CN102208378B - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种冷却装置，其包括：散热器，该散热器具有顶板、与顶板间隔开的底板、以及在顶板和底板之间的翅片；第一金属构件，该第一金属构件层压到顶板的与翅片相对的侧部上；以及第一绝缘体，该第一绝缘体层压到第一金属构件上。顶板、底板和第一金属构件各自由复合金属制成，该复合金属包括基质金属和硬钎焊料，从而翅片硬钎焊到顶板和底板上，第一金属构件硬钎焊到顶板上，以及第一绝缘体硬钎焊到第一金属构件上。

Description

冷却装置
技术领域
本发明涉及例如用于电子器件的冷却装置。
背景技术
在例如用在诸如客车或工业车辆之类的车辆中的电子器件中的冷却装置内，层压有半导体器件安装在其上的金属基底、绝缘板、用于应力消除的金属层以及热散器以提高散热性能。通常，所述金属基底、绝缘板、金属层以及热散器通过诸如软钎焊或硬钎焊之类的方式结合在一起。
日本未审查专利申请公布No.2009-65144公开了一种电子器件或功率模块，其具有电路板，在该电路板的一个表面上安装有半导体芯片，并且在该电路板的另一个表面上结合有散热器。该电路板包括氮基陶瓷板、由单层铝形成的并且层压在该陶瓷板的一个表面上的电路层、以及用于散热的金属层，该金属层由具有不同纯度的双层铝形成并且层压在陶瓷板的另一个表面上。
特别地，在电路层和陶瓷板之间以及在陶瓷板和金属层之间设置有铝硅基硬钎焊料(brazing metal)箔。电路板以下述方式制造，即，电路层、硬钎焊料箔、陶瓷板、硬钎焊料箔和金属层以该顺序层压，这些部件在真空环境中被加热，同时被挤压，从而使得硬钎焊料箔熔融。在制造电路板之后，通过软钎焊将半导体芯片结合到电路层上，并且通过软钎焊或硬钎焊将散热器结合到金属层上。由此制成半导体模块。
已知软钎焊结合存在问题，即，由于多年来在温度改变的环境中使用引起的焊剂变质导致了降低的热传递性能。为了防止这一点，在所述专利公布No.2009-65144中公开的电路板使用硬钎焊料箔通过硬钎焊来制造。
但是，在所述专利公布No.2009-65144中公开的电子器件中，散热器需要使用其熔点比硬钎焊料箔的熔点低的钎料通过软钎焊结合到电路板上。这是因为电路板和散热器通过硬钎焊的接合会导致用于电路板的部件的结合的硬钎焊料的熔化，由此使这些部件错位或者变形，这使得难以形成理想形状的电路板。因此，通常通过可以在比硬钎焊的温度低的温度下进行的软钎焊来使电路板和散热器结合。
如上所述，在所述专利公布No.2009-65144中公开的传统冷却装置中，散热器需要在电路板的制造之后通过软钎焊结合到电路板上，从而导致了低效率的制造以及因多年使用引起的散热性能的降低。
本发明用于提供一种冷却装置，其使得能够进行高效率的制造并且防止散热性能的降低。
发明内容
根据本发明的方面，一种冷却装置，其包括：散热器，所述散热器具有顶板、与所述顶板间隔开的底板、以及在所述顶板和所述底板之间的翅片；第一金属构件，所述第一金属构件层压到所述顶板的与所述翅片相对的侧部上；以及第一绝缘体，所述第一绝缘体层压到所述第一金属构件上。所述顶板、所述底板和所述第一金属构件各自由复合金属制成，所述复合金属包括基质金属和硬钎焊料，从而所述翅片硬钎焊到所述顶板和所述底板上，所述第一金属构件硬钎焊到所述顶板上，以及所述第一绝缘体硬钎焊到所述第一金属构件上。
从下面结合附图的、作为本发明原理的示例阐释的说明中，本发明的其它方面和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的冷却装置的纵向截面图；
图2是根据本发明的第二实施方式的冷却装置的纵向截面图；
图3类似于图2，但示出了冷却装置的第三实施方式；以及
图4类似于图2，但示出了冷却装置的第四实施方式。
具体实施方式
下面将参照附图描述根据本发明的冷却装置的实施方式。应该指出，如在图中观察的上侧和下侧分别对应于冷却装置的上侧和下侧。
参照图1，总体上由1表示的冷却装置包括散热器2、第一和第二金属构件3，7、第一和第二绝缘体4，8以及金属基底5。第一金属构件3、第一绝缘体4以及金属基底5层压在散热器2的上表面上。第二金属构件7以及第二绝缘体8层压在散热器2的下表面上。作为发热部件的半导体器件6安装在金属基板5上。
散热器2具有彼此间隔开的顶板和底板9，10，多个翅片11相隔一定距离地布置在所述顶板和底板之间。任何两个相邻的翅片11在它们之间形成通道12，作为制冷剂的水在该通道中流动。散热器2具有侧板13，侧板13围绕顶板和底板9，10的外围设置并且分别连接到供给管14和排放管15上。顶板和底板9，10、侧板13、翅片11以及供给管和排放管14，15都是散热器2的部件，它们由诸如铝基金属之类的具有高的热传导性的金属制成。
散热器2的顶板9由复合金属制成，该复合金属包括基质金属16和铝硅基硬钎焊料17。硬钎焊料17在基质金属16的邻近翅片11的下侧层压到基质金属16的侧部上。散热器2的底板10由复合金属制成，该复合金属包括基质金属18和铝硅基硬钎焊料19。硬钎焊料19在基质金属18的邻近翅片11的上侧层压到基质金属18的侧部上。翅片11通过硬钎焊料17，19结合到顶板和底板9，10上。在散热器2中，水通过供给管14引入到通道12内，在通道12内发生热交换。在热交换之后被加热的水通过排放管15输送到放热器20并且通过散热被冷却。随后，水通过泵21输送回到散热器2并且通过供给管14引入到通道12内。
第一金属构件3由两种复合金属制成，所述复合金属通过硬钎焊或任何其它适当的方式结合在一起。一种复合金属包括由例如多孔铝板形成的第一基质金属22和层压到第一基质金属22的下表面上的铝硅基硬钎焊料24。另一种复合金属包括由铝板形成的第二基质金属23和层压到第二基质金属23的上表面上的铝硅基硬钎焊料25。
如关于第一金属构件3一样，第二金属构件7由两种复合金属制成，所述复合金属通过硬钎焊或任何其它适当的方式结合在一起。一种复合金属包括由例如多孔铝板形成的第一基质金属26和层压到第一基质金属26的上表面上的铝硅基硬钎焊料28。另一种复合金属包括由铝板形成的第二基质金属27和层压到第二基质金属27的下表面上的铝硅基硬钎焊料29。
第一和第二绝缘体4，8都是由诸如氮化铝(AiN)或氮化硅(Si3N4)之类的氮基陶瓷或者诸如氧化铝(Ai2O3)或氧化锆(ZrO2)的氧基陶瓷形成。金属基底5由复合金属制成，该复合金属包括由铝制成的基质金属30和层压到基质金属30的下表面上的铝硅基硬钎焊料31。半导体器件6安装在金属基底5的上表面上并且例如通过软钎焊或引线接合电连接到其上，由此形成电路。
通过诸如辊压接合、电镀或者印刷之类的任何已知方法实现用于散热器2的顶板和底板9，10、第一和第二金属构件3，7以及金属基底5的复合金属的制造。在本实施方式中使用的硬钎焊料具有基本相同的化学组分。具有不同的化学组分的不同硬钎焊料可以被使用，只要这种硬钎焊料的熔点的差异比较小。
在制造冷却装置1期间，首先，第二绝缘体8、第二金属构件7的第二和第一基质金属27，26、底板10、翅片11、顶板9、第一金属构件3的第一和第二基质金属22，23、第一绝缘体4和金属基底5以该次序堆叠在工作台(未示出)上。在真空环境中将该堆叠的部件加热到预定温度，同时沿堆叠的方向挤压它们，各部件的复合金属的硬钎焊料熔融。
第一金属构件3通过硬钎焊料24硬钎焊到顶板9的上表面上并且通过硬钎焊料25硬钎焊到第一绝缘体4的下表面上。金属基板5通过硬钎焊料31硬钎焊到第一绝缘体4的上表面上。第二金属构件7通过硬钎焊料28硬钎焊到底板10的下表面上，并且通过硬钎焊料29硬钎焊到第二绝缘体8的上表面上。翅片11通过硬钎焊料17在它们的上端处硬钎焊到顶板9的下表面上，并且通过硬钎焊料19在它们的下端处硬钎焊到底板10的上表面上。
这样，冷却装置1的部件，即，散热器2、第一和第二金属构件3，7、金属基底5、第一和第二绝缘体4，8可以被同时硬钎焊，由此允许简单及高效地制造冷却装置1。此外，除半导器件6之外的各部件的结合表面被硬钎焊，相比于软钎焊结合的情形，这防止了冷却装置1由于多年使用而引起的散热性能的降低。
在制造散热器2期间，例如，顶板9、底板10和翅片11如上所述被同时硬钎焊，并且然后侧板13、供给管14以及排放管15被通过任何适当的方式安装。可选择地，顶板9、底板10、翅片11、侧板13、供给管14以及排放管15可以被同时硬钎焊。半导体器件6安装在已经如上所述被硬钎焊到第一绝缘体4上的金属基底5上。
图2示出了根据本发明的冷却装置的第二实施方式，第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于第一和第二金属构件的结构，以及还在于半导体模块35取代了在第一绝缘体4上的半导体器件6。在附图中，相同的附图标记被用于在第一和第二实施方式中的公共元件或部件，将省略第二实施方式的这些元件或部件的说明。
在冷却装置32中，第一金属构件33、第一绝缘体4和半导体模块35以该次序层压在散热器2的顶板9的上表面上。第二金属构件34和第二绝缘体8以该次序层压在散热器2的底板10的下表面上。
第一金属构件33由复合金属制成，该复合金属包括由铝板形成的基质金属36、层压到基质金属36的下表面上的铝硅基硬钎焊料37、以及层压到基质金属36的上表面上的铝硅基硬钎焊料38。如关于第一金属构件33一样，第二金属构件34由复合金属制成，该复合金属包括由铝板形成的基质金属39、层压到基质金属39的上表面上的铝硅基硬钎焊料40、以及层压到基质金属39的下表面上的铝硅基硬钎焊料41。半导体模块35是绝缘型或者非绝缘型，该半导体模块35在其内具有电路板和安装在其上的半导体器件。
在制造冷却装置32期间，如在第一实施方式中的情形一样，第二绝缘体8、第二金属构件34、底板10、翅片11、顶板9、第一金属构件33和第一绝缘体34以该顺序堆叠在工作台上，这些部件被加热同时被挤压，从而各复合金属的硬钎焊料被熔融。第一金属构件33通过硬钎焊料37硬钎焊到顶板9的上表面上并且通过硬钎焊料38硬钎焊到第一绝缘体4的下表面上。第二金属构件34通过硬钎焊料40硬钎焊到底板10的下表面上并且通过硬钎焊料41硬钎焊到第二绝缘体8的上表面上。翅片11通过硬钎焊料17在它们的上端处硬钎焊到顶板9的下表面上，并且通过硬钎焊料19在它们的下端处硬钎焊到底板10的上表面上，如在第一实施方式的情形中一样。
根据第二实施方式，分别由包括基质金属和硬钎焊料的复合金属制成的散热器2的顶板和底板9，10以及第一和第二金属构件33，34可以被同时硬钎焊，由此提供了类似于第一实施方式的优点。在这些部件硬钎焊之后，可以通过诸如螺钉之类的适当装置容易地将半导体模块35安装在第一绝缘体4上。
图3示出了根据本发明的冷却装置的第三实施方式。第三实施方式与第二实施方式的不同之处在于，金属板43取代了第二金属构件34和第二绝缘体8。在附图中，相同的附图标记用于在第二和第三实施方式中的公共元件或部件，将省略第三实施方式的这些元件或部件的说明。
在冷却装置42中，第一金属构件33、第一绝缘体4和半导体模块35以该次序层压在散热器2的顶板9的上表面上。金属板43层压在散热器2的底板10的下表面上。金属板43由铝包覆钢板提供，特别是由包覆有镀层45的钢板44提供。底板10由复合金属制成，该复合金属包括基质金属18、层压到基质金属18的上表面上的铝硅基硬钎焊料19、以及层压到基质金属18的下表面上的铝硅基硬钎焊料46。
在制造冷却装置42期间，如在第一和第二实施方式中的情形一样，金属板43、底板10、翅片11、顶板9、第一金属构件33和第一绝缘体34以该顺序堆叠在工作台上，这些部件被加热同时被挤压，从而各复合金属的硬钎焊料熔融。第一金属构件33通过硬钎焊料37硬钎焊到顶板9的上表面上并且通过硬钎焊料38硬钎焊到第一绝缘体4的下表面上。金属板43通过硬钎焊料46硬钎焊到底板10的下表面上。翅片11通过硬钎焊料17在它们的上端处硬钎焊到顶板9的下表面上，并且通过硬钎焊料19在它们的下端处硬钎焊到底板10的上表面上，如在第二实施方式的情形中一样。
根据第三实施方式，分别由包括基质金属和硬钎焊料的复合金属制成的散热器2的顶板和底板9，10和第一金属构件33可以与金属板43一起被同时硬钎焊，由此允许简单且高效地制造冷却装置42，如在第一和第二实施方式中的情形中一样。此外，金属板43的设置防止了散热器2和其它层压部件的挠曲。通过硬钎焊结合防止了冷却装置42由于多年使用而引起的散热性能的降低。
第三实施方式可以被变型，使得散热器2的底板10由复合金属制成，该复合金属由基质金属18和层压到基质金属18的上表面上的铝硅基硬钎焊料19制成，硬钎焊料层压到金属板43的上表面上以形成复合金属。
图4示出了根据本发明的冷却装置的第四实施方式。第四实施方式与第二实施方式的不同之处在于散热器的结构，并且还在于去除了第二金属构件和第二绝缘体。在附图中，相同的附图标记用于在第二和第四实施方式中的公共元件或部件，将省略第四实施方式的这些元件或部件的说明。
在冷却装置47中，第一金属构件33、第一绝缘体4和半导体模块35以该次序层压在散热器48的顶板9的上表面上。散热器48具有彼此间隔开的顶板和底板9，10，翅片11相隔一定距离地布置在所述顶板和底板之间。任何两个相邻的翅片11在它们之间形成通道12，制冷剂在该通道中流动。顶板9由复合金属制成，该复合金属包括诸如铝的基质金属16和层压到基质金属16的下表面上的硬钎焊料17。底板10由复合金属制成，该复合金属由诸如铝的基质金属18和层压到基质金属18的上表面上的硬钎焊料19制成。散热器48具有树脂侧板49，该树脂侧板49围绕顶板和底板9，10的外围设置并且分别连接到树脂供给管50和树脂排放管51上。树脂板52安装到散热器48的底板10的下表面上。
尽管在附图中以简单的方式示出，但是侧板49和形成散热器48的通道12的一部分的排放管51和供给管50实际上具有复杂的形状，因此难以通过金属形成这些部件。在第四实施方式中，由金属制成的顶板9、底板10和翅片11提供良好的散热，同时，作为用于侧板49、树脂板52、供给管50和排放管51的材料的树脂的使用有助于把这些部件形成复杂的形状。
在第四实施方式中，可以去除树脂板52。在该情况中，被层压到底板10的下表面上的部件可以选自第一实施方式的第二金属构件7和第二绝缘体8、第二实施方式的第二金属构件34和第二绝缘体8、或者第三实施方式的金属板43。第四实施方式不但提供与前述实施方式的优点相类似的优点，而且也易于形成散热器。
上述实施方式可以如下面示例出的多种方式变型：
(1)用于第一实施方式的第一金属构件3的复合金属可以变型成使得硬钎焊料被层压到第一和第二基质金属22，23中的任一个的上表面和下表面上，同时硬钎焊料被层压到第一和第二基质金属22，23中的与前述一个基质金属相对的另一个的表面上。类似地，用于第二金属构件7的复合金属可变型成使得硬钎焊料被层压到第一和第二基质金属26，27中的任一个的上表面和下表面上，同时硬钎焊料被层压到第一和第二基质金属26，27中的与前述一个基质金属相对的另一个的表面上。
(2)在第一实施方式中，第一金属构件3可以由第一基质金属22和结合到第一基质金属22上的并且包括第二基质金属23和层压到第二基质金属23的上表面上的硬钎焊料25的复合金属制成，同时散热器2的顶板9可以由复合金属制成，该复合金属包括基质金属16和层压到基质金属16的上表面和下表面上的硬钎焊料。类似地，第二金属构件7可以由第一基质金属26和结合到第一基质金属26上的并且包括第二基质金属27和层压到第二基质金属27的下表面上的硬钎焊料29的复合金属制成，同时散热器2的底板10可以由复合金属制成，该复合金属包括基质金属18和层压到基质金属18的上表面和下表面上的硬钎焊料。也可以组合上述情形。
(3)在第二实施方式中，第一金属构件33可以由复合金属制成，该复合金属包括基质金属36和层压到基质金属36的上表面上的硬钎焊料，同时散热器2的顶板9可以由复合金属制成，该复合金属包括基质金属16和层压到基质金属16的上表面和下表面上的硬钎焊料。类似地，第二金属构件34可以由复合金属制成，该复合金属包括基质金属39和层压到基质金属39的下表面上的硬钎焊料，同时散热器2的底板10可以由复合金属制成，该复合金属包括基质金属18和层压到基质金属18的上表面和下表面上的硬钎焊料。也可以组合上述情形。
(4)在第一和第二实施方式中，可以去除设置在散热器2下面的第二金属构件7，34和第二绝缘体38。
(5)散热器2，48可以不仅是水冷却型，而且可以是空气冷却型。
(6)在第一和第二实施方式中，由铝制成的第一金属构件3，33、第二金属构件7，34和金属板5的基质金属可以由任何其它的诸如铜之类的具有高的热传导性的材料制成。在此情况中，可以选择和使用诸如铜或银硬钎焊料之类的合适的硬钎焊料。
(7)在第一实施方式中，半导体器件6可以被诸如电阻器或电容器之类的任何其它发热部件代替。
(8)本发明不但可以应用到在车辆中使用的电子器件，而且可以应用到用于消费者的电子器件或者其它相对小型的电子器件。

Claims (6)

1.一种冷却装置(1，32，42，47)，包括：
散热器(2，48)，所述散热器(2，48)具有顶板(9)、与所述顶板(9)间隔开的底板(10)、以及在所述顶板(9)和所述底板(10)之间的翅片(11)；
第一金属构件(3，33)，所述第一金属构件(3，33)层压到所述顶板(9)的与所述翅片(11)相反的侧部上；以及
第一绝缘体(4)，所述第一绝缘体(4)层压到所述第一金属构件(3，33)上；
其特征在于，所述顶板(9)、所述底板(10)和所述第一金属构件(3，33)各自由复合金属制成，所述复合金属包括基质金属(22，23，36)和硬钎焊料(24，25，37，38)，从而所述翅片(11)硬钎焊到所述顶板(9)和所述底板(10)上，所述第一金属构件(3，33)硬钎焊到所述顶板(9)上，以及所述第一绝缘体(4)硬钎焊到所述第一金属构件(3，33)上，
其中，半导体模块(35)安装在所述第一绝缘体(4)上。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述第一金属构件(33)包括基质金属(36)和层压到所述基质金属(36)的相对侧部上的硬钎焊料(37，38)，所述顶板(9)和所述底板(10)各自包括基质金属(16，18)和层压到所述基质金属(16，18)的邻近所述翅片(11)的侧部上的硬钎焊料(17，19)。
3.根据权利要求1或2所述的冷却装置，还包括第二金属构件(7，34)和第二绝缘体(8)，其中，所述第二金属构件(7，34)层压到所述底板(10)的与所述翅片(11)相反的侧部上，所述第二金属构件(7，34)由复合金属制成，所述复合金属具有与用于所述第一金属构件(3，33)的复合金属的化学组分基本相同的化学组分，所述第二绝缘体(8)层压到所述第二金属构件(7，34)上。
4.根据权利要求1或2所述的冷却装置，还包括铝包覆钢板(43)，所述铝包覆钢板(43)层压到所述底板(10)的与所述翅片(11)相反的侧部上，其中，所述底板(10)包括基质金属(18)和层压到所述基质金属(18)的相对侧部上的硬钎焊料(19，46)。
5.根据权利要求3所述的冷却装置，其中，另一半导体模块(35)安装在所述第二绝缘体(8)上。
6.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述散热器具有供给管和排放管，所述供给管和所述排放管附接至所述散热器的侧板。
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