JP5116278B2

JP5116278B2 - 電子部品による熱伝達を最適化するための方法および装置

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Publication number: JP5116278B2
Application number: JP2006274688A
Authority: JP
Inventors: アーヴィンド・クマー・シンハ; スリ・エム・スリ−ジャヤンサ; ヴィジャエシュワー・ダス・カンナ; ジョセフ・クチンスキー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: CN1949960A; US7382620B2; CN1949960B; US20070086168A1; JP2007110115A

Description

本発明は、一般に、熱伝達の分野に関し、特に、電子部品から熱を効率よく除去する熱伝達アセンブリ（heat transfer assembly）および方法に関する。

マイクロプロセッサおよび集積回路などの電子部品は、効率よく機能するために特定の指定の温度範囲内で動作しなければならない。過剰な熱は、電子部品の性能、信頼性、耐用年数を低下させ、障害を引き起こす可能性すらある。ヒート・シンクは、過剰な熱を制御するために広く使用されている。典型的には、ヒート・シンクは、ヒート・シンクの表面積を増加するためのフィン、ピン、またはその他の同様の構造とともに形成され、それにより、空気がヒート・シンクの上を通過するときに放熱（heat dissipation）を増強する。加えて、熱伝達をさらに増強するために、ヒート・シンクが蒸気チャンバ（vapor chamber）またはヒート・パイプ（heatpipe）あるいはその両方などの高性能構造を含むことは珍しいことではない。ヒート・シンクは、典型的には、銅またはアルミニウムなどの金属から形成される。グラファイトベースの材料は、熱伝導率の改善や重量の低減など、いくつかの利点をもたらすので、最近は、このような材料がヒート・シンクに使用されている。

電子部品は一般に、その電子部品が電子的に接続されるモジュール基板（module substrate）を含む電子パッケージ（すなわち、モジュール）を使用してパッケージ化される。場合によっては、モジュールは、そのモジュール内の電子部品をシールするキャップを含む（すなわち、キャップ付きモジュール（capped module））。その他の場合には、モジュールはキャップを含まず（すなわち、ベアダイ・モジュール（bare-die module））、電子部品はヒート・シンクと直接係合する（engage）。

ベアダイ・モジュールは一般に、熱的性能の観点からキャップ付きモジュールより好まれる。キャップ付きモジュールの場合、典型的には、ヒート・シンクの底面とキャップの上面との間に存在するサーマル・インターフェース・ギャップ材料（thermal interface gap material）と、キャップの底面と電子部品の上面との間に存在するもう１つのサーマル・インターフェース・ギャップ材料とを有するヒート・シンクが取り付けられる。ベアダイ・モジュールの場合、ヒート・シンクは、ヒート・シンクの底面と電子部品の上面との間に存在するサーマル・インターフェース・ギャップ材料を有する。ベアダイ・モジュールによりキャップ付きモジュール内に存在する２つの熱抵抗源、すなわち、キャップという熱抵抗と、キャップと電子部品との間のサーマル・インターフェース・ギャップ材料という熱抵抗が排除されるので、ベアダイ・モジュールは典型的にはキャップ付きモジュールより良好な熱的性能を示す。したがって、典型的には、高い全電力損（total power dissipation）を必要とする半導体チップなどの電子部品をパッケージ化するためにベアダイ・モジュールが使用される。

ヒート・シンクは、クランプ、ボルト、その他のハードウェアなどの様々な取付けメカニズムを使用して、モジュールに取り付けられる。取付けメカニズムは、典型的には、サーマル・インターフェース・ギャップ、すなわち、ヒート・シンクとモジュールとの間に延びるサーマル・インターフェース・ギャップ材料の厚さを維持する力を加えるものである。キャップ付きモジュールの場合、キャップは、加えられた力による物理的損傷から電子部品を保護する。しかし、ベアダイ・モジュールの場合、加えられた力は、電子部品そのものを通ってベアダイ・モジュールに直接伝達される。その結果として、ベアダイ・モジュールを使用すると、取付けメカニズムは典型的には、電子部品上の応力を低減するためのコンプライアント力（compliant force）を加える。

図１は、ヒート・シンクをベアダイ・モジュールに取り付けるための従来技術の取付けメカニズムの一例を示している。同図には、プリント回路基板１０５を含む回路基板アセンブリ（circuit board assembly）１００と、ベアダイ・モジュール１１０とが示されている。ベアダイ・モジュール１１０は、モジュール基板１１５と、半導体チップ１２０などの電子部品と、電子接続１２５とを含む。半導体チップ１２０はモジュール基板１１５に電気的に接続されている。プリント回路基板１０５をモジュール基板１１５に電気的に接続する電子接続１２５は、ピン・グリッド・アレイ（ＰＧＡ：pin grid array）、セラミック・カラム・グリッド・アレイ（ＣＣＧＡ：ceramic column grid array）、ランド・グリッド・アレイ（ＬＧＡ：land grid array）などにすることができる。半導体チップ１２０は、サーマル・インターフェース・ギャップ材料１３５によりヒート・シンク１３０に熱によって接続される。サーマル・インターフェース・ギャップ材料は、サーマル・ペースト（thermal paste）、グリース、オイル、またはその他の高熱伝導率材料などの熱伝導媒体（thermally conductive medium）の層にすることができる。典型的には、サーマル・インターフェース・ギャップ材料１３５は、ベアダイ・モジュール１１０からヒート・シンク１３０に向かって効果的に熱を伝達できるように、比較的薄いものになっている。ヒート・シンク１３０と半導体チップ１２０との間に延びるサーマル・インターフェース・ギャップ材料１３５の厚さはサーマル・インターフェース・ギャップと呼ぶ。

ヒート・シンク１３０は、ボルト１４０を使用してベアダイ・モジュール１１０に取り付けられている。ボルト１４０は、ヒート・シンク１３０内のスルーホール１３１と、プリント回路基板１０５内のスルーホール１０６とを貫通し、背面ボルスタ（backside bolster）１４５内のねじ穴１４６にねじ込まれる。典型的には、ボルト１４０は、電子部品１２０のそれぞれの隅に１つずつ、または電子部品１２０の両側に１つずつ、配置される。ボルト１４０は、背面ボルスタ１４５内のねじ穴１４６にボルト１４０のねじ部をねじ込むことによって締め付けられる。ボルト１４０が締め付けられると、ヒート・シンク１３０はサーマル・インターフェース・ギャップ材料１３５を介して半導体チップ１２０と係合する。ボルト１４０をさらに締め付けると、プリント回路基板１０５のたわみ（deflection）（そり（bowing））を引き起こし、それにより、ベアダイ・モジュール１１０にコンプライアント力が加えられる。詳細には、プリント回路基板１０５は、ベアダイ・モジュール１１０に対して凹状円弧のようにわずかに曲げられる。

現在、いくつかのコンピュータ・システムでは、高く安定したローディング（loading）を必要とする複数のチップ・アセンブリを使用している。複数のチップ・アセンブリは、ヒート・シンクとの熱係合（thermal engagement）を確立するために、サーマル・インターフェース層で充填された非常に薄いサーマル・ギャップを有する。しかし、物理的なチップ高の変化により、顕著なたわみの結果、非平面サーマル・インターフェースが形成される可能性があり、それにより、ＣＰＵの熱劣化が発生する可能性がある。その上、チップ高の差による有害な影響は、パワー・サイクリング・ローディング（power cycling loading）によってより顕著なものになる。パワー・サイクリング・ローディング中に、チップの放熱の結果、チップ、サーマル・インターフェース層、およびヒート・シンク・ベースの全域で温度勾配が発生する。この温度勾配は、チップ周辺の熱過渡現象を有し、それにより、チップに対するヒート・シンク・ベースのゆがみまたは相対移動が発生する。このような影響は、ベアダイ解決策を使用するときに、さらに悪化する。その結果として、熱効率が損なわれる。したがって、このような状況で熱効率を改善するための継続的な努力が行われている。

本発明の一態様は、従来技術の装置の欠点の多くを克服し、実質的にマイナスの影響のないやり方で効率の良い熱伝達を強化するための拡張取付けシステムおよび方法を提供する。

本発明の一態様により、ヒート・シンク・アセンブリを設けるステップと、１つまたは複数の熱源エレメント（heat source element）を有する熱源を設けるステップであって、１つまたは複数の熱源エレメントのそれぞれが、ローディング中の熱源に結合されたときにその熱源エレメントとヒート・シンク・アセンブリとの間に空間を有するステップと、熱伝導媒体が１つまたは複数の熱源エレメントとヒート・シンク・アセンブリとの間のすべての空間内に残存するように１つまたは複数の熱源エレメントを熱伝導媒体内にカプセル化するステップとを含む、熱伝達方法のための対応がなされる。

本発明の他の態様により、１つまたは複数の半導体チップを含む電子部品アセンブリを有するプリント回路基板と、電子部品アセンブリと熱係合して配置されるように適合されたヒート・シンク・アセンブリと、半導体チップのうちの少なくとも１つとの係合に向けて電子部品アセンブリを推進するためのローディング・アセンブリと、半導体チップのうちの１つまたは複数のチップの表面とヒート・シンク・アセンブリとの間で熱を伝達するために十分な量の熱伝導媒体を収容する熱伝導液状媒体アセンブリとを含む、熱伝達アセンブリのための対応がなされる。

同様の名称が同様の要素を示す添付図面に併せて、本発明の諸態様の好ましい例示的な諸実施形態について以下に説明する。

次に、本発明の好ましい諸実施形態による熱伝達アセンブリ２００を示すために、図２〜図４を参照するが、この好ましい諸実施形態は、電子部品などの熱源上にヒート・シンクを取り付けるための改良されたプロセスを実現するものである。図２〜図４は、熱伝達アセンブリ２００の代表的な主要コンポーネントを高レベルで描写するためのものであり、個々のコンポーネントは図２〜図４に表現されたものより複雑である場合もあれば複雑ではない場合もあることと、このようなコンポーネントの数、タイプ、および構成は様々になる可能性があることは言うまでもない。たとえば、熱伝達アセンブリ２００は、図示されているものとは異なる数、タイプ、および構成の熱源（たとえば、電気アセンブリ・コンポーネント）を含むことができる。

図２〜図３に図示されている通り、熱伝達アセンブリ２００が設けられている。熱伝達アセンブリ２００は、ヒート・シンク・アセンブリ２１０と、プリント回路基板アセンブリ２２０上に取り付けられた電子部品アセンブリ２１５と、カプセル化メカニズム２３０と、フレーム・ローディング・アセンブリ２４０とを含む。ヒート・シンク・アセンブリ２１０は、ベース・プレート２４２と、ヒート・シンク・アセンブリの表面積を増加し、それにより、空気がヒート・シンク・アセンブリの上を通過するときに放熱を増強するための複数のフィン２４４またはその他の同様の構造とを含む。また、熱伝達をさらに増強するために、ヒート・シンク・アセンブリが蒸気チャンバまたはヒート・パイプ（図示せず）あるいはその両方などの高性能構造を含むことも好ましいことである。ヒート・シンク・ベース・プレート２４２およびフィン２４４は、アルミニウムおよびグラファイトなどの様々な適切な材料から作ることができる。図示されている一実施形態では、電子部品アセンブリ２１５は、モジュール基板２５０と、電子部品２５４と、電子接続２５６とを含む。

図示されているこの実施形態では、電子部品２５４は、たとえば、１つまたは複数のベアダイ半導体チップ２５４ａ、２５４ｎ（まとめて２５４）を含むマルチチップ・モジュール（ＭＣＭ：multi-chip module）である。本発明では、シングルチップ・モジュール（ＳＣＭ：single-chip module）の使用など、その他の実施形態を構想している。当業者であれば、本発明は２つ以上のＳＣＭまたはＭＣＭあるいはその他の電子部品もしくはそれらの組み合わせによって実施できることを認識するであろう。各半導体チップは、取り付けられたときに、添付図面で見た通りその上部表面と、ヒート・シンクの底面との中間にギャップ２６０を有することになる。ギャップ寸法に差があるため、正しい量の熱伝導媒体をそこに入れることは難しいことである。これは、チップ高の差によるものである。これは、構想された類の力にさらされたときにギャップ内の熱伝導媒体に加えられた既知の絞り作用によって悪化する。

電子接続２５６は、いくつかの既知の接続のいずれか１つにすることができる。例示的なコネクタとしては、ピン・グリッド・アレイ（ＰＧＡ）、セラミック・カラム・グリッド・アレイ（ＣＣＧＡ）、ランド・グリッド・アレイ（ＬＧＡ）などを含むことができる。プリント回路基板アセンブリ２２０は、電子部品アセンブリ２１５を担持するプリント回路基板２６８を含む。

本発明の一態様では、熱効率の劣化なしに効率の良い熱伝達を保証するカプセル化メカニズム２３０内にベアダイ半導体チップ２５４をカプセル化する。このカプセル化メカニズム２３０は、適切な熱伝導媒体２７４を収容するために、囲まれたリザーバ２７２を画定する。熱伝導媒体２７４は、記述すべきローディング条件下でチップ（複数も可）の上面とヒート・シンクとの間のすべてのギャップ２６０を充填するために十分な量で提供される。これは、種々のギャップをもたらすチップ高の変化を補償するものである。熱伝導媒体２７４は、好ましくは、サーマル・グリース２７４、ゲル、およびペーストなどの適切な熱伝導液状材料にすることができる。また、熱伝導媒体は、チップとヒート・シンク・アセンブリとの間のすべてのその他の空間に残存することになる。したがって、チップ高の変化にかかわらず、十分なサーマル・グリースは、いくつかの半導体チップ２５４とヒート・シンク・アセンブリとの間のその物質用のすべてのギャップ内またはすべてのその他の空間内に残存することになる。したがって、十分な量のサーマル・グリース２７４を備えると、チップ高の差によるマイナスの影響が回避される。また、フレーム・ローディング・アセンブリ２４０による熱伝達アセンブリのローディング中にギャップから絞られるサーマル・グリースも最小限になる。

カプセル化メカニズム２３０は、好ましくは、連続的で圧縮可能なシーリング・エレメント２７６またはガスケット・エレメント２７６を含む。シーリング・エレメント２７６は、樹脂材料（たとえば、シリコーンまたはエポキシ樹脂）または天然ゴムの細片など、任意の適切な弾性材料から作ることができる。当然のことながら、シーリング・エレメント２７６は、ＥＭＣを増強するために加えられる電磁遮蔽材料など、異なる機能を果たすために追加可能な添加物材料で処理することができる。シーリング・エレメント２７６は、半導体チップ２５４の周辺を取り囲むために任意の既知のやり方で貼り付けることができる。シーリング・エレメント２７６は、ヒート・シンク・アセンブリおよびモジュール基板に対して、その接合部またはインターフェースで接着結合することができる。代わって、しかも好ましくは、シーリング・エレメント２７６は、半導体チップ２５４の周辺を取り巻くかまたは取り囲むために、制御可能な所定の高さまで、適切なパターン、たとえば、長方形になるように、適切なガスケット・アプリケータ装置（図示せず）を使用して投入することができる。このように、シーリング・エレメント２７６は、あらかじめ形成された所定のサイズを有するガスケットのストッキングに頼らずに貼り付けることができる。最大チップ高が分かっているので、サーマル・グリース２７４の保持を保証するために圧縮されたときに半導体チップ２５４より十分高くなるようにシーリング・エレメント２７６の高さを調整することは、比較的簡単な手順である。シーリング・エレメント２７６が貼り付けられると、ヒート・シンク・アセンブリをチップの上に位置決めすることができ、ローディング・メカニズム２４０によって熱伝達アセンブリ２００に常用負荷（normal load）を加えることができる。ヒート・シンク・アセンブリのローディング中にシーリング・エレメント２７６のローディングを行うと、ヒート・シンクとモジュール基板との間の液密シールに影響を及ぼすことになり、それにより、熱伝導媒体２７４が保持される。カプセル化メカニズム２３０は内蔵式であるが、リザーバ２７２内のサーマル・グリースが圧力により外部から供給できることが分かるであろう。シーリング・エレメント２７６の他の態様では、モジュール基板２５０およびヒート・シンク・アセンブリ２４２のそれぞれ異なる膨張係数（ＣＴＥ）値の範囲内に入る熱膨張率（ＣＴＥ）値を含む。この関係は、システムが加熱されたときにヒート・シンク・アセンブリに対してシーリング・エレメント２７６上に蓄積するすべての応力を最小限にする傾向があり、それにより、シーリング・エレメントがヒート・シンクに対して押しのけられるかまたはゆがめられる見込みが最小限になると判断されている。

ローディング・メカニズム２４０は、図１に関して上述したものと同様のものにすることができる。しかし、このような理解を補うために、以下の簡単な説明を示す。ヒート・シンク・ベース２４２は、ボルト２８０を使用して電子部品アセンブリ２１５に取り付けられる。ボルト２８０は、ヒート・シンク・ベース２４２内のスルーホール２８１およびプリント回路基板内のスルーホール２８２を貫通し、背面ボルスタ２８６内のねじ穴２８８にねじ込まれる。典型的には、ボルト２８０は、電子部品アセンブリのそれぞれの隅に１つずつ配置される。ボルト２８０は、背面ボルスタ２８６内のねじ穴２８８にボルトのねじ部をねじ込むことによって締め付けられる。ボルト２８０が締め付けられると、ヒート・シンク・ベース２４２は半導体チップ２５４との熱並置関係（thermally juxtaposed relationship）になる。ボルト２８０をさらに締め付けると、図示されていないプリント回路基板２６８のたわみ（そり）を引き起こし、それにより、半導体チップ２５４にコンプライアント力が加えられる。詳細には、プリント回路基板は、ヒート・シンクに対して熱伝達関係になるようにサーマル・ギャップ２６０を設定するようにロードされたときに、半導体チップに対して凹状円弧（図示せず）のようにわずかに曲げられる。

図４は、本発明の好ましい一実施形態により電子部品と熱接触しているヒート・シンクを取り付けるための方法４００の流れ図である。方法４００は、諸ステップの好ましい順序を示している。しかし、様々なステップは互いに対していつでも行えるものであることを理解しなければならない。電子部品アセンブリ２６５はプリント回路基板２６８にはんだ付けされる（ブロック４１０）。フレーム・ローディング・アセンブリ２４０はプリント回路基板およびヒート・シンク・アセンブリに取り付けられる（ブロック４３０）。カプセル化メカニズム２３０では、熱媒体リザーバを提供するために十分な高さまでそのシーリング・エレメント２７６がモジュール基板２５０に貼り付けられている（ブロック４４０）。サーマル・グリース２７４はリザーバ２７２に装填される（ブロック４５０）。液状シール関係を形成するためにヒート・シンク・アセンブリおよびモジュール基板２５０の間でそれらに適切に結合されるように、シーリング・エレメント２７６は、本発明の一部を形成しない適切な温度および条件で硬化される（ブロック４６０）。この方法４００は、サーマル・インターフェース・ギャップ２６０を設定するためにフレーム・ローディング・メカニズム２４０を使用して、予荷重力（preload force）の印加を続行する（ブロック４７０）。ローディング（ブロック４７０）中に、所望のサーマル・インターフェース・ギャップ（たとえば、１．２ミル（３０．４８マイクロメートル））を提供する予荷重力（たとえば、４０ポンド（１８．１４４キログラム））を印加するために適切な量だけ作動ボルト２８０を回す。還元すれば、ギャップを設定するために予荷重力が印加されると熱伝導媒体がギャップ内に残存することになる。このため、所望のギャップは熱伝導媒体で充填される。このポイントに到達すると、熱伝導媒体は任意の適切なやり方で熱硬化することができる。

本明細書に示されている実施形態および例は、本発明およびその実用的な応用例を最も良く説明し、それにより、当業者が本発明を作成し使用できるようにするために提示されたものである。しかし、当業者であれば、上記の説明および例が例証および例示のみのために提示されたものであることを認識するであろう。上記の説明は、網羅するためのものではなく、開示された正確な形に本発明を限定するためのものでもない。上記の教示を考慮すると、特許請求の範囲の精神および範囲を逸脱せずに、多くの変更および変形が可能である。

ヒート・シンクをベアダイ・モジュールに取り付けるための従来技術の取付けメカニズムの一例を示す図である。熱伝達アセンブリの縦断面図である。本発明の例示を明瞭にするために部分が除去された、図２に示す熱伝達アセンブリの断面図である。電子部品を有する熱伝達装置内にヒート・シンク・アセンブリを取り付けるための方法の流れ図である。

符号の説明

２００：熱伝達アセンブリ
２１０：ヒート・シンク・アセンブリ
２１５：電子部品アセンブリ
２２０：プリント回路基板アセンブリ
２３０：カプセル化メカニズム
２４０：フレーム・ローディング・アセンブリ
２４２：ヒート・シンク
２４４：フィン
２５０：モジュール基板
２５４：電子部品（ベアダイ半導体チップ）
２５６：電子接続
２６０：ギャップ
２６８：プリント回路基板
２７２：リザーバ
２７４：熱伝導媒体
２７６：シーリング・エレメント
２８０：ボルト
２８１：スルーホール
２８２：スルーホール
２８６：背面ボルスタ
２８８：ねじ穴

Claims

ベース・プレートおよびフィンを含むヒート・シンク・アセンブリを設けるステップと、
１つまたは複数の半導体チップを有するモジュール基板を設けるステップであって、前記半導体チップのそれぞれが前記ヒート・シンク・アセンブリに結合されたときに、前記半導体チップの表面と前記ヒート・シンク・アセンブリとの間に空間を有する、当該ステップと、
熱伝導液状媒体が前記半導体チップの表面と前記ヒート・シンク・アセンブリとの間のすべての空間内に残存するように前記半導体チップを前記熱伝導液状媒体内にカプセル化するステップとを含み、
前記カプセル化するステップが、前記半導体チップおよび前記熱伝導液状媒体を取り囲むシーリング・エレメントによって行われ、前記シーリング・エレメントが前記モジュール基板と前記シーリング・エレメントとの間の接合部ならびに前記ヒート・シンク・アセンブリと前記シーリング・エレメントとの間の接合部で液密シールを提供するように連続的で圧縮可能である、
熱伝達方法。
前記シーリング・エレメントは、前記ヒート・シンク・アセンブリの熱膨張率（ＣＴＥ）と前記モジュール基板の熱膨張率（ＣＴＥ）との間の熱膨張率（ＣＴＥ）を有する、請求項１に記載の熱伝達方法。
前記シーリング・エレメントが、前記半導体チップおよび前記熱伝導液状媒体を囲むために十分な所定の高さまで貼り付けられたガスケット部材である、請求項１に記載の熱伝達方法。
前記熱伝導液状媒体がサーマル・グリースである、請求項１に記載の熱伝達方法。
１つまたは複数の半導体チップを含むモジュール基板と、
前記半導体チップと並置して配置されるように適合され、ベース・プレートおよびフィンを含むヒート・シンク・アセンブリと、
前記ヒート・シンク・アセンブリに向けて前記半導体チップを、ローディング中に、推進するためのローディング・アセンブリと、
前記半導体チップの表面と前記ヒート・シンク・アセンブリとの間で熱を伝達するために十分な量の熱伝導液状媒体を収容するシーリング・エレメントとを含み、
前記熱伝導液状媒体が前記半導体チップの表面と前記ヒート・シンク・アセンブリとの間のすべてのギャップまたは空間を充填し、
前記ローディング・アセンブリが、前記ベース・プレート内のスルーホールを貫通するボルトを前記モジュール基板の背面側で背面ボルスタ内のねじ穴にねじ込むことにより構成され、
前記シーリング・エレメントが、前記半導体チップおよび前記熱伝導液状媒体を取り囲み、前記モジュール基板と前記シーリング・エレメントとの間の接合部ならびに前記ヒート・シンク・アセンブリと前記シーリング・エレメントとの間の接合部で液密シールを提供するように連続的で圧縮可能である、
熱伝達アセンブリ。