JP2002540632A - 集積回路用の冷却ユニット - Google Patents

集積回路用の冷却ユニット

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Abstract

(57)【要約】 集積回路用の冷却ユニット。冷却ユニット（１０）は、集積回路に結合されることがあるペルチェ・デバイス（１８）と、ペルチェ・デバイスに熱的に結合される複数のフィン（２２）とを含む。フィン（２２）は少なくとも１つの溝（２６）によって分離される。冷却ユニットは溝を通る流体の流れを発生するファン（３０）を含む。温度センサ（３４）および制御回路（３２）が、ペルチェ・デバイス（１８）およびファン（３０）を集積回路によって発生する電力に従ってオンおよびオフに選択的に切換える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） （１．発明の分野） 本発明は集積回路用の冷却ユニットに関する。
【０００２】 （２．背景の情報） 集積回路は、通常、コンピュータ・システムのマザーボードのような印刷回路
基板にはんだ付けされるパッケージ内に組み込まれる。集積回路は動作中熱を発
生する。集積回路内の回路の動作を確実に行わせるためにその熱を除去する必要
がある。この熱は伝導作用でパッケージから熱交換面に流れ、そしてコンピュー
タ・システムのファンが発生する空気流によって面から除去される。
【０００３】 集積回路の温度は、回路によって発生する熱および回路と空気流の間の熱イン
ピーダンスに比例する。最近開発された集積回路は、通常、それらの先行機種よ
りも多い熱を発生する。集積回路の接合温度を維持、出来ればより低くするため
に、従来技術による組立品よりも小さい熱インピーダンスを有する電子的組立品
を提供することが望ましい。
【０００４】 ファンは空気流をコンピュータ・システム内に発生するために電力を必要とす
る。特にラップトップ・コンピュータのような電池で動作するシステムの場合、
そのファンによって消費される電力がコンピュータの動作時間を削減することが
ある。ファンは、通常、最大の熱量を除去するであろう速度で動作する。集積回
路が最大熱より少ない熱を発生している場合、例えば、パワー・ダウン・モード
の場合には、最大ファン速度である必要がない。
【０００５】 ファン速度をシステム動作状態に応じて変化させて、集積回路によって発生す
る熱の変化を補償するコンピュータ・システムが開発された。ファン速度を変化
させることは、熱交換面から気流への対流伝熱率を変化させるに過ぎない。パッ
ケージから熱交換面への伝導伝熱率を変化させることが望ましいだろう。したが
って、対流および伝導双方の伝熱率を変化させることができる電子パッケージ用
の冷却ユニットを提供することが望ましいだろう。システムによって消費される
電力量を最小化しながら、熱を集積回路から有効に除去できる電子パッケージ組
立品を提供することもまた望ましいだろう。
【０００６】 （発明の概要） 本発明の一実施態様は集積回路用の冷却ユニットである。冷却ユニットは、集
積回路に結合されるペルチェ・デバイスおよびペルチェ・デバイスに熱的に結合
される複数のフィンを含んでいる。フィンは少なくとも１つの溝によって分離さ
れてもよい。冷却ユニットは、溝を通る流体の流れを発生するファンを含むであ
ろう。
【０００７】 （詳細な説明） 図面を参照数字によってより詳細に参照すると、図１および２は冷却ユニット
１０の実施形態を示す。冷却ユニット１０は集積回路パッケージ１２のような熱
源を冷却する。集積回路パッケージ１２は熱を発生する集積回路１４を含む。冷
却ユニット１０は集積回路１４によって発生する熱を除去する。
【０００８】 冷却ユニット１０は、集積回路パッケージ１２に取付けられたベース・プレー
ト１６を含むことがある。ベース・プレート１６は、銅またはアルミニウムのよ
うな熱伝導材料から構成されている。冷却ユニット１０は、ベース・プレート１
６に取付けられた複数のペルチェ・デバイス１８をさらに有してもよい。ペルチ
ェ・デバイス１８はデバイス１８に供給される電流に比例して熱を除去できる。
ペルチェ・デバイス１８はパッケージ１２からの伝導伝熱率を大きくできる。ペ
ルチェ・デバイス１８は溝２０によって分離されてもよい。
【０００９】 冷却ユニット１０は、ペルチェ・デバイス１８に装着された板２４に取付けら
れた複数の伝導フィン２２を有してもよい。フィン２２および板２４は、銅また
はアルミニウムのような熱伝導材料から構成される。さらに、フィン２２は複数
の溝２６によって分離されてもよい。ペルチェ・デバイス１８とフィン２２は外
部ケース２８によって密閉されてもよい。ケース２８は金属またはプラスチック
材料などから構成される。集積回路１４によって発生する熱は、ベース・プレー
ト１６を通ってペルチェ・デバイス１８およびフィン２２へ伝わるであろう。
【００１０】 溝２０および２６はファン３０を含む主ダクト２９と流体連絡している。ファ
ン３０は溝２０および２６を通る空気流を発生させ、熱をペルチェ・デバイス１
８およびフィン２２から除去する。動作時、ペルチェ・デバイス１８は熱を集積
回路１４から除去する能動伝導手段となっている。ファン３０は熱を集積回路１
４から除去する能動対流手段である。このように、本発明の冷却ユニット１０は
熱を集積回路から除去する２つの能動手段を用意している。
【００１１】 図３に示されるように、冷却ユニット１０は、ペルチェ・デバイス１８および
ファン３０の動作を制御する制御回路３２を有する。制御回路３２は温度センサ
３４に接続されている。温度センサ３４は冷却ユニット１０または集積回路パッ
ケージ１２内に設置される。もう１つの選択肢として、センサ３４は集積回路１
４内に集積化されてもよい。制御回路３２は、ペルチェ・デバイス１８およびフ
ァン３０に電力を供給する駆動回路３６を含む。駆動回路３６は論理回路３８に
接続されている。論理回路３８は温度センサ３４に接続されてもよい。
【００１２】 論理回路３８は、センサ３４によって検出された温度に依存する３つのモード
の１つで冷却ユニット１０を動作させる。温度が第１の閾値Ｔ1より低い場合は
、冷却ユニット１０は第１のモードで動作する。その時ファン３０とペルチェ・
デバイス１８の両方ともオフ状態である。これは、熱が伝導および自然対流によ
って集積回路１４から伝えられる受動モードである。温度が第１の閾値Ｔ1より
高いが第２の閾値Ｔ2より低い場合は、冷却ユニット１０は第２のモードで動作
する。その時論理回路３８はファン３０をオン状態に切換える。温度が第２の閾
値Ｔ2より高い場合は、冷却ユニット１０は第３のモードで動作する。第３のモ
ードで、論理回路３８は、デバイス１８およびファン３０の両方が作用するよう
に、ペルチェ・デバイス１８をオン状態に切換える。論理回路３８もまた、温度
に応じてペルチェ・デバイス１８およびファン３０に供給された電力量を変化さ
せて、ファン速度およびデバイス１８の伝熱率を変化させることがある。例えば
、ファン速度は温度の上昇に伴って増加され得る。
【００１３】 本発明は、温度上昇に伴い、かつ回路によって発生する熱に対応して集積回路
１４からの伝熱率を大きくできる冷却ユニット１０を提供する。ユニット１０は
、電力が熱を除去するのに浪費されないように、いろいろなモードで伝熱率を大
きくできる。これはシステムの効率を改善する。例えば、集積回路１４が「パワ
ー・ダウン」状態である場合に、ユニット１０は、回路によって発生する熱を除
去するのに十分な受動モードで動作する。システムは、このモードでは必ずしも
ファンを動作したり、ペルチェ・デバイスに電力を供給したりしない。逆に言え
ば、集積回路１４が最大量の熱を発生している場合に、冷却ユニットはファン３
０およびペルチェ・デバイス１８の両方に電力を供給して、熱を除去できる。こ
のモードで、冷却ユニットは、ペルチェ・デバイス１８およびファン３０をそれ
ぞれ起動することによって、伝導および対流伝熱率の両方を大きくする。
【００１４】 図４はコンピュータ・システム４０に組み込まれた冷却ユニット１０を示す。
冷却ユニット１０はベース・プレート１６から延びるヒート・パイプ４２をさら
に有している。ヒート・パイプ４２は、コンピュータ４０のハウジング４６に組
み込まれた熱拡散器４４に沿って延びることがある。ヒート・パイプ４２および
熱拡散器４４は、集積回路１４によって発生する熱に対して別の熱経路となって
いる。一例として、システム４０は、電池（示されない）によって電力を供給さ
れるラップトップ・コンピュータである。冷却ユニット１０の多くのモードが電
池の寿命を延ばすの役立つ電力節約機能を備える。
【００１５】 図５は冷却ユニット１０の代替実施形態を示し、ここでファン３０は主ダクト
２９に対してある角度に向けられている。傾けられたファン３０はユニット１０
の高さを小さくする。
【００１６】 図６は冷却ユニット１０の代替実施形態を示し、ここでヒート・パイプ４２は
熱媒体を備えて、熱を集積回路パッケージ１２からペルチェ・デバイス１８およ
びフィン２２へ伝える。そのような構成は、デバイス１８およびフィン２２がパ
ッケージ１２に近接して組立てることができない場合に望ましい。
【００１７】 図７は冷却ユニット１０の別の代替実施形態を示し、ここでファン３０はフィ
ン２２の長手方向軸に対して垂直である方向に空気を向ける。そのような構成が
冷却ユニット１０の長さを小さくするであろう。
【００１８】 いくつかの典型的な実施形態が説明され、添付図面に示されたが、そのような
実施形態は広い発明の例示に過ぎず、それに限定されないこと、そして本発明は
、様々な他の変更が当業者に起こることがあるので、特定の構造および配列に限
定されないということが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の冷却ユニットの実施形態の正面図である。
【図２】 冷却ユニットの側面図である。
【図３】 冷却ユニット用の制御系を示す図である。
【図４】 コンピュータ内の冷却ユニットを示す上面図である。
【図５】 冷却ユニットの代替実施形態を示す側面図である。
【図６】 冷却ユニットの代替実施形態を示す側面図である。
【図７】 冷却ユニットの代替実施形態を示す側面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０１Ｌ 23/46 Ｄ Ｂ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 集積回路用の冷却ユニットであって、 集積回路に熱的に結合されるペルチェ・デバイスと、 前記ペルチェ・デバイスに熱的に結合され、かつ溝によって分離される複数の
    フィンと、 前記溝を通る流体の流れを発生させるファンとを備える冷却ユニット。
  2. 【請求項２】 前記ペルチェ・デバイスに熱的に結合されるベース・プレー
    トをさらに備える請求項１に記載の冷却ユニット。
  3. 【請求項３】 集積回路に熱的に結合されるヒート・パイプをさらに備える
    請求項１に記載の冷却ユニット。
  4. 【請求項４】 前記ベース・プレートに熱的に結合されるヒート・パイプを
    さらに備える請求項２に記載の冷却ユニット。
  5. 【請求項５】 前記ファンが前記フィンの長手方向軸に対してほとんど垂直
    である方向に流体の流れを導入する請求項１に記載の冷却ユニット。
  6. 【請求項６】 前記溝が主ダクトと流体連絡し、前記ファンが前記主ダクト
    内にある角度に向けられる請求項１に記載の冷却ユニット。
  7. 【請求項７】 前記ペルチェ・デバイスおよび前記ファンに接続された制御
    回路をさらに備える請求項１に記載の冷却ユニット。
  8. 【請求項８】 前記制御回路に接続され、温度を感知する温度センサをさら
    に備える請求項７に記載の冷却ユニット。
  9. 【請求項９】 前記制御回路が前記ペルチェ・デバイスおよび前記ファンを
    オン状態とオフ状態の間で切換えでき、前記制御回路は、温度が第１の閾値より
    低い場合に前記ペルチェ・デバイスおよび前記ファンをオフ状態とし、温度が第
    １の閾値より低くない場合に前記ファンをオン状態とし、そして温度が第２の閾
    値より低くない場合に前記ペルチェ・デバイスとファンをオン状態とする請求項
    ８に記載の冷却ユニット。
  10. 【請求項１０】 集積回路パッケージ・アセンブリであって、 集積回路と、 前記集積回路パッケージに熱的に結合されるペルチェ・デバイスと、 前記ペルチェ・デバイスに熱的に結合され、かつ溝によって分離される複数の
    フィンと、 前記溝を通る流体の流れを発生させるファンとを備えるアセンブリ。
  11. 【請求項１１】 前記ペルチェ・デバイスおよび前記集積回路に熱的に結合
    されるベース・プレートをさらに備える請求項１０に記載のアセンブリ。
  12. 【請求項１２】 前記集積回路に熱的に結合されるヒート・パイプをさらに
    備える請求項１０に記載のアセンブリ。
  13. 【請求項１３】 前記ベース・プレートに熱的に結合されるヒート・パイプ
    をさらに備える請求項１１に記載のアセンブリ。
  14. 【請求項１４】 前記ファンが前記フィンの長手方向軸に対してほとんど垂
    直である方向に流体の流れを導入する請求項１０に記載のアセンブリ。
  15. 【請求項１５】 前記溝が主ダクトと流体連絡し、前記ファンが前記主ダク
    ト内にある角度に向けられる請求項１０に記載の冷却ユニット。
  16. 【請求項１６】 前記ペルチェ・デバイスおよび前記ファンに接続された制
    御回路をさらに備える請求項１０に記載のアセンブリ。
  17. 【請求項１７】 前記制御回路に接続され、温度を感知する温度センサをさ
    らに備える請求項１６に記載のアセンブリ。
  18. 【請求項１８】 前記制御回路が前記ペルチェ・デバイスおよび前記ファン
    をオン状態とオフ状態の間で切換えでき、前記制御回路は、温度が第１の閾値よ
    り低い場合に前記ペルチェ・デバイスおよび前記ファンをオフ状態とし、温度が
    第１の閾値より低くない場合に前記ファンをオン状態とし、そして温度が第２の
    閾値より低くない場合に前記ペルチェ・デバイスとファンをオン状態とする請求
    項１７に記載のアセンブリ。
  19. 【請求項１９】 集積回路を冷却する方法であって、 温度を感知するステップと、 温度が第１の閾値より低い場合にペルチェ・デバイスをオフ状態に置くステッ
    プと、 温度が第１の閾値より低くない場合にファンをオン状態で動作するステップと
    、 温度が第２の閾値より低くない場合はファンおよびペルチェ・デバイスをオン
    状態で動作するステップとを含む方法。
JP2000608438A 1999-03-25 2000-03-15 集積回路用の冷却ユニット、集積回路パッケージ・アセンブリ及び集積回路を冷却する方法 Expired - Fee Related JP4495351B2 (ja)

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