(57)【要約】  液冷式コールドプレートは、入口孔および出口孔と、タブの上面に凹設された複数のポケットとを備えたタブを有する。各ポケットは外周開口部およびレッジを有し、レッジは外周開口部から内方向かつ下方向に設けられる。入口孔および出口孔は、入口スロットおよび出口スロットを介してポケットと流体連通している。複数の冷却プレートの各々は、ポケットに受け入れられ、ポケット内に嵌め込まれる。各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備える。冷却プレートのエンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備える。タブは、押出しによって形成されてよい。【選択図】図９Ａ
2018518061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液冷式コールドプレートの製造方法であって、
入口孔および出口孔と、タブの上面に形成され、前記入口孔および出口孔と流体連通している複数のポケットとを備えるタブを金属から形成すること、
エンハンスト表面を形成するための工具を用いて平坦な金属プレートにフィンをスライスすることによって複数の冷却プレートを形成することであって、前記工具は、冷却金属層の厚さ未満の深さまで前記冷却金属層をスライスし、前記スライス工程は、前記冷却金属層から材料を除去することなくスライスされた材料を上へ押し上げ、前記冷却金属層の外表面を越えて伸長するフィン高さのフィンを形成し、その後、前記冷却プレートの外表面を越えて伸長するピンを形成するように前記フィンにわたり角度を付けてスライスすること、
前記タブと前記冷却プレートとの間に室が形成され、前記ピン付き表面が前記室内にあり、前記室、前記入口孔、および前記出口孔と流体連通するように、各冷却プレートをポケット内に取り付けること、および
前記ピン付き表面と対向する側面において前記冷却プレートに電子部品を取り付けること
を備える方法。
【請求項２】
前記タブを金属から形成する工程は、前記タブをアルミニウムから押し出すことを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記角度は３０〜９０度である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記入口孔と前記ポケットとの間に入口スロットを形成することを更に備え、それによって前記入口スロットは、前記入口孔から前記ポケットへ流体を流すことができる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記出口孔と前記ポケットとの間に出口スロットを形成することを更に備え、それによって前記出口スロットは、前記ポケットから前記出口孔へ流体を流すことができる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記入口スロットおよび前記出口スロットは、ポケット内にほぼ並列流量を供給するようなサイズである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記タブを金属から形成する工程は、前記タブをアルミニウムから形成することを備え、前記冷却プレートを前記タブに取り付ける前に、前記タブを無電解ニッケルコーティングでメッキすることを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の冷却プレートを形成する工程は、前記冷却プレートをアルミニウムから形成することを備え、前記冷却プレートを前記タブに取り付ける前に、前記冷却プレートを無電解ニッケルコーティングでメッキすることを更に備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記冷却プレートを前記タブに取り付けた後、前記コールドプレートを無電解ニッケルコーティングで再びメッキすることを更に備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却プレートが前記タブに取り付けられた後、前記上面を平滑化することを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記上面を平滑化する工程は、フライカッターを用いて行われる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電子機器を前記冷却プレートに取り付けるための取付け穴を形成することを更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上面に凹設された複数のポケットを備えるタブであって、各ポケットは、外周開口部およびレッジを備え、前記レッジは、前記外周開口部から内方向かつ下方向に設けられ、前記タブは入口孔および出口孔を更に備え、前記入口孔および出口孔は、前記タブの互いに対向する縁部付近に前記タブに沿って長手方向に伸長し、それぞれ入口スロットおよび出口スロットを介して前記ポケットと流体連通している、タブと、
各々がポケットに付随しポケットに受け入れられる複数の冷却プレートであって、各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および前記冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備え、前記電子機器側面と前記エンハンスト側面とは対向し、前記エンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備え、前記冷却プレートは前記ポケット内に嵌め込まれ、前記冷却プレートの前記エンハンスト側面は、前記エンハンスト側面の下面が、前記レッジおよび前記下面の下かつ前記レッジの下に伸長する前記ピンと接触するように前記レッジに載置され、前記冷却プレートおよびポケットは、前記入口孔から前記出口孔へ流れる流体のための室を形成する、複数の冷却プレートと
を備える、液冷式コールドプレート。
【請求項１４】
前記冷却プレートの前記電子機器側面の上面は平滑かつ平坦であり、前記タブの前記上面とほぼ同一平面上にある、請求項１３に記載の液冷式コールドプレート。
【請求項１５】
前記タブの底面に凹設された複数のポケットであって、各ポケットは、外周開口部およびレッジを備え、前記レッジは、前記外周開口部から内方向かつ下方向に設けられ、前記タブは入口孔および出口孔を更に備え、前記入口孔および出口孔は、前記タブの互いに対向する縁部付近に前記タブに沿って長手方向に伸長し、それぞれ入口スロットおよび出口スロットを介して前記ポケットと流体連通している、複数のポケットと、
各々がポケットに付随しポケットに受け入れられる複数の冷却プレートであって、各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および前記冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備え、前記電子機器側面と前記エンハンスト側面とは対向し、前記エンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備え、前記冷却プレートは前記ポケット内に嵌め込まれ、前記冷却プレートの前記エンハンスト側面は、前記エンハンスト側面の下面が、前記レッジおよび前記下面の下かつ前記レッジの下に伸長する前記ピンと接触するように、前記レッジに載置され、前記冷却プレートおよび前記ポケットは、前記入口孔から前記出口孔へ流れる流体のための室を形成する、複数の冷却プレートと
を更に備える、請求項１４に記載の液冷式コールドプレート。
【請求項１６】
前記冷却プレートの前記電子機器側面の上面は平滑かつ平坦であり、前記タブの前記底面とほぼ同一平面上にある、請求項１５に記載の液冷式コールドプレート。
【請求項１７】
前記冷却プレートおよび前記タブはアルミニウムから形成され、無電解ニッケルでメッキされ、前記コールドプレートは無電解ニッケルで２重メッキされる、請求項１６に記載の液冷式コールドプレート。
【請求項１８】
上面に凹設された複数のポケットおよび底面に凹設された複数のポケットを備えるタブであって、各ポケットは、外周開口部およびレッジを備え、前記レッジは、前記外周開口部から内方向かつ離間して設けられ、前記タブは入口孔および出口孔を更に備え、前記入口孔および出口孔は、前記タブの互いに対向する縁部付近に前記タブに沿って長手方向に伸長し、それぞれ上部入口スロットおよび上部出口スロットを介して前記タブの前記上面に凹設された前記複数のポケットと流体連通し、更に、それぞれ底部入口スロットおよび底部出口スロットを介して前記タブの前記底面に凹設された前記複数のポケットと流体連通している、タブと、
各々がポケットに付随しポケットに受け入れられる複数の冷却プレートであって、各冷却プレートは、電子機器を受け入れるための電子機器側面および前記冷却プレートを冷却するためのエンハンスト側面を備え、前記電子機器側面と前記エンハンスト側面とは対向し、前記エンハンスト側面は、微小変形技術によって形成された複数のピンを備え、前記冷却プレートは前記ポケット内に嵌め込まれ、前記冷却プレートの前記エンハンスト側面は、前記エンハンスト側面の最内面が前記レッジおよび前記最内面の下かつ前記レッジの下に伸長する前記ピンと接触するように、前記レッジに載置され、前記冷却プレートおよび前記ポケットは、前記入口孔から前記出口孔へ流れる流体のための室を形成する、複数の冷却プレートと
を備える両面液冷式コールドプレート。
【請求項１９】
前記冷却プレートの前記電子機器側面の外表面は平滑かつ平坦であり、前記タブの外表面とほぼ同一平面上にある、請求項１８に記載の液冷式コールドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本出願は、２０１５年５月１５日に出願された“Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｏｏｌｅｄ  Ｃｏｌｄｐｌａｔｅ”と題された米国特許仮出願第６２／１６２，１９５号に対する優先権を主張するものである。また本願は、２０１６年５月６日に出願された“Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｏｏｌｅｄ  Ｃｏｌｄｐｌａｔｅ  ｗｉｔｈ  Ｃｌａｄ  Ｆｉｎ  Ｐｌａｔｅｓ”と題された米国特許仮出願第６２／３３２，７３３号に対する優先権を主張するものである。また本願は、２０１０年７月２８日に出願された“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｍｅｔａｌ”と題された米国特許仮出願第６１／３６８，４７５号に対する優先権を主張する、２０１１年７月２６日に出願された“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｍｅｔａｌ”と題された米国特許出願第１３／１９１，２８１号の継続出願でありこれに対する優先権を主張する、２０１４年６月１７日に出願された“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｍｅｔａｌ”と題された米国特許出願第１４／３０７，０７４号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。また本願は、２０１１年９月２日に出願された“Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｌａｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｂａｓｅ  Ｐｌａｔｅ”と題された米国特許仮出願第６１／５３０，５７５号に対する優先権を主張する、２０１２年８月３１日に出願された米国特許出願第１３／６０１，２０６号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。また２０１２年８月３１日に出願された米国特許出願第１３／６０１，２０６号は、２０１０年７月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／３６８，４７５号に対する優先権を主張する、２０１１年７月２６日に出願された米国特許出願第１３／１９１，２８１号の一部継続出願であり、これに対する優先権を主張するものである。上記出願の全ての内容は、参照によってそれらの全体が本願に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
特定の電子デバイスは動作時に熱を発生し、場合によっては、この熱は、デバイスが正常に動作し続けるために除去または放散される必要がある。電子機器を冷却するためにいくつかの技術が用いられてきた。その例は、電子機器に空気を送風するために使用されるファンを含む。この空気は、通常の周囲空気によって電子機器を対流冷却する役割を果たす。用いられてきた他の技術は、液式コールドプレートを含む。液式コールドプレートは、液体が流れるチャネルを備えたプレートである。電子機器が液式コールドプレートと接触するように取り付けられ、電子機器によって発生した熱は、プレート内の冷却液に伝達される。これは、著しく少ない流量で、ファンによってもたらされる対流冷却よりも優れた冷却をもたらし得る。またこれは、より少ない騒音を伴い、優れた温度安定性をもたらし得る。
【０００３】
コールドプレートは、たとえば電子チップまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの電子機器の熱生成部品に直接取り付けられ得る。熱伝達を改善するために、電子機器とコールドプレートとの間に放熱グリスまたは他の熱伝達促進剤を使用することも可能である。一般に、コールドプレートは、冷却液が流れるための入口および出口を含む。冷却液は、電子機器によって生じた熱を吸収し、吸収した熱を、コールドプレートから外へ流れる冷却剤に伝達する。多くのコールドプレートは、比較的低流量の冷却液による冷却をもたらす。それによって、対流冷却よりも優れた熱安定性、最小限の騒音、および冷却液の冷却力がもたらされ得る。
【０００４】
コールドプレートの性能および望ましさに影響を及ぼす要因がいくつかあり、様々な用途に関して様々な要因が重要である。重要な要因のいくつかは、製造コスト、比較的大量の生産の容易性を含む。冷却効率は高くなければならず、冷却される電子機器への冷却液の漏洩を一切防ぐためにコールドプレートは確実に密封されなければならない。
【０００５】
いくつかのアプリケーションにおいて、冷却剤は特に清浄でない場合があり、それによってコールドプレートが塞がれ得る。たとえば自動車内で使用されるコールドプレートは、冷却のために不凍液を利用し、不凍液は小さな粒子を含有し得る。他のアプリケーションにおいて、冷却を容易にする助けとなるようにコールドプレート内で相移行があってよい。冷却剤の代わりに加熱流体を用いることによって、コールドプレートが部品を加熱するために使用されることも可能である。１相熱伝達において冷却剤と加熱流体との主な相違は、冷却剤の温度は冷却される物よりも低く、加熱流体の温度は冷却される物よりも高いという点である。
【０００６】
電子部品を冷却するために多数の様々な技術が用いられ、冷却の利益をもたらす新たな技術が望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
液冷式コールドプレートを製造する方法は、タブ（マニホルド）を金属から形成することを備え、タブは、入口孔、出口孔、および複数のポケットを備える。ポケットは、ポケットを通るチャネル内の並列な流量を確実にするために調整され得るスロットを介して入口孔および出口孔と流体連通している。タブ表面における冷却プレートは、エンハンスト表面を形成するために工具を用いて平坦な金属プレートにフィンをスライスすることによって形成され、工具は、冷却金属層厚さ未満の深さまで冷却金属層をスライスし、スライス工程は、スライスされた材料を冷却金属層から除去せずに上に押し上げる。冷却プレートの外表面を越えて伸長するピンを形成するために、角度を付けてフィンがスライスされる。各冷却プレートは、ピン付き表面がポケット、入口孔、および出口孔と流体連通するようにポケット内に取り付けられる。その後電子部品を冷却プレートの平坦な面に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】冷却システムの１つの実施形態の概略図を示す。
【図２】電子部品が取り付けられた基板の１つの実施形態の側面図を示す。
【図３】電子部品および熱交換デバイスが取り付けられた基板の１つの実施形態の分解斜視図である。
【図４】電子部品および熱交換デバイスが取り付けられた基板の１つの実施形態の側断面図である。
【図５】基板からフィンを形成する工具の１つの実施形態の側面図である。
【図６】基板からフィンを形成する工具の１つの実施形態の斜視図である。
【図７】ＩＧＢＴを描写する分解側面図である。
【図８】ベースプレートの上に液体冷却システムが形成されたＩＧＢＴを描写する分解斜視図である。
【図９Ａ】本開示の代替実施形態に係る液冷式コールドプレートの斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ａの断面線Ａ〜Ａに沿って示す、図９Ａのコールドプレートの斜視断面図である。
【図１０】フィン付きプレートが取り付けられる前の図９Ａのコールドプレートの斜視図である。
【図１１】図９Ａのコールドプレートの分解斜視図である。
【図１２】本開示の代替実施形態に係るコールドプレートタブの分解図である。
【図１３】本開示の代替実施形態に係る両面コールドプレートの分解図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
電子機器を冷却するためにはいくつかの方法がある。多くの場合、電子機器は、電子機器に空気を送風するファンによって冷却される。空気は対流冷却をもたらし、電子機器によって生じる熱を制御するために役立つ。しかし、多くの状況下で、液体冷却は空気流よりも大きな冷却能力を提供することができる。
【００１０】
液体は、いくつかの理由により、気体よりも優れた冷却をもたらすことができる。たとえば液体は、気体よりも密度が高いので、電子機器からの熱を吸収するために利用可能な熱質量が多い。また、液体は一般に高い熱伝導性を有するので、熱は、気体の中を通って伝達するよりも迅速に液体の中を通って伝達する。加えて、液体は気体よりも高い比熱を有する傾向にあるので、ある設定量の液体は、同等量の気体よりも多くの熱を吸収および伝達する。そのため、大量の熱を生じる電子機器が利用される場合、多くの製造業者は、液体冷却デバイスの使用を望む。
【００１１】
液体冷却システムは、冷却液および冷却される物品または物質を少なくとも含む。多くの場合、冷却液と冷却される物との間には障壁が存在し、この障壁を通って熱が伝達されなければならない。いくつかの例において、障壁は、複数の構成要素および層を含んでよい。液体との直接接触は一部の電子部品を損傷させ得るため、冷却される物と冷却液との間の障壁は一般に電子機器のために所望される。冷却される物と冷却液との間の障壁を通る熱への抵抗を最小限にすることによって、冷却効率が改善される。
【００１２】
障壁を通る熱への抵抗の２つの重要な形は、１つの材料を通る抵抗と、２つの個別の構成要素または部品の間の境界面にわたる抵抗とを含む。単一材料を通る熱への抵抗は、その材料が断熱材ではなく熱導体である場合、最小化される。銅は、優れた熱導体かつ比較的展性があるため、障壁に使用され得る材料の１つである。ただし、アルミニウム、鋼、および他の金属、黒鉛、セラミック、およびプラスティックや空気などの断熱材なども含む他の材料が使用されてもよい。
【００１３】
熱流への他の抵抗源は、２つの構成要素または部品の間の境界面にある。通常、熱が第１の構成要素から第１の構成要素と接する別の構成要素へ流れると、２つの構成要素間の熱流に抵抗が生じる。境界面の数を低減することにより、熱伝達率を改善することができる。また、２つの材料が強界面を形成する場合、２つの材料間に捕捉される空気が生じることがあり、空気は、熱伝達を妨げがちな断熱体である。障壁における２つの異なる構成要素または層の間の熱伝達を容易にするために放熱グリスが使用され得るが、放熱グリスまたは他の熱伝達剤が使用される場合でも、一般に、２つの分離した層よりも単一の熱伝達層がより効率的である。
【００１４】
また、冷却液が障壁に接触する表面積は、表面積が大きいほど熱を伝達するために多くの面積が得られるため、最大限にすることが望ましい。冷却液と接触する表面にフィン、ピン、または他の構造を用いることにより、表面積を増加させ、熱伝達を改善することができる。表面積は、フィン、ピン、または他の構造の数を増加させること、あるいは各フィン、ピン、または構造の表面積を増加させることによって更に増加し得る。熱伝達を改善するためにフィン、ピン、または他の構造を備えた表面は「エンハンスト」と称されるので、フィン、ピン、または他の構造は、一般に、エンハンスメントと称され得る。
【００１５】
熱伝達表面にエンハンスメントを取り付けるのではなく、熱伝達表面から直接エンハンスメントを形成することは、熱伝達表面の基部とエンハンスメントとの間の境界面が排除されるため、熱伝達を改善し得る。したがって、熱伝達表面の材料でフィンまたは他のエンハンスメントを形成することにより、熱流への抵抗は最小化される。エンハンスメントを個別に製造し、その後それらを熱伝達表面に取り付けようとした場合、境界面においてエンハンスメントと熱伝達表面との間の熱流に対する抵抗が存在し、それが熱伝達率に悪影響を及ぼす。これは、個別のエンハンスメントおよび熱伝達表面が、たとえば銅などの同じ材料で作られた場合でも当てはまる。したがって、エンハンスメントが熱伝達表面の拡張部であり、エンハンスメントと熱伝達表面との間に境界面が存在しないように、熱伝達表面の材料から直接エンハンスメントを形成することが好ましい。これは、エンハンスメントを熱伝達表面と「モノリシック」にするものと見なされる。
【００１６】
場合によっては、液体は、層流と称される流れにおいて固体間を流れる。層流において、固体表面に直接接する液体の層は、固体表面において基本的に静止状態を保つ。その層のすぐ上にある液体の層は、第１の層全体を非常に緩慢に動く。固体表面から比較的遠いポイントで最高の流量になるように、次の上の層はやや迅速に動き、以下同様である。固体表面において、基本的にゼロの最低流量が生じる。隣接する層の上を滑動する液体の各異なる層は、熱流に対する各自の抵抗をもたらし、各層は異なる温度を有し得るので、最も温かい液体は多くの場合、固体表面に隣接し、最も冷たい液体は固体表面から比較的遠くにある。したがって、液体が流れる間に混合され得る場合、固体表面と直接接する液体は固体表面からの熱を吸収し、その後、吸収した熱を液体内により迅速に拡散するために冷却液全体と混合され得る。
【００１７】
乱流は、層流とは反対に、液体が固体表面を流れると同時にそれらを混合させる。これによって、固体表面と接触する液体がより冷たく保たれやすく、固体表面から液体へのより速い熱伝達が容易になる。乱流を増加する傾向があるいくつかの事柄は、より速い流量、凹凸のある表面、流動液体への射出、および液体の経路および流れを別の方向へ変更させる様々な妨害物を含む。乱れを最大限にするために、液体の流れの方向に急激な変化をもたらす急カーブ、捻れ縁部、ピン、フィン、および任意の多種多様な流れ妨害物が含められ得る。乱れを増加させる多くの構造は、コールドプレートにわたる圧力降下も増加させ得る。増加した圧力降下は流量を低くし得るので、効率的な熱伝達を確実にするための釣り合いが観察されなければならない。固体表面付近において流体の量を増加させる傾向がある妨害物は、固体液体境界面におけるあらゆる滞留液層の厚さを低減し、加熱された液体が冷却液本体と混合するために移動しなければならない距離も低減するので、熱伝達を増加させる傾向もある。
【００１８】
いくつかの実施形態において、液体は、熱伝達プロセスにおいて煮沸され、または蒸発してよい。これは、冷却プロセスにおいて冷却剤が液体から気体へ相を変えるため、２相冷却と称される。液体が熱を吸収して蒸発するので、液体の蒸発の熱は吸収され、それによって全体冷却効果が増加する。本説明は１相冷却のみを説明するが、２相冷却も使用されてよく、本説明の実施形態として含まれることを理解すべきである。当業者には理解されるように、２相冷却は、たとえば気体から冷却剤を再び液化するための凝縮器など、いくつかの追加の構成要素を必要とし得る。本説明において論述される原理は、２相冷却にも適用される。
【００１９】
多くの電子冷却システムにおいて、冷却剤は再循環され、繰り返し使用される。図１に示す実施形態において、ファン２は、対流冷却デバイス４に冷却風を送風するために使用され、冷却剤は、ポンプ６によって対流冷却デバイス４を通って汲み上げられる。対流冷却デバイス４から排出される冷却剤は比較的冷たく、電子部品８に接続された熱伝達デバイス１０を通って汲み上げられる。冷却剤は、電子部品８が冷却されると同時に加熱され、加熱された冷却剤はその後、対流冷却デバイス４へ汲み戻され、再び冷却される。
【００２０】
この冷却システムには多くの可能な変形例が存在する。たとえば、冷却剤は、対流冷却デバイス４へ帰還する前に多くの様々な電子部品８を冷却するために使用されてよく、これらの様々な電子部品８は、直列、並列、またはその両方で接続され得る。対流冷却デバイス４は、たとえば貫流冷却水など他の液体によって冷却剤を冷却する熱交換器に置き換えられてよい。冷却システムは貫流冷却液を使用してよく、同じ熱伝達原理が冷却と同様に加熱にも適用されるという理由から、このシステムが、構成要素を冷却するのではなく加熱するために用いられることも可能である。
【００２１】
電子基板
図２に示すように、多数の電子部品８が電子基板１２上に組み立てられる。基板１２は、プリント回路板と同様、電子回路を形成するために必要な相互接続をもたらし得る。基板１２は、接続された電子部品８の冷却を助けるためにも使用され得る。使用される基板１２の種類の１つは、たとえばセラミックタイル１４などの断熱材の片面または両面に銅の層が直接接着または直接メッキされた直接接着銅（ＤＢＣ）基板１２である。セラミックタイル１４の代わりに、たとえば様々なポリマ、発泡体、または他の電気絶縁体など、他の電気絶縁性だが熱導電性の材料を使用することも可能である。直接メッキされた銅基板１２が電子回路のために使用されてもよく、その場合、直接メッキは基板１２に金属を固着する代替方法である。本説明において、「直接接着銅」および「ＤＢＣ」という用語は、直接接着銅および直接メッキ銅を含むように定義される。同様に、直接接着アルミニウムまたは他の直接接着金属への言及もまた、基板１２への金属の直接メッキを含むことを理解すべきである。
【００２２】
いくつかの実施形態において、一方の面における銅層は、電子回路の少なくとも一部を形成するためにプリフォームまたはエッチングされ、銅層は基本的に、電子部品を冷却するために熱の拡散および伝達を助けるように他方の面を被覆する。代替実施形態において、銅ではなくアルミニウムがセラミックタイル１４に直接接着または直接メッキされ得る。銅またはアルミニウムの代わりに他の金属または他の材料を使用することも可能である。
【００２３】
これらの直接接着または直接メッキされた金属層は、本説明において、冷却金属層１６および電子金属層１８と称される。一般に、電子金属層１８は電子回路のためにプリフォームまたはエッチングされ、冷却金属層１６は熱管理のために用いられ得るが、金属層１６、１８のどちらも回路の一部を形成せず、または両方の金属層１６、１８が電子回路の一部を形成することも可能である。セラミックタイル１４は、冷却面１５と対向する電子面１７を有し、冷却金属層１６は冷却面１５に直接接着され、電子金属層１８は電子面１７に直接接着される。
【００２４】
セラミックタイル１４は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、または他の材料で形成されてよく、多くの場合、約０．２８ミリメートル（ｍｍ）〜０．６１ｍｍの厚さを有するが、他の厚さも可能である。冷却および電子金属層１６、１８は多種多様な材料であってよく、金属層１６、１８の厚さは、使用される金属、所望の性能、および他の要因に依存し得る。セラミックタイル１４に直接接着または直接メッキされた銅層は多くの場合、０．２５ｍｍ〜０．４１ｍｍの範囲の厚さを有するが、他の厚さも可能である。アルミニウム層がセラミックタイル１４に直接接着または直接メッキされる場合、アルミニウム層の厚さは約０．３ｍｍであってよいが、他の厚さも可能である。１つの実施形態において、冷却金属層１６は、約０．２〜０．５ミリメートルであってよい冷却金属層厚さ１９を有する。
【００２５】
いくつかの実施形態において、冷却層外表面２０および／または電子層外表面２２は第１のコーティング層２４を有してよく、第１のコーティング層２４は第２のコーティング層２６を有してよく、同様に追加のコーティング層があってよい。冷却および電子層外表面２０、２２は、セラミックタイル１４の外側に面した表面である。「冷却層外表面２０」は、任意のフィンまたは他のエンハンスメントが冷却金属層１６から形成される前の冷却金属層１６外表面、または任意のフィンまたはエンハンスメントが形成されていない冷却金属層１６の部分を意味するように定義される。電子層外表面２２は、冷却金属層１６ではなく電子金属層１８に言及する点を除き、同様に定義される。第１のコーティング層２４は、低リン系無電解ニッケルまたは電解ニッケルであってよく、第２のコーティング層２６は金層であってよいが、他の材料の組み合わせも可能である。ニッケル層は約２〜７マイクロメータ（ｕｍ）の厚さであってよく、金層は約８０ナノメータ（ｎｍ）の厚さであってよいが、各層に関して他の厚さも可能である。セラミックタイル１４の一方の面に銅層を直接接着し、セラミックタイル１４の他方の面にアルミニウム層を直接接着すること、または冷却および電子金属層１６、１８に関して他の金属の組み合わせを使用することも可能である。
【００２６】
直接接着または直接メッキされた銅基板１２は、銅とセラミック基板１２との高い接着強度により、シリコンの熱膨張係数に近い比較的低い熱膨張係数を有する傾向にある。多くの電子部品８がシリコンを含有するので、基板１２に同様の熱膨張係数を持たせることにより、熱循環性能を高めることができる。直接接着または直接メッキ銅基板１２がシリコンの熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有するという事実は、基板１２とシリコン部品との間の界面層の必要性も低減し得る。直接接着または直接メッキ銅基板１２は、優れた熱拡散および熱伝導性ならびに高い電気絶縁数値を含む、当業者には周知である多くの望ましい特性を有する。
【００２７】
直接接着または直接メッキ銅または直接接着または直接メッキアルミニウム基板１２をコールドプレートまたは他の冷却剤含有デバイスと連結することによって、液体冷却がもたらされ得る。１つの実施形態において、熱は、電子部品８から電子金属層１８へ、次にセラミックタイル１４へ、次に冷却金属層１６へ、次にコールドプレートの壁部へ、その後最終的に冷却液へ伝達される必要がある。冷却金属層１６とコールドプレートの壁部との間に放熱グリスが存在してもよい。冷却金属層１６にエンハンスト表面を設け、エンハンスト冷却金属層１６を直接通過して冷却剤を移動させることにより、基板１２とコールドプレートとの間の境界面によって生じる熱伝達への抵抗が低減され、コールドプレートの障壁を通る熱伝達への抵抗も低減される。
【００２８】
電子基板における熱交換デバイス
図１および図２を継続して参照するとともに図３および図４に示されるように、熱管理のために熱交換デバイス１０が基板１２に取り付けられ得る。熱交換デバイス１０は、基板１２に隣接した室を形成するために基板１２に取り付けられたタブ２８を備えてよい。あるいは室３０は、スペーサおよびカバー、または基板１２に隣接した閉鎖空間をもたらす多数の他の構造によって作られてもよい。入口３２および出口３４が設けられ、入口３２および出口３４は室３０を貫通し、液体が室３０の内外へ流れることを可能にするので、入口３２および出口３４は室３０を通して流体連通している。入口３２および出口３４はタブ２８を貫通してよいが、入口３２および出口３４の一方または両方が基板１２を貫通して室３０へのアクセスをもたらし、または室３０を形成するために用いられる任意の他の構造を貫通することも可能である。所望に応じて複数の入口３２および出口３４が存在してよく、また、流体処理システムとの連結を容易にし、または室３０内に流体流れを導くために、入口３２および／または出口３４においてノズル３３が用いられてよい。
【００２９】
タブ２８は、冷却金属層１６が室３０の一部を形成するように冷却金属層１６に取り付けられ得るので、室３０を通って流れる流体は、冷却金属層１６と接触し、直接通過する。冷却金属層１６は、エンハンスト表面３５から機械加工されてよく、エンハンスト表面３５はフィン３６を備えるが、所望に応じて、エンハンスト表面３５がピン３８または他の構造を備えることも可能である。一般に、タブ２８は、エンハンスト表面３５が室３０内に位置するように冷却金属層１６に連結されるので、冷却剤はエンハンスト表面３５と接触し、直接通過する。いくつかの実施形態において、冷却金属層１６の選択された部分にはエンハンスメントが作られないので、冷却金属層１６のこの未エンハンスト部分は、タブ２８との密封をもたらすために用いられ、それによって冷却剤の漏洩防止に役立ち得る。室３０は冷却液がエンハンスト表面３５の上にあるように維持するが、室３０は、冷却液を閉じ込めるためにも機能し、それによって電子部品８、電子金属層１８、および他の構成要素が冷却液と直接接触しないように保護する。室３０は、冷却液閉じ込めシステムの一部である。
【００３０】
エンハンスメントは主に、様々な形状および寸法のフィン３６およびピン３８を含むが、縦型中空円形突起、横型中空箱、または他の形状といった他の構造を含んでもよい。ピン３８は、冷却層外表面２０から伸長する長方形または円形フィンガを含むが、角錐または半球など他の形状も含む。エンハンスメントは、基板１２からタブ２８に至るまで伸長してよいので、実際にはタブ２８の内面に接触し、またはタブ内表面から少しの距離まで伸長してよい。タブ２８に接触するエンハンスメントは、短いエンハンスメントよりも高い熱伝達率をもたらし得るが、冷却剤流量の低下を招き得る高い圧力降下ももたらし、冷却剤流量の低下は、熱伝達率を減少させ得る。エンハンスメントの形状およびサイズもまた、圧力降下および熱伝達率に影響を及ぼし得る。
【００３１】
フィン３６は、熱伝達のための表面積の増加をもたらし、冷却剤の流れにおける乱れも増加させてよく、そのどちらも熱伝達率を増加させ得る。図１〜図４を継続して参照するとともに図５および図６に示すように、チャネル４４は隣接するフィン３６の間に位置し、流体はチャネル４４を通って流れてよい。チャネル４４を通る流体流れはフィン３６に近接し、流体とフィン３６との間の熱伝達は迅速であってよい。フィン３６は、場合によっては熱伝達を増加させるために用いられ、フィン３６のサイズ、形状、および構造は全て、全体熱伝達率に影響を及ぼし得る。多種多様なフィンのサイズ、形状、および構造が冷却金属層１６において用いられ得る。フィン構造は、たとえばフィン３６の頂部におけるプラットホーム、はざまを設けたフィン頂部、側面突起部などのようなものを含んでよい。ピン３８は、同様の理由によって同様の熱伝達の改善をもたらし、構造的変更または改善を含んでもよい。
【００３２】
タブ２８または室３０の一部を形成する他の構造は、冷却金属層１６の基本的に全てを被覆し得るが、他の実施形態において、室３０は冷却金属層１６の一部しか被覆せず、あるいは冷却金属層１６の異なる様々な部分を被覆する複数の異なる室３０が存在してもよい。エンハンスメントのサイズおよび間隔は、所望に応じて、異なる室３０の間で変化してよく、１つの室内で変化してもよい。１つの冷却金属層１６に複数のエンハンスト表面３５が存在してよく、異なるエンハンスト表面３５の各々が同じ種類のエンハンスメントまたは異なる種類のエンハンスメントを備えてよい。単一冷却金属層１６における複数の異なるエンハンスト表面３５は、個々の独立した室３０内の個々の独立した「アイランド」であってよい。代替実施形態において、異なるエンハンスト表面３５が同じ室３０内にあってよく、この場合異なるエンハンスト表面３５は連結されてよく、あるいは異なるエンハンスト表面３５は、冷却金属層１６の非エンハンスト部分によって隔離されてもよい。タブ２８または他の構造は、ハンダ付け、ろう接、ねじ、ピン、接着剤、および音波溶接を含むがこれに限定されない多種多様な方法で基板１２に連結され得る。室３０を形成する構成要素間の連結は、冷却剤の漏洩を防ぐために堅固でなくてはならない。
【００３３】
エンハンスト表面３５において冷却金属層１６と直接接触する冷却剤の流れを室３０に供給することで、上述したように、電子部品８と冷却剤との間の境界面および層の数を低減することによって熱伝達率を改善することができる。また、直接連結された冷却室３０に薄い基板１２を設けることで、いくつかの理由により、電子部品８のために必要な空間を低減することができる。第１に、薄い基板１２は厚い基板１２よりも少ない室しか必要としない。第２に、基板１２に直接連結された冷却室３０は、電子部品８と冷却剤との間の材料の総量を低減することができ、少ない材料は少ない空間しか占めない。第３に、冷却液の使用は、空気流による対流冷却を上回る冷却をもたらすことができるので、電子部品８は、熱制御を維持しながら互いに近接して配置されてよい。
【００３４】
表面エンハンスメント
基板１２は、セラミックタイル１４および冷却金属層１６を含み、冷却金属層１６をエンハンスしてエンハンスト表面３５を形成するために機械加工が用いられ得る。セラミックタイル１４は脆性材料であるため、基板１２に行われる機械加工はいずれも基板１２の屈曲または撓みを回避しなければならず、セラミックタイル１４を粉砕または破壊し得る他の圧力も制御しなければならない。一般に、基板１２の一方の面の機械加工時、反対側の面全体は強固に支持されなくてはならないので、加えられる力は全て、基板１２を直進して支持表面に直接伝達され得る。機械加工中、基板１２は、横滑りまたは他の動きを防止するために固定されなくてはならない。１つの実施形態において、基板１２は平坦であるため、機械加工のための支持表面もまた平坦でなくてはならない。また、基板１２の様々な構成要素は全て薄く、誤差のための余白はほとんどないため、加工動作は非常に精密でなくてはならない。
【００３５】
基板１２は、当業者には周知であるいくつかの技術によって加工台５０に固定され得る。基板を加工台５０に固定するためのいくつかの技術は、止めブロック５２を加工台５０に固定し、工具４０が冷却金属層１６を通過する時に基板１２が横滑りすることを止めブロック５２が防ぐように、止めブロック５２に対して基板１２を当接させることを含む。ねじ５４が止めブロック５２を加工台５０に固定してよいが、クランプ、ボルト、溶接、または多数の他の技術が用いられてもよい。基板１２はクランプを用いて加工台５０に更に固定され得るが、加工台５０と接する基板表面に真空を適用することで、基板表面が機械加工されることを妨げずに基板１２を定位置に固定してもよい。
【００３６】
本発明は、冷却層外表面２０をエンハンスする方法を含み、所望に応じて、電子層外表面２２をエンハンスするための方法も含む。電子層外表面２２は冷却層外表面２０と同じ方法でエンハンスされ得るので、本説明は、電子層外表面２２が同じ方法でエンハンスされ得るという理解の下、冷却層外表面２０のエンハンスのみを説明する。
【００３７】
フィン３６は、微小変形技術（ＭＤＴ）と呼ばれるプロセスを用いて冷却金属層１６に形成されてよく、これは、本説明に全体が組み込まれる、１９９８年７月７日に出願された米国特許第５，７７５，１８７号において説明される。このプロセスにおいて、冷却金属層１６は、工具４０を用いて、冷却金属層１６から材料を除去することなくスライスされる。ＭＤＴプロセスは、切片が生じるとともに材料を除去する鋸またはルータとは異なり、ナイフを用いて肉を切ることに近い。
【００３８】
冷却金属層１６のスライスは、工具４０を用いて行われる。工具４０が冷却金属層１６の材料に接触すると、冷却金属層１６にフィン３６が切り込まれる。冷却金属層１６からフィン３６をスライスすることにより、冷却金属層１６とモノリシックなフィン３６がもたらされ、上述したように熱伝達が改善される。フィン３６は、冷却金属層１６の材料から直接形成されるので、フィン３６と冷却金属層１６との間に継目や割目は存在しない。
【００３９】
フィン３６は、エンハンスト表面３５の１つの実施形態である。冷却金属層１６の切削は、隣接するフィン３６間にチャネル４４を形成し、冷却金属層１６から材料を除去することなく行われ得る。好適には、フィン３６の形成において削りくずは生じない。工具４０は冷却金属層１６にフィン３６を切り込み、工具４０が冷却金属層１６を通過する時に生じる空間が、フィン３６において材料を上に押し上げる。この冷却金属層１６の切削および変形により、フィン３６は、元の冷却層外表面２０よりも高いフィン高さ４６まで起伏する。切削工具設計、切削の深さ、フィン３６およびチャネル４４の幅は、フィン高さ４６に影響を及ぼす要因である。工具４０は、連続的な切削ごとに一方向へわずかに移動するので、切削ごとに、先に切削されたフィン３６に隣接してフィン３６が形成される。このプロセスは、フィン３６が一面に生じるまで繰り返される。
【００４０】
第２の一連の切削によってフィン３６にわたってスライスすることによりピン３８が形成される。第２のセットのスライスもまたＭＤＴ方法を用いてよく、ピン３８を、フィン高さ４６を上回るピン高さ４８まで押し上げる。スライスが行われる際、冷却金属層１６から材料が除去されることはないので、動かされた材料は残ったピン３８に導かれる。それによって残ったピン３８は、ピン３８が切削された元の材料よりも高い高さまで起伏する。第２のセットのスライスは、フィン３６に対して、９０度または９０度以外の角度を含む多種多様な角度で行われ得る。また、ピン３８および／またはフィン３６の傾斜角度は、スライスが行われる時の工具４０の角度によって操作され得る。フィン３６の傾斜角度の変更によって、ピン３８の傾斜角度を変えることができる。
【００４１】
代替実施形態において、フィン３６はＭＤＴプロセスを用いずに作られ、ピン３８はその後、ＭＤＴプロセスを用いてフィン３６から形成される。他の代替実施形態において、フィン３６はＭＤＴプロセスを用いて作られ、ピン３８はその後、ＭＤＴプロセスとは異なる従来の切削プロセスを用いてフィン３６から形成される。
【００４２】
フィン３６は、指定のチャネル幅４５を伴う指定のフィン幅３７で切削されるので、１センチメートルごとに所定の数のフィン３６が存在する。同様の特定の寸法がピン３８に設定され得る。エンハンスト表面３５に関する多くの寸法は、工具設計および用いられる加工動作の設定を指定することによって制御され得る。タブ２８または類似構造の製造は、従来の方法によって実現され得る。これは、スタンピング、切削、鋳込、鋳造、機械加工、および他の一般的な金属加工技術を含む。
【００４３】
ＭＤＴ切削プロセスは、ＣＮＣミリングマシン、旋盤、シェーパ、または他の加工工具で実行され得る。切削の深さは、セラミックタイル１４の完全性が損なわれるほど深くあってはならず、所望の熱伝達率をもたらすために十分なフィン高さ４６を生じるのに足る深さでなくてはならない。実験は、冷却金属層厚さ１９の約６０〜７０パーセントの切削深さが用いられ得ることを示した。一般に、工具４０は、冷却金属層厚さ１９未満の深さまで冷却金属層１６に切り込まなければならない。効果的なフィン３６のベッドは、１センチメートル（ｃｍ）ごとに約２０〜約６０のフィンがあるように作られるが、他のフィン密度も可能である。直接接着基板におけるフィン寸法の１つの例は、フィン３６の切削前に測定すると、０．３０ｍｍの冷却金属層厚さ１９、０．５３ｍｍのフィン高さ４６、０．１７ｍｍのフィン幅、および０．１７ｍｍのチャネル幅を含む。上述したように、冷却層外表面２０は、フィン３６の切削前または冷却金属層１６に形成されるフィン３６がない時点のいずれかで決定される。フィン高さ４６は、冷却金属層厚さ１９よりも大きく、フィン３６は、冷却金属層１６内のポイントから始まるので、フィン３６は冷却層外表面２０を越えて伸長する。上述したように、ピン３８は、ピン３８が作られる前のフィン高さ４６よりも高いピン高さ４８まで伸長する。したがって、ピン３８は、フィン３６と同様、冷却層外表面２０を越えて伸長する。
【００４４】
１つの実施形態において、ブランク基板１２を機械加工するために旋盤が使用され、基板１２は、冷却金属層１６がエンハンスされる前、ブランクと見なされる。旋盤は、回転軸に垂直な円盤形状面を有してよく、１または複数のブランク基板１２が旋盤の面の外縁部付近に固定され得る。ブランク基板１２は、回転中、旋盤面を均衡させる助けとなるように向かい合って設置され得る。工具４０はその後、基板１２の機械加工のために、旋盤の回転軸に基本的に平行に、旋盤の面に向けられ得る。工具４０は、旋盤の回転軸に向かう方向または旋盤の回転軸から離れる方向のいずれかへ緩慢に動かされるので、旋盤の回転ごとに異なる位置でブランク基板１２と接触する。このように、いくつかのブランク基板１２が単一の旋盤上で同時に機械加工され得る。旋盤面の縁部付近での機械加工により、直線ではなく、旋盤の回転軸から基板１２の距離によって決定されるわずかな曲線を有するフィン３６が製造される。その後、所望に応じて、冷却金属層１６に密封されたタブ２８を取り付けるために境界エリアが平坦に機械加工され得る。
【００４５】
クラッド金属基本構造
２つの異なる構成要素が金属である場合、境界面を流れる熱流への抵抗は、境界面に治金的接着が存在すると著しく低減され得る。本説明において、「治近的接着」という用語は、２つの異なる金属の境界面において異なる金属が実際に電子を共有することを意味する。多くの接着は機械的接着であり、この場合、異なる金属または他の材料が境界面で結合するが、異なる金属は機械的接着において電子を共有することはない。治金的接着は、機械的接着と比べ、はるかに少ない熱流への抵抗を提供する。一般に、機械的接着よりも治金的接着を生じることの方が難しく、多くの接着技術は機械的接着しか生じない。
【００４６】
２つの個別の金属部品は、クラッディングと呼ばれるプロセスによって治金的に接着され得る。本説明において、「クラッド」金属は、クラッド金属が同じ材料であるか異なる材料であるかにかかわらず、境界面において互いに治金的に接着された金属として定義される。クラッディングプロセスは一般に、２つの金属に非常に高い圧力を与えることを伴い、場合によっては、高熱と高圧力とが併用される。他のクラッディングプロセスも可能である。他の金属物体にクラッドされ得る金属の厚さには実用上の限界があるので、クラッド金属は多くの場合、比較的薄いコーティングである。たとえば、約３ミリメートルを超える厚さで銅にアルミニウムをクラッドすることは難しい。
【００４７】
治金的接着は機械的接着とは構造的に異なるので、２つのクラッド金属は、機械的に連結された２つの金属とは区別され得る。たとえば、治金的接着において水または空気が混入する孔は基本的に存在しないが、機械的接着においては、２つの材料が単に結合されているにすぎないので、一般に孔が存在する。境界面における多孔性を測定することが可能であり、それによって治金的接着と機械的接着とを区別することができる。また治金的接着は、境界面にわたる熱伝達を測定し、既知の基準値と比較することによって、機械的接着と区別することもできる。
【００４８】
治金的接着は、２つの金属間において機械的接着よりもはるかに強い。実際、治金的接着は多くの場合、異なる熱膨張係数を有する異類の金属が熱循環中に剥離しないほどの強度がある。したがって、クラッド金属を用いた電子システムは概して、機械的接着された金属を用いた同等の機器よりも優れた信頼性および長い耐用年数を有する。
【００４９】
ベースプレートを備えた電子部品
図１〜図６を継続して参照するとともに図７に示すように、様々な電子部品とともにベースプレート６０が使用され得る。図７におけるベースプレート６０はＩＧＢＴの一部として示されるが、ベースプレート６０は、たとえばインバータまたはダイオードなどの他の電子部品とともに用いられてもよい。ＩＧＢＴ冷却が例として説明されるが、ベースプレート冷却は他の電子部品にも同様に適用され得ることを理解すべきである。金属製ベースプレート６０は、互いにクラッドされた２つ以上の異なる金属層によって製造され得る。一般に、クラッド金属製ベースプレート６０は、第１の金属層深さ６３を有する第１の金属層６２、および第２の金属層深さ６５を有する第２の金属層６４を少なくとも有するが、ベースプレート６０は、３つ以上の金属層を有してもよく、同様にコーティングを有してもよい。ベースプレート６０が２つの層間にクラッド境界面６８、および２つの異なる層間に機械的境界面を有することも可能である。本説明において、第１および第２の金属層６２、６４は、境界面６８において互いにクラッドされる。ＩＧＢＴ６６とも呼ばれる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ６６は、液体冷却システムによる利益を得る電子部品の一種である。多くのＩＧＢＴ６６が電子基板１２を含み、これは上述したように、セラミックタイル１４または他の断熱材に直接接着または直接メッキされた銅または他の金属を有してよい。電子部品８は、ベースプレートの第１の金属層６２に取り付けられてよく、その後、電子基板１２がＩＧＢＴカバー７０とベースプレート６０との間に配置されるように、ＩＧＢＴカバー７０がベースプレート６０に固定され得る。水、腐食剤、または他の物質への接触を最小限にする助けとなるように、ベースプレート６０とＩＧＢＴカバー７０との間にシリコンジェルまたは他の充填材料が配置される。ベースプレート６０は第１の金属層表面７２を有し、基板１２およびシリコンジェルは一般に、第１の金属層表面７２においてベースプレートの第１の金属層６２と接触する。ベースプレート６０はまた、第１の金属層表面７２と対向する第２の金属層表面７４を有する第２の金属層６４も有する。第２の金属層表面７４は、電子部品を冷却するためのコールドプレートの構成要素であってよく、冷却液は第２の金属層表面７４を直接流れる。第１の金属層６２は第１の金属を備え、第２の金属層６４は、第１の金属とは異なる第２の金属を備える。
【００５０】
１つの実施形態において、第１の金属は銅であり、第２の金属はアルミニウムである。この組み合わせは、銅の望ましい熱伝達特性と、銅冷却金属層１６または他の銅製電子部品８を直接第１の金属層表面７２に容易にハンダ付けする能力とをもたらし得る。またこの組み合わせは、軽量性、比較的低いコスト、および冷却のためのグリコール溶液に接触し得る第２の金属層表面７４にアルミニウムの耐腐食性をもたらす。第１の金属である銅は、それに連結された銅部品と同じ熱膨張係数を有し、同じまたは同種の金属の使用は、異種の金属を連結することに起因する腐食問題を緩和する。ただし、たとえば銅の第１の金属層６２および鋼の第２の金属層６４、鋼の第１の金属層６２およびチタンの第２の金属層６４、または考えられる多種多様な他の選択肢など、他の金属の組み合わせも可能である。いくつかの固体銅製ベースプレート６０は、腐食を緩和するためにグリコールと接触する任意の表面にニッケルメッキを有してよく、クラッディングは、ニッケルメッキの必要性を低減または排除し得る。ニッケルはアルミニウムよりも重く高価であり、メッキは機械的接着を生じるので、メッキ材料の境界面は概して、クラッド材料の境界面６８と同様に熱を伝達しない。上述したように、（図１〜図４および図７を継続して参照するとともに）図５および図６に示されるように、エンハンスト表面３５を形成するためのプロセスは、直接接着基板１２に関してクラッドベースプレート６０と基本的に同じである。基板１２の機械加工に関して上述した要因、考察、方法、および結果は、ベースプレート６０の機械加工にも適用される。図を参照すると、基板１２の冷却金属層１６は、基板６０の第２の金属層６４に相当し、ベースプレート６０の第１の金属層６２は、基板１２のセラミックタイル１４と電子金属層１８との組み合わせに相当する。ベースプレート６０は、互いにクラッドまたは接合された３つ以上の層を有してよいが、ベースプレート６０が２層しか有さないことも可能であり、閲覧者は、セラミックタイル１４および電子金属層１８が別々の層として示されているという事実にかかわらず、セラミックタイル１４および電子金属層１８をベースプレート６０の第１の金属層６２に相当する１つの単層として見なすこともできる。
【００５１】
工具４０は、ベースプレート６０を機械加工し、フィン幅３７を有するフィン３６、またはピン３８を生成するために使用され得る。隣接するフィン３６間にはチャネル幅４５を有するチャネル４４が存在し、フィン３６はフィン高さ４６を有し、ピン３８はピン高さ４８を有する。ベースプレート６０は加工台５０の上で機械加工され、止めブロック５２は、ベースプレート６０の動きを最小限にし、ベースプレート６０の位置調整を支援するために使用され得る。止めブロック５２は、クラッドベースプレート６０のための更なる利益をもたらし得る。境界面６８付近まで、好適には境界面６８よりわずかに上まで上向きに伸長する止めブロック５２は、機械加工プロセス中に境界面６８を支持する助けとなり、第１および第２の金属層６２、６４の間の剥離を緩和する。その結果、第１および第２の金属層６２、６４は、フィン３６またはピン３８の切削中および切削後、互いにクラッドされた状態を保つ。上述したように、加工台５０に止めブロック５２を固定するために、ねじ５４または他の連結デバイスが使用され得る。これにより、ベースプレート６０にエンハンスト表面３５が生成され得る。
【００５２】
ベースプレート６０のエンハンスト表面３５は、第２の金属層深さ６５を上回るフィン高さ４６またはピン高さ４８を有する。フィン３６またはピン３８であるエンハンスメント７５は、境界面６８から第２の金属層表面７４を越えて伸長するエンハンスメント末端部７６を有し、これは、エンハンスメント７５の切削時かつ第２の金属層表面７４を減少させる任意の追加の機械加工の前の第２の金属層表面７４を指す。ＭＤＴプロセスは、エンハンスメント７５が形成された表面より上まで伸長するエンハンスメント７５を生成するので、これは事実である。出願人は実際に、アルミニウムの第２の金属厚さ２．７ミリメートルより５ミリメートル高く起立するフィン３６を生成した。フィン３６またはピン３８は、全体が第２の金属層６４内に画定され、その結果第２の金属内に画定されるので、エンハンスメント基部７７が境界面６８を貫通することはない。エンハンスメント基部７７は、クラッド境界面６８に最も近いフィン３６またはピン３８の一部であり、エンハンスメント基部７７は、エンハンスメント末端部７６とは反対側のエンハンスメント７５の端部である。上述したように、フィン３６またはピン３８は、第２の金属層６４とモノリシックであるため、第２の金属を備える。
【００５３】
図１〜図７を継続して参照するとともに図８に示すように、水盤７８とベースプレート６０との間にエンクロージャ８０が形成されるようにベースプレート６０に水盤７８が取り付けられ得る。水盤７８は、第２の金属層６４に形成されたエンハンスメント７５がエンクロージャ８０内に位置するように設けられる。入口８２および出口８４はエンクロージャを貫通するので、冷却液は、入口８２を通ってエンクロージャ８０に進入し、出口８４を通ってエンクロージャ８０から排出され得る。したがって、入口８２および出口８４はエンクロージャ８０を介して流体連通している。水盤７８は、ベースプレート６０の第２の金属層６４のみがエンクロージャ８０内にあり、第１の金属層６２がエンクロージャ８０内にないように設置され得る。基板１２の入口３２および出口３４に関するノズル３３と同様、入口８２および出口８４にはノズル３３が存在してよい。上述したように、基板１２の冷却室３０のための様々なエンハンスメント７５設計を生成するための選択肢は、単一ベースプレート６０における複数の水盤７８、およびベースプレート６０の異なる箇所における様々なエンハンスメント構造を含む、ベースプレート６０のエンハンスメント７５および冷却エンクロージャ８０にも適用される。
【００５４】
ベースプレート６０に形成されるフィン３６またはピン３８は、第２の金属層６４とモノリシックである大きな表面積を生じ、優れた熱伝達をもたらす。またフィン３６またはピン３８は、液体冷却流における乱れを増加させる傾向にあり、これもまた熱伝達を増加させる。
【００５５】
図９Ａは、本開示の代替実施形態に係る液冷式コールドプレート９００を示す。コールドプレート９００は、入口孔９０６および出口孔９０７を有するタブ９０１を備える。タブは基本的に、電子機器を冷却するための冷却液を閉じ込め移動させるためのマニホルドである。タブ９０１は、１つの実施形態においてアルミニウムで形成されるが、たとえば銅など他の材料で形成されてもよい。タブ９０１は、図示された実施形態において、対向する長辺９２０および９２１と、それに対向しほぼ垂直な対向する短辺９２２および９２３とを有する略長方形状である。冷水（不図示）は入口孔９０６を通ってタブ９０１に進入し、本明細書において詳述するようにタブを通って流れ、出口孔９０７から排出される。図示された実施形態において、入口孔９０６および出口孔９０７の各々は、本明細書で詳述するように、タブを通って伸長する略円筒形開口部を備える。他の実施形態において、入口孔９０６および出口孔９０７は円筒形以外の形状であってよく、たとえば入口孔９０６および出口孔９０７は楕円形であってよい。図示された実施形態において、タブ９０１は押出しによって形成されるが、他の実施形態において機械加工によって形成されてもよい。
【００５６】
タブ９０１の上面９２４は、複数のプレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃを受け入れる。図示された実施形態において、タブ９０１は３つのプレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃを有するが、他の実施形態では異なる数のプレートが存在してもよい。プレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃの上面は、タブ９０１の上面９２４とほぼ同一平面上にある。タブ９０１の上面９２４に凹設されたポケット９１３がプレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃを受け入れる。図示された実施形態において、ポケットは、トップダウン式機械加工を用いてタブに加工される。プレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃの上面は、ＩＧＢＴ電子機器モジュール（不図示）を受け入れ、コールドプレート９００が電子機器を冷却する。
【００５７】
冷却の適用中、アルミニウムコールドプレートの腐食防止を最大限にするために、タブ９０１および冷却プレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃはいずれも、組立て前に無電解ニッケルコーティングでメッキされ得る。コールドプレート９００が摩擦撹拌接合または他の接合方法によって組み立てられた後、完成したコールドプレート９００の外表面が無電解ニッケルコーティングで再メッキされ得る。この２重メッキは、たとえば脱イオン水などの浸食性冷却剤が冷却剤として使用される場合に、コールドプレートに対する更なる腐食防止をもたらすものである。
【００５８】
図９Ｂは、図９Ａの断面線Ａ〜Ａに沿って示された、図９Ａのコールドプレート９００の断面図である。プレート９０２Ａは、タブ９００の上面９２４に凹設されたポケット９１３に受け入れられる。プレート９０２Ａの下面に形成されたピン９１１は、プレート９０２Ａとモノリシックである大きな表面積を生じ、優れた熱伝達をもたらす。本明細書で説明される方法で形成されたピン９１１は、ポケット９１３内に下向きに伸長し、ポケット９１３、入口孔９０６、および出口孔９０７と流体連通している。プレート９０２Ａは、ポケット９１３の外周に沿って伸長するレッジ９１４に載置される。本明細書で説明するように、プレート９０２Ａの上面がコールドプレートの上面９２４と同一平面になるようにプレート９０２Ａをレッジ９１４に載置することを妨げることになるピン９１１は、プレート９０２Ａの縁部には存在しない。
【００５９】
入口孔９０６および出口孔９０７の各々は、タブ９０１の対向する長縁部付近に、タブ９０１の下で長手方向に伸長する。入口孔９０６および出口孔９０７は、ポケット９１３の対向端部の下側に配置され、流体が入口孔９０６からポケット９１３を通り出口孔９０７まで矢印９１０によって示す方向に流れることを可能にする。
【００６０】
タブ９０１における入口スロット９０８は、流体（不図示）が入口孔９０８からポケット９１３を通って、出口スロット９０９を介して出口孔９０７まで流れることを可能にする。したがってポケット９１３は、入口孔９０６および出口孔９０７と流体連通している。入口スロット９０８および出口スロット９０９は、図１０を参照して詳述される。
【００６１】
ポケット９１３は、均衡した並列冷却をもたらし、入口孔９０６に進入する流体は、並列チャネル（図示された実施形態における３つのポケット９１３）に分割され、出口孔９０７で再び合流する。並列チャネルにおける流量は、スロットの幅および／またはサイズをサイズ調整することによって、流れを均衡させるように調整され得る。これにより、プレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃの表面温度が確実に均一になる。
【００６２】
図１０は、プレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃを除いて示された、図１のコールドプレート９００の斜視図である。入口スロット９０８および出口スロット９０９は、ポケット９１３の設置面のみに、ほぼ入口孔９０６および出口孔９０７の上をタブに沿って長手方向に伸長する。この点に関して、スロット９０８および９０９は、図示された実施形態においてタブ９０１の長さだけ伸長するのではない。入口スロット９０８は、入口孔９０６と平行かつ流体連通し、出口スロット９０９は、出口孔９０７と平行かつ流体連通している。
【００６３】
各ポケット９１３は略長方形であり、図示された実施形態において、丸い角を有する。レッジ９１４は、ポケット９１３の外周に沿って、ポケット９１３から段を付けて下方へ伸長し、上述したようにプレート９０２（図９Ａ）を受け入れる。この点に関して、プレート９０２の下面は、プレートの上面がタブ９０１の表面９２４と同一平面になるようにレッジに載置される。図示された実施形態において、レッジ９１４は丸い角を有する。
【００６４】
図１１は、図９Ａのコールドプレートの分解図であり、ポケット９１３内に設置する前のプレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃを示す。プラグ９３０は、コールドプレート９０１が押出しによって形成される場合、入口孔９０６および出口孔９０７と同一の広がりを持つ開口部（不図示）を塞ぐ。プラグ９３０は、摩擦撹拌接合を用いて設置され、押し込まれ、またはシール材によって螺合され得る。プレート９０２がポケット９１３内に設置された後、プレート９０２Ａ、９０２Ｂ、および９０２Ｃは、摩擦撹拌接合、ろう接、または他の取付け手段によってポケット９１３内に固着される。プレートが固着された後、上面は、接合フラッシュなどを除去し、熱的に最適な完成表面および平坦性をもたらするためにフライカットされる。その後、電子機器を取り付けるための取付け穴（不図示）が表面に形成される。
【００６５】
図１２は、タブ１２０１が押出しではなく機械加工された場合の、タブ１２０１の代替実施形態の分解図である。この実施形態において、入口孔１２０６および出口孔１２０７のための開口部１２０４および１２０５はタブ底面１２０９から機械加工され、プレート１２０２および１２０３は、開口部を塞ぎ、その位置で摩擦撹拌接合される。この実施形態は、押出しまたはガンで穿設されたタブが使用可能でない場合に望まれ得る。
【００６６】
図１３は、両面コールドプレート１３００の分解斜視図であり、ここでは複数のプレート１３０２Ａ、１３０２Ｂ、および１３０２Ｃがタブ１３０１の上面１３２４に配置され、複数のプレート１３０３Ａ、１３０３Ｂ、および１３０３Ｃがタブ１３０１の底面１３２５に配置される。各プレート１３０２Ａ、１３０２Ｂ、１３０２Ｃ、１３０３Ａ、１３０３Ｂ、および１３０３Ｃは、本明細書で説明される方法を用いて形成されたピン付きプレートを備える。プレート１３０２Ａ、１３０２Ｂ、１３０２Ｃ、１３０３Ａ、１３０３Ｂ、および１３０３Ｃのピン付き面は全てタブ１３０１に向かって内側を向き、（タブ１３０１の両面にある）ポケット１３１３、入口孔１３０６、および出口孔１３０７と流体連通している。電子機器モジュールは、プレート１３０２Ａ、１３０２Ｂ、１３０２Ｃ、１３０３Ａ、１３０３Ｂ、および１３０３Ｃの全てに取り付けられてよい。
【００６７】
本発明は、限られた数の実施形態に関して説明されたが、本開示の利益を得る当業者は、ここに開示された本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図１】
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【図２】
2018518061.tif 000004
【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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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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