CN104347545B - 具有大功率半导体模块和冷却装置的结构、冷却系统以及制造该结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有大功率半导体模块和冷却装置的结构，其中冷却装置具有方形的主体和第一侧边元件，该主体具有主面、侧面和纵面，其中大功率半导体模块设置在第一主面上并且导热地与主体相连，并且其中多个冷却通道从第一侧面朝第二侧面延伸穿过主体。第一侧边元件紧密地贴靠在主体的第一侧面上并且具有面向该第一侧面的凹槽，冷却通道通到该凹槽中并且该凹槽构成了用于这些冷却通道的连接空间。主体在此在其第一纵侧上具有第一流体接口，其中第一流体接口过渡到第一连接通道中，该连接通道以在30°和75°之间的角度在第一侧面上排出并且在第一入口上通到该处的第一连接空间中。

Description

具有大功率半导体模块和冷却装置的结构、冷却系统以及制 造该结构的方法

技术领域

本发明涉及一种具有大功率半导体模块和冷却装置的结构、一种设置有该结构的冷却系统以及一种用于制造该结构的方法。

背景技术

由现有技术，例如由DE 197 47 321 A1已知一种用于大功率半导体模块的冷却装置，其中该冷却装置由导热良好的冷却体构成，该冷却体具有多个用来接收流态冷却介质的冷却通道。在每个冷却通道中抗扭地设置有螺线，其外径与冷却通道的内部轮廓一样大。冷却装置的进入孔和排出孔偏置地设置在侧面上，因此不存在优选的具有更小流动阻力的管子。

流量在此不能与各管子相匹配，或只能以巨大的花费才能匹配。此外，各外部的冷却通道就流量而言是优选的。

发明内容

在上述事实的基础上，本发明的目的是，提出一种具有大功率半导体模块和冷却装置的结构以及一种尤其优选的用来制造这种结构的方法，其中多个冷却通道的流量能够在其比例上进行调节并且同时或备选地补偿或均衡。

此目的按本发明通过具有权利要求1特征的结构以及通过按权利要求14所述的方法得以实现。在各从属权利要求中描述了优选的实施例。

在按本发明的具有大功率半导体模块和冷却装置的结构中，冷却装置构成为具有方形的主体和第一侧边元件的流体冷却装置，该主体具有相互平行设置的第一和第二主面、侧面和纵面，其中大功率半导体模块设置在第一主面上并且导热地与主体相连。多个冷却通道从第一侧面朝第二侧面延伸穿过主体，其中第一侧边元件紧密地贴靠在主体的第一侧面上并且具有面向该第一侧面的凹槽，冷却通道通到该凹槽中并且该凹槽构成了用于这些冷却通道的连接空间。主体在其第一纵侧上具有第一流体接口，其中第一流体接口过渡到第一连接通道中，该连接通道以在30°和75°之间的第一角度在第一侧面上排出并且在第一入口上连通到该处的第一连接空间。

原则上作为等同的解决方案，连接空间也可局部地或完全地设置在主体中，其方式是，在侧边元件上类似地设置凹槽。

所述的大功率半导体模块当然指至少一个大功率半导体模块，其中多个功率半导体构件能够设置在主体上。

优选的是，第一连接通道在第一流体接口过渡时具有第一宽度和第一横截面，并且在第一连接空间的第一入口上具有第二宽度和第二横截面，其中第二横截面具有第一横截面的75％至125％的面积。在此，第一、第二或两个横截面都构成为圆形。第一和第二横截面在此以及在下面总是指垂直于流动方向的表面。宽度同样定义为这些横截面的宽度。

同样，第一流体接口与所属的第一侧面能够具有间距，该间距在第一宽度的0.5至5倍之间。

第一连接通道优选具有直的、垂直于第一侧面的第一通道部段和直的第二通道部段，该第二通道部段以第一角度从第一侧面通到第一连接空间中，其中这两个通道部段具有过渡区域，该过渡区域将这两个通道部段连接起来。

还有利的是，冷却通道具有第三宽度和相互等距离的间距，该间距是第三宽度的0.2至3倍。在此，冷却通道的宽度是指平行于主体的主面且垂直于冷却介质的冷却流体的流动方向的宽度。在此，第一入口在此与相邻的冷却通道具有间距，该间距是冷却通道相互间的间距的0.5至5倍。

第一侧边元件的凹槽以优选的方式具有U形的第三横截面。第三横截面可具有在长度上恒定的间距并且从侧面(该侧面从属于第一入口)持续或非持续地减小。第三横截面的面积在此以及在下文当然只是指第一入口和最后一个冷却通道之间的相关区域。持续地减少在此指，在第一入口至最后一个冷却通道之间的相关范围中的直径不是增大，而是减少。非持续地减少在此应指，直径在短的范围内变大，以便在第一入口的附近形成涡流室。

尤其有利的是，主体朝其中间平面是对称的并因此也具有第二流体接口，其中第二流体接口过渡到第二连接通道中，该连接通道以在30°和75°之间的第二角度在第二侧面上排出并且在第二入口上同样连通到第二侧边元件的该处的第二连接空间。中间平面在此指对称平面，它平行于侧面进行延伸并且从中间分割主面和纵面。在此尤其有利的是，第一和第二流体接口在主体的纵向方向上并排设置。

按本发明的冷却系统具有两个上述结构，其分别只具有一个流体接口。这两个结构借助其第二侧面相互平行且镜像对称地设置，并且借助额外的连接装置彼此连接。

为此尤其有利的是，该连接装置是耦合装置，它使两个结构的所属的相互对齐的冷却通道分别相互连接。

该尤其优选的用来制造具有大功率半导体模块和冷却装置的结构的方法的特征尤其在于以下主要的方法步骤，其中该冷却装置构成为流体冷却装置：

a)由铝或铝合金挤压制造主体，其中在此只构成冷却通道；

b)形成第一和第二通道部段，方式是从主体的第一纵面垂直地引入第一通道部段，并且其中第二通道部段由第一侧面以在30°和75°之间的第一角度引入；第一和第二通道部段优选在此分别借助切削方法引入；

c)设置侧边元件和大功率半导体模块。

应理解，本发明的各个构造方案能够单独地或者在任意的本身不排斥的组合中实现，以实现改进。以上提到和阐述的特征尤其与它们是否在该方法和内容的框架内被提及无关，并且不仅能在提到的组合中应用，而且还能在其它的组合中或单独地应用，而不会偏离本发明的范围。

附图说明

本发明的其它阐述、有利的细节和特征都来自按本发明的结构的图1至7所示的实施例的以下描述或来自其中的一部分描述。

图1在主面的俯视图中示出了按本发明的结构的第一种构造方案，该结构具有大功率半导体模块和冷却装置；

图2在俯视图中示出了按本发明的结构的第二种构造方案；

图3在俯视图中示出了按本发明的第一种冷却系统；

图4在俯视图中示出了按本发明的第二种冷却系统；

图5在横截面中示出了按本发明的结构的侧面元件；

图6在第一侧面的视图中示出了按本发明的第一种结构；

图7在第一纵面的视图中示出了按本发明的第一种结构。

具体实施方式

图1在主面的俯视图中示出了按本发明的结构的第一构造方案的剖面图，该结构具有大功率半导体模块和冷却装置。在此示出了主体30，其具有相互平行设置的第一和第二主面300、301(参见图6)、第一和第二侧面302、303以及第一和第二纵面304、305，并且具有四个冷却通道，这些冷却通道从第一侧面302延伸至第二侧面303。由于主体30在挤压法中由铝或由主要含铝的合金制成，以此构造这些冷却通道32。

还参见图6，在第一主面300上设置多个大功率半导体模块2，为了清晰起见只示出了其中一个。这些大功率半导体模块2优选是以常规形式制成的大功率半导体模块，它们典型地在同样示意性示出的功率半导体构件20的范围内局部地具有最高的冷却要求。经模拟示出了，在按所述现有技术的冷却装置中中间的冷却通道通常正好具有比各外部冷却通道更小的冷却流体流量，并因此具有更小的冷却功率。另一方面，设置在中间冷却通道上方的功率半导体构件大多需要最高的冷却功率，因为与设置在外部冷却通道上方的功率半导体构件20相比，侧面的热量排放只能以更小的程度实现。

冷却装置3还具有第一侧边元件40(在此为了使视图清楚而隔开地示出)，它紧密地(示例性地借助示意性示出的螺纹连接和未示出的密封元件)设置在主体30的第一侧面302上。第一侧边元件40在其贴靠在第一侧面302的侧边上具有第一凹槽42。因此该凹槽构成连接空间420，所有冷却通道都通到该连接空间中。该凹槽42在此具有U形的第三横截面，它们的面积在此在整个相关长度上都是恒定的。

按本发明，主体30在其第一纵侧304上具有第一流体接口34。该第一流体接口34能够如所示的一样构成为螺纹连接，用来输入或排出冷却流体的装置能够设置在该螺纹连接上。

该第一流体接口34过渡到第一连接通道36中，该连接通道具有直的第一通道部段360，该通道部段如同所示的一样优选垂直于第一纵侧304延伸到主体30中。第一连接通道36还具有直的第二通道部段370，它以第一角度从第一入口30上的第一侧面302通到第一连接空间420中。这两个通道部段360、370在主体30的容积中具有共同的过渡区域364。第一通道部段360在此借助切削方式(例如钻孔或铣削方式)从第一纵面304开始垂直地引入到主体30中。第二通道部段370在此同样借助切削方式从第一纵面302开始以第一角度α引入到主体30中。

第一连接通道36在从第一流体接口34的过渡部并且在其进一步的走向中具有第一宽度362以及构成为圆形的第一横截面。同样，第二连接通道37在第一连接腔420的第一入口38上在它的其它走向中具有第二宽度372以及同样构成为圆形的第二横截面。在此构造方案中，第二横截面具有第一横截面的90％的面积，因此提高了冷却流体的流动速度。

图2在与图1类似的视图中示出了按本发明的结构的第二构造方案，其中为了使视图清晰没有示出大功率半导体模块，而只是示出了冷却装置。第二构造方案与按图1的构造方案的区别主要在于，主体30构造得朝其中间平面9是对称的。因此，主体30具有第二流体接口54。在此，第一和第二流体接口34、56在主体30的纵向方向上并排地、但隔开地设置。

第二流体接口54过渡到第二连接通道56中，该连接通道以第二角度(与第一角度相同)在主体30的第二侧面303(参见图1)上排出，并且在第二入口上通到第二侧边元件60的该处的第二连接空间620中。

结合图1、2，第一和第二侧边元件40、60的各凹槽42、62镜像对称地具有相同的U形的第三横截面。该第三横截面具有从各侧边在相关长度上持续减小的面积。该侧边从属于各自的入口38。

此外，图2还示出了冷却流体经由按本发明的连接通道的流入效果。冷却流体以一角度(优选以50°至60°的角度)从连接通道中排出，这产生了涡流，该涡流负责在冷却通道中实现均匀的流量。本发明的主要特征是冷却流体以规定的角度从入口中排出。该精确调节通过该入口与冷却通道的相对位置来实现。参见图6，模拟表明，在现有技术中通流最好的冷却通道的流量比最少流量最多高5倍。在如同此处建议的构造方案中，这些差异在30％至40％的范围内，并且没有其它用来调节或引导流体的措施。

图3在俯视图中示出了按本发明的第一种冷却系统10。该冷却系统10由两个按图1的结构3构成，其中这两个结构3借助其第二侧面303(参照图1)相互平行且镜像对称地设置，并且借助额外的连接装置彼此连接。该额外的连接装置在此由耦合装置70构成，该耦合装置使这两个结构3或主体30的所属的相互对齐的冷却通道32分别相互连接。因此，在一定程度上产生了连接在一起的冷却通道，它们直线地延伸穿过两个结构3和耦合装置70。

侧边元件40、60分别构成冷却系统的终结处。在此冷却系统10中第一流体接口34示例性地起进入口的作用，冷却流体通过该流体接口经由第一连接通道36并且通过第一入口38抵达第一连接空间420中。该冷却流体通过这些冷却通道抵达第二连接空间620中，并且从该处通过第二入口58抵达第二连接通道56中。那么，该所属的第二流体接口54当作冷却流体的排出口来用。

此外，该耦合装置70形成额外的连接装置，用来实现两个结构3的机械连接。此外，该耦合装置70或各个待与之相连的主体30提供了密封装置，用来实现液密的连接。

大功率半导体模块2设置在这两个结构上。在此只示意性地示出了这些大功率半导体模块2中的一个。

图4在俯视图中示出了按本发明的第二种冷却系统。该冷却系统也具有两个结构，它们借助其第二侧面303(参照图1)相互镜像对称地设置并且借助额外的连接装置彼此连接。该连接装置具有辅助体80以及两个耦合装置70，该辅助体与主体30类似地构造。该辅助体与主体相同，但当然不具有流体接口和连接通道。通过把结构3与辅助体80的主体30以及其它结构3排成一列，又与主体30排成一列，在一定程度上产生了连接在一起的冷却通道，它们直线地延伸穿过冷却系统10。

大功率半导体模块2设置该主体30和辅助体80上。在此只示意性地示出了这些大功率半导体模块2中的一个。

图5在从所属的主体的纵面看的横截面中示出了按本发明的结构的侧面元件。在此可看到朝向主体的所属的侧面302敞开的凹槽，该凹槽在朝向主体30的结构中形成连接空间420(参照图1)。该凹槽构成为U形，并且具有第三横截面。

图6在主体的第一侧面的视图中示出了按本发明的第一种结构，其具有冷却装置的主体30以及大功率半导体模块2。大功率半导体模块在此示意性地示出为具有壳体22、大功率半导体构件20、电绝缘且导热的基体26和接口装置24。

图6还示出了冷却通道32，与圆形构造相比，它们在此具有扩大了表面的、星状的构造。原则上总是努力使冷却通道这样构成，即尽量有效地使热量从冷却体材料转换到冷却介质上。冷却通道的构造方案(尤其是常规的构造方案)的变形方式不是本发明的主题。

冷却通道32分别具有统一的第三宽度320和相互等距离的间距322，该间距在此约为第三宽度的0.5倍。

第一入口38在此与相邻的冷却通道32具间距34，该间距是冷却通道相互间的间距322的2倍。

图7在主体的第一纵面304的视图中示出了按本发明的第一种结构1。还示意性地示出了大功率半导体模块、第一流体接口34以及连接到它上面的具有第一宽度362的第一连接通道36(参见图1)。流体接口34与所属的第一侧面302的间距340在此是第一连接通道的第一宽度362的2.5倍。

Claims (15)

1.一种具有大功率半导体模块(2)和冷却装置(3)的结构(1)，其中，该冷却装置(3)构成为具有方形的主体(30)和第一侧边元件(40)的流体冷却装置，该主体具有相互平行设置的第一主面和第二主面(300、301)、第一侧面和第二侧面(302、303)以及第一纵面和第二纵面(304、305)，其中，该大功率半导体模块(2)设置在该第一主面(300)上并与该主体(30)导热连接，其中，多个冷却通道(32)从该第一侧面(302)朝向该第二侧面(303)延伸穿过该主体(30)，该第一侧边元件(40)紧密地贴靠在该主体(30)的第一侧面(302)上并且具有面向该第一侧面(302)的凹槽(42)，该冷却通道(32)连通到该凹槽中并且该凹槽构成用于该冷却通道(32)的连接空间，其中，该主体(30)在该第一纵面(304)上具有第一流体接口(34)，其中，该第一流体接口(34)过渡到第一连接通道(36)，该第一连接通道以在30°到75°之间的第一角度(α)在该第一侧面(302)上排出并且在第一入口(38)连通到第一连接空间(420)。

2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一连接通道(36)在所述第一流体接口(34)的过渡部具有第一宽度(362)和第一横截面，并且在所述第一连接空间(420)的第一入口(38)上具有第二宽度(372)和第二横截面，其中，所述第二横截面具有第一横截面的75％至125％的面积。

3.根据权利要求2所述的结构，其中，所述第一横截面、第二横截面或两个横截面均构成为圆形。

4.根据权利要求2所述的结构，其中，所述第一流体接口(34)与所述第一侧面(302)具有间距(340)，该间距在所述第一宽度(362)的0.5至5倍之间。

5.根据上述权利要求中任一项所述的结构，其中，所述第一连接通道(36)具有直的、垂直于第一纵面(304)的第一通道部段(360)和直的第二通道部段(370)，该第二通道部段以第一角度(α)从该第一侧面(302)连通到所述第一连接空间(420)中，并且，该第一和第二通道部段(360、370)具有过渡区域(364)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的结构，其中，所述冷却通道(32)具有第三宽度(320)和相互等距离的间距(322)，该间距是该第三宽度的0.2至3倍。

7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述第一入口(38)与相邻的冷却通道(32)具有间距(324)，该间距是冷却通道相互间的间距(322)的0.5至5倍。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的结构，其中，所述第一侧边元件(40)的凹槽(42)具有U形的第三横截面。

9.根据权利要求8所述的结构，其中，所述第三横截面具有在长度上恒定的面积并且从从属于第一入口的侧面持续或非持续地减小。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的结构，其中，所述主体(30)关于其中间平面(9)对称地构造并具有第二流体接口(54)，其中，该第二流体接口(54)过渡到第二连接通道(56)中，该第二连接通道以在30°和75°之间的第二角度在第二侧面(303)上排出并且在第二入口连通到第二侧边元件(60)的第二连接空间。

11.根据权利要求10所述的结构，其中，所述第一和第二流体接口(34、56)在所述主体(30)的纵向方向上并排地设置。

12.一种冷却系统(10)，其具有两个根据权利要求1至9中任一项所述的结构，其中，

这两个结构借助各自的第二侧面(303)相互平行且镜像对称地设置，并且借助额外的连接装置彼此连接。

13.根据权利要求12所述的冷却系统，其中，所述连接装置是耦合装置(70)，该耦合装置使所述两个结构的所属的相互对齐的冷却通道(32)分别相互连接。

14.一种用来制造具有大功率半导体模块(2)和冷却装置(3)的结构的方法，其中该冷却装置(3)构成为流体冷却装置，该方法的特征在于以下主要的方法步骤：

a)由铝或铝合金挤压制造主体，其中，在此只构成冷却通道(32)；

b)形成第一和第二通道部段(360、370)，方式是从主体(30)的第一纵面(304)垂直地引入第一通道部段(360)，并且其中，所述第二通道部段(370)由第一侧面(302)以在30°和75°之间的第一角度(α)引入；

c)设置侧边元件(40)和大功率半导体模块(2)。

15.按权利要求14所述的方法，其中，所述第一和第二通道部段(360、370)分别借助切削方法引入。