半导体冷却布置制造技术

本发明专利技术涉及一种用于冷却半导体装置(例如功率半导体)的半导体冷却布置。半导体冷却布置包括位于外壳内的腔室中的一个或多个半导体组件。外壳包括用于接收和输出冷却介质的入口端口和出口端口。腔室填充有冷却介质以冷却组件。组件本身各自包括散热器和一个或多个热联接到散热器的半导体功率装置。散热器包括在散热器中的多个孔形式的热交换元件，其从一个表面延伸穿过散热器到另一个表面，使得冷却介质流过孔，以从散热器提取热量。

Semiconductor cooling arrangement

The invention relates to a semiconductor cooling arrangement for cooling a semiconductor device, such as a power semiconductor. The semiconductor cooling arrangement includes one or more semiconductor components located in a cavity within the housing. The housing includes an inlet port and an outlet port for receiving and outputting the cooling medium. The chamber is filled with cooling medium to cool the components. The components themselves each include a radiator and one or more semiconductor power devices which are thermally coupled to the radiator. The radiator includes a heat exchange element in the form of a plurality of holes in the radiator, which extends from one surface to another through the radiator, so that the cooling medium flows through the holes to extract heat from the radiator.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体冷却布置
本专利技术涉及一种用于冷却半导体装置(例如功率半导体)的半导体冷却布置。由于这种装置产生的高功率损耗和相关的热量，这种布置在逆变器领域中是有利的。
技术介绍
电气和电子部件在使用时会产生热量作为副产品。过热通常会影响性能和部件寿命，因此电气部件并且特别是电子部件一般被冷却以防止过热。装置受限于它们可以有效操作的上限温度，并且随着极限温度被超越，装置因此可能变得效率较低并且可能故障。在大多数情况下，装置由于过热而无法从故障中恢复，并且它们所属的整个系统变得不可用，需要修理，或在许多情况下要替换被“烧坏”的模块/系统。预防胜于治疗，为了使系统更加健壮已经付出了很多努力，但易于维修也很有价值。已经使用许多不同的方法来解决过热限制：一些方法试图增加装置的操作限制(尽管其范围有限)，而大部分努力都集中在从装置、子模块和系统中去除热量。在许多电力电子应用中，如果需要有效散热，将使用散热器。散热器通过热接触从电气部件吸收和散发热量。例如，散热器可以焊接、接合或以其他方式安装到电力电子装置，以通过提供大热容量(废热可以流入其中)来改善热量移除。在高功率应用中，可以扩大散热器以改善热容量。然而，增加散热器的尺寸会增加电源模块的重量和体积，并相应地增加成本。在许多情况下，特别是用于汽车应用的这种模块的可用空间正在减小而不是增大。已经对计算系统中的电子部件的冷却付出了相当多的努力，其中中央处理单元(CPU)具有集成在硅芯片表面上的数百万个半导体装置。虽然任何一个装置的热损耗都很小，但集成密度导致总散热量很高，并且严重限制了CPU的速度和寿命。用于冷却计算系统中的电子部件的一些技术也已应用于冷却高功率单级或低级集成半导体开关装置。在US2011/103019中，描述了一种液密外壳，其提供电子系统的浸入式冷却，其中提出了一种冷板，其具有用于向冷板供应冷却剂的液体导管，该冷板具有联接到电气系统的电子部件的底部表面和在侧壁上的至少一个打开端口。在具体实施例中，由导管供应的冷却剂进入冷却板的顶部，并且部分地允许通过侧端口离开，同时使得剩余的冷却剂流过指向高热通量部件的喷射：侧端口孔和喷射孔的尺寸被设定成提供优化的部件冷却。US2011/103019特别旨在冷却计算机中的CPU，并描述了对安装在基板上的高功率处理器芯片进行冷却，该基板电气地和机械地附接到处理器模块，处理器模块进一步附接到印刷电路板。US2011/103019的一个缺点是通过该基板的热分散不良，特别是通过与该印刷电路板的连接的热分散特别差。对于中功率转换器模块，还有另一种功率消耗量级，以对抗100安培的电流和1000V量级的电压。对于中功率转换器，使用半导体开关装置，US2011/0242760教导了一种布置，其中半导体开关装置安装在层叠母线上，以便保持不同相之间的电气隔离。在US2011/0242760之前，母线中的该层压是温度限制的特征，而US2011/0242760教导将液体冷却散热器应用于该层叠母线，其中散热器与母线电气隔离。在绝缘层的温度升高和热限制再次成为限制因素之前，从母线和从安装在其上的电气隔离开关装置的热传导中移除热量改善了总功率容量。US2014204532提供了使用冲击喷射来冷却散热半导体装置的替代模式，其中喷射冷却(在空气基质中的空气或液体)的应用由利用形状记忆合金制成的可热变形喷嘴局部控制，该形状记忆合金与半导体装置热连接以被冷却。以这种方式，可以在需要时冷却装置。然而，US2014204532旨在芯片级冷却，其中冲击喷射集中在倒装芯片的后面。US2014204532的教导是空气中的液体(liquid-in-air)喷射，并且因此其冷却能力有限并且由于冷却是芯片级的，因此引脚配置进一步限制了这种冷却布置的连接性。US2011141690谈到使用高导热印刷电路板基板，其一侧的表面配置有促进冲击冷却剂流中的湍流的特征，而电路的另一侧配置成具有电路，其上安装电力电子部件，例如用于车辆的电力逆变器模块的部件。电气电路侧与配置成促进湍流的一侧电气隔离。建议使用诸如直接接合铜或直接接合铝的基板，其包括具有铜或铝外层的陶瓷(通常为氧化铝)夹层。然而，尽管这些直接接合的基板是良好的热导体，但是它们制造起来也很昂贵，并且难以处理和进行修理。用于改进功率半导体装置的冷却的其他方法包括将部件直接浸入介电流体中，以及配置部件以形成冷却剂通道，使用相变液体/气体冷却剂系统来增加冷却剂效应。结合这些方法，特别是对于电力电子系统，已经优化了功率半导体开关装置的切换速度：对此的推理如下：切换速度越快，开关装置在处于电阻模式下的时间越少，因此装置中的焦耳热损失越少。然而，快速的切换速度增加了电感损耗，这也可能导致电压尖峰，因此需要在逆变器模块中使用大的低电感母线和对称相臂，以及昂贵的过电压指定电容器。在达到折衷的同时，这不可避免地导致半导体装置开关中的焦耳加热损失。尽管花了最大努力，迄今为止所有冷却方法的冷却能力都不足，并且功率半导体部件的冷却效率一直是功率半导体开关装置并且因此功率逆变器的最大功率处理和功率密度的限制特征。本专利技术通过显著改善废热的去除，并且同时进一步降低半导体开关装置中的系统大电感和相应的焦耳加热损耗，来分别增加功率逆变器和半导体开关装置的功率密度和最大功率处理。因此，我们认识到需要改进的冷却布置。
技术实现思路
因此，本专利技术提供了一种半导体冷却布置，包括：一个或多个半导体组件，每个组件包括散热器和热联接到散热器的一个或多个半导体功率装置；外壳，用于将一个或多个组件容纳在外壳内的腔室中，外壳包括分别与腔室流体连通以用于接收和输出冷却流体的入口端口和出口端口，腔室填充有冷却流体，以冷却组件；其中，散热器包括在散热器中的多个孔形式的热交换元件，其从散热器的、供一个或多个半导体功率装置联接到其上的前面延伸穿过散热器，到散热器的、与前面相对的后面，以使得冷却流体流过孔，从而从散热器中提取热量。散热器可以具有扁平形状，但是这可以替代地成形，或者具有从其表面突出的特征，例如翅片或其他布置以辅助冷却。有利地，浸没在冷却流体中的散热器、以及供冷却流体流过的孔的存在的组合提供了具有优异冷却性能的冷却布置，其非常适合于诸如逆变器的应用。孔可以单排孔的形式位于散热器中，单排孔围绕联接到散热器的一个或多个半导体功率装置中的每一个的外围。在存在两个或多个半导体功率装置的情况下，在散热器中、在围绕临近半导体功率装置的外围的单行孔之间可存在没有孔的区域。通过这种设计，在散热器从功率装置中提取热量的能力与用于将热量传递到冷却流体中的孔的数量之间取得平衡。太多或太少的孔将导致散热器具有次优的冷却性能。半导体功率装置可电联接到散热器。在该配置中，散热器被配置成母线，以将一个或多个半导体功率装置电气连接在一起，以在一个或多个半导体功率装置之间传输电力。这使得设计紧凑，因为散热器还使得功率装置能够彼此电联接。这还有利地减少了部件之间的感应路径，再次改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体冷却布置，包括：/n一个或多个半导体组件，每个组件包括散热器和热联接到所述散热器的一个或多个半导体功率装置；/n外壳，用于将所述一个或多个组件容纳在外壳内的腔室中，所述外壳包括分别与所述腔室流体连通以用于接收和输出冷却流体的入口端口和出口端口，所述腔室填充有冷却流体以冷却所述组件；/n其中，所述散热器包括在所述散热器中的多个孔形式的热交换元件，其从所述散热器的前面延伸穿过所述散热器到所述散热器的后面以使得冷却流体流过孔以从所述散热器中提取热量，所述前面上联接有所述一个或多个半导体功率装置，所述后面与所述前面相对。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170130 GB 1701486.11.一种半导体冷却布置，包括：
一个或多个半导体组件，每个组件包括散热器和热联接到所述散热器的一个或多个半导体功率装置；
外壳，用于将所述一个或多个组件容纳在外壳内的腔室中，所述外壳包括分别与所述腔室流体连通以用于接收和输出冷却流体的入口端口和出口端口，所述腔室填充有冷却流体以冷却所述组件；
其中，所述散热器包括在所述散热器中的多个孔形式的热交换元件，其从所述散热器的前面延伸穿过所述散热器到所述散热器的后面以使得冷却流体流过孔以从所述散热器中提取热量，所述前面上联接有所述一个或多个半导体功率装置，所述后面与所述前面相对。


2.根据权利要求1所述的半导体冷却布置，其中，所述散热器具有扁平形状。


3.根据权利要求1或2所述的半导体冷却布置，其中，所述孔以单排孔的形式位于所述散热器中，所述单排孔围绕联接到所述散热器的一个或多个半导体功率装置中的每一个的外围。


4.根据权利要求3所述的半导体冷却布置，其中，在存在两个或多个半导体功率装置的情况下，在所述散热器中、在围绕相邻半导体功率装置的外围的单行孔之间存在没有孔的区域。


5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置电联接到所述散热器，并且其中，所述散热器是母线，所述母线将所述一个或多个半导体功率装置电气连接在一起，以在所述一个或多个半导体功率装置之间传输电力。


6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置包括IGBT、碳化硅(SiC)半导体开关装置、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、或功率二极管。


7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置机械连接到所述散热器或者接合到所述散热器。


8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体组件安装到印刷电路板(PCB)，所述PCB提供所述一个或多个半导体功率装置之间的电气连接。


9.根据权利要求8所述的半导体冷却布置，其中，所述PCB和安装在所述PCB上的附加的低功率电气和电子部件位于所述腔室内并浸没在所述冷却流体中。


10.根据权利要求9所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个半导体功率装置共同位于所述腔室内，并且所述低功率电气和电子部件共同位于所述腔室的、与所述一个或多个半导体功率装置不同的区域内。


11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，与所述腔室流体连通的所述入口端口被配置成在使冷却流体更有利地再由所述一个或多个半导体功率装置占据的所述腔室的区域中流动。


12.根据权利要求11所述的半导体冷却布置，其中，与所述腔室流体连通的所述入口和端口被配置为使得所述冷却流体的51％至99％，优选地冷却流体的95％，在由所述一个或多个半导体功率装置占据的所述腔室的区域中流动。


13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，在两个或多个半导体组件存在于所述腔室内时，每个相邻组件布置成彼此偏移，以使得一个散热器的孔与在下一个散热器中的孔不对准，从而使得冷却流体流过一个散热器中的孔，并且冲击在冷却流体的流动路径中的下一个散热器的表面上。


14.根据权利要求13所述的半导体冷却布置，其中，所述两个或多个半导体组件彼此平行布置。


15.根据前述权利要求中任一项所述的半导体冷却布置，其中，所述一个或多个组件的一个或多个散热器包括冷却流体分配器，以用于分配冷却流体。


16.根据权利要求15所述的半导体冷却布置，其中，所述冷却流体分配器包括附接到所述散热器的后面的分配器的第一层和第二层，其中，所述散热器的后面是所述散热器的与具有半导体功率装置联接其上的面相对的面，
所述第一层包括外层并且具有在所述第一层的前面和后面之间延伸的多个孔，这些孔位于...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·D·哈特，T·伍尔默，C·S·马拉姆，G·罗，F·B·邦珀斯，
申请(专利权)人：YASA有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB