KR102636825B1 - 냉각 요소 제조 방법 및 이러한 제조 방법에 의해 제조된 냉각 요소 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 또는 전자 구성요소, 특히 반도체 요소를 위한 냉각 요소(1)의 제조 방법에 관한 것으로서, 제조된 냉각 요소(1)는 작동 중에 냉각 유체가 통과할 수 있는 냉각 유체 채널 시스템을 갖고, 상기 방법은:
- 적어도 제1 금속 층(11)을 제공하는 단계,
- 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에 적어도 하나의 리세스(21, 22)를 구현하는 단계, 및
- 적어도 하나의 리세스(21, 22)에 의해 냉각 유체 채널 시스템의 적어도 일부 섹션을 형성하는 단계를 포함하되,
적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 적어도 제1 부분(21)은 부식, 특히 스파크 부식에 의해 구현된다.
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Description
본 발명은 냉각 요소 제조 방법 및 이러한 제조 방법에 의해 제조된 냉각 요소에 관한 것이다.
전기 및 전자 구성요소, 특히 레이저 다이오드와 같은 반도체를 냉각하기 위한 냉각 요소는 종래 기술로부터 잘 알려져 있다. 작동 중에, 전기 또는 전자 구성요소는 전기 또는 전자 구성요소의 영구적인 기능을 보장하기 위해 냉각 요소에 의해 소산되는 열을 생성한다. 이는 특히 몇 ℃의 온도 차이로도 성능 및/또는 작동 수명에 심각한 손상을 초래할 수 있는 레이저 다이오드에 적용된다.
구성요소를 냉각하기 위하여, 구성요소에 일반적으로 부착되는 냉각 요소는 일반적으로 전기 또는 전자 구성요소로부터 나오는 열을 흡수하고 분산하기 위해 작동 중에 냉각 유체가 통과하는 냉각 유체 채널 시스템을 갖는다. 바람직하게, 핀 구조물(fin structure)이 사용되는데, 이러한 핀 구조물에서, 냉각 유체와 가능한 최대 접촉 영역을 제공하고 그에 따라 냉각 유체 채널 시스템을 경계 짓는 벽으로부터 냉각 유체로의 열 전달을 개선하기 위해 복수의 웹 형태의 요소가 냉각 유체 채널 시스템 내로 돌출된다.
따라서, 유체와 핀 구조물 사이의 전이부(transition)에서 최적의 냉각 성능을 보장하기 위해 가능한 최대한 가장 작은 공간에 이러한 웹 형태의 요소를 결합하는 것이 바람직하다.
인접한 웹 형태의 요소의 가장 가까운 가능한 배열은 제조 공정에 의해 2개의 인접한 웹 형태의 요소 사이에 달성될 수 있는 가장 작은 가능한 거리에 의해 제한된다.
일반적으로, 웹 형태의 요소는 전기 또는 전자 구성요소를 예를 들어 세라믹-금속 기판에 의해 직접 또는 간접적으로 지지하는 금속 층의 리세스의 상응하는 에칭에 의해 구현되며, 금속 층 및 가능하게는 상이하게 구조화된 금속 층은 적층 방향을 따라 서로의 상부에 적층되어 냉각 유체 채널 시스템을 갖는 냉각 요소를 형성한다.
인접한 웹 형태의 요소 사이의 비교적 작은 거리는 가능한 가장 얇은 금속 층으로 달성될 수 있으며, 적층 방향을 따라 충분히 큰 팽창을 갖는 웹 형태의 요소를 얻고 그와 동시에 2개의 인접한 웹 형태의 요소 사이에 작은 거리를 구현하기 위해, 각각의 층 위에 가능한 최대한 얇은 여러 개의 금속 층, 바람직하게는 2개 내지 3개의 금속 층을 적층하는 것이 바람직하다고 밝혀졌다. 그러나, 이러한 접근 방식에서는, 적층된 금속 층 사이의 적층 방향에 대해 수직인 방향으로 발생하는 이격 배열(offset)로 인해, 인접한 2개의 웹 형태의 요소 사이의 최소 거리는 0.3mm 또는 그 이상으로 제한된다.
이에 따라, 본 발명의 목적은, 종래 기술로부터 공지된 냉각 요소에 비해 개선된 냉각 효과를 가지며, 특히 냉각 유체 채널 시스템을 위해 보다 미세하게 구조화된 리세스가 가능한, 냉각 요소를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제1항에 따른 방법 및 청구항 제10항에 따른 냉각 요소에 의해 구현된다. 본 발명의 추가 이점 및 특징은 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면뿐만 아니라 종속항에 기술되어 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 전기 또는 전자 구성요소, 특히 반도체 요소를 위한 냉각 요소의 제조 방법이 제공되는데, 제조된 냉각 요소는 작동 중에 냉각 유체가 통과할 수 있는 냉각 유체 채널 시스템을 갖고, 상기 방법은:
- 적어도 제1 금속 층을 제공하는 단계,
- 적어도 하나의 제1 금속 층에 적어도 하나의 리세스를 구현하는 단계, 및
- 적어도 하나의 리세스에 의해 냉각 유체 채널 시스템의 적어도 일부 섹션을 형성하는 단계를 포함하되,
적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 리세스의 적어도 제1 부분은 부식, 특히 스파크 부식(spark erosion)에 의해 구현된다.
종래 기술로부터 공지된 방법에 비해, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 리세스의 적어도 제1 부분은 부식, 특히 스파크 부식(예를 들어, 와이어 또는 싱크 부식)에 의해 구현된다. 이러한 부식은 특히 매우 작거나 미세하게 구조화된 리세스 또는 리세스 섹션을 형성할 수 있게 하며, 특히 리세스 섹션, 즉 적어도 하나의 리세스의 제1 부분이 구현될 수 있으며, 예를 들어 2개의 인접한 웹 형태의 요소의 2개의 대향하는 측면 사이의 거리가 적어도 하나의 제1 금속 층에서 0.3mm보다 작은 값으로 구성될 수 있다. 이와 상응하게, 리세스는, 특히 여러 제1 금속 층을 서로의 상부에 적층할 필요 없이, 냉각 유체가 통과할 수 있는 후속 제조된 냉각 유체 채널 시스템에서 매우 좁은 채널 섹션을 형성하는 단일의 제1 금속 층에서 구현될 수 있다. 그 결과, 종래 기술에 비해, 훨씬 작고 좁은 냉각 구조물, 예를 들어 냉각 요소의 핀 구조물(fin structure)이 생성될 수 있으며, 냉각 요소의 냉각 효과가 상당히 개선될 수 있다.
바람직하게는, 스파크 부식 또는 부식은 전도성 재료에 대한 열적 절제(thermal ablation) 공정이며, 여기서 상기 공정은 적어도 하나의 제1 금속 층과 공구로서의 전극 사이의 방전 공정(스파크 부식)에 따른다. 특히, 스파크 부식은 DIN 8580 표준에 따른 절제 공정에 따라 수행된다. 적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 리세스는 적어도 하나의 제1 금속 층(바람직하게는 와이어 부식에 의해 생성됨) 전체를 통해 연장될 수 있거나, 혹은 적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 리세스는 층은 블라인드 홀과 같은 방식으로 형성된다(예를 들어, 적어도 하나의 제1 금속 층에서 싱크 부식에 의해 구현됨).
부식 동안, 기계가공이, 바람직하게는 비-전도성 매체, 예를 들어 오일 또는 탈이온수에서 수행된다. 그 다음 전극 공구는 공작물 즉 적어도 하나의 제1 금속 층의 0.004 내지 0.5mm 이내로 이동된다. 그 후, 인가된 전압의 증가에 의해 스파크의 섬락(flashover)이 선택적으로 유도되고, 이에 따라 생성된 스파크는 재료가 점-형태(punctiform)로 용융되고 기화되어, 적어도 하나의 리세스가 적어도 하나의 제1 금속 층에 구현된다. 또한, 바람직하게는 냉각 요소는 전기 또는 전자 구성요소가 연결될 수 있는 연결 표면을 포함하며, 적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 제1 리세스의 적어도 하나의 제1 부분이 상기 연결 표면에 인접한다. 즉, 부식에 의해 형성된 적어도 하나의 리세스의 제1 부분은 연결 표면에 인접하거나 및/또는 연결 표면에 인접하여 형성된다.
특히 바람직하게는, 반도체 요소는 냉각 효율이 전력 효율 및 작동 수명에 대해 상당히 중요한 레이저 다이오드이다. 더욱이, 부식에 의해 제조되는 제1 부분은 추후에 제조되는 냉각 요소에서 핀 구조물의 일부라는 것을 고려할 수 있다. 예를 들어, 효율적인 열 분산을 위해 냉각 유체가 통과하는 핀 구조물의 일부인 2개의 웹 형태의 요소 사이에서, 제1 부분은 간극(gap)을 형성한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 추가로:
- 적어도 하나의 제2 금속 층을 제공하는 단계, 및
- 적층 방향을 따라 적어도 하나의 제1 금속 층 및 적어도 하나의 제2 금속 층을 적층하여, 냉각 유체 채널 시스템의 적어도 하나의 섹션을 형성하는 단계를 포함한다.
특히, 적어도 하나의 제1 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제2 금속 층은 주 연장 평면을 따라 연장되고, 주 연장 평면에 대해 수직인 적층 방향을 따라 서로의 상부에 적층된다.
바람직하게, 냉각 요소는 적어도 하나의 제3 금속 층을 포함하고, 이는 또한 주 연장 평면을 따라 연장되고 적어도 하나의 제1 금속 층 및 적어도 하나의 제2 금속 층과 함께 적층 방향에 대해 수직인 방향으로 적층되어 배열된다. 특히, 적어도 하나의 제1 금속 층, 적어도 하나의 제2 금속 층 및 적어도 하나의 제3 금속 층은 적어도 하나의 리세스의 위치 및 형상이 서로 상이하다. 특히, 적어도 하나의 제1 금속 층, 적어도 하나의 제2 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층이 적층된 상태에서 서로 상부에 배열되어, 연결 표면으로부터 열을 전도하기 위해 작동 중에 냉각 유체가 이송될 수 있는 냉각 유체 채널 시스템을 형성한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 리세스의 적어도 제1 부분은 부식에 의해 적어도 하나의 제1 금속 층, 적어도 하나의 제2 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층에 형성된다. 또한, 냉각 유체 채널 시스템은, 예를 들어 적어도 하나의 제1 금속 층, 적어도 하나의 제2 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층을 통해 연장되는, 특히, 배출 영역 및 공급 영역을 포함하며, 냉각 유체 채널 시스템은 바람직하게는 냉각 유체가 공급 영역으로부터 배출 영역으로 전달될 때 냉각 유체가 부식에 의해 생성된 리세스의 제1 부분을 통과해야 하도록 구성된다. 바람직하게는, 냉각 유체는 공급 영역으로부터 배출 영역으로의 전이 동안 핀 구조물을 통과한다. 특히, 냉각 유체는 적층 방향을 따라 냉각 유체 채널 시스템을 통과하고, 특히 적층 방향을 따라 핀 구조물을 통과하도록 구성된다.
또한, 냉각 유체 채널 시스템은 냉각 유체 채널 시스템을 통해 이송된 유체가 적어도 하나의 제1 금속 층으로부터 적어도 하나의 제2 금속 층을 통해 적어도 하나의 제3 금속 층으로 이송되도록 설계되고, 이에 따라 유체는 적어도 하나의 제3 금속 층에서 편향되고(deflected) 적어도 하나의 제2 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제1 금속 층으로 다시 이송된다. 여기서, 냉각 유체는 다시 냉각 유체 채널 시스템의 배출 영역에 접근하고 그에 따라 냉각 유체 채널 시스템으로부터 배출될 수 있다. 대안으로, 제1 금속 층 및/또는 제2 금속 층은 냉각 유체가 단일의 흐름 방향을 따라 안내되는 유체 채널 내로 핀이 돌출하는 핀 구조물을 형성하는 것을 고려할 수 있다. 원칙적으로, 부식에 의해 웹 형태의 요소가 생성되는 냉각 유체 채널 시스템의 다양한 디자인을 고려할 수 있다.
적어도 하나의 제1 금속 층, 적어도 하나의 제2 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층 외에도, 추가의 상응하는 금속 층 및/또는 상부 커버 층 및/또는 하부 커버 층이 제공된다. 냉각 요소와 전기 또는 전자 구성요소 사이에 절연이 필요한 경우, 바람직하게는 상부 커버 요소 및/또는 하부 커버 요소가 금속-세라믹 복합재로서 형성되며, 이러한 금속-세라믹 복합재에서, 상응하는 절연을 제공하기 위해 세라믹 층이 두 금속 층 사이에 배열된다. 적어도 하나의 제1 금속 층, 적어도 하나의 제2 금속 층, 및 적어도 하나의 제3 금속 층과 대조적으로, 상부 커버 부재 및/또는 하부 커버 부재는 부식에 의해 생성된 적어도 하나의 리세스의 제1 부분을 갖지 않을 수도 있다. 대신, 상부 커버 층 및/또는 하부 커버 층은, 냉각 요소를 위한 고정 수단 및 잠금 보조장치로서 및/또는 냉각 유체 채널 시스템의 공급 영역 및/또는 배출 영역을 위한 입력 개구 및/또는 출력 개구로서 제공되는 리세스 및/또는 추가 리세스를 갖는다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 제1 금속 층에서 리세스의 적어도 제2 부분이 에칭(etching)에 의해 구현된다. 이러한 방식으로, 적어도 하나의 리세스를 두 단계로 형성하는 것이 유리하며, 리세스의 제2 부분 또는 대면적 섹션이 예를 들어 에칭에 의해 제1 준비 단계에서 형성된다. 특히, 대면적 섹션의 경우, 2개의 대향하는 측벽 사이의 거리는 가능한 최대한 작을 필요가 없기 때문에, 여기서 확립된 에칭 공정을 사용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌으며, 리세스의 제1 부분 또는 미세하게 구조화된 리세스 섹션은 부식에 의해, 바람직하게는 에칭 후의 제조 공정에서 생성된다. 이러한 방식으로, 복잡한 부식 공정은 적어도 하나의 제1 금속 층에서 가능한 최대한 작은 섹션으로 제한될 수 있다. 이는 제조 시간 및 제조 비용에 긍정적인 영향을 미친다.
바람직하게는, 적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 리세스의 적어도 하나의 제2 부분을 형성하기 위한 에칭은, 적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 리세스의 적어도 하나의 제1 부분을 형성하기 전에, 일시적으로 제공된다. 따라서, 유리한 방식으로, 제2 부분이 형성되면, 제1 부분의 형성을 위한 부식에 대한 접근이 단순화되는데, 이는 예를 들어 와이어가 이미 에칭된 제2 부분에 쉽게 삽입될 수 있어서, 부식에 의해 제1 부분에 대해 원하는 구조를 순차적으로 만들기 때문이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 제조된 상태에서 적어도 하나의 제1 부분은 거리가 제1 임계값 미만인 대향 측벽을 갖거나 및/또는 제조된 상태에서 적어도 하나의 제2 부분은 거리가 제2 임계값보다 큰 대향 측벽을 갖는다. 바람직하게는, 제1 임계값은 제2 임계값에 상응한다. 따라서, 적어도 하나의 리세스의 적어도 제2 부분으로부터 적어도 하나의 제1 리세스의 제1 부분의 범위를 정하고(delimit) 각각의 부분 섹션의 요구되는 거리 또는 치수에 따라 상응하는 공정을 적용하는 것이 가능하며, 이는 한편으로는 제1 부분에서 가능한 가장 작은 거리를 보장하는 반면, 제2 부분에서는 2개의 대향 측벽 사이의 거리가 더 길기 때문에 값비싼 부식 공정에 좌우될 필요가 없다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 여러 개의 제1 금속 층이 동시에 부식된다. 특히, 각각의 경우에 와이어 부식에 의해 서로의 상부에 동시에 적층된 여러 개의 제1 금속 층에서 리세스의 제1 부분을 구현하며, 단일의 부식 단계에서, 여러 개의 제1 금속 층에 리세스의 제1 부분이 제공된다. 특히, 최대 40개의 금속 층이 동시에 부식될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 특히, 이는 약 4cm의 적층된 제1 금속 층의 전체 밀도에 상응한다. 그에 따라, 최대 40개의 제1 금속 층이 하나의 부식 단계에서 구현될 수 있으며, 이들 각각의 층은 추후에 냉각 요소의 일부가 된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 여러 개의 제1 금속 층이 클램핑 요소에 고정된다. 클램핑 요소에 의해, 적층된 제1 금속 층을 함께 이송하고, 특히 이들을 함께 부식에 사용할 수 있게 하는 것이 유리하다. 이를 위해, 클램핑 요소에는 특히 다수의 제1 금속 층에 대한 접근을 보장하는 개구가 제공되며, 그에 따라 다수의 제1 금속 층의 동시 부식이 가능하다. 특히, 클램핑 요소의 제1 고정 절반부(fixing half)와 제2 고정 절반부 사이에 여러 개의 제1 금속 층이 배열된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 적어도 제1 금속 층은 0.3 mm 초과, 바람직하게는 0.4 mm 초과, 특히 바람직하게는 0.8 mm 초과의 적층 방향으로 측정된 두께를 갖는다. 여러 개의 얇은 적어도 제1 금속 층이 다른 층의 상부에 배열되는 종래 기술로부터 공지된 공정과는 대조적으로, 부식 동안 비교적 두꺼운, 특히 0.3mm보다 큰 두께의 리세스를 갖는 제1 금속 층을 제공하는 것이 유리하다. 이것은 특히 서로의 상부에 여러 개의 제1 금속 층을 적층할 필요 없이 적어도 하나의 제1 금속 층에서 매우 좁지만 깊은 구조화(deep structuring)를 구현하는 것을 가능하게 한다. 이것은 제조 공정을 단순화하고 적어도 하나의 제1 금속 층에서 적어도 하나의 리세스의 제1 부분에 의해 형성되는 핀 구조물의 안정성 및 구별성을 증가시킨다.
바람직하게는, 적어도 하나의 제1 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제2 금속 층은 하부 커버 층과 상부 커버 층 사이에 배치된다. 달리 말하면, 적어도 하나의 제1 금속 층 및/또는 제2 금속 층은 상부 및 하부 커버 층을 형성하지 않는다. 특히, 이 경우에, 적어도 하나의 제1 금속 층은 0.3 mm 초과, 바람직하게는 0.4 mm 초과, 특히 바람직하게는 0.8 mm 초과의 두께를 갖는다. 마지막으로, 상부 및 하부 커버 층 사이에 적절하게 두꺼운 제1 금속 층이 있더라도, 서로에 대해 개별 층들이 횡방향으로 이격되어 배열되는(lateral offset) 위험 없이 용이하게 조립되어, 제조된 유체 채널의 수축으로 이어져서, 작동적으로 신뢰할 수 있는 유체 채널을 생성하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 이에 따라 냉각 구조물 내부에서 특히 좁은 유체 채널을 구현할 수 있다.
또한, 바람직하게는 3개 초과, 더 바람직하게는 5개 초과, 그리고, 특히 바람직하게는 7개 초과의 제1 금속 층 및/또는 제2 금속 층이 제공되며, 그 두께는 0.3 mm 초과이다. 달리 말하면, 비교적 두꺼운 제1 및/또는 제2 금속 층의 사용은 외부 커버 층 또는 부분 층과 같은 개별 층에 제한되지 않는다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 모든 제1 금속 층 및/또는 제2 금속 층은 0.3 mm 초과, 바람직하게는 0.4 mm 초과, 특히 바람직하게는 0.8 mm 초과의 두께를 갖는다. 예를 들어, 모든 제1 및/또는 제2 금속 층은 0.5 mm +/- 0.2, 바람직하게는 1 mm +/- 0.4 mm, 특히 바람직하게는 1.2 mm +/- 0.5 mm의 두께를 갖는다.
바람직하게는, 적어도 하나의 리세스의 형상은 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 5개, 특히 바람직하게는 적어도 8개의 제1 금속 층에 대해 상이하다. 유리하게는, 적어도 하나의 제1 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제2 금속 층이 특히 비교적 두꺼우며, 얇은 리세스를 갖는 경우, 이들을 적층함으로써 복잡한 냉각 시스템이 구현될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
또한, 적어도 하나의 제1 금속 층이 바람직하게는 소결(sintering)에 의해 적어도 하나의 제2 금속 층에 결합된다. 특히, 적어도 하나의 제1 금속 층은, 접착 촉진제 또는 납땜 재료를 사용하지 않고도, 적어도 하나의 제2 금속 층에, 특히 바람직하게는 적어도 하나의 제3 금속 층에 결합된다. 예를 들어, 이들은 냉각 요소를 위한 모놀리식 본체(monolithic base body)가 형성되도록 적절한 가열에 의해 함께 결합된다.
또한, 냉각 요소를 형성하기 위해 단일의 제1 금속 층이 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 금속 층에 대한 제1 섹션에서 여러 개의 얇은 제1 금속 층을 값비싸게 적층할 필요가 없어, 제조 공정이 상당히 단순화된다. 이것은 특히 적어도 하나의 리세스의 제1 섹션에서 비교적 매우 얇은 구조화를 구현하기 위해 더 두꺼운 제1 금속 층이 사용될 수 있기 때문에 가능하다.
본 발명의 추가 목적은 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 냉각 요소를 제공하는 것으로서, 적어도 하나의 리세스의 제1 부분에서 대향하는 측벽 사이의 거리가 0.4mm 미만, 바람직하게는 0.3mm 미만, 특히 바람직하게는 0.2mm보다 작다. 본 발명에 따른 방법에 대해 설명된 모든 특성과 이점들이 상기 냉각 요소에도 유사하게 적용되며, 그 반대로, 본 발명에 따른 냉각 요소에 대해 설명된 모든 특성과 이점들도 마찬가지로 상기 방법에 유사하게 적용된다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 웹 형태의 요소가 특히 적어도 하나의 제1 금속 층의 중심축에 대해 직선으로 및/또는 일정 각도로 및/또는 곡선으로 냉각 유체 채널 시스템에 돌출하는 것도 고려할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 제1 금속 층에서 웹 요소 또는 웹 형태의 요소의 배향은 적어도 하나의 제3 금속 층 및/또는 적어도 하나의 제2 금속 층에서 웹 형태의 요소의 배향 또는 정렬과 상이한 것도 고려할 수 있다. 바람직하게는, 웹 형태의 요소의 형상 및 디자인은 각각의 용도 또는 각각의 전기 또는 전자 구성요소의 요구사항에 맞게 조정될 수 있다. 바람직하게는, 대향하는 측벽 사이의 거리는 0.10 내지 0.3mm 사이, 더 바람직하게는 0.15 내지 0.28mm 사이, 특히 바람직하게는 대략 0.2의 값을 갖는다. 2개의 인접한 웹 형태의 요소 사이의 거리를 측정하는 것 외에도, 냉각 유체의 통과를 위한 펌핑 전력(pumping power)이 크게 증가하지 않도록 두 요소 사이의 거리를 너무 작게 만들지 않는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 이와 상응하게, 특정된 거리는, 냉각 유체 채널 시스템을 통해 냉각 유체를 통과시키는 데 필요한 펌핑 전력 및 최적화된 냉각 효율 사이의 놀랍게도 유리한 절충안으로 판명되었다.
본 발명의 추가 이점, 세부사항 및 특징은 첨부 도면을 참조하여 하기 복수의 실시예의 설명으로부터 도출될 수 있다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른 냉각 요소의 개략적인 분해도,
도 2는 도 1의 냉각 요소를 위한 제1 금속 층의 개략도,
도 3은 본 발명의 제2 예시적인 실시예에 따른 냉각 요소의 개략도 및,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각 요소의 제조 방법을 위한 클램핑 요소의 개략도.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른 냉각 요소의 개략적인 분해도,
도 2는 도 1의 냉각 요소를 위한 제1 금속 층의 개략도,
도 3은 본 발명의 제2 예시적인 실시예에 따른 냉각 요소의 개략도 및,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각 요소의 제조 방법을 위한 클램핑 요소의 개략도.
도 1은 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 냉각 요소(1)의 분해도를 개략적으로 도시한다. 특히, 냉각 요소(1)는 전자 또는 전기 구성요소(미도시), 바람직하게는 반도체 요소, 특히 바람직하게는 레이저 다이오드를 냉각하기 위해 제공되는 구성이다. 전기 또는 전자 구성요소를 냉각하기 위해, 제조된 냉각 요소(1)는 작동 중에 냉각 유체가 전도될 수 있는 냉각 유체 채널 시스템을 형성하며, 냉각 유체는 작동 중에 전자 또는 전기 구성요소로부터 방출되는 열을 흡수하고 운반할 수 있다.
이를 위하여, 공급 영역 및 배출 영역이 냉각 요소(1), 특히 냉각 유체 채널 시스템(미도시)에 제공되는 것이 바람직하며, 냉각 유체는 공급 영역을 통해 유입되고 배출 영역을 통해 다시 배출된다. 바람직하게는, 냉각 유체 채널 시스템은 냉각 유체(1)가 공급 영역으로부터 특히 냉각 유체 채널 시스템 내로 돌출하는 배출 영역으로의 전이부(transition)에서 핀 구조물(25)을 통과하도록 설계된다. 핀 구조물(25)은 바람직하게는 유체에 대한 가능한 최대 접촉 표면을 제공하기 위해 냉각 유체 채널 시스템으로 돌출하는 웹 형태의 요소(7)이며, 웹 형태의 요소(7) 또는 냉각 채널 시스템의 벽으로부터 유체로의 효율적인 열 전달이 가능하다.
바람직하게는, 냉각 요소(1)는 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)을 포함한다. 냉각 유체 채널 시스템을 형성하기 위하여, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)은, 서로의 상부에 적층되거나 또는 적층 방향(S)을 따라 서로의 상부에 위치됨으로써 냉각 유체 채널 시스템을 형성하도록, 적어도 하나의 리세스(21, 22)에 의해 구조화된다(structured).
특히, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)은 각각 상이하게 구조화되거나 또는 상이하게 연장되는 리세스(21, 22)가 제공된다. 특히, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)은 적어도 하나의 리세스(21, 22)에서 적어도 하나의 제1 부분(21)을 형성하며, 이는 특히 적층 방향(S)에 대해 수직으로 연장되는 주 연장 평면(HSE)에서 연장되는 웹 형태의 요소(7)를 갖는다. 적어도 하나의 제1 금속 층(11) 내에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 제1 부분(21)에 추가하여, 냉각 유체를 제1 부분(21) 내로 공급하거나 냉각 유체를 제1 부분(21)으로부터 배출하기 위하여 또는 공급 영역 및/또는 배출 영역의 일부를 형성하기 위하여, 적어도 하나의 제1 금속 층(11) 내에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 제2 부분(22)이 제공되는 것이 바람직하다.
냉각 요소(1)는 바람직하게는 적층 방향(S)으로 상부 커버 층(15) 및 하부 커버 층(14)에 의해 경계를 이루며, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)은 적층 방향(S)에서 볼 때 하부 커버 층(14)과 상부 커버 층(15) 사이에 배열된다. 특히, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및 /또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)의 배열은 상부 커버 층(15)과 하부 커버 층(14) 사이에 끼워진다. 제1 부분(21)과 제2 부분(22)으로 구성된 적어도 하나의 리세스(21, 22)에 추가하여, 바람직하게는 냉각 요소(1) 또는 적어도 하나의 제1 금속 층(11)은 핀 구조물(25)와 함께 냉각 유체 채널 시스템의 일부가 아닌 추가 리세스(24)를 갖는다. 추가로, 연결 표면(30)이 상부 커버 층(15) 및/또는 하부 커버 층(14)층에 제공된다. 특히, 전기 또는 전자 구성요소는, 특히 적층 방향(S)에서 볼 때, 핀 구조물(25)의 상부 또는 핀 구조물(25) 아래에서 상기 연결 표면(30)에 연결되며, 이는 바람직하게는 적층 방향(S)에 대해 수직 방향으로 연장된다. 달리 말하면, 핀 구조물(25), 특히 그 웹 형태의 요소(7)는 연결 표면(30) 아래로 연장되고 바람직하게는 연결 표면(30)에 평행하게 연장된다. 말단 영역(30)의 상부 또는 그 아래에, 웹 형태의 요소(7)로 구성된 핀 구조물(25)의 대응하는 배열에 의해, 전기 또는 전자 구성요소는 핀 구조물(25)에 의해 효율적으로 냉각될 수 있다.
도 2는 예를 들어 도 1에 설치된 적어도 하나의 제1 금속 층(11)의 개략도를 도시한다. 도시된 실시예에서, 핀 구조물(25)은 주 연장 평면(HSE)에서 볼 때 상이한 크기만큼 연장되는 웹 형태의 요소(7)로 형성된다. 특히, 웹 형태의 요소(7)의 길이가 적어도 하나의 제1 금속 층(11)의 중심축(M)을 향해 증가한다. 이러한 방식으로, 특히 연결 표면(30)의 중앙 영역에서, 유리하게는 가능한 최대한 냉각 효과를 최대화하는 것이 가능하다. 또한, 웹 형태의 요소는 중심축(M)에 평행하거나 및/또는 비스듬하게 연장되는 것을 고려할 수 있다. 바람직하게는, 웹 형태의 요소(7)의 형상, 특히 주 연장 평면(HSE)을 따라 중심축(M)에 대한 경사 및/또는 길이는 상응하는 전기 또는 전자 구성요소를 냉각하기 위해 상응하는 요구 프로파일에 의해 결정되거나 특정된다.
2개의 인접한 웹 형태의 요소(7) 사이의 가능한 최소 거리(A1)를 달성하기 위하여, 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 제1 부분(21)이 부식, 특히 스파크 부식(spark erosion)에 의해 제조된다. 특히, 이것은 와이어 부식(wire erosion)에 의한 제조이다.
적어도 하나의 리세스(21, 22)의 제2 부분(22)이 에칭(etching)에 의해 수행된다. 바람직하게는, 에칭은 특히 리세스(21, 22)의 제2 부분(22)의 대면적 영역, 즉 냉각 유체의 공급 및 배출을 위해 형성되는 후속 공급 및/또는 배출 영역에서 수행된다. 이와 대조적으로, 리세스(21, 22)의 미세하게 구조화된 형성부, 즉 리세스(21, 22)의 제1 부분(21)을 위해 부식이 제공되는 것이 특히 고려된다. 이는, 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 에칭된 제1 부분(21)을 갖는 여러 개의 제1 금속 층(11)에 따를 필요 없이, 웹 형태의 요소(7) 사이에서 비교적 매우 작은 거리를 생성하는 것이 가능하며, 2개의 웹 형태의 요소(7) 사이에서 가능한 최소 거리를 구현하기 위해 다른 하나의 상부에 적층되어야 하는 것으로 밝혀졌다. 바람직하게는, 2개의 웹 형태의 요소(7) 사이의 대향하는 측벽 사이의 거리(A1)는 0.4mm 미만, 바람직하게는 0.3mm 미만, 특히 바람직하게는 0.2mm 미만이다. 이것은 가능한 최대한 많은 웹 형태의 요소(7)가 핀 구조물(25)에 통합될 수 있도록 한다. 이에 따라, 냉각 효과를 증가시킬 수 있는데, 이는 냉각 유체 채널 시스템의 변환과 냉각 유체 사이의 접촉 영역이 상응하게 증가될 수 있기 때문이다.
바람직하게는, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12), 적어도 하나의 제3 금속 층(13), 상부 커버 층(15) 및/또는 하부 커버 층(14)은 적층 방향(S)에서 0.2 내지 0.7 mm 사이, 바람직하게는 0.35 내지 0.6 mm 사이, 특히 바람직하게는 0.3 내지 0.4 mm 사이의 측정된 두께를 갖는다. 바람직하게는, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)은 각각 동일한 두께를 형성한다. 또한, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)은, 적어도 하나의 제1 금속 층(11), 적어도 하나의 제2 금속 층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속 층(13)의 미세구조가 상응하는 온도 처리에 의해 서로 통합되거나 융합된다는 점에서, 소결 과정에서 일체형 냉각 유체 채널 시스템으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상부 커버 층(15) 및/또는 하부 커버 층(14) 각각은 적어도 하나의 리세스(21, 22) 및/또는 추가 리세스(24)를 가지며, 여기서 상부 커버 층(15) 및/또는 하부 커버 층(15)은 바람직하게는 웹 형태의 요소(7) 또는 후속 핀 구조물(25)의 구성요소가 없다. 추가 리세스(24)는 바람직하게는 냉각 요소(1)를 체결하거나 또는 고정하는 역할을 한다.
도 3은 제2 바람직한 실시예에 따른 냉각 요소(1)를 도시한다. 여기서, 냉각 요소(1)는 도 1의 냉각 요소(1)에 실질적으로 상응하고, 단지, 하부 커버 층(14) 및/또는 상부 커버 층(15)이 금속-세라믹 복합재로서 형성된다는 점에서만 상이하다. 특히, 이 경우에, 상부 커버 층(15) 및/또는 하부 커버 층(14) 각각은 세라믹 층, 바람직하게는 알루미늄 니트라이드의 세라믹 층을 갖는데, 예를 들어 금속 층, 바람직하게는 구리 층으로 양면이 덮인다. 예를 들어, 적층 방향(S)에서 측정한 알루미늄 니트라이드의 세라믹 층의 두께가 0.1mm 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.4mm, 특히 바람직하게는 실질적으로 0.38mm의 값을 가지며, 각각의 경우 세라믹 층을 덮고 있는 외부 금속 층은 0.05 내지 0.4 mm 사이, 바람직하게는 0.1 내지 0.3 mm 사이, 특히 바람직하게는 0.15 내지 0.25 mm 사이의 두께를 갖는다.
특히, 세라믹 층의 양쪽에 형성된 금속 층은 서로 다른 두께를 갖는다. 예를 들어, 한 금속 층은 0.2mm의 구리 두께를 가지고, 반대쪽 구리 층의 두께는 0.12mm이며, 이는 특히 금속 층을 구리 층에 접합한 후 다이아몬드 연삭으로 구현된다. 바람직하게는, 상부 커버 층(15) 및/또는 하부 커버 층(14)은 DCB 공정에 의해 제조된 금속-세라믹 복합재이다.
또한, 바람직하게는, 도 3의 냉각 요소(1)는 냉각 요소(1)의 공급 및 배출 영역을 위한 연결 영역에서 상응하는 밀봉을 보장하기 위해 예를 들어 O-링이 고정될 수 있는 밀봉 요소 지지 층(17)을 갖는다. 바람직하게는, 밀봉 요소 지지 층(17)은 상응하는 리세스(21, 22) 또는 추가 리세스(24)를 갖는 금속 층이며, 밀봉 요소 지지 층(17)은 0.1 내지 0.4 mm 사이, 바람직하게는 0.1 내지 0.4 mm 사이, 특히 바람직하게는 0.2 내지 0.3 mm 사이의 적층 방향에서 측정된 두께를 가질 수 있다.
또한, 도 3의 실시예는, 냉각 요소(1)가 상부 커버 층(15)에서 폐쇄되고 냉각 유체를 공급하기 위한 입구 개구 및 냉각 유체를 배출하기 위한 출구 개구가 오직 하부 커버 층(14)에서만 형성되며, 하부 커버 층(14)을 통해 냉각 요소(1) 내로 유입되는 냉각 유체는 적층 방향(S)을 따라 통과하고 적어도 하나의 제3 금속 층(13)에서 편향되며 그 후에 다시 반대 방향으로 냉각 요소(1)를 떠난다는 점에서, 도 1의 실시예와 상이하다. 금속-세라믹 복합재로 제조된 하부 커버 층(14) 및 상부 커버 층(15)은 냉각 요소(1)가 냉각 요소(1) 또는 냉각 요소(1)에 부착된 구성요소로부터 전기적으로 절연되어야 하는 용도에 특히 유리한 것으로 판명되었다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각 요소(1)의 제조 방법을 위한 클램핑 요소(40)의 개략도를 도시한다. 특히, 여기서 클램핑 요소(40)는 복수의 제1 금속 층(11)을 수용하도록 설계된다. 특히, 복수의 제1 금속 층(11)은 클램핑 요소(40)에서 적층 방향(S)을 따라 서로의 상부에 배열된다. 바람직하게는, 최대 20개의 제1 금속 층(11), 바람직하게는 최대 30개의 제1 금속 층, 특히 바람직하게는 최대 40개의 제1 금속 층(11)이 적층 방향(S)을 따라 클램핑 요소(40)에서 서로의 상부에 배열되고 제1 고정 절반부(41)와 제2 고정 절반부(42) 사이에 끼어서 클램핑 고정된다.
이와 관련하여, 특히 제1 고정 절반부(41) 및 제2 고정 절반부(42)는 서로 대향하여 배열되는 플레이트 형태의 구성요소로서 설계되고, 특히 바람직하게는 각각이 제1 고정 절반부(41)와 제2 고정 절반부(42) 사이에 배열된 제1 금속 층(11)에 대한 접근을 허용하는 윈도우 형태 또는 해치 형태의 개구(46)를 갖는다. 따라서, 제1 고정 절반부(41) 및 제2 고정 절반부(42) 사이에 배열된 제1 금속 층(11)은 적어도 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 적어도 각각의 제1 부분(21)을 형성하기 위해 함께 부식된다.
바람직하게는, 제1 고정 절반부(41)와 제2 고정 절반부(42) 사이에 클램핑 고정되기 전에, 제1 금속 층(11)에는 에칭된 구조물이 이미 제공되며, 제1 금속 층(11)의 차후 제조 상태에서, 바람직하게는 냉각 요소에 조립되기 전에 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 제2 부분(21)을 제공한다. 그에 따라, 대면적 에칭에 의해 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)에서 대면적 섹션을 구현하는 것이 가능하며, 미세 구조의 웹 형태의 요소(7)는 일반적인 와이어 부식에 의해 구현된다. 또한, 유리하게는 클램핑 요소(40)에 의해 이미 사전-에칭된 제1 금속 층(11)을 EDM에 함께 제공하거나 또는 클램핑 요소(40)에서 제1 금속 층(11)을 적절하게 수송하는 것이 가능하다. 이에 관해, 특히 제1 고정 절반부(41) 및 제2 고정 절반부(42)는 상응하는 고정 수단(44)에 의해 서로 연결되거나 그들 사이에 배열된 제1 금속 층(11)을 고정하는 방식으로 연결되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 고정 수단(44)은 나사이다.
바람직하게는, 균일한 조임을 위해 클램핑 요소(40)의 각각의 코너에 고정 수단(44)이 제공된다. 이에 관해, 고정 수단(44)은 제1 금속 층(11)의 정확한 개수와 무관하게 복수의 제1 금속 층(11)을 가능한 최대한 충분히 고정할 수 있다. 이는 즉, 제1 고정 절반부(41)와 제2 고정 절반부(42) 사이의 거리는 특히 상응하는 고정 수단(44)에 의해 가변적으로 조정될 수 있으며, 그에 따라 제1 금속 층(11)의 개수에서 상응하는 편차가 쉽게 상쇄될 수 있다. 함께 부식된 제1 금속 층(11)은 각각의 냉각 요소(1)를 형성하는데 각각 사용될 수 있으며, 이는 바람직하게는 단일의 제1 금속 층(11) 만을 필요로 한다. 적어도 하나의 제1 금속층(11)에 대해 본 명세서에 설명된 절차는 적어도 하나의 제2 금속층(12) 및/또는 적어도 하나의 제3 금속층(13)에도 유사하게 전달될 수 있다.
1 냉각 요소
7 웹 형태의 요소
11 제1 금속 층
12 제2 금속 층
13 제3 금속 층
14 하부 표면 층
15 상부 표면 층,
17 밀봉 요소 지지 층
21 리세스의 제1 부분
22 리세스의 제2 부분
24 추가 리세스
25 핀 구조물
30 연결 영역
40 클램핑 요소
41 제1 고정 절반부
42 제2 고정 절반부
44 고정 수단
46 개구
A1 거리
S 적층 방향
M 중심축
HSE 주 연장 평면
7 웹 형태의 요소
11 제1 금속 층
12 제2 금속 층
13 제3 금속 층
14 하부 표면 층
15 상부 표면 층,
17 밀봉 요소 지지 층
21 리세스의 제1 부분
22 리세스의 제2 부분
24 추가 리세스
25 핀 구조물
30 연결 영역
40 클램핑 요소
41 제1 고정 절반부
42 제2 고정 절반부
44 고정 수단
46 개구
A1 거리
S 적층 방향
M 중심축
HSE 주 연장 평면
Claims (15)
- 반도체 요소를 포함하는 전기 또는 전자 구성요소용 냉각 요소(1)의 제조 방법으로서, 제조된 냉각 요소(1)는 작동 중에 냉각 유체가 통과할 수 있는 냉각 유체 채널 시스템을 갖고, 상기 방법은:
- 적어도 제1 금속 층(11)을 제공하는 단계,
- 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에 적어도 하나의 리세스(21, 22)를 구현하는 단계, 및
- 적어도 하나의 리세스(21, 22)에 의해 냉각 유체 채널 시스템의 적어도 일부 섹션을 형성하는 단계를 포함하되,
적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 적어도 제1 부분(21)은 스파크 부식에 의해 구현되며, 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 적어도 제2 부분(22)은 에칭에 의해 구현되고,
리세스(21, 22)의 제2 부분(22)은 공급 영역으로서 제공되고, 리세스(21, 22)의 제1 부분(21)은 미세하게 구조화된 형성부로서 제공되는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 방법은, 추가로:
- 적어도 하나의 제2 금속 층(12)을 제공하는 단계, 및
- 적층 방향(S)을 따라 적어도 하나의 제1 금속 층(11) 및 적어도 하나의 제2 금속 층(12)을 적층하여, 냉각 유체 채널 시스템의 적어도 하나의 섹션을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 적어도 하나의 제2 부분(22)을 형성하기 위한 에칭은, 부식에 의해, 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 적어도 하나의 제1 부분(21)을 형성하기 전에, 일시적으로 제공되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 복수의 제1 금속 층(11)은 동시에 부식되는, 방법.
- 제4항에 있어서, 복수의 제1 금속 층(11)은 클램핑 요소(40)에 고정되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 제1 금속 층(11)은 0.3 mm 초과의 두께를 갖는, 방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 제1 금속 층(11) 또는 적어도 하나의 제2 금속 층(12)은 하부 커버 층(14)과 상부 커버 층(15) 사이에 배열되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 3개 초과의 제1 금속 층(11) 또는 제2 금속 층(12)이 제공되고, 그 두께는 0.3mm보다 큰, 방법.
- 제1항에 있어서, 모든 제1 금속 층(11) 또는 제2 금속 층(12)은 0.3 mm 초과의 두께를 갖는, 방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 리세스(21, 22)의 형상은 적어도 3개의 제1 금속 층(21)에 대해 상이한, 방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 제1 금속 층(11)은 소결에 의해 적어도 하나의 제2 금속 층(12)에 결합되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 단일의 제1 금속 층(11)이 냉각 요소(1)를 형성하는 데 사용되는, 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 냉각 요소(1)로서, 적어도 하나의 제1 금속 층(11)에서 대향 측벽 사이의 거리(A1)는, 적어도 일부 영역에서, 0.4 mm 미만인, 냉각 요소(1).
- 삭제
- 삭제
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| JP3816194B2 (ja) * | 1996-11-22 | 2006-08-30 | ファナック株式会社 | 冷却装置、光源装置、面発光装置、およびその製造方法 |
| US5727318A (en) * | 1996-12-23 | 1998-03-17 | Reiswig; Gary J. | Clippers for fingernails |
| JP2004186527A (ja) * | 2002-12-05 | 2004-07-02 | Tecnisco Ltd | レーザーダイオード冷却装置 |
| JP2005217211A (ja) * | 2004-01-30 | 2005-08-11 | Tecnisco Ltd | 半導体用冷却器及び半導体用冷却器積層体 |
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| US9413136B1 (en) * | 2015-07-08 | 2016-08-09 | Trumpf Photonics, Inc. | Stepped diode laser module with cooling structure |
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| DE102017118935A1 (de) * | 2017-08-18 | 2019-02-21 | Framatome Gmbh | Erodiervorrichtung zur Durchführung eines Erodierprozesses zur Entnahme von Werkstoffproben aus metallischen Komponenten von Kernkraftwerken, Verwendung einer Erodiervorrichtung, sowie Verfahren zur Entnahme von Werkstoffproben |
-
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