KR950002271B1 - 침지 냉각용 냉각재 및 이 냉각재를 이용한 전자장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

침지 냉각용 냉각재 및 이 냉각재를 이용한 전자장치

제 1a도 및 1b도는 냉각재와 발열기의 온도차와 발열기로부터 제거된 열유속간의 관계를 도시하고.

제 2 도는 비등 냉각 냉각재의 냉각 능력을 측정하기 위한 장치의 단면도.

제 3a도 및 제3b도는 반도체소자의 양쪽 또는 한쪽이 냉각재로 냉각되는 냉각장치의 단면도.

제 4 도 및 제 5 도는 냉각재의 열유속과 양측 냉각에 있어서의 냉각재의 온도간의 관계를 도시하고.

제 6 도는 반도체소자의 과열과 양측 냉각에 있어서의 냉각재의 열유속간의 관계를 도시하고,

제 7 도는 냉각재의 열유속과 양측 냉각에 있어서의 냉각재의 온도간의 관계를 도시하고.

제 8 도는 고지점(high boiling point)냉각재의 첨가량과 냉각재의 최대열 유속간의 관계 및 고비점 냉각재의 첨가량과 칩의 온도간의 관계를 도시하고.

제 9 도는 고비점 냉각재의 첨가량과 냉각재의 최대 열유속간의 관계를 도시하고.

제10도는 액체냉각 모듈의 투시도.

제11도는 액체냉각 모듈의 단면도.

제12도는 액체냉각 모듈의 확대 단면도.

제13도는 제 2 의 액체냉각구조의 단면도.

제14도는 제 3 의 액체냉각구조의 단면도.

제15도는 제 4 의 액체냉각구조의 단면도.

제 16도는 제 5 의 액체냉각구조의 단면도.

제17도는 제 6 의 액체냉각구조의 단면도.

제18도는 복수개의 액체냉각 모듈을 포함하는 시스템의 투시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 65, 75 : 냉각케이스 2 : 순환쿨러

3, 4, 35 : 냉각파이프 5 : 핀

11 : 내부케이스 12 : 외부케이스

22 : 지지체 25 : 써모커플

31 : 액체냉각모듈 32 : 금속케이스

21, 33, 63, 73, 93, 103 : 칩 23, 34, 64, 74, 104 : 기판

36, 79 : 열교환파이프 37, 105 : 냉각재

38, 81 : 기포트랩 39, 80 : 기포가이드

40 : 리이드핀 65, 75 : 냉각케이스

66, 76, 96 : 냉각재 67, 106 : 열교환기

92 : 가열파이프 94 : 방열기

95 : 케이스 100 : 모듈

120 : 주냉각챔버 121 : 외부열교환기

122a : 유입구 122b : 배출구

124 : 기체추출기 131 : 도관

본 발명은 침지냉각용 액체냉각재 및 그 냉각재를 사용한 전자장치에 관한 것이다.

발열기를 냉각재속에 직접 침지하여 냉각시킬때 발열기와 냉각재의 온도차 △T(과열; ℃)와 냉각재에 의해 발열기의 단위 면적으로부터 제거된 열유속(W/㎤)간의 관계는 제1a도와 제1b도에 나타낸 것과 같다. 발열기의 온도가 상승함에 따라 △T와 일치하여 열유속은 증가되지만, 상이 자연대류로부터 핵비등상으로 이동할때 냉각재는 돌비하는 경향이 있고 열유속은 증가되지 않고, 그런다음 핵비등상은 잠시동안 계속되고 막 비등상으로 이동한다. 핵비등상이 막비등상으로 이동할때 열유속은 최대치에 이른다. 냉각재속에 반도체 소자를 직접 침지하여 냉각하기 위해서, 저비점(low boiling point)의 냉각재를 고비점(high boiling point)의 또다른 냉각재와 혼합하여 사용하는 것이 알려져 있다.

본 발명자들은 액체냉각재중에 반도체 소자를 직접 침지하여 냉각시키는 방법을 연구개발하였고 이들 방법은:

(1) "반도체용 증발 냉각 모듈(USP 4, 704, 658)

(2) "액체중에 LSI를 직접 침지함에 의한 컴퓨터냉각"(Nikkei Electronice No. 425, Jul. 13, 1987 p167-176)

(3) "비등냉각에서의 과열현상"(1982 Autumn 43rd Applied Physics Society Conference Proceedings, Sep. 28-30, p569, 29-F-3)

(4) "액체냉각형용 전자장치"(일본 공개특허공보 No. 59-125643),

(5) "고밀도 패키징 침지냉각"(IEEE TRANSACTION ON COMPONENTS, HYBRIDS, AND MANUFACTURE TECHNOLOGY, Vol. CHMT-12, No. 4, Dec. 1987, p643-646),

(6) "고밀도 패키징 침지냉각에 관한 연구"(ISHM '87 Proceedings p175-180)

(7) "반도체 소자 냉각기법"(Semiconductor Integrated Circuit Techniques 24th Symposium Conference Papers, Jun. 2-3, p30-35)등에 개시 또는 발표되어 있다.

U. S. P. 4, 704, 658에는 냉각재로서 플레온 C₂Cl₃F₃(b.p.49℃), C₅F₁₂(b.p.30℃), C₆F₁₄(b.p.56℃)등이 기재되어 있고 본 명세서에 첨부한 제10도 내지 제18도에 해당하는 냉각 모듈이 개시되어 있다.

니케이 일렉트로닉스 No. 425에는 분자량이 수백이고 LSI를 직접 침지 냉각하기 위한 액체 냉각재로서 화학적으로 안정한 플루오로카본은 무색 투명한 액체이고 비점이 30-150℃(한 예는 비점이 56℃인 플루오로카본이다 ; p-플루오로헥산)이라고 기술되어 있고 냉각재 혼합물은 특정한 비점을 가지지 않으며 복수개의 냉각재를 조합하여 오버슈트를 감소시킬 수 있고 ; 최소 오버슈트는 비점이 56℃(p-플루오로헥산)와 101℃(p-플로오로-2-옥탄온)인 2개의 플루오로카본을 20 : 80의 비율로 혼합하여 얻어진다고 개시되어 있다. 1982년 가을 제43회 응용물리학회 회보에는 비점이 50℃와 100℃인 2개의 냉각재의 혼합물은 실질적으로 과열, 즉 핵비등의 이상적인 출발점으로부터 편차가 없다고 기술하고 있다.

일본 공개특허공고 No. 59-125643에는 비점이 서로 10℃ 이상 차이나는 2종의 플로오로카본 각각 10중량% 이상의 양으로 이루어지는 ; 구체적으로는 비점이 50℃와 102℃인 플루오로카본으로 이루어진 냉각재를 기술하고 있다.

IEEE TRANSACTION ON COMPONENTS, HYBRIDS, AND MANUFACTURE TECHNOLOGY, Vol. CHMT-12에는 오버슈트를 최소화하기 위해 비점이 56℃와 102℃인 플루오로카본의 혼합물이 기재되어 있다.

ISHM '87회보에는 퍼플루오로카본 C₆F₁₅(b.p.56℃)이 실온에서 냉각재로 적당하고 C₆F₁₄(b.p.56℃)의 열유속은 막비등이 일어날때 10W/㎠이라고 기술되어 있다.

Semiconductor Integrated Circuit Techniques 24th Symposium Comference Papers에는 플레온이 비등냉각으로 20W/㎠의 냉각 능력을 가지고 최대열유속은 액체 냉각재의 기화열과 관련되어 있고 냉각재의 비등에 의한 기포크기는 냉각재의 표면장력에 관계된다고 개시되어 있다. 예컨대 C₆F₁₄(b.p.56℃)에 대해서는 0.5mm이고 냉각재가 표면장력이 0.12dyne/cm로 작은 액체 헬륨일때는 0.05mm로 작아, 3차원적 고밀도 패키징이 가능하다.

본 발명은 상기 연구결과에 기초하고 있고, 본 발명의 목적은 냉각재의 최대열유속을 향상시키고 냉각재에 의한 반도체 소자의 단위면적에서의 냉각능력을 향상시키고, 반면에 막비등온도는 반도체 소자에 허용되는 온도범위로 낮게 유지하는 것이다.

본 발명은 비점이 30℃ 내지 100℃인 저비점의 플루오로카본과 비점이 저비점 플루오로카본의 비점보다 100℃이상 높은 고비점 플루오로카본으로 이루어지고 고비점 플루오로카본의 양이 저비점 플루오로카본 부피 기준으로 20부피% 미만인, 반도체 소자를 직접 침지로 냉각시키기 위한 냉각재를 제공한다.

본 발명은 비점이 30℃ 내지 100℃인 저비점 플루오로카본에 비점이 215℃ 또는 253℃인 고비점 플루오로카본을 첨가함으로써 비등 냉각용 냉각재의 표면 장력이 현저히 낮아진다는 발견에 기초하고 있다.

냉각재의 표면장력이 저하됨에 따라 비등으로 생성되는 기포크기가 감소되고 냉각재의 냉각능력은 상이막비등으로 이동하는 온도에서 증가된다. 비등으로 생성되는 기포 크기가 더 작아지므로 기판위에 놓인 반도체 소자간의 공간이 냉각재의 최대 열유속을 저하시키지 않고서도 좁아질 수 있으므로 반도체 소자를 고밀도로 패키징할 수 있게 된다.

이와 같이해서, 본 발명에 따르면, 액체냉각재에 침지된 발열부를 가진 전자소자로 이루어진 비등 냉각형전자장치가 또한 제공되고, 액체냉각재는 비점이 30℃ 내지 100℃인 저비점 플루오로카본과 저비점 플루오로카본보다 100℃ 이상 높은 비점을 가지는 고비점 플루오로카본으로 이루어지고 ; 고비점 플루오로카본의 양은 저비점 플루오로카본의 부피 기준으로 20부피% 미만이다.

대표적으로 장치의 구조는 보통의, 일반적으로 평면인 회로판 표면에 설치되고 모듈내에 들어있는 액체냉각재속에 침지되는 복수개의 반도체 칩을 증발냉각시키기 위한 모듈로서 표현될 수 있다.

상기한 액체 냉각재에는 냉각시에 증발된 냉각재의 기포로된 제 1 가스와 공기와 같은 제 2 가스가 포함되고 장치의 구조는 다음으로 이루어진다 ; (a) 챔버를 이루고 상기한 챔버와 통하는 구멍이 그안에 형성되어 있는 측벽을 적어도 하나 가지는 케이스, 상기한 측벽은 ; (b) 챔버를 형성하고 상기 챔버와 통하는 구멍이 그안에 형성되어 있는 적어도 하나의 측벽을 가진 케이스, 상기 측벽은, 상기 구멍을 닫기 위해 기밀밀봉관계로 그위에 놓이고, 공통의 대체로 평평한 그 표면에 복수개의 반도체 칩을 상기 챔버내에 위치시키도록 상기 챔버에 대해 안쪽으로 놓이는 평평한 회로판을 수용하도록 적용되고, 상기 구멍이 회로판으로 둘러싸인 상기 케이스는, 복수개의 반도체 칩을 액체냉각재속에 침지시키기에 충분한 액체냉각재를 수용하기 위한 밀봉된 내부 냉각챔버를 한정하고, (c) 액체냉각재를 냉각하고 제 1 기체를 재액화하기 위해, 액체 냉각재속에, 케이스의 측벽 구멍을 둘러싼 회로판에 설치된 복수개의 대응하는 침지된 반도체 칩에 인접하여 상기 냉각 챔버내 소정위치에 설치된 적어도 하나의 열교환기, (d) 제 1 기체는 걸리도록하고 제 2 기체는 통과시키고 제 1 기체는 상기 관련된 열교환기와 접해있도록 하기 위해, 상기 열교환기와 관련되고 냉각재속에 침지된 다공성 금속수단, 및 선택적으로, (e) 상기 제 1 기체를 상기 관련된 트래핑 수단으로 인도하기 위한 냉각재속에 침지되고 상기 냉각 챔버내에 설치된, 각 상기 기포 트래핑수단과 관련된 수단.

액체 냉각재 성분 또는 고비점 및 저비점 성분은 플루오로카본으로부터 선택되는데 그것들이 화학적으로 안정하기 때문이다.

여기서 "플루오로카본"이란 용어는 선택적으로 산소, 질소, 황 또는 기타 원자와 함께 탄소와 플루오로원자로 구성되는 화합물, 또는 수소원자 대부분 또는 모두가 플루오로 원자로 치환된, 주로 탄소원자로 이루어진 골격을 가진 탄화수소를 뜻한다. 그러나 화합물은 탄소-플루오로 결합이 매우 강하고 안정하기 때문에 화학적으로 안정하다.

저비점 플루오로카본은 비점이 30℃ 내지 100℃인 플루오로카본으로부터 선택된다. 반도체 소자는 약 80℃ 이하, 바람직하게는 70℃이하의 온도로 냉각해야 하는데, 이는 냉각 한계가 15℃이며, 최대 접합온도가 약 85℃이기 때문이다. 실온 냉각으로 그러한 냉각을 얻기 위해 저비점 플루오로카본은 상기 온도범위의 비점을 가져야한다.

바람직한 비점 범위는 30℃ 내지 100℃이고 더욱 바람직하게는 30℃ 내지 60℃이다. 저비점 플루오로카본의 비점이 30℃ 또는 실온 미만이면, 특히 빙점보다 낮으면 냉각재는 실온 또는 빙점보다 낮은 온도로 냉각되어 냉각 효율이 만족스럽지 못할 정도로 낮아진다.

저비점 플루오로카본의 예로는 CF₃(CF₂)₄CF₃(FC-86, b.p.56℃) ;

등이 있다.

고비점 플루오로카본은 저비점 플루오로카본의 비점보다 100℃ 이상 높은 플루오로카본으로부터 선택된다.

냉각재의 최대 열유속은 그러한 비점차이를 가진 플루오로카본을 소량 가함으로써 현저히 증가됨을 발견하였다.

냉각재의 최대 열유속은 핵비등이 막비등으로 이동하는 지점에서 얻어진다. 그러한 고비점 플루오로카본을 소량가함으로써 냉각재의 냉각능력이 예상외로 증가된다. 플루오로카본의 비점 차이가 100℃보다 크지 않으면 바람직한 냉각 능력증가효과를 얻을 수 있다.

플루오로카본의 비점의 바람직한 차이는 100℃이상, 더욱 바람직하게는 150℃이상이다.

고비점 플루오로카본의 예로는 CF₁₃F₂₆(FC-40b.p.155℃) ; FC-43, (b.p.174℃) ; FC-71(b.p.253℃) ;

등이 있다.

저비점 및 고비점 플루오로카본 각각은 단일 플루오로카본 또는 혼합물일 수 있다.

고비점 플루오로카본의 양은 저비점 플루오로카본 부피기준으로 20부피% 이하이고, 바람직하게는 9부피% 미만, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 6부피%이다.

고비점 플루오로카본의 양이 너무 많으면 막비점이 바람직하지 않게 높아지고 반도체 소자의 신뢰도가 상실된다.

제 1 도에 대해 앞에서 언급한 것처럼 발열기를 냉각재중에 직접 침지하여 냉각시킬 경우, 발열기의 온도가 증가함에 따라 자연대류는 핵비등으로 이동하고 더 나아가 막비등으로 이동한다.

열유속은 자연 대류상에서보다 핵비등상에서 현저히 더 높고 핵비등이 막비등으로 이동된 후에 낮아진다. 따라서, 바람직하게는 냉각은 자연대류에서 핵비등까지의 온도범위에서 행해지고 특히 핵비등의 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하며, 핵비등에서의 가능한한 많은 열유속이 막비등으로 이동하기 때문에 냉각재의 열유속이 최대이거나 임계인 냉각재를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 냉각재는 자연대류에서 핵비등까지의 온도범위, 주로 핵비등의 온도범위에서 반도체 소자를 냉각시키는데 사용되고 냉각되는 본체의 단위 면적에서의 냉각재의 열유속은 현저히 개선된다.

소량의 고비점 플루오로카본을 가하면 표면장력을 저하시킴으로써 열유속은 현저히 증가된다고 여겨진다.

이와 같이해서, 본 발명의 플루오로카본 혼합물의 냉각재는 높은 안정성과 높은 열전달 능력때문에 실온 부근에서 사용되는 냉각재로 적합하다.

더욱이 기판에 설치된 LSI 사이의 공간은 냉각재의 특성 더욱 구체적으로는 비등으로 생성되는 기포크기에 좌우되고 LSI 또는 반도체 소자간의 공간은 본 발명의 플루오로카본 혼합물 냉각재를 사용함으로써 막비등을 초래하지 않고서도 2 내지 0.8mm로 감소시킬 수 있다.

결과적으로 높은 냉각능력을 유지하면서 조밀하게 패키징할 수 있고 전체적으로 액체냉각장치를 소형화할 수 있다.

상기한 것은 본 발명의 전개의 개요이고 본 발명의 효과 및 발명자들이 발견한 공지의 액체냉각재들은 이하에서 간략히 기술할 것이다.

도시바는 트랜지스터와 사이리스터등을 냉각시키는데 적당한 액체냉각재 (일본 특허공보 No. 51-20743), 오일침지 변압기등을 냉각시키는데 적당한 액체냉각재 (일본 특허공보 No. 53-20319) 및 트랜지스터, 사이리스터, LSI, 변압기등에 대한 조절된 비점의 액체냉각재(일본 공개특허공보 No. 59-58081)를 개시하고 있다. 이들 모두는 실리콘 오일과 혼합과 플레온(R113, R112)으로 이루어지고, 사용되는 냉각 메카니즘은 기체 응축 액화이다. 실리콘 오일을 가하면 기포생성이 억제되어 기포로 인한 강복전압의 저하를 방지하거나 플레온의 화학적 작용을 방지하거나, 또는 비점을 조절할 수 있다.이들 방법은 실리콘 오일을 냉각재에 첨가한다는 점에서 본 발명의 방법과 다르다.

히다찌는 비점이 다른 2종의 냉각재가 포함되어 있는 반도체장치를 개시하고 있다(일본 공개특허공보 No. 49-68674, 52-38662 및 61-104696).

특히 일본 공개특허공보 No. 61-104696에는 비점이 70℃이상 차이나는 2이상의 성분으로 이루어진 비공비 혼합 냉각재가 기술되어 있다.

비공비 혼합 냉각재를 사용하는 것은 냉각재의 냉각능력을 결정하는 잠재증발열을 개선시키려는 목적이다. 따라서 이들 냉각재는 본 발명의 냉각재처럼 핵비등으로 냉각시키는데는 사용할 수 없다. 또한, JPP 61-104696의 냉각재는 빙점보다 낮은 비점을 가지는 저비점 냉각재로 이루어지는데 이것은 다량의 열을 발생시키는 반도체 소자를 냉각시키는데 적합하지 않으므로 본 발명에서 제외된다.

본 발명의 냉각재는 혼합 냉각재 성분이 플루오로카본으로 이루어지고 냉각재가 실온에서, 주로 핵비등에 의해 사용되고, 저비점성분은 비점이 30℃ 내지 100℃이고 고비점 성분은 저비점 성분의 비점보다 100℃ 이상 높은 비점을 가진다는 점에서 상기 냉각재들과 다르다.

제 2 도는 비등냉각 냉각재의 냉각능력을 측정하기 위한 장치의 단면을 도시한다. 이 장치는 냉각케이스(1), 순환쿨러(2) 및 냉각재로서 물을 공급 및 방출하기 위한 파이프(3과 4)로 이루어진다.

냉각 케이스(1)는 측정될 플루오로카본 냉각재가 내부 케이스(11)에 들어있고, 순환쿨러(2)로 소정 온도까지 냉각된 물은 파이프(3과 4)를 통해 외부케이스(12)에서 순환하고, 열전달 효율을 개선시키기 위해 내부 케이스(11)와 외부케이스(12) 사이에 핀(5)이 설치되어 있는 이중벽 구조이다.

비점이 56℃인 플루오로카본 400ml와 비점이 215℃ 또는 253℃인 고비점 플루오로카본 일정량을 혼합한 총량을 냉각 케이스(1)의 내부 케이스(11)에 냉각재로서 채우고 LSI의 한 모델로서 13평방 mm의 Si칩을 냉각재에 침지시켰다. Si칩은 칩(21)을 그 끝에서 지지하여 칩의 양쪽을 비등냉각되도록 냉각재에 침지하고 (제3a도), 칩(21)을 세라믹기판(23)위에 설치하여 칩(21)의 한쪽면만 비등 냉각되도록 침지하였다(제3b도).

양쪽 냉각에서 열유속은 한쪽 냉각의 거의 두배이었다.

발열기는 13평방 mm의 Si칩(21)표면 한쪽 또는 양쪽에 NiCr 필름(24)을 형성하여 만들고 Si칩을 지지체(22)로 지지하면서 내부 케이스(11)안의 냉각재에 침지시켜 칩(21)을 수평으로 배열하였다. 발열기의 열유속은 변하였고, Si칩(21)의 온도를 측정하였다. 구리-콘스탄탄 써모커플(25)로 발열기 표면의 온도를 측정하였다.

제 4 도는 양쪽 냉각에 있어서, 비점이 56℃인 저비점 성분 FX 3250(C₆F₁₄; 3M사제)인 비점이 215℃인 고비점 성분 FC-70(3M)을 0, 3, 6 또는 9부피%의 양으로 혼합한 혼합 플루오로카본 냉각재의 열유속과 온도와의 관계를 도시한다. 냉각재의 온도는 직경이 0.1mm인 구리-콘스탄탄 써모커플로 측정하였다. 순환쿨러(2)로부터 공급되는, 냉각케이스(1)의 외부케이스(12)의 유입구에서 냉각수의 온도는 5 내지 18℃였고 외부케이스(12)의 배출구에서 방출되는 냉각수의 온도는 8 내지 22℃였고 냉각수의 공급량은 250ml/분이었다.

이 경우에 Si칩은 양쪽에서 냉각되었다.

제 4 도에서 알수 있는 것처럼, FX 3250(b.p.56℃)과 3 내지 9부피%의 FC-70(b.p.215℃)로 이루어지는 혼합 냉각재의 열유속은 동일한 냉각재 온도에서 FX 3250(b.p.56℃) 만일때의 약 1.5 내지 1.8배였고, 구체적으로 10℃에서는 1.47 내지 1.56배였고, 20℃에서는 1.70 내지 1.80배였다.

따라서 플루오로카본 냉각재의 냉각 능력은 냉각재를 혼합함으로써 현저히 개선되었다.

제 5 도는 양쪽 냉각에 있어서, 비점이 56℃인 저비점 성분 FC 3250(3M)에 비점이 253℃인 고비점 성분 FC-71(3M)을 0, 1.5, 3, 4.5, 6 또는 9부피%의 양으로 혼합한 혼합 플루오로카본 냉각재의 열유속과 온도와의 관계를 도시한다.

제 6 도에서 알수 있는 것처럼, FX 3250(b.p.56℃)과 1.5 내지 9부피%의 FC-71(b.p.253℃)로 이루어지는 혼합 냉각재의 열유속은 FX 3250(b.p.56℃)에 비해 10℃에서는 1.43 내지 1.85배, 20℃에서는 1.60 내지 2.33배로 현저히 개선되고 따라서 플루오로카본 냉각재의 냉각능력은 냉각재를 혼합함으로써 현저히 개선되었다.

제 6 도는 자연대류가 핵비등으로 이동될때 발열기(LIST 칩)의 과열을 나타낸다. 상기한 것처럼 NiCr 필름이 표면에 형성되어 있는 발열기를 제4a도(양쪽 냉각)에 나타낸 것과 동일한 방법으로 냉각재에 침지하고 발열기의 열유속은 변하였으며 Si칩 발열기 표면의 온도와 냉각재의 포화온도를 측정하여 핵비등 직전의 발열기의 과열량을 측정하였다.

사용한 냉각재는 비점이 56℃인 FX 3250(3M)과 비점이 253℃인 FC-71(3M) 1.5부피%로 이루어진 혼합 플루오로카본이었고 비교 냉각재는 FX-3250(3M)만이었다. 제 6 도에서 세로축은 열유속을 나타내고 가로축은 칩의 과열을 나타낸다.

제 6 도에서 볼수있듯이, 1.5부피%의 FC-71를 함유한 혼합 냉각재의 온도를 10℃로 조절하였을때 열유속은 50W/cm²이었고 칩의 과열은 54℃이었다. 저비점의 FX 3250만을 사용하여 10℃로 조절하였을 경우 열유속은 27W/cm²이었고 칩의 과열은 42℃였다. 따라서 칩의 온도는 혼합 냉각재의 경우는 64℃, FX 3250 단독의 경우는 52℃ 이었다.

이와 같이해서 Si칩 발열기의 과열 정도는 약간 증가되지만 열유속은 약 1.85배 증가되었다. 즉 냉각 능력이 개선되었다.

제 7 도는 비점이 30℃인 저비점성분 C₅F₁₂(3M 또는 다이낀)과 비점이 253℃인 고비점 성분 FC-71(3M) 0, 3, 또는 6부피%가 혼합되어 있는 혼합 플루오로카본 냉각재의 열유속과 온도와의 관계를 나타낸다.

제 7 도에서 볼수있는 것처럼 C₅F₁₂(b.p.30℃)와 3 내지 6부피%의 FC-71(b.p.253℃)로 이루어지는 혼합 냉각재의 열유속은 C₅F₁₂(b.p.30℃)에 비해 10℃에서는 1.71 내지 1.87배, 20℃에서는 1.53 내지 1.65배로 현저히 개선되어 냉각재를 혼합함으로써 플루오로카본 냉각재의 냉각능력이 현저히 향상되었다.

제 8 도는 비점이 30℃인 저비점 성분 C₅F₁₂(Daikin)에 비점이 253℃인 고비점 성분 FC-71(3M)을 0, 1.5, 3, 4.5, 6 또는 부피%의 양으로 혼합한 혼합 플루오로카본 냉각재를 사용했을때 칩온도와 첨가한 고비점 플루오로카본양과의 관계 및 최대 열유속과 고비점 플루오로카본 양과의 관계를 도시한다. 냉각재의 온도는 15℃로 조절하였다.

제 8 도에서 알수있듯이, 고비점 성분 FC-71의 첨가량이 증가함에 따라 최대열유속은 3부피% 이하의 FC-71 범위에서 35W/cm²으로부터 65W/cm²까지 신속하게 증가되었다. 그러나 3 내지 9부피%의 범위에서 열유속은 점진적으로 증가되었다. 칩의 온도는 FC-71의 첨가량에 거의 관련하여 0부피% FC-71에서의 47℃로부터 6부피% FC-71에서의 84℃로 증가되었다. 기판에 설치된 반도체 소자를 저비점 냉각재와 다양한 양의 고비점 냉각재로 이루어지는 혼합 냉각재에 직접 침지하였고 혼합 냉각재의 온도를 20℃로 조절하였다. 핵 비등이 막비등으로 옮겨가는 온도에서 반도체 소자에 의해 발생되는 열을 측정하여 단위 면적에 대한 최대 열유속을 얻고, 저비점 냉각재의 부피를 기준으로 하는 고비점 냉각재의 첨가량과 최대 열유속과의 관계를 얻었다.

모든 경우에, 사용된 저비점 냉각재는 b.p.가 56℃인 FX-3250이었다. 고비점 냉각재는 A경우는 FC-71(b.p.253℃), B경우는 FC-70(b.p.215℃), C경우는 FC-5311(b.p.165℃)였고 비교로, 일본 공개특허 공보 No. 59-125643에 사용된 고비점 냉각재와 같은 FC-104(b.p.101℃)를 사용하였다.

결과는 제 9 도에 나타내었다. A 및 B경우, 표면장력의 저하로 인하여 반도체 소자를 떠난 기포의 크기는 더 작아지고 막비등으로의 이동온도에서 최대 열유속은 약 30W/cm²으로 증가되었다. C경우에 최대 열유속은 약 24W/cm으로 증가되었다. 반대로 고비점 냉각재가 JPP '643에 사용된 것과 같은 D경우 최대 열유속은 약 20W/cm²이고, 이것은 고비점 냉각재가 첨가되지 않았을때인 18W/cm²으로부터 거의 증가되지 않았다.

고비점 냉각재의 첨가량이 약 3 내지 5부피%일 경우 최대 열유속은 거의 일정하게 되고 고비점 냉각재의 첨가량이 20부피%를 넘을 경우 막비등 온도가 너무 높게되어 반도체 소자의 신뢰도는 바람직스럽지 못하게 저하되었다.

제10도 내지 제12도는 본 발명의 한 예로서 액체냉각모듈을 도시한다; 여기서 제10도는 투시도, 제11도는 단면도, 제12도는 확대 단면도이다.

액체냉각모듈(31)은 양측에 구멍이 있는 금속케이스(32)로 이루어지고, 그안에 LSI같은 복수의 반도체칩(33)이 그위에 설치된 세라믹 기판(34)이 케이스(32)의 내부로부터 밀봉되어 있다. 냉각수를 공급하기 위한 파이프(35)는 모듈(31)의 상부에 구비되어 있다. 모듈(31)안에는, 냉각수가 순환하는 복수개의 열교환 파이프(36)가 놓여있고 다공성 금속으로 만들어진 기포 트랩(38)이 냉각재(37)안의 파이프(36)위에 배열되어 있다. 기포 가이드는 세라믹기판(34)위에 설치된 칩(33)사이에 배열되어있고 세라믹 기판으로부터 안쪽으로 측면으로 배열되어 칩(33)위에 생성된 냉각재 가스를 기포트랩(38)으로 인도한다. 세라믹기판(34)은 다층이고 접속기와 연결하기 위해 복수개의 리이드핀이 배면에 묻혀있다. 복수개의 반도체 칩(33)은 플립칩 결합으로 세라믹기판(34)상의 배선 패턴에 결합되어 있고 배선 패턴은 비어홀을 통해 리이드 핀(40)에 연결되어 있다. 기포 트랩(38)은 칩(33)으로 기화된 기체를 효과적으로 다시 액화하기 위해 제공된다. 기포트랩(38)은 20/cm³의 피치로, 직경이 약 0.5 내지 0.6mm의 기공 크기에 해당하는, 기공율이 cm³당 20개인 기공을 가진다. 일반적으로 의도한 효과를 얻기위해서 기포트랩물질은 기공율이 cm당 약 15 내지 50개의 기공을 갖는 범위내에 있어야 하고 냉각수는 1ℓ/분의 유속으로 열교환 파이프(36)속으로 흐른다.

기포트랩을 구비함으로써 액체냉각모듈의 효율은 기포트랩이 없는 액체냉각모듈의 효율보다 더 우수해지고 기포의 재액화는 가속화되어 칩의 온도상승이 억제된다.

열교환 파이프(36)가 냉각재 위의 열린 공간에서가 아니라 냉각재 속에 배열되는 것이 바람직한데 이것은 열린 ㅌ공간에 배열되면 기포를 깨뜨림으로써 생성된 스프레이를 파이프에 퇴적시켜 열교환 효율이 떨어지기 때문이다. 따라서 트랩은 수집된 기포가 액화되는 냉각재속에 배열되어 최대 효율을 얻는다.

다공성 금속 트랩을 사용하면, 기포는 걸리지만 냉각재는 트랩을 용이하게 통과할 수 있어 냉각재의 순환이 가속화된다.

칩(33)의 표면에 발생된 기포를 트랩(38)으로 효과적으로 인도하기 위해 기포 가이드(39)가 구비되어 있다. 냉각재에 불용성인 재료로 만들어진 기포가이드(39)는 칩(33)에 인접하여 바로 위에 배열되어 있어 거의 모든 기포가 기포 트랩(38)으로 인도될 수 있다. 기포 가이드를 구비함으로써 액체 냉각모듈의 효율은 기포 가이드가 없는 것보다 더 우수하고 칩의 온도상승은 억제된다.

제13도는 본 발명의 또다른 액체냉각구조를 도시하고 있다. 여기서 반도체소자(LSI) (63)는 플립 칩 결합등으로 세라믹기판(64)위에 설치되어 있고 기판(64)의 후면에 접속기(도시되지 않음)를 통해 외부 회로에 연결된다. 냉각케이스(65)는 냉각재(66)가 이중벽 케이스 내부에 채워져 있는 이중벽 구조이고 열교환기(67)는 냉각재를 상부 및 하부로 나누도록 제공되어 있다. 2중벽 구조로 형성된 공간은 열교환기 (67)를 통과하는 냉각수의 흐름이 순환하도록 구성되어 있다.

열교환기(67)는 비등으로 발생되는 기포는 걸리지만 냉각재(66)는 용이하게 통과할 수 있는 구조를 가진다.

한 예로는 1㎤당 약 15 내지 50개의 기공이 제공되어 있는 구리 발포체로 결합된 복수개의 수평으로 골이진 구리파이프의 구조가 있다. 그러한 구조에서 LSI(63)에 의해 생성된 모든 기포는 걸려 액화되고 냉각능력이 개선된다.

제14도는 본 발명의 제 3 의 냉각 구조를 도시한다. 닫힌 케이스(75)내에 회로판(74)이 삽입되어 접속기에 고정되고 복수개의 LSI(73)가 플립 칩 결합으로 회로판(74)위에 설치된다.

열 교환파이프(79)는 열교환기를 구성하고, 파이프가 접혀져 LSI사이와 위쪽의 공간에 뻗어 있는 구조를 가진다. 이 구조에서 LSI에 의해 발생된 기포는 부유하면서 복수개의 열교환 파이프(79) 일부와 접촉하여 냉각능력이 개선되고 냉각이 균일해진다.

제15도는 제14도의 제 3 구조를 개선한 본 발명의 제 4 의 액체 냉각 구조를 도시한다. 이 구조에서 회로판(74)이 삽입되어 냉각 케이스(75)의 측벽에 고정되고 LSI(73)는 회로판(74)에 설치된다.

기포트랩(81)이 있는 기포가이드(80)는 수직으로 배열된 LSI(73)위쪽과 사이에 배열되고 복수개의 열교환 파이프(79)는 기포가이드(80)와 기포트랩(81) 아래에 놓여있다. 기포 트랩(81)은 기공이 있어 냉각재(76)는 기포트랩(81)을 용이하게 통과할 수 있지만 기포들은 기포트랩(81)에 걸린다.

한 예에서 기포트랩(81)은 스테인레스 강시이트로 만들어지고 두께가 0.1mm 이고 0.5 내지 2mm의 기공을 가진다.

이 구조에서 LSI에 의해 생성된 기포는 부유하고 기포가이드(80)에 의해 방향을 바꾸어 기포트랩(81)으로 인도되어 열교환 파이프(79)에 의해 냉각되어 액화된다. 그것으로 인해 냉각 능력이 개선된다.

제16도는 본 발명의 제 5 의 액체냉각 구조를 도시한다. 냉각케이스(95)는 복수개의 LSI(93)가 설치되어 있는 회로판(94)이 냉각재에 칩지되어 있고 가열파이프(92)가 LSI(93) 사이에 수평으로 배여되어 있는 2중 구조를 가진다. 가열파이프(92)의 한쪽 단부는 케이스(95)의 내벽으로부터 가열 파이프(92)가 냉각수로 냉각되는 방열기(94)와 접촉하고 있는 이중벽 사이의 공간(97)쪽으로 돌출되어 있다. 가열파이프(92)내의 바람직한 냉매는 메탄올이다.

제17도는 시스템(130)에 포함시키기에 적합한, 제 5 의 액체 냉각구조에 따른 모듈(100)의 부분단면의 개략적인 정면도이다. 모듈(100)은 액체냉각재(105)가 들어있는 주 냉각 챔버(120)로 이루어지고, 액체 냉각재는 챔버로부터 배출구(122b)를 지나 화살표로 나타낸 것처럼 외부 열교환기(121)로 순환한 다음 회수 도관(131)을 통해 냉각재(105)중의 방출기체가 추출되는 기체추출기(124)로 간다.

펌프(118)는 기체추출기(124)로부터의 액체냉각재를 가압하여 액체냉각재를 유입구(122a)를 통해 주냉각챔버(120)로 되돌린다.

모듈(100)이 있는 열교환기(106)는 외부 열교환기(121)로 수행되는 1차적인 재액화 기능을 보완하고 종래 기술의 시스템에서 발생하듯이 외부 열교환기(121)만 사용할 경우 있을 수 결함을 보정할 수 있다.

특히 시스템(130)은 펌프(118)를 이용하여 액체냉각재(105)를 강제 순환시킬 수 있으므로 모듈(100)내에서 대류에 좌우되지 않고서 회로판(104)에 설치된 IC칩(103)위에서 냉각재(105)를 원하는대로 순환시킬 수 있게 된다.

그러나, 냉각재(105)를 비교적 높은 수준으로 증발시켜 충분한 열분산이 일어나면 회로판(104)과, 대응하는 위치에 설치된 IC 칩(103)의 상류지역과 하류지역, 즉 유입구(122)로부터 모듈(100)의 내부 챔버를 통과해 IC 칩(103)을 가로질러 배출구(122b)로의 냉각재(105)의 흐름에 관련된 지역사이에 온도차가 생길 수 있다.

제18도는 복수개의 액체냉각모듈이 설치된 시스템을 도시한다. 각 냉각 모듈(25)은 제16도에 나타낸것과 유사하고 알루미늄 또는 기타 각종 재료로된 상자(32)로 덮혀있다. 모듈(31)은 3차원적으로 배열되어 있다.

Claims (9)

1. 실온범위의 온도 80℃까지에서 사용하기 위한 비등 냉각형 전자장치에 있어서, 발열부가 액체냉각재에 침지되어 있는 전자소자로 이루어지고, 액체냉각재는 비점이 30℃ 내지 100℃인 저비점 플루오로카본과, 저비점 플루오로카본의 부피기준으로 1.5% 내지 20%인 양이고, 저비점 플루오로카본보다 100℃이상 더 높은 비점을 가지는 비점이 150℃ 내지 260℃인 고비점 플루오로카본으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 저비점 플루오로카본은 비점이 30℃ 내지 56℃이고 고비점 플루오로카본은 비점이 215℃ 내지 253℃인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고비점 플루오로카본은 저비점 플루오로카본 부피 기준으로 9부피% 미만의 양으로 들어있는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 고비점 플루오로카본은 트리스(p-플루오로펜틸)아민, p-플루오로안트라센 및 트리스(p-플루오로페난트렌)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 고비점 플루오로카본은 트리스(p-플루오로펜틸) 아민인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 고비점 플루오로카본은 p-플루오로안트라센인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 고비점 플루오로카본은 트리스(p-플루오로페난트렌)인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 저비점 플루오로카본은 C₅F₁₅와 C₆F₁₄로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 저비점 및 고비점 플루오로카본은 n이 양의 정수인 식 CnF₂n+2와 CnF₂n으로 나타나는 화합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.