JP2000517108A - 回路基板装置および電子部品を噴霧冷却するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 装置は、電子部品１０を収納する寸法に設定される空洞部２６を有するハウジング４０を備える。ハウジングは、第１開口部を有する第１層７２と、第２開口部を有する第２層７４とを備える。第２開口部は第１開口部と連通し、また空洞部と連通する。第１および第２開口部は、流体を受け入れ、流体を霧化し、霧化された流体７０を空洞部内に放出する寸法に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】 回路基板装置および電子部品を噴霧冷却するための 装置および方法 発明の分野 本発明は、一般に発熱電子部品の冷却に関し、さらに詳しくは、回路基板装置 と、電子部品を噴霧冷却するための装置および方法とに関する。 発明の背景 集積回路，多重チップ・モジュール，受動部品および電力トランジスタなど、 回路基板のような表面に一般的に装着される電子部品は、通常動作の間は冷却を 必要とする熱源である。 電子部品は、自然のまたは強制的な空気の対流により冷却されることが多いが 、空気の対流は、空気の熱容量と熱伝達係数が相対的に悪いために、電子部品を 通して、あるいは部品に付属されるヒート・シンクを通して、大量の空気を移動 させることが必要とされる。しかし、空冷プロセスは、電子部品を均一に冷却せ ず、望ましくない音響ノイズやほこりなどの汚染源を部品上にもたらすことがあ る。 蒸発噴霧冷却は、電子部品などの熱源の表面に直接的に、あるいは間接的に霧 化された流体の液滴を噴霧することを特徴とする。流体の液滴が部品の表面に衝 突すると、液体の薄膜が部品を覆い、主に流体の蒸発によって、部品の表面から 熱が除去される。 多くの電子用途においては、蒸発噴霧冷却が好適な熱除去方法であるが、既知 の噴霧冷却システムは、特別に設計されたアセンブリを利用して、流体を電子部 品の表面に送り出し、そこから流体を除去するのが一般的である。通常、このア センブリには複数の部分が含まれ、電子部品が装着される回路基板の表面に付着 される。このために、噴霧冷却アセンブリによって回路基板上の空間が使われ、 噴霧冷却の動作に先立って広範囲の密封が必要となり、さらに電磁放射により起 こる干渉から電子部品を遮蔽することが困難になる。また、既知の噴霧冷却シス テムは、回路基板などのハウジング内に埋め込まれた電子部品を効率的に冷却す ることができない場合がある。 従って、別のアセンブリを電子部品が装着される表面に付着する必要がなく、 部品点数が削減され、電磁放射に対する遮蔽を行い、回路基板に埋め込まれた電 子部品を冷却する電子部品噴霧冷却装置および方法が必要である。 発明の概要 本発明の一局面により、上記の必要性は、電子部品を包含する寸法に設定され る空洞部を有するハウジングを備える電子部品噴霧冷却装置により解決される。 ハウジングは、第１開口部を有する第１層と、第２開口部を有する第２層とを備 える。第２開口部は、第１開口部と連通し、また空洞部と連通する。第１開口部 および第２開口部は、流体を受け入れ、流体を霧化し、霧化された流体を空洞部 内に放出するよう寸法が設定される。 本発明の別の局面により、回路基板装置は、第１壁を形成する第１群の層を備 える。第２群の層は第２壁を形成する。第２壁は第１壁に結合される。第３群の 層が第３壁を形成する。第３壁も第１壁に結合される。第４群の層が第４壁を形 成し、これは第２壁に結合され、第３壁に結合される。第１，第２，第３および 第４壁が空洞部を規定する。第４群の層のうち少なくともいくつかの層は、少な くとも１つの開口部をその中に有する。開口部は、集合的にノズルを形成し、こ のノズルは流体を霧化し、その流体を空洞部内に放出する寸法に設定される。 本発明のさらに別の局面により、電子モジュールを噴霧冷却する方法は、電子 部品を包含する寸法に設定される空洞部を有するハウジングを設ける段階を含む 。ハウジングは、第１開口部を有する第１層と、第２開口部を有する第２層とを 備える。第２開口部は第１開口部と連通し、また空洞部と連通する。次に流体が 第１開口部に供給される。 第１および第２開口部が流体を霧化し、霧化された流体は空洞部内に放出される 。 本発明の利点は、図面により図示および説明される本発明の好適な実施例の以 下の説明から、当業者には容易に理解頂けよう。言うまでもなく、本発明はその 他の異なる実施例も可能であり、その詳細は種々の点において変更が可能である 。従って、図面および説明は、説明のためのものであって、制限するためのもの ではないと認識されたい。 図面の簡単な説明 第１図は、典型的な電子部品の等角図である。 第２図は、第1図に図示される電子部品の線２−２に沿う前面図であり、部品 を基板に搭載するための典型的方法を示す。 第３図は、本発明の好適な実施例による、第１図および第２図に図示される電 子部品を収納し噴霧冷却する装置の図である。 第４図は、第３図に図示されるノズルの個別の開口部の上面図である。 好適な実施例の詳細説明 図面を参照して、図面内では同様の数字は同様の部品を 指示するが、第１図は典型的な電子部品１０の等角図である。部品１０は、装置 基合１２またはフランジ；複数の端子１４；カバー１６；および１つ以上のダイ （図示せず）を備え、ダイはカバー１６により囲まれる。 電子部品１０は、たとえば、モトローラ社から発注番号MRF899/Dとして市販さ れるNPNシリコン無線周波数（RF）電力トランジスタである。電子部品１０に関 する言及は、第１図に図示される部品１０に限らず、モトローラ社から発注番号 SRF7016として市販されるフランジレスRF電力トランジスタなどの異なる構造を 有する電力トランジスタや、受動部品，あらゆる種類の集積回路，多重チップ・ モジュールおよびハイブリッド回路などを含む全く異なる部品にも適応すること が理解頂けよう。 第２図は、電子部品１０の直線２−２に沿って切断した前面図であり、キャリ ヤ・プレート１９を用いて基板１８に部品１０を装着する方法を示す。基板１８ は、好ましくは、１つ以上のセラミック層によって構成されるが、ガラス充填エ ポキシ，液晶ポリマ，テフロン，アルミナ，高温プラスチックまたはその他の材 料でもよい。キャリヤ・プレート１９は、たとえば、セラミック，銅，アルミニ ウム−シリコン・カーバイド（AlSiC）またはグラファイトで作られる。キャリ ヤ・プレート１９はオプションであり、用いなくともよい。 図示されるように、端子１４は基板１８と連通する。端 子１４は、基板１８または、ハンダ付けや導電性エポキシの利用など種々の方法 で基板１８上に位置決めされる金属被覆領域（図示せず）などの別の装置に付着 される。発熱ダイ２２が端子１４の上またはその間に置かれる（第１図に図示さ れるカバー１６は除去されており、第２図には図示されない）。ダイ２２の電気 接地面となり熱拡散を強化するフランジ１２が、たとえばネジを用いて、種々の 方法でキャリヤ・プレート１９に固定される。 第３図は、本発明の好適な実施例により構築される電子部品１０の、回路基板 などのハウジング４０の前断面図である。ハウジング４０は、複数層のセラミッ クによって構築されることが好ましいが、ガラス充填エポキシ，液晶ポリマ，テ フロン，アルミナ，高温プラスティックまたは別の材料でもよく、このハウジン グは、周知の方法を用いて形成される空洞部２６を備える。第２図に関して説明 されるように、この中に電子部品１０が装着される。図示されるように、ハウジ ング４０の各層は約０．２０６ミリメートル厚であるが、各層は任意の適切な厚 みとすることができる。概念上は、それぞれが複数の層を有する４つの壁３０， ３２，３４，３６が空洞部２６を規定する。図示されるように、空洞部２６は矩 形の断面を持つが、任意の適切な断面形状とすることができる。空洞部２６は、 電磁干渉減衰材料（図示せず）も備える。 部品１０を空洞部２６内に囲い込むのに適した方法の１ つに、ハウジング４０を２つ以上のセラミック片として形成する方法がある。こ れらのセラミック片は、その層を溶融するのに適した温度で個別に焼成される。 次に、電子部品１０が少なくとも１つのセラミック片に装着されると、セラミッ ク片は周知の材料および方法を用いて恒久的に付着される。あるいは、電子部品 １０が高温に耐えられる場合は、ハウジング４０を単独の部分として共に焼成お よび溶融してもよい。 １つ以上のノズル６０が、好ましくは、ハウジング４０の上壁３０内に置かれ る。１つのノズル６０が図示される。ノズル６０は、好ましくは一重圧力渦アト マイザなどの小型アトマイザである。一重圧力渦アトマイザは、本明細書に参考 文献として含まれるS.K.Chen他による「Factors Influencing the Effective Sp ray Cone Angle of Pressure-Swirl Atomizers」（１９９２年１月発行；Journa l of Engineering for Gas Turbines and Power，Vol.144，pp.97-103）に詳細 に説明される。 ノズル６０は、ハウジング４０と一体であり、好ましくは、第４図に部品６２ 〜７４として図示される種々の寸法と形状を持つ複数の周知の開口部から構築さ れる。本発明の好適な実施例により部品６２，６４，６８，７０，７２，７４は 、ハウジング４０の１つ以上の層によって構成され、層はその中に形成される開 口部を有する。 層が他の層の上に積み重ねられると、流体を霧化するノ ズル６０が形成される。部品６２，６４は、流体の流入部として機能する３つ開 口部を備える。部品６６は、ここでは渦開口部と呼ばれる細長い開口部を備える 。渦開口部の外側６７が流体の回転流を開始させ、渦開口部の中心部６５が中心 圧力を維持して、回転する流体を次の部品内を通過させて、スプレー・コーンを 流体で充填する。部品６８，７０，７２，７４の開口部は、累進的に小さくなり 、部品７４は、たとえば約０．１５ｍｍの直径成の開口部を有する。回転する流 体が部品７４の開口部を出ると、流体の遠心力は、そのせん断強度よりもはるか に大きくなるので、細かい円錐形のミスト（霧）がノズル６０を出る。 再び第３図を参照して、本発明の好適な実施例によるハウジング４０内の電子 モジュール１０噴霧冷却を行う閉ループ・システムの動作が説明される。管５２ を介して流体流入口４６に接続される流体ポンプ５０がノズル６０に冷却剤流体 を供給する。管５２は、突起接合５３を用いて、あるいはその他の任意の手段に より、流体流入口４６に結合されてもよい。 ノズル６０は、冷却剤を霧化し（第４図に関して説明される）、霧化された流 体７０を空洞部２６内と、電子部品１０の１つ以上のダイ２２の上とに放出する 。流体７０は、上壁３０に対してある角度、好ましくは上壁３０に対して実質的 に垂直の角度でノズル６０から放出される。霧化された流体７０がダイ２２の表 面に衝突すると、薄い液体の 膜がダイ２２を覆い、主に流体７０の蒸発によってダイ２２から熱が除去される 。 余分な流体７０が回収され、流体流出口４７によりハウジング４０から、より 低圧の排気圧力を介して除去される。流出口４７は、好ましくは空洞部２６を作 成するために用いられる技術と同様の技術を用いてハウジング４０の層によって 一体的に形成される。凝縮した流体を回収する水だめ層４５が、空洞部２６があ ふれる可能性を減じ、さらに流体７０の蒸発を助けるヒート・シンクとして機能 するために存在する場合もある。 コンデンサ５３は、管５４によりポンプ５０に接続され、管５６により流体流 出口４７に接続されるが、流体流出口４７から流体を受け取る。管５６は、たと えば１つ以上の突起接合部５１を用いて、またはその他の任意の適切な手段によ り流体流出口４７に結合される。コンデンサ５３は流体からの熱を拒絶して、主 としてそれを液相に戻す。ファン５８を用いて、コンデンサ５３の冷却能力を拡 張してもよい。冷却された流体はコンデンサ５３からポンプ５０に供給される。 かくして冷却剤の閉ループ流が形成される。言うまでもなく、特定の点において は冷却剤は、蒸気，液体または蒸気と液体の混合物である。 冷却剤流体は、周知の広く入手可能な冷却剤などの、任意の誘電性冷却剤であ る。適切な冷却剤の一例に３Ｍ社から発注番号FC-72で市販される３M's Fluorin ert誘電性流 体がある。3M's Fluorinert誘電性流体に類似の別のペルフルオロカーボン流体 はAusimont Galdenから入手可能である。 冷却剤を流す任意の従来の手段を本発明の開示される実施例と組み合わせて用 いること、またより多くのハウジング４０を１つの冷却剤源に接続すること、あ るいは１つ以上の冷却剤源をたとえば冗長性の目的のために単独のハウジング４ ０に接続することが企図される。 流体ポンプ５０，コンデンサ５３およびファン５８の寸法は、熱除去と流速の 条件に基づき選択されるべきである。たとえば、典型的な閉ループ流体流量は、 ５００ないし１０００ワットの熱放出に関して毎分５００ないし１０００ミリリ ットルである。種々の寸法のポンプとコンデンサのアセンブリはIsothermal Sys tems Research社から入手可能であり、適切な配管および接合部は、Cole-Parmer 社（イリノイ州Vernon Hills）から得ることができる。 平方センチあたり最大３００ワットまでの電力密度を有する、回路基板などの ハウジング４０に埋め込まれた電子部品または電子部品群は、開示される装置を 用いて効率的に冷却される。これにより、大型で高熱を発する電子部品をハウジ ング４０内に埋め込むことができる。個別の電子部品から直接的に熱を除去する ことは、部品の動作温度を下げることに役立ち、熱変動とそれに伴う熱応力を削 減して信頼性を向上させる。 ハウジング４０の上壁３０を電子部品１０の表面近くに配置することができる 。これは、空気の容量要件によって間隔が決定されないためである。このため、 電子部品の実装寸法を小さくすることができる。さらに、熱が大きな面積、たと えば大きなヒート・シンク全体に拡散する場合に最も有効となる空冷とは異なり 、噴霧冷却は熱集中も促進する。これは実装容量と重量とを軽減することに役立 つ別の要因となる。 そうでない場合には電子モジュールの熱負荷が低い領域内にある熱負荷の高い 隔離されたスポットとなる電子部品を回路基板内に選択的に埋め込むことにより 、従来の噴霧冷却システムを装着するために用いられるはずだった密集した電子 モジュール上で表面積が小さくなる。このため、噴霧冷却システムのために電子 モジュールの寸法が大きくならずに済む。 本明細書に説明される装置および方法により、電磁放射の干渉から実質的に保 護される気密に封止される電子部品と、部品数の少ない噴霧冷却システムとが得 られる。 ノズルを個別にマニフォールドに結合させずに、回路基板などのハウジング内 に直接的にノズルを形成することによって、ハンダなどの接着剤からの汚染源ま たはその他の発生源からの汚染源が冷却流体に捕捉され、ノズルを破壊したり詰 まらせたりする危険性が実質的に軽減される。 本発明は、電子部品の冷却に限らず、任意の熱源を冷却 することに適応されることが理解頂けよう。 密封および／または固定が必要とされる場所にはどこでも、数多くの方法およ び材料を用いることがさらに企図される。たとえば、ネジなどの固定装置，コン プライアントガスケット，超音波溶接，鑞付け結合，ハンダ付けまたはタッピン グを利用することができる。 本発明のその他の形態および更なる形態を、添付の請求項およびその等価物の 精神および範囲から逸脱することなく考案することができることは明らかである 。また本発明は上述された特定の実施例にいかなる場合にも制約されず、以下の 請求項およびその等価物によってのみ規定されることが理解頂けよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子部品を噴霧冷却する装置であって： 前記電子部品を包含する寸法に設定される空洞部を有するハウジングであって 、前記ハウジングは第１開口部を有する第１層および第２開口部を有する第２層 によって構成され、前記第２開口部が前記第１開口部と連通し、さらに前記空洞 部と連通する第２層によって構成され、前記第１および第２開口部が流体を受け 入れ、前記流体を霧化し、前記霧化された流体を前記空洞部内に放出する寸法に 設定されるハウジングによって構成されることを特徴とする装置。 ２．前記第１層がセラミックによって構成されることを特徴とする請求項１記 載の装置。 ３．前記ハウジング内に配置され、前記流体を前記第１開口部に供給する寸法 に設定される流体流入口によってさらに構成されることを特徴とする請求項１記 載の装置。 ４．前記空洞部と連通し、前記流体を前記空洞部から回収する寸法に設定され る流体流出口によってさらに構成されることを特徴とする請求項１記載の装置。 ５．前記流体流入口と連通する流体ポンプ；および 前記流体ポンプおよび前記流体流出口と連通するコンデンサであって、前記流 体を前記流体流出口から受け取り、前記流体を前記流体流入口に供給して、閉ル ープ流体流を 形成するコンデンサ； によってさらに構成されることを特徴とする請求項４記載の装置。 ６．前記流体が誘電性流体によって構成されることを特徴とする請求項１記載 の装置。 ７．前記第１開口部の断面形状が実質的に円形であることを特徴とする請求項 １記載の装置。 ８．前記空洞部内に配置される電子部品によってさらに構成されることを特徴 とする請求項１記載の装置。 ９．前記電子部品が受動部品，多重チップ・モジュールおよび無線周波数電力 トランジスタによって基本的に成立する群から選択されることを特徴とする請求 項８記載の装置。 １０．前記ハウジングが回路基板によって構成されることを特徴とする請求項 １記載の装置。