JP4495351B2 - 集積回路用の冷却ユニット、集積回路パッケージ・アセンブリ及び集積回路を冷却する方法 - Google Patents

集積回路用の冷却ユニット、集積回路パッケージ・アセンブリ及び集積回路を冷却する方法 Download PDF

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Description

【０００１】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は集積回路用の冷却ユニットに関する。
【０００２】
（２．背景の情報）
集積回路は、通常、コンピュータ・システムのマザーボードのような印刷回路基板にはんだ付けされるパッケージ内に組み込まれる。集積回路は動作中熱を発生する。集積回路内の回路の動作を確実に行わせるためにその熱を除去する必要がある。この熱は伝導作用でパッケージから熱交換面に流れ、そしてコンピュータ・システムのファンが発生する空気流によって面から除去される。
【０００３】
集積回路の温度は、回路によって発生する熱および回路と空気流の間の熱インピーダンスに比例する。最近開発された集積回路は、通常、それらの先行機種よりも多い熱を発生する。集積回路の接合温度を維持、出来ればより低くするために、従来技術による組立品よりも小さい熱インピーダンスを有する電子的組立品を提供することが望ましい。
【０００４】
ファンは空気流をコンピュータ・システム内に発生するために電力を必要とする。特にラップトップ・コンピュータのような電池で動作するシステムの場合、そのファンによって消費される電力がコンピュータの動作時間を削減することがある。ファンは、通常、最大の熱量を除去するであろう速度で動作する。集積回路が最大熱より少ない熱を発生している場合、例えば、パワー・ダウン・モードの場合には、最大ファン速度である必要がない。
【０００５】
ファン速度をシステム動作状態に応じて変化させて、集積回路によって発生する熱の変化を補償するコンピュータ・システムが開発された。ファン速度を変化させることは、熱交換面から気流への対流伝熱率を変化させるに過ぎない。パッケージから熱交換面への伝導伝熱率を変化させることが望ましいだろう。したがって、対流および伝導双方の伝熱率を変化させることができる電子パッケージ用の冷却ユニットを提供することが望ましいだろう。システムによって消費される電力量を最小化しながら、熱を集積回路から有効に除去できる電子パッケージ組立品を提供することもまた望ましいだろう。
【０００６】
（発明の概要）
本発明の一実施態様は集積回路用の冷却ユニットである。冷却ユニットは、集積回路に結合されるペルチェ・デバイスおよびペルチェ・デバイスに熱的に結合される複数のフィンを含んでいる。フィンは少なくとも１つの溝によって分離されてもよい。冷却ユニットは、溝を通る流体の流れを発生するファンを含むであろう。
【０００７】
（詳細な説明）
図面を参照数字によってより詳細に参照すると、図１および２は冷却ユニット１０の実施形態を示す。冷却ユニット１０は集積回路パッケージ１２のような熱源を冷却する。集積回路パッケージ１２は熱を発生する集積回路１４を含む。冷却ユニット１０は集積回路１４によって発生する熱を除去する。
【０００８】
冷却ユニット１０は、集積回路パッケージ１２に取付けられたベース・プレート１６を含むことがある。ベース・プレート１６は、銅またはアルミニウムのような熱伝導材料から構成されている。冷却ユニット１０は、ベース・プレート１６に取付けられた複数のペルチェ・デバイス１８をさらに有してもよい。ペルチェ・デバイス１８はデバイス１８に供給される電流に比例して熱を除去できる。ペルチェ・デバイス１８はパッケージ１２からの伝導伝熱率を大きくできる。ペルチェ・デバイス１８は溝２０によって分離されてもよい。
【０００９】
冷却ユニット１０は、ペルチェ・デバイス１８に装着された板２４に取付けられた複数の伝導フィン２２を有してもよい。フィン２２および板２４は、銅またはアルミニウムのような熱伝導材料から構成される。さらに、フィン２２は複数の溝２６によって分離されてもよい。ペルチェ・デバイス１８とフィン２２は外部ケース２８によって密閉されてもよい。ケース２８は金属またはプラスチック材料などから構成される。集積回路１４によって発生する熱は、ベース・プレート１６を通ってペルチェ・デバイス１８およびフィン２２へ伝わるであろう。
【００１０】
溝２０および２６はファン３０を含む主ダクト２９と流体連絡している。ファン３０は溝２０および２６を通る空気流を発生させ、熱をペルチェ・デバイス１８およびフィン２２から除去する。動作時、ペルチェ・デバイス１８は熱を集積回路１４から除去する能動伝導手段となっている。ファン３０は熱を集積回路１４から除去する能動対流手段である。このように、本発明の冷却ユニット１０は熱を集積回路から除去する２つの能動手段を用意している。
【００１１】
図３に示されるように、冷却ユニット１０は、ペルチェ・デバイス１８およびファン３０の動作を制御する制御回路３２を有する。制御回路３２は温度センサ３４に接続されている。温度センサ３４は冷却ユニット１０または集積回路パッケージ１２内に設置される。もう１つの選択肢として、センサ３４は集積回路１４内に集積化されてもよい。制御回路３２は、ペルチェ・デバイス１８およびファン３０に電力を供給する駆動回路３６を含む。駆動回路３６は論理回路３８に接続されている。論理回路３８は温度センサ３４に接続されてもよい。
【００１２】
論理回路３８は、センサ３４によって検出された温度に依存する３つのモードの１つで冷却ユニット１０を動作させる。温度が第１の閾値Ｔ1より低い場合は、冷却ユニット１０は第１のモードで動作する。その時ファン３０とペルチェ・デバイス１８の両方ともオフ状態である。これは、熱が伝導および自然対流によって集積回路１４から伝えられる受動モードである。温度が第１の閾値Ｔ1より高いが第２の閾値Ｔ2より低い場合は、冷却ユニット１０は第２のモードで動作する。その時論理回路３８はファン３０をオン状態に切換える。温度が第２の閾値Ｔ2より高い場合は、冷却ユニット１０は第３のモードで動作する。第３のモードで、論理回路３８は、デバイス１８およびファン３０の両方が作用するように、ペルチェ・デバイス１８をオン状態に切換える。論理回路３８もまた、温度に応じてペルチェ・デバイス１８およびファン３０に供給された電力量を変化させて、ファン速度およびデバイス１８の伝熱率を変化させることがある。例えば、ファン速度は温度の上昇に伴って増加され得る。
【００１３】
本発明は、温度上昇に伴い、かつ回路によって発生する熱に対応して集積回路１４からの伝熱率を大きくできる冷却ユニット１０を提供する。ユニット１０は、電力が熱を除去するのに浪費されないように、いろいろなモードで伝熱率を大きくできる。これはシステムの効率を改善する。例えば、集積回路１４が「パワー・ダウン」状態である場合に、ユニット１０は、回路によって発生する熱を除去するのに十分な受動モードで動作する。システムは、このモードでは必ずしもファンを動作したり、ペルチェ・デバイスに電力を供給したりしない。逆に言えば、集積回路１４が最大量の熱を発生している場合に、冷却ユニットはファン３０およびペルチェ・デバイス１８の両方に電力を供給して、熱を除去できる。このモードで、冷却ユニットは、ペルチェ・デバイス１８およびファン３０をそれぞれ起動することによって、伝導および対流伝熱率の両方を大きくする。
【００１４】
図４はコンピュータ・システム４０に組み込まれた冷却ユニット１０を示す。冷却ユニット１０はベース・プレート１６から延びるヒート・パイプ４２をさらに有している。ヒート・パイプ４２は、コンピュータ４０のハウジング４６に組み込まれた熱拡散器４４に沿って延びることがある。ヒート・パイプ４２および熱拡散器４４は、集積回路１４によって発生する熱に対して別の熱経路となっている。一例として、システム４０は、電池（示されない）によって電力を供給されるラップトップ・コンピュータである。冷却ユニット１０の多くのモードが電池の寿命を延ばすの役立つ電力節約機能を備える。
【００１５】
図５は冷却ユニット１０の代替実施形態を示し、ここでファン３０は主ダクト２９に対してある角度に向けられている。傾けられたファン３０はユニット１０の高さを小さくする。
【００１６】
図６は冷却ユニット１０の代替実施形態を示し、ここでヒート・パイプ４２は熱媒体を備えて、熱を集積回路パッケージ１２からペルチェ・デバイス１８およびフィン２２へ伝える。そのような構成は、デバイス１８およびフィン２２がパッケージ１２に近接して組立てることができない場合に望ましい。
【００１７】
図７は冷却ユニット１０の別の代替実施形態を示し、ここでファン３０はフィン２２の長手方向軸に対して垂直である方向に空気を向ける。そのような構成が冷却ユニット１０の長さを小さくするであろう。
【００１８】
いくつかの典型的な実施形態が説明され、添付図面に示されたが、そのような実施形態は広い発明の例示に過ぎず、それに限定されないこと、そして本発明は、様々な他の変更が当業者に起こることがあるので、特定の構造および配列に限定されないということが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の冷却ユニットの実施形態の正面図である。
【図２】 冷却ユニットの側面図である。
【図３】 冷却ユニット用の制御系を示す図である。
【図４】 コンピュータ内の冷却ユニットを示す上面図である。
【図５】 冷却ユニットの代替実施形態を示す側面図である。
【図６】 冷却ユニットの代替実施形態を示す側面図である。
【図７】 冷却ユニットの代替実施形態を示す側面図である。

Claims (3)

  1. 集積回路用の冷却ユニットであって、
    集積回路に熱的に結合されるペルチェ・デバイスと、
    前記ペルチェ・デバイスに隣接した第１の溝と、
    前記ペルチェ・デバイスに熱的に結合され、かつ第２の溝によって分離される複数のフィンと、
    前記集積回路に熱的に結合された前記ペルチェ・デバイスに隣接した前記第１の溝を通る流体の流れを発生させるファンとを備える冷却ユニット。
  2. 集積回路パッケージ・アセンブリであって、
    集積回路と、
    前記集積回路パッケージに熱的に結合されるペルチェ・デバイスと、
    前記ペルチェ・デバイスに隣接した第１の溝と、
    前記ペルチェ・デバイスに熱的に結合され、かつ第２の溝によって分離される複数のフィンと、
    前記集積回路パッケージに熱的に結合された前記ペルチェ・デバイスに隣接した前記第１の溝を通る流体の流れを発生させるファンとを備えるアセンブリ。
  3. 集積回路に熱的に結合されるペルチェ・デバイスと、前記ペルチェ・デバイスに隣接した第１の溝と、前記ペルチェ・デバイスに熱的に結合され、かつ第２の溝によって分離される複数のフィンと、前記集積回路に熱的に結合された前記ペルチェ・デバイスに隣接した前記第１の溝を通る流体の流れを発生させるファンとを備える冷却ユニットを用いて前記集積回路を冷却する方法であって、
    温度の閾値として、第１の閾値と、前記第１の閾値より高温度の第２の閾値とを有し、
    温度を感知するステップと、
    温度が前記第１の閾値より低い場合に、前記ペルチェ・デバイスおよびファンをオフ状態に置くステップと、
    温度が前記第１の閾値より低くなく、かつ、前記第２の閾値より低い場合に前記ペルチェ・デバイスに隣接した流体の流れを生成するステップと、
    温度が前記第２の閾値より低くない場合は前記流体の流れを生成しペルチェ・デバイスをオン状態で動作させるステップと
    を含む方法。
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