CN111836513A - 散热器组件、制造散热器组件的方法以及电气装置 - Google Patents

散热器组件、制造散热器组件的方法以及电气装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种散热器组件、制造散热器组件的方法以及电气装置。该散热器组件包括：散热器，具有用于接纳热源的表面；铜插入件和低密度热解石墨层。铜插入件和低密度热解石墨层被分层地布置在所述散热器的表面上，以形成传热组件，并且该传热组件适于接纳热源，以将热从热源传递到散热器。

Description

散热器组件、制造散热器组件的方法以及电气装置
技术领域
本发明总体上涉及散热器，并且具体地涉及用于与电力电子模块一起使用的散热器。
背景技术
众所周知，诸如功率半导体和功率半导体模块的电子部件需要冷却，以将部件的温度保持在一定限度内。通常通过将部件从冷却表面附接至散热器的表面来进行对这种部件的冷却。
对于最简单的散热器，包括金属块例如铝和冷却片，冷却片附接至金属块，或者冷却片是金属块的主要的部分。发热部件牢固地附接至散热器的表面，则热从该部件被传递到金属块并且从冷却片离开到周围环境。
通过使用附接至散热器的特定结构，可以增加从该部件或模块到散热器的热传递。用于增加热传递的一种已知结构是热管。在热管中，借助液相变化增强热传递。然而，热管在增加热产生方面具有某些缺陷。使用热管的问题之一是被称为干涸(dry-out)的现象，该现象中，增加的热产生使相变无法完成，并且热管失去了传递热的能力。由于在高温下会遭遇干涸，因此热传递的突然失去可能导致被冷却的部件的温度突然升高并且导致该部件的损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种散热器组件、制造散热器组件的方法以及电气装置，以克服上述问题。通过以本发明的实施方式中所述的内容为特征的组件、方法和装置来实现本发明的目的。在本发明的替选实施方式中公开了本发明的优选实施方式。
本发明基于用铜插入件和低密度热解石墨层提供传热组件的构思。传热组件被布置在散热器的表面上，并且散热器设置有发热部件所附接至其上的表面。因此，传热组件被放置在发热部件与散热器之间，以增加从发热部件到散热器的热传递。
低密度热解石墨层优选地是包括一个或更多个低密度热解石墨片的压缩层。在压缩层中，使用高压将一个或更多个片压紧，以增加石墨沿片的厚度方向的密度。压缩层连同铜插入件具有用于将热有效传递通过组件的能力。此外，传热组件具有有效地散发热的能力。热的散发意味着热沿层的平面方向传递。当热沿平面方向传递时，较大的表面积能够将热进一步传递到散热器。与已知的散热器结构相比，通过所述热的散发可以更有效地利用散热器。
附图说明
在下文中，将参照附图借助于优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了本发明的实施方式的截面；
图2示出了本发明的另一实施方式的截面；
图3示出了本发明的方法的实施方式；并且
图4示出了本发明的装置的实施方式。
具体实施方式
图1示出了本发明的实施方式的截面。在图1中，示出了热源2例如电力电子模块，该热源2热附接至散热器1。电力电子模块是包括多个功率半导体开关的装置。该模块的开关通常连接在模块内部，使得可以使用该模块作为预制电路。开关的典型实现方式包括预先布线的桥电路或半桥电路。电力电子模块还包括冷却表面，开关部件的损耗被引导到该冷却表面，并且该冷却表面旨在热连接至适当尺寸的散热器。电力电子模块的冷却表面的宽度和长度可以达到数十厘米。
图1的实施方式包括铜插入件3和低密度热解石墨层4，所述铜插入件3和低密度热解石墨层4分层地布置在散热器的表面上，以形成传热组件。传热组件还适于接纳热源2，以将热从热源传递到散热器1。
在图1的实施方式中，低密度热解石墨层4被布置成与散热器1的表面接触，并且铜插入件3被放置在低密度热解石墨层的顶部。铜插入件的上表面是热源可以附接至的表面。在图1的示例中，示出了热源例如电力电子模块，该热源附接至传热组件的表面。为了使从热源的热传递最大化，在图1的示例中在热源2的冷却板或基板与本发明的散热器组件的表面之间采用了热界面材料5。所采用的热界面材料层5可以是任何已知的热界面。使用这样的热界面用于通过使匹配表面之间的任何不规则平坦来增加从该部件的底部的热传递。
图1示出了散热器的表面具有凹口，传热组件被附接至该凹口。低密度热解石墨层优选地由使用高压压缩的一个或更多个低密度热解石墨片形成。在单独的片被压缩以形成层的情况下，将热传递通过层的厚度的能力随着层变得更加致密而增加。
在图1的实施方式中，单独的低密度热解石墨片被放置在散热器的凹口中，并且使用铜插入件施加压力以对片进行压缩。因此，铜插入件被推向散热器，其中所述片位于铜插入件3与散热器1之间。当向铜插入件施加压力时，插入件被紧固至散热器的表面，使得低密度热解石墨片处于压缩状态。优选地通过使用压力焊接或激光焊接将铜插入件紧固至散热器的表面。在将铜插入件紧固至散热器之后，铜插入件的开口或上表面用作用于发热部件的附接位置。低密度热解石墨的密度优选地在0.25g/cm3至0.85g/cm3的范围内。
图2示出了本发明的其中传热组件不同于第一实施方式的另一实施方式。在该实施方式中，将低密度热解石墨压缩层23放置在两个铜插入件21、22之间，以形成传热组件。因此，传热组件包括两个铜插入件或铜片21、22，其中，低密度热解石墨层23位于铜片之间。
为了将低密度热解石墨层23保持在压缩状态，铜片21、22彼此紧固。在图2的实施方式中，以盒状结构使用铜片，其中，铜片形成该盒状结构的顶部22和底部21。例如，在盒状结构中，顶部22和底部21通过盒状结构的侧面彼此连接。根据一个实施方式，低密度热解石墨片被布置在没有顶部22的盒中，即，该盒包括底部21和侧面，该底部形成一个铜片或铜插入件。在将片放置在盒中时，将盒的顶部或盖放置在片的顶部，并且使用盖按压，使得片被压缩。然后将形成另外的铜片或插入件的盖22附接在适当位置，以形成其中低密度热解石墨片处于压缩状态的盒。盒的盖优选地通过激光焊接附接。在该实施方式中，低密度热解石墨的密度优选地在0.25g/cm3至1.8g/cm3的范围内。当低密度热解石墨片被布置在铜片之间时，层的密度可以比与其中石墨片被放置成直接朝散热器的表面的层的实施方式有关的密度略高。这是因为，与关于直接地向散热器的表面施加片相比，在使用铜片的过程中可以施加更大的压力。
如图2所示，将具有铜片或铜插入件作为顶部和底部的盒布置在形成于散热器1的表面的凹口中。将诸如电力电子模块2的发热部件附接至盒的顶部，并且具有经压缩的低密度热解石墨的盒形成传热组件。在图2中，在传热组件与散热器的表面之间以及在传热组件与发热部件例如电力电子模块之间布置有热界面材料层24、25。
传热组件的表面积优选地比要附接至散热器组件的发热部件的表面积大。当铜插入件和低密度热解石墨层的表面积较大时，热会有效且均匀地分布到散热器的本体上，该本体通常是铝。
参照图3，本发明的方法的实施方式包括：提供31具有用于接纳热源的表面的散热器；提供32铜插入件和低密度热解石墨层；以及将铜插入件和低密度热解石墨层分层地布置33在散热器的表面上，以形成传热组件。
优选地，该方法包括：对一个或多个低密度热解石墨片进行压缩，以形成要在传热组件中使用的低密度热解石墨压缩层。在一个或多个低密度热解石墨片被压缩的情况下，获得了良好的热性能。
根据本发明的实施方式，在散热器的表面上设置有凹口，并且在凹口中布置有一个或多个片。使用铜插入件对片进行压缩，并且将铜插入件附接至散热器。
优选地，凹口和铜插入件的尺寸被设计成使得在压缩时铜插入件的边缘或侧面靠近凹口的内边缘。也就是说，凹口和铜插入件具有基本相同的形状和尺寸，使得凹口可以附接至散热器。铜插入件的附接优选地通过激光焊接来进行。
根据另一实施方式，设置有两个铜板，并且在两个铜插入件之间布置有一个或多个低密度热解石墨片。施加压力以对在两个铜插入件之间的一个或多个低密度热解石墨片进行压缩。在一个或多个低密度热解石墨片处于压缩状态的情况下，铜插入件彼此附接。其中片处于压缩状态的铜插入件还被布置在散热器的表面上。所附接的铜插入件被布置，以形成发热部件要附接的位置。
根据一个实施方式，铜插入件具有铜片的形式，所述铜片当附接在一起时产生盒状结构。这意味着片之一具有产生用于盒状结构的侧壁的结构。在该实施方式中，低密度热解石墨片被放置在铜片之一上，并且使用另一片用于对石墨片进行压缩。在石墨片处于压缩状态的情况下，具有侧壁的铜片彼此附接，以便获得其中石墨片处于压缩状态的盒状结构。
所获得的盒状结构被放置在散热器的表面上，并且优选地被放置至在散热器的表面上形成的凹部或凹口中。盒状结构产生传热组件，并且盒状结构适于以热连接方式接纳热源例如电力电子模块。
本公开内容还涉及一种包括至少一个发热半导体部件的电气装置。发热部件优选地是半导体部件或电力电子模块。该装置还包括散热器组件，该散热器组件包括散热器、铜插入件和低密度热解石墨层。在该装置中，将铜插入件和低密度热解石墨层分层地布置在散热器的表面上，以形成传热组件。此外，所述至少一个发热半导体组件热附接至传热组件，以将热从半导体组件传递到散热器。
本发明的装置具有由散热器组件提供的优点。该组件使得能够产生其中增强了半导体部件的冷却的可靠的电气装置。此外，由于散热器组件以有效的方式利用散热器，因此可以减小散热器的尺寸，以及也可以减小电气装置的尺寸。该装置例如可以是其中采用了电力电子模块的逆变器或变频器。
图4示出了本公开内容的装置的简化结构的截面。图4利用了图1的散热器组件，并且关于图4还使用了与图1相关的附图标记。图4的装置包括：壳体41或外部结构；以及热源，例如，电力电子模块，该热源附接至用于对电力电子模块进行冷却的散热器组件。此外，逆变器具有用于不产生大量热量或不容许由发热部件产生的热的部件的单独室42。图4被描述为该装置的示例，并且可以在不同种类的装置中使用本发明的散热器组件。
低密度热解石墨片通常很薄。片的数量以及因此层的厚度可以根据散热器组件的设计而不同。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式来实现本发明的构思。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (15)

1.一种散热器组件，包括：
散热器，具有用于接纳热源的表面；
铜插入件和低密度热解石墨层，所述低密度热解石墨层的密度在0.25g/cm3至1.8g/cm3的范围内，其中，
所述铜插入件和所述低密度热解石墨层被分层地布置在所述散热器的所述表面上，以形成传热组件，并且
所述传热组件适于接纳热源，以将热从所述热源传递到所述散热器。
2.根据权利要求1所述的散热器组件，其中，所述低密度热解石墨层是包括一个或多个低密度热解石墨片的压缩层。
3.根据权利要求2所述的散热器组件，其中，低密度热解石墨压缩层在所述散热器的所述表面上，并且所述铜插入件在所述压缩层的顶部附接至所述散热器，所述铜插入件被布置成将所述层保持在压缩状态，并且所述铜插入件的表面适于形成所述传热组件的表面。
4.根据权利要求3所述的散热器组件，其中，所述散热器的所述表面包括凹口，所述低密度热解石墨压缩层被布置在所述散热器的所述表面的所述凹口中，并且所述铜插入件附接至所述凹口的边缘。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的散热器组件，其中，在所述传热组件的所述表面上布置有热界面材料层。
6.根据权利要求2所述的散热器组件，其中，所述低密度热解石墨压缩层被布置在两个铜插入件之间，以形成传热组件。
7.根据权利要求6所述的散热器组件，其中，所述两个铜插入件具有铜片的形式，在所述铜片之间布置有所述低密度热解石墨压缩层。
8.根据权利要求7所述的散热器组件，其中，所述两个铜片被焊接在一起，以形成其中所述低密度热解石墨层保持压缩的结构。
9.根据权利要求7或8所述的散热器组件，其中，所述铜片形成盒状结构的顶部和底部，并且所述低密度热解石墨压缩层被布置在所述盒状结构中。
10.根据权利要求8或9所述的散热器组件，其中，所述散热器的所述表面包括凹口，并且所述两个铜片被布置在所述凹口中，其中，在所述片之间压缩有所述低密度热解石墨层。
11.根据权利要求8或9所述的散热器组件，其中，在所述传热组件与所述散热器之间以及在所述传热组件的所述表面上布置有热界面材料层。
12.一种制造散热器组件的方法，所述方法包括：
提供具有用于接纳热源的表面的散热器；
提供铜插入件和低密度热解石墨层，所述低密度热解石墨层的密度在0.25g/cm3至1.8g/cm3的范围内；以及
将所述铜插入件和所述低密度热解石墨层分层地布置在所述散热器的所述表面上，以形成传热组件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括对一个或多个低密度热解石墨片进行压缩，以形成要在所述传热组件中使用的低密度热解石墨压缩层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括：
在所述散热器的所述表面上设置凹口；
将所述一个或多个低密度热解石墨片布置到所述凹口中；
使用所述铜插入件对所述一个或多个低密度热解石墨片进行压缩；以及
将所述铜插入件附接至所述散热器，其中，所述一个或多个低密度热解石墨片在所述铜插入件与所述散热器之间处于压缩状态。
15.一种电气装置，所述电气装置包括至少一个发热半导体部件，其中，所述电气装置包括：散热器组件，所述散热器组件包括散热器、铜插入件和低密度热解石墨层，所述低密度热解石墨层的密度在0.25g/cm3至1.8g/cm3的范围内，其中，
所述铜插入件和所述低密度热解石墨层被分层地布置在所述散热器的表面上，以形成传热组件，并且
所述至少一个发热半导体部件附接至所述传热组件，以用于将热从所述半导体部件传递到所述散热器。
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