JPH1197592A - 熱消散装置 - Google Patents
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- JPH1197592A JPH1197592A JP10210486A JP21048698A JPH1197592A JP H1197592 A JPH1197592 A JP H1197592A JP 10210486 A JP10210486 A JP 10210486A JP 21048698 A JP21048698 A JP 21048698A JP H1197592 A JPH1197592 A JP H1197592A
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Abstract
に設定する電力変換モジュールの放熱を、プリント基板
の面積をあまり必要とせずかつ効率良く行う。 【構成・作用】熱伝導体板1の表裏に電力変換モジュー
ル3とCPUモジュール5をそれぞれ取り付ける。熱伝
導体板からヒートパイプなどによりヒートシンクへ熱を
逃がす。
Description
ュール及び電力変換器モジュールのためのヒートシンク
及びファラデーケージに関する。更に具体的には、本発
明は、半導体モジュールと電力変換器モジュールの双方
から熱を消散するために協働するところの、熱伝導板、
複数のヒートパイプ及びフィンスタックを有するヒート
シンクに関する。そのパッケージングは、モジュール及
びそれらに関連する電力ケーブルとセンス線がともにフ
ァラデーケージ内で接続されるように統合されている。
集積化に進むにつれて、これらのデバイスが発生する熱
の量がかなり増大してきている。電力トランジスタ及び
集積回路のような大量の電流を扱う部品は大量の熱を発
生する。たとえば、米国特許第5,598,320号に示されて
いるように、インテル・コーポレーションのPentium Pr
oマイクロセッサのような、P5マイクロプロセッサチッ
プの現在の世代は、かなりな量の熱を発生することがよ
く知られている。この熱を適切に除去しなければ、半導
体部品によりもたらされる温度の上昇によりこれらの部
品が損傷するであろう。コンピュータ産業がこれらの部
品の集積度をなおも増大する方向に動いているため、こ
の事態は業界にとって共通の問題であり続けるであろ
う。
消散板、フィンスタック及びヒートパイプなどのヒート
シンクを用いて熱を伝達するかまたは消散する部品を設
けることである。これらの装置は、マイクロプロセッサ
チップ及びそれに関連する回路を、熱をチップ及び関連
する回路から遠くに伝達しまたは消散することにより、
最大推奨動作温度より低い温度に維持する。
らの熱を、部品との熱接触を維持することにより消散す
る。熱消散の効率をよくするため、熱接触面積を最大に
する。ヒートシンクは、伝導材料から作られた板及び熱
的インターフェースを備えて、半導体部品からの伝熱を
最適にしている。ヒートシンクは、半導体部品からの熱
をあまり熱に敏感でない場所に移す。通常のヒートシン
クは、熱伝導板と半導体部品との間の熱接触を維持して
熱を効率良く消散する。
突起を備え、このフィンがヒートシンクの全体としての
表面積を大きくして熱消散容量を大きくし、その結果、
一層効率良い伝熱システムを作っている。フィン組立体
は板状放射フィンまたはピン状放射フィンを設けること
ができ、、ヒートシンク本体から突出して効率良く熱を
消散する。熱消散表面積を大きくするとヒートシンク部
品の熱消散効率が向上する。フィンスタックは、表面積
が大きいため熱を消散するときの効率が特によい。フィ
ンにより作られる大きい表面積は、半導体部品が発生す
る熱をヒートシンクの熱プレート単独の場合よりも効率
良く消散する。
連する回路の問題領域から熱を熱フィンに移すための、
別の有効な方法である。米国特許第5,598,320号に説明
されているように、ヒートパイプは一般に、熱を、マイ
クロプロセッサ部品及びそれに関連する回路から、熱を
有効に消散するに十分な空気流が存在する区域に運ぶこ
とにより、ヒートシンクの熱消散の特性を改善してい
る。
む区域からフィンスタックに移されるように、半導体部
品と熱接触して設置されている。ヒートパイプを、水の
ような流体が一部充填された中空管としてよい。米国特
許第4,675,783号に記されているように、ヒートパイプ
は一般に熱消散板の付いたヒートシンクより効率良く冷
やすことが解っている。最近、比較的多数のコンピュー
タ販売業者が、ヒートシンク法とヒートパイプ法を組合
せて、半導体装置に関する全体としての熱消散の効率を
増大させた。
する止むことのない圧力が存在している。この圧力は、
半導体部品の集積度の増大と結びついて、多様な熱状態
の制御を低価格パッケージで行う必要性をもたらした。
他の形態に変換する。米国特許第5,621,635号に説明さ
れているように、ヒートシンクは、電力変換器を備えた
プリント回路板の外側に取付けられて、熱消散を補助し
てきた。これまでの電力変換器及びヒートシンクの技術
が取扱っている問題には以下のようなものがある:回路
板に大きな空間が必要であること;多数の熱インターフ
ェースを使用するときの熱消散が一般的に非能率である
こと;セラミック基板または熱特性を向上させた(therm
ally enhanced)板を使用すると製造費用が高くなる可能
性のあること;及び高度の信頼性を保持することが困難
であること。電力変換器からの熱消散を最大にしなけれ
ばならないという問題に対する通常の一つの解決法は、
電力変換器とヒートシンクとの間に密接な物理的接触を
確実に達成することである。
は、半導体部品が発生する電磁周波数(EMI)妨害ま
たは無線周波数(RFI)妨害がある。以下では、EM
I妨害及びRFI妨害を「EMI」と称する。EMIの
問題に対するファラデーケージ解決法は、EMI放出を
減衰させる容器(enclosure)である。ファラデーケージ
は、熱の消散のための空気を流しながらEMI妨害を効
率良く遮蔽するように設計される。米国特許第5,398,82
2号に説明されているように、EMIは、EMI放出を
防止するために半導体モジュールを取巻く区域を包囲す
ることにより抑制される。これは、熱の消散のため半導
体モジュールを取巻く区域を開放させておかなければな
らないというもう一方の要件との見合いで機能する。E
MI容器は、通気用の複数の小さい孔のある金属シート
で作られることが多い。EMI容器はしばしば、ファン
とともに使用して、熱消散を加速するために空気を小さ
い通気孔を通して移動させる。
ル及び出力変換モジュールがかなりの熱を発生し、この
熱を効率良く消散せねばならないということである。ま
た、これらのモジュールは遮蔽しなければならないEM
Iも発生する。これは、熱消散及びEMI減少を効率良
く制御すべき半導体モジュールの廉価なパッケージング
を設計する際に困難をきたしていた。
を遮蔽するように、CPUモジュール及び電力変換器モ
ジュールをパッケージする。本発明はまた、CPUモジ
ュールと電力変換器モジュールの間を接続する電力ケー
ブルの長さを極小にすることにより、新しいCPUモジ
ュールに関する制約も満たしている。本発明の好適実施
例においては、伝熱層を電力変換器モジュールとCPU
モジュールとの間に挟んでいる。伝熱層は、蒸発器とし
てのヒートパイプと熱的に連絡し、ヒートパイプは凝縮
器として働くフィンスタックと熱的に連絡し、熱を効率
良く消散する。このパッケージは、熱を効率良く伝達し
消散する他に、EMIも減少させる。
CPUモジュールとの間の電力ケーブルの長さが制限さ
れるという電力供給上の要請がある。本発明の好適実施
例は、上述の構成に加えて、電力変換器モジュールをプ
リント回路板から離して設置しながら、CPUモジュー
ルを電力変換器モジュールに密接して設置している。伝
熱層は、CPUモジュールを電力変換器モジュールに接
続する電力ケーブルのための通路を備えることができ
る。伝熱層はCPUモジュールと電力変換器モジュール
の双方に接続され、また、電力変換器モジュールとCP
Uモジュールの間及び電力変換器モジュールとプリント
回路板の間、の双方で電力伝送及び信号伝送を行う通路
を備えている。
モジュール及び電力変換器モジュールに熱的に結合して
いる伝熱層を備えている。ヒートシンク組立体は、好適
には、熱消散表面積を増大させるためのフィンスタック
を備えている。ヒートシンク組立体はまた、好適には、
伝熱層に差込まれて熱をマイクロプロセッサ部品及びそ
れに関連する回路から熱を効率良く消散するに十分な空
気流が存在する区域に運ぶ一連のヒートパイプを備えて
いる。
ルの下側及びCPUモジュールの上側に結合されてい
る。伝熱層との接触は、伝熱グリース(thermal greas
e)、伝熱パッド(thermal pad)、または他のどんな種類
の熱インターフェース材料によってでも行われる。CP
UモジュールとCPU取付けブラケットの組合せは、伝
熱層に緊密に接続されている。CPUモジュール、電力
ケーブル及び電力変換器モジュールは、ファラデーケー
ジの中に納められている。
ルのEMI遮蔽用のEMI缶(EMI can)を備えることが
できる。これに加えて、ファラデーケージは、CPUモ
ジュール、電力ケーブル及びセンス線のEMIの遮蔽用
EMI減衰スリーブも備えることができる。EMI減衰
スリーブは、プリント回路板と伝熱層の間に設置され、
プリント回路板に取付けられて良好な電気接続を確保し
ている。EMI缶、EMI減衰スリーブ、伝熱層及びプ
リント回路板の接地面で、ファラデーケージが完成され
る。電力変換器の一次電力は回路板から発し、伝熱層の
スロットを通って電力変換器モジュールに伝えられる。
び長所を与えるであろう。これらは、一緒に考え合わせ
ることにより、本発明の原理を例示する。
る長さの制約を守りながら、熱を効率良く消散すると共
にEMIを遮蔽するように半導体モジュール及び電力変
換器モジュールをパッケージングする。このパッケージ
を半導体モジュールと電力変換器モジュールとの間に挟
まれた等温層(isothermal layer)の入っているファラデ
ーケージに入れる。この等温層はヒートパイプに熱的に
連絡し、ヒートパイプはフィンスタックと熱的に連絡し
て熱を効率良く消散する。
ルはいずれも、効率良く消散しなければならないかなり
の熱を発生し、また遮蔽して低減しなければならないE
MIを発生する。これらのモジュール及び電力ケーブル
をパッケージして効率良い熱消散及びEMI遮蔽を行う
必要性があった。これらの要求事項は、本発明が扱うパ
ッケージングの設計に相反する制約を課す。
モジュールを電力変換器モジュールに密接して設置する
が、電力変換器モジュールを回路板に設置することあ必
要としない。CPUモジュールを回路板上に設置する
が、電力変換器モジュールを回路板から取り外すこと
で、回路板で約152.4mm(6インチ)節約でき
る。更に、全体の構成がより簡単になるので、線路が短
くなり製造費用が少なくなる。好適実施例は、従来のフ
ァラデーケージの構成よりも部品の少ない、厳重なファ
ラデーケージを備えた構成である。
つかのCPUにより課されるところのケーブル長を短く
しなければならないという要請である。CPUモジュー
ルと電力変換器モジュールの間のケーブル長を短くする
と、CPUモジュールと電力変換器モジュールの間を近
接させることができるため、電力変換器からCPUモジ
ュールまでに電圧降下の起こる可能性が小さくなる。
層という用語は限定的な用語としては使用しない。CP
Uモジュールは、それに関連する電源モジュールからの
電力及び余分の熱の除去を必要とするどんな形式の半導
体モジュールであってもよいことが認識されよう。
は、類似した要素を類似した参照数字で示している。
ール3の新規なパッケージングの斜視図を示しており、
ここにおいて、電力変換器モジュール3からCPUモジ
ュール5までの電力接続9(想像線で示す)が等温層1
にあるスロット7を横断している。等温層1は、電力変
換器モジュール3とCPUモジュール5との間に挟まれ
て、電力変換器モジュール3とCPUモジュール5の双
方のための熱消散を行う。この新規な、積み重ねモジュ
ールパッケージングにおいて、等温層1の上面は電力変
換器モジュールの下面3C(図5)に取付けられ、等温
層1の下面はCPUモジュールの上面5Aに取付けられ
ている。
ル9のためのスロット7が設けられた等温層1の斜視図
である。スロット7は、等温層1の上面から下面まで等
温層1の中に切り込まれ、等温層1の側縁に平行に走っ
ている。スロット7はCPUモジュール5に電力を分配
する新規な方法である、(図1に示すような)電力変換
器モジュール3とCPUモジュール5との間で電力ケー
ブル及びセンス線9のための通路を与える。スロット7
はまた、回路板19から(後に説明し、また図3に示
す)電力変換器モジュール3(図1に示す)まで(図1
に示すように)電力ケーブル及びセンス線9のための通
路を与える。
MIがファラデーケージ10の中に閉じ込めるようにシ
ールが必要である。EMIの抑制は単にEMIを減らす
ことでよいことが認識されよう。ファラデーケージ10
は、CPUモジュール5、電力ケーブル及びセンス線
9、及び(図1に示してある)電力変換器モジュール3
を囲んでいる。CPUモジュール5及び電力変換器モジ
ュール3の積み重ねパッケージングを行うことにより、
各モジュール及びケーブルに対してEMIの抑制を別々
に扱う場合に比べてより厳重なファラデーケージ10が
存在するという点で、EMIの抑制を解決しなければな
らないという問題の解決が容易になる。
うに)電力変換器モジュール3の上に嵌まって電力変換
器モジュール3からのEMIのためのシールドであるE
MI缶17を備えている。ファラデーケージ10は更に
EMI減衰スリーブ21及び等温層1を備えている。等
温層1のうちのEMI缶17及びEMI減衰スリーブ2
1と同じ面内にある側縁は、ファラデーケージ10の一
部である。EMI減衰スリーブ21は、等温層1と回路
板19の間に接続されている。EMI減衰スリーブ21
は、CPUモジュール5、電力ケーブル及びセンス線9
(図1に示す)の周りであって回路板19の上に嵌ま
り、CPUモジュール5、電力ケーブル9及びセンス線
9から放出されるEMIを減衰させる。回路板19の底
面上の接地面によってファラデーケージ10が完成す
る。
ーブ21の共通取付け点として動作することが解るだろ
う。CPUモジュール5の取り付けの態様は、図4に示
すように等温層1の一方の側に接触するだけであり、し
たがって、等温層1の他の側は他のモジュールとの接触
のために残されている。CPUモジュール5は回路板1
9と等温層1の間に挟まれ、等温層1との必要な熱的接
触を維持している。EMI減衰スリーブ21は回路板1
9の正面に取付けられている。この取付けにより(図3
に示す)ファラデーケージ10及びヒートシンク組立体
チャンバ18(このチャンバ18については後に説明
し、また図5に示してある)からEMI減衰スリーブ2
1に負荷をかけることにより、CPUモジュール5及び
回路板19にかかる圧力は確実に最小限になる。この取
付けによりEMIシールが形成され、また回路板19に
剛性が与えられる。
図5に示すようにヒートシンク組立体チャンバ18とし
て働きながらEMIの抑制を行う。EMIの抑制、熱制
御及びケーブル長制限という背反する設計要求事項は、
本発明でそのパッケージングにより解決された。ヒート
シンク組立体18は、共に等温層1に取付けられている
CPUモジュール5及び電力変換器モジュール3から成
る熱消散装置である。等温層1の上面は電力変換器モジ
ュールの下面3Cに取付けられ、等温層1の下面は(図
4に示すように)CPUモジュールの上面5Aに取付け
られている。等温層1は、これらのモジュールからの熱
を消散する目的で、電力変換器モジュール3及びCPU
モジュール5の双方と熱的に連絡している。等温層1の
CPUモジュール5及び電力変換器モジュール3への取
付けは、熱伝導グリースまたは熱伝導パッド23のよう
な熱接触積層材料による熱インターフェースにより行わ
れる。
明斜視図は、等温層1を効率よく冷却するフィンスタッ
ク13及びヒートパイプ11をパッケージするための革
新的方法を示す。ヒートシンク組立体18は、熱消散表
面積を大きくするためのフィンスタック13及び熱を問
題となる部品から離してフィンスタック13の方へ持っ
ていく一連のヒートパイプ11から構成されている。フ
ィンスタック13の底面はEMI缶17の上面の上に設
置されている。フィンスタック13は等温層1の上に層
状に設けられた一連のフィン12である。フィン12は
EMI缶17の縁の両側の上に広がり、したがってEM
I缶17の側面に位置する。
な両側面縁1Aに挿入まれ、等温層1を出るとき約90
度の角度で曲がる。ヒートパイプ11は、熱を発生する
問題となる部品から上方にまたそこから離れる向きに伸
びる。ヒートパイプ11はフィンスタック13を貫いて
突出し、図6に示すようにフィンスタック13の上面の
外側で終わっている。
上に設置しなくてもCPUモジュールを電力変換器モジ
ュールと共に密接して設置できるようにするパッケージ
ングを与えるという点で、従来技術に比較して改善され
ている。これは、部分的には、電力ケーブル及びセンス
線を等温層を貫いて通すことにより達成される。電力ケ
ーブル及びセンス線は、電力変換器モジュールとCPU
モジュールの間及び電力変換器モジュールと回路板の間
の双方に接続されている。電力変換器モジュールを回路
板上から除去して回路板上の空間を節約する他に、この
構成によって、線路が短くなってシステム性能が改善さ
れ、また、全体構成が小さくなるので製造費用も少なく
なる。この簡潔な構成によって、ファラデーケージ容器
のEMIシールも改善される。これに加えて、本構成
は、電力変換器モジュールとCPUモジュールの間のケ
ーブル長を極小にしなければならないという新たな問題
を解決し、電力変換器モジュールからCPUモジュール
までの電圧降下を低減する。
が、本発明をこのように説明し例証した特定の形態また
は部品の構成に限定すべきではない。本発明は、本願特
許請求の範囲によってのみ限定される。
る。
半導体モジュール及び電力変換器モジュールに用いる熱
消散装置: (a) 前記半導体モジュール及び前記電力変換器モジュー
ルに熱的に結合されている伝熱層; (b) 前記伝熱層に接続されたヒートシンク。
(b-1)及び(b-2)を有することを特徴とする実施態様1記
載の熱消散装置: (b-1) 一連のヒートパイプ; (b-2) 前記ヒートパイプと協働して熱を前記伝熱層から
移すフィンスタック。
ジュールと前記電力変換器モジュールの間の電力接続の
ための通路を備えていることを特徴とする実施態様1記
載の熱消散装置。
電力ケーブルとセンス線により電気的に接続されている
半導体モジュール及び電力変換器モジュールに用いるヒ
ートシンク組立体: (a) 前記半導体モジュールに及び前記電力変換器モジュ
ールに結合され、前記電力変換器モジュールと前記半導
体モジュールとの間で電力を伝達するための前記接続の
ための通路を備えている伝熱層; (b) 前記半導体モジュール、前記電力ケーブル及び前記
センス線を取り囲み、EMI放出を減衰させるチャン
バ。
及び(a-2)と熱的に連絡していることを特徴とする実施
態様4記載のヒートシンク組立体: (a-1) ヒートパイプ; (a-2) 前記ヒートパイプ及び前記伝熱層と協働して熱を
消散するフィンスタック。
ターフェースにより前記半導体モジュール及び前記電力
変換器モジュールに接触していることを特徴とする実施
態様4記載のヒートシンク組立体。
イクロプロセッサモジュールであり、前記電力変換器モ
ジュールは前記通路を通して電力を前記半導体モジュー
ルに供給する、ことを特徴とする実施態様4記載のヒー
トシンク組立体。[実施態様8]以下の(a)及び(b)を設
け、電力変換器モジュールに電気的に接続されている半
導体モジュールのEMI放出を減らすための組立体: (a) 通路を有する共有取付け点; (b) 前記半導体モジュール及び前記電力変換器モジュー
ルを取り囲むEMI容器。
半導体モジュール及び前記電力変換器モジュールのため
の熱消散を行なう伝熱層であることを特徴とする実施態
様8記載の組立体。
1)及び(a-2)と熱的に連絡していることを特徴とする実
施態様8記載の組立体: (a-1) 一連のヒートパイプ; (a-2) 前記ヒートパイプと協働して熱を消散するフィン
スタック。
(b-1)ないし(b-3)を有することを特徴とする実施態様8
記載の組立体:(b-1) 前記電力変換器モジュールを取り
囲む前記共有取付け点に接続されたEMI缶; (b-2) 接地平面を有するプリント回路板; (b-3) 前記プリント回路板の前記接地平面と前記半導体
モジュールを取り囲む前記共有取付け点との間に接続さ
れたEMI減衰スリーブ。
マイクロプロセッサモジュールを備えていることを特徴
とする実施態様8記載の組立体。
ルは前記半導体モジュール用電力変換器モジュールを備
えていることを特徴とする実施態様8記載の組立体。
け、CPUモジュール、前記CPUモジュールが取り付
けられているプリント回路板、電力コネクタ、センス線
及び前記CPUモジュール用電力変換器モジュールに用
いるヒートシンクとEMI容器の組立体: (a) 前記電力変換器モジュールに熱的に接続され、前記
CPUモジュールに熱的に接続され、前記電力変換器モ
ジュールと前記CPUモジュールとの間に挟まれている
等温層; (b) 前記等温層内にあり、前記CPUモジュールと前記
電力変換器モジュールの間の前記電力コネクタ用の通路
を有するスロット; (c) 前記等温層に挿入され、前記等温層と熱的に連絡し
ている一連のヒートパイプ; (d) 前記一連のヒートパイプと熱的に連絡しているフィ
ンスタック; (e) 前記プリント回路板に接続され、それによりファラ
デーケージを形成しているEMI容器。
ル及び前記CPUモジュールは、熱接触積層材料により
前記等温層に接続されていることを特徴とする実施態様
14記載のヒートシンクとEMI容器の組立体。
に挟み込まれ、電力ケーブル及び電力ケーブル用通路を
備えている等温層の斜視図。
図。
れている等温層及びEMI減衰スリーブを示す斜視図。
トシンク組立体の透明斜視図。
Claims (1)
- 【請求項1】以下の(a)及び(b)を設け、半導体モジュー
ル及び電力変換器モジュールに用いる熱消散装置: (a) 前記半導体モジュール及び前記電力変換器モジュー
ルに熱的に結合されている伝熱層; (b) 前記伝熱層に接続されたヒートシンク。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US08/902,770 US5901040A (en) | 1997-07-30 | 1997-07-30 | Heat sink and Faraday Cage assembly for a semiconductor module and a power converter |
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