JP5039916B2 - 熱分散アセンブリ、熱伝達のためのシステムおよび熱制御のための方法（高出力マイクロジェット・クーラー） - Google Patents

Description

本発明は、冷却電子デバイスに関し、特に、高出力散逸デバイスの冷却能力を向上させる冷却構造およびそのような冷却構造を製造する方法に関する。

小さい冷却流体熱限度（cooling fluid thermal budget）を有する、または非常に高い平均出力フラックス（power flux）を有する電子デバイスだけでなく、高められた出力密度、動作周波数および電流漏洩を有する電子デバイスのような現代の電子デバイスは、向上された熱制御能力を提供するための改善された構造を常に必要としている。例えば、高い平均出力フラックスを有する電子デバイスにおいて、高出力のホット・スポットは、２００〜５００Ｗ／ｃｍ^２を散逸させることがある一方で、非常に高出力のホット・スポットは、５００Ｗ／ｃｍ^２以上を散逸させることがある。そのような処理条件のもとでは、ヒート・スプレッダ、ヒート・シンク、および関連した熱排除装置のような従来の熱制御技術は、出力フラックスを増大させ、冷却軸に沿って高い熱勾配を生じるので望ましくない。

これらの高い熱勾配と関連した問題に対処するため、循環流体を有する単相高速強制対流（single-phasefast-forced convection）または２相蒸発（2-phase evaporation）あるいはその両方に基づくデバイスがこの技術に導入されている。これらのタイプの冷却デバイスは通常、１つの本体を含んでおり、この本体は、目標表面に衝突する多数の液体ジェットを、使われた流体を冷却デバイス本体と目標表面との間から除去するための側方ドレインと共に有する。このように、流体ジェットの配列の高い運動エネルギーは、特にジェットが衝突する位置において、目標の高い冷却率を可能にするために、表面近傍に流体を供給する。しかしながら、この高い加熱／冷却伝達率は、衝突されている表面領域の直下にない表面の領域において急速に減少し、このことが、目標の不均一な冷却につながる。また、側方ドレインは、ジェット配列の周辺部において最大速度を有する流体ジェットから離れて、使われた流体を放射状の流れパターンで取り去り、従って、高出力フラックス状況にとっては不十分である。

現行の流体ジェット配列も、高い流体流量を必要とし、このことが今度は、クーラー上での圧力降下の望ましくない増大という結果になる。知られている循環冷却流体の解決策には、流体漏洩およびシステムへの機械的損傷を防止するための最高動作圧力を下げるということもある。一般に流体速度の増大は冷却能力を増大させるので、従来の冷却デバイスにおける、４００Ｗ／ｃｍ^２以上のような流体速度の増大は、デバイスの圧力限界を越える高い動作圧力を生じるので有害であろう。従って、高出力フラックス状況を有する今日の電子デバイスを動作させるために必要とされる圧力降下は、従来の冷却デバイスの拡張性を制限する。

従って、高出力フラックスを有する部品を冷却／加熱するための流体ジェット配列の熱伝達率を最大にすると同時に、冷却アセンブリにおける流体圧力降下を制御する、改善された熱アセンブリ、およびそのようなアセンブリを製造する方法の必要性が引き続き存在している。

従って、先行技術の問題および不備を念頭に置いて、高出力フラックス状況において使用するための増大された冷却能力を有する、最適化された熱流体アセンブリ、およびそのようなアセンブリを製造する方法を提供することが本発明の目的である。

熱伝達率を最大化すると同時に、低い圧力降下を可能にする熱流体アセンブリ、およびそのようなアセンブリを製造する方法を提供することが本発明の別の目的である。

本発明の別の目的は、冷却されている発熱体の表面の形状およびサイズに依存しない均一な熱伝達率能力を有する熱流体アセンブリ、およびそのようなアセンブリを製造する方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、一貫していて、信頼性があり、時間効率が良くかつ費用効果が高い熱流体アセンブリ、およびそのようなアセンブリを製造する方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、１０ｐｓｉｇ（パウンズ・パー・スクウェア・インチ、ゲージ）以下の総内部液体圧力降下で約４００Ｗ／ｃｍ^２以上の速度で冷却できる熱流体アセンブリ、およびそのようなアセンブリを製造する方法を提供することである。

本発明のさらに他の目的および利点は、本明細書から明らかになるであろう。

当業者にとり明白になるであろう上記およびその他の目的は、基板の熱制御のための熱分散アセンブリに関する本発明により達成される。本発明の熱分散アセンブリは、その露出表面領域上にある所定の表面形状構成を有するプレート、およびプレートに取り付けられたマニホールドを含む。マニホールドは、マイクロジェット配列および分散ドレインを有する。マニホールドとプレートの露出表面領域および表面形状構成との間にキャビティがある。マイクロジェット配列は流体を放出し、それによって、所定の表面形状構成は、キャビティ内、特にキャビティの壁面ジェット領域（wall jet region）内で、流体の速度減衰を遅延させ、それによって、アセンブリの熱制御を向上させる。

本発明のこの態様において、マニホールドおよびプレートは、共存できる熱膨張係数を有する材料で作ることができる。プレートおよび表面形状構成は、一体構造のワンピース構造であっても、あるいは、互いに取り付けられた共存できる熱膨張係数を有する材料で作られた２つの別個の部品であってもよい。プレートは冷却プレートであっても加熱プレートであってもよく、本開示の以下のテキストは、主としてこのデバイスの記述を簡略にするために、このデバイスの冷却の態様にもっぱら言及するが、同じデバイスの詳細が加熱の場合の問題にも当てはまることが理解される。マニホールドは、完全に封入された熱分散アセンブリを提供するために、プレートに取り付けることができる。発熱部品も、その温度を制御するためにプレートに取り付けることができる。本発明においては、衝突流体ジェット速度にさらされるプレートの所定の表面形状構成の表面領域が多くなるほど、アセンブリの熱制御の率が高くなる。また、所定の表面形状構成がプレートの露出表面領域上で、マイクロジェット配列から放出された流体により作り出された循環パターンの破壊をこれらの表面形状構成が回避するような位置にあることが肝要である。

マニホールドは、好ましくは、複数のセルを含み、各セルは、実質的にその中心にマイクロジェットおよび分散ドレイン・ネットワークを有する。所定の表面形状構成は、マイクロジェット配列から放出された流体を妨害しないように、複数のセルに対応する構成も有する。本発明によれば、プレートの所定の表面形状構成は、マニホールドの個々のセルと整合された複数の円形キャビティ、内方に突き出たフィンを備える円形キャビティ、複数のフィン・パターン、さらには所望の仕様を満たすためにそれらの組み合わせを含み得る。

別の態様において、本発明は、熱伝達のためのシステムに関する。このシステムは、調整を必要とする温度を有する基板、および基板に取り付けられた冷却プレートを有する。冷却プレートは、所定の表面形状構成を備える露出表面領域を有する。マニホールドが冷却プレートに取り付けられており、それによって、マニホールドは、マイクロジェット配列および分散ドレインを有する。マニホールドと冷却プレートの露出表面領域との間にキャビティがあり、それによってマイクロジェット配列は、そのような露出表面領域と接触させるために流体をキャビティ中に放出する。表面形状構成は、流体の速度減衰を遅延し、それにより、冷却プレートの熱制御を向上させる。冷却プレートの熱制御を向上させることにより、基板の温度も制御される。

さらに別の態様において、本発明は、温度を熱的に制御する方法に関する。所定の表面形状構成をその露出表面領域上に有するプレートが、分散ドレインおよび流体を放出するための複数のマイクロジェットを有するマニホールドと共に設けられる。プレートは、表面形状構成がマイクロジェットとの整合を避け、それによりマイクロジェットから放出される衝突ジェット流を妨げないように、マニホールドに取り付けられる。マイクロジェットから流体が放出されると、流体は、表面形状構成により包囲される露出表面領域の位置においてプレートと接触する。その際、所定の表面形状構成は、アセンブリの熱制御を向上するために流体の速度減衰を遅延するために流体が露出表面領域と接触するこれらの位置において、流体の速度分配を維持する。どのような使用済み流体も、分散ドレインを介して除去される。

マニホールドおよびプレートは、好ましくは、両立できる熱膨張係数を有する材料を含み、それにより、プレート上の様々な異なる温度を制御するためにプレートの露出表面領域全体にわたり様々な異なる所定の表面形状構成が存在し得る。放出された流体は、冷却流体か加熱流体であり得る。マニホールドは、マイクロジェットを各セルの実質的に中心に有する複数のセルも含み得る。プレートの表面形状構成は、マイクロジェット配列から放出された流体をこれらの表面形状構成が妨げないように、マニホールド内のそのようなセルのデザインと相関関係にある構成を有する。さらにまた、所定の表面形状構成は、マニホールドの個々のセルと整合された複数の円形キャビティ、セルと整合された内方に突き出た複数の円形キャビティ、複数のフィン・パターン、さらには所望の仕様を満たすためにそれらの組み合わせを含み得る。マニホールドは、複数のセル分布とほぼ一致するドレイン穴を有する分散ドレインも含む。

新規であると考えられる本発明の特徴および本発明に特有な要素は、添付の特許請求の範囲において詳細に述べられている。図は説明目的にすぎず、縮尺通りに描かれてはいない。しかしながら、本発明自体は、構成および動作方法双方に関して、添付図面と共に解釈される以下の詳細な説明を参照することにより最もよく理解され得る。

本発明の好ましい実施形態を説明するにあたり、本明細書においては、図面の図１〜７が参照され、図中で、同じ番号は本発明の同じ特徴を示す。

本発明は、システム動作圧力を比例して増大させることなく、単相マイクロジェット配列クーラーの冷却能力を増大させるための方法および構造に関する。所与の動作圧力のためより高い冷却能力は、より低い動作温度で機能する冷却アセンブリという結果になり、このことが今度は、アセンブリの信頼性または性能あるいはその両方を高めることになる。本発明によれば、マニホールドがプレートの表面に取り付けられており、このプレートは、そのような表面（露出表面）全体にわたって存在する表面形状構成を有している。表面形状構成により包囲された位置においてプレート表面に流体ジェット流が衝突すると、そのような表面形状構成は、そのような衝突流体の速度減衰を有利に遅延させてプレートの熱制御を向上させる。

図１のＡとＢを参照すると、熱制御を必要とする半導体チップのような発熱部品１０が、熱ペーストまたははんだ１５を介して熱伝達部品（以下、冷却プレート２０と呼ぶ）に取り付けられている。冷却プレート２０の温度が制御され、これにより今度は、液体衝突マニホールド３０を用いて発熱部品１０の温度が制御される。どのようなタイプのマニホールド装置でも、そのようなマニホールドが、熱制御を必要とする表面上への衝突液体を噴出するためのマイクロジェット配列、およびマニホールドと衝突表面との間の使用済み液体を除去するための、以下バイア・ドレイン３６と呼ばれるドレイン穴の配列から成る分散ドレインを有する限り、本発明に従って使用できることが認識および理解されるべきである。

本発明の理解を容易にするため、そして本発明をどのようにも限定することなく、好ましい液体衝突マニホールド３０は、目標表面と直交する方向にマニホールドの厚みを貫通する流体マイクロジェット３４の配列を含んでいる。バイア・ドレイン（分散ドレイン）３６のネットワークも、目標表面と直交し流体マイクロジェット配列と平行な方向にマニホールドの厚みを貫通する。流体マイクロジェット３４の配列およびバイア・ドレイン３６のネットワークは、マニホールド本体内の多数の所定のミリメートル未満の冷却セル３２に設計および構成され、各流体マイクロジェット３４は、少なくとも３つのバイア・ドレイン３６、好ましくは４つのバイア・ドレイン３６、あるいはそれ以上のバイア・ドレイン３６により包囲されている。従って、これらの冷却セル３２は、少なくとも３つの頂点を有し、それにより、１つのドレイン３６が各頂点に置かれ、単一のマイクロジェット３４が、実質的に冷却セル３２の中心に配置される。好ましくは、流体マイクロジェット配列および分散ドレイン・ネットワークは、マニホールド全体を通して実質的に同じ密度分布を有する。

冷却セルが、各種のサイズおよび正方形、三角形等を含むがこれらに限定されない有限の幾何学的形状を有し得ることが認識および理解されるべきである。例えば、図２のＢを参照すると、冷却セル３２は、正方形セルの配列に作ることができ、それによって、各正方形冷却セルは、流体マイクロジェット３４を実質的に、４つのバイア・ドレイン３６により包囲されたその中心に含む。この態様においては、正方形冷却セル内の流体マイクロジェットは、１つのバイア・ドレイン全体の処理パワーにより包囲されている（すなわち、各頂点において１つのドレインが１／４の処理パワーを有する４つの頂点は、１つのドレイン全体の処理パワーをセルに供給する）。代わりに、冷却セルは、三角形セルの配列に形成してもよく（図示せず）、それによって、個々のドレインは、流体マイクロジェットが１つのバイア・ドレインの１／２のパワーにより包囲されるように、三角形セルの間で６分の１に分割される。１つの正方形冷却セルは、所与のセル内の各流体マイクロジェットのための１つのバイア・ドレイン全体を有するので、このタイプの構成は、冷却セルあたり半分のバイア・ドレインを有する三角形冷却セル配置と比較して好ましく、従って、この冷却セルは、動作およびデザイン条件の所与のセットについてより低い圧力降下も有する。

上記のデザインは冷却セルの２つの構成にすぎないが、冷却セルは、様々な他の均一形状または不均一形状あるいはその両方ならびにサイズで単一のマニホールド内に配置できることが認識されるべきである。様々な形状およびサイズの冷却セルを組み合わせることの利点は、小さいセルを有する領域における高い熱伝達率から比較的大きいセルを有する領域におけるより低い熱伝達率まで変化する冷却フラックス能力をマニホールドに提供できることである。これにより、冷却されるべき目標表面の予想される冷却散逸分布と一致する冷却能力を備えるマニホールドの形成が可能になり、それによって、発熱部品を冷却するために必要とされる総流体流れを最小限にすることができ有利である。例えば、多様な形状およびサイズの局所冷却セルの組み合わせの不均一パターンを有するマニホールドは、局所的なホット・スポットを有する高出力チップの冷却に特に有用である。

どのような冷却セル構成においても、隣接するマイクロジェット３４間の距離と比較して、バイア・ドレイン３６が所与の冷却セル３２内の所与の流体マイクロジェット３４により近く位置することが肝要である。従って、隣接する冷却セル３２内の隣接する流体マイクロジェット３４間のどのような相互作用も効果的に分断され、局所冷却セル間の望ましくない側方ドレイン流は、実質的にまたは完全に除去される。マニホールド３０は、キャビティ３５がマニホールド３０と冷却プレート２０との間に形成されるように、冷却プレート２０に取り付けられる。マニホールドの熱的性能を最大にするため、マニホールドは、好ましくは、約３〜約４無次元単位の無次元最小流入口マイクロジェット・ピッチ（すなわち、２つの隣接する流入口マイクロジェットの最低ピッチとマイクロジェット水力直径の比）、および約２〜約３無次元単位の無次元ギャップ高さ（すなわち、キャビティ高さとマイクロジェット水力直径の比）で形成される。マイクロジェット直下のキャビティ３５内の最大高さは、ギャップ高さと呼ばれる。

図面を参照すると、取り付け手段２５により、発熱部品１０の熱制御のための冷却プレート２０にマニホールド３０が取り付けられている。取り付け手段２５は、ギャップ高さを所望の最適レベルに設定および制御するための方法を提供する。取り付け手段２５は、金属、プラスチック、またはセラミックで作ることができ、接着剤、ペースト、はんだ等、さらにはそれらの組み合わせのような任意の手段により、マニホールド３０および冷却プレート２０に取り付けることができる。代わりに、取り付け手段２５は、マニホールド３０か冷却プレート２０の一体化部分であってもよく、こうして組み立てステップ数が低減される。

ギャップ高さを制御する別の方法は、取り付け手段２５として適切なサイズのスペーサを内部に有する接着剤、はんだ、またはペーストを用いることである。マニホールド３０は、低い固有熱伝導率、および冷却プレート２０のＴＣＥ（熱膨張係数）と密接に一致するＴＣＥを有する材料を用いるＭＬＣ（多層セラミック）処理により形成される。例えば、マニホールド３０は、ガラス・セラミック材料、シリコン、Ｉｎｖａｒ（Ｒ）、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ｎｉ等、ポリマーおよびプラスチックさらにはそれらの組み合わせで作られ得る。冷却プレート２０のＴＣＥに一致する材料が好ましい。なぜならば、特にマニホールドが完全に封止されたモジュールである場合、すなわち、マニホールド３０がアセンブリのキャビティ３５を完全に封入する場合に、そのような材料はマニホールド３０と冷却プレート２０との間の直接封止を容易にするからである。好ましい実施形態において、冷却プレート２０がシリコンプレートを含む一方で、マニホールドは、好ましくは約２Ｗ／ｍＫの低い固有熱伝導率、およびシリコンのＴＣＥに密接に一致するＴＣＥ、すなわち約３．０×１０^−６Ｋ^−１を有するガラス・セラミック材料を含む。

図２のＡとＢを参照すると、マニホールド３０が冷却プレート２０に取り付けられる場合、流体マイクロジェット３４は、冷却流体をマニホールドの頂部表面から冷却プレートの目標表面と直交する流入速度で供給する。冷却流体は、マイクロジェットを出て目標表面に接触して、そのような表面を所定の冷却レート分布で冷却する。次にドレイン３６のネットワークは、使われた冷却流体を冷却プレート２０目標表面のすぐ上方のキャビティ３５から、同じく目標表面と直交する流出速度で除去する。その際に、ドレイン３６は、使われた流体をマニホールドの底部表面から取り込み、使われた流体をマニホールド３０頂部表面に移動させる。必要に応じて、マニホールドには、全体のドレイン流れのわずかな部分を除去するために側方ドレイン流れ（図示せず）を設けてもよく、これは、アセンブリをパージするためまたはどのような望ましくない破片、気泡、もしくはその他の異物も除去するためあるいはその両方を行うために特に有用なことがある。

図２のＡとＢの熱冷却アセンブリにおいて、冷却プレート２０は、実質的に平坦な表面領域を有する。このアセンブリにおいては、流体がマイクロジェット３４から平面冷却プレート２０の目標表面上に噴出されると、表面上での流体の衝突により、よどみゾーンが作り出され、そのよどみゾーンでは、流体が、衝突表面を基準として方向を垂直から水平に変え、こうして薄い壁面ジェット（wall jet）を作り出す。壁面ジェットにおいて、流体の速度は、流体が目標表面に直接衝突する位置の周辺上の境界層の上方で最も高い。流体がこの位置から分散または拡散すると、貫流する増大する流動領域を流体の所与の流量が見いだすにつれて、流体速度は連続的に減少する。この領域は、壁面ジェット速度ベクトルに垂直であり、ジェット中心線への距離に比例して増大する。熱境界層厚さも増大するので、衝突位置から離れれば離れるほど、流体速度が低くなり、局所的熱伝達率が低くなる。従って、流体ジェットのすぐ下の衝突領域における熱伝達率は非常に高い一方で、この熱伝達率は、ジェット中心線から離れるにつれて指数関数的に減衰する。指数関数的な熱伝達率減衰は、増大する流れ領域および壁面摩擦の組み合わせにより引き起こされ、ジェットの中心からジェット直径の約０．７５〜１．０倍離れると始まる。

図１と図２の実施形態は、従来技術と比較して、優れた冷却能力をもたらす一方で、所定の特別に配置された表面形状構成をその露出表面であるところの目標表面領域に工夫を有する修正型（変形型）冷却プレート２０’（図３）を設けることにより、所与の最大動作圧力においてアセンブリの冷却能力をいっそう最大化できることが見いだされている。これらの所定の表面形状構成は、修正型冷却プレート２０’の目標表面に流体ジェットが衝突する位置において流体速度を維持する。流体速度を維持することにより、そのような流体速度の減衰が遅延され、このことが今度は、熱冷却アセンブリ全体の冷却能力を最終的に向上させる。また、表面形状構成は、噴出された流体との接触のための修正型冷却プレート２０’の表面積を増大させ、このことも冷却速度を増大させることにより冷却能力を向上させる。そのようなアセンブリは、図３に示してある。例えば、所定の、特別に配置された表面形状構成を有する修正型冷却プレート２０’は、平面冷却プレート２０（図１のＡ）の目標表面アセンブリの冷却能力の約２倍、さらには３倍までの最大冷却能力を有し得る。

本発明の１つの態様において、本修正型冷却プレート２０’は、出発プレート材料の単一片から形成される。出発プレート材料が準備され、次に所定のパターンが出発プレート表面上に設けられる。出発プレートは、好ましくはシリコン基板である。プレート表面上に設けられた所定のパターンは、結果として生じる冷却プレート２０’上に形成される所望の表面形状構成パターンと相関関係にある。従来のフォトリソグラフィ技術を用いて、パターンが出発プレート中に、熱冷却アセンブリの冷却能力を最大化するための所望の表面形状構成を形成するのに十分な深さにエッチングされる。このように、結果として生じる冷却プレートは、一体型のワンピース構造である。

例えば、出発プレート材料が約７００ミクロンの厚さであれば、エッチング深さ＋取り付け手段２５の厚さが所望のギャップ高さとほぼ一致するという条件で、パターンは、出発プレート材料中に、約１００ミクロン〜約２００ミクロンの深さ、さらにはそれ以上の深さでエッチングできる。当初の出発プレート基板厚さおよび結果として生じる修正型冷却プレート２０’の最終用途（すなわち、半導体部品を冷却／加熱するための熱的要件）に応じて、所定の表面形状構成を、出発基板内の様々な深さに形成できることが認識されるべきである。これらの深さは、マイクロジェット流出口から表面形状構成内の目標表面２４までの距離、噴出流体圧力、冷却されているデバイスの加熱／冷却要件等を含むがこれらに限定されない多くの熱制御処理条件にも依存する。

別の態様において、本修正型冷却プレートは、ツーピース構造とすることができる。本発明のこの実施形態において、所望の厚さを有する出発プレート層を準備することができ、次に、出発プレート層上にある熱伝導性の第２の層中に表面形状構成が形成される。出発プレート層および第２の層は、同じ材料であってもよく、あるいはそれらの層は、共存できる熱膨張係数を有する異なる材料であってもよい。例えば、熱伝導性の出発プレートおよび第２の層としては、シリコン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、金属複合材等が含まれるが、それらに限定されない。

熱伝導性の第２の層を、出発プレート層上に直接設け、続いて、第２の層中に形成されるべき所望の表面形状構成パターンと相関関係にある所定のパターンを第２の層上に設けることができる。パターンは、第２の層中に、所望の表面形状構成を形成するのに十分な深さにエッチングされる。代わりに、これらの所望の表面形状構成は、第２の層をプレート層に取り付ける前に、第２の層中に形成できる。パターン形成された第２の層がひとたび形成されると、この第２の層は、プレート層に取り付けられ、修正型冷却プレート２０’を結果として形成する。さらにまた、当初の出発プレート基板および第２のプレート厚さ、ならびに結果として得られる修正型冷却プレート２０’の最終用途（すなわち、半導体部品を冷却／加熱するための熱的要件）に応じて、所定の表面形状構成は、様々な高さに形成され得る。これらの高さは、マイクロジェット流出口から表面形状構成内の目標表面２４までの距離、噴出流体圧力、冷却されているデバイスの加熱／冷却要件を含むがこれらに限定されない多くの熱制御処理条件にも依存する。

図３に参照されるように、本発明のワンピース型アセンブリ、または本発明のツーピース型アセンブリのどちらにおいても、冷却プレート表面２４’上の表面形状構成が流体ジェット下の流体熱境界層を破壊しないと同時に流体壁熱交換効率を増大させるように、冷却プレート２０’の位置に所定の表面形状構成が形成されること、または設けられることが肝要である。その際に、表面形状構成は、キャビティの壁面ジェット領域内の流体の速度減衰を遅延する。圧力降下における同等の比例した増加なしで各表面形状構成パターンが冷却アセンブリの熱的性能を増大させる限り、多種多様な表面形状構成パターンを冷却プレート表面上に形成できる。本修正型冷却プレート２０’と関連した最小圧力降下があり得る一方で、そのような圧力降下は、もしあれば、冷却プレート目標表面上の流体循環経路を保つ修正型冷却プレート２０’の付加された表面領域のため、問題にならない。付加された表面領域が表面形状構成パターン高さと比例し、結果として熱的性能の向上を伴う一方で、この付加的な領域は、キャビティ３５内の圧力降下も増大させる。最小の圧力降下増大を伴う最適デザインは、表面形状構成平面パターンの関数である表面形状構成高さを必要とする。その理由は、これらのパターンのいくつかは、もしそれらが垂直に十分なギャップ高さサイズを有すれば、適切に機能しないからである。好ましい表面形状構成パターン・デザインは、もし規定された圧力降下限度によって１００％高さが実現可能でなければ、ギャップ高さの３０％以上、ただし８０％以下のパターン高さを有する。

図４のＡとＢを参照すると、出発基板に、基板表面全体にわたり円形キャビティ２１’の多数の所定の表面形状構成を設けることができる。各円形キャビティ２１’は、熱マニホールド３０中にある冷却セル３２の数と同数の円形キャビティ２１’が冷却プレート基板に設けられるように、個別の冷却セル３２に対応する位置に形成される。円形キャビティ２１’は、マニホールド３０を修正型冷却プレート２０’に取り付けた時に各冷却セル３２が単一の円形キャビティ２１’と整合されるように、マニホールドの分散ドレイン・ネットワークおよびマイクロジェット配列のデザイン・パラメータを用いて、修正型冷却プレート２０’に形成される。円形キャビティ２１’は、冷却セル３２の実質的に中心にあり、冷却セル３２の単一のマイクロジェット３４は、円形キャビティ２１’の実質的に中心にある。

作動時、流体はマイクロジェット３４から噴出され、円形キャビティ２１’内の冷却プレート表面２４’に直接衝突する。接触すると、流体が円形キャビティ２１’内の冷却プレート表面２４’に接触する場所において流体熱境界層および流体速度が実質的に維持されるように、流体は円形キャビティ２１’内で循環し、壁面ジェットが発達する際にそれに続く熱境界層拡張を伴い、その後、円形キャビティ２１’を画定する垂直壁の基部において流体速度方向の急な変化により再び低減される。流体がキャビティ側壁上を移動する際に、壁面ジェット速度ベクトルに垂直な領域のさらなる拡張はもはやなく、従って、壁面ジェット減衰は、流れ領域変化によりもはや加速されず、それゆえ、平らな冷却プレート２０のケースにおけるよりも高い有利な熱伝達率を維持する。上方流体流れも、到来する流体ジェットにより発生される流体循環を向上させる。有利には、表面形状構成内の流体循環を維持することにより、アセンブリにおけるどのような圧力降下増大も最小限にされる一方で、流体混合が増大させられ、加熱された表面との熱交換が促進される。流体が連続的に噴出される際に、さらなる冷却のために修正型冷却プレート２０’の最上表面２２’上まで拡がる円形キャビティ内に流体渦が形成され、最終的にドレイン３６によりアセンブリから排出される。円形キャビティ２１’の表面形状構成は、表面領域を冷却プレート２０に加え、従って、増大させられた表面領域は、流体衝突位置において維持される流体速度と共同して、熱的性能を最大限にするために熱伝達係数を大きく増大させると同時に、熱冷却アセンブリ内の熱フラックス分布を制御する。

別のやり方として、図５のＡとＢに示されるように、円形キャビティ２１’は、内方に突き出たフィン２３’と共に形成できる。冷却プレート２０’の、内方に突き出たフィン２３’を備えるこれらの円形キャビティ２１’は、そのようなパターンを用いて出発基板をパターン形成およびエッチングすることにより、従来のフォトリソグラフィ手法を用いて形成できる。フィン２３’は、円形キャビティ２１’内で流体循環を維持するのに十分な量だけ円形キャビティ２１’中に延びていると同時に、アセンブリの熱伝達係数をなおいっそう増大させるために、流体流れと接触するための露出された冷却プレート２０’表面領域を増大させる。好ましくは、フィン２３’は、流体が冷却プレート２０’の目標表面２４’に衝突する予定の位置にはない。例えば、フィン２３’は、衝突流体が冷却プレート２０’の目標表面２４’と接触することになる所の円周からマイクロジェット３４直径の約１／２の距離まで円形キャビティ２１’内に延びることができる。すなわち、マイクロジェット３４が測定可能な直径を有する場合、フィン２３’は、流体が冷却プレート表面に衝突することになる中心位置でもある円形キャビティ２１’の中心から、全ジェット直径の約１倍の距離まで円形キャビティ２１内に延びることができる。その際に、アセンブリ内のどのような圧力降下も最小に保たれるように、フィンを有する円形キャビティ２１’内の流体循環は破壊されない。さらに、フィン２３’は、このフィンが、壁面ジェット速度ベクトルに垂直な領域をほぼ一定かつフィンの（壁面ジェット流れベクトルを基準にして）前端の近くの領域と等しく保つように調節でき、再び熱伝達率における壁面ジェットの指数関数的減衰を遅延させ、ジェットまわりの流体循環パターンを保存することができる。従って、フィン２３’は、高温表面と流体渦との間の付加的な熱伝達を促進する。なぜならば、流体渦高速度区間は、フィン２３’によって囲まれた容積を通って流れるからである。

図６のＡとＢを参照すると、複数のパターン形成されたフィン構造２３’だけの所定の表面形状構成を有する本発明の別の修正型冷却プレート２０’が示してある。再度、これらのフィン構造２３’は、本発明の修正型冷却プレート２０を提供するために既知のフォトリソグラフィ手法を用いて基板内に形成される。フィン２３’は好ましくは、衝突する流体のジェット流が冷却プレート表面２４’と接触することになる場所に延びておらず、従って、流体ジェット下の流体熱境界層を破壊しない。好ましくは、フィン・パターン内の各フィン２３’は、修正型冷却プレート２０’の表面２４’に流体が衝突することになる場所の中心位置でもある冷却セル３２の中心から、マイクロジェット直径の少なくとも０．７５倍離れている。再度、フィン２３’間の間隔がジェット中心への距離の関数として流れ領域をほぼ一定に保てば、フィン２３’の平面形状が最適である。円形キャビティ２１’の実施形態のフィン・パターンと同じように、フィン・パターンは、圧力降下における同等の比例した増加なしに、流体ジェットが目標表面２４’に衝突する位置において流体速度を維持し、それによって、熱冷却アセンブリの冷却能力を向上させる。フィン２３’だけの表面形状構成は、冷却プレート２０’の露出表面領域をいっそう増大させ、それによって、フィン２３’を有さない実施形態と比較してアセンブリ内の熱伝達能力をいっそう最大化する。

本発明の修正型冷却プレート２０’がいったん製造されると、冷却プレート２０’は、マニホールド３０に永続的に、または非永続的に取り付けられて、単一のマニホールド−クーラー・アセンブリを形成する。すなわち、修正型冷却プレート２０’は、流れ分布システムの一合体部分である。冷却プレート２０’は、そのすべての縁端において熱マニホールド３０に取り付けて、完全に密閉されたマニホールド−クーラー・アセンブリを形成することができ、あるいは、アセンブリ内の導入された他の処理ラインのために開口部またはギャップがアセンブリ内にあってもよい。次に、マニホールド−クーラー・アセンブリ（修正型冷却プレート２０’、熱マニホールド３０、および取り付け手段２５）は、発熱部品１０（例えば、半導体チップ）の熱的条件を監視および制御するために、取り付け手段１５を介して発熱部品１０に取り付けられる。

従って、修正型冷却プレート２０’を有する本熱アセンブリは、熱システムの信頼性および熱的性能双方を最大化する。例えば、以下の一覧表は、本発明の様々な所定の表面形状構成を有する多くの異なる修正型冷却プレート（すなわち、セル・デザインＡ〜Ｊ３）の熱的性能を例示しており、これらの所定の表面形状構成は、噴射されたジェット流体を、マニホールドの冷却セルと関連した表面形状構成領域の中心においてそのような流体が冷却プレート表面と接触する領域上で維持して、アセンブリの冷却能力を向上させる。これらのデザインは、所定の表面形状構成に応じて、噴射流体にさらされる様々な量の冷却プレート表面領域も有する。以下の一覧表は、平面表面を有する平面基準冷却プレート（「Ｒｅｆ−１およびＲｅｆ−２」）の熱的性能も示す。

上記の表において、用語Ｖ_ｊｅｔは、平均ジェット速度と呼ばれ、用語ｈ_ｅｑは、基準として平坦なプレートの規準面積を用いるに相当する熱伝達係数である。

上記に例示されるように、その表面上に表面形状構成を有する本発明の冷却プレートは、平面基準冷却プレートの熱伝達係数および冷却能力の最高約５倍高い最大化された熱伝達係数および冷却能力を有し得ると一方で、図７の図表に示されるように、最小の圧力降下を考慮することができ、好ましくは、Ｒｅｆ−１およびＲｅｆ−２デザインのような平面表面を備えるクーラーにおける圧力降下と比べて、圧力降下増大を１０ｋＰａ〜１５ｋＰａ以下に保つことができる。本熱アセンブリは、標準ＩＣ製品では約４００Ｗ／ｃｍ^２冷却を越えるように適合させることができ、薄型ＩＣでは約８５０Ｗ／ｃｍ^２以上をもたらすように適合させることができる。

本発明の熱分散システムを試験するため、表面形状構成を備える修正型冷却プレートを有する多数の熱アセンブリを試験し、平面表面領域を備える冷却プレートを有するアセンブリと比較した。すべての試験されたアセンブリは、冷却セル寸法が２５０μｍ×２５０μｍで流入口／流出口直径が約７０μｍの２００μｍ厚Ｓｉベースを含むものであった。水を冷却流体として、３ｍ／ｓのマイクロジェット速度および約２０℃の流入口温度で用いた。ベース底部におけるフラックスが約１０００Ｗ／ｃｍ^２であったのに対して、冷却プレートとマニホールドの流入口／流出口配列との間のギャップは、約１５０μｍであった。基準冷却能力（「ｑ−ｒｅｆ」）は、４５℃の総熱限度およびｋ＝３Ｗ／ｍＫを有する５０μｍＴＩＭにより、０．４ｍｍの総シリコン厚さ（チップ＋ベース）上の計算された対流係数を用いて見積もられる。

これらのアセンブリの熱的性能は以下に示してあり、セル・タイプとしては、平面冷却プレート表面を有する基準セル（「Ｒｅｆ−２」）、第１の表面形状構成パターン（例えば、図４のＡとＢの円形キャビティ・パターン）を有する第１のセル（「セル１」）、第２の表面形状構成パターン（例えば、図５のＡとＢのフィン・パターンを有する円形キャビティ）を有する第２のセル（「セル２」）、および第３の表面形状構成パターン（例えば、図６のＡとＢのフィン・パターン）を有する第３のセル（「セル３」）が含まれる。実証されるように、所定の表面形状構成の構成に応じ、本修正型冷却プレートにおいて（例えば、セル３において）噴出流体にさらされる冷却プレート表面領域がより多くなれば、アセンブリの熱伝達係数および冷却能力がより高くかつより良好になる一方で、より低い動作温度および最小圧力降下が考慮される。

上記の例は、冷却流体として水を用いて実行されたが、様々な他の既知の冷却剤を本熱アセンブリにおいて用い得ることが認識および理解されるべきである。高い熱伝達率のため液流体が好ましい。なぜならば、液流体は実質的にガスよりも高い熱伝達率係数を有するからである。しかしながら、液体金属およびガスも、発熱部品の表面を冷却するために本マニホールド内で使用できる。

変化する所定の表面形状構成を有する単一の修正型冷却プレート、または熱制御を必要とするデバイスに対応した所定の表面形状構成を有する複数の修正型冷却プレートを用いて、多数の熱デバイスを加熱／冷却できることが理解および認識されるべきである。本修正型冷却プレートの目標表面領域は、目標表面全体にわたって連続した同一のやり方で加熱もしくは冷却またはその両方を行うことができ、あるいは、目標表面領域は、不均一に加熱または冷却あるいはその両方を行うことができる。目標表面領域が不均一に加熱または冷却あるいはその両方がなされる場合、修正型冷却プレートの表面形状構成は、階層構造、材料、寸法、パラメータ等を含むがこれらに限定されない様々な表面形状構成に基づいて、目標表面の異なる領域を、異なる速度および異なる処理条件で、冷却、加熱、または同時に冷却および加熱するように設計および構成できる。従って、修正型冷却プレートには、多くの異なるタイプの熱部品、あるいは本修正型冷却プレートに取り付けられた熱部品上の異なる表面形状構成を加熱／冷却するための各種の異なる表面パターンを設けることができる。例えば、本発明のそのような修正型冷却プレートは、マルチチップ・モジュールの冷却または加熱あるいはその両方に理想的であろう。

本発明を、特定の好ましい実施形態と共に具体的に説明してきたが、上記の記載に照らして多くの代案、変更および変形が当業者にとり明白であることは明らかである。従って、添付の特許請求の範囲が、そのような代案、変更および変形のいずれもが本発明の真の範囲および精神に入るものとして含むと考えられる。

Ａは、平坦な冷却プレートに取り付けられた熱分散ドレイン・ネットワークを備える流体マイクロジェット配列を有する液体衝突マニホールドを含む熱アセンブリの断面図である。Ｂは、アセンブリ内の各マイクロジェットが多くの分散ドレインにより包囲されているのを示すＡの液体衝突マニホールドの平面図である。 Ａは、図１のＢの波線および貫通線Ａ−Ａ’により示される、図１のＡのアセンブリの一部の断面分解図である。Ｂは、Ａに示されるアセンブリ部分の平面透視図である。 アセンブリの冷却能力を向上する所定の表面形状構成を有する修正型冷却プレートに取り付けられた図１〜図２の液体衝突マニホールドを有する本発明の熱アセンブリの断面図である。 Ａ及びＢは、円形キャビティの所定の表面形状構成を有する修正型冷却プレートを示す本発明のアセンブリの一部の分解図である。 Ａ及びＢは、内方に突き出たフィンを備える円形キャビティの所定の表面形状構成を有する修正型冷却プレートを示す本発明のアセンブリの一部の分解図である。 Ａ及びＢは、パターン化されたフィンの所定の表面形状構成を有する修正型冷却プレートを示す本発明のアセンブリの一部の分解図である。 熱アセンブリにおいて使用するための本修正型冷却プレートの様々なデザインと関連した最小圧力降下のプロット図である。

符号の説明

１０ 発熱部品
１５ 熱ペーストまたははんだ等の取り付け手段
２０ 冷却プレート
２０’ 冷却プレート
２１’ 円形キャビティ
２２’ 最表面
２３’ フィン
２４’ 冷却プレート表面
２５ 取り付け手段
３０ マニホールド
３２ 冷却セル
３４ マイクロジェット
３５ キャビティ
３６ ドレイン

Claims (12)

1. 電子デバイスを冷却するための熱分散アセンブリであって、
   複数の円形キャビティを含む表面形状構成を表面上に有するプレートと、
   前記プレートおよび前記表面形状構成の露出表面領域と、
   前記プレートに取り付けられ、少なくとも１つのマイクロジェット配列および少なくとも１つの分散ドレイン配列を有するマニホールドと、
   前記マニホールド内の複数の冷却セルであって、各冷却セルは、その中心に前記マイクロジェット配列を有し、その少なくとも１つの隅に前記分散ドレイン配列を有し、各マイクロジェット配列は、前記複数の円形キャビティの対応する１つの中心に対向しかつ整合している、複数の冷却セルとを備え、
   前記表面形状構成の前記円形キャビティの深さは、前記マニホールドと前記露出表面領域との間のギャップ高さの３０％以上８０％以下であり、
   前記マイクロジェット配列は流体を放出し、前記表面形状構成は、前記アセンブリの熱制御を向上させるために、前記円形キャビティの壁面領域内で前記流体の速度減衰を遅延させ、それにより前記円形キャビティ内で前記流体のマイクロジェットにより生成される流体渦を維持させる、熱分散アセンブリ。
2. 前記プレートおよび前記表面形状構成は、同じ材料を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記プレートおよび前記表面形状構成は、共存できる熱膨張係数を有する異なる材料を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記表面形状構成の表面領域の増大が、前記アセンブリの前記熱制御を増大させる、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記複数の円形キャビティの各々は、内方に突き出た複数のフィンをさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記複数の冷却セルの各々は４角形の形状を有し、その４角に前記分散ドレイン配列が配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 電子デバイスを冷却するための熱伝達システムであって、
   第１の表面および第２の表面を有するプレートであって、前記第２の表面が複数の円形キャビティを含む表面形状構成を有しているプレートと、
   前記プレートの前記第１の表面に取り付けられた、調整を必要とする温度を有する電子デバイスを含む基板と、
   前記プレートの前記第２の表面に取り付けられたマニホールドであって、マイクロジェット配列および少なくとも１つの分散ドレイン配列を有するマニホールドと、
   前記マニホールド内の複数の冷却セルであって、各冷却セルは、その中心に前記マイクロジェット配列を有し、その少なくとも１つの隅に前記分散ドレイン配列を有し、各マイクロジェット配列は、前記複数の円形キャビティの対応する１つの中心に対向しかつ整合している、複数の冷却セルとを備え、
   前記表面形状構成の前記円形キャビティの深さは、前記マニホールドと前記露出表面領域との間のギャップ高さの３０％以上８０％以下であり、
   前記マイクロジェット配列は、前記プレートの前記第２の表面と接触させるために流体を前記円形キャビティ内に放出すると同時に、前記プレートの前記第２の表面上の前記表面形状構成は、前記基板の前記温度を制御するために前記流体の速度減衰を遅延させ、それにより前記円形キャビティ内で前記流体のマイクロジェットにより生成される流体渦を維持させる、システム。
8. 前記複数の円形キャビティの各々は、内方に突き出た複数のフィンをさらに含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記複数の冷却セルの各々は４角形の形状を有し、その４角に前記分散ドレイン配列が配置される、請求項７に記載のシステム。
10. 電子デバイスを冷却するための熱制御の方法であって、
    電子デバイスを含む基板に接続するプレートを設けるステップと、
    前記プレートの表面上に複数の円形キャビティを含む表面形状構成を設けるステップと、
    マイクロジェット配列および少なくとも１つの分散ドレイン配列を有するマニホールドを設けるステップと、
    前記マニホールド内に複数の冷却セルを設けるステップであって、各冷却セルは、その中心に前記マイクロジェット配列を有し、その少なくとも１つの隅に前記分散ドレイン配列を有し、各マイクロジェット配列は、前記複数の円形キャビティの対応する１つの中心に対向しかつ整合している、ステップと、
    前記プレートの前記表面を前記マニホールドに取り付けることによりアセンブリを形成するステップと、
    前記マイクロジェット配列から流体を放出するステップと、
    前記表面形状構成により包囲された前記表面領域の場所において前記流体を前記プレートに接触させるステップであって、前記表面形状構成は、前記アセンブリの熱的制御を向上させるために前記流体の速度減衰を遅延させ、それにより前記キャビティ内で前記流体のマイクロジェットにより生成される流体渦を維持させるステップと、
    使われた前記流体を前記少なくとも１つの分散ドレイン配列を介して除去するステップとを含み、
    前記表面形状構成の前記円形キャビティの深さは、前記マニホールドと前記露出表面領域との間のギャップ高さの３０％以上８０％以下である、方法。
11. 前記複数の円形キャビティの各々は、内方に突き出た複数のフィンをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数の冷却セルの各々は４角形の形状を有し、その４角に前記分散ドレイン配列が配置される、請求項１０に記載の方法。

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