JP2007115940A - Thermal dissipation plate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体素子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 element.
半導体素子は高集積化、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。
半導体素子の発生損失が数Wレベルまでは半導体素子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9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を半導体素子などの発熱体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、半導体素子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効率をさらに向上させるようにするのが一般的である。
As semiconductor elements are highly integrated and have higher outputs, losses increase and the amount of heat generated increases, so it is necessary to cool them effectively.
Natural heat dissipation from the surface of the semiconductor element may be performed until the generated loss of the semiconductor element is several W level, but if it is several tens W level, the
半導体素子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10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11に示すように、放熱フィン52bを格子状にしたりすることにより、放熱フィン52の放熱面積を増加させて放熱効率を高め、半導体素子の温度上昇を抑制するようにしている。
As the output of the semiconductor element further increases or the mounting density is increased, a higher heat dissipation amount per unit area is required for the radiator, but in this case, generally, as shown in FIG. By reducing the interval between the comb-shaped
このような放熱器の放熱性能は次の(1)式の関係にある。 The heat dissipation 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)
半導体素子等の発熱体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9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ため、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12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12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内にそれぞれ密封された細管により独立して形成されたヒートパイプ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、放熱効率が高まる。
The radiator shown in FIG. 12 is a heat pipe independently formed by a thin tube sealed in a
また、特許文献2には、図13に示すような、金属平板61内部に細孔62の列を形成し、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、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素子等の発熱体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る。
半導体素子などの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12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素子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 heat dissipation amount per unit area exceeds 10 W / cm 2 level corresponding to higher integration of semiconductor elements and higher mounting density, a heat pipe as described above is used. Although adoption of the built-in heat radiator is considered, in the case of the heat radiator of the type which incorporates the
また、図13に示した平板状ヒートパイプ60は、平板列内の細孔列の個々の細孔が上下端においてヘッダ流路で連通されているだけであるので、複数の半導体素子を取付けたとき、各素子間で発熱量に不平衡が生じても各細孔間での作動流体の移動がほとんど行われないため、平板状ヒートパイプにおける熱の分布に偏りが生じ、この場合も、発熱分布のバラツキを吸収する作用が十分でない問題がある。
Further, the flat plate-
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をヘッダ流路により連通し、細孔列内に2相凝縮性作動流体を気密的に封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の作動流体の還流路となる細孔を除いたすべての細孔を相互に連通させる連通孔を1本または複数本設けたことを特徴とする。 In order to solve this problem, the present invention disperses a plurality of linear pores in a flat substrate made of a high thermal conductivity material and arranges them in parallel to form a pore array. In the heat dispersion plate in which the pores of the row are connected to each other by the header flow path at the upper and lower ends, and the two-phase condensable working fluid is hermetically sealed in the pore row, the working fluid in the pore row is circulated. One or a plurality of communicating holes for communicating all the pores excluding the pores serving as the passages are provided.
前記連通孔は、基板の加熱部分と放熱部分の少なくとも一方に設けることができる。 The communication hole can be provided in at least one of the heating portion and the heat dissipation portion of the substrate.
そして、前記基板は、多穴板で構成することが最適である。 The substrate is optimally composed of a multi-hole plate.
この発明によれば、平板状の基板内に設けられたヒートパイプを構成する複数の細孔が全て両端においてヘッダ流路によって連通されるだけでなく、細孔列の作動流体の還流路となる細孔を除いたすべての細孔が発熱部分または冷却部ないしは両部付近において連通孔により連通されているので、液相の作動流体および発熱体によって加熱されて気相となった作動流体が発熱体の取付け位置に係わらず、各細孔を流れる作動流体が相互に流通し混じり合い、温度が均一化されるようになる。このため発熱体の熱が基板全体に均一に伝達拡散されるようになるとともに、発熱体に発熱分布のバラツキがあってもこれを吸収し、均一に冷却することができる効果を得られる。 According to the present invention, the plurality of pores constituting the heat pipe provided in the flat substrate are not only communicated by the header channel at both ends, but also serve as a reflux path for the working fluid in the pore row. Since all the pores except for the pores are connected by the communicating holes in the heat generating part or the cooling part or in the vicinity of both parts, the liquid working fluid and the working fluid heated to the gas phase by the heating element generate heat. Regardless of the attachment position of the body, the working fluids flowing through the respective pores circulate and mix with each other, and the temperature becomes uniform. For this reason, the heat of the heating element is uniformly transmitted and diffused over the entire substrate, and even if there is variation in the heat generation distribution in the heating element, it can be absorbed and cooled uniformly.
また作動流体の還流路となる細孔は、他の細孔とは連通されず独立しているため、還流路の圧力が他の細孔の圧力より低くなるので、作動流体の上部ヘッダ流路から下部ヘッダ流路への還流が主としてのこの還流路を通して行われるようになり、作動流体の循環が円滑に行われるようになり、熱の輸送効率を高めることができるとともに、熱輸送量の限界値を大きくでき、発熱体の冷却を安全に行うことができる効果も得られる。 In addition, since the pores serving as the return path for the working fluid are independent of the other pores without being communicated with each other, the pressure of the return path is lower than the pressure of the other pores. Since the return to the lower header flow path is mainly performed through this return path, the working fluid can be circulated smoothly, the heat transfer efficiency can be improved, and the heat transfer limit is limited. The value can be increased, and the effect that the heating element can be cooled safely is also obtained.
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により仕切られた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、2相凝縮性作動流体31を注入し、封止パイプ29を封じ切ることによってサーモサイフォン形ヒートパイプを形成する。
In FIG. 1, reference numeral 21 denotes a plate-like substrate made of a high thermal conductivity material, and a
基板21内の液相状の作動流体の溜まった下部において細孔列23の両外側の23sを除いた残りの細孔23cのすべてを相互に連通するために、所要数の水平方向に延びた連通孔28が設けられている。このため、基板21内の細孔列23の下部に溜められた液相状の作動流体31は、連通孔28を介して各細孔23c間を流通することができる。
In order to communicate all of 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23の列を形成する各細孔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素子などの発熱体1を取付ける。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の設けられた加熱部より温度の低い基板21の上部は放熱部となって、作動流体の蒸気を凝縮して液化し、潜熱を放出する。このような過程で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
液相の作動流体の溜められた基板の下部の加熱部付近には、中央側の各細孔23cを相互に連通する連通孔28aが設けられていることにより、この部分において図2に矢印36で示すように連通孔28aを通して各細孔23c間で、作動流体の分散流が生じ、発熱密度の高い部分で集中的に発生する蒸気泡を横方向に分散し、凝縮および対流により作動流体内で熱伝達を行い、各細孔23cへの熱分散をおこない、作動流体全体の温度を均一化することができる。これによって、発熱体1の発熱分布のバラツキを吸収することができる。
In the vicinity of the heating portion at the lower part of the substrate where the liquid-phase working fluid is stored, there is provided a
そして、ここで、両外側の細孔23sより内側の細孔列23cは、連通孔28aによって相互を連通させるため、各細孔23cの内部圧力が均一化されるが、両外側の還流路となる外側の細孔23sは、ヘッダ流路26、27によって細孔23cと連通されるだけであるので、細孔23cの列の内部圧力と等しくなることはなく、これより低い圧力となる。このため基板21の加熱体1の取付けられた加熱部で加熱された作動流体は細孔列23cを上昇し、上部ヘッダ流路26に至ると、ここから低い圧力に置かれた両外側の還流路となる細孔23sを通して自然に下部ヘッダ流路27へ還るようになり、循環路の行きと還りの流路が区分けされることになり、作動流体の循環が円滑となる。このため、作動流体による熱輸送の効率が高まり、熱の分散を良好に行うことができる。
Here, the
次に、この発明の実施例2を図3に示すので、これについて説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
この実施例2においては、図3に示すよう、基板21に設けた細孔列23の内側の各細孔23cのすべてを連通させるための連通孔28bを、基板21の放熱部となる上部に設けている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, the communication holes 28 b for communicating all the
このように、基板21の上部に各細孔23cを連通する連通孔28bを設けることにより、図4に示すように、連通孔28bを介して各細孔23c間で作動流体の蒸気流の分散流37が生じるので、発熱密度の高い部分で集中的に発生した、蒸気泡を凝縮部(放熱部)において横方向に分散することにより基板全体に熱を分散し、基板の放熱部における温度の均一化を図ることができ、放熱効率を高めることができる。
In this manner, by providing the communication holes 28b communicating the
還流路となる細孔23sが連通孔28bによりたの細孔23cと連通されないことにより、作動流体の循環作用が良好になることは、実施例1の場合と同様である。
As in the case of the first embodiment, the circulation action of the working fluid is improved because the pore 23s serving as the reflux path is not communicated with the
図5にこの発明の実施例3を示す。 FIG. 5 shows Embodiment 3 of the present invention.
この実施例3は、図5から明らかなとおり、基板21の上部の放熱部付近および下部の加熱部付近において、基板21内に設けた細孔列23のうちの料外側の還流路25となる細孔23sを除いた残りの中央よりの細孔23cのすべてを連通するために、連通孔28aおよび28bを設けている。
As is apparent from FIG. 5, this Example 3 becomes a
このため、この実施例3においては、図6に示すように、中央側の細孔23cの発熱部および放熱部の両部付近で、連通孔28aおよび28cを通して、各細孔23c間に分散流35および36が発生し、発熱密度の高い部分で集中的に発生する蒸気泡は加熱部および放熱部において、基板の横方向に分散することができでき、基板全体の温度をより均一化することができるので、放熱効率を高めることが可能となる。
For this reason, in the third embodiment, as shown in FIG. 6, in the vicinity of both the heat generating portion and the heat radiating portion of the
この場合も、前記実施例1、2と同様に、還流路となる細孔23sによって作動流体の循環作用が良好にされる。 Also in this case, like the first and second embodiments, the circulating action of the working fluid is improved by the pores 23s serving as the reflux path.
図7にこの発明の実施例4を示す。 FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention.
この実施例4は、この発明による熱分散プレートを放熱器に適用した例を示すものである。 The fourth embodiment shows an example in which the heat dispersion plate according to the present invention is applied to a radiator.
前記の実施例1から3に示した熱分散プレート20の主面の一面に、複数の櫛歯状の放熱フィン2を結合して、放熱器を構成する。
A plurality of comb-
この放熱器を構成する熱分散プレート20の他方の主面に(B)に示すように、半導体素子等の発熱体1を3個密着して結合する。熱分散プレート20には、多数の細孔23が1列に並べて設けられており、この細孔の中に2相凝縮性作動流体が封入され平板状のヒートパイプを構成する。この放熱器は、熱分散プレートの、放熱フィン2や発熱体1の取付けられた主面を、取付け方向を示す矢印の通り、細孔23が垂直になり、かつ発熱体1の取付けられた側を下になるように立てて使用する。
As shown in (B), three
熱分散プレート20に取付けた3個の発熱体1の通電電流が不平衡となって、発熱体間の発熱量が不均一となると、熱分散プレートの温度分布が付近一となり、発熱体の電流不平衡をさらに悪化させる場合も生じる。
If the energization currents of the three
この発明の熱分散プレートは、前記した通り、各細孔23間で作動流体が流通可能にしていることにより、このような複数の発熱体の発熱量のバラツキを吸収してプレート全体の温度分布が均一となるように熱を分散させることができる。
As described above, the heat dissipating plate of the present invention allows the working fluid to flow between the
図8にこの発明の実施例5を示す。 FIG. 8 shows a fifth embodiment of the present invention.
この実施例5は、押し出し加工によって大量に安価に製造される平板状の多穴板を使用した熱分散プレートの例を示すものである。 Example 5 shows an example of a heat dispersion plate using a flat multi-hole plate manufactured in a large amount at a low cost by extrusion.
図8(A)にアルミニウム等の高熱伝導性金属材料を押し出し加工により製造した平板状の多穴板31を示す。この多穴板31には、長手方向に貫通した複数の細孔32が設けられ、多穴板31の幅方向に1列に配列され、細孔列を構成している。
これらの細孔32の列が作動流体の循環路を形成する。
FIG. 8A shows a flat multi-hole plate 31 manufactured by extruding a highly heat conductive metal material such as aluminum. The multi-hole plate 31 is provided with a plurality of
These rows of
以下に、この多穴板31により形成した熱分散プレートについて説明する。 Hereinafter, a heat dispersion plate formed by the multi-hole plate 31 will be described.
図8(B)に示すように、多穴板31上下両端の開口部に端板33,33を当てて、ロウ付けまたは溶接等により気密的に封止する。封止の方法は、端板を使用しないで、多穴板の両端を機械的に押し潰して開放部を封止するようにした圧着法であってもよい。 As shown in FIG. 8 (B), end plates 33 and 33 are applied to openings at both upper and lower ends of the multi-hole plate 31 and hermetically sealed by brazing or welding. The sealing method may be a pressure bonding method in which the open portion is sealed by mechanically crushing both ends of the multi-hole plate without using an end plate.
次に、このように密閉された多穴板31に、前記各実施例で説明した細孔列の全部の細孔を上下両端で相互に連通させる上下のヘッダ流路および還流路となる両外側の細孔を除いた残りの細孔のすべてを連通する連通孔を設ける。ヘッダ流路36を設ける場合は、これは多穴板31の一方の側面35からドリルなどにより、図8(C)に示すように、全部の細孔32に連通するようにほぼ全幅に亘って連通孔36を穿孔する。側面35に開いた孔は、密閉栓36aを詰めるなどして密閉する。
Next, the upper and lower header channels and the outer sides serving as the reflux channels are connected to the multi-hole plate 31 sealed in this manner so that all the pores of the pore array described in the above embodiments communicate with each other at the upper and lower ends. A communication hole for communicating all of the remaining pores except for the pores is provided. In the case of providing the
還流路となる両外側の細孔32sを除いた残りの細孔のすべてを連通する連通孔37を設ける場合は、同様に一方の側面35からドリルなどにより、図8(B)において左側の最外側の還流路となる細孔32sには達しないように、その1つ手前の細孔までの連通孔37を所要本数穿孔する。そしてこれらの連通孔37を設けるために側面35開けられた孔と、右側最外側の細孔32sとそのすぐ左隣の細孔32cとの間の隔壁35aに開けられた孔を密閉栓37aによって埋める(図8(D)参照)。これにより連通孔37は、両外側の還流路となる細孔32sには連通されないようになる。
In the case of providing the communication hole 37 that communicates all of the remaining pores except for the two outside pores 32s that serve as the reflux path, similarly, the left side in FIG. The required number of communicating holes 37 up to the immediately preceding fine hole is drilled so as not to reach the fine pore 32s serving as the outer reflux path. Then, a hole opened in the
なお、このような穿孔過程で多穴板31の側面35に設けられた複数の孔のうちの1つには密閉栓を設けないで、多穴板31内に2相凝縮性の作動流体を封入するための封入パイプ38を結合する。この封入パイプ38から多穴板31の内部の空気を抜き出し減圧してから、作動流体を所要量注入し、この封入パイプ38を押し潰す等して気密的に封止することにより多穴板31全体を密封する。これにより熱分散プレート30が完成する。
In addition, a sealing plug is not provided in one of the plurality of holes provided in the
このように構成された、熱分散プレート30は前記した実施例のものと同様に、連通孔37により多穴板31内の中央側細孔32cの列内で作動流体を流通させて均一な温度および圧力として発熱のバラツキを吸収する作用をし、上下のヘッダ流路36および還流路と外側細孔32sとによって作動流体の還流路を形成し、作動流体の多穴板内での循環路の行きと還りの流路を区分することができ、熱分散効率を高めることができる。
The heat dispersion plate 30 configured as described above has a uniform temperature by circulating the working fluid in the row of the central side pores 32c in the multi-hole plate 31 through the communication holes 37, as in the above-described embodiment. In addition, it acts to absorb variations in heat generation as pressure, and forms a return path for the working fluid by the upper and lower
そして、この実施例5による熱分散プレートは、何よりも、大量生産される多穴板を利用しているので、安価に製造することができるという実用上効果が大きい。 And since the heat dispersion | distribution plate by this Example 5 utilizes the multi-hole board produced in large quantities above all, it is large in practical effect that it can be manufactured cheaply.
1:発熱体
20: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
28a、28b:連通孔
1: Heating element 20: Heat distribution plate 21: Substrate 23: Fine hole 25: Recirculation path 26: Upper header flow path 27: Lower
Claims (3)
3. The heat distribution plate according to claim 1, wherein the substrate is a multi-hole plate.
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