JPH0426216B2 - - Google Patents

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JPH0426216B2
JPH0426216B2 JP24395983A JP24395983A JPH0426216B2 JP H0426216 B2 JPH0426216 B2 JP H0426216B2 JP 24395983 A JP24395983 A JP 24395983A JP 24395983 A JP24395983 A JP 24395983A JP H0426216 B2 JPH0426216 B2 JP H0426216B2
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JP
Japan
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protrusion
heat
heat transfer
cavity
liquid
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JP24395983A
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JPS60136353A (ja
Inventor
Hisashi Nakayama
Tadakatsu Nakajima
Shigeki Hirasawa
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPH0426216B2 publication Critical patent/JPH0426216B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161Disposition
    • H01L2224/16151Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/1015Shape
    • H01L2924/10155Shape being other than a cuboid
    • H01L2924/10158Shape being other than a cuboid at the passive surface

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、電子計算機の冷却装置、サイリスタ
などパワー半導体の冷却装置に関するものであ
る。
〔発明の背景〕
集積回路チツプの沸騰冷却を促進する従来の方
法の一を第1図に示す。配線基盤1にハンダボン
デイング3を介してチツプ2が搭載されており、
チツプの面には針状の金属柱4(デンドライト)
が冶金過程により多数形成されている。該デンド
ライトの集合は、集積回路チツプが不伝導性の液
5に浸漬されて用いられる際、集積回路チツプの
発熱により高温となり、不伝導性流体の蒸気泡6
を発生するのに必要な多数の気泡発生核を内蔵し
ている。このため集積回路チツプの発熱を速やか
に除去することができ、チツプに内蔵された電子
回路の高速作動により大量の熱が発生しても、チ
ツプの温度上昇は抑制される。しかしながらこの
方法によると、デンドライト4の成長間隔、高
さ、デンドライト集合に内包され気泡発生核とし
て働く空隙の大きさ、などのパラメータは、デン
ドライト成長工程により支配され、ある工程条件
のもとではこれらのパラメータ値はある狭い範囲
に収められる。一方、沸騰伝熱の性能はこれらの
パラメータにより支配され、チツプ面の発生熱流
束qとチツプ面の温度を流体の飽和温度の間の差
である過熱度ΔTとの関係は、qはタテ軸に、
ΔTを横軸にとつたグラフ上に示すとある特定の
こう配を有する曲線により表される。このような
構造を有する伝熱面では、デンドライトのような
柱状要素が粗に設けられている場合、大きなΔT
のもとで高いqが得られるものの小さなΔTのも
とではqが急激に低下し、柱状要素が密に設けら
れている場合には大きなΔTのもとではqは比較
的小さく、ΔTの低下に伴ないqは減少するもの
の減少の割合は大きくないので、あるΔTを境い
にこれより小さいのでΔTのもとでは柱状要素が
粗に設けられている伝熱面の性能を上回る性能を
発揮するようになる。しかるに従来の方法ではあ
る特定のq−ΔTの関係しか得られないので、チ
ツプの発熱量の多少に応じたデンドライトの最適
設置間隔に実際の設置間隔が必ずしも一致しない
という欠点がある。
従来の方法の二は第2図に示すように、パリー
半導体素子を内蔵したパツケージ7において半導
体素子が搭載されるパツケージの面の配線ピン9
の周辺に、金属粒子の焼結層8を形成し、これら
を不伝導性液5に浸漬したものである。半導体素
子の作動により発生した熱は多孔質層8に伝えら
れ、このため多孔質層は高温となり、多孔質内に
内蔵される多数の空隙に保持された蒸気核の働き
で多数の蒸気泡が発生する。このため半導体素子
の発熱は速やかに取り除かれるが、この方法でも
多孔質層内の空隙寸法と存在密度は焼結する金属
粒子の大きさと焼結条件により決まりある特定の
q−ΔTの関係しか得られない。このような面で
は空隙と寸法と密度が大きいと大きなΔTのもと
で高い伝熱性能が得られ、空隙の寸法と密度が小
さいと小さいΔTのもとで高い伝熱性能が得られ
る傾向がある。従つてこの従来の方法では、半導
体素子の発熱量の多少に応じた最適な空隙寸法と
存在密度に実際の空隙寸法と存在密度が必ずしも
一致しないという欠点がある。更にこの方法によ
る多孔質層は、発熱面の熱流束が大きくなると蒸
気の発生が活発になり過ぎて面が蒸気膜で覆われ
る結果、面の温度が急激に上昇してしまういわゆ
るバーンアウト現象を起しやすく、束ちバーンア
ウト熱流束が低く、半導体素子の動作速度にはバ
ーンアウト熱流束から決められる発熱許容量によ
つて限界値があるので動作速度を東に大きくとれ
ないという欠点がある。
〔発明の目的〕
本発明は、集積回路チツプ、半導体素子などの
発熱体の発熱量の多少に拘らず、発生熱流束を伝
えるに必要な温度差を常に小さく保ち、その結果
発熱体の温度を常に低く抑えることにある。
〔発明の概要〕
本発明は、異なる沸騰伝熱性能を有する二種ま
たはそれ以上の種類の微細表面構造を、発熱体に
取り付けた柱状突起物の表面の異なる領域にそれ
ぞれ設け、発熱量の多少に応じて該表面構造のう
ちのいずれかが他の表面構造よりも優れた伝熱性
能を発揮するようにし、単一種類の表面構造を設
けた場合に生ずる発熱量の多少に応じた伝熱性能
の低下を防ぐようにしたことを特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下図について本発明の実施例を説明する。
第3図において配線基盤1に搭載された集積回
路チツプ2に柱状突起10が取り付けられ、不伝
導性液5にチツプと突起のアツセンブリーが浸漬
されている。突起10の表面にはネジ状のフイン
11が突起根本近くの領域に、多孔面構造12が
突起先端近くの領域に設けられている。表面構造
の詳細は第4図に示してあり、突起10の表面に
フイン11および、表皮下空洞13,15と該空
洞と外部の領域を連結する多数の開孔14とから
成る表面構造が設けられている。フイン状面の伝
熱性能と、多孔面の伝熱性能は、第5図に投影面
積基準の熱流束q(W/cm2)と固体壁温度と流体
の飽和温度との差である過熱度ΔTとの関係を示
すグラフ上に示してあり、フイン面には曲線Aで
示すごとく高い熱流束のもとで小さなΔTをもた
らし、多孔面は曲線Bで示すごとく低い熱流束の
もとで小さなΔTをもたらす。即ち曲線Aと曲線
Bとの交点での過熱度ΔT*を境いにΔT>ΔT*
おいてはフイン面の性能が多孔面の性能より優
れ、ΔT<ΔT*においては多孔面の性能がフイン
面の性能よりも優れている。更にバーンアウト点
の熱流束は矢印3,4によりそれぞれ示すよう
に、フイン面のバーンアウト熱流束は多孔面の熱
流束にくらべて大きい。第5図に示したデータ
は、第4図に示した記号の数値がそれぞれhf
1.1mm、λf=0.55mm、d0=0.1mm、dc=0.3mm、λc
0.55mmである銅製の試片を、それぞれ冷媒液R−
11中に浸漬して加熱し大気圧(0.1MPa)下でR
−11液の沸騰を生ぜしめて観測したものである
が、冷媒液の種類、試片材料の種類が異なつても
前記の面構造による伝熱特性の異なり方の傾向は
同じである。
フイン面と多孔面における沸騰伝熱機構の違い
を第6図に示してあり、フイン面11においては
熱流束q1が大きい場合に多量に発生する蒸気6を
冷媒液5に放出しやすく、多孔面においては熱流
束q2が低い場合に空洞内13に多量の蒸気を安定
に蓄え、開孔14からの蒸気泡の発生6′を容易
にし、かつ空洞内に侵入する液15の蒸発により
高い熱伝達率が得られる。
かかる異種の面構造を相隣る領域に設けたた
め、突起表面の熱流束が多孔面のバーンアウト熱
流束を超えてもフイン面が作動して発熱体の温度
が急激に上昇することはなく、また低い熱流束の
状態にあつても多孔面の働きによつて発熱体の温
度はフイン面のみを設けた場合よりも低く抑えら
れる。
突起の設計に当つては第3図に示す記号の寸法
即ち円柱状突起の直径d、長さl、フイン面が占
める領域の長さl1、多孔面が占める領域の長さl2
を決める必要があり、これには予期される発熱量
の範囲、チツプ周りに許容されるスペースの広さ
などが重要な要因である。フイン面を突起の根元
近くに設けるのは、根元に近いほど突起の温度が
高いため過熱度ΔTが大きいからで、フイン面の
領域と多孔面の領域の境界において突起表面の過
熱度ΔTが第5図における境界過熱度ΔT*にほぼ
ひとしくなるようにl1とl2の寸法を決めると突起
全体としては最高の伝熱性能を与えられることに
なる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、発熱体に近い突起根本の領域
に微細な副突起を設けたため、大きな発熱量が与
えられた場合でも発熱蒸気が突起表面より離脱し
易いために発熱体の温度が急激に上昇するおそれ
がなく、更に突起先端近くの比較的突起の温度が
低い、即ち過熱度が小さい領域にはそのような過
熱領域で高い熱伝達率をもたらす多孔面構造を設
けたため該領域でも効果的な沸騰熱伝達が行なわ
れる。また低いレベルの発熱量が与えられた場
合、フイン面の伝熱性能は低下するが、多孔面の
存在のために突起全体の伝熱性能が低下すること
は無い。
本発明は電子機器の冷却に使用されるため、使
用液はフレオンなどの不伝導性流体で沸騰現象を
支配する重要な因子である流体の表面張力は水な
どにくらべて小さい。これに対応して表面構造の
寸法も小さくする必要があるが、副次突起(フイ
ン)の高さおよび設置間隔が0.2mmよりも小さく
なると表面から離脱する気泡の大多数が有する直
径のほうが副次突起表面構造の寸法よりも大きく
なるため表面が蒸気膜で覆われる。即ちバーンア
ウト状態が起りやすくなり従つて単純な平滑面の
特性と大きな差が無い特性となる。また副次突起
の高さが5mmを超えると突起と突起の間の溝底に
液が供給され難くなり、一方液の供給を促すべく
副次突起の間隔を5mm以上に広げると表面近傍の
液の対流と蒸気泡の離脱状況が平滑面のそれらと
大差ない状況となり、これまた伝熱面特性が平滑
面のそれに近づいてしまう。多孔面構造の寸法に
ついては、開孔および空洞の断面の最短寸法が
0.01mmよりも小さくなると蒸気が多孔面構造内部
に過度に蓄積されるので空洞内部への液侵入が妨
げられる結果伝熱性能が低下し、またこれらの部
分の該寸法が0.3mmを超えると液が過大量空洞内
に侵入するため多孔面本来の機能が阻害されこれ
また伝熱性能が低下してしまう。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来例一の側面図、第2図は、従来
例二の側面図、第3図は、本発明による一実施例
の部分的に断面をとつた図、第4図は、第3図に
示す本発明による一実施例の詳細拡大図、第5図
は、第3図に示す本発明による一実施例の沸騰曲
線、第6図は、第3図に示す本発明による一実施
例の沸騰原理図を示す。 1……配線基板、2……集積回路チツプ、3…
…ハンダボンデイング、5……冷媒液、6,6′
……蒸気泡、10……柱状突起、11……フイ
ン、12……多孔面構造、13,15……表皮下
空洞、14……開孔、15……侵入液。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 発熱体を液に浸漬し、該夜の沸騰により熱を
    除去する装置において、発熱面に取り付けた柱状
    突起物の表面に、発熱面に近い根元の領域には微
    細な副次突起を、発熱面から隔たり突起先端に近
    い領域には表皮下空洞と該空洞と外部流体を連結
    する開孔とからなる微細な多質表面構造を設け、
    かつ突起表面に設ける前記の表面構造が下記の範
    囲の寸法を有することを特徴とする発熱体の沸騰
    冷却用伝熱面。 根元近くの副次突起の高さ0.2〜5mm 根元近くの副次突起の設置間隔0.2〜5mm 開孔および空洞の横断面における最短寸法0.01
    〜0.3mm。
JP24395983A 1983-12-26 1983-12-26 発熱体の沸騰冷却用伝熱面 Granted JPS60136353A (ja)

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JP24395983A JPS60136353A (ja) 1983-12-26 1983-12-26 発熱体の沸騰冷却用伝熱面

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JPS60136353A JPS60136353A (ja) 1985-07-19
JPH0426216B2 true JPH0426216B2 (ja) 1992-05-06

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ID=17111580

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JP24395983A Granted JPS60136353A (ja) 1983-12-26 1983-12-26 発熱体の沸騰冷却用伝熱面

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0760875B2 (ja) * 1987-02-04 1995-06-28 株式会社日立製作所 沸騰冷却用伝熱体

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JPS60136353A (ja) 1985-07-19

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