(57)【要約】  冷却構造であって、熱発生電気部材と、熱異方性材料を有する熱スプレッダであって、前記材料は、好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する、熱スプレッダと、前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有する熱伝導性ベースであって、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導特性ベースと、を有する、冷却構造。
2021516457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却構造であって、
熱発生電気部材と、
熱異方性材料を有する熱スプレッダであって、前記材料は、好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する、熱スプレッダと、
前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有する熱伝導性ベースであって、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導特性ベースと、
を有する、冷却構造。
【請求項２】
第2の熱発生電気部材を有し、
該第2の熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、
前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する、請求項1に記載の冷却構造。
【請求項３】
前記熱異方性材料は、熱伝導性材料で包囲される、請求項1に記載の冷却構造。
【請求項４】
前記熱異方性材料は、熱伝導性包囲材料に前記熱異方性材料を接合する、熱伝導性接合層を有する、請求項3に記載の冷却構造。
【請求項５】
前記熱異方性材料は、温度および圧力を用いて、熱伝導性包囲材料に接合される、請求項3に記載の冷却構造。
【請求項６】
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱発生電気部材の基板の熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む、請求項3に記載の冷却構造。
【請求項７】
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱伝導性ベースの熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む、請求項3に記載の冷却構造。
【請求項８】
前記熱伝導性ベースは、熱等方性材料を有する、請求項3に記載の冷却構造。
【請求項９】
前記熱スプレッダは、前記熱伝導性ベースの表面に埋設される、請求項1に記載の冷却構造。
【請求項１０】
前記熱スプレッダを前記ベースに接合する、熱インターフェース層を有する、請求項9に記載の冷却構造。
【請求項１１】
前記熱スプレッダは、基底面を有し、
前記好適平面は、前記基底面にある、請求項3に記載の冷却構造。
【請求項１２】
冷却構造であって、
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、熱インターフェース材料の第1の層により、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有し、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導性ベースと、
を有する、冷却構造。
【請求項１３】
冷却構造であって、
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、熱インターフェース材料の第1の層により、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、上部表面にキャビティを有し、前記熱スプレッダの前記上部表面とは異なる前記熱スプレッダの表面は、熱インターフェース材料の第2の層により、前記熱伝導性ベースの前記キャビティの側壁表面に接合される、熱伝導性ベースと、
を有する、冷却構造。
【請求項１４】
冷却構造であって、
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、熱インターフェース材料の第1の層により、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、上部表面に開口を有し、前記熱スプレッダの前記上部表面とは異なる前記熱スプレッダの表面は、熱インターフェース材料の第2の層により、前記熱伝導性ベースの前記開口の側壁表面に接合される、熱伝導性ベースと、
を有する、冷却構造。
【請求項１５】
冷却構造であって、
上部表面および反対側の底部表面を有する熱発生電気部材であって、前記上部表面に形成されたアクティブ熱発生装置を有する、熱発生電気部材と、
異方性材料を有する熱スプレッダであって、前記異方性材料は、好適平面に熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、前記熱発生電気部材の前記底部表面は、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する、前記熱スプレッダの好適平面と熱的に結合される、熱スプレッダと、
前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有する熱伝導性ベースであって、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導性ベースと、
を有する、冷却構造。
【請求項１６】
前記上部表面に複数のアクティブ熱発生装置を有し、
前記複数のアクティブ熱発生装置は、前記好適平面と交差する線に沿って配置される、請求項12に記載の冷却構造。
【請求項１７】
第2の熱発生電気部材を有し、
前記第2の熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、
前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する、請求項12に記載の冷却構造。
【請求項１８】
冷却構造であって、
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記熱伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、上部表面に開口を有し、前記熱スプレッダの上部表面とは異なる前記熱スプレッダの表面は、熱インターフェース材料の第2の層により、前記熱伝導性ベースの前記開口の側壁表面に接合される、熱伝導性ベースと、
を有する、冷却構造。
【請求項１９】
前記熱スプレッダを前記ベースに接合する、熱インターフェース層を有する、請求項18に記載の冷却構造。
【請求項２０】
前記熱伝導性ベースは、集積冷却剤流チャネルを有する、請求項18に記載の冷却構造。
【請求項２１】
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である、請求項1に記載の冷却構造。
【請求項２２】
第2のMMICを有し、
前記MMICの表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、
前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する、請求項21に記載の冷却構造。
【請求項２３】
前記熱異方性材料は、熱伝導性材料内に包囲される、請求項21に記載の冷却構造。
【請求項２４】
前記熱異方性材料は、前記熱異方性材料を熱伝導性包囲材料に接合する、熱伝導性接合層を有する、請求項23に記載の冷却構造。
【請求項２５】
前記熱異方性材料は、温度および圧力を用いて、熱伝導性包囲材料に接合される、請求項23に記載の冷却構造。
【請求項２６】
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱発生電気部材の基板の熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む、請求項23に記載の冷却構造。
【請求項２７】
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱伝導性ベースの熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む、請求項23に記載の冷却構造。
【請求項２８】
前記熱伝導性ベースは、熱等方性材料を有する、請求項23に記載の冷却構造。
【請求項２９】
前記熱スプレッダは、前記熱伝導性ベースの表面に埋設される、請求項21に記載の冷却構造。
【請求項３０】
前記ベースに前記熱スプレッダを接合する、熱インターフェース層を有する、請求項29に記載の冷却構造。
【請求項３１】
前記熱スプレッダは、基底面を有し、
前記好適平面は、前記基底面内にある、請求項23に記載の冷却構造。
【請求項３２】
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である、請求項12に記載の冷却構造。
【請求項３３】
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である、請求項13に記載の冷却構造。
【請求項３４】
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である、請求項14に記載の冷却構造。
【請求項３５】
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である、請求項15に記載の冷却構造。
【請求項３６】
前記上部表面に複数のアクティブ熱発生装置を有し、
前記複数のアクティブ熱発生装置は、前記好適平面と交差する線に沿って配置される、請求項32に記載の冷却構造。
【請求項３７】
第2の熱発生電気部材を有し、該第2の熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、
前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する、請求項32に記載の冷却構造。
【請求項３８】
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である、請求項18に記載の冷却構造。
【請求項３９】
前記熱スプレッダを前記ベースに接合する、熱インターフェース層を有する、請求項38に記載の冷却構造。
【請求項４０】
前記熱伝導性ベースは、集積冷却剤流チャネルを有する、請求項38に記載の冷却構造。
【請求項４１】
複数の側面を有する3次元熱伝導性支持構造と、
前記3次元熱伝導性支持構造の異なる側面に接合され、熱的に結合された熱発生部材の組と、
を有する、構造。
【請求項４２】
前記3次元熱伝導性支持構造は、熱異方性材料を含む熱スプレッダを有し、
前記熱異方性材料は、好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、
前記好適平面は、前記3次元熱伝導性支持構造の熱発生部材の組の異なる側面と交差する、請求項41に記載の構造。
【請求項４３】
前記熱発生部材の組は、前記伝導性支持構造の対向する両側に接合される、請求項41に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、全般に、モノリシック集積回路（MMIC）冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られているように、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）の冷却に使用される技術には、上部表面の半導体領域に形成されたトランジスタのようなアクティブ熱発生装置を有する、ガリウムヒ素、ガリウム窒化物、シリコン、または炭化ケイ素のような基板、ならびに基板の上部表面に形成された、伝送線、レジスタ、インダクタ、およびキャパシタのようなパッシブ装置が含まれる。MMIC基板の底部表面は、図1A乃至1Cに示すような、パッケージベース／冷却板のような、高熱伝導性構造に接合され、熱的に結合される。MMIC（ダイ）は、通常、MMICよりも僅かに大きい、熱伝導性構造の上部平坦面に取り付けられる。ある場合には、MMICは、図1Aに示すように、はんだのような熱インターフェース材料（TIM）を用いて、ベース／冷却板を有する熱伝導性構造に直接固定（結合）される。ただし、MMICの表面および他の回路は、実質的にレベルが異なるため、例えばボンドワイヤにより、MMICをそのような回路素子に接続する際、好ましくない無線周波数（RF）カップリング、インピーダンス制御または高インダクタンスの問題が発生する。また、MMICで発生する高熱流束のため、MMICを直接パッケージベースに取り付けることは、熱的に効率的ではなく、あるいは再加工の選択肢を制限し得る。
【０００３】
図1Bに示すような別の技術は、MMICを取り付け、図1Bに示すような、パッケージベース／冷却板配置を有する熱伝導性構造を取り付けることである。この技術では、再加工が可能となり、熱伝導性構造の高さが調節され、MMICと他の回路素子の間の平坦性が向上する。しかしながら、MMICとパッケージベースの間の増大する厚さのため、および追加された熱インターフェース材料（TIM）のため、そのような配置は、ある構成では、熱抵抗を加えることになる。図1Cに示すような、さらに別の技術では、分離冷却板が提供され、取り付けられた熱伝導性構造により、パッケージベースにMMICがマウントされ、その後、それが別個の冷却板に取り付けられる。しかしながら、追加の熱インターフェース抵抗が形成される。
【０００４】
また、図1Dに示すように、従来より知られているように、熱分解グラファイトシート（PGS）グラファイトは、熱伝導性構造として使用されている。ここで、PGSグラファイトは、ヒートシンク、または冷却板と熱源の間に配置される。ヒートシンクおよび熱源の両方は、PGSグラファイトと熱的に結合される。PGSグラファイトは、熱がPGSグラファイトの基底面に伝導する、異方性熱伝導特性を有する。ここで、基底面は、熱源の平坦上部表面と平行な平面に配置され、これにPGSグラファイトが取り付けられる。すなわち、PGSグラファイトの基底面は、熱源の上部表面およびヒートシンクの底部表面と平行であり、従って、PGSグラファイトを通る熱流の好適な方向は、熱が熱源の上部表面およびヒートシンクの底部表面に平行な方向に沿って伝導する、異方性熱伝導特性である。Reisらの2017年12月4日に発行された米国特許第7,303,005号、および2003年6月26日公開された米国特許出願公開第2003／0116312A1号も参照。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来から知られているように、ダイアモンドのような超高伝導熱伝導性構造がしばしば使用される。しかしながら、これらの熱伝導性構造は、高コストであり、ダイアモンドの低熱膨張性は、インターフェース材料に好ましくない機械的歪みを形成し、および／またはダイアモンドから、装置側におけるSiまたはSiCのような通常の高膨張性セラミックス、ならびに熱伝導性ベース用の銅またはアルミニウムのような金属まで、熱膨張のミスマッチをハンドリングする低熱特性応力吸収材料が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示により、モノリシック集積回路（MMIC）冷却構造が提供される。当該冷却構造は、MMICと、異方性材料を有する熱スプレッダであって、前記材料は、好適平面に熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、MMICの底部表面は、熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、MMICの前記底部表面と交差する、熱スプレッダと、前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有する熱伝導性ベースであって、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導特性ベースと、を有する。
【０００７】
ある実施形態では、モノリシック集積回路（MMIC）冷却構造が提供される。当該冷却構造は、上部表面および反対側の底部表面を有するMMICと、異方性材料を有する熱スプレッダであって、前記異方性材料は、好適平面に熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、MMICの前記底部表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記底部表面は、好適平面と交差する、熱スプレッダと、前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有する熱伝導性ベースであって、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導性ベースと、を有する。
【０００８】
ある実施形態では、当該冷却構造は、第2のMMICを有し、該第2のMMICは、前記熱スプレッダと熱的に結合された表面を有し、前記好適平面は、前記第2のMMICの前記表面と交差する。
【０００９】
ある実施形態では、前記熱異方性材料は、熱伝導性材料内に包囲される。
【００１０】
ある実施形態では、前記熱スプレッダは、前記熱伝導性ベースの表面に埋設される。
【００１１】
ある実施形態では、前記熱スプレッダは、基底面を有し、前記好適平面は、前記基底面にある。
【００１２】
ある実施形態では、前記上部表面に、複数のアクティブ熱発生装置があり、前記アクティブ熱発生装置は、前記好適平面と交差する線に沿って配置される。
【００１３】
ある実施形態では、前記熱異方性材料は、前記熱異方性材料の外部の接合材料を介して、熱伝導性包囲材料に接合される。
【００１４】
ある実施形態では、前記熱異方性材料は、熱伝導性包囲材料に熱圧着接合される。
【００１５】
ある実施形態では、モノリシック集積回路（MMIC）冷却構造が提供される。当該冷却構造は、MMICと、好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、MMICの底部表面は、熱インターフェース材料の第1の層により、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記熱スプレッダの前記伝導特性により、MMICの前記底部表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、上部表面にキャビティを有し、前記熱スプレッダの前記上部表面とは異なる前記熱スプレッダの表面は、熱インターフェース材料の第2の層により、前記熱伝導性ベースの前記キャビティの側壁表面に接合される、熱伝導性ベースと、を有する。
【００１６】
そのような配置では、熱異方性高伝導材料および包囲材料が相互に熱スプレッダを形成し、熱発生MMICからヒートシンクまたは冷却板への熱輸送が最大化される、熱伝導特性が得られる。また、MMIC冷却構造における熱応力を最小化するため、および／または次の高アセンブリでの集積化のため、包囲材料の機械的特性、通常、熱膨張係数は、包囲の好適材料、または所与の実施例では各種包囲材料、を選択することにより調整される。熱異方性高伝導性材料に関し、高熱伝導性基底面は、MMICの表面に対して非平行に配向され、MMICの表面と交差する面内に配向される。そのようなMMIC冷却構造では、熱スプレッダ厚さが増加し、熱伝導性ベースに対する接触面積が最大化される。これにより、追加の熱インターフェースを加えずに、大凡のMMICダイサイズカットアウトを超える他の回路の表面積を低下させずに、熱輸送伝導性の面積が大きく増加する。また、MMICインターコネクトの再加工および平坦性の維持が可能となり、改善されたRF特性のオフチップ回路が得られる。
【００１７】
以下の説明および添付図面に、本開示の1または2以上の実施例の詳細を示す。他の特徴、目的、および開示の有利な点は、以下の記載、図面、および特許請求の範囲から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】従来技術によるモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の断面図である。
【図１Ｂ】従来技術によるモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の断面図である。
【図１Ｃ】従来技術によるモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の断面図である。
【図１Ｄ】従来技術による熱分解グラファイトシート（PGS）グラファイト熱スプレッダを用いた冷却システムの断面図である。
【図２】本開示によるモノリシック集積回路（MMIC）を冷却する冷却構造の、概略的な分解斜視図である。いくつかの素子の部分は、部分的に除去され、そのような素子の底部表面の一部が示されている。
【図３】開示による図2のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の組立斜視図の断面図である。
【図４Ａ】開示による図2のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の上断面図および側断面図である。
【図４Ｂ】開示による図2のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の上断面図および側断面図である。
【図４Ｃ】開示による図2のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の上断面図および側断面図である。
【図５Ａ】図5Bにおいて、本開示による、図2のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造を介して図5Bの紙面に向かう、MMICのような熱源からの熱の流れを表すマーク「X」を有する矢印で表された熱流の概略図である。図5Aは、図2の冷却構造の斜視図である。
【図５Ｂ】図2の冷却構造のXY平面における上面図である。
【図５Ｃ】図2の冷却構造の図5Aにおける線5C-5Cを通るYZ平面における断面図である。
【図５Ｄ】図2の冷却構造の図5Aにおける線5D-5Dを通るXZ平面における断面図である。
【図５Ｅ】図5AにおけるY軸に平行な方向に沿った、図2の冷却構造の側面図である。
【図６】本開示によるMMICに接続されるように適合された、追加の回路を有する図2のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の組立斜視図の断面図である。
【図７】本開示の別の実施例による冷却構造の対向する側に取り付けられた一組のMMICを冷却するように適合されたモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の組立斜視図の断面図である。
【図７Ａ】本開示の他の実施例による、図7のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の上断面図および側断面図である。
【図７Ｂ】本開示の他の実施例による、図7のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の上断面図および側断面図である。
【図７Ｃ】本開示の他の実施例による、図7のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の上断面図および側断面図である。
【図８】図7の冷却構造の対向する側に取り付けられた、一組のMMICを冷却するように適合されたモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造の組立斜視図の断面図である。導電性ベースは、集積冷却剤流チャネルを有し、本開示による冷却板である、伝導性ベースからの熱の除去がさらに容易化される。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
各種図面において、同様の符号は、同様の素子を表す。
【００２０】
図2、3、および4A乃至4Cを参照すると、モノリシック集積回路（MMIC）12用のモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造10が示されている。MMIC12は、任意の従来のMMICであり、装置15を有する、ガリウムヒ素、ガリウム窒化物、シリコン、または炭化ケイ素のような、基板14（図3）を有する。より具体的には、基板14の上部表面16の半導体領域に形成された、15aで表されたトランジスタのような、パワー増幅器を形成するように配置された、アクティブ熱発生装置、ならびに基板14の上部表面16に形成された、伝送線、レジスタ、インダクタ、およびキャパシタのようなパッシブ装置を有する。アクティブおよびパッシブ装置15は、MMIC12の基板14の上部表面16に形成された、マイクロ波伝送線（図示されていない）と相互接続される。MMIC12の基板14の平坦な底部表面は、MMIC12のグラウンドプレーン導体を提供する、金または銅のような任意のグラウンドプレーン導体20を有する。MMIC12のグラウンドプレーン導体20または底部表面18は、ここでは例えば、はんだまたは導電性接着剤の層26である、熱インターフェース材料（TIM）の第1の層26により、冷却構造10の平坦な上部表面22（図2）に接合される。従って、図2に示すように、MMIC12の上部表面16および底部表面18、ならびに任意のグラウンドプレーン導体20は、XY平面に配置される。MMIC基板14は、前述のように、例えば、ガリウムヒ素、ガリウム窒化物、シリコン、または炭化ケイ素であり、多くの一般的な金属に比べて、低い熱膨張係数（CTE）を有する。例えば、炭化ケイ素のCTEは、室温で18PPM／℃に近い銅金属に比べて、室温において2.8PPM／℃（ppm／℃）に近い。
【００２１】
冷却構造10は、前述の方法により、ここでは冷却板またはヒートシンクであるベース40に熱的に接合された、熱スプレッダ24を有する。あえて述べれば、熱スプレッダ24は、本例では、立方体形状のブロックであり、熱異方性材料28を有する。熱異方性材料28は、ここでは例えば熱分解グラファイトであり、本例では、YZ平面に配置された破線30で示された基底面を有し、すなわち、本例では、熱異方性材料28の上部表面32および底部表面34に垂直である。従って、熱スプレッダ24は、熱が好適平面（基底面30）に沿って伝導する、異方性熱伝導特性を有する。ここで、基底面30は、MMIC12の底部表面18、さらには任意のグラウンドプレーン導体20と、ここでは90゜で交差する。本例では、熱異方性材料28の上部、上、底部、下、表面32、34は、XY平面にあるが、基底面30は、XZ平面にあってもよく、あるいは基底面の一部は、YZ平面にあり、別の一部は、XZ平面にあってもよいことに留意する必要がある。図3では、複数のアクティブ熱発生装置、ここでは装置15aが線Lに沿って配置され、そのような線Lは、基底面30と交差し、基底面30に垂直であることが留意される。アクティブ装置15aは、基底面30と垂直に配列されるが、他のアクティブ装置配置も可能であり、例えば、アクティブ装置は、基底面30と平行であり、または平行または垂直とは異なる角度、例えば基底面に対して45゜であってもよいことを理解する必要がある。
【００２２】
熱スプレッダ24は、熱伝導性材料36、ここでは例えば銅のような金属を有し、熱異方性材料28の6つの外表面（上、下、4つの側部）の全てを覆う。より具体的には、熱異方性材料28の6つの外表面は、好適なろう付け材料38により、熱伝導性材料36にろう付けされる。ろう付け材料38は、例えば、SL4  1LP、英国、High  Street  Windsor  Berkshire、Quadrant55−57  Morgan  Advanced  Materials社から市販のCuSil、72%銀および28%銅（±1%）、主に真空ろう付けに使用される共晶合金である。別の取り付け方法では、熱異方性材料28と熱伝導性材料36の間に、外部接合剤は使用されない。例えば、熱圧縮接合法または高温静水圧プレス法のような、熱および圧力を使用してもよい。従って、熱伝導性材料36は、熱異方性材料28を覆うために使用される被覆材料であり、時折、包囲材料36とも称される。
【００２３】
また、6つ全ての外表面は、同じ包囲材料36で構成される必要はなく、特に、図2においてその上に配置されたTIM層26を有する材料36の上部表面は、残りの5つの側（底部および4つの側部）とは異なる材料であってもよい。ある例では、TIM層26が設置された包囲材料36の上部表面は、高熱伝導性の低CTE金属で構成され、例えば、タングステン（4PPM／℃）、モリブデン（5.5PPM／℃）、銅タングステン合金（5〜10PPM／℃）、銅モリブデン合金（6〜10PPM／℃）、または他のそのような材料で構成されてもよい。別の例では、この上部表面の材料36は、セラミック、例えば、アルミニウム窒化物（4.5PPM／℃）、または窒化ケイ素（3.5PPM／℃）等で構成されてもよい。これらも、高熱伝導性で低いCTEを有する。その場合、取り付け表面、すなわち包囲材料36の上部表面は、銅のような金属（18PPM／℃）に比べて低いCTEを有する。MMIC基板14は、例えば、炭化ケイ素のような低いCTE（2.8PPM／℃）を有する材料で構成されるため、包囲材料36の上部表面に、高熱伝導性で低いCTEの材料を使用することで、MMIC基板14と下側の熱スプレッダ構造24の間で整合され、改善されたCTEとともに、良好な熱輸送が提供される。従って、MMIC12と下側の熱スプレッダ構造24の間のCTE整合の高い度合いにより、作動中に冷却構造10が温度変動に晒された際に、MMIC12、ならびにアクティブおよびパッシブ装置15aにおける熱誘導応力が低減される。従って、改善されたCTE整合により熱誘導応力が低下し、冷却構造10の機械的信頼性が向上する。また、さらにCTE整合の良好な度合いにより、TIM層26の応力が低下するため、TIM層26に利用可能な材料の選択肢が増える。これにより、さらに、TIM層26を介した、MMIC12からベースまたは冷却板40への熱輸送が改善される。例えば、熱スプレッダ24の上部表面、特に包囲材料36の上部表面とMMIC12との間のCTEミスマッチが大きい場合、TIM層26には、ある特定の材料しか使用できなくなる。なぜなら、MMIC12と熱スプレッダ24の包囲材料の上部表面36の間に配置されると、これらは、高い熱誘導応力に晒されるためである。MMIC12と熱スプレッダ24の間に良好なCTE整合を提供することにより、多数の熱的に高特性のTIM材料26が選択肢として利用可能となる。この例では、包囲の残りの5つの側である、4つの側部および底部は、銅（18PPM／℃）で構成され、銅ベース40と十分にCTE整合され得る。従って、包囲材料の組み合わせを用いることにより、単一の材料を用いる場合よりも、スプレッダの全ての側において、改善されたCTE整合が達成される。また、所与の用途の熱輸送およびCTE整合の必要性により、残りの5つの側の全てまたは一部に、異なる材料を使用することも可能である。従って、前述のように、6つの包囲側の全てまたは一部が、金属または非金属で構成されてもよい。
【００２４】
冷却構造10は、前述のように、ここでは冷却板40である、熱伝導性ベースを含む。ここでは、ベースまたは冷却板40は、等方性熱伝導特性を有する銅である。ベース40は、図に示すように、上側または上部表面44に形成された凹部またはキャビティ42を有する。前述のように、この例では、熱スプレッダ24は、立方体である。従って、キャビティ42は、図に示すように、底部表面46がXY平面に配置され、対向する側部の表面47A、47Bの第1の組がXZ平面に配置され、対向する側部の表面の第2の組47C、47DがYZ平面に配置されるように形成される。従って、図に示すように、熱スプレッダ24の底部は、熱伝導性ベース40におけるキャビティ42の上側表面46に埋設される。図4Aおよび4Cにより詳しく示すように、側表面47A、47Bは、ここでは、基底面30に対して垂直であることが留意される。
【００２５】
前述のように、この例ではXY平面に配置された、異方性材料28の底部表面34は、ここでは金属クラッド表面36Aである、平坦表面に配置され、接合される。前述のように、この接合は、外部化学剤28、例えばCuSiL合金を利用し、あるいは熱圧着性アタッチメントを利用する。金属クラッド表面36Bは、スプレッダ24の底部最表面を形成し、これは、キャビティ42の平坦な上部表面46に設置され、接合される。より具体的には、熱スプレッダ24の底部表面36Bは、ここでは、例えばはんだのような、熱インターフェース材料48を用いて、キャビティ42の表面46に接合される。従って、ここでは、熱異方性材料28は、熱伝導性ハウジングまたはベース40の内部に配置され、ここでは、例えば熱等方性材料、例えば銅のような金属である。熱伝導性ベース40は、ベース40の上部表面44にキャビティ42を有し、熱スプレッダ24の4つの側部の下側部分は、ここでは例えばはんだのような、熱インターフェース材料の第2の層48により、熱伝導性ベース40内のキャビティ42の4つの側部47A、47B、47C、47Dに接合される。
【００２６】
換言すると、熱スプレッダ24の4つ全ての側部は、それぞれ、キャビティ42の4つ全ての側部47A、47B、47C、47Dに接合され、スプレッダの底部の表面36Bは、ここでは、例えばはんだのような、熱インターフェース材料48を用いて、キャビティ42の上部表面46に接合される。前述のように、6つの包囲側部の全てにおける熱伝導性包囲材料のCTEは、MMIC基板14のCTEに一致し、ベース40のCTEに一致するように選定されており、MMIC12の動作中の冷却構造10の温度変化にわたる熱誘導機械的応力が低減される。
【００２７】
また、図5A乃至5Eを参照すると、ここではMMIC12である熱源から、図2、3、4A乃至4Cに関して示したモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造10のベースまたはヒートシンク40への熱流の方向が、矢印で示されている。前述のように、側表面47A、47Bは、ここでは基底面30に垂直であり、これは、図4Aおよび4Cに、より詳しく示されている。図5Cでは、MMIC12からベース40への熱流が基底面30にあり、特に、基底面30に垂直に、ベース40の側部47A、47Bに流れ、従って、側表面47A、47Bは、熱流の好適な平面である、基底面30と交差する平面内に配置されることが留意される。
【００２８】
次に、図6を参照すると、図2、3、4A乃至4Cとともに前述したモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造10は、MMIC12の上部表面における装置にワイヤボンドされた回路50を有する。通常、回路50は、MMICほど多くの熱流束を逸散させず、そのため、熱スプレッダ24のような熱スプレッダは必要ではないことが留意される。
【００２９】
次に、図7、7A乃至7Cを参照すると、モノリシック集積回路（MMIC）冷却構造10’の別の実施例が示されている。ここで、構造10’は、一組のMMIC12a、12bを冷却するように構成される。MMIC12aは、熱スプレッダ24の上部表面に熱的に結合された基板14aの底部表面18aを有し、MMIC12bは、熱スプレッダ24の底部表面に熱的に結合された、基板14bの底部表面18bを有する。ベース40aは、前述のベース40と同じ材料であるが、ベース40aは、ベース40のようなキャビティを有さず、代わりに、熱スプレッダ24の4つの外側部に熱的に接合された、4つの側部47A、47B、47C、47Dを有することが留意される。前述のように、側表面47A、47Bは、図7Aおよび7Cに示すように、基底面30に対して垂直である。図7Cでは、MMIC12a、12bからベース40aへの熱流は、基底面30にあり、より具体的には、基底面30に垂直なベース40aの側部47A、47Bに流れることが留意される。従って、側表面47A、47Bは、熱流の好適な平面である基底面30と交差する面内に配置される。従って、MMIC12aおよび12bの両方が、ここでは熱スプレッダ24の対向する表面である、熱スプレッダ24に熱的に結合された底部表面18a、18bを有し、好適平面（基底面30）は、MMIC12a、12bの両方の底部表面と交差する。
【００３０】
次に、図8を参照すると、図7、7A乃至7Cとともに前述したモノリシック集積回路（MMIC）冷却構造10’は、それぞれ、MMIC12a、12bの上部表面における装置にワイヤボンドされた、回路50a、50bを有する。ベース40bは、図7におけるベース40aと同じ材料であるが、冷却剤流チャネル54は、図7のベース40aに機械加工されることが留意される。従って、ベース40bは、冷却剤流を介した、例えば、外部冷却マニフォルドのような、熱除去用の外部追加手段に頼らずに、熱を逸散できる冷却板となる。図8に示した冷却システムは、例えば、垂直ラックマウント配置のような、各種取り付け配置の一つにより、シャーシ内に取り付けられてもよいことが留意される。
【００３１】
ここで、開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：
熱発生電気部材と、
熱異方性材料を有する熱スプレッダであって、前記材料は、好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する、熱スプレッダと、
前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有する熱伝導性ベースであって、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導特性ベース。当該冷却構造は、1または2以上の以下の特徴を、個々にまたは組み合わせて有してもよい：
第2の熱発生電気部材を有し、該第2の熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する；
前記熱異方性材料は、熱伝導性材料で包囲される；
前記熱異方性材料は、熱伝導性包囲材料に前記熱異方性材料を接合する、熱伝導性接合層を有する；
前記熱異方性材料は、温度および圧力を用いて、熱伝導性包囲材料に接合される；
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱発生電気部材の基板の熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む；
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱伝導性ベースの熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む；
前記熱伝導性ベースは、熱等方性材料を有する；
前記熱スプレッダは、前記熱伝導性ベースの表面に埋設される；
前記熱スプレッダを前記ベースに接合する、熱インターフェース層を有する；
前記熱スプレッダは、基底面を有し、前記好適平面は、前記基底面にある；
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である；
第2のMMICを有し、前記MMICの表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する；
前記熱異方性材料は、熱伝導性材料内に包囲される；
前記熱異方性材料は、前記熱異方性材料を熱伝導性包囲材料に接合する、熱伝導性接合層を有する；
前記熱異方性材料は、温度および圧力を用いて、熱伝導性包囲材料に接合される；
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱発生電気部材の基板の熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む；
前記熱伝導性包囲材料は、前記熱伝導性ベースの熱膨張係数と一致するように選定された熱膨張係数を有する材料を含む；
前記熱伝導性ベースは、熱等方性材料を有する；または
前記熱スプレッダは、前記熱伝導性ベースの表面に埋設される；
前記ベースに前記熱スプレッダを接合する、熱インターフェース層を有する。
【００３２】
また、開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、熱インターフェース材料の第1の層により、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有し、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導性ベース。当該冷却構造は、1または2以上の以下の特徴を、個々にまたは組み合わせて有してもよい：
前記上部表面に複数のアクティブ熱発生装置を有し、前記複数のアクティブ熱発生装置は、前記好適平面と交差する線に沿って配置される；または
第2の熱発生電気部材を有し、前記第2の熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する；
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である；
前記上部表面に複数のアクティブ熱発生装置を有し、前記複数のアクティブ熱発生装置は、前記好適平面と交差する線に沿って配置される；または
第2の熱発生電気部材を有し、該第2の熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダと熱的に結合され、前記好適平面は、前記第2の熱発生電気部材の前記第2の表面と交差する。
【００３３】
また、開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、熱インターフェース材料の第1の層により、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、上部表面にキャビティを有し、前記熱スプレッダの前記上部表面とは異なる前記熱スプレッダの表面は、熱インターフェース材料の第2の層により、前記熱伝導性ベースの前記キャビティの側壁表面に接合される、熱伝導性ベース。当該冷却構造は、熱発生電気部材がモノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）であるという特徴を含んでもよい。
【００３４】
また、開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、熱インターフェース材料の第1の層により、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、上部表面に開口を有し、前記熱スプレッダの前記上部表面とは異なる前記熱スプレッダの表面は、熱インターフェース材料の第2の層により、前記熱伝導性ベースの前記開口の側壁表面に接合される、熱伝導性ベース。当該冷却構造は、熱発生電気部材がモノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）であるという特徴を含んでもよい。
【００３５】
また、開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：
上部表面および反対側の底部表面を有する熱発生電気部材であって、前記上部表面に形成されたアクティブ熱発生装置を有する、熱発生電気部材と、
異方性材料を有する熱スプレッダであって、前記異方性材料は、好適平面に熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、前記熱発生電気部材の前記底部表面は、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する、前記熱スプレッダの好適平面と熱的に結合される、熱スプレッダと、
前記熱スプレッダと熱的に結合された側部を有する熱伝導性ベースであって、前記側部は、前記好適平面と交差する平面内に配置される、熱伝導性ベース。当該冷却構造は、熱発生電気部材がモノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）であるという特徴を含んでもよい。
【００３６】
また、開示の冷却構造は、以下を含むことを理解する必要がある：
熱発生電気部材と、
好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有する熱スプレッダであって、前記熱発生電気部材の表面は、前記熱スプレッダの上部表面に接合され、前記熱伝導特性により、前記熱発生電気部材の前記表面と交差する前記好適平面に沿って熱が伝導する、熱スプレッダと、
等方性熱伝導特性を有する熱伝導性ベースであって、上部表面に開口を有し、前記熱スプレッダの上部表面とは異なる前記熱スプレッダの表面は、熱インターフェース材料の第2の層により、前記熱伝導性ベースの前記開口の側壁表面に接合される、熱伝導性ベース。当該冷却構造は、1または2以上の以下の特徴を、個々にまたは組み合わせて有してもよい：
前記熱スプレッダを前記ベースに接合する、熱インターフェース層を有する；または
前記熱伝導性ベースは、集積冷却剤流チャネルを有する；
前記熱発生電気部材は、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）である；
前記熱スプレッダを前記ベースに接合する、熱インターフェース層を有する；または
前記熱伝導性ベースは、集積冷却剤流チャネルを有する。
【００３７】
また、開示の構造は、以下を含むことを理解する必要がある：
複数の側面を有する3次元熱伝導性支持構造と、
前記3次元熱伝導性支持構造の異なる側面に接合され、熱的に結合された熱発生部材の組。当該構造は、1または2以上の以下の特徴を、個々にまたは組み合わせて有してもよい：
前記3次元熱伝導性支持構造は、熱異方性材料を含む熱スプレッダを有し、前記熱異方性材料は、好適平面に沿って熱が伝導する異方性熱伝導特性を有し、前記好適平面は、前記3次元熱伝導性支持構造の熱発生部材の組の異なる側面と交差する；または
前記熱発生部材の組は、前記伝導性支持構造の対向する両側に接合される。
【００３８】
開示の多くの実施例が示されている。ただし、開示の思想および範囲から逸脱しないで、各種変更がなされ得ることが理解される。例えば、熱スプレッダ24の底部は、四角形であるが、これは、テーパー化されてもよく、あるいはXY平面内に正方形または長方形の表面を有する、異なる形状であってもよい。あるいは、例えば、五角形、六角形、または八角形を含む、円形もしくは楕円形の任意の不規則な閉止形態であってもよい。
【００３９】
従って、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に属する。
【図１Ａ】
2021516457.tif 000003
【図１Ｂ】
2021516457.tif 000004
【図１Ｃ】
2021516457.tif 000005
【図１Ｄ】
2021516457.tif 000006
【図２】
2021516457.tif 000007
【図３】
2021516457.tif 000008
【図４Ａ】
2021516457.tif 000009
【図４Ｂ】
2021516457.tif 000010
【図４Ｃ】
2021516457.tif 000011
【図５Ａ】
2021516457.tif 000012
【図５Ｂ】
2021516457.tif 000013
【図５Ｃ】
2021516457.tif 000014
【図５Ｄ】
2021516457.tif 000015
【図５Ｅ】
2021516457.tif 000016
【図６】
2021516457.tif 000017
【図７】
2021516457.tif 000018
【図７Ａ】
2021516457.tif 000019
【図７Ｂ】
2021516457.tif 000020
【図７Ｃ】
2021516457.tif 000021
【図８】
2021516457.tif 000022
【国際調査報告】
2021516457.tif 000023
2021516457.tif 000024
2021516457.tif 000025
2021516457.tif 000026
2021516457.tif 000027