JP2004523911A - 熱放散デバイス - Google Patents

Abstract

チャンバが形成されたベース部分と、ベース部分から延びる複数の突起部を備える熱放散デバイス。複数の突起部のうちの少なくとも１つの突起部はまたその中に形成されたチャンバを有し、このチャンバはベース部のチャンバと流体連通してヒート・パイプの蒸気チャンバを形成する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は電子デバイスから熱を除去する装置および方法に関する。詳細には、本発明は、熱放散デバイスのベース部のチャンバに接続された少なくとも１つの中空突起部を有する熱放散デバイスに関し、この突起部の中空部とベース部のチャンバはヒート・パイプの蒸気チャンバを備える。
【背景技術】
【０００２】
集積回路構成部品の高性能化、低コスト化、小型化、および集積回路の高実装密度化は、コンピュータ産業の継続している目標である。これらの目標が達成されるにつれて、超小型電子ダイはますます小さくなる。それに応じて、超小型電子ダイ中の集積回路構成部品の電力消費密度は増加し、そのために超小型電子ダイの平均接合温度が高くなる。超小型電子ダイの温度が高くなりすぎると、超小型電子ダイの集積回路は損傷を受け、または破壊される可能性がある。
【０００３】
超小型電子ダイから熱を除去するために、様々な装置や技術が使用され、また現在使用されつつある。１つのそのような熱放散技術に、超小型電子ダイに大表面積のヒート・シンクを取り付けることがある。図５は、複数の半田ボール２０６で基板支持体２０４に物理的かつ電気的に取り付けられた超小型電子ダイ２０２（フリップ・チップとして図示されている）を含むアセンブリ２００を示す。ヒート・シンク２０８は、熱伝導性接着剤２１４で超小型電子ダイ２０２の裏面２１２に取り付けられる。ヒート・シンク２０８は、通常、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などのような熱伝導性材料で作られる。超小型電子ダイ２０２で発生した熱は、伝導性熱伝達によってヒート・シンク２０８に吸い込まれる（最小熱抵抗経路をたどって）。
【０００４】
大表面積ヒート・シンク２０８が一般に使用される理由は、ヒート・シンクから熱が放散される速度がヒート・シンクの表面積に実質的に比例するからである。大表面積ヒート・シンク２０８は、通常、超小型電子ダイ２０２から実質的に垂直に延びる複数の突起部２１６を含む。当然ながら、この突起部２１６は、それだけに限定されないが、細長い平面フィン状構造および円柱状／柱状構造を含むことができることは理解できよう。突起部２１６が大表面積であるために、熱は大表面積ヒート・シンク２０８を囲繞する空気中に突起部２１６から対流で放散される。ファン２１８をアセンブリ２００に組み込んで対流熱放散を高めることができる。しかし、超小型電子技術の様々な用途で大表面積ヒート・シンクが使用されるが、かなりの量の熱を発生する超小型電子ダイから熱を除去することに完全には成功していない。
【０００５】
超小型電子ダイから熱を除去する他の知られている方法は、図６に示すようなヒート・パイプ２４０の使用である。ヒート・パイプ２４０は、電気的または機械的なエネルギー入力を使用することなく、ある点から別な点に熱を素早く伝達することができる簡単なデバイスである。ヒート・パイプ２４０は、一般に、水またはアルコールのような「作動流体」２４４を含む密封パイプ２４２から空気を排気して形成される。密封パイプ２４２は、第１の端部２４６が熱源２４８に近接した状態で方向付けされている。熱源２４８に近接した液相の状態にある作動流体２４４は、温度が高くなり蒸発して作動流体２４４の気相を形成し、これが密封パイプ２４２の第２の端部２５４に向かって移動する（矢印２５２で示す）。この気相は、密封パイプの第２の端部２５４に向かって移動するとき、凝縮して再び作動流体２４４の液相を形成し、それによって作動流体２４４の液相の蒸発時に吸収した熱を放出する。この液相は、通常毛管作用または重力によって、熱源２４８に近接した密封パイプの第１の端部２４６に戻り、このプロセスが繰り返される。このように、ヒート・パイプ２４０は、熱源２４８から熱を素早く運び去ることができる。
【０００６】
ヒート・パイプの様々な構成が超小型電子ダイを冷却するために使用されており、また、フィン付きヒート・スラグと共に使用されている。しかし、そのような構成は完全には成功しておらず、低温冷却または冷蔵冷却の使用は、高体積超小型電子デバイスが競争可能な値段にあるためには実行不可能な選択肢である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、超小型電子ダイから熱を効果的に除去する装置を開発することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書は、本発明と看做されることを特に指摘し明確に請求する特許請求の範囲で終わるが、この発明の利点は、添付の図面に関連して読まれるとき本発明の次の説明からいっそう容易に把握することができる。
【０００９】
次の詳細な説明において、本発明を実施することができる特定の実施形態を例示として示す添付の図面を参照する。この実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分詳細に説明する。本発明の様々な実施形態は、異なっているが、必ずしも互いに排他的でないことを理解すべきである。例えば、１つの実施形態に関連してここで説明する特定の特徴、構造、または特性は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の実施形態の中で実施することができる。さらに、各開示された実施形態内の個々の要素の位置および配列は、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに修正することができることを理解すべきである。したがって、次の詳細な説明は、限定する意味で解釈すべきでなく、そして、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義され、特許請求の範囲が権利を与えられる同等物の全範囲とともに適切に解釈される。図面において、同様な数字は、いくつかの図全体を通して同じまたは同様な機能を指す。
【００１０】
本発明は、チャンバが形成されたベース部と、このベース部から延びる複数の突起部を含む熱放散デバイスを含む。また、この複数の突起部のうちの少なくとも１つの突起部は、その中に形成されたチャンバを有し、このチャンバはベース部チャンバと流体連通して、ヒート・パイプの蒸気チャンバを形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、超小型電子ダイ１０４（フリップ・チップとして示す）に取り付けられた熱放散デバイス１０２を含む本発明の超小型アセンブリ１００を示す。熱放散デバイス１０２は、複数の突起部１０８を有するベース部１０６を含み、この突起部は好ましくはベース部から実質的に垂直に延びる。熱放散デバイスのベース部１０６は、その中に形成されたチャンバ１１２を含む。複数の突起部１０８もまた、その中に形成されたチャンバ１１４を含み、このチャンバはベース部のチャンバ１１２と流体連通している。複数の突起１０８の各々は、好ましくは実質的に中空である。ベース部チャンバ１１２と突起部チャンバ１１４の結合で、以下で蒸気チャンバ１１６と呼ぶヒート・パイプの蒸気チャンバが形成される。蒸気チャンバ１１６は、もちろん、密封され、水またはアルコールのような作動流体１１８を含む。蒸気チャンバ１１６は、好ましくは低圧力雰囲気または部分的な真空状態である。熱放散デバイス１０２は、好ましくは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などのような熱伝導性材料で作られる。
【００１２】
前に議論したように、作動流体１１８は、一般に、熱源すなわち超小型電子ダイ１０４に近接した液相の状態である。超小型電子ダイ１０４が通常動作のもとで熱くなるとき、蒸気チャンバ１１６内の作動流体１１８の温度は上がり、作動流体１１８を蒸発させて気相を形成する。この気相は、蒸気チャンバ１１６の突起部チャンバ１１４に向かって移動し、その中に入るとき（矢印１２２で示す）凝縮して再び作動流体１１８の液相を形成し、それによって、作動流体１１８の液相の蒸発時に吸収した熱を放出する。この液相は、凝縮し、重力または毛管作用によって突起部チャンバ１１４の内壁をしたたり落ちて、超小型電子ダイ１０４に近接した蒸気チャンバ１１６のベース部チャンバ１１２に戻り、このプロセスが繰り返される。このようにして、蒸気チャンバ１１６は、超小型電子ダイ１０４から複数の突起部１０８に熱を素早く運び去り、周囲の空気に熱を放散することができる。当業者は理解するように、突起部チャンバ１１４は、作動流体１１８の凝縮および戻りを助ける内張り（図示しない）を含む。除去すべき熱量に依存して、突起部１０８の全てまたは一部だけが突起チャンバ１１４を有することができることは理解できよう。
【００１３】
突起部１０８の第１の表面１３６からベース部チャンバ１１２に貫通して多軸機械で突起部１０８に穴をあけ、それから、近接した穴に、熱放散デバイス１０２を作るのと同じまたは同様な材料の適切な大きさのキャップを溶接するか、ろう付けするか、または、別の方法で取り付けることにより、突起部の第１の表面１３６に蓋を取り付けるような従来技術で、突起部チャンバ１１４を形成することができる。熱放散デバイス１０２全体（中空の突起部および中空のベース部）は、当業者には明らかなように、注入成形および他のそのような製造技術で形成することができる。
【００１４】
突起部１０８は、図２に示すような円柱／柱型構造および図３に示すような細長い平面フィン状構造を含むことができるが、それらに限定されない。
【００１５】
超小型電子ダイ１０４は、複数の半田ボール１２６で基板１２４に物理的かつ電気的に取り付ける。当技術分野で知られているように、好ましくは熱伝導性接着剤１３４で、熱放散デバイスのベース部１０６の取付け表面１２８を、超小型電子ダイ１０４の裏面１３２に取り付ける。熱放散デバイス１０２は超小型電子ダイ１０４に取り付けられるものとして示したが、本発明はもちろんそのように限定されない。熱放散デバイス１０２は、熱を放散させたいと望む任意の表面に取り付けることができる。
【００１６】
図４は、複数の折りたたみフィン突起物１４２を組み込んだ本発明の熱放散デバイス１４０の他の実施形態を示す。複数の折りたたみフィン突起部１４２は、熱プラスチックまたは金属、好ましくは銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などのような平らな熱伝導性のシートで形成する。複数の折りたたみフィン突起部１４２は、図４に示すように、平らな伝導性シートを「アコーディオン状」または「波状」のやり方で折りたたんで形成する。そのような折りたたみフィン突起部１４２は、機械加工または成形されたフィン付きヒート・シンクよりも安価にかつ好都合に形成することができるので、特に有利である。折りたたみフィン突起部１４２を、凹部１４６が形成されたベース板１４４に、好ましくは半田、エポキシまたはそのようなもの（図示しない）を使用して取り付ける。ベース・プレートチャンバ１４６は、折りたたみフィン突起部１４２の方向に開いているので、ベース・プレートチャンバとこの突起部は流体連通になっている。作動流体１１８をベース・プレート凹部１４６に配置し、このアセンブリを密封する（好ましくは、低圧力雰囲気または部分的な真空状態で）。
【００１７】
当然ながら、上述のような中空突起部の集積化は、場合によっては、比較的大きな断面の突起部を必要とすることがあることは理解できよう。しかし、突起部は中空であるので、断面積を調整して、熱放散デバイスの全体的な重さの目立った増加が起きないようにすることができる。
【００１８】
このように本発明の詳細な実施形態で説明したが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明は、本発明の多くの明らかな変形物が本発明の精神および範囲を逸脱することなく可能であるので、上記の説明で示された特定の細部で限定されるべきでないことは理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に従った、超小型電子ダイに取り付けられた熱放散デバイスの実施形態を示す側面断面図である。
【図２】本発明に従った、熱放散デバイスの実施形態の断面を示す斜視図である。
【図３】本発明に従った、熱放散デバイスの他の実施形態の断面を示す斜視図である。
【図４】当技術分野で知られているような、超小型電子ダイに取り付けられた熱放散デバイスのさらに他の実施形態を示す側面断面図である。
【図５】当技術分野で知られているような、超小型電子ダイに取り付けられた熱放散デバイスの側面断面図である。
【図６】当技術分野で知られているような、ヒート・パイプの側面断面図である。

Claims (20)

1. 少なくとも１つのチャンバが形成されたベース部と、
   前記ベース部から延び、複数の突起部の少なくとも１つに少なくとも１つのチャンバが形成されている複数の突起部とを備え、
   前記ベース部のチャンバと前記少なくとも１つの突起部のチャンバが、蒸気チャンバを形成するように互いに流体連通するように構成されている熱放散デバイス。
2. さらに、前記蒸気チャンバ内に配置された作動流体を含む請求項１に記載の熱放散デバイス。
3. 前記複数の突起部が複数の柱を備える請求項１に記載の熱放散デバイス。
4. 前記複数の突起部が複数のフィンを備える請求項１に記載の熱放散デバイス。
5. 前記複数の突起部が複数の折りたたみフィン突起部を備える請求項１に記載の熱放散デバイス。
6. 前記ベース部および前記複数の突起部が金属を含む請求項１に記載の熱放散デバイス。
7. 裏面を有する超小型電子ダイと、
   前記超小型電子ダイの裏面に取り付けられた熱放散デバイスとを備える超小型電子アセンブリであって、前記熱放散デバイスが、
   少なくとも１つのチャンバが形成されたベース部と、
   前記ベース部から延び、複数の突起部の少なくとも１つにチャンバが形成された複数の突起部とを備え、
   前記ベース部のチャンバと前記少なくとも１つの突起部のチャンバが蒸気チャンバを形成するように互いに連通している超小型電子アセンブリ。
8. さらに、前記蒸気チャンバ内に配置された作動流体を含む請求項７に記載の超小型電子アセンブリ。
9. 前記複数の突起部が複数の柱を備える請求項７に記載の超小型電子アセンブリ。
10. 前記複数の突起部が複数のフィンを備える請求項７に記載の超小型電子アセンブリ。
11. 前記複数の突起部が複数の折りたたみフィン突起部を備える請求項７に記載の超小型電子アセンブリ。
12. 前記ベース部および前記複数の突起部が金属を含む請求項７に記載の超小型電子アセンブリ。
13. 少なくとも１つのチャンバを設けた熱放散デバイスのベース部を形成するステップと、
    前記ベース部から延びる複数の突起部を形成するステップと、
    第１の表面から前記少なくとも１つのベース部チャンバに延びる穴を、前記複数の突起部の少なくとも１つに空けるステップと、
    前記突起部の第１の表面に近接して前記穴に蓋をかぶせるステップと
    を含む熱放散デバイスを形成する方法。
14. さらに、前記ベース部チャンバ内に作動流体を配置することを含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記複数の突起部の形成が複数の柱を形成することを含む請求項１３に記載の方法。
16. 前記複数の突起部の形成が複数のフィンを形成することを含む請求項１３に記載の方法。
17. 少なくとも１つの凹部を設けた熱放散デバイスのベース部を形成するステップと、
    複数の折りたたみフィン突起部を形成するステップと、
    前記折りたたみフィン突起部を前記ベース部に取り付けるステップと、
    前記折りたたみフィン突起部を密封して、前記ベース部の凹部と前記密封された折りたたみ突起部とで蒸気チャンバを形成するステップと
    を含む熱放散デバイスを形成する方法。
18. さらに、前記蒸気チャンバ内に作動流体を配置することを含む請求項１７に記載の方法。
19. 前記複数の折たたみフィン突起部を形成するステップが、平らな金属シートを折りたたんで、複数の折りたたみフィン突起部を形成することを含む請求項１７に記載の方法。
20. 前記複数の折たたみフィン突起部を形成するステップが、平らな伝導性熱プラスチック・シートを折りたたんで、複数の折りたたみフィン突起部を形成することを含む請求項１７に記載の方法。