JPS5922154B2 - 伝熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 今日のＩＣ技術において印刷回路カード及びボード内に
差し込むことができるメタライズド・セラミック・モジ
ュールが用いられる。

これらのモジュールは少くとも１個のシリコン・チップ
が半田結合されるところの表面上に印刷された回路パタ
ーンを有するセラミック基板の形をとっている。

ハーメチック・シールを設けるためにモジュール・キャ
ップ即ちカバーが用いられる。

これらのチップにはメモリ・ドライバ、感知回路、動作
増幅器並びにこれらの回路のための補助的論理のような
回路が埋設されている。

回路チップはこれらが用いられる装置のための特別な電
子的な機能を実行し、チップをそれらの動作の間にチッ
プが大量の熱を発生する。

本発明はこの熱を適当に消散させるための技術に係る。

ＩＣモジュールのための伝熱装置即ちヒート・シン、り
を用いることはよく知られている。

そのような装置は例えばチップ・デバイス及び適当な冷
えたプレート間のピストン接続部の形をとるもの、冷却
ひれ部を用いるもの、空気流或いは液状冷却体の導体を
用いるもの、チップ・デバイス及びモジュール・キャッ
プの間の間隙に熱、グリース、伝導性粉体もしくは液状
金属を充たすこと等の技術を用いるものがある。

上記の伝熱装置は通常大きな空間を占め、厳密な材料を
使用する。

更にそれらは製造が比較的高価につき、使用するには重
く且つ大形となる。

熱サイホン及び熱パイプの全部を用いるところの２つの
比較的新しい技術が回路素子の冷却用に用いられている
。

熱サイホンにおいては、容器において設けられた蒸発部
に液体冷却体が用いられ、この部分に対する熱入力によ
って蒸気を発生し、この蒸気が熱を取り除く凝縮部にお
いて凝縮する。

サイホンは、側壁に沿って垂直に凝縮体を蒸発部へ戻す
ために例えば重力のような外部力に依存する。

結果として、熱サイホンは方向によって制限される一方
向伝熱装置（熱ダイオード）である。

熱パイプは更に蒸発部において液状冷却体を有する容器
を用い、この蒸発部に対する熱入力によって熱を取り除
く凝縮部において凝縮するところの蒸気の形成が見られ
る。

熱パイプは凝縮体を蒸発部へ再循環させるために内部ウ
ィック構造体の毛管作用力を用いる。

熱パイプは内部ウィック構造体のコストの故に比較的高
価な伝熱装置であって、可撓性のベローズ型の容器が用
いられる場合においては特に高価となる。

可撓性ベローズ型の伝熱装置はＩＣモジュールの応用面
において好ましいものである。

なぜならばそれはチップ、基板及びキャップからなる組
立体における許容差の積み重なりによって生じるところ
のチップ及び半田結合部上に加えられる力を最小にする
ところの２次的な可撓性の伝熱路を与えるからである。

好ましい伝熱装置は外力から独立した、連続動作のため
に付加的な内部ウィック構造体を必要としないベローズ
型の装置であることが明白となった。

本発明は連続動作が外力から独立であって、連続動定の
ために、付加的なウィック・メカニズムが必要とされな
い点において独特である微小ら筒型の熱カプセルを提供
するものである。

これは熱源及び熱除去個所の間において、重力に関する
方向とは独立した連続的な液体循環路を与えるためのヘ
リカル通路を形成すべくベローズのら旋部において毛管
通路を用いることによって達成される。

カプセル即ちベローズの蒸発部における熱入力によって
液体−蒸気界面における液体の沸騰即ち蒸発の核が生ず
る。

蒸気はベローズを通して流れ、反対側において凝縮する
。

その反対側において熱が除去され、ベローズのら旋部に
おける毛管ヘリカル通路を流れることによって液体や蒸
発部に対して供給される。

装置の平衡動作状態における変動が適当な作用流体を撰
択することによって動くことができる。

装置は液体と平衡状態にあるその蒸気のみを含むので、
動作圧力は選択された流体の蒸気圧温度関係において決
定される。

従って、比較的平坦な蒸気圧温度特性を有する流体が、
圧力における変化が最小であることが望ましい応用面に
おいて望ましいものである。

マイクロ・ヘリックス熱カプセルの自立した特性によっ
て作用流体との直接的な接触が許されないような応用面
に用いることができ、そして蒸気／凝縮のエンタルピー
を利用する高い効率の伝熱装置が提供される。

感知しつる温度差を伴なうことなく高い熱効率で相当量
の熱を放出し或いは吸収することができる。

そのカプセルは電子成分、等温電子スイッチ並びに微小
構造体の除氷のような大きな技術に対して応用すること
ができる。

マイクロ・ヘリックス熱カプセルの他の利点はその設計
によって動作圧力、温度並びに外力からこれらの条件の
広い範囲にわたって独立した１つの連続した動作システ
ムを可能ならしめる点にある。

その動作システム即ち連続液体循環路は安定であって、
従って１つのモードの液体再循環を提供する。

従って本発明の主な目的はマイクロ・ヘリックス熱カプ
セルより成る新規にして改良された伝熱装置を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は方向とは独立して動作し、付加的な
ウィック構造体を必要としないマイクロ・ヘリックス熱
カプセルより成る新規にして改良された伝熱装置を提供
することである。

本発明の他の目的は広い範囲にわたって圧力、温度並び
に外力とは独立した１つの連続的な動作システムを可能
ならしめるマイクロ・ヘリックス熱カプセル伝熱装置を
提供することにある。

本発明の更に他の目的はＩＣモジュールを冷却するため
に用いつる新規にして改良されたマイクロ・ヘリックス
熱カプセルを提供することにある。

第１図及び第２図を参照すると、電子回路素子の冷却に
用いられる２つの先行技術が示されている。

第１図は熱サイホンを示す。密封された封じ込め容器に
は蒸発部において液体ため部が設けられている。

この蒸発部に対する熱入力によって液体が沸騰し、熱が
除去されるところの凝縮部において凝縮するところの蒸
気を生じる。

このサイホンは側壁に沿って蒸発部まで垂直に液体フィ
ルムの形で凝縮体を戻すために重力のような外力に依存
する。

第２図は通常の熱パイプを示す。これは又液体で飽和さ
れたウィック構造体を有する密封された封じ込み容器を
用いている。

蒸発部に対する熱入力によってウィック構造体からの表
面蒸発が生じ、蒸気が熱を除去する凝縮部において凝縮
する。

熱パイプは蒸発部へ凝縮体を再循環させるために多孔性
のウィック構造体の毛管作用を用いる。

第３図は半田結合な用いてセラミック基板に対して取り
付けられるところの少なくとも１個のＩＣチップな含む
メタライズド・セラミック及び多層セラミック・モジュ
ールの内部の熱的な改良のためにマイクロ・ヘリックス
熱カプセルを用いることのできる技法を説明する図であ
る。

熱的な改善技術を加えられていない通常のモジュールは
チップから半導体結合部、基板、モジュール・キャップ
、Ｉ１０ピン及びモジュールが書込まれる印刷回路カー
ドもしくはボードへ熱を伝達させることによって冷却さ
れる。

通常の内部改善技術においては直接チップからモジュー
ル・カバーへの平行な通路が設けられ、成分のエネルギ
ー消散機能が高められる。

このタイプの改善技術に関する必要条件は、チップ、基
板及びキャップから成る組立体から成る許容差の積み重
なりによるか或いはモジュールの動作の間の熱的膨張に
よって生じるところのチップ及び半田結合部に対して加
える力を最小にするために２次的通路が可読性を呈しな
げればならないということである。

第３図を参照すると、マイクロ・ヘリックス・カプセル
１０として具体化された本発明のマイクロ・ヘリックス
・カプセルの概念図が示されている。

このカプセルは、半田結合部１３によってモジュールの
基板に対して取り付けられるＩＣテップ１１の冷却に用
いるために特に適応している。

マイクロ・ヘリックス・カプセル１０はｉ作中［おける
システム内において生じた応力の吸収を可能ならしめ、
しかもシステム全体の公差とは独立したデバイス及びキ
ャップに対するメタラジカルな結合を提供する。

更に蒸発及び凝縮プロセスと通常関連する高い効率の熱
伝導がモジュールの構造体内に挿入されたこの手段によ
ってもたらされる。

この構造によるマイクロ・ヘリックスは冷却体のもれも
しくは汚染物の侵入を阻止する密封された環境を与え、
これによって所望の平衡状態が維持される。

更にカプセルはモジュール・キャップの内側上の及びチ
ップの背面上の半田付は可能な表面に対して半田の金属
界面によって結合させることができる。

チップの背面はパッシベートすることができるのでキャ
ップとの電気的連続性は付与されず、優れた熱的ジヨイ
ントを得ることができる。

図示されるように、ベローズ・カプセル１０は円筒形の
封じ込め内室を有する円筒形のものが好ましい。

更にこのカプセルは第３図に示されるようにモジュール
が組立てられた後に液体冷却体を挿入するために用いる
例えば銅のような柔らかい材料で作られる充填用管部１
５がその一端に設けられた形に構成されることが好まし
い。

モジュール内にマイクロ・ベローズ・カプセルを結合し
そして組立てる場合、チップが裁断されるところのウェ
ハの製造の際にテップ１１の背面上に半田付は可能な金
属例えば金が蒸着される。

電気的な絶縁を保証するために金属蒸着の前に酸化シリ
コンのパッシベーション層が設けられる。

マイクロ・ヘリックス・カプセルは半田付は可能な金属
例えばニッケルもしくは銅によって構成され、モジュー
ル・キャップ１６の内側は無電気的或いは電解的に銅を
付着させることができる。

キャップの内側及びチップの背面間にベローズ・カプセ
ルを結合させるために半田結合技術もしくは金−すす共
融技術が用いられる。

結合は通常のチップ結合技術に用いられるのと同じチッ
プ結合部において行なわれる。

組立ての後、充填用管部１５を介してベローズカプセル
に液状冷却体を完全に充たすために皮下注射器を用いる
ことができる。

次に流体温度がその沸点よりも約５．６℃（１０°Ｆ）
の温度にまで上昇するように装置に対して熱が加えられ
る。

これによって冷却体は開いた充填用管部から蒸発し、最
少量としてヘリックスのら飾部を充たすに必要な量に等
しい所望量の冷却体が残る。

この時点で充填用管部１５が参照番号１γで示されるよ
うに例えばへこませることによって封止される。

即ちこの時点においてベローズ・カプセルは封じられた
ことになる。

モジュールが用いられる場合、回路テップ１１からの熱
によってカプセルの蒸発部における液体冷却体が蒸発す
る。

蒸気は室部を通して流れ、熱が除去されるところの他の
端部における凝縮部において凝縮する。

毛管通路１４を含む連続的な液体フィルムの形で冷却体
が流れて戻ることによって流体が蒸発部に対して供給さ
れる。

モジュール・キャップの上部に対して適当な熱シンクが
取り付けられる。

熱シンクは水、空気流、熱グリースなどのようなもので
あってよい。

モジュールが動作する場合、回路チップ熱消散はチップ
内の結合部において生じる。

今日の技術において、結合部における温度が増加するに
つれて、チップの寿命が劣化する。

本発明のマイクロ・ヘリックス・カプセルを用いる場合
、適当な冷却体の蒸気圧一温度特性並びに充填量を選択
することによって、結合部温度が今日用いられる動作温
度よりもずつと抵い温度に調整することができる。

これによって最小の半田結合部一基板膨張行程が与えら
れ、ひいては半田結合部の寿命が改善される。

更に動作圧力を選択することによって、半田結合部は半
田結合部の寿命を改善する一手段として考えられるとこ
ろの圧力が加えられた状態で配置されるように設計する
ことができる。

本発明のカプセルを用いる応用例においては、容器の構
成が、非常に低い熱抵抗結合部を生じる例えばおよそ０
．０５１１ｍのキャップ及びチップの両方に対する半田
付げされたもしくは共融メタラジカル結合を可能にする
。

もしもチップから熱カプセルへの並びに熱カプセルから
モジュール・キャップへの結合に関して厚さが０．０５
１ｍｍであるものと仮定し、熱カプセル封じ込め容器が
厚さ０．３８ｍｍの銅の端部を有するものと仮定すると
、熱的改善技術が捲こされていない標準的なメタライズ
ド・セラミック生成物に関しては内部熱抵抗ＲＩｎｔ
（’Ｃ／Ｗａｔｔ ）における１桁の減少が可能であ
り、８．９ ｍｍの寸法を用いる熱的改善のために熱グ
リースを用いるモジュールの場合には４倍の減少が期待
しうる。

マイクロ・ヘリックス熱カプセルの概念はモジュールの
設計に対して最小の影響を与えるかもしくは全く影響を
与えないで電流モジュール技術に対して導入することが
できる。

更に結合処理は通常のプロセス技術を用いることによっ
て達成される。

所望ならば手軽な再処理を行なうことも可能である。

結局温度まで加圧された窒素雰囲気において加熱するこ
とによってキャップ及びマイクロ・ベローズを取りはず
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は先行技術を説明する図である。 第３図は本発明の詳細な説明する図である。１０・・・
マイクロ・ヘリックス・カプセル、１１・・・ＩＣチッ
プ、１２・・・基板、１３・・・半田結合部、１４・・
・毛管通路、１５・・・充填用管部、１６・・・モジュ
ール・キャップ、１７・・・封止部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ら旋状の可撓性ベローズ型容器よりなる、所定量の
   冷却液体を封入した伝熱装置であって、上記ベローズ型
   容器のら筒部自体が該ベローズ型容器の内部の対向端部
   を接続するら旋状毛管通路を構成しており、上記ベロー
   ズ型容器の一端が熱源に、その他端が熱シンクに隣接し
   て配置される様に構成されてなる事を特徴とする伝熱装
   置。