JPH06209060A - Device and method for cooling semiconductor chip - Google Patents

Device and method for cooling semiconductor chip

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JPH06209060A
JPH06209060A JP5274840A JP27484093A JPH06209060A JP H06209060 A JPH06209060 A JP H06209060A JP 5274840 A JP5274840 A JP 5274840A JP 27484093 A JP27484093 A JP 27484093A JP H06209060 A JPH06209060 A JP H06209060A
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JP
Japan
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heat
semiconductor chip
substrate
chip
heat pipe
Prior art date
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Pending
Application number
JP5274840A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
S Conte Alfred
アルフレッド・エス・コンテ
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Sun Microsystems Inc
Original Assignee
Sun Microsystems Inc
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH06209060A publication Critical patent/JPH06209060A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/0272Adaptations for fluid transport, e.g. channels, holes

Abstract

PURPOSE: To disclose a method and device for cooling a multi-chip module by using a buried heat pipe. CONSTITUTION: A semiconductor chip 10 is arranged in a multi-chip module via the cavity of a module substrate 12. The semiconductor chip is engaged to a heat pipe 38 that is buried into a substrate. The heat pipe propagates heat via a heat conduction junction layer 14 and delivers it out of the semiconductor chip.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はマルチチップモジュール
の冷却に関する。さらに特定すれば、本発明は、マルチ
チップモジュールに装着された半導体チップを冷却する
ためにマルチチップモジュールの基板にヒートパイプを
埋込むことに関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to cooling multichip modules. More particularly, the present invention relates to embedding a heat pipe in a substrate of a multichip module to cool semiconductor chips mounted on the multichip module.

【0002】[0002]

【従来の技術】コンピュータの設計に際しての重要な目
標は、最大の数の半導体チップ、すなわち、ICを最小
のスペースにはめ込むことである。基板の設計、相互接
続部の設計、冷却方法、チップの配列密度などの要因は
コンピュータの最終的な性能と大きく関係する。設計者
はコンピュータの計算能力を最大にする一方でコンピュ
ータをできる限り小型にしようとしているが、その結
果、ICチップの実装密度はますます高くなっている。
それに伴って、IC相互間に信号経路を形成する相互接
続部の密度をも高くしなければならない。残念なこと
に、ネットワーク密度の高い相互接続部は熱を発生する
傾向がある。
An important goal in computer design is to fit the largest number of semiconductor chips, or ICs, into the smallest space. Factors such as board design, interconnect design, cooling method, and chip array density are highly relevant to the ultimate performance of the computer. Designers are trying to maximize the computing power of computers while making them as small as possible, but as a result, the packaging density of IC chips is increasing.
Along with this, the density of interconnects forming signal paths between ICs must be increased. Unfortunately, network dense interconnects tend to generate heat.

【0003】さらに、計算能力が高くなれば、命令を実
行する速度は速くなる。1秒当たりに実行される命令を
多くするためには、回路はより高い周波数で動作しなけ
ればならない。高い周波数で動作するには、より高いエ
ネルギーの入力が必要であり、そのために、デバイス内
で発生するエネルギーは増加する。高エネルギー入力の
副産物は熱である。
In addition, the higher the computational power, the faster the instructions can be executed. In order to have more instructions executed per second, the circuit must operate at a higher frequency. Operating at higher frequencies requires a higher energy input, which increases the energy generated in the device. A byproduct of high energy input is heat.

【0004】計算能力が高いということは、一層大型の
命令セットを実行する能力をもつということをも意味し
ている。その結果、所定の面積の中で使用される半導体
デバイスはその能力増大に対応するためのより大きな記
憶容量を有することが必要となる。従って、より多くの
数のメモリデバイスを動作させるためにより大きなエネ
ルギーが要求されるのである。この場合も同様に、エネ
ルギー入力の増加は熱として現れるエネルギーの増加を
もたらす。そこで、それらのデバイスの冷却は考慮すべ
き主要な事項となる。
High computing power also means having the ability to execute larger instruction sets. As a result, semiconductor devices used within a given area need to have greater storage capacity to accommodate their increased capabilities. Therefore, more energy is required to operate a larger number of memory devices. In this case as well, an increase in the energy input leads to an increase in the energy that appears as heat. Therefore, cooling of these devices is a major consideration.

【0005】従来のコンピュータでは、ファンで循環さ
れる空気の対流によって単純に回路を冷却していた。と
ころが、高密度のマルチチップ、メインフレームコンピ
ュータと関連させてファンを使用すると、冷却のために
大量の空気が必要であるので、強力な送風機と、大きな
ダクトとを必要とした。コンピュータ内のそのような不
細工な構造は貴重なスペースを占めてしまい、その雑音
も大きかった。
In a conventional computer, the circuit is simply cooled by convection of air circulated by a fan. However, the use of fans in conjunction with high density, multi-chip, mainframe computers requires large amounts of air for cooling, thus requiring a powerful blower and large ducts. Such clunky structures in computers took up valuable space and were noisy.

【0006】ICを冷却する方式は他にもあり、たとえ
ば、Kucharekの米国特許第4,748,495
号はICチップと、その相互接続部との高密度アレイを
冷却するパッケージを開示している。この構成では、I
Cチップをほぼ平坦なアレイとして装着し、可撓性の膜
マウントにより分離して、ICにヒートシンクを接続さ
せる。従って、全ての冷却構造は膜マウントにより分離
されて、ICの上面に装着されることになる。そこで、
その冷却構造を通して冷却用流体をポンプで汲上げ、冷
却剤をICの上方の領域を通過するように運んでゆく。
There are other ways to cool an IC, for example, Kucharek US Pat. No. 4,748,495.
U.S. Pat. No. 5,837,058 discloses a package for cooling a high density array of IC chips and their interconnections. In this configuration, I
The C chips are mounted as an almost flat array, separated by a flexible membrane mount, and a heat sink is connected to the IC. Therefore, all cooling structures are separated by the membrane mount and mounted on the top surface of the IC. Therefore,
A cooling fluid is pumped through the cooling structure and carries the coolant through a region above the IC.

【0007】同様に、Tustaninskyj他の米
国特許第4,879,629号は、漏れ防止作用を得る
ために継ぎ目なしコンプライアント部材を組み込んだ液
体冷却式マルチチップ集積回路モジュールを開示してい
る。詳細にいえば、ICの上面に直接にヒートシンクを
配設する一方で、ヒートシンクの上面には液体冷却剤を
搬送する導管路を配設し、その導管路は剛体カバーに組
み込まれている。コンプライアント部材は液体冷却剤の
漏れのおそれをなくすために導管路の領域をチップ領域
から密封する。
Similarly, US Pat. No. 4,879,629 to Tustaninskyj et al. Discloses a liquid cooled multi-chip integrated circuit module that incorporates a seamless compliant member to provide leakage protection. In particular, the heat sink is placed directly on the top surface of the IC, while the top surface of the heat sink is provided with a conduit for carrying liquid coolant, which conduit is incorporated into the rigid cover. The compliant member seals the area of the conduit from the tip area to eliminate the risk of liquid coolant leakage.

【0008】ICを基板に装着する方式にばらつきがあ
るために、ICの上面は様々に異なる角度で傾斜してい
ると思われ、それはヒートシンクへの熱の伝導を妨げ
る。Goth他の米国特許第5,005,638号は、
ヒートシンクとICとの堅実な接触を確保するための構
造を提供する。Gothは、ばねを装荷されて、チップ
の小さな傾斜であれば、それをばねにより補正するよう
にICチップに向かって付勢されている樽形のピストン
を開示している。そこで、熱はICチップから樽形ピス
トンを介して上昇し、大形のヒートシンクに至る。熱消
散を助けるために、ヒートシンクを通して冷却剤を汲上
げる。
Due to variations in the manner in which the IC is mounted on the substrate, the top surface of the IC appears to be tilted at various different angles, which impedes the conduction of heat to the heat sink. U.S. Pat. No. 5,005,638 to Goth et al.
Provide a structure for ensuring a solid contact between a heat sink and an IC. Goth discloses a barrel-shaped piston that is spring loaded and biased toward the IC chip to compensate for the small tip tilt by the spring. There, the heat rises from the IC chip through the barrel-shaped piston and reaches a large heat sink. Pump coolant through a heat sink to aid in heat dissipation.

【0009】従来の技術の場合のように冷却剤流体をチ
ップの上方に位置させると、残念ながら常に冷却剤漏れ
の危険がある。万一、漏れが起こった場合、その冷却剤
が導電性であると仮定すると、誤動作はきわめて大きな
ものになってしまうであろう。冷却剤が導電性ではない
としても、チップを汚染し、信頼性に関わる別の問題を
引き起こすであろう。さらに、流体の導通と、ヒートシ
ンクとチップの接触とに必要とされる構造は通常は非常
に複雑である。このように複雑な構造は組み立て中に細
心の注意を要し、通常、製造コストも高い。
Positioning the coolant fluid above the chip, as is the case in the prior art, unfortunately always presents a risk of coolant leakage. Should a leak occur, assuming that the coolant is conductive, the malfunction could be quite significant. Even if the coolant is not conductive, it will contaminate the chip and cause another reliability issue. Moreover, the structures required for fluid communication and heat sink-chip contact are usually very complex. Such complex structures require great care during assembly and are usually expensive to manufacture.

【0010】最後に、Chaoの米国特許第5,09
5,404号はプリント回路基板に装着された冷却装置
を開示している。プリント回路基板は、熱拡散部と、ヒ
ートパイプと、ヒートシンクとを含むいくつかの層から
構成される冷却装置を受け入れるための穴を有する。熱
拡散部はプリント回路基板の穴を通して半導体チップと
係合する。熱拡散部はプリント回路基板の下面に装着さ
れ、ヒートパイプは中間の層を介して熱拡散部に装着さ
れる。ヒートシンクはヒートパイプに結合している。残
念ながら、このような多層冷却装置では、各々の層が熱
伝導に対して抵抗障壁を付加するので、熱は効率良く伝
導されない。さらに、このように外部に装着される冷却
装置はプリント回路基板に要するスペースを拡大するの
で、プリント回路基板を含めたシステムの総形状係数は
大きくなる。
Finally, Chao US Pat.
No. 5,404 discloses a cooling device mounted on a printed circuit board. The printed circuit board has holes for receiving a cooling device composed of several layers including a heat spreader, a heat pipe and a heat sink. The heat spreader engages the semiconductor chip through a hole in the printed circuit board. The heat spreader is mounted on the lower surface of the printed circuit board, and the heat pipe is mounted on the heat spreader via an intermediate layer. The heat sink is connected to the heat pipe. Unfortunately, in such multilayer cooling devices, heat is not efficiently conducted, as each layer adds a resistive barrier to heat conduction. Furthermore, since the cooling device mounted outside as described above expands the space required for the printed circuit board, the overall shape factor of the system including the printed circuit board becomes large.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来の冷却手段の欠点を改善した新規なICを冷却する装
置及び方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel device and method for cooling an IC, in which the above-mentioned drawbacks of the conventional cooling means are improved.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、埋込みヒート
パイプを使用してマルチチップモジュールを冷却する方
法及び装置である。埋込みヒートパイプは、モジュール
基板の空洞を通してマルチチップモジュールの中に配置
された半導体チップから外へ熱を伝導する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a method and apparatus for cooling a multichip module using an embedded heat pipe. The embedded heat pipe conducts heat out of the semiconductor chip located in the multi-chip module through the cavity of the module substrate.

【0013】一実施例では、モジュール冷却装置はヒー
トパイプに結合する一体の熱伝導層を有する基板を具備
する。基板には、基板の上面を通して半導体チップを受
け入れるための複数の空洞が形成されている。熱伝導層
は基板の底面に埋込まれる。熱伝導層の上面は空洞を経
て半導体チップと係合する。熱伝導層から熱を吸収する
ヒートパイプは熱伝導層の底面と係合する。半導体チッ
プにより発生した熱は熱伝導層を経て伝導され、ヒート
パイプで消散される。
In one embodiment, the module cooling device comprises a substrate having an integral heat conducting layer coupled to the heat pipe. The substrate is formed with a plurality of cavities for receiving semiconductor chips through the top surface of the substrate. The heat conductive layer is embedded in the bottom surface of the substrate. The upper surface of the heat conducting layer engages with the semiconductor chip through the cavity. A heat pipe that absorbs heat from the heat conducting layer engages the bottom surface of the heat conducting layer. The heat generated by the semiconductor chip is conducted through the heat conducting layer and dissipated by the heat pipe.

【0014】別の実施例においては、モジュール冷却装
置は複数のヒートパイプが埋込まれている基板を具備す
る。基板の上面を通って、半導体チップを受け入れるた
めの複数の空洞が形成されている。基板に収容されてい
る各々のヒートパイプの上面は、それに対応する空洞を
経て半導体チップと係合する。半導体チップにより発生
した熱は熱可塑性接合層を経て伝導され、ヒートパイプ
で消散される。
In another embodiment, the module cooling device comprises a substrate having a plurality of heat pipes embedded therein. A plurality of cavities are formed through the top surface of the substrate to receive the semiconductor chips. The upper surface of each heat pipe housed in the substrate engages with the semiconductor chip via the corresponding cavity. The heat generated by the semiconductor chip is conducted through the thermoplastic bonding layer and dissipated by the heat pipe.

【0015】[0015]

【実施例】以下の明細書は、埋込みヒートパイプを使用
してマルチチップモジュールを冷却する方法及び装置を
説明する。この説明の中では、本発明をさらに完全に理
解させるために特定の材料や特定の構成を挙げるが、そ
れらの特定の詳細がなくとも本発明を実施できることは
当業者には理解される。また、場合によっては、本発明
をわかりにくくしないように周知の素子を細かく説明し
ない。
The following specification describes a method and apparatus for cooling a multi-chip module using an embedded heat pipe. Although specific materials and configurations are set forth in this description for a more complete understanding of the invention, those skilled in the art will understand that the invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known elements have not been described in detail so as not to obscure the present invention.

【0016】本発明はヒートパイプを単純にボルト留め
するのではなく、ヒートパイプをマルチチップモジュー
ル(すなわち、MCM)基板に直接に集積する。これ
は、MCM基板に別個の冷却構造を付け加える従来の技
術とは明確に異なっている。MCMにヒートパイプを直
接に埋込むことにより、製品の組み立てははるかに単純
になり且つ再処理が可能になる。
The present invention does not simply bolt the heat pipe, but integrates the heat pipe directly onto the multi-chip module (ie MCM) substrate. This is in sharp contrast to the prior art of adding a separate cooling structure to the MCM substrate. By directly embedding the heat pipe in the MCM, assembly of the product is much simpler and reworkable.

【0017】本発明により冷却されるMCMパッケージ
では冷却剤は基板内部に封入されているので冷却剤の漏
れは起こりにくく、従って、チップの汚染のおそれは最
小限に抑えられる。さらに、冷却メカニズムの構成が簡
単になったために、従来の冷却装置と比べて本発明の製
造コストは確実に安くなっている。また、本発明の冷却
メカニズムとICチップとの確実な接触は、確実な接触
を得るために様々な間に合わせのハードウェアを必要と
していた従来のデバイスと比べて効率の良い熱伝導をも
たらす。
In the MCM package cooled according to the present invention, the coolant is sealed inside the substrate, so that the coolant is unlikely to leak, and therefore the risk of chip contamination is minimized. Moreover, the simplified construction of the cooling mechanism ensures that the manufacturing costs of the present invention are lower compared to conventional cooling devices. Also, the reliable contact between the cooling mechanism of the present invention and the IC chip provides more efficient heat transfer compared to conventional devices that required various make-up hardware to obtain reliable contact.

【0018】そこで図1を参照すると、ヒートパイプを
設置する直前のマルチチップモジュールが示されてい
る。実装基板12は複数の半導体チップ10を保持して
いる。一実施例では、実装基板12は、基板12の厚さ
を完全に貫通する空洞34のネットワークを有する。当
該技術において知られている様々な方法によって、半導
体チップ10をそれらの空洞34に挿入するのである。
チップ10と実装基板の上面26に設けられた電気的相
互接続部(図示せず)はチップ10間の電気通信を可能
にすると共に、外部装置との電気的インタフェースを可
能にする。この目的のために、従来のワイヤ相互接続部
をチップ10にはんだ付けすることができる。あるい
は、Conteの米国特許第5,121,293号に開
示するように、より特異なテープボンディング(TA
B)技法を使用して相互接続部を形成することが可能で
ある。取り付け後、半導体チップ10の底面36が露出
するように、半導体チップ10を基板12の中に引き込
ませるのが好ましい。実装基板12の底面28に埋込ま
れる熱伝導手段14は、チップ10の底面36と係合す
べきものである。熱伝導手段14を所定の場所に機械的
に保持するには締まりばめで十分である。セメント、機
械式ファスナ又は当該技術で知られている別の手段など
の他の装着手段は熱伝導手段14を所定の位置に保持す
るのに適している。このようにして、各チップ10の底
面36と熱伝導手段14との間に確実な係合が得られる
のである。一実施例では、熱伝導手段14は銅スラグで
ある。銅スラグの代わりに、当該技術において知られて
いる他の熱伝導装置も受け入れられることは明白であ
る。
Referring now to FIG. 1, there is shown a multichip module just prior to installing the heat pipe. The mounting substrate 12 holds a plurality of semiconductor chips 10. In one embodiment, the mounting substrate 12 has a network of cavities 34 that extend completely through the thickness of the substrate 12. The semiconductor chips 10 are inserted into their cavities 34 by various methods known in the art.
An electrical interconnect (not shown) provided on the chip 10 and the upper surface 26 of the mounting substrate enables electrical communication between the chip 10 and an electrical interface with an external device. Conventional wire interconnects may be soldered to the chip 10 for this purpose. Alternatively, as disclosed in Conte US Pat. No. 5,121,293, more specific tape bonding (TA
B) Techniques can be used to form the interconnects. After mounting, it is preferable to pull the semiconductor chip 10 into the substrate 12 so that the bottom surface 36 of the semiconductor chip 10 is exposed. The heat conducting means 14 embedded in the bottom surface 28 of the mounting substrate 12 is to be engaged with the bottom surface 36 of the chip 10. An interference fit is sufficient to mechanically hold the heat transfer means 14 in place. Other mounting means such as cement, mechanical fasteners or other means known in the art are suitable for holding the heat transfer means 14 in place. In this way, a secure engagement is obtained between the bottom surface 36 of each chip 10 and the heat conducting means 14. In one embodiment, the heat conducting means 14 is copper slag. Obviously, instead of copper slag, other heat transfer devices known in the art are also acceptable.

【0019】半導体チップ10から熱伝導手段14への
適正な熱の流れを確保するために、接合工程を使用す
る。このダイ装着工程は、少量の熱伝導熱可塑性材料を
供給して、ダイ10を熱伝導手段14に接合することを
含む。当初は熱可塑性材料は流体であり、流動して接合
部のあらゆる空隙を埋める。硬化後、それ以上の流動が
起こらないという点では接合は固まっているが、接合部
は可撓性のままである。一実施例では、その熱可塑性材
料は六方窒化ホウ素であるべきである。実装基板12が
組み立て中にたわんだとしても、熱可塑性材料のコンプ
ライアンス性が堅固な熱接合を維持することは重大であ
る。
A bonding process is used to ensure proper heat flow from the semiconductor chip 10 to the heat conducting means 14. The die mounting process includes supplying a small amount of heat conducting thermoplastic material to bond the die 10 to the heat conducting means 14. Initially the thermoplastic material is a fluid and flows to fill any voids in the joint. After curing, the bond is solid in that no further flow occurs, but the bond remains flexible. In one example, the thermoplastic material should be hexagonal boron nitride. Even if the mounting substrate 12 flexes during assembly, it is important that the compliance of the thermoplastic material maintain a strong thermal bond.

【0020】一実施例では、ヒートパイプ38は熱伝導
手段14の中に蓄積した熱を消散する。ヒートパイプ3
8は銅又はアルミニウムから形成されているのが好まし
い。伝導によって効率良く熱を伝達するために、ヒート
パイプ38を熱伝導手段14に直接且つ確実に取り付け
るのが好ましい。ねじの締め付けなどの従来の機械式フ
ァスナを使用して、それら2つの構造を一体に係止する
ことができる。さらに、接触面の間に熱伝導を妨げるよ
うな空隙が存在していてはならない。
In one embodiment, the heat pipe 38 dissipates the heat stored in the heat transfer means 14. Heat pipe 3
8 is preferably formed from copper or aluminum. In order to transfer heat efficiently by conduction, it is preferable to attach the heat pipe 38 directly and securely to the heat conducting means 14. Conventional mechanical fasteners, such as screw tightening, can be used to lock the two structures together. Furthermore, there should be no air gaps between the contact surfaces that would impede heat transfer.

【0021】ヒートパイプ38は小型冷蔵庫(図示せ
ず)と同じように機能する。典型的な閉回路冷却サイク
ルにおいては、熱は液体冷却剤を蒸発させる蒸発器へ伝
達され、その結果、冷却剤は圧縮器に入り、圧縮器は高
圧の蒸気を凝縮器に送り込む。凝縮器は熱をシステム外
へ排出し、冷却剤を凝縮して液体の形に戻す。その後、
凝縮液は減圧膨張弁を通って蒸発器に戻り、そこからサ
イクルが繰り返される。ここで使用する原理は当該技術
では良く知られており、さらに詳細に原理を説明する必
要はない。
The heat pipe 38 functions similarly to a small refrigerator (not shown). In a typical closed circuit refrigeration cycle, heat is transferred to an evaporator that evaporates a liquid coolant, so that the coolant enters the compressor and the compressor delivers high pressure vapor to the condenser. The condenser dissipates the heat out of the system and condenses the coolant back into liquid form. afterwards,
The condensate returns to the evaporator through the pressure reducing expansion valve, from which the cycle is repeated. The principles used here are well known in the art and need not be described in further detail.

【0022】本発明で利用するヒートパイプ38にもそ
れと全く同じ原理が適用されている。ヒートパイプ38
の中空のケーシング24の中には、冷媒、すなわち、冷
却剤18の入ったチャンバと、ウィック16とがある。
一実施例では、冷却剤18は誘電フッ化炭化水素であ
る。図2に示す通り、ヒートパイプ38の一方の側は熱
伝導手段14の底面32に当接しているが、ヒートパイ
プ38の反対側は離間している。ヒートパイプ38の、
熱伝導手段14に最も近いほうの領域は蒸発器22とし
て動作し、最も遠いほうの領域は凝縮器20として機能
する。従って、熱が熱伝導手段14から蒸発器22の中
に入ってゆくにつれて、その領域にある冷却剤18は蒸
発し、蒸発器22から離れて凝縮器20に向かう。凝縮
器20において、その蒸気は冷却し、熱がケーシング2
4を通って消散され、放熱面40を通って出た後には液
体の形に戻る。
The same principle is applied to the heat pipe 38 used in the present invention. Heat pipe 38
Inside the hollow casing 24 is a chamber containing a coolant or coolant 18, and a wick 16.
In one embodiment, the coolant 18 is a dielectric fluorohydrocarbon. As shown in FIG. 2, one side of the heat pipe 38 is in contact with the bottom surface 32 of the heat conducting means 14, while the other side of the heat pipe 38 is separated. Of the heat pipe 38,
The region closest to the heat transfer means 14 acts as the evaporator 22, and the region farthest away functions as the condenser 20. Thus, as heat enters the evaporator 22 from the heat transfer means 14, the coolant 18 in that area evaporates and leaves the evaporator 22 and heads to the condenser 20. In the condenser 20, the vapor is cooled and the heat is transferred to the casing 2
It dissipates through 4 and returns to liquid form after exiting through heat dissipation surface 40.

【0023】液体の形に凝縮した後、冷却剤18は毛管
作用によりウィック16を通って引き戻され、蒸発器2
2に入る。当該技術では知られているように、毛管作用
は表面張力、すなわち、液体分子の凝集と、固体の表面
への分子の粘着とによるものである。粘着が凝集より大
きいとき、液体はウィックに沿って湿った側から乾燥し
た側へ引かれてゆく。従って、冷却剤18が蒸発器22
で蒸発し、凝縮器20まで移動して、そこで凝縮して液
体となり、最終的にはウィック16に引き込まれ、蒸発
器22まで戻されるということによって、閉ループサイ
クルは成立する。
After condensing in liquid form, the coolant 18 is drawn back by capillary action through the wick 16 and the evaporator 2
Enter 2. As is known in the art, capillary action is due to surface tension, ie, aggregation of liquid molecules and adhesion of the molecules to the surface of a solid. When the stickiness is greater than the cohesion, the liquid is drawn along the wick from the wet side to the dry side. Therefore, the coolant 18 is
A closed loop cycle is established by evaporating at 1, moving to the condenser 20, where it condenses to a liquid and is eventually drawn into the wick 16 and returned to the evaporator 22.

【0024】一実施例では、マザーボード(図示せず)
への最終組み立ての間に、実装基板12を付随するデバ
イスと共に反転させる。従って、底面26と半導体チッ
プ10は全て下向きとなり、マザーボードに対向する。
その結果、ヒートパイプ38は実装基板12上の最も高
い位置を占めることになる。このようにヒートパイプ3
8の凝縮器20は蒸発器22より高い位置に配置される
のが理想的である。この特定の向き設定によれば、熱は
上に向かって進んでゆくので、熱伝達と発熱装置10か
らの放熱は最適のものとなる。また、軽量の蒸発した冷
却剤18が蒸発器22から上昇するにつれて、それより
密で重い凝縮した液体状の冷却剤18は重力と、ウィッ
ク16の作用とによって蒸発器22の中へ引き戻され
る。当該技術では良く知られている構造をもつフィン4
4付きのオプションの第2のヒートシンク42を放熱面
40に付け加えることができる。以上の構成は、ヒート
パイプ38を熱伝導手段14に取り付けるための構成の
1つであるにすぎない。
In one embodiment, a motherboard (not shown)
During final assembly into the mounting substrate 12, the mounting substrate 12 is flipped along with the associated devices. Therefore, the bottom surface 26 and the semiconductor chip 10 are all facing downward and face the motherboard.
As a result, the heat pipe 38 occupies the highest position on the mounting board 12. Heat pipe 3
Ideally, the condenser 20 of 8 is placed higher than the evaporator 22. With this particular orientation setting, heat travels upwards, thus optimizing heat transfer and heat dissipation from the heat generating device 10. Also, as the lighter vaporized coolant 18 rises from the evaporator 22, the denser and heavier condensed liquid coolant 18 is drawn back into the vaporizer 22 by gravity and the action of the wick 16. Fin 4 having a structure well known in the art
An optional second heat sink 42 with 4 can be added to the heat dissipation surface 40. The above configuration is only one of the configurations for attaching the heat pipe 38 to the heat conducting means 14.

【0025】別の構成(図示せず)においては、ヒート
パイプを熱伝導手段の一方の側まで延出させることがで
きる。この配置では、熱伝導手段に近いほうの領域全体
が蒸発器として機能し、一方、熱伝導手段から離れて、
それとは係合していない遠いほうの部分は凝縮器として
機能する。
In another configuration (not shown), the heat pipe may extend to one side of the heat transfer means. In this arrangement, the entire area closer to the heat transfer means acts as an evaporator, while away from the heat transfer means,
The remote part, which is not engaged with it, functions as a condenser.

【0026】図3は、マルチチップモジュール100の
1例の斜視図である。半導体チップ120〜123は基
板110の上面114に空洞を通してははめ込まれてい
る。基板110の中には1群のヒートパイプ150〜1
71が入っている。この例のモジュール100の場合、
ヒートパイプ150〜171はモジュール100の長さ
方向に沿って走っている。
FIG. 3 is a perspective view of an example of the multichip module 100. The semiconductor chips 120 to 123 are fitted into the upper surface 114 of the substrate 110 through a cavity. In the substrate 110, a group of heat pipes 150-1
Contains 71. For module 100 of this example,
The heat pipes 150 to 171 run along the length direction of the module 100.

【0027】図4は、この例のモジュール100の平面
図である。半導体チップ120〜123は基板110の
上面114に形成された1組の空洞140〜143の中
に配設されている。空洞140〜143はヒートパイプ
150〜171の上面を露出させている。半導体チップ
120〜123は基板110の中に配設され、1つ又は
2つ以上のヒートパイプ150〜171と係合してい
る。ヒートパイプ150〜171は半導体チップ120
〜123により発生する熱を消散させる。一実施例で
は、ヒートパイプ150〜171は銅又はアルミニウム
から形成されているのが好ましい。
FIG. 4 is a plan view of the module 100 of this example. The semiconductor chips 120 to 123 are arranged in a set of cavities 140 to 143 formed on the upper surface 114 of the substrate 110. The cavities 140 to 143 expose the upper surfaces of the heat pipes 150 to 171. The semiconductor chips 120 to 123 are arranged in the substrate 110 and are engaged with one or more heat pipes 150 to 171. The heat pipes 150 to 171 are semiconductor chips 120.
Dissipate the heat generated by ~ 123. In one embodiment, heat pipes 150-171 are preferably made of copper or aluminum.

【0028】一実施例においては、ヒートパイプ150
〜171の、基板110の面112を貫通する端部は閉
鎖されている。ところが、他の実施例では、モジュール
100を含むシステムの熱構成に従って、ヒートパイプ
150〜171は基板110の中に完全に閉じ込められ
ている。
In one embodiment, the heat pipe 150
The ends of ~ 171 that penetrate the surface 112 of the substrate 110 are closed. However, in other embodiments, the heat pipes 150-171 are completely enclosed within the substrate 110, depending on the thermal configuration of the system including the module 100.

【0029】ヒートパイプ150〜171は先に述べた
ヒートパイプ38と同様に機能する。各々のヒートパイ
プ150〜171は冷媒、すなわち、冷却剤の入ったチ
ェンバと、ウィックとを有する。一実施例では、冷却剤
は誘電フッ化炭化水素である。半導体チップ120〜1
23に最も近接するヒートパイプ150〜171の領域
は蒸発器として機能し、半導体チップ120〜123か
らもっとも遠いほうのヒートパイプ150〜171の領
域は凝縮器として機能する。
The heat pipes 150 to 171 function similarly to the heat pipe 38 described above. Each heat pipe 150-171 has a coolant, i.e., a chamber containing a coolant, and a wick. In one example, the coolant is a dielectric fluorohydrocarbon. Semiconductor chips 120-1
The area of the heat pipes 150 to 171 closest to 23 functions as an evaporator, and the area of the heat pipes 150 to 171 farthest from the semiconductor chips 120 to 123 functions as a condenser.

【0030】熱は半導体チップ120〜123からヒー
トパイプ150〜171の蒸発器に入る。その後、半導
体チップ120〜123の付近の冷却剤は蒸発し、蒸発
器から離れてヒートパイプ150〜171の凝縮器に向
かって移動する。凝縮器の中で冷却剤の蒸気は冷却し、
基板110と、面112を貫通するヒートパイプ150
〜171の端部とを通って熱が消散するにつれて冷却剤
は液体の形に戻ってゆく。液体の形に凝縮した後、冷却
剤は毛管作用によりウィックを通って蒸発器へ引き戻さ
れ、それによって閉ループサイクルを成立させる。
Heat enters the evaporators of the heat pipes 150-171 from the semiconductor chips 120-123. After that, the coolant near the semiconductor chips 120 to 123 evaporates and moves away from the evaporator toward the condensers of the heat pipes 150 to 171. Coolant vapors are cooled in the condenser,
A heat pipe 150 penetrating the substrate 110 and the surface 112.
The coolant returns to liquid form as heat is dissipated through the ends of ~ 171. After condensing in liquid form, the coolant is drawn back by capillary action through the wick to the evaporator, thereby establishing a closed loop cycle.

【0031】図5は、この例のモジュール100の例の
側面図である。図示するように、半導体チップ120、
121は基板110の上面114にはめ込まれている。
また、ヒートパイプ150〜171はモジュール100
の長さに沿って走っている。半導体チップ120は基板
110の上面114に形成された空洞140の中に配置
されている。同様に、半導体チップ121も基板110
の上面114に形成された空洞141の中に配置されて
いる。半導体チップ120、121はヒートパイプ15
1〜156の上面と係合する。
FIG. 5 is a side view of an example of this example module 100. As shown, the semiconductor chip 120,
121 is fitted on the upper surface 114 of the substrate 110.
Further, the heat pipes 150 to 171 are the module 100.
Running along the length of. The semiconductor chip 120 is arranged in a cavity 140 formed in the upper surface 114 of the substrate 110. Similarly, the semiconductor chip 121 also has a substrate 110.
Is arranged in a cavity 141 formed in the upper surface 114 of the. The semiconductor chips 120 and 121 are heat pipes 15.
Engage with the upper surface of 1-156.

【0032】図6は、この例のモジュール100の一部
分を示す横断面図である。図示するように、半導体チッ
プ121は空洞141の中に配置されている。空洞14
1は、基板110の上面114に形成される。また、ヒ
ートパイプ150〜156を基板110の表面112を
通して見た状態で示している。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a portion of the module 100 of this example. As illustrated, the semiconductor chip 121 is arranged in the cavity 141. Cavity 14
1 is formed on the upper surface 114 of the substrate 110. Further, the heat pipes 150 to 156 are shown as viewed through the surface 112 of the substrate 110.

【0033】半導体チップ121と基板110との間、
並びに半導体チップ121とヒートパイプ151〜15
6の上面との間に接触接合部144が形成されている。
半導体チップ121により発生した熱は接触接合部14
4を通って進み、ヒートパイプ151〜156の蒸発器
に入る。半導体チップ121により発生した熱は先に説
明したようにヒートパイプ151〜156で消散され
る。
Between the semiconductor chip 121 and the substrate 110,
Also, the semiconductor chip 121 and the heat pipes 151 to 15
A contact joint part 144 is formed between the contact joint part 144 and the upper surface of 6.
The heat generated by the semiconductor chip 121 is applied to the contact bonding portion 14
4 and enter the evaporator of heat pipes 151-156. The heat generated by the semiconductor chip 121 is dissipated by the heat pipes 151 to 156 as described above.

【0034】一実施例では、半導体チップ121を空洞
141に接合するために、熱伝導熱可塑性材料を接触接
合部144に塗布する。この熱伝導熱可塑性材料は半導
体チップ121から接触接合部144を通ってヒートパ
イプ151〜156の上面に至る効率の良い熱の流れを
も保証する。当初、熱可塑性材料は流体であり、流動し
て接触接合部144にある全ての空隙を埋める。硬化
後、それ以上の流動が起こらないという点では接合は固
まるが、接合部は可撓性のままである。一実施例では、
熱可塑性材料は六方窒化ホウ素である。熱可塑性材料の
コンプライアンス性質は、基板110がたわんだときで
も堅固な熱接合を維持する。
In one embodiment, a heat conductive thermoplastic material is applied to the contact joint 144 to bond the semiconductor chip 121 to the cavity 141. The heat conducting thermoplastic material also ensures an efficient heat flow from the semiconductor chip 121 through the contact joint 144 to the top surface of the heat pipes 151-156. Initially, the thermoplastic material is a fluid and flows to fill all voids in the contact joint 144. After curing, the bond solidifies in that no further flow occurs, but the bond remains flexible. In one embodiment,
The thermoplastic material is hexagonal boron nitride. The compliant nature of the thermoplastic material maintains a firm thermal bond even when the substrate 110 flexes.

【0035】当該技術で知られている別の構成のヒート
パイプも適しており、スペースの制約又は特定の熱伝達
用途に応じて、本発明に従ってヒートパイプの向きを容
易に変えることができる。実際に、本発明について数多
くの変形が可能であり、開示の実際の範囲は特許請求の
範囲を参照することにより確定されるべきである。
Other configurations of heat pipes known in the art are also suitable and, depending on space constraints or particular heat transfer applications, the heat pipes can be easily reoriented according to the present invention. Indeed, many modifications of the invention are possible and the actual scope of the disclosure should be determined by reference to the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】ヒートシンクを基板に集積させたマルチチップ
モジュールの横断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a multi-chip module in which a heat sink is integrated on a substrate.

【図2】集積したヒートパイプをヒートシンクに接合さ
せたマルチチップモジュールの横断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a multi-chip module in which integrated heat pipes are joined to a heat sink.

【図3】1組の半導体チップがモジュール基板の上面の
空洞に配置されているマルチチップモジュールの1例の
斜視図。
FIG. 3 is a perspective view of an example of a multi-chip module in which a set of semiconductor chips is arranged in a cavity on the upper surface of a module substrate.

【図4】基板の上面にある一連の空洞に配置された半導
体チップを示すモジュール例の平面図。
FIG. 4 is a plan view of an example module showing semiconductor chips arranged in a series of cavities on the top surface of a substrate.

【図5】基板内に配置された半導体チップを示し、且つ
基板中に埋込まれ、モジュールの長さに沿って走るヒー
トパイプを示すモジュール例の側面図。
FIG. 5 is a side view of an example module showing a semiconductor chip disposed within a substrate and showing a heat pipe embedded in the substrate and running along the length of the module.

【図6】モジュール例の一部分を示し、且つモジュール
基板の空洞の中に配置された半導体チップを示す横断面
図。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a portion of an example module and showing a semiconductor chip disposed in a cavity of a module substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 半導体チップ 12 実装基板 14 熱伝導手段 16 ウィック 18 冷却剤 20 凝縮器 22 蒸発器 24 ケーシング 38 ヒートパイプ 100 マルチチップモジュール 110 基板 120〜123 半導体チップ 140〜143 空洞 150〜171 ヒートパイプ 10 Semiconductor Chip 12 Mounting Substrate 14 Heat Conducting Means 16 Wick 18 Coolant 20 Condenser 22 Evaporator 24 Casing 38 Heat Pipe 100 Multi-chip Module 110 Substrate 120-123 Semiconductor Chip 140-143 Cavity 150-171 Heat Pipe

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板の上面から半導体チップを受け入れ
るための複数の空洞を有する基板と;基板の底面に埋込
まれ、前記空洞を経て半導体チップと係合する上面を有
する熱伝導手段と;半導体チップにより発生した熱が前
記熱伝導手段を通って伝達され、熱を消散させるために
熱伝導手段の底面と係合し、その熱伝導手段から熱を吸
収するヒートパイプとを具備する半導体チップを冷却す
る装置。
1. A substrate having a plurality of cavities for receiving a semiconductor chip from the upper surface of the substrate; heat conducting means having an upper surface embedded in the bottom surface of the substrate and engaging with the semiconductor chip through the cavities; A semiconductor chip comprising: a heat pipe in which heat generated by a chip is transferred through the heat conducting means, engages with a bottom surface of the heat conducting means to dissipate the heat, and absorbs the heat from the heat conducting means; Cooling device.
【請求項2】 基板の上面を経て半導体チップを受け入
れるための複数の空洞を有する基板と、 半導体チップにより発生した熱を消散するために空洞を
経て半導体チップと係合する上面を有し、基板内部に含
まれている複数のヒートパイプとを具備する半導体チッ
プを冷却する装置。
2. A substrate having a plurality of cavities for receiving a semiconductor chip through an upper surface of the substrate, and an upper surface for engaging the semiconductor chip through the cavities to dissipate heat generated by the semiconductor chip. An apparatus for cooling a semiconductor chip, comprising a plurality of heat pipes contained inside.
【請求項3】 半導体チップを装着するための基板の中
に、半導体チップと係合する上面を有する複数のヒート
パイプを埋込む工程と;基板の上面を経て半導体チップ
を受け入れるために、半導体チップの寸法に従ってヒー
トパイプの上面を露出させる複数の空洞を形成する工程
と;半導体により発生した熱がヒートパイプへ進んでゆ
き、ヒートパイプで消散されるように、半導体チップを
空洞を経てヒートパイプの上面と、基板とに結合する工
程とから成る半導体チップを冷却する方法。
3. Embedding a plurality of heat pipes having an upper surface that engages the semiconductor chip in a substrate for mounting the semiconductor chip; a semiconductor chip for receiving the semiconductor chip through the upper surface of the substrate. Forming a plurality of cavities that expose the upper surface of the heat pipe according to the dimensions of the semiconductor chip; A method of cooling a semiconductor chip comprising the steps of bonding to a top surface and a substrate.
JP5274840A 1992-10-15 1993-10-07 Device and method for cooling semiconductor chip Pending JPH06209060A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US961,153 1992-10-15
US07/961,153 US5268812A (en) 1991-08-26 1992-10-15 Cooling multi-chip modules using embedded heat pipes

Publications (1)

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