JP2008509542A - 並流式熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 少なくとも１つの実施形態では、本発明は、少なくとも１つの熱交換器と、吸入マニホルドと、少なくとも１つの多重チップモジュールと、を含んでいる熱交換装置である。更に、吸入マニホルドは、各熱交換器と流体連通しており、吸入マニホルドは、熱交換媒体を、各熱交換器に別々に供給することができる。更に、各多重チップモジュールは、少なくとも１つの熱交換器に少なくとも隣接して配置されていて、各多重チップモジュールと少なくとも１つの熱交換器の間で、熱を伝達することができるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱交換器に関する。

自動試験装置、即ちＡＴＥは、半導体製造業者が、製造中に、製作された全ての半導体素子を１つずつ個別に試験できるようにする。この試験は、大抵は、ウェーハの段階とパッケージ化された素子の段階の両方で行われ、出荷される前に素子の作動性能が保証される。

現在の半導体素子は、通常、３２個から１０００個以上の何れかの本数のピンを有しており、この素子の作動性を完全に検証するには、一般的に、半導体試験器は、対応する個数のチャネルを必要とする。各チャネルは、普通、ＤＵＴ上のピンに対して試験信号を送受信するのに必要なピン電子機器を含む信号経路を備えている。従来の試験器では、試験器の構成要素の集積度を最大化し、大きさを最小化するために、チャネルは、テストヘッドに内臓された印刷回路板に形成されることが多い。テストヘッドは、プローバ又はハンドラに取り付けられたＤＵＴに連結するために、試験器の本体から切り離されている。

従来のテストヘッド内の回路板の集中度は比較的高いので、安定した温度環境を維持するために、普通は専用の冷却システムが採用されている。従来のシステムには、空気冷却方式を採用しているものもあるが、この方式は、通常、テストヘッド内の貴重な空間を占める精巧なダクト配管を含んでいる。結果的に、空気冷却システムを使えば、試験器全体の設置面積が大きくなってしまう。更に、気流は、ダクト系統、ノズル、及び回路板のでこぼこした形状及び表面、の抵抗作用に打ち勝たねばならないことから、空気冷却式システムは、どちらかといえば、要望されるほどには効率的でない。

他の取り組み法として、流体、代表的には水を、液体冷却器、即ち冷却装置から、熱発生電子機器要素、即ちマイクロチップを通過させて、冷却器に戻すという具合に、循環させる液体冷却システムが挙げられる。液体は、電子機器要素に取り付けられた冷却ブロックを通過して、熱を電子機器要素から液体に伝達させる。上記システムでは、冷却ブロックは、管やホースで互いに直列に取り付けられて、液体を通過させる一本の経路又は流路を形成している。即ち、上記システムでは、液体は、通常はポンプを含んでいる冷却装置から第１冷却ブロックに流入し、そこで冷却ブロックが取り付けられている電子機器要素から液体に熱が伝達される。次いで、液体は、第１冷却ブロックを出て、接続管を通り、第２冷却ブロックに流入し、そこで再度別の電子機器要素から液体に熱が伝達される。液体は、各冷却ブロックで液体に熱を伝達させながら、引き続き一連の冷却ブロックを順次通過して、冷却装置に戻る。

液体は、冷却ブロックを通過する毎に熱せられるので、温度は、一連の冷却ブロック内の各冷却ブロックで予測不可能に変動する。即ち、この様な冷却システムでは、各電子機器要素は、異なる温度で作動することになり、つまり、温度は、冷却ブロックを通る液体の経路に沿って上昇していく。

最近の傾向として、現代の電子機器要素、特に最新の自動試験装置に使用されている電子機器要素は、温度レベル及び温度の変動に更に敏感になってきている。それら電子機器要素の性能を最適化するとともに、電子機器要素同士の性能の均一化を図るためには、全ての電子機器要素に亘って安定した共通の温度レベルが望ましい。従来の液体冷却システムでは、液体の温度が変動するため、これを実現するのは難しい。

従って、冷却される電子機器要素それぞれに対して、均一で予測可能且つ一貫した冷却環境を提供する、冷却システムが必要とされている。その様なシステムは、容易にアクセスして、保守に必要な時間を短縮することができ、その結果、装置全体のダウンタイムを最小化することができる。
米国特許第５，８７１、０４２号

少なくとも１つの実施形態では、本発明は、少なくとも１つの熱交換器と、吸込マニホルドと、少なくとも１つの多重チップモジュールと、を含んでいる熱交換装置である。この実施形態では、吸込マニホルドは、各熱交換器と流体連通しており、吸込マニホルドは、熱交換媒体を各熱交換器に別々に供給することができる。更に、各多重チップモジュールは、少なくとも１つの熱交換器に少なくとも隣接して配置され、各多重チップモジュールと少なくとも１つの熱交換器の間で熱が伝達されるようになっている。

熱交換装置は、排出マニホルドも含んでいる。排出マニホルドは、各熱交換器と流体連通しており、熱交換媒体を熱交換器それぞれから受け取ることができる。また、吸込マニホルドは、熱交換媒体を各熱交換器に実質的に等しく供給することができる。

各多重チップモジュールは、少なくとも１つの熱交換器に当接し、取り付けられ、及び／又は圧縮搭載される。各多重チップモジュールは、それ自身少なくとも１つの熱交換器に当接するピン電子機器ダイを含んでいる。

熱交換器は、プレート又は他の類似構造である。熱交換媒体は、液体及び／又は不活性液体である。熱交換システムは、少なくとも１つの第１コネクタを更に含んでいる。その場合、各第１コネクタは、吸込マニホルドと各熱交換器の間に配置され、各熱交換器を吸込マニホルドから取り外せるようになっている。同様に、熱交換システムは、少なくとも１つの第２コネクタを含んでいる。その場合、各第２コネクタは、排出マニホルドと各熱交換器の間に配置され、各熱交換器を排出マニホルドから取り外せるようになっている。

別の実施形態では、本発明は、印刷回路板と、印刷回路板に搭載された複数の多重チップモジュールと、冷却液を供給するための冷却剤供給源と、冷却液を受け入れるための冷却剤受容部と、液体冷却装置と、を有する１つの自動試験装置である。液体冷却装置は、冷却剤供給源及び冷却剤受容部と流体連通している。液体冷却装置は、各コールドプレートが多重チップモジュールに当接して、各多重チップモジュールとその当接相手のコールドプレートとの間で熱を伝達できるようになっている、複数のコールドプレートと、印刷回路板に少なくとも隣接して配置された吸込マニホルドであって、各コールドプレートと並列配置で流体連通しており、冷却剤を各コールドプレートに別々に供給できるようになっている、吸込マニホルドと、印刷回路板に少なくとも隣接して配置された排出マニホルドであって、各コールドプレートと並列配置で直接流体連通しており、冷却剤を各コールドプレートから別々に受け取ることができるようになっている排出マニホルドと、を含んでいる。

液体冷却装置は、冷却剤供給源と吸込マニホルドの間に取り付けられた吸込コネクタを更に含んでおり、吸込コネクタは、吸込マニホルドと冷却剤供給源の間の流体接続を切り離すことができ、液体冷却装置を冷却剤供給源から切り離すことができるようになっており、更に、液体冷却装置は、排出マニホルドと冷却剤受容部との間に取り付けられた排出コネクタを含んでおり、排出コネクタは、排出マニホルドと冷却剤受容部の間の流体接続を切り離すことができ、液体冷却装置を冷却材供給源から切り離すことができるようになっている。

本発明の別の実施形態では、熱交換装置は、印刷回路板と、印刷回路板に搭載された多重チップモジュールと、多重チップモジュール上に配置されたコールドプレートと、印刷回路板とコールドプレートを接続するファスナと、を含んでいる。この場合、ファスナは、コールドプレートを多重チップモジュールに押し付け、多重チップモジュールは印刷回路板に押し付けられる。コールドプレートは、多重チップモジュールに蓋を形成するように配置される。コールドプレートは、圧縮プレートであってもよい。

本発明の特徴と利点については、以下の説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を参照することにより、良く理解頂けるであろう。
本発明は、各熱交換器に対して熱交換媒体を均一に分配するよう機能する熱交換システムを含んでいる。この分配は、媒体の均一な圧力、流量、並びに温度及び組成を提供することを含んでいる。この分配により、媒体の流量が、予想可能になると共に各熱交換器を通して一貫したものとなる。これにより、各熱交換器に亘って、均一な熱交換器容量、即ち熱伝達率が実現できる。この様にして、各熱交換器、従って各熱交換器に取り付けられている電子機器要素の温度は、同一温度に、又は比較的狭い温度範囲内に維持される。

熱交換媒体の均一な分配は、一部には、吸込マニホルドと排出マニホルドを使用することで実現されている。各熱交換器を１つの共通の熱交換媒体供給部に取り付けたことにより、各熱交換器への分配が均一に維持される。

並列熱交換器システムの、全ての熱交換器及びそれらに関係付けられた電子機器要素に亘って、熱伝達、従って温度を同一に維持する能力は、先に述べた直列冷却システムとは全く対照的である。直列システムは、冷却剤を冷却ブロックに順次連続して流すので、冷却剤の状態、即ち温度は、各冷却ブロックを通過する毎に変化することになる。その結果、各冷却ブロックに亘る温度は、冷却剤の流れの経路に沿って変化する。

電子機器要素、即ちチップモジュールを冷却する様な温度に敏感な用途では、熱交換システムは、各構成要素の温度を相対的に一定に保つことができなければならない。それができなければ、構成要素の性能の劇的な低下又は誤作動及び／又は損傷を招くことにもなりかねない。より具体的には、不都合な温度はチップのタイミング信号に影響を及ぼし、電気抵抗が大きくなるため、ある種のアナログ機能に影響すると共にノイズが増すことになる。

一方、冷却を予測できると、構成要素を更に効率的に設計することができるので、性能を高め、費用を下げることができる。作動温度範囲が狭くなれば、構成要素を更に高い周波数で作動させ、電力使用量を減らすように設計することができる。

自動試験装置、即ちＡＴＥに多重チップモジュール、即ちＭＣＭを使用する場合、ＭＣＭ内に使用される敏感なピン電子機器ダイは、通常、作動温度の厳密な制御無しに性能仕様を達成することができない。本発明の実施形態の中には、ＭＣＭの温度範囲を±１℃の温度範囲内に維持できることが判明したものもある。

図１は、本発明の少なくとも１つの実施形態による並列熱交換システムの上面切断図を示している。図示の様に、熱交換又は冷却システム１００は、印刷回路板又はカード１６０上に配置されており、各構成要素又は素子１７０を冷却することができるようになっている。冷却剤を各素子に並列配置で供給するように配置することにより、熱交換システム１００は、各素子の温度を同一又は少なくとも略同一の温度に維持することができる。即ち、全ての素子は比較的狭い共通の温度範囲内に維持されることになる。その結果、性能が改善され、より均一化され、各素子の寿命がより等しくなり、必要な保守の全体量が減る。

冷却システム１００は、入口又は吸込マニホルド１１０、入口又は吸込管又はホース１２０、熱交換器１３０、出口又は排出管又はホース１４０、及び出口又は排出マニホルド１５０を含んでいる。カード１６０は、縁部１６２を含んでいる。素子１７０は、カード１６０上に、その縁部１６２に隣接して載せられている。この実施形態では、熱交換媒体（図示せず）の流れの方向は、矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、及びＡ６により概略的に示されている。

吸込マニホルド１１０は、熱交換媒体の入ってくる流れが、マニホルド１１０に接続されている一組の配管に一様に分配されるように機能する。吸込マニホルド１１０は、共通又は分配領域１１２、開口１１４、及び開口端１１６を含んでいる。吸込マニホルド１１０を通る熱交換媒体の概略的な流れの方向は、矢印Ａ２で示されている。

実施形態にもよるが、吸込マニホルド１１０は、カード１６０に取り付けてもよいし、カード１６０の上に載せてもよいし、カード１６０に隣接して配置してもよい。吸込マニホルド１１０をカード１６０に取り付けると、熱交換システム１００とカード１６０は単一のユニットとすることができ、組み合わせユニットの設置、取り外し、及び保守を、容易且つ迅速に行えるようになる。その結果、整備と修理の時間と費用が低減する。

本発明に使用される熱交換媒体は、液体又は気体を含め、各種物質の何れでもよい。使用可能な液体としては、水や、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社から市販されているＨＥＥ並びにＦＣ７７といったフロリナート誘電流体の様な、不活性流体及びその他の流体が挙げられる。使用可能な気体には、空気、ヘリウム、その他のガスが含まれる。図１に示す実施形態では、熱交換媒体として不活性流体が使用されている。

分配領域１１２は、熱交換媒体を、冷却システム、冷却装置、熱交換器、ヒーター、ポンプ、リザーバなどの様な外部供給源(図示せず)から受け取る。媒体が分配領域１１２に入ると、媒体は各開口１１４に均一に流される。分配領域１１２の具体的な大きさと形状は、分配領域１１２に対する流入及び流出量や、熱交換媒体の特性、即ち圧力、圧縮性、粘度など、を含む諸要因によって変わる。実施形態の中には、図示のように、分配領域１１２の断面が、開口１１４及び開口端１１６の開口より遥かに大きいものがある。これにより、熱交換媒体が分配領域１１２に流入すると同時にその流量を下げることができるようになり、各開口部１１４への均一な分配が行い易くなる。

開口１１４は、吸込マニホルド１１０に沿って配置されており、これに取り付けられている各吸込管１２０に流れを向かわせる役目を果たす。各開口１１４は、吸込マニホルド１１０の同じ側に沿って配置されているものとして図示しているが、他の実施形態では、各開口１１４は互いに別の側又はマニホルド１１０の周りに設けられている。各開口を通過する流れが平衡且つ均一になるように、開口１１４の大きさと形状を変えてもよいが、開口１１４は、通常は共通の大きさと形状を有している。開口１１４の具体的な大きさと形状は、具体的な用途によって異なり、上で指摘したように、開口１１４を通る所望の流量及び熱交換媒体の特性を含む諸要因によって変わる。

吸込マイホルド１１０は、開口端１１６も含んでおり、この開口端１１６には開口１１７があって、熱交換媒体を外部供給源（図示せず）からマニホルド１１０に流し込めるようになっている。外部供給源は、冷却剤供給源でもよい。開口１１７の大きさと形状は、実施形態によって、また、熱交換媒体の流量及び特性を含む諸要因によって変わる。開口端１１６は、外部供給源からの管又はホースを吸込マニホルド１１０に取り付ける役目を果たすコネクタ又は吸込コネクタ１１８も含んでいる。コネクタ１１８は、熱交換媒体の漏出を防止又は制限するために、単数又は複数の弁を含んでいてもよい。また、コネクタ１１８は、外部供給源からの管に沿って開口端１１６から離して配置してもよい。コネクタ１１８は、外部供給源からの管をマニホルド１１０から比較的迅速に外すことができるようにするため急速着脱式のコネクタであってもよい。この様な急速着脱式コネクタは、カード１６０をテストヘッド又は同様の装置から迅速に取り外し易くする。これにより、保守時間が短縮され、装置のダウンタイムが短くなる。更に、これにより、装置内の他のカードに影響を及ぼすこと無く個々のカードを保守できるようになるという点で、柔軟性が高まる。

吸込管１２０は、吸込マニホルド１１０と熱交換器１３０の間に接続されており、両者の間で熱交換媒体を搬送する役目を果たす。各吸込管１２０は、流入口１２２と流出口１２６を含んでいる。概略的な流れの方向を矢印Ａ３で示している。吸込管１２０は、ゴム、ステンレス鋼、アルミニウム、プラスチック、ビニール、銅を含む多種多様な材料のどれで作ってもよい。吸込管１２０は、後で説明するように、吸込管１２０に沿って配置されるコネクタの整列を調整するために必要なコンプライアンス及び／又は可撓性を有する配管である。

吸込管１２０の大きさと形状は、具体的な用途によって変わる。熱交換媒体の所望の流量と特性を含む諸要因によって、吸込管１２０に使用される大きさと形状が決まる。流出口１２６は、熱交換器１３０の側辺の１つに沿って取り付けられているものとして示しているが、流出口１２６は、熱交換器１３０の流入口と流出口の具体的な構成次第で、熱交換器１３０周りの異なる様々な位置の何処に取り付けてもよい。

吸込管１２０は、流入口１２２と流出口１２６の間に、コネクタ又は第１コネクタ１２４を備えており、コネクタ１２４の両側で吸込管１２０を２つの部分に切り離すことができるようになっている。コネクタ１２４は、熱交換媒体の漏出を防止又は制限するため、単数又は複数の弁を含んでいる。コネクタ１２４は、後で説明する排出管１４０側の同様なコネクタと協働して、冷却システム１００の他の部分をカード１６０から取り外すこと無く、熱交換器１３０を冷却システム１００から取り外せるようにしている。その結果、熱交換器１３０を取り外して、熱交換器１３０によって冷却されている素子１７０又は構造体、即ち図示のＭＣＭへ容易にアクセスできるようになる。これにより、板上の他の構成要素に影響を与えること無く個々の構成要素を保守できるようになる。更に、後で説明するように、熱交換器１３０と素子１７０を互いに組み付けて一体のユニットとすれば、コネクタ１２４を使って、このユニットをチャネルカード１６０から取り外し易くなる。コネクタ１２４は、オハイオ州モーミーに在るEaton Aeroquip, Inc.から市販されているＱＤコネクタの様な急速着脱式コネクタでもよい。この様な急速着脱式コネクタを使用すれば、管の取り外しに必要な時間と労力が更に軽減される。その結果、保守の時間と装置のダウンタイムが更に更に短縮される。実施形態の中には、コネクタ１２４を、流入口コールドプレートコネクタと呼んでいるものもある。

熱交換器１３０は、これと共に配置される、即ちこの上に取り付けられる素子と、熱交換媒体の間で熱を伝達させる役目を果たす。実施形態の中には、図示のもののように、熱交換器１３０が、熱交換器１３０の下に配置された素子１７０を冷却する役目を果たすものもある。或る実施形態では、素子１７０には、コールドプレートが、素子の構成要素、即ちＭＣＭの剥き出し又は露出したダイに密接するように接着されている。上で指摘し更に以下に説明するように、熱交換器１３０と素子１７０は、互いに組み付けて一体のユニットにすることができる。

熱交換器１３０の大きさと形状は、具体的な用途の要件によって変わる。例えば、熱交換器の大きさと形状は、熱交換器が取り付けられた素子から伝達しなければならない熱の量と、熱伝達に利用できる装置の表面積とに、直接左右される。熱交換器１３０は、後で詳しく説明するが、多種多様な構成を有するコールドプレートとすることができる。

熱交換器１３０は、流入口１３２と流出口１３４を含んでいるが、熱交換器１３０の構成次第で、熱交換器１３０周りの様々な位置に設けることができる。
熱交換器１３０は、銅、黄銅、アルミニウムなどの様な、高い熱伝達率を有する材料を含め、熱伝達を支援する多種多様な材料の何れで作ってもよい。

排出管１４０は、熱交換器１３０と排出マニホルド１５０の間に接続されており、両者の間で熱交換媒体を搬送する役目を果たす。各排出管１４０は、流入口１４２と流出口１４６を有している。概略的な流れの方向を、矢印Ａ４で示している。排出管１４０は、ゴム、ステンレス鋼、アルミニウム、プラスチック、ビニール、銅を含む多種多様な材料の何れで作ってもよい。排出管１４０は、下で説明するように、管１４０に沿って配置されたコネクタの整列を調整するために必要なコンプライアンス及び／又は可撓性を有している。

排出管１４０の大きさと形状は、具体的な用途によって変わり、熱交換媒体の所望の流量と特性を含む諸要因によって、排出管１４０の大きさと形状が決まる。流入口１４２は、熱交換器１３０の側辺の１つに沿って取り付けられているものとして示しているが、流入口１４２は、熱交換器１３０の流入口１３２と流出口１３４の具体的な構成次第で、熱交換器１３０周りの様々な異なる位置の何処で熱交換器１３０に取り付けてもよい。

排出管１２０は、流入口１４２と流出口１４６の間に、コネクタ又は第２コネクタ１４４を備えており、コネクタ１４４の両側で排出管１２０を２つの部分に切り離すことができるようになっている。コネクタ１４４は、熱交換媒体の漏出を防止又は制限するため、単数又は複数の弁を含んでいる。コネクタ１４４は、吸込管１２０側のコネクタ１２４と協働して、冷却システム１００の他の部分をカード１６０から取り外すこと無く、熱交換器１３０を冷却システム１００から取り外せるようにしている。その結果、熱交換器１３０を取り外して、冷却されている素子１７０又は構造体、即ち図示のＭＣＭへ容易にアクセスできるようになる。更に、下に説明するように、熱交換器１３０と素子１７０を互いに組み付けて一体のユニットにすれば、コネクタ１４４を使って、ユニットをチャネルカード１６０から容易に取り外せるようになる。コネクタ１４４は、オハイオ州モーミーに在るEaton Aeroquip, Inc.から市販されているＱＤコネクタの様な急速着脱式コネクタでもよい。この様な急速着脱式コネクタを使用すれば、管の取り外しに必要な時間と労力が更に軽減される。その結果、保守時間とダウンタイムが更に短縮される。実施形態の中には、コネクタ１４４を、流入口コールドプレートコネクタと呼んでいるものもある。

排出マニホルド１５０は、排出管１４０からの熱交換媒体の流出流を回収してシステム１００から送り出す役目を果たす。熱交換器媒体は、冷却剤受容部に送られる。排出マニホルド１５０は、共通又は回収領域１５２、開口１５４、開口端１５６を含んでいる。排出マニホルド１５０を通る熱交換媒体の概略的な流れの方向を、矢印Ａ５で示している。

実施形態次第で、排出マニホルド１５０は、カード１６０に取り付けてもよいし、カード１６０上に又はこれに隣接して配置してもよい。排出マニホルド１５０をカード１６０に取り付ければ、熱交換システム１００とカード１６０は一個のユニットになる。こうすれば、この組み合わせユニットを容易且つ迅速に設置、取り外し、及び保守できるようになり、整備と修理の時間と費用が減る。

回収領域１５２は、冷却システム、冷却装置、熱交換器、ヒーター、ポンプ、リザーバなどの様な外部装置(図示せず)に、熱交換媒体を向かわせる。回収領域１５２の具体的な大きさと形状は、熱交換媒体の流量及び特性、即ち圧力、圧縮性、粘度などを含む諸要因によって変わる。実施形態の中には、図示のもののように、回収領域の断面が、開口１５４及び開口端１５６の開口よりも遥かに大きいものもある。

開口１５４は、排出マニホルド１５０に沿って配置されており、これに取り付けられている各排出管１４０から回収領域１５２に流れを向かわせる役目を果たす。開口１５４は、排出マニホルド１５０の同じ側に沿って配置されているように図示しているが、他の実施形態では、開口１５４は、他方の側又はマニホルド１５０の周りに配置されている。各開口を通過する流れが均一になるように、開口１５４の大きさと形状は変えてもよいが、開口１５４は、通常は共通の大きさと形状を有している。開口１５４の具体的な大きさと形状は、具体的な用途次第で、上で指摘したように、開口１５４を通る所望の流量及び熱交換媒体の特性を含む諸要因によって変わる。

排出マイホルド１５０は、開口端１５６も含んでいる。開口端１５６は、熱交換媒体がマニホルド１５０から外部の場所（図示せず）へと流れるようにする開口１５７を有している。開口１５７の大きさと形状は、実施形態によって、及び熱交換媒体の流量及び特性を含む諸要因によって変わる。開口端１５６は、外部の場所への管又はホースを排出マニホルド１５０に取り付ける役目を果たすコネクタ又は排出コネクタ１５８も含んでいる。コネクタ１５８は、熱交換媒体の漏出を防止又は制限するために、単数又は複数の弁を含んでいてもよい。また、コネクタ１５８は、外部供給源への管に沿って、開口端１５６から離して配置してもよい。コネクタ１５８は、外部管を排出マニホルド１５０から比較的迅速に取り外せるようにする急速着脱式のコネクタでもよい。この様な急速着脱式コネクタは、吸込マニホルド１１０側のコネクタ１１８と協働して、カード１６０をテストヘッド又は同様の装置から迅速に取り外し易くする。これにより、保守時間が短縮され、装置のダウンタイムが短くなる。更に、これにより、装置内の他のカードに影響を及ぼすこと無く個々のカードを保守できるようになるという点で、柔軟性が高まる。

本発明の実施形態次第で、カード１６０は、チャネルカードでもよいし、印刷回路板でもよい。素子１７０は、多重チップモジュール、又はＭＣＭの様な、ピン電子機器ダイを有する電子機器要素でもよい。

冷却装置又は冷却プレートの一例は、１９９９年２月１６日発行の、Gutfeldt他による米国特許第５，８７１、０４２号、「電子機器装置と使用するための液体冷却措置」に記載されており、その内容全体を参考文献としてここに援用する。

図２は、本発明の少なくとも１つの実施形態による熱交換システムの一部の上面切断図を示している。熱交換器又は冷却プレート又はコールドプレート２００は、構造２１０、流入又は吸込コネクタ２２０と流出又は排出コネクタ２３０を含んでいる。伝熱媒体（図示せず）の概略的な流れの方向を、矢印Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５で示している。冷却プレート２００は、冷却プレート及び／又は冷却される素子（図示せず）の修理、整備又は交換の際は、コネクタ２２０と２３０によって、熱交換システムの他の部分から取り外すことができる。

図示の実施形態では、冷却プレート２２０の構造２１０は、外側フレーム２１１、デバイダ２１２、チャネル２１４、下側プレート２１６、上側プレート（図示せず）、流入口２１８、及び流出口２１９を含んでいる。

外側フレーム２１１とデバイダ２１２は、チャネル２１４を形成しており、このチャネル２１４は、冷却剤が、矢印Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４で概略的に示すように冷却プレート２００を通過するよう方向付ける。流れをどの様に方向付けて、選択的に最初に或る領域、即ち冷却される素子の特定の構成要素の上方に位置する領域を流れるようにするかという一例を、図２に示している。フレーム２１１、デバイダ２１２、及びチャネル２１４を作り変え、配置し直すことによって、内部の流れのパターンが異なるこの他の各種実施形態を作ることができる。

図２に示す本発明の実施形態では、デバイダ２１２は、流れが最初に領域Ｘ１とＸ２の上を通過して次に領域Ｘ３上に流れるように、流れを向かわせる役目を果たす。領域Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３は、冷却プレート２００の下側に置かれた素子の構成要素、即ち、チップ又はダイの位置を示す。或る実施形態では、領域Ｘ１とＸ２がピン電子機器ダイの位置を、領域Ｘ３がデジタルＡＳＩＣチップの位置を表している。上記実施形態では、ピン電子機器ダイは、通常、ＡＳＩＣチップよりも温度レベル及び温度変動に敏感なので、冷却剤の流れは、最初に領域Ｘ１とＸ２の上に向けられる。或る実施形態では、ピン電子機器ダイは、ダイの特定の縁部に沿って、温度効果に対して最も敏感である。ダイのこの縁部を、伝熱媒体の流れに対する先導縁に設定することにより、ダイの熱に対する感受性を最小化することができる。

その結果、図２の実施形態では、熱交換システムの各冷却プレート２００によって冷却される各素子、即ちＭＳＭのピン電子機器ダイに、均一な冷却が提供されることになる。
チャネル２１４の下方には下側プレート２１６が在り、チャネルの上方には上側プレートが在る（図２の切断図には図示していない）。下側プレート２１６は、伝熱プレートであり、銅、黄銅、アルミニウムなどの様な、高い熱伝達率を可能にする材料で作られている。

構造２１０は、冷却プレート２００に対して流れが出入りできるようにする流入口２１８と流出口２１９も含んでいる。流入口２１８の上流には、流入口コネクタ２２０が配置され、流出口の下流には流出口コネクタ２３０が配置されている。コネクタ２２０と２３０は、構造２１０に接触して配置してもよいし、又はその一部でもよい。コネクタ２２０と２３０は、熱交換媒体の漏出を防止又は制限するため、単数又は複数の弁を含んでいてもよい。或る実施形態では、流入口コネクタ２２０と流出口コネクタ２３０は、冷却プレート２００を熱交換システムから取り外し易くするため、急速着脱式コネクタである。急速着脱式コネクタを使用すれば、冷却プレート２００を取り外すのに必要な時間を短縮することができ、保守に必要な時間と装置のダウンタイムを短縮することができる。使用可能な急速着脱式コネクタとしては、オハイオ州モーミーに在るEaton Aeroquip, Inc.から市販されているＱＤコネクタが挙げられる。

本発明の或る実施形態では、図２の冷却プレート２００は、図１の熱交換システム１００の熱交換器１３０として使用されている。
図３は、本発明の少なくとも１つの実施形態による熱交換システムの一部の側部断面図を示している。図３の実施形態は、熱交換器３１０、ファスナ３２０、裏打ち又は補強板３３０、カード又は素子板３４０、及び素子３５０を含んでいる一体型のユニット３００である。熱交換媒体の流れを、矢印Ｃ１及びＣ２で概略的に示している。

熱交換器３１０、素子板３４０、及び素子３５０を全てまとめてファスナ３２０で固定しているので、一体型のユニット３００は幾つかの機能を提供している。熱交換器３１０と素子３５０が当接しているので、両者の間で熱伝達が行いやすい。熱交換器３１０は、素子３５０を覆って固定されているので、熱交換器３１０は、素子３５０の蓋としても機能し、その構成要素を保護している。また、ファスナ３２０が熱交換器３１０を素子３５０に押し付けているので、熱交換器３１０は、素子を板３４０に固定する圧縮プレートの役目も果たしている。結果的に、熱交換器３１０を熱交換器としてだけでなく、蓋及び圧縮プレートとして兼用することにより、一体型のユニット３００は追加の構成要素の必要が無くなり、費用と複雑さが軽減される。

熱交換器３１０は、流出口３１２、室３１４、熱交換プレート３１６、脚３１７、取付部３１８を含んでいる。熱交換器３１０は、素子３５０と、熱交換器３１０を通って流れる伝熱媒体（図示せず）との間で、熱を伝達することができる。熱交換器３１０の大きさと形状は、具体的な用途の要件により変わる。例えば、熱交換器３１０の大きさは、素子３５０から伝達しなければならない熱の量と、熱伝達に利用できる表面積に直接左右される。図示のように、熱交換器３１０は、コールドプレートである。

熱交換器３１０は、銅、黄銅、アルミニウムなどの様な、高い熱伝達率の材料を含め、熱伝達を行うことのできる多種多様な材料の何れで作ってもよい。熱交換器３１０は、例えば、熱伝達が起きる場所には熱交換プレート３１６の様な高い熱伝達特性の材料を用い、外部領域など他の部分には断熱材の様な別の材料を用いた、異なる材料の合成物であってもよい。このような材料構成は、熱伝達性を更に高め、凝縮のような悪影響の可能性を小さくすることができる。

熱交換媒体は、熱交換器を通って、流入口（図示せず）に流入し、室３１４を通過して、流出口３１２から出て行く。室３１４は、熱交換器３１０内で熱交換媒体を方向付けるように構成されている。例えば、室３１４は、流れが、最初に、素子３５０の最も熱を発生する及び／又は最も敏感な構成要素の上を通るように、流れを方向付けるように構成される。実施形態の中には、流れがピン電子機器ダイの上を通るように方向付けされるものもある。室３１４は、表面積を大きくし熱伝達を支援するために、フィン又は類似構造を含んでいてもよい。

室３１４内の熱交換媒体と素子３５０の構成要素の間には、熱交換プレート３１６が配置されている。熱伝達を行い易くするため、熱交換プレート３１６は、素子３５０の構成要素と直接接触するように構成してもよい。また、伝熱プレートは、銅、黄銅、アルミニウムなどを含め、良好な熱伝達特性を有する材料で作られる。伝熱プレートは、図示のように、一組の脚３１７によって素子３５０から離して配置されているが、脚３１７は、伝熱プレートと素子３５０の間の空間を密封する働きもする。

熱交換器３１８は、ファスナ３２０を受け入れて熱交換器をユニット３００の他の部分に固定できるようにするための取付部又はプレート耳部３１８も含んでいる。
ファスナ３２０は、熱交換器３１０と補強板３３０の間に配置されている。ファスナ３２０は、熱交換器３２０を圧縮プレートとして素子に押し付け、素子３５０を素子板３４０に押し込むように機能する。この圧縮は、熱交換器と素子３５０の間の熱伝達を支援するだけでなく、後で詳しく説明するように、素子３５０を素子板３４０に押し込むことにより、素子３５０と素子板３４０の間に電気的接触が形成され易いようにする。ファスナ３２０は、圧縮ボルト又は類似物であってもよい。

補強板３３０は、素子板の下側に配置され、圧縮プレートとして機能する。
或る実施形態では、素子板３４０は、印刷回路板又はチャネルカードである。素子板３４０は、ユニット３００を保持するように機能するだけでなく、素子３５０に対する電気的接続を提供する働きもする。上で指摘したように、素子板は、熱交換システム用の吸込及び排出マニホルド（図示せず）を取り付けるためにも使用される。

素子３５０は、本体３５２、フレーム３５３、インターフェース３５４、第１構成要素３５６、及び第２構成要素３５８を含んでいる。或る実施形態では、本体３５２は、１つ又は複数のチップ又はダイが取り付けられている多重チップモジュール、即ちＭＣＭである。フレーム３５３は、インターフェース３５４を収納する役目を果たし、その際、後に述べるように、インターフェース３５４には変形可能な材料が使用される。或る実施形態では、インターフェース３５４は、素子板３４０と、構成要素３５６と３５８を含む本体３５２との間に電気的接続を提供する導電性エラストマーである。その様な導電性エラストマーの１つに、マサチューセッツ州アトルボロのTyco,Inc.から市販されているKaptonフィルムの中の、マサチューセッツ州アトルバロのTyco,Inc.から市販されているＭＰＩがある。

本発明の少なくとも１つの実施形態では、熱交換器と補強板が圧縮プレートと圧縮ボルトとして働くことにより、ＭＣＭが印刷回路板に押し付けられるので、導電性エラストマーが変形して、ＭＣＭと印刷回路板の間に電気的接続が形成される。

他の実施形態では、インターフェース３５４は、本体３５２又は素子板３４０の何れかから伸張して、素子板３４０又は本体３５２の何れかにそれぞれ接触する、一組のピン又は他のリード線である。この様なピン又はリード線は、はんだ付けの様な従来の手段によって固定される。

本発明の実施形態によっては、第１構成要素３５６は、１つ又は複数のピン電子機器ダイを含んでいてもよい。ＡＴＥに用いる場合、ピン電子機器ダイは、少なくともデジタルＡＳＩＣチップの様な他のチップよりも、温度レベル及び温度変動に対して敏感な傾向にあるので、ピン電子機器ダイは、通常、ＭＣＭ内の他のチップに対して最上流に配置される。即ち、ピン電子機器ダイは、最初に冷却剤によって冷却されるように配置され、確実に最も均一な冷却剤によって冷却されるようになっている。ピン電子機器ダイと熱交換プレート３１６の間の熱伝達を支援するため、両者の間に感熱糊３５７を塗布してもよい。適した感熱糊の一例は、ＡＴＣ３．８で、ニューヨーク州フィッシュキルのIBM,Inc.から市販されている。

本発明の或る実施形態では、第２構成要素３５８は、デジタルＡＳＩＣチップである。上で指摘したように、デジタルＡＳＩＣチップは、ピン電子機器ダイよりも温度に対して敏感でないので、デジタルＡＳＩＣチップは、冷却剤の流れの中で、ピン電子機器ダイより下流に配置される。

本発明の他の実施形態では、図２の冷却プレート２００は、図３の一体型のユニット３００の熱交換器３１０として使用される。また、一体型のユニット３００は、図１の熱交換システム１００に使用することもできる。

図４ａは、本発明の少なくとも１つの実施形態による冷却システムの上面切断図である。図４ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による熱交換システムの一部の側面切断図である。図４ａと図４ｂに示す実施形態は、１つのマニホルド４０５を板４６０に取り付けた、一組の電子機器素子４７０を冷却するための冷却システム４００である。組み合わせ式マニホルド４０５は、吸込マニホルド４１０と排出マニホルド４５０を含んでおり、両者は、組み合わせ式マニホルド４０５内に配置された流れ分離構造４０７で互いに分離されている。分離構造４０７は、吸込マニホルド４１０を排出マニホルド４５０から切り離して、伝熱媒体（図示せず）の流入流と流出流が混ざらないようにしている。

組み合わせ式マニホルド４０５に沿って、一組の冷却プレート又はコールドプレート４３０が接続されており、それらは、一組の素子４７０の上に配置されている。マニホルド４０５と冷却プレート４３０は、それぞれ、伝熱媒体が吸込マニホルド４１０から冷却プレート４３０を通って排出マニホルド４５０へと流れることができるように整列した一組の開口を有している。熱交換媒体の流れを、図４ａでは、矢印Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５によって概略的に示しており、図４ｂでは、矢印Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３によって概略的に示している。

熱交換媒体は、気体又は液体を含む各種物質の何れでもよい。実施形態の中には、熱交換媒体が不活性液体であるものもある。
分離構造４０７は、吸込マニホルド４１０からの熱交換媒体の流れが、冷却プレート４３０に流入し、冷却プレート４３０を出て排出マニホルド４５０に入るように、方向付ける形状になっている。分離構造４０７は、吸込マニホルド４１０からの流れを、図４ｂに示すように冷却プレート４３０の開口４３２に当接している開口４２２に向かわせる吸込通路４２０を形成している。この様にして、熱交換媒体（図示せず）の流れは、矢印Ｅ１で概略的に示すように吸込マニホルド４１０から吸込通路内に移動し、次いで矢印Ｅ２で概略的に示すように開口４２２と４３２を通過して室４３４に入り、その後、矢印Ｅ３で概略的に示すように伝熱プレート４３６の上を流れて行く。図４ｂは図４ａに規定した箇所の断面図なので、流れの戻り経路と流出口は図４ｂには示されていない。

開口４２２と４３２を互いに隣接して配置したことで、開口４２２と４３２の間のシールを形成するのに多種多様な手段と構造を使用することができる。少なくとも１つの実施形態では、Ｏリングを採用し、組み合わせ式マニホルドと冷却プレート４３０の間に配置している。また、開口４２２と４３２の間に、急速着脱式コネクタを使用してもよい。この様なコネクタは、熱交換媒体の漏出を防止又は制限するため、単数又は複数の弁を含んでいてもよい。

或る実施形態では、冷却プレート４３０は、保守、修理、又は交換のために素子４７０にアクセスできるようにするために、組み合わせ式マニホルド４０５と素子４７０の両方から取り外せるようになっている。実施形態の中には、冷却プレート４３０が、素子４７０の蓋及び／又は圧縮プレートとしても機能することができるように、板４６０に固定されているものもある。これらの実施形態の幾つかを、図３を参照しながら先に説明している。

本発明は、吸込管と排出管がマニホルドをカードに接続している状態で、一組のカードに少なくとも隣接して配置された吸込マニホルドと排出マニホルドを使用することによって、熱交換媒体を２つ以上のカード又は板に供給する場合にも使用することができる。更に、カードは、それぞれ、取り付けられている熱交換器への供給用として吸込及び排出マニホルドを有している。この二重並列熱交換システムは、所与のカード上の各構成要素に一貫した予測可能な冷却を提供するのみならず、一組のカードの中の各カードに対してもその様な冷却を提供する。

本発明は、各種ＡＴＥ用途に使用することができるが、本発明は、ＡＴＥ以外の多くの用途にも使用することができる。少なくとも幾つかの実施形態では、本発明は、例えば、１Ｕ寸法、即ち高さが１．７５インチのボードが、通常、少なくとも２つのプロセッサ、望ましくは４つのプロセッサを有しているサーバの様な用途に採用されている。本発明の冷却及び流体分配を使えば、この様な用途の個々のプロセッサを保守する際に、所望のモジュール性と柔軟性を実現することができる。

以上、本発明を、数多くの実施形態に関連付けて説明してきたが、当業者には、変更例が想起されるであろう。而して、本発明は、特許請求の範囲に特に要求されない限り、開示された実施形態に限定されるものではない。

本発明の少なくとも１つの実施形態による並列熱交換システムの上面切断図を示している。 本発明の少なくとも１つの実施形態による熱交換システムの一部の上面切断図を示している。 本発明の少なくとも１つの実施形態による熱交換システムの一部の側面図を示している。 図４ａは、本発明の少なくとも１つの実施形態による熱交換システムの上面切断図を示している。

図４ｂは、本発明の少なくとも１つの実施形態による熱交換システムの一部の側面切断図を示している。

Claims (27)

1. 熱交換装置において
   ａ）少なくとも１つの熱交換器と、
   ｂ）前記少なくとも１つの熱交換器の各熱交換器と流体連通している吸込マニホルドであって、熱交換媒体を各熱交換器に別々に供給することができる吸込マニホルドと、
   ｃ）少なくとも１つの多重チップモジュールであって、前記少なくとも１つの多重チップモジュールの各多重チップモジュールは、前記少なくとも１つの熱交換器に少なくとも隣接して配置され、各多重チップモジュールと前記少なくとも１つの熱交換器の間で、熱を伝達できるようになっている、少なくとも１つの多重チップモジュールと、を備えている熱交換装置。
2. 前記少なくとも１つの熱交換器の各熱交換器と流体連通している排出マニホルドを更に備えており、前記排出マニホルドは、前記熱交換媒体を各熱交換器から受け取ることができる、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記吸込マニホルドは、前記熱交換媒体を各熱交換器に実質的に等しく供給することができる、請求項１に記載の熱交換装置。
4. 各多重チップモジュールは、前記少なくとも１つの熱交換器に当接している、請求項１に記載の熱交換装置。
5. 各多重チップモジュールは、前記少なくとも１つの熱交換器に取り付けられている、請求項４に記載の熱交換装置。
6. 各多重チップモジュールは、前記少なくとも１つの熱交換器に圧縮取り付けされている、請求項４に記載の熱交換装置。
7. 各多重チップモジュールは、ピン電子機器ダイを更に備えており、前記ピン電子機器ダイは、前記少なくとも１つの熱交換器に当接している、請求項４に記載の熱交換装置。
8. 各熱交換器はコールドプレートである、請求項１に記載の熱交換装置。
9. 前記熱交換媒体は液体である、請求項１に記載の熱交換装置。
10. 前記熱交換媒体は不活性液体である、請求項５に記載の熱交換装置。
11. 少なくとも１つの第１コネクタを更に備えており、前記少なくとも１つの第１コネクタの各第１コネクタは、前記吸込マニホルドと各熱交換器の間に配置されており、各熱交換器を前記吸込マニホルドから取り外すことができるようになっている、請求項１に記載の熱交換装置。
12. 前記熱交換装置は、少なくとも１つの第１コネクタを更に備えており、前記少なくとも１つの第１コネクタの各第１コネクタは、前記吸込マニホルドと各熱交換器の間に配置されており、前記熱交換装置は、少なくとも１つの第２コネクタを更に含んでおり、前記少なくとも１つの第２コネクタの各第２コネクタは、前記排出マニホルドと前記各熱交換器の間に配置されており、各熱交換器が前記吸込マニホルドと前記排出マニホルドから取り外せるようになっている、請求項２に記載の熱交換装置。
13. 各第１コネクタは、急速離脱式コネクタを備えており、前記第２コネクタは、急速離脱式コネクタを備えている、請求項１２に記載の熱交換装置。
14. 各第１コネクタは、前記熱交換媒体の流れを制御するための少なくとも１つの弁を備えており、各第２コネクタは、前記熱交換媒体の流れを制御するための少なくとも１つの弁を備えている、請求項１２に記載の熱交換装置。
15. 前記吸込マニホルドと前記排出マニホルドを備えている組み合わせ式マニホルド構造を更に備えている、請求項１２に記載の熱交換装置。
16. 印刷回路板と、前記印刷回路板に取り付けられている複数の多重チップモジュールと、冷却液を供給するための冷却剤供給源と、冷却液を受け取るための冷却剤受容部と、前記冷却剤供給源及び前記冷却剤受容部と流体連通している液体冷却装置と、を有する自動試験装置における、前記液体冷却装置において、
    ａ）複数のコールドプレートであって、前記複数のコールドプレートの中の各コールドプレートは、前記複数の多重チップモジュールの中の１つの多重チップモジュールに当接していて、前記多重チップモジュールと前記当接しているコールドプレートの間で熱を伝達することができるようになっている、複数のコールドプレートと、
    ｂ）前記印刷回路板に少なくとも隣接して配置されている吸込マニホルドであって、前記吸込マニホルドは、各コールドプレートと並列配置で流体連通していて、前記吸込マニホルドが、冷却剤を各コールドプレートに別々に供給できるようになっている、吸込マニホルドと、
    ｃ）前記印刷回路板に少なくとも隣接して配置されている排出マニホルドであって、前記排出マニホルドは、各コールドプレートと並列配置で流体連通していて、前記排出マニホルドが、冷却剤を各コールドプレートから別々に受け取ることができるようになっている、排出マニホルドと、を備えている、液体冷却装置。
17. ａ）前記冷却剤供給源と前記吸込マニホルドの間に取り付けられている吸込コネクタであって、前記吸込コネクタは、前記吸込マニホルドと前記冷却剤供給源の間の流体接続を切り離すことができ、前記液体冷却装置を前記冷却剤供給源から切り離すことができるようになっている、吸込コネクタと、
    ｂ）前記排出マニホルドと前記冷却剤受容部の間に取り付けられている排出コネクタであって、前記排出コネクタは、前記排出マニホルドと前記冷却剤受容部の間の流体接続を切り離すことができ、前記液体冷却装置を前記冷却剤供給源から切り離すことができるようになっている、排出コネクタと、を更に備えている、請求項１６に記載の液体冷却装置。
18. 前記吸込コネクタは、急速離脱式コネクタを備えており、前記排出コネクタは、急速離脱式コネクタを備えている、請求項１７に記載の液体冷却装置。
19. 前記吸込マニホルドと前記排出マニホルドは、前記印刷回路板に取り付けられている、請求項１６に記載の液体冷却装置。
20. 前記吸込マニホルドと前記排出マニホルドを備えている組み合わせ式マニホルド構造を更に備えている、請求項１９に記載の液体冷却装置。
21. 前記液体冷却装置は、複数の流入口コールドプレートコネクタを更に備えており、前記複数の流入口コールドプレートコネクタの中の各流入口コールドプレートコネクタは、前記吸込マニホルドと前記複数のコールドプレートの中の１つのコールドプレートとの間に配置されており、前記液体冷却装置は、複数の流出口コールドプレートコネクタを更に備えており、前記複数の流出口コールドプレートコネクタの中の各流出口コールドプレートコネクタは、前記排出マニホルドと前記複数のコールドプレートの中の１つのコールドプレートとの間に配置されていて、各コールドプレートを、前記吸込マニホルドと前記排出マニホルドから切り離せるようになっている、請求項１７に記載の液体冷却装置。
22. 各流入口コールドプレートコネクタは、急速離脱式コネクタを備えており、各流出口コールドプレートコネクタは、急速離脱式コネクタを備えている、請求項２１に記載の液体冷却装置。
23. 各多重チップモジュールは、ピン電子機器ダイを更に備えており、各電子機器ダイは、少なくとも１つのコールドプレートに当接している、請求項１６に記載の液体冷却装置。
24. 熱交換装置において、
    ａ）印刷回路板と、
    ｂ）前記印刷回路板に取り付けられている多重チップモジュールと、
    ｃ）前記多重チップモジュール上に配置されているコールドプレートと、
    ｄ）前記印刷回路板と前記コールドプレートを接続しているファスナであって、前記コールドプレートを前記多重チップモジュールに押し付け、前記多重チップモジュールを前記印刷回路板に押し付ける、ファスナと、を備えている熱交換装置。
25. 前記コールドプレートは、前記多重チップモジュールの蓋を形成している、請求項２４に記載の熱交換装置。
26. 前記多重チップモジュールは、前記コールドプレートに当接しているピン電子機器ダイを更に備えている、請求項２４に記載の熱交換装置。
27. 前記多重チップモジュールと前記印刷回路板の間に配置されている導電性エラストマーを更に備えている、請求項２４に記載の熱交換装置。

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