JPH0354864B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、集積回路（IC）チツプなどの小型
の発熱性電子装置の伝導冷却、さらに詳しくいえ
ば、ICチツプと放熱器（ヒートシンク）の間に
熱抵抗が極めて小さい経路を備えた冷却装置に関
するものである。

ここでは、熱抵抗Ｒ＝△Ｔ／Ｑと定義する。た
だし△Ｔは温度差、Ｑは離れた２つのセクシヨン
間の熱流量である。この関係式は、フーリエの伝
導方程式Ｑ＝KA（△Ｔ／Ｌ）から導いた結果で
ある。ただし、Ａは熱流に対して垂直な断面積、
Ｌは熱が流れる距離、Ｋは媒体の熱伝導率であ
る。

〔開示の概要〕

熱を放散する集積回路チツプを熱伝導モジユー
ル中の放熱板に熱的に結合して、チツプから放熱
板への熱抵抗経路を最小に抑えてチツプを効果的
に冷却するための装置が開示されている。この装
置は、チツプ背面にばねで載荷された。底面が平
坦な円錐台形の熱伝導中実デイスクと、この円錐
台形デイスクと共用的にかみ合う連続するテーパ
形壁面のついた開口を備えた熱伝導性ハツト部材
を組み合わせたものである。デイスクとハツトの
間の隙間は、熱伝導度の大きいグリースの薄い層
がつめてあり、デイスクとハツトの間の小さな界
面熱抵抗と機械的フレキシビリテイを与える。チ
ツプの冷却をさらに高めるため、チツプ背面とデ
イスク基部の間に熱伝導度が大きく融点が低い自
己回復性合金が設けられる。

〔従来技術〕

チツプ・レベルでの大規模集積（LSI）と、超
大規模集積（VLSI）、および単一の多層セラミツ
ク（MLC）基板上に複数のチツプをパツケージ
することによるモジユール・レベルでの大規模集
積の導入により、単位容積当りの回路数が大幅に
増加し、同時にその熱流束密度も増大した。例え
ば、チツプ・レベルおよびモジユール・レベルで
の集積の結果、回路密度は１m³当2.5×10⁷回路に
も達し、チツプ・レベルで1000KW／m²のオーダ
ーの熱流束密度の熱を除去する必要が生じた。こ
の高い熱流束密度を除去するため、様々な熱放散
手段が調べられてきている。そのうち、熱伝導モ
ジユール（TCM）として具体形され、米国特許
第3993123号等で開示されているガス封入式伝導
冷却法は、これまで最も有利な方法であるとの定
評がある。

この先行技術にもとづくTCM組立体の各コン
ポーネントを第２図に概略的に示す。１０は
MLC基板である。１例では、基板１０は面積が
90×90mmで33層までの層を含み、典型的な場合、
100個までの論理チツプ１１、または118個までの
論理チツプとアレイチツプの組合せに対して、放
散と配線をもたらすことができる。基板１０に
は、典型的な場合約1800本の入出力ピン１２がそ
の底面にろう付けされていて、次のレベルのパツ
ケージに接続できるようになつている。基板１０
上の各チツプについて１つずつの円筒形ピストン
１３が、ばね１４で押されて各チツプの背面と接
触するようになつており、カバーないしハツト１
５と冷却板１６からなる水冷式ハウジングへの主
な熱伝導経路をもたらす。冷却板１６には、水が
循環するための適当なチエンバーがついている。
ワツクスで被覆され、ハツト１５と基板フレーム
１８の間に圧縮された金属製のＣリング１７が、
再加工可能な気密シールを形成している。圧力約
1.6気圧のヘリウム・ガスが密封されたモジユー
ルの界面〓間に導入されて、伝熱媒体として働
き、チツプからハツトへの熱伝導を向上させる。
ピストン１３のチツプ１１に直接接触する面は、
チツプの傾斜による偏心接触を最小限に抑えるた
め150mmの球半径に機械加工されており、それに
よつて均一なチツプ温度とチツプに対する機械的
応力の減少をもたらしている。

TCMの熱性能を分析するに当つて、便宜上第
３図を参照する。第３図はTCMの単一チツプ・
ユニツトをチツプ１１から冷却板１６への種々の
セグメントに分割された熱径路の熱抵抗を断面図
として表したものである。R_extは、外部熱抵抗を
表し、このモジユールに関しては次のように定義
される。

R_ext＝△T_h-iw／P_n ただし、△T_h-iwは、ハツト１５と入口ウエハ
の温度差であり、P_nはモジユール電力である。
R_extは２つの部分、すなわちハツト１５と冷却板
１６の対向面との間の界面抵抗、および冷却板表
面と冷却板内部の循環水との間の抵抗に分けられ
る。R_iotは、TCMの内部熱抵抗を表し、次のよ
うに定義される。

R_iot＝△T_c-h／P_c ただし、△T_c-hは、チツプ１１とハツト１５
の頂部の温度差であり、P_cはチツプ電力である。
R_iotは、R_c，R_c-p，R_t，R_p-h，R_hの５つの成分抵
抗から構成されている。R_cは、チツプの内部抵
抗を表し、R_c-pはチツプ１１とピストン１３の界
面の熱抵抗であり、R_tは、ピストン１３の熱抵
抗であり、R_p-hはピストン１３とハツト１５の
間の熱抵抗であり、R_hはハツト１５の熱抵抗を
表す。

チツプ１１とピストン１３の界面の熱抵抗R_c-p
は、接触する固体および界面ヘリウム・ガス媒体
の多数の形状特性、物理特性および熱特性の複雑
な関数である。R_c-pは、多数の小さな金属接触領
域の伝導抵抗、隙間の熱放射抵抗および界面ヘリ
ウム・ガス媒体の熱伝導抵抗の３種の並列熱抵抗
から構成される。この３種の抵抗のうちで最後の
ものが最も小さく、最も優勢な熱伝導経路は、界
面ヘリウム・ガス中を通る熱伝導である。

ピストン１３とハツト１５の間の熱抵抗R_p-h
は、ピストン１３の半径と長さ、ピストン１３と
ハツト１５の間の環状の隙間、ハツト１５の断面
積、ピストンとハツトの温度および熱伝導率を含
めて、いくつかのパラメータの関数である。

上記の各種熱抵抗の典型的な値は次の通りであ
る。R_c＝0.43℃／Ｗ，R_c-p＝2.9℃／Ｗ，R_t＝1.02
℃／Ｗ，R_p-h＝2.15℃／Ｗ，Ｒ＝1.58℃／Ｗで、
合計するとモジユールの総内部抵抗R_iotは8.08
℃／Ｗとなる。R_extは、典型的な場合約0.15℃／
Ｗである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

先行技術にもとづくTCMは、これらの熱抵抗
が極めて小さいにもかかわらず、熱伝導素子例え
ばピストンやハツト組立体の特別な形状とサイズ
のために、ICチツプから冷却板に熱を伝導して、
チツプ温度を必要とされる40℃から85℃の範囲に
維持する能力の点で固有の限界がある。特に、現
在考えられている消費電力が50ワツト以上の
VLSIチツプの場合はそうである。上記の先行技
術によるTCMのもう一つの欠点は、チツプとピ
ストンとの間の界面、およびピストンとハツトの
間の環状部に充分なレベルのヘリウム・ガスを使
うことが熱設計上どうしても必要なことである。
ヘリウムはガスとして秀れた熱特性をもち不活性
で無毒で不燃性であるが、外にもれないように封
入するのが極めて困難である。その上、分子流動
状態では、ヘリウムが漏れ出すのと同時に空気が
封入部分に入り、そのためにTCMの高い製品性
能が、時間に依存するその気密特性に依存するよ
うになる。

特に冷却能力の点で将来の用途に合せてかなり
拡張できるTCMを提供することが、本発明の目
的である。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的およびそれに関連するその他の目的
と利点は、本明細書で開示する熱伝導デイスクと
ハツトの組み合せを使うことによつて達成でき
る。本発明の一つの良好な実施例では、熱伝導デ
イスクは、平坦な底面を有する円錐台形をしてお
り、ばねでチツプの方へ押しつけられて、その平
坦な底面が冷却すべきチツプの背面と接触するよ
うになつている。ハツトも熱伝導性でありその底
部には熱伝導デイスクを共形的に受けるためのテ
ーパ開口がついている。ハツトとデイスクの対向
するテーパ面の間の隙間には、熱伝導性グリース
がつまつていて、デイスクとハツト間の界面熱抵
抗を小さくするだけでなく、チツプへの衝撃荷重
に対する有効な緩衝媒体としても働くようになつ
ている。ハツトに熱的に結合された放熱板が、
ICチツプからデイスクを経てハツトに伝えられ
た熱を取り除く。

チツプの冷却をさらに向上させるため、融ける
と低い界面熱抵抗をもたらす、自己回復性の熱伝
導度が高く融点の低い合金の薄い共形層が、チツ
プとデイスク底面の間に設けられる。

〔実施例〕

本発明にもとづく熱伝導モジユールに特有の基
本要素を第１図に示す。第１図において、ICチ
ツプを数字２０で示すが、これは熱を急速に放散
することによつて特定の温度範囲に保つことが望
まれるものである。チツプ２０は、はんだボール
接続２２を介して多層セラミツク基板２１上に表
面を下にして取りつけられている。すなわちチツ
プの集積回路を含む表面が、基板２１に下向きに
取りつけられている。中実円錐台形で底面が平坦
な熱伝導デイスク２３が、その平坦な底面がチツ
プ２０の背面に接触するように、チツプ２０の上
に取りつけられている。ICチツプ２０の背面は、
典型的な場合、凹凸が約0.25ミクロン以内の平坦
度である。デイスク２３の底面も、チツプの平坦
度に匹敵する極めて高い平坦度に機械加工されて
おり、そのため組み立てたとき、この２つの接触
面の間の隙間が最小限に抑えられる。チツプ表面
とデイスク２３の底面の間の隙間が小さいほど、
それらの間の熱抵抗も小さくなる。デイスク２３
の底面の表面積は、チツプ２０の背面の表面積よ
りも一般に大きくして、はんだボール接続２２が
不完全なためにチツプ２０が傾斜しても、デイス
ク２３の基部がチツプ２０と連続的接触を維持で
きるようになつている。

デイスク２３の底部にはリツプ２４がついてい
て、デイスク２３の斜壁を越えて伸びている。

デイスク２３の頂部には、圧縮ばね２６を収容
するためのばね保持用開口２５がある。このばね
２６は、熱伝導デイスク２３に力を加えてチツプ
２０に押しつけ、それらの間の熱伝導接触を良く
するためのものである。

円錐台形デイスク２３の上には、それと共形の
熱伝導ハツト部材（以下、単にハツトという）２
７があり、連続するテーパ側壁２８および基本的
に平坦な天井２９を備えた開口がそれぞれに設け
られている。側壁２８のテーパ角は、第１図に示
したデイスク２３のテーパ面３０のテーパ角θと
厳密に一致している。天井２９は、圧縮ばね２６
の上部を保持するための円形スロツト３１を含ん
でいる。ハツト２７は、水冷式冷却板の形の放熱
板に取りつけるための上面３２を備えている。別
法としてハツト２７に、そこから伸びる大きなフ
インをつけ、冷たい空気をその上に吹きつけてハ
ツトから熱を放散させることもできる。

ハツト２７のテーパ面２８とデイスク２３のデ
ーパ面３０の隙間は一定の寸法ｔであるが、その
中の熱伝導性の高いグリース３３を入れる。この
グリースは、熱抵抗が（チツプ面積4.5×4.5mm²の
場合）厚さ25ミクロン（１ミル）当り１〜1.2
℃／ワツトと小さく、狭い隙間に詰まつてち密な
パツクを形成し、デイスク２３とハツト２７の間
の熱伝導接触をよくすることができるような粘性
をもつものである。

第１図に示したハツト２７とデイスク２３の組
立体の共形テーパ面２８と３０が有効に働くフア
クタがいくつかある。第１に、デイスク２３とハ
ツト２７の間の接触面積が最大になる。典型的な
場合、テーパ接触表面積はチツプ２０の面積の約
５〜10倍になる。このようにデイスク２３とハツ
ト２７の間の接触面積が最大になると、デイスク
２３からハツト２７への熱流束の除去が最大にな
る。このテーパ形配置のもう一つの利点は、最も
有利なチツプ荷重条件と機械的フレキシビリテを
もたらすことである。この点を堀り下げるために
第１図と第４図を参照すると、デイスク２３に対
するハツト２７の垂直移動距離ｈは、表面２８と
３０の間の隙間のグリースの厚さｔと、三角方程
式ｈ＝ｔ・secθで関係づけられる。テーパ角θが
大きく、典型的な場合90゜に近いので、デイスク
２３はハツト２７内でグリースの厚さｔの小さな
変化に対して大きな垂直距離ｈだけ移動すること
ができ、したがつて機械的フレキシビリテイがも
たらされる。有利なチツプ荷重については、再度
第１図と第４図を参照すると、ハツト２７が垂直
方向の荷重下（ばね２６の圧縮力）を与えると
き、この荷重は、F_c＝Ｆ・cosθの形でＦに関係づ
けられた圧縮力F_cとF₃＝Ｆ・sinθの形で与えられ
るせん断力F_sの２成分としてデイスク２３Ｋにか
かる。テーパ角θは典型的な場合90゜に近いので、
荷重Ｆは主としてせん断力F_sとしてデイスク２３
に伝わるが、限られた圧縮力F_cがデイスク２３に
かかるのでデイスク２３とハツト２７の間の良好
な熱伝導接触が確保される。

良好なテーパ角θの範囲は、85゜θ＜90゜であ
る。θが85゜より小さいと、圧縮力F_cが大きくな
りすぎて、表面２８と３０の間に厚いグリース層
が必要になる。そのようにグリース層が厚いと、
ハツト２７とデイスク２３の間の熱経路が非効率
になる。θ＝90゜だと、ハツト２７からデイスク
２３にかかるすべての力がせん断力になり、圧縮
力はなくなるので、かみ合う２つの要素２３と２
７の間の熱伝導接触がかなり悪くなる。

熱伝導デイスク２３と共形ハツト２７の組立体
の基本的特徴が、第５図と第６図に図示してあ
る。この両図は、それぞれ初期および最終の組立
体の特徴を示したものである。初期状態では、基
板２１とハツト２７の間がδ₁と大きく離れてお
り、グリース３３の厚さが不均一なために、デイ
スク２３はチツプ２０上で自由に旋回し、充分に
着座することができる。組み立てると、基板２１
とハツト２７の間がδ₂と小さくなるが、所与の接
触荷重Ｆのとき、表面２８と３０からその間のグ
リース３３にかかる互いに反対向きのせん断力に
よつて、最初の着座位置を保つたままでグリース
３３の厚さが減る。組み立て中に起こるグリース
の流動は、デイスク２３がハツト２７に押し入る
ときハツトのテーパ面２８がもたらすより大きな
押出し抵抗を利用して、Ｆのチツプ領域ではな
く、ハツト領域すなわちハツト２７の天井２９と
デイスク２３の頂面の間の領域に入るように制御
できる。その上、組み立て中にグリースが下へ流
れても、チツプ領域に達せずデイスク２３の底部
の突き出したリツプ２４にうまく留まる。典型的
な場合、ばね２６の圧縮を介して約100〜150ｇの
接触荷重がかかれば、必要な熱伝導接触をもたら
すのに充分である。

デイスク２３とその上を覆うハツト２７の製造
に使用できる典型的な材料は、アルミニウム、
銅、銀、炭化ケイ素などである。銅は質量密度と
熱伝導度が大きいので、デイスク２３の製造に特
に適している。

熱伝導デイスク２３の寸法は、冷却すべきチツ
プ２０のサイズと消費電力によつて決まる。例え
ば、チツプ・サイズ4.5×4.5mm²の30ワツトのチツ
プから効果的に熱を放散するには、高さ約0.75
cm、デイスクの円錐部分の平均直径が約0.65cm
で、円錐部分の表面積が1.5cm²の銅製デイスクが
必要である。

第１図、第５図および第６図に示した、間に熱
グリース界面を設けた熱伝導デイスク２３とハツ
ト２７の組合せを利用すると、先行技術による底
面が曲つた円筒形ピストンとピストンを密閉する
ための直壁状開口を備えたハツトを利用した、ガ
ス封入式構造に比べて、チツプとハツト頂部の間
の熱抵抗R_iotを、約1/3に減らすことができる。

本発明では、第１図、第５図および第６図に示
すような熱伝導度が大きく融点の低い自己回復性
合金材料３４の共形界面層をチツプ２０の背面と
デイスク２３の底面の間に設けることによつて、
チツプ２０とデイスク２３の間の熱抵抗をさらに
減らし、チツプ２０から放熱板への熱伝導をさら
に向上させることができる。この合金材料は、固
相温度が85〜90℃と低く、液相温度が110〜115℃
と低くて、チツプ２０とデイスク２３の間の界面
が破壊されるとき、自己回復性界面をもたらす。
適切な合金材料３４の例は、ロードアイランド州
プロビデンスのアクロニウム社から市販されてい
るオスタロイ（Ostalloy）である。これは、ビス
マス（46.7％）、鉛（39.3％）、スズ（12.4％）、イ
ンジウム（1.6％）から構成されている。オスタ
ロイは、固相温度88℃、液相温度110℃である。
銅製デイスクに金属結合した厚さ25ミクロン（１
ミル）のオスタロイ・コーテイングの熱抵抗は、
0.1℃／Ｗ未満である。オスタロイは、単なるは
んだ付けまたはアーク吹付けによつてデイスク２
３の底面に塗布することができる。

界面合金層３４は、チツプ２０とデイスク２３
の接触面の間で破壊を起こして熱抵抗の大きな経
路を導入する恐れのあるボイドをなくすることに
よつて、ここに開示した構造の冷却能力を高め
る。合金層３４があると、界面が破壊された場
合、その熱抵抗が大きくなりチツプ温度が上る
が、チツプ温度の上昇が充分に大きくて合金層３
４の温度がその固相温度より高くなれば、合金は
再流動して共形界面を確立し、チツプ温度は正常
範囲に戻る。

第１図および第４図ないし第６図に示した装置
モデルで、チツプ２０と熱伝導デイスク２３の間
にオスタロイ界面を使いデイスク２３とハツト２
７の間に熱グリース界面を使つて熱実験を行つた
結果、この装置を使うと熱抵抗Rintを先行技術
にもとづくガス封入式装置に比べて1/6に減らせ
ることが立証された。

本発明をその特定の良好な実施例に則して説明
してきたが、以上の説明に照らせば当業者なら多
くの別法、修正および変更をすぐ思いつくことは
明白である。例えば、熱伝導デイスクを、指ぬき
形にして、内部側面領域をハツトからの突起に対
向させることができる。こうすると、ハツト・グ
リース界面の面積がずつと大きくなり、したがつ
て熱抵抗は小さくなるはずである。

〔発明の効果〕

以上まとめると、円錐台形の中実デイスクとこ
のデイスク上に共形的にはめたテーパ開口を有す
るハツトを設け、その間の隙間に熱伝導度の大き
いグリースの薄い層をち密に詰めると、高電力の
ICチツプから放熱板へ熱を伝えるための簡単で
効率的な秀れた熱伝導手段ができる。その熱伝達
が秀れているのは、デイスクとハツトの接触表面
積が、これらの要素の独特の形のために極めて大
きくなるためである。熱伝達が効率的なのは、こ
れらの大きな表面の間にグリース界面が設けられ
ているためである。ICチツプとデイスク底面の
間に融点が低く熱伝導度の高い独自の合金界面を
設けると、熱伝達がさらに改良される。

単一チツプを冷却するための単一のデイスク・
ハツトの組合せに焦点を当てて本発明を考察して
きたが、本発明を利用してTCMを作成すること
により、それを多数のチツプの冷却に容易に拡張
できる。たとえば、第１図及び第４図ないし第６
図に示したハツトやデイスク等の組合せを用いて
構成された複数チツプのTCMの例を第７図に例
示する。第７図においては、第１図及び第４図な
いし第６図に対応する構成要素には同じ参照番号
を付してある。参照番号２７′はこれらの図のハ
ツトを組合せることによつて構成された単一の熱
伝導キヤツプ部材（以下、単にキヤツプという）
を示すものである。このキヤツプ２７′は第２図
の従来技術に関連して説明したのと同様なやり方
でMLC基板へのＣリングによつてエツジ３５及
び３６のところでシールされる。キヤツプ２７′
にはそれぞれテーパ形壁面及びこれらに対応する
円錐台形のデイスクを有する複数の空洞部が設け
られ、この円錐台形のデイスクがICチツプと熱
的に接触する。熱除去手段３７′はチツプによつ
て発生する熱をキヤツプ２７′から外方に逃がす
ためキヤツプ２７′に熱的に結合される。このよ
うなTCMは、大規模システム・プロセツサの使
用によつて課される、温度、湿度、パワー・オ
ン／オフ、マシン寿命、故障率その他各種の機械
要件などの適用要件を容易に充たす。このように
設計したTCMは、効率的な冷却経路をもたらす
上に、ICチツプを機械的におよび環境上充分に
保護する。

すなわち、本発明にもとづいて、上記に設定し
た目的と利点を完全に満足する、改良された単一
チツプまたは複数チツプ用熱冷却装置が実現され
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にもとづく新規な特徴を示す
熱伝導デイスクを組み込んだ、熱伝導モジユール
の実施例の部分断面図である。第２図は、従来の
熱伝導モジユールの分解斜視図である。第３図
は、ICチツプと放熱板の間の熱経路における
様々な熱抵抗を示す、従来の熱伝導モジユールの
一部の断面図である。第４図は、本発明の熱伝導
モジユールの熱伝導デイスクとその上のハツトの
テーパ面の一部において、これらのテーパ面の間
のグリース界面の厚さ、ハツトのデイスクに対す
る垂直移動距離、およびテーパ面のテーパ度の幾
何的関係を示す図である。第５図および第６図
は、異なるモジユール組立て手段を示す、第１図
と同様の部分断面図である。第７図は複数のチツ
プを冷却するための本発明の他の実施例の部分断
面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却すべきチツプの背面に接触する平坦な底
   面を持つた円錐台形の熱伝導デイスクと、 内面が前記デイスクのテーパ面に対向するテー
   パ面になつている熱伝導性のハツトと、 前記ハツトと前記デイスクの間に設けられ、前
   記デイスクを前記チツプに押しつける手段と、 前記デイスクおよび前記ハツトのテーパ面間の
   隙間につめ込まれた熱抵抗低減用のグリースと、 を設けたことを特徴とするチツプ冷却装置。