改进的用于功率半导体器件的散热装置和方法制造方法及图纸

一种改进的用于调节多个功率半导体的温度的散热装置，该散热装置以流动平衡器为特征，流动平衡器控制冷却剂流体的液压以调节跨越热交换翅片的冷却剂流体流量分布，以便形成均匀的流量分布或有目的的不成比例的或定制的冷却流体流量分布，以达到更高的热传递效率的目的。

Improved heat dissipation device and method for power semiconductor devices

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的用于功率半导体器件的散热装置和方法
本公开总体涉及散热装置及其使用方法，并且更具体地，涉及能够通过优化冷却剂流体流量改进热效率的散热装置及其使用方法。
技术介绍
在容纳功率半导体器件(诸如，开关或整流器)的任何装置中，散热是重要的问题。过热会致使物理性能和电性能劣化，进而会引起这两者出现间歇性和永久性故障。甚至在容许的热范围内，也总是期望冷却的工作温度，因为冷却的工作温度通常导致增加的效率，根据对具体设备的性能需求，增加的效率可以允许设备运行更长的时间、消耗更少的功率、忍受或耐受较高的功率、甚至重新设计为物理上更小。在一些
中，这些优点是至关重要的，因此散热效率上均匀的边际增加量是极为重要的。为了实现低的工作温度，功率半导体器件通常与散热器或各种散热设备耦接。最有效的散热设备通常包括与功率半导体器件物理接触或在物理上紧密接近的导热材料，其能够将热吸出功率半导体器件并且传递热能远离其来源以在更方便的位置或以更方便的步调分散或耗散。一些更有效的散热设备通过使用液体冷却剂实现该目的。美国专利号9,443,786(“简称’786专利”)描述了一个这种散热设备，其包括至少一个通过导热板与一个或多个功率半导体器件热连通的蛇形翅片。蛇形翅片位于歧管内的上腔室与下腔室之间，歧管以靠近歧管的相对远端而定位的入口和出口为特征，使得冷却流体必须在排出之前行进歧管的长度。’786专利通过引证整体并入本说明书中，包括摘要、整个说明书、附图、及权利要求。当该传统设计为水平取向时，冷却流体通过馈入上腔室的入口进入装置并且从下腔室被抽出而通过的出口排出装置，因此为了通过装置，冷却剂流体必须在某一点跨越蛇形翅片从上腔室竖直流动到下腔室。蛇形翅片用作热交换面，使得在冷却流体跨越蛇形翅片竖直地通过，在所附接的功率半导体器件中产生的热能从蛇形翅片流动到冷却流体中随后与冷却剂流体一体流出装置的出口以在其他地方耗散。在’786专利中公开和所要求保护的传统设备的整体散热效率取决于经由其上安装有半导体器件的导热板从功率半导体器件到蛇形翅片的热传递效率以及从蛇形翅片到冷却剂流体的热传递效率。后者部分取决于跨越蛇形翅片的冷却剂流体流量分布。已经观察到，如在’786专利(具体地，图7B)中描述的，如果歧管内每个腔室的形状的尺寸相等并且统一，那么不成比例量的冷却流体将会沿着其水平长度在特定位置跨越蛇形翅片竖直地通过。如果蛇形翅片沿着其水平长度的温度大致相等，那么这种不均匀的冷却剂流体流量分布不会实现最高可能的热传递效率；因此，需要改进在’786专利中公开和所要求保护的装置和方法使得能控制冷却流体流量以更均匀地通过蛇形翅片从而实现最大热传递优化。然而，在其他应用中，蛇形翅片沿着其水平长度的温度可能无法大致相等，因为将热量传递到蛇形翅片的功率半导体器件尺寸不同或者热活性不同。在这种应用中，跨越蛇形翅片的水平长度的冷却剂流体的一致且均匀的分布可能不是最有效的流量分布剖面以鼓励最大热传递效率。需要改进在’786专利中公开和所要求保护的装置和方法使得可以控制冷却流体流量以形成越过蛇形翅片的水平长度的定制的、不均匀的流量分布从而完全优化热传递效率。例如，在’786专利中公开和所要求保护的设备示出了六个沿着所示出装置的可见侧附接至导热板的分离的功率半导体器件(参见’786专利的图1)并且本公开指示可能有至多另外六个附接至另一侧的功率半导体器件。如果功率半导体器件的尺寸不同和/或如果一些功率半导体器件比其他那些热活性更高，以实现最佳热传递效率，应该控制冷却剂流体的流量使得相邻的蛇形翅片的部分越多，热活性功率半导体器件经受不成比例量的冷却剂流量越大。需要按不成比例的方式控制冷却剂流体流量分布以为与热活性更高的功率半导体器件相邻的热交换面的部分分配更多的散热量，以便实现最高可能的散热效率。除了需要改进的冷却剂流分布之外，可通过增强与蛇形翅片或其他热交换面热连通的多个功率半导体器件的电隔离而将在’786专利中公开和要求保护的装置制成为更通用。传统设计公开了金属板或直接键合基板(DBC)，其中，板具有导热陶瓷芯以及陶瓷芯的每一侧上的铜层。功率半导体器件固定至该板并且与蛇形翅片或其他热交换面电隔离但它们不彼此电隔离，从而对于固定的彼此相邻的各种功率半导体器件需要某一等级的一致性。如果功率半导体器件彼此电隔离，那么单个装置可容纳电气上不同的半导体器件(诸如，逆变器和充电器)，或一相、三相、和/或固定值同一装置的多相功率半导体器件。该设计创新将为所公开的装置提供具有更大的通用性。需要’786专利中公开和要求保护的装置使得功率半导体器件彼此电隔离。本公开与相关技术的不同之处在于直到此时提供了如在以下
技术实现思路
中描述的未知的优点。
技术实现思路
本公开描述了一种用于功率半导体的创新的高效散热装置。对在’786专利中最初公开和所要求保护的设计进行改进，本公开的装置还包括创新的流动平衡器以控制冷却剂流体的液压以便优化冷却剂流体跨越蛇形翅片或相似的热交换面的流量分布，与没有创新更改的传统装置相比，其可将功率半导体器件的温度降低差不多百分之三十三(33％)。与在’786专利中公开和所要求保护的装置相似，本公开的装置包括歧管，该歧管具有通向第一腔室的入口和从第二腔室抽出的出口以及位于第一腔室与第二腔室之间的与至少一个功率半导体器件热连通的热交换面，使得冷却剂流体必须靠近热交换面流动以从第一腔室流到第二腔室再离开装置。创新的流动平衡器定位在第一腔室和第二腔室的内部并且改变第一腔室和第二腔室的内部截面面积，从而改变沿着每个腔室的长度的截面面积，进而改变沿着装置的长度的液体静压力并且影响冷却剂流体沿着热交换面的长度的流量分布。流动平衡器可以采取可移除的物理插入件或位于第一腔室和/或第二腔室内部的永久固定的物理插入件的形式改变腔室截面面积。可替换地，在一些实施方式中，流动平衡器可以是对腔室壁的形状的物理设计变更以实现相同的效果。通过控制具有流动平衡器的上腔室和下腔室的形状，可以改变歧管中的液压以促使沿着热交换面的长度的均匀流量分布或者有目的地形成定制或不均匀的流量分布。根据计算流体动力学(CFD)分析，使用流动平衡器可提高经受上至百分之二十五(25％)的类似的负载的功率半导体的节点温度。实际测试得出甚至更好的结果，示出了差不多百分之三十三(33％)的温度降低。这些温度降低是显著的并且可转换为非常重要的性能益处，根据技术这些性能益处可以允许设备运行更长的时间、消耗更少的功率、忍受或耐受较高的功率、和/或重新设计为物理上更小。本公开装置中另一重要的创新改进包括或涉及其上安装有功率半导体器件的导热板。在’786专利中公开和所要求保护的传统设计中，多个功率半导体器件安装在单个导热板上。该设计是有局限性的，因为其不会将功率半导体器件彼此电隔离并且因此要求功率半导体器件共用某种电特性。本公开的装置以电隔离板为特征。这就允许单相、三相、和/或多相功率半导体器件结合到一个散热装置中。该重要的创新允许更大的设计灵活性和通用性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改进的功率半导体散热装置，所述装置包括：/n液体热交换歧管，具有第一腔室和第二腔室；/n入口和出口，定位在所述歧管的相对的远端处；/n热交换面，与至少一个功率半导体器件热连通，其中，所述入口使冷却流体进入所述第一腔室，并且所述出口使冷却流体从所述第二腔室流出，并且所述热交换面在所述第一腔室与所述第二腔室之间延伸，使得冷却流体流经所述热交换面，以从所述第一腔室流到所述第二腔室；以及/n至少一个流动平衡器，位于所述第一腔室或所述第二腔室中，所述流动平衡器具体地成形为控制所述冷却流体的液压，以便优化通过所述热交换面的冷却剂流体流量分布。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171019 US 15/787,7111.一种改进的功率半导体散热装置，所述装置包括：
液体热交换歧管，具有第一腔室和第二腔室；
入口和出口，定位在所述歧管的相对的远端处；
热交换面，与至少一个功率半导体器件热连通，其中，所述入口使冷却流体进入所述第一腔室，并且所述出口使冷却流体从所述第二腔室流出，并且所述热交换面在所述第一腔室与所述第二腔室之间延伸，使得冷却流体流经所述热交换面，以从所述第一腔室流到所述第二腔室；以及
至少一个流动平衡器，位于所述第一腔室或所述第二腔室中，所述流动平衡器具体地成形为控制所述冷却流体的液压，以便优化通过所述热交换面的冷却剂流体流量分布。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功率半导体器件彼此电隔离。


3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述功率半导体器件不彼此电隔离。


4.一种功率半导体封装和冷却装置，包括：
印刷电路板；
半导体模块，包括：
至少一个半导体元件，包括：
至少一个功率半导体器件；以及
多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弘力，隆·C·库珀，戴维·L·波格丹奇克，
申请(专利权)人：ACP动力公司，
类型：发明
国别省市：美国;US