JP2001526841A - 電子部品冷却装置 - 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領域を有する可撓性プリント配線装置１８と、可撓性プリント配線装置内に配置される溝２８とを備える。溝には流入端３２と流出端３４とがあり、その中に配置されるオリフィス３６を有する。流入端が流体を受け入れ、流体は溝を介してオリフィスに送られ、オリフィスが領域に向かって流体を送り出すので、流体は電子部品が領域内に置かれると電子部品と直接的に接触する。

Description

【発明の詳細な説明】 電子部品冷却装置 発明の分野 本発明は、一般に熱源の冷却に関し、さらに詳しくは、可撓性プリント配線装 置に装着された電子部品を冷却するための装置および方法に関する。 発明の背景 集積回路，多重チップ・モジュール，能動部品および無線周波数(ＲＦ)電力ト ランジスタなどの電子部品は、ガラス充填エポキシ，アルミナ，セラミックまた はプラスチック回路基板などの堅い表面に一般的に装着されるが、通常動作中は 冷却を必要とする熱源となり得る。 従来は、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てきた が、これには電子部品を通して、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ねばならない。しかし、電子装置の進歩により、従 来の自然のまたは強制的な空気の対流能力を超える電力密度を有する電子装置が 出現してきた。 コールド・プレート，蒸発噴霧冷却およびジェット衝突 冷却は、空気ではなく液体の冷却剤を利用して、電子部品により発生する熱を放 散する熱管理技術の例である。 コールド・プレートは、通常は空冷ヒート・シンクに直接的に代わるもので、 水またはその他の流体はヒート・シンクが本来装着された内部経路内を流れる。 熱を発生する電子部品を可撓性ポリイミド・プリント配線表面に装着し、電子 部品を含むプリント配線表面をコールド・プレートに直接的に配置することが提 案された。 しかし、この方法では、個々の電子部品のような一次的熱源ではなく、可撓性 シートの表面全体を冷却する。しかも、コールド・プレートの熱伝達能力は、RF トランジスタなどの高電力電子装置に関しては充分ではない。これは、熱が通常 は、コールド・プレート内の流体に到達する前にいくつかの界面を通過しなけれ ばならないからである。 蒸発噴霧冷却または二相冷却は、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。ジェット衝突 冷却は、冷却剤流体の高速の細いストリームをオリフィスから、冷却すべき電子 部品の表面に向かって送り出す。流体が電子部品の表面に衝突すると、それに起 因する流界は、単相または蒸発冷却のいずれかを用いて高い熱伝達速度に対応す ることができる。 噴霧冷却またはジェット衝突冷却などの冷却技術が、従来のプリント回路基板 に装着される電子部品を冷却するた めの好適な方法であることが多いが、このような回路基板の剛性の性質のために 、冷却流体が高熱を発生する部品に到達するように基板を三次元空間内に配置す ることが困難になる場合もある。また、材料費および人件費が増大し、多くの場 合は液体冷却の利点となる空間的効率が実現されないこともある。 従って、可撓性配線表面に装着された電子部品を噴霧冷却またはジェット衝突 冷却を用いて冷却するための装置および方法であって、この装置または方法は、 可撓性配線表面に集積され、空間的効率が良く、製造が簡単な装置および方法が 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、電子部品を収納する寸法に設定され る領域を有する可撓性プリント配線装置と、可撓性プリント配線装置内に配置さ れる溝とを具備する電子部品冷却装置により解決される。溝には、流入端と流出 端とがあり、またその中に配置されるオリフィスを有する。流入端が流体を受け 入れ、流体は溝を介してオリフィスに送られ、オリフィスが流体を領域に向けて 送り出し、電子部品がその領域内に配置されると、流体が電子部品と直接接触す るようにする。 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、本発明の一局面により第１図に図示される電子部品冷却装置の等角 図と、閉ループ流体流を有する冷却システムと関連する装置の動作の図例である 。 第３図は、本発明の別の局面による第１図に図示される電子部品冷却装置の等 角図である。 第４図は、本発明のさらに別の局面による第１図に図示される電子部品冷却装 置の等角図である。 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、複数の端子１４，ベース１ ７，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 より保護される。 電子部品１０は、たとえば、モトローラ社から発注番号SRF701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、異なる構造を有する電力トランジスタや、能動部品，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は理解頂けよう。 第２図に示されるように、本発明の実施例により、第１図に示される電子部品 は、デュポン社から市販されるKapton（登録商標）可撓性シートなどの可撓性プ リント配線装置１８に装着される。その他の適した可撓性材料としては、デュポ ン社から市販されるNomex（登録商標）およびMylar（登録商標），シリコン・ラ バーおよびテフロンがある。 可撓性プリント配線装置１８は、好ましくは、Kapton（登録商標）可撓性シー トなどのポリイミド材料の２つの層２０，２１を備える。あるいは、単層のポリ イミド材料を用いることもできる。装置１８は、第１面２２と第２面２３とを有 するものとされる。 層２０は、周知の方法によりその上に作成される電子部品１０とその他の回路 構成とを有する。たとえば、電気配線部（図示せず）が層２０内にエッチングさ れ、電子部品１０は部品１０を収納する寸法に設定される電気配線部に 沿った領域に物理的および電気的に接続される。 １つ以上の流体分配溝２８が、装置内たとえば第１層２０と第２層２１との間 に配置される。可撓性プリント配線装置１８内に溝２８を形成する方法の１つは 、接着剤（図示せず）を層２０および２１の間の特定の領域３０に塗布し、他の 領域には塗布しないことである。また、溝２８は接着剤を用いずに領域内に形成 される。流体分配溝２８は、一般に、流入端３２とそれに接続する流出端３４と を有するが、複数の溝２８が同じ流入端および流出端を共有することもできる。 同様に、１つの溝２８が複数の流入端および流出端を有することもある。層２０ ，２１は、接着剤により恒久的に固定されることが好ましいが、他の様々な方法 を用いて付着してもよい。 １つ以上のオリフィス３６が、流体分配溝２８内、好ましくは電子部品１０の 下に配置される。オリフィス３６は、電子部品に向かって流体を加速するよう形 成される穴であっても、もしくは、流体を霧化し、霧化された流体を部品１０上 に噴霧するのに適したノズル，またはその受入口としてもよい。オリフィス３６ は、円形または矩形または他の適切な形状を含む任意の幾何学形状とすることが できる。 ノズルを採用する場合は、ノズルは一重圧力渦アトマイザなどの小型のアトマ イザであることが好ましい。これは、任意の適切な材料で作ることができる。適 切な材料の例としては、ステンレスまたは真鍮などの金属がある。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Tilton他による米国特許 第５，２２０，８０４号に詳細に解説され、Isothermal Systems Research社か ら入手することができる。 第２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・システムの動作をさらに示す。管５２を介して流体流入端３２に接続される 流体ポンプ５０が、水，不凍液または誘電性冷却剤など任意の冷却剤である冷却 剤流体（図示せず）を流体分配溝２８に供給する。管５２は、たとえば突起接合 （図示せず）を用いて、あるいはその他の任意の適切な手段により流体流入端３ ２に結合される。 流体は、溝２８内に入り、オリフィス３６を通して進み、オリフィスによって 流体が加速して、部品１０に衝突する。流体は、部品１０が可撓性プリント配線 装置１８内で装着される向きによって、電子部品１０の下面または上面に直接的 に衝突することがある。部品１０の近隣では、溝２８内を流体が流れるだけで、 更なる熱伝達上の利点が得られる。また、部品１０付近に別の流体分配溝２８が あると、部品１０からの熱伝達をさらに強化する。 オリフィス３６は、流体の衝突点が部品の最大の発熱領域または領域群とほぼ 一致するような構造を持つことが好ましい。流体は、装置１０の第１面２２に対 するある角度、好ましくは第１面２２に対して垂直の角度でオリフィス３ ６から放出される。あるいは、部品１０とオリフィス３６との間に置かれる別の 薄い部材（図示せず）に衝突する。 加熱された流体は、分配溝２８内をさらに進み、流体流出端３４を通って装置 １８を出る。流体の一部は溝２８の外側に残ることがあり、適切な手段により回 収される。管５４によりポンプ５０に、また管５６により流体流出端３４に接続 される熱交換器５３が、流体流出端３４から流体を受け取る。熱交換器５３は、 流体からの熱は拒絶して、主として液相にそれを戻す。ファン５８を用いて熱交 換器５３の冷却能力を拡張してもよい。領域された流体は、熱交換器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、ある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との混合 物である。 冷却剤を流すための任意の従来の手段を本発明の説明される実施例と共に用い ること、また、２つ以上の装置を単独の冷却剤源に接続すること、あるいは２つ 以上の冷却剤源を、たとえば冗長性の目的で単独の装置に接続することが企図さ れる。また、本発明の種々の特徴と共に開ループ流体流を用いることも企図され る。 流体ポンプ５０，熱交換器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、５ ００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熱交換器のアセンブリならびに適切 な配管および接合部は、Cole-Parmer社（イリノイ州Vernon Hills）およびその 他の一般的供給源から入手可能である。 電子モジュール全体からではなく、個々の電子部品から直接的に熱を除去する ことで、部品の動作温度を下げることができ、熱変動およびそれに伴う熱応力を 削減することで信頼性が高まる。また、低い流速における効率的な熱伝達が実現 される。 開示される装置および方法は、空間的効率性を良くするように構築することも できる。これを第３図に示すが、第３図は本発明の別の局面による電子部品１０ 冷却装置の等角図である。図示されるように、可撓性プリント配線装置１８は、 線１００に沿って折り曲げられ、第１領域１０１と第２領域１０２とが装置１８ の第１面２２と第２面２３上に形成される。部品１０は、第１領域１０１内に配 置され、流体分配溝２８とノズルであるオリフィス３６とが第２領域１０２内に 配置される。しかし、流体分配溝２８およびノズルは、任意の適切な位置に置く ことができる。このようにして、流体は溝２８内を通りノズル３６を通過する。 ここで流体が霧化され、部品１０に直接衝突する。ノズル３６は、６ミリメート ルの距離が適するが、部品から１ないし１０ミリメートルの位置にあることが好 ましい。 本発明のさらに別の局面により、空間的効率性の良い異 なる構造を持つ可撓性装置１８を第４図に示す。電子部品１０は、装置１８の第 １面２２に置かれ、ノズルであるオリフィス３６は第２面２３にその開口部を有 する。オリフィス３６が位置する流体分配マニフォールド２８が、可撓性装置１ ８内に置かれる。可撓性装置１８は、円筒形またはらせん形に巻かれて、第２面 ２２の一部が第２面の一部に対向し、ノズル３６が電子部品に向かって流体を放 出するようになっている。ノズル３６は、６ミリメートルの距離が用いられるが 、部品１０から１ないし１０ミリメートルの距離にあることが好ましい。さらに 、ポンプ５０は円筒形に位置する装置１８の中央に置くことが望ましい。 かくして、可撓性回路構成を利用する本明細書に説明される本発明の種々の側 面は容易に製造され、空間的効率に優れることが理解頂けよう。また、流体冷却 を電子部と組み合わせることで、流体分配システムに伴うことの多いコストと複 雑性を軽減することができる。 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。また、言うまでもなく、本発明の局面を任意に組み合わ せて、単独の可撓性装置上で共に用いることができる。さらに、中に流体分配溝 を埋め込んだ可撓性基板を用いて小型の「コールド・プレート」 を作成することが望ましい。 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が理解頂けよう 。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．電子部品を冷却する装置であって： 前記電子部品を収納する寸法に設定される領域を有する可撓性プリント配線装 置；および 前記可撓性プリント配線装置内に配置されて、流入端と流出端とを有し、その 中に配置されるオリフィスを有する溝であって、前記流入端が流体を受け入れ、 前記流体は前記溝を介して前記オリフィスに送られ、前記オリフィスが前記流体 を前記領域に向かって送り出して、前記電子部品が前記領域内に配置されると前 記流体が前記電子部品と直接的に接触する溝； によって構成されることを特徴とする装置。 ２．前記流体が誘電性流体であることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記可撓性プリント配線装置が第１層および第２層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。 ４．前記第１層および前記第２層が接着剤を介して結合されることを特徴とす る請求項３記載の装置。 ５．前記溝が、前記接着剤が存在しない領域内で前記第１層と前記第２層との 間に形成されることを特徴とする請求項４記載の装置。 ６．前記オリフィスがノズル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．前記ノズルが前記流体を霧化することを特徴とする請求項６記載の装置。 ８．前記領域に送り出される前記流体が単相または二相のいずれか一方にある ことを特徴とする請求項７記載の装置。 ９．前記電子部品が電力トランジスタまたは集積回路のいずれか一方であるこ とを特徴とする請求項１記載の装置。 １０．前記可撓性プリント配線装置がポリイミド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。