JP2011222818A - 半導体デバイスの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体デバイスのプリント基板側への放熱量が大きい場合においても、半導体デバイスを冷却することが可能な半導体デバイスの冷却構造を実現する。
【解決手段】プリント基板上に実装された半導体デバイスの冷却構造において、冷却流体が流れる水冷パイプを有し、第１の接触面と第２の接触面からの熱を冷却流体に伝える伝熱プレートと、プリント基板に設けられ、半導体デバイスの熱を伝える伝熱用パターンと、半導体デバイスの上面と伝熱プレートの第１の接触面との間隙に設けられた第１の伝熱材と、伝熱用パターンと伝熱プレートの第２の接触面との間隙に設けられた第２の伝熱材とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プリント基板上に実装された半導体デバイスの冷却構造に関し、詳しくは、半導体デバイスのプリント基板側への放熱量が大きい場合においても、半導体デバイスを冷却することが可能な半導体デバイスの冷却構造に関するものである。

近年、半導体デバイスの高速化に伴い、デバイス自体の消費電力が大幅に上がってきている。例えば、半導体試験装置等におけるカード型の測定モジュールに実装されている半導体デバイスは、狭い空間に高密度に実装されている。そのため、高速の半導体デバイスにおいては、空冷では冷却が間に合わず、水冷で冷却を行うことが多くなってきている。

図３は、従来の半導体デバイスの冷却構造の一例を示した構成図である。
図３において、プリント基板１は、ガラスエポキシ等で構成され、銅などの金属で配線パターンが形成されている。半導体デバイス２は、ＩＣ（Integrated Circuit）等であり、動作時にかなりの熱を発する発熱体である。伝熱プレート３は、冷却水が流れる水冷パイプ３ａを有しており、外部から入ってきた熱をこの冷却水に伝える。伝熱材４は、柔軟性のあるシリコン材料、または、伝熱性グリスであり、半導体デバイスの上面、すなわち、プリント基板１と接触する面とは反対側の面と伝熱プレート３との間隙に設けられる。また、伝熱材４は、半導体デバイスの上面および伝熱プレート３にそれぞれ接触している。

このような半導体デバイスの冷却構造の動作を説明する。
半導体デバイス２から発生した熱は、伝熱材４を介して伝熱プレート３へ伝えられる。伝熱プレート３は、半導体デバイス２からの熱を、水冷パイプ３ａに流れる冷却水へ伝える。これにより、半導体デバイス２の冷却が行われる。

特許文献１には、安価でかつ放熱性に優れる半導体装置が記載されている。

特開２００８−２１６０８８号公報

しかし、図３に示す従来例では、半導体デバイス２の仕様が、半導体デバイス２の基板側への放熱量が伝熱プレート３側よりも大きい（熱抵抗が小さい）場合には、半導体デバイス２から発生する熱のほとんどが、伝熱プレート３の水冷パイプ３ａを流れる冷却水ではなく、プリント基板１を介して大気中に逃げてしまうという問題があった。

また、プリント基板１から大気への熱交換特性が、伝熱プレート３から水冷パイプ３ａを流れる冷却水への熱交換特性よりも悪いことから、半導体デバイス３で発生した熱が、プリント基板１から大気中になかなか放熱されず、プリント基板１および半導体デバイス３の温度が上昇してしまうという問題があった。

そこで本発明の目的は、半導体デバイスのプリント基板側への放熱量が大きい場合においても、半導体デバイスを冷却することが可能な半導体デバイスの冷却構造を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
プリント基板上に実装された半導体デバイスの冷却構造において、
冷却流体が流れる水冷パイプを有し、第１の接触面と第２の接触面からの熱を前記冷却流体に伝える伝熱プレートと、
前記プリント基板に設けられ、前記半導体デバイスの熱を伝える伝熱用パターンと、
前記半導体デバイスの上面と前記伝熱プレートの前記第１の接触面との間隙に設けられた第１の伝熱材と、
前記伝熱用パターンと前記伝熱プレートの前記第２の接触面との間隙に設けられた第２の伝熱材と
を備えたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記伝熱用パターンは、
前記プリント基板に設けられ、前記半導体デバイスの基板面と接触する第１の表層パターンと、
前記プリント基板に設けられ、前記第２の伝熱材と接触する第２の表層パターンと、
前記プリント基板の内層に設けられた内層パターンと、
前記第１の表層パターンと前記内層パターン、または、前記第２の表層パターンと前記内層パターンとを接続して熱を伝える伝熱部位と
を有することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記第１の伝熱材または前記第２の伝熱材は、
シリコン材料または伝熱性グリスであることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、
前記伝熱部位は、
ピン状の金属部材または前記プリント基板に形成したスルーホールであることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
プリント基板上に実装された半導体デバイスの冷却構造において、冷却流体が流れる水冷パイプを有し、第１の接触面と第２の接触面からの熱を冷却流体に伝える伝熱プレートと、プリント基板に設けられ、半導体デバイスの熱を伝える伝熱用パターンと、半導体デバイスの上面と伝熱プレートの第１の接触面との間隙に設けられた第１の伝熱材と、伝熱用パターンと伝熱プレートの第２の接触面との間隙に設けられた第２の伝熱材とを備えたことにより、プリント基板へ伝わっていた半導体デバイスからの熱を伝熱プレート内の水冷パイプを流れる冷却流体に逃がすことができるので、半導体デバイスのプリント基板側への放熱量が大きい場合においても、半導体デバイスを冷却することができる。

本発明の半導体デバイスの冷却構造の第１の実施例を示した構成図である。 本発明の半導体デバイスの冷却構造の第２の実施例を示した構成図である。 従来の半導体デバイスの冷却構造の一例を示した構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の半導体デバイスの冷却構造の第１の実施例を示した構成図である。ここで、図３と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１において、図３に示す構成と異なる点は、プリント基板１の代わりにプリント基板１１が設けられている点、プリント基板１１に伝熱用パターン１２が新たに設けられている点、伝熱プレート３の代わりに伝熱プレート１３が設けられている点、および、伝熱材１４が新たに設けられている点である。

プリント基板１１は、プリント基板１と同様に、ガラスエポキシ等で構成され、銅などの金属で配線パターンが形成されている。伝熱用パターン１２は、銅などの熱伝導率の高い材料を用いてプリント基板１１に設けられ、半導体デバイス２の熱を伝える。伝熱プレート１３は、冷却水が流れる水冷パイプ１３ａを有し、接触面１３ｂと接触面１３ｃからの熱を冷却水に伝える。接触面１３ｂは、伝熱材４と接触している。伝熱材１４は、伝熱材４と同様に、柔軟性のあるシリコン材料、または、伝熱性グリスであり、伝熱用パターン１２と伝熱プレート１３の接触面１３ｃとの間隙に設けられる。また、伝熱材１４は、伝熱用パターン１２および伝熱プレート１３の接触面１３ｃにそれぞれ接触している。

このような半導体デバイスの冷却構造の動作を説明する。
半導体デバイス２から発生した熱は、伝熱材４を介して接触面１３ｂから伝熱プレート１３へ伝えられる。さらに、半導体デバイス２から発生した熱は、プリント基板１１の伝熱用パターン１２および伝熱材１４を介して接触面１３ｃから伝熱プレート１３へ伝えられる。接触面１３ｂおよび接触面１３ｃから入ってきた半導体デバイス２からの熱は、水冷パイプ１３ａに流れる冷却水へ伝えられる。

このように、プリント基板１１に伝熱用パターン１２を設け、この伝熱用パターン１２を半導体デバイス２の下面に接触させる。そして、伝熱用パターン１２および伝熱材１４を介して接触面１３ｃから伝熱プレート１３へ熱を伝えることにより、プリント基板１１へ伝わっていた半導体デバイス２からの熱を伝熱プレート１３内の水冷パイプ１３ａを流れる冷却水に逃がすことができるので、半導体デバイス２のプリント基板１１側への放熱量が大きい場合においても、半導体デバイス２を冷却することができる。

［第２の実施例］
図２は、本発明の半導体デバイスの冷却構造の第２の実施例を示した構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図２において、図１に示す構成と異なる点は、プリント基板１１の代わりにプリント基板１５が設けられている点である。

プリント基板１５は、プリント基板１１と同様に、ガラスエポキシ等で構成され、銅などの金属で配線パターンが形成されている。また、プリント基板１５は、内層パターンを有する多層基板である。表層パターン１６は、プリント基板１５上に設けられ、半導体デバイス２の下面（プリント基板１５と接する面）と接触して熱を伝える。表層パターン１７は、プリント基板１５に設けられ、伝熱材１４と接触して熱を伝える。

内層パターン１８は、プリント基板１５の内層に設けられた伝熱用パターンである。伝熱部位１９は、ピン状の金属部材またはプリント基板１５に形成したスルーホールであり、表層パターン１６と内層パターン１８、または、表層パターン１７と内層パターン１８とを接続して熱を伝える。

このような半導体デバイスの冷却構造の動作を説明する。
半導体デバイス２から発生した熱は、伝熱材４を介して接触面１３ｂから伝熱プレート１３へ伝えられる。さらに、半導体デバイス２から発生した熱は、プリント基板１１の表層パターン１６および伝熱部位１９を介して内層パターン１８へ伝えられる。そして、内層パターン１８へ伝えられた熱は、伝熱部位１９、表層パターン１７および伝熱材１４を介して接触面１３ｃから伝熱プレート１３へ伝えられる。接触面１３ｂおよび接触面１３ｃから入ってきた半導体デバイス２からの熱は、水冷パイプ１３ａに流れる冷却水へ伝えられる。

このように、プリント基板１５に設けた表層パターン１６と内層パターン１８、表層パターン１７と内層パターン１８を伝熱部位１９でそれぞれ接続し、この経路と伝熱材１４を介して接触面１３ｃから伝熱プレート１３へ半導体デバイス２から発生した熱を伝えることにより、プリント基板１１へ伝わっていた半導体デバイス２からの熱を伝熱プレート１３内の水冷パイプ１３ａを流れる冷却水に熱を逃がすことができるので、半導体デバイス２のプリント基板１５側への放熱量が大きい場合においても、半導体デバイス２を冷却することができる。

なお、実施例では、水冷パイプ内の冷却流体に水を用いて冷却する場合について説明したが、冷却流体として水以外の流体を用いて冷却しても良い。

１，１１，１５ プリント基板
２ 半導体デバイス
４ 伝熱材（第１の伝熱材）
１２ 伝熱用パターン
１３ 伝熱プレート
１３ａ 水冷パイプ
１３ｂ 接触面（第１の接触面）
１３ｃ 接触面（第２の接触面）
１４ 伝熱材（第２の伝熱材）
１６ 表層パターン（第１の表層パターン）
１７ 表層パターン（第２の表層パターン）
１８ 内層パターン
１９ 伝熱部位

Claims (4)

1. プリント基板上に実装された半導体デバイスの冷却構造において、
   冷却流体が流れる水冷パイプを有し、第１の接触面と第２の接触面からの熱を前記冷却流体に伝える伝熱プレートと、
   前記プリント基板に設けられ、前記半導体デバイスの熱を伝える伝熱用パターンと、
   前記半導体デバイスの上面と前記伝熱プレートの前記第１の接触面との間隙に設けられた第１の伝熱材と、
   前記伝熱用パターンと前記伝熱プレートの前記第２の接触面との間隙に設けられた第２の伝熱材と
   を備えたことを特徴とする半導体デバイスの冷却構造。
2. 前記伝熱用パターンは、
   前記プリント基板に設けられ、前記半導体デバイスの基板面と接触する第１の表層パターンと、
   前記プリント基板に設けられ、前記第２の伝熱材と接触する第２の表層パターンと、
   前記プリント基板の内層に設けられた内層パターンと、
   前記第１の表層パターンと前記内層パターン、または、前記第２の表層パターンと前記内層パターンとを接続して熱を伝える伝熱部位と
   を有することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの冷却構造。
3. 前記第１の伝熱材または前記第２の伝熱材は、
   シリコン材料または伝熱性グリスであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体デバイスの冷却構造。
4. 前記伝熱部位は、
   ピン状の金属部材または前記プリント基板に形成したスルーホールであることを特徴とする請求項２記載の半導体デバイスの冷却構造。

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