(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マザーボード上に所定の間隔で搭載された複数の半導体モジュールと、
内部に冷媒を有する可撓性のチューブが、前記半導体モジュール用の基板に実装された複数の半導体素子と接触し、かつ前記半導体モジュールを連続して挟み込むように取り付けられたハウジングと、前記半導体モジュールを冷却した後の前記冷媒を配管の途中で放熱させる手段と、前記チューブの冷媒を循環させ、該冷媒の流量を制御する手段と、を備えた放熱装置と、を有し、
前記チューブは、前記ハウジング内において螺旋形状に加工して取り付けられたことを特徴とする回路モジュール。
【請求項２】
前記チューブは、弗素、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンを含む樹脂材料、またはニトリル、ネオプレン、エチレンプロピレン、シリコン、弗素、天然を含むゴム材料で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回路モジュール。
【請求項３】
前記チューブの表面は、銅、アルミニウム、チタンを含む金属、またはアルミナ、窒化アルミニウムを含むセラミックスで覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールは、図１０に示すように、例えば、複数のメモリモジュール１００から構成され、各メモリモジュール１００は、基板１０１の表裏両面に複数のメモリ素子１０２が配列され、各メモリモジュール１００の基板１０１は、マザーボード１０４上に一定間隔で設けられたコネクタ１０３に挿入されている。
【０００３】
従来のメモリモジュール１００では、メモリ素子１０２の発熱は、メモリ素子１０２の表面からの放射と対流と共に、コネクタ１０３と基板１０１を介してマザーボード１０４へ伝導し、マザーボード１０４表面からも放熱される。また、メモリ素子１０２からの発熱を基板１０１の長手方向に分散するための放熱板を各メモリモジュールに設け、メモリ素子が接触している放熱板を介して分散されると共に放熱板の表面からも放熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１―９４３９９号公報
【特許文献２】特開２０００―２５１４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のメモリモジュール１００の構成による空気対流式の放熱では、均一にメモリモジュール１００の温度を維持することは困難である。とくに、中央に位置するメモリモジュール１００では、両サイドのメモリモジュール１００が壁となり対流による放熱が低下すると共に、これらから受熱もするため、高温になる。
【０００６】
また、メモリモジュール１００は、放熱板を設けることによって、メモリモジュール１００における各メモリ素子間の温度差は均一化されるが、複数設置された隣接するメモリモジュール１００間の温度差の均一化は図れない。さらに、基板１０１の反りなど変形により各メモリ素子１０２の傾きが異なることにより、放熱板との接触が不均一であることから放熱板への熱抵抗が高くなり放熱が悪化する。
【０００７】
以上のように、マザーボード１０４の上に複数のメモリモジュール１００が並列されている場合、各メモリモジュール１００の間の温度差が大きくなることから、メモリ素子１０２の動作特性に差異が生じ、システム不良が発生する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明では、複数の半導体素子（メモリ素子等）を基板に実装した半導体モジュール（メモリモジュール等）がマザーボード上に複数並列されている場合に、動作時に発熱する半導体モジュールを冷却し、モジュール間の温度バラツキを抑制する放熱装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の一つの態様は、マザーボード上に所定の間隔で搭載された複数の半導体モジュールと、内部に冷媒を有する可撓性のチューブが、前記半導体モジュール用の基板に実装された複数の半導体素子と接触し、かつ前記半導体モジュールを連続して挟み込むように取り付けられたハウジングと、前記半導体モジュールを冷却した後の前記冷媒を配管の途中で放熱させる手段と、前記チューブの冷媒を循環させ、該冷媒の流量を制御する手段とを備えた放熱装置と、を有することを特徴とする回路モジュールに関する。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明の一態様によれば、内部に冷媒を蓄えた可撓性のチューブによって、各半導体モジュールにおいて発熱する半導体素子と密接した放熱構造が実現され、半導体モジュールの効率的な放熱と各半導体モジュール間の温度バラツキの抑制が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に適用されるメモリモジュールの構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる回路モジュールにおける放熱装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になるハウジングにおける可撓性チューブの取付構造例（螺旋形状の場合−モジュール装着前）を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態になるハウジングにおける可撓性チューブの取付構造例（螺旋形状の場合−モジュール装着後）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態になる放熱装置のメモリモジュールに対する適用結果（図３のハウジング構造）を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態になるハウジングにおける可撓性チューブの取付構造の変形例１（蛇行形状の場合−モジュール装着前）を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態になるハウジングにおける可撓性チューブの取付構造の変形例１（蛇行形状の場合−モジュール装着後）を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態になるハウジングにおける可撓性チューブの取付構造の変形例２（渦巻き形状の場合−モジュール装着前）を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態になるハウジングにおける可撓性チューブの取付構造の変形例２（渦巻き形状の場合−モジュール装着後）を示す図である。
【図１０】従来のメモリモジュールにおける放熱の問題点を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態につき、図面に基づいて説明する。以下の実施例では、半導体モジュールとして、メモリモジュールを適用した例について述べる。但し、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明に適用するメモリモジュールの構成例を示す。図１（ａ）側面図、（ｂ）上面図に示すように、モジュール群は、複数のメモリモジュール１００からなり、各メモリモジュール１００は、基板１０１の表裏両面に複数のメモリ素子１０２ａ、１０２ｂを有し、各メモリモジュール１００の基板１０１は、マザーボード（システムボードとも言う）１０４上に一定間隔で設けられたコネクタ１０３に挿入されている。本実施例では、メモリ素子の実装は両面実装としたが、勿論、片側実装であっても構わない。また、メモリ素子１０２は、メモリ素子１０２ａ、１０２ｂの総称である。
【００１４】
図２は、本発明の放熱装置を備えた回路モジュールの構成例を示す。回路モジュールは、図１で示した複数のメモリモジュール１００が所定のピッチで搭載されたマザーボード１０４と放熱装置１を有する。そして、放熱装置１は、発熱するメモリモジュール１００を冷却するため、冷媒（液体または気体）２１をチューブ２０内で循環させている。
【００１５】
放熱装置１は、マザーボード１０４に搭載された各メモリモジュール１００を冷却するため、その内部に冷媒２１を蓄え、可撓性のある材料で形成されたチューブ２０が取り付けられたハウジング１０を有する。
【００１６】
チューブ２０は、ハウジング１０に、例えば、ハウジング１０に一体成型加工やベルトワイヤ等によって固定され、各メモリモジュール１００の基板の表裏面に実装されているメモリ素子と基板に接触し、各メモリモジュール１００を連続して挟みこむように収納されている。チューブ２０の構造の条件としては、分散配置された複数のメモリモジュール１００間の温度バラツキを抑制するため、個々のメモリモジュール１００との均一な接触面を形成させるとともに、冷媒２１を滞留なく循環させる冷却構造が必須となる。
【００１７】
また、放熱装置１は、メモリモジュールを冷却した後の冷媒２１をラジエータ３０とファン３１によって配管の途中で放熱させる手段と、チューブ２０の冷媒２１をポンプ４０によって循環させ、冷媒２１の流量を制御する手段とを有する。
【００１８】
以上の本発明によって、内部に冷媒を備えた可撓性のチューブ２０によりメモリ素子の発熱をメモリ素子と基板の表面から均一に吸熱することができる。また、チューブ２０は、可撓性を有する材料により形成されているため、マザーボード１０４上の各メモリモジュール１００や基板上の各メモリ素子に傾きがあっても均一な放熱が可能となる。
【００１９】
さらに、各メモリモジュール群の放熱構造を一体化させるハウジングによって、容易に着脱可能で作業性に優れた放熱装置の実現が図れる。
【００２０】
つぎに、図３及び図４を用いて、本発明の放熱装置の詳細について説明する。図３は、本発明のハウジングにおいて、螺旋形状に加工されたチューブを取り付けた場合の構造を示し、メモリモジュールにハウジングが装着される前の状態を示している。
【００２１】
前述したように、本発明の主要素であるチューブ２０の構造には、分散配置された個々のメモリモジュール１００との均一な接触性と、冷媒２１を滞留させない流路構造が求められる。以下の実施例では、一本の流路で形成された可撓性部材からなる螺旋形状のチューブ構造を一例として説明する。
【００２２】
図３（ａ）は、ハウジングの側面図、図３（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’における上面図、をそれぞれ示している。本発明のメモリモジュールの放熱装置１は、一定間隔で巻かれた螺旋形状のチューブ２０を連結して一体化させるハウジング１０を有する。
【００２３】
チューブ２０は、巻き径（内径）を図１に示すメモリモジュール１００の幅以上とし、巻き数及びピッチ間隔をメモリモジュール１００の数（本実施例では７個）及びモジュール間隔に合わせ、そのピッチ間で各メモリモジュールが挟み込めるように、螺旋状に複数モジュールの並置方向に螺旋状に巻き出してハウジングに取り付けている。
【００２４】
また、チューブ２０は、可撓性を有する樹脂材料、またはゴム材料からなり、各メモリモジュールの基板間隔に合わせて螺旋形状に成形加工したものである。
【００２５】
チューブ２０の材料としては、弗素（例えば、テフロン（登録商標）など）、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂材料、または、ニトリル、ネオプレン、エチレンプロピレン、シリコン、弗素、天然などのゴム材料が好適である。
【００２６】
また、チューブ２０の好適な断面は、円、楕円、長円、四角の中空形状とすると良い。
【００２７】
さらに、チューブ内に備わる冷媒２１に使用する材料は、フッ化炭素系を主成分とするもの、ハロゲン化炭化水素系を主成分とするもの、シリコーンオイルなど絶縁油を主成分とするもの、水・純水など主成分とするもの、水とエチレングリコールの混合液とするもののいずれかが好適である。
【００２８】
図４は、本発明のハウジングにおける可撓性チューブの取付構造例を示し、図３の螺旋形状のチューブが取り付けられたハウジングをメモリモジュールに装着した後の状態を示している。図４（ａ）は、メモリモジュールが装着されたハウジングの側面図、図４（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’における上面図、および図４（ｃ）は、（ｂ）におけるＣ−Ｃ’の断面図、をそれぞれ示している。
【００２９】
放熱装置１において、ハウジング１０は、マザーボード１０４上のコネクタ１０３に挿入されている各メモリモジュール１００の基板１０１に対して、ハウジング１０に搭載された螺旋形状のチューブ２０のチューブ同士が隣接し、互いに隙間を生じさせることができる位置に合わせて装着されている。このとき、チューブ２０の弾性変形により、チューブ２０の表面がメモリ素子１０２と面接触し、かつ、隣り合う各基板同士、チューブ２０で連続して挟むことによって互いに釣り合いながら面接触している。
【００３０】
また、こうしたハウジング１０内における螺旋形状のチューブ２０構造によって、ハウジング１０の入口から出口まで一本の流路による冷媒２１の循環流路が形成され、冷媒２１が滞留せずにチューブ内を流れる。
【００３１】
上述した本発明の構成によって、メモリモジュール１００のメモリ素子１０２からの発生した熱は、メモリ素子１０２に面接触しているチューブ２０からチューブ２０内を流れる冷媒２１に伝導し、ラジエータ３０で熱交換し放熱することで冷媒２１が冷やされ、冷媒２１が循環することによって放熱が繰り返される。この結果、各メモリモジュール１００の各メモリ素子１０２から発生した熱は、チューブ２０内を流れる冷媒２１により、モジュール群の全体に分散し、各モジュールの温度差の発生が抑制される。
【００３２】
なお、チューブ２０とメモリ素子１０２の間にサーマル・コンパウンドを介在させると、密着が高まり熱伝達効率を向上させる。
【００３３】
また、好適には、メモリモジュール１００のメモリ素子１０２に伝熱板を装着したり、チューブ２０表面を高熱伝導率の材料で覆ったりするのが良い。このとき、選択する材料としては、例えば、銅、アルミニウム、チタンなどの金属、または、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミックスが好適である。また、銅、アルミニウム、チタン、ステンレスなどの金属からなる編組あるいはメッシュでチューブ２０を被覆するのでも良い。
【００３４】
図５は、本発明の放熱装置のメモリモジュールに対する適用結果を示す。図５では、図４の螺旋状に加工されたチューブが取り付けられたハウジング構造を適用したときのテスト結果を示している。
【００３５】
テストでは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）としてインテル製Core 2QUAD_3.0GHzを、メモリとしてメモリチップDDR2-800(800MHz)を搭載したメモリモジュールPC2-6400(6.4GB/s max.)を使用したマザーボードにて実施した。
【００３６】
メモリモジュール１００を動作させるテスト条件は、環境温度２６℃、テストプログラム（PC Wizard）を用いてＣＰＵの負荷率１００％とした。左端部、中央部、右端部における動作時のメモリモジュール１００の温度をそれぞれメモリモジュール中央付近に設置した熱電対を用い、データロガー（キーエンス製NR-1000）を使って比較例及び本実施例について測定した。
【００３７】
その結果、自然空冷による従来例では、左端部６３℃、中央部８１℃、右端部６０℃となり、中央部と右端部の間で温度差が２１℃あるのに対し、本実施例では、左端部６２℃、中央部６０℃、右端部５９℃となりモジュール間の最大温度差は３℃とバラツキが低く抑制されていることが分かる。
【００３８】
以上の実施例では、可撓性のチューブのハウジングへの取付構造を螺旋形状に加工した構造例について示したが、以下、図６〜図９において、ハウジングへの取付構造の変形例について説明する。
【００３９】
先にも述べたように、チューブ２０の構造に必須となる設計条件として、（１）分散配置された個々のメモリモジュール１００との均一な接触構造と、（２）冷媒２１をチューブ２０内で滞留させない流路構造とが求められる。
【００４０】
上記設計条件を満たすチューブ構造の変形例として、同一平面上で、蛇行形状または渦巻き形状に配管されたチューブ構造の例を以下に示す。これらの変形例は、上述してきた螺旋形状のチューブ構造に対し、ハウジングの小型化を実現させるものでもある。
【００４１】
図６、図７は、本発明のハウジングにおいて、蛇行形状に加工されたチューブを取り付けた場合の構造を示す。図６は、メモリモジュールにハウジングが装着される前の状態を、図７は、装着された後の状態をそれぞれ示している。
【００４２】
本実施例におけるチューブ２０のハウジングへの取付構造は、図１に示すメモリモジュール１００のモジュール数及びモジュール間隔に合わせ、同一平面内で蛇行しつつ連続的に挟み込む構造とし、かつ一本の冷媒流路で形成された配管構造を提供するものである。
【００４３】
上記蛇行形状チューブに加工されたハウジング構造では、螺旋形状のチューブによるハウジング構造に比べて、ハウジングの厚さは、２０ｍｍ程度となり、厚さを１／２以下（コイル状タイプのハウジングの厚さは、４０ｍｍ）に低くできるメリットがある。
【００４４】
また、螺旋形状の場合と同様に、メモリモジュール間の温度差を低く抑えることができ、温度バラツキの抑制に効果のあることが分かった。
【００４５】
また、図８、図９は、本発明のハウジングにおいて、渦巻き形状に加工されたチューブを取り付けた場合の構造を示す。図８は、メモリモジュールにハウジングが装着される前の状態を、図９は、装着された後の状態をそれぞれ示している。
【００４６】
本実施例におけるチューブ２０のハウジングへの取付構造は、図１に示すメモリモジュール１００のモジュール数及びモジュール間隔に合わせ、同一平面内で中心のモジュールから最外郭に位置するモジュールに至るまで渦巻き状に連続的に挟み込む構造とし、かつ一本の冷媒流路で形成された配管構造を提供するものである。
【００４７】
上記渦巻き形状にチューブが加工されたハウジング構造では、螺旋形状のチューブによるハウジング構造に比べて、ハウジングの厚さは、２０ｍｍ程度となり、厚さを１／２以下（螺旋形状タイプのハウジングの厚さは、４０ｍｍ）低くできるメリットがある。
【００４８】
また、螺旋形状の場合と同様に、メモリモジュール間の温度差を低く抑えることができ、温度バラツキの抑制に効果のあることが分かった。
【００４９】
上記渦巻き形状によるチューブ構造は、蛇行形状のチューブ構造と比較してチューブ引き回しによりスペースが余分に必要とされるが、冷媒２１の循環性がよい。
【００５０】
なお、別な変形例として、個々のメモリモジュール１００を囲うようにチューブ２０を分割して配置させる構造も考えられる（図示していない）。しかしながら、上述した（１）の均一な接触構造は実現できても、流路としては、入口で各メモリモジュール１００に分岐した流路となるため、冷媒２１の均一な流れが阻害され、（２）の条件を満たさない。
【００５１】
これに対し、上述した蛇行形状チューブや渦巻き形状チューブでは、チューブ内で一本化された流路であるためスムーズな冷媒２１の流れを確保することが可能となる。
上述してきたように、本発明によれば、内部に冷媒を備えた可撓性のチューブにより半導体素子の発熱を半導体素子と基板の表面から均一に吸熱することができ、各半導体モジュール間の温度差の均一化を図ることができる。
【００５２】
また、チューブは、可撓性を有する材料により形成されているので、マザーボード上の各半導体モジュールや基板上の各半導体素子に傾きが生じていても、半導体素子および基板との間に隙間を生じさせることがないため、均一な放熱が可能となる。
【００５３】
さらに、各半導体モジュール群の放熱装置を一体構造としたことにより、容易に着脱可能であり作業性に優れる。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、複数個の素子を同一チップ上に形成した半導体集積回路などのチップを複数個組み合わせて一つのケースに収容して構成される回路モジュールの放熱技術に関する。
【符号の説明】
【００５６】
１  放熱装置
１０  ハウジング
２０  チューブ
２１  冷媒
３０  ラジエータ
３１  ファン
４０  ポンプ
１００  メモリモジュール
１０１  基板
１０２  メモリ素子
１０３  コネクタ
１０４  マザーボード
【図１】
0005614239.tif 000002
【図２】
0005614239.tif 000003
【図３】
0005614239.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005614239.tif 000007
【図７】
0005614239.tif 000008
【図８】
0005614239.tif 000009
【図９】
0005614239.tif 000010
【図１０】
0005614239.tif 000011