JP2009206398A - 冷却モジュール及び複合実装基板 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器等に使用されるＬＳＩやＩＣ等を積層してスタック構造体としたモジュールを効果的に冷却することができる冷却構造を備えた冷却モジュールを提供する。
【解決手段】半導体素子１の実装基板３が所定の隙間Ｇで複数積層された構造体であってその構造体の最上段にダミー基板４が設けられているスタック構造体５と、そのスタック構造体５の少なくとも対向する側部との間及びそのスタック構造体５の上部との間にそれぞれ空間１０，１１を有するようにスタック構造体４を配置して密封するパッケージ７と、そのパッケージ７の内部にスタック構造体５を沈める水位まで充填された冷媒６と、を有するように構成して上記課題を解決した。冷媒６は、蒸発−凝縮サイクルでパッケージ内を環流する絶縁性で不活性の冷媒であり、気化した冷媒は空間１０を上昇し、液化した冷媒は前記気化した冷媒が上昇する空間１０以外の部位で落下する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に使用されるＬＳＩやＩＣを搭載した冷却モジュール及び複合実装基板に関し、さらに詳しくは、複数個のＬＳＩやＩＣを積層してスタック構造体としたモジュールを効果的に冷却することができる冷却構造を備えた冷却モジュール、及びその冷却モジュールを有する複合実装基板に関する。

複数のプロセッサを信号の伝達速度の速いセラミックス基板に平面状に搭載（平面実装）したマルチチップモジュールは、プロセッサ間の通信速度を上げることができるので、コンピュータを高速に動作させるためのモジュールとして提案されている。こうしたマルチチップモジュールの冷却構造として、例えば特許文献１〜３には、低沸点で絶縁性の冷媒中にプロセッサ等の発熱素子を漬けた冷却構造が提案されている。
特開昭５８−０６４０５５号公報（図１） 特開昭５９−１６３８４４号公報（図１） 特開昭６０−０００７６１号公報（図１）

また、コンピュータを高速に動作させるためには、演算機能をもつプロセッサとデータ格納機能をもつメモリーとの間の通信速度（いわゆるバス速度）を高める必要もある。バス速度を高めるためには動作周波数を上げることが必要になるが、プロセッサとメモリーとの間の配線長を短くしなければ信号伝達速度の遅延が生じるため、コンピュータを高速に動作させることができない。特に、大容量のメモリーを必要とするスーパーコンピュータ等においては、大量のメモリー素子を搭載しなければならないため、配線長を短くできる実装構造が必要となる。このため、例えば特許文献４，５には、発熱量の小さいメモリー素子を基板上に平面に並べるのではなく、メモリー素子を搭載した基板を積み上げてスタック構造とし、基板を三次元実装することが提案されている。
特開２０００−９１７２９号公報（図４） 特開２００５−５１１４３号公報（図１）

しかしながら、特許文献１〜３で提案されたマルチチップモジュールの冷却構造には、冷媒の循環効率、すなわち伝熱効率の点で問題がある。すなわち、プロセッサ等の素子を平面実装したマルチチップモジュールをパッケージに入れ、そのパッケージ内に低沸点で絶縁性の冷媒を充填してなる冷却構造では、マルチチップモジュールの効果的な冷却が困難になるという問題である。その理由は、素子に接触して気化した冷媒蒸気は浮力によって上方に向かい、一方、パッケージの天井で液化した冷媒は重力によって落下するように冷媒が環流するため、各特許文献に記載の構造のように、素子上方の空間では、気化した冷媒蒸気の上昇と液化した冷媒の落下とが同時に起こるので、冷媒の環流ルートが分離された循環系にはなっていない。そのため、冷媒蒸気と液化した冷媒とが素子上方の空間でぶつかり合い、環流にロスが生じてしまう。このため、冷却すべき素子の周りに液化した冷媒が十分に戻らず、素子の周りに十分な冷媒を戻すことができないドライアウトが生じるおそれがある。

また、特許文献４，５で提案されたような、配線長を短くしてコンピュータの高速動作を実現するためのスタック構造においては、発熱量の大きな素子を実装するうえで問題がある。第１の問題は、スタック構造の下段に実装された素子の冷却が困難になるということである。その理由は、下段に実装された素子の放熱経路は、まず、その一つ上の素子まで物質固体内の熱伝導により熱を伝熱し、その一つ上の素子は、さらにその一つ上の素子まで熱伝導により熱を伝熱し、こうした伝熱を順次繰り返し、最終的に一番上段に実装された素子の表面に熱を伝熱し、その熱が周囲の空気に熱伝達されて冷却する経路となる。すなわち、スタック構造の下段に実装された素子ほど熱の伝達を妨げる熱抵抗が大きくなり、素子温度が上昇することになる。しかも、前記したように、スタック構造の上部空間では、冷媒蒸気と液化した冷媒とがぶつかり合い、環流にロスが生じてしまうという問題があり、最上段での放熱効率も十分に行うことができないという問題がある。

また、第２の問題は、上記第１の問題を解決しようとすると、配線長が増大してしまうことである。その理由は、例えば図８に示すように、下段に実装された素子１０１を放熱し易くするために、各々の素子１０１に金属プレート等で形成したヒートシンク１０６を取り付ける構造とした場合、周囲の空気との放熱面積を確保するためには、ヒートシンク１０６が素子１０１のスタック構造１０４から左右にはみ出すように実装しなければならない。そうすると、お互いの干渉をさけるようにスタック構造１０４を実装しなければならず、結局は隣り合うスタック構造１０４同士の距離をとることになり、配線長が増大してしまうという結果になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電子機器等に使用されるＬＳＩやＩＣ等を積層してスタック構造体としたモジュールを効果的に冷却することができる冷却構造を備えた冷却モジュール、及びその冷却モジュールを有する複合実装基板を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の冷却モジュールは、半導体素子の実装基板が所定の隙間で複数積層された構造体であって該構造体の最上段にダミー基板が設けられているスタック構造体と、前記スタック構造体の少なくとも対向する側部との間及び前記スタック構造体の上部との間にそれぞれ空間を有するように該スタック構造体を配置して密封するパッケージと、前記パッケージの内部に前記スタック構造体を沈める水位まで充填された冷媒と、を有することを特徴とする。

本発明の冷却モジュールの好ましい態様として、前記冷媒は、蒸発−凝縮サイクルで前記パッケージ内を環流する絶縁性で不活性の冷媒であり、気化した前記冷媒は前記スタック構造体の側部と前記パッケージとの間の空間を上昇し、液化した前記冷媒は前記気化した冷媒が上昇する空間以外の部位で落下するように構成する。

本発明の冷却モジュールの好ましい態様として、前記パッケージの天井は、平面構造からなるように構成してもよいし、前記パッケージの天井は、該天井の中央に向かうにしたがって前記ダミー基板に近づく傾斜構造からなるように構成してもよい。

本発明の冷却モジュールの好ましい態様として、前記空間を前記パッケージとの間に有する側部のうち、前記スタック構造体の少なくとも１辺を構成する側部には、個々の実装基板間で気化した前記冷媒の通過を妨げる仕切板が個々の実装基板間にそれぞれ設けられているように構成する。なお、この場合において、前記パッケージの天井は、前記仕切板が設けられた側の空間に向かうにしたがって厚くなる傾斜構造からなるように構成してもよい。

本発明の冷却モジュールの好ましい態様として、前記実装基板の下面は、気化した前記冷媒が上昇する空間に向かうにしたがって薄くなる傾斜構造からなるように構成してもよい。

上記課題を解決する本発明の複合実装基板は、上記本発明に係る冷却モジュールを同一基板面上に複数配置してなることを特徴とする。

本発明の冷却モジュールによれば、各半導体素子に接触して気化した冷媒蒸気は、実装基板間の隙間を通過した後、スタック構造体の側部とパッケージとの間の空間に至ってその空間を上昇する。そして、空間を上昇する冷媒蒸気は、パッケージの天井で液化するが、スタック構造体の最上段には冷媒蒸気が発生しないダミー基板が設けられているので、液化した冷媒は前記の空間部に落下せずに、冷媒蒸気が発生しないダミー基板上に落下する。その結果、本発明の冷却モジュールでは、気化した冷媒蒸気の上昇と液化した冷媒の落下とが別々の部位で起こるので、冷媒の環流ルートが分離された循環系になり、気化−液化の循環サイクル（環流）にロスが生じない。よって、電子機器等に使用されるＬＳＩやＩＣ等の高速動作を実現するためのスタック構造体を備えたモジュールについて、極めて効果的に冷却することができる。

また、本発明の冷却モジュールによれば、実装基板の下面を上記傾斜構造とした場合には、実装基板に搭載された半導体素子に接触して生じた冷媒蒸気を、冷媒が上昇する空間に容易に導くことができる。

本発明の複合実装基板によれば、冷却モジュールを同一基板面上に、図８に示すようなヒートシンクを用いることなく隣接した態様で複数配置できるので、プロセッサ同士間、あるいはプロセッサとメモリーとの間の配線長を短くすることができ、その結果、電子機器の高速動作を実現することができる。

以下、本発明の冷却モジュール及び複合実装基板について、図面を参照しつつ詳しく説明する。本発明はその技術思想を有するものであれば以下の説明及び図面に限定されない。

図１は、本発明の冷却モジュールの一例を示す模式的な断面図であり、図２は、本発明の冷却モジュール内での蒸発−凝縮サイクルを示す模式図である。本発明の冷却モジュール５０は、図１に示すように、基板２に半導体素子１を実装してなる実装基板３が所定の隙間Ｇで複数積層されたスタック構造体５と、そのスタック構造体５を密封するパッケージ７と、そのパッケージ７の内部にスタック構造体５を沈める水位まで充填された冷媒６とを有している。そして、そのスタック構造体５の最上段に、ダミー基板４を有している。

スタック構造体５は、ＬＳＩやＩＣ等の素子１を基板２に実装してなる実装基板３を縦方向にスタック状に積み上げたものであり、図１の例では３つの実装基板３が縦方向に積み重ねられているが特にその数は限定されず、２つでも４つ以上でも構わない。基板２としては、セラミック基板や有機材料基板等を挙げることができ、こうした基板２に素子１が半田ボール、ワイヤー、ピン等の接続手段で接続され、図１の符号３で表す実装基板を構成している。なお、図１の例では、接続手段として半田ボールによる接続を行っている。

実装基板３は、スタック構造体５を構成し、所定の隙間Ｇで積層されている。この隙間Ｇは、上下に配置された実装基板３，３間の隙間であり、具体的には図１に示すように、下側の素子１の上面と上側の基板２の下面との間の距離である。隙間Ｇの大きさは、素子１に接触して気化した冷媒蒸気の流れ２１が後述する空間１０（スタック構造体５の側部にある。）の側に容易に向かうことができる寸法であればよい。具体的には例えば、（１）ｍｍ以上（５）ｍｍ以下、好ましくは（１）ｍｍ以上（２）ｍｍ以下の隙間Ｇを挙げることができる。積層する各実装基板３は、それぞれの間がピンやボール等の導電性の接続手段１５で電気的に接続されている。なお、図１の例では、接続手段１５としてピンによる接続を行っている。

ダミー基板４は、スタック構造体５の最上段に設けられている。ダミー基板４は、上記した実装基板３とほぼ同じ大きさであることが好ましく、また、その実装基板３を構成する基板２と同じ材質からなる基板であってもよいし、異なる材質からなる基板であってもよい。ダミー基板４と、その直ぐ下の実装基板３との間の隙間は、上記した実装基板間の隙間Ｇと同じ隙間であることが好ましい。なお、ダミー基板４には素子１が搭載されておらず、また、仮に搭載されていても発熱しない（動作しない）ように構成される。ダミー基板４と、そのの直ぐ下の実装基板３との間の接続手段１６は、上記した各実装基板間と同様の導電性の接続手段１５で接続されていてもよいし、絶縁性の接続手段で接続されていてもよい。こうしたスタック構造体５は、図１に示すように、規定量の冷媒６で沈められた態様で、パッケージ７内に密封されている。

パッケージ７は、内部にスタック構造体５を収容するとともに、規定量の冷媒６を注入してなる態様でそれらを密封する。パッケージ７の構成材料としては、アルミニウム等の金属材料や樹脂材料等を挙げることができる。特にその天井部分の外側には、図１等に示すように、熱伝導性のよい金属材料からなる放熱フィン８が設けられていることが好ましい。後述のように、素子１で発生した熱は最終的にはパッケージ７の周囲の空気へと放熱することになるため、素子１からの発熱量と動作温度によっては、パッケージ７の表面積だけでは放熱能力が不足する場合がある。そうした場合に、パッケージ７の一部（図１等を参照）、又は全面（図示しない）に放熱用の冷却フィン８を形成することが好ましい。なお、冷却フィン８は、実装する電子機器の性格に合わせて、プレートフィンやピンフィンなどが選択される。

パッケージ７のスタック構造体５の収容態様は、図１に示すように、スタック構造体５の少なくとも対向する側部と、パッケージ７の壁面との間に空間１０を有するように構成されている。この空間１０は、実装基板３，３間で生じた冷媒蒸気の流れ２１を上方に上昇させるための空間である。本発明では、こうした空間１０が少なくともスタック構造体５の対向する側部（すなわち平面視で四角形のスタック構造体５の場合には対向する２辺に対応する側部）とパッケージ７の壁面との間に形成されていればよいが、３辺に対応する側部に形成されていてもよいし、４辺全部に対応する側部に形成されていてもよい。なお、少なくとも対向する側部としたのは、対向しない２辺に対応する側部に形成されている場合は、実装基板３，３間で発生した冷媒蒸気の流れ２１がその空間１０に向かってスムースに流れないことがあるからである。

さらに、パッケージ７のスタック構造体５の収容態様は、図１に示すように、スタック構造体５の上部と、パッケージ７の天井との間にも空間１１を有するように構成されている。この空間１１は、上記空間１０を上昇してきた冷媒蒸気を液化して液状冷媒に戻すための空間である。なお、この空間１１は、上記したように、スタック構造体５を沈める水位まで満たされた冷媒６の液面とパッケージ７の天井面との間の空間を指している。そして、後述のように、この空間１１は、蒸発して気化した冷媒６を、再度凝縮させて液化して還流させるエリアとして働く。

パッケージ７内には冷媒６が注入されている。冷媒６は、パッケージ７の内容積やスタック構造体５の容積によって任意に決定されるが、図１に示すように、スタック構造体５の側部のある空間１０を満たすと共に、少なくとも最上部の発熱素子である素子１を沈める水位まで注入されている。実際には、最上段のダミー基板４の直ぐ下に実装された最上部の前記発熱素子１がドライアウトしないように、スタック構造体５を沈める水位までやや多めに入れておくことが好ましく、図１に示すように、所定の隙間Ｓを有するように空間１１の一部を満たす程度に注入されている。その隙間Ｓの長さは特に限定されないが、例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の寸法を例示できる。

冷媒６は、メモリー素子と直接接触させるために絶縁性かつ不活性であるとともに、パッケージ７内を蒸発−凝縮サイクルで環流する液体冷媒である。具体的には、例えばフロロカーボン、ハイドロフロロエーテル等の冷媒を挙げることができる。なお、これらの冷媒６は、ヒートパイプなどに使用されている水と比べて表面張力が１／１０と小さいため、毛細管力が小さく、特許第２８６５０９７号に開示されたヒートパイプのように細孔構造等のウイックは使用できないが、本発明では、パッケージの天井側に設けた空間１１で冷媒蒸気を液化して重力で落下させることにより、冷媒６の蒸発−凝縮サイクルを構成している。

なお、冷媒６は、低沸点のものを好ましく用いることができるが、パッケージ７の内部を減圧してから冷媒６を注入すれば冷媒の沸点を下げることができるので、必ずしも冷媒自身が低沸点のものである必要性はない。いずれにしても、冷媒６は、低沸点のもの、あるいはパッケージ７の内部が減圧されているため沸点が下がった状態のもので充填されている。

次に、本発明の冷却モジュールの冷却動作について詳しく説明する。素子１が動作して発熱すると、素子１に接触している液状冷媒６は沸点を超えて気化して冷媒蒸気となる。その際、液状冷媒の気化に必要なエネルギーを素子１から潜熱というかたちで奪う。液状冷媒は気化して冷媒蒸気となって膨張すると、体積が大きくなろうとするため圧力が上昇する。すると、その冷媒蒸気は、圧力の低いエリア、すなわち温度の低いエリアへと移動することになるが、素子１上部には上段の実装基板３があるため、横方向、すなわち図２の矢印の冷媒蒸気の流れ２１に示した向きに流出する。その流出先には、スタック構造体５の側部にある空間１０があり、その空間１０に到達した冷媒蒸気はその空間１０をパッケージ７の壁面に沿って上昇する。

空間１０を上昇した冷媒蒸気が温度の低いエリアである空間１１に移動すると、その冷媒蒸気は、そのエリアで冷やされて沸点以下となって凝縮し、液化する。液化した液状冷媒は、矢印の液体の流れ２２に示したように、重力によってスタック構造体５上又はスタック構造体５を満たした冷媒６に落下し、還流する。こうした冷媒６の流れ２１，２２は、蒸発−凝縮の循環サイクルを構成する。なお、こうした蒸発−凝縮サイクルはヒートパイプと同じ動作形態であるが、ヒートパイプと異なるのは、空間１１で凝縮し液状冷媒が重力によって落下して還流する点である。

冷媒６が凝縮して液化する際には、今度はエネルギーを外部、すなわち周囲の空気へ排熱する。そのため、凝縮エリアである空間１１に冷却フィン８を設ければ、冷却能力を向上させることができ、発熱量の大きな素子１を搭載することが可能となる。

以上のように、本発明の特徴は、気化した冷媒蒸気が上昇する空間１０と、液化した液状冷媒が落下する空間１１とが異なっていることにある。すなわち、図２に示す態様では、気化した冷媒蒸気はスタック構造体５の側部にある空間１０を上昇する。一方、上部の空間１１で冷却された冷媒蒸気は液化して液状冷媒となって、スタック構造体５の最上段のダミー基板４上又はそのダミー基板４を沈める程度に満たされた冷媒上に落下する。したがって、本発明では、蒸発−凝縮の循環サイクルを、冷媒蒸気と液状冷媒の移動が相互に干渉することなくパッケージ７内で生じさせることができる。こうした放熱経路からなる蒸発−凝縮の循環サイクルは、従来の熱伝導によるものよりも一桁伝熱能力の大きな沸騰熱伝達であり、熱を効率的にパッケージ７の外部へと伝熱させることができる。

また、冷媒６としてフロロカーボン等の表面張力が小さい冷媒を用いれば、冷媒６が微小な隙間に入り込むことができるので、実装基板３，３間の隙間や実装基板３とダミー基板４との間の隙間を小さくすることができる。その結果、スタック構造体５とパッケージ７を小型化でき、冷却モジュール５０を小型化できる。こうした小型化は、実装基板間の接続手段１５の長さを短くすることができ、実装基板間での信号伝達速度の遅延を極力抑制できる。

図３は、本発明の冷却モジュール５０を基板３０面上に隣接して配置した複合実装基板６０の一例である。上記した冷却モジュール５０の小型化は、図３に示すように、冷却モジュール５０，５０同士の間隔を狭めて同一の基板３０面上に並べることができるので、冷却モジュール５０，５０間の配線長を短くすることができ、冷却モジュール間での信号伝達速度の遅延を極力抑制できる。こうした複合実装基板６０によれば、パッケージングされた冷却モジュール５０を、図８に示すようなヒートシンク１０６を用いることなく隣接した態様で同一基板面上に複数配置できるので、プロセッサ等が実装されているマザーボードや、メモリーコントローラー等のＬＳＩが実装されている基板３０にパッケージ単位で、接続端子９を介して実装すれば、プロセッサ同士間、あるいはプロセッサとメモリーとの間の配線長を短くすることができ、その結果、電子機器の高速動作を実現することができる。

次に、本発明の冷却モジュールの他の形態について説明する。図４〜図６は、本発明の冷却モジュールの他の例を示す模式的な断面図である。上記した図１に示す冷却モジュール５０はパッケージ７の天井が平面構造であり、パッケージ７内を循環する冷媒６は図２に示す経路で移動して蒸発−凝縮の循環サイクルを構成する。

一方、図４に示す形態の冷却モジュール５１は、パッケージ７の天井が、その天井の中央に向かうにしたがってダミー基板４に近づく傾斜面１２を有した傾斜構造で構成されている。こうした傾斜面１２は、空間１０を上昇した冷媒蒸気が上方の天井に接触して冷やされて液状冷媒になったとき、その液状冷媒を傾斜面１２に沿って中央に導くことができる。中央に導かれた液状冷媒はダミー基板４上又はダミー基板４を沈める程度に注入された冷媒６上に落下することになり、冷媒蒸気の上昇と液状冷媒の落下とを別々の位置で起こすことができる。なお、傾斜面１２の傾斜度合いは特に限定されないが、ダミー基板４と天井面との間の寸法や、ダミー基板４を沈めるまで注入された冷媒６の水位と天井面との寸法等を考慮して設定される。例えば、約５°〜３０°程度の傾斜面１２とすることができる。

このため、気化した冷媒蒸気と凝縮した液状冷媒とがぶつかり合うことがさらに少なくなり、よりスムースに蒸発−凝縮サイクルを構成するこができる。その結果、循環サイクルの伝熱ロスが小さくなり、より冷却性能が向上、すなわち、より大きな発熱を生じる素子であっても搭載することが可能となる。

また、図５に示す形態の冷却モジュール５２は、空間１０をパッケージ７の壁面との間に有する側部のうち、スタック構造体５の少なくとも１辺を構成する側部に仕切板１４を設けた態様である。この仕切板１４は、個々の実装基板３，３間にそれぞれ設けられている。そして、この仕切板１４は、個々の実装基板３，３間で気化した冷媒蒸気の通過を妨げる抵抗として作用するので、気化した冷媒蒸気は仕切板１４が設けられている方向とは反対方向に流れ１１が起こる。そして、空間１０に到達した冷媒蒸気は、凝縮エリアである空間１１に向かい、そこで冷やされた後、液化し、圧力差によって、仕切板１４が設けられた側の空間１２に向かって液状冷媒の流れ１２が生じ、冷媒６へと還流する。こうした仕切板１４の作用によって、蒸発−凝縮サイクルにおける冷媒６の流れを一定方向に制御でき、蒸発−凝縮サイクルをよりスムースに行うことができるため、さらに冷却性能を向上させることができる。

こうした作用効果は、図５に示すように、仕切板１４によって形成された基板２との間の隙間Ｔの寸法によって制御することができる。その隙間Ｔが広すぎると、図１の場合と同様に、気化した冷媒蒸気は左右の空間１０に向かうことになる。一方、その隙間Ｔが狭すぎると、素子１部への冷媒６の供給が妨げられる。一例として、半田ボールを含む実装基板３の厚さを１〜２ｍｍ程度とし、実装基板間の隙間Ｇを１〜２ｍｍ程度としたとき、仕切板１４によって形成された基板２との間の隙間Ｔは、１ｍｍ又はそれ以下となるような狭い寸法で構成することが好ましい。

仕切板１４の形態は特に限定されない。例えば、(i)図５の下段に示すように、基板２の端部に仕切板１４を取り付けたものであってもよいし、(ii)図５の中段に示すように、端部を折り曲げ加工して仕切板１４とした板材を基板２の下面に取り付けたものであってもよい。こうした仕切板１４は、それぞれ同じ態様のものが各段に取り付けたものであってもよいし、図５のようにそれぞれ異なる態様の仕切板１４が設けられたものであってもよい。また、最上段にあるダミー基板４に設けられた仕切板１４は、前記(i)(ii)と同様に接続されていてもよいが、図５の上段に示すように、ダミー基板４の端部を折り曲げ加工して形成したものであってもよい。

なお、図５においては、仕切板１４は、実装基板３を構成する基板２から下側に垂れるようにその基板端部に設けられているが、こうした形態には必ずしも限定されない。例えば、仕切板１４は、実装基板３を構成する基板２から上側に向かうようにその基板端部に設けられていてもよい。仕切板１４の基板端部への接合手段も特に限定されず、各種の接合手段で設けることができる。

こうした仕切板１４は、スタック構造体５の少なくとも１辺を構成する側部に設けられていればよく、したがって、例えば平面視で四角形の実装基板３においては、四角形の１辺に設けられていても、２辺に設けられていても、３辺に設けられていてもよい。２辺に設けられた場合は、対向する２辺でも隣接する２辺であっても構わない。なかでも、１辺に設けられた態様が好ましく、冷媒蒸気が３辺から出やすいため、冷媒６の流れがスムースになるという効果がある。

また、図６に示す形態の冷却モジュール５３は、図５に示す形態の冷却モジュールにおいて、パッケージ７の天井を傾斜構造としたものである。この傾斜構造は、仕切板１４が設けられた側の空間１２に向かうにしたがってダミー基板４の側に近づけるように厚くした傾斜面１３を有するものである。こうした傾斜面１３を設けることにより、仕切板１４が設けられた側の空間１２に向かって液状冷媒の流れ１２をより容易にすることができる。

図７は、本発明を構成する実装基板の底面構造の一例を示す模式的な断面図である。図７（Ａ）は、図１及び図４に示す冷却モジュール５０，５１において、その底面構造を傾斜構造とした例である。この例では、実装基板３を構成する基板の底面側の厚さを、中央ほど厚くし、中央から両側に向かうにしたがって薄くなる傾斜面１８を設けている。こうした傾斜面１８とすることにより、発熱した素子１によって気化された冷媒蒸気は、左右の空間１０，１０に向かって容易に流れ易くなる。

また、図７（Ｂ）は、図５及び図６に示す冷却モジュール５２，５３において、その底面構造を傾斜構造とした例である。この例では、実装基板３を構成する基板の底面側の厚さを、仕切板１４が形成された端部側ほど厚くし、仕切板１４が形成されていない側に向かうにしたがって薄くなる傾斜面１９を設けている。こうした傾斜面１９とすることにより、発熱した素子１によって気化された冷媒蒸気は、空間１０に向かって容易に流れ易くなる。

以上説明したように、本発明の冷却モジュールによれば、各半導体素子１に接触して気化した冷媒蒸気は、実装基板３，３間の隙間Ｇを通過した後、スタック構造体５の側部とパッケージ７の壁面との間の空間１０に至ってその空間１０を上昇する。そして、空間１０を上昇した冷媒蒸気は、パッケージ７の天井で液化するが、スタック構造体５の最上段には冷媒蒸気が発生しないダミー基板４が設けられているので、液化した冷媒は前記の空間１０部に落下せずに、冷媒蒸気が発生しないダミー基板４上に落下する。その結果、本発明の冷却モジュールでは、気化した冷媒蒸気の上昇と液化した液状冷媒の落下とが別々の部位で起こるので、冷媒６の環流ルートが分離された循環系になり、気化−液化の循環サイクル（環流）にロスが生じない。よって、電子機器等に使用されるＬＳＩやＩＣ等の高速動作を実現するためのスタック構造体を備えたモジュールについて、極めて効果的に冷却することができる。

さらに、本発明の冷却モジュールによれば、伝熱形態のなかでその能力が最も大きな沸騰熱伝達を蒸気−液体の移動の干渉なく循環させることができるので、発熱量の大きなプロセッサやメモリー等の素子１を配線長が短いスタック構造体５としてパッケージ７内に収容できる。

さらに、本発明の冷却モジュールによれば、個々のスタック構造体５毎にパッケージ構造としたので、基板３０へのアッセイや不良が生じた際のリペアがパッケージ単位で容易にできるという効果がある。さらに、素子１がベアチップで構成されていても、全体はパッケージ７で覆われているため、人が触ることによって生じる静電気破壊などの問題もない。

本発明の冷却モジュールは、コンピュータなどの計算機の高速・高密度化を実現するための実装構造として適用できる。また、小型・多機能化を実現するための携帯端末機器にも適用可能である。

本発明の冷却モジュールの一例を示す模式的な断面図である。 本発明の冷却モジュール内での蒸発−凝縮サイクルを示す模式図である。 本発明の冷却モジュールを基板面上に隣接して配置した複合実装基板の一例である。 本発明の冷却モジュールの他の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の冷却モジュールのさらに他の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の冷却モジュールのさらに他の一例を示す模式的な断面図である。 本発明を構成する実装基板の底面構造の一例を示す模式的な断面図である。 従来の実装構造を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 基板
３ 実装基板
４ ダミー基板
５ スタック構造体
６ 冷媒
７ パッケージ
８ 冷却フィン
９ モジュールの接続手段
１０ 側部空間
１１ 上部空間
１２，１３ 傾斜面
１４ 仕切板
１５ 実装基板間の接続手段
１６ ダミー基板と実装基板との間の接続手段
１７ 実装基板の底面
１８，１９ 傾斜面
２１ 冷媒蒸気の流れ
２２ 液体冷媒の流れ
３０ 基板
５０，５１，５２，５３ 冷却モジュール
６０ 複合実装基板
Ｇ 実装基板間の隙間
Ｓ 上部空間の隙間
Ｔ 仕切板によって形成された基板との間の隙間

Claims (8)

1. 半導体素子の実装基板が所定の隙間で複数積層された構造体であって該構造体の最上段にダミー基板が設けられているスタック構造体と、
   前記スタック構造体の少なくとも対向する側部との間及び前記スタック構造体の上部との間にそれぞれ空間を有するように該スタック構造体を配置して密封するパッケージと、
   前記パッケージの内部に前記スタック構造体を沈める水位まで充填された冷媒と、を有することを特徴とする冷却モジュール。
2. 前記冷媒は、蒸発−凝縮サイクルで前記パッケージ内を環流する絶縁性で不活性の冷媒であり、
   気化した前記冷媒は前記スタック構造体の側部と前記パッケージとの間の空間を上昇し、液化した前記冷媒は前記気化した冷媒が上昇する空間以外の部位で落下する、請求項１に記載の冷却モジュール。
3. 前記パッケージの天井は、平面構造からなる、請求項１又は２に記載の冷却モジュール。
4. 前記パッケージの天井は、該天井の中央に向かうにしたがって前記ダミー基板に近づく傾斜構造からなる、請求項１又は２に記載の冷却モジュール。
5. 前記空間を前記パッケージとの間に有する側部のうち、前記スタック構造体の少なくとも１辺を構成する側部には、個々の実装基板間で気化した前記冷媒の通過を妨げる仕切板が個々の実装基板間にそれぞれ設けられている、請求項１又は２に記載の冷却モジュール。
6. 前記パッケージの天井は、前記仕切板が設けられた側の空間に向かうにしたがって厚くなる傾斜構造からなる、請求項５に記載の冷却モジュール。
7. 前記実装基板の下面は、気化した前記冷媒が上昇する空間に向かうにしたがって薄くなる傾斜構造からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷却モジュールを同一基板面上に複数配置してなることを特徴とする複合実装基板。

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