(57)【要約】  【課題】  チップとヒート・シンクとの間の熱伝達を向上させることができる熱交換装置を提供する。  【解決手段】  本発明は、熱源を冷却するための方法および装置である。一実施形態において、熱交換器１００を提供する。これは、第１の表面１０６および対向する第２の表面１０４を有する、冷却液１１２を受容するための通路１１４を含む。通路に、メッシュ・プラグ１１０が配置され、通路内で乱流が生じるように冷却液を混合する。通路の第１の表面は、半導体熱源１０２に近接して配置されている。一実施形態では、第１の表面はプラスチックを含む。一実施形態では、第２の表面は、例えば銅のような金属を含む。一実施形態では、メッシュ・プラグは、ニッケルで被覆した銅メッシュを含む。【選択図】  図１
2006203159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器であって、
第１の表面および対向する第２の表面を有する、冷却液を受容するための通路と、
前記通路に配置され、前記通路内で乱流が生じるように前記冷却液を混合するためのメッシュ・プラグと、
を含み、前記通路の前記第１の表面が半導体熱源に近接して配置されている、熱交換器。
【請求項２】
前記第２の表面がプラスチックを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第２の表面が、ポリカーボネート、アクリル、およびポリエチレンの中から選択された１つを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１の表面を貫いて形成され、前記熱源を受容するための開口を更に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１の表面が金属である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第１の表面が、銅およびアルミニウムの少なくとも一方である、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第１の表面上に形成されたコーティングを更に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記コーティングが、クロム、金、ニッケル、および白金の中から選択された少なくとも１つを含む、請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記メッシュ・プラグが、銅、クロム、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、タングステン、タンタル、およびチタン・ワイヤの中から選択された少なくとも１つを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記メッシュ・プラグが、炭素繊維、ガラス綿、およびガラス・メッシュ・プラグの中から選択された少なくとも１つを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記メッシュ・プラグが、銅綿、多孔性グラファイト、機械加工されたグラファイト、焼結金属粒子、および電鋳ニッケルの中から選択された少なくとも１つを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記メッシュ・プラグが金属を含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記メッシュ・プラグの要素がはんだ付けによって接合されている、請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記メッシュ・プラグが、前記熱源、前記第１の表面、および前記第２の表面の中から選択された少なくとも１つに、はんだ付けによって接合されている、請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記メッシュ・プラグの要素が共に接合されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１６】
前記メッシュ・プラグの要素が有機接着剤によって共に接合されている、請求項１５に記載の熱交換器。
【請求項１７】
前記メッシュ・プラグが、前記メッシュ・プラグの要素を覆うように配置されたコーティングを更に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１８】
前記コーティングが、クロム、金、ニッケル、および白金の中から選択された少なくとも１つを含む、請求候１７に記載の熱交換器。
【請求項１９】
前記通路に流体を通すように結合され、前記通路に前記冷却液を導入し前記通路から前記冷却液を排出するための注入口および放出口を更に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２０】
前記注入口に結合され、前記冷却液を前記通路内に送出するためのポンプを更に含む、請求項１９に記載の熱交換器。
【請求項２１】
前記放出口が前記ポンプに結合され、前記ポンプが、前記放出口から前記注入口まで前記冷却液を送出するように適合されている、請求項２０に記載の熱交換器。
【請求項２２】
前記第１の表面と前記第２の表面との間に配置されたガスケットを更に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２３】
前記ガスケットが前記第１の表面の一部として形成されている、請求項２２に記載の熱交換器。
【請求項２４】
前記ガスケットが前記第２の表面の一部として形成されている、請求項２２に記載の熱交換器。
【請求項２５】
前記ガスケットが、フルオロエラストマ、ポリテトラフロオロエチレン、ナイロン、シリコーン、およびゴムの中から選択された少なくとも１つを含む、請求項２２に記載の熱交換器。
【請求項２６】
前記ガスケットがプラスチックを含む、請求項２２に記載の熱交換器。
【請求項２７】
前記第１の表面と前記熱源との間に配置された熱インタフェースを更に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項２８】
前記熱インタフェースがはんだ熱インタフェースを含む、請求項２７に記載の熱交換器。
【請求項２９】
前記熱インタフェースが液体金属熱インタフェースを含む、請求項２７に記載の熱交換器。
【請求項３０】
前記熱インタフェースが、ガリウム、インジウム、すず、およびビスマスの中から選択された少なくとも１つを含む、請求項２７に記載の熱交換器。
【請求項３１】
前記熱インタフェースがガリウム・インジウム・すず合金を含む、請求項２７に記載の熱交換器。
【請求項３２】
前記熱インタフェースが熱ペーストを含む、請求項２７に記載の熱交換機。
【請求項３３】
前記通路に流体を通すように結合され、前記冷却液の導入および排出のために、前記通路をまたいだ多数の点から形成される注入口マニホルドおよび放出口マニホルドを更に含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３４】
前記通路に流体を通すように結合され、前記通路から前記冷却液を導入および排出するための注入口および放出口と、
前記第１の表面と前記熱源との間に配置された熱インタフェースと、
を更に含み、前記第１の表面が銅を含み、その上にニッケルのコーティングが配置され、前記第２の表面がプラスチックを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３５】
前記冷却液を更に含み、前記冷却液が、水、水を主成分とする液体、グリコール、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、油、炭化水素、炭化水素混合物、アルコール、メチルビス（フェニルメチル）−ベンゼン、塩化ナトリウム、シリコーン、および液体金属の中から選択された少なくとも１つを含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３６】
半導体熱源を冷却する方法であって、
第１の表面および対向する第２の表面を有する、冷却液を受容するための通路と、それらの間に配置され、前記通路内で乱流が生じるように前記冷却液を混合するためのメッシュ・プラグと、を含み、前記通路の前記第１の表面が前記半導体熱源に近接して配置されている、熱交換器を設けるステップと、
前記通路内に冷却液を流すステップと、
を含む、方法。
【請求項３７】
前記第１の表面を貫いて形成され、前記半導体熱源を受容するための開口を設けるステップを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
ポンプを用いて前記冷却液を前記通路内に再循環させるステップを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記半導体熱源と前記第１の表面との間に熱インタフェースを設けるステップであって、前記熱インタフェースが、熱伝導性ペーストおよび液体金属熱インタフェースの中から選択された少なくとも１つを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記冷却液が、水、水を主成分とする液体、グリコール、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、油、炭化水素、炭化水素混合物、アルコール、メチルビス（フェニルメチル）−ベンゼン、塩化ナトリウム、およびシリコーンの中から選択された少なくとも１つを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記冷却液が、水の凝固点よりも低い凝固点を有する液体である、請求候３６に記載の方法。
【請求項４２】
前記冷却液が液体金属である、請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
前記液体金属が、水銀、ガリウム、インジウム、すず、およびビスマスの中から選択された少なくとも１つである、請求項４２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、マイクロプロセッサおよび集積回路に関し、さらに特定すれば、集積回路（ＩＣ）チップの冷却に関する。具体的には、本発明は、チップ冷却のための熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣデバイスの効率的な冷却は、過剰な加熱による故障を防ぐために不可欠である。チップ当たりのＣＭＯＳデバイス数およびクロック速度が増大するにつれて、かかる効率的な冷却はいっそう大きな問題になっている。例えば、現世代のマイクロプロセッサでは、約１００Ｗ／ｃｍ2の熱が発生するが、次世代のコンピュータ・マイクロプロセッサでは、２００Ｗ／ｃｍ2以上の熱発生レベルに達することが予想される。
【０００３】
従来、ＩＣチップは、チップに結合された熱伝導板を有する熱交換機構すなわちヒート・シンクによって冷却される。この板は、通常、板の一表面から延出する複数の隆起フィンを有する。板およびフィンは、熱を伝え、空気が流れることができる表面積を増大させ、これによってヒート・シンクから周囲の空気への熱伝達率を上げる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる空冷式の方法は、通常、現在のチップについて熱伝達を促進するには信頼性が高いことが証明されている。しかしながら、一般に、現在の強制空冷方法は性能の限界に達したと判断されている。このため、もっと大量の熱を発生させるいっそう小型で強力なチップを求める傾向のもとでは、これまで続いてきた従来の空冷方法に対する依存は不適切となる。
【０００５】
従って、チップとヒート・シンクとの間の熱伝達を向上させることができる熱交換装置に対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、半導体熱源を冷却するための方法および装置である。一実施形態において、熱交換器を提供する。これは、第１の表面および対向する第２の表面を有する、冷却液を受容するための通路を含む。通路に、メッシュ・プラグが配置され、通路内で乱流が生じるように冷却液を混合する。通路の第１の表面は、半導体熱源に近接して配置されている。一実施形態では、第１の表面はプラスチックを含む。一実施形態では、第２の表面は、例えば銅のような金属を含む。一実施形態では、メッシュ・プラグは、ニッケルで被覆した銅メッシュを含む。
【０００７】
別の実施形態では、半導体熱源を冷却するための方法を提供する。この方法は、第１の表面および対向する第２の表面を有する、冷却液を受容するための通路と、それらの間に配置され、通路内で乱流が生じるように冷却液を混合するためのメッシュ・プラグとを有する熱交換器を設けるステップを含む。通路の第１の表面は、半導体熱源に近接して配置されている。通路を通って、例えば水のような冷却液が流れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の上述の実施形態を達成し、詳細に理解することができるように、添付の図面に例示した本発明の実施形態を参照して、先に簡潔にまとめた本発明のいっそう具体的な説明を行うことができる。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を図示するだけであり、従って、その範囲を限定するものとして考えるべきではなく、本発明は他の等しく効果的な実施形態を認め得ることに留意すべきである。
【０００９】
理解を容易にするため、可能な場合には同一の参照番号を用いて、図面に共通する同一の要素を表す。
【００１０】
図１は、熱交換器１００の一実施形態の横断面図を示す。熱交換器１００は、通常、第１の表面１０６を含む。これは、第２の表面１０４と離間した関係に配置され、それらの間に冷却液１１２を流すための流体通路１１４を画定する。流体通路１１４の少なくとも一部内に、多孔性メッシュ・プラグ１１０が配置され、第１の表面１０６および第２の表面１０４の双方と接触している。
【００１１】
熱ペースト、はんだ付け、ボンディング、接着剤等のいずれかの従来の手段を用いて、半導体熱源１０２が、メッシュ・プラグ１１０に近接して、熱交換器１００の第１の表面１０６に熱的に結合されている。半導体熱源１０２は、本明細書において、集積回路（ＩＣ）チップ、チップの一部、複数のチップすなわちチップ・アレイ、回路基板またはその一部、半導体デバイスまたは複数のデバイスの動作によって加熱されるいずれかの材料、前述のもののいずれかの組み合わせ等と定義する。
【００１２】
熱源１０２と熱交換器１００の第１の表面１０６との間の熱伝達率を高めるために、例えば、はんだ、熱伝導性接着剤、熱伝導性ペースト、液体金属熱インタフェース（例えば、ガリウム、インジウム、すず、およびビスマスの少なくとも１つ）等を含む熱インタフェース１０８を、任意的に、それらの間に配置することができる。通路１１４を通って、熱交換流体すなわち冷却液１１２が流れる。
【００１３】
あるいは、図２に示すように、第１の表面１０６は、更に、熱源１０２がメッシュ・プラグ１１０および通路１１４内の冷却液１１２と直接接触することができるような大きさに形成した開口２０２を含むことができる。第１の表面が開口２０２を含む実施形態では、開口２０２と熱源１０２との間の界面は、例えばエポキシを用いて開口２０２内に熱源を固定することのように、いずれかの従来の手段によって封止することができる。
【００１４】
第１の表面１０６は、プロセス条件に適合するいずれかの熱伝導性または非熱伝導性材料とすれば良い。図１に示す実施形態では、第１の表面１０６は、少なくとも熱源１０２に近接して配置された領域において熱伝導性であり、熱源１０２から通路１１４を流れる冷却液１１２への熱伝達を容易にする。第１の表面１０６は、熱源１０２に近接した領域においてのみ高度に熱伝導性の材料を含み、他の領域において他の材料を含む場合があることが考えられる。
【００１５】
例えば、第１の表面１０６は、金属を含むことができる。一実施形態では、第１の表面は、銅およびアルミニウムの少なくとも一方を含む。任意的に、第１の表面１０６の通路１１４に面する側に、コーティング（図示せず）を配することができる。コーティングは、一般に、大気、冷却液１１２、または通路１１４に存在し得る他の汚染物質に対する露呈による劣化から、第１の表面１０６を保護する。
【００１６】
図２に示す実施形態において、熱源１０２が開口２０２内に配置される場合、第１の表面１０６は、以下で第２の表面１０４に関連付けて説明する材料等、プロセス条件に適合するいずれかの材料を含むことができる。
【００１７】
第２の表面１０４は、プロセス条件に適合するいずれかの材料を含むことができ、熱伝導性または非熱伝導性のいずれかとすることができる。一実施形態では、第２の表面１０４は、プラスチックを含む。例えば、第２の表面１０４は、ポリカーボネート、アクリル、またはポリエチレンを含むことができる。
【００１８】
メッシュ・プラグ１１０は、通路１１４の少なくとも一部に配置され、第１の表面１０６および第２の表面１０４の双方と接触している。例えば、メッシュ・プラグ１１０は、通路１１４の断面領域の全体を占める。メッシュ・プラグ１１０は、通路１１４内で境界層に沿って冷却液１１２の層流を中断させ、これによって冷却液１１２の乱流混合を生じさせ、熱源１０２から冷却液１１２への熱伝達率を増大させる。このため、メッシュ・プラグ１１０は、概して、少なくとも熱源１０２に近接した領域に、概ね、少なくとも第１の表面１０６と接触している熱源１０２の部分の長さだけ配置される。例えば、メッシュの長さおよび幅は、熱源１０２の側方の寸法よりもわずかに大きくすることができる（約１または２ミリメートル）。
【００１９】
本明細書において用いる場合、「メッシュ」という言葉は、メッシュ・プラグ１１０を含む材料の構造的な構成を指し、織布および不織布、または網、多孔性もしくはスポンジ状の固体、マトリクス状の長繊維、より糸、繊維、もしくは粒子、または、機械的にコンプライアンスのある構造を提供し、冷却液１１２がメッシュ・プラグ１１０を通って流れるための充分な多孔性を有する他のいずれかの材料形態を含む。メッシュ・プラグ１１０は、冷却液１１２の流れを中断させ、流体乱流を起こすために用いる。メッシュ・プラグ１１０の開口の大きさおよび濡れる表面積は、用いる材料によって異なる。例えば、開口の大きさが小さくなると（すなわち通路１１４における妨害が大きくなる）、一般に、冷却液１１２の流れの乱流が増大するが、冷却液１１２を動かすのに必要な圧力も大きくなる。流れの体積を大きくすると、所与の体積の冷却液１１２を動かすのに必要な圧力は小さくなるが、装置が大型化するという犠牲がある。このため、通路１１４の大きさおよびメッシュ１１０の密度は、特定の用途に応じて異なり、冷却液１１２および熱源１０２から単位時間当たりに除去すべき熱の量等の要因に左右される。メッシュ・プラグ１１０の典型的な体積分率は、デバイスのアクティブ領域において（すなわち、メッシュ・プラグ１１０を用いる領域において）、約１５パーセントから約４５パーセントの範囲である。しかしながら、用途に応じて、すなわち、冷却液１１２の材料および熱伝達の要求に応じて、他の体積分率を利用可能であることが考えられる。
【００２０】
メッシュ・プラグ１１０は、冷却液１１２と適合する金属または有機材料から成るものとすることができる。例えば、メッシュ・プラグ１１０は、冷却液１１２に対して不活性であるか、または、熱交換器１００の構成要素の構造的または熱的な特性を著しく劣化させないように、冷却液１１２に対して反応性とすることができる。そうでなければ、熱源１０２に悪影響を与えるからである。あるいは、メッシュ・プラグ１１０は、冷却液１１２と適合しない材料を含むことができるが、この場合、メッシュ・プラグ１１０は、更に、冷却液１１２に適合するコーティングを含むことができる。これについては、更に以下で説明する。
【００２１】
メッシュ・プラグ１１０は、冷却液１１２の熱伝導率より大きいか、等しいか、または小さい熱伝導率を有することができる。一実施形態では、メッシュ・プラグ１１０は、銅、クロム、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、タンタル、チタン、およびタングステン・ワイヤの少なくとも１つを含む。あるいは、またはこれと組み合わせて、メッシュ・プラグ１１０は、炭素繊維または繊維ガラスを含むことができる。典型的なワイヤまたはファイバの直径は、約５０から約１００ミクロンとすることができる。一実施形態では、メッシュ・プラグ１１０は、金属ワイヤ・メッシュ・プラグを含む。一実施形態では、メッシュ・プラグ１１０は、銅またはタングステン・ワイヤ・メッシュ・プラグを含む。別の実施形態では、メッシュ・プラグ１１０は、ガラス綿またはガラス・メッシュ・プラグを含むことができる。他の適切な材料には、銅綿、多孔性グラファイト、機械加工されたグラファイト、電鋳ニッケル等が含まれる。
【００２２】
メッシュ・プラグ１１０が熱伝導性である実施形態では、メッシュ・プラグと第１の表面１０６と第２の表面１０４との間の密接によって、メッシュ・プラグ１１０を通る連続的な熱伝導性経路を介した熱伝達が更に増大する。任意的に、メッシュ・プラグ１１０の要素を、例えばはんだ付けによって接合して、メッシュ・プラグ１１０の熱伝導性を更に高めることができる。また、メッシュ・プラグ１１０は、任意的に、第１の表面１０６または第２の表面１０４あるいはその双方にはんだ付けすることも可能である。
【００２３】
メッシュ・プラグ１１０は、更に、任意のコーティング（図示せず）を含むことができる。任意のコーティングは、冷却液１１２との不適合からメッシュ・プラグ１１０を保護する。例えば、一実施形態において、金属製のメッシュ・プラグ１１０は銅を含み、水を含む冷却液１１２からこの銅を保護するクロムまたはニッケルのコーティングを用いることができる。コーティングは、冷却液１１２と適合するメッシュ・プラグ１１０を覆うように形成可能であることが考えられる。更に、メッシュ・プラグ１１０を覆うように、多数のコーティングを配置可能であることも考えられる。
【００２４】
コーティングは、蒸着、スパッタリング、めっき、化学気相付着法等の従来の手段によって適用することができる。コーティングまたは複数のコーティングの厚さは、冷却液１２が存在する場合の堅固さを得るように選択され、一般に、コーティングを含む材料、適用方法、およびコーティングの意図する目的を達成するために必要な適用範囲によって決まる。
【００２５】
冷却液１１２と、熱源１０２、第１の表面１０６、または第２の表面１０４あるいはそれら全てを含む材料との間の適合性を向上させることが望まれる場合、任意的に、熱源１０２、第１の表面１０６、または第２の表面あるいはそれら全てに、同様のコーティングまたは複数のコーティング（図示せず）を配置することができる。また、コーティングは、以降の層の接着性を高めるため、酸化防止層として機能するため、または、熱源１０２、第１の表面１０６、または第２の表面１０４あるいはそれら全ての表面に対する冷却液１１２の濡れ性を増大させるために選択することができる。例えば、冷却液１１２と適合する第１のコーティング、および冷却液１１２の濡れ性を高める第２のコーティング等、多数のコーティングを設けることが考えられる。例えば、一実施形態において、第２の表面１０４を覆うようにクロムのコーティングを配置する。クロムの上には、任意的に、金または白金のいずれかである第２のコーティングを配置して、例えば酸化防止層として機能させることができる。一実施形態では、クロムのコーティングを約２５００オングストロームの厚さに形成することができる。一実施形態では、金または白金のコーティングを約３００オングストロームの厚さに形成することができる。
【００２６】
冷却液１１２は、矢印１１６によって示すように、通路１１４を通って流れる。冷却液１１２は、メッシュ・プラグ１１０の要素間を乱流が生じるように縫うように進み、更に、第１の表面１０６および第２の表面１０４と接触している。第１の表面に形成された開口内に熱源１０２が配置されている実施形態では、冷却液は熱源１０２と直接接触している（例えば図２を参照のこと）。冷却液１１２は、比較的、熱伝導性の液体または液体混合物とし、メッシュ・プラグ１１０を通って容易に乱流が生じるように流れることができる。例えば、冷却液１１２は、水、水を主成分とする液体、または水の凝固点よりも低い凝固点を有する液体を含むことができる。他の適切な液体には、アルコール、グリコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、塩化ナトリウム、油、炭化水素、炭化水素混合物、メチルビス（フェニルメチル）−ベンゼン、シリコーン（例えばＤＹＮＡＬＥＮＥ（登録商標）製品群の熱伝達流体等）、液体金属等が含まれるが、これらに限定されない。液体金属は、ビスマス、ガリウム、インジウム、水銀、すず等の少なくとも１つを含むことができる。例えば、一実施形態では、冷却液１１２は、ガリウム−インジウム合金またはガリウム・インジウム・すず合金である。別の実施形態では、冷却液１１２は水である。
【００２７】
図３は、熱交換器３００の１つの例示的な実施形態を示す。熱交換器３００は、ニッケルまたはクロムによって被覆した銅の第１の表面３０６と対向するプラスチックの第２の表面３０４との間に画定した流体通路３１４を含む。通路３１４には、ニッケルによって被覆した銅メッシュ・プラグ３１０が配置されている。第１および第２の表面３０６、３０４は、それらの間に配置された壁によって、または第１もしくは第２の表面３０６、３０４の１つ以上に形成することができる周辺拡張部によって、離間した関係に維持されている。図３に示す実施形態では、第１および第２の表面３０６、３０４は、第２の表面３０４に形成された周辺拡張部３２０によって、離間した関係に維持されている。
【００２８】
熱交換器３００に、少なくとも１つの注入口３２２および少なくとも１つの放出口３２４が結合されて、通路３１４からの冷却液３１２の導入および排出を可能とする。注入口３２２および放出口３２４は、第１の表面３０６、第２の表面３０４、およびこれら２つを分離する壁（例えば図３における周辺拡張部３２０）の少なくとも１つに形成するか、またはそれに結合することができる。図３に示す実施形態では、注入口３２２および放出口３２４は、第２の表面３０４に配置されている。
【００２９】
多数の注入口３２２および放出口３２４を用いて、通路３１４を通る冷却液３１２の流れを制御する場合、注入口３２２および放出口３２４を、マニホルドまたはヘッダ内に配置することができる。例えば、図３に示す実施形態では、第１の表面３０６、第２の表面３０４、周辺拡張部３２０、およびメッシュ・プラグ３１０の一方の側面によって画定される空間に、注入口マニホルド３３０が形成されている。注入口マニホルド３３０は、多数の注入口３２２を有する（横断面図には１つのみを図示する）。同様に、第１の表面３０６、第２の表面３０４、周辺拡張部３２０、およびメッシュ・プラグ３１０の別の側面によって画定される空間に、放出口マニホルド３４０が形成されている。放出口マニホルド３４０は、多数の放出口３２４を有する（横断面図には１つのみを図示する）。注入口および放出口マニホルド３３０、３４０を用いて、圧力の分布および通路３１４を通る冷却液３１２の流れを制御することができる。
【００３０】
冷却液３１２は、冷却液源（図示せず）から供給し、ポンプ（図示せず）を介して通路３１４の注入口３２２へと送ることができる。冷却液３１２は、放出口３２４から、排流管または他の収集装置に送出することができる。あるいは、ポンプによって、放出口３２４から注入口３２２に、そして通路３１４に戻すように、冷却液３１２を再循環させることも可能である。冷却液３１２は、任意的に、熱交換器３００の動作の前または間あるいはその双方で、冷却することができる。
【００３１】
熱交換器３００の構成要素は、接着、接合、のり付け、圧入、ボルト締め、クランプ締め等のいずれかの従来の手段によって固着することができる。継ぎ目の間にガスケット３１６を配置して、通路３１４からの冷却液３１２の漏れに対して更に防護することができる。ガスケット３１６は、第１の表面３０６の一部、第２の表面３０４の一部として形成することができ、または独立した部分とすることができる。図３に示す実施形態では、第１および第２の表面３０６、３０４を、複数のボルト（図示せず）によってボルト締めして、拡張部３２０と第１の表面３０６との間にガスケット３１６を配置して、それらの間の接合箇所を封止する。一実施形態では、ガスケット３１６は、ナイロン、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ゴム、シリコーン、フルオロエラストマ（例えばＶＩＴＯＮ（登録商標））等の軟質の材料を含む。
【００３２】
熱インタフェース３０８を用いて、熱交換器３００の第１の表面３０６に、例えばＩＣチップのような半導体熱源３０２を熱的に結合する。一実施形態において、熱インタフェース３０８は、液体金属ガリウム・インジウム・すず共晶混合物を含む。動作において、冷却液３１２は通路３１４を通って流れる。メッシュ・プラグ３１０によって、冷却液３１２は、それを通って流れる間に、乱流が生じるように混合する。冷却液３１２の乱流混合は、熱源３０２と冷却液との間の熱伝達を増大させる。
【００３３】
図４は、２４５Ｗで動作している縦１．０ｃｍ横１．０ｃｍのＩＣチップについて、水を用いた１リットル／分の冷却液流量（線４０６）で、Ｃ／Ｗの熱抵抗（水冷却液の注入口温度に対するチップの上部での熱源の温度から測定し、軸４０２上に示す）に対する任意の単位（軸４０４）におけるメッシュ・プラグ１１０の密度のグラフ４００を示す。グラフ４００からわかるように、熱抵抗は、メッシュ・プラグ１１０の密度が上がるにつれて劇的に低下する。具体的には、データ点４１０は、メッシュ密度がゼロ（通路にメッシュが存在しないことを示す）の時に、熱抵抗が約０．３２Ｃ／Ｗであることを示す。データ点４２０は、任意の単位メッシュ密度が１の時に、熱抵抗が約０．２Ｃ／Ｗに低下したことを示す。データ点４３０は、メッシュ密度が３（データ点４２０のメッシュに比べて３倍の密度のメッシュを示す）の時に、熱抵抗が更に約０．１６Ｃ／Ｗに低下したことを示す。従って、開示した本発明の熱交換器では、０．１６ｃｍ2Ｃ／Ｗの熱交換性能が実証された。かかる熱交換性能は、２００Ｗ以上を発生させるＩＣチップを冷却するために適している。
【００３４】
図１から図３の熱交換器は、矩形のものとして図示するが、本明細書に開示した教示に従う他の形状も利用可能であることが考えられる。例えば、楕円の導管が流体通路を画定し、導管の対向する側面が第１の表面および第２の表面を画定することができる。更に、上述の実施形態のいずれかにおいて開示した教示は、不適合でない程度に組み合わせることが可能であることも考えられる。
【００３５】
従って、ＩＣチップ等の熱源からの熱伝達の改善を容易にし、これによって、従来の方法によって冷却されるＩＣチップよりも信頼性高くかつ効率的にＩＣデバイスを動作させることができる熱交換器が開示される。更に、本発明の熱交換器は、コストが低く、容易に製造することができる。
【００３６】
前述の説明は、本発明の好適な実施形態を対象とするが、その基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の更に別の実施形態を考案することができ、その範囲は特許請求の範囲によって決定する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による熱交換器の一実施形態の横断面図を示す。
【図２】本発明による熱交換器の別の実施形態の横断面図を示す。
【図３】本発明による熱交換器の別の実施形態の横断面図を示す。
【図４】本発明による熱交換器の熱抵抗対メッシュ密度のグラフを示す。
【符号の説明】
【００３８】
１００、２００、３００  熱交換器
１０２、３０２  半導体熱源
１０４、３０４  第２の表面
１０６、３０６  第１の表面
１０８、３０８  熱インタフェース
１１０、３１０  メッシュ・プラグ
１１２、３１２  冷却液
１１４、３１４  流体通路
２０２    開口
３１６    ガスケット
３２０    拡張部
３２２    注入口
３２４    放出口
３３０    注入口マニホルド
３４０    放出口マニホルド
【図１】
2006203159.tif 000003
【図２】
2006203159.tif 000004
【図３】
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【図４】
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