CN110537257A - 半导体冷却布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却半导体装置(例如功率半导体)的半导体冷却布置。半导体冷却布置包括位于外壳内的腔室中的一个或多个半导体组件。外壳包括用于接收和输出冷却介质的入口端口和出口端口。腔室填充有冷却介质以冷却组件。组件本身各自包括散热器和一个或多个热联接到散热器的半导体功率装置。散热器包括在散热器中的多个孔形式的热交换元件，其从一个表面延伸穿过散热器到另一个表面，使得冷却介质流过孔，以从散热器提取热量。

Description

半导体冷却布置
技术领域
本发明涉及一种用于冷却半导体装置(例如功率半导体)的半导体冷却布置。由于这种装置产生的高功率损耗和相关的热量，这种布置在逆变器领域中是有利的。
背景技术
电气和电子部件在使用时会产生热量作为副产品。过热通常会影响性能和部件寿命，因此电气部件并且特别是电子部件一般被冷却以防止过热。
装置受限于它们可以有效操作的上限温度，并且随着极限温度被超越，装置因此可能变得效率较低并且可能故障。在大多数情况下，装置由于过热而无法从故障中恢复，并且它们所属的整个系统变得不可用，需要修理，或在许多情况下要替换被“烧坏”的模块/系统。
预防胜于治疗，为了使系统更加健壮已经付出了很多努力，但易于维修也很有价值。
已经使用许多不同的方法来解决过热限制：一些方法试图增加装置的操作限制(尽管其范围有限)，而大部分努力都集中在从装置、子模块和系统中去除热量。在许多电力电子应用中，如果需要有效散热，将使用散热器。散热器通过热接触从电气部件吸收和散发热量。例如，散热器可以焊接、接合或以其他方式安装到电力电子装置，以通过提供大热容量(废热可以流入其中)来改善热量移除。
在高功率应用中，可以扩大散热器以改善热容量。然而，增加散热器的尺寸会增加电源模块的重量和体积，并相应地增加成本。在许多情况下，特别是用于汽车应用的这种模块的可用空间正在减小而不是增大。
已经对计算系统中的电子部件的冷却付出了相当多的努力，其中中央处理单元(CPU)具有集成在硅芯片表面上的数百万个半导体装置。虽然任何一个装置的热损耗都很小，但集成密度导致总散热量很高，并且严重限制了CPU的速度和寿命。
用于冷却计算系统中的电子部件的一些技术也已应用于冷却高功率单级或低级集成半导体开关装置。
在US2011/103019中，描述了一种液密外壳，其提供电子系统的浸入式冷却，其中提出了一种冷板，其具有用于向冷板供应冷却剂的液体导管，该冷板具有联接到电气系统的电子部件的底部表面和在侧壁上的至少一个打开端口。在具体实施例中，由导管供应的冷却剂进入冷却板的顶部，并且部分地允许通过侧端口离开，同时使得剩余的冷却剂流过指向高热通量部件的喷射：侧端口孔和喷射孔的尺寸被设定成提供优化的部件冷却。
US2011/103019特别旨在冷却计算机中的CPU，并描述了对安装在基板上的高功率处理器芯片进行冷却，该基板电气地和机械地附接到处理器模块，处理器模块进一步附接到印刷电路板。
US2011/103019的一个缺点是通过该基板的热分散不良，特别是通过与该印刷电路板的连接的热分散特别差。
对于中功率转换器模块，还有另一种功率消耗量级，以对抗100安培的电流和1000V量级的电压。对于中功率转换器，使用半导体开关装置，US2011/0242760教导了一种布置，其中半导体开关装置安装在层叠母线上，以便保持不同相之间的电气隔离。在US2011/0242760之前，母线中的该层压是温度限制的特征，而US2011/0242760教导将液体冷却散热器应用于该层叠母线，其中散热器与母线电气隔离。在绝缘层的温度升高和热限制再次成为限制因素之前，从母线和从安装在其上的电气隔离开关装置的热传导中移除热量改善了总功率容量。
US2014204532提供了使用冲击喷射来冷却散热半导体装置的替代模式，其中喷射冷却(在空气基质中的空气或液体)的应用由利用形状记忆合金制成的可热变形喷嘴局部控制，该形状记忆合金与半导体装置热连接以被冷却。以这种方式，可以在需要时冷却装置。然而，US2014204532旨在芯片级冷却，其中冲击喷射集中在倒装芯片的后面。US2014204532的教导是空气中的液体(liquid-in-air)喷射，并且因此其冷却能力有限并且由于冷却是芯片级的，因此引脚配置进一步限制了这种冷却布置的连接性。
US2011141690谈到使用高导热印刷电路板基板，其一侧的表面配置有促进冲击冷却剂流中的湍流的特征，而电路的另一侧配置成具有电路，其上安装电力电子部件，例如用于车辆的电力逆变器模块的部件。电气电路侧与配置成促进湍流的一侧电气隔离。
建议使用诸如直接接合铜或直接接合铝的基板，其包括具有铜或铝外层的陶瓷(通常为氧化铝)夹层。然而，尽管这些直接接合的基板是良好的热导体，但是它们制造起来也很昂贵，并且难以处理和进行修理。
用于改进功率半导体装置的冷却的其他方法包括将部件直接浸入介电流体中，以及配置部件以形成冷却剂通道，使用相变液体/气体冷却剂系统来增加冷却剂效应。
结合这些方法，特别是对于电力电子系统，已经优化了功率半导体开关装置的切换速度：对此的推理如下：切换速度越快，开关装置在处于电阻模式下的时间越少，因此装置中的焦耳热损失越少。然而，快速的切换速度增加了电感损耗，这也可能导致电压尖峰，因此需要在逆变器模块中使用大的低电感母线和对称相臂，以及昂贵的过电压指定电容器。
在达到折衷的同时，这不可避免地导致半导体装置开关中的焦耳加热损失。尽管花了最大努力，迄今为止所有冷却方法的冷却能力都不足，并且功率半导体部件的冷却效率一直是功率半导体开关装置并且因此功率逆变器的最大功率处理和功率密度的限制特征。
本发明通过显著改善废热的去除，并且同时进一步降低半导体开关装置中的系统大电感和相应的焦耳加热损耗，来分别增加功率逆变器和半导体开关装置的功率密度和最大功率处理。
因此，我们认识到需要改进的冷却布置。
发明内容
因此，本发明提供了一种半导体冷却布置，包括：一个或多个半导体组件，每个组件包括散热器和热联接到散热器的一个或多个半导体功率装置；外壳，用于将一个或多个组件容纳在外壳内的腔室中，外壳包括分别与腔室流体连通以用于接收和输出冷却流体的入口端口和出口端口，腔室填充有冷却流体，以冷却组件；其中，散热器包括在散热器中的多个孔形式的热交换元件，其从散热器的、供一个或多个半导体功率装置联接到其上的前面延伸穿过散热器，到散热器的、与前面相对的后面，以使得冷却流体流过孔，从而从散热器中提取热量。散热器可以具有扁平形状，但是这可以替代地成形，或者具有从其表面突出的特征，例如翅片或其他布置以辅助冷却。
有利地，浸没在冷却流体中的散热器、以及供冷却流体流过的孔的存在的组合提供了具有优异冷却性能的冷却布置，其非常适合于诸如逆变器的应用。
孔可以单排孔的形式位于散热器中，单排孔围绕联接到散热器的一个或多个半导体功率装置中的每一个的外围。在存在两个或多个半导体功率装置的情况下，在散热器中、在围绕临近半导体功率装置的外围的单行孔之间可存在没有孔的区域。通过这种设计，在散热器从功率装置中提取热量的能力与用于将热量传递到冷却流体中的孔的数量之间取得平衡。太多或太少的孔将导致散热器具有次优的冷却性能。
半导体功率装置可电联接到散热器。在该配置中，散热器被配置成母线，以将一个或多个半导体功率装置电气连接在一起，以在一个或多个半导体功率装置之间传输电力。这使得设计紧凑，因为散热器还使得功率装置能够彼此电联接。这还有利地减少了部件之间的感应路径，再次改善了安装在散热器母线上的组件的电气性能。
一个或多个半导体功率装置可包括IGBT、碳化硅(SiC)半导体开关装置、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、或功率二极管。
一个或多个半导体功率装置可机械连接到散热器或者接合到散热器。
一个或多个半导体组件可安装到印刷电路板(PCB)，PCB提供一个或多个半导体功率装置之间的电气连接。安装在PCB上的PCB和附加的低功率电气和电子部件也可以位于腔室内并浸在冷却流体中。
利用PCB的这种布置，一个或多个半导体功率装置可共同位于腔室内，并且低功率电气和电子部件共同位于腔室的、与一个或多个半导体功率装置不同的区域内。这样的布置意味着更高功率装置与其他高功率装置成一组，并且更低功率装置与其他更低功率装置成一组，这使得能够更好地管理冷却。
与腔室流体连通的入口端口可被配置成在由半导体装置占据的腔室的区域中，使冷却流体更有利地流动。可以使51％至99％的冷却流体流动在由半导体装置占据的腔室区域中流动。优选地，95％的冷却流体在由一个或多个半导体功率装置占据的区域中流动(半导体功率装置是在腔室内产生最大量的热量的功率装置)。这种布置有利地以“热点”为目标，以将冷却流体供应到最需要它的那些区域。
当在腔室内存在两个或多个半导体组件时，每个组件可以布置成使得冷却流体流过一个散热器中的孔，并且冲击在冷却流体的流动路径中的下一个散热器的表面上。使得冷却流体从一个散热器流出，以冲击下一个散热器的表面，大大改善了冷却布置，因为冷却流体被迫弯曲通过腔室，并且在流过散热器的孔和移除进一步的热量之前，尽可能多地接触散热器的表面。
两个或多个半导体组件可以布置成彼此偏移，使得一个散热器的孔与下一个散热器中的孔不对准。同样，这促使冷却流体弯曲通过腔室，接触腔室内的散热器的尽可能多的表面积，而不是直接流过每个组件的孔。
两个或多个半导体组件可以彼此平行布置。在一些实施例中，它们可以替代地彼此成角度地布置。
一个或多个散热器可以包括用于分配冷却流体的冷却流体分配器。这种冷却流体分配器可以提高散热器的冷却效率。冷却流体分配器包括附接到散热器的后面的分配器的第一层和第二层，其中，散热器的后面是散热器的与具有半导体功率装置联接其上的面相对的面。第一层可包括外层并且具有在第一层的前面和后面之间延伸的多个孔，这些孔位于与一个或多个半导体功率装置的位置相关联的散热器的区域上。第二层夹在散热器和第一层之间，可包括一排孔，一排孔位于相当于与联接到散热器的每个半导体功率装置的外围的位置，以及多个引导件，其延伸到第二层中的孔的位置的内部，以用于引导第一层中的孔和第二层中的孔之间的冷却流体。
半导体冷却布置可包括一个或多个挡板，挡板布置在外壳内在入口和出口之间的冷却流体的流动路径中，一个或多个挡板包括在挡板中的多个孔，多个孔在前面和后面之间延伸穿过挡板，使得冷却流体流过孔。这种布置有利地设置了冲击冷却流体的喷射，其可以冲击在部件或散热器上。挡板还可以提供冷却流体的湍流。
一个或多个挡板中的每一个可布置在外壳内，以与一个或多个半导体组件中的每一个中的相应一个相邻，并且位于入口和相应的半导体组件之间的流动路径中。
一个或多个挡板中的每一个可布置在外壳内在一个或多个半导体组件中的每一个中的相应一个的1mm至5mm内，优选地2mm内。挡板的这种紧密接近度使得能够冲击冷却流体的喷射和/或冷却流体的湍流以冲击散热器，从而从散热器更有效地移除热量。
挡板的多个孔可包括在每个挡板中的多个孔的一个或多个组，每个组的多个孔与热联接到散热器的一个或多个半导体功率装置的每个孔中的相应一个孔相关联，并且挡板中的多个孔的每个组布置成在入口和一个或多个半导体功率装置的每个孔中的相应一个孔之间的冷却流体的流动路径中。
多个孔中的一个或多个组中的每一个可包括多个孔的阵列。多个孔的每个阵列的尺寸可被设计成具有与散热器上的相应的一个或多个半导体功率装置覆盖的散热器的区域相似的宽度和高度。
孔可以成形为提供冷却流体的湍流。
散热器和/或挡板(如果存在)的孔可以具有圆形、矩形、圆角矩形或星形。此外，孔的直径在前面和后面之间增加。当从后面观察时，这使孔具有埋头外观，并且与具有直边轮廓的孔相比，这有利地提供了对冷却流体的流速具有减小的影响的孔轮廓。
冷却流体可以是介电冷却流体。可以泵送它，以使流体在入口端口和出口端口之间流动。入口端口和出口端口可联接到包括热交换器的冷却回路，热交换器用于从冷却流体移除热量。
一个或多个半导体组件可被配置形成用于在DC和AC之间转换的逆变器。
当逆变器被配置为将DC转换为AC时，逆变器可包括用于接收一个或多个DC电压的一个或多个电气输入，以及用于输出一个或多个AC电压的一个或多个电气输出。逆变器的输出可以为电动机提供动力。
当逆变器被配置为将AC转换为DC时，逆变器可包括用于接收一个或多个AC电压的一个或多个电气输入，以及用于输出一个或多个DC电压的一个或多个电气输出。逆变器的输出可以对电池或其他电力储存装置充电。
逆变器可以配置为双向逆变器用于将DC转换为AC并且将AC转换为DC，双向逆变器包括用于接收或输出一个或多个DC电压的一个或多个DC端口，以及用于输入或输出一个或多个AC电压的一个或多个AC端口。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明，其中在附图中：
图1示出了根据现有技术的半导体装置的间接流体冷却的示意图；
图2示出了根据现有技术的半导体装置的直接流体沉浸冷却的示意图；
图3示出了根据现有技术的裸芯片半导体装置的直接流体沉浸冷却的示意图；
图4a示出了本发明的半导体装置冷却布置的示意图；
图4b示出了图4a的透视细节；
图5示出了具有本发明外壳的半导体装置冷却布置的透视图；
图6示出了本发明的带翅片和带孔的散热器母线的示意图；
图7a示出了逆变器子模块组件的示意图；
图7b示出了图7a的逆变器的等效电路图；
图8示出了本发明的散热器母线逆变器子模块的布置的示意图，其示出了一般的冷却剂介质流动方向；
图9a示出了顶部带孔冷却剂介质喷嘴板的示意图；
图9b示出了中间冷却剂介质分配板的示意图；
图9c示出了散热器母线的示意图；
图9d示出了顶部板、中间板和散热器母线板的布置的示意性透视图；
图9e示出了顶部板、中间板和散热器母线板的复合件的示意性平面图；
图10示出了顶部板、中间板和散热器母线板的复合件的透视图；
图11示出了中间板和散热器母线板的复合件的透视图；
图12示出了半导体装置冷却布置的透视图，其具有集成了挡板的壳体；
图13示出了集成了挡板的图8的布置的替代示意性平面图；
图14a和图14b示出了具有不同孔配置的半导体装置冷却布置；
图14c示出了用于半导体冷却布置的示例性星形孔配置；
图15a和图15b示出了半导体冷却布置和/或挡板的孔配置；以及
图16a至图16d分别示出a)绝缘栅双极晶体管开关(IGBT)的结构图；b)IGBT的符号；c)用于机械安装的3引脚IGBT装置；以及d)用于焊接安装的3引脚IGBT装置。
具体实施方式
简而言之，本发明涉及一种半导体冷却布置，其中一个或多个半导体组件位于外壳内的腔室中。外壳包括用于接收和输出冷却介质的入口端口和出口端口。腔室填充有冷却介质以冷却组件。组件本身各自包括散热器和一个或多个热联接到散热器的半导体功率装置。散热器包括在散热器中的以多个孔的形式的热交换元件，这些孔从一个表面延伸穿过散热器到另一个表面，使得冷却介质流过孔，以从散热器提取热量。
参考图1和图2，以示意图的形式看到半导体装置冷却布置100、200，它们是典型的现有技术的用于高热通量部件的冷却方法。图1示出了安装在基板160上的一组100半导体装置110的热移除的间接手段。半导体装置110热连接到导热和导电的覆盖材料150，该覆盖材料150也通过电绝缘但导热的柱或者壁170而链接到基板160。在半导体装置110中散发的热量逸出到电路板/基板160中，然后到柱/壁170并到覆盖材料150，来自半导体装置110的热量也通过导热但电绝缘的介质140更直接地到达覆盖材料150。覆盖材料150凭借冷却剂流体成为优选的散热器，冷却剂流体通过一个或多个端口130泵入腔180中并经由一个或多个端口120离开到热交换器(未示出)。冷却剂流动方向用箭头表示。这种间接冷却方法保持半导体装置的电气隔离，但是通过使用电气绝缘插入器而在该装置和最终的散热器冷却剂流体之间施加热阻。
在图2中，示出了与基板160接合的高热通量半导体装置110的类似组200，该装置位于液密壳体190中。半导体装置110和基板160的一侧浸入冷却剂流体中，冷却剂流体由一个或多个端口130供应并且通过一个或多个端口120离开，冷却剂流动方向由箭头示出。
本领域技术人员将理解，图2中所示的半导体装置200的布置使得该装置的一侧借助于被润湿并浸入该冷却剂流体的部件和基板而与冷却剂流体更紧密地热接触，并且因此比图1所示的情况更有效地去除热量。这种浸入方法得益于部件和基板的浸入，但不允许离散部件的高封装密度，也不允许从非浸入壁侧面去除废热。
在图3中示出了同样展示当前现有技术的更精细的浸入式冷却方法，并且已经应用于通常以倒装芯片形式的半导体装置300，其中半导体300的有源(扩散)侧310面向电子电路板/基板，而半导体装置的背侧320面对冷却剂流体的冲击喷射330。冷却剂流体通过增压室340和一个或多个输入端口350供应到喷射喷嘴370，并且经由一个或多个端口360离开。流体流动方向由箭头示出。冷却剂流体的冲击喷射330确保在需要的地方(即在芯片背侧320的表面上)具有湍流。
这种冷却方法对裸芯片有效，但需要倒装芯片封装，并且不支持高封装密度，也不支持装置之间的高电流、低电感互连。
参考图4a、图4b和图5，可以看到半导体开关部件110的布置(尽管任何散热部件都将受益)安装或接合，以便热联接到散热器420。在一些实施例中，半导体开关部件110还可以电气联接到散热器，以便提供执行两个功能的散热器：冷却部件110的功能，以及还提供将开关部件110电气连接在一起并在部件之间传输功率的装置(类似于母线)。我们将使用散热器母线布置来描述系统，但是还应该注意，散热器不需要被配置为母线以便执行本发明，即本发明不依赖于散热器以母线的方式起作用以便执行其冷却功能。
组合的散热器-母线420包括已经钻出的孔430，以允许冷却剂介质通过，从而从散热器-母线420移除热量，同时最小化散热器-母线420的可用于安装在其上的散热半导体装置110的热分散潜力的损失。精确地说，本发明依赖于具带孔的散热器，其中作为半导体模块(即包括开关部件110和散热器420的模块)的一部分的散热器浸没在冷却介质中。冷却介质围绕模块流动并穿过孔，孔被配置成当介质流过孔时从散热器提取热量。
由于其是模块化的，多个组件可以容纳在包括冷却介质的腔室内，使得所有组件都被冷却。这种布置在图4a和图5中示出。半导体开关部件110并排安装，以形成子模块440，并且子模块440被堆叠，以使得一个母线散热器420中的孔430以冲击喷射冷却剂460的形式将流体介电冷却剂450供应到随后的子模块440上。子模块440和它们的散热器-母线孔阵列430a优选地彼此偏移，以使得由孔430a的相邻子模块阵列形成的介电冷却剂450的喷射460与下一个子模块孔阵列不重合，而是喷射冲击半导体开关部件110或母线散热器470的实心区域。只要孔阵列不重合，相邻模块孔阵列之间的偏移可能很小或很大。流体喷射的冲击产生湍流，其使得从表面移除最大的热量。
通过结合使用介电流体浸没和流体喷射冲击冷却半导体子模块和半导体装置开关以及散热器中的孔，这在冷却开关时是特别有利的。
使用散热器作为散热功率半导体装置之间的电气互连也是有利的，因为这提供了非常低的电感，这意味着可以更加强烈地驱动并且更快地切换装置。优选地，装置被焊接或等效地接合到散热器母线上，以便在开关和散热器之间提供低的电阻和热阻。
所有这些优点为使用本发明的冷却布置的电力装置(例如功率逆变器)的电力处理能力提供了惊人的改进。与目前最佳的同类功率逆变器模块相比，功率密度得到显著改善。利用本发明的逆变器可以是具有相同功率能力的现有技术的逆变器的一半大小。
在图5中，半导体开关装置110成组地安装到散热器-母线420，以形成子模块440。壳体480可用于将子模块440布置成规则的阵列，其中，子模块440的间距和放置是能够优化冷却剂喷射冲击并最大化冷却效果的。
一个或多个输入端口490将冷却剂流体提供到壳体480中，并且第一子模块440a可以提供除了通过孔阵列430a之外的冷却剂流动的屏障，这可以导致冷却介质通过孔喷射到随后的子模块上440。该孔430的间隔/分布将影响半导体装置110的冷却，其中太多的孔430围绕装置，或者孔430之间的间隙太小，将防止热量从装置110散去。孔430可以单个阵列分布(如430a所示)，或者是双重或更多同心阵列分布(未示出)。
未示出的一个或多个输出端口可以在半导体系统的外部，也可以是单独安装的热交换器和泵(未示出)。
虽然图5示出了壳体480的一侧上的输入端口，但是一个或多个输入端口可以放置在其他地方。例如，它们可以位于壳体的上表面(未示出)上，使得冷却介质从顶部向下供给。在这种情况下，一个或多个输出端口(未示出)可以位于壳体480的任何侧面中。当然，其他配置也可以确保冷却介质适当分布在整个腔室中。
一个或多个输入和输出端口还可以配置成在腔室的期望区域中提供优选的冷却介质流。例如，组件可以被配置为使得功率半导体装置(产生最多热量)被分组在一起，并且较低功率部件(电容器和电阻器等)可以被分组在一起，但是与功率半导体装置分开。在这样的布置中，一个或多个输入和输出端口可以被配置为向功率半导体部件提供更多的冷却介质流，以及向较低功率部件提供相对减少的冷却介质流。例如，流量的51％至99％可用于保持较高功率部件的腔室区域，以及冷却介质流量的49％至1％(分别)可用于较低功率电子装置。冷却介质流量的优选比率被认为是较高功率装置与较低功率装置分别为95％/5％。
这可以通过使用单独的输入端口来实现，该输入端口被配置为向腔室的不同区域供给冷却介质，其中供给保持较高功率装置的腔室的区域的输入端口具有比供给保持较低功率装置的腔室的区域的输入端口更大的孔。
散热器母线420优选地由导电和导热材料制成，例如铜或铝或它们的合金或任何材料，这些材料既可以导热又导电，并提供半导体装置110之间的电气互连，并为半导体装置中散发的热量提供热通路以散热。本发明的散热器-母线是电子电气电路的集成部分。
将半导体装置110接合/附接/安装到散热器-母线420的装置可以是机械的(例如，经由螺母和螺栓)，或通过焊接或钎焊，或通过使用室温液态金属,或通过导电和导热粘合剂、或通过振动焊接或任何实现热和欧姆电气连接的方法。
如图4a所示，本发明的散热器-母线可以是扁平的，或者可以是被挤压和带翅片620的，并且还具有如图6所示的孔阵列430a，其还示出了半导体功率装置的其他部件(例如逆变器)，其包括一个或多个电容器670、电气连接器680和印刷电路板690，以用于进一步集成部件。
图7a和图7b示出了配置为具带孔阵列散热器-母线420的逆变器的子模块440的示例性布置。该具体示例示出了具有散热器-母线420的3级T型逆变器模块700，散热器-母线420具有用于冷却剂流体喷射通过和形成冷却剂流体喷射的孔430a的阵列。
三个相用字母U、V、W表示，单相“U”模块用虚线表示。电容器711和712能够分离DC供电轨+ve和-ve DC，如图7a所示，并且相输出717(U、V、W)示出了散热器母线在完成逆变器模块700电路中所起的重要作用。其他布置(例如两级逆变器)以及上述每一种的单相变型也是可能的。
考虑到证明了本发明的冷却布置的有利的冷却性能，对于相当大的一个或多个逆变器的相同性能水平，可以使这种逆变器具有明显更小的占地面积。
参考图8，相模块的对称性是最小化由半导体装置110的快速切换产生的电压谐振的工具。降低电压尖峰的另一工具是使所有三相模块中的电感最小化，并且本发明通过使用散热器作为母线来实现对称性和低电感。电气对称性和低电感允许更高的切换速度和额外的功率通过半导体装置110，同时通过将半导体装置开关110直接安装到散热器420并使用散热器420作为该装置110之间的电气连接来实现该装置110的特殊冷却。
电气连接到散热器420的半导体装置110的热阻显著低于如果该装置110通过非导电层与该散热器420电气隔离的情况。在现有技术中，在与安装散热器的、与散热器电气隔离的多个装置之间实现类似的热阻值很难在生产中实现，并且最薄弱的环节(最高热阻)为功耗的限制。对于焊接到散热器-母线420的半导体装置110，热连接和电气连接的均匀性很高，并且可以在生产中实现高均匀性。
通过焊接连接实现的半导体装置110和散热器-母线420之间实现了良好的热连接，通过将子模块440浸入流动的冷却剂流体中获得了相当大的热优势，并且通过在该安装的半导体装置110外围的阵列中的该散热器-母线中钻孔或冲压孔430以增大用于移除热量的局部表面积，发现这获得更显著的热量优势。
冷却剂介质的层流在从基板移除热量方面具有低效率，因为该冷却介质具有低速度，并且甚至可以在靠近固体表面的层中静止，并且在这种情况下，通过扩散传递热量。相反，冷却剂介质流动通过孔阵列430a，产生湍流(即使对于冷却剂介质的明显低流速也是)，并且通过与一般冷却剂流动方向正交的固体表面上的冲击(由箭头800示出)进一步增强湍流，由于该阵列之间的偏移，该冷却剂介质必须在再次使得流过新的孔阵列430a之前改变方向。
在图9a-图9e中示出了增加散热器的冷却能力并确保湍流的附加手段。一系列的两个板910，920提供了将冷却介质均匀分布到安装在散热器-母线240上的半导体装置开关110，其中第一板910被图案化而具有孔阵列430a，其匹配安装到散热器-母线240上的半导体装置110的位置，其也具有安装在其上的该半导体装置开关110外围的孔阵列430。夹在板910和散热器母线240之间的是冷却剂引导板920，其用于引导穿过孔阵列板910的冷却剂流体并冲击安装在散热器母线240上的半导体装置110，该引导板920具有用于在半导体装置开关110的表面上、以均匀分布的方式而引导冷却剂流体到该装置外围并且通过位于该处的通孔940。
在一些实施例中，在图9e中，一系列的板910、920、240被夹住，以形成若干这样顺序的级联阵列，其中最终顺序的散热器-母线元件的温度是系统功率处理性能的控制因素。
图10示出了本发明的一系列板910、920和240的透视图，并且为了便于理解图11而移除了板910，从而示出了安装在散热器母线板240上的中板920，示出了在板920中和半导体装置110中的引导指状物930、外围孔940。
尽管散热器-母线240是导电和导热的，但是对于板910和920没有这样的要求，其可绝缘或可不绝缘的，并且可以有利地是聚合物注射成型或冲压或以其他方式批量生产。
在图12和图13中示出了增加散热器的冷却能力并确保湍流的替代方式。
图12示出了类似于图5的布置，其中添加了一个或多个挡板445。挡板的目的是产生击中散热器420的表面和/或半导体功率装置110的冷却介质的喷射，并且优选地产生冷却介质的湍流。
挡板445包括在板中的通孔的一个或多个区域446。通孔446可以与散热器中的通孔的形式类似的形式布置(如图12所示)。可替代地，并且优选地，多个通孔446以阵列形式设置。阵列可以具有与半导体功率装置占据的散热器表面相似的尺寸。每个阵列446的位置优选地与相邻散热器上的相应半导体功率装置的位置对准。
板可以由金属或电介质制成。优选地，板445由电介质制成，因为这允许板445的位置非常靠近散热器(例如在大约2mm内)而没有电压问题。挡板445与散热器的紧密接近度增加了湍流冷却介质的冷却效果。此外，当挡板由介电材料制成时，并且当位置与散热器紧密接近时，这使得相邻的散热器由于挡板的介电性质而位置更靠近在一起，在散热器之间增加了一层电气绝缘。
虽然图12仅示出了壳体480内的一个挡板445，但这仅是为了便于说明。优选地，挡板445位于冷却介质的流动路径内，并且邻近壳体480内的每个散热器。
与图5中所示的装置一样，图12中所示的装置示出了半导体开关装置110，其成组地安装到散热器-母线420，以形成子模块440。壳体480可用于将子模块440布置成规则阵列，其中子模块440的间距和布置使得优化冷却剂喷射冲击并使冷却效果最大化。
一个或多个输入端口490将冷却剂流体提供到壳体480中。挡板445使冷却介质通过通孔喷射到随后的子模块440a上。由于优选使每个挡板445非常靠近相应的散热器，因此在入口490和第一子模块440a之间可以优选具有两个挡板445；第一挡板在入口和第二挡板之间，并且二挡板非常靠近第一子模块440a。
优选地，每个子模块散热器与如上所述的相应挡板445紧密共同定位，以便产生冷却介质的湍流。
图13是图8的修改版本，并且包括如参考图12所述的多个挡板445。
散热器中的孔与如上所述的挡板的使用相结合，形成了有效的冷却机制。挡板引起喷射冲击散热器的后表面，和湍流增加了从散热器表面到冷却介质的热传递。散热器具有允许流体通过其的孔，其冷却接合到散热器前部的半导体功率装置。散热器中的孔放置在功率装置周围，以获得靠近热功率装置后面的最大表面积。然后，流体在被迫穿过下一个挡板之前，在动力装置的前部周围混合并旋转。然后重复该过程。
已经证明，在功率装置的前端和支腿周围具有大量的涡流(湍流)，其占从功率装置封装移除的热量的高达30％。
有利地，在流体旋转的同时混合流体，使得下一组喷射具有平均温度，从而避免散热器线下方的热点。
此外，如图12和图13中所示使用的一个或多个挡板也可以与图9a-图9d中描述的方案结合使用。
图14a、图14b、图14c以及图15a和15b示出了当使用一个或多个挡板时，可以在散热器和/或挡板上使用的孔的不同配置和形状。图14a显示了圆孔，图14b显示了矩形孔(这些孔可以设有圆形或方形边缘)，以及图14c显示星形。
图15a和图15b示出了埋头到不同深度的圆形孔。图15a具有部分埋头轮廓，而图15b示出了孔埋头到相对表面的轮廓。作为示例，尺寸从远端表面开始(此处直径为2mm)，在挡板的深度上扩展。它们可以在孔的较宽端重叠或不重叠，这取决于孔之间的距离。
虽然孔以阵列示出，例如当用在挡板中时，这些孔可以用在用于散热器的配置中，即围绕半导体功率装置的轮廓的单排孔。
图16a是用于本发明的功率逆变器组件中的一种半导体开关装置的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的结构示意图。IGBT是电压操作的装置，其中发射极和集电极之间的高电流流动由栅极和发射极之间的电压控制。因为在电流中使用多数和少数载流子，所以IGBT对于相对低的施加栅极电压具有高电流能力。正正是这些高电流及其切换，是本发明在冷却和最小化损耗方面提供优势的地方。替代开关的特征如下：MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管、功率二极管、双极晶体管和晶闸管型。
用于IGBT的常用符号，图16b示出了代表集电极(漏极)的C。集电极通常电气附接到装置在图16c的散热器基板935上。只要实现良好的热连接和电气连接，可以使用附接孔955将该装置110牢固地夹紧到本发明的散热器-母线。然而，具有镀锡铝散热器945的IGBT可以直接焊接到本发明的类似镀锡铝或裸铜散热器-母线上，从而在IGBT和散热器-母线之间提供相应低热阻的、薄的、高导热率路径。
虽然我们已经描述了逆变器被配置为将DC电压转换为AC电压，例如用于为电动机供电，但是逆变器可以替代地被配置为逆变器以将AC电压转换为DC电压。这种逆变器可用于给电池或其他电力储存装置充电。此外，逆变器可以替代地配置成双向逆变器，其可以在AC到DC和DC到AC电压之间转换。
用于本发明的冷却剂介质是介电流体，例如聚α烯烃(PAO)、氟碳流体(例如Fluoronert TM)、冷却剂流体可以是单相或双相，冷却可以源自液体热容量或蒸发热，这种冷却介质是众所周知的，并且可用于冷却电子部件和系统，例如半导体装置、电容器和电阻器以及组装成逆变器和控制器的子组件。该冷却剂也可用于冷却电机，例如可由该电子系统供电/控制的电动机/发电机。
在上述方面的示例性应用中，半导体布置由焊接接合到铝散热器(用作母线，其厚度为2mm)的标准鲁棒功率(封装)装置IGBT制成，其中IGBT装置外围被以2mm间隔和直径为2mm的孔包围。附加控制和低散热装置和电力储存电容器以一般的方式安装到标准印刷电路板上，并经由它们的销腿与IGBT装置互连。整个逆变器布置浸没在介电流体中，其中，冷却流体优先流过母线安装部件，并穿过散热器中的外围孔。
结果发现，在相同的物理包络内，具有90％效率的100kW通道冷却功率逆变器的热容量提高了50％，从而可以从该示例获得150kW的逆变器功率。另外，发现当浸没在介电流体中时，具有不同电压电势的功率装置可以安装成比在空气环境中可能更接近地安装，从而提供甚至更大功率密度的潜能。
毫无疑问，技术人员将会想到许多其他有效的替代方案。应当理解，本发明不限于所描述的实施例，并且包括落入所附权利要求范围内的本领域技术人员显而易见的修改。

Claims (34)

1.一种半导体冷却布置，包括：
一个或多个半导体组件，每个组件包括散热器和热联接到所述散热器的一个或多个半导体功率装置；
外壳，用于将所述一个或多个组件容纳在外壳内的腔室中，所述外壳包括分别与所述腔室流体连通以用于接收和输出冷却流体的入口端口和出口端口，所述腔室填充有冷却流体以冷却所述组件；
其中，所述散热器包括在所述散热器中的多个孔形式的热交换元件，其从所述散热器的前面延伸穿过所述散热器到所述散热器的后面以使得冷却流体流过孔以从所述散热器中提取热量，所述前面上联接有所述一个或多个半导体功率装置，所述后面与所述前面相对。
2.根据权利要求1所述的半导体冷却布置，其中，所述散热器具有扁平形状。
3.根据权利要求1或2所述的半导体冷却布置，其中，所述孔以单排孔的形式位于所述散热器中，所述单排孔围绕联接到所述散热器的一个或多个半导体功率装置中的每一个的外围。
4.根据权利要求3所述的半导体冷却布置，其中，在存在两个或多个半导体功率装置的情况下，在所述散热器中、在围绕相邻半导体功率装置的外围的单行孔之间存在没有孔的区域。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置电联接到所述散热器，并且其中，所述散热器是母线，所述母线将所述一个或多个半导体功率装置电气连接在一起，以在所述一个或多个半导体功率装置之间传输电力。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置包括IGBT、碳化硅(SiC)半导体开关装置、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、或功率二极管。
7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置机械连接到所述散热器或者接合到所述散热器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体组件安装到印刷电路板(PCB)，所述PCB提供所述一个或多个半导体功率装置之间的电气连接。
9.根据权利要求8所述的半导体冷却布置，其中，所述PCB和安装在所述PCB上的附加的低功率电气和电子部件位于所述腔室内并浸没在所述冷却流体中。
10.根据权利要求9所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置共同位于所述腔室内，并且所述低功率电气和电子部件共同位于所述腔室的、与所述一个或多个半导体功率装置不同的区域内。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，与所述腔室流体连通的所述入口端口被配置成在使冷却流体更有利地再由所述一个或多个半导体功率装置占据的所述腔室的区域中流动。
12.根据权利要求11所述的半导体冷却布置，其中，与所述腔室流体连通的所述入口和端口被配置为使得所述冷却流体的51％至99％，优选地冷却流体的95％，在由所述一个或多个半导体功率装置占据的所述腔室的区域中流动。
13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，在两个或多个半导体组件存在于所述腔室内时，每个相邻组件布置成彼此偏移，以使得一个散热器的孔与在下一个散热器中的孔不对准，从而使得冷却流体流过一个散热器中的孔，并且冲击在冷却流体的流动路径中的下一个散热器的表面上。
14.根据权利要求13所述的半导体冷却布置，其中，所述两个或多个半导体组件彼此平行布置。
15.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个组件的一个或多个散热器包括冷却流体分配器，以用于分配冷却流体。
16.根据权利要求15所述的半导体冷却布置，其中，所述冷却流体分配器包括附接到所述散热器的后面的分配器的第一层和第二层，其中，所述散热器的后面是所述散热器的与具有半导体功率装置联接其上的面相对的面，
所述第一层包括外层并且具有在所述第一层的前面和后面之间延伸的多个孔，这些孔位于与所述一个或多个半导体功率装置的位置相关联的所述散热器的区域上；和
所述第二层夹在所述散热器和所述第一层之间，包括一排孔，所述一排孔位于与联接到相当于所述散热器的每个半导体功率装置的外围的位置，以及多个引导件，其延伸到所述第二层中的孔的位置的内部，以用于引导在所述第一层中的孔和所述第二层中的孔之间的冷却流体。
17.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，包括一个或多个挡板，所述一个或多个挡板布置在所述入口和所述出口之间的、在所述外壳内的所述冷却流体的流动路径中，所述一个或多个挡板包括在所述挡板中的多个孔，其在前面和后面之间延伸穿过所述挡板，使得冷却流体流过所述孔。
18.根据权利要求17所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个挡板中的每一个布置在所述外壳内，以与所述一个或多个半导体组件中的每一个中的相应一个相邻，并且位于所述入口和相应的半导体组件之间的所述流动路径中。
19.根据权利要求18所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个挡板中的每一个布置在所述外壳内、在所述一个或多个半导体组件中的每一个中的相应一个的1mm至5mm内，优选地2mm内。
20.根据权利要求18或19所述的半导体冷却布置，其中，所述多个孔包括在每个挡板中的多个孔的一个或多个组，每个组的多个孔与热联接到所述散热器的一个或多个半导体功率装置的每个孔中的相应一个孔相关联，并且挡板中的多个孔的每个组布置成在所述入口和一个或多个半导体功率装置的每个孔中的相应一个孔之间的冷却流体的流动路径中。
21.根据权利要求20所述的半导体冷却布置，其中，多个孔中的一个或多个组中的每一个组包括多个孔的阵列。
22.根据权利要求21所述的半导体冷却布置，其中，多个孔中的每个阵列的尺寸被设计成具有与所述散热器上的相应的一个或多个半导体功率装置覆盖的所述散热器的区域相似的宽度和高度。
23.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述孔被配置成提供所述冷却流体的湍流。
24.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述孔为圆形、矩形、圆角矩形或星形。
25.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述孔的直径在所述前面和所述后面之间增加。
26.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述冷却流体是电介质冷却流体。
27.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述冷却流体在所述入口端口和所述出口端口之间被泵送。
28.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述入口端口和所述出口端口联接到包括热交换器的冷却回路，所述热交换器用于从所述冷却流体移除热量。
29.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体组件形成用于在DC和AC之间转换的逆变器。
30.根据权利要求29所述的半导体冷却布置，其中，当所述逆变器被配置为将DC转换为AC时，所述逆变器包括用于接收一个或多个DC电压的一个或多个电气输入，以及用于输出一个或多个AC电压的一个或多个电气输出。
31.根据权利要求30所述的半导体冷却布置，其中，所述逆变器的输出为电动机提供动力。
32.根据权利要求29所述的半导体冷却布置，其中，当所述逆变器被配置为将AC转换为DC时，所述逆变器包括用于接收一个或多个AC电压的一个或多个电气输入，以及用于输出一个或多个DC电压的一个或多个电气输出。
33.根据权利要求32所述的半导体冷却布置，其中，所述逆变器的输出对电池或其他电力储存装置充电。
34.根据权利要求29所述的半导体冷却布置，其中，所述逆变器作为双向逆变器，以用于将DC转换为AC并且将AC转换为DC，所述双向逆变器包括用于接收或输出一个或多个DC电压的一个或多个DC端口，以及用于输入或输出一个或多个AC电压的一个或多个AC端口。
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