JPH0745761A - 液冷式ハイブリッドｉｃ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却効率を高めると共に、耐衝撃性、耐振性
を高める。 【構成】 底面部の両端部から起立した両側壁部の上端
を上面部により接続して両側が開放したアルミニウム合
金製の枠体３と、枠体の両側に止着されて枠体の開口部
を塞ぐ金属製のアルミニウム合金製の側板４と、半導体
デバイス２０がマウントされ、枠体の内面と側板の内面
とにより囲まれた装填空部５内に装填された基板１と、
装填空部内に注入された冷却液６と、を有し、上記基板
１の端縁から延出した弾性リード８を枠体と側板とから
なるパッケージ７に止着し、弾性リードを介して基板を
冷却液中で縦方向に向けた状態で弾性をもたせて支え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液冷式ハイブリッドＩ
Ｃに関するものであり、特に基板を弾性リードによって
冷却液中で弾性支持したものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的なハイブリッドＩＣは、ベ
ース基板上に半導体デバイスをマウントし、エポキシ系
樹脂等の封止材を充填してこれら半導体デバイスを保護
する構成である。したがって、この様なハイブリッドＩ
Ｃにおいては封止材を冷却することにより半導体の熱を
放出させなければならなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、封止材
として使用される物質は熱伝導率が一般的に低いので、
従来のハイブリッドＩＣにおいては効率良く冷却するこ
とが構造上極めて困難である。また、発熱量の大きな電
子部品を冷却するために液体を使用する場合があり、従
来の液体冷却構造としては、冷却板（コールドプレー
ト）と発熱体である電子部品との間に、液体を充填した
高分子の袋（リキッドヒートシンク）を介在させ、ヒー
トシンク内の液体が自然対流で高温端から低温端へ熱を
伝え、この熱を冷却板から大気中に放熱するようにした
ものがある。しかしながら、リキッドヒートシンクは、
液体を充填した袋を電子部品に接触させる構造なので、
袋の熱伝導率が問題となり、効率の良い冷却は期待でき
ない。また、袋を薄くして熱の伝達効率を高めると、振
動を受けた際に袋が破裂する虞れがある。また、液体の
蒸発冷却により電子部品の熱を冷却する方式もあるが、
これは電子部品を浸漬した蒸発器と、この蒸発器からの
蒸気を液化する凝縮器とが必要となるので構造が複雑に
なるばかりでなく、嵩張ってしまう。そこで、本発明
は、冷却液を外部に導き出すための外部配管や外部ポン
プを必要とすることなく、自然対流においても循環流を
確実に形成できるための極めて小型で冷却効率が高く、
しかも耐衝撃性、耐振性にすぐれた液冷式のハイブリッ
ドＩＣを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するために提案されたもので、底面部の両端部から
起立した両側壁部の上端を上面部により接続して両側が
開放した金属製の枠体と、該枠体の両側に止着されて枠
体の開口部を塞ぐ金属製の側板と、半導体デバイスがマ
ウントされ、枠体の内面と側板の内面とにより囲まれた
装填空部内に装填された基板と、上記装填空部内に注入
された冷却液と、を有する液冷式ハイブリッドＩＣであ
って、上記基板は対にして両基板の間に隙間を空けた状
態で装填空部内に配置し、基板の端縁から延出した弾性
リードを上記枠体と側板とからなるパッケージに止着
し、弾性リードを介して基板を冷却液中で縦方向に向け
た状態で支えたことを特徴とするものである（請求項
１）。また、対向する上下面が開口部として開放した金
属製の枠体と、該枠体の上下に止着されて枠体の開口部
を塞ぐ金属製の側板と、半導体デバイスがマウントさ
れ、枠体の内面と側板の内面とにより囲まれた装填空部
内に装填された基板と、上記装填空部内に注入された冷
却液と、を有する液冷式ハイブリッドＩＣであって、上
記基板は対にして両基板の間に隙間を空けた状態で装填
空部内に配置し、基板の端縁から延出した弾性リードを
上記枠体と側板とからなるパッケージに止着し、弾性リ
ードを介して基板を冷却液中で水平方向に向けた状態で
支え、冷却液を水平方向に流す圧電素子によるポンプを
備えたことを特徴とするものである。

【０００５】

【作用】基板は弾性リードによって冷却液中で弾性をも
って支持されているので、パッケージに衝撃や振動が与
えられた場合に、弾性リードが懸架スプリングとして機
能し、衝撃や振動を緩衝する。また、冷却液はダンパー
機能を発揮する。したがって、パッケージの衝撃や振動
がそのまま基板に伝わることがない。また、半導体デバ
イスが作動した際に発生する熱は、当該半導体デバイス
に直接接触している冷却液に伝わる。この様にして半導
体デバイスの熱を受けて温められた冷却液は比重が小さ
くなって上昇する。また、パッケージを構成する枠体と
側板は外気によって冷却されているので、暖まった冷却
液の熱は枠体や側板に伝わって外気に放出されて冷却さ
れる。したがって、半導体デバイスの熱を受けて暖まっ
たり、枠体や側板に熱を奪われて冷却されると冷却液が
自然対流し、これにより半導体デバイスの冷却効果を高
めることができる。また、第２の発明においては、パッ
ケージ内に内蔵したポンプの作用により、重力によら
ず、強制的に循環流を生じさせて、これにより冷却効率
を高めることができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説
明する。図１は２枚の基板１，１を装填した液冷式ハイ
ブリッドＩＣ２の断面図である。このハイブリッドＩＣ
２は、両側が開放した枠体３と、該枠体３の両側に止着
されて枠体３の開口部を水密状に密閉する左右の側板
４，４と、枠体３の内面と側板４の内面とにより囲まれ
た装填空部５内に装填された基板１と、装填空部５内に
注入された冷却液６などから構成されており、枠体３と
側板４とからなるパッケージ７に弾性リード８…を止着
して基板１，１を冷却液６中で弾性支持するように構成
されている。

【０００７】図２に示す枠体３の実施例は、幅が１４mm
で長さが９２mmの細長い底面部９と、該底面部９の両端
部から起立した幅１４mmで高さが５７mmの側壁部１０，
１０と、両側壁部１０，１０の上端を接続する幅１４mm
で長さが１２２mmの上面部１１とからなる短尺な矩形管
である。そして、底面部９並びに上面部１１の中央の肉
厚部、底面部９と側壁部１０とが接続する肉厚部、およ
び、両側壁部１０の上端と上面部１１とが接続する肉厚
部には側板４を止着するための止着孔１２を穿設し、側
壁部１０の上端から左右に延出して取付部となる上面部
１１の突出部分には取付孔１３を穿設し、底面部９の側
端縁には深さ約０．５mmの凹部１４を形成する。なお、
図中１５は、上面部１１から立設したコネクタガイド１
５であり、また、１６はハイブリッドＩＣ２の方向を示
すために面取した指標部である。

【０００８】この様な構成からなる枠体３は、例えばア
ルミニウム合金製の長尺な押出し型材を所定の幅（本実
施例では１４mm）に切断し、止着孔１２を穿設したり凹
部１４を切削したり、面取するだけで製作することがで
きるので、製作も極めて簡単である。

【０００９】側板４は、図３に示すように、枠体３の開
口部よりも大きな（左右の幅が９３mmで高さが６７mm）
金属製の板材であり、外側の面には縦方向のフィン１７
…をほぼ全面に形成し、内側の面には枠体３の内部の形
状と大きさに対応する部分に縦方向のフィン１８…を形
成し、枠体３の止着孔１２に対応する位置に取付孔１９
を穿設してある。なお、この取付孔１９を開設する部分
は他の部分よりも肉厚にして強度を高めてある。また、
この側板４は、枠体３と同様に、例えばアルミニウム合
金製の長尺な押出し型材を所定の長さに切断し、フィン
の一部分など不要な部分を切削するなどして簡単に製作
することができる。

【００１０】基板１は、シリコン、銅、チタン、セラミ
ックス、ガラス・エポキシ等のベース基板上に半導体デ
バイス２０を適宜にマウントし、これら半導体デバイス
２０に導通したパターン配線部をベース基板の上端縁近
傍まで延在させ、この部分に弾性リード８を接続できる
ように構成されている。なお、比較的熱に弱い半導体デ
バイス２０は基板１の下方に配置し、発熱量の大きい半
導体デバイス２０は基板１の上方に配置することが望ま
しい。また、半導体デバイス２０は、熱伝導を良好とす
るために、絶縁保護膜がコーティングされていないベア
チップであることが望ましい。また、ベース基板は、例
えばシリコン板に直接半導体およびパターン配線部を形
成したラージチップとしてもよい。

【００１１】弾性リード８は、弾性を有する帯板状の金
属板を屈曲してなる。具体的には、図１に示すように、
帯板の一端を基板支持部８ａとして逆Ｕ字状に屈曲し、
この部分の一方を上方に折り返し、折り返し部分の上端
を水平方向に屈曲し、水平部分８ｂの先端を止着部８ｃ
として再度上方に屈曲させてなる。なお、弾性リード８
の水平部分８ｂの長さは、枠体３の幅の半分以下の長さ
に設定する。また、本実施例ではほぼ同じ構造の弾性リ
ード８を基板１の上端と下端に取り付け、上端に取り付
けた弾性リード８を通電用リードとして使用し、下端に
取り付けた弾性リード８を支持専用リードとして使用す
るが、上端に取り付ける弾性リード８は、コネクタ２１
と接続するので、止着部８ｃの長さが下端用弾性リード
８よりも長く設定してある。

【００１２】各部の構成が上記した通りであるハイブリ
ッドＩＣ２を組み立てる場合、図４に示すように、先
ず、枠体３を水平に載置し、基板１を水平方向に向けた
状態で枠体３の内部の所定高さまで下降する。そして、
基板１の上端と下端となる端縁に弾性リード８の基板支
持部８ａを差し込み、この基板支持部８ａを半田付けに
より基板１に固定する。なお、基板１の上端側（図４中
左側）に固定する弾性リード８はベース基板のパターン
配線部に半田付けして半導体デバイス２０と導通させ
る。また、各弾性リード８の止着部８ｃは、枠体３の凹
部１４に載置して絶縁性のある接着剤で水密状に固定す
る。なお、基板１は、半導体デバイス２０をマウントし
た面を下に向けて装着する。

【００１３】次に、枠体３を反転し、前記と同様の操作
により他方の基板１を弾性リード８により水平方向に向
けた状態で枠体３の内部に装填する。なお、予め弾性リ
ード８を基板１に止着しておき、この状態で枠体３の内
部に装入してもよい。

【００１４】上記の様にして枠体３の内部に２枚の基板
１を装填しても、弾性リード８の水平部分８ｂの長さが
枠体３の幅の半分以下の長さであるため、基板１の上端
側に止着した弾性リード８同士間に所定の隙間が確保さ
れ、両弾性リード８同士が接触することはないし、基板
止着部８ｃが反対側を向いているので、両基板１，１間
には接触することのない充分な隙間も確保される。そし
て、この隙間が、後述するように、冷却液６の上昇流路
となる。なお、半導体デバイス２０をマウントした面を
下に向けて装着することは前記と同様である。この様に
して一対の基板１を枠体３の内部に装着すると、両基板
１，１の半導体デバイスマウント面同士が上昇流路内で
対向することになる。

【００１５】基板１の装填が終了したならば、枠体３を
側板４上に載せる。この際、枠体３の下端面と側板４と
の間、弾性リード８と側板４との間など所定部分に接着
剤を塗布して水密状に接着する。なお、基板１の上端側
に止着されて枠体３から外部に突出した弾性リード８の
止着部８ｃの内側の面（図中では上面）は、コネクタ２
１との接触面となるので、接着剤が付着しないように注
意する。

【００１６】接着剤が硬化したならば、枠体３の内部に
冷却液６を注入する。なお、冷却液６は、電気絶縁性と
化学的安定性と所定の沸騰温度を有する非導通性の液を
用いることは勿論のこと、注入する量は、満杯にならな
い適量とする。特に、沸騰冷却する場合には蒸気溜めと
なる空間を確保するために冷却液６は満杯にしない。冷
却液６の注入が終了したならば、前記と同様に、所定の
部分に接着剤を塗布した側板４を枠体３に被せ、これに
より枠体３の上面開口部を水密状に密閉するとともに、
各弾性リード８の止着部８ｃを固定する。そして、以上
の操作が終了したならば、止着孔１２，取付孔１９内に
ボルトを通して両側の側板４をボルトで締め付ける。

【００１７】なお、冷却液６の封入方法は、前記した方
法に限定されるものではなく、例えば枠体３の側面に排
気用と注入用のパイプ（図示せず）を設けておき、注入
用パイプからパッケージ７の装填空部５内に冷却液６を
注入した後に各パイプの突出端部をかしめるなどして密
封してもよい。また、弾性リード８を、例えば図５に示
すように、屈曲方向を変えて２種類用意しておくと、枠
体３を反転することなく２枚の基板１を一方の開口部か
ら装填することができる。この場合、弾性リード８の屈
曲形状の差により振動特性が異なるが、できるだけこの
振動特性を揃えておくことが望ましい。但し、基板１，
１の重量を完全に一致させることまでは必要でない。

【００１８】この様にして組み立てたハイブリッドＩＣ
２を水平状態から図１に示す使用状態、即ちほぼ鉛直に
立てた状態に姿勢を変えると、基板１，１は冷却液６中
で水平方向から縦方向に向きを変えて、上方の弾性リー
ド８により基板上部が弾性的に吊り下げられて基板下部
が下方の弾性リード８により弾性的に支えられた状態に
なる。また、両基板１，１の間には所定の隙間が上昇流
路として形成され、各基板１と側板４との間には所定の
隙間が下降流路として形成される。

【００１９】この状態で両側板４，４の上部とコネクタ
ガイド１５，１５とにより形成された接続空部にコネク
タ２１を上方から差し込むと、コネクタ２１の外側面に
配設してある接点が各弾性リード８の止着部８ｃの内面
に接触し、電気的接続が終了する。

【００２０】そして、半導体デバイス２０が作動して発
熱すると、この熱の大部分は上昇流路内の冷却液６に直
接伝わり、残りの熱はベース基板に伝わってベース基板
の裏面から下降流路内の冷却液６に伝わる。冷却液６が
熱を受けて暖まると比重が小さくなり、その度合は上昇
流路内の冷却液６の方が顕著である。また、下降流路内
の冷却液６は側板４の内面およびフィン１８に接触して
おり、この接触により常に冷却されている。したがっ
て、上昇流路内の冷却液６が次第に上昇して上昇流とな
り、液面近くまで上昇すると反転して下降流路に流れ込
む。下降流路内に流れ込んだ冷却液６は側板４の内面と
フィン１８に熱を伝えて次第に冷却され、この冷却に伴
って比重も大きくなる。したがって、下降流路内の冷却
液６は次第に下降する。そして、底面部９の近くまで下
降すると反転して上昇流路内に供給される。なお、側板
４のフィン１８は、冷却液６との伝熱面積を増やして伝
導熱量を増加する機能ばかりでなく、冷却液６を円滑に
下降させる整流板としても機能する。

【００２１】この様にして両基板１，１間に上昇流が、
各基板１と側板４との間に下降流が発生すると、全体と
して対流が発生したことになり、各基板１の半導体デバ
イス２０は冷却液６の対流により効率良く冷却される。
なお、下方にファンを設けるなどして気流をパッケージ
７に当てると、側板４及び枠体３が気流によって冷却さ
れて温度が低下するので、冷却液６の温度を下げること
ができ、これにより半導体デバイス２０の冷却を一層促
進して冷却効率を高めることができる。

【００２２】また、冷却液６に低温沸騰液を選択する
と、発熱量が小さい間は前記と同様の対流による冷却が
行なわれ、発熱量が極めて大きくなった場合には冷却液
６が沸騰し、この沸騰の際の蒸発冷却により一層大きな
冷却効果を得られる沸騰冷却に切り替わる。なお、冷却
液６が沸騰した際に発生した蒸気は気泡となって上昇
し、液面と枠体３内面との間の空間に一旦溜り、枠体３
の内面によって冷却されて凝縮し、液体に戻る。

【００２３】ベース基板の材質がシリコン、枠体３と側
板４の材質が例えばアルミニウム合金の場合、膨張率は
ほぼ４倍異なるが、冷却液６が高温になってベース基板
の伸びが枠体３と側板４の伸びと大きく異なっても、ベ
ース基板は弾性リード８によりそれぞれ挙動的に絶縁さ
れているので、伸縮の差に起因する支障は発生しない。

【００２４】また、基板１は弾性リード８により充分な
弾性をもって支持されているので、パッケージ７に衝撃
や振動が与えられた場合、この衝撃や振動は懸架スプリ
ングとしても機能する弾性リード８…により緩衝されて
しまう。また、衝撃や振動が与えられた場合に冷却液６
がダンパーとしても機能する。したがって、基板１の耐
衝撃性、耐振性が著しく高められる。このため、ベース
基板の厚さを従来よりも薄くすることも可能であり、従
来は強度が低くてベース基板として使用できなかった材
質の板材であっても補強板を必要とすることなく使用が
可能になる。

【００２５】なお、上記した実施例では基板１を対にし
て両基板１，１の間に隙間を空けた状態で枠体３の内面
と側板４の内面とにより囲まれた装填空部５内に装填し
て冷却液６中に浸漬したが、本発明における基板１はこ
れに限定されるものではなく、例えば１枚の基板１を装
填するだけでもよいし、或は複数枚の基板１…を対にし
て装填してもよい。

【００２６】また、上記した実施例では枠体３と側板４
との間に弾性リード８を通すことにより組立作業の簡略
化を図ったが、枠体３の例えば上面部１１および底面部
９に貫通孔を開設し、この貫通孔内に弾性リード８の止
着部８ｃを挿通し、止着部８ｃと貫通孔内周面との間に
シーリング材を充填してもよい。

【００２７】図６に示す他の実施例は、基板１が水平方
向に向いた状態で使用できるようにしたものである。こ
の液冷式ハイブリッドＩＣ２′は、対向する上下面が開
口部として開放した金属製の枠体３′と、該枠体３′の
上下に止着されて枠体３′の開口部を塞ぐ金属製の側板
４′と、半導体デバイス２０がマウントされ、枠体３′
の内面と側板４′の内面とにより囲まれた装填空部５′
内に装填された基板１と、上記装填空部５′内に注入さ
れた冷却液６と、を有し、基板１の端縁から延出した弾
性リード８を上記枠体３′と側板４′とからなるパッケ
ージ７′に止着し、弾性リード８を介して基板１を冷却
液６中で水平方向に向けた状態で支え、冷却液６を水平
方向に流すポンプ２２を備えている。即ち、先に説明し
た第１実施例と基本的な構成については同様であり、第
１実施例を水平方向に設置するとともに、冷却液６を強
制循環させるポンプとしての圧電素子２２を設け、さら
には液圧吸収用ベローズ２３を設けたものである。な
お、ここにおいて、ポンプとして圧電素子２２を用いた
が、他に例えば、電気モータとプロペラによるポンプを
用いてもよいが、小型化、内蔵化、メンテナンスフリ
ー、省電力の点で、圧電素子を用いるのが望ましい。

【００２８】具体的に説明すると、枠体３の内面にポン
プとして圧電素子２２を両基板１，１の隙間に向けて設
け、その反対側に開設した貫通流路２４にベローズ２３
を連通させて設ける。圧電素子２２を作動させて圧力波
を発生させると、この圧力波は主として両基板１，１の
隙間を伝播するので、これにより両基板１，１の隙間内
にある冷却液６が圧力波の伝播方向に移動する。したが
って、両基板１，１の隙間内には圧電素子２２側から反
対側に向けて流れる冷却液６の流れが発生し、また、基
板１と側板４との間には反対方向の流れが発生する。即
ち、冷却液６は圧電素子２２の圧力波により循環流とな
り、重力の有無に関わることなく基板１の半導体デバイ
ス２０を効率良く冷却することができる。

【００２９】なお、側板４′や枠体３′を気流により冷
却すると半導体デバイス２０の冷却効果を一層高めるこ
とができることは前記した実施例と同様である。また、
本実施例では液圧吸収用ベローズ２３を設けてあるので
冷却液６を満杯に封入してもよいが、振動や衝撃を吸収
し易くするため、及び、気泡混入による冷却効果低下を
防止するためには、冷却液６を満杯にしないでパッケー
ジ７′内に少し空間ができる程度までの量にすることが
望ましい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体デバイスが冷却液に直接接触して冷却されるし、冷
却液は循環流となって移動しながら半導体デバイスの熱
を奪うので、効率の良い冷却を期待することができる。
また、基板は弾性リードによって弾性をもった状態で支
えられているので、パッケージに衝撃や振動が与えられ
た場合、この衝撃や振動は弾性リードによって緩衝さ
れ、直接基板に伝達しない。したがって、磁気シールド
性、電界シールド性に優れるばかりでなく、耐衝撃性、
耐振性に優れたハイブリッドＩＣを提供することができ
る。さらにまた、枠体や側板は押出し型材を切断して製
作できるので、パッケージを簡単で安価に製造すること
ができるし、弾性リードも帯板を屈曲して製作できるの
で、液冷式ハイブリッドＩＣを簡単な工程で製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２枚の基板を装填した液冷式ハイブリッドＩＣ
の断面図である。

【図２】（ａ）は枠体の正面図、（ｂ）は枠体の底面図
である。

【図３】（ａ）左半は側板の外側面の正面図，右半は側
板の内側面の正面図、（ｂ）は側板の一部断面図、
（ｃ）は側板の側面図である。

【図４】組立の手順を示す断面図である。

【図５】弾性リードの他の実施例により基板を支持した
状態を示す断面図である。

【図６】冷却液を循環させるポンプを設けた液冷式ハイ
ブリッドＩＣの断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 液冷式ハイブリッドＩＣ ３ 枠体 ４ 側板 ５ 装填空部 ６ 冷却液 ７ パッケージ ８ 弾性リード ９ 枠体の底面部 １０ 枠体の側壁部 １１ 枠体の上面部 １４ 凹部 ２０ 半導体デバイス ２２ ポンプ ２３ 液圧吸収用ベローズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底面部の両端部から起立した両側壁部の
   上端を上面部により接続して両側が開放した金属製の枠
   体と、 該枠体の両側に止着されて枠体の開口部を塞ぐ金属製の
   側板と、 半導体デバイスがマウントされ、枠体の内面と側板の内
   面とにより囲まれた装填空部内に装填された基板と、 上記装填空部内に注入された冷却液と、 を有する液冷式ハイブリッドＩＣであって、 上記基板は対にして両基板の間に隙間を空けた状態で装
   填空部内に配置し、基板の端縁から延出した弾性リード
   を上記枠体と側板とからなるパッケージに止着し、弾性
   リードを介して基板を冷却液中で縦方向に向けた状態で
   支えたことを特徴とする液冷式ハイブリッドＩＣ。
2. 【請求項２】 対向する上下面が開口部として開放した
   金属製の枠体と、 該枠体の上下に止着されて枠体の開口部を塞ぐ金属製の
   側板と、 半導体デバイスがマウントされ、枠体の内面と側板の内
   面とにより囲まれた装填空部内に装填された基板と、 上記装填空部内に注入された冷却液と、 を有する液冷式ハイブリッドＩＣであって、 上記基板は対にして両基板の間に隙間を空けた状態で装
   填空部内に配置し、基板の端縁から延出した弾性リード
   を上記枠体と側板とからなるパッケージに止着し、弾性
   リードを介して基板を冷却液中で水平方向に向けた状態
   で支え、冷却液を水平方向に流す圧電素子によるポンプ
   を備えたことを特徴とする液冷式ハイブリッドＩＣ。