JP2007115917A - Thermal dissipation plate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置等の発熱密度の高い発熱体の冷却に適した熱分散プレートに関する。 The present invention relates to a heat dispersion plate suitable for cooling a heating element having a high heat generation density such as a semiconductor device.
半導体装置は高集積化、高出力化に伴って損失が増加し、発熱量が増大するので、これを効果的に冷却することが必要となる。 As semiconductor devices have higher integration and higher output, losses increase and the amount of heat generated increases, so it is necessary to cool them effectively.
半導体装置の発生損失が数Wレベルまでは半導体装置の表面からの自然放熱でもよいが、数十Wレベルでは、これまで図7に示すようにアルミニウム等の高熱伝導性材料で構成された基板51に放熱フィン52を多数取り付けて構成した放熱器50を用いるようにしていた。この放熱器50を半導体装置などの発熱体1に結合し、発熱体1の熱をこの放熱器50へ伝達し放熱フィン52から大気中への放熱することにより発熱体の熱の放熱が促進される。また、半導体装置などの発熱体の損失が数十W以上のレベルとなった場合は、この放熱器50に電動ファン60により送風することにより放熱(冷却)効果をさらに向上させるようにするのが一般的である。
Natural heat dissipation from the surface of the semiconductor device may be performed until the generated loss of the semiconductor device is several W level. However, when the loss is several tens W level, the
半導体装置の出力がさらに増大し、または実装密度が高密度化することにより、放熱器にさらに高い単位面積あたりの放熱量が要求されるが、この場合は、一般に、図8に示すように、放熱器50に設ける櫛歯状の放熱フィン52aの間隔を可能な限り小さくしたり、図9に示すように、放熱フィン52bを格子状にしたりするにより、放熱フィン52の放熱面積を増大させて放熱(冷却)効果を高め、半導体装置の温度上昇を抑制するようにしている。
As the output of the semiconductor device is further increased or the mounting density is increased, a higher heat dissipation amount per unit area is required for the heatsink. In this case, generally, as shown in FIG. By increasing the distance between the comb-
このような放熱器の放熱(冷却)性能は次の(1)式の関係にある。 The heat dissipation (cooling) performance of such a radiator is in the relationship of the following equation (1).
放熱器の温度上昇ΔT[K]=熱抵抗R[K/W]×発熱量Q[W] ・・・(1)
ここで、熱抵抗R[K/W]は、次の(2)式で示すことができる。
Temperature rise ΔT [K] = Thermal resistance R [K / W] x Calorific value Q [W] (1)
Here, the thermal resistance R [K / W] can be expressed by the following equation (2).
熱抵抗R[K/W]=1/(放熱面積A[m2]×熱伝達率h[W/m2K]×フィン効率η)
・・・(2)
半導体装置等の発熱体1の発熱量Qが大きい場合、放熱器の温度上昇を抑制するには、放熱面積Aを大きくして、熱抵抗Rを小さくすることが必要であるため、図7に示す放熱器50の幅または長さを大きくすればよいのであるが、放熱器の基板51の熱抵抗により発熱体1の取付け部近傍と基板の端部との温度差は、放熱器の幅および長さを増加させるにしたがって大きくなるので、必ずしも、放熱器50の表面積拡大に比例して放熱器の温度上昇が低減されるものではない。
Thermal resistance R [K / W] = 1 / (Heat dissipation area A [m 2 ] × Heat transfer coefficient h [W / m 2 K] × Fin efficiency η)
... (2)
When the heat generation amount Q of the
このため、発熱体1で発生した熱を放熱器基板51の全面に低温度差で分散する手段が必要であり、特許文献1には、図10に示すような熱分散型放熱器が提案されている。
For this reason, means for dispersing the heat generated in the
この図10の放熱器は、アルミニウム等の高熱伝導性の金属で形成された櫛歯状放熱フィン52を有する放熱器50の基板51内に設けた細孔内に2相凝縮性作動流体を封入して形成したヒートパイプ7を複数分散して配設し、基板51の一部に結合された半導体素子等の発熱体1から発生する熱をこのヒートパイプ7により基板51の全体に分散させて放熱フィン52に伝達するようにしたものである。これにより実効的な放熱器の放熱面積が拡大し、大気に対して低温度差での放熱が行えるようになり、放熱効果が高まる。
The radiator of FIG. 10 encloses a two-phase condensable working fluid in the pores provided in the
また、特許文献2には、図11に示すような、金属平板61の内部に細孔62を複数並べて細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路63により連通したうえで、細孔62列内に相変化により熱の輸送を行う2相凝縮性の作動流体65を適量封入して構成した平板状ヒートパイプ60が開示されている。この平板状ヒートパイプ60は、極めた細い細孔列と両端で連通させるヘッダ流路により、作動流体の軸方向での振動現象と緩やかな循環により熱を輸送するであるため、ヘッダ流路も細孔列の各細孔と同様に細い孔で構成される。この構成では、作動流体に振動現象を生じさせて熱輸送を行い、単純な細管ヒートパイプに比べて熱輸送能力が増大するため、平板61内に形成された細孔列により形成されたヒートパイプにより半導体装置等の発熱体1から発生された熱を平板61の全体に拡散することができ平板61全体の温度分布を均一化でき、温度上昇を抑制でき、比較的大きな発熱量の大きな発熱体の放熱に対応可能となる。
半導体モジュールなどの半導体装置では、主な発熱部は半導体チップであり、半導体モジュールの取り付け面積の約1/10の部分を占める。半導体モジュールの平均発熱密度が10W/cm2の場合は、半導体チップの発熱密度は約100W/cm2となり、内半導体チップの配置によっても異なるが、半導体チップと半導体モジュールの端部では、10〜20℃の温度差が生じる。このため、半導体モジュールの発熱を分散して放熱することが半導体チップのジャンクション温度を許容値内に保つ上で重要となる。 In a semiconductor device such as a semiconductor module, the main heat generating part is a semiconductor chip, which occupies about 1/10 of the mounting area of the semiconductor module. When the average heat generation density of the semiconductor module is 10 W / cm 2 , the heat generation density of the semiconductor chip is about 100 W / cm 2 , which differs depending on the arrangement of the inner semiconductor chips. A temperature difference of 20 ° C. occurs. For this reason, it is important to dissipate the heat generated by the semiconductor module in order to keep the junction temperature of the semiconductor chip within an allowable value.
高集積化と実装密度の高密度化に対応して単位面積あたりの放熱量が10W/cm2レベルを超えるような発熱体を冷却する場合には、前記のようなヒートパイプを組み込んだ放熱器の採用が検討されているが、図10に示した放熱器の基板51内にヒートパイプ7を組み込む形式の放熱器の場合は、複数のヒートパイプ7が独立して形成されているので放熱器の基板51内での熱分散方向が、ヒートパイプ7の長手方向に限られるため、実効的な放熱面積の拡大はできても複数の半導体装置などの発熱体の発熱分布のバラツキを十分に吸収することができない。これを改善するためには、特に大容量の半導体変換装置の冷却装置に適用した場合、より多数のヒートパイプを設ける必要があり、基板51への細孔の加工およびヒートパイプにかかる費用が嵩む問題がある。
When cooling a heating element whose amount of heat radiation per unit area exceeds 10 W / cm 2 level in response to high integration and high mounting density, a radiator incorporating a heat pipe as described above However, in the case of a radiator of the type in which the heat pipe 7 is incorporated in the
また、図11に示した平板状ヒートパイプ60は、図10の放熱器よりは放熱能力が高くなるが、作動流体の振動現象を利用したヒートパイプであるため、放熱能力に限界があり、100W/cm2以上の発熱のあるものに対して対応することができない。また、振動流による熱輸送は、周期的な間欠動作であるため時間的な温度変動も大きいという問題もある。
Further, the
この発明は、このような問題を解決するために、平板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱量の分布にバラツキが生じた場合、これを吸収して平板全体の熱分布をより均一化することにより低温度差で効率よく放熱を行うことのできる熱分散プレートを提供することを課題とする。 In order to solve such a problem, the present invention absorbs the variation in the calorific value distribution of the heat generating elements such as a plurality of semiconductor elements mounted on the flat plate, thereby reducing the heat distribution of the entire flat plate. It is an object of the present invention to provide a heat dispersion plate that can efficiently dissipate heat at a low temperature difference by making it more uniform.
この課題を解決するため、この発明は、高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設して細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路により連通し、細孔列内に相変化により熱を輸送する作動流体を封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の各細孔の断面積を封入された作動流体が振動流を起こさないように気化した作動流体が蒸気プラグを形成しない大きさとし、前記ヘッダ流路の断面積を前記細孔列の各細孔の断面積より大きい断面積とし、かつ前記作動流体を前記基板内形成される密閉空間にその全容積の40%以上封入したことを特徴とするものである
そしてこの発明においては、前記上下端のヘッダ流路を還流路を形成するパイプにより連結することができ、また、前記基板に放熱フィンを一体に接合するのがよい。
In order to solve this problem, the present invention forms a row of pores by dispersing a plurality of linear pores in a flat plate made of a high thermal conductivity material and arranging them in parallel. In a heat dispersion plate in which each pore in the row is communicated by a header channel at both upper and lower ends, and a working fluid that transports heat by phase change is enclosed in the pore row, the pores in the pore row are disconnected. The working fluid that is vaporized so that the working fluid encapsulated in the area does not generate an oscillating flow is sized so as not to form a vapor plug. And the working fluid is sealed in a sealed space formed in the substrate in an amount of 40% or more of its total volume. Can be connected by pipe to form In addition, it is preferable that heat radiating fins are integrally joined to the substrate.
この発明は、比較的断面積が作動流体の振動現象が生じない大きさの細孔かなる細孔列とこの細孔の断面面積より大きい断面積を有するヘッダ流路および通常よりも多量の作動流体を封入することにより、ループ型サーモサイフォン現象を発生させる構成となるので、輸送限界(安定して熱輸送の行える限界熱量)を、図10に示す細管形ヒートパイプを内蔵した放熱器の約40倍、図11に示す平板状ヒートパイプの約4倍以上に大きくすることができ、そして、平板状の基板に互いに連通された細孔列が分散して設けられることにより、基板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱量の分布にバラツキが生じた場合、これを吸収して平板全体の熱分布をより均一化し、より低温度差で効率よく放熱を行うことができる。 The present invention provides a header array having a pore array having a relatively small cross-sectional area that does not cause vibration of the working fluid, a header channel having a cross-sectional area larger than the cross-sectional area of the pore, and a larger amount of operation than usual. Since the configuration is such that a loop-type thermosiphon phenomenon is generated by enclosing the fluid, the transport limit (the limit heat amount that enables stable heat transport) is approximately the same as that of a radiator with a built-in thin tube heat pipe shown in FIG. The plate-shaped heat pipe shown in FIG. 11 can be made 40 times larger than the plate-shaped heat pipe, and can be attached to the substrate by providing the plate-shaped substrate with a row of fine pores communicating with each other. In addition, when variation occurs in the distribution of the heat generation amount of the heating elements such as a plurality of semiconductor elements, the heat distribution of the entire flat plate can be made more uniform by absorbing this, and heat can be efficiently radiated with a lower temperature difference.
以下に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する Embodiments of the present invention will be described below with reference to the embodiments shown in the drawings.
図1はこの発明の熱分散プレートの実施例1を示すものであり、(A)は、一部を切欠いて内部を示す斜視図、(B)は正面断面図である。
FIG. 1 shows
図1において、21は、高熱伝導性材により構成した平板状の基板であり、この中に複数の直線状の隔壁22により仕切って形成された複数の細孔を分散配列した細孔列23と、この細孔列23の上下端において個々の細孔を相互に連通する上部ヘッダ流路26および下部ヘッダ流路27が設けられる。細孔列23、ヘッダ流路26、27によって形成された基板内空間に、封止パイプ29から排気したのち、相変化により熱輸送を行う2相凝縮性作動流体31を注入し、封止パイプ29を封じ切り、基板内に作動流体の封入された密閉空間を形成する。
In FIG. 1,
細孔列23の個々の細孔は、封入された作動流体が細孔内で振動流現象を起こさないように断面の直径を3〜5mmとして、比較的断面積を大きくしている。そして、この細孔列23に連通されるヘッダ流路26、27は、細孔の断面積より大きい、例えば2倍以上の大きさの断面積とすることにより、基板内でループ型サーモサイフォン動作が行えるようにする。
The individual pores of the
基板内に封入する作動流体の量(液相状態での量)は、基板内空間の容積のほぼ半分の40〜60%程度の量にする。作動流体としては、使用温度範囲(約−10〜100℃)において沸騰・凝縮の相変化が可能な流体、すなわち水、アルコール、フルオロカーボン系冷媒などを使用する。ヘッダ流路26、27は、細孔列23の上下2箇所に配置し、複数の細孔を連通するもので、平板内でループ型サーモサイフォン動作が行えるように、細孔の断面積に比して大きな断面積を有することが必要となる。また、作動流体の封入率は、作動流体の液相での量が基板21内の密閉空間の容積の約40%以上必要とする。作動流体の量がこれより少なくなるとループ型の作動流体循環動作が発生せず熱輸送能力が極めて低くなり、そして80%以上になると蒸気空間が過小になり沸騰不良および凝縮不良が生じる。
The amount of working fluid sealed in the substrate (the amount in the liquid phase state) is about 40 to 60%, which is almost half the volume of the space in the substrate. As the working fluid, a fluid capable of boiling / condensing phase change in the operating temperature range (about −10 to 100 ° C.), that is, water, alcohol, fluorocarbon refrigerant, or the like is used. The
このように構成された熱分散プレート20の動作を、図2を参照して説明する。
The operation of the
図2に示すとおり、熱分散プレート20は、細孔列23を形成する各細孔23の長手方向が垂直になるように配置され、このプレートの主面の一方の下方に冷却の必要な半導体装置などの発熱体1を取り付ける。基板21の内部空間の下部に液相状態の作動流体31が溜まっている。発熱体1が作動して発熱し、基板21が加熱されると、基板21内の液相状の作動流体31がその熱によって相変化(沸騰)し、蒸気泡34を発生する。この作動流体が気化する過程で発熱体から気化潜熱を吸収し、冷却する。この蒸気泡34は液相より密度が小さいため、浮力によって矢印で示すように細孔内を上方へ移動する。これが連続発生して蒸気流35となって基板21の上方へ移動する。発熱体1の設けられていない基板21の上部は、発熱体1の設けられた基板21の加熱部となる下部より温度が低いため放熱部となって、作動流体の蒸気を凝縮して液化し、気化潜熱を放出する。このようにして加熱部より放熱部へ熱輸送が行われる。凝縮した作動流体は、蒸気流35に同伴して移動し、気液2相流となって、上部ヘッダ流路26を経て、主として左右両外側の還流路25を形成する細孔23sを通って基板21の下部の加熱部へ還流し、下部ヘッダ流路27に液溜まりを形成して、定常的な沸騰・凝縮サイクルを形成する。
As shown in FIG. 2, the
ループ型サーモサイフォンの作動流体循環動作を行わせるために必要なヘッダ流路26、27の断面積は、(1)式の関係が成立するように決められる。
The cross-sectional areas of the
ΔHmax > ΔPh/(ρl × g) (1)
ただし、この(1)式において
ΔHmax:許容される平板(基板)の加熱部と放熱部の液面高さの差(m)
ΔPh :循環流の圧力損失(Pa)
ρl :作動流体の液密度(kg/m3)
g :重力加速度(m/s2)
である。
ΔHmax> ΔPh / (ρ l × g) (1)
However, in this equation (1)
ΔHmax: Allowable difference in liquid level between the heating part of the flat plate (substrate) and the heat dissipation part (m)
ΔPh: Pressure loss of circulating flow (Pa)
ρ l : density of working fluid (kg / m 3 )
g: Gravity acceleration (m / s 2 )
It is.
また、ΔPhは、次の2式の関係にある。 ΔPh is in the relationship of the following two formulas.
ΔPh = λ × l/d ×(u2/(2×v)) (2)
ただし、この2式において
λ:気液2相流の摩擦損失
l:流路の長さ(m)
d:流路の相当直径(m)
u:気液2相流の流速(m/s)、
v:気液2相流の比容積 、
である。
ΔPh = λ × 1 / d × (u 2 / (2 × v)) (2)
However, in these two formulas
λ: Friction loss of gas-liquid two-phase flow
l: Length of flow path (m)
d: Equivalent diameter of channel (m)
u: Flow velocity of gas-liquid two-phase flow (m / s),
v: specific volume of gas-liquid two-phase flow,
It is.
前記の気液2相流の流速uは、
u=V/A (3)
として求められ、Vは気液2相流の流量、Aは流路の断面積である。
The flow velocity u of the gas-liquid two-phase flow is
u = V / A (3)
V is the flow rate of the gas-liquid two-phase flow, and A is the cross-sectional area of the flow path.
循環流の圧力損失ΔPは(2)式に示すように、気液2相流の流速の増加、すなわち熱輸送量の増加とともに増加する。一方、気液2相流の流速は、(3)式の関係より、流路断面積に反比例する。 As shown in the equation (2), the pressure loss ΔP of the circulating flow increases as the flow velocity of the gas-liquid two-phase flow increases, that is, the heat transport amount increases. On the other hand, the flow velocity of the gas-liquid two-phase flow is inversely proportional to the flow path cross-sectional area from the relationship of equation (3).
この発明においては、ヘッダ流路の断面積を、細孔列23の各細孔の断面積より大きく形成することにより、前記(1)式における循環流の圧力損失ΔPを小さくしているで、加熱部と放熱部の液面高さの差の小さいものにおいても良好な作動流体循環現象を維持でき、また、熱分散プレートの大きさが同じであれば、熱輸送限界量を大きくすることができる。
In the present invention, the pressure loss ΔP of the circulating flow in the equation (1) is reduced by forming the cross-sectional area of the header channel larger than the cross-sectional area of each pore of the
図3は、この実施例1の熱分散プレートを多穴平板により製作した変形例を示すものである。この図の(b)に示すように、3枚の押し出しまたは引き抜き加工により製造された複数の貫通孔を有する多穴平板21A,21B、21Cを並列に並べて一体に結合して、1枚の細孔列23を有する基板21を形成する(図3(a)参照)。
FIG. 3 shows a modification in which the heat dispersion plate of the first embodiment is manufactured by a multi-hole flat plate. As shown in (b) of this figure, the multi-hole
この基板21の上下端に断面コ字形に形成された端板を26A、27Aを気密に結合して、細孔列23を相互に連通する上・下ヘッダ流路26、27を形成する。
これにより基板21内に細孔列23およびヘッダ流路26、27からなる密閉空間が形成される。封止パイプ29から、この密閉空間内の空気を排気した上で、作動流体を所要量注入し、封止パイプを29を封じきることによって、ループ型サーモサイフォン式熱分散プレートが完成する。
As a result, a sealed space including the
このように多穴平板を用いると、基板内に細孔列を作るための加工が必要なくなるので、基板の製作が極めて容易になるので、製作コストを低減できる効果がある。 When a multi-hole flat plate is used in this way, processing for creating a pore array in the substrate is not necessary, and therefore the substrate can be manufactured very easily, and the manufacturing cost can be reduced.
図4に、この発明による熱分散プレート2を半導体装置の冷却装置に適用した例を示す。
FIG. 4 shows an example in which the
この図4において、1は半導体装置であり、この発明による熱分散プレート2にねじ等により伝熱的に取り付けられる。熱分散プレート2は、放熱フィン11付きの冷却体10に伝熱的に結合される。
In FIG. 4,
半導体装置1の取り付けられた部分に局部的に発生された熱は、熱分散プレート2により熱分散プレート全体に分散されて冷却体10に伝達されるため、半導体装置1から冷却体10に伝達される熱が全体に平均化されることにより、冷却体の温度分布も平均化する。これにより、冷却体10全体の温度上昇が低下し、外気に対して低温度差で効率よく放熱することができる。
The heat generated locally in the portion where the
次に、この発明の実施例2を図5に示すので、これについて説明する。
Next,
この図5に示す実施例2は、基本的には前記実施例1と同じであるので、同一の構成要素は同一の符号を付している。実施例1と異なる点は、基板21内に複数の細孔を分散して並列に配列してなる細孔列23とこの細孔列の上下端において各細孔を連通する上・下ヘッダ流路26、27を設けて構成した熱分散プレート20の外側に、上、下のヘッダ流路26と27を連通する還流パイプ25aを設けた点である。
Since the second embodiment shown in FIG. 5 is basically the same as the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals. The difference from the first embodiment is that a plurality of pores are dispersed in the
還流パイプ25aは、上下のヘッダ流路26、27に連通されているため、基板21内の細孔列23と同様に作動流体が貯留される。そして、熱分散プレート20に半導体装置等の発熱体を取り付けて作動させた場合、実施例1の場合と同様に作動流体が加熱されて気液相変換作用により熱分散プレート内を循環し、熱輸送を行う。
Since the
このとき、この実施例2においては還流パイプ25aが熱分散プレート20から離してヘッダ部に結合されることにより、熱分散プレート20からの熱の影響を受けにくくなるため、熱分散プレート20より低い温度となり、内部の圧力が細孔列内に比して低くなる。このため、作動流体は、発熱体により加熱されて気化することによって熱分散プレート20の上部ヘッダ流路26へ上昇し、自然と還流パイプ25aへ流れこみ、ここを還流路として下部ヘッダ流路27へ戻り、再び加熱により上部ヘッダ部へと上昇し、循環動作する。これにより、作動流体の循環経路の還流路が明確に区画され、熱分散プレート内を循環する作動流体の循環動作が安定するとともに、熱分散プレート内の細孔列の両外側の細孔部分も冷却に使用することができるので、熱分散プレートの有効面積を広くすることが可能となる。
At this time, in the second embodiment, since the
実施例1においては、半導体装置などの発熱体1を取付けた熱分散プレート2をフィン付きの冷却体10に取り付けるようにしているが、この発明においては、冷却体10を省略するため、図6に示すように、熱分散プレート2の基板21に一体的にフィン24を取り付けるようにすることもできる。
In the first embodiment, the
このようにすると、熱分散プレート2に分散された熱が、放熱フィン24から直ちに放熱されるので、冷却体10を使用する場合より効率よく放熱でき、冷却効果が高まる。
If it does in this way, since the heat disperse | distributed to the heat-spreading
1:発熱体
2:熱分散プレート 21:基板
23:細孔 25:還流路
26:上部ヘッダ流路 27:下部ヘッダ流路
1: Heating element 2: Heat distribution plate 21: Substrate 23: Fine pore 25: Return path 26: Upper header flow path 27: Lower header flow path
Claims (3)
The heat distribution plate according to claim 1 or 2, wherein a heat radiation fin is joined to the substrate.
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