JPH0533015Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔概要〕 回路基板上に搭載してある半導体チツプを複数
列に分割し、この列の上にフードを設け、このフ
ード中に冷媒を流して半導体チツプを冷却する構
造において、半導体チツプ間にピンを設けること
により乱流を起こさせ、冷却効率を高めた半導体
装置の冷却構造。

〔産業上の利用分野〕

本考案は冷却能力を向上した半導体装置の冷却
構造に関する。

情報処理装置の処理能力を向上するため、多数
の半導体素子を用いて構成される半導体装置は単
位素子の小形化による集積化が行われている。

すなわち、単位素子を形成する電極の寸法や導
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、これがプリント配線基板に装
着されていたが、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のLSIチツプをセラ
ミツクなどの回路基板に搭載してLSIモジールを
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内に
保持することは不可能になつた。

以上のことから、半導体装置の冷却方法は従来
の強制空冷に代わつて冷却方式をとる必要である
が、この場合、効果的な液冷方法が求められてい
る。

〔従来の技術〕

半導体装置の液冷方法として各種の方式が考案
されている。

例えば、複数のLSIを搭載した回路基板を容器
の内側側面或いは内側底部に設けてあるコネクタ
を通じてが外部回路と接続するようにし、容器の
内部に沸点が半導体チツプ（以下略してチツプ）
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℃）
などの液に浸漬すると共に容器の上部に熱交換機
を設けて密封する構造などが試みられている。

このような構造は動作中に高温に発熱したLSI
チツプから沸騰してくる冷媒ガスを熱交換機で冷
却して液化し、回収して循環させる構造である。

然し、このように冷媒が静止しており、沸騰→
気化→冷却サイクルをとる方式はチツプの発熱量
が膨大でない場合はよいが、温度上昇が著しい場
合はチツプと冷媒との界面が沸騰により気化した
ガスにより覆われるために断熱状態となり、チツ
プの温度は急激に上昇して破壊に到ると云う危険
性がある。

これを避ける方法として冷媒を循環させる方法
が試みられている。

然し、多数のチツプが搭載されている回路基板
に一様に冷媒を循環させる場合には流速分布の不
均一のために冷却効率がチツプ毎に異なると云う
問題がある。

そこで、この解決法として第３図に示すように
回路基板１に搭載してあるチツプ２を複数列に分
割し、このチツプ列にフード３をかぶせ、この中
に冷媒を強制流動させる構造が試みられている。

第４図はフード内の部分平面図であつて、回路
基板１に搭載してあるチツプ２の上を冷媒が矢印
４で示すように強制流動している状態を示してい
る。

ここで、冷媒の沸点が低く、チツプに定格電圧
が印加されている状態で猛烈な発泡が起こる場合
を別にすると、冷媒は第４図の矢印で示すように
概ね平行に流れる結果として川上のチツプに接し
て幾らか温度上昇した冷媒はそのまま川下のチツ
プに当たつて冷却すると云うプロセスが繰り返え
される結果として冷却効率が充分でなかつた。

〔考案が解決しようとする問題点〕

以上記したように回路基板上に配列しているチ
ツプ列にフードをかぶせ、このフードに冷媒を強
制流動させる冷却構造においてはチツプ上を流れ
る層流がそのままの状態で流れるために、下流位
置のチツプほど冷却が充分に行われないと云う問
題がある。

〔問題点を解決するための手段〕 上記の問題は回路基板上に搭載してある半導体
チツプを複数列に分割し、該チツプ列をそれぞれ
フードで覆うと共に、該フード中に冷媒を強制流
動させて上記半導体チツプを冷却する液冷構造に
おいて、回路基板上に搭載した半導体チツプの間
にピンを設けた冷却構造により解決することがで
きる。

〔作用〕

本考案はチツプ上を流動する冷媒に乱流を起こ
して冷媒を攪拌することにより冷却効率を高める
ものである。

ここで、乱流を起こす方法としては冷媒を対流
させるときに気泡を混ぜるとか、流速を変化させ
るなどの方法がある。

然し、冷媒中に気泡を混ぜるとチツプの表面に
当たる冷媒の量が減少し、また気泡がチツプの表
面に当たるため断熱状態になり易い。

また、流速を変化させる場合は流速が極小にな
つたところで冷却能力が低下する恐れがある。従
つて冷媒中に気泡を混ぜたり流速を変化させるの
は好ましくない。

そこで、本考案はチツプの間に単数あるいは複
数のピンを設け、このピンにより乱流を生じさせ
て冷媒を攪拌することにより効果的な冷却を行う
ものである。

〔実施例〕

第１図は本考案に係る冷却構造の斜視図であつ
て、回路基板１の上に搭載してあるチツプ２の間
にピン５を設けるものである。

ここで、ピン５は同図に示すように回路基板１
の上に設けてもよいし、またフードの側面に設
け、チツプ面と平行になるよう形成してもよい。

第２図はチツプ２の間にピン５を回路基板１に
直角に配置した場合に起こる乱流６を模式的に示
すもので、このピン５の存在により冷媒は攪拌さ
れて冷却効率が向上する。

ここで、チツプ２の間に立てるピン５の数は１
本に限らず複数本でもよいが、数が多いと流動抵
抗が増して流速が下がり、逆に冷却効率が低下す
ると云う問題があり、ピン径により決まる最適値
が存在する。

第５図と第６図はピン数とピンの直径とが冷却
能力に及ぼす影響についての実験結果であり、ア
ルミナ（α−Al₂O₃）からなる回路基板上に10mm
角のLSIチツプを15mm間隔で縦に10個装着してチ
ツプ列を作り、このチツプ列の上に20（幅）×５
（高さ）×200（長さ）mmのフードを設け、これに沸
点が56℃のC₆F₁₄を流速0.7m／ｓで強制流動させ
た場合の結果である。

そして、評価法として10個のチツプのうちの何
れかのチツプの温度が80℃を越えるときの印加電
力を最大冷却能力とした。

第５図は第１図のように配列してあるチツプの
間に設けてある直径が２mmのピンの数を変えた場
合で、２〜４本程度が効率がよく、これよりも多
い場合は冷却能力が低下することを示している。

また、第６図はピンの数を２本に限定し、ピン
の直径を変えた場合で、２〜４mm程度が適当なこ
とを示している。

以上の結果からチツプの間にピンを設けて乱流
を起こすことにより冷却効率が向上することが判
る。

〔考案の効果〕

以上記したように本考案の実施により簡単な構
造でチツプの冷却効率を向上することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る冷却構造の斜視図、第２
図は本考案に係る冷却構造を説明する平面図、第
３図は従来の冷却構造の斜視図、第４図は従来の
冷却構造を説明する平面図、第５図はピン数と冷
却能力との関係図、第６図はピン径と冷却能力と
の関係図、である。 図において、１は回路基板、２はチツプ、３は
フード、５はピン、６は乱流、である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 回路基板上に搭載してある半導体チツプを複数
   列に分割し、該チツプ列をそれぞれフードで覆う
   と共に、該フード中に冷媒を強制流動させて上記
   半導体チツプを冷却する液冷構造において、 回路基板上に搭載した半導体チツプの間にピン
   を設けたことを特徴とする半導体装置の冷却構
   造。