[發明專利]具有脈管噴射沖擊冷卻系統的功率模塊

在審

• 申請號: 202111563530.3
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114823578A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: A.M.科波拉;A.法特米;R.O.小格羅弗;M.劉;C-h.嚴
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01L23/473
• 分類號: H01L23/473;H01L23/433
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 賀紫秋

一種與平面電源模塊和冷卻劑供應源一起使用的脈管噴射冷卻系統，包括：歧管殼體和一個或多個射流沖擊板。歧管殼體由介電聚合物模制材料構成，并限定了構造成流體連接到冷卻劑供應源的冷卻劑入口、與冷卻劑入口流體連通并包含功率模塊的內腔、以及與內腔流體連通的冷卻劑出口。一個或多個射流沖擊板布置在內腔中。板的開口引導通過冷卻劑入口的冷卻劑到達功率模塊的相應主表面上。功率模塊組件包括平面功率模塊和脈管噴射冷卻系統。構建功率模塊組件的方法使用犧牲材料和噴射沖擊板的包覆成型。

技術領域

本公開涉及雙面功率半導體電子元件的封裝，為簡單起見，其在下文中稱為功率模塊。更具體地，本公開涉及用于出于熱調節的目的將合適的傳熱流體/冷卻劑傳導至這種功率模塊的一個或多個主表面的封裝系統和方法。

背景技術

如本領域所理解的，包含一個或多個半導體開關管芯的功率模塊被用在各種高壓電氣系統中。例如，在雙直流(DC)和交流(AC)電氣系統中采用功率逆變器模塊。代表性的高壓電氣系統包括電氣化動力系統和固定動力裝置，其中來自高壓DC電池組的DC輸出電壓用于激勵電動機的一個或多個相繞組。功率模塊同樣用于DC-DC電壓轉換器，目的是提供適合應用的DC輸出電壓。

在典型的功率模塊中，存在一組設置在多層襯底中的半導體開關管芯，其中開關管芯容納一個或多個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物硅場效應晶體管(MOSFET)、功率二極管、晶閘管或其他適合應用的半導體開關。總的來說，當將交流電源轉換成DC電源時，功率模塊的開關用于執行上述類型的高速/高功率開關功能，反之亦然。

襯底包括導電層，其用作到各種開關管芯的電連接。每個襯底通常由導熱材料構成，以便于熱量從敏感的半導體開關元件傳遞出去。傳遞的熱量隨后從功率模塊的外表面消散。使用互補的雙面冷卻系統可以促進雙面冷卻，例如通過將功率模塊夾在一對相對的冷卻套之間，并且在冷卻套和功率模塊之間的界面處采用熱界面材料。然而，這種方法在耐熱性、重量和封裝尺寸方面可能不是最佳的。

發明內容

本文公開了一種與平面功率模塊一起使用的脈管噴射冷卻系統。本解決方案采用平面功率模塊的犧牲模制和聚合物封裝，以便于制造獨立的歧管殼體。在歧管殼體內，射流沖擊板通過將冷卻劑引導到平面功率模塊的暴露主表面上以調節其溫度，而用作基于噴嘴或基于槽的冷卻劑射流。

如本領域所理解的，功率模塊通常用作功率逆變器、直流-直流(DC-DC)轉換器以及其他類型的集成功率轉換系統的核心部件。熱量是在正在進行的高速開關操作期間產生的，該操作用于將交流(AC)輸入電壓轉換成DC輸出電壓，反之亦然，或將DC輸入電壓轉換成更高或更低的DC輸出電壓。扁平/平面功率模塊的低輪廓布置尤其具有將熱量集中到較小體積的效果，根據內部配置，熱量從功率模塊的一個或兩個主表面輻射。熱管理通常是在增加給定功率模塊的功率密度的同時減小給定功率模塊的尺寸的瓶頸。因此，根據本教導，在所公開的歧管殼體的范圍內的可選的雙側冷卻旨在消除上述熱管理瓶頸，并提供如下所述的其他益處，在其他配置中單側冷卻是可能的。

本文描述的脈管噴射冷卻系統包括布置在介電聚合物模制材料中的至少一個噴射沖擊板。射流沖擊板的一部分嵌入聚合物模制材料中，以幫助控制板的相對位置，例如使用包覆成型工藝。在本公開的范圍內，可以使用不同的板配置，可能伴隨著在功率模塊上結合外部散熱片，以增強期望的熱傳遞特性。

在一個特定的實施例中，公開了一種與外部冷卻劑源一起使用的功率模塊組件，該外部冷卻劑源被證明是合適的傳熱流體，并且為了簡單起見，該流體在下文中被稱為冷卻劑。功率模塊組件包括具有相對設置的第一和第二主表面的平面功率模塊，以及將平面功率模塊封裝在其中的歧管殼體。歧管殼體限定了冷卻劑入口、內腔和冷卻劑出口，冷卻劑入口被構造成流體連接到冷卻劑供應源并從冷卻劑供應源接收傳熱流體/冷卻劑，內腔與入口流體連通并包含功率模塊。冷卻劑入口與內腔流體連通，而冷卻劑出口被配置為連接到冷卻劑供應源并將冷卻劑引導到那里，即，在從歧管殼體排出加熱的冷卻劑時。