(57)【要約】【課題】熱伝達のための技法が提供される。【解決手段】本発明の一態様では、熱伝達デバイスが提供される。熱伝達デバイスは、熱伝達流体を収容するのに適した１つまたは複数のマイクロチャネルを備え、マイクロチャネルの１つまたは複数は、１つまたは複数のマイクロチャネルを通る熱伝達流体の流れに影響を与えるように構成された、１つまたは複数のマイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上の突出構造を有する。構造は、疎水性皮膜をコーティングされた支柱を備えることができる。【選択図】図２Ａ
2006148117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達流体を収容するのに適した１以上のマイクロチャネルからなる熱伝達デバイスであって、該マイクロチャネルの１つ以上が、該１以上のマイクロチャネルを通る該熱伝達流体の流れに影響を与えるように構成された突出構造を該マイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上に有する熱伝達デバイス。
【請求項２】
前記構造の１以上は支柱からなる請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記１以上のマイクロチャネルの最も短い断面エリア寸法は、約５００ミクロン以下である請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記構造の１以上は、疎水性皮膜をコーティングされた支柱からなる請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
熱源から熱を除去する方法であって、
１以上のマイクロチャネルを通じて該熱源と熱接触した状態で熱伝達流体を圧送するステップであって、該１以上のマイクロチャネルは突出構造を該１以上のマイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上に、該熱伝達流体に接触させて有し、該構造は該１以上のマイクロチャネルを通る該熱伝達流体の流れに影響を与えるように構成されたステップ
からなる方法。
【請求項６】
前記熱源からの前記熱除去をチューニングするために、前記構造の１以上の密度、直径、高さ、および材料のうちの１以上を変えるステップをさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記熱源を実質的に等温化するように前記構造を構成するステップをさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記熱伝達流体内での圧力損失の少なくとも一部を減らすように前記構造を構成するステップをさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項９】
熱伝導システムであって、
熱伝達流体の少なくとも一部を収容するのに適した１以上のマイクロチャネルからなる熱伝達デバイスであって、該マイクロチャネルの１つ以上が、該１以上のマイクロチャネルを通る該熱伝達流体の流れに影響を与えるように構成された突出構造を該マイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上に有する熱伝達デバイス、
該熱伝達デバイスに接続された少なくとも１つのヒートシンク、及び
該システムを通じて該熱伝達流体を循環させるのに適した少なくとも１つのポンプ
からなる熱伝達システム。
【請求項１０】
装置であって、
１以上の集積回路、及び
該１以上の集積回路に熱接続された熱伝達デバイスであって、該熱伝達デバイスが、熱伝達流体を収容するのに適した１以上のマイクロチャネルからなり、該マイクロチャネルの１つ以上が、該１以上のマイクロチャネルを通る該熱伝達流体の流れに影響を与えるように構成された突出構造を該マイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上に有する熱伝達デバイス
からなる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、流体構造および熱伝達に関し、より具体的には、集積回路および他の用途における熱管理のための技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体、レーザ、および電力変換技術の進歩が、必然的に大電力および高電力密度を伴うため、付随する熱管理技術の進歩無しでは、こうした進歩を利用することができない。そのため、熱管理が、電子システムにおける主要な制限設計要素として出現した。
【０００３】
パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）は、熱管理という難問の優れた例を提供する。すなわち、現代のデスクトップＰＣの場合、受ける平均熱流束は、１５０ワット／平方センチメートルより大きい可能性があり、局所領域では、しばしばホットスポットと呼ばれ、もしかすると５００ワット／平方センチメートルと同程度の、かなり大きな平均熱流束が発生する可能性がある。
【０００４】
従来の（また、いたるところにある）空気冷却手法の基本的な制限のために、電子部品の液体冷却に関する研究が過去２０年間にわたって盛んになってきた。たとえば、熱源とヒートシンクの空間的な分離を必要とすることが多いノートブック・コンピュータなどの用途の場合、熱源によって生成される熱を吸収し、熱を輸送し、熱をヒートシンクの土台部にわたって拡散させるために、従来通りヒートパイプが採用される。しかし、ヒートパイプは、受動デバイスであり、熱伝達流体の循環を表面張力に頼っているため、所与の幾何形状のヒートパイプが輸送できる熱量に対して基本的な制限が存在する。たとえば、多くの用途、たとえば、コンピュータ・プロセッサおよび携帯基地局の無線周波数電力トランジスタの場合、ヒートパイプの最大容量に急速に達しつつある、または、最大容量を超えている。
【０００５】
マイクロチャネル冷却は、現在調査中の別のタイプの液体冷却構成である。マイクロチャネル内の流体に対する熱伝達に関連する熱伝達率が非常に高いため（通常、１×１０４ワット／（平方メートル・ケルビン）（Ｗ／ｍ２Ｋ）以上）、マイクロチャネルを通って流れる流体と、隣接する熱源またはヒートシンクとの間の熱伝達を駆動するために、非常に小さな温度差のみ、たとえば最高約摂氏５度（℃）のみが必要とされる。たとえば、R.J. Philips, Microchannel Heat Sinks, 2 Advances in Thermal Modeling of Electronic Components and Systems,109-184(1990)（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。熱伝達率は、所与の熱流束（ワット／平方メートルで測定される）を表面から流体に伝達するのに、表面と流体の何度の温度差が必要とされるかを定量的に指示する。これは、熱源の動作温度の近くに流体を維持するというかなりの利点を有し、周囲環境に対して熱伝達のためのより大きな温度差（駆動力）を可能にし、ヒートシンクの幾何形状を最小にするのに役立つ。
【０００６】
しかし、従来のマイクロチャネル冷却に関する１つの問題は、マイクロチャネルを通した流体の圧送に伴う圧力損失が、チャネルが小さいために非常に大きいことである。結果として、圧力損失を克服するために、通常、大きく、重く、より費用がかかり、より複雑な、パワーのより大きな流体ポンプが必要とされる。従来のマイクロチャネル冷却に関連する別の問題は、流体に対する熱伝達効率が、マイクロチャネルの長さに沿って一定のままであることである。すなわち、所与の熱流束を流体内に伝達するのに必要とされるマイクロチャネル壁と流体との温度差は、マイクロチャネルの長さに沿って一定のままである。したがって、熱源上のホットスポット（電力消費が大きい局所領域に対応する）は、他の領域より高い温度のままであり、結果として得られる熱勾配から熱応力を導入する。
【０００７】
ホットスポット緩和は、電子部品業界が直面する手ごわい問題である。たとえば、R. Viswanath等, Thermal Performance Challenges from Silicon to Systems、INTEL TECH JOURNAL (August 2000)（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。その結果、ダイ上の高温領域は、益々、非常に局在化し、電子部品が消費することができる電力を、益々制限する。
【非特許文献１】R.J. Philips, Microchannel Heat Sinks, 2 Advances in Thermal Modeling of Electronic Components and Systems, 109-184 (1990)
【非特許文献２】R. Viswanath等, Thermal Performance Challenges from Silicon to Systems、INTEL TECH JOURNAL (August 2000)
【非特許文献３】Krupenkin等，From Rolling Ball to Complete Wetting：the Dynamic Tuning of Liquids on Nanostructures Surfaces, 20 LANGMUIR 3824 (2004)
【特許文献１】米国特許出願第１０／４０３，１５９号
【特許文献２】米国特許出願第１０／６４９，２８５号
【特許文献３】米国特許出願第１０／６７４，４４８号
【非特許文献４】R. Mahajan等, Emerging Directions for Packaging Technologies、INTEL TECH JOURNAL (May、2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、電子部品業界の熱消費ニーズの増加に対処するのに適した、改良された熱管理技術が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
熱伝達のための技法が提供される。本発明の一態様では、熱伝達デバイスが提供される。熱伝達デバイスは、伝達流体を収容するのに適した１つまたは複数のマイクロチャネルを備え、マイクロチャネルの１つまたは複数は、１つまたは複数のマイクロチャネルを通る熱伝達流体の流れに影響を与えるように構成された、１つまたは複数のマイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上の突出構造を有する。構造は、疎水性皮膜をコーティングされた支柱を備えることができる。
【００１０】
示す実施形態では、支柱はナノ支柱を備える。さらに、ナノ支柱は、超疎水性ナノ構造を形成する疎水性皮膜を受け入れることができる。これらの超疎水性ナノ構造の寸法、ピッチ、および組成は、マイクロチャネルを通して流体を圧送することに伴う圧力損失を減らす、かつ／または、熱伝達効率を調整するように調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本技法の独創的な態様および特徴を述べる前に、従来の熱伝達デバイスが最初に述べられるであろう。図１は、従来の熱伝達デバイスを示す図である。図１に示すように、従来の熱伝達デバイス１０は、ヒートシンク１２、熱界面材（ＴＩＭ）１４および１５、熱拡散器１６、集積回路（ＩＣ）ダイ１８、およびボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）基板２０を備える。こうした熱伝達デバイスは、例を挙げると、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）の中央処理ユニット（ＣＰＵ）を備える場合がある。
【００１２】
熱拡散器１６は、限定はしないが、銅または銅の合金を含む、熱伝導性の高い材料のブロックを備えることができる。別法として、熱拡散器１６は蒸気室を備えてもよい。蒸気室は、平坦な中空板であり、平坦な中空板をヒートパイプのように機能させる内部構造を有する。たとえば、１００ワット以上を出力する電力の最も大きなデバイスの場合、垂直方向ならびに横方向の熱インピーダンスを最小にするために、熱拡散器１６は、蒸気室（たとえば、１平方センチメートル以上の占有面積を有し、ＩＣダイ１８のエリアのほとんどを覆う矩形ヒートパイプ）で構成されてもよい。
【００１３】
ヒートシンク１２は、フィン付きヒートシンクであり、熱を周囲空気に消散するために、熱拡散器１６に取り付けられ、熱接続される。ＴＩＭ層、たとえば、ＴＩＭ１５は、通常、熱拡散器１６とヒートシンク１２の間に存在する。しかし、ヒートシンク１２は、熱拡散器１６内に一体化されてもよい。
【００１４】
ヒートシンク１２は、ファン冷却されてもよい。たとえば、ＩＣダイ１８が、ＰＣの、ＣＰＵ、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、または他のＩＣ熱源を備える場合、熱源によって生成される熱は、ＴＩＭ１４および１５、熱拡散器１６、ならびにヒートシンク１２を通して伝導され、対流によって周囲空気内に運ばれる可能性がある。
【００１５】
図２Ａ〜２Ｂは、マイクロチャネル内の流体の流れに影響を与えるように構成された構造を設置することの有効性を実証するのに使用される、例示的な単一マイクロチャネル熱伝達デバイス構成を示す図である。
【００１６】
図２Ａでは、熱伝達デバイス２００は熱源２０２を備える。例示的な実施形態によれば、熱源２０２は、ＩＣを備え、たとえば、はんだボール２０６およびワイヤ・ボンド２０８を有するＢＧＡ基板２０４に取り付けられる。しかし、本明細で示される教示は、この熱源構成または任意の他の特定の熱源構成に限定されない。たとえば、熱源２０２は、プリント回路板に取り付けられたリード付きパッケージを備えてもよい。適した熱源の例は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ＣＰＵ、ＧＰＵ、グラフィック・チップ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、レーザ、および電力トランジスタを含むが、それに限定されない。
【００１７】
ＢＧＡ基板２０４と反対の熱源２０２の面上で、ダイ取り付け用接着剤２１０を使用して、マイクロチャネル・ヒートシンク２１２に対して、熱源２０２が物理的に取り付けられ、熱結合される。マイクロチャネル・ヒートシンク２１２は、上側部分２１２Ｕおよび下側部分２１２Ｌを備える。ダイ取り付け用接着剤２１０は、任意選択であり、限定はしないが、はんだ付けを含む他の適した取り付け方法が採用されてもよい。例示的な実施形態によれば、マイクロチャネル・ヒートシンク２１２は、少なくとも１つの、ほぼ矩形のマイクロチャネル、たとえば、マイクロチャネル２１３を備え、その断面エリアは、長さが約５０〜５００ミクロンで、幅が最大約５００ミクロンである。この示す実施形態によれば、マイクロチャネルの断面エリアは、チャネルがマイクロチャネルと考えられるためには、最短寸法が約５００ミクロン以下でなければならないようなものである。流体の流れの方向に沿うマイクロチャネルの長さは、特定の用途に応じて任意に長い。マイクロチャネル・ヒートシンク２１２は、複数の構造２１４を備える。構造２１４は、マイクロチャネル２１３内に突出し、マイクロチャネル・ヒートシンク２１２を通して流れる流体の流れに影響を与えるように構成される。たとえば、構造２１４は、超疎水性ナノ構造を備えてもよい。以下で詳細に述べるように、超疎水性ナノ構造は、その上に疎水性皮膜を有するナノ支柱を備えてもよい。さらに、以下で詳細に述べるように、超疎水性ナノ構造は、マイクロチャネルを通して所与の流量で流体を圧送することに伴う圧力損失を減らすため、かつ／または、一定のエリアにおける熱伝達効率がチューニングされるか、または、その他の方法で調整されるために、チューニングされるか、または、その他の方法で調整されてもよい。
【００１８】
熱伝達デバイス２００はさらに、たとえば、プレナム２２２を介してマイクロチャネル２１３と流体連通する流体入口／出口２１８および２２０を備える。以下で詳細に述べるように、熱伝達デバイス２００で採用される、熱伝達流体、たとえば、冷却液は、限定はしないが、水を含む、熱源から熱を除去するのに適したいずれの流体を含んでもよい。熱伝達デバイス２００はさらに、接着剤溶接部２２４および基板２２６を備える。接着剤溶接部２２４は、ヒートシンク２１２の上側部分２１２Ｕと下側部分２１２Ｌを接合する。基板２２６は、プリント配線板相互接続基板であってよい。
【００１９】
ナノ支柱の配置および幾何形状は、システムの熱除去特性をチューニングするために変えられてもよい。より詳細には、ナノ支柱の配置および幾何形状の変更を使用して、たとえば、熱源と熱伝達流体の間の局所熱抵抗を制御することによって、マイクロチャネルを通る流体の圧力損失を最小にし、熱源上のホットスポットが管理される可能性がある。たとえば、構造２１４は、そのエリアにおける局所熱伝達を改善するために、マイクロチャネル２１３のロケーション２１６には存在しない。ロケーション２１６直下の熱源２０２のエリアはホットスポットを含む場合がある。本明細書で使用されるが、「ホットスポット」という用語は、（ダイの他のエリアと比較して）より高いレベルの熱流束を生成するエリア、たとえば、ＩＣダイのことを言う。たとえば、トランジスタの密な集合体(cluster)を収容するＩＣダイのエリアは高い熱流束を生成する。ダイ上の熱流束が高い局所領域では、熱源がほぼ等温であるため、マイクロチャネル内での流体の熱伝達がより効率的にさせられる可能性がある。
【００２０】
本明細書に示される教示によれば、「等温の」という用語は、ほぼ一定の温度である、オブジェクト、たとえば、熱源の表面の全ての部分のことを言うのに使用される。たとえば、約摂氏５度（℃）以下、好ましくは、１℃以下の熱源の表面にわたる温度勾配の場合、本明細書では、熱源は、ほぼ等温であると考えられる。したがって、この等温化は、動作のための、最も高い平均温度、通常、最良温度に熱源を維持するのに役立つ。さらに、等温化は、熱源に対する熱応力をなくし、熱設計を簡素化する。同様に、ホットスポットの熱管理が無い状態では、より低い熱流束レベルの熱源領域が、最小動作温度を下回って不必要に冷却される可能性がある。
【００２１】
熱源上のホットスポットに関して、熱伝達の空間的に精密なチューニング性を持たない状態では、最も高いホットスポットの十分な冷却を可能にするために、採用される熱伝達流体の温度が下げられねばならない。熱伝達流体の温度をさらに下げるために、より大きなヒートシンクを採用する必要がある。より大きなヒートシンクは、十分な冷却を提供するために、より大きなファンを必要とする。より大きなファンはノイズが多く、より多くの空間を占有する。さらに、熱源の一定のエリアが、最小熱伝達温度を下回って不必要に冷却される場合があるため、より大きなヒートシンクを採用することは、実行可能な解決策でない場合がある。しかし、熱伝達の空間的に精密なチューニング性によって、ほぼ等温の熱源を達成することができ、おそらく、従来のパッケージより高温で動作し、それによって、同じサイズのヒートシンクおよび／または冷却用ファンに関して、より小さい空気側ヒートシンクおよび／または冷却用ファン、あるいは、より高い電力消費限界への移行が行われる。したがって、本明細書で述べる技法は、電子デバイスを、その最大接合温度（通常、１２５℃未満）で、または、それ未満で動作させるのに採用されてもよい。
【００２２】
図２Ｂは、マイクロチャネル・ヒートシンク２１２の下側部分２１２Ｌを示す縦断面図である。マイクロチャネル・ヒートシンク２１２の下側部分２１２Ｌは、内部に複数の構造２１４を備える。さらに、図２Ａと同様に、構造２１４は、そのエリアにおける局所熱伝達を改善するために、ロケーション２１６には存在しない。
【００２３】
以下で詳細に述べるように、より密度の高い超疎水性ナノ構造を有するマイクロチャネルのエリアは、たとえば、超疎水性ナノ構造がほとんど、または、全く存在しないマイクロチャネルのエリア（たとえば、ロケーション２１６）と比較すると、熱源から熱伝達流体へ熱を非効率的に伝達するようにさせる可能性がある。熱伝達がこうして変動する理由は、熱伝達流体が、マイクロチャネル壁と直接接触するところでは、非常に効率的な熱伝達が起こるためである。比較によって、以下の図５の説明に関連して述べるように、疎水性皮膜を有するナノ支柱の存在は、ナノ支柱が存在するマイクロチャネルの壁に熱伝達流体が接触し、浸潤することを妨げる。そのため、疎水性ナノ支柱が存在するところでは、熱は、熱伝達流体に達するために、ナノ支柱自体を通り、熱伝達流体の流れとマイクロチャネルの壁の間に存在する蒸気層を通って伝導しなければならない。これは、ナノ支柱が存在するところの熱源と流体の間の熱抵抗を増加させる。
【００２４】
本明細書に述べる、独創的な技法は、間接的な液体冷却を含む実施形態および直接的な液体冷却を含む実施形態を制限無しで含む。間接的な液体冷却の場合、マイクロチャネル内の熱伝達流体は、熱源から物理的に分離される。直接的な液体冷却の場合、マイクロチャネル内の熱伝達流体は、熱源の表面と直接接触する。
【００２５】
示す実施形態は、マイクロチャネルの空間的に精密で、かつ、選択可能な部分にわたって摩擦および熱伝達を制御する超疎水性ナノ構造を使用する。さらに、先に強調したように、超疎水性ナノ構造は、その上に疎水性皮膜を有するナノ支柱を備えてもよい。適した疎水性皮膜は、テフロン（登録商標）に似た構造を有するフッ化ポリマ（東京（日本）のAsahi Glass Co.,LTDによって製造されたＣｙｔｏｐなど）、一般式ＣＦｘを有するアモルファスでランダムなフルオロカーボン材料、およびクロロシランおよび／またはアルコキシシランから作製されるシランベースの自己集合単分子層（ＳＡＭ）を含むが、それに限定されない。
【００２６】
疎水性皮膜は、限定はしないが、吹き付け、スピン・コーティング、印刷、浸潤、および化学気相成長（ＣＶＤ）を含む、任意の適した塗布法によって薄いコンフォーマル層としてナノ支柱に塗布されてもよい。たとえば、フッ化ポリマを含む疎水性皮膜は、通常、スピン・コーティングと、その後、残留溶剤を気化し、ポリマを硬化させるためのベーキングによってナノ支柱上に塗布される。これらのフッ化ポリマ皮膜は、通常、約５０ナノメートル（ｎｍ）までの厚みに塗布される。一般式ＣＦｘを有するフルオロカーボン材料を含む疎水性皮膜は、通常、ＣＦ４などのフッ化炭化水素供給ガスを使用して、化学気相成長反応器において塗布される。一般式ＣＦｘを有するこれらのフルオロカーボン材料は、通常、約３０ｎｍまでの厚みに塗布される。シランベースのＳＡＭを含む疎水性皮膜は、通常、シランのヘキサン溶液（たとえば、トリメチル・クロロ・シラン）内へのナノ支柱の浸潤と、その後、未反応材料を除去するための洗浄によって塗布される。これらのシランベースのＳＡＭは、通常、約２〜約５ｎｍの厚みに塗布される。本明細書で提示される皮膜は、マイクロチャネルによって、通常、法外に大きな圧力損失を劇的に減らすことによって、電子部品の冷却のための、最も効率的な熱伝達モードの１つであることが長い間知られているマイクロチャネル冷却が、最終的に商業的に実行可能になることを可能にする。
【００２７】
示す実施形態では、そのため、マイクロチャネル内において流体に対して伝達することができる熱の最大レートは、マイクロチャネルを通して圧送される流体の流量によってだけ制限される。マイクロチャネルを通る流体の流量（たとえば、キログラム／秒（ｋｇ／ｓｅｃ）または立法メートル／秒（ｍ３／ｓｅｃ）として測定される）は、マイクロチャネルにわたる圧力損失の関数である。本教示によれば、マイクロチャネルを通る圧力損失は、超疎水性ナノ構造によって管理し易い値に減らされる。マイクロチャネルを通る流体の圧力損失は、５０％以上減らせる場合がある。これにより、より小さく、より軽く、より安く、より複雑さの少ないポンプを使用して、小さいポンピング・パワーを使用してマイクロチャネルを通して流体を圧送することが可能になる。この要素は、重量、パワー、サイズ、およびコストの制約が非常に厳しい、消費者電子部品空間（たとえば、ラップトップ用）において特に重要である。
【００２８】
図３は、例示的な閉じたマイクロチャネル冷却システムを示す図である。図３では、マイクロチャネル冷却システム３００は、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２を備える。マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２は、熱源３０２ａ（約１００℃より高い、たとえば、たとえば、約１００℃〜１２５℃の温度を生成する場合があるＩＣダイ）、および、複数のマイクロチャネル３０３を備えるマイクロチャネル・ヒートシンク３０２ｂを備える。マイクロチャネル冷却システム３００は、さらに、空気側ヒートシンク３０４（たとえば、流体導管３０６を介してマイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２に流体接続される）および流体ポンプ３０８（たとえば、流体導管３１０を介して空気側ヒートシンク３０４に流体接続される）を備える。流体ポンプ３０８は、次に、流体導管３１２を介してマイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２に接続される。流体導管３０６、３１０、および３１２は、従来通りに採用される長さと直径の標準的な流体配管を備えてもよい。さらに、例示的な実施形態によれば、１つまたは複数の超疎水性ナノ構造が、１つまたは複数の流体導管３０６、３１０、および３１２内部に存在してもよい。そのため、この例示的な実施形態によれば、導管の断面積が減少するため、導管を通って流れる流体の速度分布がナノ構造によって変わるであろう。
【００２９】
マイクロチャネル・ヒートシンク３０２ｂは、複数のマイクロチャネル３０３、この場合、２４の別個のチャネルを備え、マイクロチャネルの１つまたは複数は、マイクロチャネルの１つまたは複数の表面上に超疎水性ナノ構造（図示せず）を備える。マイクロチャネル・ヒートシンクの構造は、たとえば、以下の図４Ａ〜４Ｂの説明に関連して詳細に述べられるであろう。
【００３０】
空気側ヒートシンク３０４はまた、その中に複数のマイクロチャネル３０５を有するマイクロチャネル・ヒートシンク３０４ａを備え、マイクロチャネルの１つまたは複数は、マイクロチャネルの１つまたは複数の表面上に超疎水性ナノ構造（図示せず）を備える。空気側ヒートシンク３０４は、さらに、熱消散フィン３０４ｂを備える。
【００３１】
マイクロチャネル３０５は、効率的な熱拡散および熱消散フィン３０４ｂへの熱の輸送を確実にする。しかし、たとえば、空気側ヒートシンク３０４が、制限された空間環境内になく、より多くの熱消費量を受容するために大きく作ることができる時には、空気側ヒートシンク３０４上にマイクロチャネル３０５が存在することは必要ではない。したがって、例示的な実施形態によれば、空気側ヒートシンク３０４はマイクロチャネルを備えない。
【００３２】
流体ポンプ３０８は、たとえば、任意の適した市販の流体圧送デバイスを備えてもよい。例示的な実施形態によれば、流体ポンプ３０８は、たとえば、マイクロチャネルを通して熱伝達流体を圧送するための、必要な圧力要件に対処するために、並列動作する複数の市販の流体ポンプを備える。適した市販のポンプは、たとえば、コロラド州、ブルームフィールド(Broomfield)のMesoscopic  Devices，LLCによって生産される。
【００３３】
図３に示す例示的な実施形態によれば、熱源３０２ａによって消費される熱は、マイクロチャネル冷却システム３００の構成部品および導管を通して流れる熱伝達流体に伝達される。マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２に入る熱伝達流体は、熱が熱伝達流体に伝達されるために、熱源３０２ａの温度より低い温度を持たねばならない。たとえば、熱源３０２ａの温度が６５℃であり、熱伝達流体の温度が６１℃の場合（流れの方向は、たとえば、空気側ヒートシンク３０４のマイクロチャネル３０５を通過させることによって、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２に入る熱伝達流体が冷却されるような方向である）、熱は熱源３０２ａから熱伝達流体に流れるであろう。本明細書で指定される動作温度は、単に例示であり、本明細書で示される教示は、いずれの特定の温度値にも限定されるべきでないことに留意することが重要である。
【００３４】
一定量の流体の加熱がマイクロチャネル・ヒートシンク３０２ｂにおいて起こることになり、約１℃（おそらく、約５℃まで）熱伝達流体を加熱する。そのため、たとえば、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２を通って流れた後、流体導管３０６を通って流れる流体は、約６４℃の温度を有する可能性がある。流体導管のいずれにおいても、ほとんど冷却が起こらないであろう。
【００３５】
冷却のほとんどは、熱伝達流体が、空気側ヒートシンク３０４のマイクロチャネル３０５を通って流れる時に起こるであろう。たとえば、熱伝達流体の温度は、そこで、約３℃減少する可能性がある。したがって、空気側ヒートシンク３０４を出る流体の温度は、約６１℃（熱伝達流体がマイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２に入るのと同じ温度）である。
【００３６】
図３に示す例示的な実施形態によれば、２つのヒートシンク、すなわち、システムの熱源側に１つ、および、システムの空気側に１つが必要とされる。これは、熱源から熱伝達流体へ、また、熱伝達流体から空気側ヒートシンクへ、熱を最小の温度差で伝達することを確実にする。これは、たとえば、空気側ヒートシンクの温度と周囲空気の温度の間の利用可能な温度差を最大にする。周囲空気の温度と空気側ヒートシンクの温度との間の利用可能な温度差を最大にすることは、次に、必要とされる空気側ヒートシンク容積を最小にする。
【００３７】
示す実施形態では、その高い比熱容量が必要な流量を最小にするため、熱伝達流体として水が選択されてきた。図３に示す閉じた系における熱伝達流体、たとえば、水の最大飽和圧は、システムの最大温度（たとえば、６５℃）で起こり、０．２５大気圧（ａｔｍ）に等しい。しかし、先に示したように、他の流体が使用されてもよい。
【００３８】
さらに、閉じた系内の静圧は、通常、０．２５ａｔｍを超えるため、水は、普通、この例では液相にあることになる。さらに、熱伝達流体の必要とされる流量を減らすために、２相系が使用されてもよい。こうした実施態様は、高圧への気体圧縮および空気側ヒートシンクによって熱として最終的に消費される付加的な作動パワーを必要とする場合がある。直接的な液体冷却用途の場合、以下で詳細に述べるように、流体が、直接熱源に接触するため、１００℃を超える流体作動温度が期待され、そのため、熱伝達流体として水を有する２相液体冷却が有利である場合がある。
【００３９】
図３に示す具体的な例では、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリにわたって送られる空気の最大温度は、約４５℃であると考えられ、４５℃は、消費者電子部品用途について現実的な値である。よくあることだが、空気側ヒートシンクから周囲空気への熱伝達のための温度駆動力は、非常に控えめであり、この場合、たった２０℃である。したがって、空気側ヒートシンクおよび／または空気側ヒートシンクを冷却するのに使用されるファンのサイズを最小にするために、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリから熱伝達流体内へ、また、熱伝達流体から空気側ヒートシンク上の熱放散フィンへ熱負荷を伝達するのに、この２０℃の温度差のできる限りわずかの温度差が必要とされることが重要である。
【００４０】
たとえば、３℃の温度上昇によって、１５０ワットを吸収するのに必要とされる水の流量は、７１７ミリリットル／分（ｍｌ／分）であり、法外に大きな流量にはならない。こうした市販のポンプは、並列に動作すると、２バールの圧力で９００ｍｌ／分を超える水を送出するために、全空間の４５立方センチメートル（ｃｍ３）のみを必要とし、総電力のうちの約３ワットを消費することになる。こうしたポンプの小型化が業界において続いている。
【００４１】
さらに、ポンプは、圧力および流量のより高い動作点を徐々に達成しつつある。図３に示し、上述したように、熱伝達流体が、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリに６１℃で入り、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリを６４℃で出て、熱源温度が６５℃であると仮定すると、熱源から熱伝達流体内へ熱を伝達するのに、１〜４℃が利用可能である。そのため、圧力損失ができる限り低い状態では、マイクロチャネルは、相応した小さな熱伝達用の駆動力によって、大量の熱を伝達するように最適化される可能性がある。
【００４２】
図４Ａ〜４Ｂは、例示的なマイクロチャネル・ヒートシンクの幾何形状を示す図である。図４Ａ〜４Ｂに示すマイクロチャネル・ヒートシンクは、上述したマイクロチャネル・ヒートシンク、たとえば、上記の図３の説明に関連して述べたマイクロチャネル・ヒートシンク３０２ｂと同じである。
【００４３】
図４Ａは、幅ａ、高さｂ、および間隔ｓの寸法の例示的なマイクロチャネル・ヒートシンク構成を示す。図４Ａでは、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ４００は、マイクロチャネル・ヒートシンク・ハウジング４０２、マイクロチャネル４０４、はんだ層４０６、一体化された熱源４０８を備える。この実施形態では、マイクロチャネル４０４は、マイクロチャネル４０４の１つまたは複数の表面上の複数の超疎水性ナノ構造（図示せず）を備える。こうした超疎水性ナノ構造の説明は、たとえば、図５および図６Ａ〜６Ｃに示され、以下で詳細に説明される。
【００４４】
マイクロチャネル・ヒートシンク・ハウジング４０２は、銅、シリコン、および先の材料のうちの少なくとも１つを含む組み合わせからなるグループから選択された材料を含んでもよい。他の材料もまた使用される可能性がある。さらに、例示的な実施形態によれば、一体化された熱源４０８は、６５℃、１６０ワット熱源を備える。
【００４５】
図４Ｂは、たとえば、マイクロチャネル・ヒートシンク・ハウジング４０２のフィンによって分離された２つの隣接するマイクロチャネル４０４の、高さｂ、奥行きｃ、間隔ｓの寸法の例示的なマイクロチャネル・ユニット・セルを示す。例示的な実施形態によれば、マイクロチャネル・ヒートシンク・ハウジング４０２の壁は、マイクロチャネル４０４内の熱伝達流体に熱を伝達するための熱伝導フィンとしてモデル化される。
【００４６】
さらに、例示的な実施形態によれば、たとえば、ナノ支柱の熱伝導率を変えるために、ナノ支柱材料が変わってもよい。単に例として、ナノ支柱がシリコンを含むと、ナノ支柱は熱伝導性がある。しかし、二酸化シリコンを形成するためにシリコンが酸化される場合、二酸化シリコンがシリコンに比べて不良な熱伝導体であるため、ナノ支柱の熱伝達効率が変わる。たとえば、多結晶二酸化シリコン（溶融シリカ）の熱伝導率は、シリコンについて１８０Ｗ／ｍ−Ｋであるのに対比して１．３８ワット／（メートル・ケルビン）（Ｗ／ｍ−Ｋ）である。熱伝達効率は、以下のニュートンの冷却の法則の説明に関連して述べられる。
【００４７】
マイクロチャネルの数ｎ、その幾何形状、すなわち、幅ａ、高さｂ、奥行きｃ、および間隔ｓ、ならびにその組成を最適化する時に多くの要素が考慮されるはずである。従来のマイクロチャネル冷却技術の場合、各マイクロチャネルを通した熱伝達と圧力損失の間に重要な兼ね合いが存在する。したがって、熱伝達率は、圧力損失が増加するという犠牲を払って、従来のマイクロチャネルの水力学的直径（実質的に、その幅）が減少すると急激に増加する。たとえば、マイクロチャネルを通る十分に発達した層流についての、所与の流体の流量に対応する圧力損失は、マイクロチャネルの水力学的直径の三乗にほぼ反比例する。マイクロチャネルの水力学的直径は、その断面積を、その浸潤した周囲長、たとえば、図４Ａのマイクロチャネル壁の間の距離の約２倍で割ったものに等しい。
【００４８】
しかし、先に強調したように、疎水性皮膜を有するナノ支柱は、たとえば、流れ抵抗を最小にすることによって、マイクロチャネルを通る流体の流れに伴う圧力損失を緩和するのに採用される。図５は、例示的なマイクロチャネルのナノ支柱構成を示す図である。すなわち、図５では、その上に疎水性皮膜を有するナノ支柱５０２（たとえば、断面積５０３を有する円筒支柱）は、中実の土台部５０４、たとえば、マイクロチャネル壁に一体にされる。以下で詳細に述べるように、ナノ支柱５０２の先端部５０２ａのみが、たとえば、マイクロチャネルを通って流れる熱伝達流体５０６によって浸潤される。以下でさらに詳細に述べるように、ナノ支柱のピッチなどの要素もまた、マイクロチャネルを通る流体の流れに影響を与える可能性がある。
【００４９】
図５では、熱伝達流体５０６とナノ支柱５０２の間の局所接触角度５１０は９０°より大きい。したがって、熱伝達流体は、ナノ支柱の間では浸潤しない、すなわち、マイクロチャネル壁は超疎水性である。その結果、マイクロチャネルの壁に沿って、従来の滑り無し（ゼロ速度）境界条件は当てはまらない。流体速度に関する通常の滑り無し境界条件は、ナノ支柱５０２の先端部５０２ａのみで当てはまり、先端部５０２ａは、著しく小さく、たとえば、マイクロチャネルの表面積のほんの約１％までを占める。「滑り無し境界条件」という用語は、流体が固体と接触しているエリアにおいて、流体速度がゼロに近づくことである。たとえば、流体は、固体表面上を「滑る」ことができない。しかし、流体は、液体−空気界面上を滑ることができる。
【００５０】
他の、たとえば、マイクロチャネルの表面積の約９９％以上のどこにおいても、表面張力は、熱伝達流体５０６が、マイクロチャネルの壁に浸潤することを妨ぐ。熱伝達流体５０６のこの表面張力条件は、ナノ支柱５０２の先端部５０２ａの間に存在する熱伝達流体５０６の凹形浸漬部として図５に示される。以下の図６Ａ〜６Ｃの説明に関連して述べるように、ナノ支柱のピッチ５０８は変わってもよい。計算によるシミュレーションが示したところでは、ナノ支柱のアレイは、悪い影響を熱伝達に与えることなく約２００％まで、所与の圧力損失について、流量を増加させる可能性がある。これによって、大き過ぎるパワーを要求する法外に大きなポンプを使用することなく、マイクロチャネル冷却を実施することが可能になる。
【００５１】
ナノ支柱の密度および直径を空間的に変化させることによって、マイクロチャネルに沿った摩擦係数分布（たとえば、圧力損失）をチューニングすることができる。実際に、本明細書に示される教示によれば、流体圧力損失を、流体の一定流量について、マイクロチャネルを通して約５０％以上まで減らすことができる。
【００５２】
さらに、ナノ支柱間隔および疎水性皮膜材料は、熱伝達流体の表面張力のために、流体が、ナノ支柱間の空間内に浸潤することがエネルギー的に不利になるように選択される。たとえば、Krupenkin等，From Rolling Ball to Complete Wetting：the Dynamic Tuning of Liquids on Nanostructures Surfaces, 20 LANGMUIR 3824 (2004)（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。上述したように、ナノ支柱がマイクロチャネルの表面積の約１％を含むだけである構成では、流体は主に、大量の熱伝達流体をマイクロチャネル壁から分離する空気と水蒸気の薄い層と接触する。この特定の構成によって、熱伝達流体は、隣接する空気層からその低粘度による最小の流れ抵抗を受けるため、容易にマイクロチャネルを通って流れることが可能になる。これは、変形不能なナノ支柱表面への流体粒子の固着によるかなりの抗力を受ける、ナノ支柱と接触する少量の流体と対照的である。
【００５３】
図５に示す構成は、「滑り無し境界条件」と比較されることができる。そのため、図５に示す構成によれば、流体境界は、液体−空気界面である（ナノ支柱の先端部に対応する最小のエリアを除いて）。
【００５４】
図６Ａ〜６Ｃは、ナノ支柱のピッチの変動を示す画像である。図６Ａ〜６Ｃに示すナノ支柱は全て、同じ直径を有する。示す実施形態によれば、ナノ支柱は、約４００ｎｍまでの直径を有する。さらに、本明細書に示す教示によれば、ナノ支柱のピッチは、高温では、主に、流体表面張力の変化がナノ支柱との接触角を９０°未満に低下させるために、熱伝達流体が、ナノ支柱に浸透し、マイクロチャネルの壁（複数可）を浸潤するようにチューニングされてもよい。図６Ｂに示すナノ支柱は図６Ａに示すナノ支柱より大きなピッチを有する。図６Ｃに示すナノ支柱は図６Ｂに示すナノ支柱より大きなピッチを有する。基準のために、３ミクロン・スケールが、図６Ａ、６Ｂのそれぞれに設けられ、５ミクロン・スケールが図６Ｃに設けられる。
【００５５】
ナノ支柱の幾何形状は、「Method and Apparatus for Controlling the Movement of ａ Liquid on a Nanostructured Surface or Microstructured Surface」という名称の米国特許出願第１０／４０３，１５９号および「Method and Apparatus for Controlling Friction Between a Fluid and a Body」という名称の米国特許出願第１０／６４９，２８５号および「Method and Apparatus for Controlling the Flow Resistance of a Fluid on Nanostructured or microstructured Surfaces」という名称の米国特許出願第１０／６７４，４４８号（その開示が参照により本明細書に組み込まれる）にさらに記載される。さらに、本明細書に示される教示は、特に任意の１つの超疎水性ナノ構造に限定されるものと解釈されるべきであることが理解される。たとえば、超疎水性ナノ構造は、マイクロチャネルを通って縦と横の両方に延びる連続した矩形構造を備えてもよい。
【００５６】
図７は、超疎水性ナノ構造が流体の速度分布にどのように影響を与えるかを示す図である。図７では、（超疎水性ナノ構造を持たない導管７０５と対比して）導管７０４の内部表面上の超疎水性ナノ構造７０２は、放物線形状７０６が低摩擦のプラグ・タイプの流れ７０８に取って代わるようにさせる。図７の図は、超疎水性ナノ構造による流れの変わり方を例示的に示すに過ぎないことに留意することが重要であり、たとえば、異なるチャネルによって、他の流れパターンが達成される可能性があることが理解される。
【００５７】
上述したように、マイクロチャネルの壁から熱伝達流体への熱伝達は、圧倒的にナノ支柱を通る。それは、特に、ナノ支柱が、たとえば、空気の熱伝導率の約７，０００倍以上の、十分に高い熱伝導率である時（たとえば、ナノ支柱が、銅、シリコン、アルミニウム、タングステン、またはその合金でできている時）、ナノ支柱に熱的に平行な、たとえば、水蒸気の層を通して存在する熱伝導に対するかなり高い抵抗があるためである。例示的な実施形態では、ナノ支柱は、シリコンと同じ膨張率を有するタングステン−銅合金を含む。さらに、ナノ支柱は、たとえば、上述した疎水性皮膜と組み合わされると、全ポリマ超疎水性ナノ構造を生成する、フッ化ポリマ材料を含んでもよい。
【００５８】
たとえば、シリコンは１８０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有し、一方、空気は０．０２６Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有する。ナノ支柱がマイクロチャネル表面の面積の１％を占め、空気が９９％を覆う場合、ナノ支柱のコンダクタンスは、伝導率１．８Ｗ／ｍ−Ｋの均一層のコンダクタンスに等しく、空気層のコンダクタンスより６９倍大きい。この例では、空気層を通した熱伝導は無視できる。この結果は、ナノ支柱の高さとは無関係である。ナノ支柱の高さは、熱抵抗の絶対量を決める。たとえば、ナノ支柱がシリコンを含み、２ミクロンの高さを有する場合、１平方センチメートルの単位面積について、熱抵抗は、２×１０−６ｍ／［１．８Ｗ／ｍ−Ｋ・（０．０１ｍ）２］＝０．０１１℃／Ｗである。これは非常に低い値である。しかし、ナノ支柱が、二酸化シリコン（伝導率１．３８Ｗ／ｍ−Ｋ）でできており、高さが１０ミクロンであり、面積の０．１％を覆う場合、ナノ支柱は、０．０００１・１．４Ｗ／ｍ−Ｋ＝０．００１４Ｗ／ｍ−Ｋの伝導率の均一層の有効コンダクタンスを有する。この場合、ナノ支柱を通る熱伝導は無視でき、空気層の熱抵抗がナノ支柱を通る熱抵抗と比較して小さいために、構造は、熱抵抗が約１０×１０−６ｍ／［０．０２６Ｗ／ｍ−Ｋ・（０．０１ｍ）２］＝３．８℃／Ｗである空気層と熱的に同様に働く。これは非常に高い値である。そのため、異なるロケーションにおけるナノ支柱のピッチ、長さ、および組成を変えることによって、熱抵抗は、ホットスポット等温化のために空間的にチューニングされる可能性がある。
【００５９】
熱伝達効率をさらに最大にするために、熱源とマイクロチャネル・ヒートシンク、たとえば、上述した、図３のマイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリ３０２の熱源３０２ａとマイクロチャネル・ヒートシンク３０２ｂの間の熱界面が最適化されるべきである。信頼性のある接合部にわたって低い熱インピーダンス値を達成するために、コンプライアント導体（たとえば、はんだ）、適切な表面仕上げ、膨張整合材料、および進歩した組み立て技法が採用される可能性がある。
【００６０】
比較すれば、空気側ヒートシンク、たとえば、上述した、図３のマイクロチャネル３０５および熱消散フィン３０４ｂを備える空気側ヒートシンク３０４の土台における熱伝達および熱拡散は、かなり異なる。たとえば、より大きな占有面積を有する空気側ヒートシンクのために、たとえば、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリと比較すると、非常に大きな表面積を有するより多くのマイクロチャネルが採用されてもよい。
【００６１】
従来のマイクロチャネル・システムでは、マイクロチャネルに関連する高い圧力損失のために、非常に効率的な熱伝達が必要であるところにだけマイクロチャネルが採用されることが重要である。しかし、本発明の教示が与えられると、これはもはや当てはまらない。すなわち、マイクロチャネルに疎水性皮膜を有するナノ支柱を採用することによって、マイクロチャネルに関連する圧力損失が緩和される。たとえば、例示的な実施形態によれば、全体システムを通して熱伝達流体（熱伝達流体は水である）を輸送することに伴う全体の圧力損失は、約５ａｔｍ以下、好ましくは、約１ａｔｍ以下であると思われる。これは、従来のマイクロチャネルに比べて３分の１の圧力低下より大きい。
【００６２】
さらに、述べたように、たとえば、上記の図３の説明に関連して、マイクロチャネル冷却システム３００の熱伝達部品は、流体導管３０６、３１０、および３１２によって流体接続され、それによって、有利には、各部品が、独立に調査され、最適化されることが可能になる。しかし、例示的な実施形態によれば、単一で、コンパクトで、一体構造の熱解決策、たとえば、マイクロチャネル・ヒートシンク・アセンブリと空気側ヒートシンクの両方、および、おそらく流体ポンプをも、据え付けを簡単にし、空間要件を最小にする単一ユニットに統合することが、採用されてもよい。
【００６３】
先に提示した間接的な液体冷却技法と比較して、本教示はまた、直接的な液体冷却のために採用されてもよい。たとえば、本教示は、その中に超疎水性ナノ構造または他の流体流れ作用構造を有する集積化マイクロチャネルを有する熱源を冷却するのに採用されてもよい。
【００６４】
こうした直接的な液体冷却は、熱源と関連するヒートシンクの間の温度差を劇的に減少させる。さらに、直接的な液体冷却は、シリコン・ダイ上でのホットスポット緩和を可能にし、全体の熱管理にとって益々重要になりつつある。たとえば、R. Mahajan等, Emerging Directions for Packaging Technologies、INTEL TECH JOURNAL (May、2002)（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。
【００６５】
ダイとパッケージの間、および、パッケージと周囲空気の間の熱抵抗は、直列に起こる。したがって、ダイとパッケージの間の熱界面に的を絞ることが最も有利である場合がある。シリコン・ダイ上でのホットスポット緩和のために、蒸気室（たとえば、大きな占有面積で、小さな厚みのヒートパイプ）の形態のパッケージが現在使用されているが、最大熱負荷および流束を超えると、蒸気室が完全に乾燥するため、これが、無期限に続くことになるとは予想されない。さらに、ダイとパッケージの間に現在存在する望ましくない熱界面材料（通常、熱伝導率が非常に低い）、たとえば、ＴＩＭ材料は、マイクロチャネルを使用した直接的な液体冷却においてはなくしてもよい。さらに、マイクロチャネルは、ダイの背面上にまっすぐに作製されてもよい。別法として、マイクロチャネルは、シリコンまたは一定の他の適した材料から作製され、ダイに熱接続されてもよい（表面は膨張整合している）。
【００６６】
マイクロチャネルにおける熱源から熱伝達流体への熱伝達は、ニュートンの冷却の法則に支配され、ニュートンの冷却の法則が述べるところでは、
ｑ''（ｘ，ｙ）＝ｈ（ｘ，ｙ）［Ｔｄ（ｘ，ｙ）−Ｔｆ（ｘ，ｙ）］
であり、ここで、ｑ''（ｘ，ｙ）、ｈ（ｘ，ｙ）およびＴｆ（ｘ，ｙ）は、それぞれ、熱源上の熱流束の（非常に不均一な）空間依存性、熱源と、熱伝達流体、たとえば、水の間の対流熱伝達率、および熱伝達流体温度を表す。Ｔｄ（ｘ，ｙ）は熱源の温度である。目的は、Ｔｄを空間的に均一な値に維持することである。ｑ''（ｘ，ｙ）は、上述したように、大電力ユニットの選択的な集合体の、ダイ上のロケーションによって決まる。さらに、Ｔｆ（ｘ，ｙ）は、熱伝達流体が熱源の上を流れ、熱を吸収する時に、熱伝達流体の温度が上昇するため、空間的に変動する。
【００６７】
通常、ｈ（ｘ，ｙ）は一定である、すなわち、ロケーションに依存しない。しかし、本疎水性コーティングされたナノ支柱の存在下では、ｈ（ｘ，ｙ）は、上述したように、チューニング可能である。熱源上の所与のロケーションにおけるｑ''（ｘ，ｙ）およびＴｆ（ｘ，ｙ）の値に基づいて、ｈ（ｘ，ｙ）の値は、Ｔｄがダイ全体にわたってほぼ一定になるようにチューニングされることができる。ナノ支柱の、材料（たとえば、熱伝導率）、密度（たとえば、ピッチ）、直径、および高さを変えることによって、空間的に均一な熱源温度を維持するのに必要な、マイクロチャネル・アレイ内での分布を提供するように、熱伝達率を空間的にチューニングすることができる。
【００６８】
たとえば、システムを通過することによって、冷却された熱伝達流体は、ナノ支柱が、ホットスポットに達するまで熱伝達が最小になるようにチューニングされた専用マイクロチャネルを介して、熱流束（ｑ''（ｘ，ｙ））が、非常に高い、たとえば、平均熱流束の約５倍以上である熱源上のロケーションに送出されることができる。たとえば、以下で述べるように、ホットスポットの近傍以外の領域におけるナノ支柱の高さは、それらの領域の熱伝達を最小にするために増加する可能性がある。ホットスポット近傍では、ナノ支柱は、その地点における熱伝達を最大にするために、短いか、厚いか、またはより密接に離間してもよい。
【００６９】
熱伝達を制御するか、または、チューニングするための代替の手段は、ナノ支柱を通る熱伝達流体の浸透を制御するのに温度を使用することである。任意の流体の表面張力（および、したがって、流体がナノ支柱と形成する接触角度）は、その温度によって決まる。そのため、ナノ支柱アレイは、一定の閾値温度を超える温度において、ナノ支柱層内への熱伝達流体の浸透を誘導するように設計されてもよい。これによって、熱源表面上のホットスポットの特定の管理に対する、冷却システムの自動調整が可能になる。たとえば、一定の温度を超えると、流体の表面張力は、流体とナノ支柱の間の接触角度が９０°未満になるように十分に低く低下する。流体は、その後、マイクロチャネルの壁を浸潤するであろう。さらに、流体がナノ支柱層に浸透することになる静圧は、流体表面張力が減少し、ナノ支柱密度が減少するにつれて減少する。そのため、ナノ支柱は、ホットスポットの近傍において互いにさらに離れて配置されるように構成されてもよく、かつ／または、温度が上昇すると減少する表面張力を有する熱伝達流体が採用されてもよい。
【００７０】
たとえば、ホットスポットに近いエリアでは、熱伝達流体は、ナノ支柱層を通って浸透し、大きな熱伝導率をもたらす。熱源の他のエリア上で、熱伝達流体は、ナノ支柱の先端部で停止したままになり、したがって、そのエリアでは、低い熱伝導率をもたらす。
【００７１】
他の例示的な構成が、本明細書で考えられる。たとえば、間接的な液体冷却用途に関し、マイクロチャネル・ヒートシンクは、たとえば、リードフレーム内に組み込まれ、低熱インピーダンス接合（たとえば、シリコン−シリコン接合、または、薄い、高熱伝導率はんだ接合）によって熱源に接合されてもよい。比較すると、直接的な液体冷却用途に関し、マイクロチャネルは、チャネルを通して流体が圧送されるようチャネルを密閉するために、熱源自体および熱源に接合されたリードフレーム内にエッチングされる可能性がある。この実施形態では、マイクロチャネルは、熱源を通る熱経路に熱的に平行である。
【００７２】
直接的な液体冷却に必要とされる熱伝達流体の流量は、間接的な液体冷却よりはるかに小さいことに留意することが重要である。パッケージを通した伝導が回避される時、周囲への熱伝達のための駆動力は、最大熱源動作温度（たとえば、１２５℃）と周囲（たとえば、４５℃）との差に等しい。この例では、駆動力は８０℃に等しいであろう。たとえば、マイクロチャネル内でのわずか２４℃の流体温度上昇が許容される場合、必要とされる流量は、１５０ワット電力消費について約９４ｍｌ／分であることになる。さらに、この流量は、さらに一層減少する可能性がある。その理由は、熱源の表面温度が１２５℃（平均熱源温度）に等しくなると、水の対応する飽和圧が２．２５ａｔｍであり、気化が可能になるためである。こうした２相系において水の高い気化潜熱を利用することによって、流量を非常に低くすることが可能になるであろう。
【００７３】
熱源上でホットスポットがなくなると、熱源は、より高い平均温度で動作することができる。熱源接合部と周囲空気の間で利用可能な総熱伝達駆動力（温度差）が増加するため、これによって、空気側ヒートシンクのより高い動作温度への移行が行われる。さらに、中間パッケージを通してではなく、直接的な液体冷却によって、熱源からマイクロチャネル内の熱伝達流体への熱を伝達するために、より小さい温度差が必要であり、さらに、空気側ヒートシンクの温度が増加する。最終結果として、改善された総合システム性能およびコンピュータ・ハウジングの設計についての大きな柔軟性が得られる。したがって、ヒートシンク動作温度が上昇するため、ヒートシンクは、所与の熱負荷について少ない容積を占め、より遅いファン速度（より低いノイズ・レベル）を必要とし、より大きな熱負荷を周囲空気に伝達するであろう。
【００７４】
図８は、熱伝達デバイスを作製する例示的な方法を示す図である。すなわち、図８に示す方法は、上記の図２Ａの説明に関連して示し、述べた熱伝達デバイス２００などの熱伝達デバイスを作製するのに使用されることができる。
【００７５】
工程８０２にて、マイクロチャネル・ハウジング材料８１２内にアライメント・ホール（たとえば、基準穴）８１０が作られる。マイクロチャネル・ハウジング材料８１２および８１４において、ナノ構造化表面８１６が、その後、エッチングされるか、または、エンボス加工される。工程８０４にて、マイクロチャネル・ハウジング材料８１２および８１４は、たとえば、接着剤またははんだを使用して、嵌合され、密閉される。工程８０６にて、プリント配線板８１８、ＩＣダイ８１９、およびワイヤ・ボンド８２０が付着される。工程８０８にて、流体継ぎ手８２２が挿入される。
【００７６】
上述した別の例示的な実施形態によれば、熱源上のホットスポットは、たとえば、専用マイクロチャネルを通して、そのエリアに「クーラ」熱伝達流体を送出することによって対処されてもよい。たとえば、一定のマイクロチャネルは、ホットスポットに通じる流れ経路のエリアにおいて、そのエリアの熱伝達量が減るように構成された高密度の超疎水性ナノ構造を備えることができる。ホットスポットにその後送出される流体がクーラとなる。しかし、そのエリアでより大きな冷却を提供するために、ホットスポットにおいて、超疎水性ナノ構造が、短くされるか、なくされるか、またはその他の方法で修正される可能性がある。
【００７７】
さらなる例示的な実施形態によれば、超疎水性ナノ構造は、所与の流体流量についての圧力損失を減少させながら、熱伝達を大幅に変更しないように調整されてもよい。この示す実施形態によれば、超疎水性ナノ構造の高さは、並列の空気層とナノ構造の熱抵抗が、熱伝達流体内への対流に伴う熱抵抗に対して問題にならないように十分に、超疎水性ナノ構造が短くなるように調整される。したがって、熱伝達は、実質的に影響を受けず、圧力損失が減る。
【００７８】
さらに別の例示的な実施形態によれば、マイクロチャネルは、マイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上に突出構造を有することができ、突出構造は熱伝達を向上させるように調整される。たとえば、マイクロチャネルの局所領域は、疎水性皮膜のないナノ支柱を有してもよい。そのため、これらの構造は超疎水性ではないことになる。したがって、こうした領域では、熱伝達流体は、マイクロチャネルの壁に接触することを妨げられないであろう。マイクロチャネルの壁の湿潤は、これらのエリアにおける熱伝達を向上させるであろう。そのため、この示す実施形態によれば、ナノ支柱構造は熱伝達を向上させる。さらに、これらの局所領域は、こうした領域における熱伝達表面積を劇的に増加させるための、こうしたナノ支柱の密なアレイを有してもよい。
【００７９】
熱伝達を向上させる、さらなる技法が、本明細書で考えられる。たとえば、上記したように、マイクロチャネルは、マイクロチャネルの少なくとも１つの内部表面上に突出構造を有することができ、突出構造は熱伝達を向上させるように調整される。より具体的には、構造は、異なる表面エネルギーを示す材料でコーティングされたナノ支柱を備えることができる。これは、一定温度未満でだけ超疎水性挙動を示す高エネルギー表面を作成する。たとえば、この温度を超えると、熱伝達流体は、マイクロチャネルの壁に浸潤することが可能になるであろう。さらに、上述した疎水性皮膜でナノ支柱の他のエリアをコーティングすること（表面エネルギーの低い表面を作成すること）によって、これらの他のエリアが、温度に関係なく超疎水性挙動を示すことが確実になるであろう。この選択的コーティング技術は、システムをチューニングする、または、その他の方法で調整するのに採用される可能性がある。
【００８０】
本明細書に提示する教示は、広い適用範囲を有する。たとえば、本技法は、限定はしないが、投射器、ディスプレイ、広告標識、街路灯、ストリーミング・ビデオ付きの携帯電話、手持ち投射器（個人情報端末（ＰＤＡ）など）を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）；限定はしないが、レーダおよび軍事応用を含む大電力電子部品；限定はしないが、無線タワートップ電子部品およびマイクロ波応用を含む通信デバイスにおいて採用されてもよい。
【００８１】
先に述べた例および本明細書の図において、示し、述べた、これらのおよび他の実施形態および変形形態は、本発明の原理を示すだけのためであること、ならびに、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者によって種々の変更形態が実施されてもよいことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】従来の熱伝達デバイスを示す図である。
【図２Ａ】マイクロチャネルにおいて流体の流れに影響を与えるように構成された構造を配置することの有効性を示すのに使用される例示的な単一マイクロチャネル熱伝達デバイス構成を示す図である。
【図２Ｂ】マイクロチャネルにおいて流体の流れに影響を与えるように構成された構造を配置することの有効性を示すのに使用される例示的な単一マイクロチャネル熱伝達デバイス構成を示す図である。
【図３】例示的な閉じたマイクロチャネル冷却システムを示す図である。
【図４Ａ】例示的なマイクロチャネル・ヒートシンク幾何形状を示す図である。
【図４Ｂ】例示的なマイクロチャネル・ヒートシンク幾何形状を示す図である。
【図５】例示的なマイクロチャネル・ナノ支柱構成を示す図である。
【図６Ａ】ナノ支柱のピッチの変動を示す画像である。
【図６Ｂ】ナノ支柱のピッチの変動を示す画像である。
【図６Ｃ】ナノ支柱のピッチの変動を示す画像である。
【図７】超疎水性ナノ構造が流体の速度分布にどのように影響を与えるかを示す図である。
【図８】熱伝達デバイスを作製する例示的な方法を示す図である。
【図１】
2006148117.tif 000003
【図２Ａ】
2006148117.tif 000004
【図２Ｂ】
2006148117.tif 000005
【図３】
2006148117.tif 000006
【図４Ａ】
2006148117.tif 000007
【図４Ｂ】
2006148117.tif 000008
【図５】
2006148117.tif 000009
【図６Ａ】
2006148117.tif 000010
【図６Ｂ】
2006148117.tif 000011
【図６Ｃ】
2006148117.tif 000012
【図７】
2006148117.tif 000013
【図８】
2006148117.tif 000014