JP7195542B2 - 冷却器、半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子等を冷却用流体により冷却する冷却器、及び冷却器を備える半導体モジュールに関する。
従来、電力変換用途のスイッチングデバイス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、放熱部材としてヒートシンクが用いられている。
例えば、下記の特許文献１のヒートシンクは、その表面にＳＩＴ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子の接合面が接合状態で取り付けられる素子接合板と、この素子接合板と略同一形状に形成された下面板と、素子接合板と下面板の外周部を接合連結する平面視方形状の側板とで構成されている。そして、ヒートシンクの素子接合板の裏面と下面板の内面には、複数のフィンが一体的に固着されている。
ヒートシンクは、フィンを流路の冷却水の流通方向に沿って傾斜して設けている。フィンの傾斜方向は、流通方向に向かって傾斜させたり、反流通方向に向かって傾斜させることができる。これにより、流路内を流通する冷却水の各フィンに対する接触面積を大きくして、冷却水によりヒートシンクを効率的に冷却することができる（段落０００９、００１７、図５）。
特開２００２－１４１１６４号公報
しかしながら、特許文献１のヒートシンクは、フィンと冷却水の接触時間を長くすることでフィンが効率的に冷却されることを目的とした構造であり、１本の流路に多数のフィンを設けるため、入り組んだ複雑な流路となっている。このため、冷却水の圧力損失が高くなる可能性があった。従って、冷却水の圧力損失が低く、放熱性能も高いフィン構造が理想であり、さらに改良を進める必要があった。
このような問題に鑑み、本発明の目的は、冷却用流体の圧力損失が低く、冷却効率が高い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、第１発明の冷却器は、天板、底板及び側板からなるケースと、該ケース内に配置された冷却フィンと、該冷却フィンに接触して、前記ケース内を流通する冷却用流体の流路とを備え、前記天板又は前記底板に接触する冷却対象物を冷却する冷却器において、前記冷却フィンは、軸部と、前記軸部から外側に突出して軸方向に螺旋状をなして延びる羽根部とを有すると共に、全体が四角柱状をなし、少なくとも前記天板及び前記底板に接触して配置されており、前記流路は、前記羽根部、前記天板及び前記底板によって形成された螺旋形状を有することを特徴とする。
本発明の冷却器は、天板と底板との間の冷却フィンを流れる冷却用流体（例えば、水）により天板又は底板に接触する半導体素子等の冷却対象物を冷却することができる。冷却フィンは、全体として四角柱状をなしているためケースに収め易く、その上面側、下面側に配置された天板、底板と接触させ易くなっている。
また、冷却フィンは、軸部と、軸部から外側に突出して軸方向に螺旋状をなして延びる羽根部とを有するので、羽根部、天板及び底板によって、螺旋形状の流路が形成される。このため、冷却フィンに流入した冷却用流体は、旋回して上下方向に移動しながら比較的速い流速で流路を進行する。冷却対象物に接触して温度上昇した冷却用流体は、循環により素早く入れ替わるので、圧力損失が低く、冷却効率が高い冷却器を実現することができる。
第１発明の冷却器において、前記羽根部は４から１０個あり、前記軸部の周囲に均等な間隔で配設されていることが好ましい。
これにより、冷却フィンに流入した冷却用流体を軸部の周囲の流路に均等に流すことができるので、冷却フィンのどの方向に接触させた冷却対象物でも冷却することができる。冷却フィンの羽根部は６から８個であり、軸部の周囲に均等な間隔で配置することがさらに好ましい。
また、第１発明の冷却器において、前記羽根部の軸方向のピッチは、前記四角柱の高さの１．５から６．２５倍の長さであることが好ましい。
冷却フィンの羽根部の軸方向のピッチ（フィンピッチ）を、四角柱の高さの１．５から６．２５倍の長さとすることにより、流路を流れる冷却用流体の圧力損失を低下させることができる。冷却フィンの羽根部の軸方向のピッチ（フィンピッチ）は、四角柱の高さの２から５倍の長さとすることが更に好ましい。
また、第１発明の冷却器において、前記軸部の断面積は、前記四角柱の軸方向に垂直な断面の断面積の１０から６０％であることが好ましい。
冷却フィンの軸部の断面積を、四角柱の軸方向に垂直な断面の断面積の１０から６０％とすることにより、冷却フィンに適量の冷却用流体が流入するようになる。これにより、圧力損失が低く、かつ冷却に必要な量の冷却用流体を流すよう調整することができる。冷却フィンの軸部の断面積は、四角柱の軸方向に垂直な断面の断面積の３０から５０％とすることがさらに好ましい。
また、第１発明の冷却器において、前記羽根部の厚みは、前記羽根部の軸方向のピッチを羽根数で割った長さの１０から６０％であることが好ましい。
冷却フィンの羽根部の厚みを、羽根部の軸方向のピッチ（フィンピッチ）を羽根数で割った長さの１０から６０％とすることにより、流路を流れる冷却用流体の圧力損失を低下させることができる。
また、第１発明の冷却器において、前記ケース内に、前記冷却フィンが複数個並列して配置されていることが好ましい。
ケース内に冷却フィンを複数個並列させることにより、冷却器内に、冷却用流体が流れる多数の流路が形成される。このため、冷却効率をさらに高めることができる。
また、第１発明の冷却器において、並列して配置された前記冷却フィン同士の間に、ストレートフィンが前記冷却フィンと接触して配置されていることが好ましい。
ケース内に冷却フィンを並列して配置するとき、冷却フィン同士の間にストレートフィンを配置する。これにより、一方の冷却フィンの流路を流れる冷却用流体が、隣接する冷却フィンの流路に流入しなくなるので、乱流が生じず、圧力損失を抑えることができる。
また、第１発明の冷却器において、並列して配置された前記冷却フィンの隣接するもの同士は、前記羽根部が互いに接しており、かつ、前記羽根部の螺旋方向が反対向きとしてもよい。
ケース内に冷却フィンを並列して配置するとき、隣接する冷却フィンの羽根部が互いに接して、かつ、螺旋方向が反対向きとなるように配置する。これにより、一方の冷却フィンの流路を流れる冷却用流体が、隣接する冷却フィンの流路に流入しても逆流が生じないため、圧力損失を抑えることができる。
上記目的を達成するため、第２発明の半導体モジュールは、半導体素子と、前記半導体素子を搭載し、絶縁基板の上面及び下面を導電性板で挟んだ構造の積層基板と、前記積層基板の前記半導体素子を搭載していない側と接合し、前記半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる冷却器と、を備え、前記冷却器が、請求項１から８のいずれか１項に記載の冷却器であることを特徴とする。
本発明の半導体モジュールは、半導体素子が積層基板に搭載され、積層基板の半導体素子を搭載していない側と冷却器とが接合している。この冷却器には半導体素子を冷却する冷却用流体が流れており、積層基板を熱伝導性が高い材料で構成することで、半導体素子を冷却することができる。
また、冷却器（請求項１）では、羽根部、天板、及び底板によって、螺旋形状の流路が形成される。このため、冷却フィンに流入した冷却用流体は、旋回して上下方向に移動しながら比較的速い流速で流路を進行する。半導体素子に接触して温度が上昇した冷却用流体が循環により素早く入れ替わるので、半導体素子の冷却効率を高めた半導体モジュールを実現することができる。
本発明の実施形態に係る半導体モジュールの断面図。 冷却器の斜視図（天板無し）。 (ａ)冷却フィン（３個）の上面図。（ｂ）冷却フィンの領域Ｒ１の拡大図。（ｃ）冷却フィン（１個）の斜視図。 冷却フィンの配列の他の例を示す平面図。 羽根部の軸面積を変化させた場合の温度、圧力損失のシミュレーション結果を示す図。 羽根部の個数を変化させた場合の温度、圧力損失のシミュレーション結果を示す図。 （ａ）冷却フィンの側面図。（ｂ）冷却フィンの領域Ｒ２の拡大図。 （ａ）冷却フィンの各部分のサイズ（Ｘ－Ｚ平面）。（ｂ）冷却フィンの各部分のサイズ（Ｙ－Ｚ平面）。 フィン高さに対する軸方向のフィンピッチの比を変化させた場合の温度、圧力損失のシミュレーション結果を示す図。 冷却フィンの斜視図（変更例）。 本発明の冷却フィンと従来構造のフィンの冷却性能の比較結果を示す図。
以下、図面を参照しながら本発明の冷却器、及び半導体モジュールの実施形態を説明する。
［半導体モジュール］
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としては、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６、ケース９等で構成されているものを例示する。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１０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、冷却器ケース７及び冷却フィン８からなる冷却器６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。また、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Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3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の上面側の電極に接合され、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。このような構造にすることにより、電気抵抗を低減するとともに、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とで構成される。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、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4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をともに備えた材料が好ましく、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4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（金属箔）を用いることができる。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）等が挙げられる。
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。具体的には、第１導電性板５１と第２導電性板５３とが電気的に絶縁されている。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。なお、上述の例は、絶縁基板５２が裏面銅箔のような第２導電性板５３を有する場合であったが、絶縁基板と冷却器とが熱伝導性の優れた接合部材で熱的に（熱が効率よく伝導する態様で）接合されていてもよい。
半導体素子１ａ，１ｂは、積層基板５に実装される。具体的には、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６の外壁（天板７ａ）とは、金属接合部材２ｃによって接合されている。すなわち、冷却器６の天板７ａの上部に半導体素子１ａ，１ｂが配置されている。金属接合部材２ｂ，２ｃは、熱伝導性及び導電性に優れた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。
なお、積層基板５と冷却器６とは、熱伝導性の優れた接合部材で熱的に接合される。従って、接合部材は、導電性の金属接合部材でもよいし、主として基油とセラミック充填剤から構成されるサーマルコンパウンドでもよい。そして、上述の接合部材の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがさらに好ましい。
冷却器６は、天板７ａ、底板７ｂ及び側板７ｃからなる冷却器ケース７と、冷却フィン８とで構成され、冷却フィン８は、冷却器ケース７の内部に収められている。詳細は後述するが、冷却フィン８は、軸部８ａと、軸部８ａから外側に突出して長軸方向（Ｙ軸方向）に螺旋状をなして延びる羽根部８ｂとで構成される。流路を構成する天板７ａ、底板７ｂ及び冷却フィン８の材料には、Ａｌ、Ｃｕ等の熱伝導率の高い金属が用いられている。
［冷却器］
次に、図２を参照して、半導体モジュール１００に含まれる冷却器６の詳細を説明する。
図２は、冷却器６の斜視図（天板７ａ無し）である。冷却器ケース７の側板７ｃの形状は八角形に限られないが、冷却器ケース７は、水等の冷却用流体の流入口７ｄと流出口７ｅとを有している。
冷却フィン８は、軸部８ａと羽根部８ｂとで構成され（図１参照）、全体として四角柱をなしている。このため、冷却フィン８は冷却器ケース７に収め易く、その上面側、下面側に配置された天板、底板と接触させ易くなっている。図示するように、冷却フィン８は、冷却器ケース７の内部に６個並列して、冷却用流体の流れに対して平行となるように配置されている。また、羽根部８ｂは長軸方向（Ｙ軸方向）に延びるフィンを形成し、天板７ａ及び底板７ｂとで囲まれた空間が、それぞれ独立した流路となる。
流入口７ｄから入流し、天板７ａ、底板７ｂ、冷却フィン８等で構成された各流路に進入した冷却用流体は、上下左右に旋回しながら比較的速い流速で長軸方向に進み、流出口７ｅから排出される。ここで、冷却対象物である半導体素子１ａ，１ｂは、冷却器ケース７の天板７ａ側に配置されている（図１参照）。
半導体素子１ａで発生した熱は、積層基板５を通って冷却器６の天板７ａ側に伝搬し、さらに冷却フィン８等の金属部材に伝搬する。このため、半導体素子１ａ，１ｂ側の天板７ａに接触して温度が上昇した冷却用流体が循環により素早く入れ替わり、また、冷却フィン８を冷却するので、冷却効率を高めることができる。
冷却対象物は、冷却器ケース７の底板７ｂ側に配置されていてもよいし、面積は小さくなるものの側板７ｃ（Ｙ軸方向）に配置されていてもよい。また、冷却器ケース７に収める冷却フィン８の個数も６個に限られるものではない。
［冷却フィン］
次に、図３～図９を参照して、冷却フィン８の詳細を説明する。なお、冷却フィン８の形状パラメータは、熱流体解析ソフトにより流路部の形状パラメータ等を変化させて温度及び圧力損失を評価し、さらに、流路部を含む冷却フィン及び冷却器を試作して検証することにより求めた。
まず、図３（ａ）は、冷却フィン８を上方（＋Ｚ軸方向）から見た様子（天板７ａ無し）を示している。冷却用流体は－Ｙ軸方向から流入し、各冷却フィン８によって形成される流路を流通する。実際は、図２の冷却器６に示すように、６個の冷却フィン８が並列して配置されているが、ここでは、そのうち３個（冷却フィン８Ａ，８Ｂ，８Ｃ）を示す。冷却フィン８を複数個並列して配置することで、冷却器６内に複数の流路が形成されるので、冷却効率を高めることができる。
［ストレートフィンのある場合］
図３（ｂ）は、図３（ａ）の領域Ｒ１の拡大図である。図示するように、この実施形態では、隣接する冷却フィン８Ａ，８Ｂの間に、板状のストレートフィン８Ｓが挿入されている。ストレートフィン８Ｓは、冷却フィン８Ａ，８Ｂの両方の屈曲フィン８ｆに接触している。このような配置とすることにより、冷却フィン８Ａの流路を流れる冷却用流体が、冷却フィン８Ｂの流路に流入しなくなるので、乱流が生じず、圧力損失を抑えることができる。
この場合の冷却フィン８Ａ，８Ｂの羽根部８ｂの螺旋方向は同じでも、反対向きでもよい。なお、羽根部８ｂは、図３（ｃ）に示すように、Ｘ－Ｚ平面では矩形状であるが、Ｙ軸方向に延出し、屈曲したフィンとなっている（屈曲フィン）。
冷却用流体の流入方向から見て、冷却フィン８の螺旋方向が右回転（時計回り）ものと、左回転（反時計回り）ものとが隣接する場合は、実験により、左側より右回転、左回転の順番の配列が好ましいことが分かった。
図３（ａ）においては、冷却フィン８Ｃは右回転、冷却フィン８Ａは左回転であることが好ましい。左側より冷却フィン８Ｃ（右回転）、冷却フィン８Ａ（左回転）の順番に配列すると、両流路を流れる冷却用流体の合流点において、上側から下側に冷却用流体が流れて合流する。このため、合流してから天板７ａに当たることにより、上側の天板７ａの熱を下側に伝え易いと推定される。
また、冷却フィンを複数配列する場合、冷却用流体が四角柱状の冷却フィンから流出する際に、図３（ａ）に示すように、冷却器の中央部より左側の冷却フィンは右回転であると、中央部側に流れができ易い。また、右側の冷却フィンが左回転であると、やはり中央部側に流れができ易く、乱流ができ難いので冷却効率がよく、損失も少ないと推定される。
従って、回転方向が逆方向の冷却フィンを含む配列とする場合は、冷却用流体の流入方向から見て、冷却器の中央部より左側の冷却フィンは右回転、右側の冷却フィンは左回転とする配列が好ましい。例えば、６列の冷却フィンを配列する場合、左側より右回転、右回転、右回転、左回転、左回転、左回転のように配列するとよい。また、この結果は、後述するストレートフィンのない場合でも同じである。
［ストレートフィンのない場合］
また、図４は、冷却フィン８Ａ，８Ｂ，８Ｃの配列を変えた他の例（冷却フィン８’）を示している。この例では、隣接する冷却フィン８Ａ，８Ｂ，８Ｃの羽根部８ｂ（羽根部８ｂから延び出る屈曲フィン８ｆ）が互いに接触しており、かつ、螺旋方向は互いに反対向きとなっている。このような配置とすることにより、例えば、冷却フィン８Ａの流路を流れる流体が、冷却フィン８Ｂの流路に流入したとしても逆流が生じづらく、乱流が発生しづらい。そのため、ストレートフィン８Ｓで仕切らなくても、圧力損失を抑えることができる。
また、ストレートフィンのある場合と同様に、冷却フィンを複数配列する場合は、最も左側には、冷却用流体の流入方向から見て、螺旋方向が右回転（時計回り）の冷却フィンを配置し、最も右側には左回転（反時計回り）の冷却フィンを配置することが好ましい。例えば、４列の冷却フィンを配列する場合は、左側より右回転、右回転、左回転、左回転とすることが好ましい。
図３（ｃ）は、冷却フィン８Ａの斜視図である。冷却フィン８Ａは、正面方向（－Ｙ軸方向）から見たとき、中心の軸部８ａと、軸部８ａから外側に突出した８個の羽根部８ｂ（羽根幅ｄ1＝１．０ｍｍ）とで構成される。なお、フィン幅ｘ1（横幅）、フィン高さｚ1は、共に８．０ｍｍである（図８参照）。
ここで、軸部８ａの断面積（Ｘ－Ｚ平面）は、四角柱の冷却フィンの長軸方向（Ｙ軸方向）に垂直な断面（Ｘ－Ｚ平面）の断面積の１０から６０％であることが好ましく、３０から５０％とするとさらに好ましい。これは、冷却フィンの四角柱の全断面積に対する軸部８ａの断面積の割合であり、羽根部８ｂの割合にも関係し、冷却効率を左右する形状パラメータである。
軸部８ａの断面積が小さく（羽根部８ｂの割合が大きい）、冷却フィン８Ａに大量の流体が流入する場合、流速が遅くなるため、冷却効率が低下する。また、軸部８ａの断面積が大きく（羽根部８ｂの割合が小さい）、冷却フィン８Ａに流入する流体が少ない場合、冷却媒体が少なくなるため、やはり冷却効率が低下する。
次に、実際に熱流体解析ソフトにより本発明の冷却フィン８の形状パラメータを変化させて、冷却器６の天板７ａの温度Ｔ及び圧力損失ＰLを測定したシミュレーション結果について説明する。実際に試作した試作物の結果は、シミュレーション結果と同じであった。
図５は、流路数を１０、フィンピッチを３０ｍｍとし、羽根部８ｂの軸面積の割合を変化させて得られた天板７ａの温度Ｔ及び圧力損失ＰLのシミュレーション結果である。図示するように、軸面積の割合が小さい場合、つまり、軸部８ａの断面積が小さい（羽根部の割合が大きい）場合は、冷却フィン８Ａに大量の流体が流入して流速が遅くなるため、圧力損失ＰLは低くなるが、温度Ｔは上昇する。
一方、軸面積の割合が大きい場合、つまり、軸部８ａの断面積が大きい（羽根部の割合が小さい）場合は、冷却フィン８Ａに流入する流体が少なくなる。このため、流速が速くなるため、圧力損失ＰLは高くなるが、温度Ｔは低下する。従って、温度Ｔと圧力損失ＰLとを両立させる範囲としては、上記範囲が好ましい。なお、圧力損失ＰLは、装置としての長期信頼性が損なわれないように、１５ｋＰａ未満の値となっていることが好ましい。
温度Ｔは、ヒータを含む断熱装置（図示省略）を用いて、冷却器６の天板７ａの中心付近の温度を測定した。特に、ヒータの出力を１，１１０（Ｗ）とし、冷却用流体として純水を用い、流入口７ｄからの流入量を４．０（Ｌ／ｍｉｎ）とした。また、圧力損失ＰLは、同じ流入量の条件において、冷却器６の流入口７ｄの圧力と、流出口７ｅの圧力との差として評価した。
冷却フィン８Ａの軸部８ａの断面積が上記範囲に収まるように設定して、冷却フィン８Ａに適量の流体が流入するようにする。これにより、圧力損失ＰLを低く保つことができ、さらに、冷却効率を高めることができる。
［羽根部の間隔・分割数、羽根数］
また、羽根部８ｂを軸部８ａの周囲に均等な間隔（今回、羽根間隔ｄ2＝０．９ｍｍ）で配置することも効果的である。これにより、冷却フィン８Ａに流入した流体を軸部８ａの周りに均等に流すことができるため、冷却フィン８Ａのどの方向に接触させた冷却対象物であっても、冷却することが可能となる。羽根部８ｂの個数は冷却効率を左右する重要な形状パラメータであり、４から１０個程度であることが好ましく、６から８個であるとさらに好ましい。
図６は、羽根部８ｂの個数（流路数）を変化させて得られた天板７ａの温度Ｔ及び圧力損失ＰLのシミュレーション結果である。なお、フィンピッチは１５ｍｍから４５ｍｍの間で変化させた。
図示するように、流路数を８個以上としても、冷却特性はほとんど変化しないことが分かった。また、流路数が２個の場合は冷却効率が悪いが、４個になると冷却効率は良好となった。なお、冷却特性とは、温度Ｔと圧力損失ＰLの関係であり、温度Ｔは低く、圧力損失ＰLは少ない領域が好ましい冷却特性である。羽根部８ｂの個数は流路数に対応しており、羽根部８ｂが８個ならば、８本の流路が形成される。
また、上述の図４のように、ストレートフィンがなく、冷却フィンが複数連なる場合は、冷却用流体の乱流を防止するために、羽根間隔は隣接する冷却フィンの羽根間隔と同じにすることが好ましい。
［羽根部の形状：螺旋状流路］
図３（ｃ）に戻り、屈曲フィン８ｆ１は、羽根部８ｂの「１」（以下、羽根部８ｂ１のように記す）から長軸方向（Ｙ軸方向）に螺旋状に延びていく。また、羽根部８ｂ２からは、屈曲フィン８ｆ１の後方の屈曲フィン８ｆ２が、同じく長軸方向に螺旋状に延びていく。
そして、羽根部８ｂ８からは、屈曲フィン８ｆ８が長軸方向に螺旋状に延びていき、その後方は、羽根部８ｂ１から延びる屈曲フィン８ｆ１に戻る。すなわち、羽根部８ｂ１（屈曲フィン８ｆ１）と羽根部８ｂ２（屈曲フィン８ｆ２）の間の流路は、螺旋状に旋回して再び現れ、これを繰り返す。他の流路も同様であり、それぞれ独立した螺旋形状の流路を形成する。
次に、図７（ａ）は、冷却フィン８Ａの側面図（Ｙ－Ｚ平面）を示している。冷却フィン８Ａの長軸方向（Ｙ軸方向）の長さ（全体長さｙ1）は６０．０ｍｍである。羽根部８ｂ１（屈曲フィン８ｆ１）と羽根部８ｂ２（屈曲フィン８ｆ２）の間の流路は、破線（一部、着色）で示す通りで螺旋状に延びている。
図７（ｂ）は、図７（ａ）の領域Ｒ２の拡大図である。ここで、フィン幅ｙ2が０．５ｍｍ、フィン間隔ｙ3が１．５５ｍｍであるため、１本の流路としての幅は２．０５ｍｍである。そして、８本の流路で１周期となるため、フィンピッチｙ4は１６．４ｍｍである（図８参照）。
［螺旋の形状パラメータ：螺旋のピッチ］
冷却フィン８Ａの全体長さｙ1をフィンピッチｙ4で除算することで、回転数が得られ、全体長さｙ1が６０．０ｍｍ、フィンピッチｙ4が１６．４ｍｍであれば、３．６６（回）である。これは、冷却フィン８Ａの全体長さｙ1において、螺旋数が３．６６回であることを意味する。フィンピッチは、正確には螺旋状に回転する周期を示す。
羽根部８ｂの軸方向のピッチ（フィンピッチｙ4）は、フィン高さｚ1の１．５から６．２５倍の長さであることが好ましく、２から５倍の長さとするとさらに好ましい。これは、フィン高さｚ1に対する軸方向のフィンピッチｙ4の比であり、冷却効率に影響を与える形状パラメータであるが、この範囲に設定することで、流路を流れる冷却用流体の圧力損失を低下させることができ、温度も低くすることができる。
次に、図９を参照して、冷却フィン８の形状パラメータであるフィン高さに対する軸方向のフィンピッチの比を変化させて、天板７ａの温度Ｔ及び圧力損失ＰLを測定したシミュレーション結果について説明する。なお、流路数を１０とし、フィンピッチは１５ｍｍから４５ｍｍの間で変化させた。
この比が大きいときフィンピッチは大きくなり、前記回転数は小さくなり、圧力損失ＰLは低くなるが、温度Ｔは上昇してしまう。一方、この比が小さいときフィンピッチは小さくなり、前記回転数は大きくなり、温度Ｔは低くなるが、圧力損失ＰLは高くなってしまう。従って、温度Ｔと圧力損失ＰLとを両立させる範囲としては、上記範囲が好ましい。
［フィンの厚み］
さらに、羽根部８ｂの厚み（フィン幅ｙ2）は、羽根部８ｂの軸方向のピッチ（フィンピッチｙ4）を羽根数で割った長さの１０から６０％であることが好ましく、２０から４０％とするとさらに好ましい。なお、これはｙ2／（ｙ2＋ｙ3）の割合であり（図７（ｂ）参照）、Ｙ－Ｚ平面から見たフィン間隔とフィン幅の和に対するフィン幅の割合である。また、冷却用流体中のパーティクルが詰まらないようにするため、フィン間隔は０．９ｍｍ以上とすることが好ましい。これによっても、流路を流れる流体の圧力損失を低下させることができる。
［フィン角度］
図３（ｃ）に示した冷却フィン８Ａのように、羽根部８ｂの幅が同じ形状の場合、流路の幅は、軸部８ａの外周にいくほど広がってしまう。流路の幅が広がると、流体が外側に流れやすくなり、軸部８ａの冷却が悪化してしまい、冷却器としても冷却効率がよくならない。
そこで、図１０に示す冷却フィン８Ｘのように、羽根部に角度をつけて（羽根部８ｂ’）、軸部８ａ’の外周にいっても流路の幅が同じとなるようにすることが好ましい。断面（Ｘ－Ｚ平面）における一枚の羽根部８ｂ’の角度θは、３０から４５度が好ましく、３６度がさらに好ましい。
最後に、図１１を参照して、本発明の冷却フィンと従来構造のフィンの冷却性能の比較結果を説明する。
発明者らは、測定に際して３Ｄプリンタにより金属製の冷却フィン（螺旋形状の流路）を試作し、この冷却フィンを６本並べて１つの冷却器とした。このとき、冷却フィンの各種パラメータは、図８に示した数値とした。なお、従来品であるストレートフィンの冷却器も、冷却フィン全体の長さは、本発明の冷却フィンと同じ６０ｍｍとした。また、ストレートフィンのピッチは、０．５ｍｍとした。
まず、試作した冷却フィンと大きさが同等のストレートフィン（従来品）は、温度の伝え難さを表す熱抵抗が０．２４（Ｋ／Ｗ）であり、フィン上の温度は、７３（℃）以上あった。
一方、本発明の螺旋形状の流路を有する冷却フィンは、熱抵抗が０．２０（Ｋ／Ｗ）となり、フィン上の温度は、約６４（℃）であった。すなわち、本発明の冷却フィンは、従来のストレートフィンと比較して、熱抵抗を１６．７％低減させることに成功した。
以上、本発明の実施形態に係る冷却器６、半導体モジュール１００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。特に、冷却フィンの大きさや羽根部の個数、軸部の断面積の比率は、目的に応じて変更することができる。今回、羽根数が８個の例を示したが、１０個の場合でも冷却効率を高める、又は圧力損失を低下させるための数値範囲や比率（請求項３～５の内容）は同じである。
また、本発明の冷却フィンの間にストレートフィンを配置した場合を説明したが（図３参照）、この場合、流体が隣接する冷却フィンの流路に流入しなくなるため、羽根部（屈曲フィン）の螺旋方向は同じでも、向きが異なっていてもよい。
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
６ 冷却器
７ 冷却器ケース
７ａ 天板
７ｂ 底板
７ｃ 側板
７ｄ 流入口
７ｅ 流出口
８，８’，８Ａ～８Ｃ，８Ｘ 冷却フィン
８Ｓ ストレートフィン
８ａ，８ａ’ 軸部
８ｂ，８ｂ’，８ｂ１～８ｂ８ 羽根部
８ｆ，８ｆ１～８ｆ８ 屈曲フィン
９ ケース
１０ 樹脂
５１ 第１導電性板
５２ 絶縁基板
５３ 第２導電性板
１００ 半導体モジュール

Claims (9)

  1. 天板、底板及び側板からなるケースと、該ケース内に配置された冷却フィンと、該冷却フィンに接触して、前記ケース内を流通する冷却用流体の流路とを備え、前記天板又は前記底板に接触する冷却対象物を冷却する冷却器において、
    前記冷却フィンは、軸部と、前記軸部から外側に突出して軸方向に螺旋状をなして延びる羽根部とを有すると共に、全体が四角柱状をなし、少なくとも前記天板及び前記底板に接触して配置されており、
    前記流路は、前記羽根部、前記天板及び前記底板によって形成された螺旋形状を有することを特徴とする冷却器。
  2. 前記羽根部は４から１０個あり、前記軸部の周囲に均等な間隔で配設されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
  3. 前記羽根部の軸方向のピッチは、前記四角柱の高さの１．５から６．２５倍の長さ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。
  4. 前記軸部の断面積は、前記四角柱の軸方向に垂直な断面の断面積の１０から６０％であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却器。
  5. 前記羽根部の厚みは、前記羽根部の軸方向のピッチを羽根数で割った長さの１０から６０％であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却器。
  6. 前記ケース内に、前記冷却フィンが複数個並列して配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却器。
  7. 並列して配置された前記冷却フィン同士の間に、ストレートフィンが前記冷却フィンと接触して配置されていることを特徴とする請求項６に記載の冷却器。
  8. 並列して配置された前記冷却フィンの隣接するもの同士は、前記羽根部が互いに接しており、かつ、前記羽根部の螺旋方向が反対向きであることを特徴とする請求項６に記載の冷却器。
  9. 半導体素子と、
    前記半導体素子を搭載し、絶縁基板の上面及び下面を導電性板で挟んだ構造の積層基板と、
    前記積層基板の前記半導体素子を搭載していない側と接合し、前記半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる冷却器と、を備え、
    前記冷却器が、請求項１から８のいずれか１項に記載の冷却器であることを特徴とする半導体モジュール。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102676721B1 (ko) * 2019-04-24 2024-06-18 현대자동차주식회사 전력변환 장치용 냉각 시스템
JP7154442B2 (ja) * 2019-12-06 2022-10-17 三菱電機株式会社 ヒートシンク及びヒートシンクの製造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007329442A (ja) 2006-06-07 2007-12-20 Tatsuo Hatakeyama 螺旋状ｃｐｕヒートシンク
JP2009141136A (ja) 2007-12-06 2009-06-25 Mitsubishi Electric Corp ヒートシンクおよび半導体装置
JP2012074624A (ja) 2010-09-29 2012-04-12 Toshiba Teli Corp 冷却管構造
WO2015033724A1 (ja) 2013-09-05 2015-03-12 富士電機株式会社 電力用半導体モジュール

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4027997A (en) * 1975-12-10 1977-06-07 General Electric Company Diffuser for a centrifugal compressor
JPS60160149A (ja) * 1984-01-26 1985-08-21 Fujitsu Ltd 集積回路装置の冷却方式
US4561040A (en) * 1984-07-12 1985-12-24 Ibm Corporation Cooling system for VLSI circuit chips
US4765397A (en) * 1986-11-28 1988-08-23 International Business Machines Corp. Immersion cooled circuit module with improved fins
US4928207A (en) * 1989-06-15 1990-05-22 International Business Machines Corporation Circuit module with direct liquid cooling by a coolant flowing between a heat producing component and the face of a piston
US5390077A (en) * 1994-07-14 1995-02-14 At&T Global Information Solutions Company Integrated circuit cooling device having internal baffle
US5932940A (en) * 1996-07-16 1999-08-03 Massachusetts Institute Of Technology Microturbomachinery
JP2002141164A (ja) 2000-10-31 2002-05-17 Miyaden Co Ltd 大電力高周波誘導加熱用トランジスタインバータ装置
US7487641B2 (en) * 2003-11-14 2009-02-10 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Microfabricated rankine cycle steam turbine for power generation and methods of making the same
CN111433549A (zh) * 2017-07-17 2020-07-17 分形散热器技术有限责任公司 多重分形散热器***及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007329442A (ja) 2006-06-07 2007-12-20 Tatsuo Hatakeyama 螺旋状ｃｐｕヒートシンク
JP2009141136A (ja) 2007-12-06 2009-06-25 Mitsubishi Electric Corp ヒートシンクおよび半導体装置
JP2012074624A (ja) 2010-09-29 2012-04-12 Toshiba Teli Corp 冷却管構造
WO2015033724A1 (ja) 2013-09-05 2015-03-12 富士電機株式会社 電力用半導体モジュール

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