JP2008522406A - マイクロチャネル冷却を備えた、パワーデバイスのためのヒートシンク（関連出願への相互参照）本出願は、本出願と同時に出願したＧＥドケット番号第１５５９４１号に対応するＳｔｅｖａｎｏｖｉｃ他の「パワーモジュール、位相レッグ及び三相インバータ」という名称の本出願と同一出願人の係属中の米国特許出願と関連しており、この特許出願はその全体を参考文献として本明細書に組み入れている。 - Google Patents

マイクロチャネル冷却を備えた、パワーデバイスのためのヒートシンク（関連出願への相互参照）本出願は、本出願と同時に出願したＧＥドケット番号第１５５９４１号に対応するＳｔｅｖａｎｏｖｉｃ他の「パワーモジュール、位相レッグ及び三相インバータ」という名称の本出願と同一出願人の係属中の米国特許出願と関連しており、この特許出願はその全体を参考文献として本明細書に組み入れている。 Download PDF

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【課題】１以上の加熱表面を冷却するための装置を提供する。
【解決手段】本装置は、幾つかの入口及び出口マニホルドを形成したベースプレートを含む。入口マニホルドは冷却媒体を受入れるように構成され、出口マニホルドは冷却媒体を排出する。入口及び出口マニホルドは交互配置される。本装置は内側及び外側表面を有する１以上の基板を含む。内側表面はベースプレートに結合され、入口マニホルドから冷却媒体を受入れかつ該冷却媒体を出口マニホルドに送出する幾つかのマイクロチャネルを形成する。マイクロチャネルは入口及び出口マニホルドに対しほぼ垂直に配向される。外側表面は加熱表面と熱接触状態になっている。本装置は入口マニホルドに冷却媒体を供給する入口プレナムと出口マニホルドから冷却媒体を排出する出口プレナムとを含む。入口プレナム及び出口プレナムはベースプレートの平面内に配向される。
【選択図】 図３

Description

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、マイクロチャネル冷却を備えた、半導体パワーデバイスのためのヒートシンクに関する。
より高密度なパワー電子機器の開発によって、パワー半導体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までをも放散する能力を有する最新のシリコンベースのパワーデバイスでは、熱管理解決策の改善の必要性が存在する。デバイス温度が５０Ｋの上昇に制限される場合には、自然及び強制空気冷却方式は、最大約１Ｗ／ｃｍ２までの熱流束しか処理することができない。従来型の液体冷却プレートでは、２０Ｗ／ｃｍ２程度の熱流束を達成することができる。ヒートパイプ、インピンジメントスプレー及び液体沸騰はより大きな熱流束の能力があるが、これらの方法は、製造の困難さ及び高額な費用につながるおそれがある。
高い熱流束パワーデバイスの従来型の冷却において直面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に加えて、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時における冷却流体の温度上昇に起因するものである。
高性能熱管理のための１つの有望な方法は、マイクロチャネル冷却である。このマイクロチャネル冷却は、１９８０年代にはシリコン集積回路を冷却する有効な手段として実証され、これらの設計は、最大１０００Ｗ／ｃｍ２もの熱流束、及び１００℃以下の表面温度上昇を示した。
他のマイクロチャネルヒートシンク設計もまた、同様な熱性能を示している。Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａ他の「熱交換器」という名称の公開米国特許出願第２００３００６６６３４Ａ１号公報には、従来型の液体冷却設計に関する改善が記載されている。Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａ他のデバイスは、サブミリメートル規模のチャネルの利点を加熱表面へ向かう垂直流の利点と組み合せた法線流マイクロチャネルヒートシンクを含む。ほとんどのマイクロチャネル設計では、熱伝達の増加は小規模チャネル内の圧力損失の増加によって相殺され、その結果として給圧の必要性が高まる。加熱表面に対して平行ではなく法線方向の流れを生成するように流路の幾何学形状を変更することによって、より短いチャネルが可能になり、従ってその圧力損失は厳しくなくなる。しかしながら、マイクロチャネル及びより大きな流体供給／戻し通路を最初に個々の銅薄層上に機械加工し、次に積層体へと組み立てなければならないので、このヒートシンクの製造は幾分困難である。
Ｓｃｈｕｌｔｚ−Ｈａｒｄｅｒ他の「電気部品又は回路のための冷却器又はヒートシンク並びにこのヒートシンクを備えた電気回路」という名称の米国特許第６，０１４，３１２号にもまた、従来型のマイクロチャネル液体冷却設計に関する改善が記載されている。Ｓｃｈｕｌｔｚ−Ｈａｒｄｅｒ他のデバイスもまた、銅薄層の積層体から成り、この積層体は、重なり合ってはいるが若干オフセットしたミリメートルサイズの孔を備え、スイスチーズスライスのスタックに似ている。流体流は、加熱表面に平行である。孔によって液体内に付加的な乱流が導入されて、熱伝達が強化されるが、その結果として大きな圧力低下も生じる。デバイスの製造は、薄層を互いに接合する前にこれらの薄層の正確な整列を必要とする。公開されている熱性能結果に基づくと、Ｓｃｈｕｌｔｚ−Ｈａｒｄｅｒ他の設計は、Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａ他のものよりも有効ではないが、それでも従来型のヒートシンクよりも良好である。
Ｈａｍｉｌｔｏｎ他の「航空燃料を用いた、航空機搭載電子機器のためのマイクロチャネル冷却」という名称の米国特許第５，６９２，５５８号には、航空機燃料を用いて半導体デバイスを冷却するためのマイクロチャネルヒートシンクが記載されている。接合部対流体の熱抵抗を減少させるために、チャネルはデバイスの半導体基板内に直接形成される。Ｈａｍｉｌｔｏｎ他の「半導体本体から熱を抽出する方法及びその中にマイクロチャネルを形成する方法」という名称の米国特許第５，９９８，２４０号（Ｈａｍｉｌｔｏｎ（ＩＩ））にはまた、無線周波数（ＲＦ）パワーデバイスの半導体基板内にマイクロチャネルを直接形成することが開示されている。さらに、Ｈａｍｉｌｔｏｎ（ＩＩ）では、スイッチングパワーデバイス（ＩＧＢＴ及びダイオード）の直接冷却を備えた全三相インバータが開示されている。半導体デバイス基板内にマイクロチャネルを直接実装することは、低電圧ＲＦ用途には適したものとすることができるが、スイッチングパワーインバータ用途の場合には実用的ではない。スイッチングインバータ用途におけるＩＧＴＢ及びダイオードパワーデバイスは垂直構造を有し、半導体基板の底部は、他の回路部品に接続したパワー端子（コレクタ／カソード）である。スイッチングパワーデバイスのコレクタ／カソード端子は、大きな電流（１５０Ａもの）を交互に通電させ、かつ１０００ボルトを超えるおそれがある電圧を遮断する。デバイスの底部にマイクロチャネルを実装することは、幾つかの理由により非実用的なものとなる。この実装は、他の回路部品への電気的相互接続と干渉することになり、この実装は、冷却流体を高電圧に曝し、適切な流体に厳しい制約を課しかつ／又は脱イオン化装置を必要とすることになり、またこの実装は、冷却流体が高周波電流のための通電経路となることに起因する電磁気干渉（ＥＭＩ）問題を悪化させることになる。
Ｍｕｎｄｉｎｇｅｒ他の「モジュール式マイクロチャネル熱交換器」という名称の米国特許第５，７２７，６１８号には、高熱流束レーザダイオードアレイを冷却するためのマイクロチャネルヒートシンクが記載されている。このヒートシンクは、複数の銅薄板内に形成されたマイクロチャネルを特徴とし、マイクロチャネルの実際の実装には、複数の銅薄板を垂直に積層しかつロウ付けして望ましい（高い）アスペクト比を得ることが必要となる。さらに、それには、入口パイプから加熱表面まで上昇しまた流体出口まで下降して戻る冷却流体の垂直マニホルド配列のための幾何学形状がエッチングされた複数の銅プレートを積層しかつ接合することが必要である。この設計には、幾つかの欠点が存在する。ヒートシンクの製造には、十分なチャネル深さを得るために、幾つかの銅フォイルのエッチング、金属被覆、積層、正確な整列、及び接合が必要である。入口及び出口マニホルドを形成する積層銅プレートに対しても同じことが当てはまる。より大きなヒートシンクサイズへの拡張性は、垂直方向の流体マニホルド配列によって制限され、それは、過剰のヒートシンク厚さにつながる可能性がある。結局、Ｍｕｎｄｉｎｇｅｒは、半導体パワーデバイスと冷却流体との間の電気的分離の実施を解決していない。
Ｎｏｒｔｈ他の「流体冷却式単相ヒートシンク」という名称の米国特許第６，１３１，６５０号には、多孔性金属パッドを加熱表面と接触状態で配置したヒートシンクが記載されている。この方法の１つの欠点は、多孔性金属パッドの熱性能が、有効でないことである。
公開米国特許出願第２００３００６６６３４Ａ１号公報 米国特許第６，０１４，３１２号公報 米国特許第５，６９２，５５８号公報 米国特許第５，９９８，２４０号公報 米国特許第５，７２７，６１８号公報 米国特許第６，１３１，６５０号公報 米国特許第５，３４５，１０７Ａ号公報 欧州特許出願第１０４９１６１Ａ２号公報
従って、改善した熱性能、製造費用を低減するような比較的簡単な組立性、並びに大小のパワーデバイス及び異なる数のパワーデバイスに適応する拡張性を有する、加熱表面を冷却するための装置を提供することが望ましいと言える。さらに、高パワーデバイスと冷却媒体との間での電気的分離をもたらすことができるそのような装置が望ましと言える。
本発明の態様は、少なくとも１つの加熱表面を冷却するための装置にある。簡潔に言うと、本装置は、幾つかの入口マニホルド及び幾つかの出口マニホルドを形成したベースプレートを含む。入口マニホルドは、冷却媒体を受入れるように構成され、また出口マニホルドは、冷却媒体を排出するように構成される。入口及び出口マニホルドは、交互配置される。本装置はさらに、内側表面及び外側表面を有する少なくとも１つの基板を含む。内側表面は、ベースプレートに結合され、入口マニホルドから冷却媒体を受入れかつ該冷却媒体を出口マニホルドに送出するように構成された幾つかのマイクロチャネルを形成する。マイクロチャネルは、入口及び出口マニホルドに対してほぼ垂直に配向される。外側表面は、加熱表面と熱接触状態になっている。本装置はさらに、入口マニホルドに冷却媒体を供給するように構成された入口プレナムと、出口マニホルドから冷却媒体を排出するように構成された出口プレナムとを含む。入口プレナム及び出口プレナムは、ベースプレートの平面内に配向されている。
本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体にわたって同じ参照符号が同様の部分を表している添付図面を参照しながら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１〜図３及び図５を参照しながら、少なくとも１つの加熱表面５０を冷却するための装置１０を説明する。例えば図１に示すように、装置１０はベースプレート１２を含み、図２においてこのベースプレート１２をより詳細に示す。例えば図２に示すように、ベースプレート１２は、幾つかの入口マニホルド１６及び幾つかの出口マニホルド１８を形成する。入口マニホルド１６は、冷却媒体２０を受入れるように構成され、出口マニホルド１８は、この冷却媒体を排出するように構成されている。例えば図２に示すように、入口及び出口マニホルド１６、１８は、交互配置される。図１に示すように、装置１０はさらに、内側表面２４及び外側表面５２を有する少なくとも１つの基板２２を含み、内側表面２４はベースプレート１２に結合されている。例えば図３及び図５に示すように、内側表面２４は、入口マニホルド１６から冷却媒体を受入れかつこの冷却媒体を出口マニホルド１８に送出するように構成された幾つかのマイクロチャネル２６を特徴とする。マイクロチャネル２６は、例えば図３及び図５に示すように、入口及び出口マニホルド１６、１８に対してほぼ垂直に配向される。基板２２の外側表面５２は、図１に示すように、加熱表面５０と熱的接触状態になっている。装置１０はさらに、冷却媒体２０を入口マニホルド１６に供給するように構成された入口プレナム２８と、この冷却媒体を出口マニホルド１８から排出するように構成された出口プレナム４０とを含む。図２及び図３に示すように、入口プレナム２８及び出口プレナム４０は、ベースプレート１２の平面内に配向される。
本明細書で用いる場合、「ほぼ垂直に配向された」という表現は、マイクロチャネル２６が入口及び出口マニホルド１６、１８に対して約９０度プラス／マイナス約３０度（９０±３０度）の角度で配向されていることを意味すると理解されたい。さらに特定の実施形態によると、マイクロチャネル２６は、入口及び出口マニホルド１６、１８に対して約９０度プラス／マイナス１５度（９０±１５度）の角度で配向されている。垂直方向から１５度よりも少ない角度の場合には、熱性能（伝熱性能）は、最良の場合の約８から約１０パーセント（８〜１０％）低下の範囲内にある。この点を超えると、熱伝達は大幅に低下し、垂直方向から約３０度の角度では約３０パーセント（３０％）の減少に達し、マイクロチャネル２６が入口及び出口マニホルド１６、１８に対して約４５度の角度で配向されている時には約５０％の減少に達する。それに加えて、マイクロチャネル２６と入口／出口マニホルド１６、１８とが４５〜６０度の範囲の角度で配向されている場合には、圧力損失は、約３０から約５０パーセント（３０〜５０％）ほど増加する可能性がある。
装置１０では多くの冷却媒体２０を用いることができ、本発明は、特定の冷却媒体に限定されるものではない。例示的な冷却媒体には、水、エチレングリコール、油、航空機燃料及びその組合せが含まれる。特定の実施形態によると、冷却媒体は単相液体である。作動中、冷却媒体は、ベースプレート１２内のマニホルド１６に流入し、マイクロチャネル２６を通って流れた後に、排出マニホルド１８を通って戻る。より具体的には、冷却媒体は、入口プレナム２８に流入するが、特定の実施形態によると、このプレナムの流体直径は装置１０内の他のチャネルの流体直径を上回り、このプレナム内での大幅な圧力低下が生じないようになっている。例えば、入口プレナム２８の流体直径は、マニホルドの液圧直径に対して約３対１（３：１）の比で他のチャネルの流体直径を上回っている。この実施例では、単一のプレナムチャネル（等しい長さの）についての圧力低下における差は、マニホルドにおける損失の１／（３５）＝１／２４３の損失の程度になる。冷却媒体は、出口プレナム４０を通って装置１０から流出する。
特定の実施形態によると、ベースプレート１２は、熱伝導材料を含む。例示的な材料には、銅、コバール、モリブデン、チタン、セラミック及びその組合せが含まれる。本発明は、特定のベースプレート材料に限定されるものではない。
例示的なマイクロチャネル２６の構成を、図５、図６、図７及び図８に概略的に示す。図５及び図７の例示的な実施形態では、マイクロチャネル構成は、基板２２に沿って延びる連続するＵチャネルで形成される。図６及び図８は、ギャップによって分離された短いマイクロチャネル２６の別の配置を示している。特定の実施形態によると、マイクロチャネル２６は、幅が約２００μｍよりも小さく、約２００μｍよりも小さい幾つかのギャップ５８によって分離される。さらに特定の実施形態によると、マイクロチャネル２６は、幅が約１００μｍであり、ギャップ５８は約１００μｍである。効率的な熱性能を促進するようなマイクロチャネルサイズ及び形状を選択するために、装置１０の計算流体力学（ＣＦＤ）モデルを開発した。シミュレーション結果は、約０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内のマイクロチャネル幅及び間隔が有効な性能を発揮することを示している。約０．０５ｍｍ以下の幅では、毎分一ガロン（１ＧＰＭ）近くの水流量に対して圧力損失が２５ｐｓｉ以上に増大し、この設計は給圧要件によって実用性が低下するおそれがある。０．２ｍｍ以上の幅では、マイクロチャネル幾何学形状の性能の利点は、減退し始め、従来型のヒートシンクの性能へと近づき始める。シミュレーション結果は、０．１ｍｍの幅及び間隔のマイクロチャネル２６が、水流量１ＧＰＭを用いて５２０Ｗ／ｃｍ２を生成するデバイスを冷却する場合に１５ｐｓｉの圧力損失と共に３０°程度の温度上昇をもたらすことになることを示している。幅狭なマイクロチャネル２６を高密に密集させることによって、熱伝達面積が拡大し、それによって加熱表面５０からの熱伝達が改善される利点がある。
マイクロチャネル２６は、様々な幾何学形状で形成することができる。例示的なマイクロチャネル２６の幾何学形状には、直線及び曲線幾何学形状が含まれる。マイクロチャネル壁５４は、例えば図９に示すように平滑面とすることができ、又は粗面とすることができる。粗面壁は、表面積を増加させかつ乱流を促進して、マイクロチャネル内での熱伝達を増大させる。例えば、マイクロチャネルは、熱伝達をさらに促進するためにディンプル３８を含むことができる。図９には、例示的なディンプル３８を示している。それに加えて、マイクロチャネル２６は、例えば図５及び図７に示すように連続したものとすることができ、又はマイクロチャネル２６は、図６及び図８に例示的に示すように離散配列６０を形成することができる。特定の実施形態によると、マイクロチャネル２６は、離散配列を形成し、長さが約１ｍｍであり、約０．５ｍｍよりも小さいギャップによって分離されている。
このマイクロチャネル設計に加えて、入口及び出口マニホルド構成が、装置１０の熱伝達効率に影響を与える。図２及び図３の例示的な実施形態では、入口マニホルド１６の各々は、幅広端部３０及び幅狭端部３２を有し、幅広端部３０の各々は、それぞれの幅狭端部３２よりも大きい。この例示した実施形態では、幅広端部３０は比較的深く、プレナム直径程度である。より具体的には、入口マニホルド１６の各々は、図２に示すように、それぞれの幅広端部３０及び幅狭端部３２間でテーパになっている。この例示した実施形態では、入口マニホルド１６の各々は、入口プレナム２８から延びかつ該入口プレナムに対してほぼ垂直に配向されている。特定の実施形態によると、マイクロチャネル通路内への流体の伝達によって入口マニホルド１６に沿って質量流量が減少するので、入口マニホルドは、マイクロチャネル２６内で均一な流れ分布を維持するために線形状にテーパになっている。幾つかのマイクロチャネルでは流量が減少して対流熱伝達が低下することになるので、不均一な流量の結果として熱性能が低下することになる。
幾何学形状の考慮事項に加えて、寸法因子もまた、熱性能に影響を与える。熱性能を改善するような入口マニホルド寸法を選択するために、ＣＦＤシミュレーションを行った。熱伝達をさらに高めるためには、入口マニホルド１６の各々は、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内の幅を有する。０．５ｍｍ以下では、入口マニホルド１６内の圧力損失が増大し、製造公差を維持することがより困難になる。２ｍｍ以上では、マイクロチャネル通路の有効長さが減少し、結果として熱伝達表面の減少が生じる。特定の実施形態によると、入口マニホルド１６は幅が約１ｍｍであり、この幅は、熱性能と製造平易さとの間にける良好なトレードオフを示す。これらのマニホルド幾何学形状及び寸法は、温度勾配及び圧力低下を減少させるように選択するのが有利である。それに加えて、特定の実施形によると、態冷却媒体２０が入口及び出口プレナム間を直接流れることができず、むしろマイクロチャネル２６の中を通過しなければならないように、入口マニホルド１６の幅狭端部３２は閉塞される。
図２及び図３のこの例示的な実施形態では、出口マニホルド１８の各々は、幅広端部３４及び幅狭端部３６を有し、幅広端部の各々は、それぞれの幅狭端部３６よりも大きい。この例示した実施形態では、幅広端部３４は比較的深く、プレナム直径程度である。より具体的には、図２に示すように、出口マニホルド１８の各々は、それぞれの幅広端部３４及び幅狭端部３６間でテーパになっている。この例示した実施形態では、出口マニホルド１８の各々は、出口プレナム４０から延びかつ該出口プレナム４０に対してほぼ垂直に配向される。特定の実施形態によると、出口マニホルドは、マイクロチャネル２６内で均一な流れ分布を維持するために線形状にテーパになっている。ＣＦＤシミュレーションに基づいて、出口マニホルド１８の例示的な寸法を選択した。熱伝達をさらに高めるためには、出口マニホルド１８の各々は、約０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲内の幅を有する。特定の実施形態によると、出口マニホルド１８の各々は、幅が約１ミリメートル（１ｍｍ）である。それに加えて、特定の実施形態によると、冷却媒体２０が入口及び出口プレナム間を直接流れることはできず、むしろマイクロチャネル２６の中を通過しなければならないように、出口マニホルドの幅狭端部３６は閉塞される。
図２の例示的な実施形態では、冷却媒体流の対称性を維持するために、入口マニホルド１６（Ｎ）よりも１つ多い出口マニホルド１８（Ｎ＋１）がある。別の実施形態では、Ｎ個の出口マニホルド１８及びＮ＋１個の入口マニホルド１６がある。図２及び図３の例示的な実施形態では、入口プレナム２８及び出口プレナム４０は断面がほぼ均一である。別の実施形態によると、入口プレナム２８及び出口プレナム４０はテーパになっている。入口及び出口マニホルド１６、１８をテーパにすると共に、マニホルドの中に均一な流れを形成するために入口プレナム２８及び出口プレナム４０を同様に拡張することができる。図２及び図３に示す比較的小型のヒートシンクでは、マニホルドの数が比較的少ないためにプレナムはテーパになっていないが、より大型のヒートシンク１０では、入口及び出口プレナムのテーパは有益なものとすることができる。特定の実施形態によると、入口及び出口プレナム２８、４０はテーパになっておりかつ台形プリズム形状を有する。
図１１及び図１２の例示的な実施形態では、基板２２は、少なくとも１つの熱伝導材料及び少なくとも１つの電気的分離材料を含む。特定の実施形態によると、基板２２は、ダイレクトボンド銅（ＤＢＣ）構造体又は活性金属ロウ付け（ＡＭＢ）構造体のいずれかで形成される。ＤＢＣ及びＡＭＢは、銅層をセラミック基板に直接接合する処理を意味する。例示的なセラミックベースには，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は両方共、基板２２にとって好都合な構造体であり、セラミックベースの両側における同一の伝導材料（この場合では、銅）の使用により、熱的及び機械的安定性が得られる。当然ながら、基板２２は金又は銀などの他の材料で作ることができる。基板２２は、ロウ付け、接合、拡散接合、ハンダ付け、又はクランピングのような圧接を含む多くの方法のいずれか１つを用いてベースプレート１２に取付けることができる利点がある。これによって、ヒートシンク１０の総合費用を低減する平易な組立法が得られる。さらに、基板２２をベースプレート１２に取付けることによって、加熱表面５０の下方に流体通路が形成され、マイクロチャネル冷却法の実用的でありかつ費用効果のある実装が可能になる。
図１１に示す例示的な実施形態では、基板２２は、最上層６２、絶縁層６４及び内側層６６を含む。この実施形態では、マイクロチャネル２６は、内側層６６内に形成され、また絶縁層６４は、最上層６２と内側層６６との間に配置される。内側層６６は、ベースプレート１２に取付けられ、最上層６２は、加熱表面５０に結合される。例えば、内側層６６は、ロウ付け、接合、拡散接合、ハンダ付け、クランピングのような圧接、又は他の取付け手段によってベースプレート１２に取付けられる。図１１の例示的な実施形態では、加熱表面５０は、図示するようにハンダ６８によって最上層６２に結合される。図１１に示す例示的な実施形態では、マイクロチャネル２６は、内側層６６を貫通して延びる。言い換えれば、マイクロチャネル深さは、内側層６６の厚さに等しい。ＣＦＤモデル化の結果は、図１１に示すもののような背丈のある高アスペクト比のマイクロチャネルにおいて性能の改善を示した。基板の内側層の一般的な厚さの場合では、図１１のマイクロチャネルは、高さが約０．３ｍｍとなる。当然ながら、他の実装も可能であり、別の実施形態（図示せず）では、マイクロチャネル２６は、内側層６６の厚さを貫通して延びず、それによってマイクロチャネル２６を通って流れる冷却媒体２０から絶縁層６４を分離する。セラミック層６４は、冷却媒体と基板２２上に取り付けられたパワーデバイス８０との間の電気的分離をもたらす利点がある。特定の実施形態によると、最上層６２及び内側層６６は銅（Ｃｕ）で形成され、また絶縁層６４は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎｉ４、ＢｅＯ又はその組合せから成る群から選択されたセラミックである。さらに特定の実施形態によると、マイクロチャネル２６は、基板２２の下面上の銅層６６内に形成される。
図１２に示す例示的な実施形態では、基板２２は、最上層６２及び絶縁マイクロチャネル層７４を含み、マイクロチャネル２６は、絶縁マイクロチャネル層７４内に形成される。図示するように、絶縁マイクロチャネル層７４は、最上層６２とベースプレート１２との間に配置され、最上層６２は、加熱表面５０に結合される。図１２に示すように、パワーデバイス８０の加熱表面５０から冷却媒体２０を分離するために、マイクロチャネル２６は、絶縁マイクロチャネル層７４を貫通していない。より具体的には、残りのセラミック層は、基板２２上のパワーデバイス８０と冷却媒体２０との間の誘電体バリアとして作用する。この実施形態はまた、電気的分離を維持しながら、パワーデバイス８０と冷却媒体との間の材料の厚さを排除して、熱性能の改善をもたらす利点がある。さらに特定の実施形態によると、例えば図１２に示すように、基板２２はさらに、絶縁マイクロチャネル層７４及びベースプレート１２間に配置されかつそれらに取り付けられた下層７６を含む。下層７６の例示的な材料には、銅が含まれる。
図１５には、別の実施形態を示す。この実施形態では、基板２２は、内側層６６を有し、マイクロチャネル２６は、内側層６６内に形成されかつ該内側層６６を部分的に貫通して延びる。この実施形態は、レーザダイオード、ＲＦパワーデバイス及びコンピュータチップのような低電圧デバイスで用いられるようになっている。この実施形態では、基板２２はさらに、最上層６２及び下層７６を含む。
特定の実施形態によると、装置１０は、幾つかの加熱表面５０を冷却するようになっている。図１３に例示的に示すこの実施形態では、装置１０はさらに、幾つかの基板２２を含む。基板２２の各々は、内側表面２４及び外側表面５２を有する。図示するように、内側表面２４の各々は、ベースプレート１２のそれぞれの部分に結合され、また内側表面２４の各々は、幾つかのマイクロチャネル２６（図１３には図示せず）を形成する。外側表面５２の各々は、加熱表面５０のそれぞれの１つと熱接触状態になっている。大型のモジュールでは、幾つかのより小型の基板を使用することにより、ＣＴＥ（熱膨張係数）の不一致による応力が低減される。
図１４は別の例示的な実施形態を示しており、ここでも同様に装置１０は幾つかの加熱表面５０を冷却するようになっている。図１４に示す例示的な実施形態では、装置１０は、１つのみの基板２２を含み、幾つかのパワーデバイス８０が基板２２上に取付けられて、装置１０は、これらのパワーデバイス８０の加熱表面５０を冷却するようになっている。
図１〜図６を参照しながら、例示的なヒートシンク１０の実施形態を説明する。ヒートシンク１０は、少なくとも１つのパワーデバイス８０を冷却するために用いられ、例えば図２に示すように幾つかの交互配置した入口及び出口マニホルド１６、１８を形成したベースプレート１２を含む。ヒートシンク１０はさらに、内側表面２４及び外側表面５２を有する少なくとも１つの基板２２を含む。例えば図３、図５及び図６に示すように、内側表面２４は、ベースプレート１２に結合され、入口マニホルド１６から冷却媒体を受入れかつこの冷却媒体を出口マニホルド１８に送出するように構成された幾つかのマイクロチャネル２６を形成する。例えば図３及び図５に示すように、マイクロチャネル２６は、入口及び出口マニホルド１６、１８に対してほぼ垂直に配向される。外側表面５２は、例えば図１に示すようにパワーデバイス８０と熱的接触状態になっている。ヒートシンク１０はさらに、入口マニホルドに冷却媒体を供給するように構成された入口プレナム２８を含み、入口マニホルドの各々は、入口プレナムから延びる。出口プレナム４０は、出口マニホルドから冷却媒体を排出するように構成され、出口マニホルドの各々は、出口プレナムから延びる。例えば図２に示すように、入口プレナム及び出口プレナムは、ベースプレート１２の平面内に配向される。
例示的なパワーデバイスには、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオード、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）及び高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が含まれる。これらはパワーデバイスの実施例であって、本発明がこれらの実施例に決して限定されるものではないことは、当業者には分かるであろう。より正確に言うと、ヒートシンク１０は、これらの又は他のパワーデバイスの１つ又はそれ以上を冷却するために用いることができる。
本発明の１つの特別の利点は、比較的小型及び大型の加熱表面の冷却のためのその拡張性である。この利点は、高パワーマルチチップモジュールを冷却するのに特に適している。
本明細書では本発明の特定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、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するものであることを理解されたい。
パワーデバイスを冷却するための装置の側面図。 図１の装置のベースプレート内の交互配置した入口及び出口マニホルドを示す図。 入口及び出口マニホルドに対してほぼ垂直に配向された幾つかのマイクロチャネルを含む、図２のベースプレートに結合された基板を示す図。 ヒートシンクのベースプレート内に形成された入口及び出口マニホルドの別の図。 例示的なマイクロチャネル配列の詳細図を含む、ベースプレート及び基板の部分分解図。 ベースプレート及び基板の別の部分分解図。 例示的なマイクロチャネルの組の概略図。 別の例示的なマイクロチャネル配置の図。 例示的な直線幾何学形状を有する幾つかのマイクロチャネルの断面図。 例示的な曲線幾何学形状を有する幾つかのマイクロチャネルの断面図。 基板の内側表面内にマイクロチャネルが形成された例示的なヒートシンクの断面図。 絶縁マイクロチャネル層内にマイクロチャネルが形成された別の例示的なヒートシンクの断面図。 幾つかのパワーデバイスを冷却するためのヒートシンクの例示的な複数基板実施形態の断面図。 幾つかのパワーデバイスを冷却するためのヒートシンクの例示的な単一基板実施形態を示す図。 絶縁層を備えていない、低電圧デバイスに用いるための例示的なヒートシンクの断面図。
符号の説明
１０ 装置
１２ ベースプレート
１６ 入口マニホルド
１８ 出口マニホルド
２０ 冷却媒体
２２ 基板
２４ 内側表面
２６ マイクロチャネル
２８ 入口プレナム
３０ 入口プレナムの幅広端部
３２ 入口プレナムの幅狭端部
３４ 出口プレナムの幅広端部
３６ 出口プレナムの幅狭端部
３８ ディンプル
４０ 出口プレナム
５０ 加熱表面
５２ 外側表面
５８ ギャップ
６２ 最上層
６４ 絶縁層
６６ 内側層
６８ ハンダ
７４ 絶縁マイクロチャネル層
７６ 下層
８０ パワーデバイス

Claims (50)

  1. 少なくとも１つの加熱表面を冷却するための装置であって、
    冷却媒体を受入れるように構成された複数の入口マニホルド及び該冷却媒体を排出するように構成された複数の出口マニホルドを形成しかつ前記入口及び出口マニホルドが交互配置された、ベースプレートと、
    前記ベースプレートに結合された内側表面及び前記加熱表面と熱接触状態になった外側表面を有し、前記内側表面が前記入口マニホルドから冷却媒体を受入れかつ該冷却媒体を前記出口マニホルドに送出するように構成された複数のマイクロチャネルを形成し、前記マイクロチャネルが前記入口及び出口マニホルドに対してほぼ垂直に配向された、少なくとも１つの基板と、
    前記入口マニホルドに冷却媒体を供給するように構成された入口プレナムと、
    前記出口マニホルドから冷却媒体を排出するように構成された出口プレナムと、を含み、
    前記入口プレナム及び出口プレナムが、前記ベースプレートの平面内に配向されている、
    装置。
  2. 前記マイクロチャネルが、幅が２００μｍよりも小さく、２００μｍよりも小さい複数のギャップによって分離される、請求項１記載の装置。
  3. 前記マイクロチャネルが、幅がほぼ１００μｍであり、前記ギャップがほぼ１００μｍである、請求項２記載の装置。
  4. 前記マイクロチャネルが、直線幾何学形状を有する、請求項１記載の装置。
  5. 前記マイクロチャネルが、曲線幾何学形状を有する、請求項１記載の装置。
  6. 前記マイクロチャネルが、粗面壁を含む、請求項１記載の装置。
  7. 前記マイクロチャネルが、連続している、請求項１記載の装置。
  8. 前記マイクロチャネルが、離散配列を形成する、請求項１記載の装置。
  9. 前記マイクロチャネルが、長さがほぼ１ｍｍであり、０．５ｍｍよりも小さいギャップによって分離される、請求項８記載の装置。
  10. 前記入口マニホルドの各々が、幅広端部及び幅狭端部を含み、前記幅広端部の各々が、前記幅狭端部のそれぞれの１つよりも大きい、請求項１記載の装置。
  11. 前記入口マニホルドの各々が、前記幅広端部及び幅狭端部のそれぞれの１つ間でテーパになっている、請求項１０記載の装置。
  12. 前記入口マニホルドの各々が、前記入口プレナムから延びかつ該入口プレナムに対してほぼ垂直に配向される、請求項１１記載の装置。
  13. 前記入口マニホルドの各々が、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲の幅を有する、請求項１２記載の装置。
  14. 前記入口マニホルドの各々が、幅がほぼ１ミリメートル（１ｍｍ）である、請求項３記載の装置。
  15. 前記出口マニホルドの各々が、幅広端部及び幅狭端部を含み、前記幅広端部の各々が、前記幅狭端部のそれぞれの１つよりも大きい、請求項１記載の装置。
  16. 前記出口マニホルドの各々が、前記幅広端部及び幅狭端部のそれぞれの１つ間でテーパになっている、請求項１５記載の装置。
  17. 前記出口マニホルドの各々が、前記出口プレナムから延びかつ該出口プレナムに対してほぼ垂直に配向される、請求項１６記載の装置。
  18. 前記出口マニホルドの各々が、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲の幅を有する、請求項１７記載の装置。
  19. 前記出口マニホルドの各々が、幅がほぼ１ミリメートル（１ｍｍ）である、請求項１８記載の装置。
  20. Ｎ個の入口マニホルド及びＮ＋１個の出口マニホルドがある、請求項１５記載の装置。
  21. 前記入口プレナム及び出口プレナムが、断面がほぼ均一である、請求項１記載の装置。
  22. 前記入口プレナム及び出口プレナムが、テーパになっている、請求項１記載の装置。
  23. 前記冷却媒体が、水、エチレングリコール、油、航空機燃料及びその組合せから成る群から選択される、請求項１記載の装置。
  24. 前記冷却媒体が、単相液体である、請求項１記載の装置。
  25. 前記ベースプレートが、熱伝導材料を含む、請求項１記載の装置。
  26. 前記基板が、少なくとも１つの熱伝導材料を含む、請求項２５記載の装置。
  27. 前記基板が、少なくとも１つの電気的分離材料を含む、請求項２６記載の装置。
  28. 前記基板が、ダイレクトボンド銅構造体を含む、請求項２６記載の装置。
  29. 前記基板が、最上層、絶縁層及び内側層を含み、前記マイクロチャネルが、前記内側層内に形成され、前記絶縁層が、前記最上層と前記内側層との間に配置され、前記内側層が、前記ベースプレートに取付けられ、前記最上層が、前記加熱表面に結合される、請求項１記載の装置。
  30. 前記マイクロチャネルが、前記内側層を貫通して延びる、請求項２９記載の装置。
  31. 前記最上層及び内側層が、銅（Ｃｕ）を含み、前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎｉ４、ＢｅＯ又はその組合せから成る群から選択されたセラミックを含む、請求項２９記載の装置。
  32. 前記基板が、最上層及び絶縁マイクロチャネル層を含み、前記マイクロチャネルが、前記絶縁マイクロチャネル層内に形成され、前記絶縁マイクロチャネル層が、前記最上層と前記ベースプレートとの間に配置され、前記最上層が、前記加熱表面に結合される、請求項１記載の装置。
  33. 前記基板が、前記絶縁マイクロチャネル層と前記ベースプレートとの間に配置されかつそれらに取付けられた下層をさらに含む、請求項３２記載の装置。
  34. 前記基板が、内側層を含み、前記マイクロチャネルが、前記内側層内に形成されかつ該内側層を部分的に貫通して延びる、請求項１記載の装置。
  35. 該装置が、複数の基板をさらに含みかつ複数の加熱表面を冷却するようになっており、前記基板の各々が、内側表面及び外側表面を有し、前記内側表面の各々が、前記ベースプレートのそれぞれの部分に結合されかつ複数の前記マイクロチャネルを形成し、前記外側表面の各々が、前記加熱表面のそれぞれの１つと熱的接触状態になっている、請求項１記載の装置。
  36. Ｎ＋１個の入口マニホルド及びＮ個の出口マニホルドがある、請求項１記載の装置。
  37. 前記基板が、活性金属溶ロウ付け（ＡＭＢ）構造体を含む、請求項２６記載の装置。
  38. 少なくとも１つのパワーデバイスを冷却するためのヒートシンクであって、
    冷却媒体を受入れるように構成された複数の入口マニホルド及び該冷却媒体を排出するように構成された複数の出口マニホルドを形成し、前記入口及び出口マニホルドが交互配置され、前記入口マニホルドの各々がテーパになっておりかつ幅広端部及び幅狭端部を含み、前記幅広端部の各々が前記幅狭端部のそれぞれの１つよりも大きく、前記出口マニホルドの各々が、テーパになっておりかつ幅広端部及び幅狭端部を含み、前記幅広端部の各々が前記幅狭端部のそれぞれの１つよりも大きくなった、ベースプレートと、
    前記ベースプレートに結合された内側表面及び前記パワーデバイスと熱接触状態になった外側表面を有し、前記内側表面が前記入口マニホルドから冷却媒体を受入れかつ該冷却媒体を前記出口マニホルドに送出するように構成された複数のマイクロチャネルを形成し、前記マイクロチャネルが前記入口及び出口マニホルドに対してほぼ垂直に配向された、少なくとも１つの基板と、
    前記入口マニホルドの各々がそれから延びており、該入口マニホルドに冷却媒体を供給するように構成された入口プレナムと、
    前記出口マニホルドの各々がそれから延びており、該出口マニホルドから冷却媒体を排出するように構成された出口プレナムと、を含み、
    前記入口プレナム及び出口プレナムが、前記ベースプレートの平面内に配向されている、
    ヒートシンク。
  39. 前記入口マニホルドの各々が、前記入口プレナムに対してほぼ垂直に配向され、前記出口マニホルドの各々が、前記出口プレナムに対してほぼ垂直に配向される、
    請求項３８記載のヒートシンク。
  40. Ｎ個の入口マニホルド及びＮ＋１個の出口マニホルドがある、請求項３９記載のヒートシンク。
  41. Ｎ＋１個の入口マニホルド及びＮ個の出口マニホルドがある、請求項３９記載のヒートシンク。
  42. 前記マイクロチャネルが、連続している、請求項３８記載のヒートシンク。
  43. 前記マイクロチャネルが、離散配列を形成し、前記マイクロチャネルが、長さがほぼ１ｍｍであり、０．５ｍｍよりも小さいギャップによって分離される、請求項３８記載のヒートシンク。
  44. 前記基板が、ダイレクトボンド銅構造体を含む、請求項３８記載のヒートシンク。
  45. 前記基板が、活性金属ロウ付け構造体を含む、請求項３８記載のヒートシンク。
  46. 前記基板が、最上層、絶縁層及び内側層を含み、前記マイクロチャネルが、前記内側層内に形成され、前記絶縁層が、前記最上層と前記内側層との間に配置され、前記マイクロチャネル層が、前記ベースプレートに取付けられ、前記最上層が、前記パワーデバイスに結合される、請求項３８記載のヒートシンク。
  47. 前記マイクロチャネルが、前記内側層を貫通して延び、前記マイクロチャネルが、幅が２００μｍよりも小さく、２００μｍよりも小さい複数のギャップによって分離される、請求項４６記載のヒートシンク。
  48. 前記基板が、最上層及び絶縁マイクロチャネル層を含み、前記マイクロチャネルが、前記絶縁マイクロチャネル層内に形成され、前記絶縁マイクロチャネル層が、前記最上層と前記ベースプレートとの間に配置され、前記最上層が、前記パワーデバイスに結合される、請求項３８記載のヒートシンク。
  49. 前記基板が、内側層を含み、前記マイクロチャネルが、前記内側層内に形成されかつ該内側層を部分的に貫通して延びる、請求項３８記載のヒートシンク。
  50. 該ヒートシンクが、複数の基板をさらに含みかつ複数のパワーデバイスを冷却するようになっており、前記基板の各々が、内側表面及び外側表面を有し、前記内側表面の各々が、前記ベースプレートのそれぞれの部分に結合されかつ複数の前記マイクロチャネルを形成し、前記パワーデバイスの各々が、前記外側表面の１つ上に取付けられる、請求項３８記載のヒートシンク。
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