JPS60158649A - 電子部品の冷却装置 - Google Patents

電子部品の冷却装置

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JPS60158649A
JPS60158649A JP1325384A JP1325384A JPS60158649A JP S60158649 A JPS60158649 A JP S60158649A JP 1325384 A JP1325384 A JP 1325384A JP 1325384 A JP1325384 A JP 1325384A JP S60158649 A JPS60158649 A JP S60158649A
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JP
Japan
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liquid
cooling
electronic components
chips
chip
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Pending
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JP1325384A
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English (en)
Inventor
Shigeki Hirasawa
茂樹 平沢
Takahiro Oguro
崇弘 大黒
Tadakatsu Nakajima
忠克 中島
Hisashi Nakayama
中山 恒
Kunio Hijikata
土方 邦夫
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161Disposition
    • H01L2224/16151Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子部品の冷却装置に係り、特に基板上に多数
搭載された半導体チップの冷却に好適な冷却装置に関す
る。
〔発明の背景〕
従来の電子部品の冷却装置として、第1図に示すように
、基板1上の電子部品2を低沸点の液体3中に浸漬し、
電子部品の表面にて液体を沸騰させ冷却する方法が公表
されている(特開昭53−80565 )。しかし、液
体中に浸漬された伝熱面における沸騰特性には、加熱開
始時において、自然対流領域から核沸騰領域に至るまで
に大きな過熱度を要する(ヒステリシス現象)。この過
熱度は約10℃に達する場合がある。この遷移点の過熱
度は一意的には決定されず1個々の電子部品間、また同
一の電子部品であっても時と場合によって異なったもの
となる。したがって、電子部品表面にて液体を沸騰させ
る冷却方式では、同一過熱度で核沸騰が行われたり、行
われなかったりするため、電子部品の温度は、個々につ
いてバラバラなものとなる欠点があった。
また、第2図に断面図を示すように、電子部品2を搭載
した基板1に密閉容器4を取り付け、メツシュ5を密閉
容器4の内面及び基板1上に装置し、電子部品2の表面
に縦横の細い溝6を形成し、メツシュ5及び溝6に低沸
点の液体を含浸して、液体の蒸発を利用した放熱方法が
公表されている(特公昭46−37930 )。電子部
品2で発生した熱は電子部品上の溝6に伝わり、tf1
6に含浸した液体を蒸発する。発生した蒸気は密閉容器
4の内壁で凝縮して液体となる。生じた液体はメツシュ
5に吸い込まれ毛細管作用により電子部品2の表面の溝
6にまで伝わり、前と同じサイクルを繰り返す。しかし
、各電子部品の発熱量が大きくなると、毛II管作用に
よる液の供給が十分でなくなり、電子部品の表面にかわ
き面が生じるという欠点があった。また、電子部品が発
熱していない状態では1メツシユ5に含まれる液が重力
の作用で下方に流下しており、電子部品2の表面の溝6
に多量の液体が存在するという状況になる。したがって
、電子部品の運転開始時には電子部品で発生した熱が厚
い液膜を伝わって液体の表面に達し蒸発を行うことにな
り沸騰伝熱と同様に、運転開始時に電子部品が過熱する
という欠点があった。また、運転開始時に電子部品表面
があまりにも厚い液膜におおわれている場合は、運転開
始時に気泡の発生を伴う沸騰伝熱となり、やはり電子部
品が過熱するという欠点がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、)!に転開始113に半導体チップが
過熱することなく、基板上に多数のチップが搭載され、
各チップの発熱量が大きくなつCも、各チップの表面が
均一温度になるように冷却することができるような高性
能な半導体チップの冷却装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
この発明の特徴は、基板に搭載された半導体チップをそ
のナツプ表面が液面我子に位置するように液体中に浸積
し、チップ表面にてす;(に薄い液膜を形成し、液体の
蒸発によりチップを冷却することにある。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に従って説明する。第3
図は本発明の冷却装置を基板に搭載された半導体チップ
の冷却に用いている様子を示した垂直断面図である。第
4図は第3図のA−A’断面し1である。水平な基板1
の上面に多数の半導体デツプ7が搭載されており、半導
体チップ7を内賊するように偏平な密閉容器4が基板1
に接合されている。すべての半導体チップ7は共通した
蒸発室8に入っている。密閉容器4は基板Iの外側にも
延びており、そこに水冷ジャケット9が接触している。
水冷ジャケット9の取り付けられた部分の密閉容器4内
には垂直な凝縮面10が形成されている。また、密閉容
器4内には蒸発性の液体(たとえばフロン、アルコール
など)3が入れてあり、液体の封入量は各半導体チップ
7の背面11が液面12の直下に位置するように入4し
てある。密閉容器4内には液だめ室13が設けられてお
り、液だめ室13と蒸発室8とは液体のみ流通する位置
に穴14のあいた壁15によって分離されている。液だ
め室13内には加熱ヒータ16を備えている。チップ上
あるいはチップ近傍には液面12の高さを測定するため
の液面センター17を備えている。半導体チップ7の背
面構造を示す拡大斜視図を第5図に示す。チップ7の背
面11にはU字形またはV字形の微細なffflBが形
成されている。
チップ背面11における液膜厚さの代表的な値は0.5
mm以下である。
次に本実施例の動作を説明する。半導体チップ7で発生
した熱は半導体チップの背面11に伝わる。半導体チッ
プの背面11は蒸発性の液体3の液面12の直下に位置
するように設定されているため、チップの背面11には
薄い液膜が存在するため、液体をすみやかに蒸発する2
、この時発生した蒸気は密閉容器4内の蒸発室8内の蒸
気空間を通って凝縮面10側に移動する。凝縮面10は
周囲を水冷ジャケット9によって冷却されているため、
蒸気は凝縮して液体になる。生じた液体は半導体チップ
7の方へ移動し、前と同じサイクルを繰り返す。このよ
うな動作を行う冷却装置において、半導体チップの非動
作時には、装置全体が常温になっており、液体は重力の
作用で蒸発室8の下部にたまっている状態になる。その
ような状態において、半導体チップの背面11が液面1
2の直下に位置するように液体の初期封入量を調整する
ものとする。したがって、半導体チップの動作開始時に
はチップ背面11に薄い液膜が存在する状態であるため
、チップが過熱することなく、チップが冷却される。と
ころが、チップの動作時には、凝縮面10に凝縮液膜と
して液体が存在するため、蒸発室8の下部にたまってい
る液量がへる。
一方、動作時には液体の温度が常温より高くなるため、
液体は体積膨張をする。両者のかね合いにより、蒸発室
8内の液面12の高さは動作開始時と異なってくる。こ
の時、もし液面12が下がれば、チップ背面1】が蒸気
空間中に突出しかわいてしまう恐れがある。そこで、蒸
発室8内に設けた液面センサー17にてチップ温度を測
定し、蒸発室8内の液面位置が規定位置より低くなれば
、液だめ室13内のヒータ16を加熱し、液だめ室13
内の圧力及び蒸気量を増し、液だめ室13内の液体を蒸
発室8内に移動して蒸発室8内の液面低下を防止する。
反対に、もし蒸発室8内の液面位置が規定位置より高く
なれば、液だめ室13内のヒータ16の加熱を停止し、
蒸発室8内の液体を液だめ室13に収納し、蒸発室8内
の液面上昇を防止する。
このように、チップ7の背面11では薄い液膜からの蒸
発冷却が行われており、液体中の沸騰冷却と異なり気泡
の発生が伴わないため、運転開始時にチップが過熱する
ことがない。またチップ7の背面11上に存在する液膜
の厚さが一定となるように調整されているため、チップ
の表面温度が一定となる。
第5図に示すようにチップの背面11には溝8が形成さ
れているため、チップ背面からの蒸発性能が向上すると
共に、蒸発室8内の液面12が波立つことがあっても、
毛細管作用により溝18内の液体を保持するため、チッ
プ温度が変動することはない。
第6図は他のチップ背面構造の断面拡大斜視図である。
チップ7の背面11に開口19をもつトンネル20が形
成されている。このような構造のチップ7では、液体は
トンネル20の内壁で蒸発し、トンネル20の内壁が蒸
発冷却面となるため、トンネル20が液面12の直下に
位置するように液面位置を調整することが望ましい。こ
の場合、トンネルの開口19をもつチップ背面11は蒸
発冷却面ではないため、蒸発空間中に出ている状態であ
ってもかまわない。
以上に示したチップ背面構造はいずれも半導体チップに
直接加工したように示したが、背面構造物をチップとは
別に製作し、チップと背面構造物を接合してもよい。
液面センター17はたとえば複数の温度センサーを埋め
込んだ部材で構成される。この場合、液中に位置する温
度センサーは蒸気中に位置する温度センサーより少し高
い値を示す動作を利用する。
第7図は本発明の他の実施例を示した垂直断面図で、液
だめ室13が水冷ジャケット9の接触する自閉容器4内
に形成されている。このような構造にすると、液だめ室
13が常時冷却されているため、液だめ室13内の圧力
調整及び液量調整が容易となる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、運転開始時に半導体チップが過熱する
ことがなく有効に冷却することができる。
また、基板上に多数のチップが搭載され、各チップの発
熱量が大きくなっても、各チップの表面が均一温度にな
るように冷却することができる。このような、高性能な
冷却装置を用いることにより、半導体チップの発熱量を
増すことができるため、半導体チップ内の集積度を上げ
て半導体の動作速度を著しく向上することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図と第2図は従来の電子部品の冷却M置の垂直断面
図、第3図は本発明の一実施例の垂直断面図、第4図は
第3図のA−A’断面図、第5図はチップ背面構造を示
す斜視図、第6図は池のチップ背面構造を示す断面斜視
図、第7図は本発明の他の実施例を示す垂直断面図であ
る。 l・・・基板、2・・・電子部品、3・・・液体、4・
・・密閉容器、5・・・メツシュ、6・・・溝、7・・
・半導体チップ、8・・・蒸発室、9・・・水冷ジャケ
ット、1o・・・i細面、11・・・半導体チップ背面
、12・・・液面、13・・・液ため室、14・・・穴
、15・・・壁、16・・・ヒータ、17・・・液面セ
ンサー、18・・・溝、19・・・開口、20・・・ト
ンネル。 茅 1 m 茅 3 図 !V−4閏 茅5(2) ll 茅 7図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、複数の電子部品を搭載した平な基板に密閉容器を取
    り付け、前記密閉容器内に封入した冷却液体を電子部品
    に設けた蒸発冷却面において蒸発させ、液体の蒸発潜熱
    を利用して電子部品を冷却する冷却装置において、前記
    電子部品と前記冷却流体を内蔵する室内に蒸気空間、凝
    縮面をそなえ、かつ各電子部品の蒸発冷却面が冷却液体
    の液面直下に位置するように冷却液体を封入したことを
    特徴とする電子部品の冷却装置。 2、複数の電子部品を搭載した平らな基板に密閉容器を
    取り付けて蒸発室を形成し、該蒸発室に冷、却液体を封
    入したも−のにおいて、前記蒸発室内の冷却流体部分と
    通ずる液だめ室を設け、また電子部品近傍の液面高さ測
    定装置を備え、かつ電子部品の蒸発冷却面が常に冷却液
    体の液面直下に位置するように上記液面高さ測定装置の
    信号によって液だめ室内の液量を増減させる機構を備え
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の電子部
    品の冷却装置。 3、電子部品の蒸発冷却面を溝付面あるいは開口をもつ
    トンネル構造としたことを特徴とする特許請求の範囲第
    2項記載の電子部品の冷却装置。 4、前記液だめ室内の液量を増減させる機構として、液
    だめ室内に加熱ヒータを設け、前記蒸発室内の圧力に対
    して液だめ室内の圧力を増減させる方法としたことを特
    徴とする特許請求の範囲第2項記載の電子部品の冷却装
    置。
JP1325384A 1984-01-30 1984-01-30 電子部品の冷却装置 Pending JPS60158649A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8465183B2 (en) 2005-12-14 2013-06-18 Koninklijke Philips Electronics N.V. Lighting device and method for manufacturing same
US8710526B2 (en) 2011-08-30 2014-04-29 Abl Ip Holding Llc Thermal conductivity and phase transition heat transfer mechanism including optical element to be cooled by heat transfer of the mechanism
US8723205B2 (en) 2011-08-30 2014-05-13 Abl Ip Holding Llc Phosphor incorporated in a thermal conductivity and phase transition heat transfer mechanism
US8759843B2 (en) 2011-08-30 2014-06-24 Abl Ip Holding Llc Optical/electrical transducer using semiconductor nanowire wicking structure in a thermal conductivity and phase transition heat transfer mechanism

Cited By (6)

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US9459000B2 (en) 2011-08-30 2016-10-04 Abl Ip Holding Llc Thermal conductivity and phase transition heat transfer mechanism including optical element to be cooled by heat transfer of the mechanism

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