JP2023518671A - 熱管理装置を備える異種集積モジュール - Google Patents

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Abstract

本明細書に記載のいくつかの例は、熱管理装置を含む異種集積モジュール(HIM)を提供する。一例では、装置(例えば、HIM)が、配線基板と、第1構成要素と、第2構成要素と、熱管理装置とを含む。第1構成要素および第2構成要素は、配線基板を介して互いに通信可能に結合される。熱管理装置は、第1構成要素および第2構成要素と熱的連通関係にある。熱管理装置は、第1構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第1熱エネルギー流路を有し、第2構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第2熱エネルギー流路を有する。第1熱エネルギー流路は、第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、国防高等研究計画局によって授与された契約番号HR0011-19-3-0004の下で、米国政府の支援を受けてなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本開示の例は、一般に、熱管理装置を備える異種集積モジュールに関する。
とりわけ、タブレット、コンピュータ、コピー機、デジタルカメラ、スマートフォン、制御システム、および現金自動預け払い機に含まれるような電子デバイスは、いくつかの所望の機能のための(1つまたは複数の)集積回路ダイを含むことが多い。ダイは様々な量の電力を消費し得る。電力を消費することにより、ダイは熱エネルギーを生成し得る。熱エネルギーが、熱エネルギーの伝達によって放散されない場合、熱エネルギーはダイに蓄積し得る。熱エネルギーが過剰に蓄積し、ダイが高温になりすぎると、有害な影響が発生する場合がある。例えば、ダイ内のデバイスの物理的特性は、過剰な温度によって変更される場合がある。一例として、ダイ内のトランジスタの閾値電圧は、温度が変化するにつれて変化し得る。さらに、ダイ内の金属の移動は、熱エネルギーの増加によって増加し得る。したがって、ダイを含む電子デバイスの熱管理が懸念となる。
本明細書に記載のいくつかの例は、熱管理装置を含む異種集積モジュール(HIM)を提供する。そのようなHIMでは、構成要素間の信号伝搬の著しい遅延および構成要素間で伝搬される信号の劣化を回避するために、様々な動作温度の仕様を有する構成要素同士を近接して組み込むことができる。さらに、構成要素は、それぞれの定格温度で動作することができる。
本開示の一例は、装置である。本装置は、配線基板と、第1構成要素と、第2構成要素と、熱管理装置とを含む。第1構成要素および第2構成要素は、配線基板を介して互いに通信可能に結合される。熱管理装置は、第1構成要素および第2構成要素と熱的連通関係にある。熱管理装置は、第1構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第1熱エネルギー流路を有し、第2構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第2熱エネルギー流路を有する。第1熱エネルギー流路は、第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する。
本開示の別の例は、システムである。本システムは、異種集積モジュールを含む。異種集積モジュールは、配線基板と、配線基板に取り付けられた第1構成要素と、配線基板に取り付けられた第2構成要素と、第1構成要素に配置された第1熱界面材料と、第2構成要素に配置された第2熱界面材料と、熱管理装置とを含む。第1構成要素および第2構成要素は、配線基板を介して互いに通信可能に結合される。熱管理装置は、第1熱界面材料および第2熱界面材料に接触する。熱管理装置は、熱管理装置が第1熱界面材料に接触する箇所からの第1熱エネルギー流路を有し、第2熱界面材料に接触する箇所からの第2熱エネルギー流路を有する。第1熱エネルギー流路は、第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する。
本開示のさらなる例は、異種集積モジュールを形成するための方法である。配線基板には、第1構成要素および第2構成要素が組み付けられている。熱管理装置は、第1構成要素および第2構成要素と熱的連通関係にある状態で固定されている。熱管理装置は、第1構成要素によって生成された熱エネルギーのための第1熱エネルギー流路を有し、第2構成要素によって生成された熱エネルギーのための第2熱エネルギー流路を有する。第1熱エネルギー流路は、第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する。
これらの態様および他の態様は、以下の詳細な説明を参照して理解されるであろう。
上記の特徴が詳細に理解され得るように、上記で簡潔に要約された、より具体的な説明は、例示的な実装形態を参照することによってしてもよく、そのいくつかは添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は、典型的な例の実装形態のみを示しており、したがって実装形態の範囲を限定するものと見なされるべきではないことに留意されたい。
いくつかの例による熱管理装置を備える第1異種集積モジュール(HIM)の簡略断面図を示す。 いくつかの例による熱管理装置を備える第2HIMの簡略断面図を示す。 いくつかの例による接触領域のチャネルパターンを示す図を示す。 いくつかの例による第1HIMまたは第2HIMを備えるシステムのレイアウト図を示す。 いくつかの例によるHIMを形成するための方法のフロー図である。
理解を容易にするために、可能であれば、図に共通する同一の要素を示すために同一の参照番号が使用されている。一例の要素は、他の例に有益に組み込まれてもよいと考えられる。
本明細書に記載のいくつかの例は、熱管理装置を含む異種集積モジュール(HIM)を提供する。本HIMは、配線基板に取り付けられた第1構成要素および第2構成要素を含む。第1構成要素および第2構成要素は、配線基板を介して互いに通信可能に結合される。第1構成要素および第2構成要素は、異なる動作温度のそれぞれの仕様を有することができる。例えば、第1構成要素は、第2構成要素の目標動作温度よりも低い目標動作温度を有することができる。いくつかの例では、第1構成要素は能動光学デバイスおよび/または能動フォトニックデバイスとすることができ、第2構成要素は能動電気デバイス(例えば、プロセッサ、プログラマブル論理集積回路(IC)、特定用途向けIC(ASIC)など、またはそれらの組み合わせを有するダイ)とすることができる。熱管理装置は、第1構成要素および第2構成要素によって生成された熱エネルギーを放散するために、第1構成要素および第2構成要素と熱的連通関係にある。第1構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための、熱管理装置を通る熱エネルギー流路は、第2構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための、熱管理装置を通る熱エネルギー流路よりも小さい熱抵抗を有することができる。そのようなHIMでは、構成要素間の信号伝搬の著しい遅延を回避し、構成要素間で伝搬される信号の劣化を回避するために、様々な動作温度の仕様を有する構成要素を近接して組み込むことができる。さらに、構成要素は、それぞれの定格温度で動作することができる。本明細書に記載されるように、HIMは、コンピューティングデバイスおよび/またはネットワーキングデバイス(例えば、光ファイバデバイス)に特に有用である可能性がある。
様々な特徴が、図を参照して以下に説明される。図は縮尺通りに描かれていても、描かれていなくてもよく、同様の構造または機能の要素は、図面全体を通して同様の参照番号で表されていることに留意されたい。図は、特徴の説明を容易にすることのみを意図していることに留意されたい。図は、特許出願に係る発明の網羅的な説明として、または特許請求される発明の範囲に対する限定として意図されていない。さらに、図示の例は、示されたすべての態様または利点を有する必要はない。特定の例に関連して説明される態様または利点は、必ずしもその例に限定されず、そのように図示されていなくても、またはそのように明示的に説明されていなくても、任意の他の例で実施することができる。
図1は、いくつかの例による熱管理装置を備える第1HIM100の簡略断面図を示す。第1HIM100は、第1構成要素102および第2構成要素106を含む。第1構成要素102は、一般に、第2構成要素106の動作温度の仕様よりも低い動作温度の仕様を有する。例えば、第1構成要素102は、(例えば、光ファイバポート用の光信号を生成するために)能動光学デバイスおよび/または能動フォトニックデバイスであるか、それを含むことができ、第2構成要素106は、電気デバイス(例えば、プロセッサ、プログラマブル論理IC、ASICなど、またはそれらの組み合わせを含むダイ)であるか、それを含むことができ、光学デバイスおよび/またはフォトニックデバイスは電気デバイスよりも低い動作温度を有する。第1HIM100の熱管理装置は、後述するように、第1構成要素102および第2構成要素106の動作温度を、それぞれの仕様内に制御するのを支援する。
第1HIM100は、インターポーザ110およびパッケージ基板112を含む。第1構成要素102は、インターポーザ110の第1面に外部コネクタ114によって取り付けられており、第2構成要素106は、インターポーザ110の第1面に外部コネクタ116によって取り付けられている。外部コネクタ114、116は、例えば、マイクロバンプなどとすることができ、第1構成要素102とインターポーザ110との間、および第2構成要素106とインターポーザ110との間にそれぞれ、電気的接続および物理的取り付けを形成することができる。インターポーザ110の第2面(インターポーザ110の第1面とは反対側)は、外部コネクタ118によってパッケージ基板112の第1面に取り付けられている。外部コネクタ118は、例えば、コントロールドコラプスチップコネクション(C4)などとすることができ、インターポーザ110とパッケージ基板112との間の電気的接続および物理的取り付けを形成することができる。パッケージ基板112の第2面(パッケージ基板112の第1面とは反対側)には、外部コネクタ120が取り付けられている。外部コネクタ120は、例えば、ボールグリッドアレイ(BGA)ボールなどとすることができ、パッケージ基板112をプリント回路基板(PCB)(不図示)に取り付けるために使用されてもよい。
第1構成要素102、第2構成要素106、インターポーザ110、およびパッケージ基板112の配置は、説明のためのものである。HIMは、構成要素の数が、より多い、またはより少ない、異なる構成を有することができる。例えば、第1構成要素102および第2構成要素106は、インターポーザを介さずに、外部コネクタによってパッケージ基板112に取り付けられることができる。他の例では、第1構成要素102および第2構成要素106は、一体型ファンアウトパッケージに一体化され得る。第1構成要素102および第2構成要素106は、図示の例ではインターポーザ110を介して、またはインターポーザ、パッケージ基板、および/または一体型ファンアウトパッケージのメタライゼーションを介して、電気的および/または通信可能に互いに結合される。一般に、第1構成要素102および第2構成要素106は、配線基板を介して電気的および/または通信可能に互いに結合される。いくつかの例では、第1構成要素102および第2構成要素106は、同様の構成要素をHIMに統合しなかった従来技術と比較して、より近接しており、したがって、第1構成要素102および第2構成要素106を接続する配線長による信号伝搬の遅延および信号劣化を低減することができる。
第1HIM100の熱管理装置は、主要部140と、鉛直支持部142と、フランジ部144とを含む。主要部140は、ほぼ水平であり、第1構成要素102および第2構成要素106の上に重なり、熱的連通関係にある。鉛直支持部142は、主要部140の周囲から垂直に鉛直下方に(例えば、パッケージ基板112に向かって)延びている。フランジ部144は、パッケージ基板112に近接する鉛直支持部142の下部から水平に離れる方向に、かつ当該下部に垂直に延びる。
熱管理装置の主要部140は、一体型アイランド部146を有する。一体型アイランド部は、主要部140の底面から第1構成要素102に対応する位置で鉛直下方(例えば、鉛直支持部142が延びるのと同じ方向に)に延びている。セパレートアイランド148が、主要部140の底面に、第2構成要素106に対応する位置で機械的に結合されている。第1熱界面材料(TIM)150は、主要部140とセパレートアイランド148との間に接触して配置される。複数のネジ152は、それぞれ、周囲位置でセパレートアイランド148に挿通され、それぞれのバネ154に挿通され、主要部140の底面に(例えば、ねじ込まれて)螺合される。セパレートアイランド148は、ネジ152の長さに沿って浮動してもよい。バネ154は、セパレートアイランド148に下向きの力を(例えば、主要部140の底面から離れる方向に)加える。セパレートアイランド148に反対の力を(例えば、後述するように、第1構成要素102によって部分的に)加えてもよい。これらの力の大きさによって、セパレートアイランド148は、ネジ152の長さに沿った様々な位置のいずれかにある場合がある。
第2TIM156は第1構成要素102の裏面にあり、第3TIM158は第2構成要素106の裏面にある。一体型アイランド部146は、第2TIM156と接触し、したがって、熱管理装置は、第1構成要素102と熱的連通関係にある。セパレートアイランド148は、第3TIM158と接触し、したがって、熱管理装置は、第2構成要素106と熱的連通関係にある。
熱管理装置は、パッケージ基板112に機械的に結合される。熱管理装置は、多数の方法でパッケージ基板に機械的に結合されることができる。図示の例では、補強材160(例えば、リング補強材)が、例えばエポキシによってパッケージ基板112に接着される。補強材160は、止まり穴162を有する。熱管理装置は、鉛直支持部142から鉛直下方に延びるガイドピン164を有する。ガイドピン164は、止まり穴162に位置合わせして挿入される。ガイドピン164を止まり穴162に挿入することにより、熱管理装置を補強材160と位置合わせすることができ、さらに、熱管理装置を第1構成要素102および第2構成要素106と位置合わせすることができる。複数のネジ166は、それぞれのバネ168に挿通され、フランジ部144を通って、補強材160に(例えば、ねじ込まれて)螺合される。フランジ部144(したがって、熱管理装置)は、ネジ166の長さに沿って浮動してもよい。バネ168は、フランジ部144に下向きの力を加える。主要部140(例えば、部分的には第1構成要素102)に反対の力を加えてもよい。これらの力の大きさによって、フランジ部144は、ネジ166の長さに沿った様々な位置のいずれかにある場合がある。
当業者は、第1HIM100の構成要素が(例えば、熱サイクルに起因した)様々な公差および/または反りを有して製造される場合があることを容易に理解するであろう。上述のようなネジおよびバネの構成は、第1HIM100に追加の応力を生成させることなく、熱管理装置を第1HIM100にしっかりと固定することを可能にする。例えば、フランジ部144(したがって、主要部140および一体型アイランド部146)を下方に押すバネ168の力によって、熱管理装置は、一体型アイランド部146が第2TIM156に接触する位置にしっかりと保持されることができる。バネ168がなければ、ネジ166がトルク過大になり、第1HIM100に追加の有害な応力を引き起こすおそれがあり、またはトルク不足になり、一体型アイランド部146が、第2TIM156との接触から離れることを許容するおそれがある。さらに、熱管理装置の位置が、主に第1構成要素102によって決定されるこの例では、ネジ152およびバネ154は、セパレートアイランド148が依然として第3TIM158に接触することができるように、任意のさらなる公差に対応することができる。熱管理装置が補強材160に配置されて固定される前に、第1TIM150は、主要部140の底面とセパレートアイランド148との間の最大空間を充填してもよく、セパレートアイランド148が第3TIM158に接触すると、第1TIM150は、圧縮され、主要部140とセパレートアイランド148との間から押し出される可能性がある。
図示の例では、熱管理装置は、(例えば、補強材160を介して)パッケージ基板112に機械的に結合されている。他の例では、熱管理装置は、パッケージ基板の代わりに別の構成要素に機械的に結合することができる。例えば、熱管理装置の鉛直支持部142は、パッケージ基板の周囲にあることができ、熱管理装置は、PCBに機械的に結合されてもよい。補強材160は、PCBに接着またははんだ付けすることができ、熱管理装置は、図1に関して説明したように補強材160に固定されることができる。
熱交換器ならびに液体ポンプおよび/または圧縮機(HEFP/C)180は、熱管理装置の主要部140の上面に取り付けられている。HEFP/C180は、TIMおよび/またはネジによって主要部140に取り付けられることができる。HEFP/C180は、主要部140から熱エネルギーを受け取り、その熱エネルギーを液体に伝達し、出口182から別の熱交換器を通って、入口184に戻るように、液体を循環させることができる。HEFP/C180はまた、例えば、入口184で受け取った蒸気を液体に圧縮する液体圧縮機を含むことができる。HEFP/C180および他の熱交換器を通る液体の流れは、単相(例えば、液相)または二相(例えば、液相、気相、またはそれらの混合物)であり得る。二相では、熱管理装置は、冷媒機能が第1構成要素102および第2構成要素106を冷却することを可能にしてもよい。いくつかの例では、HEFP/C180は、HEFP/C180を通って流れる液体を洗浄するための自己濾過を提供することができる。例えば、HEFP/C180は、液体が流れる内部容積を含むことができる。内部容積は、液体が内部に溜まることを可能にするのに十分な大きさであり得る。HEFP/C180の内部容積に液体が溜まると、液体の流量は、液体中の微粒子が液体から沈降するのを可能にするのに十分に低くなる場合があり、自己濾過を提供することができる。
熱管理装置は、様々な熱抵抗を有する様々な熱エネルギー流路を形成することを可能にする。第1熱エネルギー流路は、第1構成要素102とHEFP/C180との間にあることができ、第2TIM156、一体型アイランド部146、および主要部140を通ることができる。明らかなように、一体型アイランド部146と主要部140との間で、材料および界面の変化はない。第2熱エネルギー流路は、第2構成要素106とHEFP/C180との間にあることができ、第3TIM158、セパレートアイランド148、第1TIM150、および主要部140を通ることができる。第1TIM150は、第2熱エネルギー流路内のセパレートアイランド148と主要部140との間に配置される。主要部140(したがって、一体型アイランド部146もまた)、TIM150、156、158、およびセパレートアイランド148に使用される材料の組み合わせは、熱エネルギー流路が様々な熱抵抗を有するように選択することができる。例えば、第2TIM156および第3TIM158が同じ材料であり、主要部140およびセパレートアイランド148が同じ材料であると仮定すると、第1TIM150は高い熱抵抗率TIMとすることができる。これにより、第2熱エネルギー流路が第1熱エネルギー流路よりも高い熱抵抗率を有することを可能にすることができる。この例では、第1TIM150は熱ブレーキとして機能することができる。
動作中、第1構成要素102および第2構成要素106は両方とも、例えば、部分的に熱エネルギーに変換することができる電気エネルギーの消費に起因して、熱エネルギーを生成する。第1構成要素102によって生成された熱エネルギーは、第1熱エネルギー流路内をHEFP/C180に流れることができ、その後、HEFP/C180は、この熱エネルギーを放散のために伝達することができる。第2構成要素106によって生成された熱エネルギーは、第2熱エネルギー流路内をHEFP/C180に流れることができ、その後、HEFP/C180は、この熱エネルギーを放散のために伝達することができる。第1熱エネルギー流路は第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有するので、第1構成要素102は第2構成要素106よりも速い速度で熱エネルギーを放散させることができ、第2構成要素106は第1構成要素102よりも高い動作温度に維持されることができる。これにより、第1構成要素102および第2構成要素106の両方が、互いに異なるが、より望ましい温度範囲内で動作することを可能にすることができる。
図2は、いくつかの例による熱管理装置を備える第2HIM200の簡略断面図を示す。図2の第2HIM200は、図1の第1HIM100に示され、図1の第1HIM100に関して説明された同じまたは同様の構成要素の多くを含む。したがって、簡潔にするために、そのような構成要素のさらなる説明はここでは省略する。
第2HIM200では、第1HIM100の一体型アイランド部146の代わりに、セパレートアイランド202および第4TIM204がある。セパレートアイランド202は、主要部140の底面に、第1構成要素102に対応する位置で機械的に結合されている。第4TIM204は、主要部140とセパレートアイランド202との間に接触して配置される。複数のネジ206は、それぞれ、周囲位置でセパレートアイランド202に挿通され、それぞれのバネ208に挿通され、主要部140の底面に(例えば、ねじ込まれて)螺合される。セパレートアイランド202は、ネジ206の長さに沿って浮動してもよい。バネ208は、セパレートアイランド202に下向きの力を(例えば、主要部140の底面から離れる方向に)加える。セパレートアイランド202に反対の力を(例えば、第1構成要素102によって部分的に)加えてもよい。これらの力の大きさによって、セパレートアイランド202は、ネジ206の長さに沿った様々な位置のいずれかにある場合がある。セパレートアイランド202は、第2TIM156と接触し、したがって、熱管理装置は、第1構成要素102と熱的連通関係にある。
熱管理装置は、様々な熱抵抗を有する様々な熱エネルギー流路を形成することを可能にする。この例では、第1熱エネルギー流路は、第1構成要素102とHEFP/C180との間にあることができ、第2TIM156、セパレートアイランド202、第4TIM204、および主要部140を通ることができる。第2熱エネルギー流路は、図1に関して上述した通りである。主要部140、TIM150、156、158、204、およびセパレートアイランド148、202に使用される材料の組み合わせは、熱エネルギー流路が異なる熱抵抗を有するように選択することができる。例えば、第2TIM156および第3TIM158が同じ材料であり、セパレートアイランド148、202が同じ材料であると仮定すると、第1TIM150は高い熱抵抗率TIMとすることができ、第4TIM204は低い熱抵抗率TIMとすることができる。これにより、第2熱エネルギー流路が第1熱エネルギー流路よりも高い熱抵抗率を有することを可能にすることができる。この例では、第1TIM150は熱ブレーキとして機能することができる。
動作中、第1構成要素102および第2構成要素106は両方とも熱エネルギーを生成する。第1構成要素102によって生成された熱エネルギーは、第1熱エネルギー流路を流れることができ、第2構成要素106によって生成された熱エネルギーは、第2熱エネルギー流路を流れることができる。第1熱エネルギー流路は第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有するので、第1構成要素102は第2構成要素106よりも速い速度で熱エネルギーを放散させることができ、第2構成要素106は第1構成要素102よりも高い動作温度に維持されることができる。これにより、第1構成要素102および第2構成要素106の両方が、互いに異なるが、より望ましい温度範囲内で動作することを可能にすることができる。
図3は、いくつかの例による接触領域300のチャネルパターンを示す。接触領域300は、アイランド表面302にある。アイランド表面302は、一体型アイランド部146、セパレートアイランド148、およびセパレートアイランド202の表面のいずれかとすることができ、それぞれのTIM156、158がそれらの表面と接触する。接触領域300は、アイランド表面302に微細加工またはエッチングされたチャネル304を有する。図1または図2の熱管理装置がHIMと共に使用されると、TIM内の空気は、接触領域300内のチャネル304内に沈降することができ、これにより、それぞれの一体型アイランド部146、セパレートアイランド148、またはセパレートアイランド202を、TIMが配置されている構成要素に近づけることができる。一体型アイランド部146、セパレートアイランド148、またはセパレートアイランド202が当該構成要素に近いほど、熱管理装置と当該構成要素との間に存在する熱抵抗が小さくなり、放散のための、当該構成要素から熱管理装置への熱エネルギーの伝導率を増加することができる。いくつかの例では、チャネルが形成された接触領域300は、アイランド表面302の主要部から突出していてもよい。
チャネル304は、いくつかの交点で交差する。チャネル304の第1サブセットは第1方向に(例えば、図において鉛直に)延び、チャネル304の第2サブセットは第1方向に対して垂直に(例えば、図において水平に)延び、いくつかの位置でチャネル304の第1サブセットと交差する。チャネル304の第3サブセットは、第1方向から45度の角度の方向に延び、チャネル304の第4サブセットは、第1方向から135度の角度の方向に、かつチャネル304の第3サブセットが延びる方向に垂直に延びている。チャネル304の第4サブセットは、チャネル304の第3サブセットと交差し、チャネル304の第1サブセットおよびチャネル304の第2サブセットは、チャネル304の第1サブセットおよびチャネルの第2サブセットによって形成される四辺形形状において交差し、中央にある。チャネル304の第1および第2サブセットの隣接する平行なペアは、第1ピッチを有し、チャネル304の第3および第4サブセットの隣接する平行なペアは、第1ピッチの約半分である第2ピッチを有する。
図4は、いくつかの例による第1HIM100または第2HIM200(「100/200」と示される)を備えるシステムのレイアウト図を示す。システムはPCB402を含む。電源404、第1ロードパッケージ406、および第2ロードパッケージ408がPCB402に配置され、PCB402に取り付けられている。いくつかの光ポート410がPCB402に配置され、PCB402に取り付けられている。HIM100/200は、PCB402に配置され、PCB402に(例えば、外部コネクタ120(不図示)を介して)取り付けられる。HIM100/200の様々な構成要素は、レイアウト図に示されているが、熱管理装置の主要部140の下にある構成要素のために第1構成要素102および第2構成要素106が破線で示されていることに留意することを除いて、ここでは説明されない。
熱交換器は、第2ロードパッケージ408に配置され、HEFP/C180に液体結合される。熱交換器は、フィン420および蛇行管422を含む。蛇行管422は、いくつかの異なる位置でフィン420の各々と交差し、それらの位置でフィン420の各々に機械的に取り付けられる。蛇行管422は、HEFP/C180の出口182および入口184にさらに液体結合される。
動作中、第1構成要素102および/または第2構成要素106からHEFP/C180で受け取った熱エネルギーは、HEFP/C180内の液体(例えば、液相および/または気相の水)に伝達される。その後、HEFP/C180は、蛇行管422を通って出口182から液体を送り出す。液体によって運ばれる熱エネルギーは、熱伝導によって蛇行管422に、その後、フィン420に伝達されることができる。蛇行管422を通って流れる液体は、液相、気相、または液相と気相の混合物であってもよい。熱エネルギーは、気体(例えば、空気)の流れ424によって蛇行管422およびフィン420から放散させることができる。例えば、熱エネルギーが放散された液体は、蛇行管422を通ってHEFP/C180の入口184に循環される。HEFP/C180はまた、入口184で受け取った液体を(例えば、気相から液相へ)圧縮することができ、冷媒機能を提供してもよい。HEFP/C180は、約1.1L/分の速度かつ約4PSIの圧力などで液体を連続的に再循環させることができる。この例では、蛇行管422とフィン420とを備える熱交換器は、PCB402上の能動デバイスを熱的に管理するための一次ヒートシンクとして機能することができる。
いくつかの例では、図4のシステムは、高さ15インチ、幅17インチ、および厚さ1.7インチのフォームファクタを有する。これらの例のいくつかでは、システムは1kWの熱エネルギーを放散させることができると考えられる。例えば、電源404は、約100Wから150Wを生成し得るものであり、第1ロードパッケージ406および第2ロードパッケージ408は各々、約200Wを生成し得るものであり、PCB402は約50Wを生成し得るものであり、第1構成要素102は、約40Wを生成し得るものであり、第2構成要素106は約205Wを生成し得るものである。この熱エネルギーは、システムによって放散されることができる。
図5は、いくつかの例によるHIMを形成するための方法500のフロー図である。方法500の様々な動作は、順次実行することも、または平行して実行することも可能である。ブロック502において、第1構成要素102および第2構成要素106は、電気的かつ通信可能に互いに結合されるように配線基板に組み付けられる。第1構成要素102および第2構成要素106は、当業者には容易に明らかであろう許容可能な技術によって配線基板に組み付けることができる。前述の図示の例では、第1構成要素102および第2構成要素106は、外部コネクタ114、116をリフローすることなどによってインターポーザ110に取り付けられる。インターポーザ110は、外部コネクタ118をリフローすることなどによってパッケージ基板112に取り付けられる。
ブロック504において、熱管理装置が形成される。熱管理装置の主要部140、鉛直支持部142、ガイドピン164、および該当する場合、一体型アイランド部146は、銅、アルミニウム、アルミニウムチタンなどの金属材料などの任意の熱伝導材料から機械加工することができる。同様に、熱管理装置のセパレートアイランド148、および該当する場合、セパレートアイランド202は、銅、アルミニウム、アルミニウムチタンなどのような金属材料などの任意の熱伝導材料から機械加工することができる。主要部140の材料およびセパレートアイランド148、202のそれぞれの材料は、同じであることも異なっていることも可能である。第1TIM150をセパレートアイランド148に適用することができ、その後、ネジ152およびバネ154を使用してセパレートアイランド148を主要部140の底面に固定することができる。該当する場合、第4TIM204をセパレートアイランド202に適用することができ、その後、ネジ206およびバネ208を使用してセパレートアイランド202を主要部140の底面に固定することができる。第1TIM150および第4TIM204は各々、例えば、液体マトリックスおよび熱伝導性フィラーを含む熱グリースとすることができる。第1TIM150および第4TIM204の両方が実装されるとき、第1TIM150は、第4TIM204よりも、マトリックスに対して低いフィラー比率、および/または低い熱伝導率を有することができる。
ブロック506において、熱管理装置は、第1構成要素102および第2構成要素106に固定される。熱管理装置は、第1構成要素102および第2構成要素106と熱的連通関係にあるように固定される。第1構成要素102および第2構成要素106がどのように組み付けられたかによって、熱管理装置は、熱管理装置を例えばパッケージ基板またはPCBに機械的に結合することによって、第1構成要素102および第2構成要素106に固定することができる。前述の例では、熱管理装置はパッケージ基板112に機械的に結合されている。前述の例によれば、金属などの剛性材料を機械加工することなどによって、(ガイドピン164に対応する)止まり穴162を有する補強材160を製造することができる。補強材160は、接着剤によってパッケージ基板112に取り付けることができる。補強材160がPCBに取り付けられるいくつかの例では、補強材160は、接着剤によって、または補強材160をPCBの表面の金属にはんだ付けすることによって取り付けることができる。第2TIM156および第3TIM158は、それぞれ第1構成要素102および第2構成要素106に適用される。第2TIM156および第3TIM158は各々、例えば、液体マトリックスおよび熱伝導性フィラーを含む熱グリースとすることができる。第2TIM156および第3TIM158は同じ材料組成を有することができ、または第3TIM158は、第2TIM156よりも、マトリックスに対して低いフィラー比率、および/または低い熱伝導率を有することができる。その後、熱管理装置は、第1構成要素102および第2構成要素106に配置することができ、ガイドピン164が止まり穴162に挿入されることによって、およびネジ166およびバネ168によって、その配置された位置で補強材160に取り付けることができる。
その後、HIMは、PCBに組み付けられていない場合、図4に示され、図4に関して説明されているように、PCBに取り付けることができる。HEFP/C180は、TIMおよび/またはネジなどによって熱管理装置に取り付けることができ、図4に示され、図4に関して説明されているように、蛇行管422およびフィン420を備えるような熱交換器に液体結合することができる。PCBに含まれるシステム内のHIMは、上述のように動作することができる。
開示された技術はまた、以下の非限定的な例で表現されてもよい。
例1.配線基板と、第1構成要素と、第2構成要素であって、第1構成要素および第2構成要素が配線基板を介して互いに通信可能に結合される、第2構成要素と、第1構成要素および第2構成要素と熱的連通関係にある熱管理装置であって、第1構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第1熱エネルギー流路を有し、第2構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第2熱エネルギー流路を有し、第1熱エネルギー流路が、第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する、熱管理装置とを備える装置。
例2.第1構成要素が、光学デバイス、フォトニックデバイス、またはそれらの組み合わせであり、第2構成要素が電気デバイスである、例1に記載の装置。
例3.第1熱界面材料が第1構成要素に配置され、第2熱界面材料が第2構成要素に配置され、熱管理装置が、第1熱界面材料および第2熱界面材料に接触して配置される、例1に記載の装置。
例4.熱管理装置が、主要部と、主要部と一体に形成された一体型アイランド部と、主要部に取り付けられたセパレートアイランドと、セパレートアイランドと主要部との間に配置された第3熱界面材料とを備え、一体型アイランド部が第1熱界面材料に接触し、第1熱エネルギー流路が一体型アイランド部および主要部を通り、セパレートアイランドが第2熱界面材料に接触し、第2熱エネルギー流路がセパレートアイランド、第3熱界面材料、および主要部を通る、例3に記載の装置。
例5.熱管理装置が、主要部と、主要部に取り付けられた第1セパレートアイランドと、第1セパレートアイランドと主要部との間に配置された第3熱界面材料と、主要部に取り付けられた第2セパレートアイランドと、第2セパレートアイランドと主要部との間に配置された第4熱界面材料とを備え、第1セパレートアイランドが第1熱界面材料に接触し、第1熱エネルギー流路が第1セパレートアイランド、第3熱界面材料、および主要部を通り、第2セパレートアイランドが、第2熱界面材料に接触し、第2熱エネルギー流路が第2セパレートアイランド、第4熱界面材料、および主要部を通る、例3に記載の装置。
例6.熱管理装置に取り付けられた熱交換器であって、液体ポンプ、圧縮機、またはそれらの組み合わせを含む熱交換器をさらに備える例1に記載の装置。
例7.パッケージ基板と、パッケージ基板に機械的に取り付けられた補強材とをさらに備え、配線基板が、インターポーザであり、第1構成要素および第2構成要素の各々が、インターポーザに取り付けられており、インターポーザがパッケージ基板に取り付けられており、補強材がインターポーザの側方の周囲にあり、熱管理装置が、主要部と、主要部から垂直に延びる支持部と、支持部から垂直に、かつ主要部から離れる方向に延びるフランジ部とを含み、主要部が、第1構成要素および第2構成要素と熱的連通関係にあり、フランジ部が補強材に取り付けられている、例1に記載の装置。
例8.異種集積モジュールを備えるシステムであって、異種集積モジュールが、配線基板と、配線基板に取り付けられた第1構成要素と、配線基板に取り付けられた第2構成要素であって、第1構成要素および第2構成要素が、配線基板を介して互いに通信可能に結合されている、第2構成要素と、第1構成要素に配置された第1熱界面材料と、第2構成要素に配置された第2熱界面材料と、第1熱界面材料および第2熱界面材料に接触する熱管理装置であって、第1熱界面材料に接触する箇所からの第1熱エネルギー流路を有し、第2熱界面材料に接触する箇所からの第2熱エネルギー流路を有し、第1熱エネルギー流路が第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する、熱管理装置とを備える、システム。
例9.第1構成要素が、光学デバイス、フォトニックデバイス、またはそれらの組み合わせであり、第2構成要素が電気デバイスである、例8に記載のシステム。
例10.熱管理装置が、主要部と、主要部と一体に形成された一体型アイランド部と、主要部に取り付けられたセパレートアイランドと、セパレートアイランドと主要部との間に配置された第3熱界面材料とを備え、一体型アイランド部が第1熱界面材料に接触し、第1熱エネルギー流路が一体型アイランド部および主要部を通り、セパレートアイランドが第2熱界面材料に接触し、第2熱エネルギー流路がセパレートアイランド、第3熱界面材料、および主要部を通る、例8に記載のシステム。
例11.熱管理装置が、主要部と、主要部に取り付けられた第1セパレートアイランドと、第1セパレートアイランドと主要部との間に配置された第3熱界面材料と、主要部に取り付けられた第2セパレートアイランドと、第2セパレートアイランドと主要部との間に配置された第4熱界面材料とを備え、第1セパレートアイランドが第1熱界面材料に接触し、第1熱エネルギー流路が第1セパレートアイランド、第3熱界面材料、および主要部を通り、第2セパレートアイランドが第2熱界面材料に接触し、第2熱エネルギー流路が、第2セパレートアイランド、第4熱界面材料、および主要部を通る、例8に記載のシステム。
例12.プリント回路基板であって、異種集積モジュールがプリント回路基板に取り付けられているプリント回路基板をさらに備える例8に記載のシステム。
例13.熱管理装置に取り付けられた第1熱交換器であって、液体ポンプ、圧縮機、またはそれらの組み合わせを含む第1熱交換器と、プリント回路基板に配置された第2熱交換器であって、蛇行管およびフィンを備え、蛇行管がフィンに取り付けられ、フィンを通って延び、蛇行管が第1熱交換器と液体結合されている、第2熱交換器とをさらに備える例12に記載のシステム。
例14.第1熱交換器が、内部容積であって、前記内部容積を通って液体が流れ、動作中に液体が溜まることを可能にする内部容積を含む、例13に記載のシステム。
例15.異種集積モジュールが、パッケージ基板と、パッケージ基板に機械的に取り付けられた補強材とをさらに備え、配線基板がインターポーザであり、第1構成要素および第2構成要素の各々が、インターポーザに取り付けられており、インターポーザがパッケージ基板に取り付けられており、補強材がインターポーザの側方の周囲にあり、熱管理装置が、主要部と、主要部から垂直に延びる支持部と、支持部から垂直に、かつ主要部から離れる方向に延びるフランジ部とを含み、主要部が第1構成要素および第2構成要素熱的連通関係にあり、フランジ部が補強材に取り付けられている、例8に記載のシステム。
例16.配線基板に第1構成要素および第2構成要素を組み付けることと、第1構成要素および第2構成要素と熱的連通関係にある熱管理装置を固定することであって、熱管理装置が、第1構成要素によって生成された熱エネルギーのための第1熱エネルギー流路を有し、第2構成要素によって生成された熱エネルギーのための第2熱エネルギー流路を有し、第1熱エネルギー流路が、第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する、固定することとを含む、異種集積モジュールを形成するための方法。
例17.第1構成要素が、光学デバイス、フォトニックデバイス、またはそれらの組み合わせであり、第2構成要素が電気デバイスである、例16に記載の方法。
例18.熱管理装置が、主要部と、主要部と一体に形成された一体型アイランド部と、主要部に取り付けられたセパレートアイランドと、セパレートアイランドと主要部との間に配置された熱界面材料とを備え、第1熱エネルギー流路が一体型アイランド部および主要部を通り、第2熱エネルギー流路が、セパレートアイランド、熱界面材料、および主要部を通る、例16に記載の方法。
例19.熱管理装置が、主要部と、主要部に取り付けられた第1セパレートアイランドと、第1セパレートアイランドと主要部との間に配置された第1熱界面材料と、主要部に取り付けられた第2セパレートアイランドと、第2セパレートアイランドと主要部との間に配置された第2熱界面材料とを備え、第1熱エネルギー流路が、第1セパレートアイランド、第1熱界面材料、および主要部を通り、第2熱エネルギー流路が、第2セパレートアイランド、第2熱界面材料、および主要部を通る、例16に記載の方法。
例20.配線基板に第1構成要素および第2構成要素を組み付けることが、第1構成要素および第2構成要素を配線基板であるインターポーザに取り付けることと、インターポーザをパッケージ基板に取り付けることと、熱管理装置を固定することとを含み、熱管理装置を固定することが、補強材をパッケージ基板に取り付けることと、熱管理装置を補強材に取り付けることとを含む、例16に記載の方法。
前述の説明は特定の例に向けたものだが、その基本的な範囲から逸脱することなく、他のおよび、さらなる例を考案してもよく、その範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (16)

  1. 配線基板と、
    第1構成要素と、
    第2構成要素であって、前記第1構成要素および前記第2構成要素が前記配線基板を介して互いに通信可能に結合される、第2構成要素と、
    前記第1構成要素および前記第2構成要素と熱的連通関係にある熱管理装置であって、前記第1構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第1熱エネルギー流路を有し、前記第2構成要素によって生成された熱エネルギーを放散させるための第2熱エネルギー流路を有し、前記第1熱エネルギー流路が、前記第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する、熱管理装置と
    を備える装置。
  2. 前記第1構成要素が、光学デバイス、フォトニックデバイス、またはそれらの組み合わせであり、前記第2構成要素が、電気デバイスである、請求項1に記載の装置。
  3. 第1熱界面材料が前記第1構成要素に配置され、
    第2熱界面材料が前記第2構成要素に配置され、
    前記熱管理装置が、前記第1熱界面材料および前記第2熱界面材料に接触して配置される、
    請求項1に記載の装置。
  4. 前記熱管理装置が、
    主要部と、
    前記主要部と一体に形成された一体型アイランド部と、
    前記主要部に取り付けられたセパレートアイランドと、
    前記セパレートアイランドと前記主要部との間に配置された第3熱界面材料と
    を備え、
    前記一体型アイランド部が前記第1熱界面材料に接触し、
    前記第1熱エネルギー流路が前記一体型アイランド部および前記主要部を通り、
    前記セパレートアイランドが前記第2熱界面材料に接触し、
    前記第2熱エネルギー流路が前記セパレートアイランド、前記第3熱界面材料、および前記主要部を通る、
    請求項3に記載の装置。
  5. 前記熱管理装置が、
    主要部と、
    前記主要部に取り付けられた第1セパレートアイランドと、
    前記第1セパレートアイランドと前記主要部との間に配置された第3熱界面材料と、
    前記主要部に取り付けられた第2セパレートアイランドと、
    前記第2セパレートアイランドと前記主要部との間に配置された第4熱界面材料と
    を備え、
    前記第1セパレートアイランドが前記第1熱界面材料に接触し、
    前記第1熱エネルギー流路が前記第1セパレートアイランド、前記第3熱界面材料、および前記主要部を通り、
    前記第2セパレートアイランドが前記第2熱界面材料に接触し、
    前記第2熱エネルギー流路が、前記第2セパレートアイランド、前記第4熱界面材料、および前記主要部を通る、
    請求項3に記載の装置。
  6. 前記熱管理装置に取り付けられた熱交換器であって、液体ポンプ、圧縮機、またはそれらの組み合わせを含む熱交換器をさらに備える請求項1に記載の装置。
  7. パッケージ基板と、
    前記パッケージ基板に機械的に取り付けられた補強材と
    をさらに備え、
    前記配線基板が、インターポーザであり、
    前記第1構成要素および前記第2構成要素の各々が、前記インターポーザに取り付けられており、
    前記インターポーザが前記パッケージ基板に取り付けられており、
    前記補強材が前記インターポーザの側方の周囲にあり、
    前記熱管理装置が、主要部と、前記主要部から垂直に延びる支持部と、前記支持部から垂直に、かつ前記主要部から離れる方向に延びるフランジ部とを含み、
    前記主要部が、前記第1構成要素および前記第2構成要素と熱的連通関係にあり、
    前記フランジ部が、前記補強材に取り付けられている、
    請求項1に記載の装置。
  8. 異種集積モジュールを備えるシステムであって、
    前記異種集積モジュールが、
    配線基板と、
    前記配線基板に取り付けられた第1構成要素と、
    前記配線基板に取り付けられた第2構成要素であって、前記第1構成要素および前記第2構成要素が、前記配線基板を介して互いに通信可能に結合されている第2構成要素と、
    前記第1構成要素に配置された第1熱界面材料と、
    前記第2構成要素に配置された第2熱界面材料と、
    前記第1熱界面材料および前記第2熱界面材料に接触する熱管理装置であって、前記第1熱界面材料に接触する箇所からの第1熱エネルギー流路を有し、前記第2熱界面材料に接触する箇所からの第2熱エネルギー流路を有し、前記第1熱エネルギー流路が前記第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する、熱管理装置と
    を備える、システム。
  9. 前記第1構成要素が、光学デバイス、フォトニックデバイス、またはそれらの組み合わせであり、前記第2構成要素が電気デバイスである、請求項8に記載のシステム。
  10. 前記熱管理装置が、
    主要部と、
    前記主要部と一体に形成された一体型アイランド部と、
    前記主要部に取り付けられたセパレートアイランドと、
    前記セパレートアイランドと前記主要部との間に配置された第3熱界面材料と
    を備え、
    前記一体型アイランド部が前記第1熱界面材料に接触し、
    前記第1熱エネルギー流路が前記一体型アイランド部および前記主要部を通り、
    前記セパレートアイランドが前記第2熱界面材料に接触し、
    前記第2熱エネルギー流路が前記セパレートアイランド、前記第3熱界面材料、および前記主要部を通る、
    請求項8に記載のシステム。
  11. 前記熱管理装置が、
    主要部と、
    前記主要部に取り付けられた第1セパレートアイランドと、
    前記第1セパレートアイランドと前記主要部との間に配置された第3熱界面材料と、
    前記主要部に取り付けられた第2セパレートアイランドと、
    前記第2セパレートアイランドと前記主要部との間に配置された第4熱界面材料と
    を備え、
    前記第1セパレートアイランドが前記第1熱界面材料に接触し、
    前記第1熱エネルギー流路が前記第1セパレートアイランド、前記第3熱界面材料、および前記主要部を通り、
    前記第2セパレートアイランドが前記第2熱界面材料に接触し、
    前記第2熱エネルギー流路が、前記第2セパレートアイランド、前記第4熱界面材料、および前記主要部を通る、
    請求項8に記載のシステム。
  12. プリント回路基板であって、前記異種集積モジュールが取り付けられているプリント回路基板をさらに備える請求項8に記載のシステム。
  13. 前記熱管理装置に取り付けられた第1熱交換器であって、液体ポンプ、圧縮機、またはそれらの組み合わせを含む第1熱交換器と、
    前記プリント回路基板に配置された第2熱交換器であって、蛇行管およびフィンを備え、前記蛇行管が、前記フィンに取り付けられ、前記フィンを通って延び、前記蛇行管が、前記第1熱交換器と液体結合されている、第2熱交換器と
    をさらに備える、請求項12に記載のシステム。
  14. 前記第1熱交換器が、内部容積であって、前記内部容積を通って液体が流れ、動作中に前記液体が溜まることを可能にする内部容積を含む、請求項13に記載のシステム。
  15. 前記異種集積モジュールが、
    パッケージ基板と、
    前記パッケージ基板に機械的に取り付けられた補強材と
    をさらに備え、
    前記配線基板がインターポーザであり、
    前記第1構成要素および前記第2構成要素の各々が、前記インターポーザに取り付けられており、
    前記インターポーザが前記パッケージ基板に取り付けられており、
    前記補強材が前記インターポーザの側方の周囲にあり、
    前記熱管理装置が、主要部と、前記主要部から垂直に延びる支持部と、前記支持部から垂直に、かつ前記主要部から離れる方向に延びるフランジ部とを含み、
    前記主要部が前記第1構成要素および前記第2構成要素と熱的連通関係にあり
    前記フランジ部が前記補強材に取り付けられている、
    請求項8に記載のシステム。
  16. 配線基板に第1構成要素および第2構成要素を組み付けることと、
    前記第1構成要素および前記第2構成要素と熱的連通関係にある熱管理装置を固定することであって、前記熱管理装置が、前記第1構成要素によって生成された熱エネルギーのための第1熱エネルギー流路を有し、前記第2構成要素によって生成された熱エネルギーのための第2熱エネルギー流路を有し、前記第1熱エネルギー流路が、前記第2熱エネルギー流路よりも低い熱抵抗率を有する、固定することと
    を含む、異種集積モジュールを形成するための方法。
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