具塑胶框体的轻量化液冷板组及散热系统的制作方法

本发明涉及一种液冷板组及散热系统，尤其涉及一种具塑胶框体的轻量化液冷板组及散热系统。

背景技术：

近年来，科技发展为契合应用上的需要导致电子器件日益的微型化、集成化，同时功率不断提升，因此器件的发热密度愈来愈高而散热效率日趋严峻，此类电子器件例如但不限于功率半导体器件的绝缘栅双极电晶体(Insulated Gate Bipolar Transistors,IGBT)，作为高频开关而广泛地应用于各种电源系统。这类高功率半导体器件于运作时会产生大量热能，若其产生的热量不能有效地被移除，则可能致使整体系统受损或降低运作效率。然而被动式散热装置已无法满足高功率半导体器件的散热需求，相较于被动式散热装置，液冷板组的操作性能可更有效益地符合散热需求或封装外形(footprint)需求。

目前应用于功率半导体器件的液冷板组具有许多实施方式，最常见的方法是使用一具流道的金属板体，并将功率半导体器件锁附于金属板体的表面，以利用金属板体的内部流道中流动的液体进行热交换，以将热能带离系统以实现散热。

图1公开一传统液冷板组的结构示意图。液冷板组1包括金属板体10以及流道模块11，其中金属板体10包括多个贯穿开口101以及多个凹槽102。流道模块11包括至少一流体入口111、至少一流体出口112、多个液冷腔体单元113以及多个导流管114。多个液冷腔体单元113通过多个导流管114相互连通，且还连通于流体入口111及流体出口112的间，以使流体入口111、流体出口112、多个液冷腔体单元113以及多个导流管114架构形成至少一流道。金属板体10的多个贯穿开口101以及多个凹槽102分别相对于流道模块11的多个液冷腔体单元113及多个导流管114、流体入口111与流体出口112，借此使流道模块11的多个液冷腔体单元113、多个导流管114、流体入口111与流体出口112可容设于金属板体10的多个贯穿开口101以及多个凹槽102中，其中每个液冷腔体单元113的表面113a曝露于金属板体10。于应用时，功率半导体器件(未图示)利用螺丝13直接锁固于金属板体10上，且贴附于液冷腔体单元113的表面113a，以实现散热。然而，金属板体10由金属材料制成，其重量较重、材料成本较高，且于固定至系统时易造成系统荷重过高。此外，金属板体10的多个贯穿开口101与多个凹槽102需通过精密的金属钻孔及开槽作业加工形成，工艺严苛且成本较高。再则，流道模块11与金属板体10间的对位组装不易，组装费时。

图2公开另一传统液冷板组的结构示意图。液冷板组2包括金属板体20、多个第一金属片21及多个第二金属片22，其中金属板体20包括多个腔室201、多个内埋管路(未图示)、至少一流体入口202、至少一流体出口203以及多个穿孔204。多个第一金属片21及多个第二金属片22对应于多个腔室201的相对开口而设置，且第一金属片21与第二金属片22架构于密封对应的腔室201，以形成液冷腔体205。多个液冷腔体205通过多个内埋管路相互连通，且连通于流体入口202及流体出口203之间，以使流体入口202、流体出口203、多个液冷腔体205以及多个内埋管路架构形成至少一流道。每个液冷腔体205的表面205a曝露于金属板体20。于应用时，功率半导体器件3利用螺丝23直接锁固于金属板体20上，且贴附于液冷腔体205的表面205a，以实现散热。然而，金属板体20由金属材料制成，其重量较重、材料成本较高，固定至系统时仍易造成系统荷重过高。虽然金属板体20的多个穿孔204可用于减轻金属板体20的重量，但金属板体20的整体重量仍相当重。此外，金属板体20的多个穿孔204需通过精密的金属钻孔作业加工形成，且液冷腔体205的形成需利用第一金属片21及第二金属片22焊接于金属板体20而形成，仍有工艺严苛且成本较高的问题。

因此，实有必要发展一种轻量化的液冷板组及散热系统，以解决现有技术所面临的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种具塑胶框体的轻量化液冷板组及散热系统，其利用塑胶框体结合至少一液冷腔体单元，以提供足够的机械强度支撑液冷腔体单元，并使功率半导体器件得以锁附于液冷板组，或使液冷板组固定于系统板件，以达成散热及轻量化的目的。

本发明另一目的在于提供一种具塑胶框体的轻量化液冷板组及散热系统，其中塑胶框体可预制成型再与液冷腔体单元相组接，或塑胶框体可利用注模成型或包射方式形成且直接与液冷腔体单元相组接，借此使液冷板组可轻量化、具较低材料成本、组装容易、提升生产速率及降低组装成本。

为达前述目的，本发明提供一种液冷板组，包括塑胶框体及至少一液冷腔体单元。塑胶框体包括多个侧壁、至少一容置开口及多个固定元件，其中多个侧壁相连接且定义形成至少一容置开口，以及多个固定元件设置于多个侧壁的部分侧壁中。液冷腔体单元与塑胶框体相组接且嵌设于塑胶框体的至少一容置开口，并曝露有至少一表面。

为达前述目的，本发明还提供一种散热系统，包括液冷板组、至少一功率半导体器件模块以及一系统板件。液冷板组包括塑胶框体以及至少一液冷腔体单元。塑胶框体包括多个侧壁、至少一容置开口及多个固定元件，其中多个侧壁相连接且定义形成容置开口，以及多个固定元件设置于多个侧壁的部分侧壁中。液冷腔体单元与塑胶框体相组接且嵌设于塑胶框体的容置开口，并曝露有至少一表面。功率半导体器件模块通过多个锁固元件与多个固定元件的部分固定元件相组配，以固定于塑胶框体，且贴附于液冷腔体单元的至少一表面。系统板件通过多个锁固组件与多个固定元件的部分固定元件相组配，以使液冷板组固定于系统板件。

本发明提供的具塑胶框体的轻量化液冷板组及散热系统的优点和有益效果在于：本发明提供一种具塑胶框体的轻量化液冷板组及散热系统，其利用塑胶框体结合至少一液冷腔体单元，以提供足够的机械强度支撑液冷腔体单元，并使功率半导体器件得以锁附于液冷板组，或使液冷板组固定于系统板件，以达成散热及轻量化的目的。

附图说明

图1为一传统液冷板组的结构示意图。

图2为另一传统液冷板组的结构示意图。

图3为本发明第一较佳实施例的散热系统及其液冷板组的结构示意图。

图4为图3所示的液冷板组的结构分解图。

图5为塑胶框体与液冷腔体单元相组接的一示范例的截面图。

图6A为塑胶框体的一示范性固定元件的结构示意图。

图6B为塑胶框体的另一示范性固定元件的结构示意图。

图7为图3所示的散热系统的另一变化例的结构示意图。

图8为本发明第二较佳实施例的液冷板组的结构示意图。

图9为图8所示的液冷板组的塑胶框体的结构示意图。

图10为图8的液冷板组的结构分解图。

图11为本发明第三较佳实施例的液冷板组的结构示意图。

附图标记说明：

1：液冷板组

10：金属板体

101：贯穿开口

102：凹槽

11：流道模块

111：流体入口

112：流体出口

113：液冷腔体单元

114：导流管

2：液冷板组

20：金属板体

201：腔室

202：流体入口

203：流体出口

204：穿孔

205：液冷腔体

205a：表面

21：第一金属片

22：第二金属片

4、4a、4b：液冷板组

40：塑胶固定装置

41：塑胶框体

41a：第一塑胶框体

41b：第二塑胶框体

411：侧壁

4111：第一侧壁

4112：第二侧壁

4113：第三侧壁

4114：第四侧壁

4115：第一对位凹槽

4116：第二对位凹槽

412：容置开口

413：固定元件

4131：第一固定元件

4132：第二固定元件

414：容置凹槽

416：沟槽

42：液冷腔体单元

42a：第一液冷腔体单元

42b：第二液冷腔体单元

42c：表面

420a、420b：表面

421：液体入口

422：液体出口

423：壳盖

423a：通孔

424：鳍片

425：底盖

43：粘胶层

44：锁固元件

45：锁固组件

45a：螺丝

45b：螺帽

46：导通管

461：第一导通管

462：第二导通管

463：第三导通管

47：流体入口导管

48：流体出口导管

49：储液槽体

5：功率半导体器件模块

51：载具

52：功率半导体器件

53：第一对位凸部

54：第二对位凸部

6：系统板件

61：穿孔

7：散热系统

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且本说明书的所有说明及附图在本质上单纯用以说明本发明，当非用以限缩本发明的可实施范围。

图3为本发明第一较佳实施例的散热系统及其液冷板组的结构示意图，以及图4为图3所示的液冷板组的结构分解图。如图3及图4所示，本发明的散热系统7包括液冷板组4、至少一功率半导体器件模块5以及一系统板件6。液冷板组4包括塑胶框体41以及至少一液冷腔体单元42。塑胶框体41包括多个侧壁411、至少一容置开口412以及多个固定元件413，其中多个侧壁411相互连接，且定义形成该容置开口412。多个固定元件413嵌设于多个侧壁411的部分侧壁中。液冷腔体单元42与塑胶框体41相互组接且嵌设于塑胶框体41的容置开口412内，其中液冷腔体单元42曝露其至少一表面42c，作为散热接触面。

于本实施例中，塑胶框体41可预先成型，且可利用一粘胶层43而与液冷腔体单元42相组接，如图5所示。或另一实施例，塑胶框体41可利用注模成型或包射方式形成，且直接与液冷腔体单元42相组接。于本实施例中，塑胶框体41的至少部分侧壁411的内侧与液冷腔体单元42的外侧边缘相组接。于本实施例中，塑胶框体41的多个侧壁411包括第一侧壁4111、第二侧壁4112、第三侧壁4113及第四侧壁4114，且第一侧壁4111、第二侧壁4112、第三侧壁4113及第四侧壁4114相互连接以定义形成该容置开口412。第一侧壁4111与第二侧壁4112相对，第三侧壁4113与第四侧壁4114相对，第一侧壁4111的两端分别与第三侧壁4113及第四侧壁4114相连接，且第二侧壁4112的两端分别与第三侧壁4113及第四侧壁4114相连接。于其他实施例中，塑胶框体41的多个侧壁411还可因应液冷腔体单元42的外缘形状而变化，由于塑胶框体41具良好的加工性能，还可利用注模成型或包射方式而与液冷腔体单元42完美结合，并使液冷腔体单元42充分曝露其可作为散热接触面的表面42c。当然，前述多个侧壁411的第一侧壁4111、第二侧壁4112、第三侧壁4113及第四侧壁4114相互连接的实施方式仅为例示，依上述原理，任何外缘形状的液冷腔体单元42均得以与本发明塑胶框体41的多个侧壁411相组接，并提供结构上足够的机械强度支撑，本发明并不以此为限，且不再赘述。

于本实施例中，液冷腔体单元42由金属材质制成。液冷腔体单元42包括至少一液体入口421、至少一液体出口422以及内部流路(未图示)。液冷腔体单元42的内部流路与液体入口421及液体出口422相连通，且液冷腔体单元42可将用于冷却的液体经由液体入口421导入，并流经内部流路，再经由液体出口422导出，借此可利用液体与贴附于液冷腔体单元42的表面42c的功率半导体器件模块5进行热交换，以实现散热。于本实施例中，液体例如但不限于水或其他冷媒流体。

于本实施例中，多个固定元件413嵌设于塑胶框体41的第一侧壁4111与第二侧壁4112中，且设置在第一侧壁4111中的固定元件413的数量与位置相对应于设置在第二侧壁4112中的固定元件413的数量与位置。固定元件413例如但不限于螺孔，其贯穿第一侧壁4111的两相对侧缘或贯穿第二侧壁4112的两相对侧缘。固定元件413可利用螺纹衬套于塑胶框体41成型后再以机械加工形成，或于塑胶框体41注模成型时一并包覆形成，如图6A所示。或另一实施例，固定元件413亦可通过例如但不限于自攻螺丝的锁固元件直接于塑胶框体41的第一侧壁4111与第二侧壁4112中加工形成，如图6B所示。应予强调者，本发明并不受限于前述固定元件413的形成方式，其他适合的形成方式亦可依实际应用需求调整与变化。于本实施例中，塑胶框体41由具机械强度的工程塑胶材料所构成，具有优异的加工性能，其密度小于铝、铜、铁、不锈钢等金属材料，且具有足够的机械强度可支撑液冷腔体单元42，并提供多个固定元件413，借此可利用多个固定元件413以固定功率半导体器件模块5于液冷板组4，或将液冷板组4固定至系统板件6上。于一些实施例中，第一侧壁4111中的多个固定元件413两两成对地配置，且任两相邻对之间以相等间距相分隔。第二侧壁4112中的多个固定元件413两两成对地配置，且任两相邻对之间以相等间距相分隔。于一些实施例中，多个固定元件413包括多个第一固定元件4131以及多个第二固定元件4132，其中多个第一固定元件4131架构于固定功率半导体器件模块5，多个第二固定元件4132将液冷板组4固定至系统板件6。多个第二固定元件4132位于塑胶框体41的第一侧壁4111的两相对端以及第二侧壁4112的两相对端，换言之，多个第二固定元件4132位于塑胶框体41的四个边角。多个第一固定元件4131位于第一侧壁4111的两个第二固定元件4132之间，或位于第二侧壁4112的两个第二固定元件4132之间。

请参考图3，功率半导体器件模块5可通过例如但不限于螺丝的锁固元件44，先穿过功率半导体器件模块5的穿孔并连接锁固至塑胶框体41上的对应第一固定元件4131，借此可将功率半导体器件模块5固定于液冷板组4且贴附于液冷腔体单元42的表面42c上，以使液冷板组4可更有效率地转移功率半导体器件模块5于运作时所产生的热能。另一方面，组装具有功率半导体器件模块5的液冷板组4还可通过例如但不限于螺丝45a及螺帽45b构成的锁固组件45，将螺丝45a穿设塑胶框体41上的对应第二固定元件4132以及系统板件6的对应穿孔61，并与螺帽45b锁合，以将液冷板组4固定于系统板件6上。在本实施例中，多个第一固定元件4131及第二固定元件4132均具有相同的结构，且其数量与位置配置可视实际应用需求调整与变化。

于一些实施例中，塑胶框体41的第一侧壁4111的外侧缘包括多个第一对位凹槽4115，第二侧壁4112的外侧缘包括多个第二对位凹槽4116，其中该多个第一对位凹槽4115与多个第二对位凹槽4116相对设置。功率半导体器件模块5包括载具51以及功率半导体器件52，其中功率半导体器件52设置于载具51上。载具51具有一第一对位凸部53以及一第二对位凸部54，其中第一对位凹槽4115与第一对位凸部53相组配，且第二对位凹槽4116与第二对位凸部54相组配，借此可辅助功率半导体器件模块5的穿孔与第一固定元件4131相对位，以利于锁固元件44进行锁固作业。于一些实施中，在不影响塑胶框体41结构强度下，塑胶框体41还设置有多个沟槽416，借此可减轻塑胶框体41的重量，进一步达成轻量化的目的。

于一些实施例中，如图7所示，液冷板组4的液冷腔体单元41曝露两相对表面，因此两个功率半导体器件模块5可分别锁固于液冷板组4的两侧，且相对位地贴附于液冷腔体单元41的两相对表面，以使散热系统7更为密集化，以及提升液冷板组4的利用。

图8为本发明第二较佳实施例的液冷板组的结构示意图，图9为图8所示的液冷板组的塑胶框体的结构示意图。图10为图8所示液冷板组的结构分解图。如图8、图9及图10所示，于本实施例中，液冷板组4a与图3所示的液冷板组4相似，且相同的元件标号代表相同的元件、结构与功能，于此不再赘述。不同于图3所示的液冷板组4，本实施例的液冷板组4a包括塑胶框体41、塑胶固定装置40、多个液冷腔体单元42、多个导通管46、至少一流体入口导管47以及至少一流体出口导管48。多个液冷腔体单元42通过多个导通管46相连通，且与流体入口导管47以及流体出口导管48相连通，以形成至少一流道。塑胶框体41还包括多个容置凹槽414，其中该塑胶框体41的容置开口412容置多个液冷腔体单元42，且塑胶框体41的容置凹槽414容置多个导通管46、至少一流体入口导管47以及至少一流体出口导管48。曝露于塑胶框体41外部的流体入口导管47以及流体出口导管48通过塑胶固定装置40固定。于本实施例中，功率半导体器件模块(未图示)组装固定于液冷板组4a的结构与方式，以及液冷板组4a组装固定于系统板件的结构与方式概如前述，于此不再赘述。

另一方面，如图10所示，于本实施例中，每一液冷腔体单元42还可包括一壳盖423、一底盖425以及多个鳍片424。其中壳盖423的侧壁设有至少一通孔423a，用以与导通管46、流体入口导管47以及流体出口导管48导通而构成内部流路。底盖425与壳盖423对合，并形成液冷腔体单元42的表面42c。多个鳍片424设置于底盖425与壳盖423之间，且连接至液冷腔体单元42的表面42c，借以增加液冷腔体单元42与用于冷却的液体间的热交换面积。其中多个鳍片424的形式可视实际应用需求而调变，例如但不受限于圆柱形鳍片、叶片形鳍片或多弯折形鳍片等。于其他实施例中，多个鳍片424则可省略。应强调的是，本发明多个液冷腔体单元42的形式并不受限于前述实施方式，设置于底盖425与壳盖423间的多个鳍片424的数量及形式均可视实际应用需求而调变，还可省略鳍片424而仅由底盖425与壳盖423所构成。于另一实施例中，导通管46、流体入口导管47或流体出口导管48内部亦可设有相同的鳍片，或于其他实施例中，多个液冷腔体单元42内部的鳍片形式还可为相异的设计。本发明并不以此为限，且不再赘述。

图11为本发明第三较佳实施例的液冷板组的结构示意图。于本实施例中，液冷板组4b与图8所示的液冷板组4a相似，且相同的元件标号代表相同的元件、结构与功能，于此不再赘述。不同于图8所示的液冷板组4a，本实施例的液冷板组4b包括第一塑胶框体41a、第二塑胶框体41b、第一液冷腔体单元42a、第二液冷腔体单元42b、多个导通管46、液体入口导管47、流体出口导管48及储液槽体49。第一塑胶框体41a及第二塑胶框体41b的结构、元件与功能概如前述，于此不再赘述。第一液冷腔体单元42a及第二液冷腔体单元42b分别与第一塑胶框体41a及第二塑胶框体41b相组接，且分别嵌设于第一塑胶框体41a及第二塑胶框体41b的各容置开口。第一液冷腔体单元42a及第二液冷腔体单元42b通过第一导通管461相连通，第一液冷腔体单元42a与储液槽体49通过第二导通管462相连通，第二液冷腔体单元42b与储液槽体49通过第三导通管463相连通。液体入口导管47及流体出口导管48分别连通于储液槽体49，且分别与第二导通管462及第三导通管463相连通，借此以形成至少一流道。于本实施例中，第一液冷腔体单元42a及第二液冷腔体单元42b的表面420a及420b可分别与各自对应的功率半导体器件模块(未图示)相组接固定或贴附，其中功率半导体器件模块组接固定于第一塑胶框体41a及第二塑胶框体41b的结构与方式与前述实施例相似，于此不再赘述。此外，第一液冷腔体单元42a及第二液冷腔体单元42b通过第一塑胶框体41a及第二塑胶框体41b分别组装固定于系统板件的结构与方式概如前述，于此不再赘述。通过本实施例的液冷板组4b，可对不同设置位置与区域的待散热器件实现散热。于其他实施例中，第一液冷腔体单元42a及第二液冷腔体单元42b的表面420a及420b还可因应所需散热系统上不同热源区域的分布而设置成不同高度或不同角度的两平面。由于第一液冷腔体单元42a及第二液冷腔体单元42b可分别通过与第一塑胶框体41a及第二塑胶框体41b相组接而提供机械支撑，进而使第一液冷腔体单元42a及第二液冷腔体单元42b以最轻简的方式固定于所需散热系统上。在本实施例中，第一塑胶框体41a及第二塑胶框体41b均具良好的加工性，易于因应调变设计及组装，可以较低材料成本完成轻量化的散热系统。当然，本发明液冷板组4b中的第一液冷腔体单元42a、第二液冷腔体单元42b、第一塑胶框体41a以及第二塑胶框体41b，其对应数量与位置配置可视实际应用需求调整与变化。本发明并不以此为限，且不再赘述。

综上所述，本发明提供一种具塑胶框体的轻量化液冷板组及散热系统，其利用塑胶框体结合至少一液冷腔体单元，以提供足够的机械强度支撑液冷腔体单元，并使功率半导体器件得以锁附于液冷板组，或使液冷板组固定于系统板件，以达成散热及轻量化的目的。另一方面，塑胶框体可预制成型再与液冷腔体单元相组接，或塑胶框体可利用注模成型或包射方式形成且直接与液冷腔体单元相组接，借此使液冷板组可轻量化、具较低材料成本、组装容易、提升生产速率及降低组装成本。

本发明得由本领域技术人员在本发明的精神范围内适当做出些许修饰，均不脱离本发明的权利要求书的范围。