[发明专利]具有脉管喷射冲击冷却系统的功率模块

说明书

一种与平面电源模块和冷却剂供应源一起使用的脉管喷射冷却系统，包括：歧管壳体和一个或多个射流冲击板。歧管壳体由介电聚合物模制材料构成，并限定了构造成流体连接到冷却剂供应源的冷却剂入口、与冷却剂入口流体连通并包含功率模块的内腔、以及与内腔流体连通的冷却剂出口。一个或多个射流冲击板布置在内腔中。板的开口引导通过冷却剂入口的冷却剂到达功率模块的相应主表面上。功率模块组件包括平面功率模块和脉管喷射冷却系统。构建功率模块组件的方法使用牺牲材料和喷射冲击板的包覆成型。

技术领域

本公开涉及双面功率半导体电子元件的封装，为简单起见，其在下文中称为功率模块。更具体地，本公开涉及用于出于热调节的目的将合适的传热流体/冷却剂传导至这种功率模块的一个或多个主表面的封装系统和方法。

背景技术

如本领域所理解的，包含一个或多个半导体开关管芯的功率模块被用在各种高压电气系统中。例如，在双直流(DC)和交流(AC)电气系统中采用功率逆变器模块。代表性的高压电气系统包括电气化动力系统和固定动力装置，其中来自高压DC电池组的DC输出电压用于激励电动机的一个或多个相绕组。功率模块同样用于DC-DC电压转换器，目的是提供适合应用的DC输出电压。

在典型的功率模块中，存在一组设置在多层衬底中的半导体开关管芯，其中开关管芯容纳一个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)、功率二极管、晶闸管或其他适合应用的半导体开关。总的来说，当将交流电源转换成DC电源时，功率模块的开关用于执行上述类型的高速/高功率开关功能，反之亦然。

衬底包括导电层，其用作到各种开关管芯的电连接。每个衬底通常由导热材料构成，以便于热量从敏感的半导体开关元件传递出去。传递的热量随后从功率模块的外表面消散。使用互补的双面冷却系统可以促进双面冷却，例如通过将功率模块夹在一对相对的冷却套之间，并且在冷却套和功率模块之间的界面处采用热界面材料。然而，这种方法在耐热性、重量和封装尺寸方面可能不是最佳的。

发明内容

本文公开了一种与平面功率模块一起使用的脉管喷射冷却系统。本解决方案采用平面功率模块的牺牲模制和聚合物封装，以便于制造独立的歧管壳体。在歧管壳体内，射流冲击板通过将冷却剂引导到平面功率模块的暴露主表面上以调节其温度，而用作基于喷嘴或基于槽的冷却剂射流。

如本领域所理解的，功率模块通常用作功率逆变器、直流-直流(DC-DC)转换器以及其他类型的集成功率转换系统的核心部件。热量是在正在进行的高速开关操作期间产生的，该操作用于将交流(AC)输入电压转换成DC输出电压，反之亦然，或将DC输入电压转换成更高或更低的DC输出电压。扁平/平面功率模块的低轮廓布置尤其具有将热量集中到较小体积的效果，根据内部配置，热量从功率模块的一个或两个主表面辐射。热管理通常是在增加给定功率模块的功率密度的同时减小给定功率模块的尺寸的瓶颈。因此，根据本教导，在所公开的歧管壳体的范围内的可选的双侧冷却旨在消除上述热管理瓶颈，并提供如下所述的其他益处，在其他配置中单侧冷却是可能的。

本文描述的脉管喷射冷却系统包括布置在介电聚合物模制材料中的至少一个喷射冲击板。射流冲击板的一部分嵌入聚合物模制材料中，以帮助控制板的相对位置，例如使用包覆成型工艺。在本公开的范围内，可以使用不同的板配置，可能伴随着在功率模块上结合外部散热片，以增强期望的热传递特性。

在一个特定的实施例中，公开了一种与外部冷却剂源一起使用的功率模块组件，该外部冷却剂源被证明是合适的传热流体，并且为了简单起见，该流体在下文中被称为冷却剂。功率模块组件包括具有相对设置的第一和第二主表面的平面功率模块，以及将平面功率模块封装在其中的歧管壳体。歧管壳体限定了冷却剂入口、内腔和冷却剂出口，冷却剂入口被构造成流体连接到冷却剂供应源并从冷却剂供应源接收传热流体/冷却剂，内腔与入口流体连通并包含功率模块。冷却剂入口与内腔流体连通，而冷却剂出口被配置为连接到冷却剂供应源并将冷却剂引导到那里，即，在从歧管壳体排出加热的冷却剂时。