(57)【要約】冷却基板、冷却基板に実装された電子装置、及び圧力を制御するために冷却流体を解離するための冷却基板により支持された複数の冷却流体解離電極から構成される電子モジュール。特に、冷却基板は電子装置に隣接する蒸発器チャンバ、ヒートシンクに隣接する少なくとも１つの凝縮器チャンバ、及び少なくとも１つの凝縮器チャンバと蒸発器チャンバとを流体連通状態にあるように接続する少なくとも１つの冷却流体経路を有することが可能である。
2004523919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却基板と冷却基板に備えられた電子装置；
前記冷却基板が有する前記電子装置に隣接する蒸発器チャンバ、少なくとも１つの凝縮器チャンバ及び前記少なくとも１つの凝縮器チャンバと前記蒸発器チャンバとを流体連通状態にあるように接続する少なくとも１つの冷却流体経路；並びに
圧力を制御するために冷却流体を解離するための前記冷却基板により支えられた複数の冷却流体解離電極；
から構成されることを特徴とする電子モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の電子モジュールであって、前記複数の冷却流体解離電極は電子モジュールの製造の間に冷却流体解離を可能にする、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の電子モジュールであって、前記電子装置は前記複数の冷却流体乖離電極を駆動する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の電子モジュールであって、前記電子装置はその温度を感知し且つ感知された温度に応じて前記複数の冷却流体解離電極を駆動する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の電子モジュールであって、各々の前記冷却流体解離電極は金属から構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の電子モジュールであって、金属は冷却流体の腐食に対して耐性がある、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の電子モジュールであって、金属は金及びニッケルのうち少なくとも１つから構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項８】
請求項１に記載の電子モジュールであって：
前記冷却基板に隣接するヒートシンク；
から更に構成され、
前記複数の冷却流体解離電極は、前記蒸発器チャンバと前記電子装置との間に熱連通状態に接続される蒸発器熱移動体、及び前記少なくとも１つの凝縮器チャンバと前記ヒートシンクとの間に熱連通状態に接続される少なくとも１つの凝縮器熱移動体から構成される；
ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体と前記少なくとも１つの凝縮器熱移動体各々は隣接する冷却基盤部分より大きい熱伝導率を有する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１０】
請求項８に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体と前記少なくとも１つの凝縮器熱移動体各々は約１００Ｗ／ｍ℃より大きい熱伝導率を有する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１１】
請求項８に記載の電子モジュールであって、前記少なくとも１つの凝縮器熱移動体及び前記少なくとも１つの冷却流体経路はポンプを用いることなく電子モジュールの動作中に流体流をもたらす、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１２】
請求項８に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体はキャピラリ動作により冷却流体流を促進するために前記蒸発器チャンバ内に露出されたウィッキング部分から構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１３】
請求項８に記載の電子モジュールであって、前記少なくとも１つの凝縮器熱移動体はキャピラリ動作により冷却流体流を促進するために前記蒸発器チャンバ内に露出された少なくとも１つのウィッキング部分から構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１４】
請求項８に記載の電子モジュールであって、前記冷却基板はキャピラリ動作を促進するために前記少なくとも１つの冷却流体経路の内側に伸びる凸部から更に構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１５】
請求項８に記載の電子モジュールであって、前記冷却基板はキャピラリ動作を促進するために前記蒸発器チャンバと前記少なくとも１つの凝縮器チャンバの内側に伸びる凸部から更に構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１６】
冷却基板と冷却基板に備えられた電子装置；
前記冷却基板が有する前記電子装置に隣接する蒸発器チャンバ、前記ヒートシンクに隣接する少なくとも１つの凝縮器チャンバ及び前記少なくとも１つの凝縮器チャンバと前記蒸発器チャンバとを流体連通状態にあるように接続する少なくとも１つの冷却流体経路；並びに
圧力を制御するために冷却流体を解離するための前記冷却基板に支えられた複数の冷却流体解離電極であって、少なくとも１つの前記複数の流体解離電極は前記蒸発器チャンバと前記電子装置との間を熱連通状態にあるように接続された蒸発器熱移動体から構成される、複数の冷却流体解離電極；
から構成されることを特徴とする電子モジュール。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電子モジュールであって、前記複数の冷却流体解離電極は電子モジュールの製造の間に冷却流体解離を可能にする、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１８】
請求項１６に記載の電子モジュールであって、前記電子装置は前記複数の冷却流体乖離電極を駆動する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項１９】
請求項１８に記載の電子モジュールであって、前記電子装置はその温度を感知し且つ感知された温度に応じて前記複数の冷却流体解離電極を駆動する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２０】
請求項１６に記載の電子モジュールであって、各々の前記冷却流体解離電極は金属から構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２１】
請求項２０に記載の電子モジュールであって、金属は冷却流体の腐食に対して耐性がある、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２２】
請求項２１に記載の電子モジュールであって、金属は金及びニッケルのうち少なくとも１つから構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２３】
請求項１６に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体はキャピラリ動作により冷却流体流を促進するために前記蒸発器チャンバ内に露出されたウィッキング部分から構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２４】
請求項１６に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体は隣接する冷却基板部分より大きい熱伝導率を有する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２５】
請求項１６に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体は約１００Ｗ／ｍ℃より大きい熱伝導率を有する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２６】
冷却基板と冷却基板に備えられた電子装置；
前記冷却基板が有する前記電子装置に隣接する蒸発器チャンバ、前記ヒートシンクに隣接する少なくとも１つの凝縮器チャンバ及び前記少なくとも１つの凝縮器チャンバと前記蒸発器チャンバとを流体連通状態にあるように接続する少なくとも１つの冷却流体経路；並びに
圧力を制御するために冷却流体を解離するための前記冷却基板に支えられた複数の冷却流体解離電極であって、少なくとも１つの前記複数の冷却流体解離電極は前記少なくとも１つの凝縮器チャンバと前記ヒートシンクとの間を熱連通状態にあるように接続された凝縮器熱移動体から構成される、複数の冷却流体解離電極；
から構成されることを特徴とする電子モジュール。
【請求項２７】
請求項２６に記載の電子モジュールであって、前記複数の冷却流体解離電極は電子モジュールの製造の間に冷却流体解離を可能にする、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２８】
請求項２６に記載の電子モジュールであって、前記電子装置は前記複数の冷却流体乖離電極を駆動する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項２９】
請求項２８に記載の電子モジュールであって、前記電子装置はその温度を感知し且つ感知された温度に応じて前記複数の冷却流体解離電極を駆動する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３０】
請求項２６に記載の電子モジュールであって、各々の前記冷却流体解離電極は金属から構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３１】
請求項３０に記載の電子モジュールであって、金属は冷却流体の腐食に対して耐性がある、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３２】
請求項３１に記載の電子モジュールであって、金属は金及びニッケルのうち少なくとも１つから構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３３】
請求項２６に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体はキャピラリ動作により冷却流体流を促進するために前記蒸発器チャンバ内に露出されたウィッキング部分から構成される、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３４】
請求項２６に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体は隣接する冷却基板部分より大きい熱伝導率を有する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３５】
請求項２６に記載の電子モジュールであって、前記蒸発器熱移動体は約１００Ｗ／ｍ℃より大きい熱伝導率を有する、ことを特徴とする電子モジュール。
【請求項３６】
蒸発器チャンバ、少なくとも１つの凝縮器チャンバ、並びに少なくとも１つの凝縮器チャンバに隣接する冷却基板により支えられた電子装置及び少なくとも１つの凝縮器チャンバと蒸発器チャンバとを流体連通状態にあるように接続する少なくとも１つの冷却流体経路を有する冷却基板から構成される電子モジュールにおいて冷却流体圧力を制御する方法であって：
圧力を制御するために冷却流体を解離するための冷却基板により支えられた複数の冷却流体解離電極を駆動する段階；
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の方法であって、冷却流体解離電極を駆動する段階は電子装置を用いて複数の冷却器流体解離電極を駆動する手順から構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法であって、冷却流体解離電極を駆動する段階はその温度を感知し且つ感知された温度に応じて前記複数の冷却流体解離電極を駆動する、ことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３６に記載の方法であって、各々の前記冷却流体解離電極は金属から構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の方法であって、金属は冷却流体の腐食に対して耐性がある、ことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３６に記載の方法であって、金属は金及びニッケルのうち少なくとも１つから構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３６に記載の方法であって、少なくとも１つの凝縮器チャンバに隣接する冷却基板にヒートシンクを接続する段階から更に構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項４２に記載の方法であって、前記複数の冷却流体解離電極は、少なくとも１つの凝縮器チャンバと前記ヒートシンクとの間を熱連通状態とする凝縮器熱移動体から構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項４２に記載の方法であって、前記複数の冷却流体解離電極は、蒸発器チャンバと電子装置との間を熱連通状態とする蒸発器熱移動体から構成される、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子モジュールの分野に関し、特に、１つ又はそれ以上の電子装置のための基板を含む電子モジュール及び関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置は多くのタイプの電子装置において広く用いられている。１つの電子装置は、シリコン又はガリウム砒素基板並びに基板の上部表面に形成されるトランジスタ等の多くの能動素子を含むことが可能である集積回路である。又、保護の役割を果たし且つ外部の電気接続を可能にするパッケージにおいて１つ又はそれ以上のそのような集積回路を支持することが、一般に必要とされる。
【０００３】
代表的な集積回路における能動素子の密度が増加するにつれて、発生する熱の放散が益々重要になってきている。特に、比較的大きい熱量は、例えば、マルチチップモジュール、マイクロ波送信器及びフォトニックデバイスにおいて生成される。
【０００４】
長い距離に亘り高い熱輸送を提供するために、電子回路モジュールを含む種々の応用において用いられる装置としては、所謂“ヒートパイプ”がある。ヒートパイプは、蒸発器、凝縮器、液体及び蒸気輸送のために蒸発器及び凝集器に接続された断熱部、並びに冷却流体を循環させるためのキャピラリ又はウィックを含むシールドシステムである。ヒートパイプは、機械ポンプ、凝縮器又は電子制御を必要性としないで熱を輸送することができる理由により、ヒートパイプは、他の熱調節装置の形態において優位性を発揮し、特定の例においてスペースセービングを提供することが可能である。
【０００５】
“Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｈｅａ  Ｐｉｐｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍｏｄｕｌｅ  Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ”と題された、ヒートパイプを用いるＭＣＭの例について、Ｄａｖｉｄｓｏｎ等による米国特許第５，２１６，５８０号明細書に開示されている。このＭＣＭは、一方側に電子回路部品と、他方側に熱ウィックを備えている。ヒートパイプ蒸発器及び凝縮器アセンブリがＭＣＭ及びウィックアセンブリに取り付けられている。更に、適切な作動流体が、熱的にシールドされたヒートパイプアセンブリに導かれる。
【０００６】
勿論、冷却装置は、一般に、冷却装置が冷却することを意図された電子装置と同じ大きさの規模であることが必要とされる。しかし、ヒートパイプについての利点はスケーリング限界に従うことにある。即ち、従来の回路に近接させて高電力装置を備えるような益々増加する実装密度においては、ポンプを備えていない従来の熱パイプアセンブリを用いて可能になるというより、より速くより大きい熱量を輸送する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述背景を鑑みて、本発明の目的は、１つ又はそれ以上の電子装置の適切な冷却を提供し且つ比較的小さい寸法である、電子モジュール及び関連の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に従った、前述目的及び他の目的、特徴及び優位点は、冷却基板、冷却基板上に設けられた電子装置及び圧力を制御するために冷却流体を解離するための冷却基板により支えられた冷却流体解離電極を備えた電子モジュールにより提供される。冷却基板は、電子装置に隣接する蒸発器チャンバ、ヒートシンクに隣接する少なくとも１つの凝縮器チャンバ、及び少なくとも１つの凝縮器チャンバと流体連通状態にあるように蒸発器チャンバを接続する少なくとも１つの冷却流体経路を有することが可能である。
【０００９】
更に、電子モジュールは、例えば温度を感知すること及び見地された温度に応じて複数の冷却流体解離電極を駆動することにより、複数の冷却流体解離電極を駆動することが可能である。複数の冷却流体解離電極は又、電極モジュールを製造する間に冷却流体解離を可能にすることができる。各々の冷却流体乖離電極は金属から構成され、この金属は、好適には、冷却流体の腐食に対する耐性を有している。例えば、この金属は金及びニッケルのうち少なくとも１つから構成される。
【００１０】
更に、電子モジュールは又、冷却基板に隣接するヒートシンクを備える。複数の冷却流体電極は、蒸発器チャンバと電子装置との間を熱連通状態にあるように接続された蒸発器熱移動体、及び少なくとも１つの凝縮器チャンバとヒートシンクとの間を熱連通状態にあるように接続された少なくとも１つの凝縮器熱移動体から構成されることが可能である。蒸発器熱移動体及び少なくとも１つの凝縮器熱移動体各々は隣接する冷却基板部分より大きい熱伝導率を有することが可能である。更に、蒸発器熱移動体と少なくとも１つの凝縮器熱移動体は１００Ｗ／ｍ℃より大きい熱伝導率を有することが可能である。
【００１１】
更に、蒸発器熱移動体、少なくとも１つの凝縮器熱移動体及び少なくとも１つの冷却流体経路は、ポンプを用いることなく、電子モジュールに動作中に流体流をもたらすことが可能である。蒸発器熱移動体は、キャピラリ動作により冷却流体流を促進するために蒸発器チャンバ内に露出されたウィッキング部分を備えることが可能である。又、少なくとも１つの凝縮器熱移動体は、キャピラリ動作により冷却流体流を促進するために凝縮器チャンバ内に露出されたウィッキング部分を備えることが可能である。
【００１２】
更に、冷却基板は、キャピラリ動作により冷却流体流を促進するために少なくとも１つの冷却流体経路の内側に伸びる凸部を更に備えることが可能である。冷却基板は又、キャピラリ動作により冷却流体流を促進するために蒸発器チャンバ及び少なくとも１つの凝縮器チャンバの内側に伸びる凸部を更に備えることが可能である。
【００１３】
本発明の方法における特徴は、冷却基板と冷却基板により支持された電子装置とを含む電子モジュールにおいて冷却流体圧力を制御することにある。冷却基板は、蒸発器チャンバ、少なくとも１つの凝縮器チャンバ、及び少なくとも１つの凝縮器と蒸発器チャンバを流体連通状態にあるように接続する少なくとも１つの冷却流体経路を備えている。更に、電子装置は少なくとも１つの凝縮器チャンバに隣接する冷却基板により支えられている。本発明の方法は、圧力を制御するために冷却流体を解離するための冷却基板により支えられた複数の冷却流体解離電極を駆動する段階から構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について参照図を参照しながら詳述することにする。しかしながら、本発明は、ここで述べる実施形態に限定されるべきではなく、多くの変形を実施することが可能である。以下で述べる実施形態においては、最初から最後まで通して且つ網羅的であるように本発明の開示を提供しており、当業者に本発明の権利範囲について十分に伝えることができるであろう。参照符号は一貫して同じ構成要素には同じものを用いている。参照図における層及び範囲の寸法は、より分かり易くするために、誇張して表現する場合がある。
【００１５】
先ず、図１乃至８を参照して、本発明に従った電子モジュール２０について説明する。
【００１６】
電子モジュール２０は、電子装置２２を取り囲むパッケージ２１から構成されている。パッケージ２１は、それに接続された底部又は冷却基板２１ａと蓋２１ｂとから構成される。蓋２１ｂは、電子回路２２とそのインタフェース（図示せず）の保護のために、電子回路２２上方のキャビティ３３を規定する。ふた２１ｂは、例えば、シールリングを用いて溶接することにより取り付けることが可能であり、また、他の構成も又可能であることを、当業者はよく認識するであろう。パッケージ２１には、例えば、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ：Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃ）材料がある。この材料は、耐久性と、窪み及び小さい安定な通路及び電気経路を形成する能力とについて優位性がある。勿論、他の類似する材料を用いることが可能である。
【００１７】
他の実施形態においては、当業者が認識するであろうように、２つ又はそれ以上の電子装置２２をパッケージ２１に設けることが可能である。電子装置２２は、例えば、半導体装置又は集積回路、ヒートコイル、抵抗等を含むことが可能である。又、勿論、他の電子装置を電子モジュール２０に含むことが可能である。図１に最も好適な実施形態として示すように、パッケージ２１は、少なくとも１つの表面に電気コネクタ３４を備えている。例えば、電気コネクタ３４は、図に示すように、ピングリッドアレイおけるピンとすることが可能である。他の実施形態においては、当業者が認識するであろうように、リボンタイプのケーブルに接続するためにエッジコネクタを備えることが可能である。
【００１８】
ヒートシンク２３は冷却基板２１ａに隣接しており、例えば、フィン２４を備えている。勿論、当業者に周知の他のヒートシンクを用いることも可能である。例えば、ヒートシンクは、電子モジュールが設けられるラック又は金属シャーシとすることが可能である。更に、ヒートシンク及び１つ又はそれ以上の凝縮器熱輸送体（後述する）は単一同質体である。冷却基板２１ａは又、電子装置２２に隣接した蒸発器チャンバ２５と、ヒートシンク２３に隣接した少なくとも１つの凝縮器チャンバ２６と、少なくとも１つの凝縮器チャンバと流体伝達する状態にある蒸発器チャンバに接続する少なくとも１つの冷却流体経路とを有する。凝縮器チャンバ２６の総面積は、フィン（又は、ヒートシンク）２４を減少させるために、蒸発チャンバ２５の総面積より大きくすることが可能である。これは、熱すぎて、ヒートシンクに直接取り付けることが装置を適切に冷却するためには不十分である電子装置に対して実施するには、特に好適である。
【００１９】
図３に示す実施形態において、冷却基板２１ａは、“Ｘ”字のような構成に、蒸発チャンバ２５から外側に４つの冷却流体経路２７と４つの凝縮器チャンバを備えている。勿論、本発明の権利範囲から逸脱することなく、任意数の冷却流体経路及び凝縮器チャンバを用いることが可能であることを、当業者はよく認識していることであろう。
【００２０】
電子モジュール２０は、蒸発チャンバ２５と電子装置２２との間を熱連通状態にあるように接続された蒸発器熱移動体２８を更に含む。更に、凝縮器熱移動体３６は、凝縮器２６とヒートシンク２３各々の間において熱的伝達状態にあるように接続されている。勿論、本発明に従って、１つ以上のヒートシンク２３を用いることが可能であることは認識されるであろう。
【００２１】
好適には、蒸発器熱移動体２８と凝縮器熱移動体３６各々は、約１００Ｗ／ｍ℃以上の熱伝導率を有する。熱移動体２８、３６は又、冷却基板２１ａの近接部分より大きい熱伝導率を有することが可能である。熱移動体２８、３６は、図１０に示すように、電子装置の低い動作温度が維持されることが可能であることを、当業者は認識するであろう。
【００２２】
一例として、蒸発器熱移動体２８と凝縮器熱移動体３６は、銅−グラファイト混合材料、ＡｌＳｉＣ及び金属のうち少なくとも１つを含む。勿論、当業者に周知の他の適切な材料を用いることが可能であり、使用される材料は冷却流体による腐食に対して耐性がある（例えば、ニッケル及び金のうち少なくとも１つ）ことが好ましい。両方の熱移動体２８、３６は、冷却流体流を最大にするために、本発明に従って用いられることが予想される。しかし、両方の熱移動体が全ての応用において必要でない可能性があり、一方又は他方を用いることが可能であることをすることが必要である。
【００２３】
結果として、蒸発器熱移動体２８、凝縮器熱移動体３６及び冷却流体経路２７は、電子モジュールの動作中にポンプを伴わずに、冷却流体を流すようにする。更に、冷却物質２１ａと熱移動体２８、３６のために用いられる上記した種々の物質は、互いに、熱膨張係数（ＣＴＥ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）（材料特性）に全て合理的に適合する半導体材料である。このような適合は、冷却物質２１ａにシリコン及び他の電子装置２２を直接実装することを可能にする。例えば、冷却物質２１ａはＬＴＣＣとすることが可能であり、熱移動体２８、３６は銅−グラファイト混合材料とすることが可能である。
【００２４】
冷却流体流を増強するためには、蒸発器熱移動体２８は、キャピラリ動作により冷却流体流を増強するように蒸発器チャンバ２５内に露出するウィッキング部分を含む。ウィッキング部分は、ベースプレート２９から外側に伸びる複数の凸部３０を含む。複数の凸部３０は、図４及び５に示すように、一般に、直方体パターンに配列することが可能であるが、他の構成もまた用いることが可能である。ベースプレート２９は、冷却物質２１ａに隣接して、シーリングを容易にするが、これについては更に後述することとする。
【００２５】
同様に、各々の凝縮器熱移動体３６は又、キャピラリ動作により冷却流体流を増強するために各々の凝縮チャンバ２６内に露出される少なくとも１つのウィッキング部分を含む。
【００２６】
ウィッキング部分は、支持体４５とそれから外側に伸びる複数の凸部３８を含む。凸部３８は、図６及び７に示すように、略直角に方向が合っている２つの一般的に直方体のグループをなすようにして配列されることが可能である。又、凝縮器熱移動体３６は、隣接する冷却基板２１ａ部分と共にシーリングすることを容易にするためにベースプレート３７を更に含むが、これについては更に後述する。凸部３８の各々は、それらの間のギャップ間隔を増加させることによりキャピラリフラッディングを緩和するために幅を減少させた先端部分３９を備えている。これにより、熱的に障害となる流体層の除去が容易になり、それ故、凝縮が促進する。凝縮熱移動体３６は又、冷却流体貯蔵器を規定するウィッキング部分に隣接する貯蔵器を備えることが可能である。
【００２７】
更に、蒸発器チャンバ２５に冷却流体流が戻ることを可能にするために、冷却基板２１ａは又、冷却流体経路の内側に伸びる凸部４１、蒸発チャンバ、及びキャピラリ動作により冷却流体流を促進するためにそれぞれのウィッキング表面を規定する凝縮器チャンバ２６を備えている。即ち、大きい流量のキャピラリは、完全に内部表面を対象とし、速い流体移動を可能にしている。これは、そうでないと非ウィッキング表面において生じるキャピラリの枯渇を緩和することを可能とし、小さいヒートパイプアセンブリにおいては特に重要となっている。
【００２８】
凸部４１は、例えば、冷却流体経路２７とチャンバ２５、２６の対向する平行表面における隣接する冷却基板２１ａの層上に相互に連結された直交溝を形成することにより、作製することが可能である。これらの構造を作製するために用いられるプロセスは、当業者には周知の標準的な多層セラミック製造技術に基づいている。勿論、又、他のウィッキング構造を本発明に従って用いることが可能であることを、当業者は認識するであろう。
【００２９】
更に、複数の流体解離電極は、冷却流体の圧力を制御するために冷却基板２１ａにより支持されることが可能である。本発明の一実施形態において、何れか２つの熱移動体２８、３６は流体解離電極として用いることが可能であり、例えば、冷却流体の解離をもたらすために、異なる（例えば、正及び負）ＤＣ電位（図２参照）により駆動することが可能である。それに代わる実施形態においては、流体解離電極４２を冷却基盤２１ａに実装することが可能である。冷却流体をその成分ガスに解離させることにより、流体解離電極は冷却流体の圧力であって、それ故、その流量が制御されることが可能になる。従って、解離ガス体の分圧が増加することにより、流体蒸気の分圧は減少し、動作温度が上昇する。流体乖離電極を用いるとき、冷却流体は、好適には、電流が例えば水の中を流れる場合に解離することが可能である流体である。
【００３０】
本発明の一実施形態において、流体解離電極は、製造過程の間に冷却流体の乖離を可能にする。他の実施形態においては、電子装置２２は、例えば、図２における破線の接続ラインに示すように、電子装置の温度を検出すること及び検出された温度に応じて電極を駆動することにより流体解離電極４２（又は熱移動体）を駆動することが可能である。各々の流体解離電極４２は金属とすることが可能であるが、又、好適には、冷却流体による腐食に対する耐性が必要である。それ故、流体解離電極４２は又、金及びニッケルのうち少なくとも１つを含む。勿論、流体解離電極４２としては、ここで開示した冷却基板以外の種々の構造を用いることが可能であることを、当業者は認識しているであろう。
【００３１】
後述するように、電子モジュール２０を多層セラミック構造として製造することが可能である。テープ形状の非焼成（グリーン）セラミックが、必要とされるキャビティ及びウィック構造を切断するために処理される。次いで、内部の厚いフィルム状導体は、多層回路の配線をするために必要とされるように印刷される。一旦、個々の層が完成すると、次いで焼成されるグリーン体を形成するために、それらは積層されラミネーションが施される。次いで、必要に応じて、ダイアモンドソー又は他の適切な方法により、個片切断が実施される。当業者は認識するであろうように、ラミネーション及び焼成の間に生じた表面変形を取り除くためにラッピングが必要である。
【００３２】
次いで、焼成後に厚膜導体を印刷し且つ焼成し、蒸発器及び凝縮器熱移動体２８、３６それぞれについて、溶接可能なシーリング表面を提供するためにベースプレート２９、３７を提供する。熱移動体２８、３６の母材は、このとき、ＬＴＣＣ冷却基板２１ａに溶接するためにニッケル及び金を備えることが可能である。溶接プロセスは、好適には、ウィッキング表面の汚染を防止するためにフラックスを用いず、且つ冷却基板のハーメチックシールを提供する。
【００３３】
当業者が認識しているであろうように、パッケージの完全性を確実にするために、微小漏洩検査を行うことが可能である。又、はんだが熱移動体２８、３６にくっつくように、冷却流体を冷却基板２１ａに満たすことに先立ち、電子装置２２をはんだ接着する必要がある。そうしなければ、内部の蒸気圧が高くなった場合に、満たされた運転中のヒートパイプは逆流を抑制し又は大惨事となり得る。銅管のような充填管は、蒸発及び充填のために冷却基板２１ａに設けることが可能である。充填は注入により実施することが可能である。
【００３４】
本発明に従って多数の優位点が付与されることを、当業者は認識するであろう。例えば、本発明に従って達成される増強されたキャピラリにおける流れは、先行技術においては不可能であると信じられていた小型の冷却流体チャンネルの寸法を可能にする。又、ウィッキング部分を組み込んだ流体保存器４０と蒸発器熱移動体２８はプール沸騰の影響を減少させ且つ電力密度の上限を伸ばす。
【００３５】
更に、凝縮器熱移動体３６は、実質的に連続的で妨げられない凝縮を提供するために、凝集表面から凝集物（液体）のクリーニングを促進する。又、冷却流体のルート付けのための１つ又はそれ以上の冷却流体経路により相互に接続された中央又は複数の蒸発器チャンバ２５と１つ又はそれ以上の凝縮器チャンバ２６を、本発明は提供している。これは、大きい熱流体装置の高密度パッケージングを可能にし、同じ温度において複数の成分の温度を安定化する。更に、上述のように、流体解離電極４２はガスの解離を可能にし、従って、圧力の調整及び温度の操作を可能にしている。
【００３６】
本発明に従って製造される電子モジュールの次のような例において提供されるテスト結果を参照することにより、前述の優位性は更に十分に明らかにできる。
【００３７】
例
本発明に従った電子モジュール２０のデザインは、当業者により認識されるであろうように、温度安定化操作と電子装置２２からの熱拡散に対応している。熱拡散は、蒸発器から凝縮器を分離し且つ間隔を置くことによりそして蒸発器の面積に比較して凝縮器の面積を増加させることにより得られる。例えば、本発明に従った電子テストモジュールは、蒸発器面積の約２倍の総凝縮器面積を有するように構成された。
【００３８】
冷却基板２１ａにより規定されるヒートパイプ構造の各々のセグメントは複数の特異な考慮を盛り込んであり、それらの幾つかはスケーリング限界に関連している。最も注目に値する限界は、そのような“小型”ヒートパイプは、それらの大きな対応する部分に比べて、断熱領域による蒸気−液体相互作用により敏感である。特定の特徴的な寸法が維持されていない場合、蒸気流を著しく制限することができる。ここで説明するテスト装置のためには、最小の蒸気チャンネルの断面積は１．２７ｍｍが必要とされることが確定されたが、当業者により認識されるであろうように、本発明に従い、それより小さい寸法が可能である。
【００３９】
何らかの予期せぬガスの分圧は、所望の冷却流体から生成される蒸気の分圧の減少を防止するように低く維持されなければならない。小型ヒートパイプは予期せぬガスに非常に敏感であり、それ故、ハーメチックシールが好ましい。更に、ウィッキング表面４１は、凝縮小滴が冷却流体供給を形成し且つ使い果たすことを妨げるように十分微小な構造を提供する必要がある。更に、冷却流体は、温度の安定な装置操作を可能にするために、ヒートソースと密接な接触状態にある必要があり、凝縮表面は熱的に妨げる流体層がないように保たれなければならない。更に、キャピラリ流は十分な容積により妨げられないようにされ、凝縮器−蒸発器の比は１より十分大きくなければならない。冷却流体の選択は又、不純物、特に溶解ガスがないようにすることが重要である。水は、その大きい蒸発潜熱、既知の特性及び蒸発によりデガスが容易であることのために、テスト装置における冷却流体として選択された。又、勿論、他の冷却流体を使用することが可能である。
【００４０】
又、その他のデザインパラメータを考慮する必要がある。例えば、幾つかの重要な幾何学的パラメータには、冷却流体経路２７の断面構造とウィッキング表面４１の長さとがある。他のパラメータは、当業者により認識されるであろうように、経験的な結果及び製造の結果により導くことが可能である蒸発器及び凝縮器チャンバ２５、２６の大きさと構造を含む。これらのパラメータは、所定のタイプ及び数の電子装置２２についての所定の熱放散能力を提供するために必要な装置サイズを導く。更に、本発明に関するそのようなデザインパラメータの議論は、本発明の発明者による“Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｐｉｐｅｓ  ｉｎ  Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｒｅｑｕｉｒｉｎｇ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｔａｂｉｋｉｔｙ”と題された論文であって、米国カリフォルニア州サンディエゴ市における２０００年１１月１日の国際会議Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｗｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｍｅｅｔｉｎｇにおいて発表されたものである。
【００４１】
一般的に言って、キャピラリ動作ポンプは熱移動能力における限定因子である。キャピラリポンピングについての重要なパラメータの１つは、突起部４１を規定するために用いられる溝の幅であり、その結果、ウィッキング表面が得られる。このパラメータは、蒸発チャンバ２５に冷却流体を供給するためのキャピラリ限界を駆動するので、重要である。溝の幅は、当業者により認識されるであろうように、たるみと層形成所要量を計算するために注意深く選択しなければならない。テスト装置のために選択された溝の幅（約４ｍｉｌ）は、全体的な基板の厚さを含む、材料及び製造上の問題に基づいて選択された。上述の参照文献において更に議論されたモデリングからのガイダンスを、又用いた。溝の幅の変化から得られるキャピラリと蒸気との干渉による熱移動の最適化を示す曲を図１０に示している。
【００４２】
他の重要なパラメータはヒートソース（即ち、電子装置２２）から蒸発チャンバ２５までの熱移動距離である。これは、熱放散を必要とする電子装置２２における適度に低い温度を維持するための冷却基板２１ａの有効性のために重要である。電子装置２２は、できるだけ小さい熱抵抗を伴う蒸発チャンバと接続する必要がある。従って、電子装置２２の下に用いられる何れかの材料は、上述のように、ＬＴＣＣに真空シーリング可能であり且つＣＴＥの点で適合することが好ましい。
【００４３】
蒸発チャンバ２５への電気伝導のためのサーマルビア３５をもつＬＴＣＣ冷却基板２1ａの熱抵抗を示すために、簡単なモデルを用いることが可能である。そのモデルは、電子装置２２の基板を通る熱経路とサーマルビア３５をもつ冷却基板２１ａを含み、理想的には一定温度の蒸発チャンバに終端部をもっている。
【００４４】
このモデルに基づいて、蒸発器は約４５□Ｃにおいて機能する一方、ソース装置温度は著しく高くなる可能性があって、材料及び幾何学的構造に依存し、図１０のグラフに示すようになる。独立変数は、電子装置２２の直接下の経路におけるサーマルビア３５の数を表す。このグラフは又、熱経路において十分な熱抵抗がある場合、電子装置２２の温度は熱負荷に対して一定の値を維持することができないことを示している。目的がシステムから熱電子冷却器を削除することである場合、熱抵抗は特に重要である。周囲環境を用いる場合、典型的な目的は、できるだけ環境に近い状態で電子装置の動作を保つことである。
【００４５】
上述のデザイン上の考慮に基づき、４つの凝縮器チャンバ２６と、蒸発器チャンバ２５にそれぞれの冷却器チャンバを接続する４つの冷却流体経路２７とを含むようにテスト装置を製造した。各々の冷却流体経路は長さ９．５ｍｍに作製したが、本発明に従ってそれより長くすることも短くすることも可能である。更に、凝縮器チャンバの１つ直上の電子モジュール２０の上側に小さい孔を形成し、又、冷却流体の蒸発及び充填を可能にするために、銅の充填管を溶接した。
【００４６】
それぞれのウィッキング表面４１に直接連結することを可能にするために、熱移動体２８、３６を実装した。８０／２０の金／すずを用いて、ＬＴＣＣ冷却基板２１ａに熱移動体２８、３６をハイメチックシールを形成するように溶接した。本発明の譲渡人により作製された超ＦＥＴＴmパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）ベアダイ（０．２８ｍｍ）を電子装置２２として用いた。電気的相互接続をするために、このＭＯＳＦＥＴは、蒸発器チャンバ２５に隣接してはんだ付けされ、ベースプレート２９を形成する厚膜表面メタライゼーションにワイヤボンディングされた。電気テストの備品に相互接続するために同じメタライゼーションにワイヤボンディングを施した。
【００４７】
上述のように、冷却基板２１ａはＬＴＣＣとすることが可能である。ＬＴＣＣは、高導電性の金属回路（金、銀及び銅等）とハーメチックパッケージングに対応することが可能である多層回路の製造のために元々開発された、市販されている低温度焼成ガラス−セラミック（８５０□Ｃ）システムである。上述のテープの代表的な特性は、熱伝導率とＣＴＥであり、それぞれ、２乃至３Ｗ／ｍＫ及び７ｐｐｍ／□Ｃである。ＬＴＣＣのＣＴＥに適合したＣＴＥをもつ高熱伝導率の熱移動体２８、３６を、蒸発器チャンバ２５と凝縮器チャンバ２６においてヒートパイプをシーリングするために用い、８０／２０の金／すずめっきをハーメチックシールを形成するために用いた。
【００４８】
装置をテストするために、ＤＣ電源、カスタム電力制御回路、熱電子冷却器及び温度計を伴う０．００３インチ径のワイヤタイプのＫ熱電対を含む幾つかのテスト装置を用いた。カスタム電力制御回路はフィードバック回路を利用してＭＯＳＦＥＴパワーの独立制御を可能にし、熱電子冷却器は安定な凝縮温度を維持するために用いられた。測定と演算を支援する安定な凝縮器チャンバ２６の温度を与えるために、テスト中、熱電子冷却器を２０℃に保った。２つの熱電対の１つを凝縮器の温度測定に用い、もう１つの熱電対を連続的な接合温度のモニタリングを可能にするようにサーマルグリースを用いてＭＯＳＦＥＴ表面に接触させて配置した。全てのテストは空気中で水平にして行った。
【００４９】
上述のように製造されたテストユニットは１０Ｗの範囲の熱分散においてテストした。この結果について、図１１のグラフに示す。このグラフは、基板が能動的な動作基板（ライン４７）に対して受動的（即ち、非充填状態）（ライン４６）であるときの結果である接合温度暴走を示している。又、ヒステリシス参照ライン４８も示している。約３Ｗにおいてヒートパイプの熱サイクルを作動させ、約６Ｗにおいて安定化させた。このパラメータ範囲は、低い電力分散及び低減された回路の複雑さを要求する多くの電子装置または他のシステムについて理想的である。それ故、特に、本発明は、例えば、レーザダイオードアレイ、中央演算処理装置（ＣＰＵ）チップ、高周波電力モジュール、高密度マルチチップモジュール、光モジュール及び位相配列アンテナに用いる場合に適切である。
【００５０】
当業者は、上述の添付した図面を用いた詳細説明で明らかにした内容の優位点に基づいて、多くの本発明の修正及び他の形態を思い浮かべるであろう。それ故、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の請求の範囲内に含まれるべき他の修正及び形態を意図するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に従った電子モジュールの斜視図である。
【図２】図１の２−２ラインに沿った断面図である。
【図３】本発明の実施形態に従った冷却基板の分解斜視図である。
【図４】図２の電子モジュールの蒸発器熱移動体の平面図である。
【図５】図２の電子モジュールの蒸発器熱移動体の側面図である。
【図６】図２の電子モジュールの凝縮器熱移動体の斜視図である。
【図７】図２の電子モジュールの凝縮器熱移動体の平面図である。
【図８】図２の電子モジュールの凝縮器熱移動体の側面図である。
【図９】図１の電子装置についての模範的な熱移動キャピラリ対溝又はキャピラリウィック幅の関係を表すグラフである。
【図１０】図１の電子装置における模範的な装置温度対用いられるサーマルビアの数の関係を表すグラフである。
【図１１】図１の電子装置についての接合温度対分散電力の関係を表すグラフである。
【図９】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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