JP3246199B2 - マルチチップモジュール - Google Patents
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- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73253—Bump and layer connectors
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，半導体チップを高密度
に搭載するマルチチップモジュールに係り，特に各チッ
プの発熱量に応じてチップ毎に冷却能力を制御すること
ができるマルチチップモジュール用冷却装置に関する。
に搭載するマルチチップモジュールに係り，特に各チッ
プの発熱量に応じてチップ毎に冷却能力を制御すること
ができるマルチチップモジュール用冷却装置に関する。
【０００２】高速かつ大量の情報を処理する電子装置，
例えば大型電子計算機に用いられる半導体チップは，大
量の熱を発生するため水冷方式が多く採用されている。
他方，高速処理のためにはチップの高密度実装が不可欠
であり，このため布線されたモジュール基板表面にチッ
プを搭載するマルチチップモジールが高密度実装手段と
して用いられる。
例えば大型電子計算機に用いられる半導体チップは，大
量の熱を発生するため水冷方式が多く採用されている。
他方，高速処理のためにはチップの高密度実装が不可欠
であり，このため布線されたモジュール基板表面にチッ
プを搭載するマルチチップモジールが高密度実装手段と
して用いられる。
【０００３】しかし，発熱量の多いチップを高密度実装
するマルチチップモジールでは，多量の冷却水を必要
し，その結果，冷却装置が大型になるため装置全体の高
密度実装を図ることができない。
するマルチチップモジールでは，多量の冷却水を必要
し，その結果，冷却装置が大型になるため装置全体の高
密度実装を図ることができない。
【０００４】そこで，チップの発熱量に応じてチップ毎
に冷却能力を制御することができる冷却装置が要望され
ている。
に冷却能力を制御することができる冷却装置が要望され
ている。
【０００５】
【従来の技術】従来，マルチチップモジュールの冷却
は，水冷ジャケットで冷却される水冷板をヒートシンク
として用い，全ての半導体チップにそれぞれ一つの伝熱
体を接触させ，その伝熱体の熱を水冷板に放熱すること
でなされていた。
は，水冷ジャケットで冷却される水冷板をヒートシンク
として用い，全ての半導体チップにそれぞれ一つの伝熱
体を接触させ，その伝熱体の熱を水冷板に放熱すること
でなされていた。
【０００６】この方法では全てのチップが一様に冷却さ
れるため，発熱量の異なるチップが混在するモジュール
では，動作中に高温になるチップと低温になるチップと
が発生する。また，かかる発熱量は動作中に変動する一
方，冷却能力は固定されているから，最も発熱量の多い
時のチップを冷却するために必要な冷却能力を，全ての
チップについて具備する必要がある。その結果，各チッ
プで要求される最大冷却能力の合計に相当する冷却能力
が要求されるために，モジーュル全体としての最大必要
冷却能力を遙かに超える大きな冷却能力を有する装置を
設計することになる。このため，冷却装置が大きくなり
モジュールの小形化が困難になる。
れるため，発熱量の異なるチップが混在するモジュール
では，動作中に高温になるチップと低温になるチップと
が発生する。また，かかる発熱量は動作中に変動する一
方，冷却能力は固定されているから，最も発熱量の多い
時のチップを冷却するために必要な冷却能力を，全ての
チップについて具備する必要がある。その結果，各チッ
プで要求される最大冷却能力の合計に相当する冷却能力
が要求されるために，モジーュル全体としての最大必要
冷却能力を遙かに超える大きな冷却能力を有する装置を
設計することになる。このため，冷却装置が大きくなり
モジュールの小形化が困難になる。
【０００７】かかる問題は，伝熱体とチップとをサーマ
ルコンパウンドを介在させて接触する場合，熱伝導のば
らつきを生ずるために最大冷却能力を余分に見積もる必
要があり，より深刻になる。そこで，この問題を解消す
る手段として，チップ毎に個別に冷却能力を調整するこ
とができる水冷ジャケットが考案された。
ルコンパウンドを介在させて接触する場合，熱伝導のば
らつきを生ずるために最大冷却能力を余分に見積もる必
要があり，より深刻になる。そこで，この問題を解消す
る手段として，チップ毎に個別に冷却能力を調整するこ
とができる水冷ジャケットが考案された。
【０００８】図４は従来例冷却装置断面図であり，チッ
プ毎に個別に冷却能力を調整することができる水冷ジャ
ケットを装備したマルチチップモジュールの一部分を表
している。
プ毎に個別に冷却能力を調整することができる水冷ジャ
ケットを装備したマルチチップモジュールの一部分を表
している。
【０００９】図４を参照して，特開平４−１５２６５９
号公報に開示された従来例では，モジュール基板１上面
に複数のチップ２がバンプ６を介してフエイスボンデン
グされる。チップ２上面はサーマルコンパウンド４を介
在させて水冷ジャケット５の底板５ｆ下面に設けられた
水冷板５ａに接する。
号公報に開示された従来例では，モジュール基板１上面
に複数のチップ２がバンプ６を介してフエイスボンデン
グされる。チップ２上面はサーマルコンパウンド４を介
在させて水冷ジャケット５の底板５ｆ下面に設けられた
水冷板５ａに接する。
【００１０】水冷ジャケット５の内部は，仕切板５ｈに
より上下に分割され，上部は給水口５ｂから供給される
冷却水の給水路５ｅとなり，下部は排水路５ｇとなる。
チップ２直上の水冷ジャケットの底板５ｆに，底板５ｆ
を貫通し水冷板５ａ上面を表出する穴４０が設けられ，
その穴４０の底面，即ちチップ２直上の水冷板５ａ上面
に湾曲した円板状のバイメタル５ｉが置かれる。冷却水
は，給水路５ｅから穴４０に突出して設けられたノズル
５ｊを通りチップ２直上の水冷板５ａに衝突して水冷板
５ａから熱を奪った後，バイメタル５ｉとノズル５ｊと
の間隙を通過して排水路５ｇに流出する。
より上下に分割され，上部は給水口５ｂから供給される
冷却水の給水路５ｅとなり，下部は排水路５ｇとなる。
チップ２直上の水冷ジャケットの底板５ｆに，底板５ｆ
を貫通し水冷板５ａ上面を表出する穴４０が設けられ，
その穴４０の底面，即ちチップ２直上の水冷板５ａ上面
に湾曲した円板状のバイメタル５ｉが置かれる。冷却水
は，給水路５ｅから穴４０に突出して設けられたノズル
５ｊを通りチップ２直上の水冷板５ａに衝突して水冷板
５ａから熱を奪った後，バイメタル５ｉとノズル５ｊと
の間隙を通過して排水路５ｇに流出する。
【００１１】バイメタル５ｉは，チップ２温度が上昇し
たとき，反ってノズル５ｊとの間隙を広げることでノズ
ル５ｊを通過する水量を増加させ，冷却能力を大きくす
る。従って，各チップ２毎に個別に水量の自動制御がな
されるから，冷却能力もチップ２毎に個別に制御され
る。このため，冷却水量は，各チップの最大必要冷却能
力の合計について用意する必要はなく，モジュール全体
としての最大必要冷却能力に相当するもので足りから，
冷却水量は少量ですむ。
たとき，反ってノズル５ｊとの間隙を広げることでノズ
ル５ｊを通過する水量を増加させ，冷却能力を大きくす
る。従って，各チップ２毎に個別に水量の自動制御がな
されるから，冷却能力もチップ２毎に個別に制御され
る。このため，冷却水量は，各チップの最大必要冷却能
力の合計について用意する必要はなく，モジュール全体
としての最大必要冷却能力に相当するもので足りから，
冷却水量は少量ですむ。
【００１２】なお，チップ２温度を測定し，バイメタル
５ｉに代えて外部からノズル５ｊを通過する水量を制御
する方法も開示されている。しかし，この方法は，チッ
プ２及びノズル５ｊを通過する水量を制御する機構が多
くなると，温度測定用配線及び水量制御機構駆動用の配
線が多くなり，さらに温度制御回路も多数必要となる。
その結果，チップの高密度搭載が困難になり，またモジ
ュール全体の小型化も図れない。
５ｉに代えて外部からノズル５ｊを通過する水量を制御
する方法も開示されている。しかし，この方法は，チッ
プ２及びノズル５ｊを通過する水量を制御する機構が多
くなると，温度測定用配線及び水量制御機構駆動用の配
線が多くなり，さらに温度制御回路も多数必要となる。
その結果，チップの高密度搭載が困難になり，またモジ
ュール全体の小型化も図れない。
【００１３】他の従来例は，上記冷却装置の穴に設置さ
れたバイメタルとノズルとの組み合わせに代えて，コイ
ルばねを用いるもので，特開平４−２９１７５１に開示
されている。
れたバイメタルとノズルとの組み合わせに代えて，コイ
ルばねを用いるもので，特開平４−２９１７５１に開示
されている。
【００１４】図５は，他の従来例冷却装置一部断面図で
あり，その冷却水量の調整機構を表している。図５を参
照して，本例では，排水路５ｇの上下面に接するコイル
ばね４２が設けられる。このコイルばね４２の上面，即
ち仕切板５ｈとはゴム４１を挟んで接触する。水温の上
昇又はチップ温度の上昇を感知して，コイルバネ４２が
伸縮することでそのピッチが変化する。給水路５ｅから
コイルバネ４２内部に給水された冷却水は，このコイル
バネ４２の隙間を通って排水路に排出される。従って，
ピッチの変化により水量が制御される。このため，各チ
ップ２に対応してコイルバネ４２を設けることで各チッ
プ毎に発熱の時間変動に応じた冷却能力を維持すること
ができる。
あり，その冷却水量の調整機構を表している。図５を参
照して，本例では，排水路５ｇの上下面に接するコイル
ばね４２が設けられる。このコイルばね４２の上面，即
ち仕切板５ｈとはゴム４１を挟んで接触する。水温の上
昇又はチップ温度の上昇を感知して，コイルバネ４２が
伸縮することでそのピッチが変化する。給水路５ｅから
コイルバネ４２内部に給水された冷却水は，このコイル
バネ４２の隙間を通って排水路に排出される。従って，
ピッチの変化により水量が制御される。このため，各チ
ップ２に対応してコイルバネ４２を設けることで各チッ
プ毎に発熱の時間変動に応じた冷却能力を維持すること
ができる。
【００１５】しかし，上述した従来例は，水量の調整に
複雑な機構を用いるため十分な小形化を図ることが困難
であり，また信頼性に問題が残る。さらに，水冷による
調整ではチップとの温度差が小さいため，急速な変動に
対処することが難しい。
複雑な機構を用いるため十分な小形化を図ることが困難
であり，また信頼性に問題が残る。さらに，水冷による
調整ではチップとの温度差が小さいため，急速な変動に
対処することが難しい。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】上述したように，従来
のマルチチップモジュールの冷却装置では，各チップの
最大発熱量の合計に相当する冷却能力を必要とするた
め，装置の小形化が困難である。
のマルチチップモジュールの冷却装置では，各チップの
最大発熱量の合計に相当する冷却能力を必要とするた
め，装置の小形化が困難である。
【００１７】また，機構的に水量を制御してチップ毎に
格別に冷却能力を変化させる冷却装置を備えたマルチチ
ップモジュールでは，小形化が難しくまた信頼性に劣る
という欠点があり，さらに発熱量の急激な変動に対処す
ることが難しい。
格別に冷却能力を変化させる冷却装置を備えたマルチチ
ップモジュールでは，小形化が難しくまた信頼性に劣る
という欠点があり，さらに発熱量の急激な変動に対処す
ることが難しい。
【００１８】本発明は，水冷ジャケットとチップとの間
にペルチェ素子を設けて伝熱効果を制御することで，小
形かつ信頼性に優れ，さらにチップの急激な発熱量の変
動に追随して各チップ毎に個別に冷却能力を調整する冷
却装置を具備するマルチチップモジュールを提供するこ
とを目的とする。
にペルチェ素子を設けて伝熱効果を制御することで，小
形かつ信頼性に優れ，さらにチップの急激な発熱量の変
動に追随して各チップ毎に個別に冷却能力を調整する冷
却装置を具備するマルチチップモジュールを提供するこ
とを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】図１は本発明の第一実施
例断面図，図２は本発明の第二実施例断面図及び図３は
本発明の第三実施例断面図であり，それぞれ第一，第二
及び第三の実施例に係るマルチチップモジュールを表し
ている。
例断面図，図２は本発明の第二実施例断面図及び図３は
本発明の第三実施例断面図であり，それぞれ第一，第二
及び第三の実施例に係るマルチチップモジュールを表し
ている。
【００２０】上記課題を解決するための本発明の第一の
構成は，図１を参照して，モジュール基板１上に搭載さ
れた複数の半導体チップ２と，該チップ２に対向して設
けられた水冷ジャケット５の冷却面を構成する水冷板５
ａと，該チップ２から発生する熱を該水冷板５ａに伝熱
して該チップ２を冷却するために該チップ２上に設けら
れた伝熱部３とを備えたマルチチップモジュールにおい
て，該伝熱部３に設けられたペルチェ素子３ｂと，該チ
ップ２内に設けられた温度検知回路及び電力制御回路と
を有し，該電力制御回路は，該モジュール基板１を通し
て該チップ２に給電されたペルチェ素子３ｂの駆動電流
を，該温度検知回路の出力に基づき制御して該チップ２
を冷却する該伝熱部３に設けられた該ペルチェ素子３ｂ
へ出力することを特徴として構成し，及び第二の構成
は，図２を参照して，第一の構成のマルチチップモジュ
ールにおいて，該水冷板５ａは，該ペルチェ素子３ｂの
発熱部に設けられる各該ペルチェ素子３ｂに共通の熱板
３ｃを構成することを特徴として構成し，第三の構成
は，図３を参照して，モジュール基板１上に搭載された
複数の半導体チップ２と，該チップ２に対向して設けら
れた水冷ジャケット５の冷却面を構成する水冷板５ａ
と，該チップ２から発生する熱を該水冷ジャケット５に
伝熱するために該チップ２上に設けられた複数の伝熱部
３とを備えたマルチチップモジュールにおいて，該伝熱
部３は，ペルチェ素子３ｂと，該ペルチェ素子３ｂの吸
熱部に設けられた冷却板３ａと，該ペルチェ素子３ｂの
発熱部に設けられた熱板３ｃとを有し，該冷却板３ａ
は，該チップ２方向に突出して該チップ２を冷却する島
状突起３ａ−１を備えた該水冷板５ａを構成し，該ペル
チェ素子３ｂ及び該熱板３ｃは，該水冷ジャケット５内
部に表出する該水冷板５ａ上に各該島状突起３−１毎に
配設されて水冷されることを特徴として構成する。
構成は，図１を参照して，モジュール基板１上に搭載さ
れた複数の半導体チップ２と，該チップ２に対向して設
けられた水冷ジャケット５の冷却面を構成する水冷板５
ａと，該チップ２から発生する熱を該水冷板５ａに伝熱
して該チップ２を冷却するために該チップ２上に設けら
れた伝熱部３とを備えたマルチチップモジュールにおい
て，該伝熱部３に設けられたペルチェ素子３ｂと，該チ
ップ２内に設けられた温度検知回路及び電力制御回路と
を有し，該電力制御回路は，該モジュール基板１を通し
て該チップ２に給電されたペルチェ素子３ｂの駆動電流
を，該温度検知回路の出力に基づき制御して該チップ２
を冷却する該伝熱部３に設けられた該ペルチェ素子３ｂ
へ出力することを特徴として構成し，及び第二の構成
は，図２を参照して，第一の構成のマルチチップモジュ
ールにおいて，該水冷板５ａは，該ペルチェ素子３ｂの
発熱部に設けられる各該ペルチェ素子３ｂに共通の熱板
３ｃを構成することを特徴として構成し，第三の構成
は，図３を参照して，モジュール基板１上に搭載された
複数の半導体チップ２と，該チップ２に対向して設けら
れた水冷ジャケット５の冷却面を構成する水冷板５ａ
と，該チップ２から発生する熱を該水冷ジャケット５に
伝熱するために該チップ２上に設けられた複数の伝熱部
３とを備えたマルチチップモジュールにおいて，該伝熱
部３は，ペルチェ素子３ｂと，該ペルチェ素子３ｂの吸
熱部に設けられた冷却板３ａと，該ペルチェ素子３ｂの
発熱部に設けられた熱板３ｃとを有し，該冷却板３ａ
は，該チップ２方向に突出して該チップ２を冷却する島
状突起３ａ−１を備えた該水冷板５ａを構成し，該ペル
チェ素子３ｂ及び該熱板３ｃは，該水冷ジャケット５内
部に表出する該水冷板５ａ上に各該島状突起３−１毎に
配設されて水冷されることを特徴として構成する。
【００２１】
【作用】本発明の第一の構成では，図１を参照して，チ
ップ２から発生する熱を伝熱部３を通して冷却板５ａに
放熱するマルチチップモジュールにおいて，その伝熱部
３にペルチェ素子３ｂが組み込まれる。このペルチェ素
子３ｂは，吸熱部をチップ２に対向させ，発熱部を冷却
板５ａに対向させて設けられており，伝熱部３の両端，
即ち吸熱部と発熱部との間の温度差を大きくし，かつそ
の温度差を駆動電流により制御するために用いられる。
この伝熱部３は，単に熱伝導によるものに比してチップ
２に対する冷却能力が大きいため，冷却能力の制御をす
る際の冷却能力の変化が速い。
ップ２から発生する熱を伝熱部３を通して冷却板５ａに
放熱するマルチチップモジュールにおいて，その伝熱部
３にペルチェ素子３ｂが組み込まれる。このペルチェ素
子３ｂは，吸熱部をチップ２に対向させ，発熱部を冷却
板５ａに対向させて設けられており，伝熱部３の両端，
即ち吸熱部と発熱部との間の温度差を大きくし，かつそ
の温度差を駆動電流により制御するために用いられる。
この伝熱部３は，単に熱伝導によるものに比してチップ
２に対する冷却能力が大きいため，冷却能力の制御をす
る際の冷却能力の変化が速い。
【００２２】本構成では，ペルチェ素子３ｂの駆動電流
をチップ２を通して供給する。即ち，チップ２は，本来
の機能を有する回路，例えば論理回路等の他に，チップ
２温度の検知回路と，その出力を制御信号とする電力制
御回路とを備える。ペルチェ素子３ｂの駆動電流は，モ
ジュール基板１からチップ３内の電力制御回路に給電さ
れ，チップ２温度に応じた電流としてペルチェ素子３ｂ
に出力される。
をチップ２を通して供給する。即ち，チップ２は，本来
の機能を有する回路，例えば論理回路等の他に，チップ
２温度の検知回路と，その出力を制御信号とする電力制
御回路とを備える。ペルチェ素子３ｂの駆動電流は，モ
ジュール基板１からチップ３内の電力制御回路に給電さ
れ，チップ２温度に応じた電流としてペルチェ素子３ｂ
に出力される。
【００２３】かかるチップ２に温度検知回路を設ける構
成では，チップ２温度の変動を迅速に検知できるから，
ペルチェ素子３ｂの制御の応答速度を速くすることがで
きる。上述したようにペルチェ素子３ｂの駆動電流に対
する伝熱部３の冷却能力の応答は速いから，本構成によ
り，チップ２の温度変化に即応した冷却能力の制御がな
される。
成では，チップ２温度の変動を迅速に検知できるから，
ペルチェ素子３ｂの制御の応答速度を速くすることがで
きる。上述したようにペルチェ素子３ｂの駆動電流に対
する伝熱部３の冷却能力の応答は速いから，本構成によ
り，チップ２の温度変化に即応した冷却能力の制御がな
される。
【００２４】また，チップ２にペルチェ素子３ｂの駆動
電流を制御する電力制御回路が設けれているから，各チ
ップ２に駆動電流を給電する配線７以外に，温度制御の
ために特別の配線及び装置を必要としない。従って，多
数の伝熱部３を用いて，多数のチップ２の冷却を個別・
独立に制御するマルチチップモジュールに本発明を適用
しても，モジュールの複雑化を招来することはなく，モ
ジュールを小型にできる。
電流を制御する電力制御回路が設けれているから，各チ
ップ２に駆動電流を給電する配線７以外に，温度制御の
ために特別の配線及び装置を必要としない。従って，多
数の伝熱部３を用いて，多数のチップ２の冷却を個別・
独立に制御するマルチチップモジュールに本発明を適用
しても，モジュールの複雑化を招来することはなく，モ
ジュールを小型にできる。
【００２５】なお，本構成において，一つのチップ２に
一つの伝熱部３を対応させる他，複数のチップに一つの
伝熱部を対応させる，又は一つのチップに複数の伝熱部
を対応させることもできる。このとき，一つの伝熱部に
対応するチップのうちの一つにのみ温度検知回路又は電
力制御回路を設けてもよく，全体のチップ面積をチップ
本来の目的に有効に活用できる。
一つの伝熱部３を対応させる他，複数のチップに一つの
伝熱部を対応させる，又は一つのチップに複数の伝熱部
を対応させることもできる。このとき，一つの伝熱部に
対応するチップのうちの一つにのみ温度検知回路又は電
力制御回路を設けてもよく，全体のチップ面積をチップ
本来の目的に有効に活用できる。
【００２６】さらに，本構成の温度検知回路を，チップ
上の回路動作を監視して，発熱を予め検出する回路とす
ることもできる。例えば，インヒビット端子の入力を監
視して，又はチップの回路が受信する若しくは発生する
特定の命令を検出して，発熱前に必要な冷却能力を予測
して制御することもできる。この方法では，より発熱量
に適応した冷却能力の制御をすることができる。
上の回路動作を監視して，発熱を予め検出する回路とす
ることもできる。例えば，インヒビット端子の入力を監
視して，又はチップの回路が受信する若しくは発生する
特定の命令を検出して，発熱前に必要な冷却能力を予測
して制御することもできる。この方法では，より発熱量
に適応した冷却能力の制御をすることができる。
【００２７】本発明の第二の構成では，図２を参照し
て，チップ２から発生する熱を，ペルチェ素子３ｂを組
み込んだ伝熱部３を通して冷却板５ａに放熱するマルチ
チップモジュールにおいて，冷却板５ａを，ペルチェ素
子３ｂの発熱部に設けられる熱板３ｃとして兼用する。
即ち，冷却板５ａを熱板３ｃと同じ材料で製作する。さ
らに，この熱板３ｃを兼ねた冷却板５ａは，複数のペル
チェ素子３ｂの共通の熱板３ｃとして作用する。即ち，
ペルチェ素子３ｂの共通の電極となり，また共通のヒー
トシンクとして作用する。かかる作用を有する冷却装置
は，例えば，熱板３ｃの材料で製作された厚い板を冷却
板５ａとすることで製造することができる。
て，チップ２から発生する熱を，ペルチェ素子３ｂを組
み込んだ伝熱部３を通して冷却板５ａに放熱するマルチ
チップモジュールにおいて，冷却板５ａを，ペルチェ素
子３ｂの発熱部に設けられる熱板３ｃとして兼用する。
即ち，冷却板５ａを熱板３ｃと同じ材料で製作する。さ
らに，この熱板３ｃを兼ねた冷却板５ａは，複数のペル
チェ素子３ｂの共通の熱板３ｃとして作用する。即ち，
ペルチェ素子３ｂの共通の電極となり，また共通のヒー
トシンクとして作用する。かかる作用を有する冷却装置
は，例えば，熱板３ｃの材料で製作された厚い板を冷却
板５ａとすることで製造することができる。
【００２８】本発明に係る装置のようにペルチェ素子３
ｂを用いてチップ２の熱を冷却水に放散する装置では，
チップ２の発熱が大きいため冷却能力を強くした伝熱部
３の熱板３ｃが高温になる。逆に発熱の小さなチップ２
を冷却する伝熱部３の熱板３ｃは低温になる。その結
果，大きな冷却能力が必要な伝熱部３の冷却効率が低下
する。本発明の第二の構成では，熱板３ｃは共通のヒー
トシンクとなるから，熱板３ｃの一部に多量の熱が放出
されても熱板３ｃ全面に拡散して，冷却能力が大きな伝
熱部３の熱板３ｃが局所的に高温部を形成することを緩
和する。このため，発熱量の大きなチップ２を冷却する
ペルチェ素子３ｂについても，冷却効率の低下を防止す
ることができる。従って，高い冷却効率を保持できるか
ら，モジュールは小型になる。
ｂを用いてチップ２の熱を冷却水に放散する装置では，
チップ２の発熱が大きいため冷却能力を強くした伝熱部
３の熱板３ｃが高温になる。逆に発熱の小さなチップ２
を冷却する伝熱部３の熱板３ｃは低温になる。その結
果，大きな冷却能力が必要な伝熱部３の冷却効率が低下
する。本発明の第二の構成では，熱板３ｃは共通のヒー
トシンクとなるから，熱板３ｃの一部に多量の熱が放出
されても熱板３ｃ全面に拡散して，冷却能力が大きな伝
熱部３の熱板３ｃが局所的に高温部を形成することを緩
和する。このため，発熱量の大きなチップ２を冷却する
ペルチェ素子３ｂについても，冷却効率の低下を防止す
ることができる。従って，高い冷却効率を保持できるか
ら，モジュールは小型になる。
【００２９】さらに，本構成では，冷却板５ａと熱板３
ｃとは兼用され，別個に製作する必要がないから製造が
容易である。また構造も簡単になるから信頼性に優れ
る。なお，本構成に於けるチップを，第一実施例に係る
チップで構成することもでき，これによりさらに第一の
構成の効果を同時に奏することができる。
ｃとは兼用され，別個に製作する必要がないから製造が
容易である。また構造も簡単になるから信頼性に優れ
る。なお，本構成に於けるチップを，第一実施例に係る
チップで構成することもでき，これによりさらに第一の
構成の効果を同時に奏することができる。
【００３０】本発明の第三の構成は，図３を参照して，
チップ２から発生する熱を，ペルチェ素子３ｂを組み込
んだ伝熱部３を通して水冷ジャケット５に放熱するマル
チチップモジュールにおいて，水冷板５ａを，ペルチェ
素子３ｂの吸熱部に設けられる冷却板３ａとして兼用す
る。この冷却板３ａは，その下面（チップ２に対向する
面をいう。）にペルチェ素子３ｂの冷却板３ａとして作
用する複数の島状突起３ａ−１を有する。この島状突起
３ａ−１間は薄い薄板部３ａ−２に形成され，島状突起
３ａ−１は薄板部３ａ−２により相互に断熱される。
チップ２から発生する熱を，ペルチェ素子３ｂを組み込
んだ伝熱部３を通して水冷ジャケット５に放熱するマル
チチップモジュールにおいて，水冷板５ａを，ペルチェ
素子３ｂの吸熱部に設けられる冷却板３ａとして兼用す
る。この冷却板３ａは，その下面（チップ２に対向する
面をいう。）にペルチェ素子３ｂの冷却板３ａとして作
用する複数の島状突起３ａ−１を有する。この島状突起
３ａ−１間は薄い薄板部３ａ−２に形成され，島状突起
３ａ−１は薄板部３ａ−２により相互に断熱される。
【００３１】ペルチェ素子３ｂ及び熱板３ｃは，島状突
起３ａ−１直上の冷却板３ａ上面に島状突起３ａ−１毎
に設けられ，島状突起３ａ−１と一体となり伝熱部３を
構成する。本構成では，熱板３ｃを水冷ジャケット５の
内部に設けるから，冷却効果が優れる。また，各伝熱部
３は断熱されているから，高密度に実装しても熱的な干
渉は少なく，温度制御を安定にすることができる。従っ
て，マルチチップモジュール及び冷却装置を容易に小型
にすることができる。
起３ａ−１直上の冷却板３ａ上面に島状突起３ａ−１毎
に設けられ，島状突起３ａ−１と一体となり伝熱部３を
構成する。本構成では，熱板３ｃを水冷ジャケット５の
内部に設けるから，冷却効果が優れる。また，各伝熱部
３は断熱されているから，高密度に実装しても熱的な干
渉は少なく，温度制御を安定にすることができる。従っ
て，マルチチップモジュール及び冷却装置を容易に小型
にすることができる。
【００３２】
【実施例】以下，本発明を実施例を参照して説明する。
図１を参照して，チップ２として集積回路等の半導体チ
ップを，フエースポンデングによりモジュール基板１上
面に搭載した。モジュール基板１は，表面に多層配線７
が形成されたシリコン基板を用いた。配線７は，チップ
２とはバンプ６を通して，外部とはピン８を通して電気
的に接続される。
図１を参照して，チップ２として集積回路等の半導体チ
ップを，フエースポンデングによりモジュール基板１上
面に搭載した。モジュール基板１は，表面に多層配線７
が形成されたシリコン基板を用いた。配線７は，チップ
２とはバンプ６を通して，外部とはピン８を通して電気
的に接続される。
【００３３】チップ２を搭載したモジュール基板１は，
上部に水冷ジャケット５が設けられ，側面を側板５ｋで
囲まれ，底面が開口する冷却装置容器の底面に，チップ
２搭載面を上面にして冷却装置容器の側板５ｋの下端で
固定され取り付けられる。
上部に水冷ジャケット５が設けられ，側面を側板５ｋで
囲まれ，底面が開口する冷却装置容器の底面に，チップ
２搭載面を上面にして冷却装置容器の側板５ｋの下端で
固定され取り付けられる。
【００３４】水冷ジャケット５の下面は，熱伝導度の高
い金属の水冷板５ａから構成される。この水冷板５ａ
は，水冷ジャケット５内の流水路５ｃを給水口５ｂから
排水口５ｄへ向かって流れる冷却水により冷却される。
い金属の水冷板５ａから構成される。この水冷板５ａ
は，水冷ジャケット５内の流水路５ｃを給水口５ｂから
排水口５ｄへ向かって流れる冷却水により冷却される。
【００３５】伝熱部３は，ペルチェ素子３ｂのの吸熱面
及び発熱面に，それぞれ熱伝導度の高い物質からなる冷
却板３ａ及び熱板３ｃを密着して設けられる。この伝熱
部３は，冷却板３ａをチップ上面に密着し，熱板３ｃを
サーマルコンパウンド４を挟んで冷却板５ａに対向する
ように設けられる。チップ２から発生した熱は，伝熱部
３の冷却板５ａに伝熱され，ペルチェ素子３ｂにより熱
板３ｃに移動された後，サーマルコンパウンド４を通り
水冷板５ａに吸収される。
及び発熱面に，それぞれ熱伝導度の高い物質からなる冷
却板３ａ及び熱板３ｃを密着して設けられる。この伝熱
部３は，冷却板３ａをチップ上面に密着し，熱板３ｃを
サーマルコンパウンド４を挟んで冷却板５ａに対向する
ように設けられる。チップ２から発生した熱は，伝熱部
３の冷却板５ａに伝熱され，ペルチェ素子３ｂにより熱
板３ｃに移動された後，サーマルコンパウンド４を通り
水冷板５ａに吸収される。
【００３６】ペルチェ素子３ｂの駆動電源は，マルチチ
ップモジュールの外部の電源９から，モジュール基板１
のピン８に印加され，モジュール基板１の配線７を通し
てチップ２の電力制御回路に給電される。チップ２に
は，チップ２の温度検知回路とその出力を制御信号入力
とする電力制御回路が形成されている。これらの回路は
温度制御で通常用いられるものでよい。
ップモジュールの外部の電源９から，モジュール基板１
のピン８に印加され，モジュール基板１の配線７を通し
てチップ２の電力制御回路に給電される。チップ２に
は，チップ２の温度検知回路とその出力を制御信号入力
とする電力制御回路が形成されている。これらの回路は
温度制御で通常用いられるものでよい。
【００３７】チップ２に形成された電力制御回路の出力
は，例えばチップ２のパッケージに出力され，導電性の
冷却板３ａを通りペルチェ素子３ｂに給電された後，導
電性の熱板３ｃ及びサーマルコンパウンド４を通り水冷
板に流れ，水冷ジャケット５と一体に成形された冷却機
容器側板５ｋから電源９に還流する。
は，例えばチップ２のパッケージに出力され，導電性の
冷却板３ａを通りペルチェ素子３ｂに給電された後，導
電性の熱板３ｃ及びサーマルコンパウンド４を通り水冷
板に流れ，水冷ジャケット５と一体に成形された冷却機
容器側板５ｋから電源９に還流する。
【００３８】勿論，上記の電力制御回路の出力を，モジ
ュール基板のピン，その他の位置に出力し，特別に設け
た配線によりペルチェ素子を駆動することもできる。こ
の方法では冷却板，熱板，水冷板及び側板を絶縁性材料
で製作できるから設計の自由度が大きい。
ュール基板のピン，その他の位置に出力し，特別に設け
た配線によりペルチェ素子を駆動することもできる。こ
の方法では冷却板，熱板，水冷板及び側板を絶縁性材料
で製作できるから設計の自由度が大きい。
【００３９】本発明の第二実施例では，第一実施例にお
ける熱板３ｃは水冷板５ｃと兼用される。図２を参照し
て，水冷板５ａは熱板３ｃの材料により水冷ジャケット
５と一体に形成される。ペルチェ素子３ｂは，発熱面を
直接熱板３ｃ，即ち水冷板５ａに密着して設けられる。
一方，クリアランスをとるために，チップ２と冷却板３
ａとの間をサーマルコンパウンド４で接続する。本実施
例では，ペルチェ素子３ｂの駆動は第一実施例と同様に
なされる。本実施例では，熱板３ｃ中を熱が拡散するた
め，熱板３ｃは熱容量の大きいヒートシンクとして作用
するから，ペルチェ素子３ｂの冷却効率がよい。また，
熱板３ｃと水冷ジャケット５とを一体にできるから，構
造が単純になり，信頼性に優れかつ製作が容易である。
ける熱板３ｃは水冷板５ｃと兼用される。図２を参照し
て，水冷板５ａは熱板３ｃの材料により水冷ジャケット
５と一体に形成される。ペルチェ素子３ｂは，発熱面を
直接熱板３ｃ，即ち水冷板５ａに密着して設けられる。
一方，クリアランスをとるために，チップ２と冷却板３
ａとの間をサーマルコンパウンド４で接続する。本実施
例では，ペルチェ素子３ｂの駆動は第一実施例と同様に
なされる。本実施例では，熱板３ｃ中を熱が拡散するた
め，熱板３ｃは熱容量の大きいヒートシンクとして作用
するから，ペルチェ素子３ｂの冷却効率がよい。また，
熱板３ｃと水冷ジャケット５とを一体にできるから，構
造が単純になり，信頼性に優れかつ製作が容易である。
【００４０】第二の実施例において，伝熱部３を構成す
る熱板３ｃ又は冷却板３ａの一方又は双方をペルチェ素
子の素材で構成することもできる。例えば熱板３ｃをＳ
ｂ2Ｔｅ3 ，冷却板３ａをＢｉ2 Ｔｅ2 で構成する。こ
れにより，ペルチェ素子３ｂ自体を冷却装置の一部とし
て一体に形成することができるから製造が容易になる。
なお，かかる熱板３ｃ又は冷却板３ａをペルチェ素子３
ｂの素材で構成することは，第一の構成及び第三の構成
においても同様になすことができ，同様の効果を奏す
る。
る熱板３ｃ又は冷却板３ａの一方又は双方をペルチェ素
子の素材で構成することもできる。例えば熱板３ｃをＳ
ｂ2Ｔｅ3 ，冷却板３ａをＢｉ2 Ｔｅ2 で構成する。こ
れにより，ペルチェ素子３ｂ自体を冷却装置の一部とし
て一体に形成することができるから製造が容易になる。
なお，かかる熱板３ｃ又は冷却板３ａをペルチェ素子３
ｂの素材で構成することは，第一の構成及び第三の構成
においても同様になすことができ，同様の効果を奏す
る。
【００４１】本発明の第三実施例を，図３を参照して，
説明する。チップ２は，第一実施例と同様に水冷ジャケ
ット５の側板５ｋの下端に取り付けられたモジュール基
板１上面にフェースボンデングされる。水冷ジャケット
の下面に，下方に突出する島状突起３ａ−１を有し，そ
の島状突起３ａ−１間を薄い薄板部３ａ−２とする水冷
板５ａが設けられる。この島状突起３ａ−１の下面はサ
ーマルコンパウンド４を挟んでチップ２上面と対向す
る。なお，この水冷板５ａを，ペルチェ素子３ｂの吸熱
部に設ける冷却板３ａと兼用することもできる。
説明する。チップ２は，第一実施例と同様に水冷ジャケ
ット５の側板５ｋの下端に取り付けられたモジュール基
板１上面にフェースボンデングされる。水冷ジャケット
の下面に，下方に突出する島状突起３ａ−１を有し，そ
の島状突起３ａ−１間を薄い薄板部３ａ−２とする水冷
板５ａが設けられる。この島状突起３ａ−１の下面はサ
ーマルコンパウンド４を挟んでチップ２上面と対向す
る。なお，この水冷板５ａを，ペルチェ素子３ｂの吸熱
部に設ける冷却板３ａと兼用することもできる。
【００４２】島状突起の直上に位置して，水冷板５ａの
上面，即ち水冷ジャケット５の内部底面上に，ペルチェ
素子３ｂ及び熱板３ｃが設けられる。チップ２の熱は，
各チップ２に対向する島状突起３ａ−１に伝熱してその
島状突起３ａ−１の温度を上げるが，隣接する島状突起
３ａ−１には拡散しない。この熱は，各島状突起３ａ−
１毎に設けられたペルチェ素子３ｂにより，熱板３ｃに
移され，冷却水中に拡散される。従って，各チップ２毎
にペルチェ素子３ｂによる冷却がなされる。ペルチェ素
子３ｂの駆動と制御は第一実施例と同様になされるが，
ペルチェ素子３ｂの発熱部からの配線は，水冷チャンバ
５内に別個に設けられる。
上面，即ち水冷ジャケット５の内部底面上に，ペルチェ
素子３ｂ及び熱板３ｃが設けられる。チップ２の熱は，
各チップ２に対向する島状突起３ａ−１に伝熱してその
島状突起３ａ−１の温度を上げるが，隣接する島状突起
３ａ−１には拡散しない。この熱は，各島状突起３ａ−
１毎に設けられたペルチェ素子３ｂにより，熱板３ｃに
移され，冷却水中に拡散される。従って，各チップ２毎
にペルチェ素子３ｂによる冷却がなされる。ペルチェ素
子３ｂの駆動と制御は第一実施例と同様になされるが，
ペルチェ素子３ｂの発熱部からの配線は，水冷チャンバ
５内に別個に設けられる。
【００４３】本実施例では，構造を単純化できる他，直
接ペルチェ素子を水冷することから冷却効率が優れる。
接ペルチェ素子を水冷することから冷却効率が優れる。
【００４４】
【発明の効果】上述したように本発明によれば，半導体
チップの内部に温度検知回路と冷却制御回路を具備する
ことにより，応答速度の速い温度制御をなす冷却装置を
具備したマルチチップモジュールが提供でき，また多数
のチップを搭載するマルチチップモジュールを小型かつ
単純にすることができる。
チップの内部に温度検知回路と冷却制御回路を具備する
ことにより，応答速度の速い温度制御をなす冷却装置を
具備したマルチチップモジュールが提供でき，また多数
のチップを搭載するマルチチップモジュールを小型かつ
単純にすることができる。
【００４５】さらに，ペルチェ素子の一部を水冷ジャケ
ットと一体に形成した単純な構造とすることで，ペルチ
ェ素子を高密度実装した小型のマルチチップモジュール
を提供することができる。
ットと一体に形成した単純な構造とすることで，ペルチ
ェ素子を高密度実装した小型のマルチチップモジュール
を提供することができる。
【００４６】さらにまた，ペルチェ素子の熱板を水冷ジ
ャケットと一体に形成することで，冷却効率の高いペル
チェ素子の高密度実装を実現できるから，マルチチップ
モジュールを小型化することができる。
ャケットと一体に形成することで，冷却効率の高いペル
チェ素子の高密度実装を実現できるから，マルチチップ
モジュールを小型化することができる。
【００４７】従って，本発明は，チップの高密度実装を
可能とするから，電子機器の性能向上に寄与するところ
が大きい。
可能とするから，電子機器の性能向上に寄与するところ
が大きい。
【図１】 本発明の第一実施例断面図
【図２】 本発明の第二実施例断面図
【図３】 本発明の第三実施例断面図
【図４】 従来例冷却装置断面図
【図５】 従来例冷却装置一部断面図
１ モジュール基板 ２ チップ ３ 伝熱部 ３ａ 冷却板 ３ａ−２ 薄板部 ３ａ−１ 島状突起 ３ｂ ペルチェ素子 ３ｃ 熱板 ４ サーマルコンパウンド ５ 水冷ジャケット ５ａ 水冷板 ５ｂ 給水口 ５ｃ 流水路 ５ｄ 排水口 ５ｅ 給水路 ５ｆ 底板 ５ｇ 排水路 ５ｈ 仕切板 ５ｉ バイメタル ５ｊ ノズル ５ｋ 側板 ６ バンプ ７ 配線 ８ ピン ９ 電源 ４１ ゴム ４２ コイルばね
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−167870（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−343750（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/34
Claims (3)
- 【請求項１】 モジュール基板上に搭載された複数の半
導体チップと，該チップに対向して設けられた水冷ジャ
ケットの冷却面を構成する水冷板と，該チップから発生
する熱を該水冷板に伝熱して該チップを冷却するために
該チップ上に設けられた伝熱部とを備えたマルチチップ
モジュールにおいて，該伝熱部に設けられたペルチェ素子と， 該チップ内に設けられた温度検知回路及び電力制御回路
とを有し， 該電力制御回路は，該モジュール基板を通して該チップ
に給電されたペルチェ素子の駆動電流を，該温度検知回
路の出力に基づき制御して該チップを冷却する該伝熱部
に設けられた該ペルチェ素子へ出力することを特徴とす
るマルチチップモジュール。 - 【請求項２】 請求項１記載のマルチチップモジュール
において， 該水冷板は，該ペルチェ素子の発熱部に設けられる各該
ペルチェ素子に共通の熱板を構成することを特徴とする
マルチチップモジュール。 - 【請求項３】 モジュール基板上に搭載された複数の半
導体チップと，該チップに対向して設けられた水冷ジャ
ケットの冷却面を構成する水冷板と，該チップから発生
する熱を該水冷ジャケットに伝熱するために該チップ上
に設けられた複数の伝熱部とを備えたマルチチップモジ
ュールにおいて， 該伝熱部は，ペルチェ素子と，該ペルチェ素子の吸熱部
に設けられた冷却板と，該ペルチェ素子の発熱部に設け
られた熱板とを有し， 該冷却板は，該チップ方向に突出して該チップを冷却す
る島状突起を備えた該水冷板を構成し， 該ペルチェ素子及び該熱板は，該水冷ジャケット内部に
表出する該水冷板上に各該島状突起毎に配設されて水冷
されることを特徴とするマルチチップモジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16507394A JP3246199B2 (ja) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | マルチチップモジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16507394A JP3246199B2 (ja) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | マルチチップモジュール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0831994A JPH0831994A (ja) | 1996-02-02 |
| JP3246199B2 true JP3246199B2 (ja) | 2002-01-15 |
Family
ID=15805362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16507394A Expired - Lifetime JP3246199B2 (ja) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | マルチチップモジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3246199B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11422597B2 (en) | 2021-01-06 | 2022-08-23 | International Business Machines Corporation | Predetermining separate thermal control points for chips of a multi-chip module |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6906751B1 (en) | 1998-07-22 | 2005-06-14 | Minolta Co., Ltd. | Digital camera and control method thereof |
| US6586835B1 (en) * | 1998-08-31 | 2003-07-01 | Micron Technology, Inc. | Compact system module with built-in thermoelectric cooling |
| KR101291268B1 (ko) * | 2011-12-12 | 2013-08-21 | 주식회사 씨엔제이 | 히트싱크 조립체 |
| US10101756B2 (en) * | 2014-07-29 | 2018-10-16 | Qualcomm Incorporated | Systems and methods for reducing leakage power of a system on chip with integrated thermoelectric cooling |
| JP7354709B2 (ja) * | 2019-09-13 | 2023-10-03 | 大日本印刷株式会社 | 熱交換器 |
| US11930625B2 (en) * | 2021-03-26 | 2024-03-12 | Baidu Usa Llc | Thermal management system and method for power optimization for cooling an electronic rack |
-
1994
- 1994-07-18 JP JP16507394A patent/JP3246199B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11422597B2 (en) | 2021-01-06 | 2022-08-23 | International Business Machines Corporation | Predetermining separate thermal control points for chips of a multi-chip module |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0831994A (ja) | 1996-02-02 |
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