マイクロチャネルヒートシンクの低コスト製造
【課題】冷却装置を提供する。
【解決手段】本冷却装置１０は、外側平坦表面１８に接合された金属層２２を有するセラミック基板１６を含む。本冷却装置１０はまた、セラミック基板１６の反対側面に接合されたチャネル層２４と該チャネル層２４の外側表面２８に接合されたマニフォルド層２６とを含む。基板層１６、２２、２４、２６は、ろう付けのような高温処理法を用いて互いに接合されて単一の基板組立体１４を形成する。プレナムハウジング３０は、接着剤接合のような低温接合法により単一の基板組立体１４に接合され、また延長マニフォルド層入口及び出口ポート３２、３４を形成するように構成される。
【解決手段】本冷却装置１０は、外側平坦表面１８に接合された金属層２２を有するセラミック基板１６を含む。本冷却装置１０はまた、セラミック基板１６の反対側面に接合されたチャネル層２４と該チャネル層２４の外側表面２８に接合されたマニフォルド層２６とを含む。基板層１６、２２、２４、２６は、ろう付けのような高温処理法を用いて互いに接合されて単一の基板組立体１４を形成する。プレナムハウジング３０は、接着剤接合のような低温接合法により単一の基板組立体１４に接合され、また延長マニフォルド層入口及び出口ポート３２、３４を形成するように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には加熱表面を冷却するための装置に関し、より具体的には、半導体パワーデバイスのためのチャネル型冷却作用を備えたヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度パワーエレクトロニクスの発展により、半導体パワーデバイスを冷却することが益々困難になってきている。最大５００Ｗ／ｃｍ２までの熱放散が可能である最新のシリコンベースパワーデバイスの場合には、改善した熱管理解決法が必要とされる。デバイス温度が５０Ｋの上昇に限定されている場合には、自然及び強制空気冷却方式は、最大約１Ｗ／ｃｍ２までの熱流束を取扱うことができるのみである。従来の液体冷却プレートは、２０Ｗ／ｃｍ２のオーダの熱流束の取扱いを達成することができる。ヒートパイプ、衝突スプレイ及び液体沸騰は、より大きい熱流束の取扱いができるが、これらの方法は、製造を困難にしかつ高コストにする可能性がある。
【０００３】
高熱流束パワーデバイスの従来型の冷却において遭遇する付加的な問題は、加熱表面全体にわたる不均一な温度分布である。これは、不均一な冷却チャネル構造、並びに冷却流体が加熱表面と平行な長いチャネルを通って流れるにつれての該冷却流体の温度上昇に起因している。
【０００４】
高性能熱管理のための１つの有望な技術は、マイクロチャネル冷却である。１９８０年代には、このマイクロチャネル冷却は、最大１０００Ｗ／ｃｍ２までの熱流束と１００℃以下の表面温度上昇とを示す設計を備えたシリコン集積回路を冷却する有効な手段であると証明された。公知のマイクロチャネル設計は、冷却流体をマイクロチャネルに分配するためのマニフォルドを組込んだ金属複合材ヒートシンクに対して基板（最下銅層内にマイクロチャネルが加工された状態の）をはんだ付けすることを必要とする。さらに、これらの公知のマイクロチャネル設計は、作製するのが極めて複雑であり、従って製造コストが非常に高い極めて複雑な背面マイクロチャネル構造及びヒートシンクを用いている。
【特許文献１】米国特許第５，０５７，９０８号公報
【特許文献２】米国特許第５，５３３，２５６号公報
【特許文献３】米国特許第５，８９２，２７９号公報
【特許文献４】米国特許第７，０１９，９７５ Ｂ２号公報
【特許文献５】米国特許第７，１９０，５８０ Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０２１５３２５ Ａ１号公報
【特許文献７】米国特許第７，３５３，８５９ Ｂ２号公報
【特許文献８】米国特許第７，４２９，５０２ Ｂ２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の説明に鑑みて、組立てるのが比較的簡単であり、かつ基板冷却チャネルの作製に後続する処理作業において冷却チャネル機構を損なうことがないチャネル型ヒートシンク冷却構造を提供することが望ましいと言える。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔に述べると、１つの実施形態によると、本冷却装置は、基板組立体と、該基板組立体に接合されたプレナムハウジングとを含み、基板組立体は、第１の平坦表面及び該第１の平坦表面とほぼ平行な第２の平坦表面を備えたセラミック層と、第１の平坦表面に接合された金属層と、第２の平坦表面に接合されたチャネル層と、第２の平坦表面と反対側のチャネル層の表面に接合されたマニフォルド層とを含み、基板層は、互いに単一の単体構造基板として構成され、またプレナムハウジングは、マニフォルド層入口及び出口ポートを形成するように構成される。
【０００７】
別の実施形態によると、冷却装置を製造する方法は、第１のセラミック基板を準備するステップと、第１のセラミック基板の一側面に第１の金属層を接合するステップと、第１のセラミック基板の反対側面に第１のチャネル層の第１の側面を接合するステップと、第１のチャネル層の第１の側面と反対側の該第１のチャネル層の第２の側面に第１のマニフォルド層を接合するステップとを含み、第１のセラミック基板、第１の金属層、第１のチャネル層及び第１のマニフォルド層が互いに接合されて第１の基板組立体を形成するようにする。
【０００８】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を示している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの実施形態による、パワーデバイスを冷却するための装置の側面図。
【図２】１つの実施形態による、図１に示す最上銅層の平面図。
【図３】１つの実施形態による、基板上に堆積させた図１に示す最上銅層の平面図。
【図４】１つの実施形態による、図１に示すチャネル層の平面図。
【図５】１つの実施形態による、図１に示すマニフォルド層の平面図。
【図６】１つの実施形態による、図１に示すベースプレートの平面図。
【図７】１つの実施形態による、最上銅層、チャネル層及びマニフォルド層を含む単体構造基板組立体を示す図。
【図８】１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体で使用するのに適した単体構造ベースプレートを示す図。
【図９】１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体、図８に示す単体構造ベースプレート、及び少なくとも1つの半導体パワーデバイスを含む冷却モジュールを示す図。
【図１０】１つの実施形態による１対のタイル状の冷却モジュールを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付図面の図は、幾つかの別の実施形態を示しているが、以下の説明で指摘するように、本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、限定のためではなく説明のために、本発明の図示した実施形態を提示している。当業者は、多数のその他の変更形態及び実施形態を発案することができるが、それらは、本発明の原理の技術思想及び技術的範囲内に属する。
【００１１】
図１は、本発明の１つの実施形態による、少なくとも１つのパワーデバイス１２を冷却するためのヒートシンク組立体１０を側面図で示している。ヒートシンク組立体１０は、基板１４を含み、この基板１４は、第１の平坦表面１８及び該第１の平坦表面１８とほぼ平行な第２の平坦表面２０を有するセラミック層１６を含む。基板１４はさらに、第１の平坦表面１８に対して冶金学的に接合された金属層２２と、第２の平坦表面２０に対して冶金学的に接合されたチャネル層２４と、第２の平坦表面２０と反対側のチャネル層２４の表面２８に対して冶金学的に接合されたマニフォルド層２６とを含む。少なくとも１つの入口ポート３２及び少なくとも１つの出口ポート３４を備えたベースプレート／プレナムハウジング３０が、チャネル層表面２６と反対側のマニフォルド層２６の表面３６に接合され、また延長マニフォルド層入口及び出口ポートを形成するように構成される。
【００１２】
１つの実施形態によると、ヒートシンク組立体１０は、約０．３ｍｍの厚さを有する金属層２２と、約０．３ｍｍの厚さを有するチャネル層２４と、約０．３ｍｍの厚さを有するマニフォルド層２６とを含む。別の実施形態によると、ヒートシンク組立体１０は、約０．３ｍｍの厚さを有する金属層２２と、約０．１５ｍｍの厚さを有するチャネル層２４と、約０．１５ｍｍの厚さを有するマニフォルド層２６とを含む。さらに別の実施形態によると、ヒートシンク組立体１０は、約０．６ｍｍの厚さを有する金属層２２と、約０．３ｍｍの厚さを有するチャネル層２４と、約０．３ｍｍの厚さを有するマニフォルド層２６とを含む。
【００１３】
図５に示すマニフォルド層２６の平面図では、幾つかの入口マニフォルド３８及び幾つかの出口マニフォルド４０が形成されている。入口マニフォルド３８は、冷却媒体を受けるように構成され、また出口マニフォルド４０は、冷却媒体を排出するように構成される。１つの実施形態では、入口及び出口マニフォルド３８、４０は、図５に示すように交互配置される。
【００１４】
図４に示すチャネル層２４の平面図では、入口マニフォルド３８から冷却媒体を受けかつその冷却媒体を出口マニフォルド４０に送給するように構成された幾つかのチャネル４２を特徴としている。本発明の１つの態様によると、チャネル４２は、入口及び出口マニフォルド３８、４０に対してほぼ垂直に配向される。
【００１５】
引続き図１を参照すると、基板１４の外側表面４４は、少なくとも１つのパワーデバイス１２と熱接触状態になっている。ヒートシンク組立体１０はさらに、入口マニフォルド３８に冷却媒体３３を供給するように構成された入口プレナム３２と、出口マニフォルド４０から冷却媒体３３を排出するように構成された排出プレナム３４とを含む。
【００１６】
セラミック層１６は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で形成することができる。その他の同様なセラミック材料もまた、それらセラミック材料が最上金属層２２及びチャネル層２４に対して冶金学的に接合可能である限り用いることができる。
【００１７】
図２は、１つの実施形態による、図１に示す金属層２２の平面図である。金属層２２は、例えばセラミック層１６に接合された直接接合銅（ＤＢＣ）層又は活性金属ろう付け（ＡＭＢ）層とすることができる。
【００１８】
図３は、１つの実施形態による、セラミック層１６に接合された図１に示す最上銅層２２の平面図である。
【００１９】
図４は、１つの実施形態による、複数のチャネル４２を例示している図１に示すチャネル層２４の平面図である。チャネル層２４は、マイクロチャネル寸法からミリチャネル寸法までを網羅するチャネル形状寸法を含むことができる。本発明の幾つかの態様によると、チャネル４２は、例えば約０．０５ｍｍ〜約５．０ｍｍの形状寸法を有することができる。例示的なチャネル４２の構成は、基板１４に沿って延びる連続マイクロチャネルで形成することができる。別の実施形態によると、チャネル４２は、幅が約０．１ｍｍであり、約０．２ｍｍの幾つかのギャップによって分離される。さらに別の実施形態によると、チャネル４２は、幅が約０．３ｍｍであり、約０．５ｍｍの幾つかのギャップによって分離される。さらに別の実施形態によると、チャネル４２は、幅が約０．６ｍｍであり、約０．８ｍｍの幾つかのギャップによって分離される。
【００２０】
図５は、１つの実施形態による、図１に示すマニフォルド層２６の平面図である。マニフォルド３８、４０は、本発明の１つの態様による図４に示すチャネル４２に対して垂直に延びるように構成される。
【００２１】
図６は、１つの実施形態による、図１に示すベースプレート３０の平面図である。特定の実施形態によると、ベースプレート／プレナムハウジング３０は、鋳造可能な金属並びに／或いは例えば注型可能なプラスチック、セラミック、機械加工可能なセラミック又は機械加工可能なガラスセラミック構造を含む。本明細書に記載した実施形態は、特定のベースプレート／ハウジング材料に限定されるものではない。ベースプレート３０は、本発明の１つの態様によると、接着剤接合によりマニフォルド層２６に接合される。
【００２２】
図７は、１つの実施形態による、最上金属層２２、セラミック層１６、チャネル層２４、及びマニフォルド層２６を含む単体構造基板組立体１４を示している。特定の実施形態によると、基板１４は、金属層２２に実施するための直接接合銅（ＤＢＣ）構造又は活性金属ろう付け（ＡＭＢ）構造を含む。ＤＢＣ及びＡＭＢは、セラミック基板に対して銅層を直接接合する方法を指している。例示的なセラミック材料には、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が含まれる。ＤＢＣ及びＡＭＢの両方とも、基板１４には使い勝手の良い構造であり、セラミック層１６の両面における同一の熱伝導性材料（このケースでは、銅）の使用により、熱的及び機械的安定性が得られる。言うまでもなく、基板１４は、金又は銀のようなその他の材料で製作することもできる。有利なことに、基板１４は、接合法、拡散接合法、又はクランピングのような圧着法を含む多数のソルダレス法のいずれか１つを使用して、図８に示すベースプレート／ハウジング３０に取付けることができる。このことは、組立工程を単純化して、ヒートシンク装置１０の全コストを低下させる。さらに、基板１４をベースプレート／ハウジング３０に取付けることによって、図１に示すパワーデバイス１２の表面下に流体通路が形成されて、チャネル冷却法の実用的かつコスト効果のある実施が可能になる。
【００２３】
引続き図７を参照すると、最上金属層２２、セラミック層１６、チャネル層２４及びマニフォルド層２６を含む基板組立体１４は、本発明の１つの態様によると、一般的にはんだ付け法に伴って生じるチャネル層のチャネル４２への汚染又は損傷を回避する高温ろう付け法を使用することによって実施される。さらに、基板層１６、２２、２４、２６の材料及び厚さは、加熱及び冷却処理工程時における層間の望ましくない相互作用を防止するように厳密に制御することができる。このようにして、チャネル層２４に関連する微細形状は、製造工程時における損傷から保護することができ、また基板組立体１４の形状は、高度な確実性をもって形成することができる。
【００２４】
図８は、１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体１４で使用するのに適した単体構造ベースプレート３０を示している。ベースプレート３０は、１つの実施形態によると、マニフォルド層２６と関連するマニフォルド通路３８、４０に酷似した流体通路を含む。ベースプレート／ハウジング３０はさらに、少なくとも１つの入口ポート３２と少なくとも１つの出口ポート３４とを含み、また上述したようにチャネル層表面２８と反対側のマニフォルド層２６の表面３６に接合されて延長マニフォルド層２６の入口及び出口ポートを形成する。ベースプレート３０は、冷却流体を移送する手段を構成することを必要とするだけであるので、ベースプレート３０は、熱伝達の手段を構成するのに適した金属で製作する必要はない。代わりに、実際の熱伝達プロセスは、基板層間の冶金学的接合により達成される。
【００２５】
本発明の１つの態様によると、基板組立体１４のための所望の高レベルの冷却能力を得るために、マニフォルド通路３８、４０は、その断面がチャネル４２に関連する断面よりも大きくなっている。組立体１０を冷却するのに、多くの冷却媒体を用いることができるものであって、本明細書における実施形態は、特定の冷却媒体３３に限定されるものではない。例示的な冷却媒体３３には、水、エチレングリコール、オイル、航空機燃料及びそれらの組合せが含まれる。特定の実施形態によると、冷却媒体３３は、単相液体である。作動中には、冷却媒体３３は、ベースプレート入口ポート３２を介してマニフォルド３８に流入しかつチャネル４２を通って流れた後に、ベースプレート出口ポート３４を介して出口マニフォルド４０を通って戻る。
【００２６】
図１に示すように、１つの実施形態によると、パワーデバイス１２の加熱表面から冷却媒体を隔離するために、チャネル４２は、チャネル層２４を貫通しては延びていない。より具体的には、セラミック層１６は、基板１４上のパワーデバイス１２と冷却媒体３３との間の絶縁バリヤとして作用する。
【００２７】
図９は、１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体１４、図８に示す単体構造ベースプレート３０、及び少なくとも１つの半導体パワーデバイス５２を含む冷却モジュール５０を示している。入口ポート３２及び出口ポート３４は各々、複数の冷却モジュール５０が互いにタイル状になって、図１０の１つの実施形態に示すようになることができるように構成される。得られたタイル状の冷却装置６０は、複数の半導体パワーデバイス５２、５４を冷却するのに適している。外側表面４４の各々は、半導体パワーデバイス５２、５４のそれぞれ１つと熱接触状態になっている。このようにして、幾つかのより小さな基板１４の使用により、熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合による応力を減少させる。
【００２８】
説明を要約すると、図１〜図１０を参照しながらチャネル型冷却組立体の実施形態及びそれらの実施形態を製造する方法について説明してきた。これらの実施形態は、一般的にはんだ付け法に伴って生じるチャネル４２への汚染又は損傷を回避する高温ろう付け法を使用している。さらに、基板層１６、２２、２４、２６の材料及び厚さは、加熱及び冷却処理工程時における層間の望ましくない相互作用を防止するように厳密に制御することができる。このようにして、対応するチャネル層２４に関連する微細形状は、製造工程時における損傷から保護することができ、また基板組立体１４の形状は、高度な確実性をもって形成することができる。
【００２９】
基板組立体１４は、部分組立工程時に、セラミック層１６と、セラミック層１６に対して冶金学的に接合された金属層２２と、セラミック層１６に対して冶金学的に接合されたチャネル層２４と、チャネル層２４の表面に対して冶金学的に接合されたマニフォルド層２６とを含む単一の単体構造装置として製作される。少なくとも１つの入口ポート３２及び少なくとも１つの出口ポート３４を備えた個別のベースプレート／ハウジング３０は、基板構造体の部分組立工程に続く最終組立工程時に、基板構造体の表面３６に接合され、また延長マニフォルド層入口及び出口ポートを形成するように構成される。
【００３０】
最終組立段階時に単体構造基板組立体１４と単体構造ベースプレート３０とを組み合せることは、上述したように、一般的にはんだ付け法に伴って生じるチャネル４２への汚染又は損傷を回避する利点を有する。ベースプレート３０は、冷却流体の流れ手段として機能するだけでありかつヒートシンク装置としての役割はないので、ベースプレート３０は、はんだを使用せずに該ベースプレート３０を基板構造体１４に接合するのに適したプラスチック又はその他の非金属化合物で形成することができる。
【００３１】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとしていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３２】
１０ ヒートシンク組立体
１２ パワーデバイス
１４ 基板
１６ セラミック層
１８ 第１の平坦表面
２０ 第２の平坦表面
２２ 金属層
２４ チャネル層
２６ マニフォルド層
２８ チャネル層表面
３０ ベースプレート
３２ 入口ポート
３３ 冷却媒体
３４ 出口ポート
３６ マニフォルド層表面
３８ 入口マニフォルド
４０ 出口マニフォルド
４２ チャネル
４４ タイル状の冷却装置の外側表面
５０ 冷却モジュール
５２ 半導体パワーデバイス
５４ 半導体パワーデバイス
６０ タイル状の冷却装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には加熱表面を冷却するための装置に関し、より具体的には、半導体パワーデバイスのためのチャネル型冷却作用を備えたヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度パワーエレクトロニクスの発展により、半導体パワーデバイスを冷却することが益々困難になってきている。最大５００Ｗ／ｃｍ２までの熱放散が可能である最新のシリコンベースパワーデバイスの場合には、改善した熱管理解決法が必要とされる。デバイス温度が５０Ｋの上昇に限定されている場合には、自然及び強制空気冷却方式は、最大約１Ｗ／ｃｍ２までの熱流束を取扱うことができるのみである。従来の液体冷却プレートは、２０Ｗ／ｃｍ２のオーダの熱流束の取扱いを達成することができる。ヒートパイプ、衝突スプレイ及び液体沸騰は、より大きい熱流束の取扱いができるが、これらの方法は、製造を困難にしかつ高コストにする可能性がある。
【０００３】
高熱流束パワーデバイスの従来型の冷却において遭遇する付加的な問題は、加熱表面全体にわたる不均一な温度分布である。これは、不均一な冷却チャネル構造、並びに冷却流体が加熱表面と平行な長いチャネルを通って流れるにつれての該冷却流体の温度上昇に起因している。
【０００４】
高性能熱管理のための１つの有望な技術は、マイクロチャネル冷却である。１９８０年代には、このマイクロチャネル冷却は、最大１０００Ｗ／ｃｍ２までの熱流束と１００℃以下の表面温度上昇とを示す設計を備えたシリコン集積回路を冷却する有効な手段であると証明された。公知のマイクロチャネル設計は、冷却流体をマイクロチャネルに分配するためのマニフォルドを組込んだ金属複合材ヒートシンクに対して基板（最下銅層内にマイクロチャネルが加工された状態の）をはんだ付けすることを必要とする。さらに、これらの公知のマイクロチャネル設計は、作製するのが極めて複雑であり、従って製造コストが非常に高い極めて複雑な背面マイクロチャネル構造及びヒートシンクを用いている。
【特許文献１】米国特許第５，０５７，９０８号公報
【特許文献２】米国特許第５，５３３，２５６号公報
【特許文献３】米国特許第５，８９２，２７９号公報
【特許文献４】米国特許第７，０１９，９７５ Ｂ２号公報
【特許文献５】米国特許第７，１９０，５８０ Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０２１５３２５ Ａ１号公報
【特許文献７】米国特許第７，３５３，８５９ Ｂ２号公報
【特許文献８】米国特許第７，４２９，５０２ Ｂ２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の説明に鑑みて、組立てるのが比較的簡単であり、かつ基板冷却チャネルの作製に後続する処理作業において冷却チャネル機構を損なうことがないチャネル型ヒートシンク冷却構造を提供することが望ましいと言える。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔に述べると、１つの実施形態によると、本冷却装置は、基板組立体と、該基板組立体に接合されたプレナムハウジングとを含み、基板組立体は、第１の平坦表面及び該第１の平坦表面とほぼ平行な第２の平坦表面を備えたセラミック層と、第１の平坦表面に接合された金属層と、第２の平坦表面に接合されたチャネル層と、第２の平坦表面と反対側のチャネル層の表面に接合されたマニフォルド層とを含み、基板層は、互いに単一の単体構造基板として構成され、またプレナムハウジングは、マニフォルド層入口及び出口ポートを形成するように構成される。
【０００７】
別の実施形態によると、冷却装置を製造する方法は、第１のセラミック基板を準備するステップと、第１のセラミック基板の一側面に第１の金属層を接合するステップと、第１のセラミック基板の反対側面に第１のチャネル層の第１の側面を接合するステップと、第１のチャネル層の第１の側面と反対側の該第１のチャネル層の第２の側面に第１のマニフォルド層を接合するステップとを含み、第１のセラミック基板、第１の金属層、第１のチャネル層及び第１のマニフォルド層が互いに接合されて第１の基板組立体を形成するようにする。
【０００８】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を示している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの実施形態による、パワーデバイスを冷却するための装置の側面図。
【図２】１つの実施形態による、図１に示す最上銅層の平面図。
【図３】１つの実施形態による、基板上に堆積させた図１に示す最上銅層の平面図。
【図４】１つの実施形態による、図１に示すチャネル層の平面図。
【図５】１つの実施形態による、図１に示すマニフォルド層の平面図。
【図６】１つの実施形態による、図１に示すベースプレートの平面図。
【図７】１つの実施形態による、最上銅層、チャネル層及びマニフォルド層を含む単体構造基板組立体を示す図。
【図８】１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体で使用するのに適した単体構造ベースプレートを示す図。
【図９】１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体、図８に示す単体構造ベースプレート、及び少なくとも1つの半導体パワーデバイスを含む冷却モジュールを示す図。
【図１０】１つの実施形態による１対のタイル状の冷却モジュールを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付図面の図は、幾つかの別の実施形態を示しているが、以下の説明で指摘するように、本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、限定のためではなく説明のために、本発明の図示した実施形態を提示している。当業者は、多数のその他の変更形態及び実施形態を発案することができるが、それらは、本発明の原理の技術思想及び技術的範囲内に属する。
【００１１】
図１は、本発明の１つの実施形態による、少なくとも１つのパワーデバイス１２を冷却するためのヒートシンク組立体１０を側面図で示している。ヒートシンク組立体１０は、基板１４を含み、この基板１４は、第１の平坦表面１８及び該第１の平坦表面１８とほぼ平行な第２の平坦表面２０を有するセラミック層１６を含む。基板１４はさらに、第１の平坦表面１８に対して冶金学的に接合された金属層２２と、第２の平坦表面２０に対して冶金学的に接合されたチャネル層２４と、第２の平坦表面２０と反対側のチャネル層２４の表面２８に対して冶金学的に接合されたマニフォルド層２６とを含む。少なくとも１つの入口ポート３２及び少なくとも１つの出口ポート３４を備えたベースプレート／プレナムハウジング３０が、チャネル層表面２６と反対側のマニフォルド層２６の表面３６に接合され、また延長マニフォルド層入口及び出口ポートを形成するように構成される。
【００１２】
１つの実施形態によると、ヒートシンク組立体１０は、約０．３ｍｍの厚さを有する金属層２２と、約０．３ｍｍの厚さを有するチャネル層２４と、約０．３ｍｍの厚さを有するマニフォルド層２６とを含む。別の実施形態によると、ヒートシンク組立体１０は、約０．３ｍｍの厚さを有する金属層２２と、約０．１５ｍｍの厚さを有するチャネル層２４と、約０．１５ｍｍの厚さを有するマニフォルド層２６とを含む。さらに別の実施形態によると、ヒートシンク組立体１０は、約０．６ｍｍの厚さを有する金属層２２と、約０．３ｍｍの厚さを有するチャネル層２４と、約０．３ｍｍの厚さを有するマニフォルド層２６とを含む。
【００１３】
図５に示すマニフォルド層２６の平面図では、幾つかの入口マニフォルド３８及び幾つかの出口マニフォルド４０が形成されている。入口マニフォルド３８は、冷却媒体を受けるように構成され、また出口マニフォルド４０は、冷却媒体を排出するように構成される。１つの実施形態では、入口及び出口マニフォルド３８、４０は、図５に示すように交互配置される。
【００１４】
図４に示すチャネル層２４の平面図では、入口マニフォルド３８から冷却媒体を受けかつその冷却媒体を出口マニフォルド４０に送給するように構成された幾つかのチャネル４２を特徴としている。本発明の１つの態様によると、チャネル４２は、入口及び出口マニフォルド３８、４０に対してほぼ垂直に配向される。
【００１５】
引続き図１を参照すると、基板１４の外側表面４４は、少なくとも１つのパワーデバイス１２と熱接触状態になっている。ヒートシンク組立体１０はさらに、入口マニフォルド３８に冷却媒体３３を供給するように構成された入口プレナム３２と、出口マニフォルド４０から冷却媒体３３を排出するように構成された排出プレナム３４とを含む。
【００１６】
セラミック層１６は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で形成することができる。その他の同様なセラミック材料もまた、それらセラミック材料が最上金属層２２及びチャネル層２４に対して冶金学的に接合可能である限り用いることができる。
【００１７】
図２は、１つの実施形態による、図１に示す金属層２２の平面図である。金属層２２は、例えばセラミック層１６に接合された直接接合銅（ＤＢＣ）層又は活性金属ろう付け（ＡＭＢ）層とすることができる。
【００１８】
図３は、１つの実施形態による、セラミック層１６に接合された図１に示す最上銅層２２の平面図である。
【００１９】
図４は、１つの実施形態による、複数のチャネル４２を例示している図１に示すチャネル層２４の平面図である。チャネル層２４は、マイクロチャネル寸法からミリチャネル寸法までを網羅するチャネル形状寸法を含むことができる。本発明の幾つかの態様によると、チャネル４２は、例えば約０．０５ｍｍ〜約５．０ｍｍの形状寸法を有することができる。例示的なチャネル４２の構成は、基板１４に沿って延びる連続マイクロチャネルで形成することができる。別の実施形態によると、チャネル４２は、幅が約０．１ｍｍであり、約０．２ｍｍの幾つかのギャップによって分離される。さらに別の実施形態によると、チャネル４２は、幅が約０．３ｍｍであり、約０．５ｍｍの幾つかのギャップによって分離される。さらに別の実施形態によると、チャネル４２は、幅が約０．６ｍｍであり、約０．８ｍｍの幾つかのギャップによって分離される。
【００２０】
図５は、１つの実施形態による、図１に示すマニフォルド層２６の平面図である。マニフォルド３８、４０は、本発明の１つの態様による図４に示すチャネル４２に対して垂直に延びるように構成される。
【００２１】
図６は、１つの実施形態による、図１に示すベースプレート３０の平面図である。特定の実施形態によると、ベースプレート／プレナムハウジング３０は、鋳造可能な金属並びに／或いは例えば注型可能なプラスチック、セラミック、機械加工可能なセラミック又は機械加工可能なガラスセラミック構造を含む。本明細書に記載した実施形態は、特定のベースプレート／ハウジング材料に限定されるものではない。ベースプレート３０は、本発明の１つの態様によると、接着剤接合によりマニフォルド層２６に接合される。
【００２２】
図７は、１つの実施形態による、最上金属層２２、セラミック層１６、チャネル層２４、及びマニフォルド層２６を含む単体構造基板組立体１４を示している。特定の実施形態によると、基板１４は、金属層２２に実施するための直接接合銅（ＤＢＣ）構造又は活性金属ろう付け（ＡＭＢ）構造を含む。ＤＢＣ及びＡＭＢは、セラミック基板に対して銅層を直接接合する方法を指している。例示的なセラミック材料には、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が含まれる。ＤＢＣ及びＡＭＢの両方とも、基板１４には使い勝手の良い構造であり、セラミック層１６の両面における同一の熱伝導性材料（このケースでは、銅）の使用により、熱的及び機械的安定性が得られる。言うまでもなく、基板１４は、金又は銀のようなその他の材料で製作することもできる。有利なことに、基板１４は、接合法、拡散接合法、又はクランピングのような圧着法を含む多数のソルダレス法のいずれか１つを使用して、図８に示すベースプレート／ハウジング３０に取付けることができる。このことは、組立工程を単純化して、ヒートシンク装置１０の全コストを低下させる。さらに、基板１４をベースプレート／ハウジング３０に取付けることによって、図１に示すパワーデバイス１２の表面下に流体通路が形成されて、チャネル冷却法の実用的かつコスト効果のある実施が可能になる。
【００２３】
引続き図７を参照すると、最上金属層２２、セラミック層１６、チャネル層２４及びマニフォルド層２６を含む基板組立体１４は、本発明の１つの態様によると、一般的にはんだ付け法に伴って生じるチャネル層のチャネル４２への汚染又は損傷を回避する高温ろう付け法を使用することによって実施される。さらに、基板層１６、２２、２４、２６の材料及び厚さは、加熱及び冷却処理工程時における層間の望ましくない相互作用を防止するように厳密に制御することができる。このようにして、チャネル層２４に関連する微細形状は、製造工程時における損傷から保護することができ、また基板組立体１４の形状は、高度な確実性をもって形成することができる。
【００２４】
図８は、１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体１４で使用するのに適した単体構造ベースプレート３０を示している。ベースプレート３０は、１つの実施形態によると、マニフォルド層２６と関連するマニフォルド通路３８、４０に酷似した流体通路を含む。ベースプレート／ハウジング３０はさらに、少なくとも１つの入口ポート３２と少なくとも１つの出口ポート３４とを含み、また上述したようにチャネル層表面２８と反対側のマニフォルド層２６の表面３６に接合されて延長マニフォルド層２６の入口及び出口ポートを形成する。ベースプレート３０は、冷却流体を移送する手段を構成することを必要とするだけであるので、ベースプレート３０は、熱伝達の手段を構成するのに適した金属で製作する必要はない。代わりに、実際の熱伝達プロセスは、基板層間の冶金学的接合により達成される。
【００２５】
本発明の１つの態様によると、基板組立体１４のための所望の高レベルの冷却能力を得るために、マニフォルド通路３８、４０は、その断面がチャネル４２に関連する断面よりも大きくなっている。組立体１０を冷却するのに、多くの冷却媒体を用いることができるものであって、本明細書における実施形態は、特定の冷却媒体３３に限定されるものではない。例示的な冷却媒体３３には、水、エチレングリコール、オイル、航空機燃料及びそれらの組合せが含まれる。特定の実施形態によると、冷却媒体３３は、単相液体である。作動中には、冷却媒体３３は、ベースプレート入口ポート３２を介してマニフォルド３８に流入しかつチャネル４２を通って流れた後に、ベースプレート出口ポート３４を介して出口マニフォルド４０を通って戻る。
【００２６】
図１に示すように、１つの実施形態によると、パワーデバイス１２の加熱表面から冷却媒体を隔離するために、チャネル４２は、チャネル層２４を貫通しては延びていない。より具体的には、セラミック層１６は、基板１４上のパワーデバイス１２と冷却媒体３３との間の絶縁バリヤとして作用する。
【００２７】
図９は、１つの実施形態による、図７に示す単体構造基板組立体１４、図８に示す単体構造ベースプレート３０、及び少なくとも１つの半導体パワーデバイス５２を含む冷却モジュール５０を示している。入口ポート３２及び出口ポート３４は各々、複数の冷却モジュール５０が互いにタイル状になって、図１０の１つの実施形態に示すようになることができるように構成される。得られたタイル状の冷却装置６０は、複数の半導体パワーデバイス５２、５４を冷却するのに適している。外側表面４４の各々は、半導体パワーデバイス５２、５４のそれぞれ１つと熱接触状態になっている。このようにして、幾つかのより小さな基板１４の使用により、熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合による応力を減少させる。
【００２８】
説明を要約すると、図１〜図１０を参照しながらチャネル型冷却組立体の実施形態及びそれらの実施形態を製造する方法について説明してきた。これらの実施形態は、一般的にはんだ付け法に伴って生じるチャネル４２への汚染又は損傷を回避する高温ろう付け法を使用している。さらに、基板層１６、２２、２４、２６の材料及び厚さは、加熱及び冷却処理工程時における層間の望ましくない相互作用を防止するように厳密に制御することができる。このようにして、対応するチャネル層２４に関連する微細形状は、製造工程時における損傷から保護することができ、また基板組立体１４の形状は、高度な確実性をもって形成することができる。
【００２９】
基板組立体１４は、部分組立工程時に、セラミック層１６と、セラミック層１６に対して冶金学的に接合された金属層２２と、セラミック層１６に対して冶金学的に接合されたチャネル層２４と、チャネル層２４の表面に対して冶金学的に接合されたマニフォルド層２６とを含む単一の単体構造装置として製作される。少なくとも１つの入口ポート３２及び少なくとも１つの出口ポート３４を備えた個別のベースプレート／ハウジング３０は、基板構造体の部分組立工程に続く最終組立工程時に、基板構造体の表面３６に接合され、また延長マニフォルド層入口及び出口ポートを形成するように構成される。
【００３０】
最終組立段階時に単体構造基板組立体１４と単体構造ベースプレート３０とを組み合せることは、上述したように、一般的にはんだ付け法に伴って生じるチャネル４２への汚染又は損傷を回避する利点を有する。ベースプレート３０は、冷却流体の流れ手段として機能するだけでありかつヒートシンク装置としての役割はないので、ベースプレート３０は、はんだを使用せずに該ベースプレート３０を基板構造体１４に接合するのに適したプラスチック又はその他の非金属化合物で形成することができる。
【００３１】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとしていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３２】
１０ ヒートシンク組立体
１２ パワーデバイス
１４ 基板
１６ セラミック層
１８ 第１の平坦表面
２０ 第２の平坦表面
２２ 金属層
２４ チャネル層
２６ マニフォルド層
２８ チャネル層表面
３０ ベースプレート
３２ 入口ポート
３３ 冷却媒体
３４ 出口ポート
３６ マニフォルド層表面
３８ 入口マニフォルド
４０ 出口マニフォルド
４２ チャネル
４４ タイル状の冷却装置の外側表面
５０ 冷却モジュール
５２ 半導体パワーデバイス
５４ 半導体パワーデバイス
６０ タイル状の冷却装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板組立体（１４）と、
前記基板組立体（１４）に接合されたプレナムハウジング（３０）と、
を含み、前記基板組立体（１４）が、
第１の平坦表面（１８）及び該第１の平坦表面（１８）とほぼ平行な第２の平坦表面（２０）を備えたセラミック層（１６）と、
前記第１の平坦表面（１８）に接合された金属層（２２）と、
前記第２の平坦表面（２０）に接合されたチャネル層（２４）と、
前記第２の平坦表面（２０）と反対側の前記チャネル層（２４）の表面（２８）に接合されたマニフォルド層（２６）と、を含み、
前記基板層が、互いに単一の単体構造基板（１４）として構成され、
前記プレナムハウジング（３０）が、マニフォルド層入口及び出口ポート（３２、３４）を形成するように構成される、
冷却装置（１０）。
【請求項２】
前記マニフォルド層（２６）が、複数の入口マニフォルドと複数の出口マニフォルドとを含み、
前記複数の入口マニフォルドが、冷却媒体（３３）を受けるように構成されかつ前記複数の出口マニフォルドが、前記冷却媒体（３３）を排出するように構成され、さらに、
前記複数の入口及び出口マニフォルドが、交互配置されかつ前記第１及び第２の平坦表面（１８、２０）とほぼ平行に配向される、
請求項１記載の冷却装置（１０）。
【請求項３】
前記プレナムハウジング（３０）が、注型可能又は鋳造可能な材料を含む、請求項１または２記載の冷却装置（１０）。
【請求項４】
前記基板層（１６、２２、２４、２６）が、約９８０℃〜約１０００℃の高温接合法により互いに接合される、請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項５】
前記基板層（１６、２２、２４、２６）が、その各々が約９８０℃〜約１０００℃の高温接合時に前記基板の構造劣化を防止するように構成された対応する厚さ及び熱膨張係数を有する熱伝導性材料を含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項６】
前記最上金属層（２２）が、直接接合銅又は活性金属ろう付け構造を含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項７】
前記プレナムハウジング（３０）と前記基板組立体（１４）との間の接合が、ソルダレス接合である、請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項８】
前記セラミック層（１６）が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から選ばれる、請求項１乃至４のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項９】
前記セラミック層（１６）に接合された前記金属層表面（１８）と反対側の前記金属層（２２）の外側表面（４４）に接合された少なくとも1つの半導体パワーデバイス（１２）をさらに含む、請求項１乃至８のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項１０】
前記基板組立体（１４）及びプレナムハウジング（３０）が共に、少なくとも１つの他の同様な基板組立体及び１つの他の同様なプレナムハウジングと互いに結合されてタイル状の冷却装置構造体（６０）を形成するように構成される、請求項１乃至９のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項１】
基板組立体（１４）と、
前記基板組立体（１４）に接合されたプレナムハウジング（３０）と、
を含み、前記基板組立体（１４）が、
第１の平坦表面（１８）及び該第１の平坦表面（１８）とほぼ平行な第２の平坦表面（２０）を備えたセラミック層（１６）と、
前記第１の平坦表面（１８）に接合された金属層（２２）と、
前記第２の平坦表面（２０）に接合されたチャネル層（２４）と、
前記第２の平坦表面（２０）と反対側の前記チャネル層（２４）の表面（２８）に接合されたマニフォルド層（２６）と、を含み、
前記基板層が、互いに単一の単体構造基板（１４）として構成され、
前記プレナムハウジング（３０）が、マニフォルド層入口及び出口ポート（３２、３４）を形成するように構成される、
冷却装置（１０）。
【請求項２】
前記マニフォルド層（２６）が、複数の入口マニフォルドと複数の出口マニフォルドとを含み、
前記複数の入口マニフォルドが、冷却媒体（３３）を受けるように構成されかつ前記複数の出口マニフォルドが、前記冷却媒体（３３）を排出するように構成され、さらに、
前記複数の入口及び出口マニフォルドが、交互配置されかつ前記第１及び第２の平坦表面（１８、２０）とほぼ平行に配向される、
請求項１記載の冷却装置（１０）。
【請求項３】
前記プレナムハウジング（３０）が、注型可能又は鋳造可能な材料を含む、請求項１または２記載の冷却装置（１０）。
【請求項４】
前記基板層（１６、２２、２４、２６）が、約９８０℃〜約１０００℃の高温接合法により互いに接合される、請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項５】
前記基板層（１６、２２、２４、２６）が、その各々が約９８０℃〜約１０００℃の高温接合時に前記基板の構造劣化を防止するように構成された対応する厚さ及び熱膨張係数を有する熱伝導性材料を含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項６】
前記最上金属層（２２）が、直接接合銅又は活性金属ろう付け構造を含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項７】
前記プレナムハウジング（３０）と前記基板組立体（１４）との間の接合が、ソルダレス接合である、請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項８】
前記セラミック層（１６）が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から選ばれる、請求項１乃至４のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項９】
前記セラミック層（１６）に接合された前記金属層表面（１８）と反対側の前記金属層（２２）の外側表面（４４）に接合された少なくとも1つの半導体パワーデバイス（１２）をさらに含む、請求項１乃至８のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【請求項１０】
前記基板組立体（１４）及びプレナムハウジング（３０）が共に、少なくとも１つの他の同様な基板組立体及び１つの他の同様なプレナムハウジングと互いに結合されてタイル状の冷却装置構造体（６０）を形成するように構成される、請求項１乃至９のいずれか１項記載の冷却装置（１０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１４７４７８（Ｐ２０１０−１４７４７８Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７０５６（Ｐ２００９−２８７０５６）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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