(57)【要約】【課題】発熱量が動的に変化する素子を一定の温度で冷却できる半導体の冷却装置を実現する。【解決手段】半導体素子からの発生熱を外部冷却装置へ伝える半導体の冷却装置において、冷媒が封入された沸騰室と、この沸騰室に設けられた被冷却体と、外部冷却装置近くに設けられ冷媒が外部冷却装置により冷却される冷却部と、前記沸騰室の下部側に一端が接続され他端が前記冷却部の下部側に接続された第１の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ被冷却体の発熱によって生じた冷媒蒸気を逃がすことにより前記沸騰室の圧力を所定圧力に保つ圧力弁と、前記圧力弁の出口に一端が接続され他端が前記冷却部の上部側に接続された第２の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ前記冷媒の液位を測定する液位計と、前記第１の循環パイプに設けられ前記液位計の信号に基づき動作する第１のポンプとを具備し冷媒の沸騰による気化熱により被冷却体を冷却したことを特徴とする半導体の冷却装置。である。【選択図】図１
2009130003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子からの発生熱を外部冷却装置へ伝える半導体の冷却装置において、
冷媒が封入された沸騰室と、
この沸騰室に設けられた被冷却体と、
外部冷却装置近くに設けられ冷媒が外部冷却装置により冷却される冷却部と、
前記沸騰室の下部側に一端が接続され他端が前記冷却部の下部側に接続された第１の循環パイプと、
前記沸騰室に設けられ被冷却体の発熱によって生じた冷媒蒸気を逃がすことにより前記沸騰室の圧力を所定圧力に保つ圧力弁と、
前記圧力弁の出口に一端が接続され他端が前記冷却部の上部側に接続された第２の循環パイプと、
前記沸騰室に設けられ前記冷媒の液位を測定する液位計と、
前記第１の循環パイプに設けられ前記液位計の信号に基づき動作する第１のポンプと
を具備し冷媒の沸騰による気化熱により被冷却体を冷却したことを特徴とする半導体の冷却装置。
【請求項２】
前記被冷却体は、沸騰室に接する半導体素子であること
を特徴とする請求項１記載の半導体の冷却装置。
【請求項３】
前記被冷却体は、前記沸騰室で冷媒に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板あるいは複数の基板が実装された装置であること
を特徴とする請求項１記載の半導体の冷却装置。
【請求項４】
前記冷媒はフロン系の冷媒が使用されたこと
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の半導体の冷却装置。
【請求項５】
前記第２の循環パイプに設けられ前記冷媒蒸気を加圧して冷却部に送る第２のポンプ
を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の半導体の冷却装置。
【請求項６】
前記沸騰室と前記第１のポンプとの間の前記第１の循環パイプに設けられ前記沸騰室に還流される冷媒が前記沸騰室に注入される前に前記沸騰室内の冷媒の温度と同じにされる熱交換装置
を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の半導体の冷却装置。
【請求項７】
前記沸騰室内の前記冷媒を循環させる循環手段を
を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の半導体の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体の冷却装置に関するものである。
特に、半導体試験装置などに使用されて好適な半導体の冷却装置に関するもので、動作時に発熱する半導体素子のうち、温度変化が特性に大きな影響を与えるようなものの冷却に用いる。
特に動作中に発熱量が動的に変化し、しかし、半導体素子温度は一定にする必要の有る半導体素子の冷却に適する半導体の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体の冷却装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−０９４７０６号公報
【特許文献２】特開２００１−３４９６８１号公報
【特許文献３】特開２００３−３１８３４２号公報
【０００４】
図３は従来より一般に使用されている従来例の要部斜視構成説明図、図４（ａ）は図３の平面図、（ｂ）は図３の正面図である（以下「水冷方式」と称する。）。
図において、１は、アルミなどで作られた放熱器である。
２は、放熱器１に設けられたパイプである。
放熱器１には半導体素子Ａが取り付けられている。
Ｂは半導体素子Ａが取り付けられたプリント基板である。
【０００５】
以上の構成において、放熱器１の中に水３を流し冷却する。
放熱器１には半導体素子Ａが取り付けられている。
流入された水４は半導体素子Ａの熱を奪い温まって流出する。
温まった水４は外部の冷却装置により冷却されて放熱器１へ循環する。
【０００６】
図５は従来より一般に使用されている他の従来例の要部構成説明図である（以下「ヒートパイプ方式。」と称する。）。
密閉された管１１の中に冷媒１２が封入されている。
管１１の片端を半導体素子Ａに接触させ、もう片端を外部の冷却装置１３により冷却する。
【０００７】
以上の構成において、半導体素子Ａ側端では、冷媒１２が蒸発し気化熱を奪う。
蒸発した冷媒１２は冷却側端に移動し冷却され凝縮熱を放出する。
凝縮した冷媒１２は、毛細管現象などにより熱源側端に戻る。
以上のような機構で熱源側端から冷却側端に熱が移動する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような装置においては、以下の間題点がある。
水冷方式。
水流の上流と下流で温度差が存在するため、放熱器１に複数の半導体素子Ａが取り付けられている場合、半導体素子Ａ間で温度差が生じやすい。
この温度差を軽減するため、図３のように放熱器１の内部で水を往復させることが行われている。
【０００９】
しかし、温度差を小さくするには、半導体素子Ａの発熱量によって水温がほとんど上がらないくらい大量の水を流さなければならず、設計上の制約になる。
逆に少ない流量では上流と下流の温度差が生じ、この温度差は半導体素子Ａの消費電力の動的変化によっても変化するため、消費電力が動的に変化する複数の半導体素子Ａを一定温度で冷却することは難しい。
【００１０】
ヒートパイプ方式。
一般に、封入される冷媒１２は少量であり蒸発による冷却能力に限りがあるため、半導体素子Ａ側端の温度は半導体素子Ａの発熱量によって変動する。
仮に冷媒１２を増やした場合は、大量に生じる冷媒蒸気により管１１の内圧が上昇し冷媒１２の沸点温度が変化してしまう。
このため、いずれにしても、半導体素子Ａを一定温度で冷却することは難しい。
【００１１】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、発熱量が動的に変化する素子を一定の温度で冷却できる半導体の冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の半導体の冷却装置においては、
半導体素子からの発生熱を外部冷却装置へ伝える半導体の冷却装置において、冷媒が封入された沸騰室と、この沸騰室に設けられた被冷却体と、外部冷却装置近くに設けられ冷媒が外部冷却装置により冷却される冷却部と、前記沸騰室の下部側に一端が接続され他端が前記冷却部の下部側に接続された第１の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ被冷却体の発熱によって生じた冷媒蒸気を逃がすことにより前記沸騰室の圧力を所定圧力に保つ圧力弁と、前記圧力弁の出口に一端が接続され他端が前記冷却部の上部側に接続された第２の循環パイプと、前記沸騰室に設けられ前記冷媒の液位を測定する液位計と、前記第１の循環パイプに設けられ前記液位計の信号に基づき動作する第１のポンプと、を具備し冷媒の沸騰による気化熱により被冷却体を冷却したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項２の半導体の冷却装置においては、請求項１記載の半導体の冷却装置において、
前記被冷却体は、沸騰室に取付けられた半導体素子であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項３の半導体の冷却装置においては、請求項１記載の半導体の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記沸騰室で冷媒に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板あるいは複数の基板が実装された装置であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項４の半導体の冷却装置においては、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記冷媒はフロン系の冷媒であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項５の半導体の冷却装置においては、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記第２の循環パイプに設けられ前記冷媒蒸気を加圧して冷却部に送る第２のポンプと
を具備したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項６の半導体の冷却装置においては、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記沸騰室と前記第１のポンプとの間の前記第１の循環パイプに設けられ前記沸騰室に還流される冷媒が前記沸騰室に注入される前に前記沸騰室内の冷媒の温度と同じにされる熱交換装置を具備したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項７の半導体の冷却装置においては、請求項１乃至請求項６の何れかに記載の半導体の冷却装置において、
前記沸騰室内の前記冷媒を循環させる循環手段を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
複数の半導体素子の消費電力が非同期で動的に変動するような装置において、各半導体素子を一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
【００２０】
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
被冷却体は、沸騰室に接する半導体素子であるので、沸騰室に接すれば良く、半導体素子の着脱が容易な半導体の冷却装置が得られる。
【００２１】
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
被冷却体は、沸騰室で冷媒に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板あるいは複数の基板が実装された装置であるので、１つの沸騰室に複数の半導体素子が配置され、それらの複数の半導体素子を同一温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
また、複数の素子が実装された基板全体を沸騰室の中で冷媒に直接浸してしまえば、基板全体を一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
【００２２】
本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
冷媒はフロン系の冷媒が使用されたので、フロン系は腐食性が少なく、被冷却体を傷める恐れが少ない半導体の冷却装置が得られる。
【００２３】
本発明の請求項５によれば、次のような効果がある。
第２の循環パイプに設けられ冷媒蒸気を加圧して冷却部に送る第２のポンプが設けられたので、冷媒蒸気を加圧することにより、冷媒蒸気の温度が上昇するため、冷媒蒸気と外部冷却装置との温度差が大きくなり、更に、冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。
【００２４】
本発明の請求項６によれば、次のような効果がある。
沸騰室と第１のポンプとの間の第１の循環パイプに設けられ沸騰室に還流される冷媒が沸騰室に注入される前に沸騰室内の冷媒の温度と同じにされる熱交換装置が設けられたので、冷却精度が向上された半導体の冷却装置が得られる。
【００２５】
本発明の請求項７によれば、次のような効果がある。
沸騰室内の冷媒を循環させる循環手段が設けられたので、被冷却体が基板などの場合、その形状によっては部分的に冷媒が不足する箇所が生じる場合にも、強制的に冷媒を送り込むことが出来るため、更に冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２は図１の動作説明図である。
図において、図３と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図３との相違部分のみ説明する。
【００２７】
図１において、沸騰室２１には、冷媒２２が封入されている。
冷媒２２は、例えば、ＣＦＣ１１  沸点２３．７℃、フロン１２３  沸点２７．５℃、フロン１１３  沸点４７．６℃等が使用されている。
被冷却体Ａは、この沸騰室２１に接している。
この場合は、被冷却体Ａは、沸騰室２１の外側に半導体素子Ａが接している。
【００２８】
冷却部２３は、外部冷却装置２４近くに設けられ、冷媒２２の蒸気が外部冷却装置２４により冷却される。
第１の循環パイプ２５は、沸騰室２１の下部側に一端が接続され、他端が冷却部２３の下部側に接続されている。
圧力弁２７は、沸騰室２１に設けられ、沸騰室２１の圧力を所定圧力に保つ。
第２の循環パイプ２６は、圧力弁２７の出口に一端が接続され、他端が冷却部２３の上部側に接続されている。
液位計２８は、沸騰室２１に設けられ、冷媒２２の液位を測定する。
【００２９】
第１のポンプ２９は、第１の循環パイプ２５に設けられ、液位計２８の信号に基づき動作する。
第２のポンプ３１は、第２の循環パイプ２６に設けられ、冷媒２２の蒸気を加圧する。
【００３０】
熱交換装置３２は、沸騰室２１と第１のポンプ２９との間の第１の循環パイプ２５に設けられ、沸騰室２１に還流される冷媒２２が、沸騰室２１に注入される前に、沸騰室２１内の冷媒２２の温度と同じにする。
【００３１】
以上の構成において、図２に示す如く、半導体素子Ａが動作して温度が上がっていくと、やがて冷媒２２は沸騰しはじめ、半導体素子Ａの温度は沸点温度に維持される。
半導体素子Ａの消費電力が増大しても、ある程度の範囲では、半導体素子Ａの温度が沸点温度に維持される。
即ち、半導体素子Ａの温度が消費電力に依存しない範囲が現れる。
【００３２】
更に消費電力が増えて、冷却が追いつかなくなると、半導体素子Ａの温度が再上昇し始める。
この、半導体素子Ａの温度が消費電力に依存しない範囲で半導体素子Ａを使えば、消費電力が変化しても、常に一定の温度で半導体素子Ａが冷却可能になる。
【００３３】
冷媒２２の沸点温度は気圧に左右される。
閉鎖空間での沸騰では、内圧が上昇し沸点温度の上昇が起こる可能性があるので、沸騰室２１に圧力弁２７を設け、沸騰室２１の内圧を一定に維持する。
こうすることで沸騰温度を一定に保つことが可能になる。
また、圧力弁２７の開く圧力を調整することで、沸騰室２１の内圧が調整可能になり、冷媒２２の沸点が調整可能になるため、半導体素子Ａの動作温度の設定に自由度が増す。
【００３４】
この結果、複数の半導体素子Ａの消費電力が非同期で動的に変動するような装置において、各半導体素子Ａを一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
【００３５】
フロン１２３を例に１ｋＷを冷却する場合を試算する。
フロン１２３は、気化熱１７１ｋＪ/ｋｇ、比重１．４６ｇ/ｃｍ３なので、気化熱で１ｋＷを奪うには、フロンの供給量はわずか４ｃｍ３/ｓｅｃで済む。
蒸発したフロンは８５６ｃｍ３/ｓｅｃの流量(１気圧の場合)で排出される。
【００３６】
よって流入と流出で合計８６０ｃｍ３/ｓｅｃの流量を流せる配管が必要となるが、排出管内の圧力を高めれば排気体積を減らすことは可能であり、例えば、排気管内圧力を２気圧にすれば４３２ｃｍ３/ｓｅｃで済む。
この加圧の用途にも第２のポンプ３１は使用可能である。
【００３７】
これに対して、１ｋＷを水で冷却し温度差を１℃以下にする場合を試算する。
１ｋＷでは、２４０ｃｍ３/ｓｅｃの水量で１℃温度が上昇するので、最低２４０ｃｃの水量が必要である。
よって流入と流出で合計４８０ｃｍ３/ｓｅｃの流量を流せる配管が必要となる。
【００３８】
既に、圧力弁２７は小型のものが市場にあることを考慮すると、以上のように、図３従来例の水冷装置に比べて同程度の大きさで装置を構成することは十分可能であり、特に、複数の素子Ａの消費電力が非同期で動的に変動するような装置において、各半導体素子Ａを一定温度で冷却できる大きな利点を有する半導体の冷却装置が得られる。
【００３９】
被冷却体Ａは、沸騰室２１に接した半導体素子であるので、沸騰室２１に接すれば良く、半導体素子の着脱が容易な半導体の冷却装置が得られる。
【００４０】
冷媒２２はフロン系の冷媒２２が使用されたので、フロン系は腐食性が少なく、被冷却体を傷める恐れが少ない半導体の冷却装置が得られる。
【００４１】
第２の循環パイプ２６に設けられ冷媒蒸気を加圧して冷却部２３に送る第２のポンプ３１が設けられたので、冷媒蒸気を加圧することにより、冷媒蒸気の温度が上昇するため、冷媒蒸気と外部冷却装置２４との温度差が大きくなり、更に、冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。
【００４２】
沸騰室２１と第１のポンプ２９との間の第１の循環パイプ２５に設けられ、沸騰室２１に還流される冷媒２２が沸騰室２１に注入される前に、沸騰室２１内の冷媒２２の温度と同じにされる熱交換装置３２が設けられたので、冷却精度が向上された半導体の冷却装置が得られる。
【００４３】
なお、被冷却体Ａは、沸騰室２１で冷媒２２に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板、あるいは複数の基板が実装された装置でも良い。
【００４４】
この結果、被冷却体Ａは、沸騰室２１で冷媒２２に浸し冷却される複数の半導体素子が実装された基板、あるいは複数の基板が実装された装置であるので、１つの沸騰室２１に複数の半導体素子が配置され、それらの複数の半導体素子を同一温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
また、複数の素子が実装された基板全体を沸騰室２１の中で冷媒２２に直接浸してしまえば、基板全体を一定温度で冷却できる半導体の冷却装置が得られる。
【００４５】
また、沸騰室２１内の冷媒２２を循環させる循環手段が設けられても良い。
この結果、被冷却体が基板などの場合、その形状によっては部分的に冷媒が不足する箇所が生じる場合にも、強制的に冷媒を送り込むことが出来るため、更に冷却効率が向上された半導体の冷却装置が得られる。
【００４６】
なお、図１の第２のポンプ３１は、２次冷却系の効率を上げるためのものなので、第２のポンプ３１は、理論的には無くても良い。
また、図１の熱交換器３２は、冷却精度を上げるためのものなので、熱交換器３２は、理論的には無くても良い。
【００４７】
また、沸騰室２１内の冷媒を循環させる循環手段は、冷却効率を上げるためなので、沸騰室２１内の冷媒を循環させる循環手段は、理論的には無くても良い。
【００４８】
また、液位計２８と第１のポンプ２９は連動して動作し、沸騰室２１内の冷媒２２が一定の範囲内にあるように液量を調節する。しかしこの調節はそれほど厳密である必要は無い。
外部冷却装置２４は、冷媒蒸気を凝縮点温度以下に冷却できればよいので、それほど厳密な温度管理は必要ない。
【００４９】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】従来より一般に使用されている従来例の要部斜視構成説明図である。
【図４】（ａ）は図３の正面図、（ｂ）は図３の平面図である
【図５】従来より一般に使用されている他の従来例の構成説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１      放熱器
２      パイプ
３      水
１１    管
１２    冷媒
１３    冷却装置
２１    沸騰室
２２    冷媒
２３    冷却部
２４    外部冷却装置
２５    第１の循環パイプ
２６    第２の循環パイプ
２７    圧力弁
２８    液位計
２９    第１のポンプ
３１    第２のポンプ
３２    熱交換装置
Ａ      半導体素子
Ｂ      プリント基板
【図１】
2009130003.tif 000003
【図２】
2009130003.tif 000004
【図３】
2009130003.tif 000005
【図４】
2009130003.tif 000006
【図５】
2009130003.tif 000007