JP4639231B2 - 集積回路装置のための液体金属熱インターフェース - Google Patents

集積回路装置のための液体金属熱インターフェース Download PDF

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Description

本発明は、一般には集積回路ダイのパッケージングに関し、より詳しくは、集積回路装置のための液体金属熱インターフェースに関する。
図１に示すのは、パッケージ化された従来型集積回路（ＩＣ）装置１００である。ＩＣ装置１００は、基板１２０上に配置されたダイ１１０を含む。この基板は「パッケージ基板」と称することが多い。ダイ１１０は、マイクロプロセッサ、ネットワークプロセッサまたはその他の処理装置を含む。ダイ１１０は、例えば、コントロールド・コラプス・チップ・コネクション（すなわち「Ｃ４」）組立技術を用いて基板に接続される。ここで、ダイ１１０上の複数のリードまたはボンドパッドが、対応する基板１２０上の複数のリードまたはランドに、接続要素１３０（例えば、はんだバンプ、コラム等）のアレイによって電気的に接続される。そして、パッケージ基板１２０上の回路が、次レベルのコンポーネント（例えば、マザーボード、コンピュータシステム、回路基板、別のＩＣ装置等）との電気的接続が確立している基板１２０上の位置にダイリードを配線する。例えば、基板回路は、信号ラインの全てを、パッケージ基板１２０の下面に形成されたピン・グリッドアレイ１２５―または、その代わりにボール・グリッドアレイ―に配線してよい。その後、ピン・グリッド（またはボール・グリッド）アレイによって、端子連結アレイ（例えば、ピンソケット、ボンドパッド等）を含む、次レベルのコンポーネントにダイが電気的に接続される。
ＩＣ装置１００の動作時においては、ダイ１１０によって発生した熱が、ダイから運び去られるかさもなければ拡散されるかしなければ、この熱によりダイが損傷する可能性がある。ダイ１１０から熱を除去すべく、ダイ１１０は、第１熱インターフェース１４０、放熱体１５０および第２熱インターフェース１６０を含むいくつかの熱伝導コンポーネントを介して究極的にはヒートシンク１７０に接続される。一般に、熱インターフェースは、２つの連結固体表面上の微小ピットやその他の表面凹凸を埋め合わせるコンポーネントであり、さらには、２つの固体表面が熱的につながるようにこれらの連結表面間の熱伝導経路を与える。典型的な熱インターフェースには、はんだ、または熱グリースのような伝導材料の層が含まれる。
第１熱インターフェース１４０はダイ１１０の上面に接続され、この熱インターフェースは、ダイから放熱体１５０へ熱を伝導する。放熱体１５０は、それ自身の中で側方へ熱を伝導し、ダイ１１０から外方に向かう側方へ熱を「放熱」する。放熱体１５０はまた、第２熱インターフェース１６０へ熱を伝導する。第２熱インターフェース１６０は、ヒートシンク１７０へ熱を伝導し、ヒートシンク１７０は周囲環境へ熱を伝達する。ヒートシンク１７０は、周囲空気に熱の対流を促すための複数のフィン１７２、または、表面積を増加させるその他の類似の特徴を含む。ＩＣ装置１００はまた、ダイ１１０を動作環境からシールするためのシール要素１８０を含む。ここで、シール要素１８０および放熱体１５０は、ダイ１１０のための一体型キャップまたはハウジングを備える。
ヒートシンク１７０、放熱体１５０、ならびに第１および第２熱インターフェース装置１４０、１６０は集合的にダイ１１０のための冷却システムを形成する。マイクロプロセッサおよびその他の処理装置の電力損失は一般に、各設計世代とともに増加する。これらの装置の動作周波数が着実に上昇するためである。また、ダイの設計および動作条件によっては、局所的温度がダイ上の周囲領域よりも顕著に高い、ダイ上の「ホットスポット」が生じるかもしれず、かかるホットスポットから熱を適切に引き出すことに失敗すると、ダイの損傷および／またはダイの性能劣化が生じることがある。したがって、将来世代のＩＣ装置におけるダイ冷却システムの熱性能がますます重要になり、こうした装置に要求される熱性能によって、図１に示す従来型冷却システムの限界は打破されるだろう。
マイクロプロセッサおよびその他の処理装置の熱拡散要求を満たすための１つの可能な解決策は、ヒートシンクおよびその他のパッシブ熱除去コンポーネントなしに（またはこれらと組み合わせて）、アクティブ冷却システム―例えば、作動流体の移動に主導される対流熱伝達に、少なくとも部分的に基づく液体系冷却システム―を用いることである。本明細書に開示されるのは、集積回路（ＩＣ）装置のための冷却システムの実施例―およびＩＣ装置の冷却方法の実施例―である。ここで、冷却システムは、放熱体またはヒートシンクのような熱伝達要素とダイとの間に配置される液体金属熱インターフェースを含む。液体金属熱インターフェースの製造方法の実施例もまた開示される。
図２を参照すると、液体金属熱インターフェースを含む冷却システム２００の実施例が示される。冷却システム２００はＩＣダイ１０に接続される。ＩＣダイ１０の動作時において、ダイは熱を発生し、冷却システム２００は、ＩＣダイ１０から周囲環境へ熱を運び去ることによって行われるようにして、この熱の少なくともある程度を拡散することができる。ＩＣダイ１０は、マイクロプロセッサ、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはその他の処理装置のような、任意の種類の集積回路装置を含む。
冷却システム２００は、熱伝達要素２１０を含む。熱伝達要素２１０は―単独でまたはその他の装置との組み合わせで―ダイ１０から熱を運び去ることができるか、さもなければダイによって発生した熱を拡散することができる任意の装置を含む。一実施例において、熱伝達要素２１０は、（後にヒートシンクまたはその他の熱拡散装置に熱的に接続される）放熱体を含む。別の実施例において、熱伝達要素２１０は、周囲環境へ熱を伝達可能な、多数フィンのヒートシンクのようなヒートシンクを含む。
熱伝達要素２１０は、ＩＣダイ１０に熱的に接続されて、任意の適切なモードによって、または複数のモードの組み合わせ（例えば、伝導、対流またはそれらの組み合わせ）によって、ダイと熱伝達要素との間に熱伝達が生じる。熱伝達要素２１０とＩＣダイ１０とを熱的に接続するために、冷却システム２００は、液体金属熱インターフェース２９０を含む。一実施例によると、液体金属熱インターフェース２９０は、ＩＣダイ１０と熱伝達要素２１０との間の領域２９５を経由しておよび／またはその領域内で移動する液体金属流を含む。液体金属は、より詳細に以下に記載される流体回路によって熱インターフェース領域２９５内を循環する。一実施例において、熱インターフェース２９０は、伝導（例えば、固体表面から移動液体金属へ）と対流（例えば、液体金属の移動によってもたらされる強制対流）との組み合わせによって、ＩＣダイ１０と熱伝達要素２１０との間で熱を伝達させる。
一般に、熱インターフェース２９０の液体金属は、ＩＣダイ１０の動作領域全体にわたり液体状態を維持できる金属または金属合金を含む（なお、動作領域の下端は室温よりも顕著に低い）。一実施例において、液体金属は、熱伝導材料を含み、さらなる実施例において、液体金属はまた、電気伝導材料も含む。例えば、液体金属は、以下の金属の１つ以上の合金を含む：ガリウム、インジウム、水銀、すず、鉛、銅、亜鉛およびビスマス（例えばガリウム・インジウム合金）。しかし、開示の実施例は、液体金属の使用に限定されるものではなく、さらには、非金属作動流体を利用する熱インターフェースも開示の実施例の範囲内であることを理解されたい。
一実施例において、液体金属は、ＩＣダイ１０の表面と流体的に連通している。別の実施例において、ダイ表面に保護コーティングおよび／または絶縁層が配置される。なお、液体金属は、ダイ表面のこのコーティングまたは層とも流体的に連通する（用語「流体的に連通」は、本明細書で用いられているが、流体がダイ表面と直接的に流体的に連通する場合に限定されるわけではない）ことを理解されたい。さらなる実施例において、液体金属は、熱伝達要素２１０の表面（またはこの表面にわたって配置されるコーティングまたはその他の材料層を備えたもの）に流体的に連通する。なおもさらなる実施例において、液体金属は、ダイ表面と熱伝達要素の表面との両方に流体的に連通する。
熱インターフェース領域２９５内で液体金属（またはその他の作動流体）を移動させるために、冷却システム２００は流体回路２２０を含む。一般に、流体回路２２０は、液体金属を熱インターフェース領域２９５を経由して移動させることができる任意のコンポーネントまたは複数のコンポーネントの集合―流体ポンプ、弁、コンジット、シール等―を含む。一実施例において、流体回路２２０は、実質的にシールされた閉ループ流体回路を含む。しかし、読者であればわかるように、このようなシールされた閉ループ流体システムは、少量の漏洩を示すことがある。別の実施例において、流体回路２２０は、閉ループ流体システムではない（例えば、作動流体の一部の交換が定期的に必要となる）。
一実施例において、流体回路２２０は、流体アクチュエータ２３０を含む。流体アクチュエータ２３０は、ポンプのような任意の装置を含む。流体回路２２０を経由して、このため熱インターフェース領域２９５内で、流体を移動させることができる。作動流体が電気伝導液体金属を含む場合の一実施例によると、流体アクチュエータ２３０は、電磁ポンプを含む。しかし、その他の種類のポンプ（例えば、ギヤポンプ、ダイアフラムポンプ等）も開示の実施例とともに使用できることを理解されたい。
図３を参照すると、図２に示す冷却システム２００によって行われる、液体金属熱インターフェースを用いたＩＣダイの冷却方法の実施例が示される。ブロック３１０に示されるように、熱インターフェース領域内で、流体回路とＩＣダイ表面との間が流体的に連通される。熱インターフェース領域は、ダイ表面と、放熱体またはヒートシンクのような熱伝達要素との間に延在する。ブロック３２０を参照すると、流体回路内の液体金属（またはその他の作動流体）は、ダイ表面と熱伝達要素との間の熱インターフェース領域を経由して移動する。ポンプまたはその他の流体アクチュエータが使用されて、液体金属が流体回路および熱インターフェース領域を経由して循環する。一実施例において、流体回路はまた、熱伝達要素の表面に流体的に連通する。ブロック３３０に示されるように、ＩＣダイから、熱インターフェース領域をわたって、熱伝達要素へ、熱が伝達される。一実施例において、熱インターフェース領域にわたる熱伝達は、対流と伝導との組み合わせによって生じる。例えば、ダイ表面から（熱インターフェース領域経由で流れる）液体金属への熱伝達は伝導によって生じ、この熱エネルギーは、ひとたび移動流体内にくれば、対流によって運び去られ（および熱伝達要素へ運ばれ）る。
図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、液体金属熱インターフェースを有するＩＣ装置４００の実施例が示される。ＩＣ装置４００の平面図を図４Ａに示す一方、図４Ｂは、図４ＡのＢ−Ｂ線に沿ったＩＣ装置の側断面図を示す。なお、図示の便宜のため、ヒートシンク（部材４７０）、第２熱インターフェース（部材４６０）および放熱体（部材４５０）を含む所定の部品は図４Ａから省かれている。
図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、ＩＣ装置４００は、パッケージ基板４０５上に配置されたダイ４１０を含む。ダイ４１０は、マイクロプロセッサ、ネットワークプロセッサ、ＡＳＩＣまたはその他の処理装置を含む。ダイ４１０は、例えば、Ｃ４組立技術を用いて基板に接続される。ここで、ダイ上のいくつかのリードまたはボンドパッドは、接続要素４１２（例えば、はんだバンプ、コラム等）のアレイによって、基板４０５上の対応する数のリードまたはランドに電気的に接続される。そして、パッケージ基板４０５上の回路が、次レベルのコンポーネント（例えば、マザーボード、コンピュータシステム、回路基板、別のＩＣ装置等）との電気的接続が確立している基板上の位置にダイリードを配線する。例えば、基板回路は、信号ラインの全てを、パッケージ基板４０５の下面に形成されたボール・グリッドアレイ４０７―または、その代わりにピン・グリッドアレイ―に配線してよい。その後、ボール・グリッド（またはピン・グリッド）アレイによって、端子連結アレイ（例えば、ピンソケット、ボンドパッド等）を含む、次レベルのコンポーネントにダイが電気的に接続される。
ダイ４１０に接続しているのは、後に放熱体４５０に接続される液体金属熱インターフェース４９０である。放熱体４５０が第２熱インターフェース４６０に接続され、ヒートシンク４７０（またはその他のパッシブもしくはアクティブ熱拡散装置）が第２熱インターフェース４６０に接続される。より詳細に以下に記載される液体金属熱インターフェース４９０は、ダイ４１０から放熱体４５０へ熱を伝達する。放熱体４５０は、それ自身の中で側方へ熱を伝導し、ダイ４１０から外方に向かう側方へ熱を「放熱」する。放熱体４５０はまた、第２熱インターフェース４６０へ熱を伝導する。第２熱インターフェース４６０は、ヒートシンク１７０へ熱を伝導し、ヒートシンク１７０は周囲環境へ熱を伝達する。
一実施例によると、ヒートシンク４７０は、周囲空気に熱の対流を促すための複数のフィン４７２、または、表面積を増加させるその他の類似の特徴を含む。しかし、開示の実施例は、多数フィンの熱交換器の使用にも、周囲空気への熱の究極的拡散にも限定されるものではないことを理解されたい。例えば、別の実施例において、アクティブ冷却装置（例えば、液体冷却板または冷凍システム）が、第２熱インターフェース４６０によって、放熱体４５０に接続される。そして、液体金属によって運ばれた熱は、アクティブ冷却システム（作動流体を含む）に排出され、その後アクティブ冷却システムは熱を運び去ることができる。
液体金属熱インターフェース４９０は、ダイ４１０から熱インターフェース領域４９５をわたって放熱体４５０へ熱を伝達する。一実施例において、熱インターフェース領域にわたる熱伝達は、（例えば、ダイ表面４１８から液体金属への）伝導と、対流（例えば、移動液体金属によって行われる強制対流）との組み合わせによって生じる。液体金属熱インターフェース４９０がダイ４１０から放熱体４５０（またはその他の熱伝達要素）へ熱を運び去る能力は、液体金属の熱伝導率、および熱インターフェース領域４９５経由で流れる際の液体金属の速度、に依存する。例えば、液体金属が「良い」熱電導体であれば、熱インターフェース領域経由で流れる液体金属の速度は、ダイ表面４１８を所定の温度範囲内に維持するように低下される。それとは対照的に、液体金属が比較的「悪い」熱伝導体であれば、液体金属の速度は、ダイ表面を所定の温度範囲に維持するように比較的高くする必要がある。
液体金属（またはその他の作動流体）を熱インターフェース領域４９５経由で移動させるべく、および液体金属を収容するべく、ＩＣ装置４００は、さらに流体回路４２０を含む。一実施例によると、流体回路４２０は、実質的にシールされた閉ループ流体回路を含む。一実施例において、流体回路４２０は、出口４２３を有する流体チャンバ４２２内へ開口する入口４２１を含む。流体回路４２０はまた、チャンバ出口４２３に流体的に連通した一端と、流体アクチュエータ４３０に接続された対向端と、を有する戻りライン４２４を含む。そして、流体アクチュエータ４３０は、チャンバ４２２の入口４２１に接続される。すなわち、流体アクチュエータ４３０、入口４２１、チャンバ４２２、出口４２３および戻りライン４２４は、閉ループ流体回路をなす。
一般に、熱インターフェース領域４９５は、流体チャンバ４２２によって画定されるかまたは流体チャンバ４２２内に含まれる。一実施例において、流体チャンバ４２２は、ダイ４１０の外周縁４１６（および表面４１８）を取り囲むようなサイズである。別の実施例によると、流体チャンバ４２２は、ダイ４１０の表面４１８、ハウジング４４０の壁、および放熱体４５０の表面４５８によって画定される。ハウジング４４０は、プラスチックおよび金属（例えば銅）を含む任意の適切な材料から構成される。ハウジング４４０は、任意の適切な結合方法および／または装置を用いて、ダイ４１０に取り付けられる。例えば、ハウジング４４０は、エポキシまたははんだを用いてダイ４１０に取り付けられる。一実施例において、ダイ４１０とハウジング４４０との間の流体シールが、ダイの周縁４１６まわりに形成される。同様に、任意の適切な結合方法および／または装置を用いて、ハウジング４４０が放熱体４５０に取り付けられる。例えば、ハウジング４４０は、エポキシまたははんだを用いて、放熱体４５０に取り付けられる。一実施例において、放熱体４５０とハウジング４４０との間の流体シールが、放熱体の周縁４５６まわりに形成される。放熱体４５０は、任意の適切な伝導材料（例えば、銅、複合材料等）から構成される。図４Ａ−図４Ｂの実施例において、流体チャンバ４２２内の液体金属は、ダイ４１０の表面４１８に、および放熱体４５０の表面４５８に、流体的に連通する。
戻りライン４２４は、任意の適切な流路によって与えられる。一実施例において、戻りライン４２４は、任意の適切なパイプまたはチューブ類から構成されるコンジット４８０を含む。コンジット４８０は、プラスチックまたは金属を含む任意の適切な材料から形成される。一実施例において、コンジット４８０は、（例えば、プラスチック材料から製造される１つの射出成形部品として）ハウジング４４０と一体的に形成される。コンジット４８０は、圧着技術、接着工程（例えば、エポキシ接着またははんだ付け）、またはネジ嵌めのような、任意の適切な接続方法および／または装置を用いて、ハウジング４４０に（それと一体的でないとしても）接続され、および流体アクチュエータ４３０に接続される。
流体アクチュエータ４３０は、流体回路４２０内で、および流体チャンバ４２２経由で、液体金属を循環させることができる任意の装置を含む。液体金属が電気伝導性である場合の一実施例において、流体アクチュエータ４３０は電磁ポンプを含む。しかし、その他の実施例によると、流体アクチュエータは、別の種類のポンプまたは装置（例えば、ギヤポンプ、ダイアフラムポンプ等）を含む。流体アクチュエータ４３０は、圧着技術、接着工程（例えば、エポキシ接着またははんだ付け）、またはネジ嵌めのような、任意の適切な接続方法および／または装置を用いて、コンジット４８０および入口４２１に接続される（なお、所定長さのパイプまたはチューブ類が流体アクチュエータ４３０とチャンバ入口４２１との間に延在する）。一実施例において、流体アクチュエータ４３０は、アクチュエータと、コンジット４８０およびハウジング４４０のチャンバ入口４２１との接続によって所定位置に保持される。別の実施例において、流体アクチュエータ４３０は、パッケージ基板４０５上に配置され、さらなる実施例において、流体アクチュエータ４３０は、パッケージ基板４０５内に形成または構成される。
一実施例において、流体回路４２０内の液体金属は、ＩＣ装置４００の動作温度領域全体にわたり液体状態を維持する任意の金属（またはその他の流体）を含む。一実施例によると、液体金属は、熱伝導性であり、さらなる実施例において、液体金属はまた、電気伝導性である。例えば、液体金属は、以下の金属の１つ以上の合金を含む：ガリウム、インジウム、水銀、すず、鉛、銅、亜鉛およびビスマス（例えばガリウム・インジウム合金）。一実施例において、流体回路４２０内の液体金属の量は、流体チャンバ４２２（ならびに入口および出口４２１、４２３）および戻りライン４２４を実質的に満たすのに十分である（例えば、流体回路４２０内には空気が実質的に存在しない。その他の実施例では流体回路４２０内に空気またはその他の気体が存在するかもしれないが。）。
動作時、液体金属（またはその他の作動流体）は、流体アクチュエータ４３０によって流体回路４２０内を循環させられる。液体金属は、入口４２１経由で流体チャンバ４２２に入り、熱インターフェース領域４９５内に至る。ひとたびチャンバ４２２内に入ると、液体金属は、ダイ４１０の表面４１８にわたって、および放熱体４５８の表面４５８にわたって、流れる。ダイ表面４１８から液体金属への熱伝導に起因して、さらには、対向する表面４１８、４５８にわたる液体金属の移動に主導される対流に起因して、ダイ４１０から放熱体４５０へ熱が運び去られる。なお、液体金属は、放熱体４５０へ熱を伝達する際に冷却される。インターフェース領域４９５（およびチャンバ４２２）を経由して流れる液体金属は、出口４２３を通ってこの領域を出る。液体金属は、戻りライン４２４経由で循環されて流体アクチュエータ４３０へ戻る。
次に図５を参照すると、液体金属熱インターフェース５９０を有するＩＣ装置５００の別の実施例が示される。図５の実施例は上述の図４Ａ−図４Ｂに示されるものと類似するので、同じ要素は図５においても同じ参照番号のままとする。また、図４Ａ−図４Ｂに関して前述された要素の記載は、図５の以下の説明では繰り返さないことにする。
上述のように、ＩＣ装置５００は、上述のＩＣ装置４００に類似する。しかし、ＩＣ装置５００は、放熱体も第２熱インターフェースも含まない。その代わりに、これらのコンポーネントが省かれて、液体金属熱インターフェース５９０が、ダイ４１０とヒートシンク４７０との間に配置される。流体回路４２０は上述されたものに類似する。しかし、流体回路は、ヒートシンク４７０の表面４７８に流体的に連通する。さらに、流体チャンバ４２２は、ダイ４１０の表面４１８、ヒートシンク４７０の表面４７８、およびハウジング５４０の壁によって画定される。ハウジング５４０は、任意の適切な材料（例えば、プラスチック、金属等）から構成され、任意の適切な結合方法および／または装置（例えば、エポキシ、はんだ等）を用いて、ヒートシンク４７０にハウジングの周縁５４６まわりで―またダイ４１０にもダイの周縁４１６まわりで―接続される。ダイ４１０の冷却は、上述に類似する態様で生じる。しかし、液体金属熱インターフェース５９０は、ダイ４１０から直接ヒートシンク４７０へ熱を伝達する。図５の実施例は、（図４Ａ−図４Ｂの実施例と比較すると）より効率的かつ低コストである。また、開示の実施例は、多数フィン熱交換器またはその他のパッシブ装置の使用に限定されるものではなく、ヒートシンク４７０は、アクティブ冷却システム（例えば、液体冷却板、冷凍システム蒸発器等）によって置換されてよい。
図６Ａおよび図６Ｂに示されるのは、液体金属熱インターフェース６９０を有するＩＣ装置６００のさらに別の実施例である。ＩＣ装置６００の平面図を図６Ａに示す一方、図６Ｂは、図６ＡのＢ−Ｂ線に沿ったＩＣ装置の側断面図を示す。なお、図示の便宜のため、ヒートシンク（部材４７０）、第２熱インターフェース（部材４６０）、およびハウジング（部材６４０）の上部壁（部材６５０）を含む所定の部品は、図６Ａから省かれている。
図６Ａ−図６Ｂの実施例は上述の図４Ａ−図４Ｂに示されるものと類似するので、同じ要素は図６Ａ−図６Ｂにおいても同じ参照番号のままとする。また、図４Ａ−図４Ｂに関して前述された要素の記載は、図６Ａ−図６Ｂの以下の説明では繰り返さないことにする。
上述のように、ＩＣ装置６００は、上述のＩＣ装置４００に類似する。しかし、ＩＣ装置６００は、別個の放熱体を含まない。その代わりに、ハウジング６４０―これは流体チャンバ４２２を部分的に画定する―は上部壁６５０を有し、ハウジング６４０のこの上部壁６５０が、第２熱インターフェース４６０に直接接続される。本質的には、ハウジング６４０の上部壁６５０が放熱体として作用し、流体チャンバ４２２は、ハウジング６４０の壁とダイ４１０の上面４１８とによって画定される。流体回路４２０は上述されたものに類似する。しかし、流体回路は、上部ハウジング壁６５０の内表面６５８に流体的に連通し、流体チャンバ４２２内の液体金属が、ダイ４１０から上部ハウジング壁６５０（これは上述のように放熱体として作用する）へ熱を伝達する。
ハウジング６４０は、任意の適切な材料、または材料の組み合わせから構成される。少なくとも上部ハウジング壁６５０は、熱伝導材料（例えば銅）から構成されるが、ハウジング６４０のその他の部分は、非熱伝導材料（例えばプラスチック）から構成されてよい。例えば、上部ハウジング壁６５０が、銅（またはその他の熱伝導金属）から構成されて、ハウジング６４０の残りの部分が、射出成形プラスチックから構成されてよい（ここで、銅材料を覆ってプラスチック材料を成形するためにオーバーモールディング工程が用いられてもよい）。しかし、その他の実施例においては、ハウジング全体が、銅または複合材料のような熱伝導材料から構成されてよい。
図６Ａ−図６Ｂにも示される、なおもさらなる実施例においては、戻り経路４２４（または戻り経路の一部）は、ハウジング６４０と一体的に形成される。例えば、図６Ａに示されるように、戻り経路４２４は、ハウジング６４０の一部として形成されるコンジット６８０によって与えられる。流体アクチュエータ４３０は、圧着技術、接着工程（例えば、エポキシ接着またははんだ付け）、またはネジ嵌めのような、任意の適切な接続方法および／または装置を用いて、コンジット６８０（およびハウジング６４０の入口４２１）に接続される。
ここで、図７を参照すると、ＩＣ装置のための液体金属熱インターフェースの製造方法の実施例が示される。ブロック７１０に示されるように、流体回路はＩＣダイに接続されて、流体回路がダイ表面と流体的に連通する。一実施例において、流体回路は、実質的にシールされた閉ループ流体回路を含む。ブロック７２０を参照すると、熱伝達要素が流体回路に熱的に接続される。ここで、熱インターフェース領域が、ダイ表面と熱伝達要素との間に形成される。一実施例によると、熱伝達要素の表面はまた、流体回路に流体的に連通する。一実施例において、熱伝達要素は放熱体を含み、別の実施例において、熱伝達要素はヒートシンクを含む。ブロック７３０に示されるように、流体アクチュエータ（例えば、電磁ポンプまたはその他の種類のポンプ）が流体回路に接続される。ブロック７４０を参照すると、所定量の液体金属が流体回路内に配置され、流体金属が流体回路内を熱インターフェース領域経由で循環する（例えば、流体アクチュエータの作用のもとで）。一実施例において、液体金属は熱伝導性であり、さらなる実施例において、液体金属はまた、電気伝導性である。
液体金属熱インターフェース―例えば、図２から図７までの任意の１つ以上に開示された液体金属熱インターフェース―によって、改善された冷却が与えられる。液体金属熱インターフェースを用いると、ダイ温度は、（ダイと放熱体との間の従来型熱インターフェースを有するＩＣ装置の比較して）２０℃以上のオーダで低下すると考えられる。さらに、かかる液体金属熱インターフェースは、ダイ上の非均一な電力分布（例えばホットスポット）を補償することができると考えられる。しかし、それにもかかわらず、開示の液体金属熱インターフェースは、ダイに対してなんら修正を加えることなく、さらには、現行のフォームファクタと互換する態様で、実施することができる。また、開示の液体金属熱インターフェースによれば、真空下での動作が要求されない。さらに、電気伝導液体金属は、可動部品が全くなく、かつ、非常に小さくできる電磁ポンプを用いて移動させることができる。
図８を参照すると、コンピュータシステム８００の実施例が示される。コンピュータシステム８００は、様々なコンポーネントが接続されるバス８０５を含む。バス８０５は、システム８００のコンポーネントを相互接続する１つ以上のバスの集合―例えば、システムバス、ペリフェラル・コンポーネント・インターフェース（ＰＣＩ）バス、スモール・コンピュータ・システム・インターフェース（ＳＣＳＩ）バス等―を表すものである。これらのバスを１つのバス８０５で表すことは、理解を容易にするためであり、システム８００がそこまで限定されないことを理解するべきである。当業者であれば、コンピュータシステム８００が、任意の適切なアーキテクチャを有し、任意の数および組み合わせのバスを含むことがわかるだろう。
バス８０５に接続されるのは、処理装置（または装置）８１０である。処理装置８１０は、マイクロプロセッサ、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）または類似の装置を含む、任意の適切な処理装置またはシステムを含む。なお、図８は１つの処理装置８１０を示しているが、コンピュータシステム８００は、２つ以上の処理装置を含んでよいことを理解されたい。
コンピュータシステム８００はまた、バス８０５に接続されたシステムメモリ８２０を含み、例えば、システムメモリ８２０は、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）、シンクロナスＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）またはダブル・データ・レートＤＲＡＭ（ＤＤＲＤＲＡＭ）のような任意の適切な種類および数のメモリを含む。コンピュータシステム８００の動作中は、オペレーティングシステムおよびその他のアプリケーションがシステムメモリ８２０に常駐する。
コンピュータシステム８００は、バス８０５に接続されたリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）８３０をさらに含む。動作中、ＲＯＭ８３０は、処理装置８１０のための一時的な命令および変数を格納する。システム８００はまた、バス８０５に接続された１つ（または複数）の記憶装置８４０を含む。記憶装置８４０は、例えば、ハードディスクドライブのような、任意の適切な非揮発性メモリを含む。オペレーティングシステムおよびその他のプログラムが、記憶装置８４０に格納される。さらに、リムーバブル記憶媒体（例えば、フロッピディスク（登録商標）またはＣＤＲＯＭドライブ）にアクセスするための装置８５０が、バス８０５に接続される。
コンピュータシステム８００はまた、バス８０５に接続された１つ以上のＩ／Ｏ（入力／出力）装置８６０を含む。一般的な入力装置には、キーボード、マウスのようなポインティングデバイス、およびその他のデータ入力装置が含まれる一方、一般的な出力装置には、ビデオディスプレイ、印刷装置およびオーディオ出力装置が含まれる。なお、これらは、コンピュータシステム８００に接続されるＩ／Ｏ装置の種類のほんのわずかな例に過ぎない。
コンピュータシステム８００はさらに、バス８０５に接続されたネットワーク・インターフェース８７０を含む。ネットワーク・インターフェース８７０は、システム８００をネットワーク（例えば、ネットワーク・インターフェース・カード）に接続することができる任意の適切なハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを含む。ネットワーク・インターフェース８７０は、任意の適切なプロトコル―例えば、ＴＣＰ／ＩＰ（トランスミッション・コントロール・プロトコル／インターネット・プロトコル）、ＨＴＴＰ（ハイパー・テキスト・トランスミッション・プロトコル）およびその他―を介しての情報交換をサポートする任意の適切な媒体―例えば、ワイヤレス、銅線、光ファイバまたはそれらの組み合わせ―を介して１つの（または複数の）ネットワークとのリンクを確立する。
なお、図８に示されるコンピュータシステム８００は、かかるシステムの例示としての実施例を表すものであり、さらには、このシステムは、明確にするためおよび理解を容易にするために省かれた多くの付加的コンポーネントを含んでよい。例えば、システム８００は、ＤＭＡ（ダイレクト・メモリ・アクセス）コントローラ、処理装置８１０とともに用いられるチップセット、付加的なメモリ（例えばキャッシュメモリ）、ならびに付加的な信号ラインおよびバスを含んでよい。また、コンピュータシステム８００が、図８に示されるコンポーネントの全てを含まなくてもよいことも理解されたい。
一実施例において、コンピュータシステム８００は、開示の実施例の任意の１つ以上に係る液体金属熱インターフェースを有するコンポーネントを含む。例えば、システム８００の処理装置８１０が、液体金属熱インターフェースを含んでよい。しかし、システム８００のその他のコンポーネント（例えばネットワーク・インターフェース８７０等）が、開示の実施例に係る液体金属熱インターフェースを有する装置を含んでもよいことを理解されたい。
上記詳細な説明および添付の図面は例示のみであって、限定するものではない。これらは、主に開示の実施例の明確かつ包括的な理解ために与えられたものであって、不必要な限定がこれらから理解されるものではない。当業者によって、本明細書の実施例に対しては、開示の実施例の要旨および添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、多くの付加、削除および修正、ならびに代替構成が考案される。
従来型集積回路装置の断面立面図を示す概略図である。 液体金属熱インターフェースを有する集積回路装置の実施例を示す概略図である。 液体金属熱インターフェースを有する集積回路ダイの冷却方法の実施例を示すブロック図である。 液体金属熱インターフェースを有する集積回路装置の別の実施例の平面図を示す概略図である。 図４ＡのＢ−Ｂ線に沿って図４Ａの集積回路装置の断面を示す概略図である。 液体金属熱インターフェースを有する集積回路装置のさらなる実施例を示す概略図である。 液体金属熱インターフェースを有する集積回路装置のなおもさらなる実施例の平面図を示す概略図である。 図７ＡのＢ−Ｂ線に沿って図７Ａの集積回路装置の断面を示す概略図である。 集積回路装置のための液体金属熱インターフェースの製造方法の実施例を示すブロック図である。 開示の実施例の１つ以上に係る液体金属熱インターフェースを有するコンポーネントを含むコンピュータシステムの実施例を示す概略図である。

Claims (8)

  1. 表面を有する集積回路ダイと、
    複数のフィンを有するヒートシンクを含む熱伝達要素と、
    入口および出口を有する流体チャンバと、
    前記入口に接続された流体アクチュエータと、
    前記出口と前記流体アクチュエータとの間に延在する流体コンジットと、
    前記流体チャンバ、前記流体アクチュエータ、および前記流体コンジットによって与えられる流体回路内に配置された所定量の液体金属と、
    を含み、
    前記流体チャンバの一壁は、前記集積回路ダイの表面によって画定され、
    前記流体チャンバの対向壁は、前記熱伝達要素の底面によって画定され、
    前記流体アクチュエータは、前記流体回路を経由して前記液体金属を循環させ、
    前記流体チャンバを経由して流れる前記液体金属は、前記集積回路ダイの表面全体にわたって移動して前記集積回路ダイから前記熱伝達要素へ熱を伝達する、装置。
  2. 前記熱伝達要素は前記ヒートシンクより面積の小さい放熱体を含み、前記放熱体は前記流体チャンバと前記ヒートシンクとの間に配置され、前記放熱体の底面は前記流体チャンバの前記対向壁を画定する、請求項１に記載の装置。
  3. 入口および出口を有する流体チャンバと、
    前記入口に接続された流体アクチュエータと、
    前記出口と前記流体アクチュエータとの間に延在する流体コンジットと、
    前記流体チャンバ、前記流体アクチュエータ、および前記流体コンジットによって与えられる流体回路内に配置された所定量の液体金属と、
    を含み、
    前記流体チャンバの一壁は、集積回路ダイの表面によって画定され、
    前記流体チャンバの対向壁は、複数のフィンを有するヒートシンクを含む熱伝達要素に熱的に接続され、
    前記流体アクチュエータは、前記流体回路を経由して前記液体金属を循環させ、
    前記流体チャンバを経由して流れる前記液体金属は、前記集積回路ダイの表面全体にわたって移動して前記集積回路ダイから前記熱伝達要素へ熱を伝達する、装置。
  4. 前記流体回路は、実質的にシールされた閉ループ流体回路を含む、請求項３に記載の装置。
  5. 前記流体アクチュエータは電磁ポンプを含む、請求項３または４に記載の装置。
  6. 前記液体金属は、ガリウム、インジウム、水銀、すず、鉛、銅、亜鉛およびビスマスからなる群から選択される１つ以上の金属を含む、請求項３から５のいずれか一項に記載の装置。
  7. メモリと、
    前記メモリに接続された処理装置と、
    を含み、
    前記処理装置は、
    表面を有する集積回路ダイと、
    複数のフィンを有するヒートシンクを含む熱伝達要素と、
    入口および出口を有する流体チャンバと、
    前記入口に接続された流体アクチュエータと、
    前記出口と前記流体アクチュエータとの間に延在する流体コンジットと、
    前記流体チャンバ、前記流体アクチュエータ、および前記流体コンジットによって与えられる流体回路内に配置された所定量の液体金属と、
    を含み、
    前記流体チャンバの一壁は、前記集積回路ダイの表面によって画定され、
    前記流体チャンバの対向壁は、前記熱伝達要素の底面によって画定され、
    前記流体アクチュエータは、前記流体回路を経由して前記液体金属を循環させ、
    前記流体チャンバを経由して流れる前記液体金属は、前記集積回路ダイの表面全体にわたって移動して前記集積回路ダイから前記熱伝達要素へ熱を伝達する、
    システム。
  8. 前記熱伝達要素は前記ヒートシンクより面積の小さい放熱体を含み、前記放熱体は前記流体チャンバと前記ヒートシンクとの間に配置され、前記放熱体の底面は前記流体チャンバの前記対向壁を画定する、請求項７に記載のシステム。
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