JP2010251432A - Cooling device - Google Patents

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Keisuke Shinagawa
啓介 品川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cooling device utilizing radiation cooling wherein a solid alumina material having high emissivity in the infrared range is brought into contact with the core or the package of a semiconductor integrated circuit with relatively high driving electric power such as a compact CPU or ASIC serving as a kernel to enhance or maintain performance in compact equipment via a metal plate for heat transfer which has high thermal conductivity such as, for example, an aluminum plate and a copper plate to convert thermal energy into infrared light and then emit it. <P>SOLUTION: The cooling device includes the metal plate for heat transfer mounted on the top surface of the core or package of the semiconductor integrated circuit, and an alumina plate further mounted on the metal plate for heat transfer and composed principally of the alumina material of ≥0.8 in emissivity for radiation cooling, the area of the heat transfer plate and the area of the alumina plate being larger than that of the top surface of the core or package. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、アルミナ材料を用いた冷却板、及び冷却方法、特に効率の良い放射冷却の期待できる高効率の放射率を有するアルミナ材料を用いた冷却装置に関する。さらに詳しく言えば、本発明は近年、小型化、多機能、高速化の進歩と普及の著しい、ノートパソコン、ネットブック、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、高機能携帯電話(スマートフォン)などの個人向け携帯機器など、薄型の小型機器の本体内の密閉空間において高集積回路を駆動した時の発熱を好適に外部へ放出しえる冷却装置に関する。   The present invention relates to a cooling plate using an alumina material and a cooling method, and more particularly, to a cooling device using an alumina material having a high emissivity that can be expected for efficient radiative cooling. More specifically, the present invention has recently been remarkably progressed in the downsizing, multi-function, and high-speed, and has been widely used for personal use such as notebook computers, netbooks, personal digital assistants (PDAs), and high-performance mobile phones (smartphones). The present invention relates to a cooling device capable of suitably releasing heat generated when a highly integrated circuit is driven in a sealed space in a main body of a thin small device such as a device.

近年、屋外を含めた無線ローカルエリアネットワーク(無線LAN)を始めとする各種通信インフラの急激な普及が、ノートパソコンやネットブックなどの携帯型コンピュータ、PDA、スマートフォン等の個人向け携帯機器の需要を喚起しており、製品の差別化の要求から多機能型、高速型の小型電子機器の需要が増加している。これまで、これらの機器の多機能化、高速化は、半導体集積回路の微細加工技術の進展に合わせて実現されてきたが、近年、物理的限界により微細加工技術の発展が鈍化しており、これを解決するために集積化回路チップを積層化する技術の導入が検討されている。   In recent years, the rapid spread of various communication infrastructures including wireless local area networks (wireless LANs) including the outdoors has led to the demand for portable computers such as notebook computers and netbooks, personal portable devices such as PDAs and smartphones. The demand for multifunctional and high-speed small electronic devices is increasing due to demand for product differentiation. Up to now, the multi-functionalization and high-speed operation of these devices have been realized along with the progress of micro-processing technology of semiconductor integrated circuits, but in recent years, the development of micro-processing technology has slowed due to physical limitations. In order to solve this problem, introduction of a technique for stacking integrated circuit chips is being studied.

ところが積層構造のような高密度実装においては、微小面積に対して発熱が集中して、内部温度が上昇するため集積回路駆動時のエラーが発生しやすい。また、これとは別のアプローチとして、パーソナルコンピュータ用CPUを低消費電力化し、携帯端末へ適用する検討も進められているが、もともと発熱の多いCPUをベースとしているため、消費電力の制約から本来の機能を引き出せずにいるのが現状である。さらには、このCPUをベースに積層構造の集積回路を適用したCPUの開発も検討されている。このようななか、冷却効率のよい小型冷却装置の要求が強くなっているがこの要求を充分に満足するものがない。一般に、個人向け携帯機器の性能向上の核となる、CPUやASIC、FPGAなどの半導体集積回路においては、従来の比較的大型の据え置き型ノートパソコンの仕様から推測すると、高機能化・高速化が可能な小型CPUやASIC、FPGAの駆動電力は〜20W程度が予想される。ところが、現状の携帯機器の性能維持の核となる、小型CPUやASIC、FPGAなどの半導体集積回路の駆動電力は2W〜4W程度を用いているのが現状である。かかる現状の原因は携帯機器が内蔵する電池の容量が不足していることのみならず、発熱の問題も主な原因の1つと考えられる。なぜなら、一般に半導体集積回路の駆動時に、半導体集積回路の温度がおおよそ90℃以上に上昇すると、絶縁膜内にリーク電流が発生し、エラーを誘発するからである(下記引用文献参照)。   However, in high-density mounting such as a laminated structure, heat is concentrated on a small area and the internal temperature rises, so that an error in driving an integrated circuit is likely to occur. Another approach is to reduce the power consumption of personal computer CPUs and apply them to mobile devices. However, because it is based on a CPU that generates a lot of heat, it is inherently limited due to power consumption constraints. It is the present situation that we do not draw out the function of. Furthermore, development of a CPU using an integrated circuit having a laminated structure based on this CPU is also being studied. Under such circumstances, there is an increasing demand for a small cooling device with good cooling efficiency, but none satisfies this requirement sufficiently. In general, semiconductor integrated circuits such as CPUs, ASICs, and FPGAs, which are the core for improving the performance of personal mobile devices, are expected to have higher functionality and higher speeds, as estimated from the specifications of conventional relatively large stationary notebook computers. The drive power of possible small CPUs, ASICs and FPGAs is expected to be ~ 20W. However, the current driving power of semiconductor integrated circuits such as small CPUs, ASICs, and FPGAs, which is the core of maintaining the performance of current portable devices, is about 2 W to 4 W. The cause of the current situation is not only that the capacity of the battery built in the portable device is insufficient, but also the problem of heat generation is considered to be one of the main causes. This is because, in general, when the temperature of the semiconductor integrated circuit rises to approximately 90 ° C. or higher during driving of the semiconductor integrated circuit, a leak current is generated in the insulating film to induce an error (see the following cited document).

Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology” Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.
Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology ”Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.

このような状況に至った理由としては、従来の冷却法が、原理的に大きな熱媒体を必要とするフィン型ヒートシンクや、基板を介した熱伝導に依存しており、個人向け携帯機器のサイズにかなう手法があまり検討されていなかったことによる。この問題を解決するために、半導体集積回路や端子ピッチが異なる集積回路チップとメイン基板の間で中継するためのインターポーザーに冷却機構としてマイクロ流路を設ける開発が進められているが(下記引用文献参照)、これらの流路形成には微細加工技術を用いており、製造工程増とコスト高を伴う可能性が高く、個人向け携帯端末よりもハイエンド品への適用が適した解と言える。   The reason for this situation is that the conventional cooling method relies on a fin-type heat sink that requires a large heat medium in principle and heat conduction through the substrate. This is due to the fact that no reasonable method has been studied. In order to solve this problem, the development of providing a micro flow path as a cooling mechanism in an interposer for relaying between an integrated circuit chip having a different terminal pitch and a semiconductor integrated circuit and a main substrate is underway (see below). (Refer to the literature), the micro-fabrication technology is used for forming these flow paths, and there is a high possibility that the manufacturing process increases and the cost is high, and it can be said that the solution is more suitable for high-end products than personal portable terminals.

J. U. Knickerbocker, et al. “System-on-Package
(SOP) Technology, Characterization and Applications”Electronic
Components and Technology Conference, pp415-421, 2006.

Calvin. R. King, Jr., et al. “3D Stacking of
Chips with Electrical and Microfluidic I/O Interconnects” Electronic Components and Technology Conference, pp1-7, 2008.

M. Yu, et al. “Fabrication of Silicon Carriers with TSV Electrical Interconnections
and Embedded Thermal Solutions for High Power 3-D Package” Electronic Components and Technology Conference, pp24-28, 2008.

M. Sunohara, et al. “Silicon Interposer with
TSVs(Through Silicon Vias) and Fine Multilayer Wireing”
Electronic Components and Technology Conference, pp847-852, 2008.
JU Knickerbocker, et al. “System-on-Package
(SOP) Technology, Characterization and Applications ”Electronic
Components and Technology Conference, pp415-421, 2006.

Calvin. R. King, Jr., et al. “3D Stacking of
Chips with Electrical and Microfluidic I / O Interconnects ”Electronic Components and Technology Conference, pp1-7, 2008.

M. Yu, et al. “Fabrication of Silicon Carriers with TSV Electrical Interconnections
and Embedded Thermal Solutions for High Power 3-D Package ”Electronic Components and Technology Conference, pp24-28, 2008.

M. Sunohara, et al. “Silicon Interposer with
TSVs (Through Silicon Vias) and Fine Multilayer Wireing ”
Electronic Components and Technology Conference, pp847-852, 2008.

特許文献1では、アルミナの含有率が95重量%以上で好ましくは97重量%乃至98重量パーセントであり、熱放射率が0.93乃至0.98で30〜60W/m・Kの熱伝導率を有する20(mm;幅)×40(mm;長さ)×6(mm;厚み)の形状の陶磁器熱放射性固体物を、表面(上面)温度を98〜100℃に設定した発熱体(20(mm;幅)×40(mm;長さ)×3(mm;厚み)の形状のマイカヒーター)の上面に密着させたところ、10分後には67℃に低下してその温度を維持した旨が開示されている(0016段落、0020段落及び表3)。   In Patent Document 1, the alumina content is 95% by weight or more, preferably 97% by weight to 98% by weight, the thermal emissivity is 0.93 to 0.98, and the thermal conductivity is 30 to 60 W / m · K. 20 (mm; width) × 40 (mm; length) × 6 (mm; thickness) of a ceramic heat-radiating solid material having a surface (upper surface) temperature of 98 to 100 ° C. (mm; width) x 40 (mm; length) x 3 (mm; thickness) mica heater) When in close contact, the temperature dropped to 67 ° C after 10 minutes and maintained that temperature Are disclosed (paragraphs 0016, 0020 and Table 3).

又特許文献2では、ノート型パーソナルコンピュータやフラットパネルディスプレイなどの薄型又は小型の電子機器に好適であって放熱を効率よく行なえる熱放射膜、熱放射構造体、熱放射性部材、及び熱放射性機器を提供することを課題とし、電子機器の筐体(基材)20の表面上に、アルミニウム層21とSiO0.98層22a/SiO1.20層22b/SiO1.70層22cの4層の膜をコーティングして、光反射性のアルミニウム層21上に3層の積層膜からなる波長選択放射膜22を形成した熱放射構造体23、及びこの熱放射構造体23を外表面に設けた電子機器が開示されている。   In Patent Document 2, a heat radiation film, a heat radiation structure, a heat radiation member, and a heat radiation device that are suitable for thin or small electronic devices such as notebook personal computers and flat panel displays and that can efficiently dissipate heat. 4 layers of an aluminum layer 21 and a SiO 0.98 layer 22a / SiO 1.20 layer 22b / SiO 1.70 layer 22c are formed on the surface of the casing (base material) 20 of the electronic device. A heat radiation structure 23 in which a wavelength selective radiation film 22 composed of a three-layered film is formed on a light-reflective aluminum layer 21 by coating, and an electronic device provided with this heat radiation structure 23 on the outer surface It is disclosed.

特開2006−298703号公報JP 2006-298703 A 特開2005−144985号公報JP 2005-144985 A

しかし、特許文献1では、アルミナの含有率が好ましくは97重量%乃至98重量パーセントの陶磁器熱放射性固体物が冷却用に好適であることは示されているが、どの位の発熱量の半導体に用いることができるかについては何ら示されていない。   However, Patent Document 1 shows that ceramic heat-radiating solids having an alumina content of preferably 97 wt% to 98 wt% are suitable for cooling. There is no indication as to whether it can be used.

又、特許文献2(特開2005−144985号公報)では、酸化珪素、チッカ珪素とポリビニルクロライド又はポリビニルフルオライドによって構成される熱放射膜による放射冷却法を提案しているが、たとえ放射率が0.7〜0.9と高い値でも、熱放熱膜を用いているため、熱源との固定において空隙の発生による熱抵抗の増加や、接着材自身の熱抵抗追加が予想され、本件の課題である個人向け携帯機器への利用、性能向上にかなっているかは明確ではない。   Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-144985) proposes a radiation cooling method using a heat radiation film composed of silicon oxide, ticker silicon and polyvinyl chloride or polyvinyl fluoride. Even with a high value of 0.7 to 0.9, a heat dissipation film is used, so an increase in thermal resistance due to the generation of voids and the addition of the thermal resistance of the adhesive itself are expected when fixing to the heat source. It is not clear whether it is suitable for use in personal portable devices and improving performance.

先に述べたように、個人向け携帯機器に利用される半導体集積回路の駆動電力は、いまのところ2〜4W程度であり、たとえこれ以上に駆動電力が高く動作するように設計されていても、駆動電力を下げ性能を制限する手法に依存しているのが現状である。一般に、半導体集積回路では、高速化は駆動電力に依存しており、最大20W程度の駆動電力を投入できれば概ね多機能高速化に対応できる。個人向け携帯機器に利用できる冷却装置の最大面積は概ね100mm×100mm程度であり平板であることが有利である。この平板で20W/10000mmの熱エネルギー放出能力を有する放熱機構を提供することにより、半導体集積回路のエラーを誘発する一般的温度である90℃よりも低い温度に保つ装置を提供することを課題とする。 As described above, the driving power of a semiconductor integrated circuit used in a personal portable device is currently about 2 to 4 W, even if the driving power is designed to be higher than this. The current situation is that it relies on a technique for reducing drive power and limiting performance. In general, in a semiconductor integrated circuit, speeding up depends on driving power, and if a driving power of up to about 20 W can be input, it can generally cope with multi-function speeding up. The maximum area of the cooling device that can be used for personal portable devices is approximately 100 mm × 100 mm, and is advantageously a flat plate. It is an object of the present invention to provide a device that maintains a temperature lower than 90 ° C., which is a general temperature that induces an error of a semiconductor integrated circuit, by providing a heat dissipation mechanism having a thermal energy discharge capability of 20 W / 10000 mm 2 with this flat plate. And

また、放射冷却は無電源の冷却機構であることから、従来20W程度の駆動電力の半導体集積には、この出力の1/10程度の空冷用ファンを搭載することが一般的であるので1/10程度の省電力を可能とする(インテル D945GCLF2基板搭載ファンを参考にした)。本発明では、小型機器中で性能向上または維持の核となる小型CPU,ASICなどの比較的駆動電力の高い半導体集積回路に例えばアルミ板や銅板などの高い熱伝導率を有する伝熱用金属板を介して、赤外領域での高い放射率を有する固体アルミナ材料を接触させ、熱エネルギーを赤外光に変換して放出する放射冷却を利用した冷却装置を提供することを目的とする。   In addition, since radiative cooling is a cooling mechanism with no power supply, it is common to mount an air cooling fan of about 1/10 of this output in a conventional semiconductor integration of about 20 W of driving power. Power saving of about 10 is possible (referred to the Intel D945GCLF2 board mounted fan). In the present invention, a metal plate for heat transfer having a high thermal conductivity such as an aluminum plate or a copper plate is applied to a semiconductor integrated circuit having a relatively high driving power, such as a small CPU or ASIC, which is the core of performance improvement or maintenance in a small device. An object of the present invention is to provide a cooling device using radiant cooling that contacts a solid alumina material having a high emissivity in the infrared region through heat and converts thermal energy into infrared light and emits it.

本発明者が鋭意検討した結果、個人携帯機器中の半導体集積回路の駆動によって発生した熱を効率よく外部へ放熱するには、小型携帯性と効率の良い放熱特性の両件を満たす手法が必要である。これには、平板構造でよりよく熱を放熱できる、高放射率を有するアルミナ材を直接半導体集積回路パッケージ表面に接触させて、熱をアルミナ材平板に熱伝導により移動させ、これらを赤外光に変換させて放射する放射冷却を用いればよいと考え本発明に至った。すなわち、上記課題を解決するために本発明の冷却装置は、半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率0.8以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、前記伝熱板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする。好ましくは前記セラミック板を前記コア又はパッケージ表面に載置した状態で前記アルミナ板に85kgf/m以上の荷重を加えて使用する As a result of intensive studies by the inventor, in order to efficiently dissipate the heat generated by driving a semiconductor integrated circuit in a personal portable device to the outside, a technique that satisfies both the small portability and the efficient heat dissipation characteristics is necessary. It is. For this purpose, an alumina material having a high emissivity, which can dissipate heat better in a flat plate structure, is brought into direct contact with the surface of the semiconductor integrated circuit package, and the heat is transferred to the alumina material flat plate by heat conduction, and these are transferred to infrared light. The present inventors have considered that it is sufficient to use radiant cooling that is radiated after being converted into the present invention. That is, in order to solve the above problems, a cooling device of the present invention includes a heat transfer metal plate placed on the core or package surface of a semiconductor integrated circuit, and a radiation cooling plate further placed on the heat transfer metal plate. And an alumina plate mainly composed of an alumina material having an emissivity of 0.8 or more, wherein the area of the heat transfer plate and the area of the alumina plate are more than the area of the surface of the core or package. Is also large. Preferably, a load of 85 kgf / m 2 or more is applied to the alumina plate in a state where the ceramic plate is placed on the core or package surface.

高さ方向に嵩張る冷却フィンや駆動電力を必要とする冷却ファンを必要とせず、CPU等の発熱量の多い半導体デバイスを熱放射により効率的に冷却可能な薄型で、小型高効率の冷却装置を提供することができる。特に樹脂や金属性の筺体に密閉されている小型電子機器の半導体デバイスの冷却に好適な小型高効率の冷却装置を提供することができる。   A thin, small and highly efficient cooling device that can efficiently cool a semiconductor device with a large amount of heat generation such as a CPU by heat radiation without the need for cooling fins that are bulky in the height direction or a cooling fan that requires driving power. Can be provided. In particular, a small and highly efficient cooling device suitable for cooling a semiconductor device of a small electronic device sealed in a resin or metal housing can be provided.

本発明の冷却装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the cooling device of this invention. 本発明実験に用いたアルミナ(西村陶業製N−9H)の放射率を求めた際のデータを示す図である。It is a figure which shows the data at the time of calculating | requiring the emissivity of the alumina (Nishimura Ceramics N-9H) used for this invention experiment. 本発明の冷却板の特性調査に用いた装置を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the apparatus used for the characteristic investigation of the cooling plate of this invention. アルミナ平板と銅平板の表面温度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the surface temperature of an alumina flat plate and a copper flat plate. それぞれ寸法の異なるアルミナ平板A,B,Cにおける飽和温度80℃に至る温度特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic to the saturation temperature of 80 degreeC in the alumina flat plates A, B, and C from which dimensions differ, respectively. 飽和温度80℃の場合における熱放射エネルギーとアルミナ平板ヒートシンク面積との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thermal radiation energy in the case of saturation temperature 80 degreeC, and an alumina flat plate heat sink area. それぞれ面積の異なるアルミナヒートシンクにおける荷重と熱放射エネルギーとの関係(飽和温度80℃)を示す図である。It is a figure which shows the relationship (saturation temperature of 80 degreeC) of the load and thermal radiation energy in the alumina heat sink from which each area differs. アルミナ板厚と放熱可能なエネルギーとの関係(飽和温度80℃)を示す図である。It is a figure which shows the relationship (saturation temperature 80 degreeC) of the alumina board thickness and the energy which can be thermally dissipated. 図7におけるBのアルミナ平板ヒートシンクを用いた場合の表面温度の比較(飽和温度80℃)を示す図である。It is a figure which shows the comparison (saturation temperature of 80 degreeC) of the surface temperature at the time of using the alumina flat plate heat sink of B in FIG. 図7におけるBのアルミナ平板ヒートシンクと同じサイズの金属板をヒータとの間に挟んだ場合の表面温度の比較(飽和温度80℃)を示す図である。It is a figure which shows the comparison (surface saturation temperature of 80 degreeC) of the surface temperature at the time of pinching | interposing between the heaters the metal plate of the same size as the alumina flat plate heat sink of B in FIG. 図10のアルミナ平板+金属板+ヒータと図9のアルミナ平板+ヒータの放熱エネルギーとアルミナ平板面積依存性の比較する図である。10 is a diagram for comparing the heat radiation energy and alumina plate area dependence of the alumina flat plate + metal plate + heater of FIG. 10 and the alumina flat plate + heater of FIG. 実施例1〜4の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the side surface of the experimental apparatus used for experiment of Examples 1-4. 実施例5〜7の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the side surface of the experimental apparatus used for experiment of Examples 5-7. 実施例8〜10の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the side surface of the experimental apparatus used for experiment of Examples 8-10. 実施例11〜13の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the side surface of the experimental apparatus used for experiment of Examples 11-13. 実施例14の実験に用いた実験装置の側面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the side surface of the experimental apparatus used for experiment of Example 14. FIG.

以下、図面を参照して、本発明に係る冷却板、及び冷却方法の好適な実施形態について詳細に説明する。図1に、本発明の原理を示す簡単な構成図を示す。図1は半導体集積回路及びパッケージ12に冷却用のアルミナ材平板11とを重ねて載置したものであり、半導体集積回路のコア又はパッケージ12からアルミナ材平板11へは熱伝導で熱が移動し、アルミナ材平板11から外部空間へは赤外放射により放射冷却によって熱が移動する。一般にセラミックであるアルミナ、ジルコン、窒化アルミナ、などは放射率が高いことが知られているが、特にアルミナは、安価で且つ高純度化が容易で放射率を高くすることが容易であり、且つ他のセラミックに比べて強度があるため、厚みを薄くすることが可能であり、応用範囲が広いことから本発明の素材とした。   Hereinafter, preferred embodiments of a cooling plate and a cooling method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a simple configuration diagram illustrating the principle of the present invention. FIG. 1 shows a semiconductor integrated circuit and a package 12 placed with an alumina plate 11 for cooling superimposed thereon. Heat is transferred from the core or package 12 of the semiconductor integrated circuit to the alumina plate 11 by heat conduction. Heat is transferred from the alumina plate 11 to the external space by radiation cooling by infrared radiation. In general, alumina, zircon, alumina nitride, and the like that are ceramics are known to have high emissivity, but alumina is particularly inexpensive, easy to purify, and easy to increase emissivity, and Since it has strength compared to other ceramics, it is possible to reduce the thickness, and since it has a wide range of applications, it was used as the material of the present invention.

従来、アルミナ材を用いたヒートシンクに所定の熱を加えて温度を計測した例はあるが、アルミナ材を利用した冷却装置について、具体的にどの程度の放熱が可能かについて調べた例はない。そこで、本発明者は、以下の手順で、放熱が放射冷却であることの証明と放熱能力について詳細に調べ、アルミナ平板(アルミナヒートシンク31)が、20W/10000mm程度の放出能力を有することを検証した。ここで用いたアルミナ平板の純度は約99%であり、放射率は約0.97(室温〜100℃)である。放射率は、財団法人ファインセラミックスセンターにおいてPerkin Elmer製 SYSTEM2000型 FTIR測定器を用い、放射体が理想物体(黒体)であるときの放射と、アルミナ平板の放射の比(全波長の比)から算出された。その際測定されたアルミナ平板の放射率の一例を図2に示す(30℃、80℃、100℃で0,97)。 Conventionally, there is an example in which a predetermined heat is applied to a heat sink using an alumina material, and the temperature is measured. However, there is no example of specifically examining how much heat can be radiated in a cooling device using an alumina material. Therefore, the present inventor examined in detail the proof that the heat radiation is radiative cooling and the heat radiation capacity in the following procedure, and that the alumina flat plate (alumina heat sink 31) has a discharge capacity of about 20 W / 10000 mm 2. Verified. The purity of the alumina flat plate used here is about 99%, and the emissivity is about 0.97 (room temperature to 100 ° C.). The emissivity is calculated from the ratio of the radiation when the radiator is an ideal object (black body) and the radiation of the alumina flat plate (ratio of all wavelengths) using a Perkin Elmer SYSTEM2000 FTIR measuring instrument at the Fine Ceramics Center. Calculated. An example of the emissivity of the alumina flat plate measured at that time is shown in FIG. 2 (0,97 at 30 ° C., 80 ° C. and 100 ° C.).

図3に本研究に用いた実験装置を示す。主な構成は、20mm(X)×40mm(Y)×2mm(Z)サイズの薄いレジスタンスヒータ(抵抗加熱ヒータ)32と、同じ形状の異なる放射率を有する平板のアルミナヒートシンク31である。アルミナヒートシンク31は比較的高い放射率値である0.97を有し, 比較のための銅製ヒートシンクは低い放射率値である0.1を有する。レジスタンスヒータ32のヒータ表面はステンレススチール(放射率は0.05と非常に低い)でカバーされておりヒータ自身の放射(冷却)の影響を少なくしている。平板のアルミナヒートシンク31は、複数のニードルによってZ軸方向に400Kgf/mの荷重とともに押し付けられる。
ニードルは有機材をベースとしており、熱伝導率は0.15〜0.25W/mKと非常に小さいので、ニードル固定により熱的に孤立しており熱エネルギーの熱伝導による移動は実験上無視し得る。
Fig. 3 shows the experimental apparatus used in this study. The main configuration is a thin resistance heater (resistance heater) 32 having a size of 20 mm (X) × 40 mm (Y) × 2 mm (Z) and a flat alumina heat sink 31 having the same shape and different emissivity. The alumina heat sink 31 has a relatively high emissivity value of 0.97, and the copper heat sink for comparison has a low emissivity value of 0.1. The heater surface of the resistance heater 32 is covered with stainless steel (the emissivity is as low as 0.05) to reduce the influence of radiation (cooling) of the heater itself. The flat alumina heat sink 31 is pressed with a load of 400 kgf / m 2 in the Z-axis direction by a plurality of needles.
The needle is based on an organic material, and its thermal conductivity is as low as 0.15 to 0.25 W / mK, so it is thermally isolated by fixing the needle, and the movement of heat energy due to heat conduction is ignored in the experiment. obtain.

本実験装置は、外気と風の影響を避けるために密閉したガラス製の容器(359mm(X)×220mm(Y)×262mm(Z))に収納さている。アルミナヒートシンク31からの赤外放射はガラス容器を通過し、その外周にある黒い布に吸収される。この実験を通して、容器内の温度は室温から変化せず、無風であることを確認している(風速はAnomoster Model AM−B11/11−2111 (日本化学工業製)の計測で検出下限以下の0.05m/secであった)。従って、この実験系では空冷効果ができる限り排除されていることが分かる(一般に,平板のヒートシンクでは、風速0〜3m/secではあまり空冷効果は、現れない。下記引用文献参照)。この条件下で、30〜120分間、ヒータに5W前後の範囲で一定電力を供給しレジスタンスヒータ32表面の温度を熱伝対で測定し、飽和温度を判定する。   This experimental apparatus is housed in a sealed glass container (359 mm (X) × 220 mm (Y) × 262 mm (Z)) in order to avoid the influence of outside air and wind. Infrared radiation from the alumina heat sink 31 passes through the glass container and is absorbed by the black cloth on the outer periphery thereof. Through this experiment, it was confirmed that the temperature in the container did not change from room temperature and was no wind (the wind speed was 0 below the detection lower limit in the measurement of Anoster Model AM-B11 / 11-2111 (manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.)). .05 m / sec). Therefore, it can be seen that the air cooling effect is eliminated as much as possible in this experimental system (in general, a flat plate heat sink does not show much air cooling effect at a wind speed of 0 to 3 m / sec. See the following cited reference). Under this condition, a constant power is supplied to the heater in the range of about 5 W for 30 to 120 minutes, and the temperature of the resistance heater 32 surface is measured with a thermocouple to determine the saturation temperature.

Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology” Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.
Y. Kurita, et al. “A 3D Stacked Memory
Integrated on a Logic Device Using SMAFTI
Technology ”Electronic Components and Technology
Conference, pp821-829, 2007.

また、後述の応用実験では、ヒータ表面が飽和温度80℃に達したときにおける供給電力(アルミナヒートシンク31からの熱放出エネルギー)のヒートシシンク面積依存性を調べる。その際、実験取り扱いを、容易にするために比較的大きなサイズ(24mm(X)×49mm(Y)×1.9mm(Z))の
ヒータと三種類のアルミナヒートシンクを組み合わせて実験する(アルミナヒートシンク31A.50mm(X) ×50mm(Y)×5mm(Z), アルミナヒートシンク31B.75mm(X)×75mm(Y)×5mm(Z) , アルミナヒートシンク31C.100mm(X)×100mm(Y)×5mm(Z))。
Further, in an application experiment described later, the dependency of the supplied power (heat release energy from the alumina heat sink 31) when the heater surface reaches the saturation temperature of 80 ° C. is examined. At that time, in order to facilitate the handling of the experiment, a relatively large size (24 mm (X) × 49 mm (Y) × 1.9 mm (Z)) heater and three types of alumina heat sinks are combined (alumina heat sink). 31A. 50 mm (X) x 50 mm (Y) x 5 mm (Z), Alumina heat sink 31 B. 75 mm (X) x 75 mm (Y) x 5 mm (Z), Alumina heat sink 31 C. 100 mm (X) x 100 mm (Y) x 5 mm (Z)).

図4に、異なる放射率を有するアルミナヒートシンク31の冷却効果を示す。図中、ヒータ表面温度を示すカーブは、アルミナヒートシンク31と銅製平板の結果である(ヒータサイズ、ヒートシンクの何れのサイズも20mm(X)×40mm(Y)×2mm(Z)である.)。30分間半導体集積回路に見立てたヒータに対して供給電力を5Wに固定して、ヒータ表面の温度上昇を測定した。ヒートシンクを用いない場合(コントロール)、ヒータ表面温度は室温から97℃まで急激に上昇し以後一定となる。なおこの温度は一般的な半導体集積回路の駆動においてエラーを発生する温度である。   FIG. 4 shows the cooling effect of the alumina heat sink 31 having different emissivities. In the figure, the curve indicating the heater surface temperature is the result of the alumina heat sink 31 and the copper flat plate (the heater size and the heat sink size are 20 mm (X) × 40 mm (Y) × 2 mm (Z)). The supply power was fixed at 5 W for the heater assumed to be a semiconductor integrated circuit for 30 minutes, and the temperature rise on the heater surface was measured. When the heat sink is not used (control), the heater surface temperature rapidly rises from room temperature to 97 ° C. and thereafter becomes constant. This temperature is a temperature at which an error occurs in driving a general semiconductor integrated circuit.

銅製ヒートシンクを用いた場合の温度カーブにおいても同様の結果が観察されており、温度は室温から88℃まで温度が上昇しその後飽和する。この温度は、通常の半導体集積回路駆動における許容温度に近い温度である。その一方で、アルミナヒートシンク31を用いた場合、飽和温度は66℃であり、この温度は銅製ヒートシンクに比べて優位性のある低い温度となっている(この温度は、 LSI駆動において充分許容できる低い温度である。)。一般に、銅材の熱伝導率はアルミナ材の約6倍程度高いことが知られているが、本実験の実験装置は熱的に孤立しており、飽和温が放射率の大きさに依存していることから、放射冷却に起因した効率の良い冷却効果を得るには高い放射率を有する平板材が非常に有効であることが分かる。   Similar results are observed in the temperature curve when a copper heat sink is used. The temperature rises from room temperature to 88 ° C. and then saturates. This temperature is close to an allowable temperature in normal semiconductor integrated circuit driving. On the other hand, when the alumina heat sink 31 is used, the saturation temperature is 66 ° C., which is a low temperature that is superior to the copper heat sink (this temperature is sufficiently low in LSI driving). Temperature.) In general, it is known that the thermal conductivity of copper material is about 6 times higher than that of alumina material, but the experimental device of this experiment is thermally isolated, and the saturation temperature depends on the magnitude of the emissivity. Therefore, it can be seen that a flat plate material having a high emissivity is very effective for obtaining an efficient cooling effect due to radiation cooling.

次に、アルミナヒートシンク31の冷却特性を理解するために、飽和温度80℃におけるヒータへの供給電力(一般に、半導体集積回路の熱設計電力は、半導体集積回路への供給エネルギーで示される。また、放出必要なエネルギーの指標となっている。ここでのヒータへの供給エネルギーも熱設計電力に相当し、放出必要なエネルギーの指標となっている。)のヒートシンク面積依存性を調べた。なお、この温度は、通常の半導体集積回路駆動における許容範囲の温度である。図5の温度カーブはそれぞれ以下のヒートシンクサイズにおける結果である(アルミナヒートシンク31A.50mm(X) ×50mm(Y)×5mm(Z), アルミナヒートシンク31B.75mm(X)×75mm(Y)×5mm(Z)
, アルミナヒートシンク31C.100mm(X)×100mm(Y)×5mm(Z))。
Next, in order to understand the cooling characteristics of the alumina heat sink 31, the power supplied to the heater at a saturation temperature of 80 ° C. (Generally, the thermal design power of the semiconductor integrated circuit is indicated by the energy supplied to the semiconductor integrated circuit. The energy supply to the heater here is equivalent to the thermal design power, and it is an indicator of the energy required to be released.) This temperature is an allowable range in normal semiconductor integrated circuit driving. 5 are the results for the following heat sink sizes (alumina heat sink 31A.50 mm (X) × 50 mm (Y) × 5 mm (Z), alumina heat sink 31 B.75 mm (X) × 75 mm (Y) × 5 mm). (Z)
Alumina heat sink 31C. 100 mm (X) × 100 mm (Y) × 5 mm (Z)).

図5から分かるように、最もサイズの小さいアルミナヒートシンク31Aにおける、供給電力(放出エネルギー)は最も低い5.75Wである。次にサイズの順にアルミナヒートシンク31B、アルミナヒートシンク31Cはそれぞれ、7.63W、
10.61Wであった。これらの結果は、大きなサイズのヒートシンクは大きな供給電力(放出エネルギー)に対応していることがわかり、結果として5.75Wから 10.61Wのエネルギーの放出が可能であることを示唆している。
As can be seen from FIG. 5, the supply power (release energy) in the smallest-sized alumina heat sink 31A is 5.75 W, which is the lowest. Next, in order of size, the alumina heat sink 31B and the alumina heat sink 31C are 7.63 W,
It was 10.61W. These results indicate that a large size heat sink corresponds to a large supply power (emission energy), and as a result, it is possible to release energy from 5.75 W to 10.61 W.

この結果をより理解するために図6に図5の実験から得たヒートシンク面積と供給エネルギー(放出エネルギー)の関係を示す。図から分かるように、実験の範囲において供給エネルギー(放出エネルギー)はヒートシンク面積に対してほぼ正比例であり、この関係は[式1]のように示すことができる。   In order to better understand this result, FIG. 6 shows the relationship between the heat sink area obtained from the experiment of FIG. 5 and the supply energy (discharge energy). As can be seen from the figure, in the range of the experiment, the supply energy (release energy) is almost directly proportional to the heat sink area, and this relationship can be expressed as [Equation 1].

E=AS [式1]   E = AS [Formula 1]

ここで
Eは放出エネルギー、Sはヒートシンク面積、そしてAは比例定数である。ここで留意すべきは、前章で述べたように実験系が空冷効果と熱伝導にできるだけ影響されないように構成されていることであり、実験では放射エネルギーが面積に依存していることから、考えられる解釈は放射冷却の効果であり、その関係は良く知られている[式2]のステファンボルツマンの式で表される。
Where E is the emission energy, S is the heat sink area, and A is a proportionality constant. It should be noted here that, as described in the previous chapter, the experimental system is configured so as not to be affected as much as possible by the air cooling effect and heat conduction, and the radiant energy depends on the area in the experiment. One interpretation is the effect of radiative cooling, and the relationship is expressed by the well-known Stefan Boltzmann equation of [Equation 2].

E=εδT4S [式2] E = εδT 4 S [Formula 2]

[式2]でEは放出エネルギー、εは補正係数(黒体では1)、δはステファン・ボルツマン定数(5.67×10-12[W m-2 K-4])、Tは絶対温度、Sはヒートシンク面積である。以上から、アルミナヒートシンク31による冷却効果は、放射冷却であり、その最大能力は10W/10000mm程度であることが分かった。当初の目的の20W/10000mmには至っていないが、簡単な構造でかつ無風相当の密閉空間でここまで放熱できることは、産業上非常に有効である(実施例に効果を述べる)。 [Equation 2] where E is the emission energy, ε is the correction factor (1 for black bodies), δ is the Stefan-Boltzmann constant (5.67 × 10 -12 [W m -2 K -4 ]), T is the absolute temperature, S Is the heat sink area. From the above, it was found that the cooling effect by the alumina heat sink 31 is radiative cooling, and the maximum capacity is about 10 W / 10000 mm 2 . Although it has not reached 20 W / 10000 mm 2 as the initial purpose, it is very effective industrially to be able to dissipate heat up to this point in a sealed space equivalent to no wind with a simple structure (an effect will be described in the examples).

さらに放射能力を20W/10000mm程度まで上げるために、以下の調査を行った。これまで、アルミナヒートシンク31と半導体集積回路に見立てたヒータの固定を(Z)軸方向に400kgf/mの加重を与えることでデータを取得してきた。この加重が安定した結果を得るのに妥当な加重であるかを調べた。図7は、ヒータ温度が飽和温度80℃における熱放射エネルギーの加重依存をプロットした図である。 In order to further increase the radiation capacity to about 20 W / 10000 mm 2 , the following investigation was conducted. Up to now, data has been acquired by applying a load of 400 kgf / m 2 in the (Z) axis direction to fix the heater as if it were an alumina heat sink 31 and a semiconductor integrated circuit. It was investigated whether this weighting was a reasonable weight to obtain a stable result. FIG. 7 is a graph plotting the weight dependence of the thermal radiation energy when the heater temperature is the saturation temperature of 80 ° C.

図から分かるように、170kgf/m以上の加重を与えることで、熱放射エネルギーが一定になることが分かる。これはアルミナヒートシンク31とヒータ間熱抵抗の低減が熱放射エネルギー量に影響することを示す。概ね10%程度の放熱量低減を許容範囲とすると85kgf/m以上の加重が有効な加重といえる。なお、熱抵抗はアルミナヒートシンク31とレジスタンスヒータ32または半導体集積回路空隙により発生していると考えられる。このため、アルミナヒートシンク31と半導体集積回路またはレジスタンスヒータ32間に、空隙を埋める粘性物質(シリコングリス、導電性グリス等)を塗布することで、加重無しに85kgf/m程度の放熱量を得ることができる。改善にはこれらのノウハウを踏襲する必要がある。 As can be seen from the figure, the thermal radiation energy becomes constant by applying a weight of 170 kgf / m 2 or more. This indicates that the reduction in thermal resistance between the alumina heat sink 31 and the heater affects the amount of heat radiation energy. If a reduction in heat release of about 10% is allowed, a weight of 85 kgf / m 2 or more can be said to be an effective weight. The thermal resistance is considered to be generated by the alumina heat sink 31 and the resistance heater 32 or the semiconductor integrated circuit gap. For this reason, by applying a viscous material (silicon grease, conductive grease, etc.) that fills the gap between the alumina heat sink 31 and the semiconductor integrated circuit or resistance heater 32, a heat dissipation amount of about 85 kgf / m 2 is obtained without load. be able to. It is necessary to follow these know-how for improvement.

また、図5、図6で用いたアルミナヒートシンク31の厚み(5mm)が適当であるかについても検討した。ここでは、飽和温度80℃における、100mm×100mmのアルミナヒートシンク31Cと50mm×50mmのアルミナヒートシンク31Aについて、それぞれの厚みを変えた場合に熱放射が可能なエネルギーを調べた。実験方法は図6と同じである。結果を図8に示す。図からわかるように、どちらのアルミナ板も板厚3mm〜8mmにおいて熱放射の効率が良いことがわかる。従来、任意の飽和温度における、放射可能なエネルギーを検討する場合、ステファンボルツマンの式に従い、面積で検討することが常識であった。ところが、厚みの依存性があることが新たに分かった。   Further, it was examined whether the thickness (5 mm) of the alumina heat sink 31 used in FIGS. 5 and 6 is appropriate. Here, for a 100 mm × 100 mm alumina heat sink 31C and a 50 mm × 50 mm alumina heat sink 31A at a saturation temperature of 80 ° C., the energy capable of thermal radiation was examined when the thicknesses were changed. The experimental method is the same as in FIG. The results are shown in FIG. As can be seen from the figure, both alumina plates have good heat radiation efficiency when the thickness is 3 mm to 8 mm. Conventionally, when investigating the radiable energy at an arbitrary saturation temperature, it has been common knowledge to examine the area according to the Stefan Boltzmann equation. However, it was newly found that there is a dependence on thickness.

このメカニズムの詳細は不明だが、以下のように推測する。まず、アルミナの主成分の分子の数が多いほど、放射可能な量が増えると推察する。これは放射可能なエネルギーが面積に依存性を示すことからも推測可能である。図8の傾向から、厚み方向に分子数が増えた場合は、熱源に近い部分から発生した赤外光が、遠い部分に向かって通過する際、なんらかの吸収、反射によって、通過量が抑制される。これにより、放射可能なエネルギー適した厚みが発生すると考える。従って、図5、6の実験において、放熱量を増やすのに適した厚みである5mmを用いるのことは、偶然であったが妥当と考える。なお、図4において、2mm厚のアルミナヒートシンクにおいて、レジスタンスヒータに5W印加時に66℃程度の飽和温度を得るという、高い熱の放射能力が示されているが、これは、レジスタンスヒータ自身が、図6,7と違うものであること、またレジスタンスヒータとアルミナヒートシンクが同じサイズであり、熱抵抗が小さいことによることと考える。厚みを5mm程度にすることでさらに良い結果が得られると考える。   The details of this mechanism are unknown, but it is presumed as follows. First, it is presumed that the amount of radiation that can be emitted increases as the number of molecules of the main component of alumina increases. This can be inferred from the fact that the radiable energy is dependent on the area. From the tendency of FIG. 8, when the number of molecules increases in the thickness direction, when the infrared light generated from the portion close to the heat source passes toward the far portion, the amount of passage is suppressed by some absorption and reflection. . Thereby, it is considered that a thickness suitable for the radiable energy is generated. Therefore, in the experiments of FIGS. 5 and 6, using 5 mm, which is a thickness suitable for increasing the amount of heat radiation, is a coincidence, but is considered appropriate. In FIG. 4, a 2 mm thick alumina heat sink has a high heat radiation capability of obtaining a saturation temperature of about 66 ° C. when 5 W is applied to the resistance heater. This is because the resistance heater and the alumina heat sink are the same size and the thermal resistance is small. It is considered that better results can be obtained by setting the thickness to about 5 mm.

さらに放射能力を20W/10000mm程度まで上げるために、図6におけるBのアルミナヒートシンク31B(75mm(X)×75mm(Y)×5mm(Z))に関して、レジスタンスヒータ表面、アルミナヒートシンク31Bの中心、アルミナヒートシンク31Bのヒートシンク端の温度を調べた。結果を図9に示す。 Further, in order to increase the radiation capacity to about 20 W / 10000 mm 2 , with respect to the alumina heat sink 31B (75 mm (X) × 75 mm (Y) × 5 mm (Z)) in FIG. 6, the resistance heater surface, the center of the alumina heat sink 31B, The temperature at the end of the heat sink of the alumina heat sink 31B was examined. The results are shown in FIG.

アルミナヒートシンク31Bの中心の温度は、レジスタンスヒータ表面と同じ80℃であるが、アルミナヒートシンク31Bのヒートシンク端の温度は7℃低い73℃であった。本発明者は、アルミナヒートシンク31Bの端における熱伝導を改善することで、さらなる放熱性能向上ができると考え、アルミナヒートシンク31BとCPUなどの半導体集積回路に見立てたヒータ間に熱伝導の良い伝熱用金属板(アルミ板)を挟むことを試みた。伝熱用金属板(アルミ板)の上面から見たサイズは、半導体集積回路に見立てたヒータよりも大きく、アルミナヒートシンク31Bと同じサイズである。結果を図10に示す。加重は、これまでと同じく400kgf/mの加重がかけられた。 The temperature at the center of the alumina heat sink 31B was 80 ° C., the same as the resistance heater surface, but the temperature at the end of the heat sink of the alumina heat sink 31B was 73 ° C., which was 7 ° C. lower. The present inventor considers that heat dissipation performance can be further improved by improving the heat conduction at the end of the alumina heat sink 31B, and heat transfer with good heat conduction between the alumina heat sink 31B and a heater that is regarded as a semiconductor integrated circuit such as a CPU. I tried to sandwich a metal plate (aluminum plate). The size of the heat transfer metal plate (aluminum plate) viewed from the upper surface is larger than that of a heater that is regarded as a semiconductor integrated circuit, and is the same size as the alumina heat sink 31B. The results are shown in FIG. The weight was 400 kgf / m 2 as before.

図9と同様に、ヒータ表面の温度と、アルミナヒートシンク31Bの中心の温度は80℃であった。また、図8と違う点は、アルミナヒートシンク31Bヒートシンク端の温度が80℃であることと、熱放出エネルギーが15.1Wまで上昇したことである。同等の結果が他の金属板(ステンレス鋼、銅材)でも確認された。   As in FIG. 9, the temperature of the heater surface and the temperature of the center of the alumina heat sink 31B were 80 ° C. Further, the difference from FIG. 8 is that the temperature of the end of the heat sink of the alumina heat sink 31B is 80 ° C., and the heat release energy is increased to 15.1W. Similar results were confirmed with other metal plates (stainless steel, copper).

図10に示す構造における飽和温度80℃における熱放出エネルギーの面積依存性を調べた。結果を図11に示す。   The area dependence of the heat release energy at a saturation temperature of 80 ° C. in the structure shown in FIG. 10 was examined. The results are shown in FIG.

図11のグラフから分かるように、図10に示すようにアルミナ平板とヒータの間に伝熱用金属板を入れることでアルミナヒートシンク31Bからの放熱エネルギーを約2倍程度増加させることができた。図9、図10のアルミナヒートシンク31Bのヒートシンク端における数度の温度差でこれだけの増加がある理由は不明だが、熱伝導性が良い金属板を挟むことによりヒータの熱が効率的に金属板の周辺部に伝わり、更にアルミナヒートシンク31Bの周辺部から効率的に熱放射することできるものと思われる。結果的に大きな放熱効果を得ることができた。以上から当初の目的である20W/10000mm程度の放出能力を有する平板ヒートシンクを実現できた。また、図9のような金属板を用いない構造でも、10W程度の放出能力が得られていることから、必要能力とコストによって使い分ける技術を確立できた。 As can be seen from the graph of FIG. 11, the heat radiation energy from the alumina heat sink 31B could be increased about twice by inserting a heat transfer metal plate between the alumina flat plate and the heater as shown in FIG. The reason why there is such an increase due to a temperature difference of several degrees at the end of the heat sink of the alumina heat sink 31B in FIGS. 9 and 10 is unknown, but the heat of the heater can be efficiently transferred by sandwiching a metal plate with good thermal conductivity. It is considered that the heat can be efficiently radiated from the peripheral portion of the alumina heat sink 31B. As a result, a large heat dissipation effect was obtained. From the above, a flat plate heat sink having a discharge capacity of about 20 W / 10000 mm 2 which was the original purpose was realized. Further, even with a structure that does not use a metal plate as shown in FIG. 9, a discharge capability of about 10 W has been obtained, and thus a technique for selectively using the required capacity and cost can be established.

現在、熱設計出力10W程度の半導体集積回路を用いる場合、45mm(X)×45mm(Y)×45mm(Z)サイズの空冷フィン型ヒートシンクが用いられているが、図11から面積2000mm程度(45mm(X)×45mm(Y)×5mm(Z)程度の)アルミナヒートシンクと代替が可能であると予想できる。 Currently, in the case of using the semiconductor integrated circuit of about thermal design output 10 W, 45 mm but (X) × 45mm (Y) × 45mm (Z) Size cooling fin heat sink is used, the area 2000 mm 2 order of FIG. 11 ( It can be expected that an alumina heat sink (about 45 mm (X) × 45 mm (Y) × 5 mm (Z)) can be substituted.

そこで、45mm×45mm×45mmサイズの空冷フィン型ヒートシンクと熱設計出力8WのCPU(コア部分が露出しており、コア部分の面積が50mm程度)とが用いられている小型デスクトップ型コンピュータにおいて、CPUに60分間100%の負荷をかけ、図10に示すように45mm×45mm×5mmのアルミナ平板ヒートシンク31Dとアルミ板とを重ねて載置して用いた(CPUに熱伝導用アルミ板を重ね更にその上にアルミナ平板ヒートシンク31Dを重ねて用いた。以下の各実施例でも同様の順序で載置した)場合と比較した。密閉容器内の風速は、0.05m/secである。密閉容器の樹脂壁面とアルミナ平板ヒートシンク31Dの表面との間隔を、10mmとした。その結果、ほぼ同等の性能(CPUの表面温度は50℃:許容温度である90℃以下)であることが分かった。これは、放射率0.97のアルミナ平板ヒートシンク31Dをもちいているが、放射率0.80のアルミナ平板ヒートシンクにおいてもCPU表面温度は60℃程度であり許容温度以下である。上記説明はCPUのコア部分が露出していることを前提としたが、コアが露出していないタイプのCPUではセラミック等のパッケージ(200mm乃至900mm程度の表面積、つまり15mm×15mm乃至30mm×30mm程度)に、このパッケージよりも熱伝導用アルミ板を重ね更にその上にアルミナ平板ヒートシンク31Dを重ねて用いる(以下の各実施例において、アルミナ平板ヒートシンク31Dの代わりにアルミナ平板ヒートシンク31A又はアルミナ平板ヒートシンク31Cを用いる場合がある点を除いて同じ)。 Therefore, in a small desktop computer in which an air-cooled fin heat sink of 45 mm × 45 mm × 45 mm size and a CPU with a thermal design output of 8 W (the core part is exposed and the area of the core part is about 50 mm 2 ) are used. A load of 100% was applied to the CPU for 60 minutes, and a 45 mm × 45 mm × 5 mm alumina flat plate heat sink 31D and an aluminum plate were stacked and used as shown in FIG. Further, an alumina flat plate heat sink 31D was used on top of it, and the following examples were also compared with the case where they were placed in the same order. The wind speed in the sealed container is 0.05 m / sec. The distance between the resin wall surface of the sealed container and the surface of the alumina flat plate heat sink 31D was 10 mm. As a result, it was found that the performance was almost equivalent (CPU surface temperature was 50 ° C .: allowable temperature of 90 ° C. or less). This uses an alumina flat plate heat sink 31D with an emissivity of 0.97, but even with an alumina flat plate heat sink with an emissivity of 0.80, the CPU surface temperature is about 60 ° C., which is below the allowable temperature. The above description is based on the assumption that the core part of the CPU is exposed. However, in the type of CPU where the core is not exposed, a ceramic package (surface area of about 200 mm 2 to 900 mm 2 , that is, 15 mm × 15 mm to 30 mm × The aluminum plate heat sink 31D is stacked on the aluminum plate for heat conduction more than this package and the alumina plate heat sink 31D is stacked on the aluminum plate (in the following embodiments, the alumina plate heat sink 31A or the alumina plate is used instead of the alumina plate heat sink 31D). The same except that a heat sink 31C may be used).

また、アルミナ平板ヒートシンク31Dが露出する最も広い面と対向する密閉容器の樹脂壁面との間隔を、0mm、5mm、10mmとしているが、CPUの表面温度は50℃〜60℃であり動作に影響はなかった。この際の樹脂壁面の温度は、30〜35℃であった。この樹脂壁面の温度は樹脂壁面に人の皮膚が接触しても火傷などに至ることはない温度である。   Moreover, although the space | interval with the resin wall surface of the airtight container which opposes the widest surface which the alumina flat plate heat sink 31D opposes is set to 0 mm, 5 mm, and 10 mm, the surface temperature of CPU is 50 to 60 degreeC, and it has influence on operation | movement. There wasn't. The temperature of the resin wall surface at this time was 30 to 35 ° C. The temperature of the resin wall surface is a temperature that does not cause a burn or the like even if human skin contacts the resin wall surface.

また、アルミナ平板ヒートシンク31Dが露出する最も広い面と対向する密閉容器の金属壁面(黒色塗装)との間隔を、1mm、5mm、10mmとしたが、CPUの表面温度は50℃〜60℃であり動作に影響はなかった。この際の樹脂温度は、35〜40℃であった。火傷などにいたることはなかった。   Moreover, although the space | interval with the metal wall surface (black coating) of the airtight container which opposes the widest surface which the alumina flat plate heat sink 31D exposes was 1 mm, 5 mm, and 10 mm, the surface temperature of CPU is 50 to 60 degreeC. There was no effect on operation. The resin temperature at this time was 35-40 degreeC. I never got burned.

なお、このCPUには、同系列に4Wのラインアップがありこちらは個人向け携帯機器であるネットブック(商標)に搭載されている。8W品も搭載要求があるが、放熱が難しく、小型デスクトップにしか適用されていない。本発明により、ヒートシンク容積を低減することが可能であり、個人向け携帯機器への適用が可能となった。以上で集積回路とアルミナヒートシンクとの組み合わせによる放射冷却性能についての説明を終わる。   This CPU has a lineup of 4W in the same series, and this is installed in Netbook (trademark) which is a portable device for individuals. 8W products are also required to be mounted, but they are difficult to dissipate and are only applied to small desktops. According to the present invention, it is possible to reduce the heat sink volume, and it is possible to apply it to a personal portable device. This completes the description of the radiation cooling performance by the combination of the integrated circuit and the alumina heat sink.

次に上記アルミナヒートシンクを取りつけたCPUを実際の実装形態に近い状況で稼働させた実施例について説明する。以下の実施例1乃至実施例16では、CPUのコア部分が露出しており、コア部分の面積がコア2つ(デュアルコア)で50mm(10mm×5mm)程度であり熱設計出力8WのCPUを用いる。実施例1乃至実施例4にかかる実験装置図を図12に示す。 Next, a description will be given of an embodiment in which the CPU to which the alumina heat sink is attached is operated in a situation close to an actual mounting form. In the following Examples 1 to 16, the core part of the CPU is exposed, the area of the core part is about 50 mm 2 (10 mm × 5 mm) with two cores (dual core), and the CPU with the thermal design output of 8 W Is used. FIG. 12 shows an experimental apparatus according to Examples 1 to 4.

実施例1
45mm×45mm×45mmサイズの空冷フィン型ヒートシンクと熱設計出力8WのCPU125が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、50mm×50mm×5mmのアルミナ平板ヒートシンク123(その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク31Aと同様である)を、CPU基台126上のCPU125の上面に接触するように重り121と重り支え122により400kgf/mの荷重をアルミナ平板ヒートシンク123に加えて載置し、30分間CPU125に使用率100%の負荷を加えて稼働させた。密閉容器127内の風速は、0.05m/secである。アルミナ平板ヒートシンク123が露出する最も広い面と対向する樹脂板124の壁面との間隔が10mmとした。風速は0.05m/sec以下である。その際のアルミナヒートシンク平板123の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク123の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の70〜80℃であった。樹脂板124の壁面温度は30℃程度であった。なお、図12において樹脂板124には重り支え122の脚を通すための4つの穴があり、穴の2つが側面から見た断面図に書かれている。そのため図12では樹脂板124が3つの部分に分かれているように示されている。以下の他の図(図13の金属板134、図14の樹脂板145、図15の金属板155、図16の樹脂板165)でも同様である。
Example 1
In a computer on which a 45 mm × 45 mm × 45 mm size air-cooled fin heat sink and a CPU 125 with a thermal design output of 8 W are mounted, this air-cooled fin heat sink is removed and a 50 mm × 50 mm × 5 mm alumina flat plate heat sink 123 (its material and size are (It is the same as the above-mentioned alumina heat sink 31A) and a load of 400 kgf / m 2 is applied to the alumina flat plate heat sink 123 by the weight 121 and the weight support 122 so as to contact the upper surface of the CPU 125 on the CPU base 126. The CPU 125 was operated with a load of 100% usage for 30 minutes. The wind speed in the hermetic container 127 is 0.05 m / sec. The distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 123 is exposed and the wall surface of the resin plate 124 facing it is 10 mm. The wind speed is 0.05 m / sec or less. The temperature of the alumina heat sink flat plate 123 at that time was measured. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 123 was 70 to 80 ° C., which is 85 ° C. or less of the allowable limit temperature. The wall surface temperature of the resin plate 124 was about 30 ° C. In FIG. 12, the resin plate 124 has four holes for allowing the legs of the weight support 122 to pass through, and two of the holes are shown in a sectional view as seen from the side. Therefore, in FIG. 12, the resin plate 124 is shown as being divided into three parts. The same applies to the other drawings (the metal plate 134 in FIG. 13, the resin plate 145 in FIG. 14, the metal plate 155 in FIG. 15, and the resin plate 165 in FIG. 16).

実施例2
実施例1において、アルミナ平板ヒートシンク123が露出する最も広い面と対向する樹脂板124の壁面との間隔を5mmとした。アルミナ平板ヒートシンク123の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の70〜80℃であった。樹脂板124の壁面温度は30℃程度であった。
Example 2
In Example 1, the distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 123 is exposed and the wall surface of the resin plate 124 facing the surface is 5 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 123 was 70 to 80 ° C., which is 85 ° C. or less of the allowable limit temperature. The wall surface temperature of the resin plate 124 was about 30 ° C.

実施例3
実施例1において、アルミナ平板ヒートシンク123が露出する最も広い面と対向する樹脂板124の壁面との間隔を0mmとした。アルミナ平板ヒートシンク123の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の70〜80℃であった。樹脂板124の壁面温度は35℃程度であった。
Example 3
In Example 1, the distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 123 was exposed and the wall surface of the resin plate 124 facing the surface was set to 0 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 123 was 70 to 80 ° C., which is 85 ° C. or less of the allowable limit temperature. The wall surface temperature of the resin plate 124 was about 35 ° C.

実施例4
実施例1において、風速を0.05〜3.0m/secの範囲で実験したが、各温度は0〜3℃程度の変化しかなかった。
Example 4
In Example 1, the wind speed was tested in the range of 0.05 to 3.0 m / sec, but each temperature had only a change of about 0 to 3 ° C.

次に実施例5〜7にかかる実験装置図を図13に示す。
実施例5
45mm×45mm×45mmサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力8WのCPU135が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、50mm×50mm×5mmのアルミナ平板ヒートシンク133(その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク31Aと同様である)をCPU基台136上のCPU135に接触するように重り131と重り支え132により400kgf/mの荷重を加えて設置し、30分間CPU135の使用率100%の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク133が露出する最も広い面と対向する金属板134の壁面との間隔を10mmとした。風速は0.05m/sec以下である。金属板134のアルミナ平板ヒートシンク133との対向面にはつや消し黒色の塗装を施した。その際のアルミナ平板ヒートシンク133の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク133の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の70〜80℃であった。金属板134の壁面温度は30℃程度であった。
Next, the experimental apparatus figure concerning Examples 5-7 is shown in FIG.
Example 5
45mm × 45mm × 45mm size air-cooled fin heat sink Thermal design output 8W CPU 135 In the computer, this air-cooled fin heat sink is removed, and the 50mm × 50mm × 5mm alumina flat plate heat sink 133 (the material and size are described above) Is installed with a load of 400 kgf / m 2 by a weight 131 and a weight support 132 so as to come into contact with the CPU 135 on the CPU base 136, and the usage rate of the CPU 135 is 100% for 30 minutes. It was operated with a load applied. The distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 133 is exposed and the wall surface of the opposing metal plate 134 is 10 mm. The wind speed is 0.05 m / sec or less. The surface of the metal plate 134 facing the alumina flat plate heat sink 133 was painted with a matte black. The temperature of the alumina flat plate heat sink 133 at that time was measured. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 133 was 70 to 80 ° C., which is an allowable limit temperature of 85 ° C. or less. The wall surface temperature of the metal plate 134 was about 30 ° C.

実施例6
実施例5において、アルミナ平板ヒートシンク133が露出する最も広い面と対向する金属板134の壁面との間隔を5mmとした。アルミナ平板ヒートシンク133の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の70〜80℃であった。金属板134の壁面温度は35℃程度であった。
Example 6
In Example 5, the interval between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 133 is exposed and the wall surface of the metal plate 134 facing the surface was set to 5 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 133 was 70 to 80 ° C., which is an allowable limit temperature of 85 ° C. or less. The wall surface temperature of the metal plate 134 was about 35 ° C.

実施例7
実施例5において、アルミナ平板ヒートシンク133が露出する最も広い面と対向する金属板134の壁面との間隔が0mmとした。アルミナ平板ヒートシンク133の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の70〜80℃であった。金属板134の壁面温度は40℃程度であった。
Example 7
In Example 5, the distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 133 is exposed and the wall surface of the metal plate 134 facing it was set to 0 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 133 was 70 to 80 ° C., which is an allowable limit temperature of 85 ° C. or less. The wall surface temperature of the metal plate 134 was about 40 ° C.

次に実施例8〜10にかかる実験装置図を図14に示す。
実施例8
45mm×45mm×45mmサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力8WのCPU146が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、45mm×45mm×5mmのアルミナ平板ヒートシンク143(その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク31Dと同様である)とアルミナ平板ヒートシンク143と略同寸法(但し厚みは1mm乃至5mm)のアルミ板144とを図に示す順に重ね、CPU基台147上のCPU146の上面に接触するように重り141と重り支え142により400kgf/mの荷重を加えて設置し、30分間CPU146の使用率100%の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク143が露出する最も広い面と対向する樹脂板145の壁面との間隔を10mmとした。図14においてアルミ板(伝熱用金属板)144の下面の面積はCPU146の上面のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板144の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク143の下面の面積と略同一である。又CPU146の上面がアルミ板(伝熱用金属板)144の下面の中心部で接触している必要はなく、アルミ板(伝熱用金属板)144の片方に偏って接触しても良く、以下のアルミ板(伝熱用金属板)を用いる他の実施例でも同様である。風速は0.05m/sec以下である。その際のアルミナ平板ヒートシンク143の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク143の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の50〜60℃であった。樹脂板145の壁面温度は30℃程度であった。
Next, an experimental apparatus diagram according to Examples 8 to 10 is shown in FIG.
Example 8
45mm × 45mm × 45mm size air-cooled fin type heat sink Thermal design output 8W CPU 146 is mounted on this computer, this air-cooled fin type heat sink is removed and 45mm × 45mm × 5mm alumina flat plate heat sink 143 (the material and size are the same as above) And the aluminum plate 144 having the same dimensions as the alumina flat plate heat sink 143 (thickness is 1 mm to 5 mm), but in contact with the upper surface of the CPU 146 on the CPU base 147. Thus, the load of 400 kgf / m 2 was applied by the weight 141 and the weight support 142 so that the CPU 146 was operated with a load of 100% utilization for 30 minutes. The distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 143 is exposed and the wall surface of the resin plate 145 facing it was set to 10 mm. 14, the area of the lower surface of the aluminum plate (heat transfer metal plate) 144 is larger than the area of the core portion on the upper surface of the CPU 146, and the area of the upper surface of the aluminum plate 144 is substantially the same as the area of the lower surface of the alumina flat plate heat sink 143. is there. Further, the upper surface of the CPU 146 does not need to be in contact with the central portion of the lower surface of the aluminum plate (heat transfer metal plate) 144, and may be in contact with one side of the aluminum plate (metal plate for heat transfer) 144, The same applies to other examples using the following aluminum plates (metal plates for heat transfer). The wind speed is 0.05 m / sec or less. The temperature of the alumina flat plate heat sink 143 at that time was measured. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 143 was 50-60 ° C., which is 85 ° C. or less, which is an allowable limit temperature. The wall surface temperature of the resin plate 145 was about 30 ° C.

実施例9
実施例7において、アルミナ平板ヒートシンク143が露出する最も広い面と対向する樹脂板145の壁面との間隔を5mmとした。アルミナ平板ヒートシンク143の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の50〜60℃であった。樹脂板145の壁面温度は35℃程度であった。
Example 9
In Example 7, the distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 143 was exposed and the wall surface of the resin plate 145 facing the surface was 5 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 143 was 50-60 ° C., which is 85 ° C. or less, which is an allowable limit temperature. The wall surface temperature of the resin plate 145 was about 35 ° C.

実施例10
実施例7において、アルミナ平板ヒートシンク143が露出する最も広い面と対向する樹脂板145の壁面との間隔を0mmとした。アルミナ平板ヒートシンク143の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の50〜60℃であった。樹脂板145の壁面温度は40℃程度であった。
Example 10
In Example 7, the distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 143 was exposed and the wall surface of the resin plate 145 facing the surface was set to 0 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 143 was 50-60 ° C., which is 85 ° C. or less, which is an allowable limit temperature. The wall surface temperature of the resin plate 145 was about 40 ° C.

次に実施例11〜13にかかる実験装置図を図15に示す。
実施例11
45mm×45mm×45mmサイズの空冷フィン型ヒートシンク熱設計出力8WのCPU156が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンクをはずし、45mm×45mm×5mmのアルミナ平板ヒートシンク153(その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク31Dと同様である)とアルミナ平板ヒートシンク153と略同寸法(但し厚みは1mm乃至5mm)のアルミ板(伝熱用金属板)154とを図に示す順に重ね、CPU基台157上のCPU156の上面に接触するように重り151と重り支え152により400kgf/mの荷重を加えて設置し、30分間CPU156の使用率100%の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク153が露出する最も広い面と対向する金属板155の壁面との間隔を10mmとした。図15においてアルミ板154の下面の面積はCPU156のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板154の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク153の下面の面積と略同一である。風速は0.05m/sec以下である。密閉容器内の風量は、0.05m/secである。金属板155のアルミナ平板ヒートシンク153との対向面にはつや消し黒色の塗装を施した。その際のアルミナ平板ヒートシンク153の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク153の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の50〜60℃であった。金属板155の壁面温度は30℃程度であった。
Next, FIG. 15 shows an experimental apparatus according to Examples 11-13.
Example 11
45mm × 45mm × 45mm size air-cooled fin type heat sink Thermal design output 8W CPU 156 is mounted on this computer, this air-cooled fin type heat sink is removed and 45mm × 45mm × 5mm alumina flat plate heat sink 153 (the material and size are the same as above) And the aluminum plate (heat transfer metal plate) 154 having the same dimensions as the alumina flat plate heat sink 153 (thickness is 1 mm to 5 mm), and are stacked in the order shown in the figure. A load of 400 kgf / m was applied by a weight 151 and a weight support 152 so as to be in contact with the upper surface of the CPU 156, and the CPU 156 was operated with a load of 100% utilization of the CPU 156 for 30 minutes. The distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 153 is exposed and the wall surface of the metal plate 155 opposite to the widest surface was set to 10 mm. In FIG. 15, the area of the lower surface of the aluminum plate 154 is larger than the area of the core portion of the CPU 156, and the area of the upper surface of the aluminum plate 154 is substantially the same as the area of the lower surface of the alumina flat plate heat sink 153. The wind speed is 0.05 m / sec or less. The air volume in the sealed container is 0.05 m / sec. The surface of the metal plate 155 facing the alumina flat plate heat sink 153 was painted with a matte black. The temperature of the alumina flat plate heat sink 153 at that time was measured. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 153 was 50 to 60 ° C., which is 85 ° C. or less of the allowable limit temperature. The wall surface temperature of the metal plate 155 was about 30 ° C.

実施例12
実施例10において、アルミナ平板ヒートシンク153が露出する最も広い面と対向する金属板155の壁面との間隔を5mmとした。アルミナ平板ヒートシンク153の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の50〜60℃であった。金属板155の壁面温度は35℃程度であった。
Example 12
In Example 10, the distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 153 is exposed and the wall surface of the metal plate 155 facing the surface is 5 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 153 was 50 to 60 ° C., which is 85 ° C. or less of the allowable limit temperature. The wall surface temperature of the metal plate 155 was about 35 ° C.

実施例13
実施例11において、アルミナ平板ヒートシンク153が露出する最も広い面と対向する金属板155の壁面との間隔を0mmとした。アルミナ平板ヒートシンク153の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の70〜80℃であった。金属板155の壁面温度は40℃程度であった。
Example 13
In Example 11, the distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 153 was exposed and the wall surface of the metal plate 155 facing the surface was set to 0 mm. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 153 was 70 to 80 ° C., which is 85 ° C. or less of the allowable limit temperature. The wall surface temperature of the metal plate 155 was about 40 ° C.

次に実施例14にかかる実験装置図を図16に示す。   Next, an experimental apparatus diagram according to Example 14 is shown in FIG.

実施例14
45mm×45mm×45mmサイズの空冷フィン型ヒートシンク+電動ファンを積載する熱設計出力20WのCPU166が搭載されているコンピュータにおいて、この空冷フィン型ヒートシンク+電動ファンをはずし、100mm×100mm×5mmのアルミナ平板ヒートシンク163(その材質及びサイズは上述したアルミナヒートシンク31Cと同様である)とアルミナ平板ヒートシンク163と略同寸法(但し厚みは1mm乃至5mm)のアルミ板(伝熱用金属板)164とを図に示す順に重ね、CPU基台167上のCPU166の上面に接触するように重り161と重り支え162により400kgf/mの荷重を加えて設置し、30分間CPU166の使用率100%の負荷を加えて稼働させた。アルミナ平板ヒートシンク163が露出する最も広い面と対向する樹脂板165の壁面との間隔を10mmとした。図16においてアルミ板164の下面の面積はCPU166のコア部分の面積よりも大きく、アルミ板164の上面の面積はアルミナ平板ヒートシンク163の下面の面積と略同一である。風速は0.05m/sec以下である。その際のアルミナ平板ヒートシンク163の温度を測定した。アルミナ平板ヒートシンク163の飽和温度は許容限界温度の85℃以下の60〜70℃であった。樹脂板165の壁面温度は30℃程度であった。以上で各実施例の説明を終わる。
Example 14
45mm x 45mm x 45mm size air-cooled fin-type heat sink + A computer with a thermal design output 20W CPU 166 on which an electric fan is mounted. This air-cooled fin-type heat sink + electric fan is removed, and a 100mm x 100mm x 5mm alumina plate A heat sink 163 (the material and size of which are the same as those of the above-described alumina heat sink 31C) and an aluminum plate (a metal plate for heat transfer) 164 having substantially the same dimensions as the alumina flat plate heat sink 163 (thickness is 1 to 5 mm) are shown in the figure. Stacked in the order shown, installed with a load of 400 kgf / m 2 by a weight 161 and a weight support 162 so as to contact the upper surface of the CPU 166 on the CPU base 167, and a load of 100% usage of the CPU 166 for 30 minutes. It was put into operation. The distance between the widest surface where the alumina flat plate heat sink 163 is exposed and the wall surface of the resin plate 165 facing it was set to 10 mm. In FIG. 16, the area of the lower surface of the aluminum plate 164 is larger than the area of the core portion of the CPU 166, and the area of the upper surface of the aluminum plate 164 is substantially the same as the area of the lower surface of the alumina flat plate heat sink 163. The wind speed is 0.05 m / sec or less. The temperature of the alumina flat plate heat sink 163 at that time was measured. The saturation temperature of the alumina flat plate heat sink 163 was 60 to 70 ° C., which is an allowable limit temperature of 85 ° C. or less. The wall surface temperature of the resin plate 165 was about 30 ° C. This is the end of the description of each embodiment.

以上説明したように、本発明の冷却装置によれば、高発熱の半導体デバイスに該半導体デバイスよりも面積の大きな導熱用金属板とアルミナヒートシンクとを密着させているので熱放射により高効率な冷却が可能であり、特に樹脂製筺体や金属製筺体に半導体デバイスを封入する小型電子機器に使用した場合にこれら樹脂製筺体や金属製筺体を通して効率的に放熱でき、かつ冷却ファンが不要で高さ方向の小さく、冷却フィンもなく冷却用の電力が不要な非常に好適な冷却装置を提供することができる。   As described above, according to the cooling device of the present invention, the heat conducting metal plate having a larger area than the semiconductor device and the alumina heat sink are in close contact with the highly heat-generating semiconductor device, so that highly efficient cooling is achieved by heat radiation. In particular, when used in a small electronic device in which a semiconductor device is encapsulated in a resin housing or metal housing, heat can be efficiently dissipated through the resin housing or metal housing, and no cooling fan is required. It is possible to provide a very suitable cooling device that is small in direction and does not require cooling fins and does not require cooling power.

11 アルミナ材平板
12 半導体集積回路とパッケージ
31 アルミナヒートシンク
32 レジスタンスヒータ
121 重り
122 重り支え
123 アルミナ平板ヒートシンク
124 樹脂板
125 CPU
126 CPU基台
127 密閉容器
131 重り
132 重り支え
133 アルミナ平板ヒートシンク
134 金属板
135 CPU
136 CPU基台
137 密閉容器
141 重り
142 重り支え
143 アルミナ平板ヒートシンク
144 アルミ板(伝熱用金属板)
145 樹脂板
146 CPU
147 CPU基台
148 密閉容器
151 重り
152 重り支え
153 アルミナ平板ヒートシンク
154 アルミ板(伝熱用金属板)
155 金属板
156 CPU
157 CPU基台
158 密閉容器
161 重り
162 重り支え
163 アルミナ平板ヒートシンク
164 アルミ板(伝熱用金属板)
165 樹脂板
166 CPU
167 CPU基台
168 密閉容器
11 Alumina plate 12 Semiconductor integrated circuit and package 31 Alumina heat sink 32 Resistance heater 121 Weight 122 Weight support 123 Alumina plate heat sink 124 Resin plate 125 CPU
126 CPU base 127 Sealed container 131 Weight 132 Weight support 133 Alumina flat plate heat sink 134 Metal plate 135 CPU
136 CPU base 137 Sealed container 141 Weight 142 Weight support 143 Alumina flat plate heat sink 144 Aluminum plate (metal plate for heat transfer)
145 Resin plate 146 CPU
147 CPU base 148 Sealed container 151 Weight 152 Weight support 153 Alumina flat plate heat sink 154 Aluminum plate (metal plate for heat transfer)
155 Metal plate 156 CPU
157 CPU base 158 Sealed container 161 Weight 162 Weight support 163 Alumina flat plate heat sink 164 Aluminum plate (metal plate for heat transfer)
165 Resin plate 166 CPU
167 CPU base 168 Airtight container

Claims (6)

半導体集積回路のコア又はパッケージの表面に載置する伝熱用金属板と、前記伝熱用金属板に更に載置する放射冷却用の放射率0.8以上のアルミナ材を主成分とするアルミナ板とから構成される冷却装置であり、
前記伝熱用金属板の面積及び前記アルミナ板の面積が、前記コア又はパッケージの表面の面積よりも大きいことを特徴とする半導体集積回路の冷却装置。
A heat transfer metal plate placed on the core or package surface of a semiconductor integrated circuit, and an alumina mainly composed of an alumina material having a radiation rate of 0.8 or more, which is further placed on the heat transfer metal plate. A cooling device composed of a plate,
A cooling device for a semiconductor integrated circuit, wherein an area of the heat transfer metal plate and an area of the alumina plate are larger than an area of a surface of the core or the package.
前記アルミナ板をコア又はパッケージ表面に載置した状態で前記アルミナ板に85kgf/m以上の荷重を加えて使用することを特徴とする請求項1記載の冷却装置。 The cooling device according to claim 1, wherein the alumina plate is used by applying a load of 85 kgf / m 2 or more to the alumina plate in a state where the alumina plate is placed on a core or a package surface. 前記半導体集積回路と前記伝熱用金属板と前記アルミナ板とは、複数の壁により構成された筺体に収容され、
前記筺体の壁面と前記アルミナ板の最も広い面である上面と対向する前記筺体の壁面との間隔が0mm乃至10mmであり、
前記アルミナ板は、前記対向する前記筺体の壁面を通して外部に熱放射することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の冷却装置。
The semiconductor integrated circuit, the heat transfer metal plate, and the alumina plate are accommodated in a casing constituted by a plurality of walls,
The distance between the wall surface of the housing and the wall surface of the housing facing the upper surface which is the widest surface of the alumina plate is 0 mm to 10 mm,
The cooling device according to claim 1 or 2, wherein the alumina plate radiates heat through the wall surface of the opposing housing.
前記筺体の壁面は金属又は樹脂により構成されることを特徴とする請求項3記載の冷却装置。   4. The cooling device according to claim 3, wherein the wall surface of the casing is made of metal or resin. 前記アルミナ板の厚さが3mm乃至8mmであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1に記載の冷却装置。   The cooling device according to any one of claims 1 to 4, wherein the alumina plate has a thickness of 3 mm to 8 mm. 前記半導体集積回路の熱設計電力が10W以下の場合に、前記アルミナ板の最も広い面の面積が10000mm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1に記載の冷却装置。 The cooling according to any one of claims 1 to 5, wherein when the thermal design power of the semiconductor integrated circuit is 10 W or less, the area of the widest surface of the alumina plate is 10,000 mm 2 or less. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102225791B1 (en) 2019-10-31 2021-03-11 고려대학교 산학협력단 White radiant cooling device
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