半導体冷却装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体冷却装置に係り、特に冷却媒体などが流れるヒートシンクをＬＳＩチップなどに接触装着して冷却する半導体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の装置は、例えば実開昭５９−１８４４１号公報に記載されているように、冷却パイプが通る金属板を、金属性のバネ状のもの、あるいはフィン列状、ピン列状のものが取り付けられた接触部材を介して、ボード上に塔載されたＬＳＩチップに押しあて、ＬＳＩチップで発熱した熱を前記接触部材を通して冷却パイプを有する金属板側へ伝えて冷却するようになっていた。
【０００３】又、実開昭６１−５３９９０号公報に記載のように、半導体部品が実装されている基板と、冷却流体が流れるヒートシンクとの間に、冷媒を封じ込んだ可撓性膜（ゴム等）からなるパックを設置し、このパックを前記基板に押し付けることにより、発熱する半導体部品の熱を、このパックを介して、冷却流体側へ伝えて冷却するようになっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の半導体冷却装置は、接触部材、あるいは冷却封じ込みパックの柔軟性を利用することにより、ＬＳＩチップとヒートシンクとの接触を良好にして、ヒートシンク側へ熱を伝え、かつ、ヒートシンクとＬＳＩチップとの脱着を可能にするようになっているが、上記従来技術のうち、実開昭５９−１８４４１号公報に記載のものにおいては、電気的絶縁性について考慮されていなかった。
【０００５】すなわち、ボード上に塔載されるＬＳＩチップは、多数の細い信号線で密に、ボードを構成する基板との間で電気的に接続されている場合が多く、絶縁性が強く要求されるが、金属製の接触部材がＬＳＩチップに直接接しているので、作動中に、金属製接触部材の微細粉が発生し、信号線に付着して絶縁性が弱くなり、トラブルを生ずる場合があった。
【０００６】又、実開昭６１−５３９９０号公報に記載のものにおいては、伝熱性能及び信頼性について考慮されていなかった。
【０００７】すなわち、ゴムが使用される場合が多い可撓性膜でパックを構成し、この容器状パック内には冷媒液を封入しているだけであるので、冷媒液を封入しない場合に比べれば伝熱性能は良好であるが、容器状パック内全体にわたって対流が生じるため、ＬＳＩチップにおける発熱量が増加してくると、より伝熱性能を向上しなければならない必要があった。更にゴム状の可撓性膜は長期にわたり使用していると、冷媒による腐食等で孔があいてしまい、冷媒液がＬＳＩチップ及び基板上に流れだすというトラブルを発生しやすい問題があった。
【０００８】本発明の目的は、冷却対象となる半導体素子とヒートシンクに代表される冷却部材との間に設けられた接触部材の伝熱性能を高め電気的絶縁性を確保した半導体冷却装置を提供することにある。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的は、例えば、基板に搭載された冷却対象となる半導体素子と、半導体素子の熱を放熱して冷却する冷却部材との間に設けられた接触部材とを備えて半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、接触部材は内部が中空な部材であり、接触部材の中空な内部には熱伝導性流体を備えており、前記接触部材は金属製材料からなる芯材と該芯材の外側の面又は内外両面に絶縁皮膜を設けたパックで形成されており、前記接触部材は前記冷却部材と接触する側に平坦に形成された面を備えることにより達成される。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【作用】比較的温度の低い流体を流す流路をもつヒートシンクと、一ボード上に複数個搭載されたＬＳＩチップとの間に本発明の接触部材を設置し、ＬＳＩチップ内で発熱した熱を接触部材を介してヒートシンク側へ伝える。
【００２５】先ず、熱流の経路について説明する。ＬＳＩチップ内には多数の半導体素子が内蔵され、動作時に発熱する。この熱は、シリコンなどで作られたＬＳＩチップ内を接触部材側へ熱伝導で伝わる。この接触部材の表面とＬＳＩチップとの接触部は、厳密には完全接触ではなく、微少すきまに気体または液体などが存在し、ここを伝熱するときの熱抵抗は大きい。続いて接触部材の多層構造部を熱伝導で、次に接触部材内部に封入された液体部を伝わる。この液体内を伝わる時、液体が動かない場合は熱伝導で、対流が起きる場合は対流伝熱で伝わる。対流伝熱の場合の方が伝熱効率は高い。更に熱は冷却部材側に伝わり伝熱部材と接触部材との接触部の伝熱を経て、冷却部材側へと伝熱される。
【００２６】本発明の半導体冷却装置では、第１に接触部材を形成する容器状のパックを多層構造とし、芯材に薄い金属製材料を設け、その芯材の外側の面又は内外両面に絶縁被膜を設けている。あるいは、パック材料を金属製箔としてその外側の面又は内外両面に絶縁性樹脂箔を積層しているので、信号線等に対し絶縁性を持たせることができる。
【００２７】第２に、容器状のパックに熱伝導性の優れた液体を封入するとともに、パックの上下面接する金属部材群を設けているので、接触部材の上面と下面側は金属部材で連結され、パック下面からパック上面への伝熱は、封入された液体部ばかりでなく、金属部材部を熱伝導で伝わる。金属の熱伝導率は一般に高い値を持つから、金属部材を設けることにより伝熱効率は高まる。
【００２８】又、接触部材の一部にパック内の流体を強制的に流動させるための脈動発生機構を設けているので、対流伝熱を促進するため伝熱効率が向上する。
【００２９】又、比較的薄く、広い構造をしているパック構造では、途中に隔壁を設けているので、伝熱効率が高い対流を局所的に生じさせることができるため発熱量に応じてその部分の伝熱効率を高めることができる。
【００３０】第３にＬＳＩチップの発熱量の違いに応じて接触部材内のその領域に隔壁を設けているので、発熱量が大きい部分は、その部分でそれぞれに応じた局所的な対流伝熱を行うことができるため、伝熱する熱量を調整することができる。
【００３１】又、隔壁を設けることにより、温度差が広い範囲にわたって生じることがなくなり、局所的に限定されるので、ＬＳＩチップの温度をほぼ同じ温度に設定できる。
【００３２】第４に、ボ−ド上に高さの異なる複数個のＬＳＩチップが搭載された場合、接触部材内をＬＳＩチップの高さに応じて複数の領域に隔壁を設けて分割し、一部分は連通された構造としているので、ＬＳＩチップの高さが異なってもその高さに応じた接触部材とすることができ、分割したそれぞれを連通しているので均圧化して接触部材のボ−ド上のＬＳＩチップへの押し付け力が過大になることを防止できる。
【００３３】又、接触部材の一部に圧力調整部を設けているので、接触部材のボ−ド上のＬＳＩチップへの押し付け力を調整することができるので、押し付け力を適正化できる。
【００３４】又、接触部材内に設けた金属部材群にバネ性を持たせているので、そのバネ力を調整できるので、ＬＳＩチップへの押し付け力を適正化できる。又、柔軟性をもっているため、複数個のＬＳＩチップの高いふぞろいを吸収できる。又、金属部材がバネ状機構のため、金属部材は、パックの上面をヒートシンク側へ、パックの下面をＬＳＩチップ側へ押し付ける働きをする。そのためパック上面とヒートシンク間、パック下面とＬＳＩチップ間の接触熱抵抗が減少して、ここでの伝熱効率を高める。
【００３５】
【実施例】本発明の一実施例図１から図１１に示す。図１R>１に本発明の半導体冷却装置の全体構成図を示す。ボード６上にＬＳＩチップ７が配置されており、そのボード６の両面を挾むようにプラッター５３が装着されている。ＬＳＩチップ７の上部には、パック２内に封入液５が封入された接触部材１を介してヒートシンク８が配置され、このヒートシンク８内には、例えば、内部にフィン５４備えた流路５５が設けられていて、冷却水９が流れて冷却する構造となっている。ヒートシンク８の端面側には、ボルト孔５６が設けられ、ヒートシンク８をボルト５７を用いてプラッター５３にネジ止めすることによって、接触部材１をＬＳＩチップ７に押え付けている。
【００３６】ここで、接触部材１は、ＬＳＩチップ７は高さが相違する場合が多いことを考慮して、大きな高さの相違は接触部材１の厚みを変えることによって、一方、ＬＳＩチップ７の比較的小さな高さの相違は次の方法で吸収できるようにしている。又、接触部材１のヒートシンク８側の面は、平坦に形成されており、ヒートシンク８をこの面に押し付けて固定している。
【００３７】すなわち、それぞれのパック２ａ，２ｂを冷媒通路４８で連通し、パック２又は、冷媒通路４８の一部分に圧力調整部３６を設ける。パック２及び冷媒通路４８内には流体が封入されているので、圧力調整部３６で適切な値に圧力調整され、パック２が変形して均一な圧力で加圧されるため、ＬＳＩチップ７及びヒートシンク８との接触を弱い力で均一にすることが可能となる。なお、圧力調整部３６は必要に応じて省略することができる。
【００３８】一方、ヒートシンク８は、フレキシブル部５８ａ、５９ａを備えた２本の冷却水パイプ５８、５９を介して冷却供給装置６０と連結されており、ヒートシンク８への冷却水９の供給及び排出を行うようになっている。すなわち、冷却供給装置６０は、代表的には水ポンプ６１、水タンク６２、及びチラー６３から構成されるが、ヒートシンク８で加熱された水が冷却水パイプ５８を通って、冷却供給装置６０に送られ、チラー６３によって冷却されて、水ポンプ６１により冷却水パイプ５９を通って再びヒートシンク８側へ流出され、ヒートシンク８を冷却し、半導体装置の作動時に発熱するＬＳＩチップ７を冷却するようになっている。
【００３９】ここで、ヒートシンク８と冷却供給装置６０とはフレキシブル部５８を介して冷却水パイプ５９で連結されているため、ボルト５７を取りはずすことによって、ＬＳＩチップ７を搭載したボ−ド６から、ヒートシンク８を容易に取りはずすことが可能となる。
【００４０】次に接触部材１の各実施態様について、図２R>２から図１１によりそれぞれ説明する。
【００４１】図２は、本実施例の接触部材１のパック２ａあるいは２ｂのうちいずれか一方の外観斜視図を示し、図３は図２で示すパック２の断面斜視図である。
【００４２】パック２の内部には、熱伝導性グリースあるいは熱伝導性シリコン油あるいはフロリナート（これは米国の３Ｍ社製の商品名である。以下この名称で説明する）液などの封入液５が封入されている。又、パック２の材料は、例えば、アルミニューム箔の両面に絶縁性の樹脂を薄くフィルム状に積層したものを用いる。フィルム状に積層する樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられるが、パック内に封入する液体の種類により、耐腐食性の優れた材質が選ばれる。パック上面３とパック下面４のそれぞれ端部はふさがれて、封入液５の保持を可能にしている。このような構成にすることにより、熱伝導性グリースあるいは熱伝導性シリコン油あるいはフロリナート液など熱伝導性の良い封入液５を用いているので、パック２内の熱伝導にもとづく伝熱性能が向上する。又、パック２をアルミニューム箔の両面に絶縁性の樹脂を薄くフィルム状に積層しているので絶縁性に優れる。また、アルミニューム箔を用いているので強度的にも強く、耐腐食性も向上する。
【００４３】次に、さらに接触部材１の伝熱性能の向上を図ることを目的とした適用例を図４から図１１にそれぞれ示す。
【００４４】図４は、接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、金属細線で作られた円筒状にまかれた金属コイル１０をパック２内にパック上面３に沿って挿入したした場合を示す。ここで、金属コイル１０は、熱伝達が良好となるように一部はパック上面３に接点１１で、他の一部はパック下面４に接点１２で、それぞれ接するように構成されている。すなわち、熱はパック下面４側から、パック上面３側へ伝熱されるわけであるから、金属コイル１０がパック上面３及び下面４に接合などにより接するように構成されることにより、接点１１、１２部の熱伝導が促進されるからである。一方、金属コイル１０は弾力性に富んでいるので、接触部材１がＬＳＩチップ７とヒートシンク８との間で押え付けられたとき、金属コイル１０は、パック上面３をヒートシンク８側へ、パック下面４をＬＳＩチップ７側へ押し付ける力を発生させる。このようにしてパック上面３とヒートシンク８間、パック下面４とＬＳＩチップ７間の熱抵抗が小さくなって、伝熱性能の向上を図れる。なお、金属コイル１０を封入液５と共にパック２内に挿入しても良い。 図５は、他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、金属細線で作られた円筒状にまかれた金属コイル１３をパック２内にパック上面３にほぼ垂直となるように挿入している。金属コイル１３の一方の端部はパック上面３に、他方の端部はパック下面４にそれぞれ接点１４、１５において接するように構成されている。ＬＳＩチップ７で発生した熱は、接触部材１内の封入液５と金属コイル１３を伝導により伝わる。したがって接点１４、１５部は接合などにより接するように構成しておいた方が伝熱効率は向上する。この場合、金属コイル１３をパック上面３にほぼ垂直となるように挿入しているので、接点１４、１５の接触面積は、図５に示す適用例の場合よりも大きく、金属コイル１３の数を少なくすることができる。なお、金属コイル１３を封入液５と共にパック２内に挿入しても良い。
【００４５】図６は、さらに他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、パック２内に多数の金属細線を折れ曲げた状態の金属タワシ１６として、封入液５と共に挿入されている。この場合もパック上面３とパック下面４に金属タワシ１６が接する接点１７の部分を接合することにより伝熱を良好に保つことができる。この構造の場合は、金属タワシ１６は比較的ランダムにパック２内に挿入でき、製作が容易なる。
【００４６】図７は、さらに他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、金属細線からなり連続的に山形状に折り曲げたフィン１８をパック上面３及びパック下面４に接するようにパック２内に挿入している。ここで、パック上面３及びパック下面４に接する部分の接点１９、２０は金属細線であってもよく、金属板になっていても良い。この場合も、接点１９、２０はパック上面３、パック下面４にそれぞれ接合されると良好である。金属細線で作られたフィン１８が規則正しく並んで弾力性に富んでいるため、パック上面３及びパック下面４がヒートシンク８及びＬＳＩチップ７に押し付けられ、伝熱効率の向上を図れる。
【００４７】図８は、さらに他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、コの字型状におれ曲がった金属板２２を多数規則正しく設けたヒレ付板２１を多数並べて、封入液５と共にパック２内へ挿入されている。この場合もパック上面３とヒレ２２、及び、パック下面４と根本板２５が接点２３、２４において接する。この接点２３、２４は接合されると伝熱効率は良くなる。
【００４８】図９はさらに他の適用例を示す接触部材１の縦断面図であり、この適用例では、多数の金属細線２６を例えばゴム状樹脂２７で束ねたものを、封入液５と共にパック２内へ挿入している。金属細線２６の両端はパック上面３、パック下面４に接点２８、２９で接する。この部分を接合すると伝熱効率は良くなる。
【００４９】図１０は、さらに他の適用例を示す接触部材１の縦断面図であり、この適用例では、パック上面３側には複数のピン３０を接合し、パック下面４側のパック２内には金属タワシ３１を設けて、パック２が形成されるときには、ピン３０の先端が金属タワシ３１内に挿入される状態とする。この場合には、ピン３０と金属タワシ３１が、柔軟性を保ちながら熱的に接触する。
【００５０】図１１は、さらに他の適用例を示す接触部材１の縦断面図であり、この適用例では、パック上面３には多数のピン３０が設けられており、パック下面４に多数の孔３２を有する多孔板３３が装着されている。多数のピン３０と、多数の孔３２は、ひとつひとつが対応しいて、さしこみが可能となっている。パック２を形成するとき、ピン３０が孔３２に差し込まれている状態で、封入液５と共にパック２内に挿入される。このようにして、ピン３０と孔３２が柔軟性を保ちながら、熱的に接触できる。
【００５１】本発明の他の実施例を図１２から図１６により説明する。図１２は、接触部材１を基板６とヒートシンク８との間に挟んだ状態を示す斜視図、図１３は図１２に示す組立状態を横方向から見た側面図、図１４は、ＬＳＩチップで発生した熱をヒートシンクへ導くための接触部材１の斜視図、図１５は、接触部材１に用いる熱伝導フィルム３９の構造を示す縦断面図である。
【００５２】図１２、図１３に示すように、本実施例の半導体冷却装置は、ＬＳＩチップ７が実装された基板６と、ヒートシンク８との間に伝熱パック２からなる接触部材１を挾んだ状態で配置し、伝熱性能を安定させるため、端部をクランプ３８で挾んで固定している。基板６には、大小のＬＳＩチップ７が複数個配置されているが、各ＬＳＩチップ７の基板６からの高さはほぼ等しく且つ伝熱パック２の接触面は平坦であるようになっている。また、接触部材１にはＬＳＩチップ７及びヒートシンク８と接触する伝熱部３４とは別に圧力調整部３６が備えられている。そして、圧力調整部３６を保圧バネ３７で挾み、接触部材１の内圧を上げて伝熱パック２の伝熱部３４を、基板６に実装されたＬＳＩチップ７及びヒートシンク８に密着させるようになっている。かかる実装状態においては、ＬＳＩチップ７への押付力は圧力調整部３６へ装着する保圧バネ３７のバネ定数により容易に変化させることができる。また、圧力調整部３６の他の機能は、接触部材１の内部グリース状、液状等の伝熱媒体を封入する際に同時に封入される気体のたまり部となり、基板６とヒートシンク８との間に設置したパック２内の伝熱媒体が効率良く熱伝達を行う事ができるようにするものである。
【００５３】ここで、一例として、基板６として２２０ｍｍ×１３０ｍｍ×２ｍｍの大きさのものを用いた場合を述べる。基板６には発熱量３Ｗ／チップのＬＳＩチップ７を３０ヶ実装しており、基板６に実装したＬＳＩチップ７への電力供給は、図中表示は省略するが第１２図の下方すなわち圧力調整部３６の反対側の端面に設置したコネクタにより行っている。ＬＳＩチップ７実装面の裏面の辺の中央部には、伝熱パック２をＬＳＩチップ７に密着させるため内圧を高めた時にＬＳＩチップ７を介して基板６に加わる力により基板６が変形するのを防ぐため、断面が３ｍｍ×１０ｍｍの補強部材４６を配置している。なお、この補強部材４６は、基板６の形状、すなわち大きさと板厚により基板６の変形が少ない場合には設けなくても良い。又、接触部材１は、圧力調整部３６を除いた大きさが基板とほぼ同じものを用いている。圧力調整部３６は、大きさを４０ｍｍ×２５ｍｍとし、４０ｍｍ側の部分が伝熱パック２の本体側と一体的に形成している。
【００５４】一方、接触部材１は、図１４に示すように内部に熱伝導率の高いグリースもしくは液体等の伝熱媒体を封入したものであり、袋状部分は、図１５に示すように芯材４０の両側に樹脂層４１、４２を設けた熱伝導フィルム３９より成る。パック２の内部に封入した伝熱媒体はシリコングリースをベースにした熱伝導グリースであり、封入後の接触部材１の平均厚さは約３ｍｍとなるように封入量を調整している。
【００５５】また、ヒートシンク８は内部を細分化したヒートパイプを用い、ヒートパイプ端面に取付けた部材に水を流すことにより最終的に排熱している。なお、ヒートシンク８は、ヒートパイプに替え、内部に流水部を有するジャケットとしても同等の効果が得られる。また、接触部材１の中に封入する伝熱媒体として液状の冷媒、たとえばフロリナートを用いてもほぼ同じ効果が得られる。
【００５６】以上の実装状態において、ＬＳＩチップ７のジャンクション温度を８０℃以下に押えることができた。
【００５７】本発明の他の実施例を図１６により説明する。図１６には接触部材１のみ示しているが、本実施例では、パック２のＬＳＩチップ７の冷却部に突起部４７を設け、その部分に振動を与え接触部材１内に封じた液状の伝熱媒体を強制的に循環させるようにしている。
【００５８】伝熱媒体を静止状態に保つ場合に比べ、強制的に移動、拡散、混合させることにより伝熱効率は著しく向上するが、本実施例は、この特徴を接触部材１へ適用したものであり、パック２に設けた突起４７を、振動発生装置４３で打撃し、上述したように伝熱媒体の強制循環を生じさせ、熱伝達能力を大きく向上させる事ができた。本実施例で用いた振動発生装置４３は、図１６に示す如く、打撃部４４とモータ４５から成る。打撃部４４は、円板外周部に複数個の自転できる球状部品を取付け、該球状部品が円板外周部より外側に位置するように構成されている。打撃部４４の円板はモータ４５により回転され、円板外周部に設けた球状部品が間欠的に突起部４７を打撃し、その結果、接触部材１内の伝熱媒体を脈動させる。なお、突起部４７の位置は、パック２の各辺いずれに設けられても良く、同等の効果が得られる。
【００５９】本発明の他の実施例を図１７から図２２により説明する。図１７は基板にＬＳＩチップを実装した状態を示した斜視図、図１８及び図２１は基板に実装された各形式のＬＳＩチップの配置に合わせて伝熱部３４を仕切った接触部材１の横断面図、図１９、図２０は図１８１８に示す接触部材１の縦断面図、図２２は、図２１に示す接触部材１の縦断面図である。
【００６０】基板６に実装するＬＳＩチップ７の実装形態は種々のものがある。本実施例では図１７に示すような形状の異なるピングリッド型ＬＳＩ２０とＤＩＬ型ＬＳＩが混在した基板６を用いた場合について説明する。この場合、基板６上に実装された各種ＬＳＩチップ７の高さが異なり、パック２への接触面高さが異なる場合があるが、図１９に示すように、ＬＳＩチップ７の高さに応じて接触部材１の厚さを変える事により接触の安定を保つことができる。すなわち、本実施例で用いた接触部材１は、図１９に示すように基板６上のＬＳＩチップ７の実装形態に則するように、各々のピングリッド型ＬＳＩ４９及び複数個のＤＩＬ型ＬＳＩ５０に対応して接触部材１の伝熱部３４を分割し、各伝熱部３４の厚さをＬＳＩチップ７の高さに応じて変えている。又、本実施例のパック２においては、上記のように分割した伝熱部３４間を冷媒通路４８で互いに連絡するように構成している。なお、各種ＬＳＩチップ７の高さにあまり差がない場合には、接触部材１の断面形状は図２０に示すように厚さを同程度のものとする。
【００６１】このように、伝熱部３４を分割し、各伝熱部３４の厚さをＬＳＩチップ７の高さに応じて変えることにより接触の安定を保つことができ、伝熱性能を向上させることができる他、各伝熱部３４内で局所的な対流を生じさせることができるので、伝熱部３４の分割がない場合に対流がパック２内全体で生じる場合に比べて、各種ＬＳＩチップ７の発熱量に応じた冷却を効率良く行うことができる利点がある。
【００６２】又、同じ基板６上に同種のＬＳＩチップ７が実装されている場合は、伝熱パック２を図２１に示すように各ＬＳＩチップ７に対応した伝熱部３４を有するように、図２２に示すようにほぼ同じ厚さを有するように構成しても良い。このように構成する場合も、各伝熱部３４内で局所的な対流を生じさせることができ、各ＬＳＩチップ７と接触部材１との密着性が向上するので熱伝達が円滑に行える効果がある。 本発明の他の実施例を図２３及び図２４に示す。図２３は縦方向に配置した基板６とヒートシンク８の間に接触部材１を配置した時の一適用例を示す縦断面図である。
【００６３】本実施例で用いた接触部材１は、パック２内には液状の伝熱媒体を封入しており、伝熱パック２の内側に、伝熱媒体の流れ５１を防げる隔壁５２を設置している。そして、各隔壁５２は、各隔壁５２により形成される領域が、各ＬＳＩチップ７にそれぞれ対応するように設けられている。かかる構成においては、ＬＳＩチップ７で発生した熱は、接触部材１を形成している被膜を通り伝熱媒体５に伝達される。加熱された伝熱媒体５は対流により接触部材１の上方に上昇するが隔壁５２に防げられ、ヒートシンク８側へ向きを変え、ヒートシンク８近傍で冷却され下方へ降下し、再びＬＳＩチップ７側へ向きを変える流れ５１となる。したがって縦方向に配置した伝熱パック２内の伝熱媒体の上下方向の温度差を解消し各ＬＳＩチップ７毎に同じ温度の伝熱媒体が供給され、ＬＳＩチップ７間の温度ばらつきが低減される効果がある。
【００６４】図２４に示す実施例は、図２３で示した接触部材１と同様なパック２を横方向に配置することもでき、その適用例を示している。この場合も隔壁５２によって局所的に対流を起こすことができ、各々のＬＳＩチップ７に対応した伝熱媒体の流れ５１を形成することができるので、各ＬＳＩチップ７毎に同じ温度の伝熱媒体が供給され、ＬＳＩチップ７間の温度ばらつきが低減され、ＬＳＩチップ７の冷却の安定性が増す効果がある。
【００６５】本発明の他の実施例を第２５図に示す。本実施例では、基板６上に複数のＬＳＩチップ７が配置され、その個々のＬＳＩチップ７に対してそれぞれ対応した独立の接触部材１が配置されている。この個々の接触部材１は上記した伝熱パック２と同様な構成となっているものであり、ヒ−トシンク８は、例えば内部に冷却水９を流して冷却する構造となっている。このように構成することにより、個々のＬＳＩチップ７に対応した冷却が行え、ＬＳＩチップ７の冷却の安定性が増す効果がある。
【００６６】
【発明の効果】上記の本発明によれば、冷却対象となる半導体素子とヒートシンクに代表される冷却部材との間の接触部材の伝熱性能を高め、電気回路に対する絶縁性を確保した半導体冷却装置を提供できる。
【００６７】本発明によれば、接触部材を形成する容器状のパック内に熱伝導性グリースなどの熱伝導性の良い液体を封入し、パック内面と接触する金属製部材をパック内に設けているので、パック内面での熱伝導は、封入された液体ばかりでなく、金属製部材の熱伝導で伝わるので、接触部材内の熱伝導にもとづく伝熱効率を高める効果がある。
【００６８】
【００６９】
【００７０】
【００７１】
【００７２】本発明によれば、接触部材を形成する容器状のパック内にスプリング効果を有する金属製の細線などを介在させているため、接触部材を半導体素子側と冷却部材側へ押し付ける作用効果があり、接触部材と半導体素子素子及び冷却部材との接触部の伝熱効果を高めることができる。
【００７３】本発明によれば、基板上に複数個の半導体素子が搭載された場合、接触部材の中空部を複数の領域に細分割し、各領域の熱伝導性流体が連通する構造としているので、各領域での熱伝導性流体の圧力が均等化でき、接触部材の半導体素子への押し付け力が部分的に過小過大になることを防止できる効果がある。
【００７４】
【００７５】
【００７６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す半導体冷却装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例を示す接触部材の斜視図である。
【図３】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図４】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図５】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図６】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図７】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図８】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図９】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図１０】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図１１】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の他の実施例である組立状態を示す側面図である。
【図１４】本発明の他の実施例を示す接触部材の斜視図である。
【図１５】本発明の他の実施例を示す熱伝導フィルムの縦断面図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の斜視図である。
【図１７】本発明のさらに他の実施例を示す斜視図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の横断面図である。
【図１９】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図２０】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図２１】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の横断面図である。
【図２２】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図２３】本発明のさらに他の実施例の実装状態を示す縦断面図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施例の実装状態を示す縦断面図である。
【図２５】本発明のさらに他の実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…接触部材、２…パック、５…封入液、７…ＬＳＩチップ、８…ヒートシンク、１０…横型金属コイル、１３…縦型金属コイル、１６…金属タワシ、１８…山形状フィン、１９…ヒレ付板、３６…圧力調整部、４３…振動発生装置、４８…冷媒通路、３４…伝熱部、３５…シール部、３６…圧力調整部、３７…保圧バネ、３８…クランプ、３９…熱伝導フィルム、４０…心材、４１、４２…樹脂層、４３…振動発生装置、４４…打撃部、４５…モータ、４６…補強部材、４７…突起部、４８…冷媒通路、４９…ピングリッド型ＬＳＩ、５０…ＤＩＬ型ＬＳＩ、５１…伝熱媒体の流れ、５２…隔壁、５３…プラッター、５４…フィン、５５…流路、５７…ボルト、５８…フレキシブル部、５９…冷却水パイプ、６０…冷却水精製装置、６１…水ポンプ、６２…水タンク、６３…チラー。
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体冷却装置に係り、特に冷却媒体などが流れるヒートシンクをＬＳＩチップなどに接触装着して冷却する半導体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の装置は、例えば実開昭５９−１８４４１号公報に記載されているように、冷却パイプが通る金属板を、金属性のバネ状のもの、あるいはフィン列状、ピン列状のものが取り付けられた接触部材を介して、ボード上に塔載されたＬＳＩチップに押しあて、ＬＳＩチップで発熱した熱を前記接触部材を通して冷却パイプを有する金属板側へ伝えて冷却するようになっていた。
【０００３】又、実開昭６１−５３９９０号公報に記載のように、半導体部品が実装されている基板と、冷却流体が流れるヒートシンクとの間に、冷媒を封じ込んだ可撓性膜（ゴム等）からなるパックを設置し、このパックを前記基板に押し付けることにより、発熱する半導体部品の熱を、このパックを介して、冷却流体側へ伝えて冷却するようになっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の半導体冷却装置は、接触部材、あるいは冷却封じ込みパックの柔軟性を利用することにより、ＬＳＩチップとヒートシンクとの接触を良好にして、ヒートシンク側へ熱を伝え、かつ、ヒートシンクとＬＳＩチップとの脱着を可能にするようになっているが、上記従来技術のうち、実開昭５９−１８４４１号公報に記載のものにおいては、電気的絶縁性について考慮されていなかった。
【０００５】すなわち、ボード上に塔載されるＬＳＩチップは、多数の細い信号線で密に、ボードを構成する基板との間で電気的に接続されている場合が多く、絶縁性が強く要求されるが、金属製の接触部材がＬＳＩチップに直接接しているので、作動中に、金属製接触部材の微細粉が発生し、信号線に付着して絶縁性が弱くなり、トラブルを生ずる場合があった。
【０００６】又、実開昭６１−５３９９０号公報に記載のものにおいては、伝熱性能及び信頼性について考慮されていなかった。
【０００７】すなわち、ゴムが使用される場合が多い可撓性膜でパックを構成し、この容器状パック内には冷媒液を封入しているだけであるので、冷媒液を封入しない場合に比べれば伝熱性能は良好であるが、容器状パック内全体にわたって対流が生じるため、ＬＳＩチップにおける発熱量が増加してくると、より伝熱性能を向上しなければならない必要があった。更にゴム状の可撓性膜は長期にわたり使用していると、冷媒による腐食等で孔があいてしまい、冷媒液がＬＳＩチップ及び基板上に流れだすというトラブルを発生しやすい問題があった。
【０００８】本発明の目的は、冷却対象となる半導体素子とヒートシンクに代表される冷却部材との間に設けられた接触部材の伝熱性能を高め電気的絶縁性を確保した半導体冷却装置を提供することにある。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的は、例えば、基板に搭載された冷却対象となる半導体素子と、半導体素子の熱を放熱して冷却する冷却部材との間に設けられた接触部材とを備えて半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、接触部材は内部が中空な部材であり、接触部材の中空な内部には熱伝導性流体を備えており、前記接触部材は金属製材料からなる芯材と該芯材の外側の面又は内外両面に絶縁皮膜を設けたパックで形成されており、前記接触部材は前記冷却部材と接触する側に平坦に形成された面を備えることにより達成される。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【作用】比較的温度の低い流体を流す流路をもつヒートシンクと、一ボード上に複数個搭載されたＬＳＩチップとの間に本発明の接触部材を設置し、ＬＳＩチップ内で発熱した熱を接触部材を介してヒートシンク側へ伝える。
【００２５】先ず、熱流の経路について説明する。ＬＳＩチップ内には多数の半導体素子が内蔵され、動作時に発熱する。この熱は、シリコンなどで作られたＬＳＩチップ内を接触部材側へ熱伝導で伝わる。この接触部材の表面とＬＳＩチップとの接触部は、厳密には完全接触ではなく、微少すきまに気体または液体などが存在し、ここを伝熱するときの熱抵抗は大きい。続いて接触部材の多層構造部を熱伝導で、次に接触部材内部に封入された液体部を伝わる。この液体内を伝わる時、液体が動かない場合は熱伝導で、対流が起きる場合は対流伝熱で伝わる。対流伝熱の場合の方が伝熱効率は高い。更に熱は冷却部材側に伝わり伝熱部材と接触部材との接触部の伝熱を経て、冷却部材側へと伝熱される。
【００２６】本発明の半導体冷却装置では、第１に接触部材を形成する容器状のパックを多層構造とし、芯材に薄い金属製材料を設け、その芯材の外側の面又は内外両面に絶縁被膜を設けている。あるいは、パック材料を金属製箔としてその外側の面又は内外両面に絶縁性樹脂箔を積層しているので、信号線等に対し絶縁性を持たせることができる。
【００２７】第２に、容器状のパックに熱伝導性の優れた液体を封入するとともに、パックの上下面接する金属部材群を設けているので、接触部材の上面と下面側は金属部材で連結され、パック下面からパック上面への伝熱は、封入された液体部ばかりでなく、金属部材部を熱伝導で伝わる。金属の熱伝導率は一般に高い値を持つから、金属部材を設けることにより伝熱効率は高まる。
【００２８】又、接触部材の一部にパック内の流体を強制的に流動させるための脈動発生機構を設けているので、対流伝熱を促進するため伝熱効率が向上する。
【００２９】又、比較的薄く、広い構造をしているパック構造では、途中に隔壁を設けているので、伝熱効率が高い対流を局所的に生じさせることができるため発熱量に応じてその部分の伝熱効率を高めることができる。
【００３０】第３にＬＳＩチップの発熱量の違いに応じて接触部材内のその領域に隔壁を設けているので、発熱量が大きい部分は、その部分でそれぞれに応じた局所的な対流伝熱を行うことができるため、伝熱する熱量を調整することができる。
【００３１】又、隔壁を設けることにより、温度差が広い範囲にわたって生じることがなくなり、局所的に限定されるので、ＬＳＩチップの温度をほぼ同じ温度に設定できる。
【００３２】第４に、ボ−ド上に高さの異なる複数個のＬＳＩチップが搭載された場合、接触部材内をＬＳＩチップの高さに応じて複数の領域に隔壁を設けて分割し、一部分は連通された構造としているので、ＬＳＩチップの高さが異なってもその高さに応じた接触部材とすることができ、分割したそれぞれを連通しているので均圧化して接触部材のボ−ド上のＬＳＩチップへの押し付け力が過大になることを防止できる。
【００３３】又、接触部材の一部に圧力調整部を設けているので、接触部材のボ−ド上のＬＳＩチップへの押し付け力を調整することができるので、押し付け力を適正化できる。
【００３４】又、接触部材内に設けた金属部材群にバネ性を持たせているので、そのバネ力を調整できるので、ＬＳＩチップへの押し付け力を適正化できる。又、柔軟性をもっているため、複数個のＬＳＩチップの高いふぞろいを吸収できる。又、金属部材がバネ状機構のため、金属部材は、パックの上面をヒートシンク側へ、パックの下面をＬＳＩチップ側へ押し付ける働きをする。そのためパック上面とヒートシンク間、パック下面とＬＳＩチップ間の接触熱抵抗が減少して、ここでの伝熱効率を高める。
【００３５】
【実施例】本発明の一実施例図１から図１１に示す。図１R>１に本発明の半導体冷却装置の全体構成図を示す。ボード６上にＬＳＩチップ７が配置されており、そのボード６の両面を挾むようにプラッター５３が装着されている。ＬＳＩチップ７の上部には、パック２内に封入液５が封入された接触部材１を介してヒートシンク８が配置され、このヒートシンク８内には、例えば、内部にフィン５４備えた流路５５が設けられていて、冷却水９が流れて冷却する構造となっている。ヒートシンク８の端面側には、ボルト孔５６が設けられ、ヒートシンク８をボルト５７を用いてプラッター５３にネジ止めすることによって、接触部材１をＬＳＩチップ７に押え付けている。
【００３６】ここで、接触部材１は、ＬＳＩチップ７は高さが相違する場合が多いことを考慮して、大きな高さの相違は接触部材１の厚みを変えることによって、一方、ＬＳＩチップ７の比較的小さな高さの相違は次の方法で吸収できるようにしている。又、接触部材１のヒートシンク８側の面は、平坦に形成されており、ヒートシンク８をこの面に押し付けて固定している。
【００３７】すなわち、それぞれのパック２ａ，２ｂを冷媒通路４８で連通し、パック２又は、冷媒通路４８の一部分に圧力調整部３６を設ける。パック２及び冷媒通路４８内には流体が封入されているので、圧力調整部３６で適切な値に圧力調整され、パック２が変形して均一な圧力で加圧されるため、ＬＳＩチップ７及びヒートシンク８との接触を弱い力で均一にすることが可能となる。なお、圧力調整部３６は必要に応じて省略することができる。
【００３８】一方、ヒートシンク８は、フレキシブル部５８ａ、５９ａを備えた２本の冷却水パイプ５８、５９を介して冷却供給装置６０と連結されており、ヒートシンク８への冷却水９の供給及び排出を行うようになっている。すなわち、冷却供給装置６０は、代表的には水ポンプ６１、水タンク６２、及びチラー６３から構成されるが、ヒートシンク８で加熱された水が冷却水パイプ５８を通って、冷却供給装置６０に送られ、チラー６３によって冷却されて、水ポンプ６１により冷却水パイプ５９を通って再びヒートシンク８側へ流出され、ヒートシンク８を冷却し、半導体装置の作動時に発熱するＬＳＩチップ７を冷却するようになっている。
【００３９】ここで、ヒートシンク８と冷却供給装置６０とはフレキシブル部５８を介して冷却水パイプ５９で連結されているため、ボルト５７を取りはずすことによって、ＬＳＩチップ７を搭載したボ−ド６から、ヒートシンク８を容易に取りはずすことが可能となる。
【００４０】次に接触部材１の各実施態様について、図２R>２から図１１によりそれぞれ説明する。
【００４１】図２は、本実施例の接触部材１のパック２ａあるいは２ｂのうちいずれか一方の外観斜視図を示し、図３は図２で示すパック２の断面斜視図である。
【００４２】パック２の内部には、熱伝導性グリースあるいは熱伝導性シリコン油あるいはフロリナート（これは米国の３Ｍ社製の商品名である。以下この名称で説明する）液などの封入液５が封入されている。又、パック２の材料は、例えば、アルミニューム箔の両面に絶縁性の樹脂を薄くフィルム状に積層したものを用いる。フィルム状に積層する樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられるが、パック内に封入する液体の種類により、耐腐食性の優れた材質が選ばれる。パック上面３とパック下面４のそれぞれ端部はふさがれて、封入液５の保持を可能にしている。このような構成にすることにより、熱伝導性グリースあるいは熱伝導性シリコン油あるいはフロリナート液など熱伝導性の良い封入液５を用いているので、パック２内の熱伝導にもとづく伝熱性能が向上する。又、パック２をアルミニューム箔の両面に絶縁性の樹脂を薄くフィルム状に積層しているので絶縁性に優れる。また、アルミニューム箔を用いているので強度的にも強く、耐腐食性も向上する。
【００４３】次に、さらに接触部材１の伝熱性能の向上を図ることを目的とした適用例を図４から図１１にそれぞれ示す。
【００４４】図４は、接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、金属細線で作られた円筒状にまかれた金属コイル１０をパック２内にパック上面３に沿って挿入したした場合を示す。ここで、金属コイル１０は、熱伝達が良好となるように一部はパック上面３に接点１１で、他の一部はパック下面４に接点１２で、それぞれ接するように構成されている。すなわち、熱はパック下面４側から、パック上面３側へ伝熱されるわけであるから、金属コイル１０がパック上面３及び下面４に接合などにより接するように構成されることにより、接点１１、１２部の熱伝導が促進されるからである。一方、金属コイル１０は弾力性に富んでいるので、接触部材１がＬＳＩチップ７とヒートシンク８との間で押え付けられたとき、金属コイル１０は、パック上面３をヒートシンク８側へ、パック下面４をＬＳＩチップ７側へ押し付ける力を発生させる。このようにしてパック上面３とヒートシンク８間、パック下面４とＬＳＩチップ７間の熱抵抗が小さくなって、伝熱性能の向上を図れる。なお、金属コイル１０を封入液５と共にパック２内に挿入しても良い。 図５は、他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、金属細線で作られた円筒状にまかれた金属コイル１３をパック２内にパック上面３にほぼ垂直となるように挿入している。金属コイル１３の一方の端部はパック上面３に、他方の端部はパック下面４にそれぞれ接点１４、１５において接するように構成されている。ＬＳＩチップ７で発生した熱は、接触部材１内の封入液５と金属コイル１３を伝導により伝わる。したがって接点１４、１５部は接合などにより接するように構成しておいた方が伝熱効率は向上する。この場合、金属コイル１３をパック上面３にほぼ垂直となるように挿入しているので、接点１４、１５の接触面積は、図５に示す適用例の場合よりも大きく、金属コイル１３の数を少なくすることができる。なお、金属コイル１３を封入液５と共にパック２内に挿入しても良い。
【００４５】図６は、さらに他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、パック２内に多数の金属細線を折れ曲げた状態の金属タワシ１６として、封入液５と共に挿入されている。この場合もパック上面３とパック下面４に金属タワシ１６が接する接点１７の部分を接合することにより伝熱を良好に保つことができる。この構造の場合は、金属タワシ１６は比較的ランダムにパック２内に挿入でき、製作が容易なる。
【００４６】図７は、さらに他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、金属細線からなり連続的に山形状に折り曲げたフィン１８をパック上面３及びパック下面４に接するようにパック２内に挿入している。ここで、パック上面３及びパック下面４に接する部分の接点１９、２０は金属細線であってもよく、金属板になっていても良い。この場合も、接点１９、２０はパック上面３、パック下面４にそれぞれ接合されると良好である。金属細線で作られたフィン１８が規則正しく並んで弾力性に富んでいるため、パック上面３及びパック下面４がヒートシンク８及びＬＳＩチップ７に押し付けられ、伝熱効率の向上を図れる。
【００４７】図８は、さらに他の適用例を示す接触部材１の断面斜視図であり、この適用例では、コの字型状におれ曲がった金属板２２を多数規則正しく設けたヒレ付板２１を多数並べて、封入液５と共にパック２内へ挿入されている。この場合もパック上面３とヒレ２２、及び、パック下面４と根本板２５が接点２３、２４において接する。この接点２３、２４は接合されると伝熱効率は良くなる。
【００４８】図９はさらに他の適用例を示す接触部材１の縦断面図であり、この適用例では、多数の金属細線２６を例えばゴム状樹脂２７で束ねたものを、封入液５と共にパック２内へ挿入している。金属細線２６の両端はパック上面３、パック下面４に接点２８、２９で接する。この部分を接合すると伝熱効率は良くなる。
【００４９】図１０は、さらに他の適用例を示す接触部材１の縦断面図であり、この適用例では、パック上面３側には複数のピン３０を接合し、パック下面４側のパック２内には金属タワシ３１を設けて、パック２が形成されるときには、ピン３０の先端が金属タワシ３１内に挿入される状態とする。この場合には、ピン３０と金属タワシ３１が、柔軟性を保ちながら熱的に接触する。
【００５０】図１１は、さらに他の適用例を示す接触部材１の縦断面図であり、この適用例では、パック上面３には多数のピン３０が設けられており、パック下面４に多数の孔３２を有する多孔板３３が装着されている。多数のピン３０と、多数の孔３２は、ひとつひとつが対応しいて、さしこみが可能となっている。パック２を形成するとき、ピン３０が孔３２に差し込まれている状態で、封入液５と共にパック２内に挿入される。このようにして、ピン３０と孔３２が柔軟性を保ちながら、熱的に接触できる。
【００５１】本発明の他の実施例を図１２から図１６により説明する。図１２は、接触部材１を基板６とヒートシンク８との間に挟んだ状態を示す斜視図、図１３は図１２に示す組立状態を横方向から見た側面図、図１４は、ＬＳＩチップで発生した熱をヒートシンクへ導くための接触部材１の斜視図、図１５は、接触部材１に用いる熱伝導フィルム３９の構造を示す縦断面図である。
【００５２】図１２、図１３に示すように、本実施例の半導体冷却装置は、ＬＳＩチップ７が実装された基板６と、ヒートシンク８との間に伝熱パック２からなる接触部材１を挾んだ状態で配置し、伝熱性能を安定させるため、端部をクランプ３８で挾んで固定している。基板６には、大小のＬＳＩチップ７が複数個配置されているが、各ＬＳＩチップ７の基板６からの高さはほぼ等しく且つ伝熱パック２の接触面は平坦であるようになっている。また、接触部材１にはＬＳＩチップ７及びヒートシンク８と接触する伝熱部３４とは別に圧力調整部３６が備えられている。そして、圧力調整部３６を保圧バネ３７で挾み、接触部材１の内圧を上げて伝熱パック２の伝熱部３４を、基板６に実装されたＬＳＩチップ７及びヒートシンク８に密着させるようになっている。かかる実装状態においては、ＬＳＩチップ７への押付力は圧力調整部３６へ装着する保圧バネ３７のバネ定数により容易に変化させることができる。また、圧力調整部３６の他の機能は、接触部材１の内部グリース状、液状等の伝熱媒体を封入する際に同時に封入される気体のたまり部となり、基板６とヒートシンク８との間に設置したパック２内の伝熱媒体が効率良く熱伝達を行う事ができるようにするものである。
【００５３】ここで、一例として、基板６として２２０ｍｍ×１３０ｍｍ×２ｍｍの大きさのものを用いた場合を述べる。基板６には発熱量３Ｗ／チップのＬＳＩチップ７を３０ヶ実装しており、基板６に実装したＬＳＩチップ７への電力供給は、図中表示は省略するが第１２図の下方すなわち圧力調整部３６の反対側の端面に設置したコネクタにより行っている。ＬＳＩチップ７実装面の裏面の辺の中央部には、伝熱パック２をＬＳＩチップ７に密着させるため内圧を高めた時にＬＳＩチップ７を介して基板６に加わる力により基板６が変形するのを防ぐため、断面が３ｍｍ×１０ｍｍの補強部材４６を配置している。なお、この補強部材４６は、基板６の形状、すなわち大きさと板厚により基板６の変形が少ない場合には設けなくても良い。又、接触部材１は、圧力調整部３６を除いた大きさが基板とほぼ同じものを用いている。圧力調整部３６は、大きさを４０ｍｍ×２５ｍｍとし、４０ｍｍ側の部分が伝熱パック２の本体側と一体的に形成している。
【００５４】一方、接触部材１は、図１４に示すように内部に熱伝導率の高いグリースもしくは液体等の伝熱媒体を封入したものであり、袋状部分は、図１５に示すように芯材４０の両側に樹脂層４１、４２を設けた熱伝導フィルム３９より成る。パック２の内部に封入した伝熱媒体はシリコングリースをベースにした熱伝導グリースであり、封入後の接触部材１の平均厚さは約３ｍｍとなるように封入量を調整している。
【００５５】また、ヒートシンク８は内部を細分化したヒートパイプを用い、ヒートパイプ端面に取付けた部材に水を流すことにより最終的に排熱している。なお、ヒートシンク８は、ヒートパイプに替え、内部に流水部を有するジャケットとしても同等の効果が得られる。また、接触部材１の中に封入する伝熱媒体として液状の冷媒、たとえばフロリナートを用いてもほぼ同じ効果が得られる。
【００５６】以上の実装状態において、ＬＳＩチップ７のジャンクション温度を８０℃以下に押えることができた。
【００５７】本発明の他の実施例を図１６により説明する。図１６には接触部材１のみ示しているが、本実施例では、パック２のＬＳＩチップ７の冷却部に突起部４７を設け、その部分に振動を与え接触部材１内に封じた液状の伝熱媒体を強制的に循環させるようにしている。
【００５８】伝熱媒体を静止状態に保つ場合に比べ、強制的に移動、拡散、混合させることにより伝熱効率は著しく向上するが、本実施例は、この特徴を接触部材１へ適用したものであり、パック２に設けた突起４７を、振動発生装置４３で打撃し、上述したように伝熱媒体の強制循環を生じさせ、熱伝達能力を大きく向上させる事ができた。本実施例で用いた振動発生装置４３は、図１６に示す如く、打撃部４４とモータ４５から成る。打撃部４４は、円板外周部に複数個の自転できる球状部品を取付け、該球状部品が円板外周部より外側に位置するように構成されている。打撃部４４の円板はモータ４５により回転され、円板外周部に設けた球状部品が間欠的に突起部４７を打撃し、その結果、接触部材１内の伝熱媒体を脈動させる。なお、突起部４７の位置は、パック２の各辺いずれに設けられても良く、同等の効果が得られる。
【００５９】本発明の他の実施例を図１７から図２２により説明する。図１７は基板にＬＳＩチップを実装した状態を示した斜視図、図１８及び図２１は基板に実装された各形式のＬＳＩチップの配置に合わせて伝熱部３４を仕切った接触部材１の横断面図、図１９、図２０は図１８１８に示す接触部材１の縦断面図、図２２は、図２１に示す接触部材１の縦断面図である。
【００６０】基板６に実装するＬＳＩチップ７の実装形態は種々のものがある。本実施例では図１７に示すような形状の異なるピングリッド型ＬＳＩ２０とＤＩＬ型ＬＳＩが混在した基板６を用いた場合について説明する。この場合、基板６上に実装された各種ＬＳＩチップ７の高さが異なり、パック２への接触面高さが異なる場合があるが、図１９に示すように、ＬＳＩチップ７の高さに応じて接触部材１の厚さを変える事により接触の安定を保つことができる。すなわち、本実施例で用いた接触部材１は、図１９に示すように基板６上のＬＳＩチップ７の実装形態に則するように、各々のピングリッド型ＬＳＩ４９及び複数個のＤＩＬ型ＬＳＩ５０に対応して接触部材１の伝熱部３４を分割し、各伝熱部３４の厚さをＬＳＩチップ７の高さに応じて変えている。又、本実施例のパック２においては、上記のように分割した伝熱部３４間を冷媒通路４８で互いに連絡するように構成している。なお、各種ＬＳＩチップ７の高さにあまり差がない場合には、接触部材１の断面形状は図２０に示すように厚さを同程度のものとする。
【００６１】このように、伝熱部３４を分割し、各伝熱部３４の厚さをＬＳＩチップ７の高さに応じて変えることにより接触の安定を保つことができ、伝熱性能を向上させることができる他、各伝熱部３４内で局所的な対流を生じさせることができるので、伝熱部３４の分割がない場合に対流がパック２内全体で生じる場合に比べて、各種ＬＳＩチップ７の発熱量に応じた冷却を効率良く行うことができる利点がある。
【００６２】又、同じ基板６上に同種のＬＳＩチップ７が実装されている場合は、伝熱パック２を図２１に示すように各ＬＳＩチップ７に対応した伝熱部３４を有するように、図２２に示すようにほぼ同じ厚さを有するように構成しても良い。このように構成する場合も、各伝熱部３４内で局所的な対流を生じさせることができ、各ＬＳＩチップ７と接触部材１との密着性が向上するので熱伝達が円滑に行える効果がある。 本発明の他の実施例を図２３及び図２４に示す。図２３は縦方向に配置した基板６とヒートシンク８の間に接触部材１を配置した時の一適用例を示す縦断面図である。
【００６３】本実施例で用いた接触部材１は、パック２内には液状の伝熱媒体を封入しており、伝熱パック２の内側に、伝熱媒体の流れ５１を防げる隔壁５２を設置している。そして、各隔壁５２は、各隔壁５２により形成される領域が、各ＬＳＩチップ７にそれぞれ対応するように設けられている。かかる構成においては、ＬＳＩチップ７で発生した熱は、接触部材１を形成している被膜を通り伝熱媒体５に伝達される。加熱された伝熱媒体５は対流により接触部材１の上方に上昇するが隔壁５２に防げられ、ヒートシンク８側へ向きを変え、ヒートシンク８近傍で冷却され下方へ降下し、再びＬＳＩチップ７側へ向きを変える流れ５１となる。したがって縦方向に配置した伝熱パック２内の伝熱媒体の上下方向の温度差を解消し各ＬＳＩチップ７毎に同じ温度の伝熱媒体が供給され、ＬＳＩチップ７間の温度ばらつきが低減される効果がある。
【００６４】図２４に示す実施例は、図２３で示した接触部材１と同様なパック２を横方向に配置することもでき、その適用例を示している。この場合も隔壁５２によって局所的に対流を起こすことができ、各々のＬＳＩチップ７に対応した伝熱媒体の流れ５１を形成することができるので、各ＬＳＩチップ７毎に同じ温度の伝熱媒体が供給され、ＬＳＩチップ７間の温度ばらつきが低減され、ＬＳＩチップ７の冷却の安定性が増す効果がある。
【００６５】本発明の他の実施例を第２５図に示す。本実施例では、基板６上に複数のＬＳＩチップ７が配置され、その個々のＬＳＩチップ７に対してそれぞれ対応した独立の接触部材１が配置されている。この個々の接触部材１は上記した伝熱パック２と同様な構成となっているものであり、ヒ−トシンク８は、例えば内部に冷却水９を流して冷却する構造となっている。このように構成することにより、個々のＬＳＩチップ７に対応した冷却が行え、ＬＳＩチップ７の冷却の安定性が増す効果がある。
【００６６】
【発明の効果】上記の本発明によれば、冷却対象となる半導体素子とヒートシンクに代表される冷却部材との間の接触部材の伝熱性能を高め、電気回路に対する絶縁性を確保した半導体冷却装置を提供できる。
【００６７】本発明によれば、接触部材を形成する容器状のパック内に熱伝導性グリースなどの熱伝導性の良い液体を封入し、パック内面と接触する金属製部材をパック内に設けているので、パック内面での熱伝導は、封入された液体ばかりでなく、金属製部材の熱伝導で伝わるので、接触部材内の熱伝導にもとづく伝熱効率を高める効果がある。
【００６８】
【００６９】
【００７０】
【００７１】
【００７２】本発明によれば、接触部材を形成する容器状のパック内にスプリング効果を有する金属製の細線などを介在させているため、接触部材を半導体素子側と冷却部材側へ押し付ける作用効果があり、接触部材と半導体素子素子及び冷却部材との接触部の伝熱効果を高めることができる。
【００７３】本発明によれば、基板上に複数個の半導体素子が搭載された場合、接触部材の中空部を複数の領域に細分割し、各領域の熱伝導性流体が連通する構造としているので、各領域での熱伝導性流体の圧力が均等化でき、接触部材の半導体素子への押し付け力が部分的に過小過大になることを防止できる効果がある。
【００７４】
【００７５】
【００７６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す半導体冷却装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例を示す接触部材の斜視図である。
【図３】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図４】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図５】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図６】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図７】本発明の一実施例を示す接触部材の断面斜視図である。
【図８】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図９】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図１０】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図１１】本発明の一実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の他の実施例である組立状態を示す側面図である。
【図１４】本発明の他の実施例を示す接触部材の斜視図である。
【図１５】本発明の他の実施例を示す熱伝導フィルムの縦断面図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の斜視図である。
【図１７】本発明のさらに他の実施例を示す斜視図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の横断面図である。
【図１９】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図２０】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図２１】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の横断面図である。
【図２２】本発明のさらに他の実施例を示す接触部材の縦断面図である。
【図２３】本発明のさらに他の実施例の実装状態を示す縦断面図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施例の実装状態を示す縦断面図である。
【図２５】本発明のさらに他の実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…接触部材、２…パック、５…封入液、７…ＬＳＩチップ、８…ヒートシンク、１０…横型金属コイル、１３…縦型金属コイル、１６…金属タワシ、１８…山形状フィン、１９…ヒレ付板、３６…圧力調整部、４３…振動発生装置、４８…冷媒通路、３４…伝熱部、３５…シール部、３６…圧力調整部、３７…保圧バネ、３８…クランプ、３９…熱伝導フィルム、４０…心材、４１、４２…樹脂層、４３…振動発生装置、４４…打撃部、４５…モータ、４６…補強部材、４７…突起部、４８…冷媒通路、４９…ピングリッド型ＬＳＩ、５０…ＤＩＬ型ＬＳＩ、５１…伝熱媒体の流れ、５２…隔壁、５３…プラッター、５４…フィン、５５…流路、５７…ボルト、５８…フレキシブル部、５９…冷却水パイプ、６０…冷却水精製装置、６１…水ポンプ、６２…水タンク、６３…チラー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】基板に搭載された冷却対象となる半導体素子と、前記半導体素子の熱を放熱して冷却する冷却部材との間に設けられた接触部材とを備えて前記半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前記接触部材は内部が中空な部材であり、前記接触部材の中空な内部には熱伝導性流体を備えており、前記接触部材は金属製材料からなる芯材と該芯材の外側の面又は内外両面に絶縁皮膜を設けたパックで形成されており、前記接触部材は前記冷却部材と接触する側に平坦に形成された面を備えたことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】前記半導体素子が複数あり、前記接触部材の前記半導体素子と接触する側には前記冷却部材側からの距離に対応して前記複数の半導体素子の各々に接触するように形成された面を備えた請求項１記載の半導体冷却装置。
【請求項３】前記接触部材の内部を複数の領域に細分化し、前記熱伝導性流体を細分割領域間で連通させた請求項２記載の半導体冷却装置。
【請求項１】基板に搭載された冷却対象となる半導体素子と、前記半導体素子の熱を放熱して冷却する冷却部材との間に設けられた接触部材とを備えて前記半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前記接触部材は内部が中空な部材であり、前記接触部材の中空な内部には熱伝導性流体を備えており、前記接触部材は金属製材料からなる芯材と該芯材の外側の面又は内外両面に絶縁皮膜を設けたパックで形成されており、前記接触部材は前記冷却部材と接触する側に平坦に形成された面を備えたことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】前記半導体素子が複数あり、前記接触部材の前記半導体素子と接触する側には前記冷却部材側からの距離に対応して前記複数の半導体素子の各々に接触するように形成された面を備えた請求項１記載の半導体冷却装置。
【請求項３】前記接触部材の内部を複数の領域に細分化し、前記熱伝導性流体を細分割領域間で連通させた請求項２記載の半導体冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図９】
【図１５】
【図１９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図１８】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図９】
【図１５】
【図１９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図２０】
【図１８】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【特許番号】特許第３１７５１７７号（Ｐ３１７５１７７）
【登録日】平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【発行日】平成１３年６月１１日（２００１．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−４３１９３
【出願日】平成３年３月８日（１９９１．３．８）
【公開番号】特開平４−２８０４６０
【公開日】平成４年１０月６日（１９９２．１０．６）
【審査請求日】平成１０年３月９日（１９９８．３．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【参考文献】
【文献】特開 平３−３６７９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭５７−２１１２５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６１−７４３５６（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【発行日】平成１３年６月１１日（２００１．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成３年３月８日（１９９１．３．８）
【公開番号】特開平４−２８０４６０
【公開日】平成４年１０月６日（１９９２．１０．６）
【審査請求日】平成１０年３月９日（１９９８．３．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【参考文献】
【文献】特開 平３−３６７９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭５７−２１１２５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６１−７４３５６（ＪＰ，Ａ）
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