KR20210107742A - 증발식 마이크로칩 냉각 방법 - Google Patents

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KR20210107742A
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Abstract

본 발명은 냉각 요소의 기화 챔버에서 냉각액의 기화를 이용하여 마이크로칩을 냉각하는 방법에 관한 것으로, 기화 챔버는 채널 및 복수의 유동 조절 구조를 포함한다.

Description

증발식 마이크로칩 냉각 방법
본 발명은 냉각 요소, 마이크로칩 및 냉각 요소를 포함하는 어셈블리, 냉각 요소의 제조 방법 및 마이크로칩 냉각 방법에 관한 것이다.
본 발명은 특히, 유동액에 의한 열 전달을 포함하는, 반도체 또는 기타 SSD(solid state device)의 냉각 방법에 관한 것이다.
본 발명은 마이크로칩 상의 집적 회로의 냉각에 관한 것으로, 특히 반도체 기반 마이크로칩 상의 또는 그 내부의 전자 집적 회로의 증발식 냉각에 관한 것이다. 증발식 냉각은 마이크로칩 또는 집적 회로 근처의 채널을 통해 흐르는 냉각액을 끓이는 것을 포함한다.
집적 회로가 있는 마이크로칩과 같은 전자 장치에 대한 기존의 채널 냉각은 일반적으로 최대 0.18W/cm²의 냉각 전력(방열 수준)을 제공하고, 예를 들어 최대 1800W/(m²K)의 열 전달 계수를 가진다. 특히, 본 발명은 예를 들어 칩을 150°C 미만 또는 120°C 미만의 온도로 유지하면서 일반적으로 주변 온도, 예를 들어 5 ~ 30°C 범위에 대해 1.0kW/cm²를 초과하는 칩 수준의 방열 수준을 제공하는, 소규모 냉각 요소에 관한 실시예에 관한 것이다. 이러한 방열 수준은 예를 들어 현재 및 차세대 레이더 시스템, 전력 전자 시스템, 통신 시스템 및 고성능 컴퓨팅 시스템의 작동에 유용하다. 본 발명은 또한 바람직하게는 적어도 0.50MW/(m²) 또는 더욱 바람직하게는 적어도 1.0MW/(m²)의 열 유속(heat flux)을 제공하는 냉각 유닛에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따라 냉각된 특정 종류의 마이크로칩에서, 핫스팟은 1.5kW/cm² 초과, 2.0kW/cm² 초과, 또는 2.5kW/cm² 초과의 핫스팟 열 유속과 같이, 1kW/cm² 초과의 열 유속으로 발생할 수 있고, 일부 실시예에서는 최대 3.0kW/cm²이지만 더 높은 핫스팟 열 유속이 가능하다. 이러한 핫스팟의 크기는 예를 들어 최소 1000 μm² 또는 최소 10,000 μm², 예를 들어 1.0 mm² 미만 또는 0.10 mm² 미만이다.
또한, 본 발명은 5G 마이크로칩을 위한 냉각 솔루션에 관한 것이므로 5세대 셀룰러 이동 통신을 위한 마이크로칩(및 기타 집적 회로 시스템)에 관한 것이지만, 냉각 요소는 모든 세대의 셀룰러 이동 통신 또는 보다 광범위하게는 무선 통신 네트워크에 사용될 수 있으며, 다른 유형의 마이크로칩 및 집적 회로에도 사용된다.
Drummond et al., 15th IEEE ITHERM Conference (2016), DOI: 10.1109/ITHERM.2016.7517565의 “Evaporative Intrachip Hotspot Cooling with a Hierarchical Manifold Microchannel Heat Sink Array” 논문에서는 작은 핫스팟 영역에서 열을 분산시키기 위해 매니폴드(manifold) 분배기를 사용하여 병렬로 공급되는 칩 내 실리콘 마이크로채널 방열판 어레이의 사용에 대해 설명한다. 열 전달 계수는 최대값에 도달한 후 열 유속에 따라 급격히 감소하는 것으로 관찰되었으며, 이는 벽의 국부적/간헐적 건조 또는 개별 채널로의 유동을 감소시키는 유동 불안정성으로 인해 발생할 수 있다. 또한, 자기 결합 기어 펌프를 사용하여 테스트 섹션을 통해 유체(유속 100~500ml/min)를 순환시킨다.
US 2003/0205363은 상변화 열 전달 유체를 갖는 폐쇄 루프를 사용하는 전자 모듈용 냉각 장치를 기술하고 있다. 응축기는 액체 대 공기 열 교환기이며 비등 챔버(boiling chamber)에 수평으로 인접하게 배치된다. 응축기는 튜브와 핀을 포함한다. 충분한 압력 헤드를 제공하기 위해 수평으로 배열된 응축기 내부의 튜브에서 응축액(condensate) 레벨을 유지해야 한다. 따라서 응축기, 특히 튜브의 열 교환 영역이 효율적으로 사용되지 않는다.
Mihailovic et al. J. Micromech. Microeng. 21 (2011) 075007은 핀 구조를 갖는 소형 응축액을 언급한다.
본 발명의 목적은 Drummond 등의 이러한 단점을 적어도 부분적으로, 특히 벽에서의 국부적/간헐적 건조 및 유동 불안정성의 단점을 해결하는 것이다.
특히, 상대적으로 낮은 유속을 요구하면서 높은 열 유속을 달성할 수 있는 집적 회로를 갖는 마이크로칩의 증발식 냉각을 위한 냉각 요소를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적은 펌프를 포함하지 않는 마이크로칩의 증발식 냉각을 위한 냉각 요소를 제공하는 것이다. 추가 이점 및 목적은 이후에 논의될 것이다.
본 발명은 마이크로칩 냉각 방법에 관한 것으로서, 마이크로칩은 집적 회로를 포함하고 냉각 시스템이 위치하며, 냉각 시스템은 냉각 요소를 포함하고, 마이크로칩이 냉각 요소와 조립되거나 통합되며, 냉각 요소는 열 교환 벽을 포함하는 기화 챔버를 포함하되, 집적 회로 및/또는 마이크로칩이 열 교환 벽의 제1 측에 인접하게 배열되고, 상기 방법은, 열 교환 벽의 제2 측과 접촉하여 기화 챔버에 냉각액을 제공하는 단계를 포함하고, 제2 측은 제1 측의 반대편에 위치하여, 열이 집적 회로로부터 냉각액으로 교환되어 냉각액을 적어도 부분적으로 증기로 기화시키게 되며, 예를 들어 냉각 액체의 일부는, 예를 들어 적어도 5 중량% 또는 적어도 10 중량% 및 예를 들어 최대 40중량% 또는 최대 30중량%는, 증기로 기화된다. 바람직하게는, 기화 챔버는 채널 및, 냉각액의 유동 방향으로 직렬로 배열된 복수의 유동 조절 구조를 포함하여, 냉각액 및 증기가 기화 챔버 내의 채널을 통해 유동하고 열 교환 벽과 접촉하는 동안 냉각액 및 증기의 유동이 조절된다. 바람직하게는, 냉각 요소는, 기화 챔버의 제1 측에 냉각액을 위한 유입구를 포함하고, 기화 챔버의 반대편 제2 측에 증기를 포함하는 유체 스트림을 위한 배출구를 포함하되, 기화 챔버의 길이 방향(L)은 유입구로부터 배출구로 향하는 방향이다.
바람직한 실시예에서, 냉각 시스템은 기화 챔버 위에 수직으로 배열된 응축기를 더 포함한다. 바람직하게는, 응축기는 기화 챔버로부터 수직으로 이격되고 중력에 대해 기화 챔버보다 수직으로 더 높게 배열된다. 바람직하게는, 응축기는 증기용 배출구에 대한 제1 연결을 갖는 유입구를 가지고, 일방향 밸브를 통해 냉각액을 위한 기화 챔버의 유입구에 대한 제2 연결부를 갖는 배출구를 가진다. 바람직하게는, 상기 방법에서, 적어도 증기는 상기 응축기로의 상기 제1 연결부를 통해 위로 흐르고 주변 공기에 대한 열 교환에 의해 응축기에서 냉각액으로 응축되며, 냉각액만이 중력의 흐름에 의하여 제2 연결부를 통해 일방향 밸브로부터 아래로 흐르고, 이에 따라 기화 챔버를 통한 냉각액의 수송을 구동한다. 바람직한 실시예에서, 배출구로부터 제1 연결부를 통해 흐르는 유체는 액체 및 증기 모두를, 또는 예를 들어 0.5 미만 또는 0.3 미만의 증기 품질을 갖는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 마이크로칩 및 냉각 시스템을 포함하는 마이크로칩 냉각 시스템 어셈블리에 관한 것으로, 냉각 시스템은 냉각 요소 및 바람직하게는 응축기를 포함하고, 마이크로칩은 집적 회로를 포함하며, 냉각 요소는 열 교환 벽을 포함하는 기화 챔버를 포함하고, 마이크로칩은 열 교환 벽의 제1 측에 인접하게 배열되며, 바람직한 응축기는 기화 챔버 위에 수직으로 배열되고, 열 교환 벽은 작동 시, 열 교환 벽의 제2 측과 접촉하여 기화 챔버에 제공된 냉각액으로, 마이크로칩으로부터 열을 교환하도록 구성되며, 제2 측은 제1 측의 반대편에 위치하여, 냉각액을 적어도 부분적으로 증기로 기화시키고, 기화 챔버는 채널 및, 냉각액의 유동 방향으로 직렬로 배열된 복수의 유동 조절 구조를 포함하고, 채널 및 복수의 유동 조절 구조는 각각, 냉각액 및 증기가 기화 챔버 내에 있고 열 교환 벽과 접촉하는 동안, 냉각액 및 증기의 유동을 조절하도록 구성되며, 냉각 요소는 기화 챔버의 제1 측에 냉각액을 위한 유입구를 포함하고, 기화 챔버의 반대편 제2 측에 증기를 포함하는 유체 스트림을 위한 배출구를 포함한다. 바람직하게는, 응축기는, 증기를 위한 배출구에 대한 제1 연결부를 갖는 유입구를 가지고, 일방향 밸브를 통해 냉각액을 위한 기화 챔버의 유입구에 대한 제2 연결부를 갖는 배출구를 가지되, 응축기는 작동 시, 적어도 증기가 제1 연결부를 통해 응축기 위로 흐르고 주변 공기와의 열 교환에 의해 응축기 내에서 냉각액으로 응축되며, 냉각액만이 중력의 흐름에 의하여 제2 연결부를 통해 일방향 밸브로부터 아래로 흐르고, 이에 따라 기화 챔버를 통한 냉각액의 수송을 구동하도록 구성된다.
다른 양태에서, 본 발명은 마이크로칩을 냉각하기에 적합한 냉각 요소에 관한 것으로, 냉각 요소는 작동 시 상기 마이크로칩 내에 포함된 집적 회로로부터의 열이 제공되는 제1 측, 및 작동 시 상기 냉각 액체가 적어도 부분적으로 증기로 기화되도록 기화 챔버에 제공된 냉각 액체와 접촉하는 제2 면을 가지는 열 교환 벽을 포함하는 기화 챔버를 포함하며, 상기 제2 면은 상기 제1 면의 반대편에 있고, 상기 기화 챔버는 냉각액의 유동 방향으로 직렬로 배열되고, 기화 챔버의 채널에서 상기 열교환 벽과 접촉하여 각각 냉각액과 증기의 유동을 조절하도록 구성된 채널 및 복수의 유동 조절 구조를 포함하며, 냉각 요소는 기화 챔버의 제1 측에 있는 냉각액, 및 기화 챔버의 반대편에 위치한 제2 측에 있는 증기를 포함하는 유체 스트림을 위한 배출구를 포함하고, 바람직하게는 상기 열 교환 벽과 상기 유동 조절 구조는 일체식이며 바람직하게는 실리콘 기반 물질로 만들어진다.
다른 양태에서, 본 발명은 전술된 냉각 요소를 제조하는 방법에 관한 것으로, 냉각 요소에서 열 교환 벽과 유동 조절 구조는 서로 일체식이며, 실리콘 기반 물질로 만들어지고, 상기 냉각 요소에서, 유동 조절 구조는 열 교환 벽에 수직으로 기화 챔버로 연장되는 기둥이며, 제조 방법은 채널 사이에 남아 있는 실리콘 물질이 유동 조절 구조를 제공하도록 실리콘 웨이퍼 기판에 채널을 에칭하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 어셈블리를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 냉각 요소의 개략적인 평면도를 도시한다. 도 2a는 개요도를 도시하고, 도 2b는 냉각 요소의 일부의 확대도를 도시하고, 도 2c는 냉각 요소의 세부 사항의 확대도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 냉각 요소의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 냉각 요소의 추가적인 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 어셈블리의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 상이한 배율에서 본 발명에 따른 예시적인 냉각 요소의 이미지를 도시한다(도 6a, 6b 및 6c).
놀랍게도, 이러한 목적은 유동 조절 구조, 특히 액체 슬러그 분해 구조, 더욱 바람직하게는 기화 챔버 위에 수직으로 배열된 응축기와 조합하여 기화 챔버를 사용함으로써 적어도 부분적으로 충족될 수 있다는 것이 발견되었다.
따라서, 일 양태에서, 본 발명은 냉각액의 유동을 위한 채널과 채널에서 증발하는 냉각제의 유동을 차단하는 구조를 가지는 냉각 요소를 사용함으로써 마이크로칩의 증발식 냉각이 우수하게 달성될 수 있다는 통찰에 광범위하게 기반한다. 특히, 채널에서 냉각액의 기화에 의해 증기 기포와 액체 슬러그가 형성된다. 본 발명의 냉각 요소의 작동에 있어서, 이들 액체 슬러그는 예를 들어, 기둥과 같은 구조물에 충돌하고 분해된다. 이러한 방식으로, 채널에서 폭발적인 기포 성장을 방지할 수 있고, 낮은 압력 강하에서도 채널에서 높은 유량의 냉각액을 유지할 수 있다. 기화 챔버에 대한 낮은 압력 강하 및 기화 챔버에서 냉각액의 효율적인 부분 증발은, 기화 챔버 위에 수직으로 배열된 응축기를 사용해 기화 챔버 및 바람직한 응축기를 포함하는 냉각 시스템 내의 내부 순환을 구동할 수 있도록 한다. 응축된 냉각 유체의 액체 기둥은 응축기의 배출구와 기화 챔버의 유입구 사이에 유지될 수 있다. 냉각액의 증기상과 액체상의 밀도 차이로, 중력의 흐름에 의해 루프를 통해 유체를 이동시킬 수 있다. 기화 챔버에서 냉각액의 적어도 부분적인 기화는 유동을 구동한다.
본 명세서에 사용된 "RF"는 무선 주파수를 의미한다(예: 20kHz 내지 300GHz 범위). 특히 바람직한 실시예에서, 마이크로칩은 mm파 신호(30 내지 300GHz)에 사용된다.
본 발명은 집적 회로를 이용한 마이크로칩의 냉각 또는 집적 회로의 냉각에 관한 것이다. 집적 회로는 예를 들어 반도체 물질 부분 상의 전자 회로 세트이고, 반도체 물질은 예를 들어 실리콘이거나 실리콘을 기반으로 하며, 다른 물질도 가능하다. 반도체 물질 부분은 일반적으로 평평하고 비교적 작으며(예: 10cm² 미만) "마이크로칩"이라고 한다. 집적 회로는 많은 수의 트랜지스터, 예를 들어 100개 이상의 트랜지스터, 1000개 이상의 트랜지스터 또는 1,000,000개 이상의 트랜지스터를 포함한다. 그러나 집적 회로는 트랜지스터와 같은 능동 소자 없이 저항기, 커패시터 및 인덕터(특히 증분(incremental) 수동성을 갖는 소자)와 같은 수동 소자만 포함할 수도 있다. 이는 예를 들어 아날로그 회로에 사용할 수 있다.
마이크로칩은 일반적으로 포토리소그래피를 사용하여 제조되며, 일반적으로 Si 웨이퍼와 같은 반도체 시트로 제조된다. 마이크로칩은 예를 들어 데이터 처리 및 계산(마이크로프로세서), 메모리 저장 및/또는 신호 처리를 위해 구성된다. 마이크로칩은 디지털 논리 회로 및/또는 아날로그 회로를 포함할 수 있고/있거나 디지털 및/또는 아날로그 신호의 처리를 위해 구성된다.
본 명세서에 사용된 "집적 회로"는 예를 들어 회로 요소의 전부 또는 일부가 분리 불가능하게 연관되고 전기적으로 상호 연결된 전자 회로를 포함하여, 특히 구성 및 상업 목적으로 분할할 수 없는 것으로 간주된다. 보다 구체적으로는, 집적 회로는 모놀리식 집적 회로이고, 기판으로서 반도체 재료의 단일 모놀리식 조각을 기반으로 한다. 마이크로칩 및/또는 집적 회로는 예를 들어 광학 유닛, 기계 장치 및 센서의 통합을 허용하기 위해 비전자 회로를 포함할 수 있다. 마이크로칩은 마이크로전자기계 시스템, 및/또는 집적 광학 회로, 예를 들어 포토닉스 기반 회로를 포함할 수 있다. 마이크로칩은 스핀트로닉스(spin transport electronics)용으로 구성될 수도 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 마이크로칩은 마이크로파 주파수(예를 들어, 300MHz 내지 300GHz)에서 동작하도록 구성된 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC 장치)이다. MMIC 장치의 반도체 재료는 예를 들어 Si 기반 집적 회로가 사용될 수도 있지만, 예를 들어 GaAs와 같은 클래스 III-V 화합물 반도체이다. 마이크로칩을 위한 다른 예시적인 반도체 재료는 InP, SiGe 및 GaN을 포함한다. MMIC 장치는 예를 들어 마이크로파 혼합, 전력 증폭, 저잡음 증폭 및 고주파 스위칭에 사용되며 예를 들어 무선 통신용 안테나를 구동한다. MMIC 장치는 예를 들어 RF 전력 증폭기로 구성된다.
냉각 방법의 바람직한 실시예에서, 마이크로칩은 안테나에 전류, 바람직하게는 교류, 예를 들어 적어도 20kHz의 주파수, 보다 일반적으로 300MHz 내지 300GHZ의 RF 주파수 및 예를 들어 적어도 24GHz의 주파수를 갖는 전류를 생성하는 데 동시에 사용된다. 예를 들어 마이크로칩은 냉각 방법과 동시에 RF 전력 증폭기의 기능을 한다.
바람직한 실시예에서, 냉각 요소는 적어도 0.5 x 106 W/m².K 또는 적어도 0.70 x 106 W/m².K의 열 전달 계수를 제공한다.
현재의 경향은, 예를 들어, 전술된 바와 같은 다양한 종류의 마이크로칩에 대해 집적 회로를 포함하는 마이크로칩의 더 높은 열 소산율을 향하고 있다. 특히 마이크로칩은 작동 중에 적어도 0.10kW/cm², 적어도 0.50kW/cm², 또는 심지어 적어도 1.0kW/cm²와 같은 방열 수준에 대한 필요를 가질 수 있고, 예를 들어 칩을 150°C 또는 120°C 미만, 또는 70°C 미만, 및 예를 들어 주변 온도에 대해 5 ~ 30 °C 범위, 및 예를 들어 칩 수준(마이크로칩에 대한 평균 열 손실)으로 유지할 수 있다. 사용 가능한 방열판 온도에 따라, 냉각액이 방열판에서 응고되지 않는 한 주변 온도보다 낮은 온도(예: 0°C 미만)로 냉각할 수도 있다.
또한, 마이크로칩은 작동 시 적어도 1.0kW/cm³(즉, 부피 기준)의 열 밀도, 특히 패키지 레벨의 체적 열 발생으로서, 그리고 예를 들어 전술된 바와 같은 마이크로칩 온도 및 주변 온도를 가질 수 있다.
또한, 마이크로칩은 2kW/cm² 이상, 5×10kW/cm² 이상, 10kW/cm² 이상 또는 30kW/cm² 이상, 또는 더 높은 핫스팟 열 유속이 가능한, 1kW/cm² 이상의 방열 수준(냉각 열유속)이 필요한 작동 핫스팟을 가질 수 있다. 이러한 핫스팟의 크기는 예를 들어 최소 1000 μm² 또는 최소 10,000 μm², 예를 들어 1.0 mm² 미만 또는 0.10 mm² 미만이다. 이러한 냉각을 위한 마이크로칩 온도 및 주변 온도는 바람직하게는 예를 들어 100°C 미만 또는 60°C 미만의 마이크로칩 온도일 수 있고, 주변 온도는 5ºC 내지 30°C 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 마이크로칩은 일반적으로 이러한 열 유속, 열 밀도 및/또는 핫스팟을 제공하고 일반적으로 추가적인 특정 종류의 마이크로칩에 대한 제한 없이 전자 데이터 및/또는 신호의 처리를 위한 열원으로 지정될 수 있음이 관찰된다.
일부 실시예에서, 마이크로칩은 평면 반도체 기판의 일 측면 상에 배열된 집적 회로 라인을 가지며; IC 라인이 있는 쪽이 윗면이고 다른 쪽이 마이크로칩의 후면이다.
마이크로칩은 예를 들어 집적 회로, 마이크로프로세서, 시스템 온 칩(예를 들어, 중앙 처리 장치, 메모리 장치, 입력/출력 포트 및 선택적으로 단일 기판), RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit, 예를 들어 RF 송신기 또는 RF 수신기), 광 송신기 또는 수신기, 전력 증폭기, 예를 들어 무선 주파수 전력 증폭기, GPU(그래픽 처리 장치), CPU(중앙 처리 장치), 디지털 신호 프로세서, 주문형 집적 회로, 가속 처리 장치(APU), 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드 및 전력 전자 장치, 예를 들어 전력 인버터 또는 변환기일 수 있다. 마이크로칩은 예를 들어 광자 소자 또는 태양 전지판(특히 태양광 분야와 함께 사용됨)을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 마이크로칩은 동작 시 저전력 RF 신호를 더 높은 전력 신호로 변환하는 전자 증폭기인 RF 전력 증폭기를 포함한다. RF 전력 증폭기는 예를 들어 음성 및 데이터 통신을 위해 송신기의 안테나를 구동한다. 특정 실시예에서, RF 전력 증폭기는 반도체로서 GaN(질화갈륨), 예를 들어 Si 기판 또는 SiC 기판과 같은 Si 복합 기판에 기초한다.
마이크로칩, 특히 RF 증폭기 또는 기타 RF 신호 처리 칩은 예를 들어 이종구조 전계 효과 트랜지스터로도 알려진 고전자 이동성 트랜지스터(HEMT), 예를 들어 GaN HEMT 또는 기타 넓은 밴드갭 반도체 HEMT를 포함한다. 특히 GaN을 기반으로 하는 HEMT는 종종 더 높은 전력 밀도로 인해 마이크로칩에 핫스팟을 일으킬 수 있다. HEMT는 예를 들어 증폭기, 특히 파형 엔지니어링 증폭에 사용된다.
특정 실시예에서, 마이크로칩은 MMIC 장치로서 제공되는 RF 전력 증폭기이며, 특히 GaN 다이와 함께 제공된다. 이러한 전력 증폭기에 대한 기술에서, 1kW/cm² 이상의 다이 레벨 열유속은 30kW/cm² 이상의 핫스팟 열유속과 함께 발생하며, 여기서 핫스팟은 예를 들어 1.0 mm² 미만, 예를 들어 0.10 mm² 미만, 예를 들어 패키지 수준의 열 제거 밀도가 2.0kW/cm³보다 크거나 최소한 전술된 것처럼 최대 마이크로칩 온도 및 주변 온도로 냉각이 필요한 열 생산이 있는 경우이다. 일부 실시예에서, 본 발명은 그러한 열 특성을 갖는 RF 전력 증폭기의 냉각 요소 및 냉각 방법을 제공한다.
추가 실시예에서, 마이크로칩은 LDMOS(측면 확산 금속 산화물 반도체) 트랜지스터를 포함한다. 그러한 LDMOS 트랜지스터를 포함하는 마이크로칩은 예를 들어 마이크로파 및/또는 RF 전력 증폭기로 구성된다. LDMOS 트랜지스터는 예를 들어 실리콘 기반 FET(전계 효과 트랜지스터)이다. 그러한 트랜지스터를 포함하는 마이크로칩은 예를 들어 기지국에서 RF 전력 증폭기로 사용되며, 바람직하게는 에너지 효율을 개선하기 위해 엔벨로프 추적(envelope tracking)과 함께 사용된다.
또 다른 실시예에서, 마이크로칩은 GaAs MMIC와 같은 GaAs 또는 InGaP를 기반으로 한다. GaAs는, 예를 들어 출력 전력이 50dBm 미만인 저전력 드라이버용 반도체 물질로 사용된다.
특정 실시예에서, 마이크로칩은 무선 기지국의 일부이고, 예를 들어 무선 기지국의 기저대역 유닛 또는 원격 무선 유닛의 일부이다. 원격 무선 장치는 예를 들어 디지털-아날로그 변환, 아날로그-디지털 변환, 주파수 상향 변환 및 하향 변환, 전력 증폭을 수행하는 데 사용된다. 원격 무선 장치는 일반적으로 기저대역 장치와 물리적으로 이격되어 있으며, 안테나의 프론트엔드 및/또는 백엔드와 인터페이스된다.
특정 실시예에서, 마이크로칩은 원격 무선 유닛의 일부이고, 보다 구체적으로 주파수 변조 및/또는 진폭 변조, 주파수 상향 변환 및/또는 하향 변환을 위한 동작에 사용된다. 특히 이러한 종류의 칩에서는 위에서 언급한 핫스팟이 발생할 수 있다.
일부 실시예에서, 마이크로칩은 RF 쿠킹(RF cooking)을 위해 구성된다. 일부 실시예에서, 마이크로칩은 1 내지 2450MHz 범위의 주파수에서 작동하도록 구성되며, 예를 들어 RF 쿠킹 기기에 자주 사용되는 RF 주파수인 2.45GHz 및 868MHz 및 915MHz의 작동 주파수를 갖는다. 예를 들어, 마이크로칩은 LDMOS 트랜지스터(측면으로 확산된 금속 산화물 반도체 트랜지스터)를 포함한다. 이러한 트랜지스터는 종종 마이크로파 및 RF 전력 증폭기, 특히 특정 RF 쿠킹 기기에 사용된다. RF 쿠킹에는 특히 음식 및 음료와 같은 식용 재료를 가열하기 위한 전자레인지용 고체 RF 기기의 사용이 포함된다. RF 쿠킹 기기에서 마이크로파 에너지를 생성하기 위한 기존의 캐비티 마그네트론은 마이크로파 에너지 생성을 위한 고체 반도체 기술을 사용하는 하나 이상의 마이크로칩으로 대체된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 냉각 요소는 이러한 마이크로칩을 냉각하기 위해 사용된다. 캐비티 마그네트론 대신 솔리드 스테이트 기술을 사용하면, 오븐 챔버로의 다중 마이크로파 입력과 RF 에너지의 주파수 및 위상 변조가 가능하여, 쿠킹 중에 정상파 패턴을 변경할 수 있다. RF 쿠킹 마이크로칩은 가스 또는 전기 가열 오븐과 통합하여 가열할 수도 있다.
본 발명의 냉각 요소는 일부 실시예에서 칩내 냉각 요소로서, 따라서 마이크로칩의 일부로서 배열된다. 특히, 냉각액 채널은 반도체 기판, 예를 들어, 마이크로칩의 Si 웨이퍼 내로 형성(예를 들어, 에칭)될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 채널은 마이크로칩의 후면에 제공된다. 다른 실시예에서, 에칭 또는 집속 이온 빔을 사용하여, 채널은 증착 방법과 같이 마이크로칩의 후면에 흐유동 조절 구조의 빌드업에 의해 형성된다.
다른 실시예에서, 냉각 요소는 마이크로칩에 조립되는(예를 들어, 마이크로칩에, 특히 마이크로칩의 후면에 접합되거나 연결되는) 직접 접촉 냉각 요소로서 배열된다. 그러한 실시예에서 냉각 요소는 마이크로칩과 일체가 아니다. 바람직하게는 기화 챔버의 벽은, 마이크로칩의 일부, 보다 특히 마이크로칩의 반도체 기판과 직접 접촉하고, 바람직하게는 반도체 기판의 후면과 물리적으로 직접 접촉한다. 일부 실시예에서, 기화 챔버의 벽, 보다 특히 냉각 요소의 열 교환 벽은 마이크로칩의 웨이퍼 기판과 물리적으로 직접 접촉하고, 보다 특히 마이크로칩의 실리콘 또는 실리콘 기반 기판과 직접 접촉한다.
냉각 요소는 채널과 유동 조절 구조를 포함하는 기화 챔버를 포함한다. 유동 조절 구조는, 작동 시, 채널을 통해 흐르는 냉각액(액체 및 증기)의 유동을 조절하여, 기화 액체에서 폭발적인 기포 성장을 방지한다.
예시적인 실시예에서, 채널은 예를 들어 바닥 및 상단 벽으로서 커버 플레이트의 열 교환 벽에 의해 형성되고, 채널의 수직 측벽으로서 케이싱(casing)의 측벽 및 유동 조절 구조로 형성된다.
특히, 채널에 유동 조절 구조, 예를 들어 채널 벽의 주름을 제공하여 채널에서 기화 냉각제의 폭발적인 기포 성장을 방지함으로써, 냉각 요소의 높은 열 소산율이 달성될 수 있으며, 상기 구조는 채널에서 냉각제의 유동을 차단한다.
본 발명에서, 증기 기포 및 액체 슬러그는 유동 조절 구조의 가장자리, 특히 기둥에서, 더욱 바람직하게는 기둥의 날카로운 모서리에서 분해됨으로써, 상 경계의 표면적을 증가시킬 수 있다. 환형 유동 타입은 대규모 진동을 분해한다.
이는 특히 국부적 및/또는 간헐적 건조의 위험을 피하거나 줄이는 데 도움이 된다. 또한, 유동 불안정의 위험을 줄인다. 특히, 기포가 채널을 막음으로써 발생하는 폭발적인 기포 성장을 방지하여, 기포 위치에서 벽에 남아 있는 액체 레이어의 매우 빠른 증발과 채널 방향으로의 기포의 폭발적인 1차원 성장을 방지하는 데 도움이 된다.
예를 들어, US 2011/0000624에 설명된 바와 같은 채널 및 액체 슬러그 분해 구조, 예를 들어 설명된 기둥의 필드와 함께, 기화 채널에 냉각이 제공될 수 있다.
본 발명의 기화 챔버의 유동 조절 구조로, 폭발적인 기포 성장의 위험이 감소되고, ΔT
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10K에서(ΔT는 마이크로칩(칩 레벨의 평균)과 유입되는 냉각액 온도 간의 온도 차이)일 때, 100W/cm² 이상, 200W/cm² 이상, 또는 500W/cm² 이상과 같이 매우 높은 방열 속도가 달성될 수 있다. 또한 ΔT = 10K에서 100W/cm² 이상의 냉각 성능을 달성할 수 있다(예: 9mm² 기화 챔버 표면 사용).
본 발명에서, 기화 챔버에는 일반적으로 냉각제, 특히 냉각제 내의 액체 슬러그의 유동을 차단하는 유동 조절 구조가 위치한다. 상기 구조는 예를 들어 날카로운 모서리가 있는 기둥이고, 기둥은 예를 들어 엇갈린 행으로 배열되며 개별 행은 냉각액의 유동 방향에 수직으로 배열된다. 이는 기화 냉각제의 폭발적인 기포 성장의 위험을 줄이는 데 도움이 된다.
유리하게는, 냉각 요소는 매우 얇을 수 있으며, 예를 들어 0.50mm 미만 또는 0.20mm 미만일 수 있다.
도 1, 2a 및 2b(각각 본 발명을 제한하지 않는 예시적인 실시예를 도시함)와 관련하여, 상기 방법은 집적 회로(1)를 포함하고 냉각 요소(2)와 조립 또는 통합된 마이크로칩(8)을 제공하는 단계를 포함한다. 냉각 요소는 열교환 벽(6)을 포함하는 기화 챔버(7)를 포함한다. 마이크로칩(8), 특히 집적 회로(1)는 열 교환 벽(6)의 제1 측에 인접하게 배열된다. 열 교환 벽(6)은 기체 및 액체에 대해 불투과성이다. 열 교환 벽은 마이크로칩(8)의 일부일 수 있다. 열 교환 벽(6)은 일반적으로 전기적으로 격리된다. 열 교환 벽은 열 전달이 가능하고 바람직하게는 높은 열 전도성을 갖는다. 열 교환 벽은 예를 들어 Si 또는 SiC와 같은 Si 화합물 재료로 만들어진다.
상기 방법은 냉각액(B)을 상기 기화 챔버(7)에 공급하는 단계, 특히 냉각액(B)을 열 교환 벽(6)의 제2 측과 접촉하게 하여 공급하는 단계를 포함하며, 여기서 제2 측은 제1 측과 인접하게 위치한다. 이러한 방식으로, 열은 상기 집적 회로로부터 상기 냉각액(B)으로 교환되어, 상기 냉각액(B)을 적어도 부분적으로 증기로 기화시켜, 냉각액(B)이 기화 챔버(7)에 있는 동안 증기(예: 액체의 10 내지 30 중량%)를 포함하는 유체 스트림(C)을 기화시킴으로써 증기(C)를 제공한다. 이러한 방식으로, 마이크로칩에서 열이 빠져나가고 집적 회로는 증발식 냉각이 이루어지게 된다. 증기(C) 및 선택적으로 냉각액(B)을 포함하는 스트림이 기화 챔버(7)를 떠나게 된다.
냉각 요소는 채널(18) 및, 냉각액(B)의 유동 방향으로 직렬로 배열된 복수의 유동 조절 구조(9)를 포함한다. 기화는 특히 냉각액(B)이 채널을 통해 흐르고 유동 조절 구조(9)에 충돌할 때 발생한다.
냉각 요소는 기화 챔버(7)의 제1 측(16)에 냉각액(B)을 위한 유입구(12)와, 기화 챔버의 반대쪽 제2 측(17)에서 적어도 증기를 포함하는 유체 스트림(C)을 위한 배출구(14)를 포함한다. 기화 챔버는 유입구(12)로부터 배출구(14)로의 방향인 길이 방향(L)을 갖는다. 액체를 냉각하기 위한 유입구(12)와 유체 스트림(C)을 포함하는 배출구(14)를 기화 챔버의 대향하는 측에, 바람직하게는 둘 모두 열 교환 벽(6)과 평행한 평면에 배열하고, 보다 바람직하게는 각각 기화 챔버 길이의 10% 미만인 기화 챔버의 측벽으로부터 수평 거리에서 가장 가깝게 배열하는 것은, 벽(6)의 열 교환 영역이 열 교환에 효율적으로 사용된다는 이점을 제공한다. 유입구 및 배출구의 이러한 구성은 또한 기화 챔버에서 원하는 환형 유동 타입의 유체에 기여한다.
바람직하게는, 기화 챔버의 유체 스트림(C)을 위한 배출구(14)는 증기 유입구로부터 멀리 떨어진 곳에(예를 들어, 기화 챔버 길이에서 적어도 90%의 수평 거리만큼 떨어진 곳에서) 수평으로 배열된다. 이는 냉각액에 의한 열 교환의 보다 완전한 습윤화 및 더 높은 유속을 가능하게 하고, 비등 속도에서도 보다 규칙적인 냉각액 유동에 기여한다. 바람직하게는, 기화 챔버는 반대 측에서 바람직한 유입구 및 배출구를 제외하고 밀봉 차단된다.
기화 챔버(7)는 상기 유입구(12)로부터 상기 배출구(14)로의 유체 흐름을 위한 유동 경로를 포함한다. 기화 챔버(7)는 바람직하게는 상기 유입구(12)와 기화 챔버(7)의 제1 단부(16) 사이에 유입구 플레넘(plenum)(13)을 포함한다. 유입구 플레넘은 예를 들어 유입구 매니폴드이다. 이 유입구 매니폴드(13) 내에서 유동 조절 구조(9b)는 너비 방향(W)으로 최적의 유동 분포를 촉진하는 방식으로 배열될 수 있다(도 4 참조).
바람직하게는, 냉각제는 상기 유입구 플레넘(13)에서 제1 스트림과 열 교환 접촉하지 않는다. 예를 들어, 단열 물질 또는 갭이 유입구 플레넘(13)과 마이크로칩 사이에 적용될 수 있으며, 유입구 플레넘(13)은 예를 들어 또한 마이크로칩 너머로 또는 수직으로 평행하게 확장된다.
바람직하게는, 상기 벽(6)은 상기 유입구 플레넘의 하류에 배열된다. 유입구 플레넘은 예를 들어 매니폴드이고, 예를 들어 특히 기화 챔버(7)의 너비에 걸쳐 냉각제를 분배하기 위해 핀 또는 다른 구조가 제공된다.
배출구(14)에서, 냉각제 스트림은 또한 액체 냉각제를 포함할 수 있다. 예를 들어 열 교환기는 상기 제2 단부(17)와 상기 배출구(14) 사이에 배출구 플레넘(15)을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 유입구 플레넘은 기화 챔버에 수직이거나 일정 각도를 이룬다. 일부 실시예에서, 배출구 플레넘은 기화 챔버에 수직이거나 일정 각도를 이룬다.
바람직하게는 제1 단부(16)는 벽(6)을 통해 마이크로칩과 냉각액(B) 사이의 초기 열 교환 접촉 지점에 위치한다. 바람직하게는, 제2 단부(17)는 기화 챔버를 통과하는 냉각제의 통로로, 벽(6)을 통해 기화 챔버(7)내 마이크로칩과 증기(C) 및/또는 액체(B) 사이의 말단 열 교환 접촉 위치에 위치한다.
냉각 방법은, 예를 들어 냉각액(B)을 상기 제1 단부(16)로부터 상기 제2 단부(17)로 유동시키는 단계를 포함한다. 이러한 유동 동안, 유동 냉각수(B, C)의 적어도 일부는 제1 단부(16)에서 제2 단부(17)로 기화 챔버(7)에서 유동하는 동안, 그리고 열 교환 벽(6)과 접촉하는 동안 다중 유동 조절(직렬)을 받는다. 각각의 유동 조절은 냉각제의 유동을 2개의 스트림으로 분할하는 단계, 및 냉각제의 2개 이상의 스트림을 단일 스트림으로 결합하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 분할 및 결합 단계가 교대로 존재한다. 이러한 방식으로, 액체 슬러그가 분해된다.
본 발명에서, 기화 챔버(7)는 복수의 유동 조절 구조(9)를 포함하고, 바람직하게는, 열 교환 벽(6)은 유동 조절 구조(9)와 일체식이다. 이 방법은 특히 기화 챔버를 통해 냉각액(B)을 상기 구조 주위로 흐르게 함으로써 이러한 구조와 냉각제를 접촉시키는 단계를 포함한다. 이러한 구조는 냉각제(냉각액(B) 및 증기(C))의 유동 방향으로 직렬로 배열되고, 냉각액과 접촉하도록 배열된다. 특히, 냉각액(B)과 증기(C)의 유동이 조절되고, 동시에 냉각액(B)와 증기(C)가 기화 챔버(7)에서 채널(18)을 통해 유동하면서, 동시에 냉각액(B)과 증기(C)는 상기 열 교환 벽(6)과 접촉하고 있다. 따라서, 유동 조절 구조(9)는 열 교환 벽(6)이 위치하는 길이 방향의 위치에서 기화 챔버(7)에 배열된다. 구조(9)는 각각 증발 챔버(7)에서 냉각액(B) 및 증기(C)의 유동을 조절하도록 구성된다. 유동 조절 구조(9)는, 냉각제가 마이크로칩(8)과 열 교환 접촉하고 냉각제가 증발하는 증발 챔버 부분에 제공된다.
구조(9)는 바람직하게는 기화 냉각제가 직렬로 복수의 상기 구조와 접촉하도록, 특히 기화 냉각제가 단일 기화 챔버에서 직렬로 복수의 상기 구조물과 접촉하도록 위치한다. 바람직하게는, 기화 냉각제는 예를 들어 벽(6)의 돌출부인 구조(9)에 충돌한다. 구조(9)는 기화 챔버에서 이격되어 있고, 이들 사이의 공간은 냉각제용 채널(18)을 규정한다. 바람직하게는, 구조는 이러한 채널(18)에서 흐르는 냉각액이 구조(9)에 충돌하고, 분리에 의해, 바람직하게는 구조(9)에 의해 서로 분리된 채널에서 적어도 2개의 스트림으로 분할되도록 배열된다. 또한, 구조(9)는 바람직하게는 채널(18) 또한 결합되도록 배열된다.
바람직하게는, 유동 조절 구조 각각은 너비 방향(W)에서 최대 크기로서의 너비(Pw) 및 길이 방향(L)에서 최대 크기로서의 길이(PL)를 갖는다(도 2c에 도시됨). 길이(PL) 대 너비(Pw)의 비는 바람직하게는 10:1 미만 또는 5:1 미만이고, 일반적으로 1:1 초과, 예를 들어 2:1 초과(예를 들어, 유동 방향의 신장되는 기둥)이다.
보다 특히, 각각의 유동 조절 구조(9a, 9b, 9c)는, 바람직하게는 제1 부분 및 제2 부분, 바람직하게는 (구조 주위의 냉각제의 유동에 대해) 상류 단부 부분 및 하류 단부 부분을 포함한다. 제1 부분(10)에 의해, 냉각용 채널(18a)은 냉각용 2개의 채널(18b, 18c)로 분리된다. 바람직하게는, 적어도 2개의 채널(18b, 18c)은 유동 조절 구조의 적어도 일부에 의해 서로 분리된다. 바람직하게는, 적어도 두 개의 채널은 기화 챔버의 너비 방향으로 분리되며, 상기 너비 방향은 열 교환 벽(6)에 평행하고 길이 방향에 수직이다. 두 개의 채널은 예를 들어 반응기의 길이에 대해 5°에서 85° 범위의 각도로 작동한다. 제2 부분(11)은 냉각제의 유동에 대해 제1 부분(10)의 하류에 배열된다. 제1 부분은 바람직하게는 냉각제를 분해하기 위해 상류 방향으로 돌출하는 날카로운 모서리를 포함한다. 제2 부분에 의해, 냉각제용 두 개 이상의 채널이 냉각제용 단일 채널(18d)로 결합된다.
채널(18)과 구조(9)는 열 교환 면적을 증가시킨다. 채널은 일반적으로 작기 때문에(작은 너비), 표면 장력은 관성에 비해 중요하다. 이는 유동 분포를 향상시키고 환형 유동을 촉진한다. 증기 기포와 액체 슬러그는 구조의 제1 부분에서 분해되어 전체적인 기포 유동 패턴 및/또는 환형 유동을 촉진한다. 환형 유동 타입의 유동은 대규모 진동을 줄인다. 따라서, 환형 유동은 마이크로칩의 효과적인 냉각에 기여한다.
일반적으로, 유동 조절 구조(9)는 벽(6)으로부터 기화 챔버(7) 내로 수직으로 돌출한다. 유동 조절 구조(9)는 바람직하게는 열 교환 벽(6)의 돌출부이고, 대안적으로 기화 챔버의 커버 플레이트(21)의 돌출부일 수도 있다.
구조(9)는 예를 들어 벽(6)과 일체로 형성되고 일체식이며, 예를 들어 구조(9) 및 벽(6)은 일체식이다. 구조물(9)은 예를 들어 기둥이다.
구조물(9)은 예를 들어 벽(6)에 리세스를 형성함으로써 제공된다. 벽은 예를 들어 마이크로칩(8)이 있는 일체식이거나, 예를 들어 마이크로칩, 특히 마이크로칩의 뒷면에 조립되는 별도의 실리콘 부분인 별개의 물질 부분일 수 있다. 리세스는 예를 들어 냉각 요소의 제조 동안 벽(6)의 물질 내로 에칭된다.
바람직하게는 냉각 요소(2)는 케이싱을 포함한다. 바람직하게는 냉각 요소는 판형(plate type) 열 교환기이다.
도 3은 구조의 바람직한 실시예를 평면도로 나타낸 것이다. 기화 챔버(7)는 기둥(9)의 엇갈린 행(22a, 22b)을 포함한다. 기둥은 벽(6)으로부터 돌출되어 있다. 열은 기화 챔버(7)의 길이 방향(L)에 걸쳐 분포되며, 즉 유입구(12)와 상기 배출구(14) 사이의 유동 경로에 걸쳐 다양한 위치에 배치된다. 일반적으로, 각 행의 기둥 중심은 행 사이의 길이 방향으로 이격되어 있다. 각각의 행은 일반적으로 너비 방향으로 연장되고, 각 행(22)에서 기둥(9)은 길이 방향(L)을 가로지르는 너비 방향(W)으로 분포되고 이격된다. 각 행에서 기둥의 중심은 길이 방향으로 같거나 다른 위치를 가질 수 있다. 한 쌍의 이웃하는 행(22a, 22b)에 대해 기둥(9)은 상기 너비 방향(W)에서 다른 위치를 갖는다. 이는 기둥의 열이 엇갈리게 배열되도록 한다. 행의 이러한 배열은 바람직하되 필수는 아니다. 예를 들어 기둥의 불규칙한 배열도 사용할 수 있다. 기둥의 배열은 일반적으로 엇갈리며, 제1 단부와 제2 단부에서 너비 방향으로 각 위치에 적어도 1개, 적어도 2개, 적어도 3개 또는 심지어 적어도 10개의 기둥이 제공된다. 이는 냉각제의 일부가 기둥에 닿지 않으면서 제1 단부에서 제2 단부로 흐를 수 있는 상황을 방지한다.
바람직하게는, 기화 챔버(7)에는 내부 구조가 제공된다. 바람직하게는, 증발 체적의 단면은 챔버의 유입구에서 배출구까지 증발 챔버(7)의 냉각제에 대한 주 유동 경로를 따라 실질적으로 일정하다. 이는 특히 유동 방향에 수직인 단면, 예를 들어 길이 방향을 나타낸다. 바람직하게는, 상기 단면 내에서의 냉각제용 유동 경로의 표면적은, 상기 유동 방향에서 실질적으로 일정하다(예를 들어, 최대값을 기준으로, 최소값과 최대값 사이의 차이가 10% 미만임). 바람직하게는, 내부 구조는 규칙적인 패턴을 포함한다. 예를 들어, 내부 구조는 기둥의 필드(배열)이다. 예를 들어 기둥은 열 교환 벽(6)에서 돌출된다. 바람직하게는, 기둥은 지그재그 방식으로 배열된다.
바람직하게는, 기둥은 상기 벽(6)에 평행한 평면에서 단면이 예를 들어 다이아몬드 모양, 직사각형, 육각형, 삼각형, 원형 또는 타원형일 수 있다. 상류 부분(10)은 날카로운 모서리(예: 60° 미만)를 갖는 모양이 바람직하다. 에지 라인은 바람직하게는 열 교환 벽(6)에 수직으로 연장된다. 바람직하게는, 상류 부분(10)은 60° 미만의 끼인각을 갖는 상류 쐐기(wedge)를 포함한다.
바람직하게는, 형상의 내부는 볼록 세트(convex set)이며, 즉 상기 단면 상의 한 쌍의 점을 연결하는 선분의 모든 점이 기둥 내부에 있다. 이러한 방법으로, 기둥의 속이 비어 있거나 움푹 들어간 부분이 있는 것을 피할 수 있다.
바람직하게는, 두 개의 유동 조절 구조 사이(예를 들어, 한 행의 두 기둥 사이 또는 기둥의 열 사이)의 채널(18)은 예를 들어 2.0mm 미만, 또는 1.0 mm 미만, 보다 바람직하게는 0.5 mm 미만, 또는 100 ㎛ 미만, 또는 심지어 50 ㎛ 미만이다. 냉각수 채널 너비는 압력 강하의 관점에서 바람직하게는 5㎛ 이상, 바람직하게는 10㎛ 이상이다. 냉각수 채널 너비는 예를 들어 벽 사이의 채널(18)을 규정하는 열 교환 벽(6)에 수직으로 연장되는 벽 사이의 간격, 예를 들어 인접한 두 유동 조절 구조 사이의 간격, 예를 들어 두 기둥 사이에 채널(18)을 규정한다. 바람직하게는, 유동 조절 구조, 예를 들어 기둥은 1.0 mm 미만, 0.5 mm 미만, 100 μm 미만 또는 50 μm 미만, 일반적으로 5 μm 초과 또는 10 μm 초과의 간격(인접한 쌍 사이)을 가진다.
기화 챔버의 유용한 설계는 Mihailovic et al. J. Micromech. Microeng. 21 (2011) 075007에 기재되어 있다. 이 논문에서는 핀 구조의 소형 증발기를 언급한다.
바람직한 실시예에서, 상기 방법은 과잉 유체 압력을 수용하기 위해 압력 증기 챔버(3)를 통해 증기(C)를 통과시키는 단계를 더 포함한다. 챔버(3)는 예를 들어 두 개의 구획을 포함하되, 하나는 냉각액을 수용하도록 구성되어 있으며 신축성 있는 다이어프램(diaphragm)으로 분리되어 있다. 챔버(3)는 팽창 용기로 기능할 수 있다.
상기 방법은 바람직하게는 압력 증기 챔버(3)의 하류에 배열된 응축기(4)에서 증기(C)를 응축시켜 응축액(D)을 제공하고, 바람직하게는 밸브(5)를 통해 응축액(D)을 통과시키는 단계를 더 포함한다. 응축기, 밸브(5) 및/또는 이들 사이의 적어도 튜브 연결 부분은 바람직하게는 중력에 대해 기화 챔버(7) 위에 수직으로 배열되고 바람직하게는 기화 챔버(7)로부터 수직으로 이격된다. 바람직한 실시예에서, 응축기(4)는 중력에 대해 기화 챔버(7) 위에 수직으로 위치한다. 더욱 바람직하게는, 응축기(4)는 중력에 대해 기화 챔버(7), 특히 기화 챔버의 증기 배출구로부터 거리(D1)만큼 수직으로 이격된다. 바람직하게는, 이러한 거리는 적어도 기화 챔버에 대한 압력 강하보다 큰 압력을 제공하는 냉각액의 액체 기둥의 압력 헤드에 상응하는 높이(H1)이다. 바람직하게는, 응축기의 배출구는 기화 챔버의 증기 배출구보다 수직으로 더 높고 증기 배출구로부터 수직으로 이격되어 배열된다. 기화 챔버(7) 위에 수직으로 배열된 응축기(4)의 바람직한 위치는 수평 평면에서의 위치보다는 기화 챔버에 대한 응축기의 수직 레벨을 나타내는 것임에 유의해야 한다.
바람직하게는, 응축기, 밸브(5) 및/또는 이들 사이의 적어도 튜브 연결 부분은 기화 챔버, 보다 특히 수직 방향(중력에 대해)으로 그 유입구(12)로부터 적어도 5 cm 또는 적어도 10 cm 또는 적어도 15 cm 또는 적어도 20 cm 또는 적어도 50 cm, 및 예를 들어 100 cm 미만 또는 50 cm 미만으로 이격된다. 바람직하게는, 특히 응축기는 중력에 대해 기화 챔버의 유입구(12)보다 5cm 이상 또는 10cm 이상 또는 20cm 이상 높게 배열된다. 응축기(4)는 바람직하게는, 예를 들어, 주변 공기와의 열 교환을 위한 핀을 가진다.
바람직하게는, 냉각액(B)의 액체 기둥은 유입구(12)의 상류에, 기화 챔버(7)를 통한 냉각액(B)의 유동을 구동하는 유입구(12)에 압력 헤드를 제공하는 것과 같이, 적어도 5cm 또는 적어도 10cm 또는 적어도 20cm 높이에 유지된다. 바람직하게는, 압력 헤드(즉, 정압차)는 기화 챔버(7)의 압력 강하를 극복하기에 충분하다. 따라서 냉각제는 폐쇄 루프에 포함되어 펌프를 사용하지 않고 계속 움직인다. 마이크로칩(8), 특히 집적 회로의 열 에너지는 냉각액의 이동에 효과적으로 사용된다.
예를 들어, 액체 헤드 높이가 20cm인 경우 10-15mbar의 정압차를 사용할 수 있으며, 이는 적절하게, 기화 챔버에서 기둥이 0.2mm 이상의 간격으로 사용되는 경우, 엇갈린 기둥 열과 10mm x 10mm 열 교환 영역이 있는 일반적인 구성에 대해 액체 헤드가 기화 챔버를 통한 유동을 유지할 수 있도록 약 5mbar의 압력 강하를 제공하여, 펌프가 없는 시스템이 가능하도록 한다. 바람직한 실시예에서, 기화 챔버는 1.0 mm 내지 20 mm의 길이를 갖고, 응축기는 중력에 대해 기화 챔버보다 10 cm 이상 또는 20 cm 이상, 바람직하게는 50 cm 미만의 높이에 배열된다.
바람직하게는, 응축기의 전체 열 교환 영역은 기화 챔버보다 높은 위치에 배치된다. 바람직하게는, 작동 시, 증기는 증기가 수용되는 응축기 측의 응축기에서, 연속상(continuous phase)이다. 즉, 응축기는 바람직하게는 액체로 채워지지 않으며, 특히 응축기에서 유체를 냉각시키기 위한 경로의 임의의 부분에 걸쳐 액체로 채워지지 않는다. 응축기 내부의 액체 헤드는 유체 루프가 유동을 생성하는 데 필요하지 않다. 바람직하게는, 냉각 액체의 단일상 액체 칼럼은 상기 응축기의 제2 연결부에서 응축기 배출구의 하류에 유지되며, 이 연결부는 예를 들어 튜브 또는 파이프이다. 이 실시예는 유리하게도 응축기의 열 교환 표면적을 효율적으로 사용하고 유동 순환을 유지하기 위한 액체 헤드를 생성하는 기능으로부터 이를 분리할 수 있다.
따라서, 바람직한 실시예에서, 상기 방법은 응축기에서 상기 증기를 액체로 응축시키는 단계를 더 포함하고, 여기서 증기의 응축기로의 수송 및 응축기로부터 기화 챔버로의 액체의 수송 및 기화 챔버를 통한 냉각 유체의 수송 펌프를 사용하지 않고 수행된다. 움직이는 부품이 있는 기계식 펌프를 사용하지 않는 것은 특히 냉각 요소(또는 냉각 시스템)를 보다 안정적으로 만든다.
따라서, 바람직한 실시예에서, 냉각 방법은 기화 챔버 위에 수직으로 배열된 응축기를 포함하는 바람직한 냉각 요소를 사용하며, 여기서 응축기는 증기(C)를 위한 상기 배출구(14)에 대한 제1 연결부를 갖는 유입구를 가지고 바람직하게는 일 방향 밸브를 통해 냉각액(B)을 위한 유입구(12)에 대한 제2 연결부를 가지며, 여기서 바람직하게는 일방향 밸브는 기화 챔버 위에 수직으로 배열된다. 이 바람직한 냉각 방법의 실시예에서, 적어도 증기(C)는 응축기로의 제1 연결부를 통해 위로 흐른다. 바람직하게는, 주변 공기와의 열 교환에 의해 응축기에서 액체(B)로 응축된다. 바람직하게는, 액체(B)만이 중력의 흐름에 의해 제2 연결부를 통해 일방향 밸브로부터 아래로 흘러내려 상기 기화 챔버를 통한 액체(B)의 수송을 구동한다. 단방향 밸브 또는 단향(unidirectional) 밸브는 예를 들어 체크 밸브(check valve)이다. 예시적인 체크 밸브는 US 2003/0205363에서 논의된다.
바람직하게는, 응축기는 70℃ 미만, 보다 바람직하게는 50℃ 미만, 더욱 더 바람직하게는 30℃ 미만, 예를 들어 10℃ 미만의 응축 온도에서 작동한다. 바람직하게는, 액체는 기화 챔버의 작동 압력에서 70℃ 미만 또는 바람직하게는 50℃ 미만, 더욱 바람직하게는 30℃ 미만의 기화 온도를 가진다. 기화 챔버 및/또는 응축기의 작동 압력은 절대 1 바(1 bar absolute) 이상, 5바 이상 또는 10바 이상 일 수 있다.
바람직하게는, 냉각 액체는 암모니아(NH3), 예를 들어, 적어도 50 중량% 또는 적어도 90 중량% 의 암모니아(NH3)를 포함하며, 나머지는 예를 들어, 물, 예를 들어 물이 10 중량% 이상인 혼합물(전체 조성을 기준으로 한 모든 백분율)일 수 있다. 암모니아는 물보다 끓는점이 낮고 물보다 낮은 온도로 냉각할 수 있다. 예를 들어, 10 바의 기화 챔버의 작동 압력에서 100 중량 % NH3의 끓는점은, 이처럼 유리한 저온에서 증발식 냉각이 가능한 약 25°C이다.
냉각제는 예를 들어 유기물을 포함한다. 냉각제는 일반적으로 물(같은 압력에서)보다 낮은 끓는점(즉, 끓는점 온도)을 가진다. 본 발명은, 예를 들어 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)을 구현한다. 일반적으로 끓는점이 낮을수록 열 교환기의 효율이 높아진다. 적합한 냉각제의 일부 예에는 메탄올, 에탄올 및 프로판올과 같은 알코올, 이소부텐, 펜텐 및 프로판과 같은 탄화수소; 및 R143a(1,1,1,2-테트라플루오로에탄)(1,1,1,2-tetrafluoroethane)와 같은 히드로플루오로카본(hydrofluorocarbon), 뿐만 아니라 알데히드, 포름알데히드, 아세트알데히드, 프로판알, 부탄알, 이소부티르알데히드와 같은 케톤, 및 예를 들어 케톤과 물의 혼합물도 포함된다. 특정 예로서, 포름알데히드 및 물을 함유하는 혼합물이 언급될 수 있다. 적합한 냉각제의 예는 1234 yf(2,3,3,3-테트라플루오로프로프-1-엔)(1234 yf (2,3,3,3-tetrafluoroprop-1-ene)) 및 HFO-1234ze(E)((1E)-1,3,3,3-테트라플루오로-1-프로펜)를 포함한다.
냉각제는 예를 들어 (유기)냉매 화합물이다. 추가로 적합한 냉각제는 물, 암모니아 및 아세톤을 포함한다. 이들의 혼합물은 냉각제, 예를 들어 알코올, 알데히드 또는 암모니아와 물의 혼합물로도 사용할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 기화 챔버의 일부, 보다 바람직하게는 적어도 냉각 요소의 열 교환 벽은 실리콘 기반 물질로 만들어진다. 바람직하게는, 유동 조절 구조 또한 실리콘 기반 물질로 만들어진다.
본 발명은 또한 냉각 방법과 관련하여 설명된 바와 같이 마이크로칩을 냉각하기에 적합한 냉각 요소에 관한 것이다. 냉각 요소는 바람직하게는 냉각 방법과 관련하여 전술된 바와 같다. 바람직하게는 열 교환 벽(6) 및/또는 유동 조절 구조(9)는 서로 일체식이고 열 교환 벽(6) 및/또는 유동 조절 구조(9)는 바람직하게는 Si 또는 SiC와 같은, 실리콘 기반 물질로 만들어진다. 이는 냉각 요소를 마이크로칩과 조립하는 데 특히 적합하게 만든다. 유리하게는, 마이크로칩의 집적 회로로부터 그러한 냉각 요소로의 매우 우수한 열 전달이 가능할 수 있다. 냉각 요소는, 예를 들어 마이크로칩의 후면에 장착함으로써, 예를 들어 마이크로칩과 조립되는 별도의 장치일 수 있다. 특히 바람직하게는, 장착 또는 어셈블리는 마이크로칩 기판과 냉각 요소의 열 교환 벽 사이의 직접적인 Si-on-Si 접촉을 제공한다.
본 발명은 또한 전술된 바와 같은 마이크로칩 및 냉각 요소, 바람직하게는 또한 전술된 바와 같은 응축기를 포함하는 어셈블리에 관한 것이다. 바람직하게는, 응축기는 기화 챔버 위에 수직으로 배열되며, 예를 들어 기화 챔버보다 수직으로 높고 이격되어 있다. 마이크로칩은, 바람직하게는 설명된 바와 같으며, 예를 들어 RF 전력 증폭기일 수 있다.
어셈블리의 바람직한 실시예에서, 유동 조절 구조(9)는 상기 열 교환 벽(6)에 수직으로 상기 기화 챔버(7)로 연장되며, 상기 기화 챔버(7)는 상기 돌출부로서 기둥(9)의 엇갈린 행(22a, 22b)을 포함한다. 기둥 및 엇갈린 행은 바람직하게는 냉각 방법과 관련하여 전술된 바와 같다.
바람직한 어셈블리에서, 마이크로칩은 적어도 24GHz의 주파수를 갖는 전자기 복사를 사용하는 무선 통신을 위한 집적 회로 송신기 및/또는 수신기를 포함한다.
어셈블리의 바람직한 실시예에서, 마이크로칩 및 냉각 요소는 각각 실리콘 물질로 만들어진 부품을 포함하고 이들(냉각 요소 및 마이크로칩)의 부품은 물리적으로 직접 접촉한다. 바람직하게는, 열 교환 벽(6)은 마이크로칩의 기판 후면과 물리적으로 직접 접촉한다. 냉각 요소는 예를 들어 마이크로칩, 특히 마이크로칩의 후면에 결합, 연결 및/또는 접합된다.
어셈블리의 다른 바람직한 실시예에서, 유동 조절 구조(9)는 열 교환 벽(6) 및 상기 마이크로칩(8)의 기판을 갖는 일체식 구조이다. 바람직하게는, 기화 챔버는 예를 들어, 마이크로칩과 조립, 예를 들어 마이크로칩에 본딩되거나 예를 들어 마이크로칩의 뒷면에 연결되는, 커버 플레이트(21)를 포함한다.
본 발명은 또한 전술된 바와 같은 냉각 요소를 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다. 바람직하게는, 유동 조절 구조(9)는 기화 챔버(7) 내로 열 교환 벽(6)에 수직으로 연장되는 기둥(9)이다. 바람직하게는, 상기 방법은 에칭 또는 절제, 예를 들어 채널 사이에 남아 있는 물질(예: Si 물질)이 유동 조절 구조를 제공하도록 집속된 이온 빔을 사용하여, 실리콘 웨이퍼 기판, 예를 들어 기판에 채널(18)을 형성하는 단계를 포함한다.
도 1은 냉각 요소(2), 압력 증기 챔버(3), 바람직한 응축기(4), 가스와 액체의 역류를 방지하는 일방향 밸브(5)가 있는 예시적인 어셈블리(100)를 개략적으로 도시한다. 냉각 요소(2)는 상부에 집적 회로(1)가 있는 마이크로칩(8)의 후면에 인접한 기화 챔버(7)를 포함한다. 냉각 요소(2)는 기화 챔버(7)와 마이크로칩 사이의 열 교환 벽(6)을 포함한다. 또한 밸브(5)에서 냉각 요소(2), 특히 기화 챔버(7) 유입구(12)로의 제2 연결부(24)를 통해 흐르는 냉각액 응축물(E) 및 냉각액(B)이 도시되어 있다. 또한, 증기(C)는 제1 연결부(23)를 통해 배출구(14)로부터 바람직한 응축기(4)로, 선택적으로 챔버(3)를 통해 흐른다. 캠버(3)는 과도한 유체 압력을 흡수하기 위한 팽창 용기로 사용할 수 있다. 냉각 요소(2)의 경우 길이(L)는 챔버(7)의 냉각제 유동과 평행하고 너비(W)는 (L)에 수직이고 벽(6)과 평행하다. 도 1에서 기화 챔버(7)는 수평으로 장착되고 높이(H)는 벽(6)에 수직이며 중력에 대해 수직이다. 응축기(4)와 밸브(5)는 액체 헤드(E)를 유지하기 위해 (중력에 대해) 기화 챔버(7)의 유입구(12)로부터 수직으로 이격되어 배치된다. 기화 챔버(7)의 유입구(12)로부터 수직으로 이격된 (중력에 대한) 응축기의 위치는 수평면의 특정 위치가 아니라 수직 레벨을 나타냄에 유의해야 한다.
집적 회로(1)는 예를 들어 연결을 위한 다수의 전기 리드(A)를 가지고 있다. 인쇄 회로 기판(도시되지 않음), 예를 들어 집적 회로(1)는 RF 전력 증폭기이고, 리드(A) 중 적어도 하나는 안테나(도시되지 않음)에 대한 증폭된 RF 신호용 콘센트이다.
도 2a는 제1 부분(10)과 제2 부분(11) 및 채널(18) 기둥(9a, 9b, 9c)사이에 채널(18)이 있는 구조(9)(기둥)를 갖는 본 발명에 따른 예시적인 냉각 요소의 개략적인 평면도를 도시한다. 3개의 기둥(9a, 9b, 9c)은 제1 단부(16)에서 제2 단부(17)로의 유동을 따라 직렬로 배열되고, 기화 챔버(7)의 상기 단부(16, 17)는 열 교환 구역을 정의하고, 유입구(12)와 제1 단부(16) 사이에 바람직한 유입구 플레넘(13)이 있고 제2 단부(17)및 배출구 개구(14) 사이에 선택적 배출구 플레넘(15)이 있다. 선택적인 열 유동 제한부(19)은 예를 들어 케이싱(20)의 슬롯이다. 열 유동 제한부(19)는 예를 들어 기화 챔버(17)의 열 교환 벽(6)과 유입구 플레넘(15) 사이의 단열을 제공하는 데 사용된다. 기둥(9)은 평면도에서 다이아몬드로 표시되지만, 타원 및 원과 같은 기타 다양한 형상도 가능하다.
도 2b는 기둥(9)의 확대된 평면도를 도시한다. 기둥(9)의 제1 부분(10)에서, 제1 채널(18a)은 기둥(9)에 의해 분리되는 2개의 채널(18b, 18c)로 분리된다. 기둥(9)의 제2 부분(11)에서 두 개의 채널(18b, 18c)은 단일 채널(18d)로 결합된다. 따라서, 제1 채널(18a)에 존재하는 임의의 액체 슬러그는 분리된 채널(18b, 18c)에서 전체 기포 유동 패턴 또는 환형 유동으로 변환된다. 제1 부분(10)의 제2 부분(11)의 조합은 그 길이에 걸쳐 기화 챔버의 실질적으로 동일한 너비를 제공하는 것이 유리하다.
도 2c는 너비 방향 W에서 최대 크기로서 기둥 너비 Pw 및 길이 방향 L에서 최대 크기로서 기둥 길이 PL을 갖는 기둥(9)의 확대된 평면도를 도시한다. 기둥에 대한 길이 PL의 비율 기둥 너비 Pw는 1:1로 예시되며 일반적으로 10:1 미만 또는 5:1 미만이다. 바람직하게는 상류 부분(10)은 약 90°의 각도로 예시된 120° 미만의 끼인각(α)을 갖는 상류 쐐기(10a)를 포함한다. 쐐기(10a)는 예를 들어 기둥 각각이 길이 축 Pl 또는 기화 챔버의 길이 방향 L과 60º 미만의 끼인각을 가지는 기둥의 두 벽의 조인트에 의해 형성된다.
도 3은 기둥(9)의 엇갈린 두 행(22a, 22b)을 도시하는 예시적인 냉각 요소의 평면도를 도시한다. 냉각제는 제1 상류 행(22a) 기둥 사이의 채널(18)을 통과한 후 제2 행(22b) 기둥의 날카로운 수직 모서리에서 분해된다.
도 4는 기화 챔버에 기둥(9a, 9b, 9c)의 엇갈린 행이 있는 본 발명에 따른 예시적인 냉각 요소의 추가 평면도를 도시하며, 여기서 기둥(9a, 9b, 9c)은 입구 매니폴드(13)를 부분적으로 제공하기 위해 다른 방향을 가진다. 입구 매니폴드(13)의 기둥(9a, 9b)은 기화 챔버(7)의 기둥(9)과 다른 방향을 가진다. 입구 매니폴드(13)에서, 기둥(9b)은 너비 방향(W)에 걸쳐 액체(B)를 분배하기 위해 배열된다. 열 교환 영역의 제1 단부(16)는 입구 매니폴드(13)와 기화 챔버(7) 사이에 도시된다. 챔버(7)는 열 교환 영역을 제공한다.
도 5는 열 교환 벽(6)과 유동 조절 구조(9)(예를 들어, 기둥)가 모두 마이크로칩(8)과 일체식인 어셈블리의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 예를 들어 채널(18)은, 거터로 기둥(9)을 형성하기 위해 마이크로칩(8)의 후면에서 에칭된다. 커버 플레이트(21)는 별도의 물질 부분이며, 예를 들어, 기화 챔버의 케이싱(20)으로, 예를 들어 기화 챔버(7)의 측벽이고 마이크로칩(8)과 일체식인 케이싱(20)의 일부에서 기화 챔버에 연결된다. 따라서, 커버 플레이트(21)는 기화실(7)의 커버로서 장착된다.
도 6은 제조된 냉각 유닛의 이미지를 도시한다. 도 6a는 본 발명에 따른 다수의 기화 챔버를 가지는 웨이퍼의 사진을 도시한다.
도 6b는 제조 예의 개별 기화 챔버의 이미지를 도시한다.
도 6c는 기둥의 확대된 전자 현미경 이미지를 도시한다. 스케일 바는 50 μm이다. 채널은 예를 들어 20 μm 너비, 기둥 높이는 예를 들어 50 μm이고, 기둥 길이는 예를 들어 100 μm이다.
발명의 설명 및 청구범위에 사용된 참조번호는 도면을 이해하기 위한 예시일 뿐이며 본 발명 또는 청구범위를 제한하지 않는다.

Claims (15)

  1. 마이크로칩 냉각 방법에 있어서,
    상기 마이크로칩(8)은 집적 회로(1)를 포함하고 냉각 시스템(100)이 위치하며, 상기 냉각 시스템(100)은 냉각 요소(2)를 포함하고, 상기 마이크로칩(8)이 상기 냉각 요소(2)와 조립되거나 통합되며, 상기 냉각 요소(2)는:
    열 교환 벽(6)을 포함하는 기화 챔버(7)를 포함하되, 상기 마이크로칩(8)이 상기 열 교환 벽(6)의 제1 측에 인접하게 배열되고,
    상기 냉각 시스템(100)은 상기 기화 챔버(7) 위에 수직으로 배열된 응축기(4)를 더 포함하며,
    상기 냉각 요소는, 상기 기화 챔버(7)의 제1 측(16)에 냉각액(B)을 위한 유입구(12)를 포함하고, 상기 기화 챔버(7)의 반대편 제2 측(17)에 증기(C)를 포함하는 유체 스트림을 위한 배출구(14)를 포함하되, 상기 기화 챔버(7)의 길이 방향(L)은 상기 유입구(12)로부터 상기 배출구(14)로 향하는 방향이고,
    상기 응축기(4)는, 상기 유체 스트림(C)을 위한 상기 배출구(14)에 대한 제1 연결부(23)를 갖는 유입구를 가지고, 일방향 밸브를 통해 상기 냉각액(B)을 위한 상기 기화 챔버(7)의 상기 유입구(12)에 대한 제2 연결부(24)를 갖는 배출구를 가지되,
    상기 방법은, 상기 열 교환 벽(6)의 제2 측과 접촉하여 상기 기화 챔버(7)에 냉각액(B)을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제2 측은 상기 제1 측의 반대편에 위치하여, 열이 상기 집적 회로(1)로부터 상기 냉각액(B)으로 교환되어 상기 냉각액(B)을 적어도 부분적으로 증기(C)로 기화시키게 되며, 상기 기화 챔버(7)는 채널(18) 및, 상기 냉각액(B)의 유동 방향으로 직렬로 배열된 복수의 유동 조절 구조(9)를 포함하여, 상기 냉각액(B) 및 상기 증기(C)가 상기 기화 챔버(7) 내의 상기 채널(18)을 통해 유동하고 상기 열 교환 벽(6)과 접촉하는 동안 상기 냉각액(B) 및 상기 증기(C)의 유동이 조절되며, 적어도 상기 증기(C)가 상기 제1 연결부(23)를 통해 상기 응축기(4) 위로 흐르고 주변 공기와의 열 교환에 의해 상기 응축기(4) 내에서 냉각액(B)으로 응축되고, 상기 냉각액(B)만이 중력의 흐름에 의하여 상기 제2 연결부(24)를 통해 상기 일방향 밸브(5)로부터 아래로 흐르고, 이에 따라 상기 기화 챔버(7)를 통한 냉각액(B)의 수송을 구동하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동 조절 구조(9a, 9b, 9c) 각각은:
    냉각용 채널(18a)이 냉각용 두 개의 채널들(18b, 18c)- 상기 채널들은, 상기 열 교환 벽(6)에 평행하고 상기 길이 방향(L)에 수직인, 상기 기화 챔버(7)의 너비 방향으로 분리됨 -로서 분리되는, 제1 부분(10)을 포함하고,
    적어도 상기 냉각용 두 개의 채널들(18b, 18c)이 단일 냉각용 채널(18d)로 결합되는, 상기 제1 부분(10)의 하류에 배열된 제2 부분(11)을 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유동 조절 구조(9)는 상기 열 교환 벽(6)에 수직으로 상기 기화 챔버(7) 내로 연장되는 기둥(9)이고, 상기 기둥(9)은 엇갈린 행(22a, 22b)으로 배열되며,
    상기 행은 상기 기화 챔버(7)의 상기 길이 방향(L)에 걸쳐 분포되고,
    각각의 행(2)에서 상기 기둥(9)은 상기 길이 방향(L)을 가로지르는 너비 방향(W)으로 분포되며,
    한 쌍의 이웃하는 행(22a, 22b)에 대하여, 상기 기둥(9)은 상기 기둥의 상기 행이 엇갈리도록 상기 너비 방향(W)에서 상이한 위치를 가지는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 냉각 요소(2)의 상기 열 교환 벽(6)은 실리콘 기반 물질로 만들어지는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로칩(8)은 1 kW/cm²보다 큰 칩 레벨(chip-level) 방열 레벨을 가지는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축기는 70℃ 미만의 응축 온도에서 작동하고, 상기 냉각액(B)은 상기 기화 챔버(7)의 작동 압력에서 70°C 미만의 기화 온도를 가지는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각액은 NH3를 포함하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축기는 상기 기화 챔버의 상기 유입구(12)보다 적어도 5cm 높게 배열되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증기를 상기 응축기(4)로 수송하는 것, 상기 냉각액을 상기 응축기(4)로부터 상기 기화 챔버(7)로 수송하는 것 및 상기 기화 챔버를 통해 상기 냉각액을 수송하는 것은 펌프를 사용하지 않고 수행되는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로칩은 안테나에 적어도 20kHz의 교류를 동시에 발생시키는, 방법.
  11. 마이크로칩(8) 및 냉각 시스템(100)을 포함하는 마이크로칩 냉각 시스템 어셈블리에 있어서, 상기 냉각 시스템(100)은 냉각 요소(2) 및 응축기(4)를 포함하고,
    상기 마이크로칩(8)은 집적 회로(1)를 포함하며,
    상기 냉각 요소(2)는 열 교환 벽(6)을 포함하는 기화 챔버(7)를 포함하고, 상기 마이크로칩(8)은 상기 열 교환 벽(6)의 제1 측에 인접하게 배열되며, 상기 응축기(4)는 상기 기화 챔버(7) 위에 수직으로 배열되고,
    상기 열 교환 벽(6)은 작동 시, 상기 열 교환 벽(6)의 제2 측과 접촉하여 상기 기화 챔버(7)에 제공된 냉각액(B)으로, 상기 마이크로칩(8)으로부터 열을 교환하도록 구성되며, 상기 제2 측은 상기 제1 측의 반대편에 위치하여, 상기 냉각액(B)을 적어도 부분적으로 증기(C)로 기화시키고,
    상기 기화 챔버(7)는 채널(18) 및, 상기 냉각액(B)의 유동 방향으로 직렬로 배열된 복수의 유동 조절 구조(9)를 포함하고, 상기 채널(18) 및 상기 복수의 유동 조절 구조(9)는 각각, 상기 냉각액(B) 및 상기 증기(C)가 상기 기화 챔버(7) 내에 있고 상기 열 교환 벽(6)과 접촉하는 동안, 상기 냉각액(B) 및 상기 증기(C)의 유동을 조절하도록 구성되며,
    상기 냉각 요소(2)는 상기 기화 챔버(7)의 제1 측(16)에 상기 냉각액(B)을 위한 유입구(12)를 포함하고, 상기 기화 챔버의 반대편 제2 측(17)에 증기(C)를 포함하는 유체 스트림을 위한 배출구(14)를 포함하되,
    상기 응축기(4)는, 상기 증기(C)를 위한 상기 배출구(14)에 대한 제1 연결부를 갖는 유입구를 가지고, 일방향 밸브(5)를 통해 상기 냉각액(B)을 위한 상기 기화 챔버(7)의 상기 유입구(12)에 대한 제2 연결부를 갖는 배출구를 가지되, 상기 응축기(4)는 작동 시, 적어도 상기 증기(C)가 상기 제1 연결부를 통해 상기 응축기(4) 위로 흐르고 주변 공기와의 열 교환에 의해 상기 응축기(4) 내에서 냉각액(B)으로 응축되며, 상기 냉각액(B)만이 중력의 흐름에 의하여 상기 제2 연결부를 통해 상기 일방향 밸브(5)로부터 아래로 흐르고, 이에 따라 상기 기화 챔버(7)를 통한 냉각액(B)의 수송을 구동하도록 구성되는,
    마이크로칩 냉각 시스템 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유동 조절 구조(9)는 상기 열 교환 벽(6)에 수직으로 상기 기화 챔버(7) 내로 연장되고,
    상기 기화 챔버(7)는 상기 기둥(9)의 엇갈린 행(22a, 22b) 돌출부를 포함하는, 어셈블리.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 마이크로칩(8)은 주파수가 적어도 24GHz인 전자기 복사를 사용하는 무선 통신을 위한 집적 회로 송신기 및/또는 수신기를 포함하는, 어셈블리.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로칩(8) 및 상기 냉각 요소(2) 각각은 실리콘 물질로 만들어진 부품을 포함하고, 상기 부품은 물리적으로 직접 접촉하고/하거나, 상기 열 교환 벽(6)은 상기 마이크로칩(8)의 기판 후면과 물리적으로 직접 접촉하는, 어셈블리.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 조절 구조(9)는 상기 열 교환 벽(6) 및 상기 마이크로칩(8)의 기판과 일체식이며, 상기 기화 챔버(7)는 상기 마이크로칩(8)과 조립되는 커버 플레이트(21)를 포함하는, 어셈블리.
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