非矩形熱電微型組件和使用它的晶片用冷卻裝置的製作方法
2023-09-16 11:02:25
專利名稱：非矩形熱電微型組件和使用它的晶片用冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體晶片冷卻用非矩形熱電微型組件和使用這種組件形成的冷卻裝置。
現有技術用於冷卻半導體晶片的冷卻裝置，一般如
圖12、圖13所示，在用於冷卻晶片W的圓板形冷卻板1、和用於向外部散熱的散熱塊2間配置多個熱電微型組件3，並將它們以多個小螺釘4固定為一體來形成。在上述冷卻板1的上面有支承晶片W的多個升頂銷5貫通上述散熱塊2與冷卻板1可上下自由動地突出出來。圖中6是製冷劑流路。
在現有這種冷卻裝置中，如圖13所示，上述熱電微型組件3做成正方形或長方形，將該矩形熱電微型組件3配置於冷卻板1的圓形面內。因此，難以將上述熱電微型組件3無間隙的緊密配置，存在許多閉置區，在有、無熱電微型組件存在的場所之間不免產生溫度梯度，故有著難以均勻冷卻晶片、使得冷卻效率惡化的缺點。而且，在上述小螺釘4的緊固位置與升頂銷5的設置位置，為了避開它們不能設置熱電微型組件3，從而不設置熱電微型組件的部分變得更多。而且，上述之溫度梯度，隨著為了減輕重量、降低熱容量等將上述冷卻板的變薄，而表現為更加顯著。
另外，上述冷卻板1，為了降低熱容量和縮短冷卻時間而希望使其變薄，隨著其變薄，當以小螺釘4緊固時、在該位置容易變形，還有著平面度降低的問題。
再者，在組合上述冷卻板1與熱電微型組件3的情況下，由於不能在冷卻板1的規定位置正確配置各熱電微型組件3而產生不均勻的溫度分布，為將熱電微型組件固定於上述冷卻板上要設置凹部，或以襯墊固定熱電微型組件的位置。但在即使採取這些措施的情況下，由於上述凹部周邊或襯墊上裝上熱電微型組件而往往產生組裝不良現象，因此，希望在正確配置熱電微型組件的同時，還要防止組裝不良發生。
發明目的本發明的目的在於提供可緊密設置於冷卻裝置的圓板形冷卻板的圓形面內的、可望有效提高冷卻能力並降低溫度分布不均的熱電微型組件。
本發明的另一目的在於提供通過用上述熱電微型組件提高冷卻能力並降低溫度分布不均的冷卻裝置。
技術方案為實現上述目的，本發明所提供的熱電微型組件，其特徵在於，該組件由在相對的一對傳熱板間配設多個珀爾貼元件形成；上述傳熱板具有呈圓弧狀或直線狀的外周側輪廓部與內周側輪廓部、以及將這些外周側輪廓部與內周側輪廓部相互連接的左右側緣側輪廓部，上述外周側輪廓部形成得比內周側輪廓部要長；另外，上述左右側緣側輪廓部在其至少一部分上含有向著上述內周側輪廓部側相互間的間距變窄地傾斜的相互不平行的第一直線部。
上述熱電微型組件的傳熱板的左右側緣側輪廓部可以全部由上述第一直線部形成；也可以以上述第一直線部形成靠近內周側輪廓部的部分，以相互平行的第二直線部形成靠近外周側輪廓部的部分。
上述多個珀爾貼元件也可以從上述傳熱板的內周側輪廓部向外周側輪廓部在配置密度上具有梯度的進行設置。
另外，可在上述熱電微型組件上設置貫通上述一對傳熱板的貫通孔。
還有，本發明所提供的晶片用冷卻裝置，其特徵在於，以相鄰熱電微型組件的上述第一直線部相互平行並相互靠近的狀態同心圓狀將具有上述構成的多個熱電微型組件設置於冷卻晶片用的圓板形冷卻板、和用於向外部散熱的散熱塊間。
在上述冷卻裝置中，位於內側圓周上的熱電微型組件與位於外側圓周上的熱電微型組件也可以有相互不同的形狀與尺寸。
上述冷卻板、熱電微型組件與散熱塊，在至少一部分熱電微型組件設置位置，最好以貫通這些熱電微型組件的螺釘相互固定起來。
在本發明中，最好是，通過以導線將配置成圓環狀的熱電微型組件的相鄰件彼此依次連接起來，用上述導線將這些熱電微型組件保持為必要的設置圖案。
附圖簡要說明圖1是表示本發明熱電微型組件第一實施例的俯視圖；圖2是圖1的II-II剖視圖；圖3是表示圖1熱電微型組件中的珀爾貼元件排列例的俯視圖；圖4是表示本發明熱電微型組件第二實施例的珀爾貼元件排列例的俯視圖；圖5是表示本發明熱電微型組件第三實施例的珀爾貼元件排列例的俯視圖；圖6是表示本發明熱電微型組件第四實施例的珀爾貼元件排列例的俯視圖；圖7是表示本發明冷卻裝置的第一實施例的概略剖面圖，是在圖8的VII-VII線位置的剖面；圖8是表示上述第一實施例的熱電微型組件排列例的俯視圖；圖9是表示第二實施例冷卻裝置的熱電微型組件排列例的俯視圖；圖10是表示第三實施例冷卻裝置的熱電微型組件排列例的俯視圖；圖11是表示第四實施例冷卻裝置的熱電微型組件排列例的俯視圖；圖12是現有冷卻裝置概略剖面圖，在圖13XII-XII位置取剖面；圖13是表示圖12冷卻裝置的熱電微型組件排列狀態的俯視圖；實施例圖1-圖3表示本發明的非矩形熱電微型組件第一實施例。該熱電微型組件10A是以需要的圖案緊密而且實際上是以均勻的密度將多個珀爾貼元件12配設於上下一對傳熱板11、11間。上述傳熱板11由傳熱性良好的陶瓷構成，它具有圓弧狀的外周側輪廓部11a和內周側輪廓部11b、以及相互連接這些外周側輪廓部11a和內周側輪廓部11b的左右側緣側輪廓部11c、11d。上述外周側輪廓部11a比內周側輪廓部11b長；同時上述左右側緣側輪廓部11c、11d是由相互非平行的第一直線部14、14形成。這些第一直線部14、14從上述外周側輪廓部11a側向內周側輪廓部11b側逐漸變窄地傾斜，而且左右對稱。
在上述熱電微型組件10A的中間位置貫通上下傳熱板11、11地形成貫通孔16。該貫通孔16，在圖7所示的冷卻裝置中，在將冷卻板21、電熱微型組件22A-22B、和散熱塊23以小螺釘24固定到一起的情況下，作為用於穿插該小螺釘24的安裝用孔使用。或者，使該貫通孔的孔徑做得比作為安裝孔使用情況下要大一些，也可用為支承晶片W的升頂銷25的穿過用孔。
圖4是省去了上方傳熱板來表示的熱電微型組件的第二實施例。該熱電微型組件10B與前述第一實施例的熱電微型組件10A的不同點在於傳熱板11的外周側輪廓部11a和內周側輪廓部11b分別為直線狀，多個珀爾貼元件12在密度上帶有梯度地被設置，以及不設貫通孔16。即，上述熱電微型元件10B由於在梯形的一對傳熱板11、11間將多個珀爾貼元件12按從內周側輪廓部11b向外周側輪廓部11a去左右相鄰的珀爾貼元件12、12間的間隔漸漸擴寬、其設置密度依次變小的方式設置。其他構成實際上與第一實施例相同。
但在上述第二實施例的熱電微型元件10B中，也可將上述珀爾貼元件12按從內周側輪廓部11b向外周側輪廓部11a去依次使設置密度變密地進行配置。也可設置上述那樣的貫通孔16。
圖5省略上方傳熱板地表示的熱電微型組件的第三實施例。該熱電微型組件10C，與上述第二實施例的熱電微型組件10B一樣，珀爾貼元件12的設置密度帶有梯度，其與第二實施例不同點在於，珀爾貼元件12的設置圖案有些不同，傳熱板11的外周側輪廓部11a與內周側輪廓部11b分別成圓弧狀。即，在傳熱板11的內周側半部將上述珀爾貼元件12配設得密，而在傳熱板11外周側半部配設得稀。上述傳熱板11的內周側輪廓部11b也可以是直線。其他構成實際上與第二實施例相同。
圖6是省去上方傳熱板地表示的熱電微型組件第四實施例。該熱電微型組件10D與上述第一實施例的熱電微型組件10A的不同點在於，傳熱板11的左右側緣側輪廓部11c、11d不是僅由相互不平行的上述第一直線部14形成，是由位於靠內周側輪廓部11b半部的上述第一直線部14、和位於靠外周側輪廓部11a半部的相互平行的第二直線部15形成；該傳熱板11沒有貫通孔16。其他構成實際上與第一實施例相同。
但是在上述第四實施例的熱電微型組件10D中，在左右側緣側輪廓部11c、11d的上述第二直線部15也可是不平行的。這種情況下，該第二直線部15，向與上述第一直線部14同方向傾斜，但其傾斜程度要比第一直線部14平緩一些。另外，上述內周側輪廓部11b與外周側輪廓部11a中的至少一方也可成直線狀。或者，也可將上述珀爾貼元件12按從內周側輪廓部11b向外周側輪廓部11a依次改變密度地設置；另外也可設上述貫通孔16。
上述各實施例的熱電微型組件10A-10D，可以以上述各構成形式，根據用途改變內周側輪廓部11b與外周側輪廓部11a的尺寸、改變側緣側輪廓部11c、11d的長度而構成具有各種外形與尺寸的組件。
圖7與圖8概略表示了使用上述非矩形熱電微型組件而形成的晶片用冷卻裝置的第一實施例。該冷卻裝置20是在用於冷卻晶片W的圓板形冷卻板21與用於向外部散熱的散熱塊23之間同心圓狀地配置多個不同形狀的熱電微型組件22A-22C、同時在中心部配置圓形熱電微型組件22D。圖中26是設於上述散熱塊23內部的製冷劑用流路。而且該散熱導體23，只要是能向外部散出從上述熱電微型組件22A-22D來的熱量，可以是由一塊板構成，也可以由多塊板或類似的構件構成。
在上述冷卻裝置20中，位於外側圓環27上的上述熱電微型組件22A、和位於內側圓環28上的上述熱電微型組件22B、22C，其橫寬和長度等可各不相同，但它們基本上具有圖3或圖5所示的構成。即，這些熱電微型組件22A-22C，其上下傳熱板11具有成圓弧狀的外周側輪廓部11a和內周側輪廓部11b、由相互不平行的第一直線部14構成左右側緣側輪廓部11c、11d。在使內周側輪廓部11b向著冷卻板21的中心側並使外周側輪廓部11a向著冷卻板21的外周側狀態下，使相鄰接的熱電微型組件22A-22C的上述第一直線部14相互平行且相互接近地將多個熱電微型組件22A-22C配置成圓環狀。通過將位於內側圓環28上的上述熱電微型組件22B、22C配置於位於外側圓環27上的上述熱電微型組件22A、22A相鄰配置，使其間的間隙內外不會連成一直線狀。
另外，位於內外圓環27、28上的上述熱電微型組件22A-22C，通過將相鄰的彼此在靠外周端的位置以短導線依次連接起來，以導線29結合成在整體上保持圓環狀的位置關係。而且在內側圓環28上包含有長度不同的2種熱電微型組件22B、22C。
另一方面，位於中央位置的熱電微型組件22D則是將多個珀爾貼元件安裝於圓板形的上下傳熱板間。
上述各熱電微型組件22A-22C分別具有貫通孔16，通過至少在一部分熱電微型組件的貫通孔16中，從散熱塊23一側插入小螺釘24並擰入冷卻板的螺紋孔21a，使得這些冷卻板21、各熱電微型組件22A-22C與散熱塊23結合為一體。這時，在各熱電微型組件22A-22C的各傳熱板11與冷卻板21以及散熱塊23間夾著高傳熱性的矽油等，以提高其密貼性。
另外，在位於內側圓環上的熱電微型組件22B、22C中的長度較短的熱電微型組件22C的內周端與中央的熱電微型組件22D間的空隙內以等中心角呈放射狀設有貫通冷卻板21和散熱塊23的多個孔25a，在這些孔25a內可自由上下動地插入升頂銷25。
這樣一來在上述冷卻裝置20中，由於把熱電微型組件22A-22C做成特殊的非矩形，可以在冷卻板21的圓形平面內無間隙地緊密設置這些熱電微型組件。由此，在晶片W冷卻時，不會在上述冷卻板21上產生溫度梯度，可均勻而高效地冷卻整個該晶片W。
另外，在以小螺釘24結合起上述冷卻板21、熱電微型組件22A-22C和散熱塊23的情況下，由於在該熱電微型組件位置以小螺釘止動，該熱電微型組件可以起到墊片那樣的作用而可防止冷卻板21的變形，由於這樣即使該冷卻板21薄些，也可確定維持其平面度。而且，由於也是在上述小螺釘24的設置位置設置熱電微型組件，就不會發生像現有產品那樣這些設置部分變成閒置區而產生溫度梯度的問題。
上述各熱電微型組件22A-22C，可根據條件分別使用珀爾貼元件12均勻配設，或在內周側與外周側保持密度差進行配設。比如在晶片冷卻時的冷卻板21的溫度比外氣溫度高、容易從該冷卻板21的外周面向外氣產生散熱的情況下，在外側圓環27上，如使用圖5所示的那樣的將珀爾貼元件12從內周側輪廓部11b向外周側輪廓部11a密度逐漸變稀那樣地配設的熱電微型組件的話，可有效消除上述冷卻板21外周側與其內周側間的溫度梯度。
另外，在上述冷卻板21下面可以設置各熱電微型組件嵌合定位用凹部，但圓環狀緊密排列的各熱電微型組件，由於以上述導線29依次連結起來、保持整體上的圓環狀的位置關係，所以而未必設置這樣的凹部。尚且在圖示例中，是在每個圓環以導線29將上述熱電微型組件結合為一體；但也可以是將圓環分割成多個區域，在每個區域以導線將熱電微型組件結合起來，或者也可以將所有熱電微型組件以導線29結合為一體。
圖9示出了第二實施例冷卻裝置30的熱電微型組件排列例。在該第二實施例中，位於外側圓環27上的熱電微型組件32A，與圖4所示的熱電微型組件10B具有基本相同的構造。即，該熱電微型組件32A其上不傳熱板具有直線狀的外周側輪廓部11a與內周側輪廓部11b、以及由互相不平行的第一直線部14形成的左右側緣側輪廓部11c、11d。另外，在上下傳熱板11上設有貫通孔16，在這些貫通孔16的至少一部分中插入結合用小螺釘。
另一方面，位於內側圓環28上的熱電微型組件32B、32C則具有基本上與圖6所示的熱電微型組件10D相類似的構成。即，這些熱電微型組件32B、32C，其上下傳熱板11的外周側輪廓部11a與內周側輪廓部11b形成為圓弧狀；同時其左右側緣側輪廓部11c、11d由位於靠內周側輪廓部11b的半部的上述第一直線部14、和位於靠外周側輪廓部11a半部的相互平行的第二直線部15形成。且上述相鄰的熱電微型組件的第一直線部14、14相互平行而接近地配設成圓環形。
這種位於內側圓環28上的熱電微型組件32B、32C上不形成貫通孔16，從而不會在該熱電微型組件位置安裝結合用小螺釘；而是通過相鄰的熱電微型組件第二直線部15、15間的間隙設有小螺釘擰入冷卻板21的孔21a。
在上述冷卻板21的中央部設置了將圓四等分的扇形熱電微型組件32D。
上述第二實施例其他構成實際上與第一實施例相同。
圖10示出了第三實施例冷卻裝置40的熱電微型組件的排列例。在該第三實施例中，位於外側圓環27上的熱電微型組件42A具有基本上與圖3或圖5所示的熱電微型組件10A、10C相同的構成。即，該熱電微型組件42A，其上下傳熱板11具有圓弧狀的外周側輪廓部11a和內周側輪廓部11b，以及由相互不平行的第一直線部14構成的左右側緣側輪廓部11c、11d。但在該側緣側輪廓部11c、11d靠外周端位置，形成了容易進行導線2a的連接的缺口31，這一點是與上述熱電微型組件10A、10C不同的。另外，在上下傳熱板11上設貫通孔16，在這些貫通孔16的至少一部分中插入結合用小螺釘。
另一方面，位於內側圓環28上的熱電微型組件42B、42C具有與上述第二實施例情況下相同的構成。
在上述冷卻板21的中央部設置了圓形熱電微型組件42D。
圖11示出了第四實施例冷卻裝置50的熱電微型組件的排列例。在該第四實施例中，位於外側圓環27上的熱電微型組件52A，與上述第三實施例的位於外側圓環27上的熱電微型組件42A實際相同。
另一方面，位於內側圓環28上的兩種熱電微型組件52B、52C，其基本構成與圖6所示的熱電微型組件10D相同，形成為相互以不同的尺寸，並交替配置。即，大型熱電微型組件52B，其傳熱板11的外周側輪廓部11a與內周側輪廓部11b形成為圓弧狀，左右側緣側輪廓部11c、11d由位於靠內周側輪廓部11b半部的相互不平行的第一直線部14、和位於靠外周側輪廓部11a半部的相互不平行的第二直線部15a形成。另外，在上述傳熱板11上設貫通孔16，在該貫通孔16插入結合用小螺釘。相對於此，小型熱電微型組件52C，其傳熱板11的外周側輪廓部11a與內周側輪廓部11b形成為圓弧狀，左右側緣側輪廓部11c、11d由位於靠內周側輪廓部11b的半部的相互不平行的第一直線部14、和位於靠外周側輪廓部11a半部的相互平行之第二直線部15形成。
在上述冷卻板21中央部設置圓形熱電微型組件52D。
權利要求
1.一種非矩形熱電微型組件，其特徵在於，它由在相對的一對傳熱板間配置多個珀爾貼元件來形成；上述傳熱板具有圓弧狀或直線狀的外周側輪廓部與內周側輪廓部、和將這些外周側輪廓部與內周側輪廓部相互連結起來的左右的側緣側輪廓部；上述外周側輪廓部形成得比內周側輪廓部長，同時上述左右的側緣側輪廓部之至少一部分上含有向上述內周側輪廓部側相互間的間距變窄地傾斜的相互不平行的第一直線部。
2.如權利要求1所記述的熱電微型組件，其特徵在於，上述傳熱板的左右側緣側輪廓部其整體由上述第一直線部形成。
3.如權利要求1所記述的熱電微型組件，其特徵在於，上述傳熱板的左右側緣側輪廓部由靠近內周側輪廓部的上述第一直線部、和靠近外周側輪廓部的相互平行或不平行的第二直線部形成。
4.如權利要求1所記述的熱電微型組件，其特徵在於，上述多個珀爾貼元件從上述傳熱板的內周側輪廓部向外周側輪廓部在配設密度上有梯度的進行設置。
5.如權利要求1所記述的熱電微型組件，其特徵在於，該熱電微型組件具有貫通上述一對傳熱板的貫通孔。
6.一種晶片用冷卻裝置，其特徵在於，在使相鄰接的熱電微型組件的上述第一直線部相互平行且接近狀態下以同心圓狀將權利要求1所記述的多個非矩形熱電微型組件設置於冷卻晶片用圓板形冷卻板與向外部散熱用的散熱塊之間。
7.如權利要求6所記述的冷卻裝置，其特徵在於，位於內側圓周上的熱電微型組件與位於外側圓上的熱電微型組件具有相互不同的形狀與尺寸。
8.如權利要求6所記述的冷卻裝置，其特徵在於，在至少一部分的熱電微型組件設置位置上由貫通該熱電微型組件的螺釘將上述冷卻板、熱電微型組件及散熱塊相互固定。
9.如權利要求6所記述的冷卻裝置，其特徵在於，在位於外側圓環上的熱電微型組件相互相鄰的位置配置內側圓環上的熱電微型組件。
10.如權利要求6所記述的冷卻裝置，其特徵在於，通過以導線將配置於圓環上的熱電微型組件相鄰組件彼此依次連接起來，而以上述導線將這些熱電微型組件保持為必要的設置圖案。
全文摘要
通過在一對傳熱板間配設多個珀爾貼元件而形成熱電微型組件;上述傳熱板具有圓弧狀或直線狀的外周側輪廓部與內周側輪廓部、以及將這些外周側輪廓部與內周側輪廓部連結起來的左右側緣側輪廓部,上述外周側輪廓部形成得比內周側輪廓部長;在上述左右側緣側輪廓部至少一部分上含有向著上述內周側輪廓部側相互之間的間距變窄地傾斜的相互不平行的第一直線部。
文檔編號F25B21/02GK1359161SQ0114383
公開日2002年7月17日 申請日期2001年12月14日 優先權日2000年12月15日
發明者財賀正生 申請人:速睦喜股份有限公司