JP2008021697A

JP2008021697A - 熱分散型放熱器

Info

Publication number: JP2008021697A
Application number: JP2006190017A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tatsukawa; 昌弘辰川
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】平板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱を平板全体に分散させて低温度差でより効率よく放熱を行うことのできる熱分散型放熱器を提供する。
【解決手段】高熱伝導性材から形成され、内部に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設した細孔列を有する平板状の基板と、この基板の細孔列内に封入される２相凝縮性の熱輸送作動液と、前記細孔列の各細孔を上下両端において連通する上部ヘッダおよび下部ヘッダと、この上部ヘッダと下部ヘッダを基板の外側に引き出して連結する戻り管と、この戻り管に取付けられた放熱フィンとを設け、戻り管からも放熱できるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置等の発熱密度の高い発熱体の冷却に適した熱分散型放熱器に関する。

半導体装置は高集積化、高出力化に伴って損失が増加し、ますます発熱量が増大する傾向にあるので、これを効果的に冷却することが必要となる。

半導体装置の発生損失が数Ｗレベルまでは半導体装置の表面からの自然放熱でもよいが、数十Ｗレベルでは、これまで図５に示すようにアルミニウム等の高熱伝導性材料で構成された基板５１に放熱フィン５２を多数取り付けて構成した放熱器５０を用いるようにしていた。この放熱器５０を半導体装置などの発熱体１に結合し、発熱体１の熱をこの放熱器５０へ伝達し放熱フィン５２から大気中への放熱することにより発熱体の熱の放熱が促進される。また、半導体装置などの発熱体の損失が数十Ｗ以上のレベルとなった場合は、この放熱器５０に電動ファン６０により送風することにより放熱（冷却）効果をさらに向上させるようにするのが一般的である。

半導体装置の出力がさらに増大し、または実装密度が高密度化することにより、放熱器にさらに高い単位面積あたりの放熱量が要求されるが、この場合は、一般に、図６に示すように、放熱器５０に設ける櫛歯状の放熱フィン５２ａの間隔を可能な限り小さくしたり、図７に示すように、放熱フィン５２ｂを格子状にしたりするにより、放熱フィン５２の放熱面積を増大させて放熱（冷却）効果を高め、半導体装置の温度上昇を抑制するようにしている。

このような放熱器の放熱（冷却）性能は次の（１）式の関係にある。

放熱器の温度上昇ΔＴ［K］＝熱抵抗Ｒ［K/W］×発熱量Ｑ［W］・・・（１）
ここで、熱抵抗Ｒ［K/W］は、次の（２）式で示すことができる。

熱抵抗Ｒ［K/W］＝１／（放熱面積Ａ［ｍ²］×熱伝達率ｈ［W/ｍ²K］×フィン効率η）
・・・（２）
半導体装置等の発熱体１の発熱量Ｑが大きい場合、放熱器の温度上昇を抑制するには、放熱面積Ａを大きくして、熱抵抗Ｒを小さくすることが必要であるため、図５に示す放熱器５０の幅または長さを大きくすればよいのであるが、放熱器の基板５１の熱抵抗により発熱体１の取付け部近傍と基板の端部との温度差は、放熱器の幅および長さを増加させるにしたがって大きくなるので、必ずしも、放熱器５０の表面積拡大に比例して放熱器の温度上昇が低減されるものではない。

このため、発熱体１で発生した熱を放熱器基板５１の全面に低温度差で分散する手段が必要である。このような狙いに沿った図８に示すような熱分散型放熱器が既に特許文献１に提示されている。

この図８の放熱器は、アルミニウム等の高熱伝導性の金属で形成された櫛歯状放熱フィン５２を有する放熱器５０の基板５１内に設けた細孔内に２相凝縮性作動液を封入して形成したヒートパイプ７を複数分散して配設し、基板５１の一部に結合された半導体素子等の発熱体１から発生する熱をこのヒートパイプ７により基板５１の全体に分散させて放熱フィン５２に伝達するようにしたものである。これにより実効的な放熱器の放熱面積が拡大し、大気に対して低温度差での放熱が行えるようになり、放熱効果が高まる。

また、特許文献２には、図９に示すような、金属平板６１の内部に細孔６２を複数並べて細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路６３により連通したうえで、細孔６２列内に相変化により熱の輸送を行う２相凝縮性の作動液６５を適量封入して構成した平板状ヒートパイプ６０が開示されている。この平板状ヒートパイプ６０は、極めて細い細孔列と細孔列を両端で連通させるヘッダ流路とにより、作動液の軸方向での振動現象と緩やかな循環を行わせることにより熱を輸送するものであるため、ヘッダ流路も細孔列の各細孔と同様に細い孔で構成される。この構成では、作動液に振動現象を生じさせて熱輸送を行い、単純な細管ヒートパイプに比べて熱輸送能力が増大するため、平板６１内に形成された細孔列により形成されたヒートパイプにより半導体装置等の発熱体１から発生された熱を平板６１の全体に拡散することができ平板６１全体の温度分布を均一化でき、温度上昇を抑制でき、比較的大きな発熱量の大きな発熱体の放熱に対応可能となる。

しかし、半導体装置の発熱量がさらに増大し、２０Ｗ／ｃｍ²レベルを超えると、前記のような放熱器では対応が難しくなり、沸騰型熱分散基板を採用した熱分散型放熱器が特許文献３などにより提案されている。

これは、熱分散基板の内部に封入した作動液の沸騰・凝縮による熱輸送を主たる熱輸送原理としたもので、熱分散基板で熱をプレート全体に分散し、このプレートに結合された放熱フィンから放熱するので、効率よく放熱することが可能となる。

また、特許文献４には、図１０に示すような並列ループ型熱分散放熱器が示されている。これは、基板２１の内部に細孔を多数の並列に並べた細孔列２２と、この細孔列２２の各細孔の上下両端で連通する上部ヘッダ２４および下部ヘッダ２５を形成して、作動液１７を封入して構成される。発熱体である半導体モジュール１で発生した熱は並列ループ型熱分散放熱器２０の作動液１７に吸収される。この熱により作動液７は沸騰し、急激に蒸気泡を発生する。蒸気泡は並列細孔２２内の加熱部近傍でランダムに発生するが。相互に干渉して、膨張、凝縮を繰り返し、作動液１７は細孔列２２を上下に移動し熱輸送を行う。このように作動液に吸収される熱量が少ない場合には、作動液体１７は並列細孔２２を上下に移動（振動）することにより熱輸送を行うが、吸収される熱量が大きくなると上昇流が発生し、上部ヘッダ２４および戻り流路２３を経由して下降流となり、下部ヘッダ２５を経由して半導体モジュール１の取り付けられた加熱部に還流される。
特開２００１−１５６２２９号公報（２〜４頁、図１）特開平０４−２６０７９１号公報特開平１１−１３２５９２号公報特開２００５−２２９１０２号公報

このように、半導体装置の高集積化と実装密度増加に対応して、単位面積あたりの放熱量が２０Ｗ／ｃｍ²レベルを超える場合、沸騰型熱分散基板を組み込んだ熱分散型放熱器が採用されているが、この放熱器にも放熱量の限界があり、吸収された熱量が放熱される熱量を超えると半導体モジュール１の温度が上昇し、半導体モジュールの許容温度を超えることになる。

高密度で発生される熱の放熱方法として水冷方式をとることもできるが、電気的装置に適用する場合は、電気部品の絶縁手段の追加設置、冷却水循環系の漏洩防止構造、冷却水循環ポンプの信頼性確保のための冗長化、水と空気の熱交換器設置などが必要となり、空気冷却器と比べ信頼性の低下や、価格の高騰を招く欠点がある。

このように、従来の空冷式および水冷式放熱器における問題点に鑑みて、本発明は、熱拡散性能の制限を解消するため、発熱体の熱を放熱器の全体に拡散し低温度差でより効率よく放熱を行うことができるように改良した熱分散型放熱器を提供することを課題とするものである。

この課題を解決するため、この発明は、高熱伝導性材から形成され、内部に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設した細孔列を有する平板状の基板と、この基板の細孔列内に封入される２相凝縮性の熱輸送作動液と、前記細孔列の各細孔を上下両端において連通する上部ヘッダおよび下部ヘッダと、この上部ヘッダと下部ヘッダを基板の外側に引き出して連結する戻り管と、この戻り管に取付けられた放熱フィンとを備えることを特徴とするものである。

この発明において、前記戻り管を前記基板の外側において基板の一方の放熱フィンの取り付けられた面側へ曲げるようにすることができる。

この発明によれば、基板だけでなく、基板の外側に引き出した、上部ヘッダと下部ヘッダを連結する戻り管に放熱フィンを取り付けて、戻り管からも放熱できるように構成しているため、放熱器の放熱面積がより大きくなって、より低温度差で効率のよい放熱を行うことができることにより、小形で、放熱効率の高い熱分散型放熱器を提供することができる。

以下に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する

図1は、この発明の実施例１による熱分散型放熱器の構成を示す斜視図である。

図1において、２１は、平板状の熱分散基板であり、その表面の一部に発熱体としての半導体モジュール１が装着され、裏面に多数の放熱フィン２３が取り付けられている。熱分散基板１の内部には、直線的に上下方向に走る細孔を多数並列に分散配置して構成した細孔列２２と、この細孔列２２の上端および下端において各細孔を連通する上部ヘッダ２４および下部ヘッダ２５が設けられ、適量の２相凝縮性の熱輸送作動液１７が封入されている。そして、上部ヘッダ２４および下部ヘッダ２５の両端からそれぞれ基板２１の外側へ戻り管２６が引き出され、この戻り間２６により上、下ヘッダ２４，２５が相互に連通される。そして、これらの戻り管２６には、多数の放熱フィン２７を結合して、この戻り管２６からも放熱を行うようにしている。

前記の細孔列２２の各細孔の断面形状は、矩形状、円形あるいは長円形状の何れでもよく、このような細孔列２２を有する基板は、熱伝導度の高い銅やアルミニウムなどを押し出し加工することによって容易にかつ安価に製作することができる。上部および下部のヘッダは、内部に両端に渡る直線的な溝を有する部材を基板２1の上下端において溝を細孔列に向き合わせて気密的に結合することによって構成する。各ヘッダの両端の開口に戻り管２６を気密的に結合することによって基板内部の全ての細孔列を気密的に連通させることができる。

熱分散基板２１に放熱フィン２３を取り付ける場合は、フィンを取り付ける側の面の表面に複数の溝加工を施し、放熱フィン２３をこの溝に挿入して、カシメ加工あるいはろう付け加工することより固着するか、圧入加工により固着することにより機械的および熱的な結合を行う。

また、戻り管２６と放熱フィン２７とは、圧入加工あるいはろう付け加工により相互に機械的および熱的に結合される。

熱分散基板２１、上部ヘッダ２４、下部ヘッダ２５および戻り管２６は、熱伝導度の高い金属、例えば、銅やアルミニウムにより形成され、基板の内部の細孔列２２等からなる空洞には適量の水や、炭化水素などの２相凝縮性の熱輸送作動液１７が封入される。作動液１７は、基板２１の半導体モジュール１の取り付けられた受熱部分に液が接するように適量を封入する。基板２１の内部に、予め真空排気した上で作動液１７を封入するため、基板２１の内部は常に作動液とその飽和蒸気で満たされることになる。

次に、このように構成された熱分散型放熱器の放熱動作を図３を参照して説明する。

熱分散基板２１に取り付けられた半導体モジュール１はスイッチング動作時に供給電力の数％が損失となり、発熱する。例えば、２０ｋWの電力が供給される場合、１ｋW程度の発熱が生じる。半導体モジュール１の基板の面積が、例えば５０ｃｍ²である場合、発熱密度は２０W／ｃｍ²となり、通常使用されているアルミニウム製の放熱体などでは、半導体素子の許容温度以下に放熱することが困難となる。そこで、半導体モジュール１の発熱を、熱分散基板２１の内部の作動液７により基板２１全体に分散させて放熱フィン２３に伝え、大気中に放熱するとともに、上部ヘッダ２４を経由して戻り管２６に作動液を流す構造であるため、この戻り管２６から放熱フィン２７を経由して大気中へ放熱される。このように、基板２１に取り付けた放熱フィン２３および戻り管２６に取り付けた放熱フィン２７の両方の放熱フィンから広い表面積で放熱できるので、高密度の発熱であっても低温度差で効率よく放熱することができるようになる。

熱輸送動作は、以下に示す（１）〜（４）のサイクルとなる。
（１）半導体モジュール１で発生した熱が熱分散基板２１へ伝達され、細孔列２２の内壁から細孔列内に封入された作動液１７へ伝わる。
（２）この熱により、作動液１７が基板２１の細孔列２２内において加熱され、沸騰し蒸気となり、浮力により細孔内を上昇する。作動液１７は、作動液自身の温度を上げるための顕熱と、蒸気となる際の気化潜熱相当の熱量を半導体モジュール１から吸収する。
（３）作動液１７の蒸気は、上部ヘッダ２４を経由して温度の低い戻り管２６へ移動し、放熱フィン２７から放熱して凝縮して液化する。
（４）戻り管２６内で液化した作動液１７は重力により戻り管２６内を落下し、下部ヘッダ２５を経由して、基板２１内の細孔列２２へ還流する。

このようなサイクルで、作動液１７が基板２１および戻り管２６で構成された閉回路内を相状態は変えながら循環することによって、半導体モジュール１で発生された熱が放熱器全体に輸送され分散される。このように放熱器全体に分散された熱が放熱フィン２３および２７によって大気中へ放熱されるので、低温度差での放熱ができ、放熱（冷却）効率が向上する。

この発明における熱分散基板２１は、上部ヘッダ２４および下部ヘッダ２５によって熱分散基板２１内の細孔列２２内の多数の細孔が連通され、かつ上部ヘッダ２４と下部ヘッダ２５とが戻り管２６によって連通されているため、前記のような作動液７の気液循環サイクルにより、半導体モジュール１で発生された熱を、これを吸収した作動液１７の蒸気および液体が熱分散基板２１内および戻り管２６に分散移動することによって、基板２１全体および戻り管２６に分散させることができる。このため、半導体モジュール１から基板１の接触面に集中して伝わる熱が基板２１および戻り管２６へ分散された熱を、基板２１の放熱フィン２３および戻り管２６の放熱フィン２７によりより広い面積に拡散して大気中へ放熱するため、低温度差で放熱ができ、放熱（冷却）効率を向上することができる。そして、戻り管２６に放熱フィン２７が付け加わることによって放熱面積がより拡大し、放熱効率をより一層高めることができる。これにより、同一の容量の半導体モジュールに適用する場合は、放熱器全体を小形に構成することができる。

熱分散基板２１に複数の半導体モジュール１を装着した場合に、各半導体モジュール間で発熱量の違いが生じた場合は、発熱量の大きい半導体モジュールの装着された部分において作動液の沸騰が活発となり、いわゆる沸騰熱伝達率が大きくなって熱抵抗が低下し、複数の半導体モジュール間の温度の均一化が図られる。

半導体モジュール１の容量が増大して、放熱フィン２３、２７からの自然放熱だけでは、半導体モジュール１の温度を許容温度に以下に保てない場合は、電動ファン１２により、放熱フィンに冷却風を送り、強制冷却することも可能である。

図４にこの発明の実施例２による熱分散型放熱器２０の構成を示す。

この実施例２の熱分散型放熱器２０は、熱分散基板２１の上部ヘッダ２４、下部ヘッダ２５を連通する戻り管２６を、熱分散基板２１の放熱フィン２３を取り付けた面側へ、折り曲げて構成し、この戻り管２６の折り曲げた部分に放熱フィン２７を取り付けている。

このように構成すると、戻り管２６に取り付ける放熱フィン２７を、熱分散基板１に取り付けた放熱フィン２３の高さの範囲に納めることができるとともに、基板２１の両側への張り出しを抑えることができるので、放熱器全体の設置取り付け面積を縮小できる効果が得られる。

この発明の実施例１による熱分散型放熱器の構成を示す斜視図である。この発明の実施例１におる熱分散型放熱器の内部構成を示す縦断面図である。この発明の実施例１の熱分散型放熱器の動作説明図である。この発明の実施例２による熱分散型放熱器の構成を示す斜視図である。従来の放熱器の構成を示す斜視図である。従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。従来の熱分散型放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。従来の熱分散型放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。従来の熱分散型放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は正面断面図、（C）は、断面斜視図である。

符号の説明

１：発熱体
２０：熱分散型放熱器
２１：基板
２２：細孔列
２３：放熱フィン
２４：上部ヘッダ
２５：下部ヘッダ
２６：戻り管
２７：放熱フィン

Claims

高熱伝導性材から形成され、内部に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設した細孔列を有する平板上の基板と、この基板の細孔列内に封入される２相凝縮性の熱輸送作動液と、前記細孔列の各細孔を上下両端において連通する上部ヘッダおよび下部ヘッダと、この上部ヘッダと下部ヘッダを基板の外側において連結する戻り管と、この戻り管に取り付けられた放熱フィンとを備えることを特徴とする熱分散型放熱器。
請求項１の熱分散型放熱器において、前記戻り管を前記基板の外側において基板の一方の放熱フィンの取り付けられた面側へ曲げたことを特徴とする熱分散型放熱器。