JPH0715964B2 - コンパクト３次元電子装置の冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷却装置に関し、更に
詳しくは、コンパクト３次元電子および計算装置に適用
される効率の高い冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子装置、特にコンピュータは、
計算能力が益々パワフルになると同時に、物理的にも小
さくなってきている。代表的には、パワフル・コンピュ
ータは多量のデータを効率的に処理し、また数値計算を
強力に行なうため多くの高速プロセッサおよびメモリ・
チップを有している。高速プロセッサおよびメモリ・チ
ップは、意図した通りに動作するにはかなりの電流を必
要とする。高電流チップは、チップが動作する際かなり
の熱を発生するという特性がある。したがって、チップ
を正しく作用させかつコンピュータの物理的保全性を損
なわないようにするため、この熱をコンピュータから除
去しなければならない。

【０００３】３〜５ワットの低電力チップにおいては、
回路素子およびモジュール上に周囲の空気を通過させる
強制空気対流冷却方法が有効的である。多くの場合、チ
ップまたは回路板の底に銅またはアルミニウムのような
性質を持つヒートシンクを取付けて、チップから熱を除
去し、その後、対流する空気流に熱を移している。な
お、対流式で冷却されるコンパクト・コンピュータ・ア
レンジメントの例としては、１９９０年７月１３日に出
願された米国特許願第０７／５５３，５２１号、発明の
名称「コンピュータ・システム等の３次元実装アレンジ
メント」がある。

【０００４】一方、大電力、たとえば５０〜１００ワッ
トを消費するチップの場合、閉または開ループ式液体冷
却装置がよく知られ、また頻繁に使用されている。この
冷却装置では、回路素子間に作動流体を通過させ、その
後、離れた熱変換器に流体を循環させ、ここで吸収した
熱を取り除き、さらに流体を再循環させてコンピュータ
の回路モジュールに戻すようにしている。大電力コンパ
クト・コンピュータ・システムの液体冷却に関する技術
は、たとえば１９９０年７月１５日に出願された米国特
許願第０７／５５３，５４１号、発明の名称「電子回路
のコンパクト・アレイを冷却する装置」、および発明者
ダビドソンによる米国特許第５，０５３，８５６号、発
明の名称「冷却装置を用いている電子回路のコンパクト
・アレイに電気的導管を供給する装置」に開示されてい
る。さらに、発明者ラピンスキーによる米国特許第５，
００５，６４０号には、１°Ｃ以内の等温性の表面温度
を生じる薄い多通路液体冷却装置が示されている。しか
し、ここに示された装置では、各クーラを冷却するため
通路を通って冷却液を再循環させており、液体の再循環
がさらに複雑になるのを防ぐためのモジュラ密閉作動流
体ヒートパイプは使用していない。さらに、発明者サト
リナによる米国特許第４，６３１，５７３号には、高い
熱効率の液体冷却ヒートシンクの積重ね挿入構造が示さ
れている。この特許は、積重ねられた電気的素子、たと
えばパワ・トランジスタを冷却するのに主に使用され、
ここではこのような素子を異なる電位で動作できるよう
にする一方、積重ねられた素子の間では電気的に絶縁し
ている。しかし、この装置は、外部の再循環設備に頼っ
ており、取り外し可能な冷却／電気的モジュールを含ん
ではいない。このように、非常に高電力のコンピュータ
・チップでは、再循環液体冷却や極低温冷却が、コンピ
ュータから熱を除去する唯一の有効的な方法となってい
る。

【０００５】５〜５０ワットの中電力のコンピュータで
は、容積が大きくしかも複雑な液体冷却を必要としない
冷却方法を用いることが適当で、むしろ望ましい。中熱
量を除去する従来の方法においては、熱を発生する回路
素子に、ヒートシンクの熱質量を増すための密閉した液
体を含んでいるヒートシンクを取付けていた。最近で
は、高い蒸気圧の液体を薄肉熱伝導性部材に密閉したヒ
ートパイプが開発されている。ヒートパイプ部材の一方
の面は、熱発生素子例えば回路素子に接触している面か
ら熱を除去し、密閉された作動流体に移す。作動流体は
局所的に沸騰し、蒸気が加熱領域からヒートパイプの通
路を通ってヒートパイプの冷却領域に急速に移動する。
設けられたウィックの毛管作用により、凝縮された作動
流体は加熱領域に戻される。ヒートパイプの基本的な特
性は、特定の熱発生部材に接触しているヒートパイプの
全外面を、合理的な電力密度に対して１°Ｃ以内の等温
性を保持できることである。ディバイスの接合温度を比
較的狭い温度範囲内に保持しなければならず、また１つ
の回路モジュールにおけるチップ間の温度差があまり大
きく変化してはならない半導体計装または電子計算機器
にとって、ヒートパイプの等温特性は特に重要である。

【０００６】これまでも、コンピュータおよび電子装置
を冷却するのにヒートパイプが使用されてきたが、従来
の冷却方法または装置には、非常にコンパクトな汎用コ
ンピュータ・システム、たとえば４×４×１インチの大
きさで、０．１インチしか回路板が離れていないコンピ
ュータの有効的にアドレスされる冷却要件を有している
ものはなかった。３次元積重ね電子装置は、軍用電子機
器の用途に向けて開発されてきた。たとえば、コンパク
トな空間内で遠隔的にまたは独立的に操作しなければな
らない戦闘計器装置または計算装置では、複数の回路板
またはモジュールを相互に積重ね、高い熱容量と融解熱
を有する材料でそれを分離していた。たとえば、ミサイ
ル誘導コンピュータにおいては、代表的には、溶融に２
５０ジュール／グラムのエネルギを要し、したがって変
形および溶融が始まる前にかなりの量の熱を吸収するパ
ラフィンで複数の電子モジュールを覆っていた。しか
し、このようなパラフィンでパックされたコンピュータ
・システムの寿命は非常に短く、軍用装置では５分未満
である。寿命が制限されたコンピュータは、衝撃により
破壊されるミサイル誘導システムには適しているが、５
分という寿命では、工業的または商業的用途においてほ
とんど役に立たない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、液体
冷却装置や相互接続部材を必要とすることなく、中電力
のチップを含んでいる複数のチップ電子回路モジュール
のコンパクト・アセンブリを効率的に冷却する方法およ
び装置を提供することである。また、本発明の他の目的
は、統合されたヒートパイプ／電子回路モジュールを、
特定の電子装置の論理構成に適した順序で垂直に積重ね
ることができ、さらにユーザの都合に応じて、積重ねら
れたスタックの上部または底部から熱を除去することが
できるコンパクト電子装置の冷却装置を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は中程度のヒート
・フラックスを発生する３次元電子実装に使用される統
合ヒートパイプ／電子回路モジュールを積重ねる方法お
よび装置を提供する。薄く平坦で方形のヒートパイプ部
材は、周知のヒートパイプ技術に基いて構成される。各
中空のヒートパイプ部材の内面には熱ウィックが設けら
れ、高い蒸気圧の作動流体がヒートパイプに導入され、
その後、ヒートパイプは排気されて密閉される。各ヒー
トパイプ部材の上部を形成する外面は、複数の離散およ
び集積回路素子を内蔵した一体に埋込まれた回路モジュ
ールを収容するよう窪みがつけられている。ヒートパイ
プ部材は、そこに埋込まれた回路モジュールよりある次
元において長く、過剰な長さは回路モジュールの両側面
に等しく分配されている。ヒートパイプの過剰な長さ部
分は、回路モジュールのすぐ下のヒートパイプの領域よ
り厚い。この厚さにより、複数のヒートパイプ冷却部材
を互いの上に垂直に積重ねることができ、厚めの部分の
上面および底面はそれぞれすぐ前のおよびすぐ後のヒー
トパイプ部材の上面および底面に接触している。

【０００９】各ヒートパイプ部材の残りの対向するエッ
ジは、埋込まれた回路モジュールよりも寸法的に短く、
回路モジュールの各エッジはヒートパイプの横側エッジ
から等しく突き出ている。回路モジュールの突き出てい
る部分は、エリヤ・アレイ・コネクタと同様じように配
置され、回路モジュールは、各エリヤ・アレイ・コネク
タ間に挿入された積重ねコネクタを介してすぐ前のおよ
びすぐ後のモジュールと電気的に接触している。積重ね
電気的統合ヒートパイプ／回路素子により、中間的熱除
去要件を有する複雑でコンパクトな電子装置（たとえば
コンピュータ・システム）等は、特殊な装置を必要とす
ることなく、または液体冷却接続部材を取り外すことな
く、電子装置の論理構造に適した順序で現地組立ておよ
び分解が可能である。

【００１０】

【実施例】本発明は、中間出力密度の３次元電子実装に
おいて使用される統合ヒートパイプ／電子回路モジュー
ルを積重ねる方法および装置を開示している。本実施例
の詳細な説明における特定の数値、電力密度、熱伝達係
数等は、本発明の理解を助けるためのものであって、本
発明はこれら特定の記載に限定されないことは当業者に
は明白であろう。また、周知のディバイスは、本発明を
不明瞭にしないようブロックで示している。

【００１１】図１は、２つのヒートパイプ／電子回路モ
ジュールの概要図である。図１において、ヒートパイプ
１０は、電子回路モジュール１５を収容するのに適した
大きさの凹部領域１１をそれぞれ有している。ヒートパ
イプ１０は、周知のヒートパイプ製造方法のいずれかに
より構成される。本発明の実施例では、ヒートパイプ１
０は、凹部領域１１を備えた外面に対応するヒートパイ
プ１０の内面に設けられた熱ウィック（図示せず）を有
する、薄い方形の中空薄肉ボディである。熱ウィック
は、焼結されているか、溶射されているか、またはそう
でなければ一般的に知られているようにヒートパイプ１
０の内面に被着されている。たとえば、水のような不活
性作動流体がヒートパイプ１０に導入され、その後、ヒ
ートパイプ１０は排気され、気密シールされる。このよ
うに作られたヒートパイプ１０は、ほとんど等温の外部
温度を保つことができる。なぜならば、ヒートパイプ１
０内に含まれた作動流体は、普通の室温でもその沸点に
非常に近いからである。熱がヒートパイプ１０に、たと
え局所的にでも与えられる時には、ヒートパイプ１０内
に含まれている作動流体は沸騰し、作動流体は局所的に
気相に変換される。その後、気相の作動流体分子は、毛
管作用により小さい内部通路（図示せず）を通って加熱
領域から急速に流出し、局所的な加熱部分から離れた冷
却面において凝縮する。それにより、加熱領域から冷却
領域に熱エネルギは伝達される。したがって、局所的な
加熱現象、たとえばヒートパイプのわずかな部分に接触
している集積回路から発生された熱は、ヒートパイプ部
材により急速にしかも効率的に分散され、その後、熱
は、さらに伝導または対流により除去される。ヒートパ
イプおよび熱伝達技術に関する詳細は、パーガモン（１
９８２年）におけるダンおよびリーによるヒートパイプ
に示されている。

【００１２】図１に示すように、各ヒートパイプ部材１
０は、離散または集積された電子回路素子１６が装着さ
れている基板から形成された電子回路モジュール１５を
ぴったりと収容するように水平な２つの次元において窪
んでいる。電子回路モジュール１５の基板部分は、適切
な回路基板材料から出来ている。しかし、本実施例で
は、回路モジュールに発生された出力密度が中程度に高
い場合を想定しているので、電子回路モジュール１５
は、代表的には酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウ
ムのセラミックで出来ている。電子回路モジュール１５
に適当な数の電子回路素子１６が接着または取付けら
れ、その後、基板に設けられた導電性トレース（図示せ
ず）を介して他の電子回路素子（図示せず）と相互接続
される。本実施例では、電子回路モジュール１５は、代
表的には、他の同様のモジュールが加えられた場合、共
にオペレーショナル・コンピュータまたは他の全機能電
子装置を構成するようなメモリ拡張モジュールまたはプ
ロセッサ・モジュールである。電子回路モジュール１５
の対向するエッジ領域には、周知の方法で小さいメッシ
ュの電気グリッド（たとえば、0.040 インチ× 0.040イ
ンチ）の金属接点１７ａが数多く形成されたエリヤ・ア
レイ・コネクタ１７が設けられている。この接点を介し
て、電気信号が電子回路モジュール１５にまたはモジュ
ールから送られる。電気グリッドとして接点１７ａを使
用することにより、１，０００信号／エッジを超える非
常に高密度のエリヤ・アレイ・コネクタ１７を、電子回
路モジュール１５上に形成することができる。なお、裏
面に結合されたエッジ・コネクタを含む他の電気接点構
造も可能である。

【００１３】電気回路モジュール１５は、凹部領域１１
内でヒートパイプ１０に密着して接合される。取付け方
法には、接着剤の使用を含む、金属製の冷却部材にセラ
ミックを接合するいくつかの周知の方法がある。取付け
手段には、取付け機構により優れた熱伝達特性をサポー
トしなければならないという制約がある。したがって、
接着剤は熱伝導性のものでなければならず、ひだつけ方
法は電子回路モジュール１５からヒートパイプ１０に十
分な熱伝導面および伝導路を与えるものでなければなら
ない。電子回路モジュール１５をそのすぐ前のおよびす
ぐ後の電子回路モジュールと相互結合するため、電子回
路モジュール１５とその前後の回路モジュールのエリヤ
・アレイ・コネクタ１７の間に、スタッキング・コネク
タ２０が挿入されている。スタッキング・コネクタ２０
は、エリヤ・アレイ・コネクタ１７に対応するエリヤ・
アレイ・コネクタ１８を含み、電子回路モジュール１５
により発生されたおよびモジュールに送られる全電気信
号をそれぞれ保存するように構成されている。スタッキ
ング・コネクタ２０の市販されているものとしては、シ
ンクおよびオーガット製のコネクタがある。

【００１４】図２において、電子回路モジュール１５を
ヒートパイプ１０に接着しかつスタッキング・コネクタ
２０をエリヤ・アレイ・コネクタ１７上に配置すること
により、ヒートパイプ１０、電子回路モジュール１５、
スタッキング・コネクタ２０が組み合わされて、ヒート
パイプ／電子モジュール３０が形成される。ヒートパイ
プ／電子モジュール３０は、基本的には無限に積重ねる
ことができる。次々と積重ねられたヒートパイプ／電子
モジュール３０の間にきわめて良好な熱境界面を得るた
め、ヒートパイプ１０に嵌め込まれた電子回路モジュー
ル１５を越えて延びたヒートパイプの両側に延びた面１
２に、適当な熱伝達材料が設けられる。良好な熱境界面
を得る方法には、熱伝導性のグリースを塗布するか、ヒ
ートパイプ１０の面１２を光学平面度にラップ仕上げす
るか、または次々と積重ねられたヒートパイプ／電子モ
ジュール３０の間に薄い窒化ほう素入りのエラストマ・
シートを挿入する方法がある。その後、積重ねられたヒ
ートパイプ／電子モジュール３０は、締付けられるか、
そうでなければ図５に関して後述するように、機械的お
よび電気的に接触するよう圧迫される。ここで重要な事
は、電子回路モジュール１５の両サイドに対する横方向
に延びた面１２の寸法により、積重ねられた電子装置の
熱インピーダンスが決まることである。さらに、端部の
各境界面における熱インピーダンスを制御することによ
り、組立てられた電子装置またはコンピュータに垂直方
向に存在する熱勾配をどのような目標値にも制御でき
る。すなわち、組立てられたスタックの各熱境界面は、
表面積、温度、低い電力密度の関数である熱損失をこう
むるので、たとえば、電子装置がＸワット／ｃｍ2 を発
生する場合、ヒートパイプ／電子モジュール３０間の熱
勾配は、ヒートパイプ１０の横方向面１２の表面積が倍
になると半減する。

【００１５】図３は、２つの積重ねられたヒートパイプ
／電子モジュール３０の右側側面図である。本発明の目
的に必ずしも必要ではないが、各ヒートパイプ／電子回
路モジュール３０は、「キー締め（ｋｅｙｉｎｇ）」装
置と嵌合しているか、またはこの装置を備えていること
が望ましい。図４に示すように、ヒートパイプ／電子モ
ジュール３０は、ヒートパイプ／電子モジュール３０を
電子装置またはコンピュータにたった１つの手段で取付
けることができる簡単なディバイスとともに示されてい
る。すなわち、図４に示された「キー締め」装置４０
は、ヒートパイプ／電子モジュール３０を、全電子装置
内の他のヒートパイプ／電子モジュール３０に関して適
切に配列することができる。これは、特定の電子回路モ
ジュール１５がメモリボードから成り、それに対して他
の電子回路モジュール１５がプロセッサ・ボード、Ｉ／
Ｏボード、図形ボード等から成っている機能コンピュー
タ・システムを形成する場合において基本的に有効であ
る。メモリ・ボードの場合、コンピュータ・メモリを形
成している隣接する電子回路モジュール１５間の最も短
いデータ経路で隣接メモリ・ブロックを形成するため
に、連続的なメモリ・ボードが相互に通信しかつ互いに
それら自身識別できることが望ましい。したがって、本
発明の目的で使用される「キー締め」装置４０は、積重
ねられたシステムに関する特定のヒートパイプ／電子モ
ジュール３０の適切な物理的オリエンテーションを保持
するだけでなく、前述したシステム内でモジュール３０
のシーケンシャル・オーダリングを保持する装置を内蔵
していることが望ましい。

【００１６】ヒートパイプ／電子モジュール３０は、前
述した特許願第０７／５５３，４３９号、発明の名称
「コンピュータ・システムの３次元実装構造にアドレス
を供給する装置」の特性、すなわち、アドレシング構成
によりスタック内の同じモジュールを識別し、それによ
り、積重ねられたコンピュータ・システム内のヒートパ
イプ／電子モジュール３０の独特のオーダリングを保持
するという特性をさらに内蔵している。積重ねられたコ
ンピュータ・システムにおける連続モジュール３０は、
基本的には、前述した特許に述べられているアドレシン
グ構成にしたがってそれら自身整合し、かつ配列してい
る。したがって、コンピュータ・システムまたは他の電
子装置は、特定のモジュールがすぐ前のまたはすぐ後の
モジュールとそれら自身識別し、かつ必要に応じて適切
なアドレス空間を要求するかまたは割当られる「スマー
トな」ヒートパイプ／電子モジュール３０から形成され
る。

【００１７】図５に示すように、特定のシステムの要件
にしたがって必要な数のヒートパイプ／電子モジュール
３０を相互に積重ねた後、機械的（たとえば、熱）およ
び電気的に接触するよう、モジュール３０をしっかりと
締結しなければならない。いろいろな締結機構を使用す
ることができるが、図５ではクランプ構造が示されてい
る。図５において、組立てられたコンピュータ・スタッ
ク５０の上下に平坦なクランプ・プレート５１ａ、５１
ｂが配置されている。プレート５１ａ、５１ｂは、拘束
部材の端部を収容しかつ配置する領域をそれぞれ有して
いる。図５に示すように、プレート５１ａ、５１ｂは、
細長いボルト５７を収容するよう孔あけされたタブ５２
ａ、５２ｂを備えている。ねじ部分５６を有するボルト
５７は、下側プレート５１ｂのタブ５２ｂの凹部に配置
された普通の六角ナットに収容されかつこれにより固定
される。したがって、ボルト５７をナット５５にねじ込
むと、コンピュータ・スタック５０の全ヒートパイプ／
電子モジュール３０は相互に圧迫され、機械的および電
気的接触を確かなものにする。そして、周知の方法によ
りクランプされたコンピュータ・スタック５０に電気的
接続端子が形成される。コンピュータ・スタック５０の
モジュール３０により発生された熱は、システム設計の
制約に基いた設計者の選択によって、上部プレート５１
ａまたは下部プレート５１ｂのいずれかから伝導除去さ
れる。

【００１８】

【発明の効果】以上のように、本発明は、中程度（たと
えば、約５０ワットまでの）のヒート・フラックスを発
生する電子回路モジュールを使用した非常にコンパクト
でしかもパワフルな電子またはコンピュータ装置を実現
することができる。さらに、本発明は、電気的特性およ
び熱伝達特性を合せ持つ使い易いモジュールを供給する
ことにより組立られたコンピュータ・システムの現地保
守性を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 互いに積重ねられた２つのヒートパイプ／電
子回路モジュールの概要図である。

【図２】 ２つの積重ねられた統合ヒートパイプ／電子
回路モジュールの正面の断面図である。

【図３】 図２に示された積重ねられた統合ヒートパイ
プ／電子回路モジュールの右側の断面図である。

【図４】 キー締めされるヒートパイプ／電子回路モジ
ュールの概要図である。

【図５】 機械的なクランプ・プレートにより固定され
たヒートパイプ／電子回路モジュールの概要図である。

【符号の説明】

１０ ヒートパイプ １１ 凹部領域 １５ 電子回路モジュール １６ 電子回路素子 １７ エリヤ・アレイ・コネクタ ２０ スタッキング・コネクタ ３０ ヒートパイプ／電子回路モジュール ４０ キー締め部材 ５０ コンピュータ・スタック ５１ａ クランプ・プレート ５１ｂ クランプ・プレート ５２ａ タブ ５２ｂ タブ ５５ ナット ５７ ボルト

フロントページの続き (72)発明者 サテャナラヤナ・ニシュタラ アメリカ合衆国 95051 カリフォルニア 州・サンタ クララ・ペッパー トリー レイン・900・アパートメント ナンバー 1411

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の電子回路素子を含んでいる複数の
   電子回路モジュールを有するコンパクト電子装置の冷却
   装置において、 それぞれが上記電子回路モジュールの少なくとも１つを
   一体的に収容し、かつ上記電子回路モジュールと一体化
   される場合上記電子回路モジュールとともに複数のヒー
   トパイプ／電子モジュールを形成する複数の自蔵式実質
   的等温ヒートパイプと、 上記電子回路モジュールに接続し、上記電子回路モジュ
   ールを電気的に相互接続するコネクタ装置と、 上記複数のヒートパイプ／電子モジュールに接続し、上
   記ヒートパイプ／電子モジュールの機械的および電気的
   接触を保持するフレーム構造と、 から成り、上記フレーム構造により上記ヒートパイプ／
   電子モジュールは次々と積重ねられ、上記各ヒートパイ
   プ／電子モジュールの上記ヒートパイプは、隣接するヒ
   ートパイプ／電子モジュールの上記ヒートパイプに垂直
   に接触してコンパクト電子装置を形成することを特徴と
   するコンパクト電子装置の冷却装置。
2. 【請求項２】 多数の電子回路素子を含んでいる複数の
   電子回路モジュールを有するコンパクト電子装置におけ
   る上記電子回路モジュールの冷却方法において、 上記電子回路モジュールの少なくとも１つと一体的に結
   合し、かつ上記電子回路モジュールと一体的に結合され
   る場合複数のヒートパイプ／電子モジュールを形成する
   複数の自蔵式実質的等温ヒートパイプ部材を供給する過
   程と、 上記電子回路モジュールを電気的に相互接続する過程
   と、 上記各ヒートパイプ／電子モジュールの上記ヒートパイ
   プ部材が、隣接するヒートパイプ／電子モジュールの上
   記ヒートパイプに垂直に接触して機械的および電気的接
   触を形成するよう、上記ヒートパイプ／電子モジュール
   を次々と積重ねる過程と、 から成ることを特徴とする電子回路モジュールの冷却方
   法。