JP5682951B2 - 半導体パッケージの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージの冷却装置に関する。

半導体パッケージの大容量化に伴い、当該半導体パッケージの発熱量の増大を招いている。そこで、半導体パッケージの冷却装置（以下、単に冷却装置と省略する場合がある。）が種々、開発されている（特許文献１〜６を参照）。

ここで、半導体パッケージを成す半導体装置と当該半導体装置が実装される配線基板とは、熱膨張が異なるため、半導体装置に反りが生じることがある。一般的な冷却装置は、特許文献１〜６に開示されているように、半導体装置の上面に熱伝達媒体などを介して接触させることで、半導体装置の熱を吸収する構成である。そのため、冷却装置は、冷却効果等を考慮すると、半導体装置の反りを吸収することができる構成であることが好ましい。

そこで、特許文献１の冷却装置は、ファンベースに複数の冷却フィンが立設されており、当該冷却フィンがブラケット内に収容されている。ファンベースの下面は略円弧状であって、故にファンベースの厚さは中央に近付くにつれ薄くなるように形成されている。ブラケットの上端開口部は板バネによって塞がれており、当該板バネと中央近傍に配置された冷却ファンの上端との間にスペーサが配置されている。これにより、半導体装置が反った際に、半導体装置における最も反りが大きい中央部にファンベースが板バネによって押し当てられ、ファンベースが半導体装置の反りに倣う。

ところで、上述のように一般的な冷却装置は、半導体装置の上面にサーマルグリースやコンパウンドなどの熱伝達媒体を介して接触する構成である。この場合、冷却装置は、熱伝達媒体の所謂ポンプアウトを抑止する構成であることが好ましい。ポンプアウトのメカニズムを図面に基づいて説明する。図３は、半導体装置に反りが生じている状態での冷却装置を示す。図４は、半導体装置に反りが生じていない状態での冷却装置を示す。図５は、ポンプアウトによって熱伝達媒体がケース部の下面と半導体装置の上面との間から押し出された状態を示す。ちなみに、図３及び図５では、半導体装置４２０の反りを強調するあまり、半導体装置４２０の半田ボールが配線基板４１０から離れているが、半導体装置４２０の半田ボールは配線基板４１０に電気的に接続されているものとする。

図示例の冷却構造は、冷却媒体３００の循環装置１００、冷却器２００を備える。循環装置１００は、熱交換器１１０、リザーブタンク１２０、ポンプ１３０を備える。冷却器２００は、ケース部２１０、ケース部２１０に設けられた挿入口２２０及び排出口２３０を備える。ケース部２１０の下面は、変形しない平板構造とされており、熱伝達媒体５００を介して半導体装置４２０の上面に接触している。

このような構成により、リザーブタンク１２０に蓄えられた冷却媒体３００は、ポンプ１３０によってケース部２１０の挿入口２２０から当該ケース部２１０内に送られる。冷却媒体３００は、半導体装置４２０から熱伝達媒体５００を介してケース部２１０に伝達される熱を吸収する。熱を吸収した冷却媒体３００は、ケース部２１０の排出口２３０から排出され、熱交換器１１０に送られる。そして、冷却媒体３００は、熱交換器１１０で冷却され、リザーブタンク１２０に送られる。

ここで、半導体装置４２０に反りが生じている図３の状態から、半導体装置４２０の反りが減少すると、図４に示すように、熱伝達媒体５００は半導体装置４２０の反りの変化によって、ケース部２１０の下面と半導体装置４２０の上面との間から押し出される。このような図３と図４の状態が繰り返されると、図５に示すように、所謂ポンプアウト現象によって熱伝達媒体５００がケース部２１０の下面と半導体装置４２０の上面との間から完全に押し出され、半導体装置４２０の冷却ができなくなる。

そこで、特許文献６の冷却装置は、ケース部の中央部近傍に通孔を形成している。半導体装置が反った際に、熱伝達媒体がケース部の下面と半導体装置の上面との間から押し出されないように、熱伝達媒体を当該通孔に導く。そして、半導体装置の反りが減少すると、熱伝達媒体は当該通孔から引き戻され、ケース部の下面と半導体装置の上面との間に配置される。

特開２００１−２１７３５８号公報 特開２００８−２２７３３６号公報 特開平８−１７２１４８号公報 国際公開第１９９９／１６１２８号 特開２００９−２１８６０３号公報 特開２００２−９３９６２号公報

特許文献１〜５の冷却装置は、熱伝達媒体のポンプアウト現象を防ぐことができる構成でない。
特許文献６の冷却装置は、熱伝達媒体で半導体装置の反りを吸収する構成であり、ケース部の下面が半導体装置の反りに倣う構成ではない。そのため、特許文献６の冷却装置は、半導体装置の反りに応じて、半導体装置の上面とケース部の下面との間に間隔が大きな箇所が存在し、半導体装置の熱がケース部に良好に伝達されず、冷却効果が低下する可能性がある。

本発明の目的は、上述した課題を解決する半導体パッケージの冷却装置を提供することにある。

本発明に係る半導体パッケージの冷却装置は、冷却媒体の循環装置と、前記循環装置によって前記冷却媒体が内部で循環する冷却器と、を備え、前記冷却器は、半導体装置に熱伝達媒体を介して接触するプレート部を有し、前記プレート部は、半導体装置の反りに略倣う凹み形状であって、且つ前記冷却器内の内圧変化によって変形可能な厚さに形成されており、前記冷却器内の内圧を変化させることで、前記半導体装置の反りに追従させることを特徴とする。

本発明によれば、冷却効果の高い半導体パッケージの冷却装置を提供することができる。

本発明に係る半導体パッケージの冷却装置における、半導体装置が反っている状態での使用形態を示す図である。 本発明に係る半導体パッケージの冷却装置における、半導体装置が反っていない状態での使用形態を示す図である。 関連する半導体パッケージの冷却装置における、半導体装置が反っている状態での使用形態を示す図である。 関連する半導体パッケージの冷却装置における、半導体装置が反っていない状態での使用形態を示す図である。 関連する半導体パッケージの冷却装置における、ポンプアウト現象の様子を示す図である。

本発明の実施の形態に係る半導体パッケージの冷却装置について説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態の冷却装置１は、図１に示すように、循環装置１００、冷却器２００を備える。循環装置１００は、水、油、空気などの冷却媒体３００を循環させるシステムである。本実施の形態では、冷却媒体３００として水を用いる。循環装置１００は、熱交換器１１０、リザーブタンク１２０、ポンプ１３０を備える。これらの要素は、配管１４０で接続されている。

冷却器２００は、ケース部２１０、ケース部２１０に設けられた挿入口２２０及び排出口２３０を備える。ケース部２１０は、平面から見て半導体パッケージ４００を覆うことができる平面積を有している。ケース部２１０は、密閉された箱型形状に形成されている。

ケース部２１０の上面には、挿入口２２０及び排出口２３０が形成されている。挿入口２２０は、配管１４０を介してポンプ１３０に接続されている。排出口２３０には、配管１４０を介して熱交換器１１０に接続されている。

ケース部２１０の下面は、プレート部２４０（以下、ケース部２１０の下面と同一の符号２４０を付する。）とされている。但し、プレート部２４０は、少なくとも半導体装置４２０の上面を覆うことができる平面積を有していれば良い。

プレート部２４０は、半導体パッケージ４００を成す配線基板４１０に半導体装置４２０が電気的に接続された初期状態、即ち未だに半導体装置４２０が稼働していない状態における、半導体装置４２０の反りに略倣う凹み形状に形成されている。また、プレート部２４０は、冷却器２００内の内圧変化によって変形可能な厚さを有する薄板又は膜で構成されている。ちなみに、図１では、半導体装置４２０の反りを強調するあまり、半導体装置４２０の半田ボールが配線基板４１０から離れているが、半導体装置４２０の半田ボールは配線基板４１０に電気的に接続されているものとする。

このような構成の冷却装置１は、図１に示すように、ケース部２１０のプレート部２４０を半導体装置４２０の上面に熱伝達媒体５００を介して接触させて使用する。熱伝達媒体５００としては、一般的なサーマルグリースやコンパウンドなどを用いることができる。本実施の形態では、熱伝達媒体としてサーマルグリースを用いる。

冷却装置１のポンプ１３０を稼働させると、リザーブタンク１２０に蓄えられた冷却媒体３００が、当該ポンプ１３０によってケース部２１０の挿入口２２０から当該ケース部２１０内に送られる。冷却媒体３００は、半導体装置４２０から熱伝達媒体５００を介してケース部２１０に伝達される熱を吸収する。熱を吸収した冷却媒体３００は、ケース部２１０の排出口２３０から排出され、熱交換器１１０に送られる。そして、冷却媒体３００は、熱交換器１１０で冷却され、リザーブタンク１２０に送られる。このように冷却装置１は、半導体パッケージ４００の冷却を実現する構造となっており、冷却媒体３００が途中で大気へ蒸発したり、大気へ漏れ出したりすることのない構造となっている。ちなみに、熱交換器１１０は、熱せられた冷却媒体３００の熱膨張で冷却器２００内の内圧を上昇させ、プレート部２４０を半導体装置４２０の反りの減少に倣うように変化させることができる程度に、冷却媒体３００を冷却する。

半導体装置４２０の稼働率が高くなって、半導体パッケージ４００が発熱すると、半導体装置４２０の反りは小さくなる。このとき、発熱した半導体装置４２０の熱は、熱伝達媒体５００を介してケース部２１０のプレート部２４０に伝達される。そして、プレート部２４０に伝達された熱は、冷却媒体３００に伝達される。冷却媒体３００は、伝達された熱によって膨張する。これにより、ケース部２１０内の内圧が上昇するのに伴って、図２に示すように、プレート部２４０は半導体装置４２０を押し付けるように変形する。

一方、半導体装置４２０の稼働率が低くなって、半導体パッケージ４００の発熱が少なくなると、再び半導体装置４２０の反りは大きくなる。このとき、冷却媒体３００は、半導体装置４２０の稼働率が高いときの水温よりも低くなるので、ケース部２１０内の内圧が低下するのに伴って、プレート部２４０は凹み形状に復帰しようとする。

このように冷却装置１のプレート部２４０は、ダイヤフラムにように機能し、半導体装置４２０の温度変化に伴う反りに倣うことができる。そのため、半導体装置４２０の下面とプレート部２４０とを間隔を全領域で比較的等しくすることができ、半導体装置４２０の発熱をケース部２１０に良好に伝達することができ、冷却効果が高い。

しかも、半導体装置４２０の下面とプレート部２４０との間隔は局所的に大きく変化しないので、熱伝達媒体５００が押し出されることがなく、所謂ポンプアウト現象を防ぐことができ、やはり冷却効果が高い。

また、半導体装置４２０が反りのない状態から反りが生じた状態に変化する際は、プレート部２４０が凹み形状に復帰しようとし、半導体装置４２０の上面とプレート部２４０との間に負圧が生じるので、相互間に熱伝達媒体５００が良好に収容される。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００ 循環装置、１１０ 熱交換器、１２０ リザーブタンク、１３０ ポンプ、１４０ 配管
２００ 冷却器、２１０ ケース部、２２０ 挿入口、２３０ 排出口、２４０ プレート部
３００ 冷却媒体
４００ 半導体パッケージ、４１０ 配線基板、４２０ 半導体装置
５００ 熱伝達媒体

Claims (5)

1. 冷却媒体の循環装置と、
   前記循環装置によって前記冷却媒体が内部で循環する冷却器と、
   を備え、
   前記冷却器は、半導体装置に熱伝達媒体を介して接触するプレート部を有し、
   前記プレート部は、半導体装置の反りに略倣う凹み形状であって、且つ前記冷却器内の内圧変化によって変形可能な厚さに形成されており、前記冷却器内の内圧を変化させることで、前記プレート部を前記半導体装置の温度変化に伴って変化する当該半導体装置の反りに追従させることを特徴とする半導体パッケージの冷却装置。
2. 前記熱伝達媒体を介して、前記半導体装置の熱が前記冷却器に伝達され、前記冷却器の内部を循環する前記冷却媒体が温められることで、前記冷却器内の内圧を上昇させて前記プレート部を前記熱伝達媒体を介して前記半導体装置に押し付けるように変化させ、前記プレート部を前記半導体装置の反りに追従させることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの冷却装置。
3. 前記冷却器は、前記冷却媒体が循環するケース部と、前記ケース部に前記冷却媒体を挿入する挿入口と、前記ケース部から前記冷却媒体を排出する排出口と、前記ケース部の下面に設けられたプレート部と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージの冷却装置。
4. 前記プレート部の凹み形状は、半導体装置を配線基板に電気的に接続した初期状態における、前記半導体装置の反りに略倣うように形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体パッケージの冷却装置。
5. 前記熱伝達媒体は、サーマルグリースであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体パッケージの冷却装置。

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