CN102956586A - 用于igbt模块的高性能液体冷却散热器 - Google Patents

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    • H05K7/20936—Liquid coolant with phase change

Abstract

本发明名称为“用于IGBT模块的高性能液体冷却散热器”。本发明涉及并公开了一种散热器组件包括连接至电子装置第一侧的底板。多片散热片位于外壳内，并从所述底板延伸而出。所述外壳包括界定多个第一通道的第一歧管和界定多个第二通道的第二歧管，所述多个第二通道与所述多个第一通道流体连通。所述多个第一通道中的至少一个第一通道在所述多个第二通道中相邻的一对第二通道之间延伸，其经定向以将流体导向所述多片散热片中的至少一片散热片；并进一步公开了一种冷却电子装置的方法。

Description

用于IGBT模块的高性能液体冷却散热器
技术领域
本发明大体涉及冷却物体，具体而言，涉及从绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块中抽取热量。
背景技术
至少部分已知的计算机和/或电子系统包括至少一个IGBT模块，以便高效快速地切换电力。在运行过程中，已知的IGBT模块通常会产生热量。这样，至少部分已知的IGBT模块会与散热器连接，以便驱散由IGBT模块产生的热量。至少部分已知的系统会带有热阻较高的IGBT模块散热器接口界面。例如，界面可能有微小的平坦度问题并/或因为压力较小而缺少接触面积。
随着近年来计算机和/或电子系统领域的技术发展，人们已付出了大量努力，以开发可靠高效的散热器。至少部分已知的系统包括位于IGBT模块与散热器之间的热界面材料(TIM)，例如氧化锌填充的硅脂。但是，较薄的TIM脂接合处只会造成界面与周围环境之间的总体温度下降25-50％。
发明内容
一方面，本发明提供一种外壳，用于包括多片散热片的散热器。外壳包括界定多个第一通道的第一歧管和界定多个第二通道的第二歧管，多个第二通道与多个第一通道流体连通。多个第一通道中的至少一个第一通道在多个第二通道中相邻的一对第二通道之间延伸，其经定向以将流体导向多片散热片中的至少一片散热片。多片散热片位于外壳内。
另一方面，本发明提供一种散热器组件，用于电子装置。散热器组件包括连接至电子装置第一侧的底板、从底板延伸出的多片散热片以及包括界定多个第一通道的第一歧管和界定多个第二通道的第二歧管的外壳，多个第二通道与多个第一通道流体连通。多个第一通道中的至少一个第一通道在多个第二通道中相邻的一对第二通道之间延伸，其经定向以将流体导向多片散热片中的至少一片散热片。多片散热片位于外壳内。其进一步包括位于所述底板与所述电子装置的所述第一侧之间的共晶合金。其中所述多片散热片使用焊接合金连接至所述底板，所述焊接合金的导热性在约10.0W/(m K)至约100.0W/(m K)之间。其中所述多片散热片中的至少一片散热片大体为固态。其中所述多个第一通道和所述多个第二通道的至少一个通道经定向以在所述外壳内提供多个局部流路。其中所述第一歧管与入口流体连通，所述第二歧管与出口流体连通，这样流体就会经引导从所述入口流过所述多个第一通道，并通过所述出口从所述多个第二通道排出。
所述的散热器组件，其中所述外壳进一步包括第一侧壁和相对的第二侧壁，其中所述多个第一通道从所述第一侧壁延伸向所述第二侧壁，且所述多个第二通道从所述第二侧壁延伸向所述第一侧壁。其中所述多个第一通道与所述多个第二通道大体平行。其中所述底板包括多个加强肋。所述的散热器组件，其进一步包括密封，所述密封可将流体保持在所述外壳内。
所述的散热器组件，其进一步包括：连接到所述电子装置的第二侧的第二底板；从所述第二底板延伸而出的第二组多片散热片；以及第二外壳，其包括界定多个第三通道的第三歧管和界定多个第四通道的第四歧管，所述多个第四通道与所述多个第三通道流体连通，所述多个第三通道中的至少一个第三通道在所述多个第四通道中相邻的一对第四通道之间延伸，并经定向以将流体导向所述第二组多片散热片中的至少一片散热片，其中所述第二组多片散热片位于所述第二外壳内。
再一方面，本发明提供一种用于冷却电子装置的方法，电子装置与散热器组件连接，散热器组件包括底板和从底板延伸出的多片散热片。该方法包括将多片散热片定位到外壳中，外壳包括界定多个第一通道的第一歧管和界定多个第二通道的第二歧管，多个第二通道与多个第一通道流体连通。多个第一通道中的至少一个第一通道在多个第二通道中相邻的一对第二通道之间延伸。流体经引导以通过多个第一通道中的至少一个第一通道，流向多片散热片中的至少一片散热片，再通过多个第二通道中的至少一个第二通道。
所述的方法，其进一步包括在所述底板与所述电子装置之间涂抹共晶合金。
所述的方法，其中引导流体进一步包括在多个局部流路中引导流体。其中引导流体进一步包括：从入口将流体引导通过所述多个第一通道；以及通过出口从所述多个第二通道中排出流体。
所述的特征、功能和优点可独立于本发明的各实施例来实现，或者可在其他实施例中进行结合，参考以下说明和附图可了解所述实施例的进一步细节。
附图说明
图1为连接至示例性散热器和示例性外壳的示例性电子装置的侧视图；
图2为图1所示散热器的俯视/仰视图；以及
图3为图1所示外壳的示例性通道布置的示意图。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  100   电子装置   110   散热器组件
  120   散热器   130   外壳
  140   底板   150   底板表面
  160   电子装置表面   170   散热片
  180   腔   190   入口通道
  200   出口通道   210   局部流路
 220   开口   230   加强肋
 240   密封   250   入口歧管
 260   出口歧管   270   第一侧壁
 280   第二侧壁   290   入口
 300   出口   310   入口通道宽度
 320   出口通道宽度   330   入口通道长度
具体实施方式
本专利申请文件所述的方法和系统涉及到冷却物体。散热器组件包括连接至物体第一侧的底板、从底板延伸而出的多片散热片以及包括界定多个第一通道的第一歧管和界定多个第二通道的第二歧管的外壳，多个第二通道与多个第一通道流体连通。在运行过程中，热量会通过底板从物体转移至散热片。为了冷却散热片，流体通过至少一个第一通道，经引导流向至少一片散热片，再通过至少一个第二通道。
图1所示为连接至散热器组件110的示例性电子装置100，该散热器组件110包括示例性散热器120和示例性外壳130。本专利申请文件所用的术语“电子装置”是指影响电子和/或相关电场并在运行过程中产生副产物热量的物体。电子装置的实例包括但不限于，绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块、半导体芯片、微处理器、数字信号处理器、图形处理单元、集成电路、二极管和/或其他任意合适的生热装置。在示例性实施例中，电子装置100为可在市场上购买到的日本东京三菱电机公司(Mitsubishi Electric Corporation)提供的三菱CM2400HCB-34N IGBT。或者，电子装置100可以为可让散热器120和/或外壳130如本专利申请文件所述那样运行的任意物体。
在示例性实施例中，多个电子装置100连接至散热器组件110。具体而言，在示例性实施例中，散热器组件110为双侧组件，这样两个电子装置100便可分别连接至组件两侧。或者，任意数量的电子装置100也可连接至拥有任意个侧面的散热器组件110，散热器组件拥有的侧面数可让电子装置100和/或散热器装置110如本专利申请文件所述那样运行。
在示例性实施例中，散热器120包括连接至电子装置100的底板140，用于吸收并/或驱散由电子装置100产生的热量。散热器120使用可让散热器组件110和/或电子装置100如本专利申请文件所述那样运行的任意合适的紧固机制连接至电子装置100。例如，在示例性实施例中，底板140和电子装置100均有多个开口(图1中未图示)，紧固件(未图示)延伸通过每个开口，以便将电子装置100和/或底板140连接至外壳130。此外，底板140与电子装置100之间提供了较薄的焊接界面，以在底板与电子装置之间提供导热材料。在示例性实施例中，导热材料为共晶金属合金。例如，在示例性实施例中，共晶金属合金用于将底板140焊接至电子装置100。在示例性实施例中，使用共晶金属合金可以使底板140和电子装置100紧密连接，以增强底板与电子装置之间的导热性。或者，导热材料可能包括可让散热器120和/或电子装置100如本专利申请文件所述那样运行的任意合适的材料和/或成分。
为了增强底板140与电子装置100之间的导热性，在示例性实施例中，底板140的表面150与电子装置100的表面160大体互补。作为补充或替代，底板140可使用导热性强的材料制成，例如，此类材料包括但不限于，铝、铜、铝碳化硅、铝合金、铝复合物、铜合金、铜复合物和/或石墨。在一项替代实施例中，散热器组件110不包括底板140，散热片170直接连接至电子装置的表面160。
在示例性实施例中，多片散热片170从底板140延伸而出，这样有助于带走电子装置100的热量。在示例性实施例中，每片散热片170均与底板140一体成型。也就是说，在示例性实施例中，底板140和散热片170是使用单片材料制成的，制造方法为挤压、浇铸、加工和/或其他金属加工工艺。
作为补充或替代，可以在适合电子装置100的温度下将散热片170焊接至底板140。也就是说，可以将散热片170连接至底板140，而又不使位于电子装置100内的部件(未图示)发出改变或损坏。例如，在此类实施例中，可以使用共晶金属粘接工艺将散热片170软焊接至底板140。共晶金属粘接可使散热片170与底板140之间的热阻抗较低。在示例性实施例中，共晶金属合金的熔点低于电子装置100中使用的焊接温度。在示例性实施例中，共晶金属合金的熔点大约低于360℃。具体而言，在示例性实施例中，共晶金属合金的熔点低于约230℃。更具体而言，在示例性实施例中，共晶金属合金的熔点低于约180℃。
Figure BDA00002043376700061
表1.示例性焊接合金的性质
在示例性实施例中，用于将散热片170连接至底板140的焊接合金的导热性在约10.0W/(m·K)至约100.0W/(m·K)之间。表1所示为可用于将散热片170连接至底板140的示例性焊接合金。或者，共晶金属合金可能为可让散热器120和/或电子装置100如本专利申请文件所述那样运行的任意合适的材料和/或成分。
在示例性实施例中，散热片170是使用导热性强的材料制成的，以增强散热片170与底板140之间的导热性。此类材料包括但不限于，铝、铜、铝合金、铝复合物、铜合金、铜复合物和/或石墨。在一项实施例中，至少一片散热片170为固体，以增强散热片170的导热性。作为补充或替代，散热片170的外表面面积可能相对较大，适用于驱散热量。例如，在示例性实施例中，所有散热片170大体上成圆柱形、圆锥形和/或锥台形，其长度在约0.5cm(0.20in.)至约2.5cm(0.98in.)之间，直径在约1.0mm(0.04in.)至约4.0mm(0.16in.)之间。或者，所有散热片170的大小和/或形状可以为可让散热片170如本专利申请文件所述那样运行的大小和/或形状。
在示例性实施例中，外壳130与底板140连接，以设定外壳与底板之间的腔180。外壳130使用可让外壳130和/或散热器120如本专利申请文件所述那样运行的任意合适的紧固机制与底板140连接。例如，在一项实施例中，轴环沿外壳130和/或底板140的外围延伸，以提供密封，从而使流体保持在腔180内。在另一项实施例中，外壳130和散热器120具有互补的槽和脊系统，可实现类似的功能。在此类实施例中，槽和脊系统位于外壳130和/或底板140的外围周围以及表面下，以提供配合面。液封包括(但不限于)O形环，可用于轴环和/或槽和脊系统。
在示例性实施例中，腔180设定为合适的大小，以容纳散热片170。在示例性实施例中，外壳130包括第一歧管或入口歧管和第二歧管或出口歧管，下文将对此进行更加详细的描述，第一歧管或入口歧管包括多个第一通道或入口通道190，第二歧管或出口歧管包括多个第二通道或出口通道200。在示例性实施例中，入口通道190通过腔180与出口通道200流体连通。具体而言，在示例性实施例中，入口通道190和出口通道200的布置，如下文详细描述，可在腔180内形成多个局部流路210，以促进散热片170之间的热转移，并促使流体通过腔180。例如，在示例性实施例中，每个入口通道190经定向以将流体导向相邻的散热片170和相邻的出口通道200。
在示例性实施例中，电子装置100在运行过程中产生热量，热量由散热器组件110吸收。在散热器组件110中，热量从底板140转移至散热片170，以将热量从电子装置100上转移离开。
在示例性实施例中，流体从入口通道190经引导流向底板140和/或散热片170，以将热量从散热器120上转移离开，具体而言，从散热片170上转移离开。热量从散热片170转移至流体，流体经引导流向出口通道200。这样，散热器组件110就可以形成局部流路210，局部流路将转移热量的流体引导离开散热片170，以减少散热片170之间转移的热量。
图2所示为包括散热片170的散热器120，散热片间隔较小，以增加散热片170暴露在经导向流过腔180的流体中的总表面面积(图1所示)。在示例性实施例中，散热片170以阵列和/或网格布局进行布置。或者，散热片170可使用挤压、浇铸、加工和/或其他金属加工工艺以可让散热器120如本专利申请文件所述那样运行的任意合适的配置进行布置和/或定向。
在示例性实施例中，多个开口220延伸通过底板140。开口220对应于设在电子装置100中的多个开口(未图示)。这样，紧固件(未图示)就可以从中延伸通过，以将电子装置100和/或底板140连接至外壳130。
流体会在腔180内施加一个静压力，同时，在示例性实施例中，多个加强肋230延伸跨过底板140的一部分，以便为底板140提供结构支撑。在示例性实施例中，加强肋230提供可以缓解偏转和/或变形的抗弯强度。在示例性实施例中，加强肋230可引导流体自散热片170上方通过。此外，在一项实施例中，加强肋230可经定位和/或定向以将流体引导通过入口通道190(图1所示)与出口通道200(图1所示)之间的腔180。
在示例性实施例中，密封240在底板140的外围四周延伸。密封240可将流体保持在腔180内。或者，密封240可以可让散热器120和/或外壳130(图1所示)如本专利申请文件所述那样运行的任意合适的配置进行定位和/或定向。
图3所示为位于外壳130(图1所示)内的入口歧管250和出口歧管260的布置。在示例性实施例中，入口歧管250与入口通道190流体连通，入口通道从第一侧壁270延伸至相对的第二侧壁280。在示例性实施例中，入口290经定位和/或定向以引导流体通过入口通道190。
此外，在示例性实施例中，出口歧管260与出口通道200流体连通，出口通道从第二侧壁280延伸至第一侧壁270。在示例性实施例中，出口通道200经定位和/或定向以将流体导向出口300。具体而言，在示例性实施例中，至少一个出口通道200在相邻的一对入口通道190之间延伸，且至少一个入口通道190在相邻的一对出口通道200之间延伸。也就是说，在示例性实施例中，入口通道190和出口通道200交织。在示例性实施例中，通道190和200的交织布置有助于引导流体通过外壳130，这样，与传统散热器相比，散热片170之间转移的热量就会大幅度减少。在示例性实施例中，入口通道190与出口通道200对齐，彼此大体平行。
在示例性实施例中，入口歧管250经定位和/或定向以将流体导向出口歧管260。在一项实施例中，流体在入口290处的液压较高，这样流体就会被挤压通过入口通道190、腔180和/或出口通道200。此外，流体在出口300处的液压较低，这样需从入口通道190、腔180和/或出口通道200中抽出流体。
在示例性实施例中，入口通道190的宽度310小于出口通道的宽度320，该宽度310设定为合适的大小，以使流体基本能经引导通过入口通道190的长度330。或者，在一项实施例中，每个入口通道190可能均包括一个盖和位于长度330上的多个开口。在此类实施例中，经引导流过入口通道190的流体可能会经引导流过开口，以冷却散热片170。
本专利申请文件所述的方法和系统涉及使用散热器组件冷却电子部件。散热器组件包括位于外壳内的散热片。外壳包括至少一个歧管，歧管经配置以在局部流路中引导流体，以提高散热器组件的湍流和/或冷却效率。这样，局部流路就有助于增加散热片之间转移的热量和经引导流过腔的流体。此外，散热器组件可以设计成具有较大的表面面积，表面与流体冷却剂接触并/或与电子装置的底板紧密热接触，以提高性能。
上文对冷却电子部件的示例性实施例进行了详细的描述。本专利申请文件所述的系统和方法并不限于具体实施例，实际上，方法的操作和系统的部分可独立于本专利申请文件所述的其他操作和/或部分单独使用。例如，本专利申请文件所述的方法和设备可具有其他产业和/或客户应用，且不限于使用本专利申请文件所述的电子部件进行实践。实际上，一项或多项实施例可在其他产业中实施和使用。
应了解，在本专利申请文件中，以单数形式列举、并用字词“一”或“一个”引出的元件或步骤并不排除多个所述元件或步骤，除非明确指出所述排除情况。此外，提及“一项实施例”并不代表不存在同样包括所述特征的其他实施例。此外，除非明确指出相反情况，否则“包含”、“包括”或“拥有”具有特定性质的某个元件或多个元件的实施例可包括不具有所述性质的其他此类元件。
本说明书使用了各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无大体差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种用于包括多片散热片(170)的散热器(120)的外壳(130)，所述外壳包括：
界定多个第一通道(190)的第一歧管(250)；以及
界定多个第二通道(200)的第二歧管(260)，所述多个第二通道与所述多个第一通道流体连通，所述多个第一通道中的至少一个第一通道在所述多个第二通道中相邻的一对第二通道之间延伸，并经定向以将流体导向所述多片散热片中的至少一片散热片，其中所述多片散热片位于所述外壳内。
2.根据权利要求1所述的外壳，其中所述多个第一通道和所述多个第二通道经定向以在所述外壳内提供多个局部流路(210)。
3.根据权利要求1所述的外壳，其中所述第一歧管与入口(290)流体连通，且所述第二歧管与出口(300)流体连通，这样流体就会经引导从所述入口流过所述多个第一通道，并通过所述出口从所述多个第二通道排出。
4.根据权利要求1所述的外壳，其进一步包括第一侧壁(270)和相对的第二侧壁(280)，其中所述多个第一通道从所述第一侧壁延伸向所述第二侧壁，且所述多个第二通道从所述第二侧壁延伸向所述第一侧壁。
5.根据权利要求1所述的外壳，其中所述多个第一通道与所述多个第二通道大体平行。
6.一种用于电子装置(100)的散热器组件(110)，所述散热器组件包括：
连接到所述电子装置的第一侧(160)的底板(140)；
从所述底板延伸出的多片散热片(170)；以及
外壳(130)，其包括界定多个第一通道(190)的第一歧管(250)和界定多个第二通道(200)的第二歧管(260)，所述多个第二通道与所述多个第一通道流体连通，所述多个第一通道中的至少一个第一通道在所述多个第二通道中相邻的一对第二通道之间延伸，并经定向以将流体导向所述多片散热片中的至少一片散热片，其中所述多片散热片位于所述外壳内。
7.根据权利要求6所述的散热器组件，其进一步包括位于所述底板与所述电子装置的所述第一侧之间的共晶合金。
8.根据权利要求6所述的散热器组件，其中所述多片散热片使用焊接合金连接至所述底板，所述焊接合金的导热性在约10.0W/(m·K)至约100.0W/(m·K)之间。
9.根据权利要求6所述的散热器组件，其中所述多片散热片中的至少一片散热片大体为固态。
10.根据权利要求6所述的散热器组件，其中所述多个第一通道和所述多个第二通道的至少一个通道经定向以在所述外壳内提供多个局部流路(210)。
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