JPH02298054A - 冷却装置 - Google Patents

冷却装置

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JPH02298054A
JPH02298054A JP1119904A JP11990489A JPH02298054A JP H02298054 A JPH02298054 A JP H02298054A JP 1119904 A JP1119904 A JP 1119904A JP 11990489 A JP11990489 A JP 11990489A JP H02298054 A JPH02298054 A JP H02298054A
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JP
Japan
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nozzle
refrigerant
semiconductor element
semiconductor elements
coolant
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JP1119904A
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English (en)
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Mitsutaka Yamada
光隆 山田
Kishio Yokouchi
貴志男 横内
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

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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】 〔概要］ 冷却装置に係り、特に半導体素子を冷却する冷却装置に
関し。
半導体素子を均一に且つ冷却効率よく冷却する冷却装置
を目的とし。
半導体素子を冷媒中に浸漬し冷媒を循環させることによ
り該半導体素子を冷却する冷却装置であって、〔ｌ］該
半導体素子の上方に配置され、該半導体素子のほぼ中央
部に冷媒を噴射する第１のノズルと、該半導体素子の周
囲に近接して配置され、該半導体素子の周囲近傍に冷媒
を噴射する第２のノズルとを有する冷却装置、〔２〕該
半導体素子の上方に配置され、該半導体素子のほぼ中央
部に冷媒を噴射する内側ノズルと、該内側ノズルの外側
に配置され、内径が下方に向かって徐々に小さく且つ上
部が開放されている外側ノズルとからなる二重ノズルを
有する冷却装置、及び〔３〕該半導体素子の上方に配置
され、内部に該半導体素子の周辺へ向かって放射状に延
びる溝を持ち。
該半導体素子に冷媒を噴射する溝つきノズルを有する冷
却装置により構成する。
〔産業上の利用分野〕 本発明は冷却装置に係り、特に半導体素子を冷却する冷
却装置に関する。
高速コンピュータ等の高速半導体素子を使用する電子機
器において、半導体素子から発生する熱を効率よく外部
へ逃がす方策がいろいろ講しられてきている。高速コン
ピュータでは、半導体素子の高集積化及び高密度化によ
り、中位体積当たりの発熱量は飛躍的に増大し、その半
導体素子を冷却するための冷却装置の占める体積の割合
が増加しており、より高効率でコンパクトな冷却装置が
必要とされている。
（従来の技術〕 従来、半導体素子の冷却方法として、半導体素子を冷媒
に浸漬し、冷媒を強制的に噴射して冷却する液体冷却の
方法がある。
第４図はその冷却装置の従来例を説明するための図であ
り、１は冷媒容器、１１は冷媒、２ば基台。
３１乃至３３は半導体素子、４はノズル、４１は冷媒供
給管を表す。
半導体素子３１乃至３３は、はんだバンブにより基台２
に固定される。冷媒容器１の入口から冷媒供給管４１に
入った冷媒１１は、半導体素子３１乃至３３の上方のノ
ズル４から半導体素子３１乃至３３の中央部に噴射され
、その冷媒１１は中央部から周辺部へ流れる。冷媒容器
１の中は冷媒１１で満たされていて。
冷媒１１は入口から入って冷媒容器ｌ内を循環し。
出口へ還流する。
ところで、この構造では冷媒の循環量が少ないと冷却の
効果が小さく、半導体素子３１乃至３３の温度は、ノズ
ル４から噴射する冷媒の温度に比べて上昇し２時には３
５°Ｃ乃至４０゛Ｃも上昇する。さらに、ノズル４から
噴射する冷媒が直接あたる中央部に比べて周辺部では冷
却能力が低下して、半導体素子３１乃至３３の温度は中
央部より周辺部が高くなるといった不均一が生じる。冷
却能力を上げ。
温度の不均一性を小さくするためには、噴射する冷媒の
温度を下げ、冷媒の噴射量を大きくすればよいが、その
ためにはポンプ（図示せず）及び熱交換器（図示せず）
を大きくする必要があり、冷却装置が大型になって好ま
しくない。
〔発明が解決しようとする課題） 従って５できるだけ冷媒の循環量を低く抑えて冷却効率
を上げ、しかも半導体素子を均一に冷却するための構造
が必要となる。
本発明はかかる構造を有する冷却装置を提供することを
目的とする。
〔課題を解決するための手段］ 第１図乃至第３図は本発明の実施例Ｉ乃至■であり、そ
れらの図及び図中の符号を参照して上記課題を解決する
ための手段について説明すると。
〔１〕半導体素子３１乃至３３を冷媒中に浸漬し冷媒を
循環させることにより該半導体素子３１乃至３３を冷却
する冷却装置であって、該半導体素子３１乃至３３の上
方に配置され、該半導体素子３１乃至３３のほぼ中央部
に冷媒を噴射する第１のノズル４と、該半導体素子３１
乃至３３の周囲に近接して配置され。
該半導体素子３１乃至３３の周囲近傍に冷媒を噴射する
第２のノズル５とを有する冷却袋Ｌ　　（２：］半導体
素子３１乃至３３を冷媒中に浸漬し冷媒を循環させるこ
とにより該半導体素子３１乃至３３を冷却する冷却装置
であって、該半導体素子３１乃至３３の上方に配置され
、該半導体素子３１乃至３３のほぼ中央部に冷媒を噴射
する内側ノズル６１と、該内側ノズルの外側に配置され
、内径が下方に向かって徐々に小さく且つ上部が開放さ
れている外側ノズル６２とからなる二重ノズル６を有す
る冷却装置、及び〔３〕半導体素子３１乃至３３を冷媒
中に浸漬し冷媒を循環させることにより該半導体素子３
１乃至３３を冷却する冷却装置であって、該半導体素子
３１乃至３３の上方に配置され、内部に該半導体素子３
１乃至３３の周辺へ向かって放射状に延びる溝７１を持
ち。
該半導体素子３１乃至３３に冷媒を噴射する溝つきノズ
ル７を有する冷却装置によって上記課題は解決される。
［作用］ ［１〕半導体素子の中央部に冷媒を噴射する第１のノズ
ル４と、半導体素子の周囲近傍に冷媒を噴射する第２の
ノズル５とを同時に設けることにより、善導導体素子３
１乃至３３を中央部１周辺部とも一様に冷却することが
できるようになる。しかも冷却能力が向上する。
〔２〕内側ノズル６１と外側ノズル６２を持つ二重ノズ
ル６を使用することにより冷却能力が向上できる。即ち
、内側ノズル６１から噴射する冷媒の流れによってその
流れの外側の冷媒の圧力が低くなり。
内側ノズル６１を取り巻く外側ノズル６２との間に上方
から冷媒が流れ込んでくる。しかも外側ノズル６２の内
径は下方に向けて徐々に狭くなっているので、冷媒の流
速は徐々に大きくなり、外側ノズル６２の上方から流れ
込む冷媒の量は増大する。
従って、冷媒の循環量を従来例と同じくしても。
半導体素子の中央部に噴射する冷媒の里を増加させるこ
とができて、冷却能力を向上することが可能となる。
〔３〕半導体素子の周辺に向かって放射状に延びる溝７
１を持つ溝つきノズル７を用いて、半導体素子に冷媒を
放射状に噴射することにより、半導体素子は中央部だけ
でなく周辺部も効率良く冷却される。半導体素子の中央
部では従来例より冷却能力が低下するが１周辺部の冷却
能力が増加するので、冷却の均一性が向上する。しかも
、全体としての冷却能力は向上する。
〔実施例］ 第１図は実施例！で、第１図（ａ）は冷却装置全体を説
明するための断面図、第１図（ｂ）はノズルの作用を説
明するための斜視図、第１図（ｃ）は冷却能力を示す図
であり、１は冷媒容器、１１は冷媒、２は基台、　３１
乃至３３は半導体素子、４は第１のノズル、　４１は第
１の冷媒供給管、５は第２のノズル、　５１は第２の冷
媒供給管、矢印は冷媒の流れる方向を表す。
以下、第１図（ａ）乃至（Ｃ）を参照しながら説明する
。
第１図（ａ）参照 半導体素子３１乃至３３は、はんだバンブにより基台２
に固定され、全体が冷媒ｌｌに浸漬されている。
第１の人口から流入した冷媒は、第１の冷媒供給管４１
を経て第１のノズル４から半導体素子３１乃至３３のほ
ぼ中央部に噴射する。
第２の入口から流入した冷媒は、第２の冷媒供給管５１
を経て第２のノズル５から半導体素子３１乃至３３の周
囲近傍に噴射する。
冷媒容器１中を循環した冷媒は、出口から流出する。
第１図（ｂ）参照 第１のノズル４から噴射した冷媒は半導体素子３１のほ
ぼ中央部に面に垂直にあたり、そこで方向を変えて半導
体素子３１の周囲に向かってほぼ面に平行に流れる。
一方、第２のノズル５から噴射した冷媒は半導体素子３
１の周囲近傍から３半導体素子３１の中央部に向けて面
に平行に流れる。
第１図（ｃ）参照 半導体素子３１乃至３３の上面が１３…Ｉ角、第１のノ
ズル４の内径が３　ａｍ、噴射口と半導体素子面との間
隔が４ｍｍで噴射速度が１．０　ｍ／ｓ、半導体素子同
志の間隔がｌ　ａｍ、第２のノズル５の内幅が０．５ｎ
ｍ。
噴射口と半導体素子面との間晒が］、ｍｍで噴射速度が
０．０５ｍ／ｓとした時の冷媒温度と冷却能力の関係を
第１図（ｃ）に示す。
比較のため、冷媒を噴射するノズルとして第１のノズル
４だけがあり、冷媒噴射量を実施例Ｉの第１のノズル４
からの噴射量と第２のノズル５からの噴射量の合計量と
する従来例の冷媒温度と冷却能力の関係も第１図（Ｃ’
）に示す。
第１図（Ｃ）に見るように、実施例Ｉでは従来例に比べ
て冷却能力が３０乃至３５％向上する。
第２のノズル５からの冷媒の噴射速度は、第１のノズル
４からの冷媒の噴射速度に比べて低速の方がよい。
なお、第２のノズル５を半導体素子を囲むような形状に
して、半導体素子の四方の周囲から中央部に向けて冷媒
が流れるようにしてもよい。
第２図は実施例■で、第２図（ａ）は冷却装置全体を説
明するための断面図、第２図（ｂ）はノズルの形状を説
明するための斜視図、第２図（ｃ）は冷却能力を示す図
であり５１は冷媒容器。
１１は冷媒、２は基台、　３１乃至３３は半導体素子、
４１は冷媒供給管、６１は内側ノズル、６２は外側ノズ
ル。
６は二重ノズル、矢印は冷媒の流れる方向を表す。
以下、第２図＜ａ＞乃至（ｃ）を参照しながら説明する
。
第２図（ａ）参照 半導体素子３１乃至３３は、はんだバンプにより基台２
に固定され、全体が冷媒１１に浸漬されている。
入口から流入した冷媒は、冷媒供給管４１を経て内側ノ
ズル６１から半導体素子３１乃至３３のほぼ中央部に噴
射する。
冷媒は半導体素子のほぼ中央部にあたり、そこから周囲
に向けて面に平行に流れるが、外側ノズル６２の上部か
ら冷媒が還流してきて、半導体素子のほぼ中央部にあた
る冷媒の単位時間当たりの■が増加する。
冷媒容器ｌ中を循環した冷媒は、出口から流出する。
第２図（ｂ）は内側ノズル６１と外側ノズル６２からな
る二重ノズル６を示す斜視図である。
外側ノズル６２は内側ノズル６１の下方の外側に配置さ
れ、下方に向かって内径が徐々に小さくなるホーン形で
、上部は冷媒中に開放されている。内側ノズル６１と外
側ノズル６２は５例えば両者に跨がる支持部をもって固
定する。
第２図（Ｃ）参照 半導体素子３１乃至３３の上面が１３＋＋＋ｍ角で、そ
の中央部の上に２内径が３　ｍｍ、噴射口と半導体素子
面との間隔が１０ｗ＋ｍの内側ノズル６１と、下端の内
径が３１１１０１で半導体素子面との間隔が３　＋ｕ＋
、上端の内径が６ｍｍの外側ノズル６２とからなる二重
ノズル６を用い、内側ノズル６１からの冷媒噴射速度を
１．０　ｍ／ｓとした時の冷媒温度と冷却能力の関係を
第２図（Ｃ）に示す。
比較のため、冷媒を噴射するノズルとして外側ノズル６
２の無い内側ノズル６１だけのものを従来例とし、その
冷媒温度と冷却能力の関係も合わせて第２図（ｃ）に示
す。
第２図（Ｃ）に見るように、実施例■では従来例に比べ
て冷却能力が２０乃至２°５％向上する。
第３図は実施例■で、第３図（ａ）は冷却装置全体を説
明するための断面図５第３図（ｂ）は溝つきノズルの斜
視図、第３図（Ｃ）は溝つきノズルの下面図、第３図（
ｄ）は溝つきノズルの断面図、第３図（ｅ）は冷却能力
を示す図であり、１は冷媒容器、１１は冷媒、２は基台
、３１乃至３３は半導体素子、４１は冷媒供給管・、７
は溝つきノズル。
７１は溝、８１乃至８３は冷却補助ブロック、矢印は冷
媒の流れる方向を表す。
以下、第３図（ａ）乃至（ｅ）を参照しながら説明する
。
第３１図（ａ）参照 半導体素子３１乃至３３は２　はんだハンプにより基台
２に固定され、全体が冷媒１１に浸漬されている。
入口から流入した冷媒は、冷媒供給管４１を経て溝つき
ノズル７から半導体素子３１乃至３３の上に噴射する。
冷媒は溝つきノズル７の溝７１の作用により、半導体素
子の中央部と周辺部に同時に供給される。
冷媒容器１中を循環した冷媒は、出口から流出する。
第３図（ｂ）乃至（ｄ）参照 溝つきノズル７は半導体素子の周辺に向かってラッパ状
に開いた形状に形成し、さらに冷媒を半導体素子の周辺
へ放射状に供給する満７１を形成する。第３図（ｄ）は
Ａ−Ａ断面に沿う側面断面図で、溝７１の両側の壁も点
線で示している。
さらに、半導体素子３１と冷却補助ブロック８１も点線
で示している。
冷却補助ブロック８１は冷媒が溝７１を通って周辺部へ
流れるのを滑らかにし、中央部の冷却能力を下げて中央
部と周辺部の冷却を均一化するためのもので、熱伝導性
の良い材料２例えば銅製の円錐または角錐のブロックで
ある。半導体素子は、はんだバンブ側が素子形成面であ
り、その反対側の面の中央部に冷却補助ブロック８１を
接合することができる。また、適当な支持棒でもって溝
つきノズル７に固定し、冷却補助ブロック８１の表面と
半導体素子３１の表面とを接触させてもよい。
第３図（ｅ）参照 半導体素子３１乃至３３の上面が１３ｍｍ角で、その中
央部の上方に、内径が３１ＩＩＩｍで半導体素子面の上
方６ｎ＋ｍの所から半導体素子面の周囲の上方２ｍｍの
所まで放射状に広がる溝７１が１６箇形成された溝つき
ノズル７を用い、溝の形成されていない部分の冷媒噴射
速度を１．０　ｍ／ｓとした時の冷媒温度と冷却能力の
関係を第３図（ｅ）に示す。
比較のため、冷媒を噴射するノズルとして溝７１の形成
されているフードの部分がない従来例の冷媒温度と冷却
能力の関係も第３図（ｅ）に示す。
第３図（ｅ）に見るように、実施例■では従来例に比べ
て冷却能力が２５乃至３０％向上する。
〔発明の効果〕
以上説明した様に１本発明によれば、半導体素子を冷却
する冷却能力を従来よりも高め、しかも半導体素子を均
一に冷却する冷却装置を提供することができる。
本発明によれば、冷却装置を小型にして且つ半導体素子
の集積度を上げることができる。
本発明はコンピュータの高速化に寄与するところが大き
い。
【図面の簡単な説明】
第１図は実施例■で、第１図（ａ）は装置の全体を説明
するための断面図、第１図（ｂ）はノズルの作用を説明
するための斜視図、第１図（Ｃ）は冷却能力を示す図。 第２図は実施例■で、第２図（ａ）は装置の全体を説明
するための断面図、第２図（ｂ）は二重ノズルの斜視図
５第２図（ｃ）は冷却能力を示す図。 第３図は実施例■で、第３図（ａ）は装置の全体を説明
するための断面図、第３図（ｂＬ（Ｃ）。 （ｄ）は、それぞれ、溝つきノズルの斜視図５下面図、
断面図、第３図（ｅ）は冷却能力を示す図。 第４図は従来例を説明するための図 である。図において。 １は冷媒容器。 １１は冷媒。 ２は基台。 ３１乃至３３は半導体素子。 ４はノズルであって第１のノズル５ ４１は冷媒供給管であって第１の冷媒供給管。 ５はノズルであって第２のノズル。 ５１は冷媒供給管であって第２の冷媒供給管。 ６は二重ノズル。 ６１は内側ノズル。 ６２は外側ノズル。 ７は溝つきノズル。 ７１は溝。 ８１乃至８３は冷却補助ブロック （ｂ） ＊　廼　ダ１工 ′！５１図（【の２） 沖裸盗度（’ｃ　） （Ｃ） 寅　梵　例　１ ％１０（での３） べ　　　犯 ６．二重ノズｊし くシ） タニ　　表色、　　汐り　　　］［ ３２２図での２） 々俣温演（１） （ＣＩ 吏　）巴　守り　Ｘ 第２０（での３） べ　　刊 第３口（２の２３ ′／ガ影：ｊＪ−（’ＣＩ （ｅ） 寅　廻　ｆｌＪ　　Ｍ 第３’２３（之の３）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 〔１〕半導体素子（３１乃至３３）を冷媒中に浸漬し冷
    媒を循環させることにより該半導体素子（３１乃至３３
    ）を冷却する冷却装置であって、 該半導体素子（３１乃至３３）の上方に配置され、該半
    導体素子（３１乃至３３）のほぼ中央部に冷媒を噴射す
    る第１のノズル（４）と、 該半導体素子（３１乃至３３）の周囲に近接して配置さ
    れ、該半導体素子（３１乃至３３）の周囲近傍に冷媒を
    噴射する第２のノズル（５）と を有することを特徴とする冷却装置。 〔２〕半導体素子（３１乃至３３）を冷媒中に浸漬し冷
    媒を循環させることにより該半導体素子（３１乃至３３
    ）を冷却する冷却装置であって、 該半導体素子（３１乃至３３）の上方に配置され、該半
    導体素子（３１乃至３３）のほぼ中央部に冷媒を噴射す
    る内側ノズル（６１）と、該内側ノズル（６１）の外側
    に配置され、内径が下方に向かって徐々に小さく且つ上
    部が開放されている外側ノズル（６２）とからなる二重
    ノズル（６）を有することを特徴とする冷却装置。 〔３〕半導体素子（３１乃至３３）を冷媒中に浸漬し冷
    媒を循環させることにより該半導体素子（３１乃至３３
    ）を冷却する冷却装置であって、 該半導体素子（３１乃至３３）の上方に配置され、内部
    に該半導体素子（３１乃至３３）の周辺へ向かって放射
    状に延びる溝（７１）を持ち、該半導体素子（３１乃至
    ３３）に冷媒を噴射する溝つきノズル（７）を有するこ
    とを特徴とする冷却装置。
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JP2015002291A (ja) * 2013-06-17 2015-01-05 富士通株式会社 半導体装置及びその冷却方法

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