JPS61226946A - 集積回路チツプ冷却装置 - Google Patents
集積回路チツプ冷却装置Info
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- JPS61226946A JPS61226946A JP6648685A JP6648685A JPS61226946A JP S61226946 A JPS61226946 A JP S61226946A JP 6648685 A JP6648685 A JP 6648685A JP 6648685 A JP6648685 A JP 6648685A JP S61226946 A JPS61226946 A JP S61226946A
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- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、集積回路チップの冷却装置に係り、特に電子
計算機等に使用される大消費電力の集積回路チップの発
熱を効果的に取り去る冷却装置に関するものである。
計算機等に使用される大消費電力の集積回路チップの発
熱を効果的に取り去る冷却装置に関するものである。
電子計算機等では、高速の回路動作を実現するため、大
消費電力の集積回路チップをプリント板あるいはセラミ
ック板等の配線基板上に高密度に実装する方式が広く行
なわれている。この配線基板の発熱は数１００ワツトに
なり、この発熱を吸収する強力でコンパクトな冷却系を
実現することが、高速な計算機を実現する鍵となること
は明らかである。
消費電力の集積回路チップをプリント板あるいはセラミ
ック板等の配線基板上に高密度に実装する方式が広く行
なわれている。この配線基板の発熱は数１００ワツトに
なり、この発熱を吸収する強力でコンパクトな冷却系を
実現することが、高速な計算機を実現する鍵となること
は明らかである。
上述の要求を満足するため、従来より種々の冷却系が提
案されているが、その−例として本出願人は特願昭５８
−７２８９６号の提案を行なった。
案されているが、その−例として本出願人は特願昭５８
−７２８９６号の提案を行なった。
本提案は、集積回路チップ上に固着あるいはバネで圧接
した冷却部材に、柔軟なパイプ部材を用いて冷媒を供給
して該集積回路チップの冷却を行なうものである。この
冷却方式は１ｃｒｒ１０の冷却部材を用いた場合、約Ｉ
Ｃ／Ｗの低熱抵抗を実現できる強力なものであるが、１
）微小な円形パイプを用いているため冷媒の圧力損失が
大きくなる、１１１）バネで冷却部材を圧接する場合チ
ップと冷却部材間の圧接界面の熱抵抗が非常に大きくな
る、１１１）集積回路チップの動作・非動作にかかわら
ず常にバネ荷重が集積回路チップと配線基板間の信号接
続部に加わっている等の制限がおった。
した冷却部材に、柔軟なパイプ部材を用いて冷媒を供給
して該集積回路チップの冷却を行なうものである。この
冷却方式は１ｃｒｒ１０の冷却部材を用いた場合、約Ｉ
Ｃ／Ｗの低熱抵抗を実現できる強力なものであるが、１
）微小な円形パイプを用いているため冷媒の圧力損失が
大きくなる、１１１）バネで冷却部材を圧接する場合チ
ップと冷却部材間の圧接界面の熱抵抗が非常に大きくな
る、１１１）集積回路チップの動作・非動作にかかわら
ず常にバネ荷重が集積回路チップと配線基板間の信号接
続部に加わっている等の制限がおった。
本発明の目的は複数の大消費電力の集積回路チップをさ
らに効率良く冷却でき、かつ冷却部材の接触圧力によシ
集積回路チップと配線基板間の信号接続部に生ずるひず
みを軽減できる集積回路チップ冷却装置を提供すること
にある。
らに効率良く冷却でき、かつ冷却部材の接触圧力によシ
集積回路チップと配線基板間の信号接続部に生ずるひず
みを軽減できる集積回路チップ冷却装置を提供すること
にある。
かかる目的を達成するために、本発明では、バネ性（ｉ
ｌ−有する部材で冷媒供給パイプを形成し、このパイプ
のバネ性を用いて内部に板状冷却フィンを有する冷却部
材を集積回路チップに圧接することによシ冷却を行なう
ことを特徴とする。
ｌ−有する部材で冷媒供給パイプを形成し、このパイプ
のバネ性を用いて内部に板状冷却フィンを有する冷却部
材を集積回路チップに圧接することによシ冷却を行なう
ことを特徴とする。
この場合、冷媒供給パイプの断面を例えば長円形等の非
円形とし、これを冷却部材内の板状冷却フィンの両端に
配置することによシ、円形断面に比べて断面積を増加し
、結果として圧力損失を低減している。
円形とし、これを冷却部材内の板状冷却フィンの両端に
配置することによシ、円形断面に比べて断面積を増加し
、結果として圧力損失を低減している。
さらに、集積回路チップと冷却部材間の圧接面にそれぞ
れ一定高さの溝状凹凸面を形成し、両者を噛合せること
により対向する表面積を増加させ、圧接面の熱抵抗を減
少させる。
れ一定高さの溝状凹凸面を形成し、両者を噛合せること
により対向する表面積を増加させ、圧接面の熱抵抗を減
少させる。
また、一般に長円形等のベローズでは、長手方向の水平
変位に対するバネ定数は、長手方向と直焚する方向の水
平変位に対するバネ定数に比べて１桁程度太酋い。そこ
で、凹凸面の溝の方向を長円形ベローズの長手方向にと
ることによシ、冷却ブロックはベローズの長手方向の水
平変位に対してチップ上を自由に摺動することが可能と
なパかたいバネによりチップに不必要な荷重が加わるこ
とが防げる。
変位に対するバネ定数は、長手方向と直焚する方向の水
平変位に対するバネ定数に比べて１桁程度太酋い。そこ
で、凹凸面の溝の方向を長円形ベローズの長手方向にと
ることによシ、冷却ブロックはベローズの長手方向の水
平変位に対してチップ上を自由に摺動することが可能と
なパかたいバネによりチップに不必要な荷重が加わるこ
とが防げる。
さらに、冷却装置内部に加圧気体を挿入することによシ
、気体分子の平均自由行路を短縮し、自由分子流による
圧接面の温度差の発生を防止する。
、気体分子の平均自由行路を短縮し、自由分子流による
圧接面の温度差の発生を防止する。
また、冷却部材の圧接に冷媒圧力を用いることによシ、
集積回路チップの非動作時において冷却部材と集積回路
チップが非接触となるようにし、信号接続部に不必要な
バネ荷重あるいは水圧荷重の加わる時間を最低限に押さ
えている。
集積回路チップの非動作時において冷却部材と集積回路
チップが非接触となるようにし、信号接続部に不必要な
バネ荷重あるいは水圧荷重の加わる時間を最低限に押さ
えている。
以下図面により本発明を説明する。
第１０は本発明の一実施例を示す断面図である。
集積回路チップ冷却装置１００は、多数の集積回路チッ
プ２を封入し、かつ冷却する手段を与えるものである。
プ２を封入し、かつ冷却する手段を与えるものである。
封止は、配線基板３とハツト５をハンダ６により接合す
ることによシ行なわれる。配線基板３上には多数の集積
回路チップ２がハンダ端子４を介して電気的に相互接続
されており、基板下面には、冷却装置を回路カード又は
回路ボードに接続するための多数の入出力ピン９が存在
する。
ることによシ行なわれる。配線基板３上には多数の集積
回路チップ２がハンダ端子４を介して電気的に相互接続
されており、基板下面には、冷却装置を回路カード又は
回路ボードに接続するための多数の入出力ピン９が存在
する。
集積回路チップ２により発生した熱は、各集積回路チッ
プ上に搭載された冷却部材１に伝達され、冷却部材内部
を循環する冷媒により冷却される。
プ上に搭載された冷却部材１に伝達され、冷却部材内部
を循環する冷媒により冷却される。
冷媒は、ノズル８ａを通して冷却装置外部から流入し、
ベローズ形状の柔軟なパイプ１０を介して各冷却部材内
を循環し、ノズル８ｂを通して冷却装置外部へ排出され
る。
ベローズ形状の柔軟なパイプ１０を介して各冷却部材内
を循環し、ノズル８ｂを通して冷却装置外部へ排出され
る。
第２図は、冷却部材を示す斜視図である。冷却部材１は
、冷却フィン１３を一体成形した底板１２とギャップ１
１から成る。冷却フィン１３の材質としては、熱伝導率
が良好な材料、例えば銅、アルミ又は高熱伝導性の炭化
ケイ素セラミックス等が使用できる。またキャップ１１
との接続には、ハンダ付等を用いればよい。冷却部材１
の上面には、例えばニッケルのＮ、鋳抜術を用いた薄く
て柔軟なベローズ１０がハンダ付等により固着してめシ
、冷却部材上部のハツト５内に存在する冷媒流路７との
接続を行なう。冷却部材１はベローズのバネ性によシ集
積回路チップ２に圧接されておシ、集積回路チップ２に
おいて発生した熱は、この圧接面を介して底板１２から
冷却フィン１３、冷媒へと伝達される。冷媒としては、
例えば水又はフロリナート等が使用できる。
、冷却フィン１３を一体成形した底板１２とギャップ１
１から成る。冷却フィン１３の材質としては、熱伝導率
が良好な材料、例えば銅、アルミ又は高熱伝導性の炭化
ケイ素セラミックス等が使用できる。またキャップ１１
との接続には、ハンダ付等を用いればよい。冷却部材１
の上面には、例えばニッケルのＮ、鋳抜術を用いた薄く
て柔軟なベローズ１０がハンダ付等により固着してめシ
、冷却部材上部のハツト５内に存在する冷媒流路７との
接続を行なう。冷却部材１はベローズのバネ性によシ集
積回路チップ２に圧接されておシ、集積回路チップ２に
おいて発生した熱は、この圧接面を介して底板１２から
冷却フィン１３、冷媒へと伝達される。冷媒としては、
例えば水又はフロリナート等が使用できる。
この場合、ベローズの形状を従来の円形から第２図に示
すような例えば長円形にすることによシ、ベローズ断面
積を飛躍的に増加させ、結果としてベローズ内の冷媒流
速が減少し、圧力損失の低減、腐食の防止を図ることが
できる。また 第２図の゛ ようにフィン列の両端に
長円形ベローズを配置することにより、各フィンへの冷
媒流入量を均一にすることができる。
すような例えば長円形にすることによシ、ベローズ断面
積を飛躍的に増加させ、結果としてベローズ内の冷媒流
速が減少し、圧力損失の低減、腐食の防止を図ることが
できる。また 第２図の゛ ようにフィン列の両端に
長円形ベローズを配置することにより、各フィンへの冷
媒流入量を均一にすることができる。
第３図は本発明の第２の実施例を示す側面図である。前
述の実施例では、冷却部材１及び集積回路チップ２との
圧接面は平面としたが、本実施例では、第３図（ａ）に
示すように、底板１２と集積回路チップとの圧接面にそ
れぞれ溝状の微小な凹凸を設け、両者を噛合せることに
より、実効的に圧接面の表面積を増加している。同図に
示す白ヌキの矢印は噛合せの方向を示すものである。一
般に、表面ｍ’ｅ増加すればする程、圧接面の熱抵抗は
減少する傾向にあシ、本実施例を採用することによυ十
分低い熱抵抗を実現することができる。第３図（ｂ）は
、第３図（ａ）とは異なった凹凸面の形状を示したもの
である。本形状では、凸部の先端が錐状を成しているた
め、第３図（ａ）に比べて表面積の増加率は少ないが、
冷却部材と集積回路チップとの間に少々の位置ずれがあ
っても、両者の噛合せは容易となる。
述の実施例では、冷却部材１及び集積回路チップ２との
圧接面は平面としたが、本実施例では、第３図（ａ）に
示すように、底板１２と集積回路チップとの圧接面にそ
れぞれ溝状の微小な凹凸を設け、両者を噛合せることに
より、実効的に圧接面の表面積を増加している。同図に
示す白ヌキの矢印は噛合せの方向を示すものである。一
般に、表面ｍ’ｅ増加すればする程、圧接面の熱抵抗は
減少する傾向にあシ、本実施例を採用することによυ十
分低い熱抵抗を実現することができる。第３図（ｂ）は
、第３図（ａ）とは異なった凹凸面の形状を示したもの
である。本形状では、凸部の先端が錐状を成しているた
め、第３図（ａ）に比べて表面積の増加率は少ないが、
冷却部材と集積回路チップとの間に少々の位置ずれがあ
っても、両者の噛合せは容易となる。
以上に示した溝状凹凸面の加工方法としては、ダイアモ
ンドブレード等を用いた切削加工によるものが一般的で
あるが、特にシリコンチップの場合には異方性エツチン
グを用いることもできる。
ンドブレード等を用いた切削加工によるものが一般的で
あるが、特にシリコンチップの場合には異方性エツチン
グを用いることもできる。
尚、第２の実施例では、第３図（ａ）、 （ｂ）のいず
れも底板１２及び集積回路チップに直接凹凸面を形成す
る場合について述べたが、第１の実施例に示したような
平担な圧接面に、別途作製した凹凸面を有する板をハン
ダ等により固着したとしても、何ら上述の効果を妨げる
ものではない。これは、以下に述べる実施例についても
同じである。
れも底板１２及び集積回路チップに直接凹凸面を形成す
る場合について述べたが、第１の実施例に示したような
平担な圧接面に、別途作製した凹凸面を有する板をハン
ダ等により固着したとしても、何ら上述の効果を妨げる
ものではない。これは、以下に述べる実施例についても
同じである。
第４図は本発明の第３の実施例を示す斜視図である。一
般に第４図に示すような長円形のベローズ１０では、長
手方向の水平変位に対するバネ定数は、長手方向と直交
する方向の水平変位に対するバネ定数に比べてはるかに
太きい。ここで、本実施例では、底板１２及び集積回路
チップ２に設けた凹凸面の溝の方向をベローズの長手方
向に対して平行に形成しているため、長手方向に加わる
水平変位に対して冷却部材１は集積回路チップ上を自由
に摺動することができる。従って、ノ・ンダ端子４に加
わる水平荷重はベローズの長手方向に直交する方向の比
較的小さい値のみとなシ、ノ・ンダ端子の破壊寿命を考
えるうえで非常に有利となる。
般に第４図に示すような長円形のベローズ１０では、長
手方向の水平変位に対するバネ定数は、長手方向と直交
する方向の水平変位に対するバネ定数に比べてはるかに
太きい。ここで、本実施例では、底板１２及び集積回路
チップ２に設けた凹凸面の溝の方向をベローズの長手方
向に対して平行に形成しているため、長手方向に加わる
水平変位に対して冷却部材１は集積回路チップ上を自由
に摺動することができる。従って、ノ・ンダ端子４に加
わる水平荷重はベローズの長手方向に直交する方向の比
較的小さい値のみとなシ、ノ・ンダ端子の破壊寿命を考
えるうえで非常に有利となる。
第５図は本発明の第４の実施例を示す斜視図である。本
実施例では、凹凸面の溝の方向が表面及び裏面で互いに
直交するような中間板１４を冷却部材１及び集積回路チ
ップ２の間に挿入している。
実施例では、凹凸面の溝の方向が表面及び裏面で互いに
直交するような中間板１４を冷却部材１及び集積回路チ
ップ２の間に挿入している。
本構造では、圧接による伝熱面が２箇所となるので、熱
抵抗的には第２及び第３の実施例に比べて不利となるが
、中間板の両面の凹凸面によりベローズの長手方向及び
それに直焚する方向に対する冷却ブロックの自由な摺動
が可能となる。従って、水平方向３６０° の変位に対
して、ハンダ端子４の受ける荷重はほぼゼロとなり、そ
の寿命を著しく改善することができる。
抵抗的には第２及び第３の実施例に比べて不利となるが
、中間板の両面の凹凸面によりベローズの長手方向及び
それに直焚する方向に対する冷却ブロックの自由な摺動
が可能となる。従って、水平方向３６０° の変位に対
して、ハンダ端子４の受ける荷重はほぼゼロとなり、そ
の寿命を著しく改善することができる。
尚、以上の第１から第４の実施例において、圧接面の熱
抵抗をさらに低減するためは、圧接面の平均間隔を減少
すればよい。しかし、この場合、平均間隔が圧接面内の
気体分子の平均自由行路を下まわると、いわゆる希薄気
体の熱伝達状態が生ずる。このような熱伝達に関しては
、甲藤好部著「伝熱概論」 （養賢堂）第１０章に詳し
く述べられているが、それによると希薄気体では、気体
分子相互の衝突による熱伝達が不可能となるため、壁面
に接する気体と壁面との間に温度差が生ずる。
抵抗をさらに低減するためは、圧接面の平均間隔を減少
すればよい。しかし、この場合、平均間隔が圧接面内の
気体分子の平均自由行路を下まわると、いわゆる希薄気
体の熱伝達状態が生ずる。このような熱伝達に関しては
、甲藤好部著「伝熱概論」 （養賢堂）第１０章に詳し
く述べられているが、それによると希薄気体では、気体
分子相互の衝突による熱伝達が不可能となるため、壁面
に接する気体と壁面との間に温度差が生ずる。
この値は、圧接面の平均間隔を気体の平均自由行路以下
にいくら小さくしても一定値を保ち、ゼロとすることは
で籾ない。この温度差による熱抵抗を低減するためには
、平均自由行路を減少すること、すなわち封入気体の圧
力を増加することが有効であり、例えば封入気体をヘリ
ウムとした場合、第１の実施例において平均間隔０．５
μｍ１封入圧力３気圧で圧接面の熱抵抗０．１ ｃｍ”
・Ｋ／Ｗを実現できる。
にいくら小さくしても一定値を保ち、ゼロとすることは
で籾ない。この温度差による熱抵抗を低減するためには
、平均自由行路を減少すること、すなわち封入気体の圧
力を増加することが有効であり、例えば封入気体をヘリ
ウムとした場合、第１の実施例において平均間隔０．５
μｍ１封入圧力３気圧で圧接面の熱抵抗０．１ ｃｍ”
・Ｋ／Ｗを実現できる。
第６図は本発明の第５の実施例を示す側面図である。本
実施例では、第６図（ａ）に示すように、集積回路チッ
プ２の非動作時において全ての冷却部材１は集積回路チ
ップに接触しておらず、この状態でハンダ端子４に不必
要な荷重がかかることはない。第６図（ｂ）に示すよう
に、集積回路チップの動作時では冷却部材の内部に冷媒
が循環し、冷媒圧によシ冷却部材１は集積回路チップ２
に接触し冷却が行なわれる。本実施例では、ベローズ１
０が水圧によシ伸長されるので、これに必要な荷重分だ
け集積回路チップに加わる冷媒圧か低減でき、冷却装置
の圧力損失が大きく高い圧力で冷媒を供給しなければな
らない場合等に特に有効である。
実施例では、第６図（ａ）に示すように、集積回路チッ
プ２の非動作時において全ての冷却部材１は集積回路チ
ップに接触しておらず、この状態でハンダ端子４に不必
要な荷重がかかることはない。第６図（ｂ）に示すよう
に、集積回路チップの動作時では冷却部材の内部に冷媒
が循環し、冷媒圧によシ冷却部材１は集積回路チップ２
に接触し冷却が行なわれる。本実施例では、ベローズ１
０が水圧によシ伸長されるので、これに必要な荷重分だ
け集積回路チップに加わる冷媒圧か低減でき、冷却装置
の圧力損失が大きく高い圧力で冷媒を供給しなければな
らない場合等に特に有効である。
以上の如く本発明によれば、集積回路チップと冷媒間の
熱伝導径路が短く、かつ太れな変位吸収能力のある強力
な冷却装置を実現することができ、その結果として、集
積回路チップの信頼性の向上及び高＠贋実装が可能とな
る
熱伝導径路が短く、かつ太れな変位吸収能力のある強力
な冷却装置を実現することができ、その結果として、集
積回路チップの信頼性の向上及び高＠贋実装が可能とな
る
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図はその
冷却部材を示す斜視図、第３図は本発明の第２の実施例
を示ず測面図、第４図は本発明の第３の実施例を示す斜
視図、第５図は本発明の第４の実施例を示す斜視図、第
６図は本発明の第５の実施例を示す側面図である。 １・・・冷却部材、２・・・業績回路チップ、３・・・
配線基板、４・・・ハンダ端子、５・・・ハツト、８・
・・ノズル、９・・・入出力ピン、１０・・・べ「Ｉ−
ス、１１・・・キャップ、１２・・・底板、１３・・・
フィン、１４・・・中間板、１００・・・集積回路チッ
プ冷却装置。
冷却部材を示す斜視図、第３図は本発明の第２の実施例
を示ず測面図、第４図は本発明の第３の実施例を示す斜
視図、第５図は本発明の第４の実施例を示す斜視図、第
６図は本発明の第５の実施例を示す側面図である。 １・・・冷却部材、２・・・業績回路チップ、３・・・
配線基板、４・・・ハンダ端子、５・・・ハツト、８・
・・ノズル、９・・・入出力ピン、１０・・・べ「Ｉ−
ス、１１・・・キャップ、１２・・・底板、１３・・・
フィン、１４・・・中間板、１００・・・集積回路チッ
プ冷却装置。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、バネ性を有する冷媒供給パイプを接続した内部に板
状の冷却フィンを有する冷却部材を、該パイプのバネ性
を用いて集積回路チップに圧接することにより、該集積
回路チップの冷却を行なう集積回路チップ冷却装置にお
いて、該パイプの断面を非円形とするとともに、２本の
該非円形パイプの長手方向が互いに平行となるよう該フ
ィンの両端部に配置したことを特徴とする集積回路チッ
プ冷却装置。 ２、上記集積回路チップ及び冷却部材の圧接面がそれぞ
れ一定高さの溝状の凹凸を有し、両者の凹凸面を噛合せ
ることにより該集積回路チップから該冷却部材への伝熱
を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
集積回路チップ冷却装置。 ３、上記凹凸面の溝の方向が該非円形パイプの長手方向
に対して平行であり、噛合せ時において該冷却部材が該
長手方向に摺動可能であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項又は第２項記載の集積回路チップ冷却装置。 ４、上記冷却部材及び集積回路チップの凹凸面の溝の方
向が互いに直交するとともに、該冷却部材及び集積回路
チップの凹凸面にそれぞれ噛合せ可能な凹凸面を上面及
び下面に有する中間板を、該冷却部材及び集積回路チッ
プ間に挿入することにより、該冷却部材が互いに直交す
る２つの方向にそれぞれ摺動可能なことを特徴とする特
許請求の範囲第１項又は第２項記載の集積回路チップ冷
却装置。 ５、上記集積回路チップ冷却装置の内部に、大気圧以上
の圧力で高熱伝導性の気体を封入したことを特徴とする
特許請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項記載
の集積回路チップ冷却装置。 ６、上記集積回路チップの非動作時において、該集積回
路チップと該冷却部材が非接触であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項又は第
５項記載の集積回路チップ冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6648685A JPS61226946A (ja) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | 集積回路チツプ冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6648685A JPS61226946A (ja) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | 集積回路チツプ冷却装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61226946A true JPS61226946A (ja) | 1986-10-08 |
Family
ID=13317167
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6648685A Pending JPS61226946A (ja) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | 集積回路チツプ冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61226946A (ja) |
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- 1985-04-01 JP JP6648685A patent/JPS61226946A/ja active Pending
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