(57)【要約】【課題】半導体パッケージから発生した熱エネルギーを十分に放散させる。【解決手段】  ループ熱サイフォンシステムは、複数の微小流路（１８）を有する半導体ダイ（１０）と、微小流路（１８）に流体接続する凝縮器（１４）と、凝縮器（１４）と半導体ダイ（１０）との間で流体を毛管作用によって運ぶウィッキング構造（灯心材構造、２６）とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の微小流路を有する半導体ダイと、
前記微小流路に流体接続する凝縮器と、
前記凝縮器と前記半導体ダイとの間で流体を毛管作用により運ぶウィッキング構造と、
を備えることを特徴とするループ熱サイフォンシステム。
【請求項２】
前記半導体ダイに接続する入力側マニホルドと、前記凝縮器と前記入力側マニホルドとの間を接続する入力側流体流路とをさらに備え、前記入力側流体流路と前記入力側マニホルドとによって前記凝縮器から前記微小流路に流体を運び、前記ウィッキング構造は、前記入力側流体流路と前記入力側マニホルドの一方または両方の内部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のループ熱サイフォンシステム。
【請求項３】
前記ダイに結合されて前記微小流路を密封し、流体が前記微小流路を通って流れるようにするプレートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のループ熱サイフォンシステム。
【請求項４】
前記微小流路は、前記微小流路の１つの方向に沿って流体が優先的に流れるような形状であることを特徴とする請求項１に記載のループ熱サイフォンシステム。
【請求項５】
前記微小流路の１つの方向に沿って流体が優先的に流れるようにする手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のループ熱サイフォンシステム。
【請求項６】
複数の微小流路を有する半導体ダイであって、前記微小流路のうちの１つまたは複数は、前記半導体ダイの１つの方向に沿って流体が優先的に流れるような形状になっている半導体ダイと、
前記微小流路に流体接続し、前記半導体ダイからの加熱された流体を冷却して前記微小流路に流入させる凝縮器と、
を備えることを特徴とするループ熱サイフォンシステム。
【請求項７】
複数の微小流路を有する半導体ダイと、
前記微小流路のうちの少なくとも１つの入口に設けられ、前記少なくとも１つの微小流路の１つの方向に沿って流体が優先的に流れるようにする少なくとも１つのオリフィスと、
前記微小流路に流体接続し、前記半導体ダイからの加熱された流体を冷却して前記微小流路に流入させる凝縮器と、
を備えることを特徴とするループ熱サイフォンシステム。
【請求項８】
前記凝縮器と前記半導体ダイとの間に配置され、前記凝縮器からの流体を前記微小流路へと毛管作用によって運ぶウィッキング構造をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のループ熱サイフォンシステム。
【請求項９】
凝縮器から流体を毛管作用によって運び半導体ダイの１つまたは複数の微小流路に流入させるステップと、
前記半導体ダイからの加熱された流体を前記凝縮器へと運ぶステップと、
流体を前記凝縮器で冷却するステップと、
を含むことを特徴とする半導体ダイの冷却方法。
【請求項１０】
前記微小流路を、前記微小流路に沿って流体が優先的に流れるような形状にするステップ、
前記微小流路のうちの１つまたは複数の入口にオリフィスを形成することで前記１つまたは複数の微小流路に沿って流体が優先的に流れるようにするステップ、及び
前記微小流路のうちの１つまたは複数の入口に流体流制限材料を配置することで前記１つまたは複数の微小流路に沿って流体が優先的に流れるようにするステップ、
のうちの少なくとも１つのステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体ダイの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージの冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
計算性能に対する要求が増大するにつれて、計算システムにおける、熱放散に関連する複雑さとコストは増大し続けている。これらのシステムは通常、十分な熱放散能力と組み合わせる必要のある半導体パッケージを多数用いている。高密度の物理的構成を組み込んだシステムにおいては、パッケージを空気冷却するだけでは十分でない場合があり、そのような場合には、パッケージの液体冷却が必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術には、流体（例えば水またはアルコール）を直接半導体パッケージに導くことで放熱要求に対処しているものもある。しかし、これらの技術では、必要とされる熱放散のうちの一部しか熱放散していない。なぜならば、熱放散がどのように起こるかは、供給される流体やパッケージに取り付けられるヒートシンクよりも、熱インピーダンスのほとんどが半導体パッケージの内部にあるということによって決まってくるからである。したがって、放熱全体を大幅に改善するには、パッケージ内部の熱インピーダンスを減少させることが必要である。
【０００４】
従来技術はまた、パッケージの半導体素子（すなわち「ダイ」）内に微小流路を組み込んで、冷却効率を改善しようとしてきた。それぞれの微小流路は、例えば半導体基板内にエッチングによって形成され、基板により多くの冷却区域が提供されるようにする。一例において、これらの微小流路は基板における内部で発生した熱の放散を助ける一連の「フィン」として形成される。このような従来技術の微小流路を使用することに関する問題のひとつは、流体を半導体ダイに送り込むのに高圧が用いられる、すなわち、加圧ポンプにより流体を強制的に微小流路に流すということである。しかしながら、この加圧ポンプは故障頻度が高く、計算システム内で使用するには問題がある。
【０００５】
従来技術ではまた、「ループ熱サイフォン」技術を利用して半導体パッケージを冷却しようとしてきた。従来技術のループ熱サイフォンは、金属ブロック等の蒸発器を利用し、蒸発器と半導体パッケージとの間に冷却液体を運ぶことによって、半導体パッケージを冷却する。パッケージは温度が上昇するとその液体から蒸気を発生させ、液体と蒸気との密度差により蒸発器と半導体パッケージとの間の伝熱を助ける。しかし、従来技術のループ熱サイフォンもまた、半導体パッケージの内部の熱インピーダンスを減少させるものではなく、したがって、これもまた、パッケージから発生した熱エネルギーを十分に放散するわけではない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、ループ熱サイフォンシステムは、複数の微小流路を有する半導体ダイを有する。微小流路には凝縮器が流体接続している。ウィッキング構造（灯心材構造）により、凝縮器と半導体ダイとの間で流体が毛管作用によって運ばれる。
【０００７】
他の実施形態において、ループ熱サイフォンシステムは、複数の微小流路を有する半導体ダイを有する。微小流路のうちの１つまたは複数は、半導体ダイの１つの方向に沿って流体が優先的に流れるような形状になっている。微小流路には凝縮器が流体接続しており、半導体ダイからの加熱された流体を冷却して微小流路に流入させる。
【０００８】
他の実施形態において、ループ熱サイフォンシステムは、複数の微小流路を有する半導体ダイを有する。少なくとも１つのオリフィスが微小流路のうちの１つの入口に設けられ、その１つの微小流路の１つの方向に沿って流体が優先的に流れるようにする。微小流路には凝縮器が流体接続しており、半導体ダイからの加熱された流体を冷却して微小流路に流入させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１はループ熱サイフォンシステム１０の概略図を示す。システム１０は、入力側流体流路１６Ａと出力側流体流路１６Ｂとによって凝縮器１４に接続される半導体ダイ１２を有する。半導体ダイ１２には、図３、図４、図５、図７あるいは図９に示すような、基板内に形成される複数の微小流路１８を有している。凝縮器１４は、例えば、凝縮器１４に隣接する空気２２の対流によってシステム１０内の流体２０を冷却する熱交換器である。凝縮器１４は、図示のように、空気２２への伝熱を高める一連のフィン１４Ａを有している。
【００１０】
微小流路１８、凝縮器１４、および流体流路１６Ａ、１６Ｂは、流体２０の閉ループ圧容積を形成し、これによって、半導体ダイ１２によって加熱されると蒸気（または蒸気と流体との混合物）になり、凝縮器１４によって冷却されると液体になる。説明の便宜上、流体２０を凝縮器１４内にのみ示しているが、流体２０は、流体、蒸気、または流体と蒸気との混合物のいずれかとして、閉ループ圧容積全体にわたって広がっていることは明らかである。半導体ダイからの加熱された流体、蒸気、または流体と蒸気との混合物を、本明細書においては適宜「加熱された流体」と称する。
【００１１】
システム１０は、入力側流体流路１６Ａを半導体ダイ１２に接続する入力側マニホルド２４Ａと、出力側流体流路１６Ｂを半導体ダイ１２に接続する出力側マニホルド２４Ｂとを有する。
【００１２】
入力側流体流路１６Ａの内部には、凝縮器１４から入力側流体流路１６Ａを通って入力側マニホルド２４Ａへと、方向２８Ａに沿って流体流を引き込む毛管引力を与えるウィッキング構造２６（灯心材構造、図２により詳細に示す）が設けられている。流体２０と半導体ダイ１２との相互作用によって、加熱された流体（または蒸気または蒸気と流体との混合物）が発生し、それがまた、半導体ダイ１２から出力側流体流路１６Ｂを通って、方向２８Ｂに沿って流体流を動かす。動作の一例において、半導体ダイ１２が流体２０を沸騰させて流体と蒸気との混合物を生成し、それによって流体流を方向２８Ｂに沿って加圧する。この流体と蒸気との混合物が出力側流体流路１６Ｂから凝縮器１４に入り、次に凝縮器１４内で冷却されて、液体形状の流体２０が凝縮器１４を出て入力側流体流路１６Ａに向かう。したがって、システム１０内では、方向２８Ａ、２８Ｂに沿った流体２０の自律的な循環流を得ることができる。
【００１３】
当業者であれば、本開示を読み完全に理解すれば、その範囲から逸脱することなく凝縮器１４がその他の形をとってもよいことを理解するであろう。例えば、凝縮器１４を液体−空気間の熱交換器として動作するよう示しているが、これに代えて、例えばヒートシンク、別の半導体ダイ、またはその他の熱交換装置の形であってもよい。
【００１４】
流体２０は、例えば水、フロリナート（フッ素系不活性流体）、またはアルコールである。好適な温度および圧力の相変化特性を有するその他の液体を用いてもよい。
【００１５】
図２は入力側流体流路１６Ａの断面図を示し、ウィッキング構造２６をさらに説明するためのものである。ウィッキング構造２６は、例えば、熱伝導性の繊維（例えば銅の繊維）、熱伝導性の粉体（例えば銅の粉体）、または熱伝導性の網目フィルタ（例えば銅の網目フィルタ）、等の伝導性の多孔質状材料である。これは、凝縮器１４から入力側流体流路１６Ａを通って入力側マニホルド２４Ａへと流体２０を引き込む流体毛管力を引き起こす。一実施形態においては、入力側マニホルド２４Ａにもウィッキング構造２７を組み込み、凝縮器１４から半導体ダイ１２への流体毛管力をさらに増大させる。ウィッキング構造２７は、ウィッキング構造２６と同じであっても異なっていてもよい。流体に対して毛管作用を及ぼす限り、ウィッキング構造２６および／または２７として、例えば、繊維状材料（例えば金属繊維）、微小な溝（例えば、流体流路１６Ａおよび／または入力側マニホルド２４Ａ内の微小な溝）、焼結材料（燒結金属）、多孔性または発泡性のプラスチック、非金属多孔性材料、および金属マトリクスを含む、その他の材料または構造を用いてもよい。
【００１６】
図２では入力側流体流路１６Ａの断面形状を円形で示しているが、これに代えて、本発明の範囲から逸脱しない限度で、長方形または別の形状であってもよいことは明らかである。
【００１７】
図３は、微小流路１８を（エッチング線１８Ａで示すように）エッチングによって形成した半導体ダイ１２の横断面図を示す（正確な縮尺率ではない）。シリコンのプレート３０（例えばガラス）は、微小流路１８を密封して流体２０の流体流路を形成するのに用いられる（説明上、プレート３０を図１にも示す）。
【００１８】
さらに図１に関し、微小流路１８、凝縮器１４、および流体流路１６Ａ、１６Ｂの閉ループ容積を流体で少なくとも約５０％まで満たすことによって、システム１０を「予め充填」しておき、（システムの「蒸発器」としての）半導体ダイ１２が動作前に予め確実に「濡れている」ようにしてもよい。さらに、凝縮器１４を半導体ダイ１２の上方に配置して、流体２０と半導体ダイ１２との相互作用によって発生する蒸気が入力側流体流路１６Ａを通って凝縮器１４へと上向きに動くようにし、冷却された流体２０が出力側流体流路１６Ｂを通って半導体ダイ１２へと下向きに流れるのが重力によって補助されるようにしてもよい。
【００１９】
図４は半導体ダイ１２の斜視図であり、半導体ダイ１２とプレート３０（説明上、透けた状態で示してある）との間に形成された微小流路１８の例示的な一実施形態を示している。半導体ダイ１２の入力側において複数の開口部３２Ａが形成されて入力側マニホルド２４Ａと接続し、半導体ダイ１２の出力側において複数の開口部３２Ｂが形成されて出力側マニホルド２４Ｂと接続する。図９との関係において説明するように、開口部３２Ｂを開口部３２Ａよりも大きくして、図１の流体流方向２８Ａ、２８Ｂに対応する方向３４に沿って流体が優先的に流れるのを促進するようにしてもよい。
【００２０】
図５は、一実施形態による１つのループ熱サイフォンシステム１０(1)を示す。図７は、他の実施形態による他のループ熱サイフォンシステム１０(2)を示す。図９は、他の実施形態による他のループ熱サイフォンシステム１０(3)を示す。図５、図７、および図９において、図１ないし図４と同様の番号を付けたものは同様の機能を提供する。
【００２１】
例えば図５において、微小流路１８(1)のうちの１つまたは複数内にオリフィス３６（図６を参照されたい）が配置されて、半導体ダイを通る優先的な流体流を提供する。特に、図５の半導体ダイ１２(1)は、その微小流路１８(1)のそれぞれの入口に（例えば、入力側開口部３２Ａ(1)に）配置されたオリフィス３６を有しており、方向３４に沿った優先的な流体流を生成する。図６は、１つの開口部３２Ａ(1)内のオリフィス３６の実施形態を示す。必須ではないが、入力側流体流路１６Ａ(1)および／または入力側マニホルド２４Ａ(1)に、図１のウィッキング構造２６等のウィッキング構造を組み込んでもよい。
【００２２】
特に、図６は、半導体ダイ１２(1)の１つの微小流路１８(1)と、ブロッキング材料３８（例えば、金属、プラスチックめっき、または同様の材料）によって形成されるオリフィス３６であって、（オリフィス３６を通って以外には）流体が微小流路１８(1)に流入しないようにする四角形状のオリフィス３６の断面図を示す。オリフィス３６は、設計上の選択事項として、他の形状に形成されてもよい。図６の微小流路１８(1)はプレート３０(1)によって密封されており、流体流路１６Ａ(1)、１６Ｂ(1)を有する閉ループにおいて、流体が半導体ダイ１２(1)の微小流路を通りオリフィス３６を通って流れるようになっている。出力側マニホルド２４Ｂ(1)においては制限またはオリフィスがないので、微小流路１８(1)内の流体は方向３４に沿って優先的に流れる。
【００２３】
図７に示すように、オリフィス３６をその他の流体流制限材料に置き換えてもよい。図７において、微小流路１８(2)のうちの１つまたは複数内に流体流制限材料４６（例えば、金属の網目フィルタ、非金属多孔性材料、または焼結銅もしくは金属マトリクス等の金属多孔性材料）が配置されて、半導体ダイを通る優先的な流体流を実現する。特に、図７の半導体ダイ１２(2)は、その微小流路１８(2)のそれぞれの入口に（例えば、入力側開口部３２Ａ(2)に）配置された材料４６を有しており、方向３４に沿った優先的な流体流を生成する。図８は、１つの入力側開口部３２Ａ(2)内の制限材料４６の実施形態を示す。必須ではないが、入力側流体流路１６Ａ(2)および／または入力側マニホルド２４Ａ(2)に図１のウィッキング構造２６等のウィッキング構造を組み込んでもよい。
【００２４】
特に、図８は半導体ダイ１２(2)の１つの微小流路１８(2)と、微小流路１８(2)内への流体流を制限する網目フィルタの形態の流体流制限材料４６の断面図である。図８の微小流路１８(2)はプレート３０(2)によって密封され、流体流路１６Ａ(2)、１６Ｂ(2)を有する閉ループにおいて、流体流制限材料４６を通って流体が半導体ダイ１２(2)の微小流路を流れるようになっている。微小流路１８(2)の入口に流体流制限材料４６を配置することによって、方向３４に沿った優先的な流れを実現する。
【００２５】
図９において、図示するように、微小流路１８(3)は、方向３４に沿った優先的な流体流を実現する形状に構成されている。すなわち、微小流路１８(3)は、入力側マニホルド２４Ａ(3)における開口部３２Ａ(3)が出力側マニホルド２４Ｂ(3)における開口部３２Ｂ(3)よりも小さく、流体流に対する微小流路の抵抗が方向３４に沿って小さくなるように、エッチングによって形成される。したがって、微小流路１８(3)の断面積は、入力側マニホルド２４Ａ(3)に近づくほど小さくなり、出力側マニホルド２４Ｂ(3)に近づくほど大きくなる。必須ではないが、入力側流体流路１６Ａ(3)および／または入力側マニホルド２４Ａ(3)に図１のウィッキング構造２６等のウィッキング構造を組み込んでもよい。
【００２６】
図１０は、ループ熱サイフォンシステム内の蒸発器としての半導体ダイを冷却する１つのプロセス５０を示す。ステップ５２においては、凝縮器（例えば図１の凝縮器１４）から流体が毛管作用により運ばれて、半導体ダイ（例えば図１の半導体ダイ１２）内の１つまたは複数の微小流路に流入させる。ステップ５２の一例としては、凝縮器を微小流路に接続する入力側流体流路（例えば入力側流体流路１６Ａ）内に図１のウィッキング構造２６を適用することである。ステップ５２の他の例としては、入力側流体流路と微小流路との間の入力側マニホルド（例えば、入力側マニホルド２４Ａ）内にウィッキング構造を適用することである。ステップ５４においては、加熱された流体（または蒸気、または流体と蒸気との混合物）が凝縮器へと運ばれる。ステップ５４の一例としては、微小流路からの加熱された流体を凝縮器へと運ぶ出力側流体流路１６Ｂを用いることである。ステップ５６においては、液体が凝縮器において冷却される。ステップ５２、５４、５６を必要に応じて繰り返して（５８）、半導体ダイの冷却を継続してもよい。プロセス５０は、半導体ダイの冷却が必要でなくなると終了する。
【００２７】
上記方法およびシステムに、本発明の範囲から逸脱することなく変更を行うことができる。したがって、上記説明および添付図面は限定的ではなく説明的なものとして解釈され、添付の特許請求の範囲は本明細書において説明した特徴の包括的なおよび個別の特徴を包含する、ということが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ウィッキング構造と蒸発器としての半導体ダイとを有する１つのループ熱サイフォンシステムの概略図である。
【図２】ウィッキング構造を有する流体流路の断面図である。
【図３】複数の微小流路を有する１つの半導体ダイの側面図である。
【図４】図３の半導体ダイの斜視図である。
【図５】半導体ダイの微小流路内にオリフィスを有する１つの熱サイフォンシステムの動作を説明する概略図である。
【図６】オリフィスを有する１つの微小流路の断面図である。
【図７】半導体ダイの微小流路内に流体流制限材料を有する１つの熱サイフォンシステムの動作を説明する概略図である。
【図８】流体流制限材料を有する１つの微小流路の断面図である。
【図９】半導体ダイが成形された微小流路を有する１つの熱サイフォンシステムの動作を説明する概略図である。
【図１０】ループ熱サイフォンシステム内の蒸発器としての半導体ダイを冷却する１つのプロセスを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ループ熱サイフォンシステム
１２    半導体ダイ
１４    凝縮器
１６Ａ  入力側流体流路
１６Ｂ  出力側流体流路
１８    微小流路
２０    流体
２６    ウィッキング構造
３０    プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005277411.tif 000011
【図１０】
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