JPH06101523B2 - 集積回路チツプ冷却装置 - Google Patents

集積回路チツプ冷却装置

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JPH06101523B2
JPH06101523B2 JP60041118A JP4111885A JPH06101523B2 JP H06101523 B2 JPH06101523 B2 JP H06101523B2 JP 60041118 A JP60041118 A JP 60041118A JP 4111885 A JP4111885 A JP 4111885A JP H06101523 B2 JPH06101523 B2 JP H06101523B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はマルチチツプ・モジユール、特に集積回路チッ
プの発熱を効果的に取り去るマルチチツプ・モジユール
の冷却構造に関するものである。
〔発明の背景〕
１枚の配線基板上に複数の集積回路チツプを実装するマ
ルチチツプ・モジユールの冷却構造の一例を、本出願人
は特願昭58−072896号で既に提案している。
この構造は、柔軟なパイプで接続した冷却プロツク（複
数）を各集積回路チツプ個別に固着又は接触させるもの
で、冷却性能を大巾に向上できる。保守性，信頼性の点
では冷却ブロツクを集積回路チツプに固着させるのでは
なく、接触させることが望ましい。その時、冷却ブロツ
クとチツプの対向接触面の間隔をできる限り短くするこ
とが、熱抵抗の低減のために本質的に重要である。しか
し、接触面、特に集積回路チツプの接触面は製造工程上
どうしても数μｍ以上の反りが残り、この反りによつ
て、対向接触触面の間隔の下限、ひいては熱抵抗の下限
が規定されていた。
しかも、将来チツプの大型化，多層配線化が進むにつれ
て、増々チツプの反りは大きくなると予想される。
したがつて、冷却性能の一層の向上のためには、この反
りを矯正して、対向接触面の間隔を更に短かくできる構
造が必要である。
これに関し、デビツト ビー タツカーマン （David
B.Tuckerman）及びアール フアビアン ピース（R.Fab
ian Pease）は1983シンポジウム オン ブイエルエス
アイ テクノロジイ，マウイ（Symposium on VLSI Tech
nology,Maui）のダイジエスト オブ テクニカル ペ
ーパーズ（Digest of Techical Papers）P.P.60−61に
おける「マイクロキヤピラリイ サーマル インターフ
エイス テクノロジイ フオ ブイエルエスアウ パツ
ケージ」（Microcapillary Thermal Interface Technol
ogr for VLSI Package）と題する文献において、冷却ブ
ロツクの接触面に微細な溝を形成し、シリコーンオイル
を介在させて、集積回路チツプに接触させる構造を提案
している。微細な溝の毛細管効果によつて生じた負圧に
より、集積回路チツプの反りを矯正するものである。
しかし、マルチチツプ・モジユールにおいてはチツプを
配線基板にコントロールド・コラプス・ボンデイング
（CCB）等によつて固着する必要があるので、負圧によ
るチツプの反りの矯正は困難である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、高い冷却性能を持ち、しかも、保守
性，信頼性の良い、集積回路チツプの冷却装置を提供す
ることにあり、そのため、低熱抵抗で接触方式の、集積
回路チツプ冷却装置を提供することにある。
〔発明の概要〕 かかる目的を達成するため、本発明は、集積回路チツプ
と冷却ブロツクとの間に吸着板を設けることを特徴とす
る。この吸着板の一方の面には微細な溝を設けておき、
シリコーン・オイル等を介在させて集積回路チツプに接
触させて毛細管効果により負圧を生じさせる。さらに、
吸着板の板厚を薄くしておくことにより、負圧によつ
て、チツプの反りにならつてしならせ、吸着板とチツプ
の対向接触面の間隔を短くできる。吸着板のもう一方の
面と冷却ブロツクの下面の接触部には液体金属等の高熱
伝導流体を充填する等の低熱抵抗構造を形成しておく。
チツプ交換等保守点検時に、チツプと冷却装置を分離す
る必要がある場合は、チツプと吸着板の間で容易に分離
できる。
〔発明の実施例〕
以下図面により発明を説明する。
第１図は本発明の一実施例を示す断面図である。集積回
路チツプ冷却装置100は、多数の集積回路チツプ２を封
入し、かつ冷却する手段を与えるものである。封止は、
配線基板３とハツト５をハンダ６により接合することに
より行なわれる。配線基板３上には多数の集積回路チツ
プ２がハンダ端子４を介して電気的に相互接続されてお
り、基板下面には、冷却装置を回路カード又は回路ボー
ドに接続するための多数の入出力ピン９が存在する。
集積回路チツプ２により発生した熱は、各集積回路チツ
プ上に搭載された冷却構造体１に伝達され、冷却構造体
内部を循環する冷媒により冷却される。冷媒は、ノズル
8aを通して冷却装置外部から流入し、ベローズ形状の柔
軟なパイプ10を介して各冷却構造体内を循環し、ノズル
8bを通して冷却装置外部へ排出される。
第２図は冷却構造体１の拡大破断図である。冷却構造体
は冷却フイン23を一体成形した底板22及びキヤツプ21か
らなる冷却ブロツク20と吸着板30とから成る。冷却フイ
ン23の材質としては高熱伝導率材料、例えば銅，アル
ミ，モリブデン又は高熱伝導性の炭化ケイ素セラミツク
ス等を使用できる。またキヤツプ21との接続には半田付
けや拡散接合等を用いる。キヤツプの上部には、例えば
ニツケル電鋳ベローズ等の柔軟なパイプ10を半田付等に
よつて接続してあり、冷却構造体上部のハツト５内に設
けてある冷媒流路７と接続する。
なお、本実施例では、ベローズ10の形状を長円形にし
て、ベローズ断面積を増加させ、その結果としてベロー
ズ内の冷媒流速を減少させ、圧力損失の低減、腐食の防
止を図つている。また、これら長円形ベローズはフイン
列の両端に配置して、各フインへの冷媒流入量を均一に
している。
第３図は冷却構造体１の断面図である。吸着板30と冷却
ブロツクの底板22との間に空隙を設け、そこに高熱伝導
流体40、例えばGa−In−Sn合金等の液体金属を封入して
ある。冷却フインの材質として、銅，アルミ等を用いる
場合は、耐腐食性の向上のため、液体金属との接触部に
クロム，ニツケル等のメツキを施しておく。底板22の周
囲には凹み24を設け、液体金属溜めとして使用する。吸
着板30と底板22とは半田付け等によつて外周部を固着し
てある。
第４図は吸着板30の底面（チツプ接触面）を示す斜視図
である。上部が狭く、下部が広い溝31を底面全体に形成
してある。また、凹み32を設け各溝間を連結しておく。
本実施例では吸着板30の材料としてSiを用い、上述した
タツカーマン（Tucerman）の文献に詳述してあるよう
に、異方性エツチング技術及びメツキ技術を用いて本構
造を形成した。
また、本実施例では溝31の深さを30μm,ピツチを10μm,
巾を上部で１μm,底部で４μｍまた、吸着板30の板厚を
100μｍにしている。
この吸着板を有する冷却構造体１を集積回路チツプ２に
シリコーン・オイル等を介在させて接触させ、吸着板30
の溝31の毛細管効果により負圧を発生させて、チツプ２
の反りにならつて吸着板30をたわませて、吸着板30とチ
ツプ２の対向接触面の間隔を短くする。
集積回路チツプで発生した熱はシリコーン・オイル，吸
着板，液体金属，底板，冷却フインを経由して最終的に
冷媒へ伝達される。
集積回路チツプ２の大きさを2cm口とし、反りが15μｍ
ある場合でも、本実施例では約400gf/cm2の負荷が生じ
て、対向接触面の間隙を１μｍ以下にできるので、シリ
コーン・オイルの熱伝導率を0.0015W/cm・Ｋとして、1c
m2当りの接触熱抵抗を約0.02K/Wと非常に小さくでき
る。
接触部以外の熱伝導経路も、高熱伝導率材料で短かく構
成できているので、チツプから冷媒への総熱抵抗も、チ
ツプ1cm2当り0.5K/W以下と非常に小さくできる。
なお、モジユールは必ずしも水平に置く必要はない。吸
着板と底板の対向面間に液体金属が充填されるように、
液体金属の量と液体金属溜めの体積を適切に設定すれ
ば、モジユールを垂直に置いても良いことは勿論であ
る。
本発明の他の実施例を第５図を用いて説明する。本図は
第１の実施例の第３図に対応するもので、ただし、ベロ
ーズ10は省略してある。本図以外の構造は第１の実施例
と同様である。
本実施例は、第１の実施例の液体金属40の代りに高熱伝
導性の気体、例えばHeを吸着板30と底板22の間の空間に
封入したものである。ただし、熱伝導率は低下するの
で、微細な溝50を吸着板30と底板22の対向面にそれぞれ
形成し、かん合させることにより対向面積を拡大してあ
る。
もう一つの実施例を第６図を用いて説明する。本実施例
は吸着板30と底板22を低融点金属60を用いて固着するも
ので、構造を大巾に簡単にできる。
組立手順は、まず集積回路チツプ２に吸着板30をシリコ
ーン・オイル等を介在させて吸着させ、チツプの反りに
ならつてたわませる。その後、底板，キヤツプ等から成
る冷却ブロツク20を、必要な厚さの低融点金属箔を間に
はさんで押し付け、この低融点金属60を溶融固化させて
固着する。なお、低融点金属60とのぬれ性を確保するた
め、吸着板30及び底板22の対向面の各々に必要なメタラ
イズ膜を形成しておいても良いことは勿論である。
低融点金属60としては、その融点がシリコン・オイル等
の表面張力に大きな影響を与える温度範囲にあることが
必要であり、例えばIn−Sn合金（融点117℃）を用いる
ことができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、接触方式で低熱抵抗の、集積回路チツ
プ冷却装置を実現できるので、冷却性能を損なうことな
く、保守性、信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は冷却
構造体を示す斜視図、第３図は冷却構造体の断面図、第
４図は吸着板の斜視図、第５図は第２の実施例の冷却構
造体の断面図、第６図は第３の実施例の冷却構造体の断
面図である。 １……冷却構造体、２……集積回路チツプ、３……配線
基板、４……半田端子、５……ハツト、８……ノズル、
９……入出力ピン、10……ベローズ、20……冷却ブロツ
ク、21……キヤツプ、22……底板、23……冷却フイン、
30……吸着板、31……溝、40……液体金属、60……低融
点金属。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中西 敬一郎 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 徳田 正秀 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】集積回路チップに接触する冷却ブロックを
    有し、該冷却ブロックを介して前記集積回路チップを冷
    却する集積回路チップ冷却装置において、前記冷却ブロ
    ックに、少なくとも周辺部において前記冷却ブロックに
    接続され、前記集積回路チップと対向する面に微細な溝
    が形成された吸着板を設け、該吸着板を液体を介して前
    記集積回路チップに吸着させたことを特徴とする集積回
    路チップ冷却装置。
  2. 【請求項２】前記吸着板は前記集積回路チップの反りに
    応じて変形可能であることを特徴とする特許請求の範囲
    第１項記載の集積回路チップ冷却装置。
  3. 【請求項３】前記冷却ブロックと前記吸着板との間に熱
    伝導手段を介在させたことを特徴とする特許請求の範囲
    第２項記載の集積回路チップ冷却装置。
  4. 【請求項４】前記熱伝導手段は、前記冷却ブロックと前
    記吸着板とにより形成された空間内に封入された高熱伝
    導流体であることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
    載の集積回路チップ冷却装置。
  5. 【請求項５】前記熱伝導手段は、前記冷却ブロックと前
    記吸着板の対向面の各々に、互いに勘合するように形成
    された溝であることを特徴とする特許請求の範囲第３項
    記載の集積回路チップ冷却装置。
  6. 【請求項６】前記熱伝導手段は、前記冷却ブロックと前
    記吸着板とを固着する低融点金属であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第３項記載の集積回路チップ冷却装
    置。
  7. 【請求項７】前記低融点金属の融点は、前記吸着板と集
    積回路チップとの間に介在する液体の表面張力に悪影響
    を与えない温度範囲にあることを特徴とする特許請求の
    範囲第６項記載の集積回路チップ冷却装置。
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