[实用新型]功率半导体模块及其散热系统

说明书

本实用新型提供了一种功率半导体模块，包括IGBT芯片、壳体以及壳体上设置的冷却液进口和冷却液出口，所述壳体具有腔体，所述腔体一端与所述冷却液进口连通，另一端与所述冷却液出口连通，所述IGBT芯片设置于所述腔体内部或侧壁。本实用新型通过将冷却液流道直接设置在功率模块内部，将IGBT芯片直接浸没在冷却液中，所述IGBT芯片能够与所述冷却液直接接触，省去了以往功率模块中必须经由绝缘基板、焊接层等中间物质传递热量的过程，进而降低了热源到环境间的热阻，提高了散热效率。

技术领域

本实用新型涉及功率半导体封装领域，更详细地说，本实用新型涉及一种功率半导体模块及其散热系统。

背景技术

伴随着电力电子装置小型化的趋势，市场对于半导体功率模块，除了传统的电流输出能力的要求以外，还对单位体积内输出功率的能力，即功率密度，提出了要求。例如近来日渐普及的EV/PHEV电动汽车，其内部空间布局极为紧凑，因此对其功率模块的功率密度要求尤为严格。

为了提升功率模块的功率密度，目前主流方法包括采用替身芯片技术降低芯片损耗以及增强散热、降低芯片到环境的热阻。为了实现增强散热、降低芯片到环境的热阻的效果，功率模块通常会加装散热设备，常用的散热设备包括风冷设备和液冷设备。其中，风冷设备即利用风机系统对功率模块的芯片或封装结构表面进行鼓风，以使功率模块与气流进行换热，从而降低功率模块的温度；液冷设备则采用液流替代气流进行换热，目前广泛使用的液冷设备分为间接水冷设备和直接水冷设备。

图1示出了一种间接水冷的绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolartransistor，IGBT)模块散热结构，其中，IGBT模块封装结构被安装在水冷散热器上，内部芯片产生的热量需要经过绝缘基板、覆铜层、焊接层等内部封装结构，再经过壳体，最终输送至水冷散热器表面并与之热交换。该散热结构的热传递通路较长，散热效率较差。

为了提高散热设备的工作效率，目前新型电动汽车所采用的散热设备多为直接水冷设备，免除了因壳体产生的热阻。如图2所示，采用直接水冷设备时，IGBT模块中的芯片及基板结构直接被焊接在热沉表面，利用热沉和水套的组合，将芯片产生的热量吸纳至热沉内，提高了设备的散热效率。

然而，即使采用直接水冷设备，芯片处的热量若要传递至散热设备处进行换热，仍然需要经过绝缘基板、焊接层以及散热器本体等中间物质，到环境的热阻仍旧较高，无法达到最佳冷却效果。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题是提供一种功率半导体模块，能够降低芯片到环境的热阻，提高功率模块的散热效果。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种功率半导体模块，包括IGBT芯片、壳体以及壳体上设置的冷却液进口和冷却液出口，所述壳体具有腔体，所述腔体一端与冷却液进口连通，另一端与冷却液出口连通，所述IGBT芯片设置于所述腔体内部或侧壁。

本实用新型通过将冷却液流道直接设置在功率模块内部，将IGBT芯片直接浸没在冷却液中，所述IGBT芯片能够与所述冷却液直接接触，省去了以往功率模块中必须经由绝缘基板、焊接层等中间物质传递热量的过程，进而降低了热源到环境间的热阻，提高了散热效率。

在本实用新型的较优技术方案中，所述功率半导体模块采用金属密封结构。一方面金属密封结构耐压效果好，能够较好地实现对于冷却液的密封，防止冷却液泄露；另一方面，金属的导热性能优良，利于功率模块的封装结构与外界环境发生热交换。

需要说明的是，采用金属密封结构的另一优势在于，当采用多个功率组件堆叠放置时，金属导热性能的优势会进一步体现在温度场的均匀性控制上，功率模块之间的互相传热能够减少或防止因单个功率组件温度过高损毁而导致的整个系统的崩溃。