JPH04372159A - 半導体装置の冷却装置及び冷却方法 - 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】（目次） ・産業上の利用分野 ・従来の技術（図３） ・発明が解決しようとする課題 ・課題を解決するための手段 ・作用 ・実施例 （１）第１の実施例（図１） （２）第２の実施例（図１） （３）第３の実施例（図２） ・発明の効果

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の冷却装置
及び冷却方法に関し、より詳しくは、高密度実装された
、発熱量の大きい半導体装置の冷却装置及び冷却方法に
関する。

【０００３】近年、半導体装置の高密度化に伴い、半導
体装置の動作時の発熱による温度上昇を抑えることが、
半導体装置の用いられる装置の性能向上を図る上で非常
に重要なことになっている。

【０００４】

【従来の技術】図３（ａ），（ｂ）は、液体を冷媒とす
る、２種類の異なる従来例の冷却方法について説明する
冷却装置の構成図である。

【０００５】図３（ａ）は熱伝導部材を介して半導体装
置を水冷する伝導水冷装置を示し、図中符号１は熱伝導
率の大きい金属で形成された冷却管で、管内を冷却水が
通流する。２ａ，２ｂは回路基板５に高密度実装された
、被冷却体としての半導体チップで、半導体チップ２ａ
，２ｂの表面と冷却管１の表面とが熱的に小さい抵抗で
接触するように熱伝導性コンパウンド３を介在させてい
る。なお、４は半導体チップ２ａ，２ｂと冷却管１との
絶縁性が保たれるように冷却管１の表面に形成された絶
縁性フィルムである。

【０００６】この伝導水冷装置は、かなり冷却効率は良
いが、被冷却体の表面の凹凸が複雑になると、被冷却体
２ａ，２ｂの表面と冷却管１との間に空気の層が介在し
、このため接触熱抵抗が大きくなるという問題がある。 この問題を解決するため、直接被冷却体２ａ，２ｂを冷
却液体に浸漬すればよい。この場合、腐食性の高い水の
代わりに腐食性の低い、かつ比較的熱伝導率が大きく、
絶縁性の冷却液体を用いる必要がある。

【０００７】図３（ｂ）は、このような冷却液体７とし
てのフルオロカーボンに直接半導体装置を浸漬して冷却
する沸騰冷却装置を示し、図中符号６は例えばフルオロ
カーボン等の冷却液体７をいれる容器で、半導体チップ
の搭載された回路基板５ａ〜５ｄが容器６内に入れられ
るように容器６上部に開口部８ａ，８ｂが設けられてい
る。９ａ，９ｂは回路基板５ａ〜５ｄを吊るして冷却液
体７に浸漬でき、かつ開口部８ａ，８ｂを閉じて容器６
内部を密閉する蓋で、回路基板５ａ〜５ｄと電気的に接
続する外部リードが形成されている。そして、この外部
リードを介して回路基板５ａ〜５ｄに搭載された半導体
チップに電気信号等を送れるようになっている。

【０００８】このような冷却装置では、発熱している半
導体チップに接触する部分で冷却液体７が沸騰し、それ
により熱が奪われため、半導体チップが冷却される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の沸騰冷
却による方法では、冷却液体７として熱伝導率の大きい
水を用いることができないので、冷却能率が十分でなく
、更に半導体装置の高密度化がすすみ、発熱量が多くな
ってくると限界がある。

【００１０】本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので、冷却能力の大幅な向上を図ることができ
る半導体装置の冷却装置及び冷却方法を提供することを
目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題は、第１に、冷
却液体を入れる容器と、被冷却体としての半導体装置を
収納したまま、前記冷却液体に浸漬する柔軟な袋とを有
する半導体装置の冷却装置によって達成され、第２に、
前記袋の内部を排気する手段を有することを特徴とする
第１の発明に記載の半導体装置の冷却装置によって達成
され、第３に、前記冷却液体を入れた容器内部を減圧す
る手段を有することを特徴とする第１又は第２の発明に
記載の半導体装置の冷却装置によって達成され、第４に
、柔軟な袋に被冷却体としての半導体装置を収納し、容
器内に収納した第１の冷却液体に前記袋を浸漬して前記
半導体装置を冷却することを特徴とする半導体装置の冷
却方法によって達成され、第５に、前記袋に半導体装置
を収納し、前記袋の内部を排気して前記半導体装置を冷
却することを特徴とする第４の発明に記載の半導体装置
の冷却方法によって達成され、第６に、前記容器内部を
減圧することにより前記第１の冷却液体の沸点を低くし
て半導体装置を冷却することを特徴とする第４又は第５
の発明に記載の半導体装置の冷却方法によって達成され
、第７に、前記袋の内部の前記半導体装置の周辺を、前
記第１の冷却液体よりも高い沸点を有し、かつ絶縁性を
有する第２の冷却液体で満たして半導体装置を冷却する
ことを特徴とする第４の発明に記載の半導体装置の冷却
方法によって達成され、第８に、前記袋の内部の前記半
導体装置の周辺を、絶縁性を有する第２の冷却液体で満
たし、前記第１の冷却液体を入れた容器内部を減圧する
ことにより、前記第１の冷却液体の沸点を第２の冷却液
体の沸点よりも低くして半導体装置を冷却することを特
徴とする第４の発明に記載の半導体装置の冷却方法によ
って達成され、第９に、前記第１の冷却液体は水であり
、前記第２の冷却液体はフルオロカーボンであることを
特徴とする第４，第５，第６又は第７の発明に記載の半
導体装置の冷却方法によって達成される。

【００１２】

【作用】本発明の半導体装置の冷却装置によれば、第１
に、冷却液体を入れる容器と、被冷却体としての半導体
装置を収納したまま、前記冷却液体に浸漬する柔軟な袋
とを有しているので、半導体装置が直接冷却液体に触れ
ない。従って、半導体装置の腐食等を防止することがで
きる。また、袋が柔軟なので、液体の圧力により半導体
装置の形状に従って収縮・変形する。このため、半導体
装置への密着性が増し、冷却液体と半導体装置との間に
介在する、熱伝導率の小さい大気を排除することができ
る。

【００１３】第２に、柔軟な袋の内部を排気する手段を
有しているので、袋の内部は減圧される。このため、袋
は外部圧力により収縮して収納された半導体装置に密着
し、半導体装置と冷却液体との間に介在する、熱伝導率
の小さい大気を排除することができる。

【００１４】第３に、冷却液体を入れた容器内部を減圧
する手段を有しているので、冷却液体の沸点を低下させ
ることができ、従って、半導体装置への電力印加により
発熱が起こると、冷却液体の沸騰がより低温で起るため
、効率よく半導体装置から気化熱を奪うことができる。

【００１５】また、本発明の半導体装置の冷却方法によ
れば、第４に、柔軟な袋に被冷却体としての半導体装置
を収納し、容器内に収納した第１の冷却液体に袋を浸漬
しているので、液体の圧力により袋は半導体装置に密着
し、冷却液体と半導体装置との間に介在する、熱伝導率
の小さい大気を排除することができる。

【００１６】第５に、袋に半導体装置を収納し、袋の内
部を排気しているので、袋が収縮し、収納された半導体
装置と冷却液体との間に介在する、熱伝導率の小さい大
気を排除することができる。

【００１７】第６に、容器内部を減圧することにより第
１の冷却液体の沸点を低くしているので、半導体装置の
発熱に基づく冷却液体の沸騰がより低温で起るため、効
率よく半導体装置から気化熱を奪うことができる。

【００１８】第７に、袋の内部の半導体装置の周辺を、
絶縁性を有する第２の冷却液体で満たしているので、絶
縁性を保持したまま、半導体装置と冷却液体との間に大
気が介在するのを防止することができる。また、袋の外
部の第１の冷却液体、例えば水は袋の内部の第２の冷却
液体、例えばフルオロカーボンよりも低い沸点を有して
いるので、第１の冷却液体の沸騰により効率よく半導体
装置から気化熱を奪うことができる。更に、蒸発が主に
袋の外部で起こるので、第１の冷却液体の供給を容易に
行うことができる。

【００１９】また、第８に、場合により、袋の外部の第
１の冷却液体周辺を減圧することで、第１の冷却液体の
沸点を第２の冷却液体の沸点よりも低くすることにより
、第４の場合と同様に、蒸発が主として袋の外部で起こ
るので、第１の冷却液体の供給が容易になる。

【００２０】

【実施例】

（１）第１の実施例 図１（ａ）は、本発明の第１の実施例の半導体装置の冷
却装置について説明する構成図である。

【００２１】図１（ａ）において、１０は冷却液体とし
ての水１８が収納される密閉された容器で、被冷却体を
出し入れする開口部１７ａ，１７ｂと、容器１０内部を
減圧するための排気装置に接続されている排気口１６と
、冷却液体を入れるための不図示の導入口が設けられて
いる。１１ａ，１１ｂはイミド樹脂フィルムからなる袋
で、袋１１ａ，１１ｂの口が開口部１７ａ，１７ｂと共
通するように容器１０内部に取り付けられ、袋１１ａ，
１１ｂの中に回路基板１２ａ，１２ｂに搭載された半導
体チップ（被冷却体）１３が収納される。また、袋１１
ａ，１１ｂは柔軟で、自在に変形するので、周囲に冷却
液体を満たした場合や袋１１ａ，１１ｂの内部を減圧し
た場合、袋１１ａ，１１ｂは外部圧力により収縮・変形
し、半導体チップ１３と良く密着する。１４ａ，１４ｂ
は回路基板１２ａ，１２ｂを吊るして袋１１ａ，１１ｂ
内部に保持でき、かつ開口部１７ａ，１７ｂを閉じて容
器１０及び袋１１ａ，１１ｂ内部を密閉する蓋で、袋１
１ａ，１１ｂ内部を減圧するための排気装置に接続され
ている排気口１５ａ，１５ｂを有している。また、蓋１
４ａ，１４ｂには回路基板１２ａ〜１２ｄと電気的に接
続する不図示の外部リードが形成され、この外部リード
を介して回路基板１２ａ，１２ｂに搭載された半導体チ
ップ１３に電気信号等を送れるようになっている。なお
、回路基板１２ａ，１２ｂに搭載された半導体チップ１
３が一つの半導体装置を構成する。

【００２２】以上のように、本発明の第１の実施例の半
導体装置の冷却装置によれば、冷却液体としての水を入
れる容器１０と、被冷却体としての半導体チップ１３を
収納したまま、水に浸漬する柔軟な袋１１ａ，１１ｂと
を有しているので、半導体チップ１３が直接水１８に触
れない。従って、半導体チップ１３上の電極等の腐食等
を防止することができる。また、袋１１ａ，１１ｂが柔
軟なので、水の圧力により半導体チップ１３の形状に従
って変形する。このため、半導体チップ１３への密着性
が増し、水と半導体チップ１３との間に介在する、熱伝
導率の小さい大気を排除することができる。

【００２３】また、柔軟な袋１１ａ，１１ｂの内部を減
圧するための排気装置が排気口１６を介して接続されて
いるので、袋１１ａ，１１ｂの内部は減圧される。この
ため、袋１１ａ，１１ｂは外部圧力により収縮・変形し
て収納された半導体チップに密着し、半導体チップ１３
と水との間に介在する、熱伝導率の小さい大気を排除す
ることができる。

【００２４】更に、水を入れた容器１０内部を減圧する
ための排気装置が排気口１６を介して接続されているの
で、容器１０内部は減圧されて水の沸点を低下させるこ
とができる。従って、半導体チップ１３への電力印加に
より発熱が起こると、水の沸騰がより低温で起るため、
効率よく半導体チップ１３から気化熱を奪うことができ
る。

【００２５】以上により、本発明の第１の実施例の半導
体装置の冷却装置によれば、冷却能力の大幅な向上を図
ることができる。また、液体に直接浸漬するものよりメ
ンテナンス等での、取り外しも容易である。

【００２６】なお、本発明の第１の実施例では袋１１ａ
，１１ｂの部材としてイミド樹脂フィルムを用いている
が、強度及び熱伝導率が大きく、かつ柔軟なものであれ
ばよい。 （２）第２の実施例 次に、本発明の第２の実施例の半導体装置の冷却方法に
ついて図１（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。

【００２７】まず、図１（ａ）に示すような容器１０の
開口部１７ａ，１７ｂと口を共通に取り付けられた袋１
１ａ，１１ｂの内部に回路基板１２ａ，１２ｂに搭載さ
れた半導体チップ１３を収納する。

【００２８】次いで、図１（ｂ）に示すように、不図示
の水の導入口から容器１０内部へ冷却液体としての水１
８を入れる。このとき、袋１１ａ，１１ｂは柔軟なイミ
ド樹脂フィルムで形成されているので、水圧により半導
体チップ１３の形状に従って収縮・変形し、半導体チッ
プ１３により密着するようになる。なお、更に密着性を
良くするため、積極的に袋１１ａ，１１ｂの内部を排気
装置で減圧することも可能である。これにより、半導体
チップ１３と水１８との間から熱伝導率の小さい大気が
排除され、袋１１ａ，１１ｂのみが介在するようにする
。

【００２９】次に、半導体チップ１３に不図示の外部リ
ードから電力を印加して半導体装置を動作させる。この
とき、半導体チップ１３は発熱し、この熱により周囲の
温度が約１００　℃に達すると、水１８が沸騰し、気化
熱が奪われる。これにより、半導体チップ１３の温度上
昇が抑制される。

【００３０】なお、排気口１６を介して排気装置により
容器１０内部を排気し、容器１０内部を減圧することも
できる。これにより、半導体装置の発熱に基づく水の沸
騰が１００　℃より低温で起るため、更に効率よく気化
熱を奪うことができる。

【００３１】また、冷却液体としての新しい水を間断無
く外部から供給し、かつ温められた水を排出するように
することにより、更に冷却効果を増すことができる。以
上のように、本発明の第２の実施例の半導体装置の冷却
方法によれば、被冷却体としての半導体チップ１３を袋
１１ａ，１１ｂに収納して水１８に浸漬しているので、
半導体チップ１３が直接水に触れず、従って、半導体チ
ップ１３上の電極等の腐食等を防止することができる。 また、柔軟な袋１１ａ，１１ｂに半導体チップ１３を収
納しているので、水の圧力により袋１１ａ，１１ｂと半
導体チップ１３とは密着し、水と半導体チップ１３との
間で、熱伝導率の小さい大気が介在するのを低減するこ
とができる。これにより、冷却能力の大幅な向上を図る
ことができる。

【００３２】また、袋１１ａ，１１ｂに半導体チップ１
３を収納し、袋１１ａ，１１ｂの内部を排気することに
より、袋１１ａ，１１ｂと半導体チップ１３との密着性
を更に増すことができる。これにより、収納された半導
体チップ１３と水１８との間に介在する、熱伝導率の小
さい大気を更に排除し、更なる冷却能力の向上を図るこ
とができる。

【００３３】（３）第３の実施例 次に、本発明の第３の実施例の半導体装置の冷却方法に
ついて図２を参照しながら説明する。

【００３４】第３の実施例において、第２の実施例と異
なるところは、図２に示すように、熱伝導率の小さい大
気を排除するため、袋１１ａ，１１ｂの内部の半導体装
置の周辺部に、絶縁性を有し、かつ熱伝導率のよい、冷
却液体としてのフルオロカーボン（第２の冷却液体）１
９ａ，１９ｂを満たしていることである。また、このフ
ルオロカーボン１９ａ，１９ｂは水よりも大きい沸点（
約１５０　℃）　を有しているので、袋１１ａ，１１ｂ
の外部に満たされる水（第１の冷却液体）２０のみが沸
騰する。

【００３５】まず、図２に示すように、容器１０の開口
部１７ａ，１７ｂと口とが共通するように取り付けられ
た袋１１ａ，１１ｂの内部に、回路基板１２ａ，１２ｂ
に搭載された半導体チップ１３を収納した後、フルオロ
カーボン１９ａ，１９ｂで袋１１ａ，１１ｂの内部を満
たす。

【００３６】次いで、不図示の水の導入口から容器１０
内部へ冷却液体としての水２０を入れ、袋１１ａ，１１
ｂの外部を満たす。次に、半導体チップ１３に不図示の
外部リードから電力を印加して半導体装置を動作させる
。このとき、半導体チップ１３は電力の消費により発熱
するが、その熱は、半導体チップ１３の周辺部に満たさ
れたフルオロカーボン１９ａ，１９ｂにより、袋１１ａ
，１１ｂで仕切られた水２０との境界まで運ばれる。そ
して、この熱は水２０を加熱し、水２０を沸騰させるこ
とにより、気化熱として除去される。これにより、半導
体チップ１３の温度上昇が抑制される。

【００３７】なお、袋１１ａ，１１ｂの外部の水２０を
間断無く外部から供給し、かつ温められた水２０を排出
するようにすることにより、フルオロカーボン１９ａ，
１９ｂにより運ばれた熱は除去される。これにより、更
に効率よく半導体チップ１３の温度上昇が抑制される。

【００３８】以上のように、本発明の第３の実施例の半
導体装置の冷却方法によれば、半導体装置は袋１１ａ，
１１ｂに収納され、かつ袋１１ａ，１１ｂの内部の半導
体装置の周辺を、フルオロカーボン１９ａ，１９ｂで満
たしている。 従って、半導体装置は直接水２０と接しないので、半導
体装置の腐食を防止することができ、また、半導体装置
と水２０との間に大気が介在するのを第２の実施例の場
合よりも更によく防止することができるので、一層の冷
却効果の向上を図ることができる。

【００３９】更に、袋１１ａ，１１ｂの内部のフルオロ
カーボン１９ａ，１９ｂは袋１１ａ，１１ｂの外部の水
よりも高い沸点を有しているので、蒸発が主に袋１１ａ
，１１ｂの外部で起こるので、水の供給を容易に行うこ
とができる。なお、第２の冷却液体としてフルオロカー
ボン１９ａ，１９ｂの代わりに水２０の沸点よりも小さ
いか同じ程度の沸点を有する他の冷却液体を用いた場合
でも、袋１１ａ，１１ｂの外部の水２０をいれた容器１
０内部を減圧することで、水２０の沸点を第２の冷却液
体の沸点よりも低くすることができる。これにより、上
記と同様な作用・効果を得ることができる。

【００４０】なお、本発明の第３の実施例では、第１の
冷却液体として水２０を用いているが、他の冷却液体で
もよい。また、第２の冷却液体としてフルオロカーボン
１９ａ，１９ｂを用いているが、絶縁性を有し、かつ熱
伝導率の大きい他の冷却液体を用いてもよい。更に、第
２の冷却液体の沸点は第１の冷却液体と比較して大きく
ても小さくてもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明の半導体装置の冷
却装置及び冷却方法によれば、被冷却体を袋に収納して
冷却液体に浸漬しているので、例えば冷却液体として水
が用いられた場合、半導体装置の腐食を防止することが
できる。

【００４２】また、袋が柔軟なので、袋の外部の圧力に
より又は袋の内部が減圧されることにより、袋の内部の
被冷却体の形状に従って袋が収縮・変形し、半導体装置
と冷却液体との間に介在する熱伝導率の小さい大気を低
減することができる。これにより、冷却能力の向上を図
ることができる。

【００４３】更に、冷却液体を入れた容器内部を減圧す
ることにより、冷却液体の沸点を低下させることができ
、従って、半導体装置への電力印加により発熱が起こる
と、冷却液体の沸騰がより低温で起るため、効率よく半
導体装置から気化熱を奪うことができる。

【００４４】また、袋の内部の半導体装置の周辺を、絶
縁性を有する第２の冷却液体で満たすことにより、絶縁
性を保持したまま、半導体装置と冷却液体との間に大気
が介在するのを一層よく防止することができる。これに
より、更なる冷却能力の向上を図ることができる。

【００４５】更に、袋の外部の第１の冷却液体は袋の内
部の第２の冷却液体よりも低い沸点を有しているので、
第１の冷却液体の沸騰により効率よく半導体装置から気
化熱を奪うことができる。また、蒸発が主に袋の外部で
起こるので、第１の冷却液体の供給を容易に行うことが
できる。更に、これと同様な作用・効果は、袋の外部の
第１の冷却液体周辺を減圧して第１の冷却液体の沸点を
第２の冷却液体の沸点よりも低くすることによっても得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１及び第２の実施例の半導体装置の
冷却装置及び冷却方法について説明する構成図である。

【図２】本発明の第３の実施例の半導体装置の冷却方法
について説明する構成図である。

【図３】従来例の半導体装置の冷却装置について説明す
る構成図である。

【符号の説明】

１　　冷却管、 ２ａ，２ｂ，１３　　半導体チップ（被冷却体）、３　
　熱伝導性コンパウンド、 ４　　絶縁性フィルム、 ５，５ａ〜５ｄ，１２ａ，１２ｂ　　回路基板、６，１
０　　容器、 ７　　冷却液体、 ８ａ，８ｂ，１７ａ，１７ｂ　　開口部、９ａ，９ｂ，
１４ａ，１４ｂ　　蓋、 １１ａ，１１ｂ　　袋、 １５ａ，１５ｂ，１６　　排気口、 １８　　水（冷却液体）、 １９ａ，１９ｂ　　フルオロカーボン（第２の冷却液体
）、２０　　水（第１の冷却液体）。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　冷却液体を入れる容器と、被冷却体と
   しての半導体装置を収納したまま、前記冷却液体に浸漬
   する柔軟な袋とを有する半導体装置の冷却装置。
2. 【請求項２】　　前記袋の内部を排気する手段を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の冷却装置
   。
3. 【請求項３】　　前記冷却液体を入れた容器内部を減圧
   する手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項
   ２記載の半導体装置の冷却装置。
4. 【請求項４】　　柔軟な袋に被冷却体としての半導体装
   置を収納し、容器内に収納した第１の冷却液体に前記袋
   を浸漬して前記半導体装置を冷却することを特徴とする
   半導体装置の冷却方法。
5. 【請求項５】　　前記袋に半導体装置を収納し、前記袋
   の内部を排気して前記半導体装置を冷却することを特徴
   とする請求項４記載の半導体装置の冷却方法。
6. 【請求項６】　　前記容器内部を減圧することにより前
   記第１の冷却液体の沸点を低くして半導体装置を冷却す
   ることを特徴とする請求項４又は請求項５の発明に記載
   の半導体装置の冷却方法。
7. 【請求項７】　　前記袋の内部の前記半導体装置の周辺
   を、前記第１の冷却液体よりも高い沸点を有し、かつ絶
   縁性を有する第２の冷却液体で満たして半導体装置を冷
   却することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の冷
   却方法。
8. 【請求項８】　　前記袋の内部の前記半導体装置の周辺
   を、絶縁性を有する第２の冷却液体で満たし、前記第１
   の冷却液体を入れた容器内部を減圧することにより、前
   記第１の冷却液体の沸点を第２の冷却液体の沸点よりも
   低くして半導体装置を冷却することを特徴とする請求項
   ４記載の半導体装置の冷却方法。
9. 【請求項９】　　前記第１の冷却液体は水であり、前記
   第２の冷却液体はフルオロカーボンであることを特徴と
   する請求項４，請求項５，請求項６又は請求項７記載の
   半導体装置の冷却方法。