功率散熱裝置的製作方法
2024-03-25 00:26:05
本發明涉及一種功率散熱裝置，特別涉及一種具有致冷晶片的功率散熱裝置。
背景技術：
為使電動車動力系統朝向大功率輸出、小體積尺寸發展，以應用於各不同車型的有限的車輛空間，國際的驅控器發展持續朝向高功率密度方向發展。而驅控器的散熱系統，除考量額定功率輸出外，亦會考量峰值輸出的熱損失。但由車輛一般行駛的系統操作點觀之，可發現操作點多落於額定輸出(以下)的區域，在峰值輸出的操作極少。因此於一般操作狀態不需要進行高熱損失的散熱，導致散熱器設計過大而無實質應用效益。而功率模塊在輸出變動時，其功率元件的溫度會短時間內增加，若高於功率元件所能承受的溫度限制則有燒毀的可能性。因此，目前的作法為將致冷晶片直接貼覆於功率元件。當致冷晶片運轉時，致冷晶片能夠直接對功率元件產生的熱量進行解熱，以快速地降低功率元件的溫度。
然而，致冷晶片在不運轉時反而會產生熱阻效應，即致冷晶片本身的熱傳導係數小，在不運轉時就會形成熱阻而使得功率元件所產生的熱難以傳導至散熱器。因此，如何發揮致冷晶片快速降溫的能力，又能夠降低致冷晶片的熱阻效應則為研發人員應解決的問題之一。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種功率散熱裝置，除了能夠發揮致冷晶片快速降溫的能力，又能夠降低致冷晶片的熱阻效應。
本發明所揭露的功率散熱裝置，包含一導熱層、一散熱器及至少一致冷晶片。導熱層具有一吸熱面及一放熱面。散熱器熱接觸於導熱層的放熱面，並於散熱器上形成一熱傳導區。致冷晶片嵌設於散熱器內，並位於熱傳導區周圍。致冷晶片具有一致冷麵。致冷晶片的致冷麵垂直於導熱層的吸熱面，且致冷麵面向散熱器內的熱傳導區，以令致冷晶片能夠冷卻散熱器的熱傳導區的熱量。
根據上述實施例所揭露的功率散熱裝置，通過垂直設置的致冷晶片，讓致冷晶片除了能夠發揮致冷晶片快速降溫的能力，又能夠降低致冷晶片的熱阻效應。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
附圖說明
圖1為根據本發明第一實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖；
圖2為傳統功率散熱器、致冷晶片橫擺的功率散熱器與圖1的功率散熱裝置，在運轉時各功率元件的時間溫度關係圖；
圖3為根據本發明第二實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖；
圖4為根據本發明第三實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖；
圖5為根據本發明第四實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖。
其中，附圖標記
10、10a、10b、10c 功率散熱裝置
100 導熱層
110 吸熱面
120 放熱面
200 功率元件
210 第一側邊
220 第二側邊
300 散熱器
310 基部
320 鰭片
400 致冷晶片
410 致冷麵
400a 第一致冷晶片
400b 第二致冷晶片
S 熱傳導區
N 法線
V 垂直方向
D1～D6 距離
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述：
請參閱圖1。圖1為根據本發明第一實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖。
本實施例的功率散熱裝置10包含一導熱層100、一散熱器300及多個致冷晶片400。功率散熱裝置10將一導熱層100上的功率元件200所產生的熱量進行散熱，以降低功率元件200的溫度。其中，功率元件200例如為一電晶體。
導熱層100例如為鋁基板。導熱層100具有相對的一吸熱面110及一放熱面120。
功率元件200迭設並電性連接於導熱層100的吸熱面110。功率元件200例如為電晶體。功率元件200例如具有一溫度安全值。當功率元件200的工作溫度在溫度安全值以下時，功率元件200具有較高的工作效率。而當功率元件200的工作溫度超過溫度安全值時，功率元件200的工作效率會下降，甚或當機。因此，可設計一溫度預設值為溫度安全值的80％，當工作溫度超過溫度預設值時，則驅動主動式散熱機制(如後所述的致冷晶片400)運轉。
散熱器300例如為散熱鰭片，並熱接觸於導熱層100的放熱面120。詳細來說，散熱器300包含一基部310及多個鰭片320。基部310的一端熱接觸於導熱層100的放熱面120。這些鰭片320凸出於基部的另一端。當功率元件200運轉時，功率元件200所產生的熱量經導熱層100會傳導至散熱器300，而於散熱器300上形成一熱傳導區S。所謂熱傳導區S的定義為散熱器300中傳導功率元件200的下方垂直發熱量的區域。假設功率元件200的發熱面的寬度與功率元件200的寬度相同，熱傳導區S的寬度D2約為功率元件200的寬度D1的110％至120％，一般來說，熱傳導區S的寬度D2大於功率元件200的寬度D1。
這些致冷晶片400嵌設於散熱器300的基部310內，並位於熱傳導區S周圍。詳細來說，在本實施例中，每一個功率元件200搭配兩個致冷晶片400，且這兩個致冷晶片400分別位於熱傳導區S的相對兩側。更進一步來說，致冷晶片400具有一致冷麵410。致冷晶片400的致冷麵410垂直於導熱層100的放熱面120，且致冷麵410面向散熱器300的基部310內的熱傳導區S，以令致冷晶片400運轉時能夠冷卻散熱器300的基部310內的熱傳導區S的熱量。
在本實施例中，因致冷晶片400是位於散熱器300而非位於導熱層100，故可突破原本導熱層100的厚度限制，而增加致冷晶片400的尺寸或數量，進而增加功率散熱裝置10的散熱效能。
此外，與水平放置相比，垂直放置的致冷晶片400投影至放熱面120的投影面積較小，較不易阻擋熱量傳遞，故當致冷晶片400停止運轉時，可大幅降低致冷晶片400所造成的熱阻效應。
再者，本實施例的二致冷麵410的間距D3是大於功率元件100的寬度D1。如此一來，可避免致冷晶片400運轉後所產生的廢熱又再次回傳功率元件200。
值得注意的是，本實施例的二致冷麵410的間距D3是大於熱傳導區域S的寬度D2，使得二致冷麵410是與熱傳導區域S保持一段距離，但並不以此為限，在其他實施例中，二致冷麵410亦可以緊貼於熱傳導區域S，即二致冷麵410與熱傳導區域相連，以進一步提升致冷晶片400對功率元件100的散熱效率。
請參閱圖2。圖2分別為傳統功率散熱器、致冷晶片橫擺的功率散熱器與圖1的功率散熱裝置，在運轉時各功率元件的時間溫度關係圖。其中，傳統功率散熱器系無裝設致冷晶片，即僅設置散熱器的狀況，而致冷晶片橫擺的功率散熱器是有裝設致冷晶片，且致冷晶片的致冷麵是平行導熱層的放熱面的狀況。
從圖2中可知，在致冷晶片橫擺的功率散熱器中，致冷晶片運轉初期2秒內僅短暫時間有較低的降低功率元件的溫度，但時間約過60秒後，則功率元件的溫度卻會直線上升而降低功率元件的效能。但在本實施例的功率散熱裝置中，因垂直放置的致冷晶片400較不易阻擋熱量傳遞，故當致冷晶片400停止運轉時，可大幅降低致冷晶片400所造成的熱阻效應，進而避免發生功率元件的溫度直線上升的狀況。
在上述實施例中，每一個功率元件200搭配兩個致冷晶片400，且這兩個致冷晶片400分別位於熱傳導區S的相對兩側，但並不以此為限，請參閱圖3。圖3為根據本發明第二實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖。在本實施例的功率散熱裝置10a中，每一個功率元件200搭配的致冷晶片400的數量僅為一個，並位於熱傳導區S的其中一側。
在上述第一及第二實施例中，散熱器300中僅設置一層致冷晶片400，但亦可設置至少一層致冷晶片400，請參閱圖4。圖4為根據本發明第三實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖。在本實施例的功率散熱裝置10b中，散熱器300中設置三層致冷晶片400。詳細來說，三層致冷晶片400沿一垂直方向V(吸熱面110的法線N方向)排列，也就是說，三層致冷晶片400與吸熱面110在垂直方向V上保持相異距離D4、D5、D6。但三層致冷晶片400的層數並非用以限制本發明，舉例來說，散熱器300中設置的致冷晶片400的層數亦可以改為兩層或至少四層。
此外，在本實施例中，熱傳導區S的相對兩側皆設有致冷晶片400，但並不以此為限，在其他實施例中，也可以僅在熱傳導區S的其中一側設置致冷晶片400。
此外，在本實施例中，不同層的致冷晶片400彼此相分離，但並不以此為限，在其他實施例中，不同層的致冷晶片400也可以相連。
請參閱圖5。圖5為根據本發明第四實施例所述的功率散熱裝置的剖視示意圖。
本實施例的功率散熱裝置10c包含一導熱層100、一散熱器300、多個第一致冷晶片400a及多個第二致冷晶片400b，功率散熱裝置10c將導熱層100上的功率元件200所產生的熱量進行散熱，以降低功率元件200的溫度。
導熱層100例如為鋁基板。導熱層100具有相對的一吸熱面110及一放熱面120。
功率元件200例如為電晶體。功率元件200迭設並電性連接於導熱層100的吸熱面110。此外，功率元件200更具有相正交的一第一側邊210及一第二側邊220。
散熱器300例如為散熱鰭片，並熱接觸於導熱層100的放熱面120。詳細來說，散熱器300包含一基部310及多個鰭片320。基部310的一端熱接觸於導熱層100的放熱面120。這些鰭片320凸出於基部的另一端。
這些第一致冷晶片400a與這些第二致冷晶片400b皆嵌設於散熱器300的基部310內，並位於熱傳導區S周圍。以其中一個角落進一步來說，在本實施例中，於散熱器300的每一個角落各搭配三個第一致冷晶片400a與三個第二致冷晶片400b。多第二致冷晶片400b垂直於多第一致冷晶片400a，且多第一致冷晶片400a平行於功率元件200的第一側邊210，以及多第二致冷晶片400b平行於功率元件200的第二側邊220。也就是說，在本實施例中，一個功率元件200搭配24個致冷晶片。
值得注意的是，上述散熱器300每一個角落所搭配的致冷晶片的數量僅為舉例說明，在其他實施例中，於散熱器300每一個角落所搭配的致冷晶片的數量為多個，亦即可以改為兩個或至少四個。
此外，在本實施例中，散熱器300的各角落皆搭配設置致冷晶片，但並不以此為限，在其他實施例中，致冷晶片也可以僅設置於散熱器300的其中一個角落或其中兩個角落。
根據上述實施例所揭露的功率散熱裝置，通過垂直設置的致冷晶片，讓致冷晶片除了能夠發揮致冷晶片快速降溫的能力，又能夠降低致冷晶片的熱阻效應。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。