JPH0422025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電子部品の冷却装置に係り、特に基板
上に多数搭載された半導体チツプの冷却に好適な
冷却装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の電子部品の冷却装置として、半導体チツ
プを低沸点の液体中に浸漬し、半導体チツプ表面
にて液体を沸騰させる冷却方法が公表されている
（特界昭53−80565号）。しかし、沸騰特性は、加
熱開始時において、核沸騰領域に至るまでに大き
な過熱度を要する。この過熱度は理論的には水の
場合で百数十度にも達し得るが、実際にはそれよ
り相当小さい過熱度で核沸騰領域に遷移する。し
かし、この遷移点の過熱度は一義的には決定され
ず、個々のチツプ間、また、同一チツプであつて
もその運転時間（回数）によつて異なつたものと
なる。したがつて、半導体チツプ表面にて液体を
沸騰させる冷却方式では、同一過熱度で核沸騰が
行われたり、行われなかつたりするため、半導体
チツプの温度は、個々についてバラバラなものと
なり制御できないものとならざるを得ない。この
ことは、画一的に個々のチツプを冷却、温度制御
を行いたいハイブリツド実態では特に問題とな
る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、基板のうねり等のためにそれ
に搭載された半導体チツプの表面が同一面上にな
くても、すべての半導体チツプの表面温度が均一
になるように冷却することができるような高性能
な半導体チツプの冷却装置を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

この発明の特徴は、個々の半導体チツプの背面
に飽和状態の液ミストを噴射し、LSIチツプ背面
で液ミストを蒸発させ、LSIチツプを冷却するこ
とを特徴とする。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図、第２図により説明
する。

多数のLSIチツプ１が搭載された基盤２と多数
のノズル８が各LSIチツプ１と対向するように取
り付けられたハツト３とで密閉容器４を形成して
いる。冷媒導入管５より流入した液冷媒はノズル
８によりミスト９化され、LSIチツプ１背面に噴
霧される。ミスト９はLSIチツプ１背面に到達す
ると、LSIチツプ１により加熱され直ちに蒸発、
気化する。この蒸発によつてLSIチツプは熱を奪
われ冷却されるが、ミスト９の液滴径が小さいた
め、LSIチツプ上のミストは小さな過熱度でしか
も一様に蒸発する。蒸発した蒸気は蒸気出口６よ
り容器４外へ流出する。一般に、被冷却面上に薄
い液膜を形成し、この薄い液膜の蒸発によつて熱
を奪おうとする場合、液膜の厚さが薄い程その熱
抵抗は小さくなるが、液膜厚さを薄くすると乾き
面が発生し易くなり、被冷却面上に温度分布がで
き、また、全体として熱抵抗が大きくなる。一
方、本発明によれば、液をミスト化することによ
り、上記の液膜厚さを薄くすることと同様の熱抵
抗を小さくする効果が得られ、かつ、LSIチツプ
１の背面全体に強制的にミスト９を供給するた
め、乾き面の発生を防止することができる。ま
た、LSIチツプ１の発熱量が相当大きくなつた場
合においても、LSIチツプ１背面にミスト９を到
達させることができ、チツプ１背面が蒸気層で覆
われるといういわゆる膜沸騰状態を防止すること
ができる。

蒸気出口６より流出した蒸気は凝縮器１１に導
かれ、凝縮、液化後レシーバー１２に一旦溜めら
れる。レシーバー１２の液冷媒はポンプ１３によ
つて汲み上げられ、冷媒導入管５を経てノズル８
に供給される。一方、LSIチツプ１背面で蒸発せ
ずに液相の状態で残つた冷媒は、ドレーン７より
流出しレシーバー１２へ集められる。本実施例に
示した図では、凝縮器１１とレシーバー１２とを
別容器に分離したものを示したが同一容器として
もよい。また、各容器４ごとにポンプを設けたも
のを示したが、複数個の容器４に対して１台のポ
ンプを設けてもよい。

LSIチツプ１背面は、何も加工されていない平
滑面であつてもよいが、さらに大きな熱量を小さ
な熱抵抗で伝えるためには、第３〜５図の実施例
に示すようなフイン構造をLSIチツプ１背面に設
けることが有効である。なお、フイン構造物は
LSIチツプと一体でもよい。

第３図に示す実施例では、多数の互いに平行な
微細フイン１６が加工された板１５がLSIチツプ
１１背面に取り付けられている。本実施例により
実質的伝熱面積はLSIチツプ背面面積に対し２〜
４倍に拡大され、したがつて、熱抵抗は1/2〜1/4
に低減することができる。また、ミスト流に対
し、フイン１６の各面が迎え角を持つているた
め、ミストが面に垂直に当つた場合のようにミス
トがはじき飛ばされるという状況が防止でき、ミ
ストの捕捉能力が向上する。また、ミスト流の衝
突によつてLSIチツプに働く圧力も、ミストが面
に垂直に当る場合よりも小さくすることができ
る。しかし、ミスト流に対してフイン１６に陰の
部分ができることを避けるためには、フイン１６
の頂角を大きくとらなければならず、したがつ
て、フインの密度が小さくなり面積拡大率が小さ
くなるという欠点がある。

第４図に示す実施例では、放射状に配置された
フイン１８が加工された板１７をLSIチツプ１背
面に設けたものを示す。本実施例では、フイン１
８の頂角を小さくとつてもミスト流に対して陰と
なる部分ができないため、第３図に示す実施例の
ようにフイン密度が小さくなり面積拡大率が小さ
くなるという欠点をなくすることができる。ま
た、板１７に衝突した後のミスト流の流れ方向は
フイン１８の方向と同様に放射方向であるため、
ノズルよりの直接のミスト流が板全面に当らずと
もフイン１８の各部にミストを行き届けることが
できる。したがつて、ノズルと背面にフインが取
り付けられたLSIチツプとの距離を短くすること
ができるとともに、ノズル出口でのミスト広がり
角を考慮せずにノズルの設計をすることができ
る。また、本実施例に示すように、フイン１８の
谷部を中心に向つて順次高くすることによりさら
に上記の効果が強く得られる。

第５図に示す実施例では、LSIチツプ１背面に
多孔板２１を取り付けたものの例を示す。多孔面
は約0.4mm×0.3mmのトンネル状の表皮下空洞２０
と約0.1mm直径の開口１９とによつて構成されて
いる。蒸発面として多孔面を用いると、ミスト流
量が蒸発量より多くなり蒸発面上に液が滞留する
状態下においても、表皮下空洞２０の内壁では非
常に薄い液膜が形成されるため小さな熱抵抗を維
持することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、基盤上に多数配列されたLSI
チツプ個々の高さ、傾き、位置のバラツキにかか
わらず、小さな熱抵抗でかつ均一な温度にLSIチ
ツプを冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による基盤上に搭
載された多数の半導体チツプを内蔵した密閉容器
の断面図。第２図は、本発明による半導体チツプ
冷却装置システムの一実施例。第３〜５図は各々
本発明の一実施例による半導体チツプの背面の斜
視図である。 １…半導体チツプ、２…基盤、３…ハツト、４
…密閉容器、５…液冷媒導入管、６…蒸気出口、
７…ドレーン、８…ノズル、９…噴射ミスト、１
１…凝縮器、１２…レシーバー、１３…ポンプ、
１６，１８…フイン、１９…開口、２０…表皮下
空洞。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に搭載された多数の半導体チツプを冷
   却する冷却装置において、密閉容器内に収納され
   た多数の半導体チツプの個々の背面と対向する位
   置に設けられた多数のノズルと、該ノズルから半
   導体チツプの背面に飽和、或いは、わずかに過冷
   却したミスト噴流を噴射し、該ミストを半導体チ
   ツプ背面で蒸発させて半導体チツプを冷却する手
   段と、半導体チツプ背面で蒸発、気化した蒸気
   を、前記密閉容器内もしくは密閉容器外に設けら
   れた凝縮器において凝縮液化させた後、レシーバ
   ーを経て液ポンプにより再び前記ノズルへ戻す手
   段を設けたことを特徴とする半導体チツプの冷却
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の冷却装置におい
   て、半導体チツプ背面に微細な多数のフインを設
   け、該微細な多数のフインはその全ての腹面に対
   し前記液ミストが到達するようなフイン頂角とし
   たことを特徴とする半導体チツプの冷却装置。 ３ 前記微細な多数のフインにおいて、フインを
   放射状に配置したことを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の半導体チツプの冷却装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の半導体チツプの
   冷却装置において、放射状に配置された多数のフ
   インの谷部もしくは谷部と屋根部両方が傘の骨状
   に中央部へ向つて盛り上つていることを特徴とす
   る半導体チツプの冷却装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の半導体チツプの
   冷却装置において、半導体チツプの背面に多孔質
   層を有する板を取り付けたことを特徴とする半導
   体チツプの冷却装置。