【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロプロセッサやパワートランジスタといった半導体素子や、電子デバイス、レーザーダイオードなどの光デバイス、磁気デバイス、その他の発熱を伴う素子の冷却に用いられる冷却素子と、それを具備する発熱素子を搭載したデバイスに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、マイクロプロセッサやパワートランジスタなどの発熱素子を搭載した種々の発熱素子デバイスにおいては、図６に示すように、回路基板２１の表面に実装された発熱素子２２から発生する熱を冷却するために、放熱フィンや水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体２３が設けられている。これは、発熱素子２２が所定温度以上の高温になると動作異常を発生し、さらには半導体微細回路の破壊に至るのを防止するためであり、安定して長時間の動作を実現するためには効率の良い放熱機構が不可欠である。
【０００３】
特に近年、半導体素子の動作周波数は、飛躍的に高まり、高密度配線の進展と合わせて、同一面積での発熱量はますます上昇する傾向にあるために、効率的な冷却装置が求められている。
【０００４】
また、特開平６−０５３６６４号では、常温において液体状の金属または合金と常温において液体状の有機材料とを混合し、電子部品を実装した回路基板と冷却装置の間に挿入する事で冷却性能性を高めている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−０５３６６４号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に示すような、放熱フィンなどの放熱体２３は、発熱素子２２で発生した熱をその放熱体２３を伝導して空気など、外部の低温媒体に放出する構造であるため、放熱能力は放熱体２３に使用する材料の熱伝導率に律速され、飛躍的に放熱能力を高めるには限界があった。
【０００７】
また、水冷チャンバやヒートパイプなどの放熱体は、放熱フィンに比べて冷却性能は高いが構造が複雑になり、小型化、低コスト化において限界があった。
【０００８】
さらに、ペルチェ素子といった熱電半導体は放熱性能に優れるが、エネルギー利用効率が低く、低消費電力が必要とされるパーソナルコンピュータや携帯用電子機器に使用するには問題があった。
【０００９】
しかも、従来の冷却構造では、その温度の熱伝達性能によって冷却効果が定まることから、発熱量が急激に大きくなっても熱伝達量は変化しないために、発熱素子の温度は大きく変動し、素子の温度の安定化が難しいものであった。例えば、通電と停止を繰り返した場合の発熱素子の温度は、図７に示すように、山形のカーブを描くことから、山形の頂点の温度が発熱素子の作動温度の限界温度を超えないように、通電制御、冷却システムの制御が必要であった。
【００１０】
また、特開平６−０５３６６４号では、回路基板と冷却装置の間の熱抵抗を低減することはできるが、放熱経路全体の熱抵抗を回路基板と冷却却置に使用される材料の持つ熱伝導率で決まる値以下にする事はできない。
【００１１】
このように、材料の熱伝導率は材料固有のものであり、構造を工夫することで冷却性能を最大にすることができても、それ以上に高める事は原理的に不可能である。したがって、更なる冷却性能の向上のためには、熱伝導以外の冷却現象を導入する必要がある。
【００１２】
したがって、本発明は、動作上限温度が規定された発熱素子を冷却するのに、材料固有の熱伝導率によって律速される放熱性の制約を受けずに小型で低コストの冷却が可能な冷却素子と、それを用いた発熱素子デバイスを提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の冷却素子は、高熱伝導性の中空容器の内部に、該中空容器の融点または分解温度よりも低い温度で液体となる金属または合金を封入したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の発熱素子デバイスによれば、発熱素子を、高熱伝導性の中空容器の内部に該発熱素子の作動上限温度以下の融点を有する金属または合金を封入した冷却素子の一面に取り付けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記冷却素子には、さらに放熱フィン、水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を取り付けることによって、さらに発熱素子の冷却効果を高めることができる。
【００１６】
なお、前記発熱素子としては、マイクロプロセッサ、パワートランジスタなどの半導体素子である場合に好適である。
【００１７】
また、上記の冷却素子における前記容器内に封入される金属としては、Ｎａであることが望ましい。
【００１８】
本発明による冷却素子の加熱温度素子の温度変化を図３に示した。この冷却素子は、その一面に取り付けられた発熱素子が発熱し、素子温度が上昇するに従い、冷却素子における中空容器およびその中空容器内に封入された金属の温度も徐々に上昇する。そして、中空容器の温度が封入金属の融点に達すると、封入金属は徐々に溶融する。
【００１９】
その際、封入金属は、自己融解のために吸熱することによって、素子に取り付けられた発熱素子の温度は一定に保たれる。前記金属の融解が完了する間、冷却素子の温度が一定に保たれ、その温度が一定に保たれる時間は、発熱素子の発熱量と冷却素子における封入される金属量によって律速される。
【００２０】
冷却素子中の封入金属がすべて溶融すると、冷却素子の温度は、徐々に上昇し始めるが、封入金属がすべて溶融することがないように、放熱フィン、水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を取り付け、冷却素子を部分的に冷却し、常に未溶融の金属を残存させることによって、発熱素子の発熱が連続しても冷却素子自体の温度は、発熱素子からの熱を吸収しながらも、冷却素子自体の温度は、その溶融金属の融点付近に一定に保たれることになる。
【００２１】
その結果、発熱素子の発熱量によらず、発熱素子が取り付けられた冷却素子自体の温度は一定に保たれているために、発熱素子自体の温度も安定に保つことができる。
【００２２】
なお、溶融し液体状態の封入金属は、発熱素子の発熱量が低減し周囲への放熱が発熱量を勝ると凝固を開始する。その際に凝固熱を放出するが、発熱素子は発熱量を低減する様に制御されるために、動作異常は発生しない。必要に応じて放熱フィンや水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱手段を取り付けることによって、発熱素子の制御時間を短縮する事ができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の冷却素子の一例を示す概略断面図である。
【００２４】
図１の冷却素子１によれば、高熱伝導性材料からなる中空容器２（以下、伝熱容器という。）を備え、その伝熱容器２の内部に、該伝熱容器の融点または分解温度よりも低い温度で液体となる金属または合金３が封入されている。
【００２５】
この伝熱容器２を構成する高熱伝導性材料は、金属および／またはセラミックスからなり、伝熱容器２の外側の熱が容器２内部の封入金属３に効率的に伝達でき、さらには内部に封入された封入金属３が溶融した状態でも高い耐蝕性を有することが望ましい。
【００２６】
具体的には、コバルト・ニッケル鋼、ステンレスなどの鉄系合金、チタン、タングステン、モリブデンなどの高融点金属、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちの少なくとも１種を主成分とするセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。特にセラミックスは高融点で、溶融金属に対する耐腐食性に優れるため、長期信頼性の点で有利である。
【００２７】
これらの中でも、熱伝達性能を考慮すれば、熱伝導率が５０ｍ・Ｋ以上、特に７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００２８】
また、この伝熱容器２内に封入される封入金属３としては、融点が、伝熱容器２の融点または分解温度よりも低い金属が選択される。封入金属３の材質としては、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）や、それらの合金、またはＳｎ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｓｂなどの半田の群から選ばれる少なくとも１種が好適に用いられる。
【００２９】
また、選択される封入金属３の融点は、この冷却素子１によって冷却されるべき発熱素子５の耐熱温度に応じて適宜設定される。例えば、発熱素子５がマイクロプロセッサやパワートランジスタなどの珪素を素材とした半導体素子の場合には、動作上限温度が１１０〜１２０℃程度とされるため、約１００℃に融点を持つナトリウム（Ｎａ）が好適である。
【００３０】
また、電子部品の接続に広く使用される共晶半田（Ｓｎ６１．９％−Ｐｂ３８．１％）の融点は１８３℃であり、このような共晶半田は、動作上限温度や耐熱温度が２００℃程度の発熱素子に好適に使用される。つまり、発熱素子５の耐熱温度や動作上限温度よりも１０〜３０℃低い融点の金属が好適に用いられる。
【００３１】
この冷却素子１は、封入金属３を容器２内に充填するための充填口４が設けられており、封入金属３を溶融させた後、これを容器２内に充填する。その後、この充填口４は封止される。なお、封入金属３は溶融によって体積膨張する場合もあるために、容器２の容量よりもやや少なめに充填して真空封止することが望ましい。
【００３２】
次に、上記の冷却素子１を用いた本発明における発熱素子デバイスの一例を図２に示した。図２の発熱素子デバイスによれば、発熱素子５が、配線基板やパッケージ基板などの回路基板６の表面に搭載されており、その発熱素子５の上面に、図１の冷却素子１が取り付けられている。
【００３３】
そして、この冷却素子１の容器２内には、発熱素子５の作動上限温度以下の融点を有する金属３が封入されている。もちろん、金属３の融点は、容器２の融点または分解温度よりも低いものである。特にこの封入金属３は、発熱素子５の作動上限温度よりも１０〜３０℃低い融点を有することが望ましい。これによって、発熱素子５の温度が作動上限温度を超えるのを冷却素子１によって効果的に防止することができる。
【００３４】
かかる発熱素子デバイスにおける発熱素子の作動と、その温度変化を図３に示す。この図３に示される通り、発熱素子５から発生した熱は、融点Ｔ２の封入金属３の融解熱となるために、発熱素子５の温度は、封入金属３がすべて融解するまでは一定の温度に保つことができる。封入金属３が融解した後には、発熱素子５の温度が上昇するが、その間に、発熱素子５の発熱量を低減するように電圧制御するか、または他の冷却手段によって発熱素子５が作動上限温度Ｔ１を超えないように制御する。
【００３５】
また、本発明によれば、発熱素子デバイスにおける冷却素子１の他に、冷却素子１を冷却するための補助的な冷却手段を設け、高温域で融解した金属を冷却によって部分的に凝固させるとともに、発熱素子からの熱による融解とを熱的に平衡状態とすることで、冷却素子１に対して常に吸熱性を付与することができるために、発熱素子５の温度を一定に保持できる時間を長くすることができる。
【００３６】
冷却素子１を冷却するための補助的な冷却手段としては、図２に示されるような放熱フィン７を冷却素子１に取り付けることができるが、その他、水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を単独、または２種以上を組み合わせて使用することもできる。例えば、パワートランジスタなどの高発熱密度で、発熱休止時間を広く取ることが困難な場合は、更に水冷チャンバなど更に高効率の冷却装置を組み合わせることで、高負荷の利用にも使用できる。
【００３７】
また、補助的な冷却手段を付加する以外に、冷却素子１自体に補助的に冷却機能を付加することができる。図４は、その例であって、冷却素子１の容器２の発熱素子５が取り付けられる側とが異なる面をフィン形状に成形することができる。
【００３８】
【実施例】
本発明の有効性を検証する為に、ニッケル・クロム鋼からなる一辺が２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの正方形の中空容器内に、封入金属として１０ｇのナトリウム（融点
１００℃）粉末を真空チャンバ内で封入し、充填口を溶接封止した。
【００３９】
上記の冷却素子を発熱量１００Ｗのパワートランジスタに半田接合した。パワートランジスタは厚さ２ｍｍの銅製基板に半田接合され、ワイアボンディングによって回路接続した。
【００４０】
上記の方法で構成された試験体のパワートランジスタに通電した結果、図５の線Ａに示すように、５秒後に、素子温度は１１０℃に達し、その後、８秒間は温度が１００℃〜１１０℃の間を推移し、その後、再度温度は上昇した。
【００４１】
比較のために、封入金属用の内部空間の無いニッケル・クロム鋼を用いて上記と同様に試料を作製し、同様の試験を行ったところ、図５の線Ｂに示すように、通電開始５秒後に素子温度が１１０℃に達した後も温度は上昇を続けた。
【００４２】
そこで、ナトリウムを注入した前記冷却素子のパワートランジスタと接続された面と反対側にはアルミニウム製の放熱フィンを高熱伝導性の樹脂で接着した。そして、この試料を毎分５メートルの常温の空気流動中でおいたところ、パワートランジスタの通電１０秒、停止２０秒の運転パターンで終始パワートランジスタの温度は図３に示すような温度変化によって、１１０℃を超えなかった。
【００４３】
【発明の効果】
以上の様に、本発明によれば、高熱伝導性材料からなる中空容器の内部に、発熱素子の作動上限温度以下の融点を有する金属または合金を封入した冷却素子を形成し、更に必要に応じて、前記冷却素子には更に放熱フィンや水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を取り付けることによって、前記封入金属の融解熱によって発熱素子から発生する熱が吸収され、素子温度の上昇を抑制し、さらに発熱素子の動作休止時間を利用して封入金属の再凝固にともなう発生熱を外部に放熱し、発熱素子の冷却を効率よく行う事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の冷却素子を具備する発熱素子デバイスの一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の冷却素子による発熱素子の温度変化を示す図である。
【図４】本発明の冷却素子の他の例を説明するための概略断面図である。
【図５】実施例におけり本発明の冷却素子による発熱素子の冷却機能を説明するための図である。
【図６】従来の発熱素子デバイスの概略断面図である。
【図７】従来の発熱素子デバイスにおける発熱素子の温度変化を示す図である。
【符号の説明】
１・・・冷却素子
２・・・中空容器
３・・・封入金属
５・・・発熱素子
６・・・回路基板
７・・・放熱フィン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides, for example, a semiconductor element such as a microprocessor or a power transistor, an electronic device, an optical device such as a laser diode, a magnetic device, a cooling element used for cooling other elements that generate heat, and a heating element including the cooling element. Regarding the mounted device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in various heating element devices on which heating elements such as a microprocessor and a power transistor are mounted, as shown in FIG. 6, heat generated from a heating element 22 mounted on a surface of a circuit board 21 is cooled. Further, a radiator 23 such as a radiator fin, a water cooling chamber, a heat pipe, a Peltier element, etc. is provided. This is to prevent an abnormal operation when the temperature of the heating element 22 becomes higher than a predetermined temperature, and further to prevent the destruction of the semiconductor fine circuit. To realize a stable and long-term operation, An efficient heat dissipation mechanism is essential.
[0003]
In particular, in recent years, the operating frequency of semiconductor devices has increased dramatically, and the amount of heat generated in the same area tends to increase with the development of high-density wiring. I have.
[0004]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-053664, a cooling performance is achieved by mixing a liquid metal or alloy at room temperature with a liquid organic material at room temperature and inserting the mixture between a circuit board on which electronic components are mounted and a cooling device. Is increasing the character.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-053664
However, as shown in FIG. 6, a radiator 23 such as a radiator fin conducts the heat generated by the heat generating element 22 through the radiator 23 to form an external low-temperature medium such as air. Because of this structure, the heat radiation ability is limited by the thermal conductivity of the material used for the heat radiator 23, and there is a limit to dramatically increasing the heat radiation ability.
[0007]
Further, the radiator such as the water-cooling chamber or the heat pipe has a higher cooling performance than the radiator fin, but has a complicated structure, and there is a limit in miniaturization and cost reduction.
[0008]
Furthermore, thermoelectric semiconductors such as Peltier devices have excellent heat dissipation performance, but have low energy utilization efficiency and have problems when used in personal computers and portable electronic devices that require low power consumption.
[0009]
Moreover, in the conventional cooling structure, since the cooling effect is determined by the heat transfer performance of the temperature, the heat transfer amount does not change even if the heat generation amount increases rapidly. It was difficult to stabilize the temperature. For example, as shown in FIG. 7, the temperature of the heating element in the case where the energization and the stop are repeated draws a mountain-shaped curve, so that the temperature at the top of the mountain does not exceed the limit temperature of the operating temperature of the heating element. , Energization control and cooling system control were required.
[0010]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-053664, although the thermal resistance between the circuit board and the cooling device can be reduced, the thermal resistance of the entire heat dissipation path is reduced by the heat conduction of the material used for the circuit board and the cooling device. It cannot be less than the value determined by the rate.
[0011]
As described above, the thermal conductivity of a material is inherent to the material, and even if the cooling performance can be maximized by devising the structure, it is impossible in principle to increase it further. Therefore, in order to further improve the cooling performance, it is necessary to introduce a cooling phenomenon other than heat conduction.
[0012]
Therefore, the present invention provides a small and low-cost cooling element capable of cooling a heating element having an operation upper limit temperature defined without being restricted by heat radiation limited by the thermal conductivity inherent to the material. And a heating element device using the same.
[0013]
The cooling element according to the present invention is characterized in that a metal or alloy which becomes liquid at a temperature lower than the melting point or decomposition temperature of the hollow container is sealed in a hollow container having high thermal conductivity. It is a feature.
[0014]
Further, according to the heating element device of the present invention, the heating element is attached to one surface of a cooling element in which a metal or an alloy having a melting point equal to or lower than the operating upper limit temperature of the heating element is enclosed in a hollow container having high thermal conductivity. It is characterized by the following.
[0015]
Further, the cooling effect of the heat generating element can be further enhanced by attaching a heat radiating fin, a water cooling chamber, a heat pipe, a Peltier element or the like to the cooling element.
[0016]
It is preferable that the heating element is a semiconductor element such as a microprocessor or a power transistor.
[0017]
Further, it is desirable that the metal enclosed in the container in the cooling element is Na.
[0018]
FIG. 3 shows the temperature change of the heating temperature element of the cooling element according to the present invention. In this cooling element, the temperature of the hollow container in the cooling element and the metal sealed in the hollow container gradually rises as the temperature of the heating element rises as the heating element attached to one surface thereof increases. Then, when the temperature of the hollow container reaches the melting point of the sealing metal, the sealing metal gradually melts.
[0019]
At that time, the temperature of the heating element attached to the element is kept constant by absorbing heat for self-melting of the encapsulated metal. During the completion of the melting of the metal, the temperature of the cooling element is kept constant, and the time during which the temperature is kept constant is determined by the amount of heat generated by the heating element and the amount of metal enclosed in the cooling element.
[0020]
When all of the encapsulated metal in the cooling element melts, the temperature of the cooling element starts to rise gradually, but heat dissipation of the radiating fins, water cooling chamber, heat pipe, Peltier element, etc., so that the enclosed metal does not all melt. By attaching the body, partially cooling the cooling element, and always leaving unmelted metal, the temperature of the cooling element itself while absorbing heat from the heating element while absorbing the heat from the heating element The temperature of the cooling element itself is kept constant near the melting point of the molten metal.
[0021]
As a result, the temperature of the cooling element to which the heating element is attached is kept constant irrespective of the amount of heat generated by the heating element, so that the temperature of the heating element itself can also be kept stable.
[0022]
The molten metal in the liquid state starts to solidify when the amount of heat generated by the heating element is reduced and the amount of heat released to the surroundings exceeds the amount of heat generated. At that time, heat of solidification is released. However, since the heating element is controlled so as to reduce the amount of heat, no abnormal operation occurs. The control time of the heating element can be shortened by attaching a radiation means such as a radiation fin, a water cooling chamber, a heat pipe, and a Peltier element as necessary.
[0023]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a cooling element according to the present invention.
[0024]
According to the cooling element 1 shown in FIG. 1, a hollow container 2 (hereinafter, referred to as a heat transfer container) made of a high heat conductive material is provided, and inside the heat transfer container 2, the melting point or the decomposition temperature of the heat transfer container is determined. A metal or alloy 3 which becomes liquid at a low temperature is enclosed.
[0025]
The high heat conductive material constituting the heat transfer container 2 is made of metal and / or ceramics, so that heat outside the heat transfer container 2 can be efficiently transmitted to the metal 3 inside the container 2 and further sealed inside. It is desirable that the encapsulated metal 3 has high corrosion resistance even in a molten state.
[0026]
Specifically, ceramics mainly containing at least one of cobalt-nickel steel, iron-based alloys such as stainless steel, refractory metals such as titanium, tungsten and molybdenum, alumina, aluminum nitride, silicon carbide and silicon nitride At least one member selected from the group of can be used. In particular, ceramics have a high melting point and excellent corrosion resistance to molten metal, and are therefore advantageous in terms of long-term reliability.
[0027]
Among these, considering heat transfer performance, it is desirable that the thermal conductivity is 50 m · K or more, particularly 70 W / m · K or more, particularly 100 W / m · K or more, and more preferably 120 W / m · K or more. .
[0028]
Further, a metal having a melting point lower than the melting point or the decomposition temperature of the heat transfer container 2 is selected as the sealing metal 3 sealed in the heat transfer container 2. Examples of the material of the sealing metal 3 include sodium (Na), potassium (K), gallium (Ga), indium (In), alloys thereof, Sn-Pb, Bi-Sn, Au-Sn, and Sn-Sb. At least one selected from the group consisting of the above solders is preferably used.
[0029]
Further, the selected melting point of the sealing metal 3 is appropriately set according to the heat-resistant temperature of the heating element 5 to be cooled by the cooling element 1. For example, when the heating element 5 is a semiconductor element made of silicon, such as a microprocessor or a power transistor, the maximum operating temperature is about 110 to 120 ° C., so that sodium (Na) having a melting point of about 100 ° C. Is preferred.
[0030]
Further, the melting point of eutectic solder (Sn61.9% -Pb38.1%) widely used for connection of electronic components is 183 ° C., and such an eutectic solder has an operation upper limit temperature and a heat resistance temperature of 200 ° C. It is suitably used for a heating element of a certain degree. That is, a metal having a melting point lower by 10 to 30 ° C. than the heat-resistant temperature or the operation upper limit temperature of the heating element 5 is preferably used.
[0031]
The cooling element 1 is provided with a filling port 4 for filling the sealed metal 3 into the container 2, and after filling the sealed metal 3, fills the container 2. Thereafter, the filling port 4 is sealed. Since the volume of the encapsulated metal 3 may expand due to melting, it is desirable to fill the container 2 with a volume slightly smaller than the capacity of the container 2 and perform vacuum sealing.
[0032]
Next, an example of a heating element device according to the present invention using the cooling element 1 is shown in FIG. According to the heating element device of FIG. 2, the heating element 5 is mounted on the surface of a circuit board 6 such as a wiring board or a package board, and the cooling element 1 of FIG. ing.
[0033]
A metal 3 having a melting point equal to or lower than the operating upper limit temperature of the heating element 5 is sealed in the container 2 of the cooling element 1. Of course, the melting point of the metal 3 is lower than the melting point or decomposition temperature of the container 2. In particular, it is desirable that the sealing metal 3 has a melting point lower by 10 to 30 ° C. than the operation upper limit temperature of the heating element 5. Thus, the cooling element 1 can effectively prevent the temperature of the heating element 5 from exceeding the operation upper limit temperature.
[0034]
FIG. 3 shows the operation of the heating element in such a heating element device and its temperature change. As shown in FIG. 3, the heat generated from the heating element 5 becomes the heat of fusion of the encapsulating metal 3 having the melting point T2. Therefore, the temperature of the heating element 5 is constant until the encapsulating metal 3 is completely melted. Can be kept. After the encapsulating metal 3 is melted, the temperature of the heating element 5 rises, and during that time, the voltage is controlled so as to reduce the amount of heat generated by the heating element 5, or the heating element 5 is operated by the other cooling means. Control is performed so as not to exceed the temperature T1.
[0035]
Further, according to the present invention, in addition to the cooling element 1 in the heating element device, an auxiliary cooling means for cooling the cooling element 1 is provided, and the metal melted in a high temperature region is partially solidified by cooling. Since the heat absorption from the heat from the heat generating element is brought into a thermal equilibrium state, the cooling element 1 can be constantly provided with heat absorption, so that the time during which the temperature of the heat generating element 5 can be kept constant is reduced. Can be longer.
[0036]
As an auxiliary cooling means for cooling the cooling element 1, a radiating fin 7 as shown in FIG. 2 can be attached to the cooling element 1. In addition, a heat radiating fin 7 such as a water cooling chamber, a heat pipe, a Peltier element or the like can be used. The body can be used alone or in combination of two or more. For example, in the case where it is difficult to take a long heat stop time due to a high heat generation density of a power transistor or the like, a high-efficiency cooling device such as a water-cooling chamber may be used in combination to use a high load.
[0037]
In addition to the additional cooling means, an additional cooling function can be added to the cooling element 1 itself. FIG. 4 is an example of this, in which a surface of the cooling element 1 on the side of the container 2 to which the heating element 5 is attached can be formed into a fin shape.
[0038]
【Example】
In order to verify the effectiveness of the present invention, 10 g of sodium (melting point 100 ° C.) powder is sealed in a vacuum chamber as a sealing metal in a square hollow container made of nickel-chromium steel and having a side of 20 mm and a thickness of 3 mm. Then, the filling port was sealed by welding.
[0039]
The cooling element was soldered to a power transistor having a heating value of 100 W. The power transistor was soldered to a copper substrate having a thickness of 2 mm and connected to the circuit by wire bonding.
[0040]
As a result of energizing the power transistor of the test piece constructed by the above method, as shown by a line A in FIG. 5, the element temperature reaches 110 ° C. after 5 seconds, and thereafter, the temperature is 100 ° C. to 110 ° C. for 8 seconds. C., and then the temperature rose again.
[0041]
For comparison, a sample was prepared in the same manner as described above using nickel-chromium steel having no internal space for the encapsulating metal, and a similar test was performed. As shown in line B in FIG. The temperature continued to rise even after the device temperature reached 110 ° C. in seconds.
[0042]
Therefore, a heat radiation fin made of aluminum was adhered to the opposite side of the surface of the cooling element into which sodium was injected, which was connected to the power transistor, with a resin having high thermal conductivity. Then, when this sample was placed in an air flow at a normal temperature of 5 meters per minute, the temperature of the power transistor was changed by a temperature change as shown in FIG. Did not exceed 110 ° C.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a cooling element in which a metal or an alloy having a melting point equal to or lower than the operation upper limit temperature of a heating element is formed inside a hollow container made of a high heat conductive material, Further, by attaching a radiator such as a radiating fin, a water cooling chamber, a heat pipe, or a Peltier element to the cooling element, heat generated from the heating element due to the heat of fusion of the encapsulated metal is absorbed, and an increase in element temperature is prevented. In addition, the heat generated due to the resolidification of the encapsulated metal is radiated to the outside by utilizing the operation suspension time of the heating element, and the heating element can be efficiently cooled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a cooling element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing an example of a heating element device having a cooling element of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a temperature change of a heating element by a cooling element of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view for explaining another example of the cooling element of the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining a cooling function of a heating element by a cooling element of the present invention in an embodiment.
FIG. 6 is a schematic sectional view of a conventional heating element device.
FIG. 7 is a diagram showing a temperature change of a heating element in a conventional heating element device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cooling element 2 ... Hollow container 3 ... Enclosed metal 5 ... Heating element 6 ... Circuit board 7 ... Radiation fin
