一种高效集成半导体功率器件的散热结构及方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是涉及半导体器件领域的一种高效集成半导体功率器件的散热结构及方法。

背景技术

半导体功率器件，也被称为电子电力器件，其作用是进行功率处理，是一种具有处理高电压、大电流能力的半导体器件。随着半导体功率器件的迅速发展，其应用范围越来越广泛， 例如在计算机、通行、消费电子、汽车电子等领域。

随着世界各国新能源战略布局及发展进程加快，其中氢燃料电池发展迅速。近几年氢燃料电池在新能源汽车方向发展迅速，逐步进入规模化、市场化阶段。尤其在商用车方向，结合国家新能源战略的布局，发展尤为迅速。由原来的小型物流车发展至重型卡车、牵引车，也由原来的30KW，发展至目前的120KW、240KW，甚至更大功率。此时大功率变换器的效率损耗逐步提高，例如空压机控制器、高压DC/DC变换器，降低系统可用功率的同时，也造成了巨大的能源浪费。由于车用燃料电池系统较长及频繁的使用时间，降低大功率变换器的能量损耗就变的较为紧迫。

公开号为CN111081661A的中国专利，公开一种基于功率半导体器件的散热结构及安装方法，所述散热结构包括：功率半导体器件、电路板、绝缘层、散热器以及固定组件；在电路板上设置有至少两个开孔，在至少两个开孔中设置有对应的至少两个固定组件；固定组件的一端外延至电路板的一侧，至少两个固定组件的外延部夹持固定功率半导体器件；固定组件的外延部还嵌入设置于散热器的一表面，以使通过电路板与散热器将功率半导体器件进行固定；绝缘层接触设置于功率半导体器件与散热器之间。如此通过将功率半导体器件夹持固定于电路板的一侧，增加了散热面积，有利于功率半导体器件散热，并且避免了因漏电将功率半导体器件或电路板烧毁的情况。

目前半导体器件基本都与上述专利公开的方案相同，采用单面散热，散热面通过表贴焊接或螺栓固定的方式与散热面进行接触散热。虽然能够实现散热，但是器件的散热面积较小，热导率低，导致温升较高，出于可靠性和安全性的考虑，器件的安全设计冗余较高，效能降低，器件数量同步会增加，降低了器件的体积和功率密度。应用该器件的大功率产品成本也会相应增加。由于温度的升高器件的热寿命和可靠性将会降低，器件过热炸裂的风险同步升高（多路并联电源拓扑会导致其它路器件很可能都会炸裂）。

发明内容

本发明主要解决现有技术所存在的半导体功率器件的散热效率低、寿命短、可靠性差的技术问题，提供一种高效集成半导体功率器件的散热结构及方法。

为了解决上述技术问题实现上述发明目的，本发明一方面提供一种高效集成半导体功率器件的散热结构，包括：

器件本体，所述器件本体设置为环形管状结构，且所述器件本体的环形中心形成散热流道，所述散热流道内不断有冷却流体流过；

散热金属面，所述散热金属面设置在所述器件本体的环形内壁上。

在一可实施方式中，所述器件本体的第一端固定连接有进液管道，所述器件本体的第二端固定连接有出液管道，所述进液管道与所述出液管道均与所述金属散热流道连通。

在一可实施方式中，所述进液管道与所述器件本体一体成型，所述出液管道与所述器件本体一体成型。

在一可实施方式中，所述散热金属面中所述金属的热导率16W/m.K，屈服强度不小于205Mpa。

在一可实施方式中，所述金属为铜合金、不锈钢、钛合金中的一种。

在一可实施方式中，还包括：

连接件，所述连接件套设在所述器件本体上，所述连接件的内壁与所述器件本体的外壁固定；

功率引脚，所述功率引脚设置有多个，多个所述功率引脚固定在所述连接件上且与所述连接件电连接。

在一可实施方式中，所述连接件上还设置有用于发送或接收功率驱动信号的驱动开关。

本发明另一方面，提供一种高效集成半导体功率器件的散热方法，所述方法包括：

将器件本体设置为环形管状结构，所述器件本体的环形中心形成散热流道，所述散热流道内不断有冷却流体流过，所述冷却流体用于对所述器件本体降温；

在所述器件本体的环形内壁上设置散热金属面，当所述散热流体流过所述散热流道且与所述散热金属面接触后，所述器件本体的温度降低。

在一可实施方式中，所述器件本体的第一端固定连接有进液管道，所述器件本体的第二端固定连接有出液管道，所述散热流体由所述进液管道进入，经过所述散热流道，并经所述出液管道流出。

在一可实施方式中，所述器件本体的环形外壁上设置有连接件，所述连接件上设置有功率引脚，所述功率引脚的第一端与所述连接件电连接，所述功率引脚的第二端与电路板连接，实现所述半导体功率器件与电路板的连通。

相对于现有技术，本发明一种高效集成半导体功率器件的散热结构具有以下有益效果：

1.本方案通过设置环形结构的器件本体以及在器件本体的环形内壁

设置散热金属面，可将散热效率大约提升一倍以上；

2.可大大提高半导体功率器件过电流能力，提升器件质量、体积功

率密度和工作频率，同时降低应用该器件电源产品的电感体积，减少器件的应用数量及降低材料应用成本；

3.半导体功率器件的散热能力提高后，器件的热寿命和可靠性也能

得到较大程度的提升；

因此，本发明具有散热效率高、器件寿命长、可靠性高等特点。

附图说明

附图1是本发明的一种高效集成半导体功率器件的散热结构的示意图；

附图2是本发明的一种高效集成半导体功率器件的散热结构的剖视图。

图中标号说明：1、器件本体；11、散热流道；2、金属散热面；3、进液管道；4、出液管道；5、连接件；6、功率引脚。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

图1至图2出示了本发明一种高效集成半导体功率器件的散热结构的一种实施例。

如图1，图2所示，为本发明实施例提供的一种高效集成半导体功率器件的散热结构的示意图，该散热结构包括：

器件本体1，器件本体1设置为环形管状结构，与器件本体1轴向方向垂直的截面为椭圆形，器件本体1的环形中心内部中空，从而形成散热流道11，散热流道11内不断有冷却流体流过，冷却流体的作用在于对器件本体1进行降温，例如冷却流体可以为冷却液，也可以为冷却气体等，本发明对冷却流体不做具体限制。

器件本体1的环形内壁设置为金属散热面2，金属的热导率不小于16W/m.K，且金属的屈服强度不小于205Mpa，例如金属可以选择铜合金、不锈钢、钛合金中的一种，原则上只要金属的热导率和屈服强度可以满足上述条件即可，不限于铜合金、不锈钢、或者钛合金。本发明通过在器件本体1的环形内壁上设置金属散热面2，与现有技术相比，首先金属散热面2的面积大，能够提高器件本体1的散热强度，另外由于器件本体1的环形内部中空，能够进一步提高器件本体1的散热强度。

器件本体1包括第一端和第二端，器件本体1的第一端固定连接有进液管道3，器件本体1的第二端连接有出液管道4，进液管道3和出液管道4与散热流道11连通。进液管道3与出液管道4可以为与器件本体1相同的金属材质，与器件本体1一体成型，如此可以保证进液管道3与器件本体1第一端的连接处以及出液管道4与器件本体1第二端的连接处的密封性。进液管道3与出液管道4也可以为高分子材质的管道，例如铁氟龙，聚四氟乙烯等，本发明对进液管道3与出液管道4的材质不做具体限制，只要冷却流体不会损坏其性能即可。以冷却流体为冷却液为例说明，冷却液由进液管道3进入到散热流道11内，冷却液吸收器件本体1的热量，冷却液的温度逐渐升高，而器件本体1的温度逐渐降低，升温后的冷却液经过出液管道4排出。为了循环利用冷却液，可以待冷却液冷却后，再次由进液管道3进入到散热流道11内，对器件本体1进行降温。

器件本体1的环形外壁上套设有连接件5，连接件5为环形结构，连接件5的内壁与器件本体1的环形外壁固定。连接件5上设置有多个功率引脚6，功率引脚6的一端固定在连接件5上且与连接件5电连接，功率引脚6的另一端为自由端，功率引脚6的自由端用于与电路板连接。通过设置功率引脚6，能够实现器件本体1与电路板的连通。另外，需要说明的是，功率引脚6的数量以及功率引脚6在连接件5上的固定位置，根据半导体功率器件的用途而确定，本发明对此不做具体限制。

连接件5上还设置有驱动开关，驱动开关用于发送或接收功率驱动信号。

在本发明的上述方案中，半导体功率器件在工作时，功率引脚6先与电路板连通，半导体功率器件在工作过程中，温度会逐渐升高。冷却流体有进液管道3进入到散热流道11内，冷却流体不断吸收半导体功率器件的热量，从而对半导体功率器件进行降温。由于半导体功率器件设置为环形结构，且其环形内壁还设置有金属散热面2，因此本发明在理论上可将散热效率大约提升一倍以上，而且可大大提高半导体功率器件过电流能力，提升器件质量、体积功率密度和工作频率，同时降低应用该器件电源产品的电感体积，减少器件的应用数量及降低材料应用成本；另外散热能力提高后器件的热寿命和可靠性也能得到较大程度的提升。

本发明一实施例还提供一种高效集成半导体功率器件的散热方法，该方法包括：

将器件本体1设置为环形管状结构，所述器件本体1的环形中心形成散热流道11，所述散热流道11内不断有冷却流体流过，所述冷却流体用于对所述器件本体1降温；

在所述器件本体1的环形内壁上设置散热金属面，当所述散热流体流过所述散热流道11且与所述散热金属面接触后，所述器件本体1的温度降低。

在一示例中，所述器件本体1的第一端固定连接有进液管道3，所述器件本体1的第二端固定连接有出液管道4，所述散热流体由所述进液管道3进入，经过所述散热流道11，并经所述出液管道4流出。

所述器件本体1的环形外壁上设置有连接件5，所述连接件5上设置有功率引脚6，所述功率引脚6的第一端与所述连接件5电连接，所述功率引脚6的第二端与电路板连接，实现所述半导体功率器件与电路板的连通。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。