Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/IBM/D19820616Elc033.shtml

Теплоотводящий корпус, вмещающий 133 кристалла БИС

УДК 621.3.049.771.14.017.7

Д.Р.Барбур (D.R.Barbour)
Отделение общей технологии фирмы International Business Machines Corp. (Ист-Фишкилл, шт.Нью-Йорк)

С.Октей (S.Oktay)
Отделение общей технологии фирмы International Business Machines Corp. (Ист-Фишкилл, шт.Нью-Йорк)

Р.Э.Ринне (R.A.Rinne)
Отделение общей технологии фирмы International Business Machines Corp. (Ист-Фишкилл, шт.Нью-Йорк)

D.R.Barbour, S.Oktay, R.A.Rinne. Thermal-conduction module cradles and cools up to 133 LSI chips, pp. 143—146.

Описывается разработанный фирмой IBM новый корпус, в котором может размещаться до 133 кристаллов со структурами БИС и который позволяет рассеивать мощность до 300 Вт. Конструкция корпуса основана на 33-слойной керамической подложке, на которую монтируются кристаллы. Отвод тепла от каждого кристалла осуществляется через специальный металлический поршень, прижимаемый к нему пружиной. Крышки поршней связаны с металлической плитой, охлаждаемой проточной водой. Для улучшения отвода тепла от кристалла к поршням и от поршней к охлаждаемой плите пространство внутри корпуса заполняется гелием. Новый корпус помимо высоких электрических и тепловых характеристик обладает устойчивостью к ударам, вибрациям, влаге, термоударам и термоциклам.

Давление конкуренции в промышленности, выпускающей вычислительную технику, ускоряет процесс развития не только в области повышения плотности элементов ИС и увеличения быстродействия, но и в области сборки ИС и отвода тепла. Новая многослойная керамическая подложка в специально охлаждаемом корпусе для серии компьютеров 3081 фирмы International Business Machines Corp. служит иллюстрацией такого процесса. Она обеспечивает устойчивость к механическим ударам, термоударам и термоциклированию и в то же время осуществляет разводку мощности и отвод тепла от большого числа БИС.

В новом корпусе, получившем сокращенное обозначение ТСМ (thermal-conduction module — теплопроводящий модуль), может быть смонтировано до 133 биполярных БИС с высокими параметрами. Он может рассеять до 300 Вт, и благодаря этому возможности смонтированных в него схем могут быть использованы полностью: корпус позволяет снять определенные ограничения на распределение мощности и сигналов, а также на рассеяние тепла. Основой корпуса является квадратная многослойная керамическая подложка размером 90*90 мм. содержащая межсоединения и подводку к входным и выходным выводам. Новый корпус позволяет в 8 раз уменьшить суммарную длину межсоединений, значительно сократить время прохождениясигналов, а также уменьшить себестоимость.Кроме того, уменьшение числа соединений между различными уровнями корпуса способствуетповышению надежности.

В корпусе ТСМ может размещаться от 100 до 135 кристаллов со структурами логических БИС и матричных ЗУ. Подложка содержит от 28 до 33 слоев керамики, типичная длина соединений в которых составляет 130 м. Число входных и выходных выводов равно 1800. Междуслойные соединения создаются посредством более 350 000 соединительных отверстий, а для напайки перевернутых кристаллов на подложку на ней имеется более 10 000 контактных площадок. В типичном случае в модуле можно разместить более 25 000 ТТЛ ИС и матричные ЗУ суммарной емкостью более 65 000 бит. Корпус типа ТСМ-133 позволяет разместить до 10 000 логических схем и быстродействующее матричное или буферное ЗУ емкостью 300 000 бит.

Для сравнения можно указать, что предшественник корпуса ТСМ, разработанный для промежуточного по своим характеристикам процессора типа 4300, выпущенного в январе 1979г., представлял собой модуль, состоящий из многослойной подложки размером 35*35 или 50*50 мм, на которую можно монтировать до 9 БИС, каждая из которых может содержать до 704 логических схем. Каждая подложка содержала от 18 до 22 металлизированных керамических слоев. Суммарная длина металлизированных дорожек в подложке составляла 5 м. Эти ранние варианты модуля в отличие от традиционных модулей, предназначенных для одного кристалла и по существу приводившихпросто к дополнительному расходованию площади платы, в значительной степени обеспечивали разводку сигналов и питания, обычно располагающуюся на печатных платах. Благодаря этому подобные модули представляют собой значительный скачок вперед.

Отвод тепла

В корпусе ТСМ 300 Вт энергии, выделенной кристаллами со структурами логических БИС и матричных ЗУ, вначале отводятся за счет теплопроводности, а затем — с помощью принудительного конвекционного водяного охлаждения. Теплоотвод в виде водяной рубашки монтируется на крышку модуля, которая содержит также подпружиненные поршни. Эти поршни контактируют с каждым кристаллом и образуют основной путь к теплоотводу. Заполнение модуля гелием позволяет минимизировать тепловое сопротивление на границах между кристаллами и поршнями, а также между поршнями и их гнездами.

В типичной подложке размером 90*90 мм верхние 6 слоев соединяют расположенные с шагом 0,25 мм (10 мил) контактные площадки, на которые монтируются перевернутые кристаллы, с поверхностными контактными площадками, к которым могут присоединяться проволочные выводы, в случае когда требуется осуществить какие-то технические изменения. Такие изменения разводки в подложке могут осуществляться быстро. Для этого надо просто ликвидировать поверхностное соединение между контактной площадкой и внутренней разводкой, а затем добавить дискретное проволочное соединение на поверхности.

Сигнальные соединения затем перераспределяются по узлам соединительной X—Y-сетки, расположенным с шагом 0,5 мм во внутренних слоях. Эти слои обеспечивают возможность пер-сонализации различных конкретных вариантов соединений кристаллов с выводами. Слои с опорными напряжениями, расположенные между слоями, содержащими соединения, позволяют обеспечить требуемые импедансы. Отверстия же, образующие соединения между слоями, создают в подложке трехмерный монтаж.

Нижние пять слоев используются для разводки питания и для переадресовки сигнальных соединений из слоев, предназначенных для пер-сонализации, к входным и выходным выводам (см. «Структура хМногослойной керамической подложки»).

Особенности конструкции модуля

Разработка многослойной керамической подложки, как говорилось выше, стало продолжением аналогичных работ, выполненных при создании фирмой IBM процессора типа 4300. Однако, чтобы удовлетворить требованиям, предъявлявшимся к корпусу ТСМ в части простоты переделок и надежности, его разработчики должны были найти новые пути решения тернистой проблемы отвода тепла. В конце концов интеграция на уровне кристаллов в компьютере 3081 привела к плотности до 25*106 схем в кубическом метре, что привело к необходимости отвода больших потоков тепла порядка 3*105 Вт/м3. В разработанном в результате корпусе охлаждение теплопроводностью на уровне кристаллов и модулей сочеталось с принудительным конвекционным охлаждением жидкостью на уровне системы.

Созданный модуль (рис.1) состоит из плоской металлической оболочки (крышки) с матрицей прецизионно высверленных с одной стороны отверстий, в которых размещаются подпружиненные металлические поршни, контактирующие с кристаллами, смонтированными на подложке. Обладающие высокой теплопроводностью алюминиевые крышка и поршни образуют отличный путь отвода тепла от структур к верхней плоскости крышки, в особенности в сочетании с уменьшенным (благодаря введению в корпус гелия вместо воздуха) тепловым сопротивлением в контактном зазоре между кристаллом и поршнем. Съемная охлаждаемая водой плита прикреплена сверху к крышке и служит для окончательного отвода выделяемого внутри корпуса тепла. Пружинный прижим обеспечивает тепловой контакт между кристаллом и поршнем, несмотря на широкий диапазон конструктивных и сборочных допусков.

Сочетание охлаждения теплопроводностью с принудительной конвекцией (пропусканием воды) обеспечивает отвод 300 Вт, выделяющихся в модуле ТСМ. На крышку
Рис.1. Сочетание охлаждения теплопроводностью с принудительной конвекцией (пропусканием воды) обеспечивает отвод 300 Вт, выделяющихся в модуле ТСМ. На крышку модуля монтируется плита с водяной рубашкой (теплоотвод). Тепло подходит к плите через поршни, прижимаемые пружинами к каждому кристаллу.

Основным фактором при реализации отведения тепла путем теплопроводности является, однако, возможность точно задать и проконтролировать теплопроводность во всех зазорах и обеспечить максимальное отношение площади зазора к его толщине.

В целях уменьшения теплового сопротивления в кольцевом зазоре между цилиндрическим поршнем и его гнездом были оптимизированы длина и диаметр поршня. Кроме того, были приняты меры для минимизации зазора между поршнем и кристаллом: поршень прижимается к кристаллу пружиной. Угловой зазор, возникающий в результате наклона кристалла, поршня или и того, и другого, уменьшается благодаря тому, что на конце поршня специально формируется сферическая поверхность. Такая форма обеспечивает также более центральное положение контакта поршня с кристаллом, уменьшая температурные градиенты и изгибающие напряжения в кристалле.

В конструкцию корпуса введен, кроме того, тонкостенный герметизирующий элемент, получивший название С-образного кольца. Этот элемент обладает под давлением достаточной упругостью и сохраняет герметичность, благодаря чему весь расчетный срок службы прибора остается чистым наполняющий корпус гелий, необходимый для улучшения тепловых свойств. Кроме того, может потребоваться многократное открывание и закрывание модуля с целью переделок в подложке и замены кристаллов, так что конструкция должна обеспечивать возможность совершения подобных операций. Важность уменьшения теплового сопротивления в зазорах вытекает из того, что при использовании гелия на заполненные газом зазоры падает около 40% полного внутреннего теплового сопротивления, равного 9°С/Вт, а при 100%-ном воздушном охлаждении это полное сопротивление возрастает в три раза, что недопустимо.

Внешнее тепловое сопротивление от верхней поверхности крышки до воды в охлаждаемой плите составляет 0,02°С/Вт, что в переводе на один кристалл дает величину порядка 20°С/Вт. Важными факторами являются плоскостность и качество обработки поверхностей соединяемых друг с другом деталей, а также контактное давление в местах соединений. Полное тепловое сопротивление от pn-переходов в кристалле до охлаждающих поверхностей регулируется таким образом, чтобы температура переходов поддерживалась между 40 и 85°С. В этом диапазоне могут быть обеспечены такие параметры схем и такая надежность, которые гарантируются для серии биполярных логических ИС фирмы IBM.

Поскольку существуют различные модули, содержащие различное число кристаллов с логическими БИС и матричными ЗУ, выделяющими разную мощность, в конструкцию были введены пластмассовые прокладки, служащие для выравнивания температур между крышкой и охлаждаемой платой для различных групп модулей. В результате средняя температура во всех модулях обеспечивается примерно одной и той же, в то время как температуры отдельных кристаллов лежат между минимальным и максимальным допустимыми значениями. Для защиты модуля от перегрева в случае отказа в системе охлаждения температуры гелия и подложки измеряются термисторами, и осуществляется их корреляция с температурой наиболее нагретого кристалла.

Для осуществления точного предсказания и регулирования температуры кристалла в различных окружающих условиях были проведены обширные работы по моделированию, а также выполнено большое число измерений. Анализ тепловых процессов на ЭВМ позволил правильным образом осуществить оптимизацию и пойти на необходимые компромиссы на каждой стадии разработки изделия. Для параметрического изучения характеристик передачи тепла, имеющих особое значение для данной конструкции, был использован метод конечного числа сосредоточенных элементов. В каждом случае анализ осуществлялся последовательно от места монтажа отдельных кристаллов до полностью готового модуля, как и проводившаяся затем экспериментальная проверка.

На модели монтажного места одного кристалла, помещаемого в модуль ТСМ, показаны различные тепловые сопротивления, связанные с электрическими и механич
Рис.2. На модели монтажного места одного кристалла, помещаемого в модуль ТСМ, показаны различные тепловые сопротивления, связанные с электрическими и механическими компонентами. Эта модель использовалась для анализа влияния на тепловое сопротивление наклона кристалла и поршня, размеров поршня и его гнезда, а также путей протекания тепла.

В отличие от сказанного необходимость проведения статистического анализа распределения температур кристаллов в зависимости от различных распределений по допускам потребовала выполнения исследовательских программ методом электрической аналогии. Эти аналоговые исследования вначале проводились для единичного места монтажа кристалла, как это показано на рис.2, где анализировалась трехмерная модель с целью изучения влияния наклонов кристалла и поршня, размеров поршня и его гнезда, а также путей протекания тепла. Затем анализ распространялся на многокристальную модель (рис.3), что дало возможность выяснить зависимость статистического распределения температур кристаллов от различных разбросов в соседних местах монтажа кристаллов, а также от таких внешних факторов, как положение платы, на которую монтируется модуль. Таким образом, для каждого из модулей ТСМ в системе были смоделированы статистические распределения температуры кристаллов в условиях эксплуатации.

Многокристальная модель теплопроводящего модуля ТСМ генерировалась с помощью компьютера. Точками обозначены узлы, а токи, втекающие в кристаллы, предс
Рис.3. Многокристальная модель теплопроводящего модуля ТСМ генерировалась с помощью компьютера. Точками обозначены узлы, а токи, втекающие в кристаллы, представляют рассеиваемую мощность. Предполагается, что конвективные потери тепла равны нулю.

Как дополнение исследований, выполненных методом аналогии, была проведена экспериментальная проверка тест-модулей с одним и несколькими кристаллами. Эти тест-модули были сконструированы так, чтобы на них можно было проводить точные измерения температуры в контролируемых внешних условиях. Полученные в результате данные обеспечивали возможность достижения максимальной мощности рассеяния, равной 4 Вт на кристалл и 300 Вт на модуль. Более того, эти цифры в принципе могли быть улучшены при дальнейшей оптимизации размеров и улучшении теплового сопротивления в зазорах путем использования среды с высокой теплопроводностью.

Сконструированный модуль был подвергнут жестким испытаниям на воздействие различных окружающих факторов с целью определения его эффективной устойчивости к различным тепловым и другим воздействиям. Приборы выдержали воздействие термоударов, термоциклов, механических ударов, вибрации, а также воздействие предельных температур и влаги.

Дочерние статьи:

Структура многослойной керамической подложки

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 55, No.12 (642), 1982г - пер. с англ. М.: Мир, 1982, стр.54

Electronics Vol.55 No.12 June 16, 1982 A McGraw-Hill Publication

D.R.Barbour, S.Oktay, R.A.Rinne. Thermal-conduction module cradles and cools up to 133 LSI chips, pp. 143—146.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Конструирование и производство





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/IBM/D19820616Elc033.shtml