JPH03263860A

JPH03263860A - 半導体素子用放熱板

Info

Publication number: JPH03263860A
Application number: JP6092190A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Oikawa; 陽一及川; Kazuyuki Mori; 和行森
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1991-11-25

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】概要半導体素子用放熱板に関し、強制空冷を行うことなしに十分な放熱効果を得ることが
できる半導体素子用放熱板の提供を目的とし、発熱体に密着させる放熱フィンの突起を覆うように熱サ
イホンを設け、該熱サイホンは、作動液を収容する上記
放熱フィン側の作動液溜と、気化した上記作動液を冷却
して再び液化する波型に形成された作動液冷却部とを備
えて構成される。

産業上の利用分野本発明は、半導体素子若しくは光半導体素子を実装した
、又はこれらを他の電子回路部品若しくは光部品ととも
に複合実装した光通信用装置等の装置に使用する半導体
素子用放熱板に関する。

近年、遠路離間通信の需要に応じて、通信システムに求
められる情報伝送速度は増加する傾向にある。特に、光
通信システムにはマルチギガピット級の伝送速度が必要
となりつつあり、このような高速な伝送速度を実現する
光伝送システムの開発が要求されている。高速光伝送シ
ステムを構築するためには、使用される光半導体素子の
高速性を損なわない実装法が不可欠となる。このような
実装法の一つとして、光半導体素子とそれに関連する電
子回路とを近接させて実装するようにしたものがある。

この種の実装法においては、近接させた電子回路の発熱
により光半導体素子の特性が熱的に変化してしまうので
、光半導体素子を何らかの手段で冷却する必要がある。

本願明細書では、光半導体素子の放熱について本発明を
説明するが、光半導体素子以外の半導体素子にも本発明
は適用可能である。

従来の技術従来、光半導体素子を冷却する場合においては、第５図
（ａ）に示すように、光・電子複合パッケージモジュー
ル３２をペルチェ素子３３により熱電子的に冷却してい
た。この場合、ペルチェ素子３３の高温側（排熱側）に
は放熱フィン５を用いているが、この放熱効果が不十分
であると、光半導体素子を所望の温度にまで冷却できな
いことが一般に知られている。このため、各種回路を基
板３１に実装し、これを図示しない架と呼ばれる大型の
基板固定体に固定して光通信システムを構成する際には
、次のようにして放熱効果を高めるようにしていた。

■　自然対流による熱拡散が効果的に行われるように、
架の形状を工夫する。

■　第５図（ｂ）に示すように、放熱フィン５の温度を
サーミスタ５３により検出し、制御スイッチ５１を介し
てファン５２をオンオフ動作させることによって当該検
出温度が略一定になるように制御する。

発明が解決しようとする課題しかしながら、第５図（ａ）に示された構成を用いて自
然対流を利用する場合には、発熱量が増大すると十分な
放熱を行うことができないという問題が生じていた。ま
た、第５図ら）に示したようにファンを用いて強制空冷
を行う場合には、モータやファンといった機械的な可動
部分を持つため、通信システムに求められる信頼性を確
保するという見地からは、機械的な可動部分の採用はで
きるだけ避けるべきであるということが指摘されている
。

本発明はこのような事情に鑑みて創作されたもので、強
制空冷を行うことなしに十分な放熱効果を得ることがで
きる半導体素子用放熱板の提供を目的としている。

課題を解決するための手段上述した技術的課題は、第１図に示すように、発熱体６
に密着させる放熱フィン５の突起５ａを覆うように熱サ
イホン４を設けることにより解決される。この熱サイホ
ン４は、作動液１を収容する放熱フィン５側の作動液溜
２と、気化した作動液１を冷却して再び液化する波型に
形成された作動液冷却部３とを備えている。

作動液１は、常温では液体であるが、所定温度以上の温
度になると気化される揮発性物質であり、この作動液と
しては例えばフレオン１１、ペンタン、フレオン１１３
等が使用される。

第１図に示した構成は発熱体を横置きに実装する場合に
適している。これに対して、発熱体６を縦置きにする場
合及び横置きにする場合の双方に適している構成を第２
図に示す。この構成においては、作動液溜２における放
熱フィン５の突起５ａに相当する部分に板状突起７を設
けている。

作　　　用発熱体６の温度が上昇すると、作動液溜２内の作動液１
は気化されて、気化した作動液は熱サイホン４の内部の
空間を通って冷却部３に熱伝達する。冷却部３では、気
化熱が周囲の空間に放出され、冷却されて再度液化した
作動液は、作動液溜２に戻り再度気化されるようになっ
ている。このように重力を利用した作動液の気化・液化
自己循環が起こり、発熱体６で発生した熱を効率的に外
部に放出することが可能となる。

また、第２図に示された構成においては、作動液溜２に
板状突起７を設けているので、発熱体６を縦置きに実装
した場合でも、作動液１が作動液溜２の各ブロック内に
必要量確保され、発熱体６で発生した熱を強制空冷する
ことなしに効率的に外部に放出することができる。尚、
第２図において、８は気化した作動液の流れを示し、９
は液化した作動液の流れを示す。

機械的な信頼性の確保により強制冷却が可能である場合
には、本発明の構造と強制冷却とを併用することにより
、さらに効果的な放魅が可能になる。

第３図により本発明における熱サイホンの別の作用を説
明する。第３図（ａ）、（ｂ）は発熱体６の放熱面積が
放熱フィン５又は熱サイホン４の底面積に対して等しい
かそれよりも大きい場合であって、（ａ）は熱サイホン
を用いていない場合、ら）は熱サイホンを用いている場
合における熱の流れを示すモデル図である。また、第３
図（Ｃ）、（６）は発熱体６の放熱面積が放熱フィン５
又は熱サイホン４の底面積に対して小さい場合であって
、（Ｃ）は熱サイホンを用いていない場合、（ｄ）は熱
サイホンを用いている場合における熱の流れを示すモデ
ル図である。

まず、発熱体６の放熱面積が大きい（ａ）、（ロ）の場
合について考察する。Ｒ１は発熱体６から放熱フィン５
への熱抵抗、Ｒ２は放熱フィン５内部の熱抵抗、Ｒ８は
放熱フィン５又は熱サイホン４の波型面から空気への熱
抵抗、Ｒ１は放熱フィン５から熱サイホン４への熱抵抗
、Ｒｓ　は熱サイホン４内の熱抵抗、Ｓｏ　は発熱体６
の放熱面積、Ｓｌ　　は放熱フィン５の露出表面積であ
る。

（ａ）の場合、トータルの熱抵抗Ｒ６は、Ｒａ　＝Ｒｌ
十Ｒ２＋　Ｒｓ　　　　　・・・（１）となる。Ｒ２’
ｉ０であるから、Ｒ，！＝ｉＲ，＋Ｒ３・・・（２）となる。Ｒ＋　　＜Ｒ３であるから、Ｒ−’＝Ｒ３・・・（３）が導かれる。

（ｂ）の場合、トータルの熱抵抗Ｒｂ　は、Ｒｂ　＝＝
　Ｒ１＋　Ｒ２＋　Ｒ４＋　Ｒ１＋　Ｒ３・・・（４）
で表される。Ｒ４＜　Ｒ，ｒ　、　　Ｒ２？Ｏ，Ｒｓ　
＝Ｑ。

Ｒ，＜Ｒ３であるから、Ｒｂ　　′＝、Ｒｓ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・（５）が導かれる。

発熱体６の放熱面積が小さくなった場合（Ｓｏ’　）、
放熱フィン５の有効面積は３．／に減少する。これに伴
って、Ｒ＋　、　Ｒｚ　、　Ｒｚ　　（熱サイホンにつ
いてのものを除＜）、Ｒ４は面積比に応じて増大する。

（Ｃ）の場合１、トータルの熱抵抗Ｒ１は、Ｒ−＝　Ｒ
＋　’　＋　Ｒａ’　＋　Ｒ３・・・（６）？　Ｒ、・
・・（７）＝Ｒ３−Ｓｏ　／Ｓｏ　　　　　　・＝（８）となる。

（６）の場合、トータルの熱抵抗Ｒ１は、Ｒｂ’　＝　
Ｒ＋　　＋　Ｒ２＋Ｒ４’　＋　Ｒ５十Ｒ３・・・（９
）となる。Ｒ１＞Ｒ４、Ｒ２！＝ｉ　０．Ｒｓ　　！＝
ｉ０゜Ｒ１’　＜Ｒ３であるから、Ｒｂ′＃Ｒ３・・・αＱとなる。よって、（８）式及び００式より発熱体の放熱
面積が小さい場合には、熱サイホンを用いることによっ
て、熱抵抗をｓｏ／　Ｓｏ’に相当する分だけ改善でき
ることになる。つまり、熱サイホンを用いない場合、放
熱フィンを大きくしたとしても、放熱フィンの有効面積
がさほど拡大されずに効果があがらないのに対して、本
発明のように熱サイホンを用いることによって、放熱フ
ィンを大きくすればその分だけ効果的な放熱を行うこと
ができるようになる。このように本発明は、発熱体が局
所的に発熱する部分を有している場合等に有効である。

実　　施　　例以下本発明の詳細な説明する。

第４図は、本発明の放熱板を用いて構成される超高速光
・電子複合パッケージモジュールを示す図である。同図
（ａ）、（ｂ）はそれぞれモジュールを横置き及び縦置
きに実装した場合についてのものである。第１図及び第
２図において用いられた符号と同一の符号はそれぞれ対
応する部材を示している。３２は基板３１上に取り付け
られたモジュール本体であり、このモジュール本体３２
は、光半導体素子とその駆動用電子回路とを近接させて
実装し且つ一つのパッケージ内に収容して構成されてい
る。３４はモジュール本体３２に接続された光ファイバ
であり、この光ファイバ３４は、モジュール本体３２か
ら出力される或いはモジュール本体３２に入力する光信
号を導く。３３はモジュール本体３２の上面に密着して
固定されたベルチェ素子であり、このベルチェ素子３３
は、素子に電流を流した際に生じるベルチェ効果により
互いに対向した２つの接触面の間に温度差が生じること
を利用して、モジュール本体３２で発生した熱を本発明
の放熱板に導く。放熱板に導かれた熱は、前述した本発
明の作用によって、熱サイホンを介して大気中に効率的
に放出される。

このように、本発明は、光半導体素子とその駆動用電子
回路とを近接させて実装してなるモジュールに使用して
極めて効果的である。即ち、この種のモジュールにおい
ては、高速動作性を確保するために光半導体素子とその
駆動用電子回路とを近接させているものであるが、この
ことによる光半導体素子等の温度上昇を、本発明の放熱
板を用いることによって、強制冷却を行うことなしに良
好に大気中に放出して、モジュールの温度を所望の温度
に保つことが可能になる。

尚、信頼性の高いモータ及びファンを用いた強制空冷装
置に本発明を適用することにより、さらに高効率な放熱
が可能になる。

発明の詳細な説明したように、本発明によると、強制空冷を行うこ
となしに十分な放熱効果を得ることができる半導体素子
用放熱板の提供が可能になるという効果を奏する。これ
により高効率の放熱が可能となり、光通信システムの信
頼性向上に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は縦置きの場合の本発明の原理説明図、第３図は
本発明における熱サイホンの作用の説明図、第４図は本発明の実施例における光・電子複合パッケー
ジモジュールを示す図、第５図は従来技術の説明図である。１・・・作動液、２・・・作動液溜、３・・・作動液冷却部、４・・・熱サイホン、５・・・放熱フィン、６・・・発熱体。

Claims

【特許請求の範囲】

１．発熱体（６）に密着させる放熱フィン（５）の突起
（５ａ）を覆うように熱サイホン（４）を設け、該熱サ
イホン（４）は、作動液（１）を収容する上記放熱フィ
ン（５）側の作動液溜（２）と、気化した上記作動液（
１）を冷却して再び液化する波型に形成された作動液冷
却部（３）とを備えたことを特徴とする半導体素子用放
熱板。
２．上記作動液溜（２）における上記放熱フィン（５）
の突起（５ａ）に相当する部分に板状突起（７）を設け
たことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子用放熱
板。