CN1653612A - 冷却装置和用在该冷却装置中的流量分配元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液体冷却的功率半导体装置，具有放置在板上侧上的待冷却的部件。板下侧用通过分配元件沿板引导的液体冷却，且分配元件的入液口和出液口优选垂直于板设置。分配元件被分成多个小室，其中每个小室都具有垂直于冷却板的入液口和出液口，且分配元件沿板具有多个小室。

Description

冷却装置和用在该冷却装置中的流量分配元件
本发明涉及用于功率半导体器件的液体冷却的冷却装置，其中待冷却的部件放置在板的上侧上，板的底部用通过分配元件沿板引导的液体冷却，分配元件的入液口和出液口垂直于板设置。本发明还涉及用在冷却装置中的流量分配元件。
半导体器件在其工作期间产生热量，且这种热量常常损害半导体器件的操作。有必要在功率半导体器件操作期间将其冷却，以保持可接受的器件性能，且液体冷却常常用于高功率半导体器件。
美国专利No.5,269,372描述了一种用于冷却功率模块的冷却板。液体通过入口流入室中，在室中，总管通过几个进入冷却板的孔分配液体，所述冷却板展现出进液管和回流管。将板(优选用铜制造)分成6×6的小室矩阵。在每两个小室之间，流体通道连接进液管和回流管。这种解决方案实现了温度梯度的减少，但是由于需要导热冷却板，所以是昂贵的。从而所关心的问题是形成不需要冷却板的冷却结构。而且，由于狭窄的通道和入口，流阻很高，从而限制了冷却能力的提高。
美国专利No.5,841,634公开了一种与本发明涉及的半导体器件相似的液体冷却半导体器件。其中，半导体放置在壳体内部的壁(待冷却)上。该器件具有流体入口和流体出口以及放置在壳体内部的室中的折流板。该折流板包括用于将室分成顶部和底部的壁，且壁将每个部分分成隔室。在壁中顶部和底部之间的多个孔在这些部分之间提供了流体连通。流体从入口进入第一底部隔室，然后经通孔到第一顶部隔室。在顶部隔室中，流体沿壁(待冷却)流动，经通孔到第二底部隔室。流体从第二底部隔室流入第二顶部隔室，在这里流体冷却壁的另一区域(待冷却)。在已经通过三个顶部隔室后，流体流入流体出口，并到器件外面。这样，器件的冷却隔室以顺序的方式连接。
当流体通过第一顶部隔室时，流体的冷却效果将导致出口温度比入口温度高。当流体接着到达第二顶部隔室时，将对流体进行额外加热，且这将导致冷却壁上从流体入口端到流体出口端出现温差。由于高功率半导体对温度变化非常敏感，并且对温度等级也敏感，所以对功率半导体器件中的所有半导体的同等冷却条件将对器件寿命产生很大影响。
结果，多个冷却隔室的串联将具有高的流阻，造成通过冷却器件的流体具有高压降或低流速。
本发明的一个目标是改善半导体器件的冷却条件，从而获得更均匀的内部温度。
本发明的另一目标是减小流阻，从而流速将增加，造成冷却能力更高。
利用具有分配元件的冷却装置获得本发明的目标，其中该分配元件被分成小室，且其中每个小室都具有优选垂直于板设置的入液口和出液口，该液体仅通过一个小室，且分配元件具有用于每个板的至少两个小室。因此，液体将以大致相同的入口温度流入所有小室，从而改善了器件中的半导体的冷却条件，并且获得更均匀的内部温度。另外，由于液体在其通过装置的路径上仅通过一个小室，则流阻减少。
在本发明的优选实施例中，远离板的分配元件的侧面设置有分隔壁，用于将侧面分成第一室和第二室，当分配元件安装在底板上时，第一室使所有出液口彼此连接，第二室也使所有出液口彼此连接。因此，液体通过分配元件本身从器件的公用入口导入所有入液口，且从所有出液口导入器件的公用出口。冷却装置的底部的几何形状可因而由板元件形成，且仅通过在结构中添加一个通向第一室的孔和另一通向第二室的孔形成公用入口和出口。
在本发明的一个实施例中，冷却装置包含多于一个的分配元件，且每个分配元件都垂直于板设置。冷却装置在此实例中是底部，包括给定数量的分配元件和给定数量的板，由此可将较大的装置分成用于安装冷却部件的部分。
在本发明的具体实施例中，每个小室中的液流沿板流过使得液体方向改变的通道。因此，由于流体转动，所以改善了从板到液体的热传递。在某些情形下，可能发生湍流。通过每个小室中的狭窄的液体通道，利用造成每个小室中的通道方向改变的通道图案，或通过二者的结合，可获得湍流的液流。
在本发明的另一具体实施例中，一个小室的出液口邻近另一小室的入液口。因此，通过将冷的入口液体供给紧邻另一小室出口的一个小室，可补偿跨过一个小室的液体的温度升高效应。
在本发明的再一具体实施例中，由每个小室覆盖的区域的大小根据分配元件而变化。因此，在器件发热最大的区域中冷却能力增加，或在发热低的区域中冷却能力减小。
由每个小室覆盖的区域大小优选沿边缘比在所述分配元件的中心中更大。因此，冷却效率可沿半导体数目较小的边缘保持较低，且相反，冷却集中于半导体数目较大的区域上。
通过增加小室内流向的变化数目，可提高特定小室中的冷却能力。更具体地，两个邻近小室可覆盖同一区域，但是通过减小一个小室的通道宽度，将存在用于另一流向改变的空间，即，另一分隔壁。通道越窄，则流速就越高，从而特定小室中的冷却能力就越强。
在本发明的具体实施例中，板由具有低热阻(即高导热性)的材料制成。从板一侧到另一侧的热传递将因而对总热阻具有较小影响，且在朝向分配元件的板一侧上的较小的温度变化与在板的另一侧上的温度变化是相等的。结果，这将使半导体具有更均匀的温度。
在本发明的另一具体实施例中，板本身是衬底，其中半导体待与之相连。因此，避免了来自分开的中间冷却板的热传导阻力，且降低了总热阻。从直接冷却特别产生的一个问题是由于热冲击增加，板有向上弯曲的趋势。通过将由优选与板不同的材料制成的桥接元件跨过板安装，可获得从桥部指向下方的力，这将使板固定不动。
冷却装置可以不同方式成形，例如弯曲成管状，从而配合电动机壳体，且节省空间。如果分配元件的截面彼此以一定角度设置，从而例如构造V形分配元件，可实现这一点。
如果使用了几个分配元件，则与邻近的分配隔室相比，中间的过渡区每平方厘米可包含更少的入口和出口。因此，避免了不必要的压力损失。
本发明还涉及在冷却装置(例如，热交换器)中使用的流量分配元件。制造具有已经描述的小室(即，在小室入液口和出液口之间具有平行的封闭流道的小室)的分配元件，可在热交换器中的冷暖液体之间获得高效交换。
已经概括地描述了本发明，现在将具体参看附图对本发明进行描述，其中：
图1：冷却装置的分解图
图2：分配元件的顶部透视图
图3：分配元件的顶视图
图4：分配元件的底部透视图
图5：安装有功率模块的半管状分配元件
图6：半管状分配元件的顶部透视图
图7：半管状分配元件的底视图
图8：具有加固桥部的功率模块
现在参看图1，冷却装置1包括底部13，该底部13形成为带有平面底板11和框架部20的浴盆(bathtub)。底部13具有孔14和15，用于与管道系统等的液体连接。
分配元件4配合底部13的框架部20的内表面。当分配元件4放置在底部13中时，其将此处分成顶部隔室和底部隔室。底部隔室形成在底板11和分配单元4之间，且如将在后面描述的，进一步分成两个室。孔14和15与所述底部隔室连接，且底部隔室和顶部隔室之间的流体连通将仅通过分配元件4中的入口5和出口6出现，这在后面详细描述。
当顶板3通过密封环16安装在底部13上时，顶板3密封顶部隔室。所述密封环16配合底部13的槽17，且密封在框架部20和顶板3之间。顶板3通过螺钉(在图中未示出)固定到底部13，所述螺钉通过顶板3中的孔19拧进顶部13的孔18。由于所述顶板3是待被通过装置的液体冷却的板，所以将顶板3称为冷却板。以对本领域中的技术人员显然的方式将包含半导体的衬底放置在冷却板3顶部上。
图2示出分配元件4的与图1的角度稍有不同的透视图。入口5和出口6现在是可见的，且图3中的分配元件4的顶视图使得入口5和出口6更可见。从底部隔室通过入口5到顶部隔室的入口液体由引导壁21沿冷却板3的底部指引，如由图3上的箭头所示的，且从顶部隔室通过出口6流到底部隔室。
将易于从图3中看到，引导壁21使得液体通道位于壁一端处。然而，壁的一些部分与壁22和23一样遍及整个结构。这些穿通壁将顶部隔室分成小室，每个小室都包括入口5和出口6。
将入口5和出口6放置为使得一个小室出口邻近另一小室的入口。因而具有这样的效果，将要离开一个小室的热液体靠近刚进入另一小室的冷却液，从而使沿冷却板的热梯度最小。通过改变小室覆盖的区域的大小，进一步使沿冷却板的热梯度最小化。沿着边缘12的每个小室的面积大于表面剩余部分的面积，从而沿边缘12的区域中的冷却没有该区域剩余部分上的冷却有效。当发热元件的密度沿半导体器件的边缘比在器件的剩余部分上更小时，沿边缘的冷却效果降低将使沿冷却板的热梯度最小化。
现在参看如上所述的底部隔室的两个室，图4示出分配元件的底部透视图。沿底部以蛇形图案延伸的壁10支撑在底板13的底板11上，且形成大体上不透液体的连接。因而，当将分配元件放置在底部上时，分配元件4的底部隔室分成入口隔室8和出口隔室9。所有入口5都与入口隔室8连接，且所有出口6都与出口隔室9连接。因此，顶部隔室的小室(图2和图3)全部都在公用入口和公用出口(图1的位置14和15)之间平行连接。
在图中所示的本发明的第一实施例中，以本领域的技术人员公知的方式将衬底放置在冷却板3的顶部上，其中半导体与衬底相连。然而，冷却板也可以是衬底本身，作为冷却装置上的盖直接放置。这是沿冷却板的热梯度最小的结果，使得图1所示的作为冷却板3的传统放热板在某些应用中不再需要。图8示出直接冷却的功率模块45的实例，其中顶盖被去除。底部13结合图1所示的分配元件4(不可见)，且直接结合铜衬底(DCB)46、47、和48通过丝焊(未示出)连接到壳体以及电端子49。DCB直接支撑在分配元件上。由于直接的冷热冲击较大，所以DCB随着其中部获得最大弯曲度而向上弯曲。为了解决此问题，桥部52和53优选由与DCB不同的材料构成，且如所示出的跨过DCB放置，从而抵制DCB的向上移动。通过选择以与DCB的材料不同的另一材料制成的桥部，获得桥部和DCB之间的膨胀系数之差，然而，甚至以与DCB相似的材料制成的桥部也将具有抵制作用。每个桥部52和53的两端优选通过将其嵌在壳体54中的开口(未示出)内而固定。可选地，它们可胶合或焊接到DCB的表面上。在此实施例中，功率模块包括三个独立的DCB，但是桥部也可用于一个大的DCB。
至此，图中所示的本发明的实施例限于放置在底部13中的一个分配元件4。但是本发明不限于此，因为可容易地想到底部具有用于多于一个分配元件4的空间，从而单个冷却装置冷却多于一个的元件，且包含多于一个的冷却板。图5示出本发明的另一实施例。冷却装置30具有带入口32和出口31的管状形状。带有用于电连接的端子33的功率模块25、26、27、28、和29安装在冷却装置上。该功率模块利用通过孔34的螺钉安装在冷却装置上。与所示出的冷却装置类似的管状冷却装置用在电动机中并插入电动机，并使得冷却装置30没有功率模块的一侧靠在电动机壳体的内侧上，以使所需要的空间最小。从图6中的顶部示出的多分配元件35是冷却装置30的部分且放置在内部，并显露出引导壁21和穿通壁22和23。与上述单个分配元件的差别在于，这种多分配元件包括与功率模块的数量相应的六个分配隔室36、37、38、39、40、和41。然而，全部的五个分配器仅共用一个进液口和出液口。将多分配元件分成三个部分42、43、和44，其中部分42和44整体连接到部分43，且限定了与此部分所成的钝角。图7从与图6中所示侧相对的侧示出多分配元件35。壁10将分配器的此侧分成出口隔室9和入口隔室8。冷却液通过入口5进入相对侧上的弯曲通道，且热的液体通过出口6转移走。尽管多分配器35整合了五个分配器，但是也可仅使用一个单独的壁10。在过渡区中，两个区域50和51分别占有比其它通道大的面积。由于在相对侧上不存在功率模块，所以不需要在过渡区中进行冷却。然而，区域50和51覆盖了大小相同的面积，以避免温度分配不平衡。而且，与分配隔室中的相应区域相比，过渡区中的出口和入口数量减少，从而减小了给予冷却装置的最小入口压力值。
分配元件4和35优选以压力模铸硬塑料制造。

Claims (15)

1.冷却装置(1)，用于功率半导体的液体冷却，所述装置冷却放置在至少一个板(3)的上侧(2)上的部件，所述至少一个板的底部用通过分配元件(4)沿所述板引导的液体冷却，所述分配元件(4)的入液口(5)和出液口(6)垂直于所述板设置，其特征在于，所述分配元件(4)被分成多个小室(7)，每个小室都具有优选垂直于所述板设置的入液口和出液口，所述液体仅通过一个小室，且所述分配元件(4)具有用于每个板的至少两个小室(7)。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，远离所述板的分配元件的侧面设置有分隔壁(10)，从而用于产生第一室(8)和第二室(9)，当所述分配元件安装在底板(11)上时，第一室使所有入液口彼此连接，第二室使所有出液口彼此连接。
3.根据权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包含多于一个的分配元件，且每个分配元件都垂直于所述板设置。
4.根据权利要求1至3中任一所述的冷却装置，其特征在于，每个小室中的液流都流过使得液体方向改变的通道。
5.根据权利要求1至4中任一所述的冷却装置，其特征在于，一个小室的出液口邻近另一小室的入液口。
6.根据权利要求1至5中任一所述的冷却装置，其特征在于，由每个小室覆盖的区域的大小根据所述分配元件而变化。
7.根据权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，由每个小室覆盖的区域大小沿边缘(12)比在所述分配元件的中心中更大。
8.根据权利要求1至5中任一所述的冷却装置，其特征在于，流向改变的数目在一个小室中比在邻近小室中更大。
9.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述板由具有低热传导阻力的材料制成。
10.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述板是衬底，其中半导体待与之相连。
11.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，至少一个桥接元件(52，53)安装在所述板(46，47，48)上，所述桥接元件在所述板上施加方向向下的力。
12.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置(30)包括所述分配元件的部分(42，43，44)，所述部分彼此以一角度设置。
13.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述分配元件(35)呈现出过渡区(50，51)，所述过渡区具有每平方米比邻近的分配隔室(36，37，38，39，40，41)中更少的入口(5)和出口(6)。
14.在冷却装置中使用的流量分配元件，所述冷却装置包括壳体和分隔壁，并使用液体或气体冷却，因而从所述分隔壁的第一侧上的液体或气体提取热量，且所述热量通过位于所述壁第二侧上的另一液体或气体而转移走，其特征在于，所述分配元件(4)放置在所述壁的第二侧上，所述分配元件呈现多个小室(7)，每个小室都具有入口和出口以及位于其间的封闭流道，所述入口和出口优选垂直于所述分隔壁。
15.根据权利要求13所述的流量分配元件，其特征在于，所述分配元件(4)包括至少两个小室(7)。
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