专利名称:散热装置的制造方法及用该方法生产的散热器的制作方法
本发明是关于冷却器的制造方法，及由该方法生产的冷却器。
根据半导体技术领域：
近来的发展，在4000V、3000A或更高的参数下工作的，直接由光信号触发的大容量半导体器件已被开发出来，并得到了实际应用。在这种半导体器件中，由于数千瓦的热量产生在半导体器件的电极上的一块小区域内，因此需要一种具有极大冷却能力的冷却装置。
为了满足这一需要，到目前为止已提出用导热性能好的金属，如用铜或铝制成散热装置，穿过散热装置的流体冷却剂循环通道是做成“之”字形的。一种典型的应用是把所需数目的散热装置分别放在两个半导体器件，如二极管、可控硅、闸门关断(GTO)可控硅整流器等类似的半导体器件之间。而且把这种散热装置的那些冷却剂通道用若干绝缘材料制成的冷却剂供给管连接起来，以形成一个冷却剂循环通路。通过在管路中配置的冷却剂循环泵，使象水一类的液体冷却剂循环穿过冷却剂循环通路。使在半导体器件中产生的热量传入到冷却剂中，并被带出半导体器件。
然而在上述的散热装置中，不但因为穿过导热金属件的循环通路是做成“之”字形的，而且因为流体冷却剂流过每个散热装置的循环通路时的水头损失很大，需要配备大功率的泵来循环液体冷却剂，这样就导致散热装置比较厚。此外，在每个散热装置中，流体冷却剂在循环通路的入口和出口处的温差相当大，这会造成半导体器件热应力的增加，需要在冷却剂循环通路中设置一台大容量的热交换器。
本发明的目的是要提供一种冷却半导体器件一类的叠加装置的散热装置和一种生产这种散热装置的方法，以基本消除现有技术的缺点。
本发明的另一个目的是要提供一种散热装置和生产这种散热装置的方法，该方法简单、经济而且能够消除泄漏的可能性。
本发明的再一个目的是要提供一种散热装置，该装置的厚度大大减少而工作性能明显改善。
本发明的这些目的可通过一种制造散热装置的方法来实现，它包括下列步骤准备一根由导热材料制成的管子，然后将管子的中部弯成环形，使两侧管子自中部弯曲部分开始并排地朝同一方向延伸，再将这样弯曲的管子盘绕成螺旋形，使弯成的中间部分位于中部，管子的两侧部分形成一个流入通道和一个回流通道，以使流体冷却剂从中流过，从而制造出这种散热装置。
另一方面，本发明还提供了一种冷却叠加装置用的散热装置，它包括一根导热材料制成的管子，管子形成冷却剂的流入通道和回流通道，和一个位于该流入通道和该回流通道之间的中间部分，该中间部分被弯曲和盘绕，从而该流入和回流通道形成自该中间部分始的螺旋管。
最好使该管子具有矩形截面，并由并排盘绕成为螺旋形的管子的两侧部分形成该流入和回流通道。
按照附图图1是冷却半导体器件的普通散热装置;
图2是散热装置现有结构的变形;
图3是本发明的散热装置的最佳实施例的俯视图;
图4是沿图3Ⅳ-Ⅳ线的剖视图;
图5是相当于图4的另一剖视图，是本发明的另一实施例;
图6是本发明的散热装置的又一实施例的俯视图;
图7是沿图6Ⅶ-Ⅶ线的剖视图;
图8是再一种实施例的俯视图，其中散热块采用了另一种方式的电线接头;
图9是沿图8Ⅸ-Ⅸ线的剖视图;
图10是一个半导体电路图，其中图8所示的散热装置用在其连接上是有利的。
图11是一个半导体电路图，其中图12所示的散热装置用于冷却半导体器件是有利的;
图12是构成本发明另外一种实施例的双联散热装置的俯视图。
最佳实施例的说明在开始说明本发明之前，先参考图1和图2更详细地说明散热装置的现有结构。
使用现有散热装置时，通常是把许多液体冷却型散热装置(1)以堆块(4)的形式堆积起来，每一个散热块都被插到两个相邻的扁平形半导体器件，例如图1所示的二极管、可控硅、闸门关断可控硅整流器或类似的半导体器件之间，再用几吨重的压力把它们压在一起，通过许多绝缘材料做的管子(3)把各个散热装置(1)相互联接起来。通过也是由绝缘材料做的主管路(6)，用泵向散热装置供给水一类的液体冷却剂(5)，从散热器中流出的冷却剂中的热量，通过配置在液体冷却剂循环通路中的热交换器被交换出去。
在上述方案中，每个散热器都包括一块如铜或铝这样的导热材料块，其中贯穿了一条波浪形的冷却剂通道(9)，液体冷却剂(5)通过通道(9)端部的入口和出口流入和流出每个散热块(1)的冷却剂通道(9)。
上述通道(9)也可用铜管或铝管(11)弯成如图(2)所示的波浪形，然后浇铸在散热块中。
不管用什么方法构成散热器(1)，这种波浪形通道(9)都是较长的，并增加了散热器(1)的热交换表面积。然而通道(9)的弯曲部分的数目的增加和急剧的拐弯必然要加大液体冷却剂(5)的水头损失，因而要增大循环泵(8)所需要的功率。此外，由于通道(9)做成单一波浪，而不是双重波浪或其它形式，在通道(9)入口处冷却剂的温度低，而在通道(9)出口处冷却剂的温度高，这样在单个散热块中的温差就会使与散热器(1)相接触的半导体器件(2)内产生热应力。为消除这一缺点，就必须增大热交换器(7)的热交换能力，这就导致由散热器冷却的半导体装置的体积加大。
为了克服现有结构中存在的上述问题，按照本发明的散热器(1)完全是由一根象铜或铝这一类导热材料制的冷却管(12)所组成，而没有采用现用的块形结构。
把冷却管(12)中部弯成环形，这样除中部之外，管子(12)的两侧部分被拼到一起，并从弯成的管子(12)中部开始并排朝同一方向延伸。将这样弯成的管子(12)绕成螺旋管，使弯成的中间部分位于螺旋的中心，并使管子(12)的两侧部分紧贴在一起，从而制成图3所示的散热器。在该散热器(5)中，水一类的液体冷却剂(5)穿过由管子(12)的两侧部分中的一侧所形成的流入通道(13)流向螺旋管的中部(15)，然后穿过由管子(12)的两侧部中的另一侧所形成的回流通道(14)流出螺旋管的外部。
在这种结构中，管子(12)最好是做成图4所示的矩形截面形状，螺旋管(12)的圈数可根据散热器(1)所要求的直径来选择，通道(13)和(14)端部的冷却剂输入和输出口(10)的位置可根据要求选定。
虽然螺旋管的中心在管子(12)受到弯曲和盘绕加工时，插入一个夹具或类似物，所形成的是一个小空洞，但它最好用与管子(12)类似的导热材料填满。由于管子(12)是矩形截面，管子(12)最终只要加工例如0.5mm深，就足以获得平滑的表面(16)，从而使散热器(1)的两个表面与半导体器件(2)很好接触。
从入口(10)输入的水一类的液体冷却剂，穿过流入通道(13)流向散热器(1)的中部(15)，然后从中部(15)通过回流通道(14)和出口(10)流出散热块(1)。
由于散热块(1)的管子(12)被盘绕成螺旋形，这样半导体器件(2)的电极可以与管子(12)直接接触，可以显著改善散热器(1)的冷却效果。此外，由于流入通道(13)和回流通道(14)是交替排列的，这样散热器的温度是均匀分布的，可以基本消除半导体器中产生热应力。还由于减少了弯曲部分的数目，散热器(1)通道中的水头损失也减小，从而循环泵(8)的功率也可减少。散热器冷却效果的改善又减少了热交换器9所需的容量，这样就可以减小半导体装置的体积。
当把散热器叠压在两个半导体器件之间时，根据本发明的散热器通常要受到一个高的压力，为经受住这个压力，要求散热器有足够的壁厚。例如，生产具有直径约100mm的冷却表面(16)的散热器时，散热块大约要受到10吨压力，这样散热器(1)的冷却管(12)的壁厚要有4～5mm。
图4是沿图3Ⅳ-Ⅳ线的剖视图。由于在这个实施例中散热器(1)所用的冷却管(12)最好是做成矩形截面的，并且在平行和垂直于图4所示的与半导体器件相接触的表面(16)的两个方向上的厚度相同，故这个实施例的导热性不可能很好。
在本发明的另一个实施例中，用在散热器(1)上的冷却管(12)的壁厚在上述两个方向上是不相等的，即如图5所示与接触面(16)平行延伸的管子(12)的壁厚小于垂直于接触面(16)延伸的管子壁厚。因此，这个实施例的导热性可以大大改善。此外，由于平行于接触面(16)延伸的管子(12)的壁厚减薄，管子(12)的弯曲和盘绕加工变得更为方便，因而可以增加散热器的生产率。由于管子(12)的内孔的横截面积可随壁厚的减小而增大，散热器(1)的水头损失和循环泵(8)(见图1)所需的功率都可以减少。
图6和图7是本发明的又一实施例，在散热器(1)的中心装了一个热电偶(18)。
根据这个实施例，热电偶(18)放置在盘绕成的螺旋形散热块中部形成的一个空洞中的适当位置上。在散热器管的盘绕工序期间，就把与热电偶(18)相连的导线夹在管子(12)构成的流入通道(13)和回流通道(14)之间。小空洞的剩余部分用与管子(12)类似的导热材料全部填满，然后对这样制成的散热器稍微进行一下机械加工，以形成与半导体器件相接触的平滑表面(16)。为了使热电偶(18)不致受到机械或过热损坏，可以用一个由合成树脂材料做的保护套套在热电偶外面。半导体器件电压高时，导线(17)要求有一个厚绝缘层，这时可在夹住导线(17)的两个管壁上开适当大小的槽。
由于导线(17)在管子(12)的两个螺旋盘绕部分之间延伸，就没有必要在散热块(1)的接触面上再开容纳导线(17)的槽。这种没有开槽的散热器(1)的冷却效果比在接触面上开了槽的散热器好。由于导线(17)在具有正方形或矩形截面的管子(12)的两个盘绕部分之间延伸，在散热器加工过程中即使拉动导线(17)热电偶(18)也不可能发生移动，在不增加生产成本的情况下，热电偶的工作可靠性能够得到改善。
此外，当把散热器与半导体器件或类似的元器件叠压在一起以冷却这些元器件，并配备了接线端子T以便把每个半导体器件的正极和负极接到如图10所示的电阻、电容串联线路上时，在采用图2所示的现有结构的情况下，可在已形成冷却通道的铜块或铝块上拧入一个机械螺丝，而这样一种形成接线端子T的方法对本发明则是不适用的，因为本发明的散热器(1)完全是由冷却管(12)构成的。
图8和图9是本发明的再一种实施例，其中这样的接线端子T是无需用机械螺丝或类似的紧固件的。
在图示的实施例中，一根裸露的铜导线或铜导线(19)夹在冷却管(12)的两个盘绕部分之间，而且把接线端子(20)固定在裸露的导线(19)的外端头上。夹在两个半导体器件之间的散热器的接线端子(20)可用于把每个半导体器件的正极和负极接到图10所示的电阻、电容串联线路上。
图12是本发明的另外一种实施例，其中两个散热器(1)彼此连在一起，每个散热器具有上述实施例的结构。
当半导体器件(2)的并联电路当作开关用时，半导体器件(2)常常被连接成图11所示的反并联形式，在这种情况下，从每一元器件的电位考虑，使用图12所示的实施例是有利的。而且由于减少了连接点的数目，这样也能够减少液体冷却剂泄漏的可能性。
根据本发明提供的半导体器件或类似器件的散热器，它能够减少在半导体器件中所产生的热应力及在散热块中所产生的水头损失。此外，因为没有采用带有冷却通道的导热材料块，所以与现有的散热器相比，本发明的散热器的厚度可以减薄，而冷却管的螺旋形盘绕圈数可根据半导体器件所要求的直径来决定，因此可以制造出具有良好冷却效果、高度可靠和经济效益好的散热装置。
权利要求
1.一种生产散热装置的方法，其制造过程是，准备一根由导热材料制成的管子，将所述管子的中部弯成环形，使位于所述中部两侧的两部分管子自弯好的中部开始并排地朝同一方向延伸，将这样弯成的整个管子盘绕成螺旋形，使弯好的中部位于中心，所述的两侧管子并排向外延伸形成了在管中循环流动的液体冷却剂的一个流入通道和一个回流通道。
2.一种冷却叠加装置的散热装置，包括一根导热材料制成的管子，它形成了一个流体冷却剂的流入通道和一个液体冷却剂的回流通道，和一个基本上形成在所述流入通道和所述回流通道的中间区段的中间部分，所述的中间部分被弯曲和盘绕，从而所述的流入和回流通道形成自所述中间部分始的螺旋管。
3.根据权利要求
2的散热装置，其中所述的管子具有矩形截面。
4.根据权利要求
3的散热装置，其中所述的具有矩形截面的管子，在垂直于该散热装置方向延伸的管子壁厚大于平行于该散热装置方向延伸的管子壁厚。
5.根据权利要求
2的散热装置，其中所述的叠加装置是半导体器件。
6.根据权利要求
2的散热装置，其中所述的管子的所述中间部分被弯成为一个具有预定曲率半径的环。
7.根据权利要求
2的散热装置，其中在所述的散热装置的中心形成的空心部分装了一个热电偶，连接在所述热电偶上的导线是夹在所述管子的所述两侧部分之间延伸的。
8.根据权利要求
2的散热装置，其中在并排盘绕的所述管子的所述两侧部分之间夹有一根裸露的金属导线，从而形成一个所述叠加装置的接线端子。
9.根据权利要求
2的散热装置组件，其中一对散热装置并排布置在一个平面内，并串联在一起。
专利摘要
在一种半导体器件或类似器件的散热装置中，一根由铜、铝或类似的导热材料制成的管子的中部被弯曲和盘绕，使液体冷却剂的流入通道和回流通道都变成螺旋形，并使弯成的中间部分保持在螺旋管的中心。
文档编号H01L23/473GK86107015SQ86107015
公开日1987年11月25日 申请日期1986年9月17日
发明者池龟博夫, 野中重夫, 伊藤拓朗, 松本寿彰 申请人:株式会社东芝导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan