JPH06510638A - 複数チップモジュール用の冷却システム - 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】 複数チップモジュール用の冷却システム本発明は、はぼ平坦な複数の電子回路を 上面に配置した基板を含む「複数チップ」モジュールのための、基板に付属する 冷却システムにおける、伝熱性の部分的に平坦なカバーが複数の熱交換手段と協 働し、各熱交換手段は一方では回路と関連して協働し、他方では回路の熱をカバ ーに伝達するためにカバーと協働する冷却システムに関する。

このような冷却システムは、欧州特許出願Ｅ　Ｐ　−３６９１１５号がら公知で ある。この出願では、とりわけカバーまたはキャップと共に密閉エンクロージャ を形成する電子回路を担持する基板を含むシステムを記載している。このエンク ロージャ内には熱交換手段が各回路に対向して配置されている。実際に、各電子 回路はある程度の熱量を放出するので、公称機能を可能にするためにこの熱の少 なくとも一部分を必然的に排出しなければならない。したがって、恭ミ遥熱を回 路からカバーへ伝達するための熱交換手段は、この場合は金属製円筒形ピストン から構成され、ピストン本体はカバーの厚みの中にある空洞に収まっている。ピ ストンの上部空洞に配置されたばねによって、ビストンの下端は回路上に圧力保 持されることが可能である。回路からピストンへの熱の伝達は、回路と接触して いるピストンの表面が大きいほど効率がよくなり、ピストンの下端が電気回路の 平面に平行な平面内に含まれるのが理想である。したがって、ピストンを収納す る空洞の軸は、構造上、基板の平面に垂直、理想的には回路の平面に垂直になり 、この場合にはピストンの下端全体が回路と接触する。しかしながら、一般には 、基板の上に取り付けられた回路の量に対してそのうちの無視できない数が前記 基板の平面に対して傾斜しており、この場合には、ピストンの下端の一部だけが 回路と接触し、熱の伝達はもはや最適ではない。この不都合を是正する目的で、 ピストンの機械的剛性を考慮して、前記の出願では、ピストンを円錐台形にし、 前記のピストンをその中に収める空洞の直径を増加して、このピストンがその下 端と回路平面の整列に必要な傾斜を取ることができるようにし、こうして全体的 な接触を強制的に得るようにしている。

しかしながら、このような解決方法には大きな欠点がある。

実際に、熱交換が効果的に行われるには、別の要件が満たされる必要がある。す なわち、全体の熱抵抗もできるだけ低い値でなければならない。ところで、この 場合には、回路とピストン下端部の近傍における熱抵抗が小さい場合（接触表面 が最大であり、厚みが小さな２つの部分の間に空気の薄層ができることを暗示す る）、ピストンと空洞の接触部の近傍における熱抵抗は逆に高くなり、回路の傾 斜の変動範囲の大部分についてそうである。したがって回路の傾斜角がゼロまた は非常に小さいときには、ピストンと空洞の間に全く接触はな（、その結果、空 洞中のピストンを取り囲む空気薄層は無視できない厚さを有するので熱抵抗が高 くなり、空洞の直径が増加するほどそうなる。

傾斜角がある値になるとピストンと空洞の接触が存在するが、この接触は準局部 的なものであり、低下した熱抵抗値は必ずしも無視できない。結局、熱抵抗の値 は最小であるが、ピストンと空洞との準線形接触を得るには、すなわちピストン の円錐台形部分の特定の角と同じまたはそれに近い傾斜角の値を得るには、なお 有意である。

本発明の目的は、簡単で効率的な、既知のシステムの不都合を示さない、好まし くは平均的熱散逸の「複数チップ」モジュール用の冷却システムを提供すること である。

このために、冒頭で述べた種類の冷却システムは、熱交換手段が熱抵抗の低い柔 軟（Ｎｅｘｉｂｌ＋ｌな金属製装置であり、一定の圧力下で２つの端部で回路な らびにカバーと接触するこの装置の表面が、平面であり、回路と第１の端部の間 、ならびにそれが存在するときにはカバーと第２の端部の間の空気薄層をも制御 できるような平面性と粗面度の表面状態を有し、この低熱抵抗柔軟金属製装置が 、基板と各種の回路の高さの差及び角度の差を補償し、かつ前記の空気薄層の近 傍の熱抵抗を最小にすることが注目される。

したがって、熱交換手段として選択されたこの装置は、その柔軟性によって容易 に変形が可能であり、回路の表面ならびにカバーの表面と接触するその接触表面 の総合的かつ系統的な適用を保証する。これらの接触表面は平面であり、接触部 のレベルに存在する空気薄層を効率的に制御し、非常に低い熱抵抗値を得るよう に、機械加工または処理される。この装置自体の熱抵抗が低いため、総体的熱抵 抗も低（なり、したがって熱伝達の効率がよ（なる。有利なことには、様々な装 置の弾性が、カバーを基板と結合するときにカバーによって加えられる比較的弱 い圧力の下で前記の様々な装置を回路上にうまく取り付けることを保証し、かつ 基板とカバーの間の膨張差を補償することを保証する。こうして、流体が「チッ プ」レベルで内部に存在せず、したがって良好な収率が得られ、密閉を強制する 必要のない平均的熱散逸の「複数チップ」モジュールを有するシステムの利用が 可能になる。またこの収率は、回路との接触部のレベルにグリースを使用し、ま たはカバー上表面への流体循環などカバー・レベルに熱抽出手段を設けることに よって、あるいはその両方によって、向上させることができる。

好ましい一応用例によれば、低熱抵抗柔軟金属製装置はベローズ式熱伝導管であ り、その蒸発器は１つの金属板であって回路と接触する部分であり、その凝縮器 はもう１つの金属板であってカバーと接触する部分であり、蒸発器を凝縮器に結 合する本体は、金属ベローズを形成し、その全体に伝熱流体が含まれる。

このようにして、熱伝導度が非常に高り、シたがって熱抵抗が非常に低い静的装 置である熱伝導管すなわちヒート・パイプの利用を選択すると、回路からカバー への熱の効率的な伝達が可能になる。さらに熱伝導管利用の選択により、重要な 利点がもたらされる。実際に、この形式の装置によって、散逸される電力が増加 し、したがって伝送すべきエネルギーが増加し、全体的熱抵抗は低下し、それも 非線形に増減するが、その上に凝縮器の温度が（もちろん妥当な、すなわち熱伝 導管を乾燥させない妥当な限界内で）上昇すると、熱抵抗は低下する。またベロ ーズを形成する本体は、この装置に所定の圧力の下で所望の柔軟性を与え、これ によって高さまたは角度の差を補償するために必要な変形が可能になる。さらに 、ベローズ用材料、たとえば銅の合金の選択による塑性により、支持力を制限す ることができ、したがって回路上の熱伝導管の圧力を制限することができる。

好ましい一実施例では、各ベローズ式熱伝導管はその凝縮器を介してカバーに固 定され、その全体が固定手段を介して所定の圧力の下で基板に結合される。した がって各回路にベローズ式熱伝導管の一位置が対応し、それが自然に出て来て調 節なしで提示され関連する回路に取り付けられる。この熱伝導管の柔軟性は、従 来技術の剛性システムとは反対に、適用時に、熱抵抗の低下を助長する良好な平 面接触を必然的にもたらし、様々な膨張は、回路に対する蒸発器の滑動、すなわ ち熱伝導管と回路の間に残された自由のために許される僅かな振幅の運動によっ て自動的に補償される。熱伝導管が回路に及ぼす必要のある圧力は、前述のよう に、ベローズ用材料が塑性であるために制限された値のものであるが、カバーを 基板上に固定する手段によって決まる。すなわち、たとえば約３００〜４００　 ｇの支持力で一般に十分であり、この値は、カバーをねじによって基板上に閉止 するとき容易に得ることができる。その上、熱伝導管とその関連回路の間に何ら 固定部がないので、結果的に、従来技術のシステムで多発したような回路の劣化 は全く発生せず、これらの回路は、カバーを分解したときもその最初の機械的状 態のままである。

本発明による冷却システムの追加の特徴によれば、各ベローズ式熱伝導管はまた その蒸発器に沿って位置し、水平方向に利用できるメツシュを有する。このメツ シュは、熱伝導管を水平象によって吸い上げることのできる細かい網目の金属製 スクリーンで構成することが好ましい。

すべて例として示した添付の図面に関する以下の説明によって、本発明をどのよ うに実施できるかが良（理解できょう。

図面の簡単な説明 図１は本発明による「複数チップ」モジュール用の冷却システムの概略断面図で ある。

図２は本発明による冷却システムで利用可能な低熱抵抗柔軟金属製装置の一例の 断面図である。

図３は本発明による冷却システムで利用可能な低熱抵抗柔軟金属製装置の別の例 の断面図である。

図１は、基板１を含む「複数チップ」モジュール用の冷却システムの断面図であ り、この基板上に複数のほぼ平らな電気回路２ａ、　２ｂ、２ｃ、・・・が配置 されている。部分的に平らな熱伝導性カバー３が、ねじなどの固定手段４を介し て基板１に取り付けられている。カバー３は、それぞれ熱を回路からカバーへ伝 達するために回路２ａ、２ｂｑ　２Ｃ％・・・ならびにカバー３に関する複数の 熱交換手段５ａｑ　５ｂ、５ｃｑ・・・と協働する。

本発明の概念によれば、熱交換手段５ａ、５ｂｓ　５ｃ、・・・は低熱抵抗柔軟 金属製装置である。好ましい例によれば、この装置は、図２により詳しく示すベ ローズ式熱伝導管である。熱交換手段５ａ、５ｂ、５Ｃ％・・・の両端部の表面 は、それぞれ回路２ａ１２　ｂｓ　２　Ｃ１・・・ならびにカバー３と接触して おり、平面であって、回路２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・と両端部の第１端部の間な らびにそれが存在するときにはカバー３と両端部の第２端部の間の空気の薄層を も制御できるような平面性と粗面度の表面状態を示すように機械加工または処理 され、この低熱抵抗柔軟金属製装置は、基板１と様々な回路２ａｓ　２ｂ、２ｃ ｑ・・・の高さの差及び角変の差を補償し、前記空気薄層の近傍の熱抵抗を最小 にする。したがって、これらの平らな表面は互いに密接に接触して空気薄層を最 小にし、これによって熱抵抗を最小にする。装置の表面状態は、回路の表面状態 と調和するように準備され、回路表面の平面性／粗面度は、接触表面間の空気容 積を制御できるようにする仕様から知ることができる。また、この空気容積は、 接触部のレベルで熱グリースを添加することによってさらに減少させることがで きる。装置５ａｓ５ｂｓ５ｃ、・・・に対するカバー３の支持力により、装置５ 　ａｓ　５　ｂｓ５ｃ、・・・の柔軟な本体の変形を許すのに必要な最低接触力 を保証するのに十分な圧力が維持できるようになり、したがって傾斜が補償され る。この支持力は、基板１上のカバー３の固定手段４によって決まり、その強度 は回路当り　３００〜４００　ｇ程度であり、ベローズが塑性であることによっ て制限され、これによって回路にかかる応力が減少して有利である。

図１に示している３つの装置５ａ、５ｂ、５ｃのうちで、装置５ａだけは変形を 受けておらず、回路２ａの上表面は基板の平面に平行である。装置５ｂ、５ｃの 変形（誇張して示す）から、カバー３と密に接触した装［５ａ　ｓ　５　ｂ　ｓ 　５　ＣＮ・・・の上表面の完全性を維持しながら、したがって熱抵抗を増加す ることなく、すべての傾斜が自動的かつ完全に補償されることがわかる。

好ましい一実施例では、装置ｉ５　ａ、　５　ｂ、　５　ｃ、・・・は複数また は単数のベローズ式熱伝導管であり、金属板であるその蒸発器は回路と接触して いる部分であり、別の金属板である凝縮器はカバーに接触している部分であり、 蒸発器を凝縮器に結合する本体が、金属製ベローズを形成し、その全体に伝熱流 体が含まれる。

装置５ａｑ　５ｂｓ　５ｃｓ・・・は凝縮器によってカバー３に固定することが 好ましく、この固定には接着剤、はんだ、ねじなどあらゆる手段を利用すること ができる（選択された固定手段に応じて、空気と凝縮器の間に薄層があることも ないこともある）。

また、より散逸の強いモジュールでは、ポンプ脅熱抽出手段をカバー３に取り付 けることができ、この手法は、例えばカバーに密接に結合（一体化または追加） した放熱器、あるいはカバーの上表面への流体の循環から構成することができる 。

図２に、本発明による冷却システムにおいて使用することのできる低熱抵抗柔軟 金属製装置、この場合はベローズ式熱伝導管の例を断面図で示す。

熱伝導管５は、基本的には３つの金属製部分、すなわち蒸発器５１、凝縮器５２ 、および凝縮器を蒸発器に連結するベローズ５３から成る。蒸発器５１は、銅な どの金属板によって構成され、上部では円盤形を呈し、そこにベローズ５３の下 部を受けることができるくり抜き部が形成されている。この円盤の下部は、機能 中は冷却しようとする回路上に取り付けられ、完全に平面でなければならず、そ の表面状態が冷却しようとする回路の表面状態と調和しなければならない。凝縮 器５２は、この場合は蒸発器５１と同じ形状および同じ特性を有するが、ベロー ズの軸ＸＸ′に垂直な中面に関して蒸発器と対称的に対向しており、そのくり抜 き部中にベローズ５３の上部を受ける。凝縮器はカバー３に接触しており、カバ ー３に固定することが好ましい。鋳ばりを避けながらベローズ５３を蒸発器５１ と凝縮器５２のくり抜き部分に接着、はんだ付け、またはろう付けして、伝熱流 体５４を含む密閉装置を形成することができる。当業者なら、金属板の直径と厚 さ、ベローズの厚さ、および伝熱流体の組成を容易に定義することができよう。

ただし、ベローズの厚さは所望の柔軟性に適合しなければならないことに留意さ れたい。厚さが大きすぎると柔軟性が低下し、厚さが小さすぎると熱抵抗が増加 するが、熱抵抗は、適当な伝熱流体を選定するか、または冷却しようとする回路 と接触する金属板の直径を増すか、あるいはその両方によって、低下させること ができる。

さらに、熱伝導管を水平位置で使用することができるように、メツシュ５５を付 は加えることができる。メツシュ５５はこの場合、蒸発器５１に沿って位置する ことになる。このようなメツシュは細かい網目の金属製スクリーンで構成するこ とが好ましい。

図３に示す第２の実施例によれば、装置　５　ａ　ｓ　５　ｂ　１５　ｃ　ｓ・ ・・は基本的に、カバー３と接触した上部金属板５６と関連回路と接触した下部 金属板５７とから構成され、これらの金属板５６．５７は金属製ベローズ５８に よって互いに連結され、この全体に熱良導性流体５９、たとえばガリウムや水銀 など所望温度範囲で流体である金属が含まれる。上部金属板５６はさらに、流体 ５９中にその一部が浸っている（図３に示すように金属板５６によって保持され 、またはそれと一体になった）プランジャ５６ａを含む。

流体５９は、このようにして、回路２ａ１２　ｂｓ　２　ｃｓ・・・とカバー３ の高さの差によって生じ金属ベローズ５８によって許容されるプランジャ５６ａ と下部金属板５７の傾斜の差及び偏位の変動を補償し、同時に装置５　ａｓ　５ 　ｂ）　５　ｃｓ・・・の総合熱抵抗は低い値に保持される。装置５８％　５ｂ 、５ｃ、・・・それぞれの金属板５６はカバー３に固定することが好ましく、接 着剤、はんだ、ねじなどあらゆる固定手段を利用することができる（選択した固 定手段に応じて、金属板５６とカバー３の間の空気薄層があることもないことも ある）。

この簡単で効率的な冷却システムは、少なくとも数１０℃から１００℃以上まで の従来の電子機器の温度範囲で有利に機能する。

これは数１０Ｗ／ａ１程度の平均熱散逸の「複数チップ」モジュールと共に利用 することが好ましい。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成６年５月１０調

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．ほぼ平坦な複数の電子回路を上面に配置した基板を含み、熱伝導性の部分的 に平坦なカバーが、回路の熱をカバーへ伝達するために回路ならびにカバーに関 する複数の熱交換手段と協働する、複数チップモジュール用の冷却システムであ って、熱交換手段が熱抵抗の低い柔軟な金属製装置であり、一定の圧力の下で２ つの端部で回路ならびにカバーと接触する前記装置の表面が、平面であり、回路 と第１端部の間ならびにそれが存在するときはカバーと第２端部の間の空気の薄 層をも制御できるような平面性と粗面度の表面状態を有し、前記の低熱抵抗柔軟 金属製装置が、基板と各種回路の高さの差及び角度の差を補償し、かつ前記の空 気薄層の近傍の熱抵抗を最小にすることを特徴とする、冷却システム。
2. ２．低熱抵抗柔軟金属製装置がベローズ式熱伝導管であり、その蒸発器が１つの 金層板であって回路と接触する部分であり、その凝縮器が別の金属板であってカ バーと接触する部分であり、蒸発器を凝縮器と結合する本体が、金属製ベローズ を形成し、その全体が伝熱流体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の複数 チップモジュール用の冷却システム。
3. ３．各ベローズ式熱伝導管がその凝縮器を介してカバーに固定され、その全体が 固定手段を介して決定される圧力の下で基板に取り付けられることを特徴とする 、請求項２に記載の複数チップモジュール用の冷却システム。
4. ４．各ベローズ式熱伝導管がまた、その蒸発器に沿って、水平方向に使用できる メッシュを含むことを特徴とする、請求項３に記載の複数チップモジュール用の 冷却システム。
5. ５．メッシュが細かい網目の金属製スクリーンから構成されることを特徴とする 、請求項４に記載の複数チップモジュール用の冷却システム。
6. ６．低熱抵抗柔軟金属製装置が基本的に、カバーと接触する上部金属板と回路と 接触する下部金属板とから構成され、これらの両金属板が金属製ベローズによっ て互いに連結され、この全体が熱良導性流体を含み、上部金属板がさらに、流体 中にその一部分が浸っているプランジャを含み、この流体がまた、回路とキャッ プの高さの差によって生ずるプランジャと下部金属板の傾斜の差及び偏位の変動 を補償することを特徴とする、請求項１に記載の複数チップモジュール用の冷却 システム。
7. ７．低熱抵抗柔軟金属製装置のそれぞれの上部金属板がカバーに固定され、その 全体が固定手段によって決定される圧力の下で基板に取り付けられることを特徴 とする、請求項６に記載の複数チップモジュール用の冷却システム。
8. ８．請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却システムを有する複数チップモ ジュール。
9. ９．請求項８に記載の複数チップモジュールを少なくとも１つ有する装置、機械 及びコンピュータ。