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JP2986381B2 - 電子チップ温度制御装置及び方法 - Google Patents

電子チップ温度制御装置及び方法

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JP2986381B2
JP2986381B2 JP7205622A JP20562295A JP2986381B2 JP 2986381 B2 JP2986381 B2 JP 2986381B2 JP 7205622 A JP7205622 A JP 7205622A JP 20562295 A JP20562295 A JP 20562295A JP 2986381 B2 JP2986381 B2 JP 2986381B2
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JP
Japan
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temperature
electronic chip
chip
cooling device
thermoelectric cooling
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JP7205622A
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JPH0870068A (ja
Inventor
デビッド・アンドリュー・ルイス
チャンドラセッカー・ナラヤン
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International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/38—Cooling arrangements using the Peltier effect
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、電子チップの冷
却装置に関し、特に、電子チップの温度変化幅を低減す
ることにより熱疲労を制限し、製品寿命を伸ばし、より
大きなチップを許容し、異なる熱膨張率を有する基板
に、信頼性に影響を及ぼすこと無く、チップを直接付着
することを可能にする能動的な冷却を提供する装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】今日の大電力ＰＣ及びワークステーショ
ンでは、大電力消費に起因するチップの高い動作温度に
よるはんだ相互接続及び素子配線の疲労により、オン／
オフ・サイクル数が制限される。従来の消極的な冷却
は、チップとファンにより冷却される動作雰囲気との温
度差に依存するために限界があった。そのため動作温度
が高くなり、オン状態とオフ状態の間の温度変化幅が大
きくなった。チップが受けるこれらの大きな温度変化の
結果、要求のオン／オフ・サイクルを許容するように、
チップのサイズが制限される。
【０００３】より最近の環境ＰＣでは、システムの活動
状態をモニタし、システムの部品の消費電力レベルを低
減することにより電力を節約する、電力管理技法が使用
されている。各非活動モードはチップを冷却する時間を
与えるので、熱サイクルが潜在的に大きな問題となる。
環境ＰＣの通常のサイクルが、図１の曲線１により示さ
れ、ここでは通常の動作温度が８０℃として示され、ス
リープ・サイクルの間の温度は７０℃に低減される。曲
線１は、こうしたマシンの温度変化サイクルが通常のオ
ン／オフ・サイクル（通常１日）に対して、数秒のオー
ダであることを示す。平均２秒のサイクル時間を仮定す
ると、１０℃の変化幅で１日８時間として、約１５００
０サイクル生じることになる。これはサイクル数だけを
比較すれば、マシン寿命に対する仕様である２００００
回のオン／オフ・サイクル（但し、温度変化幅５０℃）
にほぼ匹敵する。これらの小さな温度変化サイクルは合
計４百万サイクル／年となり、重大な信頼性問題を与え
ることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、製品の信頼性
を向上するために、熱サイクル数または温度変化幅を制
限しうる方法または構造が必要とされる。本発明はこの
ような要求を満たすのに適したチップ温度制御技術を提
供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、信頼性の向上
及び有効寿命を伸ばすために、薄膜熱電対と協働して、
電子チップに能動的な温度制御を提供する熱電気冷却
（ＴＥＣ：thermal electric cooling）装置の利用に関
する。本発明の電子チップ冷却装置は、ＴＥＣ装置の低
温面を電子チップに取り付け、ヒート・シンク手段をＴ
ＥＣ装置の高温面に取り付ける。熱電対などの温度セン
ス手段が、チップの温度をセンスするために、ＴＥＣ装
置とチップとの間に取り付けられる。電圧源がＴＥＣ装
置に接続され、フィードバック制御回路手段が熱電対と
電圧源との間に接続される。フィードバック制御回路は
チップ温度に応答して、ＴＥＣ装置に供給される電圧レ
ベルを制御し、チップを実質的に一定の目標温度に維持
する。
【０００６】電力節約のために環境ＰＣで提案されるよ
うな非活動モードの動作を有するシステムの場合には、
動作中にチップが遭遇する熱変化の回数及び変化幅を本
発明の装置により制限することにより、チップ温度が制
御される。従来のチップでは、チップの動作温度を著し
く低下させて、許容できるオン／オフ・サイクル数を増
やすことができる。更に本発明は、チップを効果的に低
い温度に冷却することができるため、チップの使用を可
能にする。本発明はまた、チップの熱膨張率がカードの
それと合致しない場合であっても、チップのカードへの
直接取り付けを可能にする。
【０００７】
【実施例】図２を参照すると、本発明は、チップ温度を
能動的に制御する電子チップ冷却装置１０を提供する。
図２に示されるように、電子チップ１２は例えばはんだ
ボール１６により、基板１４に取り付けられる。熱電気
冷却（ＴＥＣ）装置１８はチップ１２の露出面に、熱伝
導性の接着剤またはペーストにより固定される。ＴＥＣ
装置１８は、ＴＥＣ装置１８の低温面すなわち低温側２
０がチップ１２に固定されるように、チップ１２に固定
される。薄膜熱電対２２のような温度センス手段が、Ｔ
ＥＣ装置１８の低温面２０とチップ１２との間に取り付
けられる。温度センス手段は、チップ内に、またはＴＥ
Ｃ装置１８とチップ１２との間の相互接続に隣接する電
子パッケージ内に組込まれてもよい。ヒート・シンク２
４は、熱伝導性の接着剤またはペーストにより、ＴＥＣ
装置１８の高温面すなわち高温側２６に固定される。熱
電対２２の出力２８は、フィードバック制御回路３０に
接続される。制御回路３０は電圧源３２に接続され、電
圧源３２はＴＥＣ装置１８への入力３４に接続される。
この入力３４は、ＴＥＣ装置１８の高温面２６と低温面
２０との間に電圧を提供する。制御回路３０と電圧源３
２の両者は、チップまたは電子パッケージ、或いは別々
の外部回路に組込まれてもよい。
【０００８】周知のように、ＴＥＣ装置１８はペルチエ
効果の下で動作するバイメタルのストリップから成る。
ＴＥＣ装置１８の低温面２０はチップ１２に熱的に結合
され、高温面２６はヒート・シンク２４により十分に冷
却される。ストリップの低温面２０と高温面２６との間
に電圧が印加され、高温面２６と低温面２０との温度差
がＴＥＣ装置１８に供給される電圧に直接比例する。
【０００９】動作に際し、温度センス手段がチップ１２
の温度をセンスし、その温度を示す信号がフィードバッ
ク制御回路３０に提供される。フィードバック制御回路
３０はチップ温度に応答して、電圧源３２により供給さ
れる電圧レベルを制御する。フィードバック制御回路３
０は、ＴＥＣ装置１８に供給される電圧を連続的に調整
することにより、実質的に一定の設定温度を維持するよ
うに設計され、それにより高温面２６と低温面２０との
間の温度差が実質的に一定に維持される。この目的を達
成するためのフィードバック制御回路は既知であるの
で、ここでは説明を省略する。
【００１０】チップ温度はチップに隣接して配置され、
フィードバック制御回路ループに接続される薄膜熱電対
２２により、能動的に制御される。このフィードバック
・ループはチップ温度をモニタし、それを短い応答時間
で、実時間で目標値に効果的に制御する。例えばチップ
温度が上昇すると、熱電対はこの上昇をセンスし、フィ
ードバック制御回路３０は電圧源３２に信号を送り、チ
ップ背面を目標温度に下げるためにＴＥＣ装置１８の低
温面２０の温度を下げる電圧をＴＥＣ装置１８に供給す
るように制御する。チップから除去された熱はＴＥＣ装
置１８の高温面２６に伝えられ、ヒート・シンク２４を
通じて放散される。従って、本発明の電子チップ冷却装
置１０は、動作中にチップが遭遇する熱変化の回数及び
変化幅の両方を制限するように、チップ温度を制御す
る。曲線２は、本発明の電子チップ冷却装置１０を用い
て冷却されるチップの熱変化の時間と温度の関係を示
す。曲線２からチップ温度が実質的に７０℃に維持され
ることがわかる。温度変化の回数及び変化幅が共に著し
く減少する。
【００１１】ヒート・シンク２４のサイズ及び効率は、
ＴＥＣ装置１８により消費される追加の電力を許容しな
ければならない。ヒート・シンク２４の温度が上昇する
と、これはより効率的となる。ＴＥＣ装置１８を使用す
るとヒート・シンク２４はチップ温度からデカップリン
グされる。チップに取り付けられたときのヒート・シン
ク２４の応答時間は、チップ温度の効果的な制御を行う
には遅すぎる。本発明では、チップの温度とヒート・シ
ンク２４の温度とのデカップリングにより、ＴＥＣ装置
１８の早い応答時間により、こうした遅い応答時間が克
服される。複数のフィンを有する金属ヒート・シンクが
典型的であるが、任意の構成または形態のヒート・シン
クが使用されうる。ＴＥＣ装置１８により消費される電
力は、チップから抽出される電力のほぼ２倍である。こ
の追加の電力消費は、より大きなヒート・シンクまたは
高速ファンを使用することにより補償されうる。その結
果、パッケージ温度は多少高くなるが、チップ温度はよ
り低くまた均一となる。またフィードバック制御回路３
０を可変速ファンに接続し、チップ温度に応答して、追
加の冷却効果を提供することも可能である。
【００１２】更に本発明の装置は、チップ寿命を伸ばす
ように、実質的に低いチップ動作温度を提供するために
使用されうる。例えば曲線３により示されるように、チ
ップの動作温度は約３５℃に低下されうる。こうした著
しく低い温度では、現在許容されるよりも、より大きな
チップを使用することが可能である。更にチップ温度を
能動的に制御することにより、熱膨張率が合致しない場
合にも、チップをカードに直接取り付けることが可能に
なる。
【００１３】従って、本発明は、単にチップの動作温度
を制限するだけでなく、動作温度を任意の目標温度に能
動的に制御する装置を提供する。本発明の装置は、電力
管理技法に関連する非活動モードによるチップの温度変
化を制限する。本発明は、たとえ熱膨張率が合致しない
場合にも、チップをカードに直接取り付けることを可能
にする。更に本発明は、既存の構成において、チップ有
効寿命を短縮することなく、より大きなチップを使用す
ることを可能にする。
【００１４】別の実施例では、本発明の構造は外部の温
度制御回路を必要としない。例えば、ＴＥＣ装置１８に
供給される電圧は、チップの使用モードまたはその時の
活動レベルにもとづき、特定の値に予めプログラムでき
る。この場合、チップはチップの使用モードまたは活動
レベルを示す信号をフィードバック制御回路３０に供給
するように制御される。チップが"通常"の場合、制御回
路３０は電圧を事前設定された適切な値に調整し、チッ
プがスリープ・モードの場合には、電圧は目標のチップ
温度に維持するために、別の事前設定値に調整される。
これは、フィードバック制御回路を必要としないので制
御回路３０の構成を簡素化する。
【００１５】更に別の実施例では、本発明の装置はＴＥ
Ｃ装置１８を駆動するために、クロック・パルス、電圧
駆動オフ式クロック信号（voltage driven off the clo
ck signal）、或いは他の類似の組込みパルス電圧を使
用する。ＴＥＣ装置１８に供給される総電力は、熱電対
または事前プログラムされた制御を含む他の制御システ
ムからの出力に依存して、パルス期間にクロック信号を
オン／オフ切替えすることにより制御される。図３は、
クロック電圧パルス列と、通常モード、オフ・モード、
及び中間モードを持つように変更されたクロック・パル
スを有するパルス列とを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の冷却装置による温度変化（曲線１）と、
本発明の装置による冷却による温度変化（曲線２）とを
比較するための、時間と温度との関係を表す３つの異な
る曲線を示すグラフを示す図である。
【図２】本発明の電子チップ冷却装置の断面図である。
【図３】クロック電圧パルス列と、通常モード、オフ・
モード、及び中間モードを持つように変更されたクロッ
ク・パルスを有するパルス列とを示す。
【符号の説明】
１０ 電子チップ冷却装置 １２ 電子チップ １４ 基板 １６ はんだボール １８ 熱電気冷却（ＴＥＣ）装置 ２０ ＴＥＣ装置の低温面 ２２ 薄膜熱電対 ２４ ヒート・シンク ２８ 熱電対出力 ３０ フィードバック制御回路 ３２ 電圧源 ３４ ＴＥＣ装置入力
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャンドラセッカー・ナラヤン アメリカ合衆国12533、ニューヨーク州 ホープウェル・ジャンクション、ケンシ ントン・ドライブ 62 (56)参考文献 特開 昭61−135171（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−189657（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−176623（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−189658（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−121846（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−42851（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−205158（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473 H05K 7/20

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子チップの温度を一定の温度に維持する
    ための装置であって、 高温面と低温面とを有し、該低温面が前記電子チップの
    一つの表面に固定された熱電気冷却装置と、 該熱電気冷却装置の低温面と前記電子チップの前記一つ
    の表面との間に取り付けられ、前記電子チップの前記一
    つの表面の温度をモニタする温度センス手段と、 前記熱電気冷却装置の前記高温面に固定されたヒート・
    シンク手段と、 前記熱電気冷却装置に接続された電圧源と、 前記温度センス手段と前記電圧源との間に接続され、前
    記電子チップの前記一つの表面の温度に応答して、前記
    電子チップの前記一つの表面の温度を一定の温度に維持
    するように、前記電圧源から前記熱電気冷却装置に供給
    される電圧レベルを制御するフィードバック制御回路手
    段とを含む、電子チップの温度を一定の温度に維持する
    ための装置。
  2. 【請求項２】前記温度センス手段が薄膜熱電対であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記電圧源及び前記フィードバック制御回
    路手段は、前記電子チップ又は該電子チップの電子パッ
    ケージに設けられていることを特徴とする請求項１に記
    載の装置。
  4. 【請求項４】前記熱電気冷却装置は、連続したクロック
    電圧パルス列のクロック電圧パルスを、通常モード、オ
    フ・モード及び中間モードに応じて選択的に供給される
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記熱電気冷却装置は、熱伝導性接着剤に
    より前記電子チップ及び前記ヒート・シンク手段に固定
    されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記フィードバック制御回路手段は、可変
    速ファンに接続され、前記電子チップの前記一つの表面
    の温度に応じて前記可変速ファンを駆動することを特徴
    とする請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】動作状態に応じて、通常モードを表す信号
    又はスリープ・モードを表す信号を発生する電子チップ
    と、 高温面と低温面とを有し、該低温面が前記電子チップの
    一つの表面に固定された熱電気冷却装置と、 前記熱電気冷却装置の前記高温面に固定されるヒート・
    シンク手段と、 前記電子チップからの前記通常モードを表す信号又はス
    リープ・モードを表す信号を受け取り、前記通常モード
    を表す信号に応答して事前設定した電圧を発生し、又
    は、前記スリープ・モードを表す信号に応答して別の事
    前設定した電圧を発生して前記熱電気冷却装置を制御す
    る制御回路とを含む電子装置。
  8. 【請求項８】一方の表面及び他方の表面を有し該一方の
    表面がはんだボールを介して基板に取り付けられた電子
    チップと、 高温面と低温面とを有し、該低温面が前記電子チップの
    他方の表面に固定された熱電気冷却装置と、 該熱電気冷却装置の低温面と前記電子チップの前記他方
    の表面との間に取り付けられ、前記電子チップの前記他
    方の表面の温度をモニタする温度センス手段と、 前記熱電気冷却装置の前記高温面に固定されるヒート・
    シンク手段と、 前記熱電気冷却装置に接続された電圧源と、 前記温度センス手段と前記電圧源との間に接続され、前
    記電子チップの前記他方の表面の温度に応答して、該電
    子チップの前記他方の表面の温度を一定の温度に維持す
    るように、前記電圧源から前記熱電気冷却装置に供給さ
    れる電圧レベルを制御するフィードバック制御回路手段
    とを含む電子装置。
  9. 【請求項９】電子チップの温度を一定の温度に維持する
    ための方法であって、 高温面と低温面とを有し、該高温面がヒート・シンク手
    段に固定され、そして前記低温面が前記電子チップの一
    つの表面に固定された熱電気冷却装置の前記低温面と前
    記電子チップの前記一つの表面との間に取り付けられた
    温度センス手段により前記電子チップの前記一つの表面
    の温度を検出するステップと、 該検出された前記電子チップの前記一つの表面の温度に
    応答して、前記チップの前記一つの表面の温度を一定の
    温度に維持するように、電圧源から前記熱電気冷却装置
    に供給される電圧レベルを制御するステップとを含む、
    電子チップの温度を一定の温度に維持するための方法。
JP7205622A 1994-08-16 1995-08-11 電子チップ温度制御装置及び方法 Expired - Lifetime JP2986381B2 (ja)

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