專利名稱:散熱裝置的制造方法及用該方法生產(chǎn)的散熱器的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于冷卻器的制造方法，及由該方法生產(chǎn)的冷卻器。
根據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域：
近來的發(fā)展，在4000V、3000A或更高的參數(shù)下工作的，直接由光信號(hào)觸發(fā)的大容量半導(dǎo)體器件已被開發(fā)出來，并得到了實(shí)際應(yīng)用。在這種半導(dǎo)體器件中，由于數(shù)千瓦的熱量產(chǎn)生在半導(dǎo)體器件的電極上的一塊小區(qū)域內(nèi)，因此需要一種具有極大冷卻能力的冷卻裝置。
為了滿足這一需要，到目前為止已提出用導(dǎo)熱性能好的金屬，如用銅或鋁制成散熱裝置，穿過散熱裝置的流體冷卻劑循環(huán)通道是做成“之”字形的。一種典型的應(yīng)用是把所需數(shù)目的散熱裝置分別放在兩個(gè)半導(dǎo)體器件，如二極管、可控硅、閘門關(guān)斷(GTO)可控硅整流器等類似的半導(dǎo)體器件之間。而且把這種散熱裝置的那些冷卻劑通道用若干絕緣材料制成的冷卻劑供給管連接起來，以形成一個(gè)冷卻劑循環(huán)通路。通過在管路中配置的冷卻劑循環(huán)泵，使象水一類的液體冷卻劑循環(huán)穿過冷卻劑循環(huán)通路。使在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生的熱量傳入到冷卻劑中，并被帶出半導(dǎo)體器件。
然而在上述的散熱裝置中，不但因?yàn)榇┻^導(dǎo)熱金屬件的循環(huán)通路是做成“之”字形的，而且因?yàn)榱黧w冷卻劑流過每個(gè)散熱裝置的循環(huán)通路時(shí)的水頭損失很大，需要配備大功率的泵來循環(huán)液體冷卻劑，這樣就導(dǎo)致散熱裝置比較厚。此外，在每個(gè)散熱裝置中，流體冷卻劑在循環(huán)通路的入口和出口處的溫差相當(dāng)大，這會(huì)造成半導(dǎo)體器件熱應(yīng)力的增加，需要在冷卻劑循環(huán)通路中設(shè)置一臺(tái)大容量的熱交換器。
本發(fā)明的目的是要提供一種冷卻半導(dǎo)體器件一類的疊加裝置的散熱裝置和一種生產(chǎn)這種散熱裝置的方法，以基本消除現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種散熱裝置和生產(chǎn)這種散熱裝置的方法，該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而且能夠消除泄漏的可能性。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要提供一種散熱裝置，該裝置的厚度大大減少而工作性能明顯改善。
本發(fā)明的這些目的可通過一種制造散熱裝置的方法來實(shí)現(xiàn)，它包括下列步驟準(zhǔn)備一根由導(dǎo)熱材料制成的管子，然后將管子的中部彎成環(huán)形，使兩側(cè)管子自中部彎曲部分開始并排地朝同一方向延伸，再將這樣彎曲的管子盤繞成螺旋形，使彎成的中間部分位于中部，管子的兩側(cè)部分形成一個(gè)流入通道和一個(gè)回流通道，以使流體冷卻劑從中流過，從而制造出這種散熱裝置。
另一方面，本發(fā)明還提供了一種冷卻疊加裝置用的散熱裝置，它包括一根導(dǎo)熱材料制成的管子，管子形成冷卻劑的流入通道和回流通道，和一個(gè)位于該流入通道和該回流通道之間的中間部分，該中間部分被彎曲和盤繞，從而該流入和回流通道形成自該中間部分始的螺旋管。
最好使該管子具有矩形截面，并由并排盤繞成為螺旋形的管子的兩側(cè)部分形成該流入和回流通道。
按照附圖圖1是冷卻半導(dǎo)體器件的普通散熱裝置;
圖2是散熱裝置現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的變形;
圖3是本發(fā)明的散熱裝置的最佳實(shí)施例的俯視圖;
圖4是沿圖3Ⅳ-Ⅳ線的剖視圖;
圖5是相當(dāng)于圖4的另一剖視圖，是本發(fā)明的另一實(shí)施例;
圖6是本發(fā)明的散熱裝置的又一實(shí)施例的俯視圖;
圖7是沿圖6Ⅶ-Ⅶ線的剖視圖;
圖8是再一種實(shí)施例的俯視圖，其中散熱塊采用了另一種方式的電線接頭;
圖9是沿圖8Ⅸ-Ⅸ線的剖視圖;
圖10是一個(gè)半導(dǎo)體電路圖，其中圖8所示的散熱裝置用在其連接上是有利的。
圖11是一個(gè)半導(dǎo)體電路圖，其中圖12所示的散熱裝置用于冷卻半導(dǎo)體器件是有利的;
圖12是構(gòu)成本發(fā)明另外一種實(shí)施例的雙聯(lián)散熱裝置的俯視圖。
最佳實(shí)施例的說明在開始說明本發(fā)明之前，先參考圖1和圖2更詳細(xì)地說明散熱裝置的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。
使用現(xiàn)有散熱裝置時(shí)，通常是把許多液體冷卻型散熱裝置(1)以堆塊(4)的形式堆積起來，每一個(gè)散熱塊都被插到兩個(gè)相鄰的扁平形半導(dǎo)體器件，例如圖1所示的二極管、可控硅、閘門關(guān)斷可控硅整流器或類似的半導(dǎo)體器件之間，再用幾噸重的壓力把它們壓在一起，通過許多絕緣材料做的管子(3)把各個(gè)散熱裝置(1)相互聯(lián)接起來。通過也是由絕緣材料做的主管路(6)，用泵向散熱裝置供給水一類的液體冷卻劑(5)，從散熱器中流出的冷卻劑中的熱量，通過配置在液體冷卻劑循環(huán)通路中的熱交換器被交換出去。
在上述方案中，每個(gè)散熱器都包括一塊如銅或鋁這樣的導(dǎo)熱材料塊，其中貫穿了一條波浪形的冷卻劑通道(9)，液體冷卻劑(5)通過通道(9)端部的入口和出口流入和流出每個(gè)散熱塊(1)的冷卻劑通道(9)。
上述通道(9)也可用銅管或鋁管(11)彎成如圖(2)所示的波浪形，然后澆鑄在散熱塊中。
不管用什么方法構(gòu)成散熱器(1)，這種波浪形通道(9)都是較長(zhǎng)的，并增加了散熱器(1)的熱交換表面積。然而通道(9)的彎曲部分的數(shù)目的增加和急劇的拐彎必然要加大液體冷卻劑(5)的水頭損失，因而要增大循環(huán)泵(8)所需要的功率。此外，由于通道(9)做成單一波浪，而不是雙重波浪或其它形式，在通道(9)入口處冷卻劑的溫度低，而在通道(9)出口處冷卻劑的溫度高，這樣在單個(gè)散熱塊中的溫差就會(huì)使與散熱器(1)相接觸的半導(dǎo)體器件(2)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。為消除這一缺點(diǎn)，就必須增大熱交換器(7)的熱交換能力，這就導(dǎo)致由散熱器冷卻的半導(dǎo)體裝置的體積加大。
為了克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中存在的上述問題，按照本發(fā)明的散熱器(1)完全是由一根象銅或鋁這一類導(dǎo)熱材料制的冷卻管(12)所組成，而沒有采用現(xiàn)用的塊形結(jié)構(gòu)。
把冷卻管(12)中部彎成環(huán)形，這樣除中部之外，管子(12)的兩側(cè)部分被拼到一起，并從彎成的管子(12)中部開始并排朝同一方向延伸。將這樣彎成的管子(12)繞成螺旋管，使彎成的中間部分位于螺旋的中心，并使管子(12)的兩側(cè)部分緊貼在一起，從而制成圖3所示的散熱器。在該散熱器(5)中，水一類的液體冷卻劑(5)穿過由管子(12)的兩側(cè)部分中的一側(cè)所形成的流入通道(13)流向螺旋管的中部(15)，然后穿過由管子(12)的兩側(cè)部中的另一側(cè)所形成的回流通道(14)流出螺旋管的外部。
在這種結(jié)構(gòu)中，管子(12)最好是做成圖4所示的矩形截面形狀，螺旋管(12)的圈數(shù)可根據(jù)散熱器(1)所要求的直徑來選擇，通道(13)和(14)端部的冷卻劑輸入和輸出口(10)的位置可根據(jù)要求選定。
雖然螺旋管的中心在管子(12)受到彎曲和盤繞加工時(shí)，插入一個(gè)夾具或類似物，所形成的是一個(gè)小空洞，但它最好用與管子(12)類似的導(dǎo)熱材料填滿。由于管子(12)是矩形截面，管子(12)最終只要加工例如0.5mm深，就足以獲得平滑的表面(16)，從而使散熱器(1)的兩個(gè)表面與半導(dǎo)體器件(2)很好接觸。
從入口(10)輸入的水一類的液體冷卻劑，穿過流入通道(13)流向散熱器(1)的中部(15)，然后從中部(15)通過回流通道(14)和出口(10)流出散熱塊(1)。
由于散熱塊(1)的管子(12)被盤繞成螺旋形，這樣半導(dǎo)體器件(2)的電極可以與管子(12)直接接觸，可以顯著改善散熱器(1)的冷卻效果。此外，由于流入通道(13)和回流通道(14)是交替排列的，這樣散熱器的溫度是均勻分布的，可以基本消除半導(dǎo)體器中產(chǎn)生熱應(yīng)力。還由于減少了彎曲部分的數(shù)目，散熱器(1)通道中的水頭損失也減小，從而循環(huán)泵(8)的功率也可減少。散熱器冷卻效果的改善又減少了熱交換器9所需的容量，這樣就可以減小半導(dǎo)體裝置的體積。
當(dāng)把散熱器疊壓在兩個(gè)半導(dǎo)體器件之間時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的散熱器通常要受到一個(gè)高的壓力，為經(jīng)受住這個(gè)壓力，要求散熱器有足夠的壁厚。例如，生產(chǎn)具有直徑約100mm的冷卻表面(16)的散熱器時(shí)，散熱塊大約要受到10噸壓力，這樣散熱器(1)的冷卻管(12)的壁厚要有4～5mm。
圖4是沿圖3Ⅳ-Ⅳ線的剖視圖。由于在這個(gè)實(shí)施例中散熱器(1)所用的冷卻管(12)最好是做成矩形截面的，并且在平行和垂直于圖4所示的與半導(dǎo)體器件相接觸的表面(16)的兩個(gè)方向上的厚度相同，故這個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)熱性不可能很好。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，用在散熱器(1)上的冷卻管(12)的壁厚在上述兩個(gè)方向上是不相等的，即如圖5所示與接觸面(16)平行延伸的管子(12)的壁厚小于垂直于接觸面(16)延伸的管子壁厚。因此，這個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)熱性可以大大改善。此外，由于平行于接觸面(16)延伸的管子(12)的壁厚減薄，管子(12)的彎曲和盤繞加工變得更為方便，因而可以增加散熱器的生產(chǎn)率。由于管子(12)的內(nèi)孔的橫截面積可隨壁厚的減小而增大，散熱器(1)的水頭損失和循環(huán)泵(8)(見圖1)所需的功率都可以減少。
圖6和圖7是本發(fā)明的又一實(shí)施例，在散熱器(1)的中心裝了一個(gè)熱電偶(18)。
根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，熱電偶(18)放置在盤繞成的螺旋形散熱塊中部形成的一個(gè)空洞中的適當(dāng)位置上。在散熱器管的盤繞工序期間，就把與熱電偶(18)相連的導(dǎo)線夾在管子(12)構(gòu)成的流入通道(13)和回流通道(14)之間。小空洞的剩余部分用與管子(12)類似的導(dǎo)熱材料全部填滿，然后對(duì)這樣制成的散熱器稍微進(jìn)行一下機(jī)械加工，以形成與半導(dǎo)體器件相接觸的平滑表面(16)。為了使熱電偶(18)不致受到機(jī)械或過熱損壞，可以用一個(gè)由合成樹脂材料做的保護(hù)套套在熱電偶外面。半導(dǎo)體器件電壓高時(shí)，導(dǎo)線(17)要求有一個(gè)厚絕緣層，這時(shí)可在夾住導(dǎo)線(17)的兩個(gè)管壁上開適當(dāng)大小的槽。
由于導(dǎo)線(17)在管子(12)的兩個(gè)螺旋盤繞部分之間延伸，就沒有必要在散熱塊(1)的接觸面上再開容納導(dǎo)線(17)的槽。這種沒有開槽的散熱器(1)的冷卻效果比在接觸面上開了槽的散熱器好。由于導(dǎo)線(17)在具有正方形或矩形截面的管子(12)的兩個(gè)盤繞部分之間延伸，在散熱器加工過程中即使拉動(dòng)導(dǎo)線(17)熱電偶(18)也不可能發(fā)生移動(dòng)，在不增加生產(chǎn)成本的情況下，熱電偶的工作可靠性能夠得到改善。
此外，當(dāng)把散熱器與半導(dǎo)體器件或類似的元器件疊壓在一起以冷卻這些元器件，并配備了接線端子T以便把每個(gè)半導(dǎo)體器件的正極和負(fù)極接到如圖10所示的電阻、電容串聯(lián)線路上時(shí)，在采用圖2所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的情況下，可在已形成冷卻通道的銅塊或鋁塊上擰入一個(gè)機(jī)械螺絲，而這樣一種形成接線端子T的方法對(duì)本發(fā)明則是不適用的，因?yàn)楸景l(fā)明的散熱器(1)完全是由冷卻管(12)構(gòu)成的。
圖8和圖9是本發(fā)明的再一種實(shí)施例，其中這樣的接線端子T是無需用機(jī)械螺絲或類似的緊固件的。
在圖示的實(shí)施例中，一根裸露的銅導(dǎo)線或銅導(dǎo)線(19)夾在冷卻管(12)的兩個(gè)盤繞部分之間，而且把接線端子(20)固定在裸露的導(dǎo)線(19)的外端頭上。夾在兩個(gè)半導(dǎo)體器件之間的散熱器的接線端子(20)可用于把每個(gè)半導(dǎo)體器件的正極和負(fù)極接到圖10所示的電阻、電容串聯(lián)線路上。
圖12是本發(fā)明的另外一種實(shí)施例，其中兩個(gè)散熱器(1)彼此連在一起，每個(gè)散熱器具有上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)半導(dǎo)體器件(2)的并聯(lián)電路當(dāng)作開關(guān)用時(shí)，半導(dǎo)體器件(2)常常被連接成圖11所示的反并聯(lián)形式，在這種情況下，從每一元器件的電位考慮，使用圖12所示的實(shí)施例是有利的。而且由于減少了連接點(diǎn)的數(shù)目，這樣也能夠減少液體冷卻劑泄漏的可能性。
根據(jù)本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件或類似器件的散熱器，它能夠減少在半導(dǎo)體器件中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力及在散熱塊中所產(chǎn)生的水頭損失。此外，因?yàn)闆]有采用帶有冷卻通道的導(dǎo)熱材料塊，所以與現(xiàn)有的散熱器相比，本發(fā)明的散熱器的厚度可以減薄，而冷卻管的螺旋形盤繞圈數(shù)可根據(jù)半導(dǎo)體器件所要求的直徑來決定，因此可以制造出具有良好冷卻效果、高度可靠和經(jīng)濟(jì)效益好的散熱裝置。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)散熱裝置的方法，其制造過程是，準(zhǔn)備一根由導(dǎo)熱材料制成的管子，將所述管子的中部彎成環(huán)形，使位于所述中部?jī)蓚?cè)的兩部分管子自彎好的中部開始并排地朝同一方向延伸，將這樣彎成的整個(gè)管子盤繞成螺旋形，使彎好的中部位于中心，所述的兩側(cè)管子并排向外延伸形成了在管中循環(huán)流動(dòng)的液體冷卻劑的一個(gè)流入通道和一個(gè)回流通道。
2.一種冷卻疊加裝置的散熱裝置，包括一根導(dǎo)熱材料制成的管子，它形成了一個(gè)流體冷卻劑的流入通道和一個(gè)液體冷卻劑的回流通道，和一個(gè)基本上形成在所述流入通道和所述回流通道的中間區(qū)段的中間部分，所述的中間部分被彎曲和盤繞，從而所述的流入和回流通道形成自所述中間部分始的螺旋管。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的散熱裝置，其中所述的管子具有矩形截面。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的散熱裝置，其中所述的具有矩形截面的管子，在垂直于該散熱裝置方向延伸的管子壁厚大于平行于該散熱裝置方向延伸的管子壁厚。
5.根據(jù)權(quán)利要求
2的散熱裝置，其中所述的疊加裝置是半導(dǎo)體器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求
2的散熱裝置，其中所述的管子的所述中間部分被彎成為一個(gè)具有預(yù)定曲率半徑的環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
2的散熱裝置，其中在所述的散熱裝置的中心形成的空心部分裝了一個(gè)熱電偶，連接在所述熱電偶上的導(dǎo)線是夾在所述管子的所述兩側(cè)部分之間延伸的。
8.根據(jù)權(quán)利要求
2的散熱裝置，其中在并排盤繞的所述管子的所述兩側(cè)部分之間夾有一根裸露的金屬導(dǎo)線，從而形成一個(gè)所述疊加裝置的接線端子。
9.根據(jù)權(quán)利要求
2的散熱裝置組件，其中一對(duì)散熱裝置并排布置在一個(gè)平面內(nèi)，并串聯(lián)在一起。
專利摘要
在一種半導(dǎo)體器件或類似器件的散熱裝置中，一根由銅、鋁或類似的導(dǎo)熱材料制成的管子的中部被彎曲和盤繞，使液體冷卻劑的流入通道和回流通道都變成螺旋形，并使彎成的中間部分保持在螺旋管的中心。
文檔編號(hào)H01L23/473GK86107015SQ86107015
公開日1987年11月25日 申請(qǐng)日期1986年9月17日
發(fā)明者池龜博夫, 野中重夫, 伊藤拓朗, 松本壽彰 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan