(57)【要約】システムおよび製造方法は、装置を冷却するヒートスプレッダのために開示される。ヒートスプレッダは、液体を有するチャンバを規定する第１と第２の近接対向面と；液体が沸騰する間、熱分配のため液体のフローパターンを誘発するチャンバに取り付けられる１またはそれ以上の構造体とを有する。【選択図】図１
2010522996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置を冷却するヒートスプレッダであって、液体を含むチャンバを規定する第１と第２の近接対向面と；
前記装置を冷却するため、前記液体が沸騰する間、液体のフローパターンを誘発すべく前記チャンバに取り付けられる１またはそれ以上の構造体とを具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、各面がプレートを具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３】
請求項２に記載のヒートスプレッダにおいて、前記プレートが硬質であることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項４】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、一方の面がプレートの片側を含み、他方の面が前記装置に接触することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項５】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記装置がフリップチップダイを具え、当該フリップチップダイと対向配置されるプレートを具え、前記フリップチップダイと前記プレートが前記チャンバを規定することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートスプレッダにおいて、前記装置が、周辺プレートを有するフリップチップダイを具え、前記周辺プレートを有するフリップチップダイと対向配置されるプレートを具え、前記周辺プレートを有するフリップチップダイと対向プレートとが前記チャンバを規定することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項７】
請求項５に記載のヒートスプレッダにおいて、前記装置が、隣接プレートを有するフリップチップダイを具え、前記隣接プレートを有するフリップチップダイと対向配置されるプレートを具え、隣接プレートを有する前記フリップチップダイと前記対向プレートとが前記チャンバを規定することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項８】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記１またはそれ以上の構造体が、前記対向面の少なくとも一方に取り付けられることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項９】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記１またはそれ以上の構造体が、前記対向面の間に取り付けられていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１０】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記第１の面が、前記装置と熱的に接触し、前記１またはそれ以上の構造体が、前記第１の面に取り付けられていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１１】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記第１の面が、前記装置と熱的に接触し、前記１またはそれ以上の構造体が、前記第２の面に取り付けられていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１２】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記第１と第２の対向面が、小さい間隙によって離間していることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１３】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記第１と第２の対向面が、装置上の所定の領域の上方の第１の離間間隔と、前記所定の領域を囲む第２の離間間隔とを有し、前記第２の離間間隔は、前記第１の離間間隔よりも大きいことを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１４】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記第１と第２の対向面が、均等な離間間隔を有することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１５】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記液体のフローパターンが、気泡ポンピングによって誘発されることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のヒートスプレッダにおいて、加熱表面が、前記チャンバ内の蒸気空間に面するように、所定の位置で前記表面を有して水平に配置される場合、前記気泡ポンピングは、凝縮液のテイラー不安定性を通して形成されることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１７】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記液体のフローパターンが、核沸騰伝熱を向上させ、加熱領域で局所的に発生した蒸気乾燥帯もまた取り除くことを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１８】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、一方の面が、前記液体を沸騰させる熱を伝達することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項１９】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記液体が：
水、アセトン、エタノール、メタノール、冷媒、およびその混合物の一からなることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２０】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記液体が、ナノ粒子を含むことを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２１】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記液体が、前記装置の所定の熱的条件に合致する所定の温度で沸騰するよう選択されることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２２】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記構造物が：
フィン構造、リブ構造の一からなることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２３】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、各構造が長尺のバーを有し、前記１またはそれ以上の構造物が局所加熱領域に近接して配置されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２４】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、各構造物が長尺のバーを有し、前記１またはそれ以上の構造物が局所加熱領域を囲むよう離れていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２５】
請求項２４に記載のヒートスプレッダにおいて、前記局所加熱領域が、前記１またはそれ以上の構造物の中央に配置されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２６】
請求項２４に記載のヒートスプレッダにおいて、前記局所加熱領域が、他方の構造物よりも一方の構造物に近接して配置されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２７】
請求項１に記載のヒートスプレッダが、前記表面に形成された被膜を具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２８】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記表面が：
焼結表面、加工面、微細多孔質被膜、および熱導電性の微細多孔質被膜（ＴＣＭＣ）の一からなることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項２９】
請求項３６に記載のヒートスプレッダが、被膜と当該被膜に面する表面との間に、０．１乃至３ｍｍの間隙を具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３０】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記表面が：
凹領域、平面領域、および凸領域の一に形成される被膜を具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３１】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記表面が打ち抜き加工を用いて形成されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３２】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記１またはそれ以上の構造体が：
ワイヤ配置、リブ配置、リブ形成、リブスタンピング、リブ加工の一を用いて形成されていることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３３】
請求項１に記載のヒートスプレッダが、前記第１と第２の面の間に、３．５ｍｍ未満の間隙を具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３４】
請求項１に記載のヒートスプレッダが、前記第１と第２の面の間に、０．１乃至３．５ｍｍの間隙を具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３５】
請求項１に記載のヒートスプレッダが、前記第１と第２の面の間に、約０．１ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、および３．５ｍｍからなる群から選択される間隙を具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３６】
請求項１に記載のヒートスプレッダが、前記表面の一に接続されるヒートシンクまたは冷却プレートを具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３７】
請求項１に記載のヒートスプレッダが、前記表面の一に接続される１またはそれ以上のフィンを具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３８】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記１またはそれ以上の構造物が、前記チャンバのための機械的サポートを提供することを特徴とするヒートスプレッダ。
【請求項３９】
請求項１に記載のヒートスプレッダにおいて、前記表面が、３Ｄ形状または容量を具えることを特徴とするヒートスプレッダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体沸騰を用いて熱伝達するヒートスプレッダに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体技術の継続的な進歩は、プロセッサや他の電子部品の操作可能なスピードはもとより、密度においても大幅な増加に駆りたててきた。これらの技術的な進歩の副作用は、現在の水準のプロセッサや他の集積回路が、正規運転の間、より多くの熱を生じさせることである。
【０００３】
高熱流で強力なマイクロエレクトロニクス装置は、より広い平面上に均質な温度分配を提供しうる革新的で効率的なヒートスプレッダの開発を必要とする。従来ヒートスプレッダは、半導体装置によって生じた熱を効率的に放散させるのに用いられてきた。通常従来型のヒートスプレッダは、高い熱伝導率の中実ブロック（例えば、銅、アルミニウム、およびグラファイトなど）を用いる。ヒートスプレッダは、熱放出部材として設けられるヒートシンクに熱的に接続されている。
【０００４】
一冷却技術はヒートパイプである。ヒートパイプは、毛細管ウィックと、操作温度の所望の範囲内で液相と気相の双方を有することが可能な作動液とを含む内部チャンバを規定する密封エンベロープを具える。チャンバの一部が比較的高温にさらされる場合には、蒸発器部として機能する。作動液は蒸発器部で蒸発し、わずかに圧力上昇を起こし、蒸気を凝縮器として機能するチャンバの比較的低温部へと送る。沸騰は大半のヒートパイプの限定要因として周知であるため、ヒートパイプは蒸発するが沸騰しないよう設計されている。蒸気は凝縮器部で凝縮され、毛細管ウィックを通して、毛細管ポンピング現象により蒸発器部へと戻される。ヒートパイプは伝導または伝達の原理よりも相変化の原理で作動するので、伝導伝熱システムより低い熱抵抗での伝熱を論理的に可能にする。したがって、ヒートパイプは、電子機器（例えば、米国特許第３，６１３，７７８号；第４，０４６，１９０号；第４，０５８，２９９号；第４，１０９，７０９号；第４，１１６，２６６号；第４，１１８，７５６号；第４，１８６，７９６号；第４，２３１，４２３号；第４，２７４，４７９号；第４，３６６，５２６号；第４，５０３，４８３号；第４，６９７，２０５号；第４，７７７，５６１号；第４，８８０，０５２号；第４，９１２，５４８号；第４，９２１，０４１号；第４，９３１，９０５号；第４，９８２，２７４号；第５，２１９，０２０号；第５，２５３，７０２号；第５，２６８，８１２号；第５，２８３，７２９号；第５，３３１，５１０号；第５，３３３，４７０号；第５，３４９，２３７号；第５，４０９，０５５号；第５，８８０，５２４号；第５，８８４，６９３号；第５，８９０，３７１号；第６，０５５，２９７号；第６，０７６，５９５号；第６，１４８，９０６号；および第７，１２４，８０９号）のような様々なタイプの高熱生成装置を冷却するよう利用されてきた。
【０００５】
ヒートパイプ内での蒸気の流れと液体の毛細管の流れは、ヒートパイプ内に自然に発生する圧力勾配間での相互作用によって作り出されている。これらの圧力勾配は、システム流体の外部ポンピングを必要としない。さらに、平衡での液体と蒸気の存在は、非凝縮性ガスなしで、より高い熱効率をもたらす。ヒートパイプの効率を高めるために、ウィックとその周辺間の熱輸送性能を向上させるとともに、凝縮器部と蒸発器部間の液体輸送を促進させる様々なウィック構造が先行技術で発達してきた。ウィック構造は、縦に配置された平行溝と内管表面のランダムなかじりを含むものであった。さらに先行技術はまた、内管壁に固定して取り付けられるウィック構造の使用を開示する。これらのウィックの構成と結合構造は、均質の細かいワイヤメッシュと焼結金属を含むものであった。通常焼結金属ウィックは、各接触点で隣接する粒子を融合または融解させるのに十分な温度に加熱される。焼結金属粒子は、こうして毛細管特性を有する多孔構造を形成する。先行技術では、焼結ウィックは適正な伝熱特性を示してきたが、粒子間の微細な金属と金属との融合界面は、ウィックを通して熱エネルギ伝導を収縮させる傾向にある。先行技術では、これは焼結ウィックの有用性を限定するものであった。
【０００６】
簡単に言うと、ウィックは毛細管圧力を作り出すための部材であり、よって、作動液との親水性に優れていることが好ましく、液体相の作動液の液体表面に形成されたメニスカスで、できるだけ小さい毛細管の有効半径であることが好ましい。したがって、通常多孔質焼結化合物または１束の極細ワイヤがウィックとして用いられる。先行技術によると、これらのウィック部材間では、キャビティの開口寸法は他のウィックのものより小さいので、多孔質焼結化合物は大きな毛細管圧力（すなわち、液体相の作動液へのポンピング力）を作り出すことができる。また、多孔質焼結化合物は、近年注目されている蒸気チャンバと呼ばれる平板型のヒートパイプのようなものに容易に用いられるべくシート状に形成されてもよい。したがって、この観点において、多孔質焼結化合物は好ましいと言える。
【０００７】
米国特許第７，１３７，４４２号（‘４４２特許）に記載されるように、ウィックをヒートパイプに内蔵されるような多孔体に用いると、液体相の作動液を環流させる毛細管圧力を増大させることができる。これには蒸気チャンバを小型化させる利点がある。しかしながら、流路は多孔体の材料として微粒子間に作られたキャビティで形成されており、このため流路の流れの断面積は小さく迷路のように複雑である。したがって、蒸発する部分に液体相の作動液を環流させるポンピング力として機能する毛細管圧力を向上させることができる。しかしながら一方で、液体相の作動液に対する流れ抵抗が比較的高いためデメリットがある。このため外部からの熱の入力量が突然、猛烈に増加する場合、例えば、作動液の蒸発が起こる部分に供給される液体相の作動液が不足するためウィックが乾いてしまう。‘４４２特許は、熱の入力と放出状態により蒸発、凝縮する凝縮性流体が、液体相の作動液として中空で平らな密閉容器に入れられており；作動液によって湿らされることにより毛細管圧力を作り出すウィックが密閉容器に入れられており：作動液によって湿らされることによって大きな毛細管圧力を作り出すウィックであって、熱が外部から入力される蒸発器部側に配置されるウィックと；湿らせる作動液に対して小さな流れ抵抗を有するウィックであって、熱が外部へと放出される凝縮器部側に配置されるウィックとを具える蒸気チャンバを開示する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、例示的なヒートスプレッダを示す。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、ヒートスプレッダのチャンバ内での液体の流れの動きを導く例示的な構造を示す。
【図３】図３は、重力に対して異なる配向の、図１のヒートスプレッダのほぼ均一な性能を例示するグラフである。
【図４】図４Ａ−４Ｂは、重力に対する配向への、ヒートスプレッダの独立性を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、ヒートスプレッダの別の実施例を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ヒートスプレッダの別の実施例を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、ヒートスプレッダの別の実施例を示す。
【図６】図６は、様々な操作温度を超えるヒートスプレッダの性能を例示するチャートである。
【図７】図７は、熱伝導性の微多孔質被膜（ＴＣＭＣ）を有するおよび有さないヒートスプレッダの例示的な性能を示すチャートである。
【図８】図８は、チャンバ内の液体が様々なレベルのヒートスプレッダの例示的なパフォーマンスを示すチャートである。
【図９Ａ】図９Ａは、第１のプレート上、第２のプレート上、または２つのプレート間に懸下して配置しうる様々な実施例である。
【図９Ｂ】図９ＢＣは、第１のプレート上、第２のプレート上、または２つのプレート間に懸下して配置しうる様々な実施例である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、第１のプレート上、第２のプレート上、または２つのプレート間に懸下して配置しうる様々な実施例である。
【図１０】図１０は、第１のプレートがそれ自体、熱源と置き換えられる別の形態を示している。
【発明の概要】
【０００９】
一形態において、ヒートスプレッダは装置を冷却すべく設けられている。前記ヒートスプレッダは、液体を収容するハウジング、チャンバ、コンテナ、または容器を規定する第１と第２の近接対向面と；前記チャンバに取り付けられ、前記液体が沸騰する間、液体のフローパターンを誘発し、熱を分散させる１またはそれ以上の構造物とを有する。
【００１０】
上記形態の実施は、以下の１またはそれ以上を含んでもよい。近接対向面は、第１と第２の面の間に０．１ｍｍ乃至３．５ｍｍの間隙を有する。各面は、プレートの一の上面または一の側面である。プレートは硬質であってもよい。一方の面はプレートの一の側面であり、他方の面は様々な熱発生装置と熱的に接触可能である。装置はフリップチップダイと対向配置されるプレートを有するフリップチップダイであってもよく、フリップチップダイとプレートはチャンバを規定する。装置はフリップチップダイと対向配置される第２のプレートを有するダイの面を伸長した周囲のプレートを有するフリップチップダイであってもよい。１またはそれ以上の構造物は、対向面の少なくとも一方の面に取り付け可能であるか、対向面の間に取り付け可能である。第１の面は、チャンバの第１の面の内側で、１またはそれ以上の構造物を有する装置に熱的に接触する。あるいは１またはそれ以上の構造物は、装置に直接接触しない第２の面に取り付け可能である。第１と第２の対向面は小さな間隙で離間している。第１と第２の対向面は、装置の所定の領域上の第１の離間間隔と、その所定の領域を囲む第２の離間間隔とを有し、第２の離間間隔は第１の離間間隔より大きい。あるいは、第１と第２の対向面は均一な離間間隔を有してもよい。液体のフローパターンは気泡ポンピングによって誘発される。一実施例では、表面を所定位置にして水平に配置されると、気泡ポンピングが凝縮液のテイラー不安定性を通して形成され、こうして加熱表面がチャンバ内で蒸気空間に面する。別の実施例では、通気はテイラー不安定性の補助なく開始され、全方向性の操作能力とより関係する。内部構造を用いて導かれた気泡を含む液体のフローパターンは、核沸騰熱転写効率を向上させ、液体を供給し、加熱領域からの蒸気を取り除くことにより局所乾燥作用を低減させる。一方の面は装置から熱を移動させ、液体を沸騰させる。液体は水、アセトン、エタノール、メタノール、冷媒およびその混合、または沸点や蒸発熱といった好適な性質を有する他の様々な作動液であってもよい。液体はナノ微粒子を含んでもよい。この液体は、所定の圧力と温度で沸騰へと選択可能であり、装置の所定の熱的条件に合致する。構造体はフィン構造、リブ構造、または他の構造体であってもよい。各構造体は長尺のバーであってもよく、１またはそれ以上の構造体が局所加熱領域に近接して配置されている。この局所加熱領域は、１またはそれ以上の構造体に対して中央に配置されており、あるいはこの局所加熱領域は、別の構造体より一方の構造体の近くに配置される。被膜は表面に形成可能である。表面は、焼結面、加工面、エッチング面、微多孔質被膜、または熱伝導性微多孔質被膜（ＴＣＭＣ）であってもよい。０．１乃至３．５ｍｍの間隙は被膜と対向面間に設けることができる。被膜は、凹領域、平面領域、凸領域の一に形成可能である。表面は打ち抜き加工を用いて形成できる。１またはそれ以上の構造体は、ワイヤ設置、リブ設置、リブ形成、エッチングリブ、スタンピングリブ、またはマシニングリブの一を用いて形成できる。第１と第２の面の間隙は３．５ｍｍ以下であってもよい。第１と第２の面の間隙はまた０．１ｍｍ乃至３．５ｍｍであってもよい。第１と第２の面の間隙は、０．１ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、および３．５ｍｍであってもよい。ヒートシンクまたは冷却プレートは面の一に取り付け可能である。あるいは、ヒートスプレッダは、ヒートシンクユニットの基部に取り付けまたは内蔵可能である。この場合、ヒートシンクの基部の表面は、一表面として設けられる。
【００１１】
第２の実施例で、システムおよび製造方法は、装置を冷却するヒートスプレッダを開示する。前記ヒートスプレッダは、前記装置に熱的に接続される第１のプレートと、液体を収容するためのチャンバ、コンテナ、または容器を形成すべく前記第１のプレートに接続される第２のプレートとを具え、前記第２のプレートは、液体のフローパターンを誘発すべくそこに取り付けられる１またはそれ以上の構造体を有する。
【００１２】
第２の実施形態は、以下の１またはそれ以上のものを含んでもよい。１またはそれ以上の構造体は、第１、第２のプレートに取り付け可能であり、あるいは第１と第２のプレートの間に吊下げ可能である。流体流のこのパターンは気泡ポンピングによって誘発される。気泡ポンピングは、熱が熱発生装置から伝達される基部プレートで核沸騰のため生じた気泡を通して形成される。気泡ポンピングされた液体流は、核沸騰の熱伝達を促進する強い循環流を生じさせ、また沸騰面で局所的な蒸気乾燥領域の形成を防ぐ。第１のプレートは液体を沸騰させるべく熱を提供する。この液体は特定の要求に選択可能であり、例えば、水、エタノール、フルオロカーボン液、メタノール、アセトン、冷媒、または沸点と蒸発熱といった適正な性質を有する他の作動液であってもよい。２またはそれ以上の液体の混合が用いられてもよい。構造体は、フィン構造またはリブ構造であってもよい。各構造体は長尺のバーでもよく、その構造体は（中央または中央からオフセットされた）局所加熱領域に近接して配置可能である。この構造体は（中央または中央からオフセットされた）局所加熱領域を取り囲むよう離れて配置可能である。この局所加熱領域は、１またはそれ以上の構造体の中央に配置可能か、他方の構造体よりも一方の構造体の近くに配置可能である。被膜は第１のプレートに形成可能であり、この被膜は微多孔質被膜、ＴＣＭＣ、または別の沸騰を促進させる表面であってもよい。０．１乃至３．５ｍｍの間隙を、第１と第２のプレート間に形成してもよい。第１のプレートは凹領域または平面領域を有してもよい。第１のプレートはスタンピングを用いて形成可能である一方、第１または第２のプレートの構造体は、スタンピングまたはマシニングを用いて形成可能である。構造体はまた２つのプレートから離れていてもよく、容易に２つのプレート間に挿入、固定が可能である。間隙がそれらによって形成される限り、様々な形（ワイヤ、方形、Ｉビーム、Ｕビームなど）を用いることができる。約０．１乃至３．５ｍｍの間隙が、第１と第２のプレートの間に形成されてもよい。３Ｄ形状および容量を含む薄く平らなプレート以外の形成要素が開発可能である。さらにプレートは、例えばフィンのようなアセンブリの一部分であってもよい。
【００１３】
本発明の利点は以下の１またはそれ以上のものを含む。本システムは、従来型の中実ブロックの熱拡散ユニットを、液体を含む薄型チャンバに置換えるものである。作動中、冷却される装置は液体を沸騰させ、液体の沸騰は薄型チャンバまたは間隙と組み合わされて、冷却効率を向上させる流線型のフローパターンを誘発する気泡ポンピング動作を作り出す。さらに、薄い間隙により重力に対する向きが自由になる。システムは熱を拡散させるため薄い円形、正方形、または長方形の形状で、核沸騰と凝縮を利用する。内側構造は、核沸騰によって誘発される流線型の流れパターンを促進させる。構造はまた機械的強度を提供し、プレート、様々なアセンブリまたはそこに構築された部品の屈曲を防ぐ。さらにヒートスプレッダの性能の強化は、沸騰熱伝達のための異なる表面処理を用いることにより達成される。中空ヒートスプレッダの全体の厚さは、約０．１ｍｍと同程度に薄くすることが可能であり、従来型の中実のヒートスプレッダの重量を減少させることができる。ヒートスプレッダは、液体の沸騰や、誘発された液体のフローパターンを通して装置を冷却し、外部ポンプを必要とすることなく冷却を達成する。ポンピング力は、気泡が沸騰面から離れた後の気泡の作用によって浮力を生じ、強い液体ポンピング力や熱拡散能力を提供し、こうしてヒートスプレッダの方向や配向に比較的影響されない優れた全方向性の性能を提供する。
【００１４】
ここで図１を見ると、発明の一形態によるヒートスプレッダが示されている。このヒートスプレッダは、上面または第２のプレート２０に係合する基部または第１のプレート１０を有する。第１のプレート１０は、例えば、プロセッサやグラフィックス装置のような熱発生装置と熱的に接触するよう用いられる。一実施例において、第１のプレートは、局所加熱領域を有する薄いプレートであって、熱発生装置に熱的に接触している。この第１のプレートは、凹部を有するか、完全に平面であってもよい。
【００１５】
組み合わせて、第１のプレート１０と第２のプレート２０は、液体を保存するハウジングまたはチャンバを形成する。第１のプレート１０が熱発生装置によって加熱される場合、液体が沸騰し、その沸騰作用は、その作用中、熱発生装置を冷却する。
【００１６】
第２のプレート２０は、第１のプレート１０に向かって突出する複数の構造体２４を有する。この構造体２４は、チャンバ内で液体流の移動を導くことができる一連のバリア、リブ、フィンであってもよい。液体流は、気泡ポンピング動作によって高められ、以下の図３Ａおよび３Ｂに関してより詳細に記載される。
【００１７】
現在のヒートスプレッダでも利用されている沸騰伝熱性能を高めるために、表面向上技術は核沸騰熱伝達係数を増加させ、臨界熱流束（ＣＨＦ、または表面を膜沸騰にさらすことなく取り除くことができる最上の熱流束）を大きくすべく研究員によって研究されてきており、その技術は、沸騰伝熱性能を最大化すべく実用化されてきた。沸騰向上のための商業面は、ＦｕｒｕｋａｗaのＥＣＲ−４０，ＷｉｅｌａｎｄのＧＥＷＡ，Ｕｎｉｏｎ  ＣａｒｂｉｄｅのＨｉｇｈ−Ｆｌｕｘ，ＨｉｔａｃｈｉのＴｈｅｒｍｏｅｘｃｅｌ，およびＷｏｌｖｅｒｉｎｅのＴｕｒｂｏ−Ｂのような異なるタイプのキャビティまたは溝を含む。表面向上技術は、蒸気／ガス捕捉量を増加させ、これにより活性核生成部位の濃度を増加させる。
【００１８】
一実施例において、第１のプレートは、微多孔質表面構造のような強化された沸騰表面の微細構造を有する。微多孔質被膜（ＭＣ）は、核沸騰伝熱とＣＨＦに大きな向上をもたらす一方で、過熱ヒステリシスの初期の壁を低減させる。微多孔質被膜の選択肢の一つは、ＹｏｕとＯ’Ｃｏｎｎｏｒ（１９９８）（米国特許５８１４３９２）によって開発されたＡＢＭ被膜技術である。この被膜は、３つの要素（Ａｌｕｍｉｎｕｍ／Ｄｅｖｃｏｎ  Ｂｒｕｓｈａｂｌｅ  Ｃｅｒａｍｉｃ／Ｍｅｔｈｙｌ−Ｅｔｈｙｌ−Ｋｅｙｔｏｎｅ）の頭文字から名付けられた。担体（Ｍ．Ｅ．Ｋ．）の蒸発後に生じた被膜層は、アルミニウム粒子（１−２０μｍ）と接着剤（Ｏｍｅｇａｂｏｎｄ１０１またはＤｅｖｃｏｎ  Ｂｒｕｓｈａｂｌｅ  Ｃｅｒａｍｉｃ）を用い、ＦＣ−７２の最適な厚さとして示されている５０μｍの厚さを有する多孔質構造からなる。ＭＣのさらなる詳細は、米国特許第５，８１４，３９２号に開示されており、その内容は参照により組み込まれている。
【００１９】
別の実施例において、第１のプレートは、熱伝導性の微孔質被膜（ＴＣＭＣ）を有する。このＴＣＭＣまたは様々な好適な被膜は核沸騰伝熱性能を向上させ、核沸騰能力（臨界熱流束）の熱流束の限界を広げる。微孔質被膜の強化された性能は、結果的に活性核形成部位の数を増加させる。沸騰部位からのより高い気泡離脱頻度は、過熱液体層の厚みを減少させ、マイクロ対流伝熱の向上を誘発する。ＴＣＭＣは、発明の譲受人に譲渡された、シリアル番号１１／２７２，３３２を有する同時継続中の特許出願においてより詳細に記載されており、その内容は参照によって組み込まれている。
【００２０】
ここで図２Ａと２Ｂを見ると、ヒートスプレッダのチャンバ内で、液体流の移動を導く例示的な構造が詳細に記載されている。図２Ａは、部材４２が局所加熱領域４４の周りに中央に配置されている時計のような配置を有する第２のプレート４０を示している。部材４２は、気泡ポンピング動作によって誘発されるようなパターン４６Ａ−４６Ｄでの液体流を導く。これに対し、図２Ｂは、フィン５２が局所加熱領域５４周りに中央に配置されているフィン構造を有する第２のプレート５０を示している。部材５２は、気泡ポンピング動作によって誘発されるようなパターン５６Ａ−５６Ｄおよび５６Ｅ−５６Ｆでの液体流を導く。液体流の方向は、液体流を通して、熱を最大限に取り除くのに重要であり、図２Ａ−２Ｂは、液体の移動が局所加熱領域４４と５４からそれぞれ熱を取り除くのに最大限の効果を確実にするよう意図されている。
【００２１】
図３は、重力に対して、向きが独立となる図１のヒートスプレッダの性能を例示するグラフである。このヒートスプレッダは、縦、水平、または下向き（上向き）に配置可能であり、液体は局所加熱領域の下にある。ここに示されているように、ヒートスプレッダは、全面にわたり温度が均一であり（１℃以下の差）、配向とは関係なく、優れた熱除去能力を提供する。よって、ヒートスプレッダの性能は配向とは関係がない。水平に置かれた場合、上向き（被膜上の液体）、下向き（被膜下の液体）の配置は同じ性能を示す。水平配置は、約１８０Ｗまでの良い性能を示し、一方で垂直配置は、重力で補助され再湿潤がより早くなるため、約１８０Ｗの後の性能がより優れている。
【００２２】
図４Ａ−４Ｂは、２つの水平テスト配置における、ヒートスプレッダの配向独立性能を描写している。図４Ａでは、被膜は水平に上を向くが、図４Ｂでは、被膜は水平に下を向いている。どちらの場合も、熱が加えられる前に液体柱８２の同じパターンが存在する。チャンバが熱力学的に飽和状態に保たれているので、蒸発と凝縮はチャンバ内に生じ続ける。凝縮液は液滴を形成後に、重力によって低い位置に戻らなければならない。凝縮された液体の表面張力やテイラー不安定性のため、水の液体柱が形成される。この作用は特に、２つのプレートの間隙が０．１乃至３．５ｍｍである場合に明確となる。水平下向きの配置において、加熱により一旦沸騰が起こると、加熱された場所の液体柱または微多孔質構造に吸収された液体で最初の核生成が生じ、続いて気泡ポンピングが生じる。この独特な核沸騰開始は、液体沸騰の容積を方向と関係なくする。継続的で安定したバルク流体の核沸騰は、熱拡散効率を促進させるより強度で確立した気泡ポンピングされた流れの循環パターンを生じさせる。よって、上向きや下向きに関係なく、水平配置の場合、気泡ポンピングされた核沸騰伝熱は、熱伝熱を支配する。
【００２３】
図５Ａ−５Ｂおよび図５Ｃは、さらなる例示的なヒートスプレッダの実施例を示している。図５Ａにおいて、基板１００は局所加熱領域の上方に、１０２の他方の平面側にＴＣＭＣ被膜のような被膜を有する。基版１０２は、金属の一片として（または同じプレート上のより厚い金属）として設けられ、熱源からの熱が被膜に広がるのを助ける。このことは、特に、熱源が小さい場合に有効であり、熱源からの熱をヒートスプレッダによって規定されたより広い領域へと「拡散」させ、核生成部位として働き、気泡ポンピング活動を助けるより広い有効な被膜領域を設ける。
【００２４】
４つの孔は基板１００上に配置され、基板をヒートシンク（図示せず）に固定する。図５Ｂは、被膜１０２Ａの直接上方にある領域１１２を有する対応する上プレート１１０を示している。フィン１１４はまた、領域１１２周りに配置され、上プレート１１０が基板１００と接合されたときに形成されるチャンバ内で、１またはそれ以上の所定の方向に、液体を押し出す気泡ポンピング活動を促進させる。この実施例において、フィン１１４は、フィンが同心円状（または中心に）領域１１２周りに配置されていないので、加熱領域１１２と等距離とならない。しかしながら、図２Ａ−２Ｂのような別の実施例ではフィン４２と５２が対称的に形成され、中央に加熱領域４４と５４を有してもよい。
【００２５】
図５Ｃは、上プレート１１０の上方に配置されたフィン１４０を取り付けることによって構成された例示的なヒートシンクを示している。フィン１４０は、はんだ付け、ろう付け、機械的圧縮や化学的結合を含むが、それらに限定されない様々な手段によって上プレート１１０のアセンブリに固定されている。フィン１４０は、図５Ａ−５Ｂのヒートスプレッダによって取り込まれた熱を周囲の空気へ放散できるようにする。
【００２６】
図６は、様々な操作温度を超えるヒートスプレッダの性能を例示するグラフを示している。ここに示されているように、ＴＣＭＣを有するヒートスプレッダの性能は、操作温度が上昇するにつれてわずかに高められる。これは、核沸騰伝熱に影響する圧力のためである。図６に示されているように、活発な沸騰は高い温度で促進される。
【００２７】
図７は、ＴＣＭＣ被膜を有するおよび有さないヒートスプレッダの性能を例示する図である。ここに示されているように、微多孔質被膜は、核沸騰向上効果によって（約３つの要素によって）薄いスプレッダの性能を著しく増大させる。
【００２８】
図８は、チャンバ内に様々な液体の量を有するヒートスプレッダの性能を例示する図である。図８は、最適な液体充填率が、充填液体に水を用いた１．５ｍｍの内部チャンバ間隙を有する９ｃｍ×９ｃｍの所定の外形で、約６５％であることを示している。この率は、異なる配向、外形、および加熱要素の寸法で変化してもよく、反復過程を用いて最適化が達成可能である。
【００２９】
図９Ａ、９Ｂ、及び９Ｃは、構造物が第１のプレート、第２のプレート、または双方の間にそれぞれ配置することができる様々な実施例を示している。ここで図９Ａを見ると、構造体９２４が第１のプレート９１０に形成されているヒートスプレッダが示されている。第１のプレート９１０は、被膜領域９１２を通り、熱発生装置に熱的に接続されている。第２のプレート９２０は、それから第１のプレート９１０に固定され、液体がプレート９１０と９２０によって形成されたチャンバへと導入される。
【００３０】
図９Ｂは、構造体が加熱領域９３８を囲む構造体９３６（リブやバーのような）を有する第２プレート９３４に配置されている一実施例を示している。したがって、第１のプレート９３０は、被膜領域９３２を通して装置と熱接触している。
【００３１】
図９Ｃは、構造９５４が第１のプレート９５０と第２のプレート９６０の間にそれぞれ懸下されている一実施例を示している。第１のプレート９５０は、他の間で、ＴＣＭＣでありうる被膜領域９５２を通して装置に熱的に接続されている。
【００３２】
１またはそれ以上の構造体は第１のプレート、第２のプレートに取り付け可能、第１と第２のプレートの間に懸下可能である。気泡ポンピングは、熱が熱発生装置から伝えられる基板で核沸騰のため生成された気泡を通して形成される。気泡ポンピングされた液体流は、強い循環流の動きを提供し、核沸騰伝熱を促進し、また沸騰表面で局所的な蒸発乾燥領域の形成を防ぐ。第１のプレートは液体を沸騰させるべく熱を提供する。この液体は特定の要求のために選択可能であり、例えば、沸点や蒸発の熱などのような好適な性質を有する水、エタノール、フルオロカーボン液、メタノール、アセトン、冷媒、または他の様々な作動液であってもよい。２または複数の液体の混合もまた用いることができる。構造体は、フィン構造またはリブ構造であってもよい。各構造体は長尺のバーでもよく、構造体は局所加熱領域に近接して（中央または中央からオフセットして）配置可能である。構造体は局所加熱領域を囲むように（中央または中央からオフセットして）離れて配置可能である。局所加熱領域は中央に配置可能であり、１またはそれ以上の構造体は、他方の構造体よりも一方の構造体近くに配置可能である。被膜は第１のプレートに形成可能であり、被膜は微細多孔質被膜、またはＴＣＭＣや別の沸騰促進面であってもよい。０．１乃至３．５ｍｍの間隙を、第１および第２のプレート間に形成可能である。第１のプレートは、凹領域、凸領域、または平面領域を有してもよい。第１のプレートは、打ち抜き加工を用いて形成可能である一方、第１または第２のプレート上の構造体は、スタンピングまたはマシニングを用いて形成可能である。構造体はまた、２つのプレートから離間可能であり、２つのプレートの真ん中に簡単に挿入、固定できる。間隙がそれらによって形成される限り、様々な形（ワイヤ、方形、Ｉビーム、Ｕビームなど）を用いることができる。約０．１〜３．５ｍｍの間隙を、第１と第２のプレートの間に形成可能である。３Ｄ形状や容量を含む薄い平面プレート以外の形状要素であってもよい。さらに、プレートは例えばフィン等のようなアセンブリの一部でもよい。
【００３３】
図９Ａ−９Ｃのシステムは、従来型の中実ブロックの熱拡散ユニットを液体を含む薄型チャンバに置き換えられている。操作の間、冷却された装置は液体を沸騰させ、沸騰する液体は薄型チャンバや間隙に組み込まれ、気泡ポンピング動作を作り出し、冷却効率を向上させる再循環流のパターンを誘発させる。さらに、薄型の間隙は、重力に対して配向自由な操作を可能にする。このシステムは、熱拡散のための薄い円形、正方形、または長方形の形状で核沸騰および凝縮を利用する。内部構造は、核沸騰によって誘発される流線型の流れパターンを促進させる。構造体はまた、プレート、様々なアセンブリ、またはそこに構築される部材の屈曲を防ぐ。ヒートスプレッダ性能のさらなる向上は、沸騰伝熱のための異なる表面処理を採用することによって達成されうる。中空熱スプレッダの全厚みは、約０．１ｍｍと同等の薄さでもよく、従来型の中実のヒートスプレッダから重量の減少を提供する。ヒートスプレッダは液体の沸騰を通して装置を冷却し、外部ポンプを必要とすることなく冷却を達成する。沸騰表面上の気泡形成や気泡離脱からの強いポンピング力や浮力は、優れた全方向性を提供し、それは比較的ヒートスプレッダの方向や配向の影響を受けない。
【００３４】
図１０は、第１のプレート１０００または第１のプレート１０００の一部分が、熱源装置自体と置き換えられた別の形態である。これは、特に、チャンバが半導体ユニットの一部となり、沸騰促進がＩＣダイ１０１２の後側で直接起こり、ダイ１０１２によって形成されたキャビティと、そこに形成された構造体１０２４を有する第２のプレート１０２０がチャンバ自体を規定する。第２のプレートは、加熱領域１０２２を有し、熱を取り除くよう液体のフローパターンを最適化する。
【００３５】
図１０の配置は、薄型であり、フリップチップダイを冷却するのに用いられる。フリップチップは、電気産業が低価格へと駆りたて続けるのを満足させるよう発達してきており、回路の信頼度を維持または向上させつつ、包装密度を向上させ、性能を向上させてきた。フリップチップ製造工程において、半導体チップは、回路基板上に面を下に向けて組み付けられている。これは、要素の側（ＴＡＢを有してもまた真実である）に接触するのに必要とされた余分な領域がないためであり、寸法を考慮するのには理想的である。高頻度適用での性能は、接続路の長さが最小であるため、他の相互接続方法に優れている。フリップチップ技術は、全ての接続の結合が同時に起こるので、ワイヤボンディング（ＴＡＢを有してもまた真実である）よりも安価であり、よって、ワイヤボンディングを用いた一結合は一度になされる。フリップチップ接合のために用いられた、多くの代替工程がある。接合構造の共通の特徴は、チップは基板に面を下げて配置され、チップと基板の間の接続は導電性の材料の突出を用いて形成される。
【００３６】
そのコンパクトな寸法のために、フリップチップが一定の寸法とコストの利点を有するが、熱放散能力を制限してきた。マイクロプロセッサ（ＣＰＵｓ）やグラフィック製造ユニット（ＧＰＵｓ）のような集積回路は、作動する際に熱を発生させ、過熱を防ぐため、しばしばこの熱を集積回路ダイから放散したり、取り除いたりしなけらばならない。この図１０のシステムは、熱吸収面または熱吸収被膜が液体冷媒に接触し、熱源から液体およびモジュールの残りの部分への熱の効果的な移動を確実にする。このシステムは、過熱による失敗のリスクを最小限にする一方で、トップパフォーマンスで作動する集積回路を可能にする。システムは、沸騰向上面または被膜を組み合わせた低価格な非金属材料または低コストの液体冷却材を用いる簡易デザインの容器を有する沸騰クーラを提供する。
【００３７】
本発明は、特定の図と実施例に関して記載されてきたが、この記載は説明のためのみであり、本発明の範囲を限定するものとしてとられないよう理解されるべきである。多くの変化や変更が、本発明の精神や範囲から外れることなく当業者によってなされてもよい。例えば、追加のヒートシンクやフィンや別の放散層が、一体型回路装置の熱放散を高めるために追加されてもよい。さらに、例えば、ボールグリッドアレイやピングリッドアレイ等、様々なパッケージングタイプやＩＣ取り付け構造が用いられてもよい。さらに、発明は特定の構成や配向で記載されてきたが、「〜上の」「〜下の」「覆う」「〜の真下の」「上」「下」「高さ」などの用語は、様々な対称的な構造や配向を要求すると解釈されない。別の変化や実施例が上記教示の下に可能であり、従って発明の範囲は記載によって限定されず、添付のクレームによって限定される。
【図１】
2010522996.tif 000003
【図２】
2010522996.tif 000004
【図３】
2010522996.tif 000005
【図４】
2010522996.tif 000006
【図５Ａ】
2010522996.tif 000007
【図５Ｂ】
2010522996.tif 000008
【図５Ｃ】
2010522996.tif 000009
【図６】
2010522996.tif 000010
【図７】
2010522996.tif 000011
【図８】
2010522996.tif 000012
【図９Ａ】
2010522996.tif 000013
【図９Ｂ】
2010522996.tif 000014
【図９Ｃ】
2010522996.tif 000015
【図１０】
2010522996.tif 000016
【国際調査報告】
2010522996.tif 000017