JP7022660B2 - 放熱装置及び半導体素子 - Google Patents
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Description
発熱部品に隣接して設けられ、前記発熱部品によって覆われる第1領域と、該第1領域の外側の第2領域とに亘って延在する放熱部と、
前記放熱部の厚さ方向において前記放熱部を挟んで前記発熱部品とは反対側、または、前記放熱部の内部に設けられる冷媒流路と、
を備え、
前記第1領域の前記発熱部品側の表面である第1の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離が、前記第2領域の前記発熱部品側の表面である第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離よりも長い。
前記放熱部は、前記冷媒流路内に突出するフィンを含む。
前記第1の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における距離の最大値をdmaxとし、前記第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における距離の最小値をdminとしたとき、
前記冷媒流路は、少なくとも部分的に、前記厚さ方向における前記冷媒流路の位置が前記厚さ方向の直交方向に関して変化して、前記第1領域から前記第2領域に向かう方向において、前記距離がdmin<d<dmaxの範囲内にて減少するように配置される。
前記放熱部は、前記第1領域の少なくとも一部の領域に亘って前記発熱部品とは反対側の表面に設けられ、前記厚さ方向に前記発熱部品から離れる方向に突出した凸部を有し、
前記冷媒流路は、
前記凸部が設けられた部位を挟んで前記発熱部品とは反対側において、前記第1領域内に配置された第1冷媒流路と、
前記凸部の周辺の部位を挟んで前記発熱部品とは反対側において、前記第2領域内に配置された第2冷媒流路と、
を含む。
前記冷媒流路は、前記凸部の側面に沿って配置される第3冷媒流路をさらに含む。
前記放熱部は、
前記第1冷媒流路内に突出するように、前記凸部の先端面に立設された第1フィンと、
前記第2冷媒流路内に突出するように、前記凸部の周辺における前記発熱部品とは反対側の表面に立設された第2フィンと、
前記第3冷媒流路内に突出するように、前記凸部の前記側面に立設された第3フィンと、
を含む。
また、各フィンを放熱部の表面又は凸部の側面に立設させることで、各フィンによる伝熱面積の拡大効果を高めることができる。特に、上記(5)で述べたように、第3冷媒流路により多くの熱を流入させることができれば、第1冷媒流路に流れ込む熱流束が減少することになるので、第3冷媒流路に設けられる第3フィンを放熱部の凸部の側面に立設させることで、第1冷媒流路に流れ込む熱流束の抑制効果をさらに高めることができる。
前記放熱部は、前記第1領域の少なくとも一部の領域に亘って前記放熱部の前記発熱部品とは反対側の表面に設けられ、前記厚さ方向に前記発熱部品から離れる方向に突出した凸部を有し、
前記第2冷媒流路及び前記第3冷媒流路のうち、少なくとも、前記凸部の根本部に隣接した部位が、前記厚さ方向における前記冷媒流路の位置が前記厚さ方向の直交方向において前記凸部から離れるにつれて前記放熱部の前記発熱部品側の表面と前記第2冷媒流路又は前記第3冷媒流路の何れか1つとの間の厚さ方向における距離が減少するように、前記直交方向に関して前記厚さ方向における位置が変化するように構成される。
この点、上記(7)の構成では、第2冷媒流路および第3冷媒流路のうち、放熱部の凸部の根本部に隣接した部位において厚さ方向位置の分布を形成し、放熱部の幅方向において凸部から離れるにつれて、放熱部の発熱部品側の表面と第2冷媒流路又は第3冷媒流路の何れか1つとの距離が減少するようにしている。これにより、第2フィン及び第3フィンによって仕切られた第2冷媒流路および第3冷媒流路の複数の領域のうち、放熱部の凸部の根本部に隣接した領域の伝熱面積を低減し、凸部の根本部周辺における局所的な熱流束の集中を緩和できる。
前記凸部は、前記放熱部の前記発熱部品とは反対側の表面の外周縁よりも内側に前記凸部の全体が含まれるように設けられ、
前記第3冷媒流路は、前記凸部の全周に亘って前記凸部を取り囲むように配置される。
前記発熱部品は、
電極を有する電子部品
を含み、
前記冷媒流路は、前記電極の厚さ方向において、前記第1領域における該冷媒流路の形成位置が、前記第2領域における前記冷媒流路の形成位置よりも、前記電子部品の発熱源から離れるように、前記放熱部としての前記電極内に形成される。
この点、上記(9)の構成によれば、電子部品の電極自体の内部に冷媒流路を形成することで、熱伝導性に優れた電極を放熱部として利用可能となり、電子部品を効果的に冷却することができる。これにより、電子部品の温度上昇を抑制して、電子部品の寿命を延ばすことができる。
なお、冷媒流路が形成される電極は、電子部品としての半導体素子を構成する電極(例えば、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極等)であってもよい。
前記冷媒流路を形成する壁面は、絶縁性部材で覆われる。
この点、上記(10)の構成によれば、冷媒流路を形成する壁面が絶縁性部材で覆われているため、冷却効果に優れる導電性流体を冷媒として用いる場合であっても、電極から冷媒に電流が流れることを防止できる。
前記冷媒流路は、絶縁性流体である冷媒が流れるように構成される。
この点、上記(11)の構成によれば、絶縁性流体を冷媒として用いるようにしたので、発熱部品が電子部品である場合においても、冷媒の漏洩に起因した電子部品(発熱部品)のショートを防止できる。
前記第1の表面と前記冷媒流路との間の前記放熱部の前記厚さ方向における前記平均距離に対する、前記第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における前記平均距離の比が、0<d*2/d*1≦0.9である。
発熱部品に隣接して設けられ、前記発熱部品によって覆われる第1領域と、該第1領域の外側の第2領域とに亘って延在し、前記発熱部品から生じる熱流束を分散させて放熱する放熱部と、
前記放熱部の厚さ方向において前記放熱部を挟んで前記発熱部品とは反対側、または、前記放熱部の内部に設けられる冷媒流路と、
を備え、
前記冷媒流路は、
前記第1領域を介して前記冷媒流路へ流入する伝熱経路における熱抵抗と、
前記第2領域を介して前記冷媒流路へ流入する伝熱経路における熱抵抗との差が小さくなるように、前記放熱部の前記発熱部品に覆われる側の表面と前記冷媒流路との厚さが調整されて、設けられる。
半導体と、
前記発熱部品としての前記半導体で発生した熱を放散させるように構成された請求項1乃至12の何れか一項に記載の放熱装置と、を備える。
ただし、本発明の範囲は以下実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
なお、以下の説明においては、放熱装置1A,1B,1C,1Dを、放熱装置1として総称する場合がある。
上記構成によれば、発熱部品100に対応した第1領域G1だけでなく、第1領域G1の外側の第2領域G2にも放熱部10が存在するので、発熱部品100で発生した熱を放熱部10の面内方向(放熱部10の厚さ方向に直交する方向)に拡散させる機能を実現できる。
図1~図4に示す例では、放熱部10の第1表面12は、放熱部10の厚さ方向に直交する平面に沿って延在する平坦面である。他の実施形態では、放熱部10の第1表面12は、少なくとも一部の領域において、凹凸又は湾曲面を有していてもよい。
なお、図1~図4に示す例示的な実施形態では、放熱部10の第1表面12が発熱部品100に直接接触しているが、他の実施形態では、放熱部10の第1表面12と発熱部品100との間に他の部材が介在していてもよい。
図1に示す放熱装置1A及び図2に示す放熱装置1Bの場合、冷媒流路50は、放熱部10を挟んで発熱部品100とは反対側に設けられる流路形成部材17と放熱部10との間に位置するように設けられる。即ち、放熱装置1A,1Bの冷媒流路50は、放熱部10の第2表面14に対向して配置される。
一方、図3に示す放熱装置1C及び図4に示す放熱装置1Dの場合、冷媒流路50は、放熱部10の内部に設けられる。即ち、放熱装置1C,1Dの冷媒流路50は、放熱部10の厚さ方向において、放熱部10の第1表面12と第2表面14との間に配置される。
このように、第1領域G1及び第2領域G2の両方に冷媒流路50を設けることで、放熱部10によって放熱部10の面内方向に拡散した熱を効果的に冷媒流路50に移動させることができる。
発熱部品100が電子部品である場合、発熱部品100としての電子部品を冷却するための冷媒として導電性流体を用いると、冷媒(導電性流体)の漏洩によって、電子部品(発熱部品100)がショートを起こす可能性がある。この点、冷媒として絶縁性流体を用いる場合には、発熱部品100が電子部品であっても、冷媒の漏洩に起因した電子部品(発熱部品)のショートを防止できる。
図2に示す放熱装置1Bの場合、フィン20は、放熱部10の第2表面14から、放熱部10の厚さ方向において発熱部品100から離れる方向に突出し、少なくとも部分的に冷媒流路50内に侵入している。
図4に示す放熱装置1Dの場合、放熱部10の厚さ方向に沿って設けられたフィン20が、少なくとも部分的に冷媒流路50内に侵入している。フィン20は、放熱部10と一体に設けられてもよく、例えば、フィン20は、冷媒流路50の複数の流路域58(詳細は後述)を構成するチャンネル構造を加工する際に各流路域を隔てる隔壁として形成されてもよい。
このように、冷媒流路50内にフィン20を設けることで、冷媒流路50と放熱部10が接する表面積が拡大される。その結果、放熱部10へ流入した熱流束がフィン20を含む広い表面積に分散し、冷媒流路50に流入することになる。よって、冷媒流路50へ流入する熱流束の局所的な集中を一層抑制することができる。
また、図2及び図4に示す例では、フィン20は、放熱部10の厚さ方向に直交する平面内において、冷媒流路50における冷媒の流れ方向に沿って設けられている。他の実施形態では、フィン20は、放熱部10の厚さ方向に沿って設けられてもよい。
さらに、フィン20の表面は、平坦面であってもよいし、少なくとも一部の領域において、凹凸又は湾曲面を有していてもよい。
なお、フィン20を設ける間隔や本数、フィン20の厚さは任意でよい。
なお、図1から図4には、冷媒流路50内を、紙面直交方向に冷媒が流れる場合を表している。
具体的には、第1領域G1における放熱部10の第1表面12と冷媒流路50との間の厚さ方向における平均距離をd*1、第2領域G2における放熱部10の第1表面12と冷媒流路50との間の厚さ方向における平均距離をd*2とすると、平均距離d*2より平均距離d*1が大きい。
図5に示す放熱装置では、放熱部10’の発熱部品100’側の第1表面12’と冷媒流路50’との間の距離が、第1領域G1及び第2領域G2を含む全領域に亘って均一である。この場合、第1領域G1(特に、発熱部品100’の発熱中心の直下の領域)における伝熱経路が、第2領域G2における伝熱経路に比べて短いため、両者の熱抵抗の差が大きい。そのため、図5の熱流線Hが示すように、伝熱経路が相対的に短い第1領域G1における熱流束が集中する。このように、第1領域G1内において放熱部10を介した冷媒流路50への熱の流入の局所的な集中が起き、例えば、第1領域G1に配置された冷媒流路50へ流入する熱流束が限界熱流束以上となり、熱伝達率が悪化し発熱部品100’の温度が高くなる虞がある。
具体的には、放熱部10の凸部30は、第1領域G1の少なくとも一部の領域に亘って、発熱部品100とは反対側の第2表面14から、厚さ方向において発熱部品100から離れる方向に突出するように設けられる。そして、冷媒流路50は、放熱部10を挟んで発熱部品100とは反対側において、放熱部10のうち凸部30が設けられた部位を挟んで第1領域G1内に配置された第1冷媒流路52と、放熱部10のうち凸部30の周辺の部位を挟んで第2領域G2内に配置された第2冷媒流路54とを含む。ここで、第1冷媒流路52は、第2冷媒流路54に比べて、放熱部10の厚さ方向において放熱部10の第1表面12から遠い位置に設けられる。これにより、第1領域G1における上記平均距離d*1が第2領域G2における上記平均距離d*2よりも大きくなる。
なお、図3及び図4には、放熱部10の第2表面14が、凹凸を有しない平坦面である場合を示したが、放熱部10の内部に冷媒流路50を設ける場合において、第2表面14の形状は特に限定されず、例えば図1に示すような凸部が第2表面14に設けられていてもよい。
d*2/d*1<1の範囲の中で、幾つかの実施形態では、d*1とd*2との比が、0<d*2/d*1≦0.9の範囲内であってもよい。
また、上記構成のように、上記比d*2/d*1を0.9以下に設定することで、図1~図4と図5との対比によって説明した原理に基づいて、第1領域G1における熱流束の局所的な集中を効果的に緩和することができる。
ここで、dmaxは、第1領域G1における放熱部10の第1表面12と冷媒流路50との間の厚さ方向における距離の最大値である。また、dminは、第2領域G2における放熱部10の第1表面12と冷媒流路50との間の厚さ方向における距離の最小値である。
この構成によって、放熱部10の幅方向において熱流束の分布を細やかに制御することができ、熱流束の偏りを効果的に抑制できる。よって、第1領域G1内における熱流束の局所的な集中をより一層緩和することができる。
なお、図6には、放熱部10の幅方向における位置によらず、放熱部10の幅方向に対する冷媒流路50の傾斜角度αが一定である例を示したが、放熱部10の幅方向における位置に応じて傾斜角度αは変化してもよい。
図8に例示されるように、冷媒流路50は、第1冷媒流路52と第2冷媒流路54に加えて、凸部30の側面32に沿って配置される第3冷媒流路56を含む。なお、第3冷媒流路56は、凸部30の側面32の全域にわたって配置されてもよいし、凸部30の側面32の、少なくとも一部の領域に配置されてもよい。
上記の構成によれば、図8の熱流線Hに示すように、第3冷媒流路56にも、放熱部10より熱が流入する。その結果、第3冷媒流路56を設けない場合に比べて、第1冷媒流路52に流れ込む熱流束を低減することができる。これにより、熱流束の局所的な集中をより一層緩和することができる。
幾つかの実施形態では、冷媒流路50が第3冷媒流路56を含む上述の冷放熱装置の構成において、図9に示すように、放熱部10に複数のフィン20が設けられている。放熱装置1Hでは、放熱部10に設けられるフィン20は、第1フィン22、第2フィン24及び第3フィン26を含む。第1フィン22は、第1冷媒流路52内に突出するように、凸部30の先端面34に立設される。第2フィン24は、第2冷媒流路54内に突出するように、凸部30の周辺における放熱部10の発熱部品100とは反対側の第2表面14に立設されている。第3フィン26は、第3冷媒流路56内に突出するように、凸部30の側面32に立設される。
また、放熱部10の第2表面14又は凸部30の側面32に各フィン20を立設させることで、各フィン20による伝熱面積の拡大効果を高めることができる。特に、放熱部10の凸部30の側面32に第3フィン26を立設させ、第3冷媒流路56により多くの熱を流入させることができれば、第1冷媒流路52に流れ込む熱流束が減少することになるので、第1冷媒流路52に流れ込む熱流束の抑制効果をさらに高めることができる。
また、第3冷媒流路56は、凸部30の全周に亘って凸部30を取り囲むように配置される。なお、冷媒流路50の設けられる範囲は特に限定されず、放熱部10の第2表面14の全領域にわたって配置されてもよいし、放熱部10の第2表面14の一部の領域のみにわたって配置されてもよい。さらに、凸部30の先端面34の形状は特に限定されず、図13に例示されるように矩形でもよいし、図14に例示されるように円形であってもよい。また、凸部30の表面は、平坦面であってもよいし、少なくとも一部の領域において、凹凸又は湾曲面を有していてもよい。
上述した構成によれば、凸部30の全周ではなく特定の周方向領域にのみ第3冷媒流路56が配置された場合と比べて、第3冷媒流路56に流れ込む熱流束を増大させ、結果的に第1冷媒流路52に流れ込む熱流束を減少させることができる。これにより、熱流束の局所的な集中をより一層緩和することができる。
このように、複数の傾斜面15を有する凸部30に接するように冷媒流路50を配置することで、図13及び図14の実施形態と同様に、凸部30の全周に亘って熱流束を分散して冷媒流路50に流入させることができ、第1領域G1内における冷媒流路50に流れ込む熱流束を、特に限界熱流束未満に効果的に抑えることができる。
図16は、本発明の一実施形態に係る放熱装置1Nの概略断面図である。また、図17は、他の実施形態に係る放熱装置1Oの概略断面図である。
なお、冷媒流路50が形成される電極10aは、電子部品100aとしての半導体素子を構成する電極10a(例えば、ゲート電極10b、ソース電極10c、ドレイン電極10d等)であってもよい。
この点、上記構成によれば、冷媒流路50を形成する壁面が絶縁性部材60で覆われているため、冷却効果に優れる導電性流体を冷媒として用いる場合であっても、電極10aから冷媒に電流が流れることを防止できる。
10 放熱部
10a 電極
11 放熱部の第1端部
12 放熱部の第1表面
13 放熱部の第2端部
14 放熱部の第2表面
15 放熱部の傾斜面
16 放熱部の外周縁
17 流路形成部材
18 流路形成部材の表面
20,20a フィン
22 第1フィン
24 第2フィン
26 第3フィン
30 凸部
31 根本部
32 凸部の側面
34 凸部の先端面
50 冷媒流路
51 壁面
52 第1冷媒流路
53 直線部
54 第2冷媒流路
55 段差部
56 第3冷媒流路
58 冷媒流路の複数の流路域
60 絶縁性部材
100 発熱部品
100a 電子部品
G1 第1領域
G2 第2領域
Claims (12)
- 発熱部品に隣接して設けられ、前記発熱部品によって覆われる第1領域と、該第1領域の外側の第2領域とに亘って延在する放熱部と、
前記放熱部の厚さ方向において前記放熱部を挟んで前記発熱部品とは反対側、または、前記放熱部の内部に設けられる冷媒流路と、
を備え、
前記第1領域の前記発熱部品側の表面である第1の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離が、前記第2領域の前記発熱部品側の表面である第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離よりも長く、
前記放熱部は、前記第1領域の少なくとも一部の領域に亘って前記発熱部品とは反対側の表面に設けられ、前記厚さ方向に前記発熱部品から離れる方向に突出した凸部を有し、
前記冷媒流路は、
前記凸部が設けられた部位を挟んで前記発熱部品とは反対側において、前記第1領域内に配置された第1冷媒流路と、
前記凸部の周辺の部位を挟んで前記発熱部品とは反対側において、前記第2領域内に配置された第2冷媒流路と、
前記凸部の側面に沿って配置される第3冷媒流路と、をさらに含み、
前記放熱部は、
前記第1冷媒流路内に突出するように、前記凸部の先端面に立設された第1フィンと、
前記第2冷媒流路内に突出するように、前記凸部の周辺における前記発熱部品とは反対側の表面に立設された第2フィンと、
前記第3冷媒流路内に突出するように、前記凸部の前記側面に立設された第3フィンと、を含む
放熱装置。 - 発熱部品に隣接して設けられ、前記発熱部品によって覆われる第1領域と、該第1領域の外側の第2領域とに亘って延在する放熱部と、
前記放熱部の厚さ方向において前記放熱部を挟んで前記発熱部品とは反対側、または、前記放熱部の内部に設けられる冷媒流路と、
を備え、
前記第1領域の前記発熱部品側の表面である第1の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離が、前記第2領域の前記発熱部品側の表面である第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離よりも長く、
前記発熱部品は、
電極を有する電子部品
を含み、
前記冷媒流路は、前記電極の厚さ方向において、前記第1領域における該冷媒流路の形成位置が、前記第2領域における前記冷媒流路の形成位置よりも、前記電子部品の発熱源から離れるように、前記放熱部としての前記電極内に形成された
放熱装置。 - 発熱部品に隣接して設けられ、前記発熱部品によって覆われる第1領域と、該第1領域の外側の第2領域とに亘って延在する放熱部と、
前記放熱部の厚さ方向において前記放熱部を挟んで前記発熱部品とは反対側、または、前記放熱部の内部に設けられる冷媒流路と、
を備え、
前記第1領域の前記発熱部品側の表面である第1の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離が、前記第2領域の前記発熱部品側の表面である第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における平均距離よりも長く、
前記第1の表面と前記冷媒流路との間の前記放熱部の前記厚さ方向における前記平均距離に対する、前記第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における前記平均距離の比が、0<d * 2/d * 1≦0.9である
放熱装置。 - 前記放熱部は、前記冷媒流路内に突出するフィンを含む
請求項1乃至3の何れか一項に記載の放熱装置。 - 前記第1の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における距離の最大値をdmaxとし、前記第2の表面と前記冷媒流路との間の前記厚さ方向における距離の最小値をdminとしたとき、
前記冷媒流路は、少なくとも部分的に、前記厚さ方向における前記冷媒流路の位置が前記厚さ方向の直交方向に関して変化して、前記第1領域から前記第2領域に向かう方向において、前記距離がdmin<d<dmaxの範囲内にて減少するように配置される
請求項1乃至4の何れか一項に記載の放熱装置。 - 前記放熱部は、前記第1領域の少なくとも一部の領域に亘って前記発熱部品とは反対側の表面に設けられ、前記厚さ方向に前記発熱部品から離れる方向に突出した凸部を有し、
前記冷媒流路は、
前記凸部が設けられた部位を挟んで前記発熱部品とは反対側において、前記第1領域内に配置された第1冷媒流路と、
前記凸部の周辺の部位を挟んで前記発熱部品とは反対側において、前記第2領域内に配置された第2冷媒流路と、
を含む請求項1乃至5の何れか一項に記載の放熱装置。 - 前記冷媒流路は、前記凸部の側面に沿って配置される第3冷媒流路をさらに含む
請求項6に記載の放熱装置。 - 前記放熱部は、前記第1領域の少なくとも一部の領域に亘って前記放熱部の前記発熱部品とは反対側の表面に設けられ、前記厚さ方向に前記発熱部品から離れる方向に突出した凸部を有し、
前記第2冷媒流路及び前記第3冷媒流路のうち、少なくとも、前記凸部の根本部に隣接した部位が、前記厚さ方向における前記冷媒流路の位置が前記厚さ方向の直交方向において前記凸部から離れるにつれて前記放熱部の前記発熱部品側の表面と前記第2冷媒流路又は前記第3冷媒流路の何れか1つとの間の厚さ方向における距離が減少するように、前記直交方向に関して前記厚さ方向における位置が変化するように構成された
請求項1に記載の放熱装置。 - 前記凸部は、前記放熱部の前記発熱部品とは反対側の表面の外周縁よりも内側に前記凸部の全体が含まれるように設けられ、
前記第3冷媒流路は、前記凸部の全周に亘って前記凸部を取り囲むように配置された
請求項1、7、8の何れか一項に記載の放熱装置。 - 前記冷媒流路を形成する壁面は、絶縁性部材で覆われる
請求項1乃至9の何れか一項に記載の放熱装置。 - 前記冷媒流路は、絶縁性流体である冷媒が流れるように構成された
請求項1乃至10の何れか一項に記載の放熱装置。 - 半導体と、
前記発熱部品としての前記半導体で発生した熱を放散させるように構成された請求項1乃至11の何れか一項に記載の放熱装置と、
を備える半導体素子。
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-
2018
- 2018-06-28 JP JP2018122854A patent/JP7022660B2/ja active Active
Patent Citations (5)
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