JP2008526028A - 熱伝達メッシュを組み込んだ冷却装置 - Google Patents

Abstract

電気素子パッケージを冷却する装置であって、この装置は、冷却液体を入れた空所を構成する中空本体を包含する構造を含み、この構造が開口部または通路を構成しており、それによって冷却流体の前記パッケージとの直接接触が確立されてパッケージから空所内に入っている流体への熱伝達が行われ、さらに熱伝達を向上させるように設置されたメッシュと、流体を循環させて流体から熱を奪うように機能する別の熱伝達手段に熱を伝達する手段との組み合わせからなる。

Description

本発明は、一般的に言って、電気装置のような装置を効果的に冷却することに関し、更に具体的に言えば、電気装置或いは電気装置ユニット完成品パッケージに対し緊密に組み立てられた関係で冷却流体用の蛇行流路を構成するワイヤ・メッシュを包含する、高効率熱伝達手段に関するものである。

産業界においては、上述したような、効率的で、コンパクトで、構成が簡単な熱伝達手段に対する大きな要望がある。このような冷却に対する従来熱技術や熱装置は、本願に開示した装置がもたらした、構造的，機能的，結果的な点で飛びぬけて優れた利点、ということに欠いている。

上記の要望に合致する簡単かつコンパクトな熱伝達装置を提供することが本発明の主目的である。基本的には、この改良装置は、
ａ）冷却液体を収容する空所を定義する、中空本体を包含する構造と、
ｂ）冷却流体と回路パッケージとの直接接触を確立し、該パッケージから、前記空所内に収容された冷却流体へ熱伝導を行なうように、前記構造が開口部或いは通路を定義していて、前記冷却流体の流路には熱結合メッシュが設けられてあり、
ｃ）流体から熱を奪うように機能する熱伝達手段へ熱を伝達するため、流体を循環させる手段、
という構成からなる。

別の目的は、流体循環路内に、上述の開口部または通路に関連して、たとえばマイクロメッシュのようなメッシュ構造を設け、このメッシュによって定義される蛇行通路を流体が流れるにつれ、熱伝達を促進させることにある。典型的な構成では、メッシュは、開口部または通路を覆うように、或いは斜めに交差するように広がって延在しており、或いは、効率の良い蛇行冷却流体流路或いはパターンを定義するするダッチ織りストランド・パターンを有するものであってもよい。さらに、開口部に隣接して、本体およびパッケージの表面間を密封するために、流体シール（単数または複数）が設けられる。

また別の目的は、循環経路に沿って流体を移動させるように、空所に付随してポンプ作用をもたらすことである。これに関しては、ポンプは、空所内に設置して、空所内で流体にさらされているようにしてもよいが、好ましくは、ポンプ圧送中に流体剪断発生面として機能する可動面を有する。ポンプ・モータを空所の外に設置することもでき、電磁継手を設けてモータからポンプへトルクを伝えるようにすることもできる。

さらに別の目的では、モータ付きの本体用ハウジングを設けること、流体からハウジングに伝わってくる熱を受け取るようにハウジングに熱伝達フィンを設けること、フィンを冷却するように冷却用気体を移動させる手段を含む。

また更に別の目的は、
ａ）熱伝達面を有した、電気機器からの熱源と、
ｂ）この熱伝達面付近に延在してそこから伝達された熱を受け取り、波状のワイヤと別のワイヤとを含み、これらのワイヤが間隙を形成しているワイヤ・メッシュと、
ｃ）前記メッシュから熱伝達を受け取るよう、冷却流体がメッシュに対してほぼ平行にそして間隙を通って流れるようにする手段と
を含む熱伝達装置を提供しようとすることを含むものである。

後述するように、冷却流体は、メッシュ内でメッシュに対して平行に流れるように導かれるようにすることもできるし、第２の熱伝達メッシュを設けて冷却流体を受け入れるようにしてもよく、この第２のメッシュから、冷却フィンを備えた熱レシーバで熱を受け取るようにすることもできる。

本発明のこれらおよび他の目的、利点、ならびに図示実施形態の詳細は、以下の明細書および図面からより完全に理解して貰えよう。

本発明は、電子機器およびマイクロエレクトロニクスおよびサブシステムにおいて、電力密度および情報伝達率を大きく増大させることのできる技術領域を取り入れている。このように電力密度及び情報伝達率を増大させるのは、電子導体からなる織成メッシュを用い、メッシュ（単数または複数）により創り出された通路を介して、流体を熱発生領域と密接に接触させながら移動させる、ということでもたらされる。さらに、薄くした半導体ダイ（thinned semiconductor die or dies）および両面アクティブのダイを使用することが可能になれば、熱伝達率および対応インターポーザー（interposer）は大きく改善される。本発明は、マイクロエレクトロニクスと、マイクロ電気機械と、および／またはマイクロ流体要素／アレイとを組み合わせて使用できるものである。

本発明によれば、動作温度および熱勾配を低下させ、機械的コンプライアンス（mechanical compliance）を高めることによって、プロセス強化に加えて信頼性および耐久性を高めることができる。

この改良したメッシュは、コンピューティング、電力電子機器、そして照明を含む用途において、現存する２次元、２.５次元、そして３次元の電子パッケージと、相互接続プロセスとを互いに連携させて協働して使用できる。

最新の電子製品や電子システムでも、局所的環境に熱を効果的に伝達するという能力には限界がある。本発明は、半導体ダイ（単数または複数）と同一平面にあり密接した織成メッシュを導入し、メッシュスクリーンおよびダイの平面で流体を流し、ダイのアクティブ領域から局所環境に熱を伝えることによって上記問題を改善することを意図する。

冷却流体としては、液体、蒸気、および／または気体があり、熱伝達を支援するためには相変化を利用できる。内部熱伝達流体の候補としては、水、アルコール、ポリアルファオレフィン、ポリフェニルエーテル、ポリフェニル・シロキサン、およびFLUORINERTブランド（フロリナート:登録商標）で３Ｍが販売しているようなフッ化液体などがある。

ポンプ作用機構としては、容積形、ダイナミック形、剪断力形がある。圧電効果のような現象を利用するマイクロ電気機械式ポンプ作用構成が、興味をそそる候補である。ポンプは、冷却しようとする電子機器と一体でもよいし、モジュール構成の一部として離して設置してもよい。あるいは、たった１台のポンプを使用して、多数の電気モジュールに流体を伝達するようにもできる。

ワイヤ・メッシュは、熱伝達用の有効面積を著しく増大させ、そして、非常に小さい有効境界層を有する蛇行経路（単数または複数）を創り出し、それによって、ダイから熱伝達流体への熱伝達率を大きく増大できる。

ここに意図したワイヤ・メッシュは、また、電力導管および／または通信導管の機能を果たし、これによって、電力密度および通信速度をも増大させることができる。メッシュは、典型的には、金、銀、銅、および／またはアルミニウムのような高導電率金属ワイヤで作り、メッキして、コーティング接着性を高めたり、接触領域への電気的な連絡性を改良することもできるし、ハンダ付け、ワイヤ・ボンディング、および／または接着のようなプロセスを促進することもできる。ワイヤは、正方形配列や三角形配列に織成して、典型的には、所望の場所を除いては電気通信（電気的な連絡）ができないように薄い絶縁コーティングがされる。絶縁コーティングの候補としては、酸化物，窒化物，および／またはガラスのような無機材料、および／またはパリレン（Parylene）のような有機コーティング材料、および／または「マグネット・ワイヤ」で使用されるもののような汎用ポリマー・コーティングがある。絶縁コーティングは、電気通信が望まれる領域では、レーザおよび研磨材を含む手段によって除去される。接触領域に対する電気通信は、圧力接触、導電性接着剤、ハンダ付け、共晶接合、マイクロ溶接およびワイヤ・ボンディングなどの手段を介して行うことができる。

導体で作られるＸ−Ｙグリッド（行と列の格子配列）は、その縁（ワイヤ端）から個々のＸ−Ｙポイントとの選択的な電気通信を可能にするものであり、各Ｘ−Ｙポイント（ノード）が、Ｘ導体、Ｙ導体間にあるダイオードまたはスイッチング素子（単数または複数）を含んでいる。ダイオードおよび／またはスイッチング素子（単数または複数）は、メッシュに取り付けてもよいし、および／または、隣接したダイに取り付けてもよいし、および／または、ダイ回路の一体部分であって各ノードのところでメッシュＸ、Ｙワイヤに電気的に接続したものであってもよい。ノードは、レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）のような半導体エミッタおよび／またはディテクタ（detectors）を収容しており、これにより、メッシュ・ノード間、および／またはダイ対ダイ、および／またはダイと遠隔の要素の間で、高速のデータ通信を可能にすることができる。

ノードのところにダイオードまたはスイッチを設けずにＸ−Ｙグリッドで構成し、交差点での接触を防ぐために絶縁されたメッシュは、対応インターポーザーの機能を果たすことに加えて、メッシュの片面または両面にあるダイへの電力供給および通信をもたらし、増大した熱伝達量をもたらすことのために使用できる。１つの可能性のある配置は、１つの軸線にあるワイヤ配列が電力導管として機能するようにさせ、別の軸線にあるワイヤ配列が電気通信導管として機能するようにさせる、というやり方である。他にも、在来のデジタル電子構成よりも更にいっそう動物の中枢神経系（ニューラル・ネット）に似せた複雑な電気相互作用の開発を可能にする、ダイオードなしの多重化およびメッシュのような構成を介して、数多くの変形例が可能である。

電気関連
織成ワイヤ・メッシュは、ボール・グリッド・アレイ（ＢＯＡ）、ピン・グリッド・アレイ（ＰＧＡ）、ランド・グリッド・アレイ（ＬＧＡ）、或いはワイヤ・ボンディングよりも一層細いピッチを提供する。絶縁金属ワイヤとしては、直径０.０００５インチ以下のものが利用しやすい。織成ワイヤ・クロースは、ノードのところにトランジスタのようなダイオードや半導体スイッチを含むシステムにおいて、１平方インチ当たり１００万個以上（１５００／mm^２より多い）アドレス指定可能なノードを設けるのに充分なメッシュとして利用し易い。織成ワイヤ・メッシュ・グリッドは、軸線によって変わるピッチを持つよう製作できる。ダッチ織りは、軸線間のピッチの寸法差オーダーで製作できる。このような構成によれば、比較的大きな横断面の行導体の粗いピッチと、比較的小さい横断面導体の細かいピッチとを介して、グリッドに対して更なる効果的電力供給が可能となる。

本発明によって可能となった密接したダイ間隔ということは、電気通信経路長が著しく短縮され、これが更に、なお一層の高い情報伝達率をもたらす結果となる、ということを意味するのである。
織成ワイヤ・メッシュは、ダイ上の対応接触配列よりもかなり薄いので、これによりアライメント許容限度をより一層大きくすることができる一方で、各々のパッドと電気的に通信するために少なくとも１本のワイヤと、および／または、メッシュに数を増したワイヤを設けることで、電気通信状態の選択肢を増やすことができるようにするのを確実にする。
或る構成では、通信のためにダイ（単数または複数）のアクティブ面に設けた織成ワイヤ・メッシュ・グリッドと、金属経路を通して設けた、電力用のバックサイド・グリッドとを使用する。
また、織成ワイヤ・メッシュ配列は、電力を供給するために、或いは、アースおよび／またはＥＭＩ／ＲＦＩシールドとしての機能を果たすために、ダイの片面に設けた単一の電気導体として使用することもできる。

熱関連
織成ワイヤ・メッシュは、熱伝達用の面積を著しく増大させることができる。
織成ワイヤ・メッシュでは、幅の狭い蛇行流体経路の配列を創り出すことによって熱伝達を増大させることができ、これによって、有効境界層の厚さとそれに関連した熱抵抗とを減らすことができる。
本発明で意図した流体移動は、伝統的なまたはループ・タイプの熱パイプに類似した流体伝達構成での局所的な沸騰によって行ってもよいし、能動的なポンプ作用によって流体を強制的に流動させて熱伝達量を高めてもよい。システムからの熱は、典型的には、局所的な空気流に伝えられるが、これは、自由対流によって、或いはまた強制対流によって行なって熱伝達率を高める。相変化（沸騰）での強制対流冷却と、熱交換システムの空気側の強制対流冷却によって、高い熱伝達率が可能になる。たとえば、１０ＫＷ／ｃｍ^２を超過する熱伝達率が可能である。パソコンに使用される高電力密度マイクロプロセッサは、１５Ｗ／ｃｍ^２までの熱出力密度を有するので、このレベルにおいては、増大させたクロック率および高密度トランジスタ配列に付随した出力密度で通常の増大とみなして作業を続けることができるかどうかという問題を呈する。
部分環境冷却は、或る種の電子機器構成や光電子構成にとって魅力的であるし、また、必要でもあり、圧縮冷凍および熱電子工学を含めた技術を活用して現在の工業技術で達成することができる。

本発明は、デザイナー達或いはスペシファイア（specifier）達に、非常な高率で効果的に熱を伝達するシステムをもたらすことによって、より一層密度の高いパッケージを介してシステムの費用、質量、および体積を低減できる能力を持った電子システムおよびサブシステムを提供するものである。たとえば、多年にわたり、３次元パッケージが、特殊な用途においてメモリ・ダイ（単数または複数）に対して使用されてきたが、高コストであったため、プロセッサまたは電力変換デバイスのような高出力密度ダイでは使用することができなかった。本発明によれば、高出力密度ダイを所望に応じた数の層に積重できるようにするのが可能になると共に、高効率および長寿命と矛盾することなくダイ温度を維持することが可能になる。
「マイクロチャネル冷却」のような別の高率熱伝達構成では電気導体配列がないので、織成ワイヤ・メッシュのような絞りの周りに流れを通す手段がなくチャネル目詰まりが生じてしまい、集積回路ダイに付随した熱的不均衡により適切な熱伝達を行うのがもっと難しいこととなる。
ワイヤ・メッシュ・グリッドは、不均一に加熱された電子部品における熱伝達を最適化するというような目的に対し流れ構成を促進するために、選択的にポリマーを充填することができる。

機械／構造関連
マイクロエレクトロニクス・システムおよび光電子システムにおける主要な故障のメカニズムとしては熱機械的故障が挙げられることが多い。隣接した要素間の熱循環、温度勾配、および熱膨張率差が誘因である。
本発明の織成ワイヤ・メッシュは、ダイとの間において、或いは、ダイと回路板やエンドプレートのような別の要素との間において、弾性変形や可塑変形を介して、機械的に対応するインターポーザーの機能をする。配列のワイヤに対して使用される金属、および、ワイヤと配列の熱的機械的履歴は、機械的コンプライアンスをもたらすように選択される。追加のコンプライアンスは、多数のらせん構造ストランドのコンプライアント絶縁コーティングを備えたワイヤを使用するか、および／または、１つまたはそれ以上の軸線において導電性ポリマーまたは導電性にコーティングしたポリマー・ワイヤ／フィラメントを使用するか、および／または、ワイヤ接触領域で局所的な弾性変形を可能にするために非常に薄いダイを使用するか、および／または、織成メッシュとダイのインアクティブ側との間に、或いは、インアクティブ要素に対向してエラストマー層を使用することにより実現される。

圧力タイプの接触を使用すれば、熱機械的故障をさらに減らすことができ、再処理も著しく簡単になる。
熱可塑性および／または熱硬化性のポリマー／エラストマーをメッシュと一体加工して、機械的安定性および／またはコンプライアンスを向上させることもできる。
３次元電子機器では、アライメントは非常に重要な問題である。多くの３次元プロセスでは、シンギュレーション（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ）前にウェーハのアライメントが必要である。本発明に対して提案されたアライメント手段は、ウェーハ対ウェーハのアライメント或いはダイ対ダイのアライメントよりもむしろ、ダイのシンギュレーション、および、ダイ対メッシュのアライメントを想定している。提案手段を以下に挙げる。
・はんだ表面張力を介しての自動アライメント： この手法は、現在、ＢＧＡで使用されている。典型的な集積回路ダイには、アクティブ面は１つしないので、この面は、メッシュを固定する固定具によってワイヤ・メッシュ・ノードと整合され、メッシュの上と下のダイを、溶融ハンダの表面張力を介してメッシュに順応させることができる。
・ダイボンド・パッドよりもかなり細かいピッチを有するメッシュ：この原理は、異方性導電部材で使用可能である。
・機械的な通路および／またはノッチおよび最小限の拘束固定具： メッシュには、アライメント・ピン、機械的経路、電気的経路、光学的経路、および／または流体経路に対する開放領域がある。
・結合用にウェーハ対ウェーハを整合するのに使用される光学手段：
・上記手段を組み合わせたもの：

図１では、マイクロプロセッサにおけるダイまたはチップ１０のような電気素子或いは電子構造が、熱伝達矢印１１で示す熱を発生している。この熱は熱拡散部材層１２を通って流れた後、好ましくは、層１２に隣接して位置するメッシュ層１３に流れる。メッシュ・ワイヤは、伝導による効果的な熱伝達を行なうために、層１２の側面１２ａとの熱伝達関係またはそれとの伝導接触状態に延在している。図１ａは、メッシュ層１３に、埋め込んであるか、或いは部分的に埋め込んであるか、或いはまたは沈み込ませられている要素１０，１２を示していて、これにより、メッシュと冷却流体とに熱を伝達するようにする。

１４で示す冷却流体は、メッシュの平面においてメッシュに流入してそこを通って流れ、ワイヤ間の間隙や、ワイヤの上下を通って流れていって、メッシュ・ワイヤから熱を効果的に除去して行くことにより、ダイまたはチップ１０が、簡単で非常にコンパクトな構成要素集成体によって、効果的に冷却されるようになる。また、冷却材は、多数の蛇行流になって、拡散部材の側部または側面１２ａと接触して熱がこすり取られるような状態で流れるように、メッシュに方向付けられる。図１ａに示す空気流矢印１４ａを参照されたい。したがって、熱は、メッシュ・ワイヤとの蛇行流接触と、そして、拡散部材の面１２ａとの蛇行流接触との、２つの方法で冷却材によってピックアップされる。図１ａに示すように、拡散部材を省略して、ダイまたはチップの側面１０ａをメッシュと接触させてもよい。拡散部材１１は、良好な熱伝導金属（単数または複数）、たとえば、銅および／またはタングステン、或いはそれらの合金からなる。９１のところで制御されるポンプ９０が、メッシュに横断流１４を生じさせる。ポンプ９０は空所９２内にあり、空所９２の外部にあるモータ９３と磁気的に連結してある。

空気のような冷却流体の流れは、メッシュの反対側の、１５ｂ，１６ｂで示す導管要素ところで、導管壁１５，１６によってメッシュの平面内を通って横方向に流れる。壁１５で囲んで開口部１５ａを形成し、図示のように、メッシュ層の片面と接触するように拡散部材を受け入れるようにする。メッシュの組成は上述したとおりであってよい。壁１５，１６は断熱性である。開口部１５ａの境界面、すなわち、１２の面１２ｂと１５の面１５ａとの間に、シール１８を使用または設置して、メッシュ・ワイヤの形成する間隙から冷却材が漏出するのを阻止する。

次いで、冷却材に含まれた熱は、たとえば、装置外部の周囲空気への伝達によって取り出されるようになる。好ましい熱取り出し手段は、たとえば、フィン２７を有するボディ２６に隣接しているか、好ましくはそれと熱伝導接触状態に延在している、第２のメッシュ層２５、または、メッシュ層１３の延長部１３ａの形態を採る。熱は、加熱された冷却材がメッシュ層２５を通って縁方向に、メッシュ・ワイヤまで流れて、伝導によってボディ２６およびフィン２７へと流れていく。更にまた、熱は、冷却材からボディ２６の面２６ａへも直接流れる。熱は、たとえばモータ２９によって駆動されるファン２８によってフィンに向かって送られる空気へ熱伝導することよって、フィンから取り出される。メッシュ層２５の両側に延在する管路壁３０，３１は冷却材を閉じ込めて、冷却材をメッシュ２５または１３ａの平面内で縁方向に流す。

メッシュ・ワイヤは、通信その他の回路用に電流を流すのに使用することもできる。メッシュ・ワイヤ４２と外部通信回路４３との間に接続した入力または出力ワイヤ４１と、メッシュ・ワイヤ４５と外部回路４３との間に接続した入力または出力ワイヤ４４を参照されたい。メッシュ・ワイヤ４２，４５は相互に織り込まれており、ＸおよびＹの横方向に延びている。このようなワイヤは、すべて、電気的に絶縁してもよいが、熱的に絶縁してはいけない。ワイヤ４２が電気通信用に機能し、或いは、ワイヤ４５が電力ワイヤとして機能するようにしてもよい。

剪断力ポンプは非常にコンパクトにできるという可能性に加えて、単段で高圧を与えることができ、加えて、効率的な掃引面熱交換器として機能するので、場合によっては剪断力ポンプが好ましい。

シングル・ガラス・ディスク・ロータを組み込んだポンプ作用システムが製造され、これまでテストされて来た。これは以下の特徴を持つ。
ロータ安定性：
ロータとそれに伴うステータとの間のクリアランスは、特に３Ｍ製のFluorinert（登録商標）のような超低粘度液体の場合には、非常に小さくなければならない。これには精密な製作作業と多段ベアリングハブが必要である。流体速度が局所的に増加した結果としてロータ対ステータ間にわずかに小さいギャップのあるステータ領域に向かって、ロータがますます引っ張られるようにさせる、積極フィードバック・ループ（ベルヌーイ効果）があるのがよい。
ロータ熱伝達：
ロータの片側が高温側掃引面熱交換器として機能し、ロータの反対側が低温側掃引熱交換器として機能するとした場合、ロータは、片側から反対側への熱伝達を最小限に抑えなければならない。
ロータ耐久性：
ガラス・ロータは、低コスト、低熱伝導率、そして高剛性対質量を可能にする。螺旋ロータ・ダイナミック・ポンプが好ましい。

図２は、縁方向流メッシュ６１（メッシュ１３に対応する）とかなり大きい縁流メッシュ６２（メッシュ２５に対応する）との間に位置する冷却流体ポンプ６０を示している。このポンプは、相互嵌合回転を行って第１のメッシュ６１を通して縁方向へ、次に導管６５に、そして、第２のメッシュ６２に流れ、ポンプの入口に戻る、冷却流体の容積形流れを生じさせる歯車６３，６４を有する。メッシュ６１は、熱源側熱交換器であり、メッシュ６２は吸込み側熱交換器である。構造は機能の点で図１の構造と同じであり、フィン６６はフィン２７に対応する。

図３は、容積形歯車の代わりに剪断力ポンプ・ロータ６８を使用していることを除いて、図２と同じである。メッシュ６９，７０の平面で縁方向に流れる流れは、メッシュ６１，６２における流れに対応する。

図４は、コンピュータまたはマザーボード７５のような他の電子デバイスに支持されたモジュール式のシステム（装置で支えられる）を示している。熱源メッシュ（１３のようなメッシュ）が、冷却しようとしている熱源回路構成要素７６上に位置する受け器７６内に設けてあり、ヒートシンク・メッシュが、マザーボード７５上に位置する受け器７７内に設けてある。冷却ファン（２７のようなファン）が７８のところにある。冷却材は、たとえば、導管８０を解してメッシュ７６からメッシュ７７へ流れ、たとえば導管８１を経てフィン構造７８内にあるポンプ８２からメッシュ７７に流れる。

図５〜図１１は以下に示すような種々のメッシュ織りを示している。
図５：メッシュ９０
図６：メッシュ９１
図７：メッシュ９２
図８：メッシュ９３
図９：メッシュ９４
図１０：メッシュ９５
図１１：メッシュ９６（結合ボール１１６に注目）。

本発明は、その範囲内に、メッシュ平面に流体が流れる織成メッシュによって創り出されるマイクロチャネル配列を含む。
織成メッシュ配列は、流体流に対し更に体積を上乗せするので、これによって、シリコン・マイクロチャネルを詰まらせるかもしれない障害物の周囲で流れをそらすことができる。メッシュは、また、ミクロ流体静的混合器としても機能し、流体の流れを、第１の拘束層、次いで別の拘束層と、周期的に接触させる。平面における２次元対１次元流能力を加えることで、電気的、機械的、構造的、流体的、熱的、および／または光学的目的に対する経路のような障害物を含むシステムを作り出す能力を得ることもできる。

織成ワイヤ・メッシュは、広範囲にわたる材料、メッシュ・サイズ、織成スタイルにおいて利用できる。銅ワイヤ・クロスは、シリコンの３倍の熱伝導率を有する低コスト汎用材料であり、広範囲にわたる製造プロセスで受け入れられる。製造プロセスとしては、アニーリング、曲げ加工、打抜き、ろう付け、貨幣鋳造、放電加工、エッチング、インサート成形、フライス削り、メッキ、パンチング、圧延、シヤリング、ハンダ付け、打ち抜き加工、焼き戻し、溶接などがある。
織成メッシュは、非常に異なった熱膨張率を有する材料間で、機械的／構造的コンプライアント層の機能を果たす。これは、熱機械的故障がマイクロエレクトロニクスにおける主要な故障メカニズムであるから、大きな利点である。

織成ワイヤ・メッシュは、１０倍のシリコン・マイクロチャネル配列よりも大きな、ユニットあたりのポンプ作用力で伝達された熱のために組み合わせた利点特徴に対し、より高い材料熱伝導率、ダイに対するより良好な熱結合、および相当に増大した熱伝達面積比倍数、ということを提供することができる。
本発明によれば、新しい、より効果的な熱伝達手段、電力伝達手段を設けることによって半導体ダイの両面に集積回路を設けることができる。

熱伝達率の増大は、重要な構成要素の動作温度を低下させる緊急回避手段としてよりも、むしろ電子工業におけるプロセス改善の基本と考えるべきである。多くの例において、熱伝達率の増大は別の場合よりもかなり大きなコスト効率を与える。マイクロプロセッサおよびグラフィック・プロセッサが、かなり増大した速度で作動することができ、改良した熱伝達手段のために密着させて設置できる製品の例である。

本発明は、アクティブ領域およびメッシュの平面に沿って流れる流体と密接に、または、それらと接触させてメッシュを設置することによって、かなり低下した熱抵抗およびかなり増大した熱伝達率をもって半導体のアクティブ領域から局所的環境まで熱を伝達する手段を提供する。

本発明で可能とした高い熱コンダクタンスおよび熱伝達率を提供する低コスト熱伝達システムは、３次元電子機器の開発を劇的に加速したので、熱的なことを斟酌して場合によっては看過されていた半導体材料について再度興味をもたらし開発を引き起こす可能性がある。ゲルマニウムは電子機器材料候補の一例であり、カドミウム・セレン化物および亜鉛セレン化物は、本発明によって可能となった改良熱条件から利益を得ることができる光電子材料候補の例である。

電子集積回路は、典型的には、薄くて平らな基体上に創られるが、これは短い熱連絡経路を可能にする。半導体ダイを積み重ねてシステム体積を減らしたり、長い電子経路長に関連した問題を低減したりすることによって、３次元電子機器集成体が達成される。３次元電子機器集成体は、伝統的に、１つのアクティブなダイ（高い電力密度および高い熱出力密度）と、多数の受動的なダイ（低い電力密度および低い熱出力密度）とを含んでいて、適切な寿命を持ってダイ温度を維持するのに充分な熱伝達率を可能にしていた。本発明は、非常に大きい占有率の非常に高い出力密度のダイをかなり密接して設置することを可能にし、それによって、コスト、質量、体積をかなり減らした処理システム、通信システム、パワー変換システムの製造を可能にする。３次元電子システムに付随する熱の問題に加えて、多数の連絡リンクおよび電力伝達リンクを必要とし、再加工能力が限られているということに関連した問題があるために、３次元電子システム自体も製造コストが高かった。本発明は、これらの従来の問題を克服すると共に、ダイ縁を越えてメッシュを突出させることによって入力回路および／または出力回路に容易に接続できる周期的な電子導管および／またはフォトニック導管を提供する間隙形成メッシュを経て各ダイの片面または両面の多数の部位にアクセスできる力をデザイナー達にかなえるものである。

本発明における機械コンプライアンスを提供する手段は、弾力的および／または可塑的に変形できる金属メッシュ、１つの軸線にある金属ワイヤと他の軸線にあるポリマー製の電子導体および／またはフォトニック導体とからなるメッシュ、および、両方の軸線にあるポリマー製の電子導体および／またはフォトニック導体からなるメッシュを使用することを含む。

両方の軸線にある金属ワイヤからなるコンプライアント金属メッシュの材料の例としては、適切なコーティング／メッキを有する焼鈍した銅、銀および金の織成ワイヤ・クロスがある。ポリマー・コーティング、金属メッキ、アニーリングを使用し、囲み面の平面に対して直角のワイヤ直径を（連続的および／または周期的に）最小限にすることを含む手段によって、および／または、対向する軸線における弾性変形、可塑変形に対する抵抗比を異ならせたワイヤを用いることによって、および／または、多数のワイヤ導体（撚り導体またはマルチフィラー導体）を用いることによって、コンプライアンスを増強することができる。

１つの軸線にある金属ワイヤと対向する軸線にあるポリマー繊維とからなるコンプライアント・メッシュのための材料の例としては、適切なコーティング／メッキを有する銅、ニッケル、銀、金を含む群から選んだ金属ワイヤと、アクリル、シリコーン、ウレタン、およびポリメチルペンテンを含む群から選んだ、対向軸線にあるポリマー繊維とを含む。

両方の軸線にあるポリマー繊維からなるコンプライアント・メッシュに対する材料の例としては、アクリル、シリコーン、ウレタンおよびポリメチルペンテンのようなポリマーを含む。ポリマー繊維は電子導管および／またはフォトニック導管として使用できる。本質的に、導電性のポリマー、カーボン添加、リニアまたは螺旋状に巻いた金属ワイヤ、および／または、インジウム酸化スズのような透明な導電性コーティングを含む導電性コーティング／メッキを使用することによってポリマー繊維の導電率は増大できる。

ここで提案した集成体に対する囲い（enclosurs）は、金属、ポリマー、セラミック、および／またはガラスで作ってもよく、これらの集成体を組み込んだシステムは、モジュール要素に分割してもよいし、液体流のためのポンプおよびアクティブな領域から局所的環境に熱を伝達するためのファン、フィン配列を含む付加的な要素と接近して組み込んでもよい。

集積回路ダイと、本発明で提案した間隙形成メッシュとの間の、接触および連絡は、ハンダ付けのような周知の手段によって、或いはまた、圧力タイプの接触によってもたらされる。圧力接触は、外部ばね或いはねじを用いて、および／または間隙形成メッシュの弾塑性変形によって行うことができる。

本発明の好ましい形態の原理を示している。 メッシュに埋め込んだチップのような電気パッケージの斜視図である。 本発明の種々の他の形態および／またはその部分を示している。 本発明の種々の他の形態および／またはその部分を示している。 本発明の種々の他の形態および／またはその部分を示している。 メッシュ織り形態（メッシュ９０）を示している。 メッシュ織り形態（メッシュ９１）を示している。 メッシュ織り形態（メッシュ９２）を示している。 メッシュ織り形態（メッシュ９３）を示している。 メッシュ織り形態（メッシュ９４）を示している。 メッシュ織り形態（メッシュ９５）を示している。 メッシュ織り形態（メッシュ９６）を示している。

Claims (56)

1. 電気素子パッケージを冷却する装置において、前記装置が、
   ａ）冷却液体を入れた空所を構成する中空本体を包含する構造を含み、
   ｂ）この構造が開口部または通路を構成しており、それによって、冷却流体の前記パッケージとの直接接触が確立されてパッケージから空所内に入っている流体への熱伝達が行われ、
   ｃ）さらに、前記熱伝達を向上させるように設置したメッシュと、
   ｄ）流体を循環させて流体から熱を奪うように機能する別の熱伝達手段に熱を伝達する手段と、
   を含む組み合わせになる装置。
2. 前記メッシュは、流体がメッシュによって構成される蛇行通路を通って流れるに従って、前記流体への熱伝達を向上させるように、流体循環経路内に、前記開口部または通路と組み合わせてあることを特徴とする請求項１記載の組み合わせ。
3. 前記メッシュがマイクロメッシュであることを特徴とする請求項２記載の組み合わせ。
4. 前記メッシュが前記開口部の横方向に延びていることを特徴とする請求項２記載の組み合わせ。
5. 前記メッシュがダッチ織りストランド・パターンを構成していることを特徴とする請求項４記載の組み合わせ。
6. 前記メッシュが前記開口部を覆った状態で延びているマイクロメッシュであることを特徴とする請求項３記載の組み合わせ。
7. 前記メッシュがダッチ織りストランド・パターンを構成していることを特徴とする請求項６記載の組み合わせ。
8. 前記組み合わせは、前記開口部に隣接して、ボディとパッケージによって構成された表面間に流体シールを含むことを特徴とする請求項１記載の組み合わせ。
9. 前記組み合わせは、循環経路に沿って流体を移動させるように機能する、空所と組み合わせたポンプを含むことを特徴とする請求項１記載の組み合わせ。
10. 前記ポンプは、空所内の流体へと露出していることを特徴とする請求項９記載の組み合わせ。
11. 前記ポンプは、流体剪断面として機能する移動面を有することを特徴とする請求項１０記載の組み合わせ。
12. 前記ポンプを駆動するために、前記空所の外側に設置されたモータを含むことを特徴とする請求項１０記載の組み合わせ。
13. 前記モータとポンプとの間に、磁気継手を含むことを特徴とする請求項１２記載の組み合わせ。
14. 前記ボディおよびモータに対するハウジングと、該ハウジング上に設けてあって流体からハウジングへ伝達された熱を受け取る熱伝達フィンと、これらフィンを冷却する関係に冷却流体を移動させる手段と、を含むことを特徴とする請求項１２記載の組み合わせ。
15. 熱伝達装置において、前記装置の組み合わせが、、
    ａ）熱伝達面を有する、電気機器からの熱源と、
    ｂ）前記熱伝達面に近接して延在しそこから熱を受け取るワイヤ・メッシュであって、或るワイヤと他のワイヤとから成り、これらのワイヤが間隙を形成しているようになるワイヤ・メッシュと、
    ｃ）前記間隙を通って流れるようにメッシュに対してほぼ並行に冷却流体を流し、メッシュから伝達された熱を受け取る手段と、
    からなる熱伝達装置。
16. 前記メッシュは前記熱伝達面と接触していることを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
17. 前記手段は、メッシュに対してほぼ平行な方向に、前記流体をメッシュ内へ案内することを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
18. 前記ワイヤの少なくともいくつかが金属製であることを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
19. 前記メッシュがワイヤで織ったものであることを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
20. 前記メッシュは片面が前記熱伝達面に対しほぼ平行に延在していることを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
21. メッシュには反対側の面が有り、前記手段が、メッシュの前記反対側の面に対してほぼ平行に延在している冷却材流案内面を含んでいることを特徴とする請求項２０記載の組み合わせ。
22. 最初に言及した第１のメッシュから流れる前記冷却流体を受け取る第２の熱伝達メッシュと、第外２のメッシュから熱を伝達するための別の手段とを含むことを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
23. 前記別の手段が、前記第２のメッシュの構成する平面に対してほぼ平行に前記第２のメッシュを通して冷却流体を流すことを特徴とする請求項２２記載の組み合わせ。
24. 前記手段が、第２のメッシュを通過した流体から熱が伝達されるようになるフィンと、前記フィン全体にわたって空気を循環させるファンと、を含むことを特徴とする請求項２３記載の組み合わせ。
25. 請求項１５の組み合わせにおいて、メッシュは、
    ｉ）正方形配列の織りパターン、
    ｉｉ）三角形配列の織りパターン、
    ｉｉｉ）ワイヤ上の絶縁コーティング、
    ｉｖ）絶縁コーティングのない電気接触面ゾーンによって中断された、ワイヤ上の絶縁コーティング、
    ｖ）スイッチング要素或いはダイオードが取り付けられているゾーン、
    ｖｉ）ＬＥＤが取り付けられたゾーン、
    ｖｉｉ）レーザが取り付けられたゾーン、
    ｖｉｉｉ）或る一方向に延びた電力導管となるワイヤと、別の或る方向に延びた通信信号導管となるワイヤ、
    ｉｘ）ダッチ織り、
    ｘ）１平方インチ当たり百万以上のアドレス指定可能なノード、
    のうちの１つそれ以上により特徴付けられるワイヤを含むことを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
26. 請求項１５の組み合わせにおいて、前記メッシュは第１のメッシュであって、さらに、該第１のメッシュから熱を受け取り且つ熱を熱拡散手段に伝達できるようにするために、第１のメッシュから冷却流体を受け取る第２のメッシュを含むことを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
27. 前記メッシュは実質的に平坦であり、該メッシュの平坦に伸長する長さ方向に前記冷却流体がメッシュ内を流れることを特徴とする請求項１５記載の組み合わせ。
28. 冷却流体は、また、前記熱伝達面と接触して流れることを特徴とする請求項２７記載の組み合わせ。
29. 前記第１のメッシュは実質的に平坦であり、該第１のメッシュの平坦に伸長する長さ方向（単数または複数）に前記冷却流体が第１のメッシュ内を流れ、前記第２のメッシュは実質的に平坦であり、該第２のメッシュの平坦に伸長する長さ方向（単数または複数）に前記冷却流体が第２のメッシュ内を流れることを特徴とする請求項２６記載の組み合わせ。
30. 請求項２９の組み合わせにおいて、第２のメッシュは、
    ｉ）第１のメッシュから離隔している、
    ｉｉ）前記第１のメッシュから連続している、
    のうちの１つであることを特徴とする請求項２９記載の組み合わせ。
31. 請求項２９記載の組み合わせが、前記第１および第２のメッシュの間に位置付けられた流体冷却材ポンプを含むことを特徴とする請求項２９記載の組み合わせ。
32. 前記第１および第２のメッシュのうち少なくとも１つが、冷却流体がそこを通過して流れる間隙を形成している織り合わせストランドを有することを特徴とする請求項２９記載の組み合わせ。
33. 前記織り合わせストランドが多数のサブストランド熱導体を含むことを特徴とする請求項３２記載の組み合わせ。
34. 請求項３２の組み合わせにおいて、前記ストランドは、
    ｉ）ダッチ織りパターン、
    ｉｉ）ダイヤモンド織りパターン、
    ｉｉｉ）三軸（triaxial）織りパターン
    のうちの少なくとも１つの形を取ることを特徴とする請求項３２記載の組み合わせ。
35. 請求項３２の組み合わせが、或るストランドに結合ボールを含んでいることを特徴とする請求項３２記載の組み合わせ。
36. パッケージを有する集積回路を冷却する装置であって、前記装置は該集積回路に取付け可能で、中空ボディを有しており、前記中空ボディによって形成された空所が、その開口部を通ってから、冷却装置と集積回路との間に接触をもたらす面のところを流れて集積回路を冷却するための流体を含んでいるので、該流体が集積回路パッケージと直接的接触するようになることを特徴とする装置。
37. 流体はポンプによって空所内部を移動されることを特徴とする請求項３６記載の装置。
38. ポンプは外部モータへの磁気連結によって駆動されることを特徴とする請求項３７記載の装置。
39. 空所の開口部は実質的に円形であり、集積回路と冷却装置の空所との間でＯリングによって構成されたシール（seal）を含むことを特徴とする請求項３６記載の装置。
40. マイクロメッシュが、空所の開口部を覆っていることを特徴とする請求項３６記載の装置。
41. マイクロメッシュは、ダッチ織りパターンを使用していることを特徴とする請求項４０記載の装置。
42. マイクロメッシュは、ダイヤモンド織りパターンを使用していることを特徴とする請求項４０記載の装置。
43. マイクロメッシュは、三軸織りパターンを使用していることを特徴とする請求項４０記載の装置。
44. マイクロメッシュは、サブ導体を有する織りパターンを使用していることを特徴とする請求項４０記載の装置。
45. マイクロメッシュは、結合ボールを取り付けた織りパターンを使用していることを特徴とする請求項５記載の装置。
46. 流体は、空所内のポンプによって空所内部を移動されることを特徴とする請求項４０記載の装置。
47. ポンプは、外部モータへの磁気連結によって駆動されることを特徴とする請求項４６記載の装置。
48. ポンプは、容積形ポンプであることを特徴とする請求項４０記載の装置。
49. ポンプは、剪断面を有することを特徴とする請求項４０記載の装置。
50. 外部モータは、前記冷却流体を通すメッシュから伝達された熱を受け取る冷却フィンを全体にわたって空気を移動させるファンを駆動することを特徴とする請求項３８記載の装置。
51. 冷却流体は、低粘度フルオロカーボネートであることを特徴とする請求項５０記載の装置。
52. 請求項１５記載の装置は、前記メッシュ・ワイヤの少なくともいくつかと電気通信状態にある電気回路を含むことを特徴とする請求項１５記載の装置。
53. 熱拡散手段は、冷却流体から伝達された熱を受け取る際に相を変えるように機能する別の流体を含むことを特徴とする請求項２６記載の組み合わせ。
54. 請求項２２記載の組み合わせが、冷却流体流路構造用の前記メッシュのうち、少なくとも１つのメッシュの少なくとも一部または複数部分に、選択的に充填したポリマーを含むことを特徴とする請求項２２記載の組み合わせ。
55. 前記ポンプは、ガラス製ディスク・ロータを有することを特徴とする請求項３１記載の組み合わせ。
56. 前記パッケージは、少なくとも部分的にメッシュ内に埋め込ませるか或いは沈め込ませてあることを特徴とする請求項１記載の組み合わせ。