou (3) no ou próximo ao ponto de junção de traços metálicos 21 dos terminais de saída (por exemplo, por meio de abas 46 ou armações dianteiras) dos dispositivos semicondutores 120 da mesma fase de saída de um inversor, tal como em um bloco de montagem 25 (por exemplo, bloco de microtira) ou vazamento pesado da placa de circuito 44. Como ilustrado na FIG. 4B e FIG. 4C, o ponto de junção dos traços metálicos 21 para os terminais de saída da fase de saída é equidistante no comprimento do traço dos terminais de dispositivo correspondentes dos dispositivos semicondutores 120 para evitar dissipação de calor desequilibrada entre os dispositivos semicondutores 120 (por exemplo, transistores do lado de alto e lado de baixo) da mesma fase de um inversor ou conjunto eletrônico similar.
[0038] Em uma modalidade, o corpo oco 42 da pilha de evaporador 26 é substancialmente cilíndrico. Como ilustrado na FIG. 10, o corpo oco 42 da pilha de evaporador 26 tem uma porção inferior 48 e uma porção superior 50, a porção inferior 48 tendo paredes inclinadas 52 e a porção superior 50 sendo substancialmente cilíndrico, em que as paredes 52 são inclinadas radialmente para fora e para baixo em direção ao piso 28. Adicionalmente, a porção superior 50 tem uma superfície externa 54 que engata a abertura correspondente 38 do recipiente de condensação correspondente 36. A pilha de evaporador 26 pode se parecer a uma torre ou pilha de resfriamento miniatura que pode ser montada em uma placa de circuito 44 ou outro substrato.
[0039] O piso 28 de um interior 60 da pilha de evaporador 26 compreende uma série ou saliências elevadas 58 para resfriamento. O piso 28 de um interior 60 da pilha de evaporador 26 compreende um conjunto de cristas, aletas, saliências substancialmente cilíndricas 58, ou padrões elevados de ilhas se estendendo acima de uma superfície de plano de fundo inferior.
[0040] Em uma modalidade, como ilustrado na FIG. 10 e FIG. 11A, um piso 28 ou fundo da pilha de evaporador 26 está sobrejacente ao primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20. A pilha de evaporador 26 é composta de um metal ou uma liga, tal como cobre ou uma liga de cobre. O primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20 é unido à primeira extremidade 30 em um lado de fundo da pilha de evaporador 26. Por exemplo, um bloco metálico 25 no primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20 pode ser soldado (ou eletricamente e mecanicamente conectado a) à primeira extremidade 30 da pilha de evaporador 26. Um ou mais blocos metálicos 25 no primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20 podem ser eletricamente conectados ou acoplados às abas metálicas 46, uma armação dianteira, ou outros terminais do dispositivo semicondutor 20, que são soldados ou unidos aos traços metálicos 21 em um lado superior da placa de circuito 44. Um segundo lado 24 do dispositivo semicondutor 20 é oposto ao primeiro lado 22. Blocos metálicos 25 no segundo lado 24 do dispositivo semicondutor 20 podem ser unidos ou eletricamente conectados aos blocos eletricamente condutores 29 ou traços metálicos 21 no lado superior da placa de circuito 44.
[0041] Em uma outra modalidade, como ilustrado na FIG. 11B, o primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20 (ou o componente gerador de calor) tem um material de interface térmica 56 entre o primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20 (ou componente gerador de calor) e a primeira extremidade 30 da pilha de evaporador 26. Um ou mais blocos metálicos 25s no primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20 são conectados à armação dianteira 99 ou terminais, que são soldados ou unidos aos traços metálicos 21 em um lado superior da placa de circuito 44. Um segundo lado 24 do dispositivo semicondutor 20 é oposto ao primeiro lado 22. Os blocos metálicos 27 no segundo lado 24 do dispositivo semicondutor 20 podem ser unidos ou eletricamente conectados aos blocos condutores 29 ou traço metálicos 21 no lado superior da placa de circuito 44.
[0042] A FIG. 5 é uma vista em perspectiva do conjunto eletrônico 111 e sua segunda porção de recinto 68 da FIG. 4A que retém adicionalmente um arranjo ou banco de capacitores 76 montado na segunda porção de recinto 68.
[0043] A FIG. 6A é uma vista em perspectiva de uma modalidade do conjunto eletrônico 111 que compreende recipientes de condensação 36 acima das pilhas de evaporador correspondentes 26, onde a segunda porção de recinto 68 retém a placa de circuito 44, pilhas de evaporador 26 e os recipientes de condensação 36. Na FIG. 6A, a tampa 82 ou primeira porção de recinto 66 dos recipientes de condensação é removida para revelar e ilustrar melhor o interior dos recipientes de condensação 36. Cada recipiente de condensação 36 tem pisos inclinados 70 para suportar ou facilitar a drenagem de refrigerante condensado da fase líquida na saída do evaporador 40 de cada pilha de evaporador 26.
[0044] Os recipientes de condensação 36 são associados com uma vedação de contenção 84 em uma ranhura 83 ou canal na segunda porção de recinto 68, onde a ranhura 83 fica disposta em torno de um perímetro da abertura de tampa 79 para os recipientes de condensação 36. A abertura de tampa 79 pode ser coberta pela tampa do recipiente de condensação 82 ou primeira porção de recinto 66. Como ilustrado, um grupo de recipientes de condensação 36 forma coletivamente uma única câmara de condensação ou condensador com uma tampa 82 que é definido por uma porção do dissipador de calor superior 64 ou a primeira porção de recinto 66. A vedação de contenção 84 se apoia em uma ranhura 83 em torno da abertura de tampa 79 para a câmara de condensação que veda a tampa 82, que é definido por uma superfície conjugada interior da primeira porção de recinto 66. Dessa maneira, enquanto múltiplas pilhas de evaporador 36 (por exemplo, seis pilhas de evaporador na FIG. 6A) alimentam coletivamente uma única câmara de condensação com refrigerante de fase gasosa, cada recipiente de condensação 36 drena localmente o refrigerante na fase líquida para sua pilha ou pilhas de evaporador correspondente 26.
[0045] Embora a vedação de contenção 84 engate a única ranhura do perímetro 83 que circunda múltiplos recipientes de condensação 36, em uma modalidade alternativa, os recipientes de condensação alternativos podem ser separados um do outro em volumes discretos separados. Adicionalmente, cada recipiente de condensação alternativo tem uma abertura de tampa separada com uma ranhura correspondente e vedação associada para corresponder com a primeira porção de recinto 66. Dessa maneira, uma ou mais pilhas de evaporador 36 (por exemplo, um par de pilhas de evaporador na FIG. 6A) alimenta coletivamente uma única câmara de condensação com refrigerante de fase gasosa, cada recipiente de condensação 36 drena localmente o refrigerante na fase líquida para sua pilha ou pilhas de evaporador correspondente 26.
[0046] Em uma modalidade, a tampa 82 tem recursos interno e externo para promover condensação do refrigerante nas superfícies interiores. Em um exemplo, a superfície interior da tampa 82 pode ter aletas internas nos recipientes de condensação. 36 ou câmara de condensação para promover condensação do refrigerante. Em um outro exemplo, a superfície interior da tampa 82 tem um formato ondulado para aumentar a área superficial para promover condensação do refrigerante. Em um outro exemplo, a superfície interior da tampa 82 ou o interior do recipiente de condensação 36 tem tubos verticais, que podem ser brazados na tampa 82 para necessidades de condensação mais agressivas, já que isto provê ainda mais área superficial. As aletas externas 74 no exterior do dissipador de calor superior 64 suportam resfriamento por ar dos recipientes de condensação 36 que facilita a condensação em seus interiores.
[0047] Em um exemplo, o dissipador de calor superior 64 fica em comunicação térmica com o dispositivo semicondutor 20 em virtude de o topo, tampa 82 ou teto do recipiente de condensação 36 ser formado por uma superfície inferior do dissipador de calor superior 64 ou a primeira porção de recinto 66. A vedação de contenção 84, gaxeta opcional 86 ou ambas em torno da abertura de tampa 79 do recipiente de condensação 36 ou câmara de condensação forma uma vedação hermética para confinar o refrigerante 34 (independentemente da fase líquida ou fase gasosa) ao recipiente de condensação 36 e pilha de evaporador associada 26.
[0048] Em uma configuração alternativa, a primeira porção de recinto 66 ou dissipador de calor superior 64 fica em comunicação térmica com o dispositivo semicondutor 20 onde o recipiente de condensação 36 tem seu próprio topo, tampa 82 ou teto (por exemplo, topo integral) que une ou faz contato com o dissipador de calor superior 64 ou primeira porção de recinto 66.
[0049] A FIG. 6B é uma vista em perspectiva de uma outra modalidade do conjunto eletrônico 111 da FIG. 5. A modalidade do conjunto eletrônico 111 FIG. 6B é similar à modalidade da FIG. 6A, exceto que a modalidade da FIG. 6B compreende adicionalmente recipientes de condensação 36 acima das pilhas de evaporador correspondentes 26 com uma gaxeta 86 em torno de um perímetro da abertura de tampa 79 da câmara de condensação formada por múltiplos recipientes de condensação 36. O conjunto eletrônico da FIG. 6B é similar ao conjunto eletrônico 111 da FIG. 6B, exceto que o conjunto eletrônico da FIG. 6B usa uma gaxeta 86 (por exemplo, uma gaxeta em um degrau ou flange da segunda porção de recinto 68) em vez da ranhura 83 com a vedação elastomérica, ou usa a gaxeta 86 com a ranhura e a vedação elastomérica.
[0050] A FIG. 6C é uma vista em perspectiva de uma modalidade alternativa da primeira porção de recinto 66 compreendendo adicionalmente recipientes de condensação 36 acima das pilhas de evaporador correspondentes 26 da FIG. 4B. O conjunto eletrônico 111 da FIG. 6C é similar ao conjunto eletrônico 111 da FIG. 6B, exceto que cada fase só tem uma pilha de evaporador 26 que engata uma abertura correspondente 38 no recipiente de condensação 36. Cada recipiente de condensação 36 na FIG. 6C tem uma única abertura 38 no fundo para receber a pilha de evaporador correspondente 26 e drenar o refrigerante na fase líquida para a pilha de evaporador 26. A abertura 38 em cada câmara de condensação 36 apenas expõe uma única pilha de evaporador 26, tal como uma única pilha de evaporador 26 resfriar cada fase se o conjunto eletrônico compreender um inversor.
[0051] Em uma modalidade, um dissipador de calor inferior 62 ou primeiro recinto faz contato, fica voltado ou une um lado inferior da placa de circuito 44, onde o lado inferior da placa de circuito 44 compreende uma base de metal, camada metálica 31 (por exemplo, na FIG. 11B), ou plano do chão metálico. Na FIG. 4B e 6C, o dispositivo semicondutor 120 pode ser resfriado simultaneamente pelo dissipador de calor inferior 62 que é adaptado para transferir energia térmica para o ar ambiente e pela pilha de evaporador 26 que facilita uma mudança de fase entre uma fase líquida e uma fase gasosa.
[0052] A FIG. 7A mostra uma seção transversal do conjunto eletrônico 111 visto ao longo da linha de referência 7-7 da FIG. 1 com a vedação de contenção 84 entre a primeira porção de recinto 66 (por exemplo, tampa 82) e os recipientes de condensação 36, que são coletivamente referidos como a câmara de condensação. A vedação de contenção 84 suporta uma vedação hermética da tampa 82 nos recipientes de condensação 36. Em uma modalidade, a vedação de contenção 84 compreende uma vedação elastomérica que reside em uma respectiva ranhura 83 ou canal em um flange de topo 37 do recipiente de condensação 36 ou recipientes de condensação 36. O piso inclinado 70 do recipiente de condensação 36 é evidente na FIG. 7A e FIG. 7B para facilitar a drenagem ou movimento (sem bombeamento) de refrigerante de fase líquida condensado (por exemplo, refrigerante) para a saída da pilha 40 de cada pilha 26.
[0053] A FIG. 7B mostra uma seção transversal do conjunto eletrônico 111 visto ao longo da linha de referência 7-7 da FIG. 1. O conjunto eletrônico 111 da FIG. 7B é similar ao conjunto eletrônico 111 da FIG. 7A, exceto que a vedação de contenção 84 e ranhura correspondente 83 são substituídos com a gaxeta 86 entre a primeira porção de recinto 66 (por exemplo, tampa 82) e os recipientes de condensação 36.
[0054] Em uma configuração alternativa, múltiplas vedações de contenção separadas e ranhuras correspondentes em flanges das câmaras de condensação podem ser usadas para vedar 84 hermeticamente cada câmara de condensação em uma tampa formada por uma porção da primeira porção de recinto 66 ou dissipador de calor superior 64.
[0055] A FIG. 8 é uma vista retangular ampliada da porção do conjunto eletrônico 111 como indicado pelo retângulo tracejado 8 da FIG. 4A. Cada pilha de evaporador 26 tem saliências 58 em seu piso para promover mudança da fase líquida do refrigerante para a fase gasosa do refrigerante. A FIG. 8 ilustra que as paredes da porção inferior 48 da pilha de evaporador são inclinadas para fora e para baixo. Na FIG. 8, o dispositivo semicondutor 20 tem terminais de dispositivo que são eletricamente conectados aos terminais 47, tais como os terminais da armação dianteira. Similarmente, os terminais de corrente contínua 23 são conectados aos terminais de dispositivo (por exemplo, por meio dos terminais da armação dianteira) do dispositivo semicondutor 20 para fornecer energia elétrica ao dispositivo semicondutor.
[0056] A FIG. 9A é uma seção transversal do conjunto eletrônico 111 visto ao longo da linha de referência 9-9 da FIG. 1 com uma vedação de contenção 84 entre a primeira porção de recinto 66 e os recipientes de condensação 36. A tampa do recipiente de condensação 82 é definida por uma porção do dissipador de calor superior 64 ou a primeira porção de recinto 66. O refrigerante 34 que pode ocupar os recipientes de condensação 36 é uma fase gasosa do refrigerante em um volume central e suas superfícies interiores tendem a suportar condensação ou conversão da fase gasosa para a fase líquida para drenar para dentro e realimentar a pilha de evaporador com refrigerante na fase líquida.
[0057] A FIG. 9B é uma seção transversal do conjunto eletrônico 111 visto ao longo da linha de referência 9-9 da FIG. 1. O conjunto eletrônico da FIG. 9B é similar ao conjunto eletrônico da FIG. 9A exceto que a vedação de contenção 84 e correspondente ranhura 83 é substituída com a gaxeta 86 entre a primeira porção de recinto 66 e os recipientes de condensação 36.
[0058] A FIG. 9C é uma seção transversal do conjunto eletrônico 111 visto ao longo da linha de referência 9-9 da FIG. 1 com setas mostrando a direção de fluxo de calor para fora do semicondutor gerador de calor (20, 120) e dos capacitores 76. Uma primeira trajetória térmica 78 para dissipação de calor do semicondutor ou semicondutores (20, 120) é geralmente separada de uma segunda trajetória térmica 80 para dissipação de calor dos capacitores 76. Os semicondutores geradores de calor (20, 120) são predominantemente resfriados pelo resfriamento de duas fases, ao passo que os capacitores 76 são basicamente resfriados pelo resfriamento por ar com aletas 74 no exterior e aletas opcionais no interior do recinto (66, 68).
[0059] Em uma modalidade, o conjunto eletrônico 111 suporta a circulação do refrigerante 34 (por exemplo, refrigerante) sem qualquer bomba. Por exemplo, o recipiente de condensação 36 compreende um piso inclinado 70 que permite que a condensação do refrigerante 34 que se forma nas superfícies interiores 72 do recipiente de condensação 36 drene de volta para a pilha de evaporador 26 pela gravidade. O refrigerante 34 forma ou é capaz de formar nas superfícies interiores 72 quando uma fase líquida muda de volta para uma fase gasosa. Em uma modalidade, a mudança de fase do refrigerante 34 transiciona para uma fase gasosa na pilha de evaporador 26, transiciona para uma fase líquida no recipiente de condensação 36, e retorna por gravidade para a pilha de evaporador 26 na fase líquida. Dessa maneira, o refrigerante 34 é circulado pela mudança de fase do refrigerante 34, o piso inclinado 70 do recipiente de condensação 36, e sem qualquer bomba.
[0060] A pilha de evaporador 26 compreende uma zona de evaporação ou volume de evaporação unido ao seu piso 28 em sua primeira extremidade 30 (por exemplo, fundo) adjacente a um primeiro lado 22 (por exemplo, lado superior) de um dispositivo semicondutor 20 e se estendendo para cima do piso 28 e as saliências associadas 58. Por exemplo, uma segunda extremidade 32 (por exemplo, topo) da pilha de evaporador 26 define um limite superior do volume de evaporação e uma primeira extremidade 30 (por exemplo, fundo) da pilha de evaporador 26 define o limite inferior do volume de evaporação. A primeira extremidade 30 ou piso 28 da pilha de evaporador 26 está em comunicação térmica com um respectivo dispositivo semicondutor 20 ou um bloco metálico 25 no mesmo.
[0061] A pilha de evaporador 26 tem um eixo geométrico vertical da pilha de evaporador 77 que se estende verticalmente. O eixo geométrico da pilha de evaporador 26 é coaxial com a porção substancialmente cilíndrica ou a pilha de evaporador substancialmente cilíndrica 26. A pilha de evaporador 26 tem uma parede ou parede inclinada 52 que é de formato cilíndrico, semicônico ou de funil invertido. A parede 52 pode formar um limite adicional do volume de evaporação. Embora o volume de evaporação seja caracterizado como um volume de evaporação, na prática, o volume de evaporação pode suportar tanto os modos de evaporação quanto de condensação simultaneamente, particularmente quando o refrigerante condensado 34 goteja na parede ou lados da pilha de evaporador 26 (por exemplo, do recipiente de condensação 36) em direção ao primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20. Algumas vezes, pode parecer que o refrigerante 34 condensa na parede ou lados da pilha de evaporador 26.
[0062] O recipiente de condensação 36 compreende uma zona de condensação ou volume de condensação que é maior que a zona de evaporação ou volume de evaporação. O volume de condensação é definido por um respectivo recipiente de condensação 36 acima da pilha de evaporador correspondente 26 que comunica com a saída 40 na pilha de evaporador 26 por meio de uma abertura 38 no recipiente de condensação 36. Por exemplo, uma superfície externa 54 da porção cilíndrica da pilha de evaporador 26 pode fazer interface ou unir com a abertura 38 no recipiente de condensação 36. A partir de uma saída da pilha de evaporador 40 da pilha de evaporador 26, a fase gasosa entra na zona de condensação ou volume de condensação do recipiente de condensação 36.
[0063] Em uma pilha de evaporador 26, o refrigerante 34 muda de fase de uma fase líquida para uma fase gasosa, ainda absorvendo calor. Em um recipiente de condensação 36 ou no recipiente de condensação 36, o refrigerante 34 muda de fase de uma fase gasosa para a fase líquida pelo resfriamento do refrigerante 34. O refrigerante condensado 34 ou condensação se forma na zona de condensação ou volume de condensação dentro do recipiente de condensação 36 ou nas superfícies interiores 72 dos recipientes de condensação 36 e mesmo na tampa 82 que veda os recipientes de condensação 36 para impedir que o refrigerante 34 atinja o ar ambiente ou arredores.
[0064] Em uma configuração, o refrigerante 34 é circulado da maneira seguinte que elimina qualquer necessidade de uma bomba para circular ou bombear refrigerante 34. Primeiro, o refrigerante 34 na fase líquida interage, direta ou indiretamente, com o primeiro lado aquecido 22 do dispositivo semicondutor 20, o piso 28 da pilha de evaporador 26 (com ou sem saliências 58 interiores 60), ou uma superfície contígua em comunicação térmica com o primeiro lado aquecido 22 do dispositivo semicondutor 20. Segundo, a interação com o primeiro lado aquecido 22 resulta em alguma porção do refrigerante 34 convertida ou mudada de uma fase líquida para a fase gasosa. Terceiro, o refrigerante de fase gasosa aquecido 34 sobe para o recipiente de condensação 36 ou câmara. Quarto, o refrigerante de fase gasosa 34 resfria uma ou mais paredes ou superfícies interiores 72 do recipiente de condensação 36 e da tampa 82. Quinto, a condensação do refrigerante resfriada 34 na fase líquida goteja, escorre ou circula para a pilha de evaporador 26 para repetir o processo referido. Antes da introdução de refrigerante pressurizado no volume vedado definido pela pilha de evaporador 26, os recipientes de condensação 36 e a tampa 82, o volume vedado pode ser submetido a um vácuo.
[0065] De acordo com as modalidades desta descrição, o conjunto eletrônico 111 usa um processo de resfriamento de duas fases para o refrigerante 34 de uma maneira passiva que não exige nenhuma bomba ou circulação do refrigerante ativa 34. O refrigerante 34 na primeira extremidade 30 ou piso 28 da pilha de evaporador 26 muda para fase de vapor ou gasosa quando o primeiro lado 22 ou superfície do semicondutor de potência (20, 120) aquece acima da temperatura crítica mediante aplicação da energia elétrica (por exemplo, ao conjunto eletrônico, 111 ou 211). A fase de vapor ou gasosa sobe acima da superfície do semicondutor de potência (20, 120) e, nesse processo, mudança da fase líquida remove calor pela evaporação. Esta mudança de fase do líquido refrigerante 34 para vapor causa rápida remoção de calor da superfície concentrada do dispositivo ou dispositivos semicondutores de potência 20. Adicionalmente, cada par da pilha de evaporador 26 e do recipiente de condensação 36 distribui coletivamente o calor para uma grande área que pode de forma efetiva e bem-sucedida dissipar energia térmica de um ou mais dispositivos semicondutores 20.
[0066] A combinação da pilha de evaporador 26 e do recipiente de condensação 36 pode ser referida como uma interface térmica de duas fases. A interface térmica de duas fases provê transferência de calor de um ou mais dispositivos semicondutores 20 por líquido para ar pela mudança de fase do líquido refrigerante 34 torna os sistemas de gerenciamento térmico propostos sem bomba sistemas simples, independentes e autocontidos.
[0067] Calor concentrado se origina de cada dispositivo semicondutor 20 e a interface térmica de duas fases espalha a energia térmica por uma grande área de maneira que ela pode ser removida passando-a para o ar nos entornos por meio do dissipador de calor superior 64, do dissipador de calor inferior 62, ou de ambos. Esta descrição facilita o resfriamento por meio de blocos metálicos 25 ou outros terminais do semicondutor de potência (por exemplo, dispositivos transistor bipolar de porta isolado de silício (IGBT), transistor de efeito de campo de óxido de metal de carboneto de silício (SiC) (MOSFET), ou dispositivos semicondutores de nitreto de gálio (GaN)) por meio da interface térmica de duas fases no primeiro lado 22 do dispositivo semicondutor 20 e por meio do dissipador de calor inferior 62 no segundo lado 24. Adicionalmente, o dissipador de calor superior 64 remove calor do primeiro lado 22 pela comunicação térmica de energia térmica do dispositivo ou dispositivos semicondutores 20 por meio de uma ou mais interfaces térmicas de duas fases.
[0068] O recipiente de condensação 36 ou câmara de vapor pode ser formada de um material dielétrico para prover isolamento elétrico entre o dissipador de calor superior 64 e os dispositivos semicondutores 20, por exemplo. Em virtude de o refrigerante 34 passar por uma mudança de fase, a interface térmica de duas fases permite transferência de calor rápida e eficiente da fonte concentrada à medida que ele ferve e o vapor é capaz de distribuir rapidamente pela grande área disponível em virtude de o recinto do dispositivo eletrônico, e seu dissipador de calor superior associado 64 e dissipador de calor inferior 62. Em uma modalidade, a área superficial do recinto, o dissipador de calor superior 64, o dissipador de calor inferior 62, que ambos podem ser feitos com aletas, são grandes o bastante para usar resfriamento por ar para condensar o meio de resfriamento e completar todo o ciclo do refrigerante 34 dentro do conjunto eletrônico 111. Em certas configurações, o conjunto eletrônico 111 pode prover um sistema de resfriamento autocontido para inversores de alta densidade de potência sem qualquer bomba.
[0069] Em uma configuração, um ou mais condutores elétricos ou blocos condutores 25 no primeiro lado 22 (por exemplo, lado superior) do dispositivo semicondutor 20 (por exemplo, conjunto de chips semicondutor de potência plano) fazem contato, unem ou são unidos (por exemplo, soldados ou brazados) na pilha de evaporador 26. A pilha de evaporador 26 tem um formato cilíndrico oco relativamente pequeno que torna uma estrutura tipo chaminé. A pilha de evaporador 26 é conectada para comunicação fluídica a um recipiente de condensação 36 (por exemplo, câmara de vapor), onde o volume de condensação do recipiente de condensação 36 é maior que do volume da pilha de evaporador 26 da pilha de evaporador 26. O recipiente de condensação 36 ou câmara entre o primeiro recinto (por exemplo, dissipador de calor superior 64) e a pilha de evaporador 26 é tanto feita completamente de um material dielétrico quanto tem porções dele feitas de um material dielétrico de forma que existe isolamento elétrico apropriado.
[0070] Na FIG. 10 em uma modalidade, o primeiro recinto 66 ou dissipador de calor superior 64 facilita a condensação do refrigerante 34 da fase de vapor para a fase líquida no recipiente de condensação 36. Em uma modalidade, uma vedação radial 88 é posicionada entre a saída do evaporador 40 e a abertura 38 na superfície inferior do recipiente de condensação 36 para permitir movimento axial ou deslizamento hermeticamente vedado entre a pilha de evaporador 26 e o recipiente de condensação 36, onde a pilha de evaporador metálica 26 e o recipiente de condensação dielétrico 36 têm diferentes coeficientes de expansão térmica. A vedação radial 88 mantém uma vedação hermética adequada durante movimento axial para suportar a montagem do conjunto eletrônico 111, onde cada abertura 38 no recipiente de condensação 36 é combinado com a pilha de evaporador correspondente 26. Adicionalmente, a vedação radial 88 suporta um certo alívio de tensão e ajuste axial durante montagem e nas tolerâncias de fabricação de um ou mais do seguinte: pilha de evaporador 26, recipiente de condensação 36, primeira porção de recinto 66, e segunda porção de recinto 68.
[0071] A vedação radial 88 pode compreender uma vedação de virola simples, uma vedação de virola dupla, um O-ring elastomérico, uma vedação elastomérica, uma vedação de borracha sintética, uma vedação de eixo radial, uma vedação de interface, uma vedação híbrida que é uma combinação de uma vedação elastomérica anular e uma vedação de virola dupla, ou uma outra configuração de vedação. O material elastomérico da vedação radial 88 é composto de material que é compatível com o refrigerante 34 ou refrigerante.
[0072] Em uma modalidade, uma vedação 84 (por exemplo, uma vedação elastomérica) ou vedante é posicionado entre o recipiente de condensação 36 (por exemplo, em sua seção intermediária ou no flange 37) e a primeira porção de recinto 66 (por exemplo, dissipador de calor superior 64) para formar um recipiente de condensação totalmente encerrado 36 que pode ser submetido a vácuo de atmosfera padrão e então pressurizado e cheio com a quantidade apropriada do refrigerante 34, refrigerante, ou líquido de mudança de fase.
[0073] A FIG. 11A é uma seção transversal de uma modalidade do conjunto de pilha de evaporador 98 visto ao longo da linha de referência 1111 da FIG. 8, onde o fundo da pilha de evaporador 26 é unido ou está diretamente sobrejacente no bloco metálico de topo 25 do dispositivo semicondutor 20. Como ilustrado na FIG. 11A, a pilha de evaporador 26 é eletricamente carregada e conectada a um terminal de saída do dispositivo semicondutor 20, tal como um dreno, fonte, emissor ou coletor de um transistor de potência. A pilha de evaporador 26 tem potencial de tensão ou carga elétrica com relação a: (1) o recinto, a primeira porção de recinto 66, a segunda porção de recinto 68, ou a armação ou chassis do conjunto eletrônico 111, e (2) qualquer outro terminal de saída de fase se o conjunto eletrônico 111 for um inversor multifásico. A porção inferior 48 da pilha 26 tenda a carregar a maior parte do sinal de corrente alternada de saída (por exemplo, na frequência fundamental) dos dispositivos semicondutores 20 para os traços metálicos 21 (por exemplo, traços de microtira com seu plano de chão) da placa de circuito 44, ao passo que a porção superior 50 da pilha não tem trajetória de corrente eficiente (por exemplo, para a terra). Se o recinto (66, 68) for composto de um material metálico, tal como alumínio ou uma liga de alumínio, o recinto provê blindagem para impedir qualquer radiação eletromagnética que pode de outra forma ser irradiada pelo sistema de circuito, pilha de evaporador 26, ou traços metálicos 21 na placa de circuito 44 dentro do recinto.
[0074] O dispositivo semicondutor 20 tem abas 46 ou armações dianteiras para conexão dos terminais de dispositivo do dispositivo semicondutor 20 aos traços metálicos 21.
[0075] Em algumas configurações, como ilustrado na FIG. 11A e FIG. 11B, a placa de circuito 44 compreende uma camada de base metálica 31, uma camada dielétrica 93 que está sobrejacente à camada de base metálica 31, e um ou mais traços metálicos 21 e blocos metálicos 29 que está sobrejacente à camada dielétrica 93. Em uma modalidade, a camada de base metálica 31 compreende um alumínio ou liga de alumínio, e une ou faz contato com o dissipador de calor inferior 62 ou segunda porção de recinto 68. A camada de base metálica 31 pode aumentar a massa térmica do dissipador de calor inferior 62 para melhorar a dissipação térmica do conjunto eletrônico 111. A camada de base de metal pode fazer contato diretamente com o dissipador de calor inferior 62 ou pode fazer contato indiretamente com o dissipador de calor inferior 62 por meio do material de interface térmica 56, graxa termicamente condutora, ou pasta termicamente condutora, por exemplo.
[0076] A FIG. 11B é uma seção transversal de uma outra modalidade do conjunto de pilha de evaporador 98 visto ao longo da linha de referência 11-11 da FIG. 8, onde o fundo ou primeira extremidade 30 da pilha de evaporador 26 é eletricamente isolado do bloco metálico de topo 25 do dispositivo semicondutor 20 pelo material dielétrico de interface térmica 56. Os terminais de dispositivo 49 do dispositivo semicondutor 20 são conectados aos traços metálicos 21 na placa de circuito 44 por meio de uma ou mais armações dianteiras 49, ou diretamente aos blocos condutores 25, entre outras possibilidades.
[0077] Como ilustrado na FIG. 11B, a pilha de evaporador 26 não é eletricamente carregada e não é no potencial de saída de qualquer fase de saída do conjunto eletrônico (por exemplo, inversor), mas pode ser de aterramento no chassis ou potencial de aterramento elétrico. A pilha de evaporador 26 pode ser eletricamente isolada do bloco metálico 25 ou terminal de saída do dispositivo semicondutor 20, ou qualquer traço metálico associado 21, por uma camada dielétrica da interface térmica 56 que provê níveis aceitáveis de condutividade térmica e isolamento elétrico/isolamento. Portanto, a pilha de evaporador 26 da FIG. 11B não irradia nenhuma interferência ou radiação eletromagnética de. Adicionalmente, o recinto pode ser composto de metal ou material metálico para atenuar qualquer interferência ou radiação eletromagnética gerada pelo sistema de circuitos do conjunto eletrônico (111, 211).
[0078] Em uma modalidade alternativa, o recipiente de condensação 36 pode ser moldado ou formado como um sistema completamente fechado a ser adicionado como um componente ao conjunto eletrônico 111 (por exemplo, inversor). A superfície interior de condensação de recipientes de condensação 36 então teriam que fazer interface com o segundo dissipador de calor como dissipador de calor separado, que aumenta as resistências térmicas pelo material e material de interface térmica (por exemplo, graxa termicamente condutora, pasta ou bloco) usado para produzir uma interface termicamente condutora sólida entre o dissipador de calor e o recipiente de condensação 36.
[0079] Em uma configuração, o recinto, a primeira porção de recinto 66 e a segunda porção de recinto 68, ou ambas, podem ser compostas de um material metálico, tal como alumínio ou uma liga de alumínio, para blindar de interferência eletromagnética. A primeira porção de recinto 66 e a segunda porção de recinto 68 podem ter aletas 74, cristas ou outras saliências para melhor dissipação térmica para o ar ambiente ou arredores.
[0080] Embora não mostrado nos desenhos (exceto pelas saliências 58 (por exemplo, pilares ou hastes) que se estendem a partir do piso da pilha de evaporador), em uma modalidade alternativa, a pilha de evaporador 26 pode ter um interior da pilha 60 ou superfícies exteriores que compreendem recursos elevados como aletas, irregularidades superficiais, ou ondulações superficiais para aumentar a área superficial e acelerar o processo de mudanças de fase entre a fase líquida e a fase gasosa do refrigerante. Similarmente, o recipiente de condensação pode ter superfícies interiores 72 ou superfícies exteriores que compreendem recursos elevados como aletas para aumentar a área superficial e acelerar o processo de mudanças de fase entre a fase líquida e a fase gasosa do refrigerante. Adicionalmente, qualquer das superfícies interiores ou superfícies exteriores apresentadas poderia ser revestida com uma camada microporosa para intensificar a dissipação térmica. Por exemplo, uma camada microporosa pode compreender um carbono em pó em uma matriz, tal como um adesivo, matriz polimérica ou plástica, ou um outro revestimento (por exemplo, em um interior 60 da pilha de evaporador) que promove fervura e nucleação do refrigerante (por exemplo, refrigerante) usado.
[0081] Em uma modalidade alternativa, as aletas 74 no exterior do recinto podem ser otimizadas como pinos, aletas 74 ou outras saliências e poderiam assumir formatos geométricos apropriados. O conjunto eletrônico pode adicionar um ventilador ou ventiladores opcionais para alcançar o movimento exigido de ar em torno da superfície exterior ou externa de aletas do recinto.
[0082] Em algumas configurações, o dispositivo semicondutor compreende um substrato ou um outro conjunto de placa de circuito impresso (PCBA) onde um ou mais conjunto de conjuntos de chips semicondutores são diretamente unidos a um espalhador de calor metálico revestido térmico e que também seria resfriado por ar para aumentar a transferência de calor da superfície de fundo dos conjuntos de chips semicondutores de potência.
[0083] Embora a pilha de evaporador seja geralmente focada na transferência de calor dos dispositivos semicondutores em um conjunto eletrônico, o mesmo conceito poderia ser usado para resfriar outros componentes geradores de calor no conjunto eletrônico ou em qualquer placa de circuito no mesmo. Por exemplo, uma pilha de evaporador opcional pode ser colocada em um local em traços transportadores de alta corrente na placa de circuito ou em uma interface do conector. Dessa maneira, um único conjunto eletrônico poderia ter muitas pilhas de evaporador que fazem interface com aberturas correspondentes em um ou mais respectivos recipientes de condensação, onde múltiplas pilhas de evaporador podem ser servidas por aberturas correspondente em um único recipiente de condensação ou múltiplos recipientes de condensação.
[0084] Tendo descrita a modalidade preferida, ficará aparente que várias modificações podem ser feitas sem fugir do escopo da invenção como definido nas reivindicações anexas.

Claims (25)

1. Conjunto eletrônico com arrefecimento de mudança de fase de um dispositivo semicondutor, o qual compreende: uma pluralidade de dispositivos semicondutores geradores de calor (20), cada um dos dispositivos semicondutores geradores de calor (20) tendo um primeiro lado (22) e um segundo lado (24) oposto ao primeiro lado (22); um conjunto (98) de pilhas de evaporador (26), cada uma das pilhas de evaporador (26) compreendendo um corpo oco (42) com um piso (28) em uma primeira extremidade (30) e uma saída (40) em uma segunda extremidade (32) oposta à primeira extremidade (30), em que a segunda extremidade (32) é associada com uma porção superior (50) que é cilíndrica, cada pilha de evaporador (26) estando sobrejacente ao primeiro lado (22) de um correspondente dentre os dispositivos semicondutores (20), em que cada pilha de evaporador (26) ou seu piso (28) é adaptado para converter uma fase líquida de um refrigerante em uma fase gasosa do refrigerante; e um recipiente de condensação (36) ou câmara de condensação com aberturas (38) respectivas em comunicação com saídas (40) correspondentes da pilha de evaporador (26); caracterizado pelo fato de que o recipiente de condensação (36) ou câmara de condensação (38) é adaptado(a) para receber uma fase gasosa ou fase de vapor de um refrigerante e resfriar ou converter a fase gasosa recebida do refrigerante em uma fase líquida para reabastecer líquido para interação com o piso (28) das pilhas de evaporador (26); o conjunto eletrônico compreendendo adicionalmente uma placa de circuito (44); e em que cada uma das pilhas de evaporador (26) tem abas de metal se estendendo radialmente que podem ser conectadas ou soldadas à placa de circuito (44) para montagem na superfície de cada pilha de evaporador (26).
2. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo oco (42) de cada uma das pilhas de evaporador (26) tem uma porção inferior (48) e a porção superior (50), a porção inferior (48) sendo cilíndrica ou semicônica.
3. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo oco (42) de cada uma das pilhas de evaporador (26) tem uma porção inferior (48) e a porção superior (50), a porção inferior (48) tendo paredes inclinadas (52), em que as paredes (52) são inclinadas radialmente para fora e para baixo na direção do piso (28).
4. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a porção superior (50) tem uma superfície externa (54) que engata com a abertura (38) do recipiente de condensação (36).
5. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um piso (28) de cada uma das pilhas de evaporador (26) está sobrejacente ao primeiro lado (22) de um correspondente dentre os dispositivos semicondutores (20).
6. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pilha de evaporador (26) é composta de um metal ou uma liga.
7. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro lado (22) dos dispositivos semicondutores (20) é unido à primeira extremidade (30) em um lado de fundo de uma respectiva dentre as pilhas de evaporador (26).
8. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um bloco metálico (25) no primeiro lado (22) de cada um dos dispositivos semicondutores (20) é soldado à primeira extremidade (30) de uma respectiva dentre as pilhas de evaporador (26).
9. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro lado (22) de cada um dos dispositivos semicondutores (20) tem um material de interface térmica (56) entre o primeiro lado (22) de cada um dos dispositivos semicondutores (20) e a primeira extremidade (30) de uma correspondente dentre as pilhas de evaporador (26).
10. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o piso (28) de um interior (60) de cada uma das pilhas de evaporador (26) compreende uma série ou saliências elevadas (58) para resfriamento.
11. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o piso (28) de um interior (60) de cada uma das pilhas de evaporador (26) compreende um arranjo de cristas, aletas, saliências cilíndricas, ou padrões elevados de ilhas se estendendo acima de uma superfície de plano de fundo inferior.
12. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um dissipador de calor inferior (62) acoplado termicamente ao segundo lado (24) dos dispositivos semicondutores (20) por uma placa de circuito (44) com uma camada de base metálica (31) contígua ao ou voltada para o dissipador de calor inferior (62).
13. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o dispositivo semicondutor (20) é resfriado simultaneamente pelo dissipador de calor inferior (62) que é adaptado para transferir energia térmica ao ar ambiente e pela pilha de evaporador (26) que facilita uma mudança de fase entre uma fase líquida e uma fase gasosa.
14. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um dissipador de calor superior (64) que está em comunicação térmica com o dispositivo semicondutor (20) por meio de uma tampa (82) do recipiente de condensação (36).
15. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o dissipador de calor superior (64) e dissipador de calor inferior (62) compreendem uma primeira porção de recinto (66) e uma segunda porção de recinto (68), respectivamente, em que a primeira porção de recinto (66) é presa à segunda porção de recinto (68) por um ou mais prendedores ou retentores.
16. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o recipiente de condensação (36) compreende um piso inclinado (70) que permite a condensação do refrigerante que se forma em superfícies internas do recipiente de condensação (36) para drenar de volta para a pilha de evaporador (26) por gravidade.
17. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o refrigerante se forma nas superfícies internas quando uma fase líquida muda de volta para uma fase gasosa.
18. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mudança de fase do refrigerante transiciona para uma fase gasosa em uma ou mais das pilhas de evaporador (26), transiciona para uma fase líquida no recipiente de condensação (36), e retorna por gravidade para a pilha de evaporador (26) em fase líquida.
19. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o refrigerante é circulado pela mudança de fase do refrigerante, o piso inclinado (70) do recipiente de condensação (36), e sem qualquer bomba.
20. Conjunto eletrônico com arrefecimento de mudança de fase de um dispositivo semicondutor, o qual compreende: uma pluralidade de componentes geradores de calor, cada um dos componentes geradores de calor tendo um primeiro lado (22) e um segundo lado (24) oposto ao primeiro lado (22); um conjunto (98) de pilhas de evaporador (26), cada uma das pilhas de evaporador (26) compreendendo um corpo oco (42) com um piso (28) em uma primeira extremidade (30) e uma saída (40) em uma segunda extremidade (32) oposta à primeira extremidade (30), em que a segunda extremidade (32) é associada com uma porção superior (50) que é cilíndrica, cada uma das pilhas de evaporador (26) estando sobrejacente ao primeiro lado (22) de um correspondente dentre os componentes, em que a pilha de evaporador (26) ou seu piso (28) é adaptado para converter uma fase líquida de um refrigerante em uma fase gasosa do refrigerante; um recipiente de condensação (36) ou câmara de condensação com uma abertura (38) respectivas em comunicação com as saídas (40) correspondentes das pilhas de evaporador (26), caracterizado pelo fato de que o recipiente de condensação (36) ou câmara de condensação é adaptado(a) para receber uma fase gasosa ou fase de vapor de um refrigerante e para resfriar ou converter a fase gasosa recebida do refrigerante em uma fase líquida para reabastecer líquido para interação com o piso (28) das pilhas de evaporador (26); o conjunto eletrônico compreendendo adicionalmente uma placa de circuito (44); e em que cada uma das pilhas de evaporador (26) tem abas de metal se estendendo radialmente que podem ser conectadas ou soldadas à placa de circuito (44) para montagem na superfície de cada pilha de evaporador (26).
21. Conjunto eletrônico com arrefecimento de mudança de fase de um dispositivo semicondutor, o qual compreende: um dispositivo semicondutor gerador de calor (20) tendo um primeiro lado (22) e um segundo lado (24) oposto ao primeiro lado (22); uma placa de circuito (44) tendo um traço metálico (21), o dispositivo semicondutor (20) tendo um terminal de saída conectado ao traço metálico (21); pelo menos uma pilha de evaporador (26) compreendendo um corpo oco (42) com um piso (28) em uma primeira extremidade (30) e uma saída (40) em uma segunda extremidade (32) oposta à primeira extremidade (30), em que a segunda extremidade (32) é associada com uma porção superior (50) que é cilíndrica, a pelo menos uma pilha de evaporador (26) estando sobrejacente a uma porção do traço metálico (21), em que a pelo menos uma pilha de evaporador (26) ou seu piso (28) é adaptado para converter uma fase líquida de um refrigerante em uma fase gasosa do refrigerante, em que a pelo menos uma pilha de evaporador (26) tem abas de metal se estendendo radialmente que podem ser conectadas ou soldadas à placa de circuito (44) para montagem na superfície de cada pilha de evaporador (26); e um recipiente de condensação (36) com uma abertura (38) em comunicação com a saída (40) da pelo menos uma pilha de evaporador (26), caracterizado pelo fato de que o recipiente de condensação (36) é adaptado para receber uma fase gasosa ou fase de vapor de um refrigerante e para resfriar ou converter a fase gasosa recebida do refrigerante em uma fase líquida para reabastecer líquido para interação com o piso (28) da pelo menos uma pilha de evaporador (26).
22. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a porção do traço metálico (21) compreende um bloco metálico (25) perto do dispositivo semicondutor (20) para prover uma folga alvo entre uma embalagem externa do dispositivo semicondutor (20) e uma extensão radial da pelo menos uma pilha de evaporador (26) a partir de um eixo geométrico vertical da pelo menos uma pilha de evaporador (26).
23. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a folga alvo é com base na fabricação de tolerância e coeficiente de expansão térmica.
24. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a folga alvo é com base em distância ou comprimento de traço metálico equidistantes a partir da pelo menos uma pilha de evaporador (26) a uma pluralidade de dispositivos semicondutores (20) compreendendo o dispositivo semicondutor gerador de calor (20).
25. Conjunto eletrônico de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que os dispositivos semicondutores (20) compreendem um transistor de lado baixo e um transistor de lado alto de uma fase de saída do conjunto eletrônico, em que o conjunto eletrônico compreende um inversor.
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