CN114730749A - 具有脉动热管的电子模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子模块(1)。电子模块(1)包括：具有通道结构(7)的脉动热管(3)，在通道结构中布置热传递介质(9)；和至少一个电气构件(5)，构件与热传递介质(9)直接接触和/或与导电的接触元件(17，33)连接，接触元件与热传递介质(9)直接接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有脉动热管的电子模块。
背景技术
随着微电子领域中的不断小型化，电子模块的功率密度进而还有由电子模块产生的热量的热流密度增加。诸如功率半导体的强功率的电气构件如今已经产生具有超过100W/cm2的热流密度的热学损失，并且具有上升的趋势。为了避免由于热过载导致的电子装置失效，因此需要越来越有效的设计用于对电气构件散热。
US2018/0158756A1公开一种集成电路设备，其具有布置在基底上的至少一个半导体设备，其中，基底具有在其中构造的脉动热管。
脉动热管(英文pulsatingheatpipe，PHP)，也称为振荡热管(英文oscillatingheatpipe，OHP)，是一种具有封闭的通道结构的、用于热传递的设备，在通道结构中布置有热传递介质，热传递介质沿通道结构通过热传递介质的表面张力交替地形成蒸汽区段和液体区段。蒸汽和液体区段通过温度梯度激发脉动或振荡。在热源处，蒸汽区段由于较高温度而膨胀；此外，液体热传递介质在那里沸腾并在此吸收潜热。在热沉处，蒸汽区段由于气态热传递介质的冷凝而收缩，并在此输出潜热。局部温度和压力差驱动蒸汽和液体区段的恒定脉动或振荡。
发明内容
本发明所基于的目的是：提出一种具有脉动热管的改进的电子模块。
目的根据本发明通过具有权利要求1的特征的电子模块和具有权利要求14的特征的用于制造这种电子模块的方法来实现。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的电子模块包括具有通道结构的脉动热管，在通道结构中布置热传递介质；和至少一个电气构件，构件与热传递介质直接接触和/或与导电的接触元件连接，接触元件与热传递介质直接接触。
脉动热管具有比例如类似大的实心的热导体高得多的有效热导率。此外，脉动热管能够方位无关地工作，并且是纯被动的，使得其不需要任何可移动部件，例如泵，并且不需要电源。由此，脉动热管具有高的运行安全性和可靠性。此外，脉动热管能够非常扁平和紧凑地构成，例如最大厚度为3毫米。脉动热管由于该特性尤其适合于从具有高功率密度的电气构件、例如功率半导体散热。在根据本发明的电子模块中，脉动热管的热传递介质与至少一个电气构件和/或与导电的接触元件直接接触，接触元件与至少一个电气元件连接。由此，改进了热传递介质与电气构件的热接触，并增加了通过脉动热管对电气构件的散热。
在本发明的一个设计方案中，脉动热管板状地构成。在本发明的另一设计方案中，通道结构具有至少一个蜿蜒状伸展的通道。在本发明的另一设计方案中，通道结构平面地构造。本发明的设计方案能够实现：通过脉动热管或其通道结构的大面积的设计产生脉动热管的高热扩散效果。
在本发明的另一设计方案中，脉动热管具有至少一个陶瓷体，陶瓷体形成通道结构的壁，该壁将通道结构的通道部段彼此分离。通过至少一个陶瓷体形成通道结构有利地实现了脉动热管的基体的电绝缘的实施方案，脉动热管在基体的导热性和耐热性方面具有良好的热学特性。
在本发明的另一设计方案中，脉动热管具有与热传递介质接触的导电的覆盖元件，至少一个电气构件布置在覆盖元件处并且覆盖元件至少在电气构件的周围盖状地封闭通道结构。在此，通过覆盖元件能够同时实现高热扩散和到脉动热管的热传递介质的热传递以对布置在覆盖元件处的电气构件散热以及电气构件的电接触。具有覆盖元件的脉动热管尤其能够形成用于至少一个电气构件的所谓的DCB结构(DCB＝直接铜键合)，其中，脉动热管的基体作为基底起作用并且由铜制成的覆盖元件作为导电结构起作用。
在本发明的另一设计方案中，覆盖元件在至少一个布置在覆盖元件处的电气构件的区域中具有至少一个凹陷部，脉动热管的通道结构穿过凹陷部与电气构件的表面连接，使得热传递介质与电气构件的表面直接接触。覆盖元件中的这种凹陷部通过热传递介质与电气构件的直接接触有利地提高了从电气构件到热传递介质的热传递。
在本发明的另一设计方案中，覆盖元件由金属制成，特别是由铜制成，或由合金制成。由此，能够有利地同时实现覆盖元件的良好的导热性和良好的导电性。
在本发明的另一设计方案中，脉动热管具有承载元件，承载元件在与覆盖元件相对置的一侧上封闭通道结构。特别地，承载元件能够由与覆盖元件相同的材料制成。由此，例如能够有利地防止或减少因脉动热管的覆盖元件和基体的不同热膨胀系数而引起的脉动热管弯曲。
在本发明的另一设计方案中，至少一个电气构件布置在脉动热管的通道结构中，使得电气构件被热传递介质环流。本发明的设计方案能够实现通过电气构件与热传递介质大面积接触对电气构件进行尤其有效的散热。
在本发明的另一设计方案中，脉动热管具有电路板，电路板盖状地封闭通道结构的至少一个区域，并且具有至少一个印制导线，印制导线与布置在通道结构中的电气构件电连接。这种电路板有利地能够实现布置在通道结构中的电气构件的电接触。
在本发明的另一设计方案中，热传递介质是不导电的流体，特别是全氟-N-烷基-吗啉。具有不导电的热传递介质的脉动热管的实施方案防止电气构件彼此间或与其他电气部件通过热传递介质产生的电连接。全氟-N-烷基-吗啉由于其高导热性、其沸点和其介电特性而适合作为根据本发明的电子模块的热传递介质。如果电气构件不通过热传递介质彼此电连接，例如，如果为每个电气构件设置通道结构的如下单独通道，则仅可将导电流体、例如水、丙酮或甲醇用作为热传递介质，其中，该单独通道不与其他电气构件的通道连接。
在本发明的另一设计方案中，至少一个电气构件是功率半导体。本发明的设计方案考虑：功率半导体具有特别高的功率密度进而需要特别好的散热。
在根据本发明的用于制造根据本发明的电子模块的方法中，在所有电气构件组装之后，通过至少一个填充开口用热传递介质填充脉动热管，并且在填充之后封闭每个填充开口。该方法考虑：脉动热管在组装电气构件时可能无法承受高工艺温度，进而有利地在组装所有电气构件之后才被填充。如果脉动热管具有导电的覆盖元件，则每个填充开口优选地构造在覆盖元件中，并且在填充之后例如通过钎焊或激光焊接被封闭。该方法的设计方案考虑：覆盖元件中的填充开口能够比例如陶瓷体中的填充开口更容易地密封封闭，其中，在不损害陶瓷体的适当温度中进行密封封闭成为挑战。
在根据本发明的方法的另一设计方案中，脉动热管至少部分地通过3D打印被制造。在脉动热管具有至少一个陶瓷体的情况下，例如，每个陶瓷体都通过3D打印被制造。此外，如果脉动热管具有覆盖元件，则覆盖元件能够(替选地或附加地)通过3D打印被制造。该方法的设计方案尤其能够实现制造几何形状复杂的通道结构，该通道结构无法通过常规制造方法被制造或者仅借助显著的耗费才可被制造。
附图说明
下面根据结合附图对实施例的描述，更清楚地解释本发明的上面描述的特性、特征和优点以及如何实现其的方式和方法。在此示出：
图1示出电子模块的第一实施例的第一剖视图，
图2示出图1中示出的电子模块的第二剖视图，
图3示出电子模块的第二实施例的剖视图，
图4示出电子模块的第三实施例的剖视图。
彼此相应的部件在附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1(FIG1)和图2(FIG2)在具有彼此正交的剖面的两个剖视图中示出根据本发明的电子模块1的第一实施例。电子模块1包括脉动热管3和电气构件5。
脉动热管3具有平面的通道结构7，在通道结构中布置有热传递介质9。通道结构7构造为蜿蜒状伸展的、封闭的通道。热传递介质9沿着通道交替地形成蒸汽区段11和液态区段13，在蒸汽区段中热传递介质9以气相存在，并且在液体区段中热传递介质9以气相存在。蒸汽区段11和液体区段13在通道中通过温度梯度激发脉动的或振荡的运动。例如，热传递介质9是全氟-N-烷基-吗啉。
通道结构7由两个陶瓷体15、16、一个导电的覆盖元件17和一个承载元件18形成。陶瓷体15、16形成通道结构7的壁，壁将通道的通道部段彼此分开。通道例如具有直径最大为1mm的横截面。例如，在彼此平行伸展的相邻的通道部段之间的壁具有至多0.1mm的厚度。此外，陶瓷体15形成通道结构7的外框架。覆盖元件17在脉动热管3的一侧上盖状地封闭通道结构7。覆盖元件17例如由铜制成，并且构造为铜层、铜板或铜箔。承载元件18在脉动热管3的与覆盖元件17相对置的一侧上封闭通道结构7。承载元件18也由例如铜制成，并且构成为铜层、铜板或铜箔。
电气构件5例如是功率半导体，例如金氧半场效晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。电气构件5布置在覆盖元件17处并且通过焊料连接部20材料配合地连接。覆盖元件17在电气构件5下方与热传递介质9直接接触，并由此能够实现从电气构件5到热传递介质9的良好热传导。热传递介质9吸收有电气构件5产生的热量，尤其呈通过液体热传递介质9蒸发产生的潜热形式的热量，并且将热量朝热沉引导到通道结构7的其他地点处，在该地点处，热传递介质9将尤其呈潜热形式的热量通过冷凝气态热传递介质9来散发。
覆盖元件17具有填充开口19，通道结构7通过填充开口被填充热传递介质9。在用填充材料21填充通道结构7之后，封闭填充开口19，例如通过钎焊或激光焊接来封闭。
图3(FIG3)以类似于图1的剖视图示出根据本发明的电子模块1的第二实施例。该实施例与图1和图2中所示的实施例的不同之处仅在于：覆盖元件17在电气构件5的区域中具有两个留空部23、24，通道结构7通过留空部与电气构件5的表面25连接，使得热传递介质9与表面25直接接触。
图4(FIG4)以类似于图1的剖视图在电气构件5的区域中示出根据本发明的电子模块1的第三实施例。如图1至3中所示的实施例那样，电子模块1除了电气构件5之外，还具有脉动热管3，脉动热管具有通道结构7和布置在通道结构7中的用于吸收和导出由电气构件5产生的热量的热传递介质9。然而，与图1至3中所示的实施例不同，电气构件5布置在脉动热管3的通道结构7中，使得电气构件被热传递介质9环流。与图1至3中所示的实施例的另一区别在于：通道结构7由电路板27封闭，代替由导电的覆盖元件17封闭。电路板27具有印制导线29、30、31，印制导线与电气构件5电连接。电气构件5布置在导电的承载件33处，承载件通过固定销35与承载元件18连接，并且例如由铜制成。承载元件18例如由塑料、陶瓷材料或金属制成。
根据本发明的电子模块1的附图中所示的实施例能够以不同的方式修改成其他的实施例。例如，电子模块1能够分别具有多个电气构件5代替仅一个电气构件5，多个电气构件分别如图1中那样经由导电的覆盖元件17或如图3或4中那样直接地与热传递介质9热接触，其中，特别地，电气构件5中的一个或多个能够经由覆盖元件17与热传递介质9热接触，并且电气构件5中的一个或多个能够直接与热传递介质9热接触。此外，脉动热管3能够在下侧通过陶瓷体15、16封闭，代替通过承载元件18封闭，陶瓷体也形成通道结构7的壁。特别地，脉动热管3能够仅具有一个陶瓷体15、16，陶瓷体形成脉动热管3的底部和壁。替选地，脉动热管3能够具有多于两个陶瓷体15、16，尤其用于实现几何复杂的通道结构7。此外，图1至图3中所示的实施例能够以如下方式变化：通道结构7在上侧仅局部地通过至少一个导电的覆盖元件17被封闭，而通道结构7的其他区域分别通过电绝缘元件被封闭，或者一个或多个陶瓷体15、16在区域中在上侧闭合地构成。此外，通道结构7能够具有与图2不同地构造。例如，通道结构7能够具有多个通道和/或一个或多个以星形或玫瑰花形方式伸展的通道。
替选于附图中所示的实施例，热管3还能够具有由陶瓷材料制成的封闭的基体，在基体中构造通道结构7并且在基体处布置至少一个电气构件5。
尽管详细地通过优选的实施例详细阐明和描述本发明，但本发明不被所公开的实例限制，并且在不偏离本发明的保护范围的情况下，能够由本领域技术人员从中推导出其他的变体方案。
Claims (17)
1.一种电子模块(1)，包括
-具有通道结构(7)的脉动热管(3)，在所述通道结构中布置热传递介质(9)；和
-至少一个电气构件(5)，所述电气构件与所述热传递介质(9)直接接触和/或与导电的接触元件(17，33)连接，所述接触元件与所述热传递介质(9)直接接触。
2.根据权利要求1所述的电子模块(1)，其中，所述脉动热管(3)板状地构造。
3.根据权利要求1或2所述的电子模块(1)，其中，所述通道结构(7)具有至少一个蜿蜒状伸展的通道。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述通道结构(7)平面地构造。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述脉动热管(3)具有至少一个陶瓷体(15，16)，所述陶瓷体形成所述通道结构(7)的壁，所述壁将所述通道结构(7)的通道部段彼此分离。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述脉动热管(3)具有与所述热传递介质(9)接触的导电的覆盖元件(17)，至少一个电气构件(5)布置在所述覆盖元件处，并且所述覆盖元件至少在所述电气构件(5)的周围盖状地封闭所述通道结构(7)。
7.根据权利要求6所述的电子模块(1)，其中，所述覆盖元件(17)在至少一个布置在所述覆盖元件处的电气构件(5)的区域中具有至少一个凹陷部(23，24)，所述脉动热管(3)的所述通道结构(7)穿过所述凹陷部与所述电气构件(5)的表面(25)连接，使得所述热传递介质(9)与所述电气构件(5)的表面(25)直接接触。
8.根据权利要求6或7所述的电子模块(1)，其中，所述覆盖元件(17)由金属制成，特别是由铜或由合金制成。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述脉动热管(3)具有承载元件(18)，所述承载元件在与所述覆盖元件(17)相对置的一侧上封闭所述通道结构(7)。
10.根据权利要求9所述的电子模块(1)，其中，所述承载元件(18)由铜制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述通道结构(7)由陶瓷体(15，16)、金属覆盖元件(17)和金属承载元件(18)形成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，至少一个电气构件(5)布置在所述脉动热管(3)的所述通道结构(7)中，使得所述电气构件被所述热传递介质(9)环流。
13.根据权利要求12所述的电子模块(1)，其中，所述脉动热管(3)具有电路板(27)，所述电路板盖状地封闭所述通道结构(7)的至少一个区域，并且所述电路板具有至少一个印制导线(29，30，31)，所述印制导线与布置在所述通道结构(7)中的电气构件(5)电连接。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，所述热传递介质(9)是不导电的流体，特别是全氟-N-烷基-吗啉。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电子模块(1)，其中，至少一个电气构件(5)是功率半导体。
16.一种用于制造根据前述权利要求中任一项构成的电子模块(1)的方法，其中，脉动热管(3)在安装所有电气构件(5)之后通过至少一个填充开口(19)被填充热传递介质(9)，并且每个填充开口(19)在填充后被封闭。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述脉动热管(3)至少部分地通过3D打印被制造。
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