JP2986384B2 - 半導体チップ・モジュールを能動的に冷却する装置及び方法 - Google Patents

半導体チップ・モジュールを能動的に冷却する装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パッケージ
の冷却に関し、具体的には、一定動作温度を維持するた
めにパッケージ内の局所的な可変冷却率を提供する装置
および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】将来のコンピュータのために計画されて
いるハイ・パワーＣＭＯＳ論理チップのほとんどは、１
つまたは複数の電力管理方式の下で動作すると期待され
る。これらの方式では、オンチップ回路の一部が不要な
時に、それらの電力供給を断ったり、または処理速度が
必要ない時にクロック速度を下げたりすることができ
る。したがって、このチップの全体的な電力放散が減少
し、この減少は、数百秒程度の周期で周期的に発生し得
る。パッケージの冷却率は、全般的に一定であるから、
これは、チップの電力サイクルに対応してチップ温度が
変動し得ることを意味する。この種の温度変動は、特に
プリント回路基板の相互接続などのパッケージ材料に熱
疲労損傷を与える。
【０００３】半導体パッケージ冷却システムは、当技術
分野で周知である。温度センサによって制御される可変
速ファンが、米国特許第５１２１２９１号明細書、米国
特許第５１０２０４０号明細書、米国特許第４８１７８
６５号明細書および米国特許第４６６４５４２号明細書
ならびに、１９９０年２月付けの研究開示（ResearchDi
sclosure）ＲＤ３１０９４、１９８６年９月付けのＲＤ
２６９４７および、IBMテクニカル・ディスクロージャ
・ブルテン（以下、IBM TDBと呼称する） Vol.32 No. 1
0A（１９９０年３月）およびVol. 26 No. 4（１９８３
年９月）に開示されている。
【０００４】米国特許第５１２１２９１号明細書には、
排気ファンと吸気ファンを有し、それらの速度がシステ
ム内の温度によって制御されるシステムが開示されてい
る。米国特許第５１０２０４０号明細書には、冷却ファ
ンの制御パラメータとして、吸気温度と、吸気と排気の
温度差とを使用することが開示されている。米国特許第
４８１７８６５号明細書には、各モジュラー区画が温度
センサを有し、温度の読取り値が冷却ファンの速度制御
に使用されるモジュラー・システムの冷却方式が開示さ
れている。米国特許第４６６４５４２号明細書には、印
字ヘッドの温度を感知し、印字速度とファン速度の制御
に使用する印字ヘッドの制御回路設計が開示されてい
る。
【０００５】ＲＤ３１０９４には、システムの周囲の操
作員の存在を検出することによってファン速度を変更す
る方式が開示されている。ＲＤ２６９４７には、ファン
の速度がメモリ・チップの電流入力に従って変更され
る、メモリ・チップ冷却方式が開示されている。IBM TD
B Vol. 32 No. 10Aには、一体的に設けられた気温セン
サを含み、ファン速度が周囲の気温に合わせて調節され
るファン設計が開示されている。IBM TDB Vol. 26 No.
4には、複数の温度センサを使用するＤＣファン用の速
度制御回路が開示されている。最高の温度の読取り値を
使用して、ファン供給電圧を制御し、したがって、ファ
ン速度を制御する。
【０００６】半導体パッケージ内の局所冷却を提供する
試みも行われてきた。
【０００７】米国特許第４９３１９０４号明細書には、
ファンまたは隣接するボードへのダクトを追加すること
による、局所冷却をボードへ拡張するための方式が開示
されている。ファン速度は、それ相応に調節できる。米
国特許第４４４９１６４号明細書には、気流を案内する
ために、モジュール上のヒート・シンクの縦フィンとフ
ィンを囲むチューブを使用する冷却方式が開示されてい
る。特開平２−００７６２９９号には、キャビネットの
排気側に感熱シャッタを有する、垂直に取り付けられた
複数のＰＣＢを収納するための電子キャビネットが開示
されている。このシャッタは、ＰＣＢが挿入されていな
い場合には、通常は閉じている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】半導体チップを適切な
一定温度に維持するために、過度なオン・オフ・サイク
ルの電力管理環境で使用するための可変制御システムを
有する局所能動冷却システムが必要である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、チップの電力
消費が可変である環境で半導体チップをほぼ一定の温度
に維持するための、チップの現在温度を監視するための
手段と、チップと熱的に接触しているヒート・シンクの
上の気流を変更するための手段とを含む、パッケージ構
造を対象とする。制御手段が、チップの現在温度を監視
する手段を気流を変更する手段に接続し、チップ温度が
上昇する時に気流が増え、チップ温度が下がる時に気流
が減るようにする。本発明によれば、気流を変更する手
段に、可変速ファンまたは、代替案として、方向可変バ
ッフルと定速ファンが含まれる。チップの現在温度を監
視する手段には、チップ上またはチップ付近の温度セン
サまたは、チップへの電流供給を測定する手段と、所定
の関係に基づいて電流読取り値を温度に変換する制御回
路とを含めることができる。
【００１０】本発明のもう１つの実施例では、ヒート・
シンク上の気流の変動を制御するのに使用されるパラメ
ータが、半導体チップ・モジュールと、そのモジュール
が取り付けられるプリント回路基板の間の温度差であ
る。温度センサが、モジュールとプリント回路基板に取
り付けられ、制御手段が、温度差を監視し、差を事前に
セットされた値に維持するように気流を調節する。さら
に、別の温度センサを、チップと熱的に接触させるか実
際にチップ内に埋め込み、その結果、制御手段が、チッ
プ温度ならびにモジュールとプリント回路基板の間の温
度差に応答してヒート・シンク上の気流を調節するよう
にすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】ここで図面を参照すると、図１
は、単一チップ・モジュールの概略配置を示す図であ
る。単一チップのモジュール１２が、はんだボール１５
を使用してプリント回路基板１１にはんだ付けされる。
半導体チップ１８は、はんだボール１７によってモジュ
ール基板１６に接続される。半導体チップ１８とモジュ
ール１２の金属カバーの間には、通常は熱伝導性複合ペ
ーストである、熱インターフェース材料が置かれる。ヒ
ート・シンク１３は、モジュール１２上に取り付けられ
る。ファン１４は、ヒート・シンク１３に直接に取り付
けられる。ファンをヒート・シンクに取り付ける位置
は、変更可能であり、複数のファンを使用することがで
きる。チップとモジュール基板とプリント回路基板の間
のはんだボール１５および１７は、はんだボールに制限
されるものではなく、ワイヤ・ボンド、ＴＡＢまたはピ
ン・グリッド・アレイなどの他の相互接続手段を使用す
ることも可能である。
【００１２】単純化された速度制御ブロック図を、図２
に示す。温度センサＴＳ１は、半導体チップ１８に熱的
に取り付けられる。温度センサＴＳ１は、温度感知およ
びコントローラ回路（以下、コントローラと呼称する）
２０に結合される。このコントローラは、温度の上下に
基づいて、ファン・モータ・ドライバ２２への供給電圧
を変更する。ファン１４の回転速度は、供給電圧に従っ
て変化し、したがって、ヒート・シンク１３を横切って
移動する空気の量を変更する。半導体チップ１８の温度
が上昇する時には、コントローラ２０が、ファン・モー
タ・ドライバ２２に信号を送って、ファン供給電圧を上
げる。電圧が高まると、より多くの空気がヒート・シン
ク１３へ駆動され、冷却率が高まる。同様に、半導体チ
ップ１８の温度が下落する時には、電圧を下げる。した
がって、一定の、事前にセットされたチップの動作温度
を、チップの電力放散に無関係に維持できる。コントロ
ーラ２０は、アナログまたはディジタルのいずれかとす
ることができる。ディジタル版を使用する場合、まず温
度情報をディジタル化し、その後ディジタルに処理を行
う。
【００１３】代替実施例では、半導体チップ１８の温度
をコントローラ２０に供給するほかに、モジュール基板
１６の温度をコントローラ２０に供給するために、温度
センサＴＳ２を基板１６に取り付けることができる。さ
らに、プリント回路基板１１の温度をコントローラ２０
に供給するために、温度センサＴＳ３をプリント回路基
板１１に取り付けることができる。これらの方法では、
コントローラ２０が、複数のセンサによって感知された
温度のうちの最高の温度に応答して、ファン・モータ・
ドライバへの供給電圧を変更する。
【００１４】もう１つの代替実施例では、温度センサＴ
Ｓ２をモジュール１２に取り付け、温度感知回路が、温
度センサＴＳ２によって感知されるモジュール１２と温
度センサＴＳ３によって感知されるプリント回路基板１
１の間の温度差を監視する。コントローラ２０は、この
温度差を事前にセットされた値に維持するために、ファ
ン・モータ・ドライバ２２への供給電圧を変更する。プ
リント回路基板１１とモジュール１２の熱膨張係数が異
なる限り、温度サイクルの繰返しに起因する熱疲労は、
この温度差を事前にセットされた値に維持し、プリント
回路基板１１とモジュール１２の絶対変位が実質的に０
になるようにすることによって、非常に少なくなるか全
くなくなる。この実施例では、チップへ取り付けられた
温度センサＴＳ１は、任意選択であり、回路基板とモジ
ュール１２の間の温度差を事前にセットされた値に維持
すると同時に、チップの温度を所定の一定値に維持する
ようにファン・モータ・ドライバへの供給電圧を調節す
る、追加制御手段として設けることができる。これらの
さまざまなパラメータに基づいてファン・モータ・ドラ
イバ供給電圧を調節する制御回路は、当技術分野で周知
であり、したがって、これを開示する必要はない。
【００１５】本発明のもう１つの実施例では、上で示し
たものと同一の制御変数に基づく、各モジュールの付近
の能動気流デフレクタまたはバッフルによってチップ温
度を制御できる。図３は、デフレクタ２４がヒート・シ
ンク１３とファン２６の間に配置される単一チップ・モ
ジュールの概略断面図である。気流デフレクタの向き
は、チップ温度に基づいて特定のチップの区域の気流の
量を調節するのに使用される。デフレクタ２４は、符号
２８に示される閉位置から、符号３０に示される開位置
まで、必要に応じてさまざまな中間位置に回転される。
この実施例では、コントローラ２０が、選択されたさま
ざまな温度パラメータに基づいてデフレクタの位置を制
御するためにデフレクタ・モータ・ドライバに接続され
る。したがって、この実施例では、単一の定速ファンを
パッケージ全体の冷却に使用し、個別のデフレクタが、
各モジュールまたは各チップの局所冷却制御をもたらす
ようにすることができる。
【００１６】上で述べた実施例のどれでも、チップ温度
を直接に監視する代わりに、チップへの供給電流の監視
などの間接的な方法を制御パラメータとして使用して、
必要な冷却率を決定することができる。この実施例で
は、チップ温度と電力の間の関係を、モデリングと実験
を介してまず決定し、その後、コントローラ回路にプロ
グラムする。
【００１７】本発明は、一定のチップ温度を維持し、半
導体パッケージ、特に、電力管理のためにかなりのオン
・オフ・サイクルが使用される環境でのハイ・パワーＣ
ＭＯＳチップを使用する半導体パッケージの寿命をのば
すための手段を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の局所チップ・モジュール冷却装置を有
する半導体パッケージの概略断面図である。
【図２】本発明による、可変速ファンを制御するための
制御回路の概略ブロック図である。
【図３】本発明による、方向可変バッフルを有する半導
体パッケージの概略断面図である。
【符号の説明】
１１ プリント回路基板 １２ モジュール １３ ヒート・シンク １４ ファン １５ はんだボール １６ 基板 １７ はんだボール １８ 半導体チップ ２０ 温度感知およびコントローラ回路 ２２ ファン・モータ・ドライバ ２４ デフレクタ ２６ ファン ＴＳ１ 温度センサ ＴＳ２ 温度センサ ＴＳ３ 温度センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サンパト・プルショタマン アメリカ合衆国10598 ニューヨーク州 ヨークタウン・ハイツ ラヴオワ・コー ト 2075 (72)発明者 ヤヌシ・エス・ウィルチンスキ アメリカ合衆国10598 ニューヨーク州 ヨークタウン・ハイツ キチヤワン・ロ ード 736 (72)発明者 バフガト・ジー・サンマキア アメリカ合衆国13811 ニューヨーク州 ニューアーク・ヴァリー ベイリー・ホ ロー・ロード 218 (72)発明者 ティエン・ワイ・ウー アメリカ合衆国13760 ニューヨーク州 エンドウェル パティオ・ドライブ 113 (56)参考文献 特開 昭62−274644（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−272559（ＪＰ，Ａ) 実公 昭56−11432（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473 H05K 7/20

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プリント回路基板に固定された半導体チッ
    プ・モジュールと、該半導体チップ・ モジュールに熱的に固定されたヒート
    ・シンクと、該 ヒート・シンク上に気流を向けるための可変気流手段
    と、前記半導体チップ・ モジュールと前記プリント回路基板
    との間の温度差を監視する手段と、該 監視する手段を前記可変気流手段に接続して、前記温
    度差を事前にセットされた値に維持するための制御手段
    とを含む、半導体チップ・モジュールを能動的に冷却す
    る装置。
  2. 【請求項２】前記可変気流手段が、可変速ファンである
    ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記可変気流手段が、方向可変バッフルと
    ファンとであることを特徴とする、請求項１に記載の装
    置。
  4. 【請求項４】前記半導体チップ・モジュールと前記プリ
    ント回路基板との間の温度差を監視する手段が、前記半
    導体チップ・モジュールおよび前記プリント回路基板の
    それぞれに熱的に接触する別々の温度センサであること
    を特徴とする、請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記半導体チップ・モジュールと前記プリ
    ント回路基板との間の温度差を監視する手段が、前記プ
    リント回路基板に熱的に接触する温度センサと、前記半
    導体チップ・モジュールに取り付けられた半導体チップ
    への供給電流を感知する手段とを含むことを特徴とす
    る、請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】さらに、前記半導体チップ・モジュールに
    取り付けられた半導体チップの温度を監視する手段を含
    み、前記制御手段が、前記半導体チップの温度を一定の
    温度に維持するために前記気流を調節することを特徴と
    する、請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】半導体チップ・モジュールと該モジュール
    が取り付けられるプリント回路基板との間の温度差を検
    出するステップと、該検出された温度差に応答して、前記半導体チップ・モ
    ジュールと前記プリント回路基板との間の温度差を、事
    前にセットされた値に維持するため、前記半導体チップ
    ・ モジュールと熱的に接触するヒート・シンク上の気流
    を変更するステップとを含む、半導体チップ・モジュー
    ルを能動的に冷却する方法。
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