DE3404027A1

DE3404027A1 - Device for cooling integrated circuit chips

Info

Publication number: DE3404027A1
Application number: DE19843404027
Authority: DE
Inventors: Faguir C. Audubon Pa. Mittal; Charles R. Warminster Pa. Solis
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1983-02-07
Filing date: 1984-02-06
Publication date: 1984-08-16
Also published as: CA1203640A; JPH0135484Y2; JPS6057139U

Abstract

A package with an integrated circuit is cooled by pressing it toward, and into contact with, a resilient mat which contains a metallic layer for the more uniform distribution of the heat flow. Said mat is in contact with a plate cooled by water.

Description

Vorrichtung zum Kühlen integrierter Schaltungschipe Device for cooling integrated circuit chips

Die Erfindung bezieht sich auf die Kühlung eines integrierten Schaltungschip, also in weitem Sinne auf den Wärmeaustausch elektrischer Geräte.The invention relates to the cooling of an integrated circuit chip, So in a broad sense on the heat exchange of electrical devices.

Um die Funktion, die zuverlässigkeit und eine brauchbare Lebensdauer sicherzustellen, muß die Temperatur integrierter Schaltungschips unter vorgeschreibenen Grenzwerten gehalten werden. Die Neigung der Technologie, die integrierten Schaltungen in Richtung zu einer umfangreichen Integration zu erweitern, führt zu immer zahlreicheren Funktionen des jeweiligen Chip. Um die Verzögerungen bei der Signalübertragung in den Schaltungsverbindungen möglichst klein zu machen, werden die Chips des Systems dichter zusammen angebracht, (also eine hohe Packungsdichte wird erreicht). Folglich wird die je Chip anfallende Wärmemenge nicht nur vergrößert, sondern auch infolge ihrer dichten Montage konzentriert. Daher ist die kühlung dieser Chips ein schwieriges Problem.About the function, the reliability and a useful life must ensure the temperature of integrated circuit chips below the prescribed Limit values are kept. The inclination of technology, the integrated circuits Expanding towards extensive integration leads to ever increasing numbers Functions of the respective chip. To reduce the delays in signal transmission in Making the circuit connections as small as possible are the chips of the system attached closer together, (i.e. a high packing density is achieved). Consequently the amount of heat generated per chip is not only increased, but also as a result concentrated in their tight assembly. Therefore, cooling these chips is difficult Problem.

Die Kühlung eines Chip von hoher Packungsdichte wird dadurch erreciht, daß mit der Schaltungspackung eine durch ein Medium gekühlte, kalte Platte in direkte Berührung gebracht wird. Ein Nachteil dieser Maßnahme besteht darin, daß die Schaltungskomponenten verschiedene Röhe und Gestalt aufweisen.The cooling of a chip with a high packing density is achieved by that with the circuit package a medium-cooled, cold plate in direct Is brought into contact. A disadvantage of this measure is that the circuit components show different height and shape.

Zur Anpassung en diese sich ändernden Gegebenheiten wird zwischen der kalten Platte und den Schaltungskomponenten eine nachgiebige Zwischenschicht eingefügt. Sie ist wärmeleitung und elektrisch isolierand und enthält eine Past und einen Film.To adapt to these changing circumstances, between a compliant intermediate layer between the cold plate and the circuit components inserted. It conducts heat and is electrically insulating and contains a paste and a movie.

Ein Nachteil dieser nachgichigen Zwischenschicht liegt derin, daß sie einen hohen Wärmewiderstand aufweist und die Wärme nicht gleichförmig verteilt. Wenn sich darüberhinaus die Paste (ohemisch) zersetzt, kann die Temperatur der Komponenten bis auf unerlaubte Werte ansteigen.A disadvantage of this compliant intermediate layer is that it has a high thermal resistance and the heat does not uniform distributed. In addition, if the paste (ohemically) decomposes, the temperature of the components increase to impermissible values.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. eine andersartige Lösung dieser Probleme anzugeben.The invention is based on the object. a different solution to indicate these problems.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zum Kühlen integrierter Schaltungschips mit einer kalten Platte gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf dieser Platte eine nachgiebigte Matte aufgebracht ist, die einen ersten Film aus einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Paste in Berührung mit der kalten Platte, einen zweiten Metallfilm in Berührung mit dem ersten Film und einen dritten Film in Berührung mit dem zweiten Film enthält, der darüberhinaus wärmeleitend und elektrisch isolierend ist.This task is accomplished in a device for cooling integrated circuit chips with a cold plate according to the invention solved in that on this plate a resilient mat is applied, which is a first film of a thermally conductive and electrically insulating paste in contact with the cold plate, a second Metal film in contact with the first film and a third film in contact with the second film, which is also thermally conductive and electrically insulating is.

Ausführungsbeispiele der Erfndung sind in der Zeichnung dargeo stellt und werden im folgenden ausführlich erläutert. Es zeigen; Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 einen Querschnitt parallel zur langen Seite an der Linie 2-2 der Figur 1.Embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in detail below. Show it; Figure 1 is a perspective View of an embodiment of the invention, Figure 2 is a parallel cross-section to the long side at line 2-2 in Figure 1.

Figur 3 eine ausführungsform des geätzten Filmes der Erfindung von oben, Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes aus dem geätzten Film der Figur 3, die zur Veranschanlichung der Beziehung zu einem entsprechendenAbschnitt einer zugehörigen Packung der integrierten Schaltung und einer Unterlage auseinandergezogen ist, Figur 5 ein Längsschnitt an der Linie @@@ der Figur 4 und Figur 6 eine Amsicht einer Ausführungsform einer Unterlage und einer vorgegebenen Anordnung integrierter Schaltungspackungen mit @@@@er darüber befindlichen, entsprechenden Vertellung eines geätzten Filmes von oben.FIG. 3 shows an embodiment of the etched film of the invention of FIG above, Figure 4 is a perspective view of a portion of the etched film of Figure 3, used to illustrate the relationship to a corresponding section an associated package of the integrated circuit and a pad pulled apart is, FIG. 5 shows a longitudinal section on the line @@@ of FIG. 4 and FIG 6 is an amalgamation of an embodiment of a pad and a predetermined arrangement integrated circuit packs with @@@@ he above, appropriate Displacement of an etched film from above.

Gemäß dr Figur 1 enthätt eine Vorrichtung 10 zum Kühlen integrierter Schaltungschipe eine katte Platte @@ aus Alnminten, deren erster Abschnitt 12@ mit einem zweiten Abschnitt 12b verbunden und abgedichtet ist. Eine Einlaßöffnung 14 steht mit einer Auslaßöffnung 16 über einen Durchgang 18 in Verbindung, der durch die kalte Platte 12 zur Führung eines Kühlmittels, z. B. Wasser derart hindurchgelegt ist, daß ein Aussickern des Kühlmittels innerhalb der kalten Platte 12 ausgeschlossen ist. Zwei in der kalten Platte 12 ausgebildete öffnungen 20 sind zur Aufnahme elektrischer Verbindungsdrähie zwischen zwei auf beiden Seitenflächen 22, 24 der kalten Platte 12 angebrachten Unterlagen vorgesehen, die gemeinsam mit den zugehörigen, mit ihnen verbundenen Packungen integrierter Schaltungen anschließend in Einzelheiten beschrieben sind.According to FIG. 1, a device 10 for cooling is integrated Circuit chip a flat plate @@ made of Alnminten, the first section 12 @ with a second section 12b is connected and sealed. An inlet port 14 communicates with an outlet port 16 via a passage 18 which passes through the cold plate 12 for guiding a coolant, e.g. B. water put through it in this way is that leakage of the coolant within the cold plate 12 is excluded is. Two openings 20 formed in the cold plate 12 are for receiving electrical Connecting wires between two on both side surfaces 22, 24 of the cold plate 12 attached documents are provided, which together with the associated, with them associated integrated circuit packages will be described in detail below are.

Mit der einen Seitenfläche 2@ steht eine nachgiebige Matte 21 und mit der anderen Seitenfläche 24 eine weitere ähnliche nachgiebige Matte 21 in Berührung. Die beiden Matten 21 enthalten eine Schicht aus einer Paste 26, die an den Seitenflächen 22, 24 der kalten Platte 12 anhaftet. Ein metallischer Film 28 aus Aluminium oder besser noch aus Kupfer, an dem die Paste 26 anhaftet, ist nach einem Mikroverkleidungs-Verfahren mit einem dritten Film 30 lamelliert, der aus Polyvinylfluorid oder besser noch aus einem Polyimid hergestellt werden kann. Die Dicke der Paste 26 beträgt etwa 0,04 Zoll (1 mm), die Dicke des Filmes 28 aus Kupfer etwa 0,002 Zoll (0,025 mm) und die Dicke des Filmes 30 aus Polyimid ebenfalls etwa 0,001 Zoll (0.026 mm).With one side surface 2 @ is a flexible mat 21 and with the other side surface 24 another similar resilient mat 21 in contact. The two mats 21 contain a layer of a paste 26 on the side surfaces 22, 24 of the cold plate 12 adheres. A metallic film 28 made of aluminum or better still, made of copper to which the paste 26 adheres, is made by a micro-cladding process laminated with a third film 30 made of polyvinyl fluoride or better yet can be made from a polyimide. The thickness of the paste 26 is approximately 0.04 inches (1 mm), the thickness of the film 28 of copper about 0.002 inches (0.025 mm) and the thickness of the polyimide film 30 is also about 0.001 inch (0.026 mm).

In der Figur2 ist den Seitenflächen 22 und 24 der kalten Platte 12 jeweils eine Unterlage 32 zugeordnet, die mehrere Pak-Rungen 34 integrierter Schaltungen enthält, deren Gestalt und Größe sich ändern, Zur Kühlung der Packungen 34 werden solche Unterlagen 32 unter Berührung mit der kalten Platte 12 angedrtlckt und durch Schrauben oder ähnliche Hilfsmittel an der Platte 12 festgehalten, sowie elektrisch mit Verbindungsdrähten angeschlossen, die durch die Öffnungen 20 hindurchgeführt sind.In the figure 2 is the side surfaces 22 and 24 of the cold plate 12 each associated with a pad 32, the multiple Pak stanchions 34 integrated circuits contains, the shape and size of which change, to cool the packs 34 are such documents 32 pressed against the cold plate 12 and held by screws or similar means to the plate 12, as well electrically connected with connecting wires which passed through the openings 20 are.

Da die Matte 21 nachgiebig ist, können verschieden gestaltets Pakkungen 34 unterschiedlicher Größe mit einem Abschnitt der Matte 21 am Film 30 in Herührung kommen, und daher ist eine Wärmeableitung Uber die Matte 21 sichergestellt. Um die Steifigkeit der Matte 21 zu beschränken, wird der matallische Film 28 in passender Weise in einem vorgegebenen Muster geätzt, bei dem gemäß der Figur 3 metallische Pufferstücke 36 durch metallische Stege 38 untereinander verbunden sind, wobei diese Anordnung der Pufferstücke 36 auch abgeändert werden kann. Unter Umständen kann auch nur ein Teil der Pufferstücke 36 angeschlossen werden. Wie die Figur 4 zeigt, können auch Metallteile 40 weggeätzt werden, um den Film 30 freizulegen und dadurch die Steifigkeit der Matte 21 wesentlich zu verringern. Infolge der Abätzung der Metallteile 40 bilden die Pufferstücke 36 und die sie verbindenden Stege 38 ein Muster, mit dessen die die Ausbreitung des Wärmeflusses in der Matte 21 passend verbessert wird, Normalerweise sind die Packungen 34 aus einem Isolationsmaterial, z. B. Aluminium- oder Berylliumoxid hergestellt, in dem lntegrierte Schaltungschips 42 eingebettet sind. Diese Packungen 34 sind auf der Unterlage 32 in einem vorgegebenen Nuster angeordnet, das dem der Pufferstücke 36 (Figuren 4, 5 und 6) entspricht, so daß der betreffenden Packung 34 ein metallisches Pufferstück 36 benachbart ist Die von einem Schaltungschip 42 erzeugte Wärme wird somit durch die Packung @4, den Film 30, den Film 28, die Paste 26 und die kalte Platte 12 abgeleitet und schließlich aus dieser vom Kühlmittel, z. B. vom kalten Wasser, entfernt, das durch den Durchgang 18 befördert wird. Da sich die erzeugte Wärme von Packung 34 zu Packung erheblich ändern konn, unteratützen die verbindenden Stege 38 somit die Wärmesusbreitung zwischen den verschiedenen Pufferatücken 38 und fördern auf diese Weise die gleichförmige Wärmeverteilung is der Matte 21.Since the mat 21 is resilient, packs of different shapes can be used 34 different sizes with a portion of the mat 21 on the film 30 in contact come, and therefore heat dissipation via the mat 21 is ensured. To the To restrict rigidity of the mat 21, the metallic film 28 becomes more suitable Way etched in a predetermined pattern, in which according to Figure 3 metallic Buffer pieces 36 are interconnected by metallic webs 38, these Arrangement of the buffer pieces 36 can also be modified. May be also only a part of the buffer pieces 36 can be connected. As Figure 4 shows, Metal parts 40 can also be etched away to expose the film 30 and thereby to reduce the rigidity of the mat 21 significantly. As a result of the etching of the Metal parts 40 form the buffer pieces 36 and the webs 38 connecting them Pattern with which the propagation of the heat flow in the mat 21 fits is improved, Normally the packings 34 are made of an insulating material, z. B. aluminum or beryllium oxide produced in the integrated circuit chip 42 are embedded. These packs 34 are on the base 32 in a predetermined Nuster arranged, which corresponds to that of the buffer pieces 36 (Figures 4, 5 and 6), so that the pack 34 in question has a metallic buffer piece 36 adjacent The heat generated by a circuit chip 42 is thus passed through the package @ 4, the film 30, the film 28, the paste 26 and the cold plate 12 drained and finally from this from the coolant, z. B. from the cold water that passes through the passage 18 is promoted. Since the heat generated varies considerably from pack to pack can change, the connecting webs 38 thus support the heat distribution between the various buffer pieces 38 and promote in this way the uniform Heat distribution is the mat 21.

Zusätzlich zur Herabsetzung der Steifigkeit der Matte 21 werden beim Ätzen Abschnitte des Filmes 28 freigelegt, die eine visuelle Überprüfung der Paste 26 auf Blasen oder Lufteinschlüsse ermöglichen: diese sind nicht erwünscht, da sie wärmelsolierend und nicht wärmeleitend sind Die Stege 38 aus Kupfer, die die Pufferstücke 36 aus Kupfer untereinander verbinden, stellen eine andere Wärmeleitungsbahn zwischen den Packungen 34 dar, die besonders dann vorteilhaft ist, wenn nicht alle Chips 42 etwa die gleiche Wärme abgeben. In der Paste 26 wird die Temperatur-Verteilung im wesentlichen ausgeglichen, und somit verlängert sich die Gebrauchadauer der Paste 26.In addition to reducing the rigidity of the mat 21, the Etch sections of film 28 exposed, allowing visual inspection of the paste 26 to allow bubbles or air inclusions: these are undesirable as they The bars 38 made of copper, which form the buffer pieces, are heat-insulating and not heat-conductive 36 made of copper connect with each other, provide another heat conduction path between the packs 34, which is particularly advantageous if not all of the chips 42 give about the same heat. In the paste 26, the temperature distribution substantially balanced, and thus the useful life of the paste is extended 26th

Bei der soweit erläuterten Kühlvorrichtung sind die integrierten Schaltungschips mit einer nachgiebigen Matte in Berührung, die eine thermische Paste, einen metallischen Film zur Förderung der gleichmäßigen Verteilung des Wärmeflusses in der Faste und einen weiteren Film anthält, um eine Berührung mit den Packungen der integrierten Schaltungen herzustellen.In the cooling device explained so far, the integrated circuit chips are in contact with a resilient mat that is a thermal paste, a metallic one Film to promote the even distribution of heat flow in the fast and Another film is held to get a touch with the packs of the built-in Manufacture circuits.

Claims

A N S P R U C H E 1. Device for cooling integrated circuit chips from a cold plate with which a thermally conductive, electrically insulating film from a pair that is in contact with another heat-emitting, electrical one insulating film forms a resilient mat, d u r @ g e k e n n n z e i c n e t that between the two films @ 20 and 30) there is a third underground film (28) inserted and with those in the borehole.

2 Device according to claim 1 d a d u r c h g e -k a n n z e i c h n e t that the third film (28) has a predetermined arrangement of metallic inserts (35) contains.

3 device according to claim 2, d a d u r c h g e n n z e i c h n e t that the metallic inserts (36) are connected to one another by webs (38) Form buffer pieces on each of which a pack (34) with an integrated circuit (42) is applied.

4. Apparatus according to claim 3, d a d u r c h g @ -k e n n z e i c h n e t that at least one package (34) with the integrated circuit (42) on a base (32) is attached, which is under pressure against the metallic insert (36) is gehracht in the system, so that this insert (36) for heat dissipation with the two other filmmakers (26 and 30) de @ Matte (21) cooperates.