CN214068718U - 基板及功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基板及功率模块，所述基板的上表面与功率器件贴合并封装形成一体，所述基板的下表面连接有若干柱状元件，且所述基板的下表面与液冷散热器密闭连接形成冷却液腔，所述柱状元件伸入到所述冷却液腔内部，所述柱状元件的外周面至少部分呈弧形，且所述柱状元件在第一方向的尺寸大于在第二方向的尺寸，所述第一方向平行于所述冷却液腔中的冷却液的流向，所述第二方向与所述第一方向相交。本实用新型通过使功率模块的基板的下表面的柱状元件在平行于冷却液的流向方向的尺寸，大于垂直于冷却液的流向方向的尺寸，减小了柱状元件表面的绕流脱体现象，使得基板的散热性能大大提升。

Description

基板及功率模块

技术领域

本实用新型实施例涉及散热结构领域，更具体地说，涉及一种基板及功率模块。

背景技术

新能源电动车的控制器内部包括若干功率模块，并通过这些功率模块控制主电机转动。目前，上述功率模块的散热封装结构主要有以下两种：

一是平板型，如图1，采用该散热封装结构的功率模块，其底部的铜基板10呈平板状。该散热结构封装简单、成本低，但通常需要通过导热硅脂与控制器内部的散热器进行连接散热；

二是Pin fin型，例如以英飞凌公司的HPD820/950模块为代表，其在功率模块的铜基板底部冲压出圆柱形元件阵列结构。该散热结构由于直接将铜基板底部pin fin插入冷却液中，省去了硅脂层热阻，极大地提升了模块散热性能。

由于采用pin fin型散热结构的功率模块的导入，使得目前功率模块的散热性能得到极大的提升，但该散热结构本身也存在缺陷，即当流体由一侧流入时，会在圆柱形元件的表面发生绕流脱体现象，即在圆柱形元件的背面(相对来流方向)产生回流、旋涡和涡束。由于上述现象的存在，使得圆柱形元件的部分表面未参与流体的热交互，从而导致圆柱形元件实际参与对流换热的面积减少，减弱了功率模块的散热效率，限制了功率模块的能力。如图2所示，是现有采用pin fin型散热结构的功率模块的结温分布示意图。

实用新型内容

本实用新型实施例针对上述pin fin型散热结构因圆柱形元件的表面发生绕流脱体而减弱了功率模块散热效率的问题，提供一种新的基板及功率模块。

本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种基板，所述基板的上表面与功率器件贴合并封装形成一体，所述基板的下表面连接有若干柱状元件，且所述基板的下表面与液冷散热器密闭连接形成冷却液腔，所述柱状元件伸入到所述冷却液腔内部，所述柱状元件的外周面至少部分呈弧形，且所述柱状元件在第一方向的尺寸大于在第二方向的尺寸，所述第一方向平行于所述冷却液腔中的冷却液的流向，所述第二方向与所述第一方向相交。

优选地，所述柱状元件的横截面呈椭圆形，且所述柱状元件的长轴平行于第一方向，所述柱状元件的短轴平行于所述第二方向。

优选地，所述椭圆形的短轴的尺寸大于或等于1mm。

优选地，所述柱状元件在第一方向的第一侧的尺寸大于所述柱状元件在第一方向的第二侧的尺寸，且所述基板以所述柱状元件的第一侧靠近冷却液腔的入口、第二侧靠近冷却液腔的出口的方式安装到所述液冷散热器。

优选地，所述柱状元件沿所述第二方向排列成m行，所述m为大于或等于2的整数，且同一行的柱状元件之间的间距大于或等于所述柱状元件在第一方向的尺寸，每一柱状元件分别与相邻行中的柱状元件在第二方向相错。

优选地，所述柱状元件沿所述第一方向排列成n列，所述n为大于或等于2的整数，且同一列的柱状元件之间的间距大于或等于所述柱状元件在第二方向的尺寸，每一柱状元件分别与相邻列中的柱状元件在第一方向相错。

优选地，所述基板包括主体部以及环绕所述主体部设置的安装部，所述柱状元件位于所述主体部的下表面，且所述安装部具有用于将所述基板固定到液冷散热器的若干固定孔。

优选地，在所述基板的下表面，所述主体部所在的平面高于所述安装部所在的平面，且所述安装部所在的平面与所述主体部所在的平面之间形成台阶状。

优选地，所述柱状元件与所述基板的下表面一体连接或者可拆卸连接。

本实用新型实施例还提供一种功率模块，包括如上任一项所述的基板和封装在所述基板的上表面的半导体元件。

实施本实用新型实施例的基板及功率模块具有以下有益效果：通过使基板的下表面的柱状元件在平行于冷却液的流向方向的尺寸，大于垂直于冷却液的流向方向的尺寸，减小了柱状元件表面的绕流脱体现象，使得基板的散热性能大大提升，从而使得基板可满足更大功率需求范围。

附图说明

图1是现有采用平板型散热结构的功率模块的示意图；

图2是现有采用pin fin型散热结构的功率模块的结温分布示意图；

图3是本实用新型实施例提供的基板的下表面的平面结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的基板的下表面的立体结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的基板中柱状元件的横截面的示意图；

图6是采用本实用新型实施例的基板的功率模块的结温分布示意图；

图7是本实用新型另一实施例提供的基板中柱状元件的横截面的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图3-4所示，是本实用新型实施例提供的基板的下表面的结构示意图，该基板20可采用铜等具有高导热性能的材料加工而成，并用于封装功率模块(即一个或多个功率器件贴于基板20的上表面，并与基板20封装形成一体)。本实施例的基板20的下表面具有若干柱状元件201。在基板20的下表面，柱状元件201可按预设形状阵列分布。该基板20可安装到液冷散热器，此时，基板20下表面与液冷散热器密闭连接形成冷却液腔，且基板20的下表面的柱状元件201伸入到液冷散热器的冷却液腔内部，并通过柱状元件201与冷却液腔内的冷却液换热，从而实现基板20及与基板20封装一体的功率器件的散热。

上述柱状元件201的外周面至少部分呈弧形，即柱状元件201的表面至少部分区域没有突出的棱。并且，该柱状元件201在沿着第一方向X的长度大于在第二方向Y的长度，作为优选，上述第一方向X平行于冷却液腔中的冷却液的流向，第二方向Y与第一方向X相垂直。即柱状元件201在平行于冷却液的流向方向的尺寸大于垂直于冷却液的流向方向的尺寸。在实际应用中，上述第二方向Y与第一方向X相交即可。

上述基板20中，通过使其下表面的柱状元件201在平行于冷却液的流向方向的尺寸大于垂直于冷却液的流向方向的尺寸，在相同的冷却液流速下，减小了柱状元件201表面的绕流脱体现象，使得基板20的散热性能大大提升，从而使得基板20可满足更大功率需求范围。

结合图5所示，在本实用新型的一个实施例中，柱状元件201的横截面(即垂直于柱状元件201的中心轴方向的截面)呈椭圆形，且该椭圆形的长轴平行于第一方向、短轴平行于第二方向。即椭圆形在第一方向X的轴，即长轴的长度D1大于该椭圆形在第二方向Y的轴，即短轴的长度D2。具体地，在冷却液流速相同时，当D2/D1＜1时，流体与柱状元件接触的表面积随着比值的减少而增大。因此可使得该D2/D1尽量小，但同时需要考虑柱状元件201的加工工艺及强度要求，例如可使D2/D1为1/2～1/3。

经模拟试验证实，当采用横截面为椭圆形的柱状元件201后，柱状元件21后端发生回流、涡流的区域明显减小，即流体与柱状元件201之间热交换的面积增大。且随着椭圆形的短轴的尺寸的减小，使得在垂直来流方向上的柱状元件201之间的间距可以缩小，在相同尺寸下，垂直来流方向上柱状元件201的数量可以增加，从而进一步增加散热面积。综合上述两方面的考虑，椭圆形横截面的柱状元件201使得冷却液与柱状元件201之间的实际接触面积得到很大提升，增强了基板20的散热能力。但考虑到柱状元件201的加工工艺及强度要求，椭圆形的短轴的最小尺寸应大于或等于1mm。

同样地，考虑到柱状元件201的加工工艺，上述柱状元件201垂直于基板20的下表面。并且，柱状元件201可通过压铸一体成型、CNC(computer numerical control，计算机数字控制机床)一体成型、焊接、或螺接固定等方式，与基板20的下表面相连接。在实际应用中，可根据基板20的材料及加工成本，选择柱状元件201的加工方式。

如图3所示，在本实用新型的一个实施例中，在基板20的下表面，柱状元件201沿第二方向Y排列成m行，其中m为大于或等于2的整数，且同一行的柱状元件201之间的间距大于或等于柱状元件201在第二方向Y的尺寸，每一柱状元件201分别与相邻行的柱状元件201在第一方向X相错，例如，每一柱状元件201分别位于相邻行中的两个柱状元件201在第一方向X的中间位置。也就是说，相邻行的柱状元件201交错分布，从而结合柱状元件201的横截面的形状，可在基板20的下表面设置尽量多的柱状元件201，在此，也可以将每一行柱状元件201部分与相邻列的柱状元件201在第一方向X相错，剩余部分与相邻行的柱状元件201在第一方向X相对齐。

类似地，在基板20的下表面，柱状元件201沿第一方向X排列成n列，其中n为大于或等于2的整数，且同一列的柱状元件201之间的间距大于或等于柱状元件201在第一方向X的尺寸，每一柱状元件201分别与相邻列的柱状元件201在第二方向Y相错，例如，每一柱状元件201分别位于相邻列中的两个柱状元件201在第二方向Y的中间位置。也就是说，相邻列的柱状元件201交错分布，从而结合柱状元件201的横截面的形状，可在基板20的下表面设置尽量多的柱状元件201，在此，也可以将每一列柱状元件201部分与相邻列的柱状元件201在第二方向Y相错，剩余部分与相邻列的柱状元件201在第二方向Y相对齐。

通过上述结构，可形成相邻行、相邻列的柱状元件201相错位(部分错位或者整体错位)，隔行或隔列的柱状元件201对齐的阵列结构，充分利用基板20的下表面的空间，大大增加了柱状元件201的数量，从而提高了基板20的散热能力。当然，在实际应用中，柱状元件201也可采用相邻行、列分别对齐的结构，但将导致柱状元件201的数量减少，柱状元件201的换热面积也相应减少，从而影响散热性能。

结合图6所示，在本实用新型的另一实施例中，还可使柱状元件201在第一方向X的第一侧的尺寸D3大于柱状元件201在第一方向X的第二侧的尺寸D4，且基板20以柱状元件201的第一侧靠近冷却液腔的入口、第二侧靠近冷却液腔的出口的方式安装到液冷散热器。即在基板20安装到液冷散热器后，冷却液腔内的冷却液的流向按该图6中的箭头所示。与横截面为椭圆形的柱状元件201，本实施例中的柱状元件201可以可使其后端发生回流、涡流的区域明显减小。

结合图3、4所示，基板20可通过螺钉锁紧固定到液冷散热器上。相应地，基板20包括主体部以及环绕主体部设置的安装部，其中柱状元件201位于主体部的下表面，且安装部具有若干固定孔202。相应地，液冷散热器上具有相应的螺孔，从而可通过穿过固定孔202的螺钉将基板20固定到液冷散热器。为保证密封效果，上述固定孔202需环绕基板20的边缘设置。

此外，为便于将基板20安装到液冷散热器，上述安装部还可设置多个定位孔，且定位孔在基板20的下表面的尺寸大于该定位孔在基板20的上表面的尺寸，相应地，液冷散热器上可设置多个定位柱，通过定位孔203和定位柱的引导，可快速将基板20置于液冷散热器上，并方便锁螺钉操作。

为提高产品的一致性，在基板20的下表面，主体部所在的平面高于安装部所在的平面，且安装部所在的平面与主体部所在的平面之间形成台阶状。该结构还便于在基板20的下表面与液冷散热器之间增加垫圈，提高密封性。

本实用新型实施例还提供一种功率模块，该功率模块包括如上任一项所述的基板和封装在基板的上表面的半导体元件，例如上述半导体元件可以为IGBT(Insulated GateBipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)。该功率模块可直接固定到液冷散热器上，且基板下表面的柱状元件插入到冷却液腔的冷却液中，通过冷却液与柱状元件换热，带走功率模块工作时产生的热量。

结合图2、7所示，在相同工况下，相对于基板采用圆柱形柱状元件的功率模块，基板采用椭圆形柱状元件的功率模块的最高结温降低了15℃，即从166.7℃降低到了151.5℃，极大地提升了功率模块的散热能力。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基板，所述基板的上表面与功率器件贴合并封装形成一体，其特征在于，所述基板的下表面连接有若干柱状元件，且所述基板的下表面与液冷散热器密闭连接形成冷却液腔，所述柱状元件伸入到所述冷却液腔内部，所述柱状元件的外周面至少部分呈弧形，且所述柱状元件在第一方向的尺寸大于在第二方向的尺寸，所述第一方向平行于所述冷却液腔中的冷却液的流向，所述第二方向与所述第一方向相交。

2.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述柱状元件的横截面呈椭圆形，且所述柱状元件的长轴平行于第一方向，所述柱状元件的短轴平行于所述第二方向。

3.根据权利要求2所述的基板，其特征在于，所述椭圆形的短轴的尺寸大于或等于1mm。

4.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述柱状元件在第一方向的第一侧的尺寸大于所述柱状元件在第一方向的第二侧的尺寸，且所述基板以所述柱状元件的第一侧靠近冷却液腔的入口、第二侧靠近冷却液腔的出口的方式安装到所述液冷散热器。

5.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述柱状元件沿所述第二方向排列成m行，所述m为大于或等于2的整数，且同一行的柱状元件之间的间距大于或等于所述柱状元件在第一方向的尺寸，每一柱状元件分别与相邻行中的柱状元件在第二方向相错。

6.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述柱状元件沿所述第一方向排列成n列，所述n为大于或等于2的整数，且同一列的柱状元件之间的间距大于或等于所述柱状元件在第二方向的尺寸，每一柱状元件分别与相邻列中的柱状元件在第一方向相错。

7.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述基板包括主体部以及环绕所述主体部设置的安装部，所述柱状元件位于所述主体部的下表面，且所述安装部具有用于将所述基板固定到液冷散热器的若干固定孔。

8.根据权利要求7所述的基板，其特征在于，在所述基板的下表面，所述主体部所在的平面高于所述安装部所在的平面，且所述安装部所在的平面与所述主体部所在的平面之间形成台阶状。

9.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述柱状元件与所述基板的下表面一体连接或者可拆卸连接。

10.一种功率模块，其特征在于，包括如权利要求1-9所述的基板和封装在所述基板的上表面的半导体元件。

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