JPH07153877A - 発熱体の冷却装置 - Google Patents
発熱体の冷却装置Info
- Publication number
- JPH07153877A JPH07153877A JP5297771A JP29777193A JPH07153877A JP H07153877 A JPH07153877 A JP H07153877A JP 5297771 A JP5297771 A JP 5297771A JP 29777193 A JP29777193 A JP 29777193A JP H07153877 A JPH07153877 A JP H07153877A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- contact
- cooling
- heat
- thermoconductive
- thin film
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- Pending
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73253—Bump and layer connectors
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】ガス雰囲気中で発熱体と冷却体を接触させて、
接触面を通した熱伝導によって冷却する方式の発熱体の
冷却装置において、接触面にリチウムあるいはベリリウ
ムなどの軽金属の薄膜を形成する。 【効果】接触面上でのガスの温度飛躍長さを短縮し、接
触面間の実効隙間を小さくすることによって接触熱抵抗
を減少させる。
接触面を通した熱伝導によって冷却する方式の発熱体の
冷却装置において、接触面にリチウムあるいはベリリウ
ムなどの軽金属の薄膜を形成する。 【効果】接触面上でのガスの温度飛躍長さを短縮し、接
触面間の実効隙間を小さくすることによって接触熱抵抗
を減少させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は発熱体の冷却装置に係
り、特に、電子機器の冷却装置に関する。
り、特に、電子機器の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の冷却装置は、発熱体と冷却体を熱
伝導率の高いヘリウムガスの雰囲気中で接触させて冷却
を行っている。この際、互いの接触面を滑らかに仕上げ
ることにより接触面間の隙間を小さくし、熱伝導を促進
させている。
伝導率の高いヘリウムガスの雰囲気中で接触させて冷却
を行っている。この際、互いの接触面を滑らかに仕上げ
ることにより接触面間の隙間を小さくし、熱伝導を促進
させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】電子機器の冷却のため
に上記の従来技術を用いる場合、電子部品は大きな加重
に耐えられないため接触面の押し付け圧力は小さく抑え
られている。すると、接触面の微小な凹凸のために真の
接触面積は非常に小さくなるので、接触面間では熱はほ
とんどヘリウムガスを介して伝導する。ヘリウムはガス
の中では熱伝導の良い物質であるが、発熱体及び冷却体
の材料に比べると熱伝導率が小さいため、隙間に充填さ
れたヘリウムガスの層が接触熱抵抗となってしまう。従
って接触熱抵抗を減少させるためには接触面を滑らかに
仕上げて凹凸を小さくし、接触面間の隙間を小さくすれ
ばよい。
に上記の従来技術を用いる場合、電子部品は大きな加重
に耐えられないため接触面の押し付け圧力は小さく抑え
られている。すると、接触面の微小な凹凸のために真の
接触面積は非常に小さくなるので、接触面間では熱はほ
とんどヘリウムガスを介して伝導する。ヘリウムはガス
の中では熱伝導の良い物質であるが、発熱体及び冷却体
の材料に比べると熱伝導率が小さいため、隙間に充填さ
れたヘリウムガスの層が接触熱抵抗となってしまう。従
って接触熱抵抗を減少させるためには接触面を滑らかに
仕上げて凹凸を小さくし、接触面間の隙間を小さくすれ
ばよい。
【０００４】ところで、狭い隙間でのガス熱伝導では、
温度飛躍という現象が発生する。この温度飛躍とは固体
の表面の温度と表面に接するガスの温度が一致しないこ
とを指し、隙間が大きくなったことと同じ効果を持つ。
温度分布の一例を図４に示す。この現象のため、いくら
表面粗さを小さくしても接触面間の実効隙間は温度飛躍
長さ分だけ長くなり、一定の値以下にはできない。従っ
て、接触面を滑らかに仕上げることによって接触熱抵抗
を減少させる方法には限界があり、１気圧のヘリウム中
で使用する場合、表面粗さを１μｍ程度以下にしても熱
抵抗はほとんど減少しない。
温度飛躍という現象が発生する。この温度飛躍とは固体
の表面の温度と表面に接するガスの温度が一致しないこ
とを指し、隙間が大きくなったことと同じ効果を持つ。
温度分布の一例を図４に示す。この現象のため、いくら
表面粗さを小さくしても接触面間の実効隙間は温度飛躍
長さ分だけ長くなり、一定の値以下にはできない。従っ
て、接触面を滑らかに仕上げることによって接触熱抵抗
を減少させる方法には限界があり、１気圧のヘリウム中
で使用する場合、表面粗さを１μｍ程度以下にしても熱
抵抗はほとんど減少しない。
【０００５】このように、従来の技術で電子部品を冷却
する場合にはヘリウムと固体表面の間の温度飛躍のため
ある一定値以上の接触熱抵抗が発生し、非常に大きな発
熱量を持つ電子部品に対して適用することができない。
する場合にはヘリウムと固体表面の間の温度飛躍のため
ある一定値以上の接触熱抵抗が発生し、非常に大きな発
熱量を持つ電子部品に対して適用することができない。
【０００６】本発明の目的は、ガス雰囲気中で発熱体と
冷却体を接触させる構造の発熱体の冷却装置において、
接触面の熱抵抗を減少させ、非常に発熱量の大きい発熱
体を効率的に冷却する手段を提供することにある。
冷却体を接触させる構造の発熱体の冷却装置において、
接触面の熱抵抗を減少させ、非常に発熱量の大きい発熱
体を効率的に冷却する手段を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】非常に大きな発熱量を持
つ電子部品に対してヘリウムガスを介した接触熱伝導を
用いるためには、発熱体及び冷却体の表面とヘリウムガ
スの間の温度飛躍長さを短縮すればよい。温度飛躍長さ
をｌjとすると、ｌjは数１で表せる。
つ電子部品に対してヘリウムガスを介した接触熱伝導を
用いるためには、発熱体及び冷却体の表面とヘリウムガ
スの間の温度飛躍長さを短縮すればよい。温度飛躍長さ
をｌjとすると、ｌjは数１で表せる。
【０００８】
【数１】
【０００９】この内、プラントル数と比熱比はガスの物
性値であり、電子機器の冷却に対しては熱伝導率の高さ
と安全性の点からヘリウムを使用したいので、その限り
は一定の値をとる。また、平均自由行程は圧力を上げれ
ば小さくすることができるが、ガス漏れを防止するため
に圧力は大気圧のままで使用できることが望ましい。従
って、適応係数αを大きくすることによって温度飛躍長
さを短縮させられれば上記の目的を達成できる。
性値であり、電子機器の冷却に対しては熱伝導率の高さ
と安全性の点からヘリウムを使用したいので、その限り
は一定の値をとる。また、平均自由行程は圧力を上げれ
ば小さくすることができるが、ガス漏れを防止するため
に圧力は大気圧のままで使用できることが望ましい。従
って、適応係数αを大きくすることによって温度飛躍長
さを短縮させられれば上記の目的を達成できる。
【００１０】適応係数はガスの温度の関数であり、ガス
の温度がある程度高ければ以下の数２で表される一定値
α（∞）に近づく。
の温度がある程度高ければ以下の数２で表される一定値
α（∞）に近づく。
【００１１】
【数２】
【００１２】ここで、ｍg はガスの分子量、ｍs は固体
の原子量である。通常は固体の原子量はヘリウムガスの
分子量に比べて非常に大きいため、α（∞）の値は小さ
い。つまり、固体の材料を原子量の小さい物質に変更す
れば適応係数が大きくなる。ただし、発熱体及び冷却体
の材料を変更することは容易でないが、適応係数は固体
表面上の現象にのみ支配されているため、表面に薄膜を
付着させれば十分である。
の原子量である。通常は固体の原子量はヘリウムガスの
分子量に比べて非常に大きいため、α（∞）の値は小さ
い。つまり、固体の材料を原子量の小さい物質に変更す
れば適応係数が大きくなる。ただし、発熱体及び冷却体
の材料を変更することは容易でないが、適応係数は固体
表面上の現象にのみ支配されているため、表面に薄膜を
付着させれば十分である。
【００１３】本発明における熱伝導の機構を簡単なモデ
ルで図５，図６に示す。図５は薄膜がない場合、すなわ
ち、従来の技術を示す。２は冷却体あるいは発熱体を構
成する原子であり、例えば銅のようなヘリウムに比べる
と非常に重い元素である。この場合、ヘリウム分子６が
固体表面の原子に衝突しても質量の比が非常に大きいた
め適応係数が小さく、エネルギの伝達効率が悪い。する
と、狭い隙間では分子同士の衝突回数が少ないため熱伝
導が悪くなる。図６は薄膜を付けた場合、すなわち本発
明を示す。この場合には、薄膜５を構成する原子は原子
２に比べて非常に軽い元素を用いる。すると、ヘリウム
との質量の比が１に近づくため、原子２がむき出しにな
っている場合に比べると適応係数が高く、効率よく熱を
伝えられる。
ルで図５，図６に示す。図５は薄膜がない場合、すなわ
ち、従来の技術を示す。２は冷却体あるいは発熱体を構
成する原子であり、例えば銅のようなヘリウムに比べる
と非常に重い元素である。この場合、ヘリウム分子６が
固体表面の原子に衝突しても質量の比が非常に大きいた
め適応係数が小さく、エネルギの伝達効率が悪い。する
と、狭い隙間では分子同士の衝突回数が少ないため熱伝
導が悪くなる。図６は薄膜を付けた場合、すなわち本発
明を示す。この場合には、薄膜５を構成する原子は原子
２に比べて非常に軽い元素を用いる。すると、ヘリウム
との質量の比が１に近づくため、原子２がむき出しにな
っている場合に比べると適応係数が高く、効率よく熱を
伝えられる。
【００１４】本発明は、発熱体及び冷却体の表面にスパ
ッタ等の手段によってリチウムあるいはベリリウムなど
の原子量の小さい金属の薄膜を形成するものである。
ッタ等の手段によってリチウムあるいはベリリウムなど
の原子量の小さい金属の薄膜を形成するものである。
【００１５】本発明の他の特徴は、発熱体及び冷却体の
表面に水素を含む高分子材料の薄膜を貼り付けるもので
ある。
表面に水素を含む高分子材料の薄膜を貼り付けるもので
ある。
【００１６】
【作用】発熱体、及び冷却体の表面を原子量の小さい物
質で覆うことによってヘリウムとの適応係数が大きくな
る。すると、接触面間のヘリウムの温度飛躍長さが短縮
し、接触熱抵抗を減少させることができる。
質で覆うことによってヘリウムとの適応係数が大きくな
る。すると、接触面間のヘリウムの温度飛躍長さが短縮
し、接触熱抵抗を減少させることができる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図を用いて説明す
る。図１は本発明の第一実施例を示す側面図である。第
一の実施例は本発明を用いた電子機器の冷却装置であ
る。図１において、１は冷却対象の電子部品、この場合
ＬＳＩ素子、２は柔軟構造の熱伝導部品、３はジャケッ
ト、４はＬＳＩ素子を搭載する基板である。ＬＳＩ素子
１で発生した熱は接触面を介して熱伝導部品２に伝わ
り、熱伝導グリスを介して水冷ジャケット３に伝えら
れ、冷却水によって外部に逃がされる。ＬＳＩの高さに
ある程度のばらつきがあるので、水冷ジャケットに直接
接触させることはできず、高さの差を吸収するために柔
軟構造の熱伝導部品を介して冷却ジャケットに熱を伝え
る必要がある。ここでは、熱伝導部品としてくし歯形の
フィンを二個組み合わせたくし歯形接触熱伝導子を用い
ている。
る。図１は本発明の第一実施例を示す側面図である。第
一の実施例は本発明を用いた電子機器の冷却装置であ
る。図１において、１は冷却対象の電子部品、この場合
ＬＳＩ素子、２は柔軟構造の熱伝導部品、３はジャケッ
ト、４はＬＳＩ素子を搭載する基板である。ＬＳＩ素子
１で発生した熱は接触面を介して熱伝導部品２に伝わ
り、熱伝導グリスを介して水冷ジャケット３に伝えら
れ、冷却水によって外部に逃がされる。ＬＳＩの高さに
ある程度のばらつきがあるので、水冷ジャケットに直接
接触させることはできず、高さの差を吸収するために柔
軟構造の熱伝導部品を介して冷却ジャケットに熱を伝え
る必要がある。ここでは、熱伝導部品としてくし歯形の
フィンを二個組み合わせたくし歯形接触熱伝導子を用い
ている。
【００１８】図２は本発明の第一実施例の接触面近傍を
示す断面図である。５はスパッタなどの手段で形成され
たリチウム，ベリリウムなどの金属の薄膜、６は接触面
間に介在するヘリウムである。図２に示したように、接
触面上にはμｍ単位の微小な凹凸が存在し、実際に固体
同士が接触している部分の面積はごくわずかであり、隙
間はヘリウムで満たされている。ここで、薄膜によって
固体表面でのヘリウムの温度飛躍長さが短縮され、ヘリ
ウムと冷却体、およびヘリウムと発熱体の間の熱伝導が
促進される。
示す断面図である。５はスパッタなどの手段で形成され
たリチウム，ベリリウムなどの金属の薄膜、６は接触面
間に介在するヘリウムである。図２に示したように、接
触面上にはμｍ単位の微小な凹凸が存在し、実際に固体
同士が接触している部分の面積はごくわずかであり、隙
間はヘリウムで満たされている。ここで、薄膜によって
固体表面でのヘリウムの温度飛躍長さが短縮され、ヘリ
ウムと冷却体、およびヘリウムと発熱体の間の熱伝導が
促進される。
【００１９】また、図２のリチウムやベリリウムの蒸着
膜５の代わりに水素を含む高分子の薄膜を貼り付けても
よい。やはり表面を質量数の小さい原子で覆うことによ
り同様の効果を得ることができる。
膜５の代わりに水素を含む高分子の薄膜を貼り付けても
よい。やはり表面を質量数の小さい原子で覆うことによ
り同様の効果を得ることができる。
【００２０】図３は他の実施例を示す斜視図である。こ
の実施例は、本発明を半導体ウエハの製造装置の冷却に
応用したものである。半導体ウエハに対してスパッタ等
を施す際には多量の熱が発生するため冷却する必要があ
るが、周囲が真空であるのでウエハの裏面に冷却ブロッ
クを接触させて冷却を行っている。この際、真空中では
接触熱抵抗が非常に大きいため、冷却能力が特に要求さ
れる場合にはウエハ裏面と冷却ブロックの間にヘリウム
ガスを注入するという技術も従来から用いられている。
図３において、７は冷却対象の半導体ウエハである。熱
はウエハの表面で発生し、裏面側に伝導して、接触面を
通して裏面に接触した冷却ブロックにより取り去られ
る。なお、冷却ブロックは中に冷媒を循環させることに
よって冷却を行う。
の実施例は、本発明を半導体ウエハの製造装置の冷却に
応用したものである。半導体ウエハに対してスパッタ等
を施す際には多量の熱が発生するため冷却する必要があ
るが、周囲が真空であるのでウエハの裏面に冷却ブロッ
クを接触させて冷却を行っている。この際、真空中では
接触熱抵抗が非常に大きいため、冷却能力が特に要求さ
れる場合にはウエハ裏面と冷却ブロックの間にヘリウム
ガスを注入するという技術も従来から用いられている。
図３において、７は冷却対象の半導体ウエハである。熱
はウエハの表面で発生し、裏面側に伝導して、接触面を
通して裏面に接触した冷却ブロックにより取り去られ
る。なお、冷却ブロックは中に冷媒を循環させることに
よって冷却を行う。
【００２１】ここで、本発明を応用すれば、冷却ブロッ
クの表面にリチウム，ベリリウムなどの金属薄膜を付け
ることによってヘリウム注入の効果を高めて冷却性能を
向上させることができる。
クの表面にリチウム，ベリリウムなどの金属薄膜を付け
ることによってヘリウム注入の効果を高めて冷却性能を
向上させることができる。
【００２２】このように、本実施例によれば、ヘリウム
ガス中で接触面を通して熱を伝える構造の発熱体の冷却
装置において、接触熱抵抗を減少させ、効率的に冷却を
行うことができる。
ガス中で接触面を通して熱を伝える構造の発熱体の冷却
装置において、接触熱抵抗を減少させ、効率的に冷却を
行うことができる。
【００２３】
【発明の効果】本発明を用いることにより、ガスを介し
た接触熱伝導の熱抵抗を小さくし、非常に大きな発熱量
を持つ電子部品に対して接触熱伝導方式の冷却技術が適
用可能になる。
た接触熱伝導の熱抵抗を小さくし、非常に大きな発熱量
を持つ電子部品に対して接触熱伝導方式の冷却技術が適
用可能になる。
【図１】本発明の第一実施例を示す側面図。
【図２】本発明の第一実施例の断面図。
【図３】本発明の第二実施例を示す斜視図。
【図４】接触面間温度分布の一例を示す特性図。
【図５】従来技術の伝熱機構を示す説明図。
【図６】本発明の伝熱機構を示す説明図。
１…電子部品、２…柔軟構造熱伝導部品、３…冷却ブロ
ック、４…基板、５…薄膜、６…ヘリウム、７…半導体
ウエハ。
ック、４…基板、５…薄膜、６…ヘリウム、７…半導体
ウエハ。
Claims (1)
- 【請求項１】ヘリウムガス雰囲気中で互いに面接触した
発熱体と冷却体とを備え、その接触面を通して熱を伝え
る構造の冷却装置において、前記接触面上にリチウムあ
るいはベリリウムなどの軽元素の薄膜を形成したことを
特徴とする発熱体の冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5297771A JPH07153877A (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | 発熱体の冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5297771A JPH07153877A (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | 発熱体の冷却装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07153877A true JPH07153877A (ja) | 1995-06-16 |
Family
ID=17850971
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5297771A Pending JPH07153877A (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | 発熱体の冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07153877A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6962753B1 (en) | 1996-09-09 | 2005-11-08 | Nec Tokin Corporation | Highly heat-conductive composite magnetic material |
-
1993
- 1993-11-29 JP JP5297771A patent/JPH07153877A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6962753B1 (en) | 1996-09-09 | 2005-11-08 | Nec Tokin Corporation | Highly heat-conductive composite magnetic material |
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