CN206610802U - 冷却体、功率半导体单元及冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种冷却体，其用于使热源的热量传递到液态冷却介质上，其中，冷却体具有至少一个用于容纳液态冷却介质的通道。为了能够在热源和冷却体有热接触时放弃使用导热膏提出冷却体具有薄膜，其中，薄膜构成通道的至少一部分，其中，薄膜构成冷却体的外表面，其设置用于与热源接触，其中，薄膜是柔性的，使得薄膜通过液态冷却介质的压力压到热源上。本实用新型还涉及一种功率半导体单元。本实用新型还涉及一种冷却系统，其具有这种冷却体和用于产生压力的设备，其中，通过用于产生压力的设备能够使液态冷却介质承受压力，从而薄膜通过液态冷却介质的压力压到热源处。

Description

冷却体、功率半导体单元及冷却系统

技术领域

本实用新型涉及一种冷却体，其用于使热源的热量传递到液态冷却介质上，其中，冷却体具有至少一个用于容纳液态冷却介质的通道。本实用新型还涉及一种具有这种冷却体和半导体模块的功率半导体单元。此外，本实用新型还涉及冷却系统，其具有这种冷却体或者这种功率半导体单元以及泵、换热器和管道系统。此外，本实用新型还涉及借助于这种冷却体冷却热源的方法。

背景技术

冷却体用于将热源的热量排出到周围环境中。特别地，在功率半导体领域需要的是，将在功率半导体中产生的，以热量形式表达的损耗功率排出到周围环境中。

在半导体模块(接下来也称作模块)的运行中、例如在整流器中，由其特性决定了产生损耗，该损耗必须被排出到周围环境中。出于这种目的，模块安装在冷却体上，其冷却片将损耗直接地排出到冷却空气(周围空气) 处，或者安装在具有液态冷却剂的冷却体上并且经由液态冷却剂传递热量，并且在其他的位置处、例如在换热器处将损耗传递到周围空气处。

半导体模块具有用于输出产生的损耗热量的铜底板。经由该铜底板，半导体模块与冷却体连接。在提及的半导体模块中，通常在铜底板上电绝缘的陶瓷板(所谓的DCBs)与半导体芯片焊接。由铜和陶瓷的不同热膨胀系数决定了产生机械应力，其使得铜基拱起。在安装在平坦的冷却体上时，在冷却体和半导体模块之间产生封入空气(Lufteinschluesse)。封入空气涉及导热差的空腔。其在该处通过半导体输入最大损耗的位置处是不利的。

存在不同的方法来避免在热传递中空腔的缺点。最常应用的方法在于，在安装前模块底部借助于导热膏(导热界面材料，常常缩写为TIM) 涂覆。导热膏随后填充了空腔。多余的导热膏在安装前其层厚比空腔的层厚大的位置处被排出并且在模块边缘处聚集。

另外的方法使用敞开的槽作为冷却体，在槽上固定模块并且在边缘处密封。模块在此用作冷却体的一类盖子，其防止液态冷却剂溢出。冷却体直接地沿着模块底部流动。模块底部的拱出部分在此没有作用，因为冷却介质匹配于粗糙度。然而不利的是，在模块拆卸时、例如在电设备、如整流器的内部维修时，整个冷却循环或冷却循环的至少一部分必须被排空。对于直到更换模块为止的时间段，冷却循环是敞开的且不利在于，随后异物能够到达冷却循环中并且之后能够损害冷却系统的部件。因此，故障概率提高，或者待冷却的电设备、例如整流器的另外的部件的损害概率提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种冷却体，其也在不使用导热膏的情况下，避免在热源利用拱起表面与冷却体连接时的封入气体，并且其中热源能够如下地与冷却体分开，即不存在冷却剂溢出的危险。

该目的通过用于使热源的热量传递到液态冷却介质上的冷却体实现，其中冷却体具有至少一个用于容纳液态冷却介质的管道，其中冷却体具有薄膜，其中薄膜构成管道的至少一部分，其中薄膜构成冷却体的外表面，其设置用于与热源接触，其中薄膜是柔性的，使得薄膜通过液态冷却介质的压力压到热源上。该目的还通过具有这种冷却体和半导体模块的功率半导体单元实现，其中半导体模块如下地布置在冷却体上，即半导体模块至少与冷却体的薄膜的部分热耦合。此外，该目的还通过冷却系统实现，其具有这种冷却体或这种功率半导体单元以及泵、换热器和连接系统，其中冷却体、泵和换热器借助于连接系统如下地互相连接，使得液态冷却介质能够在冷却体、泵和换热器之间循环，其中，液态冷却介质通过泵能够如下承受压力，从而薄膜通过液态冷却介质的压力压到热源处。此外，该目的通过借助于这种冷却体冷却热源的方法实现，其中，液态冷却介质能够如下地承受压力，使得冷却体的薄膜压到热源处。

本实用新型基于以下认知，即具有不均匀的或拱形的底部的半导体模块能够由此最优地被冷却，使得具有对于液态冷却介质必要的结构的冷却体朝向半导体模块没有利用刚性的盖或平滑的表面封闭，而是利用合适的薄膜封闭。因此，对于热源的表面特性的要求明显更低，该表面与冷却体接触并且借助于冷却体冷却。该表面不再必须是平坦的，而是能够具有拱形或不平整性。这种拱形或不平整性能够持续地存在，或者其由于热源的发热例如在运行中产生。冷却体的液态冷却介质能够如下承受压力，即设置用与热源接触的外表面改变其形状。通过这种形状变化，与应被冷却的热源的完全平坦表面不符的偏差能被补偿。导致在热源和冷却体之间的热传递变差的封入气体和/或空腔能够由此被避免或至少明显减少。冷却的过程也称为散热。具有其薄膜的冷却体与相应的热源的不平整相匹配，特别是匹配于半导体模块的与实例相关的不平整。不再需要使用导热膏，因为在冷却体和热源之间不再存在封入气体。这使安装过程变得简单，并且降低了生产成本。

通过薄膜的移动能够、但不是必要地，如下地形成用于冷却介质的改变的通道，使得冷却介质的路径与冷却体内的冷却介质的压力相关地改变。

半导体模块通常具有以下属性，即具有用于输出热量的铜底板和至少一个陶瓷板，其布置在铜底板和半导体芯片之间。基于铜和陶瓷的不同的膨胀系数，在底板的设置用于与冷却体接触的表面处产生不平整、例如拱形。拱形基于轮廓(半径)特别适用于通过冷却体的薄膜被补偿。在此证明为有利的是，冷却体的薄膜仅在半导体模块的边缘处与冷却板连接，更确切地说使得在该处产生密封的连接，其防止从冷却体中溢出液态冷却介质。在此，当液态冷却介质承受压力时，液态冷却介质的溢出随后也被防止。

热源能够直接与薄膜热接触。因此，在热源和冷却体之间的热阻是特别低的，使得在温差低时能够出现大的热传递。替选地或补充地同样可行的是，在薄膜和热源之间引入另外的能导热的层，将热源安装到该层上。通过这个另外的能导热的层，由热源和冷却体构成的结构能够获得更高的稳定性。

热的传递能够通过液态冷却介质通过冷却介质的运动来实现。这常常被称为液体冷却。替选或补充可行的是，通过蒸发和冷凝液态冷却介质实现热传递、这例如在热管冷却中发生。此外，原则上冷却体也适用于这两种冷却类型。

冷却系统必须选择性地是无压力的(drucklos)或者能够承受预压。只要在冷却系统中不产生过压，薄膜就是平坦的并且仅逐点地抵靠在热源上，特别是抵靠在半导体模块的模块底板的铜底板处。如果现在例如借助于泵在液态冷却介质中建立压力，随后薄膜完全平坦地靠在半导体模块的底部并且在模块底部和冷却介质之间产生良好的热传输，其不再具有空腔或封入气体。

有利地，冷却系统具有封闭的内部冷却循环，并且将热或损失功率随后经由合适的换热器传输到周围环境(空气、工业水、海水等)的冷却剂处。由此冷却体内部的结构始终保持相同，而与以何种形式将热量排出到周围环境中无关。

与周围环境的冷却体的选择无关地，内部的冷却循环提供了一下可行性，即选择地建立或者停止预压。对此其还提供了以下保证，即半导体模块的底部没有承受多余的压力、压力冲击或不期待的压力波动。

本布置的另外优点在于，液态冷却介质不与热源的底部接触。在具有铜底板的半导体模块中特别地不存在下述危险，即在该底板处出现不期待的、与液态冷却介质的化学反应。

本布置的另外优点在于，热源能够以简单的方式与冷却体分开，无需实行打开或者排空冷却循环。因为通过薄膜避免溢出液态冷却介质，能够可靠地避免损害对液体渗入敏感的热源、特别是半导体模块。为了拆卸热源，仅必须停止冷却介质的预压，并且在再次运行前例如借助小手动泵再次建立。此外，借助于薄膜能够实现在热源和冷却体之间简单的、成本低廉和可靠的连接层。

在另外有利的设计方案中，薄膜的朝向通道内部的表面具有比构成冷却体的外表面的另外的表面更大的粗糙度。不同的粗糙度能够在薄膜的生产过程中以不同的、但简单的方法实现。在与液态冷却介质接触的薄膜一侧的高粗糙度引起用于热传输的大的作用面积。而且，在液态冷却介质中的涡流能够通过高的粗糙度在薄膜的紧邻处实现，其保证了高效的热传递。

在另外有利的设计方案中，薄膜的朝向通道内部的表面具有凸出元件特别是栓钉(Noppen)和/或沟纹，或者泡沫状的涂层，特别是具有金属泡沫的涂层。凸出元件或泡沫状的涂层扩大了在冷却体内部的用于从薄膜到液态冷却介质的热传输的作用面积。通过相应的大的作用面积，在冷却体和热源之间的温差低时，能够将相应大的热量输送给液态冷却介质。此外通过凸出元件和/或泡沫状的涂层，能够在液态冷却介质中产生涡流，其进一步改善了在薄膜和冷却介质之间的热传递值。元件和/或涂层能够以简单的方式涂覆在薄膜的表面上。

在另外有利的设计方案中，薄膜的朝向通道内部的表面具有对于热传导来说的高横向导热性。横向导热性引起贯穿薄膜的热量的分散。因此，用于从薄膜到液态冷却介质的热量传递的作用面积大于用于从热源到薄膜的热量传递的作用面积。因此能够实现用于从冷却体的表面到液态冷却介质的具有少量的温度升降的高效的热量传递。

附图说明

下面依据在图中示出的实施例详细描述本实用新型。图中示出：

图1示出了冷却体上的热源，

图2示出了具有涂覆的导热膏的热源，

图3示出了安装在冷却体上的具有涂覆的导热膏的热源，

图4示出了具有直接的底部冷却的冷却体，

图5示出了具有薄膜的冷却体，

图6示出了具有薄膜的冷却体，

图7示出了具有薄膜和安装的热源的冷却体，

图8示出了冷却系统，

图9示出了具有栓钉的薄膜，

图10示出了具有沟纹的薄膜，

图11示出了具有金属泡沫的薄膜，和

图12示出了具有高横向导热性的薄膜。

具体实施方式

图1示出了由现有技术已知的具有安装在其上的热源2的冷却板40。冷却板由冷却介质50、例如水穿流。热源2具有不平整的底部30。这种不平整在该图中作为夸大的拱形示出。已知的是，在热源2的底部30和和冷却板40之间以空腔的形式存在封入气体43。封入气体43阻止从热源 2到冷却板40的热传递和由此到冷却剂50的传递。

图2示出了热源2，其中在底部30处涂覆导热膏31。具有导热膏31 的热源2压到冷却板40上并且安装在其上。与图1的实施方式相比，这种同样由现有技术已知的结构改善了热传递。

图3示出了在成功安装后的热源2和冷却板4。应识别出，在此之前存在的封入气体43或者说空腔现在完全由导热膏31填充。导热膏31促进了在热源2和冷却板40之间的热交换，使得热量能够被传递到冷却剂 50处。

图4示出了替选的冷却板41。在此热源2构成了冷却板41的盖子，其防止冷却剂50的排出。在热源2的底部30和替选的冷却板41之间存在密封件32，其防止冷却剂50的排出。

图5示出了具有薄膜5的冷却体1，薄膜5利用表面7与液态冷却介质3连接。薄膜5的另外的表面8设置用于与在图中没有示出的热源2接触。在冷却体1的边缘区域42中，薄膜5与冷却体1的槽连接。这种连接阻止了液态冷却介质3的排出。这种连接如下地实施，即当液态冷却介质3承受压力时，也可靠地阻止液态冷却介质的排出。

图6示出了安装在冷却体1上的热源2。在冷却体1中，液态冷却介质3没有承压，使得薄膜5抵靠在冷却体的槽处。由此，在热源2的底部30和冷却体1之间存在封入气体43或空腔，其阻止了在热源2和冷却体 1之间有效的热交换。然而只要液态冷却介质3承受压力，薄膜5移向热源2的底部30上。这种状态在图7中示出。薄膜随后在没有封入气体的情况下抵靠在热源2的底部30处。不需要使用例如在图2中的导热膏31。由此尽管在热源2处有不平整，在冷却体1和热源2的底部30之间产生了平坦接触，其除去了空腔和封入气体43。这改善了从热源2到冷却体1 的热传递。

图8示出了冷却系统20。冷却系统20具有例如两个冷却体1，如在图6或图7中示出的。经由连接系统23，冷却体1与换热器22和泵21 连接。冷却系统由液态冷却介质3填充。泵21引起液态冷却介质3在冷却系统20中的流动。对此泵21产生压力，该压力对于在需要体积流量时补偿在冷却体1、连接系统23和换热器22中的压力下降而言是必要的。换热器22将借助于液态冷却介质3传递的热量输送到周围环境中。在此，热量能够例如排出到周围环境处、工业水或海水中。

此外，冷却系统20的冷却循环具有用于产生压力的设备24和储藏罐 33(Ausdehnungsgefaess)。由于冷却剂的不可压缩性，证明为有利的是，设置储藏罐33，其基于温度变化实现液态冷却介质3的体积变化，无需在冷却系统20中出现显著的压力改变。在此有利的方式是，在储藏罐33中在液态冷却介质3上部存在空气或气体缓冲。

对于将薄膜5压到热源的底部而言必要的压力通过在冷却循环中相对于周围环境的过压产生。由于液态冷却介质3的不可压缩性，该过压与在储藏罐中的气体的过压相同。

在此，储藏罐33与用于产生压力的设备24连接。压力的产生在此能够例如借助于压缩机或压缩空气储藏器或者气体储藏器执行，此外，证明为有利的是，将排气阀集成到用于产生压力的设备24中。如果排气阀打开，气体缓冲也与周围环境空气连接，随后冷却剂循环也不再相对于周围环境过压。在冷却体1上的薄膜5是平坦的，其仅部分地抵靠在模块底部上，例如在图6中示出的。

如果排气阀关闭，并且例如通过压缩机或从压缩气体容器中将气体压缩到储藏罐33中，随后压力传播到液态冷却介质3中并且引起薄膜5完全平坦地抵靠在热源2的底部处，如在图7中示出的。

泵21的运行中沿着冷却剂的流动段出现压力下降。预压、例如通过用于产生压力的设备21的预压必须如下之高的，使得在冷却体1的冷却剂出口处也充满相对于周围环境足够高的压力，因为该压力对于将薄膜压到热源2的底部而言是决定性的。

为了改进薄膜5到液态冷却介质3的热传递，薄膜5能够以在图9到图12中示出的方式优化。

图9示出了，在薄膜5朝向液态冷却介质3的表面7具有栓钉44形式的凸出元件10。栓钉44提高了对于热传递起作用的用于液态冷却介质 3的表面积，使得具有更少温差的热量过渡到液态冷却介质3中。

图10示出了代替栓钉44的沟纹作为凸出元件10，其同样引起用于到液态冷却介质3的热传递的作用面积的相应扩大并由此引起改善的热传递。

图11示出了涂覆在薄膜5上的、泡沫状的涂层11。这能够例如通过金属泡沫实现。同样的，这也扩大了对于从薄膜5到液态冷却介质3上的热传递有效的面积并且在此是良好的热传递。

图12依据箭头示意性示出了在热传导中具有高横向导热性的薄膜5。示出的热源2将其废热经由其底部30传递到薄膜5中。通过高横向导热性，导热不仅在最短的路径上穿过薄膜5进入到液态冷却介质3中，热量还在薄膜5中横向地分散。因此，热量流在从热源2过渡到液态冷却介质3上时散开，并且因此扩大了用于从薄膜5到液态冷却介质3上的热传递的作用面积。因此能够实现从热源2到液态冷却介质上的良好热传递。

总之，本实用新型涉及一种用于使热源的热量传递到液态冷却介质上的冷却体，并且其中，冷却体具有至少一个用于容纳液态冷却介质的通道。为了能够在热源和冷却体有热接触时放弃使用导热膏提出冷却体具有薄膜，其中，薄膜构成通道的至少一部分，其中，薄膜构成冷却体的外表面，其设置用于与热源接触，其中，薄膜是柔性的，使得薄膜通过液态冷却介质的压力压到热源上。本实用新型还涉及具有这种冷却体和半导体模块的功率半导体单元，其中半导体模块如下地布置在冷却体上，使得半导体模块至少与冷却体的薄膜的部分热耦合。此外，本实用新型还涉及冷却系统，其具有这种冷却体或者这种功率半导体单元以及泵、用于产生压力的设备、换热器和连接系统，其中冷却体、泵和换热器借助于连接系统互相连接，使得液态冷却介质能够在冷却体、泵和换热器之间循环，其中，通过用于产生压力的设备能够使得液态冷却介质承受压力，从而薄膜通过液态冷却介质的压力而压到热源处。此外，本实用新型涉及借助这种冷却体冷却热源的方法，其中液态冷却介质能够承受压力，使得冷却体的薄膜压到热源处。

Claims (9)

1.一种冷却体(1)，所述冷却体用于使热源(2)的热量传递到液态冷却介质(3)上，其中，所述冷却体(1)具有至少一个用于容纳所述液态冷却介质(3)的通道(4)，其特征在于，所述冷却体(1)具有薄膜(5)，其中，所述薄膜(5)构成所述通道(4)的至少一部分，其中，所述薄膜(5)构成所述冷却体(1)的外表面(6)，所述外表面设置用于与所述热源(2)接触，其中，所述薄膜(5)是柔性的，使得所述薄膜(5)通过所述液态冷却介质(3)的压力压到所述热源(2)上。

2.根据权利要求1所述的冷却体(1)，其特征在于，所述薄膜的朝向所述通道(4)的内部的表面(7)具有比构成所述冷却体(1)的所述外表面(6)另外的表面(8)更大的粗糙度。

3.根据权利要求1或2所述的冷却体(1)，其特征在于，所述薄膜(5)的朝向所述通道(4)的内部的表面(7)具有凸出元件(10)。

4.根据权利要求3所述的冷却体(1)，其特征在于，所述凸出元件(10)是栓钉和/或沟纹，或者泡沫状的涂层(11)。

5.根据权利要求4所述的冷却体(1)，其特征在于，所述涂层(11)是具有金属泡沫的涂层。

6.根据权利要求1或2所述的冷却体(1)，其特征在于，所述薄膜的朝向所述通道(4)的内部的表面(7)具有对于热传导来说的高横向导热性。

7.根据权利要求5所述的冷却体(1)，其特征在于，所述薄膜的朝向所述通道(4)的内部的表面(7)具有对于热传导来说的高横向导热性。

8.一种功率半导体单元(15)，具有：

根据权利要求1至7中任一项所述的冷却体(1)，

半导体模块(16)，

其特征在于，所述半导体模块(16)布置在所述冷却体(1)上，使得所述半导体模块(16)至少与所述冷却体(1)的所述薄膜(5)的部分热耦合。

9.一种冷却系统(20)，具有

根据权利要求1至7中任一项所述的冷却体(1)或根据权利要求8所述的功率半导体单元(15)，

泵(21)，

用于产生压力的设备(24)，

换热器(22)，和

连接系统(23)，

其特征在于，所述冷却体(1)、所述泵(21)和所述换热器(22)借助于所述连接系统(23)互相连接，使得所述液态冷却介质(3)能够在所述冷却体(1)、所述泵(21)和所述换热器(22)之间循环，其中，通过所述用于产生压力的设备(24)能够使得所述液态冷却介质(3)承受压力，从而所述薄膜(5)通过所述液态冷却介质(3)的压力而压到所述热源处。