JPS6367336B2 - - Google Patents
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- JPS6367336B2 JPS6367336B2 JP57223677A JP22367782A JPS6367336B2 JP S6367336 B2 JPS6367336 B2 JP S6367336B2 JP 57223677 A JP57223677 A JP 57223677A JP 22367782 A JP22367782 A JP 22367782A JP S6367336 B2 JPS6367336 B2 JP S6367336B2
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- cooling
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
- H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
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- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(1) 発明の技術分野
本発明は液冷式半導体装置、特に冷却用液体に
特徴のあるそうした半導体装置に係る。
特徴のあるそうした半導体装置に係る。
(2) 従来技術と問題点
従来、電子機器特に半導体装置の冷却は空冷で
あつた。電子機器（半導体装置）に放熱板を設け
たり、送風による強制空冷である。これに対し
て、より冷却効果を高めるために、液体を利用し
て半導体装置を冷却する方法についての提案も行
なわれている。半導体装置などの冷却には特にフ
ルオロカーボンやフレオンが用いられ、第１図の
模式図を参照すると、密封容器１内に冷却液２が
発熱部３と接触して封入される。LSIなどの発熱
部３の温度が上昇すると初期は液体２の熱対流に
よつて冷却される。一方、液体の温度も発熱部３
の熱のために上昇し、液体２の沸騰により、気化
熱、気泡による乱流を利用した冷却が行なわれ
る。冷却液２は所望の冷却温度付近に沸点のある
液体を使用する。しかし、液体の沸騰を利用する
場合、実際には理論上の沸点で沸騰せず、それよ
りいくらか高い温度に至つてはじめて沸騰する。
この沸騰の遅れは適性温度への冷却目的を狂わせ
るとともに、突沸現象を生じて急激な温度変化を
起こすので、電子機器（例えばLSI）の温度依存
特性を変更し、好ましくない。
あつた。電子機器（半導体装置）に放熱板を設け
たり、送風による強制空冷である。これに対し
て、より冷却効果を高めるために、液体を利用し
て半導体装置を冷却する方法についての提案も行
なわれている。半導体装置などの冷却には特にフ
ルオロカーボンやフレオンが用いられ、第１図の
模式図を参照すると、密封容器１内に冷却液２が
発熱部３と接触して封入される。LSIなどの発熱
部３の温度が上昇すると初期は液体２の熱対流に
よつて冷却される。一方、液体の温度も発熱部３
の熱のために上昇し、液体２の沸騰により、気化
熱、気泡による乱流を利用した冷却が行なわれ
る。冷却液２は所望の冷却温度付近に沸点のある
液体を使用する。しかし、液体の沸騰を利用する
場合、実際には理論上の沸点で沸騰せず、それよ
りいくらか高い温度に至つてはじめて沸騰する。
この沸騰の遅れは適性温度への冷却目的を狂わせ
るとともに、突沸現象を生じて急激な温度変化を
起こすので、電子機器（例えばLSI）の温度依存
特性を変更し、好ましくない。
(3) 発明の目的
本発明は、以上の如き従来技術に鑑み、電子機
器を液冷するに当り、より安定な冷却温度を達成
するために、実際の沸騰温度がより安定した冷却
用液体を提供することを目的とする。
器を液冷するに当り、より安定な冷却温度を達成
するために、実際の沸騰温度がより安定した冷却
用液体を提供することを目的とする。
(4) 発明の構成
そして、上記目的を達成する本発明は、容器に
封入した液体を利用して半導体チツプを冷却する
半導体装置であつて、前記冷却用液体が相互に相
溶性である２種以上の塩素を含まないフルオロカ
ーボンの混合物からなり、該フルオロカーボンの
１成分が該フルオロカーボンの他の成分より沸点
が10℃以上低くかつ10重量％以上30重量％未満の
割合で含有されて成ることを特徴とする。
封入した液体を利用して半導体チツプを冷却する
半導体装置であつて、前記冷却用液体が相互に相
溶性である２種以上の塩素を含まないフルオロカ
ーボンの混合物からなり、該フルオロカーボンの
１成分が該フルオロカーボンの他の成分より沸点
が10℃以上低くかつ10重量％以上30重量％未満の
割合で含有されて成ることを特徴とする。
以下本発明の実施例を用いて詳述する。
(5) 発明の実施例
実施例 １
第１図のように外部冷却用フインおよび内部凝
縮用フインを有するアルミニウム製密封容器（内
容量500c.c.）１に冷却用液体２としてフルオロカ
ーボン（3M社、FC―78、主成分C4NOF11、純度
99％以上、沸点50℃）を20c.c.入れるとともに、底
部に、アルミナ基板上に形成したシリコン半導体
装置（寸法６mm□、厚さ0.65mm）を発熱体３とし
て設置した。シリコン半導体装置表面に熱伝対を
溶接して半導体装置の接合部温度を測定し、液体
２の温度は温度計で測定した。シリコン半導体装
置に通電して液体２および発熱体の温度を測定す
ることによつて、過熱（発熱体３と液体２の温度
差）△Ｔに関する熱流束（発熱体の表面積当りの
発熱量）のグラフを第２図にまとめた。図中、曲
線Ａに見られる通り、過熱が小さいうちは熱流束
の変化が小さく、液体２の対流による熱伝達であ
ることを示していたが、液体の沸点ａを過ぎても
しばらくは沸騰が見られず、その後液体の沸騰が
起き、急激に曲線の傾きが大きくなつた。このと
き、沸点より高い温度であるために突沸現象を示
した。図では曲線が逆転してその様子を指示して
いる。それからは普通の沸騰による冷却が行なわ
れた。尚、気化したフルオロカーボンの蒸気は放
熱フインにふれて凝縮され、容器は外部放熱フイ
ンを用いて冷却された。
縮用フインを有するアルミニウム製密封容器（内
容量500c.c.）１に冷却用液体２としてフルオロカ
ーボン（3M社、FC―78、主成分C4NOF11、純度
99％以上、沸点50℃）を20c.c.入れるとともに、底
部に、アルミナ基板上に形成したシリコン半導体
装置（寸法６mm□、厚さ0.65mm）を発熱体３とし
て設置した。シリコン半導体装置表面に熱伝対を
溶接して半導体装置の接合部温度を測定し、液体
２の温度は温度計で測定した。シリコン半導体装
置に通電して液体２および発熱体の温度を測定す
ることによつて、過熱（発熱体３と液体２の温度
差）△Ｔに関する熱流束（発熱体の表面積当りの
発熱量）のグラフを第２図にまとめた。図中、曲
線Ａに見られる通り、過熱が小さいうちは熱流束
の変化が小さく、液体２の対流による熱伝達であ
ることを示していたが、液体の沸点ａを過ぎても
しばらくは沸騰が見られず、その後液体の沸騰が
起き、急激に曲線の傾きが大きくなつた。このと
き、沸点より高い温度であるために突沸現象を示
した。図では曲線が逆転してその様子を指示して
いる。それからは普通の沸騰による冷却が行なわ
れた。尚、気化したフルオロカーボンの蒸気は放
熱フインにふれて凝縮され、容器は外部放熱フイ
ンを用いて冷却された。
次に、上記と同様にして、但し、フルオロカー
ボンの種類を代えて（今回は3M社、FC―75、主
成分C7F16CO、純度99％以上、沸点102℃を用い
た。）実験したところ、第２図の曲線Ｂのような
結果を得た。やはり、沸騰の遅れと突沸が見られ
た。
ボンの種類を代えて（今回は3M社、FC―75、主
成分C7F16CO、純度99％以上、沸点102℃を用い
た。）実験したところ、第２図の曲線Ｂのような
結果を得た。やはり、沸騰の遅れと突沸が見られ
た。
然る後、上記２種のフルオロカーボンFC―78
とFC―75をそれぞれ80重量％（FC―78）と20重
量％（FC―75）混合し、それを冷却用液体に用
いて上記と同様の実験を行なつた。その結果を第
２図の曲線Ｃに示す。今度の場合、液体の対流に
よる熱伝達が行なわれつつ過熱が大きくなり、液
体がその理論上の沸点に到達すると、自然に沸騰
し始め、沸騰の遅れも突沸もなく液体の気化熱に
よる冷却の状態に入つた。
とFC―75をそれぞれ80重量％（FC―78）と20重
量％（FC―75）混合し、それを冷却用液体に用
いて上記と同様の実験を行なつた。その結果を第
２図の曲線Ｃに示す。今度の場合、液体の対流に
よる熱伝達が行なわれつつ過熱が大きくなり、液
体がその理論上の沸点に到達すると、自然に沸騰
し始め、沸騰の遅れも突沸もなく液体の気化熱に
よる冷却の状態に入つた。
実施例 ２
実施例１と同様にして、沸点が56℃（FX3250、
パラフルオロヘキサン）と101℃（FX3300、パラ
フルオロ―２―オクタン）の２種類のフツ化炭素
の混合液について混合比を変えてオーバシユート
の大きさを調べた。
パラフルオロヘキサン）と101℃（FX3300、パラ
フルオロ―２―オクタン）の２種類のフツ化炭素
の混合液について混合比を変えてオーバシユート
の大きさを調べた。
第３図はFX3250単独の過熱△Ｔに関する熱流
束を示す。第４図及び第５図はFX3250とFX3300
の混合比に関する混合液体のオーバシユート及び
沸点をそれぞれ示す。
束を示す。第４図及び第５図はFX3250とFX3300
の混合比に関する混合液体のオーバシユート及び
沸点をそれぞれ示す。
第３図及び第４図に見られるようにFX3250単
独ではオーバシユートが大きいが、FX3300が20
重量％のとき極小値になり、オーバシユートを抑
えることができた。
独ではオーバシユートが大きいが、FX3300が20
重量％のとき極小値になり、オーバシユートを抑
えることができた。
以上、２つの例を示したが、フルオロカーボン
の組成を変えたり、フルオロカーボンの種類を変
えて実験したところ、程度の差こそあれ同様の結
果が得られた。
の組成を変えたり、フルオロカーボンの種類を変
えて実験したところ、程度の差こそあれ同様の結
果が得られた。
２種類のフルオロカーボン（またはフレオン）
を混合することによつて沸点が安定化する理由は
必ずしも明らかではないが、低沸点成分による核
の形成が容易であるので、沸騰の遅れがなく、従
つて突沸もないものと考えられる。従来の冷却用
液体は一般にかなり純粋な成分のもの（純度は90
％を越え、多くは95％以上）が用いられている
が、本発明では、沸点が10℃以上異なる２種類以
上のフルオロカーボンのうち低沸点成分を10重量
％以上30重量％未満含有する２成分系あるいは多
成分系である点でそれらと異なる。本発明では、
沸点の異なる２あるいはそれ以上の成分を混合す
ることを特徴とするものであつて、成分の数、種
類、混合割合に本質的な限定はなく、それらは所
望の冷却条件に応じて決定されれば足りる。最低
沸点成分の量を10〜30重量％の範囲内としたの
は、この範囲内においてオーバシユートの有効な
抑制が可能になるからである。
を混合することによつて沸点が安定化する理由は
必ずしも明らかではないが、低沸点成分による核
の形成が容易であるので、沸騰の遅れがなく、従
つて突沸もないものと考えられる。従来の冷却用
液体は一般にかなり純粋な成分のもの（純度は90
％を越え、多くは95％以上）が用いられている
が、本発明では、沸点が10℃以上異なる２種類以
上のフルオロカーボンのうち低沸点成分を10重量
％以上30重量％未満含有する２成分系あるいは多
成分系である点でそれらと異なる。本発明では、
沸点の異なる２あるいはそれ以上の成分を混合す
ることを特徴とするものであつて、成分の数、種
類、混合割合に本質的な限定はなく、それらは所
望の冷却条件に応じて決定されれば足りる。最低
沸点成分の量を10〜30重量％の範囲内としたの
は、この範囲内においてオーバシユートの有効な
抑制が可能になるからである。
本発明における冷却用液体としての塩素を含ま
ないフルオロカーボンは特に半導体装置の冷却用
として優れている。冷却用液体に塩素が含まれて
いると、半導体チツプのアルミニウム配線部など
を腐食するので不適当である。フルオロカーボ
ン、特に炭素数５〜９個のフツ素、炭素系化合物
が好ましい。また、容器は伝熱性の優れた材質の
ものが好ましく、構造的には外部に空冷用放熱フ
インや水冷用コールドプレートを設けたり、内部
に蒸気凝縮用フインを設けてもよい。しかし、こ
れらに特別の限定はない。
ないフルオロカーボンは特に半導体装置の冷却用
として優れている。冷却用液体に塩素が含まれて
いると、半導体チツプのアルミニウム配線部など
を腐食するので不適当である。フルオロカーボ
ン、特に炭素数５〜９個のフツ素、炭素系化合物
が好ましい。また、容器は伝熱性の優れた材質の
ものが好ましく、構造的には外部に空冷用放熱フ
インや水冷用コールドプレートを設けたり、内部
に蒸気凝縮用フインを設けてもよい。しかし、こ
れらに特別の限定はない。
(6) 発明の効果
以上の説明から明らかなように、本発明に依れ
ば、半導体装置を液冷するに当り、冷却用液体の
沸騰の遅れおよび突沸を防止し、一定温度におけ
る自然な沸騰を実現し、半導体装置の素子特性に
適した温度範囲および温度安定性が達成される。
ば、半導体装置を液冷するに当り、冷却用液体の
沸騰の遅れおよび突沸を防止し、一定温度におけ
る自然な沸騰を実現し、半導体装置の素子特性に
適した温度範囲および温度安定性が達成される。
第１図は液冷式半導体装置の概略断面図、第２
図は実施例１の冷却用液体の過熱に関する熱流束
のグラフ、第３図は実施例２における単一冷却用
液体の過熱に関する熱流束のグラフ、第４図及び
第５図は実施例２の混合冷却用液体の混合比に関
するそれぞれオーバシユートと沸点を示すグラフ
である。 １…容器、２…冷却用液体、３…発熱部。
図は実施例１の冷却用液体の過熱に関する熱流束
のグラフ、第３図は実施例２における単一冷却用
液体の過熱に関する熱流束のグラフ、第４図及び
第５図は実施例２の混合冷却用液体の混合比に関
するそれぞれオーバシユートと沸点を示すグラフ
である。 １…容器、２…冷却用液体、３…発熱部。
Claims (1)
- １ 容器に封入した液体を利用して半導体チツプ
を冷却する半導体装置において、前記冷却用液体
が相互に相溶性である２種以上の塩素を含まない
フルオロカーボンの混合物からなり、該フルオロ
カーボンの１成分が該フルオロカーボンの他の成
分より沸点が10℃以上低くかつ10重量％以上30重
量％未満の割合で含有されて成ることを特徴とす
る半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22367782A JPS59125643A (ja) | 1982-12-22 | 1982-12-22 | 液冷式半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22367782A JPS59125643A (ja) | 1982-12-22 | 1982-12-22 | 液冷式半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59125643A JPS59125643A (ja) | 1984-07-20 |
| JPS6367336B2 true JPS6367336B2 (ja) | 1988-12-26 |
Family
ID=16801913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22367782A Granted JPS59125643A (ja) | 1982-12-22 | 1982-12-22 | 液冷式半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59125643A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5262675A (en) * | 1988-08-21 | 1993-11-16 | Cray Research, Inc. | Laser diode package |
| WO1991003085A1 (en) * | 1989-08-21 | 1991-03-07 | Cray Research, Inc. | Improved laser diode package |
| EP0456508A3 (en) | 1990-05-11 | 1993-01-20 | Fujitsu Limited | Immersion cooling coolant and electronic device using this coolant |
| WO2007075599A2 (en) * | 2005-12-19 | 2007-07-05 | Honeywell International, Inc. | Multi-fluid coolant system |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4968674A (ja) * | 1972-11-06 | 1974-07-03 | ||
| JPS5238662A (en) * | 1975-09-22 | 1977-03-25 | Hitachi Ltd | Cooling liquid of seething cooler |
-
1982
- 1982-12-22 JP JP22367782A patent/JPS59125643A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4968674A (ja) * | 1972-11-06 | 1974-07-03 | ||
| JPS5238662A (en) * | 1975-09-22 | 1977-03-25 | Hitachi Ltd | Cooling liquid of seething cooler |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59125643A (ja) | 1984-07-20 |
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