CN111226299B - 改进的用于功率半导体器件的散热装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进的用于调节多个功率半导体的温度的散热装置，该散热装置以流动平衡器为特征，流动平衡器控制冷却剂流体的液压以调节跨越热交换翅片的冷却剂流体流量分布，以便形成均匀的流量分布或有目的的不成比例的或定制的冷却流体流量分布，以达到更高的热传递效率的目的。
Description
技术领域
本公开总体涉及散热装置及其使用方法，并且更具体地，涉及能够通过优化冷却剂流体流量改进热效率的散热装置及其使用方法。
背景技术
在容纳功率半导体器件(诸如，开关或整流器)的任何装置中，散热是重要的问题。过热会致使物理性能和电性能劣化，进而会引起这两者出现间歇性和永久性故障。甚至在容许的热范围内，也总是期望冷却的工作温度，因为冷却的工作温度通常导致增加的效率，根据对具体设备的性能需求，增加的效率可以允许设备运行更长的时间、消耗更少的功率、忍受或耐受较高的功率、甚至重新设计为物理上更小。在一些技术领域中，这些优点是至关重要的，因此散热效率上均匀的边际增加量是极为重要的。
为了实现低的工作温度，功率半导体器件通常与散热器或各种散热设备耦接。最有效的散热设备通常包括与功率半导体器件物理接触或在物理上紧密接近的导热材料，其能够将热吸出功率半导体器件并且传递热能远离其来源以在更方便的位置或以更方便的步调分散或耗散。一些更有效的散热设备通过使用液体冷却剂实现该目的。
美国专利号9,443,786(“简称’786专利”)描述了一个这种散热设备，其包括至少一个通过导热板与一个或多个功率半导体器件热连通的蛇形翅片。蛇形翅片位于歧管内的上腔室与下腔室之间，歧管以靠近歧管的相对远端而定位的入口和出口为特征，使得冷却流体必须在排出之前行进歧管的长度。’786专利通过引证整体并入本说明书中，包括摘要、整个说明书、附图、及权利要求。
当该传统设计为水平取向时，冷却流体通过馈入上腔室的入口进入装置并且从下腔室被抽出而通过的出口排出装置，因此为了通过装置，冷却剂流体必须在某一点跨越蛇形翅片从上腔室竖直流动到下腔室。蛇形翅片用作热交换面，使得在冷却流体跨越蛇形翅片竖直地通过，在所附接的功率半导体器件中产生的热能从蛇形翅片流动到冷却流体中随后与冷却剂流体一体流出装置的出口以在其他地方耗散。
在’786专利中公开和所要求保护的传统设备的整体散热效率取决于经由其上安装有半导体器件的导热板从功率半导体器件到蛇形翅片的热传递效率以及从蛇形翅片到冷却剂流体的热传递效率。后者部分取决于跨越蛇形翅片的冷却剂流体流量分布。
已经观察到，如在’786专利(具体地，图7B)中描述的，如果歧管内每个腔室的形状的尺寸相等并且统一，那么不成比例量的冷却流体将会沿着其水平长度在特定位置跨越蛇形翅片竖直地通过。如果蛇形翅片沿着其水平长度的温度大致相等，那么这种不均匀的冷却剂流体流量分布不会实现最高可能的热传递效率；因此，需要改进在’786专利中公开和所要求保护的装置和方法使得能控制冷却流体流量以更均匀地通过蛇形翅片从而实现最大热传递优化。
然而，在其他应用中，蛇形翅片沿着其水平长度的温度可能无法大致相等，因为将热量传递到蛇形翅片的功率半导体器件尺寸不同或者热活性不同。在这种应用中，跨越蛇形翅片的水平长度的冷却剂流体的一致且均匀的分布可能不是最有效的流量分布剖面以鼓励最大热传递效率。需要改进在’786专利中公开和所要求保护的装置和方法使得可以控制冷却流体流量以形成越过蛇形翅片的水平长度的定制的、不均匀的流量分布从而完全优化热传递效率。
例如，在’786专利中公开和所要求保护的设备示出了六个沿着所示出装置的可见侧附接至导热板的分离的功率半导体器件(参见’786专利的图1)并且本公开指示可能有至多另外六个附接至另一侧的功率半导体器件。如果功率半导体器件的尺寸不同和/或如果一些功率半导体器件比其他那些热活性更高，以实现最佳热传递效率，应该控制冷却剂流体的流量使得相邻的蛇形翅片的部分越多，热活性功率半导体器件经受不成比例量的冷却剂流量越大。需要按不成比例的方式控制冷却剂流体流量分布以为与热活性更高的功率半导体器件相邻的热交换面的部分分配更多的散热量，以便实现最高可能的散热效率。
除了需要改进的冷却剂流分布之外，可通过增强与蛇形翅片或其他热交换面热连通的多个功率半导体器件的电隔离而将在’786专利中公开和要求保护的装置制成为更通用。传统设计公开了金属板或直接键合基板(DBC)，其中，板具有导热陶瓷芯以及陶瓷芯的每一侧上的铜层。功率半导体器件固定至该板并且与蛇形翅片或其他热交换面电隔离但它们不彼此电隔离，从而对于固定的彼此相邻的各种功率半导体器件需要某一等级的一致性。如果功率半导体器件彼此电隔离，那么单个装置可容纳电气上不同的半导体器件(诸如，逆变器和充电器)，或一相、三相、和/或固定值同一装置的多相功率半导体器件。该设计创新将为所公开的装置提供具有更大的通用性。需要’786专利中公开和要求保护的装置使得功率半导体器件彼此电隔离。
本公开与相关技术的不同之处在于直到此时提供了如在以下发明内容中描述的未教导的优点。
发明内容
本公开描述了一种用于功率半导体的创新的高效散热装置。对在’786专利中最初公开和所要求保护的设计进行改进，本公开的装置还包括创新的流动平衡器以控制冷却剂流体的液压以便优化冷却剂流体跨越蛇形翅片或相似的热交换面的流量分布，与没有创新更改的传统装置相比，其可将功率半导体器件的温度降低。
与在’786专利中公开和所要求保护的装置相似，本公开的装置包括歧管，该歧管具有通向第一腔室的入口和从第二腔室抽出的出口以及位于第一腔室与第二腔室之间的与至少一个功率半导体器件热连通的热交换面，使得冷却剂流体必须靠近热交换面流动以从第一腔室流到第二腔室再离开装置。
创新的流动平衡器定位在第一腔室和第二腔室的内部并且改变第一腔室和第二腔室的内部截面面积，从而改变沿着每个腔室的长度的截面面积，进而改变沿着装置的长度的液体静压力并且影响冷却剂流体沿着热交换面的长度的流量分布。
流动平衡器可以采取可移除的物理插入件或位于第一腔室和/或第二腔室内部的永久固定的物理插入件的形式改变腔室截面面积。可替换地，在一些实施方式中，流动平衡器可以是对腔室壁的形状的物理设计变更以实现相同的效果。
通过控制具有流动平衡器的上腔室和下腔室的形状，可以改变歧管中的液压以促使沿着热交换面的长度的均匀流量分布或者有目的地形成定制或不均匀的流量分布。
根据计算流体动力学(CFD)分析，使用流动平衡器可提高经受上至百分之二十五(25％)的类似的负载的功率半导体的节点温度。实际测试得出甚至更好的结果，示出了显著的温度降低。这些温度降低是显著的并且可转换为非常重要的性能益处，根据技术这些性能益处可以允许设备运行更长的时间、消耗更少的功率、忍受或耐受较高的功率、和/或重新设计为物理上更小。
本公开装置中另一重要的创新改进包括或涉及其上安装有功率半导体器件的导热板。在’786专利中公开和所要求保护的传统设计中，多个功率半导体器件安装在单个导热板上。该设计是有局限性的，因为其不会将功率半导体器件彼此电隔离并且因此要求功率半导体器件共用某种电特性。本公开的装置以电隔离板为特征。这就允许单相、三相、和/或多相功率半导体器件结合到一个散热装置中。该重要的创新允许更大的设计灵活性和通用性。
在’786专利中公开的传统设计中，热传递面称为蛇形翅片(serpentine fin)。蛇形翅片是热交换面的优良款式，但不是唯一能接受的热交换面设计。出于本公开的目的，术语蛇形翅片应指如在’786中描述的具有多个折叠件的翅片以及任何其他能接受的热传递面设计两者。
本公开教导构造和使用上的某些益处，其引起如下描述的目的。
上述装置和方法固有的主要目的是提供现有技术未教导的优点。
另一目的是提供具有增大的散热能力的功率半导体散热装置。
又一目的是提供具有增加的散热效率的功率半导体散热装置。
又一目的是提供具有减小的物理尺寸的功率半导体散热装置。
进一步的目的是提供功率半导体器件之间电绝缘改进的功率半导体散热装置。
结合附图，从下面更加详细的描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图通过实例的方式示出目前描述的装置的原理。
附图说明
附图示出各种示例性实施方式以及部分说明书。出于示例性而不是限制的目的，提供了所示出的实现方式。将用数字指定示出的元件。一旦指定，将自始至终由相同的数字来标识元件。附图中示出的是本公开的最佳模式的实施方式中的至少一个。在该附图中：
图1是本公开的散热装置的示例性实施方式的立体图，该散热装置以附接到装置的各侧的六个功率半导体器件为特征。
图2是本公开的散热装置的暴露在装置的中心处的蛇形冷却翅片的截面立体图。
图3是本公开的散热装置的示例性实施方式的示意性侧视图，示出了上流动平衡器和下流动平衡器的存在，该上流动平衡器和下流动平衡器用于控制冷却流体压力以实现跨越装置的水平长度的相等的流动。
图4是本公开的散热装置的示例性实施方式的示意性侧视图，示出了上流动平衡器和下流动平衡器的存在，该上流动平衡器和下流动平衡器用于控制冷却流体压力以实现跨越装置的前半部分的相等的流动，同时切断朝向装置的后半部分的流动。
图5是本公开的散热装置的示例性实施方式的示意性侧视图，示出了上流动平衡器和下流动平衡器的存在，该上流动平衡器和下流动平衡器用于控制冷却流体压力以实现跨越装置的水平长度的独特的流动剖面(flow profile)。
图6是本公开的散热装置的示例性实施方式的立体图，该散热装置以附接到装置的各侧的各种尺寸的六个功率半导体器件为特征。
具体实施方式
以上描述的图形示出了本公开装置的示例性实施方式以及本公开装置在其优选的最佳模式的实施方式中的许多特征，这些特征在下面的描述中详细地定义。本领域的普通技术人员也许能对在此描述的内容作各种变化和更改，而不背离本公开的精神和范围。因此，必须理解，所示出的内容仅出于示例性的目的阐述而且其不应当被当作是本装置的范围及其许多特征的限制。
现在详细描述功率半导体的散热装置及其使用方法，其能够通过控制液体动力优化冷却剂流而提高热效率。
图1示出了本公开的装置100的示例性实施方式，该装置以歧管130为特征，该歧管具有用于使冷却剂流体进入的入口110和用于使冷却流体流出的出口120。图1示出了多个功率半导体器件160，其附接到导热垫140，导热垫与位于内部的热交换面170热连通，使得在功率半导体器件160中产生的热量能够通过导热垫140有效地传递到(位于内部的)热交换面170，并且随后传递至冷却流体并被冷却流体带走。在图2中能看见热传递面170，因为该示图为剖视立体图。
图3、图4、和图5是示出了流动平衡器180可在冷却剂流体流动分布上施加影响的示意性侧视图。具体地，图3示出了第一腔室和第二腔室两者中的流动平衡器180，该流动平衡器被设计成跨越热交换面170形成均匀的冷却剂流体分布。该实例可能用于装置附接到跨越装置100的长度生成大致均匀的热特征并且期望相对均匀的冷却剂流量分布的多个相似的功率半导体器件的情况。
而图4示出了第一腔室中的流动平衡器180完全关闭了来自装置100的后半部分的流。如果装置100的后半部分上没有固定功率半导体器件160并且因此不需要冷却剂流体，可能期望这种流动剖面。图5是由复杂流动平衡器180形成的假定的复杂流动剖面的实例，如果多个不同的功率半导体器件160附接到装置100从而产生对复杂流动剖面的需要，则可能期望这种复杂流动剖面。
图5是本公开的装置100的示例性视图的立体图，示出了附接到与其他功率半导体器件160电隔离的导热板140的各种尺寸的功率半导体器件160。这种设计改进的优点是允许更大的设计灵活性和通用性，因为附接到同一装置100的各种功率半导体器件160在电气上可能不那么相似。
与记录在案的现有技术相比，以上详细描述的实施方式被认为新颖的并且被认为对装置的至少一个方面的操作及其使用方法，以及上述目的的实现是至关重要的。在本说明书中用来描述即时实施方式的词被理解为不仅要以其普通定义的含义理解，而且还要包括在本说明书结构、材料中的特殊定义，或用于普通定义的含义的范围之外的行为。因此，如果在本说明书的上下文中元件可理解为包含一个以上的含义，则其用途必须被理解为对说明书及描述元件的词支持的所有可能的含义通用。本文中描述的词或绘制元件旨在不仅包含字面上所阐述的元件的组合，而且还包含所有的等效结构、材料或以基本相同的方式执行基本相同的功能以获得基本相同的结果的行为。因此，在这点上，预期对所描述的以及各种实施方式的元件中的任一个进行两个或更多个元件的等同替换，或者可将权利要求中的两个或更多个元件替换为单个元件。现在已知或随后想出的如本领域普通技术人员看到的所要求的主题的变化明确预期为在意图的范围及其各种实施方式的范围内等效。因此，本领域普通技术人员现在或以后已知的替代被限定在所定义的元件的范围内。本公开因此旨在理解为包含以上具体示出和描述的内容，概念上等效的内容，以及结合基本思想的内容。
该说明书的范围仅结合所附权利要求解释并且在此需要澄清的是各提名发明人认为所要求的主题是旨在批准专利的内容。
Claims (6)
1.一种改进的功率半导体散热装置，所述装置包括：
液体热交换歧管，具有第一腔室和第二腔室；
入口和出口，定位在所述歧管的相对的远端处；
热交换面，与至少一个功率半导体器件热连通，其中，所述入口使冷却流体进入所述第一腔室，并且所述出口使冷却流体从所述第二腔室流出，并且所述热交换面在所述第一腔室与所述第二腔室之间延伸，使得冷却流体流经所述热交换面，以从所述第一腔室流到所述第二腔室；以及
至少一个流动平衡器，位于所述第一腔室或所述第二腔室中，所述流动平衡器具体地成形为控制所述冷却流体的液压，以便优化通过所述热交换面的冷却剂流体有目的地形成定制或不均匀的流量分布。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功率半导体器件彼此电隔离；流通平衡器采取可移除的物理插入件或永久固定的物理插入件的形式改变腔室截面面积，按不成比例的方式控制冷却剂流体流量分布，以为与热活性更高的功率半导体器件相邻的热交换面的部分分配更多的散热量。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功率半导体器件不彼此电隔离；流通平衡器采取可移除的物理插入件或永久固定的物理插入件的形式改变腔室截面面积，按不成比例的方式控制冷却剂流体流量分布，以为与热活性更高的功率半导体器件相邻的热交换面的部分分配更多的散热量。
4.一种功率半导体封装和冷却装置，包括：
印刷电路板；
半导体模块，包括：
至少一个半导体元件，包括：
至少一个功率半导体器件；以及
多个端子，从所述功率半导体器件的底部突出；
至少一个导热板；以及
至少一个蛇形翅片元件，每个所述蛇形翅片元件由多个折叠件限定；
歧管元件，所述歧管元件由至少一个部分限定；所述歧管元件包括：
流体进入口，设计为用于接收冷却剂并且将所述冷却剂输送到所述蛇形翅片元件；
流体排出口，允许所述冷却剂流出；
至少一个流动平衡器，位于所述流体进入口与所述流体排出口之间，所述流动平衡器具体地成形为控制所述冷却剂的液压，以便冷却剂流体有目的地形成定制或不均匀的流量分布；以及
至少一个窗口，设计成接收所述半导体元件或多个半导体元件；
其中，多个端子穿过所述电路板中的相应孔以将所述半导体模块连接至所述电路板；
其中，每个半导体器件接合至每个导热板的一侧，并且每个蛇形翅片元件接合至每个导热板的相对的另一侧，以形成一个或多个板组件；以及
其中，每个板组件安装在所述歧管元件的所述窗口中，允许冷却剂进入所述歧管元件中，从而被迫使流过每一个所述蛇形翅片元件中，以从所附接的每一个功率半导体器件中移除热量。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述功率半导体器件彼此电隔离；流通平衡器采取可移除的物理插入件或永久固定的物理插入件的形式改变腔室截面面积，按不成比例的方式控制冷却剂流体流量分布，以为与热活性更高的功率半导体器件相邻的热交换面的部分分配更多的散热量。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述功率半导体器件不彼此电隔离；流通平衡器采取可移除的物理插入件或永久固定的物理插入件的形式改变腔室截面面积，按不成比例的方式控制冷却剂流体流量分布，以为与热活性更高的功率半导体器件相邻的热交换面的部分分配更多的散热量。
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