JPH06349989A

JPH06349989A - 熱伝達冷却装置

Info

Publication number: JPH06349989A
Application number: JP5234884A
Authority: JP
Inventors: Richard C Chu; リチャード・チャオーファン・チュー; Jr Michael J Ellsworth; ミカエル・ヨセフ・エルスワース・ジュニア; Robert E Simons; ロバート・エドワード・シモンズ; David T Vader; ディビット・セオドール・ベィダー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1994-12-22
Also published as: US5394299A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、冷却されるチップに対する
熱伝達モジュールのコールド・プレートのカストマイズ
された係合を実現し、これによりチップの軸に垂直な平
面に対するチップの表面の傾き若しくは整合ミス又はチ
ップ同士の高さの変動に適合できるようにすることであ
る。【構成】コールド・プレート・フレームのピストン
は、これの表面のハンダメッキ及びこのピストンが収容
されているくぼみ即ちシリンダの内壁のハンダメッキを
ソルダー・リフローする時に、１つの軸に沿って移動し
且つ他の２つの軸の周りで傾くことが出来る。ピストン
がソルダー・リフローの間に、バイアス力の基で自由に
動かされて、ピストンの表面は電子的半導体チップの全
表面に密着する。この後ハンダを冷却してピストンの表
面がチップの表面に密着した状態で固定して冷却効果を
改善する。この著しく改善された冷却効果を維持しなが
ら、コールド・プレートは、この冷却システム及び電子
的チップから取りはづされそして再び組み立てられるこ
とが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばコンピュータ等
における電子的コンポーネント及び電子的アッセンブリ
の冷却装置に関する。更に具体的に言うならば、本発明
は、支持基板上の電子的チップの平面の不整合に対応で
きるようにカストマイズされうる冷却装置のコールド・
プレートに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子的アッセンブリは、大型若しくはメ
イン・フレーム・コンピュータにおける多くの装置から
なり、そしてこの装置は、共通チップ支持基板にとりつ
けられている論理チップ及びメモリ・チップを含む。チ
ップ支持基板の表面には、これに取り付けられるチップ
に対する信号を伝える回路パターンが形成されている。
基板表面の回路パターンに加えて、基板表面には複数個
の取り付け点即ちパッドが存在する。これらのパッド
は、論理及び／若しくはメモリ・チップの接続パッド
を、チップ支持基板上の電気的回路パターンにハンダ付
けさせる。

【０００３】代表的には、論理及びメモリ・チップの基
板へのこの取り付けは、論理若しくはメモリ・チップの
終端パッド上に形成された小さなハンダ・ボールにより
行われる。この取り付け技法は、Ｃ４ソルダー・プロセ
スの一部として周知である。電子的チップの終端パッド
上に、ほぼ一様な直径のハンダ・ボールが形成される
と、このチップは、基板の電気的パターンの適切な終端
パッドの上に置かれ、そしてソルダー・リフローがなさ
れて、チップの終端パッド及びチップ支持基板の間に接
続及びブリッジを形成する。

【０００４】最初にハンダ・ボールが、電子的チップ若
しくはチップ支持基板上に形成されるとき、一様性を保
つための最大の努力がなされるにも関わらず、ハンダ・
ボールそれぞれのハンダの量が固有的に変動する。更
に、チップがそれぞれ異なるシリコン・スライスから作
られるために、チップの厚さはわずかに変動する。これ
らの変動は各チップを冷却する際に問題を生じる。その
理由は、すべてのチップの表面が一様に整列されること
ができないからである。

【０００５】かくして、チップ支持基板に対するチップ
の整列は、ソルダー・リフローの間の液状ハンダの表面
張力によりそして各ハンダ・ボールのハンダの体積によ
り大きく制御される。従って、チップ支持基板の上面即
ち回路表面からの電子的チップの上面までの高さと、チ
ップ支持基板の上面に対するチップの上面の配向は、各
ハンダ・ボールの表面張力及びハンダの体積に大きく依
存する。

【０００６】更に、チップ自体の一端から多端までの厚
さが変動し、これらの変動が、チップ支持基板の回路表
面に対するこの電子的チップの上面の向きに影響を与え
る。これらすべての変動により、電子的チップの上面
は、チップ支持基板の回路表面に対して、平行とならず
又周囲の他のチップと同じ高さを維持できなくなる。

【０００７】すべてのチップの表面がチップ支持基板の
回路表面と平行となるように、全てのチップの上面を平
行することは実質的に不可能である。

【０００８】この非一様性の結果、動作中にチップを冷
却するために一枚の平坦な板を使用することが出来なか
った。その理由は、この一枚の平坦な板の表面を複数個
の全てのチップの表面に密着させる出来ないからであ
る。

【０００９】チップ内の回路密度が増大するのつれて、
多数の集積回路が回路内に実装され、高い温度が発生さ
れてチップ内に集まる。チップを適正な動作状態に保つ
ためにこの熱は効率よくそして信頼性よく除去されねば
ならない。

【００１０】この熱の除去を行うために、電子的チップ
の上面即ち露出面を、高い熱伝導性の部材に係合させる
ようにする熱伝導性の冷却モジュールが設計された。こ
の部材はフレーム若しくは骨組み内に収納されて、この
フレームがこの部材をチップの表面に押しつける。又こ
のフレームは電子的チップから熱を除去するための熱伝
導性通路を与え、かくしてチップを冷却する。

【００１１】チップ及び係合部材相互間の接触は、点接
触若しくは線接触である。もしもチップの露出表面に接
触する係合部材が平坦な表面を有するならば、この表面
はチップの平面に垂直な軸方向のみに動かされ、そして
もしもチップがわずかに傾けられると、この係合状態で
の熱伝達は所望のものから著しく悪化したものになり、
従って、このように傾けられたチップにより生じる悪い
効果を解決する努力がなされてきた。傾いて配向された
チップに対して熱伝導部材を正しく一致させるために初
期に行われた試みの一つが、本出願人による米国特許第
４、０３４、４６８号に示され、ここでは、電子的チッ
プの露出面とこれのパッケージとの間に比較的多量の低
融点のハンダをおいて組立が行われる。このチップとパ
ッケージをモジュールに組み立てた後、ハンダがリフロ
ーされて、表面張力及び重力に基ずいてハンダがボール
状になる。これの効果は、モジュールの素子の向き及び
ハンダの質量のリフロー位置に依存して、ハンダのボー
ルが垂れてチップ若しくはパッケージに接触することで
ある。ハンダ及びこれに隣接する係合表面の間の少なく
とも一つの接合が接続されず、従って極低温の冷却が行
われる時、互いに異なる材料の熱膨張係数の相違が未接
着表面を横切る熱伝導を低下し、そしてチップ上にスト
レスを生じて破断を起こさせる。電子的装置をヒート・
シンクに永久的に熱結合するための一つの方法が、ＩＢ
ＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｓｃｌｏｓｕｒｅＢｕ
ｌｌｅｔｉｎ、１９７０年３月、第１２巻第１０号の
１６６５頁に示されており、そしてここでは電子的装置
をヒート・シンクに金属的に接着するハンダを使用する
ことが示されている。更に、回路モジュールに液状ガリ
ウムの熱伝達層を使用することが，ＩＢＭＴｅｃｈｎ
ｉｃａｌＤｉｓｃｌｏｓｕｒｅＢｕｌｌｅｔｉｎ、
１９７６年９月、第１９巻第４号の１３４８頁に示され
ている。

【００１２】複数個の電子的チップを冷却する伝達性の
冷却モジュールを設計する最近の試みは、本出願人によ
る米国特許第４、１９３、４４５号に示されており、こ
こではフレームの各シリンダに収納されて電子的チップ
に向かって押しつけられるピストンが使用される。

【００１３】チップからコールド・プレートへ至る熱伝
達を改善するための更に他の試みは、ピストンの両端に
わずかな傾斜をつけてピストンをコールド・プレートの
シリンダ内で傾けられるようにしている。この解決法は
ピストンとチップの間の界面に注目しているが、ピスト
ンからコールド・プレートへの熱伝達に対するギャップ
／バリアを解決できない。ギャップをオイルで充填する
ことは少しは効果があるがしかし依然として不十分であ
る。ピストンに傾斜をつけると、ピストンとほぼ同じ直
径のシリンダ内でピストンが傾くこと即ちシフトするこ
とが出来、ギャップを伝わる熱伝達を改善する。

【００１４】しかしながら、ピストン及びコールド・プ
レート・シリンダは、満足する熱伝達を生じるためには
厳格な許容公差を必要とする。この場合には、ピストン
及びシリンダの間のギャップは、０．０２５ｍｍよりも
大きくてはならない。

【００１５】米国特許第４、１９３、４４５号は電子的
チップの傾斜の問題を、ヘッドを形成してそしてスプリ
ングでバイアスされたピストンの表面を複数個の球体に
係合させることにより解決しており、ピストンの部分的
に球状な表面がチップの傾斜若しくは配向に係わらず電
子的チップの露出表面に係合する。この特許のピストン
には球状面上の溝にまで延びる中心穴が形成されてお
り、これにより熱伝達性のワックスがこのピストンの中
心穴に詰め込まれることが出来る。加熱されると、ワッ
クスがチップの面の向かって流れ落ち、ピストン及びチ
ップの間に効果的な結合を与え、これによりピストン面
とチップの露出面の間の領域を充填してチップからピス
トンへの熱伝達性を改良する。ピストン及びシリンダの
間の環状の界面は、溶融された熱ワックスで充填されて
リフローし、チップ面からのピストンの跳ね返りを防ぎ
そしてシリンダの壁への熱伝達を改善する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術は電子的チップからの熱を十分に放熱する事が出来
なかった。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、電子的
チップから冷却フレームへの熱伝達を改良することであ
る。

【００１８】本発明の他の目的は、冷却流体により熱伝
達モジュールのピストンの直接的な冷却を実現すること
である。

【００１９】本発明の他の目的は、冷却されるチップに
対する熱伝達モジュールのコールド・プレートのカスト
マイズされた係合を実現し、これによりチップの軸に垂
直な平面に対するチップの表面の傾き若しくは整合ミス
又はチップ同士の高さの変動に適合できるようにするこ
とである。

【００２０】本発明の他の目的は、電子的パッケージの
修理の後に再びカストマイズされうるコールド・プレー
トを提供することである。

【００２１】電子的チップを支持する基板上の多数のチ
ップを冷却するために使用されるコールド・プレート
は、代表的には内部に冷却溝を設けることが出来るほど
の厚さのフレーム若しくはプレートを含む。冷却溝即ち
チャネルを設けることにより、この中を冷却された液体
若しくは冷却剤が循環し、コールド・プレートから或る
放熱領域へ熱を伝達する。放熱領域では、熱が他の熱媒
体若しくは外部雰囲気へ放散される。

【００２２】コールド・プレートには、望ましくは複数
個のくぼみ若しくはシリンダが設けられそして各シリン
ダ内にはピストンがそれぞれ収納される。ピストンの断
面形状は設計に応じて、例えば矩形、四角形、楕円形、
円形若しくは環状でもよい。良好な断面は円形であり、
そしてピストンには一つ若しくは二重のテーパーがつけ
られている。コールド・プレート内のくぼみの断面は、
ピストンの断面形状とほぼ同じである。ピストンの寸法
はくぼみの寸法よりもわずかに小さくされており、これ
によりピストンは或るバイアス力が加えられるとこれの
軸方向に沿ってくぼみ内で移動できるだけでなく、基板
上に支持されている電子的チップの平坦な露出面の整合
ミスに適合するようにわずかに傾けられることが出来
る。ピストンとシリンダの間のギャップ即ち間隔は、
０．１２５ｍｍ乃至０．２５０ｍｍでもよい。くぼみの
壁及びピストンの壁の間の付加的な空隙により、ピスト
ンはＺ軸に沿って移動でき、ピストンの係合面は電子的
チップの少なくともある部分に接触し、次いでこの付加
的な空隙によりピストン自身がＸ及びＹ軸の周りで回転
でき、これにより係合面はチップの露出面に対してフェ
イス・ツー・フェイスに密着する。くぼみの側壁及びピ
ストンの内壁は、薄いハンダ層で覆われることが出来
る。次いでピストンは、コールド・プレート・フレーム
内に組み込まれる。コールド・プレート・フレーム及び
ピストンが電子的アッセンブリの上に位置決めされる
と、ハンダがリフローされ、ピストンはＺ軸のみなら
ず、Ｘ軸及びＹ軸の周りで移動できる。

【００２３】かくして、ピストンは、ハンダが溶融状態
にある間に、それ自身をチップの表面に整合させるよう
に向きを変える。この後、ハンダが固体化されてピスト
ンを所望の向きに固定する。ピストンの壁及びくぼみの
間の間隔は、ハンダが溶融状態の間に毛細管現象により
この間隔に留められるように十分に小さい。電子的チッ
プに対するピストンの位置及び向きは、ハンダが溶融状
態の間に決まり、かくしてピストンは比較的自由に動く
ことが出来る。コンプライアンス・ツールを用いること
により、ピストンはこれを基板及び電子的チップに向け
て押しつけるようにスプリング・バイアスされる。ハン
ダを冷却してそして固体化すると、ピストンは適切な方
向で固定される。電子的チップ及びこれを支持する基板
は、製造動作のためにコールド・プレートから取り外さ
れることが出来、そして再びコールド・プレートへ結合
しても、チップの向き及びピストンの向きは変わらな
い。

【００２４】ピストン及び電子的チップの間の界面に熱
伝達性のペーストを充填することが望まれるならば、予
備組み立て及び配向工程の間に適切な寸法合わせが行わ
れることが出来る。即ち、チップ及びピストンの間に熱
伝達性のペーストが入り込めるように、ピストンが配向
されそして空間的に位置決めされる。

【００２５】固体状態にされたハンダによりピストンが
固定されると、ピストンの壁及びコールド・プレート・
フレームの間に優れた熱伝達通路が設立される。冷却剤
若しくはガスが冷却のために使用される場合にも、又は
ピストンが中空のキャップであってこの中にノズルが挿
入されて冷却液若しくは冷却ガスがこのキャップの内壁
に吹き付けられる場合にも、この技術を利用することが
出来る。キャップは上述と同じようにして配向されそし
てコールド・プレート・フレームにハンダ付けされる。
この取り付け方法は、キャップをこれが係合する電子的
チップに対して位置づけるだけでなく、通路を密封して
冷却媒体の漏洩を防止する。

【００２６】

【実施例】図１において、コールド・プレート１０は完
成アッセンブリの一部分として示されており、そしてコ
ールド・フレーム・プレート１２に円筒状のくぼみ即ち
シリンダ１４が形成されている。これらのくぼみ即ちシ
リンダ１４内にはピストン１８が挿入されており、そし
てピストン１８はくぼみ１４内で自由に動くことが出来
る。

【００２７】くぼみ１４及びピストン１８の断面形状
は、円形に限定されず、本発明の他の条件を満足するな
らば、楕円形、矩形、四角若しくは他の所望の形状でも
よい。本発明の良好な実施例では、図１のように円形の
くぼみ即ちシリンダ１４及び円形のピストン１８が用い
られる。

【００２８】コールド・プレート１２の内部には通路即
ち１６が形成されており、そしてこの通路を通って、例
えば冷却された水のような冷却液が循環され、電子的シ
ステムの動作中にコールド・プレート１２により吸収さ
れた熱エネルギをうけとる。

【００２９】冷却液はこの装置の放熱領域に送られ、こ
こで電子的システムからの熱が放散される。コールド・
プレート・アッセンブリ内に含まれているこれらの流体
冷却液を流す溝及びシステムについて更に詳しく後述す
る。

【００３０】図２は、図１の円形以外の形状のくぼみ１
４に適応できるという点を除いて、図１のコールド・プ
レート・フレーム１２と同様なコールド・プレート・フ
レーム１２を有する熱冷却モジュールの断面を示す。コ
ールド・プレート１２は冷却通路即ちチャネル１６を有
し、そしてこれはコールド・プレート１２の内くぼみ１
４の壁に密接する部分を通って延びている。冷却媒体が
チャネル１６を通過されるにつれて、これはコールド・
プレート１２から熱を吸収する。コールド・プレート１
２を冷却することによりヒート・シンクが形成され、そ
してこのヒート・シンクに対して、電子的チップからの
熱が熱伝達により伝わる。チップ支持基板２０上の電子
的チップ２２及びこのチップの向きに対して独特にカス
トマイズされたコールド・プレート１２を形成するため
に、ピストン１８は、チップ２２の表面の向きに従って
これに密接し且つ配向されて位置決めされ、そしてシリ
ンダ即ちくぼみ１４の壁にハンダ付けされている。くぼ
み１４の解放端を閉じるためにそしてコールド・プレー
ト１２にゴミ等が入り込むのを防止するための板５０が
コールド・プレート１２に取り付けられている。

【００３１】コールド・プレート１２は、これと基板２
０との間に挿入されたシーリング用のＯリング５４によ
り基板２０に対して密封されている。基板２０は、保持
即ちクランプ・リング５２によりこの位置に保持され
る。電子的チップ２２をコンピュータ・アッセンブリの
他の回路コンポーネントに接続するのに必要な回路接続
は、基板２０から伸びるピン２１により行われる。

【００３２】図２に示すような完成したアッセンブリに
するための組立プロセスを図３を参照して説明する。基
板２０の表面には電子的チップ２２がハンダ接続即ちハ
ンダ・ボール２４により接続されている。

【００３３】このハンダ接続即ちハンダ・ボール２４
は、チップの上面２３の整列ミスを生じる原因の一つで
ある。ハンダ・ボール２４を基板２０の表面に形成する
時には、各基板２０上の全てのハンダ・ボール２４の体
積を同じにするように努力がなされる。

【００３４】しかしながら、製造プロセスのパラメータ
が変わるにつれて、幾つかのハンダ・ボール２４の体積
が等しくならなくなる。従って、チップ２２が基板２０
上に取り付けられるとき、チップ２２の位置決めは少な
くとも溶融ハンダの表面張力に依存し、そしてチップ２
２は基板２０の上面に対してわづかに傾斜されてしま
う。更に、個々のチップ２２は種々な厚さのウエハから
切り出されるので厚さにばらつきが生じ、そしてこれに
より、基板２０からピストン１８に係合するチップの表
面までの高さが変動する。従って、このような変動に対
応する必要がある。

【００３５】正確な平行性及び一様な高さを得ることが
不可能なので、ピストン１８がチップの表面２３に押し
つけられるとき、ピストン１８はチップ２０に向けて並
進されそしてただ一点だけで若しくは一本の線に沿って
表面２３と係合する。

【００３６】カストマイゼーション・ステップの前に
は、コールド・プレート１２及びくぼみの１４の壁は前
もってハンダで覆われている。くぼみ１４の壁に対する
ハンダ・メッキは任意の標準的なハンダ・メッキ・プロ
セスにより行われることが出来る。例えば、コールド・
プレート・フレーム１２全体を溶融ハンダ内に漬けるこ
と、溶融ハンダをくぼみ１４の壁に吹き付けること、く
ぼみ１４の壁にハンダをメッキすること、若しくは他の
任意の方法により行われうる。ここで必要とされること
は、くぼみ１４の壁が、ハンダ接続２４の溶融点よりも
低い溶融点の薄いハンダ層で被覆されることである。

【００３７】同様に、それぞれのピストン１８の外壁
は、同じハンダによりハンダ・メッキされる。更に、ピ
ストン１８の面取り部分には余分なハンダ３０が付着さ
れうる。

【００３８】このようなハンダ３０の付着は、溶融ハン
ダを含む、若しくは溶融ハンダがそそぎ込まれているモ
ールドの中へピストン１８を漬け、ハンダを固体化し、
そしてピストンからモールドを取り除くことにより行わ
れることが出来る。この代わりに、環状の面取り部に係
合する環状リングの形をした所定の量のハンダを用いて
この追加のハンダ３０を付けることが出来る。

【００３９】ピストン１８がくぼみ１４に挿入された後
に、コンプライアンス・ツール４０がコールド・プレー
ト１２に取り付けられることが出来る。コンプライアン
ス・ツール４０は、代表的には複数個のシリンダ即ち開
口４３が内部に形成された板部材４１を含む。シリンダ
４３内に挿入されているのは、スプリング４４及びピス
トン４２である。ピストン４２の一端の表面は、丸みを
付けられ、若しくは球状にされ、若しくは一部分が球状
にされることが望ましく、そしてこれがピストン１８の
上面に係合する。コンプライアンス・ツール４０がコー
ルド・プレート１２にクランプ若しくは取り付けられそ
して基板２０及びチップ２２が同様にコールド・プレー
ト１２に係合されると、このコールド・プレート１２に
対してソルダー・リフロー動作を行う準備が整う。

【００４０】ソルダー・リフローは、ピストン１８及び
くぼみ１４のハンダ・メッキ面２８及び２６上のハンダ
合金３０の溶融点よりも高く、しかしチップ２２のハン
ダ接続２４の溶融温度よりも低い温度まで全体のアッセ
ンブリ１０を加熱することにより行われる。この時ピス
トン１８は、電子的チップ２２の上面２３に係合するま
でスプリング４４により下方に向かって自由に動かされ
る。ピストン１８が表面２３からの抵抗に出会うと、ス
プリング４４はこのピストン１８を更に表面２３に向け
て押し続ける。メッキ面２６及び２８上のハンダが液状
であるので、ピストン１８の動きに対する抵抗は、電子
的チップ２２のみから与えられる。ピストン１８及びチ
ップの上面２３の間の係合（代表的には点係合若しくは
線係合）は、殆どの場合ピストン１８の中心線からはず
れているので、ピストン１８をこれのＸ軸及びＹ軸の周
りで回転させようとする力が働く。これについては図７
を参照して詳述する。単一のピストン１８に対して複数
個のピストン４２を係合させて、全ての場合に対応する
動きをさせることが出来る。

【００４１】ピストン１８は、自分自身で向きを変えて
電子的チップ２２のほぼ表面全体に接触する。このよう
に向きを変えるには、ピストン１８の上端が図３で見
て、右若しくは左に移動するような回転を必要とし、ピ
ストンの一方の側壁はくぼみ１４のメッキされた壁に近
ずき、そしてピストンの他方の側壁は壁２６から遠ざか
る。ピストン１８の下端も同様な動きをし、従ってハン
ダ・メッキされた表面２６及びピストンのハンダ・メッ
キされた表面２８の間のギャップ１７は、スプリング４
４及びチップの上面２３による力関係に従って狭くなっ
たり広くなったりする。

【００４２】本発明の一つの重要な利点は、ピストンの
表面２８とシリンダの表面２６との間のギャップ１７
が、従来における代表的な値である０．０２５ｍｍから
約０．１３ｍｍ乃至０．２５ｍｍにまで増大されうるこ
とである。これは製造コストを減少し、そしてチップ２
２に対するピストン１８の整列を改善し、そしてハンダ
を十分に保持するギャップ１７を生じる。ピストン１
８、シリンダ１４及びギャップ１７に更に多量のハンダ
３０を含ませるために、コールド・プレート１２がピス
トン１８と係合する場所の近くのピストン１８の表面に
環状の溝９０（図２）を設けることが出来、この結果過
剰のハンダ３０がソルダー・リフローの時にこの溝９０
に入り込むことが出来る。

【００４３】この後このアッセンブリ全体が冷却され、
かくしてハンダを固体化する。溶融状態では、ピストン
１８及びコールド・プレート・フレーム１２の間の比較
的狭い空隙即ちギャップ１７が、領域３０にあるハンダ
をこのギャップ１７に引っぱり込む。ハンダ３０がピス
トン１８及びコールド・プレート・フレーム１２の間で
固体化すると、ピストン１８は、表面２３に密着するに
必要な向きにある位置に固定される。更に重要なこと
は、冷却チャネル即ち通路３２内を循環する冷却媒体
へ、ピストン１８が集めた熱を伝えるための良好な熱的
接合がピストン１８及びコールド・プレート・フレーム
１２の間に形成されることである。

【００４４】冷却の後に、基板２０及びこの上の電子的
チップ２２は、はずされて更にこれに対する処理が行わ
れ、そしてコンプライアンス・ツール４０がはずされ
て、次のアッセンブリ１０の組立のために再使用され
る。

【００４５】最終組立が所望されると、基板２０はチッ
プ２２と共にコールド・プレート・アッセンブリ１２の
ピストン１８の下側に再び位置決めされてこれと係合さ
れる。

【００４６】チップ２２とピストン１８の表面は、上記
の取り外し以来固定されているので、各表面は互いに密
接する。

【００４７】カバー板５０が上述の理由によりコールド
・プレート１２に取り付けられる。全体のアッセンブリ
は、各部分を所定の位置に保つために標準的な方法で互
いにクランプ即ち固定される。最終組立工程の間に、ピ
ストン１８及び電子的チップ２２の上面２３の間に熱伝
達性ペーストを含ませることが望まれるならば、このペ
ーストがいれられそして各部分が組み立てられるとき
に、ピストン１８及びチップ２２の間の界面から余分な
ペーストがはみ出して除去される。この代わりに、チッ
プ２２を囲む領域そして基板２０及びコールド・プレー
ト１２の間の領域はポンプにより伝熱性ペーストを詰め
込まれてもよい。非常に小さなギャップに対しては油を
使用し、一方大きなギャップに対してペーストを使用す
ることが出来る。

【００４８】最終組立においてペーストを使用する場合
には、ソルダー・リフロー動作の間、チップ２２及び基
板２０の間隔をわずかに小さくしてペースト１１８のた
めの空間を確保することが望ましい。次いで、最終組立
において、基板２０及びチップ２２はピストン１８から
わずかに離れて位置決めされ、従ってカストマイゼーシ
ョンの間熱伝達ペースト１１８のためのスペース即ちギ
ャップ２１を与える。

【００４９】各ピストン１８をチップ２２により決めら
れる位置に向け、そして各ピストン１８及びこれの表面
をコールド・プレート１２に対して固定するプロセス及
びこのプロセスの望ましさが理解されたところで、次に
図５を参照して他の冷却方法を説明する。

【００５０】図５において、コールド・プレート・フレ
ーム１２’は前述のコールド・プレート１２と同様なも
のであるが、このコールド・プレート・フレーム１２’
には冷却通路が設けられていない。代わりに、ピストン
１８’はカップの形に形成され、このピストン１８’
は、前述のピストン１８と同様に、コールド・プレート
・フレーム１２’に形成されたくぼみ１４’内に装着さ
れる。カップ状ピストン１８’及びコールド・プレート
・フレーム１２’は、前述のようにハンダメッキされて
いる。図３に示したコンプライアンス・ツール４０と同
様な装置によりカップ状ピストン１８’はチップ２２に
向かって押しつけられ、そしてハンダ３０がリフローさ
れる。

【００５１】カップ状ピストン１８’及びコールド・プ
レート・フレーム１２’の間にハンダ接続部６８が形成
されると、カップ状ピストン１８’を押しつける装置は
除去されることが出来る。最終組立時には、前述のカバ
ー板５０の代わりにマニホルド板５８が取り付けられ
る。マニホルド板５８は、冷却流体が通過するための通
路７２及び７４並びにカップ状ピストン１８’の内壁に
まで延びるこのマニホルド板５８の部分の複数個のノズ
ル６４を有する。各ノズル６４には、冷却流体をカップ
状ピストン１８’の内壁に噴出するオリフィス即ち噴出
孔６６が形成されている。良好な流体は、冷却された水
であるが、液体窒素若しくは他の流体を使用することが
出来る。

【００５２】マニホルド板５８は、ノズル構造６２の全
ての部分とカップ状ピストン１８’の内壁との間に或る
ギャップ即ち空隙を与えるように形成される。これらが
完全に組み立てられそしてＯリング５４及び５６により
密封されると、冷却媒体に対する通路が形成され、即ち
冷却媒体は流入通路６０に導入されそしてここから流体
はノズル６４及びオリフィス６６を通って流れる。冷却
媒体即ち冷却水がオリフィス６６を通ってカップ状のピ
ストン１８’の内部に噴出されるにつれて、図５に示す
ように、冷却水はカップ状ピストン１８’にたまってい
る熱を吸収しそしてノズル６４とカップ状ピストン１
８’内壁の間を上方に向かって通過して、収集通路７２
に集まった後に冷却媒体は出力通路７４に向かう。液状
若しくはガス状の冷却媒体の循環はコールド・プレート
・アッセンブリ１０外で制御され、そしてこれらは本発
明外であるので詳述しない。

【００５３】当業者により明らかであるように、カップ
状のピストン１８’をコールド・プレート・フレーム１
２’に取り付けることは、これらの安定性を改善するば
かりか、チップ２２から通路６０若しくは７４への熱の
伝達に全く悪影響を与えない。各カップ状ピストン１
８’が各チップ２２に対して傾けられそして高さが変え
られても、チップ２２からカップ状ピストン１８’への
熱の伝達は著しく改善される。

【００５４】図１乃至図４に関して説明した実施例にお
いては、ピストン１８及びシリンダ１４の間のハンダ接
続は、改善された熱伝達通路を付加的に与える。図５の
カップ状のピストン１８’は、これらがチップ２２に対
してフェイス・ツー・フェイスで係合するように配向さ
れている限り、改善された熱伝達特性を示す。図１乃至
図４の実施例に関して述べたように、もしも所望される
ならば、熱伝達ペーストが又、カップ状ピストン１８’
及びチップ２２の間に使用されることが出来る。カップ
状ピストン１８’及びコールド・プレート・フレーム１
２の間の界面は熱の伝達に使用されないので、フレーム
１２は例えばプラスチックのような材料で作られること
が出来、そしてカップ状ピストン１８’及びフレーム１
２の間の接続は粘着材によりなされることが出来る。

【００５５】ピストン１８若しくはカップ状ピストン１
８’の位置決めは図６及び図７を参照することのより更
に理解されよう。図６において、ピストン１８は点１９
においてチップ２２と係合している。チップ２２及び基
板２０の間のハンダ接続２４がチップ２２を傾け、その
結果チップ２２の左端における高さの寸法ｄがチップ２
２の右端における高さの寸法ｄ’よりもわずかに小さく
なる。これはチップ２２の厚さの変動により生ぜられる
こともあるが、殆どの場合には、チップ２２の左端のハ
ンダ・ボール２４の体積とチップ２２の右端のハンダ・
ボール２４の体積が異なりこのためにチップ２２の向き
が影響される。

【００５６】いずれの場合にも、ピストン１８若しくは
カップ状ピストン１８’が適切に配向されるまでは、ピ
ストン１８若しくは１８’とチップ２２との間には楔状
の間隔即ちギャップ２１が形成される。

【００５７】チップ２２の右端におけるギャップ２１の
厚さは約５０．８ミクロンである。ピストン１８’が約
２０ｍｍの係合長を有し、そしてチップ２２が約２０ｍ
ｍの幅を有する場合には、円筒状以外のピストン１８’
の幅寸法に対応するくぼみ１４の寸法が、そして円筒状
のピストン１８及びくぼみ１４の直径の寸法が、２つの
直径相互間に約５０乃至６０ミクロンの差を与えなけれ
ばならないことが明かであろう。このような差があるの
で、ピストン１８は上述のようにそれ自身を適切に傾け
ることができ、そしてソルダー・リフロー動作の間、液
状のハンダを引き上げそして維持するギャップ１７をピ
ストン１８及びくぼみ１４の間に常に維持する。直径の
差はピストン１８にテーパーを付けるか、若しくはシリ
ンダの直径を大きくすることにより作られることが出来
る。ピストン１８をコールド・プレート１２にハンダ付
けすると、直径の差は、２５．４ミクロンから２５４ミ
クロンのオーダに増大されることが出来る。許容される
公差の軽減は、コストの点から望ましい。

【００５８】図７は、円筒状の断面形状のピストン１８
の概略図を示すが、ここに示すことは他の断面形状のも
のにも等しく適用できる。ピストン１８はＺ軸に沿って
下方に押しつけられる。チップ２２及びギャップ１７に
ある溶融状態のハンダと係合すると、Ｘ軸及びＹ軸の周
りでわずかな量だけピストンが回転しそしてこれがピス
トン１８の底面をチップ２２の上面２３の向きに合わせ
る。

【００５９】複数個のチップ２２の内の一つを基板から
とりはづし、そしてこれに代わる新たなチップ２２を位
置決めしてハンダ付けする場合には、この新たなチップ
２２に密着するようにピストン１８を再配向しなければ
ならないことが明かである。このことは比較的簡単に行
われうる。コールド・プレート１２及びカップ状ピスト
ン１８’若しくはピストン１８をコンプライアンス・ツ
ール４０及び電子的アッセンブリ１９と再組立し、そし
てハンダをリフローすることにより、この新たなチップ
２２に係合するようにピストン１８を再配向する事が出
来る。ピストン１８若しくは１８’を上述のように再配
向する事に加えて、ピストン１８若しくは１８’はコー
ルド・プレート１２及びチップ２２と空間的に固定さ
れ、そしてチップ２２との係合から取り外されそして再
組立されることが出来る。

【００６０】冷却媒体を流す通路（クーリング・フロー
・チャネル）の良好な構造が図８に示され、そしてこれ
を直交フロー・ネットワーク（ＯＦＮ）と呼ぶ。ＯＦＮ
の原理は、冷却媒体が複数個の流入チャネル８４に導入
され、そしてフロー・マニフォルド即ちチャネル８２か
らコールド・プレート１２へ流されることである。コー
ルド・プレート１２内のチャネル８２のネットワーク
は、流入チャネル８４を流出チャネル８６に接続する。
流入チャネル８４及び流出チャネル８６の間のフロー・
チャネル８２の長さは、隣接するピストン１８相互間の
ピッチにほぼ等しい。従って、媒体が流れる長さが短い
ので、冷却媒体の温度はあまり上昇せず、ピストン１８
を効果的に冷却し、そして冷却効率は、流入点の近くで
最も高くなりそして圧力の低下が著しく減少される。更
に、すべてのピストン１８は、ほぼ等しい温度の冷却媒
体の冷却効果を受ける。

【００６１】フロー・チャネル８２は、供給即ち流入チ
ャネル８４及び収集即ち流出チャネル８６を形成するよ
うに組み立てられたプレート内に形成されることが出来
る。コールド・プレート１２は、横に延びるフロー・チ
ャネル８２、流入チャネル８４及び流出チャネル８６を
形成するプレートであることが出来る。

【００６２】図９を参照すると、ここには完成されたア
ッセンブリ１０とチップ２２を支持する基板２０との分
解図が示されている。ピストン１８はチップ２２の上に
位置決めされている。コールド・プレート１２はピスト
ン１８の上に位置決めされており、そしてくぼみ即ちシ
リンダ即ちキャビティ１４がピストン１８を受け取るよ
うに整列されている。

【００６３】各キャビティ即ちシリンダ１４を囲んでい
るのは、冷却媒体が流れるフロー・チャネル即ち通路８
２である。フロー通路８２の接合点に、開口８４及び８
６がドリルされ、これらは流入チャネル８４及び流出チ
ャネル８６として働く。板即ちプレート８７は、横に延
びるフロー通路８２の端部を閉じる働きをする。

【００６４】マニホルド・プレート９２は、流入チャネ
ル８４及び流出チャネル８６の上に位置決めされる。プ
レート９２に開けられた開口９４は、流入チャネル８４
及び流出チャネル８６と連絡する。プレート９２の上面
に形成されているのは、流入即ち供給マニフォルド９４
及び流出マニフォルド９６である。供給マニフォルド９
４及び流出マニフォルド９６は、流入チャネル８４及び
流出チャネル８６をそれぞれ接続する通路９８及び１０
０を有する。

【００６５】マニフォルド即ちカバー・プレート１０２
には入力ポート１０４及び出力ポート１０６が設けられ
ている。入力ポート１０４に導入された冷却媒体は、チ
ャネル９８を経て流入チャネル８４に至りそしてフロー
通路８２を通って循環する。フロー通路８２を通過した
後に、冷却媒体は流出チャネル８６により集められ、次
いで出口の出力ポート１０６を通ってアウト・フロー・
マニフォルド９６に流れる。

【００６６】上述のように、コールド・プレート１２は
組み立てられそしてハンダ付けされ、次いでマニフォル
ド・プレート９２、カバー・プレート１０２及びクラン
プ・プレート５２と共に組み立てられてボルトで留めら
れる。

【００６７】もしも所望されるならば、異なる設計のマ
ニフォルド・プレート９２が使用されうる。位置的な整
合をさせる技術は、図１０に示すようなメモリ組立体１
１０を冷却する上で重要である。メモリ組立体１１０
は、複数個のチップ１１２の集合である。複数個のピス
トン１１４が、この組立体１１０を形成するチップ１１
２のエッジに係合するように位置決めされそして上述の
ようにハンダ付けされる。

【００６８】個別的なチップ１１６は、上述のようにし
て冷却されうる。

【００６９】チップ１１２のエッジの高さの変動がある
ので、熱伝達性のペースト１１８をピストン１１４及び
組立体１１４の界面に塗布してピストン１１４への熱伝
達を確実にしなければならない。

【００７０】ピストン１１４の代わりに、図１１に示す
ようなキャップ１２０を使用することが出来る。図５に
示した噴出機構の寸法を適切に変更して図１０のコール
ド・プレート１２の代わりに使用することが出来る。図
１０のメモリ組立体１１０のコールド・プレート・アッ
センブリを完成するために、図１０のコールド・プレー
ト１２に図９のマニフォルド・プレート９２及びカバー
・プレート１０２を取り付けることが出来る。

【００７１】全ての電子的チップ２２をほぼ同じ温度で
動作させることが望ましいので、異なるチップ２２の温
度を平衡させるようにしなければならない。例えば、第
１番目のチップ２２が２５ワットの熱を発生し、そして
第２番目のチップ２２が５０ワットの熱を発生し、そし
て両チップ２２が等しく冷却されるとすると、第１番目
のチップ２２は第２番目のチップよりも冷却され、そし
てパフォーマンスの非平衡が生じうる。

【００７２】このような非平衡をなくするため、低い電
力のチップ２２からの熱の流れを少なくするように制御
されねばならない。図１２は、低い電力のチップ２２に
係合するピストン１８の面８０を示す。面８０は、隆起
面８１及びくぼみ８３を生じるように溝が付けられてい
る。チップ２２及びピストン１８の界面を横切る熱の伝
達は、チップ２２に係合する面８０の表面積に依存す
る。面８０に溝を付けることにより、面８０の内チップ
２２に係合する面積が減少される。上の例のような２５
ワットのチップに対しては、面８０の面積を約５０％に
減少できる。

【００７３】このような表面の加工は、蒸気ブラスト、
溝付け等により、くぼみ、表面の不連続性若しくはピッ
トを生じることにより行われることが出来る。このよう
に、電子的チップの露出表面と係合するピストンの表面
には、露出表面に対する熱伝達係合面積を減少するため
に、凹凸が付けられている。

【００７４】クーリング・アッセンブリ全体の最終組立
の間、カストマイズされた状態にあるコールド・プレー
ト１２が基板２０の上に取り付けられると、チップ２２
を囲む領域及びチップ２２及びコールド・プレート１２
の間の領域そしてカストマイズされた面８０には、例え
ばオイル若しくはペーストのような熱伝達流体１１８が
充填されうる。オイル若しくはペーストの両方は、面８
０及びチップ２２を湿潤して、これらの間に密着界面を
確実に生じる。表面は前もって被覆されることが出来、
若しくは位置決めの後に空洞及びギャップ２１の領域に
熱伝達効率の良い材料が注入若しくは挿入されることが
出来る。オイルが付着されたギャップ２１は代表的には
１乃至５ミクロンのオーダであり、一方ペーストが付着
されたギャップ２１は、２５乃至１２５ミクロンの厚さ
である。

【００７５】従来の設計の熱伝達流体は、ピストン１８
からコールド・プレート１２への熱の伝達を改善した
が、ハンダジョイント特性は、流体１１８の界面の熱伝
達特性をかなり上回る。

【００７６】ピストン１８をコールド・プレート１２へ
ハンダ付けする代わりに、粘度の高い熱伝達性ペースト
がピストン１８及びコールド・プレート１２の間に置か
れることが出来る。この配列の場合、コールド・プレー
トがチップ２２との係合からはずされるて再組立される
ときに、ピストン１８は再整列しうる。

【００７７】ピストン１８をコールド・プレート１２に
対して固定位置に保持するために粘着材が使用されるこ
とができ、これによりハンダメッキ及びソルダー・リフ
ローの必要性をなくする。もしもカップ状ピストン１
８’が使用されるならば、コールド・プレート１２は注
入モールドのプラスチックで形成されることが出来、そ
してカップ状ピストン１８’は、流体の密なシールを形
成するようにコールド・プレートにシールされうる。シ
ールされると、冷却流体はカップ状ピストン１８’内で
循環しそしてカップ状ピストン１８’から直接的に熱を
受け取る。

【００７８】本発明の精神から逸脱することなく種々な
変更及び修正が可能であることは当業者により明かであ
ろう。

【００７９】

【発明の効果】製造プロセスのパラメータが変わるにつ
れて、幾つかのハンダ・ボール２４の体積が等しくなら
なくなる。従って、チップ２２が基板２０上に取り付け
られるとき、チップ２２の位置決めは少なくとも溶融ハ
ンダの表面張力に依存し、そしてチップ２２は基板２０
の上面に対してわづかに傾斜されてしまう。更に、個々
のチップ２２は種々な厚さのウエハから切り出されるの
で厚さにばらつきが生じ、そしてこれにより、基板２０
からピストン１８に係合するチップの表面までの高さが
変動する。従って、このような変動に対応出来る冷却装
置を実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】コールド・プレート・フレーム、円筒状の形の
くぼみ及びくぼみの中に挿入されるピストンを示す図で
ある。

【図２】カバーと共に組み立てられたコールド・プレー
ト・フレーム、最終的な配向位置にあるピストン、チッ
プ支持基板及びピストンの係合面に係合されるように位
置づけられたチップを示す断面図である。

【図３】コンプライアンス・ツールがコールド・プレー
ト・フレーム及びピストンに係合され、ソルダー・リフ
ローの前の図２のアッセンブリの各コンポーネントを詳
細に示す図である。

【図４】コールド・プレート・フレーム及び電子的チッ
プの最終アッセンブリを示す図である。

【図５】冷却ガス若しくは液体が熱伝達機能を行うため
に使用されそして冷却流体がピストンの内部表面に噴霧
されてピストンの熱を奪いそしてこれをコールド・プレ
ートから外部へ逃がす本発明の他の実施例を示す図であ
る。

【図６】ピストンの係合面がチップの表面に係合される
前の電子的チップに対するピストンの接触状態を示す図
である。

【図７】ソルダー・リフローの時の３つの軸上でのピス
トンの自由な動きの度合いを示す図である。

【図８】コールド・プレート内の直交型のフロー・ネッ
トワークを示す図である。

【図９】コールド・プレート・アッセンブリの分解図で
ある。

【図１０】メモリ・チップ集合体及び個別のチップを冷
却するためのコールド・プレート・アッセンブリの断面
図である。

【図１１】ピストンの代わりにカップ状のピストンを用
いた図１０のようなコールド・プレート・アッセンブリ
の断面図である。

【図１２】ピストンの表面からの熱伝達を減少するため
の溝を表面に有するピストンを示す図である。

【符号の説明】

１０・・・コールド・プレート・アッセンブリ１２・・・コールド・プレート１４・・・くぼみ即ちシリンダ１６・・・通路１８・・・ピストン２０・・・基板２２・・・チップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミカエル・ヨセフ・エルスワース・ジュニアアメリカ合衆国ニューヨーク州ポーキプシーデレイ・ロード 62番地 (72)発明者ロバート・エドワード・シモンズアメリカ合衆国ニューヨーク州ポーキプシーシャーロック・サークル 16番地 (72)発明者ディビット・セオドール・ベィダーアメリカ合衆国ペンシルバニア州メカニスバーグパーク・リッジ・ドライブ 611番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】露出表面を有する少なくとも一つの電子的
チップを冷却する熱伝達冷却装置において、少なくとも一つの表面から内部に向かって延びる少なく
とも一つの空洞を有するフレームと、上記電子的チップの露出表面に係合する平坦状の表面を
有し、上記空洞内に位置決めされる少なくとも一つのピ
ストンとを有し、上記フレームは、上記ピストンからの熱を伝達し該熱を
上記フレームから除去する熱伝達装置を有し、上記ピストンは、これの上記平坦状の表面が上記電子的
チップの露出表面に平行に接触するように上記空洞内で
配向され、上記ピストン及び上記空洞は、該ピストン及び上記空洞
の壁の間で固化された金属により互いに固着されている
上記熱伝達冷却装置。
【請求項２】上記電子的チップの露出表面と係合する上
記ピストンの平坦状の表面には、上記露出表面に対する
熱伝達係合面積を減少するために、凹凸が付けられてい
ることを特徴とする請求項１の熱伝達冷却装置。
【請求項３】上記熱伝達装置は、直交パターンで配置さ
れた複数個の流体通路と、該流体通路の各々の一端に結
合された流体流入口と、上記流体通路の各々の他端に結
合された流体流出口とを有することを特徴とする請求項
１の熱伝達冷却装置。
【請求項４】上記流体流入口は上記フレーム内で上記空
洞相互間に形成され且つ上記空洞に平行に延び、上記流
体流出口は上記フレーム内から該フレームの上面に向か
って延びることを特徴とする請求項３の熱伝達冷却装
置。
【請求項５】上記熱伝達装置は、上記ピストンの上記平
坦状の表面と反対の表面に対して冷却媒体を送り込むノ
ズルを有することを特徴とする請求項１の熱伝達冷却装
置。