JP6123555B2 - Two-phase flow cooling device and evaporator for two-phase flow cooling device - Google Patents
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Description
本発明は、サーバ等の半導体集積回路装置を搭載した電子機器を冷却するための二相流冷却装置及び二相流冷却装置用蒸発器に関する。 The present invention relates to a two-phase flow cooling device and an evaporator for a two-phase flow cooling device for cooling an electronic device equipped with a semiconductor integrated circuit device such as a server.
サーバなどの電子機器の稼働により、電子機器内部に実装されている半導体集積回路装置が稼働すると、半導体集積回路装置から熱が発生するため、冷却装置を用いて半導体集積回路装置周辺を冷却し、半導体集積回路装置内部に熱が籠るのを防いでいる。 When the semiconductor integrated circuit device mounted inside the electronic device is operated due to the operation of the electronic device such as a server, heat is generated from the semiconductor integrated circuit device. Therefore, the periphery of the semiconductor integrated circuit device is cooled using a cooling device, This prevents heat from being generated inside the semiconductor integrated circuit device.
図11は、従来の電子機器の冷却構造の一例の概略的構成図であり、蒸発器系50と、冷却配管系60、被冷却電子機器70からなる。蒸発器系50は、内部で作動液を気化させ気化熱により冷却する蒸発用筐体51と、管取り付け部52,53と、リッド(LID:熱伝導性蓋状部材)54とを備え、リッド54はTIM(Thermal Interface Material)55を介して蒸発器筐体51と熱的に接触している。
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an example of a cooling structure for a conventional electronic device, which includes an
冷却配管系60は、蒸気管61と液管62を備え、蒸気管61と液管62の一端は管取り付け部52,53に取り付けられ、他端は管取り付け部63,64を介してラジエータ65に接続される。ラジエータ65の近傍にはファン66が配置されてラジエータ65を空気冷却する。また、液管62の途中には、管取り付け部67,68を介してポンプ69が取り付けられている。
The
被冷却電子機器70は、システムボード71と、その上に設けられた半導体集積回路装置73を搭載した回路基板72からなり、半導体集積回路装置73の周囲を囲むようにスティフナー74を設けてTIM75によりリッド54に熱的に接触させる。
The
半導体集積回路装置73から発生する熱を、リッド54を介して蒸発用筐体51に伝え、蒸発用筐体51の内部で作動液76が沸騰してその気化熱により半導体集積回路装置73からの発熱を取り去る。蒸発用筐体51の内部で沸騰した作動液76の蒸気は、蒸気管61からラジエータ65に送られ、ファンにより空冷されて凝縮して作動液76に戻る。この作動液76はポンプ69により液管62から蒸発用筐体51の内部に戻るというシーケンスを持つ。
Heat generated from the semiconductor integrated
このような二相流冷却装置の一例として、作動液からの蒸気を排出する管路上に蒸気の熱を排出するフィンを設けることで、MPUの周辺を冷却する装置が提案されている(特許文献1参照)。また、別の一例として、蒸発部内部のチャンバー内とヒートシンクにフィンを設けて、気液二相流の冷媒を液体の冷媒に変化させる冷却装置が提案されている(特許文献2参照)。いずれも、蒸発器内部や管路上に放熱フィンを設けることで、電子機器稼働中における半導体周辺を冷却する装置である。 As an example of such a two-phase flow cooling device, there has been proposed a device that cools the periphery of the MPU by providing a fin that discharges the heat of the steam on a pipe that discharges the steam from the working fluid (Patent Document). 1). As another example, a cooling device has been proposed in which fins are provided in the chamber inside the evaporation section and in the heat sink to change the gas-liquid two-phase refrigerant into a liquid refrigerant (see Patent Document 2). Both are devices for cooling the periphery of a semiconductor during operation of an electronic device by providing heat dissipation fins inside the evaporator or on the pipeline.
二相流冷却装置において、何等かの不具合が発生すると、装置の機能を果たさなくなり、半導体内部に熱が籠る。不具合の具体例として、冷却装置内のポンプが停止して作動液の循環が止まる場合と、冷却装置内のファンが停止してラジエータへの送風が止まる場合と、冷却装置を備える電子機器に停電があって冷却装置全体の稼働が止まる場合が考えられる。 If any trouble occurs in the two-phase flow cooling device, the function of the device is not performed, and heat is generated inside the semiconductor. As specific examples of malfunctions, when the pump in the cooling device stops and the circulation of the hydraulic fluid stops, when the fan in the cooling device stops and air flow to the radiator stops, power failure occurs in the electronic equipment equipped with the cooling device There may be a case where the operation of the entire cooling device stops.
いずれの場合も、不具合発生直後に半導体集積回路装置は数秒遅れて停止するように設定されているが、半導体集積回路装置からの発熱は停止後も続く。この時、不具合発生により作動液の供給が止まっているため蒸発器が空焚きとなり冷却機能が停止する。その結果、発熱が続く半導体集積回路装置の温度は数秒で150℃付近まで急上昇し、半導体集積回路装置が破損に至る恐れがある。 In any case, the semiconductor integrated circuit device is set to stop with a delay of several seconds immediately after the occurrence of the malfunction, but the heat generation from the semiconductor integrated circuit device continues even after the stop. At this time, since the supply of the hydraulic fluid is stopped due to the occurrence of a malfunction, the evaporator becomes empty and the cooling function is stopped. As a result, the temperature of the semiconductor integrated circuit device that continues to generate heat rapidly rises to around 150 ° C. in a few seconds, and the semiconductor integrated circuit device may be damaged.
したがって、二相流冷却装置及び二相流冷却装置用蒸発器において、不具合発生時における過熱による半導体集積回路装置の破損を防止することを目的とする。 Accordingly, an object of the two-phase flow cooling device and the two-phase flow cooling device evaporator is to prevent damage to the semiconductor integrated circuit device due to overheating when a failure occurs.
開示する一観点からは、半導体装置と熱的に接する熱伝導性蓋状部材と、前記熱伝導性蓋状部材と熱的に接する蒸発用筐体と、前記蒸発用筐体に接続された蒸気管及び液管と
前記蒸気管と前記液管に接続されたラジエータと、前記ラジエータに空気を送風するファンと、前記液管の中間部に接続されたポンプと、前記蒸発用筐体の前記熱伝導性蓋状部材と接する面と反対側の面に設けられた熱により伸縮する熱変形性放熱フィンとを有し、前記熱変形性放熱フィンは、所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィンであることを特徴とする二相流冷却装置が提供される。
From one aspect to be disclosed, a thermally conductive lid member that is in thermal contact with a semiconductor device, an evaporation housing that is in thermal contact with the thermally conductive lid member, and a vapor that is connected to the evaporation housing A pipe, a liquid pipe, the steam pipe, a radiator connected to the liquid pipe, a fan for blowing air to the radiator, a pump connected to an intermediate portion of the liquid pipe, and the heat of the evaporation housing A heat-deformable heat dissipating fin that expands and contracts by heat provided on the surface opposite to the surface in contact with the conductive lid-like member, and the heat-deformable heat dissipating fin is compressed when it reaches a predetermined temperature or more. A two-phase flow cooling device is provided, which is a heat-deformable heat dissipating fin that changes from an extended state to an extended state.
また、開示する別の観点からは、蒸発用筐体と、前記蒸発用筐体に蒸気管及び液管を取り付ける管取り付け部と、前記蒸発用筐体の頂面に設けられた熱により伸縮する熱変形性放熱フィンとを有し、前記熱変形性放熱フィンは、所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィンであることを特徴とする二相流冷却装置用蒸発器が提供される。 Further, from another viewpoint to be disclosed, the housing for evaporation, the tube mounting portion for attaching the steam pipe and the liquid tube to the housing for evaporation, and the heat provided on the top surface of the housing for evaporation are expanded and contracted. A heat-deformable heat dissipating fin, wherein the heat-deformable heat dissipating fin is a heat-deformable heat dissipating fin that changes from a compressed state to an extended state when a predetermined temperature or higher is reached. An evaporator for a flow cooling device is provided.
開示の二相流冷却装置及び二相流冷却装置用蒸発器によれば、不具合発生時における過熱による半導体集積回路装置の破損を防止することが可能になる。 According to the two-phase flow cooling device and the two-phase flow cooling device evaporator disclosed herein, it is possible to prevent damage to the semiconductor integrated circuit device due to overheating when a problem occurs.
ここで、図1乃至図5を参照して、本発明の実施の形態の二相流冷却装置を説明する。図1は、本発明の実施の形態の二相流冷却装置を用いた冷却構造を示す概念図であり、蒸発器系10と、冷却配管系20と被冷却電子機器30からなる。蒸発器系10は、内部で作動液を気化させ気化熱により冷却する蒸発用筐体11と、管取り付け部12,13と、熱伝導性蓋状部材であるリッド14を備える。また、蒸発用筐体11の頂部には所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィン40が取り付けられている。蒸発用筐体11はTIM15を介してリッド14と熱的に接触している。なお、蒸発器は、蒸発用筐体11と、管取り付け部12,13と、熱変形性放熱フィン40からなる。
Here, with reference to FIG. 1 thru | or FIG. 5, the two-phase flow cooling device of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cooling structure using a two-phase flow cooling device according to an embodiment of the present invention, and includes an
熱変形性放熱フィン40は、典型的には形状記憶合金と、形状記憶合金より熱伝導性に優れた金属材料の積層膜からなる。なお、形状記憶合金としては、通常稼働時の温度より数度高い温度で形状が変化する材料を選択するものであり、例えば、75℃以上で形状変化させる場合には典型的にはTiNiを用いる。また、金属材料としては、Cu、Ag或いはCu-Ag合金が典型的なものである。このように、形状記憶合金を用いることによって、バイメタルを用いた場合に比べて熱変形量を大きくすることができる。なお、熱変形性放熱フィン40は形状記憶合金のみで形成しても良いが、金属材料との積層膜に比べて放熱特性は低下する。
The heat-deformable
この積層膜を加工成型することによって所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィン40を形成する。熱変形性放熱フィン40の形状としてはコイル状或いは、板バネを折り畳んだ形状が典型的である。
By heat-molding this laminated film, the heat-deformable radiating fin 40 that changes from a compressed state to an expanded state when the temperature reaches a predetermined temperature or more is formed. The shape of the heat-deformable radiating
また、この熱変形性放熱フィン40の先端部を熱伝導性板状支持部材に固定しても良く、熱変形性放熱フィン40が伸長したときに、冷却構造全体を格納するラックの天板に当接させることで冷却効果をより高めることができる。なお、この場合、熱伝導性板状支持部材によって熱変形性放熱フィン40が過剰に圧縮されないように、伸縮性を有するスペーサを周囲に設けておくことが望ましい。
Further, the tip of the heat-deformable
また、管取り付け部12,13は、蒸発用筐体11の側面に取り付けることが望ましいが、蒸発用筐体11の頂面の端部に取り付けても良い。
In addition, the
冷却配管系20は、従来の二相流冷却装置と同様に、蒸気管21と液管22を備え、蒸気管21と液管22の一端は管取り付け部12,13に取り付けられ、他端は管取り付け部23,24を介してラジエータ25に接続される。ラジエータ25の近傍にはファン26が配置されてラジエータ25を空気冷却する。また、液管22の途中には、管取り付け部27,28を介してポンプ29が取り付けられている。
The
被冷却電子機器30は、その一例として、システムボード31と、その上に設けられた半導体集積回路装置33を搭載した回路基板32からなる。半導体集積回路装置33の周囲を囲むようにスティフナー34を設けてTIM35によりリッド14に熱的に接触させる。
As an example, the
この実施の形態の二相流冷却装置の場合も、半導体集積回路装置33から発生する熱を、リッド14を介して蒸発用筐体11に伝え、蒸発用筐体11の内部で作動液36が沸騰してその気化熱により半導体集積回路装置33からの発熱を取り去る。蒸発用筐体11の内部で沸騰した作動液36の蒸気は、蒸気管21からラジエータ25に送られ、ファンにより空冷されて凝縮して作動液36に戻る。この作動液36はポンプ29により液管22から蒸発用筐体11の内部に戻るというシーケンスを持つ。なお、作動液36としては、水系やアルコール系等を用いる。
Also in the case of the two-phase flow cooling device of this embodiment, the heat generated from the semiconductor integrated
但し、本発明の実施の形態においては、蒸発用筐体11の温度が、予め設定した温度より上昇した場合には、熱変形性放熱フィン40が伸長して放熱効率を高めるので、この事情を図2乃至図5を参照して説明する。
However, in the embodiment of the present invention, when the temperature of the
図2は、本発明の実施の形態における熱変形性放熱フィン40の形状変化の説明図であり、図2(a)は変形前の断面図であり、図2(b)は変形後の断面図である。図2(a)に示すように、通常の稼働温度の場合には、熱変形性放熱フィン40は圧縮状態にある。
FIG. 2 is an explanatory view of a shape change of the heat-deformable
しかし、不具合が発生して蒸発用筐体11の温度が通常の稼働温度より上昇した場合には、図2(b)に示すように、熱変形性放熱フィン40が伸長する。熱変形性放熱フィン40が伸長すると空気との接触面積が増すとともに、より広い空間で空気と接触して半導体集積回路装置33からの発熱を冷却装置の周囲の空間に放出する。その結果、半導体集積回路装置33の動作が停止して発熱が止むまでの間、過剰な温度まで上昇することを回避することができる。
However, when a malfunction occurs and the temperature of the
次に、不具合発生時の二相流冷却装置の動作シーケンスを説明する。図3は、ポンプが停止した場合の二相流冷却装置の動作シーケンスの説明図であり、何らかの理由でポンプが停止した場合に、作動液の循環が停止し、その数秒遅れで半導体集積回路装置の動作も自動停止する。しかし、動作は停止しても半導体集積回路装置の発熱は続き、数秒で150℃まで上昇する。 Next, the operation sequence of the two-phase flow cooling device when a problem occurs will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram of an operation sequence of the two-phase flow cooling device when the pump is stopped. When the pump is stopped for some reason, the circulation of the working fluid is stopped, and the semiconductor integrated circuit device is delayed by several seconds. Also automatically stops. However, even if the operation is stopped, the semiconductor integrated circuit device continues to generate heat and rises to 150 ° C. in a few seconds.
この時、作動液の循環は既に停止しているので蒸発用筐体の温度は通常の稼働温度より上昇する。温度の上昇が予め設定した温度より上昇した場合に、それまで予め設定した温度で熱変形が起こるように材料を選択した圧縮状態にあった熱変形性放熱フィンが、設定以上の温度を感知してから1秒以内に熱変形を起こして伸長し、周囲の空間への放熱を開始する。 At this time, since the circulation of the working fluid has already stopped, the temperature of the evaporation casing rises from the normal operating temperature. When the temperature rises above the preset temperature, the heat-deformable radiating fin that has been in a compressed state where the material has been selected so that thermal deformation will occur at the preset temperature will detect a temperature above the preset temperature. Within 1 second, it undergoes thermal deformation and expands, starting to release heat to the surrounding space.
図4は、ファンが停止した場合の二相流冷却装置の動作シーケンスの説明図であり、何らかの理由でファンが停止した場合に、作動液の温度は上昇し、その数秒遅れで半導体集積回路装置の動作も自動停止する。しかし、動作は停止しても半導体集積回路装置の発熱は続いている。 FIG. 4 is an explanatory diagram of an operation sequence of the two-phase flow cooling device when the fan is stopped. When the fan stops for some reason, the temperature of the working fluid rises, and the semiconductor integrated circuit device is delayed by several seconds. Also automatically stops. However, even if the operation stops, the semiconductor integrated circuit device continues to generate heat.
この時、作動液の循環は既に停止しているので蒸発用筐体の温度は通常の稼働温度より上昇する。温度の上昇が予め設定した温度より上昇した場合に、それまで圧縮状態にあった熱変形性放熱フィンが、熱変形を起こして伸長し、周囲の空間への放熱を開始する。 At this time, since the circulation of the working fluid has already stopped, the temperature of the evaporation casing rises from the normal operating temperature. When the rise in temperature rises above a preset temperature, the heat-deformable heat dissipating fin that has been in a compressed state until then undergoes heat deformation and expands, and starts heat radiation to the surrounding space.
図5は、電子機器が停止した場合の二相流冷却装置の動作シーケンスの説明図である。停電等の理由でサーバ等の電子機器が停止した場合に、冷却装置全体が同時に停止してポンプ及びファンも自動停止し、作動液の循環が停止して作動液の温度は上昇する。冷却装置の停止の数秒遅れで半導体集積回路装置の動作も自動停止する。しかし、動作は停止しても半導体集積回路装置の発熱は続いている。 FIG. 5 is an explanatory diagram of an operation sequence of the two-phase flow cooling device when the electronic device is stopped. When an electronic device such as a server is stopped due to a power failure or the like, the entire cooling device is stopped simultaneously, the pump and the fan are automatically stopped, the circulation of the working fluid is stopped, and the temperature of the working fluid rises. The operation of the semiconductor integrated circuit device is automatically stopped with a delay of several seconds after the cooling device is stopped. However, even if the operation stops, the semiconductor integrated circuit device continues to generate heat.
この時、作動液の循環は既に停止しているので蒸発用筐体の温度は通常の稼働温度より上昇する。温度の上昇が予め設定した温度より上昇した場合に、それまで圧縮状態にあった熱変形性放熱フィンが、熱変形を起こして伸長し、周囲の空間への放熱を開始する。 At this time, since the circulation of the working fluid has already stopped, the temperature of the evaporation casing rises from the normal operating temperature. When the rise in temperature rises above a preset temperature, the heat-deformable heat dissipating fin that has been in a compressed state until then undergoes heat deformation and expands, and starts heat radiation to the surrounding space.
このように、本発明の実施の形態においては、ポンプやファンの停止、あるいは冷却装置を備えた電子機器の停電等の不具合発生後も継続発生している半導体集積回路装置からの発熱を熱変形性放熱フィンから冷却装置の外部へ放熱することができる。その結果、半導体集積回路装置が高温に上昇して破損するなどの損傷を防ぐことができる。 As described above, in the embodiment of the present invention, heat generated from the semiconductor integrated circuit device that is continuously generated even after a failure such as a stop of a pump or a fan or a power failure of an electronic device provided with a cooling device is thermally deformed. Heat can be radiated from the heat-radiating fins to the outside of the cooling device. As a result, it is possible to prevent damage such as the semiconductor integrated circuit device rising to a high temperature and being damaged.
また、二相流冷却方式では、沸騰曲線の核沸騰領域で示されているとおり、作動液が沸騰状態の時に最も高い冷却性能を保つ。本発明の実施の形態の気液二相流冷却方式は作動液の沸騰時の気化熱(潜熱)を利用するため、顕熱を利用する単相流水冷却方式に比べて冷却能力が数倍高くなる。 In the two-phase flow cooling system, as shown in the nucleate boiling region of the boiling curve, the highest cooling performance is maintained when the hydraulic fluid is in a boiling state. The gas-liquid two-phase flow cooling method of the embodiment of the present invention uses the heat of vaporization (latent heat) at the time of boiling of the hydraulic fluid, so the cooling capacity is several times higher than the single-phase flow water cooling method using sensible heat. Become.
さらに、気液二相流冷却方式は、冷却装置内の温度上昇を防ぐため、CPUなど発熱体からの熱を移動し装置内の出口付近にて集中放熱することにメリットがある。本発明の実施の形態では、蒸発器上の熱変形性放熱フィンが放熱箇所となり、通常稼働中よりも不具合発生時の放熱量が大きい。 Furthermore, the gas-liquid two-phase flow cooling method has an advantage in that heat from a heating element such as a CPU is moved and concentrated heat is dissipated in the vicinity of the outlet in the apparatus in order to prevent temperature rise in the cooling apparatus. In the embodiment of the present invention, the heat-deformable heat dissipating fins on the evaporator serve as heat dissipating points, and the heat dissipating amount at the time of malfunction is larger than that during normal operation.
なお、半導体集積回路装置から発する熱量よりも気液二相流冷却方式の熱輸送量が大きい場合は、通常稼働時に放熱フィンが伸長していると、返って放熱フィンが二相流冷却方式の冷却性能を低下させる恐れもある。したがって、通常稼働時において熱変形性放熱フィンを圧縮状態にしておくことで、二相流冷却方式の冷却性能の低下を抑制しつつ、不具合発生に伴う温度急上昇時に熱変形性放熱フィンを伸縮することで半導体集積回路装置の損傷を回避することができる。 In addition, if the heat transport amount of the gas-liquid two-phase flow cooling method is larger than the amount of heat generated from the semiconductor integrated circuit device, if the heat dissipating fins are extended during normal operation, the heat dissipating fins of the two-phase flow cooling method are returned. There is also a risk of reducing the cooling performance. Therefore, by keeping the heat-deformable radiating fins in a compressed state during normal operation, the heat-deformable radiating fins are expanded and contracted when the temperature suddenly rises due to the occurrence of a failure while suppressing the cooling performance of the two-phase flow cooling method. Thus, damage to the semiconductor integrated circuit device can be avoided.
次に、図6及び図7を参照して、本発明の実施例1の二相流冷却装置を説明するが、全体構成は図1に示した実施の形態と同様であるので、蒸発器近傍の構造を主にして説明する。図6は、本発明の実施例1の二相流冷却装置に用いる蒸発器の説明図であり、図6(a)は蒸発器の概略的断面図であり、図6(b)は放熱フィンを形成するための積層膜の説明図である。 Next, the two-phase flow cooling apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7, but the entire configuration is the same as that of the embodiment shown in FIG. The structure will be mainly described. FIG. 6 is an explanatory diagram of an evaporator used in the two-phase flow cooling device according to the first embodiment of the present invention, FIG. 6 (a) is a schematic cross-sectional view of the evaporator, and FIG. 6 (b) is a radiating fin. It is explanatory drawing of the laminated film for forming.
図6(a)に示すように、Cu製の40mm□×7mm厚の蒸発用筐体11の側面に作動液を循環する液管及び蒸気管を取り付ける管取り付け部12,13が設けられ、頂面には熱変形性放熱フィン40が固定されている。この場合の熱変形性放熱フィン40の素材は、図6(b)に示すように、Ni:Ti=49〜50:50〜51(atomic%)からなる形状記憶合金42とCuからなる高熱伝導性金属43を積層した厚さが0.2mmの積層膜41を用いる。この積層膜を切断して細線にしたのち巻回することで、直径が2mmのコイル状の熱変形性放熱フィン40とし、この熱変形性放熱フィン40を1.7mmのピッチでマトリクス状に配置する。因みに、通常稼働時における半導体集積回路装置の実測温度は95℃で、蒸発用筐体11の頂面の実測温度は70℃であったので、75℃で熱変形が起こるように、上記の組成比のNiTi合金を用いた。
As shown in FIG. 6 (a),
このコイル状の熱変形性放熱フィン40の高さは、後述するように伸長した状態で24mmになるように設定する。この熱変形性放熱フィン40の固定部に熱に強い特殊なNiメッキを施したのち、銀ろうを用いて蒸発用筐体11の頂面に固定される。
The height of the coiled heat-deformable
図7は、本発明の実施例1における熱変形性放熱フィンの形状変化の説明図であり、図7(a)は変形前の断面図であり、図7(b)は変形後の断面図であり、ここでは、ラックマウント型のサーバに本願の二相流冷却装置を適用した例として説明する。ラックの天板44の高さを44mmとし、蒸発器の高さを7mm、半導体集積回路装置及びリッドを含む電子機器の高さを3mmとする。天板44の高さから蒸発器と電子機器の高さを差し引いた値が34mmとなるので、熱変形性放熱フィン40が伸長した場合のスペースを確保することができる。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a change in shape of the heat-deformable heat dissipating fin in Example 1 of the present invention, FIG. 7A is a cross-sectional view before deformation, and FIG. 7B is a cross-sectional view after deformation. Here, an example in which the two-phase flow cooling device of the present application is applied to a rack mount server will be described. The height of the
図7(a)に示すように、通常の稼働温度の70℃の場合には、熱変形性放熱フィン40は圧縮状態にある。しかし、不具合が発生してポンプ或いはファンが停止した場合、半導体集積回路装置の動作は停止するものの温度は数秒で150℃まで上昇して蒸発用筐体11の温度も75℃以上に上昇する。この時、図7(b)に示すように、熱変形性放熱フィン40は75℃以上の温度を感知してから1秒以内に伸長する。
As shown to Fig.7 (a), in the case of 70 degreeC of normal operating temperature, the heat
このように、本発明の実施例1においては、空気との接触面積が増すとともに、より広い空間で空気と接触して半導体集積回路装置33からの発熱を冷却装置の周囲の空間に放出する。その結果、半導体集積回路装置33の動作が停止して発熱が止むまでの間、過剰な温度まで上昇することを回避することができる。
As described above, in the first embodiment of the present invention, the contact area with the air is increased, and the heat is emitted from the semiconductor integrated
次に、図8を参照して、本発明の実施例2の二相流冷却装置を説明するが、ここでも蒸発器近傍の構成を主として説明する。図8は、本発明の実施例2の二相流冷却装置の説明図であり、図8(a)は変形前の断面図であり、図8(b)は変形後の断面図である。 Next, with reference to FIG. 8, the two-phase flow cooling device according to the second embodiment of the present invention will be described. Here, the configuration in the vicinity of the evaporator will be mainly described. FIG. 8 is an explanatory diagram of the two-phase flow cooling device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8 (a) is a cross-sectional view before deformation, and FIG. 8 (b) is a cross-sectional view after deformation.
図8(a)に示すように、本発明の実施例2の二相流冷却装置に用いる蒸発用筐体11に固定する熱変形性放熱フィン40の他端に、Cu製の熱伝導性板状支持体45を固定し、その周辺部に例えば形状記憶合金と高熱伝導性金属との積層膜からなるスペーサ46を設ける。なお、その他の構成は上記の実施例1と同様である。
As shown in FIG. 8A, a heat conductive plate made of Cu is attached to the other end of the heat-deformable
図8(b)に示すように、蒸発用筐体11の頂面の温度が75℃を超えると、熱変形性放熱フィン40が伸長し、熱伝導性板状支持体45がラックの天板44に当接する。その結果、熱変形性放熱フィン40による空気中への放熱だけでなく、天板44への放熱によって放熱効率が高まる。
As shown in FIG. 8B, when the temperature of the top surface of the
このように、本発明の実施例2においては、熱伝導性板状支持体45を設けているので、放熱性がさらに改善され、半導体集積回路装置の損傷をより確実に回避することが可能になる。
As described above, in the second embodiment of the present invention, since the thermally conductive plate-
次に、図9を参照して、本発明の実施例3の二相流冷却装置を説明するが、ここでも蒸発器近傍の構成を主として説明する。図9は、本発明の実施例3の二相流冷却装置の説明図であり、図9(a)は変形前の断面図であり、図9(b)は変形後の断面図である。 Next, the two-phase flow cooling device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9, and the configuration in the vicinity of the evaporator will be mainly described here. FIG. 9 is an explanatory view of a two-phase flow cooling device according to a third embodiment of the present invention, FIG. 9 (a) is a cross-sectional view before deformation, and FIG. 9 (b) is a cross-sectional view after deformation.
図9(a)に示すように、本発明の実施例3の二相流冷却装置に用いる蒸発用筐体11に固定する熱変形性放熱フィン47を板バネを折り畳んだ形状にしたものであり、素材自体は上記の実施例1の熱変形性放熱フィン40の素材と同じである。また、その他の構成も上記の実施例1と同様である。この熱変形性放熱フィンは、形状記憶合金と高熱伝導性金属との積層膜を細線状に切断したのち、交互に山折りと谷折りになるように折り畳んで形成する。
As shown in FIG. 9A, the heat-deformable
図9(b)に示すように、蒸発用筐体11の頂面の温度が75℃を超えると、熱変形性放熱フィン47が伸長して空気中への放熱を開始する。
As shown in FIG. 9B, when the temperature of the top surface of the
このように、本発明の実施例3においては、熱変形性放熱フィン47を板バネを折り畳んだ形状にしているので、製造が容易になるとともに、蒸発用筐体11への固定も容易になる。
As described above, in the third embodiment of the present invention, the heat-
次に、図10を参照して、本発明の実施例4の二相流冷却装置を説明するが、ここでも蒸発器近傍の構成を主として説明する。図10は、本発明の実施例4の二相流冷却装置の説明図であり、図10(a)は変形前の断面図であり、図10(b)は変形後の断面図である。 Next, a two-phase flow cooling device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10. Here, the configuration in the vicinity of the evaporator will be mainly described. FIG. 10 is an explanatory diagram of a two-phase flow cooling device according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 10 (a) is a cross-sectional view before deformation, and FIG. 10 (b) is a cross-sectional view after deformation.
図10(a)に示すように、本発明の実施例4の二相流冷却装置は、上記の実施例2と同様に、板バネを折り畳んだ形状の熱変形性放熱フィンの他端に、Cu製の熱伝導性板状支持体45を固定し、その周辺部に例えば形状記憶合金と高熱伝導性金属との積層膜からなるスペーサ46を設けたものである。なお、その他の構成は上記の実施例3と同様である。
As shown in FIG. 10 (a), the two-phase flow cooling device according to the fourth embodiment of the present invention is similar to the second embodiment described above at the other end of the heat-deformable heat dissipating fin having a shape in which a leaf spring is folded. A thermally conductive plate-
図10(b)に示すように、蒸発用筐体11の頂面の温度が75℃を超えると、熱変形性放熱フィン47が伸長して熱伝導性板状支持体45がラックの天板44に当接する。その結果、熱変形性放熱フィン47による空気中への放熱だけでなく、天板44への放熱によって放熱効率が高まる。
As shown in FIG. 10B, when the temperature of the top surface of the
このように、本発明の実施例4においては、熱変形性放熱フィン47を板バネを折り畳んだ形状にしているので、製造が容易になるとともに、蒸発用筐体11への固定も容易になる。また、熱伝導性板状支持体45を設けているので、放熱性がさらに改善され、半導体集積回路装置の損傷をより確実に回避することが可能になる。
Thus, in Example 4 of this invention, since the heat-deformable
ここで、実施例1乃至実施例4を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
(付記1)半導体装置と熱的に接する熱伝導性蓋状部材と、前記熱伝導性蓋状部材と熱的に接する蒸発用筐体と、前記蒸発用筐体に接続された蒸気管及び液管と前記蒸気管と前記液管に接続されたラジエータと、前記ラジエータに空気を送風するファンと、前記液管の中間部に接続されたポンプと、前記蒸発用筐体の前記熱伝導性蓋状部材と接する面と反対側の面に設けられた熱により伸縮する熱変形性放熱フィンとを有し、前記熱変形性放熱フィンは、所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィンであることを特徴とする二相流冷却装置。
(付記2)前記熱変形性放熱フィンは、形状記憶合金と前記形状記憶合金より熱伝導性の高い高熱伝導性金属との積層膜からなることを特徴とする付記1に記載の二相流冷却装置。
(付記3)前記高熱伝導性金属が、Cu、Ag或いはCu-Ag合金のいずれかであることを特徴とする付記1または付記2に記載の二相流冷却装置。
(付記4)前記熱変形性放熱フィンが、コイル状の放熱フィン或いは板バネを折りたたんだ形状の放熱フィンであることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載の二相流冷却装置。
(付記5)前記熱変形性放熱フィンの前記蒸発用筐体に固定されている端部と反対側の端部が熱伝導性板状支持部材に固定されていることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載の二相流冷却装置。
(付記6)前記蒸気管及び液管が、前記蒸発用筐体の側面に取り付けられていることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載の二相流冷却装置。
(付記7)蒸発用筐体と、前記蒸発用筐体に蒸気管及び液管を取り付ける管取り付け部と、前記蒸発用筐体の頂面に設けられた熱により伸縮する熱変形性放熱フィンとを有し、前記熱変形性放熱フィンは、所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィンであることを特徴とする二相流冷却装置用蒸発器。
(付記8)前記熱変形性放熱フィンは、形状記憶合金と前記形状記憶合金より熱伝導性の高い高熱伝導性金属との積層膜からなることを特徴とする付記7に記載の二相流冷却装置用蒸発器。
(付記9)前記高熱伝導性金属が、Cu、Ag或いはCu-Ag合金のいずれかであることを特徴とする付記7または付記8に記載の二相流冷却装置用蒸発器。
(付記10)前記熱変形性放熱フィンが、コイル状の放熱フィン或いは板バネを折りたたんだ形状の放熱フィンであることを特徴とする付記7乃至付記9のいずれか1に記載の二相流冷却装置用蒸発器。
Here, the following supplementary notes are attached to the embodiments of the present invention including Examples 1 to 4.
(Appendix 1) A thermally conductive lid member that is in thermal contact with the semiconductor device, an evaporation housing that is in thermal contact with the thermally conductive lid member, and a vapor pipe and a liquid that are connected to the evaporation housing A radiator connected to the pipe, the steam pipe, and the liquid pipe; a fan that blows air to the radiator; a pump connected to an intermediate portion of the liquid pipe; and the thermally conductive lid of the evaporation housing A heat-deformable heat dissipating fin that expands and contracts by heat provided on the surface opposite to the surface in contact with the shaped member, and the heat-deformable heat dissipating fin extends from a compressed state when reaching a predetermined temperature or more. A two-phase flow cooling device characterized by being a heat-deformable radiating fin that changes into a state.
(Appendix 2) The two-phase flow cooling according to appendix 1, wherein the heat-deformable heat dissipating fin comprises a laminated film of a shape memory alloy and a high thermal conductivity metal having a higher thermal conductivity than the shape memory alloy. apparatus.
(Appendix 3) The two-phase flow cooling device according to appendix 1 or appendix 2, wherein the high thermal conductivity metal is Cu, Ag, or a Cu-Ag alloy.
(Appendix 4) The two-phase flow cooling according to any one of appendices 1 to 3, wherein the heat-deformable radiating fin is a radiating fin having a shape obtained by folding a coiled radiating fin or a leaf spring. apparatus.
(Additional remark 5) The edge part on the opposite side to the edge part currently fixed to the said housing | casing for evaporation of the said heat-deformable radiation fin is being fixed to the heat conductive plate-shaped support member, The additional notes 1 thru | or characterized by the above-mentioned The two-phase flow cooling device according to any one of appendix 4.
(Supplementary note 6) The two-phase flow cooling device according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein the steam pipe and the liquid pipe are attached to a side surface of the evaporation casing.
(Appendix 7) Evaporation housing, tube mounting portion for attaching a steam pipe and a liquid tube to the evaporation housing, a heat-deformable heat dissipating fin that expands and contracts by heat provided on the top surface of the evaporation housing, And the heat-deformable heat dissipating fin is a heat-deformable heat dissipating fin that changes from a compressed state to an extended state when reaching a predetermined temperature or higher. .
(Appendix 8) The two-phase flow cooling according to
(Appendix 9) The evaporator for a two-phase flow cooling device according to
(Supplementary note 10) The two-phase flow cooling according to any one of
10,50 蒸発器系
11,51 蒸発用筐体
12,13,52,53 管取り付け部
14,54 リッド
15,55 TIM
20,60 冷却配管系
21,61 蒸気管
22,62 液管
23,24,63,64 管取り付け部
25,65 ラジエータ
26,66 ファン
27,28,67,68 管取り付け部
29,69 ポンプ
30,70 被冷却電子機器
31,71 システムボード
32,72 回路基板
33,73 半導体集積回路装置
34,74 スティフナー
35,75 TIM
36,76 作動液
40,47 熱変形性放熱フィン
41 積層膜
42 形状記憶合金
43 高熱伝導性金属
44 天板
45 熱伝導性板状支持体
46 スペーサ
10, 50
20, 60
36, 76
Claims (5)
前記熱伝導性蓋状部材と熱的に接する蒸発用筐体と、
前記蒸発用筐体に接続された蒸気管及び液管と
前記蒸気管と前記液管に接続されたラジエータと、
前記ラジエータに空気を送風するファンと、
前記液管の中間部に接続されたポンプと、
前記蒸発用筐体の前記熱伝導性蓋状部材と接する面と反対側の面に設けられた熱により伸縮する熱変形性放熱フィンとを有し、
前記熱変形性放熱フィンは、所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィンであることを特徴とする二相流冷却装置。 A thermally conductive lid-like member in thermal contact with the semiconductor device;
An evaporation housing that is in thermal contact with the thermally conductive lid-like member;
A steam pipe and a liquid pipe connected to the evaporation casing; a radiator connected to the steam pipe and the liquid pipe;
A fan for blowing air to the radiator;
A pump connected to an intermediate portion of the liquid pipe;
A heat-deformable heat dissipating fin that expands and contracts by heat provided on the surface opposite to the surface in contact with the thermally conductive lid-like member of the evaporation housing;
The two-phase flow cooling device, wherein the heat-deformable heat dissipating fin is a heat-deformable heat dissipating fin that changes from a compressed state to an extended state when reaching a predetermined temperature or higher.
前記蒸発用筐体に蒸気管及び液管を取り付ける管取り付け部と、
前記蒸発用筐体の頂面に設けられた熱により伸縮する熱変形性放熱フィンと
を有し、
前記熱変形性放熱フィンは、所定温度以上に達したときに圧縮した状態から伸長した状態に変化する熱変形性放熱フィンであることを特徴とする二相流冷却装置用蒸発器。 An evaporation enclosure;
A pipe attachment portion for attaching a steam pipe and a liquid pipe to the evaporation housing;
A heat-deformable heat dissipating fin that expands and contracts by heat provided on the top surface of the evaporation housing;
The evaporator for a two-phase flow cooling device, wherein the heat-deformable heat dissipating fin is a heat-deformable heat dissipating fin that changes from a compressed state to an extended state when reaching a predetermined temperature or higher.
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