JP2757893B2 - Flat semiconductor device - Google Patents

Flat semiconductor device

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JP2757893B2 JP2209331A JP20933190A JP2757893B2 JP 2757893 B2 JP2757893 B2 JP 2757893B2 JP 2209331 A JP2209331 A JP 2209331A JP 20933190 A JP20933190 A JP 20933190A JP 2757893 B2 JP2757893 B2 JP 2757893B2
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研二 木島
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、平型半導体素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a flat semiconductor device.

(従来の技術) 従来、大容量の平型半導体素子の放熱には、第7図に
示すように半導体素子1の両側から圧接したフィン2を
受熱部とするヒートパイプ3を用いる方式や、第8図に
示すように密閉容器4と凝縮器5を蒸気管6と戻り管7
で接続し、密閉容器4の内部に冷媒8と両側からフィン
2を圧接した平型半導体素子1を収容する沸騰冷却方式
があるが、冷却効率の面で沸騰冷却方式が優れており、
多く採用されていた。
(Prior Art) Conventionally, for heat radiation of a large-capacity flat semiconductor element, as shown in FIG. 7, a method using a heat pipe 3 having a fin 2 pressed from both sides of a semiconductor element 1 as a heat receiving portion, As shown in FIG. 8, the closed vessel 4 and the condenser 5 are connected to the steam pipe 6 and the return pipe 7.
There is a boiling cooling method in which the refrigerant 8 and the fins 2 are pressed from both sides into the closed container 4 to accommodate the flat semiconductor element 1 in the closed container 4, but the boiling cooling method is excellent in terms of cooling efficiency.
Many were adopted.

この沸騰冷却方式については、実願昭53−149271号
(実開昭55−65864号)のマイクロフィルムなどに記載
される方式がある。同マイクロフィルムの第4図には、
平型素子の沸騰冷却式タンクの構成図が示されており、
タンク31内部に平型素子15とその両面に取り付けた冷却
フィン18が収納され、冷媒16が封入されている。タンク
31は蒸気管13と液管14により凝縮部12と連結されてい
る。このような構成により、平型素子15の発熱は冷却フ
ィン18に伝えられ、タンク31内部の冷媒16と熱交換して
冷却され、熱を受けた冷媒16は沸騰して蒸気管13を上昇
し、凝縮部12で大気に熱を放散して凝縮し、液管14を通
って再びタンク31に戻る動作を行う。
This boiling cooling method is described in, for example, a microfilm disclosed in Japanese Utility Model Application No. 53-149271 (Japanese Utility Model Application Publication No. Sho 55-65864). In FIG. 4 of the microfilm,
The configuration diagram of the boiling cooling tank of the flat type element is shown,
A flat element 15 and cooling fins 18 attached to both sides thereof are housed in a tank 31, and a refrigerant 16 is sealed therein. tank
Reference numeral 31 is connected to the condensing section 12 by a vapor pipe 13 and a liquid pipe 14. With such a configuration, the heat generated by the flat element 15 is transmitted to the cooling fins 18, cooled by exchanging heat with the refrigerant 16 inside the tank 31, and the refrigerant 16 that has received heat boils and rises up the steam pipe 13. Then, the heat is dissipated and condensed to the atmosphere in the condensing section 12 and returned to the tank 31 through the liquid pipe 14 again.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記した沸騰冷却方式には、次のよう
な問題点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) However, the above-mentioned boiling cooling system has the following problems.

(1)半導体素子の内部には、熱伝導に対する抵抗があ
り、大容量の場合内部の温度勾配が大きく、冷却上の限
界がある。
(1) Inside the semiconductor element, there is resistance to heat conduction, and in the case of a large capacity, the temperature gradient inside is large and there is a limit in cooling.

(2)上記(1)項のため冷媒の温度を下げる必要があ
り、凝縮器が大型化する。
(2) Due to the above item (1), it is necessary to lower the temperature of the refrigerant, which increases the size of the condenser.

(3)上記(2)項のため沸騰熱伝達率が低下する。(3) The boiling heat transfer coefficient decreases due to the above item (2).

(4)冷却部が大きくなるため、圧力容器の構造上、高
圧の冷媒を使用できない。
(4) Since the cooling section is large, high-pressure refrigerant cannot be used due to the structure of the pressure vessel.

(5)以上の問題点があるため、冷却器を大きくして
も、大容量の半導体素子の能力を100%使用することが
できない。
(5) Due to the above problems, even if the cooler is enlarged, 100% of the capacity of the large-capacity semiconductor element cannot be used.

そこで本発明は、上述した問題点を解決するためにな
されたもので、平型半導体素子内部に直接冷媒を封入
し、平形半導体素子を構成している一部品である外囲器
の構成部材を冷却フィンと同様の作用を行なうものとし
て使うことで冷却効率を上げ、大容量の半導体素子の能
力をフルに生かすことのできる平型半導体素子を提供す
ることを目的とする。
Therefore, the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a refrigerant is directly sealed in the inside of a flat semiconductor element, and a constituent member of an envelope, which is one part of the flat semiconductor element, is provided. It is an object of the present invention to provide a flat semiconductor device which can increase the cooling efficiency by using the same function as a cooling fin and can make full use of the capacity of a large-capacity semiconductor device.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上述した目的を達成するために、本発明は、半導体ペ
レットを収納した外囲器と、この外囲器に設けられ、外
部と連通する管と、前記外囲器内部に封入され、沸騰・
凝縮の相変化を行う冷媒とを有してなる。
[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides an envelope accommodating semiconductor pellets, and a pipe provided in the envelope and communicating with the outside. And sealed inside the envelope,
And a refrigerant that changes the phase of condensation.

(作用) 上述した構成により、半導体ペレットは外囲器の構成
部材を介して通電されると発熱するが、この熱が外囲器
の構成部材に伝達し外囲器の内部に封入している冷媒を
沸騰させる。発生した蒸気は外部と連通する管を介して
別に設けられた熱交換器に送られ液化し、液化した冷媒
は外部と連通する管を介して外囲器に戻される。この一
連の作用により半導体ペレットが直接冷却される。
(Operation) According to the above-described configuration, the semiconductor pellet generates heat when energized through the constituent members of the envelope, and this heat is transmitted to the constituent members of the envelope and sealed inside the envelope. Bring the refrigerant to a boil. The generated vapor is sent to a separately provided heat exchanger via a pipe communicating with the outside to be liquefied, and the liquefied refrigerant is returned to the envelope via a pipe communicating with the outside. The semiconductor pellet is directly cooled by this series of operations.

(実施例) 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明
する。第1図は、本発明の一実施例を示す平型半導体素
子の正面図、第2図は、第1図のA−A断面図である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view of a flat type semiconductor device showing one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.

半導体ペレット10は、その両面が、金属材(例えばW,
Mo,Cu)から形成された緩衝板11で覆われ、端部には絶
縁ブロック12が備えられている。緩衝板11により耐冷媒
性を高くし、絶縁ブロック12によりアノードとカソード
の絶縁を強化している。そしてこのように構成される半
導体ペレット10は、外囲器13を構成する銅ブロック14,1
4で両側から押え付けられている。
The semiconductor pellet 10 has a metal material (for example, W,
It is covered with a buffer plate 11 made of Mo, Cu) and has an insulating block 12 at an end. The buffer plate 11 enhances refrigerant resistance, and the insulating block 12 enhances insulation between the anode and the cathode. And the semiconductor pellet 10 thus configured is a copper block 14, 1 constituting the envelope 13.
4 is pressed from both sides.

外囲器13は、円板状をなし半導体ペレット10を両側か
ら押え付ける一対の銅ブロック14,14と、セラミックで
環状に形成され、半導体ペレット10の外形より内径を大
きくした絶縁部15と、薄いステンレス材で形成され、絶
縁部15のそれぞれの側面とは外周に設けた折曲部で気密
に接合し、銅ブロック14とは中央に設けた開口部で気密
に接合し、かつ外周に近い位置に環状の溝16aを設け、
対向した状態に配置される一対のバッファ部16,16で構
成され、内側に空間部を形成し、低沸点冷媒(例えば住
友3M社の商品名フロリナート)17を封入している。
The envelope 13 has a pair of copper blocks 14, 14, which are disc-shaped and press the semiconductor pellet 10 from both sides, and an insulating portion 15, which is formed in a ring shape of ceramic and has an inner diameter larger than the outer shape of the semiconductor pellet 10, It is formed of a thin stainless steel material, and is air-tightly joined to each side surface of the insulating portion 15 at a bent portion provided on the outer periphery, and air-tightly joined to the copper block 14 at an opening provided at the center, and close to the outer periphery. An annular groove 16a is provided at the position,
It is composed of a pair of buffer units 16 and 16 arranged opposite to each other, forms a space inside, and encloses a low-boiling-point refrigerant (for example, Fluorinert (trade name of Sumitomo 3M)) 17.

一方、絶縁部15には、使用状態で上側となる位置に冷
媒17が沸騰したときに蒸気を凝縮器である熱交換器(図
示しない)に導く蒸気管18と、反対側の位置に熱交換器
で液化した冷媒17の戻り管19を接続する。
On the other hand, the insulating section 15 has a steam pipe 18 for guiding steam to a heat exchanger (not shown) which is a condenser when the refrigerant 17 boils to a position on the upper side in use, and a heat exchanger 18 for heat exchange at an opposite position. The return pipe 19 of the refrigerant 17 liquefied by the vessel is connected.

以上のように構成することにより、半導体素子内部に
直接冷媒17を封入でき、銅ブロック14は内側が冷却フィ
ンとして作用し、外側が導電および圧接に使用され、ま
たバッファ部16は環状の溝16aにより銅ブロック14が加
圧されたときにも過大な応力を発生することがない。
With the above configuration, the coolant 17 can be directly enclosed in the semiconductor element, the inside of the copper block 14 acts as a cooling fin, the outside is used for conduction and pressure welding, and the buffer section 16 has an annular groove 16a. Therefore, even when the copper block 14 is pressed, excessive stress is not generated.

次に、以上のように構成された実施例の作用を説明す
る。まず、半導体ペレット10は、外部から銅ブロック1
4,14が第2図の矢印方向の荷重を受けると、外囲器13の
バッファ部16の変形により適切な値に加圧、圧接され
る。次に銅ブロック14,14を介して通電すると、半導体
ペレット10が発熱し、この熱が銅ブロック14,14へ伝導
する。そこで、銅ブロック14の表面(外周)に接してい
る冷媒17が沸騰し気化する。気化した蒸気は、外囲器13
の蒸気管18から熱交換器(上部に設けられるが図示しな
い)へ送られ、液化した後戻り管19から戻る。つまり、
半導体ペレット10は、この冷却系により直接冷却するこ
とができる。
Next, the operation of the embodiment configured as described above will be described. First, the semiconductor pellet 10 is externally supplied with the copper block 1.
When the loads 4 and 14 receive the load in the direction of the arrow in FIG. 2, they are pressed and pressed to an appropriate value by deformation of the buffer section 16 of the envelope 13. Next, when electricity is supplied through the copper blocks 14, 14, the semiconductor pellet 10 generates heat, and this heat is transmitted to the copper blocks 14, 14. Then, the refrigerant 17 in contact with the surface (outer circumference) of the copper block 14 boils and evaporates. The vaporized vapor is supplied to the envelope 13
From the steam pipe 18 to a heat exchanger (provided at the top but not shown), liquefied, and returned from the return pipe 19. That is,
The semiconductor pellet 10 can be directly cooled by this cooling system.

このように本実施例では、半導体素子の一部を構成す
る銅ブロック14を冷却フィンとし、半導体素子内部に直
接冷媒を封入するように半導体素子そのものを構成した
ので、半導体ペレット10と冷媒17との温度差(熱抵抗)
を小さくでき、冷却効率を大幅に改善することができ
る。また、冷却フィンが半導体素子の一部分であること
から、半導体素子と冷却フィンとの接触熱抵抗を無くす
ことができ、冷却器が一体化しているため構成を簡単に
することができる。このように熱伝導に対する抵抗を無
くすことができるため、凝縮部(熱交換器)側では内部
の冷媒温度を高く設定できることから、外気との温度差
が大きく凝縮部の性能が改善されて小型軽量化が可能と
なる。また、半導体ペレット10を直接沸騰冷却するため
応答性が良く、半導体素子内部の温度上昇を低減でき、
許容温度に対し余裕を大きく取れピークロスを強くでき
信頼性向上が図れる。さらに、半導体素子の内容積が小
さく冷媒量も少ないため圧力容器にならず、外部圧接型
のため内圧に強い構成となる。なお、外囲器13を外部か
ら冷却するようにすれば、さらに冷却能率を向上するこ
とができる。
As described above, in the present embodiment, the copper block 14 constituting a part of the semiconductor element is used as a cooling fin, and the semiconductor element itself is configured so that the refrigerant is directly sealed inside the semiconductor element. Temperature difference (heat resistance)
And the cooling efficiency can be greatly improved. Further, since the cooling fin is a part of the semiconductor element, the contact thermal resistance between the semiconductor element and the cooling fin can be eliminated, and the configuration can be simplified because the cooler is integrated. Since the resistance to heat conduction can be eliminated in this way, the internal refrigerant temperature can be set higher on the condenser (heat exchanger) side, so that the temperature difference from the outside air is large and the performance of the condenser is improved, resulting in a smaller and lighter body. Is possible. In addition, since the semiconductor pellet 10 is directly cooled by boiling, the response is good, and the temperature rise inside the semiconductor element can be reduced.
A large margin can be taken with respect to the allowable temperature, the peak cross can be strengthened and the reliability can be improved. Furthermore, since the internal volume of the semiconductor element is small and the amount of the refrigerant is small, the semiconductor element is not a pressure vessel. In addition, if the envelope 13 is cooled from the outside, the cooling efficiency can be further improved.

なお、本発明は上記した実施例(以下、第1の実施例
という)に限定されるものでなく、様々変形実施でき
る。第3図は本発明の他の実施例(以下、第2の実施例
という)の要部を示す断面図で、第4図は第3図のA−
A断面図である。この第2の実施例は、銅ブロック14に
上下方向に沿って貫通孔20を設けたもので、これにより
銅ブロック14の表面積を大きくすることができ、第1の
実施例に比べて冷却能力を向上することができる。また
第5図は、本発明のさらに異なる他の実施例(以下、第
3の実施例という)の要部を示す断面図である。この第
3の実施例は、銅ブロック14の外周(ただし、バッファ
部16が接合される部分は除く)にヒダ21を設けたもの
で、これにより、銅ブロック14の表面積を大きくするこ
とができ、第2の実施例と同様、第1の実施例に比べて
冷却能力を向上することができる。また第6図は、本発
明のさらに異なる他の実施例(以下、第4の実施例とい
う)の要部を示す断面図である。この第4の実施例は、
絶縁部22を2個用い上記した各実施例の絶縁部15より外
形、内径共小さい環状として内周を直接銅ブロック14と
気密に接合し、バッファ部23には外周に近い位置に環状
の溝23aを設け、外周の折曲部に蒸気管18と戻り管(図
示しない)を接続したもので、第1の実施例と同様の効
果を得ることができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment (hereinafter, referred to as a first embodiment), and can be variously modified. FIG. 3 is a sectional view showing a main part of another embodiment (hereinafter, referred to as a second embodiment) of the present invention, and FIG.
It is A sectional drawing. In the second embodiment, a through-hole 20 is provided in the copper block 14 along the up-down direction, so that the surface area of the copper block 14 can be increased. Can be improved. FIG. 5 is a sectional view showing a main part of still another embodiment (hereinafter, referred to as a third embodiment) of the present invention. In the third embodiment, the folds 21 are provided on the outer periphery of the copper block 14 (except for the portion where the buffer section 16 is joined), so that the surface area of the copper block 14 can be increased. Like the second embodiment, the cooling capacity can be improved as compared with the first embodiment. FIG. 6 is a sectional view showing a main part of still another embodiment (hereinafter, referred to as a fourth embodiment) of the present invention. This fourth embodiment is:
The outer periphery and the inner diameter are smaller than the insulating portion 15 of each of the above embodiments using two insulating portions 22. The inner periphery is directly airtightly joined to the copper block 14, and the buffer portion 23 has an annular groove near the outer periphery. 23a is provided, and the steam pipe 18 and the return pipe (not shown) are connected to the bent portion on the outer periphery, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、平型半導体素
子内部に直接冷媒を封入し、平形半導体素子を構成して
いる一部品である外囲器の構成部材を冷却フィンと同様
の作用を行なうものとして使うことで冷却効率を上げ、
大容量の半導体素子の能力をフルに生かすことのできる
平型半導体素子を提供することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a refrigerant is directly enclosed in a flat semiconductor device, and a cooling fin is used as a component of an envelope which is a component of the flat semiconductor device. By increasing the cooling efficiency by using the same function as
It is possible to provide a flat semiconductor device capable of fully utilizing the capability of a large-capacity semiconductor device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の一実施例を示す平型半導体素子の正
面図、第2図は、第1図のA−A断面図、第3図は、本
発明の他の実施例の要部を示す断面図、第4図は、第3
図のA−A断面図、第5図は、本発明のさらに異なる他
の実施例の要部を示す断面図、第6図は、本発明のさら
に異なる他の実施例の要部を示す断面図、第7図は、ヒ
ートパイプを用いた従来の冷却構造を示す図、第8図
は、沸騰冷却方式による従来の冷却構造を示す図であ
る。 10……半導体ペレット、13……外囲器、 14……銅ブロック、15……絶縁部、 16……バッファ部、17……冷媒、 18……蒸気管、19……戻り管。
FIG. 1 is a front view of a flat type semiconductor device showing one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a sectional view showing a part.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 5, FIG. 5 is a cross-sectional view showing a main part of still another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing a conventional cooling structure using a heat pipe, and FIG. 8 is a diagram showing a conventional cooling structure using a boiling cooling method. 10 ... semiconductor pellet, 13 ... envelope, 14 ... copper block, 15 ... insulating part, 16 ... buffer part, 17 ... refrigerant, 18 ... steam pipe, 19 ... return pipe.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体ペレットを収納した外囲器と、 この外囲器に設けられ、外部と連通する管と、 前記外囲器内部に封入され、沸騰・凝縮の相変化を行う
冷媒とから構成される平型半導体素子。
1. An envelope accommodating semiconductor pellets, a pipe provided in the envelope and communicating with the outside, and a refrigerant sealed in the envelope and performing a phase change of boiling and condensation. A flat semiconductor device that is composed.
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