JPH0122742B2 - - Google Patents
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- JPH0122742B2 JPH0122742B2 JP58108837A JP10883783A JPH0122742B2 JP H0122742 B2 JPH0122742 B2 JP H0122742B2 JP 58108837 A JP58108837 A JP 58108837A JP 10883783 A JP10883783 A JP 10883783A JP H0122742 B2 JPH0122742 B2 JP H0122742B2
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- liquid
- cooling
- refrigerant
- air
- cooling plate
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
- H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
- H10W40/73—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state
Landscapes
- 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
本発明は液冷モジユール、詳しくは高速、高発
熱性の半導体素子の如き発熱素子のための液冷モ
ジユール、すなわち放熱のためのフイン冷却プレ
ートが冷媒液体の液面下に設けられ、空気混入に
よる冷却能力低下に対する対策手段を設けた液冷
モジユール、更には冷却プレートに垂直方向の気
泡通路が設けられた液冷モジユールに関する。[Detailed Description of the Invention] (1) Technical Field of the Invention The present invention relates to a liquid cooling module, specifically a liquid cooling module for a heat generating element such as a high speed, high heat generation semiconductor element, that is, a fin cooling plate for heat dissipation. The present invention relates to a liquid cooling module in which a cooling plate is provided below the surface of the refrigerant liquid and is provided with a countermeasure against reduction in cooling capacity due to air entrainment, and further relates to a liquid cooling module in which a cooling plate is provided with vertical bubble passages.
(2) 技術の背景
半導体素子を高密度に実装したパツケージを冷
却するために、半導体素子を密封容器内で沸騰性
の冷媒に浸漬した液冷モジユールが用いられてい
る。第1図はかかる液冷モジユールの概略断面図
であつて、同図において、1a,1bは半導体素
子(以下には素子という)、2は前記素子が実装
された基板、3は密封容器、4は沸騰性の冷媒、
5と6はそれぞれ密封容器3の内部と外部に配置
された放熱用の板状フインを示す。(2) Background of the technology In order to cool packages in which semiconductor elements are densely mounted, liquid cooling modules are used in which the semiconductor elements are immersed in a boiling refrigerant in a sealed container. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of such a liquid cooling module, in which 1a and 1b are semiconductor elements (hereinafter referred to as elements), 2 is a substrate on which the elements are mounted, 3 is a sealed container, 4 is a boiling refrigerant,
Reference numerals 5 and 6 indicate plate-shaped fins for heat radiation disposed inside and outside the sealed container 3, respectively.
素子1a,1bのいずれかが熱くなると、まわ
りの沸騰性冷媒が気化して気泡7が発生し、気泡
7は冷媒の上方の空間に逃げて冷媒蒸気8とな
り、他方密封容器3は冷されているので、凝縮し
た冷媒は凝縮液9となつて冷媒4に戻る。かかる
サイクルの繰返しによつて素子は効率良く冷却さ
れるが、気泡7のもつている熱は密封容器3にに
移されるので、気化された冷媒の液化を促進する
ためには密封容器3をも冷却する必要がある。密
封容器の冷却には冷却水を用いる水冷方法と空気
を用いる空冷方法とがある。 When either of the elements 1a, 1b becomes hot, the surrounding boiling refrigerant evaporates and bubbles 7 are generated.The bubbles 7 escape into the space above the refrigerant and become refrigerant vapor 8, while the sealed container 3 is cooled. Therefore, the condensed refrigerant becomes condensate 9 and returns to refrigerant 4. Although the element is efficiently cooled by repeating such a cycle, the heat contained in the bubbles 7 is transferred to the sealed container 3, so it is necessary to close the sealed container 3 in order to promote the liquefaction of the vaporized refrigerant. Needs to be cooled. There are two methods for cooling a sealed container: a water cooling method using cooling water and an air cooling method using air.
(3) 従来技術と問題点
一般に密封型の液冷モジユールは、空気が混入
すると冷却能力が著しく低下する。それに対して
モジユールの冷却能力を保持するため、第2図に
示される如く冷却プレートに空気を集める小室を
設けることなどが提案されていた。なお第2図に
おいて、11は半導体素子、12は冷媒液体、1
3は気泡、14は冷却プレート、15はモジユー
ル、16は空気を示す。(3) Prior art and problems In general, the cooling capacity of sealed liquid cooling modules decreases significantly when air gets mixed in. On the other hand, in order to maintain the cooling capacity of the module, it has been proposed to provide a cooling plate with a small chamber for collecting air, as shown in FIG. In FIG. 2, 11 is a semiconductor element, 12 is a refrigerant liquid, and 1 is a semiconductor element.
3 is a bubble, 14 is a cooling plate, 15 is a module, and 16 is air.
かかる例においては、冷媒気泡15の凝縮の
際、空気16のような非凝縮性のガスが、冷却プ
レート14の付近に濃縮される効果を利用するも
のであるが、現実には空気16は冷却プレート1
4全体に拡がるため、すべてを空気留めのために
別に設けた小室に集めることができず、空気混入
による冷却能力低下を完全には防ぐことができな
い欠点があつた。 In this example, when the refrigerant bubbles 15 condense, the effect that non-condensable gas such as air 16 is concentrated near the cooling plate 14 is utilized, but in reality, the air 16 is not cooled. plate 1
4, it was not possible to collect all of the air in a separate small chamber to retain the air, which had the disadvantage that it was not possible to completely prevent a decrease in cooling capacity due to air entrainment.
また冷却プレートは一般に冷媒液面上に配置
し、半導体素子面から発生し冷媒液面上に昇つて
きた気泡を冷却するものである。冷却モジユール
に空気の如き非凝縮性のガスが混入するとそれは
冷却プレート付近に集められ、冷却能力が著しく
低下する問題も経験された。 Further, the cooling plate is generally placed above the coolant liquid level to cool air bubbles generated from the semiconductor element surface and rising above the coolant liquid level. Problems have also been experienced in which when non-condensable gases such as air get mixed into the cooling module, they collect near the cooling plate and the cooling capacity is significantly reduced.
(4) 発明の目的
本発明は上記従来の問題に鑑み、冷媒液体が封
入され、かつ、冷却プレートが設けられた液冷モ
ジユールにおいて、空気のような非凝縮性のガス
が混入しても冷却能力の低下することのないモジ
ユールの構造を提供することを目的とする。(4) Purpose of the Invention In view of the above-mentioned conventional problems, the present invention provides a liquid cooling module in which a refrigerant liquid is sealed and is provided with a cooling plate. The purpose is to provide a module structure that does not reduce its performance.
(5) 発明の構成
そしてこの目的は本願発明によれば、基板上に
取り付けられた複数個の半導体素子が冷媒液体に
侵漬された液冷モジユールにおいて、該冷媒の気
泡を凝縮させるフインを設け内部に第2の冷媒が
流される冷却プレートが冷媒液体の液面より下に
配置されたことを特徴とする液冷モジユールを提
供することによつて達成される。(5) Structure of the Invention According to the present invention, in a liquid cooling module in which a plurality of semiconductor elements mounted on a substrate are immersed in a refrigerant liquid, fins are provided to condense bubbles of the refrigerant. This is achieved by providing a liquid cooling module characterized in that a cooling plate through which a second refrigerant flows is located below the level of the refrigerant liquid.
(6) 発明の実施例 以下本発明実施例を図面によつて詳説する。(6) Examples of the invention Embodiments of the present invention will be explained in detail below with reference to the drawings.
液冷の機構は、発生した熱を冷媒液体が沸騰す
ることにより気化熱として奪い、冷却プレートへ
蒸気が凝縮することにより伝達するものである。
そこで本願発明者らは、冷却プレートが液面下に
置かれても、気泡に接触することにより効率の良
い熱伝達ができるし、一方、冷媒液体の沸騰状態
において、空気は液体に溶解しないので、液面下
の冷却プレートなら空気混入による影響を受けな
いことに着目した。 In the liquid cooling mechanism, the generated heat is removed as vaporization heat by boiling of the refrigerant liquid, and the vapor is transferred to the cooling plate by condensation.
Therefore, the inventors of the present application discovered that even if the cooling plate is placed below the liquid surface, efficient heat transfer is possible by contacting air bubbles, and on the other hand, in the boiling state of the refrigerant liquid, air does not dissolve in the liquid. They focused on the fact that if the cooling plate is below the liquid level, it will not be affected by air entrainment.
本発明の第1実施例は第3図に示され、同図に
おいて21…26の符号を付した部分は第2図に
おいて符号11…16を付した部分と同じ部分を
表示する。この実施例において、半導体素子(以
下には素子という)21が作動して発熱すると、
冷媒液体22が沸騰し、気化熱を奪つて冷媒液体
の蒸気からなる気泡23を発生する。気泡23は
液体を撹拌しながら上昇し、液面下の冷却プレー
ト24に接触し、冷却され凝縮して液体に戻る。
なお図において、24aは冷却プレート24のフ
インを示す。モジユール25内に混入し空気層2
6となる空気は冷媒液体22内に溶解しないので
冷却能力の低下が防止される。冷却プレート24
には冷却風または水の如き冷媒が通される。 A first embodiment of the present invention is shown in FIG. 3, in which the parts numbered 21...26 are the same as the parts numbered 11...16 in FIG. In this embodiment, when the semiconductor element (hereinafter referred to as element) 21 operates and generates heat,
The refrigerant liquid 22 boils and takes away the heat of vaporization, generating bubbles 23 made of refrigerant liquid vapor. The bubbles 23 rise while stirring the liquid, contact the cooling plate 24 below the liquid surface, are cooled and condensed, and return to liquid.
In the figure, 24a indicates the fins of the cooling plate 24. Air layer 2 mixed into module 25
6 does not dissolve in the refrigerant liquid 22, so a decrease in cooling capacity is prevented. cooling plate 24
Cooling air or a coolant such as water is passed through.
本発明の第2実施例において、冷却プレートは
第4図aに示されるように、最外側のフイン24
aの内方底部分をわん曲させ気泡23が留るよう
にして、気泡との接触時間を長くできるようにし
た。なお第4図以下において、既に図示した部分
は同一符号を付して表示する。 In a second embodiment of the invention, the cooling plate is placed between the outermost fins 24 as shown in FIG. 4a.
The inner bottom part of a is curved so that the air bubbles 23 remain therein, so that the contact time with the air bubbles can be extended. Note that in FIG. 4 and subsequent figures, parts that have already been illustrated are designated by the same reference numerals.
第4図bには本発明の第3実施例が示され、こ
の実施例においてはフイン24aを傾斜させ、気
泡が上昇する際、フイン24aに必ず接触するよ
うにした。 FIG. 4b shows a third embodiment of the present invention, in which the fins 24a are inclined so that when the bubbles rise, they always come into contact with the fins 24a.
更に本願発明者らは、冷媒液体が沸点付近にお
いて空気を溶解することなく、従つて液面下に冷
却プレートを設ければ、冷却プレートは空気に触
れることなしに気泡に直接接触し凝縮させること
ができること、およびこのとき、冷却プレートに
気泡の通路を上に細る如く多数作ることにより気
泡の接触面積を増し、冷却プレートに気泡が留つ
て熱絶縁を起すことを防ぐことができ、またわず
かに溶解していた空気が冷却プレートに集まるこ
とを防ぎうる点に着目した。 Furthermore, the inventors of the present application have found that the refrigerant liquid does not dissolve air near its boiling point, and therefore, if a cooling plate is provided below the liquid surface, the cooling plate will directly contact bubbles and condense them without coming into contact with air. At this time, by creating a large number of air bubble passages in the cooling plate that taper upward, it is possible to increase the contact area of the air bubbles and prevent air bubbles from remaining on the cooling plate and causing thermal insulation. We focused on the ability to prevent dissolved air from gathering on the cooling plate.
本発明の第4実施例を示す第5図を参照する
と、素子21を作動発熱させるとき熱は冷媒液体
22に気化熱として伝達され、気泡23を発生す
る。気泡は冷却プレート24に接触して冷却され
冷媒液体22に戻る。このとき気泡23の量が多
ければ気泡は更に冷却プレート24に設けた通路
27を通過し冷却される。通路27は例えば2mm
から0.5mmと上に細くなる如くに形成する。冷却
プレート24は冷媒液体22中にあるため空気が
集まることがなく、また多少ならば上に細くなる
通路27を経由して、空気層26へ追い出され
る。この冷却プレート24には、冷却風あるいは
水のような冷媒27aが流される。また、通路の
数は凝縮面積と冷媒27aの流体抵抗との兼合い
で決める。なお第6図は一部切欠して断面を示す
冷却プレート24の斜視図である。 Referring to FIG. 5 showing the fourth embodiment of the present invention, when the element 21 is operated to generate heat, the heat is transferred to the refrigerant liquid 22 as vaporization heat, and bubbles 23 are generated. The bubbles contact the cooling plate 24 and are cooled back to the refrigerant liquid 22. At this time, if the amount of bubbles 23 is large, the bubbles further pass through the passage 27 provided in the cooling plate 24 and are cooled. For example, the passage 27 is 2 mm.
Form it so that it tapers upwards to 0.5mm. Since the cooling plate 24 is located in the refrigerant liquid 22, air does not collect therein, and some air is expelled to the air layer 26 via the passage 27 which narrows upward. A coolant 27a such as cooling air or water is flowed through the cooling plate 24. Further, the number of passages is determined based on the condensation area and the fluid resistance of the refrigerant 27a. Note that FIG. 6 is a perspective view of the cooling plate 24 showing a cross section with a portion cut away.
(7) 発明の効果
以上詳細に説明した如く、本発明によれば、高
速高熱性の半導体素子のための液冷モジユールに
おいて、フイン付き冷却プレートを冷媒液体の液
面下に設け、前記フインにわん曲をもたせまたは
フイン傾斜させ、更には冷却プレートに通路を形
成することにより、冷却能力が高められるだけで
なく、空気混入による冷却能力の低下が防止され
るので半導体装置の信頼性向上に効果大である。(7) Effects of the Invention As described in detail above, according to the present invention, in a liquid cooling module for high-speed, high-temperature semiconductor elements, a cooling plate with fins is provided below the surface of the refrigerant liquid, and the fins are attached to the fins. By making the cooling plate curved or slanted, and by forming passages in the cooling plate, it not only increases the cooling capacity, but also prevents the cooling capacity from decreasing due to air entrainment, which is effective in improving the reliability of semiconductor devices. It's large.
第1図と第2図は従来の液冷モジユールの断面
図、第3図と第5図は本発明実施例の断面図、第
4図aとbは第3図の冷却プレートの変型例の断
面図、第6図は第5図の冷却プレートの一部切欠
した斜視図である。
21……半導体素子、22……冷媒液体、23
……気泡、24……冷却プレート、24a……フ
イン、25……液冷モジユール、26……空気
層、27……通路、27a……冷媒。
1 and 2 are cross-sectional views of a conventional liquid cooling module, FIGS. 3 and 5 are cross-sectional views of an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 a and b are a modification of the cooling plate of FIG. 3. The cross-sectional view, FIG. 6, is a partially cutaway perspective view of the cooling plate of FIG. 21...Semiconductor element, 22...Refrigerant liquid, 23
... air bubble, 24 ... cooling plate, 24a ... fin, 25 ... liquid cooling module, 26 ... air layer, 27 ... passage, 27a ... refrigerant.
Claims (1)
が冷媒液体に侵漬された液冷モジユールにおい
て、該冷媒の気泡を凝縮させるフインを設け内部
に第2の冷媒が流される冷却プレートが冷媒液体
の液面より下に配置されたことを特徴とする液冷
モジユール。 2 前記冷却プレートには、上に細くなる通路が
設けられたことを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載の液冷モジユール。[Claims] 1. In a liquid cooling module in which a plurality of semiconductor elements mounted on a substrate are immersed in a refrigerant liquid, fins are provided to condense bubbles of the refrigerant, and a second refrigerant is flowed inside. A liquid cooling module characterized in that a cooling plate is arranged below the liquid level of a refrigerant liquid. 2. Claim 1, wherein the cooling plate is provided with a passage that tapers upward.
Liquid cooling module as described in section.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58108837A JPS60761A (en) | 1983-06-17 | 1983-06-17 | Liquid cooled module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58108837A JPS60761A (en) | 1983-06-17 | 1983-06-17 | Liquid cooled module |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60761A JPS60761A (en) | 1985-01-05 |
| JPH0122742B2 true JPH0122742B2 (en) | 1989-04-27 |
Family
ID=14494814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58108837A Granted JPS60761A (en) | 1983-06-17 | 1983-06-17 | Liquid cooled module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60761A (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6285448A (en) * | 1985-10-09 | 1987-04-18 | Fujitsu Ltd | Cooling structure for semiconductor device |
| JP4637734B2 (en) | 2005-11-30 | 2011-02-23 | 富士通株式会社 | Electronic device cooling device |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57103338A (en) * | 1980-12-19 | 1982-06-26 | Hitachi Ltd | Boiling cooling device |
-
1983
- 1983-06-17 JP JP58108837A patent/JPS60761A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60761A (en) | 1985-01-05 |
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