JPH04226057A - 浸漬液冷用冷媒及びこれを用いた沸騰液冷式電子機器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体浸漬液冷用冷媒及
びこれを用いた沸騰液冷式電子機器に係る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、発熱体を冷媒に直接浸漬して冷
却する場合は、発熱体と冷媒との温度差ΔＴと、発熱体
の単位表面積から冷媒が除去する熱流束Ｗ／ｃｍ２　と
の間には図２（ａ）（ｂ）に示す関係がある。発熱体の
温度が上昇すると、まず対流域において、熱流束はΔＴ
に比例して増加するが、核沸騰域に移るときは、熱流束
が増加せずに突沸する傾向がある。その後に、核沸騰域
が続き、やがて膜沸騰域に遷移するときに熱流束は最大
値を示す。

【０００３】半導体素子を直接浸漬して冷却するときに
、低沸点冷媒とこれより沸点の高い冷媒とを混合するこ
とが知られている。本発明者等は、半導体素子の冷却技
術として、半導体素子を液体に直接浸漬して冷却する方
法を開発して来た。それらの方法は、■「半導体素子用
の沸騰冷却モジュール」米国特許第　４７０４６５８号
、■「ＬＳＩ　を液体に直接浸漬してコンピュータを冷
やす」日経エレクトロニクス１９８７．７．１３（ｎｏ
．４２５）ｐ１６７　〜１７６　、■「沸騰冷却におけ
る過熱現象」１９８２年（昭和５７年）秋季第４３回応
用物理学会学術講演会講演予稿集昭和５７年９月２８日
〜３０日ｐ５６９，２９ｐ−Ｆ−３、■「液冷式電子機
器」特開昭５９−１２５６４３号公報、■「Ｉｍｍｅｒ
ｓｉｏｎ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ−Ｄｅｎ
ｓｉｔｙ　Ｐａｃｋａｇｉｎｇ」ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳ
ＡＣＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ，ＨＹＢ
ＲＩＤＳ，ＡＮＤ　ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ　ＴＥ
ＣＨＮＯＬＯＧＹ　ｖｏｌ．ＣＨＭＴ−１２、Ｎｏ．４
、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９８７　、ｐ６４３〜６４６　
、■「ＳＴＵＤＩＥＳ　ＯＮ　ＩＭＭＥＲＳＩＯＮ　Ｃ
ＯＯＬＩＮＧ　ＦＯＲ　ＨＩＧＨ　ＤＥＮＳＩＴＹ　Ｐ
ＡＣＫＡＧＩＮＧ　」ＩＳＨＭ’８７　Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇ　ｐ１７５　〜１８０、■「半導体素子の冷却技
術」半導体・集積回路技術第２４回シンポジウム講演論
文集昭和５８年６月２日、３日ｐ３０〜３５、等に出願
或いは発表している。

【０００４】上記■米国特許　４７０４６５８号は冷媒
としてフレオン（Ｃ２Ｃｌ３Ｆ３）（ｂ．ｐ．４９℃）
　、Ｃ５Ｆ１２（ｂ．ｐ．３０℃）　、Ｃ６Ｆ１４（ｂ
．ｐ．５６℃）　等を記載し、沸騰冷却モジュールとし
て、本願明細書の第３図〜第１１図に示されるものを開
示した。■日経エレクトロニクス１９８７．７．１３．
（ｎｏ．４２５）ｐ１６７はＬＳＩ　浸漬液冷用の冷却
液として化学的に安定なフッ化炭素、分子量が数百のフ
ッ化炭素は沸点３０〜　１５０℃の無色透明な液体であ
り、沸点５６℃のフッ化炭素（パラフルオロヘキサン）
を用いる例を示す。又、２成分以上の混合液体では特定
の沸点をもたず、ある温度範囲の沸騰領域を持つことに
着目し、複数成分の冷却液を使用してオーバーシュート
を低減する沸点５６℃（パラフルオロヘキサン）と沸点
　１０１℃（パラフルオロ−２−オクタノン）の２種類
のフッ化炭素の混合比が２０：８０のときにオーバーシ
ュート極小値となることを記載する。

【０００５】■第４３回応物講演予稿集ｐ５６９　２９
Ｐ−Ｆ−３は沸点が５０℃、　１００℃の二種類の単一
成分を混合した二成分系冷媒において理想的な核沸騰開
始点からのズレである過熱のほとんどない沸騰が可能で
あることを記載する。 ■特開昭５９−１２５６４３号公報は、沸点が１０℃以
上相異なる２種のフルオロカーボンまたはフレオンをそ
れぞれ１０重量パーセント以上少なくとも含有する冷却
用液体として、沸点５０℃のフルオロカーボン（ＦＣ−
７８，Ｃ４ＮＯＦ１１）と沸点　１０２℃のフルオロカ
ーボン（ＦＣ−７５，Ｃ７Ｆ１６ＣＯ）　の８０：２０
重量％混合冷却用液体を記載し、炭素数５〜９個のフッ
素炭素系化合物のフルオロカーボンが好ましいことを記
載する。

【０００６】■Ｖｏｌ．ＣＨＭＴ−１２　、Ｎｏ．４，
１９８７，ｐ６４３はＦＸ−３２５０（ｂ．ｐ．５６℃
，３Ｍ）とＦＸ−３３００（ｂ．ｐ．１０２　℃，３Ｍ
）のフルオロカーボンの混合冷却液としてＦＸ３２５０
：ＦＸ−３３００　＝８０：２０の混合比の時最小オー
バーシュートとなることを記載する。■１ＳＨＭ’８７
ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｐ１７５　はパーフルオロカ
ーボン（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ　Ｃ６Ｆ１４
ｂ．ｐ．５６℃）が室温で冷却液として適切であること
を記載する。又Ｃ６Ｆ１４（ｂ．ｐ．５６℃）　を冷媒
に用いた時、膜沸騰が１０Ｗ／ｃｍ２　の熱流束である
ことを記載する。

【０００７】■半導体・集積回路技術第２４回シンポジ
ウム講演論文集３０頁はフレオンを用いた沸騰冷却能力
が２０Ｗ／ｃｍ２　であることを記載する。又、最大の
熱流束は各液体の気化熱に関係がある。冷却液の沸騰に
よる気泡の大きさは、液体の表面張力に関係があり、液
体ヘリウムの表面張力は０．１２ｄｙｎ／ｃｍと小さい
ので気泡も小さい。その結果、液体ヘリウム中では素子
の間隔を狭くすることができ、３次元的な高密度実装が
可能であることを記載する。

【０００８】本発明者らは、上記において、下記その他
をデータで示した。半導体素子の沸騰冷却モジュールの
冷却液としてａ）化学的に安定な炭素−フッ素結合で構
成される化合物であるフッ化炭素が好ましい。 ｂ）分子量が数百、沸点が３０〜　１５０℃のフッ化炭
素がある。 ｃ）沸騰冷却の理想的な核沸騰開始点からのズレである
過熱（オーバーシュート）を、沸点が異なるフッ化炭素
の二成分系冷媒（多成分系冷媒）を用いることにより低
減でき、最適組成とすることによりオーバーシュートを
極小としうる。

【０００９】ｄ）沸点が異なるフッ化炭素の多成分冷媒
としてパラフルオロヘキサン（Ｃ６Ｆ１４　ｂ．ｐ．５
６℃）　とパラフルオロ−２−オクタノン（Ｃ８Ｆ１６
Ｏ　ｂ．ｐ．１０１℃）　の系；フルオロカーボン（Ｆ
Ｃ−７８、Ｃ４ＮＯＦ１１　ｂ．ｐ．５０℃）　とフル
オロカーボン（ＦＣ−７５、Ｃ７Ｆ１６ＣＯ　ｂ．ｐ．
　１０２℃）　の系；フルオロカーボン（ＦＸ−３２５
０、３Ｍ、ｂ．ｐ．５６℃）　とフルオロカーボン（Ｆ
Ｘ−３３００、３Ｍ、ｂ．ｐ．　１０２℃）　の系が挙
げられる。

【００１０】ｅ）浸漬沸騰冷却はフッ化炭素を用いたと
きの冷却能力の限界はおよそ２０Ｗ／ｃｍ２　である。 ｆ）強制対流サブクール冷却では　１００Ｗ／ｃｍ２　
の冷却も可能である。 ｇ）冷却用液として炭素数５〜９のフッ素、炭素系化合
物が好ましい。 ｈ）サブクール冷却能は１０Ｗ／ｃｍ２　である。

【００１１】ｉ）Ｃ６Ｆ１４　ｂ．ｐ．５６℃の気泡径
は０．５ｍｍで、液体Ｈｅ　の気泡径は０．０５ｍｍで
ある。気泡径は表面張力に依存する。液体Ｈｅ　の表面
張力はＣ６Ｆ１４　の表面張力より２オーダー小さい。 Ｃ６Ｆ１４　を用いる液冷ではＬＳＩチップ間間隙は２
ｍｍまで狭くしうる。 ｊ）フレオンの沸騰冷却能力は２０Ｗ／ｃｍ２　と大き
い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの研
究成果を基礎として成されたものであり、冷媒の膜沸騰
温度の上昇を半導体素子の許容温度に抑制しながら、冷
媒が半導体素子の単位表面積から除去できる最大熱流束
を増加させることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体素子を直接浸漬して冷却する冷媒
であって、沸点が３０℃〜　１００℃の弗化炭素よりな
る低沸点冷媒にこれより沸点が　１００℃以上高い弗化
炭素よりなる高沸点冷媒を低沸点冷媒をベースとして２
０体積％未満混合したことを特徴とする冷媒を提供する
。

【００１４】本発明は沸点３０〜　１００℃の弗化炭素
の低沸点冷媒に、沸点　２１５℃あるいは沸点２５３℃
の弗化炭素の高沸点冷媒を必要最低限の量添加すること
により、今まで予期あるいは予想もされ得なかった、沸
騰冷却液媒体の表面張力を減小させる作用効果を発見し
たことに基くものである。冷媒の表面張力が減小するの
で、沸騰により生ずる気泡は小さくなり、膜沸騰遷移温
度における冷却能力が増加する。沸騰により生ずる気泡
が小さくなるので、基板に搭載されたＬＳＩモジュール
チップ間の間隙を、冷媒の最大熱流束を変えることなく
、狭くすることが可能となり、高密度実装が可能となる
。

【００１５】こうして、本発明は、同様に、被冷却物を
液体に浸漬して発熱部を主として沸騰液冷する沸騰液冷
式電子機器において、該液体が沸点が３０〜　１００℃
の弗化炭素よりなる低沸点冷媒と、これより沸点が　１
００℃以上高い弗化炭素よりなる高沸点冷媒を該低沸点
冷媒をベースとして２０体積％未満含有することを特徴
とする沸騰液冷式電子機器を提供する。

【００１６】低沸点冷媒の沸点は３０〜　１００℃でな
ければならない。半導体素子は、最高接合温度が約８５
℃で、冷却温度マージンが約１５℃であることから、約
８５℃以下、好ましくは７０℃以下の温度に冷却される
必要がある。そこで、室温で高い冷却効果を得るために
は低沸点冷媒の沸点がこの範囲にあることが必要で、好
ましい沸点は３０〜　１００℃、より好ましくは３０〜
６０℃の範囲内である。低沸点冷媒の沸点が室温より低
いと、強制的に室温以下に冷却する必要が生じ効率が悪
い。

【００１７】冷媒は、低沸点成分も高沸点成分も共に弗
化炭素類から選択する。冷媒は被冷却物との反応性のな
いものである必要があり、化学的安定性から弗化炭素が
最適である。ここに弗化炭素類は主として炭素を主骨格
とする炭化水素類の水素の全部あるいは殆んどを弗素で
置換した炭素−弗素結合の多い構造を有する化合物であ
るが、炭素、弗素の他に多少の酸素、窒素、硫黄などの
原子を含んでもよい。沸点が３０〜　１００℃の弗化炭
素の具体例としては、ＣＦ３（ＣＨ２）４ＣＦ３（ＦＣ
−８６、沸点５６℃）　、

【００１８】

【化１】

【００１９】

【化２】 などがある。

【００２０】高沸点冷媒は沸点が低沸点冷媒より　１０
０℃以上高い弗化炭素類よりなる冷媒である。沸点の差
が　１００℃以上高い弗化炭素類成分を少量添加するこ
とによって、冷媒の核沸騰から膜沸騰へ移るときの限界
熱流束を大幅に向上させることができることが見い出さ
れた。その結果、冷媒の冷却能力が飛躍的に向上する。 冷媒の沸点の差が小さいと、この効果も所望の如く大き
くない。 冷媒の沸点の差はより好ましくは　１５０℃以上である
。

【００２１】具体的には、高沸点冷媒は沸点が　１５０
以上、特に　１５０〜　２６０℃の弗化炭素類から選択
することが好ましく、例えばＣ１３Ｆ２６（ＦＣ−４０
、沸点　１５５℃）　、ＦＣ−４３（沸点　１７４℃）
、ＦＣ−７１（沸点　２５３℃）

【００２２】

【化３】

【００２３】

【化４】

【００２４】などがある。高沸点冷媒は、低沸点冷媒を
ベースとして２０体積％未満、より好ましくは９体積％
以下、さらに好ましくは１．５〜６体積％混合する。高
沸点冷媒の量が多すぎると、膜沸騰温度が上昇しすぎて
、半導体素子の信頼性に問題を生じる。図２を参照して
前記した如く、発熱体を冷媒中に直接に浸漬して冷却す
る場合、発熱体の温度上昇と共に自然対流から核沸騰へ
至り、さらに膜沸騰へ移る。そして、自然対流の場合よ
りも核沸騰の場合の方が熱流束が一段と大きく、核沸騰
から膜沸騰へ移ると熱流束が低下する。従って、自然対
流から核沸騰までの温度領域で冷却することが効率的で
あり、しかも核沸騰から膜沸騰へ移るときの限界熱流束
（最大熱流束）が大きい冷媒を用いることが望ましい。 本発明の冷媒は、この自然対流から核沸騰の温度領域、
主として核沸騰の温度領域で半導体素子を冷却するもの
であり、かつ被冷却体の単位面積当りの熱流束を大幅に
改良した冷媒である。理論に拘束されることは望まない
が、沸点が　１００℃以上高い弗化炭素類からなる高沸
点冷媒を２０体積％未満混合することによって、冷媒の
表面張力が小さくなるために膜沸騰に至るまでの熱流束
が大きくなると考えられる。こうして、本発明の弗化炭
素の混合冷媒は高い安定性と効果的な熱輸送能力の為に
常温近傍での冷却媒体として適切である。ＬＳＩ搭載基
板間の間隙は冷媒の性質に依存するが、本発明の弗化炭
素混合冷媒を用いることにより、間隙を２ｍｍないし、
０．８ｍｍにまで、膜沸騰を生ずることなく、低減する
ことが出来る。この間隙は冷媒の沸騰により発生する気
泡の大きさに依存するので、高い冷却能力を維持して、
ＬＳＩチップ間の間隙を狭くすることが可能となり、高
密度実装が可能となり、高冷却能を有する液冷装置全体
の小型化・コンパクト化が可能となる。

【００２５】上記は本発明がなされた開発経緯と、本発
明の作用・効果を述べたが、公知例を検索して調べた主
な冷却用液体について以下に要約する。東芝は特公昭５
１−２０７４２号公報、特公昭５１−２０７４３号公報
、特公昭５３−２０３１９号公報、特開昭５９−５８０
８号公報等にトランジスタやサイリスタなどの冷却に適
する冷却用液体、油入変圧器等の冷却に適する冷却用液
体、トランジスタ、サイリスタ、集積回路部品及び変圧
器等で使用される沸点可変の冷却用液体を記載する。こ
れらはフレオン（Ｒ１１３，Ｒ１１２）　にシリコーン
オイルを混合した冷却用液体であり、冷却機構はガス−
凝縮液化、あるいは、気泡による破壊電圧低下を防止す
る為気泡発生に対する抑制効果、もしくは、フレオンの
化学作用抑制効果、沸点を調整する等の為にシリコーン
オイルを含むものである。

【００２６】日立は特開昭４９−６８６７４号公報、特
開昭５２−３８６６２号公報、特開昭６１−１０４６９
６号公報に沸点の異なる二種の冷媒を封入した半導体装
置（不凝縮性の空気又は窒素を封入時に除去し、熱抵抗
を低減する）を記載する。 特に、特開昭６１−１０４６９６号公報は沸点差が７０
℃以上である２種以上の成分からなる非共沸混合冷媒を
記載する。 この非共沸混合冷媒を用いる理由は、冷媒の冷却性能を
支配する蒸発潜熱が改善されるからとされていることか
ら認められるように、この冷媒は本発明の冷媒のように
核沸騰領域を利用するものではなく、従って本発明の冷
媒を示唆するものではなく、また低沸点冷媒の沸点は氷
点下のものが使用されていて本発明の目的からは使用し
づらいものである。

【００２７】本発明の冷媒は、これらに対し、混合冷媒
がいずれも弗化炭素類であること、室温で主として核沸
騰領域を利用する冷媒であること、低沸点冷媒の沸点が
３０〜１００℃の範囲であること、高沸点冷媒は低沸点
冷媒に対し沸点差が　１００℃以上であることを特徴と
する点において異なる。

【００２８】

【実施例】

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。 図３は沸騰冷却用冷媒の冷却能力を測定する装置の断面
図を示す。冷却容器１と循環冷却器２と冷却用媒体であ
る水の入口側と出口側の配管３，４が設けられる。冷却
容器１は二重構造をとり、内側の容器１１には沸騰冷却
能力を測定する弗化炭素からなる冷媒７が入れられ、外
側の容器１２には循環冷却器２で所定温度に冷却された
水が配管３，４を介して流れるように構成され、内側容
器１１と外側容器１２の間には熱伝達効率を上げるフィ
ン５が設けられている。

【００２９】冷却容器１の内側容器１１に冷媒として沸
点５６℃のフルオロカーボンに高沸点成分の沸点　２１
５℃又は沸点　２５３℃のフルオロカーボンを所定量添
加した混合冷媒を４００ｍｌ入れ、ＬＳＩモデルとして
１３ｍｍ口のＳｉ　チップを浸漬した。Ｓｉ　チップの
浸漬法としては、Ｓｉ　チップ２１の端部で支持し、Ｓ
ｉ　チップの両面より沸騰冷却が行われる両面冷却型図
４（ａ）、及びＳｉ　チップ２１が搭載されたセラミッ
ク基板２３を浸漬し、Ｓｉ　チップの片面側より沸騰冷
却が行われる片面冷却型図４（ｂ）、について各々測定
した。両面冷却型は片面冷却型の約２倍の熱流束が得ら
れる。発熱体は、１３ｍｍ口Ｓｉ　チップ２１の両面も
しくは片面にＮｉＣｒ薄膜２４を形成し、容積　５００
ｍｌの内側容器１１内にＳｉ　チップ２１が水平配置と
なるように支持体２２で支持し、上記冷媒７に浸漬し、
発熱体の熱流束値を変化させ、Ｓｉ　チップ２１の表面
温度を測定した。温度測定は発熱体表面に溶接した銅コ
ンスタンタン熱電対２５を用いて行った。

【００３０】図５は低沸点成分として沸点５６℃のＦＸ
３２５０　（３Ｍ社製）　を用い、これに、高沸点成分
として沸点　２１５℃のＦＣ−７０（３Ｍ社製）　を０
，３，６，９体積％添加混合した弗化炭素混合冷媒を用
いた時の熱流束（Ｗ／ｃｍ２　）と冷媒の温度との関係
を示す。冷媒の温度は０．１ｍｍφ銅−コンスタンタン
熱電対で測定した。尚、循環冷却器２から冷却容器１の
外側容器１２に送られる冷却水の入口温度は５〜１８℃
で、外側容器１２から排出される冷却水の出口温度は８
〜２２℃であり、冷却水の送水量は　２５０ｍｌ／ｍｉ
ｎ　であった。

【００３１】図５から明らかな如く、沸点５６℃のＦＸ
３２５０に沸点　２１５℃のＦＣ−７０　を３〜９体積
％添加した混合冷媒液体は、ＦＸ３２５０単独の冷媒液
体に比較し、同一の冷媒液体温度に対し、１０℃の時１
．４７〜１．５６倍；２０℃の時、１．７０〜１．８０
倍と約１．５〜１．８倍熱流束が大となり、冷却能力が
著しく向上している。尚、この時のＳｉ　チップは図４
（ａ）の如く、両面冷却型で冷却されている。

【００３２】図６は低沸点成分として沸点５６℃のＦＸ
３２５０（３Ｍ社製）　を用い、これに高沸点成分とし
て沸点　２５３℃のＦＣ７１（３Ｍ社製）　を０，１．
５，３，４．５，６，９体積％添加混合した弗化炭素混
合冷媒を用いた時の熱流束（Ｗ／ｃｍ２　）と冷媒の温
度との関係を示す。図から明らかな如く、高沸点成分の
ＦＣ７１を添加混合することにより、同一の冷媒液体温
度に対して、熱流束（Ｗ／ｃｍ２　）は１０℃の時１．
４３〜１．８５倍；２０℃の時１．６０〜２．３３倍大
きく、冷却能力が向上している。

【００３３】図７は表面に形成したＮｉＣｒ薄膜抵抗体
を有する上記Ｓｉ　チップ発熱体を冷却する沸騰冷却液
に浸漬して、図４（ａ）の両面冷却を行ない、発熱体の
熱流束値を変化させ、Ｓｉ　チップ発熱体の表面温度お
よび冷媒の飽和温度を測定し、自然対流から核沸騰に遷
移する際の過熱現象による核沸騰直前の過熱の大きさを
Ｓｉ　チップの表面温度から測定したものである。

【００３４】図７でＳｉ　チップ発熱体を冷却する沸騰
冷却液体に低沸点成分として沸点５６℃のＦＸ３２５０
（Ｃ６Ｆ１４３Ｍ社製）　を用い、これに高沸点成分と
して沸点　２５３℃のＦＣ−７１　を１．５体積％添加
した混合冷媒を用いる例を示す。比較の為ＦＸ３２５０
単独で冷媒として用いる例も示す。図でタテ軸は熱流束
を示し、横軸はチップの過熱度を示す。図より、高沸点
成分のＦＣ−７１　を１．５体積％含む混合冷媒では、
冷媒温度を１０℃に制御した時、熱流束５０Ｗ／ｃｍ２
　、チップの過熱度５４℃が得られた。比較例として示
すＦＸ３２５０低沸点成分単独の冷媒では、熱流束２７
Ｗ／ｃｍ２　、チップの過熱度は４２℃であった。即ち
、チップ温度は各々６４℃、５２℃となる。即ち、Ｓｉ
　チップ発熱体の過熱度は高くなるものの、限界熱流束
は約１．８５倍となり、冷却能力が向上する。

【００３５】図８は低沸点成分として沸点３０℃のＣ５
Ｆ１２（３Ｍ社あるいはダイキン工業社製）　を用い、
これに高沸点成分として沸点　２５３℃のＦＣ７１（３
Ｍ社製）　を０，３，６体積％添加混合した弗化炭素混
合冷媒を用いた時の熱流束（Ｗ／ｃｍ２　）と冷媒液体
の温度との関係を示す。図から明らかな如く高沸点成分
のＦＣ７１を添加混合することにより冷媒液体温度１０
℃の時、１．７１〜１．８７倍；２０℃の時１．５３〜
１．６５倍熱流束が大となり、冷却能力が向上する。

【００３６】図９は、低沸点成分として沸点３０℃のＣ
５Ｆ１２（ダイキン社製）　を用い、これに高沸点成分
として沸点　２５３℃のＦＣ−７１（３Ｍ社製）　を０
〜９体積％添加混合した弗化炭素混合冷媒を用いた時の
ＦＣ−７１　の添加量と冷媒の限界熱流束（Ｗ／ｃｍ２
　）の関係（□−□）及び、ＦＣ−７１　の添加量とチ
ップ温度の関係（○−○）を示すグラフである。尚、冷
媒温度は１５℃に制御した。図より明らかな如く、高沸
点成分としてのＦＣ−７１　の添加量増加につれて、限
界熱流束は３体積％までは、３５Ｗ／ｃｍ２　から６５
Ｗ／ｃｍ２　に急激に上昇するが、それ以上の３〜９体
積％までは限界熱流束の上昇は緩かになる。一方、チッ
プ温度はＦＣ７１の添加量にほぼ比例して、４７℃から
ＦＣ−７１　が６Ｖｏｌ％の８４℃に上昇する。

【００３７】次に、図１に高沸点成分冷媒の添加量と最
大熱流束（片面冷却）との関係を示す。低沸点冷媒に混
合する高沸点冷媒の添加量を変えた混合冷媒に基板上に
搭載された半導体素子を直接浸漬（片面冷却型）して、
素子の発熱中は混合冷媒を冷却して２０℃に保った。他
方、半導体素子は膜沸騰遷移温度における発熱量を測定
して単位表面当りの最大熱流束（Ｗ／ｃｍ２　）を求め
、これと低沸点冷媒の量をベースとする高沸点冷媒の添
加量（体積％）との関係を求めた。いずれの混合冷媒の
場合も、低沸点冷媒としては沸点５６℃の冷媒（ＦＸ−
３２５０）を使用し、高沸点冷媒は、実施例Ａ，Ｂ，Ｃ
としてそれぞれ沸点　２５３℃、　２１５℃及び　１６
５℃の冷媒（ＦＣ−７１，ＦＣ−７０，ＦＣ−５３１１
）　、比較例Ｄとして特開昭５９−１２５６４３号公報
の沸点１０１　℃の冷媒（ＦＣ−１０４）　を使用した
。

【００３８】得られた結果を図１に示す。実施例（Ａ）
，（Ｂ）の場合は、表面張力の減少によって素子から離
れる気泡が小さくなり、膜沸騰遷移温度における最大熱
流束が３０Ｗ／ｃｍ２　程度に増加する。（Ｃ）の場合
最大熱流束は２４Ｗ／ｃｍ２　程度に増加する。これに
対して特開昭５９−１２５６４３号公報の実施例による
比較例（Ｄ）では、最大熱流束は２０Ｗ／ｃｍ２　であ
り、無添加の１８Ｗ／ｃｍ２　よりほとんど増加しない
。

【００３９】なお、低沸点冷媒をベースとする高沸点冷
媒の添加量が３〜５体積％で、最大熱流束はほぼ一定と
なる。また添加量が２０体積％以上では膜沸騰温度が上
昇し過ぎるので、半導体素子の信頼性に問題を生じる。 図１０は本発明の実施に使用する液冷モジュールの斜視
図、図１１はこの断面図、また図１２は部分拡大断面図
である。

【００４０】液冷モジュール３１は金属製の容器３２の
両側面が窓開けされていて、そこにＬＳＩなどのチップ
３３を複数個装着したセラミック回路基板３４が内側か
ら封着してある。また液冷モジュール３１の上部には冷
却水を供給する給水管３５が設けられている。

【００４１】液冷モジュール３１の内部には複数個の熱
交換パイプ３６が設けられていて、その中を冷却水が循
環しており、この内の冷媒３７に浸る部分の上には多孔
質金属からなる気泡トラップ３８が固定して設けてある
。セラミック回路基板３４の上で上下に配列したチップ
３３の間には気泡誘導板３９が設けられていてチップ３
３から発生した冷媒ガスを気泡トラップ３８に導くよう
になっている。

【００４２】セラミック回路基板３４はガラスセラミッ
クなどからなり多層化されているが、この裏面には多数
のリードピン４０が埋め込み形成されており、コネクタ
接続が可能なように構成されている。液冷モジュール３
１においては、複数個のチップ３３を搭載したセラミッ
ク回路基板３４は裏側に設けたリードピン４０によって
コネクタ接続を行うもので、チップ３３はフリップチッ
プボンディング法によってセラミック回路基板３４の配
線パターンに溶着しており、基板内のバィアホールによ
ってリードピン４０に回路接続されている。

【００４３】気泡トラップ３８はチップ３３より気化し
たガスを効果的に液化するために設けたものである。な
お気泡トラップ３８には２０個／ｃｍ３　の気孔（直径
約０．５〜０．６ｍｍに対応）が設けてあり、また熱交
換パイプ３６には１ｌ／分の速度で冷却水が流れている
。一般的に、気泡トラップは約１５〜５０個／ｃｍ３　
の気孔を持つべきである。

【００４４】気泡トラップありの場合の特性は、なしの
場合の特性に較べて遙かに優れており気泡トラップ３８
の存在によって気泡の液化が促進され、チップ３３の温
度上昇が抑制される。なお熱交換パイプ３６を冷媒中に
設ける場合と液上の空間に設ける場合の差については空
間に設けると浮上し破裂した気泡の飛沫の付着などによ
ってパイプが濡れて効率の低下を招き易く、そのため冷
媒中に気泡トラップ３８を設け、ここに溜った気泡を液
化する場合が最も効率がよい。

【００４５】気泡トラップ３８として多孔質金属を用い
て気泡をトラップするものの、冷媒３７は容易に通過で
きるようにすることにより、冷媒３７の循環を助長する
。また気泡誘導板３９はチップ３３の表面から発生する
気泡を効果的に気泡トラップ３８に導くためのもので、
冷媒に不溶性な材料からなる気泡誘導板３９をチップ３
３の直上に気泡トラップ３８に近接して配置することに
よって気泡の殆どを気泡トラップ３８に導くことができ
る。

【００４６】気泡誘導板のある場合の特性は、ない場合
の特性に較べて遙かに優れており、この存在によりチッ
プ３３の温度上昇が抑制される。図１３は本発明に用い
る液冷構造（その２）であって、集積度の高い半導体チ
ップ（以下略してＬＳＩ）６３は多層セラミックなどの
回路基板６４にフリップチップボンディングなどの方法
で回路接続されており、基板は冷却容器６５の底部に装
着され図示を省略したコネクタ接続により、外部回路に
接続されている。

【００４７】冷却容器６５は二重構造をとり、内側の容
器には本発明の低沸点のフルオロカーボンからなる冷媒
６６が入れられており、この冷媒６６を上下に区画する
形で熱交換器６７が設けられている。二重構造をとる冷
却容器６５の外側には熱交換器６７を通る冷却水が流れ
るように構成されている。

【００４８】熱交換器６７は冷媒６６を自由に通過させ
るが発熱したＬＳＩ　６３より沸騰して発生する気泡は
トラップされる構造であって、この実施例の場合は水平
に蛇行する複数の銅パイプが銅の発泡材で連結された構
成をとり、１ｃｍ３　当たりに約１５〜５０個の穴が開
いている。このような構成をとるとＬＳＩ　６３より発
生する気泡は総て熱交換器６７にトラップされ、ここで
冷却されて液化するので、冷却能力を向上することがで
きる。

【００４９】図１４は冷却構造（その３）を示すもので
、密閉された冷却容器７５の中にはコネクタ７８に装着
して固定された回路基板７４があり、この上に複数のＬ
ＳＩ　７３がフリップチップボンディング法により装着
されている。熱交換器を構成する熱交換パイプ７９は１
本の連続したパイプが各段のＬＳＩ　７３の間を屈曲し
て張りめぐらされた構造をとる。

【００５０】この場合、ＬＳＩ　７３より発生する気泡
は必ず複数個の熱交換パイプ７９に触れて浮上するので
、この際に冷却され、これにより冷却能力が向上し、ま
た均一に冷却される。図１５は冷却構造（その４）を示
すもので、図１４の改良形である。この構造においては
回路基板７４は冷却容器７５の側面に填め込む構造をと
る。

【００５１】そしてこの上に装着し、縦に並んでいるＬ
ＳＩ　７３の間には気泡ガイド板８０があり、これに気
泡トラップ８１が備えてあり、この下に複数個の熱交換
パイプ７９が並んでいる。気泡トラップ８１には穴があ
いており、冷媒７６は自由に通過するが、気泡はこの下
にトラップされるようになっている。

【００５２】実施例においては厚さ０．１ｍｍのステン
レス板に０．５〜２ｍｍの穴を開けたものを気泡トラッ
プ８１として用いる。かかる構成をとるとＬＳＩ　７３
より発生した気泡は気泡ガイド板８０に当たって気泡ト
ラップ８１に導かれ、熱交換パイプ７９によって冷却さ
れ液化するプロセスをとる。

【００５３】そのため冷却能力の向上が可能となる。図
１６は冷却構造（その５）を示すもので、二重構造をと
る冷却容器９５の内側の密封容器には複数個のＬＳＩ　
９３がボンディングされている回路基板９４があり、こ
のＬＳＩ　９３の間にヒートパイプ９２が設置されてい
て、ヒートパイプ９２の一端は密封容器の隔壁を通って
冷却水が流れる外側容器９７に突出している。

【００５４】ヒートパイプ９２の端は放熱板９４に接続
しており、水冷されるようになっている。このような構
成をとることにより、ＬＳＩ９３の発熱により、これに
接するヒートパイプ９２は温度上昇するが、他端が冷却
されているためにヒートパイプの中の冷媒が循環して冷
却され、効率のよい冷却が行われる。

【００５５】ヒートパイプ９２の冷媒としてメタノール
を用い良い結果を得ることができる。図１７は冷却構造
（その６）を示すもので、冷媒を冷却容器１０５　より
外に取り出して強制循環させ、外部に設けた熱交換器（
ラジエータ）１１５　により冷却する構造である。この
場合、ＬＳＩ　１０３　より発生した気泡は熱交換パイ
プ１０９　で冷却され部分的に液化するが、温度上昇し
た本発明の冷媒１０６　は熱交換器（ラジエータ）１１
５　で冷却され、ポンプ１１６　により強制循環し、気
泡分離器１１７　を経て冷却容器１０５　に戻る構成を
とる。

【００５６】このようにすると、冷媒１０６　は強制冷
却されるので効率の良い冷却を行うことができる。図１
８は複数の液冷モジュール３１を組込んだシステムを示
す。各液冷モジュール３１は図１６と同様であるが、そ
れを三次元的に配置し、かつアルミニウムその他の材料
からなる箱３２で覆っている（図１０参照）。

【００５７】

【発明の効果】本発明の混合冷媒は、従来技術の混合冷
媒に比べて、著しく最大熱流束が増加するので、高発熱
量の半導体素子を高密度で冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高沸点冷媒の添加量と最大熱流束との関係（片
面冷却）を示す図である。

【図２】冷媒と被冷却体（発熱体）との温度差と被冷却
体から除去される熱流束の関係を示す図である。

【図３】沸騰冷却用冷媒の冷却能力を測定する装置の断
面図である。

【図４】両面冷却型（ａ）及び片面冷却型（ｂ）の冷却
装置の断面図である。

【図５】冷媒の熱流束と温度との関係を示す図である。

【図６】冷媒の熱流束と温度との関係を示す図である。

【図７】半導体素子の過熱度と熱流束の関係を示す図で
ある。

【図８】冷媒の温度と限界熱流束との関係を示す図であ
る。

【図９】高沸点冷媒の添加量と限界熱流束との関係を示
す図である。

【図１０】液冷モジュールの斜視図である。

【図１１】液冷モジュールの断面図である。

【図１２】液冷モジュールの部分拡大断面図である。

【図１３】液冷構造（その１）の断面図である。

【図１４】液冷構造（その２）の断面図である。

【図１５】液冷構造（その３）の断面図である。

【図１６】液冷構造（その４）の断面図である。

【図１７】液冷構造（その５）の断面図である。

【図１８】液冷モジュールを複数組込んだシステムの斜
視図である。

【符号の説明】

１…冷却容器 ２…循環冷却器 ３，４…配管 ５…フィン ７…冷媒 １１…内側容器 １２…外側容器 ２１…Ｓｉ　チップ ２２…支持体 ２３…セラミック基板 ２５…熱電対 ３１…液冷モジュール ３３…チップ ３４…セラミック回路基板 ３６…熱交換パイプ ３７…冷媒 ３８…気泡トラップ ３９…気泡誘導板 ４０…リードピン ６３，７３，９３，１０３…ＬＳＩ　 ６４，７４，９４，１０４…回路基板 ６５，７５，９５，１０５…冷却容器 ６６，７６，９６，１０６…冷媒 ６７…熱交換器 ７９…熱交換パイプ ８０…気泡ガイド板 ８１…気泡トラップ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体素子を直接浸漬して冷却する冷
   媒であって、沸点が３０℃〜　１００℃の弗化炭素より
   なる低沸点冷媒にこれより沸点が　１００℃以上高い弗
   化炭素よりなる高沸点冷媒を低沸点冷媒をベースとして
   ２０体積％未満混合したことを特徴とする冷媒。
2. 【請求項２】　　上記高沸点冷媒が沸点　１５０℃〜　
   ２６０℃の弗化炭素である請求項１記載の冷媒。
3. 【請求項３】　　上記低沸点冷媒が沸点３０〜５６℃の
   弗化炭素であり、上記高沸点冷媒が沸点　２１５〜　２
   ５３℃の弗化炭素である請求項１記載の冷媒。
4. 【請求項４】　　上記高沸点冷媒がトリス（パラフルオ
   ロペンチル）アミン｛（Ｃ５Ｆ１１）３Ｎ　｝である請
   求項１記載の冷媒。
5. 【請求項５】　　上記高沸点冷媒がパラフルオロアント
   ラセン（Ｃ１４Ｆ２４）である請求項１記載の冷媒。
6. 【請求項６】　　上記高沸点冷媒がパラフルオロフェナ
   ントレン（Ｃ１４Ｆ２４）である請求項１記載の冷媒。
7. 【請求項７】　　上記低沸点冷媒がＣ５Ｆ１２　または
   Ｃ６Ｆ１４　である請求項１記載の冷媒。
8. 【請求項８】　　上記低沸点冷媒および高沸点冷媒が分
   子式　Ｃｎ　Ｆ２ｎ＋２　またはＣｎ　Ｆ２ｎ　（ｎは
   正の整数）で表される請求項１記載の冷媒。
9. 【請求項９】　　被冷却物を液体に浸漬して発熱部を主
   として沸騰液冷する沸騰液冷式電子機器において、該液
   体が沸点が３０〜　１００℃の弗化炭素よりなる低沸点
   冷媒と、これより沸点が　１００℃以上高い弗化炭素よ
   りなる高沸点冷媒を該低沸点冷媒をベースとして２０体
   積％未満含有することを特徴とする沸騰液冷式電子機器
   。
10. 【請求項１０】　　上記高沸点冷媒が沸点　１５０〜　
    ２６０℃の弗化炭素である請求項９記載の沸騰液冷式電
    子機器。
11. 【請求項１１】　　上記低沸点冷媒が沸点３０〜５６℃
    の弗化炭素であり、上記高沸点冷媒が沸点　２１５〜　
    ２５３℃の弗化炭素である請求項９記載の沸騰液冷式電
    子機器。
12. 【請求項１２】　　上記高沸点冷媒を上記低沸点冷媒を
    ベースとして９体積％未満含有する請求項１１記載の沸
    騰液冷式電子機器。