JPS6285448A

JPS6285448A - 半導体装置の冷却構造

Info

Publication number: JPS6285448A
Application number: JP60225211A
Authority: JP
Inventors: Kishio Yokouchi; 貴志男横内
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-10-09
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1987-04-18
Also published as: JPH0365901B2

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】〔仕ＩＩν〕多数のＬＳＩチップから形成される半導体装置を長時間
に互って強制冷却する方法として熱交換器を１、Ｓｌチ
ップが浸漬されている冷ｌ１Ｍ中に設置する構造。

〔産業上の利用分野〕

本発明は長時間に互っ°ζＬＳＩからなる装置を効率よ
く液冷する半導体装置の冷却構造に関する。

電算機の処理能力を向上する方法として多数の半導体素
子から構成される半導体装置は準位素子の小形化が進め
られていると共に素子数の増大が行われている。

すなわち準位素子を形成する電極寸法や導体パターン幅
は極度に縮小されており、一方素子数は増大してＬＳＩ
やＶｌ、ＳＩが実用化されている。

また配線基板への実装方法も改良され、従来は半導体チ
ップ毎にハーメチソクシールパ、、　／Ｊ−−ジに格納
してあり、これを配線基板に装着していたが、今後の形
態としては？１数個の１、Ｓｌ　チップをセラミックな
どの多層配線基板に装着してＩＳＴモジールを作り、こ
れを取り替え１ト位として配線法板に装着する方法がと
られるに至っている。

このようにＩＮ（☆素子の小形化と高密度化が進行する
に従って半導体装置の発熱量も厖大となり、従来の空冷
方法では素子の温度を最高使用温度範囲内に保持するこ
とが不可能になった。

すなわち従来はＩＣチップの発熱量は最高でも３ワット
程度であったものが、ＶＬＳＩにおいては１ｏワット程
度に達しようとしている。

以下のことから半導体装置の冷却方法は従来の空冷或い
は強制空冷に代わって液冷が必要となっている。

本発明は長時間に互って有効に動作する液冷構造に関す
るものである。

〔従来の技術〕

電子機器に対する液冷構造は超伝導素子などについては
公知であり、冷媒として液体窒素（Ｎ２）や液体ヘリウ
ム（Ｈｅ）などが使用され、ジュア壜タイプの容器に格
納して使用されている。

然し、半導体装置の冷却用としてはガラ１リム砒素（Ｇ
ａＡｓ）を用いた高電子移動度トランジスタのような特
殊な装置を別とすれば、このような低温に保つ必要はな
く、チップの温度を最高使用温度以下に保てばよい。

そこで沸点がこの温度以下の非腐食性で汀つ非解離性の
溶液を冷媒とし、この中にチップを浸漬する方法がとら
れている。

かかる条件を満たず冷媒としてはフレオン（Ｃ２ＣＩ３
　Ｆ　：ｌ　ｌ沸点４９℃）や各種のフルオロカーボン
例えばＣ５Ｆ、□（沸点３０℃ＬＣｓ　Ｆ　＋　ａ　（
沸点５６℃）などが用いられている。

なおフルオロカーボンは各種の構造式のものを混合して
沸点の調節が可能である。

さて、従来の液冷構造の例を挙げると金属或いはプラス
チック製の液冷容器の底面に複数個のコネクタが設置さ
れており、これに多数の１、Ｓｌチップを搭載した多層
セラミック基板を挿着し、コネクタ接続によって外部回
路に接続するようになっている。

そして複数個の多層セラミック基板は冷媒に浸漬されて
おり、液冷容器内で冷媒と容器上部の空間には凝縮器が
備えられていて水または他の冷媒によって冷却される構
造がとられていた。

然し、かかる冷却構造は当初は冷却能力は優れているが
、時間の経過と共に冷却能力が次第に低下してくること
が判った。

第１図はこの状態を示すもので、冷媒の冷却に使用する
熱交換器の性能を比較している。

すなわち、従来のように液冷容器の空間部に設置され、
冷媒の蒸気に接する構造１のものは、液中の空気濃度が
増すに従って冷却能力が逓減するのに対し、冷媒の液に
接する構造２のものは冷却能力の変化は掻く僅かである
。

ここで冷媒中には容器を３ｍシて、或いは加熱されたプ
リント配線基板或いはコネクタなどから空気や酸素が浸
透し、溶媒中の非凝縮性ガスは徐々に増加する傾向があ
る。

なお、冷媒の蒸気に接する構造ｌのものの冷却能力が逓
減する理由はこれら非凝縮性ガスが熱交１６器の周１川
にンｆｆ１ｌ宿されるからである。

以トの事実から液冷構造を信φ１性のあるものとするに
は熱交換器を冷媒の液に接する構造とすればよい。

しかし、第１図から明らかなようにパイプ状の従来構造
では冷却能力は不足しており、この改良が必要である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上説明したように液冷容器に必要な熱交換器は冷媒中
に設置すると、この中に含まれる非凝縮性ガスの影響を
受けにく＼なる。

そのため経時変化の少ない液冷容器を実用化するには熱
交換器を液中に設置すればよいが、空中に設置した場合
に較べＣ劣る冷却能力を如何にして向上するかが問題で
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題し１築積度の高い半導体チップを搭載した回
路基板を神数個配列して構成される半導体装置において
、該半導体装置を強制冷却する装置が、容器内の冷媒に
浸漬する複数の回路基板と、該冷媒中に配設する熱交換
器とを備えてなることを特徴とする半導体装置の冷却構
造をとることにより解決することができる。

〔作用〕

冷媒中に設置した熱交換器の冷却能力を向上させるにば
熱交換器の表面積を増加させること＼、発熱したＬＳＩ
チップにより沸騰してくる冷媒の蒸気を如何にして熱交
換器に導くかにある。

そこで本発明は熱交換器の表面積増加法とその配置法に
ついて提案するものである。

〔実施例〕

実施例１：第２図は本発明に係る液冷構造（その１）であって、集
積度の高い半導体チップ（以下略してＬＳＩ）３は多層
セラミックなどの回路基板４にフリップチップボンディ
ングなどの方法で回路接続されており、かかる基板は冷
却容器５の底部に装着され図示を省略したコネクタ接続
により、夕（部器路に接続されている。

そして、この冷却容器５は二重構造をと幻、内側の容器
には低沸点のフルオロカーボンからなる冷媒６が入れら
れており、この冷媒６を上下に区画する形で熱交換器７
が設けられている。

そして二重構造をとる冷却容器５の外側には熱交換器７
を通る冷却水が流れるよう構成されている。

ここで熱交換器７は冷媒６を自由に１ｆｆｌ過さ・ｌる
が発熱したＬＳＩ　　３より沸騰して発生する気泡はト
ラップされる構造であって、この実施例の場合は水平に
蛇行する複数の銅パイプが銅の発泡伺で連結された構成
をとり、１ｃｍ２当たりに約１０個の穴が開いている。

このような構成をとるとＬＳＩ　　３より発イ１ユする
気泡は総て熱交換器７にトラップされ、ここで冷却され
て液化するので、冷却能力を向上することができる。

実施例２：第３図は冷却構造（その２）を示すもので、密閉された
冷却容器５の中にはコネクタ８に挿着して固定された回
路基板４があり、この上に複数のＬＳＩ　　３がフリッ
プチップボンディング法により装着されている。

そして熱交換器７を構成する熱交換パイプ９は１本の連
続したパイプが各段の１．ＳＩ　　３の間を屈曲して張
りめくらされた構造をとる。

この場合、ＬＳＩ　　３より発生ずる気泡は必ず複数個
の熱交換パイプ９に触れて浮上するので、この際に冷却
され、これにより冷却能力が向」ニジ、また均一に冷却
される。

実施例３：第４図は冷却構造（その３）を示すもので、第３図の改
良形である。

この構造においては回路基板４は冷却容器５の側面に填
め込む構造をとる。

そしてこの上に装着し、縦に並んでいるＬＳＩ　　３の
間には気泡ガイド板１０があり、これに気泡トラツブ１
１が備えてあり、この−）に複数個の熱交換パイプ９が
並んでいる。

なお気泡トラップ１１には穴がおいており、冷媒６は自
由にｉ１１過するが、気泡はこの下にトラップされるよ
うになっている。

この実施例においては厚さ０．１　＋ｎのステンレス板
に０．５〜２１ｍ＋の穴を開ｋＪｋものを気泡トラップ
１１として用いた。

かかる構成をとるとｌｓ［３，、ｌり発生した気泡は気
泡ガイドＵｉ　ｌ　Ｏに当たって気泡トラップＩ＋に勇
かれ、熱交換°パイプ９によって冷Ｊ、［１され液化す
るプロセスをとる。

そのため冷却能力の向−１−が６■能となる。

実施例４：第５図は冷却構造（その４）を示すもので、二重構造を
とる冷却容器５の内側の密封容器には複数個のＬＳＩ　
　３がポンディングされている回路基板４があり、この
１、Ｓｔ　　３の間にヒートパイプ１２が設置されてい
て、ヒートパイプＩ２の一端ば密１・ｌ容器の隔壁を通
って冷却水が流れる外側容器１３に突出している。

そして、ヒートパイプ１２の端は放熱板Ｉ４に接続して
おり、水冷されるようになっている。

このような構成をとるとＬＳＩ　　３の発熱により、こ
れに接するヒートパイプ１２は温度上昇するが、他端が
冷却されているためにヒートパイプの中の冷媒が循環し
て冷却され、効率のよい冷却が行われる。

なお、本実施例の場合、ヒートパイプ１２の冷媒として
メタノールを用い良い結果を得ることができた。

実施例５：第６図は冷却構造（その５）を示すもので、従来と異な
り、冷媒を冷却容器５より外に取り出して強制循環させ
、外部に設けた熱交換器（ラジェータ）１５により冷却
する構造である。

この場合、ＬＳＩ　　３より発生した気泡は熱交換パイ
プ９で冷却され部分的に液化するが、温度上昇した冷媒
６は熱交換器（ラジェータ）１５で冷却され、ポンプ１
６により強制循環し、気泡分離器１７を経て冷却容器５
に戻る構成をとる。

このようにすると、冷媒６は強制冷却されるので効率の
良い冷却を行うことができる。

〔発明の効果〕

以上記したように不発ｌｊＪ口Ｊ冷却能力の経年変化の
少ない液冷構造を（に供するもので、熱交換器の構造と
配置法或いは冷媒の循環法を下火することにより、冷却
能力の優れた半導体装置用冷却器を実用化することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱交換器の設置場所による性能比較図、第２図
は液冷構造（その１）の断面図、第３図は液冷構造（そ
の２）の断面図、第４図は液冷構造（その３）の断面図
、第５図は液冷構造（その４）の断面図、第６図は液冷
構造（その５）の断面図、である。図において、３はＬ！ｌ＋Ｉ、　　　　　　　　４は回路基板、５は
冷却容器、　　　　　６は冷媒、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）集積度の高い半導体チップ（３）を搭載した回路
基板（４）を複数個配列して構成される半導体装置にお
いて、該半導体装置を強制冷却する装置が、冷却容器（５）内の冷媒（６）に浸漬する回路基板（４
）と、該冷媒（６）中に配設する熱交換器（７）と、を備えて
なることを特徴とする半導体装置の冷却構造。
（２）冷媒（６）中に配設した熱交換器（７）が多孔質
金属からなり、複雑に入り組んだ構造のパイプから構成
されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の半導体装置の冷却構造。
（３）熱交換器を形成する熱交換パイプ（９）が液面に
対し垂直に配置されている半導体チップ（３）の間に配
設されてなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の半導体装置の冷却構造。
（４）熱交換器（７）を形成する熱交換パイプ（９）が
半導体チップ（３）間の気泡ガイド板（１０）に備えら
れている気泡トラップ（１１）の下に設けられているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置
の冷却構造。
（５）熱交換器（７）がヒートパイプ（１２）よりなり
、該ヒートパイプ（１２）の一端が容器内の冷媒（６）
に接触し、他端が外部の放熱板（１４）に接触している
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装
置の冷却構造。
（６）熱交換器を形成する熱交換パイプ（９）が水平に
配置されている半導体チップ（３）の間に配設されると
共に冷媒（６）を強制循環させ、外部に取り出して冷却
することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導
体装置の冷却構造。