專利名稱：具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)，尤其涉及大功率電力電子器件的集成技術(shù)，具體為具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板。
背景技術(shù)：
電力電子技術(shù)是電力、電子、控制交叉而成的學(xué)科，電力電子裝置的復(fù)雜性與其應(yīng)用的廣泛性之間的矛盾越來越尖銳，成為電能利用技術(shù)進步的瓶頸。集成電路將電子設(shè)計中最主要的難點和絕大部分工作量封裝在 集成芯片內(nèi)部，大大降低了裝置的設(shè)計、制造和維護難度。集成電路的誕生是微電子技術(shù)發(fā)展歷史上一件具有戰(zhàn)略意義的事件。借鑒微電子技術(shù)的歷史經(jīng)驗，電力電子技術(shù)也可以借助“集成”思想，將電力電子裝置設(shè)計過程中所遇到的元器件、電路、控制、電磁、材料、傳熱等方面的技術(shù)難點問題和主要設(shè)計工作解決在集成模塊內(nèi)部，以便簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，使其成為從事不同行業(yè)、具備基本電氣技術(shù)專業(yè)技能的工程師所能駕馭的有力工具[1]。電力電子集成技術(shù)的核心是研制多品種、多規(guī)格的電力電子集成模塊(Integrated Power Electronics Module, IPEM)。概念化的 IPEM 是一個三維結(jié)構(gòu)的模塊，它擁有很高的功率密度和優(yōu)良的電氣性能，集成了主電路、驅(qū)動和控制電路、傳感器以及磁元件等無源元件。同時，這樣一個模塊是可以被自動化制造和生產(chǎn)的，其成本因而大大降低。但是，在目前的技術(shù)條件下，要實現(xiàn)這樣一個完全集成的電力電子模塊是非常困難的，所以學(xué)術(shù)界將IPEM分為有源IPEM和無源IPEM兩種，分別進行研究。有源IPEM主要實現(xiàn)功率器件、驅(qū)動控制電路和傳感器等部件的集成；無源IPEM主要實現(xiàn)磁元件、電容器等無源元件的集成。有源IPEM又可以分為單片集成模塊與混合集成模塊。單片集成模塊，指采用半導(dǎo)體集成電路的加工方法將電力電子電路中的功率器件、驅(qū)動、控制和保護電路制作在同一硅片上，體現(xiàn)了單片系統(tǒng)的概念。這種集成方式的集成度最高，適合大批量、自動化制造，可以非常有效地降低成本，減小體積和重量，但面臨高壓、大電流的主電路元件和其它低壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱問題。因此單片集成難度很大?；旌霞赡K采用封裝的技術(shù)手段，將分別包含功率器件、驅(qū)動、保護和控制電路的多個硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能且相對獨立的單元。這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可比較有效地減小體積和重量，是電力電子集成的主流方式[2][3]。但目前尚存在分布參數(shù)、電磁兼容、高效散熱等具有較高難度的技術(shù)問題。集成化是電力電子技術(shù)最主要的發(fā)展方向。無論是有源IPEM還是無源IPEM，也無論是單片集成模塊還是混合集成模塊，它們都是用來處理能量的，其功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用于信息處理的集成電路。KP500型晶閘管，當(dāng)其通態(tài)平均電流為500A、導(dǎo)通角為120電角度時，耗散功率可達1200W。一般是將2只、4只或6只功率器件集成為一個模塊。集成化后，功率損耗的體積密度急劇加大，由功耗導(dǎo)致的發(fā)熱、溫升問題異常突出，直接關(guān)系到模塊的可靠運行。半導(dǎo)體器件的許多性能參數(shù)隨溫度升高而惡化，例如PN結(jié)的反向電流隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增大，雙極性器件的關(guān)斷時間隨溫度升高而延長，轉(zhuǎn)折電壓會隨溫度升高而降低。當(dāng)半導(dǎo)體器件的功耗超過其臨界值時就會造成熱不穩(wěn)定和熱擊穿。對于功率半導(dǎo)體芯片，最高允許溫度可達150°C ;驅(qū)動、保護電路由各種集成電路組成，商用集成電路允許溫度為70°C，工業(yè)用集成電路允許溫度為85°C。由于在IPEM中功率電路距離驅(qū)動保護電路非常近，功率電路向驅(qū)動保護電路的傳熱就會直接影響到驅(qū)動保護電路的正常工作。若功率電路尚未達其工作溫度上限時驅(qū)動保護電路就已達到其工作溫度上限，就必須限制功率電路的工作溫度上限，保證所有器件都不超過其自身的工作溫度上限。熱控制是各類電力電子集成模塊都必須面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)之一對于分立電力電子器件，常用的冷卻方式有自然對流冷卻、強迫空氣冷卻、循環(huán)水冷卻、流水冷卻、循環(huán)油冷卻、油浸自冷卻、熱管散熱器冷卻等。中國發(fā)明專利申請200910075814. 0給出了一種用于變流器功率模塊的雙面水冷散熱基板；中國授權(quán)專利200710035082. 3給出了一種改善大功率熱管散熱器和發(fā)熱元件接觸熱阻的方法；中國發(fā)明專利申請201010258174. X給出了一種具有錯列冷卻劑通道的功率模塊組件。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對電力電子集成技術(shù)中的熱控制問題已經(jīng)展開了積極、深入地研究。余小玲、曾翔君等給出了一種混合封裝電力電子集成模塊的具體設(shè)計并重點研究了功率電路對驅(qū)動保護電路傳熱影響[4]。該模塊主要由功率電路和驅(qū)動保護電路構(gòu)成。功率電路焊接在敷銅陶瓷板(Direct Bonded Copper, DBC)上，DBC又焊接在銅基板上。功率電路上覆蓋4. 8mm厚的娃凝膠,在娃凝膠上直接放置一塊印刷電路板(Printed CircuitBoard, PCB)來承載驅(qū)動保護電路。模塊四周加以塑料封殼。功率電路產(chǎn)生的熱量大部分通過安裝在銅基板底部的散熱器以自然對流和輻射的方式散出，另一小部分通過PCB的上表面散出。采用有限元分析軟件為混合封裝電力電子集成模塊建立了正確的熱模型，在不同的功率電路發(fā)熱量及不同的銅基板底面散熱條件下，根據(jù)該模型可預(yù)測功率器件和驅(qū)動保護電路PCB上的最高溫度。作者的分析結(jié)果說明，功率器件到模塊內(nèi)銅基板底面間的熱阻為0. 450C /W，驅(qū)動保護電路PCB受功率電路的傳熱影響顯著，在自然對流散熱的情況下，功率器件的溫度達到85°C左右時，PCB上的最高溫度已接近70°C，此時功率器件的發(fā)熱量為45W。熊建國等針對高熱流密度負(fù)荷下大功率電力電子設(shè)備散熱冷卻，以帶有微槽道強化傳熱面的小型重力型平板熱管蒸發(fā)器為研究對象，以水-氧化銅納米顆粒組成的納米流體為工質(zhì)，在不同運行壓力和不同納米流體濃度下對平板熱管蒸發(fā)器的沸騰換熱特性以及臨界熱通量進行了實驗研究[5]。Timothy J等給出了一種利用熱管技術(shù)對IPEM進行冷卻的技術(shù)方案[6]。T. Tilford, Seung-Yo Lee等分別利用有限元方法對有源、無源IPEM的熱應(yīng)力及其對模塊性能的影響進行了分析[7][8]。Dustin A等利用外部可測溫度估計電力電子模塊功率器件結(jié)溫、通過功率器件開關(guān)頻率和工作電流的控制對功率器件結(jié)溫實施主動控制。C. M. Johnson、Przemyslaw R、Skandakumaran P 等學(xué)者也對 IPEM 液體冷卻方案進行了定量分析與設(shè)計[1°][11]。液體冷卻方案屬于有源熱沉，通過某種高熱導(dǎo)率媒質(zhì)(如去離子水、液氮等)及時將器件產(chǎn)生的熱量從熱沉中帶走，使熱沉盡可能的工作在亞熱飽和狀態(tài)下，以維持熱沉表面溫度近似恒定，其熱阻遠(yuǎn)小于無源熱沉熱阻。液冷系統(tǒng)的性能取決于散熱通道的幾何尺寸、冷卻液在通道的流速、散熱翅的表面積、冷卻風(fēng)速等因素，優(yōu)化以上因素可提高系統(tǒng)的散熱性能。由于通道狹窄，微通道散熱器比通常的散熱器有極高的散熱性能。一般有源熱沉的熱阻大約是無源熱沉熱阻的幾十甚至上百分之一，而微通道熱沉熱阻是無源熱沉熱阻的1/50-1/200，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。邵寶東等基于熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，以熱阻和壓降作為目標(biāo)函數(shù)建立了微槽冷卻熱沉的多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用序列二次規(guī)劃方法對微槽的結(jié)構(gòu)尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計。對于冷卻長、寬各為6mm、功耗為100W的芯片的熱沉，優(yōu)化后微槽寬度和高度分別為120 ii m和815 u m,相應(yīng)總熱阻為0. 413K/W。對優(yōu)化后的微槽冷卻熱沉采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果與熱阻網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的結(jié)果吻合得很好[12]。Curamik Electronics公司公開了一種液冷DBC微通道基板結(jié)構(gòu)[13],采用AIN陶瓷和微通道結(jié)構(gòu)組合而成的冷卻器，其與芯片的熱阻< 0. 03K/W，散熱量可達2kW/inch2。J. Li等許多學(xué)者對微通道熱沉的設(shè)計、特性、仿真、實驗、測量、優(yōu)化進行了深入研究-[26]
O 中國發(fā)明專利申請201010589169. 7給出了一種直接襯底冷卻的功率電子襯底；中國發(fā)明專利申請201110045932. 4給出了一種功率模塊用基板及其制造方法、自帶散熱 器的該基板及功率模塊；中國發(fā)明專利申請201010285379. 7給出了一種用于制造電路基板組件及功率模塊的方法；中國發(fā)明專利申請201110085813. I給出了一種線路板和散熱器高效整合的大功率基板及其制作方法。參考文獻[I]王兆安，楊旭，王曉寶.電力電子集成技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].電力電子技術(shù)，2003 (5)，90-94[2]顧亦磊，湯建新，呂征宇，錢照明.電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的若干新思路[J].電力電子技術(shù)，2005 (6)，141-144[3]胡磊，何湘寧.基于仿生學(xué)的電力電子系統(tǒng)分散自治控制[J].中國電機工程學(xué)報，2005 (17)，21-26[4]余小玲，曾翔君，楊旭，馮全科.混合封裝電力電子集成模塊內(nèi)的傳熱研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2004 (3)，258-261[5]熊建國，劉振華.平板熱管微槽道傳熱面上納米流體沸騰換熱特性[J].中國電機工程學(xué)報，2005 (23)，105-109[6] Timothy J. Martens, Gregory F. Nellis. Double-Sided IPEM CoolingUsing Miniature Heat Pipes, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGINGTECHNOLOGIES, VOL. 28，NO.4，2005，852-861[7] T. Tilford, H. Lu and C. Bailey. Thermo-mechanical Modelling ofPower Electronics Module Structures, 2006 Electronics Packaging TechnologyConference. p214_219[8]Seung-Yo Lee, Willem Gerha rdus Odendaal, Jacobus Daniel van ffyk.Thermo-Mechanical Stress Analysis for an Integrated Passive Resonant Module,IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，VOL. 40，NO. I，2004，p94_102[9]Dustin A. Murdock,Jose E Ramos Torres.Active Thermal Control of PowerElectronic Modules, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.42，NO. 2，2006，p552-558[10]C. M. Johnson,C. Buttay. Compact Double-Side Liquid-Impingement-CooledIntegrated Power Electronic Module， Proceedings of the 19th InternationalSymposium on Power Semiconductor Devices & ICs May 27—30，2007 Jeju，Korea，p53_56[ll]Przemyslaw R. Kaczorowski. Multi-Objective Design of Liquid CooledPower Electronic Modules for Transient Operation，19th IEEE SEMI-THERMSymposium,215-222[12]邵寶東，孫兆偉，王麗風(fēng).熱阻網(wǎng)絡(luò)模型在微槽冷卻熱沉優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2007 (6) ,1263-1267[13]宗朝暉.現(xiàn)代電力電子的冷卻技術(shù)[J].變流技術(shù)與電力牽引，2007 (4)，6-12[14]Skandakumaran P，Ortega A，Jamal-Eddine T，etal. Multi-Layered SiC microchanne heat sinks-modeling and experiment[C]，2004 Inter Society Conferenceon Thermal Phenomena[15]J.Li a, G.P.Peterson. 3-Dimensional numerical optimization ofsilicon-based high performance pa rallel microchannel heat sink with liquidflow, International Journal of Heat and Mass Transfer50(2007) 2895-2904[16] Re 1 mi Revellin，John R. Thome. A theoretical model for theprediction of the critical heat flux in heated microchannels, InternationalJournal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 1216-1225[17]K. Vafai^,A. -R. A. Khaled. Analysis of flexible microchannel heat sinksystems, International Journal of Heat and Mass Transfer 48(2005) 1739-1746[18]Devdatta P. Kulkarni' Debendra K.Das. Analytical and numericalstudies on microscale heat sinks for electronic applications， Applied ThermalEngineering 25(2005)2432-2449[19]Dong-Kwon Kim,Sung Jin Kim. Averaging approach for microchannel heatsinks subject to the uniform wall temperature condition, International Journalof Heat and Mass Transfer 49(2006)695-706 [20]Y.S.Muzychka. Constructal design of forced convection cooledmicrochannel heat sinks and heat exchangers, International Journal of Heat andMass Transfer 48(2005)3119-3127[21]Zhigang Li，Xiulan Huai. Effects of thermal property variations onthe liquid flow and heat transfer in microchannel heat sinks， Applied ThermalEngineering 27(2007)2803-2814[22]H.Abbassi. Entropy generation analysis in a uniformly heatedmicrochannel heat sink, Energy32(2007) 1932-1947[23]Chien-Hsin Chen. Forced convection heat transfer in microchannelheat sinks，International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007)2182-2189[24]Vishal Singhal, Suresh V. Garimella. Induction electrohyd rodynamicsmicropump for high heat flux cooling，Sensors and Actuators A 134(2007)650-659[25]Leszek Wojtan, Re f mi Revellin, John R. Thome. Investigation ofsaturated critical heat flux in a single uniformly heated microchannel，Experimental Thermal and Fluid Science 30 (2006)765-774[26]Tailian Chen, Suresh V. Garimella.Measu rements and high-speedvisualizations of flow boiling of a dielectric fluid in a silicon microchannelheat sink, International Journal of Multiphase Flow 32(2006)957-97
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板。相對于矩形微小通道而言，它進一步提高了換熱效率，而且大大緩解了微小通道易堵塞這一實際應(yīng)用中的主要問題。同時，它在生產(chǎn)成本方面并沒有明顯增高。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板，它包括兩塊上下側(cè)面均敷銅的導(dǎo)熱絕緣板、被這兩塊導(dǎo)熱絕緣板夾在中間的液體冷卻通道和導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料填充區(qū)域。所述液體冷卻通道為一個腔體，在腔體內(nèi)設(shè)置有形成莫爾條紋效應(yīng)的肋片陣列，將腔體的空間分割為多個莫爾通道，從而形成莫爾通道網(wǎng)絡(luò)；在與所述液體冷卻通道對應(yīng)的導(dǎo)熱絕緣板區(qū)域集中布置電力電子器件群，在與所述導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料填充區(qū)域?qū)?yīng)的導(dǎo)熱絕緣板區(qū)域，亦即電力電子器件群的相鄰區(qū)域布置微電子器件群。所述肋片陣列以沿流體流動方向為行、以垂直于流體流動方向為列，共有p行和q列；除腔體左右兩側(cè)的肋片一端與上壁或下壁連接，另一端與腔體左壁或右壁接觸外，其余各肋片的兩端均與上壁和下壁連接；在肋片陣列中，單數(shù)行或雙數(shù)行肋片左斜，傾角大小為a/2，相鄰的雙數(shù)行或單數(shù)行肋片右斜，傾角大小為a/2，相鄰兩行肋片的夾角為a ；各行、各列肋片之間留有縫隙，彼此之間不接觸，這些縫隙組成的微小通道共同形成莫爾通道。所述各肋片在流體流動方向的尺寸為肋長、以垂直兩塊導(dǎo)熱敷銅板方向的尺寸為肋高、以與肋高和肋長都垂直的方向為肋厚，則肋高大于肋長，肋長大于肋厚，肋高為肋厚的15至30倍，同列相鄰肋片的肋間距為肋厚的0. 6至I. 2倍。所述夾角a大小按在與流體流動方向相垂直的截面上，所形成的莫爾條紋上半部分與下半部分對稱、莫爾條紋周期數(shù)為整數(shù)的原則確定。微通道散熱器具有良好散熱效果，但長、直、窄的矩形微通道容易阻塞。這是影響其推廣應(yīng)用的主要技術(shù)問題。本發(fā)明在光學(xué)中的莫爾條紋原理的啟發(fā)下，通過形成一種不妨稱之為“莫爾通道”的微小通道，進一步增強散熱效果，同時緩解阻塞問題。莫爾條紋是一種光學(xué)現(xiàn)象。在長方形的光學(xué)玻璃上，平行、均勻、細(xì)密的刻畫若干不透明的刻線，將兩塊這樣的光學(xué)玻璃疊放在一起，并使它們的刻線之間保持很小的夾角a，用光照射之，則在與刻線近乎垂直的方向上得到明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋，如附圖2所示。設(shè)刻線本身寬度為a，刻線之間的距離為b，w = a+b，稱之為一個刻線周期；兩條
相鄰的莫爾條紋最暗處或最亮處之間的距離為Bh，則有A = 2sin; 5a)，稱之為一個莫爾條
紋周期。當(dāng)a較小時，BhS遠(yuǎn)大于w，有放大作用；當(dāng)兩塊光學(xué)玻璃之間發(fā)生橫向相對位移時，莫爾條紋將發(fā)生垂直方向的移動。兩塊光學(xué)玻璃之間在水平方向相對位移I個W，莫爾條紋將在垂直方向移動I個Bh。
以透明材料制作試驗件，在該試驗件內(nèi)設(shè)置類似上述兩塊光學(xué)玻璃刻線那樣的隔柵，并通入含有示蹤物質(zhì)的流體，發(fā)現(xiàn)沿流向在隔柵背后也會出現(xiàn)莫爾條紋，在橫斷面上流速分布發(fā)生變化；當(dāng)放入多個隔柵后，即出現(xiàn)劇烈的湍流，特別是會出現(xiàn)對試驗件內(nèi)壁的法向沖擊。由此，提出設(shè)想科學(xué)、合理的利用這一現(xiàn)象，有可能強化換熱。為此，本發(fā)明所述的電力電子集成模塊的微小通道液冷基板主要針對混合集成模塊，它為三明治結(jié)構(gòu)，如附圖I所示。它包括兩塊導(dǎo)熱絕緣板，導(dǎo)熱絕緣板為陶瓷板，各導(dǎo)熱絕緣板的上下側(cè)面分別敷有外敷銅層和內(nèi)敷銅層，稱為敷銅陶瓷板(DBC板)。兩塊敷銅陶瓷板之間包括由導(dǎo)熱材料所形成的上、下、左、右四壁封閉，前、后兩端開□的腔體。腔體用作冷卻液體的流動通道，它包括肋片所形成的具有特殊結(jié)構(gòu)的肋片陣列，該肋片陣列在腔體中形成了由若干微小通道所組成的具有特殊結(jié)構(gòu)的通道陣列。兩塊敷銅陶瓷板的外敷銅層用于焊接構(gòu)成電力電子集成模塊所需的多個電子器件。但在布置這些電子器件時，要區(qū)別對待用于能量控制的電力電子器件和對電力電子器件進行驅(qū)動、保護、測量、控制的微電子器件，因為二者的功耗有本質(zhì)區(qū)別。電力電子器件功耗高，微電子器件功耗低。相對于電力電子器件，微電子器件的功耗幾乎可以忽略不計。因此在兩塊DBC板的外敷銅層上，沿流體流動方向集中布置電力電子器件，形成電力電子器件群；同時，將微電子器件布置在相應(yīng)電力電子器件的一側(cè)或兩側(cè)，形成微電子器件群。被集中布置在上DBC板和下DBC板上的兩電力電子器件群在垂直方向上幾何位置對稱；相應(yīng)的，被集中布置在上DBC板和下DBC板的微電子器件群在垂直方向上幾何位置也對稱。只在電力電子器件群所占區(qū)域布置液體冷卻通道，即腔體。如此，可在流體通道寬度相同的前提下，將流體通道長度縮小約50%。相應(yīng)的，通道的壓力損失也降低了約50%。微電子器件群之間的區(qū)域可利用導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料填充。流體直接冷卻高功耗的電力電子器件群，通過DBC的熱傳導(dǎo)作用間接冷卻低功耗的微電子器件群。本發(fā)明所述的能夠形成莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板的肋片陣列由設(shè)置在附圖I腔體內(nèi)的P行q列肋片組成，不妨假設(shè)流體入口處為第一行肋片，流體出口處為第P行肋片，靠近左壁肋片為第一列，靠近右壁肋片為第q列。任意單數(shù)行肋片結(jié)構(gòu)如附圖3、圖3a所示，上圖為任意單數(shù)行肋片的主視圖，下圖為部分單數(shù)行肋片的俯視圖(隱去雙數(shù)行)。雙數(shù)行肋片結(jié)構(gòu)如附圖4、圖4a所示，上圖為任意雙數(shù)行肋片的主視圖，下圖為部分雙數(shù)行肋片的俯視圖(隱去單數(shù)行)。顯然，如果設(shè)單數(shù)行肋片傾角為a/2，則雙數(shù)行肋片傾角為-a/2。一對單數(shù)行肋片、雙數(shù)行肋片合為一體后的主視圖，如附圖5所示。具有類似莫爾條紋效應(yīng)的微小通道由此形成，不妨稱其為莫爾通道。合理設(shè)計莫爾通道，可形成有利于傳熱的湍流。肋片所用材料為導(dǎo)熱材料，所有肋片在高度方向上皆盡可能“頂天立地”，亦即各肋片的兩端分別與腔體的上壁、下壁接觸并焊接為一體；沿流體流動方向，各行肋片之間留有縫隙，亦即各單數(shù)行肋片與其相鄰的雙數(shù)行肋片之間不接觸。莫爾通道沿流體流動方向由多段組成，相比在整個基板上布置長、直矩形結(jié)構(gòu)的微小通道，每個莫爾通道長度縮短至基板長度的1/P。將長通道分解多段短通道，阻塞問題得到較大緩解。同時，流體形成湍流， 也有利于緩解阻塞問題。而且，通過各行肋片之間的縫隙，形成四通八達的通道網(wǎng)，進一步緩解阻塞問題。由于肋片的傾斜，靠近左壁的第一列或靠近右壁的第q列，肋片頂部或許無法“頂天”，這無關(guān)大局，使其頂部最大可能的接近左壁或右壁、達到最高高度即可。a角度的大小，按在與流體流動方向相垂直的截面上，所形成的莫爾條紋上半部分與下半部分對稱、莫爾條紋的周期數(shù)為整數(shù)的原則確定。肋片陣列的構(gòu)成還可采用上下兩層肋片陣列、上下對稱、肋片中間部位設(shè)有縫隙的方式，與上壁相連接的上層肋片陣列和與下壁相連接的下層肋片陣列各有P行和q列，每個肋片的一端要么與上壁連接、要么與下壁連接，另一端懸空 且位于腔體高度方向的中間區(qū)域，各肋片懸空端不接觸，上層肋片與下層肋片在腔體中間部位存在一個縫隙；在上層肋片陣列和下層肋片陣列中，單數(shù)行或雙數(shù)行肋片左斜，傾角大小為a /2，相鄰的雙數(shù)行或單數(shù)行肋片右斜，傾角大小為a/2，相鄰兩行肋片的夾角為a ;各行、各列肋片之間留有縫隙，彼此之間不接觸，這些縫隙組成的微小通道共同形成莫爾通道。a角度的大小，按在與流體流動方向相垂直的截面上，所形成的莫爾條紋上半部分與下半部分對稱、上半部分莫爾條紋和下半部分莫爾條紋的周期數(shù)都為某整數(shù)加0. 5的原則確定。本發(fā)明的有益效果是相比長、直、窄的矩形微通道，換熱效率高，不易阻塞微通道。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為莫爾條紋示意圖；圖3為任意單數(shù)行肋片的主視圖；圖3a為部分單數(shù)行肋片的俯視圖(隱去雙數(shù)行)；圖4為任意雙數(shù)行肋片的主視圖；圖4a為部分雙數(shù)行肋片的俯視圖(隱去單數(shù)行)；圖5為一對單數(shù)行肋片、雙數(shù)行肋片合為一體后的主視圖；圖6為上肋片板正面視圖；圖6a為上肋片板俯視圖；圖6b為上肋片板側(cè)視圖；圖7為下肋片板正面視圖；圖7a為下肋片板俯視圖；圖7b為下肋片板側(cè)視圖。其中，I.電力電子器件群，2.微電子器件群，3.外敷銅層，4.導(dǎo)熱絕緣板，5.內(nèi)敷銅層，6.腔體，7.微小通道，8.肋片，9.填充區(qū)域。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例I :在本實施例中，液冷通道由左壁、右壁、上壁(附圖6)、下壁(附圖7)組成，上壁與上導(dǎo)熱絕緣板4的內(nèi)敷銅層5焊接為一體，下壁與下導(dǎo)熱絕緣板4的內(nèi)敷銅層5焊接為一體。在與該焊接面相對應(yīng)的導(dǎo)熱絕緣板4外敷銅層3上布置電力電子器件群1，相鄰區(qū)域布置微電子器件群2，區(qū)域9內(nèi)填充導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料。上、下壁上各有q列肋片8，與整個肋片陣列的肋片列數(shù)相同；上壁和下壁的肋片8行數(shù)分別為p/2，是整個肋片陣列總行數(shù)的50%且沿流向均勻布置；相鄰兩列肋片8間有縫隙S2、S2'，相鄰兩行肋片8之間也有縫隙，這些縫隙構(gòu)成了四通八達的流體通道。如以平行于肋片底面的平面為x_y平面，則同處于上壁或下壁的肋片8傾角相同，上、下壁上的肋片相對于x-y平面分別存在傾角a/2、-a/2，即上、下壁肋片傾角絕對值相同、方向相反；上、下壁及其所帶肋片8的幾何尺寸相同，亦即上壁和下壁長度、寬度相同，L = L'，N = N';肋片8厚度相同，S1 = S' 1；相鄰列肋片8縫隙相同，S2 = S' 2;肋片8長度相同，m = m';肋片8高度相同，h = h'；上、下壁肋片行距相同，n = n'，n略大于m;左壁、右壁、上壁、下壁合為一體，即構(gòu)成微通道液冷基板。上壁和下壁每個相鄰肋片行組成一個“成對肋片行”，相鄰兩行肋片夾角為a，形成莫爾條紋效應(yīng)；相鄰“成對肋片行”相對應(yīng)的肋片之間各列X方向坐標(biāo)可有所差異(但小于一個肋片、縫寬度之和)，導(dǎo)致相鄰“成對肋片行”形成的莫爾條紋具體位置也不相同，從而加劇湍流。實施例I的一種具體加工方法電火花線切割加工、電火花成形加工是利用工具電極和工件電極之間的脈沖性火花放電產(chǎn)生高溫、使工件材料熔化和汽化進行加工的，其優(yōu)勢在于加工中沒有宏觀作用力，且可加工高硬度的導(dǎo)電材料，加工尺度可小至30微米，加工精度高，表面粗糙度可達到微米級，它不需要三維掩模版。上述微小通道結(jié)構(gòu)設(shè)計可以采用微細(xì)電火花線切割方法進行加工，也可采用電火花成形方法進行加工。當(dāng)采用電火花成形方法加工時，首先用電火花線切割方法或其他加工方法制作工具電極，工具電極和加工目標(biāo)在幾何結(jié)構(gòu)上“凹凸互補”，即加工目標(biāo)上的“凸”對應(yīng)于工具電極上的“凹”，肋片板上的肋片對應(yīng)于工具電極上的縫隙，肋片板上的縫隙對應(yīng)于工具電極上的“肋片”，工具電極上的肋片相對其底面垂直。實際加工時，通過工件電極傾斜a /2，以便獲得肋片板上的斜肋片。上壁、下壁可各通過一次電火花成形獲得。按實施例I獲得的一個具體結(jié)構(gòu)為電力電子器件群I和微電子器件群2所占區(qū)域幾何尺寸皆為IOmmX 100mm,相應(yīng)的DBC板平面尺寸為20mmX 100mm ；DBC板覆銅層厚度0. 2mm,覆銅層焊料厚度0. Imm,導(dǎo)熱絕緣板4為AI2O3導(dǎo)熱絕緣層厚度為0. 4mm,上壁或下壁底面厚度為0. 3_，導(dǎo)熱絕緣板4的兩覆銅層與上壁或下壁焊接層厚度為0. 1_，微小通道高度為2. 8mm,寬度為10mm，占導(dǎo)熱絕緣板4的20mm寬度的一半，其另一半設(shè)置微電子器件群2。所形成的整個導(dǎo)熱絕緣板4外形尺寸為20mmX IOOmmX 5. 6mm。整個流體通道布置100行49列肋片，上、下壁各設(shè)置50行49列。上壁的肋片8左斜4. 7度，下壁的肋片8右斜4. 7度。各肋片8沿流體流動方向長度為0.9mm，厚度0. 1mm。上、下壁合成一體后，任意兩列肋片8之間的縫隙、任意兩行肋片8之間的縫隙，都是0. 1_，構(gòu)成莫爾通道網(wǎng)絡(luò)。肋片8高度以與上壁和下壁都接觸為原則，除邊緣列肋片外，皆為2. 8mm/cos0. 5 a。邊緣列肋片8以接觸左壁或右壁為原則。流體通道左壁、右壁厚度為0. 5_。
實施例I上述具體結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果為在電力電子器件群I區(qū)域上、下各900W均勻功耗，微電子器件群2區(qū)域上、下各IOW均勻功耗，冷卻流體流量0. 02L/s、入口溫度40 °C時，出口溫度為51. 2°C，電力電子器件群I平均體溫為125°C、最高體溫為134°C，微電子器件群2平均體溫63°C、最高體溫69°C，入口、出口壓差為36KPa。與實施例I上述具體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的矩形結(jié)構(gòu)肋片試驗結(jié)果為電力電子器件平均溫度為139°C、最高溫度為151°C，微電子器件平均體溫71.5°C、最高體溫80. 5°C，入口、出口壓差為22KPa。相比矩形肋片，實施例I上述具體結(jié)構(gòu)換熱效率有明顯增加，同時壓力損失也有所增加。而且，它較長、直、窄的矩形肋片更不易阻塞。實施例2 在本實施例中，液冷通道左壁、右壁、上壁、下壁構(gòu)成，上壁與上導(dǎo)熱絕緣板4的內(nèi)敷銅層5焊接為一體，下壁與下導(dǎo)熱絕緣板4的內(nèi)敷銅層5焊接為一體。與該焊接面相對的導(dǎo)熱絕緣板4上外敷銅層3布置電力電子器件群1，電力電子器件群I的相鄰區(qū)域布置微電子器件群2，微電子器件群所對應(yīng)的區(qū)域9內(nèi)填充導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料。上壁、下壁幾何結(jié)構(gòu)、參數(shù)都相同，肋片陣列為P行q列。肋片陣列每行都是由橫向均勻排列的肋片8、縫構(gòu)成。如以平行于肋片8底面的平面為x-y 平面，則無論上壁還是下壁，其單數(shù)行肋片、雙數(shù)行肋片相對于x-y平面分別存在傾角a/2、-a/2。上、下壁合為一體，肋片8高度以不發(fā)生沖突為原則確定，略小于整個腔體6高度的50%，即當(dāng)上、下壁相合時，配合左、右壁，形成具有入、出口的封閉流體通道，每行肋片8與其相鄰行構(gòu)成“成對肋片行”，相鄰兩行肋片8夾角為a，形成類似莫爾條紋效應(yīng)；相鄰兩個“成對肋片行”各肋片在列方向上的坐標(biāo)可有所差異(但小于一個肋、縫寬度之和)，導(dǎo)致它們形成的莫爾條紋具體位置也不相同，從而加劇湍流。實施例2的一種具體加工方法為首先用電火花線切割方法或其他加工方法制作工具電極，但工具電極僅與待加工肋片板單數(shù)行或雙數(shù)行“凹凸互補”，工具電極肋片的行數(shù)僅為肋片板肋片行數(shù)的50%。相應(yīng)的，工具電極的行距為肋片板行距的2倍，兩行肋片之間的材料被清除。而且，工具電極的肋片相對其底面垂直。實際進行電火花成形加工時，工件電極首先傾斜a/2，加工單數(shù)行肋片；單數(shù)行肋片加工完畢后，工件電極相對工具電極位移一個行距，同時工件電極由傾斜a /2改變?yōu)閮A斜- a /2，進行雙數(shù)行肋片的加工。通過兩次電火花成形過程，得到一塊帶有肋片的上壁或下壁，其單數(shù)行傾斜a /2、雙數(shù)行傾斜-a /2。按實施例2獲得的一個具體結(jié)構(gòu)為電力電子器件群I和微電子器件群2所占區(qū)域幾何尺寸皆為IOmmX 100mm,相應(yīng)的導(dǎo)熱絕緣板4平面尺寸為20mmX IOOmm ;導(dǎo)熱絕緣板4覆銅層厚度0. 2mm,覆銅層焊料厚度0. Imm,導(dǎo)熱絕緣板4為AI2O3導(dǎo)熱絕緣層厚度為0. 4mm,上壁或下壁底面厚度為0. 3mm,導(dǎo)熱絕緣板4內(nèi)覆銅層5與上壁或下壁焊接層厚度為0. 1mm，微小通道高度為2. 8mm,寬度為10臟，占導(dǎo)熱絕緣板4的20mm寬度的一側(cè)，其另一半設(shè)置微電子器件群2。所形成的整個導(dǎo)熱絕緣板4外形尺寸為20mmX IOOmmX5. 6mm。上、下壁各設(shè)置100行49列肋片。單數(shù)行肋片左斜4. 7度，雙數(shù)行肋片右斜4. 7度。各肋片沿流體流動方向長度為0. 9mm，厚度0. 1mm，無論是沿流體流動的長度方向還是垂直流體流動的厚度方向，各肋片與相鄰肋片之間都有0. Imm的縫隙，構(gòu)成微小流體通路。肋片高度以上、下板肋片不發(fā)生沖突為原則，除邊緣列肋片外，皆為2. 8mm/cos0. 5 a。邊緣列肋片以接觸左壁或右壁為原則。流體通道左壁、右壁厚度為0. 5_。實施例2上述具體結(jié)果試驗結(jié)果為在電力電子器件區(qū)域上、下各900W均勻功耗，微電子區(qū)域上、下各IOW均勻功耗，冷卻流體流量0. 02L/S、入口溫度40°C時，出口溫度為51. 2°C，電力電子器件平均體溫為123.5°C、最高體溫為133. 5°C，微電子器件平均體溫65. 5°C、最高體溫71. 5°C，入口、出口壓差為35KPa。與上述矩形肋片試驗件對比，本具體實施結(jié)構(gòu)換熱效率有明顯增加，同時壓力損失也有所增加。而且，它較長、直、窄的矩形肋片更不易阻塞。與實施例2上述具體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的矩形結(jié)構(gòu)肋片試驗結(jié)果為電力電子器件平均溫度為139°C、最高溫度為151°C，微電子器件平均體溫71.5°C、最高體溫80. 5°C，入口、出口壓差為22KPa。相比矩形肋片，實施例2上述具體結(jié)構(gòu)換熱效率有明顯增加，同時壓力損 失也有所增加。而且，它較長、直、窄的矩形肋片更不易阻塞。
權(quán)利要求
1.一種具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板，其特征是，它包括兩塊上下側(cè)面均敷銅的導(dǎo)熱絕緣板和被這兩塊導(dǎo)熱絕緣板夾在中間的液體冷卻通道以及導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料填充區(qū)域，其特征是，所述液體冷卻通道為一個腔體，在腔體內(nèi)設(shè)有形成莫爾條紋效應(yīng)的肋片陣列，將腔體的空間分割為多個莫爾通道，從而形成莫爾通道網(wǎng)絡(luò)；與所述液體冷卻通道對應(yīng)的導(dǎo)熱絕緣板區(qū)域集中布置電力電子器件群，與所述導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料填充區(qū)域?qū)?yīng)的導(dǎo)熱絕緣板區(qū)域布置微電子器件群。
2.如權(quán)利要求I所述的具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板，其特征是，所述肋片陣列以沿流體流動方向為行、以垂直于流體流動方向為列，共有P行和q列；除腔體左右兩側(cè)的肋片一端與上壁或下壁連接、另一端與腔體左壁或右壁接觸外，其余各肋片的兩端均與上壁和下壁連接；在肋片陣列中，單數(shù)行或雙數(shù)行肋片左斜，傾角大小為〃/2，相鄰的雙數(shù)行或單數(shù)行肋片右斜，傾角大小為〃/2，相鄰兩行肋片的夾角為a ；各行、各列肋片之間留有縫隙，彼此之間不接觸，這些縫隙組成的微小通道共同形成莫爾通道。
3.如權(quán)利要求I所述的具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板，其特征是，所述肋片陣列的構(gòu)成還采用上下兩層肋片陣列、上下對稱、肋片中間部位設(shè)有縫隙的方式，即與上壁相連接的上層肋片陣列和與下壁相連接的下層肋片陣列各有P行和q列，每個肋片的一端要么與上壁連接、要么與下壁連接，另一端懸空且位于腔體高度方向的中間區(qū)域，各肋片懸空端不接觸，上層肋片與下層肋片在腔體中間部位存在一個縫隙；在上層肋片陣列和下層肋片陣列中，單數(shù)行或雙數(shù)行肋片左斜，傾角大小為a /2，相鄰的雙數(shù)行或單數(shù)行肋片右斜，傾角大小為〃/2，相鄰兩行肋片的夾角為a ;各行、各列肋片之間留有縫隙，彼此之間不接觸，這些縫隙組成的微小通道共同形成莫爾通道網(wǎng)絡(luò)。
4.如權(quán)利要求I或2所述的具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板，其特征是，所述各肋片在流體流動方向的尺寸為肋長、以垂直兩塊導(dǎo)熱敷銅板方向的尺寸為肋高、以與肋高和肋長都垂直的方向為肋厚，則肋高大于肋長，肋長大于肋厚，肋高為肋厚的15至30倍，肋間距為肋厚的0. 6至I. 2倍。
5.如權(quán)利要求I或2所述的具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板，其特征是，所述夾角a大小按在與流體入口相平行的截面上，所形成的莫爾條紋上半部分與下半部分對稱、莫爾條紋周期總數(shù)為整數(shù)的原則確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有莫爾條紋效應(yīng)的電力電子集成模塊微小通道液冷基板，較長、直、窄的矩形微小通道，它換熱效率更高，且不易阻塞。它包括兩塊上下側(cè)面均敷銅的導(dǎo)熱絕緣板和被這兩塊導(dǎo)熱絕緣板夾在中間的液體冷卻通道及導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料填充區(qū)域，其特征是，所述液體冷卻通道為一個腔體，在腔體內(nèi)設(shè)置有能夠形成莫爾條紋效應(yīng)的肋片陣列，將腔體的空間分割為多個莫爾通道，從而形成莫爾通道網(wǎng)絡(luò)；與所述液體冷卻通道對應(yīng)的導(dǎo)熱絕緣板區(qū)域集中布置電力電子器件群，與所述導(dǎo)熱材料或非導(dǎo)熱材料填充區(qū)域?qū)?yīng)的導(dǎo)熱絕緣板區(qū)域布置微電子器件群。
文檔編號H01L23/473GK102655129SQ20121002669
公開日2012年9月5日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者張玉林, 李現(xiàn)明, 趙懷杰 申請人:山東大學(xué)