CN117038651A - 直接冷却型功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直接冷却型功率模块，其包括：外壳，其填充有绝缘流体；功率半导体器件，其布置在外壳内部；以及接合单元，其包括多孔层和导热层，所述功率半导体器件接合至所述导热层，并且所述接合单元允许所述功率半导体器件通过所述多孔层和所述导热层与绝缘流体交换热量。

Description

直接冷却型功率模块
技术领域
本发明涉及直接冷却型功率模块，更具体地，涉及用于冷却的绝缘流体直接接触并冷却作为发热元件的功率半导体器件，从而相比于间接冷却型的结构和冷却效率简化了结构并提高了冷却效率的直接冷却型功率模块。
背景技术
作为混合动力车辆和电动车辆的必要组件之一，存在功率转换器(例如，逆变器)。功率转换器是环保型车辆的必要部件，并且已经开发了许多用于功率转换器的技术。环保型车辆领域的关键技术是开发一种功率模块，该模块是功率转换器中的必要部件并且成本最高。
开发功率模块的主要技术的关键点是降低成本并提高冷却性能。当功率模块的冷却性能提高时，可以降低目前使用的功率半导体器件的额定电流并且减小芯片的尺寸，从而降低芯片的价格并且稳定地运行功率模块。
为了使冷却功率模块的性能得到提高，传统上以这样的方式对功率模块进行间接冷却：使冷却水流动的冷却通道与功率模块的顶部表面和底部表面接触。
然而，这种传统方式的缺点在于：因为在功率半导体器件(其为功率模块的发热元件)中产生的热量传递至顶部衬底和底部衬底，然后到达冷却通道，所以热传递路径较长，从而冷却效率较低。特别地，需要空间来安装形成电气连接的电线等等，因此应用于传统双面冷却方法的功率模块需要功率半导体器件和一侧的衬底之间有一种单独的结构，称为间隔件(spacer)。这种间隔件可能会导致降低热传递效率并且增加制造成本的问题。
作为相关技术描述的事项仅仅是为了促进对本发明的背景的理解而提供的，并且不应视为具有本领域常识的人员已知的现有技术。
发明内容
本发明的一方面提供一种直接冷却型功率模块，其中用于冷却的绝缘流体直接接触并冷却作为发热元件的功率半导体器件，从而相比于间接冷却型功率模块的结构和冷却效率简化了结构并提高了冷却效率。
根据本发明的实施方案，一种直接冷却型功率模块包括：外壳，其填充有绝缘流体；功率半导体器件，其布置在外壳内部；以及接合单元，其包括多孔层和导热层，所述功率半导体器件接合至所述导热层，并且所述接合单元允许所述功率半导体器件通过所述多孔层和所述导热层与绝缘流体交换热量。
所述外壳可以包括入口和出口，内部和外部通过所述入口和所述出口连通以允许绝缘流体流动。
所述外壳的内部可以设置有支撑件，所述支撑件连接至接合单元并且将功率半导体器件和接合单元布置在所述外壳的内部中心。
所述多孔层可以由铝或铜制成，所述导热层可以由铜制成。
所述接合单元可以包括导热层和多孔层，所述导热层包括接合至功率半导体器件的顶部表面，并且所述多孔层接合至所述导热层的顶部表面和底部表面中的一个或两个。
所述多孔层可以包括至少两个部分，所述两个部分在所述导热层的顶部表面布置为间隔于功率半导体器件的相对两侧。所述功率半导体器件的相对两侧的每一侧靠近接合单元的相对两侧的相应一侧。
所述接合单元可以包括接合至所述导热层的底部表面的另一功率半导体器件。
所述接合单元可以包括多个多孔层和多个导热层，并且所述多个导热层和所述多个多孔层沿上下方向交替地堆叠。
所述接合单元的多个导热层可以分别接合至功率半导体器件的顶部表面和底部表面，使得功率半导体器件***在多个导热层之间，并且所述多个导热层和所述多个多孔层可以交替地堆叠而不重叠。
所述接合单元可以包括布置在功率半导体器件、多孔层和导热层堆叠的结构的最顶侧和最底侧的多孔层。
所述功率半导体器件可以包括多个功率半导体器件和导电电线，所述导电电线可以电连接功率半导体器件。
在具有上述结构的直接冷却型功率模块中，用于冷却的绝缘流体与作为发热元件的功率半导体器件直接接触，从而相比于间接冷却型功率模块的结构和冷却效率简化了结构并提高了冷却效率。
此外，功率半导体器件接合至形成有许多孔并且由具有较高热导率的材料制成的接合单元，使得可以提高与绝缘流体交换热量的效率，从而使冷却功率半导体器件的效率得到提高。
此外，与传统的双面间接冷却型功率模块相比，不仅因为部件的数量显著减少而降低了制造成本，而且还因为防止了由于接合部件之间的热膨胀系数的差导致的破裂或损坏而显著提高了功率模块的寿命或可靠性。
附图说明
图1是示出了根据本发明的直接冷却型功率模块的外壳的示意图。
图2是示出了图1所示的直接冷却型功率模块的内部构造示意图。
图3是示出了根据本发明的实施方案的接合单元的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考所附附图描述根据本发明的实施方案的直接冷却型功率模块。
关于在本说明书或申请中公开的本发明的实施方案，具体的结构或功能描述仅仅是为了描述本发明的实施方案的目的而说明的，并且本发明的实施方案可以以各种形式实施，而不应解释为限于本说明书或申请中阐述的实施方案。
由于本发明的实施方案可以进行各种改变并且具有各种形式，因此具体的示例性实施方案将在附图中示出并且在本说明书或申请中进行详细描述。然而，应当理解，本发明的实施方案旨在不限于具体的实施方案，而是在不脱离本发明的精神和技术范围的情况下涵盖所有的修改实施方案、等同实施方案或替代实施方案。
除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语或科学术语)具有与具有本发明所属领域的常识的人员通常理解的含义相同的含义。除非另有明确定义，否则诸如在通常使用的字典中定义的术语解释为具有与相关技术的语境中的含义相匹配的含义，并且不应解释为理想化或过于正式的含义。
下面，将通过参考所附附图描述实施方案来详细描述本发明。附图中相同的附图标记指代相同的部件。
图1是示出了根据本发明的直接冷却型功率模块的外壳的示意图，图2是示出了图1所示的直接冷却型功率模块的内部构造示意图，图3是示出了根据本发明的实施方案的接合单元的示意图。
如图1至图3所示，根据本发明的直接冷却型功率模块包括外壳10、功率半导体器件20和接合单元30，所述外壳10内部填充有绝缘流体11；所述功率半导体器件20布置在外壳10的内部；所述接合单元30包括多孔层31和接合至功率半导体器件20的导热层32，并且允许功率半导体器件20通过多孔层31和导热层32与绝缘流体11交换热量。
换言之，根据本发明，外壳10内部填充有用于冷却的绝缘流体11，并且功率半导体器件20通过绝缘流体11进行冷却。这里，绝缘流体11流入和流出外壳10并且管理为具有为了冷却功率半导体器件20而最优化的温度。绝缘流体11是指用作制冷剂并与作为发热源的功率半导体器件20交换热量的液态绝缘体。
特别地，根据本发明，接合单元30设置为使冷却功率半导体器件20的性能得到提高。接合单元30包括多孔层31和接合至功率半导体器件20的导热层32。
这里，多孔层31包括许多微孔，绝缘流体11引入所述微孔中，因此增大了与绝缘流体11接触的面积，从而确保了热传递性能。可以基于功率半导体器件20中的电流的量或产生的热的量或者基于绝缘流体11的冷却性能来设计多孔层31中的微孔的尺寸。
此外，导热层32接合至多孔层31和功率半导体器件20，使得多孔层31和功率半导体器件20能够通过导热层32牢固地接合。
换言之，接合单元30包括多孔层31和导热层32，以改善绝缘流体11与功率半导体器件20之间的热交换。多孔层31由具有多孔性的材料制成，以使热传递性能最大化，并且导热层32成形为类似于板，以易于接合到功率半导体器件20并赋予其刚性。因此，功率半导体器件20与接合单元30和绝缘流体11平稳地交换热量，从而提高了冷却效率。
具体地，根据本发明，外壳10可以成形为类似于管状体并且由绝缘材料制成。此外，外壳10(其内部和外部连通)形成有入口12和出口13，绝缘流体11通过入口12和出口13流动。换言之，外壳10具有待由绝缘流体11填充的内部空间，并且外壳10包括形成在一侧的入口12和形成在另一端的出口13，从而形成循环结构，在所述循环结构中，引入到入口12中的绝缘流体11与功率半导体器件20和接合单元30交换热量，然后通过出口13排出。因此，绝缘流体11循环通过的通道可以连接至外壳10的入口12和出口13，并且可以将另一热交换装置添加到所述通道，使得另一冷却介质可以与绝缘流体11交换热量，从而管理绝缘流体11的温度。此外，除了入口12和出口13之外，外壳10的其余部分具有密封结构，以防止绝缘流体11通过除了入口12和出口13以外的部分泄漏出来。
此外，外壳10内部设置有连接至接合单元30的支撑件14，使得功率半导体器件20和接合单元30能够布置在外壳10内部的中心。
这里，支撑件14可以由绝缘材料制成，并且可以与外壳10一体地形成。特别地，支撑件14连接至外壳10内部的接合单元30，使得功率半导体器件20和接合单元30能够布置在外壳10内的中心。接合单元30的导热层32可以连接至支撑件14。因此，功率半导体器件20和接合单元30可以与在外壳10中循环的绝缘流体11充分地交换热量。此外，功率半导体器件20和接合单元30的位置稳定在外壳10中，从而确保耐久性和可靠性。
功率半导体器件20可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、二极管等等用于功率转换的器件。功率半导体器件20布置在外壳10内部并且接合至接合单元30，从而形成电连接。
可以设置多个功率半导体器件20，并且功率半导体器件20可以通过导电电线21连接。
换言之，功率半导体器件20接收外部控制信号以及待转换的电流和电压。为此，与功率半导体器件20连接的导电电线21可以延伸到外壳10的外部。因此，外壳10在导电电线21穿过的入口12和出口13等等部分采用树脂、橡胶等等密封结构，从而防止绝缘流体11泄漏出来。
同时，多孔层31和导热层32可以由具有较高热导率的材料制成，例如，铝、铜等等。优选地，多孔层31可以由铝或铜制成，并且导热层32可以由铜制成。换言之，多孔层31具有许多孔，以使得与绝缘流体11和导热层32的热交换的性能最大化，并且多孔层31由具有较高热导率的材料制成，例如，铝、铜等等，因为其只需要保持相对于导热层32的接合状态。另一方面，导热层32由具有热导率和刚性两者的材料制成，因为其不仅需要确保与绝缘流体11、多孔层31和功率半导体器件20的热交换的性能，而且还需要确保其刚性和接合元件的性能。因此，导热层32可以由铜制成。因此，接合单元30确保了多孔层31和功率半导体器件20接合至导热层32，并且提高了结构稳定性和热交换性能。
同时，功率半导体器件20可以接合至接合单元30的导热层32的顶部表面，并且多孔层31可以接合至导热层32的顶部表面和底部表面之一或者顶部表面和底部表面两者。
换言之，功率半导体器件20可以接合至导热层32的顶部表面，从而确保接合至导热层32并稳定地保持接合状态的可能性。当然，功率半导体器件20可以接合至导热层32的底部表面，但是热传递性能可能会降低，因为功率半导体器件20很可能由于其重量而与导热层32分离。因此，功率半导体器件20接合至导热层32的顶部表面。
此外，根据功率半导体器件20所需的冷却性能，多孔层31可以仅接合至导热层32的顶部表面或底部表面，或者多孔层31可以接合至导热层32的顶部表面和底部表面两者。因此，冷却功率半导体器件20的性能得到提高，因为其不仅与绝缘流体11直接交换热量，而且还与接合至少一个多孔层31并通过绝缘流体11快速冷却的导热层32交换热量。
以这种方式，多孔层31可以形成于导热层32的第一表面和第二表面中的一个，或者可以形成于导热层32的第一表面和第二表面两者，这取决于功率半导体器件20所需的冷却性能。
详细地，接合单元30可以包括布置在导热层32的顶部表面并且在功率半导体器件20的相对侧间隔开的多孔层31。由于功率半导体器件20和多孔层31接合至导热层32，并且多孔层31设置在功率半导体器件20的相对侧，因此通过导热层32在多个多孔层31之间进行冷却而使功率半导体器件20的性能得到提高。此外，导热层32相对于功率半导体器件20布置在相对侧，使得功率半导体器件20能够平衡地冷却。特别地，功率半导体器件20与多孔层31间隔开，从而防止与多孔层31发生短路。
此外，接合单元30可以延伸为使得导热层32的底部表面可以包含接合至导热层32的顶部表面的功率半导体器件20和多孔层31。换言之，因为功率半导体器件20没有接合至导热层32的底部表面，所以没有电短路的风险，并且因此多孔层31设置在导热层32的整个底部表面，从而确保冷却性能。这里，多孔层31可以不仅在导热层32的底部表面上延伸，而且还可以分为多个多孔层31，并且布置在导热层32的底部表面上以包括接合至导热层32的顶部表面的功率半导体器件20和多孔层31，从而使通过导热层32冷却功率半导体器件20的性能最大化。
同时，接合单元30可以包括多个多孔层31和多个导热层32，并且导热层32和多孔层31可以交替地沿上下方向堆叠。
当多孔层31和导热层32形成为多层结构时，与绝缘流体11的接触面积增大，从而提高了冷却性能。此外，多孔层31和导热层32可以交替地堆叠，而不沿上下方向重叠，从而稳定了多个导热层32之间堆叠有多孔层31的结构。这里，待堆叠的多孔层31和导热层32的数量可以根据功率半导体器件20所需的冷却性能变化。
此外，接合单元30的导热层32接合至功率半导体器件20的顶部表面和底部表面，然后***导热层32之间，并且多个导热层32和多孔层31交替地堆叠而不重叠。
如图2所示，功率半导体器件20***在导热层32之间，并且与接合至其两侧的导热层32交换热量，从而确保冷却性能。此外，接合至功率半导体器件20的两侧的导热层32与多孔层31交替堆叠，使得多孔层31和导热层32与绝缘流体11之间的接触面积可以增大，从而提高基于绝缘流体11的冷却性能，并且通过多孔层31与导热层32之间的热交换而使功率半导体器件20的散热性能最大化。
这里，接合单元30可以包括布置在功率半导体器件20、多孔层31和导热层32堆叠的结构的最顶侧和最底侧的多孔层31。以这种方式，接合单元30包括布置在多孔层31和导热层32堆叠的结构的最外侧的多孔层31，从而确保了基于绝缘流体11的冷却性能。换言之，与形成为固体板的导热层32相比，形成有许多微孔的多孔层31确保了与绝缘流体11的接触面积，并且因此布置在接合单元30的堆叠结构的每个最外侧，从而防止多孔层31的接触面积被导热层32减小，并且确保冷却性能。
在具有上述结构的直接冷却型功率模块中，用于冷却的绝缘流体与作为发热元件的功率半导体器件直接接触，从而相比于间接冷却型功率模块的结构和冷却效率简化了结构并提高了冷却效率。
此外，功率半导体器件接合至形成有许多孔并且由具有较高热导率的材料制成的接合单元，使得可以提高与绝缘流体交换热量的效率，从而使冷却功率半导体器件的效率得到提高。
此外，与传统的双面间接冷却型功率模块相比，不仅因为部件的数量显著减少而降低了制造成本，而且还因为防止了由于接合部件之间的热膨胀系数的差导致的破裂或损坏而显著提高了功率模块的寿命或可靠性。
尽管对本发明的具体实施方案进行了说明和描述，但对于具有本领域常识的人员显而易见的是，可以在不脱离所附权利要求中定义的本发明的技术理念的情况下对本发明进行各种改进和改变。

Claims (11)

1.一种直接冷却型功率模块，其包括：
外壳，其填充有绝缘流体；
功率半导体器件，其布置在外壳内部；以及
接合单元，其包括多孔层和导热层，所述功率半导体器件接合至所述导热层，并且所述接合单元允许所述功率半导体器件通过所述多孔层和所述导热层与绝缘流体交换热量。
2.根据权利要求1所述的直接冷却型功率模块，其中，所述外壳包括入口和出口，内部和外部通过所述入口和所述出口连通以允许绝缘流体流动。
3.根据权利要求2所述的直接冷却型功率模块，其中，所述外壳的内部设置有支撑件，所述支撑件连接至接合单元并且将功率半导体器件和接合单元布置在外壳的内部中心。
4.根据权利要求1所述的直接冷却型功率模块，其中，所述多孔层包括铝或铜，所述导热层包括铜。
5.根据权利要求1所述的直接冷却型功率模块，其中，所述导热层包括接合至功率半导体器件的顶部表面，并且所述多孔层接合至所述导热层的顶部表面和底部表面中的一个或两个。
6.根据权利要求5所述的直接冷却型功率模块，其中，所述多孔层包括至少两个部分，所述两个部分在导热层的顶部表面布置为间隔于功率半导体器件的相对两侧，所述功率半导体器件的相对两侧的每一侧靠近接合单元的相对两侧的相应一侧。
7.根据权利要求5所述的直接冷却型功率模块，其中，所述接合单元包括接合至所述导热层的底部表面的另一功率半导体器件。
8.根据权利要求1所述的直接冷却型功率模块，其中，所述接合单元包括多个多孔层和多个导热层，并且所述多个导热层和所述多个多孔层沿上下方向交替地堆叠。
9.根据权利要求8所述的直接冷却型功率模块，其中，所述接合单元的所述多个导热层分别接合至功率半导体器件的顶部表面和底部表面，使得功率半导体器件***在所述多个导热层之间，并且所述多个导热层和所述多个多孔层交替地堆叠而不重叠。
10.根据权利要求8所述的直接冷却型功率模块，其中，所述接合单元包括布置在接合单元的最顶侧和最底侧的多个多孔层的一个或更多个多孔层。
11.根据权利要求1所述的直接冷却型功率模块，其中，所述功率半导体器件包括多个功率半导体器件和将所述多个功率半导体器件电连接的导电电线。
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