JP2995590B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents

半導体冷却装置

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JP2995590B2 JP3154667A JP15466791A JP2995590B2 JP 2995590 B2 JP2995590 B2 JP 2995590B2 JP 3154667 A JP3154667 A JP 3154667A JP 15466791 A JP15466791 A JP 15466791A JP 2995590 B2 JP2995590 B2 JP 2995590B2
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    • H01L2924/1204—Optical Diode
    • H01L2924/12044—OLED

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子などの高発
熱密度素子の冷却手段に係り、特に高速コンピュータな
どに用いられる半導体素子から発生する熱を効率的に除
去するのに好適な半導体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子の高集積化技術及び半導体素
子（素子）を基板上に高密度で実装する技術の進展に伴
い、素子から発生する多量の熱を除去するための手段が
種々検討されている。特に近年、莫大な発熱量を有する
素子を冷却するため、従来の強制空冷方式や伝導冷却方
式に代って、素子を直接電気絶縁性冷媒中に浸漬し、強
制対流伝熱、強制対流沸騰伝熱、あるいはプール沸騰伝
熱を用いて冷却する直接液冷方式が種々提案されてい
る。冷媒を液単相流状態で伝熱を行わせる強制対流伝熱
を用いたものとしては、例えば、多数の素子を搭載した
プリント基板を多数スタック状に積層し、各プリント基
板間に冷媒液を流して素子を冷却する冷却装置（特開昭
５９−１４５５４８号公報）、素子背面に多数の冷却フ
ィン列を装着し、冷却フィン間を流れる冷媒液により素
子を冷却する冷却装置（特開昭６０−１３４４５１号公
報）などがある。これらの冷却装置は、素子を冷媒液の
流れ方向に一列に配置しているため、流れ方向に冷媒液
の温度が上昇し、各々の素子の温度が流れの後流方向に
向けて順次上昇し、各素子の温度を均一に保つことが困
難となっている。この傾向は、冷媒液として比熱が小さ
い有機系冷媒を用いると特に顕著となるが、これら冷却
装置に使用し得る冷媒液が電気絶縁性や科学的安定性な
どの必要性から有機系冷媒に限定されるため、各素子の
温度の不均一がこの方式の大きな問題となっている。ま
た、有機系冷媒液の熱伝導率は水の約１／１０と非常に
小さいため、高い強制対流熱伝達率を得ることが困難で
あり、各素子の冷却効率が低くならざるを得ない。これ
らの問題を解決するため、各素子の背面近くに各半導体
素子と一対一に対応させた状態でノズルを設置し、壁噴
流で素子を冷却する方式が提案されている（特開平２−
８２５６１号公報参照）。この冷却装置によれば、各素
子に個別に冷媒液が供給されるため、液温上昇による各
素子の温度の不均一性を解消することができる。また、
壁噴流により、速度及び温度境界層の厚さを薄く制限す
ることができるため、前記一般の内部流れの場合に比べ
高い強制対流熱伝達率を得ることができる。しかしなが
ら、この冷却装置では、個々の素子への冷媒液の供給と
いう点では、ノズルを各素子に対応させて設置するとい
うことがなされているものの、各素子からの冷媒液の抜
き取りという点では、各素子の上方に冷媒液吐出孔を設
けるという配慮しかなされていない。そのため、吐出流
から見て前流側に位置するノズルよりの噴流液流量は、
吐出流の圧力損失の関係から後流側に位置するノズルの
液流量よりも小さくならざるを得ない。また、各半導体
素子に供給された冷媒液が完全に各吐出孔より吐出され
るように配慮されていないため、前流側の素子へ供給さ
れ素子から熱を受け温められた冷媒液の一部が後流側の
素子へ流れ込み、後流側の冷媒液の温度が前流側の温度
よりも高くならざるを得ない。以上の２つのアンバラン
スは各素子における冷却性能に不均一を生じさせ、各素
子の温度が不均一になるという問題を発生する。また、
壁噴流の熱伝達率は一般の内部流れのそれに対し高いと
いってもその程度は２〜３倍程度であり、前記の有機系
冷媒液を使用した場合、素子から除去し得る熱量は、現
実的に流せる液流量下では、単位半導体素子面積当り１
０〜２０Ｗ／ｃｍ2程度の能力しか持てない。
【０００３】次に、大気圧飽和状態下の液冷媒に素子群
を浸漬し、液の沸騰により素子を冷却するプール沸騰伝
熱形冷却装置としては、例えば、素子背面に微細な空洞
を多数設けた沸騰促進フィンを装着し、それ等を多数実
装した複数の基板を一括して冷媒液中に浸漬して素子を
冷却する装置が提案されている（特公平２−３４１８３
号公報参照）。この装置においては、沸騰促進用のフィ
ンを素子に装着しているため、前記の強制対流方式に比
べはるかに高い素子冷却性能が得られるが、素子で発生
した熱を全て冷媒液の蒸発潜熱で除去しなければならな
いため、素子で発生する冷媒蒸気量が非常に大きく、そ
のため、冷媒流路断面積を非常に大きく取らなければな
らない。その結果、素子間、あるいは基板間の距離が大
きくなり、配線距離の増大による計算論理動作の遅延時
間が長くなり、計算機を低速化させるという問題を生じ
る。また、各素子で発生した多量の蒸気泡が他の素子の
周囲を通過しなければならず、その蒸気泡量によって沸
騰熱伝達率が変化し各素子の温度が不均一となるばかり
ではなく、蒸気泡の集結による蒸気閉塞現象が一部の素
子周辺で生じ、その素子でドライアウトが生じるという
問題もある。また、多数の基板を収納する冷媒容器は、
冷媒を飽和状態に保つため完全密閉容器でなければなら
ず、基板の電源、あるいは信号線の容器外への取り出し
構造が複雑となるばかりか、素子及び基板等のリペア時
の作業が複雑になるという欠点があった。
【０００４】さらに強制対流伝熱と沸騰伝熱とを組み合
わせた強制対流沸騰伝熱を用いたものとして、例えば、
傾斜した管路中に多数の素子を実装し、傾斜面の上方か
ら下方に向って冷媒液を各素子で沸騰させながら流す冷
却装置が提案されている（特開平２−２２８４６号公報
参照）。この冷却装置においては、各素子で発生した沸
騰気泡に働く浮力の冷媒液主流方向成分を主流と１８０
度反対方向に向けることにより、気泡を素子基板とは逆
の管路天井側に導き、上流側の素子で発生した気泡をで
きるだけ下流側の素子周辺に導くことを狙ったものであ
り、一定の効果を上げている。しかし、この装置をもっ
てしても、基板近傍の液流中の気泡量を上流側から下流
側に至る各素子の上方で均一にすることはできず、特に
気泡発生量が多い高発熱素子を実装した場合、下流側の
素子周辺が気泡で覆われ易くなるという状況を防止する
ことはできない。また、強制対流沸騰伝達率は、冷媒液
の過冷却温度に大きく依存するが、上流側の素子で温め
られた冷媒液で下流側の素子を冷却する構造であるた
め、下流側の素子の熱伝達率の低下を引き起こす。これ
ら、下流側の素子周辺の気泡量増加及び熱伝達率の低下
により、各素子の温度を均一にできないばかりか、核沸
騰の限界であるバーンアウト熱流束をそれほど大きくし
得ず、素子の冷却可能発熱量を大きく取れないという問
題点が生じる。この冷却可能発熱量を大きくするという
課題に対し、衝突噴流と沸騰とを組み合わせた冷却装置
が実公平３−７９６０号公報に提案されている。冷媒を
入れた密封容器を、複数個の半導体素子を配列した基板
を浸漬する区画と、各素子に加圧した冷媒をノズルを通
して吹き付ける加圧区画とから構成し、各素子の冷却面
上で発生した沸騰気泡を各ノズルより吹き付けられた冷
媒液により強制的に除去し、冷却能力を向上させ１０Ｗ
程度発熱する素子の冷却を計ったものである。確かに、
本装置においては沸騰気泡を素子面より強制的に排除す
るため、核沸騰の限界であるバーンアウト熱流束を向上
させ、冷却可能な発熱量を増大させることができる。し
かし、下方に位置する素子で発生した蒸気泡流の上方に
位置する素子への影響については何ら考慮されておら
ず、下方の、素子で温められた気泡を含んだ冷媒上昇流
が、各素子部を通過する毎に液温を上昇させ、また、気
泡量を増加させながら上方に位置する素子部へと流入す
ることになり、上方に位置する素子ほど温度が高くなる
という欠点を持つ。また、特に各素子の発熱量が大きい
場合、上方に位置する素子回りの気泡量が極度に増加
し、素子部のドライアウト化による冷却可能発熱量の低
下を引き起す。これら上方の素子温度の上昇及び冷却能
力の低下は、現在の３０Ｗ／素子から５０〜１００Ｗ／
素子にまで発熱量が増大する傾向にある半導体装置にお
いては致命的な欠点となる。また、基板全体を密閉容器
内に浸漬する構造であるため、数百本に上る結線及び信
号配線の密閉容器外への取り出し、密閉容器間あるいは
密閉容器内外の配線長の増加に伴う論理動作遅延時間の
増大、素子のリペア等のメンテナンスについても何ら考
慮されていない。これ等の欠点を解決し、素子間の相互
干渉をなくそうとする試みが HEAT TRANSFER IN ELECT
RONICS １９８９，ASME HTD-Vol.１１１，pp７９〜８７
に提案されている。３列３段計９個の素子を模擬したヒ
ータを基板上に配置し、各ヒータ背面に対峙するように
長方形状のノズルが３列３段計９個設けられた冷却ブロ
ックがヒータ搭載基板上に設置された構造である。前記
ノズル孔が開けられたノズルブロックは、ノズル上下に
設けられたスペーサを介してヒータの上方０．５〜５ｍ
ｍの位置に設置されており、ノズルブロックとヒータと
の間に狭い長方形状の冷媒流路が形成されている。した
がって、ノズルよりヒータ上面に噴射された冷媒は、ヒ
ータに衝突後９０度方向を変え、前記長方形流路をヒー
タ面の接線方向に流出する構造となっている。また、前
記スペーサは各々のヒータ間を仕切る働きもしており、
縦方向にヒータ列を仕切る仕切り板と合せて、各々のヒ
ータ間の相互干渉を防止する配慮がなされている。しか
し、この冷却装置においては、ノズルより噴出した冷媒
液が、長方形流路の一部を形成するヒータにより加熱さ
れ、気泡を生成しながら流路外へと放出される構造であ
るため、下流側に行くにしたがってボイド率が増加し、
ヒータ面上での気液二相流動パターンが変化し、ヒータ
面上に大きな温度分布ができてしまうという欠点を持
つ。また、二相流部分の流路径が非常に狭いため、流動
圧損が非常に大きく、冷媒液を駆動するポンプ動力が増
加するばかりか、ヒータに対する圧力が増加し、基板を
破壊する恐れがある。また、各長方形流路より流出した
二相状態の冷媒は、垂直列を仕切る仕切り板によって構
成された垂直流路を上昇するが、垂直流路を上昇するに
したがって、各ヒータより生成された気泡量が増加し、
下方ヒータで生成された気泡が上方ヒータに影響を及ぼ
す結果となり、各ヒータ間の温度分布を大きくする原因
となる。前記各ヒータ位置において気液二相流動状態が
異なるということに付け加え、実際の半導体基板のよう
に各素子の発熱量が異なる場合、発熱量が小さい素子に
おいては気泡生成量が小さく、したがって、長方形流路
部における気泡二相流動損失が小さくなり、逆に発熱量
が大きな素子においては流動損失が大きくなるという結
果を生み、各ノズルへの冷媒液の分配が不均一となる。
更に、この不均一は、流動損失の小さい低発熱素子部程
流量が大きく逆に流動損失が大きい高発熱素子程低流量
となり、高発熱素子程高い冷却性能を得なければならな
いという要求と相反する結果を生む。
【０００５】以上、いずれの冷却装置においても、素子
内の温度分布、各素子間の温度分布、気泡量増加に伴う
ドライアウト化が引き起こす冷却可能発熱量の低下、流
動損失のアンバランスによる冷媒液の分配不均一及びあ
る素子部での液供給量不足による冷却可能発熱量の低下
等の欠点を解消し得るものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体冷却装置
にあっては、大電力を消費する半導体素子が多数搭載さ
れた基板において、各半導体素子の発熱量の冷却能力に
限度があり、各半導体素子内及び各半導体素子間の温度
分布を小さく保ち、さらに生成気泡の増加に伴う気泡二
相流の動圧力損失の増加を抑制することにより、基板に
加わる流体力を低減するとともに、二相流動の不安定性
によって生ずる各半導体素子温度の変動及び基板に加わ
る圧力の変動を抑制することができない問題点があっ
た。
【０００７】本発明の目的は、基板に搭載された各半導
体素子の冷却能力を向上して各半導体素子内及び各半導
体素子間の温度差を減少させ、冷媒液の気化した気泡に
よる動圧力損失を低減して基板に加わる圧力変動を抑制
できる半導体冷却装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、基板上に配列された複数の半導体素子
と、それぞれの半導体素子を挟んで前記基板の反対側に
配置され冷却媒体が供給される冷却媒体供給ヘッダと、
それぞれの半導体素子に対応して前記冷却媒体供給ヘッ
ダに突出して設けられ、該冷却媒体供給ヘッダに連通し
たチュ−ブ状の冷却媒体供給部材と、前記冷却媒体供給
部材の先端に形成され、前記冷却媒体供給ヘッダからの
冷却媒体をそれぞれの半導体素子に向かって噴出する冷
却媒体噴出口と、それぞれの半導体素子冷却後の冷却媒
体の戻り流路を形成する冷却媒体戻りヘッダと、を備え
た半導体冷却装置において、前記基板を垂直方向に設置
するとともに、前記冷却媒体戻りヘッダの上部に該冷却
媒体戻りヘッダに連通した冷却媒体戻り管を設け、且つ
それぞれの半導体素子の間を仕切る仕切り部材を設け
て、それぞれの冷却媒体噴出口からそれぞれの半導体素
子に冷却媒体を噴出したときに、冷却媒体中に発生する
気泡を前記冷却媒体戻りヘッダの上部から前記冷却媒体
戻り管へ排出する構成とする。
【０００９】
【作用】本発明の半導体冷却装置によれば、仕切り部材
を設けてそれぞれの半導体素子（素子）間を仕切って素
子冷却室を形成し、素子冷却室に冷却媒体噴出口を挿着
したため、各素子の平面に噴出された冷却媒体が平面に
衝突した後、仕切り部材に案内されて平面より離間し、
冷却媒体戻りヘッダより排出される。したっがって各素
子は他の冷却媒体噴出口からの噴流に干渉されることな
く、独立に冷却される。そして冷却媒体は低沸点系冷媒
で形成されるため、各素子の平面に衝突した際、気泡と
液とが激しく混合し、気泡が縮小又は消滅されるととも
に、気液二相流による流動抵抗が低減される。一方、熱
伝達率も向上し、各素子の平面上の温度分布が均一化さ
れる。また、本発明の半導体冷却装置では、基板が垂直
方向に設置されているので、気泡は冷却媒体戻りヘッド
内を上昇して、冷却媒体戻りヘッド上部の冷却媒体戻り
管から外部へ排出される。このとき、それぞれの半導体
素子の間には仕切り部材が設けられているので、気泡は
仕切り部材を避けて上昇する。すなわち、半導体素子か
ら離れて気泡が上昇することになり、気泡による半導体
素子への干渉を防止することができる。
【００１０】
【実施例】本発明の一実施例を図１及び図２を参照しな
がら説明する。
【００１１】図１及び図２に示すように、基板１上に電
気接続部材５を介して配列された多数の半導体素子（素
子）２のそれぞれに、冷却媒体供給ヘッダ６と連通する
チューブ状の冷却媒体供給部材３が素子２の方向に突き
出して配置されておりその先端は冷却媒体噴出口１１を
なしている。各素子間を区切る所定高さの仕切り部材４
が素子冷却室１４を形成して設けられ、冷却媒体噴出口
１１が素子２の平面から所定寸法隔てて素子冷却室１４
に内包されている。また、仕切り部材４によって区切ら
れた素子冷却室１４と冷却媒体供給ヘッダ６との間には
冷却媒体戻りヘッダ７が形成され、各素子冷却室１４は
素子面と反対側で全て冷却媒体戻りヘッダ７に開口する
冷却媒体排出口１０を有している。
【００１２】本発明の動作を図２及び図３を参照しなが
ら説明する。冷却媒体供給管８より冷却媒体供給ヘッダ
６に導かれた例えばクロロカーボンに代表される素子温
度より沸点が低い低沸点でかつ電気絶縁性過冷却の冷却
媒体液１２は、各冷却媒体供給部材３に分配され、各素
子２の平面上に噴流として噴射される。各素子２に衝突
した噴流は９０度その流れ方向を変え、素子平面上を放
射状に流れるが、この際、顕熱及び潜熱により素子２か
ら受熱して加熱され、気泡１３を発生しながら後流側へ
と流れる。この気泡１３を含んだ冷却媒体は素子周辺端
部に設けられた仕切り部材４に衝突し、再び流れ方向を
９０度変化させ、素子冷却室１４から冷却媒体戻りヘッ
ダ７へと流出した後、各素子冷却室１４の冷却媒体が集
合され、冷却媒体戻り管９より系外へと放出される。本
実施例の構成により、まず、冷却媒体供給部材３が冷却
媒体戻りヘッダ７を貫通して素子冷却室１４内に突き出
しているため、噴流の方向と直交して流れる冷却媒体戻
りヘッダ７内の流れの影響を受けずに噴流が素子の平面
に到達することができ、噴流の拡散に伴う噴流速度の低
下、すなわち噴流径の拡大、及び、噴流が曲げられるこ
とによる衝突点の移動を防止することができる。このよ
うにでして、周囲流の影響を受けずに素子２の平面に衝
突した噴流は、衝突域から非常に薄い速度境界層を形成
し、かつ、素子２の平面の直ぐ上（衝突域）に最大流速
域を形成するように流れるため、素子２の衝突域近傍に
おける速度勾配を非常に大きくすることができ、素子２
の平面上における温度境界層の発達を小さく押え込むこ
とができる。この結果、素子２の平面上で生成、成長す
る冷媒蒸気泡の径が過大に大きく発達するのを防止する
とともに気泡量を少なくすることができ、素子２のバー
ンアウトを抑制することができる。また後流側に流れる
に従って気泡量（ボイド率）が過度に増大することによ
る熱伝達率の低下、素子温度分布の増大を抑止すること
ができる。一方、素子２の周辺端部に素子２の全周を囲
うように仕切り部材４を設けることにより、素子２の端
部における蒸気泡と冷却媒体液との激しい混合５２を促
進することができるため、気泡１３の液中への凝縮又は
消滅を促進することができ、冷却媒体戻りヘッダ７へ流
出する気液二相流５４を気泡径が小さく、また、気泡量
の少ない気泡量とすることができる。この結果、冷却媒
体戻りヘッダ７内及び冷却媒体戻り管９内の圧力損失を
低下させることができるとともに、系の流動を安定に保
つことができるようになる。また、素子２の周辺端部に
おける気液の激しい混合は、端部における熱伝達率を上
昇させ、一般の噴流時に生じる熱伝達率の中央部が高く
周辺が低下する分布を平坦化し、素子全面における平均
熱伝達率を押し上げ、素子内温度分布を均一化するとと
もに高い冷却性能を得ることを可能とする。さらに、仕
切り部材４は、素子冷却室１４を各素子２に設け、冷却
媒体が衝突し素子を冷却しながら発泡する部分と、各素
子２で生じた気泡流を集合させ外部へと流出させる冷却
媒体戻りヘッダ７とを分離するため、各素子で発生した
気泡流の他の素子周辺部への流れ込みを防止することが
でき、ある素子への多量の気泡の回り込み、滞留による
冷却性能の極端な低下、および各素子２における気泡量
の相異による各素子温度の不均一化を防止することがで
きる。また、仕切り部材４によって９０度方向を曲げら
れ素子から離れる方向の速度成分を持つ気泡流は、これ
と直交する方向に流れる冷却媒体戻りヘッダ７内の気泡
量の多い気泡流を素子２から遠ざける方向に作用するた
め、冷却媒体戻りヘッダ内を流れる気泡流の各素子への
干渉を防止することができる。以上記載した種々の効果
は、特に本実施例に示したような基板を垂直方向に設置
した場合顕著に現れ、下方に位置する素子で発生した気
泡が順次上方に位置する素子に集積し、ひいては最上部
に位置する素子周辺が気泡で覆われ、ドライアウトする
事態を防止することができる。
【００１３】一方、素子を冷却媒体中に直接浸漬して冷
却する場合、冷却媒体として電気絶縁性、化学的安定性
が求められるが、この種の冷却媒体の密度は一般的には
大きく、例えば、パーフロロノーマルヘキサンの密度は
水に対し約１．７倍である。そのため、本実施例に示す
ように気泡を発生する系で基板を垂直にして用いる場
合、上部の冷却媒体供給部材部と下部の冷却媒体供給部
材部とでは流体の位置落差が大きく異なり、各冷却媒体
供給部材への冷却媒体の供給量が不均一となり易い。本
実施例に示す冷却媒体供給管８と冷却媒体戻り管９とを
共に基板の上方に設けた構造は、位置落差のアンバラン
スを解決することができるため、各冷却媒体供給部材へ
の冷却媒体供給量の不均一によって生じる各素子の冷却
性能の不均一をなくすことができる。このような作用は
基板サイズが大きく、したがって、大きな位置落差がか
かる場合にのみ有効に働くものであり、基板サイズが小
さい場合には、冷却媒体供給管及び冷却媒体戻り管を本
実施例以外の個所、すなわち側面や底面に設けてもより
ことはいうまでもない。また、本実施例においては、基
板を垂直に設置した場合を示したが、基板を横向きに設
置した場合にも、本実施例の各作用、効果が得られるこ
とはいうまでもない。
【００１４】図４は、本発明の他の実施例を示す冷却媒
体供給部材部の斜視断面図である。図２に示す実施例に
対し冷却媒体供給部材の断面形状が長方形である以外の
構成は、図２に示す実施例と同一である。本実施例にお
いては、矩形チューブ状の冷却媒体供給部材３から噴射
される噴流の形が二次元噴流となるため、図２の実施例
に示す３次元噴流の場合と比較し、素子に衝突した後の
冷却媒体が素子上を広がり、後流に進むにしたがって、
流速が低下し、素子面上で流速分布が生じることがなく
なる。この結果、素子内の温度分布をより均一にするこ
とができる。
【００１５】図５は、本発明の他の実施例を示す冷却媒
体供給部材部の断面図である。一つの半導体素子２に対
し４本のチューブ状の冷却媒供給部材３２を配置した構
造である。本実施例においては、図４に示す実施例の場
合と同様素子面上の流速分布を小さくすることができ、
素子内の温度分布をより均一にすることができるととも
に、速度境界層厚さを一つの冷却媒体供給部材の場合よ
りも薄くすることができかつ冷却性能を向上させること
ができる。また、各冷却媒体供給部材よりの各噴流が互
いに激しくぶつかり合い気液の混合を促進するため、気
泡の縮少化及び消滅化をより促進することができる。本
実施例においては冷却媒体供給部材を４本としたが、素
子の大きさ、及び素子の発熱量に見合った数を選べばよ
いことはいうまでもない。また、断面形状が円形の場合
を示したが円形以外の断面形状であってもよいことはい
うまでもない。
【００１６】図６は本発明の他の実施例を示す冷却媒体
供給部材部の断面図である。冷却媒体供給ヘッダ６内に
冷却媒体供給部材３の端部が突き出した構造である。冷
却媒体戻りヘッダ７内の流速及び気泡を含む冷却媒体の
流れ方向の流速分布が変化し、各素子に設けられた冷却
媒体排出口１０に静圧分布をつける。また、各素子の発
熱量が異なる場合、各素子における気泡発生量が異な
り、各冷却媒体噴出口１１に静圧分布が生じる。これら
静圧分布は、各冷却媒体供給部材３より各素子２に供給
される冷却媒体供給量に差をつけるとともに、その流れ
の不安定を引き起すが、本実施例示す冷却媒体供給部材
３の端部を突き出した構造は、冷却媒体供給部材の入口
部の流動抵抗を大きくし、前記静圧分布による冷却媒体
供給量の不均一、及び流れの不安定を抑制するように作
用し、その結果、各素子温度を均一化し、また、素子温
度の時間的変動を少くすることができる。本実施例では
突し出し部端面の形状が素子と平行の場合を示したが、
その形状をナイフエッジ状にすることによりさらに上記
の効果を高めることができる。
【００１７】図７は、本発明の他の実施例を示す冷却媒
体供給部材部の断面図である。冷却媒体供給部材３の冷
却媒体入口部にオリフィス３３を設けた構造である。本
実施例においては、図６に示す実施例の構造よりもさら
に大きく冷却媒体供給部材の入口部に流動抵抗をつける
ことができ、後流側の影響を受けずにより均一に流量分
布を行なうことができる。
【００１８】図８は、本実発明の他の実施例を示す冷却
媒体供給部材部の斜視断面図である。仕切部材４の縦横
格子交互部にチューブ状の冷却媒体供給部材３４が素子
での平面から所定寸法隔てて挿着されている。本実施例
においては、冷却媒体を素子２から排出する排出口の相
当直径を大きくすることができかつ排出口における流動
抵抗を減少させることができる。その結果、素子の平面
上より気泡の排出をより速やかに行うができるようにな
り、素子発熱量の冷却を増大することができる。また、
図５に示す複数の冷却媒体供給部材を設けた場合より冷
却装置全体として冷却媒体供給部材の数を減すことがで
きるため、冷却媒体供給部材を横断して流れる冷却媒体
戻りヘッダ内の流れの流動損失を減少させることができ
る。
【００１９】図９は、本発明の他の実施例を示す仕切り
部材部の断面図である。仕切り部材４１の高さ方向断面
形状が素子側から冷却媒体戻りヘッダ側に向けて断面形
状を薄くする方向にテーパーが設けられている。本実施
側においては、仕切り部材４１と素子２とで形成される
コーナ部における気泡の滞留を防止することができるた
め、素子内の温度分布をより均一にすることができる。
【００２０】図１０は、本発明の他の実施例を示す仕切
り部材の固定方式を示す断面図である。各仕切り部材４
を又は冷却媒体供給部材３にステー１５を介して固定し
た構造である。
【００２１】図１１は、本発明の他の実施例を示す仕切
り部材部の固定方式を示す断面図である。各仕切り部材
４を冷却媒体供給ヘッダ６の壁にステー１１５を介して
固定した構造である。図１０及び図１１に示す他の実施
例により冷却装置の組み立てが容易となる。これらの他
の実施例においては、仕切り部材に囲まれた升ごとに固
定用のステーを設けた場合を示したが、複数の升に対し
一つの割合でステーを設けてもよいことはいうまでもな
い。このように冷却媒体供給部材あるいは冷却媒体供給
ヘッダに仕切り部材を固定することにより、装置の組み
立て、及び素子のリペアが容易になる。
【００２２】図１２は、本発明の他の実施例を示す斜視
断面図である。長方形断面形状の一つの冷却媒体供給部
材３４が互いに隣接する素子２の間に設けられており、
冷却媒体供給部材３４に直交して仕切り部材４が設けら
れた構造である。この他の実施例においては、冷却媒体
供給部材３４が仕切り部材の一部を兼ねるため、素子実
装のスペースファクターが向上するばかりか、冷却媒体
噴出口１１１より噴射された冷却媒体が素子の冷却平面
上では壁噴流となるため、素子内の温度分布をより均一
にすることができる。また冷却媒体戻りヘッダ７の流路
中に障害物がないため、この戻り流路における流動損失
を小さくすることができる。
【００２３】図１３は、本発明の他の実施例を示す断面
図である。冷却媒体供給部材３５の素子２側端面に蓋を
設けて閉塞し、冷却媒体噴出口１１２を素子の直ぐ横の
冷却媒体供給部材３５の側面に設けた構造である。この
他の実施例においては、素子と素子との間の基板上に敷
線される補修あるいは論理変更のための補修線に直接冷
却媒体が噴射されることが避けられるため、流体力によ
る補修線の断線を防止することができる。
【００２４】図１４は、本発明の他の実施例を示す断面
図である。冷却媒体戻りヘッダ７と、仕切り部材４によ
って仕切られた素子冷却室１４との間に冷却媒体供給ヘ
ッダ６が設けられており、冷却媒体戻りヘッダ７より素
子冷却室１４内へ冷却媒体排出部材１６が突設されてい
る構造である。仕切り部材４と冷却媒体排出部材１６と
の間には冷却媒体噴出口１７が形成されており、冷却媒
体供給ヘッダ６より各冷却媒体噴出口に分配された冷却
媒体は、素子の冷却平面に達した後素子を冷却し、自ら
は気泡を生成した後、冷却媒体排出部材１６を通って冷
却媒体戻りヘッダ７へと排出される。本実施例において
は、冷却媒体戻りヘッダ７が素子冷却室１４から隔絶さ
れているため、冷却媒体戻りヘッダ７の流れが素子冷却
室１４内に流れ込むことを防止することができる。した
がって、素子発熱量が非常に大きい場合や、素子実装数
が非常に多い場合に起る冷却媒体戻りヘッダ７内の気泡
量が多い状態においても、素子における冷却媒体の状態
を各素子間で均一にすることができるため、各素子の温
度分布を均一にすることができる。
【００２５】図１５は、本発明の他の実施例を示す断面
図である。本実施例は図２に示す実施例の冷却媒体戻り
ヘッダ７内に気泡を消滅させるための冷却器１８を設け
た構造である。素子で生成された気泡を冷却媒体戻りヘ
ッダ内で直ちに凝縮、消滅させることにより、冷却媒体
戻りヘッダ内の流動損失を低減することができるばかり
か、流れの不安定を起し易い気液二相流を単相流化する
ことにより、素子部での流動状態を安定にすることがで
き、素子温度の不安定を解消することができる。 図１
６は、本発明の他の実施例を示す断面図である。本実施
例は図１４に示す実施例の冷却媒体戻りヘッダ７内に気
泡を消滅させるための冷却器１８を設けた構造であり、
その作用、効果は図１５の実施例と同様である。
【００２６】図１７は、本発明の他の実施例を示す断面
図である。冷却媒体戻りヘッダ７内部に気泡を消滅させ
るための冷却媒体側の冷却フィン１８２と、外部に外部
冷却フィン１８１とを設けた構造であり、外部流体によ
って冷却された外部冷却フィン１８１からの熱伝導によ
って冷却媒体側の冷却フィン１８２を冷却し気泡を凝
縮、消滅させる。作用、効果は、図１５に示す実施例と
同様である。
【００２７】本発明によれば、冷却媒体供給部材及び各
半導体素子（素子）を仕切る仕切り部材を各素子に対応
して配設しているため各冷却媒体噴出口からの噴流は互
いに干渉することがなくまた素子の発熱量で発生した冷
却媒体の気泡が他の素子側に流入することがなく、各々
の素子が独立して冷却される。したがって各素子間の温
度差が小さくなる。また、飽和温度より過冷却された冷
却媒体の噴流液の沸騰を用いて素子を冷却するため、各
素子平面上における温度境界層の発達が小さく、したが
って、素子表面から発生する冷媒蒸気泡の径及び気泡量
が小さくなる。さらに、冷却媒体噴出口より噴流が素子
に衝突する衝突域において、冷却媒体液と冷媒蒸気泡と
が激しく混合し、素子で発生した蒸気泡が冷却媒体液中
に凝縮し消滅させることができる。この結果各素子の上
方の冷却媒体出口部におけるボイド率が小さくなり、気
液二相流の動圧力損失が低減される。二相流パターンを
気泡流とし系全体の流動を安定化することができる。こ
の系全体の流動の安定化は、各素子へ供給する冷媒液量
の安定化、各素子における気泡径及び気泡量の安定化、
各素子における圧力変動の低減を持たらし、各素子温度
の空間的分布、時間的変動を小さくするように作用す
る。また、圧力変動の低減は、素子あるいは基板に働く
荷重を一定にすることができ、繰り返し荷重による疲労
破壊を防止することができる。
【００２８】一方、冷却性能の面から見ると、前記気液
の激しい混合は、噴流沸騰熱伝達率を増加、したがっ
て、多くの熱量を素子から除去することを可能とすると
ともに、単相流液噴流熱伝達時の熱伝達率分布を平坦化
し、素子面上の温度分布を小さくすることができる。さ
らに素子面上における気液の激しい混合は、噴流中心か
ら最も離れた素子端部より発生するバーンアウトを抑制
し、バーンアウト熱流束を向上させるように作用するた
め、素子発熱量の冷却能力を向上させ、その結果、素子
内部のゲード密度を増加させることができる。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、各素子で発生した冷却
媒体の気泡の他の素子へ流入することを防止し、各素子
を独立して冷却するため、各素子間の温度差を小さくす
ることができる。また、各素子で冷却媒体に乱れを与
え、気泡と液とを激しく混合するため、冷却性能を向上
させるとともに気泡を縮小し消滅させることができ、主
流の流れを安定化して素子温度の均一化、安定化を計る
ことができる。その結果、素子の一層の集積化を可能と
するとともに、素子の温度マージンを小さく取ることが
でき、コンピュータ論理動作の高速化を計ることができ
る。また、基板が垂直方向に設置され、且つそれぞれの
半導体素子の間に仕切り部材が設けられているので、気
泡は仕切り部材を避けて半導体素子から離れた所を上昇
するようになり、気泡による半導体素子への干渉を防止
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す斜視断面図である。
【図２】図１に示す実施例の動作を説明する断面図であ
る。
【図３】図１に示す実施例の動作を説明する断面図であ
る。
【図４】本発明の他の実施例を示す冷却媒体供給部材部
の斜視断面図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す冷却媒体供給部材部
の断面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す冷却媒体供給部材部
の断面図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す冷却媒体供給部材部
の断面図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す冷却媒体供給部材部
の斜視断面図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す仕切り部材部の斜視
断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例を示す仕切り部材取り付
け部の断面図である。
【図１１】本発明の他の実施例を示す仕切り部材取り付
け部の断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示す冷却媒体供給部材
部の斜視断面図である。
【図１３】本発明の他の実施例を示す冷却媒体供給部材
部の断面図である。
【図１４】本発明の他の実施例を示す素子冷却部の断面
図である。
【図１５】本発明の他の実施例を示す素子冷却部の断面
図である。
【図１６】本発明の他の実施例を示す素子冷却部の断面
図である。
【図１７】本発明の他の実施例を示す素子冷却部の断面
図である。
【符号の説明】
１ 基体 ２ 半導体素子 ３ 冷却媒体供給部材 ４ 仕切り部材 ６ 冷却媒体供給ヘッダ ７ 冷却媒体戻りヘッダ １０ 冷却媒体排出口 １１ 冷却媒体噴出口 １４ 素子冷却室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 芦分 範行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 佐藤 元宏 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社 日立製作所内 (72)発明者 初田 俊雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 大黒 崇弘 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 畑田 敏夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 佐々木 重幸 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 井上 滉 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 西原 淳夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 笠井 憲一 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社 日立製作所 神奈川工場内 (56)参考文献 特開 平２−298054（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−113660（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−184365（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−40497（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−61351（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−61350（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−50343（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 23/44 H05K 7/20

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に配列された複数の半導体素子
    と、それぞれの半導体素子を挟んで前記基板の反対側に
    配置され冷却媒体が供給される冷却媒体供給ヘッダと、
    それぞれの半導体素子に対応して前記冷却媒体供給ヘッ
    ダに突出して設けられ、該冷却媒体供給ヘッダに連通し
    たチュ−ブ状の冷却媒体供給部材と、前記冷却媒体供給
    部材の先端に形成され、前記冷却媒体供給ヘッダからの
    冷却媒体をそれぞれの半導体素子に向かって噴出する冷
    却媒体噴出口と、それぞれの半導体素子冷却後の冷却媒
    体の戻り流路を形成する冷却媒体戻りヘッダと、を備え
    た半導体冷却装置において、 前記基板を垂直方向に設置するとともに、前記冷却媒体
    戻りヘッダの上部に該冷却媒体戻りヘッダに連通した冷
    却媒体戻り管を設け、且つそれぞれの半導体素子の間を
    仕切る仕切り部材を設けて、それぞれの冷却媒体噴出口
    からそれぞれの半導体素子に冷却媒体を噴出したとき
    に、冷却媒体中に発生する気泡を前記冷却媒体戻りヘッ
    ダの上部から前記冷却媒体戻り管へ排出することを特徴
    とする半導体冷却装置。
  2. 【請求項２】 それぞれの冷却媒体噴出口は、円形断面
    形状を有し、それぞれの冷却媒体噴出口から噴出された
    冷却媒体の流れが、３次元噴流を形成していることを特
    徴とする請求項１記載の半導体冷却装置。
  3. 【請求項３】 それぞれの冷却媒体噴出口は、長方形断
    面形状を有し、それぞれの冷却媒体噴出口から噴出され
    た冷却媒体が、２次元噴流を形成していることを特徴と
    する請求項１記載の半導体冷却装置。
  4. 【請求項４】 それぞれの冷却媒体供給部材は、その一
    端が冷却媒体供給ヘッダの内部に突設されていることを
    特徴とする請求項１記載の半導体冷却装置。
  5. 【請求項５】 それぞれの冷却媒体供給部材は、冷却媒
    体供給ヘッダと連通する開口部に、冷却媒体の流動抵抗
    を増加させるオリフィスまたは絞り部が設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体冷却装置。
  6. 【請求項６】 それぞれの仕切り部材は、互いに接続さ
    れ格子形状に形成されていることを特徴とする請求項１
    記載の半導体冷却装置。
  7. 【請求項７】 それぞれの仕切り部材は、互いに接続さ
    れて格子形状に形成され、かつ高さ方向の断面形状がそ
    れぞれの半導体素子側を底辺とする三角形に形成されて
    いることを特徴とする請求項１記載の半導体冷却装置。
  8. 【請求項８】 基板上に配列された複数の半導体素子に
    冷却媒体を供給する冷却媒体供給ヘッダと、該冷却媒体
    供給ヘッダに突設されそれぞれの半導体素子の平面に前
    記冷却媒体を噴出する複数の冷却媒体噴出口と、それぞ
    れの冷却媒体噴出口と連通しかつ前記冷却媒体供給ヘッ
    ダに隣接して設けられた冷却媒体戻りヘッダとよりなる
    半導体冷却装置において、それぞれの半導体素子の間を
    仕切って複数の素子冷却室を形成する所定高さの格子状
    の仕切り部材を設け、それぞれの冷却媒体噴出口を冷却
    媒体供給部材と接続しかつ前記格子状の仕切り部材のそ
    れぞれの縦横格子交叉部にそれぞれの半導体素子から所
    定寸法隔てて挿着し、前記格子状の仕切り部材は、それ
    ぞれの冷却媒体供給部材との間に冷却媒体排出口と、前
    記冷却媒体供給ヘッダとの間に前記冷却媒体戻りヘッダ
    とを形成させるとともに、それぞれの半導体素子の平面
    に噴出させた前記冷却媒体を該平面から離間させて前記
    冷却媒体戻りヘッダに案内することを特徴とする半導体
    冷却装置。
  9. 【請求項９】 基板上に配列された複数の半導体素子
    と、それぞれの半導体素子を挟んで前記基板の反対側に
    配置され冷却媒体が供給される冷却媒体供給ヘッダと、
    それぞれの半導体素子に対応して前記冷却媒体供給ヘッ
    ダに突出して設けられ、該冷却媒体供給ヘッダに連通し
    たチュ−ブ状の冷却媒体供給部材と、前記冷却媒体供給
    部材の先端に形成され、前記冷却媒体供給ヘッダからの
    冷却媒体をそれぞれの半導体素子に向かって噴出する冷
    却媒体噴出口と、それぞれの半導体素子冷却後の冷却媒
    体の戻り流路を形成する冷却媒体戻りヘッダと、を備え
    た半導体冷却装置において、 前記冷却媒体供給部材の断面形状を長方形に形成し、該
    冷却媒体供給部材を隣接する前記半導体素子の間に配置
    するとともに、それぞれの半導体素子の間に、前記冷却
    媒体供給部材に直交し且つそれぞれの半導体素子の間を
    仕切る仕切り部材を設けたことを特徴とする半導体冷却
    装置。
  10. 【請求項１０】 冷却媒体供給部材は、それぞれの半導
    体素子の平面と対向する端面が閉塞され、該端面の近傍
    に設けた冷却媒体噴出口より前記平面とほぼ平行方向に
    冷却媒体を噴出させることを特徴とする請求項９記載の
    半導体冷却装置。
  11. 【請求項１１】 冷却媒体供給部材は、それぞれの半導
    体素子の発熱量に応じて流路断面積を変化させてあるこ
    とを特徴とする請求項１、８又は９記載の半導体冷却装
    置。
  12. 【請求項１２】 冷却媒体供給部材は、それぞれの半導
    体素子のうち発熱量の大きな半導体素子に対して流路断
    面積を大きく形成し、発熱量の小さい半導体素子に対し
    て前記流路断面積を小さく形成してあることを特徴とす
    る請求項１、８又は９記載の半導体冷却装置。
  13. 【請求項１３】 基板上に配列された複数の半導体素子
    に冷却媒体を供給する冷却媒体供給ヘッダと、該冷却媒
    体供給ヘッダに連通されそれぞれの半導体素子の平面に
    前記冷却媒体を噴出する少なくとも一つの冷却媒体噴出
    口と、それぞれの冷却媒体噴出口と連通しかつ前記冷却
    媒体供給ヘッダに隣接して設けられた冷却媒体戻りヘッ
    ダとよりなる半導体冷却装置において、それぞれの半導
    体素子の間を仕切って複数の素子冷却室を形成する所定
    高さの複数の仕切り部材を設け、それぞれの冷却媒体排
    出口を冷却媒体排出部材に接続しかつそれぞれの素子冷
    却室にそれぞれの半導体の平面から所定寸法隔てて挿着
    し、それぞれの冷却媒体排出部材を前記冷却媒体戻りヘ
    ッダに接続し、それぞれの仕切り部材は、それぞれの冷
    却媒体排出部材との間に少なくとも一つの冷却媒体噴出
    口を形成させるとともに、それぞれの半導体素子の平面
    に噴出させた前記冷却媒体を該平面から離間させてそれ
    ぞれの冷却媒体排出口を経由し前記冷却媒体戻りヘッダ
    に戻すことを特徴とする半導体冷却装置。
  14. 【請求項１４】 冷却媒体を、それぞれの半導体素子の
    温度より飽和温度の低い低沸点系冷媒又はクロロカーボ
    ンで形成したことを特徴とする請求項１、８、９又は１
    ３記載の半導体冷却装置。
  15. 【請求項１５】 それぞれの半導体素子を配列した基板
    を垂直に設置し、冷却媒体供給ヘッダに冷却媒体を供給
    する冷却媒体供給管を該冷却媒体供給ヘッダの上端に接
    続し、冷却媒体戻りヘッダより前記冷却媒体を排出する
    冷却媒体戻り管を該冷却媒体戻りヘッダの上端に接続し
    たことを特徴とする請求項１、８、９又は１３記載の半
    導体冷却装置。
  16. 【請求項１６】 それぞれの半導体素子を配列した基板
    が、冷却媒体を密閉した密閉容器の一部を形成している
    ことを特徴とする請求項１、８、９又は１３記載の半導
    体冷却装置。
  17. 【請求項１７】 冷却媒体戻りヘッダに、それぞれの半
    導体素子の発熱量を受熱して昇温された冷却媒体を冷却
    する冷却器を内設したことを特徴とする請求項１、８、
    ９又は１３記載の半導体冷却装置。
  18. 【請求項１８】 冷却媒体戻りヘッダの外壁に、それぞ
    れの半導体素子の発熱量を受熱して昇温された冷却媒体
    を冷却する少なくとも一つの冷却フィンを設けたことを
    特徴とする請求項１、８、９又は１３記載の半導体冷却
    装置。
  19. 【請求項１９】 それぞれの仕切り部材は、高さ方向の
    断面形状がそれぞれの半導体素子側から冷却媒体戻りヘ
    ッダ側に向けて前記断面形状を薄くする方向にテーパー
    が設けられていることを特徴とする請求項１、８、９又
    は１３記載の半導体冷却装置。
  20. 【請求項２０】 それぞれの仕切り部材を、それぞれの
    冷却媒体供給部材に固定したことを特徴とする請求項
    １、８又は９記載の半導体冷却装置。
  21. 【請求項２１】 それぞれの仕切り部材を、それぞれの
    冷却媒体供給ヘッダに固定したことを特徴とする請求項
    １、８又は９記載の半導体冷却装置。
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