JP2015207599A - Spiral passage heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発熱体を冷却するのに優れたヒートシンクであって、従来と比較して平易に製造することができるヒートシンクに関する。 The present invention relates to a heat sink that is excellent in cooling a heating element and can be manufactured more easily than in the past.
ハイブリッド自動車、電気自動車等の自動車用、産業機器用、医療機器用等に搭載されるインバータ装置は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子等を使用する。これらの素子は、多くの電流を流すことによって多くの消費電力を発生し、多くの熱を発生する。 Inverter devices installed in automobiles such as hybrid cars and electric cars, industrial equipment, and medical equipment use semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and FETs (Field Effect Transistors). These elements generate a large amount of power by flowing a large amount of current and generate a large amount of heat.
発熱体である半導体素子から発生した熱を放熱しなければ、半導体素子の特性が劣化し、また、半導体素子が破壊される虞があるため、ヒートシンク（冷却装置）によりこの発生した熱の放熱が行われる。ヒートシンクとしては、空冷式や水冷式があるが、高効率で放熱を行う必要がある場合には、水冷式が使用される。特に、医療機器、例えば、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）スキャナーにおいて半導体素子を冷却する場合、ファンによる空冷式を使用すると、治療室の温度が上昇してしまうため、ヒートシンク内で加熱された液体を循環させることによって室外に搬送し、ラジエータ等によって加熱された液体を放熱する水冷式が採用されている。 If the heat generated from the semiconductor element, which is a heating element, is not radiated, the characteristics of the semiconductor element will deteriorate and the semiconductor element may be destroyed. Therefore, the heat radiated by the heat sink (cooling device) Done. As a heat sink, there are an air cooling type and a water cooling type, but when it is necessary to perform heat dissipation with high efficiency, a water cooling type is used. In particular, when cooling a semiconductor element in a medical device, for example, a CT (Computer Tomography) scanner, if the air-cooling method using a fan is used, the temperature of the treatment room is increased, and thus the heated liquid is circulated in the heat sink. Therefore, a water-cooling type is adopted in which the liquid is conveyed outside the room and dissipates the liquid heated by a radiator or the like.
従来の水冷式のヒートシンクとして、冷却液通水部の脚部を構成する凸部を設け、ベース板の上面に凹部を設けて、凸部と凹部によって通水部とベース部を嵌合したヒートシンクがある（特許文献１）。しなしながら、本方式では、ベース板と通水部の接触不良によって熱抵抗が高くなり、発熱体から発生した熱を充分に放熱できないという問題がある。また、通水部がベア管のようにフィンを持たない管の場合、冷却液と通水部とが接触する面積が小さいために、発熱体から発生した熱が冷却液に充分に伝導しなく、充分に放熱できないという問題がある。 As a conventional water-cooled heat sink, a heat sink is provided in which a convex portion constituting the leg portion of the coolant flow portion is provided, a concave portion is provided on the upper surface of the base plate, and the water flow portion and the base portion are fitted by the convex portion and the concave portion. (Patent Document 1). However, in this method, there is a problem that the heat resistance is increased due to poor contact between the base plate and the water passage portion, and the heat generated from the heating element cannot be sufficiently dissipated. Also, in the case where the water passage part is a pipe without fins, such as a bare pipe, the area where the coolant and the water passage part come into contact with each other is small, so that the heat generated from the heating element is not sufficiently conducted to the coolant. There is a problem that heat cannot be sufficiently radiated.
更に、液体冷媒が循環する冷媒通路の発熱体側の壁部に断面形状が円形、半円形などの多数のピンフィンが冷媒通路の幅方向及び長手方向に間隔を空けて設けられているヒートシンクがある（特許文献２）。多数のピンフィンを冷媒通路に設けることで、液体冷媒と冷媒通路とが接触する面積が増加し、冷媒通路を循環する液体冷媒の流れがピンフィンとの衝突により乱流状態となって熱伝導が促進されるため、ヒートシンクの冷却機能が向上する。しかしながら、このようなヒートシンクの構造にすることは、発熱体の発熱量に応じてピンフィンの数を調整して冷媒通路の発熱体側の壁部に設ける必要があり、製造工程を複雑にし、ヒートシンクの高コスト化に繋がるという問題がある。 Furthermore, there is a heat sink in which a large number of pin fins having a circular cross-sectional shape and a semi-circular shape are provided at intervals in the width direction and the longitudinal direction of the refrigerant passage in the wall portion on the heating element side of the refrigerant passage through which liquid refrigerant circulates ( Patent Document 2). By providing a large number of pin fins in the refrigerant passage, the area where the liquid refrigerant and the refrigerant passage come into contact with each other increases, and the flow of the liquid refrigerant circulating in the refrigerant passage becomes a turbulent state due to the collision with the pin fins and promotes heat conduction. Therefore, the cooling function of the heat sink is improved. However, such a heat sink structure requires that the number of pin fins be adjusted according to the amount of heat generated by the heat generating element and provided on the wall of the refrigerant passage on the heat generating element side, complicating the manufacturing process, There is a problem that leads to high cost.
また、放熱フィンをアルミ二ウム放熱板に一体化して、一体化された放熱板をＵ字形通液路を有する冷却ブロック周囲部にボルトによりネジ締め固定して嵌合することで、密閉構造を確保したヒートシンクがある（特許文献３）。放熱フィンをアルミ二ウム放熱板に一体化する方法として、押し出し成形、鋳造、切削加工が開示されている。また、フィン付き放熱板と冷却ブロック周囲部を一体化し、内部にフィン構造を有して冷却液路を備える密閉構造のヒートシンクがある。しかしながら、このような複雑な構造のヒートシンクは、このような構造とするために多くの部品を特別に作製した上で組立てる必要があり、また、多くの製造工程が必要になることから、ヒートシンクの高コスト化に繋がるという問題がある。 In addition, by integrating the heat radiation fins with the aluminum heat radiation plate and screwing and fixing the integrated heat radiation plate around the cooling block having a U-shaped liquid passage with bolts, a sealed structure is obtained. There is a secured heat sink (Patent Document 3). Extrusion molding, casting, and cutting have been disclosed as methods for integrating the radiation fins with the aluminum radiation plate. In addition, there is a sealed heat sink in which a finned heat sink and a cooling block peripheral part are integrated, a fin structure is provided inside, and a cooling liquid path is provided. However, a heat sink having such a complicated structure needs to be assembled after many parts are specially manufactured in order to obtain such a structure, and many manufacturing processes are required. There is a problem that leads to high cost.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷媒流体が循環する流路部の内面に螺旋形状の、すなわち、スパイラル形状の溝を設けることで、上記の問題を解決したヒートシンクおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and has solved the above problem by providing a spiral groove, that is, a spiral groove, on the inner surface of the flow path portion through which the refrigerant fluid circulates. An object of the present invention is to provide a heat sink and a manufacturing method thereof.
本発明の第一の側面によれば、外枠部と、外枠部に配置され冷媒流体を外枠部に供給する供給部と、外枠部に配置され冷媒流体を外枠部から排出する排出部と、外枠部内部に配置され供給部と排出部に接続される、冷媒流体が循環する流路部と、を備え、流路部は、内面にスパイラル形状の溝を有する、ヒートシンクが与えられる。
ここで、外枠部は略多面体であってよい。
また、外枠部は略円柱、略球帯であってよい。
また、供給部と排出部は外枠部の同一面にあってよい。
また、供給部と排出部は外枠部の相違する面にあってよい。
また、内面にあるスパイラル形状の溝は転造加工された溝であってよい。
また、内面にあるスパイラル形状の溝は切削加工された溝であってよい。
また、内面にあるスパイラル形状の溝は鋳造加工された溝であってよい。
また、流路部は、供給部側の流路部と排出部側の流路部の間に、複数の並列状に配置された流路を含んでよい。
また、流路部は、供給部側の流路部と排出部側の流路部の間に、略Ｕ字型の形状の流路を含んでよい。
また、高熱伝導性材を外枠部の内面と流路部の外面の間に備えてよい。
また、外枠部、流路部、高熱伝導性材のうち、少なくとも２つは、一体化されて構成されてよい。
また、流路部の断面は、円形、楕円、丸い端部を備えた多角形、又はこれらの幾何形状の組合せの何れかでよい。
本発明の第二の側面によれば、上記ヒートシンクと、外枠部に接触して配置された半導体素子と、を備えるヒートシンク付半導体パッケージが与えられる。
本発明の第三の側面によれば、筒状材の内面と外面を変形させる圧力を加えてながら、筒状材の長さ方向の軸に沿って筒状材を回転させて、筒状材の内面と外面にスパイラル形状の溝を有する流路部を転造加工するステップと、転造加工された流路部を外枠部の内部に組み込むステップと、を備えるヒートシンクの製造方法が与えられる。
本発明の第四の側面によれば、筒状材の内側に切削タップを挿入して、筒状材の長さ方向の軸に沿って切削タップを回転させながら、筒状材の内面にスパイラル形状の溝を有する流路部を切削加工するステップと、切削加工された流路部を外枠部に組み込むステップと、を備えるヒートシンクの製造方法が与えられる。
ここで、転造加工または切削加工された流路部を外枠部に組み込むステップは、外枠部、外枠部に配置され冷媒流体を外枠部に供給する供給部、及び外枠部に配置され冷媒流体を外枠部から排出する排出部を作製するための鋳型を提供するステップと、転造加工または切削加工された流路部を、鋳型の内部に配置するステップと、高熱伝導性材を融点よりも高い温度に加熱して液体化し、鋳型に液体化された高熱伝導性材を流し込み、高熱伝導性材を冷却して、外枠部の形状に固体化するステップと、を備えるステップであってよい。
本発明の第五の側面によれば、外枠部、外枠部に配置され冷媒流体を外枠部に供給する供給部、及び外枠部に配置され冷媒流体を外枠部から排出する排出部を作製するための鋳型を提供するステップと、筒状材を、鋳型の内部に配置するステップと、高熱伝導性材を融点よりも高い温度に加熱して液体化し、鋳型に液体化された高熱伝導性材を流し込み、高熱伝導性材を冷却して、外枠部の形状に固体化するステップと、筒状材の内側に切削タップを挿入して、筒状材の長さ方向の軸に沿って切削タップを回転させながら、筒状材の内面にスパイラル形状の溝を有する流路部を切削加工するステップと、を備えるヒートシンクの製造方法が与えられる。
本発明の第六の側面によれば、スパイラル形状の溝を有する、冷媒流体の循環する流路部を作製するための中子を提供するステップと、外枠部、外枠部に配置され冷媒流体を外枠部に供給する供給部、及び外枠部に配置され冷媒流体を外枠部から排出する排出部を作製するための鋳型を提供するステップと、中子を、鋳型の内部に配置するステップと、高熱伝導性材を融点よりも高い温度に加熱して液体化し、鋳型に液体化された高熱伝導性材を流し込み、高熱伝導性材を冷却して、外枠部の形状に固体化するステップと、固体化された外枠部から中子を取り除くステップと、を備えるヒートシンクの製造方法が与えられる。
According to the first aspect of the present invention, an outer frame portion, a supply portion that is disposed in the outer frame portion and supplies refrigerant fluid to the outer frame portion, and is disposed in the outer frame portion and discharges the refrigerant fluid from the outer frame portion. A discharge portion and a flow passage portion disposed inside the outer frame portion and connected to the supply portion and the discharge portion and circulating the refrigerant fluid. The flow passage portion has a spiral groove on the inner surface. Given.
Here, the outer frame portion may be a substantially polyhedron.
Further, the outer frame portion may be a substantially cylindrical shape or a substantially spherical zone.
Further, the supply part and the discharge part may be on the same surface of the outer frame part.
Further, the supply part and the discharge part may be on different surfaces of the outer frame part.
The spiral groove on the inner surface may be a rolled groove.
The spiral groove on the inner surface may be a cut groove.
The spiral groove on the inner surface may be a cast groove.
Further, the flow path portion may include a plurality of flow paths arranged in parallel between the flow path section on the supply section side and the flow path section on the discharge section side.
The flow path portion may include a substantially U-shaped flow path between the flow path portion on the supply section side and the flow path section on the discharge section side.
Moreover, you may provide a highly heat conductive material between the inner surface of an outer frame part, and the outer surface of a flow-path part.
Further, at least two of the outer frame portion, the flow path portion, and the high thermal conductivity material may be integrated.
Further, the cross section of the flow path portion may be any of a circle, an ellipse, a polygon having a round end, or a combination of these geometric shapes.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor package with a heat sink comprising the heat sink and a semiconductor element arranged in contact with the outer frame portion.
According to the third aspect of the present invention, the tubular material is rotated along the longitudinal axis of the tubular material while applying pressure that deforms the inner surface and the outer surface of the tubular material. There is provided a method of manufacturing a heat sink comprising: a step of rolling a flow path portion having spiral grooves on the inner surface and the outer surface thereof; and a step of incorporating the rolled flow path portion into the outer frame portion. .
According to the fourth aspect of the present invention, the cutting tap is inserted inside the cylindrical material, and the cutting tap is rotated along the longitudinal axis of the cylindrical material while spiraling on the inner surface of the cylindrical material. There is provided a method for manufacturing a heat sink, comprising: cutting a flow path portion having a groove having a shape; and incorporating the cut flow path portion into an outer frame portion.
Here, the step of incorporating the rolled or cut flow path portion into the outer frame portion includes the outer frame portion, the supply portion that is arranged in the outer frame portion and supplies the refrigerant fluid to the outer frame portion, and the outer frame portion. Providing a mold for producing a discharge part that is disposed and discharging the refrigerant fluid from the outer frame part, arranging a rolling or cutting flow path part inside the mold, and high thermal conductivity Heating the material to a temperature higher than the melting point to liquefy it, pouring the liquefied high thermal conductivity material into the mold, cooling the high thermal conductivity material, and solidifying it into the shape of the outer frame part. It may be a step.
According to the fifth aspect of the present invention, the outer frame part, the supply part arranged in the outer frame part for supplying the refrigerant fluid to the outer frame part, and the discharge arranged in the outer frame part for discharging the refrigerant fluid from the outer frame part Providing a mold for producing the part, placing the cylindrical material inside the mold, and liquefying the high thermal conductivity material by heating to a temperature higher than the melting point, and liquefied into the mold Pour a high thermal conductivity material, cool the high thermal conductivity material and solidify it into the shape of the outer frame part, insert a cutting tap inside the cylindrical material, and insert the longitudinal axis of the cylindrical material And a step of cutting a flow path portion having a spiral groove on the inner surface of the cylindrical material while rotating the cutting tap along the surface of the heat sink.
According to the sixth aspect of the present invention, a step of providing a core for producing a flow path portion through which a refrigerant fluid circulates having a spiral groove, an outer frame portion, and a refrigerant disposed in the outer frame portion Providing a mold for producing a supply section for supplying fluid to the outer frame section, and a discharge section disposed in the outer frame section for discharging refrigerant fluid from the outer frame section, and the core disposed in the mold Heating and liquefying the high thermal conductivity material to a temperature higher than the melting point, pouring the liquefied high thermal conductivity material into the mold, cooling the high thermal conductivity material, and solidifying the outer frame part into a solid shape And a step of removing the core from the solidified outer frame is provided.
本発明によれば、冷媒流体が循環する流路部の内面にスパイラル形状の溝を設けることで放熱効率に優れているとともに、製造効率に優れたヒートシンクおよびその製造方法が与えられる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while providing the spiral-shaped groove | channel in the inner surface of the flow-path part through which a refrigerant fluid circulates, while being excellent in heat dissipation efficiency, the heat sink excellent in manufacturing efficiency, and its manufacturing method are provided.
本発明は、外枠部と、外枠部に配置され冷媒流体を外枠部に供給する供給部と、外枠部に配置され冷媒流体を外枠部から排出する排出部と、外枠部内部に配置され供給部と排出部に接続される、冷媒流体が循環する流路部と、を備え、冷媒流体が循環する流路部の内面にスパイラル形状の溝を設けることで、冷媒流体と流路部との接触する面積が増加し、冷媒流体がスパイラル状に動くことによって乱流効果が促進され、ヒートシンクの放熱効果が向上するという効果がある。更に、外枠部を略多面体、略円柱、略球帯にすることで、ヒートシンクが配置される位置に適した外形にできるという効果がある。また、ヒートシンクが配置される位置に応じて供給部と排出部を配置できるという効果がある。また、供給部側の流路部と排出部側の流路部の間に、複数の並列状に配置された流路や略Ｕ字型の形状の流路を設けることで、冷媒流体と流路部が接触する面積が増加し、ヒートシンクの放熱効果が向上するという効果がある。また、外枠部の内面と流路部の外面の間に高熱伝導性材を設けることで、ヒートシンク内の熱伝導性が向上するという効果がある。また、流路部の断面を、円形、楕円、丸い端部を備えた多角形、又はこれらの幾何形状の組合せから選択することで、流路部の加工容易性に応じた形状できるという効果がある。
更に、流路部の内面にスパイラル形状の溝を設けた放熱効果に優れたヒートシンクの外枠部に、発熱体である半導体素子を接触して配置することにより、半導体素子自身の発熱による半導体素子の特性劣化を防止できるという効果がある。
また、筒状材の外面に圧力を加えてながら、筒状材の長さ方向の軸に沿って筒状材を回転して筒状材にスパイラル形状の溝を有する流路部を転造加工することによって、既存の転造方法を使用して、放熱効果の優れたヒートシンクを製造することができるという効果がある。
また、筒状材の内側に切削タップを挿入して、筒状材の長さ方向の軸に沿って切削タップを回転させながら、筒状材の内面にスパイラル形状の溝を有する流路部を切削加工することによって、既存の切削方法を使用して、放熱効果の優れたヒートシンクを製造することができるという効果がある。
また、外枠部、供給部、及び排出部を作製するための鋳型の内部に、筒状材を配置して、高熱伝導性材を鋳型に流し込んで鋳造し、筒状材の内側に切削タップを挿入して、筒状材の長さ方向の軸に沿って切削タップを回転させながら、筒状材の内面にスパイラル形状の溝を有する流路部を切削加工することによって、既存の鋳造方法と切削加工を使用して、放熱効果の優れたヒートシンクを製造することができるという効果がある。特に、鋳造後に切削加工することから、鋳造までの製造工程は発熱体に寄らず共通化し、個々の発熱体の発熱量に応じて筒状材の切削加工する部分を調整すればよいことから、製造効率が向上するという効果がある。
また、スパイラル形状の溝を有する流路部を作製するための中子を、外枠部、供給部、及び排出部を作製するための鋳型の内部に配置し、高熱伝導性材を流し込んで鋳造した後に、外枠部から中子を取り除くことによって、流路部、外枠部、供給部、及び排出部は一体化され、ヒートシンクの熱伝導率が向上し、放熱効果の優れたヒートシンクを製造することができるという効果がある。
The present invention includes an outer frame portion, a supply portion that is disposed in the outer frame portion and supplies refrigerant fluid to the outer frame portion, a discharge portion that is disposed in the outer frame portion and discharges the refrigerant fluid from the outer frame portion, and an outer frame portion A flow path section through which the refrigerant fluid circulates and is connected to the supply section and the discharge section, and is provided with a spiral groove on the inner surface of the flow path section through which the refrigerant fluid circulates. The area in contact with the flow path portion is increased, and the turbulent flow effect is promoted by moving the refrigerant fluid in a spiral shape, thereby improving the heat dissipation effect of the heat sink. Furthermore, by making the outer frame portion into a substantially polyhedron, a substantially cylindrical shape, or a substantially spherical belt, there is an effect that the outer shape can be made suitable for the position where the heat sink is arranged. Further, there is an effect that the supply unit and the discharge unit can be arranged according to the position where the heat sink is arranged. Further, by providing a plurality of parallel-arranged flow paths or substantially U-shaped flow paths between the supply-side flow path section and the discharge-part-side flow path section, the refrigerant fluid and the flow path are provided. There is an effect that the area in contact with the road portion is increased and the heat dissipation effect of the heat sink is improved. Further, by providing a high thermal conductivity material between the inner surface of the outer frame portion and the outer surface of the flow path portion, there is an effect that the thermal conductivity in the heat sink is improved. In addition, by selecting the cross section of the flow path portion from a circle, an ellipse, a polygon having a round end, or a combination of these geometric shapes, there is an effect that the flow path portion can be shaped according to the processability of the flow path portion. is there.
Furthermore, by arranging a semiconductor element as a heating element in contact with an outer frame part of a heat sink having an excellent heat dissipation effect by providing a spiral groove on the inner surface of the flow path part, a semiconductor element due to heat generation of the semiconductor element itself There is an effect that it is possible to prevent the deterioration of characteristics.
Also, while applying pressure to the outer surface of the cylindrical material, the cylindrical material is rotated along the longitudinal axis of the cylindrical material to roll the flow path portion having a spiral groove in the cylindrical material. By doing so, there is an effect that a heat sink having an excellent heat dissipation effect can be manufactured using an existing rolling method.
Also, a flow path portion having a spiral groove on the inner surface of the cylindrical material is inserted while inserting the cutting tap inside the cylindrical material and rotating the cutting tap along the longitudinal axis of the cylindrical material. By cutting, there is an effect that a heat sink having an excellent heat dissipation effect can be manufactured using an existing cutting method.
In addition, a cylindrical material is arranged inside the mold for producing the outer frame part, the supply part, and the discharge part, the high thermal conductivity material is poured into the mold and cast, and a cutting tap is provided inside the cylindrical material. The existing casting method is performed by cutting the flow path portion having the spiral groove on the inner surface of the cylindrical material while inserting the slab and rotating the cutting tap along the longitudinal axis of the cylindrical material. And there is an effect that a heat sink having an excellent heat dissipation effect can be manufactured using the cutting process. In particular, since the cutting process is performed after casting, the manufacturing process up to the casting is not limited to the heating element, and it is only necessary to adjust the part to be cut of the cylindrical material according to the heat generation amount of each heating element. There is an effect that the manufacturing efficiency is improved.
In addition, a core for producing a flow path portion having a spiral groove is arranged inside a mold for producing an outer frame portion, a supply portion, and a discharge portion, and a high thermal conductivity material is poured into the casting. After removing the core from the outer frame part, the flow path part, outer frame part, supply part, and discharge part are integrated, improving the heat conductivity of the heat sink, and manufacturing a heat sink with excellent heat dissipation effect There is an effect that can be done.
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
図１、図２に本発明の第一の実施例のヒートシンクの上面図、正面図をそれぞれ示す。また、図３に図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図を示す。このヒートシンク１０１の構造は、外枠部１０２と、外枠部１０２に配置され冷媒流体１０３を外枠部１０２に供給する供給部１０４と、外枠部１０２に配置され冷媒流体１０３を外枠部１０２から排出する排出部１０５と、外枠部１０２の内部に配置され供給部１０４と排出部１０５に接続される、冷媒流体１０３が循環する流路部１０６から構成される。発熱体である半導体モジュールはモジュール位置１０９に配置される。更に、発熱体において発生した熱を流路部１０６を循環する冷媒流体１０３に効率よく伝導するために、外枠部１０２と流路部１０６の間に、熱伝導性が高い物質より構成される高熱伝導性材１０７を配置することもできる。
なお、冷媒流体１０３としては、水、不凍液、油、等がある。外枠部１０２は、略多面体、略円柱、略球帯、等であってもよい。
図１、図２に示すように、外枠部１０２は略多面体であり、供給部１０４と排出部１０５は外枠部の同一面に配置されているが、ヒートシンクが設置される場所等を考慮して、供給部１０４が配置される面とは異なる面に、例えば、供給部１０４の配置される面と相対する面に、排出部１０５を配置してもよい。
1 and 2 show a top view and a front view of a heat sink according to the first embodiment of the present invention, respectively. FIG. 3 is a sectional view taken along line XX in FIG. The structure of the heat sink 101 includes an outer frame portion 102, a supply portion 104 that is disposed in the outer frame portion 102 and supplies the refrigerant fluid 103 to the outer frame portion 102, and a refrigerant fluid 103 that is disposed in the outer frame portion 102. A discharge section 105 that discharges from the 102, and a flow path section 106 that is disposed inside the outer frame section 102 and connected to the supply section 104 and the discharge section 105 circulates the refrigerant fluid 103. A semiconductor module as a heating element is disposed at the module position 109. Further, in order to efficiently conduct the heat generated in the heating element to the refrigerant fluid 103 circulating through the flow path portion 106, the outer frame portion 102 and the flow path portion 106 are made of a material having high thermal conductivity. A high thermal conductivity material 107 can also be disposed.
The refrigerant fluid 103 includes water, antifreeze, oil, and the like. The outer frame portion 102 may be a substantially polyhedron, a substantially cylindrical shape, a substantially spherical band, or the like.
As shown in FIGS. 1 and 2, the outer frame portion 102 is a substantially polyhedron, and the supply unit 104 and the discharge unit 105 are arranged on the same surface of the outer frame unit, but the place where the heat sink is installed is considered. Then, the discharge unit 105 may be disposed on a surface different from the surface on which the supply unit 104 is disposed, for example, on a surface opposite to the surface on which the supply unit 104 is disposed.
図４に、ヒートシンク１０１に内部に配置される流路部１０６の正面図、側面図、及び正面図のＸ−Ｘ線に沿った断面図を示す。この流路部１０６は、棒状の筒状材の中空である内側に切削タップを挿入して、棒状の筒状材の長さ方向の軸線１１０に沿って切削タップを回転させながら、棒状の筒状材の内面１１１にスパイラル形状の溝１０８を有するように切削加工した実施例である。 FIG. 4 shows a front view, a side view, and a cross-sectional view along the line XX of the front view of the flow path portion 106 disposed inside the heat sink 101. The flow path portion 106 is formed by inserting a cutting tap into the hollow inside of the rod-shaped cylindrical material, and rotating the cutting tap along the longitudinal axis 110 of the rod-shaped cylindrical material. This is an example in which a spiral groove 108 is cut on the inner surface 111 of the shaped material.
切削加工した後、Ｕ字型に折り曲げ加工された流路部１０６を、外枠部１０２の同一面にある、供給部１０４、排出部１０５に接続して、外枠部１０２に組み込んで作製されたのが、ヒートシンク１０１である。また、供給部１０４と排出部１０５とが外枠部１０２の異なる面に配置され、例えば、供給部１０４が外枠部１０２に配置される面と相対する面に排出部１０５が配置され、流路部１０６を直線状、Ｓ字状等にして外枠部１０２に組み込んで、ヒートシンクを作製することもできる。 After the cutting process, the flow path part 106 bent into a U-shape is connected to the supply part 104 and the discharge part 105 on the same surface of the outer frame part 102 and is assembled into the outer frame part 102. The heat sink 101 is used. Further, the supply unit 104 and the discharge unit 105 are arranged on different surfaces of the outer frame unit 102. For example, the discharge unit 105 is arranged on a surface opposite to the surface on which the supply unit 104 is arranged on the outer frame unit 102, The heat sink can also be manufactured by incorporating the path portion 106 into a linear shape, an S-shape, or the like into the outer frame portion 102.
また、ヒートシンク５０１を次のように作製することもできる（図５）。銅等により構成された棒状の筒状材をＵ字型に折り曲げ加工して、外枠部５０２、供給部５０４、排出部５０５を作製するための鋳型に配置する。なお、筒状材としては、熱伝導性に優れたものが好ましく、他にアルミニウム等がある。続いて、高熱伝導性材５０７であるアルミニウム等をその融点より高い温度まで加熱して液体化して鋳型に流し込んだ後、高熱伝導性材５０７を冷却し、高熱伝導性材５０７が固体化したら鋳型から高熱伝導性材５０７を外す。ここで、高熱伝導性材５０７としてその他に、例えば、銅等がある。 Moreover, the heat sink 501 can also be produced as follows (FIG. 5). A rod-like tubular material made of copper or the like is bent into a U shape and placed in a mold for producing the outer frame portion 502, the supply portion 504, and the discharge portion 505. In addition, as a cylindrical material, the thing excellent in heat conductivity is preferable, and there exist aluminum etc. in addition. Subsequently, aluminum or the like, which is the high thermal conductivity material 507, is heated to a temperature higher than its melting point, liquefied and poured into the mold, and then the high thermal conductivity material 507 is cooled. Remove the high thermal conductivity material 507. Here, other examples of the high thermal conductivity material 507 include copper.
このように鋳造した後、供給部５０４と排出部５０５のそれぞれに接続されたＵ字型に折り曲げ加工された筒状材の中空である内側に切削タップを挿入して、筒状材の長さ方向の軸線５１０に沿って切削タップを回転させながら、供給部５０４と排出部５０５からそれぞれ距離５０９まで切削加工し、筒状材の内面にスパイラル形状の溝５０８を有する流路部５０６を作製した。
このように作製されるヒートシンク５０１は、流路部５０６と高熱伝導性材５０７とが接触しており、外枠部５０２、供給部５０４、排出部５０５は、高熱伝導性材５０７により一体的に作製されていることから、接触抵抗が小さく、熱伝導性に優れており、発熱体において発生した熱を効率よく伝導することができるヒートシンクとすることができる。また、鋳造後に切削加工することから、ヒートシンク全体の製造工程のうち、鋳造までの製造工程は発熱体に寄らず共通化し、個々の発熱体の発熱量に応じて棒状の筒状材の切削加工する量、例えば、切削される距離、溝の間隔、溝の深さ等を調整すればよいことから、製造効率に優れ、低コスト化にも繋がる。
After casting in this way, a cutting tap is inserted into the hollow inside of the tubular material bent into a U-shape connected to each of the supply unit 504 and the discharge unit 505, and the length of the tubular material While rotating the cutting tap along the direction axis 510, cutting was performed from the supply unit 504 and the discharge unit 505 to a distance 509, respectively, and a flow path unit 506 having a spiral groove 508 on the inner surface of the cylindrical material was produced. .
In the heat sink 501 manufactured in this way, the flow path portion 506 and the high thermal conductivity material 507 are in contact with each other, and the outer frame portion 502, the supply portion 504, and the discharge portion 505 are integrally formed by the high thermal conductivity material 507. Since it is manufactured, it is possible to provide a heat sink that has low contact resistance and excellent thermal conductivity, and can efficiently conduct the heat generated in the heating element. In addition, since cutting is performed after casting, the manufacturing process up to casting out of the entire manufacturing process of the heat sink is made common regardless of the heating element, and the rod-shaped cylindrical material is cut according to the amount of heat generated by each heating element. Since it is sufficient to adjust the amount to be cut, for example, the distance to be cut, the groove interval, the groove depth, etc., the manufacturing efficiency is excellent and the cost is reduced.
図６に、スパイラル形状の溝を有する流路部５０６に冷媒流体５０３を循環させた場合の冷媒流体５０３の流量に対するヒートシンクの熱抵抗を示す。なお、ここで使用した筒状材の断面は内径が７．９２ｍｍの円形であり、スパイラル形状の溝の深さは０．４４ｍｍ、溝の間隔は１．２５ｍｍであって、供給部５０４と排出部５０５から６２ｍｍの距離まで切削加工したもの（図６のアルミ（スパイラル Ｌ６２ｍｍ））と、供給部５０４と排出部５０５から１０４ｍｍの距離まで切削加工したものである（図６のアルミ（スパイラル Ｌ１０４ｍｍ））。比較として、スパイラル形状の溝を有さない流路部を有するヒートシンクの熱抵抗を示す（図６のアルミ）。流路部がスパイラル形状の溝を有することにより熱抵抗が減少し、切削加工する距離を長くして溝の数を増加させると更に熱抵抗が減少し、放熱効率が向上することが分かる。また、これにより、発熱体の発熱量に応じて、切削加工する距離を調整することができることが分かる。
なお、スパイラル形状の溝の深さ及び溝の間隔は、冷媒流体５０３の乱流効果が促進されてヒートシンクの放熱効果を向上させるために、冷媒流体５０３がスパイラル状に動くことになるように決定される。
FIG. 6 shows the heat resistance of the heat sink with respect to the flow rate of the refrigerant fluid 503 when the refrigerant fluid 503 is circulated through the flow path portion 506 having a spiral groove. In addition, the cross section of the cylindrical material used here is a circle having an inner diameter of 7.92 mm, the depth of the spiral groove is 0.44 mm, and the interval between the grooves is 1.25 mm. A portion cut from a portion 505 to a distance of 62 mm (aluminum in FIG. 6 (spiral L62 mm)) and a portion cut from a supply portion 504 and a discharge portion 505 to a distance of 104 mm (aluminum in FIG. 6 (spiral L104 mm)) ). As a comparison, the thermal resistance of a heat sink having a flow path portion that does not have a spiral groove is shown (aluminum in FIG. 6). It can be seen that the heat resistance is reduced by having the spiral groove in the flow path portion, and that the heat resistance is further reduced and the heat dissipation efficiency is improved by increasing the number of grooves by increasing the cutting distance. Further, it can be seen that the cutting distance can be adjusted according to the amount of heat generated by the heating element.
Note that the depth and interval of the spiral grooves are determined so that the refrigerant fluid 503 moves in a spiral shape in order to promote the turbulent effect of the refrigerant fluid 503 and improve the heat dissipation effect of the heat sink. Is done.
図７に、棒状の筒状材の内面と外面を変形させる圧力を加えながら、棒状の筒状材の長さ方向の軸線７１０に沿って棒状の筒状材を回転し、内面７１１と外面７１２にスパイラル形状の溝を有するように転造加工された流路部７０６の正面図、側面図、及び正面図のＸ−Ｘ線に沿った断面図を示す。例えば、図８に示すように、棒状の筒状体８１１の内径８１３に合う凸部８１２を有する芯金８０９を棒状の筒状体８１１に挿入して旋盤に固定し、棒状の筒状体８１１と芯金８０９を同時に長さ方向の軸線８１０に沿って回転させながら棒状の筒状体８１１の外面に転造ダイス等の工具を押し当てて、棒状の筒状材８１１の内面と外面にスパイラル形状の溝７０８を有する流路部７０６を転造加工することができる。このように転造加工された流路部７０６をヒートシンクの内部に配置することもできる。 In FIG. 7, while applying pressure to deform the inner surface and the outer surface of the rod-shaped cylindrical material, the rod-shaped cylindrical material is rotated along the longitudinal axis 710 of the rod-shaped cylindrical material, and the inner surface 711 and the outer surface 712 are rotated. FIG. 6 shows a front view, a side view, and a cross-sectional view along the line XX of the front view of the flow path portion 706 that has been rolled so as to have a spiral groove. For example, as shown in FIG. 8, a cored bar 809 having a convex portion 812 that fits an inner diameter 813 of a rod-shaped tubular body 811 is inserted into the rod-shaped tubular body 811 and fixed to a lathe, and the rod-shaped tubular body 811 is inserted. A tool such as a rolling die is pressed against the outer surface of the rod-shaped cylindrical body 811 while simultaneously rotating the cored bar 809 along the longitudinal axis 810 to spiral the inner surface and the outer surface of the rod-shaped cylindrical member 811. The flow path portion 706 having the groove 708 having a shape can be rolled. The flow path portion 706 thus rolled can be arranged inside the heat sink.
ヒートシンク１１０１を次のように作製することもできる（図９から図１１）。スパイラル形状の溝１１０８を有する、冷媒流体の循環する流路部１１０６を作製するための中子９０６を用意する。外枠部１１０２、外枠部１１０２に配置され冷媒流体を外枠部１１０２に供給する供給部１１０４、及び外枠部１１０２に配置され冷媒流体を外枠部１１０２から排出する排出部（図示されていない、例えば、供給部１１０４が外枠部１１０２に配置される面の相対する面に配置される）を作製するための鋳型を用意する。中子９０６を、鋳型の内部に配置し、高熱伝導性材１１０７を融点よりも高い温度に加熱して液体化し、鋳型に液体化された高熱伝導性材１１０７を流し込み、高熱伝導性材１１０７を冷却し、高熱伝導性材１１０７が固体化したら鋳型から高熱伝導性材１１０７を外す。固体化した高熱伝導性材１１０７より構成された外枠部１１０２から中子９０６を取り除くことにより、スパイラル形状の溝１１０８を有する、冷媒流体の循環する流路部１１０６を備えたヒートシンク１１０１を製造することができる。図１１にこのように作製されたヒートシンク１１０１を透視して表した流路部１１０６を示す。
このように鋳造加工により作製される外枠部１１０２、供給部１１０４、排出部、流路部１１０６から構成されるヒートシンク１１０１は、高熱伝導性材１１０７により一体的に作製されていることから、接触抵抗が小さく、熱伝導性に優れており、発熱体において発生した熱を効率よく伝導することができるヒートシンクとすることができる。
The heat sink 1101 can also be manufactured as follows (FIGS. 9 to 11). A core 906 having a spiral groove 1108 for preparing a flow path portion 1106 through which the refrigerant fluid circulates is prepared. Outer frame portion 1102, supply portion 1104 arranged on outer frame portion 1102 for supplying refrigerant fluid to outer frame portion 1102, and discharge portion arranged on outer frame portion 1102 for discharging refrigerant fluid from outer frame portion 1102 (not shown) (For example, the supply unit 1104 is arranged on a surface opposite to the surface arranged on the outer frame unit 1102). The core 906 is disposed inside the mold, the high thermal conductivity material 1107 is heated to a temperature higher than the melting point to be liquefied, the liquefied high thermal conductivity material 1107 is poured into the mold, and the high thermal conductivity material 1107 is When the high heat conductive material 1107 is cooled and solidified, the high heat conductive material 1107 is removed from the mold. By removing the core 906 from the outer frame portion 1102 constituted by the solidified high thermal conductivity material 1107, a heat sink 1101 having a spiral-shaped groove 1108 and a flow path portion 1106 for circulating the refrigerant fluid is manufactured. be able to. FIG. 11 shows a flow path portion 1106 seen through the heat sink 1101 thus manufactured.
Since the heat sink 1101 composed of the outer frame portion 1102, the supply portion 1104, the discharge portion, and the flow path portion 1106 produced by casting in this manner is integrally produced from the high thermal conductivity material 1107, it is in contact with the heat sink 1101. A heat sink having low resistance and excellent thermal conductivity and capable of efficiently conducting the heat generated in the heating element can be obtained.
図１２に、外枠部１２０２、供給部１２０４、排出部１２０５、供給部側の流路部１２１６と排出部側の流路部１２２６の間に、複数の並列状に配置された流路１２３６を含む流路部１２０６を備えるヒートシンク１２０１を示す。スパイラル形状の溝は供給部側の流路部１２１６、排出部側の流路部１２２６、複数の並列状に配置された流路１２３６の何れにあってもよい。流路を並列状に複数配置することにより、冷媒流体１２０３と流路部１２０６との接触する面積が増加し、発熱体において発生した熱を流路部１２０６を循環する冷媒流体１２０３に効率よく伝導することができる。 In FIG. 12, a plurality of channels 1236 arranged in parallel are arranged between the outer frame part 1202, the supply part 1204, the discharge part 1205, the flow part 1216 on the supply part side and the flow part 1226 on the discharge part side. A heat sink 1201 including a flow path portion 1206 is shown. The spiral groove may be present in any of the flow channel portion 1216 on the supply portion side, the flow channel portion 1226 on the discharge portion side, and a plurality of parallel flow channels 1236. By arranging a plurality of flow paths in parallel, the contact area between the refrigerant fluid 1203 and the flow path section 1206 increases, and the heat generated in the heating element is efficiently conducted to the refrigerant fluid 1203 circulating through the flow path section 1206. can do.
また、流路部は、加工性の観点からその断面を、円形、楕円、丸い端部を備えた多角形、又はこれらの幾何形状の組合せの何れかにすることができる。 In addition, from the viewpoint of workability, the cross section of the flow path portion can be any one of a circle, an ellipse, a polygon having a round end, or a combination of these geometric shapes.
上記のヒートシンク１３０１に発熱体である半導体モジュール１３０９を搭載したヒートシンク付半導体パッケージを図１３に示す。 FIG. 13 shows a semiconductor package with a heat sink in which a semiconductor module 1309 as a heating element is mounted on the heat sink 1301.
以上説明したように、本発明によれば、放熱効率、製造効率に優れたヒートシンクを実現することができるので、半導体素子の特性劣化の防止、低コスト化に大いに貢献することが可能である。 As described above, according to the present invention, a heat sink excellent in heat dissipation efficiency and manufacturing efficiency can be realized, so that it is possible to greatly contribute to prevention of characteristic deterioration of semiconductor elements and cost reduction.
１０１ ヒートシンク
１０２ 外枠部
１０３ 冷媒流体
１０４ 供給部
１０５ 排出部
１０６ 流路部
１０７ 高熱伝導性材
１０８ スパイラル形状の溝
１０９ モジュール位置
１１０ 軸線
１１１ 内面
５０１ ヒートシンク
５０２ 外枠部
５０３ 冷媒流体
５０４ 供給部
５０５ 排出部
５０６ 流路部
５０７ 高熱伝導性材
５０８ スパイラル形状の溝
５０９ 距離
５１０ 軸線
７０６ 流路部
７０８ スパイラル形状の溝
７１０ 軸線
７１１ 内面
７１２ 外面
８０９ 芯金
８１０ 軸線
８１１ 棒状の筒状体
８１２ 凸部
８１３ 内径
９０６ 中子
１１０１ ヒートシンク
１１０２ 外枠部
１１０４ 供給部
１１０６ 流路部
１１０７ 高熱伝導性材
１１０８ スパイラル形状の溝
１２０１ ヒートシンク
１２０２ 外枠部
１２０３ 冷媒流体
１２０４ 供給部
１２０５ 排出部
１２０６ 流路部
１２１６ 供給部側の流路部
１２２６ 排出部側の流路部
１２３６ 複数の並列状に配置された流路
１３０１ ヒートシンク
１３０９ 半導体モジュール
101 Heat sink 102 Outer frame portion 103 Refrigerant fluid 104 Supply portion 105 Discharge portion 106 Flow path portion 107 High thermal conductivity material 108 Spiral groove 109 Module position 110 Axis 111 Inner surface 501 Heat sink 502 Outer frame portion 503 Refrigerant fluid 504 Supply portion 505 Discharge Portion 506 Channel portion 507 High thermal conductivity material 508 Spiral groove 509 Distance 510 Axis 706 Channel portion 708 Spiral groove 710 Axis 711 Inner surface 712 Core 810 Axis 811 Rod-shaped cylindrical body 812 Convex portion 813 Inner diameter 906 Core 1101 Heat sink 1102 Outer frame portion 1104 Supply portion 1106 Flow path portion 1107 High thermal conductivity material 1108 Spiral shaped groove 1201 Heat sink 1202 Outer frame portion 1203 Refrigerant fluid 1204 Supply portion 1205 Discharge portion 1206 Flow path 1216 supply side of the channel portion 1226 discharge side of the channel portion 1236 plurality of flow channels 1301 the heat sink 1309 semiconductor module disposed in parallel form
Claims (19)
前記外枠部に配置され冷媒流体を前記外枠部に供給する供給部と、
前記外枠部に配置され前記冷媒流体を前記外枠部から排出する排出部と、
前記外枠部内部に配置され前記供給部と前記排出部に接続される、前記冷媒流体が循環する流路部と、
を備え、
前記流路部は、内面にスパイラル形状の溝を有する、
ことを特徴とするヒートシンク。 An outer frame,
A supply unit that is arranged in the outer frame part and supplies refrigerant fluid to the outer frame part;
A discharge part disposed in the outer frame part for discharging the refrigerant fluid from the outer frame part;
A flow path section through which the refrigerant fluid circulates, which is disposed inside the outer frame section and connected to the supply section and the discharge section;
With
The flow path portion has a spiral groove on the inner surface,
A heat sink characterized by that.
前記外枠部に接触して配置された半導体素子と、
を備えることを特徴とするヒートシンク付半導体パッケージ。 A heat sink according to any one of claims 1 to 13,
A semiconductor element disposed in contact with the outer frame portion;
A semiconductor package with a heat sink.
前記転造加工された流路部を外枠部の内部に組み込むステップと、
を備えることを特徴とするヒートシンクの製造方法。 While applying pressure to deform the outer surface and the inner surface of the cylindrical material, the cylindrical material is rotated along the longitudinal axis of the cylindrical material to form spiral shapes on the outer surface and the inner surface of the cylindrical material. Rolling the flow path portion having a groove;
Incorporating the rolled flow path part into the outer frame part;
A method of manufacturing a heat sink.
前記切削加工された流路部を外枠部に組み込むステップと、
を備えることを特徴とするヒートシンクの製造方法。 A flow path portion having a spiral groove on the inner surface of the cylindrical material while inserting the cutting tap inside the cylindrical material and rotating the cutting tap along the longitudinal axis of the cylindrical material Cutting the step,
Incorporating the cut flow channel into the outer frame;
A method of manufacturing a heat sink.
前記外枠部、前記外枠部に配置され冷媒流体を前記外枠部に供給する供給部、及び前記外枠部に配置され前記冷媒流体を前記外枠部から排出する排出部を作製するための鋳型を提供するステップと、
前記転造または前記切削加工された流路部を、前記鋳型の内部に配置するステップと、
高熱伝導性材を融点よりも高い温度に加熱して液体化し、前記鋳型に前記液体化された高熱伝導性材を流し込み、前記高熱伝導性材を冷却して、前記外枠部の形状に固体化するステップと、
を備えるステップである、ことを特徴とする請求項１５または１６に記載のヒートシンクの製造方法。 The step of incorporating the rolling process or the cut-processed flow path part into the outer frame part,
To produce the outer frame part, a supply part arranged in the outer frame part for supplying refrigerant fluid to the outer frame part, and a discharge part arranged in the outer frame part for discharging the refrigerant fluid from the outer frame part Providing a mold of,
Placing the rolled or cut flow path section inside the mold; and
The high thermal conductivity material is heated to a temperature higher than the melting point to be liquefied, the liquefied high thermal conductivity material is poured into the mold, the high thermal conductivity material is cooled, and the shape of the outer frame portion is solid. Steps to
The method of manufacturing a heat sink according to claim 15 or 16, wherein the method includes:
筒状材を、前記鋳型の内部に配置するステップと、
高熱伝導性材を融点よりも高い温度に加熱して液体化し、前記鋳型に前記液体化された高熱伝導性材を流し込み、前記高熱伝導性材を冷却して、前記外枠部の形状に固体化するステップと、
前記筒状材の内側に切削タップを挿入して、前記筒状材の長さ方向の軸に沿って前記切削タップを回転させながら、前記筒状材の内面にスパイラル形状の溝を有する流路部を切削加工するステップと、
を備えることを特徴とするヒートシンクの製造方法。 An outer frame portion, a supply portion that is disposed in the outer frame portion, supplies refrigerant fluid to the outer frame portion, and a discharge portion that is disposed in the outer frame portion and discharges the refrigerant fluid from the outer frame portion. Providing a mold; and
Placing a tubular material inside the mold; and
The high thermal conductivity material is heated to a temperature higher than the melting point to be liquefied, the liquefied high thermal conductivity material is poured into the mold, the high thermal conductivity material is cooled, and the shape of the outer frame portion is solid. Steps to
A flow path having a spiral groove on the inner surface of the cylindrical material while inserting the cutting tap inside the cylindrical material and rotating the cutting tap along the longitudinal axis of the cylindrical material Cutting the part,
A method of manufacturing a heat sink.
外枠部、前記外枠部に配置され冷媒流体を前記外枠部に供給する供給部、及び前記外枠部に配置され前記冷媒流体を前記外枠部から排出する排出部を作製するための鋳型を提供するステップと、
前記中子を、前記鋳型の内部に配置するステップと、
高熱伝導性材を融点よりも高い温度に加熱して液体化し、前記鋳型に前記液体化された高熱伝導性材を流し込み、前記高熱伝導性材を冷却して、前記外枠部の形状に固体化するステップと、
前記固体化された外枠部から前記中子を取り除くステップと、
を備えることを特徴とするヒートシンクの製造方法。 Providing a core for producing a flow path portion for circulating a refrigerant fluid having a spiral groove;
An outer frame portion, a supply portion that is disposed in the outer frame portion, supplies refrigerant fluid to the outer frame portion, and a discharge portion that is disposed in the outer frame portion and discharges the refrigerant fluid from the outer frame portion. Providing a mold; and
Placing the core inside the mold; and
The high thermal conductivity material is heated to a temperature higher than the melting point to be liquefied, the liquefied high thermal conductivity material is poured into the mold, the high thermal conductivity material is cooled, and the shape of the outer frame portion is solid. Steps to
Removing the core from the solidified outer frame portion;
A method of manufacturing a heat sink.
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