JPH02114597A - 電子素子の冷却方法 - 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 この発明は、回路基板に搭載されるとともに、熱放散を
必要とする集積回路等の複数の電子素子を冷媒中に浸漬
して冷却する浸漬沸騰冷却法による電子素子の冷却方法
に関するものである。

従来の技術 通電使用時に発熱するＬＳＩ等の電子素子は、その集積
度の増加とともに各素子当りの発熱量が増加し、従来の
空冷式の冷却方法ではその冷却能力の限界を超えてしま
って、充分に冷却しきれなくなった。

また、水冷式の冷却方法として強制対流方式の冷却方法
もあるが、この冷却方法では、水洩れによる回路のショ
ート等のトラブルが発生する虞れがあり、また、その冷
却能力を超える大発熱量の素子も使用されるようになり
、そのため、水冷式よりさらに冷却能力が高く、かつシ
ョート等のトラブルの発生しない冷却方法が必要とされ
るようになってきた。

そこで、より高い冷却能力を有する冷却方法として、電
気的絶縁性を備えたフルオロカーボン等の冷媒を用い、
この冷媒中に電子素子を直接浸漬させて沸騰冷部を行な
わせる冷が方法、すなわち浸漬沸騰冷却法（ｌｌＴＩｌ
ｅｒｓｉＯｎ　ｃｏｏｌｉｎｇ　）が開発されている。

この浸漬沸騰冷去〇法は、被冷却物である発熱体を、冷
却する目標温度以下の温度で沸騰する冷媒中に浸漬し、
冷媒が発熱体の表面に直接接触して熱を奪ってこれを冷
却するとともに、発熱体が冷媒の沸点まで加熱した際に
、先ず、自然対流条件で起るいわゆるプール沸騰伝熱で
冷却を行ない、また、プール沸騰伝熱で冷却しきれずに
発熱体がさらに加熱されて冷媒との温度差が大きくなる
と、光熱体の表面で冷媒が核沸騰して気泡を生じ、この
気泡が発熱体の表面を離れて浮上する際の撹乱効果で大
きな伝熱を生じさせるいわゆる核沸騰伝熱によって光熱
体の冷Ｗを効果的に行なうもので、発熱体の熱で冷媒を
沸騰させることにより、この発熱体の温度を一定の温度
以下に保持して、それ以上高温とならないようにする冷
却方法である。

発明が解決しようとする課題 前述の浸漬沸騰冷却法においては、複数の電子素子がセ
ットされている回路基板を、液相の冷媒中に浸漬するこ
ととなるが、ＬＳＩ等の電子素子は、他の部品とともに
同一の回路基板上に複数セットされているのが一般的で
あり、その電子素子の種類も多いのが通常である。した
がって、各電子素子により集積度が異なり、発熱量も個
々の電子素子によって異なる場合が多いため、複数の電
子素子がセットされている回路基板をそのままフルオロ
カーボン等の冷媒中に浸漬して冷ｉｆｌ　すると、発熱
量の胃なる複数の電子素子が全て一様に冷Ｕｌされるこ
ととなる。その結果、例えば、発熱量の少ない電子素子
は過冷却となり、また発熱量の多い電子素子は冷却不足
となる等の不都合が生じる虞れがあった。

この発明は上記した技術的背景の下になε３れたもので
、同一の回路基板上にセットされた複数の電子素子を、
各電子素子の発熱量に応じて冷ｆＪＪすることによって
、電子素子の冷却不足や過冷九〇を防止した浸漬沸騰冷
却法による電子部品の冷却方法を提供することを目的と
している。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明の方法は
、回路基板にセットされた複数の電子素子を冷却する浸
漬沸騰冷却法による電子素子の冷入り方法において、前
記各電子素子の回路基板に取付けられた面の逆側の面に
、放熱突起物を熱伝達可能に取付けて冷却を行なわせる
ことを特徴としている。

作　　　用 電子素子自体の放熱特性（冷ＥＤ’ｆｆ性）は、電子素
子を樹脂封止しているパッケージの大きさや形状等によ
って決まってしまうが、この発明では、電子素子に放熱
突起物を設けるために、放熱特性が各電子素子ごとに設
定される。すなわち、１枚の回路基板に、発熱量の異な
る複数の電子素子がセットされている場合には、発熱量
が多いため他の電子素子あるいは他の電子部品より余計
に冷却する必要のある各電子素子にそれぞれ放熱突起物
を設けて放熱面となるその表面積を増加させる。

そして、浸漬沸騰冷却法により前記回路基板を冷媒中に
浸漬して搭載されている全電子素子の冷却を行なうと、
発熱量が比較的少ない電子素子の場合には、冷媒に接触
する放熱面積として電子素子の表面のみで足り、電子素
子自体が冷却されて、過冷却されることなく適温に保持
される。また、発熱量が多い電子素子の場合は、それぞ
れに放熱突起物を設けであることから、冷媒中に浸漬さ
れてその電子素子自体を冷却されるとともに、それぞれ
に設けられた放熱突起から冷媒中に熱を放散して他の発
熱量の少ない電子素子より多く熱を奪われることにより
適温に保持される。

また、前記放熱突起物にヒートパイプ構造を持たせれば
、電子素子の被冷却効率が格段に向上し、大発熱量の電
子素子の冷却も可能となる。

実施例 以下、この発明の電子素子の冷却方法の一実施例を第１
図に基づいて説明する。

回路基板１，３は裏面に多数のビン１ａ、３ａをそれぞ
れ備えたマルチレイヤーセラミックボードであって、そ
の回路基板１の表面には、種類の異なる複数のＬＳＩ（
大規模集積回路＞２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ　（一部のみ
図示）が、放熱性を高めるために各ＬＳＩの下面が回路
基板１の表面から離れるように、それぞれフリップチッ
プ法により接合して搭載されており、また回路基板３の
表面には、ＬＳＩ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ　（一部のみ
図示〉が同様にして搭載されている。また前記回路基板
１．３にそれぞれ搭載されている複数のＬＳＩのうち、
例えばＬＳＩ２ｄとＬＳＩ４ｂとは、通電使用時の発熱
量が比較的少ないＬＳＩであり、またＬＳＩ２ｂとＬＳ
Ｉ４ｃとは、通電使用時の発熱量が若干多いＬＳＩで、
またＬＳＩ２ａ、２ｃとＬ　Ｓ　Ｉ　４　ａ　、　４　
（ｊ　、！：ハ３ａｍ使用Ｒ（７）Ｒ熱量が特に多いし
８１である。

そして、前記各ＬＳＩ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄおよびＬ
ＳＩ４ａ、４ｂ、４Ｇ、４ｄ＆：Ｇｔ、ツレぞれ回路基
板１．３に接合されている側と反対側の面に放熱スタッ
ドがそれぞれ取付けられており、また、この放熱スタッ
ドは、表面積を変える等の手段によって放熱効率を変え
てあり、各ＬＳＩの発熱量に応じた放熱効率の放熱スタ
ッドが取付（プられている。例えば、発熱量が比較的少
ないＬＳ＋２ｄ、４ｂには、それぞれ短い円柱状の放熱
スタッド５ａが取付けられ、また発熱量が若干多いＬＳ
Ｉ２ｂ、４ｃには、前記放熱スタンド５ａと同径で長さ
を若干長くして表面積を多くした放熱スタンド５ｂがそ
れぞれ取付けられ、また発熱量が特に多いＬＳＩ２ａ、
２ｃ、４ａ、４ｄにＧ、ｔ、前記放熱スタッド５ｂと同
径で長さをさらに長くして表面積をもつとも大きくした
放熱スタッド５Ｃがそれぞれ取付けられている。

発熱量に応じた放熱効率の放熱スタンド５ａ。

５ｂ、５ｃをそれぞれ爪有けた複数の１−３１を搭載し
た回路基板１，３は、それぞれのＬＳＩが接合されて搭
載されている基板面が、離隔した状態で互いに対向する
ようにしてそれぞれ垂直に配二２されるとともに、両回
路基板１．３の両側を板状体または他の回路基板（図示
せず）で連結するとともに下部を底板６で塞いで、上部
を開放した水密な箱状に組立てられている。また、開放
した上部には、下部を開放した箱形の蓋体７を取付けて
気密に閉塞されている。そして、舶記回路基板７゜３に
囲まれた内部には、電気絶縁性を有するとともに、各Ｌ
ＳＩが最適の条件で機能する冷却目標温度より沸点が若
干低い冷媒として、例えば、フルオロカーボン８が充填
され、回路基板１上の各ＬＳＩ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ
および回路基板３上の各ＬＳＩ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ
が、この液相のフルオロカーボン８中に浸漬されている
。また、フルオロカーボン８の液面の上方の前記益体７
の内側に形成された空間には凝縮器９が設けられている
。そして前記各回路基板１，３は電気的に接続されてそ
れぞれ機能するようになっている。

次に、この実施例の作用を説明する。

浸漬沸騰冷却法により冷却が行なわれる回路基板１．３
は、各回路基板１．３に通電されてＬＳＩ２ａ、２ｂ、
２ｃ、２ｄ、ＬＳＩ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄがそれぞれ
発熱すると、これらのＬＳＩが浸漬されている冷媒であ
る液相のフルオロカーボンが、発熱した各ＬＳＩの表面
から熱を奪って冷Ｗするとともに、各ＬＳＩに取付けら
れた放熱スタッドからも、その放熱面積に応じた吊の熱
、例えば発熱量が少ないＬＳＩ２ｄ、４ｂに取付けられ
た表面積が小さい放熱スタッド５ａからは少い量の熱を
、発熱量が特に多いＬＳＩ２ａ。

２ｃ、４ａ、４ｄに取付けられた表面積の大きい放熱ス
タッド５Ｃからはより多くの熱を、それぞれ奪って冷却
を行なう。したがって、個々のＬＳＩの発熱量に応じた
冷却を行なうことにより、ＬＳＩの過冷却あるいは冷却
不足の発生を防止し、各ＬＳＩがそれぞれ機能するのに
適した温度に冷却する。

そして、奪った熱によってフルオロカーボンの温度が上
昇して沸点まで昇温すると、冷媒であるフルオロカーボ
ン８がＦ！ＢＩｌｌシて液面から蒸発することにより熱
を放散し、自然対流条件で起きるプール沸騰伝熱によっ
て、発熱している各ＬＳＩを冷却する。また、図示して
ないが、欣熱スタッド５ａ、５ｂ、５ｃおよび放熱スタ
ンド５ａ、５ｂ。

６Ｃのそれぞれの表面に多孔質層を設ければ、発生する
気泡の粒を小さくすることができ、その結果、沸騰表面
が気泡によって覆われ、気泡に覆われた面の温度が急上
昇するいわゆるオーバーシュート（一種のドライアウト
現象）を防止することができる。

そして、蒸発したフルオロカーボンの蒸気は、液面上の
空間に移動して凝縮器９により熱を奪われ、凝縮して液
相に戻るとともに液面に滴下し、冷媒として再びＬＳＩ
の沸騰冷却を行なうように循環する。

また、各ＬＳＩの発熱量が増加して、プール沸騰伝熱に
よる冷却能力を超え、各ＬＳＩがさらに高温となると、
フルオロカーボンと接触している各ＬＳＩの表面および
放熱スタンドの表面で核沸騰が起って蒸気の気泡を発生
する。発生した気泡が表面を離れて浮上する際の撹乱効
果で大きな伝熱を生じさせる核沸騰伝熱によって各１８
１を効果的に冷却する。この場合も、各放熱スタッド５
ａ、５ｂ、５ｃは、それぞれの表面積に応じた吊の核沸
騰を生じさせて、各ＬＳＩの発熱量に応じた核沸騰冷却
を行なう。そして、各ＬＳＩが最適な条件で機能する一
定の温度（この場合はフルオロカーボンの沸点より若干
高い温度）より高くならないように冷却する。また、核
沸騰により気泡となって浮上したフルオロカーボンの蒸
気は、液面上の空間に移動して凝縮器９により熱を奪わ
れ、凝縮して液相に戻るとともに液面に滴下し、冷媒と
して再びＬＳＩの沸騰冷却を行なうように循環する。

一方、前記凝縮器９はフルオロカーボンの蒸気から奪っ
た熱を機器の外部あるいは屋外に運んで放出する。

したがって、この実施例の冷却方法によれば、冷媒であ
るフルオロカーボンを、発熱するＬＳＩの熱によって沸
騰させることにより沸騰伝熱で冷却し、ＬＳＩの温度を
一定の温度以下に保持して、それより高温となるのを防
ぐため、ＬＳＩを効率良く冷却できるとともに、各ＬＳ
Ｉの発熱量に応じた冷却が行なえるので、同一回路基板
上の発熱量の異なるＬＳＩを、過冷却や冷却不足が発生
しないように、個々のＬＳＩに応じた適切な温度まで冷
却を行なうことができる。

また、上記実施例においては、各Ｌ’Ｓ　Ｉの発熱量に
応じて、表面積の異る放熱スタッド５ａ、５ｂ、５ｃを
取付けて、発熱量に応じた熱量を冷媒中に放熱するよう
にしたが、発熱量に応じた冷却を行なう他の方法として
、例えば、放熱スタッドの表面に、核？］騰を誘発させ
る核となる凹凸形状を設けるとともに、この核となる凹
凸形状の数を、それぞれ取付けるＬＳＩの発熱量に応じ
て違えることにより、放熱効率に差を持たせれば、各Ｌ
ＳＩの発熱量に応じた冷却を行なうことができ、より適
切な温度管理が可能となる。

また、前記実施例における各放熱スタッド５ａ。

５ｂ、５ｃを中空の金属密閉管で形成し、その内部に凝
縮性の作動流体のみを適量封入するとともに、必要に応
じて内周面にウィックを設けた構造としてヒートパイプ
の機能を持たせれば、各ＬＳ■からそれぞれに搭載され
た放熱スタッドへの熱輸送効率が大幅に向上され、電子
素子の被冷却効率が格段に向上することから、より大発
熱量の電子素子の冷却も可能となる。

発明の詳細 な説明したようにこの発明方法は、回路基板にセットさ
れた複数の電子素子を冷却する浸漬沸騰冷却法による電
子素子の冷却方法において、前記各電子素子の回路基板
に取付けられた面の逆側の面に、放熱突起物を熱伝達可
能に取付けて、発熱量が多い電子素子の成熱面積を増大
させるようにしたので、この発熱量の多い電子素子の冷
却不足を防止するとともに、発熱量が比較的少ない他の
電子素子の過冷却を防止してそれぞれ適温に冷却するこ
とができる。

また、各電子素子の発熱量に応じて放熱効率の異なる放
熱突起物を取付ければ、同一の冷媒中に浸漬された発熱
量の異なる複数の電子素子を、それぞれの発熱量に応じ
て冷却することができる。

さらに、放熱突起物にヒートパイプ橢能をもたせば、大
発熱量の電子素子の冷却も可能となる等の効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法の一実施例を示す１断面図であ
る。 １．３−・・回路基板、　２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ。 ４ａ、４ｂ、４Ｇ、４ｄ−ＬＳＩ、　　５ａ、５ｂ。 ５Ｃ・・・放熱スタッド、　６・・・底板、　７・・・
蓋体、８・・・フルオロカーボン、　９・・・凝縮器。 第１

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．　回路基板にセットされた複数の電子素子を冷却す
   る浸漬沸騰冷却法による電子素子の冷却方法において、
   前記各電子素子の回路基板に取付けられた面の逆側の面
   に、放熱突起物を熱伝達可能に取付けて冷却を行なわせ
   ることを特徴とする電子素子の冷却方法。
2. ２．　前記放熱突起物が、ヒートパイプ構造を有するこ
   とを特徴とする請求項１記載の電子素子の冷却方法。
3. ３．　前記放熱突起物が、その表面に多孔質層を有する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電子素子の冷
   却方法。