特表 2022-541154 冷却素子を製造する方法およびそうした方法によって製造された冷却素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-22

(54)【発明の名称】冷却素子を製造する方法およびそうした方法によって製造された冷却素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20220914BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220914BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H05K7/20 N

【審査請求】有

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2022501143

(86)(22)【出願日】2020-07-07

(85)【翻訳文提出日】2022-02-10

(86)【国際出願番号】 EP2020069049

(87)【国際公開番号】W WO2021005024

(87)【国際公開日】2021-01-14

(31)【優先権主張番号】102019118835.0

(32)【優先日】2019-07-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515063390

【氏名又は名称】ロジャーズ ジャーマニー ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】Ｒｏｇｅｒｓ Ｇｅｒｍａｎｙ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ａｍ Ｓｔａｄｔｗａｌｄ ２， Ｄ－９２６７６ Ｅｓｃｈｅｎｂａｃｈ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(71)【出願人】

【識別番号】503342650

【氏名又は名称】トルンプ フォトニクス，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100116322

【弁理士】

【氏名又は名称】桑垣 衛

(72)【発明者】

【氏名】ヴィーゼント、ヨハネス

(72)【発明者】

【氏名】マッハー、ミヒャエル

(72)【発明者】

【氏名】シュヴァイガー、ヘイコ

(72)【発明者】

【氏名】ベサケ、ティロ

(72)【発明者】

【氏名】ゴッティーナー、マーク

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA05

5E322AA10

5E322AB11

5E322EA11

5F136CB07

5F136CB08

5F136DA34

5F136FA01

5F136FA12

5F136FA16

5F136FA41

5F136GA40

(57)【要約】

本発明は、電気部品または電子部品（特に、半導体素子）用の冷却素子（１）を製造するための方法であって、完成した前記冷却素子（１）は、冷却流体が動作中に通ることが可能である冷却流体チャネルシステムを有する、方法に関する。前記方法は、１つ以上の第１金属層（１１）を提供する工程と、１つ以上の凹部（２１，２２）を前記１つ以上の第１金属層（１１）に提供する工程と、前記１つ以上の凹部（２１，２２）を用いて前記冷却流体チャネルシステムの１つ以上の部分的な区分を形成する工程と、を備え、前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）の１つ以上の第１部分（２１）は、加工処理、特に放電加工処理によって製造される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気部品または電子部品用、特に半導体素子用の冷却素子（１）を製造するための方法であって、製造された前記冷却素子（１）は、動作時に冷却流体が通過することが可能である冷却流体チャネルシステムを有し、前記方法は、
１つ以上の第１金属層（１１）を提供する工程と、
１つ以上の凹部（２１，２２）を前記１つ以上の第１金属層（１１）に設ける工程と、
前記１つ以上の凹部（２１，２２）によって前記冷却流体チャネルシステムの１つ以上の部分的な区分を形成する工程と、を備え、
前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの１つ以上の第１部分（２１）は、加工、特に放電加工によって設けられる、方法。

【請求項2】

１つ以上の第２金属層（１２）を提供する工程と、
前記１つ以上の第１金属層（１１）および前記１つ以上の第２金属層（１２）を積み重ね方向（Ｓ）に沿って積み重ね、前記冷却流体チャネルシステムの１つ以上の前記区分を形成する工程と、をさらに備える、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの１つ以上の第２部分（２２）は、エッチングによって設けられる、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの前記１つ以上の第２部分（２２）を形成するための前記エッチングは、前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの前記１つ以上の第１部分（２１）を前記加工によって形成する前に行われる、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

製造された状態における前記１つ以上の凹部（２１）のうちの前記１つ以上の第１部分（２１）が、その距離（Ａ１）が第１の閾値以下である対向し合う側壁を有するか、前記製造された状態における前記１つ以上の凹部（２２）のうちの前記１つ以上の第２部分（２２）が、その距離（Ａ１）が第２の閾値以上である対向し合う側壁を有するか、またはその両方である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

複数の第１金属層（１１）は同時に加工される、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記複数の第１金属層（１１）はクランピング要素（４０）に固定されている、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記１つ以上の第１金属層（１１）は０．３ｍｍを超える、好ましくは０．４ｍｍを超える、特に好ましくは０．８ｍｍを超える厚さを有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記１つ以上の第１金属層（１１）、前記１つ以上の第２金属層（１２）、またはその両方は、下被覆層（１４）と上被覆層（１５）との間に配置されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

４つ以上、好ましくは６つ以上、特に好ましくは８つ以上の、厚さが０．３ｍｍを超える、第１金属層（１１）、第２金属層（１２）、またはその両方が提供される、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

すべての第１金属層（１１）、第２金属層（１２）、またはその両方は、０．３ｍｍを超える、好ましくは０．４ｍｍを超える、特に好ましくは０．８ｍｍを超える厚さを有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記１つ以上の凹部（２１，２２）の形状は、３つ以上、好ましくは５つ以上、特に好ましくは８つ以上の第１金属層（２１）について異なる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記１つ以上の第１金属層（１１）は、好ましくは焼結によって、前記１つ以上の第２金属層（１２）に対しボンディングされる、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

単一の第１金属層（１１）が前記冷却素子（１）を形成するように用いられる、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法によって製造された冷却素子（１）であって、前記１つ以上の第１金属層（１１）における対向し合う側壁間の距離（Ａ１）は、少なくとも、０．４ｍｍ未満、好ましくは０．３ｍｍ未満、特に好ましくは０．２ｍｍ未満の範囲にある、冷却素子（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却素子を製造する方法およびそうした方法によって製造された冷却素子に関する。

【背景技術】

【0002】

電気部品および電子部品、特にレーザダイオードなどの半導体を冷却するための冷却素子は、先行技術からよく知られている。動作中、電気部品または電子部品は熱を発生させる。その熱は、電気部品または電子部品の永久機能を保証するように冷却素子によって散逸させられる。これは、特に、たった数℃の温度差によりすでに性能および／または耐用年数の損失を生じ得る、レーザダイオードに対し適用される。

【0003】

部品の冷却のため、通常部品に対し取り付けられている冷却素子は、典型的には、電気部品または電子部品から生じる熱を吸収するとともに散逸させるように、動作中に冷却流体が通過する、冷却流路システムを有する。好ましくは、冷却流体とのより大きい可能な接触面積を提供するように、複数のウェブ状要素が冷却流体チャネルシステムへと突出する、フィン構造が用いられる。これによって、冷却流体チャネルシステムを閉じる壁から冷却流体への熱伝達が向上する。

【0004】

したがって、フィン構造と流体との間の遷移における最適な冷却性能を保証にするように、可能な限りこれらのウェブ状要素の多くを最小の可能な空間において結合させることが望ましい。

【0005】

隣接するウェブ状要素の最も近い可能な配置は、２つの隣接するウェブ状要素間において製造処理によって達成されることが可能である最小可能距離によって制限される。
典型的には、ウェブ状要素は、電気部品または電子部品を、例えば、セラミック金属基板によって直接または間接的に支持する、金属層における凹部の対応するエッチングによって設けられる。その金属層および場合によっては異なった構造の金属層が、冷却流体チャネルシステムにより冷却素子を形成するように、積み重ね方向に沿って互いに積み重なって積み重ねられる。

【0006】

隣接するウェブ状要素間の比較的小さい距離は、最も薄い可能な金属層により達成されることが可能であり、その結果、積み重ね方向に沿った十分に大きい拡張を伴い、また同時に２つの隣接するウェブ状要素間の距離が小さい、ウェブ状要素を得るように、いくつかの、好ましくは２～３つの可能な限り薄い金属層を互いに積み重なって積み重ねるための確立したやり方となっていることが見出されている。しかしながら、そうしたアプローチでは、２つの隣接するウェブ状要素間の最小距離は、積み重ねられた金属層間の積み重ね方向に対し垂直な方向に生じるずれに起因して、０．３ｍｍ以上に制限される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

これに基づいて、本発明は、先行技術から知られている冷却素子と比較して向上した冷却効果を有する冷却素子を提供する目的を設定する。本発明では、特に、冷却流体チャネルシステム用のより微細に構造化された凹部が可能である。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この目的は、請求項１に係る方法、請求項８に係るその方法および請求項１０に係る冷却素子によって解決される。本発明のさらなる利点および特徴が、従属請求項ならびに本記載および添付の図面から得られる。

【0009】

本発明の第１の態様によれば、電気部品または電子部品（特に、半導体素子）用の冷却素子を製造するための方法が提供され、製造された前記冷却素子は、冷却流体が動作時に通過可能である冷却流体チャネルシステムを備える。

【0010】

前記方法は、１つ以上の第１金属層を提供する工程と、１つ以上の凹部を前記１つ以上の第１金属層に設ける工程と、前記１つ以上の凹部によって前記冷却流体チャネルシステムの１つ以上の部分的な区分を形成する工程と、を備える。

【0011】

前記１つ以上の第１金属層における前記１つ以上の凹部の１つ以上の第１部分は、加工、特に放電加工によって設けられる。
先行技術から知られている方法と比較して、本発明によれば、前記１つ以上の第１金属層における前記１つ以上の凹部の少なくとも一部は、加工、特に放電加工（例えば、ワイヤ加工または浸漬加工）によって設けられる。加工は、特に、非常に小さいまたは微細に構造化された凹部または凹部の区分を形成することを可能にする。特に、凹部の区分（すなわち、１つ以上の凹部のうちの第１部分）も設けられることが可能である。１つ以上の金属層における２つの対向し合う側面（例えば、隣接するウェブ状要素同士の）間の距離には、０．３ｍｍ未満の値が割り当てられることが可能である。対応して、凹部は、特に、いくつかの第１金属層を互いに積み重なって積み重ねる必要なく、非常に狭いチャネル区分、または続けて製造される冷却流体チャネルシステム（冷却流体が通過することが可能）における区分を形成する、単一の第１金属層に設けられることが可能である。結果として、冷却素子の冷却効果を大幅に改良することが可能であるように、先行技術から知られているものと比較して、遥かに小さく狭い冷却構造（例えば、冷却素子におけるフィン構造）が生成されることが可能である。

【0012】

好ましくは、放電加工または加工は、導体材料についての熱アブレーションである。その処理は、ツールとしての電極と１つ以上の第１金属層との間の電極放電処理（スパーク）に基づく。特に、ＤＩＮ８５８０標準に従うアブレーションに従って、放電加工が行われる。１つ以上の第１金属層における１つ以上の凹部は、１つ以上の第１金属層全体を通じて広がる（好ましくは、ワイヤ加工によって生成される）ことが可能である。または、１つ以上の第１金属層における１つ以上の凹部は、ブラインドホール状に形成される（例えば、１つ以上の第１金属層における浸漬加工によって設けられる）。

【0013】

加工中、好ましくは、非導体媒質（例えば、オイルまたは脱イオン水）において機械加工が行われる。電極ツールは、次いで、製品の０．００４～０．５ｍｍ内に（すなわち、１つ以上の第１金属層に）導かれる。続けて、スパークのフラッシュオーバーが、印加電圧の増加によって選択的に誘起されるとすぐに、発生したスパークは、材料を点状に融解し蒸発させる。その結果、１つ以上の凹部が、１つ以上の第１金属層において設けられる。さらに、好ましくは、冷却素子は、電気部品または電子部品が接続されることが可能である接続面を備える。１つ以上の第１金属層における１つ以上の第１凹部のうちの１つ以上の第１部分は、この接続面に隣り合う。すなわち、加工によって形成された１つ以上の凹部の第１部分は、接続面に隣接するおよび／または近接して形成される。

【0014】

特に好ましくは、半導体素子は、冷却効率が自身の電力効率および寿命にとって非常に重要であるレーザダイオードである。さらに、加工によって製造された第１部分は、後に製造される冷却素子におけるフィン構造の一部であることが想定される。たとえば、第１部分は、効果的な熱散逸のために冷却流体が通過するフィン構造の一部である、２つのウェブ状要素間の間隙を形成する。

【0015】

好ましくは、その方法は、
－１つ以上の第２金属層を提供する工程と、
－前記１つ以上の第１金属層および前記１つ以上の第２金属層を積み重ね方向に沿って積み重ね、前記冷却流体チャネルの１つ以上の前記区分を形成する工程と、をさらに備える。

【0016】

特に、１つ以上の第１金属層および／または１つ以上の第２金属層は、主面に沿って広がり、また主面に対し垂直な積み重ね方向に沿って互いに積み重なって積み重ねられる。
好ましくは、冷却素子は、１つ以上の第３金属層を備える。その第３金属層もまた、主面に沿って延び、１つ以上の第１金属層および１つ以上の第２金属層とともに積み重ね方向に垂直な方向に積み重ねられて配置される。特に、１つ以上の第１金属層、１つ以上の第２金属層および１つ以上の第３金属層は、１つ以上の凹部の位置および形状の点において互いに異なる。特に、積み重ねられた状態において上下に配置されている１つ以上の第１金属層、１つ以上の第２金属層および／または１つ以上第３金属は、熱を接続面から離れるように伝えるように冷却流体が動作中に通ることが可能である冷却流体チャネルシステムを形成する。

【0017】

特に、１つ以上の凹部の１つ以上の第１部分は、１つ以上の第１金属層、１つ以上の第２金属層および／または１つ以上の第３金属層における加工によって形成される。さらに、冷却流体チャネルシステムは、特に、供給領域および排出領域を備える。供給領域および排出領域は、例えば、１つ以上の第１金属層、１つ以上の第２金属層および／または１つ以上の第３金属層を通じて広がる。冷却流体チャネルシステムは、好ましくは、冷却流体が供給領域から排出領域まで移送されたときに、冷却流体が、加工によって作り出された凹部の第１部分を通過する必要があるように構成される。好ましくは、冷却流体は、供給領域から排出領域までの遷移中、フィン構造を通過する。特に、冷却流体が、積み重ね方向に沿って冷却流体チャネルを通過すること、特に、積み重ね方向に沿ってフィン構造を通過することが意図される。

【0018】

さらに、冷却流体チャネルシステムは、冷却流体チャネルシステムを通る流体が、１つ以上の第１金属層から１つ以上の第２金属層を通じて１つ以上第３金属層へと通るとすぐに、流体は１つ以上の第３金属層に逸れ、１つ以上の第２金属層および／または１つ以上の第１金属層へと戻って通るように設計される。ここで、冷却流体は再び、冷却流体チャネルシステムの排出領域に対するアクセスを有し、また、それに応じて冷却流体チャネルシステムから排出されることが可能である。これに代えて、第１金属層および／または第２金属層は、冷却流体が単一の流れ方向に沿って案内される流体チャネル経路へとフィンが突出する、フィン構造を形成することが想定される。主として、ウェブ状要素が加工によって生成される、冷却流体チャネルシステムの多様な設計が想定される。

【0019】

１つ以上の第１金属層、１つ以上の第２金属層および／または１つ以上第３金属層に加えて、さらなる対応する金属層および／または上被覆層および／または下被覆層が提供される。冷却素子と電気部品または電子部品との間に絶縁が必要である場合、好ましくは、上被覆要素および／または下被覆要素が、金属セラミック複合物として形成される。その金属セラミック複合物では、セラミック層は、対応する絶縁を提供するように、好ましくは、２つの金属層間に配置される。１つ以上の第１金属層、１つ以上の第２金属層、および１つ以上の第３金属層とは対照的に、上被覆部材および／または下被覆部材は、加工によって作り出された１つ以上の凹部のうちの第１部分を有しなくてよい。これに代えて、頂部被覆層および／または底部被覆層が、冷却流体チャネルシステムの供給エリアおよび／または排出エリア用の入力開口および／または出力開口として、および／または冷却素子用の締付手段およびロック補助として提供される、凹部および／またはさらなる凹部を有する。

【0020】

本発明の１つの実施形態によれば、１つ以上の第１金属層における凹部のうちの少なくとも第２部分はエッチングによって設けられる。このようにして、２段階にて１つ以上の凹部を形成することが、有利には可能である。大面積区分または凹部の第２部分が、第１準備工程において、例えばエッチングによって形成される。特に、大面積区分では、２つの対向し合う側壁間の距離が可能な限り小さい必要はないため、ここでは確立したエッチング処理を用いることが有利であると示される。一方、微細に構造化された凹部区分または凹部の第１部分は、加工によって、好ましくはエッチングに続く製造処理において生成される。このようにして、複雑な加工処理は、１つ以上の第１金属層における可能な限り小さい区分に限定されることが可能である。これは、製造時間および製造費用において良い効果を有する。

【0021】

好ましくは、前記１つ以上の第１金属層における前記１つ以上の凹部のうちの前記１つ以上の第２部分を形成するための前記エッチングが、前記１つ以上の第１金属層における前記１つ以上の凹部のうちの前記１つ以上の第１部分を形成する前に一時的に提供される。これによって、有利には、第２部分を作り出すことにより、続けて加工によって第１部分について所望の構造を生じるように、例えば、ワイヤが、すでにエッチングされた第２部分へと容易に挿入されることが可能であるため、第１部分の形成のための加工のためのアクセスが単純化される。

【0022】

本発明の１つの実施形態によれば、製造された状態における少なくとも第１部分は、その間隔が第１の閾値以下である対向し合う側壁を有するか、前記製造された状態における少なくとも第２部分は、その間隔が第２の閾値以上である対向し合う側壁を有するか、またはその両方である。好ましくは、第１の閾値は第２の閾値に対応する。したがって、１つ以上の凹部の少なくとも第２部分から１つ以上の第１凹部のうちの第１部分の範囲を定めることが可能である。また、それぞれの部分的な区分の必要とされる距離または寸法決定に従って、対応する処理を適用することが可能である。これは、一方では、第１部分における最小可能距離を保証し、他方、第２部分では、２つの対向し合う側壁間の大きい距離のため、費用がかかる加工処理に頼る必要がない。

【0023】

本発明の１つの実施形態によれば、いくつかの第１金属層は、同時に加工される。特に、互いに積み重なって積み重ねられるいくつかの第１金属層において各々、ワイヤ加工によって同時に、凹部の第１部分を設けられることが意図される。その結果、いくつかの第１金属層には、単一の加工工程において凹部の第１部分が提供される。特に、最大４０個の金属層が同時に加工されることが可能であることが見出されている。特に、これは、約４ｃｍの積み重ねられた第１金属層の総密度に対応する。したがって、最大４０個の第１金属層が、次いで、１つの加工工程において設けられることが可能である。その第１金属層の各々は、後に冷却素子の一部となる。

【0024】

本発明の１つの実施形態によれば、いくつかの第１金属層は、クランピング要素に固定される。クランピング要素によって、積み重ねられた第１金属層を、ともに加工することができるように、ともに輸送することが有利には可能である。この目的のため、クランピング要素には、特に、複数の第１金属層に対するアクセスを保証する開口が提供される。その結果、複数の第１金属層の同時の加工が可能である。特に、いくつかの第１金属層は、クランピング要素の第１の半分の固定部と第２の半分の固定部との間に配置される。

【0025】

本発明の１つの実施形態によれば、少なくとも第１金属層は、０．３ｍｍを超える、好ましくは０．４ｍｍを超える、特に好ましくは０．８ｍｍを超える、積み重ね方向において測定される厚さを有する。いくつかの薄い少なくとも第１金属層が重ねて置かれている先行技術から知られている処理とは対照的に、加工中に、第１金属層に比較的厚い（特に、０．３ｍｍを超える厚さを有する）凹部を提供することが有利には可能である。これは、特に、１つ以上の第１金属層において、いくつかの第１金属層を互いに積み重なって積み重ねる必要なく、非常に狭いが深い構造化を実現することを可能にする。これは、製造処理を単純化し、１つ以上の第１金属層における１つ以上の凹部の第１部分によって形成されたフィン構造の安定性および弁別性を高める。

【0026】

好ましくは、１つ以上の第１金属層および／または１つ以上の第２金属層は、下被覆層と上被覆層との間に配置される。換言すると、１つ以上の第１金属層および／または第２金属層は、上被覆層および下被覆層を形成しない。特に、この場合、１つ以上の第１金属層は、０．３ｍｍを超える、好ましくは０．４ｍｍを超える、特に好ましくは０．８ｍｍを超える厚さを有する。最後に、上被覆層と下被覆層との間に適切な厚さの第１金属層を有していても、個々の層の互いに対する側方方向のずれによって製造された流体チャネルにおける締付を生じる危険がなく組み立てることも容易である、動作可能に信頼性のある流体チャネルを作り出すことが可能であることが示されている。これは、特に、冷却構造内に設けられる狭い流体チャネルを可能にする。

【0027】

さらに、好ましくは、４つ以上、好ましくは６つ以上、特に好ましくは８つ以上の第１金属層および／または第２金属層が提供され、第１金属層および／または第２金属層の厚さは０．３ｍｍを超える。換言すると比較的厚い第１金属層および／または第２金属層の使用は、外側被覆層または部分的な層などの個々の層に限定されない。

【0028】

本発明のさらなる実施形態によれば、すべての第１金属層および／または第２金属層は、０．３ｍｍを超える、好ましくは０．４ｍｍを超える、特に好ましくは０．８ｍｍを超える厚さを有する。例えば、すべての第１金属層および／または第２金属層は、０．５ｍｍ＋／－０．２、好ましくは１ｍｍ＋／－０．４ｍｍ、特に好ましくは１．２ｍｍ＋／－０．５ｍｍの厚さを有する。

【0029】

好ましくは、１つ以上の凹部の形状は、３つ以上、好ましくは５つ以上、特に好ましくは８つ以上の第１金属層について異なる。複雑な冷却システムは、有利には、１つ以上の第１金属層および／または１つ以上の第２金属層が、特に比較的厚く、また薄い凹部を有する場合、それらを積み重ねることによって設けられることも可能であることが見出されている。

【0030】

さらに、好ましくは、１つ以上の第１金属層は１つ以上の第２金属層に対し、好ましくは焼結によってボンディングされる。特に、１つ以上の第１金属層は、１つ以上の第２金属層に対し、特に好ましくは１つ以上の第３金属層に対し、接着促進剤またはろう付け材料を使用することなく、ボンディングされる。例えば、それらの金属層は、冷却素子用のモノリシック基板本体が形成されるように、適切な加熱によって、ともに接合される。

【0031】

さらに、好ましくは、単一の第１金属層が冷却素子を形成するように用いられる。したがって、第１金属層についての第１区分におけるいくつかの薄い第１金属層の費用のかかる積み重ねを不要とすることが可能である。その結果、製造処理が大幅に単純化される。これは、特に、より薄い第１金属層が、１つ以上の凹部の第１区分において比較的非常に薄い構造化を実現するように用いられることが可能であるため、可能である。

【0032】

本発明のさらなる目的は、本発明に係る方法によって製造される冷却素子である。１つ以上の凹部の第１部分における対向し合う側壁間の距離は、０．４ｍｍ未満、好ましくは０．３ｍｍ未満、特に好ましくは０．２ｍｍ未満である。方法について記載されるすべての特性および利点は、冷却素子と同様に転用されることが可能であり、また冷却素子について記載されるすべての特性および利点は、方法と同様に転用されることが可能である。

【0033】

さらに、本発明の１つの実施形態によれば、ウェブ状要素は、直線により、および／または、特に、１つ以上の第１金属層の中心軸に対し、ある角度にておよび／または曲がって、冷却流体チャネルシステムへと突出することも予想される。さらに、１つ以上の第１金属層におけるウェブ要素またはウェブ状要素の配向は、１つ以上の第３金属層および／または１つ以上の第２金属層におけるウェブ状要素の配向または整合位置とは異なることが想定される。好ましくは、ウェブ状要素の形状および設計は、それぞれの用途における必要に、またはそれぞれの電気部品または電子部品に合わせられることが可能である。好ましくは、対向し合う側壁間の距離は、０．１０ｍｍと０．３ｍｍとの間、特に好ましくは０．１５と０．２８ｍｍとの間の値、また特に好ましくは約０．２の値であることが想定される。２つの隣接するウェブ状要素間の距離の寸法決定に加えて、その距離を、冷却流体の経路についてのポンプ電力を対応して大幅に増加させないように、小さくしすぎないことが有利であることも見出されている。対応して、特定の距離が、最適化された冷却効率と冷却流体チャネルシステムを通じて冷却流体を通過させるのに必要なポンプ電力との間の驚くべき有利なトレードオフである結果となっている。

【0034】

さらなる利点および特徴が、添付の図面を参照して、本発明の主題の好ましい実施形態の記載から明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明の第１の例示的な実施形態に係る冷却素子の概略的な分解図。

【図2】図１からの冷却素子用の第１金属層の概略図。

【図3】本発明の第２の例示的な実施形態に係る冷却素子の概略図。

【図4】本発明の好ましい実施形態に係る冷却素子を製造する方法のためのクランピング要素の概略図。

【発明を実施するための形態】

【0036】

図１は、本発明の第１の好ましい実施形態に係る冷却素子１の分解図を概略的に示す。特に、冷却素子１は、電気部品または電子部品（図示せず）、特に半導体素子および特に好ましくはレーザダイオードを冷却するために提供されるものである。電気部品または電子部品を冷却するため、製造された冷却素子１は、冷却流体が動作時に電気部品または電子部品から生じる熱を吸収するとともに運び去ることが可能であるように、冷却流体が動作時に通ることが可能である冷却流体チャネルシステムを形成する。

【0037】

この目的のため、供給エリアおよび排出エリアが、好ましくは冷却素子１に、特に冷却流体チャネルシステム（図示せず）において提供される。冷却流体は、供給エリアを通じて導入され、排出エリアを通じて再び排出される。好ましくは、冷却流体チャネルシステムは、冷却流体１が、フィン構造２５（特に、冷却流体チャネルシステムへと突出する）を供給エリアから排出エリアへの遷移において通過するように設計される。フィン構造２５は、好ましくは、ウェブ状要素７または冷却チャネルシステムの壁から流体への効果的な熱の伝達が可能であるように、流体に最大可能接触面積を提供するように冷却流体チャネルシステムへと突出するウェブ状要素７である。

【0038】

好ましくは、冷却素子１は、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属層１３を備える。冷却流体チャネルシステムを形成するため、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属層１３は、それらが互いに積み重なって積み重ねられることによって、または積み重ね方向Ｓに沿って互いに積み重なって置かれることによって冷却流体チャネルシステムを形成するように、１つ以上の凹部２１，２２によって構造化される。

【0039】

特に、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属層１３は、各々異なるように構造化されるか、または異なるように広がる凹部２１，２２が提供される。特に、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属層１３は、特に、積み重ね方向Ｓに対し垂直に広がる主面ＨＳＥにおいて延びるウェブ状要素７を有する、１つ以上の凹部２１，２２における１つ以上の第１部分２１を形成する。１つ以上の第１金属層１１における１つ以上の凹部２１，２２のうちの第１部分２１に加えて、好ましくは、１つ以上の第１金属層１１における１つ以上の凹部２１，２２のうちの第２部分２２が、冷却流体を第１部分２１へと給送するもしくは第１部分２１から排出するために提供され、または給送エリアおよび／または排出エリアの部分を形成する。

【0040】

冷却素子１は、好ましくは、上被覆層および下被覆層によって積み重ね方向Ｓにおいて閉じられる。１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属１３は、積み重ね方向Ｓにおいて見られるように、下被覆層１４と上被覆層１５との間に配置される。特に、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上第３金属層１３は、上被覆層１５と下被覆層１４との間に挟まれる。第１部分２１および第２部分２２からなる１つ以上の凹部２１，２２に加えて、好ましくは、冷却素子１または１つ以上の第１金属層１１は、フィン構造２５を有する冷却流体チャネルシステムの部分ではない、さらなる凹部２４を有する。さらに、好ましくは、接続面３０が、上被覆層１５および／または下被覆層１４に提供される。特に、電気部品または電子部品は、特に積み重ね方向Ｓにおいて見られるように、好ましくは積み重ね方向Ｓに対し垂直な方向に延びるフィン構造２５の上下において、この接続面３０に対し接続される。換言すると、フィン構造２５、特にそのウェブ状要素７は、接続面３０の下に、好ましくは接続面３０に平行に延びる。端子エリア３０の上または下におけるウェブ状要素７からなるフィン構造２５の対応する配置によって、電気部品または電子部品は、フィン構造２５によって効果的に冷却されることが可能である。

【0041】

図２は、例えば図１において設置された１つ以上の第１金属層１１の概略図を示す。示される実施形態では、フィン構造２５は、主面ＨＳＥにおいて見て、異なる程度に延びるウェブ状要素７から形成される。特に、ウェブ状要素７の長さは、１つ以上の第１金属層１１の中心軸Ｍに向かって増加する。このようにして、有利な手法により、特に接続面３０の中心領域では、可能な限り冷却効果を最大化することが可能である。さらに、ウェブ状要素は中心軸Ｍに平行および／または斜めに延びることが想定される。好ましくは、ウェブ状要素７の形状、特にウェブ状要素７の長さおよび／または主面ＨＳＥに沿った中心軸Ｍに対する傾斜は、対応する電気部品または電子部品を冷却するための対応する必要プロファイルによって決定されまたは指定される。

【0042】

２つの隣接するウェブ状要素７間の最小可能距離Ａ１を達成するように、１つ以上の第１金属層１１における１つ以上の凹部２１，２２のうちの第１部分２１は、加工、特に放電加工によって作られる。特に、これはワイヤ加工によって製造される。

【0043】

さらに、１つ以上の凹部２１，２２のうちの第２部分２２は、エッチングによって行われる。好ましくは、エッチングは、凹部２１，２２のうちの第２部分２２の特に大面積領域において、すなわち、冷却流体の供給および排出用に形成された続く供給領域および／または排出領域において行われる。対照的に、加工は、凹部２１，２２の微細に構造化された形成（すなわち、凹部２１，２２のうちの第１部分２１）のために提供されることが特に予想される。これは、２つのウェブ状要素７間の最小可能距離を実現するために重なるよう積み重ねられる必要がある、１つ以上の凹部２１，２２のうちのエッチングされた第１部分２１を有するいくつかの第１金属層１１に依存する必要なく、ウェブ状要素７同士の間の比較的非常に小さい距離を生成することを可能にすることが見出されている。好ましくは、２つのウェブ状要素７間の対向し合う側壁間の距離Ａ１は０．４ｍｍ未満、好ましくは０．３ｍｍ未満、特に好ましくは０．２ｍｍ未満である。これによって、可能な限り多くのウェブ状要素７がフィン構造２５へと集約されることが可能となる。したがって、冷却流体と冷却流体チャネルシステムの転換部との間の接触面積が対応して増加することが可能であるため、冷却効果を増加させることが可能である。

【0044】

好ましくは、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２、１つ以上の第３金属層１３、上被覆層１５および／または下被覆層１４は、０．２ｍｍと０．７ｍｍとの間、好ましくは０．３５ｍｍと０．６ｍｍとの間、特に好ましくは０．３ｍｍと０．４ｍｍとの間の、積み重ね方向Ｓにおいて測定される厚さを有する。好ましくは、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属層１３は、各々同一の厚さを形成する。さらに、好ましくは、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上第３金属層１３の微細構造が対応する温度処理によって互いへと合体または融合するため、１つ以上の第１金属層１１、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属層１３は、焼結処理の過程において集約冷却流体チャネルシステムへと形成される。さらに、上被覆層１５および／または下被覆層１４は、１つ以上の凹部２１，２２および／またはさらなる凹部２４を各々有する。上被覆層１５および／または下被覆層１４には、好ましくは、ウェブ状要素７または続くフィン構造２５の部品がない。さらなる凹部２４は、好ましくは、冷却素子１を締め付けるまたは固定するために提供される。

【0045】

図３は、第２の好ましい実施形態に係る冷却素子１を示す。ここで、冷却素子１は、図１における冷却素子１に本質的には対応し、下被覆層１４および／または上被覆層１５が金属セラミック複合物として形成される点においてしか本質的に異ならない。特に、この場合は、上被覆層１５および／または下被覆層１４は、両面が、例えば、金属層（好ましくは、銅層）により覆われたセラミック層（好ましくは、窒化アルミニウムの）を各々有する。例えば、積み重ね方向Ｓにおいて測定される厚さが０．１ｍｍ～０．５ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ～０．４ｍｍ、特に好ましくはほぼ０．３８ｍｍの値を想定する窒化アルミニウムのセラミック層である。一方、セラミック層を覆う外側金属層は、０．０５ｍｍと０．４ｍｍとの間、好ましくは０．１ｍｍと０．３ｍｍとの間、特に好ましくは０．１５ｍｍと０．２５ｍｍとの間の厚さを各々有する。

【0046】

特に、セラミック層の反対側に形成される金属層は異なる厚さを有することが意図される。例えば、１つの金属層は０．２ｍｍの銅厚を有し、一方、反対の銅層は、銅層に対する金属層のボンディング処理後の特にダイヤモンド研削によって設けられる、０．１２ｍｍの厚さを有する。好ましくは、上被覆層１５および／または下被覆層１４は、ＤＣＢ処理によって生成された金属セラミック複合物である。

【0047】

さらに、好ましくは、図３の冷却素子１は封止要素支持層１７を有する。封止要素支持層１７では、または封止要素支持層１７により、冷却素子１の給送および排出領域用の接続領域における対応する封止を保証するように、例えば、Ｏリングが固定されることが可能である。好ましくは、封止要素支持層１７は、対応する凹部２１，２２またはさらなる凹部２４を有する金属層である。封止要素支持層１７は、０．１ｍｍと０．４ｍｍとの間、好ましくは０．１ｍｍと０．４ｍｍとの間、特に好ましくは０．２ｍｍと０．３ｍｍとの間の、積み重ね方向において測定される厚さを有することが可能である。

【0048】

さらに、図３の実施形態は、冷却素子１が自身の上被覆層１５にて閉鎖されている点、また冷却流体を供給するための入口開口および冷却流体を排出するための出口開口が下被覆層１４にて排他的に形成されている点において、図１の実施形態とは異なる。その結果、下被覆層１４を介して冷却素子１へと導入される冷却流体が、積み重ね方向Ｓに沿って冷却素子１を通過し、１つ以上の第３金属層１３に逸れ、次いで再び反対方向にて冷却素子１を離れる。金属セラミック複合物から作られた上被覆層１５および下被覆層１４は、冷却素子１が、冷却素子１に対しまたは冷却素子１に対し取り付けられた部品から電気的に絶縁される必要があるそれらの応用にとって、特に有利であることが示される。

【0049】

図４は、本発明の好ましい実施形態に係る冷却素子１を製造する方法のためのクランピング要素４０の概略図を示す。特に、ここでは、クランピング要素４０は、複数の第１金属層１１を収容するように設計されている。特に、複数の第１金属層１１は、クランピング要素４０において積み重ね方向Ｓに沿って上下に配置される。好ましくは、最大２０個の第１金属層１１、好ましくは最大３０個の第１金属層、特に好ましくは最大４０個の第１金属層１１が、クランピング要素４０において積み重ね方向Ｓに沿って上下に配置され、また第１の半分の固定部４１と第２の半分の固定部４２との間にサンドイッチ状にクランピングされる。

【0050】

この場合、特に、第１の半分の固定部４１および第２の半分の固定部４２は、互いに反対に配置されるプレート状部品として設計され、特に、好ましくは、第１の半分の固定部４１と第２の半分の固定部４２との間に配置された第１金属層１１に対し認められるアクセスを可能にする開口４６、特に窓状または床窓状の開口４６を各々有する。これによって、第１の半分の固定部４１と第２の半分の固定部４２との間に配置された第１金属層１１は、少なくとも第１金属層１１における１つ以上の凹部２１，２２の少なくともそれぞれの第１部分２１を形成するように、ともに加工されることが可能である。

【0051】

好ましくは、第１の半分の固定部４１と第２の半分の固定部４２との間にクランピングされる前に、第１金属層１１には、第１金属層１１の後の製造された状態において、冷却素子へと組み立てられる前に好ましくは１つ以上の凹部２１，２２のうちの第２部分２１を提供する、エッチングイン構造またはエッチングオン構造がすでに提供される。したがって、これにより、大面積エッチングによって、１つ以上の第１金属層１１における１つ以上の凹部２１，２２に大面積区間を設けることが可能となる。一方、微細な構造のウェブ状要素７は、通常のワイヤ加工によって設けられる。さらに、すでに予めエッチングされた第１金属層１１を、クランピング要素４０によるのと同時にＥＤＭに提供すること、または第１金属層１１をこのクランピング要素４０において適切に輸送することが、有利には可能である。子の接続では、特に好ましくは、第１の半分の固定部４１および第２の半分の固定部は、対応する固定手段４４により互いに接続されるか、または、第１の半分の固定部４１および第２の半分の固定部がその間に配置された第１金属層１１を固定するように接続される。例えば、締付手段４４はねじである。

【0052】

好ましくは、締付手段４４は、一様に締めるためにクランピング要素４０の各角部に提供される。この場合、特に、固定手段４４は、可能な限り複数の第１金属層１１を、第１金属層１１の正確な数とは独立して、十分に固定することが可能である。すなわち、第１の半分の固定部４１と第２の半分の固定部との間の距離は、特に対応する固定手段４４によって、可変的に調整されることが可能である。その結果、第１金属層１１の数における対応する偏差は容易に補償されることが可能である。ともに加工された複数の第１金属層１１は、次いで、それぞれの冷却素子１（好ましくは、単一の第１金属層１１しか必要としない）を形成するように、各々用いられることが可能である。１つ以上の第１金属層１１についてここに記載される手順は、当然ながら、１つ以上の第２金属層１２および／または１つ以上の第３金属層１３に対して同様に転用されることが可能である。

【符号の説明】

【0053】

１ 冷却素子
７ ウェブ状要素
１１ 第１金属層
１２ 第２金属層
１３ 第３金属層
１４ 下面層
１５ 上面層
１７ 封止要素支持層
２１ 凹部の第１部分
２２ 凹部の第２部分
２４ さらなる凹部
２５ フィン構造
３０ 接続エリア
４０ クランピング要素
４１ 第１の半分の固定部
４２ 第２の半分の固定部
４４ 固定手段
４６ 開口
Ａ１ 距離
Ｓ 積み重ね方向
Ｍ 中間軸
ＨＳＥ 主面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2021-03-23

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気部品または電子部品用、特に半導体素子用の冷却素子（１）を製造するための方法であって、製造された前記冷却素子（１）は、動作時に冷却流体が通過することが可能である冷却流体チャネルシステムを有し、前記方法は、
１つ以上の第１金属層（１１）を提供する工程と、
１つ以上の凹部（２１，２２）を前記１つ以上の第１金属層（１１）に設ける工程と、
前記１つ以上の凹部（２１，２２）によって前記冷却流体チャネルシステムの１つ以上の部分的な区分を形成する工程と、を備え、
前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの１つ以上の第１部分（２１）は、加工、特に放電加工によって設けられ、
前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの１つ以上の第２部分（２２）は、エッチングによって設けられる、方法。

【請求項2】

１つ以上の第２金属層（１２）を提供する工程と、
前記１つ以上の第１金属層（１１）および前記１つ以上の第２金属層（１２）を積み重ね方向（Ｓ）に沿って積み重ね、前記冷却流体チャネルシステムの１つ以上の前記区分を形成する工程と、をさらに備える、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの前記１つ以上の第２部分（２２）を形成するための前記エッチングは、前記１つ以上の第１金属層（１１）における前記１つ以上の凹部（２１，２２）のうちの前記１つ以上の第１部分（２１）を前記加工によって形成する前に行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

複数の第１金属層（１１）は同時に加工される、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記複数の第１金属層（１１）はクランピング要素（４０）に固定されている、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記１つ以上の第１金属層（１１）は０．３ｍｍを超える、好ましくは０．４ｍｍを超える、特に好ましくは０．８ｍｍを超える厚さを有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記１つ以上の第１金属層（１１）、前記１つ以上の第２金属層（１２）、またはその両方は、下被覆層（１４）と上被覆層（１５）との間に配置されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

４つ以上、好ましくは６つ以上、特に好ましくは８つ以上の、厚さが０．３ｍｍを超える、第１金属層（１１）、第２金属層（１２）、またはその両方が提供される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

すべての第１金属層（１１）、第２金属層（１２）、またはその両方は、０．３ｍｍを超える、好ましくは０．４ｍｍを超える、特に好ましくは０．８ｍｍを超える厚さを有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記１つ以上の凹部（２１，２２）の形状は、３つ以上、好ましくは５つ以上、特に好ましくは８つ以上の第１金属層（２１）について異なる、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記１つ以上の第１金属層（１１）は、好ましくは焼結によって、前記１つ以上の第２金属層（１２）に対しボンディングされる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

単一の第１金属層（１１）が前記冷却素子（１）を形成するように用いられる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法によって製造された冷却素子（１）であって、前記１つ以上の第１金属層（１１）における対向し合う側壁間の距離（Ａ１）は、少なくとも、０．４ｍｍ未満、好ましくは０．３ｍｍ未満、特に好ましくは０．２ｍｍ未満の範囲にある、冷却素子（１）。

【国際調査報告】