JP2005277411A - Loop thermosyphon with wicking structure and semiconductor die as evaporator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体パッケージの冷却技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor package cooling technique.
計算性能に対する要求が増大するにつれて、計算システムにおける、熱放散に関連する複雑さとコストは増大し続けている。これらのシステムは通常、十分な熱放散能力と組み合わせる必要のある半導体パッケージを多数用いている。高密度の物理的構成を組み込んだシステムにおいては、パッケージを空気冷却するだけでは十分でない場合があり、そのような場合には、パッケージの液体冷却が必要となる。 As demands on computing performance increase, the complexity and cost associated with heat dissipation in computing systems continues to increase. These systems typically use a number of semiconductor packages that need to be combined with sufficient heat dissipation capabilities. In systems incorporating high density physical configurations, air cooling of the package may not be sufficient, in which case liquid cooling of the package is required.
従来技術には、流体(例えば水またはアルコール)を直接半導体パッケージに導くことで放熱要求に対処しているものもある。しかし、これらの技術では、必要とされる熱放散のうちの一部しか熱放散していない。なぜならば、熱放散がどのように起こるかは、供給される流体やパッケージに取り付けられるヒートシンクよりも、熱インピーダンスのほとんどが半導体パッケージの内部にあるということによって決まってくるからである。したがって、放熱全体を大幅に改善するには、パッケージ内部の熱インピーダンスを減少させることが必要である。 Some prior arts address heat dissipation requirements by directing fluid (eg, water or alcohol) directly to the semiconductor package. However, these techniques only dissipate some of the required heat dissipation. This is because how heat dissipation occurs depends on the fact that most of the thermal impedance is inside the semiconductor package rather than the fluid supplied and the heat sink attached to the package. Therefore, to greatly improve the overall heat dissipation, it is necessary to reduce the thermal impedance inside the package.
従来技術はまた、パッケージの半導体素子(すなわち「ダイ」)内に微小流路を組み込んで、冷却効率を改善しようとしてきた。それぞれの微小流路は、例えば半導体基板内にエッチングによって形成され、基板により多くの冷却区域が提供されるようにする。一例において、これらの微小流路は基板における内部で発生した熱の放散を助ける一連の「フィン」として形成される。このような従来技術の微小流路を使用することに関する問題のひとつは、流体を半導体ダイに送り込むのに高圧が用いられる、すなわち、加圧ポンプにより流体を強制的に微小流路に流すということである。しかしながら、この加圧ポンプは故障頻度が高く、計算システム内で使用するには問題がある。 The prior art has also attempted to improve cooling efficiency by incorporating microchannels in the semiconductor element (or “die”) of the package. Each microchannel is formed by etching in a semiconductor substrate, for example, so that more cooling areas are provided in the substrate. In one example, these microchannels are formed as a series of “fins” that help dissipate internally generated heat in the substrate. One of the problems associated with using such prior art microchannels is that high pressure is used to pump the fluid into the semiconductor die, that is, the fluid is forced through the microchannel by a pressure pump. It is. However, this pressurization pump has a high frequency of failure and is problematic for use in a computing system.
従来技術ではまた、「ループ熱サイフォン」技術を利用して半導体パッケージを冷却しようとしてきた。従来技術のループ熱サイフォンは、金属ブロック等の蒸発器を利用し、蒸発器と半導体パッケージとの間に冷却液体を運ぶことによって、半導体パッケージを冷却する。パッケージは温度が上昇するとその液体から蒸気を発生させ、液体と蒸気との密度差により蒸発器と半導体パッケージとの間の伝熱を助ける。しかし、従来技術のループ熱サイフォンもまた、半導体パッケージの内部の熱インピーダンスを減少させるものではなく、したがって、これもまた、パッケージから発生した熱エネルギーを十分に放散するわけではない。 The prior art has also attempted to cool semiconductor packages using “loop thermosyphon” technology. Prior art loop thermosyphons utilize an evaporator, such as a metal block, to cool the semiconductor package by carrying a cooling liquid between the evaporator and the semiconductor package. As the temperature rises, the package generates vapor from the liquid, and helps to transfer heat between the evaporator and the semiconductor package due to the density difference between the liquid and the vapor. However, prior art loop thermosyphons also do not reduce the internal thermal impedance of the semiconductor package, and thus also do not dissipate the thermal energy generated from the package sufficiently.
一実施形態において、ループ熱サイフォンシステムは、複数の微小流路を有する半導体ダイを有する。微小流路には凝縮器が流体接続している。ウィッキング構造(灯心材構造)により、凝縮器と半導体ダイとの間で流体が毛管作用によって運ばれる。 In one embodiment, the loop thermosyphon system has a semiconductor die having a plurality of microchannels. A condenser is fluidly connected to the microchannel. Due to the wicking structure (light core structure), fluid is carried between the condenser and the semiconductor die by capillary action.
他の実施形態において、ループ熱サイフォンシステムは、複数の微小流路を有する半導体ダイを有する。微小流路のうちの1つまたは複数は、半導体ダイの1つの方向に沿って流体が優先的に流れるような形状になっている。微小流路には凝縮器が流体接続しており、半導体ダイからの加熱された流体を冷却して微小流路に流入させる。 In other embodiments, the loop thermosyphon system has a semiconductor die having a plurality of microchannels. One or more of the microchannels are shaped so that fluid preferentially flows along one direction of the semiconductor die. A condenser is fluidly connected to the microchannel, and the heated fluid from the semiconductor die is cooled and flows into the microchannel.
他の実施形態において、ループ熱サイフォンシステムは、複数の微小流路を有する半導体ダイを有する。少なくとも1つのオリフィスが微小流路のうちの1つの入口に設けられ、その1つの微小流路の1つの方向に沿って流体が優先的に流れるようにする。微小流路には凝縮器が流体接続しており、半導体ダイからの加熱された流体を冷却して微小流路に流入させる。 In other embodiments, the loop thermosyphon system has a semiconductor die having a plurality of microchannels. At least one orifice is provided at the inlet of one of the microchannels so that fluid preferentially flows along one direction of the one microchannel. A condenser is fluidly connected to the microchannel, and the heated fluid from the semiconductor die is cooled and flows into the microchannel.
図1はループ熱サイフォンシステム10の概略図を示す。システム10は、入力側流体流路16Aと出力側流体流路16Bとによって凝縮器14に接続される半導体ダイ12を有する。半導体ダイ12には、図3、図4、図5、図7あるいは図9に示すような、基板内に形成される複数の微小流路18を有している。凝縮器14は、例えば、凝縮器14に隣接する空気22の対流によってシステム10内の流体20を冷却する熱交換器である。凝縮器14は、図示のように、空気22への伝熱を高める一連のフィン14Aを有している。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a
微小流路18、凝縮器14、および流体流路16A、16Bは、流体20の閉ループ圧容積を形成し、これによって、半導体ダイ12によって加熱されると蒸気(または蒸気と流体との混合物)になり、凝縮器14によって冷却されると液体になる。説明の便宜上、流体20を凝縮器14内にのみ示しているが、流体20は、流体、蒸気、または流体と蒸気との混合物のいずれかとして、閉ループ圧容積全体にわたって広がっていることは明らかである。半導体ダイからの加熱された流体、蒸気、または流体と蒸気との混合物を、本明細書においては適宜「加熱された流体」と称する。
The
システム10は、入力側流体流路16Aを半導体ダイ12に接続する入力側マニホルド24Aと、出力側流体流路16Bを半導体ダイ12に接続する出力側マニホルド24Bとを有する。
The
入力側流体流路16Aの内部には、凝縮器14から入力側流体流路16Aを通って入力側マニホルド24Aへと、方向28Aに沿って流体流を引き込む毛管引力を与えるウィッキング構造26(灯心材構造、図2により詳細に示す)が設けられている。流体20と半導体ダイ12との相互作用によって、加熱された流体(または蒸気または蒸気と流体との混合物)が発生し、それがまた、半導体ダイ12から出力側流体流路16Bを通って、方向28Bに沿って流体流を動かす。動作の一例において、半導体ダイ12が流体20を沸騰させて流体と蒸気との混合物を生成し、それによって流体流を方向28Bに沿って加圧する。この流体と蒸気との混合物が出力側流体流路16Bから凝縮器14に入り、次に凝縮器14内で冷却されて、液体形状の流体20が凝縮器14を出て入力側流体流路16Aに向かう。したがって、システム10内では、方向28A、28Bに沿った流体20の自律的な循環流を得ることができる。
Inside the input side
当業者であれば、本開示を読み完全に理解すれば、その範囲から逸脱することなく凝縮器14がその他の形をとってもよいことを理解するであろう。例えば、凝縮器14を液体−空気間の熱交換器として動作するよう示しているが、これに代えて、例えばヒートシンク、別の半導体ダイ、またはその他の熱交換装置の形であってもよい。 Those skilled in the art will appreciate that upon reading and fully understanding the present disclosure, the condenser 14 may take other forms without departing from the scope thereof. For example, although the condenser 14 is shown to operate as a liquid-air heat exchanger, it may alternatively be in the form of a heat sink, another semiconductor die, or other heat exchange device, for example.
流体20は、例えば水、フロリナート(フッ素系不活性流体)、またはアルコールである。好適な温度および圧力の相変化特性を有するその他の液体を用いてもよい。
The
図2は入力側流体流路16Aの断面図を示し、ウィッキング構造26をさらに説明するためのものである。ウィッキング構造26は、例えば、熱伝導性の繊維(例えば銅の繊維)、熱伝導性の粉体(例えば銅の粉体)、または熱伝導性の網目フィルタ(例えば銅の網目フィルタ)、等の伝導性の多孔質状材料である。これは、凝縮器14から入力側流体流路16Aを通って入力側マニホルド24Aへと流体20を引き込む流体毛管力を引き起こす。一実施形態においては、入力側マニホルド24Aにもウィッキング構造27を組み込み、凝縮器14から半導体ダイ12への流体毛管力をさらに増大させる。ウィッキング構造27は、ウィッキング構造26と同じであっても異なっていてもよい。流体に対して毛管作用を及ぼす限り、ウィッキング構造26および/または27として、例えば、繊維状材料(例えば金属繊維)、微小な溝(例えば、流体流路16Aおよび/または入力側マニホルド24A内の微小な溝)、焼結材料(燒結金属)、多孔性または発泡性のプラスチック、非金属多孔性材料、および金属マトリクスを含む、その他の材料または構造を用いてもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the input side
図2では入力側流体流路16Aの断面形状を円形で示しているが、これに代えて、本発明の範囲から逸脱しない限度で、長方形または別の形状であってもよいことは明らかである。 In FIG. 2, the cross-sectional shape of the input side fluid flow path 16 </ b> A is shown as a circle, but it is obvious that the input side fluid flow path 16 </ b> A may alternatively be a rectangle or another shape without departing from the scope of the present invention. .
図3は、微小流路18を(エッチング線18Aで示すように)エッチングによって形成した半導体ダイ12の横断面図を示す(正確な縮尺率ではない)。シリコンのプレート30(例えばガラス)は、微小流路18を密封して流体20の流体流路を形成するのに用いられる(説明上、プレート30を図1にも示す)。
FIG. 3 shows a cross-sectional view (not to scale) of the
さらに図1に関し、微小流路18、凝縮器14、および流体流路16A、16Bの閉ループ容積を流体で少なくとも約50%まで満たすことによって、システム10を「予め充填」しておき、(システムの「蒸発器」としての)半導体ダイ12が動作前に予め確実に「濡れている」ようにしてもよい。さらに、凝縮器14を半導体ダイ12の上方に配置して、流体20と半導体ダイ12との相互作用によって発生する蒸気が入力側流体流路16Aを通って凝縮器14へと上向きに動くようにし、冷却された流体20が出力側流体流路16Bを通って半導体ダイ12へと下向きに流れるのが重力によって補助されるようにしてもよい。
Still referring to FIG. 1, the
図4は半導体ダイ12の斜視図であり、半導体ダイ12とプレート30(説明上、透けた状態で示してある)との間に形成された微小流路18の例示的な一実施形態を示している。半導体ダイ12の入力側において複数の開口部32Aが形成されて入力側マニホルド24Aと接続し、半導体ダイ12の出力側において複数の開口部32Bが形成されて出力側マニホルド24Bと接続する。図9との関係において説明するように、開口部32Bを開口部32Aよりも大きくして、図1の流体流方向28A、28Bに対応する方向34に沿って流体が優先的に流れるのを促進するようにしてもよい。
FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor die 12 illustrating an exemplary embodiment of the microchannel 18 formed between the semiconductor die 12 and the plate 30 (shown in a transparent manner for purposes of explanation). ing. A plurality of
図5は、一実施形態による1つのループ熱サイフォンシステム10(1)を示す。図7は、他の実施形態による他のループ熱サイフォンシステム10(2)を示す。図9は、他の実施形態による他のループ熱サイフォンシステム10(3)を示す。図5、図7、および図9において、図1ないし図4と同様の番号を付けたものは同様の機能を提供する。 FIG. 5 illustrates one loop thermosyphon system 10 (1) according to one embodiment. FIG. 7 shows another loop thermosyphon system 10 (2) according to another embodiment. FIG. 9 shows another loop thermosyphon system 10 (3) according to another embodiment. In FIGS. 5, 7, and 9, the same numbers as those in FIGS. 1 to 4 provide similar functions.
例えば図5において、微小流路18(1)のうちの1つまたは複数内にオリフィス36(図6を参照されたい)が配置されて、半導体ダイを通る優先的な流体流を提供する。特に、図5の半導体ダイ12(1)は、その微小流路18(1)のそれぞれの入口に(例えば、入力側開口部32A(1)に)配置されたオリフィス36を有しており、方向34に沿った優先的な流体流を生成する。図6は、1つの開口部32A(1)内のオリフィス36の実施形態を示す。必須ではないが、入力側流体流路16A(1)および/または入力側マニホルド24A(1)に、図1のウィッキング構造26等のウィッキング構造を組み込んでもよい。
For example, in FIG. 5, an orifice 36 (see FIG. 6) is placed in one or more of the microchannels 18 (1) to provide preferential fluid flow through the semiconductor die. In particular, the semiconductor die 12 (1) of FIG. 5 has an
特に、図6は、半導体ダイ12(1)の1つの微小流路18(1)と、ブロッキング材料38(例えば、金属、プラスチックめっき、または同様の材料)によって形成されるオリフィス36であって、(オリフィス36を通って以外には)流体が微小流路18(1)に流入しないようにする四角形状のオリフィス36の断面図を示す。オリフィス36は、設計上の選択事項として、他の形状に形成されてもよい。図6の微小流路18(1)はプレート30(1)によって密封されており、流体流路16A(1)、16B(1)を有する閉ループにおいて、流体が半導体ダイ12(1)の微小流路を通りオリフィス36を通って流れるようになっている。出力側マニホルド24B(1)においては制限またはオリフィスがないので、微小流路18(1)内の流体は方向34に沿って優先的に流れる。
In particular, FIG. 6 shows an
図7に示すように、オリフィス36をその他の流体流制限材料に置き換えてもよい。図7において、微小流路18(2)のうちの1つまたは複数内に流体流制限材料46(例えば、金属の網目フィルタ、非金属多孔性材料、または焼結銅もしくは金属マトリクス等の金属多孔性材料)が配置されて、半導体ダイを通る優先的な流体流を実現する。特に、図7の半導体ダイ12(2)は、その微小流路18(2)のそれぞれの入口に(例えば、入力側開口部32A(2)に)配置された材料46を有しており、方向34に沿った優先的な流体流を生成する。図8は、1つの入力側開口部32A(2)内の制限材料46の実施形態を示す。必須ではないが、入力側流体流路16A(2)および/または入力側マニホルド24A(2)に図1のウィッキング構造26等のウィッキング構造を組み込んでもよい。
As shown in FIG. 7, the
特に、図8は半導体ダイ12(2)の1つの微小流路18(2)と、微小流路18(2)内への流体流を制限する網目フィルタの形態の流体流制限材料46の断面図である。図8の微小流路18(2)はプレート30(2)によって密封され、流体流路16A(2)、16B(2)を有する閉ループにおいて、流体流制限材料46を通って流体が半導体ダイ12(2)の微小流路を流れるようになっている。微小流路18(2)の入口に流体流制限材料46を配置することによって、方向34に沿った優先的な流れを実現する。
In particular, FIG. 8 shows a cross section of one microchannel 18 (2) of a semiconductor die 12 (2) and a fluid
図9において、図示するように、微小流路18(3)は、方向34に沿った優先的な流体流を実現する形状に構成されている。すなわち、微小流路18(3)は、入力側マニホルド24A(3)における開口部32A(3)が出力側マニホルド24B(3)における開口部32B(3)よりも小さく、流体流に対する微小流路の抵抗が方向34に沿って小さくなるように、エッチングによって形成される。したがって、微小流路18(3)の断面積は、入力側マニホルド24A(3)に近づくほど小さくなり、出力側マニホルド24B(3)に近づくほど大きくなる。必須ではないが、入力側流体流路16A(3)および/または入力側マニホルド24A(3)に図1のウィッキング構造26等のウィッキング構造を組み込んでもよい。
In FIG. 9, the microchannel 18 (3) is configured in a shape that realizes a preferential fluid flow along the
図10は、ループ熱サイフォンシステム内の蒸発器としての半導体ダイを冷却する1つのプロセス50を示す。ステップ52においては、凝縮器(例えば図1の凝縮器14)から流体が毛管作用により運ばれて、半導体ダイ(例えば図1の半導体ダイ12)内の1つまたは複数の微小流路に流入させる。ステップ52の一例としては、凝縮器を微小流路に接続する入力側流体流路(例えば入力側流体流路16A)内に図1のウィッキング構造26を適用することである。ステップ52の他の例としては、入力側流体流路と微小流路との間の入力側マニホルド(例えば、入力側マニホルド24A)内にウィッキング構造を適用することである。ステップ54においては、加熱された流体(または蒸気、または流体と蒸気との混合物)が凝縮器へと運ばれる。ステップ54の一例としては、微小流路からの加熱された流体を凝縮器へと運ぶ出力側流体流路16Bを用いることである。ステップ56においては、液体が凝縮器において冷却される。ステップ52、54、56を必要に応じて繰り返して(58)、半導体ダイの冷却を継続してもよい。プロセス50は、半導体ダイの冷却が必要でなくなると終了する。
FIG. 10 shows one
上記方法およびシステムに、本発明の範囲から逸脱することなく変更を行うことができる。したがって、上記説明および添付図面は限定的ではなく説明的なものとして解釈され、添付の特許請求の範囲は本明細書において説明した特徴の包括的なおよび個別の特徴を包含する、ということが意図される。 Changes can be made in the above methods and systems without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the above description and accompanying drawings are to be construed as illustrative rather than restrictive, and it is intended that the appended claims cover the generic and individual features of the features described herein. Is done.
10 ループ熱サイフォンシステム
12 半導体ダイ
14 凝縮器
16A 入力側流体流路
16B 出力側流体流路
18 微小流路
20 流体
26 ウィッキング構造
30 プレート
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記微小流路に流体接続する凝縮器と、
前記凝縮器と前記半導体ダイとの間で流体を毛管作用により運ぶウィッキング構造と、
を備えることを特徴とするループ熱サイフォンシステム。 A semiconductor die having a plurality of microchannels;
A condenser fluidly connected to the microchannel;
A wicking structure that transports fluid between the condenser and the semiconductor die by capillary action;
A loop thermosyphon system characterized by comprising:
前記微小流路に流体接続し、前記半導体ダイからの加熱された流体を冷却して前記微小流路に流入させる凝縮器と、
を備えることを特徴とするループ熱サイフォンシステム。 A semiconductor die having a plurality of microchannels, wherein one or more of the microchannels are shaped such that fluid preferentially flows along one direction of the semiconductor die Die,
A condenser fluidly connected to the microchannel, for cooling the heated fluid from the semiconductor die and flowing into the microchannel;
A loop thermosyphon system characterized by comprising:
前記微小流路のうちの少なくとも1つの入口に設けられ、前記少なくとも1つの微小流路の1つの方向に沿って流体が優先的に流れるようにする少なくとも1つのオリフィスと、
前記微小流路に流体接続し、前記半導体ダイからの加熱された流体を冷却して前記微小流路に流入させる凝縮器と、
を備えることを特徴とするループ熱サイフォンシステム。 A semiconductor die having a plurality of microchannels;
At least one orifice provided at the inlet of at least one of the microchannels and allowing fluid to flow preferentially along one direction of the at least one microchannel;
A condenser fluidly connected to the microchannel, cooling the heated fluid from the semiconductor die and flowing into the microchannel;
A loop thermosyphon system characterized by comprising:
前記半導体ダイからの加熱された流体を前記凝縮器へと運ぶステップと、
流体を前記凝縮器で冷却するステップと、
を含むことを特徴とする半導体ダイの冷却方法。 Carrying the fluid from the condenser by capillary action into one or more microchannels of the semiconductor die;
Conveying heated fluid from the semiconductor die to the condenser;
Cooling a fluid in the condenser;
A method for cooling a semiconductor die, comprising:
前記微小流路のうちの1つまたは複数の入口にオリフィスを形成することで前記1つまたは複数の微小流路に沿って流体が優先的に流れるようにするステップ、及び
前記微小流路のうちの1つまたは複数の入口に流体流制限材料を配置することで前記1つまたは複数の微小流路に沿って流体が優先的に流れるようにするステップ、
のうちの少なくとも1つのステップをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体ダイの冷却方法。 Forming the microchannel into a shape such that fluid preferentially flows along the microchannel;
Forming an orifice at one or more inlets of the microchannels to allow fluid to flow preferentially along the one or more microchannels; and Disposing a fluid flow restricting material at one or more of the inlets to allow fluid to flow preferentially along the one or more microchannels;
10. The method for cooling a semiconductor die according to claim 9, further comprising at least one of the following steps.
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