JPH0783077B2 - 一体化されたヒートパイプと電子回路組立体およびそれらを一体化する方法 - Google Patents

一体化されたヒートパイプと電子回路組立体およびそれらを一体化する方法

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JPH0783077B2
JPH0783077B2 JP5020852A JP2085293A JPH0783077B2 JP H0783077 B2 JPH0783077 B2 JP H0783077B2 JP 5020852 A JP5020852 A JP 5020852A JP 2085293 A JP2085293 A JP 2085293A JP H0783077 B2 JPH0783077 B2 JP H0783077B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱伝導および冷却装置に
関するものであり、更に詳しく言えば、高熱束用途のた
めの最適化された高効率熱伝導装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】等温表面熱伝導のためにヒートパイプを
用いることが文献に良く記載されている。ヒートパイプ
は高効率熱伝導機構として１９４０年代に最初に認めら
れ、その後１９６０年代および１９７０年代中に、宇宙
船における熱伝導問題に関連して最適化された。上記ヒ
ートパイプの動作は周知であって、金属その他の高熱伝
導材料で製作され、排気された蒸気室の内部に含まれて
いる作動流体が、ヒートパイプに密着させられている加
熱されている物体を熱源とするある熱束によって局部的
に沸騰させられる。その後、蒸発した作動流体分子が加
熱されている領域から急速に流れ去り、ある距離だけ離
れている冷却器凝縮器表面で凝縮させられる。それか
ら、凝縮させられた作動流体は加熱されている領域へ付
着されているウィックを伝わって戻される。凝縮した流
体は毛管作用の下にそのウィックに沿って動く。非常に
迅速で効率的な蒸発および凝縮サイクルが可能であり、
それにより簡単な熱伝導、銅のような高熱伝導金属の熱
伝導より何倍もヒートパイプの熱束を増大し、熱伝導性
能を向上させる。ヒートパイプの主な利点は、加熱され
る物体の表面温度を合理的なパワー密度に対して１℃よ
りも良く維持できることである。
【０００３】現在は、ヒートパイプ組立体は蒸気室と、
凝縮管と、それらの凝縮管へ取付けられたひれのような
熱交換表面とを含む全てを備えたユニットで構成され
る。図１Ａに示すように、従来のヒートパイプ組立体は
蒸発器５を有し、この蒸発器へ凝縮管６が取付けられ、
凝縮管６にひれ７が取付けられる。蒸発器５には熱ウィ
ック５ａが既知のやり方で付着される。同様に、凝縮管
６の内面にウィック材料６ａが付着される。蒸発器５の
内部から排気した後で不活性作動流体１５を注入し、蒸
発器５と凝縮管６の内部を密封する。加熱される物体に
よる蒸発器５への熱入力に従って作動流体は蒸発−凝縮
サイクルを行わされる。このようにして製作されたヒー
トパイプ組立体は、留められ、溶接され、またはその他
のやり方で電子回路モジュール３へ機械的および熱的に
密着させられる。ヒートパイプ組立体を加熱される物体
へ取付けるためにクランプを用いる場合には、加熱され
る物体とヒートパイプ組立体との間に熱伝導媒体を付着
せねばならない。通常の状況の下では平らであると考え
られる物体の場合でも上記したことを行う必要がある。
なぜなら適切な接触面積を妨げ、それにより加熱される
物体からヒートパイプ蒸発器への効率的な伝導を妨害す
るように表面形状が変動することがあるからである。そ
のため熱伝導媒体４が回路モジュール３と蒸発器５の間
に配置される。従来技術で知られているように、電子回
路素子１は適切なダイ取付け物質２により回路モジュー
ル３へ取付けられる。熱伝達媒体４は組立体全体の熱イ
ンピーダンスに対する特性熱インピーダンスに寄与し
て、ヒートパイプ蒸発器５と、ヒートパイプ組立体によ
り冷却する加熱される回路モジュール３との熱インピー
ダンスへ付加する。ここで、図１Ａに示されているヒー
トパイプ組立体の熱抵抗ネットワークのモデルが示され
ている図１Ｂを少し参照する。回路モジュール３を含む
ヒートパイプの構成部品により寄与される熱インピーダ
ンスは付加的であって、凝縮管６とひれ７により熱を除
去する温度勾配に抵抗する全熱インピーダンスを生ずる
ことがわかる。
【０００４】熱伝導媒体４（たとえば、熱伝導グリー
ス）による熱インピーダンスに対する寄与は、従来は取
るに足らなかった、とくに熱伝導表面が広い場合、また
は液体冷却、低熱束等によって熱伝導機構がとくに効率
的である場合には取るに足らなかった。しかし、冷却す
べき加熱される物体が極めて小型になり、しかも高いパ
ワー密度と高い熱束を発生するようになってきた近年
は、ある種の熱伝達機構が次第に重要になってきた。そ
のような小型で、しかも高パワー物体の例には極めて高
い電流の計算用電子装置、またはおそらくは軍用レーダ
その他のインスツルメンテーション装置が含まれること
がある。そのような高パワーかつ小型の装置において
は、発熱物体（この場合には電子回路モジュール３）へ
取付けるために用いられる熱伝達媒体４は、装置の全熱
インピーダンスにとってはもはや無視できない熱インピ
ーダンスとなる。むしろ、熱伝達媒体４による熱インタ
ーフェイスは、熱インピーダンスを制御しないと十分に
大きく、それにより装置全体の熱伝達性能を制限する。
加熱される物体とヒートパイプの間の接触表面積を広く
するために用いられる熱伝達媒体４が装置の全インピー
ダンスに対するおもな寄与源である重要な用途において
は、冷却装置の熱伝達性能を向上させるためにはそのよ
うな熱インターフェイスを完全に無くすことが望まし
い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以下の説明で述べるよ
うに、本発明はヒートパイプ熱伝達応用において熱伝達
媒体インターフェイスを完全に無くすことにより、寸法
とパワー密度が重要である用途に対して極めて効率的な
最適化されたヒートパイプ熱伝達装置の構造を得られる
ようにする方法および装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】最適化された一体化ヒー
トパイプおよび電子回路モジュール装置のための方法お
よび装置を開示する。好適な実施例においては、一方の
側に電子回路部品が取付けられているマルチチップ・モ
ジュールが予めメタライゼーションされている電子回路
部品の反対側へ取付けられ、その後で焼結されたウィッ
クが付着される。マルチチップ・モジュールの組立体お
よび関連する電子的検査が終わった後で、ヒートパイプ
蒸発器の蒸発室と凝縮器の組立体がマルチチップ・モジ
ュールとウィックの組立体へ取付けられ、その後で、蒸
発室が排気される。最後に、その蒸発室に適切な量の作
動流体が注入され、その蒸発室は密封される。このよう
にして製作され、熱源とヒートパイプ組立体蒸発器領域
の間に存在する熱インターフェイスは、本発明において
は、発熱マルチチップ・モジュールへウィックを付着す
ることにより最低にされる。好適な実施例においては、
マルチチップ・モジュールからヒートパイプへ伝えられ
る熱束が２倍にされる。
【０００７】
【実施例】この明細書においては、最適化された一体ヒ
ートパイプおよび電子回路モジュール装置のための方法
および装置を開示する。以下の説明においては、本発明
を完全に理解できるようにするために、特定の数、パワ
ー密度、熱伝達係数等について述べる。しかし、それら
の特定の詳細なしに本発明を実施できることが当業者に
は明らかであろう。他の場合には、本発明を不必要にあ
いまいにしないようにするために、周知の装置はブロッ
ク図で示す。
【０００８】まず、一体ヒートパイプおよび電子回路モ
ジュール２０が示されている図２を参照する。この一体
ヒートパイプおよび電子回路モジュール２０はマルチチ
ップ・モジュール基板２２で構成される。その基板へい
くつかの電子回路素子２３が装置される。それらの電子
回路素子２３は、既知のやり方で付着される多数の電気
的経路（図示せず）を介して相互に接続される。マルチ
チップ・モジュール基板２２の、電子回路素子２３が装
着されている側とは反対の側にウィック構造２５が取付
けられる。ウィック２５として取付けることができる材
料は、作動流体の種類と、ウィック材料を取付ける表面
とを含めて、遭遇する用途の状況に従って変えられる。
しかし、本発明の実施例において利用されるマルチチッ
プ・モジュールは大電力チップを含み、マルチチップ・
モジュール基板２２を製作するために用いられる材料
は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムのような
セラミックである。マルチチップ・モジュール基板２２
のために窒化アルミニウムのようなセラミックが用いら
れる場合には、ウィック物質２５を付着する前に、ウィ
ック物質２５を受ける表面をベース層すなわち最初の層
２５ａで前処理する必要がある。本発明の好適な実施例
においては、ウィック物質２５は焼結銅で構成される。
したがって、焼結銅が容易に付着する物質より成る最初
の層２５ａを付着することにより、マルチチップ・モジ
ュール基板２２のウィック側へ「最初に付着する」必要
がある。ここで説明する好適な実施例においては、最初
の層２５ａは、チタンの第１の層と、高純度銅の第２の
層とで構成される。両方の材料は、たとえば、蒸着また
はスパッタリングにより付着できる。ウィック物質２５
は最初の層２５ａと共に、電子回路素子２３と導電性経
路をマルチチップ・モジュール基板２２の製造の前と後
のいずれに行うかは、ウィック物質２５を付着するプロ
セス環境の厳しさに依存する。ウィック物質２５の付着
プロセスが電子回路素子２３を厳しい環境すなわち有害
な環境にさらす場合には、ウィック物質２５は最初の層
２５ａと共に、電子装置を取付ける前にマルチチップ・
モジュール基板２２へ付着すべきであり、その後でマル
チチップ・モジュール基板２２への電子装置の組立体中
に接着テープまたは接着ワックスのような適当な保護層
で保護せねばならない。
【０００９】全ての電子回路素子２３がマルチチップ・
モジュール２２へ取付けられると、そのマルチチップ・
モジュール２２を組合わされている蒸発器／凝縮器ユニ
ット２６に結合できる。蒸発器／凝縮器ユニット２６は
従来技術に従って形成され、蒸発器部分２７と、凝縮器
２８と、水平方向へ延長する複数のひれ２９とで構成さ
れる。凝縮器管２８の内面へウィック物質（図示せず）
が付着される。これは基板２２へ付着されるウィック物
質２５に類似する。蒸発器／凝縮器ユニット２６は、そ
れが使用される特定の用途の要求に従って予め製作さ
れ、マルチチップ・モジュール２２の製作とテストの後
でのみ取付けられることがわかる。この点で、本発明の
利点は、発熱物体、この場合にはマルチチップ電子回路
モジュール、へ別々のヒートパイプ組立体が取付けられ
ていた従来のヒートパイプに従来存在していた熱インタ
ーフェイスを無くしたことに存することに注目すべきで
ある。図２からわかるように、マルチチップ・モジュー
ル基板２２は介在するインターフェイス無しに、蒸発器
／凝縮器ユニット２６を直接受ける。熱ウィック（５
ａ，図１Ａ）がヒートパイプ蒸発器（５，図１Ａ）の裏
側へ取付けられ、それから発熱物体へ取付けられる従来
のヒートパイプ装置とは異なって、本発明においては、
ウィック物質２５は発熱物体、すなわち、マルチチップ
・モジュール基板２２へ直接取付けられる。熱伝達媒体
４により寄与される熱グリース・インターフェイスを無
くすことにより（先の図１に示すように）、図２に示さ
れているヒートパイプ電子回路モジュール組合わせ２０
の全熱インピーダンスを大幅に低下させることができ
る。本発明は、熱束、表面積、全パワー等のような特定
の制約のために装置全体が熱伝達性能の極端な限界に置
かれるという動作状況において特定の利益を生ずるもの
である。とくに、図３に示されている熱伝達媒体４によ
り寄与される熱インターフェイスを無くすだけで、ヒー
トパイプ電子回路モジュール組合わせ２０の全熱インピ
ーダンスを５０パーセント低下できる。
【００１０】マルチチップ・モジュール２２の適切な位
置に蒸発器／凝縮器ユニット２６を位置させて、継ぎ目
溶接、低温溶接、はんだづけ、またはろうづけを含む既
知のいくつかの密封シール法を用いて、蒸発器／凝縮器
ユニット２６をマルチチップ・モジュール２２へ密封す
る。その後で、マルチチップ・モジュール基板２２と蒸
発器２７の内部容積により形成されている蒸発室の中
へ、水のような適切な不活性作動流体が少量注入され、
その後で蒸発室は最終的に密封される。低温溶接はマル
チチップ・モジュール基板２２と、蒸発器／凝縮器ユニ
ット２６の蒸発器２７との間に形成されているシールと
インターフェイスとに、温度サイクルによる熱ストレス
をひき起こさないので、低温溶接が好適な実施例におい
てはとくに望ましい。あるいは、市販されているシーム
溶接機はほぼ完全な溶接部を生じて、低温溶接法で得ら
れる溶接部に匹敵する密封の一体性を確保する。
【００１１】次に、蒸発器／凝縮器ユニット２６へ結合
されているマルチチップ・モジュール基板２２の側面図
が示されている図３Ａを参照する。図３Ａには、発熱電
子回路部品を作動流体環境内に入れることなしに、その
部品に対して物理的に最も近くで作動流体３５の蒸発お
よび凝縮サイクルが起きることが示されている。したが
って、一体のヒートパイプ電子回路モジュール・ユニッ
ト２０の全熱インピーダンスは、電子回路部品２３とマ
ルチチップ・モジュール基板２２の間のダイ取付け物質
３０により寄与される熱インピーダンスと、マルチチッ
プ・モジュール基板２２自体のセラミック材料により寄
与される熱インピーダンスとでのみ構成される。図３Ｂ
には図３Ａの一部の拡大図が示されている。図３Ｂにお
いて、マルチチップ・モジュール基板２２の周縁部が接
合剤３３により蒸発器２７へ取付けられている様子が示
されている。前記のように、好適な実施例は、洩れなし
シールを達成するための接合剤３３のために溶接または
ろう付けされる材料を用いる。更に、図３Ｃに示すよう
に、図３Ｂの一部の拡大図が示されており、蒸発器２７
が適切な接合剤３３を介してマルチチップ・モジュール
基板２２へ接合され、ウィック２５が二層の最初の層２
５ａを介してマルチチップ・モジュール基板２２へ取付
けられる。
【００１２】図１Ｂに示されている熱インピーダンスモ
デルに類似して、本発明の最適化された一体ヒートパイ
プ電子回路モジュール・ユニットに対する等価モデル熱
インピーダンスが図３Ｄに示されている。図１Ｂに示さ
れているインピーダンスモデルとは対照的に、図１Ａに
示されている熱伝達媒体４および銅蒸発器５の熱インピ
ーダンスが本発明により無くされた。それにより、図
２、図３Ａ〜Ｃに示されている本発明の熱性能が向上
し、全熱インピーダンスが少なくなっていることが図３
Ｄから容易にわかる。本発明の好適な実施例における熱
インピーダンスの５０％低下により、図１Ａに示されて
いる従来のヒートパイプ組立体で達成される熱効率と熱
伝達性能の実際に２倍の熱効率と熱伝達性能が達成され
ることを当業者はわかるであろう。
【００１３】本発明のマルチチップ・モジュール基板２
２をここでは酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウム
で形成されたものとして説明してきたが、より高い熱束
またはより高いパワー熱伝達応用のためには、酸化アル
ミニウムまたは窒化アルミニウムの代わりに別の材料を
使用できることがわかる。たとえば、マルチチップ・モ
ジュール基板２２を形成するために酸化ベリリウムまた
はダイアモンド製の基板を使用でき、それにより熱伝導
率を窒化アルミニウムより１５０％〜２０００％高くで
きる。別の基板材料への焼結銅ウィックの高品質接着を
達成するために、最初の層２５ａを適切に変更すること
も必要である。更に、電子回路部品２３とダイ取付け物
質３０とにより生ずる熱インピーダンスは、電子部品２
３のシリコン基板を薄くすることにより最低にできる。
電子部品のシリコン基板を薄くするための適当な方法
は、たとえば、元の厚さの２０％までシリコン基板をラ
ッピングすることにより、シリコンの底面を光学的に平
らにすることを含めて、過剰なシリコンを研磨で除去す
ることである。そのような極めて平らな表面を、接着を
含めた通常の接合技術を用いて、マルチチップ・モジュ
ール基板２２へ取付け、しかも、発熱電子部品２３から
マルチチップ・モジュール基板２２への優れた熱伝導を
達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱インターフェイスを有する従来のヒートパ
イプおよび発熱物体組立体とその組立体の熱インピーダ
ンスのモデルを示す。
【図２】 本発明の最適化されたヒートパイプおよび発
熱物体の組立体を示す。
【図３】 本発明の最適化されたヒートパイプ組立体の
側面図と、電子回路モジュールへ直接付着されている熱
ウィックと、ヒートパイプ組立体の拡大側面図と、本発
明の最適化されたヒートパイプの熱インピーダンスを示
す。
【符号の説明】
２５ ウィック物質 ２５ａ 最初の層 ２６ 蒸発器／凝縮器ユニット ２７ 蒸発器部分 ２８ 凝縮器管 ２９ ひれ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イーサン・エッテハディ アメリカ合衆国 94706 カリフォルニア 州・アルバニイ・ピアス ストリート ナ ンバー1205・555 (72)発明者 ジョン・シュルテ アメリカ合衆国 94043 カリフォルニア 州・マウンテン ビュー・デヴォンシア アヴェニュ ナンバー６・38 (56)参考文献 特開 昭58−25248（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 最適化された一体化されたヒートパイプ
    と電子回路組立体において、 上面及び底面と、周縁部とを有し、前記底面に取り付け
    られた複数の発熱電子回路素子を含む熱伝導マルチチッ
    プ回路モジュールと； 前記マルチチップ回路モジュールの上面に密封結合され
    且つその上面を囲み、前記発熱電子回路素子により発生
    された熱を受けたときに蒸発作動流体蒸気を発生する作
    動流体を封入しているヒートパイプ手段と； 前記マルチチップ回路モジュールの上面に接着され且つ
    その上面をほぼ覆うように延在するチタンの層と； 前記チタンの層に接着され且つその層をほぼ覆うように
    延在する高純度銅の層と； 前記高純度銅の層に接着され且つその層をほぼ覆うよう
    に延在し、前記マルチチップ回路モジュールの発熱領域
    へ前記作動流体を引込む熱ウィックとを具備する組立
    体。
  2. 【請求項２】 最適化且つ一体化されたヒートパイプと
    電子回路組立体において、 上面及び底面と、周縁部とを有し、前記底面に取り付け
    られた複数の発熱電子回路素子を含み、ダイヤモンドか
    ら成る熱伝導マルチチップ回路モジュールと； 前記マルチチップ回路モジュールの上面に密封結合され
    且つその上面を囲み、前記発熱電子回路素子により発生
    される熱を受けたときに蒸発作動流体蒸気を発生する作
    動流体を封入しているヒートパイプ手段と； 前記マルチチップ回路モジュールの上面に接着され且つ
    その上面をほぼ覆うように延在するプライマ層と； 前記プライマ層に接着され且つその層をほぼ覆うように
    延在し、焼結銅から形成されており、前記マルチチップ
    回路モジュールの発熱領域へ前記作動流体を引込む熱ウ
    ィックとを具備する組立体。
JP5020852A 1992-01-14 1993-01-14 一体化されたヒートパイプと電子回路組立体およびそれらを一体化する方法 Expired - Lifetime JPH0783077B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/820,569 US5216580A (en) 1992-01-14 1992-01-14 Optimized integral heat pipe and electronic circuit module arrangement
US820569 2001-03-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH07142652A JPH07142652A (ja) 1995-06-02
JPH0783077B2 true JPH0783077B2 (ja) 1995-09-06

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