JPH0334229B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は冷却装置に関し、具体的には集積回路
チツプを冷却する装置に関するものである。

［開示の概要］ 大規模集積回路チツプ、中でも超大規模集積回
路を含むチツプを冷却する本装置は、集積回路チ
ツプの背面に一方の面が密着した冷却用チツプを
含む放熱板を設ける。冷却用チツプの他方の面に
は複数個の独立した平行な溝が設けてある。冷却
液はその溝を流れて集積回路チツプから熱を取り
除く。更に本装置には、特殊な形状をしたベロー
が含まれているが、これは冷却液を冷却源から放
熱板へ導入し、且つ該冷却液を取り出すものであ
る。また、冷却液配流装置は少なくとも１個のガ
ラスプレートあるいはマニホルドの形をしてお
り、ベローの冷却液の入口及び出口用通路を各々
の放熱板と相互連結する隔置した通路を備えてい
る。

［従来技術］ 集積回路チツプは、対流熱を適当な循環冷却液
に伝達することにより効果的に冷却できる。ハン
ダボールを用いて普通の回路用チツプをセラミツ
ク陽気に装着し相互接続することを含む、「C4接
合フリツプチツプパツケージ技術」と呼ばれるチ
ツプの場合では、冷却液をシリコン集積回路チツ
プと直接に熱接触させるという方法が必要とされ
ている。

従来から認識されていることであるが、液体に
よる冷却は、超大規模集積回路チツプの列−当然
該列は熱伝播の遅れを最小限にするよう相接して
隔置されているが、−を冷却するために非常にコ
ンパクトな配列を実現できる見込みがある。これ
ら密集した列のパツケージには強制空気対流方式
は不適切である、というのも高性能強制空気熱交
換器のサイズは大きすぎるからである。

従つて、これまで提案されてきた方式は例えば
熱が各チツプの背面にばねで止めてあるアルミニ
ウムのピストンを通り、更にそのピストンの周囲
のシリンダー壁を通り、冷却液を循環する熱交換
器中に導かれるというものである。上記のような
パツケージは熱抵抗によりチツプ１個当り約３〜
４ワツトのエネルギーを放散することができる。
しかしながら、熱交換器とシリコン集積回路チツ
プを密接に連結して、これ以上に簡易な構造も提
案されている。このような構造は、ダブリユー・
アナツカー（W.Anacker）氏の論文「集積回路
チツプの液体冷却（Liquid Cooling of
Integrated Circuit Chips）」アイビーエム・テ
クニカル・デイスクロージヤ・ブリテン（IBM
Technical Disclosure Buletin）、第20巻、1978
年、第3742〜3743頁に示されている。

更に、超大規模集積回路用のコンパクトで高性
能の放熱が以下の(1)及び(2)の論文に示されてい
る。

(1) タツカーマン（Tuckerman）およびピース
（Pease）の論文「VLSI用の高性能ヒート・シ
ンキング（High Performance Heat−
Sinking for VLSI」アイ・イー・イー・イ
ー・エレクトロン・デバイス・レターズ（I.E.
E.E.、Electron Deice Letters）第EDL−２
巻、第５号、1981 (2) タツカーマンおよびピースの論文「集積回路
を冷却するための超高熱伝導性微細構造
（Ultrahigh Thermal Conductance
Microstructure for Cooling Integrated
Circuits）」1982アイ・イー・イー・イー・エ
レクトロニツク・コンポーネンツ・コンフアレ
ンス（IEEE Electronic Components
Conference）最初の論文には集積回路チツプ
内部に組み込まれたコンパクトな放熱板が開示
してある。この装置による放熱は、回路構成が
埋め込まれる基板上面のすぐ隣りにある集積回
路チツプに冷却液を流すための微細な縦横を形
成することにより行われる。カバープレートが
チツプの背面すなわち基板の背面の上にあり、
その微細な流路すなわち溝と連結するようにマ
ニホルドを限定している。従つて、この装置は
一体化された直接冷却装置として特徴づけられ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記に引用されたタツカーマン及びピース両氏
による第２の論文に指摘されているように、その
ような一体化ないし直接冷却に関連していくつか
の問題がある。まず、集積回路チツプに形成され
た微細溝の端部に接続する密封された入口および
出口マニホルド（ヘツド）を形成することが必要
となる。これらのマニホルドを形成する１つの方
法は、シリコン・ウエーハに直接それらを食刻す
ることである。入出口を有するパイレツクス（商
標（Preyx）のカバープレートをウエーハ上に気
密に接合するのである。この方法の問題点はシリ
コンのスペースが無駄になるということである。
さらにこの上、この方法はウエーハの表側（すな
わち回路側）と裏側（すなわち溝側）の調整を必
要とする上に、溝を異方性食刻によらず精密のこ
引きを使つて機械加工すべき場合には使用できな
い。

他の問題点は、所望の深さの溝を異方性食刻に
より形成する場合、110方向のシリコンウエーハ
が必要とされるが、それは集積回路製造に許容さ
れる方向ではない、ということである。更にその
上、その溝を機械加工しようとする場合があるだ
ろうが、それは回路製造に適した方法である100
方向のシリコン・ウエーハの場合には不可能であ
る。言い換えれば、100方向ICチツプにおいては
溝を機械的に作成する方法は現実的ではない。

他の問題点は、ベロー装置を使つて本発明の放
熱板を冷却液源に経済的且つ確実に接続する技術
は現在まだ不十分であるという点にある。一般に
は、冷却用ベローは米国特許第3649738号に示さ
れているようなものが知られているが、そのよう
な装置は、冷却用チツプの溝が刻まれた伝熱面の
全域と連結できるようには設計されていない。

従つて、本発明の主要目的は、半導体チツプに
ついて特に高い効率の熱交換作用が可能となる、
密封された柔軟な液体配流装置を提供することに
ある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に従う冷却装置は、一方の面に複数の溝
が形成されており、他方の面が集積回路チツプの
背面（素子が形成されていない方の面）と密着す
る冷却用チツプと；冷却用チツプの溝の選択され
た部分（例えば中央）へ冷却液を流入するための
流入口及び溝の他の選択された部分（例えば両
端）から冷却液を流出するための流出口が形成さ
れている冷却液配流手段と；冷却液を流入口へ入
れるための流入路及び冷却液を流出口から取り出
すための流出路を画定するように同軸関係に配置
された可撓性の第１ベロー部材及び第２ベロー部
材から成るベロー手段とを具備している。

後述の実施例においては、冷却用チツプとして
シリコンが使用され、また冷却液配流手段は、３
本の平行なチヤネルが切り抜かれている第１ガラ
ス・プレートと、これらのチヤネルと連通するダ
クトが形成されている第２ガラス・プレートとで
構成される。ベロー手段は金属製で、同軸の内部
ベロー部材及び外部ベロー部材から成る。内部ベ
ロー部材は第２ガラス・プレート中の流入口と連
通する流入路を画定し、外部ベロー部材は第２ガ
ラス・プレート中の流出口と連通する流出路を内
部ベロー部材と共に画定する。

［実施例］ 以下各図を参照するが、まず第１図を主に参照
する。本図には、本発明の好適実施例による冷却
装置１０の部分破断立面図が示されており、当技
術分野でよく知られた型式の、典型的には「フリ
ツプチツプ・パツケージ」と呼ばれる集積回路チ
ツプを効率よく冷却するための、積み重ねられた
放熱板及び冷却配液流装置１２の特徴が描かれて
いる。チツプ１４はセラミツクのモジユール１６
上に装着され、ハンダ点接合のような従来の手段
で電気的にそれに接続されている。典型的にはこ
のモジユール１６は、周知の相互連結の目的で複
数個の導体が形成されている、多層セラミツク
（MLC）構造である。チツプ１４は代表的には約
4.5mm²の面積を有している。シリコンプレート、
すなわち冷却用チツプ１８は装置１２の放熱板と
して作用し、その底面とチツプ１４の上側、すな
わち「背」面とが密着している。集積回路は、当
然そのようなチツプ１４の表側（図示の例では下
側）に面して埋め込まれている。

いかなる欠陥がある場合にもチツプが再作動で
きることを確実にするために、接合構造はチツプ
１４と放熱板１８の間の密着を形成する取り除し
可能なハンダ接合１９から成る。

必要とされている効率的な冷却を提供するた
め、放熱板として働く冷却用チツプ１８を例えば
次のようにして作る。まず１１０の大きなシリコ
ン・ウエハを準備し、その上面にそれぞれ冷却す
べき集積回路チツプ１４の大きさに相当する複数
の領域を画定する。次に食刻または機械加工によ
つて、各領域に複数の独立した細長い溝２０（幅
約50ミクロン）を形成する。最後にダイシングに
よつて、シリコン・ウエハを領域別に切る。この
ような領域を含むシリコン切片すなわち冷却用チ
ツプ１８は、集積回路チツプ１４よりも少し大き
い。

第１図及び第２図から理解されるように、平行
な溝２０が刻まれたシリコンの冷却用チツプ１８
は次に、その溝２０に冷却液を効率よく配流する
配流装置の一部となる、好ましくはガラスの第１
プレート２２に結合される。第１ガラスプレート
２２は、続いて第２ガラスプレート２４に結合さ
れる。プレート２２及び２４を形成しているガラ
スには、コーニング（Corning）第7740のよう
に、熱膨張率がシリコンのそれと一致するものが
選ばれている。第１の接着（シリコンチツプ１８
とガラスプレート２４）は高周波加熱を利用した
熱接着により達成され、ガラス同志の接着（プレ
ート２２とプレート２４）は同様の方法を修正し
て行うか、またはエポキシ樹脂の接着剤によつて
行う。

両プレート２２及び２４は、超音波加工により
切り取られたチヤネルとダクトから形成された液
体通路を含んでいる。プレート２２の場合は、中
央に位置したチヤネル２２Ａと側方の２つのチヤ
ネル22Aが設けられており、これらのチヤネルは
プレート22を貫通して切り取られている。プレー
ト２４の場合は、プレート２４の下側表面に刻ま
れた軸方向および半径方向に延在するダクト２４
Ａがその上側表面のポート２４Ｂで終端する。対
になつたダクト２４Ａの半径方向に延在する部分
の外側端部の限定された区画は、第１図からわか
るように、プレート２２の各側方チヤネル２２Ａ
の対向端部に重なり連通する。プレート２４には
中央に位置した単一の流入口２４Ｃも設けられて
おり、冷却液の流入路と連通する作用を有する。
この流入口２４Ｃはダクト２４Ｄに続いており、
該ダクト２４Ｄは中央に位置し、その内側端部で
チヤネル２２Ａの中央に位置した部分と連通して
いる。流入チヤネルとして働く中央のチヤネル２
２Ａは更に冷却用チツプすなわち放熱板１８の各
溝２０の中心点と連通する。従つて、流入口２４
Ｃから流入した冷却液はダクト２４Ｄ中に流れ、
その後中央チヤネル２２Ａに沿つて流れ、そこで
流れは２分され、各溝２０中に反対方向へ流れ
る。還流は各溝２０の両端に位置する隔置された
側方チヤネル２２Ａを通り、それから対になつた
ダクト２４Ａ及びそれに対応する流出口２４Ｂに
入る。というのもダクト２４Ａの各対は、その各
端部で各側方チヤネル２２Ａの両端と連通してい
るからである。

第１図及び第２図に示されているように、冷却
液はベロー装置２６によつて冷却液源（図示せ
ず）から放熱板配流装置１２に搬流される。ベロ
ー装置２６は可撓性の内部ベロー部材２８に含
む。該部材内の流入路は矢印３０で示している。
外部ベロー部材３２も可撓性であつて内部部材２
８と共に環状空間を画定しており、該空間は矢印
３４で示すように流出路になる。内部ベロー部材
２８の下端部の外径は、中央位置の流入口２４Ｃ
よりいく分小さい。外部ベロー部材３２の内径は
流出口２４Ｂすべてを囲むのに十分であり、これ
らすべての流出口からの流れは環状空間に導かれ
流出路３４を構成する。ベロー部材２８及び３２
の各下端部は、エポキシ樹脂接着剤のような適切
な手段で付着または装着される。内部ベロー部材
２８はポート２４Ｃ内に装着され、外部ベロー部
材３２はフランジ３２Ａによつてプレート２４の
上面に装着される。

放熱板及び流体配流装置についてこれまでに説
明してきた配置は、シリコンの溝２０の例を流体
的に並列接続された等しい２つの部分に実効的に
分割されるようになつていることが理解されるで
あろう。更にその上、どれか１つの溝を経由した
流路の流体インピーダンスは、他のどの溝を経由
した場合ともほぼ同一である。従つて確保できる
利益は次のものである。まず、所与の圧力のもと
で流量の増加及びその結果としての熱伝導度の増
大があげられるが、それにも増して、チツプ全体
にわたつて温度を均一に保つことができるという
利点がある（普通、チツプの中央部は周辺部より
も温度が高く、従つて何もしなければ、チツプの
場所によつて温度が異なるという事態が生じる。

本発明の冷却装置を組み立てる際には、ベロー
装置２６並びに放熱板及び冷却液配流装置１２を
集積回路チツプ１４がすでに接着されている多層
セラミツク・モジユール１６に取り付ける。１１
０シリコンの冷却用チツプ１８は、集積回路チツ
プ１４より大きく且つベロー装置２６は明確なば
ね定数と柔軟性を有しているので、冷却装置は冷
却用チツプ１８を集積回路チツプ１４上に定置さ
せるに十分な交差及び自己整合能力を有してい
る。これら２つのチツプ１４及び１８の表面は非
常に平坦で、その結果密着することになる。

以前に記したように、冷却用チツプ１８の下面
が低融点ハンダの薄膜で被われている場合、組み
立てが終わつた後、両チツプをはんだ付けして接
合することができ、それにより熱の不均衡が殆ん
どない取りはずし可能な対称形のシリコン／ハン
ダ／シリコンのサンドイツチ構造を形成する。更
にその後、チツプの「再加工」が必要となる場
合、集積回路チツプ１４の近くでいかなる流体的
分離も行うことなく冷却装置をこの境界面におい
て取り外せる。

本発明の冷却装置においては、集積回路チツプ
１４で発生した熱は、冷却用チツプ１８中の各々
の溝２０の間に画定されているうね状のフインに
よつて効率よく放散される。その上、集積回路チ
ツプそれ自体の面積の数倍にも及ぶ広い熱伝達面
積が得られること、冷却液を流す溝２０が狭いこ
と及びシリコンのフインを通貨する冷却液の流れ
が速いことという理由で、冷却液への熱伝達は最
大に増大された。冷却液は高い容積熱容量及び低
い粘性を有するものを選ぶと溝の刻まれた冷却用
チツプ１８から最も効率の高い熱伝達が可能にな
る。

第１図に図示された型式のプロトタイプ装置を
集積回路チツプに結合し、冷却液に水を用い、集
積回路チツプの１平方センチメートル当りに300
ワツトの電力密度を加えて試験した。流入水の温
度が25℃の場合のチツプの温度上昇と消費電力の
関係を第３図に示す。その勾配は0.48℃／Ｗ（0.1
℃cm²／Ｗ）の総熱抵抗を示し、且つ集積回路チツ
プ上の機械的な荷重はハンダによる接合能力の範
囲内に十分に納まつている。

第４図は複数チツプ・アレイを冷却できる配置
を示したものである。この配置は、各チツプに対
して個別に設けられたベロー装置５０と、個別の
冷却液流入チヤネル５４及び冷却液流出チヤネル
５６を有する共通の冷却液配流用ヘツダキヤツプ
５２とで構成されている。代りに、溝を刻まれた
十分に大きな単一のシリコン熱交換プレートに結
合された同軸ベロー装置をアレイ中のすべてのチ
ツプに接触させてもよい。このような場合には、
（例えばBi、Pb、Sn、Cd、Inの金属の組合せを
含む）低融点可融合金から成る数枚の薄片を集積
回路チツプと冷却用プレートの間に挿入すること
ができる。適当な温度にまで加熱した場合、合金
の挿入層は隣接表面に密接して接合し、チツプ・
アレイのいかなる凹凸をも補償する取り外し可能
な良質の熱ジヨイントを形成する。

［発明の効果］ ここで開示されてきた事は、超高速集積回路チ
ツプを効果的に冷却する問題に対する独特の解決
法である。本装置は現在の工業技術と両立でき、
且つ従来の高速装置にも拡張可能である。本発明
は、集積回路チツプからの熱伝達のための大きな
表面積をもたらす、隔置された平行溝の列を有す
るよう形成された冷却用チツプを含む高効率多重
熱放板冷却液配流装置を提供する。冷却用チツプ
は、集積回路チツプから容易に取り外し可能であ
る。可撓性のベロー装置は、その同軸設計のため
に高い信頼性を有し、自己整合能力によつてチツ
プの傾きを許容し、更に集積回路チツプと共に使
用されるハンダにかかる機械的荷重を小さくかつ
平衡がとれたものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の良好な実施例に従つた冷却
装置を図示した部分破断立面図、第２図は、冷却
装置の主要構成要素の分解斜視図、第３図は、集
積回路チツプの温度上昇と消費電力の関係を描い
たグラフ、第４図は、複数チツプ・アレイの冷却
を行う冷却装置を図示したものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の(イ)ないし(ハ)を具備する集積回路チツプ
   冷却装置。 (イ) 一方の面に複数の溝が形成されており、他方
   の面が集積回路チツプの背面と密着する冷却用
   チツプ。 (ロ) 前記冷却用チツプの前記一方の面上に設けら
   れ、前記溝の選択された部分へ冷却液を流入す
   るための流入口及び前記溝の他の選択された部
   分から前記冷却液を流出するための流出口が形
   成されている冷却液配流手段。 (ハ) 前記冷却液を前記流入口へ入れるための流入
   路及び前記冷却液を前記流出口から取り出すた
   めの流出路をそれぞれ画定するように同軸関係
   に配置された可撓性の第１ベロー部材及び第２
   ベロー部材から成るベロー手段。