專利名稱：大功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種適用于大功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置。它尤其適用于電力變流設(shè)備中各種大功率半導(dǎo)體模塊的冷卻。
在大功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置中應(yīng)用熱管技術(shù)(通過密閉裝置內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的相變來吸收、傳輸和散發(fā)熱量)，比起使用實(shí)體金屬散熱器來說具有總體熱阻小、散熱功率大、易于把熱量傳輸和散發(fā)到設(shè)備機(jī)柜之外等優(yōu)點(diǎn)；比起使用循環(huán)或直流水冷散熱器來說具有裝置簡單(無須泵和純水處理系統(tǒng))，可靠性高、有利于高壓設(shè)備大功率半導(dǎo)體器件分組串聯(lián)時(shí)的電絕緣布置等優(yōu)點(diǎn)。然而已有的用于半導(dǎo)體器件的熱管式或汽化冷卻裝置，有的設(shè)計(jì)將半導(dǎo)體器件放在冷卻器內(nèi)部的液態(tài)工質(zhì)中(例如中國專利申請(qǐng)CN 86 1 02472A所公開的冷卻裝置)，這樣雖然給器件創(chuàng)造了較好的冷卻條件，但也存在以下不足一是難以解決由冷卻器內(nèi)部引出多個(gè)電極長期可靠的電絕緣和密封問題，二是更換器件極為不便、費(fèi)工費(fèi)時(shí)，三是為抵抗內(nèi)外壓力差必須將體積較大的密封冷卻器制造得十分堅(jiān)固因而其重量大、成本高；有的設(shè)計(jì)須改變半導(dǎo)體器件自身的封裝結(jié)構(gòu)并與冷卻裝置制成一體(例如中國專利公告CN 2062116U所公開的冷卻裝置)，這使得半導(dǎo)體器件在該裝置中幾乎沒有互換性而導(dǎo)致維修或更改設(shè)計(jì)十分困難、費(fèi)用高昂。再一方面，以上兩例和已有的其他熱管式冷卻裝置均被認(rèn)為體積較大，不便于機(jī)柜內(nèi)多個(gè)器件的安裝和維修，而且散發(fā)的熱量往往以熱風(fēng)形式流過機(jī)柜空間，使設(shè)備溫升較高。中國專利申請(qǐng)CN 86 1 08500A公開了一種可以排出多個(gè)電子器件損耗熱的方法和設(shè)備，該方法和設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)較大的器件安裝密度，并能把熱量傳輸?shù)綑C(jī)柜頂端散去。但該方法和設(shè)備至少由于以下原因而使其冷卻能力十分有限一是自半導(dǎo)體器件至蒸發(fā)器之間需經(jīng)兩次以上間接傳熱，尤其垂直于蒸發(fā)器的“導(dǎo)熱板”熱阻很大；二是蒸發(fā)器的液、固相換熱面積小而且只從單面吸收熱量。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種適用于大功率半導(dǎo)體器件(尤其適用于各種大功率半導(dǎo)體模塊)的冷卻裝置，它不僅能以較小的溫差把器件所產(chǎn)生的大功率熱流散至機(jī)柜以外，而且重量輕、體積小、堅(jiān)固可靠，在機(jī)柜中安裝布置方便、易于更換半導(dǎo)體器件。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述適用于大功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置應(yīng)用熱管技術(shù)，它采用分離型結(jié)構(gòu)，主要由蒸發(fā)器、位于蒸發(fā)器上方的冷凝器以及二者之間的連通管道所組成。其中，平板形蒸發(fā)器〔1〕相互平行的兩個(gè)最大側(cè)平面〔11〕均作為工作臺(tái)面安裝需冷卻的大功率半導(dǎo)體器件〔5〕。蒸發(fā)器內(nèi)部除上、下各留有橫向流體通道〔12〕、〔13〕外，其主要吸熱部分制成蜂窩狀結(jié)構(gòu)〔14〕，最好在此蜂窩結(jié)構(gòu)的壁面上制出密集的豎向槽道〔15〕和肋片〔16〕，以使蒸發(fā)器既有足夠的強(qiáng)度和剛性，又有較大的單位重量(或單位體積)沸騰換熱面積。蒸發(fā)器內(nèi)充有液態(tài)工質(zhì)〔17〕，該工質(zhì)通過液、固兩相接觸壁面吸收半導(dǎo)體器件〔5〕工作中產(chǎn)生的熱量并蒸發(fā)生成飽和蒸汽。此飽和蒸汽經(jīng)單調(diào)向上的連通管〔3〕或〔4〕進(jìn)入冷凝器〔2〕，在外部風(fēng)冷作用下放出熱量凝結(jié)為液態(tài)，沿連通管〔3〕回流至蒸發(fā)器中。如此循環(huán)往復(fù)，把大功率半導(dǎo)體器件工作中產(chǎn)生的熱量散發(fā)到冷凝器之外，實(shí)現(xiàn)上述本實(shí)用新型的目的。
由上述可見，本實(shí)用新型冷卻裝置中兩面均可安裝大功率半導(dǎo)體器件且內(nèi)部呈蜂窩結(jié)構(gòu)的平板形蒸發(fā)器具有體積小、重量輕、吸熱能力強(qiáng)、堅(jiān)固可靠、器件安裝密度大以及易于更換器件的優(yōu)點(diǎn)。由于只要求冷凝器高于蒸發(fā)器而無須把二者安裝在同一垂面或同一垂線上，因而使得設(shè)備機(jī)柜內(nèi)大功率半導(dǎo)體器件的安裝和冷卻風(fēng)管、冷卻風(fēng)扇的布置非常靈活方便。實(shí)施例1以甲醇為液態(tài)工質(zhì)，在蒸發(fā)器殼溫不超過70℃、冷凝器冷卻風(fēng)溫30℃且風(fēng)速3-4m/s條件下，其單位重量散熱功率和單位體積散熱功率分別達(dá)到300w/kg和250w/dm3以上。顯然，本實(shí)用新型能夠提供一種適用于大功率半導(dǎo)體器件的高效冷卻裝置。
附

圖1示出本實(shí)用新型的實(shí)施例1，它使用兩根連通管連通蒸發(fā)器與冷凝器。
附圖2示出本實(shí)用新型的實(shí)施例2，它使用一根連通管連通蒸發(fā)器與冷凝器。
附圖3是實(shí)施例1的內(nèi)部剖面示意。
附圖4給出了四種典型的蒸發(fā)器內(nèi)部蜂窩結(jié)構(gòu)橫斷面圖案。其中圖a為上述兩個(gè)實(shí)施例所采用。
以下結(jié)合附圖詳述本實(shí)用新型的最佳實(shí)現(xiàn)方式蒸發(fā)器〔1〕用導(dǎo)熱性好的金屬(例如銅、鋁)制成，其內(nèi)部蜂窩狀結(jié)構(gòu)的橫斷面圖案由許多重復(fù)的簡單幾何圖形(例如附圖4示出的圖形)構(gòu)成，最好在此蜂窩結(jié)構(gòu)的壁面上制出密集的豎向槽道〔15〕和肋片〔16〕。蒸發(fā)器內(nèi)部充注的液態(tài)工質(zhì)可以是水、乙醇、甲醇或丙酮，也可以用氟利昂或氨，當(dāng)用氨為工質(zhì)時(shí)，必須注意銅與氨的不相容性。用水、乙醇、甲醇為工質(zhì)時(shí)，最好將工質(zhì)經(jīng)過低溫真空處理以脫除工質(zhì)中的不凝生氣體。冷凝器〔2〕由多根相互平行且基本為豎向安置的翅片式冷凝管〔21〕構(gòu)成，這些冷凝管的上、下兩端分別通過橫向管道〔22〕、〔23〕并聯(lián)連通(見附圖1示出的實(shí)施例1)，或僅僅下端通過橫向管道〔23〕并聯(lián)連通(見附圖2示出的實(shí)施例2)。蒸發(fā)器與冷凝器之間經(jīng)過兩根連通管(實(shí)施例1)或僅僅一根連通管(實(shí)施例2)連通起來，與外界氣密隔絕，并保持由蒸發(fā)器向冷凝器單調(diào)向上的布置形狀。連通管〔3〕的下端與蒸發(fā)器上部連通，上端與冷凝器下部橫向管道〔23〕的最低點(diǎn)連通；連通管〔4〕的下端與蒸發(fā)器上部連通，上端則與冷凝器上部橫向管道〔22〕連通，管〔4〕的橫截面積最好大于管〔3〕。僅僅使用一根連通管〔3〕時(shí)，管〔3〕的截面積應(yīng)盡可能大些。為在蒸發(fā)器側(cè)平面〔11〕上安裝大功率半導(dǎo)體器件〔5〕，可以采用以下方法在蒸發(fā)器上制出與內(nèi)部氣密隔絕的管孔或螺紋孔；在蒸發(fā)器上預(yù)先焊裝螺絲；或利用外部裝置把半導(dǎo)體器件頂壓在蒸發(fā)器平面上。當(dāng)大功率半導(dǎo)體器件是安裝面絕緣于電極的模塊時(shí)，每個(gè)蒸發(fā)器可以方便地安裝多個(gè)這種模塊。
權(quán)利要求1.一種適用于大功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置，它應(yīng)用熱管技術(shù)，通過密閉裝置內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的相變來吸收、傳輸和散發(fā)半導(dǎo)體器件工作中產(chǎn)生的熱量，其特征在于所述冷卻裝置是分離型的，它的蒸發(fā)器容納液態(tài)工質(zhì)并具有平板狀外形，它的冷凝器安裝位置高于蒸發(fā)器，二者之間經(jīng)管道連通并保證對(duì)外界的氣密性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于蒸發(fā)器內(nèi)部除上、下各有橫向流體通道外主要吸熱部分制成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于它的冷凝器由多根相互平行且基本為豎向安置的翅片式冷凝管并聯(lián)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于它的蒸發(fā)器和冷凝器之間經(jīng)過兩根管道相連通，這兩根管道的下端都與蒸發(fā)器上部相連通，而第1根管道的上端與冷凝器下部橫向管道的最低點(diǎn)相連通，第2根管道的上端與冷凝器上部的橫向管道相連通并且從蒸發(fā)器至冷凝器，該兩根管道按單調(diào)向上的走向安置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻裝置，其特征在于它的蒸發(fā)器和冷凝器之間經(jīng)過一根管道相連通，該管道的下端與蒸發(fā)器上部相連通，其上端與冷凝器上部橫向管道的最低點(diǎn)相連通，從蒸發(fā)器至冷凝器，該管道按單調(diào)向上的走向安置。
專利摘要一種適用于大功率半導(dǎo)體器件的冷卻裝置，它應(yīng)用熱管技術(shù)、分離型結(jié)構(gòu)，并聯(lián)翅片管式冷凝器位于蒸發(fā)器的上方且二者之間通過管道相連通。內(nèi)部充注液態(tài)工質(zhì)利用其相變來吸收、傳輸和散發(fā)熱量。蒸發(fā)器內(nèi)主要吸熱部分制成蜂窩狀以減小重量、體積和熱阻，提高其強(qiáng)度、剛性和冷卻能力。平板形蒸發(fā)器兩個(gè)側(cè)面均可安裝半導(dǎo)體器件，尤其便于在一個(gè)蒸發(fā)器上安裝多個(gè)絕緣式的大功率半導(dǎo)體模塊。
文檔編號(hào)H01L23/34GK2269639SQ9521054
公開日1997年12月3日 申請(qǐng)日期1995年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月9日
發(fā)明者郭明, 許惟玲 申請(qǐng)人:郭明, 許惟玲