JPH0837260A - 半導体冷却装置 - Google Patents

半導体冷却装置

Info

Publication number
JPH0837260A
JPH0837260A JP17067694A JP17067694A JPH0837260A JP H0837260 A JPH0837260 A JP H0837260A JP 17067694 A JP17067694 A JP 17067694A JP 17067694 A JP17067694 A JP 17067694A JP H0837260 A JPH0837260 A JP H0837260A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cooling medium
semiconductor element
cooling
semiconductor
medium supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP17067694A
Other languages
English (en)
Inventor
Shigeyuki Sasaki
重幸 佐々木
Tadakatsu Nakajima
忠克 中島
Yasuo Osone
靖夫 大曽根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP17067694A priority Critical patent/JPH0837260A/ja
Publication of JPH0837260A publication Critical patent/JPH0837260A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】基板上に配列された各半導体素子の冷却能力を
冷却媒体の増加を伴うことなく向上させる半導体冷却装
置を提供する。 【構成】高発熱する半導体素子3の面に冷却媒体を噴射
する冷却媒体供給部材5とこの噴射された冷却媒体を半
導体素子3の周辺部にごく近い場所から強制的に排出す
る排出部材7を設ける。冷却媒体強制排出部材7を冷却
媒体供給ヘッダ4を横切るように配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子などの高発
熱密度素子の冷却手段に係り、特に、高速コンピュータ
などに用いられる半導体素子から発生する熱を効果的に
除去するのに好適な半導体冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】年々、コンピュータの高速化が要求さ
れ、大規模な半導体集積回路を高密度に実装する方法が
開発されている。そのため、半導体素子からの発熱は膨
大となり、この半導体素子を効率良く冷却することはま
すます重要になってきている。
【0003】そこで、高い冷却性能を得る従来の冷却装
置として、図7に示すように、高発熱する半導体素子3
を強制対流伝熱と沸騰伝熱とを組み合わせた衝突噴流沸
騰伝熱によって冷却する方法が提案されている。この冷
却構造は、基板1上に多数配列された半導体素子3のそ
れぞれに、冷却媒体供給ヘッダ4に連通する冷却媒体供
給部材5の先端の冷却媒体噴出口から冷却媒体を噴出
し、半導体素子3の冷却面上を放射上に流して半導体素
子3を冷却している。
【0004】また、図9に示す特開平2−298054 号公報
には、高発熱する半導体素子3を冷却する手段として、
第1の冷却媒体供給部材5によって半導体素子中央部に
冷却媒体を噴射し、更に第2の冷却媒体供給部材5´に
よって半導体素子周辺部に冷却媒体を噴射し半導体素子
を冷却する方法が提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図7に示す従来技術は
半導体素子3の中央部に低温の冷却媒体を噴射し冷却す
るものである。しかし、大形化した半導体素子を冷却す
る場合、図8に示すように液体中に浸漬された半導体素
子に対して液体を噴射する液中噴流では噴流の中心から
離れるにつれて半導体素子面上の冷却媒体局所流速が急
激に減衰する。そのため、噴流の中心から最も遠くに位
置する半導体素子の角部では上記流速が著しく小さくな
るため、この流速に依存する局所熱伝達率も小さくなっ
てしまう。
【0006】そこで、半導体素子周辺部での熱伝達率を
向上させるため図9に示す特開平2−298054号公報に記
載の従来技術は、第1の冷却媒体供給部材5によって半
導体素子中央部に向けて冷却媒体を噴射し、第2の冷却
媒体供給部材5′によって半導体素子周辺部に噴射する
ことによって中央部と周辺部を一様に冷却しようとする
ものである。
【0007】第1の冷却媒体供給部材5によって噴射さ
れた冷却媒体は、半導体素子3に衝突し、この面上を中
央部から周辺部に向かって放射状に流れながら伝熱に寄
与する。しかし、第2の冷却媒体供給部材5′から噴射
され半導体素子周辺に衝突した冷却媒体は周辺部から中
央部に向かって流れる。そのため、第1の冷却媒体供給
部材5からの流れと第2の冷却媒体供給部材5′からの
冷却媒体の流れが半導体素子3面上でぶつかり合う。そ
れによって、流れがよどむ領域が発生しその部分は局所
熱伝達率が低下し、全体としての冷却性能も低下する。
即ち、従来技術は半導体素子面上での冷却媒体の干渉に
ついて何ら考慮されていない。
【0008】本発明の目的は、高発熱する半導体素子面
に冷却媒体を噴射する冷却媒体供給部材と、この噴射さ
れた冷却媒体を半導体素子の周辺部にごく近い場所から
強制的に排出する排出部材を設けた構成によって局所熱
伝達率の平坦化した全体としての冷却性能を高めた半導
体冷却装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体冷却装置の構成は、基板上に配列さ
れた一つないし複数の半導体素子に冷却媒体を供給する
冷却媒体供給ヘッダと、前記冷却媒体供給ヘッダに突設
されそれぞれの半導体素子面(冷却面)に前記冷却媒体
を噴出する少なくとも一つの冷却媒体噴出口を備えた半
導体冷却装置において、強制的に冷却媒体を排出する冷
却媒体強制排出口を半導体素子周辺部近傍に設けたもの
である。
【0010】さらに、冷却媒体供給ヘッダ内を冷却媒体
強制排出口を有する冷却媒体強制排出部材が横切るよう
に構成したものである。
【0011】さらに、冷却媒体を加圧し供給するポンプ
と、冷却媒体を強制的に排出するポンプを設けた。
【0012】さらに、この2種類のポンプを同時に制御
する。
【0013】
【作用】本発明によれば、図8に示すように、高発熱す
る半導体素子面に冷却媒体を噴射する冷却媒体供給部材
とこの噴射された冷却媒体を半導体素子の周辺部にごく
近い場所から強制的に排出する排出部材を設けることに
よって構成し、半導体素子面上で噴流中心から離れるに
伴ってδ1 のように増加する冷却媒体壁噴流部の厚さを
δ2 のように抑制する。それによって冷却媒体局所速度
の減少も抑えられ局所熱伝達率は平坦化し、全体として
の冷却性能を高める。また、半導体素子の沸騰によって
発生した気泡を速やかに排出するため、気泡が他の半導
体素子の近くに及び冷却媒体の流動を妨げることによる
熱伝達率の低下を防止できる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。
【0015】図1は、本発明の係る半導体冷却装置の一
実施例を示すマルチチップモジュールの断面図である。
セラミック製多層配線基板1上に電気接続部材2を介し
て配列された多数の半導体素子3のそれぞれに、冷却媒
体供給ヘッダ4に連通する管状の冷却媒体供給部材5が
半導体素子3の方向に突き出して配置されている。そし
て、半導体素子の周辺部近傍に排出口6を有する冷却媒
体強制排出部材7が設けられており冷却媒体戻りヘッダ
8に連通する。
【0016】冷却媒体貯溜タンク9から冷却媒体供給用
ポンプ10によって加圧された、例えば、フロロカーボ
ンに代表される素子温度よりも低い沸点の過冷却された
冷却媒体は、モジュールの冷却媒体供給管11より供給
ヘッダ4に導かれ各冷却媒体供給部材5に分配された
後、各素子の平面上に噴射される。各素子に衝突した噴
流はその流れ方向を90度変え、素子平面を放射状に流
れる。この際、半導体素子3から受熱して加熱され、気
泡12を発生しながら後流側へと流れる。そして、半導
体素子の角部に至った冷却媒体は、冷却媒体強制排出口
6から排出部材7内部を通り自給式冷却媒体排出ポンプ
13の作用を受け低圧の冷却媒体戻りヘッダ8に強制的
に導かれる。そして、モジュールの戻り管14からモジ
ュール系外へと排出される。モジュールから排出された
比較的温度が高く気泡が混入した二相状態の冷却媒体
は、低温水などの2次冷却媒体と熱交換を行う熱交換器
15を通過し、ここで再び凝縮され自給式冷却媒体排出
ポンプ13から再び冷却媒体貯溜タンク9に戻る。冷却
媒体供給用ポンプ10と自給式冷却媒体排出ポンプ13
の動作中はこの一連の冷却媒体の流れが繰り返される。
本発明による特徴的な冷却媒体の流れは、各冷却媒体供
給部材5から半導体素子3面に衝突した後に半導体素子
3面上を放射状に流れ、圧力の低い冷却媒体強制排出口
6まで強制的に導かれる。そのため半導体素子面上での
冷却媒体の壁噴流厚さの増加に伴う速度の減少が抑制さ
れ半導体素子の角部においても、ある程度の高い熱伝達
率を得ることができる。さらに、沸騰現象によって気泡
が混ざり合った冷却媒体は、冷却媒体排出部材5の内部
を流れるが、このとき部材7は低温の冷却媒体が流れる
冷却媒体供給ヘッダ4を横切るため冷やされ気泡が小さ
くもしくは消失しやすくなる。なお、図1では冷却媒体
供給部材5と冷却媒体強制排出部材7の端部を半導体素
子3から等しい距離の位置に記しているが、冷却媒体強
制排出口6の位置は半導体素子3に近いほど強制排出の
効果が強くなる。
【0017】図2は、図1における冷却媒体供給部材5
と冷却媒体強制排出部材7の位置関係を平面的に示した
もので冷却媒体供給部材5を各半導体素子の中央部に配
置し、また、冷却媒体強制排出部材7を半導体素子角部
に設けている。この冷却媒体強制排出部材7を図では4
本で記しているが、更に多くても効果はある。
【0018】図3は、冷却媒体強制排出部材7を半導体
素子3の外周部に沿って設けたもので、このような構成
により半導体素子3の外周部全域にわたって冷却媒体の
速度減少に対する抑制効果がある。
【0019】図4は、冷却媒体供給部材5の断面形状が
2次元矩形断面である場合のもので、半導体素子3上で
冷却媒体の流れが後流に位置する部分に、矩形断面の冷
却媒体強制排出部材7を配置した。このような構造でも
効果はある。
【0020】図5は、図4における冷却媒体供給部材5
と冷却媒体強制排出部材7の1組の組み合わせを立体的
に示した図である。
【0021】図6は、半導体素子3近傍に圧力センサ1
6を設け冷却媒体圧力を測定し冷却媒体供給用ポンプ1
0と自給式冷却媒体強制排出ポンプ13を同時にインバ
ータ式等のコントローラ17で自動的に制御することに
よって半導体素子3近傍の圧力を加減し冷却媒体の飽和
温度を変化させ沸騰性能を制御しようとするものであ
る。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、高発熱する半導体素子
面に冷却媒体を噴射する冷却媒体供給部材とこの噴射さ
れた冷却媒体を半導体素子の周辺部にごく近い場所から
強制的に排出する排出部材を設けることによって構成
し、図8に示すように半導体素子面上で噴流中心から離
れるに伴って増加する冷却媒体壁噴流部厚さδ1をδ2
ように抑制する。この作用により冷却媒体局所速度の減
少は抑えられる。その結果、局所熱伝達率は平坦化され
全体としての冷却性能が高まる。また、半導体素子の沸
騰によって発生した気泡を速やかに排出するため、気泡
が他の半導体素子の近くに及び冷却媒体の流動の妨げに
よる熱伝達率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す系統面図。
【図2】本発明の一実施例を示す平面図。
【図3】本発明の第二の実施例を示す平面図。
【図4】本発明の第三の実施例を示す平面図。
【図5】本発明の一実施例を示す斜視図。
【図6】本発明の第二の実施例を示す系統図。
【図7】従来の半導体冷却装置の断面図。
【図8】本発明の効果の説明図。
【図9】従来の他の半導体冷却装置の説明図。
【符号の説明】
1…セラミック製多層配線基板、2…電気接続部材、3
…半導体素子、4…冷却媒体供給ヘッダ、5…冷却媒体
供給部材、6…排出口、7…冷却媒体強制排出部材、8
…冷却媒体戻りヘッダ、9…冷却媒体貯溜タンク、10
…冷却媒体供給ポンプ、11…冷却媒体供給管、12…
気泡、13…自給式冷却媒体強制排出ポンプ、14…冷
却媒体排出管、15…熱交換器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に配列された一つないし複数の半導
    体素子に冷却媒体を供給する冷却媒体供給ヘッダと、前
    記冷却媒体供給ヘッダに突設されそれぞれの半導体素子
    面に前記冷却媒体を噴出する少なくとも一つの冷却媒体
    噴出口を備えた半導体冷却装置において、強制的に前記
    冷却媒体を排出する少なくとも一つの冷却媒体強制排出
    口を前記各半導体素子の周辺部近傍に設けたことを特徴
    とする半導体冷却装置。
JP17067694A 1994-07-22 1994-07-22 半導体冷却装置 Pending JPH0837260A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP17067694A JPH0837260A (ja) 1994-07-22 1994-07-22 半導体冷却装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP17067694A JPH0837260A (ja) 1994-07-22 1994-07-22 半導体冷却装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0837260A true JPH0837260A (ja) 1996-02-06

Family

ID=15909327

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP17067694A Pending JPH0837260A (ja) 1994-07-22 1994-07-22 半導体冷却装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0837260A (ja)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG120104A1 (en) * 2003-06-30 2006-03-28 Singapore Tech Aerospace Ltd Spray cooling method and apparatus
JP2006242455A (ja) * 2005-03-02 2006-09-14 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 冷却方法及び装置
JP2007142390A (ja) * 2005-11-14 2007-06-07 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 冷却装置、冷却システム及び熱伝導方法
JP2007273983A (ja) * 2006-03-30 2007-10-18 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 熱分散アセンブリ、熱伝達のためのシステムおよび熱制御のための方法(高出力マイクロジェット・クーラー)
CN102148207A (zh) * 2009-11-06 2011-08-10 英特尔公司 用于半导体器件的温度控制的直接流体接触微通道热传递装置、方法及其形成工艺
US8410802B2 (en) 2009-12-24 2013-04-02 Intel Corporation System including thermal control unit having conduit for dispense and removal of liquid thermal interface material
EP3188230A1 (en) * 2015-12-30 2017-07-05 IMEC vzw Liquid cooling of electronic devices

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG120104A1 (en) * 2003-06-30 2006-03-28 Singapore Tech Aerospace Ltd Spray cooling method and apparatus
JP2006242455A (ja) * 2005-03-02 2006-09-14 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 冷却方法及び装置
JP2007142390A (ja) * 2005-11-14 2007-06-07 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 冷却装置、冷却システム及び熱伝導方法
JP2007273983A (ja) * 2006-03-30 2007-10-18 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 熱分散アセンブリ、熱伝達のためのシステムおよび熱制御のための方法(高出力マイクロジェット・クーラー)
CN102148207A (zh) * 2009-11-06 2011-08-10 英特尔公司 用于半导体器件的温度控制的直接流体接触微通道热传递装置、方法及其形成工艺
KR101299371B1 (ko) * 2009-11-06 2013-08-27 인텔 코오퍼레이션 직접 액체-접촉 마이크로-채널 열 전달 디바이스들, 반도전성 디바이스들에 대한 온도 제어의 방법, 및 그것을 형성하는 프로세스들
US9347987B2 (en) 2009-11-06 2016-05-24 Intel Corporation Direct liquid-contact micro-channel heat transfer devices, methods of temperature control for semiconductive devices, and processes of forming same
US9448278B2 (en) 2009-11-06 2016-09-20 Intel Corporation Direct liquid-contact micro-channel heat transfer devices, methods of temperature control for semiconductive devices, and processes of forming same
US8410802B2 (en) 2009-12-24 2013-04-02 Intel Corporation System including thermal control unit having conduit for dispense and removal of liquid thermal interface material
EP3188230A1 (en) * 2015-12-30 2017-07-05 IMEC vzw Liquid cooling of electronic devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5239443A (en) Blind hole cold plate cooling system
JP2995590B2 (ja) 半導体冷却装置
US6955062B2 (en) Spray cooling system for transverse thin-film evaporative spray cooling
US5316075A (en) Liquid jet cold plate for impingement cooling
US9901013B2 (en) Method of cooling series-connected heat sink modules
US5959351A (en) Liquid-cooled electronic device
JP2006099773A (ja) 電子システムを冷却するシステムおよび方法
JP3203475B2 (ja) 半導体装置
WO2010149533A1 (en) Direct jet impingement-assisted thermosyphon cooling apparatus and method
JP2006520094A5 (ja)
CN108551750B (zh) 一种增强射流散热器散热效率装置,散热组件以及制作方法
JP2007538384A (ja) ホットスポット噴霧冷却(関連出願)なし(連邦政府の後援による研究又は開発に関する記述)本発明は、空軍研究所により発注された#f33615−03−m−2316契約により政府の支援のもとなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。
JP2006520094A (ja) マイクロ・ジェットを備える冷却アセンブリ
TWM574708U (zh) 具水冷散熱功能之電子裝置及其水冷散熱模組與水冷排
KR102296543B1 (ko) 수냉식 히트싱크
US4450896A (en) Method and apparatus for heat exchange at solid surfaces
US20230156958A1 (en) Liquid cooling device
JPH0837260A (ja) 半導体冷却装置
EP2151863A1 (en) A jet impingement cooling system
CN111156843A (zh) 片式堆叠液冷换热器
JP2013014073A (ja) インクジェット記録ヘッド
JP2006303264A (ja) 半導体モジュールの冷却装置
JP2007141872A (ja) 冷却装置
JPH07120866B2 (ja) 半導体素子の冷却装置
JPH0267792A (ja) 浸漬冷却モジュール