(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソケットを介して基板に取り付けられた半導体素子と、この半導体素子と交熱的に設けられブラインを流す熱良導性冷却部材と、この冷却部材と前記半導体素子との間に塗布されたグリスとを備え、前記半導体素子を冷却する冷却装置において、
前記冷却部材は、二枚の熱良導性金属板を重ね合わせ、所定形状の非接着箇所以外の部分で接着した後、前記二枚の熱良導性金属板の前記非接着箇所に重ね合わせ面側から圧力を加えて前記熱良導性金属板の一部を膨出させることにより、前記両金属板間にブライン流路を形成した熱交換器から構成され、
前記冷却部材の縁部を屈曲させた部分に、回路基板への取付部を形成したことを特徴とする半導体素子の冷却装置。
【請求項２】
一方の前記金属板の強度を他方の前記金属板よりも強くすることにより、当該他方の金属板のみを膨出させ、前記一方の金属板には平坦面を構成したことを特徴とする請求項１の半導体素子の冷却装置。
【請求項３】
前記一方の金属板の厚さを前記他方の金属板よりも厚くしたことを特徴とする請求項２の半導体素子の冷却装置。
【請求項４】
前記ブライン流路にブラインを循環させるためのポンプと、前記ブラインを放熱させるための放熱器と、該放熱器に通風するための送風機とを備えることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３の半導体素子の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＰＵやＬＳＩなどで代表される半導体素子と交熱的に冷却部材を設け、この冷却部材にブラインを流して当該半導体素子を冷却する冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多数の半導体等を備えた素子や内部配線を特殊な方法で一つの固体として結合した超小型電子回路を備えたＣＰＵやＬＳＩなどの半導体素子が多用されるようになってきている。この超小型電子回路を備えた半導体素子は作動する過程で大量の熱を発生する。この半導体素子の温度が上昇すると、それ自体の動作が不安定となる不具合が発生してしまい、更に温度が上昇すると半導体が破壊してしまう。そのため、放熱板を半導体素子に取り付けて放熱板と空気とを熱交換させ、半導体素子の熱を空気中に放出して半導体素子を冷却し、高温による動作不安定や破壊が発生することを防止していた。
【０００３】
一方、通信回線を用いたデータ通信ネットワークや、建物内や敷地内などの限定された範囲内で私設の回線を用いた高速データ転送を行なうコンピュータネットワーク（ＬＡＮ）においては、上記の如き半導体素子が多数設けられたサーバが使用される。即ち、このようなサーバでは多数の半導体素子の動作によって著しい温度上昇が生じるため、従来では図７に示すようなブラインを循環させる冷却装置が使用されていた。この冷却装置１１０は、図示しない送風機が設けられた放熱器と、半導体素子を冷却する冷却部材１１６とから構成され、各半導体素子にそれぞれ密着して前記冷却部材１１６を設けている。冷却部材１１６はアルミニウムなどの熱良導性の金属から構成されており、冷却部材１１６には蛇行状のパイプ１１３を取り付け、或いは、冷却部材１１６内に挟み込み、このパイプ１１３の一端から他端にブラインを流通させることによって各冷却部材１１６を冷却する。これにより、温度上昇した半導体素子とブラインとの熱交換を行ない半導体素子の冷却を行なっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の冷却部材は通常アルミニウムの押出成形にて構成されており、これにパイプを取り付け、或いは、挟み込む構造であったため、どうしても生産コストが高騰してしまう問題があった。
【０００５】
本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、ブラインの流路パターンを容易に構成でき、且つ、冷却部材の生産コストを著しく低減することができる半導体素子の冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の半導体素子の冷却装置は、ソケットを介して基板に取り付けられた半導体素子と、この半導体素子と交熱的に設けられブラインを流す熱良導性冷却部材と、この冷却部材と前記半導体素子との間に塗布されたグリスとを備え、前記半導体素子を冷却するものであって、前記冷却部材は、二枚の熱良導性金属板を重ね合わせ、所定形状の非接着箇所以外の部分で接着した後、前記二枚の熱良導性金属板の前記非接着箇所に重ね合わせ面側から圧力を加えて前記熱良導性金属板の一部を膨出させることにより、前記両金属板間にブライン流路を形成した熱交換器から構成され、前記冷却部材の縁部を屈曲させた部分に、回路基板への取付部を形成したものである。
【０００７】
また、請求項２の発明の半導体素子の冷却装置は、上記に加えて、一方の前記金属板の強度を他方の前記金属板よりも強くすることにより、当該他方の金属板のみを膨出させ、前記一方の金属板には平坦面を構成したものである。
【０００８】
また、請求項３の発明の半導体素子の冷却装置は、請求項２に加えて、前記一方の金属板の厚さを前記他方の金属板よりも厚くしたものである。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
更にまた、請求項４の発明の半導体素子の冷却装置は、請求項１、請求項２、又は請求項３に加えて、前記ブライン流路にブラインを循環させるためのポンプと、前記ブラインを放熱させるための放熱器と、該放熱器に通風するための送風機とを備えるものである。
【００１２】
本発明によれば、半導体素子と交熱的に設けられた熱良導性冷却部材にブラインを流し、前記半導体素子を冷却する冷却装置において、前記冷却部材は、二枚の熱良導性金属板を重ね合わせ、所定形状の非接着箇所以外の部分で接着した後、前記二枚の熱良導性金属板の前記非接着箇所に重ね合わせ面側から圧力を加えて前記熱良導性金属板の一部を膨出させることにより、前記両金属板間にブライン流路を形成した熱交換器から構成されているので、ブラインの流路パターンを容易にかたち作ることが可能となり、冷却部材の生産コストを著しく低減することができるようになるものである。更に、前記冷却部材の縁部を屈曲させた部分に、回路基板への取付部を形成したので、冷却部材自体の強度を向上させることができるのに加えて、格別な固定具を用いずに冷却部材を回路基板に取り付けることができるようになるものである。
【００１３】
請求項２の発明によれば、上記に加えて一方の前記金属板の強度を他方の前記金属板よりも強くすることにより、当該他方の金属板を膨出させ、前記一方の金属板には平坦面を構成したので、この平坦面に半導体素子を交熱的に設けることにより、高い熱伝導性を確保することができるようになるものである。
【００１４】
請求項３の発明によれば、上記に加えて前記一方の金属板の厚さを前記他方の金属板よりも厚くするようにしたので、両金属板の材料としてアルミニウムなどの同一の金属材料を用いて前記平坦面とブライン流路の形成を達成することができるようになり、更なる生産コストの削減を図ることができるようになるものである。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて前記ブライン流路にブラインを循環させるためのポンプと、前記ブラインを放熱させるための放熱器と、該放熱器に通風するための送風機とを備えるので、各冷却部材から吸熱したブラインを放熱器にて空冷し、連続的且つ効果的な半導体素子の冷却を実現することができるようになるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用したサーバ１の斜視図である。図１において、実施例のサーバ１は、ネットワークに接続されたコンピュータの中で各種のサービスを提供する中心となるものであり、サーバ１にはＬＳＩやＣＰＵなどの半導体素子６が複数設けられた基板５が取り付けられたキャビネット４が複数設けられている。
尚、２は複数のキャビネット４・・を着脱可能に保持するフレーム、３はサーバを移動するためのキャスターである。また、サーバ１には図示しないカバーが設けられる。
【００１９】
キャビネット４は上面を開放した筺体にて構成され、キャビネット４の前面には通風用のグリル４Ａが形成されている（図２）。また、キャビネット４内には図３に示す如き熱伝導率の高い（熱良導性）アルミニウム薄板等から成る複数枚の放熱フィン１２・・に蛇行状の配管１３を貫通させて構成された放熱器１１と送風機１４（クロスフローファン）が設けられている。更に、キャビネット４内にはロールボンド式の膨出部３０を有し、半導体素子６に交熱的に設けられた冷却部材１６が設けられ、これと前記放熱器１１及び後述するポンプ１５などによって冷却装置１０が構成される。
【００２０】
キャビネット４内には前記半導体素子６や他の回路部品が取り付けられた基板５が設けられる。前記送風機１４は放熱器１１とこの基板５との間に設けられ、送風機１４が運転されると、キャビネット４の前面に形成されたグリル４Ａから外気が吸入される。吸入された外気は放熱器１１の放熱フィン１２や膨出部３０と熱交換してそれを空冷した後、キャビネット４の後側に形成された図示しない通風口から排出される。尚、基板５の後方にはデータの入出力を行なう端子であるＩ／Ｏポート８が設けられている。また、９は各回路部品を動作させるための電源回路（ＰＯＷＥＲ）である。
【００２１】
基板５には半導体素子６が取り付けられており、この半導体素子６はソケット７を介して基板５に電気的に取り付けられている（図４）。そして、半導体素子６に冷却部材１６が交熱的に取り付けられると共に、冷却部材１６と半導体素子６との間には、熱伝導率の高いグリス２４が塗布されている。該グリス２４は、半導体素子６と冷却部材１６とを隙間なく密着し、半導体素子６と冷却部材１６との間にできる空気層が半導体素子６と冷却部材１６との間の熱伝達性を低下させるのを抑制している。尚、グリス２４に限らず、熱伝導性の良い柔軟性を有したシート材でもよい。
【００２２】
冷却部材１６は、例えば、熱伝導率の高い熱良導性金属板（アルミニウム板）二枚を接着剤で接着して重ね合わせることにより構成されている。冷却部材１６は半導体素子６側に位置し所定の圧力にて容易に変形し難い厚板状のベース部材１７と、ベース部材１７に密着して接着され、ベース部材１７より所定寸法薄くて所定の圧力にて変形し易い板状の薄板部材１８とから構成されている。この場合、ベース部材１７の強度を薄板部材１８よりも強くしている。そして、ベース部材１７より薄板部材１８の所定箇所を膨出して前述した膨出部３０が形成される。
【００２３】
即ち、冷却部材１６は半導体素子６の上面に密着する厚いベース部材１７と、ベース部材１７より薄い薄板部材１８とから構成され、ベース部材１７と薄板部材１８間に接着剤（図示せず）を塗布し強固に接着する。このとき、ブライン流路を構成する部分（流路パターン）には接着剤を塗布せず、非接着部としておく。そして、接着剤を塗布した箇所が強固に接着された後、冷却部材１６の一方の端部を塞ぎ、他方の端部（重ね合わせ面側）から非接着部に高圧をかけて（所定の圧力の圧搾空気を注入し、圧力を加える）、厚みが薄く変形し易い薄板部材１８のみを膨らませる（図５）。この場合、ベース部材１７の強度を薄板部材１８よりも高くすることにより、薄板部材１８の非接着部を膨出（膨出部３０）させている。そして、ベース部材１７に平坦面１７Ａを構成し、この平坦面１７Ａを半導体素子６と密着させて交熱性能を向上させると共に、膨出部３０を蛇行して形成し膨出部３０内をブライン流路としている。
【００２４】
即ち、冷却部材１６を構成する厚いベース部材１７とそれより薄い薄板部材１８とを接着剤にて接着する場合、ブライン流路を形成する部分のみ接着剤を塗布せずに他の部分を接着剤で強固に接着する。そして、接着剤を塗布しない非接着部に圧搾空気を注入して薄板部材１８をベース部材１７より膨出させて薄板部材１８とベース部材１７間に空間（ブライン流路）を形成する、所謂ロールボンド式の熱交換器（冷却部材１６）を構成している。このロールボンド式の冷却部材１６は、接着剤を塗布しない非接着部だけ膨出させる
ことができるので、ブライン流路のパターンを自由に描ける利点がある。
【００２５】
また、薄板部材１８は厚いベース部材１７の両端で基板５側（ベース部材１７側）に断面コ字状に屈曲させ、屈曲させた薄板部材１８が基板５に達したところで更に半導体素子６の離間側に屈曲させ基板５と平行に所定距離延在させこの部分を取付部１８Ａとしている。即ち、冷却部材１６の両側を屈曲させ、基板５と接触する箇所にそれぞれ取付部１８Ａを形成している。また、冷却部材１６の両縁部（両取付部１８Ａ、１８Ａ間）を基板５側に所定距離屈曲させて補強片１８Ｂを形成している（図４では示さない）。このように構成された冷却部材１６のベース部材１７が半導体素子６にグリス２４を介して密着して取り付けられ、図示しないネジで取付部１８Ａが基板５に固定される（図４）。
【００２６】
そして、冷却部材１６に形成した膨出部３０の端部はそれぞれコネクタ１３Ａにて配管１３に連結される。配管１３は、ブラインを貯留するレシーバータンク２６及びブラインを循環させるためのポンプ１５を介して放熱器１１の配管１３に接続される。そして、配管１３は蛇行して放熱フィン１２・・の一側から他側に至り、そこから配管１３は蛇行した配管１３の下側を蛇行して戻り、放熱器１１からでて配管１３はコネクタ１３Ａを介して冷却部材１６の他方の膨出部３０の端部に接続されて環状のブライン回路が形成される。そして、この環状のブライン回路内にブラインが封入される。
【００２７】
尚、ブラインとしては、半導体素子６の発熱で沸騰しない液状の熱媒体が用いられ、実施例では不凍液が充填されている。尚、ブラインとしては通常の水などでもよい。
【００２８】
以上の構成でポンプ１５が運転されると、ポンプ１５から吐出されたブラインはレシーバータンク２６を経て冷却部材１６の膨出部３０内を流れ、そこで、ベース部材１７を介して半導体素子６と熱交換する。係る熱交換によって温度上昇したブラインは放熱器１１に至り、そこで送風機１４による外気の通風（図３中白抜き矢印）によって空冷され、放熱する。このように冷却されたブラインは、ポンプ１５によって再度冷却部材１６・・に循環される。これによって、半導体素子６・・を＋３０℃乃至＋６０℃に維持する。
【００２９】
このように、半導体素子６の上面に密着するベース部材１７と、ベース部材１７より薄い薄板部材１８を重ね合わせ、所定形状の非接着箇所以外の部分を接着した後、非接着箇所に圧力を加えて薄板部材１８を膨出させることにより、ベース部材１７と薄い薄板部材１８間にブライン流路を形成する所謂ロールボンド式の熱交換器（冷却部材１６）を構成しているので、冷却部材１６の生産コストを著しく低減することができるようになる。
【００３０】
また、ベース部材１７には平坦面１７Ａを構成し、この平坦面１７Ａを半導体素子６に交熱的に取り付けている。即ち、ベース部材１７に構成した平坦面１７Ａを半導体素子６と密着させているので、半導体素子６とベース部材１７との熱伝導率が向上し、高い熱伝導性を確保することができるようになる。また、冷却部材１６の縁部を屈曲させて補強片１８Ｂ、１８Ｂを形成しているので、冷却部材１６自体の強度を大幅に向上させることができる。これにより、ベース部材１７の変形を防止でき、平坦面１７Ａの変形によるベース部材１７と半導体素子６間の熱伝導不良を未然に防止することができるようになる。
【００３１】
また、ベース部材１７の縁部を屈曲さて回路基板５への取付部１８Ａを形成しているので、冷却部材１６自体の強度の向上に加えて、格別な固定具を別に用意しなくても回路基板５に冷却部材１６を取り付けることが可能となる。
【００３２】
尚、実施例では基板５に１個の半導体素子６を取り付け、その半導体素子６を冷却部材１６で冷却するようにしたが、これに限らず、基板５に複数の半導体素子６が取り付けられている場合は、その半導体素子６にそれぞれ冷却部材１６を取り付け冷却するようにし
ても本発明は有効である。また、複数の半導体素子を一つの冷却部材１６で冷却するようにしても差し支えない。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、ソケットを介して基板に取り付けられた半導体素子と、この半導体素子と交熱的に設けられブラインを流す熱良導性冷却部材と、この冷却部材と前記半導体素子との間に塗布されたグリスとを備え、前記半導体素子を冷却する冷却装置において、前記冷却部材は、二枚の熱良導性金属板を重ね合わせ、所定形状の非接着箇所以外の部分で接着した後、前記二枚の熱良導性金属板の前記非接着箇所に重ね合わせ面側から圧力を加えて前記熱良導性金属板の一部を膨出させることにより、前記両金属板間にブライン流路を形成した熱交換器から構成されているので、ブラインの流路パターンを容易にかたち作ることが可能となり、冷却部材の生産コストを著しく低減することができるようになる。更に、前記冷却部材の縁部を屈曲させた部分に、回路基板への取付部を形成したので、冷却部材自体の強度を向上させることができるのに加えて、格別な固定具を用いずに冷却部材を回路基板に取り
付けることができるようになるものである。
【００３４】
請求項２の発明によれば、上記に加えて一方の前記金属板の強度を他方の前記金属板よりも強くすることにより、当該他方の金属板を膨出させ、前記一方の金属板には平坦面を構成したので、この平坦面に半導体素子を交熱的に設けることにより、高い熱伝導性を確保することができるようになるものである。
【００３５】
請求項３の発明によれば、上記に加えて前記一方の金属板の厚さを前記他方の金属板よりも厚くするようにしたので、両金属板の材料としてアルミニウムなどの同一の金属材料を用いて前記平坦面とブライン流路の形成を達成することができるようになり、更なる生産コストの削減を図ることができるようになるものである。
【００３６】
【００３７】
【００３８】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて前記ブライン流路にブラインを循環させるためのポンプと、前記ブラインを放熱させるための放熱器と、該放熱器に通風するための送風機とを備えるので、各冷却部材から吸熱したブラインを放熱器にて空冷し、連続的且つ効果的な半導体素子の冷却を実現することができるようになるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体素子の冷却装置を適用したサーバの斜視図である。
【図２】  本発明の半導体素子の冷却装置を適用した基板を収納したキャビネットの斜視
図である。
【図３】  本発明の冷却装置が設けられたキャビネットの平面図である。
【図４】  本発明の冷却装置を取り付けた半導体素子の側面図である。
【図５】  本発明の冷却装置の平面図である。
【図６】  基板に取り付けた本発明の冷却装置の側面図である。
【図７】  従来の半導体素子の冷却装置の平面図である。
【符号の説明】
１  サーバ
４  キャビネット
５  基板
６  半導体素子
７  ソケット
１０  冷却装置
１１  放熱器
１２  放熱フィン
１３  配管
１３Ａ  コネクタ
１４  送風機
１５  ポンプ
１６  冷却部材
１７  ベース部材
１７Ａ  平坦面
１８  薄板部材
１８Ａ  取付部
１８Ｂ  補強片
３０  膨出部
【図１】
0003831621.tif 000002
【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】
0003831621.tif 000007
【図７】
0003831621.tif 000008