JPH0365901B2 - - Google Patents
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- JPH0365901B2 JPH0365901B2 JP60225211A JP22521185A JPH0365901B2 JP H0365901 B2 JPH0365901 B2 JP H0365901B2 JP 60225211 A JP60225211 A JP 60225211A JP 22521185 A JP22521185 A JP 22521185A JP H0365901 B2 JPH0365901 B2 JP H0365901B2
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- Japan
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- cooling
- refrigerant
- wiring board
- heat exchange
- semiconductor
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Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔概要〕
集積度の高い複数の半導体チツプを搭載した配
線基板を冷媒中に浸漬して冷却する装置構成とし
て、半導体チツプの近傍に熱交換パイプを配置
し、サブクール効果を利用して冷却効率を高めた
半導体装置の冷却装置。
線基板を冷媒中に浸漬して冷却する装置構成とし
て、半導体チツプの近傍に熱交換パイプを配置
し、サブクール効果を利用して冷却効率を高めた
半導体装置の冷却装置。
本発明はサブクール効果を利用して冷却効率を
高めた半導体装置の冷却構造に関する。
高めた半導体装置の冷却構造に関する。
電算機の処理能力を向上する方法として多数の
半導体素子から構成される半導体装置は単位素子
の小形化が進められていると共に素子数の増大が
行われている。
半導体素子から構成される半導体装置は単位素子
の小形化が進められていると共に素子数の増大が
行われている。
すなわち単位素子を形成する電極寸法や導体パ
ターン幅は極度に縮小されており、一方素子数は
増大してLSIやVLSIが実用化されている。
ターン幅は極度に縮小されており、一方素子数は
増大してLSIやVLSIが実用化されている。
また配線基板への実装方法も改良され、従来は
半導体チツプ毎にハーメチツクシールパツケージ
に格納してあり、これを配線基板に装着していた
が、今後の形態としては複数個のLSIチツプをセ
ラミツクなどの多層配線基板に装着してLSIモジ
ールを作り、これを取り替え単位として配線基板
に装着する方法がとられるに至つている。
半導体チツプ毎にハーメチツクシールパツケージ
に格納してあり、これを配線基板に装着していた
が、今後の形態としては複数個のLSIチツプをセ
ラミツクなどの多層配線基板に装着してLSIモジ
ールを作り、これを取り替え単位として配線基板
に装着する方法がとられるに至つている。
このように単位素子の小形化と高密度化が進行
するに従つて半導体装置の発熱量も厖大となり、
従来の空冷構造では素子の温度を最高使用温度範
囲内に保持することが不可能になつた。
するに従つて半導体装置の発熱量も厖大となり、
従来の空冷構造では素子の温度を最高使用温度範
囲内に保持することが不可能になつた。
すなわち従来はICチツプの発熱量は最高でも
3ワツト程度であつたものが、VLSIにおいては
10ワツトを超えるまでに到つている。
3ワツト程度であつたものが、VLSIにおいては
10ワツトを超えるまでに到つている。
以上のことから半導体装置の冷却方法は従来の
空冷或いは強制空冷に代わつて液冷が必要となつ
ている。
空冷或いは強制空冷に代わつて液冷が必要となつ
ている。
本発明は冷却効率を高めた液冷構造に関するも
のである。
のである。
電子機器に対する液冷構造は超伝導素子などに
ついては公知であり、冷媒として液体窒素(N2)
や液体ヘリウム(He)などが使用され、ジユア
壜タイプの容器に格納して使用されている。
ついては公知であり、冷媒として液体窒素(N2)
や液体ヘリウム(He)などが使用され、ジユア
壜タイプの容器に格納して使用されている。
然し、半導体装置の冷却用としてはガリウム砒
素(GaAs)を用いた高電子移動度トランジスタ
のような特殊な素子を別とすれば、このような低
温に保つ必要はなく、チツプの温度を最高使用温
度以下に保てばよい。
素(GaAs)を用いた高電子移動度トランジスタ
のような特殊な素子を別とすれば、このような低
温に保つ必要はなく、チツプの温度を最高使用温
度以下に保てばよい。
そこで沸点がこの温度以下であり、非腐食性で
且つ非解離性の溶液を冷媒とし、この中にチツプ
を浸漬する方法がとられている。
且つ非解離性の溶液を冷媒とし、この中にチツプ
を浸漬する方法がとられている。
かゝる条件を満たす冷媒としてはフレオン
(C2Cl3F3、沸点49℃)や各種のフルオロカーボン
例えばC5F12(沸点30℃)、C6F14(沸点56℃)など
がある。
(C2Cl3F3、沸点49℃)や各種のフルオロカーボン
例えばC5F12(沸点30℃)、C6F14(沸点56℃)など
がある。
なお、フルオロカーボンは各種の構造式のもの
を混合して沸点の調節が可能である。
を混合して沸点の調節が可能である。
さて、従来の液冷構造の例を挙げると金属或い
はプラスチツク製の液冷容器の底面に複数個のコ
ネクタが設置されており、これに多数のLSIチツ
プを搭載した多層セラミツク基板を挿着し、コネ
クタ接続によつて外部回路に接続するようになつ
ている。
はプラスチツク製の液冷容器の底面に複数個のコ
ネクタが設置されており、これに多数のLSIチツ
プを搭載した多層セラミツク基板を挿着し、コネ
クタ接続によつて外部回路に接続するようになつ
ている。
そして複数個の多層セラミツク基板は冷媒に浸
漬されており、液冷容器内で冷媒と容器上部の空
間には凝縮器が備えられていて水または他の冷媒
によつて冷却される構造がとられている。
漬されており、液冷容器内で冷媒と容器上部の空
間には凝縮器が備えられていて水または他の冷媒
によつて冷却される構造がとられている。
然し、かゝる冷却構造は当初は冷却能力は優れ
ているが、時間の経過と共に冷却能力が次第に低
下してくることが判つた。
ているが、時間の経過と共に冷却能力が次第に低
下してくることが判つた。
第3図はこの状態を示すもので、冷媒の冷却に
使用する熱交換器の性能を比較している。
使用する熱交換器の性能を比較している。
すなわち、従来のように液冷容器の空間部に設
置され、冷媒の蒸気に接する構造1のものは、蒸
気中の空気濃度が増すに従つて冷却能力が逓減す
るのに対し、冷媒の中に設けられ、冷媒の液に接
する構造2のものは冷却能力の変化は極く僅かで
ある。
置され、冷媒の蒸気に接する構造1のものは、蒸
気中の空気濃度が増すに従つて冷却能力が逓減す
るのに対し、冷媒の中に設けられ、冷媒の液に接
する構造2のものは冷却能力の変化は極く僅かで
ある。
これらは冷媒蒸気中に容器を通して、或いは加
熱されたプリント配線基板或いはコネクタなどか
ら空気や酸素が浸透し、溶媒蒸気中の非凝縮性ガ
スは徐々に増加するためである。
熱されたプリント配線基板或いはコネクタなどか
ら空気や酸素が浸透し、溶媒蒸気中の非凝縮性ガ
スは徐々に増加するためである。
こゝで、冷媒の蒸気に接する構造1のものゝ冷
却能力が逓減する理由は、これら非凝縮性ガスが
熱交換器の周囲に濃縮されるからである。
却能力が逓減する理由は、これら非凝縮性ガスが
熱交換器の周囲に濃縮されるからである。
一方、冷媒中への空気や酸素などの溶解量は僅
かであり、或いは値以上は溶解しないためその影
響は少ない。
かであり、或いは値以上は溶解しないためその影
響は少ない。
以上の事実から非凝縮性ガスの影響を少なくす
るためには熱交換器を冷媒の液中に設ければよい
ことになる。
るためには熱交換器を冷媒の液中に設ければよい
ことになる。
然し、第3図から明らかなように熱交換器の冷
却能力は冷媒の蒸気に接して設ける構造に較べ、
1/2以下に減少しており、効率が劣つている。
却能力は冷媒の蒸気に接して設ける構造に較べ、
1/2以下に減少しており、効率が劣つている。
そのため、液中に設ける場合、従来よりも冷却
効率を向上する必要がある。
効率を向上する必要がある。
以上説明したように冷却容器に必要な熱交換器
を冷媒液中に設置すると、非凝縮性ガスの影響を
少なくすることができるが、冷却効率は充分では
ない。
を冷媒液中に設置すると、非凝縮性ガスの影響を
少なくすることができるが、冷却効率は充分では
ない。
そこで、空中に設置した場合に較べて劣る冷却
能力を如何にして向上するかゞ問題である。
能力を如何にして向上するかゞ問題である。
上記の問題は集積度の高い複数の半導体チツプ
を搭載した配線基板を冷媒中に浸漬して冷却する
装置構成として、半導体チツプの近傍に熱交換パ
イプを配置し、サブクール効果を利用して冷却効
率を高めた半導体装置の冷却構造をとることによ
り解決することができる。
を搭載した配線基板を冷媒中に浸漬して冷却する
装置構成として、半導体チツプの近傍に熱交換パ
イプを配置し、サブクール効果を利用して冷却効
率を高めた半導体装置の冷却構造をとることによ
り解決することができる。
集積度の高い複数の半導体チツプを搭載した配
線基板を冷媒中に浸漬して冷却する装置構成とし
て、 密封容器中に半導体チツプを搭載した配線基
板を置き、この中に冷媒を封入して循環させて
冷却する構成。
線基板を冷媒中に浸漬して冷却する装置構成とし
て、 密封容器中に半導体チツプを搭載した配線基
板を置き、この中に冷媒を封入して循環させて
冷却する構成。
冷媒を強制循環させることにより配線基板に
搭載してある半導体チツプを冷却する構成。
搭載してある半導体チツプを冷却する構成。
がある。
こゝで、前者は場所を取らないためコンパクト
に装置構成が行なえると云う長所があるものゝ、
冷却には限界がある。
に装置構成が行なえると云う長所があるものゝ、
冷却には限界がある。
一方、後者は熱交換器を用いることができるの
で、熱交換器の容量を増すことにより効率的な冷
却が可能である。
で、熱交換器の容量を増すことにより効率的な冷
却が可能である。
しかし、場所をとること以外に冷媒への不純物
が混入する可能性がある。
が混入する可能性がある。
さて、半導体チツプは構成素子数が増して電力
消費量が10Wを超え、低沸点冷媒の沸騰が生じて
いる現在、冷却効率の向上は是非とも実現する必
要がある。
消費量が10Wを超え、低沸点冷媒の沸騰が生じて
いる現在、冷却効率の向上は是非とも実現する必
要がある。
こゝで、従来構造として、
の構造に対しては密封容器の下部と上部に熱
交換パイプを設け、下部の熱交換パイプにより冷
媒を冷却し、また上部の熱交換パイプにより冷媒
の蒸気を冷却して液化して還元する。
交換パイプを設け、下部の熱交換パイプにより冷
媒を冷却し、また上部の熱交換パイプにより冷媒
の蒸気を冷却して液化して還元する。
の構造においては熱交換器の容量を増すこと
により冷却能力を増加する。
により冷却能力を増加する。
などの方法が取られている。
これに対し、本構造は従来の構造に加えるに、
半導体チツプの近傍に熱交換パイプを配置し、サ
ブクール(Sub−cool)効果により冷却効率を向
上させるものである。
半導体チツプの近傍に熱交換パイプを配置し、サ
ブクール(Sub−cool)効果により冷却効率を向
上させるものである。
こゝで、サブクール効果とは冷却せんとする発
熱体の周囲を冷媒温度を低く保てば保つほど、発
熱体に対する冷却効果が上昇すると云う関係を指
す。
熱体の周囲を冷媒温度を低く保てば保つほど、発
熱体に対する冷却効果が上昇すると云う関係を指
す。
そこで本発明は、
の構造に対しては第1図に示すように冷却容
器3を構成する側壁の少なくとも片面を配線基板
4で形成し、この上にマトリツクス状に半導体チ
ツプ5を搭載すると共に、半導体チツプ5の各行
毎に配線基板4に垂直に気泡ガイド板6を設け、
また、この気泡ガイド板6の下で且つ半導体チツ
プ5になるべく接近させて熱交換パイプ7を設け
るものである。
器3を構成する側壁の少なくとも片面を配線基板
4で形成し、この上にマトリツクス状に半導体チ
ツプ5を搭載すると共に、半導体チツプ5の各行
毎に配線基板4に垂直に気泡ガイド板6を設け、
また、この気泡ガイド板6の下で且つ半導体チツ
プ5になるべく接近させて熱交換パイプ7を設け
るものである。
こゝで、気泡ガイド板には冷媒8は容易に通る
ものゝ、気泡は通さない孔があいてりり、半導体
チツプ5より沸騰により発生した冷媒8ガスは気
泡ガイド板6により上昇を阻止され、横に広がつ
て行く過程で冷却されて液化する。
ものゝ、気泡は通さない孔があいてりり、半導体
チツプ5より沸騰により発生した冷媒8ガスは気
泡ガイド板6により上昇を阻止され、横に広がつ
て行く過程で冷却されて液化する。
また、熱交換パイプ7は半導体チツプ5に接近
して設けであることから、半導体チツプ5の近傍
の冷媒8を冷却しており、サブクール効果により
沸騰を少なくしている。
して設けであることから、半導体チツプ5の近傍
の冷媒8を冷却しており、サブクール効果により
沸騰を少なくしている。
このような構造をとることにより、冷却効率を
高めることができる。
高めることができる。
また、このような構成をとると、配線基板4の
冷却容器3への装着が容易である。
冷却容器3への装着が容易である。
なお、第1図において記載を省略したが、冷却
容器内部の上部と下部に従来のように冷却パイプ
を設ければ更に冷却効率の向上が可能である。
容器内部の上部と下部に従来のように冷却パイプ
を設ければ更に冷却効率の向上が可能である。
次に、の構造に関し、本発明は冷却容器10
の中に配線基板11を複数段の棚状に配列し、ま
た、搭載してある半導体チツプ5に接近させて熱
交換パイプ7を配置するものである。
の中に配線基板11を複数段の棚状に配列し、ま
た、搭載してある半導体チツプ5に接近させて熱
交換パイプ7を配置するものである。
このようにすると、冷媒8は沸騰により発生し
た冷媒8の気泡を伴い温度上昇した状態で熱交換
器12に流れ、冷却された状態で気泡分離器13
に行き、冷媒8の気泡を分離した後、ポンプ14
により冷却容器10に供給される。
た冷媒8の気泡を伴い温度上昇した状態で熱交換
器12に流れ、冷却された状態で気泡分離器13
に行き、冷媒8の気泡を分離した後、ポンプ14
により冷却容器10に供給される。
このように、従来の冷媒循環系に加える熱交換
パイプ7を半導体チツプ5の近傍に配置しておけ
ば、サブクール効果により沸騰が抑制されるた
め、冷却効率を向上することができる。
パイプ7を半導体チツプ5の近傍に配置しておけ
ば、サブクール効果により沸騰が抑制されるた
め、冷却効率を向上することができる。
実施例 1
(第1図の構造に関連)
第1図において、配線基板4はガラスセラミツ
クスよりなる多層配線基板を用いて形成し、この
上にフリツプチツプタイプの半導体チツプLSI5
をマトリツクス状に形成した。
クスよりなる多層配線基板を用いて形成し、この
上にフリツプチツプタイプの半導体チツプLSI5
をマトリツクス状に形成した。
また、冷媒8としては沸点が56℃のフルオロカ
ーボンC6F14を使用した。
ーボンC6F14を使用した。
また、気泡ガイド板6は厚さが0.1mmのステン
レス板に0.5〜2mmの孔を密に開けたものをそれ
ぞれの半導体チツプ5の間に棚状に配置し、この
気泡ガイド板6の下に熱交換パイプ7を三本づつ
配置し、冷却水を通した。
レス板に0.5〜2mmの孔を密に開けたものをそれ
ぞれの半導体チツプ5の間に棚状に配置し、この
気泡ガイド板6の下に熱交換パイプ7を三本づつ
配置し、冷却水を通した。
このような構造をとると、半導体チツプ5の周
辺を冷媒8は冷却されているためにサブクール効
果により沸騰を抑制することができ、また沸騰に
より発生した冷媒8の気泡は気泡ガイド板6の下
に滞留する間に冷却されて液化する結果、冷却効
果を向上することができる。
辺を冷媒8は冷却されているためにサブクール効
果により沸騰を抑制することができ、また沸騰に
より発生した冷媒8の気泡は気泡ガイド板6の下
に滞留する間に冷却されて液化する結果、冷却効
果を向上することができる。
実施例 2
(第2図の構造に関連)
第2図において、熱交換パイプ7は複数本(図
では三本)を段状(図では三段)に配置して冷却
水を通すようにし、その間に半導体チツプ5を搭
載した配線基板11を挿入するように構成した。
では三本)を段状(図では三段)に配置して冷却
水を通すようにし、その間に半導体チツプ5を搭
載した配線基板11を挿入するように構成した。
そして、冷媒8としては沸点が56℃のフルオロ
カーボンC6F14を使用し、また熱交換器12とし
てはラジエータタイプのものを使用した。
カーボンC6F14を使用し、また熱交換器12とし
てはラジエータタイプのものを使用した。
このような構造をとると、半導体チツプ5の周
辺の冷媒8は冷却させれいるためにサブクール効
果により沸騰を抑制することができ、また沸騰に
より発生した気泡を含む冷媒8は熱交換器12を
通過する間に冷却され、液化しなかつた気泡は気
泡分離器13で除かれるため、効率のよい冷却を
行うことができる。
辺の冷媒8は冷却させれいるためにサブクール効
果により沸騰を抑制することができ、また沸騰に
より発生した気泡を含む冷媒8は熱交換器12を
通過する間に冷却され、液化しなかつた気泡は気
泡分離器13で除かれるため、効率のよい冷却を
行うことができる。
本発明に係る冷却構造は従来の冷却構造にサブ
クール効果を付加したもので、本発明の使用によ
り熱交換パイプを冷媒の液中に配置する場合でも
冷却効率を向上することができる。
クール効果を付加したもので、本発明の使用によ
り熱交換パイプを冷媒の液中に配置する場合でも
冷却効率を向上することができる。
第1図は本発明に係る冷却構造の断面図、第2
図は本発明に係る別の冷却構造の断面図、第3図
は熱交換器の設置場所による性能の比較図、であ
る。 図において、3,10は冷却容器、4,11は
配線基板、5は半導体チツプ、6は気泡ガイド
板、7は熱交換パイプ、8は冷媒、12は熱交換
器、13は気泡分離器、である。
図は本発明に係る別の冷却構造の断面図、第3図
は熱交換器の設置場所による性能の比較図、であ
る。 図において、3,10は冷却容器、4,11は
配線基板、5は半導体チツプ、6は気泡ガイド
板、7は熱交換パイプ、8は冷媒、12は熱交換
器、13は気泡分離器、である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 集積度の高い複数の半導体チツプ5を搭載し
た配線基板4を冷媒8中に浸漬して冷却する装置
が、該基板4を用いて冷却容器3の側壁を形成す
ると共に、前記半導体チツプ5の間で基板4に垂
直に気泡ガイド板6と、該気泡ガイド板6の下に
前記半導体チツプ5に接近して熱交換パイプ7を
設けたことを特徴とする半導体装置の冷却構造。 2 集積度の高い複数の半導体チツプ5を搭載し
た配線基板11を冷媒8中に浸漬して冷却する装
置が、前記基板11を複数段の棚状に配列すると
共に該基板11の半導体チツプ5に接近して複数
の熱交換パイプ7を配置した冷却容器10と熱交
換器12と気泡分離機13と循環ポンプ14とが
直列に循環して配列してなることを特徴とする半
導体装置の冷却構造。
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60225211A JPS6285448A (ja) | 1985-10-09 | 1985-10-09 | 半導体装置の冷却構造 |
KR8603274A KR900001393B1 (en) | 1985-04-30 | 1986-04-28 | Evaporation cooling module for semiconductor device |
CA000507879A CA1249063A (en) | 1985-04-30 | 1986-04-29 | Evaporation cooling module for semiconductor devices |
AU56801/86A AU566105B2 (en) | 1985-04-30 | 1986-04-29 | Semiconductor cooling |
ES554529A ES8801064A1 (es) | 1985-04-30 | 1986-04-29 | Un modulo de refrigeracion por evaporacion para enfriar multiples chips semiconductores |
DE8686105963T DE3685909T2 (de) | 1985-04-30 | 1986-04-30 | Modul fuer verdampfungskuehlung fuer halbleiteranordnungen. |
US06/857,303 US4704658A (en) | 1985-04-30 | 1986-04-30 | Evaporation cooling module for semiconductor devices |
EP86105963A EP0200221B1 (en) | 1985-04-30 | 1986-04-30 | Evaporation cooling module for semiconductor devices |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60225211A JPS6285448A (ja) | 1985-10-09 | 1985-10-09 | 半導体装置の冷却構造 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6285448A JPS6285448A (ja) | 1987-04-18 |
JPH0365901B2 true JPH0365901B2 (ja) | 1991-10-15 |
Family
ID=16825724
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP60225211A Granted JPS6285448A (ja) | 1985-04-30 | 1985-10-09 | 半導体装置の冷却構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6285448A (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0298372B1 (en) * | 1987-07-10 | 1993-01-13 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor cooling apparatus |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5312541A (en) * | 1976-07-20 | 1978-02-04 | Mitsubishi Electric Corp | Ebullition cooling device |
JPS5358661A (en) * | 1976-11-08 | 1978-05-26 | Tokyo Shibaura Electric Co | Device for cooling electronic parts |
JPS56103453A (en) * | 1980-01-21 | 1981-08-18 | Hitachi Ltd | Lsi apparatus system |
JPS60761A (ja) * | 1983-06-17 | 1985-01-05 | Fujitsu Ltd | 液冷モジユ−ル |
JPS61131553A (ja) * | 1984-11-30 | 1986-06-19 | Fujitsu Ltd | 浸漬液冷装置 |
-
1985
- 1985-10-09 JP JP60225211A patent/JPS6285448A/ja active Granted
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5312541A (en) * | 1976-07-20 | 1978-02-04 | Mitsubishi Electric Corp | Ebullition cooling device |
JPS5358661A (en) * | 1976-11-08 | 1978-05-26 | Tokyo Shibaura Electric Co | Device for cooling electronic parts |
JPS56103453A (en) * | 1980-01-21 | 1981-08-18 | Hitachi Ltd | Lsi apparatus system |
JPS60761A (ja) * | 1983-06-17 | 1985-01-05 | Fujitsu Ltd | 液冷モジユ−ル |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS6285448A (ja) | 1987-04-18 |
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