CN101510534B - 用于功率半导体器件的冷却系统及包括该系统的功率模块 - Google Patents

Abstract

提供一种用于液体冷却功率半导体器件的冷却装置。该装置包括引导液体冷却剂到功率半导体器件的冷却剂分流器。该冷却剂分流器具有第一板，将冷却剂分流器分成第一腔室和第二腔室。第二腔室位置邻近于该功率半导体器件。该第一板还包括开口以流体连通第一腔室和第二腔室，从而使液体冷却剂流进第一腔室，穿过第一板的开口，并流入第二腔室以冷却该功率半导体器件。第一腔室的截面区域大致沿下游方向减小，且第二腔室的截面区域大致沿下游方向增大。

Description

用于功率半导体器件的冷却系统及包括该系统的功率模块

相关申请的交叉引用

本申请要求美国在先申请No.60/952,743，申请日为2007年7月30日的优先权，引用其全文合并入本申请。

技术领域

本申请通常涉及用于功率半导体器件的冷却系统，更特别地涉及用于直接喷射冲击冷却与功率半导体器件相结合的衬底的冷却剂分流器(diverter)。

背景技术

半导体器件通常在高功率电气电路中用作开关或整流器。例如，在电动和混合电动车中使用功率变换器来给车辆的电驱动马达提供三相工作功率。这些半导体器件在工作中会产生过量的热。例如，电动牵引马达的功率要求会在一个宽范围内波动。该功率要求的波动会造成与牵引马达相连的半导体器件中的温度变化，这会由于热本身或组成材料间的膨胀率变化而导致可靠性下降。

由于这些原因，容纳这样的半导体器件的功率模块常常采用一定形式的冷却系统。常规的冷却系统通常采用一冷却板(例如，热沉)来把热量从该半导体器件传递走。该热沉可以包括具有一平坦表面的金属体(例如，铝，铜等)和任意数目的从半导体器件向外伸出的凸起(“肋-翼”)。热沉的平面设置成与半导体器件热接触(例如，焊接到支撑该半导体器件的衬底)，并且该肋-翼暴露于冷却源，通常用空气或冷却剂流体(例如，乙二醇水溶液)。有些冷却系统包括使冷却剂流体在模块中循环的泵。在工作中，热量从半导体器件中导出并进入被冷却媒介对流冷却的肋-翼。

常规的冷却系统不能在所有情况下充分地冷却该功率半导体器件。特别是，常规的冷却系统不能准确引导冷却剂至特定区域，包括那些可能最需要额外冷却的区域。这会导致不能引导新鲜冷却剂到半导体器件的不同部分或存在的介入层如互连和绝缘层。此外，许多常规的冷却系统是难于制造、过度复杂和昂贵的。

因此，希望提供具有半导体器件和冷却系统的功率模块，该冷却系统有令人满意的冷却能力。此外，希望提供有冷却剂分流器的冷却系统，冷却剂分流器可引导冷却剂至最适当的部位并且制造是相对容易和成本低廉的。而且，根据随后的详细描述和所附的权利要求，并与附图和前述技术领域及背景技术结合，本发明的其它优良特点和特性是显而易见的。

发明内容

根据一个示范性实施例，提供用于流体冷却功率半导体器件的冷却装置。该装置包括用于导引液体冷却剂至该功率半导体器件的冷却剂分流器。该冷却剂分流器具有第一板将该冷却剂分流器分成第一腔室和第二腔室。该第二腔室位置与该功率半导体器件邻近。该第一板还包括开口以流体连通该第一腔室和第二腔室，从而，液体冷却剂流入第一腔室，穿过第一板上的开口，并进入第二腔室以冷却功率半导体器件。第一腔室具有的截面区域沿着下游方向大体减小，且第二腔室具有的截面区域沿下游方向大体增大。

根据另一示范性实施例，用于半导体器件的冷却系统的冷却剂分流器包括两个侧壁；和在侧壁之间延伸并形成角度以使冷却剂分流器总体呈楔形的板。

根据另一示范性实施例，功率模块包括外壳；半导体器件位于该外壳中并且包括安装在衬底上的绝缘栅双极晶体管(IGBTS)芯片；和接近该半导体器件以提供液体冷却剂到半导体器件的冷却系统。冷却系统包括具有第一板的冷却剂分流器，该第一板结合外壳形成第一腔室，并结合半导体器件形成第二腔室。第一板还包括喷嘴以流体连通该第一腔室和第二腔室，第一板形成角度以使第一腔室的截面区域沿液体冷却剂流动的下游方向减小。

附图说明

下文中将与下列的附图相结合描述本发明，其中同样的附图标记表示同样的元件，并且

图1是根据示范性实施例的功率模块的局部、等比例的横截面视图；

图2是图1中的功率模块的简化侧截面视图；和

图3是用在图1和图2的功率模块的冷却系统中的示范性冷却剂分流器的顶部等比例视图。

具体实施方式

以下的详细描述实质上仅是典型示例，并不意味着限制本发明或本发明的应用和使用。此外，不意味着受限于前述的技术领域、背景技术、简述的发明内容或以下的详细描述中的任何表述或隐含论述。

宽泛而言，在此公开的示范性实施例包括用于功率模块中的半导体器件的冷却系统。特别是，该冷却系统的示范性实施例包括楔形的冷却剂分流器，以使冷却剂在通过喷嘴时均匀分布。

图1是按照示范性实施例的功率模块100的局部、等比例的横截面视图。该功率模块100适用于电动或混合动力车辆，例如，带有三相交流(AC)电动马达。该功率模块100包括一个或多个设置在外壳108内的半导体器件102。在一个实施例中，半导体器件102可为变换器电路，该电路为AC电动马达提供开关交流电，并且包括如直接覆铜法(DBC)安装在衬底106上的一个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片104。

在功率模块100工作中，半导体器件102，尤其是IGBT104，会产生热量。因此冷却系统150提供在外壳108内以通过有效循环冷却剂流体来散热，如箭头152所示，穿过外壳108到半导体器件102的衬底106上。在一个实施例中，冷却剂流体152直接冲击衬底106。更具体地，冷却系统150包括限定在外壳108中的入口流通道154，以引导冷却剂152到冷却剂分流器170。然后冷却剂分流器170引导冷却剂152，以使冷却剂152的喷流184直接冲击半导体器件102的下侧来传导性地吸收额外的热量。下面参考图2和3更详细地描述冷却剂分流器170。冷却剂152接触半导体器件102的下侧后，从冷却剂分流器170流入限定在外壳108中的出口流通道156。

尽管没有图示说明，但该冷却系统150可还包括储存器，用于从出口流通道156排出冷却剂152并用于将冷却剂152提供到入口流通道154。冷却系统150可还包括泵以流体连通入口流通道154和出口流通道156，使冷却剂152有效循环。泵可以是变速泵，由IGBT104的输出控制。当IGBT104的输出增大时，泵的速度增大使冷却剂152的循环加快。可选择的是，IGBT104的温度可布置热电偶监视，即泵的速度取决于所测的温度。冷却系统150可用于功率模块100，或者是一个更大系统的一部分，如汽车的冷却系统。

冷却剂152可以是任何适合的液体，包括非电介质液体，因为衬底106典型的是非导电活性的。例如，冷却剂152可为水、日常引擎冷却液、或汽车传动液。

图2是功率模块100的简化截面图，包括冷却系统150和半导体器件102的部分。正如上面所讨论的，冷却系统150通过冷却剂分流器170使冷却剂152流动至半导体器件102的衬底106。冷却剂分流器170包括入口172以从入口流通道154(图1)接收冷却剂152。在有些实施例中，冷却剂152以平行于衬底106的流动方向进入入口172。冷却剂152从入口172流入到第一腔室174。第一腔室174至少部分由第一板176和第二板178限定。第二板178通常平行于衬底106，并且第一板176通常与第二板178和衬底106有一个角度，这样就使得冷却剂分流器170大体上呈楔形。冷却剂分流器170处于外壳108内时第二板178可由外壳108形成，或第二板178可为冷却剂分流器170的一部分。

第一和第二板176、178的相对方位决定了第一腔室174具有沿下游方向减小的截面区域。第一板176包括多个喷嘴180，流体连通第一腔室174至第二腔室182，第二腔室182由第一板176和衬底106的下侧形成。喷嘴180通常是延伸到第二腔室182的延长管。尽管延长的喷嘴180在本实施例中已经图示了，但可以提供能流体连通第一腔室174和第二腔室182的任何结构。在所描述的该示范性实施例中，喷嘴180延伸至邻近衬底106下侧的位置。由于第一板176呈现角度状态，喷嘴180的长度沿下游方向增大。

当冷却剂152流经喷嘴180时，冷却剂152形成喷流184。喷流184向上冲击衬底106，流体穿过第一板176并离开第二腔室182，如箭头所示。然后冷却剂152流经出口186进入出口流通道156。当冷却剂152的喷流184向上冲击衬底106时，热量从半导体器件102被转移，经由衬底106到达冷却剂152，这样形成对流散热路径并冷却衬底106的下侧。

如上所述，限定第一腔室174的第一和第二板176、178的角度方位决定了第一腔室174的截面区域沿下游方向减小。由于第二板178和衬底106之间形成角度方向，第二腔室182的截面区域相应沿下游方向增大。这样的布局使所有的喷流184呈均匀流分布。例如，图2中的最上游喷流与最下游喷流具有大致同样的冷却剂流量。而且，喷嘴180可以是不同的和单独的尺寸，以使流速和压力下降处处相同。此外，喷嘴180的大小和布置可使任何所希望量的冷却剂152分布至衬底106上的任何特定位置。换句话说，喷嘴180能以精确比率和/或流速“调整”流，包括不稳定流。在一些通常的冷却系统中，其可具有截面区域没有减小或喷嘴尺寸不恰当的第一空腔，冷却剂流典型地且不希望地集中在下游喷流处。另外，由于冷却剂流经通路的方向改变相对小，图2的典型实施例能够降低压力损失，即，实质上向上穿过多个喷嘴180中的一个并且流出第二腔室182。通常的冷却系统会需要更多的迂回路径，从而导致系统有不期望的压力损失。

喷嘴180可为任何适合的布局。在一个示范性实施例中，喷嘴180优选设置为引导冷却剂152的一个或多个单独喷流184直接到与IGBT 104相一致的衬底106的位置。换言之，喷嘴180的布局一般与IGBT 104的布局相对应。一个或多个喷嘴180能与每一个IGBT104相对应。喷嘴180也可以使冷却剂152到达与半导体器件102和功率模块100相联系的其它组件，如对温度敏感的电容、变压器、集成电路、键合引线以及母线。

在可选实施例中，喷嘴能形成精细或雾化的喷雾，以取代“自由喷射”系统中冷却剂的喷流，在喷嘴周围有空气或气体环绕。相对于喷射喷嘴，喷雾喷嘴能够更有效地热冷却。相反，喷射喷嘴可以容许泵的低压力变化从而降低费用并增加系统稳定性。该公开实施例可实现半导体器件102的必要的冷却，而不必使用冷却板。作为替代，冷却剂152的喷流184直接冲击到衬底106的下侧。

由于冷却剂152直接施加到IGBT104的热源，功率模块100的功率密度(功率每单位体积)能被提高。为了通过冷却剂152冷却，由IGBT104产生的热量不需要传导穿过多层材料，这些层中的少数可以是低热传导性的。尤其是，喷射冷却提供的较多的直接热通道能降低这些IGBT 104的温度。与某些现有技术结构相比，该热通道不需要穿过热沉和热接触面材料。温度较低时，增加的功率可应用到功率模块100。另外，冷却的改进提高了功率模块100适应高功率瞬间波动的性能。

图3是从功率模块100上移开的冷却剂分流器的顶部等比例视图。冷却剂分流器170有与第一和第二腔室174、182相联接的侧壁190。通常，第一板176、喷嘴180和多个侧壁190是由一单片整体形成的，例如，采用注模成形工艺。冷却剂分流器170可用例如热塑性材料制造。在替代实施例中，冷却剂分流器170可以采用分立部件形成。整体来说，冷却剂分流器170是楔形的，并且相对紧凑和易于制造。

尽管在前面的详细描述中阐述了至少一个示范性实施例，但应当认识到有大量改变方案存在。也应当认识到，这些示范性实施例仅为示例，而不意味着以其它任何方式对本发明保护范围、实用性或构造的限制。更进一步，前面的详细描述给本领域技术人员提供了方便的指导来实施这些实施例。

Claims (15)

1.一种用于液体冷却功率半导体器件的冷却装置，包括：

用于引导液体冷却剂到该功率半导体器件的冷却剂分流器，该冷却剂分流器具有把该冷却剂分流器分成第一腔室和第二腔室的第一板，该第二腔室位置邻近于该功率半导体器件，

该第一板还包括开口以流体连通该第一腔室和该第二腔室，从而使液体冷却剂流入第一腔室，穿过第一板上的开口，并进入第二腔室以冷却功率半导体器件，

该第一腔室具有的截面区域沿着下游方向减小，且第二腔室具有的截面区域沿下游方向增大。

2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括与第一板一起至少部分形成该第一和第二腔室的侧板。

3.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，该开口是由第一喷嘴限定的第一开口。

4.如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，该第一板和第一喷嘴一起形成整体。

5.如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，还包括由多个附加的喷嘴限定的多个附加的开口。

6.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，该第一喷嘴和多个附加的喷嘴每个都具有一长度，且该长度沿下游方向增大。

7.如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，该第一开口具有第一直径，且该冷却剂分流器还包括具有第二直径的第二开口，该第二直径具有与第一直径不同的值。

8.如权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，该第一和第二直径的大小设置成使液体冷却剂在通过第一和第二开口时的压力下降相等。

9.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，该液体冷却剂流经开口进入第二腔室，冲击半导体器件的下侧，并直接流到出口。

10.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，该液体冷却剂自入口流进第一腔室，并直接通过开口。

11.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，该冷却剂分流器还具有第二板，该第一板相对于半导体器件设置一个角度并且该第二板与该半导体器件平行。

12.一种功率模块，包括：

外壳；

设置于外壳中的半导体器件并且该半导体器件包括安装在衬底上的绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片；以及

接近半导体器件以提供液体冷却剂到半导体器件的冷却系统，该冷却系统包括：

具有第一板的冷却剂分流器，该第一板与外壳形成第一腔室并与半导体器件构成第二腔室，该第一板还包括喷嘴以流体连通该第一腔室和第二腔室，该第一板设置成角度以使该第一腔室的截面区域沿液体冷却剂流动的下游方向减小。

13.如权利要求12所述的功率模块，其特征在于，该冷却剂分流器布置成直接向衬底提供液体冷却剂。

14.如权利要求12所述的功率模块，其特征在于，喷嘴具有与IGBT相应的布局。

15.如权利要求12所述的功率模块，其特征在于，该冷却剂分流器配置成使液体冷却剂流到第一腔室，再流经喷嘴，冲击衬底，并流出第二腔室。

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