含双梯形截面肋片的电力电子集成模块微小通道液冷基板

摘要

本发明公开了一种含双梯形截面肋片的电力电子集成模块微小通道液冷基板，它换热效率高、压力损失小，同等功耗下器件温度均匀性好，不易阻塞、阻塞后也容易冲洗；结构简单，肋片不易变形、稳定性好，成本低。它包括两块上下侧面均敷铜的导热绝缘板、被这两块导热绝缘板夹在中间的液体冷却通道和导热材料或非导热材料填充区域，所述液体冷却通道为带有双梯形截面肋片阵列的腔体，肋片间的缝隙形成微小通道网络；与所述液体冷却通道对应的导热绝缘板区域集中布置电力电子器件群，与所述导热材料或非导热材料填充区域对应的导热绝缘板区域布置微电子器件群。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及大功率电力电子器件的集成技术，具体为大功率电 力电子集成模块的含双梯形截面肋片的电力电子集成模块微小通道液冷基板。

背景技术

电力电子技术是电力、电子、控制交叉而成的学科，电力电子装置的复杂性与其应用的 广泛性之间的矛盾越来越尖锐，已成为电能利用技术进步的瓶颈。集成电路将电子设计中最 主要的难点和绝大部分工作量封装在集成芯片内部，大大降低了装置的设计、制造和维护难 度。以史为鉴，电力电子技术也需要借助“集成”思想，将电力电子装置设计过程中所遇到 的元器件、电路、控制、电磁、材料、传热等方面的技术难点问题和主要设计工作解决在集 成模块内部，以便简化应用系统的设计，使其成为从事不同行业、具备基本技能的工程师所能 驾驭的有力工具^[1]。

电力电子集成技术的核心是研制各种各样的电力电子集成模块(Integrated Power  Electronics Module，IPEM)。概念化的IPEM是一个三维结构的模块，它拥有很高的功率密 度和优良的电气性能，集成了主电路、驱动和控制电路、传感器以及磁元件等无源元件。同 时，这样一个模块是可以被自动化制造和生产的，其成本因而大大降低。但是在目前的技术 条件下要实现这样一个完全集成的电力电子模块是非常困难的，所以学术界将IPEM分为有源 IPEM和无源IPEM两种，分别进行研究。有源IPEM主要实现功率器件、驱动控制电路和传感器 等部件的集成；无源IPEM主要实现磁元件、电容器等无源元件的集成。有源IPEM又可以分为 单片集成模块与混合集成模块。单片集成模块，指采用半导体集成电路的加工方法将电力电 子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路制作在同一硅片上，体现了单片系统(SOC)的概 念。这种集成方式的集成度最高，适合大批量、自动化制造，可以非常有效地降低成本，减小体 积和重量，但高压、大电流的主电路元件和其它低压、小电流电路元件的制造工艺差别较大， 另外还存在高压隔离问题、传热问题等。因此，单片集成难度很大。混合集成模块采用封装 的技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成 具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间 的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可比较有效地减小体积和重量，是电力电 子集成的主流方式^[2][3]。但这种混合集成方法目前尚存在分布参数、电磁兼容、高效散热等具 有较高难度的技术问题。

集成化是电力电子技术最主要的发展方向。无论是有源IPEM还是无源IPEM，也无论是单 片集成模块还是混合集成模块，它们都是用来处理能量的，其功耗远远高于用于信息处理的 集成电路。KP500型晶闸管，当其通态平均电流为500A、导通角为120电角度时，耗散功率可 达1200W。一般是将2只、4只或6只功率器件集成为一个模块。集成化后，功率损耗的体积密 度急剧加大，由功耗导致的发热、温升问题异常突出，这直接关系到模块的可靠运行。电子 器件的许多性能参数随温度升高而恶化，例如PN结的反向电流随温度升高按指数规律增大， 双极性器件的关断时间随温度升高而延长，转折电压会随温度升高而降低。当半导体器件的 功耗超过其临界值时就会造成热不稳定和热击穿。对于功率半导体芯片，最高允许温度可达 150℃；驱动、保护电路由各种集成电路组成，商用集成电路允许温度为70℃，工业用集成电 路允许温度为85℃。由于在集成IPEM中功率电路距离驱动保护电路非常近，功率电路向驱动保 护电路的传热就会直接影响到驱动保护电路的正常工作。若功率电路尚未达其工作温度上限 时驱动保护电路就已达到其工作温度上限，就必须限制功率电路的工作温度上限，保证所有 器件都不超过其自身的工作温度上限。热控制是各类电力电子集成模块都必须面临的共性关 键技术之一。

对于分立电力电子器件，常用的冷却方式有自然对流冷却、强迫空气冷却、循环水冷却、 流水冷却、循环油冷却、油浸自冷却、热管散热器冷却等。中国发明专利申请200910075814.0 给出了一种用于变流器功率模块的双面水冷散热基板；中国授权专利200710035082.3给出了 一种改善大功率热管散热器和发热元件接触热阻的方法；中国发明专利申请201010258174.X 给出了一种具有错列冷却剂通道的功率模块组件。

国内外有关学者对电力电子集成技术中的热控制问题已经展开了积极、深入地研究。余 小玲、曾翔君等给出了一种混合封装电力电子集成模块的具体设计并重点研究了功率电路对 驱动保护电路传热影响^[4]。该模块主要由功率电路和驱动保护电路构成。功率电路焊接在敷 铜陶瓷板(Direct Bonded Copper，DBC)上，DBC又焊接在铜基板上。功率电路上覆盖4.8mm厚的 硅凝胶，在硅凝胶上直接放置一块印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)来承载驱动保护电 路。模块四周加以塑料封壳。功率电路产生的热量大部分通过安装在铜基板底部的散热器以 自然对流和辐射的方式散出，另一小部分通过PCB的上表面散出。采用有限元分析软件为混合 封装电力电子集成模块建立了正确的热模型，在不同的功率电路发热量及不同的铜基板底面 散热条件下，根据该模型可预测功率器件和驱动保护电路PCB上的最高温度。作者的分析结果 说明，功率器件到模块内铜基板底面间的热阻为0.45℃/W，驱动保护电路PCB受功率电路的 传热影响显著，在自然对流散热的情况下，功率器件的温度达到85℃左右时，PCB上的最高温度 已接近70℃，此时功率器件的发热量为45W。熊建国等针对高热流密度负荷下大功率电力电子 设备散热冷却，以带有微槽道强化传热面的小型重力型平板热管蒸发器为研究对象，以水- 氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体为工质，在不同运行压力和不同纳米流体浓度下对平板热管 蒸发器的沸腾换热特性以及临界热通量进行了实验研究^[5]。Timothy J等给出了一种利用热管 技术对IPEM进行冷却的技术方案^[6]。T.Tilford、Seung-Yo Lee等分别利用有限元方法对有源、无 源IPEM的热应力及其对模块性能的影响进行了分析^[7][8]。Dustin A等利用外部可测温度估计电 力电子模块功率器件结温、通过功率器件开关频率和工作电流的控制对功率器件结温实施主 动控制^[9]。C.M.Johnson、Przemyslaw R、Skandakumaran P等学者也对IPEM液体冷却方案进行 了定量分析与设计^[10][11]。

液体冷却方案属于有源热沉，通过某种高热导率媒质(如去离子水、液氮等)及时将器件 产生的热量从热沉中带走，使热沉尽可能的工作在亚热饱和状态下，以维持热沉表面温度近似 恒定，其热阻远小于无源热沉热阻。液冷系统的性能取决于散热通道的几何尺寸、冷却液在 通道的流速、散热翅的表面积、冷却风速等因素，优化以上因素可提高系统的散热性能。由 于狭窄的通道和相对低的流速形成紊流，微通道散热器比通常的散热器有极高的散热性能。 一般有源热沉的热阻大约是无源热沉热阻的几十甚至上百分之一，而微通道热沉热阻是无源 热沉热阻的1/50-1/200，因此受到国内外学者的广泛关注。邵宝东等基于热阻网络模型，以 热阻和压降作为目标函数建立了微槽冷却热沉的多目标优化模型，采用序列二次规划方法对 微槽的结构尺寸进行了优化设计。对于冷却长、宽各为6mm、功耗为100W的芯片的热沉，优 化后微槽宽度和高度分别为120μm和815μm，相应总热阻为0.413K/W。对优化后的微槽冷却热 沉采用计算流体动力学(CFD)方法进行了数值模拟。模拟结果与热阻网络模型预测的结果吻合 得很好^[12]。Curamik Electronics公司公开了一种液冷DBC微通道基板结构^[13]，采用AIN陶瓷和微 通道结构组合而成的冷却器，其与芯片的热阻＜0.03K/W，散热量可达2kW/inch²。J.Li等许多 学者对微通道热沉的设计、特性、仿真、实验、测量、优化进行了深入研究^[14]-[26]。

中国发明专利申请201010589169.7给出了一种直接衬底冷却的功率电子衬底；中国发明 专利申请201110045932.4给出了一种功率模块用基板及其制造方法、自带散热器的该基板及 功率模块；中国发明专利申请201010285379.7给出了一种用于制造电路基板组件及功率模块 的方法；中国发明专利申请201110085813.1给出了一种线路板和散热器高效整合的大功率基 板及其制作方法。

矩形流道结构的微通道散热器具有良好的散热效果，但直接将其用于电力电子集成模块 的基板，存在下述两个技术问题。其一，长、直、窄的矩形微小通道容易阻塞；其二，正是 由于其换热效果好，所以流体在入口与出口处的温度存在较大差异。这必将导致各电力电子 器件因其所处几何位置不同，温升存在较大差别，温度均匀性差。相同功耗前提下，布置在 接近流体入口处的电力电子器件温升低于出口处附近电力电子器件的温升。一般而言，基板 和模块是分别生产的，相对于基板生产者而言，电力电子器件在基板上的分布是随机的、不 确定的。基板生产者必须保证在假定均匀热负荷前提下，基板上所有器件的温升都低于允许 值。这就势必迫使基板生产者按温升最高处亦即流体出口处电力电子器件的温升来确定基板 所容许的热负荷。如此，则布置在基板其余区域的电力电子器件温升存在较大裕度。越接近 冷却媒质入口，电力电子器件温升裕度越大。这种裕度是不必要的，但它却是以增大流道压 力损失为代价的。

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发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种含双梯形截面肋片的电力电子集成模块微 小通道液冷基板，它换热效率高、温度均匀性好、不易阻塞、即使阻塞后也容易冲洗。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含双梯形截面肋片的电力电子集成模块微小通道液冷基板，它包括两块上下侧面均 敷铜的导热绝缘板、被这两块导热绝缘板夹在中间的液体冷却通道以及导热材料或非导热材 料形成的填充区域。所述液体冷却通道为带有双梯形截面肋片阵列的腔体，肋片间的缝隙构 成微小通道网络；在与所述液体冷却通道对应的导热绝缘板区域，集中布置电力电子器件群； 在与所述导热材料或非导热材料填充区域对应的导热绝缘板区域，亦即电力电子器件群的相 邻区域，集中布置微电子器件群。

所述腔体由导热材料形成上、下、左、右四壁，构成前、后开口的封闭通道，在该通道 的上壁、下壁对称布置双梯形截面肋片阵列。所述双梯形截面含义如下：假设以平行于两块 导热敷铜板的截面截取所述肋片时，所得上壁肋片截面或下壁肋片截面为等腰梯形；假设以 垂直于流体流动方向的截面截取所述肋片时，所得上壁肋片截面和下壁肋片截面皆为等腰梯 形；假设以垂直于两块导热敷铜板、平行于流体流动方向的截面截取所述肋片，所得上壁肋 片截面、下壁肋片截面皆为矩形。

肋片设置在相应的上壁和下壁上，上壁和下壁分别与相应的内敷铜层焊接为一体，上壁 和下壁的肋片端部彼此上下相对，但相互间留有缝隙。定义所述肋片在流体流动方向的尺寸 为肋长、垂直两块导热敷铜板方向的尺寸为肋高、以垂直流体流动方向的肋截面斜边中点的 连线为肋厚，则肋长按与基板液体冷却通道长度相等的原则确定；在流体入口处，所述肋片 肋厚在肋高度的1/25至1/25范围内选择；在流体出口处，肋厚在肋高度的1/20至1/10范围 内选择；入口处肋厚为出口处肋厚的50％至75％。

本发明为缓解矩形微小流道所存在的前述两个技术问题，提高电力电子器件温升分布的 均匀性、减小微小通道阻塞的可能性，基于传热学基本原理，设计了一种不妨称之为“双梯 形截面肋片阵列”结构，这种肋片阵列形成了“双梯形截面通道阵列”的结构。

提高对流换热效率，必须抓住两个基本点。其一，必须把热量从热源快速的导出；其二， 必须把导出的热量快速的传递到流体中。前者，不但要求材料的导热性能好，而且要求这种 导热材料要具有足够的体积、质量；后者，不但要求流体本身的性能要适于对流换热，而且 要求流体与固体之间具有足够的接触面积、足够的相对流速。

对于电力电子集成模块微小通道液冷基板而言，若采用矩形肋片、矩形流道，则随着对 流换热过程的进行，对每个肋片而言，越偏离腔体上壁或下壁、接近腔体高度方向的中心截 面，其承担的导热量越小，客观上不再需要与肋片底部那样多的导热材料。减小导热材料的 使用量，就意味着降低了流体经过液冷基板所引起的压力损失。为此，本发明所述电力电子 集成模块微小通道液冷基板不采用许多文献所述的矩形肋片，转而采用顺着流体流动方向看 去为梯形的肋片。亦即本发明设计肋片特征之一为：假设以垂直于敷铜陶瓷板和流体流动方 向作任一截面，所得肋片截面为等腰梯形结构。

对于电力电子集成模块微小通道液冷基板而言，由于以布置在接近流体出口位置处的电 力电子器件的温升表征基板散热性能，布置在接近入口区域的电力电子器件的温升存在着较 大的、不必要的容许裕度，客观上允许减少接近流体入口处的肋片材料用量。减少肋片材料 用量，意味着可以增加流道有效面积、减小压力损失、降低槽道阻塞的可能性。越接近流体 入口，则允许肋片材料用量越少。为此，本发明设计肋片特征之二为：假设以平行于敷铜陶 瓷板作任一截面，所得肋片截面为等腰梯形结构。

按上述设计，在流体流动过程中垂直流体流动方向任作横截面，则在高度方向上中心部 位流道面积较大，这有利于降低基板压力损失；越接近流体出口，流道越窄、流速越高，对 流换热系数也就越高，这可弥补流体温度升高所带来的负面影响，有利于提高液冷基板上不 同位置处的电力电子器件的温度均匀性；同时，由于沿流动方向，流道越来越窄、流速越来 越高，在肋片的左、右壁可形成纵向漩涡，有利于对流换热系数的提高；由于越接近流体入 口，通道越宽，一旦阻塞，可以临时将流体流动方向反向，冲洗流体通道。此时，流体自窄 口流入、宽口流出，冲洗效果较好。也可在基板使用过程中，根据具体需要，定时控制流体 反向短时流动，冲洗流体通道。

电火花线切割加工、电火花成形加工是利用工具电极和工件电极之间的脉冲性火花放电 产生高温、使工件材料熔化和汽化进行加工的，其优势在于加工中没有宏观作用力，且可加 工高硬度的导电材料，加工尺度可小至30微米，加工精度高，表面粗糙度可达到微米级，它 不需要三维掩模版。上述微小通道结构设计可以适合选择微细电火花线切割方法进行加工； 也可先用电火花线切割方法制作成形电极，然后用电火花成形方法进行加工。

本发明与矩形微小通道相比的有益效果是：同等压力损失时换热效率高；同等换热效率 时压力损失小；同等功耗下器件温度均匀性好；不易阻塞；即使阻塞也比较容易冲洗；结构 简单，肋片不易变形、稳定性好；不会造成成本的明显增加。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为以垂直于敷铜陶瓷板和流体流动方向作任一横截面，所得单个肋片的截面；

图2a为以平行于敷铜陶瓷板作任一截面，所得单个肋片的截面；

图2b为单个肋片的侧视图；

图3为以垂直于敷铜陶瓷板和流体流动方向作任一截面，所得下肋片板部分肋片截面；

图3a为以平行于敷铜陶瓷板和流体流动方向作任一截面，所得下肋片板部分肋片截面；

图3b为下肋片板部分肋片的侧视图；

图4为上肋片板、下肋片板、左壁、右壁合成流体通道后，部分肋片的主视示意图；

图4a为图4的俯视示意图；

图4b为图4的侧视示意图。

其中，1.电力电子器件群，2.微电子器件群，3.外敷铜层，4.内敷铜层，5.导热绝 缘层，6.腔体，7.微小通道，8.肋片，9.填充区域。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本发明所述的电力电子集成模块的微小通道液冷基板为三明治结构，它有两个 导热绝缘层5，所述两个导热绝缘层5上下侧分别有外敷铜层3和内敷铜层4，导热绝缘层5 为陶瓷板。导热绝缘层5与其内敷铜层4、外敷铜层3统称敷铜陶瓷板，简称DBC。

两块敷铜陶瓷板DBC之间包括由导热材料所形成的前、后两端开口，上、下、左、右四 壁封闭的腔体6。腔体6用作冷却液体的流动通道，它包括肋片8所形成的具有特殊结构的 肋片阵列，该肋片阵列在腔体6中形成了由众多微小通道7所组成的具有特殊结构通道阵列。 两块敷铜陶瓷板DBC的外敷铜层3用于焊接形成电力电子集成模块所需的多个电子器件。但 在布置这些电子器件时，要区别对待用于能量控制的电力电子器件和对电力电子器件进行驱 动、保护、测量、控制的微电子器件，因为二者的功耗有本质区别。电力电子器件功耗高， 微电子器件功耗低。相对于电力电子器件，微电子器件的功耗几乎可以忽略不计。在两块DBC 板的外敷铜层3上，沿流体流动方向集中布置电力电子器件群1，同时将微电子器件群2布 置在相应电力电子器件的一侧或两侧。被集中布置在上DBC板的电力电子器件群1和被集中 布置在下DBC板的电力电子器件群1所占敷铜层区域在垂直方向上几何位置对称。只在上、 下电力电子器件群1所占区域之间布置液体冷却通道，即腔体6。如此，可在流体通道宽度 相同的前提下，将流体通道长度缩小约50％。相应的，通道的压力损失也降低了约50％。微电 子器件群2之间的填充区域9可利用导热材料或非导热材料填充。流体直接冷却高功耗的电 力电子器件群1，通过DBC的热传导作用间接冷却低功耗的微电子器件群2。

综合上述两个特征，本发明所设计的单个肋片8示意图如附图2、图2a、图2b所示。

本发明所述电力电子集成模块微小通道液冷基板的具有双梯形截面的肋片阵列，如附图 3、图3a、图3b所示。附图3只示出了布置在附图1中腔体6下壁、用于冷却下DBC板的部 分肋片8。事实上，在附图1腔体6的上、下壁上，都分布有若干个附图2所示的肋片8，而 且布置在上、下壁的肋片8几何结构、几何参数、肋片数量相同，腔体6的上、下壁连同布 置在其上的肋片8，构成上、下对称结构。各肋片8之间的间距形成流体通道。

所有肋片8高度、长度相同；越接近出口，肋片8越厚。通道上壁、下壁与相应内敷铜 层3焊接为一体。各肋片8位置彼此相对，但其端部间留有缝隙，即各肋片8的高度h略小 于通道高度的50％的。

以垂直于DBC板的肋片8梯形截面中间部位厚度为肋厚，则流体入口处肋厚在肋高度的 1/25至1/15范围内选择；出口处肋厚在肋高度的1/20至1/10范围内选择。入口处肋厚为出口 处肋厚的50％至75％。

按上述实施方式获得的一个具体实施例为：

电力电子器件群1和微电子器件群2所占区域几何尺寸皆为10mm×100mm，相应的基 板平面尺寸为20mm×100mm；DBC板覆铜层厚度0.2mm，覆铜层焊料厚度0.1mm，DBC板 Al₂O₃导热绝缘层厚度为0.4mm，肋片板底面厚度为0.3mm，DBC覆铜层与肋片板之间的焊接 层厚度为0.1mm，微小通道高度为2.8mm，宽度为10mm，占基板20mm宽度的一半，其另 一半设置微电子器件。所形成的整个基板外形尺寸为20mm×100mm×5.6mm。上、下肋片板 对称，各设置49个肋片8，各肋片8相同。各肋片8沿流体流动方向长度为100mm；肋片在 垂直流体流动方向的横截面亦即与流体入口平行的截面上为等腰梯形，梯形高度为1.35mm， 入口处该梯形两底分别为0.09mm、0.07mm，出口处该梯形两底分别为0.12mm、0.1mm；上 述49条双面梯形肋片8在上、下两肋片板分别构成50条同样是双面等腰梯形的微小槽道， 每条槽道长100mm、高1.35mm，入口处槽道两底分别为0.11mm、0.13mm，出口处槽道两 底分别为0.08mm、0.1mm。上壁各肋片8与下壁各肋片8不接触，肋片8顶部之间存在0.1mm 的缝隙，该缝隙在槽道阻塞且未来得及反向冲洗时将发挥有益作用。流体通道左壁、右壁厚 度为0.5mm。试验结果表明，在电力电子器件区域上、下各900W均匀功耗，微电子区域上、 下各10W均匀功耗，冷却流体流量0.02L/s、入口温度40℃时，出口温度为51.5℃，电力电子 器件平均温度为137℃、最低温度为135℃、最高温度为142.5℃，微电子器件平均温度66.3℃、 最低温度为65.5℃、最高温度70.5℃；入口、出口压差为23KPa。

与上述具体实施例相对应的一个对比试验是，仅改变肋片形状，将上述双梯形截面肋片 改为矩形肋片。在上述双梯形截面肋片长度方向中点位置垂直流体流动方向作截面，该等腰 梯形截面腰部厚度为0.095mm，取其近似值0.1mm为矩形肋片厚度，矩形肋片长度、高度、 数量等皆与上述双梯形截面肋片一致，形成矩形流道基板。对比试验结果为：电力电子器件 平均温度为139℃、最低温度109℃、最高温度为151℃，微电子器件平均体温71.5℃、最低 温度为60℃、最高体温80.5℃，入口、出口压差为22KPa。

对比上述试验结果，双梯形截面肋片在换热效果特别是器件温升均匀性方面均优于矩形 肋片，同样冷却剂流量下压力损失无明显增加。当以最高器件温升标定基板性能，则双梯形 截面肋片明显优于矩形肋片。而且，双梯形截面肋片较矩形肋片而言，不易堵塞，即使堵塞 后也便于反向冲洗。