JP2019067983A - ヒートシンクおよび半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】フィンの根元の部分まで冷媒を流入させ、冷却性能の低下を抑制するヒートシンクを提供する。【解決手段】ヒートシンクは、ベースと、ベースの第１の面に設けられた複数のフィンと、を備え、複数のフィンは、複数のフィンが配設された領域への冷媒の流入または流出方向に対して垂直に配置されるとともに、複数のフィンの間を冷媒がジグザグに流れるような流路を構成するように配設されたものである。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、発熱素子を冷却するためのヒートシンクとこのヒートシンクに発熱素子が搭載された半導体モジュールに関するものである。

近年、ＣＰＵ、ＬＳＩ、パワー半導体素子等の発熱素子の発熱密度が増大し高温になることから、発熱素子を冷却するための冷却器としては、空冷式冷却器よりも放熱性能が高い水冷式冷却器が用いられることが多くなってきている。
また、従来の半導体モジュール用冷却器としては、冷媒の流入流出部に特に発熱素子の実装に配置制約がなければ、ストレートフィンの周囲を流路壁面が取り囲み、ストレートフィンのフィン根元からフィン先端に至るまで均等に冷媒を流すことができる流路を構成することができていた（例えば、特許文献１参照）。

特許第６０９３１８６号公報

しかしながら、発熱素子を実装するベース面の部品配置の制約上、ベース面の一部を盛り上げる必要がある場合、盛り上げ量に応じてベース面厚さを厚くするとベース面厚さが増えた分だけ熱抵抗が増加し、発熱素子の温度が上昇する懸念が生じる。
そこで、ベース面の厚さを変えずに当該箇所直下の冷媒流路をベース面の盛り上げ量に応じてくぼませ、そのくぼみ部分（以降、キャビティと称す）にストレートフィンを構成することがベース面の熱抵抗を抑制する観点で望ましい。ところが、キャビティに冷媒が流入する部分と冷媒が流出する部分は、キャビティのごく一部、すなわちキャビティ内に構成したフィン先端のわずかな領域のみにしか設けることができない。前述のような場合、冷媒は慣性にしたがって直進するため、冷媒のほとんどはフィン先端の部分を流れ、フィン根元の部分は冷媒が滞留してしまい、冷却性能が大幅に低下する問題があった。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、フィンの根元の部分まで冷媒を流入させ、冷却性能の低下を抑制するヒートシンクおよび半導体モジュールを得ることを目的とする。

この発明に係るヒートシンクは、ベースと、前記ベースの第１の面に設けられた複数のフィンと、を備え、前記複数のフィンは、前記複数のフィンが配設された領域への冷媒の流入または流出方向に対して垂直に配置されるとともに、前記複数のフィンの間を冷媒がジグザグに流れるような流路を構成するように配設されたものである。
また、この発明に係る半導体モジュールは、この発明に係るヒートシンクの第１の面の反対側の第２の面に発熱素子が搭載されたものである。

この発明によるヒートシンクおよび半導体モジュールによれば、フィン周囲の冷媒の流速分布の均一化により、フィンはフィン表面全域を放熱面として利用できるため、フィン先端の部分のわずかな領域以外に冷媒の流入流出部を設けることができない場合であっても、本来の冷却性能を発揮することができる。

この発明の実施の形態１によるヒートシンクを示す分解斜視図である。 図１のヒートシンクにおいてフィンが配置された面から見た平面図である。 図２のＡ‐Ａ線の矢印方向から見た断面図である。 この発明の実施の形態２によるヒートシンクであり、図３の破線Ｂの拡大図である。 この発明の実施の形態３によるヒートシンクを示す分解斜視図である。 図５のＣ‐Ｃ線の矢印方向から見た断面図である。 図５のＤ‐Ｄ線の矢印方向から見た断面図である。 この発明の実施の形態４によるヒートシンクを示す分解斜視図である。 図８のＥ‐Ｅ線の矢印方向から見た断面図である。 この発明の実施の形態５によるヒートシンクを示す分解斜視図である。 図１０のＦ‐Ｆ線の矢印方向から見た断面図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
図１は、この発明の実施の形態１によるヒートシンクを示す分解斜視図であり、図２は図１のヒートシンクにおいてフィンが配置された面から見た平面図である。また、図３は図２のＡ‐Ａ線の矢印方向から見た断面図である。なお、図２および図３において、矢印ａは冷媒の流れを示している。

図１〜図３に示すように、この発明の実施の形態１によるヒートシンク３０は、複数のストレートフィン１と、フィン先端６の近傍に設けられた冷媒流入部２および冷媒流出部３と、カバー４と、発熱素子を実装するベース５によって構成されている。
複数のストレートフィン１は、発熱素子が実装されるベース５の表面の反対側の面に設けられ、複数のストレートフィン１が配設された領域への冷媒の流入または流出方向に対して垂直に配置されており、かつ複数のストレートフィン１は、複数のストレートフィン１の間を冷媒がジグザグに流れるような流路を構成するように配設されている。

ベース５は、凸形状の内部に窪みが設けられたキャビティ１４を有しており、複数のストレートフィン１は、キャビティ１４の内部に設けられ、キャビティ１４の底面の周囲を取り囲むように設けられた４面のうち対向する２面と交互に接するように形成され配置されている。カバー４は、キャビティ１４の上面に冷媒流入部２および冷媒流出部３を介して設けられ、複数のストレートフィン１のフィン先端６を覆うように形成されている。ヒートシンク３０のベース５には、例えば回路基板に形成されたパワー半導体素子が接合層を介して搭載され、半導体モジュールを構成している。

この発明の実施の形態１におけるヒートシンク３０では、冷媒は、図２および図３の矢印ａに示すように、冷媒流入部２を通り、複数のストレートフィン１が配設された領域へ流入し、垂直に配置されたストレートフィン１に衝突することで流れ方向を９０°変え下方向２０へ流れ、フィン根元７まで流入する。その後、図２の矢印ａに示すように、冷媒は流路の壁に衝突し、流れ方向を１８０°変えながらジグザグに流れ、最後に上方向２１に向かって流れて冷媒流出部３から排出される。

このように冷媒は流路の壁に衝突し、フィン先端６からフィン根元７の方向に流れの方向を１８０°変えるという事を繰り返しながら流れるため、流体抵抗は非常に大きくなる。流体抵抗が大きな箇所では、流体は圧力損失が最小となるように流れるため、冷媒流入部２から冷媒流出部３に至るまで、フィン先端６からフィン根元７までの流速分布が均一化されたまま流れていく。この発明の実施の形態１においては、冷媒が均一に流れることで、ストレートフィン１の全面を放熱面として活用でき、冷却性能の低下を防ぐことができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２によるヒートシンクであり、図３の破線Ｂの拡大図である。この発明の実施の形態２におけるヒートシンク３０は、図４に示すように、フィン先端６とカバー４との間に高さＨ１の隙間８が設けられている。このフィン先端６に設けられた隙間８は、冷媒流入部２または冷媒流出部３の高さＨ２よりも小さな隙間である。わずかな隙間を設けることにより、実施の形態１に記載した流れ方には影響を与えず、フィン先端６を放熱面として活用でき、ヒートシンク３０の放熱性能を向上させることができる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３のヒートシンクを示す分解斜視図である。また、図６は図５のＣ‐Ｃ線の矢印方向から見た断面図であり、図７は、図５のＤ‐Ｄ線の矢印方向から見た断面図である。
この発明の実施の形態３におけるヒートシンク３０は、ウォータージャケット９と一体となった複数のストレートフィン１と、その周囲に配置された放熱フィン１２と、冷媒が流入される入口パイプ１０および冷媒が流出される出口パイプ１１と、カバー４と発熱素子を実装するベース５によって構成されている。複数のストレートフィン１は、複数のストレートフィン１が配設された領域への冷媒の流入または流出方向に対して垂直に配置されるとともに、複数のストレートフィン１の間を冷媒がジグザグに流れるような流路を構成するように配設されている。
なお、放熱フィン１２の形状は、例えば、ストレートフィンやピンフィンや積層フィン等を用いてよい。図５の矢印ｂに示すように、入口パイプ１０からウォータージャケット９の内部に流入した冷媒は、ストレートフィン１および放熱フィン１２を通り、出口パイプ１１から流出する。

また、図６に示すように、ベース５上の発熱素子およびその他部品のレイアウト制約から、ベース５の一部が高くなっていながらも、図７に示すように、ストレートフィン１のフィン先端６の上面の高さとストレートフィン１の周囲に配置された放熱フィン１２のカバー４に面する上面の高さは、同じ高さとなっている。もし、ストレートフィン１のある領域がキャビティである場合、一般的には冷却水はキャビティ内で滞留してしまい、高くなったベース５上に実装される発熱素子を冷却することができない。しかし、この発明の実施の形態３のヒートシンク３０の構造では、フィン根元７まで冷媒を誘導し、冷媒が均一に流れることで、発熱素子を効果的に冷却することができる。

実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４のヒートシンクを示す分解斜視図である。また、図９は、図８のＥ‐Ｅ線の矢印方向から見た断面図である。
実施の形態４におけるヒートシンク３０は、実施の形態３におけるヒートシンク３０の構成と同じであり、異なる点は、実施の形態４ではカバー４に発熱素子を実装するベース５とそのベース５の反対側の面に放熱フィン１２が配置されていることである。この放熱フィン１２は、例えば複数の円柱状のフィンで構成されている。この発明の実施の形態４のヒートシンク３０においては、発熱素子を実装する２つのベース５の流路側に放熱フィン１２が向かい合うように配置されており、流路を共有して両面から放熱される。この発明の実施の形態４においては、カバー４に放熱フィン１２が設けられているため、より多くの発熱素子およびその他の部品を搭載することができ、空間を有効に活用することができるため、機器を小型化することが可能である。

実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５のヒートシンクを示す分解斜視図である。また、図１１は、図１０のＦ‐Ｆ線の矢印方向から見た断面図である。
この発明による実施の形態５におけるヒートシンク３０は、実施の形態４におけるヒートシンク３０の構成と同じであり、異なる点は、向かい合った放熱フィン１２の間に板金１３が配置されたことである。板金１３が配置されることにより、実施の形態４においては、共有していた流路が分割され、図１１に示す上側のベース５と下側のベース５上に実装される発熱素子同士の、冷媒を介した熱干渉を防ぐことができる。さらに、板金１３で分割された上側のフィンと下側のフィンの流体抵抗を調整することで、発熱素子の発熱量に応じた冷媒流量を流すことができ、一方のベースに配置された発熱素子の発熱量が、もう一方のベースに配置された発熱素子の発熱量よりも小さい場合には、発熱量が小さい側のフィンを流れる冷媒流量を少なくして、冷媒循環ポンプの消費エネルギーを抑制することができる。

また、板金１３が配置されることにより、ストレートフィン１のフィン先端６から、放熱フィン１２の先端に向かって冷媒が流れることを防ぐことができるため、実施の形態４のヒートシンク３０と比べて、よりストレートフィン１のフィン根元７まで冷媒を誘導でき、発熱素子を効果的に冷却することができる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ストレートフィン、２ 冷媒流入部、３ 冷媒流出部、４ カバー、５ ベース、６ フィン先端、７ フィン根元、８ 隙間、９ ウォータージャケット、１０ 入口パイプ、１１ 出口パイプ、１２ 放熱フィン、１３ 板金、１４ キャビティ、２０ 下方向、２１ 上方向、３０ ヒートシンク

この発明に係るヒートシンクは、凸形状の内部に窪みが設けられたキャビティを有するベースと、前記キャビティの内部の底面に設けられ、前記キャビティの底面の周囲を取り囲むように設けられた４面のうち対向する２面と交互に接するように形成された複数のフィンと、前記複数のフィンの先端側に設けられた冷媒流入流出部と、前記キャビティの上面に前記冷媒流入流出部を介して設けられ、前記複数のフィンの先端を覆うように形成されたカバーと、を備え、前記複数のフィンは、前記複数のフィンが配設された領域への冷媒の流入または流出方向に対して垂直に配置されるとともに、前記複数のフィンの間を冷媒がジグザグに流れるような流路を構成して配設されており、前記複数のフィンの先端と前記カバーとの隙間の高さは、前記冷媒流入流出部の高さよりも小さいものである。
また、この発明に係る半導体モジュールは、この発明に係るヒートシンクの前記ベースの表面に発熱素子が搭載されたものである。

Claims (8)

1. ベースと、
   前記ベースの第１の面に設けられた複数のフィンと、を備え、
   前記複数のフィンは、前記複数のフィンが配設された領域への冷媒の流入または流出方向に対して垂直に配置されるとともに、前記複数のフィンの間を冷媒がジグザグに流れるような流路を構成するように配設されたことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記ベースは、凸形状の内部に窪みが設けられたキャビティを有しており、
   前記複数のフィンは前記キャビティの内部に設けられ、前記キャビティの底面の周囲を取り囲むように設けられた４面のうち対向する２面と交互に接するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記複数のフィンの先端の近傍に設けられた冷媒流入流出部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. 前記キャビティの上面に前記冷媒流入流出部を介して設けられ、前記複数のフィンの先端を覆うように形成された第１のカバーを有し、
   前記フィンの先端と前記カバーとの間の高さは、前記冷媒流入流出部の高さよりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記複数のフィンと一体となったウォータージャケットと、
   前記複数のフィンの周囲に配置された第１の放熱フィンと、を有し、
   前記第１の放熱フィンの上面の高さは、前記ヒートシンクの前記冷媒流入流出部と同じ高さであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記ウォータージャケットの上面を覆う第２のカバーと、
   前記第２のカバーに設けられた第２の放熱フィンと、
   前記第２の放熱フィンが設けられた面の反対側の面に設けられた別のベースと、を有し、
   前記流路に対して前記第１および第２の放熱フィンが向かい合うように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
7. 前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンとの間に板金が配置されたことを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のヒートシンクの前記第１の面の反対側の第２の面に発熱素子が搭載されたことを特徴とする半導体モジュール。

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