JPH064179A

JPH064179A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH064179A
Application number: JP4157787A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Ashiwake; 範行芦分; Tadakatsu Nakajima; 忠克中島; Shigeyuki Sasaki; 重幸佐々木; Yasuo Osone; 靖夫大曽根; Toshio Hatada; 敏夫畑田; Toshiyoshi Iino; 利喜飯野; Kenichi Kasai; 憲一笠井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1994-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体モジュール或いは半導体素子の保守作業
が容易で、かつ、作業中に不純物が混入する恐れが無
く、さらに、高性能で安定性の高い冷却構造を備えた半
導体装置を提供する。【構成】半導体装置の半導体モジュール６、冷媒循環ポ
ンプ７、冷媒冷却器９、及びこれらを結ぶ配管系８をユ
ニット化し、カプラ１１を介して、冷媒冷却器９と外部
からこのユニットに供給される冷却水の配管とを着脱可
能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発熱密度の高い電子装
置に係り、特に、超大型汎用コンピュ−タ及びス−パ−
コンピュ−タに好適な電子装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を液体中に直接浸漬して冷却
する方法は、例えば特公平３−６９１７２号公報におい
て開示されている。この従来例においては、多数の素子
が搭載されたプリント基板を多数スタック状に積層した
数アイピー（ＩＰ）分の論理モジュ−ル、記憶モジュ−
ル、電源モジュ−ルなどを一括して一つの冷媒容器中に
浸漬し、容器外部に設けた冷媒循環ポンプにより冷媒液
を強制循環させて素子を冷却している。

【０００３】また、他の方法として、半導体モジュ−ル
毎に冷媒液を循環する冷却装置が特公昭４８−６３０１
号公報に開示されている。この従来例においては、冷媒
液の密度差によって生じる自然循環力を主として利用し
ている。

【０００４】さらに、半導体モジュ−ルに冷媒液を循環
させる他の方法については、例えば実公平３−７９６０
号公報に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には以下
の問題があった。まず、特公平３−６９１７２号公報に
記載のものは、数ＩＰ分のモジュ−ルが一括して一つの
冷媒容器内にに浸漬されているため、モジュ−ル或いは
素子の交換作業の度に容器中の冷媒を全て除去する必要
があり、保守作業が容易でない。また、冷媒を除去した
後の保守作業では容器内の部品をユ−ザ−サイトで交換
するため、作業中にゴミ等の不純物が容器内に混入する
ことが避けられない。この結果、このような汚染物質が
半導体素子に悪影響を及ぼすことも充分に考えられる。
このことは、裸チップ実装や薄膜配線基板を用いる最近
の超高密度モジュ−ルでは特に重大な問題となる。

【０００６】また、特公昭４８−６３０１号に記載のも
のは、各モジュ−ル毎に冷媒液を循環させているが、保
守作業の方法については特別な配慮がなされていないた
め、保守作業時においては特公平３−６９１７２号公報
に記載のものと同様の問題が生じる。

【０００７】また、特公昭４８−６３０１号公報に記載
されている例では、次のような課題がある。すなわち、
冷媒液の密度差によって生じる自然循環力を主として利
用しているので冷媒の循環流量に制限があり、最近使用
されている数１０Ｗ／ｃｍ²級の超高密度発熱素子の冷
却が困難である。さらに、このような超高密度発熱素子
の冷却の場合、一般に冷媒の沸騰を伴い、冷媒の流れに
気泡を含む２相流状態となり、不安定になりやすい。そ
のため、流体力学的な安定性を保つことがシステムの安
定性の点から不可欠となる。しかし、この例ではこのよ
うな２相流の安定性の問題については配慮されていな
い。

【０００８】次に、実公平３−７９６０号公報に記載に
は、冷媒を強制循環させて発熱素子に吹き付ける冷却能
力の高い構造が開示されている。しかし、全体の冷媒循
環系は開示されておらず、系の流体力学的安定性の配慮
がなされていない。

【０００９】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決した冷却構造を備えた半導体装置を提供することに
ある。即ち、モジュ−ル或いは素子の保守作業が容易
で、かつ、作業中に不純物が混入する恐れが無く、さら
に、高性能で安定性の高い冷却構造を備えた半導体装置
を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、上記保守作業が容易
で高性能な冷却構造を備えた半導体装置の製造方法を提
供することにある。

【００１１】本発明のさらに他の目的は、上記保守作業
が容易で高性能な冷却構造を備えた半導体装置の保守作
業の方法を提供することにある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、ポンプ停止時
等の緊急時に作動する安全装置を有する冷却装置を備え
た半導体装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、基板上に配設した複数の半導体素子を搭載した少な
くとも１個の半導体モジュールと、このモジュールを冷
却するための冷却系とを備えた半導体装置において、前
記半導体モジュールは密封容器を形成し、該容器に供給
する冷媒に半導体素子を浸漬するものであり、前記冷却
系は冷媒を送出するポンプと、このポンプと前記半導体
モジュールとを連結する配管系とにより閉流路を形成
し、前記半導体モジュールの前記冷媒出口部と前記ポン
プの入口部との間の前記配管中に冷媒冷却器を設けたも
のである。

【００１４】また、基板上に配設した複数の半導体素子
を搭載した少なくとも１個の半導体モジュールと、この
モジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装
置において、前記冷却系はポンプと、半導体モジュール
と、冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、
冷媒が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷
媒冷却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、
該半導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記
冷媒冷却器の入口部を前記半導体モジュールの最上面よ
りも高い位置に設けたものである。

【００１５】また、基板上に配設した複数の半導体素子
を搭載した少なくとも１個の半導体モジュールと、この
モジュールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装
置において、前記冷却系はポンプと、半導体モジュール
と、冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、
冷媒が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷
媒冷却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、
該半導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記
半導体モジュールはその下部に冷媒入口部を、その上部
に冷媒出口部を有し、該冷媒出口部と前記冷媒冷却器の
入口部とを連結する配管内部の冷媒流が水平流または上
昇流となるように前記半導体モジュールと、前記冷媒冷
却器とを配設したものである。

【００１６】さらに、基板上に配設した複数の半導体素
子を搭載した複数の半導体モジュールと、このモジュー
ルを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置におい
て、前記半導体モジュールは密封容器を形成し、該容器
に供給する冷媒に半導体素子を浸漬するものであり、各
半導体モジュール毎に前記冷却系を備え、前記冷却系は
冷媒を送出するポンプと、このポンプと前記半導体モジ
ュールとを連結する配管系とにより閉流路を形成し、前
記半導体モジュールの前記冷媒出口部と前記ポンプの入
口部との間の前記配管中に冷媒冷却器を設けたものであ
る。

【００１７】

【作用】ＩＰボード上に搭載された半導体モジュ−ル
と、この半導体モジュールに接続された配管系と、この
配管系に直列に接続された冷媒冷却器及びポンプが半導
体モジュールを冷却する冷却系を構成する。これらは閉
ループを形成しているので冷媒が外部へ流出することは
ない。

【００１８】また、ＩＰボードとそのＩＰボード上に搭
載された半導体モジュールと、ＩＰボード端部に設けた
信号コネクタや給電コネクタが半導体の制御演算記憶部
を形成し、この端部のコネクタにより、半導体装置本体
に結合される。そして、この冷却系と制御演算記憶部と
が一体となっているので、制御演算記憶部または冷却系
の一部に故障が生じた場合にはＩＰボードと冷却系を同
時に交換するので交換が容易なる。

【００１９】また、カプラが外部配管を着脱自在にする
ことにより、前記ＩＰボード等の交換がより容易とな
る。そして、半導体モジュールで発生した熱は、カプラ
で接続した外部配管から導かれた冷却水と冷媒冷却器で
熱交換し、外部へ放熱できる。これにより、冷却効率が
向上するとともに、メンテナンス時にユーザサイトにお
いて、半導体ユニット毎に交換できるので、半導体装置
の設置環境を汚染することもなく、また、冷媒配管内に
不純物が混入するのも防止できる。

【００２０】上記冷媒ポンプによって強制循環される冷
媒は、半導体モジュールに搭載された半導体素子の発熱
を、冷媒液の対流或いは沸騰により除去する。冷媒冷却
器は、上述したように、冷媒の熱を冷却水或いは冷却風
と熱交換する熱交換器として作用する。そして、モジュ
ール内部では、半導体モジュールに搭載された半導体素
子を囲む仕切部材が冷媒の流れの乱れを促進し、冷たい
冷媒液を絶えず発熱体素子の表面に送り込むので沸騰冷
却が促進され、冷却効率を高める。そして、回りの冷た
い冷媒液（過冷却状態にある）と発熱素子表面で冷媒液
が沸騰して発生した蒸気泡とが混合するので、蒸気泡の
凝縮が促進され、上記ユニット内の蒸気泡の量を減らし
冷媒循環系の流体力学的安定性を増す。この仕切部材
は、さらに、各素子間の冷媒の循環流の混合を防止する
ので、均一な冷却性能が得られる。

【００２１】また、上記ユニットにおいて、ポンプから
半導体モジュールへ、次いで冷媒冷却器からポンプへ
と、冷媒が循環するように構成機器を配置し、半導体モ
ジュールと冷媒冷却器を結ぶ配管系を、冷媒の流れが水
平流と上昇流、或いは上昇流のみとなるようにしてい
る。すなわち、下降流のない構成とすると、蒸気泡と冷
媒液の比重差により蒸気泡が順次上昇していくので蒸気
泡による配管の詰まりや蒸気泡の成長による不安定な振
動を防止でき、配管中の２相流の流れを安定に保ち常に
安定した冷却性能が得られる。

【００２２】また、上記ユニットに、半導体モジュール
の冷媒入口部に、半導体モジュールの出口からポンプま
での流動圧力損失よりも大きな流動抵抗を有する、例え
ば絞りなどの抵抗要素を設けると、半導体モジュールの
下流部に存在する２相流に特有な圧力変動に伴う冷媒流
量の変動を抑制し、安定した冷却性能が得られる。

【００２３】また、上記ユニットに、冷媒循環系の半導
体モジュールよりも下流の位置に、内圧によって容積が
可変な例えばベロ−ズ製容器を設けると、系の圧力変動
を吸収し、飽和温度を一定に保ち、常に安定した冷却性
能が得られる。

【００２４】また、上記ユニットに、半導体モジュール
を通過することなく冷媒が循環できるバイパス管を設け
ると、半導体モジュールで発生した蒸気泡と、モジュー
ルに流入する前の冷たい冷媒とを合流させることが可能
となり、これにより蒸気泡を凝縮させ、ユニット内の蒸
気泡の量を減らし冷媒循環系の流体力学的安定性を増
す。そして、常に安定した冷却性能が得られる。

【００２５】また、半導体モジュール入口部に流量制御
用のバルブを、半導体モジュール出口部に冷媒の沸騰気
泡の量を検出するセンサを設け、このセンサによって半
導体モジュール入口部のバルブの開度を制御すると、沸
騰熱伝達に必要な蒸気泡が発生し、そしてその蒸気泡が
成長しない程度の量の冷媒を半導体モジュールに流すこ
とができ、半導体モジュールで発生する蒸気泡の量が過
大になることを防止し、ユニット内の蒸気泡の量を制御
し冷媒循環系の流体力学的安定性を増し、常に安定した
冷却性能が得られる。

【００２６】さらに、上記ユニットにおいて、冷媒循環
ポンプと半導体モジュールを結ぶ配管の途中に、加圧室
を内蔵した冷媒容器を設け、冷媒循環ポンプ停止時等の
緊急時のみに開くバルブを介して冷媒配管に接続する。
そして、容器の一方を半導体モジュールの下流側に接続
すると、緊急時に冷媒容器内の冷たい冷媒を加圧手段の
加圧力により半導体モジュール内に送りこむ。これによ
り、短時間の冷却が可能となり、半導体モジュール内の
デ−タを転送する等の時間的余裕を作り出し、緊急時の
安全性を確保できる。さらに、緊急時においても冷媒が
外部に流出することを防止し、コンピュ−タル−ムの環
境が冷媒で汚染されることを防止する。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２によ
り説明する。電子計算機は、筐体１内にアイピー（Ｉｎ
ｓｔｒｕｃｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＩＰ）ボ−
ド２、電源モジュール３、メモリモジュール４及び給電
バ−５を格納している。そして、ＩＰボ−ド２には、多
数の半導体素子を搭載した半導体モジュール６が搭載さ
れており、これと冷却媒体を循環させるためのポンプ
７、配管系８、及び、冷媒冷却器９とにより、ユニット
化されて一つの半導体ユニットガ形成されている。冷媒
冷却器９には、ベロ−ズ状の容積可変容器１０が取り付
けられる。さらに、冷媒冷却器９には、着脱可能なカプ
ラ１１を介して、外部から冷却水が供給される。

【００２８】次に本実施例の動作を説明する。冷媒ポン
プ７によってユニット内に循環される冷媒は、好ましく
はフロロカ−ボン系の冷媒であり、この冷媒が半導体モ
ジュール６内に多数搭載されている高発熱密度の半導体
素子の表面に直接接触して、冷媒の強制対流による熱伝
達、或いは、冷媒の沸騰による熱伝達によって発熱素子
を冷却する。発熱素子を冷却した後、冷媒は冷媒冷却器
９に送られ、冷媒冷却器９によって冷却された後ポンプ
７に戻る。冷媒冷却器９には、筐体外部から冷却水が、
外部冷却配管を着脱可能にしたカプラ１１を介して供給
される。冷媒冷却器９は一種の熱交換器であり、発熱素
子で発生した熱は冷媒冷却器９で熱交換され、最終的に
はこの冷却水により外部に持ち去られる。冷媒冷却器９
に取り付けられた容積可変容器１０は、ここでの圧力を
ほぼ大気圧に保ち、冷媒循環系の圧力の基準を与えるよ
うに作用する。

【００２９】すなわち、半導体素子１に加わる圧力は、
この基準の圧力にポンプにより加圧された圧力が加算さ
れたものである。したがって、半導体素子に作用する流
体の圧力を少しでも低減するためには、この基準を低く
抑えるのが望ましく大気圧に設定する。なお、大気圧以
下とするとポンプが非稼動時には、大気圧との差分の力
が加わるので、できるだけ大気圧に近付けるのが望まし
い。更に、この基準圧力が一定となることにより、半導
体モジュール６入口の圧力を一定にでき、冷媒の飽和温
度を一定にすることもできる。これにより、冷媒を最適
な温度範囲で使用でき、冷却効率を高めることができ
る。また、本実施例では、冷媒をポンプによって強制的
に循環させているため、循環流量の制御が容易であり、
高い冷却性能を得ることが出来る。そして、数１０Ｗ／
ｃｍ²級の超高密度発熱素子を冷却することもも可能で
ある。

【００３０】ところで、図２に示すように、半導体ユニ
ットは鉛直方向に配設されたＩＰボードと、このボード
表面上に実装された多数の半導体素子を搭載した半導体
モジュール６と、この半導体モジュール６に冷却媒体を
循環させるためのポンプ７、配管系８、冷媒冷却器９と
を備えた冷却系とを有している。このユニットを冷媒の
封入も含めて全て工場内で組み上げることにより、ユ−
ザ−サイトでは、分解、組立等の作業を一切行う必要が
ない。

【００３１】ユ−ザ−サイトにおいて半導体モジュール
を交換する必要が生じた場合には、このユニットをそっ
くり交換する。その時、交換作業は単に冷却水のカプラ
の切離し、ＩＰボ−ドへの給電コネクタ−１２及び信号
コネクタ−１３の電気的切断だけであり、極めて容易で
ある。また、ユ−ザ−サイトでは、ユニットの分解、組
立等の作業を行わないので、不純物の混入の恐れも無い図１及び図２の実施例では、一つのＩＰボ−ドは、１枚
の基板から構成されているが、従来例で示したような積
層型の基板や、複数の基板で１つのＩＰボードを構成し
ても良いことはいうまでもない。図１及び図２の実施例
では、一つのＩＰボ−ド上に２個のモジュールを実装し
ているが、１個のモジュールのみを実装する場合におい
ても、図３の実施例に示すように、本発明を全く同様に
適用できる。

【００３２】なお、図１から図３の実施例においては、
冷媒がポンプから半導体モジュールへ、次いで冷媒冷却
器を経過後ポンプへ戻り循環するように、構成機器を配
置する。そして、上記半導体モジュールと上記冷媒冷却
器を結ぶ配管系を、冷媒の流れが水平流と上昇流のみと
なるように構成している。すなわち、図２でポンプを出
た流れは、ほぼ水平方向に配設された主配管８ａを通っ
た後、この主配管にほぼ垂直に分岐する半導体モジュー
ル入口配管８ｃから半導体モジュール内に入り、半導体
モジュールに入口配管同様にほぼ垂直に設けられた出口
配管８ｄを通ってほぼ水平に設けた主配管８ｂに流入
し、次いで冷媒冷却器９に流入し、ポンプへと戻る。こ
こで、冷媒冷却器９の主配管８ｂとの接続部は、半導体
モジュール６の最上面より上部に位置することが必要で
ある。このように構成すると、下降流部において生じや
すい２相流に起因する不安定流動が防止される。つま
り、冷媒循環系から下降流部を無くすことにより、系の
流体力学的安定性を増すことができる。また、以上の実
施例においては、冷媒冷却器は、冷却水を用いて冷却す
る構成になっているが、冷却水の代わりに送風ファンに
よって空冷しても良い。

【００３３】図４及び図５に本発明の他の実施例を示
す。この実施例では、半導体モジュール６と冷媒循環系
は必ずしもユニット化される必要がないが、冷媒循環系
の流体力学的安定性を増すために、冷媒が、ポンプから
半導体モジュールへ、次いで冷媒冷却器からポンプへと
循環するように構成機器を配置する。そして、上記半導
体モジュールと上記冷媒冷却器を結ぶ配管系を、前述の
実施例同様に、冷媒の流れが水平流と上昇流のみとなる
ように構成している。本実施例では、冷媒循環系がユニ
ット化されていないので、水分を取るためにイオン交換
器またはフィルタを有する冷媒精製器１４を設けている
が、ユニット化された構成としても勿論構わない。

【００３４】図６に本発明のさらに他の実施例を示す。
この実施例では、半導体モジュール６と冷媒循環系をユ
ニット化するとともに、半導体モジュール６と冷媒冷却
器９とを結ぶ配管系を、冷媒の流れが上昇流のみとなる
ように構成している。冷媒循環系から、下降流部に加え
て水平流部を無くすことにより、系の流体力学的安定性
をさらに増すことができる。

【００３５】図７に本発明のさらに他の実施例を示す。
本実施例においても、半導体モジュール６と冷媒循環系
をユニット化している。ただし、冷媒循環ポンプから半
導体モジュールへの主配管８ａの半導体モジュールへ分
岐する分岐部より下流の位置において半導体モジュール
を通らずに冷媒冷却器９に戻るバイパス管１５を設け、
このバイパス管１５を半導体モジュール出口より上流
で、主配管８ｂに合流させる。こうすることにより、半
導体モジュールで発生した蒸気泡と、半導体モジュール
に流入する前の冷たい冷媒とが合流され、蒸気泡に凝縮
が生じ、ユニット内の蒸気泡の量を減らし冷媒循環系の
流体力学的安定性を増し、常に安定した冷却性能を得る
ことが出来る。

【００３６】図８に本発明のさらに他の実施例を示す。
本実施例においても、半導体モジュール６と冷媒循環系
をユニット化している。ただし、上述の実施例と異な
り、半導体モジュール６の入口配管８ｃ部に、半導体モ
ジュールの出口からポンプまでの流動圧力損失よりも大
きな流動抵抗を有するバルブ１６を設けている。こうす
ることにより、半導体モジュールの下流部に存在する２
相流に特有な圧力変動に伴う冷媒流量の変動を無くし、
常に安定した冷却性能を得ることができる。

【００３７】図９に本発明のさらに他の実施例を示す。
本実施例においては、半導体モジュール６と冷媒循環系
をユニット化するとともに、半導体モジュール６と冷媒
冷却器９を結ぶ配管を二重管１７とし、内側の管に冷媒
を、外側の管に冷却水を流すことにより、冷媒配管を冷
却するようにしたものである。半導体モジュール６と冷
媒冷却器９を結ぶ配管系を冷却することにより、半導体
モジュールで発生した蒸気泡を凝縮させ、ユニット内の
蒸気泡の量を減らし、冷媒循環系の流体力学的安定性を
増し、常に安定した冷却性能を得ることが出来る。

【００３８】図１０に本発明のさらに他の実施例を示
す。半導体モジュールの入口配管８ｃ部に流量制御用の
バルブ１８を、半導体モジュールの出口配管８ｄ部に冷
媒の沸騰気泡の量を検出するセンサ１９を設け、センサ
１９によりバルブ１８の開度を制御する制御ライン２０
を設けたものである。こうすることにより、半導体モジ
ュール内部では沸騰冷却により気泡が発生し、配管内で
は気泡が成長しない適切な冷媒流量を半導体モジュール
に流すことが出来る。そして、冷媒循環系の流体力学的
安定性を増し、常に安定した冷却性能を得ることが出来
る。本実施例においては、半導体モジュールと冷媒循環
系をユニット化していないが、ユニット化された構成と
しても勿論構わない。また、２つの半導体モジュールの
相互の発熱量に応じてそれぞれの弁開度を制御できるの
で、さらに蒸気泡の成長を抑制する効果もある。

【００３９】図１１に本発明のさらに他の実施例を示
す。本実施例においても、半導体モジュールと冷媒循環
系をユニット化している。ただし以下の点で前述の実施
例と異なる。すなわち、冷媒循環ポンプと半導体モジュ
ールを結ぶ主配管８ａの途中に、冷媒の逆流を防止する
逆止弁２１を設ける。そして、加圧室を内蔵した冷媒容
器２２の加圧室側が逆止弁２１の下流でかつ半導体モジ
ュールの上流の位置に、冷媒循環ポンプ停止時等の緊急
時のみに開くバルブ２３を介して接続し、容器の他方を
半導体モジュールの下流側に接続したものである。図１
２に冷媒容器２２の詳細な構造を示す。冷媒容器２２の
内部には加圧室２４が設けられる。加圧室２４は、ベロ
−ズ状の容積可変容器２５の内部に形成され、ばね２６
により容積可変容器２５が加圧されている。加圧室２４
は、通常の運転時には密閉されており、バルブ２３が緊
急時にのみ開いて主配管８ａに連通する。次に本実施例
の作用を説明する。例えば、緊急事態である冷媒循環ポ
ンプ７が停止したときには、逆止弁２１が閉じると、そ
れと同時にバルブ２３が開き、ばね２６の圧力によりベ
ロ−ズ容器２５が圧縮され、加圧室２４内の冷媒が押し
出され、半導体モジュール６に流入した後、容器２２内
の加圧室の外側の空間２７に吸収される。この機構によ
り、緊急時においても短時間の冷却が可能になり、半導
体モジュール内のデ−タを転送する等の時間的余裕を作
り出すことができ、緊急時の安全性を確保することがで
きる。さらに本実施例においては、緊急時においても冷
媒が外部に流出しないため、コンピュ−タル−ムの環境
が冷媒で汚染される心配もない。なお、半導体ユニット
の一部が故障した場合、半導体ユニットごとの交換にな
り、環境の汚染を防止できる。また、容積可変容器２５
内への冷媒の密封は、事前に工場内で出荷前に行う。

【００４０】図１３および図１４に本発明のさらに他の
実施例を示す。本実施例は、半導体モジュール６内の冷
媒流路を示したものである。最初に半導体モジュールの
構造を説明する。配線基板２８上に多数の集積回路チッ
プ２９が搭載されている。配線基板２８のチップ搭載面
はケ−シング３０によって密閉されている。ケ−シング
３０は、入口ヘッダ部３１と出口ヘッダ部３２の二重構
造になっており、それぞれに冷媒流入用の配管３３およ
び冷媒流出用の配管３４が取り付けられる。入口ヘッダ
部３１には、基板に搭載された集積回路チップ２９に対
向する位置にノズル３５が設けられる。また、基板に搭
載された集積回路チップ２９の周囲には、仕切部材３６
が設けられる。図１４は、チップ周囲の仕切部材３６の
取付け状況を示したものである。仕切部材はチップの周
囲を囲むように格子状に設けられる。

【００４１】次に本実施例の作用を説明する。入口配管
３３から入口ヘッダ３１に流入した冷媒は、ヘッダ内で
各ノズル３５に分配される。各ノズルに分配された冷媒
は発熱チップの表面に噴流として衝突し、チップ表面で
沸騰しながらチップの発熱を除去した後、出口ヘッダ部
３２を通って出口配管３４から半導体モジュール外に排
出される。チップ周囲の仕切部材３６は、チップとチッ
プ間の冷媒の流れの干渉を防止するように作用し、半導
体モジュールが垂直に実装された場合でも上方に位置す
るチップが下方のチップで発生した冷媒蒸気泡に覆われ
てしまうことを防止するように作用する。さらに、冷媒
の流れの乱れを促進し、冷却効率を高めるとともに、素
子表面で冷媒液が沸騰することによって生じる蒸気泡の
凝縮を促進し、蒸気泡の量を減らして冷媒循環系の流体
力学的安定性を増すように作用する。これにより、数１
０Ｗ／ｃｍ²級の高発熱密度チップの安定した冷却が可
能になる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、半導体モジュールと冷
媒循環系をユニット化し、カプラで着脱可能にしたの
で、半導体モジュールと冷媒循環系をそっくり交換する
ことが可能になり、半導体モジュール或いは半導体素子
の保守作業が容易になる。また、作業中に不純物が混入
する恐れも無いため、装置の信頼性が向上する。

【００４３】また、本発明によれば、半導体モジュール
と冷媒冷却器を結ぶ配管系を、冷媒の流れが水平流と上
昇流、或いは上昇流のみとなるようにしたので、冷媒配
管中の２相流の流れを安定に保つことができる。

【００４４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷媒循環系を備えた電子計算機の一実
施例の斜視図である。

【図２】本発明の半導体ユニットの一実施例を示す正面
図である。

【図３】本発明の半導体ユニットの他の実施例を示す正
面図である。

【図４】本発明の冷媒循環系を備えた電子計算機の他の
実施例を示す斜視図である。

【図５】本発明の冷媒循環系の他の実施例の正面図であ
る。

【図６】本発明の半導体ユニットの他の実施例を示す正
面図である。

【図７】本発明の半導体ユニットの他の実施例を示す正
面図である。

【図８】本発明の半導体ユニットのさらに他の実施例を
示す正面図である。

【図９】本発明の半導体ユニットのさらに他の実施例を
示す正面図である。

【図１０】本発明の冷媒循環系のさらに他の実施例の正
面図である。

【図１１】本発明の半導体ユニットの他の実施例を示す
正面図である。

【図１２】加圧室を内蔵した冷媒容器の一実施例の縦断
面図である。

【図１３】半導体モジュールの一実施例の横断面図であ
る。

【図１４】チップ周りの仕切部材の一実施例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１…半導体装置筐体、２…ＩＰボ−ド、３…電源モジュ
ール、４…メモリモジュール、５…給電バ−、６…半導
体モジュール、７…ポンプ、８…配管系、９…冷媒冷却
器、１０…容積可変容器、１１…カプラ、１２…給電コ
ネクタ−、１３…信号コネクタ−、１４…冷媒精製器、
１５…バイパス管、１６…バルブ、１７…二重管、１８
…バルブ、１９…気泡センサ、２０…制御ライン、２１
…逆止弁、２２…冷媒容器、２３…バルブ、２４…加圧
室、２５…容積可変容器、２６…ばね、２７…空間、２
８…配線基板、２９…集積回路チップ、３０…ケ−シン
グ、３１…入口ヘッダ部、３２…出口ヘッダ部、３３…
冷媒流入配管、３４…冷媒流出配管、３５…ノズル、３
６…仕切部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大曽根靖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)発明者飯野利喜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奏野市堀山下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】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載
した少なくとも１個の半導体モジュールと、このモジュ
ールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置にお
いて、前記半導体モジュールは密封容器を形成し、該
容器に供給する冷媒に半導体素子を浸漬するものであ
り、前記冷却系は冷媒を送出するポンプと、このポンプと前
記半導体モジュールとを連結する配管系とにより閉流路
を形成し、前記半導体モジュールの前記冷媒出口部と前
記ポンプの入口部との間の前記配管中に冷媒冷却器を設
けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記冷媒冷却器に外部配管を着脱可能にす
るカプラと、前記冷媒と非接触に熱交換する流路とを設
けたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】請求項２に記載の半導体装置を搭載したコ
ンピュータ装置。
【請求項４】前記基板の端部にコネクタを設け、前記カ
プラで外部配管を切離し、前記コネクタを外すことによ
り前記基板を装置本体から分離可能に設けたことを特徴
とする請求項３に記載のコンピュータ装置。
【請求項５】前記冷媒をフロロカーボンとしたことを特
徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項６】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載
した少なくとも１個の半導体モジュールと、このモジュ
ールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置にお
いて、前記冷却系はポンプと、半導体モジュールと、
冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、冷媒
が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷媒冷
却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、該半
導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記冷媒
冷却器の入口部を前記半導体モジュールの最上面よりも
高い位置に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載
した少なくとも１個の半導体モジュールと、このモジュ
ールを冷却するための冷却系とを備えた半導体装置にお
いて、前記冷却系はポンプと、半導体モジュールと、
冷媒冷却器と、それらを連結する配管系とを有し、冷媒
が該ポンプから該半導体モジュールへ、次いで該冷媒冷
却器から該ポンプへと循環するように該ポンプと、該半
導体モジュールと、該冷媒冷却器とを配設し、前記半導
体モジュールはその下部に冷媒入口部を、その上部に冷
媒出口部を有し、該冷媒出口部と前記冷媒冷却器の入口
部とを連結する配管内部の冷媒流が水平流または上昇流
となるように前記半導体モジュールと、前記冷媒冷却器
とを配設したことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】請求項１において前記ポンプを前記冷媒冷
却器より下方に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】基板上に配設した複数の半導体素子を搭載
した複数の半導体モジュールと、このモジュールを冷却
するための冷却系とを備えた半導体装置において、前記半導体モジュールは密封容器を形成し、該容器に供
給する冷媒に半導体素子を浸漬するものであり、各半導
体モジュール毎に前記冷却系を備え、前記冷却系は冷媒
を送出するポンプと、このポンプと前記半導体モジュー
ルとを連結する配管系とにより閉流路を形成し、前記半
導体モジュールの前記冷媒出口部と前記ポンプの入口部
との間の前記配管中に冷媒冷却器を設けたことを特徴と
する半導体装置。
【請求項１０】前記半導体モジュールの冷媒入口部に前
記ポンプから送出される冷媒の流動圧力損失を増大させ
る抵抗要素を設けたことを特徴とする請求項２、６又は
７に記載の半導体装置。
【請求項１１】前記ポンプから送出される冷媒流を分岐
して導く分岐配管を設け、その一方の分岐配管は半導体
モジュールに接続され、他方の分岐配管路中に密閉容器
を設け、該容器を内圧により容積が可変となるように形
成したことを特徴とする請求項２、６または７に記載の
半導体装置。
【請求項１２】前記半導体モジュールは前記複数の半導
体素子に冷媒を導く供給部材と、この冷媒供給部材に冷
媒を分配する冷媒供給ヘッダと、前記半導体素子のそれ
ぞれの周りを囲む仕切り部材と、この仕切り部材と前記
冷媒供給部材とにより形成される冷媒排出口と、該冷媒
排出口より排出される冷媒をまとめる冷媒戻りヘッダと
を備えたことを特徴とする請求項２、６または７に記載
の半導体装置。
【請求項１３】前記ポンプから送出される冷媒流を少な
くとも１個の半導体モジュールの冷媒入り口部より下流
で分岐し、半導体モジュールをバイパスし冷媒冷却器に
流入するバイパス配管を設けたことを特徴とする請求項
２、６または７に記載の半導体装置。
【請求項１４】前記バイパス流路は、前記半導体モジュ
ールの冷媒出口部と前記冷媒冷却器とを接続する配管に
その出口部を接続したことを特徴とする請求項１３記載
の半導体装置。
【請求項１５】前記半導体モジュールの冷媒出口部と前
記冷媒冷却器とを接続する配管に、該配管と熱交換して
冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項２ま
たは６に記載の半導体装置。
【請求項１６】前記半導体モジュールの冷媒入口部に流
量制御用のバルブをこの半導体モジュールの冷媒出口部
に冷媒の沸騰気泡の量を検出するセンサをそれぞれ設
け、このセンサの出力信号に応じて前記バルブの開度を
制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項２、
６または７に記載の半導体装置。
【請求項１７】前記ポンプと前記半導体モジュールの冷
媒出口部とを接続する配管の途中に逆止弁を、この逆止
弁の下流側で前記半導体モジュールの冷媒入口部の上流
側に冷媒冷却器に連結するバイパス流路配管を設け、こ
のバイパス流路配管中にバルブを、このバルブの下流側
に加圧室を内蔵した冷媒容器を設けたことを特徴とする
請求項２、６または７に記載の半導体装置。