JP6789335B2 - ヒートシンク及びこれを備えた半導体モジュール - Google Patents

Description

本願は、ヒートシンク及びこれを備えた半導体モジュールに関するものである。

近年、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、及びパワー半導体素子等の発熱素子は、小型化と高出力化が進み、発熱密度の増大により発熱量が増大している。このため、空冷式よりも放熱性能が高い液冷式（水冷式）のフィンを備えたヒートシンクが多く用いられている。

パワー半導体素子を搭載した半導体モジュールを冷却するためのヒートシンクとして、冷媒流路に配置された複数のピンフィンに冷媒を衝突させ、フィンの熱を冷媒に放熱させるものが知られている（特許文献１）。このようなヒートシンクにおいては、冷媒の流量が大きい箇所に配置された半導体素子と、冷媒の流量が小さい箇所に配置された半導体素子とで、冷却効果に差が生じる。このため、冷媒流路の幅方向での流量のばらつきを抑制する様々な工夫がなされており、具体的には、流路内に冷媒の分散を促進するための壁、溝、または突起等が設けられていた。

特許文献１では、放熱基板に設けられた複数のフィンと、フィンを収容する箱型の冷却ケースとを備えた冷却器において、冷却ケースの第１側壁に設けられた導入口から導入された冷媒を第１側壁に沿って拡散させる拡散壁を設けることにより、フィンの集合体に流れる冷媒の流れを均一化している。また、フィンとして、角柱形状の角ピン、円柱形状の丸ピン、またはブレード形状のフィン等が用いられている。

特許第５９７５１１０号公報

上述のように、液冷式フィンを備えた従来のヒートシンクにおいては、冷媒の流量が流路の幅方向で均一となるような工夫がなされ、多くの場合、各々のピンフィンの中心軸に対して直交する方向に冷媒を流していた。すなわち、従来のヒートシンクは、ピンフィンの根元部から先端部まで冷媒が均一に流れるように流路が形成されていた。

しかしながら、液冷式フィンでは、熱交換の多くはフィンの根元部付近で行われており、フィンの先端部は放熱に殆ど寄与していない。このため、冷媒をピンフィンの中心軸に対して直交する方向に流した場合、放熱に殆ど利用されない冷媒があった。

また、液冷式フィンにおいては、フィン相互間を流れる冷媒の流速が速いほど放熱性能が高くなり、フィン相互間の距離が最小の領域が流速最大領域となる。しかしながら、円柱状のフィンの場合、隣接するフィンの中心軸を結んだ直線と交差する側面間のみが流速最大領域となる。このため、フィンのごく一部の放熱性能が高くなり、全体として放熱性能が低いという問題があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、液冷式フィンの放熱性能を向上させることが可能なヒートシンク及びこれを備えた半導体モジュールを得ることを目的とする。

本願に開示されるヒートシンクは、半導体素子が実装される実装面を有し、実装面と反対側の面の一部に複数のフィンが設けられたフィン領域を有するベースと、ベースと対向配置され、フィンを収容し、ベースと共に冷媒流路を形成するケースと、冷媒流路に冷媒を流入させる導入口と、冷媒流路から冷媒を流出させる排出口と、を備えたヒートシンクであって、ベースは、フィン領域の上流側に冷媒流路にせり出した第１凸部を有し、且つ、ケースは、フィン領域と対向する箇所に冷媒流路にせり出した第２凸部を有しており、冷媒流路は、第１凸部の下流側の側壁と第２凸部の上流側の側壁とによって形成された上り傾斜流路を含み、上り傾斜流路は、冷媒の流れをフィンの根元に方向付けて冷媒をフィン領域に流入させるものであり、冷媒流路において、第１凸部がせり出した流路部分、上り傾斜流路、及び第２凸部がせり出した流路部分は、他の流路部分よりも流路断面積が狭い。
また、本願に開示される半導体モジュールは、本願のヒートシンクを備え、実装面に半導体素子が搭載されたものである。

本願に開示されるヒートシンクによれば、冷媒の流れをフィンの根元に方向付ける上り傾斜流路を設け、フィンの先端部よりも根元部に多くの冷媒を流すようにしたので、フィンの放熱性能が向上し、放熱性能の高いヒートシンクが得られる。よって、本願に開示されるヒートシンクを備えた半導体モジュールは、放熱性能が向上する。

実施の形態１によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図である。 実施の形態１によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態２による放熱フィンを示す正面図及び平面図である。 実施の形態２による別の放熱フィンを示す正面図及び平面図である。 比較例による放熱フィンを示す平面図である。 実施の形態３によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図である。 実施の形態３によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態４によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図である。 実施の形態５によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図である。 実施の形態５によるヒートシンクのケースの一部を示す拡大図である。 実施の形態５によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す断面図である。 実施の形態５によるヒートシンクの一部を示す拡大断面図である。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１によるヒートシンク及びこれを備えた半導体モジュールについて、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図、図２は、図１中、Ａ−Ａで示す部分を矢印の方向から見た断面図である。なお、各図において、同一、相当部分には、同一符号を付している。また、図中、矢印Ｒで代表される矢印は、冷媒の流れを示している。

実施の形態１によるヒートシンク１００は、パワー半導体素子等の半導体素子１４が実装される実装面１ａを有するベース１と、ベース１と共に冷媒流路１０を形成するケース４とを含んで構成される。ベース１は、実装面１ａと反対側の面である放熱面１ｂの一部に、複数の放熱フィン（以下フィン２）が設けられたフィン領域２０を有している。発熱素子である半導体素子１４は、フィン領域２０に対応するベース１の実装面１ａに、接合層を介して搭載される。

フィン２は、ベース１と対向配置されたケース４に収容され、冷媒流路１０内に配置される。フィン２は、先端部２ａと根元部２ｂを有するピンフィンである。なお、本願のヒートシンクに好適なフィン２の形状及び配置については、後述の実施の形態２で詳細に説明する。

ケース４は、図１に示すように、複数の側壁７と、底壁８とを有する箱型形状である。さらに具体的には、８つの側壁７を有し、冷媒の流入方向（図中、矢印Ｒで示す方向）と平行な断面形状が八角形である。また、ケース４は、冷媒流路１０に冷媒を流入させる導入口５と、冷媒流路１０から冷媒を流出させる排出口６とを備えている。導入口５及び排出口６は、ケース４の対向する側壁７ａ、７ｂにそれぞれ配置され、いずれも冷媒の流入方向と平行なケース４の中心線（図１中、一点鎖線Ｃ１で示す）上に位置する。

ベース１は、フィン領域２０の上流側に、冷媒流路１０にせり出した第１凸部３を有している。第１凸部３は、冷媒流路１０を形成する下流側側壁３ｂを含み、下流側側壁３ｂはフィン領域２０に隣接している。また、第１凸部３は中空であり、第１凸部３の実装面１ａの側は凹部となっている。この凹部の底部３ａには、コンデンサ等の発熱素子（図示省略）が実装される。

また、ケース４は、フィン領域２０と対向する箇所に、冷媒流路１０にせり出した中空の第２凸部９を有している。第２凸部９は、冷媒流路１０を形成する上流側側壁９ａ、フィン対向面９ｂ、及び下流側側壁９ｃを含む。冷媒流路１０は、第１凸部３の下流側側壁３ｂと、第２凸部９の上流側側壁９ａとによって形成された上り傾斜流路１０ａを含む。上り傾斜流路１０ａは、冷媒の流れをフィン２の根元部２ｂに方向付けて冷媒をフィン領域２０に流入させる。

実施の形態１による半導体モジュールは、ヒートシンク１００の実装面１ａに、複数の半導体素子１４が接合層を介して搭載されたものである。具体的には、ベース１のフィン領域２０に対応する実装面１ａに複数のパワー半導体素子が搭載され、第１凸部３に対応する実装面１ａの底部３ａにコンデンサ等の発熱素子（図示省略）が搭載される。

次に、ヒートシンク１００における冷媒の流れについて説明する。導入口５から流入した冷媒は、導入口５が設けられた側壁７ａの両側の側壁７に沿って拡散され、進行方向すなわち排出口６の方向に向かう流れとなる。冷媒流路１０に流入した冷媒は、第１凸部３がせり出した流路部分を通過する。この部分は、流路断面積が狭いため冷媒の流速が速く、また、フィン領域２０よりも上流であるため温度の低い冷媒が流れている。このため、実装面１ａの底部３ａに実装された発熱素子は、高い冷却効果が得られる。

第１凸部３がせり出した流路部分を通過した冷媒は、上り傾斜流路１０ａに流入する。この上り傾斜流路１０ａを通過することにより、冷媒の流速成分は、フィン２の根元部２ｂに向かう成分を持つようになる。上り傾斜流路１０ａを通過した冷媒は、フィン２の中心軸（図２中、一点鎖線Ｃ２で示す）に対して９０度よりも小さい角度でフィン領域２０に流入する。このため、フィン領域２０に流入した冷媒は、フィン２の先端部２ａよりも根元部２ｂにおける流速が速くなる。言い換えると、フィン２の先端部２ａ付近よりもフィン２の根元部２ｂ付近に多くの冷媒が流れる。

フィン領域２０では、冷媒とフィン２との間で熱交換が行われる。実装面１ａに実装された発熱素子から発生した熱は、フィン２を介して冷媒に放熱される。このとき、熱交換の多くはフィン２の根元部２ｂ付近で行われ、フィン２の先端部２ａは放熱に殆ど寄与しない。このため、フィン２の先端部２ａよりも根元部２ｂに多くの冷媒を流した場合、先端部２ａから根元部２ｂまで均一に冷媒を流した場合（すなわちフィン２の中心軸Ｃ２に対して９０度の角度で冷媒を流した場合）よりも、高い放熱性能が得られる。フィン領域２０を通過し、熱交換により温度が上昇した冷媒は、排出口６から排出される。

以上のように、実施の形態１によれば、冷媒流路１０に冷媒の流れをフィン２の根元部２ｂに方向付ける上り傾斜流路１０ａを設け、フィン２の先端部２ａよりも根元部２ｂに多くの冷媒を流すようにしたので、フィン２の放熱性能が向上し、放熱性能の高いヒートシンク１００が得られる。また、第１凸部３の実装面１ａ側の底部３ａに発熱素子を実装するようにしたので、高い冷却効果が得られると共に、スペースを有効に活用することができる。

さらに、断面形状が八角形の箱型形状のケース４を用いることにより、導入口５が設けられた側壁７ａの両側の側壁７に沿って冷媒が拡散され、冷媒流路１０の幅方向に均一な流れとなるため、冷媒流路１０の幅方向での流量のばらつきを抑制することができる。これらのことから、実施の形態１によるヒートシンク１００を備えた半導体モジュールは、高い冷却効果が得られ、放熱性能及び信頼性が向上し、小型化が図られる。

実施の形態２．
実施の形態２では、本願のヒートシンクに好適な放熱フィンの形状及び配置について説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施の形態２による放熱フィンを示す正面図及び平面図、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施の形態２による別の放熱フィンを示す正面図及び平面図、図５は比較例による放熱フィンを示す平面図である。なお、図中、Ｓは流速最大領域、ｔはフィン側面間距離を示している。

図３（ａ）に示すフィン２は、中心軸に垂直な断面形状が正六角形の柱状体である。フィン２は、６つの側面の角部が面取りされたアール部２ｃを有し、さらに、側面にテーパ２ｄを有する。また、図４（ａ）に示す別のフィン２Ａは、側面のテーパ２ｄに加え、先端部２ａに第２のテーパ２ｅを有する。これにより、フィン２Ａは、フィン２よりも先端部２ａが細くなっている。

フィン２、２Ａの角部にアール部２ｃを設けることにより、冷媒の流れを滑らかにすることができ、圧力損失を低減することができる。また、側面にテーパ２ｄを設けることにより、先端部２ａ付近のフィン側面間の冷媒の流速が低下し、圧力損失を低減することができる。フィン２Ａの先端部２ａに第２のテーパ２ｅを設けることにより、圧力損失がさらに低減する。

なお、一般的に、冷媒の流速の低下により圧力損失が低減されるが、放熱性能も低下する。これに対し、本願のヒートシンクは、フィン側面間距離ｔが小さいフィン２、２Ａの根元部２ｂに多くの冷媒を流すことにより、放熱性能の向上を図っている。また、フィン２、２Ａの側面にテーパ２ｄまたは第２のテーパ２ｅを設けることにより、材料を削減することができ、製品の軽量化が図られる。

フィン２、２Ａは、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、規則的に配列される。すなわち、１つのフィン２（２Ａ）に隣接して６つのフィン２（２Ａ）が配置され、フィン相互間の距離、すなわちフィン側面間距離ｔが一定である。

このように、断面形状が正六角形のフィン２（２Ａ）を用いることにより、隣接するフィン２（２Ａ）の側面間の流速最大領域Ｓが広くなり、放熱性能が高い領域が広くなる。また、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すような配置とすることにより、フィン領域２０に制約がある場合でも、フィン２（２Ａ）を多数配置することができ、フィン領域２０の単位体積当たりの放熱面積を大きくすることができる。

一方、図５に示す比較例のように、円柱状のフィン２Ｂを同様に配列した場合、隣接するフィン２Ｂの中心軸を結んだ直線と交差する側面間のみが流速最大領域Ｓとなる。このため、フィン２Ｂのごく一部の放熱性能が高く、全体として放熱性能は低い。

実施の形態２によるフィン２、２Ａを本願のヒートシンクに用いることにより、さらに放熱性能が向上し、圧力損失を低減することが可能である。ただし、本願のヒートシンクに用いられるフィンの形状及び配置は、これに限定されるものではない。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図、図７は、図６中、Ｂ−Ｂで示す部分を矢印の方向から見た断面図である。なお、実施の形態３によるヒートシンク１００Ａの全体的な構成は、上記実施の形態１によるヒートシンク１００と同様であるため、ここでは各要素の説明を省略し、相違点のみを説明する。

ヒートシンク１００Ａを構成するベース１は、実装面１ａの発熱素子が実装される箇所に対応する複数（図６では３つ）のフィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを有している。複数のフィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、冷媒の流入方向（図６中、矢印Ｒで示す方向）と直交する方向に配列され、各々のフィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間には、冷媒の流れを塞き止める構造体１１が設けられている。構造体１１の反対側に位置するベース１の実装面１ａには、発熱素子は実装されない。

また、ケース４は、複数のフィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに対応する複数（図６では３つ）の第２凸部９Ａ、９Ｂ、９Ｃを有する。各々の第２凸部９Ａ、９Ｂ、９Ｃの間には隙間１２が設けられ、これらの隙間１２に構造体１１が配置される。これにより、図７に示すように、複数のフィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間の冷媒流路は構造体１１によって塞き止められ、冷媒はフィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのみに集中して流れるため、冷媒の流速が速くなる。

実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、複数のフィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間に構造体１１を配置することにより、フィン領域２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを流れる冷媒の流速を速くすることができ、フィン２の放熱性能が向上し、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、実施の形態４によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図である。なお、実施の形態４によるヒートシンク１００Ｂの全体的な構成は、上記実施の形態３によるヒートシンク１００Ａと同様であるため、ここでは各要素の説明を省略し、相違点のみを説明する。

上記実施の形態３によるヒートシンク１００Ａにおいて、冷媒の導入口５及び排出口６は、ケース４の対向する側壁７ａ、７ｂにそれぞれ配置されている。このような配置では、ヒートシンク１００Ａ内部の上方に空気が滞留することがあり、その部分は放熱性能が低くなる。これに対し、実施の形態４によるヒートシンク１００Ｂでは、排出口６Ａがベース１に配置され、冷媒が重力方向と逆向きに排出される。このため、ヒートシンク１００Ｂの内部に空気が滞留しにくい。なお、導入口５は、上記実施の形態３と同様、ケース４の側壁７ａに配置される。

実施の形態４によれば、上記実施の形態３と同様の効果に加え、排出口６Ａをベース１に配置し、冷媒を重力方向と逆向きに排出するようにしたので、ヒートシンク１００Ｂ内部に空気が滞留するのを防ぐことができ、放熱性能の低下を抑制することができる。

実施の形態５．
図９は、実施の形態５によるヒートシンクを備えた半導体モジュールを示す分解斜視図、図１０は、図９中、Ｅで示す部分の拡大図、図１１は、図９中、Ｄ−Ｄで示す部分を矢印の方向から見た断面図、及び図１２は、図１１中、Ｆで示す部分の拡大図である。なお、実施の形態５によるヒートシンク１００Ｃの全体的な構成は、上記実施の形態４によるヒートシンク１００Ｂと同様であるため、ここでは各要素の説明を省略し、相違点のみを説明する。

ヒートシンク１００Ｃを構成するケース４は、第２凸部９Ａ、９Ｂ、９Ｃのフィン領域２０と対向するフィン対向面９ｂに、複数の穴１３を有している。図１０に示すように、穴１３の形状は、フィン２の先端部２ａと同様の正六角形である。なお、穴１３の平面方向の大きさを、フィン２の先端部２ａの投影面積よりも大きく形成し、組付け誤差を吸収するようにしてもよい。図１２に示すように、フィン２の先端部２ａは、穴１３に挿入された状態で固定される。

一般に、フィン２の先端部２ａとフィン対向面９ｂとの間にギャップが存在する場合、冷媒の流速が低下し、放熱性能が低下する。これに対し、実施の形態４によるヒートシンク１００Ｃでは、フィン２の先端部２ａは、フィン対向面９ｂに設けられた穴１３に挿入されているため、フィン２の先端部２ａとフィン対向面９ｂとの間にギャップが存在しない。このため、フィン領域２０を通過する冷媒の流速の低下を抑制することができる。

実施の形態５によれば、上記実施の形態４と同様の効果に加え、フィン２の先端部２ａを穴１３に挿入し固定することにより、フィン領域２０での冷媒の流速の低下を防ぐことができ、放熱性能の低下を抑制することができる。

本開示は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は、特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

本願は、ヒートシンク及びこれを備えた半導体モジュールとして利用することができる。

１ ベース、１ａ 実装面、１ｂ 放熱面、２、２Ａ、２Ｂ フィン、２ａ 先端部、２ｂ 根元部、２ｃ アール部、２ｄ テーパ、２ｅ 第２のテーパ、３ 第１凸部、３ａ 底部、３ｂ 下流側側壁、４ ケース、５ 導入口、６、６Ａ 排出口、７、７ａ、７ｂ 側壁、８ 底壁、９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 第２凸部、９ａ 上流側側壁、９ｂ フィン対向面、９ｃ 下流側側壁、１０ 冷媒流路、１０ａ 上り傾斜流路、１１ 構造体、１２ 隙間、１３ 穴、１４ 半導体素子、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ フィン領域、１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ ヒートシンク

Claims (13)

1. 半導体素子が実装される実装面を有し、前記実装面と反対側の面の一部に複数のフィンが設けられたフィン領域を有するベースと、
   前記ベースと対向配置され、前記フィンを収容し、前記ベースと共に冷媒流路を形成するケースと、
   前記冷媒流路に冷媒を流入させる導入口と、
   前記冷媒流路から前記冷媒を流出させる排出口と、を備えたヒートシンクであって、
   前記ベースは、前記フィン領域の上流側に前記冷媒流路にせり出した第１凸部を有し、且つ、前記ケースは、前記フィン領域と対向する箇所に前記冷媒流路にせり出した第２凸部を有しており、
   前記冷媒流路は、前記第１凸部の下流側側壁と前記第２凸部の上流側側壁とによって形成された上り傾斜流路を含み、前記上り傾斜流路は、前記冷媒の流れを前記フィンの根元部に方向付けて前記冷媒を前記フィン領域に流入させるものであり、
   前記冷媒流路において、前記第１凸部がせり出した流路部分、前記上り傾斜流路、及び前記第２凸部がせり出した流路部分は、他の流路部分よりも流路断面積が狭いことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記フィンは、中心軸に垂直な断面形状が正六角形の柱状体であり、６つの側面の角部にアール部を有し、前記側面にテーパを有することにより根元部よりも先端部が細くなっていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記フィンは、先端部に第２のテーパを有することを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
4. １つの前記フィンに隣接して６つの前記フィンが配置され、フィン相互間の距離が一定であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒートシンク。
5. 前記第１凸部は中空であり、前記第１凸部の前記実装面の側は凹部となっており、前記凹部の底部に前記半導体素子が実装されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク。
6. 前記ケースは、底壁と複数の側壁とを有する箱型形状であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンク。
7. 前記ケースは、８つの前記側壁を有し、前記冷媒の流入方向と平行な断面形状が八角形であることを特徴とする請求項６記載のヒートシンク。
8. 前記導入口は、前記ケースの前記側壁に配置され、前記冷媒の流入方向と平行な前記ケースの中心線上に位置することを特徴とする請求項６または請求項７記載のヒートシンク。
9. 前記排出口は、前記ケースの前記側壁に配置され、前記冷媒の流入方向と平行な前記ケースの中心線上に位置することを特徴とする請求項８記載のヒートシンク。
10. 前記排出口は、前記ベースに配置され、前記冷媒が重力方向と逆向きに排出されることを特徴とする請求項８記載のヒートシンク。
11. 前記ベースは、前記冷媒の流入方向と直交する方向に配列された複数の前記フィン領域を有し、各々の前記フィン領域の間に前記冷媒の流れを塞き止める構造体が設けられ、
    前記ケースは、複数の前記フィン領域に対応する複数の前記第２凸部を有し、各々の前記第２凸部の間に設けられた隙間に前記構造体が配置されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のヒートシンク。
12. 前記ケースは、前記第２凸部の前記フィン領域と対向する面に複数の穴を有し、前記フィンの先端部は、前記穴に挿入された状態で固定されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートシンク。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のヒートシンクを備え、前記実装面に前記半導体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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