JP5503805B2 - 熱輸送冷媒を流すことができるチャネルを有する電子チップ、電子コンポーネント、およびこの電子チップ内蔵のスイッチングアーム - Google Patents
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Description
・電子チップは、第1および第2の金属化層を備えている。これらの層は、活性領域の断面に有効電流を分散させるために、活性領域の両面上に直接均一に広がっている。各金属化層は、活性領域に開いている1つ以上のチャネルを通って各金属化層を貫流する熱伝導流体を、透過させることができる。
・電子チップは、活性領域のnまたはpドープ領域を通過する100を超えるチャネルを備えている。
・チャネルの総断面積は、活性領域の面積の3分の1より小さい。
・チャネルは、最も弱くドープされた領域において、最も強くドープされた領域から最も弱くドープされた領域に進む方向に、朝顔形に広がっている。
・チャネルの側壁は、少なくともチャネルが異なるタイプにドープされた2つの領域の交わる部分を横切る位置においては、誘電体の層で覆われている。
・電子チップは、活性領域の1つの面に均一かつ直接に広がる少なくとも1つの金属化層を備えている。この金属化層は、活性領域に開いている1つ以上のチャネルの中を流れる熱伝導流体を透過させることができる。金属化層の厚さeは、比ρ/eが0.1mΩより小さくなる厚さである。ここで、ρは、金属化層が作られている材料の導電率である。
・活性領域は、大きなpまたはnドープ領域で形成され、このpまたはnドープ領域の中に、その反対のタイプにドープされた基本セルが作成されて、複数のp−n接合を形成し、その間に導電ゲートが設けられている。これらの導電ゲートは、活性領域をオン状態とオフ状態とに切り替えることができ、各チャネルは、2つのゲートの間に配置されている1つの基本セルの場所を、通過または占有している。
・電子チップは、制御信号に応えて、活性領域を、電流に対する抵抗が小さいオン状態と、電流に対する抵抗が少なくとも10倍大きいオフ状態とに切り替えることができる制御可能スイッチである。
・1つ以上のチャネルの最小動水直径は、1〜500μmである。
−基板をその面と垂直に通過するチャネルは短くなるので、ヘッドロスを減らして、熱交換係数が大きくなっている。
−流体の流れに対して平行に、100を超えるチャネルを使用することにより、ヘッドロスを大幅に減少させることができるとともに、より大きな熱交換面を提供し、かつこれらのチャネルの1つが堆積物によって塞がれても、その影響を打ち消すことができる。
−チャネルの総断面積を、活性領域の面積の3分の1より確実に小さくすることにより、その活性領域の総面積を増大することはなく、そしてことによると、減少さえして、電子チップの電気特性を維持または改善している。
−最も弱くドープされた領域において、少なくとも一部が朝顔形に広がるチャネルを使用することにより、熱伝導流体内に等電界線が集中するのを制限することができ、電子チップと絶縁体との境界面における電界を減少させ、それによって、絶縁破壊電圧を維持し、熱伝導流体の選択の制約を緩和している。
−異なるタイプにドープされた領域の境界面をチャネルが横切る位置において、チャネルの側壁を誘電体で覆うことにより、電子チップの絶縁破壊電圧を維持することができる。この場合、等電界線は、主に誘電体内で間隔が狭まり、熱伝導流体内では、もはや狭まらないからである。
−比ρ/eが、0.1mΩより小さくなるような厚さeの金属化層を使用することにより、電流を活性領域により均一に分散させることができ、それによって、電子チップの絶縁破壊電圧を維持することができ、この電子チップを内蔵する電子コンポーネントの安全マージンを増加させ、かつ半導体を強固にしている。
−チャネルをゲートとゲートの間を通過させることにより、これらのゲートを接続する電気トラックのレイアウトを変更する必要がなくなっている。
−活性領域の1つの面の上に直接に均一に広がり、かつ活性領域に開いている1つ以上のチャネルの中を流れる熱伝導流体を透過させることができる、少なくとも1つの金属化層を備える上述の電子チップと、
−活性領域の周辺部だけに配置され、電子チップがオン状態のとき、この活性領域を通過する電流を供給および回収するために、金属化層に直接機械的および電気的に接触する少なくとも1つの電気トラックとを備えている。
・電気トラックと金属化層との電気的接触は、何らかの温度変化に応えて、電気トラックが金属化層の上を摺動することができるようにする、無はんだ、無接着の圧着接触だけから成っている。
・少なくとも1つの電気トラックは、導電材料で作られた中空チューブの形態のピンであり、この導電材料の周辺部は、電子チップの活性領域の周辺部に電気的に接続され、導電材料の中空部は、活性領域を通過する少なくとも1つのチャネルに流体的に接続されている。
−電気トラックを金属化層に接触/接続するために圧着することにより、この電気トラックは、電子チップを損傷することなく、温度変化に応えて、金属化層の上を摺動することができる。
−中空チューブ状の接続ピンは、2つの役割、すなわち、電子チップの電気的接続と流体的接続を同時に果たし、それによって、電子コンポーネントの製造を簡単にしている。
−少なくとも1つの第1の電子チップ、および少なくとも1つの第2の電子チップであって、これらの電子チップは上述のタイプであり、各電子チップは、上面および下面を有し、第1の電子チップの上面が、第2の電子チップの下面と向かい合うように順に積み重ねられている、第1の電子チップおよび第2の電子チップを備え、
−第1の電子チップの上面に開口している1つ以上のチャネルの上端は、第2の電子チップの下面に開口している1つ以上のチャネルの下端に流体的に接続されている。
・第1の電子チップの上面および第2の電子チップの下面は、第1と第2の電子チップの間に位置している中間熱伝導流体マニホールドの上壁および下壁を画定し、このマニホールドに、第1の電子チップのチャネルの上端および第2の電子チップのチャネルの下端が開口している。
・第1および第2の電子チップは、それぞれ、活性領域の1つの面、すなわちそれぞれ下面および上面に、直接均一に広がり、かつ活性領域に開いている1つ以上のチャネルの中を流れる熱伝導流体を透過させることができる少なくとも1つの金属化層と、各電子チップの活性領域の周辺部だけに配置され、かつこれらの活性領域を通過する電流を供給または回収するために、第1の電子チップの活性領域の下面および第2の電子チップの活性領域の上面に広がる金属化層と直接機械的および電気的に接触する少なくとも1つの共通電気トラックとを備えている。
―第1と第2の電子チップの間に位置している冷却流体マニホールドが存在することにより、電子コンポーネントの冷却を改善することができ、所与の電子チップを通過する種々のチャネル間の圧力を均一にすることができる。
−電圧入出力端子と、
−これらの入出力端子の間に直列に接続され、それぞれが上述の電子チップを備えている、少なくとも2つの制御可能スイッチと、
−これらの入出力端子にそれぞれ電気的に接続された少なくとも2つの電極と、これら2つの電極を互いに電気的に絶縁する誘電体とを備える少なくとも1つのデカップリングコンデンサであって、電極間の誘電体を通過するか、または電極の少なくとも一方に沿って直接延び、制御可能スイッチを形成する電子チップの活性領域を通過するチャネルに流体的に接続された少なくとも1つのチャネルを備えているデカップリングコンデンサ。
−ReDは、熱伝導流体の流れのレイノルド数であり、
−Lは、マイクロチャネルの長さであり、
−Dtは、マイクロチャネルの全長にわたる平均動水直径であり、
−Prは、プラントル数である。
−Max(r)は、半導体基板6内のマイクロチャネルの最大幅であり、
−Lは、半導体基板6を通るマイクロチャネルの長さである。
4、252、254、302、304 電子チップ
6、192、402 半導体基板
8、190、230 活性領域
10 強pドープ領域
12 弱nドープ領域
14 強nドープ領域
18 周辺領域
20、22、210、212 金属化層
24、26、220、270、272、274、314 電気トラック
30、32、276、278、280、336 マニホールド
34、38 誘電体層
36 (電子コンポーネント)入口
40 (電子コンポーネント)出口
44、216、232、242、244、246、248、306、338、420 マイクロチャネル
48 対称軸、対称面
54 保護層
60、350 冷却回路
62、352 熱交換器
64 (冷却回路)入口
66 (冷却回路)出口
68 フィン
70 基部
72、74 ダクト
76、354 ポンプ
80 チャネル
82 (チャネル)対称軸
84、88 先端部
88〜91 曲線
106 キャリア
118、152 ハードマスク
142 薄板
148 基板
194、240 導電セル
200 pドープ領域
202 n+ドープ領域
204 ゲート
208 小領域
210 ソース
212 ドレイン
214 電気絶縁体
282、284 孔
290 3D電気コンポーネント
292 噴流
308、340 入口マニホールド
310 中間マニホールド
280、312 出口マニホールド
270、274、316、318 トラック
320、332 ポリマーパッケージ
322、324 空洞部
330 スイッチングアーム
331A、331B 入出力電圧ピン
334 デカップリングコンデンサ
335A、335B 導電櫛状部
337 誘電体
356 矢印
400 ランプ
404 LED
406 パッケージ
408 カバー
410 空洞
412 窓
416 入口チャネル
418 出口チャネル
414 熱伝導流体
422 壁
F 半導体基板の面と垂直の方向
p1、p2 セル間の間隔
Claims (17)
- 電子チップであって、
−基本的に平面に置かれており、活性領域(8、190、230)を有している半導体基板(6、12)と、
−流れる熱伝導流体を収容することができ、少なくとも前記活性領域のpドープ領域またはnドープ領域を通過する少なくとも1つのチャネル(44;216;232;242;244;246;248)とを備え、
前記活性領域は、少なくとも1つのpドープ領域および少なくとも1つのnドープ領域によって形成され、前記pドープ領域およびnドープ領域は、1つ以上のp−n接合を形成し、前記p−n接合には、前記電子チップがオン状態のとき、有効電流の大部分が流れ、
前記少なくとも1つのチャネル(44;216;232;242;244;246;248)は、直線的であり、前記半導体基板の面と垂直な方向Fと同一方向から±45°の範囲内で、前記半導体基板(6;192;402)を貫通するようになっていることを特徴とする電子チップ。 - 前記電子チップは、第1および第2の金属化層(20、22;210、212)を備え、前記金属化層は、前記活性領域の断面に有効電流を分散させるために、前記活性領域のそれぞれ反対側の面に直接均一に広がり、各金属化層は、前記熱伝導流体を透過させることができ、前記熱伝導流体は、前記活性領域に開いている前記1つ以上のチャネルの中を通って、各金属化層を貫流するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の電子チップ。
- 前記活性領域の前記nまたはpドープ領域を通過する100を超えるチャネルを備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の電子チップ。
- 前記チャネル(44;216;232;242;244;246;248)の総断面積は、前記活性領域の面積の3分の1未満であることを特徴とする請求項3に記載の電子チップ。
- 前記チャネル(44)は、最も弱くドープされた領域において、最も強くドープされた領域から最も弱くドープされた領域に進む方向に朝顔形に広がっていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電子チップ。
- 前記チャネル(44)の側壁は、少なくとも前記チャネル(44)が、異なるタイプにドープされた2つの領域が交わる部分を横切る場所においては、誘電体の層(54)で覆われていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子チップ。
- 金属化層(20、22;210、212)の厚さeは、比ρ/eが0.1mΩ未満になる厚さであり、ここで、ρは、前記金属化層が作られている材料の導電率であることを特徴とする請求項2に記載の電子チップ。
- −前記活性領域(190;230)は、前記活性領域をオン状態とオフ状態に切り替えることができる導電ゲート(204)が間に配置される複数のp−n接合を形成するために、反対のタイプにドープされた基本セル(200)が作成される大きなpまたはnドープ領域で形成されていること、および
−各チャネル(216;232)は、2つのゲートの間に位置している1つの基本セルの場所を通過または占有していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の電子チップ。 - 制御信号に応えて、前記活性領域を、電流に対する抵抗が小さいオン状態と、電流に対する抵抗が少なくとも10倍大きいオフ状態とに、切り替えることができる制御可能スイッチであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電子チップ。
- 前記1つ以上のチャネルの最小動水直径は、1〜500μmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の電子チップ。
- 電子コンポーネントであって、
−請求項1〜10のいずれか1項に記載の電子チップ(4;252、254;302、304)であって、前記活性領域の1つの面に直接均一に広がる少なくとも1つの金属化層(20、22;210、212)を備え、前記金属化層は、前記活性領域に開いている前記1つ以上のチャネルの中を流れる前記熱伝導流体を透過させることができる、電子チップ(4;252、254;302、304)と、
−前記活性領域の周辺部だけに配置され、前記電子チップが前記オン状態であるとき、この活性領域を流れる電流を供給または回収するように、前記金属化層と直接機械的および電気的に接触する少なくとも1つの電気トラック(24、26;220)とを備えていることを特徴とする電子コンポーネント。 - 前記電気トラック(24、26;220)と前記金属化層(20、22;210、212)との前記電気的接触は、温度変化に応えて、前記電気トラックが前記金属化層の上を摺動するのを可能にする無半田および無接着の圧着接触だけからなることを特徴とする請求項11に記載の電子コンポーネント。
- 前記少なくとも1つの電気トラックは、導電材料の中空チューブの形態のピン(316、318)であり、前記導電材料の周辺部は、前記電子チップの前記活性領域の周辺部に電気的に接続され、前記導電材料の中空部(322、324)は、前記活性領域を通過する前記少なくとも1つのチャネル(306)に流体的に接続されていることを特徴とする請求項11または12に記載の電子コンポーネント。
- 3D構造を有する電子コンポーネントであって、
−少なくとも1つの第1の電子チップ(252)および少なくとも1つの第2の電子チップ(254)であって、各チップは上面および下面を有し、前記第1の電子チップの上面が前記第2の電子チップの下面に向かい合うように順に積み重ねられている第1および第2の電子チップ(252、254)を備え、
前記第1および第2の電子チップ(252、254)は、請求項1〜10のいずれか1項に記載されており、前記第1の電子チップの上面に開口している前記1つ以上のチャネル(216)の上端は、前記第2の電子チップの下面に開口している前記1つ以上のチャネルの下端に流体的に接続されていることを特徴とする電子コンポーネント。 - 前記第1および第2の電子チップ(252、254)の上面および下面は、前記第1と第2の電子チップの間に位置している中間熱伝導流体マニホールド(278)の下壁および上壁を画定し、前記中間熱伝導流体マニホールド(278)に、前記第1の電子チップの前記チャネル(216)の上端、および前記第2の電子チップの前記チャネルの下端が開口していることを特徴とする請求項14に記載の電子コンポーネント。
- −前記第1および第2の電子チップ(252、254)は、それぞれ、前記活性領域の1つの面、すなわちそれぞれ下面および上面に、直接均一に広がる少なくとも1つの金属化層(210、212)を備え、前記金属化層は、前記活性領域に開いている前記1つ以上のチャネルの中を流れる前記熱伝導流体を透過させることができ、
−少なくとも1つの共通電気トラック(272)は、各チップの前記活性領域の周辺部だけに配置され、これらの活性領域を流れる電流を供給または回収するように、前記第1の電子チップの前記活性領域の下面に、および前記第2の電子チップの前記活性領域の上面に広がる前記金属化層と、直接機械的および電気的に接触するようになっていることを特徴とする請求項14または15に記載の電子コンポーネント。 - スイッチングアームであって、
−電圧入出力端子(331A、331B)と、
−前記入出力端子の間に直列に接続されている少なくとも2つの制御可能スイッチ(252、254)と、
−前記入出力端子にそれぞれ電気的に接続されている少なくとも2つの電極と、これら2つの電極を互いに電気的に絶縁する誘電体とを備えている少なくとも1つのデカップリングコンデンサ(334)とを備え、
各制御可能スイッチ(252、254)は、請求項1〜10のいずれか1項に記載の電子チップを備え、前記デカップリングコンデンサ(334)は、前記電極間の前記誘電体を通過するか、または前記電極の少なくとも1つに沿って直接延びる少なくとも1つのチャネル(338)を備え、前記1つ以上のチャネルは、前記制御可能スイッチを形成する前記電子チップの前記活性領域を通過する前記チャネル(216)に流体的に接続されていることを特徴とするスイッチングアーム。
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