JP2006108247A - Liquid-cooled heat sink - Google Patents

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heat sink
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Hiroshi Kiyohara
拓 清原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide such a heat sink that can solve a problem included in a liquid-cooled heat sink made of polyethylene. <P>SOLUTION: A specified notch is made on one surface of a main body 1 made of polycarbonate, and communication ports 3 and 4 communicating from the notch to the outside are formed at least at two places. A thin film 2 made of polycarbonate is fitted to the surface in a manner to cover the notches, so as to form an internal space 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、半導体素子を冷却する液冷ヒートシンクに関する。   The present invention relates to a liquid-cooled heat sink that cools a semiconductor element.

熱を発する半導体素子に当接して、その熱を冷却するヒートシンクの一つに、内部に冷却媒体である液体を循環させる構造のものがある。その構造では、ヒートシンク本体内部に空間を形成させるとともに、その空間に連通する入口と出口を設けて、外部から冷却媒体を内部空間に流入循環させ、その循環する冷却媒体で熱交換させる。   One heat sink that abuts against a semiconductor element that generates heat and cools the heat is a structure that circulates a liquid as a cooling medium inside. In this structure, a space is formed inside the heat sink body, and an inlet and an outlet communicating with the space are provided, and a cooling medium is introduced and circulated from the outside into the inner space, and heat is exchanged with the circulating cooling medium.

このような液冷ヒートシンクとして、従来、金属製の構造が汎用されていた。それは、内部空間となる切り欠きを形成させた金属板のその切り欠き面に、別の平板状金属板を当接させてろう付けしたものである。   Conventionally, a metal structure has been widely used as such a liquid-cooled heat sink. That is, another flat metal plate is brought into contact with and brazed to the notch surface of the metal plate in which the notch serving as an internal space is formed.

しかし、この構造では、製造にろう付けを要すことから、ろう付け炉が必要となるほか、ろう付けにより金属表面の平面度が許容範囲外(ひどい場合は波を打ってしまったりする)になって、機械加工で平滑にする工程を要し、コストもかかっていた。また、金属製ゆえ重量もあり、軽量化を図る製品に適用する液冷ヒートシンクとして好ましくなかった。   However, this structure requires a brazing furnace because it requires brazing for manufacturing, and the flatness of the metal surface is out of the allowable range due to brazing (if it is severe, it may cause waves). Therefore, a process of smoothing by machining was required, and the cost was high. In addition, since it is made of metal, it is heavy and unpreferable as a liquid-cooled heat sink applied to a product that is reduced in weight.

そこで、金属板をろう付けするのではなく、可撓性膜を張り合わせて、上下に膨張しうる内部空間を形成させ、そこに冷却媒体を循環させる構造が提案されている(特許文献1に示される冷却パック、特許文献2に示される冷却体)。この構造であれば、内部空間を形成するのに可撓性膜の張り合わせだけで済むので、軽量化が図れるとともに、製造コストも低廉なものとなる。   Therefore, a structure has been proposed in which a flexible film is bonded to form an internal space that can expand up and down, and a cooling medium is circulated therethrough, instead of brazing a metal plate (see Patent Document 1). Cooling pack, cooling body shown in Patent Document 2). With this structure, it is only necessary to bond the flexible film to form the internal space, so that the weight can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.

しかし、この構造では、冷却媒体の入口と出口とを、膜の張り合わせの側端部にしか形成できず、また、強度が強くないので、内部空間の形状を種々に変化させるような形態がとりにくく、製品形態の自由度が小さいものとなってしまう。さらに、上下の両面とも膜なので、片面側を固定面とすることができず、ネジ止めすることもできない。   However, with this structure, the inlet and outlet of the cooling medium can only be formed at the side edges of the films, and the strength is not strong, so the shape of the internal space can be changed variously. It is difficult and the degree of freedom of the product form is small. Furthermore, since both the upper and lower surfaces are membranes, one side cannot be a fixed surface and cannot be screwed.

このため、その構造を改良する形態として、ポリエチレン製板状本体に、上下面を貫通する刳り抜き形成させ、その上下の面にポリエチレン製薄膜を張って内部空間を形成させる液冷ヒートシンクが実用化されている。この構造であれば、前記膜の張り合わせ構造の利点は残しつつ、板状本体が内部空間の枠となるので、内部空間の形態の自由度が増し、かつ本体部のどの箇所にも入口と出口を形成させることができ、しかも強度も膜の張り合わせ構造より十分向上するものとなる。
特開2002−111267号(0004段) 特開平7−45763号(図1〜図6)
For this reason, as a form to improve the structure, a liquid-cooled heat sink in which a polyethylene plate-like body is formed by punching through the upper and lower surfaces and a polyethylene thin film is stretched on the upper and lower surfaces to form an internal space is put into practical use. Has been. With this structure, the plate-like main body serves as a frame for the internal space while retaining the advantages of the membrane bonding structure, so that the degree of freedom in the form of the internal space is increased, and the inlet and outlet can be provided at any location on the main body. In addition, the strength is sufficiently improved as compared with the laminated structure of the films.
JP 2002-111267 (0004 stages) JP-A-7-45763 (FIGS. 1 to 6)

しかし、ポリエチレンで成形されたものは、本体と薄膜とを熱溶着によって固着するが、溶着部が圧力に弱く、冷却媒体である液体の圧力が高いと可撓性膜が剥がれて水漏れが発生するおそれがあった。また、膜の張り合わせよりは強度が向上するものの、ポリエチレンという素材による制約があって、単体での強度は不十分であった。さらに、熱変形の限界温度が50℃前後のため、半導体素子から伝達される熱がその温度を超えると、本体が変形してしまって、密着率が低下して放熱効率が低下するおそれもあった。このため、実装状態においては、ヒートシンク本体に金属箔を被覆させて使用しているが、膜と金属箔との間に熱抵抗が生じ、放熱効果が低下するという問題が生じていた。   However, in the case of the one made of polyethylene, the main body and the thin film are fixed by heat welding, but the welded part is weak to pressure, and if the pressure of the liquid as the cooling medium is high, the flexible film will peel off and water leakage will occur There was a risk. Further, although the strength is improved as compared with the lamination of the films, the strength by itself is insufficient due to the restriction by the material of polyethylene. Furthermore, since the limit temperature of thermal deformation is around 50 ° C., if the heat transferred from the semiconductor element exceeds that temperature, the main body may be deformed, and the adhesion rate may be reduced and the heat dissipation efficiency may be reduced. It was. For this reason, in the mounted state, the heat sink body is used while being coated with a metal foil. However, there is a problem that a heat resistance is generated between the film and the metal foil, and a heat dissipation effect is lowered.

また、本体をネジ固定で使用する場合、ポリエチレンではネジ穴加工ができないので、別部品となる金属製タップを用意し、ネジ穴形成箇所にねじ込む必要があった。   Moreover, when using the main body with screws, screw holes cannot be machined with polyethylene. Therefore, it is necessary to prepare a metal tap as a separate part and screw it into the screw hole forming portion.

また、片面側のみに半導体素子を当接させ、他の片面側には他部品を当接させるような使用状態では、他部品にも熱が伝達されて不具合が生じるおそれがあった。   Further, in a use state in which the semiconductor element is brought into contact with only one side and the other part is brought into contact with the other side, heat may be transmitted to the other parts, causing a problem.

さらに、内部空間は上下の薄膜で挟まれているので、空間部に突起や壁等を設けて冷却媒体の流路を自由に形成するといったこともできなかった。   Further, since the internal space is sandwiched between the upper and lower thin films, it has not been possible to provide a protrusion or a wall in the space portion to freely form a cooling medium flow path.

この発明は、従来技術の以上のような問題に鑑み創案されたもので、ポリエチレン製液冷ヒートシンクが有する課題を解決できるヒートシンクを提供しようとするものである。   The present invention has been devised in view of the above-described problems of the prior art, and is intended to provide a heat sink that can solve the problems of a liquid-cooled heat sink made of polyethylene.

このため、この発明に係る液冷ヒートシンクは、ポリカーボネート製本体の片面に、所定の切り欠きを形成させるとともに、該切り欠きから外部に連通する連通口を少なくとも二カ所形成させ、その切り欠きを覆うように、その片面にポリカーボネート製薄膜を固着させて内部空間を形成させたたことを特徴とするものである。   For this reason, the liquid-cooled heat sink according to the present invention forms a predetermined notch on one surface of the polycarbonate body, and forms at least two communication ports communicating with the outside from the notch, and covers the notches. As described above, a polycarbonate thin film is fixed to one surface to form an internal space.

本願において、前記切り欠きとは、内部空間を形成させる凹み部をいい、その形状は特に問わないが、必ず底部を有する形態をいう。したがって、他方面側に貫通して刳り抜かれたような形態は含まない。   In the present application, the notch refers to a recess that forms an internal space, and its shape is not particularly limited, but it always refers to a form having a bottom. Therefore, it does not include a form that penetrates through the other surface side.

前記連通口の一つは、冷却媒体の入口であり、他の一つは冷却媒体の出口である。すなわち、入口となる連通口と、出口となる連通口が最低限形成される。   One of the communication ports is an inlet for the cooling medium, and the other is an outlet for the cooling medium. That is, a communication port serving as an inlet and a communication port serving as an outlet are formed at a minimum.

また、前記切り欠きは、前記ポリカーボネート製薄膜で覆われるので、そこが内部空間となる。ポリカーボネート製薄膜側の面が半導体素子の取付面であり、そこに半導体素子が取り付けられる。その状態で、入口となる連通口から、冷却媒体を送り込んでいくと、切り欠きで形成された内部空間に冷却媒体が流入し、薄膜が膨張していく。薄膜は膨張するが、可撓性があるので、取り付けられた半導体素子に密着していく。冷却媒体が内部空間に充填されると(あるいは充填されながら)、冷却媒体は出口となる連通口から外部に送出される。入口の連通口から内部空間、そして出口の連通口という冷却媒体の循環により、取り付けられた半導体素子の熱は薄膜を介した冷却媒体により交換されていく。   Further, since the cutout is covered with the polycarbonate thin film, it becomes an internal space. The surface on the polycarbonate thin film side is a mounting surface of the semiconductor element, and the semiconductor element is mounted thereon. In this state, when the cooling medium is fed from the communication port serving as the inlet, the cooling medium flows into the internal space formed by the notches, and the thin film expands. Although the thin film expands, it is flexible so that it adheres closely to the attached semiconductor element. When the cooling medium is filled into the internal space (or while being filled), the cooling medium is sent to the outside from the communication port serving as the outlet. Through the circulation of the cooling medium from the inlet communication port to the internal space and the outlet communication port, the heat of the attached semiconductor element is exchanged by the cooling medium through the thin film.

この発明に係る液冷ヒートシンクによれば、ヒートシンクを構成する本体及び薄膜ともポリカーボネートであるので、両者を溶着した形態では、ポリエチレン製と異なり、溶着部に冷却媒体流入による高圧がかかっても、接着部が剥がれることがない。また、ポリカーボネートの熱変形の限界温度も130℃前後であるので、熱変形のおそれもない。加えて、強度も強いので、ポリエチレン製の液冷ヒートシンクのように金属箔を被覆させる必要がまったくない。このため、ヒートシンクを単体で実装でき、放熱効果を良好に維持させることができる。   According to the liquid-cooled heat sink according to the present invention, both the main body and the thin film constituting the heat sink are polycarbonate. Therefore, in the form in which both are welded, even when a high pressure is applied to the welded portion due to the inflow of the cooling medium, the adhesive is bonded. Part will not peel off. Moreover, since the limit temperature of heat deformation of polycarbonate is around 130 ° C., there is no fear of heat deformation. In addition, since it is strong, there is no need to cover the metal foil like a liquid-cooled heat sink made of polyethylene. For this reason, a heat sink can be mounted alone and the heat dissipation effect can be maintained satisfactorily.

また、ポリカーボネートは所定の硬さがあることから、本体に直接、ネジ穴用のタップ加工を施すこともできる。よって、上記金属箔や他の金属製タップなどをまったく必要としないから、製造及び使用に要するコストも低廉で済む。   Further, since polycarbonate has a predetermined hardness, tapping for screw holes can be directly applied to the main body. Therefore, since the metal foil and other metal taps are not required at all, the cost required for manufacture and use can be reduced.

また、薄膜は本体の切り欠きが形成される面のみに被覆されるので、熱が伝わるのは薄膜側の面だけとなり、例えば反対面に半導体素子でない他部品が当接されるような場合でも、その他部品には熱が伝わらないので何の不具合も生じない。   In addition, since the thin film is covered only on the surface where the cutout of the main body is formed, heat is transmitted only to the surface on the thin film side, for example, even when other parts that are not semiconductor elements are in contact with the opposite surface Since no heat is transmitted to other parts, no problems occur.

加えて、内部空間には底部があるので、該底部に突起や壁等を設けることができ、効率的に循環できるような、冷却媒体の流路を自在に形成できるものとなっている。   In addition, since the internal space has a bottom portion, a projection, a wall, or the like can be provided on the bottom portion, and a cooling medium flow path that can be circulated efficiently can be freely formed.

もちろん、従来からの金属製液冷ヒートシンクと比べれば、格段に軽量化が図れ、また半導体素子と接触する面の密着の精度が良くなり、さらに薄型化及び軽量化が図れ、アルミニウム製のものと比べれば、耐食性及び耐水性が向上するものとなっている。   Of course, compared to conventional metal liquid-cooled heat sinks, the weight can be significantly reduced, the accuracy of the contact with the surface that contacts the semiconductor element is improved, and the thickness and weight can be further reduced. In comparison, the corrosion resistance and water resistance are improved.

本発明の具体的実施形態の一例を図面に基づき説明する。なお、以下の形態例は本発明を具現化した一例に過ぎず、本発明がそれに限定されるものではないことは当然である。   An example of a specific embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the following embodiment is merely an example embodying the present invention, and the present invention is naturally not limited thereto.

図1は本形態例の構造を示しており、(a)は平面図、(b)はX−X断面図である。図中、1はヒートシンク本体、2はシート、3は冷却媒体入口、4は冷却媒体出口、5は内部空間である。   FIG. 1 shows the structure of this embodiment, where (a) is a plan view and (b) is an XX cross-sectional view. In the figure, 1 is a heat sink body, 2 is a sheet, 3 is a cooling medium inlet, 4 is a cooling medium outlet, and 5 is an internal space.

本形態例は、いずれの部材もポリカーボネートからなる。次に、この形態例の構成を、製造工程を示す図2も含めて説明する。   In this embodiment, all members are made of polycarbonate. Next, the configuration of this embodiment will be described with reference to FIG.

本体1は方形状の板材であり、その片面の中央部に切り欠き(内部空間5となる部分)が形成される。切り欠きは、本体1を成形加工する際に一体的に成形しても良いし(後述するノーズ及び連通穴30,40も同時に成形加工しても良い)、本体1をいったん成形加工した後切削加工する等適宜の手法で形成させればよい。本体1の一側面には、それぞれ冷却媒体の入口3と出口4となるノーズが固着されている。各ノーズ内の穴は、前記切り欠きに連通する連通穴30,40に連なっている。なお、本体1はポリカーボネート製なので、特に図示していないが、固定用のネジ穴を要するときは、直接タップ加工すればよい。また、前記本体1や切り欠きの形状・大きさ等を適宜変更しても良いことはいうまでもない。   The main body 1 is a rectangular plate material, and a notch (a portion that becomes the internal space 5) is formed at the center of one side. The notch may be formed integrally when the body 1 is formed (a nose and communication holes 30 and 40 described later may be formed simultaneously), or after the body 1 is once formed and cut. What is necessary is just to form by appropriate methods, such as processing. A nose that serves as an inlet 3 and an outlet 4 for the cooling medium is fixed to one side surface of the main body 1, respectively. The holes in each nose are connected to communication holes 30 and 40 that communicate with the notches. Since the main body 1 is made of polycarbonate, it is not particularly shown, but when a fixing screw hole is required, it may be tapped directly. Needless to say, the shape and size of the main body 1 and the cutout may be appropriately changed.

図2に示すように、本体1の切り欠きが形成される面に、その切り欠きを覆うように薄いシートが固着される。シートは500μm以下の薄膜であり、素材がポリカーボネートであるので可撓性がある。固着方法は、熱溶着または接着剤による接着で良い。   As shown in FIG. 2, a thin sheet is fixed to the surface of the body 1 where the cutout is formed so as to cover the cutout. The sheet is a thin film of 500 μm or less, and is flexible because the material is polycarbonate. The fixing method may be heat welding or bonding with an adhesive.

次に、本形態例の使用方法を図3を用いて説明する。図示のように、シート2の上に半導体素子6を載置し、入口3から、液体の冷却媒体を内部空間5に送出する。内部空間5に冷却媒体が充填されるにつれ、シート2が同図(b)のように膨張し、半導体素子6の当接面と密着する。この状態で、入口3から冷却媒体が間断なく流入され、また出口4から流出して循環される。したがって、半導体素子6からの発する熱は、密着するシート2から内部空間5の冷却媒体に伝達され、その冷却媒体が循環することで、半導体素子6は効率的に冷却される。   Next, a method of using this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in the drawing, the semiconductor element 6 is placed on the sheet 2, and a liquid cooling medium is sent from the inlet 3 to the internal space 5. As the internal space 5 is filled with the cooling medium, the sheet 2 expands as shown in FIG. In this state, the cooling medium flows in from the inlet 3 without interruption, and flows out from the outlet 4 and circulates. Therefore, the heat generated from the semiconductor element 6 is transmitted from the sheet 2 that is in close contact with the cooling medium in the internal space 5, and the cooling medium circulates, whereby the semiconductor element 6 is efficiently cooled.

この発明は、半導体素子を冷却するヒートシンクとして適用可能である。   The present invention can be applied as a heat sink for cooling a semiconductor element.

本形態例の説明図であり、(a)は平面図、(a)の(b)はX−X断面図である。It is explanatory drawing of this example of a form, (a) is a top view, (b) of (a) is XX sectional drawing. 本形態例の製造工程の説明図であり、(a)はシートを固着する前の状態、(b)はシートを固着した状態をそれぞれ示す。It is explanatory drawing of the manufacturing process of this example, (a) shows the state before adhering a sheet | seat, (b) shows the state which adhering the sheet | seat, respectively. 本形態例の使用方法の説明図であり、(a)は冷却媒体が充填されていない状態、(b)は冷却媒体が充填された状態をそれぞれ示す。It is explanatory drawing of the usage method of this example, (a) shows the state with which the cooling medium is not filled, (b) shows the state with which the cooling medium was filled, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

1 ヒートシンク本体
2 シート(薄膜)
3 入口(ノーズ)
4 出口(ノーズ)
5 内部空間(切り欠き)
6 半導体素子
1 Heat sink body
2 sheet (thin film)
3 Entrance (nose)
4 Exit (nose)
5 Internal space (notch)
6 Semiconductor elements

Claims (1)

ポリカーボネート製本体の片面に、所定の切り欠きを形成させるとともに、該切り欠きから外部に連通する連通口を少なくとも二カ所形成させ、その切り欠きを覆うように、その片面にポリカーボネート製薄膜を固着させて内部空間を形成させたたことを特徴とする液冷ヒートシンク。   A predetermined notch is formed on one side of the polycarbonate main body, and at least two communication ports communicating from the notch to the outside are formed, and a polycarbonate thin film is fixed to the one side so as to cover the notch. A liquid-cooled heat sink characterized by forming an internal space.
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