JP2008543112A - 電子部品冷却用の伝熱面 - Google Patents

Abstract

電子部品を冷却するための冷却面は、２つのフィン組であって、各々がチャネル組を画定する２つのフィン組と；チャネル組のチャネルを連結する多数の通路とを有する。冷却面は、チップなどの電子部品に取り付けることが出来、冷媒がチャネル組の少なくとも一方に供給出来る。電子部品の温度が上がると、熱が冷却面における冷媒に伝達され、冷媒の少なくともいくらかが蒸発して熱を電子部品から取り去り、電子部品の冷却を促進する。

Description

関連出願の参照情報：本出願は、２００５年６月７日に出願された、発明の名称が「電子部品冷却用の伝熱面」である米国特許仮出願第６０／６８８，２５４号の優先権を主張し、上記米国仮出願の開示全てをここに援用して本文の記載の一部とする。

本発明は、概して、伝導的に電子部品に取り付け可能であり且つその電子部品を冷却可能な冷却面に関する。

コンピュータのような電子装置（デバイス）は、コンピュータチップの情報を処理するが、チップは使用中に熱を発生させる。チップがより早く又はより長時間情報を処理するほど、チップはより熱くなる。もしもチップが熱くなりすぎると、チップは焼き付いてしまうかさもなければ故障してしまう。従って、処理中のチップを冷却する構造が提供されている。例えば、コンピュータには、チップが熱くなりすぎつつあることをコンピュータが検知すると作動するファンが備えられている。さらに、コンピュータはまた、チップが熱くなりすぎつつあることをコンピュータが検知すると、処理速度を遅くする。これらの従来の冷却方法は、部品にダメージを与えるのを防ぐのに十分には電子部品を冷却しないため、しばしば効果的ではない。

他の従来の冷却装置及び方法において、伝導構造体がチップに隣接して取り付けられて、熱をチップから構造体へと逃がすように伝導する。このような構造体は様々な形状にすることが出来る。例えば、銅ブロックは、チップに取り付けられて、熱をチップからそれに取り付けられたブロックに伝導するようにされている。そのようなブロックの一つの表面には、伝熱を改良（強化）するために、フィンが取り付けられてきた。しかしながら、多くの場合、このような構造体では十分にチップを冷却できないので、結局チップは焼きついてしまうか、そうでなければ正常に機能しなくなる。

本発明は電子チップのような電子部品に、電子部品の冷却をより良く促進する冷却面を提供する。説明を容易にするために、冷却面は電子チップと共に用いられるものとして説明されているが、出願人は冷却面が電子チップと共にのみ用いられることを意図するものでは決してない。むしろ、当業者であれば、冷却面は、その冷却が促進されることが所望されているいかなる電子部品と共に用いられ得ることがわかるだろう。第１のチャネル（流路）組を画定する第１のフィン組が、冷却面の一方の側に備えられている。第１の組のフィンと第１の組のチャネルは、冷却面において第１の方向に向きが付けられている。第２のチャネル組を画定する第２のフィン組が、冷却面の、第１のフィン組及び第１のチャネル組と反対側に備えられている。第２の組のフィンと第２の組のチャネルは、冷却面において第２の方向に、好ましくは第１の方向に対して角度をなして、向きが付けられている。第１及び第２の組のチャネルを接続する通路が冷却面内を延在している。

冷却面は電子チップに取り付けられる。第１のフィン組のフィンの先端は、冷却面の（第１のフィンを介しての）電子チップへの取り付けを容易にするために、平坦にすることが出来る。液体冷媒が、少なくともチャネル組のうちの少なくとも一方に、好ましくは電子チップに直近の第１のチャネル組のチャネルに供給される。液体冷媒が冷却面に供給されるにつれ、第１のチャネル組のチャネルは液体冷媒で満たされる。液体冷媒は通路を流れて第２のチャネル組のチャネル内へと流れ込む。その際に、液体冷媒は第１及び第２のフィン組のフィンの壁面を被覆する。

電子チップの温度が上がると、冷却面はチップから熱を逃がす。熱は次いで、冷却面のフィンを被覆している冷媒に伝えられる。少なくとも液体冷媒のいくらかは蒸発し、その結果生じる蒸気が冷却面内の通路を通ってチップから離れて出て行く。

電子部品冷却面、電子部品冷却面を形成する方法、電子部品冷却システムが提供される。

本発明は添付された特許請求の範囲の特徴を用いて説明されている。本発明の利点と特徴がより良く理解されるために、下記の図面及び説明を参照する。

図１は、本発明の部分的に形成された面１０の一実施形態を示している。面１０は二組のフィン１６、１８（フィン１６の組及びフィン１８の組）によってそれぞれ形成された二組のチャネル１２、１４（チャネル１２の組及びチャネル１４の組）を含む。面１０は、下側チャネル１２の組がチップに隣接して位置付けられ且つ第１の方向に延在するように、並びに上側チャネル１４の組が下側チャネル１２の組の上方に位置付けられ且つ第１の方向と角度を成す第２の方向に延在するように、マイクロチップ（図に示されていない）に取り付けられることが好ましいが、そうである必要はない。チャネル１２、１４の組は、複数の通路２０（図９参照）によって互いに連結されることが好ましい。

面１０は好ましくは伝導性材料、例えば金属（銅、チタン、アルミ、金、ステンレスなどを含む）の素材片（ブランク）から形成され、より好ましくは銅で形成される。しかしながら、面１０は炭素含有量が多い炭化物のような、いかなる高伝導性素材から形成することが出来る。炭素それ自体を用いて面１０を形成することが出来る。

図１は素材片１１から形成された面１０が部分的に形成された状態を示している。完成された面１０においては、素材片１１全体にわたってフィン１６、１８が形成されていることが好ましいが、そうである必要はない。面１０を形成するために、直立する下側フィン１６の組は素材片１１の一方の側に形成され、それによって隣接するフィン１６間に下側チャネル１２の組が創出される。次いで、直立する上側フィン１８の組は素材片１１の下側フィン１６の組と反対側に形成され、それによって隣接するフィン１８間に上側チャネル１４の組が創出される。フィン１６、１８の組は当技術分野において知られた多くの方法によって形成し得るが、フィン１６、１８の組をカットし次いでフィン１６、１８の組を所望の角度に持ち上げる（リフトする）ことによって作られることが好ましい。より具体的には、フィン１６、１８の組は、素材片１１の表面をカットして層を作り、カットされた層を所望の角度にリフトし、それによって直立したフィン１６、１８の組が形成される。このカット及びリフト方法及び、この方法を行う工具は同時係属出願である米国特許出願公開第ＵＳ２００４／００６９４６７号及び米国特許出願公開第ＵＳ２００５／０１４５３７７号において開示されており、それら開示の全てをここに援用して本文の記載の一部とする。フィン１６、１８の組を平坦な素材片に形成してもよいが、好ましい方法においては、カットされていない素材片が半円状に湾曲するように回転可能なドラムの周りに巻き付けられる。この形状において、素材片は管の表面を模倣し、管表面を改良（強化）する従来の技術を素材片のそれぞれの側に用いてフィン１６、１８を形成してもよい。フィン１６、１８の組のうちどちらを（そしてそれゆえに、チャネル１２、１４のチャネルのうちどちらを）先に素材片に形成しても違いはない。

フィン１６、１８によって形成されたチャネル１２、１４が素材片１１の厚みの中央線を越えて延在することが好ましいが、そうである必要はない。このように、通路２０（図９参照）が下側チャネル１２の組と上側チャネル１４の組の交点において形成されて、下側チャネル１２の組及び上側チャネル１４の組の間を超えて延在する。チャネル１２の、素材片の中央線を越えて延在する部分は、それに対応するチャネル１４の部分であって、素材片の中央線を越えて延在する部分と交差する。この交差によって、通路２０が２つのチャネル１２、１４の間に形成される。図９、１０に通路２０を示す。チャネル１２の組及びチャネル１４の組の両方が素材片の厚さの中央線を越えて延在することが好ましいが、チャネル１２の組及びチャネル１４の組のうち一方のみのチャネルが延在して通路２０を形成してもよい。

図１のフィン１６、１８の組（そしてその結果形成されるチャネル１２、１４の組）は互いに垂直に方向付けられているものとして示されているが、フィン１６の組とフィン１８の組は互いに対していかなる角度を成して形成され得る。さらに、下側フィン１６の組及び／又は上側フィン１８の組内のフィン（そしてそれゆえに下側チャネル１２の組及び／又は上側チャネル１４の組内のチャネル）は、互いに平行である必要はない。

冷却面１０上に作られ得るフィン１６、１８の数（そしてそれゆえにチャネル１２、１４の数）はいずれの数であってよい。本文で「フィンピッチ」という用語が用いられるが、これは単一のチャネルの幅にそのチャネルを画定するフィンのうちの一つの厚みを加えたものとして定義される。上側フィン１８の組と下側フィン１６の組のフィンピッチは、１インチ当たり２０〜１,２００個のフィン（１ｃｍ当たり約７．９〜約４７２．４個のフィン）であることが好ましいが、そうである必要はない。フィンピッチは、下側フィン１６の組のフィンピッチが上側フィン１８のフィンピッチと異なるように、下側フィン１６の組と上側フィン１８の組の間で変えてもよい。また、上側フィン１８の一部のフィンが上側フィン１８の別の一部のフィンと異なるフィンピッチを有するように、フィンピッチを上側フィン１６の組と下側フィン１８の組の各々において変えることも出来る。

さらにフィン１６、１８の高さ（そしてそれゆえに下側及び上側のチャネル１２、１４の深さ）もまた、下側フィン１６の組のフィン高さが上側フィン１８の組のフィン高さと異なるように、下側フィン１６の組と上側フィン１８の組との間で変えてもよい。同様に、上側フィン１８の一部のフィンが上側フィン１８の別の一部のフィンと異なるフィン高さを有するように、フィン高さを下側フィン１６の組と上側フィン１８の組の各々において変えることも出来る。

フィン１６の組及びフィン１８の組、並びにチャネル１２の組及びチャネル１４の組の最適な幾何形状（ジオメトリー）は、用いられる冷媒の型と面１０から取り除く必要のある熱の量とを含む、多くの要因に依って決まるであろう。フィン１６の組及びフィン１８の組各々のアスペクト比Ａ（フィン高さ÷チャネル幅として規定される）は、好ましくは０．１＜Ａ＜４００の範囲であり、さらに好ましくは０．１＜Ａ＜４０の範囲であるが、そうである必要はない。

図３は面１０の、１インチ当たり１００個のフィン（１ｃｍ当たり約３９．４個のフィン）のフィンピッチ及び０．０２３インチ（約０．００９１ｃｍ）のフィン高さを有するフィン１６によって形成された下側チャネル１２の組の断面図である。図４は面１０の、１インチ当たり２００個のフィン（１ｃｍ当たり約７８．７個のフィン）のフィンピッチ及び約０．０２０５インチ（約０．００８１ｃｍ）のフィン高さを有するフィン１８によって形成された上側チャネル１４の組の断面図である。図５は面１０の、１インチ当たり２００個のフィン（１ｃｍ当たり約７８．７個のフィン）のフィンピッチ及び約０．０１７５インチ（約０．００６９ｃｍ）のフィン高さを有するフィン１８によって形成された上側チャネル１４の組の断面図である。図６は面１０の、１インチ当たり２００個のフィン（１ｃｍ当たり約７８．７個のフィン）のフィンピッチ及び約０．０２１インチ（約０．００８３ｃｍ）のフィン高さを有するフィン１６によって形成された下側チャネル１２の組の断面図である。図７はチャネル１４を形成する上側フィン１８の組の平面図である。

使用に際し、面１０は、下側チャネル１２の組がチップに直近となるようにチップに取り付けられることが好ましい。面１０は、半田付け方法、接着剤又は糊を使用する方法など、いかなる数多くの方法でチップに取り付けることが出来る。チップの冷却を更に促進するために、接着剤又は糊は伝導性のものであることが好ましい。

チップへの面１０の取り付け及び保持を促進するために、図２、３及び６で示されているように、下側フィン１６の組のフィン先端が平坦にされることが好ましいが、そうである必要はない。このように先端を平坦にすることによって、チップに取り付ける為の付加的な表面積が創出される。さらに、下側フィン１６の組の平坦にされたフィン先端によって創出された付加的な表面積は、熱伝導を支援する。図８はチャネル１２を形成する下側フィン１６の組の平面図である。下側フィン１６の組のフィン先端は平坦にされている。

フィン１６の組のフィン先端は従来技術又は米国特許出願公開第ＵＳ２００５／０１４５３７７号に記載されている技術を用いて平坦にし得る。米国特許出願公開第ＵＳ２００５／０１４５３７７号の開示全てをここに援用して本文の記載の一部とする。平坦化に加えて、フィン１６の組のフィン先端はまた、曲げられて比較的平坦な表面を形成してもよいし、又は厚みをつけられた先端を有するようにカットされてもよく、これによって先端において取り付けのための付加的な表面積がさらに創出される。フィン先端を曲げるための及びフィン先端に厚みを付けるための方法及び工具もまた、隣接するフィンの先端に互いに角度をつける（これは本出願においても意図されている）ための方法及び工具と共に、米国特許出願公開第ＵＳ２００５／０１４５３７７号に記載されている。上側フィン１８の組の、フィン先端を平坦にするか又はそうでなければ別な方法で強化することを、下側フィン１６の組のフィン先端を平坦化することに加えて又はその代わりに行うことも、本発明の範囲内である。

チップの使用中に、チャネル１２の組とチャネル１４の組の少なくとも一方に液体冷媒が供給される。冷媒は少なくとも下側チャネル１２の組に供給されることが好ましい。水と、３Ｍ社によって製造されたＨＦＥ―７１００とを含むがそれらには限定されない数多くの冷媒が使用できる。代替的に、ＤｕＰｏｎｔ又はＡｌｌｉｅｄ Ｓｉｇｎａｌのような製造業者が１３４Ａ又は１２３として知られている冷媒を製造しており、冷媒１３４Ａ、１２３もまた本発明に使用されるのに好適である。冷媒は下側チャネル１２の組に流れ込んで、下側フィン１６の組のフィン表面を被覆する（覆う）。下側チャネル１２の組が冷媒で満たされるにつれ、冷媒は通路２０を通って放出され、そして上側チャネル１４の組へと流れ込んで、少なくとも上側フィン１８の組のいくつかのフィン表面を覆う。別の実施例において、冷媒は、下側チャネル１２の組に供給する代わりに又はそれに加えて、上側チャネル１４の組に直接供給してもよい。

チップによって発生した熱は伝導性面１０に伝えられる。この伝熱の抗力によって、チャネル１２、１４内の液体冷媒の温度が上がり、少なくとも液体冷媒のいくらかを蒸気へと変える。下側チャネル１２の組において発生された蒸気の少なくともいくらかは、通路２０を通って上側チャネル１２の組へと放出され、それによって熱がチップから運び去られる。さらに、蒸気化していない液体冷媒はチャネル１２、１４を通って流れてチャネル１２、１４から出て行くので、チップによって発生した熱はそのような冷媒中で運び去られる。このようにして、チップによって発生した熱は、液体又は蒸気の状態で冷媒によって運び去られる。

ポンプ（図示されていない）を使用して、液体冷媒をチャネル１２、１４の片方又は両方へと送り出して、それによって冷媒の全てが蒸気となることを防ぐことが出来る。あるいは、冷媒のいくらかが伝熱プロセス中に蒸気となってしまっても、ポンプは、液体冷媒と蒸気が組み合わされてチャネル１２、１４に存在するように、液体冷媒を冷却面１０に補充する。ポンプは冷媒をチャネル１２、１４の組に供給し続けることが出来る。代替的に、ポンプのためのコントローラーを使用して、チップの温度を監視してもよいし、そして温度が前もって決められた温度まで上昇した時のみにポンプが作動するようにしてもよい。

チャネル１２、１４の組に冷媒を（連続的に又はセンサ用いて）供給することにより、フィン１６、１８の組が確実に冷媒で覆われたままとなる。冷媒の薄膜のみがフィン１６、１８の組を覆うことが望ましい。伝熱係数は、チップから熱がどれだけ効率的に移し取られるかの指標である。伝熱係数が高いほど、熱は確実により効果的に移し取られる。冷媒の薄膜が好ましい理由は、伝熱係数がフィン１６、１８の冷媒層の厚さに反比例するためである。従って、冷媒の薄膜は高い伝熱係数を確保するので、それゆえに面１０のチップから熱を移し取る性能を向上させる。

冷却面１０に、フィン１６の組とフィン１８の組の二つのフィン組で形成されるチャネル１２の組及びチャネル１４の組の二つのチャネル組を備えることは、本出願において特に有益である。フィン１６、１８の２つのフィン組の形成によって、チャネルとフィンをそれぞれ１組しか持たない冷却面と比べて、面１０のフィンの高さは実質的に２倍になり、その結果冷媒に接触するのに利用できる表面積も実質的に２倍になる。表面積が増加することで、より多くの熱をチップから取り去って冷媒へと伝熱することが可能となる。

図１と９は、面１０において、上側フィン１８の組と上側チャネル１４の組が下側フィン１６の組と下側チャネル１２の組に対して実質的に９０度の角度がつけられて形成されていることを示している。しかしながら、上述したように、上側及び下側のフィン組並びにチャネル組は互いに対して９０度の角度をなして向きが付けられる必要はない。むしろ、図１０に示すように、上側及び下側のフィン組並びにチャネル組は互いに鋭角を成して形成されてよい。

本発明の一実施形態において、冷却面１０は形成された後に伸張させる（ストレッチさせる）ことができる。伸張させることは、互いに鋭角を成して向きが付けられたフィン１６、１８の組及びチャネル１２、１４の組を有する面１０に特に好適である。伸張させることによって製造上の便利さがもたらされる。具体的な用途のために意図された特性（フィンの高さ、ピッチ等）をそれぞれ有する様々な冷却面を製造するのに対して、単一の冷却面１０を製造し、次いで冷却面１０を特定の用途に合わせて調整するために伸張してもよい。たとえば、面１０を伸張することによって、フィンピッチを増やすこと又はアスペクト比を変えることができる。さらに、上述したように、フィン１６、１８の組内における全てのフィンは同じフィンピッチを持つ必要はなく、又はフィン総数が同じである必要はなく、同じフィンピッチやフィン総数を有していないほうが却って望ましいこともあるであろう。冷却面１０を伸張させることにより、フィン特性をフィン１６、１８の組内で選択的に変化させて冷却面１０を特定の用途に合わせてよりよく調整することが可能になり、それによって冷却面１０の効果を強化できる。図１０は部分的に伸張された面１０を示している。図１０において、面１０の左下隅の部分は、面１０のそれ以外の部分よりも少ない度合いで伸張されている。

上記の説明は本発明の実施形態を示し、説明し且つ記載するためのものである。実施形態へのさらなる変更および改造は当業者にとって明らかであろうし、本発明の範囲又は精神を逸脱することなく変更および改造を行ってよい。

図１は本発明の一実施形態に従う冷却面の斜視図である。 図２は、図１の冷却面の部分的な端面図であり、下側フィンを示す。 図３は本発明の一実施形態に従う冷却面の、下側フィンの断面図の顕微鏡写真である。 図４は本発明の一実施形態に従う冷却面の、上側フィンの断面図の顕微鏡写真である。 図５は本発明の別の実施形態に従う冷却面の、上側フィンの断面図の顕微鏡写真である。 図６は本発明の別の実施形態に従う冷却面の、下側フィンの断面図の顕微鏡写真である。 図７は本発明のさらに別の実施形態に従う冷却面の、上面図の顕微鏡写真である。 図８は本発明のさらに別の実施形態に従う冷却面の、底面図の顕微鏡写真である。 図９は本発明の一実施形態に従う電子部品用冷却面の上面図の拡大写真である。 図１０は本発明の一実施形態に従う電子部品用冷却面の上面図の拡大写真であり、上面を伸長された後の状態で示す。

Claims (21)

1. 電子部品から熱を移し取るための冷却面であって、
   ａ．冷却面の第１の側に第１のチャネル組を画定する第１のフィン組と、
   ｂ．冷却面の、第１の側と反対側の第２の側に第２のチャネル組を画定する第２のフィン組と、
   ｃ．冷却面内を延在し且つ第１及び第２のチャネル組を連結する複数の通路とを備える、冷却面。
2. 金属を含む請求項１に記載の冷却面。
3. 銅を含む請求項１に記載の冷却面。
4. 冷却面は厚みを有し、
   第１のチャネル組又は第２のチャネル組の少なくともいくつかのチャネルが、冷却面においてその厚さの半分を超えて延在する請求項１に記載の冷却面。
5. 第１のフィン組のフィンが、第２のフィン組のフィンに対して角度を成して向きが付けられている請求項１に記載の冷却面。
6. 第１のフィン組及び第２のフィン組のそれぞれのフィンがフィンピッチを有しており、第１のフィン組のフィンピッチは第２のフィン組のフィンピッチと異なる請求項１に記載の冷却面。
7. 第１のフィン組と第２のフィン組の少なくとも一方のフィンピッチが１ｃｍ当たり約７．９〜４７２．４フィンの範囲である請求項６に記載の冷却面。
8. 第１のフィン組及び第２のフィン組のそれぞれのフィンがフィン高さを有しており、第１のフィン組のフィン高さは第２のフィン組のフィン高さと異なる請求項１に記載の冷却面。
9. 第１のフィン組と第２のフィン組の少なくとも一方のフィンは、アスペクト比が約０．１と４０の間である請求項１に記載の冷却面。
10. 第１のフィン組のフィン及び第２のフィン組のフィンが先端を有し、第１のフィン組のフィンの先端又は第２のフィン組のフィンの先端の少なくともいくつかが平坦にされている請求項１に記載の冷却面。
11. 電子部品から熱を移し取るための冷却面を形成する方法であって、
    ａ．素材片を提供することと、
    ｂ．素材片の第１の側に第１のチャネル組を画定する第１のフィン組を形成することと、
    ｃ．素材片の、第１の側と反対側の第２の側に、第２のチャネル組を画定する第２のフィン組を、第１のフィン組と角度をなして形成することと、
    ｄ．冷却面内を延在し且つ第１及び第２のチャネル組を連結する複数の通路を形成することとを含む方法。
12. 素材片は厚みを有し、
    第１のチャネル組又は第２のチャネル組の少なくともいくつかのチャネルが、素材片においてその厚さの半分を超えて延在する請求項１１に記載の方法。
13. 第１のフィン組及び第２のフィン組を形成することは、素材片をカットして層を形成すること及び層をリフトしてフィンを形成することとを含む請求項１１に記載の方法。
14. 第１のフィン組のフィン及び第２のフィン組のフィンが先端を有し、第１のフィン組又は第２のフィン組のフィンの先端の少なくともいくつかを平坦にすることを更に備える請求項１１に記載の方法。
15. フィンの少なくともいくつかを形成した後に素材片を伸張することを更に備える請求項１１に記載の方法。
16. 電子部品に取り付けられた、請求項１に記載の冷却面を備える電子部品用冷却システム。
17. 電子部品は電子チップである請求項１６に記載の電子部品用冷却システム。
18. 第１のフィン組のフィンの少なくともいくつかは、第２のフィン組よりも電子部品に直近して取り付けられている平坦にされた先端を有する請求項１６に記載の電子部品用冷却システム。
19. 冷却面は電子部品に半田で付けられるか又は接着されている請求項１６に記載の電子部品用冷却システム。
20. 冷媒が第１のチャネル組と第２のチャネル組の少なくとも一方に供給される請求項１６に記載の電子部品用冷却システム。
21. 電子部品から熱を移し取る冷却面であって、
    ａ．冷却面の第１の側に第１のチャネル組を画定する第１のフィン組と、
    ｂ．冷却面の第１の側と反対側の第２の側に第２のチャネル組を画定し且つ第１のフィン組に対して角度を成して向きが付けられている第２のフィン組と、
    ｃ．冷却面内を延在し且つ第１及び第２のチャネル組を連結する複数の通路とを備え、
    冷却面は金属を含み、且つ厚みを有し、
    第１のチャネル組又は第２のチャネル組のチャネルの少なくともいくつかが、冷却面においてその厚さの半分を超えて延在する冷却面。

Images