JPH01103854A - 半導体の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、狭い空間内−に高密度に多数配列された電子
計算機用集積回路等の高発熱部材の沸騰冷却装置すなわ
ち半導体冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

特公昭５２−１５３５８号公報に記載されている従来の
半導体冷却装置はチップが搭載された基板を容器に封入
された冷媒液に浸漬し、チップから発生した沸騰気泡が
上昇して上部の蒸気溜りに達し、蒸気は容器内に突出し
た冷却板により凝縮し、下部の液溜りに還元されるもの
である。しかしながら、この方法では、上部に搭載され
たチップは下部から蓄積されてくる沸騰気泡のため冷媒
液との接触が悪くなる。そのため、上部はど液量を多く
して気泡が散るようにするため容器を大きくせざるを得
なかった。

また、他の従来例としては、特開昭５７−２０４１５６
号公報が挙げられる。この例においては、発熱体が冷媒
液に浸され、沸騰した蒸気は上部に設けられた凝縮器に
よって凝縮液化し、発熱体と凝縮器との間に設けられた
ガイド板によって蒸気と凝縮液とが干渉することなく循
環できる構造になっている。この方法では、発熱体の発
熱量が大きいとき、発熱部での激しい沸騰のため発熱郡
全体が上昇気液流となり、凝縮落下してきた液が発熱体
に十分供給されず冷却性能は低下する。

さらに別の従来例として特開昭６２−８５４４８号のも
のがある。これは垂直状に配置された基板に多数のＬＳ
Ｉが搭載された装置を冷媒液中に浸漬して、ＬＳＩを沸
騰冷却するもので、冷媒中に熱交換パイプを挿入して冷
却性能を高めているものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述した特公昭５２−１５３５８号公報及び特開昭５７
−２０４１５６号公報に記載されたものでは、発熱郡全
体にわたって冷媒液と充分に接触させる方法について考
慮されておらず、冷却性能の低下を招くという問題があ
った。また、考慮されていても、十分な接触を確保する
ため容器が大きくなり、計算機等のように高発熱チップ
を搭載した基板が多数枚積層される構造においては、基
板間の配線距離が長くなり、演算速度の高速化が妨げら
れる問題があった。さらに、空気などの不凝縮ガスが冷
媒液内に浸入してくると、冷却性能の低下が著しくなる
。これに対して、特開昭６２−８５４４８号公報に記載
のものでは冷媒液中に熱交換パイプを挿入しておくので
、仮に不凝縮ガスが冷媒容器内に侵入した場合でも、冷
却性能を一定の値に維持するこ（］１） とが可能となる。しかし、冷却性能そのものの値は、冷
媒蒸気中に熱交換パイプを挿入した前述の従来例の場合
よりも低いため、ＬＳＩ部で沸騰発生した冷媒蒸気を熱
交換パイプ部に集め、冷却性能を高めている。

しかし、ＬＳＩチップ１個当たりの発熱量が近年増加し
ており、またＬＳＩチップの間隔も比較的狭くなる傾向
にあり、単位体積当りの蒸気量が増大する。冷媒液中に
熱交換パイプを挿入する構造においては、熱交換パイプ
部に冷媒蒸気を集める構造としているが、高集積化され
た半導体素子では、蒸気量が増すため、熱交換パイプ回
りに冷媒蒸気が蓄積され、冷媒蒸気がＬＳＩチップの回
りをもおおい、ＬＳＩチップの沸騰性能が低下する問題
があった。

本発明の目的は、冷媒液の液量を必要以上に多くするこ
となく、該冷媒液を効率的に自然循環させ、発熱郡全体
にわたって冷媒液を略−様に供給できるようにし、以っ
て高い冷却性能を有する半導体の冷却装置及び冷却方法
を得ることにある。

本発明の他の目的は、発生蒸気量の一部を冷媒液中で凝
縮させ、残りを上方に逃して、上方の冷媒蒸気層部で凝
縮させると共に、飽和温度よりも過冷却された冷媒液を
、それぞれのＬＳＩチップ部に導く構成を実現すること
によって、より一層の冷却性能の向上を図ることにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため本発明は、沸騰促進用伝熱体
を取り付けた半導体素子を複数個搭載した基板を冷媒液
を封入した容器内に浸して該冷媒液の沸騰によって半導
体素子の熱を吸収し、発生した蒸気を該容器上方に設け
られた凝縮器で凝縮させて容器下方に返送する半導体冷
却装置において、前記蒸気の流路と凝縮液の流路とを隔
壁にて分離すると共に、該隔壁に返送された凝縮液を前
記沸騰促進用伝熱体の各々に向って供給し且つ逆流防止
手段を備えた流路を設けたものである。

本発明の他の特徴は、半導体素子の裏面側（反基板側）
に多孔構造の沸騰促進用伝熱体を取付け、この伝熱体か
ら発生する冷媒蒸気が通過する位置の冷媒液中に液冷却
器を設けて、この液冷却器内を前記冷媒蒸気が通過する
ようにし、これによって冷媒蒸気の一部を凝縮させ、残
りの冷媒蒸気を上方の冷媒蒸気層部に設けた凝縮器で凝
縮させて容器下方に返送し、この返送された凝縮液を冷
媒液中に設けた液冷却器を通して前記沸騰促進用伝熱体
のそれぞれに供給するようにしたものである。

本発明の更に他の特徴は、基板上に多数の発熱体を搭載
し、この基板を実質的に垂直な状態にして冷媒液中に浸
漬し、前記発熱体の反基板側に隔壁構成部材を準備し、
前記発熱体の冷却によって発生した冷媒蒸気を前記基板
と隔壁構成部材との間を上昇させて冷媒の蒸気層部で凝
縮させ、この凝縮冷媒を前記隔壁構成部材の反基板側に
形成された流路を通って流下させ、その流下させた凝縮
冷媒を前記隔壁構成部材に形成した通路を通して前記発
熱体の部分に供給する半導体の冷却方法にある。

〔作用〕

冷媒液は、集積回路チップ等の発熱体の発生熱により液
相から気相へと相変化する。発生した蒸気の泡は上昇し
、発熱郡全体では上昇流となる。

一方、発熱部上方の凝縮器で凝縮されて液化した冷媒液
は発熱部側にむかって下降流となる。沸騰が効率的に起
こるには発熱部への十分な液供給がなされる必要がある
ため、本発明では発熱部の上昇気液流と凝縮液化した下
降液流とが干渉しない様にし、これら両流路を分離する
ことによって前記発熱部へ冷媒液を戻す。例えば前記両
流路を分離するために隔壁を設けただけでは、沸騰部へ
の冷媒液の供給は隔壁の下端である発熱部最下部だけに
なる。これでは、発熱部上方には下方から蒸気が蓄積さ
れて上昇してくるため、上方はど冷媒液との接触が悪く
なる。そこで、蒸気が部側に逆流して液流を妨げること
なく冷媒液が発熱部に流入できるように複数個の流路を
設け、隔壁最下部のみならず下降液流路の途中からも直
接発熱部への冷媒液供給がされる様にする。これによっ
て、発熱郡全体にねって十分な液供給がなされ、高発熱
時においても発熱体を効果的に冷却することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の具体的実施例を図面により詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例を示す図である。

図において、配線基板上には多数配列された集積回路チ
ップ１が偏平容器２内の下部に設置されている。容器２
内にはＣ３Ｆ１４等の冷媒液３が封入され、チップ１は
完全に浸されている。

冷媒液３はチップ１の発熱により沸騰して蒸気の泡とな
り、蒸気流路４を通り容器２上部の凝縮部へ流れる。チ
ップ１には沸騰促進用伝熱体が取り付けられている。凝
縮部には凝縮器５が備えられ、蒸気は、該凝縮器５内を
流れる水と熱交換し、凝縮されて再び液化し、重力によ
り落下して液流路６を通り下部発熱部に戻る。

蒸気流路４と凝縮液流路６とは隔壁７で分離されている
。チップ１の発熱により発生した蒸気の泡は上昇するた
め、発熱郡全体では上昇流となる。

一方、凝縮器５で液化した冷媒液３は重力落下しく１６
） た下降流となるが、蒸気流路４と凝縮液流路６は分離さ
れているため互いに干渉することなくスムーズに冷媒液
３の循環が行なわれる。下降して凝熱部に戻ってきた冷
媒液３は、再びチップ１のまわりに供給されて熱を奪う
わけであるが、発熱部全面の蒸気流路４と凝縮液流路６
とを分離する隔壁７には案内流路（案内部材）としてバ
イブ８が設けられており、各バイブ８を通して発熱郡全
体の各チップ１に冷媒液３が供給できるようになってい
る。

第２図を用いて本発明の作用について説明する。

多数配列されたチップ１からの除熱が効率的になされる
には、チップ１に取り付けられた沸騰促進用伝熱体１０
において沸騰が効率的に起こる必要がある。すなわち、
沸騰によって生じた蒸気泡１１によって該伝熱体１０が
包まれて乾かないようにする必要がある。そのためには
、発生した蒸気が速やかに該伝熱体１０から離れ、冷媒
液３が該伝熱体１０に供給されるように容器内での気液
の循環がスムーズに行なわれる必要がある。気液（］７
） の流れを考えてみると発熱部ではチップ１全部から蒸気
が発生し、蒸気泡１１となって上昇するため全体として
激しい上昇流１２となり、凝縮液化して発熱部に戻る液
は下降流１３になる。気液の流れがスムーズに起こるに
は、上昇流１２と下降流１３が干渉しないようにする必
要がある。これは、隔壁７によって各流路を分離するこ
とによって達成される。ところが、上方に配列されたチ
ップ１においては、下方からの上昇蒸気泡１１が蓄積さ
れて上方のチップ及び伝熱体はど該蒸気泡１１におおわ
れて乾きやすくなる。また、隔壁７を設けただけでは、
冷媒液３は隔壁７最下部１４からしか流入しないため上
方のチップには冷媒液が十分供給されず、冷却性能が著
しく低下する。

そこで、この実施例では隔壁７に各チップ１に対応して
バイブ８を設けることによって」二カの該伝熱体１０へ
も冷媒液３の流入］５を可能にしている。このとき、上
昇気液流１２の速度は、下降液流１３の速度に比べ極め
て大きく、圧力差によって冷媒液３が蒸気流路４側へ吸
い込まれる。気液流の速度は上方はど速くなり、したが
って、乾きの生じゃいす上方はど冷媒液３がパイプ８を
介して多く吸い込まれ、それぞれの発熱郡全体に効率的
に冷媒液３を供給することができる。パイプ８は該伝熱
体１０に向かって斜め上方に向けられており、したがっ
て蒸気泡１１が凝縮液流路６側に流入することはなく、
冷媒液の流入１５が妨げられることはない。本実施例で
はパイプ８の前記斜め構造により冷媒液の凝縮液流路６
側への逆流防止手段が構成されている。また、パイプ８
を該伝熱体１０の根元付近まで届く長さにすることによ
って、温度が高く乾きの生じやすい伝熱体１０の根元部
分への冷媒液供給を可能にしている。さらに、第３図に
示したように、パイプ８は下方からの上昇流１２をさえ
ぎる作用もあり、伝熱体１０を下方からの蒸気泡１１で
包まれに＜＜シている。

したがって、全チップ１が高発熱量であっても沸騰が効
率的に起こり、高い冷却性能が得られる。

また、パイプ８の径及び数を変えることにより、熱積回
路チップ１の発熱量に応じた伝熱性能が得られ、発熱量
の異なるチップ１が混在する場合でも該チップ１の温度
を均一に保つことができる。

第４図に本実施例の効果を示す。曲線Ａは、多数配列さ
れた発熱体を偏平容器内で隔壁７を用いないで冷却した
場合の比較例の結果である。曲線Ｂは、本発明の実施例
によるもので、発熱体と隔壁７との間隙を、該隔壁７を
用いない場合の発熱体と発熱体前面の容器壁との間隙と
同一にして、この隔壁７にパイプ８を設けた場合の結果
で、大幅な性能向上がみられる。

第５図は第２図の例とは別の例を示す。この例では、隔
壁７に液流入用の開孔２７を設け、さらに、蒸気泡１１
の下降液流１３側への逆流を防ぐ爪状部材２８が逆流防
止手段として設けられている。これら部材２７．２８に
より案内部材（案内流路）が構成され、冷媒液３の流入
１５が、蒸気泡１１の下降流路側への逆流によって妨げ
られることがなくなり、冷媒液は集積回路チップ１が多
数実装されてもすべての該伝熱体１０に効果的に供給さ
れ、高い冷却効率が得られる。

第６図に更に他の例を示す。本実施例は、冷却装置に極
薄形の構造が要求される場合に適したものである。冷却
構造を薄形にする場合、チップ１に沸騰促進用伝熱体１
０を取り付けると、第７図に示した如く、該発熱体１０
の前面に設けられる冷媒液流路６用のスペースが極めて
小さくなるため該伝熱体１０の側方に隔壁７を設ける。

発熱体で発生した蒸気泡１１は側方にもまわり込むため
隔壁７によって発熱体側方を上昇流１２．下降流１３の
各流路４，６に分離する。隔壁７には間隙３０が設けら
れ、かつ１発生した蒸気泡１１が凝縮液流路６側に逆流
するのを防ぐための爪状部材２９が逆流防止手段として
設けられている。これにより、冷媒液３は、蒸気泡１１
の逆流に妨げられることなく、すべての該伝熱体１０に
スムーズに供給される。さらに、集積回路チップ１の発
熱量に応じて間隔３０の大きさ、爪状部材２９の隔壁７
とのなす角を変えることにより該伝熱体１０の性能を制
御することができる。したがって、すべての該伝熱体１
０で効率よく沸騰がおこり、高い冷却性能が得られるだ
けでなく冷却構造を薄形にすることができ、集積回路チ
ップ１の高密度実装を可能にする。

第８図は第６図の更に他の例を示す。この例では、該伝
熱体１０の側方に複数のパイプ状の隔壁３１が設けられ
、下降流１３と上昇流１２とが分離されている。パイプ
状隔壁３１には、液供給用パイプ８が、気泡１１の逆流
を防ぐため該伝熱体１０に向って斜め上方に向って取り
付けられている。この斜め構造により逆流防止手段が構
成されている。

容器上部に設けられた凝縮器５で凝縮された液は、直下
のパイプ状隔壁３１の拡大部を通して各発熱部に戻され
る。下降液は、パイプ８を通して、各伝熱体で発生する
蒸気泡１１に邪魔されることなくすべての伝熱体に供給
される。これによって、冷媒液の沸騰、蒸発、凝縮、液
戻り、伝熱体への液供給がスムーズに行なわれ、高い冷
却性能が得られるだけでなく、第９図に示した如く冷却
構造の薄型化及びコンパクト化が図れる。

第１０図は更に他の例を示す。この例では、該伝熱体１
０が取り付けられた集積回路チップ１を搭載した複数の
配線基板４０がバックボード４１に取り付けられ、冷媒
液３に浸されている。容器上部には凝縮器５が取り付け
られている。各配線基板４０の間隔は、集積回路チップ
１の実装密度を上げるためにできるだけ小さくおさえる
。この場合、該伝熱体１０の周囲の冷媒液流路が狭くな
り、配線基板４０の最下部１４からの液供給だけでは、
配線基板４０上部に搭載された該伝熱体１０の冷却性能
は著しく低下する。そのため、該伝熱体１０に対して斜
め上方（逆流防止手段をなしている）に向かうパイプ８
を備えたパイプ状隔壁３１を伝熱体１０同士及び配線基
板４０とでできる間隙に設け、蒸気流路４と凝縮液流路
６とを分離する。これによって、上昇流１２．下降流１
３μは干渉することなく、どの配線基板４０に対しても
気液の循環が効率的に行なわれ、かつ該伝熱体１０への
基板下部からの液供給１４のみならず上方の伝熱体１０
へも大量の蒸気泡１１に阻止されることなく、パイプ８
を通し冷媒液を供給できる。したがって、高密度実装状
態においても高い冷却性能が得られる。なお、パイプ状
隔壁３１の代わりに、第２図、第５図、第６図に示した
流路構造のものとすることもできる。

第１１図に更に他の例を示す。この例では、集積回路チ
ップ１に縦横に貫通孔を有する多孔構造沸騰促進用伝熱
体１０が取り付けられ、隔壁７によって流路が上昇流１
２と下降流１３とに分離されている。該伝熱体１０は隔
壁７を貫通し、伝熱体前面は凝縮液流路６に面している
。これにより、冷媒液は、毛細管現象に基づく表面張力
によって直接に該伝熱体１０内に、蒸気泡１１に妨げら
れることなく流入できる。なお、該伝熱体１０内部で発
生する蒸気が逆に凝縮液流路６側へ流出しないようにす
るため、凝縮液流路６に面する先端部の貫通孔の孔径を
他部より小さくして、空隙率を小さくしてもよい。これ
により逆流防止手段を形成することができる。したがっ
て、沸騰、凝縮。

発熱部の液戻り、各伝熱体１０への液供給が効率良くな
され、高い冷却性能が得られる。尚、横方向の貫通孔を
水平ではなく、伝熱体１０側が上方となる斜めに形成す
れば、この斜め構造により逆流防止手段は一層確実なも
のとなる。

第１２図も更に他の例である。本実施例では、集積回路
チップ１に縦横に貫通孔を有する多孔構造の沸騰促進用
伝熱体１０が取り付けられ、該伝熱体１０内部にまで直
接到達するパイプ８が隔壁７に設けられている。流路は
、隔壁７によって上昇流１２．下降流１３の各流路に分
離され、冷媒液は、隔壁７に設けられたパイプ８を通し
て該伝熱体１０に供給される。そのため、蒸気泡１１の
影響を受けることなく効率よく冷媒液が各伝熱体１０に
供給される。また、冷媒液は、圧力差によって該伝熱体
１０の貫通孔内に吸い込まれる。このとき、冷媒液は、
乾きの生じやすい伝熱体の貫通孔内部に直接供給される
ため、該伝熱体の沸騰伝熱性能の向上に対する液供給の
効果は非常に大きくなる。したがって、すべての集積回
路チップ１に取り付けられた該伝熱体に対してすぐれた
冷動性能が得られる。

本発明装置の更に他の例を第１３図〜第１８図により説
明する。

まず第１３図及び第１４図により説明する。基板４０の
面上には多数のチップ１が搭載され、各チップ１には多
数の半導体素子が内挿され、基板４０内の配線とチップ
１内の素子とが電気的に接続されている。半導体素子が
ＯＮの状態になると、信号のやりとりをして、チップ１
内の半導体素子が発熱する。また、基板４０．チップ１
に電気入力を給電するための給電系５０も発熱するため
、これも冷却しなければならない。本発明ではこれらを
冷媒液３中に浸漬して、その沸騰によって、チップ１及
び給電系５０を冷却する。

チップ１の背面側（基板４０と反対側）には沸騰性能を
向上させるために多孔構造の沸騰促進用伝熱体１０が装
着されている。伝熱体１０の先端側には、その先端に対
向するように間隙をおいて液冷却器５１が配置され、基
板４０．チップ１、及び液冷却器５１の上方には凝縮器
５が配置されている。基板４０．チップ１．給電系５０
．液冷却器５１、及び凝縮器５はチャンバー（容器）５
２内に挿入され、チャンバー５２内には、低沸点の冷媒
液３が封入されている。冷媒液３は第１４図に示す如く
、液冷却器５１と凝縮器５の間に液面が存在する程度に
封入されている。チャンバー５２の外部から給電系５０
及び基板４０への信号、給電等の配線は、例えばハーメ
チックシールなどの機構を用いて行う。その機構は給電
系５０の裏側にあるシール板５３などに設置する。

シール板５３は１枚でもよいが、チャンバー５２内の冷
媒液３の圧力が変動する場合があるため、複数枚として
シール板をできるだけ小さく配分すると耐圧的に楽にな
る。シール板固定枠５４は０リング５５を介してチャン
バー５２に固定される。

チャンバー５２内が例えば負圧（大気圧よりも低い圧力
）になると、チャンバー５２内に空気等が侵入して、凝
縮器５の凝縮性能を低下する恐れがある。そこで図に示
すように、チャンバー５２に対してシール板固定枠５４
が外側にくるように配置して、０リング５５によるシー
ルを行う機構とする。このようにすると、チャンバー５
２内が負圧になると、シール板固定枠５４がチャンバー
５２内へ押し込まれる構造になっているため、空気など
の侵入を防ぐことができる。給電系５０゜基板４０、及
びチップ１の配置される広さは、メンテナンス時に、シ
ール板固定枠５４をチャンバー５２からはずすことによ
り、前記給電源５０゜基板４０、及びチップ１を共にチ
ャンバー５２外へ取り出せるような大きさとしている。

次に、液冷却器５１及び凝縮器５の構造について説明す
る。液冷却器５１の構造は、例えば銅。

アルミニュームなどの金属性のパイプ５６に、例えばア
ルミニュームなどの金属性のフィン５７を半田付等によ
って装着したものである。パイプ５６内には、チラーな
どから導びがれた冷たい流体が流れる。パイプ５６は、
はぼ水平に、基板４０に平行になるように配置され、フ
ィン５７はパイプ５６にほぼ直交するように配置される
。フィン５７は、上方側がチップ１に近く、下方側がチ
ップ１から遠ざかるように、基板４ｏに対して傾斜した
配置としている。また、水平方向各列のフィン群におい
て、チップ１に近い上方側はフィンが粗に、チップ１か
ら遠い下方側はフィンが密になるように構成されている
。この実施例では図に示すように、各列フィン群の下方
側は上方側よりも２倍の密度でフィンが設けられている
。

凝縮器５は、金属性パイプ５８に金属性フィン５９を半
田付けして構成されている。

次に作動原理について説明する。半専体索子がＯＮの状
態になり、チップ１が発熱すると、冷媒３が低沸点の液
体であるため、沸騰を開始してチップ１の熱を除去する
。チップ１の表面のみからの沸騰であると、核沸騰によ
る除熱限界が存在するため、それほどの熱をとれない。

せいぜい単位面積当り、２０ｗ／ｃＪ程度であり、これ
以上の熱を冷媒液側へ伝えようとすると、チップ１側の
温度が急激に上昇してしまう。チップ１背面側に多孔構
造の伝熱体５を設けておくと、伝熱面積の増加による効
果ばかりでなく、伝熱面から気泡が発生する点、すなわ
ち気泡発生核が飛躍的に増加する効果が相乗し、沸騰性
能が向上して、単位面積当り１００Ｗ／ｃＪ程度の熱が
とれるようになり、発生する冷媒蒸気量も大幅に増大す
る。

多孔構造の伝熱体１０が基板４０上に多数搭載された場
合の沸騰性能をまず液冷却器５１がない場合について第
１５図及び第１６図により説明する。基板４０の下側か
ら各チップ１をみていくと、下側から２段目、３段目と
上側になるにしたがって、下方のチップ部から発生した
上昇蒸気泡１１の液撹拌効果（矢印６０）によって伝熱
性能が向上する。ところが更に上段になると、冷媒液３
中の蒸気含有量が増加して、伝熱体１０のまわりが冷媒
蒸気でおおわれてしまう。このような状態になると沸騰
性能が低下して、チップ１内の素子温度が上昇し、許容
値を越えてしまう。第１５図に示した装置の伝熱性能の
分布状況を第１６図に示す。

次に液冷却器５１を設置した場合を第１７図及び第１８
図により説明する。下段チップから発生した蒸気泡が積
算されて増加してゆくと、その蒸気は液冷却器５１のフ
ィン５７の間を上昇するようになる。パイプ５６内には
、冷媒３よりも低い温度の流体を流すので、液冷却器５
１のパイプ５６及びフィン５７は冷媒３よりも低い温度
になっている。そのため、フィン５７間を上昇する冷媒
蒸気（蒸気泡１１）は凝縮され、冷媒液自身は蒸気含有
量をそれほど増加させない。更にパイプ５６及びフィン
５７は冷媒蒸気を凝縮するばかりでなく、冷媒液３を冷
却する。この冷たい冷媒液３を多孔構造の伝熱体１０の
まわりに導びくことにより、伝熱体１０まわりの冷媒蒸
気を凝縮することも可能になる。本発明においては、液
冷却器５１が上下方向に複数設（第１３図及び第１４図
の例では６段）にわかれている。各段のフィン群はチッ
プ１に近づいている上方側が粗にチップ１から離れてい
る下方側は密に配置されているので、上昇する冷係蒸気
１１はフィンが粗（流路面積が大）の部分を第１７図の
ように流れる。一方冷媒液３は、前記上昇気泡１１のい
わゆるボンピング作用によって、各フィン群下方側の密
（流路面積が小）な部分を矢印６１のように流れ、多孔
構造の伝熱体１０側へ導びかれる。伝熱体１０まわりに
導びかれた冷たい冷媒液３は、伝熱体１０の沸騰性能を
より一層向上できる効果がある。更に各段のフィン群で
凝縮しきれない冷媒蒸気は、より上段のフィン群へ導び
かれて凝縮されていき、液冷却器５１で凝縮しきれなか
った冷媒蒸気は、チャンバー５２内の上方に設けた冷媒
蒸気層部３ａへ導びかれ、凝縮器５によって凝縮される
。凝縮器５によって凝縮し、液化した冷媒液は重力落下
して、再び下方の冷媒液層部３６へと導びかれる。

この液は液冷却５１のフィンが密に配列された側へ矢印
６２に示すように流下し、矢印６１で示すようにフィン
５７間を通って伝熱体１０側へ流れていく。このように
、液冷却器５１は発生した蒸気泡１１の上昇流路と凝縮
した液冷媒３の下降流路とを分離し交通整理する隔壁と
しての働きもあり、この隔壁としても作用する液冷却器
５１は凝縮した液冷媒３を更に冷却して伝熱体１０へ導
くと共に冷媒液３の逆流防止機能も備えた案内部材（案
内流路）としての作用をも有するものである。

以上説明した実施例の沸騰性能を第１８図により説明す
る。この実施例によれば、上段側のチップの部分でも、
冷媒液中の蒸気泡１１の含有量が液冷却器５１により低
くおさえられるので、高い伝熱性能を維持することがで
きる。

尚、半導体素子の集積度が高まるにしたがって、給電系
５０の発熱量も増加するが、本実施例では給電系５０も
チャンバー５２内に挿入して冷媒液に触れる構造にして
いるので給電源５０の表面からも冷媒液は沸騰し、これ
によって給電源をも冷却できる。ここで発生した冷媒蒸
気は上昇して、チャンバ−８上部の凝縮器５において凝
縮液化さ九で、再び下部の冷媒液相部３ｂへ戻る。更に
、基板４０の発熱量も多い場合には、給電系の場合と同
様に、基板４０も冷却することができる。

本実施例によれば液冷却器によって発生蒸気泡を凝縮す
るため、集積回路チップ群の上方における冷媒液中の蒸
気含有量を１１％さくおさえることができると共に、冷
媒液をも冷却し、その冷たい液を効率よく、チップの背
面に装着された多孔構造の伝熱体まわりに導びくことに
よって、沸騰による冷却性能を高めることができる。

また、本実施例の液冷却器は、パイプ５６にフィン５７
を取り付けたものであり、フィン間部を冷媒蒸気及び冷
媒液が流れるため、伝熱性能を大きくとれ、冷媒蒸気の
凝縮性能、冷媒液の冷却性能を高めることができる。そ
して、フィンの板はほぼ垂直に配置されているため、フ
ィン間を冷媒蒸気及び冷媒液がスムーズに流れることが
できる。

さらに本発明では、各段の液冷却器で冷媒蒸気を凝縮す
るが、全ての蒸気を各段部冷却器で保持して凝縮すると
いうのではなく、残った蒸気を上方の段の液冷却器、さ
らに上方に設けた凝縮器へと尊くものであるので、常に
チップが搭載された全範囲にわたって、上昇蒸気泡の液
撹拌効果を有効に働らかすことができる。また、このよ
うな構造であるため、上昇蒸気泡が液冷却器部に保持。

停滞されることがなく、チップの発熱量が増大しく３４
） て、発生蒸気泡が増加しても、液冷却器の伝熱性能を低
下させることはない。

更にまた、給電系及び基板も同時に、冷媒を封入したチ
ャンバー内に挿入するため、半導体素子の高集積化が進
んで給電源、基板部における発熱量が増加した場合では
、冷媒液の沸騰によって冷却することができる。

また、シール板固定枠５４とチャンバー５２から取り出
すことによって、給電源５０．基板４０゜チップ１など
も同時に取り出すことができ、メンテナンスなども容易
になる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、隔壁によって蒸気の上昇流路と、凝縮
液の下降流路とを分離し、更に逆流防止手段を備えた流
路から返送された凝縮液すなわち冷媒液を各伝熱体の各
々に供給するようにしたので、容器内の気液流の循環が
スムーズになされるとともに、冷媒液との接触が蒸気泡
によって悪くなる部分への冷媒液供給が可能となり、小
形でかつ冷却性能の高い半導体冷却装置を得ることかで
きる。

また、液冷却器を設けるにようしたものでは、その液冷
却器によって発生蒸気泡の一部を凝縮するため、上方の
発熱体（チップ）の部分における冷媒液中の蒸気含有量
を小さくおさえることかできる。さらに、液冷却器によ
って冷媒液も冷却でき、低温の冷媒液を効率よく発熱体
背面に導くことができる。また、パイプにフィンを取り
付けた構造の液冷却器では、フィン間を冷媒蒸気及び冷
媒液が流れるため、伝熱性能を大きくとれ、冷媒蒸気の
凝縮性能、冷媒液の冷却性能を高めることができる。こ
れらの結果、発生蒸気泡の一部を冷　　　　−媒液中で
凝縮させ、残りを上方に逃して上方の冷媒蒸気層部で凝
縮させると共に、飽和温度よりも過冷却された冷媒液を
各ＬＳＩチップ部に導くことができ、冷却性能を大幅に
向上できる効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体冷却装置の一部切欠き斜視
図、第２図は第１図の要部断面図、第３図は第２図のｍ
−ｍ線断面図、第４図は効果説明図、第５図及び第６図
はそれぞれ異なる他実施例の要部断面図と要部正面図、
第７図は第６図の■−■断面図、第８図は他の実施例の
要部正面図、第９図は第８図のＩＸ−ＩＸ線断面図、第
１０図は他実施例の正面図、第１１図及び第１２図はそ
れぞれ異なる他実施例の断面図、第１３図は本発明の更
に他の実施例を示す一部切欠き斜視図、第１４図は第１
３図の実施例の側断面図、第１５図は液冷却器がない場
合の発生冷媒蒸気の動作を説明する要部断面図、第１６
図は第１５図の装置の場合の伝熱性能の分布状況を示す
線図、第１７図は第１３図に示す実施例における発生冷
媒蒸気の動作を説明する要部断面図、第１８図は第１３
図及び第１７図に示す実施例における伝熱性能の分布状
況を示す線図である。 １・・・発熱体（集積回路チップ）、２・・・容器、３
・・・冷媒液、５・・・凝縮器、７・・・隔壁、８・・
・パイプ（案内部材）、１０・・・沸騰促進用伝熱体、
２７．２８・・・案内部材または案内流路（２７・・・
開孔、２８・・・爪状部材）、４０・・・配線基板、５
０・・・給電系、年２菌 弓 ■１ ｓ　　　　　ｔｏ　　　　　ｔｓ　　　　２゜洗熟度（
発炒記紀し入渠） μ ｖｒｒ、　−口 ＩＸ　、−。 扇１５図 堝　１′７　　口 葛　１？　図 ８皺

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷媒液を封入した容器と、半導体素子を複数個搭載
   し前記容器の冷媒液中に浸された基板と、前記容器内の
   上部に設けられ発生した冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と
   、前記半導体素子を冷却することによつて発生した冷媒
   蒸気が上昇する流路と前記凝縮器によつて凝縮された冷
   媒液が下降する流路とを分離するための分離手段と、該
   分離手段に複数設けられ前記凝縮冷媒を前記半導体素子
   側に送る案内手段とを備えた半導体冷却装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記案内手段は、
   その半導体素子側が反半導体素子側よりも高位置となる
   ように構成してなる半導体冷却装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記案内手段はそ
   れぞれの半導体素子に対応させて設けていることを特徴
   とする半導体冷却装置。 ４、半導体素子を複数個搭載した基板を冷媒液を封入し
   た容器内に浸して該冷媒液の沸騰によつて半導体素子の
   熱を吸収し、発生した蒸気を該容器上方に設けられた凝
   縮器で凝縮させて容器下方に返送する半導体冷却装置に
   おいて、前記半導体素子に設けられた沸騰促進用伝熱体
   と、前記蒸気の流路と凝縮液の流路とを分離する隔壁と
   、該隔壁に設けられ前記凝縮液を前記半導体素子側に送
   る案内流路とを備えた半導体冷却装置。 ５、特許請求の範囲第４項において、前記案内流路には
   、半導体素子側から反半導体素子側へ向う流れを防止す
   る逆流防止手段を備えている半導体冷却装置。 ６、特許請求の範囲第４項において、前記案内流路の先
   端出口が各沸騰促進用伝熱体の下部位置である半導体冷
   却装置。 ７、特許請求の範囲第５項において、逆流防止手段は、
   流路をパイプ状にすると共に、この流路が沸騰促進用伝
   熱体に向つて斜め上方にして形成したものである半導体
   冷却装置。 ８、特許請求の範囲第５項において、逆流防止手段は、
   隔壁に開孔又は間隙として形成された案内流路の下端か
   ら沸騰促進用伝熱体に向つて斜め上方に形成されたガイ
   ド片である半導体冷却装置。 ９、特許請求の範囲第５項において、案内流路の流量は
   上方のものが多くなるようにした半導体冷却装置。 １０、特許請求の範囲第４項において、隔壁は沸騰促進
   用伝熱体と、この伝熱体の前面の対向する壁との間に設
   けられている半導体冷却装置。 １１、特許請求の範囲第４項において、隔壁は各沸騰促
   進用伝熱体の側方に設けられている半導体冷却装置。 １２、冷媒液を封入した容器と、基板に搭載され前記容
   器の冷媒液中に浸された複数個の発熱部材と、この発熱
   部材に装着され縦横に多数の貫通孔が形成されている沸
   騰促進用伝熱体と、前記容器内の上部に設けられ発生し
   た冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記発熱部材を冷却
   することによつて発生した冷媒蒸気が上昇する流路と前
   記凝縮器によつて凝縮された冷媒液が下降する流路とを
   区切るための手段と、該区切り手段に設けられ前記凝縮
   冷媒を前記発熱部材側に送る案内手段とを備えた発熱部
   材の冷却装置。 １３、特許請求の範囲第１２項において、冷媒蒸気の上
   昇流路と凝縮冷媒液の下降流路とを区切る手段は隔壁で
   あり、前記案内手段は前記隔壁に設けられたパイプによ
   り構成されている発熱部材の冷却装置。 １４、特許請求の範囲第１３項において、パイプの先端
   を沸騰促進伝熱体の内部に到達させた発熱部材の冷却装
   置。 １５、冷媒液を封入した容器と、基板に搭載され前記容
   器の冷媒液中に浸された複数個の半導体素子と、前記容
   器内の上部に設けられ発生した冷媒蒸気を凝縮させる凝
   縮器と、前記半導体素子を冷却することにより発生した
   冷媒蒸気が上昇する流路と前記凝縮器により凝縮された
   冷媒液が下降する流路とを区切るための手段と、縦横に
   多数の貫通孔を有し一端が前記半導体素子に装着され他
   端が前記区切り手段を貫通して凝縮冷媒液側に設けられ
   た沸騰促進用伝熱体とを備えた半導体冷却装置。 １６、特許請求の範囲第１５項において、前記沸騰促進
   用伝熱体は、その貫通孔の大きさが、凝縮冷媒液側で他
   の部分よりも小さくした半導体冷却装置。 １７、基板上に複数個の発熱体を搭載し、これを容器内
   に封入された冷媒液中に浸漬して冷却する装置において
   、前記発熱体に関し前記基板とは反対側の冷媒液中に、
   上下方向に複数個配置された液冷却器と、前記容器の上
   方に設けられた凝縮器とを設け、それによつて前記各発
   熱体から発生した冷媒蒸気の１部を前記液冷却器により
   凝縮し、この凝縮された冷媒液を、各液冷却器の間から
   、各発熱体へ導びくと共に、前記液冷却器において冷却
   しきれなかつた冷媒蒸気を容器上部に設けた凝縮器によ
   り凝縮することを特徴とする半導体冷却装置。 １８、特許請求の範囲第１７項において、前記各液冷却
   器は、冷却流体が通るパイプと、このパイプに取付けら
   れかつ垂直方向に配置されたフィンとを備え、発熱体に
   より発生した冷却蒸気が前記フィン間を通過する構成と
   した半導体冷却装置。 １９、特許請求の範囲第１８項において、各液冷却器に
   おけるフィンは、上方側が発熱体に近く、下方側が発熱
   体から遠ざかるように配置され、かつ発熱体に近い上方
   側はフィンが粗に、発熱体から遠い下方側はフィンが密
   に構成されている半導体冷却装置。 ２０、冷媒液を封入した容器と、発熱体を複数個搭載し
   前記容器の冷媒液中に浸された基板と、前記容器内上部
   の冷媒蒸気層部に設けられた凝縮器と、前記発熱体に関
   し前記基板とは反対側の冷媒液中に上下方向に複数個配
   置して設けられかつ冷却流体が通るパイプとこのパイプ
   に取付けられた多数のフィンとをもつ液冷却器とを備え
   、前記液冷却器のフィンは垂直方向に配置されると共に
   、各フィンの上方側は発熱体に近く、下方側は発熱体か
   ら遠ざかるように配置され、かつ発熱体に近い上方側は
   フィンを粗に、発熱体から遠い下方側はフィンを密に構
   成した半導体冷却装置。 ２１、冷媒液を封入した容器と、半導体チップを複数個
   搭載し前記容器の冷媒液中に浸された基板と、前記容器
   の冷媒液中に浸されかつ前記基板および半導体チップに
   給電する給電系と、前記容器内上部の冷媒蒸気層部に設
   けられた凝縮器と、前記発熱体に関し、前記基板とは反
   対側の冷媒液中に上下方向に複数個配置して設けられか
   つ冷却流体が通るパイプとこのパイプに取付けられた多
   数のフィンとをもつ液冷却器とを備え、前記容器はシー
   ル板とこのシール板の固定枠を有し、前記給電系及び基
   板を前記シール板固定枠よりも小さく構成し、シール板
   固定枠を容器から取外すことにより前記給電系及び基板
   を容器外へ取り出せる構成とした半導体冷却装置。 ２２、特許請求の範囲第２１項において、半導体チップ
   の裏面に多孔構造の沸騰促進用伝熱体を装着した半導体
   冷却装置。 ２３、特許請求の範囲第２１項において、前記液冷却器
   のフィンを垂直方向に配置すると共に、各フィンの上方
   側をチップに近く、下方側をチップから遠ざけるように
   配置し、かつチップに近い上方側はフィンを粗に、チッ
   プから遠い下方側はフィンを密に構成した半導体冷却装
   置。 ２４、基板上に多数の発熱体を搭載し、この基板を実質
   的に垂直な状態にして冷媒液中に浸漬し、前記発熱体の
   反基板側に隔壁構成部材を準備し、前記発熱体の冷却に
   よつて発生した冷媒蒸気を前記基板と隔壁構成部材との
   間を上昇させて冷媒の蒸気層部で凝縮させ、この凝縮冷
   媒を前記隔壁構成部材の反基板側に形成された流路を通
   つて流下させ、その流下させた凝縮冷媒を前記隔壁構成
   部材に形成した通路を通して前記発熱体の部分に供給す
   る半導体の冷却方法。 ２５、基板上に多数の発熱体を搭載し、この基板を実質
   的に垂直な状態にして冷媒液中に浸漬し、前記発熱体の
   反基板側の冷媒液中に上下方向に多数のフィンをもつ複
   数の液冷却器を準備し、前記発熱体の冷却によつて発生
   した冷媒蒸気を前記液冷却器のフィン間を通過させてそ
   の一部を凝縮し、冷媒蒸気の残りを冷媒の蒸気層部で凝
   縮させ、この凝縮冷媒を前記液冷却器のフィン間を通過
   させて冷却した後前記発熱体の部分に供給する半導体の
   冷却方法。