功率模块的一体化液冷散热装置及其使用的底板的制作方法

文档序号:10956302
功率模块的一体化液冷散热装置及其使用的底板的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了功率模块的一体化液冷散热装置及其使用的底板,连接在功率模块的功率芯片、覆铜基板和底板的底部,包括固连在底板底部的方形液冷散热体,散热体内设有从左至右贯通的液体流道,液体流道的顶部位置处设有连接切口;底板的底部设有叉排状若干扰流柱,底板的扰流柱部分穿过连接切口扣入液体流道内。本实用新型的一体化液冷散热装置,将传热较差的导热硅脂层去掉,将功率模块与散热器做一体化设计,散热器即是模块的底板,散热路径更短,进而提高了功率模块的散热效率,并且精简了其整体结构,降低了制造成本。
【专利说明】
功率模块的一体化液冷散热装置及其使用的底板
技术领域
[0001] 本实用新型涉及电力设备使用的功率模块散热技术领域,特别是涉及功率模块的 一体化液冷散热装置及其使用的散热底板。
【背景技术】
[0002] 在设计电力变换设备时,由于变换设备本身存在相当可观的功率损耗,常常需要 设计体积庞大的散热系统来使设备冷却下来,常用的散热方式有自然风冷,强迫风冷和液 冷三种方式,由于空气的体积比热容很小,风冷散热器一般需要很大的散热面积,虽然近年 来强化传热技术取得了很大进展,传热效率不断提高,使得风冷散热器越来越小,但散热介 质本身的特性限制了风冷散热器的进一步缩小。因此,有必要采用体积比热容更大的液体 来作为散热介质,进一步缩小散热器尺寸。
[0003] 常见的液冷散热系统,功率模块带有很厚的底板,与散热器是分离的,安装在散热 器上时需要涂覆导热硅脂来填充接触面之间的空隙,由于导热硅脂的导热系数与金属相比 是很小的。 【实用新型内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足,本实用新型提供了功率模块的一体化液冷散热装 置及其使用的底板,将传热较差的导热硅脂层去掉,减小液冷散热系统的尺寸,并且将功率 模块与散热器做一体化设计,散热器即是模块的底板,散热路径更短。提高了功率模块的散 热效率,提升了功率模块的功率密度,缩小了电力变送系统的体积。
[0005] 本实用新型所采用的技术方案是:功率模块的一体化液冷散热装置,连接在功率 模块的功率芯片、覆铜基板和底板的底部,包括固连在底板底部的方形液冷散热体,散热体 内设有从左至右贯通的液体流道,液体流道的顶部位置处设有连接切口;底板的底部设有 叉排状若干扰流柱,底板的扰流柱部分穿过连接切口扣入液体流道内。本实用新型的一体 化液冷散热装置,将传热较差的导热硅脂层去掉,将功率模块与散热器做一体化设计,散热 器即是模块的底板,散热路径更短,进而提高了功率模块的散热效率,并且精简了其整体结 构,降低了制造成本。
[0006] 本实用新型的进一步改进在于,散热体的连接切口的形状和大小与功率模块上的 功率芯片相适应。
[0007] 本实用新型的进一步改进在于,位于散热体的连接切口的顶部边缘上还设有一圈 U型缺口。
[0008] 本实用新型的进一步改进在于,散热体的顶部位置还设有若干连接孔,从而连接 功率模块。
[0009] 本实用新型的进一步改进在于,散热体由铝碳化硅复合材料或者铜材制成。
[0010] 本实用新型的进一步改进在于,散热体的液体流道还包括设在其两端的流道入口 和出口,以及位于入口和出口之间的散热部,其中入口和出口为常开式,散热部内容纳底板 的扰流柱。
[0011] 本实用新型的进一步改进在于,底板上的每一个扰流柱为椭圆形扰流柱,椭圆形 扰流柱的横截面为椭圆形,并且其从底板的底部往上延伸,椭圆形的长径和短径分别递减。 冷却液在流过椭圆扰流柱阵列时,与流过圆柱扰流柱阵列相比,由于偏折角度小,流动压力 损失小于圆柱扰流柱阵列的,产生的流动漩涡(漩涡无助于强化换热)更小,换热效率更高。
[0012] 使用功率模块的一体化液冷散热装置的底板,连接在功率模块的覆铜基板和散热 体之间,底板包括本体和设在其一侧的若干叉排状扰流柱;每一个扰流柱为椭圆形扰流柱, 并且椭圆形扰流柱的横截面为椭圆形,并且其从底板的底部往上延伸,椭圆形的长径和短 径分别递减。冷却液在流过椭圆扰流柱阵列时,与流过圆柱扰流柱阵列相比,由于偏折角度 小,流动压力损失小于圆柱扰流柱阵列的,产生的流动漩涡(漩涡无助于强化换热)更小,换 热效率更高。
[0013] 本实用新型的进一步改进在于,底板还包括设置在其周边的若干固定孔。
[0014] 本实用新型的进一步改进在于,每一个扰流柱与其相邻的扰流柱之间的列间距为 3 · 5~6 · Ctam,彳丁间距为3 · 0~10 · Ctam,扰流柱长轴3 · 0~8 · Ctam,短轴为2 · 0~6 · Ctam。
[0015] 与现有技术相比,本实用新型的有益效果是:功率模块的一体化液冷散热装置,将 传热较差的导热硅脂层去掉,将功率模块与散热器做一体化设计,散热器即是模块的底板, 散热路径更短。冷却液在流过椭圆扰流柱阵列时,与流过圆柱扰流柱阵列相比,由于偏折角 度小,流动压力损失小于圆柱扰流柱阵列的,产生的流动漩涡(漩涡无助于强化换热)更小, 换热效率更高。
[0016] 散热器采用铝碳化硅复合材料(热膨胀系数与芯片接近,热适配性好)或者铜材 (导热系数高,散热效率高)。散热器背面有扰流柱,扰流柱形状为椭圆(常规设计扰流柱形 状为圆柱),扰流柱排列方式为叉排。
[0017] 与分体式散热器相比,该结构紧凑,换热效率高,流动阻力小,与相同密度排列的 圆柱扰流柱相比,椭圆扰流柱散热底板在相同流动阻力损失的情况下,散热底板的温升比 圆柱扰流柱底板低12.5 %。提高了功率模块的散热效率,提升了功率模块的功率密度,缩小 了电力变送系统的体积。
【附图说明】
[0018] 图1为功率模块的一体化液冷散热装置的一个实施例的结构示意图;
[0019] 图2为带椭圆扰流柱的功率模块底板的一个实施例的结构示意图;
[0020] 图3为图2的实施例改进如的结构不意图;
[0021] 图4为图1的实施例的散热体的一个实施例的三维结构示意图;
[0022] 图5为图4的实施例的俯视图;
[0023]图6为图4的实施例的主视图;
[0024]图7为图4的实施例的左视图;
[0025] 图8为功率模块的详细连接结构示意图;
[0026] 其中:
[0027] 1-功率模块,11-引线端子,12-功率芯片,13-壳体,14-覆铜基板,15-底板,151-扰 流柱,152-本体,153-固定孔;2-散热体,21-入口,22-出口,23-散热部,24-液体流道,25-连 接切口,26-U型缺口,27-连接孔。
【具体实施方式】
[0028]为了加深对本实用新型的理解,下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说 明,该实施例仅用于解释本实用新型,并不对本实用新型的保护范围构成限定。
[0029]如图8所示,功率模块1 一般由引线端子11、功率芯片12、壳体13、覆铜基板(DBC基 板)14和底板15组成。
[0030] 如图1和图4、5、6和7所示,功率模块的一体化液冷散热装置,连接在功率模块1的 功率芯片12、覆铜基板14和底板15的底部,包括固连在底板15底部的方形液冷散热体2,散 热体2内设有从左至右贯通的液体流道24,液体流道24的顶部位置处设有连接切口 25;底板 15的底部设有叉排状若干扰流柱151,底板15的扰流柱部分穿过连接切口 25扣入液体流道 24内。本实用新型的一体化液冷散热装置,将传热较差的导热硅脂层去掉,将功率模块与散 热器做一体化设计,散热器即是模块的底板,散热路径更短。其中底板15-般由铜制成,为 铜底板。
[0031] 在上述实施例中,散热体2的连接切口 25的形状和大小与功率模块1上的功率芯片 12相适应。位于散热体2的连接切口 25的顶部边缘上还设有一圈U型缺口 26。散热体2的顶部 位置还设有若干连接孔27,从而连接功率模块。散热体2由铝碳化硅复合材料或者铜材制 成。散热体2的液体流道24还包括设在其两端的流道入口21和出口 22,以及位于入口和出口 22之间的散热部23,其中入口 21和出口 22为常开式,散热部23内容纳底板15的扰流柱151。
[0032] 此外,如图2所示,底板15上的每一个扰流柱151为椭圆形扰流柱,椭圆形扰流柱的 横截面为椭圆形,并且其从底板的底部往上延伸,椭圆形的长径和短径分别递减。冷却液在 流过椭圆扰流柱阵列时,与流过圆柱扰流柱阵列相比,由于偏折角度小,流动压力损失小于 圆柱扰流柱阵列的,产生的流动漩涡(漩涡无助于强化换热)更小,换热效率更高。
[0033] 如图2所示,使用功率模块的一体化液冷散热装置的底板,连接在功率模块1的覆 铜基板14和散热体2之间,底板15包括本体152和设在其一侧的若干叉排状扰流柱151;每一 个扰流柱151为椭圆形扰流柱,并且椭圆形扰流柱的横截面为椭圆形,并且其从底板的底部 往上延伸,椭圆形的长径和短径分别递减。冷却液在流过椭圆扰流柱阵列时,与流过圆柱扰 流柱阵列相比,由于偏折角度小,流动压力损失小于圆柱扰流柱阵列的,产生的流动漩涡 (漩涡无助于强化换热)更小,换热效率更高。该底板是代替原来的圆柱状扰流柱底板使用 的,原来的圆柱状扰流柱底板结构参见图3所示。
[0034] 图2中,底板15还包括设置在其周边的若干固定孔153。每一个扰流柱与其相邻的 扰流柱之间的列间距为3.5~6.0mm,行间距为3.0~10.0mm,扰流柱长轴3.0~8.0mm,短轴 为2·0~6·0mm。
[0035] 在上述实施例中,以下为几种散热器扰流柱排列方式,压力损失和散热器平均温 升的情况,
[0036]正三角形排列圆柱扰流柱的计算结果如下,表1(扰流柱间距为5.0mm):
[0038]其中,边界条件:压力入口 2 · 0atm+压力出口 1 · 88atm,散热器上表面为热流密度, 平均热流密度为0.5W/mm2;液冷介质:水+温度298K,计算区域为六列扰流柱(30mm)。
[0039] 相同宽度的椭圆扰流柱计算结果如下(长轴2a = 5mm,短轴2b = 3mm),见表2:
[0040]
[0041]显然,在相同压力损失的情况下,即使较大的扰流柱间距,椭圆扰流柱散热器的温 升要低于圆柱扰流柱散热器,流量要大于圆柱形扰流柱散热器的,即椭圆形扰流柱的散热 效果要远好于圆柱扰流柱散热器。由于压力损失小,椭圆扰流柱散热器设计可以有效改善 实际应用中液冷散热器流道堵塞的不良情形,提高了电动汽车的系统可靠性。
[0042] 功率模块的一体化液冷散热装置,与分体式散热器相比,结构紧凑,换热效率高, 流动阻力小,与相同密度排列的圆柱扰流柱相比,椭圆扰流柱散热底板在相同流动阻力损 失的情况下,散热底板的温升比圆柱扰流柱底板低12.5%。提高了功率模块的散热效率,提 升了功率模块的功率密度,缩小了电力变送系统的的体积。
[0043] 本实用新型的实施例公布的是较佳的实施例,但并不局限于此,本领域的普通技 术人员,极易根据上述实施例,领会本实用新型的精神,并做出不同的引申和变化,但只要 不脱离本实用新型的精神,都在本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1. 功率模块的一体化液冷散热装置,连接在功率模块(1)的功率芯片(12)、覆铜基板 (14)和底板(15)的底部,其特征在于:包括固连在底板(15)底部的方形液冷散热体(2),所 述散热体(2)内设有从左至右贯通的液体流道(24),所述液体流道(24)的顶部位置处设有 连接切口( 25);所述底板(15)的底部设有叉排状若干扰流柱(151 ),所述底板(15)的扰流柱 部分穿过连接切口(25)扣入液体流道(24)内。2. 根据权利要求1所述的功率模块的一体化液冷散热装置,其特征在于:所述散热体 (2)的连接切口( 25)的形状和大小与功率模块(1)上的功率芯片(12)相适应。3. 根据权利要求2所述的功率模块的一体化液冷散热装置,其特征在于:位于所述散热 体(2)的连接切口( 25)的顶部边缘上还设有一圈U型缺口( 26)。4. 根据权利要求3所述的功率模块的一体化液冷散热装置,其特征在于:所述散热体 (2)的顶部位置还设有若干连接孔(27 ),从而连接功率模块。5. 根据权利要求1-4任意一项所述的功率模块的一体化液冷散热装置,其特征在于:所 述散热体(2)由错碳化娃复合材料或者铜材制成。6. 根据权利要求1所述的功率模块的一体化液冷散热装置,其特征在于:所述底板(15) 上的每一个扰流柱(151)为椭圆形扰流柱,所述椭圆形扰流柱的横截面为椭圆形,并且其从 底板的底部往上延伸,椭圆形的长径和短径分别递减。7. 根据权利要求1所述的功率模块的一体化液冷散热装置,其特征在于:所述散热体 (2)的液体流道(24)还包括设在其两端的流道入口(21)和出口(22),以及位于入口( 21)和 出口(22)之间的散热部(23),其中所述入口(21)和出口(22)为常开式,所述散热部(23)内 容纳底板(15)的扰流柱(151)。8. 功率模块的一体化液冷散热装置使用的底板,其特征在于:连接在功率模块(1)的覆 铜基板(14)和散热体(2)之间,所述底板(15)包括本体(152)和设在其一侧的若干叉排状扰 流柱(151);每一个扰流柱(151)为椭圆形扰流柱,并且所述椭圆形扰流柱的横截面为椭圆 形,并且其从底板的底部往上延伸,椭圆形的长径和短径分别递减。9. 根据权利要求8所述的功率模块的一体化液冷散热装置使用的底板,其特征在于:所 述底板(15)还包括设置在其周边的若干固定孔(153)。10. 根据权利要求8所述的功率模块的一体化液冷散热装置使用的底板,其特征在于: 每一个扰流柱(151)与其相邻的扰流柱之间的列间距为3.5~6.0 mm,行间距为3.0~ 10 · Ctam,扰流柱长轴3 · 0~8 · Ctam,短轴为2 · 0~6 · Ctam。
【文档编号】H01L23/373GK205645797SQ201620096547
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】庄伟东, 姚二现
【申请人】南京银茂微电子制造有限公司
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