JP2000514252A - 電子熱源を冷却するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 チャネル（２８，３８）を有するキャリア・プレート(１９)を含む、熱源（１０）を冷却するための装置を提供する。チャネルは、入口端部（３０）および出口端部(３１)を有する。冷却領域（４６）はキャリア・プレートに配置され、チャネルと連通する。冷却領域は、熱源に近接するようにサイズが決められる。開口部(４２)を有する部材(４０)は、冷却領域に設けられる。部材の厚さと開口部の幅との間の比率は、０．９未満である。

Description

【発明の詳細な説明】 電子熱源を冷却するための装置および方法 発明の分野 本発明は、一般に、熱源を冷却することに関し、さらに詳しくは、電子熱源を 冷却するための装置および方法に関する。 発明の背景 回路板などの表面に一般に実装される、集積回路，マルチチップ・モジュール ，能動素子およびパワー・トランジスタなどの電子部品は熱源である場合があり 、通常動作時、ならびに試験・調整時に冷却が必要なことがある。 従来、部品に対して、あるいは部品に装着された大型ヒートシンクに対して大 量の空気を移動させる自然空気対流または強制空気対流によって電子部品は冷却 された。しかし、電子デバイスの進歩により、電子デバイスは従来の自然対流ま たは強制対流の空気冷却能力を超えたパワー密度を有するに至っている。 蒸発噴霧冷却(evaporative spray cooling),コールド・プレート(cold plate) およびジェット衝突冷却(jet impingement cooling)は、電子部品によって発生した熱を散逸するために、空気 ではなく、液体冷却剤を利用する熱管理手法の例である。 蒸発噴霧冷却、あるいは二相冷却(two-phase cooling)は、電子部品などの熱 源に噴霧液滴(atomized fluiddroplets)を直接または間接的に噴霧することを特 徴とする。流滴が部品の表面に当たると、液体の薄膜が部品を覆い、主に部品の 表面からの液体の蒸発によって熱は除去される。 蒸発噴霧冷却は多くの電子機器用途における除熱方法であるが、この冷却方法 は高価な誘電液(dielectric liquid)を利用する必要がある。また、液体は電子 部品の表面に直接噴霧されるのが一般的なので、この液体はフラックス残滓など 電子部品からの粒状物質を捕らえて、これが噴霧ノズルを詰まらせたり、液体の 効果的な噴霧を妨げることがある。さらに、噴霧冷却システムの動作の前に、広 範なシーリングが必要になり、そのため電子部品の試験・調整工程中の冷却シス テムの動作は不可能なことがある。 一般に、コールド・プレートは、空冷ヒートシンクに直接代わるものであり、 水または他の液体が、ヒートシンクが本来装着されていた内部通路に流れる。こ の方法は、モジュールの表面にある個別の電子部品などの主熱源ではなく、電子 モジュールの表面全体を冷却する。また、コールド・プレートのフロー通路の複 雑さのため、伝熱特性を正 確に予測することが困難な場合がある。さらに、コールド・プレートの伝熱能力 は、一般に熱がコールド・プレートの液体に達する前にいくつかの界面を通過し なければならないので、噴霧冷却を利用して達成できる伝熱能力よりもはるかに 小さい。そのため、コールド・プレート技術をうまく適用するためには、高流量 （最大、数ガロン毎秒）が必要とされることがある。 従って、とりわけ、熱源が冷却液と接触する必要がなく、相変化動作の必要が なく、電子部品の発熱部分のみを冷却し、流量が低く、そして試験・調整工程中 でも電子部品を冷却できる、電子部品などの熱源を冷却するための装置および方 法が必要とされる。 発明の概要 本発明の一態様に従って、上記の必要性は、チャネルを有するキャリア・プレ ートを含む、熱源を冷却するための装置によって満たされる。前記チャネルは、 入口端部および出口端部を有する。冷却領域はキャリア・プレートに配置され、 前記チャネルと連通する。冷却領域は、熱源に近接するようにサイズが決められ る。開口部を有する部材は、冷却領域に設けられる。開口部の幅と部材の厚さと の間の比率は、０．９未満である。 本発明の別の態様に従って、基板に実装された電子部品 を冷却する装置が開示される。前記基板は第１面および第２面を有し、前記電子 部品は前記第１面に実装される。前記装置は、前記第２面に結合されたキャリア ・プレートを含む。前記キャリア・プレートは、第１液体分配チャネルと、第２ 液体分配チャネルを有する。第１液体分配チャネルは液体入口ポートと連通し、 第２液体分配チャネルは液体出口ポートと連通する。第１チャンバを画定する第 １液体受け領域はキャリア・プレートに設けられ、前記第１液体分配チャネルと 連通する。第２チャンバを画定する第２液体受け領域はキャリア・プレートに設 けられ、第２液体分配チャネルと連通する。前記第２液体受け領域は、前記電子 部品と実質的に整合される。開口部を有するプレートは、第１チャンバと第２チ ャンバとの間に設けられる。前記プレートの厚さと、前記開口部の幅との間の比 率は、０．９未満である。前記第１液体分配チャネルは、前記液体入口ポートか ら液体を受け、この液体を前記第１チャンバに伝える。開口部は液体を加速させ 、液体を前記第２チャンバ内および前記基板の第２面に向かって放出する。前記 第２液体分配チャネルは、前記第２チャンバから液体を受け、この液体を前記液 体出口ポートに供給する。 本発明のさらに別の態様に従って、熱源を冷却する方法は、チャネルを有する キャリア・プレートであって、前記チャネルは入口端部および出口端部を有する 、キャリア・プレートを設ける段階；前記熱源に近接して冷却領域を配 置するであって、前記冷却領域は、前記キャリア・プレートに配置され、前記チ ャネルと連通する、段階；開口部を有するプレートを前記冷却領域内に配置する 段階であって、前記プレートの厚さと前記開口部の幅との間の比率は０．９未満 であり、前記プレートは、前記冷却領域内で第１チャンバおよび第２チャンバを 画定する、段階；前記入口端部によって液体を受ける段階；前記液体を前記第１ チャンバに分配する段階；前記開口部が前記液体を加速させ、前記液体を前記第 ２チャンバ内に放出する段階；および前記出口端部が前記第２チャンバから前記 液体を除去する段階；を含む。 本発明の利点は、一例として図説される本発明の好適な実施例の以下の説明か ら、当業者に明白となろう。理解されるように、本発明は他の異なる実施例も可 能であり、その詳細はさまざまな点で修正可能である。従って、図面および説明 は例示的であるとみなされ、制約的であるとみなされないものとする。 図面の簡単な説明 第１図は、典型的な電子部品の斜視図である。 第２図は、部品を基板に実装する典型的な方法を示す、 第１図に図示した電子部品の線２−２から見た正面図である。 第３図は、本発明の好適な実施例による電子部品を冷却する装置の分解したも のを示す、第２図に図示したように実装された電子部品の斜視図である。 第４図は、第３図に図示した完全に組み立てられた装置の側面図である。 第５図は、本発明の好適な実施例による、閉ループ液体フローを有する冷却シ ステムとともに、第４図に図示した装置の動作を示す。 第６図は、第５図に図示した冷却システムの動作中に生じる、縮流現象(vena contracta phenomenon)を示す。 好適な実施例の詳細な説明 同様な参照番号は同様な構成要素を示すところの図面を参照して、第１図は、 典型的な電子部品１０の斜視図である。部品１０は、複数の端子１４，ベース１ ７，カバー１６およびカバー１６によって保護された一つまたはそれ以上のダイ （図示せず）を含む。 電子部品１０は、例えば、モトローラ社の発注番号ＳＲＦ７０１から入手可能 な、フランジレスＲＦパワー・トランジスタ(flangeless RF power transistor) などのＮＰＮシリコン無線周波（ＲＦ）パワー・トランジスタでもよい。電子部 品１０という場合、第１図に示すような部品１０だけでなく、モトローラ社の発 注番号ＭＲＦ８９９から入手 可能なフランジ付きＲＦパワー・トランジスタ（flanged RFpower transistor) などの別の構成のパワー・トランジスタや、能動素子,あらゆる種類の集積回路, マルチチップ・モジュール，ハイブリッド回路を含むが、それに限定されない、 まったく異なる部品にも適用されることが理解される。 第２図は、第１図に図示する電子部品１０の線２−２から見た正面図であり、 部品１０を基板１８に電気接続する典型的な方法を示す。基板１８は、一つまた はそれ以上の層のガラス充填エポキシ，テフロン，アルミナ，セラミックまたは プラスチックからなる。 部品１０のベース１７は、少なくとも部分的に基板１８に延在する。端子１４ は、半田付けあるいは導電性エポキシなどのさまざまな方法で、基板１８に装着 しても、あるいは基板１８上にあるデバイス（図示せず）に装着してもよい。基 板１８の第２面２１は、キャリア・プレート（以下でさらに説明する）に装着し てもよい。 第３図は、第２図に図示するように実装された電子部品の斜視図であり、本発 明の好適な実施例による電子部品を冷却するための装置の分解したものをさらに 示す。本発明の好適な実施例により基板１８の第２面が装着されたキャリア・プ レート１９は、２つの層２４，２６を含む。 層２４は、液体入口ポート３０，液体分配チャネル２８，液体受け領域３２お よび液体出口ポート３１を含む。液体 受け領域３２は、好ましくは、電子部品１０の実質的に下に位置する。 層２６は、液体受け領域３６および液体分配チャネル３８を含む。液体受け猟 奇３６は、好ましくは、電子部品１０の実質的に下に位置する。 一つまたはそれ以上の開口部(orifice)４２（一つを図示）を有するプレート ４０または部材は、層２４と層２６との間に設けられる。プレート４０は、好ま しくは、アルミニウム・シリコン・カーバイド(A1uminum Si1icon Carbide)(Ａ ｌＳｉＣ)，プラスチックまたはステンレス鋼であるが、任意の他の適切な材料 でもよい。開口部４２は、円形，長方形あるいは他の適切な形状を含む任意の幾 何学的形状でもよい。好ましくは、プレート４０の厚さと開口部４２の幅（また は直径）との比率は０．９未満であり、液体受け部３２に面する開口部４２のエ ッジ部４３は丸くなく鋭利である。 また、層２４，２６は、例えば、基板１８を層２６に固定したり、および／ま たは完全なアセンブリをその実装面に装着するために利用できる多数の穴３４を 含む。層２４，２６は、好ましくは、ろう付けにより永久固定されるが、固定具 ，コンプライアント・ガスケット(compliant gasket),超音波溶接，ろう付け， 半田付け，スェージ加工(swaging)などの周知の方法を含むが、それらに限定さ れない、他のさまざまな方法を利用して装着してもよい。 キャリア・プレート１９は、例えば、銅，ＡｌＳｉＣ，プラスチックまたは黒 鉛からなる。キャリア・プレート１９は２層２４，２６として示されているが、 キャリア・プレート１９は単一体でもよく、開口部４２は、周知の鋳造方法を利 用してキャリア・プレート１９と同時に形成してもよい。 第３図に図示する装置の組み立て後の側面図である第４図からわかるように、 液体受け領域３２およびプレート４０は、プレート４０の下の領域にチャンバ４ ４を画定し、また液体受け領域３６およびプレート４０は、プレート４０の上の 領域にチャンバ４６を画定する。 第５図は、本発明の好適な実施例による、電子部品１０を冷却するための閉ル ープ・システムの動作を示す。チューブ５２を介して液体入口ポート３０に接続 された液体ポンプ５０は、水，不凍液または誘電冷却剤などの任意の冷却剤でも よい冷却液４５を液体分配チャネル２８に供給する。チューブ５２は、例えば、 有刺継手(barbed fitting)を利用して、あるいは他の適切な手段により、液体入 口ポート３０に結合してもよい。 液体４５はチャンバ４４内に入り、開口部４２を通過し、この開口部は液体を 加速させ、基板１８の第２面２１に衝突させる。あるいは、液体は、部品１０が 基板１８に実装される方向に応じて、電子部品１０の下面に直接衝突しても、あ るいは部品１０の上面に直接衝突してもよい。例え ば、望ましければ、通路（図示せず）は、基板１８の第１面２０から第２面２１ に基板を貫通してもよい。この通路は、円柱，矩形または任意の適切な形状でも よい。 開口部４２は、好ましくは、液体の衝突点が部品１０の最大の発熱領域とほぼ 整合するように構成される。液体４５は、基板１８の第２面２１に対してある角 度で、好ましくは、第２面２１に対して直角で、開口部４２から放出され、部品 １０のベース１７に衝突してもよく、あるいはベース１７とキャリア１９または キャリア１９の一部との間の薄い部材（図示せず）に衝突してもよい。薄い部材 が電子部品１０をキャリア１９から分離させる場合、この薄い部材の表面は、例 えば、フィン，粗面，ダイヤモンドまたはダイモンド状の炭素を利用して、伝熱 能力を向上させるために強化してもよい。 開口部４２は、好ましくは、プレート４０の厚さと開口部４２の幅（または直 径）との比率が０．９未満のときに生じる縮流(vena contracta)として知られる 流体力学現象を利用する。この条件を満たすと、開口部のすぐ下流の有効フロー 面積は、開口部４２の実面積よりも小さい。この小さいフロー面積により、液体 は縮流がない場合よりも高速に流れ、その結果、衝突領域におけるより高い伝熱 効率が得られる。 縮流現象を第６図に示し、ここでｘ５０は開口部４２の幅を表し、ｔ５２はプ レート４０の厚さを表す。なお、液 体４５のフロー面積Ａ５４は開口部４２の面積よりも小さい。 加熱した液体はチャンバ４６に入り、分配チャネル３８を進み、液体出口ポー ト３１を介してアセンブリ１００から出る。液体４５の一部は、チャンバ４６の 再循環領域４７にある期間だけ留まり、領域４７ならびにチャンバ４６の他の部 分でも、更なる冷却効果が実現できる。 余分な液体は液体分配チャネル３８を介してチャンバ４６から除去され、ここ で液体は液体出口ポート３１を介してアセンブリ１００から出る。 チューブ５４によりポンプ５０に接続され、またチューブ５６により液体出口 ポート４８に接続された熱交換器(heat exchanger)５３は、液体出口ポート３１ から液体を受ける。熱交換器５３は、液体から熱を除去して、主に液相に戻す。 ファン５８は、熱交換器５３の冷却能力を向上させるために利用できる。冷却さ れた液体は、熱交換器５３からポンプ５０に供給される。従って、冷却剤の閉ル ープが形成される。なお、任意の点にて、冷却剤は蒸気，液体または蒸気と液体 の混合でもよいことが理解される。 本発明の上記の実施例とともに、冷却剤のフローを行う任意の従来の手段を利 用してもよく、また２つ以上の装置を一つの冷却剤の源に接続してもよく、また 一つまたはそれ以上の冷却剤の源を一つの装置に、例えば冗長性のために、接続 してもよいことが考えられる。 液体ポンプ５０，熱交換器５３およびファン５８のサイズは、除熱および流量 条件に基づいて選択すべきである。例えば、典型的な閉ループ液体フローは、５ ００〜１０００ワットの熱散逸では５００〜１０００ミリリットル／分である。 さまざまなサイズのポンプおよび熱交換器アセンブリや、許容可能な配管および 継手は、イリノイ州Vernon Hil1s拠点のCo1e-Parmer社や、他の一般的な入手先 から入手可能である。 最大５００ワット／平方センチメートルのパワー密度を有する電子部品または 電子部品のグループは、開示された装置を利用して効果的に冷却される。電子モ ジュール全体からではなく、個別の電子部品から直接熱を除去することは、部品 の動作温度を低下させるのを助け、熱変化および関連する熱応力の低減により信 頼性を向上させる。さらに、低い流量での効率的な熱伝達が実現できる。 液体は電子部品と直接接触する必要はないので、液体の汚染の可能性は低減さ れる。また、液体冷却材を利用でき、例えば、毒性が極めて低く、取り扱い上の 問題の少ない水や不凍液を利用できる。 開示された装置および方法は熱効率が高く、そのため冷却液の動作温度は、熱 交換器のサイズを５０％以上小さくできる。 また、開示された装置および方法は、容易に着脱される。従って、本発明の実 施例は、試験および調整工程中に電子 部品を冷却するのに望ましい。例えば、試験器具は高熱を散逸する電子部品を冷 却するように設計できる。しかし、電子部品は従来のように実装されるので、電 子部品の組み立てやすさを維持できる。 また、本明細書で説明した閉ループ液体フロー・システムは、多くの利点を有 する。例えば、本システムでは、個別の電子部品に邪魔なく手が届き、冷却シス テムおよび電子部品の両方の検査,試験および修理をさらに容易にする。 なお、本発明は、電子部品を冷却することに制限されず、任意の熱源、例えば 、従来のように基板に実装されたヒートシンクまたはフランジ、を冷却するよう に適応できることを理解されたい。 さらに、シーリングおよび／または固定が必要な場合、さまざまな方法および 材料が利用できる。例えば、ネジなどの固定具，コンプライアント・ガスケット ，超音波溶接，ろう付け,半田付けまたはスェージ加工を利用してもよい。 本発明の他の形態も請求の範囲およびその同等の精神ならびに範囲から逸脱せ ずに考案できることは明らかであり、本発明は上記の特定の実施例に制限される ものではなく、以下の請求の範囲およびその同等によってのみ定められる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スミス、ジョン・エム アメリカ合衆国イリノイ州エルギン、ノコ ミス・レーン９エヌ556

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．熱源を冷却するための装置であって： チャネルを有するキャリア・プレートであって、前記チャネルは入口端部およ び出口端部を有する、キャリア・プレート； 前記キャリア・プレートに配置され、かつ前記チャネルと連通する冷却領域で あって、前記冷却領域は、前記熱源に近接して配置されるようにサイズが決めら れる、冷却領域；および 前記冷却領域に配置された部材であって、前記部材は開口部を有する、部材； によって構成され、 前記部材の厚さと前記開口部の幅との間の比率は０．９未満であることを特徴 とする装置。 ２．前記部材は、前記冷却領域内で第１チャンバおよび第２チャンバを画定し 、 前記入口端部は液体を受けて、前記チャネルを介して前記第１チャンバに前記 液体を供給し、前記開口部は、前記液体を加速させ、前記液体を前記第２チャン バ内および前記熱源に向けて放出することを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記液体は、水，不凍液および誘電液からなるグループから選択されるこ とを特徴とする請求項２記載の装置。 ４．前記開口部の形状は任意の幾何学的形状であることを特徴とする請求項１ 記載の装置。 ５．前記熱源は、電子部品であることを特徴とする請求項１記載の装置。 ６．前記電子部品は、パワー・トランジスタおよび集積回路のうちの一つであ ることを特徴とする請求項１記載の装置。 ７．前記キャリア・プレートは、アルミニウム・シリコン・カーバイド(Ａｌ ＳｉＣ)，金属およびプラスチックからなるグループから選択されることを特徴 とする請求項１記載の装置。 ８．前記キャリア・プレートは、第１層および第２層からなることを特徴とす る請求項１記載の装置。