JPS589347A - 熱消散装置 - 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】 本発明は電子装置のための熱消散システムに係り、更に
具体的には、冷却すべき熱源及びヒート・シンク間の熱
的結合を改良するための手段に係る。

電子装置からの熱の除去はこれ迄のみならず現在に於て
もたえずとりあげられる設計上の問題である。異なった
熱消散技法を用いる多種の解決案が長年用いられてきた
。例えば、初期の熱消散システムは強制空冷技術を用い
た。強制空冷が適切な熱転移及び熱除去を行ない得ない
場合には、液体冷媒の循環が用いられた。大きな熱負荷
に対しては、最近の設計者は適当な冷却を行なうために
冷却サイクル装置を用いている。

ＬＳＩ技術の発展及びＶＬＳＩへ向かう傾向によって近
年の電子装置の性能が太き（向上した。

と同時に、この技術的傾向によって単位面積あたりの回
路も劇的に増加した。

もしも電気的及び幾何学的な尺度が厳格に固守されるな
らば、ユニットあたりの電力消費は一定であろう。しか
しながら、電力供給電圧が厳格に減じられず、従って電
力密度が増大しそこに於て熱が発生する事が多い。小さ
い単位面積に於ける熱発生が増大すると、有害な局部化
した加熱が行なわれ、更に複雑な冷却法を必要とする技
術的課題が呈せられる。非常に多数の、高速度であって
大電力を要する論理及びメモリ用のチップ及びモジュー
ルを、高速度の性能条件を満足させる様に用いる高速度
電子デジタル・コンピュータの技術分野に於ては、上記
の冷却法の必要性は特に大である。

チップ上の回路によって発生した熱をヒート・シンクへ
有効に除去するために、回路チップ及びヒート・シンク
間の改良された伝導熱転移コネクタが必須である。回路
チップからヒート・シンクへの熱伝導路を改良する事に
よって、熱抵抗が小さくなり、よって回路チップはより
高い電力レベルで動作しうるだけでなく、より簡単なヒ
ート・シンクを用いる事が可能である。

本発明の主なる目的は電子装置を冷却するだめの改良さ
れた熱消散システムを提供する事にある。

本発明の他の目的は冷却すべき熱源及びヒート・シンク
の間に簡単でしかも有効な熱的結合を具現させる車にあ
る。

本発明の他の目的は、冷却されるべき熱源とヒート・シ
ンクの間の界面抵抗を減じることである。

本発明の更に他の目的は、チップ及びモジュールをより
大電力レベルに於て動作させ５る様に、回路チップ及び
モジュールのための改良された熱消散装置を与える事に
ある。

本発明の他の目的は、簡単なヒート・シンクを用いる事
が出来ると同時に熱源をより高い電力レベルで動作させ
うる、熱源及びヒート・シンク間の有効な熱結合を与え
る事にある。

本発明の目的は、ＶＬＳＩ回路チップ及びモジュールの
ための改良されたパッケージング組立体を与える事にあ
る。

本発明のこれらの目的は、熱源からの熱の除去を大なら
しめるべく、密封されたモジュール内に含まれた熱源及
び密封モジュールの壁部の間に改善された熱的結合を与
えるために、密封モジュール内に高圧のガスを封入した
熱消散システムによって達成する事ができる。更に、上
記密封モジュールの壁部の温度の低下によって、周囲の
ガス及び熱源の界面の熱抵抗が減じ、よって上記熱源か
らの熱除去が促進される。

第１図を参照する。熱消散システム１０は密封モジュー
ル２０．１以上の回路チップ３０を含む熱源、密封モジ
ュール２０内に取り付けられた回路チップ３０、モジュ
ール２０内に封入された高圧ガス４０よりなる。

本発明による熱発散システム１０は回路チップ３０の簡
単にして有効な冷却を可能にする。更に具体的に云うと
、熱消散システム１０はチップ自体に固体プランジャも
しくは固体熱導体を接触させる方法をとらずに改良され
た熱除去を行なう。

その様な熱消散システム１０は種々の応用面を有する。

後で示す様に、単一熱消散システム１０の設計は、封入
されたガス４０の高い圧力を単に変えるだけで広範囲の
電力消費レベルにわたって適用する車ができる。ここで
用いられる高い圧力は２４６０、５Ｐ／ｃｄｔ（５５ボ
ンド／　１ｎｃｈ”　）ないしこの値の百数十倍（数千
ボンド／　１ｎｃｈ”　）であって、好ましい値として
は４９２１ｊ’／ｃｄ（７０ポンド／　１ｎｃｈ’　）
よりも高い圧力である。

回路チップ３０はその上に密にパックされたソリッド・
ステート電子回路を含む。回路チップ６０内に含まれる
これらの回路によって消費される電力は回路チップ３０
から除去されねばならない熱を発生する。回路チップ６
０の各々は異なった量の電力を消費してもよい。しかし
ながら、その上の種々の回路は、目標の性能及び信頼性
設計目的を維持するために、所望の動作温度範囲に維持
しなければならない。

回路チップ３０は、全体としてセラミックから作られた
基板６２の一方の側面上に垂直は取りつけられる事が好
ましい。基板３２の他方の側面には、密封モジュール２
０を図示されないボードへ差し込むための接続ビン３４
が設けられている。

その様なボードは他の密封モジュール２ｏを含みモジュ
ール２００回路チップ３０間の相互接続の役目をはたす
。

垂直に取りつけられた回路チップの代りに、チップ３０
はモジュール内に実装されてもよい。よってモジュール
に取りつけられたチップが基板３２の一方の側面に取り
つけられる。成る程度モジュールは、熱抵抗を実質的に
減じるための回路チップ用の熱的エクスバンタ（６ｘｐ
ａｎｄｅｒ　）の働らきをする。

回路チップ６０を有する基板′５２は密封モジュール２
０内に完全に包囲されている。モジュール２０は熱放射
用フィン２４を有する冷えた側壁２２を含む。ここで用
いられる側壁２２は室温から摂氏零下二、三百度の温度
範囲にある。モジュール２０の背面壁２６は、基板３２
からモジュール２０の外部へのびる接続ピン３４を収容
する開孔２８を有する。モジュール２０は密封モジュー
ル２０内への周囲の大気がもれない様に密封されている
。入口２５を通して、ヘリウムもしくはアルゴンの様な
不活性ガス４０が完釡に充填される。

入口２５は、モジュール２０内に高圧のヘリウム・ガス
４０を封入すべく、約１＝１０の縦横比を有する室を形
成するように密閉される。その代りに、少量のリークを
相殺するための貯蔵器を与える円筒体をモジュール２０
に対して□永久的に取りつけてもよい。

密封モジュール２０内に高い圧力で不活性ガス４０を封
入する事は改良された熱消散システム１００重要な一局
面である。チップ５Ｏ−ｆ−の回路３０によって発生し
た熱を冷えた壁２２（これは放射フィン２４と共にヒー
ト・シンクとして働らく）へ除去するために、回路チッ
プ３０及びヒート・シンクの間の改良された熱的結合が
必須である。

本発明によって、高圧のガス４０がその様な熱的結合を
改善し、熱抵抗を低下させ、チップ６０をよりずっと高
い電力レベルで動作させうる事が判った。

密封モジュール２０は銅、アルミニウムもしくは鉄の様
な熱伝導性の材料で作られ、例えば１１２．４８０４／
ｄ　（１６００ポンド／　１ｎｃｈ”　）の様な高圧に
耐える様に作られる。背側壁２６−Ｆの開孔２８は基板
３２の他の側面によって密封され、基板３２のわずかな
領域のみが高いガス圧にさらされる。この構成によって
、モジュール２Ｄ内への周一□ 囲の大気のリークが、高い圧力の結果として、セラミッ
ク基板３２の膚在的な欠陥によって生じる確率を最小に
する。

密封モジュール２０の冷えた側壁２２に結合され、蓄積
された熱は大気へと除去される。この場合、同じ様に熱
伝導性の材料からなる熱放射フィン２４がモジュール２
０の壁部に於ける熱放射表面を拡張し、そこへ転移され
た熱の大気への放熱を助長する。従って、回路チップ３
０からヒート・シンクへの熱伝導路即ち熱結合を改良す
る事によって、熱抵抗が低下し、よって回路チップ３０
のより高い電力レベルにおける動作が可能となるだけで
なく、大気中へ転移熱を放熱するために放射フィン２４
の様な簡単なヒート・シンクの利用が可能になる。

その代りに、本発明による実施例は、上記の熱放射フィ
ン２４以外の更に手の込んだ熱除去手段を用いてもよい
。第２図に示される様に、モジュール２０の側壁２２は
冷たいプレート５０へ物理的に取りつけられてもよい。

図示される様に、冷えた側壁２２は、冷たいプレート５
０を良好な熱伝導関係に取りつけることができるように
相対的に平坦である。第２図は良好な一実施例を示すに
すぎない。当然、冷たい側壁２２も冷たいグレート５０
も平坦である必要はない。両者とも半円筒型であって、
良好な熱伝導関係を呈する様に取りつけられる事も可能
である。更に、側壁２２も又冷えたプレート５０の壁と
して働らきうる。この構成ヲ用いる事によって、回路チ
ップ３０が発生した熱は封入された高圧のガス４０によ
って、冷えた側壁２２へ有効に結合される。加圧された
ガス４０によって、各回路チップ３０から良好な熱伝導
冷側壁２２上に蓄積された熱は冷えたプレート５０へと
転移される。プレート５０は内部を循環する冷却流体５
２を有し、これ′によってプレート５０へと転移した熱
が有効に除去され、よって回路チップ３０が所望の動作
温度範囲に維持される。

プレート５０は冷たい側壁２２の垂直部分へのみ取りつ
けられる様に図示されるが、所望ならばプレート５０は
更に有効に熱を除去するために冷たい側壁２２の水平方
向の上部反び下部へも接触する様に変更されてもよい事
は云う迄もない。

高圧及び低いガス温度の、密封雰囲気内のモジニールに
取りつげられたチップ６０及び自由につり下げられたチ
ップ６０に対する熱消散効果が調査された。その結果が
第４．１図、第４．２図、第４゜３図、第４．４図及び
第４．５図に示されている。回路チップ３０即ちモジュ
ールにとりつけられたチップは平坦な表面を呈するもの
として考えられてよい。そしてこの平坦な表面が垂直な
壁部へ取りつけられる（４．１図）か水平な壁部に取り
つけられる（第４．４図）。

第４．１図ないし第４．５図を参照する。密封されたモ
ジュール５０内の異なったチップ配置について調査を行
なった。図示されるテスト・チップは一つの辺がおよそ
２．５４備で厚さが０．０３８ｃＷ１のものであった。

各配置について最大の電力消費は１００℃までの温度上
昇に関して判定された。図示されるように、垂直壁部構
成は、水平構成の場合より１．４倍ないし１．６倍の最
大消費電力を示す。

このデータは垂直壁構成が好ましい取りつけ技法である
事を示唆している。加圧された、低温ガスの効果がこの
好ましい垂直壁構成を用いて分析された。

第５図及び第６図に於て、垂直につり下げたチップと垂
直にモジュールにとりつげたチップの両方について、圧
力の関数としての熱抵抗に対するガス４０の温度の効果
を示す。第５図に於いて、熱抵抗の圧力に対する依存度
は調査された２種のガス温度に関しておよそ一１／３乗
である。室温領域（＋２６℃）及び低温領域（−４５℃
）に関するデータを比較すると、勾配に於いて類似性が
見出されるにもかかわらず、熱抵抗が後者に於いてより
小である事が分かる。例えば、１０００Ｘ７０．３Ｐ／
ｃｄ（ｐ！ｉ’ｉ）に於いて、室温の場合の熱抵抗はお
よそ３，１℃・６．４５４／Ｗ即ち２０℃−／Ｗである
のに対して、−４５℃の場合にはそれは２．８℃・６、
４５　ｄ／Ｗ即ち１８．１℃ｃｄ／Ｗである。換言する
と、ガスの温度を減じる事によって、最大動作温度に対
して許容し、うる付加的な温度上昇による付加的な余裕
（ｈｅａｄｒｏｏｍ）　１にうる事ができるだけでなく
、更に熱抵抗の減少（上述の場合約１０係）による利得
をうる事ができる。これは通常容易に予測しうる効果で
はない。

圧力にともなう熱抵抗（Ｔ、Ｒ，）の変動は次式によっ
て与えられる。

なお、上記式に於てｐｓｉは７０．３ｇ／−である。

垂直にモジュールにとりつけたチップに関するデータが
第６図に示される。つり下げたチップの場合と同様に、
ｌｏｇ　−ｌｏｇのプロットは線型であるが、勾配は小
である。更に、上述の予測しなかった効果即ち温度が減
じる事によって勾配が大きくなる現象は、この場合に於
ては増幅されている。

計測された勾配は２５℃及び−１８６℃に関して夫々−
０，１８５及び−０，２３６である。計算をチップ面積
に基づいて行う場合、熱抵抗値は自由につり下げられた
チップに較べてモジュールに取りつけられたチップに関
してはより小であるという事実も同様に重要である。更
に、モジュールに取りつけられたチップの熱抵抗は自由
につり下げられたチップの値の約１７５である。この事
はモジュールが成る程度熱的エクスパンダ−として働ら
く事を示す。モジュールに取りつけられたチップに関す
る圧力にともなう熱抵抗の変動もまたより小、即ち、自
由につり下げたチップの場合の−１７３にくらべておよ
そ−１１５である。

Ｔ、　Ｒ，（熱抵抗）対ｐｓＥ　（７０，３ｙ／ｄ）の
関係が次式によって示される。

ｌｏｇ　Ｔ、Ｒ，２５” ｄ＝−０・１８５１ｏｇｐ虐ｉ＋１・４２２−１８６℃ ｌｏｇ　Ｔ、Ｒ，、＝　−０，２３６ｌｏｇ　ｐｈｉ　
＋１．３２７計測したその様な熱的モジュールのデータ
を用いて下記の表を得た。

１５　　　　　　　１．８Ｗ　　　　５．６Ｗ　　　１
２．ＩＷ５０　　　　　　　２．２　　　　　４．５　
　　　１５．５１００　　　　　　２．５　　　　　５
．１　　　　１８．１２００　　　　　　　２．８　　
　　　５．７　　　　２０．９４００　　　　　　　６
．２　　　　　６．５　　　　２４．４８００　　　　
　　　５．６　　　　　７．４　　　　２８．４１６０
０　　　　　　　４．１　　　　　　８．３　　　　３
３．０異なった壁部温度に関して、上の表は異なるシス
テム・ヘリウム圧に於ける８５℃の最終温度迄の電力消
散能力（ワット／チップ）を示す。この様なデータが第
６図に示される様にプロットされた。

このグラフに於いては、一連の圧力に対してワット／チ
ップ対ガス温度（ＴＧＡＳ）がプロットされている。全
ての場合において、最終的なチップ動作温度は８５°Ｃ
である。成る所望の熱消費値を定組合せが必要とされる
かを決定する事ができる。

例えば、もしも設計目的が約２１ワツト／モジユールの
熱消散システムをうる事にあるならば、約２００Ｘ７０
．３Ｆ／−（２００ａｍｉ　）のガス圧及び−１８６℃
の側壁２２の温度が、設計条件を満たすために選択され
るべきである。

第６図に関して、本発明による熱消散システムが室温に
於いては、２００ｘ７０．３Ｐ／ｄ　　に於いて２．８
ワット／モジュール取りつけチップ、１６００Ｘ７０．
３Ｐ／ｃｄＩに於いて４．１ワット／モジュール取りつ
けチップ並びにより高いガス圧に於いて更に高い電力レ
ベルを消散しうるという事実を指摘できる事は特に興味
深い。これらのケースは、ヒート・シンクからの熱の除
去の為に簡単な、通常の加圧された空気を用いる技術で
十分である点で特に意義がある。これらのケースに於て
可能である様に、熱除去の為にヒート・パイプもしくは
液体冷媒を用いる事なく高電力消散の得られる設計によ
って、多くの事例に於けるコスト上有効な、魅力ある解
決策が与えられる。従って、本発明の熱消散システム１
０は多方面に於いて適用性があり用途の広いものである
。更に、具体的に云うと、単一の熱消散システム１０は
、密封モミ２ニール２０に含まれるガス４０の高い圧力
を単に変える事によって、あるいは冷えだ側壁２２の温
度を変える事によって、広範囲の電力消散レベルにわた
って適用する事が出来る。電力消費能に換算すると本発
明のシステムによって、８５℃までの温度上昇に関して
９００Ｗ／６，４５．、！（９（ＩＯＷ／ｉｎりもの熱
除去が可能となる。

第１図及び第２図のシステム１０内に含まれるガス圧を
増すか、冷えた側壁２２の温度を低下させるか、あるい
は両方を行なう事によって熱抵抗が低下するというｓに
よって、熱を消散させる為のシステム１０の性能の向上
は予期しなかった結果である。

密封モジュール２２に於いてアルゴンもしくはヘリウム
ガス４０を用いる実験に於いて、ヘリウムを用いる熱転
送に関してわずか３０チの改善が示されたに過ぎない。

この結果は、ガス４０に於ける熱伝導が主なる熱除去の
メカニズムでない半並びにガス界面層を横切る伝導が熱
除去に於ける速度制限（ｒａｔｅ−１ｉｍｉｔｉｎｇ）
ステップでない事を示唆するものである。軸封効果は両
方のガスに関して同じであり、実験した温度範囲に於い
ては小さいので、自由対流を経験則的に説明するために
用いられる基本的な理論は、垂直に取りつけられた回路
チップ３０まわりの加熱されたガスが回路チップ６０の
下方の冷えたガスによって浮力をうける様な浮力駆動力
に基づ（。与えられたガス４０の加速度が界面層の厚さ
を減じ、移動するガス４０に対する熱伝導を増大させる
傾向を呈する。

駆動力としてのガス膨張はオープン・システムの自由対
流分析に於いては熱膨張係数項として現われるが、本発
明に於ける様に閉じた、即ち密封されたシステムに於い
てはガス、膨張は大きな役割りを演じない。例えば、回
路チップがガス４０を急速に膨張させ、ガス４０の流れ
に対して付加的な瞬間的速度を与える。しかしながら、
密封されたモジュール２０のような閉じたシステムに於
いては、膨張するガス力は冷えたガスによる回復力に起
因する反作用をうける。膨張するガス力は冷えたガスを
上方へ押し上げるとともに、冷えた壁部２２に沿う逆方
向の力を生じる。垂直プレート自由対流冷却を広範囲に
分析したが、その様な理論的な議論は−Ｆ述の様な密封
された環境もしくは高いガス圧に於ける自由対流冷却を
説明し得ない。

上述の様に、本発明の熱消散システム１０はデリケート
な回路チップ３０自体を固体プランジャーもしくは他の
固体熱伝導体に接触させる事な（有効に熱を除去する事
ができる。特に、本発明の教示に従う単一装置設計は、
密封モジュール２０に含まれたガス４０の高い圧力を単
に変化させるか、あるいはモジュール２０の冷えた側壁
２２の温度を変化させる事によって広範囲の電力消散し
。

ベルにわたって適用する事ができる。

第１図及び第２図に示される熱消散システム１０はとも
に回路チップ３０及びモジュール取付は回路チップな冷
却するも、のとして説明されたが、本発明のシステムは
モーターを含む他の電子装置や他の局部的な熱源を冷却
するために用いうる事は云うまでもない。熱源として上
述の回路チップ６０を用いたのは説明のためであるに過
ぎない。

アルゴン及びヘリウムガスがモジュール２０に充填する
のに適したガスである様に説明したが、熱源３０及びモ
ジュール２０の冷えた側壁２２０間の熱的結合を改善す
る為に高い圧力に於いて動作する他の流体を用いる事が
できる。

以上からして、本発明の熱消散システムはこれ迄達成し
得なかった利点を有する事が分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は熱消散システムの断面図１、第３図
はＷ／熱的モジュール対ガス温度のグラフ、第４．１図
、第４．２図、第４．３図、第４，４図及び第４．５図
は異なるチップ方位に関する説明図、第５図及び第６図
は熱抵抗対圧力のグラフである。 １０・・・・熱消散システム、２０・・・・密封モジュ
ール、２２・・・・冷えた側壁、２４・・・・フィン、
２５・・・・入口、２６・・・・背面壁、２Ｂ・・・・
開孔、３０・・・・回路チップ、３２・・・・基板、３
４・・・・ピン、４０・・・・ガス。 ＦＩＧ、　１ ５ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、４．４ ＦＩＧ、４．３ ＦＩＧ、　　４．５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 側壁を有する密封型モジュールと、 該密封型モジュール内に取りつけられた、上記側壁の温
   度よりも高温の所望の動作温度にある熱源と、 上記熱源反び上記密封型モジュールの側壁間の熱的結合
   を助長する様に上記密封型モジュール内に封入された高
   圧ガスとを有する、熱源を冷却するための熱消散システ
   ム。