DE4418611C2

DE4418611C2 - Halbleiterelementkühlvorrichtung

Info

Publication number: DE4418611C2
Application number: DE4418611A
Authority: DE
Inventors: Akihiko Fujisaki; Junichi Ishimine; Masumi Suzuki; Masahiro Miyo; Shunichi Kikuchi; Minoru Hirano; Hitoshi Nori
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2014-05-28
Also published as: US5763950A; GB2280989B; DE4418611A1; JPH0745762A; GB9410135D0; GB2280989A; JP3236137B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterelementkühlvor richtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der EP 0 219 657 A2 ist eine Konstruktion von Kühlkörpern bekannt, die aus runden säulenförmigen tragen den Elementen und aus seitlich angesetzten Flossenelementen gebildet sind. Es handelt sich bei den Kühlkörpern um eine vergleichsweise komplizierte Gestalt, so daß die Herstel lung dieser Kühlkörper aufwendig und kostspielig ist.

Bei dieser bekannten Konstruktion wechseln sich schrä ge Auflaufflächen, die in Richtung der Strömung des Kühl mittels geneigt sind, und Flächen, die entgegen der Rich tung der Strömung geneigt sind, ab. Diese Flächen sind aber auch nur an dem vergleichsweise sehr schmalen Außenrand der Rippen ausgebildet, so daß hier keine wirksame Aufprallflä che für das Kühlmittel gebildet ist. Diese spezifische An ordnung und Ausbildung der genannten Flossen eines jeweili gen Kühlelements in Form eines Trapezes hat eine Verwirbe lung der Strömung zur Folge, nicht jedoch eine gezielte Strömungskonzentration auf bestimmte Bereiche des Kühlkör pers.

Aus der US 4,541,004 ist die Verwendung eines Kühlele ments in Form eines säulenförmigen Kühlkörpers bekannt. Das säulenförmige Kühlelement ist jedoch bei dieser bekannten Konstruktion so angeordnet und ausgebildet, daß eine Ver wirbelung der Kühlmittelströmung hervorgerufen wird, wobei angestrebt wird, die Strömung von der zu kühlenden Vorrich tung weg verlaufen zu lassen.

In letzter Zeit hat die Wärme, die durch das Halblei terelement erzeugt wird, auf Grund der verbesserten Integra tionsdichte und der Hochgeschwindigkeitsoperation der integrierten Schaltung zugenommen. Diese Tendenz ist auf dem Gebiet von hochintegrierten Schaltungen (LSIs), die in Computern und dergleichen verwendet werden, besonders spürbar. Zum Beispiel ist es auf der Chipebene nicht selten, daß Wärme in der Größenordnung von 10 W pro 1 cm² erzeugt wird, und es wird erwartet, daß sich dieser Wert in nächster Zukunft verdoppelt oder verdreifacht.

Andererseits nimmt die Montagedichte der Halbleiter elemente innerhalb der elektronischen Einrichtung auch rapide zu. Demzufolge wird es schwieriger, das Kühlen innerhalb der elektronischen Einrichtung auszuführen.

Um die Halbleiterelemente stabil zu betreiben, ist es ferner wesentlich, die Temperatur der Halbleiterelemente niedrig zu halten, und von der Kühlvorrichtung wird eine hohe Kühleffektivität gefordert.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Halbleiterelementkühlvor richtung 10. In Fig. 1 sind Halbleiterelemente 11 über eine Vielzahl von Verbindungsgliedern 13, wie Lot, auf einem Schaltungssubstrat 12 montiert. Eine Vielzahl von stiftför migen Rippen 14 ist auf einer oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 rechtwinklig zu der oberen Oberfläche 11a befestigt.

Das Halbleiterelement 11 wird gekühlt, wenn ein Kühl mittel (Kühlmedium) 15 parallel zu dem Schaltungssubstrat 12 dahinströmt und die Peripherie des Halbleiterelements 11 passiert. Mit anderen Worten, das Kühlen erfolgt auf Grund des Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlmittel 15 und den stiftförmigen Rippen 14 und der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11.

Andererseits zeigt Fig. 2 eine andere bekannte Halblei terelementkühlvorrichtung 20. In Fig. 2 ist das Halbleiter element 11 auf dem Schaltungssubstrat 12 montiert, und eine Düse 21 ist über dem Halbleiterelement 11 rechtwinklig zu der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 angeord net.

Eine Hochgeschwindigkeitskühlmittelströmung 22, die aus der Düse 21 mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird, trifft auf die obere Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 und bildet danach eine Strahlströmung 23, die sich längs der oberen Oberfläche 11a radial ausbreitet, um das Halblei terelement 11 zu kühlen. Solch ein Kühlen unter Verwendung der Strahlströmung ist vorteilhaft, weil durch Einsatz einer relativ einfachen Konstruktion eine relativ hohe Kühleffek tivität erreicht werden kann.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Halbleiterelementkühlvor richtung 10 ist es notwendig, die Länge der stiftförmigen Rippen 14 zu vergrößern oder die Anzahl der stiftförmigen Rippen 14 pro Einheitsbereich auf der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 zu erhöhen. Das erstere Verfahren zum Vergrößern der Länge der stiftförmigen Rippen 14 ver schlechtert jedoch die Rippeneffektivität, und so besteht eine Grenze beim Verbessern der Kühleffektivität. Anderer seits vergrößert das letztere Verfahren zum Erhöhen der Anzahl der stiftförmigen Rippen 14 pro Einheitsbereich den Strömungswiderstand, und die Kühleffektivität ist nicht so hoch wie erwartet, da die Strömung des Kühlmittels an den unteren Teilen der stiftförmigen Rippen 14 und an der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 blockiert wird.

Andererseits ist gemäß der in Fig. 2 gezeigten Halblei terelementkühlvorrichtung 20 auf Grund der Notwendigkeit zum Anordnen der Düse 21, um der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 gegenüberzuliegen, ein Raum mit einer Höhe A über dem Schaltungssubstrat 12 unbedingt erforder lich. Als Resultat ist es schwierig, das Schaltungssubstrat 12 innerhalb der elektronischen Einrichtung mit hoher Dichte durch Anordnen des Schaltungssubstrats 12 bei einem engen Abstand unterzubringen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Halbleiterelementkühlvorrichtung der angegebe nen Gattung zu schaffen, bei der insbesondere in Bereichen eines hohen Wärmegradienten, wie er insbesondere im Über gangsbereich zwischen Halbleiterelement und dem jeweiligen Kühlelemente auftritt, eine wirksamere Wärmeabfuhr erreicht wird, um insgesamt die Kühlwirkung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführ ten Merkmale gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, die eine bekannte Halb leiterelementkühlvorrichtung zeigt;

Fig. 2 ist eine Seitenansicht, die eine andere bekannte Halbleiterelementkühlvorrichtung zeigt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht mit einem weggeschnittenen Teil, die eine erste Ausführungsform einer Halbleiterelementkühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist eine Draufsicht, die ein in Fig. 3 gezeigtes Halbleiterelement zeigt;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht, die einen Teil des in Fig. 3 gezeigten Halbleiterelements zeigt;

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht zum Erläutern der Funktionen einer geneigten Säule;

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine erste Abwandlung einer in Fig. 3 gezeigten Säule zeigt;

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine zweite Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule zeigt;

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine dritte Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule zeigt;

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine vierte Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule zeigt;

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die eine fünfte Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule zeigt;

Fig. 12A und 12B sind eine Draufsicht bzw. eine Seiten ansicht, die die in Fig. 11 gezeigte Säule im montierten Zustand zeigen;

Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht, die eine sechste Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule zeigt;

Fig. 14A und 14B sind eine Draufsicht bzw. eine Seiten ansicht, die die in Fig. 13 gezeigte Säule im montierten Zustand zeigen;

Fig. 15A und 15B sind eine Draufsicht bzw. eine Seiten ansicht, die eine erste Abwandlung der Anordnung der geneig ten Säulen zeigen;

Fig. 16 ist eine Draufsicht, die eine zweite Abwandlung der Anordnung der geneigten Säulen zeigen;

Fig. 17 ist eine Seitenansicht, die die Anordnung von geneigten Säulen mit verschiedenen Längen zeigt;

Fig. 18 ist eine Seitenansicht, die die Anordnung von geneigten Säulen mit verschiedenen Neigungswinkeln zeigt;

Fig. 19 ist eine Seitenansicht, die eine weitere Aus führungsform der Halbleiterelementkühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 20 ist eine Draufsicht, die die in Fig. 19 ge zeigte weitere Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Halblei terelementkühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In einer in Fig. 3 gezeigten Halbleiterelementkühlvorrich tung 30 sind ein Schaltungssubstrat 12 und ein durchgangsbildendes Glied 32 innerhalb eines Gehäuses 31 einer elek tronischen Einrichtung untergebracht. Eine Vielzahl von Halbleiterelementen 11 ist auf dem Schaltungssubstrat 12 montiert. Das durchgangsbildende Glied 32 ist parallel zu dem Schaltungssubstrat 12 angeordnet und bedeckt eine obere Oberfläche des Schaltungssubstrats 12, auf dem die Halblei terelemente 11 montiert sind. Das durchgangsbildende Glied 32 liegt der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats 12 mit einer dazwischen gebildeten Lücke gegenüber. Ein Durch gang 33 mit einer Höhe H₁ ist zwischen dem Schaltungssub strat 12 und dem durchgangsbildenden Glied 32 gebildet. Ein Gebläse 35 ist als Kühlmittelsteuereinheit zum Ausstoßen eines Kühlmittels (Kühlmediums) mit einem Ende des Durch gangs 33 über einen Kanal 34 gekoppelt. Andererseits ist an dem anderen Ende des Durchgangs 33 eine Kühlmitteleinlaßöff nung 36 vorgesehen.

Wenn das Gebläse 35 betrieben wird, wird Luft 40 von der Kühlmitteleinlaßöffnung 36 als Kühlmittel hineingezogen. Daher tritt eine parallele Kühlmittelströmung 43, die zu dem Schaltungssubstrat 12 parallel ist, innerhalb des Durchgangs 33 auf, wie durch einen Pfeil gekennzeichnet.

Eine Vielzahl von geneigten Säulen 37 ist, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, auf einer oberen Oberfläche 11a des Halbleiter elements 11 in einer Matrixanordnung vorgesehen. Die geneig ten Säulen 37 sind auf der strom aufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 vorgesehen, das heißt, auf der Seite der Kühlmitteleinlaß öffnung 36. Die geneigten Säulen 37 sind mit einem Neigungswinkel θ bezüglich einer Richtung befestigt, die zu der oberen Oberfläche 11a des Halbleiter elements 11 rechtwinklig ist. Die geneigten Säulen 37 selbst dienen als Mittel zum schrägen Auftreffen der Luft 40.

Während der Operation der elektronischen Einrichtung erzeugt das Halbleiterelement 11 Wärme. Der größte Teil der erzeugten Wärme breitet sich auf Grund von Wärmeleitung hin zu den geneigten Säulen 37 aus.

Andererseits wird auch das Gebläse 35 betrieben. Daher absorbiert die erzeugte parallele Kühlmittelströmung 43 die Wärme von den geneigten Säulen 37 und der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11, da die parallele Kühlmittelströmung 43 die Peripherie des Halblei terelements 11 passiert. Als Resultat wird das Halbleiter element 11 gekühlt.

Gemäß der Halbleiterelementkühlvorrichtung 30 werden die folgenden Effekte erhalten, da die geneigten Säulen 37 mit dem Neigungswinkel θ hin zu der stromaufwärtigen Seite geneigt sind, und die Kühleffek tivität bezüglich des Halbleiterelements 11 wird verbessert.

1. Stimulierte Kühlmittelströmung vom unteren Teil der Rippen hin zu der oberen Oberfläche des Halbleiter elements:
Die parallele Kühlmittelströmung 43 an der Peri pherie der geneigten Säulen 37 wird, wie in Fig. 6 gezeigt, längs einer vorderen Oberfläche 38 der geneigten Säulen 37 zu einer abwärts geneigten Strömung 44 gebildet und strömt danach hin zu der stromabwärtigen Seite, indem sie sich in beide Seiten der geneigten Säulen 37 teilt, wie durch einen Pfeil 45 gezeigt. Aus diesem Grund nimmt die Geschwindigkeit der Kühlmittelströmung von dem unteren Teil der geneigten Säulen 37 hin zu einer Rippenbasisperipherie 39 auf der oberen Oberfläche 11a zu, und es ist möglich, das Kühlen an diesem Teil effektiv auszuführen.
2. Vergrößerter Oberflächenbereich der Säulen:
Bezüglich derselben Höhe L₂ der Säulen beträgt die Länge der Säulen L₂, wie in Fig. 5 gezeigt, wenn die Säulen nicht geneigt sind, aber beträgt die Länge der Säulen L₁, wenn die Säulen um den Neigungswinkel θ geneigt sind. L₁ ist gleich L₂/cosθ, und somit wird die Länge L₁ größer als die Länge L₂, so wie der Neigungswinkel θ zunimmt. Da die Höhe der Säulen durch die Höhe H₁ des Durchgangs 33 begrenzt ist, ist es möglich, die Länge der Säulen zu vergrößern und auch den Oberflächenbereich der Säulen im Vergleich zu jenen der bekannten Halbleiterelementkühlvorrichtung zu vergrößern, indem die Säulen 37 geneigt werden. Aus diesem Grund wird die Wärmemenge, die von den geneigten Säulen 37 zu der parallelen Kühlmittel strömung 43 übertragen wird, verglichen mit jener der bekannten Halbleiterelementkühlvorrichtung erhöht.

In dieser Ausführungsform ist bezüglich des Neigungs winkels θ der geneigten Säulen 37 keine besondere Grenze vorgesehen. Die oben beschriebenen Effekte können jedoch nicht zu einem befriedigenden Grade erreicht werden, falls der Neigungswinkel θ zu klein ist. Falls andererseits der Neigungswinkel θ zu groß ist, ragt das Endstück der geneigten Säulen 37 weit nach vorn und behindert das Montieren des benachbarten Halbleiterelements. Ferner wird die Lücke zwischen den benachbarten geneigten Säulen 37 klein und behindert die korrekte Kühlmittelströmung. Mit anderen Worten, der überlegene Kühleffekt der geneigten Säulen 37 selbst geht verloren, falls der Neigungswinkel θ zu groß ist. Demzufolge ist es vom prakti schen Gesichtspunkt aus wünschenswert, daß der Neigungswinkel θ in einem Bereich zwischen 10° bis 60° liegt.

Die Querschnittsform der geneigten Säulen 37 ist nicht auf die rechteckige Form dieser Ausführungsform begrenzt. Ähnliche Effekte können durch Verwenden von geneigten Säulen er reicht werden, die andere Querschnittsformen wie zum Bei spiel eine runde Form haben.

Außerdem ist das zu kühlende Halbleiterelement 11 nicht auf den in Fig. 3 gezeigten Chiptyp begrenzt. Das Halbleiterelement 11 kann zum Beispiel innerhalb einer Packung vorgesehen sein oder die Form eines Mehrchipmoduls annehmen.

Ferner ist das Kühlmittel nicht auf Luft begrenzt, und andere Gase und Flüssigkeiten können anstelle derer ver wendet werden. Zum Beispiel kann eine Flüssigkeit wie Kohlenstofffluorid als Kühlmittel verwendet werden. In diesem Fall wird anstelle des Gebläses eine Pumpe als Kühlmittelsteuereinheit verwendet. Außerdem können ein Behälter zum Zuführen und Ersetzen des Kühlmittels, eine Rohrleitung und ein Wärmeaustauscher zum Kühlen des Kühl mittels vorgesehen sein, falls erforderlich. Es ist natür lich möglich, das Kühlmittel zwischen dem Behälter, der Pumpe, dem Wärmeaustauscher und dem Durchgang 33 zirkulieren zu lassen.

Die Oberfläche des durchgangsbildenden Glieds 32, die dem Schaltungssubstrat 12 gegenüberliegt, kann durch die Bodenoberfläche eines anderen Schaltungssubstrats gebildet sein, das zu dem Schaltungssubstrat 12 parallel und benach bart untergebracht ist. Die Bodenoberfläche dieses anderen Schaltungssubstrats liegt der Oberfläche gegenüber, auf der die Halbleiterelemente montiert sind. Außerdem kann die Oberfläche des durchgangsbildenden Glieds 32, die sich mit dem Schaltungssubstrat 12 schneidet, durch die Oberfläche eines anderen Substrats, wie zum Beispiel eine Grundplatine, die mit dem Schaltungssubstrat 12 verbindet, die Oberfläche eines Teils, wie zum Beispiel ein Steckverbinder, der auf dem Schaltungssubstrat 12 vorgesehen ist und der strom aufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 zugewandt ist, und dergleichen gebildet sein.

Als nächstes erfolgt eine Beschreibung von Abwandlungen der geneigten Säulen 37 der ersten Ausführungsform.

Fig. 7 zeigt eine erste Abwandlung der geneigten Säule. Eine in Fig. 7 gezeigte geneig te Säule 60 hat einen etwa halbrunden Querschnitt. Die geneigte Säule 60 ist so angeordnet, daß eine flache Oberfläche 61 von ihr der stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 zugewandt ist.

Gemäß der Form dieser ersten Abwandlung der geneigten Säule ist der Widerstand bezüglich der parallelen Kühlmittelströmung 43 in einer Nähe der vorderen Oberfläche der geneigten Säule 60 groß. Aus diesem Grund ist es möglich, eine stärkere abwärts geneigte Strömung 44 als bei der ersten Ausführungsform zu erzeugen, wodurch zu einer verbesserten Kühleffektivität beigetragen wird.

Fig. 8 zeigt eine zweite Abwandlung der geneigten Säule. Eine in Fig. 8 gezeigte geneig te Säule hat einen sichelmondförmigen Querschnitt. Die geneigte Säule 65 ist so angeordnet, daß eine konkave Oberfläche 66 von ihr der stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 zugewandt ist.

Gemäß der Form dieser zweiten Abwandlung der geneigten Säule ist es möglich, eine stärkere abwärts geneigte Strömung 44 ähnlich wie bei der ersten Abwandlung zu erzeugen, wodurch zu der verbesserten Kühleffektivität beigetragen wird.

Fig. 9 zeigt eine dritte Abwandlung der geneigten Säule. Eine in Fig. 9 gezeigte geneig te Säule 70 hat solch eine abgeflachte zylindrische Form, daß ein Zylinder zu dem Endstück hin mehr abgeflacht ist. Die geneigte Säule 70 ist so angeordnet, daß eine annähernd kopfstehende dreiecki ge Oberfläche 71 der stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 zugewandt ist.

Gemäß der Form dieser dritten Abwandlung der geneigten Säule wird der Strömungswiderstand an dem unteren Teil der geneigten Säule 70 bezüglich jenem an dem oberen Teil der geneigten Säule 70 relativ verringert. Als Resultat wird die Kühlmittelströmung in der Nähe der oberen Ober fläche 11a des Halbleiterelements 11 stimuliert, wodurch die Kühleffektivität verbessert wird.

Fig. 10 zeigt eine vierte Abwandlung der geneigten Säule. Eine in Fig. 10 gezeigte Säule 75 besteht aus einem Basisteil 75a, der an der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 vertikal befestigt ist, und einem gekrümmten Teil 75b, der gekrümmt ist, um sich hin zu der stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 zu neigen.

Gemäß der Form dieser vierten Abwandlung der geneigten Säule ist die Endoberfläche eines Verbindungsteils 76, der an dem Ende des Basisteils 75a vorgesehen ist, rechtwinklig zu der Richtung, in die sich der Basisteil 75a erstreckt. Aus diesem Grund ist es extrem einfach, die Positionen des Verbindungsteils 76 und der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 auszurich ten, wenn die Säule 75 montiert wird, und die Produktionseffektivität wird verbessert.

Fig. 11 zeigt eine fünfte Abwandlung der geneigten Säule. Eine in Fig. 11 gezeigte kammförmige Struktur 80 ist aus einer Vielzahl von geneigten Säulen 81 und einem Verbindungs flansch 82, der obere Enden der geneigten Säulen 81 verbindet, integral gebildet.

Fig. 12A zeigt eine Draufsicht auf die kammförmigen Strukturen 80, und Fig. 12B zeigt eine Seitenansicht der kammförmigen Strukturen 80. Jede kammförmige Struktur 80 besteht, wie in Fig. 12A und 12B gezeigt, aus den geneigten Säulen 81, die in einer Richtung integral angeordnet sind, die im allgemeinen rechtwinklig zu der parallelen Kühlmittelströmung 43 ist, und hin zu der stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 geneigt sind.

Gemäß dieser fünften Abwandlung der geneigten Säulen kann eine Vielzahl von geneigten Säulen 81 in Einheften der kammförmigen Strukturen 80 montiert werden. Aus diesem Grund ist der Produktionsprozeß verglichen mit dem Fall, bei dem die Radiatorrippen immer einzeln befestigt werden müssen, extrem einfach.

Fig. 13 zeigt eine sechste Abwandlung der geneigten Säule. Bei dieser sechsten Abwandlung ist der Verbindungsflansch 92 der in Fig. 11 gezeigten kamm förmigen Struktur 80 hin zu der stromabwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 gekrümmt. Mit anderen Worten, eine in Fig. 13 gezeigte kammförmige Struktur 90 ist etwa in V-Form gekrümmt und aus einer Vielzahl von geneigten Säulen 91 und einem Verbindungssteg 92, der die oberen Enden der geneigten Säulen 91 verbindet, integral gebildet.

Fig. 14A zeigt eine Draufsicht auf die kammförmigen Strukturen 90, und Fig. 14B zeigt eine Seitenansicht der kammförmigen Strukturen. Jede kammförmige Struktur 90 ist gekrümmt, wie in Fig. 14A und 14B gezeigt, um etwa eine V- Form zu bilden, die hin zu der stromabwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 weist.

Gemäß dieser sechsten Abwandlung der geneigten Säule wird die abwärts geneigte Strömung in einer Nähe der geneigten Säule 91 erzeugt, und die gekrümmte Form der kammförmigen Struktur 90 dient dazu, um die parallele Kühlmittelströmung 43 auf einen Teil 93 der kammförmigen Struktur 90 zu konzentrieren, der am weitesten auf der stromabwärtigen Seite angeordnet ist. Aus diesem Grund ist es möglich, die Menge an Kühl mittel, die über eine Zone 11b der oberen Oberfläche 11a in einer Nähe des Teils 93, der am weitesten auf der strom abwärtigen Seite angeordnet ist, hinwegströmt, verglichen mit jener an anderen Zonen der oberen Oberfläche 11a zu erhöhen. Deshalb ist es möglich, die spezifische Zone 11b, wie zum Beispiel einen Teil des Halbleiterelements 11, bei dem die erzeugte Wärme hoch ist, effektiver zu kühlen.

Als nächstes erfolgt eine Beschreibung von Abwandlungen der Anordnung der geneigten Säulen 37 der ersten Ausführungsform. Die Anordnung der geneigten Säulen 37 wird nachfolgend einfach als "Säulenanordnung" bezeichnet.

Fig. 15A und 15B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer ersten Abwandlung der Säulenanordnung. In Fig. 15A und 15B sind die geneigten Säulen 37 in einem Zwischenteil des Halbleiterelements 11 bezüglich der parallelen Kühlmittelströmung 43 mit einem Abstand P₁ angeordnet, und dieser Abstand P₁ ist kleiner als ein Abstand P₂ der geneigten Säulen 37, die an anderen Teilen des Halbleiterelements 11 angeord net sind.

Gemäß dieser ersten Abwandlung der Säulenanordnung ist es möglich, einen spezifischen Teil des Halbleiterelements 11 effektiv zu kühlen. Daher ist es selbst in einem Fall, bei dem das Halbleiterelement 11 durch eine Packung 101 gebildet ist, die einen Halbleiterchip 100 enthält, und die Wärme, die von dem zentralen Teil der Packung 101 erzeugt wird, groß ist, wie in Fig. 15B gezeigt, möglich, das Halbleiterelement 11 gleichförmig und effektiv zu kühlen.

Fig. 16 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Abwand lung der Säulenanordnung. In Fig. 16 sind die geneigten Säulen 37 in einem Teil 111 auf der stromabwärtigen Seite des Halbleiterelements 11 bezüglich der parallelen Kühlmittelströmung 43 mit einem Abstand P₄ angeordnet, und dieser Abstand P₄ ist kleiner als ein Ab stand P₃ der geneigten Säulen 37, die in einem Teil 110 auf der stromaufwärtigen Seite des Halb leiterelements 11 angeordnet sind.

Gemäß dieser zweiten Abwandlung der Säulenanordnung wird die Kühleffektivität des Halbleiterelements 11 an dem Teil 111 auf der stromabwärtigen Seite im Vergleich zu dem Teil 110 auf der stromaufwärtigen Seite verbessert. Anderer seits wird die parallele Kühlmittelströmung 43 erwärmt und ihre Temperatur steigt an, wenn sie über das Halbleiter element 11 hinwegströmt, und die Kühlkapazität des Kühl mittels selbst nimmt hin zu der stromabwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 allmählich ab. Aus diesem Grund heben sich die Effekte der beiden auf, so daß das gesamte Halbleiterelement 11 auf eine etwa gleichförmige Temperatur gekühlt wird.

Dieses Konzept des Kühlens kann auch auf einen Fall angewendet werden, bei dem eine Vielzahl von Halbleiter elementen längs der Richtung der Kühlmittelströmung angeord net sind. Mit anderen Worten, es ist möglich, jedes dar Halbleiterelemente auf eine etwa gleichförmige Temperatur zu kühlen, indem die geneigten Säulen bei jenen Halbleiterelementen, die sich näher an der stromabwärtigen Seite der Kühlmittelströmung befinden, mit einem engeren Abstand angeordnet werden.

Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Abwandlungen der Säulenanordnung, bei der verschiedene Arten von geneig ten Säulen auf einem einzelnen Halb leiterelement angeordnet sind.

Fig. 17 zeigt eine Säulenanordnung, bei der die Längen der geneigten Säulen hin zu der stromabwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43 länger sind. Mit anderen Worten, die Längen l₁₀, l₁₁, l₁₂ und l₁₃ der geneigten Säulen 120, 121, 122 und 123 genügen einer Beziehung l₁₀ < l₁₁ < l₁₂ < l₁₃.

Die Kühlkapazität der geneigten Säulen wird größer, so wie die Länge der geneigten Säulen länger wird. Daher kompensiert die in Fig. 17 gezeigte Säulenanordnung die Verringerung der Kühlkapazität, die durch den Temperaturanstieg der par allelen Kühlmittelströmung 43 auf dem Halbleiterelement 11 verursacht wird. Als Resultat ist es möglich, das gesamte Halbleiterelement 11 auf eine etwa gleichförmige Temperatur zu kühlen.

Fig. 18 zeigt eine Säulenanordnung, bei der die Nei gungswinkel der geneigten Säulen hin zu der stromabwärtigen Seite der parallelen Kühlmittel strömung 43 größer sind. Mit anderen Worten, die Neigungs winkel θ₁₀, θ₁₁, θ₁₂ und θ₁₃ der geneigten Säulen 125, 126, 127 und 128 genügen einer Beziehung θ₁₀ < θ₁₁ < θ₁₂ < θ₁₃. Außerdem haben die geneigten Säulen 125 bis 128 etwa dieselbe Höhe. Demzufolge ist die geneigte Säule mit dem größeren Neigungswinkel auch länger.

Die Kühlkapazität der geneigten Säule wird größer, so wie die Länge der geneigten Säule länger wird, und außerdem wird der Effekt des Mittels zum schrägen Auftreffen des Kühlmittels auch größer, so wie der Neigungswinkel der geneigten Säule größer wird. Aus diesem Grund kom pensiert die in Fig. 18 gezeigte Säulenanordnung die Ver ringerung der Kühlkapazität, die durch den Temperaturanstieg der parallelen Kühlmittelströmung 43 auf dem Halbleiter element 11 verursacht wird. Als Resultat ist es möglich, das gesamte Halbleiterelement 11 auf eine etwa gleichförmige Temperatur zu kühlen.

Da die Höhen der geneigten Säulen 125 bis 128 etwa dieselben sind, trifft ferner die parallele Kühlmittelströmung 43 auf alle geneigten Säulen 125 bis 128, und die Kühlkapazität des Kühlmittels wird effektiv genutzt.

Als nächstes erfolgt eine Beschreibung einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterelementkühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 19 und 20 zeigen diese Ausführungsform. In einer in Fig. 19 und 20 gezeigten Halbleiterelementkühlvor richtung 200 bilden geneigte Säulen, die hin zu der stromaufwärtigen Seite der Kühlmittelströ mung geneigt sind, das Mittel zum schrägen Auftreffen des Kühlmittels, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform. Diese vierte Ausführungsform erhält jedoch die Kühlmittel strömung durch ein Kühlmittel, das aus der Düse ausgestoßen wird.

In Fig. 19 und 20 ist eine Vielzahl von geneigten Säulen 201 auf der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 konzentrisch um eine Mitte des Halbleiterelements 11 herum angeordnet. Außerdem sind die geneigten Säulen 201 in einem Winkel θ hin zu der Mitte des Halbleiterelements 11 geneigt. Die Düse 21 ist über dem Halbleiterelement 11 vorgesehen, um der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 gegenüber zuliegen.

Die Hochgeschwindigkeitskühlmittelströmung 22, die von der Düse 21 mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird, trifft auf die Mitte der oberen Oberfläche 11a des Halblei terelements 11 und bildet danach die Strahlströmung 23, die sich längs der oberen Oberfläche 11a radial ausbreitet.

Diese radiale Strahlströmung 23 absorbiert die Wärme von der oberen Oberfläche 11a und den geneigten Säulen 201 und kühlt das Halbleiterelement 11.

Jede der geneigten Säulen 201 ist hin zu der stromaufwärtigen Seite der radialen Strahlströ mung 23 geneigt. Aus diesem Grund wird ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform eine abwärtige Strömung 202 erzeugt, und sie stimuliert die Kühlmittelströmung an der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11. Außerdem ist der Oberflächenbereich der geneigten Säulen 202 vergrößert. Als Resultat ist es möglich, die Kühleffek tivität bezüglich des Halbleiterelements 11 zu verbessern.

Claims

1. Halbleiterelementkühlvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, um wenigstens ein Halbleiterelement (11) zu kühlen, das auf einem Schaltungssubstrat (12) montiert ist, wobei die genannte Halbleiterelementkühlvorrichtung umfaßt:
ein erstes Mittel (32, 34, 35) zum Erzeugen einer Kühlmittelströmung (43) durch Strömen eines Kühlmittels über eine obere Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11); und
ein zweites Mittel (37, 201) zum schrägen Auftreffen des Kühlmittels auf das Halbleiterelement (11) von einer stromaufwärtigen Seite hin zu einer stromabwärtigen Seite der Kühlmittelströmung (43),
dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zweite Mittel (37, 201) umfaßt:
eine Vielzahl von geneigten Säulen (37; 201), die auf der Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11) vorgesehen sind und mit einem Neigungswinkel bezüglich einer Richtung befestigt sind, die zu der oberen Oberfläche des Halblei terbauelements rechtwinklig ist und ausschließlich gegen die Kühlmittelströmung geneigt sind; wobei die jeweilige Höhe (L2) der Säulen (37; 201) kleiner ist als die Länge (L1) der jeweiligen geneigten Kühlmittel-Aufprallfläche der Säulen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Reihe quer zur Kühlmittelströmung angeord neten Säulen (37; 201) an ihren oberen freien Endabschnit ten unter Bildung einer kammförmigen Struktur (80) verbun den sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vielzahl der Säulen jeweils einen zur Kühlmittelströmung senkrecht verlaufenden Abschnitt (75a), der der oberen Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11) benachbart ist, und einen zur Kühlmittelströmung geneigten Abschnitt (75b) aufweisen, der von der oberen Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11) abgelegen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Säulen einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der Säulen einen rechteckförmigen Quer schnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der Säulen einen im wesentlichen halb kreisförmigen Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der Säulen (66) einen mondsichelförmigen Querschnitt aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Querschnitt jeder der Säulen (70) von einem Befestigungsbereich derselben an der oberen Ober fläche des Halbleiterelements von einer im wesentlichen kreisförmigen Querschnittsgestalt allmählich in eine kan tenförmige Querschnittsgestalt am außen liegenden Ende der jeweiligen Säulen übergeht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Säulen in we nigstens einer im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Säulenreihe (90) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Säulenreihe in einer V-Gestalt ver laufend angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere quer zur Strömungsrichtung verlaufende Säulen reihen vorgesehen sind, wobei in wenigstens einer der Säu lenreihen die Zahl der Säulen verschieden ist von der Zahl der Säulen in wenigstens einer anderen Säulenreihe.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der Säulen in einer Säulenreihe gegen über den Positionen der Säulen in einer anderen Säulenreihe quer zur Strömungsrichtung versetzt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (P₄) der Säulen in wenigstens einer der Säulenreihen kleiner ist als die Teilung (P₃) der Säulen in wenigstens einer anderen Säulenreihe.

14. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der geneigten Säulenab schnitte von Säule zu Säule oder von Säulenreihe zu Säulen reihe stromabwärts zunimmt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der in Strömungsrichtung auf einanderfolgenden Säulen oder Säulenreihen stromabwärts zu nimmt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Säulenreihe kreisförmig um ein Strömungszentrum (21) herum angeordnet ist.