JP2007534937A - 一体型ヒータ付きの小型流体冷却ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】一体型ヒータ及び検知部材を具備する小型流体冷却ヒートシンクを含む温度制御装置を提供することにある。
【解決手段】一体型ヒータと検知部材を具備する小型流体冷却ヒートシンクを含む温度制御装置が、テスト中に半導体素子などの電子装置に制御された温度表面を提供するシステムの一部分として使用される。温度制御装置は、装置から被測定デバイスに熱経路を提供するように構成されたインターフェース面を含む。この種の装置は、第１の平面に第１の熱伝達部を、第２平面には第２の熱伝達部を含む流体冷却ヒートシンクを具備する。第１及び第２の熱伝達部は、ヒートシンク構造内で冷媒の３次元クロスフローを確立する。他の実施の形態では、平行な流体管を含むが、それぞれの流体管は流体導内で３次元的に冷媒流路を誘導する３次元マイクロチャンネル構造を具備する。冷媒が隣接する流体管を通って逆方向に流動し、それによりヒートシンク構造内で３次元クロスフローをもたらす。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にテスト中に電子デバイスの温度を制御する温度制御装置に係り、より詳しくは、一体型ヒータと被測定電子デバイスの動作温度を一定に保つ複数の検知部材とを具備する小型流体冷却ヒートシンクに関する。

集積回路のような電子デバイスは、通常、使用に先立ってテストされる。デバイスの製造者は、通常、デバイスに欠陥がなく、その仕様に応じてデバイスが機能することを保障するために、多くの電気的及び物理的テストを行う。一般的には、デバイステストとしてはバーンインテストと電気性能テストを含む。

被測定デバイス（「ＤＵＴ」）の動作温度は、通常、注意深いモニタリング及び／または調節を要する重要なテストパラメータである。例えば、電気テスト過程では、多くの特定のテスト温度またはテスト温度の特定範囲を指定することができる。その結果、従来技術には、様々なタイプの温度制御システム、ヒートシンク部品、及び、加熱、冷却あるいはその他の方法でＤＵＴの動作温度を制御するように設計されたヒータ部材が設けられている。この種の温度制御システムは、電子テスト過程中にＤＵＴ動作温度を一定の状態に保つように設計されている。しかしながら、テスト中にＤＵＴが急激または過度な内部温度の変化を示すと、ＤＵＴの温度を調節しにくいことがある。即ち、ＤＵＴ内の電子装置がしばしばそのような内部温度の変化を引き起こす熱を発生させるのである。従来技術による構成では、ＤＵＴによって発生する急激な温度変化を効率的且つ効果的に補償することができない場合がある。

本発明の好ましい実施の形態は、一体型ヒータ及び検知部材を具備する小型流体冷却ヒートシンクを含む温度制御装置として実現されるものである。上記装置は、テスト段階中に半導体素子などの電子ＤＵＴに制御された温度面を提供する温度制御システムの一部分として使用してもよい。

本発明の一つの実施の形態の例によれば、流体冷却ヒートシンクは、複数の流入口、複数の流出口および複数の熱伝達部を具備する二つの内部冷却通路を含む。当該複数の熱伝達部は、別々の平面に配置され、複数の冷却フィンを含んでもよい。装置には、二つの一体型ヒータが配置される。一体型ヒータの位置について、複数の他の実施の形態が示され、この他の実施の形態の例によれば、温度制御装置は、ＤＵＴインターフェース面の冷却のために３次元的に冷媒のクロスフロー（cross-flow）を維持するように構成された流体冷却ヒートシンクを含む。ヒートシンク構造は、各流体管内で３次元的に冷媒流路を誘導する３次元マイクロチャンネル構造を採用することができる

以下の図面を合わせて考慮した場合、詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することにより、本発明をさらに完全に理解することが可能となる。なお、図面全体にわたり同様の構成要素には、同じ符号を付している。

本発明による温度制御装置は、温度制御装置のＤＵＴインターフェース面を冷却するために３次元的に冷媒のクロスフロー（cross-flow）を維持する流体冷却ヒートシンク構造を採用している。一つの実施の形態の例によれば、当該ヒートシンク構造は、３次元冷媒流路を確立する、少なくとも二つの層からなる熱伝達部を含む。他の実施の形態の例では、ヒートシンク構造は、流体管あるいはチャンネル（channel）内で３次元的に冷媒を強制的に流すマイクロチャンネル構造を含む。なお、他の実用的実施の形態も本発明の範囲及び思想内に含まれ得る。

一体型ヒータと検知部材とを具備する小型流体冷却ヒートシンクは、温度制御システムの一部分として使用され、テスト段階中に、制御された温度面を半導体素子などの電子装置に提供する。使用に際し、半導体素子は、上記装置、または、（例えば金属板などの）インターフェース材料あるいは領域適応ヒートスプレッダ（area−adapting heat spreader）の一方と直接接触するように配置される。使用に際し、一体型加熱部材は、自身と当該素子とを設定温度まで加熱するのに使用され、検知部材は温度を検知し、ヒートシンクを流動する冷媒は当該素子から過剰な熱を除去する。

実用的な温度制御装置は、テスト温度を−５５℃ないし１５５℃の範囲に合わせるように設計することができる。しかしながら、大半の電子デバイスは、通常−４５℃ないし１２０℃の範囲の温度にてテストされる（このような温度範囲の例は、今後変更され得、本発明は特定のテスト温度の範囲に制限されるものではない）。そして、電子デバイスのテスト仕様は、通常、過渡的温度を要求するものではない。すなわち、大半の電子テストは、実質的に一定状態の動作温度で行われる。ここで説明する装置の一つの利点は、当該装置の小さなサイズ、低い熱質量および電子加熱により、設定温度からの逸脱に対する迅速な補正が可能になるという点である。さらに、当該温度制御装置の一体性により設計を単純化させ、追加のアセンブリを要しない。一度組み立てると、熱伝導性を有する材料を使用する当該装置の単一性（monolithic nature）により、流体チャンネル（fluid channel）が熱を効率良くかつ繰り返し除去することが保障される。

図１には、ＤＵＴ１０２の温度を調節するために使用される温度制御装置１００の一実施形態に関する斜視図が示されている。ここで実施の形態の例を説明する目的上、ＤＵＴ１０２はマイクロプロセッサチップなどの電子半導体回路素子である。または、ＤＵＴ１０２は特定の温度設定で実行される一つ以上のテストにさらされている何らかの電子、機械または他の装置であってもよい。温度制御装置１００は、電源、冷媒流路制御、入力信号および場合によってはＤＵＴ１０２への他の入力を提供する適切なテストシステム（図示せず）と連携するものであってもよい。また、典型的なテストシステムは、テスト過程中にＤＵＴ１０２によって生成された多くの出力および信号をモニタする。

温度制御装置１００は、この温度制御装置１００からＤＵＴ１０２への熱経路を提供するインターフェース面または第１の面１０３において、制御された温度を提供するように設計されている。ＤＵＴ１０２は、温度制御装置１００のインターフェース面１０３に対向して、または近接して保持されることが好ましい。温度制御装置１００の内部には、複数の内部冷却通路、複数の一体型ヒータ、複数の検知部材が設けられている。インターフェース面１０３での温度を調節するために、一体型ヒータが熱を供給するためにオンの状態となり、流体は冷却するために冷却通路を流れるように誘導される。以下の図面と説明では、冷却通路と一体型ヒータ層、及びそれらの位置について述べる。

温度調節装置１００は、好適に構成された制御システム１０１によって調節すればよい。複数の検知部材は、温度制御装置１００の温度をモニタするために、また、加熱または冷却をいつすべきかを決定するために、当該制御システムへの入力を提供するように用いられる。制御システム１０１は、温度制御装置１００に収容された一体型ヒータ及び／または冷却システムへの入力信号として機能する制御信号を生成する。制御信号は、一つ以上のテスト基準、動作条件またはフィードバック信号に応じて、制御システム１０１によって生成してよい。例えば、制御システム１０１は、次のパラメータのいずれかに応じて制御信号を生成してもよい。これらパラメータは、ＤＵＴ１０２に対する現在テスト仕様に関するテスト温度設定、ＤＵＴ１０２で使用される入力信号（例えば、入力電源信号、入力電圧あるいは入力電流など）、ＤＵＴ１０２のリアルタイムの動作温度を示す信号、ＤＵＴ１０２の内部部品のリアルタイムの動作温度を示す信号（例えば半導体ダイなど）、温度制御装置１００の一部分のリアルタイムの温度を示す信号、ＤＵＴ１０２のＲＦシグネチャまたはそれらの類のものである。

温度制御装置１００を冷却するために、液体（流体：fluid）が第１の内部冷却通路１０４と第２の内部冷却通路１０６を通過する（図２参照）。流体は、水、空気、冷媒または所望の熱特性を有するいかなる他の流体物質であってもよい。第１の内部冷却通路１０４は、流入口１０８と流出口１０９とを具備している。第２の内部冷却通路１０６は、流入口１１０と流出口１１１とを具備している。図１に示すように、第１の流体（１１２Ａ）は、第１流入口１０８から流入し、当該流体（１１２Ｂ）は第１の流出口１０９から流出する。第２の流体（１１４Ａ）は、第２流入口１１０から流入し、当該第２の流体（１１４Ｂ）は、第２流出口１１１から流出する。流体は、内部通路１０４、１０６を通じて流動して温度制御装置１００を冷却する。冷媒システム（図示せず）は、流体１１２、１１４を提供してもよく、温度制御装置１００と連携して温度と流体の流動率を調節してもよい。当該冷媒システムは、流入口１０８、１１０を介して温度制御装置１００内へ流体を供給し、流出口１０９、１１１から戻ってきた流体を受け入れる。流入及び流出ポートは、好適な流体接続具（図示せず）を取り付け可能に雌ねじを有するように設計されてもよい。当該流体接続具は、温度制御装置１００と冷媒システムの間で流体を搬送する複数の流体伝達ホースまたは複数の導管を受け入れる。

図２には、温度制御装置１００の冷却部の複数層の幾つかの分解斜視図が示されている。当該冷却部は、温度制御装置１００を通り抜ける二つの冷却通路１０４、１０６を含む。それぞれの冷却通路は、流入口、流出口及び当該装置を通って連続的な流体管を形成する熱伝達部または熱伝達層を具備する。当該流入口と流出口は、設計に応じて一つ以上の層を含むことができるカバー層１１６に配置される。図２に示したカバー層１１６は、流体流路を他の複数層に誘導し、複数の流体通路のそれぞれを分離させる複数のチャンネルと複数の通路を提供する多重層１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃを具備する。冷却通路１０４、１０６を通る流体経路の流れが図２に示されている。

第１の冷却通路１０４は、カバー層１１６Ａの第１の流入口１０８から始まって、層１１６Ｂの第１の端部で流体開口１１８Ａに通じている層１１６Ｂ上の通路に開口する。層の数と第１の熱伝達部または熱伝達層の位置によっては、後続する流体開口１１８があってもよい。図示したように、層１１６Ｃには流体開口１１８Ｂが設けられ、第１の熱伝達部または熱伝達層１２２に至る層１２０には流体開口１１８Ｃが設けられている。第１の熱伝達部または熱伝達層１２２は、流体が第一の端部付近から流入し、当該層を越えて各種の開口または通路を通って第２の端部まで流動し、層１２２から排出される。熱伝達層１２２における流体の拡散を助長するために、第１の端部から第２の端部に至る複数個の流体チャンネルまたはフィン１２３があってもよい。流体チャンネルまたはフィン１２３は、材料の熱特性、流体の熱特性及び物理的特性、流体の流動率、装置の大きさなど、任意の数のパラメータに応じて特別に設計すればよい。熱伝達層１２２の第２の端部において、流体通路は、層１２０の流体開口１１９Ｃ、層１１６Ｃの流体開口１１９Ｂ、層１１６Ｂの流体開口１１９Ａまで延びて、最終的には第１の流出口１０９に通じている。

第２の冷却通路１０６は、カバー層１１６Ａの第２の流入口１１０から始まって、層１１６Ｃの流体開口１９９Ｂ付近で流体開口１２６に至る層１１６Ｃの通路に至る層１１６Ｂを貫通する通路１２４に開口している。層の数と第１の熱伝達部または熱伝達層の位置によっては、後続する流体開口１２６があってもよい。図示したように、流体開口１２６は、第２の熱伝達部または熱伝達層１２０に通じている。第２の熱伝達部または熱伝達層１２０は、流体が第１の端部付近から流入し、当該層を越えて各種の開口または通路を通って第２の端部まで流れていき、層１２０から排出されるように設計されている。熱伝達層１２０における流体の拡散を助長するために、第１の端部から第２の端部に至る複数の流体チャンネルまたはフィン１２１を有してもよい。流体チャンネルまたはフィン１２１は、材料の熱特性、流体の熱特性・物理的特性、流体の流動率、装置の大きさおよびこれらの類など、任意の数のパラメータに応じて特別に設計すればよい。熱伝達層１２０の第２の端部において、流体通路１０６は、層１１６Ｃの流体開口１２８と層１１６Ｂの流体開口１３０に通じており、第２の流出口１１１に通じている。流体は、複数の冷却通路において、いずれかの方向で流動することができるが、性能の向上のためには、流体は各通路において対向する方向に流動しなければならない。このような設計の一つの目標は、温度制御装置１００の表面温度勾配（surface temperature gradient）を低減することである。

例示した実施形態では、第１の熱伝達部１２２は第１の平面にあり、第２の熱伝達部１２０は第２の平面にあるが、第１の平面が第２の平面よりインターフェース面１０３に近接している。実際には、二つの平面は、図２に示すように互いに平行である。このような積層配置は、３次元的に冷媒のクロスフローを促進させる。図面には二つの熱伝達層が示されているが、実際に実施する際には、直接重なり合っているか、一つ以上の他の部材によって分離されているかにかかわらず任意の数の熱伝達層を採用することができる。

図示した温度制御装置１００で使用される二つの一体型ヒータとして、第１のヒータ層１３２と第２のヒータ層１３４とが設けられている。実際には、任意の数のヒータ層を使用することができる。図３ないし図５には、一体型ヒータ層が温度制御装置１００内における幾つかの位置に配置されている例が示されている。これら図面において、カバー層１１６が単一層として示されているが、前述したように多重層とすることもできる。ヒータ層１３２、１３４には、制御装置１０１に接続された外部連結部１３６を具備する基板上に蛇行状の電気抵抗トレース１３８で構成されている。基板は、シリコン、セラミックまたは他の適切な材料で構成してよい。抵抗トレース１３８は、均一な加熱を提供する、または差動制御（differential control）により選択加熱（differential heating）を提供するように構成されてもよい。適切な位置であれば、複数のヒータ層に流体通路１０４、１０６のための複数の流体開口が形成されてもよい。図３には、熱伝達層１２０、１２２が、ヒータ層１３２、１３４とカバー層１１６との間に配置されるように、ヒータ層１３２、１３４がインターフェース面１０３付近に示されている。ヒータ層１３２、１３４がカバー層１１６と熱伝達層１２０、１２２から離れて配置されているため、流体開口がヒータ層を貫通する必要がない。図４において、熱伝達層１２０、１２２はインターフェース面１０３付近に配置され、ヒータ層１３２、１３４が熱伝達層１２０、１２２とカバー層１１６との間に配置される。ヒータ層１３２、１３４がカバー層１１６と熱伝達層１２０、１２２との間に配置されるため、ヒータ層１３２、１３４を貫通する流体開口１１８、１２８は第１の端部に近接し、当該ヒータ層を貫通数する流体開口１１９、１２６は流体通路１０４、１０６の一部分として第２の端部に近接している。蛇行状の電気抵抗トレース１３８は、当該流体開口間のそれぞれのヒータ層１３２、１３４上に配置される。図５において、ヒータ層１３２がインターフェース層１０３付近に配置され、ヒータ層１３４はカバー層１１６付近に配置されている。熱伝達層１２０、１２２はヒータ層１３２、１３４の間に配置される。ヒータ層１３４は、カバー層１１６と熱伝達層１２０、１２２との間に配置されるため、ヒータ層１３４を貫通する流体開口１１８、１２８は第１の端部に近接し、当該ヒータ層を貫通する流体開口１１９、１２６は、流体通路１０４、１０６の一部として第２の端部に近接している。蛇行状の電気抵抗トレース１３８は、当該流体開口間のヒータ層１３４上に配置される。

一つ以上の検知部材が温度制御装置１００に含まれる。検知部材は、当該制御システムまたは複数のセンサ信号をモニタする他の手段に接続されている。検知部材は、温度制御装置１００において一箇所以上の位置での温度表示に使用することもできる。例えば、複数のセンサが、インターフェース面１０３の温度、ヒータ層１３２、１３４の温度（個別または複合）、流体の温度または熱伝達層の温度（別個または複合）、検出が適切な他の位置あるいは検出が所望の他の位置をモニタすることができる。

動作に際し、温度制御装置１００は、テスト段階中に、ＤＵＴ１０２に制御された温度面１０３を提供することにより、ＤＵＴ１０２の熱調整を行うことができる。ＤＵＴ１０２は、当該装置と直接当接するように配置されるか、または使用中に金属板などのインターフェース材料または領域適応ヒートスプレッダを使用する。その後、ＤＵＴ１０２は、テスト仕様に応じて要求されるような機能テストにかけられる。制御システム１０１またはテスト機器は、機能テスト中のＤＵＴ１０２の温度をモニタし、温度制御装置１００に係わる加熱部材及び冷却部材の温度を調節する。当該装置を加熱するためには、一体型ヒータ層１３２、１３４を、電力レベルを変化させて一体または別個にオン／オフし、当該装置を冷却するためには、冷却流体を、流体通路１０４、１０６に流動させる。実際の一実施形態では、各加熱部材の温度は、当該部材に印加される各電力を調整することで独立して制御される。

温度制御装置１００は、ＤＵＴに直接的な熱経路を提供することにより、当該ＤＵＴを加熱または冷却するように構成されている。図示した実施形態によれば、ＤＵＴへの熱経路は、制御された熱インターフェース面１０３から単数（または複数）のカバー層１１６までである。図３では、当該熱経路は、第１のヒータ層１３２、第２のヒータ層１３４、第１の熱伝達層１２２及び第２の熱伝達層１２０を含んでなる。図４では、当該熱経路が、第１の熱伝達層１２２、第２の熱伝達層１２０、第１のヒータ層１３２及び第２のヒータ層１３４を含んでなる。図５では、当該熱経路が、第１のヒータ層１３２、第１の熱伝達層１２２、第２の熱伝達層１２０及び第２ヒータ層１３４を含んでなる。追加的な熱経路を提供する追加構成があってもよい。

勿論、温度制御装置１００の制御された熱インターフェース面１０３の大きさと形状は、特定のＤＵＴの大きさと形状に合わせて適宜に構成してもよい。例えば、通常のマイクロプロセッサをテストするためには、当該装置の大きさを、幅１インチ、長さ２インチ、厚さ０．２５インチにしてもよい（他の大きさ及び形状も特定用途に合わせるために採用し得る）。または、熱導体からなる適宜構成された整合部材を、温度制御装置１００とＤＵＴ１０２との間に配置することができる。整合部材は、ＤＵＴの特別な物理的特性に合わせるうえで、またはＤＵＴの特定領域において加熱または冷却を集中するうえで好ましい場合がある。

前述したように、熱伝達層１２０、１２２は、流体または冷媒から、及び／または、流体または冷媒への熱伝達を増大するために構成され配列された複数の冷却フィンを含んでもよい。また、複数の平行冷却フィンが熱伝達層１２０、１２２において流体の流動経路に対して平行である。実際の実施形態によれば、それぞれの冷却フィンは、その厚さが略０．０１２インチである。さらに、隣り合う冷却フィンは、略０．０１２インチだけ離れている。または、当該熱伝達層は、好適な冷却フィン設計を採用することができるが、例えば、ヒートシンク材料の熱特性、冷媒の熱特性及び物理的特性、冷媒の流動率、熱伝達層の大きさ及びこれらの類など、任意の数のパラメータに応じて特別に設計してもよい。

電気伝導性「インク」を、基板上に蛇行状の電気抵抗トレース１３８を形成するために使用してもよい。実際の一実施形態によれば、伝導性インクは、ニッケル、タングステン、または比較的高い電気抵抗を有する他の合金を含む。当該基板がパターン化され、当該基板の表面上に伝導性インクが印刷され、当該基板が積層によってさらに複数の層に結合されてもよい。信号ワイヤまたはリード線１３６が、当該制御システムからの各ヒータ制御信号を搬送するために、各とレースに半田付けまたは他の方法で取り付けられる。電気加熱部材トレースはＤＵＴにさらされない。

温度制御装置１００を製造するために多くの方法を用いてもよい。一実施形態では、全ての層基板が「グリーン」セラミックの状態で製造され、その後、複数の流体チャンネル、複数の蛇行状の電気抵抗金属トレース、複数のセンサ、複数の接続部が複数の基板に形成されると、複数の層が単一形態の構造を形成する混燃（co−firing）によって結合される。他の実施形態では、層基板がシリコンからなり、複数の流体チャンネル、複数の蛇行状の電気抵抗金属トレース、複数のセンサ、複数の接続部が複数の基板に形成されると、複数の層が共晶接合（eutectic bonding）または他の高熱伝導性結合工程によって結合される。

図６ないし図１１には、本発明によって構成された他の温度制御装置２００の各種図面が示されている。前述した温度制御装置と同様に、装置２００は、一般にＤＵＴに熱経路を提供するように構成されたインターフェース面２０２と、インターフェース面２０２を冷却するために３次元的に冷媒のクロスフローを維持するように構成された流体冷却ヒートシンク構造と、インターフェース面２０２を加熱するように構成されたヒータアセンブリ２０６を含んでなる。

ヒータアセンブリ２０６は、装置１００に関連して前述した構成と同様に構成してもよい。ヒータアセンブリ２０６は、基板に結合された一つ以上の電気ヒータ部材を含む。図８に示すように、ヒータアセンブリ２０６は、一つ以上のヒータ制御信号を収容する複数のターミナルまたは接触地点（図面では表れていない）を含んでもよい。通常の実施では、制御信号が、ヒータアセンブリ２０６上の複数のターミナルへの経路の途中でヒートシンクの複数の孔部を介して供給される。動作に際しては、インターフェース面２０２がＤＵＴ（図示せず）に対向して保持され、ヒータアセンブリ２０６を制御してＤＵＴに印加される熱を調節し、冷媒がヒートシンク構造２０４を通過することでＤＵＴの温度を調節する。冷媒の流動率及び／または冷媒の温度は、装置２００に結合された冷媒流路制御システム（図示せず）により制御することができる。このような点から、装置２００は、冷媒の流路を収容するために当該装置に形成された、一つ以上の流体流入口２１０と一つ以上の流体流出口２１２とを含む。なお、説明の便宜上、流入口２１０と流出口２１２のための複数の流体カップリング部材は装置２００との関連では示していない。

温度制御装置２００は、図８に最も詳しく示しているように、複数の層から形成されることが好ましい。図示した実施形態は、ヒータアセンブリ２０６、第１のカバー層２１４、第１の中問層２１６、複数のマイクロチャンネル層２１８、複数の流体流入口及び複数の流体流出口が形成されている第２の中問層２２０、複数の流体流入口及び複数の流体流出口が形成されている第２のカバー層２２２とを含んでなる。当該各種層は、接合、半田付け、接着剤など、一種類以上の公知の技術を使用して一体に結合される。積層が完成した後は、第２の中問層２２０及び第２のカバー層２２２に形成された複数の流体流入口と複数の流体流出口が、流体流入口２１０及び流体流出口２１２を形成する。

温度制御装置２００の実際の実施形態では、第１のカバー層２１４が銅からなり、第１の中問層２１６がセラミック基板材料からなり、複数のマイクロチャンネル層２１８のそれぞれが銅からなり、第２の中問層２２０がセラミック基板材料からなり、第２のカバー層２２２が銅からなる。第１及び第２の中問層２１６、２２０は、ヒータアセンブリ２０６（例示の実施形態では、セラミックで形成されている）から当該銅層の熱膨張効果及び熱収縮効果を「分離」する機能を果たす。上記の層は、ヒートシンク構造２０４内の適切な複数のチャネルと複数の流動経路において冷却流体が維持されるように流体密封を形成する方式で一体に結合される。言い換えれば、（理想的には）冷却流体が複数の流体流入口２１０を介してのみ流入可能であり、複数の流体流出口２１２を介してのみ流出可能なようにヒートシンク構造２０４が形成される。

図１０を参照すれば、複数のマイクロチャンネル層２１８のそれぞれが、隣接する流体管２２６を互いに分離させる複数のリブ２２４を含む。図１０に示したマイクロチャンネル層２１８は７つのリブ２２４と８つの導管２２６を含む。各種マイクロチャンネル層２１８が一体に積層された後、リブ２２４が隣接する導管２２６の間に「壁」を形成する。実際の一実施形態によれば、複数のリブ２２４は、それぞれの幅が略０．０２０インチであり、各導管２２６は、長さが略１．８５０インチであり、（積層後の）ヒートシンク構造は、厚さが略０．１５８インチである。勿論、このような寸法は、他の用途及び他のＤＵＴの大きさに合わせるために変更可能である。

温度制御装置２００は、ヒートシンク構造２０４内に冷媒のクロスフローを確立すべく適宜構成される。例示の実施形態では、複数の流体管２２６は、同一平面な状態かつ平行な状態である。さらに、複数の流体管２２６の一つのサブセットは、当該複数の流体管２２６の他のサブセットが第２の方向に冷媒流路を収容する一方で、第１の方向に冷媒流路を収容する。第１の方向が第２の方向と逆方向であることが好ましい。図９を参照すれば、装置２００は、冷媒を特定の複数の流体流入口２１０に誘導することで、冷媒の黒合うフローを維持する。このような点から、流体流出口２１２ａないし２１２ｄのそれぞれに対応する流体流入口２１０ａないし２１０ｄは、第１の方向（図９中の上部から底部まで）に冷媒流路を収容する。逆に、流体流出口２１２ｅないしｈ２１２ｈのそれぞれに対応する流体流入口２１０ｅないし２１０ｈは、第２の方向（図９中の底部から上部まで）に冷媒流路を収容する。このような流動パターンは隣接する導管２２６において他の流動方向を引き起こす。結果として、冷媒のクロスフローは、インターフェース面２０６に対する熱勾配を低減させ、ＤＵＴのさらに効率的な温度調節をもたらす。

また、それぞれのマイクロチャンネル層２１８は、流体管２２６内に配置されている、ウェブ（web）構造、メッシュ構造、マトリクス構造、格子構造または類似の構造２２８を含む。ウェブ構造２２８としては、例えば、四角形、三角形、円形、六角形、八角形などの幾何学的パターンを採用すればよい。図１１に示すように、例示の実施形態では、ウェブ構造２２８として六角形の格子を採用する。図示した実施形態では、各マイクロチャンネル層２１８のウェブ構造は、六角形の一つの「段（level）」だけが各マイクロチャンネル層２１８に存在するように、平面または平坦な形状である。隣接する積層マイクロチャンネル層２１８のウェブ構造２２８は、ヒートシンク２０４が形成される時に、各種の流体管２２６内に配置される複数の３次元マイクロチャンネル構造のそれぞれをウェブ構造２２８が形成するように、ずらされる（スタガードされる）か、離間される（オフセットされる）。図１１には、かかる３次元マイクロチャンネル構造を形成する３つのオフセットウェブ構造２２８が示されている。

結果として得られる３次元マイクロチャンネル構造は、各流体管内で３次元的に冷媒流路を誘導するように構成される。個々のウェブ構造２２８のオフセット特性により、冷媒はウェブ構造の各段の上方または下方に縦方向に流動する一方で、３次元マイクロチャンネル構造を横方向に流動するであろう。ヒートシンク構造２０４の上部から底部まで複数の連続的な熱伝逹経路が形成されるように各ウェブ構造２２８が配列され一体に結合されてもよく、これにより熱伝達効率が改善される。

ここで図示した実施形態の例で、複数の流体管２２６とそれぞれのマイクロチャンネル構造は、互いに隣接する。（図示しない）他の実施形態では、複数の流体管の第１のサブセットが一つの層に配置され、複数の流体管の第２のサブセットは第１の層の下方に位置する第２の層に配置され、当該複数の流体管の両グループは、インターフェース面２０６の上方に配置される。冷媒クロスフローは、前述した方式及び／または複数の流体管の第１のサブセットを通る一方向と複数の流体管の第２のサブセットを通る第２の方向に冷媒を誘導することにより確立すればよい。

このような装置の積層設計では、単純に層数を変更することにより、ヒートシンクの効率性を調節する柔軟性およびヒートシンク全般での圧力降下を可能にする。このような点から、より多くの層が、熱を除去するヒートシンク効率を一層高めることになるが、これはまた、アクティブ熱制御システムに対してより良い反応時間をもたらす。また、層の追加により、冷却流体がヒートシンクを流れる時に、低い圧力降下をもたらす。低い圧力降下は、必要とされる低い冷却流体流入圧力をもたらす。これは実用化において望ましいものである。さらに、層の追加は、ヒートシンクに対して高い熱質量をもたらす。結果として、積層型のヒートシンクの設計に際し、設計者が熱効率と熱質量とのバランスを取ることを可能とすることにより、所定の用途に対して最適化した装置の迅速かつ費用対効果の高いプロビジョニングを促進する。

以上、好適な実施形態を参照し、本発明について説明した。しかしながら、前述した説明を読んだ当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、好適な実施の形態に変化と修正を加えられることが理解できるであろう。このような他の変化または修正も、特許請求の範囲に示しているような本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

被測定デバイスの温度を調節する温度制御装置の等角図である。 冷却層と通路を示す図１の温度制御装置の分解斜視図である。 冷却層に対するヒータ層の位置を示す各種の温度制御装置の分解斜視図である。 冷却層に対するヒータ層の位置を示す各種の温度制御装置の分解斜視図である。 冷却層に対するヒータ層の位置を示す各種の温度制御装置の分解斜視図である。 ＤＵＴインターフェース側を示す温度制御装置の斜視図である。 流体流入／流出側を示す図６の温度制御装置の斜視図である。 図６及び図７に示す温度制御装置の分解斜視図である。 図８に示す温度制御装置の複数の外層の内の一つの外層の上面図である。 図８に示す温度制御装置の複数の内層の内の一つの内層の上面図である。 図６及び図７に示す温度制御装置内に形成されてもよいマイクロチャンネル構造の例の模式的斜視図である。

符号の説明

１００ 温度制御装置
１０１ 制御システム
１０２ ＤＵＴ
１０３ インターフェース面
１０４ 第１の内部冷却通路
１０６ 第２の内部冷却通路
１０８ 第１の流入口
１０９ 第１の流出口
１１０ 流入口
１１１ 流出口

Claims (23)

1. 被測定デバイス（「ＤＵＴ」）に熱経路を提供するように構成されたインターフェース面と、
   第１の平面には第１の熱伝達部を、第２の平面には第２の熱伝達部を具備し、前記第１の平面は第２の平面より前記インターフェース面に近接している流体冷却ヒートシンクと、
   一つ以上の一体型ヒータアセンブリと、
   を含む温度制御装置。
2. 一つ以上の熱検知部材をさらに含む請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記第１の熱伝達部は一つ以上の流動チャンネル（flow channel）を含み、前記第２の熱伝達部は一つ以上の流動チャンネル（flow channel）を含む請求項１に記載の温度制御装置。
4. 前記第１の熱伝達部は第１の方向に流動経路（flow path）を具備し、前記第２の熱伝達部は第２の方向に流動経路（flow path）を具備する請求項１に記載の温度制御装置。
5. 前記第１の方向の流動経路は前記第２の方向の流動経路と逆方向に位置する請求項４に記載の温度制御装置。
6. 前記一つ以上の一体型ヒータアセンブリは平面型であり前記インターフェース面に平行である請求項１に記載の温度制御装置。
7. 前記一つ以上の一体型ヒータアセンブリは、基板と、前記基板上に形成された少なくとも一つの加熱部材とを含む請求項１に記載の温度制御装置。
8. 前記少なくとも一つの加熱部材は、一本以上の蛇行状の電気抵抗トレースを含む請求項７に記載の温度制御装置。
9. 前記一つ以上の一体型ヒータアセンブリのそれぞれは、独立して調節可能な電力レベルを有する請求項１に記載の温度制御装置。
10. 被測定デバイス（「ＤＵＴ」）に熱経路を提供するように構成されたインターフェース面と、
    前記インターフェース面を冷却させるために３次元的に冷媒のクロスフロー（cross-flow）を維持するように構成された流体冷却ヒートシンク構造と、
    前記インターフェース面を加熱するように構成されたヒータアセンブリと、
    を含む温度制御装置。
11. 前記流体冷却ヒートシンク構造は、
    第１の方向に冷媒流路を収容するための第１の流体管と、
    前記第１の流体管内に配置された第１の３次元マイクロチャンネル構造であって、前記第１の流体管内で３次元的に冷媒流路を誘導するように構成されている、第１の３次元マイクロチャンネル構造と、
    前記第１の方向と異なる第２の方向に冷媒流路を収容するための第２の流体管と、
    
    前記第２の流体管内に配置された第２の３次元マイクロチャンネル構造であって、前記第２の流体管内で３次元的に冷媒流路を誘導するように構成されている第２の３次元マイクロチャンネル構造と、
    を含む請求項１０に記載の温度制御装置。
12. 前記第１及び第２の流体管は同一平面にある請求項１１に記載の温度制御装置。
13. 前記第１及び第２の流体管は互いに隣接している請求項１２に記載の温度制御装置。
14. 前記第１の流体管は上記第２の流体管の上方に配置されており、
    前記第１及び第２の流体管は前記インターフェース面の上方に配置されている、請求項１１に記載の温度制御装置。
15. 前記ヒータアセンブリは、前記インターフェース面と前記流体冷却ヒートシンク構造との間に配置されている請求項１０に記載の温度制御装置。
16. 前記流体冷却ヒートシンク構造は、
    第１の層と、
    前記第１の層の下方に位置する第２の層と、
    前記流体冷却ヒートシンク構造内で冷媒流路を収容するために前記第１の層に形成された第１の複数の流動チャンネルと、
    前記流体冷却ヒートシンク構造内で冷媒流路を収容するために前記第２の層に形成された第２の複数の流動チャンネルと、
    を含む請求項１０に記載の温度制御装置。
17. 前記第１の層及び第２の層は互いに平行である請求項１６に記載の温度制御装置。
18. 前記第１の複数の流動チャンネルは、第１の方向を有する第１の流動経路を維持するように構成され、
    前記第２の複数の流動チャンネルは、前記第１の方向と異なる第２の方向を有する第２の流動経路を維持するように構成されている請求項１６に記載の温度制御装置。
19. 前記第１の流動経路は、前記第２の流動経路と逆方向に位置する請求項１８に記載の温度制御装置。
20. 被測定デバイス（「ＤＵＴ」）に熱経路を提供するように構成されたインターフェース面と、
    前記インターフェース面を冷却するために３次元的に冷媒のクロスフロー（cross-flow）を維持するように構成された流体冷却ヒートシンク構造とを含んでなり、
    前記流体冷却ヒートシンク構造は、
    第１の方向に冷媒流路を収容するための第１の流体管と、
    前記第１の流体管内に配置された第１の３次元マイクロチャンネル構造であって、前記第１の流体管内で３次元的に冷媒流路を誘導するように構成された第１の３次元マイクロチャンネル構造と、
    前記第１の方向と異なる第２の方向に冷媒流路を収容するための第２の流体管と、
    前記第２の流体管内に配置された第２の３次元マイクロチャンネル構造であって、前記第２の流体管内で３次元的に冷媒流路を誘導するように構成された第２の３次元マイクロチャンネル構造と、
    を含む温度制御装置。
21. 前記インターフェース面を加熱するように構成されたヒータアセンブリを更に含む請求項２０に記載の温度制御装置。
22. 前記第１及び第２の流体管は同一平面にある請求項２０に記載の温度制御装置。
23. 前記第１の流体管は、前記第２の流体管の上方に配置され、
    前記第１及び第２の流体管は、前記インターフェース面の上方に配置される、請求項２０に記載の温度制御装置。

Images