(57)【要約】熱交換器は、窒化ケイ素基板を含む。電子部品を、その基板に、表面実装することができる。熱交換器内の流体通路によって、冷媒が、流体通路の中を流れることができ、電子部品から熱を運び去ることができる。
2004504731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ケイ素第１基板（１４、１０２、２０２、３０２、４０２）を含む熱交換器（１０）と、
前記基板の外面上の電子部品アタッチメント層（２６、２０４、３０４、４０４）と、
を備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記熱交換器（１０）が、流体通路を規定し、更に、前記流体通路内に放熱要素（２２）を含む、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、前記放熱要素（１０４）が、前記基板（１０２）と一体的である、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、
前記熱交換器（１０）が更に、窒化ケイ素からなるフレーム（１２）及び第２基板（１６）を含み、
前記第１及び第２基板（１２、１４）が、前記フレーム（１６）に接合され、
前記第１及び第２基板及びフレームが、流体の通路を規定する、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、
前記第１基板（１４、１０２、２０２、３０２、４０２）が、補強マイクロ構造を有する、装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置において、
前記第１基板（１４、１０２、２０２、３０２、４０２）の厚さが、約０．０６３５ｃｍ（０．０２５インチ）〜０．２５４ｃｍ（０．１００インチ）である、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、
前記電子部品アタッチメント層が、導電性金属からなる選択的なメタライゼーション（２６）を含む、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
前記電子部品アタッチメント層が、導電性金属からなるシート（３０４）を含む、装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置において、
前記電子部品アタッチメント層が、粘着物（２０４）を含む、装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置において、
前記電子部品アタッチメント層が、選択的なメタライゼーションを有するポリアミド板（４０４）を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、高パワー電子部品を実装するための基板だけでなく、熱交換器にも関連する。より詳細には、本発明は、高パワー電子部品によって発生した熱の放散に関連する。
【０００２】
例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ、ダイオード、マイクロプロセッサ、メモリ・チップなどの様な高パワー電子部品は、動作中に発熱する。この熱は、通常、これらの部品に対するダメージを防ぐために放散させる。
【０００３】
電子部品に直接取り付けられ、プリント回路基板に固定されるヒート・シンクが、通常、放熱に使用される。しかし、これらの電子部品のパワー密度が、増加し続けると、従来のヒート・シンク（例えば、ヒート・パイプ、アルミニウム・フィン）は、放熱に対して実用的でなくなる。
【０００４】
熱は、液冷の熱交換器によって、放散させることができる。しかし、典型的な熱交換器材料のそれぞれは、以下の特性を備えているわけではない：強度、熱伝導性、電子部品の膨張率に匹敵する膨張率（ＣＯＥ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）。これらの３つの特性を備える熱交換器は、通常、複数種の材料からなる。このような熱交換器は、通常、複雑で、重くて、高価である。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の１つの態様によれば、装置は、窒化ケイ素基板を含む熱交換器と、その基板外面上の電子部品アタッチメント層とを備える。本発明の他の態様によれば、高パワー電子部品を実装するための物品は、補強マイクロ構造（ｉｎ−ｓｉｔｕ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する窒化ケイ素基板と、その基板表面上の選択的なメタライゼーションとを備える。
【０００６】
本発明のさらに他の態様によれば、熱交換器は、フレームと、そのフレームに接合された第１基板及び第２基板とを備える。フレームと第１及び第２の基板とによって、流体の通路が規定される。第１基板は、窒化ケイ素からなる。
【０００７】
［発明の詳細な説明］
図１及び図２を参照すると、熱交換器１０は、フレーム１２と、そのフレーム１２に接合された第１基板１４及び第２基板１６とを備える。基板１４及び１６は、ロウ（鑞）付け、又は、漏れ防止シールを形成する他のプロセスによって、フレーム１２に結合してもよい。フレーム１２と第１基板１４及び第２基板１６とによって、流体の通路が規定される。通路に対する入口１８及び出口２０は、フレーム１２、又は基板１４、又は基板１６の中に、形成しても良い。第１基板１４は、窒化ケイ素からなる。また、フレーム１２及び第２基板１６も、窒化ケイ素からなっていても良い。
【０００８】
熱交換器１０はさらに、流体通路内に配置され第１基板１４に熱的に結合された放熱要素２２を備える。放熱要素２２は、良好な熱伝達特性を示す何らかの材料（例えば銅、カーボン・フォーム（ｃａｒｂｏｎ　ｆｏａｍ）、モリブデン）からなるブロック又はシートであっても良い。シートに波形を付けることによって、露出表面積が増えて、熱伝達能力が改善される。例えば、放熱要素２２は、第１基板１４と第２基板１６との間にロウ付けされた、波形が付けられた銅製シートであっても良い。
【０００９】
選択的なメタライゼーション２６は、第１基板１４の外面上に形成しても良い。選択的なメタライゼーションは、電気的な相互接続と、高パワー電子部品２４用の実装パッドとを含んでも良い。例えば、活性金属ロウ付け合金（例えばチタン系合金、バナジウム系合金）の薄片、ペースト又は予備形成物は、第１基板１４の外面上に形成し、電子部品２４用の実装パッドへとパターン形成しても良い。場合によっては、必要な電流密度を得るために、ロウ付け合金の上に、銅を形成しても良い。その代わりに、電気的な相互接続及び実装パッドは、第１基板１４上に、厚膜プロセスを用いて導電性インクを塗布することによって、又は、パラジウム・クロムもしくはニッケル・クロムをスパッタリングすることによって、形成しても良い。
【００１０】
選択的なメタライゼーション２６は、活性金属ロウ付け合金ペーストを第１基板１４上に所望のパターンでスクリーン印刷することによって、形成しても良い。次に、第１基板１４及びロウ付け合金ペーストは、真空炉内において、ロウ付け合金を溶かして第１基板１４の表面を濡らす温度で、熱せられる。ロウ付け合金ペーストは、重量で約２／３の銀と、重量で約１／３の銅と、微量のチタンとを含んでいても良い。
【００１１】
ニッケル系合金（例えば、ニッケル・ボロン又はニッケル・リンなど）の保護コーティング２８を、第１基板１４の外面上の導電性金属の上に、つけても良い。保護コーティング２８は、導電性金属の酸化を防止する。保護コーティング２８は、厚みが約０．０００７６ｃｍ（０．０００３インチ）であっても良く、無電解メッキ・プロセスによって、つけても良い。金の薄膜コーティングを、保護コーティング２８の上に、つけても良い。
【００１２】
例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ、ダイオード、マイクロプロセッサ、メモリ・チップなどの電子部品２４、及び他の発熱要素を、選択的なメタライゼーションの実装パッドに、表面実装しても良い。例えば、部品２４を、実装パッドに、ロウ付け又はハンダ付けしても良い。
【００１３】
電子部品２４は、動作中に発熱する。その熱は、アタッチメント層２６及び第１基板１４を通って、放熱要素２２まで伝達される。その間に、空気又はガス冷媒を、流体通路を通して（入口１８及び出口２０を介して）循環させる。熱は、放熱要素２２から冷媒へ移動し、冷媒によって、熱が運び去られる。閉じた冷却回路を用いる場合、熱交換器１０の出口２０を出た冷媒は、（例えば他の熱交換器によって）冷却され、熱交換器１０の入口１８に戻しても良い。
【００１４】
好ましくは、第１基板１４は、「ＡＳ８００」窒化ケイ素（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から販売される）で形成される。「ＡＳ８００」窒化ケイ素は、補強マイクロ構造を有し、その構造は、その材料の強度及び熱伝導度を、他のタイプの窒化ケイ素よりも高くする。「ＡＳ８００」窒化ケイ素は、熱伝導度が、約８０〜９０Ｗ／ｍＫであり、室温曲げ強さが、約７３５Ｍｐａ（４点曲げ試験）であり、破壊靱性が、約８．１Ｍｐａ（ｍ）１／２である。
【００１５】
これらの特性によって、第１基板１４の厚みを、約０．０２５４ｃｍ（０．０１０インチ）〜０．６３５ｃｍ（０．２５０インチ）とすることができ、より好ましくは、０．０６３５ｃｍ（０．０２５インチ）〜０．２５４ｃｍ（０．１００インチ）とすることができる。このように厚みが薄いために、窒化ケイ素の熱インピーダンスを最小限にして、熱を部品２４から放熱要素２２へ移すことができる。第１基板１４が厚すぎると、放熱要素２２への熱の流れが、妨げられる。
【００１６】
また「ＡＳ８００」窒化ケイ素の膨張率（約１００万分の１．５４／ｃｍ／℃（約１００万の３．９／インチ／℃））は、半導体シリコンの膨張率に、非常に近い。熱的な不一致が、殆どないので、電子部品２４を、第１基板１４に直接、表面実装することができる。
【００１７】
窒化ケイ素片（例えば、フレーム１２並びに基板１４及び基板１６）は、キャスティング、プレシング、又はモールディング・プロセスによって、形成しても良い。入口１８及び出口２０のための開口部を、窒化ケイ素内に、レーザ加工しても良い。
【００１８】
窒化ケイ素片は、「ＷＥＳＧＯ　ＴＩＣＵＳＩＬ」などの活性金属ロウ付け合金を用いて、一度にロウ付けしても良い。例えば、熱交換器１０は、第１基板１４上に「ＴＩＣＵＳＩＬ」薄片（又は覆うことが可能な（ｓｃｒｅｅｎａｂｌｅ）ペースト）の第１シート３０を配置し、薄片の第１シート３０上にフレーム１２及び放熱要素２２を配置し、フレーム１２及び放熱要素２２上に「ＴＩＣＵＳＩＬ」薄片の第２シート３２を配置し、薄片の第２シート３２上に第２基板１６を配置し、そしてアセンブリ全体を一度にロウ付けすることによって、組み立てても良い。
【００１９】
熱交換器１０を組み立てた後、エンド・ユーザは、電子部品２４を、第１基板１４上のメタライゼーション２６に、表面実装することができる。熱交換器１０は、構造物及び冷媒配管に、固定しても良い。
【００２０】
基板１４及び基板１６の幾何形状及び面積、ならびに基板１４及び基板１６間の距離は、用途によって特定される。例えば、基板１４及び基板１６は、幾何形状が、矩形であっても良い。
【００２１】
選択的なメタライゼーション３４を、第２基板１６上にも形成して、電子部品２４を、そのメタライゼーション３４に実装しても良い。こうすることによって、電子部品２４を、熱交換器１０の基板１４及び基板１６の両方に実装することができる。
【００２２】
熱交換器１０の流体通路を、放熱要素２２によって、複数の経路に分割しても良い。例えば、第１基板１４と第２基板１６との間に延びるフィン状の放熱要素によって、複数の経路が形成される。
【００２３】
熱交換器１０は、放熱要素２２がなくても、機能することができる。しかし、放熱要素２２によって熱移動が増大される。
熱交換器１０は、第１基板１４と第２基板１６との間にロウ付けされた放熱要素２２に限定されない。代替的な放熱要素は、一方又は両方の基板と一体的に形成されていても良い。例えば、フィン状のパターン１０４を、第１基板１０２の内面にスタンプ（ｓｔａｍｐ）しても良い（図３参照）。
【００２４】
さらに他の放熱要素は、第１基板１４の内面を、金属ロウ付け合金（例えば「ＷＥＳＧＯ　ＴＩＣＵＳＩＬ」ロウ付け用合金）によって、メタライズすることによって実施することができる。第１基板１４及び第２基板１６を、低温ロウ付け用合金（例えば「ＷＥＳＧＯ　ＣＵＳＩＬＴＩＮ−１０」薄片）を用いることによって、フレーム１２に接合する。
【００２５】
熱交換器は、別個に形成された基板及びフレームに限定されない。例えば基板の一方を、フレームと一体的に形成しても良い。
熱交換器は、窒化ケイ素からなるフレーム及び第２基板に限定されない。例えば、第１基板を、モリブデンなどの金属からなる熱交換器コアに接合しても良い。しかし、窒化ケイ素フレーム及び窒化ケイ素基板であれば、熱係数が良く合っているために、より丈夫な設計となる。
【００２６】
選択的なメタライゼーションではない電子部品アタッチメント層を、基板上に形成しても良い。例えば、電子部品アタッチメント層は、部品２４を基板２０２に直接固定する粘着物２０４であっても良いし（図４参照）、基板３０２を他の基板３０６に接合できる固体金属シート３０４であっても良い（図５参照）。
【００２７】
電子部品アタッチメント層には、窒化ケイ素基板４０２に（例えば粘着物によって）接合された第１の表面と選択的なメタライゼーション４０６を備える第２の表面とを有するポリアミド板４０４さえ含まれていても良い（図６参照）。このような組合せは、熱伝導度が、従来の銅−モリブデン−銅板よりも良好である。ポリアミド板４０４は、たとえ、窒化ケイ素基板４０２の両側に接合されていても良い。
【００２８】
窒化ケイ素のタイプは、「ＡＳ８００」に限定されない。例えば「ＧＳ−４４」窒化ケイ素を用いても良い。「ＧＳ−４４」窒化ケイ素は、やはりＨｏｎｅｙｗｅｌｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から販売されているのであるが、一般に「ＡＳ８００」窒化ケイ素よりも、強度は高いが熱伝導度は低い。
【００２９】
複数の熱交換器１０を配列して、より大きな基板を形成しても良い。電気的な相互接続を用いて、異なる熱交換器１０の選択的なメタライゼーションを接続することもできる。
【００３０】
以上、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではない。むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲に基づいて解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による装置を示す分解図である。
【図２】
装置を示す断面図である。
【図３】
装置に関する代替的な窒化ケイ素基板を示す断面図である。
【図４】
装置に関する代替的な電子部品アタッチメント層を示す断面図である。
【図５】
２つの窒化ケイ素基板と、それらの基板間の代替的な電子部品アタッチメント層とを示す断面図である。
【図６】
窒化ケイ素基板と、代替的な電子部品アタッチメント層とを示す断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004504731.tif 000003
2004504731.tif 000004
2004504731.tif 000005
2004504731.tif 000006
2004504731.tif 000007
2004504731.tif 000008
2004504731.tif 000009
2004504731.tif 000010
2004504731.tif 000011
2004504731.tif 000012
2004504731.tif 000013
2004504731.tif 000014
2004504731.tif 000015
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004504731.tif 000016
2004504731.tif 000017
【国際調査報告】
2004504731.tif 000018
2004504731.tif 000019
2004504731.tif 000020