JP5182604B2 - パワーモジュール用冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体チップなどの電子部品が実装される回路基板などの発熱体で発生した熱を放散させるパワーモジュール用冷却器に関するものである。

従来から、ＤＢＡ（Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ）やＤＢＣ（Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ）などのように、絶縁セラミックスの両面に接合によって金属層を形成した絶縁回路基板を有するパワーモジュールが知られている。この種のパワーモジュールは、絶縁回路基板上に搭載された電子部品で発生した熱を放散させる液冷式のヒートシンクを備えている。
このようなヒートシンクとして、例えばピン状のフィンを複数突設したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１０８６８号公報

しかしながら、上記従来のヒートシンクには、以下の課題が残されている。すなわち、表面積を広くして放熱効果を高めるため、フィンの狭ピッチ化が望まれている。しかし、フィンを狭ピッチ化すると、より微細な加工が求められるために製造が困難になる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、フィンを狭ピッチ化しても製造が容易な冷却器を提供することを目的とする。

本発明は、上記のような課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明のパワーモジュール用冷却器は、第１基板及び該第１基板に突設された複数の第１凸部を有する第１凸基板と、第２基板及び該第２基板に突設された複数の第２凸部を有する第２凸基板とを備え、前記第１凸部及び前記第２凸部がほぼ四角柱状をなし、前記第１及び第２凸基板は、前記第１凸部が前記第２基板に向けて突出すると共に前記第１凸部と前記第２基板が接触し、前記第２凸部が前記第１基板に向けて突出すると共に前記第２凸部と前記第１基板が接触し、隣り合う２つの前記第１凸部の間に少なくとも１つの前記第２凸部が配置されるように対向配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、隣り合う２つの第１凸部の間に第２凸部を配置することで、第１及び第２凸部をそれぞれ狭ピッチ化させることなく、複数の凸部を狭ピッチで配置することができる。したがって、高い放熱効果を有する冷却器を容易に製造できる。

また、本発明の冷却器は、前記複数の第１及び第２凸部が相対的に高い密度で配置された領域と、該複数の第１及び第２凸部が相対的に低い密度で配置された領域とを有することが好ましい。
この発明によれば、第１及び第２凸部の配置状態に粗密分布を形成することで、冷却器の内部に流動抵抗の分布が形成される。そして、冷却器内部を流通する流体は、相対的に流動抵抗の低い領域に沿って流通する。このため、第１及び第２凸部の配置を適宜設定することで、冷却器内部を流通する流体の流路を形成できる。したがって、より高い放熱効果を有する冷却器を製造できる。

この発明にかかる冷却器によれば、第１及び第２凸部の形成間隔をそれぞれ狭くすることなく凸部を狭ピッチ化させることができるので、高い放熱効果を有する冷却器を容易に製造できる。

以下、本発明による冷却器の第１の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態における冷却器１は、水冷式のヒートシンクであって、図１に示すように、互いに接合された第１及び第２凸基板２、３を備えている。
第１凸基板２は、例えばＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）などで構成されており、第１基板４と、第１基板４に突設された複数のピン状の第１凸部５とを備えている。
第１基板４は、箱形状を有しており、平面視でほぼ矩形状の平板部４ａと、平板部４ａの外周に沿って形成された枠状の壁部４ｂとを有している。ここで、壁部４ｂの高さと第１凸部５の高さとは、ほぼ同等となっている。なお、第１基板４と第１凸部５とは、切削加工により第１基板４と一体的に形成されている。
第１凸部５は、ほぼ四角柱形状を有しており、図１（ｂ）に示すように、第１基板４の表面の２方向においてマトリックス状に等間隔となるように立設されている。また、第１凸部５のうち第１基板４に近接する基端部は、図１（ａ）に示すように、第１凸部５の強度を十分に確保するため、他の部分と比較して太くなっている。

第２凸基板３は、第１凸基板２と同様に、例えばＣｕやＡｌなどで構成されており、第２基板６と、第２基板６に突設された複数の第２凸部７とを備えている。
第２基板６は、平面視でほぼ矩形状の平板形状を有している。なお、第２基板６は、切削加工により第２凸部７と一体的に形成されている。
第２凸部７は、第１凸部５と同様に、ほぼ四角柱形状を有しており、図１（ｂ）に示すように、第２基板６の表面の２方向において等間隔となるように立設されている。
ここで、隣り合う２つの第２凸部７の間隔であるピッチは、第１凸部５のピッチと同等となっている。そして、第１及び第２凸部５、７は、２方向において千鳥状に等間隔となるように配置されている。すなわち、第２凸部７が隣り合う２つの第１凸部５の間に配置されると共に、第１凸部５が隣り合う２つの第２凸部７の間に配置されている。そして、第１及び第２凸部５、７全体でも、２方向においてマトリックス状に等間隔となるように配置されている。
また、第２凸部７のうち第２基板６に近接する基端部は、図１（ａ）に示すように、他の部分と比較して太くなっている。なお、第２凸部５の高さは、第１凸部５とほぼ同等となっている。

また、第１及び第２凸基板２、３は、第１凸部５が第２基板６と接触すると共に第２凸部７が第１基板４と接触するように対向配置されている。そして、第１及び第２凸基板２、３は、ロウ付けにより接合固定されている。このように接合固定された第１及び第２凸基板２、３の内部空間に冷却水が流動可能となっている。

以上のような構成の冷却器１は、例えば図２に示すようなパワーモジュール１０に用いられる。このパワーモジュール１０は、上述の冷却器１と、冷却器１上に設けられた放熱板１１と、放熱板１１上に固着された被冷却部材である絶縁回路基板１２とを備えている。

放熱板１１は、平面視でほぼ矩形状の平板形状を有しており、例えばＡｌやＣｕ、ＡｌＳｉＣ（アルミシリコンカーバイド）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）などで形成されている。そして、放熱板１１は、熱伝導グリースなどを介して冷却器１に対してネジ１５により固定されている。
絶縁回路基板１２は、絶縁セラミックス２１と、絶縁セラミックス２１の両面に配置された金属層２２、２３とによって構成されており、金属層２２の上面に発熱体である電子部品２５が配置されている。
絶縁セラミックス２１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）などの板状のセラミックス材料によって構成されている。

金属層２２、２３は、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属により形成されており、ロウ付けにより絶縁セラミックス２１に接合固定されている。
金属層２２には、例えばエッチングや打抜き加工などを行うことで、金属層２２を適宜分断した回路が形成されており、電子部品２５がハンダ層２６によって固着されている。ここで、電子部品２５としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイスが挙げられる。
そして、金属層２３の下面は、ハンダ層（図示略）を介して放熱板１１に固着されている。
なお、パワーモジュール１０は、放熱板１１を設けずに冷却器１の上面に絶縁回路基板１２を設ける構成としてもよい。

このような構成の冷却器１によれば、隣り合う２つの第１凸部５の間に第２凸部７を配置することで、第１及び第２凸部５、７をそれぞれ狭ピッチ化させることなく隣り合う第１及び第２凸部５、７のピッチを狭くできる。これにより、複数の第１及び第２凸部５、７による表面積を広くして高い放熱効果を有する冷却器１を容易に製造できる。ここで、第１及び第２凸部５、７がピン状となっているため、複数の第１及び第２凸部５、７による表面積を容易に広くできる。
なお、本実施形態において、第１及び第２凸部５、７は、それぞれ平面視でほぼ矩形状の平板部４ａのうち互いに直交する２辺に沿って等間隔となるように配置されているが、図３に示すように、平板部４ａのうちの２辺に対して傾いた方向に沿って等間隔となるように配置するなど、他の方向に沿って等間隔となるように配置されてもよい。

次に、本発明による冷却器の第２の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図４においては、図１と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。

第２の実施形態における冷却器５０は、第１及び第２凸基板５１、５２に設けられた第１及び第２凸部５、７が等間隔となるように配置されておらず、第１及び第２凸部５、７の配置に粗密の分布が形成されている。すなわち、例えば図４（ｂ）に示すように、複数の第２凸部７は、複数の第１凸部５が等間隔で配置されている２辺からずらして配置されている。そのため、第１及び第２凸部５、７がそれぞれ等間隔で配置されている２方向に対して傾斜する方向において、第１及び第２凸部５、７が相対的に高い密度で配置された領域と、第１及び第２凸部５、７が相対的に低い密度で配置された領域とが形成されている。
ここで、第１及び第２凸部５、７を高い密度で配置すると、この領域を流通する冷却水の流動抵抗が高くなる。したがって、第１及び第２凸部５、７の配置分布に応じて、流動抵抗分布が形成される。そして、相対的に流動抵抗の低い領域に沿って流体である冷却水が流れるため、相対的に流動抵抗の低い領域に沿って流路５３が形成される。

このような構成の冷却器５０によっても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を奏するが、第１及び第２凸部５、７の配置を適宜調整して第１及び第２凸部５、７による流動抵抗分布を形成することで、流路５３を形成できる。したがって、流路５３の形状を適宜設定することにより、より高い放熱効果を有する冷却器５０とすることができる。
なお、本実施形態において、第１及び第２凸部５、７の配置に応じた流動分布が形成できれば、一部の第１及び第２凸部５、７を接触するように配置してもよい。

次に、本発明による冷却器の第３の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図５においては、図１（ｂ）と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。

第３の実施形態における冷却器６０は、第１及び第２凸基板６１、６２に設けられた複数の第１及び第２凸部６３、６４がリブ形状となっている。
第１凸基板６１は、第１基板６５と第１凸部６３とを備えている。
第１基板６５は、箱形状を有しており、平板部６５ａと、平板部６５ａの外周に沿って形成された枠状の壁部６５ｂとを有している。なお、第１凸部６３と第１基板６５を構成する壁部６５ｂのうち平板部６５ａの延在方向と直交する一部を除く他の部分とは、押出成型により一体的に形成されている。
第１凸部６３は、平面視でほぼ矩形状の平板部６５ａの一辺に沿って立設されていると共に、一辺と直交する他辺に沿って等間隔となるように配列されている。

第２凸基板６２は、第２基板６と第２凸部６４とを備えている。
第２凸部６４は、平面視でほぼ矩形状の第２基板６の一辺に沿って立設されていると共に、一辺と直交する他辺に沿って等間隔となるように配列されている、ここで、第２凸部６４のピッチは、第１凸部６３のピッチと同等となっている。そして、第１及び第２凸部６３、６４は、交互に配置されると共に、隣り合う第１及び第２凸部６３、６４が等間隔となるように配置されている。なお、第２基板６と第２凸部６４とは、押出成型により一体的に形成されている。

このような構成の冷却器６０によっても、上述した第１の実施形態と同様の作用、効果を奏する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、第１及び第２凸部がそれぞれ同じピッチで配置されているが、異なるピッチで配置された第１及び第２凸部を有する第１及び第２凸基板を対向配置した構成としてもよい。
また、第１及び第２凸部をそれぞれ２方向で等間隔となるように配置しているが、等間隔に限らず、第１及び第２凸部の配置パターンは適宜変更してもよい。
そして、第１及び第２凸部を交互に配置しているが、隣り合う２つの一方の凸部の間に複数の他方の凸部を配置してもよい。
さらに、第１及び第２凸部の先端部がそれぞれ第１及び第２基板と接触しているが、非接触であってもよい。
また、第１及び第２凸部は、四角柱形状やリブ形状となっているが、他の形状であってもよい。
そして、第１及び第２凸部は、内部が中空であってもよい。これにより、第１及び第２凸部を打抜により容易に形成することができる。
さらに、水冷式の冷却器としているが、空冷式の冷却器であってもよい。

この発明によれば、フィンを狭ピッチ化しても製造が容易な冷却器に関して、産業上の利用可能性が認められる。

本発明の第１の実施形態における冷却器を示すもので、（ａ）が構成図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１の冷却器を備えるパワーモジュールを示す構成図である 第１の実施形態における他の凸部の配置状態を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態における冷却器を示すもので、（ａ）が構成図、（ｂ）が（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の第３の実施形態における冷却器を示すもので、（ａ）が構成図、（ｂ）が（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。

符号の説明

１，５０，６０ 冷却器
２，６１ 第１凸基板
３，６２ 第２凸基板
４，６５ 第１基板
５，６３ 第１凸部
６ 第２基板
７，６４ 第２凸部

Claims (2)

1. 第１基板及び該第１基板に突設された複数の第１凸部を有する第１凸基板と、
   第２基板及び該第２基板に突設された複数の第２凸部を有する第２凸基板とを備え、
   前記第１凸部及び前記第２凸部がほぼ四角柱状をなし、
   前記第１及び第２凸基板は、前記第１凸部が前記第２基板に向けて突出すると共に前記第１凸部と前記第２基板が接触し、
   前記第２凸部が前記第１基板に向けて突出すると共に前記第２凸部と前記第１基板が接触し、
   隣り合う２つの前記第１凸部の間に少なくとも１つの前記第２凸部が配置されるように対向配置されていることを特徴とするパワーモジュール用冷却器。
2. 前記複数の第１及び第２凸部が相対的に高い密度で配置された領域と、該複数の第１及び第２凸部が相対的に低い密度で配置された領域とを有することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用冷却器。

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