JP2008108781A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの局部発熱部を冷却することが可能な冷却システムを提供する。
【解決手段】導体チップ４０上に配置されて半導体チップ４０で発熱した熱を吸熱する熱伝導板１０、熱伝導板１０で吸熱した熱を放熱する熱放出手段１２、及び熱伝導板１０と熱放出手段１２を接続して熱を輸送する熱輸送デバイス１４を有する熱処理部１と、熱伝導板１０の半導体チップ４０と接する面側で、半導体チップ４０の局部発熱部と対応する箇所に埋め込んで設置されたペルチェ接合により形成された熱電冷却素子２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却システムに関し、特に半導体チップを冷却する冷却システムに関する。

近年、エレクトロニクス機器は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高出力、高集積の半導体チップを内蔵している。ＣＰＵ及びＭＰＵ等の半導体チップは、集積度が極めて高くなり、高速で演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を放出する。多量の熱により発熱した半導体チップは、熱電冷却素子（ＴＥＣ）、ヒートパイプ（ＨＰ）、ベーパチャンバ（ＶＣ）、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）等を用いた冷却システムによって冷却されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、半導体チップは、局部的に発熱していることが一般的であり、従来の冷却システムのように半導体チップの一面全体を冷却しても、局部的な発熱から十分な除熱を行うことができない。そのため、低い入力熱量にも関わらず、半導体チップの温度が上昇してしまうことがある。
特開平８−７００６８号公報

本発明は、半導体チップの局部発熱部を冷却することが可能な冷却システムを提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、半導体チップ上に配置されて半導体チップで発熱した熱を吸熱する熱伝導板、熱伝導板で吸熱した熱を放熱する熱放出手段、及び熱伝導板と熱放出手段を接続して熱を輸送する熱輸送デバイスを有する熱処理部と、熱伝導板の半導体チップと接する面側で、半導体チップの局部発熱部と対応する箇所に埋め込んで設置されたペルチェ効果を有する熱電冷却素子とを備える冷却システムであることを要旨とする。

本発明によれば、半導体チップの局部発熱部を冷却することが可能な冷却システムを提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る冷却システムは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体チップ４０上に配置されて半導体チップ４０で発熱した熱を吸熱する熱伝導板１０、熱伝導板１０で吸熱した熱を放熱する熱放出手段１２、及び熱伝導板１０と熱放出手段１２を接続して熱を輸送する熱輸送デバイス１４を有する熱処理部１と、熱伝導板１０の半導体チップ４０と接する面側で、半導体チップ４０の局部発熱部と対応する箇所に埋め込んで設置されたペルチェ効果を有する熱電冷却素子２０とを備える。

熱伝導板１０には、熱電冷却素子２０を埋め込んで配置するための凹部がエッチング技術やドリル等により形成されている。熱伝導板１０の凹部は、ＣＰＵ及びＭＰＵ等の半導体チップ４０上に配置したときに、半導体チップ４０の局部発熱部の直上となる場所に形成される。熱伝導板１０には、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導率が高い金属材料を用いることができる。熱伝導板１０の厚さは、３〜５ｍｍにすることが好ましい。

熱放出手段１２は、熱を拡散しやすいように表面積が広くなるような形状に整形したフィン等である。熱放出手段１２は、自然冷却だけでは冷却能力（熱の拡散能力）が足りない場合、ファンを取り付けて強制的に空気の移動量を増やすことで同じ大きさでも冷却能力を拡大させることができる。

熱輸送デバイス１４は、熱伝導板１０で吸熱した熱を熱放出手段１２へと輸送する装置である。熱輸送デバイス１４は、例えば、中に冷媒を入れ、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用して排熱を行うヒートパイプ、ベーパチャンバ、及びループヒートパイプ等である。

「ヒートパイプ」とは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、液体である作動流体の蒸発と凝縮の潜熱を利用した閉ループの電熱素子で、小さな温度差で大量の熱輸送を可能とする。ヒートパイプは、円管から作られ、取り付けられる段階で要求される形状に曲げたり、平板化したりすることができる。

「ベーパチャンバ」とは、図３に示すように、平面型のヒートパイプである。ベーパチャンバの内部は、基本的にはヒートパイプと同じく、蒸気流路と作動流体の環流を促すウィック構造からなっている。熱輸送デバイス１４ベーパチャンバであるベーパチャンバは、半導体チップ４０で発熱し、熱伝導板１０で吸熱した熱を受け取ることで、作動流体が潜熱を奪って蒸発する。そして、その作動流体の蒸気が温度の低い熱放出手段１２に向かって流れることで、半導体チップ４０で発熱した熱が拡散し、結果的に、半導体チップ４０が冷却されることになる。

「ループヒートパイプ」は、図４に示すように、半導体チップ４０から入熱のある熱伝導板１０上に配置された蒸発部１４ａと作動流体が放熱して凝縮する熱放出手段１２である凝縮部１２ａとを分離して構成し、且つこれらの液相の作動流体が蒸発部１４ａに向けて環流する熱輸送デバイス（液流管）１４ｂと作動流体蒸気の流動する熱輸送デバイス（蒸気流管）１４ｃとによって環状（ループ状）に連結した構造である。ループヒートパイプは、蒸発部１４ａに伝達された半導体チップ４０で発熱した熱によって、作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気は熱輸送デバイス（蒸気流管）１４ｃを介して蒸発部１４ａから送り出される。一方、液相の作動流体は、熱輸送デバイス（液流管）１４ｂから多孔質セラミックすなわちウィックに供給され、そのウィックが蒸発部１４ａの内周面に接触しているので、ウィックの外周面で毛細管圧力が生じ、その結果、液相の作動流体はウィックの外周面すなわち蒸発部１４ａの内周面に供給される。そして、液相の作動流体が加熱蒸発して熱輸送デバイス（蒸気流管）１４ｃを経て凝縮部１２ａに流動するので、作動流体の潜熱として熱を輸送することができる。したがって、半導体チップ４０で発熱した熱が輸送されることで、結果的に、半導体チップ４０が冷却されることになる。図４に示したようなループヒートパイプの構造であれば、液相作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、飛散限界などによる熱輸送能力の制約がない。

熱電冷却素子２０は、異なる材料でつくられた２つの導体からなり、２つの導体に直流電流（ＤＣ）を流した際に素子の両表面が冷却または加熱するヒートポンプとして動作するベルチェ素子である。熱電冷却素子２０の基本的構成は、図５に示すように、２枚のセラミック等の絶縁伝熱板の間に、Ｐ型・Ｎ型の半導体素子が交互に配置されており、電気的には直列に、熱的には並列に接続される。図５に示すように、リード線２２から直流電流を流した際には、矢印方向に電流が流れ、上面が吸熱（冷却）面、下面が発熱（加熱）面になる。

熱電冷却素子２０の動作について詳細に説明する。熱電冷却素子２０は、図６に示すように、直流電流電源につなぐと、電流はＮ型半導体の下側から上部の電極を通ってＰ型半導体の下側へ流れる。そのとき、エネルギーは電子と共に電流とは逆の方向に移動する。Ｎ型半導体では、電子が上部の電極からＮ型半導体に移動するためのエネルギーと、Ｎ型半導体の内部を下部の電極まで移動するためのエネルギーを上部の電極側から得るため、その結果上部の電極側でエネルギーが不足し、温度を下げる。これに対して下部の電極側では電子が奪ったエネルギーを放出して温度が上昇する。一方、Ｐ型半導体では、正孔が同様の働きをする。その結果、冷却面で吸収する総熱量が総供給電力に相当する熱量と合算され、放熱側に放出される。熱の吸収（冷却効果）は、電流及び設置する半導体素子の数に比例する。

熱電冷却素子２０は、熱伝導板１０に形成された凹部に埋め込むように設置される。熱電冷却素子２０は、熱伝導板１０と導通しないようにセラミック等からなる絶縁層を介して設置される。熱電冷却素子２０に電力を供給するリード線２２は、図２に示したように、熱伝導板１０に穴を形成して、熱伝導板１０を通して配線される。リード線２２は、熱電冷却素子２０に供給する電圧を制御する電圧制御回路（図示せず）に接続される。

熱電冷却素子２０は、熱伝導板１０の面と実質的に面一になるように埋め込んで設置されることが好ましい。ここでいう「面一」とは、熱伝導板１０の面と熱電冷却素子２０の面で段差がない状態で同一の平面に納まることをいう。熱電冷却素子２０が熱伝導板１０に埋め込んで設置する場合には、熱伝導性接着剤で固定する。また、熱電冷却素子２０と被冷却物である半導体チップ４０の界面は、空気が残っていると熱伝導が悪くなってしまうので、空気が入らないように熱伝導性が良いサーマルグリス等を用いることが好ましい。

熱電冷却素子２０の設置位置は、半導体チップ４０の局部発熱部と対応する箇所である。半導体チップ４０の局部発熱部は、サーモグラフで表面温度分布図を作成し、分析することによって特定することができる。サーモグラフでの分析結果により、半導体チップ４０の局部発熱部が複数である場合は、熱電冷却素子２０を複数配置させることも可能である。

本発明の実施の形態に係る冷却システムによれば、半導体チップ４０の局部発熱部と対応する箇所に熱電冷却素子２０を配置することで、半導体チップ４０の局部発熱部を冷却することが可能となり冷却性能の向上を図ることができる。つまり、半導体チップ４０の局部で発熱した熱を熱電冷却素子２０を用いて熱伝導板１０に拡散させることで、半導体チップ４０の表面での温度の勾配をなだらかにすることができるようになるので冷却性能が向上する。

また、実施の形態に係る冷却システムによれば、熱伝導板１０で吸熱した熱を熱輸送デバイス１４で輸送し、熱放出手段１２で熱を放熱するので、半導体チップ４０で発熱した熱は熱輸送され、半導体チップ４０は結果的に冷却される。

更に、実施の形態に係る冷却システムによれば、熱電冷却素子２０を熱伝導板１０の面と実質的に面一になるように埋め込んで設置した場合は、段差がなくなり、熱電冷却素子２０及び熱伝導板１０が半導体チップ４０と接触する面積が増えるので効率的に冷却をすることができるようになる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、実施の形態において、熱電冷却素子２０の熱伝導板１０への接合方法として熱伝導性接着剤を用いると記載したが、はんだで接合することも可能である。熱電冷却素子２０と熱伝導板１０をはんだで接合することで、高い熱伝導性の接合することができるようになる。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る冷却システムの模式的平面図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る冷却システムの模式的断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷却システムの模式的斜視図である。 本発明の実施の形態に係る冷却システムの熱輸送デバイスを説明するための図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る冷却システムの熱輸送デバイスを説明するための図（その２）である。 本発明の実施の形態に係る冷却システムの熱電冷却素子を説明するための図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る冷却システムの熱電冷却素子を説明するための図（その２）である。

符号の説明

１…熱処理部
１０…熱伝導板
１２…熱放出手段
１２ａ…凝縮部
１４…熱輸送デバイス
１４ａ…蒸発部
２０…熱電冷却素子
２２…リード線
４０…半導体チップ

Claims (8)

1. 半導体チップ上に配置されて前記半導体チップで発熱した熱を吸熱する熱伝導板、前記熱伝導板で吸熱した熱を放熱する熱放出手段、及び前記熱伝導板と前記熱放出手段を接続して熱を輸送する熱輸送デバイスを有する熱処理部と、
   前記熱伝導板の前記半導体チップと接する面側で、前記半導体チップの局部発熱部と対応する箇所に埋め込んで設置されたペルチェ効果を有する熱電冷却素子
   とを備えることを特徴とする冷却システム。
2. 前記熱電冷却素子は、前記熱伝導板の面と実質的に面一になるように埋め込んで設置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記熱電冷却素子は、複数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 前記熱輸送デバイスは、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却システム。
5. 前記熱輸送デバイスは、ベーパチャンバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却システム。
6. 前記熱輸送デバイスは、ループヒートパイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却システム。
7. 前記熱放出手段は、フィンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却システム。
8. 前記熱放出手段は、ファンを更に備えることを特徴とする請求項７に記載の冷却システム。

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