JP2015018993A - 電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却構造を備え、取り扱いが容易な電子装置を提供する。【解決手段】電子装置１は、電子部品１０、吸熱部２０、伝熱部３０及び放熱部４０を有する。吸熱部２０は、電子部品１０に実装され、冷媒が封入され、その冷媒を用いて電子部品１０の熱を吸熱する。伝熱部３０は、吸熱部２０に接続され、吸熱部２０の熱を伝熱する。放熱部４０は、伝熱部３０に接続され、冷媒が流通され、その冷媒を用いて伝熱部３０の熱を吸熱し放熱する。放熱部４０は、伝熱部３０への取り付け、伝熱部３０からの取り外しが行える構造とする。【選択図】図２

Description

本発明は、電子装置に関する。

電子装置やそれに含まれる電子部品の冷却を、空冷で行う技術、液冷で行う技術が知られている。また、冷媒の蒸発と凝縮による二相熱輸送を利用したヒートパイプを用いて冷却を行う技術も知られている。

特開平０８−０５６０８８号公報 特開平０９−２９３９８４号公報 特開２０１０−２０５９４９号公報

電子装置やそれに含まれる電子部品に冷却構造を設ける場合、冷却を効率的に行うために冷却構造が複雑化したり、冷却構造の取り付けやその後のメンテナンスが煩雑になったりすることがある。

本発明の一観点によれば、電子部品と、前記電子部品に実装され、第１冷媒が封入され、前記第１冷媒を用いて前記電子部品の熱を吸熱する吸熱部と、前記吸熱部に接続され、前記吸熱部の熱を伝熱する伝熱部と、前記伝熱部に着脱可能に配置され、第２冷媒が流通され、装着時に前記第２冷媒を用いて前記伝熱部の熱を吸熱し放熱する放熱部とを含む電子装置が提供される。

開示の技術によれば、冷却構造の複雑化を抑え、その取り付け、及び取り付け後のメンテナンスが容易で、冷却を効率的に行うことのできる電子装置が実現可能になる。

液冷式の冷却構造を設けた電子装置の一例を示す図である。 第１の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。 第３の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図（その１）である。 第３の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図（その２）である。 第４の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。 第５の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。 第６の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。

まず、電子装置の冷却について述べる。
電子装置に含まれる電子部品の一形態として、複数のチップ部品を配線基板上に実装して封止したマルチチップモジュール（Multi Chip Module，ＭＣＭ）がある。ＭＣＭでは、１つ又は複数のＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の半導体チップ、メモリ、センサ等を、１つのパッケージ内に収め、所望の機能を有するシステムを実現することができる。ＭＣＭは、システムオンチップ（System On Chip）のような形態に比べ、比較的短期間に低コストで開発、製造が可能であり、比較的容易に小型化、多機能化が実現できる。

ところで、このようなＭＣＭにも用いられるＬＳＩ等の半導体チップは、高集積化に伴い、発熱量が増大し得る。発熱による半導体チップの過熱を抑えるために、半導体チップの冷却が行われる。冷却方式の１つに、空冷式がある。空冷式では、例えば、冷却対象の半導体チップにヒートスプレッダ、ヒートシンク等の熱伝導性の部材を熱的に接続し、そのような部材を用いて半導体チップの冷却を行う。しかし、発熱量の大きい半導体チップになると、空冷では十分な冷却が行えない場合がある。

冷却の別の方式に、液冷式がある。液冷式では、例えば、冷却対象の半導体チップの近傍に流路を設けてそこに水等の冷媒を流通させ、その冷媒を用いて半導体チップの冷却を行う。例えば、冷媒として用いられる水は、空気に比べて、効率的に熱を保持することができ、熱伝導効率も高い。

図１は液冷式の冷却構造を設けた電子装置の一例を示す図である。
図１に示す電子装置１００は、電子部品１１０及び冷却構造１２０を備える。
電子部品１１０は、配線基板、及び配線基板上に実装された１つ又は複数の半導体チップを含んでいる。電子部品１１０には、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサを含むＭＣＭが用いられる。

冷却構造１２０は、液冷部１２１、ホルダ１２２、液冷管（チューブ）１２３及びコネクタ１２４を有している。液冷部１２１は、電子部品１１０上に設けられる。液冷部１２１は、冷媒が流通される１本又は複数本の溝（マイクロチャネル）１２１ａを備える。液冷部１２１には、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の基板にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等を用いてマイクロチャネル１２１ａを形成したものを用いることができる。液冷部１２１にはホルダ１２２が取り付けられ、このホルダ１２２に、チューブ１２３の先端部に設けられたコネクタ１２４が螺着等の方式で取り付けられる。

コネクタ１２４がホルダ１２２に取り付けられ、チューブ１２３と液冷部１２１のマイクロチャネル１２１ａとが連結されることで、チューブ１２３からマイクロチャネル１２１ａに水等の冷媒が供給される。マイクロチャネル１２１ａに供給された冷媒は、マイクロチャネル１２１ａを流通される際に、電子部品１１０の熱を吸熱し、それにより電子部品１１０が冷却される。吸熱した冷媒は、マイクロチャネル１２１ａを流通され、液冷部１２１の外部に排出される。

電子装置１００では、このような液冷式を採用することで、電子部品１１０の効率的な冷却が行われる。
しかし、このような液冷式の冷却構造１２０を設けた電子装置１００において、液冷部１２１のマイクロチャネル１２１ａは、例えば、その径或いは幅や深さがμｍオーダーのサイズとされる。一方、マイクロチャネル１２１ａに冷媒を供給するためのチューブ１２３には、例えば、その径がｍｍオーダーのサイズのものが用いられる。このようなｍｍオーダーのチューブ１２３を、μｍオーダーのマイクロチャネル１２１ａと連結するためのコネクタ１２４の形成は必ずしも容易でない。

また、コネクタ１２４は、取り付け後、例えば液冷部１２１を設けた電子部品１１０を交換する場合等に、取り外されることがあるが、このようなコネクタ１２４の着脱も必ずしも容易でない。例えば、着脱の際、コネクタ１２４とホルダ１２２の接続部分等から液漏れが生じたり、液冷部１２１或いは液冷部１２１を設けた電子部品１１０の機械的な破損が生じたりする恐れがある。

また、上記のような冷却構造１２０を設けた電子装置１００を、サーバやスーパーコンピュータ等の機器に採用する場合、電子装置１００が数千個規模で実装されることもあり得る。このように多数の電子装置１００が実装される機器では、個々の電子装置１００についてコネクタ１２４の着脱に伴う上記のような液漏れや破損が生じる恐れがあるほか、電子装置１００が多数になることで、コネクタ１２４の着脱作業が煩雑になる恐れもある。

液冷式の冷却構造を設けた電子装置の別例として、複数の半導体チップを三次元積層し、半導体チップ間に冷媒通路を設け、そこに水等の冷媒を流通させることで、冷却を行うものもある。複数の半導体チップを三次元積層する技術（三次元集積化技術）は、配線基板上の半導体チップの占有面積（実装面積）を低減することができるほか、高速化やバンド幅の拡大、配線距離の短縮によるバス消費電力の低減を実現し得る。但し、複数の半導体チップを単に三次元積層すれば、発熱体が集積されて電子装置内の局所的な発熱量が増加する恐れがあり、熱の放熱効率も低下する恐れがある。そこで、上記のように、三次元積層した半導体チップ間に冷媒通路を設けてそこに冷媒を流通させることで、冷却効率を高める技術も提案されている。

半導体チップ間に設ける冷媒通路としては、上記のようなマイクロチャネルを用いることができる。半導体チップ間にマイクロチャネルを有する電子装置は、例えば、各半導体チップに直接マイクロチャネルを形成したり、シリコン基板等にマイクロチャネルを形成したものを半導体チップ間に設けたりすることで、得ることができる。しかし、このような液冷式の冷却構造を設けた電子装置の場合も、上記同様、マイクロチャネルと液冷管を連結するコネクタの着脱に伴う液漏れや破損、煩雑な着脱作業が問題となり得る。

以上のような点に鑑み、ここでは電子装置を、以下に示すような冷却構造を採用した構成とする。
まず、第１の実施の形態について説明する。

図２は第１の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。
図２（Ａ）に示す電子装置１は、電子部品１０、吸熱部２０、伝熱部３０及び放熱部４０を含む。

電子部品１０は、ＬＳＩ等の半導体チップ、半導体チップが配線基板（パッケージ基板）に実装された半導体パッケージ、ＭＣＭ等である。電子部品１０には、発熱する箇所（ホットスポット）１０ｈが存在する。電子部品１０が半導体チップの場合には、その半導体チップ内の一部、或いは半導体チップ全体がホットスポット１０ｈになり得る。電子部品１０が半導体パッケージの場合には、それに含まれる半導体チップ、或いは半導体チップとその周辺領域がホットスポット１０ｈになり得る。電子部品１０がＭＣＭの場合も同様に、それに含まれる半導体チップ、或いは半導体チップとその周辺領域がホットスポット１０ｈになり得る。例えば、ＣＰＵ等のプロセッサを含むＭＣＭでは、そのようなプロセッサ、或いはプロセッサとその周辺領域がホットスポット１０ｈとなる。

吸熱部２０は、電子部品１０の上に、電子部品１０に熱的に接続されて実装される。吸熱部２０は、電子部品１０の熱を、冷媒を用いて吸熱する。吸熱部２０には、冷媒の蒸発と凝縮による二相熱輸送を利用したもの（二相熱輸送デバイス）が用いられる。二相熱輸送デバイスとしては、例えば、ヒートパイプ、マイクロヒートパイプ、ベーパーチャンバー、マイクロベーパーチャンバーがある。ヒートパイプ、マイクロヒートパイプは、冷媒（作動流体）が封入された、閉じた管状の密閉空間（容器）を有する。ベーパーチャンバー、マイクロベーパーチャンバーは、冷媒（作動流体）が封入された、密閉容器或いは閉じた管状の密閉空間（容器）を有する。これらの二相熱輸送デバイスの密閉容器内（内壁）には、ウィックと呼ばれる毛細管構造が設けられてもよい。吸熱部２０には、一定以上の熱伝導率を有する熱伝導材料が用いられる。吸熱部２０には、金属材料、半導体材料、炭素材料等を用いることができる。金属材料としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。半導体材料としては、シリコン等を挙げられる。炭素材料としては、グラファイト、炭素繊維、炭素繊維を用いた炭素複合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，ＣＦＲＰ）等が挙げられる。

伝熱部３０は、吸熱部２０に熱的に接続され、吸熱部２０の熱を伝熱する。伝熱部３０は、吸熱部２０のほか、電子部品１０にも熱的に接続されてよい。伝熱部３０には、一定以上の熱伝導率を有する熱伝導材料が用いられる。伝熱部３０には、金属材料、半導体材料、炭素材料等を用いることができる。金属材料としては、銅、銀、アルミニウム等が挙げられる。半導体材料としては、シリコン等を挙げられる。炭素材料としては、グラファイト、炭素繊維、炭素複合材料等が挙げられる。

放熱部４０は、伝熱部３０に着脱可能になっている。放熱部４０は、図２（Ａ）に示すように伝熱部３０に取り付けられることで伝熱部３０に熱的に接続される。伝熱部３０に熱的に接続された放熱部４０は、伝熱部３０の熱を、水等の液冷媒を用いて吸熱し、電子装置１の外部に放熱する。放熱部４０には、例えば、冷媒が流通される液冷管が熱伝導部材に内蔵又は外付けされた構造体を用いることができる。液冷管、熱伝導部材には、一定以上の熱伝導率を有する熱伝導材料、例えば、金属材料、半導体材料、炭素材料等が用いられる。金属材料としては、銅、銀、アルミニウム、鉄（Ｆｅ）等が挙げられる。半導体材料としては、シリコン等を挙げられる。炭素材料としては、グラファイト、炭素繊維、炭素複合材料等が挙げられる。液冷管、熱伝導部材には、フレキシブルなものを用いることもできる。例えば、金属箔、ポリイミド等の高分子シート、グラファイトシート等の一対のフレキシブルシート間に、冷媒の流路となる空間を設けたものや、冷媒の流路となるフレキシブルなチューブを挟んだもの等を用いることができる。

電子装置１において、電子部品１０のホットスポット１０ｈの熱は、吸熱部２０に伝熱（吸熱）され（図２（Ａ）に太矢印で図示）、その熱により、吸熱部２０の、ホットスポット１０ｈに対応する部位の作動流体である冷媒が蒸発する。この蒸発（気化熱）によってホットスポット１０ｈの熱が奪われ、ホットスポット１０ｈ及びそのホットスポット１０ｈが存在する電子部品１０の冷却が行われる。

吸熱部２０で蒸発した冷媒は、吸熱部２０の、ホットスポット１０ｈよりも低温の部位、例えば、ホットスポット１０ｈから離れた部位や、伝熱部３０との接続部位で、凝縮する。凝縮した冷媒は、吸熱部２０の、ホットスポット１０ｈに対応する部位に移動し、再びホットスポット１０ｈの熱を奪って蒸発する。吸熱部２０での冷媒の凝縮により生じた熱（凝縮熱）は、伝熱部３０に伝熱される（図２（Ａ）に太矢印で図示）。

尚、図２（Ａ）には、吸熱部２０内の蒸発と凝縮を伴う冷媒の流れを点線矢印で模式的に図示している。
電子部品１０（ホットスポット１０ｈ）の冷却時には、伝熱部３０に放熱部４０が熱的に接続される。その放熱部４０には、液冷媒が流通される（図２（Ａ）に点線矢印で図示）。吸熱部２０から伝熱部３０に伝熱された熱は、放熱部４０に吸熱され（図２（Ａ）に太矢印で図示）、放熱部４０に流通される冷媒に伝熱され、電子装置１の外部に輸送（放熱）される。尚、放熱部４０に吸熱された熱は、放熱部４０から空冷によっても電子装置１の外部に放熱され得る。

電子装置１では、このようなサイクルで電子部品１０の冷却が行われる。
上記のように、この電子装置１では、放熱部４０が伝熱部３０に着脱可能とされる。このような放熱部４０及び伝熱部３０には、例えば、放熱部４０に嵌合部を設け、その嵌合部と嵌合する被嵌合部を伝熱部３０に設ける。例えば、嵌合部として、ピン状、ライン状といった凸部を設け、被嵌合部として、その凸部が嵌合されるようなピン状、穴状、ライン状といった凹部を設ける。放熱部４０及び伝熱部３０にそれぞれ嵌合部及び被嵌合部を設けることで、放熱部４０の、図２（Ａ）に示すような伝熱部３０への取り付け、図２（Ｂ）に示すような伝熱部３０からの取り外しが、容易に、繰り返し、行えるようになっている。

電子装置１では、このように放熱部４０を伝熱部３０に着脱可能にし、液冷媒を流通する放熱部４０を、電子部品１０上に配置された吸熱部２０と、伝熱部３０を介して熱的には接続するが、直接的には接続せずに分離している。即ち、吸熱部２０と放熱部４０の互いの冷媒を分離しつつ、互いの冷媒を用いて電子部品１０（ホットスポット１０ｈ）の効率的な冷却を可能にしている。

吸熱部２０は、マイクロヒートパイプやマイクロベーパーチャンバー等であって、冷媒が閉じた空間内に封入されており、外部から冷媒を供給するチューブ、コネクタを連結するような作業が不要であるため、冷媒の漏れが抑えられる。放熱部４０は、このような吸熱部２０に熱的に接続された伝熱部３０に着脱可能とされている。伝熱部３０に放熱部４０を取り付け（図２（Ａ））、その放熱部４０に冷媒を流通させることで、吸熱部２０の熱を電子装置１の外部に放熱することができる。

放熱部４０は、必要な時に、例えば電子部品１０を交換する等のメンテナンス時に、伝熱部３０から取り外すことができ（図２（Ｂ））、その後、再び伝熱部３０に取り付けることができる（図２（Ａ））。このような放熱部４０の取り付け、取り外しは、例えば上記のように放熱部４０及び伝熱部３０にそれぞれ嵌合部及び被嵌合部を設けることで、容易に行うことができる。この放熱部４０の取り付け、取り外しの際には、電子部品１０に過大な外力が加わるのを抑えることができ、それにより、電子部品１０が破損するのを抑えることができる。

上記のような電子装置１によれば、電子部品１０を効率的に冷却するための冷却構造の複雑化を抑えると共に、電子装置１の組み立て、冷却構造の取り付け、及び取り付け後のメンテナンスの容易化を図ることが可能になる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
図３は第２の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。
図３に示す電子装置１ａは、電子部品１０、マイクロヒートパイプユニット５０及び液冷管ユニット６０を含む。

電子部品１０は、ＬＳＩ等の半導体チップ、半導体チップを含む半導体パッケージ、ＭＣＭ等であり、ホットスポットが存在している。
マイクロヒートパイプユニット５０は、本体部５１と、本体部５１に設けられたマイクロヒートパイプ５２とを有している。

マイクロヒートパイプユニット５０の本体部５１には、一定以上の熱伝導率を有する熱伝導材料、例えば、銅、銀等の金属材料、シリコン等の半導体材料、グラファイト等の炭素材料が用いられる。マイクロヒートパイプ５２は、本体部５１に形成された、１本の連続した或いは複数本のマイクロチャネル５２ａを有している。マイクロヒートパイプユニット５０は、このようなマイクロヒートパイプ５２のマイクロチャネル５２ａの配設面側を電子部品１０側に向けて、電子部品１０上に接合されている。

尚、マイクロヒートパイプユニット５０と電子部品１０とは、直接接合することができる。このほか、マイクロヒートパイプユニット５０と電子部品１０とは、本体部５１と同様の一定以上の熱伝導率を有する熱伝導部材、熱伝導性ポリマーを用いた熱界面材料（Thermal Interface Material，ＴＩＭ）等を介して接合することもできる。

マイクロヒートパイプユニット５０のマイクロチャネル５２ａの内壁には、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）を含有する層を形成する表面処理を施してもよい。図３には、このような表面処理により、マイクロチャネル５２ａの内壁にシラノール基含有層５２ｂを形成した場合を例示している。

マイクロヒートパイプ５２において、マイクロチャネル５２ａの内壁が、封入される冷媒に対して親水性であるか、疎水性であるかは、冷媒がマイクロチャネル５２ａ内を移動する際の抵抗に影響する。

例えば、マイクロチャネル５２ａに上記のようなシラノール基含有層５２ｂを設けないマイクロヒートパイプユニット５０を炭素製とした場合、即ち、マイクロチャネル５２ａの内壁が炭素の場合、冷媒に水を用いると、炭素と水の接触角は約６０°になる。シラノール基含有層５２ｂを設けないマイクロヒートパイプユニット５０がシリコン製であり、マイクロチャネル５２ａの内壁がシリコンの場合には、シリコンと水（冷媒）の接触角は約９０°になる。

一方、マイクロチャネル５２ａの内壁に、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を形成する表面処理を行うと、表面シラノール基を有する酸化シリコン層が形成される。この酸化シリコン層は、表面シラノール基を有するために、水分子が吸着し易く、親水性となる。表面シラノール基を有する酸化シリコン層と水（冷媒）の接触角は５°未満である。同様に、マイクロチャネル５２ａの内壁に、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）を形成する表面処理を行うと、表面シラノール基を有する親水性の炭化シリコン層が形成され、この炭化シリコン層と水（冷媒）の接触角は４°未満である。

マイクロチャネル５２ａの内壁に、このような表面シラノール基を有する酸化シリコン層や炭化シリコン層を、上記シラノール基含有層５２ｂとして形成することで、マイクロチャネル５２ａ内を移動する冷媒の接触角が低減する。それにより、マイクロチャネル５２ａ内を移動する冷媒の抵抗を低減することができる。更に、電子部品１０から熱を吸熱して冷媒が蒸発する際の気泡の発生、発生した気泡によるマイクロチャネル５２ａの詰まり（閉塞）を抑えることができる。

尚、マイクロチャネル５２ａ内に封入される冷媒の種類によっては、上記のようなシラノール基含有層５２ｂを設けない構成とすることができる。
上記のようなマイクロヒートパイプ５２を設けたマイクロヒートパイプユニット５０の、電子部品１０との接合面（マイクロヒートパイプ５２の配設面）と反対側の面には、凹凸部５３が設けられる。凹凸部５３は、例えば、アイランド状、ライン状の凹部を本体部５１に形成することで、設けることができる。凹凸部５３は、マイクロヒートパイプユニット５０と液冷管ユニット６０との接合に用いられる。

液冷管ユニット６０は、本体部６１と、本体部６１に内蔵された液冷管６２とを有している。液冷管ユニット６０の本体部６１及び液冷管６２には、一定以上の熱伝導率を有する熱伝導材料、例えば、銅、銀、鉄等の金属材料、シリコン等の半導体材料、グラファイト等の炭素材料が用いられる。液冷管ユニット６０には、その本体部６１に内蔵された液冷管６２内に、水等の冷媒が流通される。

液冷管ユニット６０は、マイクロヒートパイプユニット５０との接合面に、凹凸部６３を有している。凹凸部６３は、例えば、マイクロヒートパイプユニット５０の凹凸部５３の凸部に対応する、アイランド状、ライン状の凹部を本体部６１に形成することで、設けることができる。液冷管ユニット６０の凹凸部６３が嵌合部となり、マイクロヒートパイプユニット５０の凹凸部５３が被嵌合部となって、凹凸部６３が凹凸部５３に嵌合される。このような嵌合する凹凸部６３及び凹凸部５３により、液冷管ユニット６０のマイクロヒートパイプユニット５０への取り付け、取り外しが可能になっている。

液冷管ユニット６０及びマイクロヒートパイプユニット５０にそれぞれ凹凸部６３及び凹凸部５３を設け、これらを嵌合するようにすることで、液冷管ユニット６０とマイクロヒートパイプユニット５０の接合面積を大きくし、伝熱効率を高めることができる。

尚、凹凸部６３及び凹凸部５３がアイランド状であれば、液冷管ユニット６０をマイクロヒートパイプユニット５０の上方から押し込むことで、液冷管ユニット６０をマイクロヒートパイプユニット５０に取り付けることができる。取り付けた液冷管ユニット６０は、マイクロヒートパイプユニット５０の上方に引き抜くことで、マイクロヒートパイプユニット５０から取り外すことができる。また、凹凸部６３及び凹凸部５３がライン状であれば、液冷管ユニット６０をマイクロヒートパイプユニット５０の横から凹凸のライン方向にスライドさせて押し込むことで、液冷管ユニット６０をマイクロヒートパイプユニット５０に取り付けることができる。取り付けた液冷管ユニット６０は、凹凸のライン方向にスライドさせて引き抜くことで、マイクロヒートパイプユニット５０から取り外すことができる。

液冷管ユニット６０のマイクロヒートパイプユニット５０への取り付け、取り外しの容易さは、それらに用いる材料で変化し得る。例えば、液冷管ユニット６０とマイクロヒートパイプユニット５０に共に銅を用いた場合、銅−銅間の摩擦係数（μ）は１．４である。液冷管ユニット６０とマイクロヒートパイプユニット５０に共にシリコンを用いた場合、シリコン−シリコン間の摩擦係数は０．９である。液冷管ユニット６０に鉄、マイクロヒートパイプユニット５０に銅を用いた場合、鉄−銅間の摩擦係数は０．５４である。液冷管ユニット６０に鉄、マイクロヒートパイプユニット５０に炭素を用いた場合、鉄−炭素間の摩擦係数は０．１５である。マイクロヒートパイプユニット５０に炭素を用いると、液冷管ユニット６０に鉄や銅等の比較的安価な金属材料を用いても、その取り付け、取り外しが、比較的小さな力で行える。そのため、液冷管ユニット６０の取り付け、取り外しを容易にし、また、取り付け、取り外しの際の電子部品１０、マイクロヒートパイプユニット５０へのダメージを抑えることができる。

上記のような構成を有する電子装置１ａでは、電子部品１０（ホットスポット）の熱が、マイクロヒートパイプユニット５０に吸熱され、その熱により、マイクロヒートパイプ５２の、ホットスポットに対応する部位のマイクロチャネル５２ａ内の冷媒が蒸発する。この蒸発（気化熱）により、電子部品１０の冷却が行われる。蒸発した冷媒は、ホットスポットから離れた部位のマイクロチャネル５２ａ内等、より低温の部位で凝縮する。凝縮した冷媒は、マイクロチャネル５２ａ内を、ホットスポットに対応する部位へと移動し、再びホットスポットの熱を奪って蒸発する。マイクロチャネル５２ａ内での冷媒の凝縮により生じた熱（凝縮熱）は、本体部５１を伝熱される。本体部５１の熱は、マイクロヒートパイプユニット５０に取り付けられた液冷管ユニット６０に吸熱され、放熱部４０に流通される冷媒に伝熱され、電子装置１ａの外部に輸送（放熱）される。電子装置１ａでは、このようなサイクルで電子部品１０の冷却が行われる。

電子装置１ａでは、マイクロヒートパイプユニット５０が吸熱部兼伝熱部として機能し、液冷管ユニット６０が放熱部として機能する。電子装置１ａでは、液冷管ユニット６０とマイクロヒートパイプユニット５０の互いの冷媒を分離しつつ、互いの冷媒を用いて電子部品１０の効率的な冷却を可能にしている。マイクロヒートパイプユニット５０では、冷媒の漏れが抑えられる。液冷管ユニット６０は、電子部品１０の交換等のメンテナンス時に、マイクロヒートパイプユニット５０から容易に取り外すことができ、その後、再びマイクロヒートパイプユニット５０に容易に取り付けることができる。取り付け、取り外しの際、電子部品１０等に過大な外力が加わるのを抑え、電子部品１０等が破損するのを抑えることができる。

上記のような電子装置１ａによれば、電子部品１０を効率的に冷却するための冷却構造の複雑化を抑えると共に、電子装置１ａの組み立て、冷却構造の取り付け、及び取り付け後のメンテナンスの容易化を図ることが可能になる。

一例として、上記電子装置１ａの電子部品１０として、消費電力８０ＷのＣＭＯＳロジックデバイスをパッケージ基板に実装した半導体パッケージを用い、その上に、炭素製のマイクロヒートパイプユニット５０を設ける。マイクロヒートパイプユニット５０には、断面サイズが縦５００μｍ×横５００μｍのマイクロチャネル５２ａが、電子部品１０上を全体的に引き回されるように設けられており、マイクロチャネル５２ａの内部には、冷媒として水を封入する。マイクロヒートパイプユニット５０の上部には、高さ（深さ）１．５ｍｍ×幅１．５ｍｍの凹凸部５３を設け、液冷管ユニット６０の下部には、凹凸部５３と嵌合される高さ（深さ）１．５ｍｍ×幅１．５ｍｍの凹凸部６３を設ける。凹凸部６３と凹凸部５３を用いて、液冷管ユニット６０をマイクロヒートパイプユニット５０に嵌合する。このような構成とした電子装置１ａについて、電子部品１０の動作、冷却を行うと、ＣＭＯＳロジックデバイスの動作温度は３５℃になる。比較のため、電子部品１０の上にＴＩＭを介して空冷ユニットを接合した電子装置を準備し、その電子部品１０の動作、冷却を行うと、ＣＭＯＳロジックデバイスの動作温度は６０℃になる。上記電子装置１ａによれば、効率的な電子部品１０の冷却が可能となる。

次に、第３の実施の形態について説明する。
図４及び図５は第３の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。図４は第３の実施の形態に係る電子装置の一例の斜視模式図、図５は第３の実施の形態に係る電子装置の一例の断面模式図である。

図４及び図５に示す電子装置１ｂは、電子部品１０、マイクロベーパーチャンバー７０、伝熱ユニット８０及び液冷管ユニット９０を含む。
ここでは電子部品１０の一例として、パッケージ基板１１に半田ボール等のバンプ１２を用いてＬＳＩ等の半導体チップ１３を実装した半導体パッケージを例示している。ここでは図示を省略するが、パッケージ基板１１には、半導体チップ１３実装面と反対側の面に半田ボールのようなバンプや、金属ピン等が、外部接続端子として設けられてもよい。このような電子部品１０（半導体パッケージ）では、例えば、半導体チップにホットスポットが存在している。尚、電子部品１０には、半導体チップ、ＭＣＭ等を用いることもできる。

マイクロベーパーチャンバー７０には、その容器内部にマイクロチャネルが設けられ、水等の冷媒が封入されている。このようなマイクロベーパーチャンバー７０が、電子部品１０の上に、直接、或いは一定以上の熱伝導率を有する熱伝導部材、ＴＩＭ等を介して、接合されている。マイクロベーパーチャンバー７０には、例えば、電子部品１０の平面サイズよりも大きな平面サイズのものが用いられる。

伝熱ユニット８０は、マイクロベーパーチャンバー７０に熱的に接続されるように設けられる。この例では、伝熱ユニット８０を、電子部品１０の周囲に設け、マイクロベーパーチャンバー７０の、電子部品１０よりも外側にはみ出た部位の下面に接合している。伝熱ユニット８０は、マイクロベーパーチャンバー７０と直接、或いは一定以上の熱伝導率を有する熱伝導部材、ＴＩＭ等を介して、接合される。伝熱ユニット８０には、一定以上の熱伝導率を有する熱伝導材料、例えば、銅、銀等の金属材料、シリコン等の半導体材料、グラファイト等の炭素材料が用いられる。

伝熱ユニット８０には、複数のピン状の凸部８３が格子状に設けられている。凸部８３は、例えば、円柱状とされる。凸部８３は、伝熱ユニット８０と液冷管ユニット９０との接合に用いられる。

液冷管ユニット９０は、熱伝導部材９１と、熱伝導部材９１上に設けられた液冷管９２とを有している。熱伝導部材９１及び液冷管９２には、一定以上の熱伝導率を有する熱伝導材料、例えば、銅、銀、鉄等の金属材料が用いられる。液冷管９２は、例えば、熱伝導部材９１上に、溶接等の方法で接合される。液冷管ユニット９０は、伝熱ユニット８０に熱的に接続され、その液冷管６２には、水等の冷媒が流通される。尚、液冷管９２に金属材料を用いる場合には、溶接のほか、適当な固定用治具で熱伝導部材９１に固定することもできる。また、液冷管９２には、一定以上の熱伝導率を有するフレキシブルチューブを用いることもできる。このようなフレキシブルチューブは、例えば、熱伝導部材９１に接着したり、適当な固定用治具で固定したりすることができる。

液冷管ユニット９０の熱伝導部材９１には、伝熱ユニット８０との接続面に、伝熱ユニット８０に設けられた複数の凸部８３とは位置をずらして、複数のピン状の凸部９３が格子状に設けられている。凸部９３は、例えば、円柱状とされる。液冷管ユニット９０の隣接凸部９３間の間隔は、伝熱ユニット８０の隣接凸部８３間の間隔と同程度とされる。液冷管ユニット９０を伝熱ユニット８０に取り付ける際には、液冷管ユニット９０の各凸部９３が、それに対応する位置を囲む伝熱ユニット８０の凸部８３群の中央部に嵌合される。このように液冷管ユニット９０の凸部９３が嵌合部となり、その凸部９３を囲む位置の伝熱ユニット８０の凸部８３が被嵌合部となって、液冷管ユニット９０の伝熱ユニット８０への取り付けが可能になっており、また、取り外しも可能になっている。凸部９３及び凸部８３を用いることで、液冷管ユニット９０の取り付け、取り外しを容易に行うことができる。

尚、液冷管ユニット９０の熱伝導部材９１に銅、鉄等の金属材料を用い、伝熱ユニット８０に炭素材料を用いると、双方の摩擦係数が小さくなるため、液冷管ユニット９０の取り付け、取り外しを容易にすることができる。また、液冷管ユニット９０の取り付け、取り外しの際の電子部品１０、マイクロベーパーチャンバー７０、伝熱ユニット８０へのダメージを抑えることができる。

また、ここでは、熱伝導部材９１上に液冷管９２を取り付けた液冷管ユニット９０を例示したが、液冷管ユニット９０は、熱伝導部材９１の内部を通るように液冷管９２を内蔵させた構造とすることもできる。

上記のような構成を有する電子装置１ｂでは、電子部品１０（ホットスポット）の熱が、マイクロベーパーチャンバー７０に吸熱され、その熱により、ホットスポットに対応する部位のマイクロベーパーチャンバー７０内の冷媒が蒸発する。この蒸発（気化熱）により、電子部品１０の冷却が行われる。蒸発した冷媒は、マイクロベーパーチャンバー７０の、ホットスポットから離れた伝熱ユニット８０との接続部位等、より低温の部位で凝縮する。凝縮した冷媒は、マイクロベーパーチャンバー７０内を、ホットスポットに対応する部位へと移動し、再びホットスポットの熱を奪って蒸発する。マイクロベーパーチャンバー７０内での冷媒の凝縮により生じた熱（凝縮熱）は、伝熱ユニット８０へと伝熱される。伝熱ユニット８０の熱は、液冷管ユニット９０の熱伝導部材９１に吸熱され、それに取り付けられた液冷管９２に流通される冷媒に伝熱されて、電子装置１ｂの外部に輸送（放熱）される。電子装置１ｂでは、このようなサイクルで電子部品１０の冷却が行われる。

電子装置１ｂでは、マイクロベーパーチャンバー７０が吸熱部として機能し、伝熱ユニット８０が伝熱部として機能し、液冷管ユニット９０が放熱部として機能する。電子装置１ｂでは、液冷管ユニット９０とマイクロベーパーチャンバー７０の互いの冷媒を分離しつつ、互いの冷媒を用いて電子部品１０の効率的な冷却を可能にしている。マイクロベーパーチャンバー７０では、冷媒の漏れが抑えられる。液冷管ユニット９０は、電子部品１０の交換等のメンテナンス時に、伝熱ユニット８０から容易に取り外すことができ、その後、再び伝熱ユニット８０に容易に取り付けることができる。取り付け、取り外しの際、電子部品１０等に過大な外力が加わるのを抑え、電子部品１０等が破損するのを抑えることができる。

上記のような電子装置１ｂによれば、電子部品１０を効率的に冷却するための冷却構造の複雑化を抑えると共に、電子装置１ｂの組み立て、冷却構造の取り付け、及び取り付け後のメンテナンスの容易化を図ることが可能になる。

次に、第４の実施の形態について説明する。
図６は第４の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。図６は第４の実施の形態に係る電子装置の一例の斜視模式図である。

図６に示す電子装置１ｃは、液冷管ユニット９０に嵌合部となる複数のライン状の凸部９３ｃを設け、伝熱ユニット８０に被嵌合部となる複数のライン状の凸部８３ｃを設けた構造を有している点で、上記第３の実施の形態に係る電子装置１ｂと相違する。

電子装置１ｃでは、液冷管ユニット９０を伝熱ユニット８０の横から凹凸のライン方向にスライドさせて押し込むことで、液冷管ユニット９０が伝熱ユニット８０に取り付けられる。取り付けられた液冷管ユニット６０は、凹凸のライン方向にスライドさせて引き抜くことで、伝熱ユニット８０から取り外される。

このような電子装置１ｃによっても、上記電子装置１ｂと同様に、電子部品１０を効率的に冷却するための冷却構造の複雑化を抑えると共に、電子装置１ｃの組み立て、冷却構造の取り付け、及びその後のメンテナンスの容易化を図ることが可能になる。

次に、第５の実施の形態について説明する。
図７は第５の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。図７は第５の実施の形態に係る電子装置の一例の斜視模式図である。

図７に示す電子装置１ｄは、液冷管ユニット９０の熱伝導部材９１に、液冷管９２ａａを内蔵するフレキシブルシート部材９２ａが取り付けられている点で、上記第３の実施の形態に係る電子装置１ｂと相違する。

フレキシブルシート部材９２ａは、例えば、一定以上の熱伝導率を有する一対のフレキシブルシート９２ａｂ内に、液冷管９２ａａとして、冷媒の流路となる空間を設けたものや、冷媒の流路となるフレキシブルなチューブを挟んだものを用いることができる。フレキシブルシート９２ａｂ及び液冷管９２ａａには、銅等の金属、シリコーン等の高分子、グラファイト等の熱伝導材料を用いることができる。

このような電子装置１ｄによっても、上記電子装置１ｂと同様に、電子部品１０を効率的に冷却するための冷却構造の複雑化を抑えると共に、電子装置１ｄの組み立て、冷却構造の取り付け、及び取り付け後のメンテナンスの容易化を図ることが可能になる。

尚、電子装置１ｄにおいて、液冷管ユニット９０（熱伝導部材９１）及び伝熱ユニット８０には、上記第４の実施の形態に係る電子装置１ｃと同様に、スライドさせることで取り付け、取り外しが可能なライン状の凸部９３ｃ及び凸部８３ｃを設けることもできる。

次に、第６の実施の形態について説明する。
図８は第６の実施の形態に係る電子装置の一例を示す図である。図８は第６の実施の形態に係る電子装置の一例の断面模式図である。

図８に示す電子装置１ｅは、電子部品１０、マイクロベーパーチャンバー７０、伝熱ユニット８０及び液冷管ユニット９０を含む。
電子部品１０は、バンプ１０ａａを備えるパッケージ基板１０ａに、熱伝導部材であるビア１０ｂを形成したインターポーザ１０ｃ及びバンプ１０ｄを介して実装された半導体装置１０ｅを有している。半導体装置１０ｅは、マイクロプロセッサ等の半導体チップ１０ｅａと、その半導体チップ１０ｅａにバンプ１０ｅｂを介して積層されたメモリ等の半導体チップ１０ｅｃ群とを含んでいる。

マイクロベーパーチャンバー７０は、例えば内部にマイクロチャネルを有し、パッケージ基板１０ａとインターポーザ１０ｃの間に設けられている。ビア１０ｂは、マイクロベーパーチャンバー７０を、そのマイクロチャネルの形成領域を避けて貫通するように設けられ、ビア１０ｂを介してパッケージ基板１０ａと電子部品１０とが電気的及び熱的に接続されている。

伝熱ユニット８０は、グラファイトシート８０ａ及び熱伝導部材８０ｂを有している。マイクロベーパーチャンバー７０は、その上面の一部に接合されたグラファイトシート８０ａを介して、熱伝導部材８０ｂに熱的に接続されている。マイクロベーパーチャンバー７０は、グラファイトシート８０ａと共に、熱伝導部材８０ｂに接合されていてもよい。

液冷管ユニット９０は、熱伝導部材９１と、熱伝導部材９１上に設けられた液冷管９２とを有している。ここでは熱伝導部材９１として、例えば、低粘着性の接着剤が用いられる。このような低粘着性の接着剤を熱伝導部材９１に用いることで、液冷管ユニット９０を伝熱ユニット８０に着脱可能としている。

このような電子装置１ｅは、パッケージ基板１０ａのバンプ１０ａａを用いて、マザーボード等の他の配線基板に実装することができる。
電子装置１ｅでは、電子部品１０の熱がビア１０ｂに伝熱され、ビア１０ｂに伝熱された熱がマイクロベーパーチャンバー７０に吸熱され、その熱により、マイクロベーパーチャンバー７０内の冷媒の一部が蒸発する。この蒸発（気化熱）により、電子部品１０の冷却が行われる。蒸発した冷媒は、マイクロベーパーチャンバー７０の、ビア１０ｂから離れた部位等、より低温の部位で凝縮する。凝縮した冷媒は、マイクロベーパーチャンバー７０内を、ビア１０ｂの周辺の部位へと移動し、電子部品１０からビア１０ｂに伝熱される熱を奪って蒸発する。マイクロベーパーチャンバー７０内での冷媒の凝縮により生じた熱（凝縮熱）は、伝熱ユニット８０のグラファイトシート８０ａ及び熱伝導部材８０ｂへと伝熱される。伝熱ユニット８０の熱は、液冷管ユニット９０の熱伝導部材９１を介して、液冷管ユニット９０の液冷管９２に流通される冷媒に伝熱され、電子装置１ｅの外部に輸送（放熱）される。電子装置１ｅでは、このようなサイクルで電子部品１０の冷却が行われる。

このように積層された半導体チップ群を含む電子部品１０を備えた電子装置１ｅでも、上記同様、マイクロベーパーチャンバー７０が吸熱部として機能し、伝熱ユニット８０が伝熱部として機能し、液冷管ユニット９０が放熱部として機能する。電子装置１ｅでは、液冷管ユニット９０とマイクロベーパーチャンバー７０の互いの冷媒を分離しつつ、互いの冷媒を用いて電子部品１０の効率的な冷却を可能にしている。マイクロベーパーチャンバー７０では、冷媒の漏れが抑えられ、液冷管ユニット９０は、電子部品１０の交換等のメンテナンス時に、伝熱ユニット８０から容易に取り外すことができ、その後、再び伝熱ユニット８０に容易に取り付けることができる。取り付け、取り外しの際、電子部品１０等に過大な外力が加わるのを抑え、電子部品１０等が破損するのを抑えることができる。

上記のような電子装置１ｅによれば、電子部品１０を効率的に冷却するための冷却構造の複雑化を抑えると共に、電子装置１ｅの組み立て、冷却構造の取り付け、及び取り付け後のメンテナンスの容易化を図ることが可能になる。

以上説明した実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 電子部品と、
前記電子部品に実装され、第１冷媒が封入され、前記第１冷媒を用いて前記電子部品の熱を吸熱する吸熱部と、
前記吸熱部に接続され、前記吸熱部の熱を伝熱する伝熱部と、
前記伝熱部に着脱可能に配置され、第２冷媒が流通され、装着時に前記第２冷媒を用いて前記伝熱部の熱を吸熱し放熱する放熱部と
を含むことを特徴とする電子装置。

（付記２） 前記放熱部は、嵌合部を備え、
前記伝熱部は、前記嵌合部が嵌合される被嵌合部を備えることを特徴とする付記１に記載の電子装置。

（付記３） 前記嵌合部は、複数の第１ピンを有し、
前記被嵌合部は、前記複数の第１ピンが嵌合されるように設けられた複数の第２ピンを有することを特徴とする付記２に記載の電子装置。

（付記４） 前記嵌合部は、第１方向に延在する凸部を有し、
前記被嵌合部は、前記第１方向に延在し、前記凸部が嵌合される凹部を有することを特徴とする付記２に記載の電子装置。

（付記５） 前記伝熱部及び前記放熱部の少なくとも一方に炭素材料が用いられることを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の電子装置。
（付記６） 前記吸熱部は、
基板と、
前記基板に形成され、前記第１冷媒が封入される溝と
を有することを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の電子装置。

（付記７） 前記吸熱部は、
基板と、
前記基板に形成され、前記第１冷媒が封入される溝と
を有し、
前記溝の内面に、シラノール基を含有する層が設けられることを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の電子装置。

（付記８） 前記放熱部は、フレキシブルであることを特徴とする付記１乃至７のいずれかに記載の電子装置。
（付記９） 前記伝熱部は、前記電子部品の側面に設けられ、
前記吸熱部は、前記電子部品の上面から前記伝熱部の上面の第１部分に設けられ、
前記放熱部は、前記伝熱部の上面の、前記第１部分とは異なる第２部分に設けられることを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の電子装置。

（付記１０） 前記電子部品は、前記吸熱部を貫通する熱伝導部材を有することを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の電子装置。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１００ 電子装置
１０，１１０ 電子部品
１０ａ，１１ パッケージ基板
１０ａａ，１０ｄ，１０ｅｂ，１２ バンプ
１０ｂ ビア
１０ｃ インターポーザ
１０ｅ 半導体装置
１０ｅａ，１０ｅｃ，１３ 半導体チップ
１０ｈ ホットスポット
２０ 吸熱部
３０ 伝熱部
４０ 放熱部
５０ マイクロヒートパイプユニット
５１，６１ 本体部
５２ マイクロヒートパイプ
５２ａ，１２１ａ マイクロチャネル
５２ｂ シラノール基含有層
５３，６３ 凹凸部
６０，９０ 液冷管ユニット
６２，９２，９２ａａ 液冷管
７０ マイクロベーパーチャンバー
８０ 伝熱ユニット
８０ａ グラファイトシート
８０ｂ，９１ 熱伝導部材
８３，８３ｃ，９３，９３ｃ 凸部
９２ａ フレキシブルシート部材
９２ａｂ フレキシブルシート
１２０ 冷却構造
１２１ 液冷部
１２２ ホルダ
１２３ チューブ
１２４ コネクタ

Claims (5)

1. 電子部品と、
   前記電子部品に実装され、第１冷媒が封入され、前記第１冷媒を用いて前記電子部品の熱を吸熱する吸熱部と、
   前記吸熱部に接続され、前記吸熱部の熱を伝熱する伝熱部と、
   前記伝熱部に着脱可能に配置され、第２冷媒が流通され、装着時に前記第２冷媒を用いて前記伝熱部の熱を吸熱し放熱する放熱部と
   を含むことを特徴とする電子装置。
2. 前記放熱部は、嵌合部を備え、
   前記伝熱部は、前記嵌合部が嵌合される被嵌合部を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
3. 前記伝熱部及び前記放熱部の少なくとも一方に炭素材料が用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子装置。
4. 前記吸熱部は、
   基板と、
   前記基板に形成され、前記第１冷媒が封入される溝と
   を有し、
   前記溝の内面に、シラノール基を含有する層が設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子装置。
5. 前記放熱部は、フレキシブルであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電子装置。

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