JP2669378B2 - 半導体モジュールの冷却構造 - Google Patents

半導体モジュールの冷却構造

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JP2669378B2
JP2669378B2 JP7025054A JP2505495A JP2669378B2 JP 2669378 B2 JP2669378 B2 JP 2669378B2 JP 7025054 A JP7025054 A JP 7025054A JP 2505495 A JP2505495 A JP 2505495A JP 2669378 B2 JP2669378 B2 JP 2669378B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は配線基板上に風上から風
下にかけて多段に実装された半導体素子、特に大規模集
積回路にヒートパイプによってつながれた放熱板を設置
し、それをファンによって強制冷却する半導体モジュー
ルの冷却構造に関する。
【0002】
【従来の技術】配線基板に実装された半導体素子は発熱
量が大きくなるにつれて、自然空冷からファンを用いた
強制空冷に、そして水等を冷媒にした水冷へと冷却構造
を変えた。具体的には半導体素子の発熱量が10ワット
(W)くらいまでの場合は、半導体素子の放熱面に放熱
板(以下ヒートシンク)を設置し、ヒートシンクに風を
送るようにファンを設置する。このファンからの風で強
制空冷が行われ、発熱量がこれ以上になるとヒートシン
クに水等を流す装置を設置したりして水冷が行われてき
た。
【0003】ところが最近は大規模集積回路(以下LS
I)一個の集積度が大幅に向上しており、配線基板の上
で一部のLSIのみ発熱量が、10ワット(W)を越え
るようになってきている。しかし、この一部のLSIだ
けに注目して、冷却構造を水冷としてしまうと、装置が
大型化するなど保守の面でも不利になる。
【0004】また強制空冷構造を採用したとしても、こ
の一部のLSIを冷却するためだけに大きなファンを用
意しなくてはならず、冷気吸い込み用の開口面積を大き
くとらなければならなくなったり、騒音が大きくなって
しまう。特に発熱量の大きなLSIが配線基板上に風向
きに対して多段に実装された場合は、空気の熱容量のた
めに風下に実装されたLSIに向かうにつれ、ヒートシ
ンク入口の空気温度が上昇し、冷却条件が厳しいものに
なる。このため、上記の問題はより顕著となる。
【0005】そこでこの問題を解決するための対策とし
て、ヒートパイプを用いた、例えば特開昭60−231
346号公報や特開昭56−160090号公報に示さ
れるような、基板全体の熱をヒートパイプによって基板
外に設けたヒートシンクまで輸送して冷却する技術が提
案されている。また、「日経バイト 1993年8月
号」の記載に代表されるような、発熱量の大きなLSI
に取り付けたヒートシンクに、さらに専用の小型ファン
をヒートシンクの上面に設置する等の技術も提案されて
いる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基板全
体の熱をヒートパイプによって輸送する技術は、ヒート
パイプを多数使用したり、ヒートパイプ自体大きくなっ
たり、基板外に設けた放熱部が大型になってしまうた
め、ヒートパイプの保守作業が繁雑になってしまうなど
の問題が生ずる。
【0007】またLSIの上に専用の小型ファンを設置
する技術も、ファンの厚みとファンの空気吸入に必要な
空間の高さだけ配線基板間のピッチが拡大するため、コ
ンピュータの計算速度という性能面に悪影響を及ぼすと
いう問題が生ずる。さらにモータの駆動電流のゆれや突
入電流が大きいため、給電系統をLSIのそれとは別に
設ける必要があるなどの問題が生じる。また、この技術
においても風下に実装されたLSI程冷却条件が厳しく
なることはいうまでもない。
【0008】本発明の目的は、装置自体を小型にし、騒
音を減少するようにした半導体モジュールの冷却装置を
提供することにある。
【0009】本発明の他の目的は、ヒートシンクを小型
にし、ファンの大きさも小さくするようにした半導体モ
ジュールの冷却構造を提供することにある。
【0010】本発明の他の目的は、風下に配置された半
導体素子の温度上昇を防止するようにした半導体モジュ
ールの冷却構造を提供することにある。
【0011】本発明の他の目的は、実装上半導体モジュ
ールの高さや傾きのバラツキを吸収するようにした半導
体モジュールの冷却構造を提供することにある。
【0012】本発明の他の目的は、冷却効率を向上する
ようにした半導体モジュールの冷却構造を提供すること
にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の半導体モ
ジュールの実装構造は、発熱体の熱を風で放熱する第1
のヒートシンクと、発熱体の熱を風で放熱する第2のヒ
ートシンクと、前記第1のヒートシンクと前記第2のヒ
ートシンクとを接続し、内部に冷媒を通すヒートパイプ
とを含む。
【0014】本発明の第2の半導体モジュールの冷却構
造は、配線基板上に風上から風下にかけて多段に実装さ
れた半導体素子を保護する複数のケースと、これらケー
ス上に接着された複数の柔軟なシートと、これら柔軟な
シート上に接着された複数のヒートシンクと、これらヒ
ートシンクのそれぞれに埋め込まれ、それぞれのヒート
シンクを接続したヒートパイプとを含む。
【0015】本発明の第3の冷却構造は、前記第2の冷
却構造における前記複数の柔軟なシートの少なくとも1
つと、この柔軟なシートに対応する前記ヒートシンクと
の間に熱伝導性のよい取付板を介在させたことを特徴と
する。
【0016】本発明の4の冷却構造は、前記第3の冷却
構造における前記ヒートシンクと前記取付板とをネジ止
めすることを特徴とする。
【0017】本発明の第5の冷却構造は、前記第1のヒ
ートシンクと前記第2のヒートシンクとは異なる前記ヒ
ートパイプ上の位置に設けられ、前記ヒートパイプ内を
流れる冷媒の熱を放熱するための放熱部とを含む。
【0018】本発明の第6の冷却構造は、第1の半導体
と、この第1の半導体の上に形成された気体により冷却
されるためのヒートシンクと、第2の半導体と、この第
2の半導体の上に形成された伝熱体と、この伝熱体と前
記ヒートシンクとを連結し、内部に冷媒を通すヒートパ
イプとを含む。
【0019】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
詳細に説明する。
【0020】図1を参照すると、本発明の第1の実施例
において、フェイスダウンに実装された半導体素子の一
例であるLSIを入れたケース、例えばLSIケース1
は、配線基板上に多段に搭載されている。LSIケース
1の放熱面は熱伝導性がよく、柔軟な、例えばシリコー
ンラバーシート2を介して、ヒートシンク3と接着され
ている。ヒートシンク3は熱伝導率のよい、例えばアル
ミや銅金属で形成されている。ヒートシンク3のベース
9にはヒートパイプ4が埋め込まれており、下段のヒー
トシンク3′へと次々に接続されている。ヒートパイプ
4はウイックと呼ばれる多孔質物質、例えば金網や金属
フェルトを内壁に張り付けた管であり、そのヒートパイ
プ内は減圧され、作動流体が適量だけ封入されている。
外から熱を受けるとウイック内の作動液が蒸発し、そこ
で蒸発の潜熱が奪われ、圧力が上昇する。その圧力差に
より蒸気は定温低圧側に移動され、凝縮放熱される。凝
縮された作動液はウイックの毛細管力により蒸発部へ環
流する。そのためヒートパイプは高効率で、連続的な熱
輸送能力を持つ。
【0021】図2を参照して、本発明の特徴をさらに説
明する。
【0022】図2(A)を参照すると、多段に実装され
たLSI1の上にヒートシンク3が各々設置されている
図中矢印でファンから与えられた風の方向が示されてい
る。空気はヒートシンクから熱伝達により熱を奪って、
一段目のLSIを冷却した後、二段目、三段目のLSI
1を対象にして冷却していく。しかし物体には熱容量が
あるため、空気もヒートシンクを通過する度に温度が上
昇していく。従って、この例に示すように空気の一段目
入口温度は25℃であっても、二段目の空気温度は30
℃、三段目の空気温度は35℃と上昇するため、LSI
のジャンクション温度も下段にいくにつれ60℃、65
℃、70℃と上昇する。この現象はLSIの実装が多段
になればなる程顕著なものとなる。この例の場合、三段
目のLSIの温度上昇は、配線基板の入口空気温度から
の上昇で見ると、70℃−25℃で45℃となる。
【0023】図2(B)を参照すると、各LSI1の上
に設置したヒートシンク3をヒートパイプ4にて接続さ
れた状態が示されている。ヒートパイプ4は前述したよ
うに温度差がある環境において、効率よく熱輸送が行わ
れるため、各LSI1のジャンクション温度は平均化す
る。この実施例だとLSI1のジャンクション温度は6
5℃で一定となり、三段目のLSI1の温度上昇は65
℃−25℃で40℃となる。このため冷却条件が図2
(A)で示された例に比べて暖くなり、ヒートシンク3
を小型化できるためにカード間ピッチを小さくでき、計
算速度が上昇する。また、ファンからの風量を小さくで
きるために騒音が抑えられる。また、発熱量の大きい一
部のLSIのみ効率的に冷却するため、過剰な冷却性能
を装置に与える必要がない。
【0024】本発明の第1の実施例では、ヒートシンク
3とLSIケース1との間は柔軟なシリコーンラバーシ
ート2を挟んであるため、LSIケース1を配線基板に
実装する際に生じる、ケースの高さや傾きのバラツキ、
あるいは熱膨張による高さの変化が各LSIケースによ
って異なっていても、ヒートシンクを充分追随させるこ
とができる。
【0025】次に本発明の第2の実施例について図面を
参照して詳細に説明する。
【0026】図3を参照すると、本発明の第2の実施例
の特徴は、ラバーシート2とヒートシンク3との間に取
付板10を介在させ、取付板10とラバーシート2とが
接着され、ヒートパイプ4の埋め込まれたヒートシンク
3が取付板10にネジ11でネジ止めされているところ
にある。なお、取付板10は熱伝導性がよく、ネジ強度
がある、例えばジュラルミンや銅−モリブデンのような
金属材料が適している。この第2の実施例でも、LSI
ケース1を配線基板に実装する際に生ずるケースの高さ
や傾きのバラツキ、あるいは熱膨張による高さの変化が
LSIケースによって異なっていても、ヒートシンクを
充分追随させることができる。
【0027】次に本発明の第3の実施例について図4を
参照して詳細に説明する。
【0028】図4を参照すると、本発明の第3の実施例
は、第1の実施例または第2の実施例(図4では図示せ
ず)のヒートパイプ4に接続され、またはヒートパイプ
4の一部としてLSI1上とは異なる空間位置に放熱面
積を大きくとった方体または球体の放熱部8を設けたこ
とを特徴とする。
【0029】この第3の実施例のような構成を採ること
によって、ヒートパイプに接続され、またはヒートパイ
プ4の放熱部8の面積が大きくとれるため、LSI1の
ジャンクション温度は一定となるばかりではなく、温度
の絶対値自体を低下させることができる。このため冷却
効率が向上する。
【0030】次に本発明の第4の実施例について図5を
参照して詳細に説明する。
【0031】一般にメモリなどのIC5は、信号伝達を
高速にするため、CPUなどのLSI1の側に置かなく
てはならない。しかし図5に示されるようにLSI1が
IC5の風上にあった場合、LSI1の冷却用のヒート
シンク3が大きくなると、IC5の表面に風が当たらな
くなり、ICの冷却が不可能となってしまう。そこで本
発明の第4の実施例では、IC5の上にヒートパイプを
埋め込んだ伝熱板6を装着し、LSI1のヒートシンク
3まで熱を輸送する技術を具体化した例である。ヒート
シンク3とヒートパイプ4の接続はバネ7によって行わ
れているため、IC5の実装における高さや傾きのバラ
ツキに充分追随できる。また、本発明の第4の実施例で
は、IC5の実装における高さや傾きのバラツキに追随
するためヒートシンク3とヒートパイプ4との間にバネ
7を用いている。このバネ7の代りに、本発明の第4の
実施例の変形例では、第1の実施例で示したラバーシー
トを用いる構造を採用している。このラバーシートを用
いてもIC5の実装における高さや傾きのバラツキに追
随できる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明はヒートパ
イプによって配線基板に風向きに対して、多段に実装さ
れた各LSIの温度を均一にするため、風下に実装され
たLSIの温度上昇を下げることができる。このため、
ヒートシンクを小型化でき、ファンの大きさも小さくす
ることが可能である。従って、騒音の減少、装置の小型
化などの効果をもたらす。また、本発明は、このような
効果を有するうえにLSIやICの実装上の問題である
高さや傾き等のバラツキにも追随できるという効果も併
せて有する。本発明はヒートパイプに放熱部を付加する
ことにより冷却効率を向上させることができるという効
果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施例の特徴を説明するための
図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す斜視図である。
【図4】本発明の第3の実施例を示す斜視図である。
【図5】本発明の第4の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 LSIケース 2 ラバーシート 3 ヒートシンク 4 ヒートパイプ 5 IC 6 伝熱板 7 バネ 8 放熱部 9 ベース

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 配線基板上に風上から風下にかけて多段
    に実装された半導体素子を保護する複数のケースと、 これらケース上に接着された複数の柔軟なシートと、 これら柔軟なシート上に接着されたベースを有する複数
    のヒートシンクと、 これらヒートシンクのそれぞれのベースに埋め込まれ
    それぞれのヒートシンクを接続したヒートパイプとを含
    むことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
  2. 【請求項2】 配線基板上に風上から風下にかけて多段
    に実装された半導体素子を保護する複数のケースと、 これらケース上に接着された複数の柔軟なシートと、 これら柔軟なシート上に接着された複数のヒートシンク
    と、 これらヒートシンクのそれぞれに埋め込まれそれぞれ
    のヒートシンクを接続したヒートパイプとを含み、 前記ヒートパイプは内壁に多孔質物質を張り付けた管で
    ある ことを特徴とする半導体モジュールの冷却構造。
  3. 【請求項3】 配線基板上に風上から風下にかけて多段
    に実装された半導体素子を保護する複数のケースと、 これらケース上に接着された複数の柔軟なシートと、 これら柔軟なシート上に接着された複数のヒートシンク
    と、 これらヒートシンクのそれぞれに埋め込まれそれぞれ
    のヒートシンクを接続したヒートパイプと これらヒートパイプに接続されて前記複数のケースとは
    異なる空間位置に放熱面積をとった方体または球体の放
    熱部と を含むことを特徴とする半導体モジュールの冷却
    構造。
  4. 【請求項4】 第1の半導体と、 この第1の半導体の上に形成された気体により冷却され
    るためのヒートシンクと、 第2の半導体と、 この第2の半導体の上に形成された伝熱体と、 この伝熱体と前記ヒートシンクとを連結し内部に冷媒を
    通すヒートパイプとを含むことを特徴とする半導体モジ
    ュールの冷却構造。
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