(57)【要約】【課題】動作上限温度が規定された発熱素子を冷却するのに、材料固有の熱伝導率によって律速される放熱性の制約を受けずに小型で低コストの冷却が可能な冷却素子と、それを用いた発熱素子デバイスを提供する。【解決手段】発熱素子５を具備する発熱素子デバイスにおいて、発熱素子５を、高熱伝導性材料からなる中空容器２の内部に発熱素子５の作動上限温度以下の融点を有する金属または合金３を封入した冷却素子１の一面に取り付け、必要に応じ、冷却素子１に、放熱フィン７などの放熱体を取り付ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱伝導性の中空容器の内部に、該中空容器の融点または分解温度よりも低い温度で液体となる金属または合金を封入したことを特徴とする冷却素子。
【請求項２】
前記容器内に封入される金属が、Ｎａであることを特徴とする請求項１記載の冷却素子。
【請求項３】
発熱素子を具備する発熱素子デバイスにおいて、前記発熱素子を、高熱伝導性の中空容器の内部に、該発熱素子の作動上限温度以下の融点を有する金属または合金を封入した冷却素子の一面に取り付けたことを特徴とする発熱素子デバイス。
【請求項４】
前記冷却素子に、放熱体を取り付けてなることを特徴とする請求項３記載の発熱素子デバイス。
【請求項５】
前記発熱素子が、半導体素子であることを特徴とする請求項３または請求項４記載の発熱素子デバイス。
【請求項６】
前記容器内に封入される金属が、Ｎａであることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか記載の発熱素子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロプロセッサやパワートランジスタといった半導体素子や、電子デバイス、レーザーダイオードなどの光デバイス、磁気デバイス、その他の発熱を伴う素子の冷却に用いられる冷却素子と、それを具備する発熱素子を搭載したデバイスに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、マイクロプロセッサやパワートランジスタなどの発熱素子を搭載した種々の発熱素子デバイスにおいては、図６に示すように、回路基板２１の表面に実装された発熱素子２２から発生する熱を冷却するために、放熱フィンや水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体２３が設けられている。これは、発熱素子２２が所定温度以上の高温になると動作異常を発生し、さらには半導体微細回路の破壊に至るのを防止するためであり、安定して長時間の動作を実現するためには効率の良い放熱機構が不可欠である。
【０００３】
特に近年、半導体素子の動作周波数は、飛躍的に高まり、高密度配線の進展と合わせて、同一面積での発熱量はますます上昇する傾向にあるために、効率的な冷却装置が求められている。
【０００４】
また、特開平６−０５３６６４号では、常温において液体状の金属または合金と常温において液体状の有機材料とを混合し、電子部品を実装した回路基板と冷却装置の間に挿入する事で冷却性能性を高めている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−０５３６６４号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に示すような、放熱フィンなどの放熱体２３は、発熱素子２２で発生した熱をその放熱体２３を伝導して空気など、外部の低温媒体に放出する構造であるため、放熱能力は放熱体２３に使用する材料の熱伝導率に律速され、飛躍的に放熱能力を高めるには限界があった。
【０００７】
また、水冷チャンバやヒートパイプなどの放熱体は、放熱フィンに比べて冷却性能は高いが構造が複雑になり、小型化、低コスト化において限界があった。
【０００８】
さらに、ペルチェ素子といった熱電半導体は放熱性能に優れるが、エネルギー利用効率が低く、低消費電力が必要とされるパーソナルコンピュータや携帯用電子機器に使用するには問題があった。
【０００９】
しかも、従来の冷却構造では、その温度の熱伝達性能によって冷却効果が定まることから、発熱量が急激に大きくなっても熱伝達量は変化しないために、発熱素子の温度は大きく変動し、素子の温度の安定化が難しいものであった。例えば、通電と停止を繰り返した場合の発熱素子の温度は、図７に示すように、山形のカーブを描くことから、山形の頂点の温度が発熱素子の作動温度の限界温度を超えないように、通電制御、冷却システムの制御が必要であった。
【００１０】
また、特開平６−０５３６６４号では、回路基板と冷却装置の間の熱抵抗を低減することはできるが、放熱経路全体の熱抵抗を回路基板と冷却却置に使用される材料の持つ熱伝導率で決まる値以下にする事はできない。
【００１１】
このように、材料の熱伝導率は材料固有のものであり、構造を工夫することで冷却性能を最大にすることができても、それ以上に高める事は原理的に不可能である。したがって、更なる冷却性能の向上のためには、熱伝導以外の冷却現象を導入する必要がある。
【００１２】
したがって、本発明は、動作上限温度が規定された発熱素子を冷却するのに、材料固有の熱伝導率によって律速される放熱性の制約を受けずに小型で低コストの冷却が可能な冷却素子と、それを用いた発熱素子デバイスを提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の冷却素子は、高熱伝導性の中空容器の内部に、該中空容器の融点または分解温度よりも低い温度で液体となる金属または合金を封入したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の発熱素子デバイスによれば、発熱素子を、高熱伝導性の中空容器の内部に該発熱素子の作動上限温度以下の融点を有する金属または合金を封入した冷却素子の一面に取り付けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記冷却素子には、さらに放熱フィン、水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を取り付けることによって、さらに発熱素子の冷却効果を高めることができる。
【００１６】
なお、前記発熱素子としては、マイクロプロセッサ、パワートランジスタなどの半導体素子である場合に好適である。
【００１７】
また、上記の冷却素子における前記容器内に封入される金属としては、Ｎａであることが望ましい。
【００１８】
本発明による冷却素子の加熱温度素子の温度変化を図３に示した。この冷却素子は、その一面に取り付けられた発熱素子が発熱し、素子温度が上昇するに従い、冷却素子における中空容器およびその中空容器内に封入された金属の温度も徐々に上昇する。そして、中空容器の温度が封入金属の融点に達すると、封入金属は徐々に溶融する。
【００１９】
その際、封入金属は、自己融解のために吸熱することによって、素子に取り付けられた発熱素子の温度は一定に保たれる。前記金属の融解が完了する間、冷却素子の温度が一定に保たれ、その温度が一定に保たれる時間は、発熱素子の発熱量と冷却素子における封入される金属量によって律速される。
【００２０】
冷却素子中の封入金属がすべて溶融すると、冷却素子の温度は、徐々に上昇し始めるが、封入金属がすべて溶融することがないように、放熱フィン、水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を取り付け、冷却素子を部分的に冷却し、常に未溶融の金属を残存させることによって、発熱素子の発熱が連続しても冷却素子自体の温度は、発熱素子からの熱を吸収しながらも、冷却素子自体の温度は、その溶融金属の融点付近に一定に保たれることになる。
【００２１】
その結果、発熱素子の発熱量によらず、発熱素子が取り付けられた冷却素子自体の温度は一定に保たれているために、発熱素子自体の温度も安定に保つことができる。
【００２２】
なお、溶融し液体状態の封入金属は、発熱素子の発熱量が低減し周囲への放熱が発熱量を勝ると凝固を開始する。その際に凝固熱を放出するが、発熱素子は発熱量を低減する様に制御されるために、動作異常は発生しない。必要に応じて放熱フィンや水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱手段を取り付けることによって、発熱素子の制御時間を短縮する事ができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の冷却素子の一例を示す概略断面図である。
【００２４】
図１の冷却素子１によれば、高熱伝導性材料からなる中空容器２（以下、伝熱容器という。）を備え、その伝熱容器２の内部に、該伝熱容器の融点または分解温度よりも低い温度で液体となる金属または合金３が封入されている。
【００２５】
この伝熱容器２を構成する高熱伝導性材料は、金属および／またはセラミックスからなり、伝熱容器２の外側の熱が容器２内部の封入金属３に効率的に伝達でき、さらには内部に封入された封入金属３が溶融した状態でも高い耐蝕性を有することが望ましい。
【００２６】
具体的には、コバルト・ニッケル鋼、ステンレスなどの鉄系合金、チタン、タングステン、モリブデンなどの高融点金属、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素のうちの少なくとも１種を主成分とするセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。特にセラミックスは高融点で、溶融金属に対する耐腐食性に優れるため、長期信頼性の点で有利である。
【００２７】
これらの中でも、熱伝達性能を考慮すれば、熱伝導率が５０ｍ・Ｋ以上、特に７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
【００２８】
また、この伝熱容器２内に封入される封入金属３としては、融点が、伝熱容器２の融点または分解温度よりも低い金属が選択される。封入金属３の材質としては、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）や、それらの合金、またはＳｎ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｓｂなどの半田の群から選ばれる少なくとも１種が好適に用いられる。
【００２９】
また、選択される封入金属３の融点は、この冷却素子１によって冷却されるべき発熱素子５の耐熱温度に応じて適宜設定される。例えば、発熱素子５がマイクロプロセッサやパワートランジスタなどの珪素を素材とした半導体素子の場合には、動作上限温度が１１０〜１２０℃程度とされるため、約１００℃に融点を持つナトリウム（Ｎａ）が好適である。
【００３０】
また、電子部品の接続に広く使用される共晶半田（Ｓｎ６１．９％−Ｐｂ３８．１％）の融点は１８３℃であり、このような共晶半田は、動作上限温度や耐熱温度が２００℃程度の発熱素子に好適に使用される。つまり、発熱素子５の耐熱温度や動作上限温度よりも１０〜３０℃低い融点の金属が好適に用いられる。
【００３１】
この冷却素子１は、封入金属３を容器２内に充填するための充填口４が設けられており、封入金属３を溶融させた後、これを容器２内に充填する。その後、この充填口４は封止される。なお、封入金属３は溶融によって体積膨張する場合もあるために、容器２の容量よりもやや少なめに充填して真空封止することが望ましい。
【００３２】
次に、上記の冷却素子１を用いた本発明における発熱素子デバイスの一例を図２に示した。図２の発熱素子デバイスによれば、発熱素子５が、配線基板やパッケージ基板などの回路基板６の表面に搭載されており、その発熱素子５の上面に、図１の冷却素子１が取り付けられている。
【００３３】
そして、この冷却素子１の容器２内には、発熱素子５の作動上限温度以下の融点を有する金属３が封入されている。もちろん、金属３の融点は、容器２の融点または分解温度よりも低いものである。特にこの封入金属３は、発熱素子５の作動上限温度よりも１０〜３０℃低い融点を有することが望ましい。これによって、発熱素子５の温度が作動上限温度を超えるのを冷却素子１によって効果的に防止することができる。
【００３４】
かかる発熱素子デバイスにおける発熱素子の作動と、その温度変化を図３に示す。この図３に示される通り、発熱素子５から発生した熱は、融点Ｔ２の封入金属３の融解熱となるために、発熱素子５の温度は、封入金属３がすべて融解するまでは一定の温度に保つことができる。封入金属３が融解した後には、発熱素子５の温度が上昇するが、その間に、発熱素子５の発熱量を低減するように電圧制御するか、または他の冷却手段によって発熱素子５が作動上限温度Ｔ１を超えないように制御する。
【００３５】
また、本発明によれば、発熱素子デバイスにおける冷却素子１の他に、冷却素子１を冷却するための補助的な冷却手段を設け、高温域で融解した金属を冷却によって部分的に凝固させるとともに、発熱素子からの熱による融解とを熱的に平衡状態とすることで、冷却素子１に対して常に吸熱性を付与することができるために、発熱素子５の温度を一定に保持できる時間を長くすることができる。
【００３６】
冷却素子１を冷却するための補助的な冷却手段としては、図２に示されるような放熱フィン７を冷却素子１に取り付けることができるが、その他、水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を単独、または２種以上を組み合わせて使用することもできる。例えば、パワートランジスタなどの高発熱密度で、発熱休止時間を広く取ることが困難な場合は、更に水冷チャンバなど更に高効率の冷却装置を組み合わせることで、高負荷の利用にも使用できる。
【００３７】
また、補助的な冷却手段を付加する以外に、冷却素子１自体に補助的に冷却機能を付加することができる。図４は、その例であって、冷却素子１の容器２の発熱素子５が取り付けられる側とが異なる面をフィン形状に成形することができる。
【００３８】
【実施例】
本発明の有効性を検証する為に、ニッケル・クロム鋼からなる一辺が２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの正方形の中空容器内に、封入金属として１０ｇのナトリウム（融点
１００℃）粉末を真空チャンバ内で封入し、充填口を溶接封止した。
【００３９】
上記の冷却素子を発熱量１００Ｗのパワートランジスタに半田接合した。パワートランジスタは厚さ２ｍｍの銅製基板に半田接合され、ワイアボンディングによって回路接続した。
【００４０】
上記の方法で構成された試験体のパワートランジスタに通電した結果、図５の線Ａに示すように、５秒後に、素子温度は１１０℃に達し、その後、８秒間は温度が１００℃〜１１０℃の間を推移し、その後、再度温度は上昇した。
【００４１】
比較のために、封入金属用の内部空間の無いニッケル・クロム鋼を用いて上記と同様に試料を作製し、同様の試験を行ったところ、図５の線Ｂに示すように、通電開始５秒後に素子温度が１１０℃に達した後も温度は上昇を続けた。
【００４２】
そこで、ナトリウムを注入した前記冷却素子のパワートランジスタと接続された面と反対側にはアルミニウム製の放熱フィンを高熱伝導性の樹脂で接着した。そして、この試料を毎分５メートルの常温の空気流動中でおいたところ、パワートランジスタの通電１０秒、停止２０秒の運転パターンで終始パワートランジスタの温度は図３に示すような温度変化によって、１１０℃を超えなかった。
【００４３】
【発明の効果】
以上の様に、本発明によれば、高熱伝導性材料からなる中空容器の内部に、発熱素子の作動上限温度以下の融点を有する金属または合金を封入した冷却素子を形成し、更に必要に応じて、前記冷却素子には更に放熱フィンや水冷チャンバ、ヒートパイプ、ペルチェ素子などの放熱体を取り付けることによって、前記封入金属の融解熱によって発熱素子から発生する熱が吸収され、素子温度の上昇を抑制し、さらに発熱素子の動作休止時間を利用して封入金属の再凝固にともなう発生熱を外部に放熱し、発熱素子の冷却を効率よく行う事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の冷却素子を具備する発熱素子デバイスの一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の冷却素子による発熱素子の温度変化を示す図である。
【図４】本発明の冷却素子の他の例を説明するための概略断面図である。
【図５】実施例におけり本発明の冷却素子による発熱素子の冷却機能を説明するための図である。
【図６】従来の発熱素子デバイスの概略断面図である。
【図７】従来の発熱素子デバイスにおける発熱素子の温度変化を示す図である。
【符号の説明】
１・・・冷却素子
２・・・中空容器
３・・・封入金属
５・・・発熱素子
６・・・回路基板
７・・・放熱フィン
【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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【図６】
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【図７】
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