JPS60249352A - 沸騰冷却型回路基板の実装構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａｌ　発明の技術分野 本発明は半導体素子やその他の発熱素子等の回路素子が
搭載される沸騰冷却型回路基板の実装構造に関する。

山）技術の背景 周知のように、半導体素子はＩＣ，ＬＳＩとなって著し
く高密度化、高集積化されてきたが、そのため、半導体
素子はその集積度に比例して単位面積当たりの発熱量が
増加してきた。また、同じ集積度の半導体素子であって
も、高速動作する型式の半導体素子は、電流を多く消費
して発生熱量が大きい傾向にある。例えば、バイポーラ
型素子はモス型素子よりも発熱量が大きくなる。更に、
抵抗素子なども小型化して単位面積当たりの発生熱量が
増加している。

このような電子回路において、従前からも素子や回路基
板を冷却する手段が考えられており、例えば強制的に空
気を送り込む強制空冷法がある。

この冷却の必要な理由は、例えばシリコン素子の場合に
は８５℃以上に加熱されると、素子が破壊されて動作が
不能になるからである。しかし、空冷には限界があって
、半導体素子の高集積化と共に１ワン）／ｃａ＋以上の
発熱量がある半導体素子には適用が困難である。

一方、効率の良い冷却法として古くから液冷法が知られ
ているが、半導体素子の液冷は構造が複雑になるために
、従前は余り使用されていなかった。ところが、上記の
ように、空冷法の限界から液冷法が注目されはじめ、ま
た、半導体素子も液冷以外では冷却が不可能な程、高集
積化されてきた。

このような液冷法のうち、本発明に係わりのある液冷法
は、フロオロカーボンのような沸点の低い溶媒に半導体
素子を実装した回路基板を浸漬し、沸騰循環させて冷却
する方式、所謂沸騰冷却型であり、その回路基板の実装
構造に関している。

沸騰冷却型液冷法は液体が蒸発する潜熱を利用するため
、最も冷却効率が良くて、１５〜２０ワット／ｅｄ程度
の発熱量がある半導体素子にも適用できる。且つ、最近
に開発されたＨＥＭＴは液体窒素（−１９６℃）の中で
、その高速動作が約束されるトランジスタであり、この
ＨＥＭＴにも沸騰冷却型が応用される。

（Ｃ１従来技術と問題点 第１ＦＩ！Ｊは半導体素子を実装した沸騰冷却型電子回
路装置の概要断面図を例示しており、１は回路基板収容
容器、２は冷媒液、３は同容器の空間。

４は冷却器、５は回路基板、６は半導体素子（あるいは
その他の回路素子〉である。このような回路基板の冷却
原理は、まず、回路をスイッチオンすると半導体素子が
発熱して、そのために液温か上昇し、沸点の低い冷媒（
例えば沸点４７．６°Ｃのフロオロカーボン）は沸騰し
て泡立つ。そうすると、冷媒の攪拌作用が起こり、又、
空間３に蒸発した冷媒は冷却器４で冷やされて液体に還
えり、液中に戻される。かくして、冷媒の沸点温度以上
に半導体素子が昇温されるのが抑止されるのである。

第２図は１つの回路基板の斜視図を示しており、回路基
板５はセラミック製が多く、且つ、高密度に実装される
多数の回路素子は殆んどが半導体素子６である。第３図
は半導体素子６を装着した回路基板の部分断面図を示し
ており、半導体素子６は通當、電極バッド６ｐによって
回路基板５に接続されているから、半導体素子６と回路
基板５との間隔は極めて狭＜、０．１〜０．３ｗ程度の
間隙しか設けられていない。即ち、フリップチップ（半
導体素子）の電極パッド６ｐ　（半田バンブ）自体の高
さがＯｙ１〜０．３鶴程度である。

一方、泡立つ気泡は０．５ｍｍないし１ｍｍの太きさで
あるため、上記した半導体素子と回路基板との対向面の
間隙からは泡立つこと（気泡処理）ができず、この対向
面からの冷却は行なわれていない。そのため、半導体素
子６は背面からのみ沸騰し泡立って冷却されており、そ
れでは半導体素子６の冷却効率は不十分で、冷却効率は
半導体素子の両面が冷却される場合の５０％位に過ぎな
い。

従って、回路基板に細工を加え、半導体素子６が回路基
板に対向する面からも気泡を泡立たせ、素子の背面と対
向面との両面から冷却する方式が検討されており、第４
図にその回路基板の実装構造例を示している。本例は、
回路基板７の半導体素子６と対向する面に凹形溝８を設
け、半導体素子６はその溝を跨いで搭載される構造であ
る。また、その他の構造例も考案されているが、これと
同じく回路基板を複雑な形状に形成する方式であり、こ
のような形状の回路基板の作成は大変厄介で、歩留が悪
く高値になる欠点がある。

（ｄｌ　発明の目的 本発明は、冷却効率が是正されると共に、作成の容易な
回路基板からなる沸騰冷却型回路基板の実装構造を提案
するものである。

ｔｅｌ　発明の構成 その目的は、複数の回路モジュールを直交させた、格子
状の回路基板上に、隣り合った前記短冊形回路モジュー
ルの間に跨って回路素子が実装されている構造を有する
沸騰冷却型回路基板の実装構造によって達成される。

ｆｆｌ　発明の実施例 以下１図面を参照して実施例によって詳細に説明する。

第５図は本発明にかかる実装した回路基板の斜視図を示
しており、一方向に短冊状回路モジュールｌｌａ、　ｌ
ｌｂ、　ｌｌｃ、　ｌｉｄが並列され、それら回路モジ
ュールの相互間隔は半導体素子６０幅より狭い幅に形成
させである。これに直交する方向に、他の短冊状回路モ
ジュール１２ａ、　１２ｂが並列して、図のような格子
状の回路基板１３の構造となっている。

そうして、半導体素子６は短冊状回路モジュール１１ａ
、　ｌｌｂ、　Ｉｌｃ、　ｌｉｄの相互の間に跨がって
、回路モジュール１２ａ、　１２ｂと同方向に搭載され
、回路モジュールと半導体素子とは素子の電極パッド６
ｐで接続され、保持されている。

半導体素子の大きさを１０ｍｍ角程度にすれば、回路モ
ジゴールは幅１０１１回路モ回路モジゴール相互隔は５
〜８ｍＭ位にして、２つの回路モジュールの間を跨いで
、半導体素子６を搭載させる。

このように３−れば、半導体素子６の両面から気泡が泡
立って冷媒が攪拌され、攪拌によって冷媒が循環して、
素子が冷却される。そうすると、冷却効率は約２倍に上
がる。第６図は第５図のＡＡ方向の部分断面図を示して
おり、その効果を図に示したものである。

回路基板１３の作成法は、回路モジュール相互の電極を
半田付けして接続すれば良く、第７図に示すように半導
体素子６の電極バッド６ｐを半田付けする際、同時に半
田付けして組み立てることができる。従って、その作成
は簡単である。なお、多数個を同時に半田付けすること
が面倒であれば、予め回路モジュールの電極だけ高融点
半田で半田付けして作成し、次いで半導体素子を低励点
半田で半田付すする方法で作成しても良い。

（ｇｌ　発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によれば冷媒液
の沸騰攪拌による冷却が半導体素子の両面で生じ、冷却
効率が約２倍になって、且つ回路基板の作成も簡単であ
る。

従って、本発明を適用すれば、安価な回路基板を使用し
て、且つ高密度な電子回路が作成され、回路の高性能化
に大きな効果を与えるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰冷却型の電子回路装置の概要断面図、第２
図は従来の回路基板の斜視図、第３図はその部分断面図
、第４図は他の従来例の回路基板の斜視図、第５図は本
発明にかかる回路基板の斜視図、第６図はその部分断面
図、＄７図はその組立方法を示す斜視図である。 図中、１は回路基板収容容器、２は冷媒液、３は同容器
の空間、４は冷却器、５は従来の回路基板、６は半導体
素子（またはその他の回路素子）。 ６ｐは接続バンド、　１１．１２は回路モジュール、１
３は本発明にかかる回路基板を示している。 第１図 第２図 第３図 第　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数の短冊形回路モジュールを直交させた、格子状の回
   路基板上に、隣り合った前記短冊形回路モジュールの間
   に跨って回路素子が実装されている構造を有することを
   特徴とする沸騰冷却型回路基板の実装構造。