JP2000513506A - 回路基板装置および回路基板の噴霧冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回路基板装置（１０）は、第１層（１２，１４），第２層（１２，１４）および第１層（１２，１４）と第２層（１２，１４）との間に配置された内部プレート（１９）を含む。流体分配導管（３８）が、内部プレート（１９）内に配置されている。流体分配導管（３８）は、第１端（２２），チャンバを規定する中央部分（２４），および第２端（２６）を有する。第１電子素子（２８）が、チャンバ（２４）内に配置されている。ノズル（６０）が流体分配導管（３８）内に配置されている。ノズル（６０）は、流体を受け取り、この流体を噴霧化し、噴霧化流体（７０）をチャンバ（２４）内に吐出する。

Description

【発明の詳細な説明】 回路基板装置および回路基板の噴霧冷却方法 発明の分野 本発明は、一般的に、電子モジュールの冷却に関し、更に特定すれば、回路基 板装置および回路基板の噴霧冷却(spray-cooling)方法に関するものである。 発明の背景 プリント回路基板（ＰＣＢ：printed circuit board），マルチ・チップ・モ ジュール（ＭＣＭ：multi-chip module）および電子混成アセンブリ(electronic hybrid assembly)のような電子モジュールは、通常、集積回路，受動素子およ び電力トランジスタのような多数の個別の電子素子を含む。個々の電子素子は、 熱源ともなり得るものであり、通常の動作の間冷却を必要とする。 多くの場合、電子素子は、自然の空気対流または強制空気対流によって冷却す るが、空気の熱容量および熱伝達係数が比較的乏しいために、素子または当該素 子に取り付けられている重いヒート・シンクに大量の空気が通過するようにしな ければならない。また、空冷プロセスは、他にも いくつかの欠点がある。例えば、空冷プロセスは、電子モジュール内の各発熱電 子素子に均一な冷却を行わず、望ましくない程に大きな製品パッケージを用いる 結果となる場合があり、望ましくない音響ノイズや、素子上に埃のような汚染物 を引き起こす可能性がある。 蒸発噴霧冷却(evaporative spray cooling)は、噴霧化流体滴下物を直接的ま たは間接的に電子素子のような熱源の表面に噴霧することを特徴とする。流体滴 下物が素子の表面に衝突すると、液体の薄膜が素子を被覆し、主に流体の蒸発に よって素子の表面から熱が除去される。 蒸発噴霧冷却は、多くの電子的な用途において好ましい除熱方法であるが、既 知の噴霧冷却システムは、通常、プリント回路基板のような電子モジュールの表 面全体を噴霧冷却するように設計されている。したがって、噴霧冷却システムが 回路基板のパッケージの大型化を招く可能性がある。加えて、噴霧冷却システム の動作に先だって、広範な密閉を行う必要性がある場合もある。 したがって、電子素子の噴霧冷却を容易に行うことができる、コンパクトな自 己密閉型回路基板装置，およびこの回路基板装置内において電子素子を噴霧冷却 する方法が必要とされている。 発明の概要 本発明の一態様によれば、前述の必要性には、第１層，第２層および第１層と 第２層との間に配置された内部プレートを含む回路基板装置によって対処する。 内部プレートの中には、流体分配導管が配置されている。流体分配導管は、第１ 端，チャンバを規定する中央部分，および第２端を有する。チャンバ内に、第１ 電子素子を配する。流体分配導管内にノズルを配し、このノズルが流体を受け取 り、流体を噴霧化(atomize)し、噴霧化した流体をチャンバ内に吐出する。 本発明の別の態様によれば、回路基板装置は、第１側および第２側を有する第 １層，第１側および第２側を有する第２層および第１層と第２層との間に配置さ れた内部プレートを含む。内部プレートの中には、流体分配導管が配置されてお り、流体分配導管は、第１端，チャンバを規定する中央部分および第２端を有す る。チャンバ内に、電子素子を配する。ノズルを受容するサイズを有するノズル ・ハウジングを、流体分配導管内に配置する。 本発明の更に別の態様によれば、回路基板を噴霧冷却する方法は、第１層およ び第２層を用意する段階と、第１層と第２層との間に内部プレートを配し、内部 プレートの中に流体分配導体を配し、流体分配導管がチャンバを規定する中央部 分を有し、チャンバ内に電子素子を配する段階と、流体分配導管内に配したノズ ルによって流体を受け取り、ノズルが流体を噴霧化し、噴霧化した流体をチャン バ内に 吐出する段階とを含む。 本発明の利点は、例示として示しかつ説明する以下の本発明の好適実施例（群 ）の記載から、当業者には容易に明らかとなろう。本発明は、他の実施例および 異なる実施例も可能であり、その詳細は種々の観点において変更が可能であるこ とは、認められよう。したがって、図面および説明は性質上限定的ではなく、例 示的なものとして見なすべきである。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明の好適実施例による、回路基板装置の側面図である。 第２図は、第１図に示した回路基板装置の線２−２に沿った平面図である。 第３図は、第１図に図示した回路基板装置内で用いるためのノズルの断面図で ある。 第４図は、第１図に示した回路基板装置の閉ループ流体流を示す。 好適実施例の詳細な説明 これより図面に移るが、同様の参照番号は同様の素子を示すものとする。第１ 図は、本発明の好適実施例による回 路基板装置１０の側面図である。装置１０は、第１層１２，第２層１４および内 部プレート１９を含む。層１２，１４は、好ましくは、高温エポキシ積層物(hig h−temperature epoxy laminate)であるが、既知で広く入手可能な材料のように 、適切な回路基板型材料であればいずれでもよい。内部プレート１９は、好まし くは、アルミニウム・コア基板(aluminum core-board)であるが、この場合も、 その他の金属またはプラスチックのように、適切な材料であればいずれでもよい 。第１層１２は、第１側１１および第２側１３を有し、好ましくは銅またはその 他の金属で作られたものである。同様に、第２層１４も第１側１５および第２側 １６を有し、これも銅が好ましい。 内部プレート１９は、様々な一般的に既知の供給源から入手可能な、予備固定 用接着剤(prepeg adhesive)または熱伝導性接着剤のような、例えば、エポキシ 接合材料の接着剤３５によって、第１側１１，１５にそれぞれ接着することがで きる。 第２図に示すように、第１層１２を除去すると、内部プレート１９は多数の穿 孔(perforation)１８を内部に有することがわかる。穿孔１８は、接着剤３５を 集め、内部プレート１９を第１側１１，１５それぞれに接合する際に寄与する。 更に第２図に示すように、内部プレート１９は、少なくとも１本の流体分配導 管２０を含む。図示のように、流体 分配導管２０は、多数の相互接続されたブランチを有する。導管２０は、回路基 板を処理する既知の技法を用いて、プレート１９内に一体的に形成することも可 能である。あるいは、プレート１９を２つの部分で形成し、結合(mate)した際に 、流体分配導管２０を形成するものでもよい。導管２０は、いずれの所望の形状 にも形成可能であり、各プランチは、円錐形，円筒形，矩形またはその他の適切 な形状の断面形状を有することが可能である。第１図に示すように、流体分配導 管３８は、第１端２２，第２端２６および中央部分２４を有し、中央部分２４が チャンバを規定するするものとして示すことができる。 第１図および第２図を参照し、チャンバ２４内に、電子素子２８を取り付ける 。電子素子２８は、例えば、Motorolaから入手可能なNPN Silicon Radio Freque ncy（RF）Power Transistors，注文番号ＭＲＦ８９９／Ｄであり、端子３０およ び１つ以上のダイ３２を含む場合がある。電子素子２８をチャンバ２４内に配し 、例えば、ワイヤボンディングのような従来からの技法を用いて、第１層１２の 第１側１１および第２層１４の第１側１５に接着することができる。電子素子２ ８に対する言及は、電力トランジスタだけでなく、受動素子および集積回路を含 むがこれらには限定されない他の電子素子にも適用されることは理解されよう。 第１層１２および第２層１４を貫通するバイア・ホール １７が、電子素子２８を第１層１２の両側１１，１３および第２層１４の両側１ ５，１６に電子的に接続することを可能にする。加えて、第１層１２の第２側１ ３または第２層１４の第２側１６のいずれかを、主システム基板（図示せず）に 取り付けることも可能である。主システム基板への取り付けは、例えば、はんだ バンプを用いるというような、様々な既知の方法で行えばよい。 流体入力ポート４３は、好ましくは内部プレート１９の一部であるが、他の部 品(material)と一緒に形成してもよく、装置１０から延出する。有刺取付金具(b arbed fitting)のようなコネクタ５１を用いて、プラスチック管または金属管の ようなデバイスを流体入力ポート４３に結合することができる。同様の構造の流 体出力ポート４５も、第２端２６において、層１２，１４から延出することがで き、更に、プラスチック管または金属管をコネクタ５１によって嵌め込み、適所 に保持することができる。 第１図に示す少なくとも１つのノズル６０が、流体分配導管３８の少なくとも １つのブランチ内に配置されている。 第３図は、ノズル６０の断面図である。ノズル６０は、流体分配導管３８に対し て垂直であり、旋回板(swirl plate)即ち挿入部を含む、受容端６２を有する。 旋回板は、例えば、圧入，はんだ付けまたはボンディングによって、受容端６２ に固着することができる。噴霧端６４は、アパーチャ６８を含み、その直径は約 ０．１５ｍｍ程度であるこ とが好ましい。尚、ノズル６０は、旋回板６８と共に、流体分配導管３８内に一 体的に形成可能であることは認められよう。 ノズル６０は、好ましくは、単体圧力旋回アトマイザ(simplex pressure-swir l atomizer)のような微小アトマイザであり、その高さは約１．５ｍｍであり、 適切な材料であればいずれで作成することも可能である。適切な物質の一例とし て、真鍮またはステンレス鋼のような金属がある。単体圧力旋回アトマイザにつ いては、Tilton et al.の米国特許番号第５，２２０，８０４号に詳細に記載さ れており、その内容は本願でも使用可能である。また、単体圧力旋回アトマイザ は、ワシントン州Coltonに所在するIsothermal Systems Research，Inc.から商 業的に入手可能である。 第４図は、閉ループ流体供給システムを回路基板装置１０と共に含む、噴霧冷 却技法の使用を示す。流体ポンプ５０が、管５２を通じて流体入力ポート４３に 接続され、冷却流体をノズル６０に供給する。ノズル６０は、流体分配導管３８ 内に配置されている。ノズル６０は、冷却剤を噴霧化し、噴霧化した流体７０を 、アパーチャ６８を通じてチャンバ２４内に、ならびに１つ以上のダイ３２およ び端子３０上に吐出する。噴霧化流体７０がダイ３２の表面に衝突すると、薄い 液体膜がダイ３２を被覆し、主に流体７０の蒸発によってダイ３２から熱が除去 される。余分な流 体が流体分配導管３８の第２端２６において集められ、流体出力ポート４５を通 じて除去される。 冷却流体は、既知で広く入手可能な冷却剤のような、いずれかの誘電体冷却剤 とすればよい。適切な冷却剤の一例は、３Ｍから注文番号ＦＣ-７２で入手可能 な、3M's Fluorinert^TM誘電流体である。3M's Fluorinert^TM誘電流体と同様の他 の過フルオロ化合物流体が、Ausimond Galden（登録商標）から入手可能である 。 管５４によってポンプ５０に、そして管５６によって流体出力ポート４８に接 続された凝縮器５３が、流体出力ポート４５から流体を受け取る。凝縮器５３は 、流体から熱を除去し、それを主に液相に戻す。ファン５８を用いて、凝縮器５ ３の冷却容量(cooling capacity)を拡大してもよい。冷却した流体は、凝縮器５ ３からポンプ５０に供給される。このようにして、冷却剤の閉ループ流が形成さ れる。尚、いずれの所与の点においても、冷却剤は蒸気，液体または蒸気および 液体の混合物であり得ることは認められよう。 冷却剤の流れを供給するためのいずれかの従来の手段を、ここに記載する本発 明の実施例と共に用いること、更に１つ以上の回路基板装置１０を単一の冷却剤 供給源に接続すること、あるいは例えば冗長化の目的のために、１つ以上の冷却 剤の供給源を単一の回路基板装置１０に接続することも考えられる。 流体ポンプ５０，凝縮器５３およびファン５８のサイズは、熱除去および流量 の要件に基づいて選択しなければならない。例えば、典型的な閉ループ流体流は 、５００ないし１０００ワットの熱散逸に対しては、毎分５００ないし１０００ ミリリットルである。種々のサイズのポンプおよび凝縮器アセンブリが、Isothe rmal Systems Research，Inc.から入手可能であり、許容可能な配管および取付 金具が、イリノイ州Vernon HillsにあるCole-Parmerから取得することができる 。 開示した装置を用いると、１平方センチメートル当たり３００ワットまでの電 力密度を有する電子素子または電子素子群が効果的に冷却される。個々の電子素 子または電子素子の群から直接熱を除去することにより、素子の動作温度を低下 させるのに役立ち、熱変動およびそれに伴う熱応力の減少による信頼性向上がも たらされる。 装置１０は、間隔が空気の体積に対する条件によって支配されないので、非常 にコンパクトにすることができる。したがって、電子モジュール全体に対するパ ッケージ・サイズも縮小することが可能となる。加えて、大きな面積全体、例え ば、大きなヒート・シンク全体に熱が広がる場合に最も効果的な空冷とは異なり 、噴霧冷却は熱の集中を促進し、パッケージ体積および重量の減少に寄与する他 のファクタとなる。 装置１０は、単一のプリント回路基板が１つ以上の層を 冷却流体用分配マニフォルド(dispersion manifold)として利用することを可能 とし、重大な熱負荷を最小の空間容積で噴霧冷却可能とする。例えば、導電性接 着剤を用いて、多数の回路基板を積層し相互接続して、三次元回路基板ブロック の作成が可能であることは認められよう。 他の領域では熱負荷が低い電子モジュールにおいて、孤立した高熱負荷スポッ トとなり得る特定の電子素子に選択的に装置１０を利用することによって、密集 した電子モジュール上に噴霧冷却システムを取り付けるために割り当てられる表 面積の縮小を促進することができる。したがって、電子モジュールのサイズは、 噴霧冷却システムのために増大することはない。 ここに記載する装置および方法では、電子素子を機密封止することになるので 、例えば、電子モジュールの設計の際、検査固定具(test fixture)および噴霧冷 却を不要とする電子デバイスに割り当てられる一方側と、高熱を散逸し噴霧冷却 の対象となる、回路基板装置１０内に封入された電子素子に割り当てられる他方 側とを有するように行うとよい。こうすれば、電子モジュールの検査および噴霧 冷却を同時に行うことができる。 尚、本発明は、特定の電子素子の冷却に限定される訳ではなく、例えば、ヒー ト・シンクまたはフランジといったあらゆる熱源を冷却するように改造可能であ ることは認められよう。同様に、本発明はプリント回路基板に限定され るものでもない。マルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）や電子混成アセンブリ のようなその他の電子モジュールを、プリント回路基板と交換することも可能で ある。 更に、密閉および／または締結を必要とし得る場合はいつでも、多数の方法お よび材料が使用可能であることが考えられる。例えば、ねじ，同形ガスケット(c ompliant gasket)，超音波溶接，鑞付け，はんだ付けまたは型押(swaging)のよ うな締結技法を利用することができる。 添付の請求の範囲の精神および範囲ならびにその均等物から逸脱することなく 、本発明の他の更なる形態も考案可能であることは明白であり、本発明は、前述 の特定的な実施例には全く限定されず、以下の請求の範囲およびその均等物によ ってのみ支配されるものであることは理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回路基板装置であって： 第１層； 第２層； 前記第１層と前記第２層との間に配置された内部プレートであって、該内部プ レートは内部に流体分配導管が配置され、該流体分配導管は、第１端部と、チャ ンバを規定する中央部と、第２端部とを有する、内部プレート； 前記チャンバ内に配置された第１電子素子；および 前記流体分配導管内に配置されたノズルであって、流体を受け取り、該流体を 噴霧化し、該噴霧化流体を前記チャンバ内に吐出するノズル； から成ることを特徴とする回路基板装置。 ２．前記第１電子素子は、電力トランジスタ，受動素子，および集積回路から成 る群から選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記ノズルは真鍮から成ることを特徴とする請求項１記載の装置。 ４．前記チャンバ内に配置された第２電子素子を更に備えることを特徴とする請 求項１記載の装置。 ５．前記ノズルは、前記噴霧化流体を前記第２電子素子上に吐出することを特徴 とする請求項４記載の装置。 ６．前記第１層および前記第２層は、高温エポキシ積層体から成ることを特徴と する請求項１記載の装置。 ７．前記第１層は第１側部および第２側部を有し、前記第２層は第１側部および 第２側部を有することを特徴とする請求項１記載の装置。 ８．導電性接着剤が前記第１層の第１側部を前記内部プレートに結合することを 特徴とする請求項７記載の装置。 ９．前記第１電子素子は、前記第１層の前記第１側部に取り付けられていること を特徴とする請求項７記載の装置。 １０．前記第１層の前記第１側部および前記第２層の前記第１側部は銅から成る ことを特徴とする請求項７記載の装置。