JPH0350852A - 冷却構造体 - 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】 〔１既要〕 半導体装置を液冷する冷却構造体に関し、冷却効率を向
上することを目的とし、 回路基板上に装着してある半導体装置の伝熱基板の上に
弾性伝熱体を介し、伝熱板を底部にもつ冷却構造体を当
接せしめ、該冷却構造体の内部に設けてあるノズルより
冷媒を伝熱板に噴射して冷却せしめ、該冷媒を排水口よ
り排水して循環させる構造をとる冷却構造体において、
前記伝熱板ＧＯ）が内面に０．０５ｍｍ以上の粒状をし
た金属粉（１１）を並べて一体焼結したものからなるこ
とを特徴として冷却構造体を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は冷却効率を向上した冷却構造体に関する。

情報処理装置の処理能力を向上するため、半導体装置は
単位素子の小形化による大容量化が行われてＬＳＩやＶ
ＬＳＩが実用化されている。

このように高密度化が進むに従って半導体装置の発熱量
も膨大となり、従来の空冷方法では半導体チッブの温度
を最高使用温度範囲内に保持することは不可能になって
きている。

すなわち、今まで半導体素子の発熱量はチップ当たり最
高でも４Ｗ程度であり、空冷で足りたが、ＶＬＳＩにお
いてはＩＯＷ程度にまで達しており、強制空冷に代わっ
て液冷が必要になっている。

〔従来の技術］ 半導体装置の液冷には各種の方法が提案されているが、
第４図は代表的な液冷構造の断面図である。

すなわち、半導体チップ（以下略してチップ）１が装着
されているフラットパッケージ形半導体装置（以下略し
て半導体装置）２の例えばアルミナなどからなる伝熱基
板３の上に弾性伝熱体４を設け、この弾性伝熱体４を介
して金属あるいはプラスチックからなるベローズ５を備
えた冷却構造体６が接続する構造をとる。

こ＼で、冷却構造体６には冷媒を噴出するノズル７と排
水口８とが設けられており、冷媒をベローズ５が繋がる
伝熱板９に噴射して冷却する方法をとることによりチッ
プ１の強制冷却が行われている。

こ＼で、半導体装置２と冷却構造体６を繋く弾性伝熱体
４として、例えばシリコンゴムの中に熱伝導性の優れた
セラミック粉末を混和したものが用いられている。

なお、伝熱板９は表面が平坦で、９１　（Ｃｕ）など熱
伝導性の優れた材料を用いて形成されている。

こ−で、冷却効率を向上するには、伝熱板９の表面を粗
面化して表面積を増すとよいと考えられるが、この冷却
効率すなわち伝熱性能の向上法については従来より半導
体装置の液冷に限らず冷媒配管の冷却性能を向上するな
どを目的として次のような各種の方法が提案されている
。

■　金属の表面にメツキ法により無数の蛸壷状の窪みを
作ることにより伝熱性能を向上する。

（特開昭５２−２７３７５） ■　金属の表面にメツキ法により多孔質のメツキ層を島
状に形成することにより伝熱性能を向上する。（特開昭
６３−２４３２９７） ■　金属の表面に粒径が０．１〜１０μｍの金属微粒子
を焼結して多孔質層を形成することにより伝熱性能を向
上する。（特開昭６２−２１９６４５）然し、これらの
方法を冷却構造体６の伝熱板９に適用してみた結果、こ
のように単純に表面積を増加させる方法では冷媒の流れ
を阻害することになり、必ずしも冷却効率の向上には寄
与していないことが判った。

〔発明が解決しようとする課題〕

先に記したように第４図に示す冷却構造体６を弾性伝熱
体４を介して半導体装置２の伝熱基板３に当接し、チッ
プ１を冷却するには、ノズル７より噴出する冷媒が当た
る伝熱板９を粗面化して冷却効率を向上すると効果的で
ある。

然し、単に表面積の増大を行うだけでは冷却効率が向上
しないことが判った。

そこで、最適な粗面化構造を求めることが課題である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は回路基板上に装着してある半導体装置の伝
熱基板の上に弾性伝熱体を介し、伝熱板を底部にもつ冷
却構造体を当接せしめ、該冷却構造体の内部に設けてあ
るノズルより冷媒を伝熱板に噴射して冷却せしめ、該冷
媒を排水口より排水して循環させる構造をとる冷却構造
体において、前記伝熱板００）が内面に０．０５．ｌ′
１ｍ以上の粒状金属粉を並べて一体焼結したものからな
ることを特徴として冷却構造体を構成することにより解
決することができる。

〔作用］ 第１図は本発明に係る伝熱板１０の構造を示す断面図で
あって、内面に直径がＱ、０５ｎ＋＋ｎ以上の粒状をし
た金属粉１１が一層に整列して一体焼結されたものから
構成されている。

発明者等は当初、第４図に示すように冷媒をノズル７よ
り伝熱板９に噴射して後、排出口８より排出し循環させ
て半導体装置２に搭載されているチップ１を効率よく冷
却させるには伝熱板９の表面積を拡大すればよいと考え
た。

それには先に挙げたように金属粉の内面への焼結やメツ
キによる粗面化の方法がある。

こ＼で、伝熱板９の冷却効率を高めることは、伝熱板９
の熱抵抗を下げることに他ならないが、発明者等は熱抵
抗を測定した結果、冷媒を循環させて冷却させる構造に
おいては、このような１１面化は熱抵抗の減少には殆ど
寄与していないことが判った。

第５図は熱抵抗の測定法を示す部分断面図であって、伝
熱ヒータ１３と熱電対１４とを備えた伝熱基十反１５の
上に熱的結合材１６を介して各種の粗面化を行った伝熱
板１７と熱電対１８を備えた冷却構造体６を当接したも
のである。

そして、測定法としては、ノズル７より冷媒を伝熱板１
７に噴射させ図示を省略した排水口よりυト出させて循
環させている状態で、伝熱基板１５の伝熱ヒータ１３に
通電して伝熱基板１５を加熱し、電熱ヒータ１３への印
加電力と二つの熱電対１４．１８間の温度差の測定から
熱抵抗（’Ｃ／Ｗ）を測定した。

その結果、先に記したようにメツキによる粗面化は熱抵
抗の減少には効果はなく、焼結法は効果があるが、従来
のように金属粉を多数層に亙って積み重ねた焼結構造は
熱抵抗の減少には効果がなく、金属粉を一層に密に整列
させて一体焼結したものだけが効果があることが判った
。

また、金属粉の粒径についても従来の粗面化法で提案さ
れている０、１〜１０μｍのような細粉では効果はなく
、０．０５ｍｍ以上の粒径の大きなものでないと効果の
ないことが判った。

この理由は、冷媒の循環にあたって流動抵抗が少なく、
且つ冷媒との接触面積ができ得るかぎり大きなことが必
要で、そのため適当に大きな金属粒子を一層に並べ、冷
媒が粒子間の間隙をぬって流れる場合が熱抵抗が最も少
なくなるのである。

〔実施例〕

第２図は銅（Ｃｕ）製の伝熱板の上に粒径が０．３柵の
Ｃｕ粉を一層に並べて一体焼結したものと二層に並べ、
水素（Ｈ２）ガス中で９５０°Ｃで１時間に互って一体
焼結したものを従来の平滑な伝熱板と比較し、第５図に
示した測定法で熱抵抗を測定した結果である。

この結果から判るように、二層に焼結した伝熱板の熱抵
抗は無処理の平坦なものよりも高く、冷却効率の向上に
は寄与していないことが到る。

一方、本発明を適用した焼結−層構造の熱抵抗は０．１
８°Ｃ／Ｗであり、熱抵抗は従来の１／２以下にまで低
下している。

また、第３図は粒径の異なるＣｕ粉を一層に並べて一体
焼結した伝熱板を第５図に示す方法で熱抵抗を調べた結
果であって、粒径が増すに従って熱抵抗は減少するが、
０．５ｍｍを越えると次第に増加することが判る。

このことは粒径の増加と共に流動抵抗は減少するが、表
面積が減るために結果として熱抵抗が増加するのである
。

以上のことから、焼結構造をとる伝熱板に使用する金、
９粉の粒径は０．０５ｍｍ以上のものが適当であ〔発明
の効果〕 本発明の実施により冷媒と伝熱板との間の熱抵抗を低減
することができ、これより液冷構造をとる半導体装置に
ついて冷却効率の向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る伝熱板の断面図、第２図は焼結層
と熱抵抗との関係図、 第３図は金属粉と熱抵抗との関係図、 第４図は代表的な液冷構造の断面図、 第５図は熱抵抗の測定法を示す部分断面図、である。 図において、 １はチップ、 ３．１５は伝熱基板、 ７はノズル、 １１１よ金属１分、 １４、１８は熱電対、 ２は半導体装置、 ６は冷却構造体、 ９、１０．１７は伝熱）反、 １３１よ電熱ヒータ、 本亮Ｂへに係る伝終版の断面図 第　１０ 返［結層と酪柩坑との関係図 第　２図 含２粉の体立イ釜と外抵、ギ江、との関係口１＋ッフ０ Ａ人匁臼勺守未々額弯、ヱ旨−の迂り一面ｊ第４図 イ４８：Ａの湧１疋〉デ侶示膚擺分析韻ロ修 「八

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 回路基板上に装着してある半導体装置の伝熱基板の上に
   弾性伝熱体を介し、伝熱板を底部にもつ冷却構造体を当
   接せしめ、該冷却構造体の内部に設けてあるノズルより
   冷媒を伝熱板に噴射して冷却せしめ、該冷媒を排水口よ
   り排水して循環させる構造をとる冷却構造体において、 前記伝熱板（１０）が内面に０．０５ｍｍ以上の粒状を
   した金属粉（１１）を並べて一体焼結したものからなる
   ことを特徴とする冷却構造体。