JP4404861B2 - 熱発生構成要素を冷却する装置、及び熱発生構成要素を冷却する装置を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に冷却システムに関し、より詳細には熱発生構成要素用の冷却システムに関する。

半導体素子は、漏れ電流（定常状態）とトランジスタのスイッチング動作とにより熱を発生する。損失する電力（熱）の量は、素子内の回路の数と、それらの回路のスイッチング、速度と、回路上の負荷とによる。今日の最新技術のＣＭＯＳ素子は、面積２ｃｍ²のシリコンチップで最大５０ワットまたはそれ以上の熱を発生することがある。

冷却システムが、空気圧や回路負荷などの環境および動作因子と関係なく、温度の安定性を維持することが重要である。これは、回路の再現性と安定性とに直接影響する。冷却の効果と効率は、ヒートシンク設計、素子から熱を除去するために使用される流体（液体または空気）の特性、ヒートシンクと冷却流体との間の伝熱特性などの要素に依存する。

液体冷却テストシステムでは、液体冷却プレナムの温度が、循環する液体によって直接制御される。素子に対する熱接触が良好な場合は、素子の温度を厳密に制御することができる。しかしながら、そのようなシステムは、一般に、素子の設置面積よりも大きい設置面積を有する。

これに対して、空冷システムの効率は、そのヒートシンク設計、および空気流の速度、方向、および均一さによって制限される。安定性は、空気流の「デッドスポット」または「ホットスポット」の構成によって制限される。ヒートシンクが必要なこと、ならびに構成要素のまわりの空気の流れための十分な空間が必要なことのため、例えばプリント回路基板上の構成要素の実装密度が低くなる。また、構成要素の実装密度が低いと、長い信号線による長期的な伝播遅延と、より大きな付随する好ましくない現象とによって信号が劣化するので、最高速度と精度も制限される。

したがって、従来技術のこれらの欠点を克服する装置および方法が必要である。

本発明は１つの実施形態において装置を含む。１つの例における熱発生構成要素を冷却する装置は、熱分散器の下側面によって熱発生構成要素に結合された熱分散器と、熱分散器の上側面でハウジングに収容され、熱分散器の上側面に直接接触する冷却液と、熱分散器の少なくとも側面に結合される冷却板とを備え、熱発生構成要素と熱分散器とが同じ設置面積を占め、ハウジングは冷却板の上側面と結合し、冷却板とハウジングとは同じ設置面積を占める。

本発明のさらにもう１つの実施形態は方法を含む。１つの例における方法は、熱分散器の下側面によって熱発生構成要素に熱分散器を結合するステップと、熱分散器の上側面に冷却液が直接接触するように、熱分散器の上側面のハウジングに冷却液を収容するステップと、熱分散器の少なくとも側面に冷却板を結合するステップとを含み、熱発生構成要素と熱分散器とが同じ設置面積を占め、ハウジングは冷却板の上側面と結合しており、冷却板とハウジングとは同じ設置面積を占める。

本発明の例示的な実施形態の特徴は、詳細な説明、特許請求の範囲、および添付図面から明らかになる。

一般的に、熱発生構成要素を冷却する本発明の装置のいくつかの実施形態は、単一境界面を介して熱発生構成要素に結合された熱伝導性カバーと、熱伝導性カバーと直接接触する冷却液とを備える。熱伝導性カバーは、コールドプレート（冷却板）でも熱スプレッダ（熱分散器）でもよい。熱発生構成要素は、半導体チップでもよい。さらに、熱伝導性カバーは、チップと同じ設置面積を占めることができる。

半導体チップを冷却する本発明の方法のいくつかの実施形態は、半導体チップに結合された熱スプレッダの上側面に露出領域を設けるステップと、その熱スプレッダの上側面の露出領域に冷却液を直接接触させるステップとを有する。

熱スプレッダは側面を有することができ、この方法は、さらに、コールドプレートを熱スプレッダの側面に結合するステップを有することができる。コールドプレートは、コールドプレートが熱スプレッダに結合されたときに熱スプレッダの上側面の実質的に全ての領域が冷却液にさらされるように構成される。コールドプレートは、チップと同じ設置面積を占めてもよい。

図１は、本発明の装置の参考例を示し、プロセッサや他の熱構成要素を冷却するために液体冷却ループが使用されている。図１参考例において、プリント回路基板１００は、集積回路などの少なくとも１つの熱発生構成要素１０２を有する。熱発生構成要素１０２には、装置液体間冷却交換器１０４が結合される。装置液体間冷却交換器１０４は、液体コンプレッサ１０６にも結合されている。装置液体間熱交換器１０４は、熱発生構成要素１０２から冷却液に熱を移す。液体コンプレッサ（液体空気間熱交換器）１０６は、冷却液から熱を取り除く。

図２は、従来技術の液体冷却例を示す。シリコンチップ用の典型的な熱積層構造は、少なくともはんだ位置２０４を介してシリコン基板などの基板２０２に結合された集積回路チップ２００を有する。集積回路チップ２００は、第１の熱境界面２０８を介して集積回路チップ２００の上部に結合されたチップ蓋すなわちカバー２０６を有する。ヒートシンクや他の熱放散装置が、第２の熱境界面２１２を介してカバー２０６の上部に結合されている。

図２の例において、カバー２０６の上部に第２の熱境界面２１２を介してコールドプレート２１０が結合されている。コールドプレート２１０とカバー２０６の間の第２の熱境界面２１２は、熱抵抗の潜在的な問題領域および原因である。

図３は、本発明の装置の１つの参考例を示す。本発明の装置のこの参考例は、上側面３０１を有する（電気接続３０４によって基板３０２に結合された）集積回路チップ３００と、上側面３０３と下側面３０５を有し、下側面３０５が熱境界面３０８（単一境界面）を介して集積回路チップ３００の上側面３０１に直接結合されているコールドプレート３０６と、コールドプレート３０６の上側面３０３と直接接触している冷却液とを有することができる。したがって、この参考例において、従来技術のチップ蓋すなわちカバーがコールドプレート３０６と置き換えられている。コールドプレート３０６は、集積回路チップ３００と同じ設置面積を占めることができる。

冷却液は、ハウジング３１０のチャンバ３１２内に収容されている。入継手３１８と出継手３２０によってハウジング３１０が冷却システムの残りの部分に接続される。冷却液３１４はチャンバ３１２に流れ込み、そこでチャンバ３１２内の冷却液が、コールドプレート３０６の上側面３０３と接触する。冷却液３１６は、チャンバ３１２から流れ出る。冷却液がチャンバ３１２内を通るとき、熱がコールドプレート３０６の上側面３０３から冷却液に移される。

図４は、本発明の装置の参考例の断面図を示す。本発明の装置のこの参考例は、熱境界面を介して集積回路チップ４００に直接結合されたコールドプレート４０４を有する集積回路チップ４００と、コールドプレート４０４と直接接触している冷却液とを有する。冷却液は、コールドプレート４０４に結合されたハウジング４０６のチャンバ４０８内に収容されてもよい。コールドプレート４０４は、チップ４００と同じ設置面積を占めることができる（図５を参照）。

図６は、本発明の装置の１つの実施形態の断面図を示す。本発明の装置のこの実施形態では、熱境界面を介してチップ６００に結合された熱スプレッダ６１０を有する集積回路チップ６００と、取り付け領域６０２と開口領域６０３とを有するコールドプレート６０４であって、コールドプレート６０４の開口領域６０３が熱スプレッダ６１０の上側面の少なくとも一部分を露出するようにコールドプレート６０４の取り付け領域６０２が熱スプレッダ６１０に結合されたコールドプレート６０４と、熱スプレッダ６１０の上側面の露出部分と直接接触する冷却液とを有する。冷却液は、コールドプレート６０４に結合されたハウジング６０６のチャンバ６０８内に収容される。

熱スプレッダ６１０は側面を有し、図６に示したように、コールドプレート６０４の取り付け領域６０２は、熱スプレッダ６１０の側面に結合される。コールドプレート６０４の取り付け領域６０２は、コールドプレート６０４が熱スプレッダ６１０に結合されたときに熱スプレッダ６１０の上側面の実質的に全ての領域が冷却液にさらされるように構成される。この場合も、コールドプレート６０４は、集積回路チップ６００と実質的に同じ設置面積を占めることができる（図７を参照）。

図８は、本発明の装置のもう１つの実施形態の断面図を示す。本発明の装置のこの実施形態では、熱境界面を介して集積回路チップ８００に結合された熱スプレッダ８１０を有する集積回路チップ８００と、取り付け領域８０２と開口領域８０３を有するシール８０４であって、シール８０４の開口領域８０３が熱スプレッダ８１０の上側面の少なくとも一部分を露出するようにシール８０４の取り付け領域８０２が熱スプレッダ８１０に結合されているシール８０４と、熱スプレッダ８１０の上側面の露出部分と直接接触する冷却液とを有する。冷却液は、シール８０４に結合されたハウジング８０６のチャンバ８０８内に収容される。この実施形態は、熱スプレッダ８１０とシール８０４の両方を有するが、集積回路チップ８００の冷却は、実質的に、シール８０４の開口領域８０３を介して熱スプレッダ８１０と直接接触している冷却液によって達成される。シール８０４は、コールドプレートとも見なされることもある。

この実施形態において、熱スプレッダ８１０は、側面を有することができ、シール８０４の取り付け領域８０２は、図８に示したように、熱スプレッダ８１０の側面と同様に熱スプレッダ８１０の上側面を覆う「Ｌ」字形断面を有する。シール８０４の取り付け領域８０２は、シール８０４が熱スプレッダ８１０に結合されたときに熱スプレッダ８１０の上側面の実質的に全体の領域が冷却液にさらされるように構成される。この場合も、シール８０４は、実質的に集積回路チップ８００と同じ設置面積を占めることができる（図９を参照）。

図１０は、本発明の装置のもう１つの参考例の断面図を示す。本発明の装置のこの参考例は、熱境界面を介してチップ１０００に結合された熱スプレッダ１０１０を有する集積回路チップ１０００と、取り付け領域１００２と開口領域１００３とを有するシール１００４であって、シール１００４の開口領域１００３が熱スプレッダ１０１０の上側面の少なくとも一部分を露出するようにシール１００４の取り付け領域１００２が熱スプレッダ１０１０の上側面の境界領域に結合されたシール１００４と、熱スプレッダ１０１０の上側面の露出部分と直接接触する冷却液とを有することができる。冷却液は、シール１００４に結合されたハウジング１００６のチャンバ１００８内に収容される。

シール１００４の取り付け領域１００２は、シール１００４が熱スプレッダ１０１０に結合されたとき、熱スプレッダ１０１０の上側面の実質的に全ての領域が冷却液にさらされるように構成される。この場合も、シール１００４は、チップ１０００と実質的に同じ設置面積を占めることができる（図１１を参照）。

冷却流体が熱スプレッダの少なくとも一部分と直接接触することを可能にするコールドプレートの多数の他の構成が利用されてもよい。例えば、コールドプレートは、複数の開口領域を備えてもよい。図６から図１１の「コールドプレート」は、冷却材料が熱スプレッダと直接接触することを可能にする様々な材料から形成することができる。

図１２は、本方法の１つの例の全体ブロック図を示す。構成要素を冷却する方法の例示的な実施形態は、単一境界面を介して構成要素に熱伝導性カバーを結合するステップ（１２０１）と、構成要素を冷却するために熱伝導性カバーに冷却液を接触させるステップ（１２０２）とを有する。熱伝導性カバーは、コールドプレートでもよく、または代替的に熱スプレッダでもよい。構成要素は、例えば半導体チップ（チップダイとも呼ばれる）でもよく、熱伝導性カバーは、チップと実質的に同じ設置面積を占めることができる。

図１３は、本方法のさらに他の例の全体ブロック図を示す。方法の参考例は、半導体チップにコールドプレートを直接結合するステップ（１３０１）と、コールドプレートに冷却液を接触させて半導体チップを冷却するステップ（１３０２）とを有する。コールドプレートは、チップと同じ設置面積を占めることができる。

ほとんどの用途において、液体が沸騰することにより熱伝導特性が大幅に低下する可能性があるので、液体はシリコンと直接接触してはならない。冷却液とシリコンの直接接触は、熱抵抗源（熱スプレッダ）をなくすので有益であるかもしれない。但し、電力密度が検討されなければならない。チップの電力密度が十分に高いと、液体のプールが沸騰し、シリコン（または熱スプレッダ）間に蒸気の泡ができ、それにより熱特性が低下する。これは、プール沸騰と呼ばれる。これを回避するために、液体／蒸気をチャンバから汲み出してプール沸騰を回避する。代替として、熱源に拡張面（フィン）を追加してもよい。

１つの例における装置は、ハードウェア構成要素のような複数の構成要素を有することがある。装置の１つの例において、いくつかのそのような構成要素が、結合されまたは分割される。１つの例の装置は、任意（例えば、水平、斜め、垂直）の向きを有することができ、本明細書の説明と図面は、説明のために装置の１つの例示的な向きを示している。

したがって、本方法および装置の実施形態は、構成要素を少なくすることによりコストを削減し、熱的性能を改善して製品の密度を高め、取り付けフットプリントを小さくして構成要素間隔の密度を高め動作周波数を高速にする実施形態によって従来技術の欠点を克服する。

本明細書で説明したステップまたは操作は単なる例である。本発明の趣旨から逸脱することなくそのようなステップまたは操作に多くの変形が可能である。例えば、ステップは異なる順序で実行されてもよく、ステップが追加、削除または修正されてもよい。

本明細書に本発明の例示的な実施形態を描写し詳細に説明したが、当業者は、本発明の趣旨から逸脱することなく様々な修正、追加、代用などを行うことができ、したがってそのような様々な修正、追加、代入が特許請求の範囲に定義されている本発明の範囲内にあると解釈される。

本発明の方法および装置の参考例を示す図である。 従来技術の液体冷却実施形態を示す図である。 本発明の方法および装置の１つの参考例を示す図である。 本発明の装置の参考例の断面図である。 図４の参考例の一部分の平面図である。 本発明の装置の１つの実施形態の断面図である。 図６の実施形態の一部分の平面図である。 本発明の装置の他の実施形態の断面図である。 図８の実施形態の一部分の平面図である。 本発明の装置のさらにもう１つの参考例の断面図である。 図１０の参考例の一部分の平面図である。 本発明の方法の実施形態のフローチャートである。 本発明の方法の参考例のフローチャートである。

符号の説明

１０２ 熱発生構成要素
２０６ カバー（熱伝導性カバー）
２００、３００ 集積回路チップ（半導体チップ）
３０１ 上側面
３０２ 基板
３０３ 上側面
３０４ 電気接続
３０５ 下側面
３０６ コールドプレート（冷却板）
３０８ 熱境界面（単一境界面）
３１０ ハウジング
３１２ チャンバ
３１４ 冷却液
３１８ 入継手
３２０ 出継手

Claims (4)

1. 熱発生構成要素を冷却する装置であって、
   熱分散器の下側面によって前記熱発生構成要素に結合された前記熱分散器と、
   前記熱分散器の上側面でハウジングに収容され、前記熱分散器の前記上側面に直接接触する冷却液と、
   前記熱分散器の少なくとも側面に結合される冷却板とを備え、
   前記熱発生構成要素と前記熱分散器とが同じ設置面積を占め、
   前記ハウジングは前記冷却板の上側面と結合し、
   前記冷却板と前記ハウジングとは同じ設置面積を占めることを特徴とする装置。
2. 前記熱発生構成要素が半導体チップであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 熱発生構成要素を冷却する装置を製造する方法であって、
   熱分散器の下側面によって前記熱発生構成要素に前記熱分散器を結合するステップと、
   前記熱分散器の上側面に冷却液が直接接触するように、前記熱分散器の上側面のハウジングに前記冷却液を収容するステップと、
   前記熱分散器の少なくとも側面に冷却板を結合するステップとを含み、
   前記熱発生構成要素と前記熱分散器とが同じ設置面積を占め、
   前記ハウジングは前記冷却板の上側面と結合しており、
   前記冷却板と前記ハウジングとは同じ設置面積を占めることを特徴とする方法。
4. 前記熱発生構成要素が、半導体チップであることを特徴とする請求項３に記載の製造する方法。

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