JPH0491459A - 半導体の冷却構造 - Google Patents

半導体の冷却構造

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JPH0491459A
JPH0491459A JP20502590A JP20502590A JPH0491459A JP H0491459 A JPH0491459 A JP H0491459A JP 20502590 A JP20502590 A JP 20502590A JP 20502590 A JP20502590 A JP 20502590A JP H0491459 A JPH0491459 A JP H0491459A
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JP
Japan
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space
heat
fins
heating element
cooling
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Pending
Application number
JP20502590A
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English (en)
Inventor
Yoshio Naganuma
永沼 義男
Kazunori Ouchi
大内 和紀
Atsushi Morihara
淳 森原
Yasushi Sato
康司 佐藤
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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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〕 本発明は、半導体の冷却装置に係り、特に、LSI等の
高密度集積回路素子の空冷装置に関する。
〔従来の技術〕
トランジスタやサイリスタ、さらにLSI等の半導体は
発熱が大きく、これを冷却しなければ正常な動作が保証
されない。これらの簡易冷却法は、フィンに風を送って
冷却する空冷方法が一般的である。しかし、これら半導
体の発熱が大きくなると、半導体の発熱をいかに均一に
フィンに伝えるかが高効率な冷却を行う上で重要になる
。発熱部からフィンの端部まで熱を伝えるには、これら
の間に熱伝導性の優れた金属やセラミック製のブロック
からなるヒートシンクを介して行うことが一般的である
。また、発熱体とフィンの間に距離がある場合には、例
えば、特開平1−192153号公報に示されるように
、これらの間にヒートパイプを介在させる冷却装置があ
る。このような装置では発熱体で発生する熱は金属ブロ
ックを介してヒートパイプに伝えられ、さらに、ヒート
パイプの作動流体によりフィンに伝える構造になってい
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記のような従来の冷却構造では、大きい発熱に対応す
るためフィン部を大きくし伝熱面積を増やすことが行わ
れる。しかし、発熱部の大きさに対してフィンを大きく
すると発熱部から離れた部分は温度が低くなり、フィン
内の温度分布に差が生じる。温度が低い部分は周囲の空
気との温度差が小さくなり熱伝達量が少なくなる。また
、単にヒートパイプを用いる構造では発熱部の熱を均一
に拡散し、フィンに伝えるには、複数のヒートパイプを
用いることが必要になる。さらに、先に例示した重力還
流型のヒートパイプを使用した冷却構造では作動流体を
加熱面に保持するため、設置方向が限定されるなど課題
が多い。
〔課題を解決するための手段〕
上記従来技術の課題を解決するため、本発明では以下の
様に冷却装置を構成する。
(1)発熱部からフィンまでの熱の伝達および拡散に作
動流体の蒸発、凝縮を利用したヒートパイプ型のヒート
シンクとする。
(2)作動流体の循環する空間を三角柱または扇柱形状
とする。
(3)作動流体の循環する空間を発熱体とフィンの間に
フィンと一体構造のヒートシンクとする。
(4)作動流体が循環する空間のうち発熱体と接続する
蒸発面だけに作動流体が浸透するウィックを張り付ける
〔作用〕
本発明の冷却構造では、発熱体と接続した蒸発面はウィ
ックが張り付けであるため、常に、作動流体で濡れてい
る。ここで加熱された作動流体は、蒸気となって三角柱
または扇柱形状の空間全体に広がる。フィンと接する冷
却面に到達した蒸気はここで熱を放出・して凝縮する。
凝縮した作動流体は三角柱または用柱の傾斜面を伝わり
ながら流れ、ウィックの張り付けられた底面の端部に伝
わる。
ここで空間の斜面は発熱体が水平に置かれても垂直に置
かれても、重力方向に対して常に傾き状態にあり水平に
なることは無く凝縮した作動流体は、常に、流下出来る
状態にある。すなわち、発熱体の設置姿勢を規定しない
。このように三角柱、または、扇柱形状空間を循環して
底面に戻った作動流体はウィックの浸透性のため蒸発面
全体に広がり、蒸発を促進する。発熱体と放熱フィンの
間に設けた三角柱、または、扇柱形状も空間では、以上
のように封入した作動流体の循環サイクルが保た九るに
のような作動流体の循環サイクルにより発熱体である半
導体で発生した熱は放熱フィン全体に均一に伝えられ、
伝熱面積の大きなフィンに対してもフィン端部の温度低
下が少なく高効率な冷却を行うことができる。
〔実施例〕
〈実施例1〉 第1図は、本発明の一実施例を断面構造で示したもので
ある。半導体である発熱体lは本冷却装置の底面に熱伝
導性材料2で接合ないし接触されている。この熱伝導性
材料は、半導体である発熱体1を固着接合する場合は半
田が使用され、取り外し可能なように簡易的に接合する
場合には熱伝導性のグリース等を使用する。フィンを主
体とする本装置はヒートシンクを兼ねるため、銅やアル
ミニウム合金等の高熱伝導材料で作られることが望まし
い。放熱フィン5の内部には本発明による作動流体封入
用空間をフィンと一体構造で設けである。本実施例では
薄い三角柱形状の空間4を各放熱フィン毎に内部に設け
ている。これらの各空間は発熱体の接続する面上に平行
に設けた矩形空間により接合され、全体とじて一つの空
間になっている。この空間の内部には作動流体を封入し
、ヒートパイプ的に動作するようになっている。すなわ
ち、この状態は、一般に、減圧状態に置かれ、作動流体
の種類と圧力で決まる沸点から発熱体の温度を定める。
半導体の冷却を目的とする本実施例では、発熱部の温度
を約85℃以下にしなければならず、これより沸点の低
い有機溶媒であるメタノールやアセトンを作動流体とし
て使用するのが好ましい。この封入量は、蒸発面に貼付
けたウィック3に浸透して保持される量と空間内部の全
面を濡らす程度の量が必要である。これ以上の封入量で
は余った液が空間を埋めるだけであり内部の伝熱面が減
少し伝熱効率が低下する。蒸発面に張り付けるウィック
は、作動流体の濡れ性が良く、かつ、多孔質性で作動流
体の蒸発面積を大きくするものが適しており、本実施例
では植物繊維からなる綿布が適する。また、耐腐食性を
考慮し長寿命を意図する場合にはガラス繊維からなるウ
ィックも使用可能であるが、蒸発の表面積が綿布より小
さく伝熱性能がやや劣る。
以下、本実施例の動作について説明する。半導体1が発
熱すると発生熱は装置低部の壁面を通してウィック3に
浸透している作動流体に伝わる。
ここで、加熱された作動流体は蒸発し、空間全体に拡散
する。この拡散速度は音速に達するとも言われており、
この間の熱伝達は瞬時に行われる。
放熱フィン5の裏面に当たる冷却面まで到達した蒸気は
、フィンに熱を与えて凝縮する。凝縮液は各フィン毎に
三角柱形状の空間の斜面を矢印6で示すように伝わり重
力により下方のウィックを張り付けた蒸発面の端面に流
れ落ちる。この液はウィック内を浸透し発熱体のある中
心へ移動し、再度、蒸発して空間内に拡散する。このよ
うに作動流体が三角柱形状の空間を介して蒸発、凝縮を
繰り返すことにより半導体で発生する熱はフィンから外
の空気中へ放散される。この場合、本発明では各フィン
毎に作られた空間に蒸気を導き凝縮させることが出来る
ため、凝縮のための伝熱面積を従来のヒートパイプ構造
に比較して大きく取れる。
さらに、凝縮液が三角柱形状の斜面を伝わるため半導体
を重力方向に対して水平に置いた場合でも垂直に置いた
場合でも常に流れ落ち易くなっており、伝熱量に応じた
作動流体の循環量を維持することができる。
〈実施例2〉 第2図は、第1図に示す実施例と同じ構成で放熱フィン
5内部の空間を用柱にした一実施例を示したものである
。この構造では第1図の実施例に比較して、三角柱形状
の斜面が扇柱形状空間7では円弧状になり若干ふくらみ
、内部空間が広くなる。このため、伝熱面積がやや増加
し、伝熱能力が大きくなる。しかし、その差は小さく、
本実施例の特徴はむしろ加工性の良さにある。すなわち
本実施例では厚さの薄いフィン内部に空間を加工するが
、一般に、回転切削工具を使用する場合が簡単にしかも
安価に加工できる。本実施例はそのような切削面がその
まま用柱の円弧状斜面とすることが出来る。
〈実施例3〉 第3図は本発明による他の一実施例を示したものである
。これは三角柱形状の空間4を放熱フィン5と発熱体1
の間に設けた構造である。空間内における作動流体の作
用は先に示した実施例と同様である。本構造では、作動
流体の凝縮部が冷却フィン部と別に設けているため凝縮
面積の確保がフィンの数や配置に拘束されず空間内に凝
縮用フィン8を設けることができるため、伝熱面の設計
に自由度がある構造となる。
〈実施例4〉 第4図は、比較的伝熱量の少ない場合に適用できる本発
明による簡易構造の一実施例を示したものである。本構
造は、一つの三角柱形状の空間4を発熱体1と放熱フィ
ン5の間に設けたものである。発熱体が接続する底面に
は、先の実施例と同様のウィックが張り付けられ蒸発面
を構成している。一方、凝縮面は三角柱形状の斜面だけ
であり、見かけの面積はウィックを張り付けた蒸発面と
ほとんど同じである。このため、この面での凝縮を効果
的に行うために微細な溝9を設けている。この溝は凝縮
した作動流体が流れ落ち易くし、新たな凝縮液滴の発生
を容易にする。
〔発明の効果〕
本発明によれば局所的に大きな発熱を発熱体から離れた
放熱面の温度効果を少なく広い放熱面に均一に拡散でき
るため高い冷却性能を得られる。
又、本発明では発熱体の設置姿勢を重力方向に対して水
平、垂直の両方向に対応できる。さらに、本発明では、
放熱フィンとヒートシンクを一体構造とするため装置の
熱抵抗を低くすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図から第4図は本発明の異なる実施例を示す斜視図
である。 1・・・発熱体、2・・・熱伝導性材料、3・・・ウィ
ック、4・・・三角柱形状空間、5・・・放熱フィン、
6・・・矢印、−11゜

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、発熱体の熱をヒートシンクを介してフィンから放熱
    する冷却装置において、 前記フィンと前記発熱体間の前記ヒートシンクあるいは
    前記フィンの内部に一つないし複数の三角柱形状の空間
    を設け、前記空間には有機媒体や水などの作動媒体を封
    入し、前記空間内面に前記発熱体を接続する面にウイツ
    クを張り付け、前記空間内面の発熱面と冷却面間を前記
    作動流体が蒸発と凝縮を繰り返しながら循環することに
    より熱を拡散するように構成したことを特徴とする半導
    体の冷却構造。 2、発熱体の熱をヒートシンクを介してフィンから放熱
    する冷却装置において、 前記フィンと前記発熱体間の前記ヒートシンクあるいは
    前記フィンの内部に一つないし複数の扇柱形状の空間を
    設け、前記空間には有機媒体や水などの作動媒体を封入
    し、前記空間内面に前記発熱体を接続する面にウイツク
    を張り付け、前記空間内の発熱面と冷却面間を前記作動
    流体が蒸発と凝縮を繰り返しながら循環することにより
    熱を拡散するように構成したことを特徴とする半導体の
    冷却構造。 3、請求項1または2において、各形状の空間内の冷却
    面に、凝縮液がウイツク面に向かう微細か溝を設けた冷
    却装置。 4、請求項1または2において、各形状の空間をフィン
    一枚毎にフィンの内部に設けた冷却装置。
JP20502590A 1990-08-03 1990-08-03 半導体の冷却構造 Pending JPH0491459A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6176098B1 (en) 1997-06-23 2001-01-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Water vaporization type cooler for heat-generating element
US7353861B2 (en) 2001-09-27 2008-04-08 International Business Machines Corporation Transpiration cooled heat sink and a self contained coolant supply for same
JP2008249314A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Nec Corp サーマルサイフォン式沸騰冷却器
JPWO2013111561A1 (ja) * 2012-01-23 2015-05-11 日本電気株式会社 冷却構造及びそれを用いた電子装置
JP2021135002A (ja) * 2020-02-27 2021-09-13 三菱重工業株式会社 冷却装置

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