CN208240664U - 功率半导体模块及其散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种功率半导体模块，包括IGBT芯片、壳体以及壳体上设置的冷却液进口和冷却液出口，所述壳体具有腔体，所述腔体一端与所述冷却液进口连通，另一端与所述冷却液出口连通，所述IGBT芯片设置于所述腔体内部或侧壁。本实用新型通过将冷却液流道直接设置在功率模块内部，将IGBT芯片直接浸没在冷却液中，所述IGBT芯片能够与所述冷却液直接接触，省去了以往功率模块中必须经由绝缘基板、焊接层等中间物质传递热量的过程，进而降低了热源到环境间的热阻，提高了散热效率。

Description

功率半导体模块及其散热系统

技术领域

本实用新型涉及功率半导体封装领域，更详细地说，本实用新型涉及一种功率半导体模块及其散热系统。

背景技术

伴随着电力电子装置小型化的趋势，市场对于半导体功率模块，除了传统的电流输出能力的要求以外，还对单位体积内输出功率的能力，即功率密度，提出了要求。例如近来日渐普及的EV/PHEV电动汽车，其内部空间布局极为紧凑，因此对其功率模块的功率密度要求尤为严格。

为了提升功率模块的功率密度，目前主流方法包括采用替身芯片技术降低芯片损耗以及增强散热、降低芯片到环境的热阻。为了实现增强散热、降低芯片到环境的热阻的效果，功率模块通常会加装散热设备，常用的散热设备包括风冷设备和液冷设备。其中，风冷设备即利用风机系统对功率模块的芯片或封装结构表面进行鼓风，以使功率模块与气流进行换热，从而降低功率模块的温度；液冷设备则采用液流替代气流进行换热，目前广泛使用的液冷设备分为间接水冷设备和直接水冷设备。

图1示出了一种间接水冷的绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolartransistor，IGBT)模块散热结构，其中，IGBT模块封装结构被安装在水冷散热器上，内部芯片产生的热量需要经过绝缘基板、覆铜层、焊接层等内部封装结构，再经过壳体，最终输送至水冷散热器表面并与之热交换。该散热结构的热传递通路较长，散热效率较差。

为了提高散热设备的工作效率，目前新型电动汽车所采用的散热设备多为直接水冷设备，免除了因壳体产生的热阻。如图2所示，采用直接水冷设备时，IGBT模块中的芯片及基板结构直接被焊接在热沉表面，利用热沉和水套的组合，将芯片产生的热量吸纳至热沉内，提高了设备的散热效率。

然而，即使采用直接水冷设备，芯片处的热量若要传递至散热设备处进行换热，仍然需要经过绝缘基板、焊接层以及散热器本体等中间物质，到环境的热阻仍旧较高，无法达到最佳冷却效果。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题是提供一种功率半导体模块，能够降低芯片到环境的热阻，提高功率模块的散热效果。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种功率半导体模块，包括IGBT芯片、壳体以及壳体上设置的冷却液进口和冷却液出口，所述壳体具有腔体，所述腔体一端与冷却液进口连通，另一端与冷却液出口连通，所述IGBT芯片设置于所述腔体内部或侧壁。

本实用新型通过将冷却液流道直接设置在功率模块内部，将IGBT芯片直接浸没在冷却液中，所述IGBT芯片能够与所述冷却液直接接触，省去了以往功率模块中必须经由绝缘基板、焊接层等中间物质传递热量的过程，进而降低了热源到环境间的热阻，提高了散热效率。

在本实用新型的较优技术方案中，所述功率半导体模块采用金属密封结构。一方面金属密封结构耐压效果好，能够较好地实现对于冷却液的密封，防止冷却液泄露；另一方面，金属的导热性能优良，利于功率模块的封装结构与外界环境发生热交换。

需要说明的是，采用金属密封结构的另一优势在于，当采用多个功率组件堆叠放置时，金属导热性能的优势会进一步体现在温度场的均匀性控制上，功率模块之间的互相传热能够减少或防止因单个功率组件温度过高损毁而导致的整个系统的崩溃。

在本实用新型的较优技术方案中，所述腔体内设置有分流片。所述分流片起导流作用以增大散热效果。通过分流片的不同组合布局，能够形成多种结构形式的流道，以适应不同散热场合。此外，增设分流片导流，能够在通过所述腔体的冷却液液流中创建湍流，此类湍流能够改善流动通过所述腔体的冷却液液流的吸热效率。

在本实用新型的较优技术方案中，所述分流片包括设置于所述冷却液进口处和设置于所述冷却液出口处的分流片。通过在冷却液进口处和出口处分别设置分流片，能够最大化地增加分流片对于流道的控制能力。

在本实用新型的较优技术方案中，还包括多个散热翅片，所述散热翅片一端与所述壳体固定连接，另一端抵靠所述IGBT芯片设置。通过部署与IGBT芯片接触的散热翅片，能够将IGBT芯片上的部分热量迅速转移至散热翅片上，再利用散热翅片与冷却液较大的接触面积，快速将热量带离。散热翅片在与芯片发生热交换时，具有相较冷却液更高的导热系数，而在与冷却液进行热交换时，又因其较大的接触面积而拥有更高的导热效率，因此总体来说，对于散热效率的提升能够起到较好的正面作用。

优选地，所述散热翅片采用铝、铝合金、铜或铜合金中的一种或多种制得。

在本实用新型的较优技术方案中，还包括绑定线和绑定线固定件，所述绑定线固定件能够使所述绑定线靠近所述腔体侧壁固定，以降低所述绑定线对所冷却液流动的干扰。

在本实用新型的较优技术方案中，包括多组IGBT芯片，所述腔体内设置有多条冷却液的流道，每组IGBT芯片均对应一单独的所述冷却液的流道，每条所述流道均与所述冷却液进口独立连接。通过每组IGBT芯片单独使用一流道的方式，能够减少或避免由上游已经被加热的冷却液流体继续冷却下游的IGBT芯片的情形。

在本实用新型的较优技术方案中，还包括FWD芯片，所述FWD芯片设置于所述腔体内部或侧壁。

在本实用新型的较优技术方案中，所述冷却液为矿物油、蓖麻油、硅油或氟化液中的一种或多种的组合。所述冷却液通常使用绝缘流体，其中所述氟化液是指来自3M的任何Novec工程流体，所述硅油可以使甲基硅油或改性硅油。由于本实用新型中的冷却液需要与芯片及封装结构中的电路直接接触，为了防止短路，冷却液需要具有较好的绝缘性能；此外，部分类型的IGBT芯片的工作温度较高，对于冷却液的耐热性能又提出了较高要求；此外，为了方便流体循环系统推动冷却液在流道内运动，降低流体的粘性耗散，所述冷却液不适合使用粘度极高的液体。因此，冷却液主要基于其热导、耐热、粘度及绝缘要求作出上述选择。

本实用新型还提供一种功率半导体模块散热系统，包括上述功率半导体模块和流体循环系统，其中所述流体循环系统包括：汇集区，设置在所述多个功率半导体模块下游以收集从所述功率半导体模块的所述冷却液出口逸出的冷却液；分布式管路，所述分布式管路设置于所述多个功率半导体模块上游并与所述多个功率半导体模块连接，以将所述汇集区内收集的所述冷却液输送回所述多个功率半导体模块。

附图说明

图1是现有技术中功率模块间接水冷散热结构的示意图；

图2是现有技术中功率模块直接水冷散热结构的示意图；

图3是本实用新型一个实施方式中功率模块的结构示意图；

图4是本实用新型另一个实施方式中功率模块的结构示意图侧视图；

图5是图4实施方式中功率模块的结构示意图仰视图；

图6是本实用新型一个实施方式中功率模块散热系统的结构示意图。

附图标记

100壳体 101冷却液进口 102腔体 103冷却液出口

201 IGBT芯片 202 FWD芯片 203焊接层

204 DBC绝缘基板 205引脚 206绑定线

207绑定线固定件 208散热翅片 209分流片

1 IGBT模块 3汇集区 4泵 5分布式管路

具体实施方式

以下，一边参照附图一边大致说明本实用新型的优选实施方式。另外，本实用新型的实施方式并不限定于下述实施方式，能够采用在本实用新型的技术构思范围内的各种各样的实施方式。

实施方式一

本实施方式提供了一种功率半导体模块，不同于现有技术中功率模块与散热设备间接接触的散热方式，本实施方式中的功率半导体模块直接浸没在冷却液中，并与冷却液直接接触。

参见图3，本实施方式中的功率半导体模块包括IGBT芯片201、壳体100以及壳体100上设置的冷却液进口101和冷却液出口103，由所述壳体100的内部空间限定了一腔体102，所述腔体102一端与所述冷却液进口101连通，另一端与所述冷却液出口103连通，所述IGBT芯片201设置于所述腔体侧壁。

通过以上结构特征，本实施方式中的功率半导体模块具有设置在功率模块内部的冷却液流道，该冷却液流道包括依次连接的冷却液进口101、腔体102和冷却液出口103，冷却液自冷却液进口101进入腔体102后，再经由冷却液出口103排出。IGBT芯片201设置于腔体102的侧壁，当冷却液流过所述腔体102时，所述IGBT芯片201的上表面将浸没在冷却液中，从而使得IGBT芯片201与冷却液直接接触，省去了以往功率模块中必须经由绝缘基板204、焊接层203等中间物传递热量的过程，进而降低了热源到环境间的热阻，提高了散热效率。

需要说明的是，虽然本实施方式中，所述IGBT芯片201设置于所述腔体102的侧壁，但技术人员也可以根据实际情况，选择性地将IGBT芯片201设置在腔体102的内部，不与腔体102侧壁贴合。当腔体102内通入冷却液时，IGBT芯片201将被冷却液完全浸没，最大化地提升IGBT芯片的冷却效率。

本实施方式中，所述腔体102的形状由所述壳体100与内部结构共同限定的内部空间决定。其中，所述壳体100为金属密封结构，该金属密封结构采用IP67密封标准制得，具有良好的耐液压能力，能够较好地实现对于冷却液的密封。由于金属的导热性能优良，采用金属密封结构还利于功率模块封装结构与外界环境热交换，提高散热效果。此外，内部占据一定空间的结构包括绝缘基板204和焊接层203，所述芯片201通过焊接层203与绝缘基板204固定，其表面电极通过绑定线206与引脚205电连接，将端子引出所述功率模块封装结构，以实现与外部电路的连接。

本实施方式中，所述功率模块还包括FWD芯片202，所述FWD芯片202设置于所述腔体102内部或侧壁。将FWD芯片202设置于所述腔体102内部或侧壁，能够使所述FWD芯片202与冷却液直接接触，同时提高FWD芯片202的冷却效果。所述FWD芯片202设置于所述IGBT芯片201沿冷却液流动方向的下游。通过优先使用温度较低的冷却液对IGBT芯片201进行冷却，优化配置冷却系统。

本实施方式中，所述冷却液采用甲基硅油，甲基硅油的耐热型好、绝缘性强，同时粘度相较同类产品较低，能够达到导热性能、耐高温性能、绝缘性能、流动性能的相关参数要求。

实施方式二

本实施方式提供了一种IGBT模块，对实施方式一中的IGBT模块的散热结构进一步作出改进，参考图4，其主要改进点包括：

首先，在腔体102内部署了多个与所述IGBT芯片直接接触的散热翅片208，所述散热翅片208另一端与壳体100固定，浸没在冷却液流道中。所述散热翅片208采用金属铜制得，与所述IGBT芯片201接触时，能够迅速吸收所述IGBT芯片201表面释放的热量，并利用与冷却液较大的接触面积，迅速将热量带离，从而提升了散热效果。

其次，利用绑定线固定件207将绑定线206束缚在靠近所述腔体102侧壁的位置，以降低绑定线206对冷却液液流的干扰。

参考图4和图5，本实施方式中，腔体102内靠近所述冷却液进口101和靠近所述冷却液出口103的位置均设置有分流片209，配合内部的分流结构能够形成多种结构的流道。此外，增设分流片导流能够在冷却液液流中创建湍流，此类湍流能够改善冷却液流动过程中液流的吸热效率。在冷却液的进口和出口处分别设置分流片209，能够最大化分流片209对流道的控制能力，提高冷却液与IGBT芯片201的换热效率。

实施方式三

本实施方式提供了一种功率半导体模块的散热系统，以实施方式一中的功率半导体模块和流体循环系统构建，其中，流体循环系统包括：汇集区3，设置在多个IGBT模块1的下游以收集从所述IGBT模块1的所述冷却液出口逸出的冷却液；分布式管路5，所述分布式管路5设置于所述多个IGBT模块1上游并与多个IGBT模块1连接，以将所述汇集区3内的所述冷却液输送回所述多个功率半导体模块。

本实施方式中，每个IGBT模块1内浸泡有多个IGBT芯片，以降低冷却一定数量IGBT芯片所需的冷却液流体量。另外，由于可降低冷却液流体量，还可以降低物理设施所要承载的重量。

在本实用新型的其他实施方式中，所述IGBT模块1顶部设置有开口。在IGBT模块顶部设置开口具有以下益处：首先，方便单个IGBT模块的维护，当顶部被设计为可打开或关闭的，技术人员可以方便地对模块内的IGBT芯片进行维护操作；其次，在电路故障或热量积蓄引起极高温情况下，内部冷却液可能被蒸发，甚至沸腾，设置开口能够允许释放因冷却液蒸发引起的介电气体或降低内部气压，提高装置的安全性能。在IGBT模块1顶部设置开口的实施方式中，所述散热系统还应配置有冷凝器，以冷凝回流所述介电气体，同时回收热能。

本实施方式中，所述流体循环系统包括泵4。泵4同分布式管路5及汇集区3连通，能够将汇集区3中的冷却液输送至分布式管路5中。在一些实施方式中，所述泵4可配置成以冷却液从多个IGBT模块1逸出的速率相等或更大的速率输送在汇集区3中的冷却液。这可通过监视汇集区3中流体的高度或流入所述汇集区3的流量实现。

在本实用新型的其他实施方式中，流体循环系统还可包括热交换器。所述热交换器能够从冷却液中提取热能，以增大冷却液的冷却速度。提取的热能可被转移至冷却环路、空气冷却器件或任何其他合适的冷却器件。

至此，已经结合附图描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括IGBT芯片、壳体以及壳体上设置的冷却液进口和冷却液出口，所述壳体具有腔体，所述腔体一端与所述冷却液进口连通，另一端与所述冷却液出口连通，所述IGBT芯片设置于所述腔体内部或侧壁。

2.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块采用金属密封结构。

3.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述腔体内设置有分流片。

4.如权利要求3所述的功率半导体模块，其特征在于，所述分流片包括设置于所述冷却液进口处和设置于所述冷却液出口处的分流片。

5.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，还包括多个散热翅片，所述散热翅片一端抵靠所述IGBT芯片，另一端浸没于所述冷却液中。

6.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，还包括绑定线和绑定线固定件，所述绑定线固定件能够使所述绑定线靠近所述腔体侧壁固定，以降低所述绑定线对所冷却液流动的干扰。

7.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，包括多组IGBT芯片，所述腔体内设置有多条冷却液的流道，每组IGBT芯片均对应一单独的所述冷却液的流道，每条所述流道均与所述冷却液进口独立连接。

8.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，还包括FWD芯片，所述FWD芯片设置于所述腔体内部或侧壁。

9.如权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述冷却液为矿物油、蓖麻油、硅油或氟化液中的一种或多种的组合。

10.一种功率半导体模块散热系统，其特征在于，包括多个如权利要求1-9任一项所述的功率半导体模块和流体循环系统，其中：

所述流体循环系统包括：

汇集区，设置在所述多个功率半导体模块下游以收集从所述功率半导体模块的所述冷却液出口逸出的冷却液；

分布式管路，所述分布式管路设置于所述多个功率半导体模块上游并与所述多个功率半导体模块连接，以将所述汇集区内收集的所述冷却液输送回所述多个功率半导体模块。