JPH0442931Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔概要〕 冷媒の気化熱を使用して回路基板上に配列して
装着されている半導体チツプを効率的に冷却する
方法として、回路基板を側面部に、凝縮部と冷却
液溜めを上面部に、またスタート用ヒータと冷媒
溜めを底面部に備え、底部に冷媒を入れて減圧排
気し密封した構造。

〔産業上の利用分野〕

本考案は気化熱を利用して効率よく冷却を行う
半導体装置の冷却構造に関する。

情報処理装置の処理能力を向上する方法として
多数の半導体素子から構成されている半導体装置
は単位素子の小形化と共に素子数の増大が行われ
ている。

すなわち、単位素子を形成する電極寸法や導体
パターン幅は極度に縮小されており、一方素子数
は増大してLSIやVLSIが実用化されている。

また、配線基板への実装方法も改良され、従来
は半導体チツプ毎にハーメチツクシールパツケー
ジに格納してあり、これをプリント配線基板に装
着していたが、今後の形態としてはパツシベーシ
ヨン技術の進歩により、複数個のLSIチツプをセ
ラミツクなどの回路基板に装着してLSIモジユー
ルを作り、これを取替え単位として配線基板に装
着する方法がとられるに到つている。

このように単位素子の小形化と高密度化が進む
に従つて半導体装置の発熱量も膨大となり、従来
の空冷方法では素子の温度を最高使用温度範囲内
に保持することは不可能になつた。

すなわち、今までLSIチツプの発熱量は最高で
も４ワツト程度であつたが、VLSIにおいては10
ワツト程度に達しようとしている。

以上のことから、半導体装置の冷却方法は従来
の空冷や強制空冷に代わつて液冷が必要となつて
いる。

〔従来の技術〕

考案者は多数のLSIを多層回路基板に搭載した
半導体装置の液冷方法について既に数件の実用新
案を申請中である。

例えば実願昭59−016496（59年２月８日出願）、
実願昭59−019428（59.2.14出願）、実願昭59−
099389（59.6.29出願）、実願昭59−099390（59.6.29
出願）、実願昭59−157527（59.10.18出願）など、 これらの出願の要旨は半導体チツプを装着した
回路基板を非腐蝕性で且つ非解離性で沸点がチツ
プの最高使用温度である85℃以下の冷媒、例えば
フレオン（C₂Cl₃F₃沸点49℃）や各種のフルオロ
カーボン例えばC₅F₁₂（沸点30℃）、C₆F₁₄（沸点56
℃）などの液に浸漬して密封し、回路基板は容器
の内側に設けたコネクタを通じて外部回路に接続
するか、或いは回路基板を密封容器の側壁として
使用し、裏面より導出したリードピンにコネクタ
を挿入して回路接続を行つている。

そして、動作中に半導体チツプより沸騰して気
化する冷媒は液中および容器上部の空〓部に設け
てある熱交換機（凝縮器）により冷却して再び液
状の冷媒に戻している。

ここで、各出願の特徴は高温に発熱したLSIチ
ツプから沸騰してくるガス状の冷媒によりLSIチ
ツプが覆われて断熱状態となるのを防ぐと共に如
何にして速やかにガス状の冷媒を液化させるかに
かかつている。

このように従来の冷却構造は何れも半導体チツ
プを冷媒中に浸漬して冷却する構造がとられてい
る。然し、このような液冷構造は半導体チツプの
発熱量が従来のように数Ｗ程度の場合は差支えな
いが、10W程度と大きい場合には激しく沸騰が起
こることにより、チツプの表面が気化したガスに
より覆われて冷媒と遮断されて断熱状態になり、
異常に温度上昇する危険性がある。

そのため、電力消費量の大きな半導体チツプに
も使用可能な冷却構造が求められている。

〔考案が解決しようとする問題点〕

以上記したように電力消費量の大きな半導体チ
ツプを装着した回路基板を冷媒中に浸漬し、半導
体チツプに接した冷媒の気化熱により冷却する方
法は沸騰し気化したガスにより表面が覆われて断
熱状態となる恐れがあり、このような現象の起こ
らない冷却方法が必要である。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題は半導体チツプ装着用の凹部をマト
リツクス状に配列して形成してある各凹部に半導
体チツプを嵌入させた回路基板を備えた側面部
と、凝縮器と凝縮液溜めとを備えた上面部と、ス
タート用ヒータと冷媒溜めとを備えた底面部と、
により密封容器が形成されており、該容器内を排
気した後、冷媒を封入してなる半導体装置の冷却
構造により解決することができる。

〔作用〕

本考案はヒートパイプの考え方を半導体装置の
冷却構造に応用するものである。

第２図はヒートパイプの構成を示す原理図であ
つて、銅（Cu）など熱電導の優れた金属よりな
り、両端を封じたパイプを排気して中に少量の冷
媒が封入されている。

そして、一端を加熱し、他端を冷却しておくと
冷却部は冷媒分子の液化によつて減圧状態にある
ために加熱部で気化した冷媒分子１は冷却部に吸
引されて液化し、液化した冷媒分子２は元の方向
に流れて循環し、これにより冷却が行われる。

ここで、ヒートパイプの冷却効率は、 加熱部と冷却部との温度差が大きいほど、 冷媒分子の沸点が低いほど、 顕著である。

そこで、本考案に係る冷却構造はヒートパイプ
の金属管に当たる中央部分に多数の半導体チツプ
を装着した回路基板を設け、底部に冷媒溜めとス
タート用ヒータを、また上部に凝縮器を設けるこ
とにより冷媒を循環せしめ、上部で液化した冷媒
を半導体チツプ上に流下させ、半導体チツプ上で
気化させながら順次流下させて冷媒溜めに戻す方
法をとることにより、半導体チツプの表面が気泡
により覆われて冷却効果が減少することを防ぐも
のである。

〔実施例〕

第１図は本考案を実施した冷却装置の構成を示
すものであつて、同図Ａは冷却装置の断面図、ま
た同図Ｂはこの側面を形成する回路基板の正面図
である。

すなわち、多数の半導体チツプ（以下略して
LSI）３を装着した回路基板４を対向させて密封
容器の両面を形成した。

そして、上部には二個の冷却パイプ５からなる
凝縮部６と冷却液溜め７とを設け、また下部には
冷媒溜め９があり、その底部にはスタート用ヒー
タ８が設けられている。

ここで、底部にスタート用ヒータ８を備える理
由はLSIに通電が行われる前は容器内における溶
媒の蒸気圧は低く、上部の冷却液溜め７には冷媒
はなく、上部より冷媒が流下する状態ではないか
らである。

そこで、LSIへの電圧印加に先立ち、まずスタ
ート用ヒータ８に通電して冷媒を気化せしめると
共に冷却パイプ５に水を通して冷却させ、上部の
冷却液溜め７から冷媒を流下させることが必要で
ある。

なお、通電によりLSI ３が発熱し、回路基板
４の温度が上昇して冷媒溜め９の冷媒が激しく気
化する状態になればスタート用ヒータ８の加熱は
止めるが、電力消費の少ないLSI ３を使用して
いる場合にはスタート用ヒータ８に引き続け通電
して流下量を一定に保つことが必要である。

なお、LSI ３は冷媒却液溜め７から流下する
冷媒によつて良く濡れることが必要であり、この
ためLSI ３は第１図Ａに示すように回路基板４
に設けてある凹部１０に嵌入して設けてあり、突
出していないことが必要である。

また同図Ｂに示すように回路基板４には冷媒の
流下を助ける流下溝１１を設けて冷媒が選択的に
LSI ３の上を流れるようにするとよい。

このようにLSI ３の上に常に冷媒が流下する
ようにすると気泡により覆われて断熱状態となる
ことがないので、冷却は充分に行うことができ
る。

〔考案の効果〕

以上記したように本考案の実施により冷却能力
の優れた半導体装置の冷却構造を実用化すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは本考案に係る冷却装置の断面図、第
１図Ｂは冷却装置内の回路基板の正面図、第２図
はヒートパイプの原理図、である。 図において、３はLSI、４は回路基板、５は冷
却パイプ、６は凝縮部、７は冷却液溜め、８はス
タート用ヒータ、９は冷媒溜め、である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 半導体チツプ装着用の凹部１０をマトリツクス
   状に配列して形成してある各凹部１０に半導体チ
   ツプ３を嵌入させた回路基板４を備えた側面部
   と、 凝縮部６と冷却液溜め７とを備えた上面部と、 スタート用ヒータ８と冷媒溜め９とを備えた底
   面部と、 により密封容器が形成されており、該容器内を排
   気した後、冷媒を封入してなることを特徴とする
   半導体装置の冷却構造。