【技术实现步骤摘要】
具有脉管喷射冲击冷却系统的功率模块
[0001]本公开涉及双面功率半导体电子元件的封装，为简单起见，其在下文中称为功率模块。更具体地，本公开涉及用于出于热调节的目的将合适的传热流体/冷却剂传导至这种功率模块的一个或多个主表面的封装系统和方法。
技术介绍
[0002]如本领域所理解的，包含一个或多个半导体开关管芯的功率模块被用在各种高压电气系统中。例如，在双直流(DC)和交流(AC)电气系统中采用功率逆变器模块。代表性的高压电气系统包括电气化动力系统和固定动力装置，其中来自高压DC电池组的DC输出电压用于激励电动机的一个或多个相绕组。功率模块同样用于DC
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DC电压转换器，目的是提供适合应用的DC输出电压。
[0003]在典型的功率模块中，存在一组设置在多层衬底中的半导体开关管芯，其中开关管芯容纳一个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)、功率二极管、晶闸管或其他适合应用的半导体开关。总的来说，当将交流电源转换成DC电源时，功率模块的开关用于执行上述类型的高速/高功率开关功能，反之亦然。
[0004]衬底包括导电层，其用作到各种开关管芯的电连接。每个衬底通常由导热材料构成，以便于热量从敏感的半导体开关元件传递出去。传递的热量随后从功率模块的外表面消散。使用互补的双面冷却系统可以促进双面冷却，例如通过将功率模块夹在一对相对的冷却套之间，并且在冷却套和功率模块之间的界面处采用热界面材料。然而，这种方法在耐热性、重量和封装尺寸方面可能不是最佳的。>
技术实现思路
[0005]本文公开了一种与平面功率模块一起使用的脉管喷射冷却系统。本解决方案采用平面功率模块的牺牲模制和聚合物封装，以便于制造独立的歧管壳体。在歧管壳体内，射流冲击板通过将冷却剂引导到平面功率模块的暴露主表面上以调节其温度，而用作基于喷嘴或基于槽的冷却剂射流。
[0006]如本领域所理解的，功率模块通常用作功率逆变器、直流
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直流(DC
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DC)转换器以及其他类型的集成功率转换系统的核心部件。热量是在正在进行的高速开关操作期间产生的，该操作用于将交流(AC)输入电压转换成DC输出电压，反之亦然，或将DC输入电压转换成更高或更低的DC输出电压。扁平/平面功率模块的低轮廓布置尤其具有将热量集中到较小体积的效果，根据内部配置，热量从功率模块的一个或两个主表面辐射。热管理通常是在增加给定功率模块的功率密度的同时减小给定功率模块的尺寸的瓶颈。因此，根据本教导，在所公开的歧管壳体的范围内的可选的双侧冷却旨在消除上述热管理瓶颈，并提供如下所述的其他益处，在其他配置中单侧冷却是可能的。
[0007]本文描述的脉管喷射冷却系统包括布置在介电聚合物模制材料中的至少一个喷射冲击板。射流冲击板的一部分嵌入聚合物模制材料中，以帮助控制板的相对位置，例如使
用包覆成型工艺。在本公开的范围内，可以使用不同的板配置，可能伴随着在功率模块上结合外部散热片，以增强期望的热传递特性。
[0008]在一个特定的实施例中，公开了一种与外部冷却剂源一起使用的功率模块组件，该外部冷却剂源被证明是合适的传热流体，并且为了简单起见，该流体在下文中被称为冷却剂。功率模块组件包括具有相对设置的第一和第二主表面的平面功率模块，以及将平面功率模块封装在其中的歧管壳体。歧管壳体限定了冷却剂入口、内腔和冷却剂出口，冷却剂入口被构造成流体连接到冷却剂供应源并从冷却剂供应源接收传热流体/冷却剂，内腔与入口流体连通并包含功率模块。冷却剂入口与内腔流体连通，而冷却剂出口被配置为连接到冷却剂供应源并将冷却剂引导到那里，即，在从歧管壳体排出加热的冷却剂时。
[0009]在歧管壳体的结构内，喷射冲击板布置在内腔中、靠近主表面。射流冲击板被构造成引导通过冷却剂入口的冷却剂到达主表面上。一些构造可以使用两个这样的射流冲击板，即平行的第一和第二射流冲击板。在这样的实施例中，第一和第二射流冲击板布置在内腔中，邻近相应的第一和第二主表面，并且构造成将通过冷却剂入口的冷却剂引导到相应的第一和第二主表面上。
[0010]射流冲击板可以可选地构造成喷嘴板，在这种情况下，开口包括离散的喷嘴。这种喷嘴沿着其中心轴线可以是圆柱形、锥形、圆锥形或本文所述的各种其它轮廓。
[0011]脉管喷射冷却系统的特征可能是没有o形环。
[0012]每个射流冲击板可由金属构成，并与歧管壳体的介电聚合物模制材料共同模制。在可选实施例中，金属可以包括铜、黄铜和/或铝。
[0013]在其他实施例中，射流冲击板由介电聚合物模制材料构成。举例来说，介电聚合物模制材料可包括环氧基模制化合物、硅基模制化合物或酚醛基模制化合物，或本文所述的各种其它材料。
[0014]本文还公开了一种功率模块组件，其包括上述平面功率模块和脉管喷射冷却系统。在一些配置中，平面功率模块可以被构造为半导体开关器件，例如半桥逆变器。
[0015]在一示例性实施例中，一种用于构造功率模块组件的方法包括将平面功率模块、第一射流冲击板和第二射流冲击板定位在第一模具中，其中第一和第二射流冲击板限定相应的开口组，这些开口组被构造成将冷却剂引导到功率模块的相应主表面上。该方法包括将牺牲材料注射到第一模具中，并且在牺牲材料硬化或固化之后，从第一模具移除平面功率模块以及第一和第二射流冲击板。
[0016]该实施例中的方法还包括将平面功率模块、第一射流冲击板、第二射流冲击板和牺牲材料放置到第二模具中，然后将介电聚合物模制材料注射到第二模具中。然后允许介电聚合物模制材料固化或硬化，从而在平面功率模块和射流冲击板周围形成歧管壳体。该方法然后包括从第二模具移除功率模块组件，并且此后移除和丢弃牺牲材料。
[0017]以上概述并不代表本公开的每个实施例或每个方面。相反，当结合附图和所附权利要求时，本公开的上述特征和优点以及其他特征和伴随的优点将从下面对用于执行本公开的说明性示例和模式的详细描述中变得显而易见。此外，本公开明确地包括上面和下面呈现的元件和特征的任何和所有组合和子组合。
附图说明
[0018]图1是根据本公开实施例的用于平面功率模块的脉管喷射冷却系统的示意性透视图。
[0019]图1A是图1所示的脉管喷射冷却系统的示意性局部横截面分解图。
[0020]图2是用于构造图1A所示的脉管喷射冷却系统的冲击板的可能轮廓的示意图。
[0021]图3和图4是根据不同实施例的图1和图2所示的脉管喷射冷却系统的示意性剖视图。
[0022]图5是根据图4所示脉管喷射冷却系统的喷嘴射流实施例的可能冷却剂路径和喷嘴构造的示意性俯视图。
[0023]图6是根据替代的狭缝射流实施例的、图1
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5所示的脉管喷射冷却系统的示意性截面图。
[0024]图7是根据图6所示脉管喷射冷却系统的狭缝射流实施例的可能冷却剂路径和喷嘴构造的示意性俯视图。
[0025]图8是描述构造图1
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种与平面功率模块和冷却剂供应源一起使用的脉管喷射冷却系统，该脉管喷射冷却系统包括：歧管壳体，其由介电聚合物模制材料构成，并限定至少一个冷却剂入口、内腔和冷却剂出口，该冷却剂入口被配置成流体连接到冷却剂供应源以从其接收冷却剂，该内腔与冷却剂入口流体连通并被配置成在其中包含平面功率模块，该冷却剂出口与内腔流体连通，该冷却剂出口被配置成连接到冷却剂供应源；和射流冲击板，其限定开口并布置在内腔中，所述开口被构造成将通过冷却剂入口的冷却剂引导到平面功率模块的主表面上。2.根据权利要求1所述的脉管喷射冷却系统，其中，所述喷射冲击板包括第一喷射冲击板，所述第一喷射冲击板限定第一组开口并布置在所述内腔中，所述第一组开口被配置成将通过所述冷却剂入口的冷却剂引导到所述平面功率模块的第一主表面上；和第二射流冲击板，其限定第二组开口并布置在内腔中，所述第二组开口被构造成将通过冷却剂入口的冷却剂引导到平面功率模块的第二主表面上。3.根据权利要求1所述的脉管喷射冷却系统，其中所述喷射冲击板被配置为喷嘴板，并且其中所述开口包括离散的喷嘴。4.根据权利要求1所述的脉管喷射冷却系统，其中，所述喷射冲击板被配置为狭缝喷射板，并且其中，所述开口是细长狭缝。5.根据权利要求1所述的脉管喷射冷却系统，其中所述喷射冲击板由金属构成，并且与所述歧管壳体的介电聚合物模制材...
【专利技术属性】
技术研发人员：AM科波拉，A法特米，RO小格罗弗，M刘，Ch严，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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