[发明专利]带有用于功率器件的微槽道冷却的散热器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请相关于与其同时提交的Stevanovic等人的与GE档案号155941相对应的题名为″功率模块、相脚和三相逆变器″的共同转让的待审的美国专利申请，该专利申请通过引用而完整地结合在本申请中。

背景

本发明大致涉及一种用于冷却受热面的装置，更具体地说，涉及一种散热器(heat sink)，其用于半导体功率器件的微槽道冷却。

更高密度的功率电子器件的发展使得冷却功率半导体器件变得日益更加困难。对于能够消耗高达500W/cm²的现代硅基功率器件，需要改进的热管理方案。当器件温度局限于50K的增量时，自然的和强制空气冷却方案只能操纵高达大约一(1)W/cm²的热通量。传统的液体冷却板可达到大约二十(20)W/cm²的热通量。热导管、冲击喷雾和液体沸腾能够实现更大的热通量，但这些技术可能导致制造困难和高昂的成本。

传统的高热通量的功率器件的冷却曾遭遇到的另一问题是受热面上的非均匀的温度分布。这是由于非均匀的冷却槽道结构，以及冷却流体随着其流过与受热面平行的长槽道而出现温度上升的原因而引起的。

一种有前景的用于高性能的热管理的技术是微槽道冷却。在二十世纪八十年代，其被论证是冷却硅集成电路的有效措施，这种硅集成电路设计证明具有高达1000W/cm²的热通量，以及低于100℃的表面温度上升。

其它微槽道散热器的设计也论证了相似的热性能。公开的Valenzuela等人的题名为″热交换器″的美国专利申请No.20030066634A1提供了相对于传统液体冷却设计的改良。Valenzuela等人的器件包括正常流动的微槽道散热器，其结合了亚毫米级别的槽道和受热面的垂直流动的好处。在大多数微槽道设计中，增加的热传递被小型槽道中增加的压力损失抵消，其导致了增加的泵吸需求。通过改变流动通路的几何形状，以产生与受热面垂直而非与之平行的流动，较短的槽道也是可行的，从而使压力损失不是很严重。然而，这种散热器的制造有些困难，因为必须首先在单个的铜叠片上加工出微槽道和更大的流体供给/返回通路，之后将其组装成堆叠结构。

Schultz-Harder等人的题名为″用于电气构件或电路的冷却器或散热器和带有这种散热器的电路″的美国专利No.6,014,312还提供了相对于传统微槽道液体冷却设计的改良。Schultz-Harder等人的器件还由铜叠片堆叠组成，其带有重叠但轻微偏置的毫米尺寸的孔，类似于一叠片状瑞士硬干酪。流体流动平行于受热面。这些孔引起液体中额外的湍流，增强了热传递，但也导致了更高的压力降。器件制造需要叠片在其粘接之前进行精密对准。基于公开的热性能结果，Schultz-Harder等人的设计比Valenzuela等人的设计效率较低，但仍然比传统的散热器较好。

Hamilton等人的题名为″利用航空燃料的针对航空电子装置的微槽道冷却″的美国专利No.5,692,558，其描述了利用航空燃料用于冷却半导体器件的微槽道散热器。这些槽道直接建造在器件的半导体衬底中，以减少半导体结-至-流体热阻。Hamilton等人的题名为″从半导体中吸热和在半导体中形成微槽道的方法″的美国专利No.5,998,240(Hamilton II)还公开了直接在射频(RF)功率器件的半导体衬底上形成微槽道的方法。另外，Hamilton II还公开一种完全三相逆变器，其带有转换功率器件(IGBT和二极管)的直接冷却。虽然直接在半导体器件的衬底上实现微槽道可能适合于低电压RF应用，但是其并不适用于转换功率逆变器应用。用于转换逆变器应用的IGBT和二极管功率器件具有垂直结构，并且半导体衬底的底部是连接其它电路构件的功率端子(集电器/阴极)。转换功率器件的集电器/阴极端子可引导大部分电流(差不多150A)，并阻塞可能超过几千伏的电压。在器件底部上实现微槽道将出于几个原因而是不实际的。这种实现将干涉与其它电路构件的电气互连，这种实现将使冷却流体暴露于高电压下，并对合适的流体构成严格的限制和/或需要去离子化设备，并且这种实现将由于冷却流体对于变成高频电流的导电路径而恶化电磁干扰(EMI)问题。