JP2006518100A - 三次元高性能ヒートシンク - Google Patents

Abstract

非常に高い熱伝達性能を有するヒートシンクを複数のユニット要素で製作することができる。各ユニット要素は、或る範囲の直径を備えた一連の入口管と、これ又或る範囲の直径を備えた一連の出口管とを有する。最小入口管直径を備えた少なくとも１本の入口管が、最小出口管直径を備えた少なくとも１本の出口管と流れ連通状態にあるのがよい。

Description

本発明は一般に、熱伝達方法及び装置に関し、特に冷却用流体を用いるヒートシンクの改良に関する。

マイクロエレクトロニクスのスイッチング速度は、かかるデバイスの冷却能力に直接相関している。例えば１ｃｍ²あたり約３．８×１０²⁴ビット／秒のオーダで動作する次世代コンピュータ処理装置のための高い処理速度に達するためには、約１０⁵Ｗ／ｃｍ³台の冷却能力が必要である。これは、一般的な液体冷却式マイクロチャネルヒートシンクの能力を超えている。２相沸騰型マイクロヒートシンクに関する最近の研究では、非予測性であって非制御性の泡サイズ及びドライアウトの高い危険性に或る程度起因して、期待の持てる結果が得られなかった。

本発明は、先行技術と関連した問題又は欠点のうち１以上を解決することを目的としている。

本発明の一特徴によれば、非常に高い熱伝達性能を備えたヒートシンクを複数のユニット要素で作ることができる。各ユニット要素は、或る範囲の直径を備えた一連の入口管と、或る範囲の直径を備えた一連の出口管とを有する。最小入口管直径を備えた少なくとも１本の入口管は、最小出口管直径を備えた少なくとも１本の出口管と流れ連通状態にある。

本発明の一実施形態によれば、新規な超高性能のマイクロヒートシンクは、次の特徴を有する。
（１）表面積／体積比が非常に高い三次元（３Ｄ）ネットワーク配管幾何学的形状。
（２）包封状態のナノサイズの相変化材料を用いて１０⁵Ｗ／ｃｍ³に達する能力。その結果、通常のマイクロチャネルヒートシンクよりも桁違いに高い冷却能力が得られる。
（３）サブミクロン範囲までスケール変更できる能力。その結果一層高い冷却能力が得られる。
（４）大量生産の見込みのあるＥＦＡＢ（登録商標）技術を用いて製作できること。

図１及び図２は、一ユニット要素２２のネットワーク配管システム２０を示している。各ユニット要素２２は、マレーの法則に基づいて設計された４準位のほぼフラクタルなネットワークの管を有するのがよく、マレーの法則によれば、層流のニュートン流体を収容した管径について、最小量は、圧力降下が一定であるとすれば、分岐点のところでの管の半径が以下の関係式を満足する場合に生じる。
ｒ₀ ³＝ｒ₁ ³＋ｒ₂ ³＋ｒ₃ ³…＋ｒ_n ³
上式において、ｒ₀は、流入用管の半径、ｒ₁、ｒ₂等は、流出用管の半径である。この配管システムは、最終的に毛細血管床で連結された小さな血管を介して大きな動脈と大きな静脈を互いに連結する生物学的循環系に幾分類似している。この構造は、ドレクサ（１９９２年）によって仮説が立てられた４準位フラクタル系に類似しているが、連結設計が独特である。

図１を参照すると、各ユニット要素２２は、たった１本の流体入口管２４及び４本の流体出口管２６を有するのがよいことが理解できる。図２で分かるように、各出口管２６は、一連の補助出口管２８，３０，３２と流体連通状態にあり、各補助出口管は、それぞれ次々に小さな直径を有している。これと同様に、入口管２４は、一連の補助入口管３４，３６，３８と流体連通状態にあり、各補助入口管は、それぞれ次々に小さな直径を有している。補助出口管３２は、最小出口管直径を有し、補助入口管３８は、最小入口管直径を有している。最小入口管直径を有する入口管３８は、最小出口管直径を有する補助出口管３２のうちの少なくとも１本と流体連通状態にある。ヒートシンクの性能を最大にするため、ユニット要素２２は、マレーの法則に従って構成されたものであるのがよい。したがって、図２に示す管構成の例では、管３４のうち４本とつながった入口管２４の半径ｒ₃₄は、以下のようにして定めることができる。
ｒ³ ₂₄＝４＊（ｒ³ ₃₄）
上式において、ｒ₃₄は、管３４の各々の半径である。

図３に示すように、多くのユニット要素２２を互いに取り付けると（又は、所望ならば、互いに一緒に形成すると）、例えば４個のユニットから成るヒートシンク組立体４０を形成することができる。図４に示すように、マニホルドを４ユニット型ヒートシンク組立体４０に取り付けるのがよく、このマニホルドは、分かりやすくするためにほんの一部が図４に示されているカバープレート４４並びに入口開口部４６及び出口開口部４８を有するのがよい。図４で分かるように、マニホルド４２は、入口開口部４６が４ユニット型ヒートシンク組立体４０の流体入口管２４と流体連通し、出口開口部４８がその流体出口管２６と流体連通するよう回旋状壁部分５０を更に有するのがよい。

図５は、ユニット要素２２の１１×１１アレイを示しており、これらユニット要素は、一緒になって１２１個のユニットから成るシンクヒートシンク組立体５２を形成している。１２１ユニット型ヒートシンク組立体５２は、図５のユニット要素２２の上方に示すマニホルド壁５４を有するのがよい。図４のマニホルド４２と同様に、図５のマニホルド壁５４は、各々が複数本の流体入口管２４と流体連通状態にある入口開口部５６及び各々が複数本の流体出口管２６と流体連通状態にあるのがよい出口開口部５８を備えるのがよい。図６に示すように、カバープレート６０を１２１ユニット型ヒートシンク組立体５２を覆って配置するのがよく、このカバープレートは、流体入口開口部６４及び流体出口開口部６６を有するのがよい電子組立体６２に取り付けることができる。

図７に示すように、各ユニット要素２２は、図８〜図１１にそれぞれ示すパターンを備えた複数の層、例えば層６８，７０，７２，７４で形成されたものであるのがよい。かくして、各ユニット要素２２を層の状態で製作することができ、それにより自動化されて効率がよく且つ安価な製造方法の実施が容易になる。

図１２は、各ユニット要素２２の三次元微小構造を形成するよう使用できるＥＦＡＢ（登録商標）技術（コーヘン等、１９９９年）と類似した製作手順を示している。この方法には、自動大量生産の見込みがある任意的な３Ｄ微小構造を作るという課題がある。

ユニット要素２２の構造は、概念上、例えば図７に示す独特のパターンを有する層の状態に分割できる。図１２の工程（ａ）のところで断面で示すように、構造材料７６をアノード部分８２及び断熱部分８４を備えた再使用可能なマスク８０を用いて基板７８に選択的に被着させる（例えば、電気めっきにより）。伝統的なリソグラフィ法を用いて再使用可能なマスク８０を現像して作製するのがよい。次に、再使用可能なマスク８０を除去し、図１２の工程（ｂ）のところで断面で示すように構造材料７６が基板７８上に後に残るようにする。次に、図１２の工程（ｃ）のところで断面で示すように、犠牲材料８０を構造材料に被着させる（例えば、電気めっきにより）。次に、図１２の工程（ｄ）のところで断面で示すように、表面を平坦化し、図１２の工程（ｅ）のところで断面で示すように、上述の工程を繰り返し実施して連続した層を堆積形成し、それによりユニット要素２２の三次元微小構造を形成する。次に、工程（ｆ）のところで斜視図で示すように、例えばエッチングすることにより又は燃焼させることにより犠牲材料８６を除去して再使用のユニット要素２２を形成する。

図１３は、ユニット要素２２を形成するよう使用できる別の方法を断面図で示している。この方法では、レーザ加工Kapton（登録商標）（ポリイミド）インサート８８を厚膜銀層９０に埋め込む。図１３の工程（ａ）では、Kapton（登録商標）インサート８８を銀テープ層９０相互間に埋め込み、その後、工程（ｂ）のところで示す燃焼及び焼結段階中、埋め込み状態のKapton（登録商標）インサート８８を蒸発させ、次に図１３の工程（ｃ）のところで示す埋め込み状態のチャネル構造９４を備えた完成した中実銀基板９２を生じさせる。チャネル構造９４の形状をKapton（登録商標）のレーザ加工により制御して中実銀基板９４に埋め込まれた複合マイクロスケールチャネル構造を形成するのがよい。

銀と低温コファイヤーセラミック（low temperature co-fired ceramic：ＬＴＣＣ）テープの確立された同時焼成挙動により、ヒートシンク構造体をＬＴＣＣ基板内に埋め込むことができ、それにより熱を熱源、例えば電子部品から直接移動させる。この技術は又、熱交換器を形成するよう向流フラクタルチャネル構造を形成する可能性を有している。厚膜テープ注型法は、多層セラミックパッケージのセラミック基板の製作に用いられる技術である。テープ注型法は、微粒子、溶剤、分散剤、結合剤及び可塑剤の混合によりスラリーを作る方法である。次に、スラリーを約２５マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの通常の厚さの薄いシートの状態に注型する。次に、テープを乾燥させ、積み重ね、そして粒子の焼結温度まで加熱し又は燃焼させて中実構造を形成する。厚膜銀テープは元来、セラミック厚膜と同時焼成されるよう開発されたものである。その目的は、基板の総熱抵抗を減少させると共に埋め込み状態の電子回路により生じ、銀層に供給される熱をサーマルビアを介して分散させるのに役立つ。図１３と関連して上述した方法を用いて、幅が６２マイクロメートル、高さが１０マイクロメートルの寸法を持つ通路を形成するのがよい。

ヒートシンク中にユニット要素２２と関連して使用できる流体は、包封又はカプセル封入状態の相変化ナノ粒子材料、非包封状態の相変化ナノ粒子材料、エマルション相変化ナノ粒子材料を含み、相変化材料は、ポリマー材料中に包封された液体を含むのがよい。

予備分析の示すところによれば、１００ユニット要素２２から成る１０×１０アレイを有するヒートシンクは、総熱抵抗が約０．０２℃／（Ｗ／ｃｍ²）である。Ｔ_s,max＝１２０℃という制約下においては、ヒートシンクは、純水を用いた場合、約４，０００Ｗ／ｃｍ²を伝達することができ、或いは流体が５０％ナノ相変化雪氷を含む場合、６，８００Ｗ／ｃｍ²を伝達することができる。この場合に関し、最大管直径（入口直径と出口直径の両方に関し１２２μｍ）に基づくレイノルズ数は、１，５００であり、その結果、約２５０ｋＰａの圧力降下が生じると共に約０．０５１Ｗのポンプ能力が得られる。

最高温度を著しく減少させるために流体冷却としてナノスケールの相変化材料（ＮＰＣＭ）を用いるのがよい。包封状態のＮＰＣＭを用いることにより、沸騰プロセスとは異なり、相変化プロセスの制御性及び信頼性が保証されることになる。液体と粒子の混合物（スラリー）は、有効粘度を増大させるが、これは、管直径と粒子直径の比がほどほどに大きな値に維持される限り全圧力降下に対する影響が小さい。これは、スラリーの流れが管壁の近くに粒子の無い境界層を作る傾向があるからである。

提案しているヒートシンクに関する動作条件の範囲は一般に、利用可能なマイクロポンプ技術と同等である。多くの実用的な電子システムに関し、多数のヒートシンクを用いることができる。所要のポンプ能力及び冷却能力を送り出すよう集中型ポンプ／冷凍システムを容易に具体化できる。

ヒートシンク組立体５２は、マニホルドにより互いに平行に連結された１２１個のユニット要素２２で構成されたものであるのがよい。各要素は、３６０×３６０×１００μｍの立方体であるのがよく、その頂部には、高さ４０μｍのマニホルドが載せられる。ヒートシンク組立体５２の全体的サイズは、長さ及び幅が約４ｍｍ×４ｍｍであり、高さが２４０μｍであるのがよい。

ユニット要素２２を構成するのに適した材料の一例は、構造材料としてニッケルであり、犠牲材料として銅である。これら材料をアルミナ基板に被着させ、これに取り付けたままにするのがよい。設計は、厚さ１０μｍの２４の層を用いて構成されたものであるのがよく、これらのうち５つだけが、ユニークなパターンを有している。

ヒートシンク組立体５２は、高熱束領域から、表面積の大きなピンフィン型ヒートシンク及び（又は）冷凍システム（図示せず）が熱を周囲の媒体中へ効果的に消散させることができる場所へ熱を効果的に伝えるよう、例えば、液体による対流による熱伝達方式を用いるのがよい。流体、例えば水をマイクロポンプ（図示せず）の使用によりマニホルド内へ圧送するのがよい。流体は、設計されたネットワークを通って流れ、ヒートシンク組立体５２から熱を奪う。

有用性及び利用分野
上述したヒートシンクは、熱を現在用いられている方法よりも効果的に除去することができる。これら方法としては、ピンフィン型ヒートシンク（Pin Fin Heatsinks）、マイクロチャネル（Microchannels）、ヒートパイプ（Heat Pipes）、マイクロジェットインピンジメント（Micro Jet Impingement）及びサーモエレクトリック冷却（Thermoelectric cooling）が挙げられる。本発明の設計は又、変化に対する適合能力を示す。マイクロエレクトロニクスが小型且つ迅速になるにつれ、表面積と体積の比が高い設計は、例えば６準位又は８準位ネットワークの管を用いることにより市場における現在の要望に応えるよう設計できる。

ヒートシンク組立体５２の利用可能な用途としては、ラップトップ型コンピュータ、デスクトップ型コンピュータ、携帯電話、ＭＥＭＳデバイス及びマイクロデバイスの冷却を必要とする任意他の用途が挙げられるが、これらには限定されない。特定の例として、ヒートシンク組立体５２をマルチチップモジュール（ＭＣＭ）の頂部上又はダイオードの下に配置でき、サーマルビアによる供給が行われる。また、この装置の３Ｄ設計により、かかる装置を３ＤＭＥＭＳデバイスで具体化できる。この設計は又、３Ｄ電子包装システム中に具体化できる。

本発明の多くの改造例及び変形実施形態は、上述の説明に鑑みて当業者には明らかであろう。したがって、この説明は、例示として解釈されるべきであって、当業者に本発明の最適実施形態を教示する目的のために行った。構造の細部は、本発明の精神から逸脱することなく実質的に変更可能であり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属する全ての改造例の排他的使用権が保持される。

本発明の他の特徴及び特質は、図面、明細書及び特許請求の範囲の検討から得ることができる。

ユニット要素の状態の三次元マイクロ対流式配管システムの略図である。 図１のユニット要素の内側配管ネットワークの略図である。 図１のユニット要素のうちの４つの２×２アレイの略図である。 図３の４つのユニット要素のアレイに取り付けられたマニホルドを有する例示のヒートシンク組立体の略図である。 マニホルドに取り付けられた図１のユニット要素の１１×１１（１２１個のユニット要素）アレイの略図である。 図５の１２１ユニット要素アレイを用いたヒートシンク組立体の略図である。 ユニット要素及び通路を形成するよう使用できる１２個の層を示すユニット要素の略図である。 一ユニット要素を形成するよう使用できるパターン層の細部の略図である。 別のユニット要素を形成するよう使用できるパターン層の細部の略図である。 別のユニット要素を形成するよう使用できるパターン層の細部の略図である。 別のユニット要素を形成するよう使用できるパターン層の細部の略図である。 図１２（ａ）〜（ｆ）は、ユニット要素を形成するよう使用できる製作工程を概略的に示す図である。 図１３（ａ）〜（ｃ）は、ユニット要素を形成するよう使用できる他の製作工程を概略的に示す図である。

Claims (24)

1. ヒートシンク用のユニット要素であって、
   最大入口管直径及び最小入口管直径を含む或る範囲の直径を備えた一連の入口管と、
   最大出口管直径及び最小出口管直径を含む或る範囲の直径を備えた一連の出口管と、
   を有し、最小入口管直径を備えた少なくとも１本の入口管は、最小出口管直径を備えた少なくとも１本の出口管と流れ連通状態にあることを特徴とするヒートシンク用ユニット要素。
2. 入口管及び出口管は、複数の材料層を用いて構成され、各層は、各管の所望の幾何学的形状を定めるようになった開口部を有する請求項１記載のヒートシンク用ユニット要素。
3. 上記層は、構造材料及び犠牲材料で作られた層を含む請求項２記載のヒートシンク用ユニット要素。
4. 犠牲材料は、開口部を形成するようエッチングされる請求項３記載のヒートシンク用ユニット要素。
5. 犠牲材料は、開口部を形成するよう焼かれる請求項３記載のヒートシンク用ユニット要素。
6. 構造材料は、銀を含む請求項３記載のヒートシンク用ユニット要素。
7. 構造材料は、ニッケルを含む請求項３記載のヒートシンク用ユニット要素。
8. 犠牲材料は、銅を含む請求項３記載のヒートシンク用ユニット要素。
9. 犠牲材料は、ポリイミド材料を含む請求項３記載のヒートシンク用ユニット要素。
10. ヒートシンクであって、互いに流体連通状態にある複数本の管を有し、管は各々、本質的に以下の関係式によって定められる半径を有し、
    ｒ₀ ³＝ｒ₁ ³＋ｒ₂ ³＋ｒ₃ ³…＋ｒ_n ³
    上式において、ｒ₀は、流入用管の半径であり、ｒ₁，ｒ₂…，ｒ_nは、流出用管の半径であることを特徴とするヒートシンク。
11. 複数本の管は、複数の材料層を用いて構成され、各層は、各管の所望の幾何学的形状を定めるようになった開口部を有する請求項１０記載のヒートシンク。
12. 上記層は、構造材料及び犠牲材料で作られた層を含む請求項１１記載のヒートシンク。
13. 犠牲材料は、開口部を形成するようエッチングされる請求項１２記載のヒートシンク。
14. 犠牲材料は、開口部を形成するよう焼かれる請求項１２記載のヒートシンク。
15. ヒートシンクの製作方法であって、
    構造材料を基板に選択的に被着させる工程と、
    犠牲材料を基板に被着させる工程と、
    構造材料及び犠牲材料を平坦化する工程と、
    を有することを特徴とする方法。
16. 更に、請求項１５の方法を用いて連続した層を堆積形成する工程を有する請求項１５記載の方法。
17. 更に、犠牲材料をエッチングする工程を有する請求項１６記載の方法。
18. 犠牲材料は、銅を含む請求項１５記載の方法。
19. 構造材料は、ニッケルを含む請求項１５記載の方法。
20. ヒートシンク装置であって、
    各々が熱伝達通路の三次元ネットワークを有する複数のヒートシンク要素と、
    複数のヒートシンク要素のうちの少なくとも幾つかに連結されるようになった供給ポート及び排出ポートを有するマニホルドと、
    相変化ナノ粒子材料を含む流体と、
    を有することを特徴とするヒートシンク装置。
21. 相変化ナノ粒子材料は、包封状態の相変化ナノ粒子材料を含む請求項２０記載のヒートシンク装置。
22. 相変化ナノ粒子材料は、非包封状態の相変化ナノ粒子材料を含む請求項２０記載のヒートシンク装置。
23. 相変化ナノ粒子材料は、エマルション相変化ナノ粒子材料を含む請求項２０記載のヒートシンク装置。
24. 相変化材料は、ポリマー中に包封された液体を含む請求項２０記載のヒートシンク装置。

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