JPH07211832A - 電力放散装置とその製造方法 - Google Patents

電力放散装置とその製造方法

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JPH07211832A
JPH07211832A JP6333691A JP33369194A JPH07211832A JP H07211832 A JPH07211832 A JP H07211832A JP 6333691 A JP6333691 A JP 6333691A JP 33369194 A JP33369194 A JP 33369194A JP H07211832 A JPH07211832 A JP H07211832A
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heat sink
metal matrix
liquid
lid
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JP6333691A
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Guillermo L Romero
ギュイレルモ・エル・ロメロ
Samuel J Anderson
サミュエル・ジェイ・アンダーソン
Brent W Pinder
ブレント・ダブリュー・ピンダー
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Motorola Inc
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    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H10W40/47—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing liquids, e.g. forced water cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体冷却電力放散装置およびその製造方法が
提供される。 【構成】 液体冷却電力放散装置１０は、絶縁層１７を
有し、装置１０と一体化された金属マトリクス材液体冷
却ヒートシンク１１を含む。この絶縁層１７は、金属マ
トリクス材液体冷却ヒートシンク１１の溶浸中、装置１
１と一体化されるように作られる。電子回路２３は、絶
縁層１７の頂部に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】電子回路の電力放散方式に対する要求が
次第に増加する。工業用モータ制御，コンピュータおよ
び電気自動車用電源などの分野で使用する回路は、極め
て高電力となる傾向があり、効率的な熱放散手段を必要
とする。従来、電子回路から出る多量の熱を放散する一
つの方法は、液体冷却方式を使用することだった。この
方式では、電子回路は、その中を液体が流れるヒートシ
ンク装置に搭載される。
【０００２】従来、効果的なヒートシンク装置の製造は
極めて高価格であり、製造も難しかった。たとえば、先
行技術の液体冷却ヒートシンクは、２つの独立した部分
として製造された。この２つの部分を溶接もしくは蝋付
け（braze ）し、液体が流れる空洞を形成する。電子回
路は一般に、ヒートシンクに半田付けされる基板上にレ
イアウトされる。このような構成は、不利な点が数多く
生じる。
【０００３】たとえば、溶接／蝋付けされた２つの部分
から構成され、その内側に蛇行する溝(meandering chan
nel)が封止される通常の金属液体冷却構造に関しては、
溶接／蝋付け接合部の腐食という固有の問題がある。溝
の内側をメッキしたり、或いは腐食特性に優れた金属箔
で裏打ちする試みが行われた。また、銅管を形成して、
アルミニウム板の中に埋め込むことも行われた。上記の
製造方法では、高価な機械加工が必要で、労働集約的で
あり、高電力回路に最適な冷却環境は提供されない。先
行技術の方式のもう一つの不利な点は、その重量にあ
る。電気自動車や電車などの用途では、パワー・エレク
トロニクスが、モータ・ドライバの重要部分を構成す
る。これら部材の重量および数の削減が省エネルギーに
つながる。従来の液体冷却電力モジュールは、金属もし
くは金属合金製であるので、本来極めて重い。
【０００４】従来の液体冷却モジュールのもう一つの重
大な欠点は、その信頼性にある。回路を支持するセラミ
ック絶縁基板は、金属の液体冷却ベースプレート( base
plate)上に半田付けしなければならない。このプロセス
には、熱的不整合(thermal mismatch)とすき間(voidin
g) という２つの不利な点がある。熱的不整合は一般に
１０から１２ｐｐｍ／℃の範囲である。このため、どの
タイプの熱サイクル中も、高い歪みおよび応力が生じ
る。半田疲労(solder fatigue)およびクラックの生長に
よって、クラックが、半田接合点の外側全域に伸びる可
能性がある。
【０００５】また、一般に広い面積の半田付けは難し
く、基板の下にランダムに位置する大きなすき間(void)
が残ることが多い。熱的不整合およびすき間は、熱伝達
が悪化し、性能および信頼性が劣化することを意味す
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そのため、高い製造コ
スト，重い重量，熱的不整合，すき間，ならびに性能お
よび信頼性の劣化という不利な点を回避できる電力放散
装置が必要とされる。
【０００７】
【実施例】本発明の一つの実施例は、金属マトリクス材
（ＭＭＣ）液体冷却ヒートシンク構造によって構成され
る電力放散装置である。ＭＭＣ液体冷却ヒートシンク構
造は、構造頂部に一体的に形成されるセラミック絶縁層
を有する。電力を放散しなければならない電子回路は、
この絶縁層の頂部にレイアウトされる。このような電力
放散装置は、いくつかの長所を含め、先行技術よりも大
幅な改良が提供される。
【０００８】たとえば、ＭＭＣ技術によって、液体冷却
構造を費用効果の高い方法で成形できる。好適な実施例
において、成形炭化珪素セラミック・プリフォーム(mol
dedsilicon carbide ceramic preform)がアルミニウム
合金と共に溶浸されて、ＭＭＣ液体冷却ベースプレート
を形成する。モールディング成形であるので、モールデ
ィング成形の標準的な特徴が本構造に付加されて（わず
かなコストで）機能を増やしたり、或いは組立を簡素化
できる。さらに溶浸工程の間、炭化珪素プリフォーム・
ベースは炭化珪素の蓋と結合されて、一体気密封止構造
( one piece hermetically sealed structure)を形成す
る。成形段階および溶浸段階では、コストの高い機械加
工，蝋付けもしくは溶接の必要性がなく、これに伴って
通常生じる問題も排除される。
【０００９】成形ＭＭＣ液体冷却ベースプレートのもう
一つの重要な利点は、溶浸工程の間に、セラミック基板
をベースプレートに一体的に接合できることである。こ
のため半田付けが不要となり、これに伴う問題が排除さ
れる。また、ＭＭＣ構造は、通常のセラミック基板に極
めて良く符合する熱膨張係数を有する。この結果、熱的
機械的応力が低下して、モジュールの信頼性が向上す
る。
【００１０】本発明の実施例をより具体的に理解するた
めに図を参照して、図１は、電力放散装置の分解組立斜
視図を簡略化したものである。図１は、電力放散装置１
０を示す。電力放散装置１０は、金属マトリクス材（Ｍ
ＭＣ）液体冷却ヒートシンク構造１１によって構成され
る。ＭＭＣ液体冷却ヒートシンク構造１１は、ベース１
２および蓋１３を含む。ベース１２および蓋１３はそれ
ぞれ、ＭＭＣ部材を形成する周知の方法に従って形成さ
れる。たとえば、ベース１２および蓋１３のプリフォー
ムは、炭化珪素の粉末にバインダ( binder) を結合する
ことによって形成できる。これは、当業者にはよく理解
されるプロセスである。ついでこのスラリ(slurry)は、
従来の射出成形技術を用いて、ベース１２および蓋１３
の所要の形状に成形される。オーブンを使用して熱する
ことによりバインダを除去し、溶浸を行うための多孔構
造(porus structure) を残す。この時点で、溶融アルミ
ニウム合金が、多孔炭化珪素プリフォームに溶浸され
て、部材を強化し、ベース１２と蓋１３とを結合して一
体封止構造にする。
【００１１】ベース１２はさらに、冷却液の流路を設け
る内部フィン１４を含み、冷却液は液体冷却ヒートシン
ク構造を通過する。このような構成は、当業者には周知
のことであり、ピン・フィン、および液体の流路方向と
平行のリブ付きフィンを含め、他の多くのフィン形状を
使用できることを理解されたい。
【００１２】気密封止ＭＭＣ液体冷却ヒートシンク構造
を形成するため、当業者には周知のように、ベース１２
と蓋１３とが結合されて溶浸される。各種の溶浸技術を
使用でき、これについて以下に詳しく論ずる。ここで論
ずる実施例の重要な特徴は、溶浸の間、絶縁層１７をヒ
ートシンク構造に接触させることである。
【００１３】絶縁層１７は、層の上にパターン形成され
た（金属パターン１８で表す）金属を有する酸化アルミ
ニウム・セラミック層によって構成される。また、絶縁
層１７は、当業者には周知のように、エポキシまたはそ
の他の適切な材料によっても構成できる。絶縁層１７の
金属パターン１８は、絶縁層１７の上に配置される電子
回路（以下に詳述）の基礎(basis) を提供することを理
解されたい。絶縁層１７は、電子回路と液体冷却ヒート
シンクとの間に電気的絶縁を提供する。
【００１４】これまで概述したように、ここで論ずる実
施例において、電力放散装置は、絶縁層１７をＭＭＣ蓋
１３と密着させて配置し、蓋１３をベース１２と密着さ
せて配置することによって形成される。ついで３つの部
材全てを、大気圧で溶融アルミニウム浴に入れる。溶融
アルミニウムは、ベース１２および蓋１３の金属マトリ
クス材を溶浸し、さらに絶縁層１７を蓋１３と接合し
て、絶縁層１７が、電力放散装置全体と一体になるよう
にする。ベース１２と蓋１３は、溶浸前は独立したプリ
フォーム部材であるが、溶融アルミニウムが、毛管流を
介して両方のプリフォーム内に連続的に流入して、この
２つの部材を結合して、フィンを有し内側に空洞のある
単体の封止強化ベースプレートにする。
【００１５】同時に、絶縁層１７は、新しく形成された
炭化珪素／アルミニウムＭＭＣヒートシンク１１と機械
的かつ原子的に接合され、いくつかの利点を提供する。
これはヒートシンク１１に半田付けされないので、両面
をメタライズ(metallization) する必要がない。このた
め、メタライズ層（一般には、ダイレクト・ボンド銅絶
縁基板(direct bond copper isolation substrate)用の
銅）とこれに対応する半田層（基板を従来の銅ヒートシ
ンクに付着するのに使用）が排除される。この結果、熱
スタック全体の層およびインタフェースの数が少なくな
り、このため熱抵抗が減少する。
【００１６】もう一つのタイプの溶浸では、炭化珪素プ
リフォームが、プリフォームと同一形状を有する成形空
洞内に入れられる一方、溶融アルミニウムが高圧で注入
される。この場合、ヒートシンク１１の内側の空洞は、
溶浸後除去される材料で一時的に充填される。これは、
液体冷却空洞が高圧溶融アルミニウムによって充填され
るのを防ぐ。
【００１７】上記のように、いったん電力放散装置１０
が溶浸されると、ベース１２および蓋１３は単体の気密
封止部材になる。このため、蓋とベースとを細心に溶接
もしくは蝋付けする必要がなくなり、これに伴うコスト
および腐食の問題も排除される。
【００１８】蓋１３およびベース１２は、動作環境にお
いて装置１０を表面に搭載する取付穴１９を含む。溶浸
の間に、蓋１３の取付穴１９は、ベース１２の取付穴１
９と整合され、加圧溶浸の場合には、マスクその他の方
法で遮断されて、それらが溶浸後もオープン状態を保つ
ようにする。これを行うには、単にモールドを挿入すれ
ばよい。さらに、蓋１３は液体アクセス穴２２を含む。
液体アクセス穴(liquid access hole)２２は、溶浸中マ
スクまたは遮断されてオープン状態を保つようにする。
液体アクセス穴２２は、冷却液が流れるように、ＭＭＣ
液体冷却ヒートシンク構造１１へのアクセスを提供す
る。
【００１９】図２は、電力放散装置１０の側面図であ
る。図２は、ＭＭＣ液体冷却ヒートシンク構造１１と一
体的に結合された絶縁層１７を示す。さらに、電子回路
２３によって構成される電子部材は、絶縁層１７の上に
マウントされる形で示される。
【００２０】絶縁層１７の反りを誇張して図２に示す。
実際には、絶縁層１７内に存在するいずれの反りも通常
裸眼では検出不可能である。しかしながら、わかりやす
くするために反り領域２４を示す。
【００２１】当業者には、異なる材料のインタフェース
間に反りもしくはボイドが時に存在することを理解され
たい。ボイド２４などのボイドは、異なる材料間の熱的
不整合、異なる層の製造の不正確さなどによって生じる
可能性がある。ここで検討する本発明の実施例では、ヒ
ートシンク構造１１および絶縁層１７などの層間のボイ
ドはいずれも、溶浸工程中に簡便かつ効果的に充填され
る。この実施例において絶縁層１７が電力放散装置全体
に一体化されるときにボイド２４はアルミニウム溶浸中
にアルミニウムによって充填される。
【００２２】このため、ヒートシンクの平坦性を確保す
る必要は排除される。従来、セラミック絶縁基板は、銅
ヒートシンクの上に半田付けされる。この銅ヒートシン
クは、予め反りを付けて半田付け後のフラット・アッセ
ンブリを確保しなければならない。この予め反りを付け
る工程はコストがかさみ、制御が難しい。本発明の実施
例において、生じ得るどの小さなボイドにもアルミニウ
ムを充填可能にすることにより、この問題が排除され
る。
【００２３】当業者には、多岐に渡る電子回路（回路２
３で表す）が、本発明の電力放散装置を利用できること
を理解されたい。たとえば、電子回路２３は複数層回路
(multi-layer circuit) でもよく、この場合、複数の絶
縁層および層間電気的接続が提供できる。さらに、本発
明による電力放散装置は、たとえば電力デバイスもしく
はマイクロプロセッサを含む多くの種類の回路に対して
効果的に動作することを理解されたい。
【００２４】当業者には、電子回路２３は周知の方法に
よってレイアウト，相互接続などできることを理解され
たい。
【００２５】以上により、改良型電力放散装置が開示さ
れたことを理解されたい。具体的には、本発明による実
施例は、複雑な形状を可能にするというモールディング
技術の利点を提供する。さらに電気絶縁と一体化された
単一の液体冷却ベースプレートが提供されると共に、熱
スタック内の層およびインタフェースの数を削減するこ
とによって熱抵抗が改良される。さらに、ＭＭＣ液体冷
却ベースプレートは、従来の銅ヒートシンクに比べ熱的
整合度が極めて高い。
【００２６】本発明の具体的な実施例を示し説明した
が、当業者は変形および改良を行おう。そのため、本発
明はここに示す特定の形状に限定されないことを理解さ
れたい。添付請求の範囲は、本発明の意図および範囲に
逸脱しないすべての変形をカバーすることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電力放散装置の分解組立斜視図を簡略化したも
のである。
【図２】電子部材をさらに含む図１の電力放散装置の側
面図である。
【符号の説明】
１０ 電力放散装置 １１ 金属マトリクス材液体冷却ヒートシンク構造 １２ ベース １３ 蓋 １４ 内部フィン １７ 絶縁層 １８ 金属パターン １９ 取付穴 ２２ 液体アクセス穴 ２３ 電子回路 ２４ ボイド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サミュエル・ジェイ・アンダーソン アメリカ合衆国アリゾナ州テンピ、ウエス ト・ダイアモンド・ドライブ911 (72)発明者 ブレント・ダブリュー・ピンダー アメリカ合衆国アリゾナ州テンピ、イース ト・マンハットン931

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力放散装置（１０）であって：ベース
    （１２）および蓋（１３）によって構成される金属マト
    リクス材液体冷却ヒートシンク構造（１１）；前記金属
    マトリクス材液体冷却ヒートシンク構造（１１）の上に
    位置する絶縁層（１７）であって、前記絶縁層（１７）
    は、前記金属マトリクス材液体冷却ヒートシンク構造
    （１１）と一体的に形成される絶縁層（１７）；およ
    び、 前記絶縁層（１７）の上に位置する電子回路（２３）；
    によって構成されることを特徴とする電力放散装置。
  2. 【請求項２】 電力放散装置（１０）を製造する方法で
    あって：金属マトリクス材液体冷却ヒートシンク（１
    １）を形成する段階；絶縁層（１７）を前記金属マトリ
    クス材液体冷却ヒートシンク（１１）と密着させて配置
    する段階；前記金属マトリクス材液体冷却ヒートシンク
    （１１）を前記絶縁層（１７）に接触させて溶浸する段
    階；電子部材（２３）を、前記絶縁層（１７）に付着す
    る段階；によって構成され、および前記形成段階は、ベ
    ース（１２）を形成する段階，蓋（１３）を形成する段
    階，前記蓋（１３）を前記ベース（１２）と密着させて
    配置する段階，および前記ベースと蓋を溶浸する段階；
    によって構成されることを特徴とする製造方法。
  3. 【請求項３】 金属マトリクス材液体冷却ヒートシンク
    （１１）；前記金属マトリクス材液体冷却ヒートシンク
    （１１）上に位置する絶縁層（１７）であって、前記絶
    縁層（１７）は液体金属による溶浸によって、前記金属
    マトリクス材液体冷却ヒートシンク（１１）と一体的に
    形成される絶縁層（１７）；前記絶縁層（１７）の上に
    位置する電子回路（２３）；によって構成され、および
    前記金属マトリクス材液体冷却ヒートシンク（１１）
    は、内部フィン（１４）および蓋（１３）を含むベース
    （１２）；によって構成されることを特徴とする電力放
    散装置。
JP6333691A 1994-01-03 1994-12-16 電力放散装置とその製造方法 Pending JPH07211832A (ja)

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