JPS6115353A - チツプ冷却装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、集積回路（ＩＣ）チップなどの小型の発熱性
電子装置の伝導冷却、さらに詳しくいえば、ＩＣチップ
と放熱器（ヒートシンク）の間に熱抵抗が極めて小さい
経路を備えた冷却装置に関するものである。

ここでは、熱抵抗Ｒ−△Ｔ／Ｑ　　と定義する。ただし
△Ｔは温度差、Ｑは離れた２つのセクション間の熱流量
である。この関係式は、フーリエの伝導方程式Ｑ−ＫＡ
（△Ｔ／Ｌ）から導いた結果である。ただし、Ａは熱流
に対して垂直々断面積、Ｌは熱が流れる距離、Ｋは媒体
の熱伝導率である。

〔開示の概要〕

熱を放散する集積回路チップを燃伝導モジュール中の放
熱板に熱的に結合して、チップから放熱板への熱抵抗経
路を最小に抑えてチップを効果的に冷却するための装置
が開示されている。この装置は、チップ背面にばねで載
荷された。底面が平坦な円錐台形の熱伝導中実ディスク
と、との円錐台形ディスクと共用的にかみ合う連続する
テーバ形壁面のついた開口を備えた熱伝導性ハント部材
を組み合わせたものである。ディスクとハントの間の隙
間は、熱伝導度の大きいグリースの薄い層がつめてあシ
、ディスクとハントの間の小さな界面熱抵抗と機械的フ
レキシビリティを与える。チイプの冷却をさらに高める
ため、チップ背面とディスク基部の間に熱伝導度が大き
く融点が低い自己回復性合金が設けられ−る。

〔従来技術〕

チップ・レベルでの大規模集積（ＬＳＩ）と、超大規模
集積（ｖＬＳＩ）、および単一の多層セラミック（ＭＬ
Ｃ）基板上に複数のチップをパッケージすることによ−
るモジュール・レベルテノ大規模集積の導入により、単
位容積当シの回路数が大幅に増加し、同時にその熱流束
密度も増大した。

伝えＩｒ！　、チップ・レベルおよびモジュール・レベ
ルでの集積の結果、回路密度は１ｍ　当λ５Ｘ１０７回
路にも達し、チップ・レベルで１０００　ＫＷ／ｍ　２
のオーダーの熱流束密度の熱を除去する必要が生じた。

この高い熱流束密度を除去するため、様々な熱放散手段
が調べられてきている６そのうち、熱伝導モジュール（
ＴＣＭ）として具体形さ九、米国特許第３９９３１２３
号等で開示されているガス封入式伝導冷却法は、これま
で最も有利な方法であるとの定評がある。

この先行技術にもとづくＴＣＭ％Ｉｌ立体の各コンポー
ネントを第２図に概略的に示す。１０はＭＬＣ基板であ
る。１例では、基板１０は面積が９０Ｘ　９０　ｍｍで
５５層１での層を含み、典型的な場合、１００個］１で
の論理チップ１１、寸たは１１ａ個までの論理チップと
アレイチップの組合せに対して、放散と配線をもたらす
ことができる・基板１０には、典型的な場合約１８００
本の入出力ピン１２がその底面にろう付けされていて、
次のレベルのパッケージに接続できるようになっている
。

基板１Ｇ上の各チップについて１つずつの円筒形ピスト
ン１ろが、ばね１４で押されて各チップの背面と接触す
るようになっており、カバーないしハツト１５と冷却板
１６からなる水冷式ノ・ウジノブへの主な熱伝導経路を
もたらす。冷却板１６には、水が循環するだめの適当な
チェンバーがついている。ワックスで被覆され、ノ・ッ
ト１５と基板フレーム１８の間に圧縮された金属製のＣ
ＩＪソング７が、再力Ｕ工可能な気密シールを形成して
いる・圧力約１６気圧のヘリウム・ガスが密封されたモ
ジュールの界面’Ｍ４１間に導入されて、伝熱媒体とし
て働き、チップからノ・ットへの熱伝導を向上させる。

ピストン１３のチップ１１に直接接触する面は、チップ
の傾斜による偏心接触を最小限に抑えるため１５０ｍｍ
の球半径に機械加工さ扛ており、そｒによって均一なチ
ップ温度とチップに対する機械的応力の減少をもたらし
ている。

ＴＣＭの熱性能を分析するに当って、便宜」二第６図ヲ
参照する。第６図はＴＣＭの単一チップ・ユニントヲチ
ソプ１１か−ら冷却板１６への種々のセグメントに分割
さ扛た熱径路の熱抵抗を断面図として表したものである
。Ｒｅｘｔは、外部熱抵抗を表し、このモジュールに関
しては次のように定義される。

ただし、ΔＴｈ　−ｉ　ｗは、ハント１５と人ロウエバ
の温度差であり、Ｐｍはモジュール電力である。

Ｒｅｘｔば２つの部分、すなわちノＳ、−ソト１５と冷
却板１６の対向面との間の界面抵抗、および冷却板表面
と冷却板内部の循ノ賀水との間の抵抗に分けられる’　
Ｒｉｎｔは、ＴＣＭ７）内部熱抵抗を表し１次のように
定義される・ ΔＴｃ−ｈ Ｒｉｎｔ＝　　ｐｃ たたし、△Ｔｃ−ｈケＬ　チップ１１と７１ツト１５の
頂部の温度差であり、ＰＣはチップ電力である・Ｒｉｎ
ｔは、Ｒｏ・Ｒｃ、−ｐ、Ｒｔ、Ｒｐ−５、５５つの成
分抵抗から構成されている・Ｒｃは、チップの内部抵抗
を表し、Ｒはチップ１１とピ　−ｐ ストン１ろの界面の熱抵抗であり、Ｒｔは、ピストン１
ろの熱抵抗であり、Ｒ，−ｈはピストン１３とハツト１
５０間の熱抵抗であり、Ｒｈ・ｒｉ／・ツト１５の熱抵
抗を表す。

千ツブ１１とピストン１３の界面の熱抵抗Ｒ６−１は、
接触する固体および界面ヘリウム・カス媒体の多数の形
状特性、物理特性および熱特性の複雑な関数である。Ｒ
ｃ−２は、多数の小さな金属接触領域の伝導抵抗、隙間
の熱放射抵抗お°よび界面ヘリウム・ガス媒体の熱伝導
抵抗の５種の並列熱抵抗から描成される。この５種の抵
抗のうちで最後のものが最も小さ−く、最も優勢な熱伝
導経路は、界面ヘリウム・ガス中を通る熱伝導である。

ピストン１３とハツト１５の間の熱抵抗Ｒ，−５は、ピ
ストン１３０半径と長さ、ピストン１３とハツト１５の
間の環状の隙間、ノ・ット１５の断面積、ピストンと・
・ットの温度および熱伝導率を含めて、いくつかのパラ
メータの関数である。

上記の各種熱抵抗の典型的な値は次の通りである。Ｒ二
Ｏ，４３°Ｃ／Ｗ、Ｒ＝λ９°Ｃ／Ｗ、Ｒ。

　−ｐ ＝　１．０２°ＣＯＷ、　Ｒｐ−ｈ−λ１５°Ｃ／Ｗ、
Ｒ−ｔｓｓ’ＣＯＷで、合計するとモジュールの線内部
抵抗Ｒｉｎｔは８０８°Ｃ／ｗとなる。Ｒｅｘｔは、典
型的な場合約０，１５８Ｃ７’Ｗである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

先行技術にもとづ＜ＴＣＭは、これらの熱抵抗が極めて
小さいにもかかわらず、熱伝導素子例えばピストンやハ
ツト組立体の特別な形状とサイズのために、ＩＣチップ
から冷却板に熱を伝達して、チップ温度を必要とされる
４０°Ｃから８５°Ｃの範囲に維持する能力の点で固有
の限界がある。特にて、現在考えられている消費電力が
５Ｄクワット上のＶＬＳＩチップの場合・）１そうであ
る。上記の先行技術によるＴＣＭのもう一つの欠点、り
ま、チップとピストンとの間の界面、およびピストンと
・・ットの間の環状部に充分なレベルのヘリウム・カス
を使うことが熱設計上どうしても必要なことである。ヘ
リウムはガスとして秀れた熱′時性をもち不活性で無毒
で不燃性であるが、外へもれないように封入するのが極
めて困１酊である。その土、分子流動状態では、ヘリウ
ムが漏れ出すのと同時に空気が封入部分に入り、そのた
めにＴＣＭの高い製品性能が、時間に依存するその気密
特注に依存するようになる。

特に冷却能力の点で将来の用途に合せてかなり拡張でき
るＴ　ＣＭを提供することが、本発明の目的である・ Ｃ問題点を解決するだめの手段〕 上記の目的およびそれに関連するその他の目的と利点は
、本明細書で開示する熱伝導ディスクとハツトの組み合
せを使うことによって達成できる。

本発明り一つの良好な実施例では、熱伝導ディスクは、
平坦な底面を有する円錐台形をしており、ばねでチップ
の方へ押しつけられて、その平坦な１ｉ＼４面が冷却す
べきチップの背面と接触するようになっている。・・ソ
トも熱伝導性でありその底部には熱伝導ディスクを共形
的に受けるためのテーパ開口がついている。ノ・ットと
ディスクの対向するテーパ面の間の隙間には、熱伝導性
グリースがつまっていて、ディスクとノ・シト間の界面
熱抵抗を小さくするだけで庁＜、チップへの衝撃荷重に
対する有効な緩衝媒体としても働くようになっている。

ハツトに熱的に結合された放熱板が、ＩＣチップからデ
ィスクを経てノ・ットに伝えられた熱を取り除く。

チップの冷却をさらに向上させるため、融けると低い界
面熱抵抗をもたらす、自己回復性の熱伝導度が高く融点
の低い合金の薄い共形層が、チップとディスク底面の間
に設けられる。

〔実施例〕

本発明にもとづく熱伝導モジュールに特有の基本要素を
第１図に示す。第１図において、ＩＣチップを数字２０
で示すが、これは熱を急速に放散することによって特定
の温度範囲に保つことが望捷れるものである。チップ２
０は、はんたボール接続２２を介して多層セラミック基
板２１上に表面を下にして取りつけられている。すなわ
ちチップの集積回路を含む表面が、基板２１に下向きに
取りつけられている。中実円錐台形で底面が平坦な熱伝
導ディスク２３力！、その平坦な底面がチップ２０の背
面に接触するように、チップ２Ｇの上に取りつけられて
いる。ＩＣ千ツブ２Ｄの背面は、典型的な場合、凹凸が
約０．２５　ミクロン以内の平坦度である。ディスク２
３の底面も、チップの平坦度に匹敵する極めて高い平坦
度に機械加工されており、そのため組み立そたとき、こ
の２つの接触面の間の隙間が最小限に抑えられる。チッ
プ表面とディスク２５の底面の間の隙間が小さいほど、
それらの間の熱抵抗も小さくなる。ディスク２３の底面
の表面積は、チップ２０の背面の表面積よりも一般に大
きくして、はんだボール接続２２が不完全なためにチッ
プ２０が傾斜しても、ディスク２ろの基部がチップ２０
と連続的接触を維持できるようになっている。

ディスク２′５の底部にはリップ２４がついていて、デ
ィスク２３の斜壁を越えて伸びている。

ディスク２５の頂部には、圧縮ばね２６を収容するため
のばね保持用開口２５がある。このばね２６は、熱伝導
ディスク２３に力を加えてチップ２０に押しつけ、それ
らの間の熱伝導接触を良くするためのものである。

円錐台形ディスク２３の上には、それと共形の熱伝導ハ
ツト部材（以下、単にハツトという）２７があり、連続
するテーパ側壁２８および基本的に平坦な天井２９を備
えた開口がそれに設けられている。側壁２８のテーパ角
は、第１図に示しだディスク２５のテーパ面５０のテー
パ角θ、と厳密に一致している。天井２９は、圧縮ばね
２６の上部を保持するだめの円形スロット≦１を含んで
いる。ハツト２７は、水冷式冷却板の形の放熱板に取り
つけるだめの上面５２を備えている。別法としてハツト
２７に、そこから伸びる犬き々フィンをつけ、冷たい空
気をその上に吹きつけて・・ットから熱を放散させるこ
ともできる。

ハツト２７のテーパ面２８とディスク２ろのデーパ面ろ
０の隙０間は一定の寸法ｔであるが、その中に熱伝導性
の高いグリースろ５を入れる。このグリースは、熱抵抗
が（チップ面積４．５Ｘ４．５ｍｍの場合）厚さ２５ミ
クロン（１ミル）当り１〜１２’Ｃ／ワツトと小さく、
狭い隙間に詰捷ってち密なパックを形成し、ディスク２
５とハツト２７の間の熱伝導接触をよくすることができ
るような粘性をもつものである。

第１図に示したハツト２７とディスク２ろの組立体の共
形テーパ面２８と５０が有効に働くファクタがいくつか
ある。第１に、ディスク２３とハツト２７０間の接触面
積が最大になる。典型的な場合、テーパ接触表面積は千
ッグ２０の面積の約５〜１０倍になる。このようにディ
スク２３とハツト２７の間の接触面積が最大になると、
ディスク２ろからハツト２７への熱流束の除去が最大に
なる。とのテーパ形配置のもう一つの利点は、最も有利
なチップ荷重条件と機械的フレキシビリテをもたらすこ
とである。この点を堀り下げるために第１図と第４図を
参照すると、ディスク２３に対する・・ット２７の垂直
移動距離りは、表面２８と５０の間の隙間のグリースの
厚さｔと、三角方程式ｈ−ｔ−３ｅｃθで関係づけられ
る。テーパ角θが大きく、典型的な場合９０°に近いの
で、ディスク２ろはハツト２７内でグリースの厚さｔの
小さな変化に対して大きな垂直距離りだけ移動すること
ができ、したがって機械的フレキシビリティがもたらさ
れる。有利なチップ荷重については、再度第１図と第４
図を参照すると、ハツト２７が垂直方向の荷重下（ばね
２６の圧縮力）を与えるとき、この荷１１、Ｆ　　＝　
Ｆ−ｃ　ｏ　ｓθの形でＦに関係つけられた圧縮力Ｆ　
とＦ　　＝ＦｅｓｉｎθのＣろ 形で与えられるせん断力Ｆ　の２成分としてディスク２
５Ｋにかかる。テーパ角θは典型的な場合９０°に近い
ので、荷重Ｆは生々してぜん断力Ｆ８としてディスク２
５に伝わるが、限られた圧縮力Ｆ　がディスク２ろにか
かるのでディスク２ろと・・ツト２７の間の良好な熱伝
導接触が確保される。

良好なテーパ角θの範囲は、８５°≦θ〈９Ｄ０である
。θか８５°より小さいと、圧縮力Ｆ　が大きくなりす
きで、表面２８と３０の間に厚いグリース層が必要にな
る。そのようにグリース層か厚いと、ハント２７とディ
スク２ろの間の熱経路が非効率になる。θ−９０°だと
、ハント２７からディスク２５にかかるすべての力がぜ
ん断力になり、圧縮力はなくなるので、かみ合う２つの
要素２５と２７の間の熱伝導接触がかなり悪くなる。

熱伝導ディスク２３と共形ハツト２７の組立体の基本的
特徴が、第５図と第６図に図示しである。

この両図は、それぞれ初期および最終の組立体の特徴を
示したものである。初期状態では、基板２１と・・ット
２７の間がδ１と大きく離れており、グリース３３の厚
さが不均一なだめに、ディスク２３はチップ２０上で自
由に旋回し、充分に着座することができる。組み立てる
と、基板２１とハラ）・２７の間がδ２と小さくなるが
、所与の接触荷重Ｆのとき、表面２８と３０からその間
のグリースろ５にかかる互いに反対向きのせん断力によ
って、最初の着座位置を保ったま捷でグリース３ろの厚
さが減る。組み立て中に起こるグリースの流動は、ディ
スク２５がハツト２７に押し入るときハツトのテーパ面
２８がもたらすより大きな押出し抵抗を利用して、Ｆの
チップ領域ではなく、パット領域すなわちハツト２７の
天井２９とディスク２ろの頂面の間の領域に入るように
制御できる。その上、゛組み立て中にグリースが下へ流
れても、チップ領域に達せずディスク２ろの底部の突き
出したリップ２４にう寸〈留まる。典型的な場合、ばね
２乙の圧縮を介して約１００〜１５０ｇの接触荷重がか
かれば、必要な熱伝導接触をもたらすのに充分である０ ディスク２３とその上を覆うノ・ット２７の製造に使用
できる典型的な材料は、アルミニウム、銅、銀、炭化ケ
イ素などである。銅は質量密度と熱伝導度が大きいので
、ディスク２ジの製造に特に適している。

熱伝導ディスク２５０寸法は、冷却すべきチップ２０の
サイズと消費電力によって決まる。例えば、チップφサ
イズ４．５Ｘ４．５ｍｍ　　の５０ワツトのチップから
効果的に熱を放散するには、高さ約０．７５ｃｍ、ディ
スクの円錐部分の平均直径が約０．６５ｃｍで、円錐部
分の表面積が４．５ｃｍ　の銅製ディスクが必要である
。

第１図、第５図および第６図に示した、間に熱グリース
界面を設けた熱伝導ディスク２３と・・ット２７の組合
せを利用すると、先行技術による底面が曲った円筒形ピ
ストンとピストンを密閉するだめの直壁状開口を備えた
ノ・ットを利用した、ガス封入式構造に比べて、チップ
とノ１ット頂部の間の熱抵抗Ｒを、約りに減らすことが
できる・＋ｎｔ 本発明では、第１図、第５図および第６図に示、すよう
な熱伝導度が大きく融点の低い自己回復性合金利料３４
の共形界面層をチップ２ｏの背面とディスク２３の底面
の間に設けることによって、チップ２０とディスク２ろ
の間の熱抵抗をさらに減らし、チップ２０から放熱板へ
の熱伝達をさらに向上させることができる。この合金材
料は、固相温度が８５〜９０°Ｃと低く、液相温度がｉ
ｉ。

〜１１５°Ｃと低くて、チップ２０とディスク２３の間
の界面が破壊されるとき、自：己回復性界面をもたらす
。適切な合金材料３４の例は、ロードアイランド州プロ
ピデンスのアクロニウム社から市販されているオスタロ
イ（Ｏｓｔａｌｌｏｙ）である。

これは、ビスマス（４６７％）、鉛（３９３％）、スズ
（１２４％）、インジウム（１，６％）から構成されて
いる。オスタロイは、固相温度８８°Ｃ１液相温度１１
００Ｃである。銅製ディスクに金属結合した厚さ２５ミ
クロン（１ミル）のオスタロイ・コーティングの熱抵抗
は、０．１°Ｃ／ｗ未満である。オスタロイは、単なる
はんだ付けまたはア−り成句けによってディスク２３の
底面に塗布することができる。

界面合金層３４は、チップ２０とディスク２５の接触面
の間で破壊を起こして熱抵抗の大きな経路を導入する恐
れのあるボイドをなくすることによって、ここに開示し
た構造の冷却能力を高める。

合金層３４があると、界面が破壊された場合、その熱抵
抗が大きくなりチップ温度が上るが、チップ温度の上昇
が充分に大きくて合金層３４の温度がその同相温度より
高くなれば、合金は再流動して共形界面を確立し、チッ
プ温度は正常範囲に戻る。

第１図および第４図ないし第６図に示した装置モデルで
、チップ２０と熱伝導ディスク２３０間にオスタロイ界
面を使いディスク２′５とハツト２７０間に熱グリース
界面を使って熱実験を行った結果、この装置を使うと熱
抵抗Ｒｉｎｔを先行技術　゛にもとづくガス封入式装置
に比べて塊に減らせることが立証された。

本発明をその特定の良好な実施例に則して説明してきた
が、以上の説明に照らせば当業者なら多くの別法、修正
および変更をすぐ思いつくことは明白である。例えば、
熱伝導ディスクを、指ぬき形にして、内部側面領域をノ
・ットからの突起に対向させることができる。こうする
と、ノ・ット・グリース界面の面積がずっと大きくなり
、シたがって熱抵抗は小さく々るはずである。

〔発明の効果〕

以上寸とめると、円錐台形の中実ディスクとこのディス
ク−トに共形的にはめたテーバ開口を有する・・ットを
設け、その間の隙間に熱伝導度の大きいグリースの薄い
層をち密に詰めると、高電力のＩＣチップから放熱板へ
熱を伝えるだめの簡単で効率的な秀れた熱伝導手段がで
きる。その熱伝達が秀れているのは、ディスクとハツト
の接触表面積が、これらの要素の独特の形のために極め
て大きくなるためである。熱伝達が効率的なのは、これ
らの大きな表面の間にグリース界面が設けられているた
めである。ＩＣチップとディスク底面の間に融点が低く
熱伝導度の高い独自の合金界面を設けると、熱伝達がさ
らに改良される・単一チップを冷却するための単一のデ
ィスク・ハツトの組合せに焦点を当てて本発明を考察し
てきたが、本発明を利用してＴＣＭを作成することによ
り、それを多数のチップの冷却に容易に拡張できる。こ
のようなＴＣＭは、大規模システム働プロセッサの使用
によって課される、温度、湿度、パワー・オン／オフ、
マシン寿命、故障率その他各種の機械要件などの適用要
件を容易に充たす。

このように設計したＴＣＭは、効率的な冷却経路をもた
らす上に、ＩＣチップを機械的におよび環境上充分に保
護する。

すなわち、本発明にもとづいて、王妃に設定した目的と
利点を完全に満足する、改良された単一チップまだは複
数チップ用熱冷却装置が実現された０

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にもとづく新規な特徴を示す熱伝導デ
ィスクを組み込ん、だ、熱伝導モジュールの実施例の部
分断面図である。 第２図は、従来の熱伝導モジュールの分解斜視図である
。 第５図は、ＩＣチップと放熱板の間の熱経路における様
々々熱抵抗を示す、従来の熱伝導モジュールの一部の断
面図である。 第４図は１本発明の熱伝導モジュールの熱伝導ディスク
とその上のハツトのテーパ面の一部において、これらの
テーパ面の間のグリース界面の厚さ、ハツトのディスク
に対する垂直移動距離、およびテーパ面のテーパ度の幾
何的関係を示す図である。 第５図および第６図は、異なるモジュール組立て段階を
示す、第１図と同様の部分断面図である。 本発朗 ｆ　１　図 牟（禾Ｊ支本生 才　２　図 １６、 才３　圀

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 冷却すべきチップの背面に接触する平坦な底面を持つた
   円錐台形の熱伝導ディスクと、内面が前記ディスクのテ
   ーパ面に対向するテーパ面になつている熱伝導性のハッ
   トと、前記ハツトと前記ディスクの間に設けられ、前記
   ディスクを前記チップに押しつける手段と、前記ディス
   クおよび前記ハットのテーパ面間の隙間につめ込まれた
   熱抵抗低減用のグリースと、を設けたことを特徴とする
   チップ冷却装置。