一種功率器件單管及其冷卻裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種功率器件單管，尤其涉及一種高效的功率器件單管及其冷卻裝置應(yīng)用。本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種功率器件單管，所述功率器件單管本體的散熱底板表面設(shè)置有絕緣層。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種功率器件單管及其冷卻裝置
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種功率器件單管，尤其涉及一種高效的功率器件單管及其冷卻裝置應(yīng)用。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣棚.雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]目前，IGBT單管(或稱IGBT分立器件)大多具有裸露的散熱底板(或稱金屬基板)表面，該散熱底板表面是IGBT的C極(集電極)，為帶電部件。IGBT單管常用于高電壓電控部件(如水冷式PTC電加熱器的控制器、水栗控制器)，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)溫問(wèn)題，或者其是熱設(shè)計(jì)的一個(gè)瓶頸所在?，F(xiàn)有的冷卻技術(shù)是，在IGBT單管下面設(shè)置一個(gè)絕緣硅膠墊片或陶瓷墊片，然后用螺絲將IGBT單管緊固于主板(或稱冷卻板或隔板)上。傳熱路徑是:IGBT管芯所發(fā)的熱量通過(guò)C極傳給絕緣墊片，然后再傳給主板，然后再傳遞給冷卻液。由于絕緣墊片界面上難免存在氣隙或空隙，故其傳熱效率較低，IGBT單管的冷卻效果較差，導(dǎo)致常出現(xiàn)IGBT單管過(guò)溫報(bào)警或燒壞的問(wèn)題。
[0006]另外，還有一種塑封的IGBT單管，其散熱底板表面被塑封了，但由于塑封層較厚，導(dǎo)熱能力較差，且塑料與主板之間也易產(chǎn)生較大的接觸熱阻，故其冷卻效果也不理想。
[0007]由此可見(jiàn)，目前的IGBT單管液冷均為間接液冷式，其傳熱路徑較長(zhǎng)，中間熱阻較多且較大，故導(dǎo)致傳熱效率低，熱管理問(wèn)題頻現(xiàn)。
[0008]當(dāng)然，上述情況和問(wèn)題也常出現(xiàn)在采用MOSFET單管作為功率器件的用電器上。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)IGBT單管(或稱IGBT分立器件)和MOSFET單管冷卻所存在的以上缺陷，本發(fā)明提供一種高傳熱效率的絕緣材料和結(jié)構(gòu)，且可浸泡于冷卻液中，直接與冷卻液換熱的技術(shù)方案。本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種功率器件單管，所述功率器件單管本體的散熱底板表面設(shè)置有絕緣層。其中，本發(fā)明所述功率器件單管包括IGBT單管和MOSFET單管等，也包括硅基、碳化硅基或氮化鎵基等功率器件單管。這些功率器件本體上通常具有裸露的散熱底板表面，這些散熱底板表面通常也是散熱層，比如IGBT單管的底面是裸露C極散熱底板，IGBT的管芯所發(fā)的熱量主要通過(guò)該散熱底板向外散發(fā)。
[0011]進(jìn)一步的，所述絕緣層的設(shè)置方法為涂覆、或包裹。本發(fā)明所謂涂覆，也可稱涂敷，是指膠粘劑或涂料施工工藝的一種統(tǒng)稱。
[0012]進(jìn)一步的，所述涂覆方法為噴涂、或浸涂、或刷涂、或輥涂、或絲網(wǎng)印。其中，更為優(yōu)選為采用噴涂或浸涂。絕緣材料通過(guò)噴涂或浸涂的方式能夠高效均勻地附著于所述散熱底板表面上。
[0013]進(jìn)一步的，所述絕緣層的材質(zhì)為耐冷卻液浸泡的絕緣材料。所謂耐冷卻液浸泡的絕緣材料，是指該絕緣材料浸泡在冷卻液中仍能保持良好的電絕緣功能。現(xiàn)有的乘用車(chē)用換熱液體通常為乙二醇型水基防凍液，而乙二醇對(duì)一般的絕緣硅膠有明顯的溶脹作用，從而導(dǎo)致絕緣硅膠的絕緣防護(hù)功能失效，所以耐換熱液體浸泡的絕緣材料主要特征之一就是抗乙二醇溶脹功能，這種絕緣硅膠比如是抗乙二醇型防凍液溶脹的氟硅橡膠等等。另外，本發(fā)明中耐換熱液體浸泡的絕緣材料可以是單一材料、或者復(fù)合材料、或者多種材料組合，其能夠同時(shí)起到絕緣和耐冷卻液浸泡功能。
[0014]進(jìn)一步的，所述耐冷卻液浸泡的絕緣材料為娃膠、或者塑料熱恪膠、或者絕緣陶瓷涂料。比如瓦克絕緣硅膠Elastosil RT 728 A/B、或者志盛威華ZS-1091耐高溫絕緣陶瓷涂料、或者特氟龍。
[0015]進(jìn)一步的，所述硅膠可添加絕緣導(dǎo)熱填料，如AlN陶瓷粒子填料，可提高絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0016]進(jìn)一步的，所述冷卻液為水基冷卻液，所謂水基冷卻液是指該冷卻液的基體成分為水;更為優(yōu)選為主要成分是水和乙二醇的防凍冷卻液。比如汽車(chē)上常用的防凍冷卻液為約50%水+約50%的乙二醇混合液，另還有其他一些防腐劑、緩蝕劑等添加劑。
[0017]另外，本發(fā)明提供一種功率器件單管的冷卻裝置，所述功率器件單管的冷卻裝置包括冷卻液以及以上所述任意一種功率器件單管，所述功率器件單管的本體浸泡于冷卻液中。
[0018]進(jìn)一步的，所述功率器件單管的冷卻裝置還包括主板(或稱隔板)，所述功率器件單管的本體位于所述主板的一側(cè)，所述功率器件單管的管腳下部或全部位于所述主板的另一側(cè)，并在所述管腳與所述主板之間進(jìn)行密封處理。這樣，當(dāng)管腳與外部進(jìn)行電連接并工作發(fā)熱時(shí)，主板下方充滿冷卻液，該單管本體全部浸泡在冷卻液中進(jìn)行高效冷卻，單管的管腳與冷卻液隔離確保電絕緣。
[0019]進(jìn)一步的，所述功率器件單管的冷卻裝置還包括集液腔或外套殼，所述集液腔或所述外套殼與所述主板密封構(gòu)成冷卻液容納空腔，所述功率器件單管的本體位于所述冷卻液容納空腔中，所述集液腔或所述外套殼上設(shè)置有進(jìn)液口和出液口。比如，所述集液腔或所述外套殼可以是液體PTC電加熱器的下外殼體或水栗的蝸殼。
[0020]進(jìn)一步的，所述的功率器件單管的冷卻裝置的所述冷卻液為水基冷卻液，更為優(yōu)選為主要成分是水和乙二醇的防凍冷卻液。
[0021]通過(guò)以上技術(shù)方案，可達(dá)到如下有益技術(shù)效果:將功率器件單管(如IGBT單管或MOSFET單管)原來(lái)裸露的散熱底板表面涂覆(噴涂或浸涂)絕緣層(如絕緣硅膠)，該絕緣層既能對(duì)裸露散熱底板表面進(jìn)行密封防水，又能保證電絕緣。故該散熱底板表面涂覆有絕緣層的IGBT單體，可以將其本體浸泡于冷卻液中實(shí)現(xiàn)與冷卻液直接換熱。這種絕緣結(jié)構(gòu)和冷卻方式的傳熱路徑是= IGBT管芯所發(fā)的熱量通過(guò)散熱底板傳遞到絕緣層上，然后通過(guò)絕緣層直接傳遞給冷卻液。由此可見(jiàn)，新結(jié)構(gòu)的傳熱路徑更短，而且由于絕緣層采用涂覆的方式，絕緣層與散熱底板附著性好，避免了氣隙的存在，故幾乎沒(méi)有接觸熱阻；而且絕緣層選用耐冷卻液浸泡的絕緣材料，絕緣層直接浸泡在冷卻液中，其整體傳熱熱阻更小，傳熱效率非常高。并且，絕緣層施工工藝是通過(guò)涂覆的方式，其批量生產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)效率非常高。
[0022]
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1現(xiàn)有技術(shù)下IGBT單管的冷卻結(jié)構(gòu)；
圖2 —種IGBT單管的正面視圖；
圖3散熱底板表面涂覆有絕緣層的IGBT單管的側(cè)面視圖；
圖4 一種IGBT單管的背面視圖；
圖5本實(shí)施例做好絕緣處理后的IGBT單管的冷卻裝置示意圖；
其中，1、管腳，la、管腳上部，lb、管腳下部，2、耳部，3、安裝孔，4、本體，5、散熱底板，61、絕緣墊片，62絕緣層，7、主板，8、冷卻液。
[0024]
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了更加清楚完整地說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案，介紹如下【具體實(shí)施方式】。
[0026]圖1為現(xiàn)有技術(shù)下IGBT單管的冷卻結(jié)構(gòu)，在IGBT單管背面的散熱底板5下面墊一絕緣墊片61，并用螺絲(未示出)通過(guò)安裝孔3將IGBT單管緊貼到主板7上面，該主板7下面有冷卻液8流動(dòng)，車(chē)用的冷卻液通常是主要由水和乙二醇組成的防凍冷卻液。如圖2至圖4所示，提供一種IGBT單管，該IGBT單管具有裸露的散熱底板5(或稱金屬基板)，該散熱底板5與IGBT管芯的集電極(C極)電連通，同時(shí)該散熱底板5也是散熱層，IGBT管芯所發(fā)的熱量主要通過(guò)該散熱底板5向外散發(fā)。將IGBT單管的3個(gè)管腳I包裹好，然后將IGBT單管的本體4全部浸漬(即浸涂)于耐冷卻液浸泡的絕緣硅膠中，以便均勻涂覆絕緣層62;優(yōu)選地，僅將管腳I的下部Ib包裹好，而管腳I的上部Ia不包裹，并與IGBT單管的本體4 一起做絕緣處理?；蛘?，采用噴槍向IGBT單管的本體4上散熱底板5(若有耳部2等本體上其他裸露金屬表面，則包括耳部2等本體上其他裸露金屬表面)所有裸露表面均勻噴涂耐冷卻液浸泡的絕緣硅膠，固化后即可使用。
[0027]另外，一些IGBT單管還存在如圖2所示的耳部2，該耳部2也存在裸露的金屬表面，故也需要做絕緣處理。
[0028]上述IGBT單管的散熱底板5(包括耳部2)外露表面均勻附著有耐冷卻液浸泡的絕緣硅膠，該硅膠附著力強(qiáng)，密封防水性好，且絕緣強(qiáng)度高。如圖5所示，在IGBT單管冷卻裝置應(yīng)用中，管腳與外部進(jìn)行電連接并工作發(fā)熱，可將做好上述絕緣處理的IGBT單管的本體4全部浸泡于冷卻液8(冷卻液8為主要由水與乙二醇組成的防凍液)中進(jìn)行冷卻，將管腳I伸出于主板7之上，并在管腳I與主板7之間接觸處做密封處理(如用膏狀硅膠密封)。
[0029]本發(fā)明IGBT單管冷卻裝置的傳熱路徑是:IGBT管芯所發(fā)的熱量通過(guò)散熱底板5傳遞到絕緣層62上，然后通過(guò)絕緣層62直接傳遞給冷卻液8。另外，本體4的其他幾面也可以直接傳熱給冷卻液8。由此可見(jiàn)，新冷卻裝置的傳熱路徑更短，而且由于絕緣層62采用涂覆的方式，絕緣層62與散熱底板5的附著性好，避免了氣隙的存在，故幾乎沒(méi)有接觸熱阻;而且絕緣層62選用耐冷卻液浸泡的絕緣材料，絕緣層62直接浸泡在冷卻液8中，其整體傳熱熱阻更小，傳熱效率非常高。
[0030]同樣，MOSFET單管等其他功率器件單管也可做類(lèi)似上述的絕緣處理，并采用相同的冷卻裝置。
[0031]以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明而言僅僅是說(shuō)明性的，而非限制性的。本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對(duì)其進(jìn)行許多改變、修改、以及等效替換，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種功率器件單管，其特征在于，所述功率器件單管的本體的散熱底板表面設(shè)置有絕緣層； 其中， 所述絕緣層的設(shè)置方法為涂覆、或包裹； 所述絕緣層的材質(zhì)為耐冷卻液浸泡的絕緣材料;其中，所述冷卻液為主要成分是水和乙二醇的防凍冷卻液。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述功率器件單管，其特征在于，所述涂覆方法為噴涂、或浸涂、或刷涂、或輥涂、或絲網(wǎng)印。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述功率器件單管，其特征在于，所述耐冷卻液浸泡的絕緣材料為硅膠、或者塑料熱熔膠、或者絕緣陶瓷涂料。4.一種功率器件單管的冷卻裝置，其特征在于，所述功率器件單管的冷卻裝置包括冷卻液以及權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的功率器件單管，所述功率器件單管的本體浸泡于所述冷卻液中。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率器件單管的冷卻裝置，其特征在于，所述功率器件單管的冷卻裝置還包括主板，所述功率器件單管的本體位于所述主板的一側(cè)，所述功率器件單管的管腳下部或全部位于所述主板的另一側(cè)，并在所述管腳與所述主板之間進(jìn)行密封處理。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的功率器件單管的冷卻裝置，其特征在于，所述功率器件單管的冷卻裝置還包括集液腔或外套殼，所述集液腔或所述外套殼與所述主板密封構(gòu)成冷卻液容納空腔，所述功率器件單管的本體位于所述冷卻液容納空腔中，所述集液腔或所述外套殼上設(shè)置有進(jìn)液口和出液口。7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的功率器件單管的冷卻裝置，其特征在于，所述冷卻液為主要成分是水和乙二醇的防凍冷卻液。
【文檔編號(hào)】H01L23/44GK106057754SQ201610593624
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日 公開(kāi)號(hào)201610593624.8, CN 106057754 A, CN 106057754A, CN 201610593624, CN-A-106057754, CN106057754 A, CN106057754A, CN201610593624, CN201610593624.8
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】謝彥君