用於電力電子器件的散熱器的製作方法

2023-06-09 09:27:12 2

本實用新型涉及電力電子領域，具體地，涉及用於電力電子器件的散熱器。

背景技術：

眾所周知，電力電子器件(例如絕緣柵門極電晶體(IGBT))的溫度升高10℃，其可靠性會隨之降低50％，這是著名的10℃法則。然而，目前的電力電子器件呈現出高頻化、微型化、高功率的發展趨勢，導致這些器件的發熱量和熱流密度大幅度增加，加之電力電子產品惡劣的應用環境，使得過熱問題越來越突出，例如，在現代晶片中，包括的電晶體數高達數十億，過熱問題極大地影響著晶片的可靠性。

為此，通常會在設備中增加散熱器來解決晶片過熱問題。具體而言，散熱器可與晶片的發熱面緊貼一起，晶片發出的熱量由此傳到散熱器上，然後散熱器通過流動的冷卻工質吸收熱量並把熱量帶走。然而，如前所述，晶片中的電晶體數高達數十億，但是散熱器與晶片的接觸面卻只能局限於晶片的尺寸，例如限制在40mm×40mm內，這勢必導致巨大的熱流密度。傳統的風冷式散熱器根本無法滿足在如此狹小的接觸面積或者空間內對幾百瓦甚至上千瓦的熱量進行「搬運」。如果大量的熱得不到及時排散，則不能保證晶片的表面溫度維持在85℃以內，這將可能會導致晶片中的結溫超過允許的最高標準(通常125℃)，從而影響其穩定性和可靠性，甚至可能因過熱而發生永久性損壞。因此迫切需要體積小、質量輕、傳熱效率高的微小散熱器來保證電力電子器件的表面最高溫度(局部熱點區域)低於允許的標準，以滿足其散熱需求，從而提高晶片的可靠性，保證設備安全運行。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供能夠用於電力電子器件散熱的散熱器，該散熱器具有尺寸小、結構緊湊、熱阻小等特點，並且能夠實現對包括這些的電力電子器件的設備進行有效地散熱，從而提高設備的穩定性和可靠性。

為實現上述目的，本實用新型的散熱器可以包括基板和布置在所述基板上的蓋板，所述蓋板上設置有用於冷卻工質的流入口和流出口，所述基板上布置有多個從所述基板朝向所述蓋板伸出且與所述基板一體形成的肋部。

優選地，所述散熱器包括奇數排肋部和偶數排肋部，所述奇數排肋部和所述偶數排肋部中的所述肋部分別等間隔地分布，並且所述奇數排肋部中的肋部數與所述偶數排肋部中的肋部數不等，使得所述奇數排肋部中的所述肋部與所述偶數排肋部中的所述肋部交錯分布。

優選地，每一所述肋部為柱狀，該柱狀的橫截面積為0.28mm2～3.15mm2。

優選地，所述基板由銅或銅的合金製成。

優選地，所述蓋板由銅或銅的合金製成。

優選地，所述基板和所述蓋板焊接在一起。

優選地，所述基板和所述蓋板通過壓力分子擴散焊而焊接在一起。

優選地，所述蓋板呈矩形，所述流入口和所述流出口位於矩形的對角線方向上。

優選地，所述蓋板上設置有至少兩個定位孔，所述兩個定位孔位於所述矩形的另一對角線方向上。

可以看出，本實用新型的散熱器由於包括多個肋部，因而增加與冷卻工質的接觸表面積，進而增加對散發出的熱量的吸收，從而確保了包括該散熱器的設備具有相對更高的可靠性和穩定性。

附圖說明

附圖是用來提供對本實用新型的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本實用新型，但並不構成對本實用新型的限制。除非上下文另有指出，附圖中使用了相似的附圖標記以標示附圖中相似的元件。在附圖中：

圖1是本實用新型的散熱器的剖視圖；

圖2是本實用新型的散熱器的俯視截面圖；

圖3是本實用新型的散熱器的熱阻關於散熱器中的冷卻工質的流速的曲線圖。

附圖標記說明

1散熱器 2基板 3蓋板 4肋部

5流入口 6流出口 7定位孔

具體實施方式

出於使相關技術領域的技術人員製造並且使用本實用新型的目的，以下的詳盡說明僅僅描述了本實用新型的實施方式的示例。實施方式的詳盡說明和圖示本質上僅僅是示意性的，絕不意在以任何方式限制本實用新型的範圍、或其保護範圍。還應當理解的是，附圖並非按照比例繪製，並且在某些情況下已經省略了對於理解本實用新型而言不是必須的細節。

參照圖1，本實用新型的散熱器1主要包括基板2和布置在基板2上的蓋板3。在現有技術中，通常使用鋁作為基板的材料。然而，與現有技術不同，本實用新型優選採用銅或銅的合金來製成基板2。原因是，銅或銅的合金具有高導熱能力，例如，將基板2與晶片接觸，可以快速將晶片的熱量傳遞至散熱器1上。同理，蓋板3也可以優選由銅或銅的合金製成，但不限於銅或銅的合金。

在具體實施方式中，蓋板3可以通過多種方式布置在基板2上，本實用新型中，蓋板3主要是焊接在基板2上，優選地通過壓力分子擴散焊而焊接在基板2上，既可以提高散熱器1的密封性，又可以使散熱器1的結構緊湊，由此減小了所需的散熱空間。可以理解，當蓋板3與基板2採用相同的材料可以進一步提供兩者的密封性能，優化散熱器1的結構。

如圖1和圖2所示，蓋板3上設置有用於冷卻工質流入的流入口5和用於冷卻工質流出的流出口6。其中，冷卻工質可以多種流體，例如水或其他液體等。流入口5和流出口6的位置則可以根據具體情況任意選擇。考慮到冷卻工質可以與散熱器1更長時間地接觸，在蓋板3呈矩形的情況下，優選使流入口5和流出口6位於矩形的對角線方向上。

進一步參照圖1，基板2上布置有多個肋部4，這些肋部4從基板2朝向蓋板3伸出且與基板2一體形成。換言之，肋部4為與基板2相同的材料，即為銅或銅的合金。優選地，基板2和肋部4可以通過失蠟熔模的精密鑄造方法而加工製造成一個整體，由此可以減小散熱器1的熱阻。

根據上述散熱器1的結構，由於存在多個肋部4，從而在相鄰的兩個肋部4之間形成冷卻工質可以穿過的微通道。當散熱器1例如與晶片(未示出)接觸工作時，電力電子器件散發出的熱量可以有效地傳遞至散熱器1的基板2，再經由基板2傳遞至多個肋部4。由於基板2和肋部4採用銅或銅的合金製成，有效吸收的熱量集中在多個肋部4上。當冷卻工質通過流入口5進入散熱器1的內部並與多個肋部4接觸後，在散熱器1中進行熱交換。另外，流入口5和流出口6相對於彼此儘可能遠地布置，使得冷卻工質儘可能地吸收熱量，最後從流出口6流出，從而帶走熱量，實現對晶片的散熱，有效降低了電力電子器件的最高溫度並縮小了局部熱點區域。

參照圖2可以明顯看出，散熱器1優選包括奇數排肋部和偶數排肋部，其中，奇數排肋部和偶數排肋部中的肋部4分別等間隔地分布。在圖2所示的實施方式中，奇數排肋部中的肋部數大於偶數排肋部中的肋部數，使得奇數排肋部中的肋部4與偶數排肋部中的肋部4交錯分布。但是可以理解的是，在其他實施方式中，奇數排肋部中的肋部數也可以小於奇數排肋部中的肋部數，只要可以實現相鄰兩排中的肋部4交錯分布即可。可以理解，這種交錯式分布地肋部4可以儘可能地增加與冷卻工質的接觸面積，以有效地吸收熱量。此外，儘管上面詳細描述了肋部4的交錯分布方式，但是本領域技術人員可以根據實際情況使肋部4布置成其他交錯方式，而不限於圖2所示出的分布形式。

進一步地，在本實用新型的實施方式中，每一肋部4為柱狀，該柱狀的橫截面積為0.28mm2～3.15mm2。在一種優選的實施方式中，肋部4可以圓柱狀，並且圓柱狀的肋部4的橫截面的直徑在0.6mm～1.2mm的範圍內，更為優選地，肋部4的橫截面的直徑為0.9mm。可以看出，肋部4的直徑非常小，肋部4也可以稱之為針狀肋。例如，在一種實施例中，針狀肋的數目可在220～250個的範圍內。

參見圖1和圖2，蓋板3上還可以設置有至少兩個定位孔7或更多個定位孔7。定位孔7的增加可以有助於在安裝散熱器1時將其準確地定位在預定位置，實現散熱器1安裝在準確位置。如上所述，在蓋板3呈矩形的情況下，流入口5和流出口6已經位於矩形的一條對角線上，當存在兩個定位孔7時，兩個定位孔7可以位於矩形的另一對角線方向上，以進行定位。

參見圖3，在本實用新型的一個實施例中，選擇散熱器1的基板2和蓋板3由銅製成，通過壓力分子擴散焊而焊接在一起。同時圓柱狀的肋部4的直徑為0.9mm，肋部4的數目為238個。在該結構下，冷卻工質選擇為水。當加熱面熱流密度為62.5w/cm2、進水溫度為20℃、進水流量為0.9L/min時，散熱器1的散熱面的最高溫度為81.7℃，平均溫度為70.78℃，此時的熱阻為0.061c/w、流體壓差為4450Pa。從圖3中清楚地看到，隨著冷卻工質的流量的增大，此散熱器1的熱阻呈現減小的趨勢。

儘管前面詳盡地描述了散熱器的實施方式，但是可以理解的是，本實用新型的散熱器不限於本文中描述的具體實施方式。