JPH0344065A - 半導体冷却法 - Google Patents
半導体冷却法Info
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- JPH0344065A JPH0344065A JP17813389A JP17813389A JPH0344065A JP H0344065 A JPH0344065 A JP H0344065A JP 17813389 A JP17813389 A JP 17813389A JP 17813389 A JP17813389 A JP 17813389A JP H0344065 A JPH0344065 A JP H0344065A
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- cooling
- cooling medium
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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。
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、半導体装置に係り、特に、L S I等の高
密度集積回路素子からなり、高発熱を発生ずる半導体素
子の冷却方法に関する。
密度集積回路素子からなり、高発熱を発生ずる半導体素
子の冷却方法に関する。
LSI等の高密度に集積した電子回路をもつ半導体装置
は、動作時の発熱が大きく、半導体装置から発生する熱
の除去性能が装置の動作、及び、設計の制限となってき
ている。特に、高集積化の著しい計算機用半導体装置で
は安定した性能維持のため、半導体装置からの発生熱の
除去は必須の課題になっている。このため、その冷却構
造、及び、方法はこれまで種々方式が考案されている。
は、動作時の発熱が大きく、半導体装置から発生する熱
の除去性能が装置の動作、及び、設計の制限となってき
ている。特に、高集積化の著しい計算機用半導体装置で
は安定した性能維持のため、半導体装置からの発生熱の
除去は必須の課題になっている。このため、その冷却構
造、及び、方法はこれまで種々方式が考案されている。
特に、半導体素子多数を一つの基板上にひとまとめにし
て配列したモジュール構造の半導体装置では冷却素子や
熱伝導媒体を介して冷却媒体である水の通る冷却ジャケ
ラI・に熱を伝える構造が一般的である。例えば、第3
図に示した特開昭57178348号公報に例示できる
ような半導体装置では、半導体素子からの熱を熱伝導体
を介して冷却ジャケットに伝える構造になっている。こ
こで、冷却媒体はポンプで冷却ジャケットと放熱用熱交
換器の間を循環させ半導体素子で発生した熱を放熱用熱
交換器へ運び放熱するようになっている。
て配列したモジュール構造の半導体装置では冷却素子や
熱伝導媒体を介して冷却媒体である水の通る冷却ジャケ
ラI・に熱を伝える構造が一般的である。例えば、第3
図に示した特開昭57178348号公報に例示できる
ような半導体装置では、半導体素子からの熱を熱伝導体
を介して冷却ジャケットに伝える構造になっている。こ
こで、冷却媒体はポンプで冷却ジャケットと放熱用熱交
換器の間を循環させ半導体素子で発生した熱を放熱用熱
交換器へ運び放熱するようになっている。
上記に示した従来技術による冷却方式は、半導体装置の
発熱を効果的に除去することを目的にし、半導体素子と
冷却ジャケットの接続部には高熱伝−3= 導物質を充填するなどして熱抵抗の低減化を達成しよう
としている。しかし、このような従来方式では、冷却ジ
ャケット内の熱伝達についてはあまり考慮されておらず
、ジャケット内熱伝達向」二のため流路にフィンを設け
ることなどが行なわれているだけである。しかし、ジャ
ケット内など流体の内部流れでは冷却媒体が流路を進む
につれ伝熱面に境界層が発達し、流路に沿って局所的に
熱伝達率が低下する傾向がある。このため冷却ジャケッ
トの冷却媒体入口から離れた中央部等では熱抵抗が、若
干、大きくなる傾向にあった。本発明の目的は、ジャケ
ット内の流れによる熱抵抗の低下を少なくし熱伝達率を
大きな値で一定値に保持することにある。本発明の他の
目的は冷却ジャケットで半導体素子から冷却媒体に吸収
した熱を放熱用熱交換器でも効率より放出する半導体冷
却方法を提供することにある。
発熱を効果的に除去することを目的にし、半導体素子と
冷却ジャケットの接続部には高熱伝−3= 導物質を充填するなどして熱抵抗の低減化を達成しよう
としている。しかし、このような従来方式では、冷却ジ
ャケット内の熱伝達についてはあまり考慮されておらず
、ジャケット内熱伝達向」二のため流路にフィンを設け
ることなどが行なわれているだけである。しかし、ジャ
ケット内など流体の内部流れでは冷却媒体が流路を進む
につれ伝熱面に境界層が発達し、流路に沿って局所的に
熱伝達率が低下する傾向がある。このため冷却ジャケッ
トの冷却媒体入口から離れた中央部等では熱抵抗が、若
干、大きくなる傾向にあった。本発明の目的は、ジャケ
ット内の流れによる熱抵抗の低下を少なくし熱伝達率を
大きな値で一定値に保持することにある。本発明の他の
目的は冷却ジャケットで半導体素子から冷却媒体に吸収
した熱を放熱用熱交換器でも効率より放出する半導体冷
却方法を提供することにある。
上記目的は、半導体装置の冷却媒体循環系に気体供給用
のポンプ、ないし、コンプレッサを接続し、ここで坐成
した空全(専の’yet体を気泡となるように冷却媒体
と混合し、気液二相流の状態で冷却ジャケットおよび放
熱用熱交換器の伝熱面に冷却媒体を供給するこにより解
決できる。
のポンプ、ないし、コンプレッサを接続し、ここで坐成
した空全(専の’yet体を気泡となるように冷却媒体
と混合し、気液二相流の状態で冷却ジャケットおよび放
熱用熱交換器の伝熱面に冷却媒体を供給するこにより解
決できる。
このように伝熱面を流れる冷却媒体に強制的に気泡を混
入させることにより、冷却媒体の流れが気泡により乱さ
れ、ジャケット向流れや放熱用熱交換器内流れが乱流化
され、熱伝達が促進される。
入させることにより、冷却媒体の流れが気泡により乱さ
れ、ジャケット向流れや放熱用熱交換器内流れが乱流化
され、熱伝達が促進される。
さらに二相流による乱流は、普通に生じる単相流の乱流
とは異なり、気泡が伝熱面を通過する瞬時には冷却媒体
が伝熱面より取り除かれるため、伝熱面の近傍に伝達し
た冷却媒体の境界層を完全に剥離させることになる。こ
のため、熱伝達の妨げになる定常的な境界層を発達させ
ることなく冷却媒体を流すことができ、伝熱面全体にわ
たって高い熱伝達率を維持することができる。また、冷
却ジャケット前段から混入した気泡は、冷却媒体の沸騰
などにより発生した気泡と異なり温度変化や圧力変化に
より消滅することがなく、冷却ジャケツトの後段でも、
気泡を包んで気液二相流状態の冷却媒体が流れるため放
熱用熱交換器内の伝熱面の伝熱促進の効果が維持される
。
とは異なり、気泡が伝熱面を通過する瞬時には冷却媒体
が伝熱面より取り除かれるため、伝熱面の近傍に伝達し
た冷却媒体の境界層を完全に剥離させることになる。こ
のため、熱伝達の妨げになる定常的な境界層を発達させ
ることなく冷却媒体を流すことができ、伝熱面全体にわ
たって高い熱伝達率を維持することができる。また、冷
却ジャケット前段から混入した気泡は、冷却媒体の沸騰
などにより発生した気泡と異なり温度変化や圧力変化に
より消滅することがなく、冷却ジャケツトの後段でも、
気泡を包んで気液二相流状態の冷却媒体が流れるため放
熱用熱交換器内の伝熱面の伝熱促進の効果が維持される
。
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。これ
は、第3図に示した従来の一般的な半導体の冷却方式に
、本発明による冷却方法を付加するため、気体供給系を
設けた半導体の冷却方式の機器構成を系統図で示したも
のである。すなわち、基板上に配列した半導体素子2で
発生する熱を冷却ジャケット4に伝えるため、これらの
間に熱伝導体3を挟んである。この熱伝導体は半導体素
子の動作時の発熱による基板の熱変形や半導体素子の基
板への取付時に生じる半導体素子の」二面の初期変位の
ばらつきを吸収し、常に、冷却ジャケットとの接触を保
つものであり、本実施例ではグリーン状の熱伝導体を例
に構成しである。ここで冷却ジャケット4に伝えられた
熱は冷却媒体流路15を流れる冷却媒体5に伝えられる
。この冷却媒体には、一般に、水が使用されるが半導体
素子の発熱量や周囲の機器構成により有機冷媒等を使用
することもある。この冷却媒体に気体を混入するために
、本発明では冷却ジャケットの前段でコンプレッサ8に
より空気6を供給し、気液二相流の状態で冷却媒体流路
15に冷却媒体5を流すようにする。この気液二相流で
最適な伝熱状態を得るため、空気の混入には気泡生成ノ
ズル10を用いて適度に分散した気泡を生じさせ、混入
する空気量は調節弁13により制御する。このようにし
て形成した気液二相流状態の冷却媒体は、従来の単相流
に比較して高い熱伝達が行なわれ効率的に冷却ジャケッ
トで熱を吸収する。このあと、冷却媒体は放熱用熱交換
器11に送られる。ここでも冷却媒体は気液二手11流
状態が保たれているため、放熱用熱交換器1↓での熱伝
達も従来の単相流に比較して良好に行なわれる。半導体
装置から放熱用熱交換器」1まで熱輸送した気液二相状
態の冷却媒体は放熱用熱交換器11の後段に配置した気
液分離タンクエ2に送られ、冷却媒体から気泡を取り除
き分離したあと、それぞれは液体部分と気7 体部分の別系統で、再び、冷却ジャケットに供給される
。ここで気液分離タンクには冷却媒体と共に空気も貯め
ているため、大気圧より若干高い圧力に保持する。この
ため安全弁13を設けである。
は、第3図に示した従来の一般的な半導体の冷却方式に
、本発明による冷却方法を付加するため、気体供給系を
設けた半導体の冷却方式の機器構成を系統図で示したも
のである。すなわち、基板上に配列した半導体素子2で
発生する熱を冷却ジャケット4に伝えるため、これらの
間に熱伝導体3を挟んである。この熱伝導体は半導体素
子の動作時の発熱による基板の熱変形や半導体素子の基
板への取付時に生じる半導体素子の」二面の初期変位の
ばらつきを吸収し、常に、冷却ジャケットとの接触を保
つものであり、本実施例ではグリーン状の熱伝導体を例
に構成しである。ここで冷却ジャケット4に伝えられた
熱は冷却媒体流路15を流れる冷却媒体5に伝えられる
。この冷却媒体には、一般に、水が使用されるが半導体
素子の発熱量や周囲の機器構成により有機冷媒等を使用
することもある。この冷却媒体に気体を混入するために
、本発明では冷却ジャケットの前段でコンプレッサ8に
より空気6を供給し、気液二相流の状態で冷却媒体流路
15に冷却媒体5を流すようにする。この気液二相流で
最適な伝熱状態を得るため、空気の混入には気泡生成ノ
ズル10を用いて適度に分散した気泡を生じさせ、混入
する空気量は調節弁13により制御する。このようにし
て形成した気液二相流状態の冷却媒体は、従来の単相流
に比較して高い熱伝達が行なわれ効率的に冷却ジャケッ
トで熱を吸収する。このあと、冷却媒体は放熱用熱交換
器11に送られる。ここでも冷却媒体は気液二手11流
状態が保たれているため、放熱用熱交換器1↓での熱伝
達も従来の単相流に比較して良好に行なわれる。半導体
装置から放熱用熱交換器」1まで熱輸送した気液二相状
態の冷却媒体は放熱用熱交換器11の後段に配置した気
液分離タンクエ2に送られ、冷却媒体から気泡を取り除
き分離したあと、それぞれは液体部分と気7 体部分の別系統で、再び、冷却ジャケットに供給される
。ここで気液分離タンクには冷却媒体と共に空気も貯め
ているため、大気圧より若干高い圧力に保持する。この
ため安全弁13を設けである。
第2図は、冷却媒体の気液二相流化を冷却ジャケット内
の流路上で行なえるように改良した冷却ジャケラ1−を
用いた場合の一実施例を示したものである。本実施例は
、冷却ジャケット内を冷却媒体流路15と空気電工4に
分離し、空気室から冷却媒体流路に気泡を噴出する構造
にしている。この方法により気液二相流を生成する場合
、半導体素子の配置に対応した場所で、伝熱面での境界
層の発達の程度に応じ、境界層の剥離に必要な気泡を生
成できるようにノズル孔を調整できる利点がある。ただ
し、冷却ジャケット後段の放熱用熱交換器における熱伝
達の状態は、各々のノズルから生成した気泡が合流した
気液二相流として流れるため、第1図に示す実施例と同
じ効果になる。
の流路上で行なえるように改良した冷却ジャケラ1−を
用いた場合の一実施例を示したものである。本実施例は
、冷却ジャケット内を冷却媒体流路15と空気電工4に
分離し、空気室から冷却媒体流路に気泡を噴出する構造
にしている。この方法により気液二相流を生成する場合
、半導体素子の配置に対応した場所で、伝熱面での境界
層の発達の程度に応じ、境界層の剥離に必要な気泡を生
成できるようにノズル孔を調整できる利点がある。ただ
し、冷却ジャケット後段の放熱用熱交換器における熱伝
達の状態は、各々のノズルから生成した気泡が合流した
気液二相流として流れるため、第1図に示す実施例と同
じ効果になる。
第4図は、本発明による冷却方法を流路断面形状が三角
形である冷却ジャケットをもつ半導体装置に適用した例
を示したものである。本実施例に示した半導体装置は半
導体素子と冷却ジャケットを熱的に接続するため三角形
状の冷却素子を熱伝導体として使用している。このため
、冷却ジャケラ1−の流路を半導体素子との距離を小さ
く取り熱抵抗を小さくするため、第4図のA−A断面に
示すように、熱伝導体の配列の間に形成している。
形である冷却ジャケットをもつ半導体装置に適用した例
を示したものである。本実施例に示した半導体装置は半
導体素子と冷却ジャケットを熱的に接続するため三角形
状の冷却素子を熱伝導体として使用している。このため
、冷却ジャケラ1−の流路を半導体素子との距離を小さ
く取り熱抵抗を小さくするため、第4図のA−A断面に
示すように、熱伝導体の配列の間に形成している。
このため、流路の断面は三角形形状になっている。
このような断面を単相の流体が流れると壁に挟まれた巻
角の部分には、特に、境界層が発達し易く、熱伝達が悪
くなる。この境界層を剥離させ流路内の伝熱面を有効に
使用するため、本発明による冷却方法が有効である。す
なわち、冷却ジャケット前段で、第工図に示したような
方法で冷却媒体に気体を混入し、気液二相流にした冷却
媒体を流路に流すことにより、より大きな伝熱促進効果
が得られる。
角の部分には、特に、境界層が発達し易く、熱伝達が悪
くなる。この境界層を剥離させ流路内の伝熱面を有効に
使用するため、本発明による冷却方法が有効である。す
なわち、冷却ジャケット前段で、第工図に示したような
方法で冷却媒体に気体を混入し、気液二相流にした冷却
媒体を流路に流すことにより、より大きな伝熱促進効果
が得られる。
本発明によれば、冷却媒体を気液二相流で供給するので
、冷却ジャケラ1〜や放熱用熱交換器における伝熱面に
発達する境界層を剥離させ、熱伝達率の局所的低下を防
ぐと共に、大きな熱伝達率を得ることができる。このた
め、冷却ジャケラ1〜や放熱用熱交換器での熱抵抗を低
減し、半導体素子の高効率冷却に効果がある。
、冷却ジャケラ1〜や放熱用熱交換器における伝熱面に
発達する境界層を剥離させ、熱伝達率の局所的低下を防
ぐと共に、大きな熱伝達率を得ることができる。このた
め、冷却ジャケラ1〜や放熱用熱交換器での熱抵抗を低
減し、半導体素子の高効率冷却に効果がある。
第1図は本発明の一実施例の系統図、第2図は本発明の
第二の実施例の系統図、第3図は従来の系統図、第4図
は本発明の第=−―の実施例の゛I′:導体装置の断面
図である。 1・・・基板、2・半導体素子、3・・熱伝導体、4冷
却ジヤケツ1〜.5 冷却媒体、6・空気、7・・・ポ
ンプ、8・コンプレッサ、9・調節弁、10・・・気泡
生成ノズル、11・・・放熱用熱交換器、12・・・気
液分離タンク、13・・・安全弁、]−4・・・空気室
、工5・・冷却媒体流路。
第二の実施例の系統図、第3図は従来の系統図、第4図
は本発明の第=−―の実施例の゛I′:導体装置の断面
図である。 1・・・基板、2・半導体素子、3・・熱伝導体、4冷
却ジヤケツ1〜.5 冷却媒体、6・空気、7・・・ポ
ンプ、8・コンプレッサ、9・調節弁、10・・・気泡
生成ノズル、11・・・放熱用熱交換器、12・・・気
液分離タンク、13・・・安全弁、]−4・・・空気室
、工5・・冷却媒体流路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、基板上に設けられた半導体素子と、前記半導体素子
と熱的に接続した冷却ジャケットと、前記冷却ジャケッ
トに冷却媒体を導く手段と、前記冷却媒体を前記冷却ジ
ャケットと放熱用熱交換器の間で循環しながら前記半導
体素子の冷却を行なう冷却媒体循環式の半導体冷却方法
において、 気体供給用のポンプあるいはコンプレッサを前記冷却媒
体の循環系に接続し、前記冷却ジャケットに流入する前
記冷却媒体に気体を気泡を生成するよう混入させ、前記
冷却ジャケット内や前記放熱用熱交換器内の伝熱面と冷
却媒体の熱伝達を気液二相流の伝熱状態にしたことを特
徴とする半導体冷却法。 2、基板上に設けられた半導体素子と、前記半導体素子
と熱的に接続した冷却ジャケットと、前記冷却ジャケッ
トに冷却媒体を導く手段と、前記冷却媒体を前記冷却ジ
ャケットと放熱用熱交換器の間で循環しながら前記半導
体素子の冷却を行なう冷却媒体循環式の半導体冷却方法
において、 前記冷却ジャケットを前記冷却媒体の流路と気体供給部
に分け、前記気体供給部に気体供給用ポンプあるいはコ
ンプレッサから気体を供給し前記冷却ジャケット内で前
記半導体素子に対応した位置に気体供給部から冷却媒体
流路に気体を噴出させるノズル孔を設け、前記ノズル孔
から噴出した気体により前記冷却ジャケット内部で前記
冷却媒体と気体を気泡を生成するように混入させ、前記
冷却ジャケット内や前記放熱用熱交換器内の伝熱面と前
記冷却媒体との熱伝達を気液二相流の伝熱状態にしたこ
とを特徴とする半導体冷却法。 3、前記基板上に設けられた前記半導体素子と、前記半
導体素子と熱的に接続した前記冷却ジャケットと、前記
冷却ジャケットに前記冷却媒体を導く手段と、前記冷却
媒体を前記冷却ジャケットと前記放熱用熱交換器の間で
循環しながら前記半導体素子の冷却を行なう冷却媒体循
環式の半導体冷却方法において、 前記半導体素子と前記冷却ジャケットを三角形状の冷却
素子を熱伝導体として用いて熱的に接続し、前記冷却素
子の支持固定用の溝に対応し、V型形状の溝を設け、こ
れを板状のマニホールド板を用いて連結し、断面形状が
三角形の冷却水路をもつ冷却ジャケットを用いたことを
特徴とする請求項1に記載の半導体冷却法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17813389A JPH0344065A (ja) | 1989-07-12 | 1989-07-12 | 半導体冷却法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17813389A JPH0344065A (ja) | 1989-07-12 | 1989-07-12 | 半導体冷却法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0344065A true JPH0344065A (ja) | 1991-02-25 |
Family
ID=16043227
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17813389A Pending JPH0344065A (ja) | 1989-07-12 | 1989-07-12 | 半導体冷却法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0344065A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006137409A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Advics:Kk | 車両用足踏み式パーキングブレーキ装置 |
WO2011155146A1 (ja) * | 2010-06-09 | 2011-12-15 | 株式会社神戸製鋼所 | 気化方法及びこれに用いられる気化装置並びに同装置を備えた気化システム |
WO2019198368A1 (ja) * | 2018-04-09 | 2019-10-17 | 株式会社デンソー | 熱交換器 |
JP2019186367A (ja) * | 2018-04-09 | 2019-10-24 | 株式会社Soken | 熱交換装置 |
-
1989
- 1989-07-12 JP JP17813389A patent/JPH0344065A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006137409A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Advics:Kk | 車両用足踏み式パーキングブレーキ装置 |
WO2011155146A1 (ja) * | 2010-06-09 | 2011-12-15 | 株式会社神戸製鋼所 | 気化方法及びこれに用いられる気化装置並びに同装置を備えた気化システム |
JP2011256776A (ja) * | 2010-06-09 | 2011-12-22 | Kobe Steel Ltd | 気化方法及びこれに用いられる気化装置並びに同装置を備えた気化システム |
US20130081390A1 (en) * | 2010-06-09 | 2013-04-04 | Chubu Electric Power Company Incorporated | Vaporization method and vaporization apparatus used for vaporization method, and vaporization system provided with vaporization apparatus |
US9371745B2 (en) | 2010-06-09 | 2016-06-21 | Kobe Steel, Ltd. | Vaporization method and vaporization apparatus used for vaporization method, and vaporization system provided with vaporization apparatus |
WO2019198368A1 (ja) * | 2018-04-09 | 2019-10-17 | 株式会社デンソー | 熱交換器 |
JP2019186367A (ja) * | 2018-04-09 | 2019-10-24 | 株式会社Soken | 熱交換装置 |
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