JPH04225265A

JPH04225265A - 除熱装置

Info

Publication number: JPH04225265A
Application number: JP3065350A
Authority: JP
Inventors: Joseph L Horvath; ジョセフ・ルウィス・ホーバス; Robert G Biskeborn; ロバート・グレン・ビスケボーン; Carl Yakubowski; カール・ヤクボウスキ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1992-08-14
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: EP0454603A2; EP0454603A3; JP2778019B2; US5014117A

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、集積回路（ＩＣ）チ
ップのような、小さく、平たくて熱を発生するデバイス
の伝導冷却に関し、特に熱を発生するデバイスとヒート
シンクとの間の伝導経路の熱抵抗を非常に小さくした冷
却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】チップレベルにおける大規模集積回路（
ＬＳＩ）　及び超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）の導入、
並びに単一の多層基板に多数のチップを実装することに
よるモジュールレベルでの超大規模集積化に伴って、回
路密度及び電力密度は共に著しく増大するに到った。そ
の結果、チップレベルにおいて熱を１０００ｋｗ／ｍ２
のオーダの熱流束で除去する必要が生じている。このよ
うな高い熱流束密度の熱を除去するために、熱を放散さ
せる手段がこれまで種々提案されている。この種の技術
における一つの大きな制約は、冷却流体（例えば水）を
チップあるいはチップを取り付ける場所に直接接触させ
ることができないということである。そのため、チップ
と着脱式または一体型のコールド・プレートに入った冷
却流体との間には冷却ハットを介在させなければならな
い。

【０００３】ＶＬＳＩの回路密度及びスイッチング速度
が増大し、これと共に電力消費が増大するにつれて、チ
ップと冷却ハットとの間に内部熱デバイス・インサート
（ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　
ｉｎｓｅｒｔ）を入れるようにした熱伝導系の熱抵抗は
さらに小さくしなければならない。チュー（Ｃｈｕ）　
他の米国特許第３，９９３，１２３　号の熱伝導モジュ
ールにおいては、内部熱デバイス・インサートは一点で
チップに接触するピストンよりなる。この熱伝導モジュ
ールは、非常に有用であり、現在のＶＬＳＩシステムに
おいては成功裡に利用されているが、全てのアプリケー
ションにおいて将来起こり得る高電力または高電力密度
システムにまで拡張して適用するのは容易ではない。

【０００４】現行技術においては、熱伝達の強化を達成
するために多くの構造が開発されている。その典型的な
ものの一つとして、内部熱デバイス・インサートに冷却
ハット中の対応フィンとかみ合う硬質フィン（以下リジ
ッド・フィンとする）を設けたかみ合いフィン構造があ
る。このようなフィン構造の１つが、１９８８年５月２
６日に出願されたホーヴァス（Ｈｏｒｖａｔｈ）　他の
米国特許出願一連番号第１９８，９６２　号に開示され
ている。尚、この特許出願の開示内容は本願に併合され
ている。これらの構造は、チップと接触する内部熱デバ
イス・インサートと冷却ハットとの間の伝熱面積を増加
させる手段を具備しているため、上記の熱伝導モジュー
ルにおけるピストンのような単面構造に比べて相当改良
された伝熱性能をもたらす可能性がある。従って、これ
らのフィン構造によれば、チップと冷却ハットとの間の
熱抵抗を小さくすることができる。

【０００５】上記のようなリジッド・フィンを用いた構
造に固有の特徴は、チップの傾きを吸収、調整するかみ
合いフィンの間に常にギャップが存在すると言うことで
あり、このギャップが比較的大きいことも時々あるある
。このようなギャップは、サイドバイアス（ｓｉｄｅ−
ｂｉａｓ）　するか、あるいはギャップに上記ホーヴァ
ス他の出願中に開示されているようなコンプライアンス
に富む（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）　伝熱媒体を充填するこ
とにより補償することが可能である。このようなフィン
構造によれば、確かに熱抵抗を低くすることができるが
、そのギャップを小さくするか、より好ましくは、ギャ
ップを実質上なくすことによって、フィン構造の熱抵抗
をさらに減少させることができる。

【０００６】もう一つ、マンスリア（Ｍａｎｓｕｒｉａ
）他の米国特許第４，２６３，９６５　号には、冷却ハ
ットのかみ合い凹部内に複数の熱伝導性の薄片形状部材
を入れた構造が開示されている。これらの各薄片形状部
材は、チップに対して各個にばね荷重取付けされている
。チップの傾きはチップと薄片間の界面で調整される。そのため、この構造は設計的に薄片形状部材がチップに
対して線接触させ、モジュールの熱効率を低下させる結
果を招くことがしばしばある。さらに、この点が最も重
要であろうと思われるが、薄片形状部材は、相当薄いに
もかかわらず、冷却ハットのかみ合い凹部共々十分な剛
性を保持している。製造公差の故に、このような剛性は
、薄片形状部材と冷却ハットとの間に常に相当のギャッ
プを生じさせ、熱抵抗を増大させる原因となる。

【０００７】フィンを可撓性（軟質）材料で形成するよ
うにした構造もいくつか提案されている。

【０００８】即ち、リップシュッツ（Ｌｉｐｓｃｈｕｔ
ｚ米）　の米国特許第４，４９８，５３０　号には、複
数の可撓性リーフ・エレメントを硬質スペーサ・エレメ
ントの間にサンドイッチ状に挟んだ構造が開示されてい
る。この構造は、結果的に、チップとコールド・プレー
トとの間に比較的硬いパッケージが置かれることになる
。可撓性エレメントは各々の対応する可撓性エレメント
との間に良好な熱的接触を確保することができず、この
構成による熱抵抗は受け入れ難いまでに高い。また、構
造全体がコールド・プレートとは別個に独立しているた
め、それだけ余分の熱抵抗（即ちコールド・プレートと
フィン構造との間の界面より生じる熱抵抗）が介在する
と言う問題がある。

【０００９】ティンダー（Ｔｉｎｄｅｒ）の米国特許第
４，７０７，７２６　号には、内部に溝が設けられ、そ
の溝の中に複数個の半導体デバイスが配置されたヒート
シンクが開示されている。これらの半導体デバイスは可
撓性部材により溝の側面に対してサイドバイアスされて
いる。

【００１０】バーグ（Ｂｅｒｇ）の米国特許第４，４４
７，８４２　号には、熱デバイスをチップと接触させた
構造が開示されている。この熱デバイスは冷却モジュー
ルの溝に嵌合するフレキシブル・フィンを有する。冷却
モジュールには、膨張するとフレキシブル・フィンを冷
却モジュールの側面に対して押し付けることによりチッ
プの冷却を助長する膨張式コンジットが具備されている
。

【００１１】ハンロン（Ｈａｎｌｏｎ）の米国特許第４
，１９０，０９８号には複数個の半導体デバイスを冷却
するための冷却装置が開示されている。この冷却デバイ
スは半導体デバイスによって形成される溝に嵌合するフ
レキシブル・フィンよりなっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来様
々の技術が提案されてはいるが、より高電力のチップに
対応することができるよう、冷却装置の熱放散能力を増
大させる必要性は依然として大きい。

【００１３】従って、本発明の主たる目的は、熱放散能
力がより大きく、熱抵抗がより小さい改良された冷却装
置を提供することにある。

【００１４】上記並びにその他の本発明の目的は、以下
の説明を図面を参照しつつ参照することによりさらに明
白になるものと考えられる。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明は、熱を発生するデバイスより熱を除去するための
装置において、第１の表面上にある少なくとも１つの第
１フィン及び平坦な第２の表面を有するベースよりなる
少なくとも１つの熱伝導性の熱デバイスのインサートと
、複数個の第２フィンを有する第２の熱伝導性の熱デバ
イスと、を具備し、上記少なくとも１つの第１フィンが
上記第２フィンに対して互いに散在関係にあり、上記第
１フィン及び第２フィンの少なくとも一方を熱伝導性の
可撓性材料で形成することによって、可撓性材料を用い
ない場合に上記散在関係にあるフィンの間に生じるギャ
ップを大部分除去すると共に、上記第１及び第２フィン
の少なくとも一部を互いに他方に対して偏倚（ｂｉａｓ
）させたことを特徴とするものである。

【００１６】好ましくは、上記第１フィンは複数個設け
る。

【００１７】

【実施例】添付図面を参照しつつ説明すると、図１には
本発明の一実施例の装置、より詳しくは、半導体チップ
のような熱を発生するデバイスより熱を除去するために
本発明に従い構成された高伝導フレキシブル・フィン冷
却モジュールの主構成要素の機械的アセンブリ全体（全
体を符号１０で示す）の分解図が描かれている。図２に
おいて、チップ１２は指定温度以下に保つ必要があり、
基板１４上に取り付けられている。チップは、はんだボ
ール（米国特許第３，４９５，１３３　に開示されてい
る如く、コントロールド・コラプス・チップ接続または
Ｃ−４　としても知られている；同米国特許の開示内容
は本願に併合されている）によって基板１４に下向きに
取り付けることが望ましい。基板１４はフレーム２２に
座支されている。

【００１８】基板１４は、好ましくは多層セラミック（
ＭＬＣ）　基板とする。基板の材料としては、セラミッ
ク、ガラスあるいはこれらの複合材料を用いることがで
きる。基板用のより一般的な材料としては、アルミナ、コーデ
ィエライト・ガラス・セラミック、ムライト及びホウケ
イ酸ガラス等を用いることができる。尚、本発明は基板
の材料自体に依拠するものではなく、多種多様な基盤に
おける効果的な利用が期待されるものである。

【００１９】各チップ１２の上方には、硬質ベース（リ
ジッド・ベース）上に少なくとも１つの第１フィン１７
を有するフィン付内部熱デバイス・インサート１６が配
置されており、このインサート１６はチップに平行な平
面内を横方向に移動することができる。第１フィン１７
はなるべく複数個設けることが望ましい。現在の高性能
モジュールにおいては通常複数個のチップが組み込まれ
るから、その場合は内部熱デバイスを複数個設けて各チ
ップに対して１つのインサートを対応させる。第２の熱
デバイス１８は、上記の内部熱デバイス・インサート１
６の第１フィン１７と係合する（かみ合う）複数個の第
２フィン２０を有する。第２熱デバイス１８は、好まし
くは冷却ハットよりなり、以下本願においては冷却ハッ
トと称する。モジュール１０の組み上がり状態において
、冷却ハット１８は適宜の固定手段によってフレーム２
２に結合される。冷却ハット１８、そこから熱を放散さ
せる冷却流体を供給するコールド・プレート（図示省略
）に結合するか、またはコールド・プレートの一部とし
て一体状に形成すればよい。あるいは、冷却ハット１８
の液冷が不要な場合は、これに空冷フィンを設けるよう
にしてもよい。

【００２０】図２には、冷却ハット１８の下面がより明
確に示されている。この図から明らかなように、冷却ハ
ット１８内で位置決めされた第２フィン２０はフィン付
内部熱デバイス・インサート１６と容易に係合可能であ
る。これらの第２フィン２０は、冷却ハット１８内に例
えばこれに対して固定的にはんだ付けすることにより保
持されている。

【００２１】本発明の重要な特徴は、第１フィン１７及
び第２フィン２０の少なくとも一方が熱伝導性の可撓性
材料で形成されているので、このような可撓性材料を用
いない場合または通常、互いに散在関係（かみ合い関係
または係合関係とも呼ばれる）にあるフィン間に生じる
ギャップが大部分除去されると言う点にある。さらに、
第１及び第２フィンの少なくとも一部、そして通常はそ
れらの全部が互いに他方に対して偏倚されている。以下
にさらに詳細に説明するように、これらの点が改良され
た結果、本発明の冷却装置は熱抵抗が従来の高伝導冷却
モジュールに比べて著しく小くなっている。

【００２２】本実施例においては第１フィン１７及び第
２フィン２０の少なくとも一方を可撓性材料としたが、
本発明においてはもちろんこれら両方のフィンを可撓性
材料により形成してもよい。これらのどちらか一方のフ
ィンのみを可撓性材料とする場合は、他方のフィン（第
１フィン１７及び第２フィン２０のどちらでもよい）は
実質的に硬質（リジッド）である。

【００２３】ここで、「可撓性」と言う概念を正確に定
義するのは困難である。可撓性フィン（以下フレキシブ
ル・フィンとする）は弾性を持つべきであり、また第１
フィ

【００２４】が最低限可能でなければならない。フレキ
シブル・フィンの材料の選択は何ら限定されたものでは
ないが、銅やベリリウム銅のような良好な熱伝導性を有
する材料の中から選択すべきである。フレキシブル・フ
ィンは、ばね弾性を与えるような処理を施して弾性を強
めたものであってもよい。

【００２５】再度図１において、モジュール１０には、
熱デバイス・インサートまたは冷却ハットのフィンの間
に偏倚手段２４を設けてもよい。この偏倚手段２４は熱
デバイス・インサートと冷却ハットの間に偏倚力を作用
させる。この特定偏倚手段の一般的概念については、前
述のホーヴァス他の特許出願中により詳細に記載されて
いる。ここでは、偏倚手段２４は熱デバイス・インサー
トをチップの方へ押し付けるための適度の偏倚力を作用
させるが、チップの回路群を破壊したり、あるいははん
だボール接続部に過度の疲労や損傷を生じさせるような
過大な力を作用させることはないと言うことを述べるだ
けで十分である。この偏倚手段は、種々のチップ間にお
ける高さの差異に対応するのに好都合である。

【００２６】モジュール１０中に偏倚手段２４を設ける
のは最も好ましい実施例である。また、モジュール中に
コンプライアンスに優れた伝熱媒体を入れてチップから
冷却ハットへの熱伝導を助長することも好ましい。好適
な伝熱媒体としては、ポリ（アルファオレフィン）油の
ような合成油がある。

【００２７】次に、図４乃至図６には、本発明の全ての
構成要素間の相互動作関係がより明確に示されている。熱デバイス・インサート１６は、ベース７０を有し、そ
の第１の表面７２上には複数個の第１フィン１７が設け
られている。第１の表面７２と反対側のベースの第２の
表面７４は平坦で、チップ１２と接触するようになって
いる。第１フィンの数は任意に可変であるが、好ましく
は６．５ｍｍ平方のチップ当り５個とし、最も好ましく
は６個とする。もちろん、フィン数はチップのサイズに
よって変化し、大きいチップにはより多くのフィンを具
備する。図示のように、第１フィン１７は実質的に硬質
であり、第２フィン２０はフレキシブル・フィンである
。偏倚手段２４は、第２フィン２０の端部とインサート
１６の間に形成される溝２６、または第１フィン１７の
端部と冷却ハット１８の間に形成される溝２８の中に設
けられている。本発明の目的に鑑みて言うと、偏倚手段
２４は図４乃至図６に示すように溝２８中に設けること
が望ましい。

【００２８】インサートのリジッドな第１フィン１７を
フレキシブルな第２フィン２０中に散在させると、フレ
キシブル・フィンとリジッド・フィンがしっかり接触す
るので、このような構成によらない場合にこれらの散在
関係にあるフィン間に生じるギャップをほぼ全面的に除
去することができる。これは、チップの傾きがない理想
的な場合である。チップの傾きがある場合には、フレキ
シブル・フィンとリジッド・フィンが互いに平行とはな
らず、ある角度をなす。このような場合は、フレキシブ
ル・フィンはその弾性によってリジッドに対して偏倚力
を作用させ、これによってフレキシブル・フィンとリジ
ッド・フィンとの間の接触が保たれる。フレキシブル・
フィンは、たわむことによってフィンの位置の不整合及
びチップの傾きを調整する。従って、フレキシブル・フ
ィンとリジッド・フィンとの間の接触線の位置は固定さ
れていない。何れの場合も、上記のような本発明の構成
によらない場合にこれらの散在関係にあるフィン間に生
じ得るギャップは、目的や意図の如何に関わらず、除去
される。

【００２９】偏倚手段２４を用いる本発明の最も好まし
い実施例においては、偏倚手段２４は溝２８中に設けら
れる。偏倚手段２４は、熱デバイス・インサートをチップに対
して押しつけてチップに所望の圧力を作用させ、これに
よってインサートとチップとの間に良好な熱的接触を確
保する。

【００３０】第１フィン及び第２フィンを互いに散在関
係に配置すると、フレキシブル・フィンはリジッド・フ
ィンに対して直角な力を作用させる。これと同時に、偏
倚手段が熱デバイス・インサートのベースをチップに押
し付けるように偏倚力を作用させる。これらの偏倚手段
及びフレキシブル・フィンがそれぞれ作用させる力は、
フレキシブル・フィンが作用させる力がリジッド・フィ
ンに接触するのに十分で、しかも偏倚手段の機能を無効
にするほど強くはならないよう、互いに釣り合わせるべ
きである。

【００３１】第３図には、偏倚手段２４がより詳細に描
かれている。偏倚手段は、各熱デバイス・インサートが
それぞれ互いに別個の独自の偏倚手段を持つよう、分離
形とすることも可能である。しかしながら、偏倚手段は
、それら複数個の個別偏倚手段が一つに結合されるよう
に構成するのが好ましいと言うことが確認されている。例えば、図１及び図３に示す偏倚手段２４は、全てモジ
ュール１０に対して一つに結合された個別偏倚手段を表
している。

【００３２】偏倚手段２４は溝２８中に設けられたカン
チレバー・アーム３２を有する。このカンチレバー・ア
ーム３２は、熱デバイス・インサートを押し付けてチッ
プと接触させる。個別偏倚手段は、やはり溝２８中に設
けられた縦支持部３４によって一つに結合されている。１チップ・サイト当り２列以上の偏倚手段または２本以
上のカンチレバー・アームを設けることが望ましい場合
には、縦支持部３４を結合するのに横材が必要である。この横材３６は、可撓性の第２フィン（フレキシブル・
フィン）２０の溝４０内に設けられる。

【００３３】偏倚手段２４には、もう一つ、熱デバイス
・インサートをそれぞれ所定の位置に保つ保持手段３８
を有すると言う特徴がある。複数個の熱デバイス・イン
サート１６を可撓性の第２フィン２０の中に配置する際
には、熱デバイス・インサート１６をチップ１２の上方
に正しく位置決めしなければならない。以後、その熱デ
バイス・インサートの位置を保持しなければならない。本発明においては、フレキシブル・フィンがリジッド・
フィンとしっかり結合するので、この点は従来技術にお
けるほど問題ではない。しかしながら、なるべくは、例
えばモジュールの出荷時に熱デバイス・インサートが各
々の位置からずれるのを防ぐ手段を設けることが望まし
い。そのため、保持手段３８のアームはこのような熱デ
バイス・インサートのずれを防止するよう作用する。保
持手段３８も可撓性の第２フィン２０の溝４０中に配置
されている。

【００３４】偏倚手段２４は様々な製造方法により形成
することができる。本発明においては、ステンレススチ
ールまたはその他の材料の薄板を用い、これをエッチン
グすると言う方法が好都合なことが確かめられている。エッチング後、材料の残りの部分を曲げ加工して所要の
カンチレバー・アーム、保持手段等を形成する。ステン
レススチールは偏倚手段の材料として好適であるが、ジ
ルコニウム銅合金を用いることもできる。もちろん、偏
倚手段はここに述べた以外の方法で製造しても良い。

【００３５】本発明の効果は、熱デバイス・インサート
と冷却ハットの互いに散在関係にあるフィンの間のギャ
ップを除去することにある。このギャップは高伝導冷却
モジュールの総合熱抵抗を増加させる顕著な要因である
と言うことが明らかにされている。従って、冷却モジュ
ールの熱抵抗は、ギャップを大幅に除去することによっ
て小さくすることができる。このことは、フレキシブル
・フィンの熱抵抗がリジッド・フィンの場合ほど小さく
なくとも、そうである。各リジッド・フィンの厚さは、
各隣接リジッド・フィン間の間隔より大きくなるよう厚
くすることも可能である。このようにリジッド・フィン
の厚さを増すと、本発明における熱の放散がさらに助長
される。

【００３６】可撓性の第２フィン２０の一実施例を図５
及び図６に示す。図示のように、これらのフレキシブル
・フィンは断面がほぼＵ字形状をなし、Ｕの字の底部が
符号４２により示す位置で冷却ハットに固着されている
。フレキシブル・フィンの縦寸法は、熱デバイス・イン
サートの縦寸法とほぼ同じである。第１及び第２フィン
を互いに散在状に配置する際には、第１フィン（リジッ
ド・フィン）を第２フィン（フレキシブル・フィン）２
０の脚部４４の間に挿入する。溝２６及び２８はやはり
偏倚手段２４を設置するのに用いることができ、偏倚手
段２４はもちろん第１及び第２フィンを散在状に配置す
る前に挿入されている。組立を容易にするために、各脚
部４４の端部３０は外側に曲げられている。図５におい
ては、偏倚手段２４のカンチレバー・アーム３２が見え
るように、フレキシブル・フィン２０の１つが取り除か
れている。

【００３７】フィンの高さは、必要ならば熱的設計原理
を逸脱しない範囲で変えることができる。フィンの最適
高さは下記のようにして決定することができる。フィン
構成部の総熱抵抗はフィン間の平均ギャップの熱抵抗と
第１及び第２の金属製フィンの熱抵抗（の合計）の和で
ある。最適熱抵抗は、上記平均ギャップの熱抵抗が上記
金属製フィンの合計熱抵抗とほぼ等しい時得られる。例
えば、比較的高いフィンは平均ギャップの熱抵抗が比較
的小さいが（面積大）、金属フィンの合計熱抵抗は比較
的大きくなる。逆に、より短いフィンは平均ギャップの
熱抵抗が比較的大きいが（面積小）、金属製フィンの合
計熱抵抗は比較的小さくなる。最適設計値は通常これら
の２種類の熱抵抗の限界値の間の何処かにある。

【００３８】これまでは、本発明を第１フィン及び第２
フィンの少なくとも一方が可撓性であると言う一般条件
により説明してきた。より具体的には、第１及び第２フ
ィンの何れか一方が可撓性で、他方が実質的に硬質であ
る場合である。上記実施例においては、第１フィン（熱
デバイス・インサートの）が実質的に硬質であり、第２
フィン（冷却ハットの）が可撓性になっている。次に、
本発明の他の実施例をいくつか説明する。

【００３９】図７には、第１フィン及び第２フィンを共
に可撓性材料で形成した本発明の実施例が描かれている
。図６に示すように、上記実施例においてフレキシブル
・フィンよりなる第２フィン２０は、全体的にＵ字形状
をなしている。これに対し、図７の実施例においては、
第１フィン１７も全体的にＵ字形状をなしており、符号
４６で示す位置において熱デバイス・インサートのリジ
ッド・ベースに固着されている。

【００４０】第１及び第２フィンの少なくとも一方をテ
ーパ形状とすることも可能である。図８の実施例におい
ては、第１フィン１７はリジッド・フィンよりなり、テ
ーパ形状を有する。この実施例によれば、フレキシブル
・フィンとリジッド・フィンとの間の接触線が必ずいつ
もフィンの最上部より下方に位置し、その結果、フレキ
シブル・フィンとリジッド・フィンとの間に位置的不整
合がある場合にばねが無理に開かれるのを確実に防ぐこ
とができる。リジッド・フィンが無テーパでフレキシブ
ル・フィンがテーパ形状になっている場合もこれと同様
の効果を達成することができる。このリジッド・フィン
をテーパ状とした実施例については、図示省略する。

【００４１】図９に示す実施例においては、短いフレキ
シブル・フィン２０と短いリジッド・フィン１７が用い
られ、これらのフィンがばねの曲げ部で互いに接触して
いる。この場合は、接触線はチップの傾きとほぼ無関係
になっている。接触線沿いのギャップを確実になくすた
め、フレキシブル・フィンのばね力をさらに強くするこ
とも可能である。これらのフィンの接触部の熱抵抗は低
いので、係合長さを長くすることは不必要である。

【００４２】図１０に示すような本発明の他の実施例に
おいては、可撓性の第２フィン２０の脚部４４が硬質の
各第１フィン１７の間に介在状に配置されている。この
場合、第２フィンの端部３０は第１及び第２フィンの組
立が容易になるよう内向きに曲げることが望ましい。

【００４３】可撓性の第２フィンは、弾性の低い（即ち
弾性限界が低い）銅のような柔らかい熱伝導性材料で形
成するほうが望ましい場合もある。そのような実施例に
おいては、例えばばね４８のような別個の偏倚手段を軟
質の第２フィン２０の間に挿入する。この実施例を図１
１に示す。

【００４４】本発明においては、軟質の第２フィン２０
を冷却ハット１８中の溝またはスロット５０内に座支す
るようにしてもよい。この実施例（図１２に示す）によ
れば、このような構造以外ではオーバーラップされない
フレキシブル・フィンの部分を通るもう一つの熱の流路
が得られる。

【００４５】図１３の実施例においては、冷却ハット１
８は、さらに、各フレキシブル・フィンの間に溝または
スロット５２を具備している。第１フィン１７をこれら
のフレキシブル・フィン２０に対して散在状に配置する
と、第１フィン１７の端部は少なくとも部分的にこれら
の溝またはスロット５２中に受支される。このようにす
ると、短いフレキシブル・フィンをより長い第１フィン
と組み合わせることができる。

【００４６】但し、一般的には、第１フィンと第２フィ
ンは同じ寸法とすることが望ましい。

【００４７】以上の実施例においては、第１フィン１７
をリジッド・フィン、第２フィン２０をフレキシブル・
フィンとするか、または両方のフィンを共にフレキシブ
ル・フィンとした。本発明は、これらと同様、第１フィ
ン１７をフレキシブル・フィン、第２フィン２０をリジ
ッド・フィンとする実施例も可能である。

【００４８】次に、図１４には、熱デバイス・インサー
ト１６を図１４Ｂ　に示すように円形断面とした本発明
の実施例が示されている。この実施例においては、フレ
キシブル・フィン１７はリジッド・フィンの間に介挿さ
れており、各熱デバイス・インサート１６は各々独自の
偏倚手段２４を具備することができる。

【００４９】実際には、フィンが１つしかない熱デバイ
ス・インサートも可能である。図１６の実施例において
は、熱デバイス・インサート１６はフレキシブル・フィ
ン２０と係合する単一のリジッド・フィン１７を有して
いる。この熱デバイス・インサート１６は、やはり円形断面と
し、独自の偏倚手段２４を具備することが可能である。図１７においては、フレキシブル・フィン２０も円形断
面を有し、好ましくはセグメント状とする。即ち、ギャ
ップ８８を設ける。

【００５０】図１８の実施例においては、リジッド・フ
ィン１７とフレキシブル・フィン２０が係合している。しかしながら、この実施例においては、外側のフレキシ
ブル・フィン８０がリジッド・フィン１７の外面８５と
接触する一方、内側のフレキシブル・フィン８２は熱デ
バイス・インサート１６の内側キャビティ８４中に突出
して、リジッド・フィン１７の対向面８０と接触してい
る。図１８に示すように、リジッド・フィン１７及びフ
レキシブル・フィン２０は共に円形の断面を有する。さ
らに、フレキシブル・フィン２０は、ギャップ９０を有
するセグメント状とすることが望ましい。

【００５１】図１９乃至図２１の実施例においては、フ
レキシブル・フィンは軸線方向に分割されている。これ
らの実施例においては、図示説明の便宜上、第１フィン
１７がフレキシブル・フィンで、第２フィン２０がリジ
ッド・フィンよりなるが、本発明はなんらこれに限定さ
れるものではない。第１フィンと第２フィンの互いに相
対的な部分をそのままそっくり入れ替えることは容易で
ある。

【００５２】図１９の実施例においては、第１フィン１
７はＵ字形状とする代わりに、軸線方向に分割する（符
号５４で示す）ことにより可撓性を得ている。第２フィ
ン２０はリジッド・フィンよりなる。図２０においては
、リジッド・フィンはテーパ状をなしている。

【００５３】図２１の実施例においては、第１フィン（
フレキシブル・フィン）１７は軸線方向に分割されてい
るが、断面はより厚く、可撓性は小さくなっている。軸
方向に分割されたフィンの中心部分５８、図のように径
を大きくすることが望ましい。可撓性をある程度大きく
するため、軸線方向に分割されたフレキシブル・フィン
１７は、ベースに切欠部６０が設けられている。第２フ
ィン（リジッド・フィン）の外側のフィン５６もやはり
断面を厚くすることができる。

【００５４】図２２には、本願の最後の実施例が示され
ている。図示の熱デバイス・インサートは、第２フィン
（リジッド・フィン）２０と係合する第１フィン（フレ
キシブル・フィン）１７を有する。第２フィンは、やは
り拡大されたテーパ状ベース部６２を有し、この部分が
フレキシブル・フィンの先端部６４と係合している。図
２３においては、リジッド・フィン２０がフレキシブル
・フィン１７中に入ろうとしている状態が示されている
。この後、フレキシブル・フィン１７は、図２４に示す
ように、弾性限界を超えて拡げられ、次いで図２５に示
すようにその動作位置まで引き戻される。これによって
ばね力及び位置が調整される。

【００５５】本発明のその他の長所は以下の比較例によ
る説明よりさらに明らかとなろう。

【００５６】

【比較例】以下の比較例の説明においては、ホーヴァス
他の高伝導冷却装置と本発明の高伝導フレキシブル・フ
ィン冷却装置との比較を行った。

【００５７】本発明の装置の重要構成要素の寸法は、冷
却されるチップの寸法及び消費電力によって決定される
。即ち、コンプライアンスに優れた伝熱媒体としてポリ
（アルファオレフィン）油を用い、かつフィン付内部熱
デバイス・インサートを銅製としたシステムによりチッ
プサイズが６．５ｍｍ平方の２５ワット・チップ（ホー
ヴァス他の装置の場合）または３５ワット・チップ（本
発明の場合）から発生する熱を放散させる比較実験にお
いては、被験体はそれぞれ下記のようにして作成すれば
良い。

【００５８】本発明の実施例のインサートは、６個のリ
ジッド・フィンを有し、各フィンの幅は約１ｍｍする。冷却ハットのフレキシブル・フィンの幅は約０．１５ｍ
ｍとする。ホーヴァス他の装置については、５つのリジ
ッド・フィンを設け、各フィンの幅を０．８ｍｍとする
。また、冷却ハットのフィンもリジッド・フィンとし、
各々の幅を０．８ｍｍとする。

【００５９】どちらの装置においても、インサートのリ
ジッド・ベースは約９．１ｍｍ平方とし、厚さは約１．
３ｍｍとする。リジッド・ベースからの各フィンの垂直
高さは約５．８ｍｍとする。冷却ハット中のフィンの長
さは約５．８ｍｍとする。相対応するフィンのオーバー
ラップ長さは約４．８ｍｍとする。

【００６０】相対応するフィン間の油入りギャップの平
均幅は、ホルヴァース他の装置の場合が約０．０３５ｍ
ｍであり、本発明の装置の場合は約０．００９ｍｍであ
る。

【００６１】この比較実験においては、どちらの装置に
おいても、二重片持ちばねを用いた。但し、ホーヴァス
他の装置のばねはジルコニウム／銅合金製であり、本発
明の装置の場合は、ステンレススチール製であった。製
造公差を調整するため、フィンの最上部とハットとの間
に約０．８　粍の間隙を設け、且つフィンの底部とイン
サートのリジッド・ベースとの間にも０／８ｍｍの間隙
を設けた。

【００６２】上記のホーヴァス他の装置の場合、総熱抵
抗は約１．１　乃至１．４　℃／ワットであった。この
熱抵抗は、水その他の熱伝導性流体を直接チップ・コン
パートメント内に導入することが不可能な高伝導冷却シ
ステムにおいて、６．５ｍｍ平方のチップ１個につき約
２５ワット相当の熱を放散させる必要がある場合につい
てチップと冷却ハットの間で測定したものである。

【００６３】これに対して本発明の装置における総熱抵
抗は、約０．８　℃／ワットであり、上記同様の高伝導
冷却システムにおいて、６．５ｍｍ平方のチップ１個に
つき約３５ワット相当の熱を放散させるのに十分であっ
た。

【００６４】上記のどちらの装置においても、チップの
傾き及び高さの差の調整は容易である。二重片持ちばね
がフィン付内部熱デバイス・インサートを少なくとも１
２０　グラム重の力でチップ表面に対して保持するが、
この力ははんだボールやチップの回路群に損傷が及ぶの
を防ぐため、約５００　グラム重より小さくした。さら
に、チップ表面の温度は、全面にわたって一様に保と共
に許容限度内に保った。破片などは、全てフィン付内部
熱デバイス・インサートの柔らかい金属面中に埋め込ま
れており、界面には全く認められなかった。

【００６５】これらの実験の結果は、下記の表１にまと
めて記載されている。

【００６６】　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表１　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　本発明の装置　　　
　　　ホーヴァス他の装置　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｍｍ．）
　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｍｍ．）オイル
ギャップ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．
００９　　　　　　　　　　　　　　　　　０．０３６
冷却ハットのフィンの厚さ　　　　　　　　　０．１５
　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．８インサー
ト・スロット幅　　　　　　　　　　　０．５１　　　
　　　　　　　　　　　　　　　０．８９　インサート
・フィン幅　　　　　　　　　　　　　１　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　０．８フィン数　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５オーバーラ
ップ（係合長さ）　　　　　　　４．８　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　４．８傾き調整方法　　　　
　　　　　　　　　　フィンのたわみによる　　フィン
のギャップによるギャップの熱抵抗（Ｒｇａｐ）　　　
　　　　　　　０．１４℃／ｗ　　　　　　　　　　　
　　　０．５６℃／ｗチップ＆コールド・プレー　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　トの熱抵抗
（Ｒｉｎｔ）　　　　　　　　　　　　　　　　０．８
　℃／ｗ　　　　　　　　　　　　１．１　〜　１．４
℃／ｗチップ消費電力Ｐｃｈｉｐ（ｍａｘ．）　　　　
　　　３５ワット　　　　　　　　　　　　　　２５ワ
ット

【００６７】さらに大きい１０ｍｍ平方のチップの
場合も、本発明によれば、これらの結果は、Ｒｉｎｔ＝
０．５　℃／ワット、Ｐｃｈｉｐ（ｍａｘ）＝６０ワッ
トまで改善されるものと考えられる。

【００６８】当業者であれば、上記各実施例のほかにも
、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変更、改良を
行うことが可能なことは明らかであろう。従って、それ
らの変更改良は特許請求の範囲によってのみ定義される
本発明の範囲内に包含されるものである。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱放散能力がより大きく、熱抵抗がより小さい改良され
た冷却装置が得られ、高電力及び高電力密度のチップに
効果的に対応することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高伝導フレキシブル・フィン冷却
モジュールの内部分解斜視図である。

【図２】フレキシブル・フィンを所定位置に取り付けた
冷却ハットの底部の斜視図である。

【図３】片持ちばねの拡大斜視図である。

【図４】組上がった高伝導フレキシブル・フィン冷却モ
ジュールをその１つの角隅部を切除して示す拡大斜視図
である。

【図５】図１の線５−５沿いに切断した高伝導フレキシ
ブル・フィン冷却装置の部分横断面図である。

【図６】第５図の線６−６沿いに切断した高伝導フレキ
シブル・フィン冷却装置の部分横断面図で、各熱デバイ
ス・インサートを所定位置に保持する片持ちばねの特徴
が示されている。

【図７乃至図２５】本発明による高伝導フレキシブル・
フィン冷却モジュールの種々の実施例をそれぞれ示す図
６と同様の部分横断面図である。

【符号の説明】

１０・・・・高伝導フレキシブル・フィン冷却モジュー
ル１２・・・・チップ１４・・・・基板１８・・・・フィン付内部熱デバイス・インサート１７
・・・・第１フィン１８・・・・第２の熱デバイス２０・・・・第２フィン２４・・・・偏倚手段２６・・・・溝２８・・・・溝３２・・・・カンチレバー・アーム３８・・・・保持手段４０・・・・溝４４・・・・脚部４８・・・・ばね５２・・・・溝またはスロット７２・・・・第１の表面７４・・・・第２の表面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の表面上にある少なくとも１つの第１
フィン及び平坦な第２の表面を有するベースよりなる少
なくとも１つの熱伝導性の熱デバイスのインサートと、
複数個の第２フィンを有する第２の熱伝導性の熱デバイ
スと、を具備し、上記少なくとも１つの第１フィンが上
記第２フィンに対して互いに散在関係にある、熱を発生
するデバイスより熱を除去するための装置において、上
記第１フィン及び第２フィンの少なくとも一方を熱伝導
性の可撓性材料よりなるフレキシブル・フィンとするこ
とにより、可撓性材料を用いない場合に上記散在関係に
あるフィンの間に生じるギャップを大部分除去すると共
に、上記第１及び第２フィンの少なくとも一部を互いに
他方に対して偏倚させたことを特徴とする装置。
【請求項２】上記第１フィンを複数個具備したことを特
徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】上記第２フィンがフレキシブル・フィンよ
りなることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】上記フレキシブル・フィンが全体的にＵ字
形状をなし、そのＵ字形状の底部が上記第２の熱デバイ
スに固着されていることを特徴とする請求項２記載の装
置。
【請求項５】上記各フレキシブル・フィンの脚部が上記
各第１フィンと散在関係に配置されていることを特徴と
する請求項２記載の装置。
【請求項６】上記各フレキシブル・フィンの脚部の間に
偏倚手段を具備したことを特徴とする請求項５記載の装
置。
【請求項７】上記Ｕ字形状の各フレキシブル・フィンが
上記第１フィンの各々対応するフィンを受支することを
特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項８】上記各フレキシブル・フィンの間の位置に
おいて上記第２の熱デバイスに溝またはスロットを設け
、上記第１フィンをこれらの溝またはスロットに受支し
たことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項９】上記フレキシブル・フィンを上記第２の熱
デバイス中の溝またはスロットに座支したことを特徴と
する請求項４記載の装置。
【請求項１０】上記第１フィンがリジッド・フィンより
なることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項１１】上記第１フィンがフレキシブル・フィン
よりなることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項１２】上記フレキシブル・フィンが全体的にＵ
字形状をなし、そのＵ字形状の底部が上記熱デバイスの
インサートの第１の表面に固着されていることを特徴と
する請求項２記載の装置。
【請求項１３】上記各フレキシブル・フィンの脚部が上
記各第２フィンの間に散在状に配置されていることを特
徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】上記各フレキシブル・フィンの脚部の間
に偏倚手段を設けたことを特徴とする請求項１３記載の
装置。
【請求項１５】上記Ｕ字形状の各フレキシブル・フィン
が上記第２フィンのそれぞれ対応するフィンを受支する
ことを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１６】上記各フレキシブル・フィンの間の位置
において上記熱デバイスのインサート中に溝またはスロ
ットを設け、上記第２フィンをこれらの溝またはスロッ
トに受支したことを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１７】上記フレキシブル・フィンを上記熱デバ
イスのインサート中の溝またはスロットに座支したこと
を特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１８】上記第２フィンがリジッド・フィンより
なることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１９】上記第１フィン及び第２フィンが共にフ
レキシブル・フィンよりなることを特徴とする請求項２
記載の装置。
【請求項２０】上記各フレキシブルフィンの脚部の間に
偏倚手段を設けたことを特徴とする請求項１９記載の装
置。
【請求項２１】上記フレキシブル・フィンよりなる第１
フィンを上記熱デバイスのインサート中の溝またはスロ
ットに受支したことを特徴とする請求項１９記載の装置
。
【請求項２２】上記フレキシブル・フィンよりなる第２
フィンを上記第２の熱デバイス中の溝またはスロットに
受支したことを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２３】上記第２の熱デバイスが冷却ハットより
なることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２４】上記第１及び第２フィンのいずれか一方
がフレキシブル・フィンよりなり、他方がリジッド・フ
ィンよりなることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項２５】上記第１及び第２フィンの一方がテーパ
形状をなすことを特徴とする請求項２４記載の装置。
【請求項２６】上記フレキシブル・フィンが軸線方向沿
いにに分割されていることを特徴とする請求項２４記載
の装置。
【請求項２７】上記軸線方向沿いに分割されたフィンが
その分割線の底部に切欠部を有することを特徴とする請
求項２６記載の装置。
【請求項２８】上記各リジッド・フィンが拡大テーパ状
のベース部を有し、この部分が上記各フレキシブル・フ
ィンと係合することを特徴とする請求項２４記載の装置
。
【請求項２９】上記熱デバイスのインサートまたは上記
第２の熱デバイスのフィンの間に設けられた偏倚手段を
具備し、この偏倚手段が上記熱デバイスのインサートと
上記第２の熱デバイスの間に偏倚力を作用させることを
特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項３０】上記熱デバイスのインサートを複数個設
けたことを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３１】上記偏倚手段を上記第２の熱デバイスの
フィン間に設けたことを特徴とする請求項３０記載の装
置。
【請求項３２】上記偏倚手段が、上記熱デバイスのイン
サートを各々所定の位置に保つための手段を具備したこ
とを特徴とする請求項３１記載の装置。
【請求項３３】コンプライアンスに優れた伝熱媒体を具
備したことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３４】上記コンプライアンスに優れた伝熱媒体
がポリ（アルファオレフィン）油よりなることを特徴と
する請求項３３記載の装置。
【請求項３５】上記各リジッド・フィンの厚さを各リジ
ッド・フィン間の間隔より厚くしたことを特徴とする請
求項２４記載の装置。