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1、(10)申请公布号 CN 102870211 A (43)申请公布日 2013.01.09 CN 102870211 A *CN102870211A* (21)申请号 201180018763.3 (22)申请日 2011.04.08 PA201000307 2010.04.13 DK H01L 23/473(2006.01) (71)申请人 丹福斯矽电有限责任公司 地址 德国石勒苏益格 (72)发明人 K. 奥莱森 L. 波尔森 A. 丹尼尔 F. 奥斯特瓦尔德 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 张涛 李浩 (54) 发明名称 流分布器 (57) 摘要。
2、 一种通过冷却体对流体流进行分布的流分布 器 （1） ， 所述流分布器 （1） 包含 ： 进口集管 （10） 、 出 口集管 （15） 、 一或多个流槽， 每一个流槽设置为 把进口集管 （10） 和出口集管 （15） 流畅地互相连 接， 每一个流槽包含与进口集管 （10） 进行流体传 递的槽进口 （13） 、 与出口集管 （15） 进行流体传递 的槽出口 （14） 、 以及用于引导从槽进口 （13） 到槽 出口 （14） 的流体流的流通道， 其中， 流分布器 （1） 形成在直接接合到将被冷却的绝缘层 （3） 的固体 层 （2） 中。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 201。
3、2.10.12 (86)PCT申请的申请数据 PCT/DK2011/000025 2011.04.08 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/127931 EN 2011.10.20 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 8 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 8 页 1/1 页 2 1. 一种通过冷却体对流体流进行分布的流分布器 （1） ， 所述流分布器 （1） 包含 ： - 进口集管 （10） - 出口集管 （15） - 一或多个流槽， 每一个流槽设置为把进口集管 （10） 和出口集管 。
4、（15） 流畅地互相连 接， 每一个流槽包含与进口集管 （10） 进行流体传递的槽进口 （13） 、 与出口集管 （15） 进行流 体传递的槽出口 （14） 、 以及用于引导从槽进口 （13） 到槽出口 （14） 的流体流的流通道， 其中， 流分布器 （1） 形成在直接接合到将被冷却的绝缘层 （3） 的固体层 （2） 中。 2. 根据权利要求 1 所述的流分布器 （1） ， 其中， 绝缘层 （3） 包含与固体层 （2） 相同的材 料。 3. 根据权利要求 1 所述的流分布器 （1） ， 其中， 绝缘层 （3） 包含与固体层 （2） 不同的材 料。 4. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的。
5、流分布器 （1） ， 其中， 绝缘层 （3） 的 厚度为 0.38mm， 例如 0.2mm0.5mm， 例如 0.1mm1mm， 例如 0.01mm10mm。 5. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器 （1） ， 其中， 绝缘层 （3） 包 括陶瓷。 6. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器 （1） ， 其中， 通过压铸形成 进口集管 （10） 、 出口集管 （15） 以及一或多个流槽。 7. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器 （1） ， 其中， 固体层 （2） 包 含金属。 8. 根据权利要求 7 所述的流分布器 （1） ， 其中， 金属为铝或者铝。
6、合金。 9. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器 （1） ， 其中， 流分布器 （1） 的厚度至少为 0.5mm。 10. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器 （1） ， 其中， 为了使流体在 从槽进口 （13） 流至槽出口 （14） 时反复地改变方向， 形成至少一个流槽。 11. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器 （1） ， 所述流分布器 （1） 适合于按以下方式连接到另一个至少基本相同的流分布器 （1） ： 把进口集管 （10） 连接到另 一个至少基本相同的进口集管 （10） 以形成公共流体进口， 并且把出口集管 （15） 连接到另 一个至少基本。
7、相同的出口集管 （15） 以形成公共流体出口， 从而流分布器 （1） 适合于形成流 分布器堆的一部分。 权 利 要 求 书 CN 102870211 A 2 1/4 页 3 流分布器 技术领域 0001 本发明涉及一种分布冷却剂的流分布器。具体地讲， 本发明涉及一种提供比现有 技术分布器更有效和更经济的冷却的流分布模块。 背景技术 0002 通常把功率半导体安装在衬底上， 所述衬底包含每一侧均具有金属层的电绝缘 层。 可以把功率半导体安装在具有用作连接半导体各个端子的电路的第一金属层的绝缘层 的第一侧。当半导体处于工作状态时， 半导体会产生热量， 这一热量透过第一金属层、 透过 绝缘层、 然后。
8、透过附接于绝缘层的相反侧的第二金属层。 于是， 例如可以使用与第二金属层 相接触的冷却剂从半导体转移热量。尽管在许多应用中这一做法是足够的， 然而在某些情 况下， 为了缩短热路径长度并从而增加从半导体转移热量的速率， 让冷却剂尽可能接近绝 缘层地输送是有益的。 0003 已经建议 ： 在第二金属层中形成流体流通道， 于是可以使冷却剂更近地流至绝缘 层。这一方案具有如下缺点 ： 传统上， 金属层的厚度被限制为最多为大约 1 毫米， 从而导致 极窄的通道， 这致使流阻增加和流量降低。这样的通道也易遭阻塞并导致可靠性的降低。 0004 对上述方案的修改是， 建立包含若干薄层的厚金属层， 每一个层包含。
9、孔图案， 当组 装时， 这些孔形成一组适合于输送冷却剂的流通道。 尽管进行了这一改进， 但这一方案仍仅 允许形成相对窄的通道， 并且具有上述缺点。另外， 若干金属层的组装也是昂贵的工艺， 从 而导致该已知方法的明显的商业缺陷。 发明内容 0005 本发明的一个目的旨在提供一种能够提供比已知技术更均匀的冷却的流分布器。 0006 本发明的另一个目的旨在提供一种能够提供比现有技术流分布器更高冷却效率 的流分布器。 0007 本发明的再一个目的旨在提供一种能够提供更好热传递， 同时维持跨流分布器的 低压力降的流分布器。 0008 本发明还有一个目的旨在提供一种能够比已知流分布器更简单并且能够更便宜 。
10、地加以制造的流分布器。 0009 根据本发明， 通过提供一种通过冷却体对流体流进行分布的流分布器， 可以实现 上述和其它目的， 所述流分布器包含 ： - 进口集管 - 出口集管 - 一或多个流槽， 每一个流槽设置为把进口集管和出口集管流畅地互相连接， 每一个 流槽包含与进口集管进行流体传递的槽进口、 与出口集管进行流体传递的槽出口、 以及用 于引导从槽进口到槽出口的流体流的流通道， 其中， 流分布器形成在直接接合到将被冷却 的绝缘层的固体层中。 说 明 书 CN 102870211 A 3 2/4 页 4 0010 可以由与绝缘层相同的材料形成固体层， 或者可以使用不同的材料形成固体层。 00。
11、11 这样的流分布器有助于绝缘层的更均匀的冷却， 因为每一个流槽对绝缘层的一小 部分进行冷却， 并且直接从进口集管提供冷却剂以及直接向出口集管排放。 0012 另外， 由于直接在固体层中形成流分布器， 所以从将被冷却的绝缘层到冷却剂的 热路径长度极短。因此， 流分布器的冷却效率极高。 0013 直接接合到绝缘层的方法可以为熔融接合、 共晶接合或者其它合适的方法。 0014 流体优选为液体， 然而可以替换地为气体或者气体与液体的混合。 0015 流分布器包含进口集管、 出口集管以及一或多个流槽。把每一个流槽设置为把进 口集管和出口集管流畅地互相连接。因此， 流体经由一或多个流槽从进口集管导向出口。
12、集 管。进口集管将流体分布到流槽， 并且来自流槽的流体被收集在出口集管中。可以把进口 集管有利地流畅地连接到提供冷流体的流体源。相类似， 可以把出口集管有利地流畅地连 接到用于收集已经被引导通过流槽的流体的流体排放口。 流体可以再循环， 在这一情况下， 可以有利地把热交换器设置在出口集管和进口集管之间， 以避免被引导通过流槽的流体的 温度增加。 0016 绝缘层可以具有在以下两方面之间加以折衷的厚度， 即， 一方面在制造期间易于 处理， 另一方面可以安装在远离流分布器的绝缘层侧的热生成部件所产生的热量易于传 输。在一个实施例中， 绝缘层的厚度为 0.38mm， 例如 0.2mm0.5mm， 例。
13、如 0.1mm1mm， 例如 0.01mm10mm。 0017 绝缘层可以包括陶瓷。合适的陶瓷的示例包括氮化硅、 氮化铝以及氧化铝。 0018 可以通过压铸 （die casting） 形成所述进口集管、 所述出口集管以及所述一或多 个流槽。与其它在固体中形成通道的方法相比， 这样的方法是便宜的， 因此， 与其它可比的 产品相比， 按这一方式制造的流分布器制造起来更简单和更便宜。 0019 固体层可以包含诸如铝或者铝合金的金属， 或者包含合适的塑料材料。 0020 流分布器的厚度至少为 0.5mm， 也可以为 50mm 或者更厚。这样的厚度能够使流分 布器包含宽的通路， 从而提供更好的热传递，。
14、 同时维持跨流分布器的低压力降。 0021 当通过引导流体的层流 （例如， 沿表面的液体流） 冷却表面时， 通常会在与该表面 直接相邻的流动的流体中形成边界层。 在该边界层中的流速度低于冷却流体的其余部分的 流速度。边界层的厚度沿流体的流方向增加， 并且边界层厚度的增加以及较低的流速度的 组合导致了热传递， 从而在某些情况下大大降低了系统的冷却效率。 0022 为了使流体在从槽进口流至槽出口时反复地改变方向， 可以形成至少一个流槽。 当流体经由流路径从进口集管流至出口集管时， 流方向的这样的变化扰乱了流图案， 从而 有助于防止边界层的形成。 0023 另外， 本发明的流分布器还适合于按以下方式。
15、连接到另一个至少基本相同的流分 布器 ： 把进口集管连接到另一个至少基本相同的进口集管以形成公共流体进口， 以及把出 口集管连接到另一个至少基本相同的出口集管以形成公共流体出口， 从而流分布器适合于 形成流分布器堆的一部分。 0024 本发明的流分布器可以适合于适当场合中诸如水、 油、 气体或者甚至双态冷却剂 的不同的冷却剂。 说 明 书 CN 102870211 A 4 3/4 页 5 附图说明 0025 现在， 将参照附图更详细地描述本发明， 其中， 图 1 为根据本发明第一实施例的流分布器的透视图， 图 2 为与图 1 相同的实施例的透视图， 图 3 为当前发明的第一实施例的金属层的透视。
16、图， 图 4 示出了组装形式的流分布器， 图 6 图示了本发明第二实施例的透视图， 图 7 图示了另一个实施例， 图 8 图示了本发明另一个实施例的透视图， 图 9 为图 8 中所示实施例的部件侧的透视图， 以及 图 10 为组装成流分布器堆的 10 个图 8 和 9 中所示实施例的透视图。 具体实施方式 0026 图 1 为根据本发明第一实施例的流分布器 1 的透视图。流分布器 1 包括铝层 2， 在 铝层2的一个表面上接合了两个陶瓷层3。 在离开铝层2的一侧， 两个陶瓷层附接到另一个 铝层 4， 在该另一个铝层 4 上附接了多个功率半导体部件 5。当操作时， 这样的功率半导体 部件 5 产。
17、生通过铝层 4、 陶瓷层 3 传导并且达到金属层 2 的热量。金属层 2 为 10mm 厚， 然而 其可以为其它厚度。 0027 图 2 为与图 1 相同的实施例的透视图， 但此次从另一个方向观看流分布器 1， 在这 一图中， 陶瓷层 3 是不可见的， 陶瓷层 3 被放置在分布器 1 的相反侧。然而， 这一图中可见 的是金属层 2 及其内部结构。这一结构包含出口壁 18 和若干内部壁段 19， 内部壁段 19 把 出口壁中的区域划分成若干个空间， 当把盖板 6 放置在出口壁 18 之上时， 这些空间变为封 闭的体积。以下将更详细地描述所述内部结构。此处， 盖板 6 在 分解的 位置中示出， 以。
18、 能够看清金属层 2 的内部结构的细节。此处， 可以看到的是盖板 6 中的两个孔、 进口 7 以及 出口8， 通过它们冷却剂分别进入和离开流分布器1。 由铝或者铝合金形成盖板6， 并且当在 适当的位置进行铜焊或者熔焊时， 盖板 6 连接到金属层 2。盖板 6 增加了流分布器 1 的整个 设计的抗挠劲度和抗压强度。 0028 图 3 为当前发明第一实施例的金属层 2 的透视图。在这一图中， 按与图 1 和 2 稍 微不同的角度进行了描绘， 以更清楚地看到内部细节。 通过压铸工艺形成金属层2。 金属层 2 在与陶瓷层 3（不可见） 相邻的面上包含平基板 20， 壁从陶瓷层 3 沿离开陶瓷层 3 的。
19、方向 延伸。这些壁限定了把冷却剂从进口 7 导向出口 8 的结构。平基板 20 的厚度可以明显小 于壁 18 和 19 的高度。于是， 这是其显著的优点， 因为其于是将形成从陶瓷层 3 到冷却剂的 较短的热路径。实际上， 平基板 20 的厚度可以为 0， 其中， 这些壁之间的区域延伸到陶瓷层 3 本身的表面那么远， 并且允许冷却剂直接接触陶瓷层， 从而明显增强了热传递。 0029 通过进口 7 进入的冷却剂将首先在进口集管 10 得以接收。从那里， 冷却剂将流过 两个与进口集管 10 流体连接的侧通路 11， 12 之一， 并且从那里流过 16 个流槽之一， 这些流 槽均具有槽进口13和槽出口。
20、14并且全部经由槽壁所限定的曲折的通路将冷却剂从槽进口 13 输送到槽出口 14。所有槽出口与出口集管 15 流体连接， 而出口集管 15 又与出口 8 流体 连接。 说 明 书 CN 102870211 A 5 4/4 页 6 0030 显然可以理解， 在从进口集管10移动到出口集管15的过程中， 冷却剂将把热量从 安装在金属层 2 的相反侧的产生热量的功率半导体 5 去除。也可以明显看出， 在从进口集 管 10 流至出口集管 15 的过程中， 冷却剂将仅流过一个流槽。因此， 可以看出， 每一个流槽 均直接从进口集管 10 获得冷却剂， 从而最大化了冷却效果。 0031 图 4 示出了组装形。
21、式的流分布器 1， 盖板 6 已经附接到金属层 2。 0032 图 5 示出了沿图 1 中平面 V-V 的透视与横截面的组合图。进口集管 11、 12 以及出 口集管 15 的部分为可见的。 0033 图 6 图示了本发明第二实施例的透视图。这一实施例与第一实施例一样， 所不同 的是流槽的图案。此处， 仅包含 7 个流槽， 每一个流槽均具有进口 13 和出口 14。 0034 图 7 图示了另一个实施例。此处， 同样有 7 个流槽。为了从金属层 2 的相反侧上 的功率半导体部件 5 的具体配置中除去热量， 设计了不同的流槽图案。 0035 图 8 图示了本发明另一个实施例的透视图。这一实施例适。
22、合按以下方式连接到 另一个至少基本相同的流分布器 1 ： 把进口集管 10 连接到另一个至少基本相同的进口集管 10 以形成公共流体进口， 以及把出口集管 15 连接到另一个至少基本相同的出口集管 15 以 形成公共流体出口， 因此， 流分布器 1 适合于形成流分布器堆的一部分。为了能够实现这一 点， 在进口集管 10 中制造第二开口 16， 并且在出口集管 15 中制造类似的附加开口 17。当 流分布器 1 被堆叠时， 这些开口能够互相进行流体传递， 从而能够形成公共流体进口和公 共流体出口。 0036 图 9 为图 8 中所示实施例的部件侧的透视图。连接器 21 为至与功率半导体 5 相 。
23、关联的电路的电连接器。 0037 图 10 为组装成流分布器堆的 10 个图 8 和 9 中所示实施例的透视图。此处， 把塞 子 22 放置在顶部流分布器上未使用的进口和出口中， 以封堵进口和出口集管。冷却剂经由 堆的相反端的进口 （未在图中加以显示） 带入系统并且从相应的出口离开。 0038 以上针对用于冷却绝缘层以及通过它意味着功率半导体部件的冷却的流分布器 的结构与使用， 描述了各实施例。然而， 本发明并不局限于用于从物体中抽取热量， 因为热 传递领域的技术人员将会意识到， 所述技术也可用于向物体添加热量。 0039 尽管已经描述与示出了本发明的各种实施例， 然而本发明并不局限于此， 也。
24、可以 在以下权利要求中所定义的主题范围内， 以其它方式体现本发明。 说 明 书 CN 102870211 A 6 1/8 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 7 2/8 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 8 3/8 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 9 4/8 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 10 5/8 页 11 图 6 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 11 6/8 页 12 图 7 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 12 7/8 页 13 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 13 8/8 页 14 图 10 说 明 书 附 图 CN 102870211 A 14 。