专利名称：具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术，尤其涉及大功率电力电子器件的集成技术，具体为具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板。
背景技术：
电力电子技术是电力、电子、控制交叉而成的学科，电力电子装置的复杂性与其应用的广泛性之间的矛盾越来越尖锐，成为电能利用技术进步的瓶颈。集成电路将电子设计中最主要的难点和绝大部分工作量封装在 集成芯片内部，大大降低了装置的设计、制造和维护难度。集成电路的诞生是微电子技术发展历史上一件具有战略意义的事件。借鉴微电子技术的历史经验，电力电子技术也可以借助“集成”思想，将电力电子装置设计过程中所遇到的元器件、电路、控制、电磁、材料、传热等方面的技术难点问题和主要设计工作解决在集成模块内部，以便简化应用系统的设计，使其成为从事不同行业、具备基本电气技术专业技能的工程师所能驾驭的有力工具[1]。电力电子集成技术的核心是研制多品种、多规格的电力电子集成模块(Integrated Power Electronics Module, IPEM)。概念化的 IPEM 是一个三维结构的模块，它拥有很高的功率密度和优良的电气性能，集成了主电路、驱动和控制电路、传感器以及磁元件等无源元件。同时，这样一个模块是可以被自动化制造和生产的，其成本因而大大降低。但是，在目前的技术条件下，要实现这样一个完全集成的电力电子模块是非常困难的，所以学术界将IPEM分为有源IPEM和无源IPEM两种，分别进行研究。有源IPEM主要实现功率器件、驱动控制电路和传感器等部件的集成；无源IPEM主要实现磁元件、电容器等无源元件的集成。有源IPEM又可以分为单片集成模块与混合集成模块。单片集成模块，指采用半导体集成电路的加工方法将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路制作在同一硅片上，体现了单片系统的概念。这种集成方式的集成度最高，适合大批量、自动化制造，可以非常有效地降低成本，减小体积和重量，但面临高压、大电流的主电路元件和其它低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热问题。因此单片集成难度很大。混合集成模块采用封装的技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可比较有效地减小体积和重量，是电力电子集成的主流方式[2][3]。但目前尚存在分布参数、电磁兼容、高效散热等具有较高难度的技术问题。集成化是电力电子技术最主要的发展方向。无论是有源IPEM还是无源IPEM，也无论是单片集成模块还是混合集成模块，它们都是用来处理能量的，其功耗远远高于用于信息处理的集成电路。KP500型晶闸管，当其通态平均电流为500A、导通角为120电角度时，耗散功率可达1200W。一般是将2只、4只或6只功率器件集成为一个模块。集成化后，功率损耗的体积密度急剧加大，由功耗导致的发热、温升问题异常突出，直接关系到模块的可靠运行。半导体器件的许多性能参数随温度升高而恶化，例如PN结的反向电流随温度升高按指数规律增大，双极性器件的关断时间随温度升高而延长，转折电压会随温度升高而降低。当半导体器件的功耗超过其临界值时就会造成热不稳定和热击穿。对于功率半导体芯片，最高允许温度可达150°C ;驱动、保护电路由各种集成电路组成，商用集成电路允许温度为70°C，工业用集成电路允许温度为85°C。由于在IPEM中功率电路距离驱动保护电路非常近，功率电路向驱动保护电路的传热就会直接影响到驱动保护电路的正常工作。若功率电路尚未达其工作温度上限时驱动保护电路就已达到其工作温度上限，就必须限制功率电路的工作温度上限，保证所有器件都不超过其自身的工作温度上限。热控制是各类电力电子集成模块都必须面临的共性关键技术之一对于分立电力电子器件，常用的冷却方式有自然对流冷却、强迫空气冷却、循环水冷却、流水冷却、循环油冷却、油浸自冷却、热管散热器冷却等。中国发明专利申请200910075814. 0给出了一种用于变流器功率模块的双面水冷散热基板；中国授权专利200710035082. 3给出了一种改善大功率热管散热器和发热元件接触热阻的方法；中国发明专利申请201010258174. X给出了一种具有错列冷却剂通道的功率模块组件。国内外有关学者对电力电子集成技术中的热控制问题已经展开了积极、深入地研究。余小玲、曾翔君等给出了一种混合封装电力电子集成模块的具体设计并重点研究了功率电路对驱动保护电路传热影响[4]。该模块主要由功率电路和驱动保护电路构成。功率电路焊接在敷铜陶瓷板(Direct Bonded Copper, DBC)上，DBC又焊接在铜基板上。功率电路上覆盖4. 8mm厚的娃凝胶,在娃凝胶上直接放置一块印刷电路板(Printed CircuitBoard, PCB)来承载驱动保护电路。模块四周加以塑料封壳。功率电路产生的热量大部分通过安装在铜基板底部的散热器以自然对流和辐射的方式散出，另一小部分通过PCB的上表面散出。采用有限元分析软件为混合封装电力电子集成模块建立了正确的热模型，在不同的功率电路发热量及不同的铜基板底面散热条件下，根据该模型可预测功率器件和驱动保护电路PCB上的最高温度。作者的分析结果说明，功率器件到模块内铜基板底面间的热阻为0. 450C /W，驱动保护电路PCB受功率电路的传热影响显著，在自然对流散热的情况下，功率器件的温度达到85°C左右时，PCB上的最高温度已接近70°C，此时功率器件的发热量为45W。熊建国等针对高热流密度负荷下大功率电力电子设备散热冷却，以带有微槽道强化传热面的小型重力型平板热管蒸发器为研究对象，以水-氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体为工质，在不同运行压力和不同纳米流体浓度下对平板热管蒸发器的沸腾换热特性以及临界热通量进行了实验研究[5]。Timothy J等给出了一种利用热管技术对IPEM进行冷却的技术方案[6]。T. Tilford, Seung-Yo Lee等分别利用有限元方法对有源、无源IPEM的热应力及其对模块性能的影响进行了分析[7][8]。Dustin A等利用外部可测温度估计电力电子模块功率器件结温、通过功率器件开关频率和工作电流的控制对功率器件结温实施主动控制。C. M. Johnson、Przemyslaw R、Skandakumaran P 等学者也对 IPEM 液体冷却方案进行了定量分析与设计[1°][11]。液体冷却方案属于有源热沉，通过某种高热导率媒质(如去离子水、液氮等)及时将器件产生的热量从热沉中带走，使热沉尽可能的工作在亚热饱和状态下，以维持热沉表面温度近似恒定，其热阻远小于无源热沉热阻。液冷系统的性能取决于散热通道的几何尺寸、冷却液在通道的流速、散热翅的表面积、冷却风速等因素，优化以上因素可提高系统的散热性能。由于通道狭窄，微通道散热器比通常的散热器有极高的散热性能。一般有源热沉的热阻大约是无源热沉热阻的几十甚至上百分之一，而微通道热沉热阻是无源热沉热阻的1/50-1/200，因此受到国内外学者的广泛关注。邵宝东等基于热阻网络模型，以热阻和压降作为目标函数建立了微槽冷却热沉的多目标优化模型，采用序列二次规划方法对微槽的结构尺寸进行了优化设计。对于冷却长、宽各为6mm、功耗为100W的芯片的热沉，优化后微槽宽度和高度分别为120 ii m和815 u m,相应总热阻为0. 413K/W。对优化后的微槽冷却热沉采用计算流体动力学(CFD)方法进行了数值模拟。模拟结果与热阻网络模型预测的结果吻合得很好[12]。Curamik Electronics公司公开了一种液冷DBC微通道基板结构[13],采用AIN陶瓷和微通道结构组合而成的冷却器，其与芯片的热阻< 0. 03K/W，散热量可达2kW/inch2。J. Li等许多学者对微通道热沉的设计、特性、仿真、实验、测量、优化进行了深入研究-[26]
O 中国发明专利申请201010589169. 7给出了一种直接衬底冷却的功率电子衬底；中国发明专利申请201110045932. 4给出了一种功率模块用基板及其制造方法、自带散热 器的该基板及功率模块；中国发明专利申请201010285379. 7给出了一种用于制造电路基板组件及功率模块的方法；中国发明专利申请201110085813. I给出了一种线路板和散热器高效整合的大功率基板及其制作方法。参考文献[I]王兆安，杨旭，王晓宝.电力电子集成技术的现状及发展方向[J].电力电子技术，2003 (5)，90-94[2]顾亦磊，汤建新，吕征宇，钱照明.电力电子系统集成技术发展的若干新思路[J].电力电子技术，2005 (6)，141-144[3]胡磊，何湘宁.基于仿生学的电力电子系统分散自治控制[J].中国电机工程学报，2005 (17)，21-26[4]余小玲，曾翔君，杨旭，冯全科.混合封装电力电子集成模块内的传热研究[J].西安交通大学学报，2004 (3)，258-261[5]熊建国，刘振华.平板热管微槽道传热面上纳米流体沸腾换热特性[J].中国电机工程学报，2005 (23)，105-109[6] Timothy J. Martens, Gregory F. Nellis. Double-Sided IPEM CoolingUsing Miniature Heat Pipes, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGINGTECHNOLOGIES, VOL. 28，NO.4，2005，852-861[7] T. Tilford, H. Lu and C. Bailey. Thermo-mechanical Modelling ofPower Electronics Module Structures, 2006 Electronics Packaging TechnologyConference. p214_219[8]Seung-Yo Lee, Willem Gerha rdus Odendaal, Jacobus Daniel van ffyk.Thermo-Mechanical Stress Analysis for an Integrated Passive Resonant Module,IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，VOL. 40，NO. I，2004，p94_102[9]Dustin A. Murdock,Jose E Ramos Torres.Active Thermal Control of PowerElectronic Modules, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.42，NO. 2，2006，p552-558[10]C. M. Johnson,C. Buttay. Compact Double-Side Liquid-Impingement-CooledIntegrated Power Electronic Module， Proceedings of the 19th InternationalSymposium on Power Semiconductor Devices & ICs May 27—30，2007 Jeju，Korea，p53_56[ll]Przemyslaw R. Kaczorowski. Multi-Objective Design of Liquid CooledPower Electronic Modules for Transient Operation，19th IEEE SEMI-THERMSymposium,215-222[12]邵宝东，孙兆伟，王丽风.热阻网络模型在微槽冷却热沉优化设计中的应用[J].吉林大学学报(工学版)，2007 (6) ,1263-1267[13]宗朝晖.现代电力电子的冷却技术[J].变流技术与电力牵引，2007 (4)，6-12[14]Skandakumaran P，Ortega A，Jamal-Eddine T，etal. Multi-Layered SiC microchanne heat sinks-modeling and experiment[C]，2004 Inter Society Conferenceon Thermal Phenomena[15]J.Li a, G.P.Peterson. 3-Dimensional numerical optimization ofsilicon-based high performance pa rallel microchannel heat sink with liquidflow, International Journal of Heat and Mass Transfer50(2007) 2895-2904[16] Re 1 mi Revellin，John R. Thome. A theoretical model for theprediction of the critical heat flux in heated microchannels, InternationalJournal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 1216-1225[17]K. Vafai^,A. -R. A. Khaled. Analysis of flexible microchannel heat sinksystems, International Journal of Heat and Mass Transfer 48(2005) 1739-1746[18]Devdatta P. Kulkarni' Debendra K.Das. Analytical and numericalstudies on microscale heat sinks for electronic applications， Applied ThermalEngineering 25(2005)2432-2449[19]Dong-Kwon Kim,Sung Jin Kim. Averaging approach for microchannel heatsinks subject to the uniform wall temperature condition, International Journalof Heat and Mass Transfer 49(2006)695-706 [20]Y.S.Muzychka. Constructal design of forced convection cooledmicrochannel heat sinks and heat exchangers, International Journal of Heat andMass Transfer 48(2005)3119-3127[21]Zhigang Li，Xiulan Huai. Effects of thermal property variations onthe liquid flow and heat transfer in microchannel heat sinks， Applied ThermalEngineering 27(2007)2803-2814[22]H.Abbassi. Entropy generation analysis in a uniformly heatedmicrochannel heat sink, Energy32(2007) 1932-1947[23]Chien-Hsin Chen. Forced convection heat transfer in microchannelheat sinks，International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007)2182-2189[24]Vishal Singhal, Suresh V. Garimella. Induction electrohyd rodynamicsmicropump for high heat flux cooling，Sensors and Actuators A 134(2007)650-659[25]Leszek Wojtan, Re f mi Revellin, John R. Thome. Investigation ofsaturated critical heat flux in a single uniformly heated microchannel，Experimental Thermal and Fluid Science 30 (2006)765-774[26]Tailian Chen, Suresh V. Garimella.Measu rements and high-speedvisualizations of flow boiling of a dielectric fluid in a silicon microchannelheat sink, International Journal of Multiphase Flow 32(2006)957-97
发明内容
本发明的目的就是提供一种具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板。相对于矩形微小通道而言，它进一步提高了换热效率，而且大大缓解了微小通道易堵塞这一实际应用中的主要问题。同时，它在生产成本方面并没有明显增高。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板，它包括两块上下侧面均敷铜的导热绝缘板、被这两块导热绝缘板夹在中间的液体冷却通道和导热材料或非导热材料填充区域。所述液体冷却通道为一个腔体，在腔体内设置有形成莫尔条纹效应的肋片阵列，将腔体的空间分割为多个莫尔通道，从而形成莫尔通道网络；在与所述液体冷却通道对应的导热绝缘板区域集中布置电力电子器件群，在与所述导热材料或非导热材料填充区域对应的导热绝缘板区域，亦即电力电子器件群的相邻区域布置微电子器件群。所述肋片阵列以沿流体流动方向为行、以垂直于流体流动方向为列，共有p行和q列；除腔体左右两侧的肋片一端与上壁或下壁连接，另一端与腔体左壁或右壁接触外，其余各肋片的两端均与上壁和下壁连接；在肋片阵列中，单数行或双数行肋片左斜，倾角大小为a/2，相邻的双数行或单数行肋片右斜，倾角大小为a/2，相邻两行肋片的夹角为a ；各行、各列肋片之间留有缝隙，彼此之间不接触，这些缝隙组成的微小通道共同形成莫尔通道。所述各肋片在流体流动方向的尺寸为肋长、以垂直两块导热敷铜板方向的尺寸为肋高、以与肋高和肋长都垂直的方向为肋厚，则肋高大于肋长，肋长大于肋厚，肋高为肋厚的15至30倍，同列相邻肋片的肋间距为肋厚的0. 6至I. 2倍。所述夹角a大小按在与流体流动方向相垂直的截面上，所形成的莫尔条纹上半部分与下半部分对称、莫尔条纹周期数为整数的原则确定。微通道散热器具有良好散热效果，但长、直、窄的矩形微通道容易阻塞。这是影响其推广应用的主要技术问题。本发明在光学中的莫尔条纹原理的启发下，通过形成一种不妨称之为“莫尔通道”的微小通道，进一步增强散热效果，同时缓解阻塞问题。莫尔条纹是一种光学现象。在长方形的光学玻璃上，平行、均匀、细密的刻画若干不透明的刻线，将两块这样的光学玻璃叠放在一起，并使它们的刻线之间保持很小的夹角a，用光照射之，则在与刻线近乎垂直的方向上得到明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，如附图2所示。设刻线本身宽度为a，刻线之间的距离为b，w = a+b，称之为一个刻线周期；两条
相邻的莫尔条纹最暗处或最亮处之间的距离为Bh，则有A = 2sin; 5a)，称之为一个莫尔条
纹周期。当a较小时，BhS远大于w，有放大作用；当两块光学玻璃之间发生横向相对位移时，莫尔条纹将发生垂直方向的移动。两块光学玻璃之间在水平方向相对位移I个W，莫尔条纹将在垂直方向移动I个Bh。
以透明材料制作试验件，在该试验件内设置类似上述两块光学玻璃刻线那样的隔栅，并通入含有示踪物质的流体，发现沿流向在隔栅背后也会出现莫尔条纹，在横断面上流速分布发生变化；当放入多个隔栅后，即出现剧烈的湍流，特别是会出现对试验件内壁的法向冲击。由此，提出设想科学、合理的利用这一现象，有可能强化换热。为此，本发明所述的电力电子集成模块的微小通道液冷基板主要针对混合集成模块，它为三明治结构，如附图I所示。它包括两块导热绝缘板，导热绝缘板为陶瓷板，各导热绝缘板的上下侧面分别敷有外敷铜层和内敷铜层，称为敷铜陶瓷板(DBC板)。两块敷铜陶瓷板之间包括由导热材料所形成的上、下、左、右四壁封闭，前、后两端开□的腔体。腔体用作冷却液体的流动通道，它包括肋片所形成的具有特殊结构的肋片阵列，该肋片阵列在腔体中形成了由若干微小通道所组成的具有特殊结构的通道阵列。两块敷铜陶瓷板的外敷铜层用于焊接构成电力电子集成模块所需的多个电子器件。但在布置这些电子器件时，要区别对待用于能量控制的电力电子器件和对电力电子器件进行驱动、保护、测量、控制的微电子器件，因为二者的功耗有本质区别。电力电子器件功耗高，微电子器件功耗低。相对于电力电子器件，微电子器件的功耗几乎可以忽略不计。因此在两块DBC板的外敷铜层上，沿流体流动方向集中布置电力电子器件，形成电力电子器件群；同时，将微电子器件布置在相应电力电子器件的一侧或两侧，形成微电子器件群。被集中布置在上DBC板和下DBC板上的两电力电子器件群在垂直方向上几何位置对称；相应的，被集中布置在上DBC板和下DBC板的微电子器件群在垂直方向上几何位置也对称。只在电力电子器件群所占区域布置液体冷却通道，即腔体。如此，可在流体通道宽度相同的前提下，将流体通道长度缩小约50%。相应的，通道的压力损失也降低了约50%。微电子器件群之间的区域可利用导热材料或非导热材料填充。流体直接冷却高功耗的电力电子器件群，通过DBC的热传导作用间接冷却低功耗的微电子器件群。本发明所述的能够形成莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板的肋片阵列由设置在附图I腔体内的P行q列肋片组成，不妨假设流体入口处为第一行肋片，流体出口处为第P行肋片，靠近左壁肋片为第一列，靠近右壁肋片为第q列。任意单数行肋片结构如附图3、图3a所示，上图为任意单数行肋片的主视图，下图为部分单数行肋片的俯视图(隐去双数行)。双数行肋片结构如附图4、图4a所示，上图为任意双数行肋片的主视图，下图为部分双数行肋片的俯视图(隐去单数行)。显然，如果设单数行肋片倾角为a/2，则双数行肋片倾角为-a/2。一对单数行肋片、双数行肋片合为一体后的主视图，如附图5所示。具有类似莫尔条纹效应的微小通道由此形成，不妨称其为莫尔通道。合理设计莫尔通道，可形成有利于传热的湍流。肋片所用材料为导热材料，所有肋片在高度方向上皆尽可能“顶天立地”，亦即各肋片的两端分别与腔体的上壁、下壁接触并焊接为一体；沿流体流动方向，各行肋片之间留有缝隙，亦即各单数行肋片与其相邻的双数行肋片之间不接触。莫尔通道沿流体流动方向由多段组成，相比在整个基板上布置长、直矩形结构的微小通道，每个莫尔通道长度缩短至基板长度的1/P。将长通道分解多段短通道，阻塞问题得到较大缓解。同时，流体形成湍流， 也有利于缓解阻塞问题。而且，通过各行肋片之间的缝隙，形成四通八达的通道网，进一步缓解阻塞问题。由于肋片的倾斜，靠近左壁的第一列或靠近右壁的第q列，肋片顶部或许无法“顶天”，这无关大局，使其顶部最大可能的接近左壁或右壁、达到最高高度即可。a角度的大小，按在与流体流动方向相垂直的截面上，所形成的莫尔条纹上半部分与下半部分对称、莫尔条纹的周期数为整数的原则确定。肋片阵列的构成还可采用上下两层肋片阵列、上下对称、肋片中间部位设有缝隙的方式，与上壁相连接的上层肋片阵列和与下壁相连接的下层肋片阵列各有P行和q列，每个肋片的一端要么与上壁连接、要么与下壁连接，另一端悬空 且位于腔体高度方向的中间区域，各肋片悬空端不接触，上层肋片与下层肋片在腔体中间部位存在一个缝隙；在上层肋片阵列和下层肋片阵列中，单数行或双数行肋片左斜，倾角大小为a /2，相邻的双数行或单数行肋片右斜，倾角大小为a/2，相邻两行肋片的夹角为a ;各行、各列肋片之间留有缝隙，彼此之间不接触，这些缝隙组成的微小通道共同形成莫尔通道。a角度的大小，按在与流体流动方向相垂直的截面上，所形成的莫尔条纹上半部分与下半部分对称、上半部分莫尔条纹和下半部分莫尔条纹的周期数都为某整数加0. 5的原则确定。本发明的有益效果是相比长、直、窄的矩形微通道，换热效率高，不易阻塞微通道。
图I为本发明的结构示意图；图2为莫尔条纹示意图；图3为任意单数行肋片的主视图；图3a为部分单数行肋片的俯视图(隐去双数行)；图4为任意双数行肋片的主视图；图4a为部分双数行肋片的俯视图(隐去单数行)；图5为一对单数行肋片、双数行肋片合为一体后的主视图；图6为上肋片板正面视图；图6a为上肋片板俯视图；图6b为上肋片板侧视图；图7为下肋片板正面视图；图7a为下肋片板俯视图；图7b为下肋片板侧视图。其中，I.电力电子器件群，2.微电子器件群，3.外敷铜层，4.导热绝缘板，5.内敷铜层，6.腔体，7.微小通道，8.肋片，9.填充区域。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。实施例I :在本实施例中，液冷通道由左壁、右壁、上壁(附图6)、下壁(附图7)组成，上壁与上导热绝缘板4的内敷铜层5焊接为一体，下壁与下导热绝缘板4的内敷铜层5焊接为一体。在与该焊接面相对应的导热绝缘板4外敷铜层3上布置电力电子器件群1，相邻区域布置微电子器件群2，区域9内填充导热材料或非导热材料。上、下壁上各有q列肋片8，与整个肋片阵列的肋片列数相同；上壁和下壁的肋片8行数分别为p/2，是整个肋片阵列总行数的50%且沿流向均匀布置；相邻两列肋片8间有缝隙S2、S2'，相邻两行肋片8之间也有缝隙，这些缝隙构成了四通八达的流体通道。如以平行于肋片底面的平面为x_y平面，则同处于上壁或下壁的肋片8倾角相同，上、下壁上的肋片相对于x-y平面分别存在倾角a/2、-a/2，即上、下壁肋片倾角绝对值相同、方向相反；上、下壁及其所带肋片8的几何尺寸相同，亦即上壁和下壁长度、宽度相同，L = L'，N = N';肋片8厚度相同，S1 = S' 1；相邻列肋片8缝隙相同，S2 = S' 2;肋片8长度相同，m = m';肋片8高度相同，h = h'；上、下壁肋片行距相同，n = n'，n略大于m;左壁、右壁、上壁、下壁合为一体，即构成微通道液冷基板。上壁和下壁每个相邻肋片行组成一个“成对肋片行”，相邻两行肋片夹角为a，形成莫尔条纹效应；相邻“成对肋片行”相对应的肋片之间各列X方向坐标可有所差异(但小于一个肋片、缝宽度之和)，导致相邻“成对肋片行”形成的莫尔条纹具体位置也不相同，从而加剧湍流。实施例I的一种具体加工方法电火花线切割加工、电火花成形加工是利用工具电极和工件电极之间的脉冲性火花放电产生高温、使工件材料熔化和汽化进行加工的，其优势在于加工中没有宏观作用力，且可加工高硬度的导电材料，加工尺度可小至30微米，加工精度高，表面粗糙度可达到微米级，它不需要三维掩模版。上述微小通道结构设计可以采用微细电火花线切割方法进行加工，也可采用电火花成形方法进行加工。当采用电火花成形方法加工时，首先用电火花线切割方法或其他加工方法制作工具电极，工具电极和加工目标在几何结构上“凹凸互补”，即加工目标上的“凸”对应于工具电极上的“凹”，肋片板上的肋片对应于工具电极上的缝隙，肋片板上的缝隙对应于工具电极上的“肋片”，工具电极上的肋片相对其底面垂直。实际加工时，通过工件电极倾斜a /2，以便获得肋片板上的斜肋片。上壁、下壁可各通过一次电火花成形获得。按实施例I获得的一个具体结构为电力电子器件群I和微电子器件群2所占区域几何尺寸皆为IOmmX 100mm,相应的DBC板平面尺寸为20mmX 100mm ；DBC板覆铜层厚度0. 2mm,覆铜层焊料厚度0. Imm,导热绝缘板4为AI2O3导热绝缘层厚度为0. 4mm,上壁或下壁底面厚度为0. 3_，导热绝缘板4的两覆铜层与上壁或下壁焊接层厚度为0. 1_，微小通道高度为2. 8mm,宽度为10mm，占导热绝缘板4的20mm宽度的一半，其另一半设置微电子器件群2。所形成的整个导热绝缘板4外形尺寸为20mmX IOOmmX 5. 6mm。整个流体通道布置100行49列肋片，上、下壁各设置50行49列。上壁的肋片8左斜4. 7度，下壁的肋片8右斜4. 7度。各肋片8沿流体流动方向长度为0.9mm，厚度0. 1mm。上、下壁合成一体后，任意两列肋片8之间的缝隙、任意两行肋片8之间的缝隙，都是0. 1_，构成莫尔通道网络。肋片8高度以与上壁和下壁都接触为原则，除边缘列肋片外，皆为2. 8mm/cos0. 5 a。边缘列肋片8以接触左壁或右壁为原则。流体通道左壁、右壁厚度为0. 5_。
实施例I上述具体结构的试验结果为在电力电子器件群I区域上、下各900W均匀功耗，微电子器件群2区域上、下各IOW均匀功耗，冷却流体流量0. 02L/s、入口温度40 °C时，出口温度为51. 2°C，电力电子器件群I平均体温为125°C、最高体温为134°C，微电子器件群2平均体温63°C、最高体温69°C，入口、出口压差为36KPa。与实施例I上述具体结构相对应的矩形结构肋片试验结果为电力电子器件平均温度为139°C、最高温度为151°C，微电子器件平均体温71.5°C、最高体温80. 5°C，入口、出口压差为22KPa。相比矩形肋片，实施例I上述具体结构换热效率有明显增加，同时压力损失也有所增加。而且，它较长、直、窄的矩形肋片更不易阻塞。实施例2 在本实施例中，液冷通道左壁、右壁、上壁、下壁构成，上壁与上导热绝缘板4的内敷铜层5焊接为一体，下壁与下导热绝缘板4的内敷铜层5焊接为一体。与该焊接面相对的导热绝缘板4上外敷铜层3布置电力电子器件群1，电力电子器件群I的相邻区域布置微电子器件群2，微电子器件群所对应的区域9内填充导热材料或非导热材料。上壁、下壁几何结构、参数都相同，肋片阵列为P行q列。肋片阵列每行都是由横向均匀排列的肋片8、缝构成。如以平行于肋片8底面的平面为x-y 平面，则无论上壁还是下壁，其单数行肋片、双数行肋片相对于x-y平面分别存在倾角a/2、-a/2。上、下壁合为一体，肋片8高度以不发生冲突为原则确定，略小于整个腔体6高度的50%，即当上、下壁相合时，配合左、右壁，形成具有入、出口的封闭流体通道，每行肋片8与其相邻行构成“成对肋片行”，相邻两行肋片8夹角为a，形成类似莫尔条纹效应；相邻两个“成对肋片行”各肋片在列方向上的坐标可有所差异(但小于一个肋、缝宽度之和)，导致它们形成的莫尔条纹具体位置也不相同，从而加剧湍流。实施例2的一种具体加工方法为首先用电火花线切割方法或其他加工方法制作工具电极，但工具电极仅与待加工肋片板单数行或双数行“凹凸互补”，工具电极肋片的行数仅为肋片板肋片行数的50%。相应的，工具电极的行距为肋片板行距的2倍，两行肋片之间的材料被清除。而且，工具电极的肋片相对其底面垂直。实际进行电火花成形加工时，工件电极首先倾斜a/2，加工单数行肋片；单数行肋片加工完毕后，工件电极相对工具电极位移一个行距，同时工件电极由倾斜a /2改变为倾斜- a /2，进行双数行肋片的加工。通过两次电火花成形过程，得到一块带有肋片的上壁或下壁，其单数行倾斜a /2、双数行倾斜-a /2。按实施例2获得的一个具体结构为电力电子器件群I和微电子器件群2所占区域几何尺寸皆为IOmmX 100mm,相应的导热绝缘板4平面尺寸为20mmX IOOmm ;导热绝缘板4覆铜层厚度0. 2mm,覆铜层焊料厚度0. Imm,导热绝缘板4为AI2O3导热绝缘层厚度为0. 4mm,上壁或下壁底面厚度为0. 3mm,导热绝缘板4内覆铜层5与上壁或下壁焊接层厚度为0. 1mm，微小通道高度为2. 8mm,宽度为10臟，占导热绝缘板4的20mm宽度的一侧，其另一半设置微电子器件群2。所形成的整个导热绝缘板4外形尺寸为20mmX IOOmmX5. 6mm。上、下壁各设置100行49列肋片。单数行肋片左斜4. 7度，双数行肋片右斜4. 7度。各肋片沿流体流动方向长度为0. 9mm，厚度0. 1mm，无论是沿流体流动的长度方向还是垂直流体流动的厚度方向，各肋片与相邻肋片之间都有0. Imm的缝隙，构成微小流体通路。肋片高度以上、下板肋片不发生冲突为原则，除边缘列肋片外，皆为2. 8mm/cos0. 5 a。边缘列肋片以接触左壁或右壁为原则。流体通道左壁、右壁厚度为0. 5_。实施例2上述具体结果试验结果为在电力电子器件区域上、下各900W均匀功耗，微电子区域上、下各IOW均匀功耗，冷却流体流量0. 02L/S、入口温度40°C时，出口温度为51. 2°C，电力电子器件平均体温为123.5°C、最高体温为133. 5°C，微电子器件平均体温65. 5°C、最高体温71. 5°C，入口、出口压差为35KPa。与上述矩形肋片试验件对比，本具体实施结构换热效率有明显增加，同时压力损失也有所增加。而且，它较长、直、窄的矩形肋片更不易阻塞。与实施例2上述具体结构相对应的矩形结构肋片试验结果为电力电子器件平均温度为139°C、最高温度为151°C，微电子器件平均体温71.5°C、最高体温80. 5°C，入口、出口压差为22KPa。相比矩形肋片，实施例2上述具体结构换热效率有明显增加，同时压力损 失也有所增加。而且，它较长、直、窄的矩形肋片更不易阻塞。
权利要求
1.一种具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板，其特征是，它包括两块上下侧面均敷铜的导热绝缘板和被这两块导热绝缘板夹在中间的液体冷却通道以及导热材料或非导热材料填充区域，其特征是，所述液体冷却通道为一个腔体，在腔体内设有形成莫尔条纹效应的肋片阵列，将腔体的空间分割为多个莫尔通道，从而形成莫尔通道网络；与所述液体冷却通道对应的导热绝缘板区域集中布置电力电子器件群，与所述导热材料或非导热材料填充区域对应的导热绝缘板区域布置微电子器件群。
2.如权利要求I所述的具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板，其特征是，所述肋片阵列以沿流体流动方向为行、以垂直于流体流动方向为列，共有P行和q列；除腔体左右两侧的肋片一端与上壁或下壁连接、另一端与腔体左壁或右壁接触外，其余各肋片的两端均与上壁和下壁连接；在肋片阵列中，单数行或双数行肋片左斜，倾角大小为〃/2，相邻的双数行或单数行肋片右斜，倾角大小为〃/2，相邻两行肋片的夹角为a ；各行、各列肋片之间留有缝隙，彼此之间不接触，这些缝隙组成的微小通道共同形成莫尔通道。
3.如权利要求I所述的具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板，其特征是，所述肋片阵列的构成还采用上下两层肋片阵列、上下对称、肋片中间部位设有缝隙的方式，即与上壁相连接的上层肋片阵列和与下壁相连接的下层肋片阵列各有P行和q列，每个肋片的一端要么与上壁连接、要么与下壁连接，另一端悬空且位于腔体高度方向的中间区域，各肋片悬空端不接触，上层肋片与下层肋片在腔体中间部位存在一个缝隙；在上层肋片阵列和下层肋片阵列中，单数行或双数行肋片左斜，倾角大小为a /2，相邻的双数行或单数行肋片右斜，倾角大小为〃/2，相邻两行肋片的夹角为a ;各行、各列肋片之间留有缝隙，彼此之间不接触，这些缝隙组成的微小通道共同形成莫尔通道网络。
4.如权利要求I或2所述的具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板，其特征是，所述各肋片在流体流动方向的尺寸为肋长、以垂直两块导热敷铜板方向的尺寸为肋高、以与肋高和肋长都垂直的方向为肋厚，则肋高大于肋长，肋长大于肋厚，肋高为肋厚的15至30倍，肋间距为肋厚的0. 6至I. 2倍。
5.如权利要求I或2所述的具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板，其特征是，所述夹角a大小按在与流体入口相平行的截面上，所形成的莫尔条纹上半部分与下半部分对称、莫尔条纹周期总数为整数的原则确定。
全文摘要
本发明公开了一种具有莫尔条纹效应的电力电子集成模块微小通道液冷基板，较长、直、窄的矩形微小通道，它换热效率更高，且不易阻塞。它包括两块上下侧面均敷铜的导热绝缘板和被这两块导热绝缘板夹在中间的液体冷却通道及导热材料或非导热材料填充区域，其特征是，所述液体冷却通道为一个腔体，在腔体内设置有能够形成莫尔条纹效应的肋片阵列，将腔体的空间分割为多个莫尔通道，从而形成莫尔通道网络；与所述液体冷却通道对应的导热绝缘板区域集中布置电力电子器件群，与所述导热材料或非导热材料填充区域对应的导热绝缘板区域布置微电子器件群。
文档编号H01L23/473GK102655129SQ20121002669
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者张玉林, 李现明, 赵怀杰 申请人:山东大学