JP2013165096A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成のもとで、複数の半導体素子からの抜熱量を平均化する。
【解決手段】半導体冷却装置１は冷媒の流れる冷媒通路２と、冷媒通路の外側に配置された複数の半導体素子５と、半導体素子５の熱を冷媒に伝達すべく冷媒通路２の内側に冷媒の流れに関して直列に配置された複数のフィン６と、冷媒通路２に冷媒を循環させる手段と、を備える。冷媒の流速が下流に行くほど増大するよう冷媒通路２を構成することで、冷媒の温度上昇がもたらすフィン６からの抜熱量の低下を補償する。これにより、冷媒の流れの方向に関する半導体素子５の冷却状態が平均化される。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の半導体素子を冷却する半導体冷却装置に関する。

複数の半導体素子を用いる半導体機器においては、例えば稼働中の半導体素子が許容温度を超えないように、半導体素子に付設した冷却用フィンを、冷媒を用いた冷却装置で冷却している。冷却用フィンは冷媒の流れる冷媒通路に整列状態で配置される。半導体素子の発熱はフィンに伝達され、フィンとその周囲を流れる冷媒との熱交換により、半導体素子からの抜熱、すなわち半導体素子の冷却が行なわれる。

冷媒通路の冷媒の温度は、フィンとの熱交換により、下流に行くにつれて上昇する。結果として個々のフィンからの抜熱量は、冷媒通路の下流に行くにつれて小さくなる。その結果、例えば、冷媒通路の上流部に位置する半導体素子は冷媒との熱交換により温度を２０度低下させるのに対して、冷媒通路の下流部に位置する半導体素子は冷媒との熱交換により温度を１０度しか低下させ得ないという現象が現れる。言い換えれば、冷媒通路の下流部ほど半導体素子の冷却効率が悪くなる。

結果として、冷媒通路の冷媒の流れに関する半導体素子の位置によって冷却効率にばらつきが生じる。このばらつきを解消すべく、特許文献１の従来技術は、すべての半導体素子が同一温度の冷媒と熱交換できるように、冷媒通路をマニホールド状に形成することを提案している。

特許第４６０００５２号公報

特許文献１の従来技術によれば、すべての半導体素子の冷却が同一温度の冷媒によって行われるので、半導体素子の冷却のばらつき解消に好ましい効果が得られる。

しかしながら、すべての半導体に個別に冷媒を供給するために、半導体素子と同数の冷媒通路が必要となる。そのため、冷却装置の通路構成が複雑化し、冷媒通路の総延長が長くなることは避けられない。

この発明の目的は、より簡易な構成のもとで複数の半導体素子を一様に冷却することである。

以上の目的を達成するために、この発明による半導体冷却装置は、冷媒の流れる冷媒通路と、冷媒通路の外側に配置された複数の半導体素子と、半導体素子の熱を冷媒に伝達すべく冷媒通路の内側に冷媒の流れに関して直列に配置された複数のフィンと、冷媒通路に冷媒を循環させる手段と、を備えている。冷媒通路は、冷媒の流速が下流に行くほど増大するよう構成される。

冷媒通路内を流れる冷媒は、冷却通路に配置されたフィンを介して半導体素子と熱交換を行なう。熱交換の結果、冷媒の温度が上昇する。冷媒温度の上昇はフィンと冷媒との温度差を縮小させ、フィンからの抜熱量を低下させる。一方、冷媒通路は下流に行くほど冷媒の流速が増大するよう構成されている。冷媒の流速上昇は、フィンからの抜熱量を増大させる。その結果、冷媒温度の上昇が抜熱にもたらす影響と、冷媒の流速増加が抜熱にもたらす影響とが打ち消し合うことになり、フィンからの抜熱量が平均化される。結果として、全ての半導体素子を一様に冷却することが可能となる。

この発明の実施形態による半導体冷却装置の縦断面図である。 図１のＡ-Ａ’線とＢ-Ｂ’線で切断したこの発明の実施形態による半導体冷却装置の横断面図である。 この発明の実施形態による半導体冷却装置の分解斜視図である。 この発明の実施形態による半導体冷却装置の熱抵抗と冷媒流速の位置変化を、冷媒通路の横断面を一様とした半導体冷却装置と比較したダイアグラムである。 この発明の実施形態による半導体冷却装置のもとでの半導体素子温度、フィン温度、及び冷媒温度の変化を、冷媒通路の横断面を一様とした半導体冷却装置と比較したダイアグラムである。 冷媒通路の縦断面形状に関するバリエーションを示す半導体冷却装置の縦断面図である。 冷媒通路の縦断面形状と、半導体素子温度の違いを比較するダイアグラムである。 冷媒通路の構成に関する別の実施形態を示す半導体冷却装置の概略平面図である。

図１を参照すると、この発明の実施形態による半導体冷却装置１は、内部に冷媒通路２を形成したウォータジャケット３を備える。

ウォータジャケット３の外側には複数の半導体素子５が配置される。各半導体素子５には基板４を介して数多くのフィン６が結合する。基板４はウォータジャケット３の壁面の一部を構成する。各フィン６は同一の形状と寸法に形成され、ウォータジャケット３の内側の冷媒通路２に一定間隔で配置される。

ウォータジャケット３には冷媒通路２の入口２Ａと出口２Ｂが形成される。入口２Ａと出口２Ｂには、冷媒としての冷却水を循環させるために、冷却水ポンプや冷却水を一時的に貯留する冷却水タンクを含む冷却水循環装置が接続される。

図２を参照すると、冷媒通路２は図１のＡ-Ａ’断面に相当する図２（ａ）の上流部と、図１のＢ-Ｂ’断面に相当する図２（ｂ）の下流部との間で異なる横断面をもつように設計される。具体的には、冷媒通路２は上流部から下流部へ向けて深さを徐々に減じるように形成される。一方、横断面の幅は上流部から下流部まで同一である。

図３を参照すると、複数の半導体素子５を固定した基板４と、基板４に基部を接する複数のフィン６と、内部に冷媒通路２を形成したウォータジャケット３とは、あらかじめ冷却ユニットとして一体化されたうえで、半導体機器に組み込まれる。

図１を再び参照すると、冷媒通路２は下流に行くにつれて、一定勾配で浅くなる。

つまり、冷媒通路２の流路断面積は、上流部から下流部へと一定割合で減少する。その結果、冷媒通路２を流れる冷媒は、上流部から下流部へ向かって徐々に流速を増す。

一方、冷媒通路２を流れる冷媒はフィン６との熱交換を行ないつつ流下する。フィン６との熱交換により冷媒の温度が上昇するので、冷媒通路２の下流に行くほど冷媒の温度は高くなる。冷媒温度が高くなると、冷媒とフィン６との熱交換が起こりにくくなる。冷媒がフィン６から受け取る熱量を抜熱量、フィン６から冷媒への熱の伝わりにくさを熱抵抗と称する。抜熱量は熱抵抗が小さいほど大きく、フィン６と冷媒との温度差が大きいほど大きい。

図４と５を参照して、この発明の実施形態による冷媒通路２と、冷媒通路の断面積を一様とした場合とでどのような相違が生じるかを説明する。ここでは、半導体冷却装置１が冷却する複数の半導体素子５の動作温度は一定とする。

この発明の実施形態による半導体冷却装置１においては、図４（ａ）に示すように、冷媒の流速は下流に行くに連れて増大する。これは、冷媒通路２は下流に行くにつれて、一定勾配で浅くなり、冷媒の流通断面が小さくなるからである。フィン６から冷媒への熱抵抗は、冷媒の流速の上昇につれて小さくなる。

一方、フィン６と冷媒との温度差は、冷媒通路２の下流に行くに連れて小さくなる。図５（ａ）に示すように、冷媒の温度はフィン６との熱交換により、下流に行くほど上昇するからである。

つまり、冷媒通路２の下流に行くほど、流速の増大により熱抵抗が低下する一方で、フィン６と冷媒との温度差は縮小する。これらの作用が打ち消しあうことで、結果としてフィン６の温度は上流と下流とで一定に保たれる。その結果、半導体素子5の温度も一定に保たれる。なお、半導体素子５の動作温度が異なる場合でも、冷媒のフィン６を介した抜熱量は一定に保たれる。

一方、冷媒通路が一様な断面積を有するウォータジャケットでは、図４（ａ）に示すように、冷媒の流速は上下流で一定である。そのため、熱抵抗も一定を保つ。しかしながら、図５（ｂ）に示すようにフィンと冷媒の温度差が冷媒通路の下流に行くほど小さくなるので、冷媒のフィンからの抜熱量は下流ほど小さくなる。その結果、フィンの温度は下流ほど高くなり、対応して半導体素子の温度も下流ほど高くなる。つまり、半導体素子の冷却状態に位置に依存したばらつきが生じる。

以上のように、この実施形態による半導体冷却装置１は、冷媒の流速が下流に行くほど増大するように冷媒通路２を構成している。言い換えれば、各フィン６から冷媒への熱抵抗が下流に行くほど減少するように冷媒通路２を構成している。そのため、複数の半導体素子５の冷却状態が冷媒の流れの方向に関して平均化される。

また、半導体冷却装置１は冷媒通路２の断面積を下流に行くにつれて縮小することで、上記の構成を実現している。したがって、複数の半導体素子５の冷却状態を簡易な構成で平均化することができる。

さらに、半導体冷却装置１は冷媒通路２の幅を一定とし、深さが下流ほど浅くなるように構成した。これにより、簡易な構成で冷媒通路２の断面積を下流に行くにつれて縮小させることができる。

さらに、半導体冷却装置１は冷媒通路２の縦断勾配を一定に設定している。これにより、複数の半導体素子５の冷却状態を冷媒の流れの方向に関して均一化することができる。

図６と７を参照して、冷媒通路２の縦断勾配に関するバリエーションを説明する。数の半導体素子５の冷却状態を冷媒の流れの方向に関して均一化するには、冷媒通路２の縦断勾配を一定にすることが望ましい。しかしながら、例えばフィン６の配置に応じて、冷媒通路２の縦断勾配を変化させることも可能である。図６の（ａ）は冷却通路２の底面を凹面に形成している。図６の（ｂ）は冷却通路２の底面を凸面に形成している。

図７を参照すると、図６（ａ）の底部を凹面に形成した場合と、凸面に形成した場合とで、冷媒通路２の上流部と下流部の半導体素子５の温度は同一となるが、冷媒通路２の中間部においては、底面を凹面に形成した場合の半導体素子５の温度は、底面を凸面に形成した場合の半導体素子５の温度より明らかに高くなる。半導体素子５の配置に応じて、こうしたバリエーションを採用することも可能である。

図８を参照して、この発明の別の実施形態を説明する。

この実施形態による半導体冷却装置１は、冷媒通路２の構成が異なる。冷媒通路２は深さが一定で、幅が下流に行くほど狭くなるように構成される。

この設定によっても、冷媒の流速は冷媒通路２の下流に行くほど増大する。言い換えれば、各フィン６から冷媒への熱抵抗が冷媒通路２の下流に行くほど減少する。したがって、この構成によっても、複数の半導体素子５の冷却状態を冷媒の流れの方向に関して平均化することができる。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

1 半導体冷却装置
2 冷媒通路
2A 入口
2B 出口
3 ウォータジャケット
4 基板
5 半導体素子
6 フィン

Claims (6)

1. 冷媒の流れる冷媒通路と、
   前記冷媒通路の外側に配置された複数の半導体素子と
   前記複数の半導体素子の熱を冷媒に伝達すべく前記冷媒通路の内側に冷媒の流れに関して直列に配置された複数のフィンと、前記冷媒通路に冷媒を循環させる手段と、を備える半導体冷却装置において、
   前記冷媒通路を、冷媒の流速が下流に行くほど増大するよう構成したことを特徴とする、半導体冷却装置。
2. 冷媒の流れる冷媒通路と、冷媒通路の外側に配置された複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子の熱を冷媒に伝達すべく前記冷媒通路の内側に冷媒の流れに関して直列に配置された複数のフィンと、前記冷媒通路に冷媒を循環させる手段と，を備える半導体冷却装置において、
   前記冷媒通路を、各フィンから冷媒への熱抵抗が、下流に行くほど減少するよう構成したことを特徴とする、半導体冷却装置。
3. 前記冷媒通路の断面積が下流に行くにつれて縮小する、請求項１または２に記載の半導体冷却装置。
4. 前記冷媒通路は幅が一定で、深さが下流ほど浅くなるように構成される、請求項３に記載の半導体冷却装置。
5. 前記冷媒通路は一定の縦断勾配を有する、請求項４に記載の半導体冷却装置。
6. 前記冷媒通路は深さが一定で、幅が下流ほど狭くなるように構成される、請求項３に記載の半導体冷却装置。

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