專利名稱：用于功率半導(dǎo)體器件的冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請通常涉及用于功率半導(dǎo)體器件的冷卻系統(tǒng)，更特別地涉及用于直接 噴射沖擊7襯口與功率半導(dǎo)條件相結(jié)合的襯底的)ti口齊盼流器(diverter)。 背景獄
半導(dǎo)條件通常在高功率電氣電路中用作幵關(guān)或整流器。例如，在電動和 混合電動車中使用功率變換器來給車輛的電驅(qū)動馬達(dá)提供三相工作功率。這些 半導(dǎo) 件在工作中會產(chǎn)生過量的熱。例如，電動牽引馬達(dá)的功率要求會在一 個寬范圍內(nèi)波動。該功率要求的波動會造成與牽弓1馬達(dá)相連的半導(dǎo) 件中的 、,變化，這會由于熱本身或組成材料間的膨脹率變化而導(dǎo)致可靠性下降。
由于這些原因，容納這樣的半導(dǎo)體器件的功率模塊常常采用一定形式的冷 卻系統(tǒng)。常規(guī)的冷卻系統(tǒng)通常采用一冷卻板(例如，熱沉)來把熱量從該半導(dǎo) ##遞走。該熱沉可以包括具有一平坦表面的金屬體(例如，鋁，銅等) 和任意數(shù)目的從半導(dǎo)鄉(xiāng)件向州申出的凸起("肋-翼")。熱沉的平面設(shè)置成與半 導(dǎo)^tl件繊蟲(例如，悍接到支撐該半導(dǎo) #的襯底)，并且該肋-翼暴露于 y賴口源，通常用空氣或^4卩劑流體(例如，乙二醇7jC溶液)。有些7賴卩系統(tǒng)包括
使冷卻劑流,模塊中循環(huán)的泵。在工作中，熱m半導(dǎo)^^件中導(dǎo)出并m
被7賴卩媒介對流^4啲肋-翼。
常規(guī)的冷卻系統(tǒng)不肯被所有瞎況下充分地冷卻該功率半導(dǎo)mi件。特別是， 常規(guī)的冷去係統(tǒng)不能準(zhǔn)確弓l導(dǎo)^i卩劑至特定區(qū)域，包括那些可能最需要額外冷 卻的區(qū)域。這會導(dǎo)致不能弓|導(dǎo)新鮮冷卻劑到半導(dǎo) 件的不同部分或存在的介 入層如互連和絕緣層。此外，許多常規(guī)的冷卻系統(tǒng)是難于制造、過度復(fù)雜和昂 貴的。
因此，希望提供具有半導(dǎo)條件和冷卻系統(tǒng)的功翱莫塊，該冷卻系統(tǒng)有令
4人滿意的冷卻能力。》卜，希望提供有冷去卩劑分流器的冷卻系統(tǒng)，冷卻劑分流
器可弓瞎冷卻齊侄最適當(dāng)?shù)牟课徊⑶抑圃焓窍鄬θ菀缀统杀镜土摹６?，?據(jù)隨后的詳細(xì)描述和所附的權(quán)利要求，并與附圖和前述技術(shù)領(lǐng)皿背景技術(shù)結(jié) 合，本發(fā)明的其它優(yōu)良特點和特性是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個示范性實施例，提供用于流體冷卻功率半導(dǎo) 件的冷卻裝置。
該裝置包括用于導(dǎo)弓喊體7t4卿至該功率半導(dǎo)條件的冷卻齊吩流器。該冷卻 劑分流器具有第一板將該冷卻劑分流器分成第一腔室和第二腔室。該第二腔室 位置與該功率半導(dǎo)體器件鄰近。該第一板還包括開口以流體iiM該第一腔室和 第二腔室，從而，液體冷卻劑流入第一腔室，穿過第一板上的開口，并iSA第 二腔室以冷卻功率半導(dǎo)，^牛。第一腔室具有的截面區(qū)域沿著下游方向大體減 小，且第二腔室具有的截面區(qū)域沿下游方向大體增大。
根據(jù)另一示范性實施例，用于半導(dǎo)皿件的7襯卩系統(tǒng)的冷卻劑分流器包括 兩賴蟶；和在側(cè)壁之間延伸并形成角度以使辦卩劑分流器總體呈楔形的板。
根據(jù)另一示范性實施例，功率模塊包括外殼；半導(dǎo)#^#^于該外殼中并 且包括安裝在襯底上的絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)芯片；和接近該半導(dǎo)#§1件 以提供液體^4卩齊倒半導(dǎo)條件的^i瞎統(tǒng)。7辨卩系統(tǒng)包括具有第一板的冷卻 劑分流器，該第一板結(jié)合外殼形成第一腔室，并結(jié)合半導(dǎo)^l件形麟二腔室。 第一板還包括噴嘴以流體3S1該第一腔室和第二腔室，第一板形成角度以使第 —腔室的截面區(qū) 液體^*卩劑流動的下游方向減小。


下文中將與下列的附圖相結(jié)合描述本發(fā)明，其中同樣的附圖標(biāo)記表示同樣 的元件，并且
圖1是根據(jù)示范性實施例的功斜莫塊的局部、等比例的橫截面視亂 圖2是圖1中的功斜莫塊的簡化側(cè)截面視圖；禾口
圖3是用在圖1和圖2的功率模塊的冷卻系統(tǒng)中的示范性冷卻齊盼流器的 頂部等比例視圖。
具體實施例方式
以下的詳細(xì)描述實質(zhì)上僅是典型示例，并不意味著限制本發(fā)明^發(fā)明的 應(yīng)用和^ffi。此外，不意I^受限于前述的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、簡述的發(fā)明內(nèi)容或以下的詳細(xì)描述中的任何魏或隱含i爐。
寬泛而言，在此公開的示范性實施例包括用于功率模塊中的半導(dǎo)m^牛的 冷卻系統(tǒng)。特別是，該冷卻系統(tǒng)的示范性實施例包括楔形的冷卻齊吩流器，以
使^4卩劑在M;噴嘴時均勻分布。
圖i是按照示范性實施例的功斜莫塊ioo的局部、等比例的橫截面視圖。
該功報塊100適用于電動或混賴力糊，例如，帶有三相交流(AC)電動 馬達(dá)。該功斜莫塊100包括一個或多個體在外殼108內(nèi)的半導(dǎo)鄉(xiāng)件102。在 一個實施例中，半導(dǎo)條件102可為變換器電路，該電路為AC電動馬達(dá)提供 開關(guān)交流電，并且包括如直接覆銅法(DBC)安裝在襯底106上的一個或多個 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)芯片104。
在功^t莫塊100工作中，半導(dǎo)體器件102，尤其是IGBT104，會產(chǎn)生熱量。
因此;t4卩系統(tǒng)150樹共在外殼108內(nèi)以通過有謝盾環(huán)y賴卩劑流體來散熱，如箭
頭152所示，穿過外殼108到半導(dǎo) 件102的襯底106上。在一個實施例中， 7賴P劑流體152直接沖擊襯底106。更具體地，冷卻系統(tǒng)150包括限定在外殼 108中的入口itffi道154，以引導(dǎo)冷卻劑152到《鄰劑分流器170。然后冷卻劑 分流器170弓l導(dǎo)冷卻劑152，以使^4卩劑152的噴流184直接沖擊半導(dǎo)#§|件 102的下側(cè)來傳導(dǎo)性地吸收額外的熱量。下面參考圖2和3更詳細(xì)地描述冷卻劑 分流器170。 7賴蹄」152撤蟲半導(dǎo)#^件102的下側(cè)后，從^i口齊吩流器170 流入限定在外殼108中的出口tt道156。
盡管沒有圖示說明，但該冷卻系統(tǒng)150可還包括儲存器，用于從出口 道156排出y賴卩劑152并用于粉令卻劑152鄉(xiāng)到入口流鵬154。 7賴P系統(tǒng) 150可還包括泵以流體魏入口流通道154和出口流通道156，使《鄰劑152有 效循環(huán)。泵可以是，泵，由IGBT 104的輸出控制。當(dāng)IGBT 104的輸出增大 時，泵的繊增大使冷卻劑152的循環(huán)加快。可選擇的是，IGBT104的 鵬可 布置熱電偶監(jiān)視，即泵的鵬取決于所測的鵬。冷卻系統(tǒng)150可用于功^^莫 塊IOO，或者是一個更大系統(tǒng)的一部分，如汽車的冷卻系統(tǒng)。
^4卩劑152可以是樹可適合的液體，包括非電介質(zhì)液體，因為襯底106典 型的是非導(dǎo)電活性的。例如，7賴卩劑152可為7jC、日常引擎7襯卩液、或汽車傳 動液。
圖2是功對莫塊100的簡化截面圖，包括^i卩系統(tǒng)150和半導(dǎo)皿件102的部分。正如上面所討論的，7賴卩系統(tǒng)150 a3ly物劑分流器170傲賴卩劑152 流動至半導(dǎo)皿件102的襯底106。 7賴卩劑分流器170包括入口 172以^A口流 通道154 (圖l)接收^i蹄」152。在有些實施例中，冷卻劑152以平行于襯底 106的流動方向iSA入口 172。 7襯P劑152從入口 172流入到第一腔室174。第 一腔室174至少部分由第一板176和第二板178限定。第二板178通常平行于 襯底106，并且第一板176通常與第二板178和襯底106有一個角度，這樣就使 f雜卩劑分流器170大體^M楔形。冷卻劑分流器170處于外殼108內(nèi)時第二 板178可由外殼108形成，或第二板178可為^^口劑分流器170的一部分。
第一和第二板176、 178的相對方位決定了第一腔室174具有沿下游方向減 小的截面區(qū)域。第一板176包括多個噴嘴180，流體iiil第一腔室174至第二腔 室182，第二腔室182由第一板176和襯底106的下側(cè)形成。噴嘴180通常是延 伸至嘴二腔室182的延長管。盡管延長的噴嘴180在本實施例中已經(jīng)圖示了， 但可以提供能流體,第一腔室174和第二腔室182的任何結(jié)構(gòu)。在所描述的 該示范性實施例中，噴嘴180延伸至鄰近襯底106下側(cè)的位置。由于第一板176 呈現(xiàn)角度狀態(tài)，噴嘴180的長度沿下、 向增大。
當(dāng)y襯卩劑152流經(jīng)噴嘴180時，7襯卩劑152形成噴流184。噴流184向上 沖擊襯底106，流體穿過第一板176并離開第二腔室182,如箭頭所示。然后冷 卻劑152流經(jīng)出口 186 iftA出口M道156。當(dāng)冷卻劑152的噴流184向上沖擊 襯底106時，熱量從半導(dǎo)#^件102被轉(zhuǎn)移，經(jīng)由襯底106到達(dá)7轉(zhuǎn)P劑152，這 樣形成對流散熱路徑并冷卻襯底106的下側(cè)。
如上所述，限定第一腔室174的第一和第二板176、 178的角度方位決定了 第一腔室174的截面區(qū)域沿下游方向減小。由于第二板178和襯底106之間形 成角度方向，第二腔室182的截面區(qū)嫩目應(yīng)沿下游方向增大。這樣的布局使所 有的噴流184呈均勻流分布。例如，圖2中的最上游噴流與最下游噴流具有大 致同樣的y賴卩劑流量。而且，噴嘴180可以是不同的和單獨的尺寸，以使自 和壓力下降處處相同。財卜，噴嘴180的大小和布置可使任何所希望量的7糊 劑152分布至襯底106上的倒可特定位置。換句話說，噴嘴180能以精確比率 和/或流速"調(diào)整"流，包括不穩(wěn)定流。在一些通常的y賴瞎統(tǒng)中，其可具有截 面區(qū)域沒有減小或噴嘴尺寸不恰當(dāng)?shù)牡谝豢涨?，辨卩劑流典型地且不希望地?中在下游噴流處。另外，由于7賴,硫經(jīng)通路的方向改變相對小，圖2的典型實施例會灘陶氐壓力損失，艮P,實質(zhì)上向上穿過多個噴嘴180中的一個并且流 出第二腔室182。通常的冷卻系統(tǒng)會需要更多的迂回路徑，從而導(dǎo)致系統(tǒng)有不期 望的壓力損失。
噴嘴180可為任何適合的布局。在一個示范性實施例中，噴嘴180優(yōu)選設(shè) 置為弓I導(dǎo))^蹄J 152的一個或多個單獨噴流184直接到與IGBT 104相一致的襯 底106的位置。換言之，噴嘴180的布局一般與IGBT104的布局相對應(yīng)。 一個 或多個噴嘴180能與每一個IGBT 104相對應(yīng)。噴嘴180也可以使冷卻劑152到 達(dá)與半導(dǎo)條件102和功^t莫塊100相縣的其它組件，如對驗敏感的電容、 器、集成電路、鍵合引線以及母線。
在可選實施例中，噴嘴能形成精細(xì)或霧化的噴霧，以取代"自由噴射"系 統(tǒng)中y賴卩齊啲噴流，在噴嘴周圍有空氣或氣體環(huán)繞。相對于噴射噴嘴，噴霧噴 嘴能夠更有效地?zé)崂鋮s。相反，噴射噴嘴可以容許泵的低壓力變化從而降低費 用并增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。該公開實施例可實現(xiàn)半導(dǎo) 件102的必要的冷卻，而 不必^f頓冷卻板。作為替代，7鉀卩劑152的噴流184直接沖擊到襯底106的下
由于y賴P劑152直接施加到IGBT 104的熱源，功率模塊IOO的功率密度(功 率每單位^f只)能被提高。為了M31^i卩劑152^i卩，由IGBT104產(chǎn)生的熱量 不需要傳導(dǎo)穿過多層材料，這些層中的少數(shù)可以^氐熱傳導(dǎo)性的。尤其是，噴 射7轉(zhuǎn)P提供的較多的直接熱通道能陶氐這些IGBT104的、鵬。與某些現(xiàn)有技術(shù) 結(jié)構(gòu)相比，該熱通道不需要穿過熱沉和熱接觸面材料。皿較低時，增加的功 率可應(yīng)用到功斜莫塊IOO。另外，冷卻的改進(jìn)提高了功^^莫塊100適應(yīng)高功率瞬 間波動的性能。
圖3是從功斜對央100上移開的7賴卩劑分流器的頂部等比例視圖。^襯卩劑 分流器170有與第一和第二腔室174、 182相聯(lián)接的側(cè)壁190。通常，第一板176、 噴嘴180和多，幢190是由一單片整體形成的，例如，采用注模成形工藝。 7賴柳份流器170可用例如熱塑性材料制造。在替代實施例中，7賴卩劑分流器 170可以采用分立部件形成。整體來說，7襯,分流器170是楔形的，并且相對 緊湊和易于制造。
盡管在前面的詳細(xì)描述中闡述了至少一個示范性實施例，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到有 大量改變方案存在。也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些示范性實施例僅為示例，而不意 以其它任何方式對本發(fā)明保護(hù)范圍、實用性或構(gòu)造的限制。更進(jìn)一步，前面的 詳細(xì)描述給本領(lǐng)域技術(shù)人員提供了方便的指導(dǎo)來實施這些實施例。
權(quán)利要求
1. 一種用于液體冷卻功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置，包括用于引導(dǎo)液體冷卻劑到該功率半導(dǎo)體器件的冷卻劑分流器，該冷卻劑分流器具有把該冷卻劑分流器分成第一腔室和第二腔室的第一板，該第二腔室位置鄰近于該功率半導(dǎo)體器件，該第一板還包括開口以流體連通該第一腔室和該第二腔室，從而使液體冷卻劑流入第一腔室，穿過第一板上的開口，并進(jìn)入第二腔室以冷卻功率半導(dǎo)體器件，該第一腔室具有的截面區(qū)域沿著下游方向大體減小，且第二腔室具有的截面區(qū)域沿下游方向大體增大。
2. 如權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，還包括與第一板一起至少部分形成織一和第二腔室的側(cè)板。
3. 如權(quán)禾腰求1所述的冷卻裝置，其特征在于，該開口是由第一噴嘴限定的第一開口。
4. 如權(quán)利要求3所述的冷卻裝置，其特征在于，該第一板和第一噴嘴一起 形成整體。
5. 如權(quán)利要求3所述的冷卻裝置，其特征在于，還包括由多個附加的噴嘴限定的多個附加的開口。
6. 如權(quán)禾腰求5所述的冷卻裝置，其特征在于，該第一噴嘴和多個附加的 噴嘴每個都具有一長度，且該長度沿下游方向增大。
7. 如權(quán)利要求3所述的冷卻體，其特征在于，該第一開口具有第一直徑, 且該冷卻劑分流器還包括具有第二直徑的第二開口 ，該第二直徑具有與第一直 徑不同的值。
8. 如權(quán)利要求7所述的冷卻裝置，其特征在于，該第一和第二直徑的大小 ^g成使液體冷卻齊帳ilil第一和第二開口時的壓力下降大致相等。
9. 如權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于，該液體冷卻劑流經(jīng)開口進(jìn) 入第二腔室，沖擊半導(dǎo) 1件的下側(cè)，并直接流到出口。
10. 如權(quán)利要求1所述的7賴卩裝置，其特征在于，該液體冷卻劑自該入口 鵬第一腔室，并直接艦幵口。
11. 如權(quán)禾腰求1所述的7賴卩裝置，其特征在于，該第一板相對于半導(dǎo)體 器件設(shè)置一個角度并且，二板與該半導(dǎo)皿件大體平行。
12. —種用于半導(dǎo)條件的y襯卩系統(tǒng)的辨卩劑分流器，包括 兩，幢；以及在側(cè)壁間延伸且體成角度以使y襯口齊吩流器大體上呈楔形的板。
13. 如權(quán)利要求12戶腿的7襯,分流器，其特征在于，該板具有第一面以 與外殼一起構(gòu)成第一腔室，并且有第二表面以與半導(dǎo)體器件一起構(gòu)成第二腔室，i魏一腔室的截面區(qū)域沿下游方向減小。
14. 如權(quán)利要求13所述的;^卿分流器，，征在于，該板包括多個噴嘴 以流體iii!，一腔室和第二腔室。
15. 如權(quán)禾腰求14所述的7襯卩劑分流器，其特征在于，該噴嘴每個都具有一長度，且該長度沿下游方向而增大。
16. 如權(quán)利要求14所述的7賴卩裝置，其特征在于，噴嘴包括具有第一直徑的第一噴嘴和具有第二直徑的第二噴嘴，該第一直徑和第二直徑不同。
17. —種功率模塊，包括外殼；設(shè)置于外殼中的半導(dǎo)體器件并包括安裝在襯底上的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)芯片；以及接近半導(dǎo)^^件以提供液體y賴卩劑到半導(dǎo)mi件的冷卻系統(tǒng)，該7襯卩系統(tǒng)包括具有第一板的^HP齊盼流器，該第一板與外殼形，一腔室并與半導(dǎo) 件構(gòu)，二腔室，該第一板還包括噴嘴以流體aa該第一腔室和第二腔室，該 第一板設(shè)置成角度以使該第一腔室的截面區(qū)域沿液體冷卻劑流動的下游方向減 小。
18. 如權(quán)禾腰求17所述的功斜莫塊，其特征在于，該辨卩劑分流飾置成 直接向DBC提供液體y糊劑。
19. 如權(quán)禾腰求17所述的功斜莫塊，其特征在于，噴嘴具有與IGBT相應(yīng)的布局。
20. 如權(quán)禾腰求17所述的功斜莫塊，其特征在于，該辨口劑分流器配置成 使液體冷卻齊U流到第一腔室，再流經(jīng)噴嘴，沖擊襯底，并流出第二腔室。
全文摘要
提供一種用于液體冷卻功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置。該裝置包括引導(dǎo)液體冷卻劑到功率半導(dǎo)體器件的冷卻劑分流器。該冷卻劑分流器具有第一板，將冷卻劑分流器分成第一腔室和第二腔室。第二腔室位置鄰近于該功率半導(dǎo)體器件。該第一板還包括開口以流體連通第一腔室和第二腔室，從而使液體冷卻劑流進(jìn)第一腔室，穿過第一板的開口，并流入第二腔室以冷卻該功率半導(dǎo)體器件。第一腔室的截面區(qū)域大致沿下游方向減小，且第二腔室的截面區(qū)域大致沿下游方向增大。
文檔編號H05K7/20GK101510534SQ20081021549
公開日2009年8月19日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月30日
發(fā)明者B·S·曼, D·F·內(nèi)爾森, G·R·伍迪, T·G·沃德 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司