JPS632148B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は電子装置のための熱消散装置に係り、
更に具体的には、冷却すべき熱源及びヒート・シ
ンク間の熱的結合を改良するための手段に係る。 電子装置からの熱の除去はこれ迄のみならず現
在に於てもたえずとりあげられる設計上の問題で
ある。異なつた熱消散技法を用いる多種の解決案
が長年用いられてきた。例えば、初期の熱消散シ
ステムは強制空冷技術を用いた。強制空冷が適切
な熱転移及び熱除去を行ない得ない場合には、液
体冷媒の循環が用いられた。大きな熱負荷に対し
ては、最近の設計者は適当な冷却を行なうために
冷却サイクル装置を用いている。 LSI技術の発展及びVLSIへ向かう傾向によつ
て近年の電子装置の性能が大きく向上した。と同
時に、この技術的傾向によつて単位面積あたりの
回路も劇的に増加した。 もしも電気的及び幾何学的な尺度が厳格に固守
されるならば、ユニツトあたりの電力消費は一定
であろう。しかしながら、電力供給電圧が厳格に
減じられず、従つて電力密度が増大しそこに於て
熱が発生する事が多い。小さい単位面積に於ける
熱発生が増大すると、有害な局部化した加熱が行
なわれ、更に複雑な冷却法を必要とする技術的課
題が呈せられる。非常に多数の、高速度であつて
大電力を要する論理及びメモリ用のチツプ及びモ
ジユールを、高速度の性能条件を満足させる様に
用いる高速度電子デジタル・コンピユータの技術
分野に於ては、上記の冷却法の必要性は特に大で
ある。 チツプ上の回路によつて発生した熱をヒート・
シンクへ有効に除去するために、回路チツプ及び
ヒート・シンク間の改良された伝導熱転移コネク
タが必須である。回路チツプからヒート・シンク
への熱伝導路を改良する事によつて、熱抵抗が小
さくなり、よつて回路チツプはより高い電力レベ
ルで動作しうるだけでなく、より簡単なヒート・
シンクを用いる事が可能である。 本発明の主なる目的は電子装置を冷却するため
の改良された熱消散装置を提供する事にある。 本発明の他の目的は冷却すべき熱源及びヒー
ト・シンクの間に簡単でしかも有効な熱的結合を
具現させる事にある。 本発明の他の目的は、冷却されるべき熱源とヒ
ート・シンクの間の界面抵抗を減じることであ
る。 本発明の更に他の目的は、チツプ及びモジユー
ルをより大電力レベルに於て動作させうる様に、
回路チツプ及びモジユールのための改良された熱
消散装置を与える事にある。 本発明の他の目的は、簡単なヒート・シンクを
用いる事が出来ると同時に熱源をより高い電力レ
ベルで動作させうる、熱源及びヒート・シンク間
の有効な熱結合を与える事にある。 本発明の目的は、VLSI回路チツプ及びモジユ
ールのための改良されたパツケージング組立体を
与える事にある。 本発明のこれらの目的は、熱源からの熱の除去
を大ならしめるべく、密封されたモジユール内に
含まれた熱源及び密封モジユールの壁部の間に改
善された熱的結合を与えるために、密封モジユー
ル内に高圧のガスを封入した熱消散装置によつて
達成する事ができる。更に、上記密封モジユール
の壁部の温度の低下によつて、周囲のガス及び熱
源の界面の熱抵抗が減じ、よつて上記熱源からの
熱除去が促進される。 第１図を参照する。熱消散装置１０は密封モジ
ユール２０、１以上の回路チツプ３０を含む熱
源、密封モジユール２０内に取り付けられた回路
チツプ３０、モジユール２０内に封入された高圧
ガス４０よりなる。 本発明による熱消散装置１０は回路チツプ３０
の簡単にして有効な冷却を可能にする。更に具体
的に云うと、熱消散装置１０はチツプ自体に固体
プランジヤもしくは固体熱導体を接触させる方法
をとらずに改良された熱除去を行なう。その様な
熱消散装置１０は種々の応用面を有する。後で示
す様に、単一熱消散システム１０の設計は、封入
されたガス４０の高い圧力を単に変えるだけで広
範囲の電力消費レベルにわたつて適用する事がで
きる。ここで用いられる高い圧力は2460.5ｇ／cm²
（35ポンド／inch²）ないしこの値の百数十倍（数
千ポンド／inch²）であつて、好ましい値として
は4921ｇ／cm²（70ポンド／inch²）よりも高い圧
力である。 回路チツプ３０はその上に密にパツクされたソ
リツド・ステート電子回路を含む。回路チツプ３
０内に含まれるこれらの回路によつて消費される
電力は回路チツプ３０から除去されねばならない
熱を発生する。回路チツプ３０の各々は異なつた
量の電力を消費してもよい。しかしながら、その
上の種々の回路は、目標の性能及び信頼性設計目
的を維持するために、所望の動作温度範囲に維持
しなければならない。 回路チツプ３０は、全体としてセラミツクから
作られた基板３２の一方の側面上に垂直に取りつ
けられる事が好ましい。基板３２の他方の側面に
は、密封モジユール２０を図示されないボードへ
差し込むための接続ピン３４が設けられている。
その様なボードは他の密封モジユール２０を含み
モジユール２０の回路チツプ３０間の相互接続の
役目をはたす。 垂直に取りつけられた回路チツプの代りに、チ
ツプ３０はモジユール内に実装されてもよい。よ
つてモジユールに取りつけられたチツプが基板３
２の一方の側面に取りつけられる。或る程度モジ
ユールは、熱抵抗を実質的に減じるための回路チ
ツプ用の熱的エクスパンタ（expander）の働ら
きをする。 回路チツプ３０を有する基板３２は密封モジユ
ール２０内に完全に包囲されている。モジユール
２０は熱放射用フイン２４を有する冷えた側壁２
２を含む。ここで用いられる側壁２２は室温から
摂氏零下二、三百度の温度範囲にある。モジユー
ル２０の背面壁２６は、基板３２からモジユール
２０の外部へのびる接続ピン３４を収容する開孔
２８を有する。モジユール２０は密封モジユール
２０内への周囲の大気がもれない様に密封されて
いる。入口２５を通して、ヘリウムもしくはアル
ゴンの様な不活性ガス４０が完全に充填される。
入口２５は、モジユール２０内に高圧のヘリウ
ム・ガス４０を封入すべく、約１：10の縦横比を
有する室を形成するように密閉される。その代り
に、少量のリークを相殺するための貯蔵器を与え
る円筒体をモジユール２０に対して永久的に取り
つけてもよい。 密封モジユール２０内に高い圧力で不活性ガス
４０を封入する事は改良された熱消散装置１０の
重要な一局面である。チツプ３０上の回路３０に
よつて発生した熱を冷えた壁２２（これは放射フ
イン２４と共にヒート・シンクとして働らく）へ
除去するために、回路チツプ３０及びヒート・シ
ンクの間の改良された熱的結合が必須である本発
明によつて、高圧のガス４０がその様な熱的結合
を改善し、熱抵抗を低下させ、チツプ３０をより
ずつと高い電力レベルで動作させうる事が判つ
た。 密封モジユール２０は銅、アルミニウムもしく
は鉄の様な熱伝導性の材料で作られ、例えば
112.480Kg／cm²（1600ポンド／inch²）の様な高圧
に耐える様に作られる。背側壁２６上の開孔２８
は基板３２の他の側面によつて密封され、基板３
２のわずかな領域のみが高いガス圧にさらされ
る。この構成によつて、モジユール２０内への周
囲の大気のリークが、高い圧力の結果として、セ
ラミツク基板３２の潜在的な欠陥によつて生じる
確率を最小にする。 密封モジユール２０の冷えた側壁２２に結合さ
れ、蓄積された熱は大気へと除去される。この場
合、同じ様に熱伝導性の材料からなる熱放射フイ
ン２４がモジユール２０の壁部に於ける熱放射表
面を拡張し、そこへ転移された熱の大気への放熱
を助長する。従つて、回路チツプ３０からヒー
ト・シンクへの熱伝導路即ち熱結合を改良する事
によつて、熱抵抗が低下し、よつて回路チツプ３
０のより高い電力レベルにおける動作が可能とな
るだけでなく、大気中へ転移熱を放熱するために
放射フイン２４の様な簡単なヒート・シンクの利
用が可能になる。 その代りに、本発明による実施例は、上記の熱
放射フイン２４以外の更に手の込んだ熱除去手段
を用いてもよい。第２図に示される様に、モジユ
ール２０の側壁２２は冷たいプレート５０への物
理的に取りつけられてもよい。図示される様に、
冷えた側壁２２は、冷たいプレート５０を良好な
熱伝導関係に取りつけることができるように相対
的に平坦である。第２図は良好な一実施例を示す
にすぎない。当然、冷たい側壁２２も冷たいプレ
ート５０も平坦である必要はない。両者とも半円
筒型であつて、良好な熱伝導関係を呈する様に取
りつけられる事も可能である。更に、側壁２２も
又冷えたプレート５０の壁として働らきうる。こ
の構成を用いる事によつて、回路チツプ３０が発
生した熱は封入された高圧のガス４０によつて、
冷えた側壁２２へ有効に結合される。加圧された
ガス４０によつて、各回路チツプ３０から良好な
熱伝導冷側壁２２上に蓄積された熱は冷えたプレ
ート５０へと転移される。プレート５０は内部を
循環する冷却流体５２を有し、これによつてプレ
ート５０へと転移した熱が有効に除去され、よつ
て回路チツプ３０が所望の動作温度範囲に維持さ
れる。 プレート５０は冷たい側壁２２の垂直部分への
み取りつけられる様に図示されるが、所望ならば
プレート５０は更に有効に熱を除去するために冷
たい側壁２２の水平方向の上部及び下部へも接触
する様に変更されてもよい事は云う迄もない。 高圧及び低いガス温度の、密封雰囲気内のモジ
ユールに取りつけられたチツプ３０及び自由につ
り下げられたチツプ３０に対する熱消散効果が調
査された。その結果が第４，１図、第４，２図、
第４，３図、第４，４図及び第４，５図に示され
ている。回路チツプ３０即ちモジユールにとりつ
けられたチツプは平坦な表面を呈するものとして
考えられてよい。そしてこの平坦な表面が垂直な
壁部へ取りつけられる（４，１図）か水平な壁部
に取りつけられる（第４，４図）。 第４，１図ないし第４，５図を参照する。密封
されたモジユール５０内の異なつたチツプ配置に
ついて調査を行なつた。図示されるテスト・チツ
プは一つの辺がおよそ2.54cmで厚さが0.038cmの
ものであつた。各配置について最大の電力消費は
100℃までの温度上昇に関して判定された。図示
されるように、垂直壁部構成は、水平構成の場合
より1.4倍ないし1.6倍の最大消費電力を示す。こ
のデータは垂直壁構成が好ましい取りつけ技法で
ある事を示唆している。加圧された、低温ガスの
効果がこの好ましい垂直壁構成を用いて分析され
た。 第５図及び第６図に於て、垂直につり下げたチ
ツプと垂直にモジユールにとりつけたチツプの両
方について、圧力の関数としての熱抵抗に対する
ガス４０の温度の効果を示す。第５図に於いて、
熱抵抗の圧力に対する依存度は調査された２種の
ガス温度に関しておよそ―1/3乗である。室温領
域（＋26℃）及び低温領域（−45℃）に関するデ
ータを比較すると、勾配に於いて類似性が見出さ
れるにもかかわらず、熱抵抗が後者に於いてより
小である事が分かる。例えば、1000×70.3ｇ／cm²
（psi）に於いて、室温の場合の熱抵抗はおよそ
3.1℃・6.45cm²／Ｗ即ち20℃cm²／Ｗであるのに対
して、−45℃の場合にはそれは2.8℃・6.45cm²／Ｗ
即ち18.1℃cm²／Ｗである。換言すると、ガスの温
度を減じる事によつて、最大動作温度に対して許
容しうる付加的な温度上昇による付加的な余裕
（headroom）をうる事ができるだけでなく、更
に熱抵抗の減少（上述の場合約10％）による利得
をうる事ができる。これは通常容易に予測しうる
効果ではない。 圧力にともなう熱抵抗（T.R.）の変動は次式
によつて与えられる。 loｇT.R.26℃ cm²＝−0.331log psi＋2.31 logT.R.-45℃ cm²＝−0.339log psi＋2.28 なお、上記式に於てpsiは70.3ｇ／cm²である。 垂直にモジユールにとりつけたチツプに関する
データが第６図に示される。つり下げたチツプの
場合と同様に、log―logのプロツトは線型である
が、勾配は小である。更に、上述の予測しなかつ
た効果即ち温度が減じる事によつて勾配が大きく
なる現象は、この場合に於ては増幅されている。
計測された勾配は25℃及び−186℃に関して夫々
−0.185及び−0.236である。計算をチツプ面積に
基づいて行う場合、熱抵抗値は自由につり下げら
れたチツプに較べてモジユールに取りつけられた
チツプに関してはより小であるという事実も同様
に重要である。更に、モジユールに取りつけられ
たチツプの熱抵抗は自由につり下げられたチツプ
の値の約1/5である。この事はモジユールが或る
程度熱的エクスパンダーとして働らく事を示す。
モジユールに取りつけられたチツプに関する圧力
にともなう熱抵抗の変動もまたより小、即ち、自
由につり下げたチツプの場合の−1/3にくらべて
およそ−1/5である。 T.R.（熱抵抗）対psi（70.3ｇ／cm²）の関係が次
式によつて示される。 logT.R.25℃ cm²＝−0.185log psi＋1.422 logT.R.-186℃ cm²＝−0.236log psi＋1.327 計測したその様な熱的モジユールのデータを用
いて下記の表を得た。

【表】 異なつた壁部温度に関して、上の表は異なるシ
ステム・ヘリウム圧に於ける85℃の最終温度迄の
電力消散能力（ワツト／チツプ）を示す。この様
なデータが第３図に示される様にプロツトされ
た。このグラフに於いては、一連の圧力に対して
ワツト／チツプ対ガス温度（T_GAS）がプロツトさ
れている。全ての場合において、最終的なチツプ
動作温度は85℃である。或る所望の熱消費値を定
義する事によつて、ガス温度及び圧力のどの様な
組合せが必要とされるかを決定する事ができる。
例えば、もしも設計目的が約21ワツト／モジユー
ルの熱消散システムをうる事にあるならば、約
200×70.3ｇ／cm²（200psi）のガス圧及び−186℃
の側壁２２の温度が、設計条件を満たすために選
択されるべきである。 第３図に関して、本発明による熱消散システム
が室温に於いては、200×70.3ｇ／cm²に於いて2.8
ワツト／モジユール取りつけチツプ、1600×70.3
ｇ／cm²に於いて4.1ワツト／モジユール取りつけ
チツプ並びにより高いガス圧に於いて更に高い電
力レベルを消散しうるという事実を指摘できる事
は特に興味深い。これらのケースは、ヒート・シ
ンクからの熱の除去の為に簡単な、通常の加圧さ
れた空気を用いる技術で十分である点で特に意義
がある。これらのケースに於て可能である様に、
熱除去の為にヒート・パイプもしくは液体冷媒を
用いる事なく高電力消散の得られる設計によつ
て、多くの事例に於けるコスト上有効な、魅力あ
る解決策が与えられる。従つて、本発明の熱消散
システム１０は多方向に於いて適用性があり用途
の広いものである。更に、具体的に云うと、単一
の熱消散システム１０は、密封モジユール２０に
含まれるガス４０の高い圧力を単に変える事によ
つて、あるいは冷えた側壁２２の温度を変える事
によつて、広範囲の電力消散レベルにわたつて適
用する事が出来る。電力消費能に換算すると本発
明のシステムによつて、85℃までの温度上昇に関
して900W／6.45cm²（900W／in²）もの熱除去が
可能となる。 第１図及び第２図のシステム１０内に含まれる
ガス圧を増すか、冷えた側壁２２の温度を低下さ
せるか、あるいは両方を行なう事によつて熱抵抗
が低下するという事によつて、熱を消散させる為
のシステム１０の性能の向上は予期しなかつた結
果である。 密封モジユール２２に於いてアルゴンもしくは
ヘリウムガス４０を用いる実験に於いて、ヘリウ
ムを用いる熱転送に関してわずか30％の改善が示
されたに過ぎない。この結果は、ガス４０に於け
る熱伝導が主なる熱除去のメカニズムでない事並
びにガス界面層を横切る伝導が熱除去に於ける速
度制限（rate―limiting）ステツプでない事を示
唆するものである。軸射効果は両方のガスに関し
て同じであり、実験した温度範囲に於いては小さ
いので、自由対流を経験則的に説明するために用
いられる基本的な理論は、垂直に取りつけられた
回路チツプ３０まわりの加熱されたガスが回路チ
ツプ３０の下方の冷えたガスによつて浮力をうけ
る様な浮力駆動力に基づく。与えられたガス４０
の加速度が界面層の厚さを減じ、移動するガス４
０に対する熱伝導を増大させる傾向を呈する。 駆動力としてのガス膨張はオープン・システム
の自由対流分析に於いては熱膨張係数項として現
われるが、本発明に於ける様に閉じた、即ち密封
されたシステムに於いてはガス膨張は大きな役割
りを演じない。例えば、回路チツプがガス４０を
急速に膨張させ、ガス４０の流れに対して付加的
な瞬間的速度を与える。しかしながら、密封され
たモジユール２０のような閉じたシステムに於い
ては、膨張するガス力は冷えたガスによる回復力
に起因する反作用をうける。膨張するガス力は冷
えたガスを上方へ押し上げるとともに、冷えた壁
部２２に沿う逆方向の力を生じる。垂直プレート
自由対流冷却を広範囲に分析したが、その様な理
論的な議論は上述の様な密封された環境もしくは
高いガス圧に於ける自由対流冷却を説明し得な
い。 上述の様に、本発明の熱消散装置１０はデリケ
ートな回路チツプ３０自体を固体プランジヤーも
しくは他の固体熱伝導体に接触させる事なく有効
に熱を除去する事ができる。特に、本発明の教示
に従う単一装置設計は、密封モジユール２０に含
まれたガス４０の高い圧力を単に変化させるか、
あるいはモジユール２０の冷えた側壁２２の温度
を変化させる事によつて広範囲の電力消散レベル
にわたつて適用する事ができる。 第１図及び第２図に示される熱消散システム１
０はともに回路チツプ３０及びモジユール取付け
回路チツプを冷却するものとして説明されたが、
本発明のシステムはモーターを含む他の電子装置
や他の局部的な熱源を冷却するために用いうる事
は云うまでもない。熱源として上述の回路チツプ
３０を用いたのは説明のためであるに過ぎない。 アルゴン及びヘリウムガスがモジユール２０に
充填するのに適したガスである様に説明したが、
熱源３０及びモジユール２０の冷えた側壁２２の
間の熱的結合を改善する為に高い圧力に於いて動
作する他の流体を用いる事ができる。 以上からして、本発明の熱消散システムはこれ
迄達成し得なかつた利点を有する事が分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は熱消散システムの断面図、
第３図はＷ／熱的モジユール対ガス温度のグラ
フ、第４，１図、第４，２図、第４，３図、第
４，４図及び第４，５図は異なるチツプ方位に関
する説明図、第５図及び第６図は熱抵抗対圧力の
グラフである。 １０…熱消散システム、２０…密封モジユー
ル、２２…冷えた側壁、２４…フイン、２５…入
口、２６…背面壁、２８…開孔、３０…回路チツ
プ、３２…基板、３４…ピン、４０…ガス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 側壁を有する密封型モジユールと、 上記密封型モジユールの、上記側壁以外の壁面
   に、上記側壁との間に空間を規定するように取り
   付けられ、上記側壁よりも高温の動作温度にある
   熱源と、 上記熱源と上記側壁の間に主として自然対流に
   よつて熱的結合をはかる程度に高い圧力で上記密
   封型モジユールに封入されたガス、 とを具備する、熱源を冷却するための熱消散装
   置。