JP5768399B2 - 冷却装置及び冷却装置の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置及び冷却装置の使用方法に関する。

ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）等の発熱量の大きい半導体チップは、誤動作等を防止すべく、冷却しながら用いることが求められる。

従来より空冷式の冷却装置が知られているが、近時では、冷却能力の高い水冷式の冷却装置が注目されている。

特開２０００−３３６３５１号公報 特開２０００−１５３２８１号公報 特開平９−２９３６０号公報

近時では、冷却装置の冷却能力を更に向上することが求められている。

本発明の目的は、信頼性を損なうことなく、冷却能力を向上し得る冷却装置及び冷却装置の使用方法を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、冷媒が通流可能な孔が内部に形成された受熱部を有し、前記受熱部の前記孔の内面の材料がシリコンを含み、前記冷媒として、前記受熱部の前記孔の内面の材料に対して還元作用を示す液体が用いられていることを特徴とする冷却装置が提供される。

実施形態の他の観点によれば、冷媒が通流可能な孔が内部に形成された受熱部を有し、前記受熱部の前記孔の内面の材料がシリコンを含む冷却装置の使用方法であって、前記冷媒として、前記受熱部の前記孔の内面の材料に対して還元作用を示す液体を用いることを特徴とする冷却装置の使用方法が提供される。

開示の冷却装置によれば、冷媒として、受熱部の孔の内面の材料に対して還元作用を示す液体が用いられる。このため、受熱部の孔の内面の酸化物が除去され、受熱部の孔の内面が疎水化され、受熱部の孔の内面にパーティクルが付着しにくい状態となる。また、冷媒中における酸素濃度が十分に低減されるため、冷媒中にバクテリアが生じるのを防止することができる。従って、冷却能力を向上すべく、受熱部の孔の微細化を図った場合であっても、受熱部の孔がパーティクルやバクテリア等により狭まってしまったり、塞がってしまったりするのを防止することができる。従って、信頼性を損なうことなく、冷却装置の冷却能力を向上することが可能となる。

一実施形態による冷却装置を示すブロック図である。 一実施形態による冷却装置の受熱部の基部を示す平面図及び断面図である。 一実施形態による冷却装置の受熱部の蓋部を示す平面図及び断面図である。 一実施形態による冷却装置の受熱部を示す平面図及び断面図である。 一実施形態による冷却装置を回路基板上に実装した状態を示す断面図である。 受熱部の孔の内面の状態を示す断面図である。

参考例による冷却装置について説明する。

参考例による冷却装置は、冷媒が通流可能な孔が内部に多数形成された受熱部を有している。

発熱体から放熱される熱を受熱部により効率的に受熱するためには、受熱部の孔の内面の面積の総和を大きくすることが考えられる。

受熱部の孔の内面の面積の総和を大きくするためには、受熱部内に形成する孔を微細化し、単位領域内における孔の数を増加させることが考えられる。

しかしながら、受熱部内の孔を微細化した場合には、パーティクル等により孔が狭まってしまったり、孔が塞がってしまったりすることが考えられる。この場合には、長期に亘っての安定動作が困難になってしまう。

本願発明者は、鋭意検討した結果、以下のようにして、信頼性を行うことなく、冷却装置の冷却能力を向上することに想到した。

［一実施形態］
一実施形態による冷却装置及び冷却装置の使用方法を図１乃至図６を用いて説明する。

図１は、本実施形態による冷却装置を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態による冷却装置は、内部を通流する冷媒によって発熱体からの熱を受熱する受熱部１０と、冷媒によって受熱した熱を放熱する放熱部１２と、冷媒が循環する配管１４ａ、１４ｂ、１６と、冷媒を循環させるポンプ１８とを有している。

図２は、受熱部（受熱器、熱交換器）の基部を示す平面図及び断面図である。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。

図２に示すように、板状の基部２０には、複数の溝２２が形成されている。複数の溝２２は、並行するように形成されている。基部２０の材料としては、例えばシリコンが用いられている。基部２０の外形寸法は、例えば１５ｍｍ×３０ｍｍ×０．５ｍｍ程度である。溝２２の幅は、例えば７０μｍ程度とする。複数の溝２２のピッチは、例えば１００μｍ程度とする。溝２２の深さは、例えば０．３ｍｍ程度とする。溝２２の数は、例えば１００程度とする。

なお、溝２２の幅やピッチは上記に限定されるものではない。例えば、溝２２の幅を７μｍ程度としてもよい。また、複数の溝２２のピッチを、例えば１０μｍ程度としてもよい。この場合には、溝２２の数は、１０００程度となる。

複数の溝２２の長手方向の一方の側には、複数の溝２２の一方の側の端部に接続された開口部２４ａが形成されている。複数の溝２２の一方の側の端部は、開口部２４ａにより互いに接続されている。複数の溝２２の長手方向の他方の側には、複数の溝２２の他方の側の端部に接続された開口部２４ｂが形成されている。複数の溝２２の他方の側の端部は、開口部２４ｂにより互いに接続されている。溝２２及び開口部２４ａ、２４ｂは、例えばｄｅｅｐ−ＲＩＥ（深堀りＲＩＥ）により形成することができる。ｄｅｅｐ−ＲＩＥは、アスペクト比の高い（狭く深い）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ，Reactive Ion Etching）のことである。

図３は、受熱部の蓋部を示す平面図及び断面図である。

蓋部２６は、基部２０上に設けられるものである。蓋部２６の材料としては、例えばシリコンが用いられている。蓋部２６の外形寸法は、例えば１５ｍｍ×３０ｍｍ×（０．２〜０．５）ｍｍ程度とする。蓋部２６には、冷媒５２（図５参照）を通流させるための貫通孔２８ａ、２８ｂが形成されている。蓋部２６の貫通孔２８ａ、２８ｂは、蓋部２６を基部２０上に配置した際に、基部２０の開口部２４ａ、２４ｂ上に位置する。

図４は、受熱部を示す平面図及び断面図である。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ′線断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ′線断面図である。

基部２０の上面と蓋部２６の下面とは互いに接合されている。基部２０と蓋部２６とを接合する際には、例えばＳｉ−Ｓｉ接合技術を用いることができる。より具体的には、アンモニアと過酸化水素とを含む薬液を用いて、基部２０と蓋部２６の表面に対して薬液処理を行った後、基部２０と蓋部２６とを重ね合わせて、例えば１０００℃で熱処理を行うことにより、基部２０と蓋部２６とを接合することが可能である。

複数の溝２２が形成された基部２０に蓋部２６を接合することにより、複数の孔（細管、冷媒流路、冷媒流路孔）３０が受熱部１０に形成される。溝２２の幅が例えば７０μｍ程度であり、溝２２の深さが例えば０．３ｍｍ程度の場合、孔３０の断面のサイズは、７０μｍ×０．３ｍｍ程度となる。

本実施形態において、このような微細な孔３０を、受熱部１０内に多数形成しているのは、孔３０の内面の面積の総和を十分に大きく確保するためである。これにより、冷媒５２と受熱器１０との間の接触面積が十分に大きく確保され、発熱体３３からの熱を高効率で冷媒５２によって受熱することが可能となる。

蓋部２６に形成された貫通孔２８ａ、２８ｂと、基部２０に形成された開口部２４ａ、２４ｂとは、それぞれ繋がっている。

図５は、本実施形態による冷却装置を回路基板上に実装した状態を示す断面図である。

図５に示すように、回路基板（プリント配線板）３２上には、発熱体である半導体チップ（半導体装置、ＬＳＩ）３３が実装されている。半導体チップ３３の上面のサイズは、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ程度である。回路基板３２としては、例えばガラスエポキシ基板等が用いられている。

また、回路基板３２には、押さえ部３４を回路基板３２に固定するための取付け部３６が設けられている。取付け部３６は、例えば接着剤により回路基板３２に固定されている。取付け部２６には、ねじ穴３８が形成されている。

半導体チップ３３上には、インジウムシート４０が配されている。インジウムシート４０は、半導体チップ３３と受熱部１０との間における熱抵抗を十分に低減するためのものである。

上面にインジウムシート４０が配された半導体チップ３３上には、受熱部１０が配されている。

半導体チップ３３上に受熱部１０が配された回路基板３２上には、受熱部１０を半導体チップ３３上に固定するための押さえ部３４が配されている。押さえ部３４には、押さえ部３４を回路基板３２の取付け部３６にねじ止めするための孔４２が形成されている。押さえ部３４は、回路基板３２の取付け部３６にねじ４４を用いて固定される。

押さえ部３６には、継ぎ手（コネクタ）４６ａ、４６ｂを押さえ部３４に取り付けるための開口部４８ａ、４８ｂが形成されている。押さえ部３４には、開口部４８ａ、４８ｂに嵌合された継ぎ手４６ａ、４６ｂを固定するためのロック機構（図示せず）が設けられている。また、押さえ部３４には、貫通孔５０ａ、５０ｂが形成されている。貫通孔５０ａ、５０ｂの上端部は、開口部４８ａ、４８ｂの下端部に繋がっている。貫通孔５０ａ、５０ｂは、冷媒５２を通流させるためのものである。貫通孔５０ａ、５０ｂの下端部の周囲には、Ｏリング５４を配すためのＯリング溝５６ａ、５６ｂが形成されている。Ｏリング溝５６ａ、５６ｂ内には、Ｏリング５４が配されている。Ｏリング５４は、冷媒５２が外部に漏れるのを防止するためのものである。

押さえ部３４の貫通孔５０ａ、５０ｂは、押さえ部３４を取付け部３６にねじ止めすることにより、受熱部１０の蓋部２６の貫通孔２８ａ、２８ｂとそれぞれ繋がる。

継ぎ手４６ａ、４６ｂは、配管１４ａ、１４ｂの先端にそれぞれ取り付けられている。配管１４ａ、１４ｂは、継ぎ手４６ａ、４６ｂを介して貫通孔５０ａ、５０ｂに接続される。

配管１４ａには、冷媒５２を循環させるためのポンプ１８（図１参照）が配されている。

ポンプ１８としては、例えば、小型チューブポンプ等を用いることができる。チューブポンプとは、ローラ又はタイヤ（リング）によりチューブを圧迫して押し潰し、吐出方向へ順次移動させることによって液体を搬送する方式のポンプである。チューブ復元により吸引を行うため、吐出・吸引を繰り返し、連続したポンプ動作が可能である。かかる小型チューブポンプは、例えば、株式会社Ａ＆Ｍにより提供されている。かかる小型チューブポンプは、例えばブラシレスモータにより駆動される。かかる小型チューブポンプのサイズは、例えば、高さが１４．５ｍｍ程度、全長が５０ｍｍ程度、ポンプ部外径がφ２６ｍｍ程度、モータ部外径がφ３３ｍｍ程度である。ポンプとして小型チューブポンプを用いる場合、配管１４ａ、１４ｂの材料としては、例えば高分子材料が用いられる。

なお、ポンプ１８は、小型チューブポンプに限定されるものではない。例えば、ポンプ１８として、マイクロポンプ等を用いてもよい。かかるマイクロポンプとしては、例えば、シナノケンシ株式会社製のマイクロポンプ（商品名：マイクロポンプアクア、品名：ＰＰＬＴ−０１０４０−００２）等を用いることができる。かかるマイクロポンプは、例えば電磁駆動ピストン方式が採用されている。かかるマイクロポンプのサイズは、例えば５６ｍｍ×３９ｍｍ×３０ｍｍ程度である。

放熱部１２としては、例えばヒートシンクを用いることができる。ヒートシンク１２には、十分な放熱効率を確保すべく、複数のフィン（図示せず）が形成されている。放熱部１２の材料としては、例えば銅やアルミニウム等が用いられている。放熱部１２に接する配管１６としては、金属製の配管が用いられる。配管１６の材料は、例えば銅とする。配管１６と放熱部１２との接触面積を十分に確保すべく、配管１６は多数回屈曲するように形成されている。配管１６の端部には、継ぎ手（コネクタ）５８ａ、５８ｂが取り付けられている。配管１４ａ、１４ｂの端部にも、継ぎ手６０ａ、６０ｂが取り付けられている。配管１４ａの端部に設けられた継ぎ手６０ａと、配管１６の端部に設けられた継ぎ手５８ａとが互いに接続される。これにより、配管１４ａと配管１６とが、継ぎ手６０ａ、５８ｂを介して接続される。配管１４ｂの端部に設けられた継ぎ手６０ｂと配管１６の端部に設けられた継ぎ手５８ｂとはが互いに接続される。これにより、配管１４ｂと配管１６とが、継ぎ手６０ｂ、５８ｂを介して接続される。

配管１４ａ、１４ｂ、１６、孔３０、開口部２４ａ、２４ｂ及び貫通孔２８ａ、２８ｂ、５０ａ、５０ｂ等により、冷媒流路が形成されている。冷媒流路内には、冷媒５２（図５参照）が充填されている。冷媒５２としては、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す液体が用いられている。受熱部１０の基部２０及び蓋部２６の材料としてシリコンが用いられている場合には、受熱部１０の孔３０の内面の材料はシリコンである。従って、シリコンに対して還元作用を示す液体が、冷媒５２として用いられる。

本実施形態において、冷媒５２として、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す液体を用いるのは、以下のような理由によるものである。

即ち、受熱部１０の孔３０の内面の材料がシリコンである場合には、孔３０の内面にはシリコンの酸化物６２が存在している。図６（ａ）は、孔の内面に酸化物６２が存在している状態を示す断面図である。かかる酸化物６２は、ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法により溝２２を形成する際や、Ｓｉ−Ｓｉ接合技術により基部２０と蓋部２６とを接合する際等に生成される。かかる酸化物６２は、例えばＳｉＯ_ＸＨ_Ｙ等である。このような酸化物６２が孔３０の内面に存在していると、孔３０の内面は親水性を示す。このような酸化物６２が孔３０の内面に存在している状態においては、孔３０の内面にはパーティクル（図示せず）等が付着しやすい。従って、冷媒５２として単に水等を用いた場合には、孔３０の内面にパーティクル等が付着してしまう虞がある。孔３０の内面にパーティクル等が付着すると、孔３０が狭められる。高い冷却効果を実現すべく、孔３０を非常に微細に形成した場合には、孔３０の内面にパーティクルが付着すると、孔３０がパーティクルにより塞がってしまう場合もある。また、冷媒５２として単に水等を用いた場合には、冷媒５２中にバクテリアが発生してしまう虞がある。孔３０の内面にバクテリアが付着すると、孔３０がバクテリアにより狭められてしまったり、孔３０がバクテリアにより塞がってしまったりする虞がある。

これに対し、本実施形態のように、受熱部１０の孔の内面の材料に対して還元性を示す液体を冷媒５２として用いれば、受熱部１０の孔３０の内面に存在する酸化物６２が還元され、孔３０の内面に酸化物６２が存在しない状態となる。図６（ｂ）は、孔の内面から酸化物６２が除去された状態を示す断面図である。図６（ｂ）に示すように、孔３０の内面には酸化物６２は存在しておらず、水素原子が孔３０の内面の近傍に存在する状態となる。酸化物６２が孔３０の内面に存在しない状態では、孔３０の内面は疎水性を示す。孔３０の内面に酸化物６２が存在しない状態においては、孔３０の内面にはパーティクル等が付着しにくい。従って、本実施形態のように、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元性を示す液体を冷媒５２として用いれば、孔３０の内面にパーティクルが付着するのを防止することができる。また、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元性を示す液体を冷媒５２として用いれば、冷媒５２中における酸素濃度が十分に低くなり、冷媒５２中にバクテリアが発生するのも防止することができる。従って、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元性を示す液体を冷媒５２として用いれば、孔３０の内面にバクテリアが付着するのも防止することができる。

このような理由により、本実施形態では、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す液体を、冷媒５２として用いている。

受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す溶質としては、例えば亜硫酸ナトリウムや亜硫酸アンモニウム等を挙げることができる。

そして、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す液体としては、例えば、亜硫酸ナトリウム水溶液や、亜硫酸アンモニウム水溶液等を挙げることができる。

なお、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す液体は、亜硫酸ナトリウム水溶液や亜硫酸アンモニウム水溶液に限定されるものではない。受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す液体を、受熱部１０の孔の内面の材料に応じて適宜用いるようにすればよい。

このように、本実施形態によれば、冷媒５２として、受熱部１０の孔３０の内面の材料に対して還元作用を示す液体を用いる。このため、本実施形態によれば、受熱部１０の孔３０の内面の酸化物６２が除去され、受熱部１０の孔３０の内面が疎水性となり、受熱部１０の孔３０の内面にパーティクルが付着するのを防止することができる。また、冷媒５２中における酸素濃度が十分に低減されるため、冷媒５２中にバクテリアが生じるのを防止することができる。従って、本実施形態によれば、冷却能力を向上すべく、受熱部１０の孔３０の微細化を図った場合であっても、受熱部１０の孔３０がパーティクルやバクテリア等により狭まってしまったり、塞がってしまったりするのを防止することができる。従って、本実施形態によれば、信頼性を損なうことなく、冷却能力を向上し得る冷却装置を提供することが可能となる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、受熱部１０の材料としてシリコンを用いる場合を例に説明したが、受熱部１０の材料はシリコンに限定されるものではない。例えば受熱部１０の材料として、シリコンゲルマニウムやシリコンカーバイト等を用いてもよい。

上記実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
冷媒が通流可能な孔が内部に形成された受熱部を有し、
前記受熱部の前記孔の内面の材料がシリコンを含み、
前記冷媒として、前記受熱部の前記孔の内面の材料に対して還元作用を示す液体が用いられている
ことを特徴とする冷却装置。

（付記２）
付記１記載の冷却装置において、
前記冷媒は、亜硫酸ナトリウムを含む水溶液、又は、亜硫酸アンモニウムを含む水溶液である
ことを特徴とする冷却装置。

（付記３）
付記１又は２記載の冷却装置において、
前記冷媒により伝熱される熱を放熱する放熱部と、
前記受熱部と前記放熱部との間に設けられ、前記冷媒が循環する配管と、
前記冷媒を循環させるポンプとを更に有する
ことを特徴とする冷却装置。

（付記４）
付記１乃至３のいずれかに記載の冷却装置において、
前記発熱体は、半導体装置である
ことを特徴とする冷却装置。

（付記５）
冷媒が通流可能な孔が内部に形成された受熱部を有し、前記受熱部の前記孔の内面の材料がシリコンを含む冷却装置の使用方法であって、
前記冷媒として、前記受熱部の前記孔の内面の材料に対して還元作用を示す液体を用いる
ことを特徴とする冷却装置の使用方法。

（付記６）
付記５記載の冷却装置において、
前記冷媒は、亜硫酸ナトリウムを含む水溶液、又は、亜硫酸アンモニウムを含む水溶液である
ことを特徴とする冷却装置の使用方法。

（付記７）
付記５又は６記載の冷却装置の使用方法において、
前記冷却装置は、前記冷媒により伝熱される熱を放熱する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部との間に設けられ、前記冷媒が循環する配管と、前記冷媒を循環させるポンプとを更に有する
ことを特徴とする冷却装置の使用方法。

（付記８）
付記５乃至８のいずれかに記載の冷却装置の使用方法において、
前記発熱体は、半導体装置である
ことを特徴とする冷却装置の使用方法。

１０…受熱部
１２…放熱部
１４ａ、１４ｂ…配管
１６…配管
１８…ポンプ
２０…基部
２２…溝
２４ａ、２４ｂ…開口部
２６…蓋部
２８ａ、２８ｂ…貫通孔
３０…孔
３２…回路基板
３３…半導体チップ、発熱体
３４…押さえ部
３６…取付け部
３８…ねじ穴
４０…インジウムシート
４２…ねじ穴
４４…ねじ
４６ａ、４６ｂ…継ぎ手
４８ａ、４８ｂ…開口部
５０ａ、５０ｂ…貫通孔
５２…冷媒
５４…Ｏリング
５６ａ、５６ｂ…Ｏリング溝
５８ａ、５８ｂ…継ぎ手
６０ａ、６０ｂ…継ぎ手
６２…シリコン酸化物
６４…水素

Claims (5)

1. 冷媒が通流可能な孔が内部に形成された受熱部を有し、
   前記受熱部の前記孔の内面の材料がシリコンを含み、
   前記冷媒として、前記受熱部の前記孔の内面の材料に対して還元作用を示す液体が用いられている
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記冷媒は、亜硫酸ナトリウムを含む水溶液、又は、亜硫酸アンモニウムを含む水溶液である
   ことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１又は２記載の冷却装置において、
   前記冷媒により伝熱される熱を放熱する放熱部と、
   前記受熱部と前記放熱部との間に設けられ、前記冷媒が循環する配管と、
   前記冷媒を循環させるポンプとを更に有する
   ことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
   発熱体は、半導体装置である
   ことを特徴とする冷却装置。
5. 冷媒が通流可能な孔が内部に形成された受熱部を有し、前記受熱部の前記孔の内面の材料がシリコンを含む冷却装置の使用方法であって、
   前記冷媒として、前記受熱部の前記孔の内面の材料に対して還元作用を示す液体を用いる
   ことを特徴とする冷却装置の使用方法。

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