CN103715156A - 冷却装置和半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种冷却装置，包括基体和多个散热器片。该基体包括外部、内部、进口以及出口。发热元件连接到基体的外部。散热器片位于基体的内部中、发热元件的附近。散热器片从进口到出口地设置。每个散热器片均具有侧向横截面，该侧向横截面具有在冷却介质的流动方向上的尺寸以及在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上的尺寸。在流动方向上的尺寸长于在横向方向上的尺寸。散热器片在横向方向上彼此分离开预定的距离。

Description

冷却装置和半导体装置

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，该冷却装置通过流经基体的冷却介质冷却连接到该冷却装置的基体的发热元件，并且本发明涉及一种半导体装置，该半导体装置包括与绝缘基板连接的冷却装置，在该绝缘基板上安装有半导体元件。

背景技术

一种对例如电子部件的发热元件进行冷却的现有技术中已知的冷却装置包括基体以及形成在基体中的流动通道。该发热元件安装在基体的外部上。冷却介质流经流动通道（参照例如日本公开专利公报No.2012-29539）。

在以上公报中公开的冷却装置中，在流动通道中设置有多个销状散热器片。流动通道的壁表面以及散热器片形成基体的内表面。散热器片增大了基体的与冷却介质接触的内表面的面积。当由发热元件产生的热量转移到基体时，散热器片增大了基体的内表面与基体中的冷却介质之间的热交换的量。这改善了冷却发热元件的效率。

在以上冷却装置中，为了进一步改善对发热元件的冷却效率，可以增加具有圆形横截面的散热器片的直径，以增大每个散热器片的表面面积。

然而，这会增加每个散热器片的宽度。即，散热器片的尺寸会在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上增加。结果，散热器片增加了流动通道中的流动阻力，这又增大了冷却介质穿过流动通道时的压力损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷却装置以及一种半导体装置，该冷却装置和半导体装置抑制了冷却介质穿过基体的内部时的压力损失的增加，并且改善了冷却发热元件的效率。

为了实现上述目的，本发明的一个方面是一种冷却装置，其包括基体和多个销状散热器片。该基体包括外部、内部、进口以及出口。发热元件连接到外部。散热器片位于基体的内部中、靠近发热元件的部分处。散热器片从进口到出口地设置。冷却装置通过在基体的内部中从进口向出口流动的冷却介质冷却发热元件。散热器片中的每个散热器片均包括侧向横截面，所述侧向横截面具有在冷却介质的流动方向上的尺寸和在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上的尺寸，并且在流动方向上的尺寸长于在横向方向上的尺寸。散热器片在横向方向上彼此分离开预定的距离。

通过结合附图、借助于示例说明本发明的原理的以下描述，本发明的其他方面和优势将变得明显。

附图说明

本发明及其目的和优势可以通过参照目前优选实施方式的以下描述以及附图得到最好的理解，在附图中：

图1为根据本发明第一实施方式的冷却装置的分解立体图；

图2为图1中的冷却装置的截面图；

图3为示出了图1中的冷却装置的运行的示意图；

图4A至图4D为分别示出了根据其他实施方式的冷却装置的主要部分的放大截面图。

具体实施方式

现在将参照图1至图3对本发明的一个实施方式进行描述。

参照图1，在本实施方式中，冷却装置10包括基体20。该基体20包括铝制的第一基体形成构件21和铝制的第二基体形成构件22。第一基体形成构件21和第二基体形成构件22具有相同的形状并且彼此联接。第一基体形成构件21和第二基体形成构件22中的每一者均包括底板23、侧壁25a、侧壁25b以及板状接合部26。底板23在从上方观察时为矩形。侧壁25a设置在底板23的短边上。侧壁25b设置在底板23的长边上。接合部26从侧壁25a和侧壁25b的每个末端沿大致水平方向向外延伸。

基体20包括内部区域S。该内部区域S用作冷却介质流动穿过的流动通道。在第一基体形成构件21中，底板23包括面向内部区域S的内表面以及为该内表面的相反侧的外表面。用作发热元件的半导体元件28通过矩形板状绝缘基板27连接到外表面。绝缘基板27包括通过金属板（未图示）连接到第一基体形成构件21的下表面，该金属板用作接合层。绝缘基板27的纵向方向与第一基体形成构件21的纵向方向一致。该绝缘基板27包括其上安装有半导体元件28的上表面。在上表面与半导体元件28之间设置有用作布线层的金属板（未图示）。在本实施方式中，其上安装有半导体元件28的绝缘基板27联接到冷却装置10的基体20的外表面以形成半导体装置30。

在第一基体形成构件21与第二基体形成构件22之间设置有支承板32。该支承板32支承容置在基体20的内部区域S中的销状散热器片31。支承板32为矩形板并且具有与接合部26相同的尺寸。支承板32保持在接合部26之间，使得支承板32面向第一基体形成构件21的底板23和第二基体形成构件22的底板23。第一基体形成构件21的接合部26、第二基体形成构件22的接合部26、以及支承板32被硬焊并联接在一起。该硬焊气密地密封接合部26与支承板32之间的接合界面。支承板32将内部区域S分成第一流动通道S1（参照图2）以及第二流动通道S2。

在第一基体形成构件21中，接合部26的两个纵向端包括如图2中所示的凹部33a和凹部34a。类似地，在第二基体形成构件22中，接合部26的纵向端包括凹部33b和凹部34b。第一基体形成构件21的接合部26和第二基体形成构件22的接合部26与支承板32结合。结果，第一基体形成构件21的凹部33a和34a形成将第一流动通道S1与基体20的外部连通的连通部。类似地，第二基体形成构件22的凹部33b和34b形成将第二流动通道S2与基体20的外部连通的连通部。

基体形成构件21的凹部33a的边缘和基体形成构件22的凹部33b的边缘被用来联接圆筒形流入管41。该流入管41引导冷却介质经由凹部33a进入第一流动通道S1以及经由凹部33b进入第二流动通道S2。类似地，基体形成构件21的凹部34a的边缘和基体形成构件22的凹部34b的边缘被用来联接圆筒形流出管42。该流出管42使冷却介质经由凹部34a排出第一流动通道S1以及经由凹部34b排出第二流动通道S2。冷却介质在基体形成构件21和22的纵向方向上从凹部33a和33b流至凹部34a和34b。凹部33a和33b用作基体20的进口。凹部34a和34b用作基体20的出口。

参照图2，从上方观察时，在支承板32的上表面和下表面上，从凹部33a和33b到凹部34a和34b，以错列的方式设置有多个销状散热器片31。更具体地，设置在支承板32的上表面上的散热器片31接近基体20中的发热元件。设置在支承板32的下表面上的散热器片31远离基体20中的发热元件。支承在支承板32的上表面上的散热器片31和支承在支承板32的下表面上的散热器片31具有相同的布置。更具体地，7行散热器片31设置在支承板32的上表面和下表面中的每一者上。这7行包括在支承板32的纵向方向上交替地设置的4行散热器片31a和3行散热器片31b。每行散热器片31a均包括在支承板32的横向方向上以固定间隔设置的4个散热器片31a。每行散热器片31b均包括在支承板32的横向方向上以固定间隔设置的3个散热器片31b。散热器片31b设置在横向方向上相邻的散热器片31a之间。在这种情况下，散热器片31a和散热器片31b设置在冷却介质的流动方向上，使得每个第一散热器片31a的下游部与每个第二散热器片31b的上游部在支承板32的与冷却介质的流动方向正交的横向方向上交叠。即，第一散热器片31a的下游部和第二散热器片31b的上游部设置成沿着与支承板32的横向方向平行的线彼此交叠。散热器片31a与散热器片31b在支承板32的横向方向上分离开距离P。

每个散热器片31均以恒定宽度从支承板32突出并且具有沿突出方向贯穿散热器片31均匀一致的侧向横截面。该侧向横截面为散热器片31在与散热器片31所突出的方向相交、即正交的方向上的横截面。散热器片31在内部区域S中具有菱形侧向横截面，使得其在冷却介质的流动方向上的尺寸L2大于其在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上的尺寸L1。即，散热器片31的侧向横截面在冷却介质的流动方向上具有相对较长的对角线。散热器片31的侧向横截面在横向方向上具有相对较短的对角线。散热器片31的侧向横截面由4个线性边A1、A2、A3以及A4定轮廓。两个边A1和A2在冷却介质的流动方向上从上游侧向下游侧定向并且在横向方向上彼此远离地延伸。边A1和A2相交以形成角部C。该角部C面向在冷却介质的流动方向上的上游侧。每个散热器片31a与相邻的散热器片31b之间的距离P小于散热器片31的侧向横截面在冷却介质的流动方向上的尺寸L2。此处，距离P为散热器片31a与相邻的散热器片31b之间在横向方向上的距离。所述两个边A1和A2相交以在散热器片31的角部C处形成锐角。每个散热器片31均从支承板32突出相同的量。从支承板32的上表面向上突出的每个散热器片31均具有联接至第一基体形成构件21的底板23的末端。从支承板32的下表面向下突出的每个散热器片31均具有联接至第二基体形成构件22的底板23的末端。

现在将描述上述冷却装置10的运行。

在本实施方式的冷却装置10中，散热器片31的侧向横截面具有比在横向方向上的尺寸L1更大的在冷却介质的流动方向上的尺寸L2。相比之下，现有技术中已知的散热器片具有圆形的侧向横截面，该圆形的侧向横截面具有与在横向方向上的尺寸相等的在冷却介质的流动方向上的尺寸。因此，不同于现有技术，本实施方式的散热器片31的侧向横截面扩大了散热器片31在冷却介质的流动方向上的尺寸，而未扩大在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上的尺寸。

在本实施方式的散热器片31中，由于散热器片31的尺寸在冷却介质的流动方向上增加，因此冷却介质与散热器片31之间的接触面积增加。结果，散热器片31与冷却介质交换了更多的热量。因此，从半导体元件28转移到基体20的热量在散热器片31与冷却介质之间进行有效地交换。因此，冷却装置10改善了冷却半导体元件28的效率。

此外，不同于现有技术，在本实施方式中，散热器片31的尺寸在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上未改变。即，与现有技术相比，散热器片31未明显地改变其阻止冷却介质的流动的程度。因此，本实施方式抑制了在冷却介质流经基体20的内部区域S时由散热器片31引起的压力损失的增加。

特别地，本实施方式中的散热器片31的角部C是锐尖的以形成锐角C，并且该角部C沿冷却介质的流动方向朝向上游侧定向。因此，如图3中的箭头所示，散热器片31的角部C将冷却介质的流动流畅地引导成在基体20的内部区域S中沿散热器片31的横向方向朝向相对侧扩散开。这进一步防止了散热器片31在冷却介质流经基体20的内部区域S时增加压力损失。

根据以上实施方式，本发明具有以下优势。

（1）在基体20的内部区域S中，散热器片31具有如下侧向横截面：该侧向横截面的在冷却介质的流动方向上的尺寸L2大于在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上的尺寸L1。不同于具有圆形的侧向横截面的散热器片31，散热器片31的该尺寸可以在冷却介质的流动方向上增加，而不改变在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上的尺寸。当散热器片31的尺寸在冷却介质的流动方向上增加时，从半导体元件28转移的热量在散热器片31与冷却介质之间进行有效地交换。这改善了冷却半导体元件28的效率。此外，散热器片31的尺寸在横向方向未改变。这防止散热器片31增大基体20的内部区域S中的流动阻力。因此，本实施方式抑制了冷却介质流经基体20的内部区域S时压力损失的增加，并且改善了对半导体元件28的冷却效率。

（2）散热器片31具有由四个边A1、A2、A3以及A4定轮廓的侧向横截面。所述两个边A1和A2在面向冷却介质的流动方向上的上游侧的部段处相交。这可以通过散热器片31进一步大大地减小基体20的内部区域S中的流动阻力，并且抑制冷却介质通过基体20的内部区域S时的压力损失的增加。

（3）在散热器片31中，所述两个边A1和A2相交处的部段为角部C。因此，散热器片31的侧向横截面具有如下轮廓：在面向冷却介质的流动方向上的上游侧的部段尖锐地指向在冷却介质的流动方向上的上游侧。这可以通过散热器片31进一步大大地减小基体20的内部区域S中的流动阻力，并且抑制冷却介质通过基体20的内部区域S时的压力损失的增加。

（4）散热器片31具有菱形的侧向横截面，并且在冷却介质的流动方向上相对较长。这确保了散热器片31在冷却介质的流动方向上的足够的刚度。散热器片31的侧向横截面具有如下轮廓：该轮廓在冷却介质的流动方向上定向成从所述两个边A1和A2相交处的部段朝向在基体20的内部区域S中的横向方向的相对侧扩散开。这可以通过散热器片31减小基体20的内部区域S的流动阻力，并且抑制冷却介质通过基体20的内部区域S时的压力损失的增加。

（5）多个散热器片31以错列的方式设置在基体20的内部区域S中。冷却介质能够在设置在基体20的内部区域S中的散热器片31之间流畅地流动。这可以进一步抑制冷却介质通过基体20的内部区域S时的压力损失的增加。

（6）散热器片31在与冷却介质的流动方向正交的横向方向上彼此分离开适当的距离P。这可以抑制冷却介质通过基体20的内部区域S时的压力损失的增加，并且改善冷却半导体元件28的效率。

（7）散热器片31a的下游部与相邻的散热器片31b的上游部在与冷却介质的流动方向正交的方向上交叠。这防止了形成在散热器片31a与散热器片31b之间的冷却介质的流动通道的截面面积的改变。这进一步抑制了冷却介质通过基体20的内部区域S时的压力损失的增加。

（8）半导体元件28通过绝缘基板27连接到基体20。在该连接中，线性热膨胀系数在基体20与绝缘基板27之间是不同的。这尤其在冷却介质的流动方向上、即在绝缘基板27的纵向方向上可以使基体20很大地翘曲（warp）。例如，基体20将与绝缘基板27部分地分离。在这方面，本实施方式的散热器片31尤其增强了基体20在冷却介质的流动方向上的刚性。因此，散热器片31可以优选地防止基体20的这种翘曲。

本实施方式可以进行如下改型。

在本实施方式中，散热器片31位于支承板32的上表面和下表面上。然而，这些表面中的仅一个表面——优选为上表面——可以具有散热器片31。

参照图4A，散热器片31可以具有带有圆形角部C的菱形的侧向横截面。

参照图4B，散热器片31可以具有成形为一半为菱形且一半为椭圆形的侧向横截面。此处，第一部分31A为散热器31的位于在冷却介质的流动方向上的上游侧（图4B中的左侧）处的半部分，并且为半菱形。第二部分31B为散热器31的位于在冷却介质的流动方向上的下游侧（图4B中的右侧）处的另一半部分，并且为半椭圆形。即，散热器片31可以具有在冷却介质的流动方向上的不对称的侧向横截面。根据这种结构，散热器片31在冷却介质的流动方向上相对较长。此外，散热器片31的侧向横截面具有如下轮廓：该轮廓在冷却介质的流动方向上定向成在基体20中的散热器片31的横向方向上扩散开。这可以提供与上述实施方式的（4）相同的优势。

参照图4C，散热器片31可以具有六边形的侧向横截面。此外，只要在冷却介质的流动方向上比在与冷却介质的流动方向正交的方向上更大，散热器片31可以具有带有任意数目的角部的多边形的侧向横截面。在这种情况下，该多边形的角部可以或者呈尖形或者呈圆形。

参照图4D，散热器片31可以具有椭圆形的侧向横截面，该横截面在冷却介质的流动方向上为细且长的。即，散热器片31可以具有在不相交的情况下流畅地定轮廓的侧向横截面。

在一个实施方式中，距离P可以与尺寸L2一样宽。此处，距离P为散热器片31a与相邻的散热器片31b之间的在与冷却介质的流动方向正交的方向上的距离。尺寸L2为散热器片31的侧向横截面的在冷却介质的流动方向上的长度。

在一个实施方式中，散热器片31可以以不均匀的宽度突出。例如，散热器片31可以具有沿突出方向朝向末端渐缩的金字塔形状或椭圆锥体形状。

在一个实施方式中，从上方观察时，散热器片31可以以网格的方式设置。

在一个实施方式中，支承在支承板32上的散热器片31的数目可以增加或减少。

在一个实施方式中，支承在支承板32的上表面上的散热器片31的数目以及支承在支承板32的下表面上的散热器片31的数目可以改变。

在一个实施方式中，支承在支承板32上的所有散热器片31不必成形为是一致的。即，支承板32可以支承不同形状的散热器片31。散热器片31中的一些散热器片可以具有在冷却介质的流动方向上相对较长的菱形的侧向横截面。其他散热器片31可以具有在冷却介质的流动方向上相对较长的其他形状的侧向横截面。

在一个实施方式中，支承板32不必将内部区域S分成顶部和底部。该内部区域S可以仅在所述表面中的一个表面上接纳包括散热器片31的支承板32。

Claims (10)

1.一种冷却装置，包括：

基体，所述基体包括外部、内部、进口以及出口，其中，所述外部连接有发热元件；以及

多个销状散热器片，所述多个销状散热器片位于所述基体的所述内部中、靠近所述发热元件的部分处，其中，所述散热器片从所述进口到所述出口地设置，其中，

所述冷却装置通过在所述基体的所述内部中从所述进口向所述出口流动的冷却介质冷却所述发热元件，

所述散热器片中的每个散热器片均包括侧向横截面，所述侧向横截面具有在所述冷却介质的流动方向上的尺寸和在与所述冷却介质的所述流动方向正交的横向方向上的尺寸，并且在所述流动方向上的所述尺寸长于在所述横向方向上的所述尺寸，以及

所述散热器片在所述横向方向上彼此分离开预定的距离。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述侧向横截面包括轮廓，所述轮廓包括两个边，所述两个边在所述冷却介质的所述流动方向上从上游侧向下游侧定向并且在相应的所述散热器片的所述横向方向上彼此远离地延伸，并且所述两个边在面向所述冷却介质的所述流动方向上的所述上游侧的部段处相交。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其中，所述两个边相交处的所述部段为角部。

4.根据权利要求2所述的冷却装置，其中，所述散热器片中的每个散热器片均具有菱形的侧向横截面。

5.根据权利要求2所述的冷却装置，其中，所述散热器片中的每个散热器片均包括：

第一部分，所述第一部分位于在所述冷却介质的所述流动方向上的上游侧处并且包括所述两个边相交处的所述部段；以及

第二部分，所述第二部分位于在所述冷却介质的所述流动方向上的下游侧处并且不包括所述两个边相交处的所述部段。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述散热器片中的每个散热器片均具有椭圆形的侧向横截面。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述散热器片以错列的方式设置。

8.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述预定的距离短于或等于所述散热器片中的每个散热器片的在所述流动方向上的所述尺寸。

9.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述散热器片包括设置在所述冷却介质的所述流动方向上的第一散热器片和第二散热器片，并且所述第一散热器片的下游部与所述第二散热器片的上游部在所述横向方向上交叠。

10.一种半导体装置，包括：

根据权利要求1至9中的任一项所述的冷却装置；

绝缘基板；以及

半导体元件，所述半导体元件用作发热元件并且通过所述绝缘基板连接至所述基体。

Images