(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板との接合部を備える発熱体の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却する第１冷却部と、
前記発熱体上の前記接合部と異なる部分に水性の第２の冷媒液を接触させて、前記接合部と異なる部分を冷却する第２冷却部と、
を有することを特徴とする冷却機器。
【請求項２】
前記第１冷却部は、前記接合部を前記第１の冷媒液に浸漬し、
前記第２冷却部は、前記接合部と異なる部分に前記第２の冷媒液を供給することを特徴とする請求項１に記載の冷却機器。
【請求項３】
前記第１冷却部は、前記接合部に前記第１の冷媒液を供給し、
前記第２冷却部は、前記接合部と異なる部分に前記第２の冷媒液を供給することを特徴とする請求項１に記載の冷却機器。
【請求項４】
基板との接合部を備える発熱体の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却する第１冷却部と、
前記発熱体の前記接合部と異なる部分を、第２の冷媒液で冷却する第２冷却部と、
を有し、
前記第１冷却部は、前記接合部を前記第１の冷媒液に浸漬し、
前記第２冷却部は、前記接合部と異なる部分に前記第２の冷媒液を供給し、
前記第１の冷媒液の比重は、前記第２の冷媒液の比重よりも大きく、
前記冷却機器は、前記第１の冷媒液と、前記第２の冷媒液とを収めるケーシングをさらに備え、
前記第２冷却部は、前記ケーシングから取り出した前記第２の冷媒液を、前記接合部と異なる部分に供給する第１の供給部を含むことを特徴とする冷却機器。
【請求項５】
基板との接合部を備える発熱体の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却する第１冷却部と、
前記発熱体の前記接合部と異なる部分を、第２の冷媒液で冷却する第２冷却部と、
を有し、
前記第１冷却部は、前記接合部に前記第１の冷媒液を供給し、
前記第２冷却部は、前記接合部と異なる部分に前記第２の冷媒液を供給し、
前記第１の冷媒液の比重は、前記第２の冷媒液の比重よりも大きく、
前記冷却機器は、前記第１の冷媒液と、前記第２の冷媒液とを収める収容部をさらに備え、
前記第１冷却部は、前記収納部から取り出した前記第１の冷媒液を、前記接合部に供給する第２の供給部を含み、
前記第２冷却部は、前記収納部から取り出した前記第２の冷媒液を、前記接合部と異なる部分に供給する第３の供給部を含むことを特徴とする冷却機器。
【請求項６】
基板との接合部を備える半導体装置と、
前記半導体装置の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却する第１冷却部と、
前記半導体装置上の前記接合部と異なる部分に水性の第２の冷媒液を接触させて、前記接合部と異なる部分を冷却する第２冷却部と、
を有することを特徴とする電子機器。
【請求項７】
前記第１冷却部は、前記接合部を前記第１の冷媒液に浸漬し、
前記第２冷却部は、前記接合部と異なる部分に前記第２の冷媒液を供給することを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
【請求項８】
前記第１冷却部は、前記接合部に前記第１の冷媒液を供給し、
前記第２冷却部は、前記接合部と異なる部分に前記第２の冷媒液を供給することを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
【請求項９】
基板との接合部を備える半導体装置と、
前記半導体装置の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却する第１冷却部と、
前記半導体装置の前記接合部と異なる部分を、第２の冷媒液で冷却する第２冷却部と、
を有し、
前記第１冷却部は、前記接合部を前記第１の冷媒液に浸漬し、
前記第２冷却部は、前記接合部と異なる部分に前記第２の冷媒液を供給し、
前記第１の冷媒液の比重は、前記第２の冷媒液の比重よりも大きく、
前記冷却機器は、前記第１の冷媒液と、前記第２の冷媒液とを収めるケーシングをさらに備え、
前記第２冷却部は、前記ケーシングから取り出した前記第２の冷媒液を、前記接合部と異なる部分に供給する第１の供給部を含むことを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
基板との接合部を備える発熱体の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却するとともに、前記発熱体上の前記接合部と異なる部分に水性の第２の冷媒液を接触させて前記接合部と異なる部分を冷却することを特徴とする発熱体の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機器、冷却機器を有する電子機器及び発熱体の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばサーバやコンピュータ等の情報機器の処理速度の向上に伴って、半導体装置の高性能化が進められている。半導体装置が高性能化するに従い、半導体装置に用いられている半導体素子（チップ）が大型化し、動作時の発熱量も増大している。このため、半導体装置を効率良く冷却する技術の開発が進められている。【０００３】
半導体装置を冷却する技術として、例えば図１Ａに示すように、加圧した冷媒液１０３をノズル１０５から半導体素子１２１又はパッケージ１２０に吹き付ける噴流冷却方式（例えば、特許文献１及び２参照）が知られている。また、例えば図１Ｂに示すように、半導体素子１２１を低沸点の絶縁性冷媒液１０４に浸漬させる浸漬沸騰冷却方式が知られている。【０００４】
いずれの冷却方式においても、冷媒液１０３、１０４の沸騰、気化を利用することにより、高発熱体である半導体素子１２１を冷却することができる。冷媒液１０３、１０４はポンプ１０８により循環され、ラジエータ１０６で放熱される。放熱効率を高めるためにファン１０７が用いられる。【０００５】
噴流冷却方式を行う際に、チップの周りにエアカーテンを形成する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。この技術は、チップを下向きに保持し、下方のノズルからチップに冷却液を噴射するとともに、チップの周囲から冷却液の噴射方向と逆の方向に空気を流すことによってエアカーテンを形成し、チップの冷却面以外の領域に冷却液が流れ込むのを防止するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１６０３１３号公報
【特許文献２】特開平５−１３６３０５号公報
【特許文献３】特開平１−０２５４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図１Ａに示す噴流冷却方式では、接合部１２５は電気的な接続を担う箇所であるため、異なる配線間の絶縁性を維持する観点から、水性の冷媒液１０３を用いて直接冷却することは好ましくない。接合部１２５を避けるように噴流冷却を行った場合、冷却能力に限界がある。また、半導体素子１２１の発熱量が大きい場合は、沸騰気泡が多量に発生するため、半導体素子１２１の冷却効率が低下する。【０００８】
他方、図１Ｂに示す浸漬沸騰冷却方式では、半導体素子１２１を絶縁性冷媒液１０４に浸漬させるため、接合部１２５を直接冷却することができる。しかし、冷媒液１０４は絶縁性を有することが好ましいため、例えばフロン等のフッ素系冷媒液を用いた場合、環境負荷が大きくなる問題を有している。【０００９】
本発明は、環境負荷を最小限に抑えつつ、半導体素子などの高発熱量の発熱体を効率よく安定して冷却することのできる冷却機器、冷却機器を有する電子機器及び発熱体の冷却方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の一観点によれば、基板との接合部を備える発熱体の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却する第１冷却部と、前記発熱体の前記接合部と異なる部分を、第２の冷媒液で冷却する第２冷却部と、を有する冷却機器が提供される。【００１１】
発明の別の一観点によれば、基板との接合部を備える半導体装置と、前記半導体装置の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却する第１冷却部と、前記半導体装置の前記接合部と異なる部分を、第２の冷媒液で冷却する第２冷却部と、を有する電子機器が提供される。【００１２】
発明の別の一観点によれば、基板との接合部を備える発熱体の前記接合部を、絶縁性を有する第１の冷媒液で冷却するとともに、前記発熱体の前記接合部と異なる部分を、第２の冷媒液で冷却することを特徴とする発熱体の冷却方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
上述の観点によれば、環境負荷を最小限に抑えて、半導体素子などの発熱体を効率よく安定して冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】従来の噴流冷却方式の冷却機器を示す概略図である。
【図１Ｂ】従来の浸漬沸騰冷却方式の冷却機器を示す概略図である。
【図２】実施例１の冷却機器を有する電子機器の概略図である。
【図３】複数の半導体素子を他のモジュールとともに搭載した基板の概略平面図と側面図である。
【図４】図３の基板を冷却する場合の冷却機器の構成を示す概略図である。
【図５】実施例１の冷却機器の冷却効果を測定するために用いた実験モデルの概略図である。
【図６Ａ】実施例１の冷却機器の冷却効果を従来の噴流冷却方式と比較して示すグラフである。
【図６Ｂ】実施例１の冷却機器の冷却効果を従来の噴流冷却方式と比較して示す表である。
【図７】実施例２の冷却機器を用いた半導体装置の概略図である。
【図８】実施例２の冷却機器の冷却効果を測定するために用いた実験モデルの概略図である。
【図９Ａ】実施例２の冷却機器の冷却効果を従来の噴流冷却方式と比較して示すグラフである。
【図９Ｂ】実施例２の冷却機器の冷却効果を従来の噴流冷却方式と比較して示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図において同一機能を有するものには同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。各実施例では、基板に実装された半導体パッケージを冷却する構成を例に挙げて説明するが、本発明の冷却機器は、電子モジュール等、任意の発熱体の冷却に適しており、特に、外部への電気的な接合部を有する発熱体の冷却に適している。
【００１６】
各実施例では、絶縁性の冷媒液と水性の冷媒液とを２層分離して使用し、発熱量の大きな電気的接合部を絶縁性の冷媒液で直接冷却するとともに、電気的接合部以外の発熱体部分を水性の冷媒液で冷却する。これにより、環境負荷を最小限に抑えつつ、効率的で安定した冷却が可能になる。２層分離による冷却機器は、半導体パッケージや基板を水平に配置した横型の半導体装置だけではなく、基板を垂直にしてラック状に並べた縦型の半導体装置にも適用することができる。
【００１７】
そこで、実施例１では水平配置の半導体デバイスに冷却機器を適用した構成例について説明し、実施例２では縦型の配置に冷却機器を適用した構成例を示す。ここで、水平配置とは、重力方向と直交する方向に半導体デバイスや基板が置かれている配置をいう。縦型配置とは、重力方向に沿って半導体デバイスや基板が置かれている配置をいう。なお、以下の説明において、冷却対象となる半導体素子（チップ）、半導体パッケージ、半導体モジュール等をまとめて「半導体デバイス」と総称し、これらの半導体デバイスが実装される回路基板、中継基板、システムボード等をまとめて「基板」と総称する場合がある。
【実施例１】
【００１８】
図２は、実施例１の冷却機器を備えた電子機器１０の構成例を示す概略図である。実施例１では、基板３０が水平（すなわち重力方向と直交する方向）に配置された水平型の半導体パッケージ２０を冷却する。【００１９】
半導体パッケージ２０は、例えば、半導体素子２１がはんだバンプ２３により回路基板又は中継基板２２に電気的に接続され、全体が１つのパッケージとして封止されたものである。半導体パッケージ２０は外部との電気的接続をとるための接合部２４を有し、接合部２４を介して、プリント配線板などの基板３０に電気的に接続されている。半導体素子２１で発生した熱は、はんだバンプ２３等を介して回路基板（又は中継基板）２２に伝導し、さらに接合部２４等を介して基板３０に伝熱する。接合部２４は他の部位に比べて発熱量が高く、効率的な冷却が求められる部位である。しかし、接合部２４は、基板との電気的な接続を担う箇所であるため、水性冷媒液で冷却することは好ましくない。【００２０】
そこで、絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３とをケーシング１１の中で２層分離させ、半導体パッケージ２０の接合部２４を含む面の冷却には絶縁性冷却液１４を用い、それ以外の部分の冷却には水性冷媒液１３を用いる。具体的には、半導体パッケージ２０及び基板３０を密閉性のあるケーシング１１内部に配置し、半導体パッケージ２０の接合部２４とパッケージ側面とが絶縁性冷媒液１４に浸るように、絶縁性冷媒液１４をケーシング１１内に封入する。ケーシング１１は、金属、樹脂、セラミックス、ガラス等を用いることができるが、実施例ではアルミ等の熱伝導率の高い金属を用いる。絶縁性冷媒液１４は、化学的に安定であり腐食性がなく、かつ電気絶縁性を有する流体である。この条件を満たす冷媒液として、例えばフッ素系不活性液体（FC-72など）、フッ化炭素系冷媒液、代替フロン（HFC-365mfc、HFE-7000など）、ハロゲン化炭化水素系冷媒（ペンタンなど）、シリコーンオイルなどの絶縁油を主成分とする冷媒液などを使用することができる。【００２１】
他方、半導体パッケージ２０の裏面２６等、接合部２４と異なる部分には水性冷媒液１３を供給する。水性冷媒液１３は、例えば水、純水などであり、半導体パッケージ２０の上方に位置するノズル１５から半導体パッケージ２０の裏面２６に噴射される。この場合、絶縁性冷媒液１４の比重のほうが水性冷媒液１３の比重よりも大きいので（フッ素系不活性液体であるＦＣ−７２を用いた場合、絶縁性冷媒液１４の比重は１．６８）、この比重差を利用して絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３を２層分離することができる。【００２２】
ノズル１５から噴射される水性冷媒液１３は、半導体パッケージ２０の裏面２６に接触して半導体パッケージ２０の周辺領域へ広がり、半導体パッケージ２０の熱を奪って、低温側であるケーシング１１の内壁へと拡散する。このとき、下方には半導体パッケージ２０の側面及び接合部２４を浸漬する比重の大きい絶縁性冷媒液１４が存在するので、水性冷媒液１３が接合部２４へ混入することは防止される。半導体パッケージ２０の裏面２６から熱を奪って温度が上昇した水性冷媒液１３は、ポンプ１８ａによりケーシング１１の外部へ排出され、外部の冷却手段、例えば放熱器（ラジエータ）１６及びファン１７により熱交換される。低温となった水性冷媒液１３は、ポンプ１８ｂによりノズル１５へと供給される。ポンプ１８ａ、１８ｂ、外部冷却手段１６、１７、ノズル１５及びこれらを接続する配管１９で、水性冷媒液１３の循環系を構成する。これにより、ケーシング１１から取り出した水性冷媒液１３を、接合部２４と異なる部分に循環させて供給することができる。【００２３】
絶縁性冷媒液１４は、半導体パッケージ２０の接合部２４に伝わる熱により気化して蒸気となる。絶縁性冷媒液１４の蒸気は水性冷媒液１３中に溶け込むが、水性冷媒液１３の温度が絶縁性冷媒液１４の沸点よりも低い場合は、絶縁性冷媒液１４の蒸気が水性冷媒液１３に接して凝集し、液相となって絶縁性冷媒液１４中へと自然循環する。例えば、絶縁性冷媒液１４として、フッ素系不活性液体であるＦＣ−７２を用いた場合、沸点は５６℃である。水性冷媒液１３を冷却循環させてケーシング１１内の水性冷媒液１３の温度を５６℃より低く維持できる場合は、絶縁性冷媒液１４をケーシング内部１１で自然循環させることができる。低沸点フッ素系液体１４の揮発は水性冷媒液１３のシールドにより抑制される。【００２４】
なお、図示はしないが、水性冷媒液１３のための循環系に加えて、絶縁性冷媒液１４を機械的に循環させる第２の循環系を設けてもよい。【００２５】
図２では、簡略化のために単一の半導体パッケージ２０を冷却する例を示したが、上述した冷却機器は、システムボート３０上に複数の半導体パッケージ２０や電子モジュールが搭載されたマルチＣＰＵを冷却する場合にも適用可能である。【００２６】
図３は、マルチＣＰＵを搭載する基板３０の上面図と、そのＡ−Ａ'断面図である。基板３０上には、複数のＣＰＵ（半導体パッケージ）２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが他のモジュール３２とともに並べられている。他のモジュールは、例えばメモリモジュール、スイッチ、パワーモジュール等であるが、メモリモジュール３２で代表する。動作時には半導体パッケージ２０ａ〜２０ｄ及びメモリモジュール３２の各々から熱が発生する。そこで、水平型の配置でマルチＣＰＵを冷却する場合は、ノズル１５を半導体パッケージ２０ａ、２０ｂ、メモリモジュール３２の各々に対して配置して、水性冷媒液１３を供給するのが望ましい。【００２７】
図４は、マルチＣＰＵを冷却する冷却機器付きの半導体装置４０の構成を示す概略図である。半導体パッケージ２０ａ、２０ｂ、及びメモリモジュール３２が搭載された基板３０は、密閉性のあるケーシング１１内に配置されている。ケーシング１１内には、半導体パッケージ２０ａ、２０ｂの側面及び接合部２４とメモリモジュール３２を浸漬する絶縁性冷媒液１４が封入されている。半導体パッケージ２０ａ、２０ｂ、及びメモリモジュール３２の上方にノズル１５ａ、１５ｂ、１５ｃが配置され、対応する半導体デバイス（モジュール）２０ａ、２０ｂ、３２の裏面２６ａ、２６ｂ、３６に向けて水性冷媒液１３が噴射される。他方、発熱量の大きい半導体パッケージ２０ａ、２０ｂの接合部２４や、メモリモジュール３２の基板３０への接合部（不図示）は絶縁性冷媒液１４に浸漬され、直接冷却されている。水性冷媒液１３は、ポンプ１８ａ、１８ｂ及び冷却手段１６，１７を接続する配管１９により循環され、低温になった水性冷媒液１３がノズル１５ａ〜１５ｃに供給される。【００２８】
図３及び図４の例では、同サイズの半導体パッケージ２０ａ〜２０ｄが基板３０上に配置されているが、異なるサイズの半導体パッケージが配置される場合も同様にして冷却することができる。また、図２に示す、ノズル１５の噴射の方向を制御することによって、複数の半導体パッケージ２０に対して１つのノズル１５を設ける構成としてもよい。【００２９】
このように、実施例１では、絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３とを、比重差を利用して２層分離し、絶縁性冷媒液１４により半導体パッケージ２０の接合部２４を浸漬冷却するとともに、水性冷媒液１３により、パッケージ裏面（接合部と反対側の面）２６等の、接合部２４と異なる部分に対して噴流冷却を行なう。電気的接続を担う接合部２４に対する絶縁性を担保しつつ、主たる冷却手段を水冷として、半導体パッケージ２０を全周囲から冷却するので、環境負荷を最小限に抑えて、半導体素子２１や半導体パッケージ２０を効率良く安定して冷却することができる。また、実施例１では半導体パッケージ２０の全体が浸漬されているため、外気に触れることがない。したがって結露の心配がなく、接合部のマイグレーションを防止することができる。【００３０】
図５は、実施例１の効果を測定するために用いた実験モデルの概略図である。冷却対象として、ＩＮＴＥＬ社製のＣＰＵ（CORE 2 QUAD 3GHz）２０ａと周辺パーツ３２を使用した。絶縁性冷媒液１４としてフッ素系不活性液体であるＦＣ−７２を使用し、水性冷媒液１３として水を使用して２層分離により冷却した。ＣＰＵ２０ａの接合部２４は、比重が重い絶縁性冷媒液１４に浸漬されている。比重が低い方の水性冷媒液１３をポンプ１８により３リットル／分の流量で循環させ、ラジエータ１６により放熱量８０Ｗ・ｈで熱交換してからノズル１５に供給した。ＣＰＵ使用率１００％時でＣＰＵ２０の温度を計測した。ＣＰＵ２０の計測温度はＣＰＵ内部のモニタリング温度とした。比較例として、同じＣＰＵ２０及び周辺パーツ３２を用い、図１Ａのように水性冷媒液１３のみを用いた噴流冷却方式で、同様にしてＣＰＵ使用率１００％時のＣＰＵ温度を計測した。【００３１】
図６Ａは実測結果を示すグラフ、図６Ｂは図６Ａの実測結果を平均化して実施例１の実験モデルと従来モデルとのＣＰＵ温度と発熱量換算とを比較した表である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、図１Ａの従来モデルでは、ＣＰＵ使用率１００％になった数分後にＣＰＵコア温度が６０℃を超え、冷却下での平均ＣＰＵ温度は６１℃である。他方、実施例１の実験モデルでは、ＣＰＵ使用率１００％時の平均ＣＰＵ温度は５３℃である。発熱量に換算すると従来モデルでは１８０Ｗ、実施例１の実験モデルでは１４０Ｗである。このように、実施例１の構成では、発熱量換算で４０Ｗの低減、平均ＣＰＵ温度で８℃の低減を達成することができる。なお、図６Ａの実測グラフではＣＰＵコア温度に多少の振幅が見られるが、これはＣＰＵの動作の影響によるものであり、冷却機能の安定性は確保されている。ラジエータ放熱量、ポンプ流量、ノズル配置、噴流の向き等を制御することによって、冷却機能をさらに向上することも可能である。
【実施例２】
【００３２】
図７は、実施例２の冷却機器を備えた電子機器７０の構成例を示す概略図である。実施例２では、基板３０が垂直に（すなわち重力方向に沿って）配置された縦型の半導体パッケージ２０を冷却する。半導体パッケージ２０の構成や基板３０への接合構成は実施例１と同様であり、説明を省略する。【００３３】
実施例２においても、実施例１と同様に、半導体パッケージ２０の接合部２４を絶縁性冷媒液１４で直接冷却するとともに、半導体パッケージの裏面（接合部２４と反対側の面）２６等の、接合部２４と異なる部分を水性冷媒液１３で冷却する。この構成を縦型配置で実現するために、実施例２では、半導体パッケージ２０を搭載する基板３０の上方に、第１のノズル７５を配置し、基板３０の上端側から絶縁性冷媒液１４を接合部２４に向けて供給する。他方、垂直に立てられた半導体パッケージ２０の側方に、第２のノズル１５を配置して、水性冷媒液１３を半導体パッケージの裏面２６に向けて供給する。【００３４】
第１のノズル７５は、半導体パッケージ２０の端面及び接合部２４の全体が絶縁性冷媒液１４で覆われるように、カーテン流７６を形成する。絶縁性冷媒１４は実施例１と同様に、化学的に安定であり腐食性がなく、かつ電気絶縁性を有する流体である。例えば、フッ素系不活性液体（FC-72など）、フッ化炭素系冷媒液、代替フロン（HFC-365mfc、HFE-7000など）、ハロゲン化炭化水素系冷媒（ペンタンなど）、シリコーンオイルなどの絶縁油を主成分とする冷媒液などを用いることができる。【００３５】
第２のノズル１５は、半導体パッケージ２０の接合部２４と反対側の面（裏面）２６等、接合部２４と異なる部分に対して水性冷媒液１３を噴射する。このとき、接合部２４は絶縁性冷媒液１４のカーテン流７６で覆われているため、水性冷媒液１３が接合部２４に入り込むのを防止することができる。このように、絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３は重力方向に２層分離される。【００３６】
半導体パッケージ２０と熱交換して温度が上昇した絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３は、ケーシング１１の底部に溜まる。絶縁性冷媒液１４としてフッ素系の不活性液体のＦＣ−７２を用いた場合、その比重は水性冷媒液１３の比重よりも大きい。もっとも、絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３は上方からケーシング１１の底部へ流れ落ちるため、ケーシング１１の底部で一部混合する。【００３７】
高温になった絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３は、第１の配管１９ａによりケーシング１１の底部から排出され、ラジエータ１６及びファン１７によって熱交換される。熱交換されて低温になった冷媒液は、冷媒液分離タンク７９に送られる。冷媒液分離タンク７９内では、絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３は、その比重差によって２層に分離する。分離した冷媒液のうち、絶縁性冷媒液１４は、ポンプ７８ａ及び第２の配管１９ｂを介して、第１のノズル７５に供給される。水性冷媒液１３は、ポンプ７８ｂ及び第３の配管１９ｃを介して、第２のノズル１５に供給される。このように、冷媒液の２層分離を利用して、低温になった水性冷媒液１３および絶縁性冷媒液１４を、それぞれ対応するノズル１５、７５へと循環させることができる。その結果、縦型配置であっても効率よく安定して半導体パッケージ２０を冷却することができる。なお、必要に応じて、第１の配管１９ａにポンプを設けてもよい。【００３８】
実施例２の構成は、図３のマルチＣＰＵの基板３０が縦型配置された場合にも、適用可能である。この場合、カーテン流７６を形成するためのノズル７５は、基板３０上で、重力方向に並べられた半導体パッケージ２０の列ごとに設けるのが望ましい。あるいは、ノズルの開口部の大きさ、形状、構成、噴射される絶縁性冷媒液１４の流量、基板３０の大きさ等に応じて、ノズル７５の数は適宜設定することができる。【００３９】
図８は、実施例２の効果を測定するために用いた実験モデルの概略図である。冷却対象として、ＩＮＴＥＬ社製のＣＰＵ（CORE 2 QUAD 3GHz）２０と周辺パーツ３２を使用した。絶縁性冷媒液１４としてフッ素系不活性液体であるＦＣ−７２を使用し、水性冷媒液１３として水を使用し、重力方向の２層分離により冷却した。ケーシング１１の底部から絶縁性冷媒液１４と水性冷媒液１３を排出し、ラジエータ１６により放熱量８０Ｗ・ｈで熱交換してから、冷媒液分離タンク７９で水平方向に２層分離した。絶縁性冷媒液をポンプ７８ａによりノズル７１５に供給し、水性冷媒液をポンプ７８ｂによりノズル１５に供給した。ＣＰＵ使用率１００％時でＣＰＵ２０の温度を計測した。ＣＰＵ２０の計測温度はＣＰＵ内部のモニタリング温度とした。比較例として、同じＣＰＵ２０及び周辺パーツ３２を用い、図１Ａのように水性冷媒液１３のみを用いた噴流冷却方式で、同様にしてＣＰＵ使用率１００％時のＣＰＵ温度を計測した。【００４０】
図９Ａは実測結果を示すグラフ、図９Ｂは図９Ａの実測結果を平均化して実施例２の実験モデルと従来モデルとのＣＰＵ温度と発熱量換算とを比較した表である。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、図１Ａの従来モデルでは、ＣＰＵ使用率１００％になった数分後にＣＰＵコア温度が６０℃を超え、冷却下での平均ＣＰＵ温度は６１℃である。他方、実施例２の実験モデルでは、ＣＰＵ使用率１００％時の平均ＣＰＵ温度は４９℃である。発熱量に換算すると従来モデルでは１８０Ｗ、実施例１の実験モデルでは１２０Ｗである。このように、実施例１の構成では、発熱量換算で６０Ｗの低減、平均ＣＰＵ温度で１２℃の低減を達成することができる。【００４１】
実施例２の構成は、実施例１の場合よりも、冷却効率が高く安定した冷却を実現することができる。これは、半導体パッケージ２０の接合部２４（図７参照）に対して絶縁性冷媒液１４をカーテン流として供給するからである。発熱量の大きい接合部２４に、常に低温にされた絶縁性冷媒液１４を供給して冷却することにより、高い冷却効率を得ることができる。【００４２】
このように、本発明によれば、例えば以下の効果が得られる。
（１）高効率冷却：水性冷媒液による噴流冷却と、絶縁性冷媒液による接合部の冷却の併用により、半導体デバイス全周の直接冷却が水冷で実現される。
（２）大面積冷却：メモリ、スイッチ、パワーモジュール等を含めたシステムボード全体の一体冷却が可能になる。
（３）低環境負荷：フッ素系冷媒を最小限に抑さえ、主たる冷却手段を水冷とすることにより、環境への負荷を低減しつつ高効率冷却と実現できる。
（４）高信頼性：基板が外気に触れることがないため、温度差による結露を防止し、マイグレーションの発生を防止することができる。
（５）低コスト化：一体冷却できるので、ＣＰＵ毎にサーマルモジュールを設ける必要がない。また、結露対策のヒータを不要にするなど、部品点数の削減と消費電力の低減を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
発熱体の冷却と、冷却機器を有する電子機器に利用することができる。多数のシステムボードを縦型に配置したラックや、多段に重ねたスタック構造にも適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１０、４０、７０  半導体装置
１１  ケーシング（ハウジング）
１３  水性冷媒液
１４  絶縁性冷媒液
１５、１５ａ、１５ｂ、７５  ノズル（冷媒液供給手段）
１８ａ、１８ｂ、７８ａ、７８ｂ  ポンプ
１９  配管
１９ａ  第１の配管
１９ｂ  第２の配管
１９ｃ  第３の配管
２０、２０ａ、２０ｂ  半導体パッケージ（半導体モジュール）
２１  半導体素子
２４  接合部
３０  基板
７６  カーテン流
７９  冷媒液分離タンク
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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