JPH027456A - 強制液冷式集積回路装置 - 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、液体によって強制的に冷却を行う高集積化さ
れた集積回路装置とその電子計算機への応用に係り、特
に放熱特性を向上させることにより集積回路装置の一層
の高集積化と電子計算機の性能向上を図ったものである
。

〔従来の技術〕

電子計算機を高速化するに従い、演算や記憶に用いられ
る半導体集積回路から発生する熱量が大きくなってきて
いる。これは半導体集積回路の演算などの速度が、半導
体集積回路に投入される電力量に比例するからである。

投入された電力量は全て発熱となるため、この発熱を十
分取り去らないと半導体装置は作動できないような高温
度となってしまう、そこで１強力な冷却とくに液体によ
る冷却ができる集積回路装置が高速な電子計算機の実現
のために必須なこととなってきている。

さて、強制冷却装置をつけた集積回路装置については、
公開特許公報昭６０−９２６４２等に示されている。

第８図は従来の強制冷却装置をつけた集積回路装置の断
面図である。絶縁基板５１は表面に導電体を有している
。複数の半導体チップ５２が半田バンプ５３を介して、
絶縁基板５１の導電体部に半田づけしである。冷却筐体
５４にはダイヤフラム５５がついている。冷却筐体内に
は、スプリング等からなる加圧助成部材５６があり、ダ
イヤフラムに取りつく加圧体５７に力を与えて、半導体
チップと加圧体との圧着力を増加させている。冷却筐体
内には、冷却液５８が入口５９から出口６０へと矢印の
ように流れている。半導体チップで発生した熱は加圧体
、ダイヤフラムを経て、冷却液へと放熱されることにな
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来技術は以下に示す点で配慮がなされて
おらず、放熱特性がすぐれた集積回路装置を実現できな
いという問題があった。すなわち、１）スプリング等の
加圧助成部材が強い加圧力を出して、加圧体が半導体チ
ップに接触させねばならない。しかし、この強力な加圧
力は半田バンプを疲労させ、集積回路装置の断線の原因
となっている。

２）絶縁基板にはうねりがあり、また、半導体チップは
個々に自由に熱膨張する。そこで加圧体の先端形状は必
然的に球体とならざるを得ない。

そのため、半導体チップと加圧体は単なる点接触をして
いるだけであるので、この部分の熱抵抗はきわめて大き
い、従って、半導体チップからの放熱は十分でなく、放
熱特性のすぐれた集積回路装置が得られない。

３）冷却液の流れの下流にある半導体チップは湿度の上
った冷却液で冷却されることになり、冷却効果が悪い、
従って、集積回路装置内の半導体チップの冷却にはバラ
つきが生じるという問題が発生する。

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、冷却特性のき
わめて優れた、しかも回路の断線の恐れのない高性能の
高集積回路装置とこれを演算や記憶素子とする高性能の
電子計算機を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は以下の手段によって達成された。

すなわち、 １）冷却板と半導体チップとの間に、スプリングなどの
加圧助成部材による圧加力がなくても、高い伝熱特性の
得られる伝熱要素を設けた。これによって、圧加力によ
る半田バンプの疲労をなくすことが達成できた。

２）冷却板に波紋状模様の襞をもつ凹凸をつけて柔軟な
構造のものを採用した。これによって半田などの伝熱要
素を半導体チップに結合できるようになった。伝熱要素
は熱抵抗がきわめて小さいので、放熱特性を大幅に向上
することが達成できた。

３）冷却液の通路の中に、各半導体チップに対して独立
して冷却液を供給できる孔の明いた構造の隔壁を設けた
。この結果、全ての半導体チップは等しく入口温度の冷
却液が供給されて冷却され、半導体チップの冷却のバラ
つきの問題を解決できた。

〔作用〕

さて、伝熱要素であるが、その一つの実施例は半田や熱
伝導のよい接着剤による接合である。もう一つの実施例
は、半導体チップと冷却板を結ぶ方向に移動でき、しか
も移動しても伝熱特性のほとんど変らない一対の対向す
る部材である。例えば、剣山状あるいはスプライン状の
一対の部材が伝熱要素となる。これらのすきまは２〜５
μｍとせまいので、軸方向に動きうるが伝熱面積がきわ
めて大きいので、伝熱特性は大きい。半導体チップの熱
は伝熱要素を経て、冷却板に達し、冷却液へと放熱され
る。

つぎに、波紋状模様の襞をもつ冷却板の特徴は。

この襞がやわらかいバネの作用があるので、これにとり
つく部材の上下、左右の移動が容易にできることである
。この特徴によって、半導体チップと冷却板とを伝熱要
素を介して結合した状態で、絶縁基板のうねりや半導体
チップの熱膨張による半導体チップ表面の不規則な微小
移動や傾きが生じても、半導体チップ本体や半田バンプ
になんら問題を起さなくなった。すなわち、この構造の
冷却板を採用したことで、半田などの伝熱要素と半導体
チップとの結合が可能となったことになる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図をもちいて説明する。

第１図は本発明の強制液冷式集積回路装置の断面図であ
る。絶縁基板１は集積回路装置内の半導体チップ２を結
ぶ配線がその内部になされている（図示せず）６またそ
の表面には配線に接続する導電体（図示せず）を有して
いる。半田バンプ３は、複数の半導体チップを絶縁基板
上の導電体部に半田付は接合している。もし、半導体チ
ップが発熱しないならば、この状態で集積回路装置は動
作する。しかし、実際には電熱器をしのぐ程の多量の熱
が発生するため、その放熱対策をしなければならない。

絶縁基板の上には下部筐体４が気密に固着されている。

下部筐体の上に冷却板５が気密に固着される。この冷却
板は熱伝導性のよい薄い金属板で。

冷却液に対して耐腐食性の高いも・のが適している６例
えば、ステンレス、金、銀、ニッケルの薄板あるいは、
アルミニウム、チタン、マグネシウムの両面を上記金属
のステンレス、金、銀、ニッケルや窒化チタン、窒化ニ
ッケル等の化合物で上記金属を保護した薄板が適してい
る。

冷却板は、凹凸をつけて、柔軟性をもたせている。−例
として、冷却板は、各半導体チップが固定される固定部
６を中心として波紋状の襞７を有している。この波紋状
の襞があるため、各固定部はおたがいを束縛することな
く、自由に上下かつ左右方向に移動することができる。

冷却板と半導体チップとは熱伝導のよい伝熱要素８で接
合される。伝熱要素には半田等の低融点の金属や、熱伝
導性のよい接着材が適合するが、また、その他、チップ
と冷却板の方向に移動しつる伝熱特性の高い部材でもよ
い。これについては第６図、第７図において詳しく説明
する。半導体チップの周辺空間９にはヘリウムガスを充
填しているので、半導体チップや絶縁基板からの熱の一
部はこのヘリウムを介して、冷却板へ放熱される。

冷却板の上側には上部筐体１０が密封固着されている。

この上部筐体には、冷却液の流れを制御する隔壁１１が
固定されている。この隔壁の特性は、冷却板の半導体チ
ップが固定される固定部６に位置する部分に冷却液供給
孔１２がおいていることである。上部筐体の冷却液人口
１３から供給された冷却液は図中の点線のように通れて
いく。

そして、冷却液供給孔から噴出して、冷却板の半導体チ
ップ固定部６を一様に冷却する。このため。

半導体チップの冷却にはバラつきが生じない。冷却を終
えた冷却液は冷却液出口１４を通って集積回路装置の外
へと返っていく。

第２図は本発明の強制液冷式集積回路装置のうち、冷却
板の一部の平面図である。図中の番号は第１図の中の番
号の部品を示している。すなわち、半導体チップ固定部
６を中心に、波紋状の襞７がつくられているのが示され
ている。

第３図は本発明の強制液冷式集積回路装置のうち、冷却
板の別の実施例を示す一部の断面図である。本実施例の
特徴は、冷却板５のうちの半導体チップ固定部６の部分
に冷却フィン１６を設けたことである。冷却液は図中の
点線のように流れ、冷却フィンに当る。この冷却フィン
は冷却板の冷却面積を大きくする効果があるので、半導
体チップ２からの熱を更に効果的に放熱することができ
る。なお図中の番号は第１図の番号の部品を示している
。

第４図は本発明の強制液冷式集積回路装置のうち、半導
体チップ自体が小型の気密容器に入っている場合の実施
例の断面図の一部を示すものである。半導体チップ２は
小型基板１７の上に小型半田バンプ１８を介して固定さ
れ、配線される。小型基板には気密容＠１９が固着され
ている。半導体チップと気密容器の間には半田等の熱伝
導体２０があり、半導体チップの発生する熱は気密容器
へと伝えられる。この熱は、半田等の伝熱要素８および
冷却板５の冷却フィン１６を経て１図中の点線のように
流れる冷却液へと放熱されることになる。なお、図中の
番号は第１図の番号の部品を示している。

さて、半田や接着材以外の伝熱要素の構造について、第
５図に示す。伝熱要素は２つもしくは３つの部材からな
る。すなわち、冷却板５側に付く上側伝熱要ｉ８Ａと半
導体チップ２側に付く下側伝熱要素８Ｂが２つの部材の
場合であり、３つの部材の場合は、両者の間に加える熱
伝導特性のすぐれたグリース等の粘性体が更に追加され
る。伝熱要素の一方は板状あるいは線状のフィンをもっ
ておりその伝熱面積はきわめて大きい。またフィンの形
状は、半田バンプ３に力がかからないように、冷却板と
半導体チップを結ぶ方向に大きく移動できる構造をして
いる。すなわち、剣山のような形状である。伝熱要素の
もう一方は他方に対して対向する形状をもつ、したがっ
て、剣山のような形状では上側伝熱要素と下側伝熱要素
は同じ形状をもつ。

なお１図中の番号は第１図の番号の部品を示している。

第６図は伝熱要素の別の例を示すものである。

上側伝熱要素８Ａは円筒に多数のフィンが有るものであ
る。一方、下側伝熱要素８Ｂはスプライン状をしている
。この場合は一対の伝熱要素は雄。

雌の関係の形状をしている。しかし、いずれの場合も、
冷却板を半導体チップにおしつけることなく、半導体チ
ップの熱を冷却板へ十分伝熱できる点では半田や接着材
と変わることはない。

伝熱要素の材質はアルミや銅や銀のように、熱伝導のよ
い金属の外、窒化アルミ（ＡＱＮ）や炭化シリコン（Ｓ
　ｉ　Ｃ）などの化合物が適している。

第７図は本発明の強制液冷式集積回路装置の電子計算機
への応用例を示すものである。

絶縁基板１にのり、上部筐体１ｏによってシールドされ
る集積回路装置２２は多層プリント基板２３にのせられ
て、半田づけされる。それぞれの集積回路装置はこの多
層プリント基板中の配線によって回路が組まれる。多層
プリント基板はプラッタ２４の多芯コネクタ２５にはめ
こめられる。

多芯コネクタと他の多芯コネクタ（図示せず）とは配線
がなされている。これにより、すべての集積回路袋Ｎ（
１部のみ図示）は、回路として緒なかり、演算、記憶が
できるようになり、電子計算機として作動する。さて、
冷却液供給管２６からは、供給支管２７が分れ、冷却液
人口１３へ冷部液を供給する。一方、集積回路装置２２
の冷却を終だ液体は冷却液出口１４から出て、回収支管
２８を、経て、冷却液回収管２９へと戻る。ここに戻っ
た冷却液は電子計算機の外の冷凍機（図示せず）に導び
かれ、一定の低い温度に調整されたのち、再び冷却液供
給管へと循環される。

本発明の強制液冷式集積回路装置はきわめて半導体素子
の冷却特性がすぐれており、また、その冷却のための実
装も容易であるので、超高速の電子計算機を提供するこ
とができた。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれば、波紋状襞のつ
いた冷却板は、半導体チップが熱によって微小移動する
のを全くさまたげず、かつ、半導体チップの発生する熱
を伝熱要素を介してただちに冷却液へ放熱することがで
きるので、半田バンプが疲労によって断線することのな
いしかも冷却特性のきわめて優れた集積回路装置を提供
することができた。また、本発明の集積回路装置は演算
や記憶動作がきわめて高速となるので、これを演算装置
や記憶装置に応用することによって、きわめて高速な電
子計算機を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は本発
明の一実施例を示す平面図、第３図、第４図、第５図及
び第６図は本発明の一実施例を示す断面図、第７図は本
発明の応用の一実施例を示す斜視図、第８図は従来の一
実施例を示す断面図である。 １・・・絶縁基板、２・・・半導体チップ、３・・・半
田バンプ、５・・・冷却板、６・・・半導体チップ固定
部、７・・・波紋状の襞、８　（８Ａ、８Ｂ）・・・伝
熱要素、１０・・・上部筐体、１１・・・隔壁、１６・
・・冷却フィン、１９・・・気密容器、２０・・・熱伝
導体（半田）、２１・・・伸縮部、２２・・・集積回路
、２３・・・多層プリント基板、２４・・・プラッタ、
２５・・・多芯コネクタ、第 閉 第 区 ６ノ１＼Ｅ−Ｔ−閃パノフ−２ｏ　’ｆ！！＝４＜４４
；ト（千日）（ど−とボロシ） （Ｙ−γ前曲）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁基板上に固着された半導体チップの表面あるい
   は半導体チップを納めた小型気密容器の表面と、波紋模
   様の襞をつけて凹凸状をつくり柔軟な構造にした一枚の
   冷却板との間に、外部から圧加力を加えることなく伝熱
   できる伝熱要素を設け、冷却板の裏側に冷却液を流して
   半導体チップを冷却することを特徴とする強制液冷式の
   集積回路装置。 ２、上記伝熱要素として、半田もしくは熱伝導性のすぐ
   れた接着剤を用いることを特徴とする請求項１記載の強
   制液冷式の集積回路装置。 ３、上記伝熱要素として、半導体チップと冷却板を結ぶ
   方向に移動でき、しかも移動しても伝熱特性がほとんど
   変らない一対の対向する部材を用いることを特徴とする
   請求項１記載の強制液冷式の集積回路装置。 ４、上記伝熱要素の形状は櫛の歯状、剣山状あるいはス
   プライン状で、またその材質はアルミ・銅・銀などの金
   属や窒化アルミ、炭化シリコンなどの化合物のように熱
   伝導のすぐれたものを用いたことを特徴とする請求項３
   記載の強制液冷式の集積回路装置。 ５、上記伝熱要素を構成する一対の対向する部材の間に
   熱伝導のすぐれた粘性体を充填したことを特徴とする請
   求項３記載の強制液冷式の集積回路装置。 ６、冷却液の流路中に孔の明いた隔壁をおき、冷却板上
   の伝熱要素のそれぞれに個々に冷却液を供給できる構造
   をもつことを特徴とする請求項１に記載の強制液冷式の
   集積回路装置。 ７、請求項１に記載の強制液冷式集積回路装置を組合せ
   、超高速の演算および記憶を可能とした電子計算機。