JP2010278438A - ヒートシンク並びにその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の向上、コストの低減、サイズの低下及び製造の容易性の増大のための熱抵抗が小さいパワーモジュールヒートシンクを提供する。
【解決手段】加熱されたデバイス（５０）を冷却するためのヒートシンクアセンブリ（１０）は、複数の冷却用流体チャンネル（２６）をその内部に組み込んだセラミックサブストレート（６４）を含む。セラミックサブストレート（６４）は最上面（５６）及び最底面（６８）を含む。導電材料の層（６２）は、セラミックサブストレート（６４）の最上面と最底面（６６）、（６８）のうちの一方に対してのみ結合またはろう付けされている。導電材料（６２）及びセラミックサブストレート（６４）は実質的に同一の熱膨張率を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、全般的には半導体パワーモジュールに関し、さらに詳細には、半導体パワーモジュール内における電気絶縁に一般に使用されるヒートシンク並びに該ヒートシンクをセラミックサブストレート内に製作する方法に関する。

高密度パワーエレクトロニクスの開発によってパワー半導体デバイスの冷却がより一層困難になっている。最大５００Ｗ／ｃｍ^２までの放散が可能な最近のシリコンベースのパワーデバイスでは、改良された熱管理手法が必要である。デバイス温度が５０Ｋ上昇に制限される場合、自然及び強制空冷スキームだけで取り扱える熱流は約１Ｗ／ｃｍ^２までである。従来の液体冷却プレートは概ね２０Ｗ／ｃｍ^２の熱流を達成することが可能である。ヒートパイプ、衝突スプレー（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ ｓｐｒａｙ）及び液体気化によって熱流を大きくすることが可能であるが、これらの技法は製造の困難さ及び高コストに繋がる可能性がある。

高熱流パワーデバイスの従来式冷却において遭遇する別の問題は加熱された表面全体の温度分布の不均一である。このことは、冷却チャンネル構造が不均一であること、並びに冷却用流体が加熱された表面と平行な長いチャンネルを通過して流れる際にその温度上昇が不均一であることに起因する。

高性能な熱管理のために有望なテクノロジーの１つはマイクロチャンネル冷却である。これは１９８０代において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たものであり、最大１０００Ｗ／ｃｍ^２までの熱流及び１００℃未満の表面温度上昇を示す設計に依ったものである。周知のマイクロチャンネル設計では、冷却用流体をマイクロチャンネルまで分配するために（底部銅層内に製作したマイクロチャンネルを有する）サブストレートをマニホールドを組み込んだ金属複合材ヒートシンクにはんだ付けすることが必要である。これら周知のマイクロチャンネル設計は、非常に複雑な背面マイクロチャンネル構造、並びに構築が極めて複雑な（したがって製造するのに非常に高コストな）ヒートシンクを利用している。

幾つかのパワーエレクトロニクスパッケージング技法はさらに、サブストレート及びヒートシンク内にミリチャンネルテクノロジーを組み入れている。これらのミリチャンネル技法は一般に、直接銅結合（ＤＢＣ）や活性金属ろう付け（ＡＭＢ）のサブストレートを使用して、パワーモジュールの熱動作性能を改善させている。

上述したサブストレートは一般に、その上部と底部の両方に対して銅を直接結合またはろう付けさせたセラミック（Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ、その他）層を備える。銅とセラミックの熱膨張の差のために、アセンブリが処理中及び使用条件にあるときに温度の変動を受けても上部と底部の銅はアセンブリ全体を平面状に維持することを要求される。

米国特許出願第２００７０１７７３５２号

信頼性の向上、コストの低減、サイズの低下及び製造の容易性の増大（ただしこれらに限らない）の理由のため、半導体接合と最終的なヒートシンク（流体）との間の熱抵抗が周知のパワーモジュールヒートシンク構造を用いて達成可能な熱抵抗より小さいパワーモジュールヒートシンクを提供することが望ましい。

簡単に述べると一実施形態による加熱されたデバイスを冷却するためのヒートシンクアセンブリは、
冷却用流体チャンネルをその内部に組み込んで含む最上面及び最底面を含んだ電気絶縁材料層と、
２層サブストレートを形成するようにセラミック層の最上面と最底面のうちの一方に対してのみ結合またはろう付けされた導電材料層と、
を備える。

別の実施形態による加熱されたデバイスを冷却するためのヒートシンクアセンブリは、
複数の冷却用流体チャンネルをその内部に組み込んで含んだ最上面及び最底面を有するセラミックサブストレートと、
セラミックサブストレートの最上面と最底面のうちの一方に対してのみ結合またはろう付けされた導電材料層と、
を備える。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

パワーデバイスを冷却するためのヒートシンクアセンブリの側面図である。 図１のヒートシンクアセンブリの底部プレート内部にある交互配置の入口及び出口マニホールドの図である。 ヒートシンクアセンブリの底部プレート内に形成した入口及び出口マニホールドの別の図である。 例示的な冷却チャンネル配列の詳細像を含めた底部プレート及びサブストレートの部分分解図である。 底部プレート及びサブストレートの別の部分分解図である。 サブストレートの内面に冷却チャンネルが形成されるようにした例示的なヒートシンクアセンブリの断面図である。 多数のパワーデバイスを冷却するためのヒートシンクアセンブリの単一サブストレートの例示的な実施形態の図である。

上で規定した図面は代替的な実施形態を列挙しているが、検討において記載しているように本発明の別の実施形態も企図される。すべてのケースについて本開示における本発明の実施形態の提示は、説明のためであって限定ではない。当業者であれば本発明の原理の趣旨及び精神の域内にあるような別の多くの修正形態や実施形態を考案することが可能である。

本明細書では、少なくとも１つの加熱された表面５０を冷却するための装置１０について図１〜７を参照しながら記載する。図１の一実施形態に従って図示した装置１０は、図２にさらにその詳細を示したような底部プレート１２を含む。図２に示した一実施形態では、底部プレート１２は多数の入口マニホールド１６及び多数の出口マニホールド１８を画定している。入口マニホールド１６は冷却剤２０を受け取るように構成されており、また出口マニホールド１８は冷却剤を排出するように構成されている。図２に示したように、例えば入口マニホールド１６と出口マニホールド１８は交互配置されている。図１に示したように装置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つのサブストレート２２を含んでおり、該内側表面２４は底部プレート１２に結合させている。

図４に示すような一実施形態ではその内側表面２４は、入口マニホールド１６から冷却剤２０を受け取り出口マニホールド１８に該冷却剤を伝達するように構成された多数の冷却用流体チャンネル２６を特徴とする。一態様では、冷却用流体チャンネル２６は入口及び出口マニホールド１６、１８と実質的に直交する向きにある。サブストレート２２の外側表面５２は、図１に示したように加熱された表面５０と熱的に接触させている。装置１０はさらに、入口マニホールド１６に冷却剤２０を供給するように構成された入口プレナム２８と、冷却剤を出口マニホールド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３に示したように、入口プレナム２８及び出口プレナム４０は底部プレート１２の面を成すように方向付けされている。

装置１０では多くの冷却剤２０を利用することが可能であり、また本発明は特定の冷却剤に限定するものではない。例示的な冷却剤には、水、エチレングリコール、プロピレングリコール、オイル、航空機燃料、及びこれらの組み合わせが含まれる。具体的なある実施形態ではその冷却剤は単相液体（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｌｉｑｕｉｄ）である。別の実施形態ではその冷却剤は多相液体（ｍｕｌｔｉ−ｐｈａｓｅ ｌｉｑｕｉｄ）である。動作時において、冷却剤が入力プレナム２８を介して底部プレート１２内のマニホールド１６に入りかつ冷却用流体チャンネル２６を通って流れた後に、排出マニホールド１８及び出力プレナム４０を通って帰還する。さらに詳細には冷却剤は、具体的なある実施形態ではその流体直径が装置１０内のその他のチャンネルの直径を超えるような入口プレナム２８に入っており、これによりプレナム内に大きな圧力低下が生じない。

具体的なある実施形態では、底部プレート１２は熱伝導性材料である。例示的な材料には、銅、コバール（Ｋｏｖａｒ）、モリブデン、チタン、セラミック、金属マトリックス複合材料、及びこれらの組み合わせ（ただし、これらに限らない）が含まれる。別の実施形態では、底部プレート１２は成型可能、鋳造可能または機械加工可能な材料から成る。

冷却用流体チャンネル２６はマイクロチャンネル寸法からミリチャンネル寸法までを包含する。本発明の幾つかの態様ではチャンネル２６は例えば、約０．０５ｍｍから約５．０ｍｍまでのフィーチャサイズ（ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅ）を有することがある。一実施形態では、チャンネル２６は幅が約０．１ｍｍであると共に、約０．２ｍｍの多数のギャップによって分離されている。さらに別の実施形態では、チャンネル２６は幅が約０．３ｍｍであると共に、約０．５ｍｍの多数のギャップによって分離されている。また別の実施形態では、チャンネル２６は幅が約０．６ｍｍであると共に、約０．８ｍｍの多数のギャップによって分離されている。幅狭の冷却用流体チャンネル２６を密充填することによって、その熱伝達表面積が増大し、これにより加熱された表面５０からの熱伝達が改善されるので有益である。

冷却用流体チャンネル２６は多種多様な幾何学構造で形成することが可能である。冷却用流体チャンネル２６の例示的な幾何学構造としては、直線型や湾曲型の幾何学構造が含まれる。冷却用流体チャンネルの壁は例えば、平滑とさせることも、凸凹とすることもある。壁を凸凹とすると表面積が増大し乱流が高まり、これにより冷却用流体チャンネル２６内における熱伝達が増大する。例えば冷却用流体チャンネル２６は、熱伝達をさらに高めるためにディンプル（ｄｉｍｐｌｅ）を含むことがある。さらに冷却用流体チャンネル２６は、例えば図４の例で示したように連続的とすることがあり、また冷却用流体チャンネル２６は図５に例示的に示したように１つの離散的アレイ５８を形成することがある。特定の実施形態では冷却用流体チャンネル２６は離散的アレイ５８を形成すると共に、長さが約１ｍｍであり約０．５ｍｍ未満のギャップにより分離されている。

幾何学構造の事項以外に、寸法要因も熱動作性能に影響を及ぼす。一態様では、マニホールド及び冷却チャンネルの幾何学構造及び寸法が温度勾配及び圧力低下の低減に関連して選択される。

図６に示した一実施形態ではサブストレート２２は、少なくとも１つの導電材料６２と、適当なセラミック材料などの少なくとも１つの電気絶縁材料６４と、を含む。例示的なセラミックベースには、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）が含まれる。導電材料６２は、電気絶縁材料６４の最上面６６に対してだけ結合またはろう付けされている。一態様では導電材料６２は、モリブデン、コバール、金属マトリックス複合材、あるいは電気絶縁材料６４と同等の熱膨張率を有する適当な別の導電材料を含む。

導電材料６２と電気絶縁材料６４の両者が実質的に同一の熱膨張率を有するため、モリブデンその他の導電材料の別の電気絶縁材料６４からなるセラミックに対する製作に関する温度、あるいは得られた生成物が後続の処理中や使用条件において受けることになる別の温度変動を処理する間の面外（ｏｕｔ ｏｆ ｐｌａｎｅ）歪みが防止される。

電気絶縁材料６４の背面６８（導電材料６２以外）は、その内部に冷却用流体チャンネル２６を製作して有する。冷却用流体チャンネル２６に関連する領域は（複数のこともある）は、加熱された表面（複数のこともある）５０の直ぐ下に位置しており、引き続いてこの表面は電気絶縁材料６４の最上面５２の上の導電材料６２に取り付けられる。

完成したサブストレート２２はろう付け、結合、拡散結合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）、はんだ付け、クランプなどの圧着端子を含む多数の技法のうちのいずれか１つを用いて底部プレート１２に取り付け可能であるので有益である。これによって組み上げ処理が単純となり、このためヒートシンク１０の全体コストが軽減される。さらに、サブストレート２２を底部プレート１２に取り付けることによって、加熱された表面５０の下側に流体の通路が形成され、これにより冷却用流体チャンネルの冷却テクノロジーを実用的かつ費用対効果よく実現することが可能となる。

本明細書に記載した実施形態は加熱された表面（複数のこともある）５０と最終的なヒートシンク（流体）２０との間の熱抵抗を低下させるので有利であることに留意されたい。この温度低下によって、デバイス動作時のパワーサイクル中の最大動作温度が低下しかつ最小対最大の温度偏差が低下することにより図７に表したマルチプル半導体パワーデバイス８０モジュールなどの対応するパワーエレクトロニクスモジュールに対するよりロバストな設計が提供され、これによりデバイスの信頼性が向上する。さらに本明細書に記載した実施形態は、冷却用流体チャンネル２６を電気絶縁材料６４内に配置することによって冷却媒質２０を加熱された表面（複数のこともある）５０のより近い位置にさせており、これによりサブストレートの最上面と最底面の両面上に金属層を利用する周知の構造を用いて達成可能なものと比べて熱抵抗（流体に対するジャンクション）をより低レベルまで下げることが可能となるので有利である。

本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。

１０ 冷却装置
１２ 底部プレート
１６ 入口マニホールド
１８ 出口マニホールド
２０ 冷却剤
２２ サブストレート
２４ サブストレート内表面
２６ 冷却用流体チャンネル
２８ 入口プレナム
４０ 出口プレナム
５０ 加熱された表面
５２ サブストレート外表面
５８ 冷却用流体チャンネルの離散アレイ
６２ 導電材料
６４ 電気絶縁材料
６６ 電気絶縁材料の最上面
６８ 電気絶縁材料の背面
８０ 半導体パワーデバイス（複数のこともある）

Claims (10)

1. 加熱されたデバイス（５２）を冷却するためのヒートシンクアセンブリ（１０）であって、
   冷却用流体チャンネル（２６）をその内部に組み込んで含む最上面（６６）及び最底面（６８）を含んだ電気絶縁材料層（６４）と、
   ２層サブストレート（２２）を形成するようにセラミック層（６４）の最上面と最底面（６６）、（６８）のうちの一方に対してのみ結合またはろう付けされた導電材料層（６２）と、
   を備えるヒートシンクアセンブリ（１０）。
2. さらに、電気絶縁層（６４）のうちの導電層（６２）に結合またはろう付けさせた電気絶縁層の前記唯一表面の反対側表面にろう付けまたは結合された底部プレート（１２）を備えており、該底部プレート（１２）は電気絶縁層（６４）の冷却用流体チャンネル（２６）に冷却用流体を伝達すること及び電気絶縁層（６４）の冷却用流体チャンネル（２６）から排出された冷却用流体を受け取ることを行うように構成されたマニホールドアレイを備えている、請求項１に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
3. 前記冷却用流体は単相または多相液体である、請求項２に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
4. 前記サブストレート（２２）と底部プレート（１２）は一体となって、サブストレート（２２）に装着させた半導体デバイス（８０）の接合と冷却用流体との間の熱抵抗を、サブストレートの上面と底面の両面にろう付けまたは結合された金属層と対応する底部プレートとの両方を備えたサブストレートで達成可能なものと比べてより小さくさせている、請求項２に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
5. 前記電気絶縁層（６４）はセラミックを含む、請求項１に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
6. 前記電気絶縁層（６４）は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む、請求項５に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
7. 前記導電層（６２）は、電気絶縁層（６４）の熱膨張率と実質的に同一の熱膨張率を備える、請求項１に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
8. 前記導電層（６２）は、モリブデン、コバールまたは金属マトリックス複合材料を含む、請求項７に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
9. 前記電気絶縁層（６４）及び導電層（６２）は一体となって、処理中または使用条件下における面外歪みを防止するような熱膨張率を有する、請求項１に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。
10. 前記冷却チャンネル（２６）はマイクロチャンネル寸法からミリチャンネル寸法までを成している、請求項１に記載のヒートシンクアセンブリ（１０）。