JP2531787B2 - 電子回路装置冷却モジユ―ル - Google Patents

電子回路装置冷却モジユ―ル

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Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序で本発明を説明する。
Ａ 産業上の利用分野 Ｂ 従来技術 Ｃ 発明が解決しようとする問題点 Ｄ 問題点を解決するための手段 Ｅ 実施例 E1 本発明の高伝導冷却モジユール（第１図） E2 バイアス手段の構造（第4A−4E図） E3 内部熱装置、冷却ハツト及び熱媒体（第3A−3C図） E4 側方バイアス手段（第5A−5E図） E5 他の改良（第６第７図） E6 具体的構成例 Ｆ 発明の効果 Ａ 産業上の利用分野 本発明は集積回路（IC）チツプのような小型の平坦な
発熱性電子回路装置の伝導冷却、具体的には発熱性装置
と熱シンク間に、熱抵抗の小さな経路を有する冷却装置
に関する。
Ｂ 従来技術 チツプ・レベルでの大規模集積（LSI）及び超大規模
集積（VLSI）の導入、並びに単一の多層基板上に多くの
チツプをパツケージングすることによるモジユール・レ
ベルでの超大規模集積の導入によつて、回路密度と電力
密度が著しく増大した。たとえば、チツプ及びモジユー
ル・レベルでの集積によつて、回路密度は1m3当り2.5×
107回路ほども高くなり、チツプ・レベルで1000kw/m2も
の熱束密度を除去する必要が生じてくる。これ等の高い
熱束密度を除去するために、熱を消散させる種々の装置
が研究されている。１つの制約は、冷却用流体（たとえ
ば水）がチツプと、もしくはチツプが取付けられている
領域と直接接触できない点にある。従つて、チツプと流
体間には冷却用ハツトが設けられねばならなかつた。多
重チツプ・モジユール上のチツプの表面は、基板の反
り、チツプ及びはんだボールの厚さの差のためにすべて
がかならずしも同一平面上にないので、単一の平坦な冷
却板をチツプに接近して置いたのでは、板は各チツプと
平等に接触せず、従つてギヤツプが残り、これによつて
現在のVLSIの応用では許容できない程度に熱抵抗を増大
した。ギヤツプを、一般に知られている順応性のある即
ち変形性のある熱伝導材料で充填すると熱抵抗は低くな
るが、1cm2当り60−120ワツトを達成することはできな
い。各チツプから平坦な冷却板迄に、固体の非変形性の
熱流経路を考えることは、熱的な観点からは望ましい
が、このような固体の系を与えると、一般に知られてい
る現象であるはんだボールの疲労を生じやすいので（た
とえば、1969年刊IBM研究開発ジーナル第13（３）巻、
第225号中のK.C.ノリス及びA.H.ランズベルグによる論
文「制御された崩壊相互接続部の信頼性」（“Reliabil
ity of Controlled Collapse Interconnections"by K.
C.Norris and A.H.Landzberg in the IBM Journal of R
esearch and Development,13（３）、225（1969））を
参照）、機械的には望ましくない。チツプと冷却ハツト
間で望まれるのは変形性を有する熱的接続体である。し
かも、この接続体はVLSI応用の場合はより大きな熱伝達
表面を与えなければならず、同時にチツプの高さと傾斜
の変動を調整できるものでなければならない。このよう
な接続を達成する一般に良く知られている方法は、内部
熱（伝導）装置をチツプに接触せしめて、熱を熱的境界
を介してハツトに伝えるものである。このような冷却ハ
ツトを使用する構造の例は米国特許第3993123号に開示
されている、気体を封入した熱伝導モジユール（TCM）
である。
熱抵抗はＲ＝dT/Qとして定義できる。ここでdTは領域
の端間の温度差であり、Ｑは領域の端面の熱流（熱伝導
量）である。この式はフーリエの熱伝導式Ｑ＝kAdT/Lを
Ｒ＝L/kAと置いて書直したものである。ただし、Ｌは領
域の長さ、ｋは媒体の熱伝導率及びＡは領域の断面積で
ある。
チツプと冷却ハツト間に内部熱装置を有する、代表的
な熱的増強がされたモジユールの熱的パホーマンスを説
明するために、第２図を参照されたい。この図は冷却ハ
ツトと別個の冷却板を有する熱的に増強されたモジユー
ルの単一チツプ・ユニツトの断面図である。基板10上の
はんだボール12を介するチツプ11から冷却板16への熱経
路の熱抵抗はいくつかの部分に分けることができる。Re
xtは外部熱抵抗であり、モジユールに関連して次のよう
に定義されるものである。
Rext＝dT（ｈ−iw）/Pm ここでdT（ｈ−iw）はハツト41と冷却板16を流れる水
間の温度差であり、Pmはモジユールの電力である。Rext
は２つの部分、即ち冷却ハツト41と冷却板16の対向表面
間の境界抵抗と、冷却板16の表面と冷却板の内部で循環
している水との間の抵抗に分けられる。冷却ハツトと冷
却板が互に結合された２つの個別の部品より形成されて
いず、単一体である時には境界抵抗は０である。Rintは
内部熱抵抗を表わし、次式で定義される。
Rint＝dT（ｃ−ｈ）/Pc ここでdT（ｃ−ｈ）はチツプ11とハツト41の上面部の
間の温度差であり、Pcはチツプの電力である。Rintは５
つの成分抵抗:Rc、Rc−ｉ、Ri、Ri−ｈ及びRhの和とし
て定義される。Rcはチツプの熱抵抗、Rc−ｉはチツプ11
と内部熱装置13の境界の熱抵抗、Riは内部熱装置13の熱
抵抗、Ri−ｈは内部熱装置と冷却ハツト41間の熱抵抗、
そしてRhは冷却ハツト41の熱抵抗を表わしている。
チツプ11と内部熱装置13間の境界の熱抵抗Rc−ｉは接
触する固体と境界の媒体の幾何学的、物理的及び熱的特
性の複雑な関数である。Rc−ｉは２つの並列な熱抵抗:1
もしくはそれ以上の固体（たとえば金属）のコンタクト
領域12を通る伝導抵抗及びチツプ11と内部熱装置13間に
存在する空所を充填するのに使用される境界の媒体（た
とえば流体）を通る伝導抵抗より成る。支配的な熱伝導
経路は通常境界の媒体を通るものである。
内部熱装置13と冷却ハツト41間の熱抵抗Ri−ｈは、内
部熱装置13と冷却ハツト41間のギヤツプの面積及び厚
さ、内部熱装置13と冷却ハツト41の断面積並びに内部熱
装置13及び冷却ハツト41の熱伝導率を含むいくつかのパ
ラメータの関数である。
VLSIチツプの回路密度、スイッチング速度及び対応す
る電力（たとえば、現在の高電力バイポーラ・チツプの
電力密度は現在60−120ワット/cm2の範囲にある）は増
大しているので、チツプと冷却ハツト間に内部熱装置が
置かれている熱伝導システムの熱抵抗はさらに減少され
る必要がある。上出の米国特許第3993123号のTCMでは、
内部熱装置13は１つの点でチツプと接触するピストンを
なくしている。TCMは現在のVLSIシステムでは非常に有
用で、成功しているが、すべての応用で将来の高電力シ
ステムに拡張するのは容易ではない。
現在の技術分野では、熱伝達を増大するための多くの
構造体が存在する。その中には、内部熱装置が冷却ハツ
ト中の対応するフインと係合するフインを有する、かみ
あいフイン構造体がある。これ等の構造体はチツプと接
触する内部熱装置と冷却ハツト間の熱伝達面積が増大し
ているために、TCM中のピストンのような単一表面構造
体よりも熱的性能が改良される可能性がある。かみあい
フイン熱シンク応用では、フイン間のかみあい面積をで
きるだけ大きくすることが一般に知られている。配偶さ
れるフイン間のギヤツプは製造と組立てを容易にするた
めに十分広くなくてはならない。製造と組立てを容易に
するために十分広くされたギヤツプでも、チツプの傾き
を調整してしまうほどは広くない。チツプの傾きを調整
できる程のギヤツプをもうけると、チツプと内部熱装置
間のギヤツプの熱抵抗が増加する。
フイン付きの内部熱装置がチツプに結合されるフイン
付き構造体は従来存在する。しかしながら、このような
構造体は、結合によつて取換えが困難になり、コスト高
になるために存在の応用には適さない。さらに、内部熱
装置がチツプに結合されている時には、この装置とハツ
ト間の接続部のひずみを解放する何等かの手段が必要で
ある。現在知られている手段はどれも熱的パホーマンス
が満足すべきものでない。従つて、チツプに結合する必
要がなく、応力が加わらないハツトとの熱的接続部を有
し、チツプの高さと傾斜の変動に適応できる内部熱装置
が望まれる。結合型の装置及び固体で剛体の相互接続部
は、変形性の境界よりも、通常良好な熱導体であるか
ら、上述のような要件はチツプ熱の放散能力を低下させ
なければなしえない。
従来のかみあいフイン構造体の中には、1977年５月刊
IBMテクニカル・デイスクロージヤ、ブレテイン、第468
3−第4685頁中のドムブロスキ等により開示されている
「熱伝導性スタツド」（“Thermal Conductive Stud"by
Dombroskiet al in the IBM Technical Disclosure B
ulletin,May 1977、Pages 4683−4685）がある。この論
文は配偶フイン間に必要とされるギヤツプの重量部分の
流さが長く、ギヤツプが狭いと、チツプの表面に接触す
るフイン付き内部熱装置の傾斜範囲が制限されると述べ
ている。この論文はチツプの傾斜が内部熱装置の傾斜範
囲を越えると、このフイン付き装置とチツプ間には許容
できない大きなギヤツプが生じることを開示している。
この問題を解決するために、この論文には、内部熱装置
のフインは一体にされてはならず、各々が傾斜したチツ
プとライン接触するように垂直に移動できる、独立した
Ｔ字型のスタツドでなければならないと述べられてい
る。このＴ字型スタツドは長く、従つて熱抵抗が高く、
Ｔ字型スタツドと傾斜したチツプ間にはギヤツプがあつ
て、その間の熱抵抗を増大している。従つてフイン間の
熱抵抗は比較的低いが、チツプとフイン間に熱抵抗が追
加されている。さらにフイン付き内部熱装置のベースは
中断されているので、チツプからフインへの、そしてフ
イン間の熱の広がりが制限されている。各チツプに多く
のばねとＴ字型スタツドを必要とするということは、10
0以上のチツプを含む伝導冷却モジユール環境で、この
ようなシステムを製造するのをコスト高にし、複雑にし
ている。
1984年２月刊のIBMテクニカル・デイスクロージヤ・
ブレテイン、第4658−4660頁Ｋハサン等による論文「冷
却板又は外部空冷型モジユールのための高性能チツプ冷
却技術」（IBM Technical Disclosure Bulletin,Febru
ary 1984、Pages 4658−4660、“High Performance Chi
p−Cooling Technique for Cold Plata or External Ai
r−Cooled Modules"by Hassan et alには、かみあわさ
れたフイン付き冷却構造体が開示されている。この論文
には、フイン付き内部熱装置のベース部分とチツプ間の
境界に低融点のはんだを有するフイン付き内部熱装置
と、衝撃を吸収するのに使用される、中央に存在するコ
イル状ばね及びエラストマ材料、もしくは単独で衝撃吸
収とばねの機能を合せ持つエラストマ材料とを用いた構
成を開示している。フイン付き内部熱装置はコイル状ば
ね及びエラストマ材料、もしくはエラストマ材料単独に
よつてチツプの方にバイアスされていて、チツプの傾斜
は特に、冷却ハツトのフインと内部熱装置のフイン間の
大きなギヤツプによつて調整されている。低融点のはん
だは空所を生じやすく、これによつて熱抵抗は将来のVL
SIの応用にとつて許容できないレベルに迄増大する。さ
らに低融点のはんだは、このような境界では物理的に安
定であるとは確証されていない。コイル状のばねは、本
体なら熱伝達に使用できるはずの面積を占有するため、
熱的性能に重大な影響を与える。エラストマのばねも高
い熱的性能を与えるための主要な領域を占め、重要な並
列的熱流経路を与えず、又本発明の実施例の項で説明す
るような側方バイアスを与えることが困難である。
日本国特開昭57−103337号は１対のかみあいフイン付
き構造体を開示している。この構造では対の一方のメン
バはチツプに接続させるベースに取付けられた１組のフ
インを有する。この明細書によると、かみあわされるフ
イン間に広いギヤツプを使用することによつて、チツプ
に接続されるフイン付き構造体の組立てが可能にされて
いる。しかしながら広いギヤツプは、対応するかみあわ
されるフイン間の境界抵抗を減少するのに、背の高いフ
インの使用を必要とする。フインが高いと、低いフイン
よりも全体的な熱抵抗が大きくなる。さらにこの明細書
のフインは組立て後移動できず、また、モジユールの部
品が発熱し、異なる割合で膨張した時にチツプもしくは
そのデリケートなはんだ接続部を破壊しないように、薄
くてたわむることができなければならない。従つてこの
構造体は、冷却板と冷却ハツトが熱伝導経路をなす水冷
熱伝導モジユール型システム中で、上述の高電力が供給
されるチツプを冷却できるほど十分低い熱抵抗を与える
ことはできない（この明細書に示されている最小の熱抵
抗は10℃/Wである）。さらにフイン付き構造体をチツプ
に結合すると、特に高電力チツプの場合は、上述の機械
的応力、はんだボールの疲労、信頼性及び取換えの問題
を生じる。
日本国特開昭61−67248号は、対の１つのメンバが半
導体チツプに取付けられているかみあわされたフイン付
き構造体の対を開示している。このシステムは上述の特
開昭明細書に開示されているのと同じ理由で、この発明
によつてカバーされる応用にとつては機械的に堅固す
ぎ、高電力で応用する時は、かなりな機械的応力、はん
だボールの疲労、信頼性及び取換えの問題がある。
日本国特開昭60−126852号は中央に存在するコイル状
のばねによつて、対のうちの１つのメンバがチツプに対
して押しつけられている、１対のかみあわされたフイン
付き構造体を開示している。コイル状のばねはこれがな
ければ熱伝達に使用できる領域を占有するので、熱的性
能をそこね、側方バイアスを必要とするような高電力の
応用のための側方バイアス力を与えることはできない。
さらにこの特開昭は、チツプ位置間の領域では各チツプ
位置の領域よりもキヤツプが薄くなければならないと開
示している。これによれば各チツプ位置の側方にあるフ
インからキヤツプ間での熱抵抗が増大するので、熱的性
能が十分とは云えない。
日本国特開昭60−126853号には、中央に存在するコイ
ル状のばねによつて、対の１つのメンバがチツプに対し
て押え付けられている１対のかみあわされたフイン付き
構造体を開示している。従つて上述のハサン（Hassan）
の論文及び特開昭60−126852号の場合と同じ理由で熱的
性能がそこなわれている。
上述の条件及び現状からみて、冷却用の流体がチツプ
もしくはチツプが取付けられている領域と直接接触する
必要がない、60−120ワツト/cm2の電力のチツプを冷却
できる高性能熱伝導モジユールが必要なことは明らかで
あろう。又モジユール中に使用されるチツプと内部熱装
置間に堅固な接続体がないこと、及びチツプの傾斜とチ
ツプの高さの変動を吸収できる手段が必要である。チツ
プの取換えは容易に行なわれなくてはならず、又熱的接
触抵抗を最小にするようにチツプと内部熱装置との境界
面で十分な熱接触が得られなくてはならない。
C.発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、チツプもしくはチツプが取付けられ
ている領域に冷却用の流体を直接接触させることなく、
半導体チツプのような熱発生装置から効率的に熱を消散
できる高性能熱伝導モジユールを与えることにある。
本発明の他の目的は、チツプとフイン付き内部熱装置
間に堅固な接続体のない熱伝導モジユールを与えること
にある。
本発明の他の目的は、チツプの傾斜とチツプの高さ変
動に適応するための手段が存在する熱伝導モジユールを
与えることにある。
D.問題点を解決するための手段 上述の目的は、フインが取付けられた平坦なベースを
有するフイン付きの内部熱伝導装置、対応するフイン付
きの冷却ハツト、並びにチツプとフイン付きの内部熱伝
導装置の境界（及び内部熱伝導装置と冷却ハツトの対応
するフインの境界）にある変形性（順応性）を有する熱
媒体によつて達成される。独特なバイアス手段が各フイ
ン付き内部熱伝導装置と冷却ハツトとの間に均衡のとれ
た力を与え、各フイン付き内部熱伝導装置の平坦なベー
スの表面を変形性の熱媒体を介して対応するチツプに押
しつける。バイアス手段は冷却ハツトとフイン付き内部
熱伝導装置間の他に使用されない領域に設けられる。
プロフイール（縦寸法）の小さな２重の片持ちばりの
ばねのようなバイアス手段は、チツプとフイン付き内部
熱装置の境界に均衡のとれた荷重を与え、これによつて
均一な圧力を与え、変形性の境界を通して対応する均一
な熱の流れを生じる。フイン付き内部熱装置は変形性の
境界により、横方向にチツプの表面に平行に自由に移動
可能であり、またバイアス手段は、かみあわされるフイ
ンの熱伝達に使用される領域を占有せず、従つてコイル
状のばねと異なつて熱伝導経路を減じることはない。変
形性の境界は合成油のような優れた安定性及び相対的に
良好な熱伝導率を有する油状の膜であることが好まし
い。チツプとフイン付き内部熱装置間の変形性の膜は、
独特のバイアス手段との組合せにより、モジユール・パ
ツケージ中に熱的に誘導される応力を吸収し、チツプの
高さ及び傾斜の変動に敏感でなく、非常に微細なギヤツ
プの有する剛体のかみあわせ式のフインの使用を可能に
する低熱抵抗の界面を与える。
E.実施例 E1 本発明の高伝導冷却モジユール 半導体チツプのような発熱性電子回路装置から熱を除
去するための、本発明に従つて構成される高伝導冷却モ
ジユールの特定の構成要素の全体的な機械的アセンブリ
の分解図を第１図に示す。第１図で、特定の温度以下に
保持しなければならないチツプ11は基板10上に取付けら
れている。米国特許第3495133号に開示されているよう
に、チツプははんだボールによつて基板10上に、機能面
を下にして取付けられ、基板10は多層基板であることが
望ましい。剛体のベース上に剛体のフインを有するフイ
ン付き内部熱伝導装置14が各チツプ上に位置付けられて
いて、この図には示されていない、変形性を有する熱的
境界に沿つて、チツプに平行な面で横方向に自由に移動
できるようになつている。フイン付き内部熱伝導装置14
の剛体のフインとかみあう剛体のフインを有する冷却ハ
ツト即ちキヤツプ40が冷却板16に取付けられるか、これ
と一体になつている。冷却ハツト40は単一片の材料から
製造できる。これに代つて、冷却ハツトは少なくとも２
つの基本部品、即ちフイン及びフインのための別個の指
示フレームから製造することもできる。冷却板はその中
を流れる流体、たとえば水を有することが好ましい。し
かしながら、たとえば空気流によつてモジユールから熱
を消散するフイン付き構造体のような他の代替冷却装置
を使用できる。多層基板モジユール内のチツプ上にフイ
ン付き内部熱伝導装置14を効率的に位置付けるために、
セパレータ30を用いることができる。
バイアス手段20はフイン付き内部熱伝導装置14と冷却
ハツト40間に存在する。バイアス手段は接触する領域間
に均一なバイアス力を加え、従つてフイン付き内部熱伝
導装置のベースの平坦な表面が、変形性の熱媒体を介し
てチツプに向つて押しつけられる。
E2 バイアス手段の構造 バイアス手段は冷却ハツトとフイン付き内部熱伝導装
置間の他に使用しないスペースを占有する、代表的には
ばねである。第3A図を参照すると、ばねのためのスペー
スはかみあつたフイン間に形成されていて、冷却ハツト
のフインもしくはフイン付き内部熱装置のフインによつ
て部分的に囲まれているチヤネル34、36及びフイン付き
内部熱装置14の外側の表面間のスペース35である。バイ
アス手段は圧縮時に、フイン付き内部熱装置のフインと
チツプに面する冷却ハツトの領域をできるだけ互いに接
近させる。この動作を達成するために、バイアス手段は
代表的には少なくとも１つのアームを有するばねであ
る。
第4A図を参照すると、少なくとも２つの片持ちばりア
ーム22を有するプロフイール（縦寸法）の小さなばね20
を有する好ましいバイアス手段が示されている。設置さ
れた状態のばねは第3B図に示されている。第3B図で片持
ちアーム22の固定端は支持部材24に接続し、支持部材24
はフイン付き内部熱装置14のベース15に固定され、互い
にクロス部材26によつて接続されている。各片持ちばり
アーム22の自由端はフイン付き冷却ハツト40の剛体フイ
ン42の一番下の表面に接触していることが好ましい。明
細書を通じて、この最も好ましい構成について参照され
るが、ばねの他の実施例即ち構造もあり、たとえば片持
ちばりばね22の固定端は冷却ハツトに固定でき、自由端
はフイン付き内部熱装置の対応する剛体フイン17、18の
一番外側の表面（図示せず）と接触できる。ばねアーム
を使用する他の構成も可能であり、たとえばばねアーム
はフイン付き内部熱装置14のベース15に直接取付けら
れ、又単一の片持ちばりアームもしくは多くの片持ちば
りアームが使用できる。片持ちばりばねは平坦な原材料
から形成され、中央のクロス部材26及びフイン付き内部
熱装置14のベース15に固定される２つの片持ちばり支持
部材24を有することが好ましい。片持ちばりばねの片持
ちばりアームとこれが固定されることが好ましいベース
間の角度は約15゜乃至60゜の範囲、好ましくは約30゜で
ある。ばねは通常のばね材料と組合せて、銅、アルミニ
ウム、銀もしくはその合金のような熱伝導性の材料を含
むもの、例えばシルコニウム−銅が好ましい。このよう
な系では、片持ちばりアーム22の自由端は冷却ハツト40
のフイン42の一番下の表面と接触する。図示されたよう
に位置付けられた本発明の片持ちばりのバイアス手段
は、フイン構造及びギヤツプ中の変形性の媒体との組合
せによつて、冷却用流体がチツプ部分と接触できない熱
伝導モジユール型のシステムでは従来達成できなかつた
低い熱抵抗を与える。好ましい、プロフイールの低い２
重片持ちばりのばねは、チツプとフイン付き内部熱装置
間の境界に均衡のとれた荷重を与え、これによつて均一
な圧力と、変形性の境界（たとえば、合成油）を通る均
一な熱流を与える。プロフイールの小さな２重片持ちば
りのばねはこれ等の利点だけでなく、フイン付き内部熱
装置の超平坦な表面が変形性の境界に沿つて、自由にチ
ツプの表面と平行に横方向に移動できるので、チツプの
傾斜及び高さの変動に適応するように働く。プロフイー
ルの小さな２重片持ちばりのばねは、熱伝導経路の面積
を減らさないが、それはもともとフイン付き内部熱装置
もしくは冷却ハツトのフインの領域に割当てられている
スペースを実質的に占有しないからである。このばねは
同時にフイン付き内部熱装置14、冷却ハツト及び関連す
るフイン間に並列な熱流経路を与える。１以上の片持ち
ばり部分を有するバイアス手段も本発明に従つて製造さ
れる高伝導冷却モジユールに使用できる。使用される片
持ちばり部分の正確な数はチツプの寸法とフインの数に
依存する。
第4B図に示したように、プロフイールの小さな片持ち
ばりのばねを複数個相互に接続して、単一のユニット27
としてモジユール中に挿入することもでき、このように
すると、組立を容易にすると共に、フイン付き内部熱装
置のための位置決め手段を与えることができよう。
第4C図は、２重片持ちばりのばね52をフイン付き内部
熱装置14のフインの一番上の表面に取付けられて、上述
のような働きをさせる例を示している。
第4D図は、少なくとも１つの曲がつたアーム32より成
り、好ましくはほぼ中央部が弓成りになつたばね37を示
しており、このばね37をチヤネル中に位置付けることも
できる。第4D図に示された実施例では、中央が弓成りに
なつた２つの曲がつたアーム32が、ばね37をフイン付き
内部熱装置のベースに固定するしめつけ用クリツプ33に
結合されている。この実施例では、固定手段31も与えら
れている。本発明の範囲内で、この曲がつたアームの変
形を使用することも可能であり、たとえばばね37を冷却
ハツトに固定して、アーム32の弓成り部分をフイン付き
内部熱装置の部分に接触させることができる。曲がつた
アーム32を有する複数のばね37を相互接続することもで
きる。
第4E図を参照すると、他のばね47が示されている。こ
の実施例では、平坦なばね部材46がフイン付き内部熱装
置のフイン間のチヤネル中に存在して、フイン付き内部
熱装置のベースに接触し、ばねウイング48が冷却ハツト
の部分と接触する。本発明の多くの代替実施例の場合と
同じように、このばねを逆にして、平坦なばね部材46が
冷却ハツトのフイン間のチヤネル中に位置し、ばねウイ
ング48がフイン付き内部熱装置の部分と接触するように
することもできる。
上述のようにチヤネルを有するモジユール中でばねが
十分に圧縮された時は、このばねは冷却ハツト及びフイ
ン付き内部熱装置のフインが重なる量を不当に制限する
ことはない。ばねの設計はモジユールが組立てられた後
にフイン付き内部熱装置及び冷却ハツトによつて印加さ
れる力を受けた時に、ばねのアームの厚さの約１乃至３
倍の程度の量だけばねが圧縮できるようにされることが
好ましい。これ等の力はチツプ回路もしくははんだボー
ルに損傷を与えないように約1000g/cm2未満であること
が望ましい。
少なくとも単一アームより成る上述のばねは代表的に
はチヤネル34、36もしくはフイン付き内部熱装置の外部
表面間のスペース35のいずれか、もしくは両方中にはめ
込まれ、従つて従来のようにフインの穴に大きな単一コ
イルばねを挿入した構造体の場合のように、バイアス手
段を収納したために熱伝達領域が少なくなることはな
い。ばねがフイン付き内部熱装置の外部表面間のスペー
ス35中に置かれる時は、ばねは代表的には各フイン付き
内部熱装置に固定され、最も普通には各フイン付き内部
熱装置のベースに固定される。ばねは適切なバイアス力
を与えて、フイン付き内部熱装置のベースをチツプの方
に押し、同時に、チツプ回路を破壊したり、はんだボー
ル接続部に過剰な疲労もしくは損傷を生じたりするよう
な過剰な力を加えないといつた本発明の他の目的を達成
する。
E3 内部熱装置、冷却ハツト及び熱媒体 本発明の基本構成要素と高伝導冷却モジユールの熱的
境界との協同作用について第3A図を参照して詳細に説明
する。フイン付き内部熱装置14はチツプ11上に取付けら
れていて、変形性の熱媒体29を介してチツプの最上面に
平行な平面内で自由に移動できる。各フイン付き内部熱
装置14は平坦なベース15を有する。チツプ11の表面に隣
接する剛体のベース15の表面25は非常に平坦な表面であ
る、即ち1cm当り１ミクロン未満の偏差を有することが
好ましい。フイン付き内部熱装置14の一番外側の剛体フ
イン17は内側のフイン18よりも幅広くなつている。それ
はこのような条件の下で熱的性能が改善されることがわ
かつているからである。最大の冷却能力を必要としない
場合にはフイン付き内部熱装置のすべてのフインは同じ
寸法のものでよい。
フイン付き内部熱装置剛体のベースはチツプ11の各辺
から突き出ていることが好ましい。最適な突出の幅はベ
ースの厚さ程度である。フイン付き内部熱装置14は剛体
で、熱伝導率の高い任意の材料から形成できる。主な例
はアルミニウム、銅、ベリリヤ、アルミナ、銀、炭化シ
リコン、及びその組合せ、もしくはその合金である。し
かしながら、この材料はチツプ−フイン付き内部熱装置
のベース間の境界部の硬質の破片又は微粒子などの異物
が片持ちばりのばねの作用によつてフイン付き内部熱装
置のベースに押込まれるように十分軟かいことが好まし
い。チツプ−フイン付き内部熱装置間の境界部の接触熱
抵抗は、このような異物が圧縮されるか、押込まれない
時は許容できないレベルに増大する。冷却ハツト40のフ
イン42、43はフイン付き内部熱装置14のフイン17、18と
かみあつている。冷却ハツト40及びその関連フイン42、
43も剛体であり、代表的にはアルミニウム、銅、ベリリ
ヤ、アルミナ、銀、炭化シリコン、又はその組合せ、も
しくはその合金のような熱伝導性の材料から形成される
ことが好ましい。対応する剛体のフイン42、43間の距離
は、フイン付き内部熱装置をその中にはめ込むことがで
き且チツプの傾斜に対応できる最小のギヤツプがフイン
付き内部熱装置に与えられることが好ましい。チツプの
高さの差に対応するため、フイン42、43間のチヤネル34
の高さは、冷却ハツトに面するフイン付き内部熱装置の
剛体フイン18と冷却ハツト40の本体との間に垂直方向の
ギヤツプが生じるように選択されることが好ましい。熱
抵抗を最小にするためには、フイン付き冷却ハツト40の
剛体フイン43は剛体フイン42よりも大きくて長く形成さ
れることが好ましい。剛体フイン43はフイン付き内部熱
装置14の一番外側のフイン17の外側表面と重なるフイン
である。フイン付き冷却ハツト40とフイン付き内部熱装
置14の両方について、各剛体フインの長さと幅の比は、
熱伝導経路を短くして低い熱抵抗を与えるために約10:1
より大きくあつてはならない。現在の加工技術と製造コ
ストのバランスから見て、各剛体フインの長さ対幅の比
の実用上の上限は7:1未満であることがわかつている。
フインが銅及びアルミニウムのような、通常入手可能な
熱導伝性の材料から形成される時には、各剛体フインの
長さ対幅の比は約3:1未満であつてはならない。それは
これより比が小さいと、本発明の目的とする熱的性能が
著しく劣化するからである。もし冷却用流体がチツプ部
分に直接接触できない環境で最大の冷却を行う必要がな
いか、適用例に応じて他の制約が課せられる時は、上述
のフインの幾何学的形状は変更できる。たとえば、冷却
ハツトのフインのアスペクト比は材料の性質に依存し
て、フイン付き内部熱装置のフインのアスペクト比と異
なつてもよい。
フイン付き冷却ハツト40とフイン付き内部熱装置14の
隣接する剛体フイン間のギヤツプは変形性の熱媒体29で
充填されることが好ましい。ある場合には、変形性の熱
媒体29はチツプ11とフイン付き内部熱装置14のベース15
間に使用されるものと同じ熱媒体、たとえば合成油でよ
い。使用される主な変形性の熱媒体は低粘性、即ち約35
0−1800センチポイズの範囲にある熱伝導性の油、たと
えばポリ（アルフアオレフイン）のような合成鉱油であ
る。他の適用可能な変形性の熱媒体には、基本的には熱
的な充填剤粒子が充填された液体もしくはゲル状のキヤ
リアより成る熱的ペースト及びゲル、あるいはある応用
で使用されるヘリウムのような熱伝導性の気体が含まれ
る。
合成油の熱伝導率は熱的ペーストもしくはゲルの熱伝
導率６の約1/8未満であるが、合成油は完全な順応性又
は変形性を有し、微細なギヤツプに導入することができ
る。さらに、かみあわされるフイン間に合成油を使用す
ることによつて、フイン付き内部熱装置の側方がバイア
スを容易に調整し、この結果、熱抵抗がさらに少なくな
る。すべてが合成油系の熱媒体を使用する場合、チツプ
の傾斜に適応させる必要があるならば、ギヤツプは任意
に小さくすることはできず、対応するチツプの傾斜角と
隣接フイン間の重なり長さとの積に等しいか、これより
も大きくなればならない。熱的ペーストもしくはゲルを
使用する場合は、ペーストもしくはゲルの変形性が小さ
いために大きなギヤツプが必要である。さらに、ペース
トもしくはゲル中の粒子の寸法が有無であるために、か
みあわされるフインの表面がどの程度近づけるかについ
ては限界がある。しかしながら、全体的な見地からは、
熱伝導率の高い熱的ペーストもしくはゲルがフイン付き
高伝導性冷却モジユールの性能を高めるのに使用でき
る。
高伝導冷却モジユールにおいて、チツプの高さ及び傾
斜に適応し、しかも十分な放熱作用を与えることができ
るようなフイン付き内部熱装置を与えるためには、フイ
ン付き内部熱装置の超平坦な表面とチツプの機能面内の
境界は極めて重要である。本発明の独自のバイアス手段
を挿入することによつて、この境界の一体性が保証さ
れ、フイン付き内部熱装置14がチツプ11の表面上を自由
に移動でき、しかも境界では極めて低い熱抵抗が保存さ
れ、チツプもしくはチツプと基板のはんだ接続部を損傷
するような過剰な応力が生じないようにされている。
一般に、かみあわされるフイン構造の熱的性能は、対
応するフイン間のギヤツプに依存し、熱的性能はギヤツ
プの変化とともに線形に変化する。本発明においては、
ギヤツプの幅と熱的性能間の通常の線形の関係以上の予
期し得なかつた改良が得られることが判明した。この予
期し得ない改良は約0.1mmの幅以下のギヤツプについて
得られる。ギヤツプを、チツプの傾斜を吸収乃至はこれ
に適応させるの必要な値よりも小さくすると、上述のよ
うに熱的性能が予期できないほど増大する。従つて単に
かみあわされるフインの表面積を増大することによつて
は熱的性能の必要なレベルを達成することはできない。
微細なギヤツプの場合でも、性能の増強は、アスペクト
比が約3:1以上で、約10:1以下のフインのみで可能であ
る。例えば、この比が約6.5対１セツトされ、必要とさ
れる程度のチツプ傾斜適応性を有するギヤツプを与えた
場合、最適フインの厚さは.08mmである。このようなフ
インは機械的に剛体であり、変形性のチツプ境界がなけ
れば十分に使用できない。多くの従来のかみあわせ型フ
インの冷却構造体では、（フインに平行な）１方向でし
かチツプの傾斜に適応できず、すべてのチツプ傾斜条件
下で無視できる程度のチツプ境界熱抵抗が必要な高性能
の応用では使用できない。本発明はフインに平行な方向
だけでなく、フインに垂直な方向のチツプの傾斜にも適
応できる。従来のかみあわされるフインの冷却構造体に
は、片持ちばりのばね及び剛体のかみあわされたフイン
と組合された変形性のチツプ境界は存在せず、本発明の
目的とするVLSI応用のための十分低い熱抵抗を与えな
い。本発明の目的が可能なのは、上述のギヤツプと、か
みあわされるフインの特性間の微細な相互作用のためで
ある。
E4 側方バイアス手段 熱抵抗が低くなるという利点の外に、本発明の高伝導
冷却モジユールの要素の組合せは、更に熱抵抗を低下さ
せるための機能を組込むことができる。本発明の自由に
移動でき、熱的に効率的な境界によつて、側方バイアス
手段を各フイン付き内部熱装置14とフイン付き冷却ハツ
ト40の対応部分間に組込むことができる。好ましい側方
バイアス手段を第5A図に示す。第5A図の改良されたフイ
ン付き内部熱装置54は側方バイアスの所望の方向と反対
側の一番外側のフインの一番外側の表面に切れ目を入れ
ることによつてばねフラツプ61が形成されている。側方
バイアス手段を使用する時は、フイン付き内部熱装置と
フイン付き冷却ハツトの対応するフイン間のギヤツプに
は熱伝導性の変形性の媒体が充填される。第5B図及び第
5C図に示したように、クロス部材の両側の片持ちばり支
持部材74に片持ちばりアーム72を有する片持ちばりばね
70に、側方バイアス用の付属部材を組合せることもでき
る。側方バイアス付属部材71は、代表的にはばね70と同
じ、平坦な金属材料で形成され、フイン18の高さの約1/
2以下であることが好ましい。第5C図に示したように、
第5B図の片持ちばりばね70がモジユールにロードされる
時は、測方バイアス付属部材71と片持ちばり支持部材74
間の角度は90゜よりも大きく、好ましくは100゜と110゜
の間にある。
ある応用では、第4A図に示したような単一のバイアス
手段20がフイン付き内部熱装置をチツプの方にバイアス
するとともに、測方バイアスを与えるのに使用される。
単一のバイアス手段20によつて両方のバイアスを与える
ためには、冷却ハツトに面するフイン付き内部熱装置の
フイン17、18の表面を傾斜させると共に、冷却ハツト40
にもこれに対応する傾斜面を形成すればよい。
他の代替測方バイアス手段を第5D図及び第5E図に示
す。第5D図には、可撓性の弓成り部分81及び相互接続部
分82を有する弾性シート80が示されている。可撓性の弓
成り部分81がフイン付き内部熱装置14を左側方にバイア
スしている。弾性シートは好ましくは約0.05乃至0.2mm
の厚さを有志、フイン付き内部熱装置14のベース近くに
取付けられている。弾性シートは２重の目的に使用さ
れ、フイン付き内部熱装置14を位置決めし、分離する手
段を与える。第5E図は第5D図の線5E−5Eに沿つて見た、
弾性シート80の使用状態の断面図である。弓成り部分81
は、フイン付き内部熱装置14の下端部、この例ではフイ
ン17の底部に接触して、これを側方に押すのが好まし
い。
E5 他の改良 第６図にはチツプ11の表面と接続するフイン付き内部
熱装置の表面25の改良、即ち表面25に溝28を設けたこと
による、従来の熱伝導モジユールに対する予期しない他
の改良が示されている。この溝は種々の幾何学パターン
の配列てよく、15乃至200ミクロンの幅及び深さを有す
ることが好ましい。
第７図に示すように、フイン付き内部熱装置のフイン
及び冷却ハツトの対応するフインを階段状に形成すれ
ば、熱束線により忠実に従う形状を与えて、熱性能を改
良することができる。剛体のベース51上の剛体の階段状
のフインは、改良された冷却ハツト50の階段状のフイン
53とかみあつている。
フインをテーパ状に形成する他の変更も可能である。
E6 具体的構成例 本発明におけるクリテイカルな部品の寸法は、冷却さ
れるべきチツプの寸法と電力の消散量によつて決定され
る。たとえば、変形性の熱媒体29としてポリ（アルフア
ーオレフイン）油が使用され、フイン付き内部熱装置14
が銅から形成されているシステム中で、チツプの寸法が
6.5×6.5mmの30ワツトのチツプから熱を消散するために
は、次のような寸法を使用することが好ましい。
第3C図を参照すると、変形性の熱媒体として油を使用
する応用では、フイン付き内部熱装置の剛体フインは５
つあることが好ましく、剛体ベース15は約9.1mm平方
で、厚さは約9.1mmであることが好ましい。一番外側の
剛体フイン17の幅は約1.3mmで、内側のフイン18の幅は
約0.8mmである。剛体ベース15の上面からの各フインの
垂直方向の高さは略5.8mmである。冷却ハツト40の一番
外側のフイン43の幅は約1.7mmであり、内側のフイン42
の幅は0.8mmであり、フイン43の長さは約7.1mmで、フイ
ン42の長さは約5.8mmである。対応するフイン間の油が
充填されたギヤツプの幅は略0.035mmであり、対応する
フインが重なる長さは約4.8mmである。
水平方向と各片持ちばり間に約25゜の角度がある２重
片持ちばりのジルコニウム一銅のばねが使用された。モ
ジユール全体の製造公差を吸収するために、剛体フイン
17、18の最上部と冷却ハツト41中の対応する開孔間には
約0.8mmのスペースがあり、フイン42の下端と、ベース1
5の対応する上面間には0.8mmのスペースが存在する。
上記の構造の場合は、全体的熱抵抗は約1.1−1.2℃/W
である。チツプと冷却ハツトの最上部間で測定されたこ
の熱抵抗は、水もしくは他の熱伝導性流体をチツプ部分
に直接導入できない高伝導冷却システムにおいて、6.5m
m平方のチツプ当り約30ワツトの、必要とされる消散を
与えた。チツプの傾斜及び高さの変動に対して容易に転
用でき、フイン付き内部熱装置はチツプの表面に平行に
摺動し、チツプの傾斜に応じて傾斜することができる。
２重片持ちばりのばねは、少なくとも120gの力、ただし
約400g未満の力でフイン付き内部熱装置をチツプの表面
に保持し、はんだボール接続部もしくはチツプ回路への
損傷は生じなかつた。さらにチツプの表面上の温度は均
一で、許容限界内に保持されていた。チツプとフイン付
き内部熱装置の間に異物があつても、すべての硬質の異
物はフイン付き内部熱装置の軟かい金属表面25中に埋没
し、境界部には異物は見出されなかつた。
かみあわされる対応フイン間に、変形性の熱媒体29と
して熱的ペーストを必要とする応用では、フイン付き内
部熱装置14のフイン17、18及び冷却ハツト40の対応する
フイン42、43は長さを約1.8mmだけ短かくし、各幅を夫
々約0.25mmだけ増大し、フインの数を５から４に減少す
ることが好ましい。チツプの回路から冷却ハツトの最上
部迄の熱抵抗は、6.5mm平方チツプで約0.7−0.75℃/Wで
あり、約1.8W/cm2・℃の内部熱コンダクタンスが得られ
る。
第5A図を参照するに、側方バイアス手段を上述のよう
にフイン付き内部熱装置に設けると、熱抵抗全体が改善
される。このような側方バイアス手段は代表的には、低
粘度の流体が変形性の熱媒体として使用される応用に適
用可能である。側方バイアスを使用する実施例の寸法
は、熱的ペーストを使用した前の実施例で使用された寸
法と同程度である。側方バイアスの実施例では、約0.1m
mのばねフラップ61はフイン付き内部熱装置の一番外側
のフインの外側表面に切込みを入れることによつて形成
される。内部熱装置の各フイン上に約0.05mmの厚さのは
んだの層を付着することによつて側方バイアス手段に追
加の増強を与えることができる。はんだは組立て後に再
溶融される。この実施例では、冷却ハツト40のフイン4
2、43ははんだに非湿潤性でなければならない。チツプ
の回路から冷却ハツトの最上部迄の、このシステムの熱
抵抗は、6.5mm平方チツプの場合、約0.7乃至0.75℃/Wで
ある。
第６図を参照すると、溝28がフイン付き内部熱装置の
ベース表面25に組込まれている。溝は上述の高伝導冷却
モジユール・システムより約10％だけ熱抵抗をさらに減
少することが見出されている。溝は15乃至200ミクロン
の幅及び深さを有するが、好ましくは15乃至50ミクロン
の幅及び15乃至20ミクロンの深さを有し、約0.25mm離れ
ている。この溝は余分な油もしくは他の変形性の媒体及
び汚染粒子のための逃し経路を与える。
要約すると、フイン付き内部熱装置、対応するフイン
付き冷却ハツト、チツプの表面とフイン付き内部熱装置
の対向ベース表面間の変形性の熱媒体及び各フイン付き
内部熱装置と冷却ハツト間にあつて、フイン付き内部熱
装置の平坦なベースをチツプに向けて駆動する独自のバ
イアス手段の組合せによつて、高伝導冷却モジユール型
のシステムにおいて高電力消費のチツプを効果的に冷却
できる低い熱抵抗を与えることができ、同時に、チツプ
の傾斜及び高さの変動に適応することができる。これ
は、チツプの回路もしくはチツプのはんだボール接続体
を損傷させるような剛体の境界を用いることなく、又高
伝導冷却モジユール中のチツプの取換えを、不可能では
ないにしても困難にする永久的な接続部を用いることな
く達成できる。このような要素の組合せは又、側方バイ
アス手段及びフイン付き内部熱装置のベースの表面の溝
のような、熱抵抗をさらに低下されるのに有効な他の機
能を簡単に組込ませることができる。
Ｆ 発明の効果 本発明に従えば、チツプもしくはチツプが取付けられ
ている領域に、冷却用の流体を直接接触させることな
く、半導体チツプのような熱発生装置を効率的に冷却で
きる高性能の熱伝導モジユールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の高伝導冷却モジユールを分解した状
態の等角図である。 第２図は、チツプと熱シンク間の経路中の種々の熱抵抗
を示した、通常の熱伝導モジユールを部分的に示す図で
ある。 第3A図は、本発明の高伝導冷却モジユール・アセンブリ
の一部を一部断面で示す図である。 第3B図は、第3A図の線3B−3Bで得られる断面図である。 第3C図は、本発明の実施例の高伝導冷却モジユールの一
部の断面図である。 第4A図は、本発明で使用できる片持ちばりばねを示す図
である。 第4B図は、代替の多重片持ちばりばねを示す図である。 第4C図は、代替のばね構成を示す図である。 第4D図は、代替のばねを示す図である。 第4E図は、さらに他の代替ばねを示す図である。 第5A図は、側方バイアス手段を有する高伝導冷却モジユ
ールの一部を示す図である。 第5B図は、片持ちばりのばねと組合わされた、代替側方
バイアス手段を示す図である。 第5C図は、代替側方バイアス手段を組込んだ高伝導冷却
モジユールの一部を示す断面図である。 第5D図は、側方バイアス手段の他の代替実施例の上面図
である。 第5E図は、第5D図に示したバイアス手段による側方バイ
アスを示す図である。 第６図は、微小溝を有するフイン付き内部熱装置を示す
図である。 第７図は、段付きフインを有する、本発明の高伝導冷却
モジユールの一部を示す断面図である。 10……基板、11……チツプ、12……はんだボール、14…
…内部熱装置、15……内部熱装置の平坦なベース、16…
…冷却板、17、18……14のフイン、20……バイアス手
段、22……片持ちばりアーム、24……支持部材、26……
クロス部材、29……変形性の熱媒体、34、36……チヤネ
ル、35……スペース、40……冷却ハツト、42、43……40
のフイン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨセフ・マシユー・ハーヴイルチユツ ク アメリカ合衆国ニユーヨーク州ビリング ズ、ピイー・オー・ボツクス186番地 (56)参考文献 特開 昭60−126853（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−126852（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−126851（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】発熱性電子回路装置からの熱を除去する電
    子回路装置冷却モジュールであって、 複数の第１フィンが形成された第１面と、前記発熱性電
    子回路装置の表面と直接接触する平面状の第２面とが形
    成されたベースを有する内部熱伝導装置と、 前記発熱性電子回路装置方向に向かって前記複数の第１
    フィン間にかみ合わされて挿入される複数の第２フィン
    を有し、前記第１フィン間及び前記第２フィン先端面で
    画定された第１のスペース領域と、前記第２フィン間及
    び前記第１フィン先端面で画定された第２のスペース領
    域とを形成する熱伝導性の冷却ハットと、 少なくとも前記第１及び第２のスペース領域の一方の領
    域内に配設され、前記冷却ハットと内部熱伝導装置との
    間にバイアス力を働かせて、前記ベースの前記第２面を
    前記発熱性電子回路装置の表面に均一な圧力で押しつけ
    るバイアス手段と を備えたことを特徴とする電気回路装置冷却モジュー
    ル。
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