JPH03209859A - 半導体冷却装置 - 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、狭い空間内に多数配列された電子計算機用集
積回路等の高発熱密度部材の沸騰冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、第１０図に示すように、多孔性のフィン
状の冷却構造体を交互に積層し、高発熱密度物体の熱を
除去する方法が特開昭６１−２３４０５９号公報に開示
されている。即ち、発熱体面方向に対して多数に並べら
れた垂直、水平方向のトンネル群が積層されている。こ
のような構成にすることによって、冷却構造体内での沸
騰液の確保が良好に行なわれるようになり、高い沸騰冷
却性能が得られるようになる。この場合、発熱体の面方
向に対して垂直な方向への多層構造になっているため、
この方向に対して温度こう配が生じ、発熱体から離れた
距離にある領域では発熱体との接合部よりも温度が低く
なる。しかし、冷却構造体まわりの液体の温度が飽和温
度に保たれていれば、冷却構造体の発熱体から離れた距
離にある領域での沸騰は可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来例では、液が過冷却された場合のことにつ、い
ては考慮されておらず、半導体素子のチップ群の発熱量
の増大に対応して液を冷却した場合、液が飽和温度以下
に冷却されるため、安定に沸騰が起こらない。そのため
、多チツプ間で沸騰状況に差異が生じ温度のばらつきが
できる等の問題があった。

また、チップの沸騰冷却性能を向上させるために装着さ
せる冷却構造体は、飽和温度以下に冷却された液中での
沸騰促進効果について考慮がされておらず、チップの温
度を十分低く抑えられなかった。

本発明は、発生する蒸気の一部を液中で凝縮させるため
に液を冷却する装置において、あるいは容器外から強制
的に冷却された械を供給する装置において、飽和温度以
下に冷却された液中でも効率よく沸騰が起こる冷却構造
体を提供し、素子の温度を許容値以下に抑えるとともに
多チツプ間の温度ばらつきを小さくすることを目的とし
ている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、半導体素子に装着される微
細構造からなる沸騰冷却構造体で全領域＝３ にわたって沸騰がおこるように、冷却構造体のチップ接
合部から離れた先端部はど断面積を小さくするようにし
た。

また、熱の伝わりにくい先端部への熱を伝え易くするた
め冷却構造体内部にチップ接合部から先端部に向かって
中実部を設けた。

また、冷却構造体を構成する微細空洞の断面積を冷却構
造体の先端部で大きくすることによって冷却構造体の実
質の断面積を小さくする。

〔作用〕

配線基板上に多数並べられたチップを冷却する場合、チ
ップ発熱量が大きいと大量の蒸気のためチップに装着さ
れた冷却構造がおおわれ、冷却性能が低下する。そのた
め、蒸気が液中で凝縮し消滅させるために液を飽和温度
以下に冷却する。この場合、冷却構造体で沸騰がおこる
ためには、冷却構造体のまわりの液が飽和温度まで加熱
される必要がある。冷却構造体がチップに装着された場
合、冷却構造体の発熱源であるチップから離れた領域、
すなわち、先端部にいくにつれて熱が拡散されていき温
度が下がっていくことになるが、先端部にいくにつれて
冷却構造体の断面積が減少しているのでこの熱の拡散が
抑えられ、冷却構造体まわりの液の加熱を促進する。従
って、冷却構造体の全領域が沸騰に寄与し、安定に沸騰
状態が維持される。また、微細空洞列からなる冷却構造
体の空洞断面積を先端部で大きくすることによって、冷
却構造体内への液の侵入が容易になる。従って、冷却構
造体先端部がチップ装着面より低い温度になっていても
、冷却構造体の内部から直接液を加熱することになるの
で、先端部における沸騰も容易になる。

冷却構造体内部での熱の拡散による放熱に比べ、沸騰に
よる放熱効果のほうがすぐれているため、以上のように
、熱の拡散を抑えても液の加熱効果により沸騰に寄与す
る領域を増やすことによって高い冷却性能が得られる。

従って、チップが多数配列された場合でも、個々のチッ
プを十分低い温度に抑えることができ、それぞれのチッ
プ間での温度のばらつきを小さくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。配線
基板３上には多数の集積回路チップ１が搭載され、各チ
ップ１内の半導体素子が配線基板３との間で電気的に接
続されている。配線基板３は、内部に配線層が形成され
、チップ上の動作に必要な給電用、及び、他の電気回路
に必要な電気信号を入出力するための入出力ピン４が設
けられている。半導体素子が動作すると、チップ１は発
熱するためこれを冷却しなければならない。本発明では
、これらを不活性な低沸点冷媒液５中に浸漬して、その
沸騰によってチップ１を冷却する。

個々のチップ１の背面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冷却構造体２が装着されている
。沸騰促進用冷却構造体２の前面には液冷却器６．液冷
却器上方には凝縮器８が配置されている。配線基板３、
チップ１液冷却器６、及び、凝縮器８は、容器７内に挿
入され、容器７内には、低沸点冷却液５が封入されてい
る。配線基板３は、例えば、基板固定枠９を用い、Ｏリ
ング１０を介して容器７に固定される。０リング１ｏに
よるシール構造をとることによって、配線基板３．チッ
プ１等を容易に取り出すことができ、メンテナンス性が
向上する。

次に、動作原理について説明する。半導体素子が動作し
、チップ１が発熱すると冷媒液５が沸騰開始してチップ
１の熱を除去する。チップ１の表面のみからの沸騰の場
合、除熱限界が低いため、チップ１の背面に冷却構造体
２を設ける。配線基板３上に多数並びられたチップを冷
却する場合、配線基板３上の上段に搭載されたチップの
冷極構造体は、下段で発生し蓄積されてくる蒸気におお
われてしまうため冷却性能が低下する。そのため、液冷
却器６が設けられ、発生する蒸気を液中で凝縮させるこ
とによって、上段の冷却構造体が蒸気でおおわれて冷却
性能の低下するのを抑える。なお、液冷却器６で凝縮し
きらなかった蒸気は、液冷却器上段の凝縮器８で凝縮す
る。液冷却器、及び、凝縮器には容器外部から冷却液パ
イプ１１による冷却液が供給されて熱交換する。

− 冷媒液５は、液冷却器６によって飽和温度以下に冷却さ
れる。この場合、冷却構造体２において冷媒液５が沸騰
するしこは、冷却構造体２のまわりの液が飽和温度まで
加熱される必要がある。発熱源はチップ１であるため、
冷却構造体２のチップ１との接続面から離れた部分、す
なわち、冷却構造体３の先端部では、チップ１で発生し
た熱が冷却構造体２内で拡散してしまうため液を十分加
熱することが困難になる。従って、冷却構造体２の先端
に近い領域では、対流のみによる放熱となり沸騰による
高効率の放熱効果が得られない。

この領域における放熱形態、すなわち、冷却構造体内部
の伝導による熱の拡散及び冷却構造体外表面からの対流
伝熱は、沸騰の起こっている冷却構造体底部（チップと
の接続面側）での沸騰伝熱に比べ極めて小さい。そのた
め、冷却構造体の先端部は底部から見ると断熱状態と見
なすことができ、チップの温度上昇を抑えることができ
ない。

本発明によれば、冷却構造体２のチップ１の接続面から
離れるほど断面積が小さくなるので、接続面から離れた
部分での冷却構造体内への熱の拡散を抑えることができ
、冷却構造体のチップ接続面から離れた領域でも液を十
分加熱することが可能となり、この領域でも沸騰による
高い放熱効果が得られる。従って、液冷却器によって液
を冷却。

凝縮しても冷却構造体の全領域にわたって沸騰による高
い放熱効果が実現でき、配線基板上に多数配列されたチ
ップ群を十分冷却することができ、全てのチップの冷却
構造体で安定に沸騰がおこりチップ間の温度のばらつき
を小さくすることができる。

本発明における沸騰促進用冷却構造体の詳細について第
２図を用いて説明する。冷却構造体２は縦方向、横方向
に交差する多数の微細な溝列から構成される。それぞれ
の溝列は層状に形成され、全ての溝は交差点で互いにつ
ながっている。冷却構造体２は、例えば、複数の銅製の
板状部材を接合して形成される。それぞれの板状部材は
、板の表裏に互いに垂直な方向に溝が、溝の交差する位
置で表裏のそれぞれの溝がつながる深さまで設けられる
。チップ１の背面と同じ面積をもつ溝付板２１を第−層
として、これより小さい面積の溝付板２２を第二層とす
る。以下同様に、逐次、面積の小さい溝付板を層状に重
ね、これらを接合する。

第２図では化層の場合を示した。溝の幅、溝付板の層数
、各層での面積の違い等は、チップの発熱量、冷媒液の
温度によって最適な値をとることができる。また、他の
製造方法として、同じ面積の溝付板を積層、接合後、た
とえば、ワイヤカット。

放電加工等の方法によって、先端部を切り落としてもよ
い。

他の実施例を第３図に示す。本実施例では、冷却構造体
２の内部にチップ１の背面部から冷却構造体２の先端部
に向かって中実部分３ｏを設けた構造となっている。中
実部分３０は、溝付板２１゜２２と同様、銅等の熱伝導
率の大きい材質を用いる。中実部分３０の形状は、第３
図に示すような矩形以外にも、先端部にいくに従って断
面積が減少する形状でもよい。本実施例によれば、冷却
構造体のチップ接合部から離れた先端部の領域へ中実部
分によって熱を伝えることができ、冷却構造体先端部で
の冷却構造体のまわりの液の加熱を促進する。従って、
蒸気の液中での凝縮効果を高めるために、液が十分冷却
された場合であっても、冷却構造体まわりの液は加熱さ
れ、冷却構造体の全領域が沸騰に寄与し、高い冷却性能
が得られる。

他の実施例を第４図に示す。本実施例では、冷却構造体
２は微細空洞列から成り、微細な溝を設けた板状部材が
接合されて構成されるチップ１の接合部に近い部分と接
合部から離れた先端部分で、接合部に近い部分を構成す
る部材４１の溝幅は、先端部を構成する部材４２の溝幅
に比べて小さい。

従って、冷却構造体の中実部分の実断面積は、接合部で
ある底部よりも先端部で小さくなっている。

本実施例によれば、冷却構造体の先端部における液の加
熱されにくい領域で、溝幅を大きくすることによって、
液が冷却構造体内に侵入するのを容易にし、冷却構造体
の内部で直接冷却液を加熱することができる。このこと
によって、液の加熱が効率的になされ、冷却構造体の先
端部でも沸騰を容易にし、沸騰による高い放熱効果が得
られる。

他の実施例を第５図に示す。チップ配列段が多くなると
、液冷却器によって液が冷却されても、上段側はど凝縮
しきらなかった蒸気量が蓄積され増加してくる。このた
め、上段側に搭載された冷却構造体は蒸気におおわれ冷
却性能が低下する。

蒸気の温度は飽和温度になっているため、液の冷却効率
は、上段では下段側に比べて低下し、液温は、飽和温度
に近くなっている。従って、上段側では、下段に比べ冷
却構造体まわりの液の加熱を要しないため下段で用いる
冷却構造体とは異なり、冷却構造体の先端にいくにつれ
て断面積が減少しない冷却構造体を用いることによって
、微細構造部分の有効部分、すなわち、沸騰促進が有効
に作用する領域が多くとれ放熱効率が高くなる。これに
より、上段側で蒸気量が多くなることによる冷却性能の
低下を抑えることができ、チップ温度のばらつきも低減
される。

第６図に他の実施例を示す。本実施例は、集積回路チッ
プ１が搭載された配線基板３、あるいは、配線基板群が
二対から構成された場合である。チップ１には先端にい
くに従い断面積を小さくした冷却構造体２が装着されて
いる。チップ１に装着された冷却構造体２が互いに対向
するように配線基板３が容器７にＯリング１０等を介し
て取り付けられる。容器中央部の対向する冷却構造体の
間には液冷却器６が設置され、冷媒液５を冷却し、冷却
構造体２で発生する大量の蒸気を液中で凝縮する。本実
施例によれば、飽和温度以下に冷却された液中で効率よ
く沸騰が起こることによりチップ温度を低く抑えること
ができるだけでなく、冷媒を封入した容器−つに対して
配線基板群の高密度の実装が可能となり、配線基板間の
信号の配線遅れ時間を短縮することができる。本実施例
は、平面上にチップが配列されて構成されるプロセッサ
を二台備えたシステム等に有効な冷却方式である。

第７図に他の実施例を示す６本実施例では、配線基板に
数十個のチップを搭載してモジュールを構成し、モジュ
ールごとに個別に冷却する。冷却構造体２を搭載したチ
ップ１が配線基板３上に並べられ、モジュールキャップ
１３が半田付等によって配線基板３に取り付けられる。

モジュール内部には、冷却構造体２の上部に液冷却器６
が、さらに、その上部に凝縮器が設置され、冷媒液５が
液冷却器６全体が浸る程度の高さまで封入される。

配線基板３は水平に設置される。チップ１が全数発熱し
、冷媒液５が沸騰すると、基板中央部の冷却構造体のま
わりへの液の供給が困難となる。従って、液冷却器によ
って液を冷却し、蒸気を液中で凝縮、消滅させることに
よって基板中央部の液枯れを防ぐ。凝縮しきらない蒸気
は上部の凝縮器で凝縮する。さらに、モジュール内部は
、液が冷却された場合にも、内圧を大気圧状態に保つた
めに、別に設けた定圧器にパイプ１２を介して接続され
、常に、大気圧状態を保つようにする。冷媒液が冷却さ
れていても、本発明の冷却構造体を用いることによって
冷却構造体まわりの液の加熱が効率的になされるため、
冷却構造体の全領域にわたって安定に沸騰がおこる。従
って、水平に設置されたモジュール内のチップをモジュ
ールごとに個別に安定に冷却することができる。

第８図に他の実施例を示す。本実施例では、配線基板に
数十個のチップを搭載してモジュールを構成し、モジュ
ールごとに個別冷却する。冷却構造体２を搭載したチッ
プ１が配線基板３上に並べられ、モジュールキャップ１
３が半田付等によって配線基板３と取り付けられる。モ
ジュール内部には、外部から冷却された冷媒液がポンプ
８０等によって強制的に供給される。チップ１の発熱に
よって冷媒液５が加熱、沸騰し、モジュール外部に設け
られた液冷却器８１で系内の圧力で決まる沸点以下に冷
却され、再び、容器内へ供給される。

冷媒液が冷却されていても、本発明の冷却構造体を用い
ることによって冷却構造体まわりの液の加熱が効率的に
なされるため、冷却構造体の全領域にわたって安定に沸
騰がおこる。さらに、液の強制対流による放熱効果も加
わり高い冷却性能が得られる。

第９図に他の実施例を示す。本実施例は、外部＝１５− より冷媒液を強制的に冷却構造体に吹きつけて極めて高
い冷却性能を提供するものである。冷却構造体２を装着
したチップ１を多数配列した配線基板３が容器７に取り
付けられる。容器７の内部には、各々の冷却構造体２に
対向して個別にノズル１４が設けられ、外部から強制的
に冷媒液５が供給されることによって冷却構造体２に吹
きつけられる。容器内部には、あらかじめ全ての冷却構
造体が浸る高さまで冷媒液５が封入されており、冷却構
造体で沸騰２発生した蒸気は容器内上部に設けられた凝
縮器８で凝縮して液中に戻る。容器内に供給されるのと
同量の液は、容器出口１６から回収され、再び、容器内
に供給される。これによって、容器内の冷媒液量は常に
一定に保たれる。

出口１６より回収された液を容器外部で冷却し、再循環
させる。この時、冷却構造体のまわりには定常的に冷却
された液が供給され、さらに、本発明の冷却構造体によ
れば冷却構造体のまわりの液の加熱が効率的に行なわれ
るため、極めて高い沸騰冷却性能が得られる。

１６− 〔発明の効果〕 本発明によれば、多数配列された半導体素子を沸騰冷却
するために、大量の蒸気による性能低下を防ぐ方法とし
て液を冷却する手段を請じても、チップに装着される沸
騰冷却構造体の全領域で効率よく沸騰がおこるので、全
てのチップを十分冷却することができ、チップ間での温
度のばらつきを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第１図は本発明
の一実施例の斜視図、第２図は本発明の一実施例の断面
図、第３図は本発明の一実施例のヲ 斜視図、第４図ないし第合図は本発明の他の実施例の側
面図、第１０図は従来例の斜視図である。 １・・・チップ、２・・・冷却構造体、３・・・配線基
板、５・・冷媒液、６・・・液冷却器、８・・・凝縮器
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子を複数個搭載した基板と冷媒液を封入し
   た容器内に浸し、前記冷媒液を容器内の圧力できまる沸
   点以下に冷却する手段を備え、前記冷媒液の沸騰によつ
   て半導体素子の熱を吸収する半導体冷却装置において、 前記半導体素子に取り付けられる冷却構造体であつて、
   前記半導体素子面と平行な断面の面積が、前記半導体素
   子との取り付け面からの距離が大きい領域程、取り付け
   面における断面積よりも小さくしたことを特徴とする半
   導体冷却装置。