[发明专利]功率半导体模块冷却板的散热结构

说明书

本发明公开了一种功率半导体模块冷却板的散热结构，本散热结构包括自上而下依次布置的功率芯片、第一焊锡层、覆铜陶瓷基板、第二焊锡层和冷却板本体，本散热结构还包括直肋机构和针肋机构，所述直肋机构设于所述冷却板本体底面，所述针肋机构设于所述直肋机构表面。本散热结构克服传统平板式冷却板的缺陷，有效提高流固接触面的对流换热系数以及散热面积，增大由流体宏观流动所造成的转移热量以及由流体中分子导热所产生的传递热量，增强功率半导体模块的散热性能，提高功率半导体模块的热可靠性以及使用寿命。

技术领域

本发明涉及功率器件冷却技术领域，尤其涉及一种功率半导体模块冷却板的散热结构。

背景技术

功率半导体模块是将功率电子元器件按照一定功能组合封装成的一个整体模块，具有尺寸小、功率密度高等优点，因此在新能源汽车领域有着广泛的应用。随着新能源汽车向高功率、长续航等方面发展，功率半导体模块的应用环境日益严苛，功率半导体模块的可靠性得到了广泛关注。

热可靠性是功率半导体模块可靠性的重要组成部分，热可靠性要求功率半导体模块拥有良好的散热性能。功率半导体模块中热量主要来源于芯片、铜层和母排端子，其中，芯片和铜层产生的热量主要由覆铜陶瓷基板传递至冷却板，并最终由冷却液将热量传递出去，由此可见冷却板散热结构对功率半导体模块散热尤为重要。

热量传递主要有三种基本方式，分别为热传导、热对流及热辐射。在功率半导体模块散热过程中，热量主要通过冷却板和冷却液的对流换热方式实现散热。

对流换热是由流体宏观流动所造成的热量转移以及流体中分子导热所产生的热量传递联合作用的结果。为说明这一现象，试以流体外掠冷却板的稳态换热情形为例，如图1所示。假设冷却液来流温度低于冷却板1温度，由于流体粘性的作用，在紧靠冷却板1壁面的流体薄层内流速v逐渐减小，最终在贴壁处流体被滞止而处于无滑移状态，此时由于流体分子导热，热量Q₁从板面传递到流体中，使流体得到加热，被加热的流体同时向前运动，带走一部分热量Q₂，从而使流体分子继续向垂直于板面方向传递的热量Q₁逐渐减少，如图1虚线箭头所示。到流体薄层外边界时，从冷却板1壁面传递到流体中的热量已经全部被运动着的流体带走，使该处垂直于板面方向的流体温度变化率接近零，因而垂直于板面方向的流体分子导热也为零。图1中虚线箭头代表垂直于板面主流方向的分子导热Q₁，箭头的不同宽度表示了热流大小；粗实线箭头代表被流体带走的热量Q₂，箭头的不同宽度表示了热流大小；v表示流体主流速度，细实线箭头代表v的大小与方向。

对流换热的表达式为：

Φ＝hA(T_w-T_f)＝hAΔT (1)

式中，Φ为冷却板与冷却液对流换热带走的热量，单位为W；T_w、T_f分别为流固接触面的固体壁面的平均温度和液体壁面的平均温度，单位为K；h为对流换热系数，单位为W/(m²·K)；A为对流换热面积，单位为m²；ΔT为T_w、T_f两者温差，单位为K。

由式(1)可知，欲增加对流换热量可通过增大对流换热系数、增加换热面积以及增加温差三种方法实现。对流换热系数与冷却液速度、密度、动力粘度、比热容以及冷却板导热系数等众多影响因素有关，换热面积与冷却板散热结构的结构形式有关，温差与具体工艺技术有关。