JP2018522403A - 集積回路及びデバイスレベル冷却のためのマイクロホース - Google Patents

集積回路及びデバイスレベル冷却のためのマイクロホース Download PDF

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Abstract

放熱デバイスは、少なくとも１つの放熱面と、アディティブ製造プロセスによって放熱面上に直に形成されたマイクロサイズの冷却機構とを含む。冷却機構は、直接的に放熱面へと、クーラント源からの冷却媒体を搬送する少なくとも１つの例えばマイクロホースなどの流体通路を含む。冷却機構は、冷却媒体が放熱面と直に熱接触するように、放熱面に流体的に封止される。

Description

本出願は、２０１５年６月４日に出願された米国仮出願第６２／１７０，８９６号及び２０１５年１１月９日に出願された米国仮出願第６２／２５２，９０９号の利益を主張するものであり、これら双方の全体をここに援用する。
本発明は小型デバイスの冷却に関し、より具体的には詳細には回路基板を冷却することに関する。
例えばエレクトロニクスコンポーネントを実装する用途などの様々な用途が、冷却を必要とするコンポーネントを実装している。特定の用途において、エレクトロニクスコンポーネントは比較的小さいものであり得る。電子シャーシアセンブリ又はモジュールは、例えば回路基板又はカードなどの小型のエレクトロニクスコンポーネントを含み得る。モジュールの効率的な動作は、マイクロサイズのエレクトロニクスコンポーネントによって生成される熱を管理することに当てにすることがある。
マイクロサイズのエレクトロニクスコンポーネントを冷却する１つの従来方法は、エレクトロニクスアセンブリに接合された別個の冷却マニホールド又は構造を使用することを含む。例えばモノリシック又は金属製のコールドウォールなどの冷却構造が、別々に形成され、その後、はんだ、エポキシ、又はその他のコネクタを用いてエレクトロニクスアセンブリに取り付けられ得る。しかしながら、これらの冷却構造の製造は、コンポーネント間に信頼性あるシールを形成することの複雑さのために、複雑で高価なものになり得る。流体スプレッダを使用することもでき、大きな流体ホース及びコネクタを介してスプレッダに流体を送り込むことが可能にされ得る。しかしながら、エレクトロニクスアセンブリ及び付随するコンポーネントの空間的な制約を考えると、流体スプレッダ及び嵩張るコネクタを使用することは不利になり得る。
別の１つの従来方法は浸漬冷却を含む。しかしながら、浸漬冷却は一般に、嵩張るとともに漏れを起こしやすい大きなハウジングを必要とする。他の方法は、流体配給源を使用するとともに、エポキシシール又はＯリングによってシールされたチャネル化チップを通じて流体送達を提供することを含む。しかしながら、上述のように、コンポーネント間に信頼性あるシールを形成することは、エレクトロニクスコンポーネントの複雑でコストのかかる製造を必要とし得る。
アディティブ製造は、例えば回路基板などの小型の熱放散デバイス上に直接的に、複雑な又はマイクロサイズの中空フィーチャ（造形）を形成又は印刷することを可能にする。中空フィーチャは、マイクロホースの形態とし得る。マイクロホースは、クーラント源と連通し得るとともに、追加の接合材料又は嵩張る接続コンポーネントなしで、回路基板に直接的に封止され得る。例えば流体などのクーラントをエレクトロニクスデバイスに直接的に送達することは、デバイスのいっそう効率的な冷却を可能にし、デバイスからのいっそう大きい全体パワー出力をもたらす。
本発明の一態様によれば、放熱デバイスは、少なくとも１つの放熱面と、上記少なくとも１つの放熱面上に直に形成された冷却機構とを含む。上記冷却機構は、冷却媒体を搬送する少なくとも１つの流体通路を含み、且つ上記冷却機構は、上記少なくとも１つの放熱面に流体的に封止され、上記冷却媒体は、上記放熱面と直に熱接触する。
本発明の一態様によれば、上記少なくとも１つの流体通路は、少なくとも１つの流体供給経路と少なくとも１つの流体戻り経路とを含み得る。上記少なくとも１つの流体供給経路が、上記放熱面に上記冷却媒体を送達する。
本発明の一態様によれば、上記少なくとも１つの流体供給経路及び上記少なくとも１つの流体戻り経路は、互いに平行とし得る。
本発明の一態様によれば、上記少なくとも１つの流体供給経路及び上記少なくとも１つの流体戻り経路は、上記少なくとも１つの流体供給経路及び上記少なくとも１つの流体戻り経路の各々の上記冷却媒体を混ぜることなく、重なり合うように構成され得る。
本発明の一態様によれば、上記冷却機構は、アディティブ製造された少なくとも１つのマイクロホースを含み得る。
本発明の一態様によれば、上記冷却機構は、流体供給マイクロホースと流体戻りマイクロホースとを含んだチャネルを含むことができ、上記流体供給マイクロホースが、上記放熱面に上記冷却媒体を送達する。
本発明の一態様によれば、上記少なくとも１つのマイクロホースは、ポリイミド、エポキシ、ウルテム、ベンゾシクロブテン、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリル系プラスチック（ＡＢＳ）、又はポリ乳酸（ＰＬＡ）で形成され得る。
本発明の一態様によれば、当該放熱デバイスは、第１の放熱面と、該第１の放熱面上に配置された第２の放熱面とを含むことができ、上記少なくとも１つの流体通路は、上記第１の放熱面及び上記第２の放熱面の上に配置される。
本発明の一態様によれば、上記第１の放熱面及び上記第２の放熱面の各々が、水平部分及び垂直部分を含むことができ、上記少なくとも１つの流体通路は、上記少なくとも１つの流体通路が当該放熱デバイスに巻き付くように、上記第１の放熱面及び上記第２の放熱面の各々の上記水平部分及び上記垂直部分に沿って延在し得る。
本発明の一態様によれば、上記冷却機構は、上記少なくとも１つの流体通路を画成する外壁を含み得る。この壁は、菱形、円形、半円形、三角形、五角形、又は楕円形である形状を有し得る。
本発明の一態様によれば、上記少なくとも１つの流体通路は、自立型であって支持されていないとし得る。
本発明の一態様によれば、当該放熱デバイスは、上記少なくとも１つの流体通路を介して上記放熱面と連通した少なくとも１つのポンプ駆動クーラント源を含み得る。
本発明の一態様によれば、当該放熱デバイスは、少なくとも１つの被加熱面と、上記少なくとも１つの被加熱面に直に形成された加熱機構とを含むことができ、上記加熱機構は、加熱媒体を搬送する少なくとも１つの流体通路を含み、且つ上記加熱機構は、上記加熱媒体が上記少なくとも１つの被加熱面と直に熱接触するように、上記少なくとも１つの被加熱面に流体的に封止される。
本発明の一態様によれば、少なくとも１つの能動回路又は受動回路を有するプリント回路基板は、プリント配線板と、冷却媒体源と、上記プリント配線板に直にプリントされた冷却チャネルとを含み得る。上記冷却チャネルは、上記冷却媒体源と上記プリント配線板との間で流体連通した流体供給マイクロホース及び流体戻りマイクロホースを含む。上記流体供給マイクロホースが、上記プリント配線板に直に冷却媒体を送達する。
本発明の一態様によれば、当該プリント回路基板は、上記プリント配線板上に配置されたモノリシックマイクロ波集積回路を含むことができ、上記冷却チャネルは、上記プリント配線板及び上記モノリシック集積回路の上に延在する蛇行経路を有する。
本発明の一態様によれば、放熱デバイスを形成する方法は、アディティブ製造プロセスを用いて、上記放熱デバイスの放熱面上に直に冷却機構を形成することを含む。上記冷却機構は、上記放熱面に冷却媒体を搬送する少なくとも１つの流体通路を含み、且つ上記冷却機構は、上記冷却媒体と上記少なくとも１つの放熱面との間の直接的な熱接触のために、上記少なくとも１つの放熱面に流体的に封止される。
本発明の一態様によれば、上記アディティブ製造プロセスを用いることは、３Ｄプリント、ディスペンス、リソグラフィ、原子層成長、ステンシル印刷若しくはスクリーン印刷、溶融堆積若しくは気相堆積、スタンプ転写、焼結、及びラミネーションのうちの少なくとも１つを含み得る。
本発明の一態様によれば、上記冷却機構を形成することは、流体供給マイクロホース及び流体戻りマイクロホースを含んだチャネルを形成することを含むことができ、上記流体供給マイクロホースは、上記少なくとも１つの放熱面に上記冷却媒体を送達するように構成される。
本発明の一態様によれば、上記チャネルを形成することは、互いに平行であるように上記流体供給マイクロホース及び上記流体戻りマイクロホースを形成することを含み得る。
本発明の一態様によれば、上記放熱デバイスを形成することは、プリント回路基板を形成することを含み得る。
本発明の一態様によれば、プリント回路基板アセンブリを形成することは更に、回路基板アセンブリのプリント配線板上に上記冷却機構をプリントすることと、上記プリント配線板上に配置された回路デバイス又はモノリシックマイクロ波集積回路上に上記冷却機構をプリントすることとを含み得る。上記冷却機構は、上記プリント配線板及び上記モノリシックマイクロ波集積回路と同時に熱接触し得る。
以上の目的及び関連する目的の達成のため、本発明は、以下にて十分に記述されて請求項中で指摘される機構を有する。以下の記載及び添付の図面は、本発明の特定の例示的な実施形態を詳細に説明するものである。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が使用され得る様々なやり方のうちのほんの数例を示すものである。本発明の他の目的、利点及び新機構が、以下の本発明の詳細な説明が図面とともに検討されることで明らかになる。
従来技術に従ったエレクトロニクスモジュールの熱経路を示す模式図である。 アディティブ製造マイクロホースが回路基板にプリントされたプリント回路基板を有するエレクトロニクスモジュールの熱経路を示す模式図である。 図２のエレクトロニクスモジュールのプリント回路基板を示す模式図である。 マイクロホースを備えたチャネルを示す図３のプリント回路基板の細部の模式図である。 菱形の形状をしたマイクロホースを有するチャネルを示す模式図である。 様々な形状を持つマイクロホースを有するチャネルを示す模式図である。 形状が三角形であるマイクロホースを備えたチャネルを示す模式図である。 回路基板上にプリントされた図６Ａのマイクロホースを示す図である。 平行配置で構成されたマイクロホースを示す模式図である。 互いに重なり合うマイクロホースを示す模式図である。 プリント回路基板の側面を示す模式図である。 プリント回路基板の等角図を示す模式図である。 回路基板上のプリントされた冷却チャネルを形成する例示的な方法を示す図である。 図１０Ａに示される方法によって形成される冷却チャネルの例示的な一形状を示す図である。 図１０Ａに示される方法によって形成される冷却チャネルの例示的な他の一形状を示す図である。 図１０Ａに示される方法によって形成される冷却チャネルの例示的な更なる他の一形状を示す図である。 プリント回路基板の断面図を示す模式図である。 モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）の形態をした放熱デバイスを示す模式図である。 必ずしも縮尺通りではないものである添付のシートは、本発明及び関係する素材の様々な態様を、様々に示し、テキストにて記述する。
ここに記載される原理は、放熱デバイス用の冷却機構を形成するアディティブ（加法）製造プロセスに特定の用途を有する。ここに記載される冷却機構は、例えば、エレクトロニクスシャーシアセンブリを冷却するために、又はマイクロサイズのコンポーネントが冷却を必要とする何らかの用途においてなどで、多様な用途で実現可能であり得る。アディティブ製造を用いることは、複雑な内部フィーチャ（造形）を形成することにおけるアディティブ製造の能力により、冷却機構を放熱デバイス上に直接プリントするのに有利である。複雑な内部フィーチャの例は、例えばクーラントが通り抜けることを可能にするための小さい冷却通路又はチャネルなどの、支持されない中空フィーチャを含み得る。例えば、アディティブ製造プロセスを用いて回路基板上に直にマイクロホース構造がプリントされて、回路基板に直に冷却媒体が送達されることを可能にし得る。
ここで図１−６を参照するに、本出願に従った冷却機構は、従来の冷却方法とは対照的に、放熱デバイス上に直接的に形成され得る。デバイスに直に冷却機構をプリントすることは、追加のコネクタ又はコンポーネントを使用することなく、プリントが行われるときに流体シールを作り出すことを可能にする。図１の従来技術に示されるように、従来のエレクトロニクスモジュール２０は、プリント配線板２２と、例えば冷却流体などの冷却媒体をプリント配線板２２に供給するためのコールドウォール２４とを含む。プリント配線板２２を冷却することは、それが電子回路の効率を高めてモジュール２０の全体的なパワー増大を可能にする点で有利である。例えば、モジュール２０は、１ギガヘルツと８ギガヘルツとの間の周波数で動作することができ、電子回路を冷却することは、特定の周波数で最大１００ワットに至るパワー増大を可能にし得る。従来のモジュール２０は、プリント配線板２２とコールドウォール２４との間に配置されるので、プリント配線板２２とモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）２８との間に回路バンプ２６と、ＭＭＩＣ２８とヒートスプレッダ３２との間のテープ自動ボンド層３０とを含んでいる。自動ボンド層３０は銅モリブデンで形成され得る。ヒートスプレッダ３２とコールドウォール２４との間に熱インタフェース材料３４も設けられている。プリント配線板２２は、サイズ的に比較的小さく、およそ５．５ミリメートル×３．８ミリメートル幅及び長さを有する。プリント配線板２２のサイズ制約に起因して、プリント配線板２２に冷却流体を供給するのに、標準サイズのホース及びその他の流体コネクタは、モジュール２０とは適合しない。さらに、従来の流体コネクタをマイクロレベルに縮小することは、製造上の限界のために実現可能でないことがある。
次に、図２−４を参照するに、本出願の原理に従った放熱デバイス３６が示されている。放熱デバイス３６は、放熱面３８を含み得る。放熱デバイス３６はエレクトロニクスモジュールとすることができ、放熱面３８は、プリント配線板２２（回路基板）又は回路基板の別の放熱面を含み得る。放熱デバイス３６は、如何なる好適な放熱デバイス又はデバイスの放熱コンポーネントであってもよい。好適な放熱コンポーネント又はデバイスの例は、電気デバイス、回路、プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、リミッタ、ダイオード、レーザダイオード、又は抵抗のうちの少なくとも１つを含み得る。数多くのその他の好適デバイスが、ここに記載される原理を実装し得る。放熱デバイスのその他の例は、非電気デバイスを含み得る。非電気デバイスの例は、燃料生成システム及び自動車用途で使用されるデバイスを含み得る。
放熱デバイス３６は、冷却媒体のソース（源）４０を含み得る。ソース４０は、冷却流体を供給するリザーバ、コールドウォール、エアホース、流体ホース、ヒートシンク、コネクタ、又はファンとし得る。放熱デバイス３６に好適な如何なる冷却源が使用されてもよい。冷却源は、ポンプ駆動されるソースとし得る。放熱面３８は、従来のエレクトロニクスモジュール２０においてのように、回路バンプ４２及びＭＭＩＣ４４を含み得る。図１の従来モジュール２０とは対照的に、放熱デバイス３６は、アディティブ製造プロセスによって放熱面３８上に直にプリント又は形成された冷却機構４６を含んでいる。プリントによる冷却機構は、多階層での流体経路ルーティングを可能にするように、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ若しくはプロセッサなどのダイ、デバイスパッケージ若しくはオーバーモールドされたデバイスの上で、又は回路カードアセンブリレベルでなど、回路アセンブリ階層構造の複数の階層で実装され得る。
冷却機構４６は、放熱面３８又は放熱デバイス３６を改変することなく、冷却機構４６のフィーチャが放熱面３８上に直に付与されるように、アディティブ製造によって形成される。冷却機構４６は、例えば流体通路、チャネル、開口、導管、ダクト、ノズル、又はガイドなどの、クーラント用の少なくとも１つの中空フィーチャを含み得る。クーラントは、固体、液体、気体、プラズマ、又は複数材料の好適な混合物とし得る。例示的な一構成において、クーラントは、例えば溶解されるワックスのように、相変化し得る。クーラントの選択は、放熱面３８に依存し得る。クーラントが流体又はその他の移動クーラントである一構成において、クーラントは、それが放熱デバイス３６の放熱面３８に直に送達されるように、冷却機構４６を流れ抜け得る。ソースは、冷却機構４６が強制対流ループを含むようにポンプ駆動されるソースとし得る。クーラントが固体である一構成において、クーラントは、放熱デバイス３６との直接的な熱接触のために、冷却機構４６の中に配置され得る。
更なる他の例示的な一構成において、放熱デバイス３６は、冷却機構４６の構造と同様の構造を持つ加熱機構を含んでいてもよい。加熱機構は、デバイス３６の少なくとも１つの表面に熱を送達するように構成され得る。加熱機構は、その表面に加熱媒体を送達するように構成された少なくとも１つの通路を含み得る。加熱機構は、加熱媒体が被加熱表面と直に熱接触するように、デバイス３６上に直にプリントされてデバイス３６に流体的に封止され得る。
アディティブ製造された冷却機構４６は、放熱面３８を冷却するのに好適な如何なる構成で形成されてもよい。例えば、冷却機構４６は、例えば放熱面３８と連通したチャネル４８など、少なくとも１つの中空フィーチャを含み得る。中空フィーチャは、追加の材料を使用せずに、支持されていなくてもよいが、そのような支持が必要とされる場合には、中空フィーチャを補強又は支持するために何らかの好適な形状が使用されてもよい。中空フィーチャは、当該中空フィーチャの内表面又は外表面でコーティングされ得る。このコーティングは、如何なる好適材料で形成されてもよい。少なくとも１つのチャネル４８は、放熱デバイス３６のＭＭＩＣ部分の長さに沿って延在するマイクロサイズのチャネルとし得る。冷却機構４６は、マイクロチャネル４８内に含められてクーラント源４０と流体連通した少なくとも１つのマイクロサイズのホース又はマイクロホース５０を含み得る。該少なくとも１つのマイクロホース５０は、流体供給経路５２として機能する注入ホース５２と、流体戻り経路５４として機能する排出ホース５４とを含み得る。供給経路５２及び戻り経路５４は、どちらも放熱デバイス３６を横切って延在するように構成された別々のホースとし得る。これら少なくとも１つのマイクロホース５０、５２、５４は、やはりソース４０と流体連通しているコネクタ５６と流体連通し得る。コネクタ５６は、接続金具、弁、又は何らかの適切な接続デバイスとし得る。クーラントが流体の形態である一構成において、コネクタ５６はまた、クーラントの流れを調整及び／又は測定するための圧力計、スイッチ、又はその他の流体調整デバイスと流体連通し得る。
放熱面３８上に直に冷却機構４６を形成することは、追加の嵩張るコンポーネントを排除し得るとともに、標準的な接続金具を冷却源４０と冷却機構４６との間での使用のために適応させ得る点で有利である。例えば、冷却機構４６は、図１の従来モジュール２０で使用されるようなヒートスプレッダ３２、自動ボンド層３０、及び／又は熱インタフェース３４の必要性を排除し得る。故に、放熱構造の全重量が有意に低減され得る。冷却機構４６を形成するのにアディティブ製造プロセスを使用することはまた、冷却機構４６の小さくて複雑な中空幾何学構成が放熱面３８上に形成され得る点で有利である。アディティブ製造は、放熱デバイス３６を通る蛇行した一体化流体通路を有する冷却機構４６を形成することを可能にし得る。アディティブ製造はまた、複雑な形状又は小さいサイズを有し得る放熱デバイス３６の多数の表面上に冷却機構４６を形成することを可能にする。
放熱デバイス３６内に冷却機構４６を実装することの別の１つの利点は、従来モジュール２０と比較して、放熱デバイス３６が、同じ容積又はより小さい容積の放熱デバイス３６又はエレクトロニクスモジュールの中に収容され得ることである。冷却機構４６を使用することの更に別の１つの利点は、放熱面３８に直にプリントされている冷却機構４６が、クーラントが放熱面３８に直に接触することを可能にすることである。冷却機構４６は、追加の接合プロセス又は材料を用いることなく、放熱面３８に流体的に封止される。従来モジュール２０と比較して、デバイスに直接的に流体を送達することは、およそ２倍大きいパワーが放熱デバイス３６から出力されることを可能にし得る。例示的な一構成において、アディティブ製造された冷却機構を有する放熱デバイス３６の電力消散は２２０ワットほどの高さ又はそれよりも高くなり得る。放熱デバイス３６の電力消散は用途に依存し得る。
更に図３及び４を参照するに、供給経路５２及び戻り経路５４は、チャネル４８内に配置され得る。図３に示されるように、供給経路５２及び戻り経路５４は、供給経路５２及び戻り経路５４の各々がクーラント源及び被冷却面と流体連通するように、互いに平行に配置され得る。他の一構成において、供給経路５２及び戻り経路５４は、単一のクーラントが供給経路５２及び戻り経路を連続して通って流れることができるように、互いに直列に配置されてもよい。平行経路は、チャネル４８中での低い圧力降下、ひいては、高い冷却効率を可能にする。また、平行な供給及び戻りルーティングはまた、アセンブリを横切っての温度勾配を排除する。チャネル４８は、およそ０．２５０センチメートルの直径を有し得るが、チャネルは如何なる好適な直径を有していてもよく、直径はマイクロホースの直径に依存し得る。マイクロホース５２、５４の寸法は、流れ及び圧力降下に関して最適化され得る。マイクロホース５２、５４の好適な直径の例は、０．０２５センチメートルと０．１０２センチメートルとの間の範囲に入り得るが、より小さい直径及びより大きい直径も達成可能である。マイクロホースは、０．０１２センチメートルの壁厚を有し得るが、厚さは、０．００１ｃｍ以下と最大０．１ｃｍ以上との間で、より小さくてもよいし、より大きくてもよい。マイクロホースの寸法は、特定のパワー出力を達成するように選定され得る。マイクロホース５２、５４は、毎秒６ミリリットルと７ミリリットルとの間である冷却媒体の流量を達成するように形成され得るが、マイクロホース（供給経路及び戻り経路）５２、５４は、如何なる好適な圧力降下及び／又は流量を達成するように寸法を定められてもよい。低い流量は、一般に、高い熱流束レベルを拒絶し得る。マイクロホース５２、５４はまた、特定の温度を持つ冷却媒体をサポートするように構成され得る。マイクロホースの例示的な一構成において、注入ホース５２に入って来るクーラントの温度はおよそ摂氏４５度とすることができ、排出ホース５４を出て行くクーラントの温度はおよそ摂氏５５度とすることができる。マイクロホースは、使用されるクーラント及び放熱デバイス３６の特定の用途に応じて、他のクーラント温度に合わせて構成されてもよい。
更に図５Ａ−６Ｂを参照するに、マイクロホースは、如何なる好適形状を有していてもよく、形状は用途に依存し得る。マイクロホースは、全て同じ又は異なる形状を有し得る。チャネル４８も、マイクロホースの形状と相補的な形状を有するように形成され得る。例示的な構成を図５Ａ及び５Ｂに示す。図５Ａに示すように、チャネル４８は、チャネル４８中を延在する菱形形状の開口５０を有するように形成され得る。菱形の形状をした開口５０の高さは、およそ１ミリメートルとし得るものであるチャネル４８の高さよりも小さいとし得る。チャネル４８及び開口５０は、如何なる好適な寸法を有していてもよい。チャネル４８は、互いに平行に配置される注入マイクロホース及び排出マイクロホースの双方を含むために、およそ０．０１２センチメートルの幅を有し得る。チャネル４８内の開口５０の全てが同じ形状を有していてもよく、マイクロホースは相補的な形状を有し得る。図５Ｂに示すように、マイクロホースは、例えば半円形５８、菱形６０、又は円形６２などの異なる形状を有していてもよい。別の１つの好適形状は五角形の形状とし得る。
図６Ａ及び６Ｂに示すように、マイクロホースは、放熱面３８上にプリントされた三角形の形状６３を有していてもよい。図６Ｂに示すように、放熱面は、プリント配線板２２とし得る。チャネル４８及びマイクロホースは、プリント配線板２２に直接的にプリントされ得る。チャネル４８は、コネクタ５６を介してクーラント源と連通し得る。
次に図７−９Ｂを参照するに、放熱デバイス３６は、プリント配線板２２の頂部上で互いに平行に配置され且つ離間された、例えば複数のＭＭＩＣなどの、複数の回路デバイス４４を含み得る。図７に示すように、複数のＭＭＩＣ４４の各々に対して平行にチャネル４８の供給経路５２及び戻り経路５４が配置され得る。図８に示すように、別の好適な一構成は、各経路の冷却媒体が他経路の冷却媒体を混ざらないように互いに重なり合う又は交差する供給経路５２及び戻り経路５４を含み得る。図９Ａ及び９Ｂに最もよく示されるように、チャネル４８は、チャネル４８の経路が蛇行する、巻かれる、又は遠回しされるであり得るように、複数のＭＭＩＣ４４の各々の上及び／又は周りに形成され得る。
図９Ｂに最もよく示されるように、プリントによる冷却機構は、例えば異なる高さ及び構成の表面上など、放熱デバイス３６の様々なトポグラフィ上に配置され得る。例えば、プリント配線板２２は頂面６４を有することができ、頂面６４上に複数の回路デバイス４４が配置され得る。複数の回路デバイス４４の各々もまた、プリント配線板２２の頂面６４よりも高くなった頂面６６を有し得る。チャネル４８は、チャネル４８が頂面６４、６６の各々と熱接触するように、プリント配線板２２及び回路デバイス４４の頂面６４、６６の各々にプリントされ得る。チャネル４８はまた、チャネル４８が第１の水平表面を横切って、すなわち、プリント配線板２２の頂面６４を横切って進み、垂直表面に沿って、すなわち、回路デバイス４４の側面６８に沿って進み、そして、第２の水平表面を横切って、すなわち、回路デバイス４４の頂面６６を横切って進むように、デバイス４４又はプリント配線板２２の端面又は側面６８にもプリントされ得る。チャネル４８は、放熱デバイス３６に巻き付くように形成されてもよい。チャネル４８はまた、複数の回路デバイス４４上に直接的にプリントされたマイクロホースを含み得る。
放熱デバイス３６を形成する方法は、アディティブ製造プロセスを用いて、放熱デバイス３６の放熱面３８上に直に冷却機構４６を形成することを含む。冷却機構４６は、放熱デバイス３６の形成中に形成されることができ、アディティブ製造プロセスは、如何なる好適プロセスを含んでいてもよい。好適プロセスの例は、３Ｄプリント、ディスペンス、リソグラフィ、原子層成長、ステンシル印刷若しくはスクリーン印刷、溶融堆積モデリング、スタンプ転写、気相堆積、焼結、過渡液相焼結、ラミネーション、めっき、浸漬、ブラシコーティング、又はスプレイコーティングを含む。マイクロホース５０は、例えばポリイミド、ベンゾシクロブテン、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリル系プラスチック（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、又は熱に耐え得るその他の好適ポリマー材料などの、電気的に適合する材料で形成され得る。例えばパイララックス（Ｐｙｒａｌｕｘ；デュポン社の登録商標）などの、アクリル系接着剤を有するポリイミドは、１つの好適材料であるとすることができ、ラミネーションは、１つの好適プロセスであるとすることができる。冷却機構のマイクロホース及びその他のフィーチャは、アディティブ製造に好適な如何なる材料で形成されてもよい。好適材料の例は、他のポリマー材料、金属材料、エポキシ、誘電体材料、セラミック材料、エアロゲル、はんだ付けに典型的に使用される合金、発泡体、炭化水素、半導体、及び複合材料を含む。更なる他の好適材料は、ガラス、水晶、アモルファス材料、メッシュ材料、及び半導体を含む。
マイクロホースがポリマーで形成される一構成において、この方法は、ブランクの回路カード上に直にマイクロホース５０をプリントすることを含み得る。従来からの３Ｄプリンタを用いてポリマーをディスペンスし得る。このプリンタが、ポリマー接着剤を作製するのに好適な温度で動作可能であるとし得る。好適な動作温度は、摂氏２１０度と摂氏２５０度との間とし得るが、ポリマー材料に応じて、その他の温度が好適であることもある。エポキシ系ポリマーを硬化させるために紫外線が使用され得る。
図９Ｂに示すように、この方法は更に、例えばプリント配線板２２の頂面６４などの放熱デバイスの第１の放熱面上に冷却機構をプリントすることを含み得る。この方法は更に、例えばＭＭＩＣ４４の頂面６６などの放熱デバイスの第２の放熱面上に冷却機構をプリントすることを含み得る。冷却機構は、双方のコンポーネントに直にクーラントが送達されるように、プリント配線板２２及びＭＭＩＣ４４の双方と同時に熱接触し得る。先述のように、頂面６４、６６はまた、冷却機構の経路が放熱デバイス３６の周りで曲がるように、様々な高さを有していてもよい。
次に、図１０Ａ−１０Ｄを参照するに、アディティブ製造法は、冷却機構の中空フィーチャを形成するために、犠牲成形材料の上にポリマーコーティングを塗布することを含み得る。犠牲成形材料７０は、アディティブ製造プロセスの間、例えば流路又はチャネル４８などの中空フィーチャを画成して維持するために使用され得る。アディティブ製造プロセスによって所望のフィーチャが形成された後、犠牲材料７０が除去され得る。例えば、チャネル４８の垂直に延在する壁６９は、層ごと（レイヤ・バイ・レイヤ）のアディティブ製造プロセスで構築されることができ、チャネル４８の所望の形状を形成するために犠牲材料７１がディスペンスされ得る。犠牲材料は、３Ｄプリンタ、ディスペンスシステム、シリンジ、例えばチューブ若しくはボトルなどの手動ディスペンス機構、光パターニング、ステンシル印刷、又は表面上にパターンを形成するのに好適な何らかの方法を用いて施され得る。犠牲材料は、溶解、化学溶液を用いた分解、又は力若しくは圧力による物理的な置き換えによって除去され得る。犠牲材料は、ポリマー、ワックス、金属、金属合金、炭化水素、プラスチック、又は何らかの好適材料とし得る。
図１０Ａに最もよく示されるように、犠牲材料７０は、チャネル４８又は冷却機構の他の中空フィーチャを画成するために、様々な直径のビーズを形成するペーストとしてディスペンスされ得る。チャネル４８の外装部分を形成するために、ビーズの上に誘電体ペースト７１がディスペンスされ得る。誘電体ペースト７１は、犠牲ペースト７０と完全に混ざることなく、ビーズの形状に従うことができ、犠牲ペースト７０を除去することを可能にする。図１０Ａに示すように、チャネル４８は、湾曲形状７０ａを有するように形成され得るが、如何なる好適形状が形成されてもよい。チャネル４８は、直線状であってもよいし、又は変化する直径を有してもよい。チャネルは、Ｔ字形状又はＹ字形状の交差を有していてもよい。図１に示すように、図１０Ｂ−１０Ｄに示すように、犠牲ペーストはまた、自己支持構造を形成し得る。例えば、犠牲ペースト７０は、図１０Ｂに示すようなピラー７０ｂ、図１０Ｃに示すような螺旋７０ｃ、又は図１０Ｄに示すようなクロスオーバ７０ｄを形成し得る。チャネル４８は、１０ミリメートルと１５ミリメートルとの間の範囲の直径を有し得るが、如何なる好適な直径が形成されてもよい。誘電体ペースト７１はおよそ摂氏１００度の融点を有し、その結果、当該誘電体ペーストは、紫外線を用いて硬化されることができ、そして、狭いチャネルから犠牲ペースト７０が取り除かれ得る。
次に、図１１を参照するに、プリントされたマイクロホース５０と放熱デバイス３６又はエレクトロニクスモジュール内の放熱面３８との間に形成される境界面の更なる細部が、模式図によって示されている。放熱面３８は、前述したように、複数のＭＭＩＣ４４及び回路バンプ４２を含み得る。放熱面３８の少なくとも一部が窒化ガリウムで形成されることがある。これまた先述したように、チャネル４８がＭＭＩＣ４４に直にプリントされて、クーラントが放熱面に対して流体的に封止されることを可能にしている。チャネル４８は、マイクロサイズとすることができ、チャネル４８を画成する垂直に延在した壁６９を有している。マイクロサイズのチャネルは、シリコン又はアディティブ製造に適した何らかの材料で形成され得る。
次に、図１２を参照するに、アディティブ製造される冷却機構４６の別の例示的な一構成が、放熱デバイス３６内に示されている。放熱デバイス３６は、チップレベル又はウエハレベルで供給経路及び戻り経路を含んだ流体チャネルを有するＭＭＩＣチップの形態であるとし得る。ＭＭＩＣチップは、例示的なデバイスであり、如何なる他の好適な放熱デバイスが使用されてもよい。冷却機構４６は、マイクロ流体ＭＭＩＣチップ内冷却のために実装され得る。放熱面すなわちＭＭＩＣ４４は、シリコン流体マニホールド７２と、イオン又は化学エッチングプロセスによって形成されたチップ内マイクロチャネル７４とを含み得る。流体マニホールド７２は、流体を短い流れ長さのマイクロチャネル７４に分配し、熱伝達性能及び熱流体効率を最大化する。マイクロチャネル７４は各々、２０ミクロンと３０ミクロンとの間の厚さを有し得る。マイクロチャネル７４は、高電子移動度トランジスタの熱流束を管理可能なレベルまで広げるとともに、高いフィン効率を提供して、対流熱抵抗を最小化する。ＭＭＩＣ４４は、増大されたパワー密度の電界効果トランジスタ７８を含み得る。
１つ以上の特定の好適実施形態に関して本発明を図示して説明してきたが、明らかなことには、本明細書及び添付の図面を読んで理解した当業者には、等価な代替及び変更が思い浮かぶことになる。特に、上述の要素（コンポーネント、アセンブリ、装置、組成など）によって実行される様々な機能に関して、そのような要素を記述するために使用される用語（“手段”への参照を含む）は、特段の断りがない限り、ここに例示した本発明の１つ以上の実施形態においてその機能を果たす開示構造とは構造的に等価でないとしても、記述される要素の指定機能を実行する（すなわち、機能的に等価な）如何なる要素にも対応することが意図される。また、本発明の或る特定の機構は、例示した幾つかの実施形態のうちの１つ以上に関してのみ上述されているかもしれないが、そのような機構が、所与又は特定の用途に関して望ましくて有利であるように、他の実施形態の１つ以上の他の機構と組み合わされてもよい。

Claims (20)

  1. 少なくとも１つの放熱面と、
    前記少なくとも１つの放熱面上に直に形成された冷却機構と
    を有し、
    前記冷却機構は、冷却媒体を搬送する少なくとも１つの流体通路を含み、且つ
    前記冷却機構は、前記少なくとも１つの放熱面に流体的に封止され、前記冷却媒体は、前記放熱面と直に熱接触する、
    放熱デバイス。
  2. 前記少なくとも１つの流体通路は、少なくとも１つの流体供給経路と少なくとも１つの流体戻り経路とを含み、前記少なくとも１つの流体供給経路が、前記放熱面に前記冷却媒体を送達する、請求項１に記載の放熱デバイス。
  3. 前記少なくとも１つの流体供給経路及び前記少なくとも１つの流体戻り経路は、互いに平行である、請求項２に記載の放熱デバイス。
  4. 前記少なくとも１つの流体供給経路及び前記少なくとも１つの流体戻り経路は、前記少なくとも１つの流体供給経路及び前記少なくとも１つの流体戻り経路の各々の前記冷却媒体を混ぜることなく、重なり合うように構成されている、請求項２又は３に記載の放熱デバイス。
  5. 前記冷却機構は、アディティブ製造された少なくとも１つのマイクロホースを含む、請求項１乃至４の何れかに記載の放熱デバイス。
  6. 前記冷却機構は、流体供給マイクロホースと流体戻りマイクロホースとを含んだチャネルを含み、前記流体供給マイクロホースが、前記放熱面に前記冷却媒体を送達する、請求項５に記載の放熱デバイス。
  7. 前記少なくとも１つのマイクロホースは、ポリイミド、エポキシ、ウルテム、ベンゾシクロブテン、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリル系ポリマー、又はポリ乳酸で形成されている、請求項５又は６に記載の放熱デバイス。
  8. 当該放熱デバイスは、第１の放熱面と、該第１の放熱面上に配置された第２の放熱面とを含み、前記少なくとも１つの流体通路は、前記第１の放熱面及び前記第２の放熱面の上に配置されている、請求項１乃至７の何れかに記載の放熱デバイス。
  9. 前記第１の放熱面及び前記第２の放熱面の各々が、水平部分及び垂直部分を含み、前記少なくとも１つの流体通路は、前記第１の放熱面及び前記第２の放熱面の各々の前記水平部分及び前記垂直部分に沿って延在し、前記少なくとも１つの流体通路は、当該放熱デバイスに巻き付いている、請求項８に記載の放熱デバイス。
  10. 前記冷却機構は、前記少なくとも１つの流体通路を画成する外壁を含み、該壁は、三角形、五角形、菱形、円形、又は半円形である形状を有する、請求項１乃至９の何れかに記載の放熱デバイス。
  11. 当該放熱デバイスは、前記少なくとも１つの流体通路を介して前記放熱面と連通した少なくとも１つのポンプ駆動クーラント源を含む、請求項１乃至１０の何れかに記載の放熱デバイス。
  12. 当該放熱デバイスは、
    少なくとも１つの被加熱面と、
    前記少なくとも１つの被加熱面に直に形成された加熱機構と
    を含み、
    前記加熱機構は、加熱媒体を搬送する少なくとも１つの流体通路を含み、且つ
    前記加熱機構は、前記少なくとも１つの被加熱面に流体的に封止され、前記加熱媒体は、前記少なくとも１つの被加熱面と直に熱接触する、
    請求項１乃至１１の何れかに記載の放熱デバイス。
  13. 少なくとも１つの能動回路又は受動回路を有するプリント回路基板であって、
    プリント配線板と、
    冷却媒体源と、
    前記プリント配線板に直にプリントされた冷却チャネルであり、当該冷却チャネルは、前記冷却媒体源と前記プリント配線板との間で流体連通した流体供給マイクロホース及び流体戻りマイクロホースを含み、前記流体供給マイクロホースが、前記プリント配線板に直に冷却媒体を送達する、冷却チャネルと、
    を有するプリント回路基板。
  14. 当該プリント回路基板は更に、前記プリント配線板上に配置されたモノリシックマイクロ波集積回路を含み、前記冷却チャネルは、前記プリント配線板及び前記モノリシック集積回路の上に延在する蛇行経路を有する、請求項１３に記載のプリント回路基板。
  15. 放熱デバイスを形成する方法であって、
    アディティブ製造プロセスを用いて、前記放熱デバイスの放熱面上に直に冷却機構を形成する
    ことを有し、
    前記冷却機構は、前記放熱面に冷却媒体を搬送する少なくとも１つの流体通路を含み、且つ
    前記冷却機構は、前記冷却媒体と前記少なくとも１つの放熱面との間の直接的な熱接触のために、前記少なくとも１つの放熱面に流体的に封止される、
    方法。
  16. 前記アディティブ製造プロセスを用いることは、３Ｄプリント、ディスペンス、リソグラフィ、原子層成長、ステンシル印刷若しくはスクリーン印刷、溶融堆積若しくは気相堆積、スタンプ転写、焼結、及びラミネーションのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記冷却機構を形成することは、流体供給マイクロホース及び流体戻りマイクロホースを含んだチャネルを形成することを含み、前記流体供給マイクロホースは、前記少なくとも１つの放熱面に前記冷却媒体を送達するように構成される、請求項１５又は１６に記載の方法。
  18. 前記チャネルを形成することは、互いに平行であるように前記流体供給マイクロホース及び前記流体戻りマイクロホースを形成することを含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記放熱デバイスを形成することは、プリント回路基板アセンブリを形成することを含む、請求項１５乃至１８の何れかに記載の方法。
  20. 当該方法は更に、
    回路基板のプリント配線板上に前記冷却機構をプリントすることと、
    前記プリント配線板上に配置された第２の回路デバイス上に前記冷却機構をプリントすることと
    を含み、
    前記冷却機構は、前記プリント配線板及び前記第２の回路デバイスと同時に熱接触する、
    請求項１９に記載の方法。
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