JPH1092987A - 半導体装置の冷却構造 - Google Patents

半導体装置の冷却構造

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JPH1092987A
JPH1092987A JP24298196A JP24298196A JPH1092987A JP H1092987 A JPH1092987 A JP H1092987A JP 24298196 A JP24298196 A JP 24298196A JP 24298196 A JP24298196 A JP 24298196A JP H1092987 A JPH1092987 A JP H1092987A
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JP
Japan
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semiconductor device
substance
cooling structure
frame
cooling
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JP24298196A
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English (en)
Inventor
Satoshi Odajima
智 小田嶋
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Shin Etsu Polymer Co Ltd
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Polymer Co Ltd
Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 本発明は、構造が簡単で冷却効率、即ち温度
上昇の抑制効果に優れ、小型化が可能な半導体装置の冷
却構造を提供する。 【解決手段】 本発明の半導体装置1の冷却構造は、耐
熱温度T(℃)の半導体装置に、T−50≦t≦Tなる
熱的転移点t(℃)を持つ物質3を、直接又は間接的に
接して配設している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーダイオー
ド、パワートランジスタ等の素子、及びこれらを組み込
んだマイクロプロセッサ等の高電力半導体装置の冷却構
造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】上記のような素子又は半導体装置(以
下、半導体装置という。)では、温度上昇が装置自体を
破壊するため冷却はきわめて重要である。従来、半導体
装置の冷却構造としては、一般に冷却用のフィンを備え
た放熱板を半導体装置に接するように配設したものが知
られている。
【0003】この放熱板は、熱伝導性が高いほど冷却効
率がよいことから、アルミニウム、アルミニウム合金等
の金属や、セラミックス等が用いられているが、近年の
半導体装置の高速化、大容量化による発熱量の増大化に
伴い、放熱板を大型化したり、冷却用フィンの形状を複
雑にしてその放熱用表面積を大きくしたり、また、強制
冷却用のファンを別に設ける等の工夫がなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の半導体装置の冷却構造では、放熱板の大型化、複雑化
等のためにコスト高となるうえに、それらを組み込む電
子機器の小型化を妨げる等の不利がある。本発明者は、
上記従来の冷却構造の問題点に鑑み、半導体装置の冷却
構造を大きくせずに半導体装置の温度上昇を抑制するた
めには、物質の持つ潜熱を利用した冷却構造にすればよ
いことに着眼した。したがって、本発明の課題は、物質
の持つ潜熱を利用し、構造が簡単で冷却効率、即ち温度
上昇の抑制効果に優れ、小型化が可能な半導体装置の冷
却構造を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の冷
却構造では、半導体装置の耐熱温度T(℃)に対し、T
−50≦t≦Tなる熱的転移点t(℃)を持つ物質を、
半導体装置に直接又は間接的に接するように配設してい
る。本発明の半導体装置の冷却構造に用いられる物質の
熱的転移としては、融点、ガラス転移点、沸点等がある
が、使用環境を考慮し、取り扱いが容易であり、また熱
量も大きな融点とすることが最も好ましい。
【0006】半導体装置の耐熱温度T(℃)に対し、T
−50≦t≦Tなる熱的転移点t(℃)を持つ物質(以
下、転移物質という。)としては、Tが85℃の場合、
融点が35〜85℃の範囲にある物質とすれば良い。こ
のような物質としては、例えば、ナフタレン(融点8
0.2℃)、アセトアミド(同81.9℃)、クロロ酢
酸(同60.8℃)、トリクロロ酢酸(同59.1
℃)、l,2,4,5,−テトラメチルベンゼン(同7
9.2℃)、パルミチン酸(同54.8℃)、グリコー
ル酸(同77.8℃)やナフタレンとカテコール(同7
2.5℃)、ナフタレンとフェナントレンの共融混合物
(同51.0℃)、ヒドロキノンとショウノウ(同4
9.1℃)、ヒドロキノンとアセトアニリド(同77.
5℃)、ピロガロールとp−トルイジン(同53.8
℃:p−トルイジン58モル%、同36℃:p−トルイ
ジン87.8モル%、o−フェニレンジアミンとm−ア
ミノフェノール(同63℃)等が挙げられるが、この中
でも、毒性が少なく、安価で取り扱いが容易なナフタレ
ンを用いることが好ましい。上記転移物質は単独で用い
ても良く、また複数を組み合わせて用いても良いが、複
数を組み合わせた場合には、複数段階の温度で温度上昇
の抑制を図ることができるのでより好ましい。
【0007】本発明の冷却構造に用いられる転移物質の
熱的転移点tが、T−50≦t≦Tの範囲内にない場
合、即ちT−50(℃)より低いと、熱的転移が起きる
のが早過ぎ、肝心なときに温度上昇の抑制効果を発揮し
ないおそれがあり、また、熱的転移点tが、T(℃)よ
り高いと、温度上昇の抑制効果を発揮しないまま半導体
装置の耐熱温度を超えてしまう。
【0008】また、転移物質の量は、少なすぎると転移
がすぐに完了してしまうので温度上昇の抑制効果が弱
く、多過ぎると半導体装置の冷却構造全体が大きくなっ
て好ましくないので、適用しようとする半導体装置や、
併用する冷却構造に応じて適宜選択して決定することが
良い。例えば、半導体装置が、耐熱温度が105℃で、
発熱量が稼働時180J/分、待機時lJ/分以下、通
常使用時の連続稼働時間が3分程度のもので、転移物質
としてナフタレンを選択した場合には、ナフタレンの量
は、5〜20g程度が好ましい。
【0009】本発明の半導体装置の冷却構造は、上記転
移物質を直接あるいは容器の底壁等を介して間接的に半
導体装置に接して配設する。転移物質を直接的に半導体
装置に接して配設する例としては、半導体装置の上面
に、従来公知の熱伝導率の高い適宜の材料、例えば、ア
ルミニウム、アルミニウム合金、アルミナ、窒化アルミ
ニウム等からなる底の無い枠を接着剤を用いて設け、そ
の枠中に溶融させた転移物質を入れ、枠の上面に上記同
様の材料からなる蓋をして密封する方法が一例として挙
げられる。
【0010】また、転移物質を間接的に半導体装置に接
して配設する例としては、上記同様の熱伝導率の高い材
料からなる冷却用フィン付き容器に、溶融させた転移物
質を注入封止し、この容器を半導体装置上に接着配置す
る方法がある。この際、使用する接着剤としては、アル
ミナ(Al23 )、ベリリア(BeO)、窒化アルミ
ニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)等の熱伝導性付
与フィラーを含む接着剤を使用することが良く、また、
密着性を良くするために、上記熱伝導性付与フィラーを
含むシリコーンゴム、フッ素ゴム等のシートを介して接
着して配置しても良い。なお、組立時のハンドリング、
製品として使用した際の転移物費の外部への流出を防止
する点からは、上記後者の間接的に配置する例のものが
望ましい。転移物質を直接的に配置するにしても、また
間接的に接して配置するにしても、例えばナフタレンの
ような、昇華性を有する物質を使用する場合は、昇華に
対応できるだけの耐圧性の密閉構造を適宜選択して採用
することが望ましい。本発明の半導体装置の冷却構造
は、さらに放熱板、強制冷却用のファン等、従来公知の
他の冷却装置と併用してもよく、これにより冷却効果を
一層高めることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、例
示した図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係る
半導体装置の冷却構造の転移物質を半導体装置に直載し
たものの一例を示す模式的断面図であり、図2は、転移
物質を半導体装置に間接的に載置したものの一例を示す
模式的断面図である。図1に示す冷却構造は、半導体装
置1の上面にアルミニウム製の底の無い枠2を配設して
接着し、その枠2内に転移物質3を溶融させて流し込
み、固化させ、枠2上にアルミニウム製の蓋4をして密
封している。なお、図1では、蓋4には、放熱用ないし
冷却用フィンのないものを示したが、このものは図2に
見られるようにフィンを設けたものであっても良い。ま
た、蓋4は、枠2端面に載置したものを示したが、これ
は枠壁にメスネジを蓋4に、オスネジを設けて螺着(シ
ールネジ)しても良い。
【0012】また、図2で示す冷却構造は、上面に冷却
用フィン5を設けた冷却用容器6に、溶融させた転移物
質3’を流し込み、固化させたり、あるいは予め容器収
納部形状と同形としたものを嵌め込んだりして密封した
もので、これを半導体装置1’の上面に熱伝導性の接着
剤等で接着させている。以上のように本発明の冷却構造
では、転移物質3,3’を直接あるいは間接的に半導体
装置に接して配設させた構造とすることにより、転移物
質の持つ潜熱により半導体装置の温度上昇を抑制するこ
とができると共に冷却構造をコンパクトなものとするこ
とができる。
【0013】
【実施例】次に本発明の半導体装置の冷却構造における
実施例、比較例を挙げる。 [実施例1]図1に示したと同様に、CPUボード上の
マイクロプロセッサ(動作電力2W、耐熱温度105
℃、20mm□)1の上面に、アルミニウム製の底の無
い(高さ5mm、厚さlmm)枠2をエポキシ樹脂系接
着剤で接着し、この枠2の中に、85℃で溶融させたナ
フタレン3を2.2g注入した後、エポキシ樹脂系接着
剤で、厚さ1mm、20mm□のアルミニウム製の蓋4
をして密封して、本発明の半導体装置の冷却構造を作製
した。次いで、この冷却構造を用いて、周囲の気温27
℃で、マイクロプロセッサ1の表面の定常温度を測定し
たところ、80℃を保っていた。
【0014】[比較例1]実施例1に対し、同じマイク
ロプロセッサ1を用い、ナフタレンの替わりに、四臭化
スズ(融点29.8℃)を使用し、マイクロプロセッサ
1の表面の定常温度を測定したところ、作動上限を超え
て、132℃まで上昇した。
【0015】[実施例2]図2に示したと同様に、冷却
用フィン5(厚さ1mm、高さ3mm、間隔1mm、枚
数16枚)を備えたアルミニウム製の冷却用容器6(外
寸高さ12mm、31mm×31mm、内寸高さ7m
m、29mm×29mm、肉厚1mm)の注入口(図示
せず)から、ナフタレン3’を7.2g注入し、溶接に
より注入口を塞いだ。これを熱伝導性シリコーンゴム系
接着剤を介して、CPUボード上のマイクロプロセッサ
(動作電力5W、耐熱温度105℃、30mm□)1’
の上面に接着して、本発明の半導体装置の冷却構造を作
製した。この冷却構造を用いて、周囲の気温27゜C
で、マイクロプロセッサ1’の表面の定常温度を測定し
たところ、80℃を保っていた。
【0016】[比較例2]実施例2に対し、ナフタレン
のかわりに四臭化チタン(融点38.2℃)を使用し、
マイクロプロセッサ1’の表面の定常温度を測定したと
ころ、作動上限を超えて、143℃まで上昇した。以上
の結果より、本発明の冷却構造による温度上昇の抑制効
果が顕著であることが判る。
【0017】[実施例3]窒化アルミニウムを50%含
むPPS樹脂(ガラス転移点85℃)を用いて、冷却用
フィン(厚さ1mm、高さ3mm、間隔1mm、枚数1
6枚)を上面に備えた、外寸高さ12mm、31mm×
31mm冷却用成形体を作製し、実施例2で使用したマ
イクロプロセッサの上面に、熱伝導性シリコーンゴムか
らなる放熱シート(厚さ0.3mm)をシリコーン系接
着剤(厚さ20μm)を用いて接着し、本発明の半導体
装置の冷却構造を作製した。この冷却構造を用いて、周
囲の気温27℃でマイクロプロセッサの表面の定常温度
を測定したところ、85℃を保っていた。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、温度上昇の抑制効果に
優れた半導体装置の冷却構造が得られるので、冷却装置
の小型化、単純化を図ることができ、また、これを組み
込んだ装置全体の小型化、軽量化、低コスト化が可能と
なると共に、半導体装置の動作信頼性の高いものが得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の冷却構造の転移物質
を半導体装置に直載したものの一例を示す模式的断面図
である。
【図2】本発明に係る半導体装置の冷却構造の転移物質
を、容器の底壁を介して半導体装置に間接的に載置した
ものの一例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】 1,1’ 半導体装置、 2 枠、 3,3’ 転移物質、 4 蓋、 5 冷却用フィン、 6 冷却用容器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 耐熱温度T(℃)の半導体装置に、T−
    50≦t≦Tなる熱的転移点t(℃)を持つ物質を、直
    接又は間接的に接して、配設してなることを特徴とする
    半導体装置の冷却構造。
JP24298196A 1996-09-13 1996-09-13 半導体装置の冷却構造 Pending JPH1092987A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015118784A1 (ja) * 2014-02-07 2015-08-13 株式会社村田製作所 絶縁性セラミック粒子
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US9868672B2 (en) 2014-07-17 2018-01-16 Murata Manufacturing Co., Ltd. Ceramic material

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