CN220233180U - 封装散热系统结构及功率半导体 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种封装散热系统结构及功率半导体。该封装散热系统结构包括底板，开设有冷却通道，所述冷却通道内设有多个间隔设置的散热针翅；所述底板的相对两端分别开设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均与所述冷却通道相连通；所述底板在开设有所述出水口的一端设有用于加速冷却液流动的加速件。本申请能够提高冷却液在出水口处的流速，提高对流换热效率，进而提高出水口处的散热效果，使功率半导体散热均匀，减小散热面积的浪费。

Description

封装散热系统结构及功率半导体

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种封装散热系统结构及功率半导体。

背景技术

目前现有功率半导体模块为U、V、W三相并联，功率半导体模块正面焊接有基板，器件在工作中产生的绝大部分热量都是靠高导热性的基板传导出去，具有较高的热导率，温度循环性好和耐热冲击；绝缘性能优异，可靠性高。电子元件对基板的一个最基本的要求是高电阻率，因为基板电阻越大，电子系统的封装可靠性越高；陶瓷的介电系数较小，高频特性能好。陶瓷材料的介电常数和介电损耗较低，可以减少信号延迟时间，热膨胀性系数小。

因此，想要器件正常工作，产生的热量需要通过底板底面的散热结构进行散热，底板的底部开设有冷却通道，冷却液从一侧进入冷却通道内，流经整个底板后，再从另一侧流出。但是由于目前散热器采用串连的方式，即冷却液从U相流到W相，冷却液在流动过程中，吸收热量后温度上升，从而导致在相同的结构和发热功率下，W相的温度最高，而U、V相温度低于W相，导致性能浪费。

实用新型内容

基于此，有必要针对散热性能浪费的问题，提供一种封装散热系统结构。

根据本申请的一个方面，提供一种封装散热系统结构，包括：

底板，开设有冷却通道，所述冷却通道内设有多个间隔设置的散热针翅；

所述底板的相对两端分别开设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均与所述冷却通道相连通；

所述底板在开设有所述出水口的一端设有用于加速冷却液流动的加速件。

在其中一个实施例中，位于所述出水口旁侧的散热针翅的长度大于位于所述进水口旁侧的散热针翅的长度。

在其中一个实施例中，所述出水口设有两个或两个以上。

在其中一个实施例中，所述加速件设置在相邻两个所述出水口之间。

在其中一个实施例中，自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述冷却通道相对两侧壁之间的距离逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述冷却通道包括匀速腔、过渡腔和加速腔，自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述匀速腔、所述过渡腔和所述加速腔依次连通，并且自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述匀速腔的相对两侧壁之间的距离大于所述加速腔的相对两侧壁之间的距离。

在其中一个实施例中，所述加速件朝向所述进水口的一端设有两个斜面，两个所述斜面用于使所述冷却液向所述加速件的两侧导流。

在其中一个实施例中，自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述加速件的侧壁与所述底板的侧壁之间的距离逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述散热针翅的截面为圆形、椭圆形或菱形。

根据本申请的另一方面，提供一种功率半导体，包括本体和上述封装散热系统结构，所述本体与所述封装散热系统结构可拆卸连接。

上述封装散热系统结构及功率半导体，通过在出水口一侧的中部设置加速件，进水口在设置相同的水流跟压强下，加速件能够增强出水口处的流速，提高对流换热效率，提高出水口处的散热效果。经过仿真对比，本申请封装散热系统结构相较于传统封装散热系统结构，在芯片最高温度基本不变的情况下，热阻降低幅度可以达到2％，芯片的最高结温可以从传统的封装散热系统结构的164℃降到161℃，有助于实现更好的散热效果，使功率半导体散热均匀，减小散热面积的浪费。

附图说明

图1为本申请实施例一中功率半导体的顶面结构示意图。

图2为本申请实施例一中功率半导体的底面结构示意图。

图3为本申请实施例二中功率半导体的底面结构示意图。

图4为本申请实施例二中封装散热系统结构的内部结构剖视图。

图5为本申请实施例三中功率半导体的底面结构示意图。

附图标记说明：

1、封装散热系统结构；10、底板；100、冷却通道；110、进水口；120、出水口；130、排水管；140、匀速腔；150、过渡腔；160、加速腔；20、基板；30、散热针翅；40、挡板；400、斜面；50、芯片。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本申请提供了一种封装散热系统结构及功率半导体，其中功率半导体包括封装散热系统，功率半导体用于在电子电路中实现功率转换、功率开关、功率放大、线路保护和整流等功能，它是电子装置中实现电能转换与电路控制的核心，作用是改变电子器件中电压和频率、直流交流转换等功率半导体在电子电路中能够实现功率转换、功率开关、功率放大、线路保护和整流等功能，它是电子装置中实现电能转换与电路控制的核心，作用是改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。封装散热系统结构用于控制功率半导体在工作过程中的温度，使功率半导体在工作过程中散热效果均匀，进而提高功率半导体的使用寿命并使电子器件能够正常工作。

下面以封装散热系统用于安装在功率半导体中为例，对本申请中功率半导体和封装散热系统的结构进行说明。可以理解的是，在其它实施例中，本申请的封装散热系统结构不限于只能安装在功率半导体中，也可以安装于其它需要用于散热的装置中，在此不作限定。

参阅图1，图1示出了本申请一实施例中功率半导体的示意图，从图1中可以看出，功率半导体为U、V、W三相并联，这是因为在实际情况下，电子器件普遍使用的是三相交流电，它由三相交流电源发出，并用输电线把三相交流电源和负载正确地连接起来而构成三相交流电路。三相交流电路一般是指电路中同时存在着三个最大值相等。频率相同，相位彼此相差120°的正弦交流电动势，每个电动势组成的那部分电路叫做一“相”。我们把幅值相等，频率相同，相位彼此互差120°的三相正弦交流电动势成为对称电动势，在实际应用中，常用U-V-W的次序表示三相电动势的相序，所谓相序是指三相电动势通过最大值和零值的先后顺序，即U相比V相电动势超前120°；V相比W相电动势超前120°；W相比U相电动势超前120°。

请继续参阅图1，本申请一实施例提供的功率半导体，包括本体和封装散热系统结构1，本体与封装散热系统结构1可拆卸连接，便于进行安装和更换，相较于传统模块，装配结构简单，提高了组装效率。通过设置可拆卸的封装散热系统结构1，能够使功率半导体工作过程中的温度得到了很好的控制，使功率半导体在工作过程中散热效果均匀，进而提高功率半导体的使用寿命。功率半导体与封装散热系统结构1之间的可拆卸方式可以为焊接、卡接、或者螺栓连接等，在本实施例中优选为卡接，拆装方便便于更换，且能够有效的保证功率半导体与封装散热系统之间的连接和密封效果。

参阅图1和图2，图2示出了功率半导体的底面结构，封装散热系统结构1安装在本体的底面上，在一个实施例中，封装散热系统结构1包括底板10，底板10一侧焊接有多块基板20，基板20上安装有芯片50，芯片50通过焊接等方式与基板20固定，芯片50集中排布在基板20上下两侧，基板20具有高导热性和高导热率，功率半导体在工作过程中芯片50产生的大部分热量通过基板20传导出去。基板20的温度循环性好且耐热冲击强，绝缘性能优异，可靠性高。底板10背离基板20的一侧设有冷却通道100，冷却通道100的内壁上固定有多根散热针翅30，散热针翅30用于增强对功率半导体的散热效果，散热针翅30的截面可以为圆形、椭圆形、菱形或其他多边形，在散热针翅30长度一定的前提下，散热针翅30的表面积越大，散热效果越佳。截面为椭圆形和菱形的散热翅针能够降低冷却液流动的阻力，并提高散热效果。散热针翅30间隔阵列排布，使得冷却液能够从散热针翅30之间的间隙通过。此外，通过设置散热针翅30，冷却液在冷却通道100内流动时与散热针翅30撞击，能够增加冷却液在冷却通道100内的流动时间，进而实现更好的冷却效果。

参照图2，底板10沿X方向(如图2中所示的X方向)一端的侧壁上开设有进水口110，另一端开设有出水口120，进水口110与出水口120相连通，使得冷却液从进水口110进入冷却通道100内后从出水口120排出。进水口110和出水口120可以开设在底板10同一面的两端，也可以开设在底板10相对的两侧侧壁上。在本实施例中，进水口110和出水口120设置在底板10相对的两侧侧壁上。

然而，正如背景技术所述，由于目前现有封装散热系统结构1均采用串连的方式，即冷却液从进水口110进入冷却通道100，从U相流经V相再到W相，冷却液流过U相和V相，吸收热量后温度上升，导致在相同的结构和发热功率下，W相温度最高，U相和V相温度低于W相，在W相处的散热效果不佳，导致性能浪费。

为了解决这一问题，本申请发明人经过深入研究，想到将进水口110设置有一个，出水口120设置有两个。在其他实施例中，出水口120可以设置为两个以上。出水口120一侧固定有一根排水管130，一根排水管130连接多个出水口120，从而能够使多个出水口120内的冷却液从一根排水管130内排出，便于对冷却液进行处理。底板10上固定有用于加速冷却液流动的加速件，加速件在本实施例中具体为挡板40，挡板40与散热针翅30设置在底板10的同一面上，挡板40平行于底板10的长度方向设置。在本实施例中，挡板40设置在两个出水口120之间，挡板40从出水口120一侧的边缘向进水口110一侧延伸。其他实施例中，若出水口120开设有三个，则挡板40设置有两块，挡板40固定在相邻两个出水口120之间。挡板40朝向进水口110一侧设有两个斜面400，在进水口110指向出水口120的的方向上，两个斜面400被配置为两者之间的距离逐渐增大，从而能够使冷却液向挡板40的两侧进行导流，降低冷却液流动时的阻力，便于冷却液从挡板40两侧的出水口120流出。

如此，通过设置挡板40和两个出水口120，当冷却液从进水口110进入冷却通道100内，流经底板10后从出水口120流出，进水口110在设置相同的水流跟压强下，挡板40能够增强出水口120处的流速，从而提高了对流换热效率，并提高了出水口120处的散热效果。经过仿真对比，本申请封装散热系统结构1相较于传统封装散热系统结构1，在芯片50最高温度基本不变的情况下，热阻降低幅度可以达到2％，芯片50的最高结温可以从传统的封装散热系统结构1的164℃降到161℃，有助于实现更好的散热效果。

此外，参照图1和图2，由于基板20上芯片50的排布位置基于基板20上下对称，集中在基板20长度方向的两侧，但是散热针翅30均匀排布在底板10上，因此冷却液从冷却通道100内流过时，在芯片50排布的两侧换热效率高于中间区域，导致中间没有芯片50排布的区域散热面积浪费。因此，在一个较佳的实施方式中将挡板40设置在底板10的中部，能够在挡板40设置的区域减少散热针翅30的数量，能够降低制造成本，进料避免中间区域散热面积浪费的问题。

结合图3和图4所示，图3和图4示出了本申请另一实施例中封装散热系统结构1的示意图，与前一实施例的不同之处在于，挡板40朝向底板10侧壁的一面倾斜设置，使得挡板40与底板10之间的距离沿靠近出水口120一侧逐渐减小。底板10朝向挡板40一侧的内壁倾斜设置，使得进水口110指向出水口120的方向上，冷却通道100的宽度逐渐减小，即在进水口110指向出水口120的方向上，冷却通道100相对两侧壁之间的距离逐渐减小。从而能够进一步减小冷却液在靠近出水口120一侧的流动空间，进水口110在设置相同的水流跟压强下，能够进一步增强出水口120处的流速，提高对流换热效率，实现更好的散热效果，使出水口120与进水口110处散热效果均匀。

参照图5，在其他实施例中，也可以将冷却通道100设置为匀速腔140、过渡腔150和加速腔160，匀速腔140、过渡腔150和加速腔160在进水口110指向出水口120的方向上依次设置并相连通，过渡腔150设置在匀速腔140和加速腔160之间，匀速腔140设置在靠近进水口110的一侧，加速腔160设置在靠近出水口120的一侧。匀速腔140和加速腔160的截面为矩形，过渡腔150的截面为梯形，加速腔160的截面积小于匀速腔140的截面积，加速腔160的宽度小于匀速腔140的宽度，使得自进水口110指向出水口120的方向上，匀速腔140的相对两侧壁之间的距离大于加速腔160的相对两侧壁之间的距离。

如此，在进水口110处设置相同的水流跟压强下，冷却液在依次经过匀速腔140、过渡腔150和加速腔160时，能够使冷却液的流速逐渐增加，使加速腔160内冷却液的流速大于匀速腔140处，从而能够提高换热效率，实现更好的散热效果，尽量避免因进水口110和出水口120处功率半导体的温差太大。

进一步地，位于出水口120旁侧的散热针翅30的长度大于位于进水口110旁侧散热针翅30的长度，散热针翅30的长度也可由进水口110一侧向出水口120一侧递增。由于散热量与散热针翅30表面积的大小成正比，因此在散热针翅30截面积大小不变的前提下，散热针翅30的长度越长，散热效果越好。从而能够增强出水口120处散热针翅30的散热效果，从而使功率半导体散热均匀。

在其他实施例中，挡板40的长度可根据底板10的长度或散热需求进行合理设置，挡板40的宽度以及侧壁的倾斜程度也可根据底板10的宽度或散热需求进行合理设置，或者也可以不设置挡板40，而使冷却通道100在靠近出水口120一端相对两侧壁之间的距离小于靠近进水口110一端相对两侧壁之间的距离即可，在本实施例中不作限定，但设置挡板40后散热效果更佳。

由此可见，本申请提供的封装散热系统结构1，通过在出水口120旁侧的底板10上设置挡板40，削除了底板10W相中间无芯片50排布处的散热针翅30，出水口120由原来的一个变成了两个。进水口110在设置相同的水流跟压强下，此结构可以增加冷却液在W相的流速，提高对流换热效率，提高了W相的散热效果。经过仿真对比，新型散热系统结构较于传统散热系统结构，在芯片50最高温度基本不变的情况下，计算出的热阻降低幅度可以达到2％，芯片50的最高结温可以从传统的封装散热系统的164℃降到161℃。另外本申请提供的封装散热系统除了可以降低芯片50的结温，由于底板10减去了一些体积，同时还可以降低制造成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种封装散热系统结构，其特征在于，包括：

底板，开设有冷却通道，所述冷却通道内设有多个间隔设置的散热针翅；

所述底板的相对两端分别开设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均与所述冷却通道相连通；

所述底板在开设有所述出水口的一端设有用于加速冷却液流动的加速件。

2.根据权利要求1所述的封装散热系统结构，其特征在于，位于所述出水口旁侧的散热针翅的长度大于位于所述进水口旁侧的散热针翅的长度。

3.根据权利要求1所述的封装散热系统结构，其特征在于，所述出水口设有两个或两个以上。

4.根据权利要求3所述的封装散热系统结构，其特征在于，所述加速件设置在相邻两个所述出水口之间。

5.根据权利要求1所述的封装散热系统结构，其特征在于，自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述冷却通道相对两侧壁之间的距离逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的封装散热系统结构，其特征在于，所述冷却通道包括匀速腔、过渡腔和加速腔，自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述匀速腔、所述过渡腔和所述加速腔依次连通，并且自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述匀速腔的相对两侧壁之间的距离大于所述加速腔的相对两侧壁之间的距离。

7.根据权利要求1所述的封装散热系统结构，其特征在于，所述加速件朝向所述进水口的一端设有两个斜面，两个所述斜面用于使所述冷却液向所述加速件的两侧导流。

8.根据权利要求1所述的封装散热系统结构，其特征在于，自所述进水口指向所述出水口的方向上，所述加速件的侧壁与所述底板的侧壁之间的距离逐渐减小。

9.根据权利要求1所述的封装散热系统结构，其特征在于，所述散热针翅的截面为圆形、椭圆形或菱形。

10.一种功率半导体，其特征在于，包括本体和权利要求1-9中任一项所述的封装散热系统结构，所述本体与所述封装散热系统结构可拆卸连接。