JPH04167550A - 冷却装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明（よ　半導体素子等の冷却に用いられる冷却装置
に関するものであム 従来の技術 近年ますます高速化　高集積化の進む超ＬＳＩ（Ｌａｒ
ｇｅ　５ｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　）例えば
マイクロプロセッサやメモリでは　消費電力が増大し　
それに伴い発熱量も多くなってきていも　また発熱量は
半導体素子の動作状態によって時間とともに変化し　受
動的な放熱や冷却では半導体素子の温度も動作状態によ
って変化することになム　このため大量の発熱量を冷却
でき、　さらに半導体素子の温度を安定化できる冷却装
置が必要になっていたこの課題を解決すべ〈従来から使
われてきた技術として１戴　半導体素子の温度を検出し
て冷却用のベルチェ素子を制御し　それによって能動的
に大量の発熱量を冷却しさらに温度を安定させるという
方法が用いられてきた（例えば　特開昭６１−２５３８
４２号公報）。

第５図は従来の冷却装置の一例を示す断面図を表してい
も　第５図において、　ｌは半導体素子、７はベルチェ
素子、　９は温度検出出力信号１０は放熱フィン、　１
１は絶縁ｌＬ　１２は電極１３はチップキャリア基板　
１４はキャップ、　１５はピン、　１６は電流調節出力
信ｕ　　１７は電流調節ｆｆ１Ｌ　　１８は温度検出部
であａ　この冷却装置の動作（よ　まず温度検出部１８
が半導体素子１の温度を検出し　温度検出出力信号９を
出力し　次に電流調節部１７が温度検出出力信号９に応
じて電流調節出力信号１６を出力し　ベルチェ素子７に
流す電流を調節し　すなわち冷却能力を調節して半導体
素子１の温度を一定に保っていた 発明が解決しようとする課題 しかしながら上記の従来例では　温度検出部は半導体素
子の一部分だけの温度を検出しその温度を半導体素子全
体の温度として扱っていも　最近の半導体素子は大面積
化に伴って、素子面内に温度分布が生じていも　このた
め半導体素子の一部分の温度を用いて全体を制御すると
素子面内の温度は一定にならな（−一般に半導体素子は
高温では遅く、低温では速く動作すム　一つの半導体素
子の中に温度が異なる回路が含まれると、温度が異なる
回路間でやりとりする内部信号のタイミング間にも温度
差によるずれが生改　誤動作を起こす一因になってい九 本発明は上記のような従来技術の問題点に鑑へ半導体素
子の各部の温度に応じて適切な冷却能力を持たせること
のできる冷却装置を提供することを目的とすａ 課題を解決するための手段 上記の目的を達成するために考案された本発明の冷却装
置は　第１、第２の絶縁体と、第１、第２の電極板と、
温度検出機能および冷却能力制御。

機能を有しかつ第１、第２の電極を有する複数の冷却エ
レメントとを具［Ｌ　　第′ｌの絶縁体は第１の電極板
の一方の表面を被冷却物から電気的に絶縁するように置
かれ　第２の絶縁体は第２の電極板の一方の表面を外部
から電気的に絶縁するように置かれ　冷却エレメントは
第１の電極板の第１の絶縁体で絶縁されていない表面と
第２の電極板の第２の絶縁体で絶縁されていない表面と
の間に置かれ　冷却エレメントの第１の電極は第１の電
極板に接続され　冷却エレメントの第２の電極は第２の
電極板に接続され　冷却エレメントの吸熱側は第１の電
極板側に配され　冷却エレメントの放熱側は第２の電極
板側に配される構成となっていも また本発明は　第１．第２の電極と、′Ｍｌ、第２の端
子を有するベルチェ素子と、第１、第２の端子を有し正
の抵抗温度係数を有する感温素子と、第１．第２の端子
を有する定電流源とを具ｔｌしベルチェ素子の第１の端
子と感温素子の第１の端子とは第１の電極に接続され　
ベルチェ素子の第２の端子と感温素子の第２の端子と定
電流源の第１の端子とは接続され　定電流源の第２の端
子は第１、第２の電極に接続され　ベルチェ素子の吸熱
側と感温素子とがほぼ等温になるように配置された構成
の冷却エレメントを使用した構成となっていも本発明は
さらく　吸熱側と放熱側とが交互に重なるように複数段
配置された構成になっていも作用 上記のような構成となっている本発明は　温度検出機能
および冷却能力制御機能を有する複数の冷却エレメント
が２次元状に配されており、各々の冷却エレメントは温
度分布を有する半導体素子の素子面内の各部の温度を検
出し　それに応じて冷却能力を制御すも　その結果　半
導体素子の素子面内温度ばらつきを低減で東　温度差に
よる内部信号のタイミングのずれが起こす誤動作をなく
しつるという効果を有すム　また　吸熱側と放熱側とが
交互に重なるように複数段配置された構成を用いること
によって、冷却能力を増大させることができる効果も有
すム 実施例 （実施例１） 第１図に本発明の第１の実施例の断面図を示も第１図に
おいて、　１は半導体素子、　２は絶縁恢３は電極板　
４は放熱＠　５は冷却エレメントであム　また　第２図
に本発明の第１の実施例の回路図を示す。第２図におい
て、　６は感温素子、７はベルチェ素子、　８は定電流
源であも第１の実施例の動作について説明すも　これは
冷却エレメントを３個有する例であム　冷却エレメント
の吸熱側は半導体素子側＆ミ　冷却エレメントの放熱側
は放熱器側になるように配置されてい４　半導体素子ｌ
から生じた熱は絶縁体２ａ、電極板３ａを経て冷却エレ
メントの吸熱側に伝わり、伝わった温度を検出し　それ
によって制御された冷却能力で冷却（吸熱）すム　この
とき半導体素子の素子面内温度分布は各冷却エレメント
に伝わり、各冷却エレメントでは各々検出した温度によ
って冷却能力を制御すも　冷却エレメントの放熱側から
生じた熱は電極板３ｂ、絶縁体２ｂを経て外部の放熱器
４に伝わり、外気に放熱されも半導体素子１が発熱し　
素子面内に温度１、温度２、温度３の３つの部分をもっ
て温度分布している場合を考えａ　温度ｌは絶縁体２ａ
と電極板３ａを経て冷却エレメント５ａに伝わり、温度
２は絶縁体２ａと電極板３ａを経て冷却エレメント５ｂ
に伝わり、温度３は絶縁体２ａと電極板３ａを経て冷却
エレメント５Ｃに伝わム　各冷却エレメントで１友　感
温素子６ａは温度１を検出Ｌｌｉ温素子６ｂは温度２を
検出Ｌ　感温素子６Ｃは温度３を検出すム 感温素子６は正の抵抗温度係数を有しており、温度が高
くなると感温素子の抵抗は増え　温度が低くなると感温
素子の抵抗は減も　感温素子の温度による抵抗変化は感
温素子に流れる電流を変化させ、温度が高くなると感温
素子に流れる電流は減り、温度が低くなると感温素子に
流れる電流は増えも　定電流源８は感温素子６とベルチ
ェ素子７に流れる電流の和を一定にするた数　感温素子
に流れる電流の変化はベルチェ素子に流れる電流の変化
になって現れも　その結果　温度が高くなるとベルチェ
素子に流れる電流は増え　温度が低くなるとベルチェ素
子に流れる電流は減も　すなわち温度が高くなると冷却
能力が増え　温度が低くなると冷却能力が減るという冷
却能力制御を行う。

感温素子６ａ、６ｂ、　６ｃがそれぞれ温度１、温度２
、温度３を検出すると、感温素子６ａ、６ｂ、６ｃの抵
抗が温度ｌ、温度２、温度３に応じて変化Ｌ　　感温素
子６ａ、６ｂ、　６Ｃに流れる電流が変化し　定電流源
８ａ、　　８ｂ、　　８ｃにより感温素子６ａとベルチ
ェ素子７ａに流れる電流の和と、感温素子６ｂとベルチ
ェ素子７ｂに流れる電流の和と、感温素子６Ｃとベルチ
ェ素子７Ｃに流れる電流の和とが一定になるようにベル
チェ素子７ａ、　７ｂ、７ｃに流れる電流が変化すも　
こうして温度ｌに応じて冷却エレメント５ａの冷却能力
力（温度２に応じて冷却エレメント５ｂの冷却能力力（
温度３に応じて冷却エレメント５Ｃの冷却能力が制御さ
れも　冷却エレメント５ａ、　５ｂ、５Ｃの放熱側から
出た熱は電極板３ｂと絶縁体２ｂを経て外部の放熱器４
に伝わり、外気に放熱されも このよう八　本実施例の冷却装置では　温度検出機能お
よび冷却能力制御機能を有する複数の冷却エレメントが
２次元状に配されており、各々の冷却エレメントは温度
分布を有する半導体素子の素子面内の各部の温度を検出
し　それに応じて冷却能力を制御するた数　半導体素子
の素子面内の温度ばらつきを低減することができも な転　この′Ｍ１の実施例では外部に放熱器を設けた場
合を扱った力（放熱器はなくてもより℃　また　各冷却
エレメントの大きさや冷却能力ざらに各定電流源の電流
値は同じでも異ならせてもよし〜各冷却エレメント間の
すきまは任意に選んでもよ−さらく　半導体素子の形状
が細長い場合には冷却エレメントは１次元状に配置して
もよ１＋ｔ　本実施例は半導体素子以外への適用も可能
であム（実施例２） 第３図に本発明の第２の実施例の断面図を示す。

第３図において、　ｌは半導体素子、２は絶縁恢３は電
極板　４は放熱器　５は冷却エレメントであも　また　
第４図に本発明の第２の実施例の回路図を示ｔ。第４図
において、　６は感温素子、　７はベルチェ素子、　８
は定電流源であも第２の実施例の動作について説明すも
　これは各々３個の冷却エレメントを有する冷却装置を
２段配置した例であム　１段目の冷却エレメントの吸熱
側は半導体素子側く　１段目の冷却エレメントの放熱側
は２段目の冷却エレメントの吸熱側に２段目の冷却エレ
メントの放熱側は放熱器側になるように配置されていも
　各段の冷却装置の動作は実施例１で説明した内容と同
様であム半導体素子ｌが発熱し　素子面内に温度ｌ、温
度２、温度３の３つの部分をもって温度分布している場
合を考えも　温度ｌは絶縁体２ｃと電極板３ｃを経て冷
却エレメント５ｄに伝わり、温度２は絶縁体２ｃと電極
板３ｃを経て冷却エレメント５ｅに伝わり、温度３は絶
縁体２ｃと電極板３ｃを経て冷却エレメント５ｆに伝わ
ム　各冷却エレメントで（よ　感温素子６ｄは温度１を
検出し　感温素子６ｅは温度２を検出Ｌｇ温素子６ｆは
温度３を検出すム 感温素子６ｄ、　６ｅ、　６ｆがそれぞれ温度ｌ、温度
２、温度３を検出すると、感温素子６ｄ、　６ｅ、６ｆ
の抵抗が温度ｌ、温度２、温度３に応じて変化Ｌ　感温
素子６ｄ、　６ｅ、　６ｆに流れる電流が変化し　定電
流源８ｄ、　８ｅ、　８ｆにより感温素子６ｄとベルチ
ェ素子７ｄに流れる電流の和と、感温素子６ｅとベルチ
ェ素子７ｅに流れる電流の和と、感温素子６ｆとベルチ
ェ素子７ｆに流れる電流の和とが一定になるようにベル
チェ素子７ｄ、　７ｅ、７ｆに流れる電流が変化すも　
こうして温度ｌに応じて冷却エレメント５ｄの冷却能力
力（温度２に応じて冷却エレメント５ｅの冷却能力力（
温度３に応じて冷却エレメント５ｆの冷却能力が制御さ
れも　各冷却エレメントの放熱側から出た熱によって、
冷却エレメント５ｄ、　５ｅ、５ｆの放熱側の温度がそ
れぞれ温度４、温度５、温度６になり、温度４は電極板
３ｄと絶縁体２ｄと電極板３ｅを経て冷却エレメント５
ｇに伝わり、温度５は電極板３ｄと絶縁体２ｄと電極板
３ｅを経て冷却エレメント５ｈに伝わり、温度６は電極
板３ｄと絶縁体２ｄと電極板３ｅを経て冷却エレメント
５１に伝わム　各冷却エレメントで（１感温素子６ｇは
温度４を検出Ｌ−感温素子６ｈは温度５を検出し　感温
素子６１は温度６を検出すも感温素子６ｇ、　６ｈ、　
６ｉがそれぞれ温度４、温度５、温度６を検出すると、
感温素子６ｇ、　６ｈ、　６１の抵抗が温度４、温度５
、温度６に応じて変化Ｌｇ温毒素子ｇ、　６ｈ、６１に
流れる電流が変化し　定電流源８ｇ、　８ｈ、　８１に
より感温素子６ｇとベルチェ素子７ｇに流れる電流の和
と、感温素子６ｈとベルチェ素子７ｈに流れる電流の和
と、感温素子６１とベルチェ素子７１に流れる電流の和
とが一定になるようにベルチェ素子７ｇ、　７ｈ、　７
１に流れる電流が変化すも　こうして温度４に応じて冷
却エレメント５ｇの冷却能力力（温度５に応じて冷却エ
レメント５ｈの冷却能力力（温度６に応じて冷却ニレメ
ンｈ５ｉの冷却能力が制御されも　冷却ニレメンｈ５ｇ
、　５ｈ、５１の放熱側からでた熱は電極板３ｆと絶縁
体２ｅを経て外部の放熱器４に伝わり、外気に放熱され
も このように　第２の実施例の冷却装置においてＬ　温度
検出機能および冷却能力制御機能を有する複数の冷却エ
レメントが２次元状に配されており、各々の冷却エレメ
ントは温度分布を有する半導体素子の素子面内の各部の
温度を検出し　それに応じて冷却能力を制御するた数　
半導体素子の素子面内の温度ばらつきを低減するという
第１の実施例と同様の効果が得られも　さらく　多段構
成により１段目の冷却エレメントの放熱側の温度を低く
できるため１段目の吸熱効率を上げられ１段だけでは得
られなかった大きな冷却能力が得られるという効果を有
すム な耘　この第２の実施例では外部に放熱器を設けた場合
を扱った力（放熱器はなくてもよし−各冷却エレメント
の大きさや冷却能力さらに各定電流源の電流値は同じで
も異ならせてもよい。各冷却エレメント間のすきまは任
意に選んでもよ（−また　この第２の実施例では１段目
の冷却エレメント数と２段目の冷却エレメント数とを同
じにしているが異なっていてもよ（−ざらへ　半導体素
子の形状が細長い場合には冷却エレメントは１次元状に
配置してもよｈ　本実施例は半導体素子以外への適用も
可能であム 発明の効果 以上の説明から明らかなよう艮　本発明は温度検出機能
および冷却能力制御機能を有する複数の冷却エレメント
が２次元状に配されており、各々の冷却エレメントは温
度分布を有する半導体素子の素子面内の各部の温度を検
出し　それに応じて冷却能力を制御するた敢　半導体素
子の素子面内の温度ばらつきを低減でき、半導体素子内
部の信号のタイミングのずれを低減でき誤動作をなくす
ことができるという効果を有すム　また　多段構成を用
いた場合に（よ　１段目の冷却エレメントの放熱側の温
度を低くできることから１段目の吸熱効率を上げらｈｉ
段だけでは得られなかった大きな冷却能力が得られると
いう効果を有すａ　このように本発明によれば半導体素
子の消費電力の増大や大面積化に対して有効な冷却が実
現でき、実用上の効果は大なるものかあム

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における冷却装置の断面
は　第２図は本発明の第１の実施例における冷却装置の
回路医　第３図は本発明の第２の実施例における冷却装
置の断面図　第４図は本発明の第２の実施例における冷
却装置の回路＠　第５図は従来の冷却装置の一例を示す
断面図であも１・・・半導体素子、　２・・・絶＃＆恢
　３・・・電極板　４・・・放熱器　５・・・冷却エレ
メント、　６・・・感温素子、７・・・ペルチェ素子、
　８・・・定電流肌代理人の氏名　弁理士　小鍜治　明
　ほか２名ｔ−−−４’導体東δ ２−−一把　譲　体 ＠　１　図　　　　　　　　　　３−　電　径板第３図 １４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１、第２の絶縁体と、第１、第２の電極板と、
   温度検出機能および冷却能力制御機能を有し、かつ第１
   、第２の電極を有する複数の冷却エレメントとを具備し
   、前記第１の絶縁体は前記第１の電極板の一方の表面を
   被冷却物から電気的に絶縁するように置かれ、前記第２
   の絶縁体は前記第２の電極板の一方の表面を外部から電
   気的に絶縁するように置かれ、前記冷却エレメントは前
   記第１の電極板の前記第１の絶縁体で絶縁されていない
   表面と前記第２の電極板の前記第２の絶縁体で絶縁され
   ていない表面との間に置かれ、前記冷却エレメントの第
   １の電極は前記第１の電極板に接続され、前記冷却エレ
   メントの第２の電極は前記第２の電極板に接続され、前
   記冷却エレメントの吸熱側は前記第１の電極板側に配さ
   れ、前記冷却エレメントの放熱側は前記第２の電極板側
   に配される構成を特徴とする冷却装置。
2. （２）請求項１記載の冷却エレメントとしては、第１、
   第２の電極と、第１、第２の端子を有するペルチェ素子
   と、第１、第２の端子を有し正の抵抗温度係数を有する
   感温素子と、第１、第２の端子を有する定電流源とを具
   備し、前記ペルチェ素子の第１の端子と前記感温素子の
   第１の端子とは前記第１の電極に接続され、前記ペルチ
   ェ素子の第２の端子と前記感温素子の第２の端子と前記
   定電流源の第１の端子とは接続され　前記定電流源の第
   ２の端子は前記第２の電極に接続され、前記ペルチェ素
   子の吸熱側と前記感温素子とがほぼ等温になるように配
   置されたことを特徴とする冷却装置
3. （３）吸熱側と放熱側とが交互に重なるように複数段配
   置されていることを特徴とする請求項１または請求項２
   記載の冷却装置