CN105957848B - 一种具有集成热管的底板及其模块装置 - Google Patents

一种具有集成热管的底板及其模块装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种具有集成热管的底板及其模块装置，其中，所述具有集成热管的底板包括底板主体、直接液冷鳍翅和集成热管，所述直接液冷鳍翅设置于所述金属底板的下表面，所述底板主体和所述直接液冷鳍翅内部均设置有所述集成热管，所述集成热管内部设置用于快速传导热量的低温相变液体介质。本申请提供的上述具有集成热管的底板及其模块装置，由于具有高效散热的集成热管以及直接液冷鳍翅，通过低温相变液体介质及外部冷却介质进行散热，可消除传统功率模块中的导热硅脂，能够实现电动汽车功率模块高效、可靠地散热。

Description

一种具有集成热管的底板及其模块装置
技术领域
本发明属于电动汽车用功率电子器件技术领域，特别是涉及一种具有集成热管的底板及其模块装置。
背景技术
当前，为了缓解全球化石能源危机和环境恶化，人类正在努力开发可再生和清洁能源，应用新型清洁能源的功率***是功率电子业界研发的热点领域之一。混合电动和纯电动汽车是部分或完全采用电力驱动的***，已经成为利用替代化石能源、降低二氧化碳排放和噪声污染的最重要产品之一，是目前各国研究机构和企业竞相研制的热点。其中，以功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块为核心部件的逆变器***负责将电池提供的直流电能转换为电机驱动的交流电能，实现电动汽车中电机的驱动与控制。
功率半导体器件在工作过程中会产生一定的功率损耗，该损耗生成的热量必须尽快的散失到外部介质中去，从而使功率器件的结温升保持在较低的范围，增加器件的可靠性和寿命。如图1所示，图1为传统的电动汽车功率模块装置的示意图。该功率模块包括金属基板16，其上部的外周部设置有塑料外框17，该塑料外框17内部设置有绝缘衬板15，其上设置有焊接层14，焊接层14以上设置有芯片13，而芯片13之间通过键合引线12进行连接，空隙处填充有硅胶11，而且还包括与绝缘衬板15连接的功率端子18以及与芯片13连接的控制端子19，该功率模块主要通过金属基板16将功率器件的热耗散传输到外部金属散热器。一般在金属基板和外部金属散热器之间添加导热硅脂以填充二者之间的空气间隙，以实现更好的接触。然而，这层硅脂的热阻占器件到散热器总热阻的一半左右，较大的热阻不适用于大功率小尺寸的封装结构，而且电动汽车模块较高的工作环境温度将大大降低其散热效率，随着电动汽车性能的提高，对IGBT模块的功率密度、热管理、工作温度和电能转化效率等方面的要求也在不断提高，这就需要采用更高效的结构和材料进行模块封装。
因此，如何实现功率模块高效可靠的散热是电动汽车功率模块开发的一个重要问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种具有集成热管的底板及其模块装置，能够实现功率模块高效可靠的散热。
本发明提供的一种具有集成热管的底板，包括底板主体、直接液冷鳍翅和集成热管，所述直接液冷鳍翅设置于所述底板主体的下表面，所述底板主体和所述直接液冷鳍翅内部均设置有所述集成热管。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述集成热管包括管道和用于快速传导热量的低温相变液体介质，且所述低温相变液体介质位于所述管道的内部。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述底板主体的内部设置有用于快速传导热量的低温相变液体介质。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述直接液冷鳍翅的内部设置有用于快速传导热量的低温相变液体介质。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述直接液冷鳍翅的外部设置有利用电动汽车发动机冷却液进行冷却的冷却介质。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述管道为直径范围为1毫米至3毫米的铜管或铝管。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述低温相变液体介质为液态氨、丙酮、甲醇或庚烷中的一种或多种。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述直接液冷鳍翅的外表面设置有镍合金镀层。
优选的，在上述具有集成热管的底板中，所述冷却介质为乙二醇与水的混合液。
本发明提供的一种模块装置，包括如上面任一项所述的具有集成热管的底板、包含功率电子器件的绝缘衬板、封装管壳和外部散热器；
所述具有集成热管的底板的上表面通过钎焊或烧结方式与所述包含功率电子器件的绝缘衬板相连；
所述具有集成热管的底板的四周包围式的设置有所述封装管壳，并通过自攻螺丝相连；
所述具有集成热管的底板的下表面通过密封材料及安装孔位与所述外部散热器相连。
通过上述描述可知，本发明提供的一种具有集成热管的底板及其模块装置，由于底板主体内部设置有用于将热量传输到外部的集成热管，将热损耗快速从功率半导体器件带走，而且所述底板主体的下表面设置有用于冷却的直接液冷鳍翅，能够有效提升散热效率，降低***热阻，从而整体上能够实现模块装置在电动汽车电机驱动***中高效可靠地散热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为传统的电动汽车功率模块的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种具有集成热管的底板的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种模块装置的示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种具有集成热管的底板的三维结构图；
图5为本申请实施例提供的另一种具有集成热管的底板的俯视图；
图6为本申请实施例提供的另一种具有集成热管的底板的侧视图；
图7为申请实施例提供的另一种包括具有集成热管的底板的模块装置的组装结构图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种具有集成热管的底板及其模块装置，能够实现功率模块在电动汽车电机驱动***中高效可靠地散热。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供的第一种具有集成热管的底板如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种具有集成热管的底板的示意图。该底板包括：
底板主体21、直接液冷鳍翅22和集成热管23，所述直接液冷鳍翅22设置于所述底板主体21的下表面，所述底板主体21和所述直接液冷鳍翅22内部均设置有所述集成热管23。
其中，所述底板主体21一般为金属基板，制作所用的材料可以为铜、铝钼或者铜铝复合材料，还可以采用陶瓷基板，具体的，可选用铝碳化硅、碳化铝或石墨材料，本实施例可以优选为金属铜材料；所述直接液冷鳍翅22根据散热需求不同，按照一定布局设置在所述底板主体21的下表面；直接液冷鳍翅22为按照6行8列形式阵列的圆柱形结构，鳍翅高度为5毫米，所述直接液冷鳍翅一般通过锻造或冲压形成针翅状导热部，进行直接液体散热或气体散热，针翅状导热部可以为分立的或连排的圆柱形、棱柱形或圆锥形等，针翅的尺寸、高度和间距可以根据需求进行优化，大大降低***的热阻，以达到最佳的散热效果；所述集成热管23从属于所述底板主体21和所述直接液冷鳍翅22。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的第一种具有集成热管的底板，由于底板主体内部设置有用于将热量传输到外部的集成热管，将热损耗快速从功率半导体器件带走，而且所述底板主体的下表面设置有用于冷却的直接液冷鳍翅，能够有效提升散热效率，降低***热阻，从而整体上能够在电动汽车电机驱动***中高效可靠地散热。
本申请实施例提供的第二种具有集成热管的底板，是在上述第一种具有集成热管的底板的基础上，还包括如下技术特征：
继续参考图2，所述集成热管23包括管道231和用于快速传导热量的低温相变液体介质232，所述管道231位于所述集成热管23的内部，且所述低温相变液体介质232位于所述管道231的内部，所述管道231的数量和布局根据功率电子器件散热需求不同而不同，需要说明的是，由于在底板主体和直接液冷鳍翅内部均存在所述集成热管23，因此图2中对二者均进行了标定。
所述管道231的数量和布局根据功率电子器件散热需求不同而不同，本实施例中所述管道231的阵列形式为24×1，布局位置为整个底板主体21的内部；所述低温相变液体介质232沸点低且易挥发的液体介质，其两端分别为热量流入和流出区，中间为蒸发和凝结区，利用蒸发和冷凝的相变过程快速传热，将热损耗快速从功率电子器件中带走，提高温度循环的可靠性。
本申请实施例提供的第三种具有集成热管的底板，是在上述第一种具有集成热管的底板的基础上，还包括如下技术特征：
所述底板主体的内部设置有用于快速传导热量的低温相变液体介质。
在这种情况下，利用底板主体内部的低温相变液体介质在蒸发和冷凝的相变过程快速传热，将热损耗快速从功率电子器件中带走，从而能够应对模块快速释放大量热量的情况，提高温度循环的可靠性。
本申请实施例提供的第四种具有集成热管的底板，是在上述第一种具有集成热管的底板的基础上，还包括如下技术特征：
所述直接液冷鳍翅的内部设置有用于快速传导热量的低温相变液体介质。
在这种情况下，利用所述直接液冷鳍翅的内部的低温相变液体介质在蒸发和冷凝的相变过程快速传热，将热损耗快速从功率电子器件中带走，提高温度循环的可靠性。
本申请实施例提供的第五种具有集成热管的底板，是在上述第四种具有集成热管的底板的基础上，还包括如下技术特征：
所述直接液冷鳍翅的外部设置有利用电动汽车发动机冷却液进行冷却的冷却介质，这样就能够进一步将所述直接液冷鳍翅内的热量快速传导出去。
本申请实施例提供的第六种具有集成热管的底板，是在上述第二种具有集成热管的底板的基础上，还包括如下技术特征：
所述管道为直径范围为1毫米至3毫米的铜管或铝管，可以进一步优选为直径为1.5毫米的铜管。
本申请实施例提供的第七种具有集成热管的底板，是在上述第二种至第四种具有集成热管的底板中任一种的基础上，还包括如下技术特征：
所述低温相变液体介质为液态氨、丙酮、甲醇或庚烷中的一种或多种。这些介质沸点低、易挥发，利用蒸发和冷凝的相变过程快速传热，能够将热损耗快速从功率半导体器件中带走，从而能够应对模块快速释放大量热量的情况。
本申请实施例提供的第八种具有集成热管的底板，是在上述第一种具有集成热管的底板的基础上，还包括如下技术特征：
所述直接液冷鳍翅的外表面设置有镍合金镀层，能够帮助形成钎焊层或进行焊料焊接，并且能够抗腐蚀。
本申请实施例提供的第九种具有集成热管的底板，是在上述第五种具有集成热管的底板的基础上，还包括如下技术特征：
所述冷却介质为乙二醇与水的混合液，这样就可以利用水冷方式及时带走热量。
本申请实施例提供的模块装置如图3所示，图3为本申请实施例提供的一种模块装置的示意图。该模块装置包括如上面任一项所述的具有集成热管的底板20、包含功率电子器件的绝缘衬板30、封装管壳40和外部散热器50；
所述具有集成热管20的底板的上表面通过钎焊或烧结方式与所述包含功率电子器件的绝缘衬板30相连，该绝缘衬板30可以是绝缘陶瓷衬板，绝缘层材料可以选择氧化铝、氮化铝或氮化硅中的任意一种，所述绝缘衬板30的上表面连接有通过键合引线互连的功率电子器件31(采用IGBT芯片及FRD芯片)；
所述具有集成热管的底板20的四周包围式的设置有所述封装管壳40，并通过自攻螺丝相连，该封装管壳40为利用一体化注模成型工艺形成的塑料外壳；
所述具有集成热管的底板20的下表面通过密封材料及安装孔位与所述外部散热器50相连，所述外部散热器50包括进水口51、出水口52、以及冷却介质53。
本申请实施例提供的另一种具有集成热管的底板如图4、图5和图6所示，图4为本申请实施例提供的另一种具有集成热管的底板的三维结构图，图5为本申请实施例提供的另一种具有集成热管的底板的俯视图，图6为本申请实施例提供的另一种具有集成热管的底板的侧视图。
该底板的材质为铜铝复合材料，其中的管道61为直径为2毫米的铝管，所述管道61的阵列形式为6行3列，分三个区域布局在整个底板主体60内部，这就可以在每个区域上部分别放置衬板进行散热。在该底板中，直接液冷鳍翅62根据散热需求不同按照一定布局设置在所述底板主体60的下表面，这里的直接液冷鳍翅62按照8行12列形式排列的圆锥形结构，鳍翅高度为6毫米。
这里采用的低温相变液体介质为丙酮和庚烷的混合液，所述直接液冷鳍翅62的外部设置的冷却介质为乙二醇与水按照一定9:1比例配制而成的混合液。
参考图7，图7为本申请实施例提供的另一种包括具有集成热管的底板的模块装置的组装结构图。本申请实施例提供的另一种模块装置，包括具有集成热管的底板70、包含功率电子器件的绝缘衬板(图中未示出)、外部散热器71和封装管壳72。在该模块装置中，底板70的上表面通过纳米银烧结工艺与包含具有特定功能的功率电子器件(采用SiC MOSFET芯片)的绝缘衬板相连；所述绝缘衬板的下表面与所述底板70的上表面连接，该绝缘衬板材料为氮化铝；所述绝缘衬板的上表面连接有通过键合引线互连的功率电子器件。所述具有集成热管的底板70的四周包围式的设置有所述封装管壳72，并通过自攻螺丝相连；所述具有集成热管的底板70的下表面通过密封材料及安装孔位与所述外部散热器71相连，由此组成了一种包括具有集成热管的底板的模块装置。
通过上述描述可知，本申请提供的一种包括具有集成热管的底板的模块装置，由于底板内部设置有用于将热量传输到外部的集成热管，所述集成热管的管道内部具有用于快速传导热量的低温相变液体介质，这就能够利用蒸发和冷凝的相变过程，使热量快速传导，将热损耗快速从功率半导体器件带走；而且所述底板的下表面设置有用于冷却的直接液冷鳍翅，所述直接液冷鳍翅的内部设置有用于快速传导热量的低温相变液体介质，以及外部设置有利用电动汽车发动机冷却液进行冷却的冷却介质，能够有效提升散热效率、降低***热阻，从而整体上能够实现功率模块在电动汽车电机驱动***中高效可靠地散热。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种具有集成热管的底板，其特征在于，包括底板主体、直接液冷鳍翅和集成热管，所述直接液冷鳍翅设置于所述底板主体的下表面，所述底板主体和所述直接液冷鳍翅内部均设置有所述集成热管；
所述集成热管包括管道和用于快速传导热量的低温相变液体介质，且所述低温相变液体介质位于所述管道的内部；
所述底板主体的内部设置有用于快速传导热量的低温相变液体介质；
所述直接液冷鳍翅的内部设置有用于快速传导热量的低温相变液体介质；
所述直接液冷鳍翅的外部设置有利用电动汽车发动机冷却液进行冷却的冷却介质；
所述管道为直径范围为1毫米至3毫米的铜管或铝管。
2.根据权利要求1所述的具有集成热管的底板，其特征在于，所述低温相变液体介质为液态氨、丙酮、甲醇或庚烷中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的具有集成热管的底板，其特征在于，所述直接液冷鳍翅的外表面设置有镍合金镀层。
4.根据权利要求1所述的具有集成热管的底板，其特征在于，所述冷却介质为乙二醇与水的混合液。
5.一种模块装置，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的具有集成热管的底板、包含功率电子器件的绝缘衬板、封装管壳和外部散热器；
所述具有集成热管的底板的上表面通过钎焊或烧结方式与所述包含功率电子器件的绝缘衬板相连；
所述具有集成热管的底板的四周包围式的设置有所述封装管壳，并通过自攻螺丝相连；
所述具有集成热管的底板的下表面通过密封材料及安装孔位与所述外部散热器相连。
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