JPH0365901B2

JPH0365901B2 -

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Publication number: JPH0365901B2
Application number: JP60225211A
Authority: JP
Priority date: 1985-10-09
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1991-10-15
Also published as: JPS6285448A

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。

〔産業上の利用分野〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔従来の技術〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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。

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。

〔問題点を解決するための手段〕

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。

〔作用〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims

【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。