JP2006178968A - 流体冷却式集積回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】組み立てるための時間とコストとを抑えた液体冷却式の集積回路モジュールを提供する。
【解決手段】コンピュータシステム（１００）は、ハウジング（１０２）と、ハウジング（１０２）内に取り付けられたプリント回路基（１１４）と、プリント回路基板（１１４）に取り付けられる集積回路モジュール（１０８）であって、動作する際に熱を生成する集積回路チップと、集積回路チップと共に取り付けられハウジング内の周囲空気に熱を放散するヒートシンクと、内部を冷却流体が流れて、集積回路チップから熱を受け取りヒートシンクに熱を伝達する冷却流体経路と、ヒートシンクと集積回路チップと共に冷却流体経路に沿って取り付けられることによって、冷却流体を冷却流体経路に強制的に流す流体ポンプとから構成される集積回路モジュールとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体冷却式集積回路モジュールに関する。

コンピュータや他の電子システムに使用されているような電子プリント回路基板（ＰＣＢ）は、一般に、電子部品が取り付けられた基板を有する。電子部品は、電力消費によって多量の熱を発生することがある。この部品の適正な機能を保証しＰＣＢの任意部分と電子システム全体への損傷を防ぐために、このような熱は部品と基板とから放散されなければならない。

熱を放散させるために、様々な技術が開発されてきた。例えば、低コストの１つの技術は、単純に、熱源が対流によって熱を周囲空気に移すことができるようにするものである。しかしながら、この技術では、効果は比較的低い。対流による放熱効果を高めるために、部品の上に空気を強制的に送るファンが追加される。さらに、熱を空気に放散させる表面領域（部品の表面よりも大きい）に、熱源からの熱を伝えて放熱性をさらに高めるために、部品にヒートシンクまたは熱スプレッダが取り付けられることがある。放熱性をさらに高めるために、ヒートパイプ、能動冷却システムおよび冷却プレート中の冷却流体の使用を備えた「液体ループ」の概念を含むさらに高度な技術が開発されてきた。しかしながら、そのような改良は、追加コストが大きいため経済的ではない。しかし、電子産業における大きな傾向によって電子部品の処理能力と消費電力が増大し続け、その結果放熱の必要性がますます高まったため、高められた放熱技術のための追加コストを受け入れなければならなかった。例えば、液体ループの概念では、システム全体に追加の装置を組み込む必要があるので、一般に、比較的高い放熱要件を有する状況のためだけに使用されている。

液体ループの概念は、冷却流体が流れるパイプ、管すなわちラインによって接続された冷却プレートおよびヒートシンク、ポンプ（またはコンプレッサ）の使用を必要とする。冷却板は、熱源（電子部品）の表面に配置され、この冷却プレートによって熱が冷却プレートに移り、続いて冷却流体に移る。次に、冷却流体は、電子部品を一部に含むシステム全体を収容するハウジングの外側などであって、電子部品から離れた位置にあるヒートシンクに流れ、そこで熱が周囲空気に放散される。次に、冷却流体は、電子部品およびヒートシンクから離れた別の位置にあるポンプに流れ、このポンプが強制的に冷却流体をパイプを通して送る。代替として、冷却流体の能動冷却のためのコンプレッサを利用する液体ループの概念の場合は、冷却流体が、冷却プレート（電子部品に取り付けられた冷却プレート）からコンプレッサに流れ、このコンプレッサで冷却流体は圧縮され、その後ヒートシンクまたは熱交換器に流れる。

上述のように、ポンプ、ヒートシンクおよび冷却プレートはパイプによって接続されなければならない。また、冷却プレートが電子部品に取り付けられなければならない。さらに、ヒートシンクとポンプとはシステム全体内で離れて取り付けられなければならない。これらの理由から、システム全体を組み立てるときには、これらの装置のそれぞれの適正な取り付けを含むかなりの量の製造および組立作業を行わなければならない。したがって、液体ループの概念では、装置のコストの他に、組み立てるためのかなりの時間とコストとを含むことになる。

本発明は、ハウジングと、ハウジング内に取り付けられるプリント回路基板と、プリント回路基板に取り付けられる集積回路モジュールであって、動作する際に熱を生成する集積回路チップと、集積回路チップと共に取り付けられハウジング内の周囲空気に熱を放散するヒートシンクと、内部を冷却流体が流れて、集積回路チップから熱を受け取って熱をヒートシンクに伝達する冷却流体経路と、ヒートシンクと集積回路チップと共に取り付けられ、冷却流体経路に沿って取り付けられることによって、冷却流体を冷却流体経路に強制的に流す流体ポンプとから構成される集積回路モジュールを備えることを特徴とするコンピュータシステムを提供する。

図１に、プロセッサハウジング１０２、キーボード１０４、ディスプレイ１０６などの要素を有する本発明の実施形態に関連するコンピュータシステム１００を示す。本発明では、コンピュータシステム１００での使用に関連して説明するが、本発明はそのように限定されるものではなく、電子システムに含まれる他の要素に関係なく、集積回路（ＩＣ）を有する要素を含む任意の適切な電子システムで使用されるということが理解される。

プロセッサハウジング１０２内には、本発明の実施形態に関連する少なくとも１つのＩＣモジュール１０８が配置される。ＩＣモジュール１０８は、少なくとも一つのプリント回路基板（ＰＣＢ）１１４に取り付けられた様々な他の任意のＩＣ１１０、１１２と共に配置される。ＩＣモジュール１０８には、ＩＣチップと液体ループサブシステムが組み込まれている。これらＩＣチップと液体ループサブシステムとは、以下に述べるように、互いに接続されており、このことによってＩＣチップと液体ループサブシステムとの動作中にＩＣチップの冷却が補助される。液体ループサブシステムは、背景技術で述べたような複数の個別の装置からなるのではなく、ＩＣモジュール１０８に組み込まれるので、コンピュータシステム１００を組み立てるための時間とコストとを大幅に追加することなく、ＩＣモジュール１０８をコンピュータシステム１００に組み込むことができるのである。換言すると、コンピュータシステム１００を組み立てる際に、コンピュータシステム１００に組み込み互いに接続する個別のパイプやポンプ、ヒートシンクなどがない。したがって、コンピュータシステム１００にＩＣモジュール１０８を組み込むことによって、コンピュータシステム１００は、追加の組み立て時間およびコストなしに液体ループ冷却サブシステムの放熱の利点を得ることができる。さらに、ＩＣモジュール１０８は、単一の集積化モジュールであるので、ＩＣモジュール１０８を現場で迅速かつ容易に取り替えることができる。

図２に示したような特定の実施形態によれば、ＩＣモジュール１０８は、ＩＣチップ１１６、ヒートシンク１１８、ポンプ１２０ならびに、ＩＣチップ１１６、ヒートシンク１１８およびポンプ１２０のそれぞれを通り、内部を冷却流体が流れる冷却流体経路１２２を含む。冷却流体は、状況によって、単相液体（すなわち、液体ループサイクルにおいて相変化を受けない冷却液体）でもよく、二相液体（すなわち、液体ループサイクルにおける冷却流体の加熱中と冷却中とで相変化を受ける冷却液体）でもよい。ＩＣチップ１１６には、プロセッサやＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）などの任意の適切なＩＣが挙げられ、ＩＣチップ１１６は、基板１２４に取り付けられている。ヒートシンク１１８は、ベース１２６と、放熱フィン１２８と、ＩＣチップ１１６を取り囲み基板１２４に取り付けられる下側周辺スカート１３０とを含む。このようにして、ヒートシンク１１８と基板１２４とは、ＩＣチップ１１６を閉じ込め周囲環境から保護するキャビティ１３２を画定する。

基板１２４は、はんだ、ソケットまたは他の適切な接続手段によってＰＣＢ１１４に取り付けられる。ソケットなどの取り外し可能な接続手段を使用することによって、コンピュータシステム１００内でのＩＣモジュール１０８の迅速かつ容易な除去と交換が可能になる。冷却流体を失いすなわちこぼしたりすることなく、冷却流体用のパイプすなわち管の接続を切り離して再接続しなければならなかったため、背景技術で説明した液体ループの概念により使用されるソケットでは、ＩＣをそのように迅速かつ容易に取り外し交換することができなかった。

ポンプ１２０は、直接または磁気的に結合された機械式ポンプ、電気浸透ポンプ、界面動電ポンプ、ＭＥＭ（マイクロ電子機械）ポンプ、臑動ポンプ、ピストンポンプ、遠心力ポンプなどの任意の適切な流体循環装置である。代替として、ポンプ１２０は、能動的に冷却流体を冷却し、ひいてはＩＣチップ１１６を冷却する冷却サイクル用のコンプレッサであってもよい。

冷却流体経路１２２は、ポンプ１２０からヒートシンク１１８の一部分を通ってＩＣチップ１１６に至り、ヒートシンク１１８の別の部分を通ってポンプ１２０に戻る。（ポンプ１２０が冷却コンプレッサの場合には、冷却流体経路１２２が同じ要素を反対方向で通る。）ヒートシンク１１８とＩＣチップ１１６との間では、冷却流体経路１２２は、パイプすなわち管を通る。ＩＣチップ１１６内では、冷却流体経路１２２は、オンダイの冷却のためにＩＣチップ１１６の半導体シリコン内に形成されたチャネル（すなわち、表面領域を大きくする「マイクロチャンネル」）を通ってもよい。ヒートシンク１１８内では、冷却流体経路１２２は、ヒートシンク１１８の材料内の熱伝達を強化するスルーホール、キャビティ、マイクロチャンネル、多孔性媒体、ピン構造または他の装備を通ってもよい。示した実施形態によれば、冷却流体経路１２２の一部分が、ヒートシンク１１８の放熱フィン１２８内を通っている。このようにして、ＩＣチップ１１６から冷却流体と放熱フィン１２８とに比較的に効率的に熱を伝えて、迅速かつ効率的に熱を放散することによって熱の除去は最大化され、ＩＣモジュール１０８内の熱勾配は最小になる。さらに、冷却流体経路１２２の内側面は、内側面領域を拡大することにより冷却流体との間の熱伝達を強化するためにフィン、溝、マイクロチャンネルまたは他の手段を備えてもよい。さらに、冷却流体経路１２２は、ヒートシンク１１８および／またはＩＣチップ１１６全体にわたって冷却流体を拡げて、ヒートシンク１１８および／またはＩＣチップ１１６との表面接触と熱伝達とを強化するために、経路の網またはウェブに分裂または分割されてもよい。

代替の特定の実施形態によれば、図３に示したように、代替のＩＣモジュール１３４は、同じ参照番号が付される同じ要素を有するように、ＩＣモジュール１０８と類似している。主な違いは、一般に、ヒートシンク１３６と冷却流体経路１３８との構造に見られる。ヒートシンク１３６は、放熱フィン１４０、ベース１４２および下側周辺スカート１３０（図２をも参照）を有する。しかしながら、この実施形態において、冷却流体経路１３８は、放熱フィン１４０に含まれる一部分を有さない。より正確に言うと、冷却流体経路１３８の一部分を含むヒートシンク１３６の部分はベース１４２だけである。したがって、冷却流体から放熱フィン１４０に熱を直接伝達するための冷却流体の放熱フィン１４０内への流通がないので、ヒートシンク１３６とＩＣモジュール１３４には、図２に示したヒートシンク１１８とＩＣモジュール１０８の放熱効率または効果が得られない。しかしながら、ヒートシンク１３６では、放熱フィン１４０に設けられる穴、キャビティまたは他のそのような構造と共に形成されなくてもよいので、ヒートシンク１３６とＩＣモジュール１３４とは、ヒートシンク１１８とＩＣモジュール１０８ほど高価ではない。

図４に示したもう１つの代替の特定の実施形態によれば、もう１つの代替のＩＣモジュール１４４は、同じ参照番号が付される同じ要素を有するように、ＩＣモジュール１０８および１３４と似ている。さらに、ヒートシンク１４６は、上述のようなヒートシンク１１８またはヒートシンク１３６と似ている。しかしながら、ＩＣモジュール１４４は、ＩＣチップ１５０を取り囲み、基板１２４に取り付けられたＩＣ蓋１４８を含む点で異なる。このように構成され、ＩＣ蓋１４８と基板１２４とは、ＩＣチップ１５０を閉じ込め周囲環境から保護するキャビティ１５２を画定する。さらに、ＩＣチップ１５０とＩＣ蓋１４８との間に熱接続材料１５４が配置されることにより、ＩＣチップ１５０とＩＣ蓋１４８とが熱伝導関係をもつことができる。冷却流体経路１５６は、ＩＣチップ１５０を通る部分を含まず、このことによってＩＣチップ１５０は、ＩＣチップ１１６（図２と図３）が含むようなマイクロチャンネルを含まない。代わりに、ＩＣ蓋１４８内に形成される穴、キャビティ、マイクロチャンネル、多孔性媒体、ピン構造または他の特徴形状を冷却流体経路１５６の一部分が通り、このような穴などを冷却流体が流れることによって熱伝達が強化される。したがって、ＩＣチップ１５０によって生成された熱は、熱接続材料１５４を通ってＩＣ蓋１４８（「コールドプレート」として働く）と、冷却流体とに伝わり、続いてヒートシンク１４６（放熱フィン１２８を通る場合と通らない場合がある）に伝わり放散される。さらに、ＩＣ蓋１４８と基板１２４とがＩＣチップ１５０を取り囲むので、ヒートシンク１４６の下側周辺スカート１３０は任意であって、すなわち下側周辺スカート１３０はＩＣチップ１５０を完全に取り囲まなくてもよい。したがって、ヒートシンク１４６は、エポキシや熱接続材料などの任意の適切な手段によって基板１２４の上で支持されてもよく（図示したような）又は、ＩＣ蓋１４８の上で支持されてもよい。

図５に示した、さらなるもう１つの代替の特定の実施形態によれば、もう１つの代替のＩＣモジュール１５８は、同じ参照番号が付される同じ要素を有するように、ＩＣモジュール１０８、１３４および／または１４４と似ている。しかしながら、冷却流体経路１６０はＩＣチップ１５０とＩＣ蓋１６２のいずれも通過しない。代わりに、冷却流体経路１６０は、ポンプ１２０からヒートシンク１６４を通って（放熱フィン１２８を通る場合と通らない場合とがある）ポンプ１２０に戻る。さらに、冷却流体経路１６０は、ヒートシンク１６４内であってＩＣ蓋１６２の近くであるコールドプレート領域１６６を有する。さらに、熱接続材料１６８が、ＩＣ蓋１６２とヒートシンク１６４との間に配置されており、このことによって、ＩＣ蓋１６２とヒートシンク１６４とは熱伝導関係にある。したがって、ＩＣチップ１５０によって生成された熱は、熱接続材料１５４、ＩＣ蓋１６２、熱接続材料１６８を順次通って、ベース１７０に伝わり、コールドプレート領域１６６内の冷却流体に伝わる。次に、冷却流体が、熱を放散するために、放熱フィン１２８（または図３における冷却流体の流れと同じように、ベース１７０の上部）を流れる。この実施形態の付加的な利点としては、ポンプ１２０が故障した場合に、冷却流体の恩典なしに熱はベース１７０から放熱フィン１２８に依然として移動されるので、この場合にもヒートシンク１６４は、ＩＣチップ１５０によって生成された熱を、低い効率とはいえ依然放散できるということである。さらに、ＩＣ蓋１６２と基板１２４とがＩＣチップ１５０を取り囲むので、ヒートシンク１６４の下側周辺スカート１３０は任意であって、すなわち下側周辺スカート１３０はＩＣチップ１５０を完全に取り囲んでも取り囲まなくてもよい。このことによって、ヒートシンク１６４は、エポキシや熱接続材料などの任意の適切な手段によって基板１２４の上で支持されてもよく（図示したように）、又はＩＣ蓋１６２の上で支持されてもよい。さらに、結合されたヒートシンク１６４とポンプ１２０とは一体ユニットであり、結合されたＩＣチップ１５０、ＩＣ蓋１６２および基板１２４は、別の一体ユニットである（すなわち、集積回路パッケージ）。したがって、集積回路パッケージ（ＩＣチップ１５０、ＩＣ蓋１６２および基板１２４）の製造業者がＩＣモジュール１５８を単一ユニットとして組み立てない場合には、上述した各一体ユニットを、別々に組み立てることができる。代わりに、この実施形態によれば、コンピュータシステム１００（図１）の製造業者は、組み合わせたヒートシンク１６４とポンプ１２０とを、集積回路パッケージ（ＩＣチップ１５０、ＩＣ蓋１６２および基板１２４）と共に使用するかどうかということを柔軟に決定できる。しかしながら、代替として、ＩＣ蓋１６２を用いずにＩＣ蓋１６２の部分までヒートシンク１６４を延在させることができ、それにより、ＩＣチップ１５０とヒートシンク１６４との間の熱接合部材の数を減らし、これによってＩＣチップ１５０とヒートシンク１６４との間の熱伝達が強化される。

図６に示した、さらなるもう１つの代替の特定の実施形態において、もう１つの代替のＩＣモジュール１７２は、同じ参照番号が付される同じ要素を有するように、ＩＣモジュール１０８、１３４、１４４および／または１５８と似ている。しかしながら、ヒートシンク１７４には放熱フィンがない。したがって、この実施形態では、ヒートシンク１７４のベース１７６の上面に任意のタイプの放熱装置を配置することができる。例えば、図３に示した放熱フィン１４０と同じ働きをするように、放熱フィンを備えたヒートシンクをベース１７６にはんだ付けし、エポキシ接着し又はボルト締めすることができる。しかしながら、そのような構造では、取り付けられたヒートシンクとベース１７６との間の接合材によって放熱効率が低下する可能性がある。代替として、コールドプレートをベース１７６に取り付け、このコールドプレートを、離れた所に配置されるポンプとヒートシンクとに液体ループで接続することができる。そのような構造は、コンピュータシステム１００（図１）内の全体的な放熱効率を高める一方で、他の実施形態の組み立て時間およびコストの利点のいつくかを犠牲にする。しかしながら、他で示した実施形態に比べてこの実施形態の優れている利点は、ＩＣモジュール１７２を状況に合った任意の他の熱放散装置と共に用いることができるということから、多種多様な状況でＩＣモジュール１７２を使用することがきるという高い柔軟性にある。

本発明の他の実施形態は、以上で説明した各実施形態の特徴を組み合わせたものである。例えば、図６に示したような放熱フィンのないヒートシンクを、任意の他の実施形態に組み込むことができる。代替として、放熱フィンを備えたヒートシンクを有する実施形態のいくつかでは、その放熱フィン内に冷却流体経路が通っていてもいなくてもよい。さらに、任意の実施形態における冷却流体経路の内側面が、内側表面積を広くするフィン、溝、マイクロチャンネルまたは他の手段を備えていてもよく、それにより冷却流体と冷却流体経路との間の熱伝達が強化される。さらに、冷却流体経路を、冷却流体が流れる任意またはすべての要素内での経路の網又はウェブに分裂または分割させることによって、そのような要素全体に冷却流体を拡げて、冷却流体の面接触と熱伝達を強化することができる。さらに、ヒートシンクとＩＣチップとの間にギャップがある各実施形態においては、このギャップを、熱接続材料すなわち熱伝導性パッドで充填して、冷却流体経路から独立した他の熱伝達経路を可能にしてもよい。

本発明の実施形態によるコンピュータシステムの上正面左側斜視図である。 本発明の実施形態による図１に示したコンピュータシステムに組み込まれる集積回路モジュールの断面図である。 本発明の代替の実施形態による図１に示したコンピュータシステムに組み込まれる他の集積回路モジュールの断面図である。 本発明の他の代替の実施形態による図１に示したコンピュータシステムに組み込まれる他の集積回路モジュールの断面図である。 本発明の他の代替の実施形態による図１に示したコンピュータシステムに組み込まれる他の集積回路モジュールの断面図である。 本発明の他の代替の実施形態による図１に示したコンピュータシステムに組み込まれる他の集積回路モジュールの断面図である。

符号の説明

１００ コンピュータシステム
１０２ プロセッサハウジング（ハウジング）
１０８ ＩＣモジュール（集積回路モジュール）
１１４ プリント回路基板
１１６、１５０ ＩＣチップ（集積回路チップ）
１１８、１３６、１４６、１６４、１７４ ヒートシンク
１２０ ポンプ（流体ポンプ）
１２２、１３８、１５６、１６０ 冷却流体経路
１２８ 放熱フィン
１４８ ＩＣ蓋（集積回路パッケージ蓋）

Claims (10)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内に取り付けられるプリント回路基板と、
   前記プリント回路基板に取り付けられる集積回路モジュールであって、
   動作する際に熱を生成する集積回路チップと、
   前記集積回路チップと共に取り付けられ前記ハウジング内の周囲空気に熱を放散するヒートシンクと、
   内部を冷却流体が流れて、前記集積回路チップから前記熱を受け取って前記熱を前記ヒートシンクに伝達する冷却流体経路と、
   前記ヒートシンクと集積回路チップと共に取り付けられ、前記冷却流体経路に沿って取り付けられることによって、前記冷却流体を前記冷却流体経路に強制的に流す流体ポンプとから構成される集積回路モジュールとを備えることを特徴とするコンピュータシステム。
2. 前記流体ポンプは、前記冷却流体を冷却するための流体コンプレッサであることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。
3. 前記ヒートシンクは放熱フィンを備え、
   前記冷却流体経路の一部分が前記放熱フィン内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。
4. 前記集積回路チップは、内部を流体が流れることができる流体チャネルを備え、
   前記冷却流体経路の一部分が前記流体チャネル内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。
5. 前記流体ポンプは、前記ヒートシンクの一部分の上に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。
6. 前記ヒートシンクは、前記集積回路チップの上であって前記集積回路チップから離間されて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。
7. 前記ヒートシンクの一部分が前記集積回路チップの上であって前記集積回路チップから離間された構成で、前記集積回路チップと前記ヒートシンクとが取り付けられる基板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。
8. 前記基板に取り付けられる集積回路パッケージ蓋をさらに備え、
   前記基板と前記集積回路パッケージ蓋とが、前記集積回路チップが内部に配置されるキャビティを形成し、
   前記集積回路パッケージ蓋が、前記集積回路チップと熱伝導関係にあり、
   前記冷却流体経路の一部分が前記集積回路パッケージ蓋内に配置されることを特徴とする請求項７に記載のコンピュータシステム。
9. 前記ヒートシンクが、ベースと前記ベースから突出する放熱フィンとから構成され、
   前記冷却流体経路の一部分が前記ベース内に配置され、
   前記熱が前記冷却流体から前記ベースに移動され、
   前記熱が前記ベースから前記放熱フィンに熱伝導によって移動されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。
10. 前記集積回路チップを収容する集積回路パッケージをさらに備え、
    前記集積回路パッケージが前記ヒートシンクと熱伝導関係にあり、
    前記冷却流体経路が前記ヒートシンクと流体ポンプ内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のコンピュータシステム。

Images