JPH077282A - 回路部品をパックする装置 - Google Patents

回路部品をパックする装置

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JPH077282A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 非常に高密度でパックされた電子システムを
冷却する装置を提供すること。 【構成】 複数の薄くほぼ平行であり、互いに近接し、
隣接して位置する層を含み、それらの層の中の1つ又は
2つ以上は、回路基板手段が埋め込まれている絶縁材料
の基板を含む複数の回路素子の薄い平坦なアレイをパッ
ケージする構成において、少なくとも1つの層に当接し
て位置しており、熱除去を行うために流体を移送する内
部通路を有し、装置から熱を取り除く熱伝導手段と、熱
伝導手段に電気的導管を通す手段とを含んで成る改良。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はコンピュータシステムに
関し、特に、非常に高密度の混成電子回路の層の間で使
用される電気的接続を成立させる装置に関する。
【0002】
【従来の技術】最新のコンピュータシステムで利用され
ている半導体及びその他のデバイスは、指定温度範囲を
越えずに動作しているときに限って正しく機能する。一
般に、素子は上限をほぼ摂氏10度程度とする相対的に
狭い範囲の中で確実に動作するように設計されている。
この温度を越えると、デバイス自体がデジタル情報を処
理する際の信頼性を失い、温度が上がるにつれて破壊さ
れることもある。通常、パーソナルコンピュータやワー
クステーションなどのデスクトップ型コンピュータシス
テムは、システムバスに接続する中央処理装置と、メモ
リと、入出力回路とが配置されているマザーボードを用
いている。システムの周辺素子の接続のために、マザー
ボード上にシステムバスとのスロット接続部を設けてい
る。多くの場合にコンピュータのケースの内部に設置さ
れた小型ファンにより取り込む周囲空気で、電子回路を
適切な動作温度まで十分に冷却できるのが普通である。
【0003】1990年7月13日にH.Davids
onによりThree Dimensional Pa
ckaging Arrangement for C
omputer Systems and the L
ikeの名称の下に出願された同時係属米国特許出願第
07/553,521号の主題である全く異なるパッケ
ージング構成を使用すると、1辺約10.16cm(4イ
ンチ),厚さ2.54cm(1インチ)の容積の中に非常
に強力なコンピュータ(たとえば、最高0.5ギガバイ
トまでのランダムアクセス記憶装置と、4つもの個別の
プロセッサとを含むコンピュータ)を納めることができ
る。そのようなコンパクトな構成は、複数の非常に薄い
混成回路の層をほぼ互いに当接するように配置して、全
体としてコンピュータパッケージを形成することにより
得られる。このような強力コンピュータは、バスとして
使用する導線が短く、そのためにインピーダンスが相当
に低下するので、従来のパッケージング構成によるコン
ピュータより高速で動作することができる。しかしなが
ら、パッケージング構成のパック密度が高くなると、動
作温度は通常の周囲空気による冷却では対処できないレ
ベルまで上がってしまう。
【0004】たとえば、このようなコンピュータから非
常に速い動作速度を得るために、埋め込みチップで超高
速デバイスを使用しても良い。それらのデバイスは大量
の電力を必要とし、非常に高い動作温度を発生する。こ
のようなシステムの場合、電子デバイスの層ごとに20
0アンペアもの電流が利用され、従って、パッケージン
グ構成のいくつかの層のそれぞれについて1000ワッ
トもの電力を発生することになると考えられる。従来の
冷却方式ではこの種のコンピュータをその電子デバイス
の動作温度限界の中に簡単には保てず、電力が印加され
た後、非常に短い時間のうちに装置は破壊されるであろ
う。
【0005】大きな電力を利用するときにこのような構
成から熱を取り除くために、新たな熱交換装置の構成が
考案されている。そのような構成は、1990年7月1
3日にH.Davidsonにより名称Apparat
us For Cooling Compact Ar
rays Of Electronic Circui
tryの下に出願された米国特許出願第07/553,
541号に記載されている。基本的には、熱交換装置
は、電子デバイスを支持する層の間に配置され且つ少な
くとも1つの層に当接する少なくとも1つの熱除去層か
ら構成される。熱除去層は、熱の除去を行うための流体
を移送する内部通路と共に配置される。試験によれば、
熱交換器は、500ワットを越える電力を消費する1つ
の回路層を熱交換器の表面で約47℃まで冷却すること
ができるとわかっている。
【0006】このような構成は、電子回路の層を電気的
に接続する導線が全ての層の構造位置決めを規定するセ
ラミック絶縁体や他の非導電絶縁体を通って経路規定さ
れている状況の下でも十分に機能する。しかしながら、
このような回路に必要な導線の数は非常に強力のコンピ
ュータでは急激に多くなる。従って、2番目に挙げた特
許出願に記載されているような熱除去装置を使用しなけ
ればならない高電力コンピュータでは、層間に電気的導
管を形成するための構造配置は著しく制限される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、複数の熱除去装置の層を有する非常に高密度でパッ
クされたコンピュータシステムにおいて電気的導管を設
ける構成を提供することである。本発明の別のさらに総
体的な目的は、非常に高密度でパックされた電子システ
ムを冷却する構成を通る電気的導管を提供することであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の上記の目的及び
その他の目的は、複数の薄くほぼ平行で、互いに近接
し、密接して位置する層を含み、それらの層の1つ以上
は、回路基板手段が埋め込まれている絶縁材料の基板か
ら成り、前記層の別のものは、その他の層の中の少なく
とも1つに当接して位置し、熱を取り除く熱伝導手段か
ら成り、熱伝導手段は、熱の除去を行うための流体を移
送する内部通路を有し、熱伝導手段を構成する層は、電
気的導管を収納するための開口を有し、それらの開口は
熱伝導手段を構成する層と、内部通路を通る不活性流体
の流れに対してほぼ直角に交差すると共に、内部通路を
避けるように配置されているような複数の薄く平坦な回
路素子のアレイをパッケージする構成において実現され
る。
【0009】本発明の上記の目的及び特徴と、その他の
目的及び特徴は、添付の図面に関連する以下の詳細な説
明を参照することによりさらに良く理解されるであろ
う。尚、図面中、いくつかの図を通して、同じ図中符号
は同じ素子を指す。
【0010】
【実施例】まず、図1に関して説明すると、図1には、
1990年7月13日にH.Davidsonにより
hree Dimensional Packagin
gArrangement for Computer
Systems and the Likeの名称の
下に出願された同時係属米国特許出願第07/553,
521号に記載されるパッケージング構成の等角投影図
が示されている。このパッケージング構成は複数の独立
した回路素子の層を含む。これらの独立した回路素子の
層11は、一般に、集積回路からそれぞれ構成される
が、そのような集積回路が互いに共働して、コンピュー
タ又は他のデジタルシステムの1つ又は複数の構成要素
を形成する。たとえば、第1の層12がコンピュータの
中央処理装置であり、第2の層13と第3の層14は共
にコンピュータのランダムアクセスメモリを形成し、第
4の層15はコンピュータの入出力回路から構成される
と考えても良い。上記特許出願の中で説明している通
り、それぞれの層11を構成している集積回路は絶縁基
板に埋め込まれている。層11は、全て、一般に互いに
平行である主面を両面に有するように構成されているの
で、複数の層を重ね合わせ、接合して、非常に密にパッ
クされたシステムを形成できる。
【0011】パッケージング構成10の平坦な層11
は、それぞれ、平坦で平行な上面と底面を形成すること
ができる何らかの方法を使用して構成されれば良い。一
般に好ましい方法はセラミック材料の平坦な1枚のシー
トを使用し、そのシートに集積回路チップを受け入れる
ための複数の凹部を彫り込むというものである。チップ
と凹部を有する基板層を一方の側で非常に薄い高温プラ
スチック材料の平坦な層で被覆する。凹部に入っている
チップとの間に直接の接続を成立させることができるよ
うに、プラスチック材料の層には複数の貫通孔が形成さ
れている。コネクタを貫通孔に挿入し、個々のプラスチ
ック材料層の上に相互接続パターンを描いて、多層相互
接続部を形成する。上方のプラスチック層に導電パッド
を配置しても良い。相互接続部の導線を、基板を貫通す
るバス経路を形成する導線にパッドを介して接合する。
好ましい実施例では、基板18を絶縁シェル17の中に
収納する。絶縁シェル17はレール19を有し、層11
の相互間でバス経路を連続させるための導線はそれらの
レール19に埋め込まれている。レール19は、層11
に隣接して周囲空気を循環させる働きをする開口16を
形成する。同時係属特許出願に記載されている方法を使
用すると、製造される個々の層の厚さは0.127cm
(0.050インチ)未満となる。
【0012】このパッケージング構成は、小型であるこ
とに加えて、いくつかの利点を備えている。まず、チッ
プの周囲にのみコネクタ端子を設けていた従来の通常の
コネクタ構成と比べて、埋め込みチップに対するアクセ
スが相当に容易である。層間でコンピュータバスとして
機能する導線の長さが極めて短いために、インピーダン
スは非常に低く、その結果、アクセス時間は最小限で済
む。例を挙げれば、コネクタごとのインダクタンスの値
は0.5ナノヘンリー、抵抗の値は数ミリオーム、キャ
パシタンスの値は5ピコファラドであると期待できる。
このように短い導線は回路素子をバス動作時間を従来の
コンピュータで要求されていた時間と比べて大きく短縮
する。
【0013】この基本構成は、システムが相対的にあり
ふれたコンピュータである場合は、構成を冷却するため
の空気の循環を行わせることができるのであるが、シス
テムが動作中に大量の電力を必要とし且つ大量の熱を発
生する超高速素子を含む場合には、この方法による冷却
では不十分である。そのように電力の使用が増したとき
にパッケージング構成10から熱を取り除くために、新
規な熱交換装置の構成が考案されている。そのような構
成は、1990年7月13日にH.Davidsonに
よりApparatus For Cooling C
ompactArrays Of Electroni
c Circuitryの名称の下に出願された米国特
許出願第07/553,541号に記載されている。こ
のような熱交換装置の構成は複数の独立した熱伝導装置
の層を含み、それらの層は、通常、高い電力を供給され
る電子回路を保持しているパッケージング構成10の層
11の間に配置される。それぞれの熱伝導装置に設けら
れている貫通導管は、隣接する電子回路の層から熱を取
り除くための流体を流通させる。各熱伝導装置は効率良
く熱を伝達する銅などの金属から構成されても良く、し
かも、熱伝導流体を流すための導管を具備してはいるが
0.127cm(0.050インチ)程度の薄さであると
考えられる。図1のパッケージング構成10にある空気
を通すための開口16の中に配置した場合、熱交換装置
はその一方の広い平坦な面を上面にハイブリッドチップ
が配置されている薄いセラミック層に当接させ、他方の
面をチップの上面への多層相互接続部を被覆する絶縁層
に当接させた状態で位置している。
【0014】回路から熱を取り除くために使用される流
体を移送する流体導管は、熱伝導装置を形成している上
板と底板をそれぞれエッチングすることにより形成され
ても良い。エッチングにより、溝を互いに分離する直立
した隆起部が生じ、それが導管を形成する。流体を第1
の開口から熱交換装置の中に注入すると、流体は内部導
管を通過し、第2の開口を経て熱交換装置の外へ出る。
開口に流体が到達できるようにすると共に、個々の熱伝
導装置を一体に接合するために、導管を開口に接合して
も良い。流体を熱交換装置の中で流通させ且つ流体から
熱を取り除くために、ポンプと、冷却装置などの熱処理
構成を流体ラインの導管に接続しても良い。
【0015】複数の熱交換装置を接合して、流体を並行
して移送し、パッケージング構成10の全体を冷却して
も良い、。個々の熱交換装置は内部導管の一端にそれぞ
れ1つの開口を有し、その他の熱交換装置と並行してポ
ンプなどの流体源に接続していても良い。各熱交換装置
の導管の他端を戻しシステムに接続することにより、流
体が再び熱交換装置を流通する前に流体を冷却するよう
にしても良い。
【0016】図2は、上記同時係属出願の発明の好まし
い実施例を示す。この実施例では、パッケージング構成
10全体を冷却するために、複数の熱交換装置25を一
体に接合してある。これらの装置25の個々の熱交換素
子22は、熱交換装置25が隣接する2つの層11に当
接するようにシェル17の中央下向きレール19の周囲
に嵌合する開口31をそれぞれ有する。図3の横断面図
に示すように、個々の熱交換素子22は突出する上面の
両端に開口32を有すると共に、下面の両端にも開口3
3をそれぞれ有している。隣接する熱交換装置25の開
口32及び33は、それらの開口32及び33とほぼ同
じ大きさの開口を有する支持シート35の面に当接する
ように設計されている。支持シート35のそれぞれの面
には、支持シート35のそれぞれの開口の周囲に設けら
れるOリング又は他のシール37を保持するための溝が
形成されている。従って、パッケージング構成10を形
成するときに熱交換装置25を一体にクランプすると、
各開口32及び33は支持シート35のいずれか1つに
ある開口に密接に押し付けられるので、熱交換素子22
の内部を互いに接合する1つのマニホルドが形成される
ことになる。この構成においては、冷却剤はポンプから
各熱交換装置25へ並行して移送されるため、熱交換装
置25をさらに効率良く使用することができる。この場
合、先に述べたように、熱交換装置25をポンプ及び熱
除去装置を含む熱交換経路に接続しても良い。
【0017】図2に示す熱交換装置25の構成はパッケ
ージング構成から容易に熱を取り除きはするが、熱交換
素子22の層は、通常は多数の導線が通れるであろうと
思われる経路を閉塞してしまう。図1及び図2からわか
るように、層11の間で導線が通れる唯一の経路は、電
子素子及び熱交換装置の層を保持する絶縁シェル17を
形成しているセラミック材料の側部レールと中央レール
19である。ここで説明した種類の熱交換装置を必要と
するさらに強力なコンピュータはさらに多くの個別素子
を含んでいることが多いので、それらのレール19を介
して経路指定しなければならない素子層間の電気的経路
の数は増す。従って、そのような導管を形成するための
改良された構成が必要である。
【0018】図4は、本発明に従って設計した改良され
たコンピュータシステムを示す等角投影図である。この
コンピュータシステムは、1990年7月13日にH.
DavidsonによりThree Dimensio
nal PackagingArrangement
for Computer Systems and
the Likeの名称の下に出願された米国特許出願
第07/553,521号の教示に従って設計した複数
の電子素子の層11を含む。図1のコンピュータに示さ
れている層11とは異なり、層11の基板18に含まれ
る素子デバイスは、下面から下向きに延出するレールを
もたないシェル17に埋め込まれている。層11は介在
配列であり、1990年7月13日にH.Davids
onによりApparatus For Coolin
g Compact Arrays Of Elect
ronic Circuitryの名称の下に出願され
た米国特許出願第07/553,541号の教示に従っ
た構成の熱交換装置40の層により互いに分離されてい
る。ただし、上記特許出願に開示されている熱交換装置
とは異なり、熱交換素子40の熱交換装置は層11と同
じ外寸を有する。このように、コンピュータである構成
は、電子回路の層と、熱交換装置の層とから形成される
ほぼ中実の箱のように見える。この箱の両側から突出し
ているのは、熱交換素子40の熱交換装置を互いに一体
に接続するマニホルドを形成する支持シート35であ
る。このコンピュータは、バス経路を構成する導線を通
すためのセラミック材料のレールを設けることを省略し
たような形態であることが認められるであろう。
【0019】図5,図6及び図7は、本発明に従って設
計した改良された熱交換素子40を個別に示す。熱交換
素子40は、点線により示すような流体導通経路42を
含むような構成である。本発明の好ましい実施例では、
これらの経路42は図7に示すような蛇行形状をとって
いても良い。熱交換素子40には多数の開口44が設け
られている。開口44は熱交換素子40の平坦な面から
反対側の平坦な面まで通じるように選択的に配置されて
おり、通常は双方の面に対し垂直であるが、必ずしもそ
うでなくて良い。それぞれの開口は、流体導通経路42
を分離している中実の隆起部の1つで熱交換素子40の
上部シート及び下部シートと交差するように選択的に配
置され、それにより、熱交換素子40の内部の流体導通
経路を回避するようになっている。このように、内部の
流体導通経路42は手を加えられず、開口44に対し密
封された状態のままである。従って、それぞれの開口4
4は、電子デバイスを含むパッケージング構成の2つの
層を接合する1本又は複数本の導線を通すための導管と
して使用できるのである。
【0020】本発明の好ましい実施例では、熱交換素子
40を通っている流体導通経路は約20ミリメートルの
直径を有し、装置40の面を最も良く冷却するための波
状パターン又は他のパターンを描いていても良い。開口
は約40ミリメートルの直径を有し、どの流体導管の内
壁からも約10ミリメートル離間していても良い。従っ
て、面の2.54平方センチごとに、素子40を貫通す
る約100個のそのような開口が配置されているものと
推定される。
【0021】本発明の一般に好ましい実施例では、それ
ぞれの開口44にプラスチックのスリーブ46を配置
し、電子デバイスを含む層11の隣接する上面及び下面
とそれぞれ弾力をもって接触する導線48をこのプラス
チックスリーブ46に挿入しても良い。そのような導線
48は従来の技術では良く知られているが、そのような
導線の1種は、Cinch Connectors製造
の「Cin−Apse」導線として市販されている。特
定の導線48を熱交換層に接地することが望まれる場合
には、開口からプラスチック材料を取り除き、導線48
が開口の金属面に当接するように開口を小さくすれば良
い。
【0022】特定の場合には、導線48を熱交換装置の
面に対して垂直にではなく、ある角度を成して熱交換装
置に通すことが望まれるかもしれない。そのような場
合、図5の最も右側に例示してあるように、開口44は
平坦な面に対して垂直にプラスチックスリーブを受け入
れるように選択されるが、そのスリーブは導線48を9
0度以外の角度で保持するようにしても良い。このよう
な構成では、熱交換層に平坦な面に対して垂直である開
口を配置するだけで良いので、熱交換装置の製造は予想
したよりはるかに簡単である。
【0023】熱交換装置の層の熱交換能力を向上させる
ために、パッケージング構成10の様々な層の間で様々
な熱伝導化合物を利用することが望ましいであろう。た
とえば、このようなコンピュータシステムの様々な層の
間で、はんだ、熱伝導接着剤、熱伝導グリース及び他の
これに類する化合物を使用すると有利であろう。
【0024】開口44以外の場所で特定の熱交換装置へ
の接地接続が望まれる場合には、個々の熱交換装置とそ
れに隣接する電子素子支持層11との間に、図8に示す
ようなばね構成を配置しても良い。ばね50は、金属箔
をフォトエッチングして正方形又は矩形の格子を残すこ
とにより製造されても良い。格子の対角線からはタブ5
2が延出している。成立させるべき特定の接地接続に応
じて、他のパターンを使用しても良いであろう。電子素
子層のメタライズ部分に当接するばね装荷接点を形成す
るために、図9に示すように、タブ52を格子の平面か
ら外れる方向に変形させる。パッケージング構成の組立
中に接地ばね50を取り入れるために、熱交換装置の外
面に通路をエッチングしても良い。
【0025】先に挙げた名称Three Dimens
ional PackagingArrangemen
t for Computer Systems an
dthe Likeの同時係属米国特許出願第07/5
53,521号に記載されている装置の層の構成の場合
と同様に、層の様々な素子の重ね合わせを確保するため
に、層間の精密なアライメントを行う正確な位置決めを
調整する様々な方法を、電子回路及び熱交換装置のそれ
ぞれの層の一部として含めても良い。そのような方法は
上記特許出願に詳細に論じられているので、ここでは繰
り返し説明しない。
【0026】本発明を好ましい実施例に関して説明した
が、本発明の趣旨から逸脱せずに当業者により様々な変
形や変更を実施しうることは理解されるであろう。従っ
て、本発明は特許請求の範囲によって判断されるべきで
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】同時係属米国特許出願に記載されている密にパ
ックされたコンピュータパッケージング構成を示す等角
投影図。
【図2】同時係属米国特許出願に記載されている、密に
パックされたコンピュータパッケージング構成で使用す
るための熱交換装置の層を示す等角投影図。
【図3】図2に示されている1対の熱交換装置の横断面
図。
【図4】本発明による改良された密にパックされたコン
ピュータシステムの等角投影図。
【図5】本発明に従って構成した改良された熱交換装置
の1つの層を示す側横断面図。
【図6】本発明に従って構成した改良された熱交換装置
の1つの層を示す正面横断面図。
【図7】本発明に従って構成した改良された熱交換装置
の1つの層を示す平面図。
【図8】熱交換装置と隣接する電子素子層との導電接続
を行うためのばね構成を示す平面図。
【図9】熱交換装置と隣接する電子素子層との導電接続
を行うための図7のばね構成を示す側面図。
【符号の説明】
11 回路素子の層 17 絶縁シェル 18 基板 35 支持シート 40 熱交換装置 42 流体導通経路 44 開口 46 プラスチックスリーブ 48 導線 50 ばね 52 タブ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平坦状に配列した回路部品をパックする
    装置において、該装置は複数のほぼ平行で、互いに近接
    して位置し、1つ以上が回路基板手段を埋め込んだ絶縁
    材料の基板から成る層と;上記装置から熱を除去するた
    めに、少なくとも1つの層に当接して位置したほぼ平坦
    な熱交換器と;熱交換器を通して流体を移送する手段と
    を具備し、上記装置は熱交換手段を通る電気導体用の導
    管を有し、該導管は装置から熱を除去するための流体を
    導通させる内部通路を避けるように位置していることを
    特徴とする回路部品をパックする装置。
  2. 【請求項2】 複数のほぼ平行で、互いに近接して位置
    し、1つ以上が、回路基板手段を埋め込んだ絶縁材料の
    基板から成り、別の層は、熱を取り除く手段から成り、
    この熱を取り除く手段が、層の1つに当接する少なくと
    も1つのほぼ平坦な熱交換器から成る層と、熱交換器を
    通して流体を移送する手段と、1つの層の回路基板手段
    を別の層の回路基板手段に接続するために、熱交換器を
    通る電気的経路を形成する手段とを具備する回路部品配
    列装置。
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