CN2773905Y - 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置 - Google Patents

功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置 Download PDF

Info

Publication number
CN2773905Y
CN2773905Y CN 200420091994 CN200420091994U CN2773905Y CN 2773905 Y CN2773905 Y CN 2773905Y CN 200420091994 CN200420091994 CN 200420091994 CN 200420091994 U CN200420091994 U CN 200420091994U CN 2773905 Y CN2773905 Y CN 2773905Y
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
power
shell
heat
power semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN 200420091994
Other languages
English (en)
Inventor
原泽
原亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN 200420091994 priority Critical patent/CN2773905Y/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN2773905Y publication Critical patent/CN2773905Y/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本实用新型涉及一种功率型半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置。该装置是将功率半导体器件或模块的外壳制成中空封闭的壳体，其中充填绝缘蒸发冷却介质，在外壳上部设有冷凝器，二者通过管路联通。本实用新型以半导体器件或模块的壳体作为蒸发器的外壳，形成全封闭的冷却循环系统，具有极高的冷却散热效率，相当于相同几何尺寸的良导体(如实心铜)导热率的350倍以上。可实现多个功率器件或模块，特别是不同功率、不同发热量的器件或模块，在高度一体化或高度集成化的条件下，集中工作与散热。本实用新型适于对高热密度大功率器件的冷却和对高密度安装或集成了大功率器件的组合体进行冷却。

Description

功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置
技术领域
本实用新型涉及一种功率型半导体器件或模块的散热技术，具体地说是一种功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置。
背景技术
功率型半导体器件，从普通的晶闸管到新型的GTO、GTR、MOSFET、IGBT、MCT、IGCT和IPM等功率型电力电子半导体器件，以及功率型半导体模块等，均是在具有大的自身耗散功率的前提下，才有可能获得大的输出功率。当有大电流流过时，发热现象十分严重。只有将所产生的热量迅速、及时、有效地散发出去，才能够保证功率型半导体器件或模块应具有的工作稳定性和可靠性。因此，功率型电力电子半导体器件或功率半导体模块在工作时的散热方式，是其能否保证工作稳定性和可靠性的制约条件。
目前已知的散热技术，按照散热效率由低到高的次序排列，依次是：一、采用散热片的自然对流冷却；二、采用散热片加风扇的外力下强制对流冷却；三、装配导热管的流动物态变化冷却；四、利用微细管冷却板的液态冷却。其中第一、二种散热方式适用于普通的和小功率的电子器件，而对于功率型半导体器件或模块则多采用第三、四种散热方式。
功率型半导体器件或模块通常是在高性能的陶瓷基片上集成半导体晶片、芯片或集成电路等，再封罩塑料或陶瓷外壳，内充树脂类物质。由于树脂类物质和塑料或陶瓷外壳的热阻远远大于陶瓷基片的热阻，所以陶瓷基片是功率型半导体器件或模块的主要散热面。在陶瓷基片的外表面镀有一层金属铜。上述的第三、四种散热方式就是以陶瓷基片为基体，在其对外的覆铜面设置热管式的导热管，或者制出叠加的微细管冷板，以将陶瓷基片上所吸收的半导体晶片或芯片产生的热量快速传导出去。由于陶瓷基片本身也有热阻，所以不可能将热量在极短的时间内，迅速全部地传导出去。特别是在工作电流瞬间增大时，器件或模块的内部会产生瞬时局部过热，这种瞬间产生的巨大热量，就更不可能被瞬间传导出去。而这种热量的积聚，是目前影响功率型半导体器件或模块工作稳定性和可靠性的重要原因之一，也是引发器件或模块被“烧”毁的主要原因之一。
功率型半导体器件或模块上目前所用的各种散热方式，是将电子器件所发出的热量，通过集成载体(如陶瓷基片)传递至外部附设的散热器上，再由散热器散发出去，达到冷却的目的。由此可见，散热器的冷却工作，是针对所传递出的热量来进行的，因而是属于一种被动式的散热方式。而功率型半导体器件或模块的这类被动式散热模式，由于有热阻存，所以传热过程长，散热不彻底，因而不能避免器件或模块因散热不及时而被烧毁的现象发生，并且还会使得器件、模块或装置的工作稳定性和可靠性受到不同程度的影响。
实用新型内容
本实用新型的目的就是提供一种可针对单个或多个功率半导体器件或模块进行的主动式蒸发散热装置，以进一步提高功率半导体器件或模块的工作稳定性和可靠性。
本实用新型是这样实现的：该装置是将功率半导体器件或模块的外壳制成中空封闭的壳体，其中充填绝缘蒸发冷却介质，在外壳上部设有冷凝器，二者通过管路联通。
本实用新型的设计思想是将功率型半导体器件或模块的壳体作为蒸发器的外壳，将绝缘蒸发冷却介质直接导入其内部，再通过管路联通与冷凝器相结合，即可形成一个全封闭的冷却循环系统。绝缘蒸发冷却介质直接从半导体晶片或芯片上吸收热量，达到蒸发温度后迅速汽化，气态的蒸发介质通过联通管路上升进入冷凝器，并在冷凝器中重新凝结成液体后，返回到半导体器件或模块的壳体中。如此循环往复，即可将功率半导体器件或模块内所产生的巨大热量迅速带出，并快速散发出去。由于绝缘蒸发冷却介质在功率型半导体器件或模块内部可全方位包覆在半导体晶片或芯片上，通过介质的相变直接吸收半导体晶片或芯片所产生的热量，对半导体晶片或芯片进行直接的冷却，因而形成的是一种全新的主动式散热方式。本实用新型的关键就在于此。
本实用新型的实质性特点就是，在封闭的集成电路、半导体器件或大功率电子电力模块中，针对所有可能的发热点和/或发热面，设计了一个直接浸泡发热部件的蒸发冷却室，其蒸发冷却装置构成一个密闭的循环系统。在该蒸发冷却循环系统中，绝缘蒸发冷却介质直接与发热点和/或发热面相接触，利用液态的冷却介质蒸发时汽化吸热的原理，从功率器件或模块的芯部直接冷却发热体。在全浸泡的条件下，由于蒸发式冷却散热(又称为“沸腾式冷却散热”)具有极高的冷却效率，几乎可以作到发热处产生多少热量，就可以带走多少热量，这样就不会在发热处尤其是在半导体的PN结处产生热量聚集，所以本实用新型具有超强的冷却散热效果。另外，由于本实用新型所具有的这种超强的冷却散热效果，使得绝缘蒸发冷却介质的沸点温度，就成为了功率器件或模块内部发热点或发热面的工作温度。故此，本实用新型散热装置实质上就成为区别于现有各种已知被动式散热模式的一种主动式散热模式。
本实用新型适用于各类功率型半导体器件或模块，其中包含了现代电力电子器件、高频工作下的功率器件和高电压下工作的功率器件，以及它们对应的模块化产品。
附图说明
附图是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
如附图所示，功率半导体器件或模块1中的半导体晶片、芯片或功率集成电路1a集成在陶瓷基片1b上(该陶瓷基片已无需覆铜)，然后置入密封或密闭的外壳2中。此外壳即为蒸发器的外壳。在中空的壳体中充填有绝缘蒸发冷却介质3，使所有的发热部分全部浸入其中。在外壳2的上部通过管路连通有冷凝器4。由此构成了带正压或负压的全封闭的冷却循环系统，其中电力导线或控制线束1c以密封方式穿过外壳2，与外部电路相接。图中，连接壳体2与冷凝器4的联通管路为包括蒸汽管5和回流管6在内的两根管路。当功率半导体器件或模块工作时，半导体晶片、芯片或集成电路1a上有电流流过并发热。热量将实时、直接、全方位地被绝缘蒸发冷却介质3所吸收并带走，改变了传统的仅通过覆铜的陶瓷基片将热量传导出去的散热方式。此时半导体晶片、芯片或集成电路1a的工作温度只取决于绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度。通过调节冷却循环系统中的真空度或压力值，就可以有效地调控绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度。在实际应用中，首先是确定绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度，然后对应调整外壳2封装时的内部压力或真空度。由此即可将半导体晶片、芯片或集成电路1a的工作温度设定在所调定的绝缘蒸发冷却介质3的蒸发温度上。这是现有任何散热装置所无法实现的。
对于较小功率的功率半导体器件或模块，由于发热量相对较低，可以将附图中冷却循环系统中的蒸汽管5和回流管6合二为一，制成在壳体2与冷凝器4间为冷却介质的蒸发气体上升与冷凝液体回流共用的单根管路，此即热管的工作原理。
本实用新型装置中所采用的绝缘蒸发冷却介质3的选择，是从绝缘性能、不燃性、流动性环保性、工作温度以及蒸气压强等诸方面统筹考虑确定的。一般可选用工作时沸点温度适中(在一个大气压下沸点温度约50℃左右)、符合上述要求的冷却介质，典型的冷却介质有氟里昂R-113和Fc-77等。以氟里昂R-113为佳，其耐压可达几万伏，超过功率半导体器件或模块最高耐压的数倍。
更好的绝缘蒸发冷却介质3为全氟三乙胺(分子式为(C2F5)2N)或十氟戊烷(分子式为C5H2F10)。它们的比重均大于1.5，且不溶解于水，在一个标准大气压下，其沸点分别为69℃和55℃。二者均具有绝缘性高、沸点合适、安全无毒、化学性质稳定等特点，更加符合环保要求。其凝固点温度分别为-35℃和-80℃左右，适合于低温环境下功率器件或模块的存贮与工作要求。通过调整系统内的工作压力，加大负压或真空度，冷却介质的沸点温度将进一步下降。提高压力则冷却介质的沸点温度将会上升。系统内的工作压力的选择与确定，应视功率器件工作时的发热量、工作时的环境温度等因素，综合考虑确定。

Claims (4)

1、一种功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置，其特征在于该装置是将功率半导体器件或模块(1)的外壳(2)制成中空封闭的壳体，其中充填有绝缘蒸发冷却介质(3)，在外壳(2)上部设有冷凝器(4)，二者通过管路联通。
2、根据权利要求1所述的功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置，其特征在于在壳体(2)与冷凝器(4)间的联通管路为蒸汽管(5)和回流管(6)。
3、根据权利要求1所述的功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置，其特征在于在壳体(2)与冷凝器(4)间为蒸发气体与回流液体共用的单根管路。
4、根据权利要求1所述的功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置，其特征在于所述的绝缘蒸发冷却介质(3)为全氟三乙胺(分子式为(C2F5)2N)或十氟戊烷(分子式为C5H2F10)，或者二者的混合物。
CN 200420091994 2004-10-27 2004-10-27 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置 Expired - Fee Related CN2773905Y (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200420091994 CN2773905Y (zh) 2004-10-27 2004-10-27 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 200420091994 CN2773905Y (zh) 2004-10-27 2004-10-27 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN2773905Y true CN2773905Y (zh) 2006-04-19

Family

ID=36709171

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 200420091994 Expired - Fee Related CN2773905Y (zh) 2004-10-27 2004-10-27 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN2773905Y (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1852646B (zh) * 2006-05-16 2011-01-12 中国科学院电工研究所 一种功率器件的蒸发冷却散热装置
CN108781523A (zh) * 2015-12-29 2018-11-09 祖达科尔有限公司 基于真空的热管理系统
CN114373486A (zh) * 2021-12-17 2022-04-19 天津爱玛车业科技有限公司 一种热防护装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1852646B (zh) * 2006-05-16 2011-01-12 中国科学院电工研究所 一种功率器件的蒸发冷却散热装置
CN108781523A (zh) * 2015-12-29 2018-11-09 祖达科尔有限公司 基于真空的热管理系统
CN114373486A (zh) * 2021-12-17 2022-04-19 天津爱玛车业科技有限公司 一种热防护装置
CN114373486B (zh) * 2021-12-17 2023-10-20 天津爱玛车业科技有限公司 一种热防护装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10424532B2 (en) Coolant contact type cooling system for high-power device and operation method thereof
US3852806A (en) Nonwicked heat-pipe cooled power semiconductor device assembly having enhanced evaporated surface heat pipes
CN108882654B (zh) 相变冷却系统、冷却系统及变流器柜冷却系统
CN103424018A (zh) 具有增压泵的液体相变传热式泵送冷却系统
CN105281198A (zh) 一种半导体激光器的热管理装置
CN111681999A (zh) 一种真空导热腔均热板及风冷式散热装置
CN2673048Y (zh) 一种大功率电力电子器件蒸发冷却装置
CN1601733A (zh) 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热技术
CN2773905Y (zh) 功率半导体器件或模块的主动式蒸发散热装置
WO2018137266A1 (zh) 毛细相变冷却器及其安装方法
Bao et al. Thermal management technology of IGBT modules based on two-dimensional materials
CN105957848A (zh) 一种具有集成热管的底板及其模块装置
CN214477404U (zh) 热管-半导体制冷联合的电子芯片散热装置及其控制回路
CN203085514U (zh) 基于环路热管的igbt模块散热器
Yang et al. Immersion Oil Cooling Method of Discrete SiC Power Device in Electric Vehicle
KR102540540B1 (ko) 비등 냉각 장치
Chen et al. Thermal characterization analysis of IGBT power module integrated with a vapour chamber and pin-fin heat sink
CN103066038A (zh) 基于环路热管的igbt模块散热器及其制造方法
Qi et al. Advanced cooling solutions of high power automotive module
CN112968009A (zh) 一种热管-半导体制冷联合的电子芯片散热装置及其控制回路
CN115164445B (zh) 一种半导体热电制冷器结构及强化换热方法
CN216897724U (zh) 空调器
CN216716521U (zh) 空调器
CN212461666U (zh) 一种半导体散热器
CN220931410U (zh) 一种半导体制冷装置

Legal Events

Date Code Title Description
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20060419

Termination date: 20131027