CN112747620A - 用于散热的两相传热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过传热介质而从例如功率半导体模块(26)之类的热源散热的两相传热装置(10)，其中，两相传热装置(10)包括主体(12)，其中，主体(12)由本体材料(14)形成，并且包括多维空洞网络(16)，其中，多维空洞网络(16)包括空洞并且适于容纳传热介质，其中，多维空洞网络(16)适配成使得传热介质沿着穿过主体(12)的路径(20)的流动基于由多维空洞网络(16)对传热介质施加的毛细管作用沿着路径(20)的变化。而且，本发明涉及一种包括上文的用于散热的两相传热装置(10)的功率半导体模块(26)和用于生产上文的两相传热装置(10)的方法。

Description

用于散热的两相传热装置
技术领域
本发明涉及一种用于通过传热介质而从热源(例如，功率半导体模块)散热的两相传热装置。本发明尤其涉及包括主体的两相传热装置，其中，主体由本体材料形成，并且包括多维空洞网络(void network)。本发明还涉及一种包括上文的两相传热装置的功率半导体模块。此外，本发明涉及一种用于生产上文的两相传热装置的方法。
背景技术
功率半导体模块大体上在本领域中是众所周知的。常规的功率半导体模块是包括各自致力于执行具体功能的许多不同构件的复杂组件。功率半导体模块的电路和/或功率半导体装置会产热，该热需要通过传热装置而耗散，以便维持功率半导体模块的功能性。为了从热源散热存在不同技术，诸如，将热源与可以作为具有冷却剂流的冷却器而提供的散热器带入接触。
然而，在功率半导体模块的开发方面的进展贯注于功率半导体模块的高电流密度和致密封装，并且因而，高效冷却和/或散热变得甚至更重要。作为散热器、热管以及蒸汽室的常规的传热装置可能不能够满足关于传热装置的设计自由、热阻以及散热通量的要求。
US 2017/0235349 A1描述了一种3D打印热管理装置，该装置包括单个邻接的构件，该构件包括第一换热器的至少一部分和第二换热器的至少一部分。第二换热器属于与第一换热器不同的类型。
WO 2006/007721 A1描述了用于在具有孔隙尺寸的双峰分布的高性能热管中使用的混合芯吸材料。吸液芯由形成到泡沫、毛毡、丝网或网状金属衬底的内壁上的烧结金属粉末组成。微细孔隙结构由金属粉末形成，而衬底由大的孔隙组成。
EP 3 176 672 A1描述了启动用于增强的散热的集成的热管理系统。热管理系统包括底盘框架202，底盘框架202构造成使热管理系统的热扩散阻力最小化。底盘框架包括至少一个底盘本体和嵌入到底盘本体中的热骨架。单个三维热管结构可以充当热骨架。
WO 2004/065866 A1描述了用于冷却半导体集成电路的混合或复合冷却装置，其中，冷却装置被采用来使流体发生相变并且通过通风和对流而冷却。
然而，诸如涉及上文中所引用的参考文献的现有技术仍然留有尤其关于传热装置的设计自由、散热通量和机械稳定性以及继而功率半导体模块的可靠性和寿命的改进空间。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供具有用于热源(例如，功率半导体模块)的增强的散热的可靠的传热装置和用于生产该传热装置的方法。
该目的通过具有独立权利要求1的特征的两相传热装置实现。该目的通过具有独立权利要求10的特征的功率半导体模块进一步实现。此外，该目的通过具有独立权利要求12的特征的上文的用于生产两相传热装置的方法实现。有利的实施例在从属权利要求中、在进一步的描述中以及在附图中给出，其中，除非未明确地排除，否则所描述的实施例能够单独地或以相应的实施例的任何组合提供本发明的特征。
描述了一种用于通过传热介质而从热源散热的两相传热装置，其中，两相传热装置包括主体，其中，主体由本体材料形成，并且包括多维空洞网络，其中，多维空洞网络包括空洞，并且适于容纳传热介质，并且其中，多维空洞网络适配成使得传热介质的沿着穿过主体的路径的流动基于由多维空洞网络对传热介质施加的毛细管作用沿着路径的变化。
这样的两相传热装置提供优于现有技术的解决方案的尤其关于两相传热装置的更高的设计自由、机械稳定性以及最大散热通量的明显的优点。因此，两相传热装置可以提供热源的更可靠且高效的冷却。当使用两相传热装置来从功率半导体模块散热时，提高功率半导体模块的可靠性和寿命。
因而，本发明涉及一种用于通过传热介质而把热从热源传走的两相传热装置。在此情境下，两相传热装置意味着至少部分地通过传热介质的相变而传热。优选地，传热装置的工作机理至少部分地依赖于传热介质从液相到气相的转变，并且反之亦然。
基于相变的两相传热装置在现有技术中被已知为热管或蒸汽室。常规的热管和/或蒸汽室一般包括容纳作为传热介质的饱和液体及其气相的封闭管或封闭室和吸液芯结构。在传热装置的热端处，即，在热源附近，饱和液体汽化，并且行进到热管的冷却端，在热管的冷却端处，气相冷凝并且变回饱和液体。在常规的热管和/或蒸汽室中，冷凝的液体使用吸液芯结构来返回到热端，吸液芯结构对传热介质的液相施加毛细管作用。吸液芯结构可以具有对于毛细管作用而言可靠的一系列的槽。毛细管作用在吸液芯结构的所有位置中是基本上相同的。然而，由于毛细管作用在吸液芯结构的所有位置中是基本上相同的，因而流动方向仅仅通过热端与冷端之间的压差而强加于液体传热介质上。这可能使得液体传热介质回到热端的流动低效，由于若干原因如吸液芯结构的不足的渗透性或负重力效应(当液体传热介质回到热端的流动与液体传热介质的预期的流动方向相反时)。
此外，在常规的热管和/或蒸汽室中，吸液芯结构可以由烧结的金属粉末或烧结的筛网或金属纤维形成，烧结的金属粉末或烧结的丝网或金属纤维通常扩散粘结到蒸汽室封闭件的部分，如蒸发器、冷凝器、支柱以及侧壁。然后，后者(蒸汽室封闭件的部分)通过如冲压、钎焊、超声波或扩散粘结那样的各种各样的技术而联结成单件。这使得常规的热管和/或蒸汽室难以制造，由于存在大面积的薄弱接合处和关于保持多孔吸液芯连续性(这对液相在热管和/或蒸汽室内部的正确循环是重要的)的问题。尤其地，常规的制造方法仅可以提供有限的设计自由，并且可能不允许足够准确地控制吸液芯结构的形状、孔隙度和/或另外的性质以实现两相传热装置的高冷却效率。此外，大面积的薄弱接合处和/或扩散粘结的接合处可能强加稳定性问题，并且可能约束热管或蒸汽室中的最大容许压力，因而减小其工作温度上限。
现有技术的这些问题可以通过本发明而解决。本发明的两相传热装置包括由本体材料形成的主体。主体包括多维空洞网络。多维空洞网络包括空洞，并且适于容纳传热介质。空洞可以是主体中的孔、孔隙和/或管。主体的本体材料可以具有用于形成多维空洞网络的多孔结构。换而言之，空洞可以是主体中的不具有本体材料的结构。因而，孔、孔隙和/或管形成多维空洞网络。多维空洞网络可以嵌入于本体材料中。多维空洞网络或其空洞可以相应互连或部分地互连。例如，主体中可能存在与管道紧邻的孔，其中，在所述孔与所述管道之间不存在本体材料。因而，孔和管道可以形成主体中的一个连续空心空间。术语“部分地互连”指示可能存在可以不具有与另一个空洞的互连的额外的空洞。作为替代，所述空洞可以被本体材料包封。
多维空洞网络适于容纳传热介质，优选地意味着传热介质的液相和气相能够相应地容纳于多维空洞网络或其空洞中，并且能够以其液相流动通过多维空洞网络和/或以其气相扩散通过多维空洞网络。
多维空洞网络适配成使得沿着穿过主体的路径的传热介质的流动(尤其传热介质以其液相进行的流动)基于由多维空洞网络对传热介质施加的毛细管作用沿着路径的变化。与现有技术的常规的传热装置相比，本发明的两相传热装置具有多维空洞网络，其适配成使得毛细管作用并非在多维空洞网络的所有位置中都是相同的，而是使得毛细管作用沿着穿过主体的路径变化。由于传热介质容纳于多维空洞网络中，因而穿过主体的路径优选地是位于多维空洞网络内的穿过主体的路径。然而，除了该约束以外，穿过主体的路径可以是任何路径。优选地，穿过主体的路径可以是使两相传热装置的热端与两相传热装置的冷却端连接的穿过主体的路径。换而言之，该路径可以使位于热源附近的位置(例如，功率半导体模块的热点)与位于散热器附近的位置连接。由于毛细管作用沿着路径的变化，传热介质以其液相流过主体的方向可以被控制。此外，传热介质以其液相流过主体的速率可以被控制。因而，两相传热装置可以具有提高的散热效率，因为，可以额外地通过变化的毛细管作用支持液体传热介质到热端的流动。换而言之，液体传热介质朝向两相传热装置的热端的流动方向和/或流动速率不仅由于传热介质的处于液相的部分在热端处少于在冷却端处(这产生呈压差的形式的驱动力)的事实，而且还由于沿着路径改变的毛细管作用。毛细管作用沿着路径的改变不仅可能导致毛细管力沿着路径的改变，而且还可能导致渗透性沿着路径的改变。
优选地，由多维空洞网络对传热介质施加的毛细管作用沿着路径的变化使得在路径的一端处的毛细管作用不同于在路径的相反端处的毛细管作用。此外，毛细管作用的变化可以是台阶式的或以渐进的方式。优选地，由多维空洞网络对传热介质施加的毛细管作用沿着路径的变化使得毛细管作用沿着路径的导数具有恒定符号。换而言之，这可以意味着，沿着路径沿着具体方向的毛细管作用可以沿着路径沿着该方向减小，或毛细管作用可以沿着路径沿着该方向增大。然而，沿着路径沿着具体方向的毛细管作用不可能同时地沿着路径沿着该方向减小和增大。
此外，多维空洞网络的表达可以意味着，由空洞形成的网络在一个空间维度中延伸，优选地在两个空间维度中延伸，或更优选地在三个空间维度中延伸。因而，多维空洞网络可以是一维网络，优选地是二维网络，或更优选地是三维网络。因此，多维空洞网络提供使穿过主体的路径适于具体的冷却需要的可能性。换而言之，多维空洞网络允许以提高的设计自由在局部范围内控制传热介质的循环。
关于提高的设计自由并且根据优选的实施例，可以提供一种两相传热装置，其中，主体在增材制造过程中形成，和/或主体形成为单件式构件。增材制造(其也被称为逐层制造)可以指定如下的过程：其中，期望的主体形状并非通过移除材料来生产，而是通过在连续层中添加材料来生产。在这样的过程中，本体材料可被联结或凝固，以产生多维物体，即，作为单件式构件的主体。使用逐层制造允许以高精度产生复杂的多维形状和结构。因此，可以容易地并且精确地生产两相传热装置、主体以及位于主体中的多维空洞网络。由于在两相传热装置的主体内，可以不存在钎焊界面和/或烧结界面和/或扩散粘结界面，因而增材制造过程提供容易的可生产性。此外，由于在两相传热装置的主体内没有钎焊界面和/或烧结界面，因而作为单件式构件的主体可以具有更高的稳定性。因此，可以提高两相传热装置的可生产性、稳定性、性能以及寿命。
关于毛细管作用沿着路径的变化，可能可想到若干种实现可能性。毛细管作用可以基于位于空洞内部的传热介质与本体材料的周围表面之间的分子间力。毛细管作用可以随着空洞的几何结构和/或体积或随着多维空洞网络的几何结构和/或体积而相应改变。根据上文，可以提供一种两相传热装置，其中，空洞布置于主体中，以致于本体材料和/或主体的密度和/或孔隙度的变化沿着穿过主体的路径实现。这可能是易于实现毛细管作用沿着路径的变化的方式。本体材料和/或主体的密度可以是颗粒密度、容积密度和/或填装密度。颗粒密度(其也被称为主体的真密度)可以是构成主体的本体材料的密度，换而言之，主体的密度在没有空洞的体积的情况下测量。相反，主体的容积密度可以测量包括空洞的体积的主体的密度。填装密度可以是本体材料的体积与空洞的体积之间的比。孔隙度是空洞的体积与主体的体积之间的比。优选地，孔隙度可以在10%至80%的范围内变化。通过控制这些性质-密度和孔隙度-中的一个或多个，可能对毛细管作用造成影响，并且可以实现毛细管作用沿着路径的变化。例如，空洞可以在主体中以变化的空洞间距离分布，并且因此，上文的性质中的一个或多个可以沿着穿过主体的路径变化。备选地或额外地，空洞的几何结构和/或体积可以沿着穿过主体的路径改变。
本发明还允许改变空洞的尺寸。优选地，空洞的尺寸由形成多维空洞网络的空洞的直径定义。空洞可以具有带有圆形或矩形横截面形状或如十字形或多边形那样的更复杂的横截面形状的如管道状管那样的形式。例如，相应的(一个或多个)空洞可以具有如下的管的形式：由其长度和其直径定义，其中，直径小于长度。管的直径可以等于或小于200 µm，例如 150 µm。这未排除可能存在空洞的可以大于200 µm的另一尺寸。例如，管的长度可以处于1 mm至300 mm之间的范围中。通过改变空洞的几何结构和/或体积，空洞的直径以及因而尺寸也可以改变。据此，可以提供一种两相传热装置，其中，空洞具有处于第一尺寸范围内的尺寸，并且其中，空洞布置于主体中，以致于空洞的尺寸的变化沿着穿过主体的路径实现。换而言之，多维空洞网络的空洞可能并非全都具有相同尺寸，而是可能具有不同尺寸。考虑到空洞的所有不同尺寸，尺寸可以处于第一尺寸范围内。优选地，第一尺寸范围可以处于5 µm至200 µm之间，更优选地20 µm至150 µm之间。沿着路径布置具有不同尺寸的空洞，以致于实现空洞的尺寸沿着路径的改变，可以是易于导致毛细管作用沿着路径的变化的方式。
如在上文中已经提到的，由多维空洞网络对传热介质施加的毛细管作用沿着路径的变化优选地使得毛细管作用沿着路径的导数具有恒定符号。在这一点上，可以提供一种两相传热装置，其中，沿着路径的密度变化、孔隙度变化和/或尺寸变化使得密度、孔隙度和/或尺寸沿着路径的导数具有恒定符号。此外并且根据本发明的优选实施例，提供一种两相传热装置，其中，沿着路径的密度变化、孔隙度变化和/或尺寸变化包括连续变化和/或不连续变化。术语“连续变化”意味着，上文的性质可以沿着路径逐渐地改变。这可能导致对传热介质沿着路径的流量、流动方向和/或流动速率的增强的控制。然而，从制造的立场来看，可能更易于实现上文的性质沿着路径的不连续变化。术语“不连续变化”意味着，上文的性质以台阶式方式沿着路径改变。例如，可能存在路径的第一区段，在第一区段中，主体的孔隙度具有一定的大小，并且在路径的邻接的区段中，孔隙度具有不同大小。
关于沿着路径的密度变化、孔隙度变化和/或尺寸变化，空洞的密度、孔隙度和/或尺寸可以由取决于至少两个参数的数学函数描述。优选地，数学函数取决于两个参数。以数学公式来表达，数学函数可以是v = f(x, y)，或优选地是v = f(x, y, z)，其中，v是空洞的密度、孔隙度和/或尺寸，并且x、y以及z是参数。参数可以是可以指定例如沿着穿过主体的路径的在二维或三维坐标系中的点的位置的位置参数。尤其地，针对作为主体的三维物体而描述空洞的密度、孔隙度和/或尺寸的数学函数f(x, y, z)可以是具有一定的对称性的数学函数。例如，函数f(x, y, z)可以是有序晶格(例如，方形晶格或六方晶格)的函数。备选地，函数f(x, y, z)可以是随机泡沫或极小曲面(例如，Schwarz D, Gyroid)的函数。空洞在形成多维空洞网络的主体中的这样的布置可以增强两相传热装置的散热，并且可以使可生产性容易。
关于空洞的尺寸，可以提供一种两相传热装置，其中，空洞具有处于第一尺寸范围内的尺寸，并且空洞具有处于第二尺寸范围内的尺寸，并且其中，空洞的尺寸分布表现出至少两个截然不同的最大值。换而言之，多维空洞网络的空洞可能并非全都具有相同尺寸，而是可能具有不同尺寸。考虑到空洞的所有不同尺寸，尺寸可以处于两个或更多个尺寸范围内，即，处于第一尺寸范围内并且处于第二尺寸范围内。优选地，第一尺寸范围可以处于5 µm至200 µm之间，更优选地20 µm至150 µm之间。优选地，第二尺寸范围可以处于75 µm至2000 µm之间，更优选地100 µm至500 µm之间。因此，第一尺寸范围和第二尺寸范围以及所有的连续的尺寸范围可能重叠。然而，尺寸分布优选地表现出至少两个截然不同的最大值，优选地，一个最大值处于第一尺寸范围内，而另一个最大值处于第二尺寸范围内。通过具有带有处于两个尺寸范围(其在尺寸分布中具有两个截然不同的最大值)内的尺寸的空洞，两相传热装置可以表现出提高的散热效率。第一尺寸范围可以基于毛细管作用的变化而控制传热介质沿着路径的流动方向，如上文中所提到的那样。第二尺寸范围(其中，空洞具有平均更大的尺寸)可以提高液相的流动速率，并且也可以降低蒸汽阻力流动速率。此外，具有带有处于第二尺寸范围内的尺寸的空洞可以提高两相传热装置的总体冷却效率。
关于传热介质并且根据优选实施例，传热介质可以包括水、氨、甲醇、乙醇、异丙醇、乙胺、戊烷、丙酮和/或制冷剂流体。制冷剂流体可以是具有例如 R123和/或R1233zd之类的ASHRAE指定的编号的制冷剂流体中的一种。美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)分配R编号，R编号根据制冷剂流体的分子结构而系统性地确定。传热介质可以根据如下的温度而选取：两相传热装置可以在该温度下操作。传热介质可以是上文的化合物中的一种或可以是上文的化合物的混合物。由于两相传热装置的主体优选地在增材制造步骤中形成，和/或主体形成为单件式构件，因而两相传热装置非常鲁棒。因此，可以使用如氨那样的高压传热介质，这继而可以提高两相传热装置的热通量。
此外，传热介质可以考虑到主体的本体材料的性质而选取。在此情境下，并且根据优选实施例，本体材料可以包括从由包括下者的群组选择的化合物或其混合物：铜、青铜、黄铜、CuCrZr、CuNiSi(Cr)、1xxx/2xxx/6xxx系列铝、AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12、铜镍铁合金(calmalloy)、Al6061、A20X、Al-Cu、钛、Ti6Al4V、316L钢、17-4PH钢、Inconel618合金、Inconel725合金、马氏体时效钢。本体材料可能不限于金属合金。因此，本体材料可以包括从由包括下者的群组选择的化合物或其混合物：塑料、如ABS、PLA、PET、PP那样的树脂和/或如碳纤维或金属增强的塑料/树脂那样的复合材料。本体材料以及因此主体可以具有良好导热性质。因此，可以实现通过两相传热装置进行的改善的散热。本体材料可以设有或不设有如例如碱性添加剂那样的烧结添加剂，或者设有或不设有粘结剂。此外，对于在增材制造步骤中的使用，本体材料可以是兼容的。
如在上文中已经提到的，多维空洞网络适于容纳传热介质。在这一点上，可以提供一种两相传热装置，其中，主体包括封闭件，并且其中，封闭件基于本体材料，并且对于传热介质而言不可渗透。封闭件可以是主体的外表面。此外，封闭件可以是位于主体内或延伸穿过主体的结构。封闭件可以具有任何形式，尤其地，适于热源(例如，功率半导体模块)的冷却需要的形式。优选地，封闭件具有多维形式，尤其地，封闭件可以在三个维度中延伸。优选地，封闭件具有包封形式，以致于传热介质可以容纳于封闭件内。更优选地，多维空洞网络可以布置于封闭件内。然而，封闭件和嵌入于主体中的多维空洞网络可能并非两个单独的构件。换而言之，在封闭件与形成多维空洞网络的本体材料之间，可能不存在烧结界面、扩散粘结界面和/或钎焊界面。相反，封闭件和包括多维空洞网络的主体优选地是由本体材料形成的单件式构件。本体材料可以具有用于形成多维空洞网络的多孔结构。此外，本体材料可以具有用于形成封闭件的致密结构。对于封闭件而言，本体材料的密度可以为>95%。例如，封闭件可以通过压紧本体材料而形成，以致于封闭件对于传热介质而言不可渗透。此外，封闭件可以使用与用于生产主体内的多维空洞网络的参数集不同的激光参数集来生产。此外，封闭件可以通过利用不可渗透的材料浸润主体内的多维空洞网络的外层而生产。因而，可能存在封闭件与本体材料(多维空洞网络嵌入于其中)之间的连续转变。这可以提高两相传热装置的稳定性。
关于两相传热装置的另外的优点和技术特征，参考功率半导体模块、用于生产两相传热装置的方法、附图以及进一步的描述。
本发明进一步涉及一种功率半导体模块，该功率半导体模块包括如上所述的用于散热的两相传热装置。这样的功率半导体模块提供优于常规的解决方案的尤其关于功率半导体模块的冷却效率、可靠性、设计自由以及寿命的明显的优点。功率半导体模块的两相传热装置可以按非常高效的方式从热源传热到散热器。此外，通过多维空洞网络而提供的设计自由允许使多维空洞网络的形式适于功率半导体模块的冷却需要。因此，干透(即，两相传热装置中的可能由于局部热点而未容纳传热介质的液相的局部区域)的风险可以降低。
功率半导体模块可以包括作为热源的功率半导体装置。据此，可以提供一种功率半导体模块，其中，两相传热装置适于从功率半导体装置散热。换而言之，可能存在两相传热装置(尤其多维空洞网络)的适于功率半导体模块的功率半导体装置的设计。也许有可能两相传热装置集成于功率半导体模块的具体部分(例如，具有构造成提供功率半导体装置的一侧的基板)中。另外，两相传热装置可以直接地集成到功率半导体装置的封装中。关于多维空洞网络，空洞可以布置成使得可以在所有的三个维度中把热从功率半导体装置传走。例如，穿过主体的路径可以从作为热源的功率半导体装置离开通向冷却结构，例如散热片。优选地，存在从热源离开而引导的多于一个路径。因此，可以强化散热。此外，可以根据功率半导体装置的具体的冷却需要来适配毛细管作用沿着路径的变化。
关于功率半导体模块的另外的优点和技术特征，参考两相传热装置、用于生产两相传热装置的方法、附图以及进一步的描述。
本发明进一步涉及一种用于生产上述的两相传热装置的方法。该方法包括由本体材料形成主体的步骤，其中，主体包括多维空洞网络，其中，多维空洞网络包括空洞，并且适于容纳传热介质，其中，主体形成为使得传热介质的沿着穿过主体的路径的流动基于由多维空洞网络对传热介质施加的毛细管作用沿着路径的变化。
可以设成，两相传热装置的主体通过使用增材制造过程而生产，并且/或者主体形成为单件式构件。增材制造(其也被称为逐层制造)是如下的过程：其中，期望的主体形状并非通过移除材料来生产，而是通过在连续层中添加材料来生产。在这样的过程中，包括本体材料的原料材料可以被联结或凝固，以产生多维物体，即，包括多维空洞网络的主体以及因而两相传热装置。使用逐层制造允许以高精度生产复杂的多维形状和结构。
关于逐层制造，例如，可以使用粉末床融合增材制造技术。粉末床融合增材制造可以指定如下的过程：其中，例如来自激光器或电子束的热能选择性地使粉末床的区域融合。例如，可以使用选择性激光熔融。此外，可以使用作为增材制造过程的定向能量沉积，其中，集中的热能可以通过在材料沉积时使其熔融而将材料融合。而且，可以使用材料挤出。在该技术中，原料材料(即，本体材料以及任选地粘结剂材料)可以被挤过挤出机。例如，可以包括变化的量的粘结剂混合物的金属浆料可以用作原料材料。而且，可以使用粘结剂喷射增材制造技术。可进一步设成，可以使用丝网印刷逐层制造技术。在丝网印刷中，呈粉末或浆料的形式的一层本体材料通过掩模(“丝网”)而沉积，并且然后通过按压/热处置/UV光固化等等而粘结到先前的层。多个掩模可以用于实现该部分的期望的复杂性。
优选地，在增材制造步骤中，主体形成为使得传热介质的沿着穿过主体的路径的流动基于由多维空洞网络对传热介质施加的毛细管作用沿着路径的变化。这可能通过使增材制造步骤的生产参数沿着穿过主体的路径变化而实现。例如，当使用选择性激光熔融时，激光的参数(例如，激光束能量、激光束扫描速度、对于脉冲激光的点距离和暴露时间和/或激光束扫描路径)可能变化。当使用粘结剂喷射时，粘结剂与原料材料的本体材料的比可能变化。在这一点上，该方法可以包括如下的步骤：使生产参数沿着路径变化，以实现空洞沿着主体的路径的密度变化、孔隙度变化和/或尺寸变化。
根据优选实施例，生产参数可以根据至少取决于两个参数的数学函数而变化。以数学公式来表达，数学函数可以是p = f(x, y)，其中，p是生产参数，并且x和y是两个参数。两个参数可以是可以指定点在二维坐标系中的位置的位置参数。在增材制造步骤中，主体可以逐层地生产，并且由于层是二维物体，因而这样的数学函数可足以控制生产参数。然而，也许还有可能使用取决于三个或更多个参数的数学函数，p = f(x, y, z)或
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。
根据优选实施例，主体可以包括封闭件，其中，封闭件基于本体材料，并且对于传热介质而言不可渗透，并且其中，封闭件与主体的多维空洞网络一起在单个制造步骤中形成。可设成，多维空洞网络和封闭件在增材制造步骤中形成。优选地，在增材制造步骤中，多维空洞网络和封闭件通过使生产参数变化而生产。本体材料可以具有用于形成多维空洞网络的多孔结构，并且本体材料可以具有用于形成封闭件的致密结构。例如，当增加激光束的能量时，可以减小本体材料的孔隙度，和/或可以增大本体材料的密度，并且因而可以生产封闭件。优选地，主体中的封闭件可以通过根据取决于至少两个参数的数学函数而使生产参数变化来生产。尤其地，作为数学函数，可以使用描述有序晶格(例如，方形晶格或六方晶格)、随机泡沫或Schwarz极小曲面的数学函数。这些可以引起两相传热装置的增强的散热，并且可以易于在主体的生产中实现。
可设成，在步骤a)之后，该方法进一步包括步骤b)，其中，步骤b)包括以传热介质填充多维空洞网络的至少一部分。在该步骤中，多维空洞网络可以被传热介质浸润。这可能通过毛细管作用、正压或负压和/或通过将传热介质优选地加热到其沸点而受到支持。
关于用于生产两相传热装置的方法的另外的优点和技术特征，参考两相传热装置、功率半导体模块、附图以及进一步的描述。
综上所述，本发明实现了如何提高用于功率半导体模块的两相传热装置的热通量、稳定性设计自由以及生产容易性的重要目的。继而可以显著地提高功率半导体模块的可靠性、设计自由以及寿命。
该方法的另外的实施例和优点由本领域技术人员从如前所述的两相传热装置和功率半导体模块直接地并且明确地推导。
附图说明
本发明的这些方面及其它方面将从下文中所描述的实施例变得明显并且参考这些实施例而阐明。实施例中所公开的各个特征能够单独地或组合地构成本发明的方面。不同实施例的特征能够从一个实施例延续到另一个实施例。
在附图中：
图1示出根据本发明的第一实施例的两相传热装置的示意透视图；
图2示出根据本发明的另一个实施例的两相传热装置的示意图；
图3示出根据本发明的另一个实施例的功率半导体模块的示意图；以及
图4示出根据本发明的另一个实施例的用于生产两相传热装置的过程的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的两相传热装置10的示意透视图。
如能够在图1中看到的，两相传热装置10包括由本体材料14形成的主体12。在此实施例中，本体材料14包括纯铜、青铜、黄铜、CuCrZr、CuNiSi(Cr)、1xxx/2xxx/6xxx系列铝、AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12、铜镍铁合金、Al6061、Al-Cu、纯钛、Ti6Al4V、316L钢、17-4PH钢、Inconel618合金、Inconel725合金和/或马氏体时效钢。如能够容易地在图1中看到的，主体12包括多维空洞网络16，在此实施例中，三维空洞网络。多维空洞网络16由主体12中的短空洞中的孔、孔隙和/或管形成。在多维空洞网络16内，主体12不具有本体材料14。主体12的本体材料14具有用于形成多维空洞网络16的多孔结构。多维空洞网络16适于容纳传热介质(未在附图中示出)。在图1中，主体12包括基层18，基层18也由本体材料14形成。在基层18内，多维空洞网络16a形成为使得存在空洞的沿着穿过主体12的路径20a的尺寸的变化。该变化是在空洞尺寸的方面的连续梯度，并且在图1中，通过基层18中的阴影图示。在此实施例中，多维空洞网络16a的位于基层18内的空洞具有处于从20 µm至100 µm的第一尺寸范围内的尺寸，其中，在基层18的中心，空洞的尺寸小于基层18的外部区域的尺寸。由此，由多维空洞网络16a对传热介质施加的毛细管作用沿着在基层18的中心开始并且向外引导的路径20a变化。
此外，如能够在图1中看到的，多维空洞网络16包括具有处于在从100 µm至2000 µm的范围内变动的第二尺寸范围内的尺寸的空洞。尤其地，具有处于第二尺寸范围内的尺寸的空洞布置成使得给热点区域22提供传热介质的最大通量。
如还可在图1中看到的，多维空洞网络16布置成使得传热介质流向基层18的中心。换而言之，这意味着，在该实施例中，多维网络16通过其三维形状以及通过其在空洞尺寸方面的梯度而适于功率半导体模块(未示出)的冷却需要，功率半导体模块在位于基层18的中心附近的热点区域22中具有更高的冷却需要。
在图2中所示出的实施例中，示出了多维空洞网络16的细节。如可从图2看到的，主体12包括封闭件24，封闭件24对于传热介质而言不可渗透。本体材料14具有用于形成封闭件24的致密结构。如还可在图2中看到的，孔隙度沿着路径20变化。然而，与图1中的实施例相反，在图2中，主体12的孔隙度并非沿着路径20逐渐地改变，而是台阶式地改变。示出了沿着路径20的三个不同区段，其中，在每个区段中，主体12的孔隙度具有一定的大小。
图3不仅示出两相传热装置10的示意图，而且还示出功率半导体模块26的示意图。功率半导体模块26包括功率半导体装置28和两相传热装置10。在此实施例中，两相传热装置10集成到基板中，基板在一侧上承载功率半导体装置10。传热装置10的多维空洞网络16适于功率半导体模块26的冷却需要，并且尤其适于其热源、功率半导体装置28。
图4图示两相传热装置10的生产原理。两相传热装置10通过增材制造(在此示例中，选择性激光烧结)而生产。可能的处理方法可以如下：在第一步骤中，生产主体前体29。使用包括本体材料14 的原料材料31借助于增材制造来生产主体前体29。在随后的步骤中，以至少两个不同生产参数设定p1和p2使激光器30运行，以生产具有用于形成多维空洞网络16的在多孔结构中的本体材料14的主体12和具有用于形成封闭件24的在致密结构中的本体材料14的主体12。当激光器30以第一生产参数设定p1(在此情况下，低能量设定)运行时，形成主体12中的多维空洞网络16。当激光器30以第二生产参数设定p2(在此情况下，高能量设定)运行时，形成封闭件24。换而言之，生产参数沿着路径20变化，以实现空洞的沿着主体12的路径20的密度变化、孔隙度变化和/或尺寸变化。也许还有可能具有第一生产步骤(其中，使用第二设定来生产封闭件24)和随后的生产步骤(其中，使用第一设定来生产多维空洞网络16)。在两种情况下，包括多维空洞网络16和封闭件24的主体12作为由本体材料14形成的单件式构件而生产。而且，在一些区域中，可以把一定的体积的主体前体从根本上排除于激光照射之外，以生产带有具有大于100 µm并且优选地大于300 µm的有效直径的特大的孔隙尺寸的多维空洞网络16。
虽然已在附图和前文的描述中详细地图示并且描述本发明，但这样的图示和描述将被认为是说明性或示范性以及非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。实践要求保护的发明的本领域技术人员能够通过研究附图、公开以及所附权利要求而理解并且实施针对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅仅在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能用于受益。权利要求中的任何参考符号都不应当被解释为限制范围。
附图标记列表：
10 两相传热装置
12 主体
14 本体材料
16 多维空洞网络
18 基层
20 路径
22 热点区域
24 封闭件
26 功率半导体模块
28 功率半导体装置
29 主体前体
30 激光器
31 原料材料
p1 第一生产参数设定
p2 第二生产参数设定

Claims (10)

1.一种功率半导体模块(26)，包括功率半导体装置(28)和传热装置(10)，其中，所述传热装置(10)适于通过传热介质而从所述功率半导体装置(28)散热，
其中，所述两相传热装置(10)包括主体(12)，其中，所述主体(12)由本体材料(14)形成，包括多维空洞网络(16)，并且在增材制造过程中形成，并且/或者所述主体(12)形成为单件式构件，
其中，所述多维空洞网络(16)包括空洞，并且适于容纳所述传热介质，
其中，所述多维空洞网络(16)适配成使得所述传热介质沿着穿过所述主体(12)的路径(20)的流动基于由所述多维空洞网络(16)对所述传热介质施加的毛细管作用沿着所述路径(20)的变化；
其中，所述空洞具有处于第一尺寸范围内的尺寸，并且所述空洞具有处于第二尺寸范围内的尺寸，并且其中，所述空洞的尺寸分布表现出至少两个截然不同的最大值。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(26)，其中，所述空洞在所述主体(12)中布置成使得所述本体材料(14)和/或主体(12)的密度和/或孔隙度的变化沿着穿过所述主体(12)的所述路径(20)实现。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块(26)，其中，所述空洞具有处于第一尺寸范围内的尺寸，其中，所述空洞在所述主体(12)中布置成使得所述空洞的尺寸的变化沿着穿过所述主体(12)的所述路径(20)实现。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，沿着所述路径(20)的密度变化、孔隙度变化和/或尺寸变化包括连续变化和/或不连续变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，所述传热介质包括水、氨、甲醇、乙醇、异丙醇、乙胺、戊烷、丙酮和/或制冷剂流体。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，所述本体材料(14)包括从由包括下者的群组选择的化合物或其混合物：铜、青铜、黄铜、CuCrZr、CuNiSi(Cr)、1xxx/2xxx/6xxx系列铝、AlSi7Mg、AlSi10Mg、AlSi12、铜镍铁合金、Al6061、A20X、Al-Cu、钛、Ti6Al4V、316L钢、17-4PH钢、Inconel618合金、Inconel725合金和/或马氏体时效钢。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，所述主体(12)包括封闭件(24)，其中，所述封闭件(24)基于所述本体材料(14)并且对于所述传热介质而言不可渗透。
8.一种用于生产根据权利要求1至7中任一项所述的功率半导体模块(26)的方法，包括以下的步骤：
a)由本体材料(14)形成主体(12)，其中，所述主体(12)包括多维空洞网络(16)，其中，所述多维空洞网络(16)包括空洞并且适于容纳传热介质，其中，所述主体(12)形成为使得所述传热介质沿着穿过所述主体(12)的路径(20)的流动基于由所述多维空洞网络(16)对所述传热介质施加的毛细管作用沿着所述路径(20)的变化；
其中，所述主体(12)通过使用增材制造过程而生产，并且/或者所述主体(12)形成为单件式构件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述主体(12)包括封闭件(24)，其中，所述封闭件(24)基于所述本体材料(14)并且对于所述传热介质而言不可渗透，并且其中，所述主体(12)中所述封闭件(24)与所述多维空洞网络(16)一起在单个制造步骤中形成。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，在步骤a)之后，所述方法包括另外的步骤b)，其中，步骤b)包括以所述传热介质填充所述多维空洞网络(16)的至少一部分。
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