KR20060033023A - 냉각방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광전자 장비와 같은 전자 부품을 냉각하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 방법은 전자 부품으로부터 열을 빼앗아 수용할 수 있는 다공성 재료를 설치하는 단계와 상기 다공성 재료로 공급된 냉각제의 증발을 통해서 다공성 재료로부터 열을 제거하는 단계를 포함한다. 상기와 같은 방법에서, 상기 전자 부품에서 다공성 재료로 열이 유동하게 함으로써 기온 경도가 발생되게 하여 상기 전자 장비를 냉각시키는 것이다.

Description

냉각방법 및 장치{Cooling method and apparatus}
본 발명은 전자 부품 냉각방법 및 상기와 같은 방법을 수행하기 위한 냉각장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 예를 들면 고휘도 빛 방사 다이오드(HBLED) 및 반도체 레이저와 같은 광전자 장치를 냉각시키기 위해 적용되지만, 그에 국한되는 것은 아니다.
전자 부품들은 그들이 작동되는 동안 냉각되는 것이 바람직하다. 상기의 냉각은 효율성을 증가시킬 수 있고, 실제 성취가능한 최대 출력, 예를 들면 전자 부품의 전기 출력을 증가시킬 수 있으며, 상기 전자 부품의 작동 조건 하에서의 사용 기간을 연장시킬 수 있게 한다. 수 많은 전자 부품은 그들이 사용되면서 냉각될 수 있도록 하기 위해서 탈열기(heat sink)가 장착된다. 일반적으로 상기 탈열기는 열이 상기 전자 부품에서 탈열기로 전도되고 그 다음에 상기 탈열기에서 외기로 전도되게 함으로써 행해지는 전자 부품의 냉각에 의존한다. 일례의 적용에 있어서, 냉각 효과는 팬을 이용하여 탈열기 위로 공기를 통과시킴으로써 증가시킬 수 있다. 종래의 아주 복잡한 다른 냉각 시스템으로는 냉동 기술, 예를 들면 순환 냉각제, 콘덴서, 및/또는 팽창밸브를 포함하는 냉동 루프를 사용하는 것이 제안되었다.
본 발명의 목적은 전자 부품이 작동되는 동안 상기 전자 부품을 냉각시키기 위한 개선된 냉각방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 부품의 냉각방법은, ⅰ) 냉각될 전자 부품을 제공하는 단계, ⅱ) 상기 전자 부품으로부터 빼앗은 열을 수용할 수 있는 다공성 재료를 배치하는 단계, ⅲ) 다공성 재료로부터 냉각제를 증발시킴으로써 상기 다공성 재질에서 열을 제거하는 단계를 포함하는 것으로, 여기서, 상기 전자 부품에서 다공성 재료로 열이 유동하게 하는 온도 변화를 겪게 함으로써 상기 전자 부품을 냉각시키는 것이다.
상기의 방법으로 제공된 다공성 재료는 냉각제를 증발시킬 수 있는 비교적 큰 표면적을 제공한다. 일반적으로 표면적이 증가되면 냉각제의 증발작용이 더욱 용이하게 이루어질 것이며, 그에 의해 더욱더 많은 열이 제거될 수 있게 한다. 소정의 부피에 있어서, 상기 다공성 재료는 고체 성분과 비교하여 훨씬 더 큰 표면적을 가진다. 따라서, 본 발명의 다공성 재료를 사용하는 수단을 통해서 이루어지는 열 제거율은 종래의 냉각제가 탈열기와 접촉함으로써 냉각되어지는 수단을 통해서 고체 탈열기가 냉각되는 냉각 시스템과 비교하여 더 우수하였다.
여기서, 다수의 매카니즘 중 어느 하나를 통해 액체에서 증기로 또는 가스로 변화하는 냉각제의 수단에 의해 열이 다공성 재료로부터 제거되는 것으로 이해되어질 것이다. 예를 들면, 상기 냉각제는 잠열을 추가함으로써 얻어진 증발 수단에 의해 증기 또는 가스 상태로 변할 수 있고, 결과적으로 다공성 재료로부터 열이 제거된다. 상기 냉각제는 끓음을 일으키는 냉각제에 의해서 가스로 변화된다. 상기한 바와 같이, "증발(vaporization)"이란 증발(evaporation) 및 끓음(boiling)에 한정하지 않고 포함될 수 있는 모든 열 제거 기구를 포함하는 것으로 이해되어져야 할 것이다. 여기에서 사용되고 있는 다른 유사 용어인 "증발(vaporize)"은 유사한 것으로 해석되어야 한다.
상기 방법은 냉각제를 다공성 재료로 공급하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 냉각제는 분사방식을 통해서 공급되는 것이 바람직하다. 예를 들면 상기 냉각제는 다공성 재료의 표면으로 직접 공급될 수 있다. 상기 냉각제 및 다공성 재료는 다공성 재료의 표면상의 냉각제가 다공성 재료에 의해 흡수될 수 있도록 하는 특성을 가지는 것이 바람직하다. 상기 냉각제가 공급되는 표면은, 즉 다공성 재료 또는 임의의 다른 수단(표면이 다공성 재료의 외부와 자유롭게 공급될 수 있게 되는)에 의해 전체적으로 에워싸이지 않은 표면인 외부 표면이 될 수 있다. 한편, 상기 표면은 전체가 에워싸인 다공성 재료의 내부 표면일 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각제는 다공성 재료의 내부로 분사될 수 있다.
실질적으로 상기 냉각제의 공급률은 주기적으로 변화될 수 있다. 상기 냉각제는 펄스 형태로 공급될 수 있다. 냉각제의 상대적으로 높은 유속의 펄스들 사이에 비록 상대적으로 낮은 유속이 약간 존재한 상태에서 냉각제가 다공성 재료로 공급되게 함으로써 냉각제가 펄스 형태로 공급될 수 있다. 예를 들면, 냉각 펄스를 냉각제의 펄스의 형태로 상기의 구성 요소에 적용하기 위한 수단이 제공된다. 상기 냉각제의 펄스들은 전자 부품에 인가된 입력 에너지 펄스와 비교하여 소정의 시간에 공급될 수 있다(예를 들면, 전자 부품을 구동하는 전력 펄스). 바람직하게, 각 냉각 펄스는 각각의 에너지 펄스를 적용하기 전에 인가된다.
상기 냉각제의 공급은 제어 유닛을 통해서 제어되는 것이 바람직하다.
상기 제어 유닛은 상기 냉각제의 증발 속도를 제어하기 위해서 설치되는 것이 바람직하다. 상기 냉각제의 공급은 제어 유닛이 수신하는 온도 종속 신호(temperature dependent signal)에 따라서 제어된다. 예를 들면, 상기 온도 종속 신호는 전자 부품 일부분의 온도 측정 또는 상기 전자 부품과 열접촉하는 재료의 온도 측정이 될 수 있다. 상기 냉각제의 공급은 전자 부품이 작동되는 방법에 의존한다. 예를 들면, 상기 냉각제의 공급은 전자 부품을 구동하는 전력에 따라서 제어된다. 상기의 경우에 있어서, 냉각제는 펄스의 형태로 공급되며, 펄스의 타이밍은 제어 유닛에 의해 제어된다. 예를 들면, 상기 펄스의 타이밍은 전자 부품에 대한 전력의 펄스 타이밍에 종속된다. 예를 들면, 상기 냉각제의 펄스들은 상기 전력 펄스들과 동시성을 가질 수 있다. 상기의 경우에 있어서, 상기 냉각제의 펄스들과 전력의 펄스들은 동시에 일어날 필요는 없다. 예를 들면, 상기 냉각 펄스들은 전력 펄스들을 뒤따라 일어날 수 있다. 그 결과, 상기 제어 유닛은 냉각 속도를 제어하여서 냉각 효율을 강화시킬 수 있으며, 상기와 같은 냉각 효과를 성취하기 위해 요구되어진 에너지 및 냉각제를 비교적 낮은 수준으로 유지할 수 있게 한다. 바람직하게, 상기 제어 유닛은 증발 속도를 제어하기 위해서 설치되며, 처음 시간 주기 이후에는, 열 제거 속도가 장치의 작동에 의해 발생된 열 생성 속도와 거의 동등하게 되는 안전 상태에 도달된다.
상기와 같은 경우에서 냉각제는 펄스들 형태로 공급되고, 각 냉각 펄스는 가스가 가압 가스 카트리지와 같은 적합한 공급원을 통해 공급될 수 있는 이산화탄소(CO2)와 같은 폭발 냉각 가스를 포함한다. 시스템은, 예를 들면, 상기에 언급된 바와 같은 제어 유닛의 일부를 형성하고 에너지 펄스들의 적용 타이밍과 비교하여 전자 부품에 대한 냉각 펄스들의 적용을 제어하기 위한 제어기구를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제어 기구는 상기 냉각 펄스들의 크기 및/또는 적용 시간을 제어하기 위해 설치되는 것이 바람직하다. 상기 제어 기구는 냉각 펄스가 전자 부품에 적용되기 전에 전자 부품에 하나의 에너지 펄스를 적용한 후 제어 지연을 제공하기 위해 설치된다. 또한, 상기 제어 기구는 냉각 펄스의 적용과 전자 부품에 대한 다음 에너지 펄스의 적용 사이의 제어 지연을 제공하기 위해 설치된다. 하나 이상의 냉각 펄스는 전자 부품에 적용되는 연속 에너지 펄스들 사이의 전자 부품에 적용될 수 있다.
상기 전자 부품은 작동하는 동안 열을 발생하는 능동 소자(active part)를 포함할 수 있다. 상기 능동 소자는 탈열기의 일단부, 즉 냉각되도록 배열된 탈열기의 타단부에 장착된다. 본 발명의 다른 형태에 따르면, 다공성 재료의 준비는 선택적이며, 탈열기는 그의 타단부에 또는 인접 부위에 적용된 냉각 펄스들의 수단에 의해 냉각될 수 있다. 특히 본 발명의 상기의 형태는 전기 에너지 펄스로 구동되는 전자 부품의 냉각에 관하여 적용된다. 따라서, 전자 부품의 능동 소자가 펄스되기 전의 소정의 시간에서 냉각 펄스의 적용은 열이 탈열기를 거치는 능동 소자로부터 탈열기의 냉각 단부(탈열기의 타단부)를 향하여 이동되게 한다. 이는 상기 전자 부품의 능동 소자를 냉각하는 효과를 가지며, 상기 능동 소자가 실질적으로 펄스될 때 발생하는 동일한 방향에 필수적으로 위치해 있는 장치에서의 기온 경도(temperature gradient)를 설정하는 효과를 가진다. 그 결과로서, 전기 펄스가 상기 전자 부품의 능동 소자에 적용될 때, 열은 발생되고, 상기 언급된 바와 같은 냉각 펄스의 적용 효과에 의해서, 기온 경도가 냉각 펄스에 의해 장치에서 설정되고 불가피한 저온이 능동 소자 및 가열기 결합에서 나타나기 때문에 열 제거가 강화된다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명의 양상에 따라(냉각제를 펄스 상태에서 제공) 전자 부품(예를 들면, 광전자 부품)용 냉각 시스템을 제공하는 것으로, 상기 냉각 시스템은, 전자 부품에 적용된 입력 에너지 펄스(예를 들면, 전자 부품을 구동하는 전력 펄스)와 비교하여 소정의 시간 동안 상기 부품에 냉각 펄스를 적용하는 수단(예를 들면, 냉각제의 공급원 및 제어가능한 밸브를 포함)을 포함한다.
예를 들면, 상기 냉각 펄스는 냉각제의 펄스를 전자 부품과의 열 전달을 통해서 전자 부품, 상기 전자 부품의 소자, 또는 탈열기나 기타 장치(예를 들면, 본 발명에서 참고로 기재된 바와 같은 다공성 재료와 같은)에 직접 공급함으로써 적용된다. 상기와 같은 본 발명에 따른 양상의 냉각 시스템은 적절한 크기의 냉각 펄스를 도입할 수 있는 것으로, 상기 펄스가 적용된 에너지(또는 가열) 펄스와 관계하여 적당하게 시간이 조정됨에 따라서, 에너지 펄스에 의해 발생된 전자 부품 영역에서의 온도 상승은 감소되고(상기와 같은 본 발명의 양상의 냉각 시스템을 사용하지 않고 무관한 전자 부품과 비교하여), 상기 영역(예를 들면, 상기한 바와 같은 본 발명의 다른 양상에 따라서 다공성 재료의 형태인 탈열기)으로부터의 열 전달 속도는 증가된다. 여기에 기재된 임의의 형태들, 특히 펄스들 사이에 냉각제가 공급되는 것과 관련된 상기의 형태들은 상술된 본 발명의 양상에 포함되는 것으로 인식되어야 할 것이다. 또한, 상기와 같은 본 발명의 양상을 참고로 하여 기재된 형태들은 다음에 기술될 본 발명의 다른 양상에 포함될 수 있다.
상기 냉각제는 주변 온도 및 압력에서의 가스가 바람직하다. 그러나, 상기 냉각제는 주변 온도 및 압력에서 액체일 수 있는 것으로서, 증발, 예를 들면 발산이 주변 온도보다 더 높은 온도로 설치되어야 하는 다공성 재료에서 임의의 상당한 속도로 발생될 필요가 있다. 바람직하게, 상기 냉각제는 -30℃ 이하의 냉각점을 가진다. 상기 냉각제는 주변 온도 아래의 온도에서 다공성 재료로 전달되는 것이 바람직하다. 주변 온도는 실온으로 국한될 수 있다. 한편, 주변 온도는 25℃로 국한될 수 있다. 상기 냉각제는 가압하에 저장된다. 상기 냉각제는 냉동제인 것이 바람직하다. 상기 냉각제는 수소화불화탄소(HFC: hydrofluorocarbon)를 포함한다. 예를 들면, 상기 냉각제는 테트라플루오르에탄(tetrafluoroethane) 및/또는 헵타플루오르프로판(heptafluoropropane)을 포함한다. 상기 냉각제가 대기압에서 끓는 온도는 100℃ 미만인 것이 바람직하며, 더욱 중요하게는 100℃ 이하인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 끓는 온도는 50℃ 미만일 수 있다. 상기 끓는 온도는 30℃ 이하인 것이 바람직하다. 상기 다공성 재료의 온도는 보통 작동 온도보다 상당히 낮은 온도에서 유지되는 것이 바람직하며, 전자 부품의 미냉각 작동 온도보다 상당히 낮은 온도, 및 열이 전자 부품에서 고체 다공성 재료로 유동하게 하는 기온 경도를 발생하기에 충분히 낮은 온도에서 유지되는 것이 더욱 바람직하다. 대기압에서 냉각제의 끓는 온도는 0℃ 미만인 것이 바람직하다. 심지어 상기 끓는 온도는 -20℃ 미만이 될 수 있다.
상기 다공성 재료 및 냉각제는 다공성 재료가 냉각제를 계속 보유할 수 있도록 하는 특성을 가진다. 예를 들면, 상기 냉각제는 다공성 재료 내에 형성된 기공 또는 자유 공간 내에 보유될 수 있다. 따라서, 상기 냉각제가 연속적으로 공급될 필요는 없다. 반대로, 만약 다공성 재료가 고체 금속 탈열기로 대체될 경우에는, 상기 고체 탈열기는 물론 모든 액체를 흡수할 수 없고, 상기 액체는 단지 고체 탈열기의 외부 표면과 접촉될 뿐이다. 상기의 고체 탈열기로 공급된 과도한 액체는 단지 그의 주변을 이탈하거나 폐기물로써 저장고에 포집된다.
공급된 모든 냉각제는 상기 다공성 재료의 내부에 보유될 필요가 없으며 상기 냉각제는 무한정으로 보유될 필요가 없는 것으로서, 공급된 냉각제의 큰 비율, 예를 들면 10% 이상(더욱 바람직하게는 25% 이상)이 액체로서 다공성 재료에 보유되는 것이 바람직하고, 다공성 재료 내의 액체 냉강제의 큰 비율, 예를 들면 50% 이상(더욱 바람직하게는 75% 이상)이 액체로서 누수됨이 없는 증발 수단에 의해 다공성 재료를 이탈하는 것이 바람직한 것으로 이해되어져야 할 것이다. 바람직하게, 다공성 재료는 국부 레벨(예를 들면, 극미 레벨)로 형상지어진 내부 구조를 구비하며, 다공성 재료의 방향은 냉각 방법을 효과적으로 수행하는 데 있어서 그렇게 썩 영향을 미치지 않는다. 예를 들면, 내부 구조는 임의의 축방향 대칭이 없는 형상으로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 방법은 그 방법을 수행하는 동안 다공성 재료 내부의 자유 공간의 대략적으로 10% 이상이 보유된 액체 냉각제로 채워지도록 수행되어야 한다. 상기 다공성 재료 내부의 냉각제 보유는 모세관 또는 "위킹(wicking)" 작용 수단에 의해 성취될 수 있다. 다공성 재료 내부의 냉각제 보유는 다공성 재료와 상호 작용하는 액체 표면 인장력 수단에 의해 성취될 수 있다. 상기와 같은 본 발명의 양상에 따라서 상기 다공성 재료가 그의 내부 구조 내에 냉각제를 보유할 수 있기 때문에, 상기 방법을 수행하는 동안 다공성 재료의 외부 표면의 일부분에 대해서 냉각제의 공급원에 직접 또는 연속적으로 접촉시킬 필요가 없다.
상기 냉각제는 위킹 작용 수단에 의해 다공성 재료로 공급된다. 예를 들면, 증발은 처음에 다공성 재료의 상부 및/또는 외부 영역에서 발생하고, 액체 냉각제의 저장소가 다공성 재료의 내부 및/또는 하부에 형성된다. 상기 다공성 재료로 공급된 과잉 냉각제는 간단하게 다공성 재료 내의 저장 영역에 포집되며, 상기 저장 영역은 냉각제의 포화상태를 제공하지 않는다. 그 다음 상기 위킹 작용은 증발 속도에 따른 속도로 저장 영역으로부터 액체를 끌어당길 수 있다. 따라서, 액체의 소비율은 적어도 제한된 범위인 자기 규정치 내에 있으며, 결과적으로 전체 냉각제 소모는 상기와 같은 위킹 작용 수단에 의해 감소된다. 또한, 상기와 같은 경우에서 냉각제는 펄스들에 공급되고, 상기의 본 발명의 양상에 따른 다공성 재료를 사용하면, 고체 금속 탈열기가 사용되는 경우와 비교하여, 일정 온도로 고체 탈열기를 유지하기 위해서 냉각제가 아주 정확하게 제어된 일련의 펄스들 내에 분사될 필요가 있는 점에서 장점을 가진다. 상기의 본 발명 양상에 따르면, 다공성 재료가 증발을 위해서 표면으로 위킹될 때까지 냉각제를 보유하기 때문에, 펄스들 사이에 장기간 지속될 수 있을 뿐만 아니라 냉각제의 펄스에 대하여 미세하게 제어할 필요가 없다. 액체 냉각제의 저장소는 다른 한편으로 다공성 재료와 접촉되는 형태로 되지만 결국은 다공성 재료와 관련된 형태로 된다.
상기 다공성 재료는 기공을 형성하는 고체 재료로 이루어진다. 상기 다공성 재료는 다수의 상호 연결된 기공들을 형성하는 고체 재료로 형성된다. 상기 기공은 인접한 다른 기공과 유체 연통하는 것이 바람직하다. 상기 다공성 재료는 센티미터당 4 내지 4000 기공을 형성하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 센티미터당 4 내지 40 기공을 형성하는 것이 좋다. 상기 기공은 실질적으로 랜덤 방식을 통해서 재료 전체에 걸쳐 분포시킬 수 있다. 상기 다공성 재료는 50 미크론의 평균 직경, 바람직하게는 2000 미크론 이하의 평균 직경을 가진 기공을 구비하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 각 기공들은 형상에 있어서 길게 연장되는 형태로 되지 않을 수 있다. 예를 들면, 상기 기공들은 대략적으로 원형 형상을 이룬다. 기공들의 작은 면적에 대한 큰 면적의 평균 비율이 2 미만이다. 상기 다공성 재료의 단위 부피에 의해 에워싸인 공간에서의 자유 공간(부피에 의해) 비율은 50를 초과하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 60% 초과이다.
상기 자유 공간의 비율은 85% 미만인 것이 바람직하다. 비록 상기 다공성 재료가 소결 금속의 형태일 수 있지만, 상기 다공성 재료는 고체 포말(solid foam)의 형태, 예를 들면 금속 포말 구조물의 형태인 것이 바람직하다. 상기 고체 포말들은 소결 금속보다 훨씬 더 많은 구멍을 가질 수 있도록 형성된다.
상기 다공성 재료는 적어도 일방향에서 50 Wm-1K- 1를 초과하는, 더욱 바람직하게는 100Wm-1K- 1를 초과하는 열전도성을 가진 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 다공성 재료는 금속 재료, 예를 들면 구리로 형성되거나 이루어질 수 있다. 상기 다공성 재료는 비금속 재료로 이루어질 수 있다. 상기 비금속 재료로는 탄소가 이용된다. 예를 들면, 상기 다공성 재료는 흑연으로 이루어질 수 있다. 상기 비금속 재료는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 재료는 알루미늄과 실리콘의 혼합물과 같은 금속 또는 비금속의 혼합물로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 상기 다공성 재료의 성분은 다공성 재료의 열팽창특성이 다공성 재료가 사용되는 장소에 배치되고 고정되는 제품의 특성에 일치하도록 선택된다. 예를 들면, 상기와 같은 경우에 있어서 전자 부품은 다공성 재료가 직접적으로 결합되는 반도체의 형태이고, 다공성 재료는 알루미늄과 실리콘의 혼합물로 이루어지며, 상기 혼합물의 혼합은 다공성 재료의 열팽창이 전자 부품의 반도체 재질의 열팽창과 알맞도록 선택되고, 그에 의해 열팽창 부조화 수단에 의해 발생된 바람직하지 않은 응력 발생 가능성은 감소된다. 상기 다공성 재료의 열전도성은 다공성 재료의 구조에서 CVD 다이아몬드(chemical vapour deposition diamond) 결합에 의해 바람직하게 개선되었다.
상기 다공성 재료는 비교적으로 단단한 것이 바람직하다. 예를 들면, 다공성 재료는 냉각제로 채워질 때 어떠한 두드러진 변형 없이 그 자신의 무게를 지탱할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 다공성 재료는 비교적으로 유연성을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 다공성 재료는 다공성 재료가 사용되는 장소에 배치되고 고정되는 제품에서 팽창되거나 수축될 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기와 같은 경우에서 전자 부품은 다공성 재료가 직접적으로 결합되는 반도체의 형태이고, 상기 다공성 재료는 반도체와 다공성 재료 사이의 계면에서 발생된 바람직하지 않은 응력 발생 가능성을 감소시키는 한계에 대하여 반도체 재료의 열팽창으로 인하여 일어나는 반도체 재료의 이동을 수용할 수 있는 충분한 유연성을 가지는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기의 바람직하지 않은 응력은 다공성 재료와 전자 부품(예를 들면, 탈열기) 사이의 계면에서 부분적으로 또는 전체 파괴를 야기시킬 수 있으며, 그로 인하여 계면에 걸쳐서 열전도성 감소를 초래할 수 있다. 상기와 같은 경우에서 다공성 재료는 비교적으로 단단한 것이 바람직하고, 상기 다공성 재료의 강성율은 구조적으로 안전성(상기 다공성 재료는 사용하는 동안 그의 일반적인 형상 및 형태를 보유)을 제공하는 것이 필수인 만큼 보다 큰 것이 바람직하며, 임의의 유연성의 장점을 고려하여 상기 유연성이 떨어지지 않을 만큼 강성율이 큰 것이 바람직하다.
상기의 경우에 있어서, 전자 부품은 다공성 재료가 직접적으로 결합되는 반도체의 형태이고, 반도체 장치의 기판은 기공들을 포함하고, 상기 냉각제는 반도체 장비의 열발생 소자인 능동 소자를 가능한 한 클로즈 상태로 하는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 상기는 표준 반도체 기판을 다공성 기판으로 대체함으로써 성취될 수 있다.
본 발명의 방법은 개루프(open-loop) 냉각 시스템에서 냉각제를 다공성 재료로 공급하는 수단에 의해서 수행되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 개루프 냉각 시스템은 냉각제가 폐루프(close-loop) 둘레로 순환되는 폐루프 시스템과는 다른 것으로 이해되어질 것이다. 본 발명에 따라서, 상기 다공성 재료는 대기로 직접 통기되도록 설치된다. 상기 방식에서, 냉각제의 소정 량은 증발 수단에 의해서 주변 대기로 빠져나갈 수 있게 된다. 상기의 개방 루프 시스템을 사용하는 것은 액체 냉각제를 귀환시키기 위한 콘덴서 장치를 시스템에 제공할 필요가 없는 장점을 가진다. 그러나, 폐쇄 냉각제 시스템은 상기 발명에서 설정된 원리를 이용하여 제공될 수 있다.
바람직하게, 상기 냉각 방법은 냉각제를 다공성 재료를 통해서 펌핑하여 공급하는 단계를 수행할 필요없이 실행된다. 따라서, 상기 다공성 재료의 구조는 비교적 간단하게 이루어질 수 있다.
열은 열 스프레더(heat spreader)를 통해서 전자 부품으로부터 다공성 재료로 유도된다. 상기 전자 부품은 탈열기에 장착된다. 상기 탈열기는 상기 열 스프레더와 연결된다. 그러나, 상기 전자 부품이 다공성 재료에 직접 연결되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 다공성 재료는 탈열기로서 작용한다. 상기 다공성 재료는 상기 전자 부품의 열 발생 소자와 인접되게, 바람직하게는 직접 접촉되게 설치될 수 있다. 상기의 경우에서, 예를 들면, 대전력 펄스드 빛 방사 다이오드(high power pulsed light emitting diode) 또는 레이저 다이오드 부품의 경우에서와 같이, 전자 부품이 짧은 시간 동안 극도로 높은 전력 레벨에서 구동될 수 있도록 하기 위해서 열은 아주 빠르게 제거될 수 있다. 상기와 같은 경우에 있어서, 상기 냉각제는 전자 부품의 열 발생 소자와 아주 인접한 다공성 재료의 영역으로 공급되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 다공성 재료가 기판을 구비한 전자 장비의 열 발생 소자와 직접 접촉하게 설치되면, 상기 냉각제가 전자 장비의 열발생 소자를 가능한 한 클로즈 상태로 하는 것을 가능하게 하기 위해 상기 기판 그 스스로에는 기공들이 제공된다.
상기 전자 부품은 반도체 장비일 수 있다. 상기 반도체 장비는 다공성 기판을 구비할 수 있다.
상기 전자 부품은 예를 들면, 200nm 내지 10000nm의 범위, 더욱 바람직하게는 200nm 내지 2000nm의 범위의 파장을 가진 전자기 발광을 방사하기 위해 설치된 발광 방사 부품(radiation emitting component)일 수 있다. 상기 전자 부품은 가시광을 방사하기 위해 설치된 발광 방사 부품일 수 있다. 상기 전자 부품은 대전력 장비, 예를 들면 대전력 반도체 장비일 수 있다. 본 발명에 따른 상기 양상의 문맥에서 "대전력"은 장비가 효과적인 또는 능률적인 작동을 위해 능동적으로 냉각될 필요가 있거나, 또는 장비가 상기와 같은 대전력에서 구동될 수 있게 냉각될 필요에 따라서 보통 작동 전력보다 높은 전력에서의 충분히 높은 전력을 의미한다. 만약 상기 장비가 트랜지스터와 같은 전자 통신 회로에서 사용되기 위한 장비일 경우라면, 대전력은 10와트보다 더 큰 전력을 의미한다. 만약 상기 장비가 레이저 다이오드 또는 대전력 빛 방사 다이오드와 같은 빛 방사 장비(LED)일 경우라면, 대전력은 빛 방사 장비마다 50밀리-와트보다 큰 전력을 의미한다. 상기 전자 부품은 더 큰 회로의 부품을 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 방법은 전자 부품의 적어도 일부분이 100℃ 이하, 더욱 바람직하게는 대기 온도 이하로 냉각되도록 수행된다. 상기 방법은 다공성 재료의 적어도 일부분이 대기 온도 이하로, 더욱 바람직하게는 0℃ 이하로, 더더욱 바람직하게는 -10℃ 이하로 냉각되도록 수행된다.
특히, 본 발명은 전자 부품을 냉각하기 위해 적용되는 것으로, 여기서 처음에 전자 품의 작동 동안 열을 발생시키는 전자 부품의 소자는 비교적 작은 사이즈로 이루어져서 상당히 큰 열 에너지 밀도를 불러일으킨다. 예를 들면, 상기 전자 부품의 열 발생 소자는 1 큐빅 센티미터 미만의 부피를 가진다. 상기 전자 부품 그 자체는 100 큐빅 센티미터 미만의 부피를 가진다.
또한, 본 발명은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명은 전자 부품을 냉각하기 위한 장치를 제공하는 것으로, 상기 장치는, 다공성 재료, 냉각제 공급원, 및 사용에 있어서 다공성 재료와 접촉된 냉각제 공급원으로부터 냉각제를 공급하기 위해 설치된 디스펜서를 포함하고, 상기 장치는 사용에 있어서 다공성 재료가 전자 부품으로부터 열을 수용할 수 있고 사용에 있어서 상기 전자 부품이 다공성 재료로부터 냉각제의 증발을 통해 냉각될 수 있도록 설치된다.
상기 장치는 전자 부품으로부터 다공성 재료로 열을 유도하기 위한 열 스프레더를 포함한다. 예를 들면, 상기 열 스프레더는 전자 부품의 비교적 작은 영역으로부터 비교적 큰 영역으로 열을 전달하기 위해 설치된 적당한 형상의 금속 장비의 형태일 수 있다. 상기 열 스프레더는 구리 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 열 스프레더는 전자 부품으로부터 벗어나 전달되는 열 통로에 대한 큰 열 저항을 부여하지 않은 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 장치는 제어 유닛을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제어 유닛은 마이크로 프로세서로 이루어진다. 상기 제어 유닛은 사용에 있어서 장치를 사용하는 동안 전자 부품의 냉각을 제어하기 위해 설치되는 것이 바람직하다. 상기 제어 유닛은, 만약 감지 온도가 한계 온도보다 높을 경우 전자 부품이 작동하지 못하도록 하기 위해서 설치된다. 예를 들면, 상기 감지 온도는 전자 부품 영역의 온도를 나타낸다. 한편, 상기 감지 온도는 전자 부품의 온도에 의존한다. 예를 들면, 상기 감지 온도는 전자 부품과 연결된 열 스프레더 또는 다른 장치의 온도를 나타낸다.
상기 장치는 전자 부품을 연속적으로 간편하게 냉각하기 위해 설치된다. 그러나, 상기 장치는 미리 조절된 영역 내의 광원 소자 온도 또는 광원 영역의 온도를 유지하기 위해 설치되는 것이 바람직하다. 상기 제어 유닛은, 예를 들면 열전대 장비와 같은 온도 센서로부터 감지된 온도에 대한 입력 신호를 수신하기 위해 설치된다. 상기 온도 센서는 가능한 한 전자 부품에 근접하게 설치되는 것이 바람직하다. 상기 제어 유닛은 온도 센서로부터의 입력 신호에 의존하여 상기 장치의 적어도 일부 소자를 작동시키기 위해 설치되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 장치는 전자 부품의 온도를 제어하기 위해서 피드백 정렬 상태에서 작동될 수 있다. 상기 제어 유닛은 15℃ 미만의 온도로, 더욱 바람직하게는 0℃ 미만의 온도로 감지된 온도가 유지되도록 설치된다. 온도는 -40 내지 -10℃ 범위, 실질적으로는 -25 내지 -10℃ 범위 내로 유지될 수 있다. 상기 제어 유닛은, 만약 제어 유닛이 그가 작동할 때 온도가 바람직한 범위를 벗어난 것을 감지한다면 온도가 바람직한 범위를 벗어났음을 경고할 수 있도록 하기 위해 설치된다. 상기와 같은 작동으로는 시각 또는 청각 알람과 같은 경고 알람을 작동시킬 수 있고, 또는 잠시 일시적으로 상기 전자 부품의 작동을 중지시킬 수 있게 한다.
본 발명의 장치는 냉각제 공급원으로부터 개별적으로 공급될 수 있게 한다. 따라서, 본 발명은 전자 부품을 냉각하기 위한 또 다른 장치를 제공하기 위한 것으로, 상기 장치는 다공성 재료, 및 사용에 있어서 다공성 재료와 접촉된 냉각제 공급원으로부터 냉각제를 공급하기 위해 설치된 디스펜서를 포함하고, 상기 장치는 사용에 있어서 다공성 재료가 전자 부품으로부터 열을 수용할 수 있고 사용에 있어서 상기 전자 부품이 다공성 재료로부터 냉각제의 증발을 통해 냉각될 수 있도록 설치된다. 본 발명의 상기 양상에 따른 장치는 냉각제 공급원을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 기재된 발명의 양상에 따른 방법에 의해 또는 기재된 발명의 양상에 따른 장치에 의해 냉각되도록 설치된 전자 부품을 포함하는 전자 장비를 추가로 제공한다.
본 발명에 따르면, 고강도 빛 방사 반도체 부품을 포함하는 빛 방사 장치를 제공하는 것으로, 상기 반도체 부품은 기재된 발명의 양상에 따른 방법에 의해 또는 기재된 발명의 양상에 따른 장치에 의해 냉각되도록 설치된다.
또한, 본 발명은 다공성 재료 및 열 스프레더를 포함하는 소자 키트를 제공하는 것으로, 상기 소자 키트는 기재된 발명의 양상에 따른 방법에서 사용하기에 적합하도록 하거나 또는 기재된 발명의 형태에 따른 장치에 의해 냉각되도록 설치된다.
상술된 본 발명의 다양한 양상은 서로 밀접하게 관련되어 있으며, 따라서 본 발명의 하나의 양상을 참고로 하여 기술된 형태들은 본 발명의 다른 양상과 용이하게 결합될 수 있는 것으로 인식되어야 한다. 예를 들면, 본 발명의 장치는 여기에 기재된 발명의 다른 양상에 따라 본 발명의 방법을 수행하기 위해 적합하도록 설치되고 형상지어질 수 있다. 따라서, 상기 장치는 여기에 기재된 발명의 임의의 양상에 따른 방법의 형태들 중 어느 하나와 결합될 수 있다. 또한, 상기 방법은 여기에 기재된 발명의 임의의 양상에 따른 장치의 형태들 중 어느 하나와 결합될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 방법은 본 발명의 장치를 이용함으로써 실행될 수 있다. 따라서, 본 발명 장치의 다공성 재료는 발명의 방법에 대한 양상을 참고로 하여 여기에 기재된 바와 같은 금속 포말 구조물의 형태일 수 있는 것으로 이해되어져야 한다.
도 1은 금속 포말 구조물를 포함하는 시스템으로, 대전력 LED를 냉각하기 위한 제1 실시예의 냉각 시스템을 보인 도면.
도 2는 도 1에 도시된 금속 포말 구조물를 보인 측단면도.
도 3은 시간에 대한 냉각 시스템의 소자에 대한 온도 그래프를 보인 도면.
도 4는 제2 실시예의 냉각 시스템에서 사용하기 위한 금속 포말 구조물를 보 인 측단면도.
도 5a는 제3 실시예의 냉각 시스템에서 사용하기 위한 금속 포말 구조물를 보인 측단면도.
도 5b는 도 5a에서 보인 금속 포말 구조물를 도시한 평면도.
이하, 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참고로 하는 일례의 방법을 통해서 기술될 것이다.
도 1은 빛 방사 다이오드(LED)(2)의 형태에서 대전력 고강도 빛 방사 반도체 장비에 장착된 냉각 시스템(1)을 보인 도면이다. 상기 냉각 시스템(1)은 LED(2)와 열적 관계가 있는 열 스프레더(3)를 포함한다. 상기 열 스프레더(3)는 금속 포말 구조물(4)에 장착되고, 그 결과 사용에 있어서 열은 상기 열 스프레더(3)를 거쳐서 LED(2)로부터 금속 포말 구조물(4)로 유동한다. 유체 디스펜서(5)는 마이크로 디스펜싱 밸브(5a)의 수단에 의해 금속 포말 구조물(4) 위로 유체를 분사하기 위해 장착된다. 상기 유체 디스펜서(5)는 공급 파이프(6)를 통해서 냉매 액체의 가압원(7)에 연결된다. 제어 유닛(8)은 온도 모니터링 회로(9) 및 밸브 제어 회로(10)를 포함하며, 냉각 시스템(1)의 작동을 제어한다. 상기 온도 모니터링 회로(9)는 열전대 장비(미도시)의 수단을 통해서 열 스프레더(3)의 일부분의 온도를 감지하고 모니터하기 위해 장착된다. 상기 밸브 제어 회로(10)는 온도 모니터링 회로(9)에 의해 감지된 온도에 의존하여 상기 유체 디스펜서(5)에 의한 유체 분배를 제어하기 위해 장착된다. 상기 제어 유닛(8)이 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 개별 유닛을 포 함하는 것으로 나타내어졌지만, 실제 상기 제어 유닛(8)은 시스템의 작동을 제어하는 단일 마이크로프로세서를 갖춘 단일 유닛으로 제공된다.
도 2는 단면도로서 상기 금속 포말 구조물(4), 열 스프레더(3), 및 LED(2)를 보이고 있다. 상기 금속 포말 구조물(4)은 약 60ppi의 다공성을 가진 구리 포말이다(각 기공은 약 400 미크론의 평균 직경으로 이루어지고, 큐빅 센티미터당 약 1.3x104 기공과 동등한 직선 1인치당 60 기공이 존재한다.). 상기의 금속 포말 구조는 상표 "메트포어(Metpore)" 하에 판매되고 포베이어 풀 셀스(Porvair Fuel Cells)(UK 컴파니 포베이어 PLC의 소자)로부터 이용할 수 있는 금속 포말 구조물의 형태일 수 있다. 상기 금속 포말 구조물(4)의 열전도성은 300W/mK가 된다.
상기 가압원에는 냉매 HFC 134a(1,1,1,2 테트라플루오르에탄)가 저장된다. 대기압에서 HFC 134a의 끓는 온도는 -26℃가 되는 것으로, 즉 상기 끓는 온도는 냉각 시스템(1)이 일반적으로 사용되는 환경의 대기 온도(즉, 실온)인 25℃ 이하가 된다. 상기 냉매는 대기 온도에서 가압하에 유지된다(상기 냉매가 대기 온도에서 액체 포말로 되기에 충분한 압력).
냉각 시스템(1)의 작동이 다음과 같이 기술될 것이다. 상기 LED(2)는 LED(2)에 전력 펄스들을 공급하는 전력 공급부(미도시)에 의해 구동된다. 상기 전력 펄스들은 각각이 약 1초 동안 지속되며, 약 0.5Hz의 주파수로 공급된다. 상기 LED(2)의 능동 소자의 온도는 열 스프레더(3)의 온도를 측정하는 수단에 의해 직접적으로 온도 모니터 회로(9)에 의해 연속적으로 모니터링된다. 만약 모니터링된 온도가 미리 설정된 한계 온도인 -12℃를 초과한다면, 상기 제어 유닛(8)은 밸브 제어 회로(10)를 통해서 유체 디스펜서(5)의 밸브가 작동되게 한다. 상기 밸브는 펄스가 약 200 밀리초 지속하는 동안 금속 포말 구조물(4) 위로 분사되게 하여 유체의 작은 분사(11)를 일으키며, 상기 유체는 냉매의 가압원(7)으로부터 제공된다. 냉각 펄스들은 각 전력 펄스가 시작하기 전에 곧 바로 끝나는 것과 동일하다(또는 전력 펄스의 마지막 후 약 800 밀리초 시작).
상기 냉매가 방출될 때 압력이 저하되고, 냉각을 위해서 분사될 때에는 팽창하고 냉각되며 부분적으로 증발한다. 증발의 잠열 수단에 의해 냉매 유체에서 열이 제거되기 때문에, 밸브로부터 방출된 유체의 온도는 주변 온도로 또는 액체의 끓는 점 아래로 떨어지게 된다. 따라서, 상기 금속 포말 구조물(4)에 의해 수용된 냉매 유체는 -26℃ 이하의 온도를 유지하는 가스 및 액체의 혼합물이다.
도 2를 참고로 하면, 냉각제의 분사(11)는 비록 금속 포말 구조물(4)에 형성된 공동으로 지향되지만, 금속 포말 구조물(4)의 외부 표면 위로 지향된다. 상기 금속 포말 구조물(4)은 포말의 위킹 성질로 인하여(모세관 작용 등으로 인하여) 액체 냉매를 흡수하고 보유한다. 따라서, 열이 금속 포말 구조물(4)에서 냉매로 유동함으로써 상기 금속 포말 구조물(4)의 온도는 낮아지게 되고 냉매의 온도는 올라가게 된다. 따라서, 기온 경도는 LED(2)와 금속 포말 구조물(4) 사이에서 발생된다. 상기와 같이 열 스프레더(3)를 통해서 LED(2)에서 금속 포말 구조물로 열이 유동함으로써, LED(2)의 온도는 낮아지게 된다.
액체 냉매는 상기 금속 포말 구조물(4)의 온도에 의존하여 큰 속도로 증발한 다. 만약 금속 포말 구조물(4)의 온도가 냉매 유체의 끓는점보다 높다면, 상기 액체는 끓을 것이고 빠르게 증발할 것이다. 액체의 증발은 상기 금속 포말 구조물(4)로부터 열을 추가로 제거하여서 LED(2)의 온도를 더욱 저하시킨다. 도 2에서 금속 포말 구조물(4)로부터 벗어난 형태를 나타낸 화살표 12는 대부분의 증발이 일어나는 영역을 보인다. 여기서 중요한 점 하나는 액체의 온도가 -26℃ 이상으로 상승할 수 없다는 것이다. 액체가 -26℃ 위로 상승한다면 LED에 의해 공급된 추가 열이 표면 증발에 의하거나 냉각제 내에서의 액체의 끓음에 의해서 일어나는 액체의 증발을 통해서 아주 빠르게 제거된다. 상기 냉각제가 액체이기 때문에 냉각 작용은 높은 효용성을 제공하게 되며, 증발된 요소는 "위킹" 작용을 통한 추가 냉각제에 의해 빠르게 다시 채워지게 된다.
상기 냉각 시스템은 냉매가 대기로 증발하고 따라서 없어지는 개루프 시스템이다. 상기와 같이, 냉매는 장치가 작동하는 동안 소모된다.
냉매의 펄스들은 온도 모니터링 회로(9)에 의해 모니터링된 온도가 한계 온도 아래로 떨어질 때까지 금속 포말 구조물(4) 위로 분사된다. 일반적으로 냉각 펄스들은 작동하는 동안 효율적으로 온도를 유지하기 위해 시간이 정해지게 되며, 따라서 LED로 흐르는 펄스들보다 상당히 짧아질 수 있다. 상기 냉각 펄스들은 LED(2)를 구동하는 전력 펄스들과 동일한 주파수, 즉 0.5Hz로 인가되고, 따라서 냉각 펄스들 및 전력 펄스들은 일치하는 시간이 지연되더라도 동일하게 된다(상술된 내용 참조). 상기 LED(2) 및 냉각 시스템(1)이 작동하는 동안, 모니터링된 온도는 한계 온도보다 높은 온도로 유지되어서 상기 냉각 시스템(1)이 연속적으로 냉각 방법을 수행하게 한다.
작동하는 동안, 열 제거 비율이 LED(2)에 의해 발생된 열의 비율과 동등하게 되어 평형 상태로 도달될 수 있다(냉각제 증발 속도에 의존함). 만약 상기와 같은 평형상태로 도달되면 장치의 다수의 소자의 온도는 실질적으로 일정하게 유지된다.
도 3에 도시된 그래프는 사용된 냉각 기구를 설명하기 위한 것으로, 시스템(1)의 온도가 냉각 시스템(1)의 시작에서부터 냉매 유체의 단일 펄스 동안의 시간과 함께 변하게 되는 방법을 개략적으로 나타내고 있다. 그래프의 수직축은 열 스프레더의 온도를 나타내고 수평축은 시간을 나타낸다. 시간 t0에서 열 스프레더의 온도는 T0이 된다. 냉각제의 펄스는 시간 t1에서 금속 포말 구조물(4) 위로 분사된다. 금속 포말 구조물(4)의 온도는 냉매의 끓는 온도 TB의 온도로 빠르게 떨어지고, 그 다음 열 스프레더(3)의 온도는 온도 TB에 빠르게 도달한다. 시간 t1 이후, 열 스프레더(3)의 온도는 금속 포말 구조물(4)의 온도가 냉매의 증발로 인하여 떨어짐으로써 계속 떨어지게 된다.
도 4는 도 2에 도시된 것과 유사한 것으로서, 본 발명의 추가 실시예에 따른 금속 포말 구조물의 기하학을 나타낸다. 도 4의 냉각 시스템과 도 1 및 도 2를 통해 설명된 냉각 시스템의 차이점이 다음과 같이 설명될 것이다. 금속 포말 구조물(104)이 LED의 반도체 다이에 직접 결합되고, 그에 의해 열 스프레더가 불필요하게 된다. 냉각제는 포말 내에 세 개의 구멍(113) 위를 밀봉하는 세 개의 분사 파이프(미도시) 수단에 의해 금속 포말 구조물(104)의 내부로 공급된다(화살표 111 참조). 따라서, 냉각제는 능동 소자, 열발생부, LED(102)의 소자에 인접한 영역에 공급된다. 따라서, 상기와 같은 경우에서, LED(102)의 반도체 다이와 냉각제가 공급되는 영역 사이가 아주 근접하게 이루어진 결과로써, 냉각제 적용과 가열 사이의 시간 지연은 비교적 짧아지게 된다. 상기의 실시예는 아주 짧은 대전력 펄스들이 사용되는 적용에 아주 적합하다. 상기 금속 포말 구조물(104)로부터의 냉각제 가스의 증발은 화살표 112로 나타내어진다. 상기 실시예의 다른 장점은 냉각 시스템의 응답 시간을 개선하고 냉각제 유체 소모를 감소시킬 수 있도록 포말의 사이즈를 더 작게 하는 것이다. 도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 것과 유사하게 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 포말 구조물(204)의 기하학을 보이고 있다. 여기서는 열 스프레더가 분리되지 않으며, 포말(204)이 LED(202)에 직접 연결된다. 금속 포말(204)의 기하학은 큰 중앙 구멍(214)이 분사된 냉각제의 공급을 수용하기 위해 제공되고 포말의 중심에서 방사상으로 배열된 여덟 개의 작은 구멍(215)(도 5b 참조)이 포말(204)에서 냉각제의 증발을 돕기 위해 제공되는 점에서 도 4의 것과는 구별된다. 상기 작은 구멍(215)은 포말의 단위 부피당 포말의 외부 표면을 효과적으로 증가한다. 상기 포말로 냉각제가 공급되는 형태는 화살표 211로 나타내어지고, 냉각제 가스가 금속 포말(204)에서 증발하는 형태는 화살표 212로 나타내어진다. 포말과 그의 내부의 구멍들의 특정 사이즈 및 형상은 다이 사이즈 및 냉각 요구조건에 의존한다.
상기 LED(202)가 기판을 포함하는 본 발명의 추가 변경에서, 상기 기판은 그 스스로가 기공들을 포함한다.
다양한 변경이 본 발명의 범주를 벗어남 없이 상기에 기술된 실시예에 의해 이루어질 수 있는 것으로 이해되어져야 한다. 예를 들면, 상기 전자 부품은 능동적으로 냉각되어서 이롭게 되는 임의의 부품일 수 있다. 다수의 변경은 냉각 시스템의 적용에 의존하는 냉각 장치로 이루어질 수 있다. 금속 포말 구조물의 형상, 사이즈, 및 구조가 변경될 수 있다. 상기 금속 포말 구조물에서 금속 포말 구조물 내에 있는 냉매로 열이 전달되는 속도는 냉매와 접촉하게 되는 금속 포말 구조물의 표면적에 부분적으로 의존하며, 상기 표면적은 금속 포말 구조물의 기하학 및/또는 구조, 예를 들면 구멍들을 교대로 형성되게 하는 수단에 의해 변경될 수 있다.
팬은 냉각제의 증발 속도를 증가시킴으로써 금속 포말 구조물을 강제로 관통되게 하여서 그의 위로 공기를 강제로 제공할 수 있게 한다. 그 다음, 냉각 속도는 팬 속도를 제어하여 공기의 유속을 제어하는 수단에 의해 유체의 증발 속도를 제어함으로써 제어되게 한다.
또한, 위킹 작용의 특징은 금속 포말 구조물의 구조를 변경함으로써 변화될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 포말 구조물의 기공들의 사이즈 및 수와 기공을 형성하는 금속 포말 구조물의 기하학(예를 들면 인접 기공들이 연결된 범위)은 위킹특성 및 액체 저장 능력을 변경함으로써 변경될 수 있다. 냉매의 공급 속도로 성취될 수 있는 냉각의 최대 속도의 의미로, 냉각 시스템의 효용성은 금속 포말 구조물의 위킹 특성에 의존한다.
냉각 펄스들의 길이는 열 제거 속도를 가변시킴으로서 변경될 수 있다. 예를 들면, 공급된 전력의 다른 주파수 및 펄스 길이는 0.1 내지 10Hz의 주파수에서 100 내지 200000㎲의 펄스들이 이용된다. 전력 펄스들 및 냉각 펄스는 겹쳐질 수 있다.
상기 금속 포말 구조물은 구리보다는 다른 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 포말 구조물의 재료는 흑연, 다공성 실리콘, 분무 성형된 알루미늄 및 실리콘의 다공성 혼합물, 또는 고체 포말이나 다른 다공성 구조물로 형성될 수 있는 높은 열전도성 재료로 이루어질 수 있다. 상기의 경우에서 분무 성형된 알루미늄 및 실리콘의 다공성 혼합물이 사용되는 경우는, 실리콘에 대한 알루미늄의 비율은 상기 전자 부품(예를 들면, 반도체)에 일치하는 열팽창을 제공하기 위해서 변화될 수 있고, 따라서 상기 금속 포말 구조물은 불일치한 열팽창에 대한 어떠한 위험 없이 전자 부품에 직접 결합될 수 있다. 물론, 만약 금속 포말 구조물이 상대적으로 높은 압축성(즉, 비교적 유연성)을 가진다면, 열팽창이 상기 금속 포말 구조물의 기계적 압축 또는 팽창에 의해 수용될 수 있기 때문에 열팽창 일치의 필요성은 그렇게 중요하지 않게 된다.
상기 금속 포말 구조물의 열 전도성은 금속 포말 구조물 내부의 CVD 다이아몬드를 결합시킴으로서 개선될 수 있다.
상기 냉매는, 예를 들면, 이산화 탄소 가스를 포함하여 1, 1, 1, 2, 3, 3, 3,-헵타플루오로프로팬 또는 어떤 적합한 냉각제와 같은 임의의 적당한 HFC로 대체될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 냉각방법 및 장치를 이용하면, 냉각의 효율성을 증가시킬 수 있고, 실제 성취가능한 최대 출력, 예를 들면 전자 부품의 전 기 출력을 증가시킬 수 있으며, 상기 전자 부품의 작동 조건 하에서의 사용 기간을 연장시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (26)

  1. 냉각될 전자 부품을 제공하는 단계;
    상기 전자 부품으로부터 빼앗은 열을 수용할 수 있는 다공성 재료를 배치하는 단계;
    펄스(pulse)들로 공급된 냉각제를 다공성 재료로부터 증발시킴으로써 상기 다공성 재료에서 열을 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 전자 부품에서 다공성 재료로 열이 유동하게 함으로써 기온 경도가 발생되게 하여 상기 전자 부품을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 재료의 외부 표면 상으로 직접 냉각제를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각제는 냉각제를 분사하여 실행되게 함으로써 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  4. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 재료의 내부로 냉각제를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  5. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각제의 공급은 제어 유닛이 수신하는 온도 의존 신호에 따라 상기 제어 유닛에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  6. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각제의 공급은 상기 전자 부품을 구동하는 전력에 의존하여 상기 제어 유닛에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  7. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각제는 대기 온도 및 대기 압력 상태의 가스인 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  8. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각제는 대기 온도 이하의 온도에서 공급되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  9. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각제는 가압 상태로 저장되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  10. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 재료 및 냉각제는 상기 다공성 재료가 상기 냉각제를 보유할 수 있도록 하는 특성을 가진 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  11. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 재료는 센티미터(centimetre)당 4 내지 40 기공의 기공률을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  12. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 재료는 고체 포말로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  13. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 재료는 일방향 이상에서 50 Wm-1K- 1를 초과하는 열전도성을 가진 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  14. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 부품은 전자 장비의 일부분이며, 상기 전자 장비의 일부분 이상은 다공성이고 상기 다공성 재료의 일부분 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  15. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 부품은 반도체 장비인 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반도체 장비는 기판을 포함하며, 상기 기판은 기공들 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  17. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 부품은 200nm 내지 10000nm범위의 파장의 전자기 빛을 방사시키기 위해 장착된 빛 방사 부품인 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  18. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 부품의 일부분 이상이 대기 온도 이하로 냉각되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각방법.
  19. 다공성 재료, 냉각제 공급원, 및 사용에 있어서, 다공성 재료와 접촉된 냉각제 공급원으로부터 냉각제를 펄스들 형태로 공급하기 위해 설치된 디스펜서를 포함하고,
    사용에 있어서, 다공성 재료가 전자 부품으로부터 열을 수용할 수 있으며, 사용에 있어서, 상기 전자 부품이 다공성 재료로부터 냉각제의 증발을 통해 냉각될 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전자 부품으로부터 상기 다공성 재료로 열을 유도하기 위한 열 스프레더(heat spreader)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각장치.
  21. 제9항 또는 제20항에 있어서, 상기 장치의 사용 도중에 행해지는 상기 전자 부품의 냉각을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제어 유닛은 감지된 온도가 한계 온도 이상일 경우 상기 전자 부품이 동작하지 못하도록 하기 위해 장착되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각장치.
  23. 다공성 재료, 및 사용에 있어서, 다공성 재료와 접촉된 냉각제 공급원으로부터 냉각제를 펄스들 형태로 공급할 수 있게 설치된 디스펜서를 포함하고,
    사용에 있어서, 다공성 재료가 전자 부품으로부터 열을 수용할 수 있으며, 사용에 있어서, 상기 전자 부품이 다공성 재료로부터 냉각제의 증발을 통해 냉각될 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 전자 부품 냉각장치.
  24. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하거나 제19항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 냉각되도록 설치된 전자 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장비.
  25. 고강도 빛 방사 반도체 부품을 포함하고,
    상기 반도체 부품은 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하거 나 제19항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 냉각되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 빛 방사장치.
  26. 다공성 재료 및 열 스프레더를 포함하고,
    제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 방법에 사용되거나 또는 제19항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 사용되기에 적합하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 소자 키트.
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