JPH06326226A

JPH06326226A - 冷却装置

Info

Publication number: JPH06326226A
Application number: JP5327324A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Kawano; 浩一郎川野; Hiroshi Mizukami; 浩水上; Hideo Iwasaki; 秀夫岩崎; Katsumi Kuno; 勝美久野; Masaru Ishizuka; 勝石塚
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1994-11-25

Abstract

(57)【要約】【目的】冷媒を流す際の圧力損失を低減し、半導体素
子等の破壊防止が可能な冷却装置を提供すること【構成】基板１の一の主面１ａに、複数の溝２を形成
することにより、複数のフィン７を構成し、フィン７の
頂面は、例えば基板１の周縁部よりも高さが低くなるよ
うにすることにより、基板１の一の主面１ａ上に、その
全面を覆うように張り合わされた貫通孔４，５を有する
カバープレート３の対向面との間に間隙を形成して、基
板１とカバープレート３との間に形成される領域を冷媒
流路として利用する際の流路面積を拡大することによ
り、冷媒が流れる際の圧力損失を低減することが可能な
冷却装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば基板に搭載され
た半導体素子等を冷却するための冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の技術進歩は目ざまし
く、特に最近は種々の分野から、半導体装置の小型化及
び高集積化の要請が強い。かかる要請に応えるために
は、半導体装置内で発生する熱の排除に関する問題を解
決する必要があり、その中で次のような冷却装置が提案
されている。

【０００３】以下に従来の冷却装置の例を図９を参照し
つつ説明する。図９は、従来の冷却装置の概略を示すも
のであり、図９（ａ）は分解斜視図、図９（ｂ）は外観
斜視図、図９（ｃ）は部分断面図（Ａ−Ａ断面図）であ
る。

【０００４】図に示すように、半導体基板１の一の主面
１ａには複数の溝２が設けられており、半導体基板１の
他の主面１ｂには、半導体素子６が設けられている。溝
２は一の主面１ａの周縁部を残すようにして、所定の間
隔でほぼ平行に設けられている。

【０００５】また、半導体基板１の一の主面１ａ上に
は、そのほぼ全面を覆うように、カバープレート３が張
り合わされており、このカバープレート３には、上記し
た各溝２の両端部に対応し、各溝２の長手方向と直交す
る方向に延びた貫通孔４，５が形成されている。これら
の貫通孔４，５には、接続カバー（図示省略）が取り付
けられ、それぞれ冷媒供給口、冷媒排出口として、異な
る冷媒流路（図示省略）に接続される。そして冷媒供給
源（図示省略）から一の冷媒流路に供給された冷媒は、
一の冷媒流路から一方の貫通孔４に流れ、ここで半導体
基板１に設けられた複数の溝２の一端に分配されるよう
に送り込まれる。送り込まれた冷媒は、各溝２内を他端
側に流れ、他方の貫通孔５で集約されて、他の冷媒流路
に送り出される。このように、半導体基板１の一の主面
に設けられた複数の溝２を冷媒流路として、そこに冷媒
を流すことにより、他の主面１ｂに設けられた半導体素
子６が冷却される。

【０００６】しかし、上記した従来技術において、複数
の溝２により構成される各冷媒流路は、その流路断面が
非常に小さく、流路長さが比較的長いことから、冷媒を
流す際の圧力損失が大きくなる。したがって、冷媒は冷
媒流路内を流動しにくくなり、所定の冷却性能が得られ
ず、そのために半導体素子が破壊されおそれがあった。

【０００７】以上、半導体素子の冷却装置について説明
したが、かかる問題は半導体素子のみならず、他の電子
部品あるいは冷却を必要とする発熱体に用いられる冷却
装置に共通するものである。

【０００８】次に、半導体素子を冷却するための冷却装
置の実装構造に関する従来技術について説明する。図１
０は、従来の冷却装置の実装構造を示した断面図であ
る。従来は、半導体素子を搭載した半導体チップ３１の
裏面にバネ３２によって金属スタッド３３を押し付ける
ことにより、半導体チップ３１で発生した熱を金属スタ
ッド３３から熱伝導板３４へと伝え、最終的には冷媒３
５により冷却を行っていた。

【０００９】ところが、この場合、半導体チップの大き
さに比べて、金属スタッド３３等からなる冷却装置が大
きな構造となり、電子機器全体のコンパクト化に支障を
来たしていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の冷却装置では、冷媒を流す際の圧力損失が大きい
ため、所定の冷却性能が得られず、半導体素子等が破壊
されるおそれがあった。そこで、本発明では、かかる欠
点を除去し、冷媒を流す際の圧力損失を低減し、半導体
素子等の破壊防止が可能な冷却装置を提供するととも
に、電子機器全体のコンパクト化を可能にする冷却装置
の実装構造をも併せて提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、基板と、この基板の少なくとも一方の
主面側に取着されるカバープレートと、このカバープレ
ートに冷媒供給口として設けられる前記基板に対して垂
直方向に貫通した第１の貫通孔と、前記カバープレート
に冷媒排出口として設けられる前記基板に対して垂直方
向に貫通した第２の貫通孔とを具備し、前記基板あるい
は前記カバープレートの対向面のうち少なくとも一方に
凹凸形状が形成され、この凹凸形状を構成する凸部の一
部もしくは全部と前記基板あるいは前記カバープレート
のいずれかの対向面との間に間隙が形成され、前記基板
と前記カバープレートとの間に形成される領域が冷媒流
路として利用されることを特徴とする冷却装置を提供す
る。

【００１２】

【作用】上記した本発明の構成によれば、例えば、基板
の一の主面側に凹凸形状を形成し、カバープレートが基
板に取着された際、この凹凸形状を構成する凸部と、カ
バープレートの対向面との間に間隙を形成することによ
り、前記基板と前記カバープレートとの間に形成される
領域を冷媒流路として利用する際の流路面積を拡大する
ことができるため、冷媒が流れる際の圧力損失を低減す
ることができる。また、本発明にかかる冷却装置を用い
ることにより、冷却装置のコンパクトな実装が実現でき
る。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例について、図面を参照しつつ
詳細に説明する。ここでは、主に、半導体素子の冷却装
置について説明するが、本発明は、この場合に限定され
ず、他の電子部品あるいは冷却を必要とする種々の発熱
体にも適用が可能である。

【００１４】図１及び図２は、本発明に係る冷却装置の
第１実施例を示したものである。図１（ａ）は分解斜視
図、図１（ｂ）は外観斜視図、図２（ａ）乃至（ｄ）
は、図１（ｂ）のＡ−Ａ断面を示した部分断面図であ
る。ここで、図９に示した部分と同一部分または同一機
能を有する部分については同一番号を付すこととする。

【００１５】本実施例に係る冷却装置は、例えば一辺が
約１５ｍｍの方形の基板１の一の主面１ａに、複数の溝
２を化学エッチング等の公知の手法により形成すること
により、複数のフィン７を構成する。溝２は、例えば、
幅が５０μｍ程度で、深さが３００μｍ程度に設定され
ており、各溝２は、ほぼ等間隔で平行に形成されてい
る。ここで、基板１の周縁部は残し、フィン７の頂面
は、例えば図１（ａ）に示すように、この周縁部よりも
高さが低くなるようにする。

【００１６】また、基板１の一の主面１ａ上には、その
全面を覆うようにカバープレート３が張り合わされてお
り、このカバープレート３には、貫通孔４，５が形成さ
れている。これらの貫通孔４，５には、接続カバー（図
示省略）が取り付けられ、それぞれ冷媒供給口、冷媒排
出口として、異なる冷媒流路（図示省略）に接続され
る。そして冷媒供給源（図示省略）から一の冷媒流路に
供給された冷媒は、一の冷媒流路から一方の貫通孔４に
送り込まれ、基板１とカバープレート３との間の領域を
経て、他方の貫通孔５から他の冷媒流路に送り出され
る。これにより、基板１の他の主面１ｂ上に設けられた
半導体素子６が冷却される。

【００１７】図２は、基板１とカバープレート３との間
の領域、即ち冷却装置に設けられた冷媒流路の断面を示
す部分断面図である。本実施例に係る冷却装置において
は、例えば、図２（ａ）に示すように、フィン７の頂面
とカバープレート３との間に一定の間隙を設け、複数の
溝２により構成される微小な冷媒流路を連結して流路面
積を拡大することにより、冷媒が流れる際の圧力損失の
低減を図っている。これにより、冷媒が冷却装置に設け
られた冷媒流路内をスムーズに流動するようになり、十
分な冷却効果が発揮されるようになるため、冷却対象で
ある半導体素子が破壊される心配もなくなる。

【００１８】図２（ｂ）乃至（ｄ）は、上記した図２
（ａ）において示した冷媒流路の変形例を示したもので
ある。フィン７の頂面とカバープレート３との間の間隙
は、すべてフィン７について設ける必要はなく、図２
（ｂ）に示すように、フィン７ｂのようにその頂面がカ
バープレート３に接触して冷媒流路をいくつかに区分す
るようにしても良い。この場合、圧力損失は多少増大す
るが、従来に比べればその値を低減でき、所望の効果を
得ることができる。また、図２（ｃ）に示すように、フ
ィン７の高さ、即ち、フィン７の頂面とカバープレート
３との間の間隙は一定でなくても良く、フィン７ａ，７
ｃのように高さを適宜変えた構成としても良い。図２
（ｄ）は、（ｂ）と（ｃ）を組み合わせたものであり、
このような構成でも同様の作用・効果が得られる。

【００１９】なお、本実施例では、基板１側に溝２を設
けることによりフィン７を形成しているが、これをカバ
ープレート３側に設けてもやはり同様の効果が得られ
る。また、冷却を必要とする半導体素子６を、カバープ
レート３側に設けても良い。

【００２０】図３は、本発明に係る冷却装置の第２実施
例を示したものである。図３（ａ）は分解斜視図、図３
（ｂ）は外観斜視図である。ここで、図１に示した部分
と同一部分または同一機能を有する部分については同一
番号を付すことにより、重複説明を省略する。本実施例
は、第１実施例におけるカバープレート３に改良を加え
たものである。つまり、カバープレート３には、冷媒の
供給口及び排出口を形成するため、３箇所に貫通孔４
ａ，４ｂ，５が設けられている。この貫通孔のうち、カ
バープレート３の両端側に位置する貫通孔４ａ，４ｂを
冷媒供給口として適用すれば、供給された冷媒は、基板
１の周縁部から中心部に向かって流れる。そして、残り
の貫通孔５を冷媒排出口として適用することにより、基
板１の中心部近傍から冷媒を排出することができる。な
お、基板１上に設けられたフィン７の構成に関しては第
１実施例（図２参照）と同様であるため、ここでは重複
説明を省略する。

【００２１】以上のような構成によれば、冷媒流路の長
さが従来の半分で済むことから、第１実施例に加えてさ
らに圧力損失を低減することが可能となる。したがっ
て、より冷却効率の高い冷却装置の構築が可能となる。

【００２２】一方、上記とは逆に、カバープレート３の
中心部近傍に位置する貫通孔５を冷媒供給口とし、残り
の貫通孔４ａ，４ｂを冷媒排出口とすることにより、冷
媒を基板１の中心部近傍から供給し、基板１の周縁部か
ら排出するようにしても上記と同様の作用・効果が得ら
れる。

【００２３】図４は、本発明に係る冷却装置の第３実施
例を示したものである。図４（ａ）は分解斜視図、図４
（ｂ）は外観斜視図である。ここで、図１に示した部分
と同一部分または同一機能を有する部分については同一
番号を付すことにより、重複説明を省略する。本実施例
は、第１実施例における基板１及びカバープレート３の
双方に改良を加えたものである。本実施例においては、
基板１のほぼ中央で仕切壁８により、独立した溝２ａ，
２ｂを設け、冷媒流路を第１実施例のほぼ半分の長さと
している。これに対応して、カバープレート３には、冷
媒の供給口及び排出口を形成するため、４箇所に貫通孔
４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂが設けられている。即ち、これ
らの貫通孔のうち、仕切壁８で仕切られた２つの領域ご
とに各々２つの貫通孔を位置させ、その一方を冷媒供給
口、他方を冷媒排出口として適用する。例えば、カバー
プレート３の両端側に設けられた貫通孔４ａ，４ｂを冷
媒供給口として適用すれば、冷媒は基板１の周縁部から
中心部へ向かって流れる。そして、他方の貫通孔５ａ，
５ｂを冷媒排出口として適用することにより、基板１の
中心部近傍から冷媒を排出することができる。なお、基
板１上に設けられたフィン７ａ，７ｂの構成に関しては
第１実施例（図２参照）と同様であるため、ここでは重
複説明を省略する。

【００２４】以上のような構成によれば、第２実施例と
同様に、冷媒流路の長さが従来の半分で済むことから、
第１実施例に加えてさらに圧力損失を低減することが可
能となる。

【００２５】一方、上記とは逆に、カバープレート３の
中心部近傍に位置する貫通孔５ａ，５ｂを冷媒供給口と
し、残りの貫通孔４ａ，４ｂを冷媒排出口とすることに
より、冷媒を基板１の中心部近傍から供給し、基板１の
周縁部から排出するようにしても良い。また、一方の領
域では、冷媒を基板１の周縁部の貫通孔４ａ（４ｂ）か
ら供給し、基板１の中心部近傍の貫通孔５ａ（５ｂ）か
ら排出するようにし、他方の領域では、反対に基板１の
中心部近傍の貫通孔５ｂ（５ａ）から供給し、基板１の
周縁部の貫通孔４ｂ（４ａ）から排出するようにしても
良い。

【００２６】図５及び図６は、本発明に係る冷却装置の
第４実施例を示したものである。図５（ａ）は分解斜視
図、図５（ｂ）は外観斜視図、図６（ａ）及び（ｂ）
は、図５（ｂ）のＡ−Ａ断面を示した部分断面図であ
る。ここで、図１に示した部分と同一部分または同一機
能を有する部分については同一番号を付すことにより重
複説明を省略することとする。

【００２７】第１実施例においては、冷却装置内におけ
る冷媒の主流方向と、溝２及びフィン７の長手方向が一
致していたのに対し、本実施例では、カバープレート３
に設けられた貫通孔４，５が基板１上に形成される溝２
及びフィン７の長手方向と同一方向に延びた構成とし
て、冷却装置内における冷媒の主流方向が、溝２及びフ
ィン７の長手方向と直交するように構成されている。こ
のため、冷媒が冷媒流路内を流動する際、フィン７によ
って流れが撹乱され、熱伝達特性が向上する。また、図
６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施例において
は、すべてのフィン７の頂面とカバープレート３との間
に間隙を設ける必要がある。しかし、その間隙は一定で
なくても良く、フィン７ａ，７ｂのように高さを適宜変
えた構成としても良い。なお、その他の作用・効果に関
しては第１実施例と同様である。

【００２８】図７は、本発明に係る冷却装置の第５実施
例を示したものである。図７（ａ）は分解斜視図、図７
（ｂ）は部分断面図である。本実施例においては、第１
実施例における基板１に相当する中板１１の両主面に、
複数の溝１２ａ，１２ｂを化学エッチング等の公知の手
法により形成することにより、複数のフィン１７ａ，１
７ｂを構成する。各溝１２ａ，１２ｂは、ほぼ等間隔で
平行に形成されている。ここで、中板１１の周縁部は残
し、フィン１７ａ，１７ｂの頂面は、例えば図７
（ａ），（ｂ）に示すように、この周縁部よりも高さが
低くなるようにする。

【００２９】中板１１の両主面上には、その全面を覆う
ようにカバープレート１３ａ，１３ｂが張り合わされて
おり、これらのカバープレート１３ａ，１３ｂには、冷
媒の供給口及び排出口を構成するするため、貫通孔１４
ａ，１５ａ並びに１４ｂ，１５ｂがそれぞれ設けられて
いる。また、カバープレート１３ａの中板１１に接続さ
れる主面と反対側の主面上には半導体素子１６が設けら
れている。

【００３０】本実施例においては、例えば、カバープレ
ート１３ａの貫通孔１４ａ及びカバープレート１３ｂの
貫通孔１５ｂを冷媒供給口として適用し、残りの貫通孔
１５ａ，１４ｂを冷媒排出口として適用することによ
り、中板１１の両主面とカバープレート１３ａ，１３ｂ
との間に設けられた冷媒流路に、冷媒を対向流となるよ
うに流動させることができる。これにより、冷媒の流れ
方向の温度勾配が緩和され、冷却装置の内の温度分布を
平均化することが可能となる。

【００３１】また、上記した各実施例と同様に、図７
（ｂ）に示すようにフィン１７ａ，１７ｂの頂面とカバ
ープレート１３ａ，１３ｂとの間に一定の間隙を設け、
複数の溝１２ａ，１２ｂにより構成される微小な冷媒流
路を連結して流路面積を拡大することにより、冷媒が流
れる際の圧力損失の低減を図っている。これにより、冷
媒が冷却装置に設けられた冷媒流路内をスムーズに流動
するようになり、十分な冷却効果が発揮されるようにな
るため、冷却対象である半導体素子が破壊される心配も
なくなる。

【００３２】なお、図７においては、半導体素子１６を
一方のカバープレート１３ａのみに設けているが、他方
のカバープレート１３ｂの中板１１に接続される主面と
反対側の主面上にも半導体素子を設けて、同時に冷却す
るようにしても良い。また、フィン１７ａ，１７ｂの構
成に関しては第１実施例（図２参照）と同様に考えるこ
とが可能であり、ここでは重複説明を省略する。さら
に、本実施例と第２乃至第４実施例とを組み合わせた構
成としても良い。

【００３３】図８は、本発明に係る冷却装置の第６実施
例を示したものである。図８（ａ）は分解斜視図、図８
（ｂ）は部分断面図である。第５実施例においては、冷
却装置の冷媒流路を構成するために溝１２ａ，１２ｂ及
びフィン１７ａ，１７ｂが中板１１上に形成されていた
が（図７参照）、本実施例においては、それらが中板２
１の両主面に張り合わせられるカバープレート２３ａ，
２３ｂの対向面上に設けられている。即ち、カバープレ
ート２３ａ，２３ｂの周縁部の対面する２箇所に冷媒の
供給口及び排出口を構成する貫通孔２４ａ，２５ａ並び
に２４ｂ，２５ｂが設けられており、カバープレート２
３ａ，２３ｂの一主面上の上記貫通孔に挟まれた部分に
溝２２ａ，２２ｂを形成することにより、複数のフィン
２７ａ，２７ｂが構成されている。また、カバープレー
ト２３ａの中板２１に接続される主面と反対側の主面上
には半導体素子１６が設けられている。このような構成
によっても、第４実施例と同様の作用・効果が得られ
る。

【００３４】次に、本発明にかかる冷却装置の実装構造
について図１１を参照しつつ説明する。図１１の（ａ）
は本発明にかかる冷却装置の実装構造の一実施例を示す
断面図、（ｂ）はその部分拡大図である。

【００３５】配線基板４１に半田バンプ４２を介して接
続されている半導体チップ４３には、上述したような数
１０μｍオーダーの溝が複数形成されたチャンネルプレ
ート４４ａと、冷媒供給口および冷媒排出口を有するカ
バープレート４４ｂを張り合わせることにより形成され
るマイクロチャンネル熱交換器４４が熱的に接続されて
いる。かかる熱的接続は、マイクロチャンネル熱交換器
４４がシリコン等の熱伝導性の良好な材料で形成されて
いれば、半導体チップに直接接着することにより達成で
き、接触部分の熱抵抗を充分小さくすることが可能であ
る。ただし、熱応力の発生等が予想される場合は、熱伝
導性グリス等の介在物を介して接続しても良い。

【００３６】このような実装構造を有する複数のマイク
ロチャンネル熱交換器４４を連結するとともに、それぞ
れに冷媒を供給するための冷媒流路４５を有する冷媒供
給ホルダ４６が設けられている。この冷媒供給ホルダ４
６は、カバープレート４４ｂに接着等により接続される
が、カバープレート４４ｂを設けず、直接チャンネルプ
レート４４ａに接続しても良い。冷媒供給ホルダ４６に
設けられた冷媒流路４６には、マイクロチャンネル熱交
換器４４のカバープレート４４ｂに設けられた冷媒供給
口及び冷媒排出口に連結される流路が設けられている。

【００３７】このようにして、発熱体である半導体チッ
プ４３に対して冷却装置であるマイクロチャンネル熱交
換器４４が実装され、冷媒供給ホルダ４６内の冷媒流路
４５を流動する冷媒によって、半導体チップ４３が冷却
される。

【００３８】本実施例のように、マイクロチャンネル熱
交換器４４を用いれば冷却装置自体を小型化できるとと
もに、冷媒の全流量も微小にすることができるため、冷
媒供給ホルダ４６をも小型化することができ、冷却装置
のコンパクトな実装が可能となり、電子機器全体のコン
パクト化を実現することが可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
冷却装置に設けられた冷媒流路内を冷媒が流れる際の圧
力損失を低減させることができるため、冷媒が冷媒流路
内をスムーズに流動するようになり、十分な冷却効果が
発揮されるようになり、冷却対象である半導体素子等の
破壊を防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る冷却装置の第１実施例を示す斜視
図。

【図２】本発明に係る冷却装置の第１実施例を示す部分
断面図。

【図３】本発明に係る冷却装置の第２実施例を示す斜視
図。

【図４】本発明に係る冷却装置の第３実施例を示す斜視
図。

【図５】本発明に係る冷却装置の第４実施例を示す斜視
図。

【図６】本発明に係る冷却装置の第４実施例を示す部分
断面図。

【図７】本発明に係る冷却装置の第５実施例を示す図。

【図８】本発明に係る冷却装置の第６実施例を示す図。

【図９】従来の冷却装置の概略を示す図。

【図１０】従来の冷却装置の実装構造を示した断面図。

【図１１】本発明にかかる冷却装置の実装構造を示す
図。

【符号の説明】

１基板２溝３カバープレート４，５貫通孔６半導体素子７フィン４１配線基板４２半田バンプ４３半導体チップ４４マイクロチャンネル熱交換器４５冷媒流路４６冷媒供給ホルダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久野勝美神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者石塚勝神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、この基板の少なくとも一方の主
面側に取着されるカバープレートと、このカバープレー
トに冷媒供給口として設けられる前記基板に対して垂直
方向に貫通した第１の貫通孔と、前記カバープレートに
冷媒排出口として設けられる前記基板に対して垂直方向
に貫通した第２の貫通孔とを具備し、前記基板あるいは
前記カバープレートの対向面のうち少なくとも一方に凹
凸形状が形成され、この凹凸形状を構成する凸部の一部
もしくは全部と前記基板あるいは前記カバープレートの
いずれかの対向面との間に間隙が形成され、前記基板と
前記カバープレートとの間に形成される領域が冷媒流路
として利用されることを特徴とする冷却装置。