JP2001044343A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ヒートシンク全体を同一の温度に近づけること
により省スペースで冷却効率が高い半導体冷却装置を提
供する。 【解決手段】半導体冷却装置１はヒートシンク基盤１０
のの中央部位より金属柱２０を立設し、他端に放熱盤１
１を固設する。ヒートシンク基盤１０と放熱盤１１には
放熱フィンが複数配設されており、カバー１５とヒート
シンク基盤１０、放熱フィン１０ａとで囲まれた風洞に
冷却ファン３０で通風する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、ＭＰＵのような半
導体を冷却する半導体冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】このところＭＰＵのような半導体は進歩
が著しく高クロック化、高集積化に伴い消費電力が大き
くなり、当然発熱量も増大することとなる。よって安定
動作のため、ヒートシンク基盤上に複数の放熱フィンを
備えたもの、あるいはそれに冷却ファンを組み合わせた
半導体冷却装置が多用されている。通常このような冷却
装置で所望の冷却効果を得るためには、放熱フィンの面
積を増やしたり冷却ファンを大きくして風量を増やすな
どしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら発熱量の
増加に対応した冷却能力を確保するにはヒートシンクの
大型化が否めず、冷却ファンの風量増加は同時に騒音の
増加となる。また、この様なヒートシンク基盤の放熱フ
ィンと軸流式の冷却ファンが対向している半導体冷却装
置では、冷却ファンの中心部は羽を回転させるためのモ
ータがあり、空気流はその周囲を通ることになるので一
番熱をもつ中央部位の放熱フィンには冷却風が当たらず
よどみを生じている。そのため特に放熱面が小さいＭＰ
Ｕなどの半導体に対しては、半導体冷却装置としての冷
却効率の悪化は否めない。

【０００４】本発明は上記の問題を解決し、ヒートシン
ク全体を同一の温度に近づけ、特にヒートシンク基盤の
中央部位から多量の熱を逃すことにより省スペースで冷
却効率が高い半導体冷却装置を提供することを目的とす
るものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体冷却装置の構成は、複数の放熱フ
ィンを有するヒートシンクからなる半導体冷却装置であ
って、ヒートシンク基盤の中央部位に金属柱を立設し、
前記金属柱に複数の放熱フィンを配設している放熱盤を
備えたものである。

【０００６】また、前記ヒートシンク基盤と前記金属柱
が異なる材料で構成されたものである。

【０００７】また、前記ヒートシンク基盤に複数の金属
柱が立設されたものである。

【０００８】また、前記ヒートシンク基盤の放熱フィン
および前記放熱盤の放熱フィンを通風する手段として冷
却ファンを備えたものである。

【０００９】また、前記ヒートシンク基盤の放熱フィン
と前記放熱盤の放熱フィンが対向してなる半導体冷却装
置において、それぞれの放熱フィンの間に冷却ファンを
装入したものである。

【００１０】また、前記半導体冷却装置において、仕切
板を備えたものである。

【００１１】また、前記ヒートシンク基盤の放熱フィン
と前記放熱盤の放熱フィンが対向してなる半導体冷却装
置において、前記ヒートシンク基盤と前記放熱盤の放熱
フィンが互いに共有しているものである。

【００１２】また、前記金属柱にヒートパイプが埋め込
まれていることを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明における半導体冷
却装置の斜視図であって、矩形状の放熱フィン１０ａを
複数配設したヒートシンク基盤１０と、その中央部位よ
り立設された断面が長方形状の金属柱２０と、その金属
柱２０の他端に矩形状の放熱フィン１１ａを複数配設し
た放熱盤１１とで構成されている。この半導体冷却装置
は熱的に継ぎ目のない一体部材で構成され、材料は熱伝
導性に優れた例えばアルミニウム材がよいが、これに限
定されることはない。

【００１４】ヒートシンク基盤１０の吸熱面には半導体
の放熱面が密接しており、この半導体が作動して発熱す
るとヒートシンク基盤１０はこの動作熱を受け取る。瞬
時に放熱盤１１にも金属柱２０を通してこの動作熱が伝
わり、各放熱フィン１０ａ、１１ａは周囲の対流してい
る空気と熱伝達を行いながら放熱される。なお、ここで
は金属柱２０の断面は長方形形状であるが、金属柱の主
な機能はヒートシンク基盤の熱を放熱盤に伝導すること
であるから、この機能を有するものであれば円形状など
のものでもよい。

【００１５】また、この半導体冷却装置において効率よ
く放熱を行うには、ヒートシンク基盤１０側で放熱でき
る熱量と放熱盤１１側で放熱できる熱量を考慮して金属
柱２０の伝熱量を決定する必要がある。金属柱を移動す
る熱量は、断面積に比例するので単純に伝熱量を増やし
たければその断面積を拡大すればよい。しかしそれは金
属柱の断面が特に円形状である場合、ヒートシンク内の
通風を妨げる方向に構成することとなる。もしこの断面
積の拡大により冷却装置としての冷却効率の低下を招く
ようであれば、アルミニウム材よりさらに熱伝導率の高
い例えば銅を材料に金属柱２０を構成すればよい。それ
により放熱盤１１への必要な熱量を、通風を妨げないで
伝えることができる。逆に金属柱２０がヒートシンク基
盤１０や放熱盤１１と同じ材料であれば必要十分の伝熱
量となるが、ヒートシンク自体の強度が保てない場合な
どは熱伝導率の低い材料を用いることにより放熱の割合
を調整することができる。

【００１６】ヒートシンク基盤が長手方向に大きいとき
は、図２の様に長手方向に複数の金属柱を設置したり、
図３の様に金属柱を略楕円形状にして放熱盤への伝熱量
を一様に増加させることができる。なお図１にあるよう
に放熱フィン１１ａは放熱盤１１の片面にしか配設され
ていないが、放熱盤１１での放熱量を増やしたければ放
熱盤１１の両面に放熱フィンを配設してもよい。

【００１７】図４は冷却ファンを取り付けて、強制対流
にてヒートシンク部を冷却するものの一例である。ヒー
トシンク基盤１０と、金属柱２０と、その他端に設置さ
れている放熱盤１１と、放熱盤１１を覆設するカバー１
５と、半導体冷却装置１内部を通風する冷却ファン３０
とで構成されている。金属柱２０とヒートシンク基盤１
０の中心には取付孔が貫設されており、放熱盤１１の中
心にはねじ孔が穿設されている。そしてヒートシンク基
盤１０と放熱盤１１は金属柱２０を挟みねじで螺設され
る。ヒートシンク基盤１０の吸熱面は半導体３の放熱面
３ａと密接しており、それぞれの中心は同一である。

【００１８】ヒートシンク基盤１０と放熱盤１１は熱伝
導性に優れたアルミニウム材で構成されており、それぞ
れ矩形状の放熱フィン１０ａ、１１ａが配設され、冷却
ファン３０から吹き出す空気により冷却される。ヒート
シンク基盤１０の中央部位の放熱フィン１０ａは金属柱
２０の周縁と離間して欠切されており、冷却ファン３０
からの空気の流れを妨げないようになっている。

【００１９】カバー１５はヒートシンク基盤１０とその
両端の放熱フィン１０ａとで風洞を形成できる形状であ
って、熱伝導率の良いアルミニウム材で構成される。し
かしながらこの部品は風洞を形成することが目的である
から、コストや組み付けの容易さを考慮してＡＢＳなど
の樹脂を用いてもかまわない。冷却ファン３０は一般的
な軸流ファンであり、風洞開口面と同じ大きさのもので
ある。そしてヒートシンク基盤１０とカバー１５に設け
られたねじ孔にねじで螺設されている。

【００２０】上記の様に構成した本発明の効果を、ヒー
トシンクの包絡体積と冷却ファンを同一にして金属柱を
用いた場合と用いない場合とで比較したところ、金属柱
を用いた方が金属柱を用いないものより熱抵抗を約１５
〜２０％低減できた。また、ヒートシンクにその放熱フ
ィンと対向して冷却ファンを設置している従来の半導体
冷却装置と本発明の半導体冷却装置が、平衡状態のとき
に示す非冷却物（熱源）の温度分布を図５に示す。従来
の半導体冷却装置では中心部が最も温度が高くその周囲
が２℃以上低いのに対し、本発明の半導体冷却装置では
最高温度と最低温度の差が１℃未満でほぼ一様な温度分
布となっており、半導体の冷却に好適である。

【００２１】図６の半導体冷却装置はヒートシンク部が
熱伝導率の高い例えばアルミニウムの一体部材で構成さ
れており、ヒートシンク基盤１０と放熱盤１１とを両者
の中央部位にある断面が長方形状の金属柱２０が繋いで
いる。そしてそれぞれが対向している放熱フィン１０
ａ、１１ａにより挟まれた空間には冷却ファン３０が装
入され、ヒートシンク基盤側の一対の放熱フィン間を螺
挿部としてタッピンねじにて固定されている。そのた
め、ヒートシンク基盤１０は放熱盤１１に比べ若干長い
が、放熱フィンは両者同一形状である。また、放熱盤１
１には放熱フィン１１ｎが配設しており、金属柱２０よ
り伝えられた熱の排出を促している。

【００２２】冷却ファン３０は放熱フィン１１ａ側面か
ら空気を吸い込み、同フィンと熱交換を行ったのちヒー
トシンク基盤１０に吹き付ける。さらに空気流は放熱フ
ィン１０ａで熱交換し同フィン側面からヒートシンク外
へと逃げる。この実施例では冷却ファンの取付方向は放
熱盤側からヒートシンク基盤側へ通風するよう取り付け
られているが、これに限らず筐体内の空気の流れや取付
先の周囲電子部品の状態などを考慮して取付方向を決定
すればよい。

【００２３】このように、ヒートシンク基盤吸熱面の中
央部位には半導体の放熱面が当接し、金属柱あるいはそ
の近傍において特に高温となるが、冷却ファンはその高
温部をよどみなく十分に通風できるので非常に効率よく
ヒートシンクを冷却することができる。

【００２４】また、この実施例の半導体冷却装置はマザ
ーボード上に垂直に立てられたＭＰＵの冷却に使用され
ることが考えられる。実際の使用状況下では半導体冷却
装置の吸気口と排気口は同一平面にあるため、同装置の
側面に十分な空間がないと排気された暖かい空気を再び
吸気してしまう。そこでこのような場合でも両者が独立
した通気を可能にするため、熱伝導性が低い軟質のプラ
スチック板などを仕切板として取り付けるとよい。ま
た、マザーボード上には種々の電子部品が取り付けられ
ているので、仕切板の下に隙間ができてしまうときは図
７に示すように仕切板を蛇腹にしたり切り込みを入れた
りすると、先のような障害物があった場合でも吸気と排
気を互いに干渉せず行うことができる。

【００２５】次にヒートシンク基盤の放熱フィンと放熱
盤の放熱フィンとを互いに共有している半導体冷却装置
について説明する。図８はこの半導体冷却装置のヒート
シンク部の正面図である。この実施例のヒートシンクも
一体部材で構成されており、金属柱２０はヒートシンク
基盤１０の中央部位に立設され他端に放熱盤１１を有し
ている。放熱盤１１にはヒートシンク基盤１０の熱が金
属柱２０を介して伝導される。この共有放熱フィン１２
は、ヒートシンク基盤側のおよそ半分ではヒートシンク
基盤１０の熱を、放熱盤側のおよそ半分では金属柱２０
を伝わってきた放熱盤１１の熱を排出し、共有放熱フィ
ン１２を通してヒートシンク基盤１０の熱を放熱盤１１
に移動させるものではない。一方金属柱２０は、それ自
身でも冷却風により放熱を行うが、金属柱２０自体で半
導体から受けた熱を放熱しきってしまうものではなく、
ヒートシンク基盤１０の熱を他端にある放熱盤１１に伝
えることを主な目的とし、またそれに十分な断面積を持
つものである。よって冷却される半導体の動作熱はこの
３次元的な太い逃げ道により熱伝導され、そのほとんど
を共有放熱フィン１２から周囲空気へと放熱される。ま
た、この実施例の共有放熱フィン１２はプレート状であ
るが、断面が円形などのピン状の共有放熱フィンであっ
ても作用は同じである。

【００２６】また、この実施例のヒートシンクは一体部
材で構成されているが、この他にもヒートシンク基盤、
放熱盤と金属柱のみを構成したＨ型の熱伝導性の良い部
材に、コルゲート状に折り曲げられた薄板や、コの字型
に折り曲げられた薄板複数枚でヒートシンク基盤−放熱
盤間を熱的に繋ぎ、共通放熱フィンとして構成すること
も可能である。

【００２７】次に金属柱にヒートパイプを埋め込んだ半
導体冷却装置について説明する。本発明の半導体冷却装
置ではヒートシンク基盤の熱を放熱盤に伝える手段は熱
伝導率の良い金属を用い熱伝導にて行っている。しかし
ながら金属柱が高さ方向に長い場合はその周囲より放出
される熱量が多くなり、たとえ熱伝導率が優れた金属で
あっても放熱盤に伝えられる熱量は減ってしまう。した
がって同一金属でより多くの熱量を伝えるには金属柱の
断面積を大きくとる必要があるので、そのためにはヒー
トシンク基盤や放熱盤における放熱フィンに充てる部分
を占有しなくてはならない。すなわちヒートシンク部に
おける放熱面積の減少が避けられない。

【００２８】そこで図９のように金属柱２０にヒートパ
イプ５０を埋め込むことにより、放熱盤への必要な熱移
動量を確保しつつ金属柱の断面積を小さく抑えることが
できる。ヒートシンク基盤１０の近傍にあるヒートパイ
プ５０ａはヒートパイプ５０の蒸発部にあたり、ヒート
シンク基盤１０に当接された半導体の動作熱を吸熱し、
速やかにヒートパイプ５０の凝縮部であるヒートパイプ
５０ｂに移動させる。そして、動作熱は放熱盤１１の近
傍で放熱される。図９によるとヒートパイプ５０は金属
柱内を斜めに埋め込まれているが、これは使用時にヒー
トパイプの蒸発部を凝縮部より低い位置で稼動させるこ
とで、より高い熱輸送量を確保できるようにしたもので
ある。これにより、金属柱の断面積を小さく抑えること
ができ、その分放熱フィンの面積を増やすことができる
ので、半導体冷却装置はより多くの熱を放出できる。た
だし、取付方向を誤ると逆に熱輸送量が低くなるので注
意が必要である。

【００２９】

【発明の効果】本発明は以上説明してきたように構成さ
れているので、下記に記載されるような効果を奏する。

【００３０】この発明の請求項１の発明によれば、複数
の放熱フィンを有するヒートシンクからなる半導体冷却
装置であって、ヒートシンク基盤の中央部位に金属柱を
立設し、前記金属柱に複数の放熱フィンを配設している
放熱盤を備えたことによりヒートシンク全体が熱源の温
度に近づけることができるので、省スペースで冷却効率
の高い半導体冷却装置を提供することができる。

【００３１】この発明の請求項２の発明によれば、ヒー
トシンク基盤と金属柱が異なる材料で構成されているの
で、金属柱を伝わる熱量のコントロールを容易にするこ
とができる。

【００３２】この発明の請求項３の発明によれば、ヒー
トシンク基盤に複数の金属柱が立設されているので、ヒ
ートシンク基盤が長手方向に大きいとき時でもヒートシ
ンク全体を熱源の温度に近づけることができる。

【００３３】この発明の請求項４の発明によれば、ヒー
トシンク部を冷却ファンにより通風しているので、熱抵
抗値の低い半導体冷却装置を提供することができる。

【００３４】この発明の請求項５の発明によれば、ヒー
トシンク基盤の放熱フィンと放熱盤の放熱フィンが対向
してなる半導体冷却装置において、冷却ファンが互いの
放熱フィンの間に装入しているので高温部を効率よく通
風できる。

【００３５】この発明の請求項６の発明によれば、半導
体冷却装置に仕切板を備えているので、熱交換後の暖か
い空気がすぐに吸気されることを防止できる。

【００３６】この発明の請求項７の発明によれば、ヒー
トシンク基盤の放熱フィンと放熱盤の放熱フィンが対向
してなる半導体冷却装置において、放熱フィンが互いに
共有しているので安価で製造が容易な半導体冷却装置を
提供することができる。

【００３７】この発明の請求項８の発明によれば、金属
柱にヒートパイプが埋め込んであるので、金属柱自体の
断面積を小さくできる。したがってヒートシンクの放熱
フィンに充てる面積をより多く確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例における半導体冷却装置の
斜視図

【図２】本発明の第一実施例におけるヒートシンク基盤
のその他実施例

【図３】本発明の第一実施例におけるヒートシンク基盤
のその他実施例

【図４】本発明の第二実施例における半導体冷却装置の
斜視図

【図５】本発明の半導体冷却装置と従来の半導体冷却装
置との中心からの距離と温度の関係

【図６】本発明の第三実施例である半導体冷却装置の斜
視図

【図７】本発明の第三実施例である半導体冷却装置の応
用例の正面図と側面図

【図８】本発明の第四実施例である半導体冷却装置の正
面図

【図９】本発明の第五実施例である半導体冷却装置の正
面図とその断面図

【符号の説明】

１ 半導体冷却装置 ３ 半導体 ３ａ 半導体の放熱面 １０ ヒートシンク基盤 １０ａ 放熱フィン １１ 放熱盤 １１ａ 放熱フィン １１ｎ 放熱フィン １２ 共有放熱フィン １５ カバー ２０ 金属柱 ３０ 冷却ファン ３５ 仕切板 ４０ ねじ ５０ ヒートパイプ ５０ａ ヒートパイプ蒸発部 ５０ｂ ヒートパイプ凝縮部 ６０ マザーボード ６１ スロット ６２ ＭＰＵ ６３ 系止金具 ６４ 実装半導体

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の放熱フィンを有するヒートシンクか
   らなる半導体冷却装置であって、ヒートシンク基盤の中
   央部位に金属柱を立設し、前記金属柱に複数の放熱フィ
   ンを配設している放熱盤を備えたことを特徴とする半導
   体冷却装置。
2. 【請求項２】前記ヒートシンク基盤と前記金属柱が異な
   る材料で構成されたことを特徴とする請求項１記載の半
   導体冷却装置。
3. 【請求項３】前記ヒートシンク基盤に複数の金属柱が立
   設されたことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の
   半導体冷却装置。
4. 【請求項４】前記ヒートシンク基盤の放熱フィンおよび
   前記放熱盤の放熱フィンを通風する手段として、冷却フ
   ァンを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３載
   の半導体冷却装置。
5. 【請求項５】前記ヒートシンク基盤の放熱フィンと前記
   放熱盤の放熱フィンが対向してなる半導体冷却装置にお
   いて、それぞれの放熱フィンの間に冷却ファンを備えた
   ことを特徴とする請求項４記載の半導体冷却装置。
6. 【請求項６】請求項５記載の半導体冷却装置において、
   仕切板を備えたことを特徴とする半導体冷却装置。
7. 【請求項７】前記ヒートシンク基盤の放熱フィンと前記
   放熱盤の放熱フィンが対向してなる半導体冷却装置にお
   いて、前記ヒートシンク基盤の放熱フィンと前記放熱盤
   の放熱フィンが互いに共有していることを特徴とする請
   求項１乃至請求項４記載の半導体冷却装置。
8. 【請求項８】前記金属柱にヒートパイプが埋め込まれて
   いることを特徴とする請求項１乃至請求項７記載の半導
   体冷却装置。