JP4298746B2 - マイクロ・ジェットを備える冷却アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を用いて、熱源、特に電子部品を冷却する冷却アセンブリに関する。さらに、本発明は、半導体デバイス、回路基板、及び冷却方法に関する。

電子部品及び携帯用デバイスの小型化が進行しつつあり、且つ機能性の水準が高まりつつあるため、一方では出力密度が非常に高くなり、他方ではクロック周波数が高くなっている。適切な冷却が無いと、消費者製品の性能を低下させ寿命に制約を与える、大きな空間的かつ時間的な温度勾配及び温度レベルが生じる可能性がある。自然対流（浮力によって誘起される流れ）及びファン対流（強制対流）などの従来の冷却方法は、冷却能力が限られ（自然対流）、或いは容認しがたいほど雑音が発生し消費電力が高くなる（ファン）ので、それらが出力密度の高い用途に適しているかどうかの問題に直面する。従って、水冷、又はピエゾ式ファンのような先端の冷却技術など他の解決方法が必要となる。

携帯電話、携帯用コンピュータなど新世代の携帯用デバイスだけでなく、また、ビーマ、セット・トップ・ボックス、フラットテレビ、ＤＶＤ及びＢＤレコーダ等の高品質の電気製品も、消費電力が低く、静かで、高い熱流束を冷却する能力を有する新しい高度な冷却技術を必要とする。集積度もさらに必要になるかもしれない。デバイスの配置を再設計することを必要とせずに冷却の解決策を組み込んだクリティカルな構成要素がデバイスに容易に組み込まれることができ、それによって最適な温度性能が達成されることが望ましい。

欧州特許公報第０５６０４７８号Ａ１は、集積回路などの電子回路パッケージの強制冷却に用いられる冷却機構を開示している。冷却機構は、多数の小さい直径の貫通孔を有する管状のフィン部材と、管状のフィン部材の一方の端部に接合されそれを封止する平板部材と、管状のフィン部材の他方の端部に固定された蓋部材と、板部材に向かって冷媒が噴射されるノズルとして用いられるパイプ部材とを備える。一実施形態によれば、冷媒がノズルを通過するとき、冷媒に旋回運動が与えられるように、ノズルの内側表面上に螺旋形の溝が形成される。管状のフィンから冷媒への熱伝達の効率をさらに促進するために、こうしたいくつかの冷却機構が一列に配置されて冷却アセンブリを形成することもある。

本発明の目的は、消費電力が低く、静かで、効率が高く、冷却されるべき熱源との一体化を可能にする冷却アセンブリ及びそれに対応する冷却方法を提供することである。

本主題は、本発明によれば、
制御信号に応答して熱源上に冷媒を噴出するようになされた複数のマイクロ・ジェットと、
マイクロ・ジェットが順次冷媒を噴出するスイープ・モードでマイクロ・ジェットからの冷媒の噴出を制御するようになされた制御装置とを備える請求項１記載の冷却アセンブリによって達成される。

これに対応する１つの方法が、請求項１７に定義されている。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に定義されている。

本発明は、冷媒を熱源に同時に噴出するのではなく、スイープ・モードで動作される、即ち、次から次へ、又はグループ単位で次から次へ順次作動される複数のマイクロ・ジェットを使用するという考えを基にしている。このようにして、冷却されるべき熱源の上の冷却チャネルを介して、冷媒の巨視的な移送が得られ、全てのマイクロ・ジェットが、同時に冷媒を噴出するように制御される場合に生じる、冷却チャネル内の再循環領域の発生が減少されることができる。さらに、熱くなった冷媒を効果的に除去するように、冷却チャネル内で好ましい方向への冷媒の流れが誘起されることができ、そうすることによって、熱伝導率が確実に高くなるようにすることができる。さらに、マイクロ・ジェットを順次作動することによる巨視的な流れは、熱流束の温度が高い特定領域内に送られることができる。

マイクロ・ジェットの好ましい実施形態は、請求項２に定義されており、それによれば、マイクロ・ジェットは、
冷媒を流入するための入口と、
冷媒を噴出するための出口と、
入口から出口に冷媒が流れるためのマイクロ・チャネルと、
マイクロ・チャネル内の冷媒に速度変動を誘起させる誘起手段とを備え、マイクロ・ジェットは、熱源の表面に実質的に垂直に配列される。

このように、マイクロ・ジェットは、外部のフィールドによって励振されて、冷媒内に軸方向又は垂直方向に速度変動を誘起させる。その結果、高い乱流レベルが生じ、冷却される熱源からの対流熱伝達が高められることになる。好ましい誘起手段は、圧電結晶、圧電セラミクス、又はウーファ、並びにその誘起を制御する制御装置を備える。

冷媒は、空気又は窒素などの気体でも、水などの液体でもよいが、液体の場合には、密閉冷却システムを必要とする。電子部品を冷却するには、冷媒として主に空気が好ましい。

雑音の無い冷却アセンブリを得るための重要な側面は、誘起手段の誘起周波数である。焦点周波数に対する境界条件は、非常に低くなければならず、好ましくは２００Ｈｚより低くなるべきであり、或いは、かなり高くなければならず、好ましくは１０ｋＨｚより高くなるべきである。最適の周波数範囲は、システム全体の空気力学的特性に依存し、実験的に定められる必要がある。スイープ速度、即ちマイクロ・ジェットが作動されスイッチを切られる周波数は、また、流れ抵抗、圧力低下等のシステム特性にも依存する。

マイクロ・ジェットのマイクロ・チャネルの直径、及び熱源の表面からマイクロ・ジェットの出口までの距離に対しての好ましい寸法は、請求項６及び７に示されている。こうしたパラメータ、及び最適のマイクロ・ジェットの間隔は、チャネル幅と、マイクロ・チャネル直径と、システムを介した必要な流量即ち冷却能力などのシステム特性とに依存し、実験的に定められなければならない。

別の実施形態によると、マイクロ・ジェットは、実質的に垂直ではなく熱源の表面に対して傾斜した角度で、特に、０°から４５°の範囲に傾斜した角度で配置される。

好ましくは、複数のマイクロ・ジェットが、２次元配列のマイクロ・ジェットとして配列される。前記配列の中で、インラインに、千鳥形行列として、或いは円形又は三角形に配列されるなどその他の幾何形状で、マイクロ・ジェットは配列されることができる。別の好ましいスイーピング・モードは、請求項１０乃至１２に定義される。実施可能なスイープ方式には、マイクロ・ジェットの行と列を交互にスイープさせる、行と列それぞれにつき奇数と偶数のマイクロ・ジェットを交互にスイープさせる、配列の内側から外側にスイープを働かせる、又は縁部から開始するなどがある。さらに、噴出された冷媒が熱源の上を好ましい方向に、例えばヒート・シンクの方向に流動するように冷媒の噴出が制御されることができる。この列挙したスイープ方式が全てではないことに留意されたい。その他の多くのスイープ方式も同様に可能である。

請求項１３及び１４記載の別の実施形態によれば、バイアス流量に従って、全てのマイクロ・ジェットから連続的に冷媒が噴出されるが、所定の時間間隔中のみは各マイクロ・ジェットがさらに多くの量の冷媒を噴出させることができる。他の実施形態によれば、マイクロ・ジェットを作動させるための所定の時間間隔中のみ以外、殆どの時間中は、冷媒は全く噴出されない。

本発明は、また、半導体素子と、半導体素子と一体化されそれを冷却するための冷却アセンブリとを備える半導体デバイスに関する。さらに、本発明は、半導体デバイスと、半導体デバイスを冷却するように配列された冷却アセンブリとを備える回路基板に関する。しかし、本発明は、必ずしも半導体デバイスの冷却には限られず、高い冷却能力を必要とするその他の熱源を冷却するようにもなされることができる。

次に、本発明は添付の図面を参照して説明される。

本発明による単一のマイクロ・ジェットの実施形態が図１に示されている。マイクロ・ジェット１は、冷媒Ｃの流入用の入口１０と、冷媒の噴出用の出口１１と、入口１０から出口１１に冷媒を流すマイクロ・チャネル１２と、マイクロ・チャネル１２内の冷媒Ｃ上に速度変動を誘起させる誘起手段１３とを備え、前記誘起手段１３は、制御装置１４によって制御される。好ましくは、単一の通常のチャネル、管又はミニチャネル（例えば、ナノメータ・サイズのサブミクロンのチャネル）でありうるマイクロ・チャネル１２が、図示するように冷却されるべき熱源２の表面に実質的に垂直になるように、マイクロ・ジェットが配列される。しかし、マイクロ・チャネル１２は、また、熱源２の表面に対して９０°とは異なる角度で配列されてもよい。このような傾いた配列は、スイープするマイクロ・ジェットによって誘起される巨視的な流れの発生を促進するか又は低下させることができる。

熱源２の表面上に衝突した後に生じる、噴出した冷媒Ｃの流れパターンが３によって示されている。こうした流れは、流れが熱源２の表面上に衝突する点３１の付近で高い熱伝導率を有していることがよく知られ、点３１は淀み点と呼ばれる。しかし、こうした流れが再循環する性質を持っているので、淀み点３１から離れて位置する分流点３２で伝熱性能の低下が生じる。

ひずみの無い冷媒の流入流れに速度変動を誘起させ、乱れの強さを増加させるために、外部フィールドＥによる流れの誘起が用いられる。軸方向のチャネルの流れ３は、軸方向、長手方向、又は直角方向に歪められて、速度変動即ち流れの乱れ強さを増加させることができる。

マイクロ・ジェットを誘起するための様々な実行可能な手段がある。好ましくは、（例えば誘起された層状の壁面流れを得るための）ウーファ、圧電セラミクス又は圧電結晶が誘起手段１３として使用されることができる。例えば、こうした圧電結晶又は圧電セラミクスは、小さなインクの液滴のみが印刷されるべき基板上に堆積されるように、インクジェット印字ヘッドに用いられて、チャネルを介して流れを供給する。流れの誘起は、また、正弦波の、鋸歯状波の、又は短いパルス変調によって制御することができる。

本発明によれば、図２ａに示すように、冷却アセンブリ１００を形成する誘起されるマイクロ・ジェット１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの配列が、冷却されるべき領域を拡大するために用いられる。千鳥形配列又はインライン配列に配置された複数のマイクロ・ジェット１ａ〜１ｄの配列の欠点は、マイクロ・ジェットが同時に動作される場合、冷媒の噴出流３内に分流点３２が生じることである。その結果生じる流れパターン３は、複数の淀み点３１及び分流点３２からなる。分流点３２は、図２ｂに示す熱伝達率の分布４から理解できるように、熱伝達率の劇的な低下によって特徴づけられる。分布４の複数の極大値は、淀み点３１に一致し、複数の極小値は、分流点３２に一致する。分流点３２の位置、及び熱伝導率の低下の強度は、マイクロ・ジェット１ａ〜１ｄのインラインの、及び軸外の間隔によって決まる。

Ｇａｒｉｍｅｌｌａ等は、マイクロ・ジェット配列の伝熱特性の理論的な研究を行った（Ｇａｒｉｍｅｌｌａ等の「Ｌｏｃａｌ ｈｅａｔ ｔａｎｓｆｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｉｒ ｊｅｔ ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃ．Ｐａｃｋ、２００１年、ｖ．１２３、ｐ．１６５）。変化させられるいくつかのパラメータには、ノズル直径及び熱源までの距離がある。間隔と雑音が制約されるデバイス内での冷却に使用するため、複数の極小ノズルを備える配列が考えられている。さらに、電子回路冷却の用途に関する熱伝達能力を示す複数のノズルの様々な構成が、Ｖｕｋａｓｉｎｏｖｉｃ，Ｊ．及びＧｌｅｚｅｒ，Ａ．の「Ｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔ Ｆｌｏｗ ｏｆ ａｎ Ｉｍｐｉｎｇｉｎｇ Ｒｏｕｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｊｅｔ」、Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ、２００１年、Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１９６に開示されている。

本発明によれば、分流領域を誘起することによって温度の高い部分が局所的にできる問題を克服するために、マイクロ・ジェットがスイープ・モードで動作されるように個々のマイクロ・ジェットのオン・オフ周波数を調整することが提唱されている。図３にこれを示す。冷却アセンブリは、複数のマイクロ・ジェット１ａ〜１ｄと、その誘起を制御する制御装置１４とに加えて、さらに、個々のマイクロ・ジェットからの冷媒の噴出を制御する制御装置１５を備える。既知の配列とは対照的に、マイクロ・ジェットは、冷媒が全てのマイクロ・ジェットから同時に噴出されるのではなく、単一のマイクロ・ジェット、又はグループになった数個のマイクロ・ジェットが順番に作動されるように動作される。このスイープ動作は制御装置１５によって制御される。例えば、図３ａに示す本実施形態のマイクロ・ジェットは、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの順に次から次へ順次動作される。このようにして、矢印５で示す冷却チャネルを介して、冷媒の巨視的な移送が生じ、温度の高い冷媒が効果的に除去され、従って、確実に高い熱伝導率になるようにされる。結果として生じるチャネル流れ３によって示されるように、この誘起される流れが強制された性質を持っているので、流れの分流、及び安定した再循環領域が生じるのがかなり抑えられる。

スイープ・モードの作動での対応する熱伝導率６が図３ｂに示されている。図に示すように、連続モードの作動に関する分布４でのような極大値又は極小値が存在しない。流れ方向での熱伝導率６の減衰は、この方向に冷媒が熱くなっていくことにより生じる。

図４は、時間に対する４つのマイクロ・ジェット１ａ〜１ｄ（ノズルとも呼ばれる）の流量Φを示す。図に示すように、ノズルは、矩形パルスによって順次作動され、例えばノズル１ａはｔ_{１ａ，ｏｆｆ−}ｔ_{１ａ，ｏｎ}の時間間隔を有するパルスΦ_{１ａ，ｐｕｌｓｅ}によって作動される。本例では、ノズル１ａ及び１ｂのパルス、並びにノズル１ｃ及び１ｄのパルスは時間的に僅かに重なる。

概して、ノズルは、作動（開）状態、又は非作動（閉）状態になる。しかし、このことによって、冷却アセンブリを通る有効流量が低くなる結果になることがある。連続的なバイアス流量を全てのノズルに供給し、個々のノズルの作動中にさらなる流量がその上に加えられることによって、さらにより改善された熱伝達が達成されることができる。このことは、また、図４からも理解されることができ、図では、ノズルが作動パルスによって作動されないとき、流量Φが特定のバイアス流量Φ_ｂｉａｓでの各レベルに関する流量である。追加の流量とバイアス流量の間の比が決定されることができ、それは主に、様々なシステム・パラメータに依存する。０．１と１００の間の比が実現可能なようである。バイアス流量もノズル毎にそれぞれ異なることができることを留意されたい。

従って、各ノズルの流量は時間に依存する性質をもち、最大流量は冷却アセンブリ内のノズルの位置に依存する。例えば、１つのノズル配列内の中央のノズルを通過する最大流量は、配列の両縁部にあるノズルを通過する最大流量より大きくなるように制御されることができる。従って、本発明は、様々な流量方法を用いることを、即ち、一定のバイアス・レベルと、それに加えて時間依存性パルス形状の追加の流量を用いることを可能にする。追加の流量は、巨視的な流れを生じ、スイープ要因と見なされることができる。

様々な可能なパルス形状が図５に示される。図５ａは矩形パルス、図５ｂは台形パルス、また図５ｃは第３の形のパルスを示す。可能な別のパルス形状は、例えば、三角形、階段波状等である。

Ｎ列及びＭ行を有する直交座標格子上に配置された複数のマイクロ・ジェットの配列が図６に概略的に示されている。間隔Ｌ_ｍ（ｍ）及びＬ_ｎ（ｎ）は、行列内の位置に依存する。単一のマイクロ・ジェット１の位置はｎ及びｍで示される。本発明に従って用いられる様々なスイープ・モードを例示するためにこうした配列が図７から１０で用いられている。これらの図では、スイープ・モードは、後に続く３つの段階を示すことによって示され、黒丸１’は非作動（又は閉）のマイクロ・ジェットを示し、即ちこのマイクロ・ジェットは冷媒を噴出しないように制御され、白丸１”は作動（又は開）のマイクロ・ジェットを示し、即ちこのマイクロ・ジェットは冷媒を噴出するように制御される。マイクロ・ジェットの作動状態及び非作動状態の両方にバイアス・レベルが存在してよいことに留意されたい。

図７に示す、スイープ・モードの第１実施形態では、個々のマイクロ・ジェットは、ある種の拡大モードで配列の中央から縁部に向かって順次冷媒を噴出させるように制御される。従って、噴出される冷媒は、中央から縁部に向かって流れるように誘起される。

図８に示す実施形態によれば、マイクロ・ジェットは列方向に左から右に作動される。或いはまた、マイクロ・ジェットは、行方向に作動されることもでき、又は１つのサイクルでは、マイクロ・ジェットは１列ずつ作動され、次のサイクルでは、マイクロ・ジェットは１行ずつ作動されることもできる。

図９に示す実施形態では、最初に、中央の列（又は行）のマイクロ・ジェットが作動され、順次縁部に向かう列（又は行）内のマイクロ・ジェットが作動される。この実施形態では、配列の中央部内の冷媒の流れが加速されることができる。

図１０にさらに別の実施形態が示され、それによれば、左下隅の範囲内のマイクロ・ジェットが最初に注がれ、順次左上隅の範囲内に向かうマイクロ・ジェットが注がれる。従って、あらかじめ定められた方向への冷媒の流れが、この場合左上隅の方向に得られることができる。無限の数の他のスイープ・モードも実行可能であり、それらも本発明によって包含されることができることが明白になるはずである。

その表面が冷却される半導体素子２０と、半導体素子と一体化されたマイクロ・ジェット１の配列とを備える半導体デバイス７の一実施形態が図１１に示されている。マイクロ・ジェット１に冷媒Ｃを供給するために、冷媒供給部８が上部に備えられる。マイクロ・ジェットは、効率的な冷却をもたらすために半導体素子２の表面全体の上に拡がる。

半導体デバイス７’及び本発明による冷却アセンブリ１００が上に装着された回路基板９の一実施形態が図１２に示される。この実施形態では、冷却アセンブリ１００は、半導体デバイス７’内に一体化されず、別個の素子として半導体デバイス７’の上に配置されている。

本発明により、熱源、特に電子部品の効率的な冷却が達成されることができる。マイクロ・ジェットをスイープ・モードで動作させることにより、冷却チャネル内での再循環領域の発生が効果的に防止され、好ましい方向への冷媒の流れが誘起されることができる。従って、冷媒の巨視的な移送がスイープによって生じさせられることができ、それによって高い熱流束の効果的な冷却が可能になる。

本発明による、単一の誘起されたマイクロ・ジェットの一実施形態を示す。 連続モードで作動される、誘起されたマイクロ・ジェットの配列を示す。 本発明による、スイープ・モードで動作される誘起されたマイクロ・ジェットの配列を示す。 図３に示すマイクロ・ジェットの流量を示す。 様々なパルス波形を示す。 本発明による誘起されたマイクロ・ジェットの配列を示す。 スイープ・モードの第１の実施形態を示す。 スイープ・モードの第２の実施形態を示す。 スイープ・モードの第３の実施形態を示す。 スイープ・モードの第４の実施形態を示す。 半導体デバイスと一体化された冷却アセンブリの実施形態を示す。 冷却デバイス及び半導体デバイスが上部に装着された回路基板の実施形態を示す。

符号の説明

１ マイクロ・ジェット
２ 熱源
１０ 入口
１１ 出口
１２ マイクロ・チャネル
１３ 誘起手段
１４ 制御装置
３１ 淀み点
３２ 分流点
１００ 冷却アセンブリ

Claims (17)

1. 冷媒を用いて熱源を冷却するための冷却アセンブリであって、
   制御信号に応答して前記熱源上に冷媒を噴出するようになされた複数のマイクロ・ジェットと、
   前記マイクロ・ジェットからの前記冷媒の噴出を制御するようになされた制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記マイクロ・ジェットが順次前記冷媒を噴出するスイープ・モードで前記マイクロ・ジェットからの前記冷媒の噴出を制御するようになされたことを特徴とする冷却アセンブリ。
2. 前記マイクロ・ジェットが、
   前記冷媒の流入のための入口と、
   前記冷媒の噴出のための出口と、
   前記入口から前記出口に前記冷媒が流れるためのマイクロ・チャネルと、
   前記マイクロ・チャネル内の前記冷媒における速度変動を誘起させる誘起手段と、を備え、
   前記熱源の表面に対して垂直に配列される、請求項１記載の冷却アセンブリ。
3. 前記誘起手段が、圧電結晶、圧電セラミクス、又はウーファ、並びに前記誘起を制御する制御装置を備える、請求項２記載の冷却アセンブリ。
4. 前記冷媒は、流体又は気体である、請求項１記載の冷却アセンブリ。
5. 前記誘起手段の誘起周波数が２００Ｈｚより低い、又は１０ｋＨｚより高い周波数範囲である、請求項２記載の冷却アセンブリ。
6. 前記マイクロ・チャネルの直径が、１０μｍから１０ｍｍの範囲である、請求項２記載の冷却アセンブリ。
7. 前記熱源の表面から前記マイクロ・ジェットの前記出口までの距離が、０．１ｍｍから２０ｍｍの範囲である、請求項２記載の冷却アセンブリ。
8. 前記マイクロ・ジェットが、
   前記冷媒の流入のための入口と、
   前記冷媒の噴出のための出口と、
   前記入口から前記出口に前記冷媒が流れるためのマイクロ・チャネルと、
   前記マイクロ・チャネル内の前記冷媒に速度変動を誘起させる誘起手段と、を備え、
   前記熱源の表面に対して傾斜した角度で配置される、請求項１記載の冷却アセンブリ。
9. 前記複数のマイクロ・ジェットが、２次元配列のマイクロ・ジェットとして配列される、請求項１記載の冷却アセンブリ。
10. 前記冷媒が中央から外側のマイクロ・ジェットに順次噴出されるように、又はその反対に、前記制御装置が前記冷媒の噴出を制御するようになされた、請求項９記載の冷却アセンブリ。
11. 前記冷媒が、マイクロ・ジェットから偶数及び奇数の行又は列で交互に噴出されるように、前記制御装置が前記冷媒の前記噴出を制御するようになされた、請求項９記載の冷却アセンブリ。
12. 噴出された冷媒の流れが所定の方向に誘起されるように、前記制御装置が前記冷媒の前記噴出を制御するようになされた、請求項９記載の冷却アセンブリ。
13. 前記マイクロ・ジェットが、バイアス流量に従って少ない量の冷媒を連続的に噴出させ、追加の流量に従って所定時間中により多くの量の冷媒を噴出させるように、前記制御装置が前記マイクロ・ジェットを制御するようになされた、請求項１記載の冷却アセンブリ。
14. 所定時間中のみ冷媒が噴出されるように、前記制御装置がマイクロ・ジェットを制御するようになされた、請求項１記載の冷却アセンブリ。
15. 半導体素子と、
    前記半導体素子を冷却するため、前記半導体素子と一体化された請求項１記載の冷却アセンブリとを備える半導体デバイス。
16. 半導体デバイスと、
    前記半導体デバイスを冷却するように配列された請求項１記載の冷却アセンブリとを備える回路基板。
17. 冷媒を用いて熱源を冷却するための冷却方法であって、
    複数のマイクロ・ジェットを使用して、制御信号に応答して前記冷媒を前記熱源の上に噴出するステップと、
    前記マイクロ・ジェットが順次前記冷媒を噴出するスイープ・モードで前記マイクロ・ジェットからの前記冷媒の噴出を制御するステップとを備える冷却方法。

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