(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
上面に凹部を有する、概ね平坦な長い基板と、
前記基板の凹部にサブマージされた第１の熱的絶縁体と、
側壁と上部とを有するカバーであって、前記側壁と前記上部の内面は、前記第１の熱的絶縁体と共に、熱的絶縁ボリュームを画定する第２の熱的絶縁体で覆われた、カバーと、
前記第１の熱的絶縁体上におよび前記熱的絶縁ボリューム内に配置される１つ以上の冷却されるコンポーネントと、
前記１つ以上のコンポーネントのうちの少なくとも１つに電気的に接続された１つ以上の導電体であって、各導電体は前記第１の熱的絶縁体の上かつ前記カバーの側壁の１つの下に横方向に延在し、前記導電体の第１の部分は前記熱的絶縁ボリュームの中にあり、前記導電体の第２の部分は前記熱的絶縁ボリュームの外にあり、前記１つ以上の導電体は極低温度で熱的絶縁性である、１つ以上の導電体と、
前記熱的絶縁ボリュームの外に、前記基板の上面に配置された１つ以上の導電トレースであって、前記１つ以上の導電体に電気的に接続される、１つ以上の導電トレースと、
前記熱的絶縁ボリュームの外にある各導電体の第２の部分と、前記凹部の中にある各導電トレースの一部とを覆う誘電材料と
を有する、
装置。
【請求項２】
前記１つ以上の導電体が、前記基板の凹部にサブマージされる、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ以上の導電体はカーボンナノチューブを含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記１つ以上の導電トレースは、前記１つ以上の導電体にインピーダンス整合される、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
１つ以上のコンポーネントを冷却するように構成されたコールドチップをさらに有する、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コールドチップは、前記カバーを通して、前記１つ以上のコンポーネントと物理的に接触する、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２の熱的絶縁体は、発泡体またはエアロゲル絶縁体を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
システムであって、
クライオクーラーと、
装置であって、
上面に凹部を有する、概ね平坦な長い基板と、
前記基板の凹部にサブマージされた第１の熱的絶縁体と、
側壁と上部とを有するカバーであって、前記側壁と前記上部の内面は、前記第１の熱的絶縁体と共に、熱的絶縁ボリュームを画定する第２の熱的絶縁体で覆われた、カバーと、
前記第１の熱的絶縁体上におよび前記熱的絶縁ボリューム内に配置される、前記クライオクーラーにより冷却される１つ以上のコンポーネントと、
前記１つ以上のコンポーネントのうちの少なくとも１つに電気的に接続された１つ以上の導電体であって、各導電体は前記第１の熱的絶縁体の上かつ前記カバーの側壁の１つの下に横方向に延在し、前記導電体の第１の部分は前記熱的絶縁ボリューム内にあり、前記導電体の第２の部分は前記熱的絶縁ボリュームの外にあり、前記１つ以上の導電体は極低温度で熱的絶縁性である、１つ以上の導電体と、
前記熱的絶縁ボリュームの外側に、前記基板の上面に配置された１つ以上の導電トレースであって、前記１つ以上の導電体に電気的に接続される、１つ以上の導電トレースと、
前記熱的絶縁ボリュームの外にある各導電体の第２の部分と、前記凹部の中にある各導電トレースの一部とを覆う誘電材料と
を有する、装置とを有する、
システム。
【請求項９】
前記１つ以上の導電体が、前記基板の凹部にサブマージされる、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記１つ以上の導電体はカーボンナノチューブを含み、
前記第１および第２の熱的絶縁体は、発泡体またはエアロゲル絶縁体を含む、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記クライオクーラーは、流体供給／戻りラインによって連結されたコンプレッサおよび複数の膨張器を有する分散型アーキテクチャを有し、
前記複数の膨張器のうち少なくとも１つは、前記基板の上または前記基板に近接して配置される、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記装置は複数の基板を有し、
前記複数の膨張器のうち少なくとも１つは、前記基板の各々の上または前記基板の各々に近接して配置され、
前記クライオクーラーは、前記コンプレッサから前記膨張器に圧縮流体を供給するように構成された分配マニフォールドをさらに有する、
請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記装置は、前記クライオクーラーによって冷却されない１つ以上の追加のコンポーネントをさらに有し、前記１つ以上の追加のコンポーネントは、前記基板によって担持され、前記熱的絶縁ボリュームの外側に配置される、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記クライオクーラーによって冷却され、前記１つ以上のコンポーネントを冷却するように構成されたコールドチップをさらに有する、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
上面に凹部を有する、概ね平坦な長い基板と、前記基板の凹部にサブマージされた第１の熱的絶縁体とを取得することと、
第１の絶縁体の上に冷却すべき１つ以上のコンポーネントを配置することと、
前記１つ以上のコンポーネントの上に、側壁と上部とを有するカバーを配置することであって、前記側壁と前記上部の内面は、前記第１の絶縁体と共に、前記１つ以上のコンポーネントが配置される熱的絶縁ボリュームを画定する第２の熱的絶縁体で覆われている、配置することとを有し、
前記１つ以上のコンポーネントのうちの少なくとも１つは１つ以上の導電体に電気的に接触し、各導電体は前記第１の熱的絶縁体の上かつ前記カバーの側壁の１つの下に横方向に延在し、前記導電体の第１の部分は前記熱的絶縁ボリューム内にあり、前記導電体の第２の部分は前記熱的絶縁ボリューム外にあり、前記１つ以上の導電体は極低温度で熱的絶縁性であり、、
前記熱的絶縁ボリュームの外側に、前記基板の上面に配置された１つ以上の導電トレースが前記１つ以上の導電体に電気的に接続され、
誘電材料が、前記熱的絶縁ボリュームの外にある各導電体の第２の部分と、前記凹部の中にある各導電トレースの一部とを覆う
方法。
【請求項１６】
前記１つ以上の導電体が、前記基板の凹部にサブマージされ、前記第１の絶縁体上に配置される、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
コールドチップを前記１つ以上のコンポーネントに熱的に結合することをさらに含む、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
クライオクーラーの膨張器を前記基板の上または前記基板に近接して配置し、前記膨張器は前記１つ以上のコンポーネントを冷却するように構成される、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記クライオクーラーは、流体供給／戻りラインによって結合されたコンプレッサおよび複数の膨張器を有する分散型アーキテクチャを有する、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記１つ以上のコンポーネントと、前記カバーと、各導電体の前記第１と第２の部分とは、完全に、前記第１の熱的絶縁体の上に配置される、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、極低温冷却システムに関する。より具体的には、本開示は、極低温冷却されたコンポーネントを回路基板その他の構造から熱的に絶縁することに関する。
【背景技術】
【０００２】
さまざまな電子デバイスにおいて、多くの場合、単に既存の集積回路チップまたはモジュールを冷却することによって、改善された性能を達成することができる。極低温で動作する超伝導材料を回路レイアウトに組み込むことによって、より大きな改良が実証されている。明らかに、このような方法は、超伝導材料を有効に使用するために、非常に低い温度（極低温）への冷却を必要とする。
【０００３】
一般的な冷却方法の１つは、回路基板をデュワーと呼ばれる真空エンクロージャ内に配置し、次にデュワーの内部を極低温温度に冷却することを含む。この方法は、回路基板への外部熱の流れを最小限にするのに役立つ。この方法は、単一の回路基板または少数の回路基板に対して機能し、デュワーの使用に関連するサイズおよび重量の増加は、一定の用途においては許容され得る。しかし、この方法は、一般的に、大きな回路基板アレイを有するような様々な現実の用途において使用することができない。大型アレイでは、アレイ全体をカプセル化する単一の大型デュワーの使用、またはそのアレイの部分をカプセル化する複数のより小型のデュワーの使用は、おそらくプラットフォームによって提供される利用可能なリソースを超えて、システム全体のサイズ、重量、および電力要件を劇的に増加させる。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、極低温冷却されたコンポーネントを回路基板その他の構造から熱的に絶縁することを提供する。
【０００５】
第１の実施形態において、装置は、凹部を有する基板と、前記基板の凹部にサブマージ（ｓｕｂｍｅｒｇｅ）された第１の絶縁体とを有する。また、前記装置は、前記第１の絶縁体と共に、絶縁ボリュームを画定する第２の絶縁体を有するカバーも含む。前記装置は、さらに、第１の絶縁体上および前記絶縁ボリューム内に配置される１つ以上の冷却されるコンポーネントを含む。
【０００６】
第２の実施形態において、システムは、クライオクーラーを含む。また、前記システムは、凹部を有する基板と、前記基板の凹部にサブマージされた第１の絶縁体とを含む装置を含む。前記装置は、前記第１の絶縁体と共に、絶縁ボリュームを画定する第２の絶縁体を有するカバーも含む。前記装置はさらに、前記クライオクーラーにより冷却される１つ以上のコンポーネントを含む。前記１つ以上のコンポーネントは、第１の絶縁体上および前記絶縁ボリューム内に配置される。
【０００７】
第３の実施形態において、方法は、凹部を有する基板と、前記基板の凹部にサブマージされた第１の絶縁体とを取得することを含む。また、前記方法は、第１の絶縁体の上に冷却すべき１つ以上のコンポーネントを配置することも含む。前記方法はさらに、第２の絶縁体を有するカバーを１つ以上のコンポーネントの上に配置することを含む。前記第２の絶縁体は、前記第１の絶縁体と共に、前記１つ以上のコンポーネントが配置される絶縁ボリューム（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｖｏｌｕｍｅ）を画定する。
【０００８】
他の技術的な特徴は、以下の図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲に基づき、当業者には容易に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明をよりよく理解してもらうため、添付した図面を参照しつつ以下に説明する。
【図１】本開示による、１つ以上の極低温冷却されたコンポーネントを回路基板その他の構造から熱的に絶縁する例示的な構成を示す。
【図２】本開示による１つ以上の回路基板その他の構造上のコンポーネントを冷却する例示的な分散型クライオクーラアーキテクチャを示す図である。
【図３】本開示による１つ以上の回路基板その他の構造上のコンポーネントを冷却する例示的な分散型クライオクーラアーキテクチャを示す図である。
【図４】本開示による、１つ以上の極低温冷却されたコンポーネントを回路基板その他の構造から熱的に絶縁する例示的な方法を示す。
【図５】本開示による１つ以上の回路基板その他の構造上のコンポーネントを冷却する分散型クライオクーラアーキテクチャを作動させる例示的な方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に説明する図１ないし５及びこの特許文献において本発明の原理を説明するために使用する様々な実施形態は、単なる例示であって、いかなる方法であっても本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。当業者には言うまでもないが、本発明の原理は、任意のタイプの適切に構成されたデバイスまたはシステムで実施することができる。
【００１１】
上述のように、ある集積回路チップまたはモジュール（超伝導材料を有するものを含む）を低温または極低温に冷却することにより、これらの集積回路チップまたはモジュールの性能を向上させることができる。具体的な例として、極低温冷却されたアナログ−ディジタル変換器を使用して、より高いビットレート変換およびより高いビット解像度を達成することができる。この冷却は、一般的には、回路基板をデュワー内に配置し、デュワーの内部を極低温温度に冷却することによって達成される。しかし、デュワーその他の熱的、機械的及び電気的上部構造（ｓｕｐｅｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の使用は、システム全体の体積及び重量を著しく増加させる。また、複数のデュワーを反復性の高い回路構造（多くのアンテナアレイに見られる構造など）と使用すると、全体の構造が容認できないほど大きくなり、プラットフォームでサポートできないことになる可能性がある。
【００１２】
本開示の一態様によれば、デュワーを使用せずに、集積回路チップまたはモジュールを個々にまたはグループで、低温に冷却するための技術が提供される。熱絶縁体層および導電体（例えば、カーボンナノチューブ）は、回路基板その他の構造に埋め込まれ、少なくとも１つの集積回路チップまたはモジュールが、熱絶縁体層および導電体の上に配置される。絶縁カバーが集積回路チップまたはモジュールを覆って配置され、それによって集積回路チップまたはモジュールを効率的に冷却することができるボリューム内に入れる。導電体を使用して、集積回路チップまたはモジュールを他の回路コンポーネントに電気的に結合することができる。
【００１３】
本開示の別の態様によれば、分散型クライオクーラアーキテクチャを用いて電子コンポーネントを冷却する技術が提供される。分散型クライオクーラアーキテクチャは、単一のより大きな（マクロスケール）コンプレッサによって駆動される、より小さな（マイクロスケール）クライオジェニック膨張器のネットワークを含む。各膨張器は、単一の電子コンポーネントまたは少数の電子コンポーネントのグループを冷却するために使用することができる。
【００１４】
図１は、本開示による、１つ以上の極低温冷却されたコンポーネントを回路基板その他の構造から熱的に絶縁する例示的な構成１００を示す。以下の実施例では、構成１００は、単一の集積回路チップ１０２を熱的に絶縁するために使用されるものとして説明する。しかし、同じまたは類似の方法を使用して、複数の集積回路チップまたは１つ以上の他の電子コンポーネント（１つ以上の集積回路モジュールなど）を熱的に絶縁できる。
【００１５】
集積回路チップ１０２は、より低い温度（場合によっては極低温に）冷却される集積回路を示す。例えば、集積回路チップ１０２は、冷却されたときに改善された性能を達成する集積回路を示すものと思っても良い。また、集積回路チップ１０２は、少なくとも１つの超伝導材料を組み込み、所望の動作をするためにより低い温度（場合によっては極低温）を必要とする集積回路であってもよい。集積回路チップ１０２は、冷却される任意の適切な集積回路を含む。
【００１６】
図１に示すように、装置１００は、凹部１０６を有する基板１０４を含む。基板１０４は、一般に、冷却される回路コンポーネント（集積回路チップ１０２を含む）その他のコンポーネントを配置または作り込める任意の適切な構造を含む。例えば、基板１０４は、回路コンポーネントのための概ね平坦なキャリアを示すことができる。基板１０４は、任意の適切な材料および任意の適切な物質から形成することができる。一例として、基板１０４は、ポリマーから形成され得る。
【００１７】
凹部１０６は、基板１０４の一部が除去されている、または形成されていない基板１０４のオープン領域（ｏｐｅｎ  ａｒｅａ）を示す。基板１０４を形成する材料の一部を除去することによって、または基板１０４の形成中にその領域に材料を配置しないことによって、任意の適切な方法で凹部１０６を基板１０４内に形成することができる。凹部１０６は、（とりわけ）冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントに依存し得る、任意の適切なサイズ、形状、および寸法を有することができる。
【００１８】
凹部１０６内には、絶縁体層１０８と、１つ以上の熱絶縁性導電体及び導電性導電体１１０と、誘電体層１１２とがある。絶縁体層１０８は、熱的に絶縁性であって、冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントの下に位置する材料の層を示す。絶縁体層１０８は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。一例として、絶縁体層１０８は、アスペンエアロゲル（ａｓｐｅｎ  ａｅｒｏｇｅｌｓ）の絶縁体のような、フォームまたはエアロゲル絶縁を用いて形成することができる。絶縁体層１０８は凹部１０６内に配置されているので、絶縁体層１０８は「サブマージド（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ）」絶縁体層と呼ばれる。
【００１９】
１つ以上の導電体１１０は、冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントへの１つ以上の電気的接続を提供する。導電体１１０は、熱的に絶縁性であるため、導電体１１０は、動作中に冷却される集積回路チップ１０２又は他のコンポーネントに向けて大量の熱が漏れる経路を提供しないことがある。各導電体１１０は、制限された熱伝達を伴う電気的接続を提供する任意の適切な構造を含む。いくつかの実施形態において、各導電体１１０は、カーボンナノチューブのストリップを使用して形成され得る。一例として、カーボンナノチューブの各ストリップは、図１の他のコンポーネントにはんだ付けまたは電気的に結合され得る銅その他の金属または導電性材料でめっきされる端部を有することができる。導電体１１０は、凹部１０６内に配置されるため、導電体１１０は、「サブマージド」導体と呼ばれることもある。しかし、導電体１１０は、図に示されるように、サブマージされる（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ）必要がないことに留意されたい。
【００２０】
誘電体層１１２は、絶縁体層１０８及び導電体１１０を覆う誘電体の層を示す。誘電体層１１２は、導電体１１０によって集積回路チップ１０２に形成された電気的接続部を除いて、集積回路チップ１０２を電気的に絶縁するのを助ける。また、誘電体層１１２は、その下の導電体１１０を保護するシールを提供することができる。絶縁体層１１２は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。一例として、誘電体層１１２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、その他の酸化物もしくは窒化物材料から形成され得る。
【００２１】
絶縁体層１１６を有するカバー１１４が、冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントの上に配置される。カバー１１４は、冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントを、カバー１１４と下層構造との間に画定されたボリューム内に収容する。カバー１１４は、（とりわけ）冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントに依存し得る、任意の適切なサイズ、形状、および寸法を有することができる。また、カバー１１４は、任意の適切な方法で、下層構造に取り付けることができる。例えば、基板１０４または誘電体層１１２を形成する材料は、カバー１１４のための集積回路チップ１０２の周囲に良好な平面熱シール面を提供するように選択することができる。
【００２２】
絶縁体層１１６は、熱的に絶縁性であって、冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントの上または周辺に位置する材料の層を示す。絶縁体層１１６は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。一例として、絶縁体層１１６は、アスペンエアロゲル（ａｓｐｅｎ  ａｅｒｏｇｅｌｓ）の絶縁体のような、フォームまたはエアロゲル絶縁を用いて形成することができる。集合的に、絶縁体層１０８および１１６は、すべての、冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントを実質的に取り囲む。これは、寄生熱流束を著しく減少させるために、冷却されるコンポーネントの周囲に非常に効果的な絶縁を提供するのに役立つ。
【００２３】
１つ以上の導電トレース１１８は、冷却される集積回路チップ１０２その他のコンポーネントと１つ以上の他の回路コンポーネントとの間の電気的接続を提供する。導電トレース１１８は、導電体１１０に電気的に接続される。図１に示すように、導電体１１０はカバー１１４の下に延在するが、導電トレース１１８は延在しないので、導電トレース１１８は、熱エネルギーがカバー１１４の下を通り集積回路チップ１０２を加熱する経路とはならない。必要または所望に応じて、１つ以上の導電トレース１２０を、構造の他の部分に使用することができる。各導電トレース１１８および１２０は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。一例として、各導電トレース１１８および１２０は、銅その他の金属または導電性材料から形成することができる。
【００２４】
留意点として、導電体１１０及び導電トレース１１８を用いて任意の適切な信号を送ることができる。例えば、直流（ＤＣ）回路において、導電体１１０及び導電トレース１１８を用いて、電力又はＤＣ電気信号を送ることができる。導電体１１０及び導電トレース１１８を用いてより高い周波数の信号を送る場合、インピーダンスマッチングメカニズムが必要とされ得る。一例として、マイクロストリップとして実装される導電トレース１１８を介して高周波信号を送ることができ、カバー１１４の下を通るストリップラインにマイクロストリップを移すことができ、集積回路チップ１０２に供給する別のマイクロストリップにストリップラインを移すことができる。いくつかの実施形態では、導電体１１０は、断熱カバー１１４を配置（ｓｅａｔ）できる平面インターフェースを提供するように構成することができる。
【００２５】
コールドチップ（ｃｏｌｄ  ｔｉｐ）１２２は、カバー１１４を通過し、冷却すべき集積回路チップ１０２その他のコンポーネントと物理的に接触することができる。冷却器（例えば、クライオクーラー）は、コールドチップ１２２を冷却するように動作することができ、コールドチップは、集積回路チップ１０２から熱を取り冷却する。コールドチップ１２２は、冷却されるべき１つ以上のコンポーネントからの熱伝達を支持する、冷却される任意の適切な構造を含む。一例として、コールドチップ１２２は、クライオクーラーの一部または金属プラグを表すことができる。コールドチップ１２２は、ここでは、集積回路チップ１０２と物理的に接触するものとして示されているが、必ずしもそうである必要はないことに留意されたい。例えば、コールドチップ１２２は、集積回路チップ１０２に接触することなく、カバー１１４に物理的に接触することができる。
【００２６】
図１に示される方法は、効果的に、冷却すべき１つ以上の集積回路チップまたはモジュールの周囲にデュワーの「レプリカ（ｒｅｐｌｉｃａ）」を形成することを可能にする。デュワー状のボリュームをチップまたはモジュールの周囲に形成し、熱がそのボリュームから除去され得るようにする。ここで用いた設計のために、周囲の環境からボリューム内に漏れる熱を補償する必要がほとんど、または全くないことがある。この方法は、回路基板の凹部を有効に利用して、高品質の発泡断熱材その他の断熱材で囲まれた台（ｐｅｄｅｓｔａｌ）上にチップまたはモジュールをパッケージ化する。これにより、空間的に焦点を合わせた低サイズ、重量、および電力（ＳＷａＰ）ソリューションを用いて、冷却されたチップまたはモジュールを取り囲む、より局所化された断熱ボリュームの使用が可能になる。この方法は、アンテナアレイの複数のチャネルにわたるような、冷却すべき複数のデバイスに対して繰り返すことができる。
【００２７】
とりわけ、この方法は多くの革新的な特徴を含んでいる。これらの特徴には、少なくとも１つのチップまたはモジュールの周囲にデュワー状ボリュームを生成することを含む。また、これらの特徴は、環境からの熱がボリュームに漏れ得る界面領域が限定されたデュワー状ボリュームの使用を含むので、冷却剤は、チップまたはモジュールから放散される熱を除去する（及び、初期の常在熱を除去する）だけでよい。これらの特徴には、さらに、標準的な無線周波数（ＲＦ）伝搬構造その他の信号構造を使用して、チップまたはモジュールとの間で信号をやりとりする能力、および自然なシール面を形成して熱がボリューム内へ漏れることを防止する構造を選択する能力を含む。さらに、これらの特徴には、市販のエアロゲルその他の断熱材料およびＲＦ伝搬構造の使用、ならびに良好なインピーダンス整合を得るために電気トレースの寸法を調整する能力が含まれる。これらの特徴のいずれも、装置１００のある実施形態において、任意の適切な組み合わせで使用することができる。
【００２８】
実装に依存して、この方法は以下の利点のうち、１つ、いくつか、または全てを達成することができる。この方法は、極低温に達するために外部デュワーを使用する必要がなく、絶縁および冷却を支持するために大きな超構造物を使用する必要がない。その結果、従来の方法と比較して、ＳＷａＰを大幅に節約することができる。また、集積回路チップまたはモジュールは、カーボンナノチューブ導体（極低温で導電性であるが熱的に絶縁性である）から形成される電気的接続のためのエアロゲルその他の絶縁体およびサブマージド導体（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）のようなコンポーネントを使用して、非常に小さなフットプリントで、絶縁および極低温まで冷却することができる。この方法は、典型的な回路基板の処理または製造技術を使用して、例えば凹部を形成することができ、これは製造コストを低減するのに役立つ。さらに、この方法は、電気的接続にサブマージド導体を使用することができ、これは、環境攻撃からサブマージド導体を保護するのに役立つ。さらに、この方法は、コンパクトなパッケージングアーキテクチャを提供することができ、その結果、周囲温度で動作する回路コンポーネントなどの他の回路コンポーネントのために、十分な回路基板面積を残すことができる。
【００２９】
具体的な実施形態において、図１に示されるさまざまなコンポーネントは、多層プリント回路基板（ＰＣＢ）またはカスタム回路基板（ＣＣＢ）を使用して実装され得る。例えば、多層ＰＣＢおよびＣＣＢは、ポケット凹部を備えて製造することができ、これらの凹部は、冷却する集積回路チップ１０２その他のコンポーネントを包囲するのに十分であり得る。多層ＰＣＢおよびＣＣＢは、絶縁体層１０８および導電体１１０などのコンポーネントを含むように製造することもできる。
【００３０】
図１は、１つ以上の極低温冷却された構成要素を回路基板その他の構造から熱的に絶縁する例示的な構成１００を示す。例えば、図１のコンポーネントの相対的な大きさ、形状、および寸法は、例示のみを目的としている。また、図１の構成を任意回数反復して、任意の数の集積回路チップまたはモジュール、その他のコンポーネントに対して冷却を提供することも可能である。
【００３１】
図２と図３は、本開示による１つ以上の回路基板その他の構造上の構成要素を冷却する例示的な分散型クライオクーラアーキテクチャ２００を示す図である。以下の例では、アーキテクチャ２００は、１つ以上の回路基板上の集積回路チップまたはモジュールを冷却するために使用されるものとして説明される。しかし、同じまたは類似の方法を使用して、他のコンポーネントを冷却することができる。
【００３２】
図２に示すように、分散型クライオクーラアーキテクチャ２００は、回路基板２０２と共に使用される。回路基板２０２は、単層または多層のＰＣＢまたはＣＣＢであり得る。この例では、回路基板２０２は、複数の回路コンポーネント２０４ａ−２０４ｂを担持する。各回路コンポーネント２０４ａ−２０４ｂは、１つ以上の電気回路の任意の適切なコンポーネントを示す。回路コンポーネント２０４ａ−２０４ｂの数および構成は、例示のみを目的としていることに留意されたい。この例では、回路コンポーネント２０４ａ−２０４ｂは、冷却を必要とする回路コンポーネント２０４ａと、冷却を必要としない回路コンポーネント２０４ｂとに分割されているが、他の実施形態では、冷却を必要とする回路コンポーネント２０４ａのみを使用することができる。
【００３３】
分散型クライオクーラアーキテクチャ２００は、複数のクライオクーラー熱交換器２０６を含み、これらは流体供給／戻りライン２０８を通して供給される。熱交換器２０６は、熱交換器２０６の周囲の領域から、供給／戻りライン２０８を通って往復する流体に熱を伝達するように動作する。例えば、熱交換器２０６は、供給／戻りライン２０８から圧縮ガスを流入させて膨張させる膨張器を含むことができる。圧縮ガスの膨張は冷却効果を生じ、次にガスは再圧縮のために熱交換器２０６から引き出される。
【００３４】
熱交換器２０６の各々は、流体と熱を交換する任意の好適な構造を含む。一例として、熱交換器２０６の各々は、ジュール−トムソンクライオクーラー、パルスチューブクライオクーラー、スターリングクライオクーラー、またはギフォード−マクマホンクライオクーラーのうちの再生器またはレキュペレーター（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）を含むことができる。各供給／戻りライン２０８は、熱交換器に流体を流し、熱交換器から流す任意の適切な通路を示す。
【００３５】
熱交換器２０６の各々は、ここで、１つ以上の回路コンポーネント２０４ａを冷却するように動作する。例えば、回路コンポーネント２０４ａは、熱交換器２０６によって冷却されるキャビティ内に配置することができる。熱交換器２０６は、図１に示す方法を用いて回路コンポーネント２０４ａに物理的に接触し冷却するコールドチップ（ｃｏｌｄ  ｔｉｐ）１２２に結合することもできる。
【００３６】
また、図３に示すように、分散型クライオクーラアーキテクチャ２００は、コンプレッサ３０２および分配マニフォールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）３０４を含む。コンプレッサ３０２は、流体を圧縮し、供給／戻りライン２０８を介して熱交換器２０６に圧縮流体を供給するように構成されている。コンプレッサ３０２は、流体を圧縮するための任意の好適な構造を含む。
【００３７】
分配マニフォールド３０４は、コンプレッサ３０２からの圧縮流体を、供給／戻りライン２０８を介して複数の熱交換器２０６に供給することを可能にする。また、分配マニフォールド３０４は、流体が熱交換器２０６からコンプレッサ３０２に戻ることを可能にする。分配マニフォールド３０４は、共通の流体源から複数の位置へ流体を供給する任意の適切な構造を含む。
【００３８】
図３に示すように、分散型クライオクーラアーキテクチャ２００は、複数の回路基板２０２ａ−２０２ｎと共に使用することができる。これにより、例えば、コンプレッサ３０２および分配マニフォールド３０４を、送受信モジュールのアレイまたはアンテナアレイその他のシステムの他のコンポーネントと共に使用することができる。図３には、熱交換器２０６は、回路基板２０２ａ−２０２ｎの上または内部に存在するように示されているが、回路基板２０２ａ−２０２ｎの間にあってもよく、または代替的に回路基板２０２ａ−２０２ｎの間にあってもよいことに留意されたい。
【００３９】
分散型クライオクーラアーキテクチャ２００は、より大きな、すなわち「マクロ」なコンプレッサ３０２を、より小さな、つまり「ミクロ」のクライオジェニック膨張器と効果的に組み合わせる。各膨張器は、単一の電子コンポーネントまたは少数の電子コンポーネントのグループを冷却するために使用することができ、極低温冷却は、各冷却コンポーネントにおいて局所的に行うことができる。ミニチュア膨張器を駆動するために必要な圧縮は、マクロ・スケール・コンプレッサによってネットワーク全体に分散される。
【００４０】
単一のマクロスケール圧縮機を使用することにより、極低温システムの機械的複雑性および駆動要件を低減する。また、この方法は、室温で動作する他の電子コンポーネントと散在し得る冷却された電子回路のアレイに特に適している。従って、この方法は、効率的な極低温冷却が、コンパクトで、統合するのに便利な方法で提供されることを可能にする。
【００４１】
図２および図３は、１つ以上の回路基板その他の構造上のコンポーネントを冷却する分散型クライオクーラアーキテクチャ２００の一例を示しているが、図２および図３には、様々な変更を加えることができる。例えば、図２および図３のコンポーネントの相対的な大きさ、形状、および寸法は、例示のみを目的としている。また、分散型クライオクーラアーキテクチャ２００は、任意の数の回路基板その他の構造と共に使用することができ、各回路基板その他の構造は、任意の数の極低温膨張器を含むことができる。さらに、ここでは、冷却構成は、回路コンポーネント２０４ａを熱交換器２０６と並んでいるように示されている。しかし、冷却される回路コンポーネント２０４ａの上方に熱交換器２０６が配置されている図１に示すものと同様のもののような、他の構成を使用することもできる。
【００４２】
図４は、本開示による、１つ以上の極低温冷却された構成要素を回路基板その他の構造から熱的に絶縁する例示的な方法４００を示す。説明を容易にするために、方法４００は、図１に示される構成１００に関して説明される。しかし、この方法４００は、任意の他の適切なコンポーネントの配置および任意の適切なシステムで使用することができる。
【００４３】
図４に示すように、ステップ４０２において、サブマージド（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ）絶縁体層およびサブマージド導体層を有する構造が得られる。これは、例えば、絶縁体層１０８を有する凹部１０６と、凹部１０６内の１つ以上の導電体１１０とを有する多層ＰＣＢまたはＣＣＢを製造、購入、その他の方法で得ることを含み得る。絶縁体層１０８は、発泡体またはエアロゲル絶縁体を用いて形成することができ、導電体１１０は、（場合によっては、銅その他の金属でメッキされた端部を有する）カーボンナノチューブを用いて形成することができる。
【００４４】
ステップ４０４において、少なくとも１つの集積回路チップまたはモジュールが、サブマージド絶縁体層の上に配置され、サブマージド導体層に電気的に接続される。これは、例えば、絶縁体層１０８上に集積回路チップ１０２を挿入することを含み得る。これはまた、短絡ワイヤを集積回路チップ１０２および導電体１１０に半田付けすること、または集積回路チップ１０２を導電体１１０に直接半田付けすることを含み得る。
【００４５】
ステップ４０６において、絶縁体層を有するカバーが、集積回路チップまたはモジュールの上に取り付けられる。これは、例えば、絶縁体層１１６を有するカバー１１４を集積回路チップ１０２の上に配置し、カバー１１４を下層構造に接合することを含み得る。絶縁体層１１６は、フォームまたはエアロゲル絶縁を用いて形成することができる。カバー１１４は、導電体１１０、基板１０４、またはその他の下層（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ）コンポーネントに、任意の適切な方法で取り付けることができる。
【００４６】
クライオクーラーのコールドチップは、ステップ４０８において集積回路チップまたはモジュールと熱的に接触するように構成される。これは、例えば、カバー１１４の開口部を通してコールドチップ１２２を配置し、開口部をシールすることを含み得る。コールドチップ１２２は、カバー１１４と一体に形成することもでき、この場合、前のステップでカバー１１４が取り付けられたとき、コールドチップ１２２を集積回路チップ１０２と熱的に接触させることができる。
【００４７】
ステップ４１０において、１つ以上の外部電気的接続が、サブマージド導体層になされる。これは、例えば、基板１０４上の銅その他の導電トレース１１８を導電体１１０に結合することを含み得る。一例として、これは、導電トレース１１８と導電体１１０とをはんだ付けその他の方法で接続することを含み得る。
【００４８】
デバイスの製作は、ステップ４１２で完了する。これは、例えば、集積回路チップまたは集積回路モジュールを含むデバイスを製造する、任意の他の適切な動作を実行することを含み得る。ここで実行される操作は、製造されるデバイスのタイプに依存して変化し得る。
【００４９】
図４は、４つ以上の極低温冷却された構成要素を回路基板その他の構造から熱的に絶縁する例示的な方法４００を示す。例えば、一連のステップとして示されているが、図４の様々なステップは、オーバーラップしてもよいし、並列に行っても良いし、異なる順序で行っても良いし、または任意回数行ってもよい。また、図４は、冷却される複数のコンポーネントの同一または類似の構造を形成するために、任意回数繰り返すことができる。
【００５０】
図５は、本開示による１つ以上の回路基板その他の構造上の構成要素を冷却する分散型クライオクーラアーキテクチャを作動させる例示的な方法５００を示す。説明を容易にするために、図２および図３に示す分散型クライオクーラアーキテクチャ２００に関して方法５００を説明する。しかし、この方法５００は、任意の他の適切なコンポーネントの配置および任意の適切なシステムで使用することができる。
【００５１】
図５に示すように、ステップ５０２において、クライオクーラコンプレッサは、圧縮流体を提供するように動作する。これは、例えば、コンプレッサ３０２が、クライオクーラーで使用されるガスを圧縮するように作動することを含むことができる。ステップ５０４において、圧縮流体がマニフォールドを通して複数の熱交換器に分配される。これは、例えば、圧縮ガスが、分配マニフォールド３０４を通って、さまざまな回路基板２０２、２０２ａ−２０２ｎのさまざまな供給／戻りライン２０８へ移動することを含むことができる。
【００５２】
ステップ５０６において、圧縮された流体が熱交換器内で膨張し、冷却作用を提供する。これは、例えば、圧縮されたガスが熱交換器２０６に入ることを含み、これは、極低温復熱器または再生器を示すことができる。圧縮ガスが膨張するが、これは熱を吸収する等温過程である。
【００５３】
その結果、ステップ５０８において、近傍の回路コンポーネントが冷却される。これは、例えば、熱交換器２０６が、図１に示された方法を使用して集積回路チップ１０２その他のコンポーネントと物理的に接触し冷却する複数のコールドチップ１２２を冷却するように動作することを含むことができる。これは、ステップ５１０において、近傍の回路コンポーネントが極低温で動作することを可能にする。任意的に、ステップ５１２において、（場合によっては同じ回路基板上の）他の回路コンポーネントは非極低温温度で動作可能である。
【００５４】
図５は、１つ以上の回路基板その他の構造上のコンポーネントを冷却する分散型クライオクーラアーキテクチャを動作させるための方法５００の一例を示しているが、図５には様々な変更を加えることができる。例えば、一連のステップとして示されているが、図５の様々なステップは、オーバーラップしてもよいし、並列に行っても良いし、異なる順序で行っても良いし、または任意回数行ってもよい。
【００５５】
上述の説明は、断熱されたクライオクーラコンポーネントおよび分散型クライオクーラコンポーネントの両方の使用をしばしば説明してきたが、これらの方法のそれぞれは別々に使用することができることに留意されたい。例えば、分散型クライオクーラアーキテクチャを用いずに断熱されたクライオクーラコンポーネントを用いることができ、または断熱されたクライオクーラコンポーネントを用いずに分散型クライオクーラアーキテクチャを用いることができる。
【００５６】
この特許文献を通して使用されている特定の単語および語句の定義を示すことは有利であろう。用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」は、それらの派生形と同様に、限定を伴わない包含を意味する。用語「または」は包含的であり、および／またはを意味する。「関連する」という用語はその派生形も合わせて、含む、内部に含む、相互接続されている、含まれる、内部に含まれている、接続されている、結合している、通信可能である、協働する、インターリーブしている、並列する、隣接する、結合している、有する、特性を有する、その他の意味である。「・・・の少なくとも１つ」との用語は、項目のリストと共に使用される場合、リストされた項目の１つ以上のさまざまな組み合わせが使用されてもよく、リスト内の１つの項目のみを必要とするものであってもよいことを意味する。例えば、「Ａ、ＢおよびＣのうち少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、ならびにＡおよびＢおよびＣのいずれかの組み合わせを含む。
【００５７】
この特許文献の説明は、いずれかの要素、ステップ又は機能が、特許請求の範囲に含まれなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして読んではならない。また、これらの請求項のいずれも、「ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ」または「ｓｔｅｐ  ｆｏｒ」という言葉に機能を特定する単一の句が続かない限り、添付の特許請求の範囲または特許請求の範囲に関して、３５ＵＳＣ§１１２（ｆ）を呼び出すことを意図していない。特許請求の範囲における「機構」、「モジュール」、「装置」、「ユニット」、「構成要素」、「要素」、「部材」、「装置」、「機械」および「システム」などの用語の使用は、特許請求の範囲自体の特徴によってさらに変更または改良され、当業者に知られている構造を指すと理解され、意図されており、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）を呼び出すことを意図するものではない。
【００５８】
本開示を実施形態とそれに一般的に関連づけられた方法とに関して説明したが、これらの実施形態及び方法の変形や置き換えは当業者には明らかである。従って、この開示は上記の実施形態の説明を画定したり、限定したりするものではない。添付した特許請求の範囲に記載した本開示の範囲から逸脱せずに、その他の変更、置き換え、改変も可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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