JPH07235623A

JPH07235623A - 電子部品用冷却装置

Info

Publication number: JPH07235623A
Application number: JP2642594A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬; Shinsaku Tsunoda; 晋作角田; Minoru Takahashi; 稔高橋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 1995-09-05

Abstract

(57)【要約】【目的】十分な冷却能力を有し小型の半導体チップ用小
型冷却装置を提供する。【構成】放熱フィンの個々のフィン壁を冷却気体の流路
１１３となるように配置する。その放熱フィンに絶縁基
板でもある蓋１２０をして吸気口１１１と排気口１１２
のみを開口部とするような冷却気体の流路１１３を形成
する。また、その蓋１２０を閉じた場合に、冷却気体の
流路１１３の吸気口１１１および排気口１１２の付近に
ファンがくるように、ファンを装着したモータ１３０，
１３１を蓋１２０に固定する。モータの駆動配線パタン
はその絶縁基板である蓋１２０上に設ける。そして、こ
のモータ１３０，１３１によりファンを回転させること
によりこの流路１１３に沿った冷却気流を生じさせる。
この冷却装置１００を半導体チップ９００の背面上に搭
載して半導体チップ９００を強制冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品、特に半導体
チップを冷却する冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータや周辺機器などの各種情報
機器、および、測定装置や制御装置などの各種電子機器
などにおいては、より小型でより高速な機器が要望され
ている。そして、近年の半導体技術の急速な進歩によ
り、その集積度および動作速度は飛躍的に向上し、前記
各種情報機器および電子機器の小型化・高速化が著しく
進んでいる。このように、機器が高速化・小型化したこ
と、すなわち、半導体の集積度が向上し動作速度が速く
なったことは、一方で、半導体チップの消費電力を増大
させ発熱量を増大させるという問題を生じている。特
に、ＣＰＵなどとして使用されるプロセッサチップにお
いては、消費電力が１０Ｗ以上、発熱温度が１００°Ｃ
以上に達する半導体チップも存在する。このような半導
体チップを冷却するためには、図８に示すように、半導
体チップ９００の背面に、放熱フィン９１０を設け、さ
らにその上にファン付モータ９２０を設け、このファン
付モータ９２０により冷却気流を発生させ、強制的に半
導体チップを冷却させる方法がとられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した放熱
フィンの上にさらにファン付モータを設置する方法は、
その半導体チップ部分の高さが高くなり、容積が増加す
るため、その半導体チップを搭載する装置の小型化の妨
げになるという問題があった。特に、パソコンやワーク
ステーションなどにおいては、装置を小型化するため、
基板間隔を狭くし、基板を密接させて筐体内に実装す
る。しかし、このような放熱フィン上にさらにファン付
モータを有する半導体チップを搭載した基板は、２枚
分、あるいは、３枚分の幅を必要とするため、効率よく
基板を実装することができず、装置の小型化ができなか
った。また、前記従来のファン付モータはチップの上方
向へのみ吸気、あるいは、排気を行い自由度が無いた
め、その方向に別の発熱体があった場合や、また、その
方向がなんらかの障壁により覆われていた場合などには
放熱効果が著しく低下し、他の電子部品に対しても影響
を及ぼすという問題もあった。

【０００４】したがって、本発明の目的は高さが低く、
容積の小さい半導体チップの冷却装置を提供することに
ある。また、本発明の他の目的は、任意の方向に吸気、
および、排気が可能な半導体チップの冷却装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本件出願の発明者は、前
記従来の冷却装置においてファンが大きいという問題を
解決すべくモータとファンを小型化することを検討し
た。そして、小型のモータとファンを用いて有効な冷却
効果を奏する冷却構造を発明した。つまり、放熱フィン
を用いて冷却気流の流れを考慮した流路を形成すること
により、少ない風量でも効率的に冷却できるようにし
た。すなわち、本発明の電子部品用冷却装置は、冷却気
体が層流として流れることが可能なように気体の流路を
形成した放熱フィンと、所望の方向にその冷却気体を直
接的に送風することが可能な該流路内に設置された冷却
気流発生用のファンを装着したモータを有する。

【０００６】また、前記放熱体は、下記に挙げるような
構成にすることができる。（１）半導体チップに当接する基台面上に冷却気体の流
路を規定するように設けられたフィンと、そのフィンの
上部に設置し、前記流路の開放面を閉じる蓋とによる構
成。（２）冷却気体の流路となる貫通孔を確保する形状で、
前記基台と前記フィンと前記蓋を全て一体成形した構
成。また、前記ファンを装着した小型モータは、冷却気体の
流路内の下記に挙げる部位のうち好適な部位に固定する
ことができる。（１）前記半導体チップに当接する基台面上。（２）前記フィンの上部に設置する蓋。（３）前記フィン。

【０００７】さらに、前記冷却気体の流路は下記に挙げ
る種々の形状に構成することができる。（１）前記基台面の対角状の角部に設けられた開口部を
両終端として、その基台面全域にわたり１つの冷却気体
の流路を蛇行して形成した構成。（２）前記冷却気体の流路の前記基台面中央部に冷却気
体の吸排気を行う開口部をさらに有した構成。（３）前記基台面の１辺から対辺に設けた複数の平行な
冷却気体の流路を形成した構成。

【０００８】

【作用】本発明の電子部品用冷却装置は、放熱フィンの
フィン壁を冷却気体の流路を確保するように形成し、そ
の冷却気体の流路にファンを装着したモータを設置し冷
却気体を強制吸排気する。したがって、冷却流路内のフ
ァンにより直接的に所望方向の冷却気流を発生し、かつ
該冷却気流は前記流路に沿って層流となって効率よく流
れるので、半導体チップ全体を効率よく冷却できる。ま
た、本発明の電子部品用冷却装置は、冷却気体をフィン
壁により形成された流路に沿って流すことにより強制冷
却を行う。そのため、吸気、および排気の方向はフィン
壁の向きにより任意の方向に決定できる。

【０００９】

【実施例】本発明の電子部品用冷却装置の第１実施例を
図１を参照して説明する。図１は、第１実施例の冷却装
置１００の構成を示す斜視図である。第１実施例の冷却
装置１００は放熱フィン１１０、フィン蓋１２０、およ
びファンを装着したモータ１３０、１３１を有する。放
熱フィン１１０には、開口部１１１および１１２を終端
として、蛇行した冷却気体の流路１１３を構成するよう
にフィン壁により溝が形成されている。この放熱フィン
１１０は、アルミニウム・銅・銅タングステン合金・窒
化アルミニウムなどを成形して作られる。フィン蓋１２
０は、放熱フィン１１０の上部を覆い閉じる蓋である。
このフィン蓋１２０により放熱フィン１１０を閉じるこ
とにより、前記溝の上部が閉じられ、開口部１１１およ
び１１２だけを吸排気口として開口した冷却気体の流路
１１３が形成される。また、本実施例においてはこのフ
ィン蓋１２０は、後述するファンを装着したモータの配
線パタンが設けられている回路基板である。

【００１０】ファンを装着したモータ１３０，１３１
は、フィン蓋１２０の所定の位置に固定されている。前
記所定の位置とは、フィン蓋１２０で放熱フィン１１０
を閉じた場合に、冷却気体の流路１１３内の開口部１１
１および１１２の近傍の位置である。このファンを駆動
するモータはフィン壁間に収納可能な小径のステッピン
グモータ、または、ＤＣブラシレスモータが適してお
り、本実施例では小型のステッピングモータである。こ
のような、放熱フィン１１０、およびモータ１３０，１
３１を有するフィン蓋１２０を、図１に示す順に、半導
体チップ９００の背面上に重ね合わせることにより、半
導体チップ９００の冷却機構が形成される。すなわち、
モータ１３０を気体を吸気する方向に回転させ、モータ
１３１を気体を排出する方向に回転させることにより、
開口部１１１が吸気口、開口部１１２が排気口となり、
その吸気口から排気口までの流路１１３内に冷却気流が
発生する。その冷却気流が流路１１３を流れる間にフィ
ン壁より熱を吸収し、半導体チップ９００が冷却され
る。

【００１１】このように、第１実施例の冷却装置１００
によれば、通常の放熱フィンとほぼ同じ高さ・容積であ
りながら、フィン壁とフィン壁の間に設けられたファン
を装着したモータにより冷却気流を発生させ、半導体チ
ップを強制冷却することができる。つまり、本実施例の
冷却装置は、図８に示した従来の冷却機構と同等の冷却
能力を有しながら、ファン９２０部分が不要となる。

【００１２】なお、第１実施例の冷却装置の具体例を表
１に示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】本発明の電子部品用冷却装置の第２実施例
を図２を参照して説明する。図２は、第２実施例の冷却
装置２００の構成を示す斜視図である。第２実施例の冷
却装置２００は、放熱フィン２１０の冷却気体の流路の
構成が第１実施例と異なる。第１実施例の冷却装置１０
０は、フィン全体を蛇行するように形成された１つの冷
却気体の流路１１３を有したが、第２実施例の冷却装置
２００は、各々独立な吸排気口を有する２つの流路２１
５，２１６を有する。すなわち、第２実施例の冷却装置
２００の放熱フィン２１０は、開口部２１１、２１２，
２１３、および２１４を有する。そして、開口部２１１
と開口部２１２を終端として冷却気体の流路２１５が形
成され、開口部２１３と開口部２１４を終端として冷却
気体の流路２１６が形成される。フィン蓋２２０には、
放熱フィン２１０を閉じた場合に、開口部２１１、およ
び開口部２１３の付近に位置するように、ファンを装着
したモータ２３０および２３１が固定されている。

【００１５】そしてこの放熱フィン２１０、およびフィ
ン蓋２２０を半導体チップ上に重ね合わせることによ
り、半導体チップの冷却機構が形成される。すなわち、
モータ２３０および２３１をともに気体を吸入する方向
に回転させることにより、開口部２１１および２１３が
吸気口、開口部２１２および２１４が排気口となり、そ
の吸気口から排気口までの流路２１５および２１６内に
冷却気流が発生する。その冷却気流が流路２１５および
２１６を流れる間にフィン壁より熱を吸収し、半導体チ
ップが冷却される。第２実施例の冷却装置２００によれ
ば、吸気口および排気口を各々別に有する独立な２つの
冷却気体の流路により冷却を行うので、１つの流路によ
り冷却を行う場合に比して冷却効率が向上する。

【００１６】また、前述の例においては、モータ２３０
および２３１をともに気体を吸入する方向に回転させた
が、ともに気体を排出する方向に回転させてもよい。そ
の場合、開口部２１２および２１４が吸気口となり、開
口部２１１および２１３が排気口となる。そのように用
いれば、半導体チップの中心に近い部分の開口部２１２
および２１４が吸気口となり、外部から吸入したばかり
の低温の気体が半導体チップ中心部分に流れる。したが
って、中心部分の発熱量が多い半導体チップを冷却する
には、このような向きの冷却気流を発生するようにモー
タを回転させることが望ましい。

【００１７】なお、第２実施例の冷却装置の具体例を表
２に示す。

【００１８】

【表２】

【００１９】本発明の電子部品用冷却装置の第３実施例
を図３を参照して説明する。図３は、第３実施例の冷却
装置３００の構成を示す斜視図である。第３実施例の冷
却装置３００は第２実施例の冷却装置２００よりさらに
多い冷却気体の流路を設けた。冷却装置３００は放熱フ
ィン３１０の１辺から対向する辺に向けて、平行な５つ
の流路を構成するようにフィン壁を形成した。そして、
モータ３３０および３３１は、フィン蓋３２０を閉じた
場合に、前記各流路の端部にモータが位置するように、
フィン蓋３２０に固定されている。なお、図３に示すモ
ータ３３０および３３１は第１実施例、第２実施例同様
にフィン蓋３２０に固定されているが、説明を容易にす
るため、フィン蓋３２０を閉じた状態での放熱フィン３
１０内の位置に図示した。

【００２０】そしてこのモータ３３０を気体を吸入する
方向に回転させ、モータ３３１を気体を排出する方向に
回転させることにより、前記各流路内に冷却気流が発生
し、その冷却気流がフィン壁より熱を吸収し、半導体チ
ップが冷却される。第３実施例の冷却装置３００によれ
ば、第２実施例の冷却装置２００より、さらに細分化さ
れた小領域づつを、強い風速の気流で冷却できる。した
がって、著しく発熱量の大きい半導体チップに対しても
十分冷却が行える。なお、前述の例においては、ファン
を装着したモータは各流路について吸気用と排気用、す
なわち、モータ３３０とモータ３３１の２つづつのモー
タを設けたが、適用する半導体チップの発熱量に応じ
て、いずれか１つのみを有する構成としてもよい。

【００２１】本発明の電子部品用冷却装置の第４実施例
を図４を参照して説明する。図４は、第４実施例の冷却
装置４００の構成を示す斜視図である。第４実施例の冷
却装置４００は放熱フィン４１０のフィン壁の構成、お
よびファンを装着したモータ４３０、４３１の固定位置
は第１実施例と同一であるが、フィン蓋４２０の中央部
に開口部４２１を設けた点が第１実施例と異なる。そし
て、第４実施例においてはモータ４３０、およびモータ
４３１をともに気体を吸入する方向に回転させる。その
結果、開口部４１１、４１２より吸入された冷却気体
は、フィン内の流路を流れフィン壁の熱を吸収した後、
冷却装置４００の上部に設けられた開口部４２１より排
気される。この第４実施例の冷却装置４００によれば、
半導体チップの上部方向に対して吸熱気体を排気できる
ため、その半導体チップの周囲にさらに半導体チップが
接近して実装してあるなどの理由により、高温の吸熱気
体を側面から排気できない場合に有効である。

【００２２】また、前述の例においては、モータ４３０
および４３１をともに気体を吸入する方向に回転させた
が、ともに気体を排出する方向に回転させてもよい。そ
のように用いれば、半導体チップの中心部分の開口部４
２１が吸気口となるため、外部から吸入したばかりの低
温の冷却気体が半導体チップ中心部分に流れる。したが
って、中心部分の発熱量が多い半導体チップの冷却に
は、このような向きにモータを回転させることが望まし
い。

【００２３】本発明の電子部品用冷却装置の第５実施例
を図５を参照して説明する。図５は、第５実施例の冷却
装置５００の構成を示す斜視図である。第５実施例の冷
却装置５００は第１〜第４実施例を組み合わせた変形例
である。すなわち、フィン蓋５２０の中央部に開口部５
２１を設け、放熱フィン５１０の４つの側面の各方向に
各々開口部を設け、フィン蓋を閉じた場合にその各開口
部に、フィン蓋５２０に固定されたモータ５３０，５３
１，５３２，および５３３が位置する構成になってい
る。なお、図５に示すモータ５３０，５３１，５３２，
および５３３は前記第３実施例同様にフィン蓋５２０に
固定されているが、説明を容易にするため、フィン蓋５
２０を閉じた状態での放熱フィン５１０内の位置に図示
した。そしてこのモータ５３０，５３１，５３２，およ
び５３３を気体を吸入する方向に回転させることによ
り、前記各モータの位置する開口部から中心の開口部５
２１への冷却気流が発生し、その冷却気流がフィン壁よ
り熱を吸収し、半導体チップを冷却する。

【００２４】このように冷却気流の流路、開口部の数・
位置などは、適用半導体チップの発熱量、実装基板上の
周囲の部品の状況、放熱フィン・フィン蓋の加工条件な
どにより、任意好適な数・形状・位置にしてよい。

【００２５】本発明の電子部品用冷却装置の第６実施例
を図６を参照して説明する。図６は、第６実施例の冷却
装置６００の構成を示す斜視図である。第６実施例の冷
却装置６００はファンを装着したモータ６３０および６
３１を放熱フィン６１０に固定した点が、前記第１〜第
５実施例と異なる。放熱フィン６１０は、第１実施例と
同様の冷却気体の流路を有するアルミニウム、アルミニ
ウム合金、銅、銅タングステン合金、窒化アルミニウム
などの成形物であるが、さらに、モータ６３０および６
３１を固定するための絶縁部６１１および６１２を有す
る。絶縁部６１１および６１２はモータを固定できるよ
うに加工された絶縁物質であれば前記他のフィン壁部と
同一の材質でよい。絶縁部６１１および６１２は、好ま
しくは、モータ駆動用の配線パタンを描けるような回路
基板である。フィン蓋６２０は、放熱フィン６１０の上
部を覆い閉じる蓋である。このフィン蓋６２０で放熱フ
ィン６１０を閉じると、半導体チップの冷却機構が形成
される。なお、第６実施例の冷却装置の機能は、第１実
施例と同じである。このように、ファンを装着したモー
タの取付け位置・取付け方法は、成形方法、成形材料の
許す限りフィン蓋に固定しても、放熱フィンに固定して
もよい。

【００２６】本発明の電子部品用冷却装置の第７実施例
を図７を参照して説明する。図７は、第７実施例の冷却
装置７００の構成を示す斜視図である。第７実施例の冷
却装置７００は放熱フィンとフィン蓋を一体成形した冷
却装置である。冷却装置７００は、放熱体７１０の冷却
気体の流路に、ファンを装着したモータ７３０，７３
１，７３２，７３３，および７３４を設置した。放熱体
７１０は、冷却気体の流路となる筒状貫通孔を５つ有す
るアルミニウム・銅・銅タングステン合金・窒化アルミ
ニウムなどの成形物である。また、放熱体７１０は、モ
ータを固定できるように加工された絶縁部を有する。こ
のように、本発明の冷却装置は、放熱フィンとフィン蓋
を重ね合わせて冷却気体の流路を確保する方法に限ら
ず、加工方法の許す限りにおいて、冷却気体の流路を作
り込んだ一体成形品でも実現可能である。

【００２７】

【発明の効果】本発明の電子部品用冷却装置は、放熱フ
ィンを冷却気体の流路を構成するように形成し、放熱フ
ィンのフィン壁の間に小型ファンを装着した小型モータ
を設置したので、放熱フィンの上にさらに突出した状態
の通常のファンを設置する必要なく強制冷却が行える。
したがって、冷却装置の高さを低くでき、容積を小さく
することができる。また、本発明の電子部品用冷却装置
は、放熱フィンに形成した吸排気口の向きに従って、冷
却気体の吸入、および、吸熱気体の排出が行われる。し
たがって、その半導体チップの周囲の状況に応じて、適
切な流路および開口部を有する放熱フィンを用いること
により、任意の方向から冷却気体を吸入し、任意の方向
に吸熱気体を排出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図２】第２実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図３】第３実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図４】第４実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図５】第５実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図６】第６実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図７】第７実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図８】従来の冷却方法の説明をする図である。

【符号の説明】

１００…冷却装置、１１０…放熱フィン、１１１，１１
２…開口部、１１３…流路、１２０…フィン蓋、１３
０，１３１…ファンを装着したモータ、２００…冷却装
置、２１０…放熱フィン、２１１〜２１４…開口部、２
１５，２１６…流路、２２０…フィン蓋、２３０，２３
１…ファンを装着したモータ、３００…冷却装置、３１
０…放熱フィン、３２０…フィン蓋、３３０，３３１…
ファンを装着したモータ、４００…冷却装置、４１０…
放熱フィン、４１１，４１２，４２１…開口部、４２０
…フィン蓋、４３０，４３１…ファンを装着したモー
タ、５００…冷却装置、５１０…放熱フィン、５２０…
フィン蓋、５２１…開口部、５３０〜５３３…ファンを
装着したモータ、６００…冷却装置、６１０…放熱フィ
ン、６１１，６１２…絶縁材、６２０…フィン蓋、６３
０，６３１…ファンを装着したモータ、７００…冷却装
置、７１０…放熱体、７３０〜７３４…ファンを装着し
たモータ、９００…半導体チップ、９１０…放熱フィ
ン、９２０…ファン付モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋稔埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテリアル株式会社メカトロ・生産システム開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子部品の放熱面に当接する基台と、該基台の前記電子部品の放熱面に当接する面と逆の面に
冷却気体を通過させる流路を形成した放熱体と、前記流路内に設けられ、該流路方向に沿って回転軸を有
し、該回転軸端にファンが装着された小型モータとを有
する電子部品用冷却装置。
【請求項２】前記放熱体は、前記基台面上に設けられ冷
却気体の流路を規定するフィンと、前記フィンの上部に
設けられ前記流路の開放面を閉じる蓋とを有する、請求
項１記載の電子部品用冷却装置。
【請求項３】前記放熱体と前記基台とは、前記冷却気体
の流路となる貫通孔を確保するように一体成形されてい
る、請求項１記載の電子部品用冷却装置。
【請求項４】前記ファンを装着した小型モータは、前記
基台上に固定され、前記冷却気体の流路内に設けられ
た、請求項１〜３いずれか記載の電子部品用冷却装置。
【請求項５】前記ファンを装着した小型モータは、前記
蓋を閉じた場合に、前記冷却気体の流路内に位置するよ
うに前記蓋に固定された、請求項２記載の電子部品用冷
却装置。
【請求項６】前記ファンを装着した小型モータは、前記
フィンに固定され、前記冷却気体の流路内に設けられ
た、請求項２記載の電子部品用冷却装置。
【請求項７】前記基台面の対角状の角部に設けられた開
口部を両終端として、該基台面全域にわたり蛇行して形
成された１つの冷却気体の流路と、該冷却気体の流路の
両終端の少なくともいずれか一方の開口部付近にファン
が装着された小型モータとを有する、請求項１〜６いず
れか記載の電子部品用冷却装置。
【請求項８】前記冷却気体の流路の前記基台面中央部に
冷却気体の吸排気を行う開口部をさらに有する、請求項
７記載の電子部品用冷却装置。
【請求項９】前記基台面の１辺から対辺に複数の平行な
冷却気体の流路を設け、該各流路の少なくとも一方の端
部に、前記ファンが装着された小型モータを有する、請
求項１〜６いずれか記載の電子部品用冷却装置。