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JPH07142656A - 集積回路の冷却構造 - Google Patents

集積回路の冷却構造

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Publication number
JPH07142656A
JPH07142656A JP5148740A JP14874093A JPH07142656A JP H07142656 A JPH07142656 A JP H07142656A JP 5148740 A JP5148740 A JP 5148740A JP 14874093 A JP14874093 A JP 14874093A JP H07142656 A JPH07142656 A JP H07142656A
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JP
Japan
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integrated circuit
pipe
heat sink
opening
refrigerant
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JP5148740A
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Minoru Yoshikawa
実 吉川
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
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Priority to CA002126291A priority patent/CA2126291C/en
Priority to DE69429949T priority patent/DE69429949T2/de
Priority to EP94109507A priority patent/EP0630046B1/en
Priority to US08/263,377 priority patent/US5465192A/en
Publication of JPH07142656A publication Critical patent/JPH07142656A/ja
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    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector

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Abstract

(57)【要約】 【目的】集積回路チップのチップ高にばらつきがある場
合、また、チップ面に傾斜がある場合でも、伝熱部材を
集積回路に密着させる。 【構成】ヒートシンク１３１は、弾性体１３４によりブ
ロック１２１に保持される。各ヒートシンク１３１は配
管１３２により相互に接続される。ヒートシンク１３１
と配管１３２との接続部にはベローズ１３３が設けられ
る。実装時、弾性体１３４は集積回路チップ１１２のチ
ップ高のばらつき、およびチップ面の傾斜に応じて変形
する。これにより、ヒートシンク１３１の下面である平
板２２４は集積回路チップ１１２に密着する。ヒートシ
ンク１３１の変位による配管１３２の不整合は、ベロー
ズ１３３により吸収される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液冷式の集積回路冷却
構造に関し、特に、集積回路上に設置されたヒートシン
クに冷媒を噴出することにより冷却を行う非浸漬式の集
積回路の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】冷却した液状冷媒により集積回路の冷却
を行う集積回路の冷却構造において、集積回路を直接冷
媒に浸漬しない非浸漬式の冷却構造では、集積回路から
発生した熱を冷媒に伝導させる必要がある。具体的に
は、良熱伝導性の伝熱部材を集積回路に当接し、この伝
熱部材を介して熱を冷媒に伝導している。そして、複数
の集積回路の放熱を良好に行うためには、伝熱部材を全
ての集積回路に対して均一に密着させる必要がある。
【０００３】ところが、通常の実装状態では、基板上の
集積回路チップの高さにはばらつきがあり、また、集積
回路チップの上面には微妙な傾斜が生じている。このよ
うな実装状態のばらつきは、実装される集積回路の規格
の違いや製造誤差によって生じる。そして、集積回路の
実装状態にばらつきがある場合、全ての集積回路に対し
て伝熱部材を均一に密着させることは困難となる。
【０００４】このような問題を解決するための従来技術
の一例（以下、第１の従来技術という）は「日経エレク
トロニクス １９８２年７月１９日号」に記載されてい
る。図５を参照すると、この第１の従来技術では、伝熱
部材であるピストン５１２はバネ５１３の弾性により、
集積回路チップ１１２に当接される。ピストン５１２の
底面は球面状に形成される。ピストン５１２と熱伝導ブ
ロック５１１の間隙には、伝熱用のヘリウムガス５１４
が充填される。このような構造では、ピストン５１２が
弾性的に変位可能であるため、集積回路チップ１１２の
チップ高にばらつきがあるときでも、ピストン５１２は
集積回路チップ１１２に当接することができる。また、
この構造では、ピストン５１２の底面が球面状であるた
め、集積回路チップ１１２が傾斜しているときでも、ピ
ストン５１２と集積回路チップ１１２との接触面積が確
保される。そして、集積回路チップ１１２の発生する熱
は、ピストン５１２、ヘリウムガス５１４、熱伝導ブロ
ック５１１、および冷媒循環ブロック５２１という伝熱
経路を経て冷媒に伝導され、除去される。
【０００５】また、別の従来技術の一例（以下、第２の
従来技術という）は、特開昭６０−１６０１５０に記載
されている。同公報図１を参照すると、第２の従来技術
では、液体冷媒室１３内に冷媒を噴出して冷却を行う。
液体冷媒室１３の下部は伝熱板５で閉塞されている。伝
熱板５は、ベローズ４を介して冷却板１に取り付けるら
れる。ベローズ４は上下方向に伸縮自在であるため、伝
熱板５も上下方向に変位可能であり、半導体素子１１の
チップ高にばらつきがあるときでも、伝熱板５は半導体
素子１１に当接することができる。また、この構造で
は、ベローズ４が半導体素子１１のチップ面の傾きを吸
収するために、半導体素子１１が傾斜しているときで
も、伝熱板５と半導体素子１１との接触面積が減少する
ことはない。そして、半導体素子１１で発生した熱は、
伝熱板１０、可変形成の伝熱体９および伝熱板５を介し
て冷媒に伝導され、除去される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
第１の従来技術には、以下のような問題点があった。
【０００７】第１に、第１の従来技術では、伝熱部材で
あるピストン５１２がバネ５１３を介して取り付けられ
るため、噴流式の冷却構造には適用できない。したがっ
て、冷媒への熱伝導は強制対流のみによって行われる。
しかし、強制対流の熱伝達率は、噴流伝達冷却の１／１
０程度でしかない。このため、第１の従来技術では、噴
出式の冷却構造と同程度の冷却効率を達成することは困
難である。
【０００８】第２に第１の従来技術では、ピストン５１
２の底面が球面状であるため、ピストン５１２と集積回
路チップ１１２との接触面積が極めて小さい。この点か
らも、第１の従来技術では、高い冷却効率を達成するこ
とは困難である。
【０００９】また、第２の従来技術には、以下のような
問題点があった。
【００１０】すなわち、第２の従来技術の運転時、伸縮
自在のベローズ４は冷媒の圧力により下方に伸張する。
このため、半導体素子１１に圧力が加わり、これにより
半導体素子１１とプリント板７との接合部に障害が発生
する危険性がある。そして、最悪の場合には半導体素子
１１が破壊されてしまう恐れもある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】以上のような従来技術の
問題点を解決するため、本発明は以下の４つの条件を満
たす集積回路の冷却構造を提供することを目的としてい
る。
【００１２】第１に、集積回路のチップ高にばらつきが
ある場合、また、チップ面に傾斜が生じている場合で
も、伝熱部材を集積回路に密着させることができるこ
と。
【００１３】第２に、冷却効率の高い噴流式の冷却構造
を採用すること。
【００１４】第３に、集積回路と伝熱部材との間に大き
な接触面積を確保できること。
【００１５】第４に、冷媒の噴出圧力が、集積回路に障
害を与えないこと。
【００１６】そして、この目的を達成するために、本発
明による集積回路の冷却構造は、開口部を有する保持部
材と、この開口部に挿入されるヒートシンクとを有する
集積回路の冷却構造において、前記保持部材と、前記ヒ
ートシンクとの間隙に弾性体を充填することにより、前
記ヒートシンクを前記保持部材に保持している。
【００１７】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。
【００１８】図１を参照すると、本発明の第１の実施例
は、基板１１１と、この基板１１１上にフェイスダウン
で実装される集積回路チップ１１２と、この集積回路チ
ップ１１２上に設置される冷却モジュール１００とから
構成されている。
【００１９】冷却モジュール１００は、複数の円筒状開
口部を有するブロック１２１と、このブロック１２１の
開口部に挿入されるヒートシンク１３１と、ブロック１
２１とヒートシンク１３１との間隙に充填される弾性体
１３４と、隣接するヒートシンク１３１間を接続する配
管１３２とから構成されている。ブロック１２１の開口
部は、集積回路チップ１１２の実装位置に合わせて行列
状に配置されている。各ヒートシンク１３１間は、金属
配管である配管１３２により、列毎に直列接続されてい
る。各列の配管１３２の始端はブロック１２１内の冷媒
流路１２６に接続されている。一方、各列の配管１３２
の終端はブロック１２１内の冷媒流路１２４に接続され
ている。また、集積回路チップ１１２がベアチップ等で
あるために冷却モジュール１００のハーメチックシール
が要求されるときには、ブロック１２１のネジ１１４内
側部分に０リング１２６を設置すればよい。
【００２０】次に、図２を参照して、冷却モジュール１
００の詳細な構造について説明する。図２を参照する
と、ヒートシンク１３１は円筒状の剛体部材であり、下
部は平板２２４により閉塞されている。ヒートシンク１
３１は熱伝導性の良い材料から形成される。例えば、銅
などの金属部材が好適である。ヒートシンク１３１およ
び平板２２４が本実施例における伝熱部材である。ヒー
トシンク１３１と集積回路チップ１１２との間隙には、
ペースト状のコンパウンド２１１が挿入されている。コ
ンパウンド２１１は熱伝導性の良いものが使用される。
例えば、金属酸化物等の良熱伝導性フィラーを混入した
シリコーンオイルなどが好適である。
【００２１】ヒートシンク１３１の上部は、平板２２４
により閉塞されている。平板２２４には２つの開口部、
冷媒流入口２２２及び冷媒流出口２２３が設けられてい
る。冷媒流入口２２２の上部には、ベローズ１３３を介
して配管１３２が取り付けられている。また、冷媒流出
口２２３の上部にも、ベローズ１３３を介して配管１３
２が取り付けられている。配管１３２とベローズ１３３
との間は、通常の溶接技術により接続されている。配管
１３２は隣接するヒートシング１３１間を順に接続して
いく。冷媒流入口２２２の下部にはノズル２２１が、下
方に向けて取り付けられている。
【００２２】ヒートシンク１３１は、ヒートシンク１３
１とブロック１２１との間隙に充填された弾性体１３４
を介して、ブロック１２１に保持されている。弾性体１
３４は、例えばゴム、シリコーンゲル等の柔軟な弾性体
が使用される。保持部材である弾性体１３４が弾性を有
するために、ヒートシンク１３１も弾性的に変位するこ
とができる。弾性体１３４の弾性は、弾性体１３４の材
質および寸法を変えることにより調節可能である。具体
的には、コンパウンド２１１を充分薄く押しつぶすのに
必要な最低限の弾性を持つように、弾性体１３４の材質
および寸法が選定される。また、弾性体１３４の選定す
るための基準として上述した弾性率の他にも、耐久性お
よび気密性も考慮されるべきである。そして、これらの
基準について実験した結果、弾性体１３４の材料として
シリコーンゲルが好適であることが確認されている。
【００２３】次に本実施例の動作について説明する。ま
す、冷却モジュール１００の設置方法および設置後の冷
却モジュール１００の状態について説明する。
【００２４】図１を参照すると、冷却モジュール１００
を設置するには、まず、各ヒートシンク１３１が対応す
る集積回路チップ１１２上に位置するように、冷却モジ
ュール１００が基板１１１上に載置される。この後、冷
却モジュール１００が基板１１１に向けて押圧され、冷
却モジュール１００がフランジ１１３にネジ止めされる
ことにより、冷却モジュール１００の設置が完了する。
【００２５】図２を参照すると、このときヒートシンク
１３１を保持する弾性体１３４は、集積回路チップ１１
２のチップ高およびチップ面の傾きに応じて変形する。
このため、各ヒートシンク１３１の平板２２４は、対応
する集積回路チップ１１２の上面に、平行に密着する。
さらに、平板２２４と集積回路チップ１１２の間には、
コンパウンド２１１が挿入されている。このため、ヒー
トシンク１３１と集積回路チップ１１２との密着性はよ
り高められる。
【００２６】このとき、弾性体１３４の変形により、ヒ
ートシンク１３１の上部平板２２５の高さおよび傾きも
変化する。この変化は、各集積回路チップ１１２の実装
状態によって生じるため、各ヒートシンク１３１で一様
ではない。このため、配管１３２には不整合が生じる。
しかしながら、この不整合はベローズ１３３により吸収
されるため、配管１３２とヒートシンク１３１との接合
部分に障害が生じることはない。
【００２７】次に、本実施例稼働時の冷媒循環の様子に
ついて説明する。
【００２８】冷却モジュール１００の設置後、外部から
冷媒が供給される。本実施例で使用される冷媒は、水、
液体窒素等、液状冷媒であれば種類は問わない。
【００２９】図１を参照すると、冷媒は流入口１２２か
ら冷媒流路１２３内に流入し、配管１３２を介して各ヒ
ートシンク１３１に供給される。
【００３０】図２を参照すると、冷媒流入口２２２から
ヒートシンク１３１内に流入した冷媒は、ノズル２２１
により平板２２４に向けて噴出される。一方、集積回路
チップ１１２から発生した熱は、コンパウンド２１１を
介して平板２２４に伝達される。平板２２４に伝達され
た熱は、平板２２４に衝突した冷媒により迅速に除去さ
れる。平板２２４の熱を吸収した冷媒は、冷媒流出口２
２３から配管１３２内に流入し、次のヒートシンク１３
１に向かって配管１３２内を流通する。接続された全て
のヒートシンク１３１を通過した冷媒は、冷媒流路１２
４に流入し、流出口１２５から外部へ流出する。
【００３１】次に、本実施例の別の実施態様について説
明する。
【００３２】第１に、本実施例では、ヒートシンク１３
１が行列状に配置された場合について説明したが、本発
明の適用範囲はこれに制限されるものではない。すなわ
ち、ヒートシンク１３１は任意の位置に設置されても構
わない。このときは、各ヒートシンク１３１間は、適当
な長さの配管１３２によって接続されることになる。
【００３３】第２に、本実施例では、ヒートシンク１３
１の各列が直列に接続される場合について説明したが、
本発明の適用範囲はこれに制限されるものではない。た
とえば、全てのヒートシンク１３１を配管１３２で直列
接続しても良い。
【００３４】第３に、本実施例では、ヒートシンク１３
１が円筒形の場合について説明したが、本発明の適用範
囲はこれに制限されるものではなく、如何なる形状のヒ
ートシンク１３１にも適用可能である。
【００３５】本実施例についての最後の説明として、本
実施例の効果について説明する。本実施例により達成さ
れる５つの効果を以下に列挙する。
【００３６】第１に、本実施例では、ヒートシンク１３
１を弾性体１３４で保持するようにしたので、集積回路
チップ１１２のチップ高にばらつきがある場合、また、
集積回路チップ１１２のチップ面に傾斜が生じている場
合でも、ヒートシンク１３１を集積回路チップ１１２に
密着させることができる。このため、高い冷却効率が達
成できる。
【００３７】第２に、本実施例では、噴流式の冷却構造
を採用したので、高い冷却効率が達成できる。
【００３８】第３に、本実施例では、ヒートシンク１３
１の下部が平板であるため、ヒートシンク１３１と集積
回路チップ１１２との接触面積が大きい。このため、高
い冷却効率が達成できる。
【００３９】第４に、本実施例では、ヒートシンク１３
１が剛体であり、冷媒の圧力によっても変形しないた
め、集積回路チップ１１２に圧力が加わらない。このた
め、集積回路チップ１１２の障害が防止でき、装置の信
頼性を高めることができる。また、冷媒圧力の悪影響が
防止されるので、冷媒の流量を、装置の冷媒供給能力の
上限まで増加することができる。このため、冷却効率を
高めることができる。
【００４０】第５に、本実施例では、ヒートシンク１３
１とブロック１２１との間の間隙が、弾性体１３４によ
り完全に充填されている。したがって、冷却モジュール
１００の周辺部の気密性を確保することにより、簡単に
ハーメチックシールを実現することができる。具体的に
は、弾性体１３４として、ピンホールのない物質を使用
し、同時に冷却モジュール１００の周囲を０リング１２
６で密閉する。そして、冷却モジュール１００と基板１
１１との間の空間に、窒素もしくは希ガス等の気体を充
満し、この空間を不活性雰囲気にする。これにより、ハ
ーメチックシールが実現し、基板１１１の表面を外部の
湿気から遮断することができる。そして、湿気の悪影響
が防止されるので、集積回路チップ１１２の動作の信頼
性を向上することができる。また、個々の集積回路チッ
プ１１２をシールする手間も省くこともできる。
【００４１】次に第２の実施例について説明する。第２
の実施例の特徴は、第１の実施例において、冷媒流入口
２２２及び冷媒流出口２２３の上部に設けられていたベ
ローズ１３３を配し、かわりに配管１３２の中間部にベ
ローズを設けた点にある。そして、それ以外の構造、お
よび動作に関しては、第１の実施例と本質的に変わると
ころはない。
【００４２】図３を参照すると、本実施例の配管１３２
はベローズを介することなく、直接冷媒流入口２２２及
び冷媒流出口２２３に接続している。一方、配管１３２
は２つの部分に分割され、これらはベローズ３１１によ
り接続されている。
【００４３】本実施例では、弾性体１３４の変形により
生じる配管１３２の不整合はベローズ３１１により吸収
される。このため、本実施例の構造でも、配管１３２と
ヒートシンク１３１との接続部分に障害が生じることは
ない。
【００４４】次に本実施例の効果について説明する。本
実施例では、上述した第１の実施例の効果に加えて以下
の効果をも達成することができる。
【００４５】すなわち、本実施例では、１つのヒートシ
ンク１３１に対して１つのベローズ３１１を設ければよ
いので、使用されるベローズの数が第１の実施例の場合
の約半分になる。したがって、必要な部材の個数を逓減
することができる。
【００４６】次に第３の実施例について説明する。第３
の実施例の特徴は、第２の実施例におけるベローズ３１
１が柔軟性を有するホースに置換された点にある。そし
て、それ以外の構造、および動作に関しては、第２の実
施例と本質的に変わるところはない。
【００４７】図４を参照すると、本実施例の配管１３２
は２つの部分に分割され、これらは柔軟なホース４１１
により接続されている。ホース４１１と配管１３２とは
バンド４１２により締着されている。
【００４８】本実施例では、弾性対１３４の変形により
生じる配管１３２の変位はベローズ３１１により吸収さ
れる。このため、本実施例の構造でも、配管１３２とヒ
ートシンク１３１との接続部分に障害が生じることはな
い。
【００４９】また、本実施例では、ホース４１１と配管
１３２とをバンド４１２により締着する場合について説
明したが、ホース４１１と配管１３２とを接着するよう
にしても良い。
【００５０】次に本実施例の効果について説明する。本
実施例では、上述した第２の実施例の効果に加えて以下
の効果をも達成することができる。
【００５１】すなわち、本実施例では、構造の複雑で製
造困難なベローズを廃し、代わりに簡単な構造で製造も
容易なホース４１１により、配管１３２の中間部の接続
を行うようにした。こため、第２の実施例に比べて、装
置の製造製造が容易になる。
【００５２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、ヒー
トシンク１３１を弾性体１３４で保持するようにしたの
で、以下のような効果を奏することができる。
【００５３】第１に、本発明では、ヒートシンク１３１
を弾性体１３４で保持させるようにしたので集積回路チ
ップのチップ高のばらつきがある場合、また、集積回路
チップのチップ面に傾斜が生じている場合でも、ヒート
シンクを集積回路チップに密着させることができる。こ
のため、高い冷却効率が達成できる。
【００５４】第２に、本発明では、噴流式の冷却構造を
採用したので、高い冷却効率が達成できる。
【００５５】第３に、本発明では、ヒートシンクの下部
が平板であるため、ヒートシンクと集積回路チップとの
接触面積が大きい。このため、高い冷却効率が達成でき
る。
【００５６】第４に、本発明では、ヒートシンクが剛体
であり、冷媒の圧力によっても変形しないため、集積回
路チップに圧力が加わらない。このため、集積回路チッ
プの障害が防止でき、装置の信頼性を高めることができ
る。また、冷媒圧力の悪影響が防止されるので、冷媒の
流量を装置の冷媒供給能力の上限まで増加することがで
きる。このため、冷却効率を高めることができる。
【００５７】第５に、本発明では、ヒートシンクとブロ
ックとの間の間隙が、弾性体により完全に充填されてい
る。したがって、基板の表面は外部の湿気から遮断され
る。このため、集積回路チップの動作の信頼性を向上す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図。
【図２】図１のＡＡ断面図。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図。
【図４】本発明の第３の実施例を示す図。
【図５】第１の従来技術を示す図。
【符号の説明】
１００ 冷却モジュール １１１ 基板 １１２ 集積回路チップ １１３ フランジ １１４ ネジ １２１ ブロック １２２ 流入口 １２３ 冷媒流路 １２４ 冷媒流路 １２５ 流出口 １２６ ０リング １３１ ヒートシンク １３２ 配管 １３３ ベローズ １３４ 弾性体 ２１１ コンパウンド ２２１ ノズル ２２２ 冷媒流入部 ２２３ 冷媒流出部 ３１１ ベローズ ４１１ ホース ４１２ バンド ５１１ 熱伝導ブロッグ ５１２ ピストン ５１３ バネ ５１４ ヘリウムガス ５２１ 冷媒循環ブロック

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】開口部を有する保持部材と、 この開口部に挿入されるヒートシンクとを有する集積回
    路の冷却構造において、 前記保持部材と、前記ヒートシンクとの間隙に弾性体を
    充填することにより、前記ヒートシンクを前記保持部材
    に保持したことを特徴とする集積回路の冷却構造。
  2. 【請求項２】開口部を有する保持部材と、 この開口部に挿入される中空のヒートシンクと、 このヒートシンクの下部を閉塞する第１の平板と、 前記ヒートシンクの上部を閉塞する第２の平板と、 この第２の平板に設けられた第１の開口部と、 前記第２の平板に設けられた第２の開口部と、 前記第１の開口部の前記ヒートシンク内部に、前記第１
    の平板に向けて接続されたノズルとを有する集積回路の
    冷却構造において、 前記保持部材と、前記ヒートシンクとの間隙に弾性体を
    充填することにより、前記ヒートシンクを前記保持部材
    に保持したことを特徴とする集積回路の冷却構造。
  3. 【請求項３】前記第１の開口部の前記ヒートシンク外側
    に接続された第１の配管と、 前記第２の開口部の前記ヒートシンク外側に接続された
    第２の配管とを有することを特徴とする請求項２記載の
    集積回路の冷却構造。
  4. 【請求項４】前記第１の配管と前記第２の配管とにより
    複数の前記ヒートシンクが接続されることを特徴とする
    請求項３記載の集積回路の冷却構造。
  5. 【請求項５】前記第１の開口部と前記第１の配管との間
    に挿入され、前記第１の開口部と前記第１の配管とを接
    続する第１のベローズと、 前記第２の開口部と前記第２の配管との間に挿入され、
    前記第２の開口部と前記第２の配管とを接続する第２の
    ベローズとを有することを特徴とする請求項３記載の集
    積回路の冷却構造。
  6. 【請求項６】前記第１の配管の一部を構成する第３の配
    管と、 前記第１の配管の前記第３の配管以外の部分を構成する
    第４の配管と、 前記第３の配管と、前記第４の配管を接続する第１の接
    続手段と、 前記第２の配管の一部を構成する第５の配管と、 前記第２の配管の前記第５の配管以外の部分を構成する
    第６の配管と、 前記第４の配管と、前記第５の配管とを接続する第２の
    接続手段とを有することを特徴とする請求項３記載の集
    積回路の冷却構造。
  7. 【請求項７】前記第１の接続手段および前記第２の接続
    手段が、ともにベローズであることを特徴とする請求項
    ６記載の集積回路の冷却構造。
  8. 【請求項８】前記第１の接続手段および前記第２の接続
    手段が、ともに柔軟性を有するホースであることを特徴
    とする請求項６記載の集積回路の冷却構造。
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