CN113594112B - 一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构。包括依次设置的上层板、中层板和下层板，所述上层板、中层板和下层板上设置有进水口和出水口，所述上层板设置有第一流道，所述中层板设置有第二流道，所述下层板设置有第三流道，所述第二流道的流量大于第一流道的流量，也大于三流道的流量。本发明所提供的这种叠层的液冷模组设计，实现了对于双面冷却芯片的散热与冷却；其结构紧凑，体积小，重量轻，对芯片的散热效果好；模组整体结构易于安装，可装配性强，本模组结构整体在狭小的空间实现了较大的功率等级，进一步拓展了此类芯片的应用范围和场景。

Description

一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构
技术领域
本发明涉及一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，属于电力电子芯片的液冷散热技术领域。
背景技术
传统IGBT一般采用单面散热，散热底板贴合在散热器表面，通过风冷或者液冷的方式进行散热。但是这种结构的IGBT难以满足日益发展的电力电子应用的需求。最近几年双面冷却芯片越来越多的出现在各个厂商的推广中，因为其具备结构紧凑，功率等级高，体积小重量轻，可靠性高等诸多有点。同时，这种双面冷却芯片的热流密度更高，对于散热提出了更高的要求。尤其是对于多模组芯片的应用，需要在极小的空间散掉较大的热量，而且需要照顾各个不同芯片之间的温度均匀性。为了适用这种应用场景的散热，不能再采用传统的液冷板散热设计，必须要有一种热阻更低、结构更紧凑，更精细化的散热方式来解决遇到的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，既能实现很好的散热性能，又具备良好的温度均匀性，保证多个模组芯片在同一温度区间进行工作，同时又方便芯片的装配和安装，从而实现其最大功效。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，包括依次设置的上层板、中层板和下层板，所述上层板、中层板和下层板上设置有进水口和出水口，所述上层板设置有第一流道，所述中层板设置有第二流道，所述下层板设置有第三流道，所述第二流道的流量大于第一流道的流量，也大于三流道的流量。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述中层板包括依次设置的中层板上盖板、中层板基板和中层板下盖板，所述中层板上盖板上设置有上层流道，所述中层板下盖板上设置有下层流道，所述上层流道和下层流道共同构成第二流道。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述中层板上盖板上间隔设置有多组翅片，多组翅片形成上层流道，每组翅片包括多个第二波浪形翅片，
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述中层板上盖板和中层板下盖板对称设置。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述中层板基板上设置有隔板，所述中层板上盖板和中层板下盖板均通过冷锻工艺，然后将中层板基板、中层板上盖板和中层板下盖通过真空钎焊工艺焊接于一体。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述上层板包括上层板盖板和上层板基板，所述上层板基板内设置有多个第一波浪形翅片，多个波浪形翅片构成第一流道。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述下层板包括下层板盖板和下层板基板，所述下层板基板内设置有多个第三波浪形翅片，多个波浪形翅片构成第三流道。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述进水口以及出水口分别设置在中层板的两端，进水口通过分水槽与第一流道、第二流道和第三流道的一端连通，第一流道、第二流道和第三流道的另一端通过集水槽与出水口连通。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述上层板与中层板之间、所述下层板与中层板之间均设有O型密封圈，通过所述O型密封圈使得上层板与中层板之间、下层板与中层板之间均为弹性压接连接。
所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，所述上层板、中层板、下层板表面均设有用于放置螺钉的通孔以及用于模组芯片限位的绝缘梁，上层板与中层板之间、下层板与中层板之间均通过均匀布置在四周的螺钉连接。
本发明所达到的有益效果：
1、本发明所提供的这种叠层的液冷模组设计，实现了对于双面冷却芯片的散热与冷却；其结构紧凑，体积小，重量轻，对芯片的散热效果好；模组整体结构易于安装，可装配性强，本模组结构整体在狭小的空间实现了较大的功率等级，进一步拓展了此类芯片的应用范围和场景。
2、本发明的上层板、中层板和下层板采用不同的冷夜流量设计，可以集中解决发热量较大的芯片层，增强了整体散热能力，而且最终芯片的均温性较好，解决了芯片并非均匀发热的难题，同时，本发明所提供的具体流道结构兼顾了散热和流阻，使得散热更加高效。
3、本发明中单上层板、中层板和下层板采用冷锻工艺配合真空钎焊，使得做出来的产品，批量一致性好；尤其对于中层板，可以实现双面散热的功能；更优的，产品可靠性高，寿命长。
4、本发明中，具有压缩量灵活可变的O型圈密封，同时紧固的钉螺均匀的分布在散热器的四周，可以通过扭力扳手进行紧固，保证每个螺钉的紧固力达到我们需求的扭力；同时，均匀分布的螺钉，保证两组芯片在受力后，每个散热面都能与液冷散热模组紧密贴合，实现较小的热阻；同时，采用压缩量灵活可变的O型圈，三层冷板之间是弹性压接，保证密封性可靠的同时，又避免芯片受力过大产生不必要的形变或者损坏。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图一；
图2是本发明的总体结构示意图二；
图3是本发明的爆炸结构示意图；
图4是上层板的结构示意图；
图5是上层板基板的结构示意图；
图6是去除上层板后的总体结构示意图；
图7是中层板的结构示意图；
图8是中层板上盖板的结构示意图；
图9是中层板基板的结构示意图。
图中：1、上层板；11、上层板盖板；12、上层板基板；121、第一流道；2、中层板；21、中层板上盖板；211、第二流道；22、中层板基板；221、进水口；222、出水口；223、分水槽；224、集水槽；225、隔板；23、中层板下盖板；3、下层板；31、下层板盖板；32、下层板基板；4、芯片；5、螺钉；6、O型密封圈。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1-9所示，为本发明实施例提供的一种双面芯片的叠层液冷散热模组相关结构示意图。
在本实施例及附图显示，是以需要散热的模组芯片共六只为例，采用三层液冷板夹持两层芯片的结构，每层芯片共三只，整体如图1和图2所示。
本实施例中叠层液冷散热模组的结构主要包括上层板1、中层板2以及下层板3，其中，上层板1以及下层板2为对称结构，分别安装在中层板2两侧。中层板2的两端开设相应的进水口221以及出水口222，并通过对应的分水槽223、集水槽224进行分流和集水。每个板的表面都开设有用于放置螺钉5的通孔、用于模组芯片4限位的绝缘梁。使用时，需要将模组芯片分别放置于中层板2两侧，然后将上层板1和下层板3分别置于模组芯片的另一面，最终用若干同规格的螺钉来锁固。如此，便形成了三层液冷板夹持两层芯片的结构。
在本实施例中，上层板1、中层板2、下层板3内均设置独立的流道，各流道之间通过分水槽223共同连通进水口221，通过集水槽224共同连通出水口222。作为优选，通过将上层板1、下层板3和中层板2的内部流道设计成不同的形式，使得他们产生不同的流阻，从而实现三路不同的流量分配。冷却液通过进水口221进入中层板2的分水槽223，然后分成三路不同流量的流体，较大流量通过中层板2流出，上层板1和下层板3流量较少。这样，可以集中解决发热量较大的芯片层，增强了整体散热能力而且最终芯片的均温性较好。
作为优选，本实施例中，对液冷散热具有精细化设计。由于芯片4并非均匀发热，每只芯片4内部的IGBT和二极管呈现出一定的分布状态。因此，为了最大限度的发挥液冷散热模组的散热效能，本实施例针对IGBT和二极管的分布情况，设计了其对应的液冷板的散热面及内部流道。具体的，上层板1内的第一流道121如图5所示（下层板3内的第三流道与第一流道121相同），因为流经上下板的水流量较少，本实施例采用了波浪形翅片流道，比较容易解决芯片A面的发热量。上层板1和下层板3的流道均包括如图所示多个并列且连续设置的波浪形翅片（第一波浪形翅片和第三波浪形翅片），相邻波浪形翅片之间形成所述的第一流道121和第三流道。同时，流经中层板2水流量较大，为了兼顾压降问题，本实施例采用分布式的流量设计，如图8所示，中层板2内部流道具体的包括间隔设置的多组翅片，多组翅片之间依次对应芯片4的IGBT和二极管位置间隔设置，每组翅片均包括多个并列设置的第二波浪形翅片，共同构成第二流道211。
作为优选，本实施例的上层板1、中层板2以及下层板3的设计密封结构如下：
每个层板均包括基板和盖板，基板和盖板之间通过真空钎焊焊接于一体，从而形成密封的腔体和流道。具体的，上层板1包括上层板盖板11和上层板基板12，其相应的流道设置在上层板基板12上，上层板基板12可先通过冷锻工艺，加工成设计好的流道和翅片形式，然后将上层板基板12和上层板盖板11通过真空钎焊的工艺焊接在一起。下层板3结构与上层板1相同。
中层板2内部设置两层流道。具体的，中层板2包括中层板基板22、中层板上盖板21以及中层板下盖板23，中层板上盖板21和中层板下盖板23之间通过设置在中层板基板22上的隔板225隔开。中层板2上的流道设置在中层板上盖板21和中层板下盖板23上。中层板上盖板21和中层板下盖板23首先通过冷锻工艺，加工成设计好的流道和翅片形式，然后将中层板基板22、中层板上盖板21、中层板下盖板23通过真空钎焊的工艺焊接在一起。通过冷锻工艺配合真空钎焊的方式，做出来的产品，批量一致性好；尤其对于中层板，可以实现双面散热的功能；更优的，产品可靠性高，寿命长。
作为优选，本实施例中，芯片和液冷散热模组的装配设计结构如下。
本实施例采用了压缩量灵活可变的O型圈密封6，同时紧固的钉螺5均匀的分布在散热器的四周。可以通过扭力扳手进行紧固，保证每个螺钉的紧固力达到需求的扭力；同时，均匀分布的螺钉，保证两组共六只芯片在受力后，每个散热面都能与液冷散热模组紧密贴合，实现较小的热阻。本实施例的O型密封圈6设置在上层板1与中层板2之间以及中层板2与下层板3之间，且安装在对应的分水槽223及集水槽224位置。采用压缩量灵活可变的O型圈6，三层冷板之间是弹性压接，保证密封性可靠的同时，又避免芯片受力过大产生不必要的形变或者损坏，同时O型密封圈6也能够保证分水槽223和集水槽224位置的密封性。
可见，通过这种叠层的液冷模组设计，实现了对于双面冷却芯片的散热与冷却；其结构紧凑，体积小，重量轻；模组整体结构易于安装，可装配性强；而且通过冷锻和真空钎焊的工艺进行制作，批量一致性好，可靠性高，整体在狭小的空间实现了较大的功率等级，进一步拓展了此类芯片的应用范围和场景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，其特征是，包括依次设置的上层板、中层板和下层板，所述上层板、中层板和下层板上设置有进水口和出水口，所述上层板设置有第一流道，所述中层板设置有第二流道，所述下层板设置有第三流道，所述第二流道的流量大于第一流道的流量，也大于三流道的流量；
所述中层板包括依次设置的中层板上盖板、中层板基板和中层板下盖板，所述中层板上盖板上设置有上层流道，所述中层板下盖板上设置有下层流道，所述上层流道和下层流道共同构成第二流道；
所述中层板上盖板上间隔设置有多组翅片，多组翅片形成上层流道，每组翅片包括多个第二波浪形翅片；
所述上层板包括上层板盖板和上层板基板，所述上层板基板内设置有多个第一波浪形翅片，多个波浪形翅片构成第一流道；
所述下层板包括下层板盖板和下层板基板，所述下层板基板内设置有多个第三波浪形翅片，多个波浪形翅片构成第三流道。
2.根据权利要求1所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，其特征是，所述中层板上盖板和中层板下盖板对称设置。
3.根据权利要求1所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，其特征是，所述中层板基板上设置有隔板，所述中层板上盖板和中层板下盖板均通过冷锻工艺，然后将中层板基板、中层板上盖板和中层板下盖通过真空钎焊工艺焊接于一体。
4.根据权利要求1所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，其特征是，所述进水口以及出水口分别设置在中层板的两端，进水口通过分水槽与第一流道、第二流道和第三流道的一端连通，第一流道、第二流道和第三流道的另一端通过集水槽与出水口连通。
5.根据权利要求1所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，其特征是，所述上层板与中层板之间、所述下层板与中层板之间均设有O型密封圈，通过所述O型密封圈使得上层板与中层板之间、下层板与中层板之间均为弹性压接连接。
6.根据权利要求1所述的一种双面芯片的叠层液冷散热模组结构，其特征是，所述上层板、中层板、下层板表面均设有用于放置螺钉的通孔以及用于模组芯片限位的绝缘梁，上层板与中层板之间、下层板与中层板之间均通过均匀布置在四周的螺钉连接。
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