JPH1092986A

JPH1092986A - ヒートシンク

Info

Publication number: JPH1092986A
Application number: JP21305997A
Authority: JP
Inventors: Christian Belady; クリスティアン・ベラディ
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1998-04-10
Also published as: GB2316804A; GB9716001D0; DE19723085A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高い性能対コスト比を有する空冷式高効率ヒー
トシンクを提供する。【解決手段】本発明の一実施例によれば、低熱抵抗を有
し、高電力半導体用の冷却要求を満たすことができ、廉
価なヒートシンクが提供される。この特徴は、空冷、高
アスペクト比の折曲げフィンを有する銅製ヒートシンク
によって達成され、アルミニウム押出ヒートシンクや接
着フィン型ヒートシンクに比べ極めて優れた熱性能を達
成することができる。加えて、銅フィンが使用されるの
で、圧力降下が最小となるようフィンの厚さを低減する
ことができ、ヒートシンクを通る空気流を最大にするこ
とができる。さらに、銅フィンを安定させ、損傷を防止
するために、上面板をヒートシンクの上部に装着するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、総じて、半導体ヒー
トシンクの分野に関し、より詳細には、空冷ヒートシン
クの性能範囲を拡張する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ヒートシンクは、集積回路(I.
C.)パッケージの外表面に取付けられ、その中に収容さ
れた集積回路からの熱の除去を助長するものである。ほ
とんどのヒートシンクは、熱伝導性であり且つ表面積を
拡大すべく複数のフィンを有しており、そのため自然も
しくは強制的空気流によってより効率的に熱を消散させ
ることができるのである。一般的に望まれることは、比
較的低コストを維持しながら、ヒートシンクの熱消散能
を高めることである。一般に、35ワットの半導体デバイ
スのような高電力半導体デバイスを、比較的低コスト
で、冷却することは困難であった。比較的費用がかかる
ヒートパイプ及び液体冷却のような新種の冷却法より
も、強制空気を利用してデバイスを冷却するのが、一般
的に、有利である。しかし、システムにおいてはファン
又は送風装置に制限があるため、流速に対して最小の衝
撃を与えるようにする（即ち、圧力降下を減らしてヒー
トシンク中を通る空気流が最大に維持されるようにす
る）ことも有益である。さらに、基板上の実面積は極め
て限定される。従って、ヒートシンクが余分の基板スペ
ースを専有しないことが望ましい。これらの目的を達成
するには、高さ対チャネルのアスペクト比が高い、例え
ば、20以上の高さ対チャネル比を有するヒートシンクが
必要になろう。

【０００３】１つの在来型のヒートシンクは、型打ちし
たアルミニウム製ヒートシンクであり、これはかなり低
コストである。しかし、型打ち型ヒートシンクは、典型
的には、高性能のヒートシンクではなく、従って、典型
的には、低電力の用途に用いることしかできず、高密
度、高電力の半導体には利用できない。

【０００４】在来型の別のヒートシンクは、押出しアル
ミニウム製ヒートシンクであり、これも比較的安価であ
るが、製造工程によって幾つかの性能的な限界がある。
第一に、アルミニウムは、その伝導度が銅より50%低
く、従って効率が低く、結果的に、抵抗が比較的高くな
り、半導体の温度が比較的高くなる。第二に、押出しの
高さ対チャネルのアスペクト比は、製造中の押出し型
（ダイス）に関わる限界のため、典型的には、10までに
限定される。従って、高密度の即ち"丈の高い"ヒートシ
ンク（即ち、10を越えるアスペクト比）は、押出しヒー
トシンクに関しては実行不可能である。第三に、ベース
の広がり抵抗は、集中した熱源に対して比較的高く、こ
れも半導体温度上昇の原因となる得る。第四に、銅は押
出しが難しく、従って、押出しヒートシンクとしては考
えられない。故に、押出しアルミニウムのヒートシンク
は、一般的には、将来、半導体の高電力／高密度冷却法
としては用いられないであろう。

【０００５】在来型のさらに別のヒートシンクは、アル
ミニウム製のフィン付着型ヒートシンクであり、これ
は、各フィンをベースに別々にエポキシ樹脂で接着する
関係上、押出しヒートシンクより大幅に費用がかかるも
のである。この技術により、一般により高い熱消散を意
味するところの、高アスペクト比のフィンを使うことが
できるようになるが、それには３つの大きな制限を受け
ることになる。第一に、アルミニウムの伝導度が低いほ
ど、全体の効率が低くなる。第二に、エポキシの伝導度
が比較的低いため、フィンとベース間の付着によってヒ
ートシンクの全体的効率が低下する。第三に、ベースの
広がり抵抗は、集中した熱源に対して比較的高い。

【０００６】銅製のフィン付着型ヒートシンクに関して
は、各フィンをベースに別々にエポキシ樹脂で接着する
上、銅はアルミニウムよりはるかに高価であるため、一
般にこの種のヒートシンクは以前のヒートシンクより大
幅にコスト高となる。この技術によっても、一般により
大きい熱消散を意味する高アスペクト比のフィンを利用
できるようになるが、それには２つの大きな制限を受け
ることになる。第一に、そのヒートシンクのコストが、
アルミニウム製のフィン付着型ヒートシンクのそれより
約２倍である。そして第二に、エポキシの伝導度が比較
的低いため、フィンとベース間の付着によってヒートシ
ンクの全体的効率が低下する。しかし、このヒートシン
クは、上述の４種の在来型ヒートシンクのうち最も実行
性のあるヒートシンクである。

【０００７】別の在来型ヒートシンクは、機械加工した
アルミニウム製ヒートシンクであり、これは押出しより
コスト高だが、付着型ヒートシンクより高くなく、そし
てこれもまた製造工程に起因して幾つかの性能的な限界
がある。第一に、アルミニウムは、その伝導度が銅より
50%低く、従って効率が低く、結果的に、抵抗が比較的
高くなり且つ半導体の温度が比較的高くなる。第二に、
機械加工したヒートシンクの高さ対チャネルのアスペク
ト比は、製造中の切断工程に関わる限界のため、典型的
には、20までに限定される。従って、高密度の即ち"丈
の高い"ヒートシンク（即ち、20を越えるアスペクト
比）は、機械加工のヒートシンクに関しては実行不可能
である。第三に、ベースの広がり抵抗は、集中した熱源
に対して比較的高く、これも半導体温度のより高い上昇
の原因となる得る。第四に、銅は機械加工が困難であ
り、従って、機械加工のヒートシンクとしては考えられ
ない。故に、機械加工したアルミニウムのヒートシンク
は、一般的には、将来、半導体の高電力／高密度冷却法
としては用いられないであろう。半導体のヒートシンク
の分野においては、従来技術のヒートシンクの諸限界を
克服するところの、高い性能対コスト比を有する空冷式
高効率ヒートシンクに対する要求が存在するのである。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、高い性能対コスト比を有する
空冷式高効率ヒートシンクを提供することを目的とす
る。

【０００９】

【発明の概要】本願発明の１つの様相は、従来技術のヒ
ートシンクの諸限界を克服するところの、高い性能対コ
スト比を有する空冷式高効率ヒートシンクを実現するこ
とである。該ヒートシンクは、熱抵抗が低く、高電力半
導体に対する冷却要件を取り扱うことができ、その上、
低廉なものであろう。本願発明の上記及びその他の様相
は、アルミニウムの押出し又は付着フィン型ヒートシン
クでは釣り合わない熱性能を実現し得るところの、空冷
式、高アスペクト比、折曲げフィン型銅製ヒートシンク
で達成される。又、本願発明は、容易且つ安価に製造さ
れるものである。加えて、銅が使われているので、フィ
ンの厚さを減じて圧力降下を最小にすることができ、そ
の結果、ヒートシンク中の空気流を最大にすることがで
きる。その上さらに、銅フィンを安定させるために（そ
うしないとフィンが曲がりやすいので）ヒートシンクの
上面に上面板を取り付けてもよい。

【００１０】本願発明は、パッケージ内の集積回路デバ
イスからの熱を消散させるための、空気流式、高アスペ
クト比の、ヒートシンクを包含するもので、前記ヒート
シンクは、僅かに次の３つの部品だけから構成される：
熱抵抗が低い銅製ベース板；前記ベース板に取り付けら
れた熱抵抗の低い、アコーディオン様に折曲げた単一シ
ートの銅製折曲げフィン；及び前記折曲げフィンに取り
付けた上面板であって、前記ベース板と前記上面板を前
記折曲げフィンの対向側面に配して、空気が前記ベース
板と前記上面板間の前記折曲げフィン中を流れることが
できるようにした上面板。留意すべきは、上面板は、主
として曲げに対してフィン群を安定させるために用いら
れるもの故、フィンに対して曲げ又は損傷が問題となる
場合にのみ必要となる、ということである。

【００１１】

【実施例】図１は、本願発明による空冷、折曲げフィン
式銅製ヒートシンク10の平面斜視図を示す。本願発明の
ヒートシンク10は、ベース板16に搭載し且つ上面板18に
よって安定させた折曲げフィン12を包含することができ
る。ヒートシンク10は、上面14と底面28のところでアコ
ーディオン形状に折曲げて折曲げアコーディオン形フィ
ン12を形成する銅シートから構成することができる。ヒ
ートシンクを切断しそして折曲げさえすれば、その後
は、高い熱特性をもつ任意の材料、但し好ましくは銅、
から構成され得るベース板16上に搭載することができ
る。折曲げフィン式ヒートシンクは、エポキシ又は他の
接着剤を含む、任意の既知手段で、但し、好ましくは、
最良の熱特性が得られる鑞（ろう）付けによって、ベー
ス板16上に搭載してよい。この界面は、性能上、重要で
ある；故に、銅ベース板にろう付けした銅の折曲げフィ
ンは優れていることが分かった。ベース板16は、該ヒー
トシンクを半導体デバイス（図表せず）に取り付ける際
の芯出し及び位置決めを容易にできるよう、コーナー切
込み部分26を備えることもできる。

【００１２】また、上面板18を折曲げフィンの上面上に
取り付けて、特に極めて薄い場合に曲がり易いフィンを
安定させてよい。上面板18はどのような材料から作って
もよいが、好ましくは、熱抵抗の低い材料から、より好
ましくは、銅から作ることができる。この界面はヒート
シンクの熱性能にそれ程影響を及ぼさない故、上面板18
は、任意の既知手段によって折曲げフィンに取り付けて
よい。ろう付けが好ましいが、接着剤及びエポキシも適
している。

【００１３】ヒートシンク10は、任意の既知の接着性熱
グリース又はエポキシ；はんだ；ねじ、リベット又はそ
の類によるベース板16の孔20、22、24及び30を通しての
取付け；スプリングクリップによる取付け；又は教示の
全てが参考として本明細書に引用されている、Timothy
Schweglerによる米国特許出願No.08/617,002、標題"MET
HOD AND APPARATUS FOR ATTACHING A HEAT SINK AND A
FAN TO AN INTEGRATEDCIRCUIT PACKAGE"に教示されてい
るような熱展着剤又は熱パッドによる取付けを含む、任
意の既知手段でデバイス（図表せず）のパッケージに取
付けることができる。

【００１４】ここで、図２と３を参照して、本願発明の
１実施例の寸法について述べよう。しかし、留意すべき
は、寸法の多くは、半導体デバイスの寸法並びに半導体
デバイスの特有の熱消散要件によって変わることがあ
る、ということである。ベース板は、約1.670インチ(4
2.42mm)(A) × 1.670インチ(42.42mm)(B) × .10インチ
(2.54mm)厚(C)である。上面板18は、約1.70インチ(43.1
8mm)(D) × 1.000インチ(25.40mm)(E) × .020インチ
(0.51mm)厚(F)である。

【００１５】シンク10の全体の高さは、約1.62インチ(4
1.15mm)高(G)である。従って、折曲げフィン12は、約1.
50インチ(38.10mm)高[G - (C ＋ F)]である。折曲げフ
ィン12は、約.020インチ(0.51mm)厚(H) × 1.000インチ
(25.40mm)幅(E)である。１つのフィンの始まりから次の
フィンの始まりまで約.22インチ(5.59mm)(I)である。１
つのフィンの幅は、約.13インチ(3.30mm)(J)である。最
後のフィンは、曲り（ベンド）を通り過ぎて.07インチ
(1.78mm)(K)のところで切断し、次いで、90°過ぎまで
曲げて、32でベース板に取付ける。ベース板16の孔20、
22、24及び30は、直径が約.125インチ(3.18mm)で、中心
から中心まで約1.400インチ(35.56mm)(L)離し、且つベ
ース板16の端から約.135インチ(3.43mm)(M)離す。

【００１６】折曲げフィン12は銅製であるので、在来の
ヒートシンクより大幅に高さを高くでき、従って、ヒー
トシンクの熱効率を驚異的に減少させないで、その表面
積を著しく増すことができることに注目すべきである。
故に、性能が著しく向上する。フィンが高いほど、20を
超えるチャネルのアスペクト比が可能となり、これによ
って、一方で、同時に、フィン中を流れる空気の流速が
最大になるようにフィン間のチャネルを広い状態に維持
しながら、冷却用フィン12中により多くの空気を移動さ
せることができるのである。高さ対チャネルのアスペク
ト比が20未満であることもあるが、アスペクト比が20を
下回るにつれ熱的効果が低下し始めることを発明者は見
出している。また、折曲げフィン12は、薄く且つ丈が高
いので、曲がりやすく、そのため、フィンに上面板18を
張り付けてヒートシンクの安定度を改善している。ろう
付け中、銅が焼なまされ即ち軟化されて、フィン12が曲
り変形及びその他の損傷を比較的受けやすくなる、とい
うことを発明者は見出している。

【００１７】さらに、ベース板16、折曲げフィン12及び
上面板が銅である場合は、熱効率が最大になる。ヒート
シンク10は、はんだ、熱グリース又は熱パッドを使って
半導体パッケージ（図表せず）に取り付け、この界面の
熱抵抗を最小に保つことができる。同様に、ろう付けに
よって銅フィン12をベース板16に張り付ければ、この界
面の熱抵抗は最小になる。また、ろう付けによって上面
板18を銅フィン12に張り付ける場合、この界面の熱抵抗
も最小に保たれるが、この界面は、一般に、熱抵抗がそ
れ程大きな問題とならないほど半導体デバイス（図表せ
ず）から十分離れているので、その他の取付け手段（即
ち、接着剤、エポキシ、等）も、コスト／利益の観点か
ら、より実用的であることもある。

【００１８】そして、最後に、折曲げフィン12は、銅製
であるので、それらがアルミニウムから成る場合より
も、ヒートシンクの全体的熱効率を著しく落すことな
く、比較的薄く且つ高くすることができる。また、折曲
げフィンは、20を越える高さ対チャネルのアスペクト比
を見越しており、これは熱性能を高い状態に維持すべく
より大きい表面積を考慮すると同時に、より広いチャネ
ルも考慮に入れており、このため、フィン中の流速が最
大になるか、あるいはフィン中の流速に対する衝撃が最
小になる。従って、本願発明は、比較的低コストで、高
い熱効率を有する（即ち流れ抵抗が比較的低い）改良型
空気流ヒートシンクを説明するものである。

【００１９】本願発明に関するこれまでの説明は、実例
を挙げることと説明することを目的として提示したもの
である。開示された厳密な形に合致して発明を網羅しよ
うとするものでも又は限定しようとするものでもなく、
従ってその他の修正及び変更も上述の教示に照らして可
能であってよい。例えば、折曲げフィン又はヒートシン
クの寸法は、発明の概念から逸脱することなく改変する
ことができる。また、ベース板は、図に示すように大き
くしなければならないこともない。さらに、その接合点
での熱抵抗に影響することがあっても、発明の全体的概
念から本質的に逸脱しないであろうところの、パッケー
ジに対するヒートシンク10の様々な取付け手段又は折曲
げフィン12を利用することもできる。実施例は、発明の
原理を最も良く説明して、よって、熟練した当業者が特
定の実施用途に適合する様々な実施例及び種々の修正に
おいて本発明を利用できるように、選択し且つ記述した
ものである。

【００２０】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。

【００２１】[実施態様１]パッケージ内に実装された集
積回路デバイスからの熱を消散させるための空気流式高
アスペクト比のヒートシンク10であって、低い熱抵抗を
もつベース板16と、前記ベース板16に取付けられ、熱抵
抗が低く、且つアコーディオン形に折り曲げられた単一
シートから成る折曲げフィン12と、前記折曲げフィン12
を挟んで前記ベース板16に対向する、前記折曲げフィン
12の側面上に配置された上面板18と、を備えて成り、前
記ベース板16と前記上面板18との間の前記折曲げフィン
12中に空気を流すことができるようにしたことを特徴と
するヒートシンク。

【００２２】[実施態様２]前記ベース板16が実質的に銅
であることを特徴とする実施態様1記載の空気流式高ア
スペクト比のヒートシンク10。

【００２３】[実施態様３]前記折曲げフィン12が、実質
的に銅であることを特徴とする実施態様1記載の空気流
式高アスペクト比のヒートシンク10。

【００２４】[実施態様４]前記折曲げフィン12が、はん
だ付けによって前記ベース板16に取付けられることを特
徴とする実施態様1記載の空気流式高アスペクト比のヒ
ートシンク10。

【００２５】[実施態様５]前記折曲げフィン12が、ろう
（鑞）付けによって前記ベース板16に取付けられること
を特徴とする実施態様1記載の空気流式高アスペクト比
のヒートシンク10。

【００２６】[実施態様６]前記上面板18が、ろう付けに
よって前記折曲げフィン12に取付けられることを特徴と
する実施態様1記載の空気流式高アスペクト比のヒート
シンク10。

【００２７】[実施態様７]前記ベース板16と前記折曲げ
フィン12が、実質的に銅であることを特徴とする実施態
様1記載の空気流式高アスペクト比のヒートシンク10。

【００２８】[実施態様８]前記折曲げフィン12が、ろう
付けによって前記ベース板16に取付けられることを特徴
とする実施態様7記載の空気流式高アスペクト比のヒー
トシンク10。

【００２９】[実施態様９]折曲げフィン12の高さ対チャ
ネルのアスペクト比が約20であることを特徴とする実施
態様1記載の空気流式高アスペクト比のヒートシンク1
0。

【００３０】[実施態様１０]折曲げフィン12の高さ対チ
ャネルのアスペクト比が20を上回ることを特徴とする実
施態様1記載の空気流式高アスペクト比のヒートシンク1
0。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、高い性能対コスト比を有する空冷式高効率ヒ
ートシンクを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明による空冷・折曲げフィン式銅製ヒー
トシンクの平面斜視図である。

【図２】本願発明による空冷・折曲げフィン式銅製ヒー
トシンクの側面図である。

【図３】本願発明による空冷・折曲げフィン式銅製ヒー
トシンクの平面図である。

【符号の説明】

１２：折曲げフィン１６：ベース板１８：上面板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パッケージ内に実装された集積回路デバイ
スからの熱を消散させるための空気流式高アスペクト比
のヒートシンクであって、低い熱抵抗をもつベース板と、前記ベース板に取付けられ、熱抵抗が低く、且つアコー
ディオン形に折り曲げられた単一シートから成る折曲げ
フィンと、前記折曲げフィンを挟んで前記ベース板に対向する、前
記折曲げフィンの側面上に配置された上面板と、を備えて成り、前記ベース板と前記上面板との間の前記
折曲げフィン中に空気を流すことができるようにしたこ
とを特徴とするヒートシンク。