用于高功率電子應用的局部增強流體冷卻組件及電子裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種冷卻裝置，特別是，用于高功率電子應用的強制流體冷卻組件。
【背景技術】
[0002]高功率半導體芯片如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)在使用時會產(chǎn)生大量的熱量。IGBT模塊通常的運行溫度高達200攝氏度，而且它的設計使用壽命長達10年以上。隨著半導體制造技術的進步，預計在將來這些設備的尺寸會越來越小。因此，設計一個緊湊的、可以快速有效地消散這些設備產(chǎn)生的高密度熱通量的冷卻系統(tǒng)，是一個越來越具有挑戰(zhàn)性的問題。其結果是，液體冷卻會廣泛用于這一領域。
[0003]傳統(tǒng)的液體冷卻解決方案通常使用一個封閉的腔室，其連接到發(fā)熱元件，當加壓冷卻液流過該腔室時，會帶走熱量。這些冷卻系統(tǒng)的有效性取決于各種因素，如冷卻液的質量流率、從發(fā)熱元件到封閉腔室然后到冷卻液的熱交換效率。多年來，已經(jīng)開發(fā)出多種冷卻系統(tǒng)，試圖通過部署液體腔室內的各種子結構，來提高整體的熱交換效率。但是，制造這些子結構而增加的復雜度可能很容易超過在熱效率上的增益。另一個明顯的解決方案是采用較高功率的加壓栗，以增加流體流動速度。但這種解決方案會增加整個系統(tǒng)的成本，使整個冷卻系統(tǒng)更加笨重。因此，需要更好的方法來克服上述缺點。

【發(fā)明內容】

[0004]在上述背景情況下，本發(fā)明的一個目的是提供一種替代方案，即使在標稱壓力的流體流動情況下也能提高流體冷卻組件的熱交換效率。
[0005]因此，在一個方面，本發(fā)明冷卻組件的第一板的第一表面上有接收區(qū)域，其適于接收至少一個發(fā)熱兀件。散熱器有一個內表面和至少一個外表面，散熱器被布置在冷卻組件內。散熱器的內表面固定到所述第一板的第二表面上與接收區(qū)域臨近并相對的位置，以將至少一個發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量傳散出去。彼此間隔開的多個散熱翅片也設置在冷卻組件內。每個散熱翅片都從第二板延伸出來連接至散熱器，其中所述第二板與第一板相對，并與第一板之間相隔開，以形成通道。多個微柱布置在散熱器的至少一個外表面的至少一部分上，多個微柱被布置成預定圖案，當流體流過所述第一板和第二板之間的通道時，多個散熱翅片、所述散熱器和所述多個微柱的組合會產(chǎn)生增強的湍流，從而有效地將熱量從散熱器中通過流體散熱。
[0006]在本發(fā)明一個示例性實施例中，至少一個外表面的形狀近似等溫表面。當熱量從至少一個發(fā)熱元件通過所述內表面分散到散熱器的內部時，就形成了等溫表面。
[0007]在另一個示例性實施例中，散熱器是準漏斗形狀，可以是倒置截頭棱錐形、倒置截頭圓錐形狀、半橢圓形、半球形或半橢球形。
[0008]在另一個示例性實施例中，微柱在每個散熱翅片周圍被布置成預定圖案。
[0009]在另一個實施例中，預定圖案是網(wǎng)格圖案，微柱被布置在網(wǎng)格圖案的網(wǎng)格點上除了散熱翅片所占據(jù)的那些位置。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，預定圖案是移位網(wǎng)格圖案，其包括交替的第一網(wǎng)格線和第二網(wǎng)格線。第二網(wǎng)格線偏移第一網(wǎng)格線一段距離，微柱設置在所述移位網(wǎng)格圖案的網(wǎng)格點上除了散熱翅片所占據(jù)的那些位置。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，多個微柱布置在散熱翅片周圍，非?？拷唤佑|散熱翅片。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，多個微柱成對地被布置在每個散熱翅片的周圍。每一對彼此相互靠近，并且位于參考線和一對的中心線之間的一個預定角度上。參考線和每對的中心線都源自相應散熱翅片的中心，參考線平行于流體流動方向。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，至少第一對位于70度?90度的角度范圍內，至少第二對位于130度?150內的角度范圍內。在進一步的示例性實施例中，冷卻組件還包括四個側板，以形成一個封閉的腔室，還包括產(chǎn)生加壓流體的裝置。四個側板中的一個側板包括入口用于流體進入所述腔室，另一個側板包括出口用于流體流出所述腔室。該裝置能夠使流體從所述入口流至所述出口。
[0014]在另一個示例性實施例中，微柱是圓柱形，其直徑在200 μπι?300 μm之間，高度在200 μ m?300 μ m之間。
[0015]在另一個示例性實施例中，冷卻組件還包括凸形物體，其從第二板延伸出來，朝向散熱器，并與散熱器隔開。
[0016]在本發(fā)明的另一個方面，公開一個電子裝置。該電子裝置包括至少一個電子模塊以及冷卻組件，其中電子模塊包括至少一個發(fā)熱電子元件。冷卻組件在第一板的第一表面上有接收區(qū)域，其適于接收至少一個電子模塊。散熱器有一個內表面和至少一個外表面，散熱器被布置在冷卻組件內。散熱器的內表面固定到所述第一板的第二表面上與接收區(qū)域臨近并相對的位置，以將至少一個電子模塊產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。彼此間隔開的多個散熱翅片也設置在冷卻組件內。每個散熱翅片都從第二板延伸出來連接至散熱器，其中所述第二板與第一板相對，并第一板之間相隔開，以形成通道。多個微柱布置在散熱器的至少一個外表面的至少一部分上，多個微柱被布置成預定圖案，當流體流過所述第一板和第二板之間的通道時，多個散熱翅片、所述散熱器和所述多個微柱的組合會產(chǎn)生增強的湍流，從而有效地將熱量從散熱器中通過流體散熱。
[0017]本發(fā)明有許多優(yōu)點。一個優(yōu)點是，散熱器的形狀被設計成近似于等溫線，以節(jié)省散熱器的材料，同時達到相同散熱效果。另一個優(yōu)點是，散熱器和熱基座之間的通道增加了液體局部流動速率，使得所述散熱器上的針翅片和微柱組合促進形成增強的湍流，與液體的熱交換更有效。
【附圖說明】
[0018]圖1顯示本發(fā)明一個示例性實施例的液體冷卻系統(tǒng)。
[0019]圖2顯示本發(fā)明一個實施例的側視圖。
[0020]圖3顯示本發(fā)明一個實施例的散熱器內的等溫線。
[0021]圖4A、4B和4C顯示本發(fā)明三個實施例的散熱翅片和多個微柱之間的三種位置關系O
[0022]圖5A到顯示本發(fā)明一個示例性實施例的只有散熱翅片的配置和散熱翅片周圍有微柱的配置之間的湍流強度的區(qū)別。
[0023]圖6A顯示根據(jù)一種配置的散熱翅片周圍的湍流強度分布。
[0024]圖6B顯示本發(fā)明一個示例性實施例的散熱翅片周圍的湍流強度分布，其中有多個微柱布置在散熱翅片的周圍。
[0025]圖7顯示散熱器、微柱和散熱翅片的每種組合的熱性能及冷卻劑狀態(tài)。
[0026]圖8A和8B顯示本發(fā)明兩個不同的示例性實施例的側視圖。
【具體實施方式】
[0027]在此使用的以及在權利要求中使用的“包括”意指包括以下要素但不排除其他的。
[0028]圖1和圖2顯示本發(fā)明冷卻組件100的示例性實施例。在本實施例中，冷卻組件100是具有六個側板的長方體形狀的封閉腔室。長方體包括:頂部的基板、底部的熱基座、具有入口 202的一側板、具有出口 204的另一側板和另外兩個側板?；逡脖环Q為第一板104，在隨后的段落這兩個術語可互換使用。同樣地，熱基座也被稱為第二板124，這兩個術語也可互換使用。裝置300產(chǎn)生加壓液體，加壓液體通過第一管道302連接到入口 202。第一板104、第二板124和兩個側板形成一個通道206，用于液體流到出口 204。出口 204通過第二管道304連接到裝置300，從而產(chǎn)生一個液體回路。連接到裝置300的冷卻模塊306是一個可選模塊，其用來冷卻來自冷卻組件100的液體。在一個實施例中，裝置300是一個栗O
[0029]冷卻組件100還包括一個接收區(qū)域108，其位于第一板104的頂表面。至少一個發(fā)熱元件102被固定在接收區(qū)域108上。散熱器112被設置在第一板104的另一側、發(fā)熱元件102之下，將發(fā)熱元件102產(chǎn)生的熱量傳導散發(fā)。散熱器112的內表面116固定到第一板104的底面；內表面116的面積大于接收至少一個發(fā)熱元件102的接收區(qū)域108的面積，以便更好的導熱。散熱器112的外表面118面對朝向第二板124。第一多個散熱翅片122A從第二板124延伸出來并連接到散熱器112。第二多個散熱翅片122B從第二板124延伸出來并連接到第一板104。在一個實施例中，第一多個散熱翅片122A和第二多個散熱翅片122B是直徑相同但高度不同的圓柱棒，并彼此間隔開。在第二板124和散熱器112底部之間形成一個子通道208，子通道208比通道206更窄，因此，子通道208內的液體流速比通道206的更高。在外表面118上設置有多個微柱114，圍繞著多個散熱翅片122A。
[0030]現(xiàn)在來看看上述冷卻組件100的運行機理，至少一個發(fā)熱元件102產(chǎn)生的熱，通過冷卻組件100內的熱傳導和熱對流而消散。第一板104、散熱器112、微柱114、散熱翅片122A、122B和第二板124都是導熱元件。至少一個發(fā)熱元件102產(chǎn)生的熱，通過這些元件傳導并由兩個途徑從冷卻組件傳遞出來。其中一個途徑是，熱量傳導穿過冷卻組件100內的導熱元件，直到到達