JP2002231868A - 高密度チップ実装用装置 - Google Patents

高密度チップ実装用装置

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JP2002231868A JP2001352989A JP2001352989A JP2002231868A JP 2002231868 A JP2002231868 A JP 2002231868A JP 2001352989 A JP2001352989 A JP 2001352989A JP 2001352989 A JP2001352989 A JP 2001352989A JP 2002231868 A JP2002231868 A JP 2002231868A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒート・パイプと熱電冷却器を使った高密度
チップ実装用の装置を提供する。 【解決手段】 この装置は、気化器領域、凝縮器領域、
および毛細管領域を備えている。気化器領域は、熱源か
ら輸送流体に熱を伝達させるのに使う少なくとも１つの
ホット・ポイント要素を備えている。輸送流体は、加熱
すると、状態変化して蒸気になる。この蒸気は、蒸気通
路を通って凝縮器領域に移動し、ヒート・シンクに熱を
放散させて再び液体（凝縮された輸送流体）に戻る。次
いで、凝縮された輸送流体は、毛細管力と、毛細管構造
体に形成された毛細管によって気化器領域に戻る。毛細
管構造体に形成された毛細管は、樹状形状あるいはフラ
クタル形状をしている。この装置は、さらに、柔軟性領
域を備えることができる。この柔軟性領域によって、装
置は、角や端の周りに折り曲げることができるようにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒート・パイプと
熱電冷却器を用いた、高密度チップ実装用の装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】電子回路中で消費される電力が増大する
と、当該電子回路から熱を放散させるシステムを改良す
る必要が生じる。集積度と動作速度のレベルが増大する
のにつれて、電力密度が増大する。したがって、電子回
路の集積度が高まり、動作速度が増大すると、当該電子
回路から熱を放散させる必要性がますます重要になる。
【０００３】ヒート・パイプは、集積回路装置の放熱を
改良するのに役立てることができる。マイクロ・ヒート
・パイプは、作業流体を充填（じゅうてん）した小さな
導管を用いて高温のデバイスから熱を伝導させている。
導管とは、通常、表面に突き出した直線状の通路のこと
である。作業流体を気化させたり凝縮させたりすると、
熱が導管を通って伝導する。作業流体は、導管の加熱さ
れている領域で気化する。気化した流体（蒸気）は、導
管の冷やされている部分に移動し、そこで凝縮する。凝
縮した流体は、導管の隅に集まったのち、毛細管力によ
って気化器領域に戻される。作業流体は飽和状態にある
ので、導管の内部は、ほぼ一定の温度である。
【０００４】米国特許第５７６９１５４号と第５９４７
１８３号には、ヒート・パイプ・システム内に流体を分
布させる芯（しん）構造が開示されている。芯構造にす
るすることにより、流体を複数の方向に流したのちに発
熱領域に戻すことが可能になる。しかし、これら芯構造
は、芯構造が任意の構成をとることができることに起因
してその流体抵抗が大きく、熱を流体に伝達する点で効
率が悪く、そして、柔軟性に乏しい。したがって、この
ような芯構造を厳密な用途に使うのは、限られる。それ
故、改良された毛細管構造と蒸気室を備えたヒート・パ
イプ装置を備えてヒート・パイプの動作を改良するのが
有益である。さらに、柔軟なヒート・パイプ装置を備え
て様々な実装形態のうちの複数のもので使用できるよう
にするのが有益である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】ヒート・パイプと熱電冷
却器を使った高密度チップ実装用の装置を提供する。こ
の装置は、気化器領域、凝縮器領域、および毛細管領域
を備えている。気化器領域は、熱源から輸送流体に熱を
伝達させるのに使う少なくとも１つのホット・ポイント
要素を備えている。輸送流体は、加熱すると、状態変化
して蒸気になる。この蒸気は、蒸気通路を通って凝縮器
領域に移動し、ヒート・シンクに熱を放散させて再び液
体（凝縮された輸送流体）に戻る。次いで、凝縮された
輸送流体は、毛細管力と、毛細管構造体に形成された毛
細管によって気化器領域に戻る。毛細管構造体に形成さ
れた毛細管は、樹状形状あるいはフラクタル形状をして
いる。この装置は、さらに、柔軟性領域を備えることが
できる。この柔軟性領域によって、装置は、角や端の周
りに折り曲げることができるようになる。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１は、ヒート・パイプの基本動
作を示す典型的なブロック図である。図１に示すよう
に、ヒート・パイプは、熱源１１０が出す熱をヒート・
シンク１２０へ伝達するように動作する。熱源１１０が
出す熱は、冷却流体１３０へ伝達される。冷却流体１３
０は、当該熱によって蒸気に状態を変える。この蒸気
は、ヒート・パイプ１４０中を蒸気室１５０から凝縮器
室１６０へ移動する。凝縮器室１６０で、当該蒸気は、
状態を変えて元の液体になる。
【０００７】凝縮器室１６０中の凝縮された流体は、ヒ
ート・パイプ構造体を構成している材料中の毛細管力に
よって蒸気室１５０に戻される。例えば、ヒート・パイ
プは、多孔質のガラス材料で構成することができる（図
中、丸い小孔を有する壁部として示してある）。ガラス
材料中の小孔によって、冷却流体を蒸気室１５０に戻す
のを可能にする通路が形成されている。圧力差が存在す
るのに加え、冷却流体は表面張力によって他の部分の冷
却流体に引っ張られることにより、毛細管力によって、
冷却流体は、ガラス材料中の小孔を通じて蒸気室１５０
に戻る。
【０００８】本発明は、集積回路チップ用の改良された
ヒート・パイプを提供するものである。本発明では、気
化器における効率的な相変化と蒸気による効率的な熱放
散を実現する構成要素を使用する。さらに、本発明で
は、最小の流抵抗で最大の毛細管力を実現するフラクタ
ルと構造上の幾何形状に基づいた毛細管構造体を利用す
る（フラクタルとは、全体の一部を拡大したものが元の
全体と同じ形を有する形のことである）。さらに、本発
明は、角や端で容易に折り曲げることのできる柔軟な構
造を有する。
【０００９】図２は、本発明に係るヒート・パイプ構造
体の上面と断面を示すブロック図である。図２に示すよ
うに、本発明のヒート・パイプ構造体は、３つの主領
域、すなわち気化器領域２１０、毛細管領域２２０、凝
縮器領域２２５を備えている。図２では、これらの領域
は、同心円状に形成されている。すなわち、気化器領域
２１０が中心に配置されており、気化器領域２１０の周
りに毛細管領域２２０が形成されており、毛細管領域２
２０の周りに凝縮器領域２２５が形成されている。
【００１０】気化器領域２１０は、熱源が出す熱をヒー
ト・シンクに輸送する輸送流体に伝達するように機能す
る。熱源には、熱を発生させることのできる任意の型の
デバイスを用いることができる。本発明の好適な実施形
態の場合、熱源は、熱い集積回路チップである。熱源
は、熱源が出す熱が熱源から気化器領域２１０の構成要
素に伝達されるように、気化器領域２１０の背面に配置
する。気化器領域２１０の構成要素は、この熱を輸送流
体に伝達する。
【００１１】輸送流体としては、加熱されたときに液体
から気体に状態を変化させることのできる任意の型の流
体を用いることができる。特定の（すなわち実際に使用
する）輸送流体は、熱源の動作温度と輸送流体の沸点と
から決めることができる。例えば、熱源が２５℃〜５０
℃の温度範囲で動作する場合、輸送流体として、沸点が
約５０℃のメタノールなどのアルコールを用いることが
できる。温度範囲が５０℃よりも高い場合には、例えば
水を用いることができる。温度範囲が２５℃よりも低い
場合には、例えばフレオンを用いることができる。以上
の例に限らず、本発明の本旨と範囲の内で他の輸送流体
を用いることができる。
【００１２】熱が気化器領域２１０の輸送流体に伝達さ
れると、当該輸送流体は、気化して蒸気になる。この蒸
気は、毛細管領域２２０の蒸気通路を通って凝縮器領域
２２５に移動する。凝縮器領域２２５に結合されたヒー
ト・シンクがこの蒸気から熱を吸収して元の液体（凝縮
された流体）に戻す。凝縮された輸送流体は、毛細管領
域２２０の毛細管を介して気化器領域２１０に戻され
る。
【００１３】輸送流体の毛細管力によって、輸送流体
は、ヒート・パイプ構造体の中心部、すなわち気化器領
域２１０に向かって移動する。毛細管領域２２０の毛細
管は、樹状構造をなすように形成されている。樹状構造
とすることにより、最小の表面抵抗で大きな毛細管力を
実現できる。このような樹状構造は、アドリアン・ベジ
ャン著『高等工業熱力学』（Adrian Bejan's Advanced
Engineering Thermodynamics, chapter 13, John Wiley
and Sons, copyright 1997)に一般的に記載されてい
る。
【００１４】樹状構造は毛細管領域２２０に形成するの
が最も容易であるけれども、本発明の本旨と範囲の内で
他の構造を用いることもできる。例えば、好適な実施形
態では、フラクタル形状を使って毛細管構造体を画定し
ている。フラクタル形状を使うと、フラクタル形状の面
積を同一に保ったまま、フラクタル形状の周囲を理論的
には無限に増大させることができる。フラクタル形状
は、毛細管領域を平面的に画定したのち、この画定した
領域をコーン（Kohn）のアルゴリズムなどのフラクタル
・アルゴリズムを使って満たすことにより、形成するこ
とができる。次いで、結果として得られる形状を毛細管
領域基板に彫り込む。
【００１５】図２には、領域２１０〜２３０の断面図も
示してある。図２に示す構成要素は実際の寸法を反映し
ておらず、相対的な寸法は説明を容易にするために誇張
してある。したがって、図２は、説明目的だけのもので
あり、本発明のヒート・パイプ構造体を構築するための
「青写真」を提供するものではない。
【００１６】図２に示すように、ヒート・パイプ構造体
の上面と下面は、基板２３０、２４０から成る。これら
の基板２３０、２４０には、後述する構成要素を格納で
きる任意の材料を用いることができる。例えば、基板２
３０、２４０には、高熱伝導性材料、例えば銅、シリコ
ン、シリコン同位元素Ｓｉ−２８、銅めっきシリコンな
どを用いることができる。好適な実施形態では、例え
ば、銅は他の材料よりも熱伝導率が高く比較的コストが
低いので、基板２３０、２４０は銅から成っている。
【００１７】気化器領域２１０は、熱源、例えば集積回
路チップが出す熱を輸送流体に伝達する複数の構成要素
２５０を備えている。構成要素２５０には、熱源が出す
熱を輸送流体に伝達する任意の型の構成要素を用いるこ
とができる。本発明の好適な実施形態では、構成要素２
５０として円錐（えんすい）形のホット・ポイントを用
いている。好適な実施形態で円錐形のホット・ポイント
を用いているのは、鋭利なポイントによって熱流束密度
を高められるので、蒸気を生成する凝集サイトの数を多
くすることができるからである。熱はホット・ポイント
から輸送流体に伝達され、輸送流体は気化する。円錐形
のホット・ポイントの配列の製造方法と使用方法は、例
えば、次に示す名称の米国特許出願に記載されている。
すなわち、「全金属のティップを備えた高度インタフェ
ース熱電冷却器（ENHANCED INTERFACE THERMOELECTRIC
COOLERS WITH ALL-METAL TIPS)」、「高度構造化インタ
フェースを備えた熱電冷却器（THERMOELECTRIC COOLERS
WITH ENHANCED STRUCTURED INTERFACES）」、「全金属
のティップを備えた高度インタフェース熱電冷却器
（（ENHANCED INTERFACE THERMOELECTRIC COOLERS WITH
ALL-METAL TIPS)」、「効率的な熱電冷却器用のコール
ド・ポイントの設計（COLD POINT DESIGN FOR EFFICIEN
T THERMOELECTRIC COOLERS）」である。
【００１８】ここでは、好適な実施形態で使われている
ように、「円錐形」のホット・ポイントを開示するけれ
ども、ホット・ポイントの本体は、円錐である必要はな
い。それどころか、ホット・ポイントがテーパをつけら
れたポイントで終端している限り、任意の形状をとりう
る。したがって、円錐形のホット・ポイントではなく、
例えばピラミッド形のホット・ポイントを用いることも
できる。
【００１９】毛細管領域２２０は、蒸気通路２３５と毛
細管構造体２４５を備えている。蒸気通路２３５は、輸
送流体を気化器領域２１０から凝縮器領域２２５へ輸送
するのに使用する。毛細管構造体２４５は、毛細管構造
体２４５中に形成された毛細管を備えている。毛細管構
造体２４５中に形成された毛細管は、通路を形成してい
る。この通路を通じて、凝縮された輸送流体を気化器領
域２１０へ戻すことができる。
【００２０】毛細管構造体２４５中の毛細管は、例えば
フォトリソグラフィ技術と反応性イオン・エッチング
（ＲＩＥ）技術によって形成することができる。また、
毛細管構造体２４５を形成するのに、電気めっきも使用
することができる。さらに、レーザで基板を切削しても
好適な毛細管構造体を形成することができる。一般に、
本発明の本旨と範囲の内で本発明の毛細管構造体を形成
するのに、マイクロマシンを製造するのに適したプロセ
スを使用することができる。
【００２１】凝縮器領域２２５は、凝縮された輸送流体
２６０と封止部２７０を備えている。基板２３０の反対
表面に、コールド・プレート、熱電冷却器、放熱フィン
などのヒート・シンク（図示せず）を取り付けることが
できる。封止部２７０は、ヒート・パイプ構造体を封止
するように機能する。これにより、ヒート・パイプ構造
体が周期的に動作するのが可能になると共に、ヒート・
パイプ構造体中に汚染が侵入するのを防止することがで
きる。あるいは、基板２３０、２４０は、例えばＢＰＳ
Ｇ（boron-phosphorous-silicate-glass）によって機密
封止することもできる。
【００２２】輸送流体は、ポート（図示せず）を通じて
基板２３０、２４０と封止部２７０によって画定された
空間に導入することができる。要すれば、輸送流体は、
真空下でポートを通じてヒート・パイプ構造体中に導入
することができる。次いで、例えばエポキシ充填（じゅ
うてん）またはレーザ融合溶接によってポートを封止す
る。ヒート・パイプ構造体は、当業者にとって公知の注
入充填−煮沸−クリンプ（ひだ付け）封止プロセスを介
して充填することもできる。ヒート・パイプ構造体に導
入する輸送流体の量は、凝縮器領域２２５の凝縮液滴が
基板２４０の凝縮器領域の表面と毛細管構造体２４５と
の間を架橋しうる程度であれば十分である。
【００２３】凝縮された輸送流体２６０は、ヒート・シ
ンク（図示せず）が熱を吸収することに起因して凝縮器
領域２２５で蒸気が凝縮することにより得られる。蒸気
は、熱を失うと状態変化して元の液体（凝縮された流
体）になる。次いで、凝縮された流体は、重力あるいは
局所的な芯構造によって凝縮器領域の底に集まり、毛細
管構造体２４５の毛細管を介して気化器領域２１０に戻
される。
【００２４】図３は、本発明のヒート・パイプ構造体の
典型的な実施形態の動作を説明する典型的なブロック図
である。図３に示すように、熱源が出す熱は、ホット・
ポイントを介してチップから輸送流体に伝達される。輸
送流体は、加熱されると、液体から蒸気に変わる。次い
で、輸送流体の蒸気は、毛細管領域の蒸気通路を通って
凝縮器領域に移動する。
【００２５】凝縮器領域では、蒸気中の熱が放熱器に伝
達される。蒸気は、熱を失うと元の液体（凝縮された輸
送流体）に戻る。凝縮された輸送流体は、凝縮器領域の
底にたまる。輸送流体の毛細管力によって、輸送流体
は、毛細管領域に形成された毛細管を通って気化器領域
に戻り、ホット・ポイントに到達する。このプロセス
は、ヒート・パイプ構造体が動作し、熱源が存在する限
り、周期的に繰り返される。
【００２６】図２と図３に示すように、好適な一実施形
態のヒート・パイプ構造体は、円形をしている。円形で
あることにより、ヒート・パイプ構造体を大部分の半導
体シリコン・ウェーハに形成できると共に、集積回路
（これ自身が円形のシリコン・ウェーハに形成されてい
る）を気化器領域に位置決めすることができる。さら
に、円形であることにより、円形のヒート・パイプ構造
体の外縁すなわち周辺を封止することにより、ヒート・
パイプ構造体を容易に封止することができる。
【００２７】本発明に係るヒート・パイプ構造体は、用
途によっては、直線形状が適している。図４は、本発明
に係る直線形状のヒート・パイプ構造体のブロック図で
ある。図４に示すように、このヒート・パイプ構造体
は、基板４４０に直線状に形成された、気化器領域４１
０、毛細管領域４２０、凝縮器領域４３０を備えてい
る。これらの領域をいったん形成したら、余分の基板
は、エッチング除去してもよい。
【００２８】図５は、本発明の直線形状のヒート・パイ
プ構造体の実施形態の断面を示す図である。図５に示す
ように、この直線形状のヒート・パイプ構造体は、断面
に１つの毛細管領域と１つの凝縮器領域しか提示されて
いない点を除いて、円形の実施形態のものと実質的に同
じである。
【００２９】さらに、直線形状のヒート・パイプ構造体
は、柔軟性構造領域５１０を備えることができる。この
柔軟性構造領域は、気化器領域、毛細管領域、および凝
縮器領域のうちの少なくとも１つに渡って形成すること
ができる。図５に示す例では、柔軟性構造領域５１０
は、毛細管領域にしか渡っていない。
【００３０】柔軟性構造領域５１０は、エッチングによ
って刻み目をつけた基板５２０を備えている。さらに、
蒸気通路と毛細管構造体が柔軟性を有する材料で形成さ
れている。例えば、蒸気通路と毛細管構造体は、電気め
っき銅、Ｓｉ−２８などで形成することができる。電気
めっき銅は熱伝導率が高く、形成が容易であると共にコ
ストが低いので、本発明の好適な実施形態では、蒸気通
路と毛細管構造体を電気めっき銅で形成している。
【００３１】基板５２０の刻み目と、ヒート・パイプ構
造体および毛細管構造体の柔軟な材料とによって、柔軟
性構造領域５１０を曲げることができるので、ヒート・
パイプの全体構造は、ちょうつがいのように両端を折り
曲げることができる。ヒート・パイプの全体構造が柔軟
性を有することにより、本発明に係るヒート・パイプ構
造体は、様々な用途に用いることができる。
【００３２】例えば、図６に示すように、本発明のヒー
ト・パイプ構造体は、ラップトップ・コンピュータで用
いることができる。この場合、ラップトップ・コンピュ
ータの通常は放熱に使用しない面に放熱器を配置するこ
とができる。既存のラップトップ・コンピュータでは、
ラップトップ・コンピュータの底面や側面を通じて放熱
させる必要がある既存の放熱機構を使って、放熱を行な
っている。この方式には、これらラップトップ・コンピ
ュータの底面や側面に触れるユーザを傷つけないよう
に、これらの場所が放散しうる熱量を制限する必要があ
る、という問題がある。この結果、ラップトップ・コン
ピュータから放散しうる熱量には限りがあるので、ラッ
プトップ・コンピュータのプロセッサの動作温度には限
りがある。
【００３３】本発明は柔軟な放熱機構を実現しているの
で、ラップトップ・コンピュータのプロセッサが出す熱
を、ラップトップ・コンピュータの上表面を通じて放散
させることができる。本発明に係るヒート・パイプ構造
体は柔軟性があるので、ヒート・パイプ構造体をラップ
トップ・コンピュータのちょうつがい部の両端で折り曲
げることができる。したがって、気化器領域をプロセッ
サの近傍に配置することができる。毛細管領域は、ラッ
プトップ・コンピュータの底部を横切り、ラップトップ
・コンピュータのちょうつがい部をまたぎ、ラップトッ
プ・コンピュータの上面を横切って配置することができ
る。凝縮器領域はラップトップ・コンピュータの上面に
配置することができるので、プロセッサから放熱器に伝
達される熱は、ラップトップ・コンピュータの上面を通
じて放散させることができる。通常はユーザの膝（ひ
ざ）の上などユーザの近傍に置かれることのない面を通
じて放熱しているので放熱量を大きくとれから、プロセ
ッサの動作温度を高めることができる。
【００３４】図６に示した用途の他に、本発明のヒート
・パイプ構造体には、本発明の本旨と範囲の内で、多く
の他の用途がありうる。例えば、本発明のヒート・パイ
プ構造体は、図７（ａ）や図７（ｂ）に示すような集積
回路チップ積層体で使用することができる。
【００３５】図７（ａ）と図７（ｂ）は、本発明の２つ
の実現方法を示す図である。図７（ａ）に示すように、
第１のチップ積層体は、プリント回路基板（ＰＣＢ）バ
ックプレーン７１０、ＰＣＢバックプレーン７１０に接
続された入出力（Ｉ／Ｏ）モジュール７２０、互いの上
に積層しＩ／Ｏモジュール７２０に接続された複数のチ
ップ７３０を備えている。チップ積層体は、さらに、熱
電冷却器（ＴＥＣ）７４０と、熱電冷却器７４０の間に
位置するヒート・パイプ構造体体７５０を備えている。
【００３６】熱電冷却器（ＴＥＣ）７４０の近傍にある
ヒート・パイプ構造体７５０の部分は、気化器領域であ
る。熱電冷却器（ＴＥＣ）７４０が放散する熱は、ヒー
ト・パイプ構造体７５０の気化器領域にある構成要素が
吸収する。その結果、気化器領域の輸送流体は、状態を
変えて蒸気になる。この蒸気は、ヒート・パイプ構造体
７５０の蒸気通路を通ってヒート・シンク７６０に結合
された凝縮器領域に到達する。そこで、熱は、ヒート・
シンク７６０に伝達される。ヒート・シンク７６０は、
この熱を外部雰囲気中に放散する。その結果、蒸気は凝
縮した液体になる。この凝縮した液体は、ヒート・パイ
プ構造体７５０の毛細管力と毛細管構造体によって気化
器領域に戻される。
【００３７】図７（ｂ）は、熱い集積回路チップ積層体
の別の構成を示す図である。図７（ｂ）では、チップ
は、第１のヒート・パイプ構造体７７０によって直接に
冷却されている。熱は、熱電冷却器（ＴＥＣ）に伝達さ
れる。熱電冷却器（ＴＥＣ）は、この熱を第２のヒート
・パイプ構造体７８０に放散する。次いで、第２のヒー
ト・パイプ構造体７８０は、ヒート・シンク７６０に放
熱する。ヒート・パイプ７７０と７８０は、熱電冷却器
（ＴＥＣ）の動作温度範囲によって定義されるように、
異なった温度で動作している。また、本発明の本旨と範
囲の内で、熱い集積回路チップ積層体をさらに別の構成
とすることができる。
【００３８】以上のように、本発明は、熱源から輸送流
体へ効率的に熱を伝達するように、気化器領域の構成要
素を使う改良されたヒート・パイプ構造体を提供するも
のである。また、本発明では、最小の流抵抗で最大の毛
細管力を実現するフラクタルかつ構造的な形状に基づく
毛細管構造体を使用している。さらに、本発明は、角や
端で容易に折り曲げることができる柔軟構造を備えてい
る。
【００３９】以上、本発明を説明と記述を目的に説明し
たが、本発明は、ここに開示した形態で尽きるものでは
なく、また、それらに限定されるものでもない。多くの
変更と変形があることは、当業者にとって明らかであ
る。実施形態は、本発明の原理とその実際的な応用を最
もよく説明しうるように、そして、考えうる特定の用途
に適するように様々に変更した様々な実施形態を通して
当業者が本発明を理解しうるように選んで説明した。
【００４０】まとめとして以下の事項を開示する。 （１）熱源を冷却する装置であって、熱源から輸送流体
に熱を伝達させる少なくとも１つのホット・ポイント要
素を備えた気化器領域と、ヒート・シンクに結合された
凝縮器領域とを備えた装置。 （２）前記熱源が出す熱を前記輸送流体に印加すると、
当該輸送流体が状態を変えて蒸気になる、上記（１）に
記載の装置。 （３）前記蒸気から前記ヒート・シンクに熱を伝達させ
ることにより、前記蒸気を凝縮させて凝縮された輸送流
体にする、上記（１）に記載の装置。 （４）さらに、前記凝縮された輸送流体を前記気化器領
域に戻す毛細管を備えた毛細管領域を備えた、上記
（３）に記載の装置。 （５）前記毛細管領域の前記毛細管が、少なくとも１つ
の樹状であり、フラクタルかつ構造的な形状を使って形
成されている、上記（４）に記載の装置。 （６）前記装置が柔軟である、上記（１）に記載の装
置。 （７）前記熱源が熱い集積回路チップである、上記
（１）に記載の装置。 （８）前記輸送流体が、アルコール、水、およびフレオ
ンのうちの１つから成る、上記（１）に記載の装置。 （９）前記毛細管領域の前記毛細管が、前記毛細管領域
中に１つの領域を画定し、フラクタル・アルゴリズムを
使って、前記毛細管領域の前記領域を満たすことにより
形成されている、上記（４）に記載の装置。 （１０）前記装置が、高熱伝導性材料を使って形成され
ている、上記（１）に記載の装置。 （１１）前記少なくとも１つのホット・ポイント要素
が、円錐形をしたホット・ポイント要素から成る、上記
（１）に記載の装置。 （１２）前記少なくとも１つのホット・ポイント要素
が、テーパをつけられたポイントで終端している、上記
（１）に記載の装置。 （１３）前記毛細管領域が、さらに、前記気化器領域か
ら前記凝縮器領域に蒸気を輸送する蒸気通路を備えてい
る、上記（４）に記載の装置。 （１４）前記毛細管が、フォトリソグラフィ技術を使っ
たマスク工程とエッチング工程によって、前記毛細管領
域に形成されている、上記（４）に記載の装置。 （１５）前記ヒート・シンクが、コールド・プレート、
熱電冷却器、および放熱フィンのうちの１つから成る、
上記（１）に記載の装置。 （１６）前記気化器領域と前記凝縮器領域が、同心円状
に配置されている、上記（１）に記載の装置。 （１７）前記装置が直線形状をしている、上記（１）に
記載の装置。 （１８）前記気化器領域、前記毛細管領域、および前記
凝縮器領域のうちの少なくとも１つが、柔軟構造体であ
る、上記（４）に記載の装置。 （１９）前記柔軟構造体は、前記柔軟構造体の基板をエ
ッチングして形成した刻み目を有し、それにより、前記
柔軟構造体自身が柔軟にされている、上記（１８）に記
載の装置。 （２０）前記熱源がラップトップ・コンピュータのプロ
セッサであり、前記ヒート・シンクが前記ラップトップ
・コンピュータの上面に設けられた放熱器から成る、上
記（１）に記載の装置。 （２１）前記熱源が、チップ積層体中の集積回路チップ
である、上記（１）に記載の装置。 （２２）熱源を冷却する方法であって、熱源から輸送流
体に熱を伝達させて当該輸送流体を蒸気に変換する少な
くとも１つのホット・ポイント要素を備えた気化器領域
を使用するステップと、ヒート・シンクに結合された凝
縮器領域を使って前記蒸気が出す熱を前記ヒート・シン
クに伝達させ、当該蒸気を凝縮された輸送流体に変換す
るステップとを備えた方法。 （２３）さらに、前記凝縮された輸送流体を毛細管領域
の毛細管を通じて前記気化器領域に戻すステップを備え
た、上記（２２）に記載の方法。 （２４）前記毛細管領域の前記毛細管が、少なくとも１
つの樹状であり、フラクタルかつ構造的な形状を使って
形成されている、上記（２３）に記載の方法。 （２５）前記熱源が熱い集積回路チップである、上記
（２２）に記載の方法。 （２６）前記輸送流体が、アルコール、水、およびフレ
オンのうちの１つから成る、上記（２２）に記載の方
法。 （２７）前記少なくとも１つのホット・ポイント要素
が、円錐形をしたホット・ポイント要素から成る、上記
（２２）に記載の方法。 （２８）前記熱源がラップトップ・コンピュータのプロ
セッサであり、前記ヒート・シンクが前記ラップトップ
・コンピュータの上面に設けられた放熱器から成る、上
記（２２）に記載の方法。 （２９）前記熱源が、チップ積層体中の集積回路チップ
から成る、上記（２２）に記載の方法。 （３０）熱源を冷却する装置の製造方法であって、熱源
から輸送流体に熱を伝達させる少なくとも１つのホット
・ポイント要素を備え、前記ホット・ポイント要素から
前記輸送流体に熱が伝達されると、前記輸送流体を蒸気
に変換する気化器領域を形成するステップと、ヒート・
シンクに結合された凝縮器領域であって、熱が前記蒸気
から前記ヒート・シンクに伝達されると、当該蒸気を凝
縮された輸送流体に凝縮させる凝縮器領域を形成するス
テップとを備えた製造方法。 （３１）さらに、前記凝縮された輸送流体を前記気化器
領域に戻す毛細管を備えた毛細管領域を形成するステッ
プを備えた、上記（３０）に記載の製造方法。 （３２）前記毛細管領域の前記毛細管を、少なくとも１
つの樹状であり、フラクタルかつ構造的な形状を使って
形成する、上記（３１）に記載の製造方法。 （３３）さらに、前記輸送流体を準備するステップであ
って、前記輸送流体が、アルコール、水、およびフレオ
ンのうちの１つから成るステップを備えた、上記（３
０）に記載の製造方法。 （３４）前記毛細管領域の前記毛細管を、前記毛細管領
域中に１つの領域を画定し、フラクタル・アルゴリズム
を使って、前記毛細管領域の前記領域を満たすことによ
り形成する、上記（３１）に記載の製造方法。 （３５）前記装置を、高熱伝導性材料を使って形成す
る、上記（３０）に記載の製造方法。 （３６）前記少なくとも１つのホット・ポイント要素
が、円錐形をしたホット・ポイント要素から成る、上記
（３０）に記載の製造方法。 （３７）さらに、前記気化器領域から前記凝縮器領域に
蒸気を輸送する蒸気通路を前記毛細管領域に形成するス
テップを備えた、上記（３１）に記載の製造方法。 （３８）前記毛細管を、フォトリソグラフィ技術を使っ
たマスク工程とエッチング工程によって、前記毛細管領
域に形成する、上記（３１）に記載の製造方法。 （３９）前記気化器領域と前記凝縮器領域が、同心円状
に配置されている、上記（３０）に記載の製造方法。 （４０）前記装置が直線形状をしている、上記（３０）
に記載の製造方法。 （４１）前記気化器領域、前記毛細管領域、および前記
凝縮器領域のうちの少なくとも１つが、柔軟構造体であ
る、上記（３１）に記載の製造方法。 （４２）前記柔軟構造体は、前記柔軟構造体の基板をエ
ッチングして形成した刻み目を有し、それにより、前記
柔軟構造体自身が柔軟にされている、上記（４１）に記
載の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ヒート・パイプの基本動作を説明する典型的
なブロック図である。
【図２】 本発明に係るヒート・パイプ構造体の上面と
断面を説明する典型的なブロック図である。
【図３】 図２のヒート・パイプ構造体の動作を説明す
る典型的なブロック図である。
【図４】 本発明の直線形状のヒート・パイプ構造体の
実施形態を説明する典型的な図である。
【図５】 本発明の直線形状のヒート・パイプ構造体の
実施形態の断面を説明する典型的なブロック図である。
【図６】 本発明の直線形状のヒート・パイプ構造体の
実施形態の実現例を説明する典型的なブロック図であ
る。
【図７】 本発明のヒート・パイプを使用したチップ容
器の２つの構成例を説明する典型的なブロック図であ
る。
【符号の説明】
１１０ 熱源 １２０ ヒート・シンク １３０ 冷却流体 １４０ ヒート・パイプ １５０ 蒸気室 １６０ 凝縮器室 ２１０ 気化器領域 ２２０ 毛細管領域 ２２５ 凝縮器領域 ２３０ 基板 ２３５ 蒸気通路 ２４０ 基板 ２４５ 毛細管構造体 ２５０ 構成要素 ２６０ 輸送流体 ２７０ 封止部 ４１０ 気化器領域 ４２０ 毛細管領域 ４３０ 凝縮器領域 ４４０ 基板 ５１０ 柔軟性構造領域 ５２０ 基板 ７１０ プリント回路基板（ＰＣＢ）バックプレーン ７２０ 入出力（Ｉ／Ｏ）モジュール ７３０ チップ ７４０ 熱電冷却器（ＴＥＣ） ７５０ ヒート・パイプ構造体体 ７６０ ヒート・シンク ７７０ 第１のヒート・パイプ構造体 ７８０ 第２のヒート・パイプ構造体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｄ 15/02 １０３ Ｆ２８Ｄ 15/02 １０４Ａ １０４ １０６Ｇ １０６ Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｑ Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０１Ｌ 23/46 Ｂ (72)発明者 ウッタム・シャイアマリンドゥ・ゴシャル アメリカ合衆国 テキサス州 78733、オ ースチン、インディゴ ブルーム ループ 10421 Ｆターム(参考） 5E322 AA01 DB06 DB08 DC02 EA11 FA01 FA04 5F036 AA01 BA08 BA24 BB01 BB60

Claims (42)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱源を冷却する装置であって、 熱源から輸送流体に熱を伝達させる少なくとも１つのホ
    ット・ポイント要素を備えた気化器領域と、 ヒート・シンクに結合された凝縮器領域とを備えた装
    置。
  2. 【請求項２】前記熱源が出す熱を前記輸送流体に印加す
    ると、当該輸送流体が状態を変えて蒸気になる、請求項
    １に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記蒸気から前記ヒート・シンクに熱を伝
    達させることにより、前記蒸気を凝縮させて凝縮された
    輸送流体にする、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 さらに、 前記凝縮された輸送流体を前記気化器領域に戻す毛細管
    を備えた毛細管領域を備えた、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記毛細管領域の前記毛細管が、少なくと
    も１つの樹状であり、フラクタルかつ構造的な形状を使
    って形成されている、請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記装置が柔軟である、請求項１に記載の
    装置。
  7. 【請求項７】前記熱源が熱い集積回路チップである、請
    求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】前記輸送流体が、アルコール、水、および
    フレオンのうちの１つから成る、請求項１に記載の装
    置。
  9. 【請求項９】前記毛細管領域の前記毛細管が、 前記毛細管領域中に１つの領域を画定し、 フラクタル・アルゴリズムを使って、前記毛細管領域の
    前記領域を満たすことにより形成されている、請求項４
    に記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記装置が、高熱伝導性材料を使って形
    成されている、請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】前記少なくとも１つのホット・ポイント
    要素が、円錐形をしたホット・ポイント要素から成る、
    請求項１に記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記少なくとも１つのホット・ポイント
    要素が、テーパをつけられたポイントで終端している、
    請求項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記毛細管領域が、さらに、 前記気化器領域から前記凝縮器領域に蒸気を輸送する蒸
    気通路を備えている、請求項４に記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記毛細管が、フォトリソグラフィ技術
    を使ったマスク工程とエッチング工程によって、前記毛
    細管領域に形成されている、請求項４に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記ヒート・シンクが、 コールド・プレート、熱電冷却器、および放熱フィンの
    うちの１つから成る、請求項１に記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記気化器領域と前記凝縮器領域が、同
    心円状に配置されている、請求項１に記載の装置。
  17. 【請求項１７】前記装置が直線形状をしている、請求項
    １に記載の装置。
  18. 【請求項１８】前記気化器領域、前記毛細管領域、およ
    び前記凝縮器領域のうちの少なくとも１つが、柔軟構造
    体である、請求項４に記載の装置。
  19. 【請求項１９】前記柔軟構造体は、 前記柔軟構造体の基板をエッチングして形成した刻み目
    を有し、 それにより、前記柔軟構造体自身が柔軟にされている、
    請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】前記熱源がラップトップ・コンピュータ
    のプロセッサであり、 前記ヒート・シンクが前記ラップトップ・コンピュータ
    の上面に設けられた放熱器から成る、請求項１に記載の
    装置。
  21. 【請求項２１】前記熱源が、チップ積層体中の集積回路
    チップである、請求項１に記載の装置。
  22. 【請求項２２】熱源を冷却する方法であって、 熱源から輸送流体に熱を伝達させて当該輸送流体を蒸気
    に変換する少なくとも１つのホット・ポイント要素を備
    えた気化器領域を使用するステップと、 ヒート・シンクに結合された凝縮器領域を使って前記蒸
    気が出す熱を前記ヒート・シンクに伝達させ、当該蒸気
    を凝縮された輸送流体に変換するステップとを備えた方
    法。
  23. 【請求項２３】 さらに、前記凝縮された輸送流体を毛
    細管領域の毛細管を通じて前記気化器領域に戻すステッ
    プを備えた、請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】前記毛細管領域の前記毛細管が、少なく
    とも１つの樹状であり、フラクタルかつ構造的な形状を
    使って形成されている、請求項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】前記熱源が熱い集積回路チップである、
    請求項２２に記載の方法。
  26. 【請求項２６】前記輸送流体が、アルコール、水、およ
    びフレオンのうちの１つから成る、請求項２２に記載の
    方法。
  27. 【請求項２７】前記少なくとも１つのホット・ポイント
    要素が、円錐形をしたホット・ポイント要素から成る、
    請求項２２に記載の方法。
  28. 【請求項２８】前記熱源がラップトップ・コンピュータ
    のプロセッサであり、 前記ヒート・シンクが前記ラップトップ・コンピュータ
    の上面に設けられた放熱器から成る、請求項２２に記載
    の方法。
  29. 【請求項２９】前記熱源が、チップ積層体中の集積回路
    チップから成る、請求項２２に記載の方法。
  30. 【請求項３０】熱源を冷却する装置の製造方法であっ
    て、 熱源から輸送流体に熱を伝達させる少なくとも１つのホ
    ット・ポイント要素を備え、前記ホット・ポイント要素
    から前記輸送流体に熱が伝達されると、前記輸送流体を
    蒸気に変換する気化器領域を形成するステップと、 ヒート・シンクに結合された凝縮器領域であって、熱が
    前記蒸気から前記ヒート・シンクに伝達されると、当該
    蒸気を凝縮された輸送流体に凝縮させる凝縮器領域を形
    成するステップとを備えた製造方法。
  31. 【請求項３１】 さらに、 前記凝縮された輸送流体を前記気化器領域に戻す毛細管
    を備えた毛細管領域を形成するステップを備えた、請求
    項３０に記載の製造方法。
  32. 【請求項３２】前記毛細管領域の前記毛細管を、少なく
    とも１つの樹状であり、フラクタルかつ構造的な形状を
    使って形成する、請求項３１に記載の製造方法。
  33. 【請求項３３】 さらに、 前記輸送流体を準備するステップであって、前記輸送流
    体が、アルコール、水、およびフレオンのうちの１つか
    ら成るステップを備えた、請求項３０に記載の製造方
    法。
  34. 【請求項３４】前記毛細管領域の前記毛細管を、 前記毛細管領域中に１つの領域を画定し、 フラクタル・アルゴリズムを使って、前記毛細管領域の
    前記領域を満たすことにより形成する、請求項３１に記
    載の製造方法。
  35. 【請求項３５】前記装置を、高熱伝導性材料を使って形
    成する、請求項３０に記載の製造方法。
  36. 【請求項３６】前記少なくとも１つのホット・ポイント
    要素が、円錐形をしたホット・ポイント要素から成る、
    請求項３０に記載の製造方法。
  37. 【請求項３７】 さらに、 前記気化器領域から前記凝縮器領域に蒸気を輸送する蒸
    気通路を前記毛細管領域に形成するステップを備えた、
    請求項３１に記載の製造方法。
  38. 【請求項３８】前記毛細管を、フォトリソグラフィ技術
    を使ったマスク工程とエッチング工程によって、前記毛
    細管領域に形成する、請求項３１に記載の製造方法。
  39. 【請求項３９】前記気化器領域と前記凝縮器領域が、同
    心円状に配置されている、請求項３０に記載の製造方
    法。
  40. 【請求項４０】前記装置が直線形状をしている、請求項
    ３０に記載の製造方法。
  41. 【請求項４１】前記気化器領域、前記毛細管領域、およ
    び前記凝縮器領域のうちの少なくとも１つが、柔軟構造
    体である、請求項３１に記載の製造方法。
  42. 【請求項４２】前記柔軟構造体は、 前記柔軟構造体の基板をエッチングして形成した刻み目
    を有し、 それにより、前記柔軟構造体自身が柔軟にされている、
    請求項４１に記載の製造方法。
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