JP7653847B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本開示は、冷却装置に関する。

半導体部品（チップ）を冷却するための装置として、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。下記特許文献１に記載された装置では、半導体部品が固定される筐体に窪みが形成され、当該窪みを覆うようにして板状の金属ベースが取り付けられている。この金属ベースの上に半導体部品が実装され、半導体部品の直下には冷却水路が形成されている。

特開２００３－１１６２８２号公報

しかしながら、上記のように金属ベースが単に板状をなしている場合、冷媒と半導体部品との間で当該金属ベースが大きな熱抵抗となってしまう。これにより、半導体部品の冷却が効率的に行えない虞がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、さらに冷却効率が向上した冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る冷却装置は、基板の表面に実装された半導体部品を冷却する冷却装置であって、前記基板の裏面に取り付けられたベースと、該ベースから突出する複数のフィンと、該複数のフィンを前記ベースとの間で支持する底板と、を備え、前記ベースにおける前記底板側を向く面であって、前記半導体部品に対応する領域には、前記ベース側に向かって凹む凹部が形成されており、前記ベースから突出する複数のフィンをさらに備え、前記凹部は、前記ベースの長さの全域にわたって延びる溝であり、前記複数のフィンは、前記溝の延びる方向に板状に延びている。

本開示によれば、さらに冷却効率が向上した冷却装置を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。 本開示の第二実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。 本開示の第三実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。 本開示の第四実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。 本開示の各実施形態の変形例に係るフィンの平面図である。

＜第一実施形態＞
（基板、冷却装置の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る冷却装置１００について、図１を参照して説明する。この冷却装置１００は、基板１に実装された半導体部品２を液体の冷媒によって冷却するための装置である。図１に示すように、基板１は、銅パターン１ａ，１ｃと、基板本体１ｂと、接合材１ｄ、２ａと、を有している。

基板本体１ｂは、例えばガラスエポキシ樹脂や、ベークライト樹脂等で板状に形成されている。基板本体１ｂの表面、及び裏面にはそれぞれ銅パターン１ａ，１ｃが蒸着されている。銅パターン１ａ，１ｃには、所望のプリント配線がエッチングによって形成されている。接合材２ａは、半導体部品２を銅パターン１ａに固定するために設けられている。

半導体部品２は、複数（一例として３つ）が基板１上に配置されている。半導体部品２は、例えばパワートランジスタやパワーＦＥＴであり、その動作に伴って発熱する。これら半導体部品２は、基板１上で互いに間隔をあけて配置されている。また、半導体部品２は上記の銅パターン１ａに対して電気的に接続されている。

次いで、冷却装置１００の構成について説明する。図１に示すように、冷却装置１００は、ベース１０と、底板１２と、を備えている。これらベース１０、及び底板１２は、アルミニウムや銅のように熱伝導性の良好な金属材料で一体に形成されている。Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｕｔｕｒｉｎｇ（ＡＭ造形法）によって冷却装置１００を造形することも可能である。

ベース１０は、上記の基板１の裏面（つまり、半導体部品２が実装されている表面とは反対側を向く面）に対して接合材１ｄによって固定されている。ベース１０は、基板１よりも大きな面積を有する板状をなしている。詳しくは後述するが、ベース１０の裏面１０ｂにおける中央部（つまり、複数の半導体部品２に対応する領域の中央部）には、上記の基板１側に向かって凹む凹部１０ｒが形成されている。言い換えると、この凹部１０ｒが形成されている領域では、他の領域に比べてベース１０の板厚が小さくなっている。また、凹部１０ｒの断面形状は一例として三角形である。なお、凹部１０ｒが矩形断面や円弧状の断面を有していてもよい。さらに、凹部１０ｒは、ベース１０の長さの全域にわたって延びる溝である。

（作用効果）
続いて、上記の冷却装置１００の動作について説明する。半導体部品２を動作させると、内部抵抗等に起因して当該半導体部品２が発熱する。上述のように複数の半導体部品２が集積して配置されている場合、熱干渉が生じることにより、その集積された領域の中央部で特に温度が高くなる。このような発熱が亢進すると、半導体部品２の熱暴走や損壊を招く可能性がある。そこで、本実施形態では、冷却装置１００によってこれら半導体部品２を冷却する構成を採っている。

まず外部から流路Ｆ内に導入された冷媒は、当該流路Ｆ内を凹部１０ｒの延びる方向に流通する。この過程で、ベース１０を介して半導体部品２が冷媒による吸熱に基づいて冷却される。ところで、上記実施形態とは異なり、ベース１０が単に板状をなしている場合、冷媒と半導体部品２との間で当該ベース１０が大きな熱抵抗となってしまう。これにより、半導体部品の冷却が効率的に行えない虞がある。そこで、本実施形態では、ベース１０に凹部１０ｒが形成されている。

上記構成によれば、ベース１０における半導体部品２に対応する領域に凹部１０ｒが形成されている。これにより、当該領域におけるベース１０の熱抵抗を他の領域に比べて小さく抑えることができる。その結果、冷媒と半導体部品２との間における熱の移動が促進され、半導体部品２を効率的に冷却することが可能となる。また、ベース１０の板厚を全体的に小さくした場合に比べて、凹部１０ｒを一部のみに限定して形成することにより、冷媒の圧力に対するベース１０の耐圧性の低下を小さく抑えることもできる。

以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図２を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図２に示すように、本実施形態では、ベース１０の裏面１０ｂに、複数のフィン１１が設けられている。それぞれのフィン１１は、ベース１０から離間する方向に突出している。また、複数のフィン１１は、凹部１０ｒの延びる方向に間隔をあけて配列されている。

上記のフィン１１は、底板１２によってベース１０との間に支持されている。ベース１０と底板１２によって囲まれる空間は、外部から導かれた冷媒が流通するための流路Ｆとされている。本実施形態では、底板１２におけるベース１０側の面は平坦状である。
凹部１０ｒは、ベース１０の長さの全域にわたって延びる溝であり、複数のフィン１１は、当該溝（凹部１０ｒ）の延びる方向に板状に延びている。

上記構成によれば、フィン１１によって冷媒と冷却装置との接触面積が増加するため、冷却効率をさらに向上させることができる。

また、上記構成によれば、フィン１１が溝の延びる方向に延びていることから、冷媒の流れが当該フィン１１によって阻害される可能性を小さく抑えることができる。これにより、冷媒の流量が確保され、半導体部品２をさらに効率的に冷却することが可能となる。

以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

＜第三実施形態＞
次に、本開示の第三実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３に示すように、本実施形態では、上記の冷却装置１００において、複数のフィン１１のうち、凹部１０ｒに設けられているフィン１１では、当該フィン１１同士の間の間隔が他のフィン１１同士の間の間隔よりも狭くなっている。

上記構成によれば、凹部１０ｒに設けられているフィン１１同士の間の間隔が狭いことから、これらフィン１１と冷媒との接触面積を他の領域に比べて大きく確保することができる。これにより、半導体部品２をさらに効率的に冷却することが可能となる。

以上、本開示の第三実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

＜第四実施形態＞
次に、本開示の第四実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態では、底板１２ｂの形状が第一実施形態とは異なっている。具体的には、底板１２ｂにおける凹部１０ｒを臨む領域には、凹部１０ｒに対応する形状の凸部１２ｔが形成されている。つまり、図２の例では、三角形の断面形状を有する凹部１０ｒに対応して、同じく三角形の断面形状を有する凸部１２ｔが設けられている。

上記構成によれば、流路Ｆにおける凹部１０ｒと凸部１２ｔに挟まれた領域と、他の領域との間で、流路Ｆの流路断面積が一定になる。その結果、例えば凹部１０ｒに冷媒が流れ込む際に淀みを生じたり、圧力損失が生じたりする可能性を低減することができる。これにより、さらに安定的に冷媒を流通させることができるため、半導体部品２をより一層効率的に冷却することが可能となる。

以上、本開示の第四実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記の各実施形態では、複数の半導体部品２に対してその中央部に１つのみの凹部１０ｒが形成されている例について説明した。しかしながら、凹部１０ｒの数は１つに限定されず、半導体部品２のそれぞれに対応させて１つずつの凹部１０ｒを形成することも可能である。その場合、第二実施形態で説明した凸部１２ｔも凹部１０ｒと同じ数だけ設けられることが望ましい。また、冷媒の流れ方向は、必ずしもフィン１１の延びる方向と一致している必要はなく、フィン１１の延びる方向に対して交差する方向であってもよい。また、フィン１１の形状は板状に限定されず、図５に示すように、ピン１１´をフィン１１に代えて用いることも可能である。この場合も、第三実施形態で説明したように、凹部１０ｒに設けられているピン１１´では、当該ピン１１´同士の間の間隔が他のピン１１´同士の間の間隔よりも狭くなるように構成することが可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の冷却装置１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る冷却装置１００は、基板１の表面に実装された半導体部品２を冷却する冷却装置１００であって、前記基板の裏面に取り付けられたベース１０と、前記ベース１０から離間して配置された底板１２と、を備え、前記ベース１０における前記底板１２側を向く面であって、前記半導体部品２に対応する領域には、前記基板１側に向かって凹む凹部１０ｒが形成されている。

上記構成によれば、ベース１０における半導体部品２に対応する領域に凹部１０ｒが形成されている。これにより、当該領域におけるベース１０の熱抵抗を他の領域に比べて小さく抑えることができる。その結果、冷媒と半導体部品２との間における熱の移動が促進され、半導体部品２を効率的に冷却することが可能となる。

（２）第２の態様に係る冷却装置１００は、前記ベース１０から突出する複数のフィン１１をさらに備える。

上記構成によれば、フィン１１によって冷媒と冷却装置との接触面積が増加するため、冷却効率をさらに向上させることができる。

（３）第３の態様に係る冷却装置１００では、前記凹部１０ｒは、前記ベース１０の長さの全域にわたって延びる溝であり、前記複数のフィン１１は、前記溝の延びる方向に板状に延びている。

上記構成によれば、フィン１１が溝の延びる方向に延びていることから、冷媒の流れが当該フィン１１によって阻害される可能性を小さく抑えることができる。これにより、冷媒の流量が確保され、半導体部品２をさらに効率的に冷却することが可能となる。

（４）第４の態様に係る冷却装置１００において、前記複数のフィン１１のうち、前記凹部１０ｒに設けられている前記フィン１１では、該フィン１１同士の間の間隔が他の前記フィン１１同士の間の間隔よりも狭くなっている。

上記構成によれば、凹部１０ｒに設けられているフィン１１同士の間の間隔が狭いことから、これらフィン１１と冷媒との接触面積を他の領域に比べて大きく確保することができる。これにより、半導体部品２をさらに効率的に冷却することが可能となる。

（５）第５の態様に係る冷却装置１００では、前記底板１２ｂにおける前記凹部１０ｒを臨む領域には、該凹部１０ｒに対応する形状の凸部１２ｔが形成されている。

上記構成によれば、凹部１０ｒと凸部１２ｔに挟まれた領域と、他の領域との間で、冷媒の流路断面積が一定になる。その結果、例えば凹部１０ｒに冷媒が流れ込む際に淀みを生じたり、圧力損失が生じたりする可能性を低減することができる。

（６）第６の態様に係る冷却装置１００は、前記ベース１０から突出する複数のピン１１´をさらに備える。

上記構成によれば、ピン１１によって冷媒と冷却装置との接触面積が増加するため、冷却効率をさらに向上させることができる。

（７）第７の態様に係る冷却装置１００では、前記複数のピン１１´のうち、前記凹部１０ｒに設けられている前記ピン１１´では、該ピン１１´同士の間の間隔が他の前記ピン１１´同士の間の間隔よりも狭くなっている。

上記構成によれば、凹部１０ｒに設けられているピン１１´同士の間の間隔が狭いことから、これらピン１１´と冷媒との接触面積を他の領域に比べて大きく確保することができる。これにより、半導体部品２をさらに効率的に冷却することが可能となる。

（８）第８の態様に係る冷却装置１００では、前記底板１２における前記凹部１０ｒを臨む領域には、該凹部１０ｒに対応する形状の凸部１２ｔが形成されている。

上記構成によれば、凹部１０ｒと凸部１２ｔに挟まれた領域と、他の領域との間で、冷媒の流路断面積が一定になる。その結果、例えば凹部１０ｒに冷媒が流れ込む際に淀みを生じたり、圧力損失が生じたりする可能性を低減することができる。

１００ 冷却装置
１ 基板
１ａ，１ｃ 銅パターン
１ｂ 基板本体
１ｄ 接合材
２ 半導体部品
２ａ 接合材
１０ ベース
１０ａ 表面
１０ｂ 裏面
１１ フィン
１１´ ピン
１２，１２ｂ 底板
１２ｔ 凸部

Claims (3)

1. 基板の表面に実装された半導体部品を冷却する冷却装置であって、
   前記基板の裏面に取り付けられたベースと、
   前記ベースから離間して配置された底板と、
   を備え、
   前記ベースにおける前記底板側を向く面であって、前記半導体部品に対応する領域には、前記基板側に向かって凹む凹部が形成されており、
   前記ベースから突出する複数のフィンをさらに備え、
   前記凹部は、前記ベースの長さの全域にわたって延びる溝であり、
   前記複数のフィンは、前記溝の延びる方向に板状に延びている冷却装置。
2. 前記複数のフィンのうち、前記凹部に設けられている前記フィンでは、該フィン同士の間の間隔が他の前記フィン同士の間の間隔よりも狭くなっている請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記底板における前記凹部を臨む領域には、該凹部に対応する形状の凸部が形成されている請求項１又は２に記載の冷却装置。

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