CN103426841A - 一种功率半导体器件冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种功率半导体器件冷却装置，具有上表面安装功率半导体器件、下表面设有开口、侧壁为环状的安装器和紧密安装于所述安装器开口下的冷却介质容器以及安装于所述安装器上面和下面的安装O型圈，所述冷却介质容器至少一个侧面上设有冷却介质流通口，所述冷却介质容器上表面至少设有一个开口。本发明的优点是：能均匀散热并提高热交换效率，防止芯片温升过大和芯片温度变化率过大而损坏，低成本。

Description

一种功率半导体器件冷却装置

所属技术领域

本发明涉及一种功率半导体器件冷却装置，特别涉及功率半导体器件模块的冷却装置。

背景技术

功率半导体器件是半导体变流技术中的关键部件。随着变流装置功率容量的剧增，功率半导体器件的体积和发热功率也在剧增，高效的冷却装置对于功率半导体器件的可靠性极其重要。高性价比的冷却装置成为价格敏感的行业如新能源汽车行业追求的目标。

功率半导体模块通常由数个芯片均布焊接在模块的散热基板上。目前公知常用的功率半导体器件模块冷却装置结构如图1所示：功率半导体器件模块(1)安装在设置冷却介质通道的导热支撑平板(13)上，冷却介质从进口(3)进入腔体，在通道内部表面平流，依次和靠近入口的腔体内表面及靠近出口的腔体内表面进行热交换，从出口(4)流出，从而带走功率半导体器件模块(1)的热量。在这种冷却方式下，冷却介质进入腔体后温度逐渐上升，导致功率半导体模块的芯片冷却不均匀，局部高温造成模块失效，可靠性降低。导热支撑平板(13)和冷却介质(14)之间为层流换热，温度梯度小，热阻大，芯片温升高，温度变化率大，器件寿命低，可靠性差。通常的高热导率金属体也同时作为壳体的支撑体，体积大，性价比低。

授权公告号CN201623026专利记载的冷却装置是在上述结构的基础上在冷却介质通道上真空钎焊散热翅片，通过增加散热面积的方式提高热交换效率。未能解决冷却不均匀和平流高热阻造成的可靠性低和成本高的问题。授权公告号为CN202656971专利记载的方案是在上述水道内加入在出入水口依次错开的平行密布的立壁分割成的液管，也未能解决冷却不均匀和平流高热阻造成的可靠性低和成本高的问题。

授权公告号为CN101005745的专利记载了一种微喷射流冷却系统。技术方案使用内设数个腔体，腔体间设有微冷却介质导引嘴的隔板的微喷射流器，配合循环微泵和带有风扇与散热器的储液箱形成射流冷却系统。该方案存在着这样的问题：功率半导体器件的基板体积小，热容量小，当发生浪涌热量时器件芯片温度变化剧烈，而且完全依赖良好的冷却介质循环，热循环寿命降低，可靠性低。

授权公告号为CN201365388的专利记载的冷却装置是在被开有小孔的L型隔壁分成上下两个冷却道的散热座上安装功率半导体模块基板，功率半导体器件器件的基板直接接触冷却介质。该方案也存在着基板热容量小，温度变化剧烈且完全依赖良好的冷却介质循环，不能解决可靠性低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供解决上述问题，提供能均匀散热并提高热交换效率，防止芯片温升过高，且能降低芯片温度变化率、提高芯片循环寿命的低成本功率半导体器件冷却系统。

本发明的目的是通过如下装置来达到：

1.一种功率半导体器件冷却装置，其特征在于：具有：上表面安装功率半导体器件、下表面设有开口、侧壁为环状的安装器和紧密安装于所述安装器下表面开口下的冷却介质容器以及安装于所述安装器上面和下面的O型圈，所述冷却介质容器一个侧面上设有冷却介质入口，所述冷却介质容器上表面至少设有一个开口，所述冷却介质容器安装有液位检测器和至少一个温度传感器。

2.根据上述1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述安装器内部上表面设有凸出下表面的柱体。

3.根据上述1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述安装器上表面为开口。

4.根据上述3所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：还包括安装于功率半导体器件和所述安装器之间的附加基板，所述附加基板下表面设有凸出下表面的柱体。

5.根据上述1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述安装器侧面上设有冷却介质出口。

6.根据上述1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器侧壁上设有一个冷却介质出口，该出口与入口通过二者中间的立壁分隔，所述冷却介质容器上表面设有与冷却介质出口联通且和安装器内部联通的口。

7.根据上述1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器上表面与冷却介质入口相连通的口上设有冷却介质导引嘴，冷却介质导引嘴高出冷却介质容器上表面。

8.根据上述1或3或4或5或6或7所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器材料是铝薄板或塑料。

9.根据上述3或4或5或6或7所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器和所述安装器的接触部分以其制造材料连接成为一体。

本发明的有益效果是：根据上述1-9的功率半导体模块冷却装置，冷却介质于冷却介质容器内处于等温状态，模块上的芯片处于同等的冷却条件，解决了模块上芯片冷却不均匀造成的温升不同的问题。冷却介质通过冷却介质容器上表面的开口或冷却介质导引嘴喷射形成紊流与功率半导体模块基板或附加基板高效交换热量，紊流热量效率远高于平流。附加基板增加了基板的热容量，当发生浪涌热量时，热量被附加基板吸收，防止芯片温度变化剧烈，提高温度循环寿命提高可靠性。同时，柱状的凸起增加了热交换面积，提高了热交换效率。温度传感器和液位检测器使异常情况可提前监测，提高可靠性。安装器和冷却介质容器用易于成型的低成本材料使功率半导体模块冷却装置具有更高的性价比。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有技术方案剖面构造图。

图1中：1.功率半导体器件模块，3.进口，4.出口，12.导热硅脂层，13.导热支撑平板，14.冷却介质

图2是本发明安装了功率半导体器件模块的构造图。

图2中：1.功率半导体器件模块，3.冷却介质容器，4.安装器，6.温度传感器，7.液位传感器

图3是本发明安装了功率半导体器件模块的构造图的爆炸图。

图3中：1.功率半导体器件模块，2.附加基板，3.冷却介质容器，4.安装器，5.O型圈，6.温度传感器，7.液位传感器

图4是本发明附加基板的一个实施例构造图。

图5是本发明冷却介质容器的构造图。

具体实施方式

下面参考附图来说明本发明的实施方式。

下面的描述中的铜包含纯铜及其合金，铝包含纯铝及其合金，工程塑料包含工业用的各种塑料。

在图2和图3所示的实施方式中，包含1.功率半导体器件模块，2.和功率半导体器件模块1的基板紧密配合的附加基板，3.安装在安装器4下表面开口下的冷却介质容器，4.安装附加基板的安装器，5.安装于附加基板2和安装器4之间以及安装器4和冷却介质容器3之间的密封O型圈，6.安装于冷却介质容器3的出口位置的温度传感器，7.安装于冷却介质容器3的出口位置的液位传感器。通过附加的穿过功率半导体器件1的四个安装孔的螺栓和位于冷却介质容器3对应位置的内嵌螺母，将功率半导体器件模块1、附加基板2、O型圈5、安装器4和冷却介质容器3紧密压装在一起。

冷却介质从入口31进入冷却介质容器内部，在冷却介质导引嘴33处形成等温的喷射状介质流冷却附件基板4，紊流交换热量后通过开口34流入冷却介质出口32。一般的，冷却介质被强制流动。当发生浪涌热量或冷却媒介流动失效时，热量迅速被高导热率的附加基板吸收，中等的热容能防止半导体芯片的温升过高，具有热滞后的温度传感器能够做出反应，提供温度传感途径，以采取进一步的保护措施。液位传感器7主动探知冷却介质的潜在失效和能力降低，为控制器提供感知途径，实现提供超前的保护。

另外的实施例中，当功率半导体模块1的基板体积足够大时，不再安装附加基板2，功率半导体模块1和O型圈5直接安装在安装器4上。

在图2和图3所示的实施方式中，冷却介质容器3具备：与冷却介质容器3内部相连通的冷却介质入口31；与冷却介质容器3内部相连通的冷却介质导引嘴33；与安装器4内部联通且和冷却介质出口32联通的开口34。

在图2和图3所示的实施方式中，冷却介质容器3具有冷却介质入口31和冷却介质出口32，在其他实施方式中可以仅设有冷却介质入口31，冷却介质出口32和开口34取消，形成实体壁，相应的，在安装器4侧壁设置冷却介质出口。

冷却介质容器3的冷却介质导引嘴33高出冷却介质容器3上表面，在图2和图3所示的实施方式中冷却介质导引嘴33是圆筒形，可以做成方筒形或椭圆筒形，优选方筒形。在其他实施方式中，将冷却介质容器3的上壁设计成厚壁，在冷却介质导引嘴33位置设置开口，取代冷却介质导引嘴33。

冷却介质容器3是薄壁容器，在图2和图3所示的实施方式中其材质是工程塑料，可以使用铝薄板或铜薄板制成。

在图2和图3所示的实施方式中，安装器4具有：和附加基板2下表面接触的法兰42，法兰42内设有环绕安装器4内立壁的U型槽41；和冷却介质容器3上表面接触的法兰44，法兰面内开有环绕安装器4内立壁的U型槽。安装器4下表面和上表面设有开口，冷却介质容器3安装在下开口上，冷却介质导引嘴33喷出的冷却介质该开口接触附加基板。安装器4环状的侧壁43使冷却介质流入开口34。

安装器4可以使用工程塑料或铝薄板或铜薄板制成。

在其他实施例中，冷却介质容器3仅有冷却介质入口31，冷却介质出口32和开口34取消而形成实体壁时，在安装器4侧壁设置冷却介质出口。

两个O型圈5分别安装在法兰的U型槽41内，通过挤压形变达到密封的目的。O型圈选用标准件。

附加基板2具有平整的与功率半导体模块基板紧密接触的上表面，下表面有柱状突出物21，本实施例中突出物为菱形柱，其横截面形状可以是圆形椭圆形等。

在本实施例中，附加基板2的材料铜，也可以使用铝，优选铜。

在另外的实施例中，附加基板2和安装器4使用同种金属材料，如铜或铝。附加基板2和安装器4在接触面融合为一体，形成上表面封闭，安装器上部内表面设有凸出表面的柱体的另外一种结构，该结构具有附加基板2和安装器4的特征，能实现本发明的目的。

在另外的实施例中，冷却介质容器3和安装器4使用同种金属材料，如工程塑料或铝。冷却介质容器3和安装器4在接触面融合，形成具有上表面开口，内部具有冷却介质导引嘴的另外一种结构，该结构具有冷却介质容器3和安装器4的特征，能实现本发明的目的。

在图2和图3所示的实施方式中，温度传感器安装于冷却介质容器6的出口位置检测出水口的水温。在另外的实施例中，在入口的位置另设一个温度传感器，检测入口位置冷却介质的温度。

液位检测器7检测液体冷却介质的高度，当液位高度过低时，提供感知途径。

在上述实施例方式中，仅仅给出了一种功率半导体模块的冷却示例，上述实施例方式和具有本发明特征的组合能适用其他封装结构的功率半导体器件模块。

Claims (9)

1.一种功率半导体器件冷却装置，其特征在于具有：上表面安装功率半导体器件、下表面设有开口、侧壁为环状的安装器和紧密安装于所述安装器下表面开口下的冷却介质容器以及安装于所述安装器上面和下面的O型圈，所述冷却介质容器一个侧面上设有冷却介质入口，所述冷却介质容器上表面至少设有一个开口，所述冷却介质容器安装有液位检测器和至少一个温度传感器。

2.根据权利要求1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述安装器内部上表面设有凸出下表面的柱体。

3.根据权利要求1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述安装器上表面为开口。

4.根据权利要求3所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：还包括安装于功率半导体器件和所述安装器之间的附加基板，所述附加基板下表面设有凸出下表面的柱体。

5.根据权利要求1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述安装器侧面上设有冷却介质出口。

6.根据权利要求1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器侧壁上设有一个冷却介质出口，该出口与入口通过二者中间的立壁分隔，所述冷却介质容器上表面设有与冷却介质出口联通且和安装器内部联通的口。

7.根据权利要求1所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器上表面与冷却介质入口相连通的口上设有冷却介质导引嘴，冷却介质导引嘴高出冷却介质容器上表面。

8.根据权利要求1或3或4或5或6或7所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器材料是铝薄板或塑料。

9.根据权利要求3或4或5或6或7所述的功率半导体器件冷却装置，其特征在于：所述冷却介质容器和所述安装器的接触部分以其制造材料连接成为一体。

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