(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱媒体用の通路をセラミック支持体中に備えている、多層セラミック支持体上のチップモジュールにおける排熱装置において、
多層セラミック支持体（２）が金属冷却体（１）上に設置されており、
多層セラミック支持体（２）の最上層（Ｌ１）内には、設置すべきチップ（３）の領域内で、熱的通路（６）が、特に穴のパターン又はアレイの形で設置されており、
その下にある多層セラミック支持体（２）の第２層（Ｌ２）内には、設置すべきチップ（３）の領域内で、蒸発室として機能する中空室（７）が設置されており、
金属冷却体（１）中には、設置すべきチップ（３）の領域内で、凝縮器として機能する桶状の凹所（８）が設置されており、
蒸発室（７）及び凝縮器（８）の間にある多層セラミック支持体（２）の層（Ｌ３〜Ｌ７）は、これらの室の領域内で、多数の大きな面積の蒸発通路（ＤＫ１〜ＤＫｎ）及び毛管として機能する小さい面積の凝縮通路（ＫＫ０〜ＫＫｎ）が設置されており、これらの通路が両方の室を相互に連結していることを特徴とする多層セラミック支持体上のチップモジュールの排熱装置。
【請求項２】
多層セラミック支持体上にチップモジュールとしてマルチチップモジュールが配置されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
多層セラミック支持体（２）上に多数のチップ（３）を設置可能である、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
多層セラミック支持体（２）上に著しい熱損失を生じる電力−ＩＣを設置可能である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
多層セラミック支持体（２）内に配置された凝縮器として機能する各凹所（８）が、伝熱媒体の充填のための封鎖可能な充填開口部（９，１０）を備えている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
大きな面積の蒸発通路（ＤＫ１〜ＤＫｎ）及び小さな面積の凝縮通路（ＫＫ０〜ＫＫｎ）は、まっすぐな通路として、多層セラミック支持体（２）の所属する層（Ｌ３〜Ｌ７）の間を通っている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
小さい面積の凝縮通路（ＫＫ０〜ＫＫｎ）の中で少なくとも若干が曲がった通路として構成されており、この通路の少なくとも部分領域が、多層セラミック支持体（２）の１つ又は複数の層（Ｌ３〜Ｌ７）の平面中に延びる、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
層の平面中に延びる凝縮通路（ＫＫ０〜ＫＫｎ）の部分が印刷により製造され、その際、通路の該当する個所は木炭ペーストで印刷され、この木炭ペーストを後で燃焼することで部分通路を形成させるか、又は通路の部分を打ち抜き又はフライス削り又はエンボス加工により製造する、請求項７記載の装置。
【請求項９】
大きな面積の蒸発通路（ＤＫ１〜ＤＫｎ）が１．５ｍｍの直径を有し、小さな面積の凝結通路（ＫＫ０〜ＫＫｎ）が０．１ｍｍの直径を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
小さな面積の凝結通路（ＫＫ０〜ＫＫｎ）が多孔性セラミック粉末で又は使用した燃焼温度で焼結しない金属フリットで充填されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
大きな面積の蒸発通路（ＤＫ１〜ＤＫｎ）が、金属冷却体（１）中に設置された凝縮室（８）の領域内で、多層セラミック支持体（２）の他の離れた層（Ｌ６〜Ｌ３）中に設置された蒸発通路の通路面積よりも小さい通路面積もしくは直径を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
伝熱性の作業液として、適当な蒸発温度でできる限り高い気化熱を有し並びに毛管のために高い表面張力及び濡れ接触角を有する液体が考慮される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
伝熱性の作業液として、アルコール及び炭化水素が考慮される、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
１つ又は複数の個々のチップ（３）が伝熱性の適当な接着剤（５）により多層セラミック支持体（２）上に固定されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
多層セラミック支持体（２）は伝熱性の適当な接着剤（４）により金属冷却体（１）上に固定されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
先行技術
本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に定義された多層セラミック支持体上のチップモジュール、特にマルチチップモジュールの排熱装置から出発する。
多層セラミック支持体上に１つ又は複数のチップが配置されているモジュールの場合の公知の排熱装置において、このチップ又はこれらのチップ、特にこの電力−ＩＣ又はこれらの電力−ＩＣは、いわゆる「サーマルバイア(Thermal vias)」、つまり熱的通路上に配置される。この熱的通路は穴の規則的配置、つまりホールアレイであり、この穴は全ての回路層中で打ち抜かれており、銀ペーストで充填されている。電力−ＩＣからの熱的通路を通して、多層セラミック支持体の下に配置されている金属基板までの排熱は、極めて有効であるとはいえない。全ての回路層を通して打ち抜かれた通路により多くの面が消費され、相応する回路層上での他の条導体のための面は失われてしまう。それにより回路密度は低下する。
ＩＢＭ社により開発された熱伝導モジュール、ＴＣＭ（thermal conductive moduls）の公知の技術的解決策は、ＩＣの熱出力を著しく有効に基板から上方向へ垂直に搬出する。しかしながら、この解決策は多くの用途にとって費用がかかる。
一般に、ヒートパイプ構造が、熱を発生箇所から他の箇所へ搬出するために用いる装置であることは明らかである。相応する設計の場合その有効な熱輸送は最良の金属熱導体よりも１０倍高い。その作用についての優れた文献は、例えばY．Eastman in Scientific American，5-68，p．38-46によりなされている。
ヒートパイプの原理は次のように記載することができる：装置の熱い領域で高い気化潜熱を有する適当な液体を蒸発させる。この蒸発の際に生じる圧力が装置の冷たい部分にまで蒸気を運ぶ。そこでこの蒸気は液相の形に凝縮し、運搬された熱は再度放出される。液状の凝縮物は再び蒸発箇所へ返送される。それにより循環路が構築される。
本発明の利点
本発明による請求項１の特徴を有するチップモジュールにおける排熱装置は、公知の装置と比較して、ヒートパイプ原理をミニチュア化した形で、比較的伝導性の悪い多層セラミック支持体、特にガラスセラミック多層回路上に設置されている電力−ＩＣの有効な冷却のために適用されるという利点を有する。この熱は金属ヒートシンクにまで著しく効果的に排出され、この場合、必要な面積消費が最小化されるため、回路密度及び回路フレキシビリティは維持される。
本発明により、これは原則的に、多層セラミック支持体が金属冷却体上に設置されており、多層セラミック支持体の最上層中で、チップを設置すべき領域内に、熱的通路が特に穴のパターン又はアレイの形で配置され、その下にある多層セラミック支持体の第２層中で、チップを設置すべき領域内に、蒸発室として機能する中空室が設置されており、金属冷却体中でのチップを設置すべき領域内で、凝縮器として機能する桶状の凹所が設置されており、蒸発室と凝縮器との間にある多層セラミック支持体の層は、これらの室の領域内で、多数の大きな面積の蒸発通路と、毛管として機能する小さな面積の凝縮通路とが設置されており、これらの通路が両方の室を相互に接続していることにより達成される。
請求項２以下に記載された特徴により、請求項１に記載された排熱装置の有利な態様及び改善が可能である。
本発明の有利な実施態様によると、多層セラミック支持体上に多数のチップ、特に著しい損失熱を生じる電力−ＩＣを設置することが可能である。
本発明のもう一つの有利な実施態様によると、多層セラミック支持体中に配置された凝縮器として機能する桶状の凹所毎に、伝熱媒体を充填するための１つの封鎖可能な充填開口部が設置されている。
特に有利でかつ簡単に製造される本発明の実施態様によると、大きな面積の蒸発通路と小さな面積の凝縮通路とが多層セラミック支持体の所属する層間のまっすぐな通路として通じている。
この実施とは別の、たいていの適用の場合に特に面積の必要量に関して並びに導管の配置に関して有益な本発明の態様によると、小さな面積の凝縮通路が少なくとも部分的に曲がった通路として構成されており、そこから部分領域が多層セラミック支持体の１つ又は複数の層の平面中に延びている。１つ又は複数の層の平面中に延びる凝縮通路の部分は、多様な方法で製造することができる。この通路は印刷により製造することができ、この場合、通路の相応する部分は木炭ペーストで印刷され、この木炭ペーストは後になって部分通路の製造のために燃焼されるか、又は未焼成のセラミック材料、特にセラミックテープを打ち抜くか又は切削するか又はエンボス加工することにより製造することができる。
本発明の有利な実施態様において、大きな面積の蒸発通路は約１．５ｍｍの直径を有し、小さな面積の凝縮通路は約０．１ｍｍの直径を有する。
凝縮導管の改善に寄与する本発明の他の有利な実施態様において、小さな面積の凝縮通路は多孔性セラミック粉末で又は使用された燃焼温度で焼結しない金属フリットで充填されている。
凝縮液が直接蒸発するのを防ぐために、本発明のもう一つの有利な実施態様によると、大きな面積の蒸発通路は、金属冷却体中に配置された凝縮室の領域内で、多層セラミック支持体の他の離れた層中に配置された蒸発通路の通路面よりも小さい通路面もしくは直径を有することができる。
本発明の有利な実施態様において、伝熱作業液として、適当な蒸発温度でできる限り高い気化熱を有する液体、並びに毛管のための高い表面張力及び濡れ接触角を有する液体、特にアルコール及び炭化水素が考慮される。
本発明の場合、他の有利な実施態様において、１つ又は複数の個々のチップが適当な伝熱性接着剤により多層セラミック支持体上に固定可能であり、及び／又は多層セラミック支持体は適当な伝熱性接着剤により金属冷却体状に固定可能であることが考慮される。
図面
本発明を図面において示した実施例により次の記載においてさらに詳説する。唯一の図面は、金属冷却体上に設置され、かつチップもしくは電力−ＩＣが上に取り付けられている多層セラミック支持体からなるｘ−ｙ平面での断面図を表す。
実施例の記載
図面中には、本発明を金属冷却体１、多層セラミック支持体２及びその上に取り付けられたチップ３の装置の断面図により図示した。この図は無条件に縮尺通りではない。本発明による特徴を認識しやすく示すために、ｘ−方向の寸法を約１０倍に拡大し、ｙ−方向の寸法を約４０倍に拡大して示してある。さらに、ボンディングワイヤを介したチップ３と回路との電気的接続並びに多層セラミック支持体２の個々の層内の電気的条導体は図示していない。
実施例において７つの層Ｌ１〜Ｌ７からなる多層セラミック支持体は、接着層４を用いて金属冷却体上に固定されている。電力−ＩＣ、つまり比較的大きな損失熱を生じる集積回路として示され、かつ生じた損失熱を排出しなければならないチップ３も、同様に接着層５を用いて固定され、ひいては多層セラミック支持体２の最上層Ｌ１上に固定される。接着層４及び５として使用される接着剤は伝熱性である。
多層セラミック支持体２の最上層Ｌ１中には、設置すべきチップ３の領域内で、ほぼこの平坦な大面積中に、一連の熱的通路６が設置されている。この通路６はサーマルバイアとして表され、例えば規則的な穴のパターン、つまりホールアレイの形で層１の打ち抜きにより製造することができる。通路６として利用される穿孔部の打ち抜き又は穿孔の後で、熱伝導を改善するためにこの穴に例えば銀ペーストを充填する。この穿孔部もしくは通路６は約０．２ｍｍの直径及び同じ大きさの中間室を有する。
その下にある多層セラミック支持体２の第２の層Ｌ２中に中空室７が設置されている。この中空室７はその上方にある穴のパターンよりも拡張して大きい。有利に取り付けられるべきチップ３よりも大きい。このことは図面中に示されている。中空室７は層Ｌ２を必要な大きさで打ち抜くことにより簡単に形成できる。中空室７はチップ３の下側で、従って熱源と極めて近くで蒸発室を形成している。この蒸発室は多数の通路６によりチップ３と熱的に良好に連結されている。
金属冷却体１は本発明の場合に設置すべきチップ３の領域内で多層セラミック支持体２に向かう側に、桶状の凹所８を備えている。この凹所の面的な広がりは、その上に設置さすべき所属するチップの面的な広がりとほぼ一致する。この広がりは、図示したように僅かに大きくてもよい。金属冷却体中の桶状の凹所８は凝縮器を形成する。この室中で気化した作業液から再度液状の作業液になる。
層Ｌ２中で蒸発室を形成する中空室７と冷却体１中で凝縮器を形成する桶状の凹所８との間にある各層（これは、図中に示した例では多層セラミック支持体２の層Ｌ３〜Ｌ７）内に、本発明の主要な特徴の多数の大きな面積の蒸発通路ＤＫ１〜ＤＫｎ及び小さい面積の毛管として機能する凝縮通路ＫＫ０〜ＫＫｎが設置されている。この蒸発通路ＤＫ１〜ＤＫｎ及びこの凝縮通路ＫＫ０〜ＫＫｎは、室７及び８の領域内に配置されており、これらの両方の室を相互に接続している。図示した実施例中では、約１．５ｍｍの直径を有する大きな面積の蒸発通路ＤＫ１〜ＤＫｎ、及び約０．１ｃｍの直径を有する小さな面積の凝縮通路ＫＫ０〜ＫＫｎが示されている。
本発明の他の実施態様において、フライス削りにより製造することができる冷却体１中の桶状の凹所８はネジ１０により封鎖可能な充填開口部９を備えている。冷却体１の凹所８と反対側に配置されている充填開口部９を通して、チップ３の取り付け後に伝熱媒体、つまり蒸発及び再度凝縮する作業液を充填する。充填開口部９をネジ１０により封鎖した後に運転を開始することができる。伝熱性の作業液として、有利に、適当な蒸発温度でできる限り高い気化熱を有し、かつ毛管のために高い表面張力及び濡れ接触角を有する液体を使用する。これは特にアルコール及び炭化水素であることができる。
図中に示した実施例において、大きな面積の蒸発通路ＤＫ１〜ＤＫｎ並びに小さな面積の凝縮通路ＫＫ０〜ＫＫｎは、多層セラミック支持体２の所属する層Ｌ３とＬ７との間のまっすぐな通路として設置されている。これとは別に、凝縮液の直接の蒸発を防ぐために、蒸発通路ＤＫ１〜ＤＫｎは最下層Ｌ７において他の層Ｌ６〜Ｌ３におけるよりも小さい直径を有することことも可能である。さらに、少なくとも若干の小さい面積の凝縮通路ＫＫ０〜ＫＫｎがまっすぐな通路としてではなく、少なくとも部分領域でそこから逸脱して水平な区間を有し、その水平区間は層の平面に延びている、つまり多層セラミック支持体２の層の範囲内で延びていることも可能である。凝縮液を蒸発室へ案内するこの毛管通路は次いで部分的に層の形に設置される。まっすぐ及び曲がった凝縮通路の組合せも可能である。それにより個々の又は複数の層において回路の必要性及び位置関係に関して特に柔軟な適用の可能性が生じる。
部分的に層の形に設置されている毛管通路は、可能な実施形に従って印刷により製造することができる。この場合、木炭ペーストを用いて通路を印刷し、後に燃焼により通路を作り出す。この製造の他の可能性は通路の打ち抜き、フライス削りである。特に有利な態様は未焼成セラミック材料、特にセラミックテープ中で通路のエンボス加工である。
本発明による実施態様によると、毛管通路として利用する穿孔ＫＫ０〜ＫＫｎの凝縮通路は、空ではなく適当な材料で充填することもできる。例えば、多孔性セラミック粉末又は約９００℃の使用した燃焼温度で焼結しない金属フリットを使用することができる。それにより、毛管力を作用させることができるという特別な利点が達成される。従って、この小さい面積の凝縮通路ＫＫ０〜ＫＫｎの直径は比較的大きく構成することができ、それにより凝縮液の吸引量を高めることができる。
図中でチップ３について示した排熱装置は、複数のチップ３が同じ多層セラミック支持体２上に取り付けられ、この多層セラミック支持体２は同時に冷却体１上に取り付けられている場合が特に有利である。さらに特に、得られた回路密度及び排熱効果は著しい利点を有する。本発明により製造されたミニチュア化されたヒートポンプ構造は、熱の搬出を高めつつ、著しく大きな回路密度及び回路構造のフレキシビリティーを可能にする。本発明により構成された装置は、有効な排熱循環路を保証し、この循環路はミニチュア化された設計で短い経路で単位時間当たり多くのエネルギーを輸送することができる。
【図１】
0003883580.tif 000002