JP2019096649A

JP2019096649A - 冷却器

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Publication number: JP2019096649A
Application number: JP2017222207A
Authority: JP
Inventors: 遼一加藤; Ryoichi Kato; 広道郷原; Hiromichi Gohara; 池田　良成; Yoshinari Ikeda; 良成池田; 朋之宮下; Tomoyuki Miyashita; 義博立石; Yoshihiro Tateishi
Original assignee: Waseda University; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Waseda University; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-06-20
Anticipated expiration: 2037-11-17
Also published as: JP7024962B2

Abstract

【課題】流体の圧力損失が低く、冷却効率が高い冷却器を提供する。【解決手段】冷却器７は、複数の板状フィン７ｄが天板７ａ、底板７ｂに共に垂直、且つ互いに平行に設けられ、複数の板状フィン７ｄの間を流れる流体により半導体素子１ａ，１ｂを冷却する。板状フィン７ｄの平板部１０は、流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて平板部１０から離れる方向に傾斜し、平板部１０に千鳥状に配列された突出部１１を有し、突出部１１のうち平板部１０と平行に形成された断面部１１ａは、上流側から下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅Ａとなった後に徐々に縮幅する形状となっている。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子を水流により冷却する冷却器に関する。

電力変換用途のスイッチングデバイス等として用いられるパワー半導体モジュール等では、回路から発生する熱による悪影響を抑制するため、放熱のための冷却器等が用いられている。

例えば、下記の特許文献１の液冷冷却器では、冷却液通路内に流入した冷却液が放熱フィン及びヒートシンクベース部材を介して発熱素子を冷却する。ヒートシンクベース部材の第１の面部には、縦横に整列した多数の放熱フィンが設けられ、放熱フィンの長さ方向は、第１の面部と直交する方向に対して所定の角度θで冷却液の流通方向の下流側に向かって傾斜している（段落００１９、００２０、図２）。

特開２０１６−２２５５５５号公報

特許文献１の放熱フィンの構造は、従来のストレートフィン構造と比較すれば放熱性能が高まっている。しかしながら、放熱フィンの構造や配置によっては、流体（水等の冷却液）の圧力損失が大きくなり、例えば、流体を流動させるためにファンのモータ出力を高めなければならないという問題があった。

このような問題に鑑み、本発明の目的は、圧力損失が低く、冷却効率も高い放熱フィン構造の冷却器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の冷却器は、複数の板状フィンが天板及び底板に共に垂直、且つ互いに平行に設けられて、前記複数の板状フィンの間を流れる流体により半導体装置を冷却する冷却器において、前記板状フィンの平板部は、前記流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて前記平板部から離れる方向に傾斜し、前記平板部に千鳥状に配列された突出部を有し、前記突出部のうち前記平板部と平行に形成された断面部は、前記上流側から前記下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅Ａとなった後に徐々に縮幅する形状となっていることを特徴とする。

本発明の冷却器は、複数の板状フィンが冷却器の底板及び天板に垂直、且つ互いに平行に設けられており、複数の板状フィンの間を流れる流体（例えば、水）により半導体装置を冷却する。

板状フィンは、平板部に千鳥状に配置された突出部を有しており、突出部が流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて傾斜した形状となっている。さらに、突出部のうち平板部と平行に形成された断面部については、上流側から下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅Ａとなった後に徐々に縮幅する形状となっている。突出部をこのような形状とすることで、流体は上流側から下流側に向けて突出部の間をすり抜けて流れ、板状フィンの間を圧力損失を低く保った状態で進む。これにより、流体の圧力損失が低く、冷却効率が高い冷却器とすることができる。

本発明の冷却器において、前記断面部の前記最大幅Ａと、前記断面部の前記下流側の端部から前記最大幅Ａをなす直線までの長さＣとの比Ｃ／Ａは、１．５以上、１０．０以下の数値であることが好ましい。

板状フィンの断面部の形状は、流体の流れ方や速度に影響するため、温度（放熱性）と流体の圧力損失に影響を及ぼす。特に、断面部を形成する要素である最大幅Ａと長さＣとの比Ｃ／Ａを１．５以上、１０．０以下の数値とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。

また、本発明の冷却器において、前記平板部に垂直な軸に対する前記突出部の角度は、２０．０度以上、８５．０度以下の角度であることが好ましい。

板状フィンの突出部の角度も、流体の流れに影響を及ぼす。角度が２０．０度より小さい（平板部に対して垂直に近い）場合には、流速が速い部分と遅い部分とが生じ、冷却効果が高まらない。また、角度が８５．０度より大きい（平板部に対して水平に近い）場合には、突出部の周囲の流速が急速に下がる。このため、角度を２０．０度以上、８５．０度以下の角度とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。

また、本発明の冷却器において、前記平板部に対する前記突出部の高さＨと、前記平板部の厚さＷとの比Ｗ／Ｈは、０．６以上、１．２以下の数値であることが好ましい。

板状フィンの突出部の高さＨ及び平板部の厚さＷも、流体の流れに影響を及ぼす。高さＨと厚さＷは、特に、温度（放熱性）への影響度が大きい形状パラメータであることが分かっており、高さＨと厚さＷとの比Ｗ／Ｈを０．６以上、１．２以下の数値とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。

また、本発明の冷却器において、１つの前記断面部と該断面部と千鳥状に隣接する他の前記断面部との前記流体の流れる方向の重なりの幅Ｅと、前記断面部の前記下流側の端部から前記最大幅Ａをなす直線までの長さＣとの比Ｅ／Ｃは、０以上、０．５以下の数値であることが好ましい。

長さＣと重なり幅Ｅは、隣接する断面部同士の間隔に関係するので、流体の流れに影響を及ぼす。特に、長さＣと重なり幅Ｅとの比Ｅ／Ｃを０以上、０．５以下の数値とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。

また、本発明の冷却器において、前記断面部は、前記最大幅Ａを長辺とする長方形と、前記長方形の前記下流側の長辺を底辺とし、該底辺から前記下流側の端部までの長さを第１の高さとする第１の三角形と、前記長方形の前記上流側の長辺を底辺とし、該底辺から前記上流側の端部までの長さを第２の高さとする第２の三角形と、からなる六角形状であり、前記第１の高さよりも前記第２の高さの方が低いことが好ましい。

冷却フィンの断面部は、最大幅Ａを長辺とする長方形と、最大幅Ａを底辺、高さが前記第１の高さである第１の三角形と、最大幅Ａを底辺、高さが前記第２の高さである第２の三角形とからなる六角形状（凧型）とすると冷却効率がよい。さらに、第１の高さよりも第２の高さの方が低い、すなわち流体の流れる方向の下流側に向かって長い六角形状とすることで、圧力損失を抑えつつ冷却効果を高めることができる。

本発明の実施形態に係る半導体モジュールの断面図である。半導体モジュールを構成する冷却器を天板側から見た上面図（天板無し）。冷却器の配列された板状フィンの斜視図。（ａ）板状フィンの表面図。（ｂ）板状フィンの断面部（凧型）を説明する図。（ｃ）板状フィンの断面部（四辺形）を説明する図。（ａ）冷却器の温度、圧力損失のシミュレーション結果を示す図。（ｂ）突出角が７９．２度の場合の数値比を示す図。（ｃ）シミュレーション結果をプロットしたグラフ。（ａ）比Ｃ／Ａと温度との関係をプロットしたグラフ。（ｂ）比Ｃ／Ａと圧力損失との関係をプロットしたグラフ。（ａ）比Ｗ／Ｈと温度との関係をプロットしたグラフ。（ｂ）比Ｗ／Ｈと圧力損失との関係をプロットしたグラフ。熱抵抗を測定するための断熱装置を示す図。従来のストレートフィンと本発明の板状フィンとの熱抵抗の結果を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の半導体モジュールの実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１００の断面図を示している。半導体モジュール１００は、主に２つの半導体素子１ａ，１ｂ、配線基板３、積層基板５、冷却器７、ケース９等で構成されている。図示するように、半導体素子１ａ，１ｂ、配線基板３及び積層基板５はケース９内に収められ、樹脂８でモールドされている。また、ケース９の下面に、半導体素子１ａ，１ｂを冷却する冷却器７が配設されている。

半導体素子１ａ，１ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。これらのトランジスタを、１つの半導体素子の中で縦方向に形成したＲＢ−ＩＧＢＴ（Reverse Blocking-IGBT）やＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting-IGBT）であってもよい。

配線基板３は、半導体素子１ａ，１ｂの上面側に配設されている。配線基板３は、絶縁基板の両面を金属箔で覆った構造であり、下面側の金属箔は半導体素子１ａ，１ｂに対向するように形成されている。絶縁基板は誘電率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂を含む樹脂絶縁材やＳｉ_３Ｎ_４，ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックを使用することができる。また、金属箔は電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、Ｃｕを使用することができる。

ピン４は、その一端が金属接合部材２ａによって半導体素子１ａ，１ｂの上面側に接合され、他端は配線基板３との接続に用いられる。ピン４は、電気抵抗が低く、熱伝導率の高い金属、例えば、Ｃｕを使用することができる。なお、金属接合部材２ａは、はんだや銀等の金属微粒子を有する部材であってもよい。

図示するように、ピン４は、それぞれの半導体素子１ａ，１ｂに対して複数配置されていることが好ましい。このようにすることにより、電気抵抗を低減すると共に、熱伝導性能を向上させることができる。

積層基板５は、絶縁基板５２と、その上面側に形成される第１導電性板５１と、その下面側に形成される第２導電性板５３とから構成される。絶縁基板５２は、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板５２の材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＮ等が挙げられる。特に、高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導性が共に備えた材料が好ましく、ＡｌＮ、ＳｉＮを用いることができるが、これらに限定されない。第１導電性板５１、第２導電性板５３は、導電性及び加工性が優れているＣｕ、Ａｌ等の金属材料を用いることができる。なお、本明細書において、Ｃｕからなる第２導電性板５３を、裏面銅箔と指称することもある。防錆等の目的で、Ｎｉめっき等の処理を行ったＣｕ、Ａｌであってもよい。絶縁基板５２の面上に導電性板５１，５３を配設する方法としては、直接接合法（Direct Copper Bonding法）、若しくは、ろう材接合法（Active Metal Brazing法）が挙げられる。

また、積層基板５は、半導体素子１ａ，１ｂの下面側に配設されている。積層基板５は、絶縁基板５２の両面をＣｕ等の金属箔で覆った構造であり、絶縁基板５２の絶縁性により、金属箔とは電気的に分離されている。絶縁基板５２の周縁は、導電性板５１，５３の周縁よりも外側に突出していることが好ましい。

半導体素子１ａ，１ｂの下面側と積層基板５の上面側の第１導電性板５１とは、金属接合部材２ｂによって電気的及び熱的に接合されている。積層基板５の上面側、下面側の金属箔は電気的に分離されているが、この間の熱伝導は良好である。また、積層基板５の下面側の第２導電性板５３と冷却器７の外壁（天板）とは、金属接合部材２ｃによって接合されている。なお、金属接合部材２ｂ，２ｃは、はんだや銀等の金属微粒子を有する部材であってもよい。

次に、図２〜図４を参照して、本発明の実施形態に係る冷却器の詳細を説明する。

図２は、冷却器７を天板７ａ（図１参照）側から見た上面図（天板無し）である。冷却器７は、天板７ａ、底板７ｂ、側面枠７ｃ及び板状フィン７ｄで構成され、材料はＡｌ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い金属である。側面枠７ｃの形状は八角形に限られないが、流体の流入口７ｅ、流出口７ｆを有し、流体（水等の冷却液）が流入する方向と複数の板状フィン７ｄの長手方向が平行となるように配置されている。なお、冷却器は、流体の流入口、流出口が同じ側にあるＵ字型形状のものでもよい。

次に、図３は、冷却器７を構成する一部の板状フィン７ｄ１から７ｄ３が配列された様子を示した斜視図であり、図１の一部（３枚）の板状フィン７ｄを取り出した状態である。

板状フィン７ｄ３から分かるように、各板状フィン７ｄは、平板部１０と突出部１１とで構成されている。平板部１０は、いわゆるストレートフィンであり、これだけでも従来のヒートシンクと同じ役割を果たす。平板部１０は、２つの平行な面を有し、その一方の面（表面）から隣接する平板部１０の対向する面に向けて突出する突出部１１が形成される。なお、突出部１１は、隣接する平板部１０を連結するように形成されていてもよく、その場合、平行に配置された複数の平板部１０を貫通するように配置されていてもよい。また、本発明の冷却器７は、平板部１０に千鳥状に突出部１１が多数配列された板状フィン７ｄを採用し、これを多数配設して、板状フィン７ｄの間に流体を流すようにしている。流体は、板状フィン７ｄ１から７ｄ３の図示手前側から流入し、奥側に流出する（矢印の方向）。なお、この流体の流れる矢印の方向（流体の流入方向）をＸ軸方向とする。

突出部１１は、平板部１０に対して水流の上流側から下流側に向けて、平板部１０から離れる方向に傾斜した斜角柱である。換言すると、突出部１１は、平板部１０に垂直な軸Ｚに対して所定の角度φ（突出角）で、下流側に向けて傾斜している。上記突出角は、２０度から８５度が好ましく、より好ましくは４０度から８０度である。詳細は後述するが、この範囲で流体の温度が低くなるため、冷却能力に優れ、圧力損失も低く抑えることができる。

また、突出部１１の先端部は平板部１０と平行に形成されており、この先端部を断面部１１ａとする。平板部１０と平行な面で切断した断面形状も、断面部１１ａと同じ形状である。断面部１１ａは、流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅部（図４（ｂ）の最大幅Ａ）となった後に徐々に縮幅する形状となっている。

上流側の端部と最大幅部の最小長さは、下流側の端部と最大幅部の最小長さより短いことが好ましい。上流側の端部と最大幅部の最小長さとは、最も上流側の端部に近い最大幅の辺の場合、上流側の端部からその最大幅の辺までの長さである。換言すれば、前記上流側の端部から前記最大幅Ａをなす直線までの長さであり、図４（ｂ）の幅Ｂに相当する。

また、下流側についても同様であり、最も下流側の端部に近い最大幅の辺の場合、下流側の端部からその最大幅の辺までの長さが、下流側の端部と最大幅部の最小長さである。換言すれば、前記下流側の端部から前記最大幅Ａをなす直線までの長さであり、図４（ｂ）の幅Ｃに相当する。つまり、断面部１１ａは、下流側に伸長した形状である。断面部１１ａは、Ｘ軸対称の形状が好ましく、より具体的には、後述するような六角形状及び四辺形である。

断面部１１ａは、隣接する板状フィンの平板部（裏面）に接していることが好ましい。なお、平板部の裏面とは、突出部を有しない側の面である。断面部１１ａの縦軸と横軸の交点が軸心であり（図４（ｂ）、図４（ｃ）参照）、角度φは、軸Ｘと軸Ｚとからなる面内において、原点と軸心を結んだ直線とのなす角である。また、流体の流入方向（Ｘ軸方向）に対する断面部１１ａの先端部（上流側の端部）と後端部（下流側の端部）とを結ぶ直線は、Ｘ軸と平行であることが好ましい。さらに、流体の流入方向は、軸Ｘと軸Ｚとからなる面にも平行であることが好ましい。

板状フィン７ｄの平板部１０の厚さＷは、０．５(ｍｍ)以上、１．５(ｍｍ)以下であることが好ましい。厚さＷが０．３(ｍｍ)以下の場合には流体への熱伝導が不十分であり、厚さが１．７５(ｍｍ)以上の場合には流体への接触面積が小さくなり、やはり熱伝導が不十分となる。平板部１０の厚さＷは、０．７５(ｍｍ)以上、１．２５(ｍｍ)以下が最適である。

また、板状フィン７ｄの平板部１０に対する突出部１１の高さＨは、０．９(ｍｍ)以上、１．５(ｍｍ)以下が好ましく、より好ましくは１．０５(ｍｍ)以上、１．３５(ｍｍ)以下である。なお、高さＨは、図３においては、板状フィン７ｄ１から７ｄ３の間隔と同じである。詳細は図７で説明するが、冷却効率を向上させる条件としては、厚さＷ／高さＨの比は、０．６以上、１．２以下の数値であることが好ましい。

中央の板状フィン７ｄ２の断面部１１ａは、隣接する板状フィン７ｄ３の平板部１０と接触することで固定される。また、突出部１１は、隣接する板状フィンｄ７を貫通する形で配置されている。

次に、図４は、１枚の板状フィン７ｄの表面図である。図４（ａ）に示すように、突出部１１は、平板部１０の上面に千鳥状に形成されている。なお、千鳥状とは、２列のものを互い違いに配置（ジグザク）した配列のことをいう。

ここで、断面部１１ａは、図４（ｂ）に示すように、六角形状（凧型）であってもよい。水流の方向は図３に示した通りであるから、断面部１１ａの幅Ａは実際の縦方向であり、縦幅Ａは、０．５(ｍｍ)以上、２．５(ｍｍ)以下である。なお、縦幅Ａは、本発明の「最大幅」に相当する。

ここで、断面部１１ａの最大幅Ａとなった部分の中心Ｏと上流側の端部との距離が幅Ｂであり、上記中心Ｏと下流側の端部との距離が幅Ｃである。中心Ｏは、図４（ｂ）に示すように、最大幅Ａの部分がＸ軸方向に所定の長さで続く場合は、両側辺の上記最大幅Ａとなっている部分の中間点を結ぶ線と、上流側の端部及び下流側の端部とを結ぶ線の交点とする。また、後述する図４（ｃ）に示すように、最大幅Ａとなっている部分が両側で頂点をなしている場合には、その頂点を結ぶ線と、上流側の端部及び下流側の端部とを結ぶ線の交点とする。この場合、横前幅Ｂより横後幅Ｃが長いことが好ましい。

また、上記六角形状は、縦幅Ａを長辺とする長方形と、長方形の下流側（図の上側）の長辺を底辺とし、その底辺から下流側の端部まで（横後幅Ｃの一部）を第１の高さとする第１の三角形と、前記長方形の上流側（図の下側）の長辺を底辺とし、その底辺から上流側の端部まで（横前幅Ｂの一部）を第２の高さとする第２の三角形とからなるということもできる。つまり、長方形の部分は、縦幅Ａが維持されている箇所である。なお、上述の六角形状や長方形の角は丸みを帯びた形状を含む。

また、前記第１の高さよりも前記第２の高さの方が低いことが好ましい。これは、図４（ｂ）において、横後幅Ｃ＞横前幅Ｂの関係に対応する。また、縦幅Ａを長辺とする前記長方形の短辺の長さは、横前幅Ｂより短いことが好ましい。具体的には、前記短辺の長さは、０．１ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下が好ましい。このように、断面部１１ａに前記長方形の部分を設けることにより、流体をスムーズに流すことができる。

断面部１１ａは、図４（ｃ）に示すような四辺形であってもよい。この場合、四辺形の短い対角線が縦幅Ａとなる。この縦幅Ａは、「最大幅」に相当する。また、この四辺形は、縦幅Ａを底辺とし、その底辺から下流側の端部まで（横後幅Ｃ）を第１の高さとする第１の三角形と、前記底辺から上流側の端部まで（横前幅Ｂ）を第２の高さとする第２の三角形とからなる。上述の六角形状の場合と同様に、第１の高さよりも第２の高さの方が低いことが好ましい。つまり、図４（ｃ）においても、横後幅Ｃ＞横前幅Ｂの関係となる。なお、四角形のＹ軸方向の頂点は、丸みを帯びていることが好ましい。頂点の曲率半径Ｒは、Ａ/６ｍｍ以上、Ａｍｍ以下が好ましい。頂点がその範囲の丸みを帯びていることにより、流体をスムーズに流すことができる。

また、横前幅Ｂは０．５ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下、横後幅Ｃは２．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下である。詳細は図６で説明するが、冷却効率を向上させる条件としては、横後幅Ｃ／縦幅Ａの比は、１．５以上、１０．０以下の間の数値であることが好ましい。

また、図４（ａ）に示すように、１つの断面部１１ａ２と、隣接する断面部１１ａ３（断面部１１ａ１でも同じ）とは、流体の流入方向に幅Ｅだけ重なっている。より具体的には、幅Ｅは、断面部１１ａ２の上流側の端部と、近接する断面部１１ａ３の下流側の端部とのＸ軸方向の重なり幅である。重なり幅Ｅは、０(ｍｍ)以上、１．０(ｍｍ)以下であることが好ましい。

さらに、１つの断面部１１ａ１と、隣接する断面部１１ａ２との傾斜面方向の間隔Ｆ（流路間隔）は、横後幅Ｃや重なり幅Ｅに依存する数値であるが、０．９(ｍｍ)以上、１．５(ｍｍ)以下であることが好ましい。パーティクルによる詰りが生じないように、流路間隔Ｆは、少なくとも０．９(ｍｍ)以上を確保する必要があり、冷却効率の結果から、より好ましくは１．０５(ｍｍ)以上、１．３５(ｍｍ)以下である。

本発明の板状フィン７ｄの材料には、熱伝導性に優れ、加工性にも優れるＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等が用いられる。上述の通り、板状フィン７ｄには、平板部１０の表面に突出部１１が形成されている。図３の形状は、例えば、プレス等の方法で平板部に所定の穴部を設け、その穴部に棒状の突出部を挿入することによっても形成される。また、３Ｄプリンタによっても、同じ形状を形成可能である。

次に、図５を参照して、解析ソフトにより本発明の板状フィン７ｄを構成する形状パラメータを変化させて、温度及び圧力損失を測定したシミュレーション結果を説明する。

板状フィン７ｄの温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌを左右する形状パラメータとして、断面部１１ａの縦幅Ａ、横前幅Ｂ及び横後幅Ｃ、平板部１０の厚さＷ、平板部１０に対する突出部１１の高さＨ、隣接する断面部１１ａの水流の方向の重なり幅Ｅ、隣接する断面部１１ａの傾斜面方向の流路間隔Ｆ、突出角φ等がある。

発明者らは、シミュレーションを重ねた結果、突出部１１の断面部１１ａ及び平板部１０の縦幅Ａ、横後幅Ｃ、厚さＷ及び高さＨは、温度Ｔ（冷却効率）に与える影響が大きい形状パラメータであることを知得した。また、縦幅Ａ及び横後幅Ｃは、圧力損失Ｐ_Ｌに与える影響が大きい形状パラメータであることを知得した。なお、断面部１１ａは、Ｘ軸対称の形状とした。

より具体的には、突出部１１においては、断面部１１ａの縦幅Ａに対する横後幅Ｃの比（Ｃ／Ａ）、及び突出角φが温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌに与える影響の大きい形状パラメータであった。また、平板部１０同士の間隔の流路幅は、板状フィン７ｄの平板部１０に対する突出部１１の高さＨであり、平板部１０の平板の厚さＷと突出部１１の高さＨの比（Ｗ/Ｈ）も、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌを制御するのに有効な形状パラメータであった。

今回、形状パラメータの縦幅Ａを１．４８（ｍｍ）、横前幅Ｂを２．４２（ｍｍ）、横後幅Ｃを２．９０（ｍｍ）、厚さＷを０．８５（ｍｍ）、高さＨを０．９２（ｍｍ）、重なり幅Ｅを０．２４（ｍｍ）、流路間隔Ｆを１．３１（ｍｍ）とした（図５（ａ）参照）。なお、断面部１１ａは六角形状とし、縦幅Ａを長辺とする長方形の短辺は０．１ｍｍとした。そして、突出部１１の角度φのみを変更して、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌを測定した。

ここで、温度Ｔは、後述するヒータ１４を含む断熱装置１２を用いて（図８参照）、冷却器７の中心付近の温度を測定した。なお、ヒータ１４の出力を１，１１０（Ｗ）とし、冷却液として純水を用い、流入量を４．０（Ｌ／ｍｉｎ）とした。圧力損失Ｐ_Ｌは、同じ流入量の条件において、冷却器７の流入口７ｅの圧力と、流出口７ｆの圧力との差（圧力差）として評価した。

突出角φが０度、すなわち、平板部１０に対して突出部１１が直立した状態においては、温度Ｔが６９．４４（℃）、圧力損失Ｐ_Ｌが２６７９．２１（ｋＰａ）であった。なお、温度Ｔは低い方が放熱性が高く、冷却効率が高い。また、圧力損失は小さい方が流体が損失なく流動することを意味する。

次に、突出角φを１０．０度とした場合、温度Ｔが６９．２８（℃）、圧力損失Ｐ_Ｌが２６３７．７０（ｋＰａ）となり、突出角φを２０．０度とした場合、温度Ｔが６９．１１（℃）、圧力損失Ｐ_Ｌが２５５１．２０（ｋＰａ）となった。このように、突出角φを大きくしていくと、温度Ｔが低下し、圧力損失Ｐ_Ｌも小さくなることが分かった。

また、突出角φを６０．０度とした場合、温度Ｔが６８．４０（℃）、圧力損失Ｐ_Ｌが２０８０．００（ｋＰａ）となり、突出角φを８５．０度とした場合、温度Ｔが６９．１８（℃）、圧力損失Ｐ_Ｌが９１０．００（ｋＰａ）となった。この結果から、温度Ｔの最小値は、突出角φが６０．０度から８５．０度の間にあり、圧力損失Ｐ_Ｌは、突出角φが大きくなるにつれて小さくなることが分かった。

温度Ｔが最小値となる突出角φを調べた結果、７９．２０度とした場合が最良の条件で、温度Ｔが６８．３０（℃）となり、そのときの圧力損失Ｐ_Ｌは１４２９．９１（ｋＰａ）であった。従って、一連のシミュレーション結果より、突出角φの最適値として７９．２０度を得て、このとき冷却効率が最も高いことを確認した（図５（ｃ）参照）。以上により、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌの結果から突出部１１の突出角φは、２０度から８５度の角度が好ましく、より好ましくは、４０度から８０度の角度である。

また、図５（ｂ）に示すように、上述の最適条件のときの各数値の比率を算出すると、縦幅Ａに対する横前幅Ｂの比Ｂ／Ａが約１．６３５、縦幅Ａに対する横後幅Ｃの比Ｃ／Ａが約１．９５９、高さＨに対する厚さＷの比Ｗ／Ｈが約０．９２３、横後幅Ｃに対する重なり幅Ｅの比Ｅ／Ｃが約０．０８２であった。各比率を最適条件の値に近づけることで、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌを低下させることができる。また、突出角φ以外の形状パラメータを変更しても、この傾向は変わらなかった。

ここで、図６に、縦幅Ａに対する横後幅Ｃとの比Ｃ／Ａを変化させて、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌを測定したシミュレーション結果を説明する。なお、測定においては、縦幅Ａ、横後幅Ｃ以外の形状パラメータは固定とした。

図６（ａ）は、比Ｃ／Ａと温度Ｔとの関係を示しているが、比Ｃ／Ａの値を小さくしていくと、温度Ｔが低下するという結果が得られた。図５(ａ)の例で、比Ｃ／Ａが約１．９５９であったように、比Ｃ／Ａを２．０前後の値に設定したとき、温度Ｔが７０（℃）程度の低い値となった。また、比Ｃ／Ａを１０．０より大きくすると、温度Ｔが７７（℃）以上に上昇したので、１０．０を比Ｃ／Ａの最大値とした。

また、図６（ｂ）は、比Ｃ／Ａと圧力損失Ｐ_Ｌとの関係を示している。ここでは、比Ｃ／Ａの値を大きくしていくと、圧力損失Ｐ_Ｌが低下するという結果が得られた。比Ｃ／Ａを１．５以下の値に設定したとき、圧力損失Ｐ_Ｌが２，０００（ｋＰａ）を超えることから、１．５を比Ｃ／Ａの最小値とした。以上により、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌの点から比Ｃ／Ａは１．５以上、１０．０以下であることが好ましく、より好ましくは４．０以上、８．０以下である。

次に、図７に、高さＨに対する厚さＷの比Ｗ／Ｈを変化させて、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌを測定したシミュレーション結果を説明する。なお、測定においては、高さＨ、厚さＷ以外の形状パラメータは固定とした。

図７（ａ）は、比Ｗ／Ｈと温度Ｔとの関係を示しているが、比Ｗ／Ｈの値を高くしていくと、温度Ｔが低下するという結果が得られた。比Ｗ／Ｈを０．６以下の値に設定したとき、温度Ｔが７４（℃）以上に上昇したので、０．６を比Ｗ／Ｈの最小値とした。

また、図７（ｂ）は、比Ｗ／Ｈと圧力損失Ｐ_Ｌとの関係を示している。ここでは、比Ｗ／Ｈの値を低くしていくと、圧力損失Ｐ_Ｌが低下するという結果が得られた。比Ｗ／Ｈを１．２以上の値に設定したとき、圧力損失Ｐ_Ｌが急激に高くなり、１，０００（ｋＰａ）を超えることから、１．２を比Ｗ／Ｈの最大値とした。以上により、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌの点から比Ｗ／Ｈは０．６以上、１．２以下であることが好ましく、より好ましくは０．８以上、１．０以下である。また、横後幅Ｃに対する重なり幅Ｅの比Ｅ／Ｃは、０以上、０．５以下の数値であることが好ましい。この範囲においては、温度Ｔ及び圧力損失Ｐ_Ｌが悪化することがない。重なり幅Ｅが０．５より大きくなると、流路が狭くなり好ましくない。

最後に、図８、図９を参照して、本発明の板状フィンと従来のストレートフィンの熱抵抗を比較した結果を示す。

２種類の熱抵抗を測定するため、図８に示す断熱装置１２を用いた。図８は、絶縁体の枠体１３の内部にストレートフィン７ｄ’からなる冷却器７’を収容し、ヒータ１４を冷却器７’の上面に載置した様子を示している。ヒータ１４は、熱抵抗の小さい熱グリース１５で冷却器７’に接着している。なお、冷却器７’は、上述の冷却器７の板状フィン７ｄのみを交換したものであり、天板７ａ、底板７ｂ、側面枠７ｃ、流入口７ｅ、流出口７ｆは、形状、材料が同じである。

また、発明者らは、測定に際して３Ｄプリンタにより金属製（アルミニウム）の板状フィン７ｄを試作した。このとき、板状フィン７ｄの各種形状パラメータは、図５で説明した条件とした。なお、本発明の板状フィン７ｄの熱抵抗を測定するときには、断熱装置１２の内部に冷却器７を収容する。

板状フィン７ｄ又はストレートフィン７ｄ’の熱抵抗Ｒ_ｔｈは、ヒータ１４の温度をＴ_ｈ、流出口７ｆでの水温をＴ_ｗ、ヒータ１４の電力をＰとしたとき、以下の式１で与えられる。
Ｒ_ｔｈ＝（Ｔ_ｈ−Ｔ_ｗ）／Ｐ・・・（式１）
なお、流体(水)は、流入口７ｅから１．５（Ｌ／ｍｉｎ）の流速で流入させた。

今回、冷却器７’のストレートフィン７ｄ’は、平板部の厚さＷ’が０．９(ｍｍ)のものを用いて熱抵抗の測定を行った。その結果、図９に示すように、熱抵抗は０．２３９（℃／Ｗ）であった。一方、冷却器７の熱抵抗は０．１９７（℃／Ｗ）となり、約１８％熱抵抗を減少させることに成功した。

以上、板状フィン７ｄからなる冷却器について説明したが、本発明は、これまで説明した実施形態に限られない。例えば、冷却器７の内部の板状フィン７ｄの数は任意であるが、従来のストレートフィンの数と同程度である。板状フィン７ｄの材料もＡｌやＣｕに限られず、熱伝導率の高い材料を適用することができる。

また、板状フィン７ｄの突出部１１は、直方体を対角線の方向に傾けた斜角柱であったが（図４（ａ）参照）、突出方向に向かって徐々に太くなる形状であってもよい。突出部１１の断面部１１ａの形状は、流体の流れる方向に長い凧型の六角形や四辺形が好ましいが（図４（ｂ）、図４（ｃ）参照）、菱形や正方形であってもよい。

１ａ，１ｂ半導体素子
２ａ〜２ｃ金属接合部材
３配線基板
４ピン
５積層基板
７，７’ 冷却器
７ａ天板
７ｂ底板
７ｃ側面枠
７ｄ，７ｄ１〜７ｄ３板状フィン
７ｄ’ ストレートフィン
７ｅ流入口
７ｆ流出口
８樹脂
９ケース
１０平板部
１１突出部
１１ａ，１１ａ１〜１１ａ３断面部
１２断熱装置
１３枠体
１４ヒータ
１５熱グリース
５１第１導電性基板
５２絶縁基板
５３第２導電性基板
１００半導体モジュール

Claims

複数の板状フィンが天板及び底板に共に垂直、且つ互いに平行に設けられて、前記複数の板状フィンの間を流れる流体により半導体装置を冷却する冷却器において、
前記板状フィンの平板部は、前記流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて前記平板部から離れる方向に傾斜し、前記平板部に千鳥状に配列された突出部を有し、
前記突出部のうち前記平板部と平行に形成された断面部は、前記上流側から前記下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅Ａとなった後に徐々に縮幅する形状となっていることを特徴とする冷却器。
前記断面部の前記最大幅Ａと、前記断面部の前記下流側の端部から前記最大幅Ａをなす直線までの長さＣとの比Ｃ／Ａは、１．５以上、１０．０以下の数値であることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
前記平板部に垂直な軸に対する前記突出部の角度は、２０．０度以上、８５．０度以下の角度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器。
前記平板部に対する前記突出部の高さＨと、前記平板部の厚さＷとの比Ｗ／Ｈは、０．６以上、１．２以下の数値であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の冷却器。
１つの前記断面部と該断面部と千鳥状に隣接する他の前記断面部との前記流体の流れる方向の重なりの幅Ｅと、前記断面部の前記下流側の端部から前記最大幅Ａをなす直線までの長さＣとの比Ｅ／Ｃは、０以上、０．５以下の数値であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の冷却器。
前記断面部は、前記最大幅Ａを長辺とする長方形と、前記長方形の前記下流側の長辺を底辺とし、該底辺から前記下流側の端部までの長さを第１の高さとする第１の三角形と、前記長方形の前記上流側の長辺を底辺とし、該底辺から前記上流側の端部までの長さを第２の高さとする第２の三角形とからなる六角形状であり、
前記第１の高さよりも前記第２の高さの方が低いことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の冷却器。