專利名稱：帶有用于功率器件的微槽道冷卻的散熱器的制作方法
帶有用于功率器件的微槽道冷卻的散熱器 相關(guān)申請的交叉引用
本申請相關(guān)于與其同時提交的Stevanovic等人的與GE檔案號 155941相對應(yīng)的題名為"功率模塊、相腳和三相逆變器"的共同轉(zhuǎn)讓 的待審的美國專利申請，該專利申請通過引用而完整地結(jié)合在本申 請中。
背景
本發(fā)明大致涉及一種用于冷卻受熱面的裝置，更具體地說，涉 及一種散熱器(heat sink),其用于半導(dǎo)體功率器件的微槽道冷卻。
更高密度的功率電子器件的發(fā)展使得冷卻功率半導(dǎo)體器件變得 日益更加困難。對于能夠消耗高達(dá)500W/cm2的現(xiàn)代硅基功率器件， 需要改進(jìn)的熱管理方案。當(dāng)器件溫度局限于50K的增量時，自然的 和強制空氣冷卻方案只能操縱高達(dá)大約一(l)W/cm2的熱通量。傳統(tǒng) 的液體冷卻板可達(dá)到大約二十(20)W/cm2的熱通量。熱導(dǎo)管、沖擊噴 霧和液體沸騰能夠?qū)崿F(xiàn)更大的熱通量，但這些技術(shù)可能導(dǎo)致制造困 難和高昂的成本。
傳統(tǒng)的高熱通量的功率器件的冷卻曾遭遇到的另 一 問題是受熱 面上的非均勻的溫度分布。這是由于非均勻的冷卻槽道結(jié)構(gòu)，以及 冷卻流體隨著其流過與受熱面平行的長槽道而出現(xiàn)溫度上升的原因 而引起的。
一種有前景的用于高性能的熱管理的技術(shù)是微槽道冷卻。在二 十世紀(jì)八十年代，其^L論證是冷卻硅集成電路的有效措施，這種硅 集成電路設(shè)計證明具有高達(dá)1000W/cn^的熱通量，以及低于IO(TC的 表面溫度上升。其它微槽道散熱器的設(shè)計也論證了相似的熱性能。公開的
Valenzuela等人的題名為"熱交換器"的美國專利申請No.20030066634 Al提供了相對于傳統(tǒng)液體冷卻設(shè)計的改良。Valenzuela等人的器件 包括正常流動的微槽道散熱器，其結(jié)合了亞毫米級別的槽道和受熱 面的垂直流動的好處。在大多數(shù)微槽道設(shè)計中，增加的熱傳遞:^支小 型槽道中增加的壓力損失抵消，其導(dǎo)致了增加的泵吸需求。通過改 變流動通路的幾何形狀，以產(chǎn)生與受熱面垂直而非與之平行的流動， 較短的槽道也是可行的，從而使壓力損失不是很嚴(yán)重。然而，這種 散熱器的制造有些困難，因為必須首先在單個的銅疊片上加工出微 槽道和更大的流體供給/返回通路，之后將其組裝成堆疊結(jié)構(gòu)。
Schultz-Harder等人的題名為"用于電氣構(gòu)件或電路的冷卻器或散 熱器和帶有這種散熱器的電路"的美國專利No.6,014,312還提供了相 對于傳統(tǒng)微槽道液體冷卻設(shè)計的改良。Schultz-Harder等人的器件還 由銅疊片堆疊組成，其帶有重疊但輕微偏置的毫米尺寸的孔，類似 于一疊片狀瑞士硬干酪。流體流動平行于受熱面。這些孔引起液體 中額外的湍流，增強了熱傳遞，但也導(dǎo)致了更高的壓力降。器件制 造需要疊片在其粘接之前進(jìn)行精密對準(zhǔn)。基于公開的熱性能結(jié)果， Schultz-Harder等人的設(shè)計比Valenzuela等人的設(shè)計效率較低，但仍 然比傳統(tǒng)的散熱器較好。
Hamilton等人的題名為"利用航空燃料的針對航空電子裝置的微 槽道冷卻"的美國專利No.5,692,558,其描述了利用航空燃料用于冷 卻半導(dǎo)體器件的微槽道散熱器。這些槽道直接建造在器件的半導(dǎo)體
襯底中，以減少半導(dǎo)體結(jié)-至-流體熱阻。Hamilton等人的題名為"從 半導(dǎo)體中吸熱和在半導(dǎo)體中形成微槽道的方法"的美國專利 No.5,998,240 (Hamilton II)還公開了直接在射頻(RF)功率器件的半導(dǎo) 體襯底上形成微槽道的方法。另外，Hamilton II還公開一種完全三相 逆變器，其帶有轉(zhuǎn)換功率器件(IGBT和二極管)的直接冷卻。雖然直 接在半導(dǎo)體器件的襯底上實現(xiàn)微槽道可能適合于低電壓RF應(yīng)用，但
是其并不適用于轉(zhuǎn)換功率逆變器應(yīng)用。用于轉(zhuǎn)換逆變器應(yīng)用的IGBT 和二極管功率器件具有垂直結(jié)構(gòu)，并且半導(dǎo)體襯底的底部是連接其 它電路構(gòu)件的功率端子(集電器/陰極)。轉(zhuǎn)換功率器件的集電器/陰極 端子可引導(dǎo)大部分電流(差不多150A),并阻塞可能超過幾千伏的電 壓。在器件底部上實現(xiàn)微槽道將出于幾個原因而是不實際的。這種 實現(xiàn)將干涉與其它電路構(gòu)件的電氣互連，這種實現(xiàn)將使冷卻流體暴 露于高電壓下，并對合適的流體構(gòu)成嚴(yán)格的限制和/或需要去離子化 設(shè)備，并且這種實現(xiàn)將由于冷卻流體對于變成高頻電流的導(dǎo)電路徑 而惡化電磁干擾(EMI)問題。
Mundinger等人的題名為"模塊化的微槽道熱交換器"的美國專利 No.5，727,618，其描述了用于冷卻高熱通量的激光二極管矩陣的微槽 道散熱器。這種散熱器特征在于微槽道形成于多個銅片上，并且微 槽道的實際實現(xiàn)需要多個銅片的垂直堆疊和釬焊，以獲得所需的深 寬比。其還需要多個銅板的堆疊和粘接，蝕刻的幾何形狀用于使冷 卻流體從入口管道向上垂直匯集到受熱面，并返回至流體出口。這 種設(shè)計具有幾個缺點。散熱器的制造需要對許多銅箔進(jìn)行腐蝕、金 屬化、堆疊、精密對準(zhǔn)和粘接，以獲得足夠的槽道深度。這對于形 成入口歧管和出口歧管的堆疊的銅板也是一樣的。對于較大的散熱 器尺寸的可伸縮性受到流體匯集在垂直方向上的限制，并且其可能 導(dǎo)致過大的散熱器厚度。最后，Mundinger未能解決在半導(dǎo)體功率器 件和冷卻流體之間的電絕緣問題。
North等人的題名為"流體冷卻的單相散熱器"的美國專利 No.6,131,650，其描述了一種將多孔金屬墊片與受熱面保持接觸的散 熱器。這種方案的一個缺陷是，多孔金屬墊片的熱性能效率較低。
因此需要提供一種用于冷卻受熱面的裝置，其具有改進(jìn)的熱性 能，可降低制造成本的相對簡單的裝配工藝，以及用于適應(yīng)小型和 大型功率器件及不同數(shù)量的功率器件的可伸縮性。另外，還需要一 種可在大功率器件和冷卻劑之間提供電絕緣的裝置。
簡要描述
本發(fā)明的一個方面致力于用于冷卻至少一個受熱面的裝置。簡 要地說，該裝置包括基板，其限定了許多入口歧管和許多出口歧管。 入口歧管構(gòu)造成可接受冷卻劑，并且出口歧管構(gòu)造成可排出冷卻劑。 入口歧管和出口歧管是交錯的。該裝置還包括至少一個襯底，其具 有內(nèi)表面和外表面。內(nèi)表面聯(lián)接在基板上，并且限定了許多微槽道， 所述微槽道構(gòu)造成可從入口歧管接受冷卻劑，并可將冷卻劑傳送至 出口歧管。微槽道定向成基本上垂直于入口歧管和出口歧管。外表 面與受熱面形成熱接觸。該裝置還包括構(gòu)造成可將冷卻劑供給入口
歧管的入口充實室(plenum)，以及構(gòu)造成可從出口歧管排出冷卻劑的 出口充實室。入口充實室和出口充實室定向在基板的平面內(nèi)。
附圖
當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明時，本發(fā)明的這些以及其它特征、 方面和優(yōu)點將變得更好理解，其中，相似的標(biāo)號在全部附圖中代表 相似的部件，其中
圖1以側(cè)視圖顯示了用于冷卻功率器件的裝置；
圖2顯示了位于圖1裝置的基板中的交錯的入口歧管和出口歧
管；
圖3顯示了聯(lián)接在圖2基板上的襯底，其中襯底包括許多定向 成基本上垂直于入口歧管和出口歧管的微槽道；
圖4是形成于散熱器基板中的入口歧管和出口歧管的另 一視圖5以局部分解圖顯示了基板和襯底，并且包括示例性的微槽 道布置的詳細(xì)一見圖6以另一局部分解圖顯示了基板和襯底；
圖7示意性地顯示了一組示例性的^(鼓槽道；
圖8顯示了另一示例性的微槽道布置；
圖9是幾個帶有示例性的直線幾何形狀的微槽道的橫截面圖； 圖10是幾個帶有示例性的彎曲幾何形狀的微槽道的橫截面圖； 圖11以橫截面圖顯示了一個示例性的散熱器，在襯底的內(nèi)表面
上形成了用于該散熱器的微槽道；
圖12以橫截面圖顯示了另一示例性的散熱器，在絕緣的微槽道
層中形成了用于該散熱器的微槽道；
圖13以橫截面圖顯示了用于冷卻許多功率器件的散熱器的一個
示例性的多襯底實施例；
圖14顯示了用于冷卻許多功率器件的散熱器的一個示例性的單
襯底實施例；和
圖15以橫截面圖顯示了一個示例性的散熱器，其沒有供低電壓 裝置使用的絕緣層。
參看圖1-3和5，現(xiàn)在描述用于冷卻至少一個受熱面50的裝置 10。如圖所示，例如在圖1中，裝置10包括基板12，在圖2中更詳 細(xì)地顯示了該基板。如圖所示，例如在圖2中，基板12限定了許多 入口歧管16和許多出口歧管18。入口歧管16構(gòu)造成可接受冷卻劑 20,并且出口歧管18構(gòu)造成可排出冷卻劑。如圖2中所示，例如， 入口歧管和出口歧管16,18是交錯的。如圖1中所示，裝置10還包 括至少一個襯底22，其具有內(nèi)表面24和外表面52,內(nèi)表面24聯(lián)接 在基板12上。如圖3和5中所示，內(nèi)表面24特征在于許多微槽道26， 其構(gòu)造成可從入口歧管16接受冷卻劑，并可將冷卻劑傳送至出口歧 管18。微槽道26定向成基本上垂直于入口歧管和出口歧管16,18， 例如如圖3和圖5中所示。如圖1中所示，襯底22的外表面52與 受熱面50形成熱接觸。該裝置10還包括構(gòu)造成可將冷卻劑20供給 入口歧管16的入口充實室28，以及構(gòu)造成可將冷卻劑排出出口歧管 18的出口充實室40。如圖2和圖3中所示，入口充實室28和出口
充實室40定向在基板12的平面內(nèi)。
如此處所使用的短語"定向成基本上垂直于"應(yīng)該被理解為微槽道 26定向在相對于入口歧管和出口歧管16,18成大約九十度加/減大約 三十度(90+/-30度)的角度上。根據(jù)一個更具體實施例，微槽道26定 向在相對于入口歧管和出口歧管16,18成大約九十度加/減大約十五 度(90+/-15度)的角度上。對于偏離垂直小于十五度的角度，熱性能 處在為最好情況的大約百分之八至大約百分之十(8-10%)的范圍內(nèi)。 超過該點，熱傳遞顯著下降，在偏離垂直大約三十度的角度時達(dá)到 少于大約百分之三十(30%),并且當(dāng)微槽道26定向在相對于入口歧 管和出口歧管16,18大約五十五度的角度時，少于大約50%。另外， 當(dāng)微槽道26和入口/出口歧管16,18定向在四十五至六十度范圍內(nèi)的 角度時，壓力損失可能增加大約百分之三十至大約百分之五十(30-50%)。
對于裝置10,可采用許多種冷卻劑20，并且本發(fā)明并不局限于 特定的冷卻劑。示例性的冷卻劑包括水、乙二醇、油、^元空燃料和 其組合。根據(jù)一個具體實施例，冷卻劑是一種單相液體。在操作過 程中，冷卻劑進(jìn)4板12的歧管16中，并在穿過排出歧管18返回 之前流過微槽道26。更具體地說，根據(jù)一個具體實施例，冷卻劑進(jìn) 入入口充實室28，其流體直徑超過裝置10中的其它槽道，所以在充 實室中存在顯著的壓力降。例如，相對于歧管液壓直徑，入口充實 室28的流體直徑超過其它槽道大約三比一(3:1)。對于這個示例，對 于單個充實室槽道(相等長度的)壓力降的差異將大約為歧管中的壓力 損失的l/(3A5)=l/243。冷卻劑通過出口充實室40而離開裝置10。
根據(jù)一個具體實施例，基板12包括熱傳導(dǎo)材料。示例性的材料 包括銅、科瓦鐵鎳鈷合金、鉬、鈦、陶瓷和其組合。本發(fā)明并不局
限于特定的基板材料。
在圖5,6,7和8中示意性地顯示了示例性的微槽道26的構(gòu)造。 對于圖5和7的示例性的實施例，微槽道構(gòu)造由沿著襯底22而延伸
的連續(xù)的U形槽道形成。圖6和8顯示了一種由間隙間隔開的豐支短 的微槽道26的交錯布置。根據(jù)一個具體實施例，微槽道26的寬度 小于大約200纟鼓米，并且由許多小于大約200樣i米的間隙58而間隔 開。根據(jù)一個更具體實施例，微槽道26為大約100微米寬，并且間 隙58為大約100微米。為了選擇可提高有效熱性能的微槽道的尺寸 和形狀，研究出了裝置10的計算流體動力學(xué)(CFD)模型。仿真結(jié)果 表明，在大約0.05毫米和0.2毫米范圍內(nèi)的微槽道的寬度和間距證 實了有效的性能。對于低于大約0.05毫米的寬度，壓力損失對于接 近一加侖每分鐘(1GPM)的水流速可增加到25psi以上，乂人而導(dǎo)致這 種設(shè)計由于泵吸要求而不實用。對于0.2毫米以上的寬度，微槽道的 幾何形狀的性能優(yōu)勢開始減少，并且熱性能開始接近傳統(tǒng)的散熱器。 仿真結(jié)果表明，當(dāng)以1GPM的水流速冷卻產(chǎn)生520W/cm2的器件時， 具有0.1毫米寬度和間距的微槽道26可產(chǎn)生大約30。C的溫度上升和 15psi的壓力損失。有利的是，通過密集組裝的狹窄微槽道26,增加 了傳熱面面積，其改善了受熱面50的熱傳遞。
微槽道26可形成有各種幾何形狀。示例性的微槽道26的幾何 形狀包括直線和彎曲的幾何形狀。微槽道壁54可以是光滑的，例如 如圖9中所示，或者可以是粗糙的。粗糙壁增加了表面積，并增強 了湍流，提高了微槽道的熱傳遞。例如，微槽道可包括凹部38,以 進(jìn)一步增強熱傳遞。示例性的凹部38如圖9中所示。另外，微槽道 26可以是連續(xù)的，如圖5和7中所示，或者微槽道26可形成不連續(xù) 的陣列60，如圖6和8中所示。根據(jù)一個特定的實施例，微槽道26 形成不連續(xù)的陣列，并且為大約1毫米長度，而且間隔開小于大約0.5 毫米的間隙。
除了微槽道設(shè)計以外，入口歧管和出口歧管的構(gòu)造影響裝置10 的熱傳遞效率。對于圖2和3的示例性的實施例，各個入口歧管16 具有寬端30和窄端32，其中各寬端30大于相對應(yīng)的窄端32。對于 所示的實施例，寬端30相對較深，大約為充實室的直徑。更具體地
說，各個入口歧管16在相應(yīng)的寬端30和窄端32之間成漸縮形，如 圖2中所示。對于所示的實施例，各個入口歧管16從入口充實室28 延伸出來，并定向成基本上垂直于入口充實室。根據(jù)一個具體實施 例，入口歧管成線性漸縮形，從而當(dāng)質(zhì)量流量沿著入口歧管16通過 將流體傳送到微槽道通路中而下降時，保持微槽道26中的均勻流量 分布。非均勻的流量將導(dǎo)致較低的熱性能，因為某些微槽道具有較 低的流率和降低的對流熱傳遞。
除了幾何形狀的因素以外，尺寸因素還影響了熱性能。執(zhí)行CFD 模擬以選擇入口歧管尺寸，以便改進(jìn)熱性能。為了進(jìn)一步增強熱傳 遞，各個入口歧管16具有大約0.5毫米至大約2毫米范圍內(nèi)的寬度。 在0.5毫米以下時，入口歧管16的壓力損失增加，并且制造公差變 得更加難以保持。在2毫米以上時，微槽道通路的有效長度減少， 導(dǎo)致較少的傳熱面。根據(jù)一個具體實施例，入口歧管16為大約1毫 米的寬度，其代表熱性能和制造簡單性之間的良好平衡。有利的是， 這些歧管幾何形狀和尺寸選擇成可減少溫度梯度和壓力降。另外， 根據(jù)一個具體實施例，入口歧管16的窄端32被堵塞，使得冷卻劑20 不能直接在入口充實室和出口充實室之間穿過，而必須穿過微槽道 26。
對于圖2和3的示例性的實施例，各個出口歧管18具有寬端34 和窄端36,其中各寬端34大于相對應(yīng)的窄端36。對于所示的實施 例，寬端34相對較深，大約為充實室的直徑。更具體地說，各個出 口歧管18在相應(yīng)的寬端34和窄端36之間成漸縮形，如圖2中所示。 對于所示的實施例，各個出口歧管18從出口充實室40延伸出來， 并定向成基本上垂直于出口充實室40。根據(jù)一個具體實施例，出口 歧管成線性漸縮形，以保持微槽道26中的均勻流量分布?；贑FD 模擬，選擇示例性的出口歧管18的尺寸。為了進(jìn)一步增強熱傳遞， 各個出口歧管18具有大約0.5毫米至大約2毫米范圍內(nèi)的寬度。根 據(jù)一個特定實施例，各個出口歧管18為大約一毫米(l毫米)寬。另外，
根據(jù)一個具體實施例，出口歧管的窄端36是堵塞的，使得冷卻劑20 不能直接在入口充實室和出口充實室之間穿過，而必須穿過微槽道 26。
對于圖2的示例性實施例，為了保持冷卻劑流動的對稱性，出 口歧管18(N+1個)比入口歧管16(N個)要多一個。對于另一實施例， 設(shè)有N個出口歧管18和N+l個入口歧管16。對于圖2和3的示例 性實施例，入口充實室28和出口充實室40在橫截面上M本均勻 的。根據(jù)另一實施例，入口充實室28和出口充實室40是漸縮形的。 與漸縮形的入口歧管和出口歧管16,18 —起，類似地可增大入口充實 室28和出口充實室40，以提供歧管內(nèi)的均勻流動。雖然圖2和3中 所示的相對較小的散熱器由于相對較小數(shù)量的歧管而不具有充實室 的漸縮形，但是在較大的散熱器10中，漸縮形的入口充實室和出口 充實室可能是有利的。根據(jù)一個具體實施例，入口充實室和出口充 實室28,40是漸縮形的，并具有梯形棱柱形狀。
對于圖11和12的示例性實施例，襯底22包括至少一種熱傳導(dǎo) 材料和至少一種電絕緣材料。根據(jù)具體實施例，襯底22由直接結(jié)合 的銅(DBC)，或活性金屬釬焊(AMB)結(jié)構(gòu)組成。DBC和AMB指將銅 層直接結(jié)合到陶瓷襯底上的工藝。示例性的陶瓷襯底包括氧化鋁 (A1203)、氮化鋁(A1N)、氧化鈹(BeO)和氮化硅(Si3N4)。 DBC和AMB 都是用于襯底22的便利結(jié)構(gòu)，并且在陶瓷襯底兩面使用相同的傳導(dǎo) 材料(在這種情況下為銅)將提供熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。
當(dāng)然，襯底22可由其它材料，例如金或銀構(gòu)成。有利的是，可 利用許多技術(shù)中的任何其中一種技術(shù)而將襯底22連接在基板12上， 包括釬焊、結(jié)合、擴散結(jié)合、焊接，或壓力接觸例如夾緊。這提供 了一種簡單的裝配工藝，其減少了散熱器10的總成本。此外，通過 將襯底22連接在基板12上> 從而在受熱面50下形成流體通路，使 得微槽道冷卻技術(shù)的實現(xiàn)很實用且成本低廉。
對于圖11中所示的示例性實施例，襯底22包括頂層62,絕緣
層64和內(nèi)層66。對于這個實施例，微槽道26形成于內(nèi)層66中，并 且絕緣層64設(shè)置在頂層62和內(nèi)層66之間。內(nèi)層66連接在基板12 上，而頂層62聯(lián)接在受熱面50上。例如，內(nèi)層66通過釬焊、結(jié)合、 擴散結(jié)合、焊接、壓力接觸例如夾緊或其它連接方式而連接在基板12 上。對于圖11的示例性實施例，如圖所示，受熱面50通過焊料68 而聯(lián)接在頂層62上。對于圖11中所示的示例性實施例，微槽道26 延伸穿過內(nèi)層66。換句話說，微槽道的深度等于內(nèi)層66的厚度。對 于較大的深寬比的微槽道，例如圖11中所顯示的那些槽道，CFD模 型結(jié)果論證了改良的性能。對于襯底內(nèi)層的示例性厚度，圖11中的 微槽道將為大約0.3毫米高。當(dāng)然其它實現(xiàn)方式也是可行的，并且對 于一個備選實施例(未顯示)，微槽道26并不穿過內(nèi)層66的厚度，從 而將絕緣層64與流過微槽道26的冷卻劑20隔離開。有利的是，陶 瓷層64提供了冷卻劑與安裝在襯底22頂上的功率器件80之間的電 絕緣。根據(jù)一個具體實施例，頂層62和內(nèi)層66由銅(Cu)形成，并且 絕緣層64是陶瓷，其選自AN、 A1203、 Si3Ni4、 BeO或它們的組合。 根據(jù)一個更具體的實施例，微槽道26形成于襯底22下側(cè)的銅層66 中。
對于圖12中所示的示例性實施例，襯底22包括頂層62和絕緣 的微槽道層74,并且微槽道26形成于絕緣的微槽道層74中。如圖 所示，絕緣的微槽道層74設(shè)置在頂層62和基板12之間，并且頂層 62聯(lián)接在受熱面50上。如圖12中所示，微槽道26并不穿過微槽道 層74,以便將冷卻劑20與功率器件80的受熱面50隔離開。更具體 地說，剩余的陶瓷層用作襯底22頂上的功率器件80和冷卻劑20之 間的電介質(zhì)屏障。有利的是，在保持電絕緣的同時，這個實施例還 消除了功率器件80和冷卻劑之間的材料厚度，導(dǎo)致改良的熱性能。 根據(jù)一個更具體實施例，例如如圖12中所示，襯底22還包括-沒置 并連接在絕緣的微槽道層74和基板12之間的下層76。用于下層76 的示例性材料包括銅。
在圖l5中顯示了另一實施例。對于這個實施例，襯底22具有 內(nèi)層66,并且微槽道26形成于內(nèi)層66中，并部分地穿過內(nèi)層66。 這個實施例適合于供低電壓器件，例如激光二極管、RF功率器件和 計算機芯片使用。對于這個實施例，襯底22還可包括頂層62和下 層76。
根據(jù)一個具體實施例，裝置10適合于冷卻許多受熱面50。對于 這個示例性地在圖13中所示的實施例，裝置10還包括許多襯底22。 各個襯底22具有內(nèi)表面24和外表面52。如圖所示，各個內(nèi)表面24 聯(lián)接在基板12的相應(yīng)部分上，并且各個內(nèi)表面24限定了許多微槽 道26(在圖13中未顯示)。各個外表面52與相應(yīng)的其中一個受熱面50 形成熱接觸。在較大的模塊中，使用幾個較小的村底來減少由于 CTE(熱膨脹系數(shù))不匹配而引起的應(yīng)力。
圖14顯示了另一示例性的實施例，其中裝置10也適合于冷卻 許多受熱面50。對于圖14中所顯示的示例性實施例，裝置10只包 括一個襯底22，并且許多功率器件80安裝在襯底22上，使得裝置 10可冷卻功率器件80的受熱面50。
參看圖1-6，其描述了一個示例性的散熱器10的實施例。散熱 器10用于冷卻至少一個功率器件80，并包括基板12，其限定了許 多交錯的入口歧管和出口歧管16,18，例如如圖2中所示。散熱器10 還包括至少一個襯底22,其具有內(nèi)表面24和外表面52。如圖3,5和 6中所示，內(nèi)表面24聯(lián)接在基板12上，并且限定了許多微槽道26， 其構(gòu)造成可從入口歧管16接受冷卻劑，并可將冷卻劑傳送至出口歧 管18。例如如圖3和5中所示，微槽道26定向成基本上垂直于入口 歧管和出口歧管16,18。外表面52與功率器件80形成熱接觸，例如 如圖1中所示。散熱器10還包括構(gòu)造成可將冷卻劑供給入口歧管的 入口充實室28，并且各個入口歧管從入口充實室中延伸出來。出口 充實室40構(gòu)造成可從出口歧管排出冷卻劑，并且各個出口歧管從出 口充實室延伸出來。例如如圖2中所示，入口充實室和出口充實室
定向在基板12的平面內(nèi)。
示例性的功率器件包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、金屬氧化 物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、 二極管、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體 管(MESFET)以及高電子遷移率晶體管(HEMT)。本領(lǐng)域中的技術(shù)人 員應(yīng)該認(rèn)識到這些是功率器件的 一些示例，而且本發(fā)明決并不局限 于這些示例。而是，散熱器10可用于冷卻一個或多個這些或其它的 功率器件。
本發(fā)明的一個特別的好處是其在用于冷卻相對較小和較大受熱 面時的可伸縮性。這個優(yōu)點對于冷卻大功率多芯片模塊而言是尤其 有關(guān)的。
雖然在這里只顯示和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域中 的技術(shù)人員應(yīng)該想到許多改型和變型。因此應(yīng)該懂得，所附權(quán)利要 求旨在覆蓋所有這些落入本發(fā)明的真實精神范圍內(nèi)的改型和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻至少一個受熱面的裝置，所述裝置包括限定了多個入口歧管和多個出口歧管的基板，其中，所述入口歧管構(gòu)造成可接受冷卻劑，并且所述出口歧管構(gòu)造成可排出冷卻劑，而且所述入口歧管和出口歧管是交錯的；至少一個具有內(nèi)表面和外表面的襯底，其中，所述內(nèi)表面聯(lián)接在所述基板上，所述內(nèi)表面限定了多個微槽道，所述微槽道構(gòu)造成可從所述入口歧管接受冷卻劑，并可將冷卻劑傳送至所述出口歧管，其中，所述微槽道定向成基本上垂直于所述入口歧管和出口歧管，并且所述外表面與所述受熱面形成熱接觸；構(gòu)造成可將冷卻劑供給所述入口歧管的入口充實室；和構(gòu)造成可從所述出口歧管排出冷卻劑的出口充實室，其中，所述入口充實室和所述出口充實室定向在所述基板的平面內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微槽道寬度 小于大約200微米，并且由多個小于大約200微米的間隙間隔開。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述樣i槽道為大 約100微米寬，并且所述間隙為大約100微米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微槽道具有 直線型幾何形狀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述《敬槽道具有 彎曲的幾何形狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述樣i槽道包括 粗糙壁。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微槽道是連 續(xù)的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微槽道形成 不連續(xù)的陣列。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述微槽道的'長 度為大約1毫米，并由小于大約0.5毫米的間隙間隔開。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，各個所述入口 歧管包括寬端和窄端，并且各個所述寬端大于相應(yīng)的其中一個所述 窄端。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，各個所述入口 歧管在相應(yīng)的所述寬端和所述窄端之間成漸縮形。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，各個所述入口 歧管從所述入口充實室延伸出來，并且定向成基本上垂直于所述入 口充實室。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，各個所述入口 歧管具有大約0.5毫米至大約2毫米范圍內(nèi)的寬度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，各個所述入口 歧管為大約一毫米(l毫米)寬。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，各個所述出口 歧管包括寬端和窄端，并且各個所述寬端大于相應(yīng)的其中一個所述 窄端。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，各個所述出口歧管疼相應(yīng)的所述寬端和所述窄端之間成漸縮形。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特;f正在于，各個所述出口歧管從所述出口充實室延伸出來，并且定向成基本上垂直于所述出 口充實室。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特;f正在于，各個所述出口 歧管具有大約0.5毫米至大約2毫米范圍內(nèi)的寬度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特4正在于，各個所述出口歧管為大約一毫米(l毫米)寬。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，設(shè)有N個入口歧管和N+1個出口歧管。
21. 根椐權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所迷入口充實 室和所述出口充實室在^f黃截面上^本均勻的。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述入口充實 室和所述出口充實室是漸縮形的。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述冷卻劑選 自水、乙二醇、油、航空燃料和其組合。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述冷卻劑是 單相液體。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述基板包括 熱傳導(dǎo)材料。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，所述襯底包括 至少一種熱傳導(dǎo)材料。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述襯底包括 至少一種電絕緣材料。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述村底包括 直接結(jié)合的銅結(jié)構(gòu)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述村底包括 頂層、絕緣層和內(nèi)層，其中，所述微槽道形成于所述內(nèi)表面上，所 述絕緣層設(shè)置在所述頂層和所述內(nèi)層之間，所述內(nèi)層連接在所述基 板上，并且所述頂層聯(lián)接在所述受熱面上。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述微槽道穿 過所述內(nèi)層。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述頂層和所 述內(nèi)層包括銅(Cu),并且所述絕緣層包括陶乾，所述陶覺選自A1N、 A1203、 Si3Ni4、 BeO或它們的組合。
32. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述襯底包括 頂層和絕緣的微槽道層，其中，所述微槽道形成于所述絕緣的微槽 道層中，所述絕緣的微槽道層設(shè)置在所述頂層和所述基板之間，并 且所述頂層聯(lián)接在所述受熱面上。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述襯底還包 括下層，其設(shè)置并連接在所述絕緣的微槽道層和所述基板之間。
34. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述襯底包括 內(nèi)層，其中，所述微槽道形成于所述內(nèi)層中，并部分地穿過所迷內(nèi) 層。
35. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置適合 于冷卻多個受熱面，所述裝置還包括多個村底，其中，每個所迷襯 底都具有內(nèi)表面和外表面，各個所述內(nèi)表面聯(lián)接在肺.述基板的相應(yīng) 部分上，各個所述內(nèi)表面限定了多個所述微槽道，并且各個所迷外 表面與相應(yīng)的其中 一個受熱面形成熱接觸。
36. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，設(shè)有N+l個入 口歧管和N個出口歧管。
37. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述襯底包括 活性金屬釬焊(AMB)結(jié)構(gòu)。
38. —種用于冷卻至少一個功率器件的散熱器，所述散熱器包括限定了多個入口歧管和多個出口歧管的基板，其中，所述入口 歧管構(gòu)造成可接受冷卻劑，并且所述出口歧管構(gòu)造成可排出冷卻劑， 而且所述入口歧管和出口歧管是交錯的，其中各個所述入口歧管是漸縮形的并且包括寬端和窄端，其中，各個所述寬端大于相應(yīng)的其 中一個所述窄端，各個所述出口歧管是漸縮形的并且包括寬端和窄 端，其中，各個所述寬端大于相應(yīng)的其中一個所述窄端；至少一個具有內(nèi)表面和外表面的襯底，其中，所述內(nèi)表面聯(lián)^姿 在所述基板上，所述內(nèi)表面限定了多個微槽道，所述微槽道構(gòu)造成 可從所述入口歧管接受冷卻劑，并可將冷卻劑傳送至所述出口歧管， 其中，所述微槽道定向成基本上垂直于所述入口歧管和出口歧管， 并且所述外表面與所述功率器件形成熱接觸；「g，八w凡實室，其中各個 所迷入口歧管從所述入口充實室延伸出來；和構(gòu)造成可從所述出口歧管排出冷卻劑的出口充實室，其中各個 所述出口歧管從所述出口充實室延伸出來，并且所述入口充實室和 所迷出口充實室定向在所述基板的平面內(nèi)。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，各個所迷入 口歧管定向成基本上垂直于所述入口充實室，并且各個所述出口歧 管定向成基本上垂直于所述出口充實室。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的散熱器，其特征在于，設(shè)有N個入 口歧管和N+1個出口歧管。
41. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的散熱器，其特征在于，設(shè)有N+1個 入口歧管和N個出口歧管。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，所述微槽道 是連續(xù)的。
43. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于 形成不連續(xù)的陣列，并且所述微槽道為大約1毫米長， 約0.5毫米的間隙間隔開。
44. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，所述襯底包 括直接結(jié)合的銅結(jié)構(gòu)。
45. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，所述襯底包 括活性金屬釬焊結(jié)構(gòu)。
46. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，所述襯底包 括頂層、絕緣層和內(nèi)層，其中，所述微槽道形成于所述內(nèi)層中，所 述絕緣層設(shè)置在所述頂層和所述內(nèi)層之間，所述內(nèi)層連接在所述基 板上，并且所述頂層聯(lián)接在所述受熱面上。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的散熱器，其特征在于，所述微槽道 穿過所述內(nèi)層，并且所述微槽道寬度小于大約200微米，并由多個 小于大約200微米的間隙間隔開。所述微槽道 并由小于大
48. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，所述襯底包 括頂層和絕緣的微槽道層，其中，所述微槽道形成于所述絕緣的微 槽道層中，所述絕緣的微槽道層設(shè)置在所述頂層和所述基板之間， 并且所述頂層聯(lián)接在所述受熱面上。
49. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，所述襯底包 括內(nèi)層，其中，所述微槽道形成于所述內(nèi)層中，并部分地穿過所迷 內(nèi)層。
50. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的散熱器，其特征在于，所述散熱器 適合于冷卻多個功率器件，所述散熱器還包括多個村底，其中，各 個所述襯底具有內(nèi)表面和外表面，各個所述內(nèi)表面聯(lián)接在所述基板 的相應(yīng)部分上，各個所述內(nèi)表面限定了多個所述微槽道，并且各個 所述功率器件安裝在其中一個所述外表面上。
全文摘要
一種用于冷卻至少一個受熱面的裝置，其包括限定了許多入口歧管和出口歧管的基板。入口歧管構(gòu)造成可接受冷卻劑，并且出口歧管可排出冷卻劑。入口歧管和出口歧管是交錯的。該裝置還包括至少一個具有內(nèi)表面和外表面的襯底。內(nèi)表面聯(lián)接在基板上，并且限定了許多微槽道，所述微槽道構(gòu)造成可從入口歧管接受冷卻劑，并可將冷卻劑傳送到出口歧管。微槽道定向成基本上垂直于入口歧管和出口歧管。外表面與受熱面形成熱接觸。該裝置還包括將冷卻劑供給入口歧管的入口充實室，以及從出口歧管排出冷卻劑的出口充實室。入口充實室和出口充實室定向在基板的平面內(nèi)。
文檔編號H01L23/00GK101103659SQ200580046881
公開日2008年1月9日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者L·D·斯特瓦諾維克, S·A·索洛維茨 申請人:通用電氣公司