JPH0595064A

JPH0595064A - 半導体冷却装置

Info

Publication number: JPH0595064A
Application number: JP3253591A
Authority: JP
Inventors: Heikichi Kuwabara; 平吉桑原; Tadakatsu Nakajima; 忠克中島; Noriyuki Ashiwake; 範行芦分; Takahiro Oguro; 崇弘大黒; Toshio Hatsuda; 俊雄初田; Toshio Hatada; 敏夫畑田; Kenji Takahashi; 研二高橋; Ko Inoue; 滉井上; Kenichi Kasai; 憲一笠井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-10-01
Filing date: 1991-10-01
Publication date: 1993-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体チップの熱を受熱した冷媒液の体積膨
張による冷却容器の圧力上昇を防止可能とする。【構成】半導体チップ２を多数搭載した基板１とチャ
ンバ５とによって冷却容器７を形成し、冷却容器７内に
冷媒液６を封入して発熱する半導体チップ２を冷却し、
冷媒液の体積膨張による冷却容器７内の圧力上昇を防止
する圧力吸収機構２３を付設する。【効果】圧力上昇を防止することにより、基板とチャ
ンバで形成する冷却容器の信頼性を高めることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップの冷却装
置に係り、冷却装置内に冷媒液を封入して、直接発熱体
である半導体チップを冷却する半導体冷却装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体冷却装置においては、例え
ば特願昭６３−２３２４６号公報に記載のように、ＬＳ
Ｉチップが搭載される基板とチャンバとで冷媒液を封止
し、各々のＬＳＩチップに冷媒液を流す装置がある。こ
れは冷媒液が沸騰するわけではなく、ＬＳＩチップに冷
媒液をある速度をもって流すことにより冷却性能を高め
るものである。

【０００３】また提案された技術として、計算機を構成
するＬＳＩチップと実装基板とがチャンバ内に挿入さ
れ、チャンバ内に封入された冷媒液の沸騰によって、発
熱するＬＳＩチップを冷却する。実装基板に複数個のＬ
ＳＩチップが搭載されており、冷媒液はパラフロロカー
ボン液などのような低沸点で、電気絶縁性に優れた液体
である。計算機が作動したとき、ＬＳＩチップが発熱
し、冷媒液が沸騰してＬＳＩチップの熱を受熱し、生成
された冷媒液の気泡が上方に上昇する。チャンバ内の冷
媒液は、ＬＳＩチップを浸漬する程度に封入されてお
り、チャンバ上方部には凝縮器が設置され、凝縮器内部
に冷水が流れるため上昇する冷媒液の気泡は、凝縮器に
ふれることにより液化して、又、下方へ戻る。このと
き、チャンバにはベローズなどで構成された定圧器が取
り付けられている。これは冷媒液を封入、抽出する作用
と同時に、チャンバ内の圧力を一定に保つ作用も行う。

【０００４】以上２つの例は、ＬＳＩチップに冷媒液を
直接浸漬する構成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電力用半導体素子で
は、騒音の低減を図るため、あるいはコンピュータなど
のＬＳＩチップ（半導体チップ）では、演算速度の向上
を図るため、半導体素子への電気入力が増大する傾向が
あり、そのため発熱量が増加する。この対策として半導
体冷却装置の冷却効率向上を図る必要がある。

【０００６】一般にＬＳＩチップは基板上に複数個搭載
される。したがって冷媒液をチャンバ内で封止する場
合、ＬＳＩチップ、基板ともにチャンバ内に挿入する構
成がとれるが、基板に通ずる多数の信号線をチャンバ外
に取り出す部分の構造が複雑になる。つまり、冷媒液あ
るいは冷媒ガスがチャンバ外へ漏れないような構成にし
なければならず、ハーメチックシールなどをして信号線
を取り出す構成などがあるが、多数の信号線を取り出す
には構造が複雑で、そのための面積も必要であり、チャ
ンバが大形化してしまう問題がある。又、実際に使う場
合の信頼性が低下するという問題がある。

【０００７】そこで、基板とチャンバとで、冷媒を封入
する冷却容器を構成する。この構成にすると、ＬＳＩチ
ップを搭載する面と反対側の基板面側から信号を出すこ
とができて、冷却容器から信号線を取り出すのは比較的
容易になる。ところで、この構成の場合には、冷却容器
に冷媒液が封入されるわけであるが、一般に冷媒液は温
度上昇すると膨張する。したがって、冷却容器が基板と
チャンバとで構成された場合、例えば、冷媒液を一般的
な温度（２０℃程度）で封入して、作動時に５０〜１０
０℃に上昇すると、液膨張して冷却容器の破損をまねく
ことになる。

【０００８】又、液冷媒を冷却容器に工場内で封入する
場合は、冷却容器を現地に搬送しなければならず、冷却
容器の状態で冷媒液を封止する構造が要求される。

【０００９】又、現地において冷却容器を組込む場合
は、冷媒液を漏らすことなく配管系への組込みを行わな
ければならない。

【００１０】本発明の目的は、半導体チップを冷却して
液冷媒が体積膨張しても冷却容器の圧力上昇を防止する
ことのできる半導体冷却装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を解決するた
め、本発明に係る半導体冷却装置は、基板に搭載した複
数の半導体チップを冷媒液で冷却し、基板とチャンバと
により冷却容器を形成し、冷却容器に冷媒液の冷媒流入
配管および冷媒流出配管を備えてなる半導体冷却装置に
おいて、圧力容器に、冷媒液の体積膨張に起因する圧力
上昇を防止して圧吸収機構を付設したこ構成とする。

【００１２】そして冷却容器は、冷媒流入配管および冷
媒流出配管のそれぞれにワンタッチコネクタを設けた構
成とする。

【００１３】また冷却容器は、冷媒流入配管または冷媒
流出配管の少なくともいずれか一方にベローズよりなる
圧力吸収機構を設けた構成とする。

【００１４】さらに冷却容器は、チャンバがベローズよ
りなる圧力吸収機構で形成されている構成でもよい。

【００１５】そして冷却容器は、チャンバが薄肉構造よ
りなる圧力吸収機構で形成されている構成でもよい。

【００１６】また冷却容器は、チャンバにベローズより
なる圧力吸収機構を付設した構成ででもよい。

【００１７】さらに冷却容器は、チャンバに満たされた
冷媒液の液面の上方に空間が設けられ、空間が圧力吸収
機構となる構成でもよい。

【００１８】そして複数の半導体チップを搭載した基板
を冷媒液とともに収容した複数の冷却容器を設け、冷媒
液の液面の上方に空間を形成し液面をほぼ同一高さに保
持してそれぞれの冷却容器を並設し、空間を有しかつ液
面とほぼ同一高さに配置された液冷却器と、液冷却器と
それぞれの冷却容器との間を接続しかつ液面に接して設
けた冷媒流出配管と、液冷却器とそれぞれの冷却容器と
の間を接続する冷媒流入配管および冷媒液循環手段とを
具備した構成でもよい。

【００１９】また液冷却器に、冷媒液の液面の高さをほ
ぼ一定に維持する液面制御板を設けた構成とする。

【００２０】さらに複数の半導体チップを搭載した基板
を冷媒液とともに収容し並設された複数の冷却容器と、
それぞれの冷却容器に冷媒流入管、冷媒流出管および冷
媒液循環手段を介して接続された液冷却器と、液冷却器
またはそれぞれの冷却容器の少なくともいずれか一つに
設けられたベローズとよりなる構成でもよい。

【００２１】

【作用】冷媒液が体積膨張する割合は、封入時の室温か
ら、作動時の約１００℃までを考慮すると、約３〜５％
程度であり、この程度の体積膨張を吸収する必要があ
る。冷媒液の封入時は、冷却容器に取り付けた柔軟性ベ
ローズのバネ力によってベローズは収縮された状態にな
っている。例えば、冷媒液としてパラフロロカーボン液
を用いた場合を例にとると、封入時の室温（例えば２０
℃）においては、冷却容器内を真空ポンプで引いて減圧
状態にして冷媒液を封入するが、この液体は沸点が５６
℃であるため、この状態では冷却容器の外側が大気圧で
あるのに対して、冷却容器内は大気圧よりも圧力の低い
負圧状態となる。この時点では柔軟性ベローズは完全に
収縮された状態である。半導体素子が作動状態になる
と、ＬＳＩチップ（半導体チップ）は発熱する。ＬＳＩ
チップが１００℃近くになり、ＬＳＩチップ表面から冷
媒液がＬＳＩチップの熱を受熱する。この時、冷媒液の
温度が上昇する割合で冷媒液が体積膨張する。この時点
で、柔軟性ベローズが膨張する。冷却容器の外側が大気
圧で、ベローズの柔軟性が優れていると、冷却容器内圧
を大気圧よりもわずかに高い値に保つことが可能とな
る。

【００２２】一方、冷却容器から冷媒が流出する配管
を、冷却容器の所定の場所から取り出すことにより、冷
却容器内で、この流出部配管よりも高い位置にある部分
には冷媒液が流れ込まない。流出部配管の径をある程度
大きくすることにより、つまり、小さすぎて、この部分
の流動圧力損失が大きいと、冷却容器内の冷媒液面が上
昇し、冷却容器内には冷媒液が充満してしまうことがな
い。

【００２３】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図３を参照しなが
ら説明する。図１は外観斜視図、図２はその断面図であ
る。基板１上にＬＳＩチップ（半導体チップ）２が複数
個搭載されている。この反対側の基板１の面には信号ピ
ン３が多数設置されている。基板１とＬＳＩチップ２と
の間には信号を結線する半田球４が多数設置されてい
る。これはコンピュータの例であるが、コンピュータ作
動時においては、ＬＳＩチップ２内の半導体素子が信号
のやりとりをして演算を行うが、その時、各々のＬＳＩ
チップ２が発熱する。この温度を所定の温度に保つため
に冷却しなければならない。次に冷却系について説明す
る。基板１とチャンバ５とで冷媒液６を封じ込み冷却容
器７を形成する。チャンバ５は、冷媒液６が流入する流
入部８と、冷媒液６がＬＳＩチップ２を冷却する冷却部
９と、冷媒が流出する流出部１０とからなっている。チ
ャンバ５には冷媒流入配管１１と、冷媒流出配管１２と
が取り付けられている。冷媒液６の流入部８と冷却部９
とを隔壁する隔壁板１３には、各ＬＳＩチップ２に対応
して、隔壁板１３側からＬＳＩチップ２側に向かう方向
に、ノズル１４が取り付けられている。冷却部９と流出
部１０とは必要に応じて第２隔壁板１５によって隔壁さ
れる。第２隔壁板１５にはノズル１４がＬＳＩチップ２
側へ突き出るように、各々のノズル１４に対応して開孔
１６が設けられている。したがってこの開孔１６の大き
さは、ノズル１４の外径よりも大きくなっている。冷媒
流入配管１１は流入部８に、冷媒流出配管１２は流出部
１０に取り付けられている。チャンバ５は、流入部８を
形成する外チャンバ１７と、冷却部９と流出部１０とを
形成する内チャンバ１８とからなっている。基板１と内
チャンバ１８とはシール部材１９で、外チャンバ１７と
内チャンバ１８とはシール部材２０でシールされてい
る。冷媒流入配管１１にはワンタッチコネクタ２１が、
冷媒流出配管１２にはワンタッチコネクタ２２が取り付
けられ、流入部８とワンタッチコネクタ２２とに連通す
る冷媒流入配管１１の一端には柔軟性ベローズ２３が取
り付けられている。図２の例では、冷媒流入配管１１側
に柔軟性ベローズ（圧力吸収機構）２３が取り付けられ
ているが、冷媒流出配管１２側で、ワンタッチコネクタ
２１と流出部１０との間に柔軟性ベローズ２３を取り付
けてもよい。

【００２４】次に本実施例の作用について説明する。ワ
ンタッチコネクタ２１、２２は、配管系から外されてい
る場合はシール性があり、配管系に取り付けられた場合
は、流れを通過させる機能をもったもので、すでに市販
されている。したがって、例えば、生産している工場内
で冷却容器７内に冷媒液６を封入する場合は、充満する
ように冷媒液６を入れるとワンタッチコネクタ２１、２
２によってシールされる。このように冷媒液６が封入さ
れた冷却容器７を現地において組立てる場合は、ワンタ
ッチコネクタ２１、２２を介して配管系を構成する。

【００２５】次に配管系が構成された作動時の作用を説
明する。冷媒流入配管１１から流入した冷媒液６は、先
ず流入部８に導かれてから、各々のノズル１４内に分岐
されて、各々のＬＳＩチップ２に供給される。各々のＬ
ＳＩチップ２が発熱しており、供給された冷媒液６は加
熱されて、温度が上昇する場合、あるいは沸騰する場合
がある。受熱した冷媒は、開孔１６を通って流出部１０
に導かれ、冷媒流出配管１２から流出する。

【００２６】図３に本発明の他の実施例を示す。各々の
ＬＳＩチップ２に対応して、冷却部９側へ突き出るよう
に、第２隔壁板１５に流路分岐板２４を設けたものであ
る。図４は、流路分岐板２４とＬＳＩチップ２との相対
的位置を示したものであり、図３に示したＡ−Ａ断面図
である。複数個並べられたＬＳＩチップ２のそれぞれの
間隙に格子状の流路分岐板２４が配置されている。これ
は、ＬＳＩチップ２を冷却した冷媒を、そのＬＳＩチッ
プ２に対応した流路分岐板２４内に流れ込むようにし
て、冷媒を流出部１０に導くようにしたものである。

【００２７】図５に他の実施例を示す。外チャンバ１７
の外壁２５の全体に柔軟性ベローズ構造２６を設けたも
のである。

【００２８】図６に他の実施例を示す。外チャンバ１７
の外壁２５の全体を薄肉構造（圧力吸収機構）２７とし
て、柔軟性ベローズと同様の働きをするようにしたもの
である。

【００２９】図７に他の実施例を示す。外チャンバ１７
の外壁２５に柔軟性ベローズ管２８を取り付けたもので
ある。

【００３０】図８に他の実施例を示す。冷媒流入配管１
１の一部分を柔軟ベローズ構造２９としたものである。
もちろん冷媒流出配管１２の一部分を柔軟ベローズ構造
にしてもよい。

【００３１】図９及び図１０に他の実施例を示す。図９
は外観斜視図、図１０はその断面図である。冷却容器７
が垂直に配置される場合、冷媒流出配管１２の取り出し
部を側面上方でかつ冷媒液面に接して設けたものであ
る。この場合は、柔軟性ベローズを取り付けなくてもよ
い。生産工場においては、冷却容器７への冷媒液の封入
は、作動時に予想される液膨張（体積膨張）の体積分だ
け空間を保っておくことにより、搬送時に冷却容器７の
温度が変動して、液膨張がおきてもその空間部分に液が
膨張するだけで、冷却容器７内の圧力が上昇することは
ない。また、作動時においては、冷媒流出配管１２の取
り付け位置と、内チャンバ１８の内部構造との間の空間
３０には、冷媒液が溜まることなく、冷媒ガスが充満す
ることになる。冷媒液の温度が上昇して液膨張しても、
この部分の空間が吸収することにより、冷却容器７内の
圧力は上昇しない。したがって、冷媒流出配管１２の取
り付け位置は、この位置と内チャンバ１８の内部構造最
上段との間の空間は、予想される冷媒液の体積膨張量よ
りも常に大きく保たれる程度にしなければならない。ま
た流動圧力損失を低減するため、冷媒流出配管の径はあ
る程度大きくする必要がある。

【００３２】図１１に他の実施例を示す。冷却容器７が
複数個並ぶ構成である。図１１は３個の場合であり、高
さを等しくして水平に並べている。水平に並べることに
より、各々の冷却容器７内の冷媒液の液面高さ３１を同
一高さに保つ。本実施例は冷却容器７の構造ばかりでな
く、冷媒液の循環系を含む。各冷却容器７から出た加熱
された冷媒は、それぞれ連結されて、戻り配管３２から
液冷却器３３へ戻る（矢印３６）。液冷却器３３では、
冷水を作るチラー３４から冷水３５が流れて加熱された
冷媒を冷却する。冷却された冷媒液は、ポンプ（冷媒液
循環手段）３７によって加圧されて、流入管３８を通っ
て各々の冷却容器７へと導かれる（矢印３９）。液冷却
器３３の高さ方向の位置は、図１１に示すように各冷却
容器７の冷媒液の液面高さ３１と液冷却器３３内の液面
高さ４０とが等しく保たれるような位置関係とする。そ
して、ポンプ３７の出口方向には、流入管３８と戻り配
管３２とを連結する位置に、冷媒液の純度を高めるため
の冷媒純度管理装置４２を取り付けている。冷媒純度管
理の例としては、水分除去、溶存酸素の除去などがあ
る。液冷却器３３内の冷媒液の液面高さ４０を保つこと
により、より安定に複数個の冷却容器７の液面高さ３１
を同一レベルに保つことができ、冷媒液が液膨張しても
各冷却容器７内の圧力の上昇を防ぐことができる。さら
に液冷却器３３の上部に柔軟性ベローズ４１を共通に設
けてもよく、ひとつの柔軟性ベローズ４１によって複数
個の冷却容器７の圧力上昇をより完全に防ぐことができ
る。

【００３３】図１２は他の実施例を示す。液冷却器３３
内に液面制御板４３を設けている。各冷却容器７から戻
った冷媒を液冷却器３３に入れて、液面制御板４３をオ
ーバフローして、流入管３８へ冷媒液が導かれる構造と
する。このような構造においては、液面制御板４３の先
端よりも上方の液冷却器３３内の空間は、必ず冷媒ガス
で満たされることになる。このようにして、各冷却容器
７内に液膨張を吸収する機構を設けなくても、必ず液冷
却器３３内に液膨張を吸収する空間を設置することが可
能になる。液冷却器３３の上部に柔軟性ベローズ４１を
設けてもよく、前記と同一の効果が得られる。

【００３４】本発明によれば、基板とチャンバとによっ
て冷却容器を形成することにより、基板に装着された信
号ピンから電気的信号を冷却容器外へ取り出す信号線取
り出し構造が簡単になり、また冷却容器に冷媒液の体積
膨張を吸収する空間を設けることにより、冷却容器内の
圧力上昇を防ぐことができる。そして冷媒流入配管及び
冷媒流出配管にワンタッチコネクタを設けることによ
り、生産工場などにおいて、冷却容器内に冷媒液を封入
することが可能となる。

【００３５】さらに圧力膨張吸収機構を設けることによ
り、冷却容器を搬送する場合の冷媒液の体積膨張による
冷却容器内の圧力上昇を防ぐことができる。

【００３６】そして液冷却器の冷媒液の液面高さを、複
数個の冷却容器の液面高さと同一高さに保つように、液
冷却器の位置を設置することにより、各冷却容器内に冷
媒ガスの空間を設けることができ、冷媒液の体積膨張に
よる圧力上昇を安定して防げる。

【００３７】また液冷却器内に液面制御板を設けること
により、液冷却器の位置に関係なく、液冷却器の液面高
さを安定に保つことができ、冷媒液の体積膨張による圧
力上昇を防ぐことができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、冷却容器に圧力吸収機
構を付設したため、冷媒液の体積膨張が吸収されて圧力
上昇が防止されるとともに、複数の冷却容器を並設し液
冷却器と圧力吸収機構とを備えて圧力を安定させた半導
体冷熱装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す外観斜視図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ線の断面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図８】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図９】本発明の他の実施例を示す外観斜視図である。

【図１０】図９の断面図である。

【図１１】本発明の他の実施例を示す外観斜視図であ
る。

【図１２】本発明の他の実施例を示す正面図である。

【符号の説明】

１基板２ＬＳＩチップ（半導体チップ）３信号ピン５チャンバ６冷媒液７冷却容器１１冷媒流入配管１２冷媒流出配管１３隔壁板１４ノズル２１、２２ワンタッチコネクタ２３柔軟性ベローズ（圧力吸収機構）３０空間３３液冷却器４３液面制御板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大黒崇弘茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者初田俊雄茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者畑田敏夫茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者高橋研二茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者井上滉茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者笠井憲一神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所神奈川工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に搭載した複数の半導体チップを冷
媒液で冷却し、前記基板とチャンバとにより冷却容器を
形成し、該冷却容器に前記冷媒液の冷媒流入配管および
冷媒流出配管を備えてなる半導体冷却装置において、前
記圧力容器に、前記冷媒液の体積膨張に起因する圧力上
昇を防止して圧力吸収機構を付設したことを特徴とする
半導体冷却装置。
【請求項２】冷却容器は、冷媒流入配管および冷媒流
出配管のそれぞれにワンタッチコネクタを設けたことを
特徴とする請求項１記載の半導体冷却装置。
【請求項３】冷却容器は、冷媒流入配管または冷媒流
出配管の少なくともいずれか一方にベローズよりなる圧
力吸収機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の半
導体冷却装置。
【請求項４】冷却容器は、チャンバがベローズよりな
る圧力吸収機構で形成されていることを特徴とする請求
項１記載の半導体冷却装置。
【請求項５】冷却容器は、チャンバが薄肉構造よりな
る圧力吸収機構で形成されていることを特徴とする請求
項１記載の半導体冷却装置。
【請求項６】冷却容器は、チャンバにベローズよりな
る圧力吸収機構を付設したことを特徴とする請求項１記
載の半導体冷却装置。
【請求項７】冷却容器は、チャンバに満たされた冷媒
液の液面の上方に空間が設けられ、該空間が圧力吸収機
構となることを特徴とする請求項１記載の半導体冷却装
置。
【請求項８】複数の半導体チップを搭載した基板を冷
媒液とともに収容した複数の冷却容器を設け、前記冷媒
液の液面の上方に空間を形成し該液面をほぼ同一高さに
保持してそれぞれの冷却容器を並設し、前記空間を有し
かつ前記液面とほぼ同一高さに配置された液冷却器と、
該液冷却器とそれぞれの冷却容器との間を接続しかつ前
記液面に接して設けられた冷媒流出配管と、前記液冷却
器とそれぞれの冷却容器との間を接続する冷媒流入配管
および冷媒液循環手段とを具備したことを特徴とする半
導体冷却装置。
【請求項９】液冷却器に、冷媒液の液面の高さをほぼ
一定に維持する液面制御板を設けたことを特徴とする請
求項８記載の半導体冷却装置。
【請求項１０】複数の半導体チップを搭載した基板を
冷媒液とともに収容し並設された複数の冷却容器と、そ
れぞれの冷却容器に冷媒流入管、冷媒流出管および冷媒
液循環手段を介して接続された液冷却器と、該液冷却器
またはそれぞれの冷却容器の少なくともいずれか一つに
設けられたベローズとよりなることを特徴とする半導体
冷却装置。