KR100321554B1 - 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치 - Google Patents

전자 소자를 냉각시키기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

장치는 전자 소자(10)를 수용하도록 하는 크기의 구역을 구비한 가요성 인쇄 배선 장치(18)와, 가요성 인쇄 배선 장치 내에 배치된 채널(28)을 포함한다. 채널은 유입단(32)과 배출단(34)을 구비하고 내부에 배치된 오리피스(36)를 구비한다. 유입단은 유체를 수용하고, 유체는 채널을 통해 오리피스로 분배되고, 오리피스는 유체를 그 구역으로 유도하여 전자 소자가 그 구역 내에 배치될 때 유체는 전자 소자와 직접 접촉하게 된다.

Description

전자 소자를 냉각시키기 위한 장치 {APPARATUS FOR COOLING AN ELECTRONIC COMPONENT}
글래스-충전 에폭시, 알루미나, 세라믹 또는 플라스틱 회로 기판과 같은 단단한 표면에 장착되는 집적 회로, 멀티-칩 모듈, 수동 소자 및 라디오 주파수(RF) 전력 트랜지스터와 같은 전자 소자들이 정상 작동 중에 냉각을 필요로 하는 열원으로 될 수 있다.
전통적으로, 전자 소자들은 전자 소자를 지나거나 또는 그 전자 소자에 부착된 히트 싱크(heat sink)를 지나는 상당한 공기 운동량을 수반하는 자연 또는 강제 공기 대류에 의해 냉각되어 왔다. 그러나, 전자 장치의 발전으로 인해 종래의 자연 또는 강제 대류의 공기 냉각 성능을 초과하는 전력 밀도를 갖는 몇몇 전자 장치로 된다.
냉각판, 증발성 분무 냉각 및 제트식 충돌 냉각은 전자 소자에 의해 발생된 열을 방산시키기 위해 공기 보다는 액체 냉각제를 이용하는 열 제어 기술의 예이다.
냉각판은 대개 공냉식 히트 싱크를 위한 직접 열 교환을 위한 것이고, 그 냉각판에서 물 또는 또 다른 액체는 히트 싱크가 본래 장착된 내부 통로를 통해 흐르게 된다.
열 생성 전자 소자를 가요성 폴리이미드 인쇄 배선 표면에 장착하고, 전자 소자를 내장한 인쇄 배선 표면을 냉각판 상에 직접 배치시키는 것이 제안되어 왔다.
그러나, 이러한 기술은 시트의 표면 상에 배치된 각각의 전자 소자와 같은 주 열원 보다는 가요성 시트의 전체 표면을 냉각시킨다. 또한, 냉각판의 열 전달 성능은 열이 대개 냉각판 내의 유체에 도달하기 전에 몇몇 경계면을 통과해야 하기 때문에, RF 트랜지스터와 같은 큰 전력 전자 장치에 적절하게 되지 않을 수 있다.
증발성 분무 냉각 또는 2상 냉각은 분무화된 유체 액적의 전자 소자와 같은 열원의 표면 상에 직접 또는 간접적인 분무의 특징을 이룬다. 제트식 충돌 냉각은 냉각제 유체의 고속 좁은 흐름을 오리피스로부터 냉각될 전자 소자의 표면를 향한 유도를 수반하게 된다. 유체가 전자 소자의 표면 상에서 충돌할 때, 합성 흐름 필드는 단상 또는 증발성 냉각을 이용한 높은 열전달율을 지지할 능력이 있게 된다.
분무 냉각 및 제트식 충돌 냉각과 같은 냉각 기술이 종종 종래의 인쇄 회로 기판에 장착된 전자 소자를 냉각시키는 바람직한 방법이기는 하지만, 그러한 회로 기판의 강성 성질은 냉각 유체가 높은 열 생성 소자에 도달할 수 있도록 그들이 3차원 공간 내에 배치되는 것을 어렵게할 수 있다. 또한, 재료 및 노동 비용은 증가될 수 있고 종종 액체 냉각의 이득이 되는 공간 효율성은 실현되지 않을 수 있다.
따라서, 분무 냉각 또는 제트식 충돌 냉각을 이용한 가요성 배선 표면에 장착된 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치 및 방법에 대한 필요성이 존재하게 되며, 그 장치 또는 방법은 가요성 배선 표면에 통합되고, 공간 효율적이며 제작이 간단하다.
본 발명은 대개 열원의 냉각에 관한 것이고, 특히 가요성 인쇄 배선 장치에 장착된 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
도1은 종래의 전자 소자의 사시도.
도2는 본 발명의 하나의 태양에 따른 도1에 도시된 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치의 사시도 및 폐-루우프 유체 흐름을 갖는 냉각 장치와 함께 장치의 작동을 도시한 도면.
도3은 본 발명의 또 다른 태양에 따른 도1에 도시된 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치의 사시도.
도4는 발명의 또 다른 태양에 따른 도1에 도시된 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치의 일부 절개 사시도.도5는 도2의 선 A-A를 따라 절개한 단면도.
본 발명의 태양에 따라, 앞서의 필요성은 전자 소자를 수용하도록 하는 크기의 구역을 구비한 가요성 인쇄 배선 장치와 가요성 인쇄 배선 장치 내에 배치된 채널을 포함하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치에 의해 제기된다. 채널은 유입단과 배출단을 구비하고 내부에 배치된 오리피스를 구비한다. 유입단은 유체를 수용하고, 유체는 채널을 통해 오리피스로 분배되고 오리피스는 유체를 그 구역을 향해 유도하여, 유체는 전자 소자가 그 구역 내에 배치될 때 전자 소자와 직접 접촉하게 된다.
본 발명의 장점은 그 기술 분야에 숙련된 자라면 도면에 도시되고 상세한 설명에 설명된 본 발명의 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 쉽게 알 수 있을 것이다. 분명히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다른 상이한 실시예로 될 수 있으며, 그 세부 내용은 다양한 면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본래 설명을 위한 것이지 제한하기 위한 것은 아니다.
이제 도면을 참조하면, 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타내며, 도1은 전형적인 전자 소자(10)의 사시도이다. 전자 소자(10)는 몇몇 단자(14), 기부(17), 덮개(16), 및 덮개(16)에 의해 보호되는 (도시되지 않은) 하나 이상의 다이를 포함한다.
전자 소자(10)는 일예로 모토롤라사로부터 주문 번호 SRF701인 플랜지가 부착되지 않은 RF 전력 트랜지스터와 같은 NPN 실리콘 라디오 주파수(RF) 전력 트랜지스터로 될 수 있다. 전자 소자(10)에 대한 참조는 도1에 도시된 전자 소자(10) 뿐만 아니라 수동 소자, 모든 형태의 집적 회로, 멀티-칩 모듈 및 하이브리드 회로를 포함하는 상이한 형태의 전력 트랜지스터 및 완전히 상이한 전자 소자에 적용되는 것으로 이해된다.
도2에 도시된 대로, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도1에 도시된 전자 소자는 듀우폰사로부터 입수 가능한 상표명 캡톤(Kapton) 가요성 시트와 같은 가요성 인쇄 배선 장치(18)에 장착된다. 다른 적절한 가요성 재료는 듀우폰사로부터 입수 가능한 상표명 노멕스(Nomex)와 상표명 마일라(Mylar) 재료와, 실리콘 고무 및 테프론을 포함한다.
가요성 인쇄 배선 장치(18)는 바람직하게 캡톤 가요성 시트와 같은 폴리아미드 재료로 된 2 개의 층(20, 21)을 포함한다. 대안으로, 폴리이미드 재료로 된 단일층이 이용될 수 있다. 가요성 인쇄 배선 장치(18)는 제1 측면(22)과 제2 측면(23)을 구비하게 된다.
층(20)은 공지된 방법에 따라 그 위에 제작된 전자 소자(10) 및 다른 회로를 구비한다. 일예로, (도시되지 않은) 전기적 배선은 층(20) 안으로 에칭될 수 있고 전자 소자(10)는 전자 소자(10)를 수용하도록 하는 크기의 전기적 배선을 따르는 구역에 물리적 및 전기적으로 연결될 수 있다.
하나 이상의 유체 분배 채널(28)은 일예로 제1 및 제2층(20, 21) 사이의 가요성 인쇄 배선 장치(18) 내에 배치될 수 있다(도5 참조). 가요성 인쇄 배선 장치(18) 내에 채널(28)을 성형하는 하나의 방법은 접착제(도5에서 흑색 층으로 도시한 부분)를 층들(20, 21) 사이의 특정 구역(30)에 도포하고 접착제를 다른 구역에는 도포하지 않는 것이다. 그후, 채널(28)은 접착제가 없는 구역에 형성될 수 있다. 유체 분배 채널(28)은 다중 채널(28)이 동일한 유입단 및 배출단을 공유하더라도 대개 서로 결합된 유입단(32) 및 배출단(34)을 구비하게 된다. 마찬가지로, 하나의 채널(28)은 다중 유입단 및 배출단을 구비한다. 층들(20, 21)은 접착제를 통해 영구 고정되는 것이 바람직하지만, 그 층들은 다양한 다른 방법을 이용하여 부착될 수 있다.
하나 이상의 오리피스(36)는 유체 분배 채널(28) 내에, 바람직하게는 전자 소자(10) 하방에 배치된다(도5 참조). 오리피스(36)는 전자 소자(10)를 향해 유체를 가속하도록 형성된 구멍일 수 있거나, 유체를 미립화시키고 미립화된 유체를 전자 소자(10)상에 분무하는 데에 적절한 노즐, 또는 그를 위한 수용부일 수 있다. 오리피스(36)는 둥글거나 직사각형 또는 또 다른 적절한 형태를 포함한 임의의 기하학적 형태로 될 수 있다.
노즐이 채용되는 경우에, 노즐은 임의의 적절한 재료로 제작될 수 있는 단순한 압력-소용돌이 분무기와 같은 소형 분무기인 것이 바람직하다. 단순한 압력-소용돌이 분무기는 본 명세서에 참고로 기재되고 틸톤(Tilton)등에게 특허 허여된 미국 특허 제5,220,804호에 상세히 기재되어 있고, 아이서써멀 시스템즈 리서치, 인크.(Isothermal Systems Research, Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능하다.
도2는 또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자 소자(10)를 냉각시키기 위한 폐-루우프 장치의 작동을 도시한 것이다. 관(52)을 통해 유체 유입단(32)에 연결된 유체 펌프(50)는 물, 부동액 또는 유전성 냉각제(dielectric coolant)와 같은 임의의 냉각제로 될 수 있는 (도시되지 않은) 냉각제 유체를 유체 분배 채널(28)에 공급한다. 관(52)은 일예로 (도시되지 않은) 미늘식(barbed) 끼워맞춤 용구를 이용하여, 또는 임의의 다른 적절한 수단에 의해 유체 유입단(32)에 결합될 수 있다.
유체는 채널(28) 안으로 오리피스(36)를 통해 통과하며, 오리피스(36)는 유체를 가속시키고 유체를 전자 소자(10)상에 충돌시킨다. 유체는 전자 소자(10)가 가요성 인쇄 배선 장치(18)에 장착되는 방향에 따라 전자 소자(10)의 하방측 상에, 또는 전자 소자(10)의 상부측 상에 직접 충돌하게 될 수 있다. 또 다른 열 전달 이점은 유체의 흐름으로부터 전자 소자(10) 근방의 채널(28)을 통해 단지 실현될 수 있다. 또한, 또 다른 유체 분배 채널(28)이 전자 소자(10)의 근방에 배치되면, 그 채널이 전자 소자(10)로부터 열 전달을 향상시킬 수 있다.
오리피스(36)는 유체의 충돌점이 가장 큰 열 발생 구역 또는 전자 소자(10)의 구역에 거의 정렬되도록 형성되는 것이 바람직하다. 유체는 오리피스(36)로부터 가요성 인쇄 배선 장치(18)의 제1 측면(22)에 일정 각도로 바람직하게는 제1 측면(22)에 직각으로 배출될 수 있고, 전자 소자(10)로 되거나, 또는 전자 소자(10) 및 오리피스(36) 사이에 배치된 (도시되지 않은) 또 다른 얇은 부재와 충돌할 수 있다.
가열된 유체는 유체 배출단(34)을 통해 가요성 인쇄 배선 장치(18)를 나가기 전에 관통 분배 채널(28) 상에서 지속될 수 있다. 유체의 일부는 채널(28)의 외부에 잔류하게 되고 임의의 적절한 수단에 의해 수집될 수 있다.
관(54)에 의해 펌프(50)에 연결되고 관(56)에 의해 유체 배출단(34)에 연결된 열 교환기(53)는 유체 배출단(34)으로부터 유체를 수용한다. 열 교환기(53)는 유체로부터 열을 버리고, 그것을 주로 액상으로 돌려 보낸다. 팬(58)은 열 교환기(53)의 냉각 용량을 신장하도록 이용될 수 있다. 냉각된 유체는 열 교환기(53)로부터 펌프(50)로 공급된다. 따라서, 냉각제의 폐-루우프 흐름이 형성된다. 임의의 주어진 지점에서 냉각제는 증기, 액체인 단상 또는 증기와 액체의 혼합물인 2상으로 될 수 있음을 알 수 있다.
냉각제의 흐름을 제공하기 위한 임의의 통상적인 수단은 본 발명의 기술된 실시예와 연관하여 이용될 수 있고, 하나 이상의 장치가 하나의 냉각제 공급원에 연결되거나 또는 하나 이상의 냉각제 공급원이 일예로 여분의 목적으로 하나의 장치에 연결될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 개방-루우프 유체 흐름은 본 발명의 다양한 태양과 함께 이용될 수 있음을 알 수 있다.
유체 펌프(50), 열 교환기(53) 및 팬(58)의 크기는 열 제거 및 유량 요건을 기초로 선택되어야 한다. 일예로, 전형적인 폐-루우프 유체 흐름은 500 내지 1000 와트의 열 방산 동안 분당 500 내지 1000 밀리리터이다. 수용 가능한 배관 및 이음쇠 뿐만 아니라 다양한 크기의 펌프 및 열 교환기 조립체는 다른 공동 공급원 뿐만 아니라 일리노이주 소재의 버논 힐즈(Vernon Hills)의 콜 파머(Cole-Parmer)로부터 입수 가능하다.
전체적인 전자 모듈로부터 보다는 각각의 전자 소자로부터의 직접 열 제거는 전자 소자의 작동 온도를 줄이는 데 도움을 주고, 열적 변동 및 결합 열적 응력의 감소를 통해 신뢰성을 증가시킨다. 또한, 낮은 유량에서의 효율적인 열 전달이 실현될 수 있다.
공개된 장치 및 방법은 또한 본 발명의 또 다른 태양에 따라 전자 소자(10)를 냉각시키기 위한 장치의 사시도인 도3에 도시된 대로 공간 효율적이 되도록 제작될 수 있다. 도시된 대로, 가요성 인쇄 배선 장치(18)는 선 100을 따라 구부러져, 제1 구역(101)과 제2 구역(102)은 가요성 인쇄 배선 장치(18)의 제1 측면(22)과 제2 측면(23) 상에 형성된다. 전자 소자(10)는 제1 구역(101) 내에 배치되고, 유체 분배 채널(28)과 노즐일 수 있는 오리피스(36)는 제2 구역(102) 내에 배치된다. 그러나, 유체 분배 채널(28)과 노즐은 임의의 적절한 위치에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 유체를 분무하고 유체를 전자 소자(10) 상에 직접 충돌시키는 노즐(36)을 통해 채널(28) 내로 통과할 수 있다. 6mm의 간격이 이용될 수 있지만, 노즐(36)은 전자 소자(10)로부터 1 내지 10mm의 범위에서 이격 배치되는 것이 바람직하다.
계속해서 본 발명의 또 다른 태양에 따라, 가요성 인쇄 배선 장치(18)의 상이한 공간 효율적 형태가 도4에 도시된다. 전자 소자(10)는 가요성 인쇄 배선 장치(18)의 제1 측면(22) 상에 배치되고, 노즐로 될 수 있는 오리피스(36)는 제2 측면(23) 상에 개구를 구비한다. 오리피스(36)가 배치되는 유체 분배 매니폴드(28)는 가요성 인쇄 배선 장치(18) 내에 배치된다. 가요성 인쇄 배선 장치(18)는 원통형 또는 나선형으로 말리어져, 제1 측면(22)의 일부는 제2 측면(23)의 일부와 대향하고, 노즐(36)은 유체를 전자 소자를 향해 배출한다. 6mm의 간격이 이용될 수 있지만, 노즐(36)은 전자 소자(10)로부터 1 내지 10mm의 범위에서 이격 배치되는 것이 바람직하다. 또한 원통형으로 배치된 가요성 인쇄 배선 장치(18)의 중앙에 펌프(50)를 배치시키는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 가요성 회로를 이용하는 본 명세서에 기재된 본 발명의 다양한 태양이 쉽게 제작되고 공간 효율적임을 알 수 있다. 유체 냉각을 전자 장치에 결합시킴으로서 종종 유체 전달 장치와 관련된 비용 및 복잡성을 줄일 수 있게 된다.
밀봉 및 체결이 요구되는 곳은 어디든지 많은 방법 및 재료가 이용될 수 있음을 알 수 있다. 일예로, 나사, 컴플라이언트 가스켓, 초음파 용접, 납땜, 용접 또는 스웨이징과 같은 패스너가 이용될 수 있다. 본 발명의 태양의 임의의 조합이 하나의 가요성 인쇄 배선 장치 상에서 함께 이용될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 내부에 매설된 유체 분배 채널을 구비한 가요성 기판을 이용한 소형 '냉각판'을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 형태는 첨부된 특허 청구 범위의 정신 및 범주 그리고 그 동등예로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음을 알 수 있고, 본 발명은 임의의 방식으로 전술된 특정 실시예에 한정되지 않고, 단지 이하의 특허 청구 범위 및 그 동등예에 의해서만 결정됨을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 전자 소자를 수용하도록 하는 크기의 구역을 구비한 가요성 인쇄 배선 장치와,
    가요성 인쇄 배선 장치 내에 배치되고, 유입단과 배출단을 구비하고 내부에 배치된 오리피스를 구비한 채널을 포함하고,
    유입단은 유체를 수용하고, 유체는 채널을 통해 오리피스로 분배되고, 오리피스는 유체를 그 구역으로 유도하여, 전자 소자가 그 구역 내에 배치될 때 유체는 전자 소자와 직접 접촉하게 되는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 유체는 유전성 유체인 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 가요성 인쇄 배선 장치는 제1층 및 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서, 제1층 및 제2층은 접착제를 통해 결합되는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서, 채널은 접착제가 존재하지 않는 구역에서 제1층 및 제2층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서, 오리피스는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서, 노즐은 유체를 분무하는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서, 구역을 향해 유도된 유체는 단상 또는 2상 중 하나로 존재 하는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서, 전자 소자는 전력 트랜지스터 및 집적 회로 중 하나인 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서, 가요성 인쇄 배선 장치는 폴리이미드 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 냉각시키기 위한 장치.
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