JPH07142657A - 半導体チップ冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

半導体チップ冷却装置及び冷却方法

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JPH07142657A
JPH07142657A JP6165860A JP16586094A JPH07142657A JP H07142657 A JPH07142657 A JP H07142657A JP 6165860 A JP6165860 A JP 6165860A JP 16586094 A JP16586094 A JP 16586094A JP H07142657 A JPH07142657 A JP H07142657A
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chip
cooling liquid
cooling
module
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Mike C Loo
マイク・チュ−キット・ルー
Marlin R Vogel
マーリン・アール・ヴォーゲル
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Sun Microsystems Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体チップの液体冷却モジュールを得るこ
とにある。 【構成】 モジュール各々は、少なくとも１つのチップ
を含む複数の基板を含む。基板は、モジュールを通って
流れる冷却液がチップの上面と下面に触れるように配列
される。基板相互の間ではガスケットを使用する。ガス
ケットは、液体を通さず、従って、冷却液を案内し且つ
モジュールを液密の状態にするＺ軸弾性材料から製造さ
れる。材料は、Ｚ方向には導通するが、Ｘ又はＹ方向に
は導通しないので、異なる基板レベルにあるチップの間
の電気的通信を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップ冷却の分
野に関し、特に、マルチチップ液体冷却モジュール及び
マルチチップ液体冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】高電力用半導体チップの中には、きわめ
て高い温度で動作するために、液体冷却を必要とするも
のがある。現在の冷却技術は、一般に、チップパッケー
ジをプリント回路基板に装着して、チップパッケージの
上面に冷却液を循環させている。別の技法によれば、回
路基板に形成された穴の上にチップパッケージを装着す
る。次に、冷却液をその穴を通してパッケージの下面の
下方へと循環させる。それら２つの技法では、冷却液は
パッケージの片方の面と接触しつつ流れることによっ
て、チップから熱を取出す。
【０００３】従来の冷却技法には、いくつかの欠点と限
界がある。冷却剤にさらされるのはチップの片方の面だ
けであるので、チップから取除かれる熱の量は限定され
てしまう。冷却する必要のある基板上のチップを、各々
別個に基板に装着しなければならない。そのために、基
板上の広いスペースが費やされることになり、基板をレ
イアウトする作業は難しくなる。最後に、基板を再加工
する（すなわち、基板上の欠陥のあるチップを交換す
る）作業に、問題が生じる。欠陥のあるチップを交換す
るときには、チップを装着するために使用されたはんだ
を溶融し、チップを取外し、新たなチップを再びはんだ
付けできるように基板を準備することが必要である。そ
れらの作業は、全て、密集した回路基板では困難であ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体チッ
プを効率よく冷却することができる冷却モジュールを提
供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】モジュールは冷却液を受
入れる第１のプレートと、冷却液を分配する第２のプレ
ートとを含む。第１のプレートと第２のプレートとの間
には、複数の基板を積重ねて設けている。各々の基板に
はチップパッケージが、チップパッケージの上面と下面
の大部分が露出するように設けられる。モジュールは、
各々の基板の間にガスケットをさらに含む。ガスケット
は、モジュールを液密の状態にし且つ冷却液の流れをモ
ジュールの中に限定し、方向付けるためのシーラントと
して使用される。ガスケットを形成するためにＺ軸弾性
材料を使用しても良く、この材料は様々な基板レベルに
あるチップの間で電気信号を導通する働きもする。第１
のプレートと第２のプレートを複数のねじとボルトによ
って一体にクランプすることにより、液密モジュールを
形成する。モジュール内へ導入されたとき、冷却液は各
基板の上下の面に沿って流れ落ちる。このようにして、
冷却液はモジュール中の各々のチップの上面と下面に接
触してゆき、モジュールに収納されているチップを冷却
する。
【０００６】
【発明の効果】本発明の冷却モジュールは数多くの利点
を提供する。チップの上面と下面の双方が冷却液にさら
されるので、本発明は従来の冷却技法と比べて、動作温
度を低下させる上でより有効である。たとえば、１つ又
は複数のマイクロプロセッサ，メモリ管理チップ及びキ
ャッシュメモリチップなどの、コンピュータにおいて冷
却を必要とする全てのチップを単一のモジュールに収納
することができる。モジュールの中のチップは垂直方向
に積重ねられているので、回路基板の貴重なスペースの
節約になると共に、基板レイアウトの作業は簡易化され
る。最後に、欠陥のあるチップを含む基板を新たなチッ
プを含む別の基板と容易に交換することができる。従っ
て、基板再加工の作業は大幅に簡略化される。本発明の
装置及び方法の目的、特徴及び利点は以下の説明から明
らかになるであろう。
【０００７】
【実施例】図１，２を参照する。図２は図１と一体のも
のを表すもので、図１のものが上でその下に図２のもの
が連結される構造である。本発明の一実施例によるマル
チチップ液体冷却モジュールが示されている。モジュー
ル１０は冷却液を受入れる流入口１４を有する第１の
（上部）プレート１２と、冷却液を排出する流出口１８
を有する第２の（下部）プレート１６とを含む。複数の
基板２０（ａ〜ｃ）は上部プレート１２と下部プレート
１６との間に互いに重なり合うように配置されている。
上部プレート１２と、各々の基板２０（ａ〜ｃ）と、下
部プレート１６との間に、それぞれガスケット２２（ａ
〜ｄ）が設けられている。複数本の電気リード線２４
は、基板２０ａの外周部からモジュールハウジングの外
側へ出ている。リード線２４はモジュール中のチップを
外部電気素子に電気的に結合するために使用される。モ
ジュール１０は複数個のねじ２６とボルト２８により一
体に保持されている。それらのねじは上部プレート１２
と、基板２０（ａ〜ｃ）と、ガスケット２２（ａ〜ｄ）
と、下部プレート１６とを貫通する。ねじとボルトの締
付けによって一体にクランプすると、モジュール１０は
液密の状態になる。
【０００８】各々の基板２０は上面３０と、下面３２
と、基板を貫通して形成された開放領域、すなわち、穴
３４とを含む。穴３４に設けられている装着領域３６
は、半導体チップパッケージを装着するために使用され
る。（尚、図面を明瞭にするために、モジュール内に収
納すべきチップパッケージと、各基板に存在する様々な
電気的機能とは図１及び図２に示されていないが、それ
らについては後に詳細に説明する。）
【０００９】各基板２０の下面３２にはコンジット３８
が形成されている。このコンジット３８は冷却液の流れ
の方向を制御するための管路として作用する。コンジッ
ト３８が基板２０の穴３４と装着領域３６を取囲んでい
ることに注目するのは有用である。基板２０は２つの冷
却液流通穴４０を含む。冷却液流通穴４０によって、冷
却液は上面３０から流入して、基板２０の下面３２にあ
るコンジット３８に至る。
【００１０】ガスケット２２は基板２０と同じ長さ、同
じ幅を有する。ガスケット２２の中心には開放領域４２
がある。図１に最も明瞭に示すように、モジュール１０
をクランプしたとき、流入口１４と、開放領域４２と、
穴３４と、装着領域３６と、基板２０ａの２つの冷却液
流通穴４０とは上に重なるガスケット２２ａの開放領域
４２の周辺部の中に取込まれることになる。また、図２
に最も明確に示す通り、ガスケット２２ｂ〜２２ｄの開
放領域４２は、各々の基板２０ａ〜２０ｃの下面３２に
あるコンジット３８の寸法に整合するような大きさであ
る。ガスケット２２は液体を通さない任意の材料から製
造されていれば良い。好ましい一実施例では、ガスケッ
トの厚さは約０．０３〜０．０３５インチである。
【００１１】本発明の一実施例においては、ガスケット
はＺ軸弾性材料から製造されている。この材料は冷却剤
を通さず、従って、基板２０（ａ〜ｃ）とプレート１４
及び１６との間のシーラントとして有用であるために望
ましい。Ｚ軸材料はＺ軸に電気を導通する独特の能力を
も有するが、Ｘ方向とＹ方向には絶縁体として作用す
る。
【００１２】図３及び図４を参照する。これも同様に図
３と図４とで一つのものを表している。本発明の別の実
施例が示されている。図３，４に示す冷却モジュール１
０は、ガスケット２２（ａ〜ｄ）が変形されている点を
除いて、図１，２のモジュールと同一である。各々のガ
スケット２２は、そのガスケットの開放領域４２の中へ
延出するフラップ４４を含む。モジュールをクランプし
たとき、フラップ４４は冷却液の流れを基板２０の穴領
域４２へ方向付け且つ制限しようとする。従って、冷却
液はより高い濃度でチップ表面上を流通することにな
る。
【００１３】図５Ａを参照すると、基板２０の上面３０
の平面図が示されている。基板は、領域３６（図示せ
ず）に装着され且つ穴３４の中に収容されるテープ自動
化接合（ＴＡＢ）チップパッケージ５０を含む。ＴＡＢ
チップパッケージ５０は、チップパッケージから外方へ
延び出す複数本のリード線５２を含む。各々のリード線
５２は基板の上面にある複数の接合パッド５４の中の１
つに接合している。各接合パッド５４は複数の接点５６
の中の１つにトレース接続線５８を介して結合してい
る。各々のリード線２４も複数の接点５６の中の選択さ
れた１つの接点にトレース相互接続線６０を介して電気
的に結合している。トレース接続線５８及び６０は基板
２０ａの上面３０に形成されても良く、あるいは、基板
の厚みの中の、基板の上面３０と下面３２との間に形成
されても良いであろう。
【００１４】図面を明瞭にするために、図示してあるＴ
ＡＢパッケージリード線５２，接合パッド５４，接点５
６，トレース５８及び６０、並びにリード線２４の数は
大幅に少なくなっている。実際の実施例では、ＴＡＢパ
ッケージは５００本を越えるリード線５２を含むことも
あり、従って、基板には多数の接合パッド５４とトレー
ス接続線５８も設ける必要がある。また、基板２０に設
けられる接点５６とリード線２４の数はＴＡＢパッケー
ジ５０のリード線５２の数より多くても良いことにも注
意すべきである。それらの追加の接点５６とリード線２
４は異なるレベルの基板にあるチップ間の電気的通信及
び外部素子との電気的通信のために使用される。
【００１５】図５Ｂを参照すると、基板２０ａの下面３
２が示されている。この図は、基板の穴３４を通して露
出しているＴＡＢパッケージ５０の下面を示す。接点５
６は基板の厚さを貫通して、基板の底面に現れている。
【００１６】基板２０（ａ〜ｃ）のＺ軸材料と接点５６
は、モジュール中のチップの間の電気的通信を容易にす
る。中間基板レベル２０ｂの接点５６ｂは上部基板２０
ａと下部基板２０ｃの接点５６ａとそれぞれ整列してい
る。そのため、基板レベル間でＺ軸材料を介して電気信
号を伝送することができる。たとえば、基板２０ａ上の
ＴＡＢパッケージ５０ａの中のチップは下部基板２０ｃ
にあるチップと基板２０ａの接点５６，Ｚ軸ガスケット
２２ｂ，基板２０ｂの整列している接点５６，Ｚ軸ガス
ケット２２ｃ，最後には基板２０ｃの接点５６を介して
通信しうるであろう。モジュール１０中のチップと、外
部素子との間でも同様にして電気的通信を成立させるこ
とができる。たとえば、基板２０ｂのチップは基板２０
ｂにある接点５６と、Ｚ軸ガスケット２２ｂと、基板２
０ａのリード線２４に結合する整列した接点５６とを介
して通信しうるであろう。
【００１７】図６を参照すると、本発明の別の実施例が
示されている。この第２の実施例は先に説明した冷却モ
ジュール１０の変形であって、冷却を必要としない追加
のチップを支持する能力を有する。この第２の冷却モジ
ュール６０は上部プレート１２と、上部基板２０ａと、
上部ガスケット２２ａとの変形を要求している。基板２
０ｂ及び２０ｃ，ガスケット２２ｂ〜２２ｄ並びに下部
プレート１６を含む他の全ての要素は先に説明したもの
と同一であるので、この図には示されていない。先に説
明した要素と同じである要素には同じ図中符号を付して
指示してある。
【００１８】上部プレート１２はプレートに穴６２を形
成することによって変形されている。基板２０ａの変形
は、平坦な上面３０に穴３４を設けないというものであ
る。冷却液流通穴４０もなく、その代わりに、上部プレ
ート１２の流入口１４と整列する単一の穴６４を設けて
いる。基板の下面３２にあるコンジット３８は変形なく
そのままである。（尚、図面を明瞭にするために、基板
２０ａの上面の接点５６とトレース５８は示されていな
い。）変形ガスケット２２ａは上部プレート１２の穴６
２の大きさに整合する切欠き領域６６と、流入口１４と
基板２０ａの穴６４との間で整列された穴６８とを含
む。従って、モジュールを一体にクランプしたときに
は、冷却液は基板２０ａの上面３０ａを迂回して、基板
２０ａの下面３２ａにあるコンジット３８ａに直接に流
入する。上部プレート１２を通して露出している上面３
２の部分には、冷却を必要としないＤＲＡＭなどのチッ
プ６９を配置すれば良い。チップ６９は基板上に装着さ
れ、各々のリード線は基板上の複数の接点５６（図示せ
ず）の中の選択された１つに結合している。
【００１９】図７を参照すると、本発明によるチップ冷
却システムが示されている。冷却システム７０はマルチ
チップ冷却モジュール６０と、冷却液を循環させるポン
プ７２と、熱交換アセンブリ７４とを含む。ねじ８０は
モジュール６０をプリント回路基板８２にクランプす
る。基板２０ａから出たリード線２４はモジュールの中
のチップを回路基板上の外部素子（図示せず）に電気的
に結合する。同様のチップ冷却システムでチップ冷却モ
ジュール１０を使用することも可能であろう。
【００２０】動作中、ポンプは上部プレート１２の注入
口１４を通して冷却液をモジュール６０の中に導入す
る。冷却液はモジュールを通って流れ落ちて、その内部
に収納されているチップを冷却する。熱した冷却液は下
部プレート１６の流出口１８を経てモジュール６０から
出る。熱した冷却液は熱交換アセンブリに流入し、そこ
で冷却される。次に、冷却液は流入口１４を通してモジ
ュール１０の中へポンプ作用の下に戻される。
【００２１】モジュール６０を横断面図で示すことは、
モジュール６０の動作を例示する上で有用である。図中
の矢印はモジュール内部における冷却液の流れの方向を
示す。上部プレートの流入口１４を通して冷却液をモジ
ュール６０の中に導入すると、冷却液はガスケット２２
ａの穴６８と、基板２０ａの穴６４とを通過し、基板２
０ａのコンジット領域３８に入る。冷却液は基板２０ｂ
のチップパッケージ５０ｂの上面の上を流れる。次に、
冷却液は流通穴４０を通過して、基板２０ｂのコンジッ
ト３８に流入することにより、チップパッケージ５０ｂ
の下面と、基板２０ｃのチップパッケージ５０ｃの上面
とを冷却する。冷却液は、先に説明したのと同様にし
て、基板２０ｃを通過し、チップパッケージ５０ｃの下
面を冷却する。このように、冷却液はモジュールを通っ
て基板から基板へと順次流れてゆくのである。冷却液は
最後に下部プレート１６の流出口１８からモジュールを
出る。各々の基板２０のレベルで、チップパッケージの
上面と下面から熱を取除き、それにより、チップパッケ
ージに含まれているチップを冷却する。
【００２２】図１に示す特定の実施例においては、チッ
プパッケージ５０はテープ自動化接合（ＴＡＢ）パッケ
ージである。リード線なしチップキャリア、さらには、
パッケージなし半導体ダイなどの別の種類のチップパッ
ケージを使用することは当業者には自明であろう。
【００２３】冷却剤は電気的に導通せず、耐腐食性であ
り且つすぐれた熱伝達特性を有する液体又は気体のいず
れであっても良い。本発明の一実施例では、冷却剤とし
てポリアルファオレフィンを使用する。本発明の様々な
実施例においては、装着領域３６は、窒化アルミニウム
又は銅−タングステンなどのチップパッケージ装着特性
にすぐれた、熱伝導率の高い材料から形成されている。
装着領域３６の下面は波形になっていても良い。表面を
波形にすると、冷却液にさらされる表面積の総量が増
し、従って、熱伝達特性が良くなる。
【００２４】本発明を添付の図面に示した実施例に関連
して説明したが、他の代替構成、実施例及び、変更は当
業者には明白であろう。明細書は単なる例示であり、本
発明の真の趣旨は特許請求の範囲によって指示されるも
のとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例によるマルチチップ冷却モ
ジュールの斜視図。
【図２】 本発明の一実施例によるマルチチップ冷却モ
ジュールの斜視図。
【図３】 本発明の別の実施例によるマルチチップ冷却
モジュールの斜視図。
【図４】 本発明の別の実施例によるマルチチップ冷却
モジュールの斜視図。
【図５】 本発明の冷却モジュールで使用される基板の
平面図と下面図。
【図６】 本発明の別の実施例によるチップ冷却モジュ
ールを示す図。
【図７】 本発明によるチップ冷却システムを示す図。
【符号の説明】
１０…マルチチップ液体冷却モジュール、１２…上部プ
レート、１４…流入口、１６…下部プレート、１８…流
出口、２０ａ〜２０ｃ…基板、２２ａ〜２２ｄ…ガスケ
ット、３４…穴、３８，３８ａ…コンジット、４０…冷
却液流通口、４２…開放領域、５０…チップパッケー
ジ、６０…第２のチップ冷却システム、６４…穴、６６
…切欠き領域、６８…穴、６９…チップ、７０…チップ
冷却システム、７２…ポンプ、７４…熱交換アセンブ
リ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーリン・アール・ヴォーゲル アメリカ合衆国 94539 カリフォルニア 州・フレモント・ポウニー ドライブ・ 45150

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チップを支持する部材と；その部材の上
    に配置されたチップとを具備し、冷却液がチップの上面
    と下面とを経て循環してチップの上面と下面から熱を取
    除く半導体チップ冷却装置。
  2. 【請求項２】 冷却されない素子を保持する第２の部材
    をさらに具備する請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 熱交換器とチップとの間で冷却液を循環
    させる循環器をさらに具備する請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 基板上にチップの上面と下面を露出させ
    る過程と；基板上のチップの露出された上面と下面とを
    経て冷却液を循環させる過程とから成る半導体チップを
    冷却する方法。
  5. 【請求項５】 第１の基板に隣接する第２の基板の上に
    第２のチップを設ける過程と；第２のチップの露出され
    た上面と下面とを経て冷却液を循環させる過程とをさら
    に含む請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 冷却液を受入れる第１のプレートを設け
    る過程と；冷却液を分配する第２のプレートを設ける過
    程と；第１のプレートと第２のプレートとの間に基板を
    配置することにより冷却モジュールを形成する過程とを
    さらに含む請求項４記載の方法。
  7. 【請求項７】 冷却液を受入れる第１のプレートと；冷
    却液を分配する第２のプレートと；第１のプレートと第
    ２のプレートとの間に配置されたチップを各々支持する
    １つ又は複数の基板とを具備する半導体チップの冷却モ
    ジュール。
JP6165860A 1993-07-06 1994-06-27 半導体チップ冷却装置及び冷却方法 Pending JPH07142657A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US087,950 1987-08-21
US08/087,950 US5380956A (en) 1993-07-06 1993-07-06 Multi-chip cooling module and method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH07142657A true JPH07142657A (ja) 1995-06-02

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ID=22208239

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6165860A Pending JPH07142657A (ja) 1993-07-06 1994-06-27 半導体チップ冷却装置及び冷却方法

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US (1) US5380956A (ja)
JP (1) JPH07142657A (ja)
KR (1) KR950004509A (ja)

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