WO2010098028A1 - 発熱体の冷却構造、発熱体の冷却装置、冷却装置を備える電子機器、及び、冷却装置の製造方法 - Google Patents

発熱体の冷却構造、発熱体の冷却装置、冷却装置を備える電子機器、及び、冷却装置の製造方法 Download PDF

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WO2010098028A1
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WO
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heat
heat transfer
sheet member
transfer sheet
cooler
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PCT/JP2010/000918
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坂本仁
橋口毅哉
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日本電気株式会社
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    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20436—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing
    • H05K7/20445—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing the coupling element being an additional piece, e.g. thermal standoff
    • H05K7/20454—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing the coupling element being an additional piece, e.g. thermal standoff with a conformable or flexible structure compensating for irregularities, e.g. cushion bags, thermal paste
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • 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
    • H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling structure for a heating element, a cooling device for the heating element, an electronic device including the cooling apparatus, and a method for manufacturing the cooling apparatus. More specifically, the present invention can uniformly cool a plurality of heating elements having different heights, a heating element cooling structure, a heating element cooling device, an electronic device including the cooling device, and a method of manufacturing the cooling device About.
  • an electronic device in which such a semiconductor element (heating element) is mounted includes a cooler such as a heat sink or a heat pipe along with the semiconductor element.
  • a cooling efficiency is achieved by forming a thin film layer consisting mainly of a liquid or solid polymer material as a heat transfer material (Thermal Interface Material) between the semiconductor element and the cooler. Is increasing. This thin film layer eliminates air voids caused by warpage of the semiconductor element and fine surface roughness of the cooler surface, thereby realizing more efficient cooling.
  • the CPU package has a structure in which a plurality of semiconductor elements are mounted. Therefore, the height of the heat generating surface to be cooled, which closely contacts the heat absorbing surface of the cooler via the heat transfer material, is different. As a result, for example, in a package in which two semiconductor elements are mounted, the altitude difference between the elements is 80 ⁇ m to 100 ⁇ m at the maximum. Such a difference in altitude between the heat generating surfaces of a plurality of elements hinders the cooling effect. In an extreme case, as shown in FIG.
  • the heat generating surface 111 of the semiconductor element 110 is sufficient with the thin film thickness t of the heat transfer grease G in order to bring it into close contact with the heat absorbing surface 101 of the cooler 100, and its heat transfer.
  • the heat generating surface 121 of the semiconductor element 120 where the grease G must be formed in a thick film thickness T is adjacent.
  • the film thickness (bond line thickness) formed by the heat transfer grease is about 30 to 40 ⁇ m.
  • the film thickness formed by the heat transfer grease becomes 80 ⁇ m to 100 ⁇ m, which is twice or more, the thermal resistance is doubled, and the heat dissipation efficiency is deteriorated.
  • the thickness is 100 ⁇ m or more.
  • recent CPUs are more dependent on cooling fans, which increases noise and power consumption caused by the fans.
  • the thermal resistance to the heat absorbing surface of the cooler reaches about half of the heat dissipation path in the heat dissipation path from the semiconductor element to the outside in the CPU package. Therefore, if the thermal resistance of this part is doubled, the overall thermal resistance is 1.5 times. In short, it is important to reduce the thermal resistance to the heat absorption surface of the cooler in order to achieve high performance, high speed, low noise and low power consumption.
  • a conical recess is formed on the heat absorption surface of the cooler, and a heat transfer block having a conical protrusion on the heat generation surface of the semiconductor element via a heat transfer compound (heat transfer grease).
  • the solder is interposed between the concave and convex portions facing each other.
  • the cooler and the semiconductor element are thermally conductively connected.
  • the heat absorption surface of the cooler becomes the heat transfer surface of the heat transfer block corresponding to the height difference of the heat generation surface of the semiconductor element, and the thickness of the heat transfer compound on the heat generation surface can be made uniform.
  • Patent Document 2 a heat transfer member is provided in which fine fins that are easily deformed are planted and heat transfer grease is applied to the heat generating surfaces of semiconductor elements having different heights. By bringing the fine fins and heat transfer grease into contact with the heat absorption surface of the cooler, the cooler and the semiconductor element are thermally conductively connected.
  • Patent Document 3 a heat-dissipating sheet containing metal wool is sandwiched between the heat-absorbing surface of the cooler and the heat-generating surface of the semiconductor element having different heights, In a different state, the cooler and the semiconductor element are thermally conductively connected.
  • Patent Document 4 an unvulcanized and fluid compound layer is formed in a rubber-cured surface layer between a heat absorbing surface of a cooler and a heat generating surface of a semiconductor element having a different height. Sandwiched heat dissipation sheet. The cooler and the semiconductor element are thermally conductively connected by changing the thickness of the heat dissipation sheet according to the height difference of the heat generation surface.
  • Japanese Patent No. 3241439 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-121662 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-294580 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-261206
  • uniform cooling can be realized by bringing the heat generating surface of the semiconductor element into close contact with the heat absorbing surface of the cooler with a substantially uniform thermal resistance.
  • the number of parts increases and the size of the heat transfer block increases. Even in the cooling structure described in Patent Document 2, it is necessary to install a heat transfer member for each heat generating surface of the semiconductor element. Therefore, the number of parts increases and the size of the heat transfer member increases.
  • a liquid heat transfer grease or a solid heat transfer sheet can be considered as the heat transfer material interposed between the heat generating surface of the semiconductor element having a different height and the heat absorbing surface of the cooler.
  • the heat transfer grease is inferior in heat transfer characteristics than the heat transfer sheet. For this reason, when heat transfer grease is used, if the difference in bond line thickness increases, the variation in thermal resistance also increases, and cooling cannot be performed uniformly. For this reason, particularly in the case of heat transfer grease, cooling must be performed with reference to the thick side of the bond line, which increases noise and power consumption.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and even on the heat generating surfaces of heat generating elements having different heights, the heat absorbing surface of the cooler can be evenly cooled via a simple heat transfer material.
  • Heating element cooling structure and heating element cooling device that can reduce noise, reduce size, increase functionality, increase speed, reduce power consumption, etc. without unnecessarily increasing noise and power consumption
  • An object of the present invention is to provide an electronic device including a cooling device and a method for manufacturing the cooling device.
  • the heating surfaces of a plurality of heating elements having different heights arranged in a plane direction are installed so as to face the heating surface.
  • a heat transfer material is interposed between the heat absorption surface of the cooler, and the cooler includes a plurality of the heat absorption surfaces having a planar shape so as to straddle the heat generation surfaces of the plurality of heat generating elements. It is attached so as to be in a substantially parallel posture with respect to a virtual plane placed on the heating element, and one surface side of the heat transfer material is in close contact with the heat absorption surface of the cooler and the other surface of the heat transfer material The side is in close contact with the heating surface of the heating element.
  • the heat absorption surface of the cooler installed so as to straddle the heat generation surfaces of the plurality of heat generators having different heights is inclined according to the height difference of the heat generation surfaces. It is attached.
  • the heat transfer material is interposed between the heat absorption surface and the heat generation surface and is in close contact with both. Therefore, the endothermic surface of the cooler has an attitude that eliminates the altitude difference between the exothermic surfaces of the heating elements as much as possible, in other words, an attitude that makes the separation distance between the exothermic surface of the heating element and the endothermic surface of the cooler as uniform as possible. It is attached.
  • the thermal resistance between the heat generating surface of the heating element and the heat absorbing surface of the cooler can be made as uniform as possible, and cooling can be performed by driving a suitable cooling fan with a simple structure without interposing another member. And increase in noise and power consumption can be suppressed. As a result, it can contribute to noise reduction, downsizing, high functionality, high speed, low power consumption, and the like.
  • the cooling device for a heating element includes a cooler that is installed so that the heat-absorbing surfaces are opposed to the heat-generating surfaces of a plurality of heating elements that are arranged in a planar direction and have different heights, and the heat absorption of the cooler A heat transfer sheet member interposed between the surface and the heat generating surface of the heat generating element.
  • the cooler is attached to a world in which the endothermic surface having a planar shape has a substantially parallel posture with respect to a virtual plane placed on the plurality of heating elements so as to straddle the heating surfaces of the plurality of heating elements.
  • the heat transfer sheet member satisfies the following condition.
  • k s thermal conductivity of heat transfer sheet member
  • k g thermal conductivity of grease material selected when interposing with uniform thickness between heat absorbing surface of cooler and heat generating surface of heating element
  • ⁇ heating element
  • E Elastic coefficient of heat transfer sheet member
  • h Altitude difference between heat generating surfaces of heating elements
  • L Length of heating elements in parallel direction
  • p Parallel pitch of heating elements
  • t g Grease material Bond Line Thickness
  • One surface side of the heat transfer sheet member is in close contact with the heat absorption surface of the cooler and the other surface side of the heat transfer sheet member is in close contact with the heat generation surface of the heating element.
  • FIG. 1 is a front view showing a main configuration of an electronic apparatus including a cooling device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view showing an example of the structure of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the correlation of the elastic coefficient with the parameters of the heat transfer sheet member of the cooling device shown in FIG.
  • the electronic device of this embodiment includes a plurality of semiconductor elements 11 and 12 (two in the drawing) arranged in parallel in the plane direction on the mounting surface S in the same package. It is bundled with.
  • the semiconductor elements 11 and 12 have upper heat generating surfaces 11a and 12a that generate heat when operating.
  • the cooling device 10 mounted in a posture in which the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 is opposed to the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 with the heat transfer sheet member 13 interposed therebetween is installed.
  • the heat transfer sheet member 13 is brought into close contact with the heat generating surfaces 11a and 12a so that the planar heat absorbing surface 15a of the cooler 15 extends over both of the heat generating surfaces 11a and 12a.
  • the cooling device 10 cools the semiconductor elements 11 and 12 by exchanging heat between the cooler 15 and the semiconductor elements 11 and 12.
  • the thickness in the plane direction is the same.
  • the cooler 15 is placed so that the heat absorption surface 15 a extends over the heat generation surfaces 11 a and 12 a of the semiconductor elements 11 and 12 having different heights, and presses the heat transfer sheet member 13 against the semiconductor elements 11 and 12. For this reason, the heat transfer sheet member 13 is deformed and brought into close contact with the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 on the one surface 13a side and along the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 on the other surface 13b side.
  • the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 have different heights.
  • the cooler 15 is attached in a posture separated by the thickness of the heat transfer sheet member 13 in parallel (substantially parallel) to the posture when directly mounted on the heat generating surfaces 11a, 12a of the semiconductor elements 11, 12. ing.
  • the endothermic surface 15a of the cooler 15 is substantially parallel to a virtual plane placed on the semiconductor elements 11, 12 so as to straddle the heat generating surfaces 11a, 12a of the semiconductor elements 11, 12,
  • the vessel 15 is separated from the virtual plane by the thickness of the heat transfer sheet member 13.
  • the heat transfer sheet member 13 is not liquid like a grease material, but is in the form of a single flat solid on both the heat absorption surface 15a of the cooler 15 and the heat generation surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12.
  • the bond line thickness to be connected can be managed.
  • the heat transfer sheet member 13 follows the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 having different heights by being deformed by an elastic force so as to allow the height difference. Therefore, the initial thickness of the heat transfer sheet member 13 before installation and deformation can be calculated by obtaining strain from the pressure contact pressure allowed to be applied to the heat generating surfaces 11a and 12a and the elastic coefficient. .
  • the heat transfer sheet member 13 has a thermal resistance equal to or lower than that of the grease material of the thin film layer for cooling the planar heat generating surface so that the heat absorption effect equal to or higher than that can be obtained at a minimum.
  • the heat transfer sheet member 13 can obtain the production conditions according to the dimensional conditions of the semiconductor elements 11 and 12 together with these conditions.
  • the cooling device 10 calculates and manufactures the heat transfer sheet member 13 having a material and dimensions satisfying the following generalized expressions (1) to (4), so that the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 and the semiconductor are obtained. It is constructed in the structure shown in FIG. 1 in which the heat transfer sheet member 13 is deformed and brought into close contact with both the heat generation surfaces 11a and 12a of the elements 11 and 12.
  • the heat transfer sheet member 13 has at least the semiconductor elements 11 and 12 as the initial thickness t TIM dimension before being interposed between the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 and the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 in a pressure contact state.
  • the heat generating surfaces 11a and 12a are made thicker so as to be able to absorb the height difference between them.
  • the heat transfer sheet member 13 has both thermal conductivity and followability to the fine roughness of the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12. For this reason, the heat-transfer sheet
  • a silicone-based or acrylic-based elastomer is selected as the resin-based material that is flexible and has a high elastic modulus.
  • a filler made of metal such as alumina or silver is selected as the filler having high thermal conductivity.
  • Thermal conductivity ⁇ Allowable pressure contact pressure of heat generating surfaces 11a, 12a of semiconductor elements 11, 12 E: Elastic coefficient of heat transfer sheet member 13
  • h Altitude difference between heat generating surfaces 11a, 12a of semiconductor elements 11, 12
  • L Semiconductor Length of elements 11 and 12 in parallel direction
  • p Parallel pitch of semiconductor elements 11 and 12 t g : Bond line thickness of the grease material t TIM : Initial thickness of heat transfer sheet member 13
  • F g in equation (2) is a dimensionless number mainly due to the package structure.
  • a similar dimensionless number F s in equation (3) can also define the initial thickness t TIM of the heat transfer sheet member 13. This F s is a ratio of stress in the formula (1). From this, the initial thickness t TIM of the heat transfer sheet member 13 can be obtained by calculation from the allowable pressure contact pressure ⁇ , the elastic coefficient E, and the dimensions of the structure.
  • the heat transfer sheet member 13 is easily determined by selecting and calculating various numerical values from the relational expressions (1) to (4). Make it. After this, the heat transfer sheet member 13 is placed so as to straddle the heat generation surfaces 11a, 12a of the semiconductor elements 11, 12, and then the heat absorption surface 15a of the cooler 15 is provided on the one surface 13a side of the heat transfer sheet member 13. Place. Next, the cooler 15 is lowered toward the mounting surface S, and the heat transfer sheet member 13 is pressed against the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 by the heat absorbing surface 15a.
  • the cooler 15 presses the heat transfer sheet member 13 against the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 within a range not exceeding the allowable pressure contact pressure ⁇ .
  • the heat transfer sheet member 13 can be crushed between the heat absorbing surface 15a and the heat generating surfaces 11a and 12a in the state shown in FIG. 1, and the heat absorbing surface 15a of the semiconductor elements 11 and 12 in the above-described parallel posture. It fixes to the diagonal state spaced apart from the heat generating surfaces 11a and 12a.
  • the cooling device 10 it is possible to prepare the single heat transfer sheet member 13 from the installation conditions of the semiconductor elements 11 and 12 by easily selecting and calculating the production conditions.
  • the heat transfer sheet member 13 is elastically deformed so as to follow the altitude difference h between the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 having different heights and also follow the heat absorbing surface 15a of the cooler 15. It can be installed in close contact with. For this reason, the cooling device 10 attaches the heat absorption surface 15a of the cooler 15 in a posture inclined with respect to the mounting surface S, and sandwiches the heat transfer sheet member 13, thereby generating heat generated by the semiconductor elements 11 and 12 having different heights. The difference in bond line thickness between the surfaces 11a and 12a can be reduced.
  • the variation in the planar direction of the thermal resistance depending on the thickness of the heat transfer material can be minimized, and the semiconductor element has a mounting structure that suppresses local variations in thermal resistance. 11 and 12 can be effectively absorbed and cooled.
  • the bond line is made thicker and depends on the thickness. The difference (ratio) of the thermal resistance to be reduced can be reduced, and the thermal resistance can be made equivalent to that when the grease material of the thin film layer is interposed to obtain the same cooling effect.
  • the height difference h between the heat generation surfaces 11 a and 12 a of the semiconductor elements 11 and 12 and the inclination direction of the heat absorption surface 15 a of the cooler 15 are determined from the manufacturing conditions of the relational expressions (1) to (4). It can be seen that when the chip length L is large, the minimum required thermal conductivity k s is high. Further, it can be seen that when the pitch difference P is short even if the altitude difference h is the same, the inclination of the heat absorbing surface 15a becomes steep, so that the minimum required thermal conductivity k s is similarly increased.
  • the heat transfer sheet member 13 forms a thin film layer of the grease material having the thermal conductivity kg considered in the relational expression (1) even when the heat generation surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 have an altitude difference h.
  • a solid sheet material excellent in heat conduction capable of obtaining a higher thermal conductivity k s is selected.
  • the allowable pressure pressure ⁇ defined in the CPU package for personal computers is about 600 kPa
  • the elastic modulus E of the polymer elastomer is a larger value in the same unit. It is common to take From this, as the heat transfer sheet member 13, the molecular part becomes smaller due to the relationship between the allowable pressure pressure ⁇ and the elastic coefficient E, and therefore, a material having the highest possible thermal conductivity k s is required. Meanwhile, the heat transfer sheet member 13 manages the elastic modulus E at minimum thermal conductivity k g and quantitative correlation.
  • the compressive elastic modulus E is given as an upper limit value so that the thickness of the bond line does not exceed the initial thickness while sufficiently absorbing the height difference h between the heat generating surfaces 11a, 12a of the semiconductor elements 11, 12 and hardness. Is required.
  • the heat transfer sheet member 13 preferably has a higher thermal conductivity k s , but the elastic coefficient E is contradictory. That is, a resin-based material can be considered as a flexible material having a high elastic modulus E. However, since the thermal conductivity k s is very low only with the resin-based material, mixing with a filler having high thermal conductivity to improve the thermal conductivity k s generally results in hardness if the filling amount is large. Will also increase.
  • the heat transfer sheet member 13 by indicating quantitatively by the trade-off relationship equation of the elastic modulus E and the thermal conductivity k s (1), the thermal conductivity to be used for cooling the semiconductor element alone It is possible to easily design and manufacture the cooling device 10 that cools with a thermal resistance equivalent to the cooling effect of the grease material with a rate of kg .
  • FIG. 2 shows Example 1.
  • the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 is assumed. The slope of is 0.9%. If the width a of the semiconductor element 11 is 10 mm, the difference in the thickness of the bond line of the heat transfer material is 91 ⁇ m (symbol f). In this case, since the cooler 15 is installed with the heat absorption surface 15a inclined according to the height difference h, the difference in the thickness of the heat transfer material between the heat generation surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 is large. Absent.
  • the semiconductor element 12 has a width c of 12 mm.
  • the separation intervals at 2.5 mm pitch (symbol b) and 3.0 mm pitch (symbol d) for each of the semiconductor elements 11 and 12 from the mounting surface S to the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 are clearly shown. This shows that the thickness of the bond line is not so large.
  • symbols i, j, k, l, m, n, e, and g indicate distances of 22.7 mm, 45.5 mm, 68.2 mm, 168 mm, 196 mm, 223 mm, 0.100 mm, and 0.250 mm, respectively. ing.
  • the thinnest part has a thickness of about 10 ⁇ m along the inclination, the thickest part is 101 ⁇ m. Therefore, the thinnest part and the thickest part differ in thickness by about 10 times, causing a difference in thermal resistance and causing uneven cooling.
  • a liquid grease material is used as the heat transfer material, when the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 is pressed against the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12, the cooler 15 and the heat generating surfaces 11a and 12a are used. May be in direct contact with each other, and the uniformity of the cooling efficiency may be extremely reduced.
  • the thickness becomes approximately 110 ⁇ m without being extremely thin (no possibility of direct contact), and the difference in thickness is doubled. It can be suppressed to the extent. Therefore, the above-mentioned equation (1), from (2), when the thermal conductivity k g is the grease material equivalent thermal resistance and 10 W / m ⁇ K, the thermal conductivity of the heat transfer sheet member 13
  • the rate K s may be 37 W / m ⁇ K or more.
  • the heat transfer sheet member 13 has an elastic modulus E of 1300 kPa or less, if the resin itself is silicone or acrylic elastomer having a value of several hundred kPa, it is sufficiently possible to mix heat conductive fillers. Value.
  • the heat transfer sheet member 13 is formulated by setting various conditions for designing as parameters in the relational expressions (1) to (4), so that the physical properties are easily selected and calculated. be able to. For example, when considering cooling of the package similar to the above, if the minimum value of the elastic modulus E is about 2000 kPa, in order to satisfy the same thermal resistance as above, the heat conduction of the heat transfer sheet member 13 It can be seen that the rate K s needs to be increased to 65 W / m ⁇ K.
  • This relational expression (1) is obtained when the altitude difference h at Fg in the relational expression (2) of the heat generating surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 is 100 ⁇ m at maximum with the elastic coefficient E as a parameter (solid line in FIG. 3). And a minimum of 20 ⁇ m (dotted line in FIG. 3) as an example, a graph is shown in FIG. Set the elastic modulus E and the thermal conductivity k s to be the upper characteristic line of FIG. 3, it may be produced a heat transfer sheet member 13. 3, the horizontal axis is the modulus of elasticity E, and the vertical axis is the ratio k s / k g of thermal conductivity k s, k g of the heat transfer sheet member 13 and the grease material.
  • This graph shows that the slope differs depending on the degree of the height difference h, but shows that the elastic modulus E and the thermal conductivity k s / kg are substantially proportional, and the elastic modulus E is increased. In this case, the thermal conductivity k s needs to be increased.
  • the same crushing amount is used for a material having a large elastic coefficient E. Need to be thicker to get.
  • the heat absorption surface 15a of the cooler 15 installed so as to straddle the heat generation surfaces 11a and 12a of the plurality of semiconductor elements 11 and 12 having different heights is the heat generation surfaces 11a and 12a.
  • the heat transfer sheet member 13 is attached in a slanting state according to the height difference h, and the heat transfer sheet member 13 produced by easily deriving the conditions is interposed between the heat generating surfaces 11a and 12a and is in close contact with both.
  • the heat absorption surface 15a of the cooler 15 is attached in a posture that makes the separation distance between the heat generation surfaces 11a and 12a of the semiconductor elements 11 and 12 as uniform as possible while compressing and deforming the heat transfer sheet member 13.
  • the heat resistance depending on the thickness of the heat transfer sheet member 13 between the heat generating surfaces 11a, 12a of the semiconductor elements 11, 12 and the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 can be made as uniform as possible.
  • heat can be absorbed and cooled effectively and evenly.
  • it is possible to cool the semiconductor elements 11 and 12 by driving the optimum cooling fan without unnecessarily increasing fan noise and power consumption, increasing the functionality while reducing the size and reducing the high-speed processing. It can also be run on electricity.
  • the heat absorbing surface 15a of the cooler 15 and the heat generating surfaces 11a, 12a of the semiconductor elements 11, 12 are used.
  • the thickness between can be equalized.
  • the solid heat transfer sheet member 13 since the solid heat transfer sheet member 13 has a higher thermal conductivity and is superior in heat transfer characteristics, the solid heat transfer sheet member 13 is preferably configured as in the above-described embodiment.
  • the case where the endothermic surface 15a of the cooler 15 is inclined will be described as an example.
  • the present invention may be applied to a case where there are three or more semiconductor elements and a low heat generating surface is located between them. it can.
  • the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings.
  • the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like within the scope not departing from the gist of the present invention.
  • the present invention can be applied not only to the semiconductor element but also to cooling other electrical components that serve as heating elements.
  • the present invention can be applied not only to a personal computer but also to a semiconductor device such as a workstation or a server, and can also be applied to various industrial electronic devices.

Abstract

　本発明の発熱体の冷却構造においては、平面方向に配設されている高さの異なる複数の発熱体の発熱面と、前記発熱面に対面するように設置されている冷却器の吸熱面との間に伝熱材が介在しており、前記冷却器は、平面形状を有する前記吸熱面が、複数の前記発熱体の前記発熱面に跨るように複数の前記発熱体上に載置される仮想平面に対して略平行な姿勢となるように取り付けられ、前記伝熱材の一面側が、前記冷却器の前記吸熱面に密接すると共に前記伝熱材の他面側が前記発熱体の前記発熱面に沿うように密接する。

Description

発熱体の冷却構造、発熱体の冷却装置、冷却装置を備える電子機器、及び、冷却装置の製造方法
　この発明は、発熱体の冷却構造、発熱体の冷却装置、冷却装置を備える電子機器、及び、冷却装置の製造方法に関する。この発明は、詳しくは、高さの異なる複数の発熱体でも均一に冷却することができる、発熱体の冷却構造、発熱体の冷却装置、冷却装置を備える電子機器、及び、冷却装置の製造方法に関する。
　電子機器は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の半導体素子などを搭載する場合には、その半導体素子などが過剰に発熱すると処理速度の低下など機能低下が発生するときもある。このため、そのような半導体素子（発熱体）を搭載する電子機器は、その半導体素子と共に、ヒートシンクやヒートパイプなどの冷却器を搭載する。また、その半導体素子と冷却器との間には、伝熱材（Thermal Interface Material）として、主に、液状又は固体状の高分子系材料からなる薄膜層を形成して介在させることで冷却効率を高めている。この薄膜層は、半導体素子の反りや冷却器表面の微細な表面粗さに起因する空気ボイドを排除して、より効率よく冷却を行うことを実現する。
　近年のＣＰＵにおいては、これまで個別にパッケージングされていたメモリー制御やＩ／Ｏ制御を実行する半導体素子を同じパッケージ内に同梱することで高速化を図っている。このため、ＣＰＵのパッケージは、複数の半導体素子が実装される構造となっている。そのため、伝熱材を介して冷却器の吸熱面を密接させる、冷却対象の発熱面の高さが異なっている。その結果、例えば、２つの半導体素子が実装されたパッケージでは、その素子間の高度差が最大８０μｍ～１００μｍにもなる。このような複数素子の発熱面間の高度差が冷却効果を上げる際の妨げになる。極端な場合には、図４に示すように、冷却器１００の吸熱面１０１に密接させるためには、伝熱グリースＧの薄膜厚ｔで十分な半導体素子１１０の発熱面１１１と、その伝熱グリースＧを厚膜厚Ｔに形成しなければならない半導体素子１２０の発熱面１２１とが隣接する場合もある。
　つまり、１つの半導体素子を冷却するときには、伝熱グリースが形成する膜厚（ボンドライン厚さ）が３０μｍから４０μｍ程度とする。２つの半導体素子を冷却するときには伝熱グリースが形成する膜厚が２倍以上の８０μｍ～１００μｍとなって、熱抵抗も２倍になり、放熱効率が悪くなる。液状の伝熱グリースの場合には、１００μｍ以上の厚さになると、ポンプアウトする可能性も出てくる。その結果、近年のＣＰＵは、より冷却ファンに依存することになり、ファンが原因の騒音や電力消費が増大することになる。例えば、一般的なノート型のパーソナルコンピュータでは、ＣＰＵのパッケージにおける半導体素子から外部への放熱までの放熱経路において、冷却器の吸熱面までの熱抵抗は全体の約半分に達している。よって、この部分の熱抵抗が２倍になれば全体の熱抵抗が１．５倍になることになる。要するに、冷却器の吸熱面までの熱抵抗を低減することは、高機能化・高速度化と共に低騒音化・低電力消費化などを図る上で重要である。
　この課題に対して、複数の半導体素子を同時に冷却するための方策としては、半導体素子の発熱面の高さに個別に対応しようとすることが通常考えられることである。しかしながら、この場合には、半導体素子毎に熱を効率よく持ち去る可動部が必要であり、構造が複雑になることから現実的でない。このことから、発熱体の発熱面を冷却する構造としては、その半導体素子の発熱面の高度差に拘わらずに、冷却器の吸熱面に伝熱することができるように、各種工夫がなされている。
　例えば、特許文献１では、冷却器の吸熱面に円錐形状の凹部を形成すると共に、半導体素子の発熱面に伝熱コンパウンド（伝熱グリース）を介して円錐形状の凸部を有する伝熱ブロックを設けて、その凹部と凸部の離隔対面する間に半田を介在させている。これにより冷却器と半導体素子とを熱的に伝導接続している。このため、冷却器の吸熱面は、半導体素子の発熱面の高度差に対応した伝熱ブロックの伝熱面となって、その発熱面の伝熱コンパウンドの厚さを均一にすることができる。
　特許文献２では、高さの異なる半導体素子の発熱面に、容易に変形する微細フィンが植え付けられていると共に伝熱グリースを塗布されている状態の伝熱部材を設けている。その微細フィンと伝熱グリースとを冷却器の吸熱面に接触させることで、冷却器と半導体素子とを熱的に伝導接続している。
　特許文献３では、冷却器の吸熱面と、高さの異なる半導体素子の発熱面との間に、メタルウールを収納した放熱シートを挟みこんで、その発熱面の高度差に応じて厚さの異なる状態にし、冷却器と半導体素子とを熱的に伝導接続している。同様に、特許文献４では、冷却器の吸熱面と、高さの異なる半導体素子の発熱面との間に、ゴム状に硬化させた表層内に未加硫で流動性を有するコンパウンド層を形成した放熱シートを挟みこんでいる。その発熱面の高度差に応じて放熱シートの厚さが異なることにより、冷却器と半導体素子とを熱的に伝導接続している。
日本国特許第３２４１６３９号公報 日本国特開平１１－１２１６６２号公報 日本国特開平１０－２９４５８０号公報 日本国特開２００２－２６１２０６号公報
　特許文献１に記載の冷却構造にあっては、冷却器の吸熱面に概略均等な熱抵抗で半導体素子の発熱面を密接させて均一な冷却を実現することができる。しかしながら、冷却器の吸熱面には、伝熱ブロックを接合するための凹部を半導体素子の配設位置に対応させて形成する必要がある。また、この後には、その凹部に伝熱ブロックを半田で接合する作業が必要である。すなわち、伝熱ブロックを冷却器の吸熱面と半導体素子の発熱面との間に設置する作業が必要である。さらに、部品数が増加すると共に、その伝熱ブロック分だけ大型化してしまう。特許文献２に記載の冷却構造にあっても、半導体素子の発熱面毎に、伝熱部材を設置する必要がある。よって、部品数が増加すると共に、その伝熱部材分だけ大型化してしまう。
　特許文献３、４に記載の冷却構造にあっては、冷却器の吸熱面と半導体素子の発熱面との間の放熱シートは、その発熱面の高度差に応じて厚さが異なる状態で挟み込まれる。その結果、半導体素子毎に熱抵抗が異なってしまって、根本的な解決には至っていない。
　高さの異なる半導体素子の発熱面と冷却器の吸熱面との間に介在させる伝熱材としては、液状の伝熱グリースあるいは固体状の伝熱シートが考えられる。伝熱グリースは、伝熱シートよりも伝熱特性に劣る。このため、伝熱グリースを用いる場合は、ボンドライン厚さの差が大きくなると、熱抵抗のバラツキも大きくなり、また、均等に冷却することができない。
　このことから、特に、伝熱グリースの場合には、ボンドラインの厚い側を基準にして冷却しなければならず、騒音や消費電力が増大してしまう。
　一方、伝熱シートの場合には、固体であることから、伝熱グリースよりも伝熱特性に優れるが、同様に熱抵抗のバラツキは問題になる。また、その伝熱シート自体の、硬さ、変形可能量、熱伝導率、密着性などの多くのパラメータを考慮する必要がある。また、半導体素子側でも、圧接可能圧力、設置ピッチ、大きさなどその他のパラメータが存在することから、最適な伝熱シートを選択することが難しくなる。
　この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、高さの異なる発熱体の発熱面でも、簡易な伝熱材を介して冷却器の吸熱面で均等に冷却することができるようにして、無用に騒音や消費電力を増大させることなく、低騒音化・小型化・高機能化・高速度化・低電力消費化などを図ることのできる、発熱体の冷却構造、発熱体の冷却装置、冷却装置を備える電子機器、及び、冷却装置の製造方法を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するために、本発明の発熱体の冷却構造においては、平面方向に配設されている高さの異なる複数の発熱体の発熱面と、前記発熱面に対面するように設置されている冷却器の吸熱面との間に伝熱材が介在しており、前記冷却器は、平面形状を有する前記吸熱面が、複数の前記発熱体の前記発熱面に跨るように複数の前記発熱体上に載置される仮想平面に対して略平行な姿勢となるように取り付けられ、前記伝熱材の一面側が、前記冷却器の前記吸熱面に密接すると共に前記伝熱材の他面側が前記発熱体の前記発熱面に沿うように密接する。
　この発明の実施形態の構成によれば、高さの異なる複数の発熱体の発熱面に跨るように設置される冷却器の吸熱面は、その発熱面の高度差に応じて斜めになる状態で取り付けられる。それと共に、伝熱材は、その吸熱面と発熱面との間に介在して双方に密接する。このため、冷却器の吸熱面は、発熱体の発熱面の高度差をできるだけ解消する姿勢、言い換えると、発熱体の発熱面と冷却器の吸熱面の間の離隔間隔をできるだけ均等にする姿勢で取り付けられる。
　したがって、発熱体の発熱面と冷却器の吸熱面の間の熱抵抗をできるだけ均等にすることができ、別部材を介在させることなく、簡易な構造で、適した冷却ファンの駆動で冷却することができ、騒音や消費電力の増大を抑えることができる。この結果、低騒音化・小型化・高機能化・高速度化・低電力消費化などに寄与することができる。
本発明の一実施形態に係る冷却装置を備える電子機器の要部構成を示す正面図である。 本発明の実施例１に係る冷却装置の構造を示す正面図である。 図２に示す冷却装置の伝熱シート部材のパラメータに対するその弾性係数の相関を示すグラフである。 本発明の関連技術に係る高度差がある場合の半導体素子の冷却構造を示す正面図である。
　実施形態に係る発熱体の冷却装置は、平面方向に配設されている高さの異なる複数の発熱体の発熱面に吸熱面を対面させるように設置されている冷却器と、冷却器の吸熱面と発熱体の発熱面の間に介在されている伝熱シート部材とを備える。冷却器は、平面形状を有する吸熱面が、複数の発熱体の発熱面に跨るように複数の前記発熱体上に載置される仮想平面に対して略平行な姿勢となる世に取り付けられる。伝熱シート部材は、次式の条件を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ｋｓ：伝熱シート部材の熱伝導率
　ｋｇ：冷却器の吸熱面と発熱体の発熱面との間に均一な厚さで介在させる場合に選択するグリース材の熱伝導率
　σ：発熱体の発熱面の規定接地圧力
　Ｅ：伝熱シート部材の弾性係数
　ｈ：発熱体の発熱面間の高度差
　Ｌ：発熱体の並列方向の長さ
　ｐ：発熱体の並列ピッチ
　ｔｇ：グリース材のボンドライン厚さ
　伝熱シート部材の一面側が、冷却器の吸熱面に密接すると共に伝熱シート部材の他面側が発熱体の発熱面に沿うように密接している。
（実施形態）
　以下、図面を参照して、この発明の一実施形態について詳細に説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る冷却装置を備える電子機器の要部構成を示す正面図である。図２は、本発明の実施例１に係る冷却装置の構造の一例を示す正面図である。図３は、図２に示す冷却装置の伝熱シート部材のパラメータに対するその弾性係数の相関を示すグラフである。
　この実施形態の電子機器は、図１に示すように、高さの異なる複数の半導体素子１１、１２（図中においては２つ）が実装面Ｓ上の平面方向に並列されて同一のパッケージ内に同梱されている。半導体素子１１、１２はそれぞれ、動作する際に発熱する上側の発熱面１１ａ、１２ａを有する。半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに、伝熱シート部材１３を介在させて冷却器１５の吸熱面１５ａを対面させる姿勢で搭載される冷却装置１０が設置されている。冷却器１５の平面状の吸熱面１５ａが発熱面１１ａ、１２ａの双方に跨るように伝熱シート部材１３を発熱面１１ａ、１２ａと密接させる。冷却器１５と半導体素子１１、１２熱交換することで冷却装置１０は半導体素子１１、１２を冷却する。
　伝熱シート部材１３は、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａと冷却器１５の吸熱面１５ａの間に挟み込まれる前の当初の状態では、平面方向の厚さが同一に形成されている。冷却器１５は、吸熱面１５ａが高さの異なる半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに跨るように載置され、伝熱シート部材１３を半導体素子１１、１２に圧接する。このため、伝熱シート部材１３は、一面１３ａ側が冷却器１５の吸熱面１５ａに密接すると共に他面１３ｂ側が半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに沿うように変形して密接する。すなわち、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａは、高さが異なる。冷却器１５は、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａにそのまま直接載置した場合の姿勢に対して平行（略平行）に伝熱シート部材１３の厚さ分だけ離隔した姿勢に取り付けられている。
　言い換えると、冷却器１５の吸熱面１５ａが、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに跨るように半導体素子１１、１２上に載置される仮想平面に対して、略平行であり、冷却器１５は、仮想平面に対して伝熱シート部材１３の厚さ分だけ離隔している。
　このことから、伝熱シート部材１３は、グリース材のような液状ではなく、一平板の固体の形態で、冷却器１５の吸熱面１５ａと半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの双方に接続するボンドライン厚みを管理することができる。また、伝熱シート部材１３は、高さの異なる半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに対して、その高度差を許容するように弾性力で変形することで追従する。よって、その発熱面１１ａ、１２ａに負荷することが許容される圧接圧力や、その弾性係数から歪を求めて、設置および変形前の伝熱シート部材１３の当初の厚さを算出することができる。また、伝熱シート部材１３は、平面状の発熱面を冷却する薄膜層のグリース材と同等以下の熱抵抗にして同等以上の吸熱効果を最低限得られるようにする。伝熱シート部材１３は、これらの条件と共に、半導体素子１１、１２の寸法条件に応じて作製条件を得ることができる。
　すなわち、冷却装置１０は、一般化した次の式（１）～式（４）を満たす材料と寸法の伝熱シート部材１３を算出して作製することで、冷却器１５の吸熱面１５ａと半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの双方に沿うように伝熱シート部材１３を変形および密接させる図１に示す構造に構築されている。伝熱シート部材１３は、冷却器１５の吸熱面１５ａと半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの間に圧接状態で介在させる前の当初厚さｔＴＩＭ寸法として、少なくとも半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａ間の高度差を吸収可能に、それよりも厚く作製されている。伝熱シート部材１３は、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの微細な荒さに対する追随性と共に熱伝導性を両立していることが好ましい。このため、伝熱シート部材１３は、柔軟で弾性率（弾性係数）の高い樹脂系材料に熱伝導率の高いフィラーを混ぜることにより、優れた熱伝導特性に調整されている。柔軟で弾性率の高い樹脂系材料として、例えば、シリコーン系又はアクリル系のエラストマーが選択される。熱伝導率の高いフィラーとして、例えば、アルミナや銀などの金属製フィラーが選択される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　ｋｓ：伝熱シート部材１３の熱伝導率
　ｋｇ：冷却器１５の吸熱面１５ａを平面状の半導体素子の発熱面に熱交換可能に均一な厚さで塗布する場合に選択するグリース材の熱伝導率
　σ：半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの許容圧接圧力
　Ｅ：伝熱シート部材１３の弾性係数
　ｈ：半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａ間の高度差
　Ｌ：半導体素子１１、１２の並列方向の長さ
　ｐ：半導体素子１１、１２の並列ピッチ
　ｔｇ：前記グリース材のボンドライン厚さ
　ｔＴＩＭ：伝熱シート部材１３の当初厚さ
　式（２）のＦｇは主にパッケージ構造に起因する無次元数である。式（３）の同様の無次元数Ｆｓは伝熱シート部材１３の当初厚さｔＴＩＭを定義することもできる。
　このＦｓは、式（１）内の応力の比率となる。このことから、許容圧接圧力σ及び弾性係数Ｅと構造の寸法から伝熱シート部材１３の当初厚さｔＴＩＭを計算で求めることができる。
　この冷却装置１０の電子機器への搭載方法（製造方法）においては、上述の伝熱シート部材１３を関係式（１）～（４）から各種数値を選択および算出して決定することで容易に作製する。この後には、伝熱シート部材１３を半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａ上に跨るように載置した後に、その伝熱シート部材１３の一面１３ａ側に冷却器１５の吸熱面１５ａを載置する。次いで、冷却器１５を実装面Ｓに向かって降下させて、その吸熱面１５ａで半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに伝熱シート部材１３を押し付けさせる。この状態で、冷却器１５は、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに許容圧接圧力σを超えない程度の範囲内で伝熱シート部材１３を圧接させる。これにより、吸熱面１５ａと発熱面１１ａ、１２ａとの間で図１に示す状態に伝熱シート部材１３を押し潰すことができ、その吸熱面１５ａが上述の平行姿勢で半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａから離隔する斜めの状態に固定する。
　したがって、冷却装置１０においては、半導体素子１１、１２の設置条件から、一平板の伝熱シート部材１３を容易に作製条件を選択および算出することにより準備することができる。その伝熱シート部材１３は、高さの異なる半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの高度差ｈに追従させると共に冷却器１５の吸熱面１５ａにも倣うように、その弾性変形させて双方に密接する状態に設置することができる。このため、冷却装置１０は、冷却器１５の吸熱面１５ａを実装面Ｓに対して斜めになる姿勢で取り付けて伝熱シート部材１３を挟み込むことで、高さの異なる半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａとの間のボンドライン厚みの格差を小さくすることができる。この結果、冷却装置１０では、伝熱材の厚さに依存する熱抵抗の平面方向でのバラツキを最小にすることができ、局所的な熱抵抗のばらつきを抑制した実装構造にして、半導体素子１１、１２の発熱を効果的に吸熱して冷却することができる。また、伝熱材として液状のグリース材よりも熱伝導率（ｋｇ＜ｋｓ）の高い固体状の伝熱シート部材１３を採用することで、ボンドラインを厚めにして、その厚さに依存する熱抵抗の差（割合）を小さくすることができると共に、薄膜層のグリース材を介在させる場合と同等の熱抵抗にして、同等の冷却効果を得ることができる。
　伝熱シート部材１３は、上記の関係式（１）～（４）の作製条件から、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの高度差ｈや冷却器１５の吸熱面１５ａの傾き方向へのチップ長さＬが大きい場合には、最低限求められる熱伝導率ｋｓが高くなることが分かる。また、高度差ｈが同じでもピッチＰが短い場合には、吸熱面１５ａの傾きが急になるために、同様に最低限求められる熱伝導率ｋｓが高くなることが分かる。伝熱シート部材１３は、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに高度差ｈがある場合でも、関係式（１）内で考慮する熱伝導率ｋｇのグリース材を薄膜層にするのと同等の熱抵抗および吸熱効率とするために、より高い値の熱伝導率ｋｓを得ることのできる熱伝導に優れる固体状のシート材を選択する。
　関係式（１）における自然対数の部分では、例えば、パーソナルコンピュータ向けのＣＰＵパッケージに規定されている許容圧接圧力σが約６００ｋＰａ程度であり、高分子エラストマーの弾性係数Ｅは同じ単位でより大きな数値をとることが一般的である。
　このことから、伝熱シート部材１３としては、許容圧接圧力σと弾性係数Ｅとの関係から分子部分が小さくなるので、できるだけ高い熱伝導率ｋｓを持つ材料が求められる。その一方、伝熱シート部材１３は、弾性係数Ｅを必要最低限の熱伝導率ｋｇと定量的な相関関係で管理する。半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの高度差ｈを十分吸収しつつそのボンドラインの厚さが当初の厚さを超えないように、その圧縮弾性係数Ｅは上限値として与えられ、硬度が低い材料が求められる。また、伝熱シート部材１３は、熱伝導率ｋｓが高い方が好ましいが、その弾性係数Ｅとは相反することになる。つまり、柔軟で弾性係数Ｅの高い材料としては樹脂系の材料が考えられる。しかしながら、樹脂系の材料だけでは熱伝導率ｋｓは非常に低いことから熱伝導性の高いフィラーを混ぜて熱伝導率ｋｓを向上させようとすると、一般的にその充填量が多ければ硬度も増す傾向になる。そのために、伝熱シート部材１３としては、その弾性係数Ｅと熱伝導率ｋｓのトレードオフ関係を関係式（１）で定量的に示すことにより、半導体素子単体を冷却する際に用いる熱伝導率ｋｇのグリース材の冷却効果と同等の熱抵抗で冷却する冷却装置１０を容易に設計・製造することができる。
　図２に、実施例１を示す。図２に示すように、２つの半導体素子１１、１２がピッチ１１ｍｍ（符号ｏ）で実装されていて、その発熱面１１ａ、１２ａの高度差ｈが１００μｍあるとすると、冷却器１５の吸熱面１５ａの傾きは０．９％となる。半導体素子１１の幅ａが１０ｍｍとすると、伝熱材のボンドラインの厚みの差は９１μｍ（符号ｆ）となる。この場合には、冷却器１５は、吸熱面１５ａをその高度差ｈに応じて斜めに設置されるので、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの間における伝熱材厚の差は大きくない。半導体素子１２は、その幅ｃが１２ｍｍに作製されている。図２には、実装面Ｓから冷却器１５の吸熱面１５ａまでの半導体素子１１、１２毎の２．５ｍｍピッチ（符号ｂ）と３．０ｍｍピッチ（符号ｄ）での離隔間隔を明示することにより、ボンドラインの厚みがそれほど大きくならないことを示している。図２において符号i、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｅ、ｇは、それぞれ距離２２．７ｍｍ、４５．５ｍｍ、６８．２ｍｍ、１６８ｍｍ、１９６ｍｍ、２２３ｍｍ、０．１００ｍｍ、０．２５０ｍｍを示している。
　例えば、液状のグリース材が伝熱材として塗布されているとすると、その傾きに沿って、最も薄い部分が約１０μｍの厚さとすると、最も厚い部分は１０１μｍである。よって、最も薄い部分と最も厚い部分とでは１０倍程度に厚さが違って、熱抵抗の格差が発生し冷却ムラの原因となる。伝熱材として、液状のグリース材を用いる場合には、冷却器１５の吸熱面１５ａが半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに向けて押し付けられると、冷却器１５と発熱面１１ａ、１２ａとが直接接触してしまって、冷却効率の均一性が極端に低下してしまう可能性がある。
　これに対して、例えば、２００μｍの伝熱シート部材１３を使用した場合には、極端に薄くなることなく（直接接触する可能性はなく）、薄いところで１１０μｍ程度となり、厚さの違いを２倍程度に抑えることができる。このため、上述の関係式（１）、（２）からは、熱伝導率ｋｇが１０Ｗ／ｍ・Ｋのグリース材と同等の熱抵抗にする場合には、伝熱シート部材１３の熱伝導率Ｋｓは３７Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば良いことになる。この伝熱シート部材１３は、弾性係数Ｅとしては１３００ｋＰａ以下を想定すると、樹脂単体で数百ｋＰａの値を持つシリコーンやアクリル系のエラストマーであれば、熱伝導性フィラーを混合すれば十分に可能な値である。
　すなわち、伝熱シート部材１３は、設計するための各種条件が関係式（１）～（４）にパラメータとして組み込まれて定式化されているので、その物性を容易に選択および算出して決定することができる。例えば、上記と同様なパッケージの冷却を考えた場合に、弾性係数Ｅの最低値が２０００ｋＰａ程度であるとすると、上記と同等の熱抵抗を満足するためには、伝熱シート部材１３の熱伝導率Ｋｓを６５Ｗ／ｍ・Ｋまで高める必要があることが分かる。
　この関係式（１）は、弾性係数Ｅをパラメータとして、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａの関係式（２）のＦｇにおける高度差ｈが最大１００μｍの場合（図３において、実線）と最小２０μｍ（図３において、点線）の場合を一例にしてグラフ化すると、図３に示すようになる。図３のラインの上側の特性になるように弾性係数Ｅや熱伝導率ｋｓを設定して、伝熱シート部材１３を作製すればよい。図３において、横軸はその弾性係数Ｅであり、縦軸は伝熱シート部材１３とグリース材の熱伝導率ｋｓ、ｋｇの比率ｋｓ／ｋｇである。
　このグラフからは、その高度差ｈの程度に応じて傾きは異なるが、弾性係数Ｅと熱伝導率ｋｓ／ｋｇとは略比例関係であることを示しており、弾性係数Ｅを高くする場合には、熱伝導率ｋｓも高くする必要があることを示している。
　例えば、伝熱シート部材１３を半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに許容圧接圧力６００ｋＰａで圧接させ、伝熱シート部材１３を圧縮させる場合には、弾性係数Ｅの大きな材料では同じつぶし量を得るためにより厚くする必要がある。
　このように、この実施形態によれば、高さの異なる複数の半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａに跨るように設置される冷却器１５の吸熱面１５ａは、その発熱面１１ａ、１２ａの高度差ｈに応じて斜めになる状態で取り付けられると共に、容易に条件を導出して作製した伝熱シート部材１３がその発熱面１１ａ、１２ａとの間に介在して双方に密接する。このため、冷却器１５の吸熱面１５ａは、伝熱シート部材１３を圧縮変形させつつ、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａとの間の離隔間隔をできるだけ均等にする姿勢で取り付けられる。したがって、半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａと冷却器１５の吸熱面１５ａの間の伝熱シート部材１３の厚さに依存する熱抵抗もできるだけ均等にすることができ、その伝熱シート部材１３のみの簡易な構造で、効果的に均等に吸熱および冷却することができる。この結果、ファンの騒音や消費電力を無用に増大させることなく、半導体素子１１、１２を最適な冷却ファンの駆動で冷却することができ、小型化を図りつつ高機能化して高速度処理を低電力で実行することもできる。
　この実施形態の他の態様としては、固体状の伝熱シート部材１３に代えて、液状のグリース材を用いても、冷却器１５の吸熱面１５ａと半導体素子１１、１２の発熱面１１ａ、１２ａとの間の厚さを均等することはできる。しかしながら、固体状の伝熱シート部材１３の方が熱伝導率が高く、伝熱特性に優れることから、上述の実施形態のように構成するのが好ましい。この実施形態では、冷却器１５の吸熱面１５ａが斜めになる場合を一例に説明するが、半導体素子が３つ以上あるような場合でその間に低い発熱面が位置する場合にも適用することができる。
　以上、この発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、この発明は、半導体素子に限らず、発熱体となる他の電気部品の冷却にも適用することができる。
　この出願は、２００９年２月２６日に出願された日本出願特願２００９－０４４９１３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　この発明は、パーソナルコンピュータに限らず、例えば、ワークステーション、サーバなどの半導体装置にも適用することができ、さらに、各種産業用電子機器にも適用することができる。
１１、１２    半導体素子（発熱体）
１１ａ、１２ａ       発熱面
１３   伝熱シート部材（伝熱材）
１３ａ 一面
１３ｂ 他面
１５   冷却器
１５ａ 吸熱面

Claims (19)

  1. 　平面方向に配設されている高さの異なる複数の発熱体の発熱面と、前記発熱面に対面するように設置されている冷却器の吸熱面との間に伝熱材が介在しており、
    　前記冷却器は、平面形状を有する前記吸熱面が、複数の前記発熱体の前記発熱面に跨るように複数の前記発熱体上に載置される仮想平面に対して略平行な姿勢となるように取り付けられ、
    　前記伝熱材の一面側が、前記冷却器の前記吸熱面に密接すると共に前記伝熱材の他面側が前記発熱体の前記発熱面に沿うように密接する発熱体の冷却構造。
  2. 　前記伝熱材は、固体状の伝熱シート部材である請求項１記載の発熱体の冷却構造。
  3. 　前記伝熱シート部材は、次式の条件を満たして、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
     　ｋｓ：前記伝熱シート部材の熱伝導率
    　ｋｇ：前記冷却器の前記吸熱面と前記発熱体の前記発熱面との間に均一な厚さで介在させる場合に選択するグリース材の熱伝導率
    　σ：前記発熱体の前記発熱面の規定接地圧力
    　Ｅ：前記伝熱シート部材の弾性係数
    　ｈ：前記発熱体の前記発熱面間の高度差
    　Ｌ：前記発熱体の並列方向の長さ
    　ｐ：前記発熱体の並列ピッチ
    　ｔｇ：前記グリース材のボンドライン厚さ
    　前記伝熱シート部材は、前記発熱体の前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面との間に介在して前記発熱体の前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面とに密接する請求項２記載の発熱体の冷却構造。
  4. 　前記伝熱シート部材は、当初の厚さが前記発熱体の前記発熱面間の高度差よりも厚く作製されて、前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面との間に介在されている請求項２又は３記載の発熱体の冷却構造。
  5. 　前記伝熱シート部材は、次式の条件を満たして、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
     　σ：前記発熱体の前記発熱面の規定接地圧力
    　Ｅ：前記伝熱シート部材の弾性係数
    　ｈ：前記発熱体の前記発熱面間の高度差
    　Ｌ：前記発熱体の並列方向の長さ
    　ｐ：前記発熱体の並列ピッチ
    　ｔＴＩＭ：前記伝熱シート部材の当初厚さ
    　前記伝熱シート部材は、前記発熱体の前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面との間に介在して前記発熱体の前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面とに密接する請求項２乃至４の何れか１項記載の発熱体の冷却構造。
  6. 　前記伝熱シート部材は、柔軟で弾性率の高い樹脂系材料と、熱伝導率の高いフィラーとを含む請求項２乃至５の何れか１項記載の発熱体の冷却構造。
  7. 　前記樹脂系材料は、シリコーン系又はアクリル系のエラストマーである請求項６記載の発熱体の冷却構造。
  8. 　平面方向に配設されている高さの異なる複数の発熱体の発熱面に吸熱面を対面させるように設置されている冷却器と、前記冷却器の前記吸熱面と前記発熱体の前記発熱面の間に介在されている伝熱シート部材とを備えて、
    　前記冷却器は、平面形状を有する前記吸熱面が、複数の前記発熱体の前記発熱面に跨るように複数の前記発熱体上に載置される仮想平面に対して略平行な姿勢となるように取り付けられ、
    　前記伝熱シート部材は、次式の条件を満たして、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
     　ｋｓ：前記伝熱シート部材の熱伝導率
    　ｋｇ：前記冷却器の前記吸熱面と前記発熱体の前記発熱面との間に均一な厚さで介在させる場合に選択するグリース材の熱伝導率
    　σ：前記発熱体の前記発熱面の規定接地圧力
    　Ｅ：前記伝熱シート部材の弾性係数
    　ｈ：前記発熱体の前記発熱面間の高度差
    　Ｌ：前記発熱体の並列方向の長さ
    　ｐ：前記発熱体の並列ピッチ
    　ｔｇ：前記グリース材のボンドライン厚さ
    　前記伝熱シート部材の一面側が、前記冷却器の前記吸熱面に密接すると共に前記伝熱シート部材の他面側が前記発熱体の前記発熱面に沿うように密接する発熱体の冷却装置。
  9. 　前記伝熱シート部材は、次式の条件を満たして、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
     　ｔＴＩＭ：前記伝熱シート部材の当初厚さ
    　前記伝熱シート部材の当初厚さが前記発熱体の前記発熱面間の高度差よりも厚く作製されて、前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面との間に介在されている請求項８記載の発熱体の冷却装置。
  10. 　前記伝熱シート部材は、柔軟で弾性率の高い樹脂系材料と、熱伝導率の高いフィラーとを含む請求項８又は９記載の発熱体の冷却装置。
  11. 　前記樹脂系材料は、シリコーン系又はアクリル系のエラストマーである請求項１０記載の発熱体の冷却装置。
  12. 　実装面上に配設されている高さの異なる複数の半導体素子と、前記半導体素子の発熱面に吸熱面を対面させるように設置されている冷却器と、前記冷却器の前記吸熱面と前記半導体素子の前記発熱面の間に介在されている伝熱シート部材とを備えて、
    　前記冷却器は、平面形状を有する前記吸熱面が、複数の前記半導体素子の前記発熱面に跨るように複数の前記半導体素子上に載置される仮想平面に対して略平行な姿勢となるように取り付けられ、
    　前記伝熱シート部材は、次式の条件を満たして、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
     　ｋｓ：前記伝熱シート部材の熱伝導率
    　ｋｇ：前記冷却器の前記吸熱面と前記半導体素子の前記発熱面との間に均一な厚さで介在させる場合に選択するグリース材の熱伝導率
    　σ：前記半導体素子の前記発熱面の規定接地圧力
    　Ｅ：前記伝熱シート部材の弾性係数
    　ｈ：前記半導体素子の前記発熱面間の高度差
    　Ｌ：前記半導体素子の並列方向の長さ
    　ｐ：前記半導体素子の並列ピッチ
    　ｔｇ：前記グリース材のボンドライン厚さ
    　前記伝熱シート部材の一面側が、前記冷却器の前記吸熱面に密接すると共に前記伝熱シート部材の他面側が前記半導体素子の前記発熱面に沿うように密接する冷却装置を備える電子機器。
  13. 　前記伝熱シート部材は、次式の条件を満たして、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
     　ｔＴＩＭ：前記伝熱シート部材の当初厚さ
    　前記伝熱シート部材の当初厚さが前記半導体素子の前記発熱面間の高度差よりも厚く作製されて、前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面との間に介在されている請求項１２記載の電子機器。
  14. 　前記伝熱シート部材は、柔軟で弾性率の高い樹脂系材料と、熱伝導率の高いフィラーとを含む請求項１２又は１３記載の電子機器。
  15. 　前記樹脂系材料は、シリコーン系又はアクリル系のエラストマーである請求項１４記載の電子機器。
  16. 　平面方向に配設されている高さの異なる複数の発熱体の発熱面と、前記発熱面に対面するように設置されている冷却器の吸熱面との間に介在させる伝熱材として、次式の条件を満たす伝熱シート部材を作製し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
     　ｋｓ：前記伝熱シート部材の熱伝導率
    　ｋｇ：前記冷却器の前記吸熱面と前記発熱体の前記発熱面との間に均一な厚さで介在させる場合に選択するグリース材の熱伝導率
    　σ：前記発熱体の前記発熱面の規定接地圧力
    　Ｅ：前記伝熱シート部材の弾性係数
    　ｈ：前記発熱体の前記発熱面間の高度差
    　Ｌ：前記発熱体の並列方向の長さ
    　ｐ：前記発熱体の並列ピッチ
    　ｔｇ：前記グリース材のボンドライン厚さ
    　複数の前記発熱体の前記発熱面に跨るように前記伝熱シート部材を載置し、
    　前記冷却器を、平面形状を有する前記吸熱面が複数の前記発熱体の前記発熱面に跨るように複数の前記発熱体上に載置される仮想平面に対して略平行な姿勢になるように前記伝熱シート部材上に押し付けて、
    　前記伝熱シート部材の一面側を前記冷却器の前記吸熱面に密接させると共に前記伝熱シート部材の他面側を前記発熱体の前記発熱面に沿うように密接させることを含む冷却装置の製造方法。
  17. 　前記伝熱シート部材は、次式の条件を満たすように、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
     　ｔＴＩＭ：前記伝熱シート部材の当初厚さ
    　前記伝熱シート部材の当初厚さを前記発熱体の前記発熱面間の高度差よりも厚く作製して、前記発熱面と前記冷却器の前記吸熱面との間に介在させる請求項１６記載の冷却装置の製造方法。
  18. 　前記伝熱シート部材は、柔軟で弾性率の高い樹脂系材料に、熱伝導率の高いフィラーを混ぜて、熱伝導特性を調整して作製する請求項１６又は１７記載の冷却装置の製造方法。
  19. 　前記樹脂系材料として、シリコーン系又はアクリル系のエラストマーを選択して、前記伝熱シート部材を作製する請求項１８記載の冷却装置の製造方法。
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