CN102598253A

CN102598253A - 散热器、散热器组装体、半导体模块以及带冷却装置的半导体装置

Info

Publication number: CN102598253A
Application number: CN2009801624175A
Authority: CN
Inventors: 小谷和也; 武田亮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2012-07-18
Also published as: WO2011058622A1; DE112009005359T5; US8558373B2; US20120217630A1

Abstract

散热器（1）具备基座（1A）、和在基座（1A）的一个面上设置的以亚毫米数量级的窄间距平行配置的多个散热叶片（1B）。多个散热叶片各自的厚度为亚毫米数量级，宽度方向的长度为60mm以下，高度为40mm以下。可以通过排列多台该散热器（1），并将各散热器（1）之间通过热输送器件（4）热连接，构成散热器组装体（5）。

Description

散热器、散热器组装体、半导体模块以及带冷却装置的半导体装置

技术领域

本发明涉及散热器、散热器组装体(assembly)、半导体模块以及带冷却装置的半导体装置。

背景技术

一般情况下，功率半导体元件的冷却装置如图1、图2所示，是通过经由绝缘件102和润滑脂（greese）、热传导粘接件等热界面材料（thermalinterface material）103将散热器104螺栓紧固于功率半导体模块101来进行加压接触的构成。而且，为了强制风冷，将风扇105设置成向沿着散热器104的散热叶片104B的方向送风。

电力变换装置运转时由功率半导体元件产生的热从功率半导体模块101经由接触边界的热界面材料103，通过散热器104的基座104A、散热叶片104B而向周围环境（大气）释放热量。

另外，在上述的强制风冷式的功率半导体元件的冷却装置的情况下，相对于功率半导体元件的发热密度（几十万W/m²），作为散热部的散热器104的热传导率（几十W/m²K）低，为了保持在可允许的温度差（几十℃）以内，需要将散热面积扩大为发热面积的数百倍。

在该面积的扩大过程中，会产生热传导阻抗（固体热传导引起的热阻）、接触热阻（固体与固体的接触引起的热阻）、扩展热阻（来自发热部件的热以45°的角度扩展并且传递到散热器104的热阻）、叶片效率（散热叶片104B整体的温度不一样的修正）、散热器效率（进风温度与出风温度不一样的修正）等妨碍散热的重要因素。因此，与功率半导体模块101的体积相比，散热器104的体积变得非常大。

作为以往的功率半导体元件的冷却装置的一个例子，对图1所示的由大型IGBT模块和冷却装置构成的电力变换装置进行说明。若将功率半导体元件的发热损失设为2000W、并将所允许的结温（junction temperature）设为125℃（周围温度40℃），则应用搭载了强制风冷用风扇105的大型铆接式散热器104（W330mm×L300mm×H110mm）是一个妥当的作法。此时，由于散热器104的热阻为0.028K/W，体积为10890cm³，所以体积热阻为305cm³K/W（散热器的性能指数）。

为了使该散热器104的体积小型化，需要用于高效放热的冷却单元。其一个单元是利用热管式、沸腾式等的制冷剂基于蒸发凝缩形成的潜热和移动来进行热输送的冷却器，能够使散热器体积变为约1／2～1／3（非专利文献1）。该散热器还作为电动车辆用的冷却装置被广泛使用（专利文献1）。

另一个单元是以水冷式等的泵、使制冷剂强制循环来进行热输送的冷却器。通过在发热部件的附近构成微通道（micro channel）来减少热传导阻抗，并增大放热面积来减少向制冷剂的热传导阻抗，从而能够使可冷却的热流速增大、实现高发热密度的发热部件的冷却（专利文献2～5）。另外，利用碰撞喷流来减少热传导阻抗，可获得同样的效果（专利文献6、7）。

但是，在非专利文献1以及专利文献1～7所记载的现有装置中，虽然受热块（block）能够小型化，但为了向周围环境（大气）散热，需要另外设置气液式热交换器。因此，如果包括周边部件（驱动泵、管）在内，则水冷式冷却装置的体积成为与热管式、沸腾冷却式冷却装置同等以上的体积。

这样，在上述的非专利文献1以及专利文献1～7所记载的现有的功率半导体元件的冷却装置中，需要基于制冷剂的循环的热输送机构。因此，包括受热块、热输送机构、散热叶片的散热器整体的成本增大。而且，由于在这些现有的功率半导体元件的冷却装置中，可以将受热块与散热叶片分离，所以布局的自由度高。但是，包括受热块、热输送机构、散热器在内的冷却装置整体的体积约为1／2～1／3左右，不能进一步变小。并且，由于还会引起制冷剂的冻结、漏液这些问题，所以还存在需要相应的对策的问题点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000－60106号公报

专利文献2：日本特开平6－326226号公报

专利文献3：日本特开平7－66338号公报

专利文献4：日本特开2002－151640号公报

专利文献5：日本特开2006－19730号公报

专利文献6：日本特开平5－3274号公报

专利文献7：日本特开平10－22428号公报

非专利文献

非专利文献1：“冷媒自然循環技術を用いた沸騰冷却器の開発（コンピュータチップ用小型沸騰冷却器）”、デンソーテクニカルレビューVol.7、No.1、p.128-135、2002年

发明内容

发明概要

本发明是为了解决上述现有技术的课题而提出的，其目的在于，提供一种散热器以及使用了该散热器的散热器组装体（assembly）、半导体模块以及带冷却装置的半导体装置，通过对发热性的半导体元件使用而能将该半导体元件使用的温度保持得较低，并且可使冷却单元的体积小型化、且廉价并能够保持高可靠性。

本发明的第1技术特征涉及一种散热器，该散热器与强制风冷用风扇一同使用，具备：基座；和在上述基座的一个面上设置的、以亚毫米数量级的窄间距平行配置的多个散热叶片，上述多个散热叶片各自的厚度为亚毫米数量级，宽度方向的长度为60mm以下，高度为40mm以下（散热器也可以将宽度方向的长度设为10～60mm、将高度设为10～40mm）。

本发明的第2技术特征涉及散热器组装体，其具备至少两个本发明的第1技术特征涉及的散热器；和将上述至少两个散热器之间热连接的热输送器件。

本发明的第3技术特征涉及半导体模块，其具备本发明的第1技术特征涉及的散热器；以能够热传导的状态配置在上述基座的另一面上的受热块；和设置在上述受热块的半导体元件。

本发明的第4技术特征涉及半导体模块，其具备本发明的第2技术特征涉及的散热器组装体；相对上述散热器组装体的至少一个上述散热器、以能够热传导的状态配置在上述基座的另一面上的受热块；和设置在上述受热块的半导体元件。

本发明的第5技术特征涉及带冷却装置的半导体装置，其具备本发明的第3或者第4技术特征涉及的半导体模块；收容上述半导体模块的框体；和安装于上述框体并对上述半导体模块的上述多个散热叶片输送外部空气的风扇。

根据本发明的第1技术特征涉及的散热器或者第2技术特征涉及的散热器组装体，作为对发热性的半导体元件进行强制冷却的冷却装置而与强制风冷用风扇一同使用，能够将其温度确保得低，并且可使冷却装置的体积小型化，能够廉价地确保高的可靠性。

另外，根据本发明的第3或者第4技术特征涉及的半导体模块以及第5技术特征涉及的带冷却装置的半导体装置，由于将小型且廉价、并且可靠性高的散热器或者散热器组装体作为冷却单元使用，所以无论是作为具备冷却装置的半导体模块还是作为半导体装置都能实现小型化。

附图说明

图1是以往的强制风冷式的功率半导体元件的冷却装置的立体图。

图2是以往的强制风冷式的功率半导体元件的冷却装置的剖视图。

图3是本发明的实施例1的散热器的立体图。

图4是本发明的实施例1的散热器，图4（a）是主视图，图4（b）是侧视图。

图5是图4中的C部的放大图。

图6是表示与本发明的实施例1涉及的散热器的长度有关的特性的曲线图，图6（a）表示热阻的特性，图6（b）表示体积热阻的特性，图6（c）表示最佳散热叶片形状的特性。

图7是表示与本发明的实施例1涉及的散热器的高度有关的特性的曲线图，图7（a）表示热阻的特性，图7（b）表示体积热阻的特性，图7（c）表示最佳散热叶片形状的特性。

图8是表示与本发明的实施例1涉及的散热器的宽度有关的特性的曲线图，图8（a）表示热阻，图8（b）表示体积热阻的特性，图8（c）表示最佳散热叶片形状的特性。

图9是本发明的实施例2涉及的散热器组装体的主视图。

图10是将本发明的实施例3涉及的带冷却装置的半导体装置的一部分切断的立体图。

图11是将本发明的实施例4涉及的带冷却装置的半导体装置的一部分切断的立体图。

具体实施方式

首先，对本发明的原理进行说明。如果决定了散热器的外形（宽度W、高度H、长度L）和冷却风扇的能力，则放热能力为最佳的散热叶片形状可通过下式求出。

1）流动解析

散热器长度L[m]、散热叶片高度H_fin[m]、间隙g[m]的长方形管道的水力等价直径D[m]如下所述。

〔式1〕

D=2g H_fin/（g+H_fin）

雷诺数Re根据流体密度ρ[kg/m³]、流体粘度μ[Pa s]、散热叶片平均流速U_ar[m/s]表示如下。

〔式2〕

Re=ρD U_ar/μ

从开始湍流转捩(turbulent transition)，狭窄的叶片间距的散热器大部分是层流流动。量纲为1的水力距离x⁺由代表长度x（散热器长度L）表示如下。

〔式3〕

x⁺=x/（Re D）

完全发展层流流动的摩擦系数f如下所示。

〔式4〕

fRe=（19.64G+4.7）

这里，通道纵横比G为

〔式5〕

G=[（g/H_fin）²+1]/[（g+H_fin）+1]²，

发展中的层流流动的摩擦系数f_app为

〔式6〕

f_appRe={[3.2（x⁺）^-0.57]²+（fRe）²}^1/2。

层流流动到充分发展为止的助起动距离X为

〔式7〕

X/D=0.0065Re，

在该助起动距离区间内产生多余的压力损失。

接下来，求出缩小系数K_c、放大系数K_e。叶片密度σ相对散热叶片的间距间隔p[m]为

〔式8〕

σ=g/p，

缩小系数K_c为

〔式9〕

K_c=0.8－0.4σ²，

放大系数K_e为

〔式10〕

K_e=（1－σ）²，

散热器的压力损失ΔP_hs[Pa]为

〔式11〕

ΔP_hs=（K_c+4f_appx⁺+K_e）H^ar。

这里，H_ar[Pa]为叶片水力头，如下式所示。

〔式12〕

H_ar=ρU_ar ²/2

体积流量率V[m³/s]由散热器宽度W[m]表示为

〔式13〕

V=W σH_finU_ar。

风扇功率P[W]由于等于体积流量率×压力损失，所以为

〔式14〕

P=VΔP。

2）导热解析

长方形管道的完全发展层流流动的努塞尔数（Nusselt number）Nu为

〔式15〕

Nu=8.31G-0.02，

在将普朗特数（Prandtl number）设为Pr时，量纲为1的热通道长度x^*为

〔式16〕

x^*=x/（Re D Pr）。

平均努塞尔数Nu_m为

〔式17〕

Nu_m＝{[2.22（x^*）^-0.33]³+Nu³}^1/3，

平均热传导系数h_m[W/m²K]根据空气的热传导率k_f[W/m K]为

〔式18〕

h_m=Nu_mk_f/D，

散热器的对流热阻θ_con[K/W]根据散热器表面积A_w[m²]为

〔式19〕

θ_con=1/（h_mA_w）。

散热器的容量热阻θ_cap[K/W]根据空气的比热容量c_p[J/kg K]为

〔式20〕

θ_cap=1/（V ρcp），

热交换器中使用的概念的移动单位数NTU为

〔式21〕

NTU=h_mA_w/（V ρcp）。

作为现实的热移动相对理想的热移动之比的散热器效率ε为

〔式22〕

ε=1-exp（-NUT）。

施加基于叶片效率η的修正。

〔式23〕

η=tanh（b H_fin）/（b H_fin）

这里，b根据散热叶片的热传导率k_s[W/m K]为

〔式24〕

b=[2h_m/（k_st）]^1/2，

散热器的热阻θ_hs[K/W]为

〔式25〕

θ_hs=θ_cap/（ηε）。

根据该计算结果可知，在采用放热能力最佳的散热叶片形状时，散热器长度L不需要为某个一定的长度以上。即，对以往的功率半导体元件用的强制风冷式散热器而言，散热器长度为200mm～300mm的散热器是主流，但能够通过散热器长度20mm～30mm来实现相同的放热能力。这样的散热器在小型化、低成本化两方面占优。

作为一个例子，以下的实施例中对在风扇功率PQ=0.05[W]、散热器宽度W=40[mm]、散热器高度H=10[mm]（基座厚1[mm]）的情况下，使散热器长度L[mm]、散热叶片厚度Tf[mm]、散热叶片间隙Gf[mm]的值进行了最佳化以使放热能力最佳的计算结果进行说明。

以下，基于附图对本发明的实施例进行说明。

实施例1

图3～图5中表示了本发明的实施例1涉及的功率半导体用的高密度散热叶片散热器1的构成。如图3所示，散热器1的形状由与散热器1的外形相当的宽度W、高度H和长度L、冷却面基座1A的厚度Tb、散热叶片1B的厚度Tf、间隙Gf和高度Hf规定。散热器1的宽度W是散热叶片1B的排列方向的长度。散热器1的长度L为沿着风扇的风的流动的方向，与散热叶片1B的宽度相等。

如图4、图5所示，散热叶片1B分别为亚毫米数量级的厚度，多个散热叶片1B是以亚毫米数量级的窄间距平行配置的构成。而且，通过减小散热器1的长度L和高度H，可获得以下3个效果。

第一个效果是：通过采用具有亚毫米数量级的厚度的多个散热叶片1B以窄间距平行配置的构成，虽然散热器1的压力损失增加，但整个散热叶片面积增加，可获得与增加散热器长度L同等的效果。因此，实施例1的散热器1与以往的散热器相比能够大幅缩短长度L，可以实现小型化。

第二个效果是：通过散热器1的长度L变短，使得边界助起动区间（未发展区域）的利用率变高。因此，实施例1的散热器1与以往的散热器相比能够获得出色的放热能力。

第三个效果是：通过散热器1变小，几乎能够消除热传导阻抗、扩展热阻、叶片效率、散热器效率等阻碍放热的重要因素。

接下来，考虑如下情况，即：利用图1、图2所示的风扇105来构成强制风冷的参数（parameter）半导体模块的冷却装置，并设单位面积的风扇功率PQ=125[W/m²]。此时，图6表示了在宽度W=40mm、高度H=10mm的散热器1中，将散热器长度L作为函数，而对热阻、体积热阻、最佳散热叶片形状进行计算后的结果。

从该计算结果可知，在常时采用了亚毫米数量级厚度的最佳的散热叶片形状的情况下，如图6（a）的曲线所示，即使将散热器长度L增加到60mm以上，也对热阻的减少几乎没有帮助。另外，如图6（b）的曲线图所示，可知散热器长度L越长，表示单位体积的冷却性能的体积热阻越增大、即越来越劣化。综上可知，在一般的风扇或送风机（blower）中，当是使用空气作为流体的强制风冷方式的冷却装置时，即使将散热器1的长度L设为60mm以上，也几乎无法期待冷却性能的提高。

同样，图7表示了在宽度W＝40mm、长度L=10mm的散热器1中，将散热器高度H作为函数，而对热阻、体积热阻、最佳散热叶片形状进行计算后的结果。从该计算结果可知，即使将散热器高度H增大到40mm以上，也对热阻的减少几乎没有帮助，体积热阻增大、即越来越劣化。综上可知，在一般的条件下，即使将散热器高度H设为40mm以上，也几乎无法期待冷却性能的提高。

另外，作为参考，图8表示了在高度H=10mm、长度L=10mm的散热器1中，将散热器宽度W作为函数，而对热阻、体积热阻、最佳散热叶片形状进行计算后的结果。从该计算结果可知，一般的散热器1的宽度W与热阻存在反比例的关系。

在实施例1涉及的散热器1的情况下，为了实现与图1、图2所示的以往例的功率半导体模块冷却装置相同的性能，可以采用高密度散热叶片散热器（W330mm×L15mm×H15mm×3P）。此时，由于散热器1的热阻为0.028K/W、体积为223cm³，所以体积热阻为6.2cm³K/W。因此，在实施例1涉及的散热器中，与图1、图2所示的以往的散热器相比，能够实现约1/50的小型化。

这样，在实施例1涉及的散热器1中，散热叶片1B分别为亚毫米数量级的厚度，以窄间距构成散热叶片1B，使散热器1的长度L、高度H变小。由此，不仅能够大幅减少散热器1的体积，而且由于不存在循环的基于制冷剂的热输送机构，所以可构成廉价且可靠性高的半导体冷却装置。

另外，以往无法廉价地实现将散热叶片1B分别形成为亚毫米数量级的厚度、并构成为将多个散热叶片1B以窄间距平行配置的做法。但是，伴随着近年来制造技术的进步，通过应用精密加工冲压等技术，能够制造实施例1涉及的高密度散热叶片散热器1。目前，以往的大型铆接式散热器的材料成本、与实施例1涉及的高密度散热叶片散热器的量产制造成本几乎相等。结果，相对于以往的大型铆接式散热器，同等热阻的高密度散热叶片散热器能够以同等的成本且几十分之一的尺寸来提供。因此，今后在材料成本增大的情况下，实施例1涉及的高密度散热叶片散热器在成本方面占优。

此外，设想了将实施例1涉及的高密度散热叶片散热器1向IGBT、MOSFET那样的功率半导体元件的冷却装置利用的情况，但也可以在CPU、阻抗等发热性的半导体元件的任意一个中应用。

实施例1涉及的高密度散热叶片散热器1由于散热叶片1B为亚毫米数量级的厚度并且间距窄，所以在散热器的强度、受到污染方面令人不安。因此，优选在这样的环境下，设置用于防止污损的空气过滤器。因此，如果风扇105是吸入风扇，则只要在其吸入口设置空气过滤器即可。另外，如果风扇105是排气风扇，则只要在收容冷却装置的框体的与风扇设置侧相反侧的吸入口设置空气过滤器即可。

实施例2

参照图9对本发明的实施例2涉及的散热器组装体5进行说明。实施例2涉及的散热器组装体5是将多台实施例1涉及的高密度散热叶片散热器1通过导热管、热通道（heat lane）等热输送器件2在高度方向连接，并且对受热面设置了受热块3的构造。这里，受热面是指基座1A的两面中未配置有多个散热叶片1B的面。

在高密度散热叶片散热器1的情况下，如实施例1以及图7所示那样，即使将散热器高度H增加到某一程度以上，冷却能力也不会提高。但是，通过如实施例2涉及的散热器组装体5那样利用热输送器件2，能够将在增加了散热器1单体的高度H的情况下产生的体积热阻的增加排除，可提高冷却能力。

对于实施例2涉及的散热器组装体5，也可以与实施例1涉及的散热器1同样地，作为强制风冷式的半导体元件的冷却装置、强制风冷式的半导体模块的冷却装置而使用。

实施例3

参照图10对本发明的实施例3涉及的带冷却装置的半导体装置8进行说明。实施例3涉及的带冷却装置的半导体装置8通过在实施例1涉及的高密度散热叶片散热器1的基座1A的受热面配置受热块3，并将功率半导体元件6固定在该受热块3上，从而构成了功率半导体模块9。功率半导体模块9整体被内置于框体7。而且，是在框体7上、与图1、图2所示同样地安装了空冷用风扇105的构造。

在实施例3涉及的带冷却装置的半导体装置8中，功率半导体元件6与散热器1电连接，散热器1作为电极端子的一部分被利用。

实施例4

参照图11对本发明的实施例4涉及的带冷却装置的半导体装置10进行说明。实施例4涉及的带冷却装置的半导体装置10将多台实施例1涉及的高密度散热叶片散热器1内置于框体7内，并在各个高密度散热叶片散热器1的受热块3的受热面上固定功率半导体元件6来构成功率半导体模块9。然后，将该功率半导体模块9设为多段而内置于框体7内，是在框体7上、与图1、图2所示同样地安装了空冷用风扇105的构造。

在实施例4涉及的带冷却装置的半导体装置10中，也与实施例3同样，各功率半导体元件6与散热器1电连接，散热器1作为电极端子的一部分被利用。

此外，在实施例3、4中，还能够采用在功率半导体元件6的两面配置高密度散热叶片散热器1、通过焊料接合或加压接触等、使各散热器1接受功率半导体元件6的热量的构造。

工业实用性

本发明的散热器、散热器组装体、半导体模块以及带冷却装置的半导体装置通过用于发热性的半导体元件，能够将其温度保持得低，并且可使冷却单元的体积小型化，可廉价地确保高的可靠性。

Claims

1.一种散热器，该散热器与强制风冷用风扇一同使用，其特征在于，

具备：基座；和在上述基座的一个面上设置的、以亚毫米数量级的窄间距平行配置的多个散热叶片，

上述多个散热叶片各自的厚度为亚毫米数量级，宽度方向的长度为60mm以下，高度为40mm以下。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，

上述多个散热叶片各自的厚度为0.1～0.6mm，配置上述多个散热叶片的亚毫米数量级的窄间距的值为0.4～1.3mm。

3.一种散热器组装体，其特征在于，

具备：至少两个权利要求1所述的散热器；和将上述至少两个散热器之间热连接的热输送器件。

4.一种半导体模块，其特征在于，

具备：权利要求1所述的散热器；以能够热传导的状态配置在上述基座的另一面上的受热块；和设置在上述受热块的半导体元件。

5.一种半导体模块，其特征在于，

具备：权利要求3所述的散热器组装体；相对上述散热器组装体的至少一个上述散热器，以能够热传导的状态配置在上述基座的另一面上的受热块；和设置在上述受热块的半导体元件。

6.根据权利要求4或5所述的半导体模块，其特征在于，

上述半导体元件是功率半导体元件。

7.根据权利要求4或5所述的半导体模块，其特征在于，

上述散热器被作为电极端子而使用。

8.一种带冷却装置的半导体装置，其特征在于，

具备：权利要求4所述的半导体模块；收容上述半导体模块的框体；和安装于上述框体并对上述半导体模块的上述多个散热叶片输送外部空气的风扇。

9.一种带冷却装置的半导体装置，其特征在于，

具备：权利要求5所述的半导体模块；收容上述半导体模块的框体；和安装于上述框体并对上述半导体模块的上述多个散热叶片输送外部空气的风扇。

10.根据权利要求8或9所述的带冷却装置的半导体装置，其特征在于，

对上述框体形成用于吸入外部空气的吸入口，在上述吸气口设置空气过滤器。

11.根据权利要求8或9所述的带冷却装置的半导体装置，其特征在于，

上述半导体元件构成了电力变换电路。