功率半导体模块及其散热系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
功率半导体模块及其散热系统
本技术涉及功率半导体封装领域，更详细地说，本技术涉及一种功率半导体模块及其散热系统。
技术介绍
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-gatebipolartransistor，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。
技术实现思路
本技术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，本技术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。本技术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。在本技术的较优技术方案中，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。在本技术的较优技术方案中，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。在本技术的较优技术方案中，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。在本技术的较优技术方案中，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。在本技术的较优技术方案中，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。在本技术的较优技术方案中，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。在本技术的较优技术方案中，还包括FWD芯片，所述FWD芯片设置于所述腔体内部或侧壁。在本技术的较优技术方案中，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。由于本技术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。本技术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是本技术一个实施方式中功率模块的结构示意图；图4是本技术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是本技术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201IGBT芯片202FWD芯片203焊接层204DBC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1IGBT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技术的优选实施方式。另外，本技术的实施方式并不限定于下述实施方式，能够采用在本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊，
申请(专利权)人：富士电机中国有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31