JPS6211509B2 - - Google Patents

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JPS6211509B2
JPS6211509B2 JP54080265A JP8026579A JPS6211509B2 JP S6211509 B2 JPS6211509 B2 JP S6211509B2 JP 54080265 A JP54080265 A JP 54080265A JP 8026579 A JP8026579 A JP 8026579A JP S6211509 B2 JPS6211509 B2 JP S6211509B2
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JP
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heat
tunnel
heat sink
liquid
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Okutei Sebujin
Jei Togaasen Jeraado
Shii Uon Arekisandaa
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International Business Machines Corp
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    • Y10S165/908—Fluid jets

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子装置の冷却技術に係り、更に具体
的には本発明はLSI装置を冷却するのに有効な構
造体に係る。
LSI技術の発展に伴つてシリコン体内の熱の消
散に関する問題が増大した。これらシリコン体か
ら熱を取り除くための最も魅力的な方法の１つは
浸漬冷却系を用いるものである。この冷却系に於
て、半導体装置は冷却液に浸漬される。用いられ
る液体は誘電性で、その典型として低沸点を呈す
る。その液体は装置の表面で沸とうし、よつて装
置を冷却する。次いで液体から熱を取り除く。
沸とう状態を生ぜしめるための対流による加熱
プロセスは次のように理解されている。装置が液
体の温度よりわずかに高い温度に加熱されると、
装置に直接に隣接する液体の部分と残部との間に
温度傾度が生じ、浮力によつて発生される自然な
対流が誘起される。自然対流は、装置が液体の沸
点より十分に高い温度に達して表面上に泡が生じ
始めるまで優勢である。沸とう開始に必要な過熱
の量は表面の核形成（nucleation）特性に依存す
る。気泡の発生と分離のプロセスによつて境界層
に於ける強い撹拌が生じ、熱転移に於ける顕著な
進展が見られる。熱に対する熱消散が更に増大す
ると、更に多くの気泡の柱が形成され、遂にはそ
れらが相互に干渉し始める。薄層状沸とう（film
boiling）の開始が、核形成沸とう（nucleate
boiling）の上限を示す。気泡の相互作用によつ
て、加熱された表面上に蒸気の薄層が生じ、表面
に対する液体の供給が制限されるものである。
冷却体管等に流される液体の冷却体によつて
種々の型の半導体装置が冷却されたが、これらの
装置はUSP3711789、USP3784885、USP3771027
及びUSP3771031に示されるサイリスタ、レー
ザ、LED等の装置であつた。これらの冷却技術
は単純に対流冷却を用いるものであつて、液体は
沸点に達する事を許されない。
USP3512582、USP3741292及びUSP4050507に
於て、核形成沸とう熱転移法及びその装置が開示
されている。これらのUSPに於て、半導体装置の
ような熱発生素子を有するモジユールが低沸点の
誘電性液体内に配置される。液体の液面の上に蒸
気用の空間が設けられる。電子素子が液体を加熱
し、その電子素子の表面に於て核形成沸とうを生
じる。USP4050507に於て、チツプの少くとも裏
面上に配置され且つその裏面が露出され、垂直に
配向されるように取りつけられた核形成沸とう位
置をもつた電子チツプを開示している。
他の型の冷却用構造体がUSP3993123及びIBM
TDB Vol.20、No.11A、April 1978の第4334頁及
び第4335頁に示される。これらは熱発生電子装置
に対して力を加えるピストンの型をした熱伝導性
素子を用いている。熱発生装置及びピストンの周
囲はヘリウムのようなガス、あるいは電子装置と
ピストン間の熱転移を助長する液体である。
大電力の半導体装置の液体浸漬冷却に於て遭遇
する大きな問題の１つは薄層沸とう（film
boiling）である。熱消散表面に取りつけられた
熱シンクによつて与えられるような大きな熱転移
面積は熱転移率の増大をうながす事が知られてい
るが、熱シンクは薄層沸とうを遅延させるのには
必ずしも有効ではない。表面積の著しい増大をも
たらし且つ核形成沸とうを含む全てのモードの熱
転移のために用いる事のできる特定の熱シンクは
IBM TDB Vol.20、No.6、November1977の第
2218頁に開示されるようなデンドライトである。
本発明に従う、基体上に少くとも１個の熱発生
半導体装置を含む液体封止モジユール構造体を以
下に於て説明する。容器は基体がその容器の内側
に対する垂直側壁を形成するような密封関係を保
つた状態で基体にとりつけられる。内部に複数の
垂直方向に配向されたトンネルを有する熱伝導体
よりなる熱シンクが熱発生半導体装置の１つの側
面上に形成される。容器には熱発生装置を完全に
おおう低沸点液体でもつてほぼ満たされている
（完全には満たされていない）。液体から熱を取り
除くための手段が設けられている。トンネルは完
全に液体に浸漬されており、よつて電気的動作に
より半導体装置が加熱される間に、トンネルの中
で気泡が形成され、上方へ及びトンネルの外へと
伝わり、半導体装置の冷却を促進する。
半導体装置は金属接続体によつて基体へ物理
的、電気的にフエースダウン接続される。基体に
対して金属接続体がほどこされる側面上に、半導
体装置に於けるIC構造体が形成され、よつて短
絡を防止するために基体はこれらの金属接続体に
よつて半導体装置から離隔されねばならない。垂
直に配向されるトンネルは金属接続体の間に形成
される。
従来技術を用いる第１図Ａの装置を参照する
と、LSI半導体装置１０が示されている。基体１
２から半導体装置１０を離隔させる金属接続体１
４によつて、半導体装置１０は基体１２に対して
物理的及び電気的に取りつけられる。図示されな
い熱伝導性材料を半導体装置１０及び基体１２の
間の空間内に配置してもよい。熱シンク１６は半
導体装置１０の背面上に基体１２から離れた位置
に取りつけられる。この熱シンクはその内部にト
ンネル即ち孔１８を含んでいる。熱シンク１６を
半導体装置１０へ取りつけるために任意の適当な
ボンデイング技術を用いることができる。ボンデ
イング技術の例としては、金―シリコン共融ボン
デイング法、装置上のクロム―銅層とインジウム
半田とを用いるボンデイング法、熱グリース
（thermal grease bonding）ボンデイング法及び
ドライ加圧接続（dry pressured contact）法が
ある。
第１Ｂ図は半導体チツプ１０の背面上にトンネ
ル型の熱シンクを設けたものの従来技術を用いる
他の例を示す。この例に於ては、チヤンネル２２
が熱シンク２０の表面に形成されている。熱シン
ク２０が半導体装置へボンデイングされると、そ
のチヤンネルは半導体装置１０の背面と共にトン
ネルを形成する。ボンデイングは任意適当なボン
デイング技術によつて実施される。上述のボンデ
イング技術の任意のものを用いることができる。
ボンデイングの段階に於てこれらのチヤンネルの
つまりを避けるように注意を払う必要がある。
第２図及び第３図はトンネル２４を有する本発
明の実施例を示す。トンネル２４は半導体装置１
０及び基体１２の間に形成されている。入力、出
力ピン２６が第２図に於て基体１２から突出して
いる。
トンネル２４は半導体チツプ１０の金属接続体
１４の間に0.1ミリメートルのオーダーの小直径
のフアイバーを置く事によつて形成されてもよ
い。微晶ロウのような適当な電気的に絶縁性の熱
伝導性ワツクス２８がチツプの下に与えられ、ワ
ツクスの硬化した後にフアイバーが引きぬかれ
る。このワツクス・プロセスはウエハから半導体
チツプをダイシングする前のウエハ・レベルに於
て実施すること並びに半導体チツプ１０が金属接
続体１４によつて基体１２へ接続された後にフア
イバーを引き出されることが好ましい。そのよう
にして金属接続体間に形成されたトンネル２４は
“煙突”のような働きをし、これを通して気泡の
核形成成長が促進され、よつて第３図に示される
ようにして高い熱転移係数が達成される。トンネ
ル２４は連続的で且つ冷却動作の間はチツプの下
に於て垂直に配向されねばならない。
従来技術を用いる第１Ａ図及び第１Ｂ図の装置
と第２図及び第３図に示される本発明の装置を比
較して明らかな様に、本発明の様な構造を採用す
る事によつてよりコンパクトな構造体が得られる
事及び上記従来技術の場合と較べて熱シンクを半
導体装置の形成される面即ち発熱源により接近し
て配置する事ができるので、効率の良い冷却を行
なう事ができる。より具体的に云うと、小型化の
観点からして各チツプに従来の様な大型の放熱片
を当接させる事が好ましくない場合、例えば基板
にチツプを実装したものを何段も重ねて複数段建
て形式のモジユールを作る場合に於いて、よりコ
ンパクトでしかも効率のよい放熱機能を備えたモ
ジユールが得られるという格別な作用効果が本発
明によつて奏せられる。
第４図は高密度IC装置を冷却するための液封
入モジユール系の一例を示す。図に於ては例とし
て４個の高密度ICが示される。装置は半導体チ
ツプ３２及び該チツプの裏側へボンデイングされ
たトンネル３６を含む熱シンク３４を有する。基
体４０へIC装置を物理的、電気的に接続するた
めの金属接続部３８が示される。基体は入力、出
力ピン４２を有し、これらが装置３２内の半導体
ICを他の電子系へ接続する。容器４４は冷却液
体４６を含む。容器４４の内容物はほぼ一定の圧
力下に維持される。液体４６はフルオロカーボン
の一種、例えばパーフルオロ―ｎ―ヘキサン
（perfluoro―ｎ―hexane）のような低沸点の誘電
性液体である。容器４４内が一定圧であることに
よつて、沸点が一定の温度に維持される。液体４
６は容器４４内を移動し、半導体装置からの熱に
よつて部分的に蒸発し、その蒸気が液化し、そし
て液体が熱交換構造体５０によつて冷却される。
ポンプ４８を熱交換構造体５０と容器４４の間に
設けることができ、これによつて冷却液体４６の
容器４４への復帰が促進される。
第５図は高密度IC装置のための冷却システム
の第２の実施例を示す。それは基体とチツプのと
りつけ方に関して第４図のものと同じ故、同じ参
照番号が用いられる。相異点は冷却システムから
熱を取り除く手段にある。適当な水のような第２
の冷却液体５４が熱伝導フイン５２に接する冷却
板５６を通して移動し、熱をフイン５２から熱交
換構造体５０へと運ぶ。容器４４内に於て、熱は
トンネルから沸とうする液体４６へと移り、次い
でフイン５２へと移る。
第６図は浸漬冷却及び伝導冷却の両方が用いら
れる他の実施例を示す。半導体チツプ６６は金属
接点６２によつて基体６４上に取りつけられる。
熱シンク６５は半導体装置６６の裏面上にボンデ
イングされる。熱シンクは第１Ａ図、第１Ｂ図、
第２図及び第３図等に示されたトンネルを含む。
その構造体はトンネルが気泡が昇つていく“煙
突”として働くように垂直に向けられる。バネに
よつて押しつけられた熱伝導性ピストン６７が更
に伝導性熱転移によつてIC装置６６を冷却する
ように働く。ピストン６７はモジユールのハウジ
ング６８内に設置される。循環流体７４を有する
付着された冷却板７０がピストン６７を冷却す
る。ピストン６７は図示されるように先に丸味を
つけたものでもよいし、あるいは平坦なものでも
よい。ピストン・チツプの表面に丸味をつけた事
によつて、裏面の熱シンク６５とピストン６７と
が確実に接着される。モジユール・ハウジング６
８には完全に満たさないレベル迄流体７２が満た
される。その流体は半導体装置６６及びピストン
６７間の熱転移を助長するように働く。流体とし
ては例えばパーフルオロ―ｎ―ヘキサンを用いう
る。
トンネルを含む熱シンクとしては任意の熱伝導
性金属もしくは他の材料、例えば銅、シリコン、
モリブデン等を用いる事ができる。トンネルは、
第１Ａ図及び第１Ｂ図の例の場合、約４乃至７の
縦横比Ｌ／Ｄ（Ｄはトンネルの孔の直径、Ｌは孔
の長さ）を有するのが好ましい。第２図及び第３
図の本発明の実施例の場合、装置１０及び基体１
２間の空間的制限の故にＬ／Ｄは30乃至70であ
る。トンネルは円筒状以外の他の形のものでもよ
い。
例 １ 第１Ａ図に示されるような25mm×25mmの基体上
に設けられた4.6mm×4.6mmのシリコン装置の裏面
に垂直にトンネルが設けられたものを用いて沸と
う実験を行なつた。6.0mm×6.0mm×1.5mmの寸法の
熱シンクを銅で作り、断面直径が１mmの円である
４本のトンネルが用いられた。シリコン装置及び
熱シンク間の界面はドライ加圧接触（dry
pressured contact）型の界面であつて、これは
熱シンクの端部及び基体の間に２滴のシルバー・
エポキシをほどこし、40グラムの荷重をかけた状
態でエポキシを硬化させる事によつて形成され
た。次いでトンネル―チツプ―基体組立体をパー
フルオロ―ｎ―ヘキサンで満たされた容器内に置
いた。完全な容器組立体は組込まれた熱交換構造
体によつて54℃迄加熱され、次いで密封された。
全ての実験は熱交換構造体の能力を装置の熱消費
負荷と整合させることによつて１気圧のほぼ一定
の圧力の下で、密封容器の中に於て実施した。シ
リコン・チツプ内の順方向バイアスがかかつた複
数のダイオードが温度センサーとして働き、テス
ト・ランの前にそれらの電圧―温度関係が調べら
れた。第７図の曲線８０はトンネル熱シンクの性
能を示す。なお縦座標は全チツプ／モジユール電
力消費（ワツト）を示し、横座標はチツプ温度
（℃）を示している。比較のために、ニツケル―
鉄樹枝状チツプ（USP3706127）と、サンド・ブ
ラーストをほどこし次いでKOH食刻されたチツ
プと、未処理の平坦チツプとについて実験を行な
つた。これらの結果が第７図の夫々曲線８２，８
４及び８６で示される。第７図からして、銅トン
ネル熱シンクを用いると、チツプ／モジユール電
力消費は薄層状沸とうを生じることなく20ワツト
を超え、他の冷却システムよりも明らかにすぐれ
ている事が判つた。
例 ２ 第７図の曲線８０によつて示されるように、薄
層状沸とうに対する抵抗性は付加された熱転移表
面の単なる結果ではなく、垂直にトンネルを設け
たという独特の構成によるものであることを証明
するために、垂直にトンネルを向けたものと水平
に向けたものとについて同一のテスト条件の下で
実験を行なつた。実験は例１について説明したよ
うにして行なつた。その結果を第８図に示す。曲
線８８は垂直トンネル熱シンクの場合、曲線９０
は水平トンネル熱シンクの場合、曲線９２は中空
でない熱シンクの場合を示す。比較のために、同
一の寸法を有する中空でない銅のブロツクよりな
る熱シンクについてのテストの結果も示す。水平
トンネルの場合も中空でないブロツクの場合も共
に薄層状沸とうに対する抵抗性を呈さない事が明
らかである。
例 ３ 第９図は第１Ａ図と第１Ｂ図に示された２つの
型のトンネル構成を用いた場合の熱転移性能の比
較を示す。曲線９４は第１Ａ図の場合の結果であ
り、曲線９６は第１Ｂ図の場合の結果を示す。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図及び第１Ｂ図は従来技術を示す図、第
２図及び第３図は本発明の一形態を示す図、第４
図、第５図及び第６図は半導体装置を冷却するた
めの系を示す図、第７図乃至第９図は電力消費対
チツプ温度を示すグラフである。 １０…半導体装置、１２…基体、１４…金属接
続体、２４…トンネル、２６…入力出力ピン、２
８…熱伝導性ワツクス。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 下記構成を有する集積回路装置用の冷却構造
    体。 (イ) 基板から離隔した状態を呈する様に上記基板
    に対して金属接続体によつて物理的、電気的に
    フエースダウン接続された複数個の集積回路装
    置。 (ロ) 上記基板が垂直側壁を構成するように上記基
    板に取り付けられた密封容器。 (ハ) 上記集積回路装置及び上記基板の間の空間に
    配置された電気的に絶縁性の熱伝導性ワツクス
    よりなる熱シンクであつて、垂直に配向された
    複数個のトンネルを有するもの。 (ニ) 上記容器を部分的に満たすと共に上記集積回
    路装置を完全に覆う低沸点の液体。 (ホ) 上記容器から熱を除去する手段。
JP8026579A 1978-07-11 1979-06-27 Cooling structure for functional circuit element Granted JPS5512798A (en)

Applications Claiming Priority (1)

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US05/923,592 US4203129A (en) 1978-07-11 1978-07-11 Bubble generating tunnels for cooling semiconductor devices

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Publication Number Publication Date
JPS5512798A JPS5512798A (en) 1980-01-29
JPS6211509B2 true JPS6211509B2 (ja) 1987-03-12

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JP8026579A Granted JPS5512798A (en) 1978-07-11 1979-06-27 Cooling structure for functional circuit element

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EP (1) EP0007015B1 (ja)
JP (1) JPS5512798A (ja)
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DE (1) DE2966253D1 (ja)
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