JP2012015509A

JP2012015509A - Ｃ形マニホルド及びミリチャンネル冷却を有するヒートシンク

Info

Publication number: JP2012015509A
Application number: JP2011141313A
Authority: JP
Inventors: Gregory Pausch Adam; アダム・グレゴリー・パウシュ; Sivarama Gantry Satish; サティッシュ・シヴァラマ・ガントュリ; Jose Razatin Partick; パトリック・ホゼ・ラザティン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: RU2580374C2; CN102316706A; CN102316706B; EP2402988A3; EP2402988A2; JP5702677B2; US20110317368A1; US8218320B2; EP2402988B1; RU2011126276A

Abstract

【課題】組立、分解、又は整備時に冷却剤がエレクトロニクス上に漏れるのを防ぐ改良型ヒートシンク設計を提供する。
【解決手段】ヒートシンク６０，７０は、熱伝導性材料から形成された下方蓋１２、上方蓋１４、及び本体１６を含み、冷却剤を導入するテーパ入口分配チャンバ１３６と、冷却剤をテーパ入口分配チャンバから導入するＣ形入口マニホルド１３０と、冷却剤を排出する逆Ｃ形出口マニホルド１３２とからなり、ミリチャンネル３４が本体に形成されるか、又は蓋の少なくとも一方に形成され、冷却剤を入口マニホルドから導入すると共に、冷却剤を出口マニホルドに送給するように構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、概してパワーエレクトロニクスに関し、より詳細には、パワーエレクトロニクス用の先進的な冷却に関する。

中圧工業用駆動装置、石油・ガス用周波数変換器、トラクション駆動装置、フレキシブル交流送電（ＦＡＣＴ）装置のような大容量電力変換器、並びに他の大容量電力変換装置、例えば整流器及びインバータは、一般的に液体冷却を有するプレスパック型パワー素子を含む。パワー素子の非限定的な例としては、集積化ゲート整流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、ダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタ、及びゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）が挙げられる。プレスパック素子は高電力用途において特に有利であり、プレスパックの利点としては、両面冷却と、障害時のプラズマ爆発がないこととが挙げられる。

プレスパック素子を用いて大容量電力変換回路を構築するには、ヒートシンクとプレスパック素子とを挟み込んでスタックを形成するのが一般的である。最先端の電力変換器スタックは、一般的に大径の冷却チャンネルを有する従来の液冷ヒートシンクを利用する。用途によっては、各プレスパック素子と従来の液冷ヒートシンクの間にサーマルグリース層が設けられる。他の用途では、少なくとも幾つかの層が、それらの間のサーマルグリースなしで、単に圧力によって保持される。この構成は、大きな熱接触抵抗を生じる。

米国特許第７５６９４２６Ｂ２号

そこで、組立、分解、又は整備時に冷却剤がエレクトロニクス上に漏れるのを防ぐ改良型ヒートシンク設計を提供することが望ましい。更に、パワーエレクトロニクスの冷却向上のため、熱拡散効果の利用を可能にする改良型ヒートシンク設計を提供することが望ましい。更に、製造費が安く熱伝達が向上した改良型ヒートシンク設計もまた望まれている。

本発明の１つの態様は、少なくとも１つの電子素子パッケージを冷却するためのヒートシンクにある。電子素子パッケージは、上側接触面及び下側接触面を含む。ヒートシンクは、少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された下方蓋、上方蓋、及び本体を含む。本体は、下方及び上方蓋の間に配設されて封着され、冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバと、冷却剤をテーパ入口分配チャンバから導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルドと、冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルドとを画成する。Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルドは交互配置されると共に、円形配列で配設され、逆Ｃ形出口マニホルドは本体の一部分のみの周囲に延在し、テーパ入口チャンバの対向面に隣接して終端する。本体は、更に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルドから導入するように構成されたテーパ出口チャンバを画成する。Ｃ形入口マニホルドは、本体の一部分のみの周囲に延在し、テーパ出口チャンバの対向面に隣接して終端する。ミリチャンネルが本体に形成されるか、又は下方及び上方蓋の少なくとも一方に形成され、冷却剤をＣ形入口マニホルドから導入すると共に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルドに送給するように構成される。ミリチャンネルは半径方向配列で配設され、ミリチャンネルとＣ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルドは、更に、電子素子パッケージの上側及び下側接触面の一方を冷却するように構成される。

本発明の別の態様は、電子素子パッケージを冷却するためのヒートシンクにある。ヒートシンクは、少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された蓋及び本体を含む。本体は、蓋に封着され、冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバと、冷却剤をテーパ入口分配チャンバから導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルドと、冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルドとを画成する。Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルドは交互配置されると共に、円形配列で配設される。逆Ｃ形出口マニホルドは本体の一部分のみの周囲に延在し、テーパ入口チャンバの対向面に隣接して終端する。本体は、更に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルドから導入するように構成されたテーパ出口チャンバを画成する。Ｃ形入口マニホルドは、本体の一部分のみの周囲に延在し、テーパ出口チャンバの対向面に隣接して終端する。ミリチャンネルが本体又は蓋に形成され、冷却剤をＣ形入口マニホルドから導入すると共に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルドに送給するように構成される。ミリチャンネルは半径方向配列で配設され、ミリチャンネルとＣ形入口及び出口マニホルドは、更に、電子素子パッケージの上側又は下側接触面の一方を冷却するように構成される。

本発明の更に別の態様は、少なくとも１つの電子素子パッケージを直接冷却するためのヒートシンクにある。ヒートシンクは、少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された本体を含んでおり、本体は、冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバと、冷却剤をテーパ入口分配チャンバから導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルドと、冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルドとを画成する。Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルドは交互配置されると共に、円形配列で配設される。逆Ｃ形出口マニホルドは本体の一部分のみの周囲に延在し、テーパ入口チャンバの対向面に隣接して終端する。本体は、更に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルドから導入するように構成されたテーパ出口チャンバを画成する。Ｃ形入口マニホルドは、本体の一部分のみの周囲に延在し、テーパ出口チャンバの対向面に隣接して終端する。本体は、更に、冷却剤をＣ形入口マニホルドから導入すると共に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルドに送給するように構成された複数のミリチャンネルを画成する。ミリチャンネルは半径方向配列で配設され、ミリチャンネルとＣ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルドは、更に、電子素子パッケージの上側及び下側接触面の一方を直接冷却するように構成される。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解することができるであろう。

上側及び下側ヒートシンクを有する電子素子パッケージを示す。上方蓋に形成された半径方向ミリチャンネルを有する片面ヒートシンクの断面図である。下方及び上方蓋に形成された半径方向ミリチャンネルを有する両面ヒートシンクの断面図である。半径方向チャンネルの数を増やしたヒートシンク設計を示す。Ｃ形マニホルドと楔形入口及び出口チャンバを有するヒートシンク本体の上面図である。Ｃ形マニホルドを有すると共に、蓋に形成された半径方向チャンネルを有する両面ヒートシンクの逆モデルである。Ｃ形マニホルドを有するヒートシンク本体の斜視図である。本体に形成された半径方向ミリチャンネルを有する片面ヒートシンクの断面図である。Ｃ形マニホルドと楔形入口及び出口チャンバを有すると共に、本体に形成された半径方向ミリチャンネルを有するヒートシンク本体の上面図である。蓋を含まないヒートシンク形態を示す。図３の両面ヒートシンク用の封着構成を示す。Ｃ形マニホルドと各入口及び出口プレナムに対して直線状に配列された楔形入口及び出口チャンバとを有するヒートシンク本体の上面図である。蓋を含まない両面ヒートシンク形態を示す。蓋を含まない片面ヒートシンク形態を示す。本体に形成された半径方向ミリチャンネルを有する両面ヒートシンクの断面図である。

図１〜９及び１５を参照して、少なくとも１つの電子素子パッケージ２０を冷却するためのヒートシンク６０，７０を説明する。例えば図１に示すように、例示的な電子素子パッケージ２０は、上側接触面２２及び下側接触面２４を有する。図３及び６に示す例示的な構成では、ヒートシンク６０，７０は、少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された下方蓋１２、上方蓋１４、及び本体１６を備える。熱伝導性材料は、銅、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、チタン、銅合金、ニッケル合金、モリブデン合金、チタン合金、アルミニウム−炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）、アルミニウム−グラファイト、及び窒化ケイ素セラミックからなる群から選択される。特定の形態では、下方及び上方蓋１２，１４と本体１６は、同じ熱伝導性材料から形成される。しかしながら、その他の構成では、異なる材料を使用してもよい。

図３及び６に示す形態では、本体１６が下方及び上方蓋１２，１４の間に配設されて封着される。蓋１２，１４は、本体１６に溶接、ろう付け、又は拡散接合することができ、従来の溶接、ろう付け、又は拡散接合法を利用することができる。例えば図７に示すように、本体１６は、冷却剤が導入されるように構成されたテーパ入口分配チャンバ１３６を画成する。冷却剤の非限定的な例としては、脱イオン水及びその他の非導電性の液体が挙げられる。更に、特定の実施形態では、冷却剤は導電性の液体であってもよい。例えば図７に示すように、本体１６は、更に、冷却剤をテーパ入口分配チャンバ１３６から導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルド１３０と、冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルド１３２とを画成する。Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド１３０，１３２は交互配置（交互嵌合）されると共に、円形配列（本明細書では軸方向とも呼ばれる）で配設される。本明細書で用いられている「円形配列」及び「軸方向配列」という句は、半径方向通路を接続する曲線的及び直線的な「円形」通路を包含するように理解されたい。例えば図５に示すように、逆Ｃ形出口マニホルド１３２は、本体１６の一部分のみの周囲に延在し、テーパ入口チャンバ１３６の対向面１３５，１３７に隣接して終端する。例えば図７に示すように、本体１６は、更に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルド１３２から導入するように構成されたテーパ出口チャンバ１３８を画成する。例えば図５に示すように、Ｃ形入口マニホルド１３０は、本体１６の一部分のみの周囲に延在し、テーパ出口チャンバ１３８の対向面１３１，１３３に隣接して終端する。

図６，７，及び９に示す例示的な構成では、テーパ入口チャンバ１３６及びテーパ出口チャンバ１３８は楔形である。しかしながら、テーパ入口及び出口チャンバ１３６，１３８もまたその他の形状を有してもよい。

形態によって、複数のミリチャンネル３４は、本体１６に形成されるか、且つ／又は下方及び上方蓋１２，１４の少なくとも一方に形成され、冷却剤をＣ形入口マニホルド１３０から導入すると共に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルド１３２に送給するように構成される。はっきりと示されていないが、ミリチャンネル３４は、圧力降下の更なる低減につながる半径方向チャンネルの数を最大にするために、本体１６及び蓋１２，１４の一方又は両方に形成してもよい。例えば図４，６，及び９に示すように、ミリチャンネル３４は、半径方向配列で配設される。ミリチャンネル３４とＣ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド１３２，１３４は、更に、図１に概略的に示すように、電子素子パッケージ２０の上側及び下側接触表面２２，２４の一方を冷却するように構成される。

これらの内部流れ構造は、冷却剤を入口チャンバ１３６から取り入れて、均一な温度性能のために冷却表面全体にわたってそれを分配する。冷却剤は、Ｃ形マニホルド１３０を通過した後、半径方向ミリチャンネル３４を通って一組の逆Ｃ形マニホルド１３２まで、更に半径方向ミリチャンネル３４を戻って出口チャンバ１３８まで移動する。マニホルド及びミリチャンネルは、機械加工されるか、又は基材に鋳造される。本体１６及び蓋１２，１４は、鋳造及び／又は機械加工することができる。例えば、部品１２，１４，１６を鋳造してから機械加工して、更に細かな特徴及び表面要件を規定することができる。この構成では、流路（マニホルド及びミリチャンネル）は、蓋１２，１４によって密封される。有利なことに、蓋を用いてヒートシンクを密封したことにより、冷却チャンネルが冷却されている素子の磁極面を超えて延在することができる。このことは、熱拡散効果の利用を可能にし、分解及び整備時の冷却剤の漏れの防止に役立つ。

特定の実施形態では、Ｃ形マニホルド１３０，１３２は、ミリチャンネル３４よりも比較的大きな断面積を有する。１つの非限定的な例において、ミリチャンネルの幅は約０．５ｍｍ〜約２．０ｍｍの範囲であり、ミリチャンネルの深さは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲であった。特に、チャンネルの断面積は、半導体上の圧力均一を確実にするように決定することができる。半導体上の圧力分布をより均一にすることによって、半導体の性能が損なわれなくなる。

更に、ミリチャンネル３４及びＣ形マニホルド１３０，１３２は、丸形、円形、台形、三角形、及び正方形／長方形断面を含むがこれに限定されるものではない様々な断面形状を有し得ることに留意されたい。通路形状は、適用及び製造上の制約に基づいて選択され、適用可能な製造法のみならず冷却剤流量に影響を及ぼす。有利なことに、ヒートシンク６０，７０にミリチャンネル３４を組み込むことによって、半導体素子２０から冷却剤への熱伝導表面積が大幅に増加する。

更に、特定の実施形態では、Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド１３０，１３２の少なくとも一方は可変深さを有してもよい。例えば、Ｃ形入口マニホルド１３０の深さは、テーパ入口チャンバ１３６における最大値と、テーパ出口チャンバ１３８の対向面１３１，１３３における最小値を有してもよい。同様に、逆Ｃ形出口マニホルド１３２の深さは、テーパ入口チャンバ１３６の対向面１３５，１３７における最小値と、テーパ出口チャンバ１３８における最大値を有してもよい。有利なことに、このテーパ構成により、冷却回路全体にわたってより均一な流動分布が得られる。

図４は、圧力降下の低減を促進し、それに対応して冷却効率を向上させるために半径方向チャンネルの数を増やした設計を示す。より詳細には、図６に示す例示的な構成では、半径方向ミリチャンネル３４の数は、本体１６の中心付近の半径方向ミリチャンネル３４の数よりも本体１６の外周付近で多くなる。この構成によって、一定の空間及び機械加工上の制約の下でも、追加の半径方向チャンネルを加えることができるようになる。

特定の形態では、ヒートシンク６０，７０は、複数の電子素子パッケージ２０を冷却するように構成される。図６は、ミリチャンネル３４が蓋１２，１４に形成された例示的な両面ヒートシンク７０の形態を示す。図１５は、ミリチャンネル３４が本体に形成された例示的な両面ヒートシンク６０を示す。図８及び１５に示す例示的な形態では、ミリチャンネル３４は本体１６に形成される。図１５の構成では、図１５に概略的に示すように、Ｃ形入口マニホルド及び逆Ｃ形出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第１の組が本体１６の第１の面２に形成され、入口マニホルド及び出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第２の組が本体１６の第２の面４に形成される。図１に概略的に示すように、入口及び出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第１の組は、冷却剤によって１つの電子素子パッケージ２０の上側接触面２２を冷却するように構成され、入口及び出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第２の組は、冷却剤によって別の電子素子パッケージ２０の下側接触面２４を冷却するように構成される。

図１に示す具体的な構成は単なる例示であり、具体的な用途に応じて、任意の数の電子素子パッケージ２０、及び電子素子パッケージを冷却するための対応するヒートシンク６０，７０を所定のスタックに組み込んでもよいことを理解されたい。本発明の多くの利点の１つは、所望の数の素子パッケージを冷却するための柔軟性及びモジュール性である。

同様に、図３及び６に示す両面ヒートシンク７０の形態では、ミリチャンネル３４が下方及び上方蓋１２，１４の各々に形成される。例えば図６及び７に示すように、Ｃ形入口マニホルド及び逆Ｃ形出口マニホルド１３０，１３２の第２の組が本体１６の第２の面４に形成され（図７参照）、ミリチャンネル３４の第２の組が上方蓋１４に形成される（図６参照）。図７に示す構成と同様に、入口及び出口マニホルド１３０，１３２の第１の組が本体１６の第１の面２に形成され、図６に示すように、ミリチャンネル３４の第１の組が下方蓋１２に形成される。図１に概略的に示すように、入口及び出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第１の組は、冷却剤によって１つの電子素子パッケージ２０の上側接触面２２を冷却するように構成され、入口及び出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第２の組は、冷却剤によって別の電子素子パッケージ２０の下側接触面２４を冷却するように構成される。

図１２に示す構成では、本体１６は、更に、冷却剤をテーパ入口分配チャンバ１３６に供給するように構成された入口プレナム４０を画成し、テーパ入口チャンバ１３６と入口プレナム４０は直線状に配列される。本体１６は、更に、冷却剤をテーパ出口チャンバ１３８から導入するように構成された出口プレナム４２を画成し、テーパ出口チャンバ１３８と出口プレナム４２は直線状に配列される。本明細書で用いられている「直線状」という語は、互いにプラスマイナス１０度（±１０°）の範囲内である、各プレナム４０，４２に対するチャンバ１３６，１３８の配向を包含するように理解されたい。

本発明は、入口及び出口チャンバ１３６，１３８と各入口及び出口プレナムの具体的な相対配向に限定されるものではない。例えば、図５及び６は、チャンバ及び各プレナムの垂直形態を示す。図５及び６に示す例示的な形態では、本体１６は、更に、冷却剤をテーパ入口チャンバ１３６に供給するように構成された入口プレナム４０を画成し、テーパ入口分配チャンバ１３６と入口プレナム４０は垂直に配列される。本体１６は、更に、冷却剤をテーパ出口チャンバ１３８から導入するように構成された出口プレナム４２を画成し、テーパ出口チャンバ１３８と出口プレナム４２は垂直に配列される。本明細書で用いられる「垂直」という語は、互いに９０°±１０°の範囲内である、各プレナム４０，４２に対するテーパチャンバ１３６，１３８の配向を包含するように理解されたい。有利なことに、冷却剤入口プレナム４０及び出口プレナム４２を同一面に配置することによって、流体接続が単純化される。例えば、この形態は、流体送給及び除去用に４つの孔を穿設する必要があり、そのうちの２つは後で接続される。

ヒートシンク６０，７０は、片面又は両面にすることができる。図２及び８を参照して、電子素子パッケージ２０を冷却するための片面ヒートシンク形態６０，７０を説明する。ヒートシンク６０，７０は、少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された蓋１２，１４と、少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された本体１６とを備える。本体１６は蓋１２，１４に封着されており、蓋及び本体の構造は上述の通りである。例えば図７に示すように、本体１６は、冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバ１３６と、冷却剤をテーパ入口分配チャンバ１３６から導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルド１３０と、冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルド１３２とを画成する。例えば図８に示すように、入口及び出口マニホルド１３０，１３２は交互配置（交互嵌合）されると共に、円形配列で配設される。図５に示すように、逆Ｃ形出口マニホルド１３２は、本体１６の一部分のみの周囲に延在し、テーパ入口チャンバ１３６の対向面１３５，１３７に隣接して終端する。例えば図７に示すように、本体１６は、更に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルド１３２から導入するように構成されたテーパ出口チャンバ１３８を画成する。図５に示すように、Ｃ形入口マニホルド１３０は、本体１６の一部分のみの周囲に延在し、テーパ出口チャンバ１３８の対向面１３１，１３３に隣接して終端する。図２及び８に示した片面構成では、ミリチャンネル３４は、本体１６（図８）又は蓋１２，１４（図２）に形成され、冷却剤をＣ形入口マニホルド１３０から導入すると共に、冷却剤を逆Ｃ形出口マニホルド１３２に送給するように構成される。更に、はっきりと示されていないが、ミリチャンネル３４は、圧力降下の更なる低減につながる半径方向チャンネルの数を最大にするために、本体１６及び蓋１２，１４の両方に形成してもよい。ミリチャンネル３４は半径方向配列で配設され、ミリチャンネル３４と入口及び出口マニホルド１３２，１３４は、更に、図１に概略的に示すように、電子素子パッケージ２０の上側及び下側接触面２２，２４の一方を冷却するように構成される。

図９に示す例示的な形態では、ミリチャンネル３４が本体１６に形成される。より詳細には、入口及び出口マニホルド１３０，１３２と半径方向ミリチャンネル３４は、本体１６の第１の面２又は第２の面４の一方のみ（図８のケースでは第２の面４）に形成されて、図８の例で示すように、ヒートシンク６０が片面ヒートシンク６０となる。

図２に示す例示的な形態では、ミリチャンネル３４が蓋１４に形成される。有利なことに、蓋に半径方向チャンネルを配置することにより、電子素子パッケージ２０の近くに冷却剤を配置することによって熱抵抗を低減する。より詳細には、入口マニホルド及び出口マニホルド１３０，１３２は、本体１６の第１の面２又は第２の面４の一方のみ（図２のケースでは第２の面４）に形成されて、図２の例で示すように、ヒートシンク７０が片面ヒートシンク７０となる。

有利なことに、これらの構成では、冷却用送給／除去システムは、機械加工が必要な面が少なくなるように配列される。孔は、１つの面から材料の中間点まで穿設される。そして、孔は、主表面から他の孔と合わさるように穿設される。フライス加工プロセスによって、楔形チャンバ（長方形であってもよい）が削成され、これは左向き又は右向きとして交互に並ぶＣ形及び逆Ｃ形マニホルドと交差して、１つおきに入口チャンバと接続し、残りが出口チャンバと接続する。そして、半径方向ミリチャンネルは、主本体又は蓋のどちらかに削成してもよく、全ての部品は、ろう付け、溶接、又は拡散接合等のその他の方法によって取り付けられる。従って、これらの実施態様は、（電気的接続用の追加の表面を冷却するために）３つの表面のみへの製造を必要とすることによって、製造費を削減する。

図１〜９及び１５を参照して上述した例示的な実施形態では、上側接触面２２及び下側接触面２４は断面が円形であってもよく、本体１６は円筒形（即ち、ディスク又はホッケーパック構成）であってもよい。しかしながら、限定されるものではないが、正方形及び長方形断面を含むその他の形状を利用してもよい。図１に示す例示的な構成では、電子素子パッケージ２０はプレスパッケージ２０である。本発明は特定の素子構造に限定されるものではないが、説明の便宜上、以下の例示的なプレスパッケージ形態を提示する。本例では、プレスパッケージ２０は、ウェーハ２３上に形成された少なくとも１つの半導体素子２１と、熱膨張係数（ＣＴＥ）がマッチした上側及び下側プレート２５，２７と、上側及び下側電極２８，２９とを備える。図１の例で示すように、ウェーハ２３はＣＴＥプレート２５，２７間に配設され、上側電極２８は上側ＣＴＥプレート２５上に配設され、下側ＣＴＥプレート２７は下側電極２９上に配設される。プレスパッケージの実施形態では、ウェーハ２３、ＣＴＥプレート２５，２７、及び電極２８，２９の各々は円形断面を有してもよい。半導体素子の非限定的な例としては、ＩＧＣＴ、ＧＴＯ、及びＩＧＢＴが挙げられる。本発明は、様々な半導体から製造される半導体素子に用途を見出しており、その非限定的な例としては、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びガリウムヒ素（ＧａＡｓ）が挙げられる。プレスパッケージは、一般的に、例えば図１に示すように、絶縁（例えば、セラミック）ハウジング２６を含む。図１は、ヒートシンク６０，７０をハウジング２６の外側に延在するように示しているが、他の実施形態では、ヒートシンク６０，７０の本体１６はハウジング２６内に配設される。更に、電極２８，２９は、例えば電極２８（及び２９）の外周とハウジング２６との間にコンプライアントシールを設けて、ハウジング２６の境界を越えて垂直方向に延在してもよい。更に、電気的接続を可能にすると共に、冷却が必要とされる他の素子を配置するため、ヒートシンク６０，７０が（図示のように）ハウジングの外に延在してもよい。従って、本体１６は、ハウジング２６よりも大きな直径を有してもよい。

有利なことに、気密シールを形成することによって、ヒートシンク６０，７０が、組立、分解、又は整備時に冷却剤がエレクトロニクス上に漏れるのを防ぐ。更に、ヒートシンク６０，７０により、電子素子パッケージ２０の磁極面全体にわたって均一な方法での高性能な冷却が得られる。

上述の形態に加えて、直接冷却用に蓋なし形態を利用することができる。従って、図５，７及び９〜１４を参照して、別のヒートシンク８０形態を説明する。例えば図１に示すように、少なくとも１つの電子素子パッケージ２０を冷却するためのヒートシンク８０が提供される。図１に示すように、電子素子パッケージは、上側及び下側接触面２２，２４を有する。例えば図１０に示すように、ヒートシンク８０は、少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された本体１６を備える。図７に示すように、本体１６は、冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバ１３６と、冷却剤をテーパ入口分配チャンバ１３６から導入するように構成されたＣ形入口マニホルド１３０と、冷却剤を排出するように構成された逆Ｃ形出口マニホルド１３２とを画成する。例えば図５に示すように、入口及び出口マニホルド１３０，１３２は交互配置（交互嵌合）されると共に、円形（軸方向）配列で配設される。図６にもまた示すように、逆Ｃ形出口マニホルド１３２は、本体１６の一部分のみの周囲に延在し、テーパ入口チャンバ１３６の対向面１３５，１３７に隣接して終端する。図７に示すように、本体１６は、更に、冷却剤を出口マニホルド１３２から導入するように構成されたテーパ出口チャンバ１３８を画成する。例えば図５に示すように、Ｃ形入口マニホルド１３０は、本体１６の一部分のみの周囲に延在し、テーパ出口チャンバ１３８の対向面１３１，１３３に隣接して終端する。図示の例では、テーパ入口及び出口チャンバ１３６，１３８は楔形である。しかしながら、テーパチャンバ１３６，１３８は、その他の形状を有してもよい。

例えば図９及び１１に示すように、本体１６は、更に、冷却剤をＣ形入口マニホルド１３０から導入すると共に、冷却剤を出口マニホルド１３２に送給するように構成されたミリチャンネル３４を画成する。ミリチャンネル３４は半径方向配列で配設され、ミリチャンネル３４と入口及び出口マニホルド１３２，１３４は、更に、図１に概略的に示すように、電子素子パッケージ２０の上側及び下側接触面２２，２４の一方を直接冷却するように構成される。マニホルド１３０，１３２及びミリチャンネル３４の例示的な寸法及び断面は上述の通りである。更に、上記のように、入口及び出口マニホルド１３０，１３２の少なくとも一方は可変深さを有してもよい。有利なことに、そのようなテーパ構成により、冷却回路全体にわたってより均一な流動分布が得られる。

有利なことに、ミリチャンネル及び入口／出口マニホルドを本体１６に組み込むことによって、組立工程が単純化される。特に、この一体成形形態によって、２つの構成部品を接合する必要がなくなる。

図４に示す例示的な形態では、半径方向ミリチャンネル３４の数は、本体１６の中心付近の半径方向ミリチャンネル３４の数よりも本体１６の外周付近で多くなる。上記のように、図４に示す構成により、一定の空間及び機械加工上の制約の下でも、追加の半径方向チャンネルを加えることを可能にすることによって冷却の向上が得られる。この構成は、図１０及び１１の蓋なし形態でははっきりと示されていないが、図６のＣ形マニホルドのケースでは示されている。

図１０及び１１に示す例示的な構成では、本体１６は、更に、ガスケット３０４を受け入れる溝３０２を画成する。特定の構成では、ガスケット３０４はＯリングである。有利なことに、この組立工程は比較的簡単で堅牢であり、わずかな製造ステップしか必要とせず、はんだ付け又はその他の金属接合技術等のより複雑な組立技術を不要にする。

図１２に示す例示的な構成では、本体１６は、更に、冷却剤をテーパ入口分配チャンバ１３６に供給するように構成された入口プレナム４０と、冷却剤をテーパ出口チャンバ１３８から導入するように構成された出口プレナム４２とを画成する。例えば図１２に示すように、テーパ入口チャンバ１３６と入口プレナム４０は直線状に配列してもよく、テーパ出口チャンバ１３８と出口プレナム４２は直線状に配列してもよい。その他の形態では、図９に示すように、テーパ入口チャンバ１３６と入口プレナム４０は垂直に配列してもよく、テーパ出口チャンバ１３８と出口プレナム４２は垂直に配列してもよい。

特定の形態では、ヒートシンク８０は、複数の電子素子パッケージ２０を冷却するように構成される。図１０及び１３は、例示的な両面ヒートシンク８０の形態を概略的に示す。この構成では、図１３に示すように、入口及び出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第１の組は本体１６の第１の面２に形成され、入口及び出口マニホルド１３０，１３２とミリチャンネル３４の第２の組は本体１６の第２の面４に形成される。図１３に示すように、マニホルド１３０，１３２及びミリチャンネル３４の第１の組は、冷却剤によって１つの電子素子パッケージ２０の上側接触面２２（図１）を直接冷却するように構成され、マニホルド１３０，１３２及びミリチャンネル３４の第２の組は、冷却剤によって別の電子素子パッケージ２０の下側接触面２４（図１）を直接冷却するように構成される。

その他の形態では、ヒートシンク８０は片面ヒートシンクとして構成される。図１４に示す例示的な構成では、入口及び出口マニホルド１３０，１３２が本体１６の第１の面２又は第２の面４の一方のみ（図１４のケースでは第２の面４）に形成されて、ヒートシンク８０が片面ヒートシンク８０となる。

有利なことに、ヒートシンク８０は、パワー素子の従来の冷却よりも向上した熱伝達をもたらし、堅牢で簡単なシール構成を有する。例えば、ヒートシンク８０は、比較的簡単なＯリングアセンブリを用いて隣接する素子パッケージ２０に封着することができる。ヒートシンク８０はプレスパッケージと一体的であり、冷却剤との直接接触によってパワー素子を直接冷却し、それによって熱伝達を向上させる。更に、ヒートシンク８０は、冷却剤を収容するのに必要なろう付け（又は機械的連結のその他の手段）の数を減らすことによって、漏れ又は疲労破壊のリスクと費用を軽減する。更に、交互配置されたＣ形入口及び出口チャンネルは、冷却される素子の表面に冷却剤を均一に送給し、ミリチャンネルは、この一体型ヒートシンクでのパワー素子から冷却剤への熱伝達表面積を増大させる。更に、ミリチャンネル及び入口／出口マニホルドを本体１６に組み込むことにより、組立工程が単純化する。

熱性能の向上によって高い信頼性とより広い動作マージンを提供することによって、ヒートシンク６０，７０，８０は、石油及びガス液化天然ガス（ＬＮＧ）及びパイプライン駆動装置、石油及びガス海底輸送供給及び駆動装置のような非常に高い信頼性が要求される用途に特に好ましい。更に、ヒートシンク６０，７０，８０は、非限定的な例として圧延工場、製紙工場、及び鉄道輸送などの高出力用途が挙げられる様々な用途に利用することができる。

本明細書では本発明の特定の特徴のみを図示及び説明してきたが、当業者は多くの修正及び変更を想到するであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神内にある全てのそのような修正及び変更を保護するように意図されていること理解されたい。

２ヒートシンク本体の第１の面
４ヒートシンク本体の第２の面
１２下方蓋
１４上方蓋
１６本体
２０電子素子パッケージ
２１半導体素子
２２上側接触面
２３ウェーハ
２４下側接触面
２５ＣＴＥがマッチした上側プレート
２６ハウジング
２７ＣＴＥがマッチした下側プレート
２８上側電極
２９下側電極
３４半径方向ミリチャンネル
４０入口プレナム
４２出口プレナム
６０本体にＣ形マニホルド及び半径方向チャンネルを有するヒートシンク
７０蓋にＣ形マニホルド及び半径方向チャンネルを有するヒートシンク
８０蓋なしの本体にＣ形マニホルド及び半径方向チャンネルを有するヒートシンク
１３０Ｃ形入口マニホルド
１３１テーパ出口チャンバの対向面
１３２逆Ｃ形出口マニホルド
１３３テーパ出口チャンバの対向面
１３５テーパ入口チャンバの対向面
１３６テーパ入口分配チャンバ
１３７テーパ入口チャンバの対向面
１４０テーパ出口チャンバ
３０２溝
３０４ガスケット

Claims

上側接触面（２２）及び下側接触面（２４）を有する少なくとも１つの電子素子パッケージ（２０）を冷却するためのヒートシンク（６０，７０）であって、前記ヒートシンクは、
少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された下方蓋（１２）と、
少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された上方蓋（１４）と、
少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された本体（１６）とを備えており、前記本体（１６）は、前記下方及び上方蓋（１２，１４）の間に配設されて封着され、前記本体（１６）は、
冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバ（１３６）と、
前記冷却剤を前記テーパ入口分配チャンバ（１３６）から導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルド（１３０）と、
前記冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）であって、前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）は交互配置されると共に、円形配列で配設され、前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）は前記本体（１６）の一部分のみの周囲に延在し、前記テーパ入口チャンバ（１３６）の対向面（１３５，１３７）に隣接して終端する前記複数の逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）と、
前記冷却剤を前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）から導入するように構成されたテーパ出口チャンバ（１３８）であって、前記Ｃ形入口マニホルド（１３０）は、前記本体（１６）の一部分のみの周囲に延在し、前記テーパ出口チャンバ（１３８）の対向面（１３１，１３３）に隣接して終端する前記テーパ出口チャンバ（１３８）とを画成する前記ヒートシンクにおいて、
複数のミリチャンネル（３４）が前記本体（１６）に形成されるか、又は前記下方及び上方蓋（１２，１４）の少なくとも一方に形成され、前記冷却剤を前記Ｃ形入口マニホルド（１３０）から導入すると共に、前記冷却剤を前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）に送給するように構成され、前記ミリチャンネル（３４）は半径方向配列で配設され、前記ミリチャンネル（３４）と前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３２，１３４）は、更に、前記電子素子パッケージ（２０）の前記上側及び下側接触面（２２，２４）の一方を冷却するように構成される、ヒートシンク（６０，７０）。
前記ミリチャンネル（３４）は、前記本体（１６）に形成され、前記ミリチャンネル（３４）はまた、前記下方及び上方蓋（１２，１４）の少なくとも一方に形成される、請求項１に記載のヒートシンク（６０）。
前記ミリチャンネル（３４）は、前記本体（１６）に形成され、前記本体（１６）は、第１の面（２）及び第２の面（４）を有し、前記Ｃ形入口マニホルド及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）と前記ミリチャンネル（３４）の第１の組は、前記本体（１６）の前記第１の面（２）に形成され、前記Ｃ形入口マニホルド及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）と前記ミリチャンネル（３４）の第２の組は、前記本体の前記第２の面（４）に形成され、前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）と前記ミリチャンネル（３４）の前記第１の組は、前記冷却剤によって１つの前記電子素子パッケージ（２０）の上側接触面（２２）を冷却するように構成され、前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）と前記ミリチャンネル（３４）の前記第２の組は、前記冷却剤によって別の前記電子素子パッケージ（２０）の下側接触面（２４）を冷却するように構成される、複数の電子素子パッケージ（２０）を冷却するための請求項１に記載のヒートシンク（６０）。
前記ミリチャンネル（３４）は、前記下方及び上方蓋（１２，１４）の各々に形成され、前記本体（１６）は、第１の面（２）及び第２の面（４）を有し、前記Ｃ形入口マニホルド及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）の第１の組は、前記本体（１６）の前記第１の面（２）に形成されて、前記ミリチャンネル（３４）の第１の組は、前記下方蓋（１２）に形成され、前記Ｃ形入口マニホルド及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）の第２の組は、前記本体（１６）の前記第２の面（４）に形成されて、前記ミリチャンネル（３４）の第２の組は、前記上方蓋（１４）に形成され、前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）と前記ミリチャンネル（３４）の前記第１の組は、前記冷却剤によって１つの前記電子素子パッケージ（２０）の上側接触面（２２）を冷却するように構成され、前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）と前記ミリチャンネル（３４）の前記第２の組は、前記冷却剤によって別の前記電子素子パッケージ（２０）の下側接触面（２４）を冷却するように構成される、複数の電子素子パッケージ（２０）を冷却するための請求項１に記載のヒートシンク（７０）。
前記テーパ入口分配チャンバ（１３６）及び前記テーパ出口チャンバ（１３８）は楔形であり、前記ミリチャンネル（３４）の断面と前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）の断面は、丸形、円形、台形、三角形、及び長方形断面からなる群から選択される、請求項１に記載のヒートシンク（６０，７０）。
前記本体（１６）は、更に、
前記冷却剤を前記テーパ入口分配チャンバ（１３６）に供給するように構成された入口プレナム（４０）と、
前記冷却剤を前記テーパ出口チャンバ（１３８）から導入するように構成された出口プレナム（４２）とを画成し、
（ａ）前記テーパ入口チャンバ（１３６）と前記入口プレナム（４０）が直線状に配列され、前記テーパ出口チャンバ（１３８）と前記出口プレナム（４２）が直線状に配列されるか、又は（ｂ）前記テーパ入口チャンバ（１３６）と前記入口プレナム（４０）が垂直に配列され、前記テーパ出口チャンバ（１３８）と前記出口プレナム（４２）が垂直に配列される、請求項１に記載のヒートシンク（６０，７０）。
前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）の少なくとも一方は、可変深さを有する、請求項１に記載のヒートシンク（６０，７０）。
上側接触面（２２）及び下側接触面（２４）を有する電子素子パッケージ（２０）を冷却するためのヒートシンク（６０，７０）であって、前記ヒートシンクは、
少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された蓋（１２，１４）と、
少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された本体（１６）とを備えており、前記本体（１６）は前記蓋（１２，１４）に封着され、前記本体（１６）は、
冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバ（１３６）と、
前記冷却剤を前記テーパ入口分配チャンバ（１３６）から導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルド（１３０）と、
前記冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）であって、前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）は交互配置されると共に、円形配列で配設され、前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）は前記本体（１６）の一部分のみの周囲に延在し、前記テーパ入口チャンバ（１３６）の対向面（１３５，１３７）に隣接して終端する前記複数の逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）と、
前記冷却剤を前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）から導入するように構成されたテーパ出口チャンバ（１３８）であって、前記Ｃ形入口マニホルド（１３０）は、前記本体（１６）の一部分のみの周囲に延在し、前記テーパ出口チャンバ（１３８）の対向面（１３１，１３３）に隣接して終端する前記テーパ出口チャンバ（１３８）とを画成する前記ヒートシンクにおいて、
複数のミリチャンネル（３４）が前記本体（１６）に形成されるか、又は前記蓋（１２，１４）に形成され、前記冷却剤を前記Ｃ形入口マニホルド（１３０）から導入すると共に、前記冷却剤を前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）に送給するように構成され、前記ミリチャンネル（３４）は半径方向配列で配設され、前記ミリチャンネル（３４）と前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３２，１３４）は、更に、前記電子素子パッケージ（２０）の前記上側及び下側接触面（２２，２４）の一方を冷却するように構成される、ヒートシンク（６０，７０）。
上側接触面（２２）及び下側接触面（２４）を有する少なくとも１つの電子素子パッケージ（２０）を直接冷却するためのヒートシンク（８０）であって、前記ヒートシンクは、
少なくとも１種の熱伝導性材料から形成された本体（１６）を備えており、前記本体（１６）は、
冷却剤を導入するように構成されたテーパ入口分配チャンバ（１３６）と、
前記冷却剤を前記テーパ入口分配チャンバ（１３６）から導入するように構成された複数のＣ形入口マニホルド（１３０）と、
前記冷却剤を排出するように構成された複数の逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）であって、前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）は交互配置されると共に、円形配列で配設され、前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）は前記本体（１６）の一部分のみの周囲に延在し、前記テーパ入口チャンバ（１３６）の対向面（１３５，１３７）に隣接して終端する前記複数の逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）と、
前記冷却剤を前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）から導入するように構成されたテーパ出口チャンバ（１３８）であって、前記Ｃ形入口マニホルド（１３０）は、前記本体（１６）の一部分のみの周囲に延在し、前記テーパ出口チャンバ（１３８）の対向面（１３１，１３３）に隣接して終端する前記テーパ出口チャンバ（１３８）と、
前記冷却剤を前記Ｃ形入口マニホルド（１３０）から導入すると共に、前記冷却剤を前記逆Ｃ形出口マニホルド（１３２）に送給するように構成された複数のミリチャンネル（３４）であって、前記ミリチャンネル（３４）は半径方向配列で配設され、前記ミリチャンネル（３４）と前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３２，１３４）は、更に、前記電子素子パッケージ（２０）の前記上側及び下側接触面（２２，２４）の一方を直接冷却するように構成される前記複数のミリチャンネル（３４）とを画成する、ヒートシンク（８０）。
前記本体（１６）は、更に、ガスケット（３０４）を受け入れる溝（３０２）を画成し、前記テーパ入口分配チャンバ（１３６）及び前記テーパ出口チャンバ（１３８）は楔形であり、前記ミリチャンネル（３４）の断面と前記Ｃ形入口及び逆Ｃ形出口マニホルド（１３０，１３２）の断面は、丸形、円形、台形、三角形、及び長方形断面からなる群から選択される、請求項９に記載のヒートシンク（８０）。