(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを搭載する基板と、半導体デバイスに冷却媒体を吹き付けるノズル及びこのノズルに冷却媒体を供給するポンプ装置とを備える半導体デバイスの冷却装置において、
前記半導体デバイスを覆い、半導体デバイスの周辺部と間隙を形成すると共に前記基板とも間隙を形成し、前記冷却媒体をノズルより吹き付けている状態で前記半導体デバイスが前記冷却媒体に浸漬される位置に第１の液溜め容器を配置し、
この第１の液溜め容器に冷却媒体を供給するとともに半導体デバイスに冷却媒体を吹き付けるノズル及びノズルに冷却媒体を供給するポンプ装置を取り付け、
前記半導体デバイスを基板の下面に水平にして取り付け、
さらに半導体デバイスの下方に第１の液溜め容器を取り付ける
ことを特徴とする半導体デバイスの冷却装置。
【請求項２】
前記第１の液溜め容器の底部に滴下孔を設けることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの冷却装置。
【請求項３】
前記半導体デバイス及び第１の液溜め容器を覆い、底部に冷却媒体を溜める第２の液溜め容器と、この第２の液溜め容器からノズルに供給される冷却媒体と熱交換する熱交換器とを設けることを特徴とする請求項２記載のいずれかの半導体デバイスの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイスの冷却装置に係り、特に大形コンピュータおよびスーパーコンピュータ等の発熱密度の高い電子装置に好適な半導体デバイスの冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの冷却装置には、特開平４−２３９１６２号公報に記載されるものがある。この技術は、電気絶縁性の液体に満たされた貯蔵容器の中に発熱体を設置することにより発熱体を電気絶縁性の液体に浸漬し、発熱体に対して鉛直方向に配置した噴流ノズルから冷却液を射出し、強制循環させて冷却している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記発熱体の冷却装置は、発熱体を液中で吹き付けて冷却（噴流冷却）することによって発熱体の表面がほぼ一様に冷却されても発熱体の外周部からは冷却液の対流等によって熱が逃げやすくなり、発熱体の発熱密度が大きくなるほど吹き付け中心と周辺部では大きな温度差が生じる。特に、発熱体が半導体デバイスの場合、デバイス内で温度差が生じると電子回路内の信号遅延時間に大きな差が生じて信号の同期が取れず、デバイスの演算処理能力が低下してしまう。
【０００４】
また、発熱体を冷却液に浸漬させるために貯蔵容器の中に発熱体を設置しているが、貯蔵容器に溜った冷却液を排出する手段がないため、発熱体を交換するとき冷却液が作業の妨げになる。さらに、発熱体の下側に貯蔵容器が設置されているため発熱体を交換する場合、最初にノズルを外してから発熱体を取り外すか、もしくは貯蔵容器と一緒に発熱体を取り出し、その後貯蔵容器から発熱体を取り外すことになるため非常に作業効率が悪い。特に、発熱体が半導体デバイスなどの検査装置等の場合は多数の半導体デバイスを交換するため検査効率が低下する。
【０００５】
さらに、複数の発熱体を一つの貯蔵容器の中に設置して冷却液に浸漬しているため、発熱体と発熱体との空間にも冷却液を満たさなければならず、多量の冷却液を必要とする。冷却液の量が増加すると熱容量が増加し、発熱体を所定の温度に冷却するために冷却液の温度を変化させる場合、長い時間を要し制御性が悪くなる。特に、発熱体が半導体デバイスなどで検査する場合は、数種類の温度設定で検査を行うため、冷却液の温度制御に長い時間がかかると検査効率がさらに低下することに対し、配慮されていなかった。
【０００６】
本発明の目的は、半導体デバイスの冷却装置において半導体デバイスの演算処理能力を向上させ、かつ半導体デバイス交換時の時間短縮を図り作業効率を向上させるとともに半導体デバイス検査時の時間短縮を図り検査効率を向上させることのできる半導体デバイスの冷却装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体デバイスの冷却装置の構成は、半導体デバイスを搭載する基板と、半導体デバイスに冷却媒体を吹き付けるノズル及びこのノズルに冷却媒体を供給するポンプ装置とを備える半導体デバイスの冷却装置において、前記半導体デバイスを覆い、半導体デバイスの周辺部と間隙を形成すると共に前記基板とも間隙を形成し、前記冷却媒体をノズルより吹き付けている状態で前記半導体デバイスが前記冷却媒体に浸漬される位置に第１の液溜め容器を配置し、この第１の液溜め容器に冷却媒体を供給するとともに半導体デバイスに冷却媒体を吹き付けるノズル及びノズルに冷却媒体を供給するポンプ装置を取り付け、前記半導体デバイスを基板の下面に水平にして取り付け、さらに半導体デバイスの下方に第１の液溜め容器を取り付けるものである。
【０００９】
また好ましくは、半導体デバイスを基板の下面に水平にして取り付け、さらに半導体デバイスの下方に第１の液溜め容器を取り付けるとともに液溜め容器の底部に滴下孔を設けるものである。
【００１１】
また好ましくは、半導体デバイスを基板の下面に水平にして取り付け、さらに半導体デバイスの下方に第１の液溜め容器を取り付けるとともに、半導体デバイス及び第１の液溜め容器を覆い、底部に冷却媒体を溜める第２の液溜め容器と、この第２の液溜め容器からノズルに供給される冷却媒体と熱交換する熱交換器とを設けるものである。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の他の発明に係る半導体デバイスの冷却装置の構成は、半導体デバイスを搭載する基板と、半導体デバイスに冷却媒体を吹き付けるノズル及びこのノズルに冷却媒体を供給するポンプ装置とを備える半導体デバイスの冷却装置において、前記半導体デバイスの側方を覆い、半導体デバイスの周辺部と間隙を形成し、前記冷却媒体をノズルより吹き付けている状態で前記半導体デバイスが前記冷却媒体に浸漬される位置に液溜め堰を配置し、この液溜め堰に冷却媒体を供給するとともに半導体デバイスに冷却媒体を吹き付けるノズル及びノズルに冷却媒体を供給するポンプ装置を取り付けるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施例である半導体デバイスの冷却装置の断面図である。
【００１５】
図１に示すように、半導体デバイス１を搭載した基板２を半導体デバイス１の搭載面を下向きにして、すなわち下面にしてステ−ジ９に取付ける。半導体デバイス１の下方には半導体デバイス１の近傍において半導体デバイス１を覆い、半導体デバイス１の周辺部と間隙を形成するようにして液溜め容器（第１の液溜め容器）５を取り付ける。この液溜め容器５にはノズル３が取り付けられ、このノズル３からポンプ装置８から供給された絶縁性の液体で概ね２０℃ないし１０℃の、たとえばフルオロロカーボンなどの冷却液４が噴出して半導体デバイス１へ吹き付けられる。吹き付けられた冷却液４は高速度で半導体デバイス１に衝突しながら水平方向に流れ、液溜め容器５の周壁に衝突して液溜め容器５を一杯に満たした後、液溜め容器５の周辺部の間隙から溢れ出るとともに、滴下孔６からも滴り落ちる。このとき、半導体デバイス１に衝突しながら水平方向に流れた冷却液４の流速は、半導体デバイス１の周辺部の液溜め容器５の周壁が堰の作用をするため流れの抵抗が増加し、半導体デバイス１の周辺部において減速される。
【００１６】
すなわち、半導体デバイス１で発生した熱は、冷却液４に伝わり、この冷却液４は液溜め容器５の周辺部から溢れ出るとともに滴下孔６からも滴り落ち、液溜め容器（第２の液溜め容器）７の下部に集まって熱交換器１１へ導かれ、冷却液４に伝わった熱は熱交換器１１よって外部へ除去される。熱交換器１１によって所定の温度に調節された冷却液４は、ポンプ装置８によって再度半導体デバイス１へ吹き付けられる。なお、１０は基板２とステ−ジ９との間をシールするＯリングである。
【００１７】
本実施例では、半導体デバイス１の近傍において半導体デバイス１を覆うように液溜め容器５を取り付けることによって、半導体デバイス１に衝突しながら水平方向に流れた冷却液４の流速は、半導体デバイス１の周辺部の液溜め容器５の壁が堰の作用をするため流れの抵抗が増加し、半導体デバイス１の周辺部において減速される。これによって、半導体デバイス１の周辺部の冷却性能が低下し周辺部の温度が上昇するため、半導体デバイス１の外周部から冷却液４の対流等によって熱が逃げやすくなっても周辺部の温度低下を防ぐことができる。
【００１８】
本実施例によれば、半導体デバイス１の発熱量が約５００Ｗの場合、図２に示すように、半導体デバイス１の周辺部において半導体デバイス１の温度を約４０℃程上昇させることができる。吹き付ける中心と周辺部の温度差が図３に示すように約４０℃小さくなると、半導体デバイス１での電子回路内の信号遅延時間を約１０％減少させることが可能となり、信号の同期が取れて半導体デバイス１の演算処理能力を約１０％向上させることができる。
【００１９】
また、液中で吹き付けを行うための液溜め容器５が半導体デバイス１とは反対側のノズル３側に取り付けられ、かつ、冷却液４の吹き付けを止めると液溜め容器５内の冷却液４は、液溜め容器５下部の滴下孔６から滴り落ちて液溜め容器７の下部に集まるため、半導体デバイス１を交換するとき冷却液が作業の妨げにならず、容易にステ−ジ９の上部より取り外すことができて作業効率が向上する。特に検査装置等の場合は多数の半導体デバイスを交換するため自動化が容易となり検査効率が向上する。
【００２０】
さらに、液中で吹き付けを行うために一つの半導体デバイス１に対して一つの液溜め容器５が半導体デバイス１を覆うように取り付けられることによって、半導体デバイス１を浸漬するための冷却液４の量を少なくすることが可能となる。
【００２１】
冷却液４の量が減少すると熱容量が減少し、半導体デバイス１を所定の温度に冷却するために冷却液４の温度を変化させる場合、短時間で制御可能となる。特に検査装置等の場合は、数種類の温度設定で検査を行うため短時間で冷却液４の温度制御が可能となることによって検査効率がさらに向上する。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施例を図４により説明する。
図４において、第１の実施例と異なる点は、半導体デバイス１を搭載した基板２を垂直にしてステ−ジ９に取付けたことである。
【００２３】
そして、第１の実施例と同様に半導体デバイス１の近傍において半導体デバイス１を覆うように液溜め容器５を取り付けたノズル３が設置され、ポンプ装置８から供給された絶縁性の液体である冷却液４がノズル３から半導体デバイス１へ吹き付けられる。
【００２４】
さらに、第１の実施例と異なる点は、冷却液４の吹き付けを止めると液溜め容器５内の冷却液４が、第１の実施例における滴下孔６がなくても液溜め容器５下部から溢れ出て液溜め容器７の下部に集まるため、半導体デバイス１を交換するとき冷却液が作業の妨げにならず、容易にステ−ジ９の上部より取り外すことができる。これより第１の実施例と同様な作用が有り、第１の実施例と同様な効果が得られるが、滴下孔を設ける必要がないため、製作が容易になるという効果もある。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施例を図５により説明する。
図５において、第１の実施例と異なる点は、半導体デバイス１を搭載した基板２を半導体デバイス１の搭載面が上向きになるようにして、すなわち半導体デバイス１の搭載面を上面にしてステ−ジ９に取付けたことと、ノズル３が取り付けられ支持部材１３によって固定された堰板１２を半導体デバイス１の上方周辺部と間隙を形成して周囲に設置したことである。堰板１２の上部は開放され、冷却液４が一杯に満たされたら溢れ出ることが可能になっている。
【００２６】
上記構成において、ポンプ装置８から供給された冷却液４がノズル３から下方の半導体デバイス１へ吹き付けられる。吹き付けられた冷却液４は、高速度で半導体デバイス１に衝突しながら水平方向に流れ、堰板１２の壁に衝突して堰板１２で囲まれた内側を一杯に満たした後、堰板１２の上部開放面から溢れ出るとともに下部間隙からも漏れ出る。このとき、半導体デバイス１に衝突しながら水平方向に流れた冷却液４の流速は、半導体デバイス１の周辺部の堰板１２の壁が堰の作用をするため流れの抵抗が増加し、半導体デバイス１の周辺部において減速される。
【００２７】
これより、第１の実施例と同様な作用が有り、第１の実施例と同様な効果が得られるが、カバーが不要となるため、製作が容易になるという効果もある。
【００２８】
以上説明したように、上記実施例によれば以下の作用効果が奏される。
半導体デバイスの近傍において半導体デバイスを覆うように第１の液溜め容器もしくは堰板を取り付けることによって、半導体デバイスに衝突しながら水平方向に流れた冷却液の流速は、半導体デバイスの周辺部の近傍に設置された第１の液溜め容器の壁もしくは堰板が堰の作用をするため流れの抵抗が増加し、半導体デバイスの周辺部において減速される。これによって、半導体デバイスの周辺部の冷却性能が低下し周辺部の温度が上昇するため、半導体デバイスの周辺部から冷却液の対流等によって熱が逃げやすくなっても、周辺部の温度低下を防ぐことができる。
【００２９】
したがって、吹き付け中心と周辺部の温度差が小さくなり、半導体デバイスでの電子回路内の信号遅延時間を減少させることが可能となり、信号の同期が取れ半導体デバイスの演算処理能力を向上させることができる。
【００３０】
また、液中で吹き付けを行うための第１の液溜め容器もしくは堰板が半導体デバイスとは反対側のノズル側に取り付けられ、かつ、冷却液の吹き付けを止めると第１の液溜め容器内もしくは堰板で囲まれた内側の冷却液は、第１の液溜め容器もしくは堰板の下側から溢れ出て第２の液溜め容器の下部に集まるため、半導体デバイスを交換するとき冷却液が作業の妨げにならず、容易にステ−ジより取り外すことができるため作業効率が向上する。特に検査装置等の場合は多数の半導体デバイスを交換するため自動化が容易となり検査効率が向上する。
【００３１】
さらに、液中で吹き付けを行うために、一つの半導体デバイスに対して一つの第１の液溜め容器もしくは堰板が半導体デバイスを覆うように取り付けられることによって、半導体デバイスを浸漬するための冷却液の量を少なくすることが可能となる。
【００３２】
冷却液の量が減少すると熱容量が減少し、半導体デバイスを所定の温度に冷却するために冷却液の温度を変化させる場合、短時間で制御可能となる。特に検査装置等の場合は、数種類の温度設定で検査を行うため短時間で冷却液の温度制御が可能となることによって検査効率がさらに向上する。
【００３３】
【発明の効果】
半導体デバイスの冷却装置において半導体デバイスの演算処理能力を向上させ、かつ半導体デバイス交換時の時間短縮を図り作業効率を向上させるとともに、半導体デバイス検査時の時間短縮を図り検査効率を向上させることのできる半導体デバイスの冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である半導体デバイスの冷却装置の縦断面図である。
【図２】第１の実施例において、半導体デバイス中心からの距離と半導体デバイスの温度との関係を説明する図である。
【図３】第１の実施例において、半導体デバイス内の温度差と信号遅延時間との関係を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施例である半導体デバイスの冷却装置の縦断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例である半導体デバイスの冷却装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１…半導体デバイス
２…基板
３…ノズル
４…冷却液
５…液溜め容器（第１の液溜め容器）
６…滴下孔
７…液溜め容器（第２の液溜め容器）
８…ポンプ装置
９…ステ−ジ
１０…Ｏリング
１１…熱交換器
１２…堰板
１３…支持部材
【図１】
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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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