JP2005277411A - Loop thermosyphon with wicking structure and semiconductor die as evaporator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make the heat energy generated by a semiconductor package fully dissipated. <P>SOLUTION: A loop thermosyphon system comprises a semiconductor die (10) having multiple microchannels (18), a condenser (14) which is in fluid communication with the microchannels, and a wicking structure (wick material structure, 26) which wicks a fluid between the condenser (14) and the semiconductor die (10). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体パッケージの冷却技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor package cooling technique.

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。   As demands on computing performance increase, the complexity and cost associated with heat dissipation in computing systems continues to increase. These systems typically use a number of semiconductor packages that need to be combined with sufficient heat dissipation capabilities. In systems incorporating high density physical configurations, air cooling of the package may not be sufficient, in which case liquid cooling of the package is required.

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。   Some prior arts address heat dissipation requirements by directing fluid (eg, water or alcohol) directly to the semiconductor package. However, these techniques only dissipate some of the required heat dissipation. This is because how heat dissipation occurs depends on the fact that most of the thermal impedance is inside the semiconductor package rather than the fluid supplied and the heat sink attached to the package. Therefore, to greatly improve the overall heat dissipation, it is necessary to reduce the thermal impedance inside the package.

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。   The prior art has also attempted to improve cooling efficiency by incorporating microchannels in the semiconductor element (or “die”) of the package. Each microchannel is formed by etching in a semiconductor substrate, for example, so that more cooling areas are provided in the substrate. In one example, these microchannels are formed as a series of “fins” that help dissipate internally generated heat in the substrate. One of the problems associated with using such prior art microchannels is that high pressure is used to pump the fluid into the semiconductor die, that is, the fluid is forced through the microchannel by a pressure pump. It is. However, this pressurization pump has a high frequency of failure and is problematic for use in a computing system.

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。   The prior art has also attempted to cool semiconductor packages using “loop thermosyphon” technology. Prior art loop thermosyphons utilize an evaporator, such as a metal block, to cool the semiconductor package by carrying a cooling liquid between the evaporator and the semiconductor package. As the temperature rises, the package generates vapor from the liquid, and helps to transfer heat between the evaporator and the semiconductor package due to the density difference between the liquid and the vapor. However, prior art loop thermosyphons also do not reduce the internal thermal impedance of the semiconductor package, and thus also do not dissipate the thermal energy generated from the package sufficiently.

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。   In one embodiment, the loop thermosyphon system has a semiconductor die having a plurality of microchannels. A condenser is fluidly connected to the microchannel. Due to the wicking structure (light core structure), fluid is carried between the condenser and the semiconductor die by capillary action.

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。   In other embodiments, the loop thermosyphon system has a semiconductor die having a plurality of microchannels. One or more of the microchannels are shaped so that fluid preferentially flows along one direction of the semiconductor die. A condenser is fluidly connected to the microchannel, and the heated fluid from the semiconductor die is cooled and flows into the microchannel.

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。   In other embodiments, the loop thermosyphon system has a semiconductor die having a plurality of microchannels. At least one orifice is provided at the inlet of one of the microchannels so that fluid preferentially flows along one direction of the one microchannel. A condenser is fluidly connected to the microchannel, and the heated fluid from the semiconductor die is cooled and flows into the microchannel.

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。   FIG. 1 shows a schematic diagram of a loop thermosyphon system 10. The system 10 includes a semiconductor die 12 connected to the condenser 14 by an input side fluid flow path 16A and an output side fluid flow path 16B. The semiconductor die 12 has a plurality of microchannels 18 formed in the substrate as shown in FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5, FIG. The condenser 14 is, for example, a heat exchanger that cools the fluid 20 in the system 10 by convection of air 22 adjacent to the condenser 14. The condenser 14 has a series of fins 14 </ b> A that enhance heat transfer to the air 22 as shown.

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。   The microchannel 18, the condenser 14, and the fluid channels 16A, 16B form a closed loop pressure volume of the fluid 20, thereby turning into vapor (or a mixture of vapor and fluid) when heated by the semiconductor die 12. And becomes liquid when cooled by the condenser 14. For convenience of explanation, fluid 20 is shown only in condenser 14, but it is clear that fluid 20 extends throughout the closed-loop pressure volume, either as fluid, steam, or a mixture of fluid and steam. is there. The heated fluid, vapor, or mixture of fluid and vapor from the semiconductor die is sometimes referred to herein as “heated fluid”.

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。   The system 10 includes an input side manifold 24A that connects the input side fluid flow path 16A to the semiconductor die 12, and an output side manifold 24B that connects the output side fluid flow path 16B to the semiconductor die 12.

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。   Inside the input side fluid flow path 16A, a wicking structure 26 (light) that provides capillary attraction that draws the fluid flow along the direction 28A from the condenser 14 through the input side fluid flow path 16A to the input side manifold 24A. A core material structure, shown in more detail in FIG. 2, is provided. The interaction of the fluid 20 and the semiconductor die 12 generates a heated fluid (or vapor or a mixture of vapor and fluid) that is also directed from the semiconductor die 12 through the output fluid flow path 16B. Move fluid flow along 28B. In one example of operation, the semiconductor die 12 boils the fluid 20 to produce a fluid and vapor mixture, thereby pressurizing the fluid stream along direction 28B. The mixture of the fluid and the vapor enters the condenser 14 from the output side fluid flow path 16B, and is then cooled in the condenser 14, so that the liquid fluid 20 exits the condenser 14 and enters the input side fluid flow path 16A. Head for. Thus, an autonomous circulating flow of fluid 20 along directions 28A, 28B can be obtained within system 10.

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。   Those skilled in the art will appreciate that upon reading and fully understanding the present disclosure, the condenser 14 may take other forms without departing from the scope thereof. For example, although the condenser 14 is shown to operate as a liquid-air heat exchanger, it may alternatively be in the form of a heat sink, another semiconductor die, or other heat exchange device, for example.

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。   The fluid 20 is, for example, water, fluorinate (fluorine-based inert fluid), or alcohol. Other liquids having suitable temperature and pressure phase change characteristics may be used.

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。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the input side fluid flow path 16A for further explaining the wicking structure 26. FIG. The wicking structure 26 may be, for example, a thermally conductive fiber (eg, copper fiber), a thermally conductive powder (eg, copper powder), or a thermally conductive mesh filter (eg, a copper mesh filter), etc. This is a conductive porous material. This causes a fluid capillary force that draws the fluid 20 from the condenser 14 through the input side fluid flow path 16A to the input side manifold 24A. In one embodiment, the wicking structure 27 is also incorporated into the input manifold 24A to further increase the fluid capillary force from the condenser 14 to the semiconductor die 12. The wicking structure 27 may be the same as or different from the wicking structure 26. As long as it exerts a capillary action on the fluid, the wicking structures 26 and / or 27 can be, for example, fibrous materials (eg, metal fibers), microgrooves (eg, in the fluid flow path 16A and / or the input manifold 24A). Other materials or structures may be used, including microgrooves), sintered materials (sintered metal), porous or foamable plastics, non-metallic porous materials, and metal matrices.

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。   In FIG. 2, the cross-sectional shape of the input side fluid flow path 16 </ b> A is shown as a circle, but it is obvious that the input side fluid flow path 16 </ b> A may alternatively be a rectangle or another shape without departing from the scope of the present invention. .

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)。   FIG. 3 shows a cross-sectional view (not to scale) of the semiconductor die 12 in which the microchannel 18 is formed by etching (as indicated by the etching line 18A). A silicon plate 30 (eg, glass) is used to seal the microchannel 18 to form a fluid channel for the fluid 20 (for illustration purposes, the plate 30 is also shown in FIG. 1).

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。   Still referring to FIG. 1, the system 10 has been “pre-filled” by filling the closed loop volume of the microchannel 18, condenser 14, and fluid channels 16A, 16B to at least about 50% with fluid (of the system). It may be ensured that the semiconductor die 12 (as “evaporator”) is “wet” in advance before operation. Further, the condenser 14 is disposed above the semiconductor die 12 so that the vapor generated by the interaction between the fluid 20 and the semiconductor die 12 moves upward to the condenser 14 through the input-side fluid flow path 16A. The cooled fluid 20 may be assisted by gravity to flow downwardly through the output fluid passage 16B to the semiconductor die 12.

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。   FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor die 12 illustrating an exemplary embodiment of the microchannel 18 formed between the semiconductor die 12 and the plate 30 (shown in a transparent manner for purposes of explanation). ing. A plurality of openings 32A are formed on the input side of the semiconductor die 12 and connected to the input side manifold 24A, and a plurality of openings 32B are formed on the output side of the semiconductor die 12 and connected to the output side manifold 24B. As described in relation to FIG. 9, the opening 32B is made larger than the opening 32A to promote the preferential flow of fluid along the direction 34 corresponding to the fluid flow directions 28A and 28B of FIG. You may make it do.

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。   FIG. 5 illustrates one loop thermosyphon system 10 (1) according to one embodiment. FIG. 7 shows another loop thermosyphon system 10 (2) according to another embodiment. FIG. 9 shows another loop thermosyphon system 10 (3) according to another embodiment. In FIGS. 5, 7, and 9, the same numbers as those in FIGS. 1 to 4 provide similar functions.

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。   For example, in FIG. 5, an orifice 36 (see FIG. 6) is placed in one or more of the microchannels 18 (1) to provide preferential fluid flow through the semiconductor die. In particular, the semiconductor die 12 (1) of FIG. 5 has an orifice 36 disposed at each inlet of the microchannel 18 (1) (for example, at the input side opening 32A (1)), A preferential fluid flow along direction 34 is generated. FIG. 6 shows an embodiment of the orifice 36 in one opening 32A (1). Although not essential, a wicking structure such as the wicking structure 26 of FIG. 1 may be incorporated into the input side fluid flow path 16A (1) and / or the input side manifold 24A (1).

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。   In particular, FIG. 6 shows an orifice 36 formed by one microchannel 18 (1) of a semiconductor die 12 (1) and a blocking material 38 (eg, metal, plastic plating, or similar material), A cross-sectional view of a square orifice 36 that prevents fluid from entering the microchannel 18 (1) (other than through the orifice 36) is shown. Orifice 36 may be formed in other shapes as a design choice. The micro flow path 18 (1) in FIG. 6 is sealed by a plate 30 (1), and in a closed loop having fluid flow paths 16A (1) and 16B (1), the fluid flows in the micro flow of the semiconductor die 12 (1). It flows through the path and through the orifice 36. Since there is no restriction or orifice in the output side manifold 24B (1), the fluid in the microchannel 18 (1) flows preferentially along the direction 34.

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。   As shown in FIG. 7, the orifice 36 may be replaced with other fluid flow restricting materials. In FIG. 7, a fluid flow restricting material 46 (eg, a metal mesh filter, a non-metallic porous material, or a porous metal such as sintered copper or a metal matrix, in one or more of the microchannels 18 (2). Material) is disposed to achieve preferential fluid flow through the semiconductor die. In particular, the semiconductor die 12 (2) of FIG. 7 has a material 46 disposed at each inlet of the microchannel 18 (2) (eg, at the input side opening 32A (2)), A preferential fluid flow along direction 34 is generated. FIG. 8 shows an embodiment of the limiting material 46 in one input side opening 32A (2). Although not essential, a wicking structure such as the wicking structure 26 of FIG. 1 may be incorporated in the input side fluid flow path 16A (2) and / or the input side manifold 24A (2).

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。   In particular, FIG. 8 shows a cross section of one microchannel 18 (2) of a semiconductor die 12 (2) and a fluid flow restricting material 46 in the form of a mesh filter that limits fluid flow into the microchannel 18 (2). FIG. The microchannel 18 (2) of FIG. 8 is sealed by a plate 30 (2), and in a closed loop having fluid channels 16A (2), 16B (2), fluid passes through the fluid flow restricting material 46 and the semiconductor die 12 flows. It is designed to flow through the microchannel (2). Preferential flow along direction 34 is achieved by placing fluid flow restricting material 46 at the inlet of microchannel 18 (2).

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。   In FIG. 9, the microchannel 18 (3) is configured in a shape that realizes a preferential fluid flow along the direction 34. In other words, the micro flow path 18 (3) has an opening 32A (3) in the input side manifold 24A (3) smaller than the opening 32B (3) in the output side manifold 24B (3), and the micro flow path for the fluid flow. Is formed by etching so as to reduce the resistance in the direction 34. Therefore, the cross-sectional area of the micro flow path 18 (3) decreases as it approaches the input side manifold 24A (3), and increases as it approaches the output side manifold 24B (3). Although not essential, a wicking structure such as the wicking structure 26 of FIG. 1 may be incorporated into the input side fluid flow path 16A (3) and / or the input side manifold 24A (3).

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。   FIG. 10 shows one process 50 for cooling a semiconductor die as an evaporator in a loop thermosyphon system. In step 52, fluid is carried by capillary action from a condenser (eg, condenser 14 of FIG. 1) and flows into one or more microchannels in a semiconductor die (eg, semiconductor die 12 of FIG. 1). . An example of step 52 is to apply the wicking structure 26 of FIG. 1 in an input side fluid channel (eg, input side fluid channel 16A) that connects the condenser to the microchannel. Another example of step 52 is to apply a wicking structure in the input side manifold (eg, input side manifold 24A) between the input side fluid flow path and the micro flow path. In step 54, the heated fluid (or steam, or a mixture of fluid and steam) is conveyed to the condenser. An example of step 54 is to use an output side fluid flow path 16B that carries the heated fluid from the micro flow path to the condenser. In step 56, the liquid is cooled in the condenser. Steps 52, 54, and 56 may be repeated as necessary (58) to continue cooling the semiconductor die. Process 50 ends when the semiconductor die no longer needs to be cooled.

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。   Changes can be made in the above methods and systems without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the above description and accompanying drawings are to be construed as illustrative rather than restrictive, and it is intended that the appended claims cover the generic and individual features of the features described herein. Is done.

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。1 is a schematic diagram of one loop thermosyphon system having a wicking structure and a semiconductor die as an evaporator. FIG. ウィッキング構造を有する流体流路の断面図である。It is sectional drawing of the fluid flow path which has a wicking structure. 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。It is a side view of one semiconductor die which has a plurality of microchannels. 図3の半導体ダイの斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of the semiconductor die of FIG. 3. 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。It is the schematic explaining operation | movement of one thermosiphon system which has an orifice in the microchannel of a semiconductor die. オリフィスを有する1つの微小流路の断面図である。It is sectional drawing of one microchannel with an orifice. 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。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the operation of one thermosyphon system having a fluid flow restricting material in a microchannel of a semiconductor die. 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。FIG. 6 is a cross-sectional view of one microchannel having a fluid flow restricting material. 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。It is the schematic explaining operation | movement of one thermosiphon system which has the microchannel by which the semiconductor die was shape | molded. 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。6 is a flowchart illustrating one process for cooling a semiconductor die as an evaporator in a loop thermosyphon system.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Loop thermosiphon system 12 Semiconductor die 14 Condenser 16A Input side fluid flow path 16B Output side fluid flow path 18 Micro flow path 20 Fluid 26 Wicking structure 30 Plate

Claims (10)

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。
A semiconductor die having a plurality of microchannels;
A condenser fluidly connected to the microchannel;
A wicking structure that transports fluid between the condenser and the semiconductor die by capillary action;
A loop thermosyphon system characterized by comprising:
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。   An input-side manifold connected to the semiconductor die; and an input-side fluid flow path connecting between the condenser and the input-side manifold; and the condensation by the input-side fluid flow path and the input-side manifold. 2. The loop heat according to claim 1, wherein a fluid is carried from a container to the micro flow path, and the wicking structure is provided in one or both of the input side fluid flow path and the input side manifold. Siphon system. 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。   The loop thermosyphon system of claim 1, further comprising a plate coupled to the die to seal the microchannel and allow fluid to flow through the microchannel. 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。   2. The loop thermosyphon system according to claim 1, wherein the microchannel has a shape such that a fluid flows preferentially along one direction of the microchannel. 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。   The loop thermosyphon system according to claim 1, further comprising means for allowing fluid to flow preferentially along one direction of the microchannel. 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。
A semiconductor die having a plurality of microchannels, wherein one or more of the microchannels are shaped such that fluid preferentially flows along one direction of the semiconductor die Die,
A condenser fluidly connected to the microchannel, for cooling the heated fluid from the semiconductor die and flowing into the microchannel;
A loop thermosyphon system characterized by comprising:
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。
A semiconductor die having a plurality of microchannels;
At least one orifice provided at the inlet of at least one of the microchannels and allowing fluid to flow preferentially along one direction of the at least one microchannel;
A condenser fluidly connected to the microchannel, cooling the heated fluid from the semiconductor die and flowing into the microchannel;
A loop thermosyphon system characterized by comprising:
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。   8. The loop heat of claim 7, further comprising a wicking structure disposed between the condenser and the semiconductor die and carrying a fluid from the condenser to the microchannel by capillary action. Siphon system. 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。
Carrying the fluid from the condenser by capillary action into one or more microchannels of the semiconductor die;
Conveying heated fluid from the semiconductor die to the condenser;
Cooling a fluid in the condenser;
A method for cooling a semiconductor die, comprising:
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。
Forming the microchannel into a shape such that fluid preferentially flows along the microchannel;
Forming an orifice at one or more inlets of the microchannels to allow fluid to flow preferentially along the one or more microchannels; and Disposing a fluid flow restricting material at one or more of the inlets to allow fluid to flow preferentially along the one or more microchannels;
10. The method for cooling a semiconductor die according to claim 9, further comprising at least one of the following steps.
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