[發明專利]用于冷卻半導體元件特別是光電子半導體元件的冷卻裝置

無效

• 申請號: 200580045557.6
• 申請日: 2005-12-01
• 公開（公告）號: CN101095228A
• 公開（公告）日: 2007-12-26
• 發明（設計）人: G·博格納;H·布倫納;S·格羅特施;G·勒夫蘭克
• 申請（專利權）人: 奧斯蘭姆奧普托半導體有限責任公司
• 主分類號: H01L23/473
• 分類號: H01L23/473;H01L23/467;H01L23/427
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 曹若;趙辛

本發明涉及一種冷卻裝置，用于冷卻一種半導體元件特別是一種光學半導體元件，采用液態和氣態介質以實現熱傳遞。

在各種半導體元件普遍地不斷提高效率的情況下，如何相應地提高散熱便成了主要問題之一。半導體元件的過熱是必須加以防止的，這是因為它首先會損害其功能，而且在嚴重的過熱情況下半導體元件也可能受損。

迄今已知對電學半導體元件可用不同的冷卻技術。在專利文獻US6,252,726?B1中公開了使用所謂的熱管，以便在光學半導體元件情況下實現耗散性的熱傳遞。

在專利文獻US?2003/0151896?A1中公開了一種溫差環流系統的應用，借以將一種特制的半導體元件的多余的熱能釋放到環境空氣中。于此，要附帶地設立一冷卻裝置，該冷卻裝置配有不同部分如導熱體和冷凝區。

具有較大功率的光電子半導體元件的應用，如發光二極管(LEDs)、激光器或LED-或激光器-場裝置，在日常使用中日益受到重視。光電子半導體元件作為備件，可用于室內照明方面的傳統發光體，用于汽車制造業，娛樂電子工業，或者用作為激光的有效源。迄今都將光電子半導體元件安置在金屬柵板上、鋁花線上或金屬芯板上，以便能夠更好地排去由于損耗功率產生的熱量。出于成本原因，通常不使用有源的冷卻系統。

隨著功率的提高，在一定程度上對半導體元件的光通量和光流密度的要求也提高了，所以通過散熱的傳統冷卻方法就不再夠用了。

配有導熱體(熱管、溫差環流系統)和冷凝器的傳統上分開的冷卻裝置的實施，由于其占地較大之故，總歸妨礙光電子半導體元件的使用可能性。這種冷卻裝置的各附屬部分都要占用場地，造成該裝置的附加重量，限制其結構設計的自由度，而且會涉及生產成本增高。上述這些事實就是對光電子半導體元件擴大商業用途的限制因素。

本發明的任務是提供一種簡化的可靈活使用的或者可多方面集成的冷卻裝置。尤其是，一種冷卻系統的各組成部分應當與一種半導體元件特別是與一種光電子半導體元件在功能上相集成。依此，一冷卻系統的能附帶地完成另一種功能的組成部分最好能與一種半導體元件相集成。

上述任務是通過具有權利要求1中所述特征的一種冷卻裝置加以解決的。本發明的各項優選方案是各項從屬權利要求的主題。

這種冷卻裝置是為了一種半導體元件、特別是一種光電子半導體元件的冷卻而設計的，它至少在一個或多個局部范圍內具有一第一層和一第二層及一用于散熱的裝置，其上的第一層和第二層是彼此平面地相互疊置的，而且至少在一個或多個局部范圍內，兩個層中的一層配有這樣一種結構，該結構是為了支承散熱用的裝置而設計的。

使用帶有集成的排放通道的雙壁式的層系統是特別有利的。層系統可以由結構化的和非結構化的層組合而成。它們可以用作為導熱體(熱管)或用作為溫差環流系統，或者與一種集成的疏松透氣的固體物相結合而用作為熱基或用作為冷凝區。與此同時，各個層還可以單獨地或者聯合地執行其它功能，例如作為：汽車車體部分，燈罩，支腳，支架，儀器外殼，反射器，光學部件，以及支持部。

這種功能上的二元概念具有若干優點：可以減少或不需使用附加的部分，因為冷卻裝置可以與一要被冷卻的、具有一半導體元件的半導體裝置的一部分或多個部分相結合，例如與一個或多個反射體相結合，或者與一外殼相結合，其中，這些部分總是優選為半導體裝置配備的。還可借此減小或避免附加的重量。冷卻裝置和光電子半導體元件的使用可能性在不斷增加，因為在越來越小的體積上可以簡單地實現越來越大的效率。

本發明的一種優選的實施方式為冷卻提供了溫差環流系統的結合。在采用一種溫差環流系統的情況下，冷卻液的冷凝物借助其重力從一冷凝區被送回到一蒸發單元。因此，熱源或者至少是蒸發單元必須處于冷凝區的下方，以便在工作狀態中時，冷卻液的液面針對地心而言處于被冷卻物的上方。根據根據本發明的不同實施方式，冷凝區、蒸發單元、相互連通的排放通道或者只是這些裝置的某部分都可集成在一個或多個雙壁式的層系統中。在這種特定情況下，整個溫差環流系統也可以包含在一雙壁式的層系統中。

本發明的另一種優選的實施方式的特征在于集成了一熱管。在這樣一種熱導體中，使用液態或氣態介質來實現熱傳遞。溫差環流系統和熱管的傳熱效率因為相變換之故，其熱傳導系數為4000～7000W/m*K，大大高于最佳固體熱導體的熱傳導系數。試比較：金剛石的熱傳導系數僅為1000至2000W/m*K。

本發明的另一種優選的實施方式在于：該裝置包含一熱管，該熱管用來將光電子半導體元件的廢熱有效地排除到一具有良好熱勢的地方。那些在吸收熱能時僅僅緩慢地或微小地改變其本征溫度的裝置，都是良好的熱勢。