JPS6019663B2 - ガス封入型冷却装置 - Google Patents

ガス封入型冷却装置

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JPS6019663B2
JPS6019663B2 JP51119508A JP11950876A JPS6019663B2 JP S6019663 B2 JPS6019663 B2 JP S6019663B2 JP 51119508 A JP51119508 A JP 51119508A JP 11950876 A JP11950876 A JP 11950876A JP S6019663 B2 JPS6019663 B2 JP S6019663B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、発熱要素の冷却、特に半導体集積回路等の電
子装置の冷却に関する。
半導体集積回路等の電子装置は、正しく動作するために
一定の温度範囲内に保たれなければならない。
しかし、それらの電子装置は動作時に熱を発生するので
、この熱が適当な方法で放散されなければ装置を所定の
温度範囲内に保つことができない。従って、従釆、種々
の放熱手段が考案されてきた。特に、高速の電子計算機
に利用される集積回路は発熱量が大きいので、冷却性能
のすぐれた冷却装置が必要である。
そのような高い冷却性能を備えた従来技術の冷却装置と
して、例えば低沸点の液体を実装体内部に封入し、沸騰
に伴なう気化熱を利用して集積回路チップを冷却するも
のが知られている。しかしながら、このような冷却装置
は沸騰条件の制御が難しく、また液体が汚染されて集積
回路チップを損なうおそれもあった。従って、本発明の
目的は、従来技術とは全く異なった方式により、上記欠
点を持たない、高い冷却性能を有する冷却装置を提供す
ることである。
本発明の冷却装置は、熱伝導性部材を発熱要素に向けて
弾性的に押しつけることにより形成された上記熱伝導性
部材と上記発熱要素との間の狭い間隙に熱伝導性の不活
性ガスを充満させたことを特徴とする。本発明の冷却装
置は、熱伝導性部材の圧薮と不活性ガスとの協動作用に
より、高い冷却性能を得ることができる。また液体を用
いないでの液体の汚染の問題もなく、沸騰冷却を用いな
し、ので条件の制御の難かしさもない。また熱伝導性部
材を弾性的に発熱要素に押しつけているので、発熱要素
の高低の変化にかかわらず良好な接触を与えることがで
きる。以下、本発明の実施例について説明する。
第１図を参照すると、集積回路チップ１０を冷却するた
めのガス封入型モジュールの部分断面図が示されている
。周知のように、チップには高密度に固体回路や素子が
含まれている。チップ内の回路で電力消費が生じて熱が
発生するが、この熱はチップから取り除かれなければな
らない。回路が異なるとこれに与えられる電力も異なり
、また上記回路上に集積された素子はそれが確実に動作
するためには或る所定の温度範囲内に維持されなれなけ
ればならないので、冷却はチップ温度を要求された動作
範囲に保つ様にされなければならない。チップ１０は、
通常セラミックで形成された基板１２の一方の側に装着
されている。上記基板１２の他方の側からはピン１４が
延びている。この接続用のピン１４は、このモジュール
を補助回路等が設けられているボード（図示せず）に接
続する。容器即ちキャップ１６がフランジ１８により基
板１２に取り付けられる。フランジー８は基板１２の周
辺部からキャップ１６へ延びている。キャップ１６は銅
もしくはアルミニウムのような熱伝導性の良い材料で作
られている。キャップ１６は、開孔２０及び近接した開
孔２０の夫々に蓮適しているチャネル２２をその内部に
形成するような十分な厚さを有する。キャップ１６はこ
のような厚さをもつ代わりに、チップー０１こ向って延
び夫々関孔２０が設けられている複数の延長部分を有し
てもよい。チャネル２２内には弾性管２４が開孔２０の
夫々の端部を通渦するように設けられている。圧力印加
手段としてはたらく管２４は、第４図に示されている様
に、熱伝導体２６が夫々の関孔２０に挿入される前に、
キャップ１６のチャネル２２に外側から挿入される。
この管２４は２種のフロオロカーボンの流体混合物を含
む。この混合物は混合比によって制御される所定の温度
で相が変化する。フルオロカーポン流体が膨張すること
により弾性管２４は温度の関数として膨張する。熱伝導
体２６は、一方の端部が管２４と接触し、他方の端部が
チップ１０の面と隣接しこれとの間で界面別ち間隙２８
を形成している。この熱伝導体２６を受け入れるために
、関孔２０がキャップ１６内に正確な寸法で形成される
。第３図及び第４図から明らかな如く、熱伝導体２６は
これの円周とキャップ１６の関孔２０の側壁との間に僅
かな環状のギャップ３０が存在する様に寸法付けられて
いる。熱伝導体２６がチップ１０‘こ比較的平坦な面援
触をする様に、ギャップ３０の幅は開孔２０内で熱伝導
体２６が軽く動く程度のものである。管２４の弾力性に
より、熱伝導体２６は高さの異なるチップ１０にも良好
に接触する。ヘリウムガス３２が第１図の上部に示され
たガス入口３４を通って基板１２とキャップ１６との間
に導入される。
ヘリウムガス３２が使用されるのは下記の理由による。
ヘリウムガス３２は分子量が小さく従って熱伝導体２６
とチップ１０との間の界面２８の空所を容易に満たす。
またヘリウムガス３２は熱伝導体２６の外周と関孔２０
の壁面との闇のギャップ３０を満たし、熱伝導性界面を
形成する。ヘリウムガス３２の他の特徴としては、良好
な熱伝導物質であることであり、従って熱伝導度の高い
界面が形成される。即ち、ヘリウムガス３２を用いて形
成された界面の熱抵抗は比較的低い。ヘリウムガスの更
に他の重要な特徴は不活性なことである。従って、ヘリ
ウムガスは非導電性、無害、非腐食性、不燃性、非爆発
性等の性質を有する。第３図から明らかなように、熱伝
導体２６は略円柱形であるが、その直径方向に向かい合
って凸部３６を有している。
凸部３６は熱伝導体２６の面積を大きくするために形成
され、熱伝導を更に高める。これらの凸部３６は、関孔
２０内の熱伝導体２６を正しく整列させるためのキィと
しても役立つ。熱伝導体２６が管２４により与えられる
圧力によりチップ１０１こ向って押し付けられるので、
熱伝導体２６とチップ１０との間の界面には圧力がかか
っている。
第１図、第２図、第６図及び第８図は便宜上小さなギャ
ップとして界面２８を示す。熱伝導性の不活性ガスを間
隙に有する界面２８は熱伝導に対する抵抗が低く、従っ
て熱伝導性のよい界面が形成される。熱伝導体２６と前
記凸所３６の周囲のギャップ３０はキャップ１６の周囲
壁とともに更に幅広いギャップを形成する。ギャツプ３
０が更に幅広くなっているので、ギャップが熱伝導性の
高いヘリウムガス３２で満たされていても、ギャップ３
０の更に幅広くなった領域はチップ１０と熱伝導体２６
との間の界面２８よりも高い熱抵抗をもつ。従って、界
面２８における低い熱抵抗の部分を藤切る熱と等しい量
の熱を高熱抵抗ギャップ３０で伝達するためにはこの熱
伝導体２６の表面積は大きくされねばならない。従って
、要求された動作範囲にチップ１０を維持するための要
求された熱伝導率を得るべくモジュールが設計されなけ
ればならない。チップ上に発生した熱は熱伝導体２６の
夫々から熱伝導度の良い材料で形成されたキャップ１６
に集められ、更にキャップ１６に形成された冷却板３８
に伝えられる。
第１図に示すように、冷却板３８がキャップ１６の表面
と好ましい熱伝導関係で設けられる様にキャップ１６の
表面は比較的平坦である。キャップ１６は冷却板３８の
壁面としても働く。冷却板３８の内部には冷却液４０が
循環しており、この冷却板に伝えられた熱を取り出す。
モジュールにとりつけるものはこの冷却板に限定されな
い。第２図に示す様に、キャップ１６の外表面に、空気
を強制的に吹き付けて熱を除去するための張り出した形
状の放熱板４２を整列して設けてもよい。第８図は円柱
状の熱伝導体４４を有しているガス封入型冷却装置の熱
放散路部分を拡大して示す。
外部除去手段によって取り出される熱が通渦する種々な
ギャップ及び通路も示されている。チップ４６で発生し
た熱は、チップ４６と熱伝導体４４との間のギャップ則
ち界面５０の熱抵抗ＲＩを通渦しなければならない。熱
伝導体４４は銅もしくは他の熱伝導のよい材料で形成さ
れており、熱抵抗Ｒ２は低い値を示す。ギャップ５２は
前述の如くヘリウムガスを含み熱抵抗Ｒ３が存在する。
熱抵抗Ｒ４はギャップ４８の材料によって決まる。熱抵
抗Ｒ５はギャップ４８と冷却板５１との間の界面の抵抗
を示し、熱抵抗Ｒ６は冷却板５１から液体５４までの抵
抗を示す。界面５０内のヘリウムに関する熱抵抗ＲＩは
この界面に空気を用いた場合の熱抵抗に比べて約５分の
１の大きさである。第４図は、キャップ１．６のチャネ
ル２２と開孔２０の夫々の所定位置に存在する管２４と
熱伝導体２６の１つとを拡大して示している。
第５図は、第１図の線５−５に沿った得られた断面図で
あり、チップに向けて熱伝導体２６を押しつけるためこ
れらの後端部分の夫々と接触している弾性管２４の蛇行
した配列状態を示している。
チップによって発生した総ての熱が増加するとともに管
２４を囲んでいるヘリウムガスの温度が上昇し、前述の
如き２種のフルオロカーボンの流体混合物を含む管２４
の温度が上昇し、そして管２４が膨張する。かくて、熱
伝導体２６に及ぼす圧力のレベルは温度の関数として自
動的に調節される。この圧力レベルは最大温度により限
定されるのは当然である。モジュールの動作はその方向
性には無関係である点に注目されたい。モジュールは宇
宙空間もしくは月面の様な無重力状態又は低重力状態に
おいても動作する。チップが１つの場合のヘリウム封入
冷却装置が第６図及び第７図に示されている。
チップは基板５８に装着されている。上記基板５８は、
この装置をボードに接続するため、チップを装着した方
と反対の面にピン６０を有している。キャップ艮０ち容
器６２はチップ６４を囲った基板５８を封止している。
キャップ６２は、該キャップの上部中央からガイ封入領
域に延びている凸部６６を有している。凸部６６はチッ
プ６４の近傍まで延びていて、関孔６８がその内部に形
成されている。弾力性を有する管７０が開孔６８の底面
に設けられ、キャップ６２の壁面と接触している。熱伝
導体７２が開孔６８内に正しく置かれ、上記 ７０に押
し付けられている。熱伝導体７２がキャップ６２の凸部
６６の関孔６８の所定の位置にある場合、熱伝導体７２
はチップ６４と隣接し、界面７４を形成する。キャップ
６２の残りの空間領域は排気され、周囲の大気がキャッ
プ内部に侵入しない様極めて小さな正の圧力のヘリウム
ガス７６が封入される。ユニット内のこの小さな正の圧
力は予め定められた小さな漏出量を有するヘリウムカプ
セル（図示せず）をキャップ６２内に入れておくことに
より維持できる。分子量の小さいこのヘリウムガス７６
は、熱伝導体７２とチップ６４との間の界面７４に侵入
し、また熱伝導体７２の外周とキャップ６２の凸部６６
の開孔６８の内壁との間のギャップにも侵入する。管７
川ま膨張可能に形成されており、２種のフルオロカーボ
ンの混合流体を含んでいる。この流体の相は混合比によ
って調整される所定の温度で変化する。従って、チップ
６４で生じた熱が増加するに応じて管７０内の上記フル
オロカーボン流体の温度が上昇し、管７０が膨張し、熱
伝導体７２に対する圧力を増す。この熱伝導体７２の圧
力増加はチップ６４と熱伝導体７２との間の界面７４を
狭くする。この界面７４における圧力の増加に応じて熱
抵抗が低下し、これによってチップ６４からの熱量の除
去効果が増す。この熱誠節によりチップをその動作範囲
に保つ。管７０の大きさ及び形状及び熱伝導体７２と関
連するその方向は第７図に最もよく示されている。第７
図は第６図の線７−７に沿って得られたものである。キ
ャップ６２の表面が、単一チップにより発生した熱を除
去するのに十分でない場合、小型の冷却板を上記キャッ
プに容易に取り付けることができる。熱伝導体７２の後
部に設けられた管７０‘こより、熱伝導体７２がチップ
６４の高さ‘こ適合する点に注目されたい。開孔６８に
関連し、熱伝導体７２が管７川こよりチップ６４の表面
領域と適合する点にも注目されたい。第８図は、チップ
４６から冷却板５１の流体５４への熱伝導路に加えて、
機械的なもしくは流体的な熱作動体７６が設けられてい
るヘリウム封入型冷却装置の一部を示している。この機
械的作動体７６は図示の如く熱伝導体４４に対して圧力
を連続的に与えるコイル型のスプリングであってもよく
これによって、熱伝導体４４とチップ４６との間に連続
的な圧力界面５０が形成される。この特定のスプリング
を備えた装置では、温度によって膨張する気体を含んだ
弾力性のある部材を含む前述の装置の様な自動調節はで
きない。熱伝導体４４の背面の空間はスプリングの代り
に海綿体の様な弾性材料で満してもよい。この海綿体の
様な弾性材料４は熱伝導体に対して最小の圧力を与え、
且つ熱伝導体をチップに対面する位置に保持するのに役
立つ。この様な低圧力界面は界面の熱抵抗にある程度影
響を及ぼすが、多くの場合その様な装置を使用不可能に
する程の影響ではない。機械的な装置ではない気体の入
った熱的な作動体を使用してよいのは当然である。この
気体の入った熱的な作動体を用いれば自動調節が可能に
なる。第９図のグラフを参照すると、チップ４６から冷
却板５１の液体（水）５４までの熱抵抗（００／Ｗ）が
、第８図に示された様なアルミニウムもしくは銅製の熱
伝導体４４及びヒートシンクに関する熱伝導要素の長さ
に対してプロットされている。
ヒートシンクはキャップ及び冷却板の隣接する壁面を通
る伝熱路を含む。このグラフは、チップ面積が０．２１
２ので、熱伝導体の相互の中心間の距離が０．６５仇で
そして熱伝導体が設けられた開孔の相互の中心間の距離
が０．６６弧である場合のものである。チップ４６と熱
伝導体４４との間に形成された界面５０１ま１２．７×
１０‐４伽であった。曲線７８はアルミニウム製の熱伝
導体４４とヒートシンクを使用して得られた。．チップ
から冷却板の液体までの熱抵抗は、０．２×２．５４肌
の熱伝導体に対する１８℃／Ｗの高点から０．６×２．
５４伽の熱伝導体における約１５．がｏ／Ｗの最低の値
へ降下するのがわかる。０．６×２．５４伽よりもスタ
ッド長が長くなると、熱抵抗は徐々に増大するのがわか
る。
従って、この選択された特定のチップ、要素及び関孔の
大きさに関する熱伝導体の最適な長さは０．６×２．５
４地であるのがわかる。曲線８０はアルミニウム製の熱
伝導体及び銅製のヒ−トシンクを使用して得られた。こ
の場合の熱抵抗は一般に底く、銅はアルミニウムよりも
熱伝導体として好ましいことがわかる。曲線８２は、銅
製の熱伝導体と銅製のヒートシンクを使用した場合に得
られた結果であって、予想したとおり測定値の総てにわ
たり低い熱抵抗を示している。また、この曲線８２から
熱抵抗が最も低い場合の熱伝導体の長さは０．９×２．
５４弧であるのがわかる。ヘリウムの熱伝導率が高い事
及び界面の間隙を満たす事が可能な事により低熱抵抗接
合が形成されることを利用して、特定の熱動作範囲内に
維持させなければならない固体電子チップのための冷却
装置が構成された。
またヘリウムガスの不活性は、冷却装置に利用するのに
極めて適当である。
【図面の簡単な説明】
第１図はキャップと基板の間の封入された容積内の要素
を示す本発明の装置の側面断面図、第２図は空冷のため
の放熱板が設けられている状態を示す本発明の装置の側
面断面図、第３図は第１図の線３−３に沿って得られた
断面図、第４図は管と熱伝導体の１つを示しているキャ
ップの内部の拡大された一部透視図、第５図は第１図の
線５−５に沿って得られた管の蛇行した状態を示す図、
第６図は単一チップを冷却するための封入ガス及び単一
の熱伝導体の装置を含む本発明の装置を示す側面断面図
、第７図は第６図線７一７に沿って得られた単一の管を
示す図、第８図は夫々の熱伝導体の個々の管及び熱伝導
路中の種々な熱抵抗を示す本発明の装置の一部拡大断面
図、第９図はチップから外部熱除去手段の冷却液までの
熱抵抗対異なる材料で形成された熱伝導スタッドを示す
グラフである。 １０・・・・・・チップ、１２・・・・・・基板、１６
・・・…キャップ、２０・…・・開孔、２４…・・・管
、２６・・・・・・熱伝導体、２８…・・・界面、３０
・・・・・・ギャップ、３２・・・・・・ヘリウムガス
、３８・・・・・・冷却板、４０・・・・・・冷却液、
４２・・・・・・放熱液。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第９図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 熱伝導性部材を発熱要素に向けて弾性的に押しつけ
    ることにより形成された上記熱伝導性部材と上記発熱要
    素との間の狭い間隙に熱伝導性の不活性ガスを充満させ
    たことを特徴とする冷却装置。 ２ 上記発熱要素が半導体集積回路である特許請求の範
    囲第１項記載の冷却装置。
JP51119508A 1975-10-28 1976-10-06 ガス封入型冷却装置 Expired JPS6019663B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/626,399 US3993123A (en) 1975-10-28 1975-10-28 Gas encapsulated cooling module
US626399 1975-10-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5253547A JPS5253547A (en) 1977-04-30
JPS6019663B2 true JPS6019663B2 (ja) 1985-05-17

Family

ID=24510237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP51119508A Expired JPS6019663B2 (ja) 1975-10-28 1976-10-06 ガス封入型冷却装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US3993123A (ja)
JP (1) JPS6019663B2 (ja)
DE (1) DE2647758C3 (ja)
FR (1) FR2330148A1 (ja)
GB (1) GB1521159A (ja)

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