JP2021518990A - 回路支持および冷却構造 - Google Patents

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Abstract

MMIC支持および冷却構造は、複数の表面を有する3次元熱伝導性支持構造と、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の第1の部分に配置され、前記複数の表面の第2の部分に配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、を有する。

Description

本願は、全般に、回路支持および冷却構造に関する。
従来から、ガリウムヒ素化合物、ガリウム窒化物、または炭化ケイ素のような基板を含む、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）のような電気回路の冷却に使用されるある技術が知られており、基板は、該基板の上部表面の半導体領域に形成される、トランジスタのようなアクティブ熱発生装置、ならびに基板の上部表面に形成される伝送線路、レジスタ、インダクタ、およびキャパシタのようなパッシブ装置、を有する。図1A乃至1Cに示すように、MMIC基板の底部表面は、パッケージベース／冷却板のような高熱伝導性構造に接合され、これと熱的に結合される。MMIC（ダイ）は、通常、MMICよりも僅かに大きい、熱伝導性構造の上部の平坦な表面に取り付けられる。図1Aに示すように、ある場合には、MMICは、はんだのような熱インターフェース材料（TIM）を用いて、ベース／冷却板を有する熱伝導性構造と直接固定（接合）される。
また、図1Cに示すように、従来から、熱分解グラファイトシート（PGS）グラファイトは、熱伝導性構造として使用されることが知られている。ここで、PGSグラファイトは、ヒートシンクまたは冷却板と、熱源の間に配置される。ヒートシンクと熱源の双方が、PGSグラファイトと熱的に結合される。PGSグラファイトは、異方性の熱伝導特性を有し、熱は、PGSグラファイトの基底面を通って伝導する。ここで、基底面は、熱源の平坦な上部表面と平行な面内に配置され、PGSグラファイトは、これに取り付けられる。すなわち、PGSグラファイトの基底面は、熱源の上部表面、およびヒートシンクの底部表面と平行である。従って、PGSグラファイトを通って流れる熱の好適な方向は、異方性の熱伝導特性を示し、熱は、熱源の上部表面およびヒートシンクの底部表面に平行な方向に沿って伝導する。また、発明者Reisらの2017年12月4日に発行された米国特許第7,303,005号参照。また、2003年6月26日に発行された米国特許出願公開第2003／0116312 A1号参照。
また、従来から知られているように、ダイアモンドのような超高伝導熱伝導性構造がしばしば使用される。しかしながら、これらの熱伝導性構造は、高コストであり、ダイアモンドの低い熱膨張は、インターフェース材料に望ましくない機械的歪みを形成し、および／またはダイアモンドから、装置側のSiまたはSiCのような通常の高膨張セラミックスまでの熱膨張のミスマッチに対処する低熱伝導特性の応力吸収材料が必要となる。また、熱伝導ベース用の銅またはアルミニウムのような金属が必要となる。
また、従来から知られているように、多くの用途において、MMICのマウントに使用される表面積の量を最小化することが望ましい。例えば、ある用途では、MMICは、積層印刷回路の表面にマウントされ、印刷回路基盤同士は、基盤を垂直に貫通する垂直伝導性ビアにより、電気的に相互接続される。ある用途では、熱伝導性ビアが使用され、MMICの電力発生部材から、熱が除去される。そのような熱は、積層印刷回路基盤の最底部の底部にマウントされた冷却板を通り、MMICおよび装置は、横方向に配置され、これにより各種印刷回路基盤表面積が使用される。
また、従来から知られているように、Doug Gries、「フォトニックス適用マイクロエレクトロニクスプロセス：レーザ誘導構造は、低コストD集積回路を形成する」、2010年10月10日、Laser Focus World，Pennwell Corporationの論文において、3次元モールド相互接続装置が報告されている。Ali Darwish、Amin Ezzeddine、「3次元伝送線路およびパワー分割回路」，ナノスケール時代における集積システムの設計および技術，2009，DTIS’09．4th International Conference，2009年4月6-9日，IEEE Xplore：2009年5月15日参照。
本開示では、構造が提供される。当該構造は、複数の表面を有する3次元熱伝導性支持構造と、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の第1の部分に配置され、前記熱伝導性支持構造の複数の表面の第2の部分に配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、を有する。
そのような配置では、回路の表面積が減少し、3次元熱伝導性支持構造を使用することにより、回路の熱発生電気部材により生じた熱が除去される。
ある実施形態では、前記熱伝導性材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、前記好適面は、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の第1の部分と交差する。
ある実施形態では、熱異方性材料は、複数の表面に配置された伝導性材料を有する。
ある実施形態では、伝導性材料は、マイクロ波伝送線路用のグラウンドプレーン導体を提供する。
ある実施形態では、熱発生電気部材は、伝導性材料と熱的に結合され、接合された底部表面を有する。
ある実施形態では、ヒートシンクは、複数の表面の一つに熱的に結合される。
ある実施形態では、構造が提供される。当該構造は、入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路を有する基板と、複数の表面を有する3次元熱伝導性支持構造と、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の異なるものに配置され、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の異なるものに配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、を有し、前記回路は、前記入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路に電気的に接続される。
ある実施形態では、冷却構造が提供される。当該冷却構造は、熱異方性材料を有するヒートスプレッダであって、そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有する、ヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第1の部分の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の異なるものに配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、を有する。
ある実施形態では、前記熱発生電気部材を有する前記複数の表面は、前記熱異方性材料の好適面と交差する。
ある実施形態では、前記熱異方性材料は、前記複数の表面に設置された伝導性材料を有する。
ある実施形態では、前記伝導性材料は、前記マイクロ波伝送線用のグラウンドプレーン導体を提供する。
ある実施形態では、前記熱発生電気部材は、前記伝導性材料と熱的に結合され、接合された底部表面を有する。
ある実施形態では、当該冷却構造は、前記複数の表面の一つに熱的に結合されたヒートシンクを有する。
ある実施形態では、冷却構造が提供される。当該冷却構造は、上部表面に配置された複数のマイクロ波伝送線路、および貫通する開口を有する基板を有する。上部表面に形成された穴を有する冷却板は、前記上部表面は、前記基板の底部表面と熱的に結合される。熱異方性材料を有するヒートスプレッダが提供され、そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有する。前記ヒートスプレッダは、前記開口を貫通し、前記穴の底部表面に達する下側部分を有する。前記ヒートスプレッダの上側部分には、回路が配置され、該回路は、前記ヒートスプレッダの複数の表面の第1の部分の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第2の部分に配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有し、前記好適面は、前記ヒートスプレッダの複数の表面の前記第1の部分と交差する。
ある実施形態では、基板は、入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路を有し、前記回路は、前記入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路と電気的に接続される。
本開示の実施例の1または2以上の詳細は、以下の添付図面および詳細な説明に記載されている。本開示の他の特徴、目的、および利点は、詳細な説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかとなる。
従来技術によるモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の概略的な断面図である。 従来技術によるモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の概略的な断面図である。 従来技術によるモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の概略的な断面図である。 従来技術による熱分解グラファイトシート（PGS）グラファイト熱スプレッダを用いた冷却システムの概略的な断面図である。 本開示による冷却構造の単純化された概略的な斜視図である。 本開示による冷却構造の単純化された概略的な斜視図である。 本開示による冷却構造の単純化された概略的な斜視図である。 本開示による冷却構造の単純化された概略的な斜視図である。 本開示による図2Aに示した冷却構造の拡大部分である。そのような部分は、図2Aにおける2A’−2A’で表された矢印で囲まれている。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造の熱ヒートスプレッダ上に形成された回路の概略的なブロック図である。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造の簡略化された概略的な図である。 本開示による図3Aおよび3Bの熱ヒートスプレッダの概略的な分解斜視図である。図2A乃至2Dの冷却構造の熱ヒートスプレッダのそのような素子の底部表面の一部を示すため、素子の一つの一部は、部分的に分解されている。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造の概略的な分解斜視図である。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造の単純化された側面図である。本開示による図2A乃至2Dの冷却構造に流れる熱流が示されている。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造の単純化された側面図である。本開示による図2A乃至2Dの冷却構造に流れる熱流が示されている。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造の単純化された側面図である。本開示による図2A乃至2Dの冷却構造に流れる熱流が示されている。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造の単純化された側面図である。本開示による図2A乃至2Dの冷却構造に流れる熱流が示されている。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造を製造するために使用される方法のフロー図である。 本開示による図2A乃至2Dの冷却構造を製造するために使用される方法のフロー図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の製造に使用される方法を理解する上で有益な概略図である。 図2A乃至2Dの冷却構造の一部の概略的な断面図である。本開示によるそのような方法における各種ステップでのヒートスプレッダの側面に取り付けられた、部分的に分解された一例としての電気部材に、図4のヒートスプレッダのマイクロ波伝送線路を電気的に相互接続するために使用される方法が示されている。 図2A乃至2Dの冷却構造の一部の概略的な断面図である。本開示によるそのような方法における各種ステップでのヒートスプレッダの側面に取り付けられた、部分的に分解された一例としての電気部材に、図4のヒートスプレッダのマイクロ波伝送線路を電気的に相互接続するために使用される方法が示されている。 本開示によるヒートスプレッダの4つの側部への構成に適用されたHブリッジ回路の概略的なブロック図である。 本開示による冷却構造の単純化された概略的な斜視図である。 本開示による冷却構造の単純化された概略的な斜視図である。
各種図面において、同様の参照符号は、同様の素子を表す。
図2A乃至2D、図3A、図3B、および図5を参照すると、アクティブな熱発生電気部材を冷却する冷却構造10が示されている。アクティブな熱発生電気部材は、ここでは例えば、一組の電界効果トランジスタ（FET）MMIC電力増幅器12a、12bであり、ここでは例えば、パワースプリッタ14およびパワーコンバイナ16である、パッシブ回路または電気部材の間に、それぞれ、マイクロ波伝送線路17a、17b、およびマイクロ波伝送線路17c、17dにより接続され、図3に示すような、電気回路18の一部が形成される。MMIC電力増幅器12a、12b、パワースプリッタ14、パワーコンバイナ16、およびマイクロ波伝送線路17a、17b、17c、17dは、図4に詳細に示されるように、ヒートスプレッダ24上に配置される。ただし、図4に関連して詳しく示すように、ここでは、MMIC電力増幅器12a、12bの組は、熱的に結合されたヒートスプレッダ24を介して、冷却構造10のヒートシンク／冷却板19と熱的に結合されることが留意される。
特に、再度図2A、2Bを参照すると、パワースプリッタ14は、従来の4ポートパワースプリッタであり、ヒートスプレッダ24の側部1（SIDE1）に配置される。一つのポートは、伝送線路17eのRF入力信号により供給され、第2のポートは、マイクロ波伝送線路17fを介して、ヒートスプレッダ24の側部1に配置された、従来の整合インピーダンス端子（ターミネータ）20aに接続される。出力ポートの組において、各々は、それぞれ、マイクロ波伝送線路17a、17bの組を介して、それぞれ、ヒートスプレッダ24の対向する側部2および側部4に配置された、MMIC電力増幅器12a、12bの組の対応する一つに結合される。MMIC電力増幅器12a、12bの各々の出力は、入力として、ヒートスプレッダ24の側部3に配置された、従来の4ポートパワーコンバイナ16に結合され、図に示すように、ここでは従来の4ポートパワーコンバイナ16（ここでは、ヒートスプレッダ24上に配置される）は、それぞれ、マイクロ波伝送線路17c、17dを介した一組の出力ポートを有する。図のように、出力ポートの組の一つは、マイクロ波伝送線路17gのRF出力信号を提供し、他方は、マイクロ波伝送線路17hを介して、ヒートスプレッダ24の側部3に配置された、従来の整合ターミネータ20bに接続される。ここで、マイクロ波伝送線路17a−17hは、マイクロストリップ伝送線路である。ここで図5を参照すると、ヒートスプレッダ24の底部は、印刷回路基盤13の開口29を貫通することが留意される。印刷回路基盤13は、誘電体基板22、および該基板22の底部表面上のグラウンドプレーン導体23を有する。印刷回路基盤13は、その上部表面に形成される。伝送線路17e’は、ヒートスプレッダ24の側部1に形成されたマイクロ波伝送線路17e’’に接続され、伝送線路17 e’および接続された伝送線路17e’’は、入力伝送線路17eを形成し、伝送線路17g’は、ヒートスプレッダ24の側部3に形成された伝送線路17g’’に接続され、伝送線路17g’および接続された伝送線路17g’’は、入力伝送線路17gを形成する。
図5により詳しく示すように、ヒートスプレッダ24の底部は、印刷回路基盤13の開口29を貫通し、冷却板19の上部表面33の一部に形成された穴15の底部表面31に至る。図2A1に示すように、はんだまたは熱伝導性接着剤53（図2A、2A1）のような、好適な熱インターフェース材料（TIM）が使用され、冷却板の上部表面33がグラウンドプレーン導体23に接合され、ヒートスプレッダ24の底部表面および側壁の下側部分は、穴15の側壁および底部表面に接続される。ここではマイクロストリップ伝送線路である、マイクロ波伝送線路17e’および17g’は、誘電体基板22、および該誘電体基板22の底部表面に配置されたグラウンドプレーン導体23の上部表面の一部に配置されたストリップ導体21aにより、印刷回路基盤13上に形成される。
本例において、ヒートスプレッダ24は、複数の側部を有する3次元熱伝導性支持構造であり、ここでは、例えば、熱分解グラファイトである6側面熱異方性材料28を有する、6側面構造であり、図4に詳しく示されている。本例では、熱分解グラファイトは、Y-Z平面に配置された破線30で示された基底面を有し、すなわち本例では、熱異方性材料28の上部表面32および底部表面34に垂直である。従って、ヒートスプレッダ24は、異方性の熱伝導特性を有し、熱は、好適面（基底面30）に沿って伝導する。本例では、ヒートスプレッダ24の4つの垂直側部（サイド1、サイド2、サイド3、サイド4）、および熱異方性材料28は、矩形状であり、ここではZ軸に沿った長さは、X軸またはY軸に沿った長さよりも長い。他の形状が使用されてもよいことを理解する必要がある。例えば、これらは、4つ未満またはそれ以上の側面を有し、さらに、ヒートスプレッダ24の底部、および熱異方性材料28は、テーパ化されてもよい。また、以降により詳しく示すように、基底面30は、熱発生MMIC電力増幅器12a、12bのグラウンドプレーン51を有する底部表面と交差し、ここでは90度の角度で交差する。本例では、上部、上、下、底部の、熱異方性材料28の表面32、34は、XY平面内にあり、基底面30は、XZ平面内にあり、または基底面の一部は、YZ平面内にあり、別の部分は、XZ平面内にあることに留意する必要がある。
ヒートスプレッダ24は、ここでは、例えば、銅のような金属である熱および電気伝導性材料36を有し、時折、封止材36と称される収容材料として機能し、熱異方性材料28の6つの外側表面（上部、底部、4側部）の全てが覆われる。特に、熱異方性材料28の6つの外側表面は、好適なろう付け材料38を有する熱伝導材料36にろう付けされる。ろう付け材料38は、ここでは、例えば、Morgan Advanced Materials，Quadrant55-57 High Street Windsor Berkshire，英国，SL4 1LPから市販の72%の銀および28%の銅（±1%）の合金CuSil；主に真空ろう付けに使用される共晶合金である。取り付けの別の方法では、熱異方性材料28と熱伝導特性材料36の間に、外部結合剤は使用されない。例えば、熱圧縮接合または高温静水圧プレスのように、熱および圧力を用いてもよい。従って、熱伝導材料36は、熱異方性材料28の封止に使用される封止材であり、時折、封止材36とも称される。
また、6つの外側表面全てが同じ封止材36で構成される必要はない。ある例では、MMIC電力増幅器12a、12bと接する封止材36の表面は、高熱伝導性の低CTE金属で構成され、例えばタングステン（4PPM／℃）、モリブデン（5.5PPM／℃）、銅-タングステン合金（5〜10PPM／℃）、銅-モリブデン合金（6〜10PPM／℃）、または他のそのような材料であってもよい。別の例では、MMIC電力増幅器12a、12bと接する材料36の表面は、セラミックで構成され、例えばアルミニウム窒化物（4.5PPM／℃）、またはシリコン窒化物（3.5PPM／℃）、または他の高熱伝導性と低いCTEを有する材料であってもよい。その場合、取り付け表面、すなわちMMIC電力増幅器12a、12bと接する封止材36の表面は、銅（18PPM／℃）のような金属に比べて低いCTEを示す。ここでは、MMIC電力増幅器12a、12bは、例えば低いCTEを有する炭化ケイ素（2.8PPM／℃）の基板50（図6C、6D）を有するため、封止材36の上部表面における高熱伝導性で低CTE材料の使用では、MMIC電力増幅器12a、12bの基板50と下側のヒートスプレッダ構造24の間の改善されたCTEマッチングにより、良好な熱輸送が提供される。MMIC電力増幅器12a、12bの基板50と下側のヒートスプレッダ構造24の間に、高い度合いのCTEマッチングマッチングが得られ、作動中、冷却構造10が温度のずれに晒された際に、MMIC電力増幅器12a、12bの基板50における熱誘導応力が低減される。従って、改善されたCTEマッチングでは、熱誘導応力を低減することにより、冷却構造10の機械的信頼性が改善される。従って、良好な度合いのCTEマッチングが得られ、ここでは層48（図6C、6D）のような、熱インターフェース材料（TIM）（例えばはんだ）が使用される、利用可能な材料の選択肢が増える。TIM層48aの応力が低下するからである。MMIC電力増幅器12a、12bの基板50の底部のグラウンドプレーン51（図6C、6D）をヒートスプレッダ24に取り付ける際に使用されることは、図9A乃至12Dに関して詳しく示されている。これにより、MMIC電力増幅器12a、12bの基板50から、TIM層48およびヒートスプレッダ24を介した冷却板／ヒートシンク19への熱輸送がさらに改善される。例えば、MMIC電力増幅器12a、12bの基板50とヒートスプレッダ24の上部表面、特に封止材36との間のCTEミスマッチが大きい場合、TIM層48aには、あるカテゴリーの材料しか使用できない。MMIC電力増幅器12a、12bの基板50と、ヒートスプレッダ24の封止材36の表面との間に結合され、MMIC電力増幅器12a、12bと熱的に配置されたこれらは、高熱誘導応力に晒されるからである。MMIC電力増幅器12a、12の基板50と、ヒートスプレッダ24との間の良好なCTEマッチングにより、熱的に高い特性を示すTIM材料を選択肢として利用できる。本例では、封止材層材料36は、銅（18 PPM／℃）とすることができ、同じく銅で構成されたヒートシンク／冷却板19との完全なCTEマッチングが得られる。従って、一つの単材料を使用する代わりに、封止材の組み合わせを使用することにより、スプレッダ24の全ての側部において、改善されたCTEマッチングが得られる。また、全ての側部または残りの側部の一部において、異なる材料を使用することが可能になる。これは、CTEマッチングおよび所与の用途の熱輸送の必要性により決定される。従って、前述のように、6つの封止側面の全てまたはいくつかを、金属または非金属で構成することができる。非金属の場合、グラウンドプレーンを描く追加のステップで、誘電体が描かれる。また、TIMe層48b（図6Aおよび6B）を用いて、パワースプリッタ14およびパワーコンバイナ16も、ヒートスプレッダ24に接合される。同様に、ターミネータ20a、20bは、TIM層48c（図6A、6B）を用いて、ヒートスプレッダ24に接合される。前述のように、マイクロ波伝送線路17a乃至17gは、ここでは、マイクロストリップ伝送線路であり、そのような線路の一部は、ヒートスプレッダに接合される。CTEマッチングの提供のため、TIM層48a、48b、48cは、異なる接合材料のCTEであってもよいことが留意される。基底面30は、側部2、4と平行であり、側部1、3と垂直であり、従って、電力増幅器12a、12bの底部表面に対して垂直であることが留意される。図6A乃至6Dには、電力増幅器12a、12bから、ヒートシンク／冷却板19への熱の流れが、矢印61で示されている。装置領域R1（図2参照）は、基板50の上部表面に配置され、そのような領域Rは、ここでは例えばFETのようなアクティブ装置、例えばレジスタ、キャパシタおよびインダクタのようなパッシブ装置、および任意の従来の方法で配置された相互接続マイクロ波伝送線路を有し、フィールド効果トランジスタ（FET）MMIC電力増幅器12a、12bの組が形成されることが留意される。また、パワースプリッタ14およびパワーコンバイナ16の部材は、ここでは例えば、マイクロ波伝送線路である、パッシブ装置領域R2（図2参照）を有し、これは、任意の方法で、そのようなパワースプリッタ14およびパワーコンバイナ16が形成されるように配置されることが留意される。同様に、ターミネータ20a、20bは、任意の従来の方法で配置された、レジスタのようなパッシブ装置を有し、適切なインピーダンスマッチングターミネーション部材が提供される。
前述のように、ヒートスプレッダ24の底部は、印刷回路基盤13の開口29を貫通し、冷却板19の上部表面の一部に形成された穴15の底部表面に達する。従って、図2A1に示すように、印刷回路基盤13のマイクロ波伝送線路17e’、17g’の端部と、ヒートスプレッダ24の底部の一部の間に、小さなギャップ60が残留する。このギャップ60は、ギャップ60の上部分に、シリコーン材料のような、弾性誘電体材料63を注入することにより充填される。次に、誘電体材料63に、ブリッジ用ストリップ導体64が印刷され、誘電体基板22のマイクロ波伝送線路17e’、17g’の印刷回路基盤13上のストリップ導体21aと、ヒートスプレッダ24上のマイクロ波伝送線路17e’’、17g’’とが電気的に相互接続され、これにより、前述の伝送線路17e、17gが形成される。
伝導性封止材36は、ヒートシンク197と電気的および熱的に接続され、従って、印刷回路基盤13のグラウンドプレーン導体23に接続されることが留意される。従って、適切に配置された誘電体材料および導電性材料を用いて、ヒートスプレッダ24の側部に、指向性結合器およびパワー分割器／コンバイナに加えて、例えばレジスタ、キャパシタおよびインダクタのような他のパッシブ素子が形成され、そのようなパッシブ装置が形成される。次に、例えば、印刷された誘電体材料の上に、抵抗性材料が印刷され、レジスタが形成される導電性封止材36の領域で硬化される。抵抗性材料の一つの端部は、マイクロ波伝送線路のストリップ導体に接続され、他端は、誘電体材料の端部の上を通り伝導性封止材36に至る印刷ストリップ導体に接続され、伝導性封止材36は、グラウンドプレーン導体23と電気的に接続される。例えば、ターミネータ20a、20bは、電気回路18（図3A、3B）に整合された負荷を提供するインピーダンスを有する、そのようなレジスタであってもよい。
次に図7を参照すると、図2A乃至2Dにおける冷却構造を形成するために使用される方法のフロー図が示されている。まず、本方法は、コンピュータ制御付加製造法（AM）または3D印刷プロセスを用いて実施されることが留意される。ステップ100では、ヒートスプレッダ24が形成される（図8）。ステップ200では、図6Cおよび6D（図9A乃至9D）に関して前述したように、グラウンドプレーン導体51を有するTIM48aにより、MMIC電力増幅器12a、12b、スプリッタ14、およびコンバイナ16が、形成されたヒートスプレッダ24の側部に取り付けられる。MMIC電力増幅器12a、12bのグラウンドプレーン導体51は、基底面30に垂直であるが、図6A乃至6Dに示すように、スプリッタ14およびコンバイナ16のグラウンドプレーン導体51は、基底面30と平行であることが再度留意される。ステップ300では、誘電体材料71が印刷され、取り付けられたMMIC電力増幅器12a、12b、スプリッタ14、コンバイナ16、およびターミネータ20a、20bによって露出されたヒートスプレッダ24の領域にわたって硬化され、ヒートスプレッダ24の下側および底部が未被覆のまま残留し、これにより、ヒートスプレッダ24の下側および底部部分に暴露された封止材36が残留する（図10A乃至10D）。ステップ400では、誘電体材料73が印刷され、その後硬化され、任意の継ぎ目または小さな空間57が充填される（図13A）。これは、硬化誘電体材料71と部材の間に存在してもよい：例えば、ある実施例では、図13Aおよび13Bに示すように、MMIC電力増幅器12a、12b、スプリッタ14、およびコンバイナ16、およびターミネータ20a、20bである。ここでは、例えば、MMIC電力増幅器12a（図11A乃至11D）である。ステップ500では、ストリップ導体21b（図5、図12A乃至12D）は、誘電体材料71、73上に印刷され、硬化され、マイクロ波伝送線路17a乃至17h、17g’’、17h’’が形成され、部材が相互接続され、これにより、スプレッダ24のサイド1-4の上部91（図5、図12A乃至12D）に回路18の一部が形成される。誘電体材料’73は、低いヤング率（例えば、シリコーンのような弾性誘電体材料）を有する。ヤング率は、作動温度および貯蔵範囲にわたって、そのような素子の膨張および収縮が可能となるように選定され、そのようなギャップ充填材料を通る電気的相互接続に破損は生じない。
ステップ600では、入力および出力マイクロ波伝送線路相互接続17e’、17g’が、印刷回路基盤13の上に形成され、そのような印刷回路基盤13は、それを貫通して、ヒートスプレッダ24の下側部分92（図5、図12A乃至12D）を受容する開口29を有する。
ステップ700では、上部表面に、穴15を有する冷却板19が形成される。
ステップ800では、ここでは例えばはんだである、熱インターフェース材料（TIM）53が、冷却板19の上部表面、ならびに冷却板19の穴15の側壁および底部に設置される（図2A1）。ヒートスプレッダ24の下側部分92（図5、図12A乃至12D）は、印刷回路基盤13の開口29に貫通挿入され、冷却板19の穴15の底部表面に達する。ステップ900では、図2A1において、印刷回路基盤13の開口29の垂直端部は、ヒートスプレッダ24の下側部分92の側部の封止材36から離間され、これにより、印刷回路基盤13の垂直端部と封止材36の間に、ギャップ60が残留することが留意される。ステップ1000では、図2A1において、熱インターフェース材料（TIM）53は、入力および出力マイクロ波伝送線路相互接続17e’、17g’のストリップ導体のレベルの下方に設置され、リフローまたは硬化により、TIM53を用いて、封止材36が、ヒートスプレッダ24の側壁および底部表面、穴15の側壁および底部表面に接合されるとともに、印刷回路基盤13（グラウンドプレーン導体23（図2A1））が冷却板19の上部表面に接合されることが留意される。ステップ1100では、低いヤング率を有する誘電体材料63（図2A1）（例えばシリコーンのような弾性誘電体材料）が印刷された後、熱インターフェース材料（TIM）53（図2A1）の上部のギャップ60において硬化される。ヤング率は、作動温度および貯蔵範囲にわたって、そのような素子の膨張収縮ができるように選定され、そのような継ぎ目またはブリッジのギャップ充填材料を通る電気接続の破損は生じない。ブリッジストリップ導体64が印刷され、その後、誘電体基板22上のマイクロ波伝送線路17e’、17g’のストリップ導体の一部にわたって硬化され、誘電体材料71上のマイクロストリップ伝送線路17e’’、17g’’のストリップ導体の一部にわたって硬化され、ヒートスプレッダ24上に、マイクロ波伝送線路17e、17gを有する印刷回路基盤13上の入力および出力マイクロ波伝送線路17e、17gが電気的に相互接続される。これにより、ステップ1200において、回路18が完成する。
他の順番および手順を使用して、歩留まりおよび特性を最大限高めてもよいことを理解する必要がある。また、使用される接合材料の熱膨張係数（CTE）は、被接合素子のCTEとできるだけ整合するように選定されるものの、依然として作動温度および貯蔵範囲にわたって、十分な強度を有することを理解する必要がある。同様に、素子間の継ぎ目およびギャップの充填に使用される誘電体充填材料は、十分な弾性（ヤング率）を有し、作動温度および貯蔵範囲にわたって、そのような素子の膨張収縮が可能であり、そのような継ぎ目またはブリッジギャップ充填材料を通る、電気的相互接続の破損は生じない。送信器、スプリッタ、コンバイナ、または他の整合ネットワークおよび付随のバイアスネットワークは、多くの方法で、構造24上に実装され得ることに留意する必要がある。誘電体材料は、ペーストまたはフィラメントを用いて付加印刷され、ヒートスプレッダ24上のストリップ導体は、AMまたは3D印刷を用いて印刷されてもよい。あるいは、回路は、可撓性の共形基板上に形成され、その後、好適なTIMを用いて構造24に接合されてもよい。マイクロ波伝送線路17a乃至17hは、例えば、コンピュータ制御付加製造機（AM）または3D印刷法を用いて形成されてもよい。また、一例では、マイクロ波伝送線路について示したが、MMIC増幅器12a、12bに電圧を供給する＋V、−V配線（図2A乃至2D）を含むバイアス制御配線を、誘電体71の同じまたは追加の層の上の、誘電体層71に印刷してもよい。
本開示の構造は、以下を含むことを理解する必要がある：複数の表面を有する3次元熱伝導性支持構造と、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の第1の部分に配置され、前記複数の表面の第2の部分に配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路。本構造は、1または2以上の以下の特徴を、個々にまたは組み合わせて有してもよい：前記熱伝導性材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、前記好適面は、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の第1の部分と交差する；前記熱発生電気部材が設置された前記複数の表面は、前記熱異方性材料の好適面と交差する；前記熱異方性材料は、前記複数の表面に配置された伝導性材料を有する；前記伝導性材料は、前記マイクロ波伝送線路用のグラウンドプレーン導体を提供する；前記熱発生電気部材は、前記伝導性材料と熱的に結合された底部表面を有する；ヒートシンクを有し、前記ヒートシンクは、前記熱発生電気部材を有する前記複数の表面と熱的に結合される；または前記3次元熱伝導性支持構造は、外層を有し、前記外層は、前記熱発生電気部材の熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する。
ここで、本開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：熱異方性材料を有するヒートスプレッダであって、そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有する、ヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第1の部分の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第2の異なるものに配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路。本冷却構造は、以下の特徴を含んでもよい：前記熱発生部材を有する前記複数の表面は、前記熱異方性材料の前記好適面と交差する。
ここで、本開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：上部表面に配置された複数のマイクロ波伝送線路、および貫通する開口を有する基板と、上部表面に形成された穴を有する冷却板であって、前記上部表面は、前記基板の底部表面と熱的に結合される、冷却板と、熱異方性材料を有するヒートスプレッダであって、そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、前記ヒートスプレッダは、前記開口を貫通し、前記穴の底部表面に達する下側部分を有する、ヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの上側部分に配置された回路であって、前記ヒートスプレッダの複数の表面の第1の部分の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第2の部分に配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有し、前記好適面は、前記ヒートスプレッダの複数の表面の前記第1の部分と交差する、回路。本冷却構造は、1または2以上の以下の特徴を、個々にまたは組み合わせて有してもよい：前記熱異方性材料は、前記複数の表面に配置された伝導性材料を有する；前記伝導性材料は、前記マイクロ波伝送線路用のグラウンドプレーン導体を提供する；前記熱発生電気部材は、前記伝導性と熱的に結合され、接合された底部表面を有する；または前記基板は、入力マイクロ波伝送線路と、出力マイクロ波伝送線路とを有し、前記回路は、前記入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路と電気的に接続される。
また、本開示の構造は、以下を含むことを理解する必要がある：入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路を有する基板と、複数の表面を有する3次元熱伝導性支持構造と、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の異なるものに配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、を有し、前記回路は、前記入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路に電気的に接続される。
また、本開示の構造は、以下を含むことを理解する必要がある：複数の側部を有する3次元熱伝導性支持構造と、回路と、を有し、前記回路は、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部に配置された複数のマイクロ波伝送線路と、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の第1の組と熱的に結合され、接合された、増幅器の組と、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の第3のものに接合されたスプリンタと、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の第4のものに接合されたコンバイナと、を有し、前記増幅器の組、前記スプリンタ、および前記コンバイナは、前記複数のマイクロ波伝送線路と電気的に相互接続され、前記複数のマイクロ波伝送線路の入力の一つは、前記スプリッタの入力に結合され、前記スプリッタの出力の組の各々は、前記複数のマイクロ波伝送線路の第1の組を介して、前記増幅器の組の対応する一つの入力に結合され、前記増幅器の組の出力の組の各々は、前記複数のマイクロ波伝送線路の第2の組を介して、前記コンバイナの入力の組の対応する一つに結合され、前記コンバイナの出力は、前記複数のマイクロ波伝送線路の出力の一つに結合される。本構造は、1または2以上の以下の特徴を、個々にまたは組み合わせて有してもよい：前記増幅器の組は、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の反対側に接合される；前記熱伝導性材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、前記好適面は、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の反対側と交差する；または前記スプリッタおよび前記コンバイナは、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の反対側と接合される。
また、本開示の構造は、以下を含むことを理解する必要がある：複数の側部を有する3次元熱伝導性支持構造と、前記3次元熱伝導性支持構造の異なる側部に熱的に結合され、接合された、電気的に相互接続された熱発生部材の組と、を有する。本構造は、以下の特徴を有してもよい：前記3次元熱伝導性支持構造は、熱異方性材料を有するヒートスプレッダを有し、そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、そのような好適面は、前記3次元熱伝導性支持構造の異なる側と交差する。
本開示の多くの実施例について説明した。ただし、本開示の思想および範囲から逸脱せずに、各種変更が可能であることが理解される。例えば、ターミネータ20a、20bは、それぞれ、側部1、3に示され記載されているが、これらは、それぞれ、側部2、4の側にあってもよく、伝送線路17f、17hは、それぞれ、側部1、4、および側部3、2に一部を有してもよい。さらに、回路の熱発生素子を有する側は、MMIC電力増幅器12a、12bの基板の底部表面に対して垂直な（90゜）面内に配置される必要はなく、90゜以外の角度で、例えば、45゜または30゜で、回路の熱発生素子の基板の底部表面と交差する面内にあってもよい。さらに、前述のスプリッタ14およびコンバイナ16は、ヒートスプレッダ24に接合された、個々のパッシブ部材として記載されているが、これらは、ヒートスプレッダ24の表面の一部にわたって形成された誘電体材料71上の伝送線路と同様の方法で、ストリップ導体とともに形成されてもよい。そのようなスプリッタ14およびコンバイナ16は、個々の部材として配置される。また、ヒートスプレッダ24上のストリップ導体とヒートスプレッダ24上の部材の間の電気的相互接続は、リボンまたはワイヤボンドによりなされてもよい。また、本開示は、分割および結合ネットワークとは異なる他の用途、例えばHブリッジ構造のようなパワー用途、に使用されてもよい。例えば、図14、14A、14B参照。ここでは、金属酸化物フィールド効果トランジスタ（MOSFET）Q1-Q4は、図14に示すように、ダイオードD1-D4に接続される。ここで、MOSFETQ1-Q2、およびダイオードD1-D2は、スプレッダ24の側部2に熱的に結合され接合され、MOSFETのQ3-Q4およびダイオードD3-D3は、スプレッダ24の反対の側部4に熱的に結合され接合されことが留意される。図4、図14、14A、14Bのように、そのような側部2、4は、スプレッダ24の基底面30に対して垂直である。
従って、他の実施例は、以下の特許請求の範囲に属する。

Claims (22)

  1. 構造であって、
    複数の表面を有する3次元熱伝導性支持構造と、
    前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の第1の部分に配置され、前記複数の表面の第2の部分に配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、
    を有する、構造。
  2. 前記熱伝導性材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、前記好適面は、前記熱伝導性支持構造の前記複数の表面の第1の部分と交差する、請求項1に記載の構造。
  3. 前記熱発生電気部材が設置された前記複数の表面は、前記熱異方性材料の好適面と交差する、請求項1に記載の構造。
  4. 前記熱異方性材料は、前記複数の表面に配置された伝導性材料を有する、請求項1に記載の構造。
  5. 前記伝導性材料は、前記マイクロ波伝送線路用のグラウンドプレーン導体を提供する、請求項1に記載の構造。
  6. 前記熱発生電気部材は、前記伝導性材料と熱的に結合された底部表面を有する、請求項1に記載の構造。
  7. ヒートシンクを有し、
    前記ヒートシンクは、前記熱発生電気部材を有する前記複数の表面と熱的に結合される、請求項1に記載の構造。
  8. 冷却構造であって、
    熱異方性材料を有するヒートスプレッダであって、そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有する、ヒートスプレッダと、
    前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第1の部分の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第2の異なるものに配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、
    を有する、冷却構造。
  9. 冷却構造であって、
    上部表面に配置された複数のマイクロ波伝送線路、および貫通する開口を有する基板と、
    上部表面に形成された穴を有する冷却板であって、前記上部表面は、前記基板の底部表面と熱的に結合される、冷却板と、
    熱異方性材料を有するヒートスプレッダであって、そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、前記ヒートスプレッダは、前記開口を貫通し、前記穴の底部表面に達する下側部分を有する、ヒートスプレッダと、
    前記ヒートスプレッダの上側部分に配置された回路であって、前記ヒートスプレッダの複数の表面の第1の部分の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の第2の部分に配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有し、前記好適面は、前記ヒートスプレッダの複数の表面の前記第1の部分と交差する、回路と、
    を有する、冷却構造。
  10. 前記熱発生部材を有する前記複数の表面は、前記熱異方性材料の前記好適面と交差する、請求項8に記載の冷却構造。
  11. 前記熱異方性材料は、前記複数の表面に配置された伝導性材料を有する、請求項9に記載の冷却構造。
  12. 前記伝導性材料は、前記マイクロ波伝送線路用のグラウンドプレーン導体を提供する、請求項11に記載の冷却構造。
  13. 前記熱発生電気部材は、前記伝導性と熱的に結合され、接合された底部表面を有する、請求項12に記載の冷却構造。
  14. 前記基板は、入力マイクロ波伝送線路と、出力マイクロ波伝送線路とを有し、
    前記回路は、前記入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路と電気的に接続される、請求項9に記載の冷却構造。
  15. 構造であって、
    入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路を有する基板と、
    複数の表面を有する3次元熱伝導性支持構造と、
    前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の異なるものに配置され、前記ヒートスプレッダの前記複数の表面の異なるものに配置されたマイクロ波伝送線路により相互接続された、複数の熱発生電気部材を有する回路と、
    を有し、
    前記回路は、前記入力マイクロ波伝送線路および出力マイクロ波伝送線路に電気的に接続される、構造。
  16. 構造であって、
    複数の側部を有する3次元熱伝導性支持構造と、
    回路と、
    を有し、
    前記回路は、
    前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部に配置された複数のマイクロ波伝送線路と、
    前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の第1の組と熱的に結合され、接合された、増幅器の組と、
    前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の第3のものに接合されたスプリンタと、
    前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の第4のものに接合されたコンバイナと、
    を有し、
    前記増幅器の組、前記スプリンタ、および前記コンバイナは、前記複数のマイクロ波伝送線路と電気的に相互接続され、前記複数のマイクロ波伝送線路の入力の一つは、前記スプリッタの入力に結合され、前記スプリッタの出力の組の各々は、前記複数のマイクロ波伝送線路の第1の組を介して、前記増幅器の組の対応する一つの入力に結合され、前記増幅器の組の出力の組の各々は、前記複数のマイクロ波伝送線路の第2の組を介して、前記コンバイナの入力の組の対応する一つに結合され、前記コンバイナの出力は、前記複数のマイクロ波伝送線路の出力の一つに結合される、構造。
  17. 前記増幅器の組は、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の反対側に接合される、請求項16に記載の構造。
  18. 前記熱伝導性材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、
    前記好適面は、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の反対側と交差する、請求項17に記載の構造。
  19. 前記スプリッタおよび前記コンバイナは、前記3次元熱伝導性支持構造の前記複数の側部の反対側と接合される、請求項17に記載の構造。
  20. 構造であって、
    複数の側部を有する3次元熱伝導性支持構造と、
    前記3次元熱伝導性支持構造の異なる側部に熱的に結合され、接合された、電気的に相互接続された熱発生部材の組と、
    を有する、構造。
  21. 前記3次元熱伝導性支持構造は、熱異方性材料を有するヒートスプレッダを有し、
    そのような材料は、熱が好適面に沿って伝導する異方性の熱伝導特性を有し、そのような好適面は、前記3次元熱伝導性支持構造の異なる側と交差する、請求項20に記載の構造。
  22. 前記3次元熱伝導性支持構造は、外層を有し、
    前記外層は、前記熱発生電気部材の熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する、請求項1に記載の構造。
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