JPH0330458A - チツプ冷却用回路モジユール - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、半導体チップなどの高電力部品を冷却する装
置に用いられる回路モジュールに関し、特に、チップの
外面に接し、支持構造に担持される要素（一般にはピス
トン）により移送される誘電性液体（冷媒）による対流
冷却が行われるモジニールに関する。

Ｂ、従来の技術 以下の参考文献は、誘電性液体によってチップを冷却す
る試みと、本発明のモジュールに用いられる伝熱方法に
ついて説明している。１８Ｍテクニカル・ディスクロー
ジャ・ブレティン（Ｉ　ＢＭＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉ
ｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　）はＴＤＢと略
記している。

ＴＣＭすなわち熱伝導モジュールにおける伝熱性は、Ｃ
ｈｕ他の米国特許第３９９３１２３号明細書に述べであ
るように、チップ空間を誘電性液体で満たすことによっ
て改良される。誘電性液体により、チップ空間をはじめ
、チップとそのピストンとの間およびピストンとハツト
と呼ばれる構造との間の小さい隙間における熱の伝達が
促進される。従来の技術では、チップ空間および外部の
熱交換器に誘電性液体を循環させることも提案されてい
る。

冷媒が沸騰すると、蒸気により冷媒の体積がかなり大き
くなる。ここに、モジュールからの排気の問題が生じる
０本発明の出願人（Ｃｈｕ。

Ｓｉ■ｏｎｓ　）がまもなく発表するモジュールは。

チップ空間の内側の蒸気を凝縮するために内部に凝縮器
を備える。これとは別に発表される文献では、前記の問
題に対処するために、蒸気と液体を混合していて、これ
をチップ空間で再び凝縮するモジュールについて説明し
ている。２１１合はタービニレータによって促進される
。タービユレータは、冷媒の平均温度に保たれ、蒸気の
一部を凝縮する。

ＴＤＨの１９８６年１２月号（２８８７ページ）には、
誘電性液体の噴流が、チップ空間と冷媒空間を分ける隔
壁の一部を成すヒートシンクに向けられるモジュールに
ついての説明がある。この噴流により、“噴流衝突（ｊ
ｅｔ、　ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎＬｌ　”と呼ばれるメカ
ニズムが動き、冷却効率がよくなる。

ＴＤＨ５１１７（１９８７年４月号）には、ピストンか
らハツトへの従来の伝熱路と平行に、ピストンから誘電
液体への伝熱を促進するフィン（ひれ）を備えたピスト
ンが示されている。ＴＤＢ６９０４　（１９８５年５月
）もピストンから冷媒への伝熱に関する。このピストン
は、表面が核沸騰を促進するようになっている。

ＴＤＢ８８９８　（１９８５年５月）に示されたピスト
ンでは、中心孔が、ピストン上部からピストン下部近く
まで伸び、そこで４つに分岐して、それぞれの半径が等
しく位置対称の点でピストン表面に出る。ピストン上部
は、液体を受けるように配置されている。このピストン
は、ピストン前面の中央がチップに触れ、開口がチップ
から離隔することにより、液体がチップの方へ流れてチ
ップ表面に及ぶようにドーム型になっている。

本発明の出願人の米国特許第４７６５３９７号は、冷媒
の流速を速めて温度の上昇を抑えるために、冷媒のチャ
ネルが狭められた伝熱デバイスについて説明している。

Ｃ０発明が解決しようとする課題 モジュール回路には、半導体チップを載せた薄く平坦な
基板を持つものがある。半導体チップは、基板の上面に
並んだチップ取付箇所で金属パッドに接着される。チッ
プ表面を上に向けたときの基板の向きは任意であり、目
印や記号が簡素化される。

基板のビンは、下面から伸びて、支持台になる回路ボー
ドのコネクタにつながる。金属パッドとビンは、基板の
内側の配線層によって相互に接続される。モジュールに
は、ハツトと呼ばれる構造を持つもの・がある、ハツト
は、チップの外装の一部を成し、モジュール冷却装置の
一部も兼ねる。

ハツトの下面には、チップ取付箇所に面した円筒上の開
口があり、これが、チップ上面に接する円筒状の要素（
ピストン）を担持する。従来のピストンは、伝熱体で作
られ、伝導によってチップからハツトへ熱を移す、そし
てモジュールは、一般にＴＣＭすなわち熱伝導モジュー
ルと呼ばれる。

従来のハツトは冷水によって冷却される。

チップの性能を改良する方法は多いが、いずれの場合も
チップの消費電力が大きくなる。一般に、この技術の目
的は、伝熱性が改良された熱伝導モジュールのようなデ
バイスを提供することにある。また、チップを低温で（
たとえば液体窒素の温度で）動作させることも、この技
術の目的である。

０８課題を解決するための手段 本発明のモジュールにおいては、ピストンの中心孔が、
ピストンの上部で誘電性液体の冷媒を受け、ピストンの
下部でこの冷媒をチップの上面に供給する。ピストンの
下面はチップから離隔しており、これによって形成され
るチャネルを通して、冷媒がチップに及ぶ、冷媒のこの
流れは、モジュールの上面から見ると、実質上、半径方
向に対称である。チャネルの断面は、ピストンの軸に対
する半径距離のどの点においても、幅が円周の幅であり
、高さがチップ表面より上のピストン前面の高さと等し
い、ある点における冷媒の流速は１部分的にはこの面積
によって決定される。そしてピストン前面は、流速がチ
ップの冷却に適した速さになるよう形状を備える。

“誘電性”という用語の意味は、冷媒は、導電性を示さ
ず、ある電圧を持つＭｌ極が露出し熱を発生するチップ
と直に接触させることができるということである。普通
、非誘電性液体（水など）は、腐食と部品の電気的な短
絡を防ぐために、部品から分離させておかなくてはなら
ない、水には、隣接する導体相互間での電気信号の伝播
を遅くする働きもある。

誘電性液体は市販されており、沸点は様・々である。モ
ジエールの通常の動作温度で沸点に達するようにしたり
沸点に達しないようにしたりできる誘電液体がある。あ
る液体の沸点は、チップ空間の圧力を制御することによ
って、一定範囲内で選択できる。市販のモジュール回路
では、沸点モードでも非沸点モードでも過フッ化炭化水
素（ＦＣ）が用いられている。液体窒素は、沸点が低く
、沸点モードでも非沸点モードでも使用できる。

本発明のモジュールは、液体のままの冷媒か、またはチ
ップに流れ込むときに沸点に違する冷媒と併用できる。

沸点に達する冷媒を使用するときは、ピストン前面の形
状は、所定の流速に応じて、また冷媒が沸騰するときの
冷媒の体積の増加に応じて決定される。

液体は、ピストンの中心孔に液体のまま残る。

冷媒がチップから熱を受けると、冷媒の温度が上昇し１
本発明の実施例によっては、沸騰しはじめる。ある特定
のチップでは、中心孔からの半径方向のある距離におい
て沸騰がはじまり、これはチップが消費する電力によっ
て異なる。ピストンはいずれも同一であるのがよく、ピ
ストン表面の形状はいずれも、最大電力で動作するチッ
プに対応するようなものであるのが望ましい、低電力で
動作するチップの場合、沸騰は起こらないか、沸騰が起
こるときの半径が長（なることがあるが。

このようなチップも適宜に冷却される。（消費電力の異
なるチップの温度を均一に保つ方法については後述する
。） 沸騰が起こる半径距離はまた、モジュールに選ばれた冷
媒の性質およびモジュール内部の圧力によっても異なる
０本発明のモジエールは、様々な冷媒と動作圧力に対応
するものである。

ピストン軸を通る断面から見ると、ビスＩ・ン前面は、
中心孔の端から下方および外側へ曲がって所定の点に達
し、そこで上方へカーブする。沸騰が起こらないところ
では、冷媒の密度はほぼ一定であり、カーブはピストン
前面に対して下向きなので、１１［ｌＷｌの円周を成す
幅の増加が相殺され、流速はほぼ均一か、または速くな
って、冷媒温度の上昇が相殺される。沸騰が起こる部分
では、ピストン前面は下方か上方ヘカーブする。いずれ
の方向かは、沸騰の累積量および半径方向の位置による
。

ピストンは、非導電材料（プラスチックなど）で作られ
たものが望ましい、このような材料は熱の不良導体であ
る。これまでのピストンは、熱伝導率の良好な金属から
作られている。金属は電気の良導体であり、絶縁は、一
般にはチップとハツトとの間で、たとえばピストンを陽
極処理することによって得られる。

ある実施例では、ピストンは金属で作られ、ピストン前
面は、チップからピストン前面を隔てる薄い放射状のフ
ィン（ラジアル・フィン）を担持する。このフィンによ
り、上から見るとパイの形をした冷媒用のチャネルがで
きる。またフィンにより、チップからピストン本体への
伝熱量も有効に利用できる。他の実施例では、ピストン
は水平に伸びた環状のフィンを担持する。このフィンは
、中心孔を通る液体によって冷却される。チップ空間内
の蒸気は一部かまたは全部がこのフィンによって凝縮す
る。中心孔の出口での冷媒温度−は、チップの冷却条件
によって適度に保たれ、ピストンの中心孔に入る冷媒は
、フィンの冷却に適した低い温度に保たれる。

ある実施例では、ピストンは、チップと環状のフィンか
ら、またはそのいずれかからの熱を中心孔のなかの冷媒
に伝える金属部と、電気絶縁のためのプラスチック部と
で作られる。

別の実施例では、ピストンは、チップの端部を超えて伸
びるシュラウド（囲い板）を担持し。

チップ端部およびその近（の基板部分の伝熱によってチ
ップを冷却する。

Ｅ、実施例 ｍｉ図のモジュール９では５基叛１０が１面ｌｌが上向
きのチップと水平である。この向きでは、基板上のチッ
プおよびチップと位置合わせされたモジュール部品の行
列の並びの対称性が強調される。気体を詰めた従来のモ
ジュールは、基板が垂直面上にくる方向に向けられる。

この向きについては第２図の説明のところで述べる。第
１図の向きは、冷媒の流れが、モジュールの実際の向き
とは無関係に、実質上、半径方向に対称なので、モジニ
ール表面の冷媒の流れを説明するのに適している。また
ピストンは実際に半径対称であるのが望ましい。

チップ１２は、半田ボール１３によって、パッド（図示
していない）に電気的、機械的に接続される。このチッ
プは、一般的には発熱部品とみることができ、チップ上
面ｉ４は、チップまたはチップを密封するケースなどの
パッケージ構造の伝熱面である。基板の下面１５は、回
路ボードに接続されるビン１６を担持する。基板の内側
の配線は、電力をチップに運び、チップ相互間およびチ
ップとビンとの間の信号をつなぐ、構造１７（ハツトと
呼ばれる）は、従来のＴＣＭのハツトに見られるように
、基板とともに密封されたチップ空間１８を形成する。

ハツトは、ホール２０の列の中のピストンと呼ばれる構
造１９を支持する。ホール２０はそれぞれチップ取付箇
所の上に位置する。第１図の実施例では、ホール２０は
円筒状であり、ピストン１９の隙間２１は、ピストンが
勇直方向に運動するのに充分な幅がある。

（隙間２１は図では誇張して描いである。）ハツトとピ
ストンの　　−一　１ 第１図のピストン１９のスペーサ２２は、ピストン１９
の下面２３を一定の距離だけチップ表面１４よりも上に
位置付ける。このスペーサは、薄いラジアル・フィンで
あって。その下端の全体がチップ表面１４に接する。他
のスペーサについては後述する。スプリング２４は、ホ
ール２０内にあって、ピストンをチップ取付箇所の方へ
押し下げる。スプリング１９の構造と隙間２１は、従来
のＴＣＭと同様であり、これにより、ピストンは、基準
１に対するチップの高さと傾きの変化に追従できる。

モジュール９は、一般には、各ピストン前面２３がチッ
プ表面１４よりも上の所定位置にくるように設計／製造
される。基準面に対するチップの高さは指定できる。そ
の場合、ハツト１７とピストン１９の構造は、ピストン
前面２３がハツト１７の中の固定基準位置にくるように
形成できる。

これに代えて、ピストン１９をハツト１７内で調整でき
るようにし、製造時にはチップ１２に対して固定位置に
置くこともできる。ｔ！ｌＳ１図のモジュール９をこの
ように変更すれば、スペーサ２２は必要なくなる。

ハツト１７は、チップ取付箇所を覆う冷媒ブレナム・チ
ャンバ３０が設けられるように形成され、液体冷媒をチ
ャンバ３０に導く流入口３１を備える。これらの構造は
、低温プレートを組み込んだＴＣＭの冷水構造に似てお
り、従来の様々な方法で実施できる０図では概略を示し
ている。

ハツト１７の部分３３は、チップ空間１８の外装の一部
を成す、ハツト部分３３を支持するピストン上面３５は
、チャンバ３０の底面を成す。

第１図の実施例で、ピストンの軸孔３８はピストン１９
を貫通している。この軸孔は、ピストン１９の上端では
、冷媒チャンバ３０に通じるようになっており、ピスト
ンの下端は、冷媒の噴流がチップ表面１４に流れるよう
に形成されている。

第１図の実施例でチューブ３９は、チャンバ３０からピ
ストン前面２３のすぐ上まで伸びて、軸孔３８とピスト
ン１９を上部４０と下部４１に分けており、上部４０で
はチ１−ブ３９により、ピストン１９が冷媒と直に接し
ないようになっており、下部では冷媒が軸孔３８の壁面
と直に接するようになっている。

ハツトは、後述するように、チップからの冷媒を排出す
る排出口４４．４５を備える。

ピストン　　る　　の 第１図の実施例でピストンは、金属の単一構造であり、
熱の良導体であるのは良いが、電気の良導体でもあるの
が欠点である。（チップとハツトを電気的に絶縁しなけ
ればならないモジュールもある。）冷媒と軸孔３８の壁
面との接触によってピストン１９が冷却されるが、この
冷却効果の利用方法にはいくつかある。スペーサ２２は
、チップ１２とピストンの下部４１との間の伝熱路内に
あるので、チップ１２は伝導によって冷却される。スペ
ーサ２２は、冷媒が流れる領域が大きくなるように薄＜
シであるので、スペーサ２２とチップ１２の接触面積は
小さく、この界面の熱抵抗は大きい、ただしこの経路の
伝導は、冷媒がスペーサ２２に近接して流れ、伝導路が
かなり短いため、効率がよくなっている。２後述するよ
うに。

チャンバ３０の液体は、軸孔下部４１（液体はこの軸孔
では沸騰しない）内の液体への伝熱を補償するのに適し
た温度に保たれる。

冷媒が沸騰するモジュールにおいては、チップ空間の蒸
気を一部凝縮するためにも、ピストンの温度が下げられ
る。第１図のピストンは数個の環状フィン３６を備え、
これらと軸孔下部４１の冷媒との間で伝熱が起こる。

ビス　　ン　　　　の　　　　−一　　３第１図で、冷
媒は所定の速度で軸孔３８に流れ込むが、その速度は、
冷媒がチップ１２に供給される速度と軸孔３８の直径に
よって決まり、冷媒の噴流はチップ表面１４にぶつかる
。第３図に示したモデルでは、冷媒の流速は一定、軸孔
の直径も一定、よって噴流の速度も一定である。噴流の
力で、液体とこれに伴う蒸気がチップ表面１４とピスト
ン前面２３との間の隙間２１を通って外部へ向けられる
。このときの流れのパターンは、孔の軸を中心にして、
実質上は半径対称であり、ピストン前面も半径対称であ
る。（半径方向ではない冷媒の流れについては後述する
。） チップ表面１４を流れる冷媒の速度は、チ・ンブの冷却
に大きく影響する。この速度は、半径方向の一点では、
部分的にはその点の隙間２１の断面積の関数である。こ
の断面積の寸法は、一つは、第１図に示すように隙間２
１の高さであり、もう一つは、ピストン軸から見れば分
かるように、その点の円の外周である。

第３図で、水平軸（横座標）は、ピストン軸から半径方
向に測られたチップ表面１４の位置を表す、垂直軸（縦
座標）は、チップ表面１４とピストン前面２３との隙間
を表す、チップ表面１４は平坦なので、カーブはそのま
まピストン前面の形状を表すが、垂直方向の目盛りは水
平方向よりも太き（、ピストン前面のカーブは誇張され
ている。

４つのカーブＡないしＤはそれぞれ、ある冷却条件下の
チップ表面で流速を一定に保つための隙間高さを示す、
（流速は、断面積が対応する点によって異なるので、カ
ーブによって異なる。）いずれの場合も、冷媒、チップ
・サイズとも同じだが、チップの消費電力はＡからＤへ
の順に減少する。

均一な流速が基準条件である９通常は、流速を半径の関
数として高くするのが望ましい、その場合、冷却は、流
速と冷媒温度の関数であり、速度が上がれば、冷媒がチ
ップから熱を受けるときの温度の上昇が相殺される。低
速を含めた他の流速は、後述するように、図のカーブか
ら理解できる。

カーブＡないしＣは、３つの異なる流速で沸点に達した
冷媒を、カーブＤは、沸点に達しない冷媒をそれぞれ表
す、カーブの最も左側の半径位置は、ピストン孔の半径
にほぼ等しい。

Ｄの場合（冷媒は沸騰しない）、冷媒密度が大きく変化
することはなく、チップ表面上のある点でのその速度は
、その点での隙間の断面Ｆｎによってのみ変化する。し
たがってカーブＤは、流れの生じる断面積と冷媒速度を
ともに一定とするピストン軸からの半径距離の逆数の一
次関数である。

隙間は半径に応じて連続的に減少する。

カーブＤの場合のピストン前面を、断面積が半径の関数
として小さくなるように変Ｊ［εすれば、冷媒が沸騰し
ない場合のカーブは、カーブＤの下側にくる。逆に、断
面積が半径の関数として大きくなるようにカーブＤのと
きのピストン前面を変形すれば、そのカーブはカーブＤ
の上側にくる。

カーブＡ、Ｂ、Ｃは、冷却条件が異なり沸点に達する液
体を表す、冷媒が沸騰すると、蒸気の泡が形成され、あ
る質量を持つ冷媒の体積が太き（なる、ピストン前面は
、この膨張を吸収する形状である。

カーブＡないしＣの場合、隙間は、沸騰かはじまるとこ
ろまで小さくなり、その後大きくなって、増加する蒸気
量を吸収する。（連続的に減少するカーブＤと対照的で
ある。）第３図に示すチップは均一に加熱されるので、
蒸気の泡は半径の関数である定速度で形成される。した
がって蒸気の泡は半径方向（下流）へ集積する。沸騰す
るのは液体の一部だけであり、通常は１０％未満である
。

ここで、カーブＤを別の観点から調べてみる。

ある点でカーブが平坦になる場合、その断面積は半径に
応じて増加する。同様に、カーブＤによって示される半
径の関数の逆関数よりも低速でカーブが下降した場合、
断面積は増加する。したがって、幾何学的には、冷媒の
体積の増加を吸収できるのは、平坦なカーブまたは緩や
かに下降するカーブである。ただし沸騰による体積の増
加は、沸点を定義でき、ピストン前面のカーブがその点
まで下降して、そこで上昇するほど大きいのが看過であ
る。

カーブＡないしＣの下方への傾きは、対応するカーブＤ
の点よりも小さく、具体的には、カーブの傾きはＣから
Ａの順に（すなわち対応する点の隙間が大きくなるのに
応じて）小さ（なる、これは全く幾何学的な結果である
。

チップ　　１８と゛媒チャンバ３０の 冷媒の一部は、ピストン１９とピストン・ホール２０の
側面との隙間２１を通って、チップ表面１４にぶつかる
噴流を迂回し得る。ピストン１９の前面で所要量の噴流
が維持される限り、隙間２１を通る冷媒がモジュールの
冷却能力に悪影響を与えることはない（場合によっては
大型のポンプが必要になる）。

第１図の実施例では、チューブ３９は、チャンバ３０と
隙間２１との間にラビリンス（隘路）を・つ（るので、
かなりの量の冷媒が隙間２１から流れるのが防止される
。他の実施例では、チューブ３９は用いられず、軸孔部
４１はピストンの全長に及ぶ、ハツト部３３の開口は（
他の場合にはチューブ３９を受けるが）、直径を妥当な
範囲内で自由に変えられる。この実施例のピストン・ホ
ール２０は、チップ空間１８から冷媒チャンバ３０に及
ぶので、冷媒がピストン・ホール２０を迂回するときに
通過しやすい経路となる。ピストン１９とピストン・ホ
ール２０の壁面との１ＩＪｔｒｌｔ２１は、従来のもの
は非常に狭く、ピストン１９とホール壁面との間を流れ
る冷媒の量は無視してよい場合が多い。

ピストン密封構造の一例として、ピストンとホール壁面
との間に密封リングが置かれる。遇フッ化炭化水素で冷
却されるモジュールの場合、密封リングは、ＰＴＦＥ　
（ポリテトラフルオロエチレン）なとの材料で作るのが
望ましい、これは、過フッ化炭化水素に触れると膨張し
、より安定したシールになる。

従来の技術では、チップ空間１８を冷媒から分離するた
めに様々な機構が提案されている。たとえば、可撓性バ
リア、可撓性ベローズなどがあり、これらはピストンを
密封するのに使用できる。ピストン１９がハツト１７の
一部として固定される場合は、各ピストンにシールを用
意する必要はない。

従来のモジュールでは、チップ取付箇所のパターンに［
１１があり、ピストンのホールはこれに対応したパター
ンを持つ。チップ取付箇所の一部にチップがなく、対応
するホールにピストンがないものも従来のモジュールに
はある０本発明のモジュールで用いられないチップ取付
箇所では、使用されないホールにおける冷媒の迂回を防
ぐために１円筒状のホールが接続される。たとえばホー
ルには、中心孔を持たないプラスチックのピストンまた
はこれと同等の密着構造を接続できる。ピストンが可撓
性ベローズや可撓性バリヤで密封される場合は、他の接
続構造としてどれが適当かは容易に分かる。

モジュール　の　　と　　の　れ−一　２第２図は、基
板が垂直面上にある通常の向きのモジュール９を示す、
冷媒が沸騰するモジュールでは、蒸気４９が上方の排出
口４４の方向へ拡散する。モジュール９には、初めから
、液体または蒸気を充填してあくことができる。液体を
充填したモジュールでは、沸点に達した冷媒からの蒸気
４９は泡の形をとる。液体（蒸気を充填した場合は小滴
）は、どのような場合でも、チップ空間の下部に落ちて
溜り、排出口４５へ流れる。

蒸気４９は、モジュール９外部では扱いが難しい０体積
が、これに対応する質量の液体の体積よりはるかに大き
いからである。チップ空間内で蒸気の一部あるいは全部
を凝縮させる手段を設けるのが望ましい、第２図には第
１図のフィン３６を示している。これに代えるか、また
は追加する形で、別に熱交換器をモジュールの内側に備
え付けるか、または第２図のように、凝縮された冷媒が
液溜め４７へ流れるように、モジュール９に近づけるこ
ともできる。

モジュール９上部に近いピストン１９では、モジュール
下部のピストンよりも蒸気が多いが、第１図に示したモ
ジュールをどのように適用するにしても、はとんどの場
合、その違いは小さく。

フィン構成は各ピストンで同じになる。これに代えて、
各ピストンをその蒸気凝縮負荷に適応させることもでき
る。たとえばフィン構成を変えたりピストンの低温下部
４１の長さを変えたりすることができる。

ｏｌとゝローー第４・。

第４図は、室温付近で動作するモジュール系統用の外部
配管を示す０代表的な２つのモジュール９ａ、９ｂの冷
媒流入口３１ａ、３１ｂは、共通の供給ライン５４に接
続される。供給ライン５４は、膨’Ｊタンク５５、ポン
プ５７、クーラ５６を備えた回路内に接続される。クー
ラ５６は、冷水が供給される熱交換器とするのがよい、
モジュールの液体冷媒の排出口４５ａ、４５ｂおよび蒸
気の排出口４４ａ、−４４ｂは共通ライン５９に接続さ
れ、共通ライン５９は、排出口４４ａ、４４ｂからの蒸
気が上方へ拡散し、排出口４５ａ、４５ｂからの液体が
下方へ流れるように垂直に伸びている。ｆｉ張タンク５
５は、液体を受けてこれをポンプ５７へ送る。熱交換器
６１は蒸気を受けて凝縮する。蒸気凝縮用熱交換器６１
の凝縮液は、ライン５９を下って膨張タンク５５に溜る
。蒸気用の熱交換器６１は、冷水を受けて動作し、液体
冷媒用の熱交換器５６の下流に接続することができる。

第４図は、冷媒回路内のモジュールの一般的な接続を示
している。液体と冷媒を室温で扱う方法は他の技術分野
で知られている。同じく液体窒素の取扱方法も周知のと
おりであり、第４図から明らかである。

監ｌ」−と１１ 液体冷媒は、チップから熱エネルギを取り去る作用が強
いので、第１図の金属ピストンによって設けられる熱の
伝導路は採用せずに、ピストンの全体または一部を、熱
の非伝導体であるプラスチックなどの材料で作ることが
可能である。プラスチック・ピストンは、先に述べた絶
縁条件を満足する。また、対応する金属ピストンよりも
質量が小さいので、チップに伝わる振動は金属ピストン
よりも少ない、多くのプラスチックは、様々な誘電液体
と併用でき、使用温度の範囲が広い、プラスチック・ピ
ストンは成形したものが望ましい、従来のプラスチック
は、環状フィンを効果的に使用できるほど充分・な伝熱
性を示さない、蒸気を凝縮するための熱交換器は、チッ
プ空間１８の内側か外側、もしくは両側に取り付けられ
る。同様に、ピストンとチップの接触面積は、伝導伝熱
を考慮すれば大きな問題とはならず、スペーサは５接触
面積を考慮せずに、バンプ（突出し）その他の形にする
ことができる。

第１図の金属ピストンは、切削によって形成するのがよ
い、これに適した材料は、従来のＴＣＭ技術で知られて
いる。

このほかのピストンの実施例としては、プラスチックと
金属を組み合わせたものがある。ピストンの中央部は、
１状リングから軸孔３８へ熱を伝えるために金属で作ら
れる。ピストンの下部か上部のいずれか（または両方）
は、電気絶縁性を与えるためにｌよび質量を下げるため
）、プラスチックで形成される。

ピストンの上部だけをプラスチックにするとき、上部は
、チップ高さの変化を考慮して、下側へ充分に伸ばせば
、ハツトとピストンの金属部との電気接続を防ぐことが
できる。ピストン孔３８とピストン・チューブ３９は、
冷媒がピストンの金属部の孔の壁面に接するように配置
される。金属部とプラスチック部は、このような材料の
接合に適した方法で接合できる。ねじ込みカプリングな
どによる嵌合が望ましい。

ピストンの下部を金属にする場合は、第１図とあわせて
説明したように、スペーサを任意に形成することで、チ
ップからの伝導伝熱が得られる。

ピストン・スペーサ 第１図の実施例でスペーサ２２は、フィンの形をとり、
これが冷媒をチップの前面に向ける羽弁を成す、このフ
ィンを平坦にすれば、第５図のように上から見るとパイ
の形のチャネルが作られる。また、カーブをつければ、
第６図のように非半径方向パターンが得られる。冷媒は
１分子レベルでは螺旋状に流れるので、伝熱効率がよ（
なる。

普通、これらのフィン２２は、伝導伝熱効率を高めるた
めに、たとえこの形のスペーサによって対流伝熱が少な
くなっても、可能な限り薄くされる。ただしチャネルは
、ピストンの下側に形成された細長い開口とみることも
できる。″フィンーという用語は、冷却が主として対流
によるものであり　ｇ１次的にのみ伝導によるか、ある
いは伝導に全（依存しないことを強調するものである。

１１血立ス１ チップは、所定の制限温度内で動作させなければならな
い、この条件から、消費電力の小さいチップを過冷却す
ることなく、消費電力の大きいチップを冷却することが
問題になる。従来の′ｒｃＭでは、チップの温度を一定
に保つための手法かい（つか用いられ、提案されてもい
る。Ａ体冷媒をチップに供給するとき、その調節は、軸
孔３８の直径、チューブ３９の直径、もしくは隙間高さ
などの調節によって行える。伝導冷却による実施例では
、伝導路の抵抗は、従来のＴＣＭかも類推すれば明らか
なように、様々な方法で調節できる。

第７図の実施例では、ピストン前面が、ねじ６３などの
手段によってピストン本体６２に接続された部分６１に
よって形成される。前面部の形状は、冷媒をチップに供
給する速度やそのパターンに応じていくつか考えられる
。第７図の実施例では、ピストン孔がピストン前面にあ
る数個の開口６４に分岐しており、前面部は薄型であっ
て、これがブレナム・チャンバ６６を成し、これにより
ピストン孔からの冷媒が開口６４に流れる。ピストン前
面には、チップ表面１４とピストン前面を離隔するため
にバンプ６７を設けるのが望ましい。

ピストンとシュラウドー−８ 第８図は、シュラウド７０を担持するピストンを示す、
このシュラウドにより、冷媒がチップ１２の端部７１ま
わりに向けられる。チップ端１１１’！７１の面積は１
表面１４より小さく、この部分で他の図のモジュールの
熱の移動がほぼすべて起こるが、端部の面積は、伝熱量
を有効に利用するのに充分な大きさである０本発明のモ
ジュールおよび従来のＴＣＭでは、チップからの熱の一
部は、半田ボールを通って回路ボードへ移動する。シュ
ラウドは、冷媒が、近（の基板表面１１にぶつかるよう
に形成される０表面１１に冷媒がぶつかることによって
も伝熱量を有効に利用できる。

第８図のピストン構造では、シュラウドは、上からは正
方形に見え、チップ端部７１と近くのシュラウドの壁面
との空間は１図に示した隙間で均一に分けられている。

シュラウドはこのほか。

ピストンの半径対称形に合わせて円筒状にすることもで
きる。

第８図は第７図と似ている。また他の場合には同一なモ
ジュール部品については同様の参照符号を使っている。

第７図のモジュールで冷媒は、チップの端部および基板
の前面に及ぶが、冷却は第８図の方が効率的である。そ
れは、シュラウドにより、冷媒の流れがチップと基板の
伝熱面に近接するからである。

飢！」Ｌ１困 ピストンとハツトはいくつかの部品に分けられ、その一
部は任意に使用でき、一部は各図で形状を変えて示した
ものか１図には示さずに異なる形状について説明した。

このような形状が、先に述べなかった組み合わせで使用
できることは明らかである。また回路モジュールの冷却
技術や熱の移動に関する一般的な技術に関わる当業者に
は。

これら具体例の変形例が、本発明の精神および特許請求
の範囲内にあることも明らかである。

Ｆ、効果 本発明によると、消費電力の小さいチップを過冷却する
ことなく、消費電力の大きいチップを冷却することがで
き、消費電力の異なるチップの温度を均一に保つことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の第１実施例のピストンとこれに関連
する構造を持つモジュールの断面図である。 第２図は、第１図のモジュール内を冷媒が通過する様子
を示す断面図である。 第３図は、冷媒の流速の変化に対するピストン前面の形
状を示すグラフである。 第４図は、数個のモジュールを持つデータ処理システム
用のモジュールの外側の冷媒の流れを示す図である。 第５図は、ピストン前面のスペーサの形状を示す図であ
る。 第６図は、ピストン前面のスペーサの設計に変更を加え
た図である。 第７図は、上記のピストンに代わるピストンの断面図で
ある。 第８図は、冷媒の流れをチップの端部のまわりに向ける
シュラウドを第７図のピストンに加えた断面図である。 １０・・・基板、１１・・・基板の表面、１２・チップ
、１丁・・・ハツト、１８・ チップ空間、１９・・・ピストン、２２・・・スペーサ
、２３・・・ピストン前面、３０−・・冷媒チャンバ、
３１・・・流入口、３８・・・軸孔、４４．４５・−・
排出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕基板（１０）を有し、チップ（１２）列が上記基
   板の表面（１１）のチップ取付箇所に置かれたモジュー
   ル回路であって、上記基板が、便宜上、上側にチップ取
   付面がくる水平面を向き、上記基板と協働するハット（
   １７）によって各チップの密閉空間が得られ、上記チッ
   プ取付箇所の上の上記ハット内にピストン（１９）が置
   かれ、上記ハット内の冷媒供給手段（３０、３１）によ
   って液体冷媒が供給され、上記モジュール内の冷媒排出
   手段（４４、４５）によってチップ空間（１８）から冷
   媒が戻り、上記ピストンのそれぞれの軸孔（３８）が、
   冷媒供給手段（３０）からの上記液体冷媒を上記チップ
   へ運ぶように接続されており、 ａ）上記ピストンの下面（２３）が所定の半径対ｂ）ピ
   ストン前面（２３または６５）にスペーサ（２２）が置
   かれて、上記チップの上面（１４）に接し、かつ上記ピ
   ストン前面と上記チップ表面を離隔し、よって上記チッ
   プ表面に上記冷媒を運ぶ隙間が形成され、 ｃ）上記液体が、上記チップの動作温度に関係する所定
   の温度および上記チップ空間の圧力によって沸騰し、よ
   って上記チップ表面に及ぶ液体において所定の沸騰状態
   もしくは非沸騰状態が生じ、上記状態が、上記チップか
   ら移動した熱および上記冷媒の沸点によって決定され、 ｄ）よって上記チップ表面のある点における上記冷媒の
   半径方向の流速が、一部は上記の点の隙間高さによって
   、一部は、上記冷媒が沸騰することによって上記冷媒の
   体積が増加する場合には、その程度によって決定され、 ｅ）上記ピストン前面と上記チップ表面の半径位置に関
   係する隙間高さが得られるように上記ピストンの上記下
   面が形成されて、上記チップを冷却するための所定の流
   速が維持される、チップ冷却用回路モジュール。 （２）クレーム１のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、上記ピストン前面と上記チップ表面の半径位置に関
   係する隙間高さが得られるように上記ピストンが形成さ
   れて、半径位置に関係する一定の流速が維持されるモジ
   ュール。 〔３〕クレーム１のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、上記ピストン前面と上記チップ表面の半径位置に関
   係する隙間高さが得られるように上記ピストンが形成さ
   れて、半径位置に応じて流速が増加し、半径位置に関係
   する上記冷媒の温度の上昇が相殺されるモジュール。 〔４〕クレーム１のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、非沸騰液体冷媒の一定の流速を基準条件として、上
   記基準条件が、半径位置の逆数の関数であり、よって連
   続的に減少する隙間高さによって表され（第３図のカー
   ブＤ）、かつ上記液体が上記隙間で沸騰し、上記隙間が
   、半径方向の内側の領域では減少し、半径方向の外側の
   領域では増加するモジュール回路。 〔５〕クレーム４のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、チップ上の所定の半径が指定でき、上記半径で沸騰
   がはじまり、かつピストン前面が上記半径の内側で下方
   へ傾き、上記半径の外側で上方へ傾くモジュール回路。 〔６〕クレーム１のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、上記ピストン前面上のバンプがスペーサを構成する
   モジュール回路。 〔７〕クレーム１のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、上記チップ表面に接する形状を有し、かつ上記冷媒
   が通過するパイの形のチャネルを形成するラジアル・フ
   ィンが、スペーサを構成するモジュール。 〔８〕クレーム１のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、非半径方向の流れパターンを作るように曲げられた
   羽弁フィンがスペーサを構成するモジュール。 〔９〕クレーム２のチップ冷却用回路モジュールであっ
   て、上記ピストンが、上記チップのまわりでシュラウド
   を成す形状を有し、上記シュラウドが、上記チップの端
   部および上記基板の上面から離隔して形成されることに
   よって、上記冷媒が流れ落ちて上記チップの端部に及び
   かつ基板へ放射状に流れ込み、よって上記チップがさら
   に冷却される回路モジュール。