[發(fā)明專利]功率模塊冷卻

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280055179.X
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN103918072B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 克勞斯·奧爾森;約恩·霍爾斯特;魯?shù)医堋げ侣?/a>
• 申請（專利權(quán)）人: 丹佛斯公司
• 主分類號: H01L23/373
• 分類號: H01L23/373;H01L23/473
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 王靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電源模塊中的冷卻。具體地，本發(fā)明涉及使用直接銅鍵合(DCB)或類似技術(shù)制造的電源模塊的冷卻。

背景技術(shù)

圖1示出了一個已知的直接銅鍵合(DCB，direct?copper?bonded)基板，大體上由附圖標記1表示。這樣的基板在現(xiàn)有技術(shù)中有時被稱為直接敷銅(DBC)基板。術(shù)語DCB基板和DBC基板是可以互換的。為了一致，本文全文中使用術(shù)語DCB基板。

DCB基板1包括下傳導(dǎo)層2、上傳導(dǎo)層4和絕緣層6。絕緣層設(shè)置在上和下傳導(dǎo)層之間。絕緣層6將上和下傳導(dǎo)層電隔離。作為示例，傳導(dǎo)層2和4可以是銅層，但是(例如鋁的)替代材料也是可以的。絕緣層可以是陶瓷層。絕緣層的可能的材料包括氧化鋁(A1203)、氮化鋁(A1N)和氧化鈹(BeO)。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道可以被使用的很多替代材料。

電源模塊通常安裝在DCB基板上。圖2顯示了已知的電源模塊，大體上由附圖標記10示出。

電源模塊10包括上述的下傳導(dǎo)層2、上傳導(dǎo)層4和絕緣層6。電源模塊的電路元件8a和8b(諸如功率晶體管和二極管)安裝在第二傳導(dǎo)層4上，一般使用表面安裝技術(shù)進行所述安裝。當(dāng)然，雖然在電源模塊10中示出兩個電路元件，但是也可以設(shè)置更加多的電路元件以及連接這樣的電路元件的配線。

下傳導(dǎo)層附接至底板12，例如使用焊接連接(未示出)。底板12又附接至散熱器16。在現(xiàn)有技術(shù)中熟知的是，熱界面材料(TIM)14設(shè)置在底板12和散熱器16之間。由于底板12和散熱器16不是理想地平坦的，所以需要TIM14。

散熱器16用于將電路元件8a和8b所產(chǎn)生的熱散發(fā)掉。現(xiàn)有技術(shù)中熟知的是，熱界面材料14具有相對高的熱阻，因此降低了系統(tǒng)10中的冷卻機構(gòu)的效力。散熱器16和空氣之間的界面一般也是一個具有顯著大的熱阻的源。

由于所產(chǎn)生的大量的熱，所以對電源模塊進行冷卻是一個重要的問題，并且是困難的。除了以上列出的問題外，冷卻DCB基板具有兩個特殊的其它問題。首先，DCB基板中使用的陶瓷層具有低的橫向熱傳導(dǎo)性。其次，DCB基板一般易碎，不能承受一些冷卻方法施加的機械應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在解決以上列出的問題中的至少一些問題。

本發(fā)明提供了一種電源模塊，包括第一傳導(dǎo)層(一般為銅，但是存在替代物，例如鋁)、第二傳導(dǎo)層(一般為銅，但是存在替代物，例如鋁)、在第一傳導(dǎo)層和第二傳導(dǎo)層之間的絕緣層(一般為陶瓷)和液體冷卻機構(gòu)(或模塊)，其中：所述第一傳導(dǎo)層被構(gòu)造成增大用于去除熱量的可用的表面面積；電源模塊的電路元件(例如二極管和功率晶體管)設(shè)置在第二傳導(dǎo)層(例如，使用表面安裝技術(shù))上；所述第一傳導(dǎo)層和第二傳導(dǎo)層、所述絕緣層和所述電路元件被封裝，使得所述第一傳導(dǎo)層(以及可能地也有一些絕緣層)暴露于所述液體冷卻機構(gòu)；并且所述液體冷卻機構(gòu)被配置成引導(dǎo)液體以使液體與所述第一傳導(dǎo)層(以及可能的絕緣層)接觸，以從所述第一傳導(dǎo)層去除熱量(因此，液體冷卻機構(gòu)為直接液體冷卻機構(gòu))。

本發(fā)明的電源模塊使冷卻液體直接接觸所述基板的第一傳導(dǎo)層。因此，熱源(電路元件)和冷卻機構(gòu)之間的熱阻低。電源模塊不會由于用于熱控制目的或機械穩(wěn)定性而需要底板。省去底板使得冷卻液體能夠直接接觸第一傳導(dǎo)層(在一些實施例中和絕緣層)，并提供了重量輕的電源模塊。

液體冷卻機構(gòu)確保了液體冷卻劑接觸所述電源模塊。然而，另外，在本發(fā)明的很多形式中，引導(dǎo)液體使液體與所述第一傳導(dǎo)層(以及可能的絕緣層)接觸包括朝向所述第一傳導(dǎo)層引導(dǎo)液體。液體電源模塊可以朝向所述第一傳導(dǎo)層引導(dǎo)引入的液體，例如通過改變液體的流動方向使得液體被朝向電源模塊(例如，液體可以被引導(dǎo)為大致垂直于第一傳導(dǎo)層的表面)引導(dǎo)。朝向所述電源模塊引導(dǎo)冷卻液體使得液體與電源模塊接觸，盡可能近地靠近產(chǎn)生熱量的電路元件。

所述液體冷卻機構(gòu)可以包括液體入口和液體出口。因此，在本發(fā)明的一些形式中，液體冷卻機構(gòu)朝向第一傳導(dǎo)層引導(dǎo)一或更多的(相對冷)的液體流(在液體入口處接收的)，并且移除一或更多的(相對熱)的液體流(且這些流被經(jīng)由液體出口引導(dǎo)到液體冷卻機構(gòu)的外面)。通過這樣的方式，能夠從電源模塊將熱量傳遞至所述液體，從而冷卻所述電源模塊。