(57)【要約】【課題】低消費電力かつ簡単な構成で、集積回路の動作状況に応じた集積回路の冷却を行うことのできる冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】  コイル部１は、集積回路６の内部信号線８に電流が流れる際に生じる磁束線がコイル面を貫くように配置される。モータ３はコイル部１に発生する誘導起電力を動力源とし、回転する。ファン４は、モータ部２が回転することにより、集積回路６を空冷する。【選択図】図２
2013058612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路を冷却する冷却装置であって、
集積回路の信号線に電流が流れる際に生じる磁束線がコイル面を貫くように配置されるコイルと、
前記コイルに誘起される起電力を動力源とするモータと、
前記モータにより回転されるファンと
を備えることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記モータは、前記起電力により生じる電流の周波数に応じて回転速度を決定することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記信号線は、前記集積回路内において映像信号、スイッチング信号、またはクロック信号を伝送する信号線であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記コイル、前記モータ、および前記ファンは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記コイル、前記モータ、および前記ファンは、三次元集積回路内に実装されていることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の冷却装置を備えた集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集積回路を冷却するための冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省電力化の観点から、ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ  ｏｎ  Ｃｈｉｐ）等の集積回路を冷却するための冷却装置の消費電力の低減が要求されている。特許文献１には、冷却対象の集積回路の温度や消費電力等を検出し、検出した集積回路の温度や消費電力等のデータを用いて、冷却ファンの回転数を制御する技術が開示されている。集積回路の動作状況に応じてファンの回転数を増減させるので、冷却装置の省電力化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２１６３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１に開示される技術では、ファンの回転数を制御するために、温度センサ等の集積回路の動作を監視する手段が必要となる。このため、冷却装置の構成が複雑となり、システム全体のコストが上昇してしまう。また、温度センサ等の集積回路の動作を監視する手段に対して電力を供給する必要がある。さらに、ソフトウェア制御によりファンの回転数を制御するため、集積回路の本来のシステム動作へ負荷が発生する。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、低消費電力かつ簡単な構成で、集積回路の動作状況に応じた集積回路の冷却を行うことのできる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明にかかる冷却装置は、集積回路の信号線に電流が流れる際に生じる磁束線がコイル面を貫くように配置されるコイルと、コイルに誘起される起電力を動力源とするモータと、モータにより回転されるファンとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかる冷却装置は、集積回路の信号線に流れる電流の極性変化に応じてファンが回転する。電流の極性変化の頻度が増加し、発熱量が大きくなった場合、ファンの回転数も増加する。一方、電流の極性変化の頻度が減少し、発熱量が小さくなった場合、ファンの回転数も減少する。このため、ファンの回転数を制御する制御手段を必要とせず、集積回路の動作状況に応じた冷却を行うことができる。ファンの回転数を制御する制御手段を必要としないので、集積回路の本来のシステム動作に負荷をかけず、集積回路の冷却を行うことができる。
【０００８】
また、集積回路の信号線に電流が流れることで発生する磁束変化によりコイルに生じる誘導起電力を動力源とするので、集積回路の冷却において電力供給を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる集積回路の冷却装置を示す斜視図である。
【図２】コイル部１と冷却対象の集積回路６の位置関係を説明するための斜視透過図である。
【図３】コイル部１と冷却対象の集積回路６の位置関係を説明するための断面図である。
【図４】モータ部２の内部構成を示す図である。
【図５】内部信号線８に流れる電流Ｉｓｉｇと、コイルに発生する誘導電流Ｉｃｏｉｌの関係を示す図である。
【図６】モータ部２に印加する入力電流の周波数と、モータ部２の回転数の一例を示す図である。
【図７】実施の形態２にかかる集積回路の冷却装置を示す斜視図である。
【図８】内部信号線を流れる電流と、コイル部に発生する誘導電流との関係を示す図である。
【図９】モータ部２０１、モータ部２０２、モータ部２０３のトルク（回転力）の一例を示す図である。
【図１０】実施の形態３にかかる集積回路の冷却装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
＜実施の形態１＞
図１は実施の形態１にかかる集積回路の冷却装置を示す斜視図であり、図２はその斜視透過図であり、図３はその断面図である。
本図に示されるように、冷却装置はコイル部１、モータ部２、及び電源線５から構成される。またモータ部２は、モータ３、及びファン４から構成される。
【００１１】
コイル部１は、図１、図２に示されるように、導体が巻回されてなる環状のコイル導体７の外部を、モールド樹脂を用いて固めたものである。
図２、図３を参照するに、コイル部１は、集積回路６の内部信号線８の真上に、コイル導体７のコイル面と内部信号線８が平行となる向きに、集積回路６と樹脂接着剤により接着固定されている。
【００１２】
モータ部２は、モータ３、及びファン４から構成される。
モータ３は、単相誘導モータである。内部構成の詳細については後述する。図１を参照するに、モータ３は、コイル部１と電源線５を介して接続され、集積回路６とは、樹脂接着剤で接着固定されている。
ファン４は、図１に示されるように、複数枚の羽根から構成される。ファン４は、モータ３の回転子の回転に従い風を発生させ、集積回路６を冷却する。
【００１３】
続いて、モータ３の内部構成について、図４を用いて説明する。図４は、モータ３の内部構成を示す図である。
図４に示されるように、モータ３は、単相誘導モータであり、補助巻線１１、主巻線１２、コンデンサ１３、回転子１４、固定子１５から構成される。
固定子１５には、主巻線１２および補助巻線１１が巻回されている。
【００１４】
主巻線１２は、コイル部１と電源線５を介して直接接続されている。主巻線１２には、コイル部１に発生する誘導起電力により誘導起電流が流れる。
一方、補助巻線１１と、コイル部１との間には、コンデンサ１３が挿入されている。これにより、補助巻線１１には、コイル部１に発生する誘導電流に対して９０°の位相差を有する電流が流れる。
【００１５】
このように、補助巻線１１に流れる電流は、主巻線１２に流れる電流に対して９０°進み位相となるので、主巻線１２と補助巻線１１により作られる磁界は回転磁界となり、回転子１４は回転する。
回転磁界の回転する速度Ｎ（ｒｐｍ）は、入力電流の周波数に依存する。すなわち、入力電流の周波数ｆ、およびモータの極数Ｐを用いて、Ｎ＝１２０×ｆ／Ｐと表される。実際のモータの回転速度は、この回転磁界の回転する速度に滑りを考慮したものとなる。
【００１６】
以上が、本実施の形態にかかる冷却装置の構成についての説明である。続いて、上記構成を備える冷却装置の動作について説明する。
図２を参照するに、集積回路６が動作し、内部信号線８に電流Ｉｓｉｇが流れることにより、内部信号線８の周りに環状の磁界Ｈが生じる。発生する磁界Ｈの大きさ・向きは、アンペールの法則に従い、内部信号線８に流れる電流の大きさの変化、極性の変化に応じて変化する。
【００１７】
内部信号線８を無限に長い直線電流と仮定した場合、内部信号線８に流れる電流Ｉｓｉｇ、および電流との距離ｒを用いて、Ｈ＝Ｉｓｉｇ／２πｒと表される。本実施の形態では、図３に示されるように、コイル部１を内部信号線８の真上に、コイル導体７のコイル面と内部信号線８が平行となる向きに配置するので、内部信号線８に電流が流れることにより内部信号線８の周りに生じる環状の磁界が、コイル部１のコイル導体７のコイル面を貫く。
【００１８】
導体によって囲われた面を通過する磁界が変化した時、導体には電流が流れることが知られている（ファラデーの電磁誘導の法則）。本実施の形態にかかる冷却装置において、コイル部１のコイル導体７のコイル面を貫く磁界の大きさ・向きは、内部信号線８に流れる電流の大きさ・向きの変化により変化する。従って、コイル部１のコイル導体７には、集積回路６が動作し、内部信号線８に電流が流れることにより生じる磁界の変化に基づく誘導起電力が発生する。
【００１９】
誘導起電力Ｖは、ファラデーの電磁誘導の法則より、コイルの巻数Ｎ、および微小時間Δｔでのコイルを貫く磁束の変化ΔΦ／Δｔを用いて、Ｖ＝−Ｎ×ΔΦ／Δｔと表される。そしてコイル部１のコイル導体７には、誘導起電力Ｖにより誘導電流Ｉｃｏｉｌが流れる。
図５は、内部信号線８に流れる電流Ｉｓｉｇと、コイルに発生する誘導電流Ｉｃｏｉｌの関係を示す図である。横軸は時間、縦軸は電流の大きさを示す。内部信号線８に電流Ｉｓｉｇが流れることにより発生する環状の磁界の単位時間当たりの変化に基づき誘導起電力Ｖが発生するので、図５に示すように、電流Ｉｓｉｇの値が変動したタイミングで、誘導電流Ｉｃｏｉｌが発生する。従って、コイルに流れる誘導電流Ｉｃｏｉｌは周期的に変化する電流となる。また、誘導電流Ｉｃｏｉｌの周波数は、内部信号線６に流れる電流Ｉｓｉｇの周波数に比例する。
【００２０】
内部信号線８に流れる信号は、例えば、映像信号、ストローブ信号、クロック信号、スイッチング信号等である。これ等の内部信号の周波数が高くなると、損失が増加し、集積回路の発熱量が増加する。本実施の形態にかかる冷却装置においては、冷却対象の集積回路の内部信号の周波数が高く、発熱量が増加した場合、コイルに流れる誘導電流Ｉｃｏｉｌの周波数が増加する。一方、冷却対象の集積回路の内部信号の周波数が低く、発熱量が低下した場合、コイルに流れる誘導電流Ｉｃｏｉｌの周波数が低下する。このように、コイル部１に流れる誘導電流Ｉｃｏｉｌの周波数は、集積回路の動作に応じて変化する。
【００２１】
なお、図２、図３に示す例では、より大きな誘導起電力を得るため、コイル部１を、集積回路６の内部信号線８の真上に、コイル導体７のコイル面と内部信号線８が平行となる向きに配置し、コイル面を磁束線が垂直に貫くようにしたが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。内部信号線８に電流が流れる際に生じる磁束線がコイル面を貫くように、コイル部１を配置すればよい。例えば、ＳｏＣのチップ内部にコイル導体を配置してもよい。
【００２２】
図６は、モータ部２に印加する入力電流の周波数と、モータ部２の回転数の一例を示す図である。回転磁界の回転する速度は入力電流の周波数に比例する。従って、本図に示されるように、モータ部２の回転速度は、入力電流の周波数に比例する。
コイルに流れる誘導電流Ｉｃｏｉｌの周波数は、内部信号線８に流れる電流Ｉｓｉｇの周波数に比例するので、モータ部２の回転速度は内部信号線８に流れる電流Ｉｓｉｇの周波数に比例する。本実施の形態にかかる冷却装置においては、冷却対象の集積回路の内部信号の周波数が高く、発熱量が増加した場合、コイルに流れる誘導電流Ｉｃｏｉｌの周波数が増加し、モータ部２の回転速
度が増加する。一方、冷却対象の集積回路の内部信号の周波数が低く、発熱量が低下した場合、コイルに流れる誘導電流Ｉｃｏｉｌの周波数が低下し、モータ部２の回転速度が低下する。このように、モータ部２の回転速度は、集積回路の動作に応じて変化する。
【００２３】
以上のように本実施の形態にかかる冷却装置は、上記の構成をとることにより、ファンの回転数を制御する制御手段、及びモータを駆動するための外部電源を必要とせず、冷却対象の集積回路の動作状況に応じた冷却を行うことができる。
＜実施の形態２＞
図７は、実施の形態２にかかる集積回路の冷却装置を示す斜視図である。
【００２４】
コイル部１０１、モータ部２０１、及び電源線５０１から構成される冷却装置は、集積回路６００の内部信号線８０１の真上に、コイル面と内部信号線８０１が平行となる向きに配置している。またモータ部２０１は、モータ３０１、及びファン４０１から構成される。
コイル部１０２、モータ部２０２、及び電源線５０２から構成される冷却装置は、集積回路６００の内部信号線８０２の真上に、コイル面と内部信号線８０２が平行となる向きに配置している。またモータ部２０２は、モータ３０２、及びファン４０２から構成される。
【００２５】
コイル部１０３、モータ部２０３、及び電源線５０３から構成される冷却装置は、集積回路６００の内部信号線８０３の真上に、コイル面と内部信号線８０３が平行となる向きに配置している。またモータ部２０３は、モータ３０３、及びファン４０３から構成される。
内部信号線８０２、及び内部信号線８０３は、内部信号線８０１からの分岐信号線である。従って、内部信号線８０１を流れる電流Ｉｓｉｇａ、内部信号線８０２を流れる電流Ｉｓｉｇｂ、および内部信号線８０３を流れる電流Ｉｓｉｇｃの間には、Ｉｓｉｇａ＝Ｉｓｉｇｂ＋Ｉｓｉｇｃとの関係が成り立つ。なお、Ｉｓｉｇｂ＞Ｉｓｉｇａとする。また、分岐信号は二つのみ記載してあるが、三つ以上であっても構わない。
【００２６】
図８は、内部信号線８０１を流れる電流Ｉｓｉｇａ、内部信号線８０２を流れる電流Ｉｓｉｇｂ、および内部信号線８０３を流れる電流Ｉｓｉｇｃと、コイル部１０１に発生する誘導電流Ｉｃｏｉｌａ、コイル部１０２に発生する誘導電流Ｉｃｏｉｌｂ、およびコイル部１０３に発生する誘導電流Ｉｃｏｉｌｃとの関係を示す図である。横軸は時間、縦軸は電流の大きさを示す。
【００２７】
冷却対象の集積回路の各内部信号線に電流が流れることにより発生する環状の磁界の単位時間当たりの変化に基づき誘導起電力が発生するので、図８に示すように、信号線に流れる電流Ｉの値が変動したタイミングで、誘導電流が発生する。誘導電流の大きさは微小時間におけるコイル面を貫く磁束変化の量に比例することから、コイル部に発生する誘導電流の大きさは、内部信号線８０１を流れる電流Ｉｓｉｇａに起因する誘導電流Ｉｃｏｉｌａ、内部信号線８０２を流れる電流Ｉｓｉｇｂに起因する誘導電流Ｉｃｏｉｌｂ、内部信号線８０３を流れる電流Ｉｓｉｇｃに起因する誘導電流Ｉｃｏｉｌｃの順となる。
【００２８】
図９は、モータ部２０１、モータ部２０２、モータ部２０３のトルク（回転力）の一例を示す図である。誘導モータのトルクは、印加される電圧の二乗に比例することから、図９に示されるように、流れる電流の電流値が大きい内部信号線に対して配置された冷却装置のモータ部のトルクは大きくなり、流れる電流の電流値が小さい内部信号線に対して配置された冷却装置のモータ部のトルクは小さくなる。
【００２９】
流れる電流値が大きい分岐元の信号線に対して設けられた冷却装置は、モータ部のトルクが大きいので、羽が大きなファンを用いる。一方、流れる電流値が小さい分岐先の信号線に対して設けられた冷却装置は、モータ部のトルクが小さいので、羽が小さなファンを用いる。
以上のように本実施の形態にかかる冷却装置は、冷却装置において、内部信号線の分岐信号等を考慮し、発生するトルクに応じたモータ・ファンを用いることで、各内部信号線に適した集積回路の冷却が可能となる。
【００３０】
＜実施の形態３＞
実施の形態３にかかる集積回路の冷却装置は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により、コイル部、モータ部、ファン、および電源線をＴＳＶ（Through Silicon Via）構造の三次元集積回路内に形成することを特徴とする。
図１０は、実施の形態３にかかる集積回路の冷却装置を示す断面図である。本図に示されるように、冷却装置はコイル部１０４、モータ部２０４、及び電源線５０４から構成される。また、冷却対象となる集積回路６０１は、複数のチップが積層された三次元集積回路であり、各層のチップは、斜線部で示されるＴＳＶによる接続されている。
【００３１】
コイル部１０４は、集積回路６０１の内部配線７０４と同層のチップ内に形成されている。コイル部１０４の形成はＭＥＭＳ技術により行う。ＭＥＭＳデバイスの作製技術は、バルクマイクロマシニングと、サーフェイスマイクロマシニングの２つに大きく大別されるが、何れの手法を用いてもよい。
サーフェイスマイクロマシニングは、基板上に複数の薄膜を形成し、犠牲層エッチング技術によりＭＥＭＳ構造体を生成する手法である。一方、バルクマイクロマシニングは、結晶異方性エッチングやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの技術で、基板自体を深く掘り込むなどの加工を施しＭＥＭＳ構造体を生成する手法である。
【００３２】
これ等の手法は一般に、（１）薄膜の成膜工程、（２）感光性の物質を塗布した物質の表面をパターン状に露光することで、所望のパターンを生成するフォトリソグラフィ工程、（３）不必要な薄膜等を取り除くエッチング工程を、繰り返し行うことにより、所望のＭＥＭＳ構造体を形成する。
コイル部１０４を、集積回路６０１の内部配線７０４と同層のチップ内に、信号線に電流が流れる際に生じる磁束線がコイル面を貫くように形成することで、コイル部１０４には、コイル面を貫く磁界の変化による誘導起電力が発生する。
【００３３】
モータ部２０４は、電源線５０４を介して、コイル部１０４と接続されている。モータ部２０４もコイル部１０４と同様に、ＭＥＭＳ技術により形成する。これにより、コイル部１０４に発生する誘導起電力を動力源とし、回転する。モータ部２０４が回転することにより、風を発生させ、集積回路５０１を冷却する。なお、空気の流れを確保するため、図１０に示されるように、ファン３の上層にはチップを設けない。
【００３４】
以上のように本実施の形態にかかる冷却装置は、上記の構成をとることにより、ファンの回転数を制御する制御手段、及びモータを駆動するための外部電源を必要とせず、二次元集積回路と比較して熱がこもりやすい三次元集積回路を、集積回路の動作状況に応じて冷却を行うことができる。
＜補足＞
なお、上記の実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記の実施の形態に限定されないことはもちろんである。以下のような場合も本発明に含まれる。
【００３５】
（ａ）上記実施の形態では、モータ部が単相誘導モータである場合を説明したが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。モータ部は、印加する電流の周波数に応じてトルクを発生させるモータであればよく、その他の形式の誘導型のモータであってもよい。
（ｂ）上記実施の形態の図では、コイル導体が単層に導体を巻回されてなる円形コイルである場合を図示したが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。コイル部は、１巻以上巻かれた環状のコイルであればよく、例えば、層状に導体を巻回されてなる円形コイルであってもよい。
【００３６】
（ｃ）上記実施の形態にかかる冷却装置に、ヒートシンクを設けてもよい。モータ部、及びファンの下部にヒートシンクを設けることにより、冷却能力を高めることができる。
（ｄ）上記実施の形態１の図１では、集積回路に対して１つの冷却装置を設ける場合を説明したが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。集積回路内の複数の内部信号線に対して、冷却装置を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明にかかる冷却装置によれば、ファンの回転数を制御する制御手段、及びモータを駆動するための外部電源を必要とせず、冷却対象の集積回路の動作状況に応じた冷却を行うことができ、有益である。
【符号の説明】
【００３８】
１  コイル部
２  モータ部
３  モータ
４  ファン
５  電源線
６  集積回路
７  コイル導体
８  信号線
１１  補助巻線
１２  主巻線
１３  コンデンサ
１４  回転子
１５  固定子
１０１、１０２、１０３  コイル部
２０１、２０２、２０３  モータ部
３０１、３０２、３０３  モータ
４０１、４０２、４０３  ファン
５０１、５０２、５０３  電源線
６００  集積回路
８０１、８０２、８０３  信号線
１０４  コイル部
２０４  モータ部
５０４  電源線
６０１  三次元集積回路
７０４  信号線
【図１】
2013058612.tif 000003
【図２】
2013058612.tif 000004
【図３】
2013058612.tif 000005
【図４】
2013058612.tif 000006
【図５】
2013058612.tif 000007
【図６】
2013058612.tif 000008
【図７】
2013058612.tif 000009
【図８】
2013058612.tif 000010
【図９】
2013058612.tif 000011
【図１０】
2013058612.tif 000012