专利名称：具有螺旋歧管的一体式散热器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及功率电子设备，且更具体地涉及用于功率电子设备的改进式冷却。
背景技术：
大功率转换器如中压工业驱动器、用于油气的变频器、牵引驱动器、柔性AC传输 (FACT)装置，以及其它大功率转换设备如整流器和逆变器，通常包括具有液体冷却的紧压包装(press-pack)功率装置。功率装置的非限制性实例包括集成门极换向晶闸管(IGCT)、 二极管、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、晶闸管以及门极可关断晶闸管(GTO)。紧压包装装置对于大功率应用特别有利，且紧压包装的益处包括双面冷却，以及在故障期间不会出现等离子激增的情形。为了构造使用紧压包装装置的大功率转换器电路，通常夹持散热器和紧压包装装置而形成叠层(stack)。现有技术水平的功率转换器叠层通常使用具有直径较大的冷却通道的常规液冷散热器。在一些应用中，热脂层设置在相应的紧压包装装置与常规液冷散热器之间。在其它应用中，至少一些层仅由压力保持在一起，而没有热脂在它们之间。这种布置导致了显著的热接触阻抗。这种布置导致了显著的接触阻抗。这种功率转换器叠层的其它不足之处包括从半导体结至液体有相对较高的热阻抗，以及由于包括许多零件而使叠层组件的结构和工艺较为复杂。因此，将期望的是改善使用紧压包装装置的功率转换器叠层的热性能和包装。更具体而言，将期望的是针对高可靠性和/或高功率密度而减小从半导体结至液体的热阻抗。还将期望的是针对高的可维护性而提供一种相对简化的叠层组件结构。
发明内容
本发明的一个方面在于一种用于直接地冷却具有上接触表面和下接触表面的至少一个电子装置包装(或组件，package)的散热器。该散热器包括由至少一种热传导性材料形成的冷却件，其中，该冷却件限定构造成用以接收冷却剂的至少一个入口歧管和构造成用以排出冷却剂的至少一个出口歧管。入口歧管和出口歧管交错并以螺旋布置设置。该冷却件还限定许多毫通道(millicharmel)，这些毫通道以径向布置设置且构造成用以接收来自入口歧管的冷却剂和将冷却剂输送至出口歧管。毫通道以及入口歧管和出口歧管还构造成用以通过与冷却剂直接接触来直接地冷却电子装置包装的上接触表面和下接触表面中的一个，使得散热器构成一体式散热器。
当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中图1绘出了具有上散热器和下散热器的电子装置包装；图2为具有结合到单个冷却件中的径向毫通道和螺旋歧管的散热器本体的透视图；图3为图2中所示的散热器的顶视图；图4示出了用于图2、图3或图5中的散热器的径向毫通道的示例性截面图；图5示出了增加径向毫通道数目的散热器设计；图6为双面散热器的截面视图；图7为单面散热器的截面视图；图8为双面散热器的倒置模型，其具有圆形歧管和相对于相应的入口仓室和出口仓室线性地布置的入口分配腔室和出口腔室；图9为散热器的倒置模型，其具有相对于相应的入口仓室和出口仓室垂直地布置的入口分配腔室和出口腔室；以及图10示意性地绘出了利用垫圈而密封到相邻电子设备包装上的双面散热器。尽管上述附图列举了备选实施例，但还可构思出本发明的其它实施例，如在论述中所提到的。在所有情形中，本公开内容都是通过代表而非限制的方式来介绍本发明的所示实施例。本领域的普通技术人员可设计出落入本发明原理的范围和精神内的许多其它变
型和实施例.)
零件清单
2冷却件的第一表
4冷却件的第二表
10散热器
16冷却件
20电子装置包装
21半导体装置
22上接触表面
23曰t±" 日日/T
24下接触表面
25上CTE匹配板
26壳体
27下CTE匹配板
28上电极
29下电极
30入口歧管
32出口歧管
34毫通道
36入口分配腔室38出口腔室40入口仓室42出口仓室302 凹槽304 垫圈
具体实施例方式参照图1至图10，描述了用于直接地冷却至少一个电子装置包装20的散热器10。 如例如在图1中所示，示例性的电子装置包装具有上接触表面22和下接触表面24。散热器包括由至少一种热传导性材料形成的冷却件16。如例如在图2和图3中所示的那样，冷却件16限定构造成用以接收冷却剂的至少一个入口歧管30，以及构造成用以排出冷却剂的至少一个出口歧管32。如例如在图2和图3中所示的那样，入口歧管30和出口歧管32交错(或交替)且以螺旋布置设置。如例如在图2和图3中所示的那样，冷却件16还限定许多毫通道34，这些毫通道34以径向布置设置且构造成用以接收来自入口歧管30的冷却剂和将冷却剂输送至出口歧管32。毫通道34以及入口歧管30和出口歧管32还构造成用以通过与冷却剂直接接触来直接地冷却电子装置包装20的上接触表面22和下接触表面M 中的一个，使得散热器10构成一体式散热器10。更具体而言，歧管30，32和毫通道34设置成邻近于上接触表面22和下接触表面M中相应的一个，以便通过与冷却剂直接接触来冷却相应的表面。根据更为具体的实施例，入口歧管30和出口歧管32以及毫通道34构造成用以将冷却剂均勻地输送至被冷却的电子装置包装20的上接触表面22和下接触表面M 中的相应的一个。因此，散热器10 —体地形成到电子装置包装20上，故而散热器10通过与冷却剂直接接触来冷却电子装置包装20。换言之，一体式散热器10的毫通道34以及入口歧管30 和出口歧管32在面对功率装置包装20的一侧上是敞开的，使得流经毫通道34的冷却剂可直接地接触功率装置包装20。这种布置是对现有技术的自含式(self-contained)散热器的显著改进，在现有技术的自含式散热器中，冷却剂包含在散热器内且因此必须经由散热器外壳来间接地冷却该装置。通过除去这些附加的热层，本发明的一体式散热器10提供了对功率装置的增强冷却。冷却件16可使用多种热传导性材料形成，其中的非限制性实例包括铜、铝、镍、 钼、钛、铜合金、镍合金、钼合金、钛合金、铝碳化硅(AlSiC)、铝石墨以及氮化硅陶瓷。冷却件16可铸造和/或机加工。例如，冷却件16可进行铸造且之后进行机加工以进一步限定细微特征和表面要求。冷却剂的非限制性实例包括去离子水以及其它非导电液体。对于特定的实施例，歧管30，32具有比径向毫通道34相对较大的直径。在一个非限制性实例中，毫通道的宽度在大约0. 5mm至大约2. Omm的范围内，而毫通道的深度在大约 0. 5mm至大约2mm的范围内。具体而言，通道的厚度可确定成用以确保半导体上的压力均勻性。通过使半导体上的压力分布更为均勻，半导体上的性能就不会受到损害。此外，应当注意到，径向毫通道34和歧管30，32可具有多种截面形状，包括但不限于环形、圆形、梯形、三
6角形，以及正方形/矩形截面。通道形状是基于应用和制造约束来选择的，且会影响适用的制造方法及冷却剂流。有利的是，将径向毫通道34结合到散热器10中会显著地增大从半导体装置20至冷却剂的热传导表面面积。在所示的布置中，入口歧管30和出口歧管32以螺旋布置设置。如本文所用，短语"螺旋布置"应当理解为包含与所示实例中所示的完美螺旋有偏差的歧管。例如，歧管可具有附加的曲率。对于图2和图3中所示的示例性螺旋布置，入口歧管30和出口歧管32 为螺旋的，其以相同的方式转动但有180度的相位差。有利的是，这种螺旋布置极大地减少了形成歧管所需的机加工步骤数目(例如，对于图2和图3中的布置仅需要两个机加工步骤)ο对于图2和图3中所示的示例性布置，冷却件16还限定用于收容诸如0形圈的垫圈304(见图6)的凹槽302。如图10中所示，垫圈304用于将散热器10密封到相邻电子装置包装20上。对于图6和图7中所示的示例性构造，本体16还限定构造成用以将冷却剂供送到入口歧管30的入口分配腔室36和构造成用以从出口歧管32接收冷却剂的出口腔室38。本体16还限定构造成用以将冷却剂供送到入口腔室36的入口仓室40，以及构造成用以接收来自于出口腔室38的冷却剂的出口仓室42。对于图8中所示的示例性构造，入口分配腔室36和入口仓室40线性地布置，以及出口腔室38和出口仓室42线性地布置。如本文所用，用语"线性地"应当理解为包含腔室36，38相对于相应仓室40，42在彼此为正 /负十度(+/-10° )内的定向。图8为示出腔室36，38相对于相应仓室40，42的线性布置的倒置模型。然而，图8中仅示出了出口腔室38的端部。类似的是，对于图9中所示的示例性构造，入口分配腔室36和入口仓室40垂直地布置，以及出口腔室38和出口仓室42垂直地布置。如本文所用，用语"垂直地"应当理解为包含腔室36，38相对于相应仓室40，42在彼此为(90° +/-10° )内的定向。图9为示出腔室36，38相对于相应仓室40，42的垂直布置的倒置模型。有利的是，通过将冷却剂入口仓室40和出口仓室42置于同一面，简化了流体连接。例如，该构造可能需要钻取四个孔来用于流体的输送和除去，其中的两个稍后会塞住。在操作中，冷却剂经由入口仓室40供送到散热器10。然后，冷却剂流入入口分配腔室36中，在其中冷却剂如图6、图7和图9中所示那样分配至入口歧管30。在穿过毫通道34 (见图6、图7和图9)而到达出口腔室38之后，例如如在图6和图7中所示，冷却剂从出口歧管32排出至出口仓室42。图4示出了径向毫通道34的截面。图5示出了增加径向通道数目来帮助减小压降且相应地改善冷却效率的设计。更具体而言，对于图5中所示的示例性布置，冷却件10 周边附近的径向毫通道的数目相比于冷却件10中心附近的径向毫通道数目更大。这种布置容许在给定的空间和机加工约束的情况下包括附加的径向毫通道。有利的是，例如如图2和图3中所示，通过将毫通道和入口 /出口歧管结合到单个冷却件16中，简化了组装过程。具体而言，使用单个冷却件16消除了对连结两个构件的需求。作为替代，散热器10可使用垫圈304(见图10)如0形圈组件来密封到相邻装置包装 20上，其中，垫圈304在相邻构件之间提供了稳健且简单的密封。对于上文参照图1至图10所述的示例性实施例，上接触表面22和下接触表面M 可为圆形截面，而本体16可为圆柱形(即，盘式或冰球式(hockey-puck)布置)。然而，还可使用其它几何形状，包括而不限于正方形和矩形截面。对于图1中所描绘的示例性布置， 电子装置包装20为紧压包装20。尽管下面提供了示例性紧压包装构造来用于说明的目的， 但本发明并不限于任何特定的装置结构。在实例中，紧压包装20包括形成在晶片23上的至少一个半导体装置21、上热膨胀系数(CTE)匹配板25和下热膨胀系数匹配板27，以及上电极28和下电极四。如例如在图1中所示，晶片23设置在CTE板25，27之间，上电极28设置在上CTE板25上方，以及下CTE板27设置在下电极四的上方。对于紧压包装的实施例， 晶片23、CTE板25，27以及电极观，29中的各个均可具有圆形截面。半导体装置的非限制性实例包括IGCT、GT0以及IGBT。本发明在由多种半导体制成的半导体装置上获得了应用， 该半导体的非限制性实例包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)，以及砷化镓(GaAs)。如例如在图1中所示，紧压包装通常包括绝缘(例如，陶瓷)壳体26。尽管图1将散热器10 示为延伸到壳体26外，但在其它实施例中，散热器10的本体16(冷却件)设置在壳体沈内。此外，电极观，四可垂直地延伸超过壳体沈的边界，且例如，顺应性密封件设置在电极 28(和四)的外周边与壳体沈之间。此外，散热器10可伸出壳体(如图所示)，以允许电性连接以及用于安置需要冷却的其它装置。因此，冷却件16可具有大于壳体沈的直径。应当注意的是，图1中示出的特定布置仅为示范性的，以及任何数目的电子装置包装20和用于冷却该电子装置包装的对应散热器10都可取决于特定的应用而结合成给定的叠层。本发明的许多益处中的一个在于其冷却期望数目的装置包装的灵活性和模块性。此外，散热器10可为单面或双面的。例如，对于图7中所描绘的布置，散热器10 绘制为一面的，而图6和图10中所示的散热器10为双面的。如例如在图10中所示，双面散热器构造成用以直接地冷却多个(具体的是两个)电子装置包装20。如图6中所示的那样，对于双面散热器300而言，冷却件16具有第一表面2和第二表面4。毫通道34、入口歧管30和出口歧管32的第一子集形成在冷却件16的第一表面2中，而毫通道34、入口歧管 30和出口歧管32的第二子集形成在冷却件16的第二表面4中。毫通道34和入口歧管30 以及出口歧管32的第一子集构造成用以通过与冷却剂直接接触来直接地冷却一个电子装置包装20的上接触表面22。类似的是，毫通道34和入口歧管30以及出口歧管32的第二子集构造成用以通过与冷却剂直接接触来直接地冷却另一电子装置包装20的下接触表面 24。图6绘出了对于双面散热器的入口歧管和出口歧管的偏离布置。如图6中所示的那样，第一子集中的螺旋入口歧管30与第二集合中的螺旋入口歧管偏离。类似的是，第一子集中的螺旋出口歧管32与第二集合中的螺旋出口歧管偏离。更具体而言，第一子集中的螺旋入口歧管定位成与第二子集中的螺旋出口歧管相对。类似的是，第一子集中的螺旋出口歧管定位成与第二子集中的螺旋入口歧管相对。这种偏离布置具有多种优点。通过将在第一冷却面上载有热流体的螺旋歧管(出口歧管)定位成与在另一冷却面上载有冷流体的螺旋歧管(入口歧管)相对，相比于入口歧管和出口歧管对准的情形实现了在歧管中更好的"热扩散"。此外，偏离布置改善了冷却剂的速度及压力分布，所有这些都有助于改善散热器性能。有利的是，散热器10相对于功率装置的常规冷却提供了增强的热传递。常规散热器并未一体地形成到紧压包装中，而是自含式的，故而冷却剂并不接触功率装置而是包含在散热器内。因此，常规散热器包括外壳，该外壳通常经由增加热阻的热脂层联接到紧压包装上。因此，常规散热器包含附加的热层(外壳)，其妨碍热传递。相反，散热器10设置成一体地形成到紧压包装上，通过冷却剂的直接接触来直接地冷却功率装置，从而增强热传递。此外，交错的螺旋入口歧管和螺旋出口歧管将冷却剂均勻地输送到被冷却的装置的表面上，并且毫通道增大了从功率装置至该一体式散热器中的冷却剂的热传导表面面积。对于图1至图10中所示的实施例，散热器10适于结合现有电子设备包装20如紧压包装20 使用。因此，散热器10可在不改变装置包装的情况下一体地冷却常规紧压包装功率装置。 此外，将毫通道和入口歧管/出口歧管结合到单个冷却件16中简化了组装过程。
尽管本文仅示出和描述了本发明的一些特征，但本领域的普通技术人员可想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求意图涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种用于直接地冷却至少一个电子装置包装00)的散热器(10)，所述电子装置包装具有上接触表面0 和下接触表面(M)，所述散热器包括由至少一种热传导性材料形成的冷却件(16)，其中所述冷却件(16)限定构造成用以接收冷却剂的至少一个入口歧管(30)；构造成用以排出所述冷却剂的至少一个出口歧管(32)，其中所述入口歧管和所述出口歧管是交错的且以螺旋布置设置；以及多个毫通道(34)，其以径向布置设置且构造成用以从所述入口歧管(30)接收所述冷却剂和将所述冷却剂输送至所述出口歧管(32)，其中，所述毫通道(34)和所述入口歧管 (30)以及所述出口歧管(3 还构造成用以通过与所述冷却剂直接接触来直接地冷却所述电子装置包装00)的上接触表面0 和下接触表面04)中的一个，使得所述散热器(10) 构成一体式散热器(10)。
2.根据权利要求1的散热器(10)，其特征在于，所述散热器用于直接地冷却多个电子装置包装(20)，其中，所述冷却件(16)具有第一表面(2)和第二表面G)，其中，所述毫通道(34)、入口歧管(30)和出口歧管(3 的第一子集形成在所述冷却件(16)的第一表面 (2)中，其中，所述毫通道(34)、入口歧管(30)和出口歧管(3 的第二子集形成在所述冷却件(16)的第二表面中，其中，所述毫通道(34)和入口歧管(30)以及出口歧管(32) 的第一子集构造成用以通过与所述冷却剂直接接触来直接地冷却一个所述电子装置包装 (20)的上接触表面(22)，以及其中，所述毫通道(34)和入口歧管(30)以及出口歧管(30) 的第二子集构造成用以通过与所述冷却剂直接接触来直接地冷却另一个所述电子装置包装(20)的下接触表面(24)。
3.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于，所述第一子集中的螺旋入口歧管(30) 偏离所述第二集合中的螺旋入口歧管(30)，以及其中，所述第一子集中的螺旋出口歧管 (32)偏离所述第二集合中的螺旋出口歧管(32)。
4.根据权利要求1所述的散热器(10)，其特征在于，所述毫通道(34)的截面和所述入口歧管(30)以及所述出口歧管(3 的截面选自由环形、圆形、梯形、三角形和矩形截面所构成的组。
5.根据权利要求1所述的散热器(10)，其特征在于，所述入口歧管(30)和所述出口歧管(3 以及所述毫通道(34)构造成用以将所述冷却剂均勻地输送至被冷却的电子装置包装00)的上接触表面0 和下接触表面04)中相应的一个。
6.根据权利要求1所述的散热器(10)，其特征在于，所述冷却件(16)还限定用于收容垫圈(304)的凹槽(302)。
7.根据权利要求1所述的散热器(10)，其特征在于，径向毫通道(34)的数目在所述冷却件(16)的周边附近相比于在所述冷却件的中心附近的径向毫通道(34)的数目更大。
8.根据权利要求1所述的散热器(10)，其特征在于，所述本体(16)还限定构造成用以将所述冷却剂供送到所述入口歧管(30)的入口分配腔室(36)；构造成用以从所述出口歧管(32)接收所述冷却剂的出口腔室(38)；构造成用以将所述冷却剂供送到所述入口腔室(36)的入口仓室00)；以及构造成用以从所述出口腔室(38)接收所述冷却剂的出口仓室02)。
9.根据权利要求8所述的散热器(10)，其特征在于，所述入口分配腔室(36)和所述入口仓室GO)线性地布置，以及其中，所述出口腔室(38)和所述出口仓室0 线性地布置。
10.根据权利要求8所述的散热器(10)，其特征在于，所述入口分配腔室(36)和所述入口仓室00)垂直地布置，以及其中，所述出口腔室(38)和所述出口仓室0 垂直地布置。
全文摘要
本发明涉及具有螺旋歧管的一体式散热器。具体而言，提供了一种用于直接地冷却具有上接触表面和下接触表面的至少一个电子装置包装的散热器。该散热器包括由至少一种热传导性材料形成的冷却件，其中该冷却件限定构造成用以接收冷却剂的至少一个入口歧管和构造成用以排出冷却剂的至少一个出口歧管。入口歧管和出口歧管交错且以螺旋布置设置。该冷却件还限定许多毫通道，它们以径向布置设置且构造成用以接收来自入口歧管的冷却剂和将冷却剂输送至出口歧管。毫通道以及入口歧管和出口歧管还构造成用以通过与冷却剂直接接触来直接地冷却电子装置包装的上接触表面和下接触表面中的一个，使得散热器构成一体式散热器。
文档编号H05K7/20GK102438427SQ201110257388
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者A·G·保世, P·J·拉扎丁, S·S·冈图里 申请人:通用电气公司