JPS6376462A - 伝熱装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は伝熱装置に係り，特に半導体集積回路の発熱を
吸熱するのに適する伝熱装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路等の発熱を吸熱するための冷却装置とし
ては，発熱体表面に吸熱伝熱素子を接触させ、発熱体よ
り伝熱素子の方向へ熱を移動させる接触伝熱装置が一般
的である．この種の装置においては熱の移動に伴う接触
面下の温度落差を少くすることが要求される。

従来より発熱体から熱を除去する方法として冷却水を用
いる方法が提案されており現在でも広く用いられている
．これは半導体集積回路の冷却にも利用可能である．こ
の場合には基板上に電気接続を図るためのはんだ球を介
して搭載された多数の集積回路チップの上面（はんだや
基板に対して反対側の面）に熱伝導性部材（吸熱素子）
を接触させる．この熱伝導性部材はハウジングに固定さ
れておりハウジングの裏面に冷却水が流過する構造にな
っているので、チップの発熱は熱伝導性部材、ハウジン
グを順次経て冷却水により糸外へ運び去られることにな
る。

ここで集積回路チップと熱伝導性部材とはメンテナンス
時の容易性等の理由から、単に接触させただけの状態で
配置する方法がとられてきた。この際、接触面での温度
落差を少なくする為、ヘリウムガスのような高熱伝導性
ガスを接触界面に充填する方法が提案されている（特公
昭６０−１９６６３号公報参照）。しかしこの方法では
温度落差を充分に縮めることは困難であった。二九は，
チップと熱伝導性部材とは，チップ面が反っていたり、
チップ或いは熱伝導性部材表面がある而粗さを持ってい
る為，完全に面同士で均一に接触することは困難であっ
て，部分的にギャップδを生ずるからである．ギャップ
δの巾は最大値で数μｍ〜２０μｍ程度となることが本
発明者等により確認されており、このギャップ部では大
きな温度落差がつくことが避けられない。

一方、多数のチップを基板上に配列した場合には，個々
のチップについて見ると熱伝導性部材に対してチップ背
面の高さが不均一となり，或いはチップ自体に傾きを生
じる等，ギャップδは更に広がる傾向がある。

ところで熱伝導性部材とチップとの密着技術は、ｒヒー
ト・トランスファー　マイクロストラクチャーズ　フォ
ー　インテグレーテッド　サーキツッ』　（デビット　
バゼレイ　タツカーマン著，力８７頁から第１０８頁（
Ｈｅａｔ　−　ＴｒａｎｓｔａｒＭｉｃｒｏｓｔｒｕｅ
ｔｕｒｏｓ　ｆｏｒ　Ｉｎｔｅｇｒａｔａｄ　Ｃｉｒｃ
ｕｉｔｓ／Ｄａｖｉｄ　Ｂａｚｅｌｅｙ　Ｔｕｃｋｅｒ
ａ＋ａｎ／Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ　ｄａｔｅ　：ト ＦｓＪ”、　１　９　８　４　／　Ｌａｖｒｅｎｃ−ｅ
　Ｉ．、Ｌｖｅｒｍｏｒｅ　ＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏ
ｒａｔｏｒｙ／υｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃａｌｉ
ｆｏｒｎｉａ／　ｐ　ｐ　。

８７−１０８）に論じられている。即ちチップの反りを
修正し熱伝導性部材をチップに密着させることの可能な
接触面構造が提案されており、チップと接触する側の熱
伝導性部材の表面部分に末広がり溝を多数設け、各末広
がり溝内部に液状熱媒体を注入し溝上部（溝内部）に気
液界面を形成する構造である。このようにして構成する
と液の表面張力によりチップは熱伝導性部材に吸い付け
られて、チップの反りはある程度矯正されることになる
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記接触面構造を持ってしてもチップ高さ、チップ傾斜
角がばらつき、更にはんだ球で基板に固定されたチップ
と吸熱素子間の密着を良好にすることは困難であった。

即ち（１）はんだ球が多数になった場合はんだ球の引張
り強度に対抗し得る程、表面張力による吸着力は大きく
はなく、チップの反りの矯正は実質的に期待できない、
（２）接触面構造には柔軟性が無く、チップ高さ及びチ
ップ傾斜角のバラツキを吸収することが実質的に困難で
ある。

本発明の目的は、発熱体の高さ及び発熱体傾斜角のバラ
ツキによらず発熱体と熱伝導性部材との間の接触部温度
落差を縮め得る伝熱装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は次の構成により達成される。即ち。

板状発熱体上面に直接或いは液状物を介して間接に自重
及び液状物の表面張力により接触する熱伝導性部材を備
える。この熱伝導性部材は、複数の凸部を有する板状雄
型部材と、この凸部と嵌合する凹部或いは貫通部を有す
る板状雌型部材と、両部材間に注入された液状物とから
成る。そして板状雄型部材或いは板状雌型部材の少なく
とも一方が板状発熱体上に面するように配置される。か
つ両部材間に注入された液状物の気液界面は、雌型部材
及び雄型部材との接触角が９０’未満である。

更に好適にはこの厚肉部材の凸部先端は液状物を介して
板状発熱体に面するように構成する。尚、本明細書にお
いて直接接触とは、接着剤やはんだ付けによる接触をも
含めるものとする。

半導体集積回路チップを発熱体の例にとれば、発熱体側
に雌コネクタ、吸熱（冷却水）側に雄コネクタとするこ
とが望ましい、この場合雄コネクタは自重及び液状物の
表面張力により雌コネクタ間に支持されることになるが
、上下方向に実質移動可能に配置されていることになる
。

貫通部或いは凹部はスリット状（溝状）または孔状のい
ずれでもよく、貫通部（凹部）がスリット状（溝状）な
ら凸部はフィン状とし１貫通部（凹部）が孔状なら凸部
は円柱状のような突起状が望ましい、いずれにしても夫
々には少なくとも一方の部材にテーバをつけることが好
ましい、尚、両部材の雌雄の関係は互いに逆転しても差
しつかえない、即ち発熱体側を雌コネクタとするなら吸
熱側を雄コネクタとすれば良く（結局、貫通部の開口部
総面積は非開口部総面積に比べて広いことになる）、こ
れとは逆に１発熱体側を雄コネクタとし吸熱側を雌コネ
クタとしても良い（この場合には１貫通部の開口部総面
積は非開口部総面積に比べて狭いことになる）。

〔作用〕

互いに噛み合わさっている貫通部（四部を含む。

以下同じ、）と凸部とは一定のギャップが保持されてお
り、発熱体高さの高低に応じて噛み合い部長さが変動す
る。また、貫通部内で凸部はギャップ間距離の範囲で傾
くことが可能であり、両者は発熱体の傾斜角に応じて噛
み合うことになる。これら、ギャップにおける自由度の
効果で雄或いは雌コネクタは発熱体の高さ或いは傾斜に
追随してセツティングされる。一方、噛み合い部ギャッ
プ内及びこのギャップと連通している雌コネクタと発熱
体間或いは吸熱側熱伝達部材（即ち雄型部材）間のギャ
ップに注入された液状物は、ギャップ内に円弧状の気泡
界面を形成し、この界面の表面張力により液相部と気相
部との間に圧力差が発生する。この表面張力は、各部材
と液状物とにおいて気流界面中心部が液側に凸となるよ
うな関係にある。この圧力差により雌コネクタは発熱体
或いは厚肉部材に押し付けられ吸着されることになる。

このように雌コネクタが発熱体或いは吸熱体に押し付け
られると、雌コネクタと発熱体或いは吸熱体間のギャッ
プが小さくなり、従ってこのギャップ部の液状物（液状
熱媒体）は非常に薄い膜となる。この結果、このギャッ
プ部における熱伝導による温度落差を非常に小さくする
ことが可能である。また、液状物の高い熱伝導率により
、雄雌コネクタ間のギャップ部の温度落差も小さくなる
。

これら、ギャップ部に充填された液状物の２つの効果の
相乗作用により、発熱体と熱伝導性部材との間の温度落
差は一層小さなものとすることが可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は、基板７上に多数搭載された発熱体１と吸熱部
材の組み合わせ例を示す−０吸熱部材即ち熱伝導性部材
は発熱体１上に設けられた板状雌型部材３と板状雄型部
材５．並びに液状物２から成る。板状雌型部材３は多数
の貫通部４を有し、各貫通部４に対応するように板状雄
型部材５は多数の凸部６を有して、両者は図に示すよう
に噛み合っている０発熱体１と基板７とははんだ球８に
て接合されている。

この噛み合い構造の一単位を拡大して図示すると第２図
の通りである０本例では貫通部４は孔状すなわち貫通孔
となっており、従って対向する板状雄型部材５の凸部６
は棒状突起（円柱状フィン）になっている。こうして円
柱状フィンから成る雄コネクタと、多孔板状雌コネクタ
とが噛み合った構造になっている。気液界面９は表面張
力により界面中央部が下方（液内方向）に凸となってい
る。

基板７上に多数搭載された発熱体１は基板７と発熱体１
間の電気接続のためのはんだ球８を介して基板７に固定
されている。凸部６及び貫通部４のギャップ部及び板状
雌型部材３と発熱体１との間のギャップ部に注入されて
いる液状物２は例えばシリコーン油（１センチストーク
ス）のような流動性に富み熱伝導率が良好な熱媒体であ
る。従ってひまし油やトランス油も有効である。この雌
雄コネクタにより形成されるギャップ内には波方向に凸
の円弧状の気液界面９が形成されている。

この際雌コネクタの番孔は貫通孔がある為、発熱体１と
雌コネクタ即ち板状雌型部材３との間にも液状物２の薄
い膜が形成される。ここで、板状部材３と発熱体１との
ギャップは１μｍ以下である。

この様にして構成された冷却装置においては。

発熱体１で発生した熱は発熱体１及び板状雌型部材３間
の液状物２を介して板状雌型部材３に熱伝導で伝えられ
る。更にこの雌雄コネクタ間（貫通部４〜凸部６間）の
液状物２を介して凸部６に熱伝導で伝えられる。そして
凸部６に伝えられた熱は板状雄型部材５の上部の吸熱素
子、冷却水（図示せず）により糸外に運び去られる。

一方、凸部６〜貫通部４間のギャップ部に注入された液
状物２上面すなわち円弧状の気液界面９は、液状物ｚ内
と液状物２外との間に圧力差を発生させ、板状雌型部材
３と発熱体１に吸着させる。

ここで、気液界面の曲率半径をｒとすると、この吸着力
はσ／ｒ（σ；液状物２の表面張力）で表わされる。こ
の吸着力により、板状部材３（雌コネクタ）は発熱体１
の表面に反りに従って変形させられ、両者間のギャップ
は１μｍ以下の小さなものとなる。

このようにして構成された接触伝熱素子（即ち液状物２
．板状雌型部材３並びに凸部６）を発熱体１と吸着材（
含、冷却水）との間に設けると、接触伝熱素子が発熱体
１に密着して接することができ１発熱体１と吸熱材との
間の温度落差を小さくすることが可能である。

更に１発熱体１の高さ及び傾斜角が個々の発熱体でばら
つき、個々の発熱体１と吸熱材（板状雄型部材５）間の
距離がばらついた場合においても。

凸部６及び貫通部４の噛み合い部長さが変化し得る為、
上記のばらつきにかかわらず小さな温度落差で熱を発熱
体１より水冷側へと伝えることが可能である。　発熱体
１をリペアする場合、凸部６を貫通部４から引き抜けば
（即ち雄コネクタを雌コネクタから外せば）、貫通部４
内にはこの孔の半径を曲率半径とした大曲率半径の気液
界面が形成されるようになり、板状雌型部材３と発熱体
１との間の吸着力は減少する。従って、発熱体１より板
状雌型部材３（即ち雌コネクタ）を容易に取り外せるよ
うになる。尚、第３図は第２図の部分拡大図で、気液界
面と雌及び雄部材との接触角θを定義する説明図であっ
て１本発明はこの角θが９０°未満であることを要件と
する。

第４図、第５図に本発明の他の実施例を示す。

第４図の実施例では２貫通札所面がテーパ状になってお
り、凸部６〜！！を通出４間のギャップは発熱体１の方
向に向けて次第に狭まった形状となっている。また、第
５図の実施例では、凸部６がフィン根元部に行くに従っ
て細くなっており、第４図の実施例と同様に凸部６〜貫
通部４間のギャップが発熱体１の方向に向けて狭まった
形状となっている。この様な末広がり形のギャップ形状
とすることにより気液界面９の高さによって界面の曲率
半径が異なる。それ故、夫々の凸部６〜貫通部４間のギ
ャップ内に形成される気液界面９の高さを夫々のギャッ
プ内に一定に保つことができるようになり、安定した気
液界面９が得られるようになる。従って発熱体１と板状
雌型部材３（雌コネクタ）間の吸着力をより均一で安定
したものとすることができる。

以上の実施例に示した雌雄コネクタ部分の製作例を第６
図に従って説明する。

先ず多数の孔１１が規則正しく開けられた多孔板１２に
ビン１４を孔１１と１対１に挿入方向１３の方向に差し
込む、差し込み後は、はんだ付或いは超音波接合のよう
な接合法を用いてピン１４と多孔板１２とを固定する。

一方、雌コネクタ即ち板状雌型部材３は、一般の多孔板
を作る時と同様に、ドリル加工、エツチング加工、レー
ザー加工、電子ビーム加工等により多数の規則正しい孔
を開ければよい、この際雄コネクタ（板状雄型部材５）
に用いる多孔板１１１と雌コネクタ（板状雌型部材３）
に用いる多孔板とは同時に加工した方が、孔加工時にお
けるピッチ誤差等の問題点が無い、更には、板状雄型部
材５を電極として板状雌型部材３を放電加工により加工
すれば凸部６〜貫通部４間の噛み合わせがより良好にな
る。

上記各加工後の熱伝導性部材は、凸部〜貫通孔の噛み合
わせ後発熱体１上に設置し、しかる後液状物２を発熱体
１〜板状雌型部材３間から抽入する。

この際液状物２は両者の狭いギャップ間を毛管現は貫通
部のｔ／ＩＩにおいても貫通孔開口部より下になるよう
にし、即ち液状物を貫通部からオーバーフローさせない
よう注意を要する。ここで、本例で用いた各熱伝導性部
材の材質はシリコンである。

第７図に本発明の他の実施例を示す、凸部６には板状フ
ィンを使用し、また貫通部４としてスリット状穴を用い
たものである。このように辺で雌雄コネクタを組み合わ
せると夫々の対峠する面の面積を大きく取ることが可能
であり、雌雄コネクタ間の温度落差を小さくすることが
できる。この様なコネクタは、エンドミル加工、メタル
ソー加工等の機械加工、エツチング加工等により容易に
得ることが可能である。また、第４図、第５図の実施例
に示すように、スリット状穴或いは板状フィンの断面形
状をテーバにした方が望ましい。

第８図も本発明の一実施例であるが、上記各側と異なり
本例は発熱体１側に板状雄型部材５を設け、その上即ち
水冷側（外側）に板状雌型部材３を設け、更にその上に
吸着素子１０を置いている。

板状雄型部材５は発熱体１上にハンダ或いは熱伝導性接
着剤にて貼り付けられており、従って液状物２の層を介
せずに直接接触している。一方の板状雌型部材３の貫通
部４は凸部６に対応して位置し互いに嵌合している。貫
通部４と凸部６の間及び板状雌型部材３の背面と吸熱素
子１０との間の各ギャップ間には液状物２が介在し、こ
の気液界面９は図示の通りに形成されている。即ち発熱
体１上に取り付けられた板状雄型部材５に液状物２を挾
んで板状雄型部材３が覆っている。板状雌型部材３は吸
着素子１０に液状物２の気液界面９の効果により吸着さ
れている０本実施例の構成は上記各側と雌雄逆の関係に
なるが、作用は上記各側と同様、各コネクタ単位毎にギ
ャップ間を１ｇ！整して良好な伝熱状態即ち低い温度落
差を保持することになる。

第９図は本発明を用いた半導体集積回路の冷却構造の例
示図である。発熱体は半導体集積回路１５であり、これ
は基板７にはんだ球８にて接合されている。集積回路１
５上に上記各側にて示した組み合わせの板状雌型部材３
及び板状雄型部材５を設は各間隙に液状物２を介在させ
て、この吸熱体の一端ハウジング１６内壁に接触させて
おく。

ハウジング１６の上方には冷却水１７の流路１８を形成
し系外への熱放出を行う構造になっている。

以上に説明した本発明の一実施例では１発熱体１が裸の
まま基板７上に配置された場合を示したが、発熱体１が
例えばＬ　Ｓ　Ｉチップのフラットパッケージの如くモ
ールドされたものであっても差し支えなく本発明を適用
し得る。モールドされた発熱体に本発明の熱伝達装置を
用いることにより。

熱伝達装置内に注入する液状熱媒体の種類の選択範囲が
広がり、より表面張力が大きくかつ熱伝導率の高い熱媒
体の使用が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、発熱体の面が固り、高さ及び傾斜角の
大小にかかわらず１発熱体と吸熱素子間の熱移動に伴う
温度落差を小さくすることができる。この為大発熱量の
発熱体を低い温度に保ちながら冷却することが可能であ
る。また多数の発熱体を同時に冷却する場合１個々の発
熱体の温度を均一に保つように冷却し得るという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る伝熱装置の模式断面図、
第２図は第１図の部分拡大断面図、第３図は第２図の部
分拡大図、第４図、第５図、第７図及び第８図は本発明
の他の実施例を示す伝熱装置の部分拡大断面図、第６図
は本発明の実施例に係る伝熱装置の製造例の説明図、第
９１！４は本発明の適用例に係る半導体集積回路の冷却
装置模式断面図である。 １・・・発熱体、２・・・液状物、３・・・板状雌型部
材、４・・・貫通部、５・・・板状雄型部材、６・・・
凸部、７・・・基板、８・・・はんだ球、９・・・気液
界面、１０・・・吸熱素子、１５・・・半導体集積回路
、１６・・・ハウジング、１７・・・冷却水。 ％　　７　　　図 Ｚ　２　図 Ｍｑ　　口 ／：Ｊ７　　３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、板状発熱体上面に直接或いは液状物を介して間接に
   接触する熱伝導性部材を備えた伝熱装置において、前記
   熱伝導性部材は、凸部を有する板状雄型部材と、該凸部
   と嵌合する凹部或いは貫通部を有する板状雌型部材と、
   両部材間に注入された前記液状物とから成り、前記板状
   雄型部材或いは板状雌型部材の少なくとも一方が前記板
   状発熱体上と面するように配置され、かつ両部材間に注
   入された前記液状物の気液界面は前記雌型部材及び雄型
   部材との接触角が９０°未満であることを特徴とする伝
   熱装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、前記貫通部を
   スリット状とし、前記凸部をフィン状としたことを特徴
   とする伝熱装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載において、前記凹部を溝
   状とし、前記凸部をフィン状としたことを特徴とする伝
   熱装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載において、前記貫通部を
   孔状とし、前記凸部を円柱状としたことを特徴とする伝
   熱装置。 ５、特許請求の範囲第２項記載において、前記スリット
   及びフィンの少なくとも一方にテーパを形成したことを
   特徴とする伝熱装置。 ６、特許請求の範囲第３項記載において、前記溝及びフ
   ィンの少なくとも一方にテーパを形成したことを特徴と
   する伝熱装置。 ７、特許請求の範囲第４項記載において、前記孔及び円
   柱部分の少なくとも一方にテーパを形成したことを特徴
   とする伝熱装置。 ８、特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか記載に
   おいて、前記発熱体側に前記板状雄型部材を置き、その
   上に前記板状雌型部材を置いたことを特徴とする伝熱装
   置。 ９、特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか記載に
   おいて、前記発熱体側に前記板状雌型部材を置き、その
   上に前記板状雄型部材を置いたことを特徴とする伝熱装
   置。 １０、半導体集積回路チップに液状物を介して自重及び
   前記液状物の表面張力により接触し前記半導体集積回路
   の発熱を吸収する熱伝導性部材を備えた伝熱装置におい
   て、前記熱伝導性部材は、前記半導体集積回路チップ上
   に前記液状物を介して塔載されかつ厚さ方向に複数の貫
   通部を有する板状雌コネクタと、該貫通部に対応して凸
   部を有し前記液状物を介して該凸部が前記貫通部に噛み
   合うように構成された雄コネクタとから成り、該雄コネ
   クタは上下方向に移動可となるように配置されているこ
   とを特徴とする伝熱装置。 １１、特許請求の範囲第１０項記載において、前記半導
   体集積回路ははんだにより複数個が基板上に搭載されて
   いることを特徴とする伝熱装置。 １２、特許請求の範囲第１０項または第１１項記載にお
   いて、前記液状物の液面が前記雌コネクタと雄コネクタ
   との間隙において液内部方向に凸となるような表面張力
   を有することを特徴とする伝熱装置。 １３、特許請求の範囲第１２項記載において、前記液状
   物はシリコーン油であり、前記雌及び雄コネクタの材質
   はシリコンであることを特徴とする伝熱装置。