JP3853167B2 - Field replaceable module - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、電子構成要素の冷却に関し、より詳細には現場における交換(以下現場交換という)が可能なモジュールの温度インタフェースに関する。
【0002】
【従来の技術】
高速電子構成要素の動作により望ましくない熱が発生する。たとえば、マイクロプロセッサ、グラフィックス・プロセッサなどの高速のコンピュータ・プロセッサ要素は、効率的な動作のために除去しなければならない望ましくない熱を生成する。熱を除去すると、動作温度が下がり、動作速度が速くなり、計算能力が向上する。また信頼性および使用可能性が向上する。
【0003】
計算能力のさらに高い要求を満たすために、プロセッサの設計は進化し続け、より複雑になり、より高い速度で動作するようになってきている。設計が複雑になればなるほどトランジスタの数が多くなり、それぞれのトランジスタは、動作中に多くの熱の発生源になる。各トランジスタの動作が高速になればなるほど熱の発生が多くなる。
【0004】
従来技術においてさまざまな冷却方式が知られている。一般に、冷却方式の熱を除去する効率が高くなるほど、その方式を実現する機構は、大きく、重く、かさばるようになり、コンピュータ・システム内に配置することが困難になる。
【0005】
高速コンピュータ・システムを動作させるために必要な大量の電力は、大量の熱放散をもたらす。したがって、冷却技術が必要となる。従来技術のいくつかの冷却方式において、その方式を機械的に実現するヒートシンク(冷却板を含む)などのかさばる機構は、プロセッサ・モジュール、基板モジュールまたはシステム・モジュールなどを含むモジュールの現場交換を妨げる。さらに、モジュールとヒートシンクとの間の熱境界抵抗の問題がある。
【0006】
一般的に、熱境界抵抗は、対向する2つの面の間(すなわち、集積回路パッケージ(または、他の現場交換可能なモジュール)の蓋とヒートシンクとの間)の不完全な機械的接触によるものである。この不完全な機械的接触は、両方の面の不規則な「山と谷」の衝突によるものである。
【0007】
山がぶつかる場所だけに存在する実質的な接触量により、谷の空間が空気または真空であるため、熱の流れを阻害する。空気の熱伝導率は低い。
【0008】
不規則な表面欠陥により、単位面積あたりの熱境界抵抗は、6.45平方センチメートル・℃/ワット(1平方インチ・℃/ワット)である。代表的なプロセッサ用途では、これが約20℃ないし30℃の上昇になる。境界抵抗が面積の関数であるため、境界面積が小さいほど抵抗は高くなる。したがって、熱流束が多くなると共に半導体パッケージの占有面積が小さくなってくると、この現象は、電子回路の冷却領域においてますます重要になる。熱抵抗の式は、次の式で表すことができる。
【0009】
Rinterface=C/A
【0010】
ここで、Cは単位面積当りの境界抵抗、Aは境界の面積である。
【0011】
従来技術では、そのような不規則な表面欠陥をなくしたり衝突の熱的影響を回避したりするいくつかの異なる方式が知られている。
【0012】
1)ダイヤモンド旋削面
材料間の境界抵抗を改善する1つの方法は、結合面のでこぼこの表面を実質的に除去することである。ダイヤモンド旋削面は、一般に光学素子に使用される鏡状面を有する。境界性能はかなり高いが、きわめて高価であるためあまり一般的ではない。さらに、境界接触に高い圧力が必要である。この方法は、縦軸公差が厳密に制御される場合のみ使用される(ここで、縦軸は、集積回路パッケージ(または他の現場交換可能なモジュール)の蓋の主面と垂直であると理解されたい)。
【0013】
2)耐熱グリース
耐熱性を高めたグリースは長年にわたり一般的に用いられていた。これは、でこぼこの表面欠陥の谷にできた隙間を満たす。導電率は、金属の導電率よりもかなり低いが、空気よりかなり高い。したがって、単位面積当りの熱抵抗Cは小さくなる。この方法は、縦軸公差が厳密に制御されている場合のみ使用する。
【0014】
グリースと関連する問題は、次の通りである。
−グリースは流動し、汚れる。
−グリースは制御が難しく、実際、グリースが多すぎると、2つの面の山が接触しないことがあるため、熱抵抗を高める。このため、メーカは、グリースを使用するのを好まない。
−場合によっては、温度サイクルの結果、グリースが境界領域の外に流動することがある。この現象は、一般に、「ポンピング」として知られる。
−グリースは、経年変化し、分離して性能が低下することがある。
−接触を保証するために境界に適度な圧力が必要である。
【0015】
3)耐熱パッド
パッドの使用は、現在、最も一般的な境界改良方法である。これは、一般に、厚さ76ミクロンないし508ミクロン(3ミルないし20ミル)の耐熱性を高めたシリコーンを主成分とするパッドである。この方法は、縦軸公差が適度に制御されている場合のみ使用する。このようなパッドの人気は、取付け方法が適切に制御された製造において使用しやすいため近年高まってきた。さらに、これは、境界にあらかじめ付着させることができる。この方法の問題点は、熱抵抗がグリースの約2倍高いことである。多くの用途で、これは、不十分である。さらに、そのようなパッドは、機能させるために、70.3グラム/平方ミリメートル(100ポンド/平方インチ(100psi))を超える境界圧力を必要とする。
【0016】
4)ギャップ・パッド
これは、厚さが1.52ミリメートルないし5.08ミリメートル(1000分の60インチないし1000分の200インチ(60ミルないし200ミル))のギャップを埋める境界パッドである。これは、ギャップの公差が適切に制御されていない境界において、ある程度制限された利点を提供する。しかし、大きな問題は、抵抗が一般に標準的な耐熱パッドの10〜20倍高いことである。したがって、一般に、これは、熱流束の多い用途には適さない。最適な性能を発揮させるためには適度な境界圧力が必要である。
【0017】
5)相転移材料(PCM)
もう1つの一般的な境界材料はPCMである。最も一般的なものは、アルミニウムやスクリーンなどの薄い担体51ミクロン(2ミル)ないし127ミクロン(5ミル)上にあるパラフィンである。そのようなPCMは、51℃などの一定温度よりも高い温度で還流して境界の隙間を埋めるという原理で機能する。性能は、グリースと同等である。担体により、PCMは、製造の際に実装し易くなり、使用し易くなる。境界には適度な圧力が必要である。この方法は、縦軸公差が厳密に制御される場合のみ使用される。
【0018】
6)金属ペースト
金属ペーストは、電気的に導電性で有毒であるため商業的に使用されない。
【0019】
以上ここで検討したすべてのケースにおいて、境界問題を解決するためにある程度の圧力が必要である。それぞれのケースにおいて、熱抵抗を下げるには境界材料を最小にすることが有益である。さらに、前述の解決策のいずれも、スライド接触にはあまり適していない。
【0020】
プロセッサ・モジュール、基板モジュール、システム・モジュールのような大きいモジュールには、一体化したフィン付きヒートシンクに結合された冷却板に液体を通す液体冷却法が一般的になってきている。液体導管は、一般に、モジュール自体に結合され、そのためモジュールの現場交換を機械的に妨げる。特に、モジュールとシャーシとの間の液体結合のため、モジュールを交換する前にモジュールに結合されている液体導管を切断しなければならない。これにより、現場交換可能なモジュールの交換方法の効率が低下し、切断された導管から液体が漏れる傾向がある。さらに、これにより、「常時動作」サービスを提供する必要性のために冗長を必要とする大きいシステムまたは基幹システムで重要になってきているモジュールの「ホットスワップ」が不可能になる。「ホットスワップ」という用語は、本明細書で使用されるとき、コンピュータ・システムが動作中に、コンピュータ・システムの中断操作を行わずに現場交換可能なモジュールをコンピュータ・システムに接続したり切り離したりする能力のことを指す。換言すると、電源がオンでシステムが悪影響なしで稼働している間にモジュールを交換する能力である。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、低い熱抵抗でかつスライド可能にヒートシンクと接触するように適合され、接触を確実にするための境界圧力を必要とせず、位置ずれを許容することができる、製造、保守および交換が容易な現場交換可能なモジュールと冷却技術が必要となる。また、モジュールとシャーシとの間で液体導管を結合せず、したがって現場交換可能なモジュールを交換する際に切断を必要とせず、または交換の際の液体漏れの危険のない液体冷却方法が必要である。
【0022】
【課題解決するための手段】
本発明は、低い熱抵抗でかつスライド可能にヒートシンクと接触するように適合され、接触を保証するために境界圧力を必要とせず、位置ずれを許容することができる現場における交換(以下現場交換という)が可能なモジュールにおける、製造し易さ、保守し易さ、および交換し易さを提供する。すべての液体冷却面が、シャーシおよび/またはモジュール内に別々に組み込まれ、モジュールとシャーシとの間に液体結合がない。したがって、現場交換可能なモジュールを交換するときに液体導管の切断は不要である。さらに、代替不能な計算の際、システムが動作中にモジュールをホットスワップすることができる。
【0023】
独立型の現場交換可能なモジュールは、モジュールのプリント回路基板上の少なくとも1つの電子構成要素のまわりに封止キャビティを形成する蓋を備えている。この蓋は、封止された電子構成要素に対して独立型の噴霧冷却または伝導冷却手段を提供する。
【0024】
簡潔かつ一般的な観点において、本発明は、ヒートシンクと現場交換可能なモジュールとの相互嵌合構造を含む。ヒートシンクは、ヒートシンクの水平な主面に対して縦方向に延びる指状部材(digit member)を有する主面を含む。現場交換可能なモジュールは、モジュールからヒートシンクに熱を移すために、モジュールの水平な主面に対して縦方向に延び、ヒートシンクの指状部材と相互嵌合接触して配置された指状部材を有する。
【0025】
現場交換可能なモジュールの指状部材は、特に、現場交換可能なモジュールの保守し易さと交換し易さを提供するために、ヒートシンクの指状部材とスライド接触するように適合され配置される。たとえば、本発明によれば、第1の現場交換可能なモジュールをスライドさせてヒートシンクとの相互嵌合接触から外し、次に第2の現場交換可能なモジュールをスライドさせてヒートシンクと相互嵌合接触させることによって、第2の現場交換可能なモジュールを第1の現場交換可能なモジュールと交換することができる。本明細書で詳細に説明するように、相互嵌合接触は、ヒートシンクと現場交換可能なモジュールの指状部材の実質的な縦方向の位置ずれを許容しながら約0.065平方センチメートル・℃/ワット(約100分の1平方インチ・℃/ワット)ないし約1.3平方センチメートル・℃/ワット(約10分の2平方インチ・℃/ワット)の範囲の実質的に低い熱抵抗を有する。さらに、低い熱抵抗は、接触を確実にするために加えられる境界圧力の要件と関係なく有利に提供される。
【0026】
本発明は、同じ参照番号を使用して同じ要素を示す図面を参照しながら行なう以下の詳細な説明によってより良く理解されるであろう。
【0027】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の現場で交換が可能(以下、現場交換可能という)なモジュール100の好ましい実施形態である。この実施形態において、モジュール100は、蓋102によって封止された1つまたは複数のベア・ダイまたはパッケージ化電子構成要素101を含む(図5参照)。蓋102の主面から規則的な指状部材103が、横方向に延びている。
【0028】
図2は、本発明による現場交換可能なモジュール(以下、モジュールともいう)100の第1の実施形態の断面図であり、図3はその平面図であり、図4はその分解斜視図である。この実施形態において、モジュール100は、噴霧冷却モジュールであり、蓋102は、これを電子構成要素101の上に配置したときに電子構成要素101を完全に覆う内部(封止)キャビティ110を有する。蓋102のキャビティ110は、その上に1つまたは複数の電子構成要素101を位置決めしたプリント回路基板104によって封止される。これによって、一般に大きいモジュールでは閉じこめることが難しい電磁障害雑音(EMI)の閉込めを実現するという利点を有する。シーラントは、エポキシまたはハンダであることが好ましく、Oリングまたはガスケットによる機械的なものでもよい。
【0029】
図2、図3および図4の実施形態において、蓋102は液体冷却される。特に、蓋102は、冷却液(たとえば、不活性フッ素化合物(fluorinert)やその他の既知の冷却液)を循環させる流路125を有する冷却板102aを備えている。流路125は、図4に示したようなマニホールドであることが好ましい。噴霧ポンプ122は、流体導管123によって流路125に結合され、流路125内に冷却液を送る。流路125は、キャビティ110内に液体を噴霧する内側蓋プレート102b上の複数の噴霧ノズル105(図4参照)に結合される。噴霧ノズル105は、各電子構成要素101の上に液体を噴霧するように位置決めされることが好ましい。
【0030】
図4は、冷却液を分配するマニホールド125を表す蓋102の分解斜視図である。マニホールド125は、分配チャネル116(図11参照)を介して各噴霧ノズル105と連通する。マニホールド125と分配チャネルは、プレート(冷却板)102a、102b内に延びるように機械加工され、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、その他の材料で製造することができる。腐食に強い銅が好ましい。プレート102a、102bは、流体漏れがないように蓋102にろう付けされる。
【0031】
流路125に代わる機構を作成することができる。この実施形態では、流体を循環させるために、分配チャネルの代わりに折返しフィンストックを使用する。折返しフィンストックは、流体の漏れがないように蓋102の2つのプレート102a、102bの間にろう付けされる。
【0032】
図2、図3および図4の実施形態において、モジュール100は、ポンプ122を備えた独立型モジュールである。ポンプ122は、導管124を通って流路と噴霧ノズル105を介して封止キャビティ110内に冷却液を循環させる。電子構成要素101からの熱が液体を蒸発させ、蒸気になる。内側蓋プレート102bは、後で検討するようにプレート102aによって冷却され、内側蓋プレート102bの内側面107に蒸気が凝縮する。凝縮する際、蒸気の熱は、蒸気から内側蓋プレート102bに移動し、次に、後で考察するように、プレート102aと縦方向の指状部材103に移動する。凝縮した液体は、導管123を介して封止キャビティ110からポンプ122に戻され、それにより連続した液体ループが形成される。
【0033】
図5は、本発明による現場交換可能なモジュール100の第2の実施形態の断面図であり、図6はその平面図である。この実施形態において、モジュール100は、伝導モジュールであり、蓋102は、蓋102が電子構成要素101の上に配置されたときに電子構成要素101を完全に覆う内部キャビティ110を備える。また、蓋102は、蓋102の内側面107がキャビティ110内の電子構成要素101とできるだけ多く接触するように1つまたは複数の電子構成要素101の上に位置決めされる。蓋102の内側面107と電子構成要素101の上面との間の境界抵抗を改善するために、耐熱グリース、耐熱パッド、ギャップ・パッド、相転移材料又はエポキシなどの境界改善材料130を使用する。境界改善材料130は、電子構成要素101の最上部と蓋102の内側面107との間に、境界抵抗を改善するのに十分な圧力で伝導接触させる。好ましくは、蓋102は、電子構成要素101を収容した封止キャビティ110を構成するようにプリント回路基板104によって封止される。これは、一般に大きいモジュールに収容するのが難しい電磁障害(EMI)の閉込めを実現するという追加の利点を有する。シーラントは、エポキシまたはハンダであることが好ましいが、Oリングまたはガスケットによる機械的なものでもよい。
【0034】
指状部材103は、蓋表面に機械加工または冷間鍛造することによって作成されることが好ましい。蓋102は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼又はその他の材料で製造することができる。
【0035】
好ましくは、各指状部の縦方向の寸法は、約6.4ミリメートル(約4分の1インチ)ないし約25.4ミリメートル(約1インチ)の範囲の寸法である。各指状部(および、対応する隣りの各切り溝)の横方向の寸法は、約0.5ミリメートル(約20ミル)ないし約1.3ミリメートル(約50ミル)の範囲の寸法である。それによって、蓋102の主面の横方向に約25.4ミリメートル(1インチ)あたり約10ないし20の好ましい数の指状部を提供する。
【0036】
好ましい実施形態において、モジュール100は、プリント回路基板104を含む。追加の集積回路パッケージ(たとえば、メモリ・モジュール121)と1つまたは複数の電子構成要素101(たとえば、パッケージ化マイクロプロセッサ)はそれぞれ、ハンダ付けされ、あるいはプリント回路基板104の導電トレースと電気結合され、メモリ121とマイクロプロセッサ101との間を電気結合し、両者間に電気信号を導く。
【0037】
現場交換可能なモジュール100は、プリント回路基板104と、蓋102によって封止されたベア・ダイまたはパッケージ化電子構成要素101を含み、図1に示すように形成されることが好ましい。しかし、本発明のモジュール100を、プリント回路基板104上の電子構成要素のどれか、すべて、あるいは任意のものとの組合せを封止する蓋102を使用して形成することができるので、上述のような実施形態に厳密に制限されないことを理解されたい。
【0038】
図7および図8は、ヒートシンク111に対してスライド可能な態様を示し、本発明のモジュール100の製造し易さ、保守し易さおよび交換し易さをどのように実現するかを示す好ましい実施形態の斜視図である。図7および図8に示したように、ヒートシンク111と現場交換可能なモジュール100は相互に嵌合している。ヒートシンク111は、縦方向に延びる規則的な指状部材114を有する冷却板112内に形成されることが好ましい。指状部材114は、前述したモジュール100の蓋102の指状部材103と類似の方法で寸法が決められ製造される。ヒートシンク111が冷却板112内に形成されることが好ましいが、本発明は、そのような実施形態に制限されず、縦方向に延びる規則的な指状部材114を含むヒートシンクであれば、他の実施形態を有利に使用できることを理解されたい。
【0039】
図示したように、モジュール100の蓋102の指状部材103は、モジュール100からヒートシンク111に熱を移すためにヒートシンク111の指状部材114と相互に嵌合して配置される。蓋102の指状部材103は、特に、モジュール100の保守し易さと交換し易さを実現するために、ヒートシンク111の指状部材114とスライド可能に接触するように適合され配置されることが好ましい。図7は、モジュール100を、適所にスライドするプロセスを示す。図8は、このプロセスが完了し、モジュール100が適所へ嵌め込まれた状態を示す。
【0040】
図8において、プリント回路基板104に対して蓋102が占有する面積から見ると、相互に嵌合された接点は、ヒートシンクの指状部材114とモジュール100の指状部材103の実質的な長さ方向のずれを許容しながら約0.065平方センチメートル・℃/ワット(約0.01平方インチ・℃/ワット)ないし約1.29平方センチメートル・℃/ワット(約0.2平方インチ・℃/ワット)の範囲の実質的に低い熱抵抗を有する。本発明の場合、そのような低い熱抵抗は、耐熱グリースまたは耐熱パッドの使用およびそれに付随する困難さの負担をなくする。さらに、上記の低い熱抵抗は、接触を保証するために加えられる境界圧力の要件に依存せずに提供される。
【0041】
低い熱抵抗により、冷却板112の動作温度を約60℃ないし70℃の範囲に維持する。代表的な35℃の周囲温度にするために、冷却液を冷却板112内に循環させるときに、冷却板は、モジュール100の蓋102から130ワット以上の熱を取り出す。冷却板112が、流体流量を多くしたり、使用する熱交換器を大きくしたりすることにより、より多くの熱を処理することができることを理解されたい。好ましい流量は、各集積回路パッケージごとに毎分約0.38リットル(約10分の1ガロン)ないし約0.76リットル(10分の2ガロン)であるが、本発明は、その好ましい流量に制限されないことを理解されたい。
【0042】
熱交換器113は、熱を取り出すために冷却板112とを流体が連通して熱的に結合される。熱交換器113の設計は、チューブ・イン・フィン、プレート冷却板、またはその他の適切な設計でよい。熱交換器113は、好ましくは銅、またはアルミニウム、ステンレス鋼または複合物から製造することができる。冷却板112と熱交換器113にはそれぞれ、たとえば水、水と混合したエチレングリコール、不活性フッ素化合物または、当業者に既知の他の適切な冷却液を循環させるための流路116、118をそれぞれ含む。流路116、118は、液体が通される蛇行した液体導管またはフィンストックのどちらでもよい。
【0043】
図8に示したように、本発明は、流体を循環させるために冷却板112の流路116および熱交換器113の流路118と結合された一対の流路115、117を備える。好ましい実施形態において、流体導管115、117は、約6.4ミリメートル(4分の1インチ)(または約12.7ミリメートル(2分の1インチ))の直径の中空銅管または別の適切な材料からなる。
【0044】
好ましい実施形態において、流体の循環を促進するために、流体導管117のうちの1つと直列に電動ポンプ119を結合する。様々な電動ポンプが望ましい結果を提供する。流体循環を完全に封止するために、磁気的に結合されたポンプを使用することが好ましい。そのようなポンプは、一般に、Iwaki WelchemやGorman Ruppなどのメーカから入手可能である。
【0045】
図7および図8はに示すスライド式の態様において、図に示したような工程が、可逆的かつ再現可能であることを理解されたい。第1のモジュールをスライドさせて冷却板112と相互嵌合接触した状態から外し、第2のモジュールをスライドさせて冷却板112と交互嵌合接触させることによって、第2のモジュールを第1のモジュールと容易に交換できる。この交換は、冷却板112と関連した流路115、117、熱交換器113、およびポンプ119の機構を邪魔することなく達成できる。本発明のこの態様は、特に、モジュール100の交換し易さを犠牲にすることなく剛性導管の耐久性を必要とするときに有利である。
【0046】
図9ないし図11は、図7ないし図8の詳細な図であり、図7に示したヒートシンク111とモジュールの蓋102の機構および交互嵌合接触を示す。冷却板112は、熱伝達用の冷却液を循環させる蛇行チャネルまたはキャビティを有するさらに薄い2つの構成プレート112a、112bのクラムシェル機構から製造される。これは、流体に効率的に熱伝達するために発明者によって理論化されたもので、蛇行チャネル116は、直径約4.1ミリメートル(約0.16インチ)ないし約5.1ミリメートル(約0.2インチ)の範囲の好ましい直径でなければならない。それよりも小さいチャネル直径で有益な結果が得られることもあるが、好ましいチャネル直径は、構成プレートの構造的整合性と構成プレートからの効率的な熱伝達を維持するのに十分な厚さを必要とする。
【0047】
冷却板112は、モジュール100の蓋102と熱結合するのに十分な大きさでなければならず、さらに、流体導管を提供したりそれに結合したりするのに十分な大きさでなければならない。たとえば、横と縦が約7.62センチメートル(約3インチ)×12.7センチメートル(約5インチ)の寸法を有する蓋102の場合、冷却板の反対側の主面がそれぞれ、横と縦が約9.53センチメートル(約3.75インチ)×約14.6センチメートル(約5.75インチ)の寸法を有することが好ましい。当然ながら、本発明の原理からみて、冷却板112のサイズは蓋102のサイズによって変化することを理解されたい。
【0048】
図10は、プリント回路基板104に対して、ヒートトシンク111に横方向の位置ずれが生じた後の図9の詳細図である。ヒートシンク111とモジュール100の蓋102のそれぞれの指状部材114、103の横方向の位置ずれを許容しながら熱抵抗を小さくするために、ヒートシンク111とモジュール100の相互嵌合接触が利用される。たとえば、好ましい実施形態において、プリント回路基板104に投影された蓋102の占有面積の視点からみて、相互嵌合接触は、図10において、たとえば約2.5ミリメートル(約0.1インチ)の横方向の位置ずれがあるときでも、約0.065平方センチメートル・℃/ワット(約0.01平方インチ・℃/ワット)の範囲内の低い熱抵抗を有する。
【0049】
図11は、図9の分解斜視図である。冷却板112に封止された、2つのより薄い構成プレート112a、112bのクラムシェル機構が、分解された部品として示されており、図中116は、冷却液の循環用として延びる蛇行チャネルである。蛇行チャネル116は、構成プレート112a、112b内に延びるように機械加工され、銅、アルミニウムまたはステンレス鋼で製造することができる。腐食に耐えるために銅が好ましい。チャネルの好ましい長さは、約50.8センチメートル(約20インチ)である。構成プレート112a、112bは、流体が漏れないように封止するため冷却板112にろう付けされる。
【0050】
冷却板の望ましい温度により、チャネル116の別の構成を作ることができる。この実施形態において、流体を循環させるために、蛇行チャネル116の代わりに折返しフィンストックを使用する。折返しフィンストックは、漏れがないように冷却板を封止するために、冷却板の2つの構成プレート112a、112bの間にろう付けされる。
【0051】
図12は、本発明の別の実施形態を示す。図12において、モジュール100は、ヒートシンク111との相互嵌合接触をするために、それぞれ1つまたは複数の電子構成要素(図示せず)を覆い、縦方向に延びる各指状部材を有する3つの蓋202a、202b、202cを備えている。
【0052】
図13、図14、図15および図16はともに、本発明の好ましい実施形態を示す。図13は、独立型のモジュールであり、プリント回路基板204の全体とすべての電子構成要素を封止する蓋202を備えた現場交換可能なモジュール200の好ましい実施形態の斜視図である。
【0053】
図14は、図5と図6の伝導モジュールと同様な現場交換可能なモジュール200の断面図である。図14に示したように、サブシステムを構成する電気的に相互接続された多数の集積回路や他の電子構成要素201はすべて、モジュール200の1つの蓋202の封止キャビティ210内にあるプリント回路基板204上に実装されている。蓋202は、プリント回路基板204に封止され、前述のようなEMI閉込めができるように封止キャビティ210を形成する。プリント回路基板204の集積回路とその他の電子構成要素201はすべて、蓋202の主面207と境界改善材料230によって熱結合され、指状部材203は、そこから縦方向に延びている。また、モジュール200は、前に説明し、図2、図3および図4に示したように、噴霧冷却モジュールとして構成してもよい。
【0054】
図15は、ヒートシンク211を備えたスライド機構における独立型の現場交換可能なモジュール200の斜視図である。ヒートシンク211は、シャーシ(図15に示していないが、図16では300)に組み込まれ、導管を介してポンプと熱交換器302(図16)に液体結合される。ヒートシンク211は、モジュール200全体を冷却できるだけの大きさをもつか、ヒートシンク211は、横方向に延びる指状部材214を有する。ヒートシンク211の指状部材214は、モジュール200の蓋202とスライド可能な相互嵌合接触の状態で配置される。現場交換可能なモジュール200は、電力接続とバス接続および/または任意の他の電気接続を提供するために、バックプレーン305のコネクタ308および309にそれぞれ結合するバックプレーン・コネクタ208および209を備えている。
【0055】
図16は、バックプレーン305(バスと電力接続用)に接続可能であり、各ヒートシンク211a、211b、211cと相互嵌合接触して配置された現場交換可能なモジュール200a、200b、200cをそれぞれ保持する複数のスロット304a、304b、304cを備えたコンピュータ・システムのシステム・シャーシ300の斜視図である。ヒートシンク211a、211b、211cは、モジュール200a、200b、200cの指状部材203と相互嵌合する指状部材214を備え、シャーシ305と一体に構成されている。
【0056】
熱交換器/ポンプ302は、ヒートシンク211a、211b、211cを冷却するために必要な機器を備える。好ましい実施形態において、熱交換器/ポンプ302は、熱を取り出すためにヒートシンク211a、211b、211cと流体で連通して熱結合され、冷却液を冷却し、シャーシ300内のヒートシンク211a、211b、211cのそれぞれに同時に循環させる冷却通気システムと電動ポンプ(図示せず)を備える。熱交換器302の設計は、チューブ・イン・フィン、プレート冷却板またはその他の適切な設計でよく、図7および図8に関して前に説明した。
【0057】
図16において、モジュール200aおよび200bは、シャーシ300内に取り付けられ、バックプレーン305に接続されているように示してある。モジュール200cは、モジュール交換の工程において、図7に示す態様と類似の形で示される。当然ながら、この交換工程は、モジュール200cが図15に示すようにバックプレーン・コネクタ208および209によってバックプレーン305のバックプレーン・コネクタ308および309(図15)にはめ込まれ電気接続したときに完了する。したがって、図16において、モジュール200cは、スロット304c内にスライドしてそのスロットを占有していた前の現場交換可能なモジュールと置き換わるか、スロット304cからスライドして出て別の現場交換可能なモジュールと取り替えられる。スライド動作の間、モジュール200cは、シャーシ内に取り付けられず、したがってバックプレーン305に接続されない。
【0058】
前述の説明および例示的な図から、図13、図14、図15および図16に示した実施形態は、次の利点を提供することを理解されよう。第1に、現場交換可能なモジュール200、200a、200b、200cが、完全に独立型である。モジュールとシャーシの間に液体結合がなく、したがって、モジュール交換の際に、液体導管を切り離す必要はない。これは、大きいシステムあるいは「常時」稼働を実現するために冗長性を必要とするシステムにおいて重要なモジュールの「ホット・スワップ」(すなわち、電力がオンでシステムが動作中のモジュールの交換)を容易にする。第2に、蓋202は、プリント回路基板204全体を封止し、それによりEMIをモジュール自体に閉じ込め、スロット間(またはモジュール間)のEMIを防ぐ。従来、これは、シャーシ・レベルでのみ達成されていた。
【0059】
以上のように、本発明のモジュールは、ヒートシンクと低い熱抵抗で接触するように適合され、接触を確実にするために境界圧力を必要とせず、位置ずれを許容することができる。また製造しやすさ、保守しやすさ、および現場での交換しやすさを提供する。本発明は、特許請求の範囲内で、実施形態において具体的に示し例示したものと異なる状況で実施することができる。
【0060】
本発明を例示的な実施形態に関して説明したが、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく例示的な実施形態に対して様々な変更および修正を行うことができることを当業者は理解されよう。本発明の範囲が、例示的な実施形態にいかなる形でも制限されず、本発明が、併記の特許請求の範囲によってのみ制限されることを了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の現場交換可能なモジュールの斜視図である。
【図2】 本発明による現場交換可能なモジュールの第1の実施形態の断面を示し、図1のI−I線による断面に相当する拡大図である。
【図3】 本発明による現場交換可能なモジュールの第1の実施形態の平面図である。
【図4】 本発明による現場交換可能なモジュールの第1の実施形態の分解斜視図である。
【図5】 本発明による現場交換可能なモジュールの第2の実施形態の図2と同様の断面図である。
【図6】 本発明による現場交換可能なモジュールの第2の実施形態の平面図である。
【図7】 本発明のスライド式構造の態様を示す実施形態の斜視図である。
【図8】 本発明のスライド式構造の態様を示す実施形態の斜視図である。
【図9】 図8の部分的拡大図である。
【図10】 蓋に対して冷却板の位置ずれが生じた後の、図9に対応する部分的拡大図である。
【図11】 図9の分解斜視図である。
【図12】 本発明のモジュールの別の実施形態を示す斜視図である。
【図13】 本発明の蓋の別の実施形態の斜視図である。
【図14】 図13に示した実施形態の断面図である。
【図15】 バックプレーンに本発明のスライド式構造のモジュールを取付けた態様を示す斜視図である。
【図16】 本発明の複数の現場交換可能なモジュールを収容した独立型でホットスワップ可能な態様を示す本発明のシャーシの斜視図である。
【符号の説明】
100,200 現場交換可能なモジュール
101,201 電子構成要素
102,202 蓋
102a,112 冷却板
103,114,203,214 指状部材
104,204 プリント回路基板
105 噴霧ノズル
110,210 キャビティ
111,112,211 ヒートシンク
122 噴霧ポンプ
123,124 流体導管
125 流路(液体流路)
130,230 境界改善材料(熱伝達機構)
208,209 コネクタ(モジュール電気コネクタ)
300 シャーシ
305 バックプレーン(電気バックプレーン)
308,309 コネクタ(バックプレーン電気コネクタ)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to cooling electronic components, and more particularly toOn-site replacement (hereinafter referred to as on-site replacement)Possible module temperature interface.
[0002]
[Prior art]
The operation of high speed electronic components generates undesirable heat. For example, high speed computer processor elements such as microprocessors, graphics processors and the like generate undesirable heat that must be removed for efficient operation. When heat is removed, the operating temperature is lowered, the operating speed is increased, and the computing ability is improved. Reliability and usability are also improved.
[0003]
To meet the higher demands on computing power, processor designs continue to evolve, become more complex, and operate at higher speeds. The more complex the design, the greater the number of transistors, and each transistor becomes a source of more heat during operation. The faster the operation of each transistor, the more heat is generated.
[0004]
Various cooling methods are known in the prior art. In general, the higher the efficiency of cooling system heat removal, the larger, heavier, and bulky the mechanism that implements that system becomes, and the more difficult it is to place in a computer system.
[0005]
The large amount of power required to operate a high speed computer system results in a large amount of heat dissipation. Therefore, a cooling technique is required. In some prior art cooling schemes, bulky mechanisms such as heat sinks (including cold plates) that mechanically implement the scheme prevent field replacement of modules including processor modules, board modules or system modules, etc. . Furthermore, there is a problem of thermal boundary resistance between the module and the heat sink.
[0006]
Generally, thermal boundary resistance is due to incomplete mechanical contact between two opposing surfaces (ie, between the lid of an integrated circuit package (or other field replaceable module) and a heat sink). It is. This incomplete mechanical contact is due to irregular "mountain and valley" collisions on both sides.
[0007]
The substantial amount of contact that exists only at the location where the mountain hits impedes the flow of heat because the valley space is air or vacuum. The thermal conductivity of air is low.
[0008]
Due to irregular surface defects, the thermal boundary resistance per unit area is 6.45 square centimeters · ° C./watt (1 square inch · ° C./watt). In typical processor applications, this will be an increase of about 20-30 ° C. Since boundary resistance is a function of area, the smaller the boundary area, the higher the resistance. Therefore, this phenomenon becomes increasingly important in the cooling region of electronic circuits as the heat flux increases and the area occupied by the semiconductor package decreases. The equation of thermal resistance can be expressed by the following equation.
[0009]
Rinterface = C / A
[0010]
Here, C is the boundary resistance per unit area, and A is the boundary area.
[0011]
In the prior art, several different ways of eliminating such irregular surface defects and avoiding the thermal effects of collisions are known.
[0012]
1) Diamond turning surface
One way to improve the boundary resistance between materials is to substantially remove the uneven surface of the bonding surface. The diamond turning surface has a mirror-like surface generally used for optical elements. The boundary performance is quite high, but it is not very common because it is very expensive. Furthermore, high pressure is required for boundary contact. This method is used only when the vertical axis tolerance is tightly controlled (where the vertical axis is understood to be perpendicular to the main surface of the integrated circuit package (or other field replaceable module) lid. I want to be)
[0013]
2) Heat resistant grease
Grease with improved heat resistance has been commonly used for many years. This was made in the valley of bumpy surface defectsFill the gap. The conductivity is much lower than that of metal, but much higher than air. Therefore, the thermal resistance C per unit area becomes small. This method is used only when the vertical axis tolerance is strictly controlled.
[0014]
The problems associated with grease are as follows.
-Grease flows and becomes dirty.
-Grease is difficult to control, and in fact, if there is too much grease, the crests of the two surfaces may not come into contact, increasing the thermal resistance. For this reason, manufacturers do not like to use grease.
-In some cases, the grease may flow out of the boundary region as a result of temperature cycling. This phenomenon is commonly known as “pumping”.
-Grease changes over time and can separate and degrade performance.
-Moderate pressure is required at the boundary to ensure contact;
[0015]
3) Heat-resistant pad
The use of pads is currently the most common boundary improvement method. This is generally a silicone-based pad having a heat resistance of 76 to 508 microns (3 to 20 mils) thick. This method is used only when the vertical axis tolerance is moderately controlled. The popularity of such pads has increased in recent years due to their ease of use in manufacturing where the attachment method is properly controlled. Furthermore, it can be pre-attached to the boundary. The problem with this method is that its thermal resistance is about twice that of grease. For many applications this is insufficient. Further, such pads require boundary pressures in excess of 70.3 grams / square millimeter (100 pounds per square inch (100 psi)) to function.
[0016]
4) Gap pad
This is a boundary pad that fills a gap with a thickness of 1.52 millimeters to 5.08 millimeters (60/1000 to 200/1000 inches (60 to 200 mils)). This provides some limited benefit at boundaries where gap tolerances are not properly controlled. However, a major problem is that the resistance is typically 10-20 times higher than a standard heat resistant pad. Thus, in general, this is not suitable for high heat flux applications. OptimalIn order to demonstrate performanceA moderate boundary pressure is required.
[0017]
5) Phase change material (PCM)
Another common boundary material is PCM. The most common is paraffin on a thin carrier 51 microns (2 mils) to 127 microns (5 mils) such as aluminum or screen. Such PCM functions on the principle of recirculating at a temperature higher than a certain temperature, such as 51 ° C., to fill the gaps at the boundary. Performance is equivalent to grease. The carrier makes the PCM easier to mount and use during manufacture. A moderate pressure is required at the boundary. This method is only used when the vertical axis tolerance is strictly controlled.
[0018]
6) Metal paste
Metal pastes are not used commercially because they are electrically conductive and toxic.
[0019]
In all cases discussed here, some pressure is required to solve the boundary problem. In each case, it is beneficial to minimize the boundary material to reduce the thermal resistance. Furthermore, none of the above solutions are well suited for sliding contact.
[0020]
For large modules, such as processor modules, board modules, and system modules, liquid cooling methods have been common in which liquid is passed through a cold plate coupled to an integrated finned heat sink. The liquid conduit is generally coupled to the module itself, thus mechanically preventing field replacement of the module. In particular, due to the liquid coupling between the module and the chassis, the liquid conduit coupled to the module must be disconnected before replacing the module. This reduces the efficiency of the field replaceable module replacement method and tends to leak liquid from the cut conduit. In addition, this makes it impossible to “hot swap” modules that have become important in large or mission critical systems that require redundancy due to the need to provide “always on” services. The term “hot swap” as used herein refers to connecting or disconnecting a field-replaceable module to or from a computer system while the computer system is operating without interrupting the computer system. It refers to the ability to do. In other words, the ability to replace a module while the power is on and the system is operating without adverse effects.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, it is adapted to contact the heat sink slidably with low thermal resistance, does not require boundary pressure to ensure contact, can tolerate misalignment, easy to manufacture, maintain and replace Requires field-replaceable modules and cooling technology. There is also a need for a liquid cooling method that does not couple liquid conduits between the module and the chassis, and therefore does not require cutting when replacing field replaceable modules, or without risk of liquid leakage during replacement. is there.
[0022]
[Means for solving the problems]
The present invention is adapted to slidably contact the heat sink with low thermal resistance and does not require boundary pressure to ensure contact and can tolerate misalignmentExchange on site (hereinafter referred to as on-site exchange) is possibleProvide easy to manufacture, maintain and replaceable modules. All liquid cooling surfaces are incorporated separately within the chassis and / or module, and there is no liquid coupling between the module and the chassis. Therefore, it is not necessary to cut the liquid conduit when replacing field replaceable modules. In addition, during non-replaceable calculations, modules can be hot swapped while the system is operating.
[0023]
The stand-alone field replaceable module includes a lid that forms a sealing cavity around at least one electronic component on the printed circuit board of the module. This lid provides a stand-alone spray or conduction cooling means for the sealed electronic component.
[0024]
In a concise and general aspect, the present invention includes an interfit structure between a heat sink and a field replaceable module. Heat sinkAgainst the horizontal main surface of the heat sinkIt includes a major surface having digit members extending in the longitudinal direction. Field replaceable modules are used to transfer heat from the module to the heat sink.Against the horizontal main surface of the moduleIt has a finger-like member that extends in the longitudinal direction and is disposed in interdigitated contact with the finger-like member of the heat sink.
[0025]
The field replaceable module fingers are particularly adapted and arranged to be in sliding contact with the heat sink fingers to provide ease of maintenance and replacement of the field replaceable modules. For example, according to the present invention, a first field replaceable module is slid out of mating contact with the heat sink, and then a second field replaceable module is slid out of the mating contact with the heat sink. By doing so, the second field replaceable module can be replaced with the first field replaceable module. As described in detail herein, the interdigitated contact is about 0.065 square centimeters.degree. C./watt while allowing for substantial vertical misalignment of the heat sink and field replaceable module fingers. It has a substantially low thermal resistance in the range of (about 1/100 square inch.degree. C./watt) to about 1.3 square centimeters.degree. C./watt (about 2/10 square inches.degree. C./watt). Furthermore, low thermal resistance is advantageously provided regardless of the requirements of the boundary pressure applied to ensure contact.
[0026]
The invention will be better understood by the following detailed description, made with reference to the drawings, in which like reference numerals are used to indicate like elements.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 illustrates the present invention.Can be exchanged on site (hereinafter referred to as on-site exchange)The preferred embodiment of the
[0028]
FIG. 2 shows a field replaceable module according to the present invention.(Hereinafter also referred to as module)FIG. 3 is a sectional view of the first embodiment of FIG. 100, FIG. 3 is a plan view thereof, and FIG. 4 is an exploded perspective view thereof. In this embodiment, the
[0029]
In the embodiment of FIGS. 2, 3 and 4, the
[0030]
FIG. 4 is an exploded perspective view of the
[0031]
A mechanism in place of the
[0032]
In the embodiment of FIGS. 2, 3 and 4, the
[0033]
FIG. 5 is a cross-sectional view of a second embodiment of a field-
[0034]
The
[0035]
Preferably, the longitudinal dimension of each finger is a dimension in the range of about 6.4 millimeters (about one-quarter inch) to about 25.4 millimeters (about one inch). The lateral dimensions of each finger (and corresponding adjacent kerf) are in the range of about 0.5 millimeters (about 20 mils) to about 1.3 millimeters (about 50 mils).Thereby,A preferred number of fingers of about 10 to 20 per inch is provided laterally of the major surface of the
[0036]
In the preferred embodiment, the
[0037]
The field
[0038]
FIG. 7 and FIG.For heat sink 111FIG. 3 is a perspective view of a preferred embodiment showing a slidable manner and how to achieve ease of manufacture, maintenance and replacement of the
[0039]
As shown in the figure, the
[0040]
In FIG. 8, when viewed from the area occupied by the
[0041]
Due to the low thermal resistance, the operating temperature of the
[0042]
The
[0043]
As shown in FIG. 8, the present invention includes a pair of
[0044]
In a preferred embodiment, an
[0045]
It should be understood that in the sliding embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the steps as shown are reversible and reproducible. By removing the first module from the state of being in contact with the
[0046]
FIG.Or FIG.FIG. 9 is a detailed view of FIGS. 7 to 8 showing the mechanism and interdigitated contact of the
[0047]
The
[0048]
FIG.Horizontal to the
[0049]
FIG. 11 is an exploded perspective view of FIG. The clamshell mechanism of the two
[0050]
Depending on the desired temperature of the cold plate, Another configuration of
[0051]
FIG. 12 shows another embodiment of the present invention. In FIG. 12, the
[0052]
13, 14, 15 and 16 together illustrate a preferred embodiment of the present invention. FIG. 13 is a perspective view of a preferred embodiment of a field
[0053]
FIG. 14 is a cross-sectional view of a field
[0054]
FIG. 15 is a perspective view of a stand-alone field
[0055]
FIG. 16 is connectable to the backplane 305 (for bus and power connection) and holds field-
[0056]
The heat exchanger /
[0057]
In FIG. 16,
[0058]
From the foregoing description and exemplary figures, it will be appreciated that the embodiments shown in FIGS. 13, 14, 15 and 16 provide the following advantages. First, the field-
[0059]
As described above, the present inventionmoduleIs adapted to contact the heat sink with low thermal resistance and does not require boundary pressure to ensure contact and can tolerate misalignment. Also easy to manufacture, easy to maintain,And on-site replacementProvide ease. The invention is within the scope of the claims,In the embodimentIt can be implemented in a situation different from that specifically shown and exemplified.
[0060]
While the invention has been described in terms of exemplary embodiments, those skilled in the art will recognize that various changes and modifications can be made to the exemplary embodiments without departing from the spirit or scope of the invention. It is to be understood that the scope of the invention is not limited in any way to the exemplary embodiments, and the invention is limited only by the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a field replaceable module of the present invention.
FIG. 2 shows a cross section of a first embodiment of a field replaceable module according to the inventionAnd corresponds to a cross section taken along line II in FIG.It is an enlarged view.
FIG. 3 is a plan view of a first embodiment of a field replaceable module according to the present invention.
4 is an exploded perspective view of a first embodiment of a field replaceable module according to the present invention. FIG.
FIG. 5 shows a second embodiment of a field replaceable module according to the present invention.Similar to FIG.It is sectional drawing.
FIG. 6 is a plan view of a second embodiment of a field replaceable module according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view of an embodiment showing aspects of the sliding structure of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view of an embodiment showing aspects of the sliding structure of the present invention.
FIG. 9 is a partially enlarged view of FIG. 8;
FIG. 10Of the cold plate against the lidFIG. 10 is a partially enlarged view corresponding to FIG. 9 after a positional shift has occurred.
11 is an exploded perspective view of FIG. 9. FIG.
FIG. 12 shows the present invention.Another of modulesIt is a perspective view which shows embodiment.
FIG. 13 shows the present invention.Another on the lidIt is a perspective view of an embodiment.
14 is a cross-sectional view of the embodiment shown in FIG.
FIG. 15BackplaneThe slide type of the present inventionMounted structure moduleIt is a perspective view which shows an aspect.
FIG. 16 is a perspective view of the chassis of the present invention showing a stand-alone, hot-swappable embodiment containing a plurality of field replaceable modules of the present invention.
[Explanation of symbols]
100,200 Field replaceable module
101,201 electronic components
102,202 lid
102a, 112 cooling plate
103, 114, 203, 214 Finger-shaped member
104,204 Printed circuit board
105 Spray nozzle
110,210 cavity
111, 112, 211 heat sink
122 spray pump
123,124 Fluid conduit
125 channel (liquid channel)
130,230 Boundary improvement material (heat transfer mechanism)
208,209 connector (module electrical connector)
300 chassis
305 Backplane (Electric backplane)
308,309 connector (backplane electrical connector)
Claims (9)
内蔵液体冷却システムが、前記蓋の内部に形成された液体流路と、該液体流路と前記内部キャビティとの間に結合された少なくとも1つの噴霧ノズルと、前記液体流路内で循環する冷却液と、該冷却液を液体流路内に循環させ、それにより冷却液を、前記少なくとも1つの噴霧ノズルから前記内部キャビティ内に噴霧する噴霧ポンプとを備えている、現場交換可能なモジュール。 A module that is electrically connectable to a computer system for operation and that is easily field replaceable at the field of the computer system, the printed circuit board and one electrically connected to the printed circuit board Or a lid having a plurality of electronic components and an internal cavity, and sealing at least one of the electronic components in the internal cavity, and a plurality of finger-like members extending longitudinally from the main surface of the lid And a built-in liquid cooling system that transfers heat from the electronic components sealed in the internal cavity to the lid,
A built-in liquid cooling system includes a liquid channel formed inside the lid, at least one spray nozzle coupled between the liquid channel and the internal cavity, and cooling circulating in the liquid channel. A field replaceable module comprising: a liquid; and a spray pump for circulating the coolant in a liquid flow path, thereby spraying the coolant from the at least one spray nozzle into the internal cavity.
該現場交換可能なモジュールが、前記バックプレーン電気コネクタに接続可能なモジュール電気コネクタと、該モジュール電気コネクタに電気的に接続されたプリント回路基板と、該プリント回路基板に電気的に接続された1つまたは複数の電子構成要素と、該電子構成要素の少なくとも1つの上に封止されたキャビティを形成する蓋と、前記少なくとも1つの電子構成要素から前記蓋に熱を移動させる内蔵された熱伝達機構とを備えており、
前記蓋が、そこから縦方向に延びる指状部材を備えた主面を有しており、前記現場交換可能なモジュールから前記ヒートシンクへ熱を移動させるために、前記ヒートシンクの指状部材と相互に嵌合し、かつ摺動自在に配置されている、コンピュータシステム。A chassis, a power backplane having a backplane electrical connector, a heat sink having a main surface fixedly mounted on the chassis and having fingers extending longitudinally therefrom, and a field replaceable module. ,
The field replaceable module includes a module electrical connector connectable to the backplane electrical connector, a printed circuit board electrically connected to the module electrical connector, and a 1 electrically connected to the printed circuit board. One or more electronic components, a lid forming a sealed cavity on at least one of the electronic components, and a built-in heat transfer for transferring heat from the at least one electronic component to the lid Mechanism and
Said lid has a main surface having a finger-like members extending therefrom in the longitudinal direction, in order to transfer heat to the heat sink from the field-replaceable modules, mutually and finger member of the heat sink A computer system fitted and slidably arranged .
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