CN108029219B - 液体冷却的冷板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

液体冷却的冷板包括具有流入口和流出口的贮槽以及在贮槽的顶部表面内凹入的多个凹部。每个凹部具有***开口和凸缘，凸缘从***开口向内并向下布置。流入口和流出口经由流入槽和流出槽与凹部流体连通。多个冷却板分别由凹部接纳并凹进该凹部内。每个冷却板包括用于接收电子器件的电子器件侧和用于冷却冷却板的增强侧。冷却板的增强侧包括多个通过微变形技术形成的插脚。贮槽可以通过挤出形成。

Description

液体冷却的冷板及其制造方法

相关申请的引用

本申请要求于2015年5月15日提交的标题为“液体冷却的冷板”的美国临时专利申请62/162,195的优先权。本申请还要求于2016年5月6 日提交的标题为“具有包层翅片板的液体冷却的冷板”的美国临时专利申请号62/332,733的优先权。本申请还是于2014年6月17日提交的标题为“具有增强型直接结合金属的电子基板”的美国非临时专利申请号 14/307,074的部分继续申请并要求其优先权，该申请是继续要求于2011年7月26日提交的标题为“具有增强型直接结合金属的电子基板”的美国非临时专利申请号13/191,281的优先权，该申请要求于2010年7月28日提交的标题为“具有增强型直接结合金属的电子基板”的美国临时申请号 61/368,475的优先权。本申请还是于2012年8月31日提交的标题为“增强的包层金属底座板”的美国非临时专利申请号13/601,206的部分继续申请并要求其优先权，该申请要求于2011年9月2日提交的标题为“增强的包层金属底座板”的美国临时申请号61/530,575的优先权。于2012年8 月31日提交的美国非临时专利申请号13/601,206也是于2011年7月26 日提交的美国非临时专利申请号13/191,281的部分继续申请并要求其优先权，该申请要求于2010年7月28日提交的美国临时申请号61/368,475的优先权。所有这些申请的内容通过引用整体并入本文。

背景技术与发明内容

某些电子装置在其操作时产生热量，并且在一些情况下，必须去除该热量或消散该装置以使装置继续正常操作。已经有几种技术被用来冷却电子设备。例子包括风扇，用于通过电子设备吹送空气。这种空气用于与正常的环境空气一起对电子设备进行对流冷却。其它已经使用的技术包括液体冷板。液体冷板是具有供液体流动的通道的板。电子设备安装成与液体冷板接触，并且由电子设备产生的热量被传递到板内的液体冷却剂。这可以提供比由具有相当少的流率的风扇提供的对流冷却更好的冷却。它还可以提供更好的温度一致性和更少的噪音。

冷却板可以直接加接至电子设备的发热片上，例如电子芯片或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。电子设备和冷却板之间也可以使用导热油脂或其它热传递助剂来改进热传递。通常，冷板包括用于液体冷却剂流的入口和出口。液体冷却剂吸收由电子设备产生的热量，并将吸收的热量传递给从冷板流出的冷却剂。许多冷板提供相对低流动的液体冷却剂的冷却。它们可以提供比对流冷却更好的温度一致性，最小的噪声和液体冷却剂的冷却功率。

有几个因素影响冷板的性能和合意性，并且不同的因素对于不同的用途是重要的。一些重要的因素包括生产相对较大数量的生产成本和难易程度。冷却效率应该很高，并且冷却板应该被牢固地密封，以防止液体冷却剂到被冷却的电子设备上的任意泄露。

在某些应用中，冷却剂可能不是特别干净，这可能导致冷板堵塞。例如汽车中使用的冷却板可以使用防冻液进行冷却，防冻液可以含有小颗粒。在其它应用中，冷板内可能存在相传递以帮助促进冷却。通过用加热流体替换冷却剂也可以使用冷却板来加热部件。在一个相热传递中冷却剂和加热流体之间的一个主要区别在于，冷却剂的温度低于被冷却的物品，并且加热流体的温度高于被冷却的物品。

使用许多不同的技术来冷却电子部件，并且提供冷却益处的新技术是合乎需要的。

一种制造液体冷却的冷却板的方法包括由金属形成贮槽(歧管)，贮槽包括流入口和流出口以及多个凹部。凹部经由狭槽与流入口和流出口流体连通，所述狭槽可以被调节以确保通过凹部的通道中的流率平行。贮槽的表面上的冷却板通过用工具在平坦的金属板中切出翅片而形成，以形成增强表面，其中工具在冷却金属层中的切入深度小于冷却金属层的厚度，并且其中切片步骤迫使被切片的材料向上，而不会从冷却金属层中去除材料。翅片以一定角度被切片以形成延伸超出冷却板外表面的插脚。将冷却板各自地安装到凹部中，使得带插脚的表面与凹部、流入口和流出口流体连通。电子部件可以安装在冷却板的平坦表面上。

附图说明

图1示出了冷却***的一个实施例的示意图。

图2描绘了具有安装在基板上的电子部件的基板的一个实施例的侧视图。

图3是具有安装的电子部件和热交换装置的基板的一个实施例的分解立体图。

图4是具有安装的电子部件和热交换装置的基板的一个实施例的截面侧视图。

图5是从基板形成翅片的工具的一个实施例的侧视图。

图6是从基板形成翅片的工具的一个实施例的立体图。

图7是代表IGBT的分解侧视图。

图8是代表具有形成在底座板上的液体冷却***的IGBT的分解立体图。

图9A是根据本公开的可替换实施例的液体冷却的冷板的立体图。

图9B是沿着图9A的剖面线A-A截取的图9A的冷板的立体截面图。

图10是在翅片板被安装之前的图9A的冷板的立体图。

图11是图9A的冷板的分解立体图。

图12是根据本公开的可替换实施例的冷板贮槽的分解图。

图13是根据本公开的可替换实施例的双面冷板的分解图。

具体实施方式

热传递学基础

有几种冷却电子设备的方法。通常，电子设备通过向电子设备吹送空气的风扇进行冷却。这种空气提供对流冷却，该对流冷却有助于控制电子设备产生的热量。然而，在许多情况下，液体冷却可以比空气流动提供更大的冷却能力。

由于若干原因，液体可以提供比气体更好的冷却。例如，液体比气体密度更大，所以更多的热质可用于从电子设备吸收热量。而且，液体通常具有较高的导热率，所以热量传递进入液体并穿过液体比热量传递进入气体和穿过气体更快。此外，液体倾向于具有比气体更高的比热，因此设定量的液体将吸收并传递比相当量的气体更多的热量。因为这个原因，当利用产生大量热量的电子设备时，许多制造商希望使用液体冷却装置。

液体冷却***至少包括液体冷却剂和被冷却的物品或物质。在液体冷却剂与被冷却的物品之间通常具有隔离件，并且热量必须通过该隔离件传递。在一些情况下，隔离件可以包括多个部件和层。因为与液体直接接触会损坏一些电子部件，因此电子设备通常需要在被冷却的物品与液体冷却剂之间设置隔离件。最小化对通过在被冷却的物品与液体冷却剂之间的隔离件的热流的阻力改进了冷却效率。

对通过隔离件的热流的阻力的两种显著形式包括通过一种材料的阻力以及穿过在两个单独的部件或部分之间的界面的阻力。如果材料是热导体而不是热绝缘体，则对通过单个材料的热流的阻力被最小化。铜是一种可用于隔离件的材料，因为它是良好的热导体，并且相对具有可延展性。但是，其它材料也可以被使用，包括铝、钢和其它金属、石墨、陶瓷以及甚至是如塑料或空气的绝缘材料。

对热流的阻力的另一来源是在两个部件或部分之间的界面处。典型地，当热量从第一部件流到与第一部件接触的另一部件时，在两个部件之间存在对热流的阻力。减少界面数量可以改进热传递率。而且，当两种材料形成界面时，在两种材料之间可能捕获有空气，而空气是倾向于阻碍热传递的绝缘体。可以使用导热油脂来促进隔离件中两个不同部件或层之间的热传递，但是即使当使用导热油脂或其它热传递剂时，单个热传递层通常也比两个分离的层更有效率。

还期望使冷却液与隔离件相接触处的表面积最大化，因为表面积越大，可用于热传递的面积越大。在接触液体冷却剂的表面上使用翅片、插脚或其它结构可以增加表面积并且改进热传递。通过增加翅片、插脚或其它结构的数量，或通过增加每个翅片、插脚或结构的表面积，可以进一步增加表面积。具有翅片、插脚或其它结构以改进热传递的表面被认为是“增强的”，因此翅片、插脚或其它结构可以统称为增强件。

直接从热传递表面形成增强件，而不是将增强件附接至热传递表面，可以改进热传递，因为这消除了热传递表面的底座与增强件之间的界面。因此，通过从热传递表面的材料形成翅片或其它增强件，对热流的阻力被最小化。如果单独生产增强件并且接着将其加接至热传递表面上，那么在界面处在增强件与热传递表面之间将会存在对热流的阻力，这将会对热传递率产生负面影响。即使单独的增强件和热传递表面由诸如铜之类的相同的材料制成，情况也是如此。因此，优选直接由热传递表面的材料形成增强件，使得增强件是热传递表面的延伸部分，并且在增强件和热传递表面之间没有界面。这被称为具有与热传递表面“整体”的增强件。

在一些情况下，液体将以称为层流的方式流过固体。在层流中，直接接触固体表面的液体层在固体表面处保持基本静止。在该层正上方的液体层非常缓慢地移动穿过第一层。下一层更快速地往上移动一点，等等，使得最高的流率将会在离固体表面相对较远的点处。在固体表面处将会是基本为零的最低流率。在相邻层上滑动的不同的液体层均提供其自身的对热流的阻力，并且每层可以具有不同的温度，因此最热的液体常常邻近固体表面而最冷的液体离固体表面相对较远。因此，如果液体在流动过程中可以被混合，则直接与固体表面接触的液体可以从固体表面吸收热量并且接着与整体冷却液体混合，从而更迅速地将吸收的热量扩散到液体中。

与层流相反，湍流导致液体在流过固体表面时混合。这倾向于保持液体与固体表面冷却器接触，这促进了热量从固体表面更快地传递到液体。一些倾向于增加湍流的情况包括更快的流率、不平坦的表面、突出至流动液体中的突出部以及迫使液体改变路径并以另一条道路流动的各种阻碍物。为了最大化湍流，可以包括急剧的弯曲、扭曲的边缘、插脚、翅片以及导致液体流动方向快速变化的各种流动阻碍物中的任何一种。许多增加湍流的结构也会增加冷板上的压降。增加压降可以降低流率，因此必须观察到平衡以确保有效的热传递。倾向于增加接近固体表面的流体流的量的阻碍物也倾向于增加热传递，因为这减小了固体液体界面处的任何停滞液体层的厚度，并且这还减小了被加热的液体行进到与冷却液体的主体混合所必需的距离。

在一些实施例中，液体可以在热传递过程中被沸腾或汽化。这被称为两相冷却，因为冷却剂在从液体到气体的冷却过程中改变了相。液体吸收热量汽化，因此液体的汽化热量被吸收，并且这可以增加总的冷却效果。本说明书仅解释了一个相的冷却，但是应该理解，也可以使用两相冷却，并且作为本说明书的一个实施例被包括。如本领域技术人员所理解的，两相冷却可能需要一些额外的部件，诸如将冷却剂从气体重新液化的冷凝器。本说明书中所述的原理也适用于两相冷却。

在许多电子冷却***中，冷却剂被再循环并重复使用。在图1所示的实施例中，风扇2被用于将冷却空气吹送通过对流冷却装置4，并且冷却剂通过泵6被泵送通过对流冷却装置4。离开对流冷却装置4的冷却剂是相对较冷的，并且被泵送通过连接至电子部件8的热传递装置10。当电子部件8被冷却时，冷却剂被加热，并且被加热的冷却剂接着被泵送回到对流冷却装置4以再一次被冷却。

该冷却***有许多可能的变型。例如，冷却剂可以在返回到对流冷却装置4之前被用于冷却许多不同的电子部件8，并且这些不同的电子部件 8可以串联、并联或串联和并联连接。对流冷却装置4可以用热交换器来代替，该热交换器用另一种液体冷却冷却剂，诸如一次通过冷却水。冷却***可以使用一次通过冷却液体，并且***甚至可以被用于加热部件而不是冷却部件，因为相同的热传递原理适用于加热，如同适用于冷却一样。

电子基板

如图2所示，许多电子部件8被组装在电子基板12上。基板12类似于印刷电路板，可以提供形成电路所需的互连。基板12也可以用来帮助冷却连接的电子部件8。所使用的基板12的一种类型是直接敷铜(DBC) 基板12，其中一层铜直接结合或直接镀覆至诸如瓷砖14之类的绝缘材料的一侧或两侧。可以使用其它电绝缘但导热的材料代替瓷砖14，诸如不同的聚合物、泡沫或其它电绝缘体。直接镀覆铜基板12也可以用于电路，其中直接镀覆是将金属固定至基板12的可替换方法。在本说明书中，术语“直接结合铜”和“DBC”被限定为包括直接结合铜和直接镀铜。类似地，应该理解，提到直接结合铝或其它直接结合的金属同样包括将金属直接镀覆至基板12。

在一些实施例中，一侧上的铜层被预先形成或蚀刻以形成电路的至少一部分，并且铜层基本上覆盖另一侧以帮助扩散和传递热量以冷却电气部件。在可替换实施例中，铝可以代替铜直接结合或直接镀覆至瓷砖14。甚至可以使用其它金属或其它材料来代替铜或铝。

这些直接结合或直接镀覆的金属层在本说明书中被称为冷却金属层 16和电子金属层18。通常，电子金属层18可以被预先形成或蚀刻以用于电路，并且冷却金属层16可以用于热管理，但是可能的是既不是金属层 16、18形成电路的一部分，也不是两个金属层16、18两者形成电路的一部分。瓷砖14具有与冷却面15相对的电子面17，并且冷却金属层16直接结合至冷却面15，而电子金属层18直接结合至电子面17。

瓷砖14可以由氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)或其它材料形成，并且通常具有在约0.28毫米(mm)与0.61mm之间的厚度，但也可以是其它厚度。冷却和电子金属层16、18可以是各种各样的材料，并且金属层16、18的厚度可以取决于所使用的金属、期望的性能和其它因素。直接结合或直接镀覆至瓷砖14上的铜层通常具有从0.25mm到 0.41mm范围的厚度，但也可以是其它厚度。当铝层直接结合或直接镀覆至瓷砖14上时，铝层的厚度可以是大约0.3mm，但也可以是其它厚度。在一个实施例中，冷却金属层16具有可以在0.2和0.5毫米之间的冷却金属层厚度19。

在一些实施例中，冷却层外表面20和/或电子层外表面22可以具有第一涂层24，第一涂层24可以具有第二涂层26，并且也可以存在额外的涂层。冷却层和电子层外表面20、22是背向瓷砖14的表面。“冷却层外表面20”被限定为表示在任何翅片或其它增强件从冷却金属层16形成之前冷却金属层16的外表面，或表示冷却金属层16的不具有由其形成的任何翅片或增强件的部分。除了参考电子金属层18而不是冷却金属层16之外，电子层外表面22被类似地限定。第一涂层24可以是低磷无电镀镍或电解镍，并且第二涂层26可以是金层，但其它材料组合也是可行的。镍层可以为约2至7微米(μm)厚，并且金层可以为约80纳米(nm)厚，但是对于每一层也可以有其它厚度。也可以将铜层直接结合至瓷砖14的一侧，并且将铝层直接结合至瓷砖14的另一侧，或者使用金属的组合来用于冷却和电子金属层16、18。

由于铜与陶瓷基板12的高结合强度，所以直接结合或直接镀覆的铜基板12倾向于具有接近于硅的热膨胀系数的相对低的热膨胀系数。许多电子部件8包含硅，因此具有相似的热膨胀系数的基板12可以提高热循环性能。直接结合或直接镀覆的铜基板12具有类似于硅的热膨胀系数的事实也可以减少对基板12和硅部件之间的界面层的需要。直接结合或直接镀覆的铜基板12具有本领域技术人员已知的许多期望的特性，包括良好的热扩散和导热性，以及高的电绝缘值。

将直接结合或直接镀覆的铜基板12、或直接结合或直接镀覆的铝基板 12连接至冷板或其它含冷却剂的装置可提供用于液体冷却。在一个实施例中，热量必须从电子部件8传递到电子金属层18，然后传递到瓷砖14，然后传递到冷却金属层16，然后传递到冷板的壁上，最后传递到冷却液体。在冷却金属层16和冷却板的壁之间也可以有导热油脂。在冷却金属层16 上提供增强表面以及使冷却剂直接移动经过增强的冷却金属层16将会降低对由基板12与冷板之间的界面产生的热传递的阻力，以及对通过冷却板的隔离件壁的热传递的阻力。

电子基板上的热交换装置

如图3和图4所示并且继续参考图1和图2，热交换装置10可以固定在基板12上用于热管理。热交换装置10可以包括贮槽28，其被加接至基板12上以产生与基板12相邻的腔室30。可替换地，腔室30可以由间隔件和盖或者提供邻近基板12的封闭空间的许多其它结构形成。提供入口 32和出口34，其中入口32和出口34穿透室30以允许液体流入和流出腔室30，因此入口32和出口34通过腔室30流体连通。入口32和出口34 可以穿透贮槽28，但入口32和出口34中的一个或多个也可以穿透基板 12以提供进入腔室30或者可以穿透用于形成室30的任何其它结构。根据需要，可以具有多于一个的入口32和出口34，并且可以在入口32和/或出口34处使用喷嘴33以便于连接流体处理***或引导流入腔室30中的流体流。

贮槽28可以加接至冷却金属层16，使得冷却金属层16形成室30的一部分，因此流过腔室30的流体将接触并直接在冷却金属层16之上穿过。冷却金属层16可被加工以形成增强表面35，其中增强表面35包括翅片 36，但增强表面35也可根据需要包括插脚38或其它结构。通常，贮槽28 连接至冷却金属层16，使得增强表面35定位于腔室30内，因此冷却剂将接触并直接流过增强表面35。在一些实施例中，中在冷却金属层16的所选择部分上形成增强件，因此冷却金属层16的该未增强部分可以用来与贮槽28形成密封，这可以帮助防止冷却剂泄漏。室腔30将液体冷却剂保持在增强表面35之上，但是腔室30还用于容纳液体冷却剂，从而保护电子部件8、电子金属层18和其它部件不直接接触液体冷却剂。腔室30是液体冷却剂容纳***的一部分。

增强件主要包括各种形状和尺寸的翅片36和插脚38，但是也可以包括其它结构，例如中空的垂直圆形突起、水平的中空盒或其它形状。插脚 38包括从冷却层外表面20延伸的矩形或圆形指状物，但是插脚也包括如金字塔或半球形的其它形状。增强件可以从基板12一直延伸至贮槽28，因此增强件实际上接触贮槽28的内表面，或者增强件可以延伸至比贮槽内表面短的距离。接触贮槽28的增强件相比较短的增强件可以导致更高的热传递率，但是它们也可以导致较高的压降，这可能导致较低的冷却剂流率，并且较低的冷却剂流率会降低热传递率。增强件的形状和尺寸也会影响压降和热传递率。

翅片36为热传递提供增加的表面积，并且还可以增加冷却剂流中的湍流，这两者都可以增加热传递率。通道44定位于相邻的翅片36之间，并且流体可以流过通道44，如图图5和图6所示并且继续现在参考图1 至4。流过通道44的流体极为靠近翅片36，并且流体和翅片36之间的热传递可以是快速的。翅片36已经被使用一段时间来增加热传递，并且翅片36的尺寸、形状和结构都可以影响整个热传递率。在冷却金属层16上可以使用各种各样的翅片尺寸、形状和结构。翅片结构可以包括诸如翅片 36的顶部处的平台、锯齿状的翅片顶部、侧面突出部等等。插脚38提供类似的出于类似原因的热传递改进，并且还可以包括结构修改或增强。

形成腔室30的一部分的贮槽28或其它结构可以基本覆盖整个冷却金属层16，但是在其它实施例中，腔室30将仅覆盖冷却金属层16的一部分，或者可以存在覆盖冷却金属层16的各个不同部分的多个不同室30。根据需要，增强件的尺寸和间隔可以在不同腔室30之间并且甚至在一个腔室内变化。在一个冷却金属层16上可以有多个增强表面35，并且每个不同的增强表面35可以包括相同类型的增强件或不同类型的增强件。在单个冷却金属层16上的多个不同的增强表面35可以是在离散的分离腔室30 内的离散的分离“岛”。在可替换实施例中，不同的增强表面35可以在相同的室30内，其中不同的增强表面35可以被连接，或者不同的增强表面 35可以被未被增强的冷却金属层16的一部分分开。贮槽28或其它结构可以以各种方法连接至基板12，包括但不限于焊接、钎焊、螺钉、销、粘合剂和声波焊接。形成室30的部件之间的连接应该是牢固的以防止冷却剂泄漏。

如上所述，在增强表面35处提供具有与冷却金属层16直接接触的冷却剂流的室30，可以通过减少电子部件8与冷却剂之间的界面和层的数量来提高热传递率。另外，由于多个原因，提供具有直接连接的冷却室30 的薄基板12可以减少电子部件8所需的空间。首先，薄基板12比较厚的基板12需要更少的空间。其次，直接连接至基板12的冷却室30可以减少电子部件8和冷却剂之间的材料总量，并且较少的材料占用更少的空间。第三，液体冷却剂的使用可以在与气流的对流冷却方面提供增加的冷却，因此电子部件8可以更靠近一起定位，同时仍然保持热量控制。

表面增强件

基板12包括瓷砖14和冷却金属层16，并且机加工可以用来增强冷却金属层16以形成增强表面35。瓷砖14是脆性材料，因此对于基板12进行的任何机加工应该防止基板12挠曲或弯曲，并且还应当控制可能使瓷砖14粉碎或破裂的其它应力。通常，当基板12的一侧被机加工时，整个相对侧应当被牢固地支撑，因此所有施加的力可以直接通过基板12直接地传递到支撑表面。在机加工时，基板12应当被固定以防止打滑或其它运动。在一个实施例中，基板12是平坦的，所以为了机加工，支撑表面也应该是平坦的。此外，机加工操作应该非常精确，因为基板12的各种部件都可能很薄，所以几乎没有误差容许量。

可以通过本领域技术人员已知的几种技术将基板12固定至机加工底座50上。用于将基板固定至机加工底座50上的一些技术包括将止动块52 固定至机加工底座50上，并且将基板12抵靠在止动块52上，使得止动块52当工具40穿过冷却金属层16时防止基板12滑动。螺钉54可将止动块52固定至机加工底座50，但也可使用夹钳、螺栓、焊接或许多其它技术。基板12可以使用夹钳被进一步固定至机械机加工底座50，但是施加在与机加工底座50接触的基板表面上的真空可以将基板12固定就位，而不会妨碍正被加工的基板表面。

本发明包括增强冷却层外表面20的方法，以及如果需要还包括增强电子层外表面22的方法。电子层外表面22可以以与冷却层外表面20相同的方式被增强，因此本说明书将仅仅描述增强冷却层外表面20，可以理解的是，电子层外表面22可以以同样方式被增强。

可以使用被称为微变形技术(MDT)的工艺在冷却金属层16上形成翅片36，该工艺在于1998年7月7日公布的美国专利5,775,187中被描述，并且其全部内容并入至本说明书中。在该工艺中，冷却金属层16用工具 40切片而不从冷却金属层16中去除材料。MDT工艺不同于在切割时去除材料的锯或刨，而是更类似于用刀切肉。

利用工具40完成冷却金属层16的切片。当工具40接触冷却金属层 16的材料时，在冷却金属层16中切出翅片36。从冷却金属层16中切出翅片36导致翅片36与冷却金属层16是整体的，这改进了如上所述的热传递。翅片36由冷却金属层16的材料直接形成，因此在翅片36与冷却金属层16之间不存在接合或断裂。

翅片36是增强表面35的一个实施例。冷却金属层16的切割在相邻翅片36之间形成通道44，并且可以在不从冷却金属层16去除材料的情况下完成。优选地，在翅片36的形成中不产生切屑。工具40在冷却金属层 16中切割翅片36，并且随着工具40穿过冷却金属层16所产生的空间迫使翅片36中的材料向上。冷却金属层16的这种切割和变形使得翅片36 升高到高于原始冷却层外表面20的翅片高度46。切割工具的设计、切割的深度以及翅片36和通道44的宽度是影响翅片高度46的因素。对于每个连续的切割，工具40沿一个方向稍微移动，因此每个切割邻近先前切割的翅片36形成翅片36。该过程被重复直到制造出翅片36的床。

插脚38通过用第二系列的切割切过翅片36而形成。第二组切片还可以使用MDT方法，并且将插脚38升高至比翅片高度46高的插脚高度48。当形成切片时，没有材料从冷却金属层16去除，因此移动的材料相反地被引导至其余的插脚38中。这使得其余的脚38上升到比切割出插脚38 的材料高的高度。第二组切片可以以相对于翅片36的各种角度形成，包括九十度或九十度以外的角度。另外，插脚38和/或翅片36的倾斜角度可以在进行切片时由工具40的角度来操纵。翅片36的倾斜角度的修改可以改变插脚38的倾斜角度。

在一个可替换实施例中，翅片36不使用MDT工艺形成，并且插脚 38然后使用MDT工艺由翅片36形成。在另一可替换实施例中，使用MDT 工艺形成翅片36，然后使用不同于MDT工艺的常规切割工艺由翅片36 形成插脚38。

翅片36以特定的翅片宽度37被切割，而具有特定的通道宽度45，因此每厘米具有预定数量的翅片36。可以为插脚38设定类似的特定尺寸。增强表面35的许多尺寸可以通过为所使用的加工操作指定工具设计和设置来控制。贮槽28或相当的结构的生成可以通过传统方法完成。这包括冲压、切割、浇注、成型、机加工和其它标准金属加工技术。

MDT切割工艺可以在CNC铣床、车床、成形机或其它机加工工具上进行。切割深度不应太深以至于瓷砖14的完整性受到损害，并且切割深度应足够深以产生足以达到所需热传递率的翅片高度46。经验显示，可以使用冷却金属层厚度19的约60％至70％的切割深度。一般而言，工具40 切入冷却金属层16中的深度应该小于冷却金属层厚度19。成功的翅片36的床已经形成每厘米(cm)具有约20至约60个翅片，但是其它翅片密度也是可行的。直接结合基板上的翅片尺寸的一个示例包括在翅片36被切割之前测量的冷却金属层厚度19为0.30mm，并且翅片高度46为0.53mm，翅片宽度为0.17mm，并且通道宽度为0.17毫米。如上所述，冷却层外表面20在翅片36被切割之前确定，或在冷却金属层16中不形成翅片36的点处确定。翅片高度46大于冷却金属层厚度19，并且翅片36开始于冷却金属层16内的点处，所以翅片36延伸超出冷却层外表面20。如上所述，插脚38延伸至高于在插脚38被形成之前的翅片高度46的插脚高度48。因此，插脚38类似于翅片36延伸超过冷却层外表面20。

在一个实施例中，使用车床来加工坯件基板12，其中在冷却金属层 16被增强之前基板12被认为是坯件。车床可以具有垂直于旋转轴线的盘形面，并且一个或多个坯件基板12可以靠近车床的盘形面的外边缘固定。坯件基板12可以彼此相对地设置，以在旋转期间帮助平衡车床面。然后工具40可以被引导至车床的盘形面中，基本上平行于车床的旋转轴线，以用于基板12的加工。工具40缓慢地朝向车床的旋转轴线移动，或者远离车床的旋转轴线移动，因此工具40在车床每旋转一周的情况下在不同的位置处与坯件基板12接触。以这种方式，可以在单个车床上同时加工几个坯件基板12。在车床的盘形面的边缘附近加工产生的翅片36不是直的，而是具有轻微弯曲，该轻微弯曲由基板12距离车床旋转轴线的距离确定。如果需要的话，边界区域可以被加工成平坦的以用于安装相对于冷却金属层16密封的贮槽28。

包层金属学基础

如果两种不同的组分是金属，那么如果在界面处存在冶金结合，则可以显著地降低对穿过界面的热流的阻力。在本说明书中，术语“冶金结合”是指在两种不同金属的界面处不同金属实际上共享电子。许多结合是机械结合，其中不同金属或其它材料在界面处互锁，但是不同金属在机械结合中不共享电子。冶金结合对热流的阻力比机械结合要小得多。形成冶金结合通常比机械结合更困难，并且许多结合技术仅形成机械结合。

两种单独的金属组分可以通过称为包层的工艺冶金结合。在本说明书中，“包层”金属被限定为在界面处冶金结合在一起的金属，而不管包层金属是相同还是不同的材料。包层工艺通常涉及使两种金属经受很高的压力，并且有时高热量与高压相结合。其它包层工艺也是可行的。对于可以被包层到另一金属物体上的金属的厚度有实际的限制，因此包层金属通常是相对较薄的涂层。例如，将铝以大于约3毫米厚度包层到铜上是困难的。

两种包层金属可以与两种机械连接的金属相区分，因为冶金结合在结构上不同于机械结合。例如，在冶金结合中基本上没有用于使水或空气进入的孔，但是在机械结合处通常存在孔，因为这两种材料仅仅是互锁的。可以测量界面处的孔隙率，并且这可以用来区分冶金结合与机械结合。也可以通过测量穿过界面的热传递并将其与已知标准进行比较，而将冶金结合与机械结合区分开。

在两种金属之间，冶金结合比机械结合强得多。事实上，冶金结合通常强至使得具有不同热膨胀系数的不同金属在热循环期间不会分层。因此，与具有机械结合材料的相当设备相比，具有包层材料的电子***将通常具有更好的可靠性和更长的使用寿命。

具有底座板的电子部件

如图7所示并继续参考图1至6，底座板60可以与各种电子部件一起使用。图7中的底座板60被示出为IGBT的一部分，但是底座板60也可以与其它电子部件(诸如逆变器或二极管)一起使用。IGBT冷却被作为示例描述，但是应该理解，底座板冷却也可以适用于其它电子部件。金属底座板60可以由包层在一起的两种或更多种不同的金属层形成。通常，包层金属底座板60将包括至少具有第一金属层深度63的第一金属层62 和具有第二金属层深度65的第二金属层64，但是底座板60可以具有三个或更多个金属层，并且底座板60也可以具有涂层。底座板60也可以具有两层之间的包层界面68以及两个不同层之间的机械界面。在本说明书中，第一金属层62和第二金属层64在界面68处被包层在一起。绝缘栅双极型晶体管66(也被称为IGBT 66)是一种可受益于液体冷却***的电子部件。如上所述，许多IGBT66包括电子基板12，该电子基板12可以将铜或其它金属直接结合或直接镀覆至瓷砖14或其它绝缘材料。电子部件8 可以附接至底座板第一金属层62，并且然后可以将IGBT盖70固定至底座板60，使得电子基板12定位于IGBT盖70和底座板60之间。硅凝胶或其它填充材料也可以被定位于底座板60和IGBT盖70之间以帮助最小化暴露于水、腐蚀物和其它材料，底座板60具有第一金属层表面72，并且基板12和硅凝胶通常在第一金属层表面72处接触底座板第一金属层 62。底座板60还具有第二金属层64，第二金属层64具有与第一金属层表面72相对的第二金属层表面74。第二金属层表面74可以是用于冷却电子部件的冷板的部件，其中液体冷却剂直接在第二金属层表面74之上流动。第一金属层62包括第一金属，并且第二金属层64包括不同于第一金属的第二金属。

在一个实施例中，第一金属是铜，第二金属是铝。这种组合可以提供铜的理想的热传递性能和很容易将铜冷却金属层16或其它铜电子部件8 直接焊接到第一金属层表面72的能力。这种组合还提供了重量轻、成本相对较低、以及对于第二金属层表面74的铝的耐腐蚀性，第二金属层表面74可能暴露于乙二醇溶液以用于冷却。铜第一金属具有和与其连接的铜组分相同的热膨胀系数，并且使用相同或相似的金属减少了连接不相似金属所产生的腐蚀问题。然而，其它金属组合也是可行的，诸如铜第一金属层62和钢第二金属层64、钢第一金属层62和钛第二金属层64、或者各种其它可能的选择。一些固体铜底座板60可以在与乙二醇接触的任何表面上镀覆镍以减少腐蚀，并且包层可以减少或消除对镀覆镍的需要。镍比铝更重，更昂贵，并且镀覆材料的界面以及包层材料的界面68通常不传递热量，因为镀覆形成机械结合。如上所述并且如图5和图6所示(继续参考图1至4和图7)，用于产生增强表面35的工艺对于包层底座板60 和对于直接结合基板12基本上相同。上述用于加工基板12的因素、考量、方法和结果也适用于底座板60。当参考附图时，基板12的冷却金属层16 与底座板60的第二金属层64相当，并且底座板60的第一金属层62与瓷砖14和基板12的电子金属层18的组合相当。底座板60可以将三层或更多层包层或者接合在一起，但是底座板60也可以仅具有两层，因此读者可以将瓷砖14和电子金属层18视为一个单层，该单层与底座板60的第一金属层62相当，尽管事实上瓷砖14和电子金属层18被显示为单独的层。

工具40可用于加工底座板60以产生具有翅片宽度37的翅片36或插脚38。在相邻翅片36之间存在具有通道宽度45的通道44，并且翅片36 将具有翅片高度46，而插脚38将具有插脚高度48。底座板60将在机加工底座50上被加工，并且可以使用止动块52来最小化移动并且助于底座板60的定位。止动块52可以为包层底座板60提供额外的益处。向上延伸至界面68附近并且优选稍微高于界面68的止动块52可以有助于在机加工过程中支撑界面68，以减少第一金属层62和第二金属层64之间的分层。因此，第一金属层62和第二金属层64在翅片36或插脚38的切割期间和切割之后保持包层在一起。螺钉54或其它连接装置可用于将止动块 52固定至如上所述的机加工底座50。这可以在底座板60上提供增强表面 35。

底座板60的增强表面35将具有比第二金属层深度65大的翅片高度 46或插脚高度48。增强件75(即翅片36或插脚38)将具有与第二金属层表面74相比从界面68进一步延伸的增强末端76，并且这是指当增强件75被切割时而不是在任何额外的机加工以减少第二金属层表面74之后的第二金属层表面74。这属实，因为MDT工艺产生了增强件75，增强件75 延伸至形成增强件75的表面之上。申请人实际上已经从2.7毫米厚度的铝第二金属产生了竖直高度5毫米高的翅片36。翅片36或插脚38将完全限定在第二金属层64内，并且因此在第二金属内，使得增强底座77不会穿透界面68。增强底座77是翅片36或插脚38最接近包层界面68的一部分，并且增强底座77位于增强件75的与增强末端76相反的端部处。翅片36 或插脚38与第二金属层64并且因此与第二金属是整体的，如上所述。

如图8所示并且继续参考图1至7，贮槽78可以被附接至底座板60，使得在贮槽78和底座板60之间形成封闭件80。贮槽78被定位成使得在第二金属层64中形成的增强件75定位于封闭件80内。进入口82和输出口84穿过封闭件80，因此液体冷却剂可以通过进入口82进入封闭件80，并且通过输出口84离开封闭件80。因此，进入口82和输出口84通过封闭件80流体连通。贮槽78可被定位成使得仅底座板60的第二金属层64 位于封闭件80内，并且第一金属层62不位于封闭件80内。在进入口82 和输出口84处可以有喷嘴33，其类似于用于基板12的入口32和出口34 的喷嘴33。如上所述，对基板12的冷却室30产生不同的增强件75设计的选择也适用于底座板60的增强件75和冷却封闭件80，包括在单个底座板60上的多个贮槽78，以及在底座板60上的不同位置处的不同增强结构。

形成在底座板60上的翅片36或插脚38产生与第二金属层64成整体的大表面积，其提供良好的热传递。翅片36或插脚38也倾向于增加液体冷却剂流中的湍流，这也增加了热传递。

图9A描绘了根据本公开的可替换实施例的液体冷却的冷板900。冷板900包括具有流入口906和流出口907的贮槽901。贮槽基本上是用于容纳和移动冷却流体以冷却电子器件的歧管。在一个实施例中，贮槽901 由铝形成，但是可以由诸如铜之类的其它材料形成。在所示实施例中，贮槽901是大致矩形，其中相对的长边920和921与相对的短边922和923相对并且大体上垂直。冷水(未示出)通过流入口906进入贮槽901，如本文进一步讨论的那样穿过贮槽进行，并且离开流出口907。在所示实施例中，流入口906和流出口907各自包括延伸穿过贮槽的大致圆柱形的开口，如本文进一步讨论的。在其它实施例中，流入口906和流出口907可以是非圆柱形的形状；例如，流入口906和流出口907可以是椭圆形的。在所示实施例中，贮槽901通过挤出形成，但是在其它实施例中可以通过机械加工形成。

贮槽901的顶部表面924接收多个板902A、902B和902C。在所示的实施例中，贮槽901具有三个板902A、902B和902C，但是在其它实施例中可以存在其它数量的板。板902A、902B和902C的顶部表面大致与贮槽901的顶部表面924齐平。凹入贮槽901的顶部表面924中的凹部913 接收板902A、902B和902C。在所示的实施例中，使用上下加工的方式在贮槽中加工出凹部。板902A、902B和902C的顶部表面接收IGBT电子模块(未示出)，并且冷板900冷却电子器件。

为了在冷却应用期间最大化铝冷板的抗腐蚀性，在组装之前，贮槽901 和冷却板902A、902B和902C两者都可以镀覆有无电镀镍涂层。在冷板 900通过摩擦搅拌焊接或其它接合方法而组装之后，成品冷板900的外表面可以用无电镀镍涂层重新镀覆。当使用腐蚀性冷却剂(诸如去离子水) 作为冷却剂时，这种双重镀覆应当为冷板提供额外的抗腐蚀保护。

图9B是沿着图9A的截面线A-A截取的图9A的冷板900的截面图。板902A被接纳在凹部913中，凹部913凹入贮槽900的顶部表面924中。形成在板902A的下表面上的插脚911产生与板902A成整体的大表面积，其提供良好的热传递。如本文所述方式形成的插脚911向下延伸至凹部913 中，并且与凹部913、流入口906和流出口907流体连通。板902A支撑在凸缘914上，凸缘914围绕凹部913的周边延伸。在板902A的边缘上没有将阻碍板902A支撑在凸缘914上的插脚911，使得板902A的顶部表面与冷板的顶部表面924齐平，如本文所讨论的那样。

流入口906和流出口907各自在贮槽901的相对长边缘附近沿着贮槽 901纵向向下延伸。流入口906和流出口907设置在凹部913的相对端之下，以使流体能够沿方向箭头910所示的方向从流入口906通过凹部913 流到流出口907。

贮槽901中的流入槽908允许流体(未示出)从流入口906通过由凹部913并经由流出槽909流至流出口907。凹部913因此与流入口906 和流出口907流体连通。流入槽908和流出槽909将结合图10进一步讨论。

由于进入流入口906的流体在平行通道(在所示实施例中为三个凹部 913)之间被分叉并且在流出口907处再次汇合，所以凹部913提供平衡的并行冷却。可以通过调整狭槽的宽度和/或尺寸来调节平行通道中的流率以使流动平衡。这确保了板902A、902B和902C的表面温度是均匀的。

图10是图1的冷板900的立体图，未示出板902A、902B和902C。流入槽908和流出槽909沿着贮槽大致在流入口906和流出口907之上纵向延伸，并且仅在凹部913的区域中延伸。就此而言，狭槽908和909在所示实施例中没有延伸过贮槽901的长度。流入槽908与流入口906平行且流体连通，并且流出槽909与流出口907平行且流体连通。

每个凹部913都是大致矩形的，并且在所示实施例中具有圆角。如上所述，凸缘914围绕凹部913的周边延伸，从凹部913向内且向下地进入，并且接纳板902(图9A)。就此而言，板902的下表面支撑在凸缘上，使得板的上表面与贮槽901的表面924大致齐平。在所示实施例中，凸缘914 具有圆角。

图11是图9A的冷板的分解图，示出了在安装到凹部913中之前的板 902A、902B和902C。当冷板900由挤出形成时，插塞930阻塞与流入口 906和流出口907共延的开口(未示出)。插塞930可以使用摩擦搅拌焊接来安装，可以被压入，或者可以用密封剂旋入。在将板902安装到凹部913 中之后，通过摩擦搅拌焊接、钎焊或其它附接方式将板902A、902B和902C 加接在凹部913内。在加接板之后，顶部表面被飞刀切割以去除接合毛边等，并产生热量最佳的表面光洁度和平整度。之后在表面上形成用于安装电子器件的安装孔(未示出)。

图12是贮槽1201的可替换实施例的分解图，其中贮槽1201被机加工而不是被挤出。在该实施例中，用于流入口1206和流出口1207的开口 1204和1205从贮槽底部侧1209机械加工，并且板1202和1203塞住开口并且摩擦搅拌焊接就位。当挤出或枪钻贮槽不可行时，该实施例可能是值得期望的。

图13是双面冷板1300的分解立体图，其中多个板1302A、1302B和 1302C设置在贮槽1301的顶部侧1324上，并且多个板1303A、1303B和 1303C设置在贮槽1301的底部侧1325上。板1302A、1302B、1302C、1303A、 1303B和1303C中的每个均包括使用本文讨论的方法形成的被钉扎板。板 1302A、1302B、1302C、1303A、1303B和1303C的被钉扎侧均向内朝向贮槽1301面向，并且与凹部1313(其在贮槽1301的两侧)、流入口1306 和流出口1307流体连通。电子器件模块可以附接至所有板1302A、1302B、 1302C、1303A、1303B和1303C。

虽然已经参考有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以设计出其它实施例，如同本文所公开的。因此，本发明的范围应该仅由随附权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种制造液体冷却的冷板的方法，所述方法包括：

由金属形成贮槽，所述贮槽包括流入口和流出口以及多个凹部，其中所述多个凹部形成在所述贮槽的顶部表面中并且与所述流入口和所述流出口流体连通；

通过用工具在平坦的金属板中切出翅片来形成多个冷却板，以形成增强表面，其中所述工具切入冷却金属层中的深度小于所述冷却金属层的厚度，并且其中切片步骤迫使被切片的材料向上而不从所述冷却金属层去除材料，所述切片步骤将所述翅片形成至延伸超过所述冷却金属层的外表面的翅片高度，然后以一定角度跨过所述翅片切割以形成延伸超过所述冷却板的外表面的插脚；

将冷却板各自地安装在凹部中，使得在所述贮槽与所述冷却板之间形成腔室，并且在所述腔室内具有带插脚表面，并且所述带插脚表面与所述腔室、所述流入口和所述流出口流体连通；

将电子部件在所述冷却板上安装在与所述带插脚表面相对的一侧。

2.根据权利要求1所述的方法，其中由金属形成所述贮槽的步骤包括由铝挤出所述贮槽。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述角度在30度与90度之间。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述流入口和所述凹部之间形成流入槽，其中所述流入槽允许流体从所述流入口流到所述凹部。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括在所述流出口与所述凹部之间形成流出槽，其中所述流出槽允许流体从所述凹部流到所述流出口。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述流入槽和所述流出槽的尺寸设计成在凹部中提供大体上平行的流率。

7.根据权利要求1所述的方法，其中由金属形成所述贮槽的步骤包括由铝形成所述贮槽，并且进一步包括在将所述冷却板安装在所述贮槽上之前，用无电镀镍涂层镀覆所述贮槽。

8.根据权利要求7所述的方法，其中形成所述多个冷却板的步骤包括由铝形成所述冷却板，并且进一步包括在将所述冷却板安装在所述贮槽上之前，用无电镀镍涂层镀覆所述冷却板。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在将所述冷却板安装在所述贮槽上之后，用无电镀镍涂层重新镀覆所述冷板。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在将所述冷却板安装在所述贮槽中之后，使所述顶部表面光滑。

11.根据权利要求10所述的方法，其中使所述顶部表面光滑的步骤用飞刀执行。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括形成用于将所述电子器件安装到所述冷却板的安装孔。

13.一种液体冷却的冷板，所述冷板包括：

贮槽，所述贮槽包括凹入所述贮槽的顶部表面内的多个凹部，每个凹部包括***开口和凸缘，所述凸缘从所述***开口向内并向下设置，所述贮槽进一步包括流入口和流出口，所述流入口和所述流出口在所述贮槽的彼此相对的边缘附近沿着所述贮槽纵向延伸，所述流入口和所述流出口分别经由流入槽和流出槽与所述凹部流体连通；

多个冷却板，每个冷却板与凹部相关联并由凹部接纳，每个冷却板包括用于接收电子器件的电子器件侧和用于冷却所述冷却板的增强侧，所述电子器件侧与所述增强侧相对，所述增强侧包括通过微变形技术形成的多个插脚，所述冷却板凹入所述凹部内，所述冷却板的所述增强侧支撑在所述凸缘上，使得所述增强侧的下表面与所述凸缘接触，在所述下表面的下方延伸的所述插脚在所述凸缘的下方延伸，所述冷却板和所述凹部形成用于使流体从所述流入口流到所述流出口的腔室。

14.根据权利要求13所述的液体冷却的冷板，其中所述冷却板的所述电子器件侧的顶部表面是光滑且平坦的，并且大致与所述贮槽的所述顶部表面齐平。

15.根据权利要求14所述的液体冷却的冷板，进一步包括凹入所述贮槽的底部表面内的多个凹部，每个凹部包括***开口和凸缘，所述凸缘从所述***开口向内并向下设置，所述贮槽进一步包括流入口和流出口，所述流入口和所述流出口在所述贮槽的彼此相对的边缘附近沿着所述贮槽纵向延伸，所述流入口和所述流出口分别经由流入槽和流出槽与所述凹部流体连通；

多个冷却板，每个冷却板与凹部相关联并由凹部接纳，每个冷却板包括用于接收电子器件的电子器件侧和用于冷却所述冷却板的增强侧，所述电子器件侧与所述增强侧相对，所述增强侧包括通过微变形技术形成的多个插脚，所述冷却板凹入所述凹部内，所述冷却板的所述增强侧支撑在所述凸缘上，使得所述增强侧的下表面与所述凸缘接触，在所述下表面的下方延伸的所述插脚也在所述凸缘的下方延伸，所述冷却板和所述凹部形成用于使流体从所述流入口流到所述流出口的腔室。

16.根据权利要求15所述的液体冷却的冷板，其中所述冷却板的所述电子器件侧的顶部表面是光滑且平坦的，并且大致与所述贮槽的所述底部表面齐平。

17.根据权利要求16所述的液体冷却的冷板，其中所述冷却板和所述贮槽由铝形成并且用无电镀镍镀覆，并且所述冷却板用无电镀镍双重镀覆。

18.一种双面液体冷却的冷板，包括：

贮槽，所述贮槽包括凹入所述贮槽的顶部表面内的多个凹部和凹入所述贮槽的底部表面内的多个凹部，每个凹部包括***开口和凸缘，所述凸缘从所述***开口向内设置并与所述***开口间隔开，所述贮槽进一步包括流入口和流出口，所述流入口和所述流出口在所述贮槽的彼此相对的边缘附近沿着所述贮槽纵向延伸，所述流入口和所述流出口分别经由顶部流入槽和顶部流出槽与凹入所述贮槽的所述顶部表面内的所述多个凹部流体连通，所述流入口和所述流出口进一步分别经由底部流入槽和底部流出槽与凹入所述贮槽的所述底部表面内的所述多个凹部流体连通；

多个冷却板，每个冷却板与凹部相关联并由凹部接纳，每个冷却板包括用于接收电子器件的电子器件侧和用于冷却所述冷却板的增强侧，所述电子器件侧与所述增强侧相对，所述增强侧包括通过微变形技术形成的多个插脚，所述冷却板凹入所述凹部内，所述冷却板的所述增强侧支撑在所述凸缘上，使得所述增强侧的最内表面与所述凸缘接触，在所述最内表面的下方延伸的所述插脚也在所述凸缘的下方延伸，所述冷却板和所述凹部形成用于使流体从所述流入口流到所述流出口的腔室。

19.根据权利要求18所述的液体冷却的冷板，其中所述冷却板的所述电子器件侧的外表面是光滑且平坦的，并且大致与所述贮槽的外表面齐平。

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