JPH08195455A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高発熱する半導体素子を実装したマルチチップ
モジュールに電源と信号の入出力を行うため植設された
ピンと、低荷重挿入型のコネクタによる発熱を強制空冷
する構造を備えた半導体冷却装置を提供する。 【構成】半導体素子２が実装されるセラミック多層配線
基板１に植設されている電源及び信号入出力用ピン５に
対抗する位置のプリント基板７に植設されるコネクタ６
の端部６ａをプリント基板７にプリント基板の厚さより
も長く貫通させ、この部分にファン１３によって冷却空
気１４をあてる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速コンピュータなど
に用いられるマルチチップモジュールに搭載された半導
体素子に給電，信号の入出力をするためのコネクタ部か
ら発生する熱を効果的に除去するのに好適な半導体冷却
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】年々、コンピュータへの高速化が要求さ
れ、大規模な半導体集積回路を高密度に実装する方法が
開発されている。そのため、半導体素子からの発熱は膨
大となり、この半導体素子を効率良く冷却することはま
すます重要になってきている。

【０００３】そこで、高い冷却性能を得る従来の冷却装
置として、図１０に示すように基板１上に配列された半
導体素子２の高さや傾きのばらつきを、所定の細かな隙
間をもって互いに組み合わせた熱伝導素子３によって吸
収しながら半導体素子から発生する熱を熱伝導によって
水冷ジャケット４内を流れる冷却水に放熱する構造が用
いられている。この構造において半導体素子２に給電と
信号の入出力を行う信号ピン５が設けられているが、集
積回路における集積度の増大に伴って、ピン本数は増加
しそのためピンピッチは微細化する傾向にある。また、
このピンと電気的に接続するコネクタ６は高密度に積層
されたプリント基板７に植設され内部に積層した銅パタ
ーンと電気的な接続をとる。組立て，補修等でプリント
基板７からセラミック基板１を抜き差しする際、構造体
の強度と作業の軽減の観点からできるだけ小さな力で挿
抜することが望まれる。そのため、このコネクタ６は低
荷重型のものが広く用いられている。

【０００４】この、図１０に示す従来の冷却構造は発熱
する半導体素子２自体の冷却に関するものである。しか
し、プリント基板７から電源と信号の入出力を行うた
め、ピン５とコネクタ６の１本当たりに流れる電流密度
が増大した場合、ピン５とコネクタ６との接触部ではそ
の接触面積が非常に小さいため電気抵抗が大きくジュー
ル熱が発生する。ここで発生した熱は温度の比較的低い
プリント基板７の方に流れる。しかし、積層されたプリ
ント基板７の母材は熱伝導率が小さく熱を放散しにくい
ためピン５とコネクタ６およびプリント基板７ともに温
度上昇してしまう欠点がある。この部分での温度上昇が
著しい場合は、プリント基板の熱膨張を促し、ピン５に
対し本来低荷重で接触するコネクタ６のピッチをずらし
正確な接触が得られないことや強度信頼性の点から材料
の劣化が促進されることが考えられる。

【０００５】また、図８，図９に示す特開昭57−196551
号公報に記載の従来技術はピン５を圧接挿入するコネク
タとして金属円筒１６を用い、隣り合う金属円筒１６と
２枚の板材１７で容器を構成しこの内部に電気絶縁性の
液体冷媒を入口１８から出口１９に向かって流通させ半
導体素子２から発生する熱をピン５から液体冷媒に放熱
させる構造が提案されている。しかし、この構造では隣
り合うピン５は互いに電気的に絶縁しなくてはならない
ため金属円筒１６に絶縁材の板材１７を接着した気密性
の高い容器を作らなくてはならない。さらに、ピンを金
属円筒１６に挿入するためピンのピッチが小さい場合は
すべてのピン５と金属円筒１６で均一な電気的接続を得
るため、基板１とプリント基板７、さらに板材１７との
線膨脹係数を考慮した高い位置精度が要求される。その
ため実際の組立て加工上はその実現は困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の図１０に示す半
導体冷却装置では、大電流を必要とする半導体素子が多
数実装された基板で、その電源および信号の入出力を行
うコネクタ部に関する冷却に関して何ら考慮されておら
ず、実際の装置の場合このコネクタ部とプリント基板を
所定の一定温度にできないという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、高発熱する半導体素子に
電源と信号の入出力を行う低荷重挿入型ピンコネクタを
用いた場合、ピンコネクタ部の発熱を強制空冷によって
冷却する構造の半導体冷却装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体冷却装置の構成は、一つないし複数
の半導体素子が配列し電源及び信号の入出力用ピンが複
数植設された基板と、前記ピンと対向する位置にあり多
層プリント基板に植設され前記ピンを板材の弾性力によ
って圧接し前記ピンを挿入するコネクタを備えた半導体
装置で、前記コネクタにおけるピンと接触する反対側の
端部を多層プリント基板に基板の厚さよりも長く貫通さ
せ、前記コネクタの貫通した部分に空気を強制的に流動
させるものである。

【０００９】さらに、前記コネクタの貫通した部分に強
制的に流動させる空気はプリント基板と平行に流すよう
ファンを取り付けるものである。

【００１０】さらに、前記コネクタの貫通した部分に強
制的に流動させる空気はプリント基板に垂直に当てるよ
うファンを取り付けるものである。

【００１１】さらに、前記コネクタの貫通した部分に平
板部材を接着するものである。

【００１２】さらに、前記コネクタの貫通した部分に電
気絶縁性の塗料を塗布するものである。

【００１３】

【作用】本発明の半導体冷却装置によれば、大電力を消
費する半導体素子に対して大きな電流が流れる基板のピ
ンコネクタ部の発熱を効果的に冷却できこの部分を一定
温度にすることができる。その結果、プリント基板の熱
膨張を抑制し、低荷重で接触するコネクタのピッチずれ
を防止できると共に、構成材料の強度信頼性を増すこと
ができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１５】図１は本発明の半導体冷却装置の一実施例
を示すマルチチップモジュールと基板の組み合わせの断
面図である。セラミック多層配線基板１上に配列された
多数の半導体素子２のそれぞれに、熱伝導素子３が熱的
に接触し、その上部には冷却水循環用の流路を有する水
冷ジャケット４を設ける。そして、半導体素子２から発
生した熱は熱伝導素子３に熱伝導で伝えられ水冷ジャケ
ット４内を流れる冷却水によってモジュール系外へ運び
出される。

【００１６】半導体素子２が実装されるセラミック多層
配線基板１の反対の面には半導体素子２の電源と信号の
入出力を行う金属製の細径ピン５が銀ろう付けによって
高密度に植設されている。この各々のピンに対向する位
置に、ピンに対して板の弾性力を利用して微小な圧力で
接触する金属製コネクタ６が多層プリント基板７のスル
ーホール８に貫通するように植設されプリント基板と接
する部分は半田付け９される。隣り合うコネクタ６の間
にはセラミック基板１とプリント基板７との間隙を一定
に保つ絶縁材料製のスペーサ１０が設けられている。ス
ルーホール８を貫通したコネクタ６の端部６ａは長く露
出し、プリント基板７とダクト１１で構成される空気流
路１２に小型ファン１３によって空気１４を流す。その
結果、ピン５とコネクタ６の接触部で発生した熱がコネ
クタ６内部を６ａの部分まで流れ周囲を流れるピン５よ
りも低温の空気１４によって運び去られピン５とコネク
タ６及びプリント基板７の温度上昇を防ぎ一定温度に保
つことができる。なお、熱伝導素子３は図１では基板１
に対して半導体素子２の実装時の高さや傾きのばらつき
を吸収するため、互いに微小な間隙でくし歯状に組み合
わせた構造体で示したが同様の目的の他の熱伝導素子構
造であっても本発明の効果は達成される。

【００１７】図２は、図１の本発明に関する主要部分の
斜視図であり、一対のピン５と低荷重型コネクタ６の組
み合わせで示している。

【００１８】図３は、他の実施例を示す図である。図１
の発明で、多層プリント基板７とダクト１１で構成した
流路１２内を多層プリント基板７に平行に流している空
気による冷却風１４を図３ではセラミック基板１の中心
法線方向からプリント基板７に垂直に当て周囲方向に流
そうとするもので衝突噴流の効果により高い熱伝達が得
られる。

【００１９】図４は、更に他の実施例の断面図でありプ
リント基板を貫通したコネクタ６ａに中央に穴の開いた
円形のフィン１５を一定間隔で複数半田付けし伝熱面積
を大きくしたものでより高い冷却性能が得られる。この
場合、隣り合うコネクタ端部同士は絶縁されなくてはな
らない。図５は、図４の発明に関する主要部分を立体的
に拡大した図で、一対のピン５とコネクタ６の組み合わ
せで示している。

【００２０】これまで図１から図５は、ピン５に対して
コネクタ６が二点で接触し、プリント基板７に対してセ
ラミック基板１を含むマルチチップモジュールをピン５
の軸方向から直接挿抜するダブルコンタクトのコネクタ
の図で示してきたが、図６のようにピン５に対し一点で
接触するシングルコンタクトの形式のコネクタでも本効
果は達成される。この場合、ピン５は軸方向から直接挿
入せず一旦、スペーサに接触する位置までモジュールを
下げその位置からコネクタ６と接点ができるようにスラ
イドさせる方法も可能になる。モジュールをプリント基
板から抜き離す場合は上記の逆の手順となる。

【００２１】図７は、図６の発明におけるピン５とコネ
クタ６の一対の組み合わせを取り出して示した図であ
る。

【００２２】なお、図１から図７に示す発明ではコネク
タ６の冷却部６ａの表面処理については触れていない
が、直流電圧が最大数ボルト程度かかるコネクタ６の端
部を露出させることが安全上危険である場合、表面に電
気絶縁性の塗料を塗布することにより危険性が解消され
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、大電力を消費する半導
体素子を動作させるため大きな電流が流れるコネクタの
端部をプリント基板から露出させ、この部分に低温の空
気を強制的に流すことによりコネクタ部での発熱を効果
的に冷却できピンとコネクタ及びプリント基板を所定の
一定温度にすることができる。その結果、プリント基板
の熱膨張を抑制し、ピンに対し低荷重で接触するコネク
タのピッチずれを防止し正確かつ複数のコネクタで均一
な電気的接続が得られると共に、構成材料の強度を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】本発明の図１の実施例を説明する斜視図。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図。

【図４】本発明の他の実施例を示す断面図。

【図５】本発明の図４の実施例を説明する斜視図。

【図６】本発明の他の実施例を示す断面図。

【図７】本発明の図６の実施例を説明する斜視図。

【図８】従来の半導体冷却装置の断面図。

【図９】従来の図８の半導体冷却装置の説明図。

【図１０】従来の他の半導体冷却装置の断面図。

【符号の説明】

１…セラミック多層配線基板、２…半導体素子、３…熱
伝導素子、４…水冷ジャケット、５…ピン、６…コネク
タ、７…多層プリント基板、８…スルーホール、９…半
田付け、１０…スペーサ、１１…ダクト、１２…流路、
１３…ファン、１４…空気。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 圭三 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 大黒 崇弘 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一つないし複数の半導体素子が配列し電源
   及び信号の入出力用のピンが複数植設された基板と，前
   記ピンと対向する位置にあり多層プリント基板に植設さ
   れ前記ピンを板材の弾性力によって圧接し前記ピンを挿
   入するコネクタを備えた半導体装置において、 前記コネクタにおける前記ピンと接触する反対側の端部
   を前記多層プリント基板に前記多層プリント基板の厚さ
   よりも長く貫通させ、前記コネクタの貫通した部分に、
   空気を強制的に流動させることを特徴とする半導体冷却
   装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記コネクタの貫通し
   た部分に強制的に流動させる空気を前記多層プリント基
   板と平行に流すようにファンを取り付けた半導体冷却装
   置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記コネクタの貫通し
   た部分に強制的に流動させる空気を前記多層プリント基
   板に垂直に当てるようにファンを取り付けた半導体冷却
   装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記コネクタの貫通し
   た部分に平板部材を接着した半導体冷却装置。
5. 【請求項５】請求項１において、前記コネクタの貫通し
   た部分に電気絶縁性の塗料を塗布する半導体冷却装置。
6. 【請求項６】請求項１において、前記半導体素子は、Ｌ
   ＳＩチップである半導体冷却装置。