(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の積層体と、
前記積層体の表面に第１冷媒が流通する経路を形成する第１流路と、
前記積層体の層間に、前記第１冷媒よりも沸点の高い第２冷媒が流通する経路を形成する第２流路と、を備え、
前記第１冷媒は、作動中の前記半導体素子の発熱で沸騰する冷媒であり、
前記第２冷媒は、作動中の前記半導体素子の発熱では沸騰しない冷媒である、
基板。
【請求項２】
前記基板は、
前記積層体の表面を覆う第１の筐体と、
前記積層体および前記第１の筐体を格納する第２の筐体と、を更に備え、
前記第１流路は、前記第１の筐体内を通る流路であり、
前記第２流路は、前記第２の筐体内を通る流路である、
請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記基板は、
前記積層体の積層面を覆う第３の筐体と、
前記積層体および前記第３の筐体を格納する第４の筐体と、を更に備え、
前記第１流路は、前記第４の筐体内を通る流路であり、
前記第２流路は、前記第３の筐体内を通る流路である、
請求項１に記載の基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、冷却機構を有する基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の冷却機構を有する電子機器が開発されている（例えば、特許文献１−３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２７１５０号公報
【特許文献２】特開平３−５０８９７号公報
【特許文献３】特開昭６１−５４６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電子機器の高性能化に伴い、半導体素子の発熱量は増加の一途を辿っている。ところで、半導体素子の冷却等に用いられる冷媒が除熱できる熱量は、顕熱変化による除熱よりも潜熱変化による除熱の方が大きい。そこで、発熱量が増加の一途を辿る半導体素子を効率的に冷却するために、例えば、半導体素子の発熱で沸騰する低沸点の冷媒を半導体素子の冷却に用いて相変化による冷却を行うことが考えられる。しかし、近年開発が進められている半導体素子の積層体を、低沸点の冷媒で冷却しようとすると、層間に発生する気泡が冷媒の流れを妨げて各層の半導体素子が冷却されない虞がある。
【０００５】
そこで、本願は、半導体素子の積層体を冷媒の相変化で除熱可能な基板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】
【０００６】
本願は、以下のような基板を開示する。すなわち、本願で開示する基板は、半導体素子の積層体と、前記積層体の表面に第１冷媒が流通する経路を形成する第１流路と、前記積層体の層間に、前記第１冷媒よりも沸点の高い第２冷媒が流通する経路を形成する第２流路と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
上記の基板であれば、半導体素子の積層体を冷媒の相変化で除熱可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態の半導体パッケージの構造図である。
【図２】図２は、第２実施形態の半導体パッケージの構造図である。
【図３】図３は、第１比較例の半導体パッケージの構造図である。
【図４】図４は、第２比較例の半導体パッケージの構造図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。
【００１０】
図１は、第１実施形態の半導体パッケージの構造図である。第１実施形態の半導体パッケージ１Ａは、下面に多数のリードピン２Ａを縦横に配列したパッケージ基板３Ａと、パ
ッケージ基板３Ａの上面の中央部にはんだボール４Ａを介して積層された３枚の半導体素子５Ａによって形成される積層体６Ａとを備える。各半導体素子５Ａ間のはんだボール４Ａの周囲には隙間があり、冷媒が積層体６Ａの積層面側から流通可能になっている。なお、積層体６Ａの積層面とは、積層体６Ａの積層方向に沿って延在する面であり、例えば、積層体６Ａを形成する各半導体素子５Ａの縁が露出している面である。
【００１１】
半導体パッケージ１Ａは、積層体６Ａの上面を覆う第１の筐体７Ａと、積層体６Ａおよび第１の筐体７Ａを格納する第２の筐体８Ａとを更に備える。
【００１２】
第１の筐体７Ａは、下側が開放された矩形状の箱である。第１の筐体７Ａは、下側の開放部分を形成する矩形状の下縁に沿って設けられた第１の気密シール９Ａを介して積層体６Ａの上面に密着することにより、積層体６Ａの上面に冷媒を流通させるための第１流路１０Ａを第１の筐体７Ａ内に形成する。なお、第１の筐体７Ａの上部には、第１の筐体７Ａの内部と連通する第１の冷媒流入口１１Ａおよび第１の冷媒流出口１２Ａが設けられている。
【００１３】
第２の筐体８Ａは、下側が開放された矩形状の箱である。第２の筐体８Ａは、下側の開放部分を形成する矩形状の下縁に沿って設けられた第２の気密シール１３Ａを介してパッケージ基板３Ａの上面に密着することにより、積層体６Ａの層間に冷媒を流通させるための第２流路１４Ａを第２の筐体８Ａ内に形成する。なお、第２の筐体８Ａの側部には、第２の筐体８Ａの内部と連通する第２の冷媒流入口１５Ａおよび第２の冷媒流出口１６Ａが設けられている。また、第２の筐体８Ａの上部には、第１の筐体７Ａに設けられている第１の冷媒流入口１１Ａおよび第１の冷媒流出口１２Ａを通すための穴１７Ａが設けられている。そして、穴１７Ａの縁には第２の筐体８Ａ内の冷媒の漏洩を防ぐ第３の気密シール１８Ａが設けられている。
【００１４】
半導体パッケージ１Ａが製品に組み付けられ、冷媒配管が第１の冷媒流入口１１Ａ、第１の冷媒流出口１２Ａ、第２の冷媒流入口１５Ａおよび第２の冷媒流出口１６Ａに接続されると、第１の筐体７Ａ内は第１冷媒１９Ａで満たされ、第２の筐体８Ａ内は第２冷媒２０Ａで満たされる。第１冷媒１９Ａは、作動中の半導体素子５Ａの発熱で沸騰する冷媒であり、半導体素子５Ａの発熱量や上限温度等の諸条件に応じて適宜選定される冷媒である。第２冷媒２０Ａは、第１冷媒１９Ａよりも沸点の高い冷媒であり、正常に作動中の半導体素子５Ａの発熱では沸騰しない冷媒である。例えば、半導体素子５Ａの許容最高温度が８５℃である場合、第２冷媒２０Ａには沸点が８５℃以上の冷媒を用いることが好ましい。
【００１５】
冷媒が除熱できる熱量は、顕熱変化による除熱よりも潜熱変化による除熱の方が大きい。そこで、各半導体素子５Ａを効率的に冷却するために、半導体素子５Ａの発熱で沸騰する低沸点の冷媒を半導体素子５Ａの冷却に用いて相変化による冷却を行うことが考えられる。しかし、積層体６Ａの各半導体素子５Ａの隙間のような狭い空間で気泡が発生すると、層間に発生する気泡が冷媒の流れを妨げて却って冷却効果を低下させる。また、積層体６Ａの各半導体素子５Ａの隙間のような狭い空間では、気泡が半導体素子５Ａの表面から離れにくいので、半導体素子５Ａの表面に留まった気泡が半導体素子５Ａの表面を膜状に覆う可能性もある。
【００１６】
しかし、第１実施形態の半導体パッケージ１Ａは、積層体６Ａの上面で沸騰する第１冷媒１９Ａが液相から気相へ相変化することにより、半導体素子５Ａの発熱を大量に除熱できる。そして、積層体６Ａの各半導体素子５Ａ間については気泡が冷媒の流れを妨げて冷却効果の低下を生ずることもなく、第２冷媒２０Ａの顕熱変化による適正な除熱を行うことができる。
【００１７】
図２は、第２実施形態の半導体パッケージの構造図である。第２実施形態の半導体パッケージ１Ｂは、冷媒の流路を形成する筐体の形状が第１実施形態の半導体パッケージ１Ａと相違している。すなわち、第２実施形態の半導体パッケージ１Ｂは、第１実施形態の半導体パッケージ１Ａと同様に、下面に多数のリードピン２Ｂを縦横に配列したパッケージ基板３Ｂと、パッケージ基板３Ｂの上面の中央部にはんだボール４Ｂを介して積層された３枚の半導体素子５Ｂによって形成される積層体６Ｂとを備える。そして、半導体パッケージ１Ｂは、積層体６Ｂの積層面を覆う第３の筐体２１Ｂと、積層体６Ｂおよび第３の筐体２１Ｂを格納する第４の筐体２２Ｂとを更に備える。
【００１８】
第３の筐体２１Ｂは、下側が全面的に開放され且つ上側が半導体素子５Ｂの形状に沿って開放された矩形状の箱である。第３の筐体２１Ｂは、下側の開放部分を形成する矩形状の下縁に沿って設けられた第３の気密シール１８Ｂを介してパッケージ基板３Ｂの上面に密着することにより、積層体６Ｂの側面に冷媒を流通させるための第２流路１４Ｂを第３の筐体２１Ｂ内に形成する。なお、第３の筐体２１Ｂの側部には、第３の筐体２１Ｂの内部と連通する第３の冷媒流入口２３Ｂおよび第３の冷媒流出口２４Ｂが設けられている。
【００１９】
第４の筐体２２Ｂは、下側が開放された矩形状の箱である。第４の筐体２２Ｂは、下側の開放部分を形成する矩形状の下縁に沿って設けられた第４の気密シール２５Ｂを介してパッケージ基板３Ｂの上面に密着することにより、積層体６Ｂの上面に冷媒を流通させるための第１流路１０Ｂを第４の筐体２２Ｂ内に形成する。なお、第４の筐体２２Ｂの上部には、第４の筐体２２Ｂの内部と連通する第４の冷媒流入口２６Ｂおよび第４の冷媒流出口２７Ｂが設けられている。また、第４の筐体２２Ｂの側部には、第３の筐体２１Ｂに設けられている第３の冷媒流入口２３Ｂおよび第３の冷媒流出口２４Ｂを通すための穴１７Ｂが設けられている。
【００２０】
半導体パッケージ１Ｂが製品に組み付けられ、冷媒配管が第３の冷媒流入口２３Ｂ、第３の冷媒流出口２４Ｂ、第４の冷媒流入口２６Ｂおよび第４の冷媒流出口２７Ｂが接続されると、第３の筐体２１Ｂ内は第２冷媒２０Ｂで満たされ、第４の筐体２２Ｂ内は第１冷媒１９Ｂで満たされる。第１冷媒１９Ｂは、作動中の半導体素子５Ｂの発熱で沸騰する冷媒であり、半導体素子５Ｂの発熱量や上限温度等の諸条件に応じて適宜選定される冷媒である。第２冷媒２０Ｂは、第１冷媒１９Ｂよりも沸点の高い冷媒であり、正常に作動中の半導体素子５Ｂの発熱では沸騰しない冷媒である。
【００２１】
第２実施形態の半導体パッケージ１Ｂも第１実施形態の半導体パッケージ１Ａと同様、積層体６Ｂの上面で沸騰する第１冷媒１９Ｂが液相から気相へ相変化することにより、半導体素子５Ｂの発熱を大量に除熱できる。そして、積層体６Ｂの各半導体素子５Ｂ間については気泡が冷媒の流れを妨げて冷却効果の低下を生ずることもなく、第２冷媒２０Ｂの顕熱変化による適正な除熱を行うことができる。
【００２２】
図３は、第１比較例の半導体パッケージの構造図である。例えば、第１比較例の半導体パッケージ１０１Ａのように、積層体１０６Ａの上面で沸騰する冷媒１１９Ａが流通する筐体１０７Ａを設けると、積層体１０６Ａの上面は冷媒１１９Ａの液相から気相への相変化により大量に除熱される。しかし、第１比較例の半導体パッケージ１０１Ａでは、積層体１０６Ａの内部が冷却されないので過熱する虞がある。
【００２３】
図４は、第２比較例の半導体パッケージの構造図である。例えば、第２比較例の半導体パッケージ１０１Ｂのように、積層体１０６Ｂが浸かる冷媒１２０Ｂが流通する筐体１０８Ｂを設けると、積層体１０６Ｂは全体的に冷却される。しかし、液相から気相への相変化による大量の除熱を行おうとすると、積層体１０６Ｂの内部に発生する気泡が冷媒１２
０Ｂの流れを妨げ、積層体１０６Ｂの内部が過熱する虞がある。
【００２４】
一方、上記の第１実施形態および第２実施形態は、何れも、冷媒が液相から気相へ相変化することによる大量の除熱と、積層体内部の冷却とを両立させた効果的な冷却を図ることができる。
【００２５】
なお、上記の第１実施形態および第２実施形態は、本願で開示する基板の一例として半導体パッケージが例示されていた。しかし、本願で開示する基板は、半導体パッケージに限定されるものではない。本願で開示する基板は、例えば、インターポーザやその他各種の電子部品であってもよい。
【００２６】
また、上記の第１実施形態および第２実施形態では、３枚の半導体素子を積層したパッケージ基板が例示されていたが、半導体素子の枚数は３枚に限定されるものではない。本願で開示する基板は、２枚の半導体素子を積層した積層体を備える基板であってもよいし、４枚以上の半導体素子を積層した積層体を備える基板であってもよい。
【００２７】
また、上記の第１実施形態および第２実施形態では、冷媒の流れについて言及されていなかったが、各冷媒は、ポンプ等の駆動装置類によって強制的に循環されてもよいし、温度差による対流で自然に循環してもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１Ａ，１Ｂ，１０１Ａ，１０１Ｂ・・・半導体パッケージ
２Ａ，２Ｂ・・・リードピン
３Ａ，３Ｂ・・・パッケージ基板
４Ａ，４Ｂ・・・はんだボール
５Ａ，５Ｂ・・・半導体素子
６Ａ，６Ｂ，１０６Ａ，１０６Ｂ・・・積層体
７Ａ・・・第１の筐体
８Ａ・・・第２の筐体
９Ａ・・・第１の気密シール
１０Ａ，１０Ｂ・・・第１流路
１１Ａ・・・第１の冷媒流入口
１２Ａ・・・第１の冷媒流出口
１３Ａ・・・第２の気密シール
１４Ａ，１４Ｂ・・・第２流路
１５Ａ・・・第２の冷媒流入口
１６Ａ・・・第２の冷媒流出口
１７Ａ，１７Ｂ・・・穴
１８Ａ，１８Ｂ・・・第３の気密シール
１９Ａ，１９Ｂ・・・第１冷媒
２０Ａ，２０Ｂ・・・第２冷媒
２１Ｂ・・・第３の筐体
２２Ｂ・・・第４の筐体
２３Ｂ・・・第３の冷媒流入口
２４Ｂ・・・第３の冷媒流出口
２５Ｂ・・・第４の気密シール
２６Ｂ・・・第４の冷媒流入口
２７Ｂ・・・第４の冷媒流出口
１１９Ａ，１２０Ｂ・・・冷媒
１０７Ａ，１０８Ｂ・・・筐体
【図１】
0006540230.tif 000002
【図２】
0006540230.tif 000003
【図３】
0006540230.tif 000004
【図４】
0006540230.tif 000005