CN114464583B - 一种IGBT模块pin-fin底板散热结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种IGBT模块pi n‑fi n底板散热结构，涉及电力电子芯片制造和封测技术技术领域，包括主体基板，所述主体基板上表面焊接连接有DBC板，所述DBC板上表面分别安装有IGBT芯片和FRD芯片，所述主体基板下表面焊接安装有通风组件，所述通风组件下端设置在夹层基板的上表面，所述夹层基板与主体基板之间设置有通风组件，通过本发明中采用热流体自增压技术，利用交错与打孔方式，流体不断叠加使流速增加而分流的位置，同样也会有其他的流体流入，使流速保持，进而使得本申请能够有效解决因IGBT器件叠层结构相对复杂界面较多导致热阻变大，导致不能及时降温的问题，并且对针翅的优化设置，相比于现有技术中的平直翅片，本申请中的针翅具有较好的散热能力。

Description

一种IGBT模块pin-fin底板散热结构
技术领域
本发明涉及电力电子芯片制造和封测技术技术领域，具体而言，涉及一种IGBT模块pin-fin底板散热结构。
背景技术
汽车电动化、网联化、智能化的发展趋势带动汽车功率器件需求大幅度增长。在新能源汽车领域，功率器件IGBT发挥着核心作用，占据了电机控制器成本的52％，是汽车动力系统的“心脏”。随着市场对新能源汽车性能要求的迅速提高，车规级功率器件IGBT需要承受更高的电压和更大的电流，对于其稳定性、可靠性的要求越来越高。未来，高密度、高可靠性、更好的集成散热功能是车规级功率模块未来的发展趋势。
IGBT器件叠层结构相对复杂，界面较多，导致热阻变大，模块热管理极其重要，目前业界常用散热方式仍为器件/模块+TIM+Heatsink，芯片传热路径长，受限TIM极低热导率，大功率器件散热问题需要优化。
空气强迫对流冷却技术通过风机与翅片结构配合实现电子器件冷却，翅片作为空气强迫对流冷却中的核心部件，而其中针翅具有更好的散热能力。由于其结构简单、安装方便、成本低，被广泛的应用于车规级功率器件的散热系统当中，但其体积小制约着其无法实现快速降温。
因此，确有必要对现有散热技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，解决了现有技术中因IGBT器件结构相对复杂，界面较多，导致热阻变大，无法实现快速降温并且针对现有的翅片在散热时的效果进行优化的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，包括主体基板，所述主体基板上表面焊接连接有DBC板，所述DBC板上表面分别安装有IGBT芯片和FRD芯片，所述主体基板下表面焊接安装有通风组件，所述通风组件下端设置在夹层基板的上表面，所述夹层基板与主体基板之间设置有通风组件；
所述通风组件包括有若干列针翅，每列所述针翅均设置在夹层基板与主体基板之间，每个相邻的两列所述针翅之间呈交错状分布。
作为优选，每个所述针翅中部均贯穿开设有主扇热通孔，每个所述主扇热通孔内壁上下端均开设有扩展接纳槽，每个所述扩展接纳槽中部均贯穿开设有换气孔，每个所述换气孔内壁边角处均一体化设置有导向坡。
作为优选，远离主扇热通孔一侧的每个所述换气孔均一体化开设有散热扩展槽。
作为优选，每个所述散热扩展槽内部均一体化设置有若干导热支柱。
作为优选，位于对应扩展接纳槽一侧的每个所述散热扩展槽内部分别贯穿开设有第一进气孔和第二进气孔，每个相邻的所述第一进气孔和第二进气孔均为对称设置。
作为优选，每个所述第一进气孔和第二进气孔上端均位于对应的扩展接纳槽两侧，每个所述第一进气孔和第二进气孔下端均位于对应的散热扩展槽两侧。
作为优选，每个相邻两列所述针翅之间纵向交错2mm，位于横向的每个所述针翅与位于纵向的每个所述针翅之间数量比值为3：1。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、通过本发明中气流传输为，交错与打孔方式，流体不断叠加，使流速增加，而分流的位置，同样也会有其他的流体流入，使流速保持。最终在流出一侧，流速没有因为分流而流速降低，如图所示；当流体流经针翅通孔后，温度梯度会在针翅流出侧呈现“彗星尾巴”状态，这表明，流体在经过打孔针翅后，通过通孔部分的流体的降温效果要比两侧流体的强，且流速降低梯度小，这会提高在流入下一针翅通孔时的流速，如此循环下去，直到终点，同样的，在相同入口压力下，通过减少通孔数量，提高流经翅片的流体流速。
2、通过设置有通风组件能够对所经过的风进行引导，并且利用风对多个针翅进行分别降温处理，其中利用针翅能够将主体基板所接收的热量进行转移，从而使得安装在主体基板上方的IGBT芯片和FRD芯片得到降温处理，进而使得本结构能够有效解决因IGBT器件叠层结构相对复杂，界面较多，导致热阻变大，导致不能及时降温的问题，相比于现有技术中的平直翅片，本申请中的针翅具有较好的散热能力，其中本申请中采用空气强迫对流冷却技术通过风机与翅片结构配合实现电子器件冷却，具有结构简单、安装方便、成本低。
3、通过铸造方式制成针翅后，将针翅安装在主体基板的下表面，之后将夹层基板安装在针翅的底部，实现夹层新结构的构成，其中夹层基板与主体基板均为铜制板，且在设置时为铜层-针翅层-铜层，其中，夹层的存在可以有效限制流体区域，防止流体四溢，同时可以传递热量，进一步提高换热系数。
附图说明
图1为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的整体结构示意图；
图2为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的正视整体结构示意图；
图3为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的图2中A-A处剖面结构示意图；
图4为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的针翅结构示意图；
图5为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的俯视针翅结构示意图；
图6为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的图5中B-B处剖面结构示意图；
图7为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的正视针翅结构示意图；
图8为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的图7中C-C处剖面结构示意图；
图9为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的图7中D-D处剖面结构示意图；
图10为本发明一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的热流体自增压流速说明图。
图中：1、IGBT芯片；2、FRD芯片；3、通风组件；301、针翅；302、主扇热通孔；3021、扩展接纳槽；3022、换气孔；3023、第一进气孔；3024、散热扩展槽；3025、导热支柱；3026、第二进气孔；3027、导向坡；4、DBC板；5、主体基板；6、夹层基板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1至10所示，一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，包括主体基板5，主体基板5上表面焊接连接有DBC板4，DBC板4上表面分别安装有IGBT芯片1和FRD芯片2，主体基板5下表面焊接安装有通风组件3，通风组件3下端设置在夹层基板6的上表面，夹层基板6与主体基板5之间设置有通风组件3；
通风组件3包括有若干列针翅301，每列针翅301均设置在夹层基板6与主体基板5之间，每个相邻的两列针翅301之间呈交错状分布。通过设置有通风组件3能够对所经过的风进行引导，并且利用风对多个针翅301进行分别降温处理，其中利用针翅301能够将主体基板5所接收的热量进行转移，从而使得安装在主体基板5上方的IGBT芯片1和FRD芯片2得到降温处理，进而使得本结构能够有效解决因IGBT器件叠层结构相对复杂，界面较多，导致热阻变大，导致不能及时降温的问题，相比于现有技术中的平直翅片，本申请中的针翅301具有较好的散热能力，其中本申请中采用空气强迫对流冷却技术通过风机与翅片结构配合实现电子器件冷却，具有结构简单、安装方便、成本低。
在本实施例中，每个针翅301中部均贯穿开设有主扇热通孔302，每个主扇热通孔302内壁上下端均开设有扩展接纳槽3021，每个扩展接纳槽3021中部均贯穿开设有换气孔3022，每个换气孔3022内壁边角处均一体化设置有导向坡3027。通过扩展接纳槽3021能够将进入至主扇热通孔302内的风源进行部分引导，并且通过每个换气孔3022内壁边角处均一体化设置有导向坡3027能够顺利的将从而扩展接纳槽3021引导来的风源进行接收并将其转移至散热扩展槽3024内。
需要说明的是，远离主扇热通孔302一侧的每个换气孔3022均一体化开设有散热扩展槽3024。通过设置有散热扩展槽3024能够将与夹层基板6与主体基板5接触的部位进行强化散热操作，避免出现端部聚热。
其中，每个散热扩展槽3024内部均一体化设置有若干导热支柱3025。通过设置有若干导热支柱3025能够辅助散热扩展槽3024将其内部的热量进行引导传递，提高其热传递速度。
在具体设置时，位于对应扩展接纳槽3021一侧的每个散热扩展槽3024内部分别贯穿开设有第一进气孔3023和第二进气孔3026，每个相邻的第一进气孔3023和第二进气孔3026均为对称设置。通过第一进气孔3023和第二进气孔3026能够将存在与散热扩展槽3024内部的热风进行对应的转移，或是对进入的冷风进行引导转入操作。
可以理解，在本申请中，每个第一进气孔3023和第二进气孔3026上端均位于对应的扩展接纳槽3021两侧，每个第一进气孔3023和第二进气孔3026下端均位于对应的散热扩展槽3024两侧。因第一进气孔3023和第二进气孔3026之间的设置位置，从而确保第一进气孔3023和第二进气孔3026其中一个能够顺利进行冷风的进入，并且利用冷风的进入将散热扩展槽3024内部的热风进行排出，其中利用另一端进气孔可以将热风与主扇热通孔302的冷风进行接触，实现对热风的快速冷却。
需要说明的是，每个相邻两列针翅301之间纵向交错2mm，位于横向的每个针翅301与位于纵向的每个针翅301之间数量比值为3：1。
该一种IGBT模块pin-fin底板散热结构的工作原理：
在生产时，通过铸造方式制成针翅301后，将针翅301安装在主体基板5的下表面，之后将夹层基板6安装在针翅301的底部，实现夹层新结构的构成，其中夹层基板6与主体基板5均为铜制板，且在设置时为铜层-针翅301层-铜层，其中，夹层的存在可以有效限制流体区域，防止流体四溢，同时可以传递热量，进一步提高换热系数。
在气流进入时通过扩展接纳槽3021能够将进入至主扇热通孔302内的风源进行部分引导，并且通过每个换气孔3022内壁边角处均一体化设置有导向坡3027能够顺利的将从而扩展接纳槽3021引导来的风源进行接收并将其转移至散热扩展槽3024内，随后利用散热扩展槽3024和若干导热支柱3025进行对端部的优化降温，之后再通过第一进气孔3023和第二进气孔3026之间的设置位置，从而确保第一进气孔3023和第二进气孔3026其中一个能够顺利进行冷风的进入，并且利用冷风的进入将散热扩展槽3024内部的热风进行排出，其中利用另一端进气孔可以将热风与主扇热通孔302的冷风进行接触，实现对热风的快速冷却，完成空气的循环降温。
热流体自增压技术，具体是指：通过交错与打孔方式，流体不断叠加，使流速增加，而分流的位置，同样也会有其他的流体流入，使流速保持。最终在流出一侧，流速没有因为分流而流速降低，如图10所示；当流体流经主扇热通孔302后，温度梯度会在针翅301流出侧呈现“彗星尾巴”状态，这表明，流体在经过针翅301后，通过通孔部分的流体的降温效果要比两侧流体的强，且流速降低梯度小，这会提高在流入下一主扇热通孔302时的流速，如此循环下去，直到终点，同样的，在相同入口压力下，通过减少通孔数量，提高流经翅片的流体流速。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，包括主体基板(5)，其特征在于：所述主体基板(5)上表面焊接连接有DBC板(4)，所述DBC板(4)上表面分别安装有IGBT芯片(1)和FRD芯片(2)，所述主体基板(5)下表面焊接安装有通风组件(3)，所述通风组件(3)下端设置在夹层基板(6)的上表面，所述夹层基板(6)与主体基板(5)之间设置有通风组件(3)；
所述通风组件(3)包括有若干列针翅(301)，每列所述针翅(301)均设置在夹层基板(6)与主体基板(5)之间，每个相邻的两列所述针翅(301)之间呈交错状分布；每个所述针翅(301)中部均贯穿开设有主扇热通孔(302)，每个所述主扇热通孔(302)内壁上下端均开设有扩展接纳槽(3021)，每个所述扩展接纳槽(3021)中部均贯穿开设有换气孔(3022)，每个所述换气孔(3022)内壁边角处均一体化设置有导向坡(3027)；
远离主扇热通孔(302)一侧的每个所述换气孔(3022)均一体化开设有散热扩展槽(3024)。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，其特征在于：每个所述散热扩展槽(3024)内部均一体化设置有若干导热支柱(3025)。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，其特征在于：位于对应扩展接纳槽(3021)一侧的每个所述散热扩展槽(3024)内部分别贯穿开设有第一进气孔(3023)和第二进气孔(3026)，每个相邻的所述第一进气孔(3023)和第二进气孔(3026)均为对称设置。
4.根据权利要求3所述的一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，其特征在于：每个所述第一进气孔(3023)和第二进气孔(3026)上端均位于对应的扩展接纳槽(3021)两侧，每个所述第一进气孔(3023)和第二进气孔(3026)下端均位于对应的散热扩展槽(3024)两侧。
5.根据权利要求1所述的一种IGBT模块pin-fin底板散热结构，其特征在于：每个相邻两列所述针翅(301)之间纵向交错2mm，位于横向的每个所述针翅(301)与位于纵向的每个所述针翅(301)之间数量比值为3：1。
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