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Diese Erfindung bezieht sich auf
ein Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung,
wobei das Mehrchipmodul eine große Anzahl von Mikrobaueinheiten
aufweist, wobei jede darin eine integrierte Schaltung, einen Halbleiter-Chip,
eingeschlossen oder eingebaut hat, und insbesondere auf eine Kühlvorrichtung
zum Abführen
von Wärme,
die von einem Chip erzeugt wird, der hoch integriert, hoch konzentriert
an wärmeerzeugenden
Quellen oder einer Elementendichte (im Folgenden als „Wärmeerzeugungsdichte"
bezeichnet) und vergrößert ist,
um so in einem Großrechner
oder einem Supercomputer verwendet zu werden.
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Da von dem Großrechner und dem Supercomputer
eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit gefordert wird, hat sich
ein in solchen Computern verwendeter hoch integrierter Schaltkreis
(im Folgenden mit LSI abgekürzt)
in den vergangenen Jahren dahingehend verändert, dass er hoch integriert,
hoch konzentriert in der Dichte der Wärmeerzeugung und größer ist.
Andererseits muss die Länge
der die LSIs verbindenden Verdrahtung für die Hochgeschwindigkeitsübertragung
von Signalen so kurz wie möglich sein,
und deshalb wird eine Mehrchipmodulstruktur vorgesehen, in der eine
große
Anzahl von LSIs auf einem Mehrlagensubstrat angeordnet sind.
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In einer Kühlvorrichtung zur Abgabe von Wärme, die
von dieser Art eines LSIs eines Mehrchipmoduls erzeugt wird, ist
im Allgemeinen ein flexibler Wärmeleitpfad
zwischen dem LSI und dem Kühlelement
eingerichtet. Dieser flexible Wärmeleitpfad
ist notwendig zum Einschränken
der Genauigkeit der Herstellung oder Fertigung und der Genauigkeit
des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung
und zum Sichern der Zuverlässigkeit
der Verbindung des LSIs.
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Zum Beispiel offenbart die ungeprüfte japanische
Patentveröffentlichung
52-53547 einen wie in 7 gezeigten
Wärmeleitpfad.
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In diesem herkömmlichen Beispiel ist ein Gehäuse 5 an
ein Mehrlagensubstrat 2 befestigt, um so eine große Zahl
von LSI Chips 1 abzudecken, die mittels kleiner Lötkugeln 3 auf
dem Mehrlagensubstrat 2 angeordnet sind, wobei das Gehäuse 5 Zylinder 6 an den
Stellen aufweist, die denen der jeweiligen LSI Chips entsprechen.
In jeden der Zylinder 6 ist ein kolbenähnlicher Wärmeleiter oder ein Wärmeleitelement 7,
der/das von dem LSI erzeugte Wärme über die
rückwärtige Oberfläche des
LSI Chips 1 ableitet oder ermöglicht, diese abzuführen, und
eine Feder 8 eingefügt,
welche einen Druck auf das Wärmeleitelement 7 ausübt.
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In diesem Fall kann sich das kolbenähnliche Wärmeleitelement 7 innerhalb
des Zylinders 6 bewegen, so dass ein flexibler Wärmeleitpfad
gebildet wird. Ferner ist die Spitze oder das distale Ende des Wärmeleitelements 7 kugelförmig ausgebildet,
so dass, auch wenn der LSI Chip 1 geneigt angeordnet ist,
ein Kontakt des LSI Chips 1 mit dem Wärmeleitelement 7 jederzeit
gewährleistet
ist.
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Währenddessen
wird die Kühleffizienz
oder Leistung des flexiblen Wärmeleitpfades
gesichert, indem ein von dem Mehrlagensubstrat 2 und dem
Gehäuse 5 gebildeter
abgeschlossener Raum 9 mit hoch wärmeleitendem Heliumgas gefüllt wird.
Genauer ausgedrückt,
die von dem LSI Chip 1 erzeugte Wärme wird an das Wärmeleitelement 7 über eine Schicht
aus Heliumgas übertragen,
die im Kontaktbereich zwischen dem kolbenähnlichen Wärmeleitelement 7 und
der rückwärtigen Oberfläche des
LSI Chips 1 vorhanden ist. Ferner wird die Wärme durch das
Heliumgas über
den Abstand übertragen,
der von dem kolbenähnlichen
Wärmeleitelement 7 und dem
Zylinder 6 gebildet wird, um zum Gehäuse 5 abgeleitet zu
werden. Dann wird die Wärme
schließlich durch
Kühlung
oder kaltes Wasser oder Kühl luft
abgeleitet, die durch ein an der Oberseite des Gehäuses 5 angebrachtes
Kühlelement 10 fließen.
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Als weiteres herkömmliches Beispiel offenbart
die geprüfte
japanische Patentveröffentlichung 5-78183
einen wie in 8 gezeigten
Wärmeleitpfad.
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Eine Kühlvorrichtung mit diesem flexiblen Wärmeleitpfad
ist so aufgebaut, dass eine große
Anzahl von tafelförmigen
Kühlrippen 16,
die in einem Gehäuse 15 den
LSI Chips 1 gegenüberstehen,
mit Wärmeleitelementen 17 kombiniert
werden, die jeweils eine große
Anzahl von tafelförmigen
Kühlrippen 18 aufweisen,
die mit der Basis aus einem Stück
bestehen, und eine flache Grundfläche jedes Wärmeleitelements 17 wird
mittels einer Feder 20 gegen die Rückseite des zugehörigen LSI
Chips 1 gedrückt.
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In diesem Fall greifen die tafelförmigen Kühlrippen 16 und 18 ineinander
und lassen zwischen sich einen Mikro-Abstand 19. Deswegen
kann sich das Wärmeleitelement 17 mit
den integrierten tafelförmigen
Kühlrippen 18 in
Bezug auf das Gehäuse 15 bewegen.
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Mittlerweile wird auf den auf einem
Mehrlagensubstrat angeordneten LSI Chip eine in der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung 62-249429 gezeigte Mikrobaueinheitenstruktur
vom Standpunkt der Verlässlichkeit
und der Kühleffizienz oder
-leistung angewendet.
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Genauer ausgedrückt, um den mit Mikroverdrahtung
gemusterten LSI Chip gegen die äußere Umgebung
zu schützen,
wird der LSI Chip hermetisch in der Mikrobaueinheit eingeschlossen.
Um ferner die von dem LSI Chip erzeugte Wärme effizient an die Baueinheit
zu übertragen,
ist die Rückseite des
LSI Chips mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials (wie
Lötmetall)
mit der inneren Wandoberfläche
der Baueinheit metallurgisch fest verbunden.
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Da von dem neuen Großrechner
und Supercomputer eine höhere
Verarbeitungsgeschwindigkeit gefordert wird, wurde der zu verwendende
LSI Chip immer weiter entwickelt, um hoch integriert, hoch konzentriert
oder größer in der
Dichte der Wärmeerzeugung
und großflächiger zu
sein. Zum Beispiel wird geschätzt,
dass die Größe eines
LSI Chips 15–20
mal 15–20
Quadratmillimeter und die Wärmeerzeugungsdichte
eines LSI-Chips 50-100 W/cm2 erreichen wird.
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In einem Mehrchipmodul, in dem eine
große Anzahl
von den großflächigen LSI
Chips mit hoher Wärmeerzeugungsdichte
angeordnet sind, werden die folgenden Probleme als ernsthaft betrachtet,
die, wenn in einem herkömmlichen
Mehrchipmodul der LSI Chip eine Größe von ungefähr 10 mal
10 Quadratmillimeter aufweist oder der Grad der Wärmeerzeugungsdichte
eines LSI-Chips bei ungefähr
10 W/cm2 liegt, einer Betrachtung nicht
wert sind.
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Ein erstes Problem liegt darin, da
die Rückseite
des LSI Chips mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials
(wie Lötmetall)
mit der inneren Wandoberfläche
der Baueinheit metallurgisch fest verbunden ist, dass eine größere Verkrümmung in der
Mikrobaueinheitenoberfläche
auftritt.
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Vom Standpunkt der Kühleffizienz
oder Kühlleistung
ist es ein Problem für
die Wärme
ableitende Kühlstruktur,
die durch Drücken
des Wärmeleitelements
gegen die Mikrobaueinheitenoberfläche ein Kühlen herbeiführt, dass
ein Abstand zwischen den Kontaktoberflächen der Mikrobaueinheit und
des Wärmeleitelements
wegen der Verkrümmung
größer wird.
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Besonders in dem Fall, in dem Wärme von der
begrenzten Oberfläche
der Mikrobaueinheiten freigesetzt oder abgeleitet werden muss, kann
sich die Kontaktoberfläche
nicht über
die Mikrobaueinheitenoberfläche
ausdehnen, und deswegen besteht hinsichtlich der Kühleffizienz
oder -Leistung ein Problem, dass ein Kontakt-Wärmewiderstand (das ist ein relativ
hoher Wärmewiderstand
an der Kontaktstelle) in dem Bereich vorhanden ist, in dem die Hitze höchst konzentriert
auftritt.
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Ein zweites Problem liegt darin,
dass das Ausmaß an
Verformung der Mikrobaueinheit durch Wärme erhöht wird, wenn der LSI Chip
höher konzentriert
in der Wärmeerzeugungsdichte
und großflächiger entwickelt
wird. Wegen der Erzeugung von Wärme
durch den in der Mikrobaueinheit eingeschlossenen LSI Chip entsteht
eine ungleiche Temperaturverteilung in der Mikrobaueinheit und die
Mikrobaueinheit wird durch Wärme
verformt.
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Als Folge wird, gemäß der herkömmlichen Kühlstruktur,
der Abstand zwischen den Kontaktoberflächen der Mikrobaueinheit und
dem Wärmeleitelement
vergrößert. Auch
wenn sich der Kontakt-Wärmewiderstand
leicht ändert, ändert sich
die Temperatur des LSI Chips wegen der großen Menge der von dem LSI Chip
erzeugten Wärme
erheblich.
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Deswegen ist es sehr schwierig, dass
die Temperatur des LSI Chips von der herkömmlichen Kühlstruktur gleich bleibend
gesteuert wird. Es ist wichtig, dass die Temperatur einer großen Anzahl von
auf dem Mehrchipmodul angeordneten LSI Chips vom Standpunkt der
elektrischen Charakteristiken so gleichmäßig wie möglich gehalten wird.
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Ein drittes Problem besteht darin,
dass der Wärmeleitpfad
vom LSI Chip zum im oberen Teil des Gehäuses vorgesehenen Kühlelement
in der herkömmlichen
Kühlstruktur
lang ist. Um den in der Wärmeerzeugungsdichte hoch
konzentrierten LSI Chip wirksam zu kühlen, ist es notwendig, dass
der Wärmewiderstand
des Wärmeleitpfads
niedrig ist. Es ist deswegen wichtig, den Wärmeleitpfad kurz zu halten.
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Dementsprechend weisen alle der oben
erwähnten
herkömmlichen
Technologien wegen des Fehlens einer umfassenden Betrachtung der
Zunahme der Wärmeerzeugungsdichte
und der Zunahme der Größe des hoch
integrierten LSI Chips das Problem hinsichtlich der Wirksamkeit
der LSI-Kühlung auf.
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Das Dokument „Patent Abstracts of Japan, vol.
017, no. 150 (E-1339), 25 March 1993 & JP 04 315456 A (Hitachi Ltd.), 6
November 1992" zeigt ein Halbleiterbauelement einer Mikro-Chip-Träger-Struktur,
welche die Wirksamkeit einer Wärmeableitung von
der Rückseite
eines Halbleiter-Pellets an eine einschließende Abdeckung verbessern
soll.
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Das Dokument
EP 0 169 270 A bezieht sich auf
eine Kühlvorrichtung
für Halbleiterchips,
die so ausgebildet ist, um Wärme über in einem
kleinen Zwischenraum angebrachte dünne Kühlrippenelemente zu übertragen.
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Das Dokument
EP 0 344 084 zeigt ein hoch leitendes
Kühlmodul
mit internen Kühlrippen
und normgerechten Schnittstellen für eine VLSI Chip Technologie,
die eine gerippte interne Wärmevorrichtung
mit einer die Chips berührende
flachen Unterseite aufweisen, während
entsprechende Kühlrippen
in einem gerippten Kühlhut,
der an einer kalten Platte befestigt ist, Abstände bilden, in welche die Kühlrippen
der gerippten internen Wärmevorrichtungen
verschiebbar befestigt sind.
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Das Dokument „Patent Abstracts of Japan, vol.
014, no. 175 (E-0914), 6 April 1990 &
JP 02 028351 A (Hitachi Ltd.; Others: 01),
30 January 1990
" zeigt
eine Halbleitervorrichtung, die versucht, eine verbesserte Zuverlässigkeit
zu verwirklichen, indem sie ein Binde- und Dichtungsmittel aus der
Legierung von Gold und Zinn herstellt.
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Die oben angeführten Dokumente gemäß dem Stand
der Technik zeigen, dass die als Wärmeleitelemente fungierenden
ersten Kühlrippen
als separate Teile der Abdeckung der Mikrobaueinheit ausgebildet
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine Aufgabe dieser Erfindung ist,
ein Multichipmodul mit einer Kühlvorrichtung
vorzusehen, wobei die Kühlvorrichtung
hochintegrierte LSI Chips wirksam kühlen kann, die jeweils luftdicht
in einer Mikrobaueinheit zum Schutz gegen die externe Umgebung eingeschlossen
sind.
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Weiterhin soll die Erfindung die
Temperatur mehrerer LSIs einheitlich halten, und ferner den Vorgang
des Zusammenbaus und der Zerlegung der Mikrobaueinheit vereinfachen,
währenddessen
die Genauigkeit der Herstellung oder Fertigung und die Genauigkeit
des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung verringert,
sowie die Zuverlässigkeit
der Verbindung der Mikrobaueinheit gesichert wird. Zusätzlich soll die
Erfindung vorsehen eine Kühlvorrichtung
eines Mehrchipmoduls, wobei ein Wärmeleitelement oder Wärmeleiter
zum wirksamen Ableiten von dem LSI Chip erzeugter Wärme eine
große
Berührungsfläche zum
Verringern des Kontakt-Wärmewiderstands
aufweist, eine Kühlvorrichtung,
die eine Wärmeleitungsstruktur
mit bester elektrischer Isolierung aufweist, und eine Kühlvorrichtung,
die eine hohe Produktivität ermöglicht und
nur durch den Austausch des Kühlelements
auch auf ein solches Mehrchipmodul angewendet werden kann, das einen
großen
Bereich von Kühlleistung
benötigt.
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Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, ist ein
Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung
vorgesehen, wobei die Kühlvorrichtung
eine große
Anzahl von Mikrobaueinheiten mit jeweils einem hermetisch darin
eingeschlossenen LSI-Chip, ein Mehrlagensubstrat mit den darauf
angeordneten Mikrobaueinheiten, ein das Mehrlagensubstrat abdeckendes
Gehäuse,
und Wärmeleitelemente
aufweist, die jeweils zwischen den Mikrobaueinheiten und dem Gehäuse vorgesehen
sind, und die von den LSI Chips erzeugte Wärme an das Gehäuse ableiten,
wobei jede der Mikrobaueinheiten aufweist: ein erstes Wärmeleitelement
mit einer Abdeckung zur Aufnahme des LSI-Chips und einer ersten
Kühlrippe,
die einteilig aus dem gleichen Material ausgebildet sind, und ein Substrat,
das an der Abdeckung des ersten Wärmeleitelements befestigt ist,
wobei jeder der LSI-Chips auf dem sicher an der Abdeckung des ersten
Wärmeleitelements
befestigten Substrat angeordnet und mit seiner rückwärtigen Oberfläche an einer
inneren Fläche
der Abdeckung des ersten Wärmeleitelements befestigt
ist, ein Kühlelement
zur endgültigen
Abgabe der von den LSI Chips erzeugten Wärme, das mit dem Gehäuse des
Mehrchipmoduls eine Einheit bildet und so als eines der Bestandteile
des Gehäuses dient,
und zweite Wärmeleitelemente,
die jeweils eine zweite Kühlrippe
aufweisen und in Bezug auf das zugehörige erste Wärmeleitelement
und das Kühlelement
beweglich sind, um einen flexiblen Wärmeleitpfad zu schaffen, und
die entsprechend angeordnet sind, dass sie in Kontaktbeziehung mit
dem Kühlelement
stehen und sich mit dem ersten Wärmeleitelement über die
ersten und zweiten Kühlrippen
in Eingriff befinden.
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Ein elastisches oder federndes Element
ist zwischen jedes ineinander greifende Paar der ersten und zweiten
Wärmeleitelemente
angeordnet, so dass das zweite Wärmeleitelement
durch das elastische Element in Druckkontakt mit einer unteren Fläche des
Kühlelements
bleibt, die als eine innere Wandfläche des Gehäuses dient.
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Es ist vorgesehen, dass die ersten
und zweiten Kühlrippen
ineinander greifen und dadurch einen Mikro-Abstand zwischen sich
lassen.
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Die Kontaktfläche jedes der zweiten Wärmeleitelemente
mit der unteren Fläche
des Kühlelements
ist größer als
eine Fläche
der Mikrobaueinheit, aber im Wesentlichen gleich mit einer jeder
der Mikrobaueinheiten auf dem Mehrlagensubstrat zugeteilten Fläche.
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Zumindest eines der ersten und zweiten Wärmeleitelemente
besteht aus dielektrischem Material.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht das erste Wärmeleitelement
zur Abgabe der von den LSI Chips erzeugten Wärme aus dem gleichen Material
wie die Mikrobaueinheit, mit der es eine Einheit bildet, und deswegen
ist es möglich,
auch wenn der LSI Chip luftdicht in der Mikrobaueinheit eingeschlossen
ist und die rückwärtige Oberfläche des
LSI Chips an einer inneren Fläche
der Mikrobaueinheit befestigt ist, ein herkömmliches Problem zu beseitigen,
das darin liegt, dass der Kontakt-Wärmewiderstand wegen der wärmebedingten
Verformung der Mikrobaueinheit vergrößert wird. Es ist nämlich kein
Kontakt-Wärmewiderstand
mit großem
Wärmewiderstand
in dem Bereich vorhanden, in dem die Wärme am höchsten konzentriert auftritt,
und deswegen wird der Wärmewiderstand
niedrig und stabil gehalten. Währenddessen
können
die Mikrobaueinheit und das Wärmeleitelement,
die auf herkömmliche
Weise getrennt ausgebildet wurden, in der Dickenabmessung reduziert
werden, da sie einstöckig
aus demselben Material geformt sind, und deswegen kann der Wärmewiderstand
gegenüber
der Wärmeleitung,
d. h. der Widerstand der Wärmeableitung,
um einen Betrag verringert werden, welcher der Reduzierung ihrer
Dickenabmessung entspricht.
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Ferner bildet in der Erfindung das
Kühlelement
zur endgültigen
Abgabe der von den LSI Chips erzeugten Wärme mit dem Gehäuse des
Mehrchipmoduls eine Einheit, um so als eines der Bestandteile des
Gehäuses
zu dienen, und jedes der zweiten Wärmeleitelemente, die zwischen
dem ersten Wärmeleitelement
und dem Kühlelement
angeordnet sind, bleibt mit der unteren Fläche des Kühlelements, die als die innere
Wandfläche
des Gehäuses
dient, durch das zwischen dem ersten und zweiten Wärmeleitelement
angeordnete elastische Element in Kontakt, um so in Bezug auf das
erste Wärmeleitelement
und das Kühlelement
beweglich zu sein und den flexiblen Wärmeleitpfad zu schaffen. Gemäß der Erfindung kann
somit eine Kühlvorrichtung
für ein
Mehrchipmodul vorgesehen werden, welche die Vorgänge des Zusammenbaus und Zerlegung
der Mikrobaueinheit erleichtert, während die Genauigkeit der Herstellung oder
Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung
verringert, sowie die Zuverlässigkeit
der Verbindung der Mikrobaueinheit gesichert wird. Es ist auch möglich, den
LSI Chip stabil zu kühlen,
da die Wärmeübertragungsfläche des
zweiten Wärmeleitelements,
das mit der unteren Fläche des
Kühlelements
in Kontakt bleibt, und die untere Fläche des Kühlelements von einer wärmebedingten Verformung
nicht betroffen sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Größe der Wärmeübertragungsfläche des
zweiten Wärmeleitelements,
das mit der unteren Fläche
des Kühlelements
in Kontakt bleibt, größer als
die der Mikrobaueinheit und im wesentlichen gleich mit einer jeder
der Mikrobaueinheiten auf dem Mehrlagensubstrat zugeteilten Fläche. Deswegen
kann der Kontakt-Wärmewiderstand
zwischen der unteren Fläche des
Kühlelements
und der Fläche
des zweiten Wärmeleitelements,
die in Kontakt zueinander stehen, verringert werden.
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Gemäß der Erfindung weist das erste
Leitelement, das aus dem gleichen Material wie das der Mikrobaueinheit
besteht und mit ihr eine Einheit bildet, die erste Kühlrippe
auf, während
das zweiten Wärmeleitelement
die zweite Kühlrippe
aufweist, und die ersten und zweiten Kühlrippen greifen ineinander und
lassen dadurch einen Mikro-Abstand zwischen sich. Deswegen kann
der Wärmewiderstand
zwischen den ersten und zweiten Kühlrippen niedrig gehalten werden.
Aufgrunddessen kann die Genauigkeit der Fertigung und die Genauigkeit
des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung
verringert und die Verbindungszuverlässigkeit der Mikrobaueinheit
sichergestellt werden, um so den Aufbau und den Abbau der Mikrobaueinheit
zu erleichtern.
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Gemäß der Erfindung besteht zumindest
eines der ersten und zweiten Wärmeleitelemente
aus einem dielektrischen Material und daher kann die elektrische
Zuverlässigkeit
sichergestellt werden.
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der Erfindung werden im Anschluss durch die Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer dargestellt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein vertikaler Schnitt einer Kühlvorrichtung
eines Mehrchipmoduls gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ist
ein vertikaler Schnitt, der ein erstes Wärmeleitelement und ein zweites
Wärmeleitelement
von 1 zeigt, die ineinander
greifen und dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand lassen;
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3 ist
ein Bruchstück
eines Querschnitts, der wesentliche Teile der Kühlvorrichtung des Mehrchipmoduls
von 1 zeigt;
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4 ist
ein vertikaler Schnitt einer Kühlvorrichtung
eines Mehrchipmoduls gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 ist
eine Teilansicht einer perspektivischen Explosionsdarstellung, die
ein erstes Wärmeleitelement
und ein zweites Wärmeleitelement
von 4 zeigt, die ineinander
greifen und dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand lassen sollen;
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6 ist
ein vertikaler Schnitt einer Kühlvorrichtung
eines Mehrchipmoduls gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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7 ist
eine Querschnittsansicht, die wesentliche Teile einer herkömmlichen
Kühlvorrichtung eines
Mehrchipmoduls zeigt; und
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8 ist
eine perspektivische Teilansicht, die wesentliche Teile einer weiteren
herkömmlichen Kühlvorrichtung
eines Mehrchipmoduls zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 3 detailliert
beschrieben.
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1 zeigt
im vertikalen Schnitt eine Struktur einer Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls,
auf welches das vorliegende Ausführungsbeispiel
angewendet wird.
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2 zeigt
eine Struktur in vertikalem Schnitt, wobei ein erstes Wärmeleitelement
in Einheit mit einer Mikrobaueinheit und ein zweites Wärmeleitelement
ineinander greifen und dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand lassen.
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3 ist
ein Querschnitt, der wesentliche Teile der Kühlvorrichtung des Mehrchipmoduls
von 1 zeigt.
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In den Zeichnungen weist ein Mehrchipmodul 10 ein
Gehäuse 11 auf,
das so angebracht ist, ein keramisches Mehrlagensubstrat 4 abzudecken,
auf dem eine große
Anzahl von Mikrobaueinheiten 2, die jeweils einen LSI Chip 1 einschließen, angeordnet sind.
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Jede der Mikrobaueinheiten 2 wird
durch ein sicheres Befestigen des ersten Wärmeleitelements 6,
das erste Kühlrippen 6a und
eine Abdeckung 6b aufweist, auf einem Einzel- oder Mehrlagensubstrat 14 mittels
eines Dicht-Lötmetalls 15 gebildet.
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Jede der Mikrobaueinheiten 2 ist
auf dem keramischen Mehrlagensubstrat 4 über Mikro-Lötkügelchen 5 angeordnet.
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Der LSI Chip 1 ist luftdicht
in der Mikrobaueinheit 2 eingeschlossen.
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In dem ersten Wärmeleiter oder Wärmeleitelement 6 der
Mikrobaueinheit 2, der/das dazu dient, von dem LSI Chip 1 erzeugte
Wärme abzuleiten,
bestehen die ersten Kühlrippen 6 und
die Abdeckung 6b aus dem selben Material und sind einstöckig ausgebildet,
um so als luftdicht abschließende
Abdeckung der Mikrobaueinheit 2 zu dienen.
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Um darüber hinaus die von dem LSI
Chip 1 erzeugte Wärme
wirksam an das erste Wärmeleitelement 6 zu übertragen,
ist die Rückseite
des LSI Chips 1 mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials 3 (wie
Lötmetall)
mit der inneren Wandoberfläche
der luftdicht abschließenden
Abdeckung der Mikrobaueinheit 2 metallurgisch fest verbunden.
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Der LSI Chip 1 ist auf dem
Einzel- oder Mehrlagensubstrat 4 über Mikro-Lötkügelchen 5 angeordnet.
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Es wird angemerkt, dass die äußere Größe des ersten
Wärmeleitelements 6 identisch
zur Größe der Abdeckung 6b der
Mikrobaueinheit 2 ist.
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Andererseits bildet ein Kühlelement 12 zur endgültigen Abgabe
der von dem LSI Chip 1 erzeugten Wärme mit dem Gehäuse 11 des
Mehrchipmoduls 10 eine Einheit, um so als eines der Bestandteile des
Gehäuses
zu dienen.
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Zweite Wärmeleiter oder Wärmeleitelemente 7 sind
jeweils zwischen dem zugehörigen
ersten Wärmeleitelement 6 und
dem Kühlelement 12 vorgesehen.
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Das erste Wärmeleitelement 6 der
Mikrobaueinheit 2 ist mit der Abdeckung 6b und
einer Vielzahl von ersten Kühlrippen 6a ausgebildet,
die aus der Abdeckung 6b herausragen und von tafelförmiger Form
sind, während
das zweite Wärmeleitelement 7 mit
einer Kühlrippenbasis 7b und
einer Vielzahl von zweiten Kühlrippen 7a ausgebildet
ist, die aus der Kühlrippenbasis 7b herausragen
und fast die gleiche tafelförmige
Form wie die ersten Kühlrippen 6a aufweisen.
Die Kühlrippen
können
neben der Tafel-Form eine Stift-Form,
eine zylindrische Form, eine gerippte Form und so weiter aufweisen.
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Die ersten Kühlrippen 6a und die
zweiten Kühlrippen 7a greifen
ineinander und lassen dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand 8.
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Die ersten und zweiten Wärmeleitelemente 6, 7 sind
darin im Zentrum angeordnet und weisen jeweils ein Loch auf, wobei
ein elastisches Element 9 in dieses Loch eingefügt ist.
In dem Ausführungsbeispiel
wird als elastisches Element eine Feder verwendet.
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Wegen der von der Feder 9 ausgeübten Druckkraft
wird eine flache Oberfläche
der Kühlrippenbasis 7b des
zweiten Wärmeleitelements 7 mit
einer flachen Grundfläche
des Kühlelements 12,
das als eine innere Wandfläche
des Gehäuses 11 dient, in
flächigem
Kontakt gehalten.
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Die Kühlrippenbasis 7b des
zweiten Wärmeleitelements 7 weist
einen Wärmeübertragungsbereich
auf, der größer als
die äußere Größe der Mikrobaueinheit 2 und
im Wesentlichen gleich mit einer jeder der Mikrobaueinheiten 2 auf
dem Mehrlagensubstrat 4 zugeteilten Fläche ist.
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Es ist bevorzugt, dass alle integralen
aus dem gleichen Material bestehenden Teile des ersten Wärmeleitelements 6 der
Mikrobaueinheit 2 aus einem Material hergestellt werden,
das eine hohe Wärmeleitfähigkeit
und einen so mit dem LSI Chip 1 konformen oder soweit möglich passenden
linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
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Zumindest eines der ersten und zweiten Wärmeleitelemente 6, 7 muss
aus einem dielektrischen Material bestehen, um die elektrische Isolation von
dem LSI Chip 1 zu sichern. Beispiele dieser Art von Material
umfassen Aluminium-Nitrid (AlN) und Siliziumkarbid (SiC).
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In einem von dem Gehäuse 11 und
dem Mehrlagensubstrat 4 gebildeten eingeschlossenen oder
eingekapselten Raum 13 ist ein Gas mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
wie Heliumgas oder Wasserstoffgas, oder eine dielektrische Isolationsflüssigkeit
wie Öl,
oder eine Inertflüssigkeit
eingeschlossen, wie eine Kohlen-Fluorid Typen- oder Gruppen-Kühlflüssigkeit
oder eine Kohlenwasserstoff-Halogenid Typen- oder Gruppen-Kühlflüssigkeit.
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In dem Fall, bei dem eine Flüssigkeit
in dem abgedichteten Raum 13 eingeschlossen ist, ist die Flüssigkeit
in dem abgedichteten Raum 13 derart eingeschlossen, um
Platz für
den Ausgleich eines Druckanstiegs innerhalb des eingeschlossenen Raums 13 zu
lassen, so dass bei einem Anstieg der Temperatur die wärmebedingte
Volumensausdehnung der Flüssigkeit
ermöglicht
wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird mit der obigen Anordnung die von dem LSI Chip 1 erzeugte
Wärme wirksam
von der Abdeckung 6b des ersten Wärmeleitelements 6 über einen
kurzen Wärmeleitpfad
an deren erste Kühlrippen 6a übertragen,
die aus dem gleichen Material wie die Mikrobaueinheit 2,
d. h. die Abdeckung 6b, bestehen, und die eine Einheit
bilden.
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Die Wärme wird dann über eine
Flüssigkeitsschicht
in einer großen
Anzahl von Mikro-Abständen 8 an
die zweiten Kühlrippen 7a des
zweiten Wärmeleitelements 7 übertragen,
und wird endgültig
durch das Kühlelement 12 von
der Kühlrippenbasis 7b des zweiten
Wärmeleitelements 7 entfernt
oder abgeführt.
Wegen der großen
Wärmeübertragungsbereiche
der ersten und zweiten Kühlrippen 6a, 7a wird der
Widerstand gegenüber
der Wärmeleitung
der Flüssigkeitslage
in den Mikro-Abständen 8 gesenkt.
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Zusätzlich ist ein großer Kontaktbereich
zwischen der flachen Grundfläche
des Kühlelements 12 und
der Kühlrippenbasis 7b sichergestellt
und das Kühlelement 12 ist
in das Gehäuse 11 des
Mehrchipmoduls 10 integriert, um als eines der Bestandteile des
Gehäuses 11 zu
dienen. Deswegen kann verhindert werden, dass der Kontakt-Wärmewiderstand von
der wärmebedingten
Verformung betroffen ist, und der Kontakt-Wärmewiderstand kann niedrig
gehalten werden.
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Ferner ist die Kontaktoberfläche zwischen der
Kühlrippenbasis 7b des
zweiten Wärmeleitelements 7 und
dem Kühlelement 12 flach,
und folglich kann die Genauigkeit der Oberflächenfertigung oder -bearbeitung
zu einem hohen Grad verbessert werden. Entsprechend ist deren Kontakt-Wärmewiderstand ziemlich gering
und der Betrieb wird stabil ausgeführt.
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Alle Teile des ersten Wärmeleitelements 6 der
Mikrobaueinheit 2 sind aus dem gleichen Material und bilden
eine Einheit. Auch wenn die Rückseite
des LSI Chips 1 mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials 3 (wie
Lötmetall)
mit der inneren Wandoberfläche
der luftdichten Abdeckung der Baueinheit metallurgisch fest verbunden
ist, dient das erste Wärmeleitelement 6 als
mechanische Verstärkung,
um eine in der Mikrobaueinheit 2 entstehende Verwerfung
und wärmebedingte
Verformung zu unterdrücken.
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Daneben greifen die ersten und zweiten Kühlrippen 6a, 7a ineinander
und lassen zwischen sich den Mikro-Abstand 8. Deswegen
wird die Genauigkeit der Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus
der Kühlvorrichtung
verringert, und die Zuverlässigkeit
der Verbindung der Mikrobaueinheit 2 durch die Mikro-Lötkügelchen 5 ist
sichergestellt, weswegen die Vorgänge des Zusammenbaus und Zerlegens
der Mikrobaueinheit erleichtert sind.
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Als ein Ergebnis wird es möglich, den
LSI Chip des Mehrchipmoduls zu kühlen,
in welchem die Größe eines
LSI Chips beispielsweise 15–20
mal 15– 20
Quadratmillimeter und die Wärmeerzeugungsdichte
eines LSI Chips 50– 100
W/cm2 erreicht.
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Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. In diesem
Ausführungsbeispiel werden
die gleichen in 1 gezeigten
Bestandteile von denselben Bezugsziffern bezeichnet und deren Beschreibung
wird weggelassen.
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Wie in der Zeichnung gezeigt, weist
jede der Mikrobaueinheiten 20 dieselbe Struktur wie die
Mikrobaueinheit 2 (oder deren Abdeckung) des ersten Ausführungsbeispiels
auf, aber ein darin vorhandenes erstes Wärmeleitelement 60 weist
eine zylindrische Kühlrippe 60a auf,
die aus dem gleichen Material wie die Mikrobaueinheit 20 besteht
und mit der sie einstöckig
ausgebildet ist.
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Jedes der zweiten Wärmeleitelemente 70 ist ein
Block in Form eines rechteckigen Quaders und weist eine Basis 70b und
einen zentralen kreisförmigen
Zylinder 70a auf, so dass die zylindrische Kühlrippe 60a darin
eingefügt
werden kann.
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Die zylindrische Kühlrippe 60a und
der kreisförmige
Zylinder 70a greifen ineinander und lassen dadurch zwischen
sich einen Mikro-Abstand 8. Eine Feder 9 wird
in eine Öffnung
in der Mitte des distalen Endes der zylindrischen Kühlrippe 60a eingeführt. Eine
flache Oberfläche
der Basis 70b des zweiten Wärmeleitelements 70 wird
von der Feder 9 gedrückt und
mit einer Grundfläche
eines Kühlelements 12 in Flächenkontakt
gehalten, das als eine innere Wandfläche eines Gehäuses 11 dient.
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Die Basis 70b des zweiten
Wärmeleitelements 70 weist
einen Wärmeübertragungsbereich auf,
der größer als
die äußere Größe der Mikrobaueinheit 20 und
im wesentlichen gleich mit einer jeder der Mikrobaueinheiten 20 auf
dem Mehrlagensubstrat 4 zugeteilten Fläche ist.
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Mit der obigen Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
wird die von jedem LSI Chip 1 erzeugte Wärme wirksam
an die zylindrische Kühlrippe 60a,
die aus dem gleichen Material wie die (Abdeckung der) Mikrobaueinheit 20 ist
und mit der sie eine Einheit bildet, des ersten Wärmeleitelements 60 über einen
kurzen Wärmeleitpfad übertragen.
Dann wird die Wärme über eine
Flüssigkeitsschicht
in einer großen
Anzahl von Mikro-Abständen 8 an
das zweite Wärmeleitelement 70 übertragen,
und wird endgültig durch
das Kühlelement 12 von
der Basis 70b des zweiten Wärmeleitelements 70 entfernt
oder abgeführt.
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Wegen der großen Wärmeübertragungsbereiche der äußeren und
inneren peripheren Oberflächen
der zylindrischen Kühlrippe 60a und
des kreisförmigen
Zylinders 70a, eines großen Kontaktbereichs der Basis 70b und
einer Beseitigung des Einflusses wärmebedingter Verformung werden
der Widerstand für
Wärme oder
Wärmeleitung
und der Kontakt-Wärmewiderstand
niedrig gehalten.
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Weiterhin sind alle Teile des ersten
Wärmeleitelements 60 der
Mikrobaueinheit 20 aus dem gleichen Material und bilden
eine Einheit. Auch wenn die Rückseite
des LSI Chips 1 mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials 3 (wie
Lötmetall)
mit der inneren Wandoberfläche
der luftdichten Abdeckung der Mikrobaueinheit 20 metallurgisch
fest verbunden ist, dient das erste Wärmeleitelement 60 als
große
Verstärkung
der mechanischen Festigkeit, um in der Mikrobaueinheit 20 entstehende
Verwerfung und wärmebedingte
Verformung zu unterdrücken.
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Die Kühlrippe 60a und der
Zylinder 70a greifen ineinander und lassen dadurch zwischen
sich den Mikro-Abstand 8. Deswegen wird die Genauigkeit
der Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung
verringert, und die Zuverlässigkeit
der Verbindung der Mikrobaueinheit 20 durch die Mikro-Lötkügelchen 5 ist
sichergestellt, weswegen die Vorgänge des Zusammenbaus und Zerlegens
der Mikrobaueinheit erleichtert sind.
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Außerdem sind sowohl die Kühlrippe 60a als auch
der Zylinder 70a in einer Querschnittsanordnung kreisförmig, und
deswegen kann eine hohe Fertigungsgenauigkeit leicht erreicht werden
und der Mikro-Abstand 8 zwischen den ineinander greifenden Kühlrippe 60a und
Zylinder 70a kann entsprechend einem Grad der Verbesserung
bei der Fertigungsgenauigkeit verringert werden.
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Als Folge wird es möglich, den
LSI Chip des Mehrchipmoduls zu kühlen,
in welchem die Größe eines
LSI Chips beispielsweise 15–20
mal 15–20
Quadratmillimeter und die Wärmeerzeugungsdichte
eines LSI Chips 50–100
W/cm2 erreicht.
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Ferner wird ein drittes Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel
werden die gleichen in 1 gezeigten
Bestandteile von denselben Bezugsziffern bezeichnet und deren Beschreibung
wird weggelassen.
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Wie in der Zeichnung gezeigt, ist
abweichend von dem in 1 gezeigten
Kühlelement 12 ein
Kühlelement 120,
das in ein Gehäuse 11 eines Mehrchipmoduls 10 integriert
ist, um als eines der Bestandteile des Gehäuses 11 zu dienen,
luftgekühlt und
mit einer großen
Anzahl von Luftkühlrippen
121 ausgestattet.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist
bis auf das Kühlelement
12 dieselbe Anordnung auf wie das obige Ausführungsbeispiel.
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Nur durch ein Austauschen des Kühlelements,
das die von den LSI Chips erzeugte Wärme endgültig abgibt, von einem flüssigkeitsgekühlten (wie
wassergekühlten)
Typ zu einem luftgekühlten Typ
kann die Kühlvorrichtung
der Erfindung auch auf solch ein Mehrchipmodul angewendet werden,
das eine hohe Kühlungskapazität benötigt, und
die Komponenten der Kühlvorrichtung
können
gleichartig vorgesehen werden. Dementsprechend kann eine Kühlvorrichtung
eines Mehrchipmoduls vorgesehen werden, welche eine hohe Produktivität erreicht
und mit geringeren Kosten hergestellt wird.