根据35u.s.c.§119(e)的规定，本文件(包括附图)要求申请日为2017年3月24日的美国临时申请no.62/476,642的优先权和申请日的权益，该临时申请的内容以引用的方式并入本文中。
本公开涉及一种电子组件，该电子组件具有相变冷却式半导体器件或者其它产生热量的部件。
背景技术：
在功率电子系统中，主要的产生热量的部件通常是功率半导体器件，例如硅绝缘栅双极型晶体管(igbt)或者碳化硅(sic)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。功率电子系统的热设计需要适当地调节功率半导体器件的结温，以达到理想的寿命和可靠性。
大体上存在以下两种替代性冷却方法：(1)空气冷却式构造和(2)液体冷却式构造。由于功率半导体器件产生的热通量很高，所以空气冷却除去热量的能力有限。因此，液体冷却经常用于重型车辆的电子系统(例如逆变器)。液体冷却式构造的缺点包括用于从流经电子系统中的冷却剂通道的液体中提取热量的外部泵和散热器系统的成本和复杂性。因此，需要具有相变冷却式半导体器件的电子组件。
技术实现要素：
根据一个实施例，一种电子组件包括产生热量的半导体器件，半导体器件具有第一侧以及与第一侧相反的第二侧。蒸发器堆叠件具有底板和空心主体。蒸发器堆叠件覆盖半导体器件的第一侧。受热的底板能够将冷却剂的液相转变成冷却剂的气相。凝结容器与蒸发器堆叠件相连通并且布置成接收冷却剂的气相或蒸汽相。凝结容器构造成将接收到的冷却剂的气相转变成液相，以补充用于与蒸发器堆叠件的底板相互作用的液相冷却剂。
附图说明
图1是电子组件的一个实施例的上侧的透视图。
图2是图1中的电子组件的下侧的透视图。
图3是图1中的电子组件的第二壳体部分(例如下壳体部分)的透视图，其中，第一壳体部分(例如上壳体部分)被移除。
图4a是第二壳体部分中的电路板的一个实施例的透视图，其中，蒸发器堆叠件覆盖电路板上对应的半导体器件。
图4b是电路板的替代性实施例的透视图，其中，蒸发器堆叠件覆盖电路板的导电迹线。
图4c是图4b中标示为4c的矩形区域的放大图。
图5是图4a中的第二壳体部分的透视图，第二壳体部分还包括安装在第二壳体部分中的电容器的阵列或排。
图6a是图5中的第二壳体部分的一个实施例的透视图，其中，第二壳体部分还包括位于对应的蒸发器堆叠件上方的凝结容器，并且每个凝结容器的盖开口周围的凹槽中设有密封件。
图6b是图5中的第二壳体部分的另一个实施例的透视图，其中，第二壳体部分还包括位于对应的蒸发器堆叠件上方的凝结容器，并且每个凝结容器的盖开口周围设有垫圈。
图6c是第二壳体部分的替代性实施例的透视图，第二壳体部分还包括位于图4b中对应的蒸发器堆叠件上方的凝结容器。
图7a示出沿着图1中的基准线7-7观察到的电子组件的横截面，其中，在第一壳体部分(例如凝结盖)与凝结容器之间设有密封件。
图7b示出沿着图1中的基准线7-7观察到的电子组件的横截面，其中，在第一壳体部分(例如凝结盖)与凝结容器之间设有垫圈。
图8是图4a中的虚线矩形8所示的电子组件的部分的放大矩形图。
图9a是沿着图1中的基准线9-9观察到的电子组件的横截面，其中，在第一壳体部分和凝结容器之间设有密封件。
图9b是沿着图1中的基准线9-9观察到的电子组件的横截面，其中，在第一壳体部分与凝结容器之间设有垫圈。
图9c是沿着图1中的基准线9-9观察到的电子组件的横截面，其中，箭头示出了离开产生热量的半导体和电容器的热流的方向。
图10是图9a中的虚线矩形10所示的电子组件的部分的放大矩形图。
图11a是沿着图8中的基准线11-11观察到的蒸发器堆叠件组件的一个实施例的横截面，其中，蒸发器堆叠件的底部结合到或者直接覆盖在半导体器件的顶部金属垫上。
图11b是沿着图8中的基准线11-11观察到的蒸发器堆叠件组件的另一个实施例的横截面，其中，介电热界面材料将蒸发器堆叠件的底部与半导体器件的顶部金属垫电隔离。
在任何一组两幅或多幅附图中，相同的附图标记表示相同的元件或特征。
具体实施方式
电子组件(111或211)包括产生热量的半导体器件20(图10)、产生热量的部件、或者传导热量的特征(例如图4b中位于产生热量的半导体器件120附近的金属迹线21)。根据一个实施例，如图10所示，半导体器件20具有第一侧22以及与第一侧22相反的第二侧24。蒸发器堆叠件26包括空心主体42，空心主体42具有位于第一端30处的底板28以及位于与第一端30相反的第二端32处的出口40。在一个实施例中，蒸发器堆叠件26覆盖半导体器件20的第一侧22、产生热量的部件、或传导热量的特征，其中，蒸发器堆叠件26或其受热的底板28(例如，一旦被半导体器件20加热到临界温度)可以将冷却剂34(例如制冷剂)的液相转变成冷却剂34的气相。凝结容器36具有与蒸发器堆叠件26的出口40相连通的开口38。凝结容器36适于接收冷却剂34的气相或蒸汽相，并且将所接收的冷却剂34的气相冷却或转变成液相，以补充用于与蒸发器堆叠件26的底板28相互作用的液相冷却剂。
在一个实施例中，冷却剂34可以包括制冷剂，例如r134a或r245fa或其它能够商购获得的制冷剂。
图1提供了电子组件111的一个实施例的上侧的透视图。电子组件111包括用于容纳电路板44(图4a)和电子部件的壳体。如图所示，壳体包括第一壳体部分66和第二壳体部分68。第一壳体部分66和第二壳体部分68可以通过一个或多个紧固件或保持件而固定或紧固在一起。第一壳体部分66是上部散热器64或者包括上部散热器64，而第二壳体部分68是下部散热器62或者包括下部散热器62。上部散热器64和下部散热器62都具有翅片74以增大表面积，以便改善壳体或电子组件内的一个或多个产生热量的元件的散热。虽然壳体可以包括下部散热器62和上部散热器64两者，但在一些实施例中，壳体或电子组件111可以仅包括下部散热器62或上部散热器64。
如图1所示，示例性电子组件还包括直流(dc)端口90、一个或多个交流(ac)端口92、以及控制端口94。dc端口90可以连接到电能的直流供应源。ac端口92输出一个或多个交流输出信号，例如控制器或逆变器的输出相信号。控制端口94可以联接到数据总线、缆线或其它传输线路，以便传送输入和输出数字信号、模拟信号、或者前述两种信号。
图2是图1中的电子组件111的下侧的透视图。
图3是图1中的电子组件111的第二壳体部分68(例如下壳体部分)的透视图，其中，第一壳体部分66(例如上壳体部分)被移除。第二壳体部分68的壳体内部96布置成收纳电路板44或电路板组件和电容器76。
图4a和图4b示出了安装在电路板44上的蒸发器堆叠件26的一个或多个堆叠件组件(98、198)。在图4a中，堆叠件组件98是指蒸发器堆叠件26、电路板44上相关的金属迹线21、以及金属舌片46；堆叠件组件98可以包括半导体器件20，蒸发器堆叠件26安装在半导体器件20上。类似地，在图4b中，堆叠件组件98是指蒸发器堆叠件26、电路板44上相关的金属迹线21、以及金属舌片46；堆叠件组件98可以包括传导垫29，蒸发器堆叠件26安装在传导垫29上。
每个蒸发器堆叠件26覆盖产生热量的部件、半导体器件20、或者位于半导体器件(20或120)的输出端子附近的或者与其共同延伸的(coextensive)金属迹线21。直流(dc)端子23向半导体器件20提供直流电能。蒸发器堆叠件26促进源于产生热量的部件、产生热量的半导体(20或120)或者受热的金属迹线21的第一热路径78到达第一壳体部分66或者上部散热器64，由此使热量或热能散逸到周围的空气或环境中。
图4a是第二壳体部分68中电路板44的一个实施例的透视图，其中，蒸发器堆叠件26覆盖电路板44上对应的半导体器件20。在一种构造中，一个相应的蒸发器堆叠件26或堆叠件组件98可以用于电子组件111的每个半导体器件20。例如，如果电子组件111包括三相逆变器，则相应的蒸发器堆叠件26可以安装在每个对应的半导体器件20上方，使得电路板44安装有总共6个蒸发器堆叠件26。在一个实施例中，蒸发器堆叠件26具有径向地延伸的金属舌片46，金属舌片46在蒸发器堆叠件26的第一端30附近或第一端30(例如底部或底板28)处向外延伸。蒸发器堆叠件26的金属舌片46可以连接或焊接到电路板44上，以便表面安装蒸发器堆叠件26。此外，金属片舌片46可以包括引线框架，用以将半导体器件20的器件端子连接到电路板44的对应的金属迹线21。
如图4a所示，电子组件111或逆变器的每一相的输出端子47可以与电流传感器97(例如磁场传感器或电场传感器)相关联，以检测每个输出相信号(例如脉冲宽度调制信号)的电流水平或幅值。虽然电流传感器97与在电路板44的金属迹线21中流动的电流电磁地耦合，但不直接电联接到电路板44的金属迹线21。
图4b是电子组件211的替代性实施例的透视图。图4b中的电子组件211类似于图4a中的电子组件，不同之处在于蒸发器堆叠件26覆盖电路板44的金属迹线21的一部分(例如金属垫、厚金属垫或重浇口)并且蒸发器堆叠件26靠近每一相的对应的半导体器件120。这里，在电子组件211中，蒸发器堆叠件26可以独立于半导体器件(例如120)的封装(由此独立于半导体器件的制造商)来使用。例如，如图所示，半导体器件120具有带有翅片的整体式散热器或其它整体式散热器。如果半导体器件120包括逆变器的功率晶体管，则逆变器的单独一相需要两个晶体管并且可以具有公共输出，其中，相的高侧晶体管和低侧晶体管的输出端子相连。在实践中，逆变器中的晶体管的输出端子可以包括场效应晶体管的漏极和源极、或者双极结晶体管的集电极和发射极。每个半导体器件120的引线框架99焊接或连接到对应的金属迹线21。直流(dc)端子向半导体器件120提供直流电能。
图4c是图4b中标示为4c的矩形区域的放大图。如图4b和图4c所示，在靠近一对半导体器件120(例如用于逆变器的相的晶体管)的输出相端子处或附近，一个蒸发器堆叠件26覆盖金属迹线21。在一种构造中，蒸发器堆叠件26可以相对于一个或多个半导体器件120定位在目标间隔处。目标间隔可以基于等距径向距离r，所述等距径向距离r是从蒸发器堆叠件的竖直轴线77到多个半导体器件120的距离，其中，第一径向距离d1等于第二径向距离d2。第一径向距离位于竖直轴线77与半导体器件120的外部封装的周界上的最接近点之间；第二径向距离位于竖直轴线77与半导体器件120的外部封装的周界上的最接近点之间。此外，目标间隔可以保持半导体器件120的外部封装的最靠近点与蒸发器堆叠件26的最大径向范围之间的独立，所述最大径向范围始于蒸发器堆叠件26的大致竖直的轴线77。蒸发器堆叠件26的目标间隔可以取决于半导体封装和蒸发器堆叠件26的制造公差、以及半导体封装和蒸发器堆叠件的热膨胀系数。
在另一种构造中，蒸发器堆叠件26可以定位成：(1)尽可能地接近半导体器件120的封装并且允许制造公差和热膨胀，(2)与冷却的单独一相的半导体器件120等距，并且/或者(3)位于输出端子的金属迹线21的结点处或附近，例如位于安装垫25(例如微条垫)或电路板44的重倾(heavypour)处，其中，所述输出端子(例如经由舌片46或引线框架)始于逆变器的同一输出相的半导体器件120。如图4b和图4c所示，用于输出相的输出端子的金属迹线21的结点与半导体器件120的对应的器件端子之间的迹线长度等距，以避免逆变器或类似的电子组件的同一相的半导体器件120(例如高侧和低侧晶体管)之间的不均衡散热。
在一个实施例中，蒸发器堆叠件26的空心主体42大致呈筒状。如图10所示，蒸发器堆叠件26的空心主体42具有下部48和上部50，下部48具有倾斜壁52，并且上部50大致呈筒状，其中，壁52径向地向外并且朝着底板28向下倾斜。此外，上部50具有外表面54，外表面54接合对应的凝结容器36的对应开口38。蒸发器堆叠件26可以类似于能够安装在电路板44或其它衬底上的微型冷却塔或堆叠件。
蒸发器堆叠件26的内部60的底板28包括用于冷却的一系列或凸起的突伸部58。蒸发器堆叠件26的内部60的底板28包括一组脊、翅片、大致圆柱形的突伸部58、或者在下部背景表面上方延伸的升高的岛的图案。
在一个实施例中，如图10和图11a所示，蒸发器堆叠件26的底板28或底部覆盖半导体器件20的第一侧22。蒸发器堆叠件26由诸如铜或铜合金等金属或合金构成。半导体器件20的第一侧22在蒸发器堆叠件26的底侧处结合到第一端30。例如，半导体器件20的第一侧22上的金属垫25能够焊接到(或者电连接和机械连接到)蒸发器堆叠件26的第一端30。半导体器件20的第一侧22上的一个或多个金属垫25可以电连接或联接到金属舌片46、引线框架或半导体器件20的其它端子，它们焊接或结合到电路板44的上侧上的金属迹线21。半导体器件20的第二侧24与第一侧22相反。半导体器件20的第二侧24上的金属垫25可以结合到或电连接到电路板44的上侧上的电传导垫29或金属迹线21。
在另一个实施例中，如图11b所示，半导体器件20(或产生热量的部件)的第一侧22在半导体器件20(或产生热量的部件)的第一侧22与蒸发器堆叠件26的第一端30之间具有热界面材料56。半导体器件20的第一侧22上的一个或多个金属垫25连接到引线框架99或端子，所述引线框架99或端子焊接或结合到电路板44的上侧上的金属迹线21。半导体器件20的第二侧24与第一侧22相反。半导体器件20的第二侧24上的金属垫27可以结合到或电连接到电路板44的上侧上的传导垫29或金属迹线21。
图5是图4a中的电子组件111及其第二壳体部分68的透视图，电子组件111进一步保持安装在第二壳体部分68中的电容器76的阵列或排。
图6a是电子组件111的一个实施例的透视图，电子组件111包括位于对应的蒸发器堆叠件26上方的凝结容器36，其中，第二壳体部分68保持电路板44、蒸发器堆叠件26和凝结容器36。在图6a中，凝结容器的盖82或第一壳体部分66被移除，以便更好地显示和示出凝结容器36的内部。每个凝结容器36具有倾斜底板70，以支持或促进凝结的液体相冷却剂排入每个蒸发器堆叠件26的蒸发器出口40中。
凝结容器36与第二壳体部分68中的凹槽83或通道中的密封件84相关联，其中，凹槽83围绕用于凝结容器36的盖开口79的周界延伸。盖开口79可以由凝结容器的盖82或第一壳体部分66覆盖。如图所示，一组凝结容器36共同形成具有盖82的单一凝结室或凝结器，盖82由上部散热器64的一部分或第一壳体部分66限定。密封件(containmentseal)84安置在用于密封盖82的凝结室的盖开口79周围的凹槽83中，并且由第一壳体部分66的内部配合表面限定。因此，虽然多个蒸发器堆叠件26(例如图6a中的6个蒸发器组件堆叠件)共同向单一凝结室馈送气相冷却剂，但每个凝结容器36局部地将呈液相形式的冷却剂排放到其对应的一个或多个蒸发器堆叠件26。
尽管密封件84接合围绕多个凝结容器36的单一周界凹槽83，但在替代性实施例中，替代性凝结容器可以彼此分离成独立的、离散的容积空间。此外，每个替代性凝结容器具有独立的盖开口，所述盖开口具有对应的凹槽以及用于与第一壳体部分66配合的相关密封件。因此，一个或多个蒸发器堆叠件36(例如一对如图6a中的蒸发器堆叠件)向单一凝结室气体馈送冷却剂，每个凝结容器36局部地将液体中的冷却剂排出到其对应的一个或多个蒸发器堆叠件26。
在一个实施例中，盖82具有内部和外部特征，以促进冷却剂在内表面上的凝结。在一个实例中，盖82的内表面可以在凝结容器36中具有内部翅片或凝结室，以促进冷却剂的凝结。在另一个实例中，盖82的内表面具有波状形状，以增大表面积，以促进冷却剂的凝结。在另一个实施例中，盖82的内表面或凝结容器36的内部具有竖直管，竖直管可以被钎焊到盖82上，以满足更积极的凝结的需要，这是因为这样提供了更大的表面积。上部散热器64的外部上的外部翅片74支持凝结容器36的空气冷却，这有利于它们内部的凝结。
在一个实例中，上部散热器64与半导体器件20热连通，这是因为凝结容器36的顶部、盖82或顶板由上部散热器64或第一壳体部分66的下表面形成。在凝结容器36或凝结室的盖开口79周围的密封件84、可选的垫圈86或它们两者形成密封件，以将冷却剂34(无论液相或气相)限制到凝结容器36和相关的蒸发器堆叠件26。
在替代性构造中，第一壳体部分66或上部散热器64与半导体器件20热连通，其中，凝结容器36具有它自己的顶部、盖82或顶板(例如整体式顶部)，用以邻接或接触上部散热器64或第一壳体部分66。
图6b是图5中的电子组件111的另一个实施例的透视图。图6b中的电子组件111的实施例类似于图6a中的实施例，不同之处在于图6b中的实施例还包括位于对应的蒸发器堆叠件26上方的凝结容器36，其中，在由多个凝结容器36形成的凝结室的盖开口79的周界周围设有垫圈86。图6b中的电子组件类似于图6a中的电子组件111，不同之处在于图6b中的电子组件使用垫圈86(例如第二壳体部分68的台阶或凸缘上的垫圈)而不是设有弹性密封件的凹槽83，或者使用设有凹槽和弹性密封件的垫圈86。
图6c是第一壳体部分66的替代性实施例的透视图，其中，第一壳体部分66还包括位于图4b中对应的蒸发器堆叠件26上方的凝结容器36。图6c中的电子组件111与图6b中的电子组件111类似，不同之处在于每一相仅具有一个与凝结容器36中对应的开口38相接合的蒸发器堆叠件26。图6c中的每一个凝结容器36在底部具有单独一个开口38，以接收对应的蒸发器堆叠件26并且将呈液相形式的冷却剂排入蒸发器堆叠件26中。每个凝结室36中的开口38仅暴露单独一个蒸发器堆叠件26，例如，如果电子组件包括逆变器，则单独一个蒸发器堆叠件26冷却每一相。
在一个实施例中，下部散热器62或第一壳体接触、面对或邻接电路板44的下侧，其中，电路板44的下侧包括金属基底、金属层31(例如图11b所示)或金属接地平面。在图4b和图6c中，半导体器件120可以由下部散热器62和蒸发器堆叠件26同时冷却，下部散热器62适于将热能传递到周围的空气，并且蒸发器堆叠件26促进液相和气相之间的相变。
图7a示出了沿着图1中的基准线7-7观察到的电子组件111的横截面，其中，密封件84位于第一壳体部分66(例如盖82)与凝结容器36(它们统称为凝结室)之间。密封件84将盖82的密封件支撑在凝结容器36上。在一个实施例中，密封件84包括弹性密封件，该弹性密封件位于一个或多个凝结容器36的顶部37突缘中的相应的凹槽83或通道中。在图7a和图7b中显而易见的是，凝结容器36的倾斜底板70有助于将凝结的液相冷却剂(例如制冷剂)排放或移动(而不泵送)到每个堆叠件26的堆叠件出口40中。
图7b示出了从图1中的基准线7-7观察到的电子组件111的横截面。图7b中的电子组件111类似于图7a中的电子组件111，不同之处在于密封件84和对应的凹槽83被第一壳体部分66(例如盖82)与凝结容器36之间的垫圈86代替。
在替代性构造中，凝结室的突缘中的多个独立的密封件和对应的凹槽可以用于将每个凝结室密封到由第一壳体部分66或上部散热器64的一部分形成的盖。
图8是图4a中的虚线矩形8所示的电子组件111的部分的放大矩形图。每个蒸发器堆叠件26在其底板上具有突伸部58，以促使冷却剂的液相变成冷却剂的气相。图8示出了蒸发器堆叠件的下部48的壁向外且向下倾斜。在图8中，半导体器件20具有与端子47(例如引线框架端子)电连接的器件端子。类似地，直流端子23(例如通过引线框架端子)连接到半导体器件20的器件端子，以便向半导体器件提供电能。
图9a是沿着图1中的基准线9-9观察到的电子组件111的横截面，其中，在第一壳体部分66和凝结容器36之间设有密封件84。凝结容器盖82由上部散热器64或第一壳体部分66的一部分限定。冷却剂34可以占据凝结容器36并且在中心体积中呈冷却剂的气相的形式，并且凝结容器36的内表面倾向于支持气相凝结或转变成液相，以便将呈液相形式的冷却剂排入并重新补充到蒸发器堆叠件中。
图9b是沿着图1中的基准线9-9观察到的电子组件111的横截面。图9b中的电子组件与图9a中的电子组件类似，不同之处在于密封件84和对应的凹槽83被第一壳体部分66与凝结容器36之间的垫圈86代替。
图9c是沿着图1中的基准线9-9观察到的电子组件111的横截面，其中，箭头表示离开产生热量的半导体(20、120)和电容器76的热流的方向。用于从一个或更多个半导体(20、120)散热的第一热路径78通常独立于用于从电容器76散热的第二热路径80。产生热量的半导体(20、120)主要通过上述两相冷却的方式进行冷却，而电容器76主要通过壳体(66、68)外侧的翅片74以及可选的内侧的翅片空气冷却进行冷却。
在一个实施例中，电子组件111在没有任何泵的情况下支持冷却剂34(例如制冷剂)的循环。例如，凝结容器36包括倾斜底板70，倾斜底板70允许在凝结容器36的内表面72上形成的冷却剂34的凝结产物在重力的作用下排回到蒸发器堆叠件26。当液相变回到气相时，冷却剂34确实形成或者能够形成于内表面72上。在一个实施例中，冷却剂34的相变在蒸发器堆叠件26中转变成气相，在凝结容器36中转变成液相，并且以液相的形式在重力的作用下返回到蒸发器堆叠件26。因此，冷却剂34通过冷却剂34的相变和凝结容器36的倾斜底板70进行循环，而无需任何泵。
蒸发器堆叠件26包括蒸发区或蒸发体积。所述蒸发区或蒸发体积以蒸发器堆叠件26的邻近半导体器件20的第一侧22(例如上侧)第一端30(例如底部)处的底板28为边界，并且从底板28及相关的突伸部58向上延伸。例如，蒸发器堆叠件26的第二端32(例如顶部)限定蒸发体积的上边界，并且蒸发器堆叠件26的第一端30(例如底部)限定蒸发体积的下边界。蒸发器堆叠件26的第一端30或底板28与相应的半导体器件20或其上的金属垫25热连通。
蒸发器堆叠件26具有竖直地延伸的蒸发器堆叠件竖直轴线77。蒸发器堆叠件26的轴线与大致筒状部分或大致筒状蒸发器堆叠件26同轴。蒸发器堆叠件26具有呈筒状、半圆锥状或反漏斗状的壁或倾斜壁52。壁52可以形成蒸发体积的附加边界。尽管将上述蒸发体积作为蒸发体积的特征，但实际中，蒸发体积可以同时支持蒸发模式和凝结模式，特别是当凝结的凝结剂34(例如从凝结容器36)沿蒸发器堆叠件26的壁或侧面朝着半导体器件20的第一侧22下滴时。有时，冷却剂34可能凝结在蒸发器堆叠件26的壁或侧面上。
凝结容器36包括比蒸发区或蒸发体积大的凝结区或凝结体积。凝结体积由位于对应的蒸发器堆26上方的相应的凝结容器36限定，凝结容器36经由凝结容器36中的开口38与蒸发器堆叠件26中的出口40连通。例如，蒸发器堆叠件26的筒状部分的外表面54可以与凝结容器36中的开口38对接或接合。来自蒸发器堆叠件26的蒸发器堆叠件出口40的气相进入凝结容器36的凝结区或凝结体积。
在蒸发器堆叠件26中，冷却剂34从液相变为气相，同时吸收热量。在凝结容器36或者在上面所描述的凝结容器36中，通过对冷却剂34进行冷却而使冷却剂34从气相变为液相。凝结的冷却剂34或凝结产物形成在凝结容器36内的凝结区或凝结体积中，或者形成在凝结容器36的内表面72上，甚至形成在密封凝结容器36的盖82上，以限制冷却剂34到达周围的空气或环境。
在一种构造中，冷却剂34以如下方式进行循环，该方式消除了对用于循环或泵送冷却剂34的泵的任何需求。第一，呈液相形式的冷却剂34直接或间接地与受热的半导体器件20的第一侧22、蒸发器堆叠件26的底板28(具有或不具有内部60的突伸部58)、或者与半导体器件20的受热的第一侧22热连通的接合表面相互作用。第二，与受热的第一侧22的相互作用使得一部分冷却剂34从液相转变或变为气相。第三，受热的气相冷却剂34上升到凝结容器36或凝结室中。第四，气相冷却剂34在凝结容器36和盖82的一个或多个壁或内表面72上冷却。第五，呈液相形式的冷却剂34的冷却的凝结产物滴落、流动或循环进入蒸发器堆叠件26中，以重复上述过程。在将加压的制冷剂引入由蒸发器堆叠件26、凝结容器36和盖82限定的密封体积中之前，密封体积可以经受真空。
根据本公开的实施例，电子组件111以被动方式对冷却剂34使用两相冷却过程，该方式不需要任何泵或冷却剂34的主动循环。当通过(例如向电子组件111或211)施加电功率而将功率半导体(20、120)的第一侧22或表面加热到临界温度以上时，冷却剂34在蒸发器堆叠件26的第一端30或底板28处变成蒸汽或气相。蒸汽或气相上升到功率半导体(20、120)的表面上方，并且在此过程中相变液体通过蒸发来去除热量。液体冷却剂34这样相变成蒸汽使得从一个或多个功率半导体器件20的集中表面快速地移除热量。此外，每一对蒸发器堆叠件26和凝结容器36将热量集中分配到能够有效地且成功地从一个或多个半导体器件20散热的大面积上。
可以将蒸发器堆叠件26和凝结容器36的组合称为两相热界面。通过液体冷却剂34的相变，两相热界面提供了利用液体从一个或多个半导体器件20到空气的热传递，使得所提出的热管理系统称为不需要泵的、简单、独立且自给自足(self-contained)的系统。
集中的热量来源于每个半导体器件20，并且两相热界面将热能扩散到大面积上，因此可以通过上部散热器64、下部散热器62或它们两者将热能传递到周围的空气，从而去除热量。本公开有助于通过金属垫25或功率半导体(例如硅绝缘栅双极晶体管(igbt)、碳化硅(sic)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)器件、或氮化镓(gan)半导体器件)的其它端子、通过半导体器件20的第一侧22上的两相热界面，并通过第二侧24上的下部散热器62进行冷却。此外，上部散热器64通过一个或多个两相热界面从与一个或多个半导体器件20的热能热流通的第二侧去除热量。
例如，凝结容器36或蒸汽室可以由电介质材料形成，以提供上部散热器64和半导体器件20之间的电隔离。因为冷却剂34经过相变，所以两相热界面能够实现在其沸腾时从集中源快速且高效地传递热量，并且由于电子设备的壳体及其相关的上部散热器64和下部散热器62，所以蒸汽能够快速分布在可用的大面积上。在一个实施例中，壳体、上部散热器64、下部散热器62(二者都可以带有翅片)的表面积大到足以使用空气冷却的方式来使冷却介质凝结并且完成冷却剂34在电子组件111内的整个循环。在某些构造中，电子组件111可以为高功率密度逆变器提供自给自足的冷却系统，而不用任何泵。
在一种构造中，在半导体器件20(例如平面功率半导体芯片组)的第一侧22(例如上侧)上的一个或多个电导体或传导垫25接触、邻接或结合到(例如焊接或钎焊到)蒸发器堆叠件26。蒸发器堆叠件26具有中空的、相对高的筒状形状，该形状形成烟囱式结构。蒸发器堆叠件26连接成流体连通至凝结容器36(例如蒸汽室)，其中，凝结容器36的凝结体积大于蒸发器堆叠件26的蒸发器堆叠件体积。第一壳体(例如上部散热器64)和蒸发器堆叠件26之间的凝结容器36或室完全由介电材料制成，或者它的一部分由介电材料制成，因此存在适当的电隔离性。
在图10中，在一个实施例中，第一壳体66或上部散热器64促进冷却剂34在凝结容器36中从蒸汽相到液相的凝结。在一个实施例中，径向密封件88位于蒸发器出口40和凝结容器36的下表面中的开口38之间，以允许蒸发器堆叠件26和凝结容器36之间气密密封性的轴向运动或滑动，其中，金属蒸发器堆叠件26和介电凝结容器36具有不同的热膨胀系数。径向密封件88在轴向运动期间保持适当的密封性，以支撑电子组件111的组件，其中，凝结容器36中的每个开口38与对应的蒸发器堆叠件26配合。此外，径向密封件88支持一些应变消除、组装期间的轴向调整、以及如下部件中的一个或多个部件的制造公差的调整：蒸发器堆叠件26、凝结容器36、第一壳体部分66和第二壳体部分68。
径向密封件88可以包括单唇形密封件、双唇形密封件、弹性o形环、弹性密封件、合成橡胶密封件、径向轴密封件、界面密封件、作为环形弹性密封件和双唇形密封件的组合的组合密封件、或者其它密封构造。径向密封件88的弹性材料由与冷却剂34或制冷剂相容的材料构成。
在一个实施例中，密封件84(例如弹性密封件)或密封剂位于凝结容器36(例如在它的中间部分或突缘37处)与第一壳体部分66(例如上部散热器64)之间，以形成完全封闭的凝结容器36，凝结容器36可以被抽空至标准大气压，然后加压并填充适量的冷却剂34、制冷剂或相变液体。
图11a是沿着图8中的基准线11-11观察到的蒸发器堆叠件组件98的一个实施例的横截面，其中，蒸发器堆叠件26的底部结合到或直接覆盖半导体器件20的顶部金属垫25。如图11a所示，蒸发器堆叠件26被充电并连接到半导体器件20的输出端子，例如功率晶体管的漏极、源极、发射极或集电极。蒸发器堆叠件26相对于如下部件具有电位或电荷：(1)壳体、第一壳体部分66、第二壳体部分68、或电子组件111的框架或底座，以及(2)任何其它相输出端子，如果电子组件111是多相逆变器的话。蒸发器堆叠件26的下部48倾向于承载从电路板44的半导体器件20到金属迹线21(例如微条迹线及其接地层)的大部分输出交流信号(例如该信号处于基频)，而堆叠件的上部50没有有效的电流路径(例如接地)。如果壳体(66、68)由金属材料(例如铝或铝合金)构成，则壳体提供屏蔽，以便将否则可能由电路、蒸发器堆叠件26、或电路板44上的金属迹线21辐射的任何电磁辐射保持在壳体内。
半导体器件20具有舌片46或引线框架，用以将半导体器件20的器件端子连接到金属迹线21。
在一些构造中，如图11a和图11b所示，电路板44包括金属基层31、覆盖金属基层31的介电层93、以及覆盖介电层93的一个或多个金属迹线21和金属垫29。在一个实施例中，金属基层31包括铝或铝合金，并且邻接或接触下部散热器62或第二壳体部分68。金属基层31能够增加下部散热器62的热质量，以改善电子组件111的散热。金属基层可以直接接触下部散热器62，或者可以例如通过热界面材料56、导热油脂、或导热膏来间接接触下部散热器62。
图11b是沿着图8中的基准线11-11观察到的蒸发器堆叠件组件98的另一个实施例的横截面，其中，蒸发器堆叠件26的底部或第一端30和半导体器件20的顶部金属垫25由介电热界面材料56电隔离。半导体器件20的器件端子49通过一个或多个引线框架49连接到电路板44上的金属迹线21，或者直接连接到传导垫25，此外还存在其它的可能性。
如图11b所示，蒸发器堆叠件26虽然不带电并且不处于电子组件(例如逆变器)的任何输出相的输出电位，但可以处于底盘接地或电接地电位。蒸发器堆叠件26可以利用介电热界面层56与半导体器件20的金属垫25或输出端子或者任何相关的金属迹线21电隔离，介电热界面层56提供可接受水平的导热率和电隔离性/绝缘性。因此，图11b中的蒸发器堆叠件26不辐射任何材料电磁干扰或辐射。此外，壳体可以由金属或金属材料构成，以减弱由电子组件(111、211)的电路产生的任何电磁干扰或辐射。
在替代性实施例中，凝结容器36可以模制或形成为完全封闭的系统，以便作为部件添加到电子组件111(例如逆变器)。然后，凝结容器36的凝结内表面必须与作为独立散热器的第二散热器进行相交界，从而由于上述材料和热界面材料(例如导热油脂、膏或垫)而增大了热阻，其中，所述热界面材料用于制造散热器与凝结容器36之间的良好的导热界面。
在一种构造中，壳体、第一壳体部分66和第二壳体部分68、或者它们两者可以由诸如铝或铝合金等金属材料构成，以屏蔽电磁干扰。第一壳体部分66和第二壳体部分68可以具有翅片74、脊或其它突伸部，以促进热散逸到周围的空气或环境。
尽管未在附图中示出(从蒸发器堆叠件的底板延伸的突伸部58(例如柱或棒)除外)，但在替代性实施例中，蒸发器堆叠件26可以具有堆叠件内部60或外表面，所述外表面包括升高的特征，例如翅片、表面不规则、或表面起伏，以增大表面积并加速冷却剂的液相和气相之间的相变过程。类似地，凝结容器可以具有内表面72或外表面，所述外表面包括诸如翅片等升高的特征，以增大表面积并加速冷却剂的液相和气相之间的相变过程。此外，上述内表面或外表面中的任意一者都可以涂覆微孔层，以增强散热。例如，微孔层可包括分散在基质中的粉末状碳(所述基质例如是结合剂、聚合物或塑料基质)、或者促进冷却剂(例如制冷剂)的沸腾和集结(nucleation)的(例如在蒸发器堆叠件的内部60中的)其它涂层。
在替代性实施例中，壳体的外部上的翅片74可以被优化为针、翅片74、或其它突伸部，并且可以呈现适当的几何形状。电子组件可以增加可选的一个或多个风扇，以实现在壳体的带有翅片的外部或外表面周围所需的空气运动。
在一些构造中，半导体器件包括衬底或其它印刷电路板组件(pcba)，其中，一个或多个半导体芯片组直接结合到热包覆金属散热件上，并且也会被空气冷却，以增强来自功率半导体芯片组的底表面的热传递。
尽管蒸发器堆叠件通常关注于电子组件中的半导体器件的热传递，但相同的概念可以用于冷却电子组件中的或者其中的任何电路板上的其它产生热量的部件。例如，可选的蒸发器堆叠件可以被布置在电路板或连接器界面上承载大电流的迹线上。因此，单独一个电子组件可以具有许多蒸发器堆叠件，这些蒸发器堆叠件与一个或多个相应的凝结容器中对应的开口接合，其中，多个蒸发器堆叠件可以由单个凝结容器或多个凝结容器中对应的开口提供服务。
已经描述了优选的实施例，显而易见的是，在不脱离随附的权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改。