专利名称：用于功率半导体器件的冷却系统的制作方法
技术领域：
本申请通常涉及用于功率半导体器件的冷却系统，更特别地涉及用于直接 喷射冲击7衬口与功率半导條件相结合的衬底的)ti口齐盼流器(diverter)。 背景狱
半导條件通常在高功率电气电路中用作幵关或整流器。例如，在电动和 混合电动车中使用功率变换器来给车辆的电驱动马达提供三相工作功率。这些 半导 件在工作中会产生过量的热。例如，电动牵引马达的功率要求会在一 个宽范围内波动。该功率要求的波动会造成与牵弓1马达相连的半导 件中的 、,变化，这会由于热本身或组成材料间的膨胀率变化而导致可靠性下降。
由于这些原因，容纳这样的半导体器件的功率模块常常采用一定形式的冷 却系统。常规的冷却系统通常采用一冷却板(例如，热沉)来把热量从该半导 ##递走。该热沉可以包括具有一平坦表面的金属体(例如，铝，铜等) 和任意数目的从半导鄉件向州申出的凸起("肋-翼")。热沉的平面设置成与半 导^tl件繊虫(例如，悍接到支撑该半导 #的衬底)，并且该肋-翼暴露于 y賴口源，通常用空气或^4卩剂流体(例如，乙二醇7jC溶液)。有些7賴卩系统包括
使冷却剂流,模块中循环的泵。在工作中，热m半导^^件中导出并m
被7賴卩媒介对流^4啲肋-翼。
常规的冷却系统不肯被所有瞎况下充分地冷却该功率半导mi件。特别是， 常规的冷去係统不能准确弓l导^i卩剂至特定区域，包括那些可能最需要额外冷 却的区域。这会导致不能弓|导新鲜冷却剂到半导 件的不同部分或存在的介 入层如互连和绝缘层。此外，许多常规的冷却系统是难于制造、过度复杂和昂 贵的。
因此，希望提供具有半导條件和冷却系统的功翱莫块，该冷却系统有令
4人满意的冷却能力。》卜，希望提供有冷去卩剂分流器的冷却系统，冷却剂分流
器可弓瞎冷却齐侄最适当的部位并且制造是相对容易和成本低廉的。而且，根 据随后的详细描述和所附的权利要求，并与附图和前述技术领皿背景技术结 合，本发明的其它优良特点和特性是显而易见的。
发明内容
根据一个示范性实施例，提供用于流体冷却功率半导 件的冷却装置。
该装置包括用于导弓喊体7t4卿至该功率半导條件的冷却齐吩流器。该冷却 剂分流器具有第一板将该冷却剂分流器分成第一腔室和第二腔室。该第二腔室 位置与该功率半导体器件邻近。该第一板还包括开口以流体iiM该第一腔室和 第二腔室，从而，液体冷却剂流入第一腔室，穿过第一板上的开口，并iSA第 二腔室以冷却功率半导，^牛。第一腔室具有的截面区域沿着下游方向大体减 小，且第二腔室具有的截面区域沿下游方向大体增大。
根据另一示范性实施例，用于半导皿件的7衬卩系统的冷却剂分流器包括 两賴蟶；和在侧壁之间延伸并形成角度以使辦卩剂分流器总体呈楔形的板。
根据另一示范性实施例，功率模块包括外壳；半导#^#^于该外壳中并 且包括安装在衬底上的绝缘栅双极晶体管(IGBTs)芯片；和接近该半导#§1件 以提供液体^4卩齐倒半导條件的^i瞎统。7辨卩系统包括具有第一板的冷却 剂分流器，该第一板结合外壳形成第一腔室，并结合半导^l件形麟二腔室。 第一板还包括喷嘴以流体3S1该第一腔室和第二腔室，第一板形成角度以使第 —腔室的截面区 液体^*卩剂流动的下游方向减小。
下文中将与下列的附图相结合描述本发明，其中同样的附图标记表示同样 的元件，并且
图1是根据示范性实施例的功斜莫块的局部、等比例的横截面视亂 图2是图1中的功斜莫块的简化侧截面视图；禾口
图3是用在图1和图2的功率模块的冷却系统中的示范性冷却齐盼流器的 顶部等比例视图。
具体实施例方式
以下的详细描述实质上仅是典型示例，并不意味着限制本发明^发明的 应用和^ffi。此外，不意I^受限于前述的技术领域、背景技术、简述的发明内容或以下的详细描述中的任何魏或隐含i爐。
宽泛而言，在此公开的示范性实施例包括用于功率模块中的半导m^牛的 冷却系统。特别是，该冷却系统的示范性实施例包括楔形的冷却齐吩流器，以
使^4卩剂在M;喷嘴时均匀分布。
图i是按照示范性实施例的功斜莫块ioo的局部、等比例的横截面视图。
该功報块100适用于电动或混賴力糊，例如，带有三相交流(AC)电动 马达。该功斜莫块100包括一个或多个體在外壳108内的半导鄉件102。在 一个实施例中，半导條件102可为变换器电路，该电路为AC电动马达提供 开关交流电，并且包括如直接覆铜法(DBC)安装在衬底106上的一个或多个 绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片104。
在功^t莫块100工作中，半导体器件102，尤其是IGBT104，会产生热量。
因此;t4卩系统150樹共在外壳108内以通过有謝盾环y賴卩剂流体来散热，如箭
头152所示，穿过外壳108到半导 件102的衬底106上。在一个实施例中， 7賴P剂流体152直接冲击衬底106。更具体地，冷却系统150包括限定在外壳 108中的入口itffi道154，以引导冷却剂152到《邻剂分流器170。然后冷却剂 分流器170弓l导冷却剂152，以使^4卩剂152的喷流184直接冲击半导#§|件 102的下侧来传导性地吸收额外的热量。下面参考图2和3更详细地描述冷却剂 分流器170。 7賴蹄」152撤虫半导#^件102的下侧后，从^i口齐吩流器170 流入限定在外壳108中的出口tt道156。
尽管没有图示说明，但该冷却系统150可还包括储存器，用于从出口 道156排出y賴卩剂152并用于粉令却剂152鄉到入口流鹏154。 7賴P系统 150可还包括泵以流体魏入口流通道154和出口流通道156，使《邻剂152有 效循环。泵可以是，泵，由IGBT 104的输出控制。当IGBT 104的输出增大 时，泵的繊增大使冷却剂152的循环加快。可选择的是，IGBT104的 鹏可 布置热电偶监视，即泵的鹏取决于所测的鹏。冷却系统150可用于功^^莫 块IOO，或者是一个更大系统的一部分，如汽车的冷却系统。
^4卩剂152可以是樹可适合的液体，包括非电介质液体，因为衬底106典 型的是非导电活性的。例如，7賴卩剂152可为7jC、日常引擎7衬卩液、或汽车传 动液。
图2是功對莫块100的简化截面图，包括^i卩系统150和半导皿件102的部分。正如上面所讨论的，7賴卩系统150 a3ly物剂分流器170傲賴卩剂152 流动至半导皿件102的衬底106。 7賴卩剂分流器170包括入口 172以^A口流 通道154 (图l)接收^i蹄」152。在有些实施例中，冷却剂152以平行于衬底 106的流动方向iSA入口 172。 7衬P剂152从入口 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 衬底106，并且第一板176通常与第二板178和衬底106有一个角度，这样就使 f雜卩剂分流器170大体^M楔形。冷却剂分流器170处于外壳108内时第二 板178可由外壳108形成，或第二板178可为^^口剂分流器170的一部分。
第一和第二板176、 178的相对方位决定了第一腔室174具有沿下游方向减 小的截面区域。第一板176包括多个喷嘴180，流体iiil第一腔室174至第二腔 室182，第二腔室182由第一板176和衬底106的下侧形成。喷嘴180通常是延 伸至嘴二腔室182的延长管。尽管延长的喷嘴180在本实施例中已经图示了， 但可以提供能流体,第一腔室174和第二腔室182的任何结构。在所描述的 该示范性实施例中，喷嘴180延伸至邻近衬底106下侧的位置。由于第一板176 呈现角度状态，喷嘴180的长度沿下、 向增大。
当y衬卩剂152流经喷嘴180时，7衬卩剂152形成喷流184。喷流184向上 冲击衬底106，流体穿过第一板176并离开第二腔室182,如箭头所示。然后冷 却剂152流经出口 186 iftA出口M道156。当冷却剂152的喷流184向上冲击 衬底106时，热量从半导#^件102被转移，经由衬底106到达7转P剂152，这 样形成对流散热路径并冷却衬底106的下侧。
如上所述，限定第一腔室174的第一和第二板176、 178的角度方位决定了 第一腔室174的截面区域沿下游方向减小。由于第二板178和衬底106之间形 成角度方向，第二腔室182的截面区嫩目应沿下游方向增大。这样的布局使所 有的喷流184呈均匀流分布。例如，图2中的最上游喷流与最下游喷流具有大 致同样的y賴卩剂流量。而且，喷嘴180可以是不同的和单独的尺寸，以使自 和压力下降处处相同。财卜，喷嘴180的大小和布置可使任何所希望量的7糊 剂152分布至衬底106上的倒可特定位置。换句话说，喷嘴180能以精确比率 和/或流速"调整"流，包括不稳定流。在一些通常的y賴瞎统中，其可具有截 面区域没有减小或喷嘴尺寸不恰当的第一空腔，辨卩剂流典型地且不希望地集 中在下游喷流处。另外，由于7賴,硫经通路的方向改变相对小，图2的典型实施例會滩陶氐压力损失，艮P,实质上向上穿过多个喷嘴180中的一个并且流 出第二腔室182。通常的冷却系统会需要更多的迂回路径，从而导致系统有不期 望的压力损失。
喷嘴180可为任何适合的布局。在一个示范性实施例中，喷嘴180优选设 置为弓I导)^蹄J 152的一个或多个单独喷流184直接到与IGBT 104相一致的衬 底106的位置。换言之，喷嘴180的布局一般与IGBT104的布局相对应。 一个 或多个喷嘴180能与每一个IGBT 104相对应。喷嘴180也可以使冷却剂152到 达与半导條件102和功^t莫块100相縣的其它组件，如对驗敏感的电容、 器、集成电路、键合引线以及母线。
在可选实施例中，喷嘴能形成精细或雾化的喷雾，以取代"自由喷射"系 统中y賴卩齐啲喷流，在喷嘴周围有空气或气体环绕。相对于喷射喷嘴，喷雾喷 嘴能够更有效地热冷却。相反，喷射喷嘴可以容许泵的低压力变化从而降低费 用并增加系统稳定性。该公开实施例可实现半导 件102的必要的冷却，而 不必^f顿冷却板。作为替代，7钾卩剂152的喷流184直接冲击到衬底106的下
由于y賴P剂152直接施加到IGBT 104的热源，功率模块IOO的功率密度(功 率每单位^f只)能被提高。为了M31^i卩剂152^i卩，由IGBT104产生的热量 不需要传导穿过多层材料，这些层中的少数可以^氐热传导性的。尤其是，喷 射7转P提供的较多的直接热通道能陶氐这些IGBT104的、鹏。与某些现有技术 结构相比，该热通道不需要穿过热沉和热接触面材料。皿较低时，增加的功 率可应用到功斜莫块IOO。另外，冷却的改进提高了功^^莫块100适应高功率瞬 间波动的性能。
图3是从功斜對央100上移开的7賴卩剂分流器的顶部等比例视图。^衬卩剂 分流器170有与第一和第二腔室174、 182相联接的侧壁190。通常，第一板176、 喷嘴180和多，幢190是由一单片整体形成的，例如，采用注模成形工艺。 7賴柳份流器170可用例如热塑性材料制造。在替代实施例中，7賴卩剂分流器 170可以采用分立部件形成。整体来说，7衬,分流器170是楔形的，并且相对 紧凑和易于制造。
尽管在前面的详细描述中阐述了至少一个示范性实施例，但应当认识到有 大量改变方案存在。也应当认识到，这些示范性实施例仅为示例，而不意 以其它任何方式对本发明保护范围、实用性或构造的限制。更进一步，前面的 详细描述给本领域技术人员提供了方便的指导来实施这些实施例。
权利要求
1. 一种用于液体冷却功率半导体器件的冷却装置，包括用于引导液体冷却剂到该功率半导体器件的冷却剂分流器，该冷却剂分流器具有把该冷却剂分流器分成第一腔室和第二腔室的第一板，该第二腔室位置邻近于该功率半导体器件，该第一板还包括开口以流体连通该第一腔室和该第二腔室，从而使液体冷却剂流入第一腔室，穿过第一板上的开口，并进入第二腔室以冷却功率半导体器件，该第一腔室具有的截面区域沿着下游方向大体减小，且第二腔室具有的截面区域沿下游方向大体增大。
2. 如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，还包括与第一板一起至少部分形成織一和第二腔室的侧板。
3. 如权禾腰求1所述的冷却装置，其特征在于，该开口是由第一喷嘴限定的第一开口。
4. 如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，该第一板和第一喷嘴一起 形成整体。
5. 如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，还包括由多个附加的喷嘴限定的多个附加的开口。
6. 如权禾腰求5所述的冷却装置，其特征在于，该第一喷嘴和多个附加的 喷嘴每个都具有一长度，且该长度沿下游方向增大。
7. 如权利要求3所述的冷却體，其特征在于，该第一开口具有第一直径, 且该冷却剂分流器还包括具有第二直径的第二开口 ，该第二直径具有与第一直 径不同的值。
8. 如权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，该第一和第二直径的大小 ^g成使液体冷却齐帐ilil第一和第二开口时的压力下降大致相等。
9. 如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，该液体冷却剂流经开口进 入第二腔室，沖击半导 1件的下侧，并直接流到出口。
10. 如权利要求1所述的7賴卩装置，其特征在于，该液体冷却剂自该入口 鹏第一腔室，并直接舰幵口。
11. 如权禾腰求1所述的7賴卩装置，其特征在于，该第一板相对于半导体 器件设置一个角度并且，二板与该半导皿件大体平行。
12. —种用于半导條件的y衬卩系统的辨卩剂分流器，包括 两，幢；以及在侧壁间延伸且體成角度以使y衬口齐吩流器大体上呈楔形的板。
13. 如权利要求12戶腿的7衬,分流器，其特征在于，该板具有第一面以 与外壳一起构成第一腔室，并且有第二表面以与半导体器件一起构成第二腔室，i魏一腔室的截面区域沿下游方向减小。
14. 如权利要求13所述的;^卿分流器，，征在于，该板包括多个喷嘴 以流体iii!，一腔室和第二腔室。
15. 如权禾腰求14所述的7衬卩剂分流器，其特征在于，该喷嘴每个都具有一长度，且该长度沿下游方向而增大。
16. 如权利要求14所述的7賴卩装置，其特征在于，喷嘴包括具有第一直径的第一喷嘴和具有第二直径的第二喷嘴，该第一直径和第二直径不同。
17. —种功率模块，包括外壳；设置于外壳中的半导体器件并包括安装在衬底上的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)芯片；以及接近半导^^件以提供液体y賴卩剂到半导mi件的冷却系统，该7衬卩系统包括具有第一板的^HP齐盼流器，该第一板与外壳形，一腔室并与半导 件构，二腔室，该第一板还包括喷嘴以流体aa该第一腔室和第二腔室，该 第一板设置成角度以使该第一腔室的截面区域沿液体冷却剂流动的下游方向减 小。
18. 如权禾腰求17所述的功斜莫块，其特征在于，该辨卩剂分流飾置成 直接向DBC提供液体y糊剂。
19. 如权禾腰求17所述的功斜莫块，其特征在于，喷嘴具有与IGBT相应的布局。
20. 如权禾腰求17所述的功斜莫块，其特征在于，该辨口剂分流器配置成 使液体冷却齐U流到第一腔室，再流经喷嘴，冲击衬底，并流出第二腔室。
全文摘要
提供一种用于液体冷却功率半导体器件的冷却装置。该装置包括引导液体冷却剂到功率半导体器件的冷却剂分流器。该冷却剂分流器具有第一板，将冷却剂分流器分成第一腔室和第二腔室。第二腔室位置邻近于该功率半导体器件。该第一板还包括开口以流体连通第一腔室和第二腔室，从而使液体冷却剂流进第一腔室，穿过第一板的开口，并流入第二腔室以冷却该功率半导体器件。第一腔室的截面区域大致沿下游方向减小，且第二腔室的截面区域大致沿下游方向增大。
文档编号H05K7/20GK101510534SQ20081021549
公开日2009年8月19日 申请日期2008年7月30日 优先权日2007年7月30日
发明者B·S·曼, D·F·内尔森, G·R·伍迪, T·G·沃德 申请人:通用汽车环球科技运作公司