JP2008108781A - Cooling system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却システムに関し、特に半導体チップを冷却する冷却システムに関する。 The present invention relates to a cooling system, and more particularly to a cooling system for cooling a semiconductor chip.
近年、エレクトロニクス機器は、中央演算処理装置(CPU)及びマイクロプロセッサ(MPU)等の高出力、高集積の半導体チップを内蔵している。CPU及びMPU等の半導体チップは、集積度が極めて高くなり、高速で演算、制御等の処理を行うので、多量の熱を放出する。多量の熱により発熱した半導体チップは、熱電冷却素子(TEC)、ヒートパイプ(HP)、ベーパチャンバ(VC)、ループヒートパイプ(LHP)等を用いた冷却システムによって冷却されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, electronic devices have built-in high-output, highly-integrated semiconductor chips such as a central processing unit (CPU) and a microprocessor (MPU). Semiconductor chips such as CPUs and MPUs have a very high degree of integration and perform processing such as calculation and control at high speed, so that a large amount of heat is released. A semiconductor chip that generates heat due to a large amount of heat is cooled by a cooling system using a thermoelectric cooling element (TEC), a heat pipe (HP), a vapor chamber (VC), a loop heat pipe (LHP), etc. Reference 1).
しかしながら、半導体チップは、局部的に発熱していることが一般的であり、従来の冷却システムのように半導体チップの一面全体を冷却しても、局部的な発熱から十分な除熱を行うことができない。そのため、低い入力熱量にも関わらず、半導体チップの温度が上昇してしまうことがある。
本発明は、半導体チップの局部発熱部を冷却することが可能な冷却システムを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the cooling system which can cool the local heat-emitting part of a semiconductor chip.
本願発明の一態様によれば、半導体チップ上に配置されて半導体チップで発熱した熱を吸熱する熱伝導板、熱伝導板で吸熱した熱を放熱する熱放出手段、及び熱伝導板と熱放出手段を接続して熱を輸送する熱輸送デバイスを有する熱処理部と、熱伝導板の半導体チップと接する面側で、半導体チップの局部発熱部と対応する箇所に埋め込んで設置されたペルチェ効果を有する熱電冷却素子とを備える冷却システムであることを要旨とする。 According to one aspect of the present invention, a heat conduction plate that is disposed on a semiconductor chip and absorbs heat generated by the semiconductor chip, a heat release unit that dissipates heat absorbed by the heat conduction plate, and a heat conduction plate and heat release A heat treatment part having a heat transport device that connects means and transports heat, and a Peltier effect that is embedded in a portion corresponding to the local heating part of the semiconductor chip on the surface side of the heat conducting plate that contacts the semiconductor chip. The gist of the present invention is a cooling system including a thermoelectric cooling element.
本発明によれば、半導体チップの局部発熱部を冷却することが可能な冷却システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cooling system which can cool the local heat generating part of a semiconductor chip can be provided.
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in light of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
本発明の実施の形態に係る冷却システムは、図1(a),(b)に示すように、半導体チップ40上に配置されて半導体チップ40で発熱した熱を吸熱する熱伝導板10、熱伝導板10で吸熱した熱を放熱する熱放出手段12、及び熱伝導板10と熱放出手段12を接続して熱を輸送する熱輸送デバイス14を有する熱処理部1と、熱伝導板10の半導体チップ40と接する面側で、半導体チップ40の局部発熱部と対応する箇所に埋め込んで設置されたペルチェ効果を有する熱電冷却素子20とを備える。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the cooling system according to the embodiment of the present invention includes a heat
熱伝導板10には、熱電冷却素子20を埋め込んで配置するための凹部がエッチング技術やドリル等により形成されている。熱伝導板10の凹部は、CPU及びMPU等の半導体チップ40上に配置したときに、半導体チップ40の局部発熱部の直上となる場所に形成される。熱伝導板10には、銅(Cu)、アルミニウム(Al)等の熱伝導率が高い金属材料を用いることができる。熱伝導板10の厚さは、3〜5mmにすることが好ましい。
A recess for embedding and arranging the
熱放出手段12は、熱を拡散しやすいように表面積が広くなるような形状に整形したフィン等である。熱放出手段12は、自然冷却だけでは冷却能力(熱の拡散能力)が足りない場合、ファンを取り付けて強制的に空気の移動量を増やすことで同じ大きさでも冷却能力を拡大させることができる。 The heat release means 12 is a fin or the like shaped so as to have a large surface area so that heat can be easily diffused. If the cooling capacity (heat diffusing capacity) is insufficient by natural cooling alone, the heat releasing means 12 can expand the cooling capacity even if it is the same size by installing a fan and forcibly increasing the amount of air movement. .
熱輸送デバイス14は、熱伝導板10で吸熱した熱を熱放出手段12へと輸送する装置である。熱輸送デバイス14は、例えば、中に冷媒を入れ、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用して排熱を行うヒートパイプ、ベーパチャンバ、及びループヒートパイプ等である。
The
「ヒートパイプ」とは、図1(a),(b)に示すように、液体である作動流体の蒸発と凝縮の潜熱を利用した閉ループの電熱素子で、小さな温度差で大量の熱輸送を可能とする。ヒートパイプは、円管から作られ、取り付けられる段階で要求される形状に曲げたり、平板化したりすることができる。 As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), a "heat pipe" is a closed-loop electrothermal element that uses the latent heat of evaporation and condensation of a working fluid, which is a liquid. Make it possible. The heat pipe is made of a circular pipe and can be bent or flattened into a required shape when it is attached.
「ベーパチャンバ」とは、図3に示すように、平面型のヒートパイプである。ベーパチャンバの内部は、基本的にはヒートパイプと同じく、蒸気流路と作動流体の環流を促すウィック構造からなっている。熱輸送デバイス14ベーパチャンバであるベーパチャンバは、半導体チップ40で発熱し、熱伝導板10で吸熱した熱を受け取ることで、作動流体が潜熱を奪って蒸発する。そして、その作動流体の蒸気が温度の低い熱放出手段12に向かって流れることで、半導体チップ40で発熱した熱が拡散し、結果的に、半導体チップ40が冷却されることになる。
The “vapor chamber” is a planar heat pipe as shown in FIG. The inside of the vapor chamber basically has a wick structure that promotes the circulation of the steam flow path and the working fluid, like the heat pipe. The vapor chamber, which is the
「ループヒートパイプ」は、図4に示すように、半導体チップ40から入熱のある熱伝導板10上に配置された蒸発部14aと作動流体が放熱して凝縮する熱放出手段12である凝縮部12aとを分離して構成し、且つこれらの液相の作動流体が蒸発部14aに向けて環流する熱輸送デバイス(液流管)14bと作動流体蒸気の流動する熱輸送デバイス(蒸気流管)14cとによって環状(ループ状)に連結した構造である。ループヒートパイプは、蒸発部14aに伝達された半導体チップ40で発熱した熱によって、作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気は熱輸送デバイス(蒸気流管)14cを介して蒸発部14aから送り出される。一方、液相の作動流体は、熱輸送デバイス(液流管)14bから多孔質セラミックすなわちウィックに供給され、そのウィックが蒸発部14aの内周面に接触しているので、ウィックの外周面で毛細管圧力が生じ、その結果、液相の作動流体はウィックの外周面すなわち蒸発部14aの内周面に供給される。そして、液相の作動流体が加熱蒸発して熱輸送デバイス(蒸気流管)14cを経て凝縮部12aに流動するので、作動流体の潜熱として熱を輸送することができる。したがって、半導体チップ40で発熱した熱が輸送されることで、結果的に、半導体チップ40が冷却されることになる。図4に示したようなループヒートパイプの構造であれば、液相作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、飛散限界などによる熱輸送能力の制約がない。
As shown in FIG. 4, the “loop heat pipe” is a heat release means 12 that radiates and condenses the working fluid from the
熱電冷却素子20は、異なる材料でつくられた2つの導体からなり、2つの導体に直流電流(DC)を流した際に素子の両表面が冷却または加熱するヒートポンプとして動作するベルチェ素子である。熱電冷却素子20の基本的構成は、図5に示すように、2枚のセラミック等の絶縁伝熱板の間に、P型・N型の半導体素子が交互に配置されており、電気的には直列に、熱的には並列に接続される。図5に示すように、リード線22から直流電流を流した際には、矢印方向に電流が流れ、上面が吸熱(冷却)面、下面が発熱(加熱)面になる。
The
熱電冷却素子20の動作について詳細に説明する。熱電冷却素子20は、図6に示すように、直流電流電源につなぐと、電流はN型半導体の下側から上部の電極を通ってP型半導体の下側へ流れる。そのとき、エネルギーは電子と共に電流とは逆の方向に移動する。N型半導体では、電子が上部の電極からN型半導体に移動するためのエネルギーと、N型半導体の内部を下部の電極まで移動するためのエネルギーを上部の電極側から得るため、その結果上部の電極側でエネルギーが不足し、温度を下げる。これに対して下部の電極側では電子が奪ったエネルギーを放出して温度が上昇する。一方、P型半導体では、正孔が同様の働きをする。その結果、冷却面で吸収する総熱量が総供給電力に相当する熱量と合算され、放熱側に放出される。熱の吸収(冷却効果)は、電流及び設置する半導体素子の数に比例する。
The operation of the
熱電冷却素子20は、熱伝導板10に形成された凹部に埋め込むように設置される。熱電冷却素子20は、熱伝導板10と導通しないようにセラミック等からなる絶縁層を介して設置される。熱電冷却素子20に電力を供給するリード線22は、図2に示したように、熱伝導板10に穴を形成して、熱伝導板10を通して配線される。リード線22は、熱電冷却素子20に供給する電圧を制御する電圧制御回路(図示せず)に接続される。
The
熱電冷却素子20は、熱伝導板10の面と実質的に面一になるように埋め込んで設置されることが好ましい。ここでいう「面一」とは、熱伝導板10の面と熱電冷却素子20の面で段差がない状態で同一の平面に納まることをいう。熱電冷却素子20が熱伝導板10に埋め込んで設置する場合には、熱伝導性接着剤で固定する。また、熱電冷却素子20と被冷却物である半導体チップ40の界面は、空気が残っていると熱伝導が悪くなってしまうので、空気が入らないように熱伝導性が良いサーマルグリス等を用いることが好ましい。
The
熱電冷却素子20の設置位置は、半導体チップ40の局部発熱部と対応する箇所である。半導体チップ40の局部発熱部は、サーモグラフで表面温度分布図を作成し、分析することによって特定することができる。サーモグラフでの分析結果により、半導体チップ40の局部発熱部が複数である場合は、熱電冷却素子20を複数配置させることも可能である。
The installation position of the
本発明の実施の形態に係る冷却システムによれば、半導体チップ40の局部発熱部と対応する箇所に熱電冷却素子20を配置することで、半導体チップ40の局部発熱部を冷却することが可能となり冷却性能の向上を図ることができる。つまり、半導体チップ40の局部で発熱した熱を熱電冷却素子20を用いて熱伝導板10に拡散させることで、半導体チップ40の表面での温度の勾配をなだらかにすることができるようになるので冷却性能が向上する。
According to the cooling system according to the embodiment of the present invention, it is possible to cool the local heat generating portion of the
また、実施の形態に係る冷却システムによれば、熱伝導板10で吸熱した熱を熱輸送デバイス14で輸送し、熱放出手段12で熱を放熱するので、半導体チップ40で発熱した熱は熱輸送され、半導体チップ40は結果的に冷却される。
Further, according to the cooling system according to the embodiment, the heat absorbed by the
更に、実施の形態に係る冷却システムによれば、熱電冷却素子20を熱伝導板10の面と実質的に面一になるように埋め込んで設置した場合は、段差がなくなり、熱電冷却素子20及び熱伝導板10が半導体チップ40と接触する面積が増えるので効率的に冷却をすることができるようになる。
Furthermore, according to the cooling system according to the embodiment, when the
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the embodiment. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques should be apparent to those skilled in the art.
例えば、実施の形態において、熱電冷却素子20の熱伝導板10への接合方法として熱伝導性接着剤を用いると記載したが、はんだで接合することも可能である。熱電冷却素子20と熱伝導板10をはんだで接合することで、高い熱伝導性の接合することができるようになる。
For example, in the embodiment, it has been described that a heat conductive adhesive is used as a method of bonding the
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。 Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters in the scope of claims reasonable from this disclosure.
1…熱処理部
10…熱伝導板
12…熱放出手段
12a…凝縮部
14…熱輸送デバイス
14a…蒸発部
20…熱電冷却素子
22…リード線
40…半導体チップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (8)
前記熱伝導板の前記半導体チップと接する面側で、前記半導体チップの局部発熱部と対応する箇所に埋め込んで設置されたペルチェ効果を有する熱電冷却素子
とを備えることを特徴とする冷却システム。 A heat conductive plate disposed on the semiconductor chip for absorbing heat generated by the semiconductor chip; heat release means for radiating heat absorbed by the heat conductive plate; and connecting the heat conductive plate and the heat release means. A heat treatment section having a heat transport device for transporting heat;
A cooling system comprising: a thermoelectric cooling element having a Peltier effect, embedded in a portion corresponding to a local heat generating portion of the semiconductor chip, on a surface side of the heat conducting plate in contact with the semiconductor chip.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101132772B1 (en) | 2010-02-05 | 2012-04-06 | 한국표준과학연구원 | Thermostatic bath module |
TWI413752B (en) * | 2011-07-19 | 2013-11-01 | Univ Nat Taiwan Science Tech | Waste heat power generation module |
CN110487098A (en) * | 2019-09-10 | 2019-11-22 | 李居强 | Energy storage device and energy-storage system |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04179180A (en) * | 1990-11-08 | 1992-06-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Short-wave laser ray source |
JPH11121816A (en) * | 1997-10-21 | 1999-04-30 | Morikkusu Kk | Thermoelectric module unit |
JP2001015635A (en) * | 1999-06-29 | 2001-01-19 | Kyocera Corp | Package for storing optical semiconductor elements |
JP2003179296A (en) * | 2001-12-10 | 2003-06-27 | Okano Electric Wire Co Ltd | Semiconductor laser module |
JP2005242455A (en) * | 2004-02-24 | 2005-09-08 | Seiko Epson Corp | Content search apparatus, index creation method and program in the same |
JP2006059998A (en) * | 2004-08-19 | 2006-03-02 | Fujitsu Ltd | Heat transfer sheet, heat conduction structure, and method for manufacturing heat conduction structure |
-
2006
- 2006-10-23 JP JP2006287629A patent/JP2008108781A/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04179180A (en) * | 1990-11-08 | 1992-06-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Short-wave laser ray source |
JPH11121816A (en) * | 1997-10-21 | 1999-04-30 | Morikkusu Kk | Thermoelectric module unit |
JP2001015635A (en) * | 1999-06-29 | 2001-01-19 | Kyocera Corp | Package for storing optical semiconductor elements |
JP2003179296A (en) * | 2001-12-10 | 2003-06-27 | Okano Electric Wire Co Ltd | Semiconductor laser module |
JP2005242455A (en) * | 2004-02-24 | 2005-09-08 | Seiko Epson Corp | Content search apparatus, index creation method and program in the same |
JP2006059998A (en) * | 2004-08-19 | 2006-03-02 | Fujitsu Ltd | Heat transfer sheet, heat conduction structure, and method for manufacturing heat conduction structure |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101132772B1 (en) | 2010-02-05 | 2012-04-06 | 한국표준과학연구원 | Thermostatic bath module |
TWI413752B (en) * | 2011-07-19 | 2013-11-01 | Univ Nat Taiwan Science Tech | Waste heat power generation module |
CN110487098A (en) * | 2019-09-10 | 2019-11-22 | 李居强 | Energy storage device and energy-storage system |
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