專利名稱：流分布器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布冷卻劑的流分布器。具體地講，本發(fā)明涉及一種提供比現(xiàn)有技術(shù)分布器更有效和更經(jīng)濟(jì)的冷卻的流分布模塊。
背景技術(shù)：
通常把功率半導(dǎo)體安裝在襯底上，所述襯底包含每一側(cè)均具有金屬層的電絕緣層?？梢园压β拾雽?dǎo)體安裝在具有用作連接半導(dǎo)體各個(gè)端子的電路的第一金屬層的絕緣層的第一側(cè)。當(dāng)半導(dǎo)體處于工作狀態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生熱量，這一熱量透過(guò)第一金屬層、透過(guò)絕緣層、然后透過(guò)附接于絕緣層的相反側(cè)的第二金屬層。于是，例如可以使用與第二金屬層·相接觸的冷卻劑從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移熱量。盡管在許多應(yīng)用中這一做法是足夠的，然而在某些情況下，為了縮短熱路徑長(zhǎng)度并從而增加從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移熱量的速率，讓冷卻劑盡可能接近絕緣層地輸送是有益的。已經(jīng)建議在第二金屬層中形成流體流通道，于是可以使冷卻劑更近地流至絕緣層。這一方案具有如下缺點(diǎn)傳統(tǒng)上，金屬層的厚度被限制為最多為大約I毫米，從而導(dǎo)致極窄的通道，這致使流阻增加和流量降低。這樣的通道也易遭阻塞并導(dǎo)致可靠性的降低。對(duì)上述方案的修改是，建立包含若干薄層的厚金屬層，每一個(gè)層包含孔圖案，當(dāng)組裝時(shí)，這些孔形成一組適合于輸送冷卻劑的流通道。盡管進(jìn)行了這一改進(jìn)，但這一方案仍僅允許形成相對(duì)窄的通道，并且具有上述缺點(diǎn)。另外，若干金屬層的組裝也是昂貴的工藝，從而導(dǎo)致該已知方法的明顯的商業(yè)缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的旨在提供一種能夠提供比已知技術(shù)更均勻的冷卻的流分布器。本發(fā)明的另一個(gè)目的旨在提供一種能夠提供比現(xiàn)有技術(shù)流分布器更高冷卻效率的流分布器。本發(fā)明的再一個(gè)目的旨在提供一種能夠提供更好熱傳遞，同時(shí)維持跨流分布器的低壓力降的流分布器。本發(fā)明還有一個(gè)目的旨在提供一種能夠比已知流分布器更簡(jiǎn)單并且能夠更便宜地加以制造的流分布器。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)提供一種通過(guò)冷卻體對(duì)流體流進(jìn)行分布的流分布器，可以實(shí)現(xiàn)上述和其它目的，所述流分布器包含
-進(jìn)口集管 -出口集管
-一或多個(gè)流槽，每一個(gè)流槽設(shè)置為把進(jìn)口集管和出口集管流暢地互相連接，每一個(gè)流槽包含與進(jìn)口集管進(jìn)行流體傳遞的槽進(jìn)口、與出口集管進(jìn)行流體傳遞的槽出口、以及用于引導(dǎo)從槽進(jìn)口到槽出口的流體流的流通道，其中，流分布器形成在直接接合到將被冷卻的絕緣層的固體層中。
可以由與絕緣層相同的材料形成固體層，或者可以使用不同的材料形成固體層。這樣的流分布器有助于絕緣層的更均勻的冷卻，因?yàn)槊恳粋€(gè)流槽對(duì)絕緣層的一小部分進(jìn)行冷卻，并且直接從進(jìn)口集管提供冷卻劑以及直接向出口集管排放。另外，由于直接在固體層中形成流分布器，所以從將被冷卻的絕緣層到冷卻劑的熱路徑長(zhǎng)度極短。因此，流分布器 的冷卻效率極高。直接接合到絕緣層的方法可以為熔融接合、共晶接合或者其它合適的方法。流體優(yōu)選為液體，然而可以替換地為氣體或者氣體與液體的混合。流分布器包含進(jìn)口集管、出口集管以及一或多個(gè)流槽。把每一個(gè)流槽設(shè)置為把進(jìn)口集管和出口集管流暢地互相連接。因此，流體經(jīng)由一或多個(gè)流槽從進(jìn)口集管導(dǎo)向出口集管。進(jìn)口集管將流體分布到流槽，并且來(lái)自流槽的流體被收集在出口集管中?？梢园堰M(jìn)口集管有利地流暢地連接到提供冷流體的流體源。相類似，可以把出口集管有利地流暢地連接到用于收集已經(jīng)被引導(dǎo)通過(guò)流槽的流體的流體排放口。流體可以再循環(huán)，在這一情況下，可以有利地把熱交換器設(shè)置在出口集管和進(jìn)口集管之間，以避免被引導(dǎo)通過(guò)流槽的流體的溫度增加。絕緣層可以具有在以下兩方面之間加以折衷的厚度，S卩，一方面在制造期間易于處理，另一方面可以安裝在遠(yuǎn)離流分布器的絕緣層側(cè)的熱生成部件所產(chǎn)生的熱量易于傳輸。在一個(gè)實(shí)施例中，絕緣層的厚度為O. 38mm,例如O. 2mnT0· 5mm,例如O. ImnTlmm,例如
O.OlmnTlOmm0絕緣層可以包括陶瓷。合適的陶瓷的示例包括氮化硅、氮化鋁以及氧化鋁?？梢酝ㄟ^(guò)壓鑄(die casting)形成所述進(jìn)口集管、所述出口集管以及所述一或多個(gè)流槽。與其它在固體中形成通道的方法相比，這樣的方法是便宜的，因此，與其它可比的產(chǎn)品相比，按這一方式制造的流分布器制造起來(lái)更簡(jiǎn)單和更便宜。固體層可以包含諸如鋁或者鋁合金的金屬，或者包含合適的塑料材料。流分布器的厚度至少為O. 5mm,也可以為50mm或者更厚。這樣的厚度能夠使流分布器包含寬的通路，從而提供更好的熱傳遞，同時(shí)維持跨流分布器的低壓力降。當(dāng)通過(guò)引導(dǎo)流體的層流(例如，沿表面的液體流)冷卻表面時(shí)，通常會(huì)在與該表面直接相鄰的流動(dòng)的流體中形成邊界層。在該邊界層中的流速度低于冷卻流體的其余部分的流速度。邊界層的厚度沿流體的流方向增加，并且邊界層厚度的增加以及較低的流速度的組合導(dǎo)致了熱傳遞，從而在某些情況下大大降低了系統(tǒng)的冷卻效率。為了使流體在從槽進(jìn)口流至槽出口時(shí)反復(fù)地改變方向，可以形成至少一個(gè)流槽。當(dāng)流體經(jīng)由流路徑從進(jìn)口集管流至出口集管時(shí)，流方向的這樣的變化擾亂了流圖案，從而有助于防止邊界層的形成。另外，本發(fā)明的流分布器還適合于按以下方式連接到另一個(gè)至少基本相同的流分布器把進(jìn)口集管連接到另一個(gè)至少基本相同的進(jìn)口集管以形成公共流體進(jìn)口，以及把出口集管連接到另一個(gè)至少基本相同的出口集管以形成公共流體出口，從而流分布器適合于形成流分布器堆的一部分。本發(fā)明的流分布器可以適合于適當(dāng)場(chǎng)合中諸如水、油、氣體或者甚至雙態(tài)冷卻劑的不同的冷卻劑。


現(xiàn)在，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中，
圖I為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的流分布器的透視圖，
圖2為與圖I相同的實(shí)施例的透視圖，
圖3為當(dāng)前發(fā)明的第一實(shí)施例的金屬層的透視圖，
圖4示出了組裝形式的流分布器，
圖6圖示了本發(fā)明第二實(shí)施例的透視圖，
圖7圖不了另一個(gè)實(shí)施例， 圖8圖示了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，
圖9為圖8中所示實(shí)施例的部件側(cè)的透視圖，以及 圖10為組裝成流分布器堆的10個(gè)圖8和9中所示實(shí)施例的透視圖。
具體實(shí)施例方式圖I為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的流分布器I的透視圖。流分布器I包括鋁層2，在鋁層2的一個(gè)表面上接合了兩個(gè)陶瓷層3。在離開(kāi)鋁層2的一側(cè)，兩個(gè)陶瓷層附接到另一個(gè)鋁層4，在該另一個(gè)鋁層4上附接了多個(gè)功率半導(dǎo)體部件5。當(dāng)操作時(shí)，這樣的功率半導(dǎo)體部件5產(chǎn)生通過(guò)鋁層4、陶瓷層3傳導(dǎo)并且達(dá)到金屬層2的熱量。金屬層2為IOmm厚，然而其可以為其它厚度。圖2為與圖I相同的實(shí)施例的透視圖，但此次從另一個(gè)方向觀看流分布器1，在這一圖中，陶瓷層3是不可見(jiàn)的，陶瓷層3被放置在分布器I的相反側(cè)。然而，這一圖中可見(jiàn)的是金屬層2及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)包含出口壁18和若干內(nèi)部壁段19，內(nèi)部壁段19把出口壁中的區(qū)域劃分成若干個(gè)空間，當(dāng)把蓋板6放置在出口壁18之上時(shí)，這些空間變?yōu)榉忾]的體積。以下將更詳細(xì)地描述所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此處，蓋板6在‘分解的’位置中示出，以能夠看清金屬層2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。此處，可以看到的是蓋板6中的兩個(gè)孔、進(jìn)口 7以及出口 8，通過(guò)它們冷卻劑分別進(jìn)入和離開(kāi)流分布器I。由鋁或者鋁合金形成蓋板6，并且當(dāng)在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行銅焊或者熔焊時(shí)，蓋板6連接到金屬層2。蓋板6增加了流分布器I的整個(gè)設(shè)計(jì)的抗撓勁度和抗壓強(qiáng)度。圖3為當(dāng)前發(fā)明第一實(shí)施例的金屬層2的透視圖。在這一圖中，按與圖I和2稍微不同的角度進(jìn)行了描繪，以更清楚地看到內(nèi)部細(xì)節(jié)。通過(guò)壓鑄工藝形成金屬層2。金屬層2在與陶瓷層3 (不可見(jiàn))相鄰的面上包含平基板20，壁從陶瓷層3沿離開(kāi)陶瓷層3的方向延伸。這些壁限定了把冷卻劑從進(jìn)口 7導(dǎo)向出口 8的結(jié)構(gòu)。平基板20的厚度可以明顯小于壁18和19的高度。于是，這是其顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠溆谑菍⑿纬蓮奶沾蓪?到冷卻劑的較短的熱路徑。實(shí)際上，平基板20的厚度可以為0，其中，這些壁之間的區(qū)域延伸到陶瓷層3本身的表面那么遠(yuǎn)，并且允許冷卻劑直接接觸陶瓷層，從而明顯增強(qiáng)了熱傳遞。通過(guò)進(jìn)口 7進(jìn)入的冷卻劑將首先在進(jìn)口集管10得以接收。從那里，冷卻劑將流過(guò)兩個(gè)與進(jìn)口集管10流體連接的側(cè)通路11，12之一，并且從那里流過(guò)16個(gè)流槽之一，這些流槽均具有槽進(jìn)口 13和槽出口 14并且全部經(jīng)由槽壁所限定的曲折的通路將冷卻劑從槽進(jìn)口13輸送到槽出口 14。所有槽出口與出口集管15流體連接，而出口集管15又與出口 8流體連接。
顯然可以理解，在從進(jìn)口集管10移動(dòng)到出口集管15的過(guò)程中，冷卻劑將把熱量從安裝在金屬層2的相反側(cè)的產(chǎn)生熱量的功率半導(dǎo)體5去除。也可以明顯看出，在從進(jìn)口集管10流至出口集管15的過(guò)程中，冷卻劑將僅流過(guò)一個(gè)流槽。因此，可以看出，每一個(gè)流槽均直接從進(jìn)口集管10獲得冷卻劑，從而最大化了冷卻效果。圖4示出了組裝形式的流分布器1，蓋板6已經(jīng)附接到金屬層2。圖5示出了沿圖I中平面V-V的透視與橫截面的組合圖。進(jìn)口集管11、12以及出口集管15的部分為可見(jiàn)的。圖6圖示了本發(fā)明第二實(shí)施例的透視圖。這一實(shí)施例與第一實(shí)施例一樣，所不同的是流槽的圖案。此處，僅包含7個(gè)流槽，每一個(gè)流槽均具有進(jìn)口 13和出口 14。圖7圖示了另一個(gè)實(shí)施例。此處，同樣有7個(gè)流槽。為了從金屬層2的相反側(cè)上
的功率半導(dǎo)體部件5的具體配置中除去熱量，設(shè)計(jì)了不同的流槽圖案。圖8圖示了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的透視圖。這一實(shí)施例適合按以下方式連接到另一個(gè)至少基本相同的流分布器I :把進(jìn)口集管10連接到另一個(gè)至少基本相同的進(jìn)口集管10以形成公共流體進(jìn)口，以及把出口集管15連接到另一個(gè)至少基本相同的出口集管15以形成公共流體出口，因此，流分布器I適合于形成流分布器堆的一部分。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，在進(jìn)口集管10中制造第二開(kāi)口 16，并且在出口集管15中制造類似的附加開(kāi)口 17。當(dāng)流分布器I被堆疊時(shí)，這些開(kāi)口能夠互相進(jìn)行流體傳遞，從而能夠形成公共流體進(jìn)口和公共流體出口。圖9為圖8中所示實(shí)施例的部件側(cè)的透視圖。連接器21為至與功率半導(dǎo)體5相關(guān)聯(lián)的電路的電連接器。圖10為組裝成流分布器堆的10個(gè)圖8和9中所示實(shí)施例的透視圖。此處，把塞子22放置在頂部流分布器上未使用的進(jìn)口和出口中，以封堵進(jìn)口和出口集管。冷卻劑經(jīng)由堆的相反端的進(jìn)口(未在圖中加以顯示)帶入系統(tǒng)并且從相應(yīng)的出口離開(kāi)。以上針對(duì)用于冷卻絕緣層以及通過(guò)它意味著功率半導(dǎo)體部件的冷卻的流分布器的結(jié)構(gòu)與使用，描述了各實(shí)施例。然而，本發(fā)明并不局限于用于從物體中抽取熱量，因?yàn)闊醾鬟f領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，所述技術(shù)也可用于向物體添加熱量。盡管已經(jīng)描述與示出了本發(fā)明的各種實(shí)施例，然而本發(fā)明并不局限于此，也可以在以下權(quán)利要求中所定義的主題范圍內(nèi)，以其它方式體現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)冷卻體對(duì)流體流進(jìn)行分布的流分布器(1)，所述流分布器(I)包含 -進(jìn)口集管(10) -出口集管(15) -一或多個(gè)流槽，每一個(gè)流槽設(shè)置為把進(jìn)口集管(10)和出口集管(15)流暢地互相連接，每一個(gè)流槽包含與進(jìn)口集管(10)進(jìn)行流體傳遞的槽進(jìn)口( 13)、與出口集管(15)進(jìn)行流體傳遞的槽出口(14)、以及用于引導(dǎo)從槽進(jìn)口(13)到槽出口(14)的流體流的流通道， 其中，流分布器(I)形成在直接接合到將被冷卻的絕緣層(3)的固體層(2)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流分布器(1)，其中，絕緣層(3)包含與固體層(2)相同的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流分布器(1)，其中，絕緣層(3)包含與固體層(2)不同的材料。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的流分布器(1)，其中，絕緣層(3)的厚度為 O. 38mm,例如 O. 2mm 0. 5mm,例如 O. 1mm 1mm,例如 O. 01mm 10mm。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的流分布器(1)，其中，絕緣層(3)包括陶瓷。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的流分布器(I)，其中，通過(guò)壓鑄形成進(jìn)口集管(10)、出口集管(15)以及一或多個(gè)流槽。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的流分布器(1)，其中，固體層(2)包含金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流分布器(I)，其中，金屬為鋁或者鋁合金。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的流分布器(1)，其中，流分布器(I)的厚度至少為O. 5mm。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的流分布器(1)，其中，為了使流體在從槽進(jìn)口( 13)流至槽出口( 14)時(shí)反復(fù)地改變方向，形成至少一個(gè)流槽。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的流分布器(1)，所述流分布器(I)適合于按以下方式連接到另一個(gè)至少基本相同的流分布器(I):把進(jìn)口集管(10)連接到另一個(gè)至少基本相同的進(jìn)口集管(10)以形成公共流體進(jìn)口，并且把出口集管(15)連接到另一個(gè)至少基本相同的出口集管(15)以形成公共流體出口，從而流分布器(I)適合于形成流分布器堆的一部分。
全文摘要
一種通過(guò)冷卻體對(duì)流體流進(jìn)行分布的流分布器(1)，所述流分布器(1)包含進(jìn)口集管(10)、出口集管(15)、一或多個(gè)流槽，每一個(gè)流槽設(shè)置為把進(jìn)口集管(10)和出口集管(15)流暢地互相連接，每一個(gè)流槽包含與進(jìn)口集管(10)進(jìn)行流體傳遞的槽進(jìn)口(13)、與出口集管(15)進(jìn)行流體傳遞的槽出口(14)、以及用于引導(dǎo)從槽進(jìn)口(13)到槽出口(14)的流體流的流通道，其中，流分布器(1)形成在直接接合到將被冷卻的絕緣層(3)的固體層(2)中。
文檔編號(hào)H01L23/473GK102870211SQ201180018763
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者K.奧萊森, L.波爾森, A.丹尼爾, F.奧斯特瓦爾德 申請(qǐng)人:丹福斯矽電有限責(zé)任公司