JPH01292848A - 集積回路チツプ冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は集積回路チップの冷却装置に係り、特に電子計
算機等に使用される大消費電力の集積回路チップの発熱
を効果的に取り去り、かつ集積回路チップと配線基板間
の信号接続部の信頼性が良好な冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

電子計算機等において回路動作を高速に行なうためには
、大消費電力の集積回路チップを配線基板上に高密度に
実装する必要がある。将来、配線基板上の発熱は数１０
００ワツトに達する事が予想され、この発熱を取り去る
強力でコンパクトな冷却系を実現することが高速な計算
機を実現する上で必須の技術となる。

このような冷却系を実現するための一例として特願昭５
８−７２８９６号あるいはその改善案として特願昭５８
−２００９４５号、特願昭６０−６６４８６号が挙げら
れる。これらは内部に冷媒が循環する空間を有する冷却
部材を集積回路チップ個別に接触または固着し、該冷却
部材に、柔軟なパイプを用いて冷媒を供給して該集積回
路チップの冷却を行なうものである。この冷却方式によ
れば、接触面積１ｄの冷却部材を用いた場合、約０．５
℃／Ｗ以下の低熱抵抗を実現できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、ｉ）冷却部材をチップに接触する場
合、冷却部材やチップの表面状態（表面粗さ、反り量等
）によって熱抵抗がばらつき、冷却性能が悪くなる。ｉ
ｔ）冷却部材をチップに低融点金属等を用いて接着する
場合、冷媒を供給するハウジングと配線基板の熱膨張係
数の差による歪がパイプに加わり、パイプのバネ性を通
じて集積回路チップに荷重が加わるので、集積回路チッ
プと配線基板との接続部の信頼性が損なわれる等の問題
があった。特にｉｔ）の問題については、パイプ表面に
形成される山数を増やす、あるいは肉厚を薄くする等し
てバネ定数を低減すれば解決可能であるが、配線基板上
に高密度に配置できるような微小なパイプ部材の山数を
増やす、あるいは肉厚を薄くすることは容易ではない、
また、パイプの薄肉化は、冷媒流路であるパイプの耐食
性の面でも不利となる。

本発明の目的は、大消費電力の集積回路チップを十分に
冷却でき、かつ集積回路チップと配線基板との接続部に
加わる荷重を低減できる集積回路チップ冷却装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために本発明では、パイプの断面
を非円形とし、該非円形断面の長手方向がお互いに並行
となるように上記パイプを配置し、該長手方向に最も遠
いパイプの中心間距離を、該長手方向に垂直な方向に最
も遠いパイプの中心間距離より小さくすることを特徴と
する。

〔作用〕

本発明では、冷媒を供給するパイプの断面を例えば長円
形等の非円形とすることにより円形断面と比べて断面積
が増し、冷媒の流量を増加できるので、冷却性能が向上
する。

一方集積回路チツブに加わる最大荷重は、パイプのバネ
定数と、最も遠いパイプの中心間距離の積に比例する。

一般にパイプの断面が長円形の場綾、断面長手方向のバ
ネ定数は、これに直交する方向のバネ定数に比べて一桁
程度大きい。従って、長手方向がお互いに並行となるよ
うに上記パイプを配置した場合、チップに加わる最大荷
重は、長手方向のバネ定数と長手方向に最も遠いパイプ
の中心間距離の積で決まる。この距離を短くすればチッ
プに加わる最大荷重を小さくできる。このためには、で
きるだけハウジングの分割単位を小さくすれば良い、し
かし、高密度にチップが搭載された基体上でハウジング
の分割単位を小さくすることは組立性の点で容易ではな
い。そこで、少なくとも長手方向に最も遠いパイプの中
心間距離を、これに垂直な方向に最も遠いパイプの中心
間距離より小さくすれば、チップに加わる荷重を低減で
きる。これによりチップの接続寿命は著しく向上する。

さらに、上記集積回路チップと上記冷却部材を低融点金
属を用いて接着すれば、冷却部材やチップの表面状態（
表面粗さ１反り量等）によらず熱抵抗ばらつきの少ない
、高い冷却性能が実現できる。

さらに、上記冷却部材内部に板状の冷却フィンを形成し
、上記パイプを該板状冷却フィンの両端部に配置するこ
とにより、冷却フィン間の冷媒の流速が均一になるので
、集積回路チップの接着面内から熱を均一に取り去るこ
とが可能となる。これにより集積回路チップ内の素子間
の温度ばらつきが低減でき、正常な回路動作を保証でき
る。

〔実施例〕

以下図面により本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例である集積回路チップ冷却装
置を示す断面図である。冷却部材１は集積回路チップ２
と個別に接触しており、各冷却部材１は柔軟なパイプ１
０を通じてハウジング５と接続している。一方集積回路
チツブ２は半田端子４を介して配線基板３と電気的に接
続しており、基板下面にはチップの信号を取り出すため
の入出力ピン９を備えている。

集積回路チップ２で発生した熱は、各集積回路チップ上
に搭載された冷却部材１に伝達され、冷却部材１内部を
循環する冷媒により冷却される。

冷媒は、ノズル８ａを通じて冷却装置外部から流入し、
柔軟なパイプ１０を介して各冷却部材内を循環し、ノズ
ル８ｂを通じて冷却装置外部へ排出される。

第２図は、第１図におけるＡ−Ａ’断面図である。冷媒
を流すパイプ１０の断面を従来の円形から第２図に示す
ような長円形にすることにより、冷媒の断面積が飛躇的
に増加し、その結果パイプ内の流速が減少するので圧力
損失を減らすことができる。したがって従来の圧力損失
において冷媒流量を増加できるので、冷却性能が向上す
る。

また第１図に示したように、集積回路チップ２は冷却部
材１と接続されており、さらに半田端子４を介して配線
基板３と接続されている。このため、ハウジング５と配
線基板３の熱膨張係数差により熱歪が生じると、パイプ
１０のバネ性を通じて半田端子４に荷重が加わる。特に
、基板に対して水平方向の荷重が加わると、半田端子４
の接続寿命は大幅に減少する。この荷重は、パイプ１０
のバネ定数と、最も遠いパイプの中心間距離の積に比例
する。ところが第２図に示したような長円形のパイプ１
０では、長円形断面の長手方向のバネ定数Ｋａは、これ
に直交する方向のバネ定数Ｋｂに比べて一桁程度大きい
。従って第２図に示すように長手方向がお互いに並行と
なるように上記パイプ１０を配置した場合、半田端子４
に加わる最大荷重は、長手方向バネ定数Ｋａと長手方向
に最も遠いパイプの中心間距離Ｑａの積で決まる。

すなわち距離Ｑａを小さくすれば半田端子４に加わる最
大荷重を低減できる。このためには、できるだけハウジ
ングの分割単位を小さくすれば良い。

しかし、高密度にチップが搭載された配線基板３上でハ
ウジング５の分割単位を小さくすることは組立性の点で
容易ではない、そこで、少なくとも距離＋２ａを、これ
に垂直な方向に最も遠いパイプの中心間距離Ｑｂより小
さくなるようなハウジング５を採用すれば、半田端子４
に加わる荷重を低減できる。これにより、集積回路チッ
プ２の接続寿命は著しく向上する。

第３図は本発明の第２の実施例を示す斜視図である。冷
却部材１と集積回路チップ２とは低融点金属６を用いて
接続されている。複数の冷却部材１と集積回路チップ２
の固着は例えば特願昭６２−５６５２８に示されている
方法により容易に実現できる。従来は冷却部材１の表面
粗さや反り、集積回路チップ２の表面粗さや反りが原因
で両者の界面に隙間が生じるためチップ間の伝熱性能が
ばらついていたが、この隙間に低融点金属６が充填され
ることで伝熱性能のばらつきが改善でき、高い冷却性能
が実現できる。

第４図は本発明の第３の実施例を示す斜視図である。冷
却部材１はキャップ１１と底板１２から成り、底板１２
上面に研削加工により冷却フィン１３を形成しである。

冷却フィン１３の材質は、熱伝導率の良い銅、炭化ケイ
素、加工性の良い窒化アルミニウム等が使用できる。キ
ャップ１１と底板１２の接続にはロウ材や半田を用いれ
ば良い。

キャップ１１上面に半田等により固着しであるパイプ１
０のベローズ形状は、電鋳技術、液圧による一体成形技
術、あるいは薄板同士の一括界面合金化接合技術により
形成される。

ここで第４図に示すように、フィンの形状を平行板状と
し、パイプ１０をフィンの両端部に配置すれば、フィン
間を流れる冷媒の流速が均一となるので、集積回路チッ
プ２の接合面から取り去ることのできる熱量が、チップ
面内で一様となる。

これにより、集積回路チップ２内の素子間の温度ばらつ
きが低減でき、正常な回路動作を保証できる。

以上節１から第３までの実施例は、電子回路を高速に動
作させる必要がある処理装置に適用できる。例えば電子
計算機における中央処理装置等に適用すれば、電子計算
機の性能向上に大きな効果をもたらす。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、集積回路チップと配線基板
の接続部に加わる荷重が低減でき、かつ高い冷却性能を
実現できるので、集積回路チップの信頼性向上および高
密度実装が可能と成る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の冷却装置を示す断面図であ
る。第２図は、第１図におけるＡ−Ａ’断面図である。 第３図は本発明の第２の実施例を示す斜視図である。第
４図は本発明の第３の実施例を示す斜視図である。 １・・・冷却部材、２・・・集積回路チップ、３・・・
配線基板、４・・・半田端子、５・・・ハウジング、６
・・・配線基板、７・・・冷媒流路、８・・・ノズル、
９・・・入出力ピン、１０・・・パイプ、１１・・・キ
ャップ、１２・・・底板、第　１　　図 Ｒ１゜ にｂ １τ内喋ｌ数に久ン＞Ｋｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、集積回路チップに接触し内部に冷媒が循環する空間
   を有する冷却部材と、冷媒を供給及び排出する流路を形
   成したハウジングと、該冷却部材と該ハウジングを接続
   する複数のパイプとからなる集積回路チップ冷却装置に
   おいて、上記パイプの断面を非円形とし、該非円形断面
   の長手方向がお互いに並行となるように上記パイプを配
   置し、該長手方向に最も遠いパイプの中心間距離を、該
   長手方向に垂直な方向に最も遠いパイプの中心間距離よ
   り小さくしたことを特徴とする集積回路チップ冷却装置
   。 ２、上記集積回路チップと上記冷却部材を低融点金属を
   用いて接着することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の集積回路チップ冷却装置。 ３、上記冷却部材内部に板状の冷却フィンを形成し、上
   記パイプを該板状冷却フィンの両端部に配置したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項記載の集積回
   路チップ冷却装置。 ４、上記特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の集積回
   路チップ冷却装置を用いた電子計算機。