CN116646316A - 散热器及具有该散热器的igbt功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种散热器，包括若干平行设置的异型翅片，相邻两异型翅片之间形成供流体通过的流道；沿流体流动方向，所述异型翅片具有依次交替分布的凹面和凸面，相邻两个所述异型翅片的凹面与凹面相对，凸面与凸面相对，使得所述流道形成扩张区和压缩区交替分布的异形流道。本发明还公开了一种IGBT功率模块，包括：上述的散热器；功率组件，所述功率组件包括基板和功率芯片；所述基板具有相对设置的第一板面和第二板面，所述功率芯片设于所述基板的第一板面，所述散热器设于所述基板的第二板面。本发明提高了流体与异型翅片之间的热交换效率，进而提高了IGBT功率模块的热传导效率，从而加强了IGBT功率模块运行的稳定性与可靠性。

Description

散热器及具有该散热器的IGBT功率模块

技术领域

本发明涉及电子器件散热技术领域，具体涉及一种散热器及具有该散热器的IGBT功率模块。

背景技术

IGBT功率模块在新能源汽车动力总成系统中的应用非常广泛，高压大电流和高效高功率密度的技术发展趋势及频繁非平稳工况的应用需求对IGBT功率模块的热可靠性设计提出了严峻的挑战。

传统的IGBT功率模块热量传递过程通常需要经三个层级，第一层级：功率芯片产生的热量通过焊接的方式传递给覆铜基板下表面；第二层级：覆铜基板将热量传递给上表面的导热硅脂；第三层级：覆铜基板上表面的导热硅脂将热量传递给上方的散热器，通过散热器与外界环境发生热交换，达到降低功率芯片温度的目的。

其中，覆铜基板与散热器之间采用螺栓压紧的方式固定，并在覆铜基板与散热器之间填充有导热硅脂，这种连接方式在实际应用中不仅严重影响IGBT功率模块稳定性与可靠性，而且长期处于高温环境下作业时，导热硅脂容易发生疲劳、老化、失效等现象，限制了IGBT功率模块向高温、高功率密度方向的发展。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种散热器及具有该散热器的IGBT功率模块，可提高功率模块的热传导效率，从而加强功率模块运行的稳定性与可靠性。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种散热器，包括若干平行设置的异型翅片，相邻两异型翅片之间形成供流体通过的流道；

沿流体流动方向，所述异型翅片具有依次交替分布的凹面和凸面，相邻两个所述异型翅片的凹面与凹面相对，凸面与凸面相对，使得所述流道形成扩张区和压缩区交替分布的异形流道。

进一步地，所述散热器还包括设于所述异型翅片侧端用以产生流体的风扇。

进一步地，所述异型翅片上设有温度传感器，所述温度传感器与所述风扇的变频器电连接。

进一步地，所述异型翅片的凹面和凸面的横截面形状呈梯形或圆弧形。

进一步地，所述散热器还包括用以包覆所述异型翅片的散热外壳。

根据本发明的另一个方面，提供一种IGBT功率模块，包括：

上述的散热器；

功率组件，所述功率组件包括基板和功率芯片；

所述基板具有相对设置的第一板面和第二板面，所述功率芯片设于所述基板的第一板面，所述散热器设于所述基板的第二板面。

进一步地，所述散热器的异型翅片竖直焊接在所述基板的第二板面上，并使得所述异形流道平行所述基板的第二板面。

进一步地，所述功率芯片为多个，间隔焊接于所述基板的第一板面上。

进一步地，所述功率组件还包括壳体，所述壳体具有相对设置的第一表面和第二表面；

所述基板的第二板面与所述壳体的第二表面平齐设置，并使得所述功率芯片位于所述壳体内部；

所述壳体的侧面设有若干主端子孔，每个所述主端子孔中均设有主端子，所述主端子用于与所述功率芯片的主引脚连接；

所述壳体的第一表面设有若干辅助端子孔，每个所述辅助端子孔中均连接有辅助端子，所述辅助端子用于与所述功率芯片的辅助引脚连接。

进一步地，所述壳体的第一表面设有可拆离的盖板。

应用本发明的技术方案，异型翅片的变表面结构，使得两异型翅片之间形成扩张区和压缩区交替分布的异形流道，流体在异形翅片间以渐缩渐扩的方式流动，这种流动方式不仅增加了流体在异形流道间的扰流，也增加了流体与异型翅片间的接触面积，延长了流体在异形翅片间的滞留时间，极大地提高了流体与异型翅片之间的热交换效率，同时，散热器直接连接在IGBT功率模块的基板上，相比于传统的黏贴方式，不仅可以缩短功率芯片与基板连接层的厚度，减少功率芯片与翅片之间热量传递的层级，提高了IGBT功率模块的热传导效率，而且可以避免黏贴材料热属性选择则的局限性，同时也加强了IGBT功率模块运行的稳定性与可靠性，避免了IGBT功率模块在长期运行过程中由于散热器与基板接触不良引发的产品热稳定性差、热传导效率低等一系列质量问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的散热器的整体结构示图；

图2为本发明实施例的散热器的分解结构示意图；

图3为本发明实施例的八边型流道结构的异形流道示意图；

图4为本发明实施例的圆弧形流道结构的异形流道示意图；

图5为本发明实施例的功率组件的整体结构示意图；

图6为本发明实施例的功率组件的分解结构示意图；

图7为本发明实施例的IGBT功率模块的整体结构示意图；

图8为本发明实施例的IGBT功率模块的轴侧剖视图；

图9为本发明实施例的IGBT功率模块的俯视剖面图；

其中：

1-功率组件；2-散热器；11-壳体；12-基板；13-辅助端子；14-主端子；15-功率芯片；16-主端子孔；17-辅助端子孔；21-散热外壳；22-异型翅片；23-风扇；24-温度传感器；201-异型流道；202-扩张区；203-压缩区。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了解决现有技术的IGBT功率模块存在的热可靠性差，限制了IGBT功率模块向高温、高功率密度方向发展的问题，本发明提出了一种散热器及具有该散热器的IGBT功率模块。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种散热器2，主要包括散热壳体21、若干平行设置的异型翅片22和用于提供强制气流的风扇23，其中，两异型翅片22之间形成供气流通过的流道，风扇23设置在异型翅片22侧端，也可以认为位于流道的侧端，风扇23产生的气流流入异型翅片22之间的流道内，从而与异型翅片22进行热交换带走热量。

本实施例中，异型翅片22为片状结构，呈竖向布置，散热壳体21为纵截面呈倒U型的金属壳体，通过对异型翅片22两侧及上端进行包裹，从而限制出水平方向的气体流向，风扇23设于异型翅片22的右端，吹出的气流从异型翅片22的右端流入，从异型翅片22的左端流出。

容易理解的是，散热壳体21只是为了便于固定异型翅片22，异型翅片22可通过在其上、下两端设置90°折边，然后通过折边依次连接，这样，就可以去掉散热壳体21。

如图3所示，沿气体流动方向，异型翅片22具有依次交替分布的凹面和凸面，平行设置时，相邻两异型翅片11的凹面与凹面相对，凸面与凸面相对，这样，相邻两异型翅片22之间的流道就变成了扩张区202和压缩区203交替分布的异形流道201。

该异形流道201结构，当气流从扩张区202进入压缩区203时气流进行压缩，流速变快，风压增大；当气流从压缩区203进入扩张区202时气流进行扩张，流速减慢，风压减低，这样，冷空气在异形流道201间以渐缩渐扩的方式流动，这种流动方式不仅增加了气流在异形流道201内的扰流，也增加了气流与异型翅片22间的接触面积，延长了气流在异型翅片22间的滞留时间，极大地提高了气流与异型翅片22之间的热交换效率，进而提升了散热器2的散热效率。

如图3所示，异型翅片22表面贴有温度传感器24，以采集异型翅片22表面温度，温度传感器24可与风扇23的变频器电连接，这样，通过温度传感器24采集异型翅片22表面温度，进而调节风扇23的运行速度，达到节能高效的效果。

如图3和图4所示，异型翅片22的凹面和凸面的横截面形状呈梯形或圆弧形，这样，当异型翅片22横截面形状呈交替分布的梯形时，可使异型流道201呈现出如图3所示的八边型结构；当异型翅片22横截面形状呈交替分布的圆弧形时，也即波浪线形时，可使异型流道201呈现出如图4所示的圆弧型结构。

从图3和图4可以看出，无论是八边型结构还是圆弧型结构，在异型流道201的横截面上，均呈现大、小交替的腔体结构，梯形、圆形的设置可以使腔体之间过渡更为平滑。当然，异型翅片22的凹面和凸面的形状还可以是三角形、矩形等，本实施例对此并不作限定。

另外需要说明的是，本申请中的若干个为两个以上且包括两个。

如图5和图6所示，本实施例提供了一种功率组件1，主要包括壳体11、基板12、辅助端子13、主端子14、功率芯片15、主端子孔16和辅助端子孔17。

其中，基板12作为功率芯片15的贴敷板体，可采用PCB常用的覆铜板，基板12具有相对设置的第一板面和第二板面，图6中，第一板面朝上，功率芯片15为功率组件1的核心元件，数量根据需要设计，图6中，功率芯片15的数量为6个，通过焊接的方式固定在基板12的第一板面上。

壳体11作为功率组件1承载结构，也具有相对设置的第一表面和第二表面，图5和图6中，第一表面朝上，基板12安装在壳体11上时，基板12朝下的第二板面与壳体11朝下的第二表面平齐，且基板12上的功率芯片15位于壳体11的内部。

壳体11两个相对的长侧面设有若干主端子孔16，每个主端子孔16中均设有主端子14，主端子14用于与功率芯片15的主引脚连接；主端子孔16作为主端子14的连接出口，将功率芯片15的主引脚引出至功率组件1外部。

壳体11的第一表面设有若干辅助端子孔17，每个辅助端子孔17均连接有辅助端子13，辅助端子13与功率芯片15的辅助引脚连接，辅助端子孔17作为辅助端子13的连接出口，将功率芯片15的辅助引脚引出至功率组件1外部。

壳体11的第一表面的还设置有可拆离的盖板18，这样，打开盖板18，即可对壳体11内部的功率芯片15进行维护。

如图7和图8所示，本实施例还提供一种IGBT功率模块，包括上述的功率组件1和散热器2，其中，散热器2的异型翅片22竖直焊接在基板12的第二板面上，风扇23固定在壳体11的第二表面上，并位于异型翅片22的右端。这样，采用焊接的方式代替传统的黏贴方式不仅可以缩短功率芯片15与基板12连接层的厚度，提升功率芯片15的热传导效率，而且可以避免黏贴材料热属性选择则的局限性；同时，通过焊接的连接方式也加强了功率模块运行的稳定性与可靠性，避免了IGBT功率模块在长期运行过程中由于翅片22与基板12接触不良引发的产品热稳定性差、热传导效率低等一系列质量问题。

如图9所示，功率芯片15运行时产生热量，功率芯片15与基板12采用焊接连接，功率芯片15直接将热量传递至基板12；基板12通过扩大表面积对热量进行平面扩散，增大散热面积；基板12表面焊接多个异型翅片22，热量直接又从基板12传递至多个异型翅片22，使散热面积再次增大；基板12与异型翅片22与周围空气在风扇23的作用下，进行强制换热使其热量散发；异型翅片22之间的异形流道201使冷空气以渐缩渐扩的方式流动，不仅增加了气流在异形流道201内的扰流，也增加了气流与异型翅片22间的接触面积，延长了气流在异型翅片22间的滞留时间，提高了气流与异型翅片22之间的热交换效率。同时，利用风扇23、温度传感器24实时调节异型通道201内的气体流速，进一步增加异型翅片22的换热效率，达到节能高效的效果。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的IGBT功率模块，通过焊接的方式分别将异型翅片22与风扇23固定在功率组件1的基板12及壳体11上，采用焊接的连接方式不仅可以减少功率芯片15与异型翅片22之间热量传递的层级，而且也提高了功率芯片15的热传导效率，进而加强了IGBT功率模块运行的稳定性与可靠性，避免了IGBT功率模块在长期运行过程中由于功率组件1与散热器2接触不良引发的产品热稳定性差、热传导效率低等一系列质量问题。此外，散热器1的异型翅片22的结构设计，使冷空气在翅片间以渐缩渐扩的方式流动，这种流动方式不仅增加了气流在翅片间的扰流，也增加了气流与翅片间的接触面积，延长了气流在流道间的滞留时间，提高了气流与翅片之间的热交换效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种散热器，其特征在于，包括若干平行设置的异型翅片(22)，相邻两异型翅片(22)之间形成供流体通过的流道；

沿流体流动方向，所述异型翅片(22)具有依次交替分布的凹面和凸面，相邻两个所述异型翅片(11)的凹面与凹面相对，凸面与凸面相对，使得所述流道形成扩张区(202)和压缩区(203)交替分布的异形流道(201)。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，还包括设于所述异型翅片(22)侧端用以产生流体的风扇(23)。

3.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于，所述异型翅片(22)上设有温度传感器(24)，所述温度传感器(24)与所述风扇(23)的变频器电连接。

4.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于：所述异型翅片(22)的凹面和凸面的横截面形状呈梯形或圆弧形。

5.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，还包括用以包覆所述异型翅片(22)的散热外壳(21)。

6.一种IGBT功率模块，其特征在于，包括：

散热器，所述散热器为权利要求1至5任一项所述的散热器；

功率组件，所述功率组件包括基板(12)和功率芯片(15)；

所述基板(12)具有相对设置的第一板面和第二板面，所述功率芯片(15)设于所述基板(12)的第一板面，所述散热器设于所述基板(12)的第二板面。

7.根据权利要求6所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述散热器的异型翅片(22)竖直焊接在所述基板(12)的第二板面上，并使得所述异形流道(201)平行所述基板(12)的第二板面。

8.根据权利要求7所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述功率芯片(15)为多个，间隔焊接于所述基板(12)的第一板面上。

9.根据权利要求6所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述功率组件还包括壳体(11)，所述壳体(11)具有相对设置的第一表面和第二表面；

所述基板(12)的第二板面与所述壳体(11)的第二表面平齐设置，并使得所述功率芯片(15)位于所述壳体(11)内部；

所述壳体(11)的侧面设有若干主端子孔(16)，每个所述主端子孔(16)中均设有主端子(14)，所述主端子(14)用于与所述功率芯片(15)的主引脚连接；

所述壳体(11)的第一表面设有若干辅助端子孔(17)，每个所述辅助端子孔(17)中均连接有辅助端子(13)，所述辅助端子(13)用于与所述功率芯片(15)的辅助引脚连接。

10.根据权利要求9所述的IGBT功率模块，其特征在于，所述壳体(11)的第一表面设有可拆离的盖板(18)。