電子回路冷却モジュール
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱伝達機構に関し、より詳しくは電子回路モジュール・アセンブリで発生した熱を除去するための熱伝達機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）を搭載した電子回路モジュールでは、そこから効率良く熱の抜取りを行なわねばならないということが、その種の電子回路モジュールの設計並びに使用上の大きな制約となっている。即ち、集積回路の内部で電力が消費されるために熱が発生するが、その熱を、そのＶＬＳＩのパッケージから除去する必要があるのである。効率の良い熱伝達機構を備えていないと、その電子回路モジュールの動作速度、信頼性、及び電力容量が非常に制約されることになる。ＶＬＳＩチップの内部の回路密度が上昇してきているため、優れた熱の抜取り手段に対する要請がいよいよもって切実なものになってきており、その理由は、より高密度に実装されたチップは、単位面積あたりの熱放散量の要求量がより大きいからである。
【０００３】従来の熱抜取りのための手段の１つに、米国特許第４２２６２８１号に記載されている種類のガス封入式伝熱モジュールを使用するというものがある。図１R>１には、従来例に係るガス封入式伝熱モジュール１０の断面図を示した。この伝熱モジュール１０は、その中に収容する複数個の集積回路チップ１２を冷却するためのものである。それらチップ１２は基板１４の片側に搭載されており、この基板１４は通常はセラミック製である。基板１４は複数のピン１６を備えており、それらのピン１６はこの基板１４の裏側から延出している。それらのピン１６によって、このモジュールを挿込み式（プラグイン方式）でボード（不図示）に取り付けられるようにしてあり、そのボードには、例えば補助回路等が搭載される。また更に、ハウジング部材であるキャップ１８が、フランジ部材２０を介して基板１４に取り付けられており、このフランジ部材２０は、基板１４の周縁部とキャップ１８との間を延展している。キャップ１８は、例えば銅やアルミニウム等の、良好な熱伝導性を有する材料で製作される。キャップ１８には、小さな円筒形の複数の穴２２を形成してあり、しかもそれらの穴２２は、各チップ１２の露出した表面に丁度合った位置に、３×３のアレイ（行列）を成すようにして並設されている。更にそれらの穴２２には、このモジュールの各チップ１２に臨むピストン部材２４が収容されている。ピストン部材２４は、例えばアルミニウム、銅、ないしはそれらの合金等の、良好な熱伝導性を有する材料で製作する。キャップ１８は、冷却プレート３０に接触させてあり、この冷却プレート３０は、例えば冷却水等の、流体冷却媒体を流すのに適した流路３２を備えている。
【０００４】ピン形のピストン部材２４の各々は、ハウジング部材であるキャップ１８の内側に形成されている穴２２に挿入されているときに、その挿入されている穴２２が臨んでいるチップ１２の表面に、そのピストン部材２４の頭部、即ちヘッダ部２６が接触するようにしたものである。ハウジング１８とピストン部材２４との間には、スプリング２７を介挿してあり、このスプリング２７は、ヘッダ部２６を小さな力でチップ１２の表面へ押し付けている。スプリングの付勢力によるこの押し付け力の大きさは、チップ１２をその上に取り付けているハンダのボール２８を変形させない程度の大きさにしてある。
【０００５】作用について説明すると、チップ１２で発生した熱は、ヘッダ部２６を介して抜き取られ、そして、ピストン２４からキャップ１８へ伝熱され、更に冷却プレート３０へ伝熱される。そして冷却媒体が流路３２を流れる際に、その熱を冷却プレート３０から運び去る。以上によって、この伝熱モジュール１０の中の集積回路チップ１２からの、熱の抜取りが行なわれる。伝熱モジュールの具体例は、米国特許第４２２６２８１号に開示されているとおりである。
【０００６】以上に説明した伝熱冷却システムによって、現在までのところは有効な解決法が得られているが、しかしながら、次世代のＶＬＳＩ回路では、チップから熱を効率良く抜き取るということに関して、このシステムの能力を超えた、それ以上の伝熱冷却法が要求されるようになると思われる。そこで、次世代のチップに対応した冷却問題の解決法を提供すべく、以上の伝熱モジュールを改造して、冷却媒体の噴流を用いるようにしたものが提案されている。その提案によれば、噴流に対して密封した半導体チップに接触させたヒート・シンク部材に、その噴流を吹き付けるようにするというものである。この種の提案の具体例は、ＩＢＭ技術開示広報、１９８６年１２月刊、第２９巻、第７号の、「噴流に対して密封した半導体チップに接触させたヒート・シンク部材に噴流を吹き付けるようにした液冷式回路パッケージ」という題名の文献（IBM Technical Disclosure Bulletin,Volume 29, No. 7, December 1986, Pg. 2887, entitled "LIQUID-COOLED CIRCUIT PACKAGE WITH JET IMPINGING ON HEAT SINK HELD AGAINST SEMICONDUCTOR CHIP THAT IS SEALED FROM THE JET"）に記載されている。
【０００７】この種の解決法に付随する問題の１つは、冷却媒体と半導体チップとの間のシール材が破損するおそれがあるということである。上で説明したシステムは、非絶縁性の冷却媒体を用いるように設計されているため、シール材が破損した場合には、冷却媒体によって半導体チップが損傷してしまう。また、このシステムに付随するもう１つの問題は、冷却媒体とチップとの間に介在する防護のための部材（例えばシール材それ自体）が、熱の伝達を阻害しているということであり、そのために、チップに噴流を直接吹き付けるようにしたならば得られるはずの効果のうちの何割かが損なわれている。
【０００８】
【発明の概要】本発明の目的は、優れた熱抜取り機構を提供することにある。そしてこの目的を、噴流の吹付けと熱伝導冷却との両方を利用したシステム及び方法によって達成している。熱伝導冷却は、各々のチップに一群のピストン部材を接触させることによって行なわれる。各ピストン部材はその底部に矩形形状としたヘッダ部を備えており、このヘッダ部がチップに接触する。各ピストン部材群へは絶縁性冷却媒体を供給しており、この供給は、各ピストン部材群の中央部に設けた流路を介して、及び／または、各ピストン部材の上方に設けた流路を介して行なうようにしている。この冷却媒体はピストン部材の足部（即ち下部）の上面に添って流れ、そして足部どうしの間の流路を流れる。これによって、ピストン部材の下部に対して、噴流によって強化された対流冷却が行なわれる。ピストン部材はこの強制対流冷却がなされる表面積を増加させる拡張表面の役割を、効果的に果たしている。
【０００９】好適実施例においては、各ピストン部材のヘッダ部と上部とに微小フィンを突出形成して、更に熱伝達面積を増大させている。更に加えて、非沸騰状態で使用する用途においては、ピストン部材のヘッダ部のチップと接触する面に溝を形成して、チップとピストン部材との境界面に冷却媒体が接触するようにしている。ピストン部材の上部とヘッダ部とは絶縁性冷却媒体に浸漬されており、それによって冷却されている。
【００１０】
【実施例】図２ないし図７には、冷却媒体の流れを矢印で示した。また、２つ以上の図に同一ないし対応する要素が図示される場合には、それらの要素に同一ないし対応する引用符号を付すようにした。図２について説明すると、同図に図示したのは、複合冷却法を採用したピストン部材群の断面図である。集積回路チップ２０４が基板２０６の上に、ハンダ・ボール２０８を用いて搭載されている。図３の上面図に明らかに示すように、アレイ状（行列状）に配置された４個の金属製ピストン部材２１０〜２１６が、個々にスプリングで付勢されてチップ２０４の表面に接触している。
【００１１】図２に明らかに示すように、ピストン部材２１０〜２１６は、テーパを付けた上部２２０と円筒形の中間部２２２とを備えており、また、チップ２０４に接触するその底部には、正方形の足部２２４を備えている。各ピストン部材の、この足部であるヘッダ部から突出した微小フィン２０５は、熱伝達面積を更に増大させるために設けたものである。各ピストン部材の、チップと接触する面には、複数の溝２２６を形成してあり、それによってチップとピストン部材との間の境界面に、冷却媒体が接触するようにしている。容易に理解できることであるが、それらの溝２２６は、単一相の（沸騰状態にない）冷却媒体を用いる場合に設けるのが好ましく、二相の（沸騰状態の）冷却媒体を用いる場合には設けない方が良い。
【００１２】再び図２に関し、基板２０６の上には蓋体２２８が重ねられており、この蓋体２２８は、チップ２０４及びピストン部材２１０〜２１６を収容する封入構造の一部を成している。蓋体２２８の構成は、例えば液体窒素や液体フルオロカーボン等の液体絶縁性冷却媒体を基板２０６上のチップへ向けて流入させると共に、流入してきた冷却媒体を、そこから運び去ることができる構成としてある。このモジュールに沸騰状態の液体を用いる場合には、このモジュールの構成を、蒸気を凝縮させ、及び／または運び去ることができるものにする。蓋体２２８は、ピストン部材を収容するための非貫通穴を形成することのできる充分な厚さを有する下部板材と、この下部板材との間に空間を保つことによって、冷却媒体分配用の高圧室を形成する、上部薄板材とから構成することができる。
【００１３】ここで説明する冷却のプロセスに対する蓋体２２８の影響力は、それほど大きなものではないため、この蓋体２２８の材料は熱の良導体である必要はない。従って蓋体２２８は、冷却媒体に適合し、モジュールの機械的必要条件に適合した材料でありさえすれば、どのような材料を用いて製作しても良い。グラウンド・アップ型のチップ構造の場合には（この場合には各チップの背面を同一電位に維持する必要がある）、蓋体２２８は、例えば銅やアルミニウム等の電気の良導体で製作することが好ましい。一方、この蓋体が電気の良導体であることを必要としない用途では、この蓋体を、プラスチックを材料として射出成形によって製作すれば、その製造コストを大幅に引き下げることができる。
【００１４】ある好適実施例では、蓋体の内部の、各一群のピストンを収容する複数の穴の間の部分に、円筒形のダクト２３０を形成してある。図３に示すように、複数個のピストン部材のヘッダ部が集まって１つの矩形のパタンを形成するようにしてあり、しかもこの矩形のパタンが、チップ２０４の外周から外へはみ出すようにしてある。それらの足部（即ちヘッダ部）どうしの間の空間は、互いに直交する流路３０２、３０４を形成しており、これらの流路においては、流動する冷却媒体がチップに接触することができる。冷却媒体は、円筒形のダクト２３０の中を流下し、そして、４個のピストン部材から成る各ピストン部材群の中央へ供給される。その冷却媒体はチップへ衝突し（即ち吹き付けられ）、続いて、ヘッダ部２２４の上面に沿って、あるいは、ヘッダ部どうしの間の流路３０２、３０４の中を流れて行く。これによって、ピストン部材の下部に対して、噴流によって強化された対流冷却が行なわれる。また、ピストン部材は拡張表面としての機能を果たしており、強制対流冷却が行なわれる面積が増大しているため、流体がチップを直接冷却するようにした場合と比べて冷却はより強力なものとなっている。更には、各ピストン部材の上部も、冷却媒体に浸漬されているために冷却されている。
【００１５】図８は、以上に説明した冷却システムの実施例として構成した伝熱モジュールの断面側面図である。加圧された液体絶縁性冷却媒体が流入管８０２を介してこの伝熱モジュールの中へ導入され、そして分配用高圧室８０４へ流入する。この冷却媒体は、分配用高圧室８０４から円筒形ダクト２３０（１）〜２３０（５）の中を流下して、チップ２０４（１）〜２０４（５）に直接衝突し、そしてピストン部材２１０（１）〜２１２（５）の足部の表面に沿って流れて行く。この冷却媒体は、半導体チップとピストン部材とから熱を奪った後に、流出管８０６を介してこの伝熱モジュールから流出する。
【００１６】図４及び図５は、図２及び図３のピストン部材の構成とはまた別の実施例を図示したものである。図４のこの実施例では、冷却媒体の供給は蓋体４０８の、各ピストン部材４１０、４１２の中心部の上方に形成した円筒形のダクト４０２、４０４を介して行なわれる。そしてその冷却媒体は、ピストン部材４１０、４１２の上面に衝突する。これによって、ピストン部材の上部が対流冷却により冷却される。冷却媒体は、ピストン部材の上面に衝突した後には、ピストン部材とピストン収容穴との間の間隙４１４、４１６を通って流下する。続いて、この冷却媒体は、ピストン部材のヘッダ部に衝突すると共に、ピストン部材のヘッダ部どうしの間に形成されている流路５０２、５０４（図５）を通ってチップ２０４の露出した表面に衝突する。これによって、ピストン部材の下部とチップとが対流冷却により冷却される。
【００１７】図６及び図７に示した、ピストン部材の構成の更に別の実施例は、各ピストン部材の上面への冷却媒体の流れと、各ピストン部材群の中心への冷却媒体の流れとの両方を用いるようにしたものである。図６及び図７のこの実施例では、冷却媒体は、各ピストン部材６１２、６１４の中心部の上方に形成した円筒形のダクト６０２、６０４から成るダクト群と、ピストン部材どうしの間の、蓋体６０８の材質中に形成した円筒形のダクト６０６との、両方を流れることになる。図７に示すように、冷却媒体はピストン部材６１２〜６１８に直接衝突すると共に、それらピストン部材のヘッダ部どうしの間に形成されている流路７０２、７０４の中央において、チップ２０４にも直接衝突する。
【００１８】ピストン部材の、それ自体の形状並びにそのフィンの形態も、様々なものとすることができる。図９R>９は、本発明に係るピストン部材群の断面側面図であり、この図のピストン部材９０２、９０４は、その上部の円筒形とした部分９０６に縦縞状の微小フィン９０８を形成してあると共に、チップに接触する矩形のヘッダ部９１０にも、その周囲に微小フィン９１２を形成してある。同様に、図１０Ａと図１０Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材１０００の上面図と側面図とであり、このピストン部材１０００は、このピストン部材の上部を覆う縦縞状の上部ピストン微小フィン１００２を備えており、一方、ヘッダ部には微小フィンを備えていない。
【００１９】図９の実施例を更に強力なものとするために、蓋体に形成する、ピストン部材を収容するための穴の内壁に、縦縞状の微小フィンを設けるようにしても良い。そのようにした実施例では、その穴の内壁に形成した縦縞状の微小フィンが、ピストン部材の上部に形成した縦縞状の微小フィンと、互い違いに噛み合っているようにするのが好ましく、そのようにすれば、その噛み合い領域を冷却媒体が通過する際に熱伝達が行なわれる表面積を、増大させることができる。
【００２０】更にはフィンの形状も、様々なものとすることができる。例えば、図１１Ａと図１１Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材１１００の上面図と側面図とであり、このピストン部材１１００は、このピストン部材の上部を覆う、斜め格子状に配列した多面体の微小フィン１１０２を備えるようにしたものである。また、図１２Ａと図１２Ｂとは夫々、本発明に係る更に別の実施例のピストン部材１２００の上面図と側面図とであり、このピストン部材１２００は、このピストン部材の上部を覆う、千鳥格子状に配列したれんが形状の微小フィン１２０２を備えるようにしたものである。
【００２１】以上に説明した基本原理を応用して、各チップごとに冷却能力を個別に設定することや、あるいは１個のチップ上の各位置ごとに冷却能力を個別に設定することを、効果的に行なうことができる。隣り合ったチップどうしが放散する熱の量が互いに大幅に異なっていることは、あり得ることである。しかしながら、各チップごとの温度のばらつきは小さく抑えることが好ましい。従って、低消費電力のチップを冷却するための冷却能力は小さくし、高消費電力のチップを冷却する冷却能力は大きくして、冷却能力を個別に設定することが有利である。
【００２２】この目標を達成するには、図２〜図８の実施例に対して、種々の変更を加えれば良い。例えば、ピストン部材群へ冷却媒体を流入させる位置を異ならせるようにしても良い。消費電力の非常に小さなチップに対しては、冷却媒体を流入させる必要がないこともあり得る。これに対して、消費電力が最大のチップでは、冷却媒体を、各ピストン部材群の中央に供給すると共に、各ピストン部材の上面にも供給することが必要とされる場合がある。また、大部分のチップでは、ピストン部材群の中央への噴流か、あるいは、ピストン部材の中央への噴流かの、いずれか一方で充分なことが多い。
【００２３】更に別の変更態様として、各々の噴流へ供給される冷却媒体の流量を異ならせるようにしても良く、それには、例えば円筒形のダクトの直径を異ならせる等の方法を用いれば良い。更に、ピストン部材の材料の選択も冷却能力に影響する。例えば銅製のピストン部材は、高消費電力のチップの上に並べて用いるようにすることができ、その場合に、それよりも熱伝導率の小さな材料、例えばアルミニウム等で製作したピストン部材を、より電力損失の小さなチップの上に並べて用いるようにするのである。
【００２４】ピストン部材の、どれ程の領域に亙って微小フィンを設けるようにするかについても、様々に異ならせることができる。即ち微小フィンは、ピストン部材のヘッダ部と上部とのいずれか一方のみに設けるようにすることも、また、ピストン部材のヘッダ部と上部との両方に設けるようにすることも、あるいは、全く設けないようにすることもできる。
【００２５】 チップの寸法が大きくなるにつれて、１個のチップの全表面領域中の各位置ごとの局部的熱放散量に、大きなばらつきが生じる可能性もまた大きくなる。本発明は、１個のチップの全表面領域において温度を均一に維持し得るようにするための個別設定を行なうのにも適している。この場合の個別設定も、上で列挙して説明した冷却能力の個別設定と同一の動作機序を利用することによって、達成することができる。上の場合は各チップごとに制御パラメータを異ならせたが、この場合はそれに代えて、各ピストン部材ごとに制御パラメータを異ならせるようにすれば良く、それによって、１個のチップの全表面領域において、同一の温度でより多くのエネルギが放散されるところと、より少ないエネルギが放散されるところができるようにする。例えば、所与の１つのアレイ（即ち１つのピストン部材群）へ冷却媒体の噴流を供給する、複数本の円筒形のダクトの直径を各々異ならせるようにしても良く、あるいは、各々のアレイに含まれている複数個のピストン部材を、互いに異なった大きさの熱伝導率を有する材料で製作するようにしても良い。
【００２６】上記以外にも、本発明の範囲並びに概念から逸脱することなく、多種多様な変更実施例ないし別実施例を構成し得ることが当業者には理解されよう。従って、以上に説明した本発明の実姉例は、あくまで具体例として説明したものであり、本発明がそれらに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の伝熱モジュールの断面図である。
【図２】本発明に係る第１実施例のピストン部材群の断面側面図である。
【図３】図２のピストン部材群の上面図であり、そのピストン部材とチップとを示す図である。
【図４】本発明に係る第２実施例のピストン部材群の断面側面図であり、この実施例は蓋体の、各ピストン部材の中心部の上方の位置に形成した穴を介してそれらピストン部材へ冷却媒体を吹き付けるようにしたものである。
【図５】図４のピストン部材群の上面図であり、そのピストン部材とチップとを示す図である。
【図６】本発明に係る第３実施例のピストン部材群の断面側面図であり、この実施例は蓋体の、ピストン部材群の中央の位置に形成した穴を介してチップへ冷却媒体を吹き付けると共に、その蓋体の、各ピストン部材の中心部の上方の位置に形成した穴を介してそれらピストン部材へも冷却媒体を吹き付けるようにしたものである。
【図７】図６のピストン部材群の上面図であり、そのピストン部材とチップとを示す図である。
【図８】複合冷却方式を採用した、改良した電子回路冷却モジュールの一実施例の断面図である。
【図９】本発明に係る第４実施例のピストン部材群の断面側面図であり、この実施例はピストンが、上部微小フィンと下部微小フィンとの両方を備えるようにしたものである。
【図１０】図１０Ａと図１０Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材の上面図と側面図とであり、この実施例のピストン部材は、このピストン部材の上部を覆う、縦縞状の上部ピストン微小フィンを備えるようにしたものである。
【図１１】図１１Ａと図１１Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材の上面図と側面図とであり、この実施例のピストン部材は、このピストン部材の上部を覆う、斜め格子状に配列した多面体の微小フィンを備えるようにしたものである。
【図１２】図１２Ａと図１２Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材の上面図と側面図とであり、この実施例のピストン部材は、このピストン部材の上部を覆う、千鳥格子状に配列したれんが形状の微小フィンを備えるようにしたものである。
【符号の説明】
２０４ 集積回路チップ
２０５ 微小フィン
２０６ 基板
２１０、２１２、２１４、２１６ ピストン部材
２２０ ピストン部材の上部
２２２ ピストン部材の中間部
２２４ ピストン部材の足部（ヘッダ部）
２２６ 溝
２２８ 蓋体
２３０ ダクト
３０２、３０４ 流路
４０２、４０４ ダクト
４０８ 蓋体
４１０、４１２ ピストン部材
５０２、５０４ 流路
６０２、６０４、６０６ ダクト
６０８ 蓋体
６１２、６１４、６１６、６１８ ピストン部材
７０２、７０４ 流路
８０４ 冷却媒体分配用高圧室
９０２、９０４ ピストン部材
９０６ ピストン部材の上部
９０８ 微小フィン
９１０ ピストン部材のヘッダ部
９１２ 微小フィン
１０００ ピストン部材
１００２ 微小フィン
１１００ ピストン部材
１１０２ 微小フィン
１２００ ピストン部材
１２０２ 微小フィン
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱伝達機構に関し、より詳しくは電子回路モジュール・アセンブリで発生した熱を除去するための熱伝達機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）を搭載した電子回路モジュールでは、そこから効率良く熱の抜取りを行なわねばならないということが、その種の電子回路モジュールの設計並びに使用上の大きな制約となっている。即ち、集積回路の内部で電力が消費されるために熱が発生するが、その熱を、そのＶＬＳＩのパッケージから除去する必要があるのである。効率の良い熱伝達機構を備えていないと、その電子回路モジュールの動作速度、信頼性、及び電力容量が非常に制約されることになる。ＶＬＳＩチップの内部の回路密度が上昇してきているため、優れた熱の抜取り手段に対する要請がいよいよもって切実なものになってきており、その理由は、より高密度に実装されたチップは、単位面積あたりの熱放散量の要求量がより大きいからである。
【０００３】従来の熱抜取りのための手段の１つに、米国特許第４２２６２８１号に記載されている種類のガス封入式伝熱モジュールを使用するというものがある。図１R>１には、従来例に係るガス封入式伝熱モジュール１０の断面図を示した。この伝熱モジュール１０は、その中に収容する複数個の集積回路チップ１２を冷却するためのものである。それらチップ１２は基板１４の片側に搭載されており、この基板１４は通常はセラミック製である。基板１４は複数のピン１６を備えており、それらのピン１６はこの基板１４の裏側から延出している。それらのピン１６によって、このモジュールを挿込み式（プラグイン方式）でボード（不図示）に取り付けられるようにしてあり、そのボードには、例えば補助回路等が搭載される。また更に、ハウジング部材であるキャップ１８が、フランジ部材２０を介して基板１４に取り付けられており、このフランジ部材２０は、基板１４の周縁部とキャップ１８との間を延展している。キャップ１８は、例えば銅やアルミニウム等の、良好な熱伝導性を有する材料で製作される。キャップ１８には、小さな円筒形の複数の穴２２を形成してあり、しかもそれらの穴２２は、各チップ１２の露出した表面に丁度合った位置に、３×３のアレイ（行列）を成すようにして並設されている。更にそれらの穴２２には、このモジュールの各チップ１２に臨むピストン部材２４が収容されている。ピストン部材２４は、例えばアルミニウム、銅、ないしはそれらの合金等の、良好な熱伝導性を有する材料で製作する。キャップ１８は、冷却プレート３０に接触させてあり、この冷却プレート３０は、例えば冷却水等の、流体冷却媒体を流すのに適した流路３２を備えている。
【０００４】ピン形のピストン部材２４の各々は、ハウジング部材であるキャップ１８の内側に形成されている穴２２に挿入されているときに、その挿入されている穴２２が臨んでいるチップ１２の表面に、そのピストン部材２４の頭部、即ちヘッダ部２６が接触するようにしたものである。ハウジング１８とピストン部材２４との間には、スプリング２７を介挿してあり、このスプリング２７は、ヘッダ部２６を小さな力でチップ１２の表面へ押し付けている。スプリングの付勢力によるこの押し付け力の大きさは、チップ１２をその上に取り付けているハンダのボール２８を変形させない程度の大きさにしてある。
【０００５】作用について説明すると、チップ１２で発生した熱は、ヘッダ部２６を介して抜き取られ、そして、ピストン２４からキャップ１８へ伝熱され、更に冷却プレート３０へ伝熱される。そして冷却媒体が流路３２を流れる際に、その熱を冷却プレート３０から運び去る。以上によって、この伝熱モジュール１０の中の集積回路チップ１２からの、熱の抜取りが行なわれる。伝熱モジュールの具体例は、米国特許第４２２６２８１号に開示されているとおりである。
【０００６】以上に説明した伝熱冷却システムによって、現在までのところは有効な解決法が得られているが、しかしながら、次世代のＶＬＳＩ回路では、チップから熱を効率良く抜き取るということに関して、このシステムの能力を超えた、それ以上の伝熱冷却法が要求されるようになると思われる。そこで、次世代のチップに対応した冷却問題の解決法を提供すべく、以上の伝熱モジュールを改造して、冷却媒体の噴流を用いるようにしたものが提案されている。その提案によれば、噴流に対して密封した半導体チップに接触させたヒート・シンク部材に、その噴流を吹き付けるようにするというものである。この種の提案の具体例は、ＩＢＭ技術開示広報、１９８６年１２月刊、第２９巻、第７号の、「噴流に対して密封した半導体チップに接触させたヒート・シンク部材に噴流を吹き付けるようにした液冷式回路パッケージ」という題名の文献（IBM Technical Disclosure Bulletin,Volume 29, No. 7, December 1986, Pg. 2887, entitled "LIQUID-COOLED CIRCUIT PACKAGE WITH JET IMPINGING ON HEAT SINK HELD AGAINST SEMICONDUCTOR CHIP THAT IS SEALED FROM THE JET"）に記載されている。
【０００７】この種の解決法に付随する問題の１つは、冷却媒体と半導体チップとの間のシール材が破損するおそれがあるということである。上で説明したシステムは、非絶縁性の冷却媒体を用いるように設計されているため、シール材が破損した場合には、冷却媒体によって半導体チップが損傷してしまう。また、このシステムに付随するもう１つの問題は、冷却媒体とチップとの間に介在する防護のための部材（例えばシール材それ自体）が、熱の伝達を阻害しているということであり、そのために、チップに噴流を直接吹き付けるようにしたならば得られるはずの効果のうちの何割かが損なわれている。
【０００８】
【発明の概要】本発明の目的は、優れた熱抜取り機構を提供することにある。そしてこの目的を、噴流の吹付けと熱伝導冷却との両方を利用したシステム及び方法によって達成している。熱伝導冷却は、各々のチップに一群のピストン部材を接触させることによって行なわれる。各ピストン部材はその底部に矩形形状としたヘッダ部を備えており、このヘッダ部がチップに接触する。各ピストン部材群へは絶縁性冷却媒体を供給しており、この供給は、各ピストン部材群の中央部に設けた流路を介して、及び／または、各ピストン部材の上方に設けた流路を介して行なうようにしている。この冷却媒体はピストン部材の足部（即ち下部）の上面に添って流れ、そして足部どうしの間の流路を流れる。これによって、ピストン部材の下部に対して、噴流によって強化された対流冷却が行なわれる。ピストン部材はこの強制対流冷却がなされる表面積を増加させる拡張表面の役割を、効果的に果たしている。
【０００９】好適実施例においては、各ピストン部材のヘッダ部と上部とに微小フィンを突出形成して、更に熱伝達面積を増大させている。更に加えて、非沸騰状態で使用する用途においては、ピストン部材のヘッダ部のチップと接触する面に溝を形成して、チップとピストン部材との境界面に冷却媒体が接触するようにしている。ピストン部材の上部とヘッダ部とは絶縁性冷却媒体に浸漬されており、それによって冷却されている。
【００１０】
【実施例】図２ないし図７には、冷却媒体の流れを矢印で示した。また、２つ以上の図に同一ないし対応する要素が図示される場合には、それらの要素に同一ないし対応する引用符号を付すようにした。図２について説明すると、同図に図示したのは、複合冷却法を採用したピストン部材群の断面図である。集積回路チップ２０４が基板２０６の上に、ハンダ・ボール２０８を用いて搭載されている。図３の上面図に明らかに示すように、アレイ状（行列状）に配置された４個の金属製ピストン部材２１０〜２１６が、個々にスプリングで付勢されてチップ２０４の表面に接触している。
【００１１】図２に明らかに示すように、ピストン部材２１０〜２１６は、テーパを付けた上部２２０と円筒形の中間部２２２とを備えており、また、チップ２０４に接触するその底部には、正方形の足部２２４を備えている。各ピストン部材の、この足部であるヘッダ部から突出した微小フィン２０５は、熱伝達面積を更に増大させるために設けたものである。各ピストン部材の、チップと接触する面には、複数の溝２２６を形成してあり、それによってチップとピストン部材との間の境界面に、冷却媒体が接触するようにしている。容易に理解できることであるが、それらの溝２２６は、単一相の（沸騰状態にない）冷却媒体を用いる場合に設けるのが好ましく、二相の（沸騰状態の）冷却媒体を用いる場合には設けない方が良い。
【００１２】再び図２に関し、基板２０６の上には蓋体２２８が重ねられており、この蓋体２２８は、チップ２０４及びピストン部材２１０〜２１６を収容する封入構造の一部を成している。蓋体２２８の構成は、例えば液体窒素や液体フルオロカーボン等の液体絶縁性冷却媒体を基板２０６上のチップへ向けて流入させると共に、流入してきた冷却媒体を、そこから運び去ることができる構成としてある。このモジュールに沸騰状態の液体を用いる場合には、このモジュールの構成を、蒸気を凝縮させ、及び／または運び去ることができるものにする。蓋体２２８は、ピストン部材を収容するための非貫通穴を形成することのできる充分な厚さを有する下部板材と、この下部板材との間に空間を保つことによって、冷却媒体分配用の高圧室を形成する、上部薄板材とから構成することができる。
【００１３】ここで説明する冷却のプロセスに対する蓋体２２８の影響力は、それほど大きなものではないため、この蓋体２２８の材料は熱の良導体である必要はない。従って蓋体２２８は、冷却媒体に適合し、モジュールの機械的必要条件に適合した材料でありさえすれば、どのような材料を用いて製作しても良い。グラウンド・アップ型のチップ構造の場合には（この場合には各チップの背面を同一電位に維持する必要がある）、蓋体２２８は、例えば銅やアルミニウム等の電気の良導体で製作することが好ましい。一方、この蓋体が電気の良導体であることを必要としない用途では、この蓋体を、プラスチックを材料として射出成形によって製作すれば、その製造コストを大幅に引き下げることができる。
【００１４】ある好適実施例では、蓋体の内部の、各一群のピストンを収容する複数の穴の間の部分に、円筒形のダクト２３０を形成してある。図３に示すように、複数個のピストン部材のヘッダ部が集まって１つの矩形のパタンを形成するようにしてあり、しかもこの矩形のパタンが、チップ２０４の外周から外へはみ出すようにしてある。それらの足部（即ちヘッダ部）どうしの間の空間は、互いに直交する流路３０２、３０４を形成しており、これらの流路においては、流動する冷却媒体がチップに接触することができる。冷却媒体は、円筒形のダクト２３０の中を流下し、そして、４個のピストン部材から成る各ピストン部材群の中央へ供給される。その冷却媒体はチップへ衝突し（即ち吹き付けられ）、続いて、ヘッダ部２２４の上面に沿って、あるいは、ヘッダ部どうしの間の流路３０２、３０４の中を流れて行く。これによって、ピストン部材の下部に対して、噴流によって強化された対流冷却が行なわれる。また、ピストン部材は拡張表面としての機能を果たしており、強制対流冷却が行なわれる面積が増大しているため、流体がチップを直接冷却するようにした場合と比べて冷却はより強力なものとなっている。更には、各ピストン部材の上部も、冷却媒体に浸漬されているために冷却されている。
【００１５】図８は、以上に説明した冷却システムの実施例として構成した伝熱モジュールの断面側面図である。加圧された液体絶縁性冷却媒体が流入管８０２を介してこの伝熱モジュールの中へ導入され、そして分配用高圧室８０４へ流入する。この冷却媒体は、分配用高圧室８０４から円筒形ダクト２３０（１）〜２３０（５）の中を流下して、チップ２０４（１）〜２０４（５）に直接衝突し、そしてピストン部材２１０（１）〜２１２（５）の足部の表面に沿って流れて行く。この冷却媒体は、半導体チップとピストン部材とから熱を奪った後に、流出管８０６を介してこの伝熱モジュールから流出する。
【００１６】図４及び図５は、図２及び図３のピストン部材の構成とはまた別の実施例を図示したものである。図４のこの実施例では、冷却媒体の供給は蓋体４０８の、各ピストン部材４１０、４１２の中心部の上方に形成した円筒形のダクト４０２、４０４を介して行なわれる。そしてその冷却媒体は、ピストン部材４１０、４１２の上面に衝突する。これによって、ピストン部材の上部が対流冷却により冷却される。冷却媒体は、ピストン部材の上面に衝突した後には、ピストン部材とピストン収容穴との間の間隙４１４、４１６を通って流下する。続いて、この冷却媒体は、ピストン部材のヘッダ部に衝突すると共に、ピストン部材のヘッダ部どうしの間に形成されている流路５０２、５０４（図５）を通ってチップ２０４の露出した表面に衝突する。これによって、ピストン部材の下部とチップとが対流冷却により冷却される。
【００１７】図６及び図７に示した、ピストン部材の構成の更に別の実施例は、各ピストン部材の上面への冷却媒体の流れと、各ピストン部材群の中心への冷却媒体の流れとの両方を用いるようにしたものである。図６及び図７のこの実施例では、冷却媒体は、各ピストン部材６１２、６１４の中心部の上方に形成した円筒形のダクト６０２、６０４から成るダクト群と、ピストン部材どうしの間の、蓋体６０８の材質中に形成した円筒形のダクト６０６との、両方を流れることになる。図７に示すように、冷却媒体はピストン部材６１２〜６１８に直接衝突すると共に、それらピストン部材のヘッダ部どうしの間に形成されている流路７０２、７０４の中央において、チップ２０４にも直接衝突する。
【００１８】ピストン部材の、それ自体の形状並びにそのフィンの形態も、様々なものとすることができる。図９R>９は、本発明に係るピストン部材群の断面側面図であり、この図のピストン部材９０２、９０４は、その上部の円筒形とした部分９０６に縦縞状の微小フィン９０８を形成してあると共に、チップに接触する矩形のヘッダ部９１０にも、その周囲に微小フィン９１２を形成してある。同様に、図１０Ａと図１０Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材１０００の上面図と側面図とであり、このピストン部材１０００は、このピストン部材の上部を覆う縦縞状の上部ピストン微小フィン１００２を備えており、一方、ヘッダ部には微小フィンを備えていない。
【００１９】図９の実施例を更に強力なものとするために、蓋体に形成する、ピストン部材を収容するための穴の内壁に、縦縞状の微小フィンを設けるようにしても良い。そのようにした実施例では、その穴の内壁に形成した縦縞状の微小フィンが、ピストン部材の上部に形成した縦縞状の微小フィンと、互い違いに噛み合っているようにするのが好ましく、そのようにすれば、その噛み合い領域を冷却媒体が通過する際に熱伝達が行なわれる表面積を、増大させることができる。
【００２０】更にはフィンの形状も、様々なものとすることができる。例えば、図１１Ａと図１１Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材１１００の上面図と側面図とであり、このピストン部材１１００は、このピストン部材の上部を覆う、斜め格子状に配列した多面体の微小フィン１１０２を備えるようにしたものである。また、図１２Ａと図１２Ｂとは夫々、本発明に係る更に別の実施例のピストン部材１２００の上面図と側面図とであり、このピストン部材１２００は、このピストン部材の上部を覆う、千鳥格子状に配列したれんが形状の微小フィン１２０２を備えるようにしたものである。
【００２１】以上に説明した基本原理を応用して、各チップごとに冷却能力を個別に設定することや、あるいは１個のチップ上の各位置ごとに冷却能力を個別に設定することを、効果的に行なうことができる。隣り合ったチップどうしが放散する熱の量が互いに大幅に異なっていることは、あり得ることである。しかしながら、各チップごとの温度のばらつきは小さく抑えることが好ましい。従って、低消費電力のチップを冷却するための冷却能力は小さくし、高消費電力のチップを冷却する冷却能力は大きくして、冷却能力を個別に設定することが有利である。
【００２２】この目標を達成するには、図２〜図８の実施例に対して、種々の変更を加えれば良い。例えば、ピストン部材群へ冷却媒体を流入させる位置を異ならせるようにしても良い。消費電力の非常に小さなチップに対しては、冷却媒体を流入させる必要がないこともあり得る。これに対して、消費電力が最大のチップでは、冷却媒体を、各ピストン部材群の中央に供給すると共に、各ピストン部材の上面にも供給することが必要とされる場合がある。また、大部分のチップでは、ピストン部材群の中央への噴流か、あるいは、ピストン部材の中央への噴流かの、いずれか一方で充分なことが多い。
【００２３】更に別の変更態様として、各々の噴流へ供給される冷却媒体の流量を異ならせるようにしても良く、それには、例えば円筒形のダクトの直径を異ならせる等の方法を用いれば良い。更に、ピストン部材の材料の選択も冷却能力に影響する。例えば銅製のピストン部材は、高消費電力のチップの上に並べて用いるようにすることができ、その場合に、それよりも熱伝導率の小さな材料、例えばアルミニウム等で製作したピストン部材を、より電力損失の小さなチップの上に並べて用いるようにするのである。
【００２４】ピストン部材の、どれ程の領域に亙って微小フィンを設けるようにするかについても、様々に異ならせることができる。即ち微小フィンは、ピストン部材のヘッダ部と上部とのいずれか一方のみに設けるようにすることも、また、ピストン部材のヘッダ部と上部との両方に設けるようにすることも、あるいは、全く設けないようにすることもできる。
【００２５】 チップの寸法が大きくなるにつれて、１個のチップの全表面領域中の各位置ごとの局部的熱放散量に、大きなばらつきが生じる可能性もまた大きくなる。本発明は、１個のチップの全表面領域において温度を均一に維持し得るようにするための個別設定を行なうのにも適している。この場合の個別設定も、上で列挙して説明した冷却能力の個別設定と同一の動作機序を利用することによって、達成することができる。上の場合は各チップごとに制御パラメータを異ならせたが、この場合はそれに代えて、各ピストン部材ごとに制御パラメータを異ならせるようにすれば良く、それによって、１個のチップの全表面領域において、同一の温度でより多くのエネルギが放散されるところと、より少ないエネルギが放散されるところができるようにする。例えば、所与の１つのアレイ（即ち１つのピストン部材群）へ冷却媒体の噴流を供給する、複数本の円筒形のダクトの直径を各々異ならせるようにしても良く、あるいは、各々のアレイに含まれている複数個のピストン部材を、互いに異なった大きさの熱伝導率を有する材料で製作するようにしても良い。
【００２６】上記以外にも、本発明の範囲並びに概念から逸脱することなく、多種多様な変更実施例ないし別実施例を構成し得ることが当業者には理解されよう。従って、以上に説明した本発明の実姉例は、あくまで具体例として説明したものであり、本発明がそれらに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の伝熱モジュールの断面図である。
【図２】本発明に係る第１実施例のピストン部材群の断面側面図である。
【図３】図２のピストン部材群の上面図であり、そのピストン部材とチップとを示す図である。
【図４】本発明に係る第２実施例のピストン部材群の断面側面図であり、この実施例は蓋体の、各ピストン部材の中心部の上方の位置に形成した穴を介してそれらピストン部材へ冷却媒体を吹き付けるようにしたものである。
【図５】図４のピストン部材群の上面図であり、そのピストン部材とチップとを示す図である。
【図６】本発明に係る第３実施例のピストン部材群の断面側面図であり、この実施例は蓋体の、ピストン部材群の中央の位置に形成した穴を介してチップへ冷却媒体を吹き付けると共に、その蓋体の、各ピストン部材の中心部の上方の位置に形成した穴を介してそれらピストン部材へも冷却媒体を吹き付けるようにしたものである。
【図７】図６のピストン部材群の上面図であり、そのピストン部材とチップとを示す図である。
【図８】複合冷却方式を採用した、改良した電子回路冷却モジュールの一実施例の断面図である。
【図９】本発明に係る第４実施例のピストン部材群の断面側面図であり、この実施例はピストンが、上部微小フィンと下部微小フィンとの両方を備えるようにしたものである。
【図１０】図１０Ａと図１０Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材の上面図と側面図とであり、この実施例のピストン部材は、このピストン部材の上部を覆う、縦縞状の上部ピストン微小フィンを備えるようにしたものである。
【図１１】図１１Ａと図１１Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材の上面図と側面図とであり、この実施例のピストン部材は、このピストン部材の上部を覆う、斜め格子状に配列した多面体の微小フィンを備えるようにしたものである。
【図１２】図１２Ａと図１２Ｂとは夫々、本発明に係る一実施例のピストン部材の上面図と側面図とであり、この実施例のピストン部材は、このピストン部材の上部を覆う、千鳥格子状に配列したれんが形状の微小フィンを備えるようにしたものである。
【符号の説明】
２０４ 集積回路チップ
２０５ 微小フィン
２０６ 基板
２１０、２１２、２１４、２１６ ピストン部材
２２０ ピストン部材の上部
２２２ ピストン部材の中間部
２２４ ピストン部材の足部（ヘッダ部）
２２６ 溝
２２８ 蓋体
２３０ ダクト
３０２、３０４ 流路
４０２、４０４ ダクト
４０８ 蓋体
４１０、４１２ ピストン部材
５０２、５０４ 流路
６０２、６０４、６０６ ダクト
６０８ 蓋体
６１２、６１４、６１６、６１８ ピストン部材
７０２、７０４ 流路
８０４ 冷却媒体分配用高圧室
９０２、９０４ ピストン部材
９０６ ピストン部材の上部
９０８ 微小フィン
９１０ ピストン部材のヘッダ部
９１２ 微小フィン
１０００ ピストン部材
１００２ 微小フィン
１１００ ピストン部材
１１０２ 微小フィン
１２００ ピストン部材
１２０２ 微小フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】 電子回路冷却モジュールであって、複数個の集積回路チップを搭載した基板を備え、前記複数個のチップを収容する封入空間を前記基板と協働して形成する蓋体を備え、該蓋体には冷却媒体分配用高圧室が形成されており、該冷却媒体分配用高圧室は、該高圧室を前記封入空間から区画する区画部を備えており、該区画部には複数個の非貫通穴が形成されており、それら非貫通穴は前記基板と前記冷却媒体分配用高圧室との間に位置しており、更に前記区画部には、少なくとも１本の円筒形のダクトが形成されており、該ダクトは前記冷却媒体分配用高圧室と前記封入空間との間に位置しており、アレイ状に配置した複数個の熱伝達用のピストン部材を備え、それらピストン部材の各々は、前記複数個の非貫通穴のうちの１つの非貫通穴の中に少なくとも部分的に位置するようにした上部と、矩形の形状とした下部とを有しており、更に、複数個のピストン部材の夫々の矩形下部が互いに協働して、前記複数個のチップのうちの１個のチップに接触する、１つの組合せ面を形成するようにしてあり、該組合せ面は該１個のチップの周囲より大きく、且つ、該組合せ面には該１個のチップの表面に沿って複数本の流路が形成されているようにした、ことを特徴とする電子回路冷却モジュール。
【請求項２】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトを前記複数個の非貫通穴の間に配置し、それによって該ダクトが、前記アレイの中に含まれている前記複数個のピストン部材の夫々の矩形下部と、前記チップの前記流路によって露出された部分とへ、冷却媒体の噴流を供給するようにしたことを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項３】 前記ピストン部材の前記矩形下部に、複数本の溝を形成してあることを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項４】 前記ピストン部材の前記矩形下部に、微小フィンを設けてあることを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項５】 前記冷却媒体が液体窒素ないしフルオロカーボンであることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項６】 前記複数本の流路が前記１個のチップの中央部において互いに交差しているようにし、前記円筒形のダクトを、該ダクトが冷却媒体の噴流を該中央部へ供給するように配置してあることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項７】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトを、該ダクトが前記冷却媒体分配用高圧室を前記複数の非貫通穴のうちの１つに連通させるように配置してあることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項８】 前記アレイ中に含まれている第１のピストン部材が第１の熱伝導率を有する第１の材料でできており、前記アレイ中に含まれている第２のピストン部材が前記第１の熱伝導率と異なる第２の熱伝導率を有する第２の材料でできていることを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項９】 前記アレイの中に含まれている第１のピストン部材がアルミニウム製であり、前記アレイの中に含まれている第２のピストン部材が銅製であることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１０】 複数のピストン部材から成るピストン部材アレイを複数備え、１つのピストン部材アレイの中に含まれている複数のピストン部材が、他のピストン部材アレイの中に含まれている複数のピストン部材とは異なった熱伝導率を有する材料でできていることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１１】 前記蓋体をプラスチック製としたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１２】 前記蓋体を金属製としたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１３】 前記複数個のピストン部材のうちの少なくとも１個のピストン部材の上部に縦縞状のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１４】 前記複数個のピストン部材のうちの少なくとも１個のピストン部材の上部に複数の多面体のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１５】 前記複数個のピストン部材のうちの少なくとも１個のピストン部材の上部に複数のれんが形状のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１６】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトが、前記冷却媒体分配用高圧室と前記複数の非貫通穴のうちの各非貫通穴の中央部との間に配置された複数本の円筒形のダクト、並びに、前記冷却媒体分配用高圧室と前記アレイの中央部との間に配設された更なる円筒形のダクトから成ることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１７】 電子回路冷却モジュールであって、複数個の集積回路チップを搭載した基板を備え、前記複数個のチップを収容する封入空間を前記基板と協働して形成する蓋体を備え、該蓋体には冷却媒体分配用高圧室が形成されており、該冷却媒体分配用高圧室は、該高圧室を前記封入空間から区画する区画部を備えており、該区画部には複数個の非貫通穴が形成されており、それら非貫通穴は前記基板と前記冷却媒体分配用高圧室との間に位置しており、更に前記区画部には、少なくとも１本の円筒形のダクトが形成されており、該ダクトは前記冷却媒体分配用高圧室と前記封入空間との間に位置しており、アレイ状に配置した複数個の熱伝達用のピストン部材を備え、それらピストン部材の各々は、前記複数個の非貫通穴のうちの１つの非貫通穴の中に少なくとも部分的に位置するようにし且つ複数のフィンを設けた上部と、矩形の形状とした下部とを有しており、更に、複数個のピストン部材の夫々の矩形下部が互いに協働して、前記複数個のチップのうちの１個のチップに接触する、１つの組合せ面を形成するようにした、ことを特徴とする電子回路冷却モジュール。
【請求項１８】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトを、該ダクトが前記冷却媒体分配用高圧室を前記複数の非貫通穴のうちの１つに連通させるように配置してあることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１９】 電子回路冷却モジュールであって、複数個の集積回路チップをアレイ状に配置して搭載した基板を備え、前記複数個のチップを収容する封入空間を前記基板と協働して形成する蓋体を備え、前記複数個のチップのうちの１個のチップと接触するようにした、アレイ状に配置した複数個のピストン部材を備え、それらピストン部材の各々は、前記蓋体の中に配置される円筒形の形状とした上部と、前記１個のチップと接触する矩形の形状とした下部のヘッダ部とを有しており、前記蓋体が更に、前記各ピストン部材の上方に設けた、前記各ピストン部材の前記円筒形上部へ冷却媒体の第１噴流を供給するための第１噴流手段と、前記アレイに含まれている前記複数のピストン部材の間の中央に設けた、前記各ピストン部材の前記ヘッダ部と前記チップの露出領域とへ前記冷却媒体の第２噴流を供給するための第２噴流手段とを備えている、ことを特徴とする電子回路冷却モジュール。
【請求項２０】 前記第１噴流手段が、第１の直径を有する第１の円筒形のダクトを備え、前記第２噴流手段が、第２の直径を有する第２の円筒形のダクトを備え、前記第１の直径が前記第２の直径とは異なっていることを特徴とする請求項１９の電子回路冷却モジュール。
【請求項１】 電子回路冷却モジュールであって、複数個の集積回路チップを搭載した基板を備え、前記複数個のチップを収容する封入空間を前記基板と協働して形成する蓋体を備え、該蓋体には冷却媒体分配用高圧室が形成されており、該冷却媒体分配用高圧室は、該高圧室を前記封入空間から区画する区画部を備えており、該区画部には複数個の非貫通穴が形成されており、それら非貫通穴は前記基板と前記冷却媒体分配用高圧室との間に位置しており、更に前記区画部には、少なくとも１本の円筒形のダクトが形成されており、該ダクトは前記冷却媒体分配用高圧室と前記封入空間との間に位置しており、アレイ状に配置した複数個の熱伝達用のピストン部材を備え、それらピストン部材の各々は、前記複数個の非貫通穴のうちの１つの非貫通穴の中に少なくとも部分的に位置するようにした上部と、矩形の形状とした下部とを有しており、更に、複数個のピストン部材の夫々の矩形下部が互いに協働して、前記複数個のチップのうちの１個のチップに接触する、１つの組合せ面を形成するようにしてあり、該組合せ面は該１個のチップの周囲より大きく、且つ、該組合せ面には該１個のチップの表面に沿って複数本の流路が形成されているようにした、ことを特徴とする電子回路冷却モジュール。
【請求項２】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトを前記複数個の非貫通穴の間に配置し、それによって該ダクトが、前記アレイの中に含まれている前記複数個のピストン部材の夫々の矩形下部と、前記チップの前記流路によって露出された部分とへ、冷却媒体の噴流を供給するようにしたことを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項３】 前記ピストン部材の前記矩形下部に、複数本の溝を形成してあることを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項４】 前記ピストン部材の前記矩形下部に、微小フィンを設けてあることを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項５】 前記冷却媒体が液体窒素ないしフルオロカーボンであることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項６】 前記複数本の流路が前記１個のチップの中央部において互いに交差しているようにし、前記円筒形のダクトを、該ダクトが冷却媒体の噴流を該中央部へ供給するように配置してあることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項７】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトを、該ダクトが前記冷却媒体分配用高圧室を前記複数の非貫通穴のうちの１つに連通させるように配置してあることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項８】 前記アレイ中に含まれている第１のピストン部材が第１の熱伝導率を有する第１の材料でできており、前記アレイ中に含まれている第２のピストン部材が前記第１の熱伝導率と異なる第２の熱伝導率を有する第２の材料でできていることを特徴とする請求項１の電子回路冷却モジュール。
【請求項９】 前記アレイの中に含まれている第１のピストン部材がアルミニウム製であり、前記アレイの中に含まれている第２のピストン部材が銅製であることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１０】 複数のピストン部材から成るピストン部材アレイを複数備え、１つのピストン部材アレイの中に含まれている複数のピストン部材が、他のピストン部材アレイの中に含まれている複数のピストン部材とは異なった熱伝導率を有する材料でできていることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１１】 前記蓋体をプラスチック製としたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１２】 前記蓋体を金属製としたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１３】 前記複数個のピストン部材のうちの少なくとも１個のピストン部材の上部に縦縞状のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１４】 前記複数個のピストン部材のうちの少なくとも１個のピストン部材の上部に複数の多面体のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１５】 前記複数個のピストン部材のうちの少なくとも１個のピストン部材の上部に複数のれんが形状のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１６】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトが、前記冷却媒体分配用高圧室と前記複数の非貫通穴のうちの各非貫通穴の中央部との間に配置された複数本の円筒形のダクト、並びに、前記冷却媒体分配用高圧室と前記アレイの中央部との間に配設された更なる円筒形のダクトから成ることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１７】 電子回路冷却モジュールであって、複数個の集積回路チップを搭載した基板を備え、前記複数個のチップを収容する封入空間を前記基板と協働して形成する蓋体を備え、該蓋体には冷却媒体分配用高圧室が形成されており、該冷却媒体分配用高圧室は、該高圧室を前記封入空間から区画する区画部を備えており、該区画部には複数個の非貫通穴が形成されており、それら非貫通穴は前記基板と前記冷却媒体分配用高圧室との間に位置しており、更に前記区画部には、少なくとも１本の円筒形のダクトが形成されており、該ダクトは前記冷却媒体分配用高圧室と前記封入空間との間に位置しており、アレイ状に配置した複数個の熱伝達用のピストン部材を備え、それらピストン部材の各々は、前記複数個の非貫通穴のうちの１つの非貫通穴の中に少なくとも部分的に位置するようにし且つ複数のフィンを設けた上部と、矩形の形状とした下部とを有しており、更に、複数個のピストン部材の夫々の矩形下部が互いに協働して、前記複数個のチップのうちの１個のチップに接触する、１つの組合せ面を形成するようにした、ことを特徴とする電子回路冷却モジュール。
【請求項１８】 前記少なくとも１本の円筒形のダクトを、該ダクトが前記冷却媒体分配用高圧室を前記複数の非貫通穴のうちの１つに連通させるように配置してあることを特徴とする請求項１記載の電子回路冷却モジュール。
【請求項１９】 電子回路冷却モジュールであって、複数個の集積回路チップをアレイ状に配置して搭載した基板を備え、前記複数個のチップを収容する封入空間を前記基板と協働して形成する蓋体を備え、前記複数個のチップのうちの１個のチップと接触するようにした、アレイ状に配置した複数個のピストン部材を備え、それらピストン部材の各々は、前記蓋体の中に配置される円筒形の形状とした上部と、前記１個のチップと接触する矩形の形状とした下部のヘッダ部とを有しており、前記蓋体が更に、前記各ピストン部材の上方に設けた、前記各ピストン部材の前記円筒形上部へ冷却媒体の第１噴流を供給するための第１噴流手段と、前記アレイに含まれている前記複数のピストン部材の間の中央に設けた、前記各ピストン部材の前記ヘッダ部と前記チップの露出領域とへ前記冷却媒体の第２噴流を供給するための第２噴流手段とを備えている、ことを特徴とする電子回路冷却モジュール。
【請求項２０】 前記第１噴流手段が、第１の直径を有する第１の円筒形のダクトを備え、前記第２噴流手段が、第２の直径を有する第２の円筒形のダクトを備え、前記第１の直径が前記第２の直径とは異なっていることを特徴とする請求項１９の電子回路冷却モジュール。
【図３】
【図５】
【図８】
【図１】
【図２】
【図４】
【図１１】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図５】
【図８】
【図１】
【図２】
【図４】
【図１１】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【公告番号】特公平７−６０９５４
【公告日】平成７年（１９９５）６月２８日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−５２４３４
【出願日】平成３年（１９９１）３月１８日
【公開番号】特開平４−２５０６９８
【公開日】平成４年（１９９２）９月７日
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【参考文献】
【文献】特開平１−１２４２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平４−２７４３９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４−８６５９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１−２７０２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平２−１８４０５７（ＪＰ，Ａ）
【公告日】平成７年（１９９５）６月２８日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）３月１８日
【公開番号】特開平４−２５０６９８
【公開日】平成４年（１９９２）９月７日
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【参考文献】
【文献】特開平１−１２４２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平４−２７４３９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４−８６５９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１−２７０２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平２−１８４０５７（ＪＰ，Ａ）
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