JP2009540587A

JP2009540587A - 熱伝導性複合インタフェース、それを用いた冷却型電子アセンブリ、及び、冷却アセンブリと熱発生電子デバイスとの結合方法

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Publication number: JP2009540587A
Application number: JP2009514736A
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Inventors: キャンベル、レビ; チュー、リチャード; エルスワース、マイケル; フォーゲル、キース; アイアンガー、マデュスーダン; シュミット、ロジャー; サイモンズ、ロバート
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Abstract

【課題】熱伝導性複合インタフェース、それを用いた冷却型電子アセンブリ、及びそれらの連結方法を提供すること。
【解決手段】冷却アセンブリを電子デバイスに連結するための複合インタフェース及び冷却アセンブリと電子デバイスとの連結方法を提供する。このインタフェースは、第１熱伝導率を有する第１材料から形成された複数の熱伝導性ワイヤと、ワイヤを少なくとも部分的に取り囲む熱インタフェース材料とを含む。インタフェース材料は、冷却アセンブリを電子デバイスの被冷却表面に熱的に結合させるもので、第２熱伝導率を有する第２材料であり、ここで、第１熱伝導率は第２熱伝導率よりも大きなものとする。少なくとも幾つかのワイヤは、高熱流束の第１領域の上に部分的に存在し、且つ低熱流束の第２領域の上に部分的に延び、ここで、第１領域と第２領域は被冷却表面の異なる領域とする。これらのワイヤは、被冷却表面から冷却アセンブリへの熱移動を促進する熱スプレッダとして機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は熱移動機構に関し、より具体的には、電子デバイスによって発生した熱を除去するための熱移動機構及び冷却アセンブリに関する。より具体的には、本発明は、冷却アセンブリを１つ又は複数の熱発生電子デバイスに結合させるための熱伝導性複合インタフェース及び、冷却アセンブリと熱発生電子デバイスとの結合方法に関する。

周知の通り、電子デバイスを動作させると熱が発生する。この熱は、デバイス接合部温度を望ましい限度内に維持するためにデバイスから除去する必要があり、熱の除去ができないとデバイスの温度が上昇して、熱暴走状態をもたらす可能性がある。電子産業における幾つかの趨勢は、熱管理については従来からあまり心配されていなかったＣＭＯＳ等の技術を含めて、電子デバイスの熱除去を含む熱管理の重要性を高めることに結びついてきた。特に、より高速の高密度に実装された回路の必要性は、熱管理の重要性に直接的な影響を及ぼしてきた。第一に、電力損失、従って熱生成は、デバイスの動作周波数が高くなるにつれて増加する。第二に、高い動作周波数は、より低いデバイス接合部温度において可能となる。最後に、ますます多くのデバイスが単一チップ上に実装されるにつれて、電力密度（ワット／ｃｍ^２）が増加し、所与のサイズのチップ又はモジュールからより多くの熱エネルギーを除去する必要性が生じる。

冷却技術は、電子デバイスから熱を運び去り、その熱を周囲に排出するために、空気又は水を利用する。ヒート・パイプ又は蒸気チャンバを備えたヒート・シンクが一般に用いられる空冷装置であり、一方水冷法では冷却板が最も広く用いられる。どちらの型の冷却アセンブリを用いる場合でも、冷却アセンブリを電子デバイスに連結することが必要である。この連結は、冷却アセンブリと電子デバイスの間に熱インタフェース抵抗を生じる可能性がある。従って、冷却アセンブリを電子デバイスに連結するインタフェースは、電子デバイスから冷却アセンブリへの熱移動のための効果的な熱経路を与える必要がある。

さらに、半導体加工は、多数の論理ユニット、並びにこれらに関連する制御回路及び補助回路が単一の集積回路チップ上に配置されるところまで進歩してきた。熱的見地からは、これは、デバイス内に非常に不均一な熱流束分布を生ずる。比較的高い熱流束がプロセッサのコア領域内で発生し、比較的低い熱流束が制御／補助領域内で生じる。例えば、コア領域の熱流束は、他の領域よりも１５倍も大きくなる可能性がある。熱グリース伝導冷却方式は、こうしたまったく異なる流束を処理することにはあまり適していない。これらは、同様にまったく異なる回路温度の分布をもたらし、より重大なことに、高熱流束の領域内で非常に高い接合部絶対温度を生ずる。

本明細書で１つの態様において、少なくとも１つの熱発生電子デバイスへの冷却アセンブリの連結を強化するための熱伝導性複合インタフェースが提供される。熱伝導性複合インタフェースは、第１の熱伝導率を有する第１の材料を含む複数の熱伝導性ワイヤと、熱伝導性複合インタフェースが冷却アセンブリと少なくとも１つの熱発生電子デバイスの被冷却表面との間で用いられるとき、複数の熱伝導性ワイヤを少なくとも部分的に取り囲む熱インタフェース材料とを含む。熱インタフェース材料は、第２の熱伝導率を有する第２の材料を含み、ここで、第１材料の第１熱伝導率は、第２材料の第２熱伝導率よりも大きいものとする。熱伝導性複合インタフェースを用いて冷却アセンブリと被冷却表面を連結するとき、複数の熱伝導性ワイヤのうちの少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に部分的に存在し、且つ低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に部分的に延び、ここで、少なくとも１つの第１領域と少なくとも１つの第２領域とは、被冷却表面の異なる領域である。熱伝導性複合インタフェースを用いて冷却アセンブリと少なくとも１つの熱発生電子デバイスの被冷却表面とを連結するとき、少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、少なくとも１つの熱発生電子デバイスから冷却アセンブリへの熱移動を促進するための熱スプレッダとして機能する。

別の態様において、冷却型電子アセンブリが本明細書で提供される。冷却型電子アセンブリは、冷却アセンブリと、少なくとも１つの熱発生電子デバイスと、熱伝導性複合インタフェースとを含む。少なくとも１つの熱発生電子デバイスは被冷却表面を有し、この表面は少なくとも１つの高熱流束領域及び少なくとも１つの低熱流束領域を含む。冷却アセンブリと被冷却表面を連結する熱伝導性複合インタフェースは、複数の熱伝導性ワイヤと熱インタフェース材料を含む。複数の熱伝導性ワイヤは第１の熱伝導率を有する第１の材料を含み、熱インタフェース材料は第２の熱伝導率を有する第２の材料を含み、ここで、第１材料の第１熱伝導率は、第２材料の第２熱伝導率よりも大きいものとする。熱インタフェース材料は、複数の熱伝導性ワイヤを少なくとも部分的に取り囲み、冷却アセンブリを被冷却表面に熱的に結合させる。複数の熱伝導性ワイヤのうちの少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に部分的に存在し、且つ低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に部分的に延び、被冷却表面と冷却アセンブリの間の熱スプレッダとして機能して、少なくとも１つの熱発生電子デバイスから冷却アセンブリへの熱移動を促進する。

さらに別の態様において、冷却アセンブリと少なくとも１つの熱発生電子デバイスの被冷却表面とを結合させる方法が、本明細書で提供される。この方法は、第１の熱伝導率を有する第１の材料を含む複数の熱伝導性ワイヤを準備するステップと、複数の熱伝導性ワイヤを冷却アセンブリと被冷却表面の間に配置して、複数の熱伝導性ワイヤのうちの少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤが被冷却表面の高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に部分的に存在し、且つ被冷却表面の低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に部分的に延びるように配置するステップと、熱インタフェース材料を冷却アセンブリと被冷却表面の間に供給し、複数の熱伝導性ワイヤを少なくとも部分的に取り囲んで冷却アセンブリを被冷却表面に熱的に結合させるようにするステップとを含み、ここで、少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、被冷却表面と冷却アセンブリの間の熱スプレッダとして機能して、少なくとも１つの熱発生電子デバイスから冷却アセンブリへの熱移動を促進する。

さらに、付加的な特徴及び利点が本発明の技術を通して実現される。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書において詳細に説明され、特許請求された本発明の一部分であると見なされる。

本発明と考えられる内容は、添付の特許請求の範囲において具体的に示され、明確に特許請求される。本発明の前述及び他の目的、特徴並びに利点は、添付の図面と併せて説明される以下の詳細な説明から明らかとなる。

概説すれば、本明細書では冷却アセンブリを１つ又は複数の熱発生電子デバイスに連結するための熱伝導性複合インタフェースが開示される。熱伝導性複合インタフェースは、第１の熱伝導率を有する第１の材料から形成された複数の熱伝導性ワイヤ又はピン・フィンと、熱インタフェース材料とを含み、この熱インタフェース材料は、熱伝導性複合インタフェースが冷却アセンブリと被冷却表面の間に用いられるとき、複数の熱伝導性ワイヤを少なくとも部分的に取り囲み、冷却アセンブリを１つ又は複数の熱発生電子デバイスの被冷却表面に熱的に結合させる。この熱インタフェース材料は第２の熱伝導率を有する第２の材料を含み、ここで、第１材料の第１熱伝導率は、第２材料の第２熱伝導率よりも大きいものとする。

熱伝導性複合インタフェースを用いて冷却アセンブリと被冷却表面を連結するとき、複数の熱伝導性ワイヤのうちの少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に部分的に存在し、且つ低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に部分的に延び、ここで、少なくとも１つの第１領域及び第２領域は、被冷却表面の異なる領域である。動作中に、少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、被冷却表面から冷却アセンブリへの熱移動を促進するための熱スプレッダとして機能する。

本明細書で用いられる「電子デバイス」は、例えば、冷却を必要とするコンピュータ・システム又は他の電子システムの任意の熱発生コンポーネントを含む。この用語は、熱キャップ又は熱スプレッダを有する又は有しない、集積回路チップ、多数集積回路チップ、単一チップ・モジュール又はマルチチップ・モジュールのうちの１つ又は複数を含む。「被冷却表面」は、電子デバイス自体の表面、或いは、熱スプレッダ、保護層、熱キャップの露出表面、又は電子デバイスに接触する他の表面を指し、これらを通して電子デバイスにより発生した熱が引き出される。

熱伝導性複合インタフェースの実施形態を詳細に説明する前に、冷却型電子アセンブリの２つの実施形態（それぞれ、異なる冷却アセンブリと熱伝導性複合インタフェースを用いた）を、図１及び図２を参照して説明する。

最初に述べたように、コンピュータ・デバイスの性能は、劇的に向上し続けている。この現象は、主に、より多くの機能性を同じ又はより小さなデバイス占有面積内に組み込むことを可能にしてきたトランジスタの長さスケールの継続的な減少によって促進されている。これらのデバイスによって消費される電気エネルギーのほとんどは熱の形で周囲環境に放出されるので、電子デバイスの熱管理は大きくなりつつある技術課題である。

図１は、本発明の一態様による、全体的に１００で表す冷却型電子アセンブリの一実施形態を示す。この実施形態において、冷却型電子アセンブリ１００は、インタフェース１３０を介して冷却アセンブリ１２０に連結された少なくとも１つの電子デバイス１１０を含む。より具体的には、圧縮負荷により、冷却アセンブリ１２０と少なくとも１つの電子デバイス１１０とを、それらの間にインタフェース１３０を挟んで互いに押し付けることができる。この実施例において、冷却アセンブリは液体冷却型アセンブリであり、その注入口１２７から冷却板ハウジング１２６を通り抜けて排出口１２９に至る液体冷却剤（例えば、冷却水）によって冷却される冷却板ベース１２２を含む。冷却板ベース１２２は、それから突き出た多数のピン又はフィン１２４を有し、冷却板ベース１２２からマニホルド１２６を通して流れる冷却剤への熱移動を促進する。

図２は、本発明の一態様による、全体的に２００で表す冷却型電子アセンブリの別の実施例を示す。冷却型電子アセンブリ２００は、インタフェース２３０を介して冷却アセンブリ２２０に連結された１つ又は複数の熱発生電子デバイス２１０を含む。この実施例において、冷却アセンブリ２２０は空冷型ヒート・シンクであり、内部に蒸気チャンバ２２１を有する熱伝導性ベース２２２を備える。熱伝導性ベース２２２から、能動的又は受動的に冷却空気流（２２５）により冷却される、複数のピン又はフィン２２４が延びる。

図１及び図２のどちらの冷却型電子アセンブリの実施形態においても、冷却アセンブリは、電子デバイスから液体冷却剤へ（図１の実施例において）又は周囲空気へ（図２の実施例において）の熱移動を促進するために、例証として、冷却される１つ又は複数の電子デバイスよりも大きく表されている。典型的には、空冷は、平均のチップ熱流束が１平方センチメートル当たり１００−１２５ワットを下回るときに実行可能な選択肢となる。１平方センチメートル当たり１２５ワットより大きな電子デバイスの熱流束に対しては、液体冷却又は別の積極的な冷却技術が必要である。図１及び図２の冷却型電子アセンブリにおいては、冷却アセンブリを１つ又は複数の電子デバイスに熱的に連結する（また所望であれば、構造的に連結する）のにインタフェース１３０、２３０が用いられる。このインタフェースは、普通、熱グリース又は熱硬化性のエポキシ樹脂又はシリコンのような熱インタフェース材料で形成される。これらの材料は、典型的には０．１−４Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する。

空冷型冷却アセンブリ、並びに液体冷却型冷却アセンブリは、通常は、平均熱流束の冷却要求を満たすように設計される。伝統的に、電子デバイスの占有面積にわたる平均熱流速が、熱課題を判断するのに有用な基準値とされてきたが、その理由は主に電子デバイスの最大熱流束が普通はその平均値に近いからである。しかしながら、最近の電子回路の設計、特にマイクロプロセッサの設計における進歩に伴い、定常状態動作においてだけでなく、デバイスのスイッチを入れる又は切るときにも、デバイスの特定の領域が他の領域よりも遥かに高い熱流束を示す場合がある。より高い熱流束のこれらの領域は「ホット・スポット」と呼ばれ、これらは、電子デバイスの平均熱流束よりも２−３倍大きな熱流束を放散する可能性がある。このデバイスの熱流束における空間的な不均一性は、対応する空間的な不均一性をデバイス温度にもたらし、デバイスの平均温度より１０−２０℃高い最大ホット・スポット温度を生ずる可能性がある。このような場合、冷却アセンブリの性能は、このホット・スポット温度によってゲート制御される。このホット・スポットの現象は、局所的な熱の問題であり、局所的に対処するのが最も効果的である。従って、本明細書において提示されるのは、使用されるとき高熱流束領域から冷却アセンブリへの熱移動を高めることによってホット・スポット温度を有意に低下させる、種々の複合インタフェース構造体及びその製造方法である。

図３は、１つ又は複数の電子デバイスの表面又はそれに取り付けられた表面を含む被冷却表面３００の一実施例を示す。この実施例において、被冷却表面は、高熱流束の第１領域３１０及び低熱流束の第２領域３２０を含む。代替として、多数の別個の領域３１０及び／又は領域３２０が、被冷却表面３００の全域にわたって存在してもよい。高熱流束の第１領域３１０は、表面の平衡状態と比較して有意に高い放熱速度を有するものと想定され、従って、ホット・スポット領域である。

図４は、高熱流束の第１領域３１０に接合された複数の熱伝導性ワイヤ３３０（又はピン・フィン）が付加された図３の構造体を示す。図示するように、熱伝導性ワイヤ３３０は、第１領域３１０の上に存在し、且つ低熱流束の第２領域３２０の上に部分的に延びるように折り曲げられる。従って、これらのワイヤは、被冷却表面と冷却アセンブリの間の複合インタフェースの一部分として用いられるとき、被冷却表面の高熱流束領域から冷却アセンブリへの熱移動を促進するための熱スプレッダとして機能する。

図５は、集積回路チップの背面のような被冷却表面３００に(一実施例として)ワイヤ・ボンディング３３２された熱伝導性ワイヤ３３０’の一実施例を示す。現在のワイヤ・ボンディング相互接続技術を用いて、ホット・スポット領域内の被冷却表面にワイヤ・ボンディングされた０．０２５−０．１ｍｍ直径のワイヤ３３０’を作成することができる。例証として、熱伝導性ワイヤ３３０’は、金、銅又はアルミニウム等の金属を含み、４０：１よりも大きな、長さ対直径のアスペクト比を有する。銅線は、４００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有し、これは現在の熱インタフェース材料、即ち、３−４Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する熱グリースの熱伝導率のほぼ１００倍である。熱伝導性ワイヤのアレイは、被冷却表面の高熱流束領域内の温度を２つのメカニズム、即ち、高熱流束領域における熱インタフェースの熱伝導率を高めること、及び、高熱流束領域からの熱を周囲のより低温の低熱流束領域へ放射状に放散させること、によって低下させるのに効果的である。

図６−図８は、サーモソニック・ボール・ボンディング技術を用いて、本発明の一態様による熱伝導性ワイヤを製造する１つの方法を示す。

図６は、製造プロセスの開始段階を示し、１つ又は複数の電子デバイスの被冷却表面３００と、複数の熱伝導性ワイヤ又はピンに形成されるワイヤ４００とを含む、プロセスに必要な種々の要素を表示する。ワイヤ４００はボール・チップ４０５を含み、ワイヤ締め付け機構を組み込んだツール・ヘッドはワイヤ用の毛管通路４１０を含む。適切なメタライゼーション（クロム−銅又はクロム−銅−金のような）が、被冷却表面３００上に存在すると想定される。図７において、ツール・ヘッドの締め付け機構４１２は、ワイヤ４００を保持する締め付け位置にある状態で示される。

図７は、ワイヤ４００のボール・チップを被冷却表面３００に物理的に接触させた後の図６のツール・ヘッドを示す。超音波活性化と組み合せた制御された下方向の接合力を用いて、ワイヤ４００とメタライズ被冷却表面３００の間の塑性変形及び分子間拡散を促進する物理的環境が作られる。こうした条件下で拡散溶接接合４１５が形成され、その際、微視的長さスケールの塑性変形が、金属を滑り流動させてワイヤ・表面の界面の各部分を横切って平面をせん断変形させ、これにより金属拡散接合を形成する。

図８に示すように、接合が形成された後、ツール・ヘッドは締め具を緩められ、ワイヤ４００の長さに沿って異なる位置に移動され、この間にワイヤ内に屈曲部が形成される。ワイヤを切断するためのプロセスである当技術分野で公知の電子フレーム・オフ（ＥＦＯ）工程を用いて、ワイヤ内の第２の屈曲部でワイヤ４００を切断し、これがまた新しいボール・チップ（図示せず）を作ってプロセスの再開始を可能にする。（代替的に、ノッチ及び切断工程を用いてワイヤ４００を切断することができる。）プロセスを多数回繰り返して実施して、図４に示すようなワイヤ・アレイを製作することができる。当業者ならば、この説明から任意の所望のワイヤ配置を適合させることができることに気付くはずである。さらに、初め、被冷却表面に取り付けられるように説明したが、当業者であればこの説明から複数の熱伝導性ワイヤを付加的に又は代替的に冷却アセンブリの表面にワイヤ・ボンディングできることに気付くであろう。

図９は、高熱流束の第１領域５１０、及び低熱流束の複数の第２領域５２０を有する、集積回路チップのような電子デバイス５００の拡大された実施例を示す。複数のワイヤ・ボンディングされたワイヤ５３０が高熱流束の第１領域５１０に取り付けられ、このワイヤは第１領域から低熱流束の第２領域５２０の上に延びる。以下でさらに説明するように、複数の熱伝導性ワイヤ５３０は、複合インタフェース内で用いられるとき、熱インタフェース材料内で少なくとも部分的に浮かせられる。この実施例においては、スタンド・オフ５４０も電子デバイスの隅の近くに設けられて、電子デバイス５００に対する冷却アセンブリの確実な位置決めを保証する。一実施例において、これらのスタンド・オフ５４０は、熱インタフェース材料が加えられる前に電子デバイス５００の隅に形成された４つの隆起である。この隆起は、図６−図８に関して上述したのと同様のプロセスに従って作成することができるが、切断は、ボール接合部が作られる場所に近接して、ワイヤの非常に短い特定の長さで行われる。これらの隆起構造部は、図１０に示すように、ホット・スポット領域において同様に用いることができるが、この場合、複数のワイヤ・ボンディングされた隆起６００は、高熱流束の第１領域５１０に固定される。さらに、ワイヤ・ボンディングされた隆起６００は、複数の熱伝導性ワイヤ５３０（図９）と共に任意の所望の様式で交互配置することができる（図示せず）。

図１１−図１６は、冷却アセンブリ７３０と熱発生電子デバイス７００を連結する熱伝導性複合インタフェースの種々の実施形態の部分的な断面正面図である。図示するように、熱発生電子デバイス７００は、少なくとも２つの領域、即ち、高熱流束の第１領域７１０及び低熱流束の第２領域７２０を含む。それぞれの実施形態において、単一のワイヤ７４０が、熱伝導性グリースのような熱インタフェース材料７５０の内部に少なくとも部分的に浮かせられるように示される。冷却アセンブリ７３０は、例えば、図１及び図２に関して上述したような冷却アセンブリを含むことができる。代替的に、冷却アセンブリ７３０は、電子デバイス７００の上の銅製カバーのような金属のふたを含むことができる。

図１１の実施形態において、ワイヤ７４０（例えば、１−２ミル直径）は、第１端部において電子デバイス７００の第１領域７１０内の被冷却表面にワイヤ・ボンディングされる。ワイヤ７４０の第２端部は、熱伝導性グリース７５０の内部に浮かせられて低熱流束の第２領域７２０の上に延びる。

図１２は、熱伝導性ワイヤ７４０（例えば、１−２ミル直径のワイヤ）が、やはり高熱流束の第１領域７１０内の被冷却表面にワイヤ・ボンディングされる代替的な構成を示す。この実施例において、ワイヤ７４０は、冷却アセンブリ７３０に部分的に接触して低熱流束の第２領域７２０の上に延びる。

図１３は、熱伝導性ワイヤ７４０が熱伝導性材料７５０により取り囲まれ、高熱流束の第１領域７１０の上にある第１端部、及び低熱流束の第２領域７２０の上にある第２端部を含む別の実施形態を示す。この実施形態においては、被冷却表面又は冷却アセンブリのいずれにもワイヤ・ボンディングされていないワイヤ７４０が用いられる。例証として、熱伝導性ワイヤ７４０は、金、銅、アルミニウム又はグラファイトを含むことができる。

図１４は、熱伝導性ワイヤ７４０が、電子デバイス７００の高熱流束の第１領域７１０の上に位置合せされて、冷却アセンブリ７３０にワイヤ・ボンディングされる実施形態を示す。熱伝導性ワイヤ７４０の自由端は、熱インタフェース材料７５０の内部に浮かせられ、電子デバイス７００の第２領域７２０の上に延びる。

図１５は、図１４の実施形態に関する変形を示し、この場合、熱伝導性ワイヤ７４０は電子デバイス７００に少なくとも部分的に物理的に接触して、高熱流束の第１領域７１０から複合インタフェース内へ、従って冷却アセンブリ７３０への熱移動及び熱放散を促進する。

図１６は、複合インタフェースに関するさらに別の変形を示し、この場合、熱伝導性ワイヤ７４０は、被冷却表面に取り付けられ（例えば、ワイヤ・ボンディングされて）、冷却アセンブリ７３０に取り付けられる（例えば、はんだ付けされて）。示される実施例において、ワイヤ７４０は、高熱流束の第１領域７１０において電子デバイス７００に接合され、且つ低熱流束の第２領域７２０の上の位置まで延び、そこでワイヤ７４０は冷却アセンブリ７３０に取り付けられる。他の実施形態と同様に、ワイヤ７４０は、例えば１−２ミル直径のワイヤであり熱インタフェース材料７５０によって少なくとも部分的に取り囲まれる。

熱分析を実施して、集積回路チップの最大ホット・スポット温度に対する、本明細書で説明した熱伝導性複合インタフェースの効果を評価した。この分析は、０．７５ｍｍ厚で、シリコン製（１２０Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、例えば熱グリース（３．８Ｗ／ｍ・Ｋ）の０．０７６ｍｍ（３ミル）厚の熱インタフェース材料を介して液体冷却型冷却板に取り付けられた１０ｍｍ×１０ｍｍの集積回路チップについて実施された。例証として、チップの８９％が１平方センチメートル当たり１３２ワットの流束で放熱し、一方ホット・スポットは、１平方センチメートル当たり２５０−３５０ワットの熱流束に設定された。複数の熱伝導性ワイヤがないと、３５０Ｗ／ｃｍ^２のホット・スポット熱流束の場合に関して１１０℃の最大接合部温度が記録され、一方、図４に示したように配置された複数の熱伝導性ワイヤがある場合には、９９℃の最大接合部温度が得られた。より具体的には、一実施例において、熱伝導性ワイヤは、１ミル直径で長さ２ｍｍの銅線を含むものとした。このようなワイヤ２４０本が分析に用いられた。

図１７は、幾つかの異なるワイヤ・ボンディング密度に対する、そして１平方センチメートル当たり２５０ワットと３５０ワットの２つのホット・スポット熱流束のそれぞれに対する、集積回路チップ接合部のホット・スポット温度の低下のグラフである。このグラフは、ホット・スポット領域により多くのワイヤを加えるとホット・スポット温度のより大きな低下をもたらすことを示す。さらに、本明細書で開示した熱伝導性複合インタフェースの効果は、ホット・スポットの熱流束の大きさが増加するにつれてより大きくなる。基準のホット・スポット温度は、２５０ワット／ｃｍ^２のホット・スポットについては最高温度９５℃であり、３５０ワット／ｃｍ^２のホット・スポットについては最高温度１１０℃であった。

本明細書においては、好ましい実施形態を示し詳細に説明したが、種々の変更、追加、置換等を本発明の趣旨を逸脱することなく行うことができ、従って、これらは、添付の特許請求の範囲において定義された本発明の範囲に入るものと見なされることが、当業者には明らかであろう。

誤解を避けるために、「含む（comprising）」という用語は、説明及び特許請求の範囲全体にわたって本明細書で用いられる場合、「〜のみから成る（consisting only of）」という意味に解釈されるべきではない。

本発明の一態様による、冷却アセンブリを少なくとも１つの熱発生電子コンポーネントに連結するのに複合インタフェースが用いられる、液体冷却型電子アセンブリの一実施形態の断面正面図である。本発明の一態様による、複合インタフェースを用いて冷却アセンブリが少なくとも１つの熱発生電子コンポーネントに連結される、空冷型電子アセンブリの一実施形態の断面正面図である。本発明の一態様による、冷却のために結合されるべき高熱流束の第１領域及び低熱流束の第２領域を示す、熱発生電子デバイスの被冷却表面の一実施形態の平面図である。本発明の一態様による、高熱流束の第１領域内の被冷却表面にワイヤ・ボンディングされ、そこから低熱流束の第２領域に向かって外側に延びる多数の熱伝導性ワイヤを付加された、図３の被冷却表面の平面図である。本発明の一態様による、被冷却表面にワイヤ・ボンディングされた１本の熱伝導性ワイヤの一実施形態の部分的拡大正面図である。本発明の一態様による、連結方法の際に被冷却表面にワイヤ・ボンディングされる熱伝導性ワイヤの正面図である。本発明の一態様による、ワイヤと被冷却表面の間の拡散溶接接合の形成を示す図６の構造部を描く。本発明の一態様による、ワイヤを折り曲げた後でワイヤの上方へ移動されたワイヤ・ボンディング用ツール・ヘッドを示し、また、ワイヤを切断して被冷却表面に取り付けられた別々の熱伝導性ワイヤを形成するための、電子フレーム・オフ（ＥＦＯ）のワイヤへの適用を示す図７の構造部を描く。本発明の一態様による、熱発生電子デバイスの一実施形態の等角図であり、電子デバイスの高熱流束の第１領域にワイヤ・ボンディングされ、且つ低熱流束の第２領域の上に延びる多数の熱伝導性ワイヤを示し、また、熱伝導性複合インタフェースを用いて冷却アセンブリと被冷却表面を連結するとき、冷却アセンブリ（図示せず）と被冷却表面の間に空間を設けるために電子デバイスの隅にワイヤ・ボンディングされたスタッドを示す。本発明の一態様による、熱発生電子デバイスの代替的な実施形態の等角図であり、冷却アセンブリ（図示せず）と被冷却表面の間に空間を設けるため、並びに、被冷却表面の高熱流束の第１領域からの熱移動を促進するためのスタンド・オフとしてワイヤ・ボンディングされた多数のスタッドを示す。本発明の一態様による、冷却アセンブリと熱発生電子デバイスを連結するために熱伝導性複合インタフェースを用いる、冷却型電子アセンブリの一実施形態の部分的断面正面図である。本発明の一態様による、冷却アセンブリと熱発生電子コンポーネントを連結する熱伝導性複合インタフェースの代替的な実施形態の部分的断面正面図である。本発明の一態様による、冷却アセンブリと熱発生電子コンポーネントを連結する熱伝導性複合インタフェースの別の実施形態の部分的断面正面図である。本発明の一態様による、冷却アセンブリと熱発生電子コンポーネントを連結する熱伝導性複合インタフェースのさらに別の実施形態の部分的断面正面図である。本発明の一態様による、冷却アセンブリと熱発生電子コンポーネントを連結する熱伝導性複合インタフェースのさらに別の実施形態の部分的断面正面図である。本発明の一態様による、冷却アセンブリと熱発生電子コンポーネントを連結する熱伝導性複合インタフェースの代替的な実施形態の部分的断面正面図である。本発明の一態様による、複合インタフェースの異なるワイヤ・ボンディング密度に対する、２つの異なる熱流束領域を想定した電子デバイスの被冷却表面において達成されるホット・スポット温度の低下を示すグラフである。

符号の説明

１００、２００：冷却型電子アセンブリ
１１０、２１０、５００、７００：電子デバイス
１２０、２２０、７３０：冷却アセンブリ
１２２：冷却板ベース
１２４，２２４：ピン（フィン）
１２６：冷却板ハウジング（マニホルド）
１２７：注入口
１２９：排出口
１３０、２３０：インタフェース
２２１：蒸気チャンバ
２２２：熱伝導性ベース
２２５：空冷
３００：被冷却表面
３１０、５１０、７１０：高熱流束の第１領域
３２０、５２０、７２０：低熱流束の第２領域
３３０、３３０’、４００、５３０、７４０：熱伝導性ワイヤ
４０５：ボール・チップ
４１０：毛管通路
４１２：ツール・ヘッド
４１５：ワイヤ・ボンディング
５４０、６００：スタンド・オフ（隆起）
７５０：熱インタフェース材料（熱伝導性グリース）

Claims

冷却アセンブリを少なくとも１つの熱発生電子デバイスに連結するための熱伝導性複合インタフェースであって、
第１熱伝導率を有する第１材料を含む複数の熱伝導性ワイヤと、
第２熱伝導率を有する第２材料を含み、前記複数の熱伝導性ワイヤを少なくとも部分的に取り囲む熱インタフェース材料であって、前記熱伝導性複合インタフェースが前記冷却アセンブリと前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの被冷却表面との間に用いられるとき、前記冷却アセンブリを前記被冷却表面に熱的に結合させる、前記熱インタフェース材料と
を含み、
前記第１材料の前記第１熱伝導率は、前記第２材料の前記第２熱伝導率よりも大きく、
前記熱伝導性複合インタフェースを用いて前記冷却アセンブリと前記被冷却表面を連結するとき、前記複数の熱伝導性ワイヤのうちの少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に部分的に存在し、且つ低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に部分的に延び、
前記少なくとも１つの第１領域及び前記少なくとも１つの第２領域は、前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面の異なる領域を含み、
前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面から前記冷却アセンブリへの熱移動を促進するための熱スプレッダとして機能する、
熱伝導性複合インタフェース。
前記熱伝導性複合インタフェースが前記冷却アセンブリと前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面との間に用いられるとき、前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、前記熱インタフェース材料の内部で少なくとも部分的に浮かせられる、請求項１に記載の熱伝導性複合インタフェース。
前記熱伝導性複合インタフェースを用いて前記冷却アセンブリと前記被冷却表面とを連結するとき、前記複数の熱伝導性ワイヤのうちの前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、前記冷却アセンブリの表面又は前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面のうちの少なくとも１つにワイヤ・ボンディングされる、請求項１又は請求項２に記載の熱伝導性複合インタフェース。
前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤはそれぞれ別々に第１端部で、前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面に、前記高熱流束の少なくとも１つの第１領域内でワイヤ・ボンディングされる、請求項３に記載の熱伝導性複合インタフェース。
前記熱伝導性複合インタフェースを用いて前記冷却アセンブリと前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面とを連結するとき、前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤのそれぞれの第２端部は、前記低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に配置されて、前記熱インタフェース材料内に浮かせられる形態、前記冷却アセンブリに部分的に接触する形態、又は前記冷却アセンブリの面に取り付けられる形態のうちの１つの形態にする、請求項４に記載の熱伝導性複合インタフェース。
前記複数の熱伝導性ワイヤの前記第１材料は、金、銅、アルミニウム又はグラファイトのうちの少なくとも１つを含み、
前記熱インタフェース材料の前記第２材料は、熱伝導性グリース、エポキシ樹脂、エラストマー材料又は液体金属のうちの１つを含む、
前記請求項のいずれかに記載の熱伝導性複合インタフェース。
前記第１材料の前記第１熱伝導率は、前記第２材料の前記第２熱伝導率の１０倍よりも大きく、
前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスは、集積回路チップ、多数集積回路チップ、単一チップ・モジュール又はマルチチップ・モジュールのうちの少なくとも１つを含む、前記請求項のいずれかに記載の熱伝導性複合インタフェース。
前記熱伝導性複合インタフェースを用いて前記冷却アセンブリと前記被冷却表面を連結するとき、前記冷却アセンブリの表面又は前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面のうちの少なくとも１つに取り付けられた多数のワイヤ・ボンディングされたスタッドをさらに含み、
前記ワイヤ・ボンディングされたスタッドの各々は、
前記熱伝導性複合インタフェースを用いて前記冷却アセンブリと前記被冷却表面を連結するとき、前記冷却アセンブリと前記被冷却表面の間に空間を設けるためのスタンド・オフとして構成される形態と、
前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面の前記高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に、そこからの熱移動を促進するように位置合せされる形態と
のうちの少なくとも１つの形態にする、
前記請求項のいずれかに記載の熱伝導性複合インタフェース。
冷却型電子アセンブリであって、
冷却アセンブリと、
高熱流束の少なくとも１つの第１領域、及び低熱流束の少なくとも１つの第２領域を含む被冷却表面を有する少なくとも１つの熱発生電子デバイスと、
前記冷却アセンブリと前記被冷却表面を連結する熱伝導性複合インタフェースと
を含み、
前記熱伝導性複合インタフェースは、
第１熱伝導率を有する第１材料を含む複数の熱伝導性ワイヤと、
第２熱伝導率を有する第２材料を含み、前記複数の熱伝導性ワイヤを少なくとも部分的に取り囲み、前記冷却アセンブリを前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面に熱的に結合させる、熱インタフェース材料と
を含み、
前記第１熱材料の前記第１熱伝導率は、前記第２材料の第２熱伝導率よりも大きく、
前記複数の熱伝導性ワイヤのうちの少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、前記高熱流速の少なくとも１つの第１領域の上に部分的に存在し、且つ前記低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に部分的に延び、前記被冷却表面と前記冷却アセンブリの間で熱スプレッダとして機能して、前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスから前記冷却アセンブリへの熱移動を促進する、
冷却型電子アセンブリ。
前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、前記熱インタフェース材料の内部で少なくとも部分的に浮かせられる、請求項９に記載の冷却型電子アセンブリ。
前記複数の熱伝導性ワイヤのうちの前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、それぞれ別々に第１端部において、前記冷却アセンブリの表面又は前記高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上の前記被冷却表面のうちの少なくとも１つにワイヤ・ボンディングされる、請求項９又は請求項１０に記載の冷却型電子アセンブリ。
前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤのそれぞれは、別々に前記第１端部において、前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面に、前記高熱流束の少なくとも１つの第１領域内でワイヤ・ボンディングされ、前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤのそれぞれの第２端部は、前記低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に配置されて、前記熱インタフェース材料の内部に浮かせられる形態、前記冷却アセンブリに部分的に接触する形態、又は前記冷却アセンブリの前記表面に取り付けられる形態のうちの１つの形態にする、請求項１１に記載の冷却型電子アセンブリ。
前記複数の熱伝導性ワイヤの前記第１材料は、金、銅、アルミニウム又はグラファイトのうちの少なくとも１つを含み、
前記熱インタフェース材料の前記第２材料は、熱伝導性グリース、エポキシ樹脂、エラストマー材料又は液体金属のうちの１つを含む、
請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載の冷却型電子アセンブリ。
前記第１材料の前記第１熱伝導率は、前記第２材料の前記第２熱伝導率の１０倍よりも大きく、
前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスは、集積回路チップ、多数集積回路チップ、単一チップ・モジュール又はマルチチップ・モジュールのうちの少なくとも１つを含む、請求項９乃至請求項１３のいずれかに記載の冷却型電子アセンブリ。
前記冷却アセンブリの表面又は前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面のうちの少なくとも１つに取り付けられた多数のワイヤ・ボンディングされたスタッドをさらに含み、
前記ワイヤ・ボンディングされたスタッドの各々は、
前記冷却アセンブリと前記被冷却表面の間に空間を設けるためのスタンド・オフとして構成される形態と、
前記被冷却表面の前記高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に、そこからの熱移動を促進するように位置合せされる形態と
のうちの少なくとも１つの形態にする、
請求項９乃至請求項１４のいずれかに記載の冷却型電子アセンブリ。
冷却アセンブリと少なくとも１つの熱発生電子デバイスの被冷却表面とを結合させる方法であって、
第１熱伝導率を有する第１材料を含む複数の熱伝導性ワイヤを準備するステップと、
前記複数の熱伝導性ワイヤのうちの少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤが、それぞれ、前記被冷却表面の高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に部分的に存在し、且つ前記被冷却表面の低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に部分的に延びるように、前記複数の熱伝導性ワイヤを前記冷却アセンブリと前記被冷却表面の間に配置するステップと、
前記複数の熱伝導性ワイヤを少なくとも部分的に取り囲み、前記冷却アセンブリを前記被冷却表面に熱的に結合させる熱インタフェース材料を、前記冷却アセンブリと前記被冷却表面の間に供給するステップと
を含み、
前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤは、前記被冷却表面と前記冷却アセンブリの間の熱スプレッダとして機能して、前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスから前記冷却アセンブリへの熱移動を促進する、
方法。
前記配置するステップは、前記複数の熱伝導性ワイヤのうちの前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤを、前記冷却アセンブリの表面又は前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面のうちの少なくとも１つにワイヤ・ボンディングするステップを含む、請求項１６に記載の方法。
前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤを前記ワイヤ・ボンディングするステップは、前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤの各々の熱伝導性ワイヤの第１端部を別々に、前記高熱流束の少なくとも１つの第１領域内の前記被冷却表面にワイヤ・ボンディングするステップを含む、請求項１７に記載の方法。
前記配置するステップは、前記少なくとも幾つかの熱伝導性ワイヤの各々の第２端部を前記低熱流束の少なくとも１つの第２領域の上に、前記熱インタフェース材料の内部に浮かせられる形態、前記冷却アセンブリに部分的に接触する形態、又は前記冷却アセンブリの面に取り付けられる形態のうちの１つの形態となるように位置決めするステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
前記冷却アセンブリの表面又は前記少なくとも１つの熱発生電子デバイスの前記被冷却表面のうちの少なくとも１つに取り付けられた多数のワイヤ・ボンディングされたスタッドを設けるステップをさらに含み、
前記ワイヤ・ボンディングされたスタッドの各々は、
前記冷却アセンブリと前記被冷却表面の間に空間を設けるためのスタンド・オフとして構成される形態と、
前記被冷却表面の前記高熱流束の少なくとも１つの第１領域の上に、そこからの熱移動を促進するように位置合せされる形態と
のうちの少なくとも１つの形態にする、
請求項１６乃至請求項１９のいずれかに記載の方法。