係止装置及びその製造方法
【課題】電気アセンブリ基板にヒートシンクを固着する係止装置であって、良好な熱伝導経路を形成する熱伝導係止装置を提供する。
【解決手段】係止装置１６は、流体で飽和され且つ電気アセンブリ基板１４とヒートシンク１２との間に配設された流体透過性部材２４と、電気アセンブリ基板１４及びヒートシンク１２に対してほぼ垂直である１対の係止装置基板２２と、係止装置基板２２のうち少なくとも一方に結合されたアクチュエータ２０とを含む。流体透過性部材２４は係止装置基板２２の間に配設される。流体透過性部材２４から流体を押し出し且つ可逆過程で電気アセンブリ基板１４及びヒートシンク１２との間に少なくとも１つの流体接触境界面を形成するために係止装置基板２２のうち少なくとも一方により流体透過性部材２４を圧縮するようにアクチュエータ２０は構成される。係止装置１６を製造する方法も開示される。
【解決手段】係止装置１６は、流体で飽和され且つ電気アセンブリ基板１４とヒートシンク１２との間に配設された流体透過性部材２４と、電気アセンブリ基板１４及びヒートシンク１２に対してほぼ垂直である１対の係止装置基板２２と、係止装置基板２２のうち少なくとも一方に結合されたアクチュエータ２０とを含む。流体透過性部材２４は係止装置基板２２の間に配設される。流体透過性部材２４から流体を押し出し且つ可逆過程で電気アセンブリ基板１４及びヒートシンク１２との間に少なくとも１つの流体接触境界面を形成するために係止装置基板２２のうち少なくとも一方により流体透過性部材２４を圧縮するようにアクチュエータ２０は構成される。係止装置１６を製造する方法も開示される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に機械的接続及び熱接続のための装置に関し、特に電気アセンブリに１つ以上の部材を固着するための熱伝導係止装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気アセンブリは、一般にプリント回路基板（ＰＣＢ）及びヒートシンクシャシを有し且つ係止装置を使用してもよい。電気アセンブリから係止装置を介してヒートシンクシャシへ熱が消散されるように電気アセンブリをヒートシンクシャシに物理的に結合された状態に保持するために、係止装置は通常使用される。電気アセンブリは、係止装置とヒートシンクシャシとの間にヒートスプレッダを更に任意に含んでもよい。ＰＣＢには複数の電気素子が通常実装される。動作中、ＰＣＢ及び／又はＰＣＢ上の電気素子は熱を発生する。任意に配置されるヒートスプレッダ及びヒートシンクシャシは熱伝導性を有し且つ発生された熱を外部又は冷却剤へ消散するように協働する。係止装置は、ＰＣＢ及び／又はヒートスプレッダをヒートシンクシャシに堅固に固着し且つそれらの間に熱伝導経路を規定するために通常使用される。
【０００３】
電子素子の動作温度は限定されているので、超小型電子素子と冷却剤との温度差を最小限にとどめて熱を除去することが通常望ましい。そのため、熱抵抗を最小限に抑えることが可能な冷却方法が望まれる。現在、大半の電気アセンブリにおいて、係止装置、ＰＣＢ及びヒートシンクシャシ（又はヒートスプレッダ）の相互接触境界面は金属接触面である（「金属バルク接触」と呼ばれる）。金属バルク接触の場合、熱抵抗に主に影響を及ぼすのは接触面の粗さ及び接触圧力である。しかし、用途によっては接触面の粗さ又は接触圧力を制御することは難しい。
【０００４】
更に、電子素子の小型化によって、必要とされる電力は増加し且つ実装密度も高くなっているので、アセンブリごとの発熱量は増加する。従って、電気アセンブリを温度仕様の範囲内に維持するためには熱伝導率のより高い改善された係止装置を提供することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０００１５７６号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、電気アセンブリ基板の熱管理を実行する係止装置は、流体で飽和され且つ電気アセンブリ基板とヒートシンクとの間に配設された流体透過性部材と、電気アセンブリ基板及びヒートシンクに対してほぼ垂直である１対の係止装置基板と、係止装置基板のうち少なくとも一方に結合されたアクチュエータとを備える。流体透過性部材は係止装置基板の間に配設される。流体の一部を流体透過性部材から押し出し且つ可逆過程で電気アセンブリ基板とヒートシンクとの間に少なくとも１つの流体接触境界面を形成するために係止装置基板のうち少なくとも一方により流体透過性部材を圧縮するようにアクチュエータは構成される。
【０００７】
別の実施形態では、電気アセンブリは、熱を発生する電気回路基板と、発生された熱を消散するために電気回路基板に結合されたヒートシンクと、電気回路基板とヒートシンクとの間に挿入された係止装置とを備える。係止装置は複数の接触境界面を具備し、且つ接触境界面のうち少なくとも１つは流体で飽和された流体透過性部材である。係止装置により圧縮された場合、流体は接触境界面から搾り出され、可逆過程で少なくとも１つの流体接触境界面を形成する。
【０００８】
更なる実施形態では、係止装置を製造する方法は、流体透過性部材を準備することと、流体透過性部材を保持する１対の係止装置基板を準備することと、流体透過性部材を流体で飽和することと、流体透過性部材に結合され、流体透過性部材からの流体の搾り出しを開始することにより可逆過程で流体接触境界面を形成するアクチュエータを準備することを含む。
【０００９】
上記の利点及び特徴並びに他の利点及び特徴は、添付の図面と関連する以下の本発明の実施形態の詳細な説明から更によく理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は一実施形態に係る非係合状態の電気アセンブリを示した概略図である。
【図２】図２は図１に示す電気アセンブリの係止装置を示した部分拡大図である。
【図３】図３は係合状態の図１の電気アセンブリを示した図である。
【図４】図４は別の実施形態に係る流体透過性部材を製造する方法を示したフローチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは図４の方法の実施中の中間生成物を示した概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図４の方法の実施中の中間生成物を示した概略図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは図４の方法の実施中の中間生成物を示した概略図である。
【図６】図６は更に別の実施形態に係る係止装置を示した概略図である。
【図７】図７は図６の係止装置が非係合状態にある電気アセンブリを示した概略図である。
【図８】図８は係止装置が係合状態にある図７の電気アセンブリを示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明中、無用に詳細に説明することにより開示内容を理解しにくくするのを避けるために、周知の機能又は構成は詳細に説明されない。
【００１２】
図１は一実施形態に係る電気アセンブリ１０を示す。電気アセンブリ１０は、ヒートシンク１２、電気アセンブリ基板１４及び係止装置１６を含む。ヒートシンク１２と電気アセンブリ基板１４との間の機械的接続及び熱結合を改善するために、係止装置１６はヒートシンク１２と電気アセンブリ基板１４との間に配置される。
【００１３】
電気アセンブリ基板１４は、プリント配線基板（ＰＷＢ）、プリント回路基板（ＰＣＢ）及び回路カードを含むが、それらに限定されないことが理解される。ＰＣＢ、ＰＷＢ及び回路カードと同様の特性を有する他の素子も熱管理システムの範囲内に含まれる。一実施形態において、電気回路基板１４は一方の面に複数の電気素子（図示せず）を有する。別の実施形態において、電気素子は電気アセンブリ基板１４の両側に分散される。
【００１４】
ヒートシンク１２は、例えばコールドプレートなどのヒートシンクシャシ又はヒートスプレッダであってもよい。一実施形態において、ヒートシンク１２はヒートスプレッダ及びヒートシンクシャシを含む。電気アセンブリ基板１４又は電気アセンブリ基板１４上の電気素子により発生される熱をまずヒートスプレッダが伝導し、次にヒートシンクシャシがヒートスプレッダから外部又は冷却機構へ熱を伝達する。
【００１５】
係止装置１６は、流体透過性部材２４、流体透過性部材２４を保持する１つ以上の平坦な外側基板部材２２及びアクチュエータ２０を含む。図１に示す実施例において、流体透過性部材２４はナノ構造化金属スポンジであり且ついくつかのスポンジ部分に分割される。各スポンジ部分は、平坦な外側基板部材２２並びに内側部材３４及び３６などの対応する基板により固着される。尚、特に機械的挿入によって起動が実行される場合、流体透過性部材２４及びアクチュエータ２０と共に他の保持構造も使用可能である。本実施例のアクチュエータは内部機構であるが、アクチュエータは外部に配置されてもよく且つ流体透過性部材を圧縮又は復元するために一方又は双方の外側基板の外壁に力を加えてもよいことは容易に理解されるはずである。本発明の範囲内で使用可能なアクチュエータ構造の例には、基板に外側から結合される変形Ｃ形クランプ、歯／歯車アセンブリ、プランジャ、ねじ部材などがある。一実施形態において、流体透過性部材２４は、１０〜１００μの直径を有するように構成された孔を有する微細構造化熱伝導性スポンジである。
【００１６】
一実施例のアクチュエータ２０は平坦な外側基板２２を介して内部へ延出するか又は外側基板２４に沿って外側へ延出し、それらの基板２２を一体に接続する。一実施形態において、アクチュエータ２０は、雌ねじ部分及び雄ねじ部分を含むねじであり、それらのねじ部分のうち一方は係止装置１６の一端に固定される。ねじにトルクが加えられた場合、２つのねじ部分は係合して逆方向に運動する。別の実施形態において、アクチュエータ２０は、固定部分及び可動部分を含むプランジャ又は滑り要素である。一実施形態において、可動部分はプランジャ又は滑り要素が摺動するための穴を規定する。
【００１７】
図２は、１つの基板２２及び流体透過性部材２４を示した部分拡大図である。本実施例の流体透過性部材２４は、基板２２に対して垂直に結合され且つ複数の孔２６と、本実施形態においては網目状である金属ワイヤ２８とを有する。金属ワイヤ２８は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）又はそれらの組成物から製造されてもよい。ある特定の実施形態において、熱伝導率が高く且つ機械的強度及び耐食性に優れたＣｕが使用される。金属ワイヤ２８は中空芯又はポリマー芯を更に有してもよい。一実施形態において、流体透過性部材２４は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの焼結粒子又は銅粒子球から製造される。別の実施形態において、流体透過性部材２４はポリマーフォームから製造される。十分な熱伝導率及び圧縮性を有する他の多孔質ウィック構造も流体透過性部材２４の範囲内に含まれる。一実施形態において、孔２６は１０〜１００００ｎｍであるように構成され且つ個々の金属ワイヤの幅は１０〜１００００ｎｍであるように構成される。一実施形態において、図１に符号３０で示すように液体金属の湿潤性を向上し且つ腐食又は酸化を防止するために、金属ワイヤ２８はパッシベーション層２７で被覆される。別の実施形態において、パッシベーション層２７はＡｕなどの適切な材料から形成されてもよい。
【００１８】
図１に戻って説明する。一実施例において、流体透過性部材２４は熱伝導性であり且つＣｕ、Ａｕ、Ｔｉその他の適切な熱伝導性材料から製造されてもよい。流体透過性部材２４は液体金属３０で飽和され且つ液体金属３０を所定の位置に保持するための毛管力を発生する。尚、「飽和される」という用語は完全に飽和された状態に限定されず、部分飽和も含む。すなわち、流体透過性部材２４は必ずしも液体金属３０で完全に充填されていなくてもよい。先に示された実施形態及び以下に示す実施形態において液体金属３０が説明されるが、液体金属は流体透過性部材２４を飽和するために使用可能な唯一の流体ではなく、表面張力及び熱伝導率が実際の必要条件に適合する流体であれば、他の流体も本発明の範囲内に含まれることが理解される。「流体」という用語は、係止装置１６の動作温度の液体である１つの物質を示す。
【００１９】
図１を参照すると、金属又は合金などの液体金属３０は動作温度の液体である。一実施形態において、液体金属３０は、ガリウム、インジウム、スズ、インダロイ又はガリンスタンである。液体金属３０は室温の液体又は固体であってもよい。用途の条件に応じて固体／液体遷移を制御するために、合金組成によって液体金属３０の特性が調整されてもよい。いくつかの実施例において、液体金属３０は、室温及び室温より高い動作温度の双方の温度の液体である。他の実施例において、液体金属３０は室温では固体であるが、それより高い動作温度になると液体に変化する。
【００２０】
更なる実施例において、符号３４及び３６で示すような隣接する内側基板を柔軟に接続する屈曲自在のスペーサ３２が配置され、図１では屈曲自在のスペーサ３２は非係合状態にある。図１に示すように、隣接する内側基板３４及び３６は互いにごく近接する位置にあり且つ屈曲自在のスペーサ３２は弛緩状態の可撓性材料である。屈曲自在のスペーサ３２は、係止装置の係合が解除された後に液体金属３０を分割する複数の部分を形成するために使用される。液体金属３０を破断する十分な表面張力があれば、用途によっては屈曲自在のスペーサ３２は配置されない。屈曲自在のスペーサ３２は、圧縮状態になった各組の流体透過性部材の間に間隙を形成することにより、流体透過性部材２４から押し出された液体金属３０を屈曲自在のスペーサ３２とヒートシンク１２との間の境界面に沿って密封状態で完全に拡散させるように更に機能する。接触面積が拡大することによって、熱伝導率は向上する。一実施例の屈曲自在のスペーサは、内側基板３６を複数の部分に仕切る働きをする。
【００２１】
更に別の実施形態において、側壁（図示せず）が設けられ、スポンジの周囲に格納構造を形成するために、側壁はヒートシンク及び電気アセンブリ基板と１つ以上の基板とに結合されてもよい。格納構造は液体金属の浸出を防止するのみならず、流体透過性部材に塵埃及び異物が集積するのも防止する。側壁を設ける代わりに、係止装置の全体又は一部を包囲するように筐体が係止装置に近接して配置されてもよい。
【００２２】
図３を参照すると、基板２２が互いに向かって押圧されるようにアクチュエータ２０にトルクが加えられている。基板２２が互いに近接するにつれて、流体透過性部材２４は圧縮され、その結果、液体金属３０は流体透過性部材２４から搾り出され、可逆過程で係止装置１６及びヒートシンク１２と電気アセンブリ基板１４との間に液体金属接触境界面３８及び４０のような流体接触境界面を形成する。可逆過程は、流体透過性部材２４が圧縮状態から復元した場合に接触境界面３８及び４０を形成する液体金属が流体透過性部材２４に戻れることを示す。流体接触境界面は金属バルク接触境界面より接触粗さ及び接触圧力が小さいので、電気アセンブリの熱抵抗は低下し、その結果、熱伝導性能は向上する。金属バルク接触境界面と比較して、液体金属接触境界面３８及び４０は電気アセンブリ１０の熱抵抗を約１０分の１に減少する。
【００２３】
更に、一実施形態において、隣接する係止装置セットは互いに逆方向に動く。図３に示す実施例において、係止装置セットは、いくつかのスポンジ部分と、スポンジ部分を間に挟んで保持する２つの平坦な外側基板２２とを有する。同時に、屈曲自在のスペーサは互いに引き離されるので、可撓性材料は引き伸ばされてほぼ平坦になり且つ液体金属境界面３８、４０と当接するようになる。流体透過性部材２４から押し出された液体金属３０は、屈曲自在のスペーサ３２とシャシ１２との間の境界面全体に沿って広がり、液体金属境界面３８を形成することにより接触面積を拡大し、その結果、熱抵抗は更に減少される。
【００２４】
一実施形態において、アクチュエータ２０が初期位置に戻された場合、係止装置セットは当初の位置に戻り且つ流体透過性部材２４は圧縮されていない初期状態に戻るので、液体金属３０は毛管力によって流体透過性部材２４の中に引き戻される。
【００２５】
従って、一実施例に係る動作において、アクチュエータ２０は１つ以上の基板と協働して流体透過性部材２４を圧縮する。それにより、液体金属３０は流体透過性部材から押し出されるので、液体金属３０はヒートシンク１２及び電気アセンブリ基板１４の双方の表面に接触する。一実施例は、図１の場合のような復元（非係合）状態にある流体透過性部材２４を示し、その場合、液体金属３０とヒートシンク１２又は電気アセンブリ基板１４との接触は起こっていない。図３に示すような圧縮（係合）状態になると、流体透過性部材２４はアクチュエータ２０及び基板２２により圧縮されるので、液体金属３０はヒートシンク１２及び電気アセンブリ基板１４と接触する。一実施例におけるアクチュエータ２０の運動量は、図３を参照して説明したように液体金属３０がヒートシンク１２及び電気アセンブリ基板１４と接触するように流体透過性部材２４を圧縮するために必要とされる量である。
【００２６】
ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の実施形態は多数ある。一実施形態において、図１〜図３の基板２２のような基板がまず準備される。次に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ又はそれらの任意の組成物のような金属ターゲットが基板２２のような基板に対して必要な距離及び角度で配置される。次の処理において、金属ターゲットは抵抗加熱によって加熱されるか又は物理気相成長チャンバの中で電子ビーム又はアルゴンビームなどのイオンビームを照射される。距離、速度及び角度などの堆積条件が最適に設定された場合、金属原子は金属ターゲットから放出されて基板２２のような基板の上に堆積し、残った金属ターゲットは流体透過性部材２４を形成する。
【００２７】
ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の別の実施形態は、有機金属化合物などの前駆物質材料及び図１〜図３の基板２２のような基板を準備することと、基板上に前駆物質材料を堆積させ且つ基板と反応させるために化学気相成長チャンバの中で前駆物質材料を蒸発させることと、堆積処理の最適化によって反応により流体透過性部材２４を生成することとを含む。
【００２８】
図５Ａ〜５Ｃ及び図４を参照すると、ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の更に別の実施形態は次のステップを含む。図５Ａ〜図５Ｃは、製造処理における中間生成物を示す。ステップ４３において、基板４２及び基板４２上に配置された複数の孔４６を有する多孔質テンプレート４４が準備される。次に、ステップ４５において、金属材料４８によって孔４６を完全に充填するために、多孔質テンプレート４４を介して金属材料４８が電気めっきされる。ステップ４７において、最後に多孔質テンプレート４４は除去され、残された金属材料４８は流体透過性部材２４を形成する。
【００２９】
ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の更に別の実施形態において、２つの異なる金属から成る合金が基板上にまず堆積される。一方の金属はマトリクス（「マトリクス金属」と呼ばれる）であり且つ他方の金属はマトリクス金属の中に相互に接続する網状構造（「網目金属」と呼ばれる）を形成する。マトリクス金属を除去した後、網目金属は流体透過性部材２４を形成する。一実施形態において、多孔質テンプレート４４は多孔質ポリマー膜又はポリマー粒子の３次元凝集体である。
【００３０】
一実施形態において、上記の各方法は、腐食又は酸化を防止するために熱伝導性スポンジをパッシベーション層で被覆する被覆処理を更に含む。パッシベーション層はＡｕから形成されてもよい。
【００３１】
図６は、電気アセンブリにおける機械的結合及び熱接続を実現するための更に別の実施形態に係るウェッジロック５０を示す。ウェッジロック５０は、５つのウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０と、ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０のうち少なくともいくつかの部分を始動するためのアクチュエータとして作用する軸６２とを有する。一実施形態において、ウェッジロック５０は、一体に取り付けられた少なくとも２つのウェッジ部分を含む。
【００３２】
図６に示す実施例において、ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０は、軸６２にトルクが加えられた場合に互いに係合するように構成され且つウェッジ部分５４及び５８などの部分は、ウェッジの土台部分５２、５６及び６０から離間してヒートシンク（図示せず）に向かって動く。ウェッジロック５０の接触面６４、６６、６８、７０及び７２は流体で飽和された流体透過性部分を使用する。図６に示す実施例において、流体透過性部分は液体金属７６で飽和されたナノ構造化金属スポンジ７４である。別の実施形態において、流体透過性部分は微細構造化材料から製造されてもよい。更なる実施形態において、流体透過性部分はＡｌＮ粒子球などの焼結粒子又はポリマーフォームから形成される。十分な熱伝導率及び圧縮性を有する他の多孔質ウィック構造も流体透過性部分の範囲内に入る。
【００３３】
液体金属７６は流体透過性部分を飽和させる流体の一例にすぎず、実際の必要条件に適合する表面張力及び熱伝導率を有する流体であれば、他の流体も本発明の範囲内に含まれることは容易に理解される。
【００３４】
図６に示す実施例において、アクチュエータが係合した場合、ヒートシンク（図示せず）に近接するように接触面６４及び６６は構成され且つ液体金属７６がヒートシンク（図示せず）と熱伝導関係で接触するように金属スポンジ７４は圧縮される。一実施例において、土台ウェッジ部分５２、５６、６０の接触面６８、７０、７２は、アクチュエータが係合した場合にＰＣＢ、ＰＷＢ及び回路カードなどの熱発生器（図示せず）に近接するように構成される。従って、アクチュエータが係合した場合、ウェッジロック５０は、ウェッジロック５０の一方の側の熱発生器（図示せず）からウェッジロック５０の反対側のヒートシンク（図示せず）まで最適な状態で熱を消散させる。そのような構成において、ウェッジロック５０は熱を消散させるための複数の熱伝導経路を規定する。
【００３５】
一実施例によれば、土台ウェッジ部分５２、５６及び６０はほぼ静止し且つ電気アセンブリ基板（図示せず）に近接しており、ウェッジ部分５４及び５８のみがヒートシンク（図示せず）に近接する位置まで動くように構成される。別の実施形態において、ウェッジ部分５４及び５８はほぼ静止し且つヒートシンクに近接しているが、土台ウェッジ部分５２、５６及び６０は熱発生器（図示せず）に近接する位置まで動くように構成される。更に別の実施形態において、土台ウェッジ部分５２、５６及び６０並びにウェッジ部分５４及び５８のすべてが若干動くように構成される。ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０が動くことにより、液体金属７６は金属スポンジ７４から押し出され、可逆過程でウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０の表面６４、６６、６８、７０及び７２の間に液体金属接触境界面（符号なし）を形成する。液体金属接触境界面は、ウェッジロック５０の熱抵抗を大幅に減少することにより熱接続性能を向上する。
【００３６】
一実施形態において、各ウェッジ部分５２、５４、５６、５８、６０のすべての傾斜面は流体透過性構造を使用するように更に構成される。別の実施形態において、ＰＣＢ、ＰＷＢ及び回路カードなどの熱発生器と接触するいくつかのウェッジ部分は対応する傾斜面に流体透過性構造を含むが、その他のウェッジ部分は傾斜面に固体接触面を有する。更に別の実施形態において、各ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０のすべての部分は、図３に示す構成のように流体透過性構造であるように構成される。
【００３７】
図７は、本発明の更なる実施形態に従って電気アセンブリ基板７７をヒートシンク７８と機械的に結合し且つ熱接続するためにウェッジロック５０を使用する電気アセンブリ７５を示す。この実施例のヒートシンク７８はヒートシンクシャシであるが、ヒートスプレッダ又はヒートスプレッダとヒートシンクシャシとの組み合わせなどの他の種類もヒートシンクの範囲内に含まれる。ヒートシンク７８は溝穴８０を規定し、電気アセンブリ基板７７の縁部分８２はウェッジロック５０によりこの溝穴８０に固着される。図７に示す実施例において、電気アセンブリ基板７７の一方の面に複数の電気素子８４が実装されている。図７では、ウェッジロック５０は非係合状態にある。電気アセンブリ７５は、係合中の損傷から電気アセンブリ基板７７を保護するための取り付けロッド８６を更に有する。
【００３８】
尚、図７の符号８８は図６の接触面６８、７０及び７２を示し且つ図８の符号９０は接触面６４及び６６を示す。
【００３９】
図８は、電気アセンブリ基板７７及びヒートシンク７８と係合しているウェッジロック５０を示す。図５及び図７を参照すると、接触面８８及び９０は、液体金属７６で飽和されたナノ構造化金属スポンジであるように構成される。軸６２はウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０を密着させるので、接触面８８及び９０はヒートシンク７８及び取り付けロッド８６とそれぞれ係合される。反動力によって接触面８８及び９０が圧縮されることにより、液体金属は搾り出され、可逆過程で第１の液体金属接触境界面９２及び第２の液体金属接触境界面９４を形成する。ウェッジロック５０、電気アセンブリ基板７７及びヒートシンク７８に沿って液体金属接続が形成されるので、熱抵抗は減少し、最終的に熱伝導性能は向上する。軸６２を逆方向に回すことにより、スポンジは圧縮状態から復元され、液体金属はスポンジに再び吸収される。ナノ構造金属スポンジの表面積は１００μｍ２〜１００ｃｍ２であってもよく且つ厚さは１μ〜１ｃｍであってもよい。圧縮状態と弛緩状態との間の寸法変化は約１〜６０％である。スポンジと固体表面との間の液体金属境界面の厚さは約０．５μｍ〜１ｍｍである。
【００４０】
一実施形態において、電気アセンブリ基板７７、ヒートシンク７８又はウェッジロック５０に結合されてもよい図８の側壁９６のような流体保持壁が存在する。この側壁は液体金属の浸出を防止するのみならず、塵埃及び異物がウェッジロック５０に侵入するのも阻止する。側壁９６は流体保持壁の単なる一例であり且つ流体を所定の位置に保持するための他の種類の要素も流体保持壁の範囲に含まれることが理解される。流体保持壁は、ウェッジロック５０又は図１及び図３に符号１０で示すような他の種類のロック部材の形状、大きさその他のパラメータに従って設計されてもよい。
【００４１】
ヒートシンクを電気アセンブリ基板と接続するための係止装置に本発明が限定されないことは理解されるべきである。本発明は任意の伝導接続及び熱接続の用途に使用可能である。
【００４２】
本発明のある特定の特徴のみを例示し且つ説明したが、当業者には多くの変形及び変更が考えられる。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の真の精神の範囲内に入るそのような変形及び変更をすべて含むことを意図すると理解されるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 電気アセンブリ
１２ ヒートシンク
１４ 電気アセンブリ基板
１６ 係止装置
２０ アクチュエータ
２２ 基板
２４ 流体透過性部材
２６ 孔
２７ パッシベーション層
２８ 金属ワイヤ
３０ 液体金属
３２ 屈曲自在のスペーサ
３４ 内側部材
３６ 内側部材
３８ 液体金属接触境界面
４０ 液体金属接触境界面
４２ 基板
４３ ステップ
４４ 多孔質テンプレート
４５ ステップ
４６ 孔
４７ ステップ
４８ 金属材料
５０ ウェッジロック
５２ ウェッジ部分
５４ ウェッジ部分
５６ ウェッジ部分
５８ ウェッジ部分
６０ ウェッジ部分
６２ 軸
６４ 接触面
６６ 接触面
６８ 接触面
７０ 接触面
７２ 接触面
７４ スポンジ
７５ 電気アセンブリ
７６ 液体金属
７７ 電気アセンブリ基板
７８ ヒートシンク
８４ 電気部材
８６ 取り付けロッド
８８ 接触面
９０ 接触面
９２ 液体金属接触境界面
９４ 液体金属接触境界面
９６ 側壁
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に機械的接続及び熱接続のための装置に関し、特に電気アセンブリに１つ以上の部材を固着するための熱伝導係止装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気アセンブリは、一般にプリント回路基板（ＰＣＢ）及びヒートシンクシャシを有し且つ係止装置を使用してもよい。電気アセンブリから係止装置を介してヒートシンクシャシへ熱が消散されるように電気アセンブリをヒートシンクシャシに物理的に結合された状態に保持するために、係止装置は通常使用される。電気アセンブリは、係止装置とヒートシンクシャシとの間にヒートスプレッダを更に任意に含んでもよい。ＰＣＢには複数の電気素子が通常実装される。動作中、ＰＣＢ及び／又はＰＣＢ上の電気素子は熱を発生する。任意に配置されるヒートスプレッダ及びヒートシンクシャシは熱伝導性を有し且つ発生された熱を外部又は冷却剤へ消散するように協働する。係止装置は、ＰＣＢ及び／又はヒートスプレッダをヒートシンクシャシに堅固に固着し且つそれらの間に熱伝導経路を規定するために通常使用される。
【０００３】
電子素子の動作温度は限定されているので、超小型電子素子と冷却剤との温度差を最小限にとどめて熱を除去することが通常望ましい。そのため、熱抵抗を最小限に抑えることが可能な冷却方法が望まれる。現在、大半の電気アセンブリにおいて、係止装置、ＰＣＢ及びヒートシンクシャシ（又はヒートスプレッダ）の相互接触境界面は金属接触面である（「金属バルク接触」と呼ばれる）。金属バルク接触の場合、熱抵抗に主に影響を及ぼすのは接触面の粗さ及び接触圧力である。しかし、用途によっては接触面の粗さ又は接触圧力を制御することは難しい。
【０００４】
更に、電子素子の小型化によって、必要とされる電力は増加し且つ実装密度も高くなっているので、アセンブリごとの発熱量は増加する。従って、電気アセンブリを温度仕様の範囲内に維持するためには熱伝導率のより高い改善された係止装置を提供することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０００１５７６号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、電気アセンブリ基板の熱管理を実行する係止装置は、流体で飽和され且つ電気アセンブリ基板とヒートシンクとの間に配設された流体透過性部材と、電気アセンブリ基板及びヒートシンクに対してほぼ垂直である１対の係止装置基板と、係止装置基板のうち少なくとも一方に結合されたアクチュエータとを備える。流体透過性部材は係止装置基板の間に配設される。流体の一部を流体透過性部材から押し出し且つ可逆過程で電気アセンブリ基板とヒートシンクとの間に少なくとも１つの流体接触境界面を形成するために係止装置基板のうち少なくとも一方により流体透過性部材を圧縮するようにアクチュエータは構成される。
【０００７】
別の実施形態では、電気アセンブリは、熱を発生する電気回路基板と、発生された熱を消散するために電気回路基板に結合されたヒートシンクと、電気回路基板とヒートシンクとの間に挿入された係止装置とを備える。係止装置は複数の接触境界面を具備し、且つ接触境界面のうち少なくとも１つは流体で飽和された流体透過性部材である。係止装置により圧縮された場合、流体は接触境界面から搾り出され、可逆過程で少なくとも１つの流体接触境界面を形成する。
【０００８】
更なる実施形態では、係止装置を製造する方法は、流体透過性部材を準備することと、流体透過性部材を保持する１対の係止装置基板を準備することと、流体透過性部材を流体で飽和することと、流体透過性部材に結合され、流体透過性部材からの流体の搾り出しを開始することにより可逆過程で流体接触境界面を形成するアクチュエータを準備することを含む。
【０００９】
上記の利点及び特徴並びに他の利点及び特徴は、添付の図面と関連する以下の本発明の実施形態の詳細な説明から更によく理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は一実施形態に係る非係合状態の電気アセンブリを示した概略図である。
【図２】図２は図１に示す電気アセンブリの係止装置を示した部分拡大図である。
【図３】図３は係合状態の図１の電気アセンブリを示した図である。
【図４】図４は別の実施形態に係る流体透過性部材を製造する方法を示したフローチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは図４の方法の実施中の中間生成物を示した概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図４の方法の実施中の中間生成物を示した概略図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは図４の方法の実施中の中間生成物を示した概略図である。
【図６】図６は更に別の実施形態に係る係止装置を示した概略図である。
【図７】図７は図６の係止装置が非係合状態にある電気アセンブリを示した概略図である。
【図８】図８は係止装置が係合状態にある図７の電気アセンブリを示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明中、無用に詳細に説明することにより開示内容を理解しにくくするのを避けるために、周知の機能又は構成は詳細に説明されない。
【００１２】
図１は一実施形態に係る電気アセンブリ１０を示す。電気アセンブリ１０は、ヒートシンク１２、電気アセンブリ基板１４及び係止装置１６を含む。ヒートシンク１２と電気アセンブリ基板１４との間の機械的接続及び熱結合を改善するために、係止装置１６はヒートシンク１２と電気アセンブリ基板１４との間に配置される。
【００１３】
電気アセンブリ基板１４は、プリント配線基板（ＰＷＢ）、プリント回路基板（ＰＣＢ）及び回路カードを含むが、それらに限定されないことが理解される。ＰＣＢ、ＰＷＢ及び回路カードと同様の特性を有する他の素子も熱管理システムの範囲内に含まれる。一実施形態において、電気回路基板１４は一方の面に複数の電気素子（図示せず）を有する。別の実施形態において、電気素子は電気アセンブリ基板１４の両側に分散される。
【００１４】
ヒートシンク１２は、例えばコールドプレートなどのヒートシンクシャシ又はヒートスプレッダであってもよい。一実施形態において、ヒートシンク１２はヒートスプレッダ及びヒートシンクシャシを含む。電気アセンブリ基板１４又は電気アセンブリ基板１４上の電気素子により発生される熱をまずヒートスプレッダが伝導し、次にヒートシンクシャシがヒートスプレッダから外部又は冷却機構へ熱を伝達する。
【００１５】
係止装置１６は、流体透過性部材２４、流体透過性部材２４を保持する１つ以上の平坦な外側基板部材２２及びアクチュエータ２０を含む。図１に示す実施例において、流体透過性部材２４はナノ構造化金属スポンジであり且ついくつかのスポンジ部分に分割される。各スポンジ部分は、平坦な外側基板部材２２並びに内側部材３４及び３６などの対応する基板により固着される。尚、特に機械的挿入によって起動が実行される場合、流体透過性部材２４及びアクチュエータ２０と共に他の保持構造も使用可能である。本実施例のアクチュエータは内部機構であるが、アクチュエータは外部に配置されてもよく且つ流体透過性部材を圧縮又は復元するために一方又は双方の外側基板の外壁に力を加えてもよいことは容易に理解されるはずである。本発明の範囲内で使用可能なアクチュエータ構造の例には、基板に外側から結合される変形Ｃ形クランプ、歯／歯車アセンブリ、プランジャ、ねじ部材などがある。一実施形態において、流体透過性部材２４は、１０〜１００μの直径を有するように構成された孔を有する微細構造化熱伝導性スポンジである。
【００１６】
一実施例のアクチュエータ２０は平坦な外側基板２２を介して内部へ延出するか又は外側基板２４に沿って外側へ延出し、それらの基板２２を一体に接続する。一実施形態において、アクチュエータ２０は、雌ねじ部分及び雄ねじ部分を含むねじであり、それらのねじ部分のうち一方は係止装置１６の一端に固定される。ねじにトルクが加えられた場合、２つのねじ部分は係合して逆方向に運動する。別の実施形態において、アクチュエータ２０は、固定部分及び可動部分を含むプランジャ又は滑り要素である。一実施形態において、可動部分はプランジャ又は滑り要素が摺動するための穴を規定する。
【００１７】
図２は、１つの基板２２及び流体透過性部材２４を示した部分拡大図である。本実施例の流体透過性部材２４は、基板２２に対して垂直に結合され且つ複数の孔２６と、本実施形態においては網目状である金属ワイヤ２８とを有する。金属ワイヤ２８は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）又はそれらの組成物から製造されてもよい。ある特定の実施形態において、熱伝導率が高く且つ機械的強度及び耐食性に優れたＣｕが使用される。金属ワイヤ２８は中空芯又はポリマー芯を更に有してもよい。一実施形態において、流体透過性部材２４は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの焼結粒子又は銅粒子球から製造される。別の実施形態において、流体透過性部材２４はポリマーフォームから製造される。十分な熱伝導率及び圧縮性を有する他の多孔質ウィック構造も流体透過性部材２４の範囲内に含まれる。一実施形態において、孔２６は１０〜１００００ｎｍであるように構成され且つ個々の金属ワイヤの幅は１０〜１００００ｎｍであるように構成される。一実施形態において、図１に符号３０で示すように液体金属の湿潤性を向上し且つ腐食又は酸化を防止するために、金属ワイヤ２８はパッシベーション層２７で被覆される。別の実施形態において、パッシベーション層２７はＡｕなどの適切な材料から形成されてもよい。
【００１８】
図１に戻って説明する。一実施例において、流体透過性部材２４は熱伝導性であり且つＣｕ、Ａｕ、Ｔｉその他の適切な熱伝導性材料から製造されてもよい。流体透過性部材２４は液体金属３０で飽和され且つ液体金属３０を所定の位置に保持するための毛管力を発生する。尚、「飽和される」という用語は完全に飽和された状態に限定されず、部分飽和も含む。すなわち、流体透過性部材２４は必ずしも液体金属３０で完全に充填されていなくてもよい。先に示された実施形態及び以下に示す実施形態において液体金属３０が説明されるが、液体金属は流体透過性部材２４を飽和するために使用可能な唯一の流体ではなく、表面張力及び熱伝導率が実際の必要条件に適合する流体であれば、他の流体も本発明の範囲内に含まれることが理解される。「流体」という用語は、係止装置１６の動作温度の液体である１つの物質を示す。
【００１９】
図１を参照すると、金属又は合金などの液体金属３０は動作温度の液体である。一実施形態において、液体金属３０は、ガリウム、インジウム、スズ、インダロイ又はガリンスタンである。液体金属３０は室温の液体又は固体であってもよい。用途の条件に応じて固体／液体遷移を制御するために、合金組成によって液体金属３０の特性が調整されてもよい。いくつかの実施例において、液体金属３０は、室温及び室温より高い動作温度の双方の温度の液体である。他の実施例において、液体金属３０は室温では固体であるが、それより高い動作温度になると液体に変化する。
【００２０】
更なる実施例において、符号３４及び３６で示すような隣接する内側基板を柔軟に接続する屈曲自在のスペーサ３２が配置され、図１では屈曲自在のスペーサ３２は非係合状態にある。図１に示すように、隣接する内側基板３４及び３６は互いにごく近接する位置にあり且つ屈曲自在のスペーサ３２は弛緩状態の可撓性材料である。屈曲自在のスペーサ３２は、係止装置の係合が解除された後に液体金属３０を分割する複数の部分を形成するために使用される。液体金属３０を破断する十分な表面張力があれば、用途によっては屈曲自在のスペーサ３２は配置されない。屈曲自在のスペーサ３２は、圧縮状態になった各組の流体透過性部材の間に間隙を形成することにより、流体透過性部材２４から押し出された液体金属３０を屈曲自在のスペーサ３２とヒートシンク１２との間の境界面に沿って密封状態で完全に拡散させるように更に機能する。接触面積が拡大することによって、熱伝導率は向上する。一実施例の屈曲自在のスペーサは、内側基板３６を複数の部分に仕切る働きをする。
【００２１】
更に別の実施形態において、側壁（図示せず）が設けられ、スポンジの周囲に格納構造を形成するために、側壁はヒートシンク及び電気アセンブリ基板と１つ以上の基板とに結合されてもよい。格納構造は液体金属の浸出を防止するのみならず、流体透過性部材に塵埃及び異物が集積するのも防止する。側壁を設ける代わりに、係止装置の全体又は一部を包囲するように筐体が係止装置に近接して配置されてもよい。
【００２２】
図３を参照すると、基板２２が互いに向かって押圧されるようにアクチュエータ２０にトルクが加えられている。基板２２が互いに近接するにつれて、流体透過性部材２４は圧縮され、その結果、液体金属３０は流体透過性部材２４から搾り出され、可逆過程で係止装置１６及びヒートシンク１２と電気アセンブリ基板１４との間に液体金属接触境界面３８及び４０のような流体接触境界面を形成する。可逆過程は、流体透過性部材２４が圧縮状態から復元した場合に接触境界面３８及び４０を形成する液体金属が流体透過性部材２４に戻れることを示す。流体接触境界面は金属バルク接触境界面より接触粗さ及び接触圧力が小さいので、電気アセンブリの熱抵抗は低下し、その結果、熱伝導性能は向上する。金属バルク接触境界面と比較して、液体金属接触境界面３８及び４０は電気アセンブリ１０の熱抵抗を約１０分の１に減少する。
【００２３】
更に、一実施形態において、隣接する係止装置セットは互いに逆方向に動く。図３に示す実施例において、係止装置セットは、いくつかのスポンジ部分と、スポンジ部分を間に挟んで保持する２つの平坦な外側基板２２とを有する。同時に、屈曲自在のスペーサは互いに引き離されるので、可撓性材料は引き伸ばされてほぼ平坦になり且つ液体金属境界面３８、４０と当接するようになる。流体透過性部材２４から押し出された液体金属３０は、屈曲自在のスペーサ３２とシャシ１２との間の境界面全体に沿って広がり、液体金属境界面３８を形成することにより接触面積を拡大し、その結果、熱抵抗は更に減少される。
【００２４】
一実施形態において、アクチュエータ２０が初期位置に戻された場合、係止装置セットは当初の位置に戻り且つ流体透過性部材２４は圧縮されていない初期状態に戻るので、液体金属３０は毛管力によって流体透過性部材２４の中に引き戻される。
【００２５】
従って、一実施例に係る動作において、アクチュエータ２０は１つ以上の基板と協働して流体透過性部材２４を圧縮する。それにより、液体金属３０は流体透過性部材から押し出されるので、液体金属３０はヒートシンク１２及び電気アセンブリ基板１４の双方の表面に接触する。一実施例は、図１の場合のような復元（非係合）状態にある流体透過性部材２４を示し、その場合、液体金属３０とヒートシンク１２又は電気アセンブリ基板１４との接触は起こっていない。図３に示すような圧縮（係合）状態になると、流体透過性部材２４はアクチュエータ２０及び基板２２により圧縮されるので、液体金属３０はヒートシンク１２及び電気アセンブリ基板１４と接触する。一実施例におけるアクチュエータ２０の運動量は、図３を参照して説明したように液体金属３０がヒートシンク１２及び電気アセンブリ基板１４と接触するように流体透過性部材２４を圧縮するために必要とされる量である。
【００２６】
ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の実施形態は多数ある。一実施形態において、図１〜図３の基板２２のような基板がまず準備される。次に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ又はそれらの任意の組成物のような金属ターゲットが基板２２のような基板に対して必要な距離及び角度で配置される。次の処理において、金属ターゲットは抵抗加熱によって加熱されるか又は物理気相成長チャンバの中で電子ビーム又はアルゴンビームなどのイオンビームを照射される。距離、速度及び角度などの堆積条件が最適に設定された場合、金属原子は金属ターゲットから放出されて基板２２のような基板の上に堆積し、残った金属ターゲットは流体透過性部材２４を形成する。
【００２７】
ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の別の実施形態は、有機金属化合物などの前駆物質材料及び図１〜図３の基板２２のような基板を準備することと、基板上に前駆物質材料を堆積させ且つ基板と反応させるために化学気相成長チャンバの中で前駆物質材料を蒸発させることと、堆積処理の最適化によって反応により流体透過性部材２４を生成することとを含む。
【００２８】
図５Ａ〜５Ｃ及び図４を参照すると、ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の更に別の実施形態は次のステップを含む。図５Ａ〜図５Ｃは、製造処理における中間生成物を示す。ステップ４３において、基板４２及び基板４２上に配置された複数の孔４６を有する多孔質テンプレート４４が準備される。次に、ステップ４５において、金属材料４８によって孔４６を完全に充填するために、多孔質テンプレート４４を介して金属材料４８が電気めっきされる。ステップ４７において、最後に多孔質テンプレート４４は除去され、残された金属材料４８は流体透過性部材２４を形成する。
【００２９】
ナノ構造化熱伝導性スポンジ２４を製造する方法の更に別の実施形態において、２つの異なる金属から成る合金が基板上にまず堆積される。一方の金属はマトリクス（「マトリクス金属」と呼ばれる）であり且つ他方の金属はマトリクス金属の中に相互に接続する網状構造（「網目金属」と呼ばれる）を形成する。マトリクス金属を除去した後、網目金属は流体透過性部材２４を形成する。一実施形態において、多孔質テンプレート４４は多孔質ポリマー膜又はポリマー粒子の３次元凝集体である。
【００３０】
一実施形態において、上記の各方法は、腐食又は酸化を防止するために熱伝導性スポンジをパッシベーション層で被覆する被覆処理を更に含む。パッシベーション層はＡｕから形成されてもよい。
【００３１】
図６は、電気アセンブリにおける機械的結合及び熱接続を実現するための更に別の実施形態に係るウェッジロック５０を示す。ウェッジロック５０は、５つのウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０と、ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０のうち少なくともいくつかの部分を始動するためのアクチュエータとして作用する軸６２とを有する。一実施形態において、ウェッジロック５０は、一体に取り付けられた少なくとも２つのウェッジ部分を含む。
【００３２】
図６に示す実施例において、ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０は、軸６２にトルクが加えられた場合に互いに係合するように構成され且つウェッジ部分５４及び５８などの部分は、ウェッジの土台部分５２、５６及び６０から離間してヒートシンク（図示せず）に向かって動く。ウェッジロック５０の接触面６４、６６、６８、７０及び７２は流体で飽和された流体透過性部分を使用する。図６に示す実施例において、流体透過性部分は液体金属７６で飽和されたナノ構造化金属スポンジ７４である。別の実施形態において、流体透過性部分は微細構造化材料から製造されてもよい。更なる実施形態において、流体透過性部分はＡｌＮ粒子球などの焼結粒子又はポリマーフォームから形成される。十分な熱伝導率及び圧縮性を有する他の多孔質ウィック構造も流体透過性部分の範囲内に入る。
【００３３】
液体金属７６は流体透過性部分を飽和させる流体の一例にすぎず、実際の必要条件に適合する表面張力及び熱伝導率を有する流体であれば、他の流体も本発明の範囲内に含まれることは容易に理解される。
【００３４】
図６に示す実施例において、アクチュエータが係合した場合、ヒートシンク（図示せず）に近接するように接触面６４及び６６は構成され且つ液体金属７６がヒートシンク（図示せず）と熱伝導関係で接触するように金属スポンジ７４は圧縮される。一実施例において、土台ウェッジ部分５２、５６、６０の接触面６８、７０、７２は、アクチュエータが係合した場合にＰＣＢ、ＰＷＢ及び回路カードなどの熱発生器（図示せず）に近接するように構成される。従って、アクチュエータが係合した場合、ウェッジロック５０は、ウェッジロック５０の一方の側の熱発生器（図示せず）からウェッジロック５０の反対側のヒートシンク（図示せず）まで最適な状態で熱を消散させる。そのような構成において、ウェッジロック５０は熱を消散させるための複数の熱伝導経路を規定する。
【００３５】
一実施例によれば、土台ウェッジ部分５２、５６及び６０はほぼ静止し且つ電気アセンブリ基板（図示せず）に近接しており、ウェッジ部分５４及び５８のみがヒートシンク（図示せず）に近接する位置まで動くように構成される。別の実施形態において、ウェッジ部分５４及び５８はほぼ静止し且つヒートシンクに近接しているが、土台ウェッジ部分５２、５６及び６０は熱発生器（図示せず）に近接する位置まで動くように構成される。更に別の実施形態において、土台ウェッジ部分５２、５６及び６０並びにウェッジ部分５４及び５８のすべてが若干動くように構成される。ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０が動くことにより、液体金属７６は金属スポンジ７４から押し出され、可逆過程でウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０の表面６４、６６、６８、７０及び７２の間に液体金属接触境界面（符号なし）を形成する。液体金属接触境界面は、ウェッジロック５０の熱抵抗を大幅に減少することにより熱接続性能を向上する。
【００３６】
一実施形態において、各ウェッジ部分５２、５４、５６、５８、６０のすべての傾斜面は流体透過性構造を使用するように更に構成される。別の実施形態において、ＰＣＢ、ＰＷＢ及び回路カードなどの熱発生器と接触するいくつかのウェッジ部分は対応する傾斜面に流体透過性構造を含むが、その他のウェッジ部分は傾斜面に固体接触面を有する。更に別の実施形態において、各ウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０のすべての部分は、図３に示す構成のように流体透過性構造であるように構成される。
【００３７】
図７は、本発明の更なる実施形態に従って電気アセンブリ基板７７をヒートシンク７８と機械的に結合し且つ熱接続するためにウェッジロック５０を使用する電気アセンブリ７５を示す。この実施例のヒートシンク７８はヒートシンクシャシであるが、ヒートスプレッダ又はヒートスプレッダとヒートシンクシャシとの組み合わせなどの他の種類もヒートシンクの範囲内に含まれる。ヒートシンク７８は溝穴８０を規定し、電気アセンブリ基板７７の縁部分８２はウェッジロック５０によりこの溝穴８０に固着される。図７に示す実施例において、電気アセンブリ基板７７の一方の面に複数の電気素子８４が実装されている。図７では、ウェッジロック５０は非係合状態にある。電気アセンブリ７５は、係合中の損傷から電気アセンブリ基板７７を保護するための取り付けロッド８６を更に有する。
【００３８】
尚、図７の符号８８は図６の接触面６８、７０及び７２を示し且つ図８の符号９０は接触面６４及び６６を示す。
【００３９】
図８は、電気アセンブリ基板７７及びヒートシンク７８と係合しているウェッジロック５０を示す。図５及び図７を参照すると、接触面８８及び９０は、液体金属７６で飽和されたナノ構造化金属スポンジであるように構成される。軸６２はウェッジ部分５２、５４、５６、５８及び６０を密着させるので、接触面８８及び９０はヒートシンク７８及び取り付けロッド８６とそれぞれ係合される。反動力によって接触面８８及び９０が圧縮されることにより、液体金属は搾り出され、可逆過程で第１の液体金属接触境界面９２及び第２の液体金属接触境界面９４を形成する。ウェッジロック５０、電気アセンブリ基板７７及びヒートシンク７８に沿って液体金属接続が形成されるので、熱抵抗は減少し、最終的に熱伝導性能は向上する。軸６２を逆方向に回すことにより、スポンジは圧縮状態から復元され、液体金属はスポンジに再び吸収される。ナノ構造金属スポンジの表面積は１００μｍ２〜１００ｃｍ２であってもよく且つ厚さは１μ〜１ｃｍであってもよい。圧縮状態と弛緩状態との間の寸法変化は約１〜６０％である。スポンジと固体表面との間の液体金属境界面の厚さは約０．５μｍ〜１ｍｍである。
【００４０】
一実施形態において、電気アセンブリ基板７７、ヒートシンク７８又はウェッジロック５０に結合されてもよい図８の側壁９６のような流体保持壁が存在する。この側壁は液体金属の浸出を防止するのみならず、塵埃及び異物がウェッジロック５０に侵入するのも阻止する。側壁９６は流体保持壁の単なる一例であり且つ流体を所定の位置に保持するための他の種類の要素も流体保持壁の範囲に含まれることが理解される。流体保持壁は、ウェッジロック５０又は図１及び図３に符号１０で示すような他の種類のロック部材の形状、大きさその他のパラメータに従って設計されてもよい。
【００４１】
ヒートシンクを電気アセンブリ基板と接続するための係止装置に本発明が限定されないことは理解されるべきである。本発明は任意の伝導接続及び熱接続の用途に使用可能である。
【００４２】
本発明のある特定の特徴のみを例示し且つ説明したが、当業者には多くの変形及び変更が考えられる。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の真の精神の範囲内に入るそのような変形及び変更をすべて含むことを意図すると理解されるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 電気アセンブリ
１２ ヒートシンク
１４ 電気アセンブリ基板
１６ 係止装置
２０ アクチュエータ
２２ 基板
２４ 流体透過性部材
２６ 孔
２７ パッシベーション層
２８ 金属ワイヤ
３０ 液体金属
３２ 屈曲自在のスペーサ
３４ 内側部材
３６ 内側部材
３８ 液体金属接触境界面
４０ 液体金属接触境界面
４２ 基板
４３ ステップ
４４ 多孔質テンプレート
４５ ステップ
４６ 孔
４７ ステップ
４８ 金属材料
５０ ウェッジロック
５２ ウェッジ部分
５４ ウェッジ部分
５６ ウェッジ部分
５８ ウェッジ部分
６０ ウェッジ部分
６２ 軸
６４ 接触面
６６ 接触面
６８ 接触面
７０ 接触面
７２ 接触面
７４ スポンジ
７５ 電気アセンブリ
７６ 液体金属
７７ 電気アセンブリ基板
７８ ヒートシンク
８４ 電気部材
８６ 取り付けロッド
８８ 接触面
９０ 接触面
９２ 液体金属接触境界面
９４ 液体金属接触境界面
９６ 側壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気アセンブリ基板の熱管理を実行する係止装置において、
流体で飽和され且つ前記電気アセンブリ基板とヒートシンクとの間に配設された流体透過性部材と、
前記電気アセンブリ基板及び前記ヒートシンクに対してほぼ垂直であり且つ前記流体透過性部材が間に配設されている１対の係止装置基板と、
前記係止装置基板のうち少なくとも一方に結合されたアクチュエータとを具備し、
前記流体透過性部材から前記流体の一部を押し出し且つ可逆過程で前記電気アセンブリ基板と前記ヒートシンクとの間に少なくとも１つの流体接触境界面を形成するために前記係止装置基板のうち少なくとも一方により前記流体透過性部材を圧縮するように前記アクチュエータは構成されることを特徴とする係止装置。
【請求項２】
前記係止装置基板の間に位置し且つ前記流体透過性部材の中に配設された少なくとも１つのスペーサを更に具備し、前記スペーサは１つ以上の流体透過性セグメントを規定する、請求項１記載の係止装置。
【請求項３】
前記スペーサは１対のスペーサ基板を具備し、前記スペーサ基板は、前記スペーサの両端に配設されることにより前記スペーサ基板を接合する可撓性部材と平行であり且つ前記可撓性部材にごく近接し、前記スペーサ基板が前記アクチュエータにより移動され且つ前記可撓性部材が前記スペーサ基板の間で圧縮されるように前記スペーサ基板は前記アクチュエータに結合される、請求項２記載の係止装置。
【請求項４】
前記流体透過性部材は、流体が通過する孔を形成する複数の金属ワイヤを具備し且つ前記金属ワイヤの少なくとも一部はパッシベーション層を含む、請求項１又は請求項２の係止装置。
【請求項５】
前記金属ワイヤは、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）及びそれらの組成物のうち少なくとも１つから製造される、請求項４記載の係止装置。
【請求項６】
前記金属ワイヤは中空芯及びポリマー芯のうち一方を含む、請求項４記載の係止装置。
【請求項７】
前記流体透過性部材は複数の焼結粒子又はポリマーフォームから形成される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の係止装置。
【請求項８】
前記流体は、ガリウム、インジウム、スズ、インダロイ、ガリンスタント及びそれらの組成物を含む液体金属である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の係止装置。
【請求項９】
流体の浸出を防止する流体保持壁を更に備える、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の係止装置。
【請求項１０】
熱を発生する電気回路基板と、
発生された熱を消散するために前記電気回路基板に結合されたヒートシンクと、
前記電気回路基板と前記ヒートシンクとの間に挿入され且つそれらの間に複数の接触境界面を備える係止装置とを具備し、
前記接触境界面のうち少なくとも１つは流体で飽和された流体透過性部材であり且つ前記係止装置により圧縮された場合に前記流体は前記接触境界面から搾り出され、可逆過程で少なくとも１つの流体接触境界面を形成することを特徴とする電気アセンブリ。
【請求項１１】
前記係止装置は、各々が１つの流体透過性部分を備える複数のロックセットと、前記流体透過性部材を保持する少なくとも１つの基板と、流体の浸出を防止する少なくとも１つの流体保持壁と、前記基板に結合されたアクチュエータとを備える、請求項１０記載の電気アセンブリ。
【請求項１２】
前記流体透過性部材は、液体金属で飽和された少なくとも１つの微細構造化金属スポンジ又はナノ構造化金属スポンジを備える、請求項１０又は請求項１１記載の電気アセンブリ。
【請求項１３】
前記係止装置は、互いに結合された複数のウェッジ部分を備える、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項記載の電気アセンブリ。
【請求項１４】
前記ウェッジ部分は少なくとも１つの金属スポンジを備える、請求項１３記載の電気アセンブリ。
【請求項１】
電気アセンブリ基板の熱管理を実行する係止装置において、
流体で飽和され且つ前記電気アセンブリ基板とヒートシンクとの間に配設された流体透過性部材と、
前記電気アセンブリ基板及び前記ヒートシンクに対してほぼ垂直であり且つ前記流体透過性部材が間に配設されている１対の係止装置基板と、
前記係止装置基板のうち少なくとも一方に結合されたアクチュエータとを具備し、
前記流体透過性部材から前記流体の一部を押し出し且つ可逆過程で前記電気アセンブリ基板と前記ヒートシンクとの間に少なくとも１つの流体接触境界面を形成するために前記係止装置基板のうち少なくとも一方により前記流体透過性部材を圧縮するように前記アクチュエータは構成されることを特徴とする係止装置。
【請求項２】
前記係止装置基板の間に位置し且つ前記流体透過性部材の中に配設された少なくとも１つのスペーサを更に具備し、前記スペーサは１つ以上の流体透過性セグメントを規定する、請求項１記載の係止装置。
【請求項３】
前記スペーサは１対のスペーサ基板を具備し、前記スペーサ基板は、前記スペーサの両端に配設されることにより前記スペーサ基板を接合する可撓性部材と平行であり且つ前記可撓性部材にごく近接し、前記スペーサ基板が前記アクチュエータにより移動され且つ前記可撓性部材が前記スペーサ基板の間で圧縮されるように前記スペーサ基板は前記アクチュエータに結合される、請求項２記載の係止装置。
【請求項４】
前記流体透過性部材は、流体が通過する孔を形成する複数の金属ワイヤを具備し且つ前記金属ワイヤの少なくとも一部はパッシベーション層を含む、請求項１又は請求項２の係止装置。
【請求項５】
前記金属ワイヤは、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）及びそれらの組成物のうち少なくとも１つから製造される、請求項４記載の係止装置。
【請求項６】
前記金属ワイヤは中空芯及びポリマー芯のうち一方を含む、請求項４記載の係止装置。
【請求項７】
前記流体透過性部材は複数の焼結粒子又はポリマーフォームから形成される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の係止装置。
【請求項８】
前記流体は、ガリウム、インジウム、スズ、インダロイ、ガリンスタント及びそれらの組成物を含む液体金属である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の係止装置。
【請求項９】
流体の浸出を防止する流体保持壁を更に備える、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の係止装置。
【請求項１０】
熱を発生する電気回路基板と、
発生された熱を消散するために前記電気回路基板に結合されたヒートシンクと、
前記電気回路基板と前記ヒートシンクとの間に挿入され且つそれらの間に複数の接触境界面を備える係止装置とを具備し、
前記接触境界面のうち少なくとも１つは流体で飽和された流体透過性部材であり且つ前記係止装置により圧縮された場合に前記流体は前記接触境界面から搾り出され、可逆過程で少なくとも１つの流体接触境界面を形成することを特徴とする電気アセンブリ。
【請求項１１】
前記係止装置は、各々が１つの流体透過性部分を備える複数のロックセットと、前記流体透過性部材を保持する少なくとも１つの基板と、流体の浸出を防止する少なくとも１つの流体保持壁と、前記基板に結合されたアクチュエータとを備える、請求項１０記載の電気アセンブリ。
【請求項１２】
前記流体透過性部材は、液体金属で飽和された少なくとも１つの微細構造化金属スポンジ又はナノ構造化金属スポンジを備える、請求項１０又は請求項１１記載の電気アセンブリ。
【請求項１３】
前記係止装置は、互いに結合された複数のウェッジ部分を備える、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項記載の電気アセンブリ。
【請求項１４】
前記ウェッジ部分は少なくとも１つの金属スポンジを備える、請求項１３記載の電気アセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４９７９９（Ｐ２０１１−２４９７９９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１９５３（Ｐ２０１１−１１１９５３）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]