JP2013531389A - サーマルインターフェースをとるための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

増幅器として用いる装置（２０）は、信号を増幅するためのトランジスタ（２６）と、ヒートパイプ又は循環液によるヒートシンク（２２）と、トランジスタ（２６）とヒートシンク（２２）との間の機械的及び熱的接続を構成するためのサーマルインターフェースデバイス（２４）とを有する。使用中、トランジスタ（２６）からヒートシンク（２２）へ熱エネルギーの効率的な伝達を促進するように、プレート（２４）をヒートシンク（２２）とトランジスタ（２６）の間に設ける。プレート（２４）は、ヒートシンク（２２）をトランジスタ（２６）に接続し、これらの間に熱ルートを提供する。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、サーマルインターフェースをとるための装置及び方法に関するものであり、特に、限定はされないが、マイクロ波や高出力の高周波（ＲＦ）トランジスタのような高出力トランジスタを、ヒートシンク部品に対してインターフェースをとるための装置及び方法に関するものである。本発明の装置及び方法は、例えば工業、及び／又は医療のマイクロ波用途に使用ことができる。

例えば、高周波（ＲＦ）及びマイクロ波増幅器のような高出力増幅器は、典型的には、バイアスをかけて信号を入力／出力する回路基板の周囲に形成される、高出力で高周波数のトランジスタを使用して構成され、トランジスタは、標準のフランジマウントタイプのパッケージ内に封入されている。

使用時に、高出力増幅器は一般に、動作エネルギーの大部分を熱として消散し、場合によっては、増幅器の動作エネルギーの約４０％〜９０％が発生熱として失われる。

この発生熱をうまく処理するための多くの手段が提案されている。

例えばフランジマウントタイプのパッケージは、熱伝達用の増幅器のハウジングに直接ボルト止めすることができる。

周囲の大気へ熱を拡散させるために、フィン付きヒートシンクのようなヒートシンクを設けることができる。場合によっては、増幅器のハウジングをヒートシンクに結合させることができる。

強制空冷ファンを設けることは、増幅器からの熱を方向付けるのに役立ち、場合によっては、ヒートシンクの効率を高めるために、ヒートシンクに加えて冷却ファンを設けることができる。

ヒートシンク、及び／又はファンを設けることは、増幅器によって発生される熱の消散に役立つことになるが、ヒートシンクやファンは、増幅器によって占められる体積を著しく増大させ、ヒートシンクデバイスは相対的に嵩張るものとなる。例えば、ヒートシンクは、熱を消散させるために、アルミニウムや他の導体のような比較的大きな体積の金属や多数のフィンで構成されることがよくある。従って、ヒートシンクを使用すると、比較的小さなトランジスタは、例えば金属のようなかなりの体積の材料を、熱平衡が得られるまで長期間加熱しなければならず、これは効果的ではない。

最近になって、マイクロプロセッサの業界用に開発されたヒートシンクは、かなりのペースで進化しており、非常にコンパクトな占有領域から高レベルの熱を逃がすことができる、非常にコンパクトで効率のよいデバイスとなっている。例えば、あるマイクロプロセッサのヒートシンクは、伝導や対流を用いて熱を高効率で逃がすヒートパイプの技術、又は循環液によるヒートシンクの技術を利用している。ヒートパイプは、高温表面に接触するヒートシンクの表面に近接して設置される。ヒートパイプ式のヒートシンクの例は、高温表面からの熱をファン付き又はファン無しの熱交換器や放熱器に引き出すために、流体（例えば、エタノール、アセトン、水、ナトリウム又は水銀）の潜熱、固体で高伝導性の導体、又は循環冷却液を使用することもできる。ヒートパイプをベースとした既知のマイクロプロセッサのヒートシンクの例には、ザルマン社のＶＦ２０００（ＲＴＭ）ＶＧＡ／ＣＰＵファン内蔵のヒートパイプ、ティーエスヒートニクス社のＮＣＵ−１０００（ハイドロフルオロカーボン−１３４ａの液体蒸気によるヒートパイプ）及びコルセア社のＨ７０（ファン付き熱交換器を備える水冷ヒートシンク）が含まれる。

マイクロプロセッサのヒートシンクは、特に、最新のマイクロプロセッサＣＰＵのヒートスプレッダ上に直接結合させるように設計されている。ヒートスプレッダはＣＰＵのカプセル化ケースの物理的表面（典型的に上面）である。ＣＰＵのヒートスプレッダは平らであり、またヒートシンク内へ熱が最大限移動し易くなるように研磨するのがよい。マイクロプロセッサのヒートシンクは通常、マイクロプロセッサとコンピュータのマザーボードとを機械的にまた電気的に接続する機械的部品である、ＣＰＵソケット（又はＣＰＵスロット）と互換性があるという特長がある（ＣＰＵソケットの１つの例に、インテル社のＬＧＡ７７５がある）。

どんなヒートシンクでも、トランジスタからヒートシンクへ熱を効率的に伝え易くするためには、トランジスタとヒートシンクとの間の熱接合部の数は、各接合部がヒートシンクの効率を下げる絶縁層として機能するから、最小限にすることが望ましい。従って、単一の熱接合部を提供するために、トランジスタをヒートシンクの上に直接位置させるのが望ましい。

しかしながら、上述した設計によるヒートパイプや水流をベースとしたヒートシンクは、このタイプの直接接続に適合させることはできない。特に、これらのヒートシンクに関連する１つの問題は、トランジスタをヒートシンクに固定するのに必要とされる取り付けフランジボルトに適合させるため、ヒートパイプとトランジスタデバイスとの間に限られた大きさの金属があることである。

更に、高出力増幅器に使用されるトランジスタから、熱を極めて正確な方法で引き出す必要がある。

その上、トランジスタは、絶縁性のサーマルペーストを用いて結合される場合には設けなくてもよいものの、取り付けフランジに良好に電気的に接地する必要がある。

本発明の第１の態様によれば、信号を増幅するためのトランジスタと、トランジスタへの入力信号、及び／又はトランジスタからの出力信号を含む少なくとも１つの回路基板と、前記トランジスタとヒートシンクとの間の機械的及び熱的接続を容易にするように構成されたサーマルインターフェースデバイスと、を備えている増幅器として用いる装置が提供される。

ヒートシンクは、ヒートパイプ式ヒートシンク又は循環液によるヒートシンクを含む。ヒートシンクは、マイクロプロセッサのヒートシンクを含むことができる。

使用時において、本発明の実施形態による装置は、トランジスタからヒートシンクへ、そして大気へ熱を伝え易くするために、トランジスタ、例えば高周波（ＲＦ）又はマイクロ波トランジスタを、ヒートパイプ又は循環液によるヒートシンク、例えばヒートパイプをベースとするマイクロプロセッサのヒートシンクに接続するのに使用することができる。

ヒートパイプ又は循環液によるヒートシンクの技術をマイクロ波又は高周波パワートランジスタに組み入れることで、熱の消散を改善し、また増幅デバイスの重量及びサイズを大幅に減らすことができる。

トランジスタは、１Ｗ〜１００００Ｗの範囲、随意的に１Ｗ〜１０００Ｗの範囲、更に随意的に２０Ｗ〜２００Ｗの範囲の出力電力を有する出力トランジスタとすることができる。

トランジスタは、単位面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２の範囲、随意的に８０Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２の範囲の出力電力を有する。

インターフェースデバイスは、任意の適切な形態のものとすることができる。特定の実施態様では、インターフェースデバイスは、トランジスタとヒートシンクとの間に位置させる、プレートのような機械的な本体を備えることができる。

インターフェースデバイスは、ヒートシンクと組み合わせるように形成してもよい。例えば、インターフェースデバイスは、ヒートシンクの一部に係合させる、又は結合させるように構成した少なくとも１つの幾何学的、及び／又は機械的特徴を含むことができる。インターフェースデバイスは、ヒートシンクに設けた対応雌部に結合するように構成された雄部、又はその逆を備えてもよい。

インターフェースデバイスは、ＣＰＵソケット（又はＣＰＵスロット）の少なくとも１つの幾何学的特徴と実質的に同一である少なくとも１つの幾何学的特徴を含んでもよく、それによりマイクロプロセッサのヒートシンクとの係合が容易となる。

トランジスタとヒートシンクとの間のインターフェースデバイスの質量を減らす、又は最小限に抑えることにより、熱を効果的にヒートシンクに移動させ、そして大気へ放出することができる。

動作中、トランジスタとサーマルインターフェースデバイスとの間に少なくとも１つの熱経路が存在し、それらの熱経路の主の熱経路は、トランジスタからサーマルインターフェースデバイスへ、他の熱経路よりも多くの熱を導くことができ、また、主の熱経路は、回路基板を経由しなくてもよい。

動作中、サーマルインターフェースデバイスをヒートシンクと係合させると、トランジスタとヒートシンクとの間に少なくとも１つの熱経路が存在し、それらの熱経路の主の熱経路は、トランジスタからヒートシンクへ、他の熱経路よりも多くの熱を導くことができ、また、主の熱経路は、回路基板を経由しなくてもよい。

インターフェースデバイスは、トランジスタに直接結合させることができる。使用時に、トランジスタとヒートシンクとの間に２つの熱接合部を提供するよう、インターフェースデバイスをトランジスタに直接結合させることができる。例えば、熱は、第１の熱接合部（トランジスタとインターフェースデバイスとの間の材料界面）を経てトランジスタからインターフェースデバイスに直接伝わり、次に、第２の熱接合部（インターフェースデバイスとヒートシンクとの間の材料界面）を経て、インターフェースデバイスからヒートシンクに直接伝わる。

インターフェースデバイスは、任意の適切な手段でトランジスタに直接結合させことができる。例えばインターフェースデバイスは、ねじのような機械的な留め具により、及び／又は接着剤によりトランジスタに結合させることができる。代案又は加えて、インターフェースデバイスは、トランジスタの一部に係合する、及び／又は結合させるよう構成された少なくとも１つの幾何学的、及び又は機械的特徴を含むことができる。例えば、インターフェースデバイスは、トランジスタに設けられた対応雄部に結合するように構成された雌部、又はその逆を備えてもよい。

代案として、インターフェースデバイスは、トランジスタに間接的に結合させることもできる。例えば、セプタム又は壁によって、トランジスタとインターフェースデバイスとの間を画成することができる。特定の実施態様では、セプタムは装置のハウジングの一部で構成することができる。代案として、セプタムは、装置とは別の構成部品で構成してもよい。使用時に、トランジスタとヒートシンクとの間に少なくとも３つの熱接合部を提供するよう、インターフェースデバイスは、トランジスタに間接的に結合させることができる。例えば、熱は、第１の熱接合部（トランジスタとセプタムとの間の材料界面）を経てトランジスタからセプタムに伝わることができ、第２の熱接合部（セプタムとインターフェースデバイスとの間の材料界面）を経て、セプタムからインターフェースデバイスに伝わることができ、第３の熱接合部（インターフェースデバイスとヒートシンクとの間の材料界面）を経て、インターフェースデバイスからヒートシンクに伝わることができる。

装置は、更に、トランジスタ、回路基板及びインターフェースデバイスの少なくとも１つを収容、又はこれらを装着するように構成されたハウジングを備えてもよい。ハウジングは、任意の適切な形態のものとすることができる。特定の実施形態では、ハウジングは、機械加工したアルミニウム製の担体又は箱を含むことができる。

トランジスタは、パッケージ化したトランジスタとすることができ、使用時において、インターフェースデバイスは、トランジスタのパッケージとヒートシンクとを接続し易くするように構成することができる。

サーマルインターフェースデバイスは、ハウジングとの熱的な接触が最小限となるように構成することができ、これにより、トランジスタから大気へ熱を効果的に除去する。例えば、インターフェースデバイスはハウジングからずらして、このインターフェースデバイスがハウジングに直接接触しないようにして、インターフェースデバイスとハウジングとの間の熱の伝導を減らすのに役立てることができる。熱が優先的にトランジスタから直接インターフェースデバイスへ伝わるように、エアギャップをハウジングとインターフェースデバイスとの間に設けてもよい。

インターフェースデバイスは、複数の部品や場所から熱を伝達するように構成してもよい。例えば、インターフェースデバイスは、高出力のトランジスタデバイスの直列又は並列配置によって生成される多数の熱点から熱を伝達するように構成してもよい。代案として、マイクロ波サーキュレータや高電力負荷を、増幅器の保護に使用してもよく、これはインターフェースデバイスを経て伝達することもできる熱を発生する。

インターフェースデバイスは、放熱容量を増やすために複数のヒートシンク要素を収容するように構成してもよい。例えば、ヒートシンク要素は、マイクロプロセッサの複数のヒートシンクを含んでもよい。代案又は加えて、ヒートシンク要素は、少なくとも１つの標準的なフィン付きの対流式ヒートシンクを含んでもよい。従って、インターフェースデバイスは、マイクロプロセッサの多数のヒートシンク又はその組み合わせ、及び標準的なフィン付きの対流式ヒートシンクとともに使用するのに適している。

少なくともインターフェースデバイスの一部は、１つの材料、又は１つ以上の材料の組み合わせを含んでもよく、これによりトランジスタを電気的に接地させる。デバイスの材料は、導電性の材料を含んでもよい。任意の適切な材料を用いることが可能である。特定の実施形態では、その材料は、銅、銀、及び／又はアルミニウムの少なくとも１つを含んでもよい。

インターフェースデバイスの少なくとも一部は、１つの材料、又は１つ以上の材料の組み合わせを含んでもよく、これにより熱伝導性が生じる。任意の適切な材料を用いることが可能である。特定の実施形態では、その材料は、例えば銅、銀、及び／又はアルミニウムのような高い熱伝導性を有する材料を含んでもよい。

少なくともインターフェースデバイスの一部は、１つの材料、又は１つ以上の材料の組み合わせを含んでもよく、また、実質的に一方向性の熱伝導特性を有していてもよい。任意の適切な材料、又は材料の組み合わせを用いることが可能である。特定の実施形態として、その材料は、１つ以上の熱分解炭素系の材料、例えばモンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製のＴＣ１０５０（登録商標）や、ポリエチレンポリマーのナノファイバー材料、及び／又はカーボンナノチューブ複合材料を含んでもよい。

少なくともインターフェースデバイスの一部は、導電性を高め、且つ表面酸化を防ぐために電気メッキするか、そうでなければコーティングするのがよい。例えば、インターフェースデバイスの少なくとも一部は、銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）でコーティングするのがよい。

サーマルインターフェースデバイスの熱伝導性を高めるために、極めて高い熱伝導特性を有する材料を、トランジスタの上、及び／又は下に設けることができる。高い熱伝導性材料は、例えば、熱分解炭素系の材料を含むことができ、特に具体的にはＴＣ１０５０（登録商標）を含むことができる。

電気的性能を維持するために、熱伝導性の材料又は組み合わせ材料の少なくとも一部は電気メッキするか、そうでなければコーティングして、導電性を高めるのがよい。例えば、材料の少なくとも一部は、銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）でコーティングすることができる。

従って、本発明の実施形態に従う装置は、トランジスタからヒートシンクへ、そして大気へ熱を伝え易くするために、トランジスタ、例えば高周波（ＲＦ）やマイクロ波トランジスタを、ヒートパイプ又は循環液によるヒートシンク、例えばヒートパイプをベースとするマイクロプロセッサのヒートシンク又は循環液によるマイクロプロセッサのヒートシンクに接続するのに使用することができる。

本発明の第２の実施態様によれば、第１の態様による装置とヒートパイプ式ヒートシンクとの組み合わせが提供される。

更に、本発明の独立した態様によれば、第１及び第２の態様によるサーマルインターフェースデバイスが提供される。

更に、本発明の独立した態様によれば、信号を増幅するトランジスタを提供するステップと、トランジスタへの入力信号、及びトランジスタからの出力信号を含む少なくとも１つの回路基板を提供するステップと、トランジスタとヒートパイプ式ヒートシンクとの間の機械的及び熱的接続を容易にするように構成されたサーマルインターフェースデバイスを提供するステップとを含む、増幅器用のトランジスタとヒートシンクのサーマルインターフェーズをとる方法が提供される。

上記で規定した本発明の任意の態様に従う特徴は、単独で又は規定された他の特徴と組み合わせて、本発明の他の態様に適用することができることが理解されよう。

本発明に従うこれらの及び他の態様を、例示に過ぎない添付の図面を参照しながら説明する。

（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、高出力トランジスタの概略上面図、側面図及び端面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、既知の増幅器、対流式ヒートシンク及びファン配置を示す概略側面図及び平面図である。 比較のために対流式ヒートシンクと増幅器に隣接して示した、ヒートパイプ式ヒートシンク及び増幅器の概略側面図である。 本発明の実施形態による装置における、ヒートパイプ式のマイクロプロセッサのヒートシンク、サーマルインターフェースデバイス及び高出力トランジスタの概略図であって、参照を容易にするために構成部品を分離して示す。 循環流式のヒートシンクの概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施形態の概略斜視断面図であって、増幅回路ハウジングに取り付けたサーマルインターフェースデバイスと出力トランジスタを示す。 図５ａ及び図５ｂの実施形態の概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図４〜６の装置を、この装置に接続したザルマン社のＶＦ２０００（登録商標）ＶＧＡ／ＣＰＵのファン内蔵ヒートシンクとともに示す概略断面図である。 本発明の代替実施形態の概略断面図であって、パワートランジスタが上に取り付けられ、且つ薄いセプタム領域によってサーマルインターフェースデバイスから分離される増幅回路ハウジング内に取り付けた、サーマルインターフェースデバイスを示す図である。 図８の装置を下から示す、代替概略斜視断面図である。 図８及び図９の装置を、この装置に接続したザルマン社のＶＦ２０００（登録商標）のヒートシンクとともに示す概略断面図である。 図８及び図９の装置を、この装置に接続したザルマン社のＶＦ２０００（登録商標）のヒートシンクとともに示す概略断面図である。 図１０及び図１１に示す配置での試験結果を示すグラフである。

まず、図面の図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を参照すると、高出力トランジスタ１の上面図、側面図及び端面図が示されている。トランジスタ１は、クリー社の製品番号ＣＧＨ２５１２０Ｆの窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のような、高周波（ＲＦ）、マイクロ波の高出力トランジスタを含み、電気信号接続タブ２と、取り付けベースフランジ３と、トランジスタのカプセル４とを備える。

トランジスタ１は、回路基板（図示せず）に取り付けることができ、またシールドボックス（図示せず）内に収納されて、図２（ａ）、（ｂ）及び図３中、参照番号５で概略的に示される増幅器を形成する。

上述したように、高出力増幅器は、典型的には、効率の悪さが原因で、動作エネルギーを比較的高い割合で熱として消散する。増幅器５へのダメージを防止するために、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、フィン付きのヒートシンク６を、既知の配置で設けて、増幅器５からの熱を除去し、この熱を周囲へ消散させることができる。ヒートシンク６の作用は、温風をヒートシンク６から離れる方向へ向かわせる１以上のファン７によっても助長される。しかしながらこのような配置では、放熱要件が、熱エネルギーを周囲へ消散させるのに必要とされる表面領域や空気の流れを決定づけることになるので、一般的にはかなりかさばるものになる。

ヒートパイプ式の代替ヒートシンク８を図３（ｂ）に示す。比較として、図３（ａ）に、フィン付きの対流式ヒートシンク６を示していて、これは、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されたヒートシンク６と類似又は同一のものである。相対的な大きさが理解できるように、図３（ａ）及び図３（ｂ）のそれぞれにも増幅器５を示す。

図４（ａ）は、本発明の実施形態による装置２０の構成部品を示し、参照し易くするためにこれらの構成部品を分離して示す。図に示すように、装置２０は、ヒートパイプによるマイクロプロセッサのヒートシンク２２と、プレートのサーマルインターフェースデバイス２４と、高出力トランジスタ２６とを備えている。ヒートシンク２２は、上掲の図３（ｂ）に示すヒートパイプ式のヒートシンク８と類似又は同一のものとすることができる。代替実施形態では、ヒートシンクは、図４（ｂ）に示すような、循環液によるヒートシンク２３とすることができ、これは通常、ポンプ（図示せず）によって循環路２５の周りに冷却液を通す。高出力トランジスタ２６は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すトランジスタ１と類似又は同一の、クリー社の製品番号ＣＧＨ２５１２０Ｆの窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のような、高周波（ＲＦ）、又はマイクロ波の高出力トランジスタで構成することができる。このトランジスタは、１００ＭＨｚから１００ＧＨｚまでの範囲内の少なくとも１つの周波数で動作する、他の任意のパッケージ化されたＲＦ／マイクロ波高出力トランジスタとすることができる。ＲＦ／マイクロ波高出力トランジスタは、１〜１０００Ｗ又はそれ以上の範囲の飽和出力電力を発生するトランジスタとすることができる。製品番号ＣＧＨ４０１２０ＦＥの窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の例では、その出力電力は１２０Ｗであり、約５０Ｗの熱が生じる。マイクロ波トランジスタは、ＧａＮ、ＬＤＭＯＳ、シリコン、ＧａＡｓ、又は他の半導体材料を含む任意の半導体化合物に基づくものであってもよい。

使用中、トランジスタ２６からヒートシンク２２への熱エネルギーの効率的な伝達を促進するように、プレート２４をヒートシンク２２とトランジスタ２６の間に設ける。プレート２４は、シートシンク２２をトランジスタ２６に接続し、これらの間に熱ルートを提供する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の第１実施形態の概略斜視断面図であって、図６は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した実施形態の概略断面図である。図示したように、プレート２４と高出力トランジスタ２６は、増幅回路ハウジング２８に取り付けられる。サーマルインターフェースプレート２４は、エアギャップ３０によって回路ハウジング２８との接触が最小となるように構成され、エアギャップ３０は、高出力トランジスタ２６から回路ハウジング２８への熱伝導を下げるように作用する。

この実施形態では、図４も参照するに、高出力トランジスタ２６は、このトランジスタのフランジマウント３６における穴３４を経て、インターフェースプレート２４に設けられたねじ穴３８に挿入されるねじ３２よってサーマルインターフェースプレート２４に直接取り付けられる。しかしながら、トランジスタをプレート２４に固定又は結合する他の適切な手段を用いることもできる。

この実施形態では、高出力トランジスタ２６とマイクロプロセッサのヒートシンク２２との間に２つの熱接合部があり、第１の接合部はトランジスタ２６とインターフェースプレート２４との間の材料界面によって提供され、第２の接合部は、インターフェースプレート２４とヒートシンク２２との間の材料界面によって提供される。インターフェースプレート２４は、高出力トランジスタ２６とマイクロプロセッサのヒートシンク２２との相互接続を可能とし、プレート２４は、トランジスタ２６とヒートシンク２２との間の機械的なインターフェースや熱ルートを提供する。

これらの接合部全域の熱伝導性を高めるために、ヒートシンク化合物、例えばＡｒｃｔｉｃ Ｓｉｌｖｅｒ ＃５を、高出力トランジスタ２６とサーマルインターフェースプレート２４との間、及び／又はサーマルインターフェースプレート２４とマイクロプロセッサのヒートシンク２２との間に付着するのがよい。

高出力トランジスタ２６、サーマルインターフェースプレート２４、マイクロプロセッサのヒートシンク２２及びハウジング２８を組み立てたものが、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されていて、これらの図は、図４〜６の装置２０の概略断面図を、装置２０に接続したザルマン社のＶＦ２０００（登録商標）ＶＧＡ／ＣＰＵファン内蔵ヒートシンク２２と一緒に示している。

図８及び９を参照すると、本発明の代替実施形態による装置の概略断面図と概略斜視断面図が示されており、第１と第２の実施形態間の同様の構成要素には、同様な参照番号に１００を増やして示してある。図示のように、装置１２０は、増幅回路ハウジング１２８内に取り付けた、インターフェースプレート１２４の形態のサーマルインターフェースデバイスを有する。高出力トランジスタ１２６は、回路ハウジング１２８の上に取り付けられ、薄いセプタム領域１４０によってサーマルインターフェースプレート１２４から分離されている。

第１実施形態と同様に、サーマルインターフェースプレート１２４は、エアギャップ１３０によって回路ハウジング１２８との接触が最小となるように構成され、エアギャップ１３０は、高出力トランジスタ１２６から回路ハウジング１２８への熱伝導を減らすように作用する。

セプタム１４０は、トランジスタ１２６／増幅装置１２０の内側に電気接地面を維持し、またギャップを経て外側に漏れるのを防止する。このようなギャップは、望ましくない寄生インダクタンス又は寄生容量を誘起することにより、トランジスタ１２６／増幅装置１２０の性能にも影響を及ぼす。

この第２実施形態では、高出力トランジスタ１２６とマイクロプロセッサのヒートシンク１２２との間に３つの熱接合部があり、第１の接合部は、トランジスタ１２６とセプタム１４０との間の材料界面によって提供され、第２の接合部は、セプタム１４０とインターフェースプレート１２４との間の材料界面によって提供され、第３の接合部は、インターフェースプレート１２４とヒートシンク１２２の間の材料界面によって提供される。

この実施形態では、ヒートシンク化合物として、例えばＡｒｃｔｉｃ Ｓｉｌｖｅｒ ＃５を、出力トランジスタ１２６と回路ハウジングにおけるセプタム１４０の内側面との間、及び／又は回路ハウジングにおけるセプタム１４０の外側面とサーマルインターフェースプレート１２４との間、及び／又はサーマルインターフェースプレート１２４とマイクロプロセッサのヒートシンク１２２との間に塗布するのがよい。

高出力トランジスタ１２６、サーマルインターフェースプレート１２４及びマイクロプロセッサのヒートシンク１２２を含む完成した配置を図１０及び図１１に示す。

図１２は、図１０及び図１１に示す配置での試験結果を示すグラフである。そのグラフは、Ｘ軸の時間に対し、左側のＹ軸に２．４５ＧＨｚでの増幅効率を示している。またそのグラフは、Ｘ軸の時間に対し、右側のＹ軸に増幅器の温度も示している。

本明細書に示した実施形態は、インターフェースデバイスとヒートパイプ式ヒートシンクとの係合について説明したが、インターフェースデバイスは同様に、循環液によるヒートシンクに係合させるように配置してもよく、このような配置は代替実施形態で提供される。

インターフェースデバイスは、任意の適切な材料で形成することが可能であり、例えば、銅、銀、及び／又はアルミニウムの少なくとも１つで形成することができる。通常、インターフェースデバイスにおいては高い熱伝導性を有することが望ましい。

ある実施形態では、インターフェースデバイスの少なくとも一部は、実質的に一方向性の熱伝導特性を有する１つの材料又は１つ以上の材料の組み合わせを含む。任意の適切な材料、又は材料の組み合わせを用いることができる。ある実施形態では、デバイス材料は、１つ以上の熱分解炭素系の材料、例えばモンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製のＴＣ１０５０（登録商標）や、ポリエチレンポリマーのナノファイバー材料、及び／又はカーボンナノチューブ複合材料を含むことができる。実質的に一方向性の熱伝導性を有する材料は、他の方向よりも１つの方向の熱伝導性がより大きい材料とすることができる。

インターフェースデバイスの少なくとも一部は、導電性を高め、且つ表面酸化を防ぐために電気メッキするか、そうでなければコーティングするのがよい。例えば、インターフェースデバイスの少なくとも一部は、銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）でコーティングするのがよい。

サーマルインターフェースデバイスの熱伝導性を高めるために、極めて高い熱伝導特性を有する材料を、トランジスタの上、及び／又は下に設けることができる。高い熱伝導性材料は、例えば、熱分解炭素系の材料を含むことができ、特に具体的にはＴＣ１０５０（登録商標）を含むことができる。

電気的性能を維持するために、熱伝導性の材料又は組み合わせ材料の少なくとも一部は電気メッキするか、そうでなければコーティングして、導電性を高めるのがよい。例えば、材料の少なくとも一部を、銀（Ａｇ）又は金（Ａｕ）でコーティングすることができる。

ここに記載した実施形態は単に例示であり、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

例えば、トランジスタとヒートシンクとの間の熱接合部の数は、最小限に抑えるのが望ましいが、本発明の装置は、トランジスタとヒートシンクとの間の適当な箇所に熱接合部を３つ以上設けるように構成してもよい。

Claims (27)

1. 信号を増幅するための高周波又はマイクロ波トランジスタと、
   前記トランジスタへ入力信号を提供する、及び／又は前記トランジスタからの信号を受信する少なくとも１つの回路基板と、
   前記トランジスタとヒートパイプ式ヒートシンク又は循環液によるヒートシンクとの間の機械的及び熱的接続を容易にするように構成されたサーマルインターフェースデバイスと、を備えている、増幅器として用いる装置。
2. 前記ヒートシンクは、マイクロプロセッサのヒートシンクを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記トランジスタは、１Ｗ〜１００００Ｗの範囲、随意的に１Ｗ〜１０００Ｗの範囲、更に随意的に２０Ｗ〜２００Ｗの範囲の出力電力を有する高出力トランジスタを含む、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記トランジスタは、単位表面積当たり１Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２の範囲、随意的に８０Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２の範囲の出力電力を有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の装置。
5. 前記インターフェースデバイスは、前記トランジスタに直接結合するように構成された、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記インターフェースデバイスは、使用時に、前記トランジスタと前記ヒートシンクとの間に２つの熱接合部を提供するように、前記トランジスタに直接結合される、請求項４に記載の装置。
7. 前記インターフェースデバイスは、前記トランジスタに間接的に結合するよう構成される、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
8. 前記トランジスタと前記インターフェースデバイスとの間にセプタムを更に備えている、請求項１〜７の何れか一項に記載の装置。
9. 前記インターフェースデバイスは、使用時に、前記トランジスタと前記ヒートシンクとの間に３つの熱接合部を提供するように、前記トランジスタに間接的に結合される、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記インターフェースデバイスは、ヒートシンクの一部と係合するよう構成された少なくとも１つの幾何学的特徴、例えば、ヒートシンクに設けた雄部及び雌部の一方と結合するように構成された他方の雄部及び雌部を備えている、請求項１〜９の何れか一項に記載の装置。
11. ハウジングを更に備えている、請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置。
12. 前記インターフェースデバイスは、前記ハウジングとの熱的接触が最小限となるように構成される、請求項１１に記載の装置。
13. 前記ハウジングと前記インターフェースデバイスとの間にエアギャップが設けられる、請求項１１又は１２に記載の装置。
14. 前記インターフェースデバイスは、複数のヒートシンク要素を収容するように構成される、請求項１〜１３の何れか一項に記載の装置。
15. 前記インターフェースデバイスは、マイクロプロセッサのヒートシンクを複数収容するように構成される、請求項１〜１４の何れか一項に記載の装置。
16. 前記インターフェースデバイスは、少なくとも１つのヒートパイプ式ヒートシンクと、少なくとも１つの標準的なフィン付き対流式ヒートシンクとを収容するように構成される、請求項１〜１５の何れか一項に記載の装置。
17. 前記インターフェースデバイスの少なくとも一部は、前記トランジスタを電気的に接地する材料からなる、請求項１〜１６の何れか一項に記載の装置。
18. 前記インターフェースデバイスの少なくとも一部は、導電性の材料を含む、請求項１〜１７の何れか一項に記載の装置。
19. 前記インターフェースデバイスの少なくとも一部は、熱伝導性の材料を含む、請求項１〜１８の何れか一項に記載の装置。
20. 前記インターフェースデバイスの少なくとも一部は、一方向性の熱伝導特性を有する材料を含む、請求項１９に記載の装置。
21. 前記インターフェースデバイスの少なくとも一部は、熱分解炭素系の材料、ポリエチレンポリマーのナノファイバー材料、及び／又はカーボンナノチューブ複合材料の群から選択される材料を含む、請求項１〜２０の何れか一項に記載の装置。
22. 前記インターフェースデバイスの少なくとも一部は、電気メッキされる、請求項１〜２１の何れか一項に記載の装置。
23. 熱分解炭素系の材料が、前記トランジスタの上、及び／又は下に設けられる、請求項１〜２２の何れか一項に記載の装置。
24. 前記トランジスタは、パッケージ化されたトランジスタを含み、前記インターフェースデバイスは、使用時に、前記トランジスタのパッケージと前記ヒートシンクとを接続し易くするように構成される、請求項１〜２３の何れか一項に記載の装置。
25. ヒートパイプ式ヒートシンク又は循環液によるヒートシンクと組み合わせる、請求項１〜２４の何れか一項に記載の装置。
26. 高周波又はマイクロ波トランジスタと係合し、且つ、前記トランジスタとヒートパイプ式ヒートシンク又は循環液によるヒートシンクとの間の機械的及び熱的接続を容易にするように構成された、サーマルインターフェースデバイス。
27. 増幅器用のトランジスタとヒートシンクのサーマルインターフェースをとる方法であって、
    信号を増幅するトランジスタを提供するステップと、
    前記トランジスタへ入力信号を提供し、且つ前記トランジスタから信号を受信する少なくとも１つの回路基板を提供するステップと、
    前記トランジスタとヒートパイプ式ヒートシンク又は循環液によるヒートシンクとの間の機械的及び熱的接続を容易にするように構成されたサーマルインターフェースデバイスを提供するステップと、を含む、サーマルインターフェースをとる方法。

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