(57)【要約】      （修正有）【課題】１以上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を開示する。【解決手段】電子素子パッケージは、上側接触面２２と下側接触面２４を有する。ヒートシンクは、１種以上の熱伝導性材料からなる冷却部材３１０を備える。冷却部材は、冷却剤が導入されるように構成された複数の入口マニホルドと、冷却剤が排出されるように構成された複数の出口マニホルドを画成する。入口マニホルドと出口マニホルドは交互に配置される。冷却部材は、さらに、冷却剤を入口マニホルドから導入して出口マニホルドへと送給するように構成された複数のミリチャネルを画成する。さらに、ミリチャネルと入口及び出口マニホルドは冷却剤と直接接触して電子素子パッケージの上側及び下側接触面を直接冷却するように構成されている。従って、ヒートシンクは一体型ヒートシンクとなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側接触面（２２）と下側接触面（２４）を有する１以上の電子素子パッケージを直接冷却するヒートシンク（３００）であって、当該ヒートシンクが、１種以上の熱伝導性材料からなる冷却部材（３１０）を備えており、冷却部材が、
冷却剤が導入されるように構成された複数の入口マニホルド（１２）と、
冷却剤が排出されるように構成された複数の出口マニホルド（１４）であって、入口マニホルドと交互に配置されている出口マニホルド（１４）と、
冷却剤を入口マニホルドから導入して出口マニホルドへと送給するように構成された複数のミリチャネル（１６）と
を画成し、ミリチャネルと入口及び出口マニホルドがさらに、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剤と直接接触させることによって直接冷却するように構成されていて、ヒートシンクが一体型ヒートシンクをなす、ヒートシンク（３００）。
【請求項２】
前記入口及び出口マニホルド（１２，１４）が半径方向配置に配設され、ミリチャネル（１６）が円形配置に配設されている、請求項１記載のヒートシンク（３００）。
【請求項３】
前記ミリチャネル（１６）が半径方向配置に配設され、入口及び出口マニホルド（１２，１４）が円形配置に配設されている、請求項１記載のヒートシンク（３００）。
【請求項４】
当該ヒートシングが、複数の電子素子パッケージ（２０）を直接冷却するためのものであり、前記冷却部材（３１０）が第１の面（２）と第２の面（４）を有していて、冷却部材の第１の面に、ミリチャネル（１６）と入口マニホルド（１２）と出口マニホルド（１４）の第１の組が形成され、冷却部材の第２の面に、ミリチャネルと入口マニホルドと出口マニホルドの第２の組が形成され、第１の組のミリチャネルと入口及び出口マニホルドが、一方の電子素子パッケージの上側接触面を冷却剤で直接冷却するように構成され、第２の組のミリチャネルと入口及び出口マニホルドが、別の電子素子パッケージの下側接触面を冷却剤で直接冷却するように構成されている、請求項１記載のヒートシンク（３００）。
【請求項５】
第１の組の入口マニホルド（１２）が第２の組の入口マニホルドからオフセットしており、第１の組の出口マニホルド（１４）が第２の組の出口マニホルドからオフセットしている、請求項４記載のヒートシンク（３００）。
【請求項６】
前記冷却部材（３１０）が、ガスケットを受け入れる溝（３０２）をさらに画成している、請求項１記載のヒートシンク（３００）。
【請求項７】
前記ミリチャネル（１６）が半径方向配置に配設され、入口及び出口マニホルド（１２，１４）が円形配置に配設されており、半径方向チャネルの数が、冷却部材の中心付近の半径方向チャネルの数よりも冷却部材（３１０）の外周付近で多い、請求項１記載のヒートシンク（３００）。
【請求項８】
冷却・パッケージング用スタック（１００）であって、
冷却剤が導入されるように構成された複数の入口マニホルド（１２）と、冷却剤が排出されるように構成された複数の出口マニホルド（１４）と、冷却剤を入口マニホルドから導入して出口マニホルドへと送給するように構成された複数のミリチャネル（１６）とを備える１以上のヒートシンク（３００）であって、入口マニホルドと出口マニホルドとが交互に配置されている、１以上のヒートシンク（３００）と、
上側接触面（２２）と下側接触面（２４）を有する１以上の電子素子パッケージ（２０）と
を備えており、マニホルド及びミニチャネルが上側及び下側接触面に隣接して配置され、冷却剤と直接接触して各面を直接冷却するように構成されており、ヒートシンクが一体型ヒートシンクをなす、冷却・パッケージング用スタック（１００）。
【請求項９】
複数のヒートシンク（３００）と複数の電子素子パッケージ（２０）とを備えていて、ヒートシンクと電子素子パッケージとが交互に配置されている、請求項８記載のスタック（１００）。
【請求項１０】
１以上のヒートシンク（３００）が両面型ヒートシンクであり、両面型ヒートシンクが、第１の面（２）と第２の面（４）を有する冷却部材（３１０）を備えており、冷却部材の第１の面に、ミリチャネル（１６）と入口マニホルド（１２）と出口マニホルド（１４）の第１の組が形成され、冷却部材の第２の面に、ミリチャネルと入口マニホルドと出口マニホルドの第２の組が形成され、第１の組のミリチャネルと入口及び出口マニホルドが、電子素子パッケージの上側接触面（２２）を冷却剤と直接接触させて直接冷却するように構成されており、第２の組のミリチャネルと入口及び出口マニホルドが、別の電子素子パッケージの下側接触面（２４）を冷却剤と直接接触させて直接冷却するように構成されており、第１の組の入口マニホルドが第２の組の入口マニホルドからオフセットしており、第１の組の出口マニホルドが第２の組の出口マニホルドからオフセットしている、請求項９記載のスタック（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してパワーエレクトロニクスに関し、特に、パワーエレクトロニクス用の先進的な冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用中電圧駆動装置、石油及びガス用周波数変換器、トラクションドライブ、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、概して、液体冷却機能を有するプレスパック型パワー素子を含む。パワー素子の比限定的具体例としては、集積ゲート転流サイリスタ（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などが挙げられる。プレスパック素子は特に高出力用途に有利であり、プレスパックの利点としては、両面冷却が可能であり、破損時にプラズマ爆発が起こらないことが挙げられる。
【０００３】
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重ね合わせてスタックを形成するのが一般的である。従来技術の電力変換装置スタックは、直径の大きい冷却孔路を有する慣用の液体冷却ヒートシンクを備える。従来技術の電力変換装置スタックでは、ヒートシンクとパワー素子は一体化されていない。用途によっては、各プレスパック素子及び液体冷却ヒートシンクの間にサーマルグリース層が設けられていることもある。別の用途では、少なくとも幾つかの層が、それらの間にサーマルグリースを設けずに、単に圧力で保持されていることもある。この構成は、多大な接触抵抗を生じる。かかる電力変換装置スタックの他の短所としては、半導体接合部から液体への熱インピーダンスが比較的高いこと、関連部品の数に起因してスタックの組立構造及び組立プロセスが比較的複雑であることが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４０２９１４１号明細書
【特許文献２】米国特許第４３１３１２８号明細書
【特許文献３】米国特許第５００６９２１号明細書
【特許文献４】米国特許第５２２１８５１号明細書
【特許文献５】米国特許第５４２３３７６号明細書
【特許文献６】米国特許第５７０５８５３号明細書
【特許文献７】米国特許第５９７８２２０号明細書
【特許文献８】米国特許第６４７３３０３号明細書
【特許文献９】米国特許第６７３８２５８号明細書
【特許文献１０】米国特許第４９２１９６９号明細書
【特許文献１１】米国特許第７１５６１５９号明細書
【特許文献１２】米国特許第７３２２７０２４号明細書
【特許文献１３】米国特許第７３５３８５９号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００７／０２１５３２５号明細書
【特許文献１５】欧州特許出願公開第０９８９６１１号明細書
【特許文献１６】国際公開第２００２／０９７８８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、プレスパック素子を用いた電力変換装置スタックの熱性能及びパッケージングを改善することが望まれる。具体的には、高い信頼性及び／又は高い電力密度のため、半導体接合部から液体への熱インピーダンスを低減することが望ましい。さらに、保守性の向上のため、スタックの組立構造を比較的簡略化することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様は、１以上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。電子素子パッケージは、上側接触面と下側接触面を有する。ヒートシンクは、１種以上の熱伝導性材料からなる冷却部材を備える。冷却部材は、冷却剤が導入されるように構成された複数の入口マニホルドと、冷却剤が排出されるように構成された複数の出口マニホルドとを画成する。入口マニホルドと出口マニホルドは交互に配置される。冷却部材は、さらに、冷却剤を入口マニホルドから導入して出口マニホルドへと送給するように構成された複数のミリチャネルを画成する。ミリチャネルと入口及び出口マニホルドは冷却剤と直接接触して電子素子パッケージの上側及び下側接触面を直接冷却するように構成されており、ヒートシンクは一体型ヒートシンクをなす。
【０００７】
本発明の別の態様は、１以上のヒートシンクを備える冷却・パッケージング用スタックにある。ヒートシンクは冷却部材を備えているが、冷却部材は、冷却剤が導入されるように構成された複数の入口マニホルドと、冷却剤が排出されるように構成された複数の出口マニホルドと、冷却剤を入口マニホルドから導入して出口マニホルドへと送給するように構成された複数のミリチャネルとを画成する。入口マニホルドと出口マニホルドは交互に配置される。スタックは、さらに、上側接触面と下側接触面を有する１以上の電子素子パッケージを有する。マニホルド及びミリチャネルは、上側及び下側接触面の各面が冷却剤と直接接触して直接冷却されるように上側及び下側接触面の各面に隣接して配置され、ヒートシンクは一体型ヒートシンクをなす。
【０００８】
本発明の上記その他の特徴、態様及び効果は、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。図面では、類似の部品には同じ符号を付した。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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図。
【図２】単一の冷却部材にミリチャネル及びマニホルドを組み込んだヒートシンクを示す図。
【図３】図２又は図４のヒートシンクの半径方向ミリチャネルの断面図である。
【図４】半径方向チャネルの数を増したヒートシンク設計を示す図。
【図５】複数の電子素子パッケージ用に構成された冷却・パッケージング用スタックを示す図。
【図６】図２又は図４のマニホルド構成の断面図である。
【図７】本発明に係る両面型ヒートシンクのシール機構を示す図。
【図８】本発明に係る両面型ヒートシンクの一実施形態のオフセットマニホルド構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面では、本発明の様々な実施形態を開示するが、本明細書で述べる通り、本発明の他の実施形態も想定し得る。いずれの場合も、本明細書で開示する実施形態は、限定のためではなく、例示を目的としたものにすぎない。当業者には、本発明の技術的範囲及び技術的思想の範囲内において、様々な修正及び実施形態に想到し得る。
【００１１】
図１〜図４を参照して、１以上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３００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と下側接触面２４を有する。ヒートシンク３００は、１種以上の熱伝導性材料からなる冷却部材３１０を備える。例えば図２及び図４に示すように、冷却部材３１０は、冷却剤が導入されるように構成された複数の入口マニホルド１２と、冷却剤が排出されるように構成された複数の出口マニホルド１４とを画成する。例えば図２、図４、図６及び図８に示すように、入口マニホルドと出口マニホルドは交互に配置される（交互嵌合）。冷却部材３１０は、さらに、冷却剤を入口マニホルドから導入して出口マニホルドへと送給するように構成された複数のミリチャネル１６を画成する。ミリチャネル１６と入口及び出口マニホルド１２，１４は、電子素子パッケージ２０の上側及び下側接触面２２，２４を冷却剤との直接接触によって直接冷却するように構成されており、ヒートシンクは一体型ヒートシンクをなす。特に、マニホルド１２，１４及びミリチャネル１６は、上側及び下側接触面２２，２４の各面が冷却剤と直接接触して冷却されるように、上側及び下側接触面２２，２４に隣接して配置される。特定の実施形態では、ミリチャネル１６と入口及び出口マニホルド１２，１４は、冷却すべき電子素子パッケージの上側及び下側接触面２２，２４に冷却剤を均一に送給するように構成される。
【００１２】
ヒートシンク３００は、冷却剤と直接接触して電子素子パッケージ２０を冷却するという点で、電子装置パッケージ２０と一体化されている。換言すれば、一体型ヒートシンク３００のミリチャネル１６と入口及び出口マニホルド１２，１４は、ミリチャネル１６を流れる冷却剤がパワー素子パッケージ２０と直接接触するように、パワー素子パッケージ２０に面した側で開口している。この構成は、冷却剤がヒートシンク内部に収容されていて素子の冷却をヒートシンクケースを通して間接的に行わなければならなかった従来技術の内蔵式ヒートシンクに対する格段の改良である。このような追加のサーマル層をなくすことによって、本発明の一体型ヒートシンク３００は、パワー素子の冷却効率が向上する。
【００１３】
冷却部材３１０は様々な熱伝導性材料から形成することができ、そうした材料の非限定的な例としては、銅、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、チタン、これらの合金、さらに、アルミニウム炭化ケイ素（ＡｌＳｉＣ）、アルミニウム−グラファイトのような金属マトリックス複合材料、窒化ケイ素セラミックのようなセラミックスが挙げられる。冷却部材は鋳造及び／又は機械加工し得る。例えば、冷却部材３１０を鋳造し、次いで微細な特徴及び表面要件を画成するように機械加工してもよい。
【００１４】
冷却剤の非限定的な具体例としては、脱イオン水その他の非導電性の液体が挙げられる。
【００１５】
特定の実施形態では、マニホルド１２，１４は、ミリチャネル１６よりも大きな直径を有する。非限定的な例では、ミリチャネルの幅は約０．５ｍｍ〜約２．０ｍｍであり、ミリチャネルの深さは約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内である。具体的には、チャネルの厚さは、半導体上の圧力が均一になるように選択できる。半導体に加わる圧力分布を均一化することによって、半導体の性能が損なわれなくなる。さらに、ミリチャネル１６及びマニホルド１２，１４は、丸形、円形、台形、三角形及び方形／矩形を始めとする様々な断面形状を有し得る。チャネル形状は製造上の制約及び用途に基づいて選択され、利用できる製造法及び冷却剤流量に影響を与える。有利なことに、ヒートシンク１０にミリチャネル１６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。
【００１６】
図示した構成では、入口及び出口マニホルド１２，１４は円形配置（本明細書では「軸方向」配置ともいう。）に配設され、ミリチャネル１６は半径方向配置に配設される。他の例（図示せず）では、入口及び出口マニホルド１２，１４は半径方向配置に配設され、ミリチャネル１６は円形（軸方向）配置に配設される。本明細書において「円形配置」及び「軸方向配置」は、半径方向通路（実施形態に応じてミリチャネル又はマニホルド）を接続する曲線的及び直線的な「円形」通路（実施形態に応じて、マニホルド又はミリチャネルのいずれか）を包含する。
【００１７】
図２及び図４に示す例示的構成では、冷却部材３１０は、さらに、Ｏリングのようなガスケット３０４（図７参照）を受け入れる溝３０２を画成する。図７に示すように、ガスケット３０４は、ヒートシンク３００を隣接電子素子パッケージ２０にシールするために用いられる。図６に示すように、冷却剤は、入口プレナム３からヒートシンク３００に供給される。冷却剤は、次いで、図６に示すように、入口ポート１１から入口マニホルド（１つおきの同心マニホルド部分）１２に流入する。冷却剤は、ミリチャネル１６（図２又は図４参照）を通過した後、例えば、図６に示すように、出口マニホルド１４（別の１つおきの同心マニホルド部分）から出口ポート１３を介して出口プレナム５へと排出される。
【００１８】
図３に、半径方向チャネル１６（例えば半径方向ミリチャネル）の断面図を示す。図４に、圧力降下を低減してその分冷却効率を向上させるため半径方向チャネルの数を増した設計を示す。具体的には、図４に示す例示的構成では、半径方向チャネルの数は、冷却部材３１０の中心付近の半径方向チャネルの数よりも冷却部材３１０の外周付近で多い。この構成によって、空間及び加工上の制約の下でも、追加の半径方向チャネルを加えることができるようになる。
【００１９】
有利なことに、例えば、図２〜図４に示すように、単一の冷却部材３１０にミリチャネルと入口／出口マニホルドを組み込むことによって、組立プロセスが簡略化される。特に、単一の冷却部材３１０を用いると、２つの部品を接合する必要がなくなる。代わりに、Ｏリングアセンブリのようなガスケット３０４を用いて、ヒートシンク３００を隣接素子パッケージ２０にシールすればよく、隣接部品間の堅牢で簡単なシールが得られる。
【００２０】
図１〜図４を参照して例示した実施形態では、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、冷却部材３１０は円筒形（つまり円板又はアイスホッケーパック状）であってよい。ただし、方形及び矩形断面を始めとする他の形状のものを用いてもよい。図１に示す例示的構成では、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、プレスパッケージの構成を例に取って説明する。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１以上の半導体素子２１と、膨張率（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に示すように、ウェーハ２３はＣＴＥプレート２５，２７間に配置され、上側電極２８は上側ＣＴＥプレート２５上に配置され、下側ＣＴＥプレート２７は下側電極２８上に配置される。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の各々は円形断面のものでもよい。半導体素子の非限定的な具体例としては、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すことができ、半導体の非限定的な具体例としては、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、通例、例えば図１に示すような絶縁（例えばセラミック）ハウジング２６を含む。図１では、ヒートシンクはハウジング２６の外側に延在しているが、他の実施形態では、ヒートシンク３００の冷却部材３１０はハウジング２６内に配置される。さらに、電極２８，２９は垂直方向にハウジング２６の境界を越えて延在し、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もよい。また、電気的接続を可能とするとともに、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３００が（図示のように）ハウジングの外に延在していてもよい。従って、冷却部材３１０は、ハウジング２６よりも大きな直径を有していてもよい。
【００２１】
ヒートシンク３００は片面型でも両面型でもよい。例えば、図５に示す例示的構成では、上と下のヒートシンク３００は片面型であるが、中間のヒートシンク３００は両面型である。両面型ヒートシンクは、複数（特に２つ）の電子素子パッケージ２０を直接冷却するように構成される。図５に示すように、両面型ヒートシンク３００については、冷却部材３１０は、第１の面２と第２の面４を有する。ミリチャネル１６と入口マニホルド２と出口マニホルド１４の第１の組が冷却部材３１０の第１の面２に形成される。（例えば図２及び図４の構成参照。）。同様に、ミリチャネル１６と入口マニホルド１２と出口マニホルド１４の第２の組が冷却部材３１０の第２の面４に形成される。（例えば図２及び図４の構成参照。）。第１の組のミリチャネルは、一方の電子素子パッケージ２０の上側接触面２２を冷却剤との直接接触によって直接冷却するように構成され、第２の組のミリチャネルは、別の電子素子パッケージ２０の下側接触面２４を冷却剤との直接接触によって直接冷却するように構成される。
【００２２】
図８に、両面型ヒートシンク用の入口及び出口マニホルドのオフセット構成を示す。図８に示すように、第１の組の入口マニホルド１２は第２の組の入口マニホルドからオフセットしている。同様に、第１の組の出口マニホルド１４は第２の組の出口マニホルドからオフセットしている。さらに具体的には、第１の組の入口マニホルドは、第２の組の出口マニホルドと相対して配置される。同様に、第１の組の出口マニホルドは、第２の組の入口マニホルドと相対して配置される。このようなオフセット構成は幾つかの利点を有する。第１の冷却面で高温の流体を運ぶマニホルド（出口マニホルド）を、他方の冷却面で低温の流体を運ぶマニホルドと相対して配置すると、入口及び出口マニホルドを整合させた場合よりも、マニホルドでの「熱拡散」効率が向上する。さらに、このオフセット構成は冷却剤の速度及び圧力分布を改善し、これらはすべてヒートシンクの性能向上に寄与する。
【００２３】
有利なことに、ヒートシンク３００は、パワー素子の従来の冷却に比して、熱伝達効率が高い。従来のヒートシンクは、冷却剤をパワー素子と接触させずにヒートシンク内部に収容するという点で、プレスパッケージと一体化されておらず、内蔵型である。従来のヒートシンクは、ケースを含んでいて、ケースは通例サーマルグリース層を介してプレスパッケージに結合しており、そのため熱抵抗が増す。このように、従来のヒートシンクは、熱伝達を妨げる追加のサーマル層（ケース）を含んでいる。対照的に、ヒートシンク３００はプレスパッケージと一体に設けられ、パワー素子を冷却剤との直接接触によって冷却し、熱伝達を促進する。さらに、この一体ヒートシンクでは、入口孔路と出口孔路が交互に配置されているので、冷却すべき素子の表面に冷却剤が均一に送給され、ミリチャネルによってパワー素子から冷却剤への熱伝導表面積が増す。図１〜図４に示す実施形態では、ヒートシンク３００は、プレスパッケージ２０のような既存の電子パッケージでの使用に適合している。従って、ヒートシンク３００は、素子パッケージに修正を加えずに従来のプレスパック型パワー素子を一体冷却するの使用できる。さらに、単一の冷却部材３１０にミリチャネルと入口／出口マニホルドとを組み込むことによって、組立プロセスが簡略化される。
【００２４】
図５を参照して、本発明の冷却・パッケージング用スタック１００の実施形態を説明する。冷却・パッケージング用スタック１００は、冷却剤が導入されるように構成された複数の入口マニホルド１２と、冷却剤が排出されるように構成された複数の出口マニホルド１４と、冷却剤を入口マニホルドから導入して出口マニホルドへと送給するための複数のミリチャネル１６とを画成する冷却部材３１０を備えた１以上のヒートシンク３００を含む。ヒートシンク３００は上述した通りであり、ヒートシンクの様々な実施形態に関する詳しい説明は割愛する。冷却・パッケージング用スタック１００は、さらに、上側接触面２２と下側接触面２４を有する１以上の電子素子パッケージ２０を含む。マニホルド１２，１４及びミリチャネル１６は、上側及び下側接触面２２，２４の各面が冷却剤と直接接触して直接冷却されるように上側及び下側接触面２２，２４の各面に隣接して配置され、ヒートシンクは一体型ヒートシンクをなす。
【００２５】
ヒートシンク３００の例示的な材料については上述した。入口及び出口マニホルド１２，１４についても、図２、図６及び図８を参照して上述した。図６に示す実施形態では、冷却剤は入口プレナム３からヒートシンク３００に供給され、出口プレナム５から排出される。ミリチャネル１６の様々な構成については、図２〜図４を参照して上述した。マニホルドとミリチャネルの相対的配置についても、図２及び図４を参照して上述した。一実施形態では、入口及び出口マニホルド１２，１４は半径方向配置に配設され、ミリチャネル１１６は円形（さらに一般的には軸方向）配置に配設される。図２及び図４に示す実施形態では、ミリチャネル１６は半径方向配置に配設され、入口及び出口マニホルド１２，１４は円形配置に配設される。
【００２６】
冷却を促進するため、スタック１００のヒートシンク３００に、図４に示すミリチャネル設計を採用し得る。上述の通り、図４は、圧力降下を低減してその分冷却効率を向上させるため半径方向チャネルの数を増した設計を示す。具体的には、図４に示す例示的構成では、半径方向チャネルの数は、冷却部材３１０の中心付近の半径方向チャネルの数よりも冷却部材３１０の外周付近で多い。この構成によって、空間及び加工上の制約の下でも、追加の半径方向チャネルを加えることができるようになる。
【００２７】
図５に示す例示的構成は、片面型の上側及び下側ヒートシンク３００と両面型の中間ヒートシンク３００を有する冷却構成である。図示した実施形態では、スタック１００は、複数のヒートシンク３００と複数の電子素子パッケージ２０とを備える。図示のように、ヒートシンク３００と電子素子パッケージ２０は交互に配置される。さらに具体的には、上述した通り、図５に示す実施形態では、ヒートシンク３００の少なくとも１つは両面型ヒートシンクである。両面型ヒートシンクは、第１の面２と第２の面４を有する冷却部材３１０を備える。ミリチャネル１６と入口マニホルド１２と出口マニホルド１４の第１の組が冷却部材３１０の第１の面２に形成される。同様に、ミリチャネル１６と入口マニホルド１２と出口マニホルド１４の第２の組が冷却部材３１０の第２の面４に形成される。第１の組のミリチャネル１６は、一方の電子装置パッケージ２０の上側接触面２２を冷却剤で冷却するように構成される。同様に、第２の組のミリチャネル１６は、別の電子素子パッケージ２０の下側接触面２４を冷却剤で冷却するように構成される。図８に関して上述した通り、ヒートシンクの性能をさらに高めるため、両面型ヒートシンクにオフセット構成の入口及び出口マニホルドを組み込んでもよい。
【００２８】
冷却・パッケージング用スタック１００では、ヒートシンク３００は、電子素子パッケージ２０の上側及び下側接触面２２，２４の各々にシールされ、ミリチャネルを流れる冷却剤が、電子素子パッケージ２０の上側及び下側接触面の各面と直接接触して各面を直接冷却する。図２及び図７に示す例示的構成では、各冷却部材３１０は、さらに１以上の溝３０２を画成する。例えば、図７に示すように、スタック１００は、ヒートシンク３００を各電子素子パッケージ２０にシールするため、溝３０２内に配置された１以上のガスケット３０４を含んでいる。ある実施形態では、ガスケット３０４はＯリングである。有利なことに、この組立プロセスは比較的簡単で堅牢であり、数段階の製造ステップしか必要とせず、はんだ付けその他の金属接合技術のような複雑な組立技術を必要としない。
【００２９】
なお、図５に示す具体的構成は例示にすぎず、冷却・パッケージング用スタック１００に含まれる電子素子パッケージ２０の数、及び電子素子パッケージを冷却するための対応ヒートシンク３００の数は幾つであってもよい。本発明には数多くの利点の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。
【００３０】
図５を参照して例示した実施形態では、上側接触面２２と下側接触面２４は各々断面が円形であってもよく、冷却部材３１０は円筒形（すなわち円板又はアイスホッケーパック状）であってもよい。ただし、上述の通り、方形及び矩形断面を始めとする他の形状のものを用いてもよい。特定の実施形態では、電子素子パッケージ２０はプレスパッケージ２０である。上述の通り、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、プレスパッケージの構成を例に取って説明する。本例では、プレスパッケージ２０は、例えば図１に示すように、ウェーハ２３上に形成された１以上の半導体素子２１を備える。プレスパッケージ２０はさらに、例えば図１に示すように、膨張率（ＣＴＥ）が調和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を含む。ウェーハ２３はＣＴＥプレート２５，２７間に配置される。上側電極２８は上側ＣＴＥプレート２５上に配置され、下側ＣＴＥプレート２７は下側電極２９の上に配置される。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する。図示したプレスパックの実施形態では、スタック１００はさらに、例えば図１及び図５に示すような絶縁（例えばセラミック）ハウジング２６を含む。図１及び図５では、ヒートシンクは、ハウジング２６の外側に延在しているが、別の実施形態では、上述の通り、ヒートシンク３００の冷却部材３１０はハウジング２６内に配置される。
【００３１】
有利なことに、冷却・パッケージング用スタック１００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造を有する。例えば、ヒートシンクは、比較的簡単なＯリングアセンブリを用いて隣接素子パッケージにシールできる。さらに、特定の実施形態では、プレスパック２０の上側及び下側接触面２２，２４に冷却剤を直接接触させることによって、熱伝達を促進することができる。さらに、狭くて深いミリチャネル１６をパワー素子の下に直接配置することによって、素子の接合部から液体への熱伝達表面積を最大にすることができる。従来のプレスパック素子と液体冷却ヒートシンクとのスタックアセンブリに比べて、小さな圧力降下及び流速で、熱抵抗を大幅に低減させることができる。比較的高い流速と低い圧力降下が達成されることによって、冷却効率が向上する。
【００３２】
熱性能の向上による信頼性の向上と動作マージンの拡大によって、ヒートシンク３００及び冷却・パッケージング用スタック１００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求められる用途に特に適している。さらに、ヒートシンク３００及び冷却・パッケージング用スタック１００は、金属圧延工場や製紙工場、公共輸送業務などの高出力用途を始めとする様々な用途にも適用できる。
【００３３】
以上、本発明の幾つかの特徴について例示し、説明してきたが、当業者には数多くの修正及び変更が自明であろう。特許請求の範囲は、かかる修正及び変更も本発明の技術的範囲に属するものとして包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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