JP2008171936A - 冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体が設けられた放熱板と冷却器との間に熱伝達媒体が形成された冷却構造において、発熱体の熱を良好に放熱することができると共に、熱伝達媒体を変形させながら放熱板と冷却器とを近接固定する際に、要する押圧力を低減することができる冷却構造を提供。
【解決手段】冷却構造１００は、発熱体１，２と、発熱体からの熱を冷却可能な冷却器３０と、第１主表面３３に発熱体が設けられた放熱板１０と、放熱板と冷却器とを密着固定可能な固定部材１１０と、冷却器と放熱板との間に設けられ、放熱板と冷却器とが近接することで冷却器と放熱板との間で変形可能とされ、放熱板からの熱を冷却器に伝達可能な熱伝達媒体２１と、放熱板の表面のうち、熱伝達媒体を介して冷却器と対向する第２主表面３２に形成され、第２主表面から冷却器に向けて突出すると共に、先端部の面積が熱伝達媒体の塗布面積より小さい突出部１３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却構造に関し、特に、発熱体からの熱を熱伝達媒体を介して冷却器に放熱する冷却構造に関する。

従来から半導体などの発熱体を冷却するヒートシンクおよび冷却装置について、各種提案されている。たとえば、特開２００１−３５２０２３号公報には、半導体チップまたは両面冷却型半導体モジュールと、扁平な接触受熱面を有して冷却流体が流れる冷媒チューブを備えた冷媒冷却型両面冷却半導体が提案されている。

また、特開２００４−１０３９３６号公報にも、ヒートシンクを備えた電力半導体装置が記載され、特開２００４−１１９９３９号公報には、ワイヤの冷却装置が提案されている。特開平５−２２６５２７号公報には、半導体チップ等と接合する際に、エア溜まりが形成されることを抑制するために、半導体チップなどの他部品の接合面にエア抜き溝が形成されたヒートシンクが提案されている。

さらに、特開平５−２２６５２７号公報には、２段式ヒートシンクにおいて、上段側のヒートシンクの下面にエア抜き溝を形成する方法も提案されている。
特開２００１−３５２０２３号公報 特開２００４−１０３９３６号公報 特開２００４−１１９９３９号公報 特開平５−２２６５２７号公報

一般に、発熱体が設けられた放熱板と冷却器とのを密着させようとしても、間に隙間が生じやすいことから、発熱体からの熱を冷却器に効率よく伝えるために放熱板と冷却器の表面との間にグリースなどの熱伝達媒体が塗布される。

しかし、グリースと冷却器またはグリースと放熱板との間に空気が入り込みやすく、結果として、発熱体からの熱が冷却器に良好に伝達されないという問題がある。

その一方で、上記特開２００１−３５２０２３号公報、特開２００４−１０３９３６号公報、特開２００４−１１９９３９号公報においては、上記課題を解決するための手段が記載されていない。

また、特開平５−２２６５２７号公報に記載されたヒートシンクにおいては、エア溝部間に位置する山部の上端部は、半導体チップの主表面と一致しているため、半導体チップなどをろう材を介して押圧配置する際には、半導体チップの接着面の略全面がろう材に接触する。このため、半導体チップをヒートシンクの表面に接着させるときには、接着面の略全面にわたって、ろう材からの抵抗を受けることになり、大きな押圧力を要する。この際、半導体チップの全面に均等に大きな押圧力を加えるのは困難であり、半導体チップが傾斜した状態で固定される場合がある。

このように、半導体チップが傾斜した状態で固定されると、位置によって熱伝達媒体が厚い部分が生じ、半導体チップとヒートシンクとの間が大きく離間する部分が生じる。このため、位置によっては、半導体チップからの熱が良好に放熱されないおそれがあった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもであって、その目的は、発熱体が設けられた放熱板と冷却器との間に熱伝達媒体が形成された冷却構造において、発熱体からの熱を良好に放熱することができると共に、熱伝達媒体を変形させながら放熱板と冷却器とを近接固定する際に、要する押圧力を低減することができる冷却構造を提供することを目的とする。

本発明に係る冷却構造は、発熱体と、発熱体からの熱を冷却可能な冷却器と、第１主表面に発熱体が設けられた放熱板と、放熱板と冷却器とを密着固定可能な固定部材と、冷却器と放熱板との間に設けられ、放熱板と冷却器とが近接することで冷却器と放熱板との間で変形可能とされ、放熱板からの熱を冷却器に伝達可能な熱伝達媒体とを備える。

また、この冷却構造は、放熱板の表面のうち、熱伝達媒体を介して冷却器と対向する第２主表面に形成され、第２主表面から冷却器に向けて突出すると共に、先端部の面積が熱伝達媒体の塗布面積より小さい第１突出部または冷却器の表面のうち、熱伝達媒体を介して放熱板と対向する部分に形成され、放熱板に向けて突出し、先端部の面積が熱伝達媒体の塗布面積より小さい第２突出部の少なくとも一方とを備える。

好ましくは、上記１突出部を有し、第１突出部は第２主表面から冷却器に向かうにしたがって、先細とされる。

好ましくは、複数の上記第１突出部を有し、第１突出部間に位置する第２主表面に形成され、第２主表面に対して、第１突出部の突出方向と反対方向にへこむ凹部をさらに備える。好ましくは、上記第１突出部を有し、第１突出部と冷却器との一方を他方の硬度よりも低くして、固定部材からの押圧力によって、第１突出部と冷却器との一方を変形可能とする。好ましくは、上記第１突出部は、第２主表面のうち、発熱体に対して、放熱板の厚み方向に位置する部分に設ける。

好ましくは、上記第２突出部を有し、第２突出部は、放熱板に向かうに従って、先細とする。好ましくは、複数の上記第２突出部を有し、第２突出部間に形成され、冷却器の表面に対して、第２突出部の突出方向と反対方向にへこむ凹部をさらに備える。

好ましくは、上記第２突出部を有し、第２突出部と放熱板との一方を他方の硬度よりも低くして、固定部材からの押圧力によって、第２突出部と放熱板との一方を変形可能とする。好ましくは、上記第２突出部は、冷却器の表面のうち、発熱体に対して放熱板の厚み方向に位置する部分に形成する。

本発明に係る冷却構造によれば、発熱体が設けられた放熱板と冷却器との間に熱伝達媒体が形成された冷却構造において、発熱体からの熱を良好に放熱することができると共に、熱伝達媒体を変形させながら放熱板と冷却器とを近接固定する際に、要する押圧力を低減することができる。

図１から図１１を用いて、本実施の形態に係る冷却構造１００について説明する。図１は、本実施の形態に係る冷却構造（半導体モジュール）１００を示す断面図である。なお、同一または相当する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

この図１に示されるように、冷却構造１００は、放熱板１０に固定されたトランジスタ（第１発熱体）１およびダイオード（第２発熱体）２と、これらトランジスタ１およびダイオード２からの熱を放熱する冷却器３０と、冷却器３０と放熱板１０とを固定する固定部材１１０とを備えている。また、冷却構造１００は、放熱板１０と冷却器３０との間に設けられたグリースなどの熱伝達媒体２１を備えている。

冷却器３０は、複数の羽根部材１２を有する放熱フィン１１を備えており、表面積が大きく冷却効率の向上が図られている。

なお、冷却器３０は、放熱フィン１１を直接外部に露出する構成としてもよく、さらに、放熱フィン１１を覆うと共に、内部を空気や水等の冷媒が強制的に流通する管路を設けてもよい。トランジスタ１およびダイオード２は、放熱板１０に、半田などを介して、設けられている。

具体的には、放熱板１０の上面（第１主表面）３３には、放熱板１０の上面３３上に形成された半田９と、この半田９の上面上に形成され、アルミなどから形成された金属板８と、この金属板８の上面上に形成された絶縁膜７と、この絶縁膜７上に形成された配線パターン５、６と、この配線パターン５、６上に形成されたトランジスタ１およびダイオード２と設けられている。

配線パターン５、６は、アルミなどから形成されており、トランジスタ１およびダイオード２に電力を供給可能とされている。絶縁膜７は、たとえば、セラミックから構成されており、配線パターン５，６と、半田９および金属板８との間を絶縁している。

さらに、冷却器３０の上面（第３主表面）３１と対向する放熱板１０の下面（第２主表面）３２には、下面３２から冷却器３０の上面３１に向けて突出する突出部１３が複数形成されている。

この突出部１３の下端部の面積は、冷却器３０の上面３１に塗布された熱伝達媒体２１の塗布面積よりも小さくされている。また、突出部１３の下面３２からの高さは、たとえば、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とされている。なお、突出部１３を有する放熱板１０は、たとえば、アルミ、銅、樹脂またはセラミックから形成されており、鋳造、鍛造、押出し成型、機械加工等から作製することができる。

固定部材１１０は、たとえば、ボルト等が採用され、冷却器３０の上面３１に形成された孔部に螺合可能とされている。そして、固定部材１１０は、放熱板１０と冷却器３０とを互いに相対移動させることができ、冷却器３０と放熱板１０とを互いに近接固定可能とされている。

ここで、放熱板１０を冷却器３０の上面に固定するときには、まず、冷却器３０の上面３１に熱伝達媒体２１を塗布した状態で、固定部材１１０を用いて、放熱板１０と冷却器３０とを互いに近接させる。

このように、放熱板１０と冷却器３０とを近接させると、まず、突出部１３が熱伝達媒体２１の上面に当接する。そして、固定部材１１０から放熱板１０に加えられる押圧力は、突出部１３の先端部に集中する。このため、突出部１３は、熱伝達媒体２１を容易に押し退けて冷却器３０に向けて進出することができる。

なお、放熱板１０と冷却器３０とが近接して、熱伝達媒体２１と放熱板１０の下面３２とが接触して、放熱板１０と冷却器３０とを近接させるために要する押圧力が上昇しても、突出部１３と冷却器３０の上面３１とが既に近接している。このため、僅かに放熱板１０を冷却器３０に近接させることで、突出部１３を冷却器３０の上面３１に当接させることができる。

このように、放熱板１０を冷却器３０の上面３１に固定する過程において、放熱板１０が熱伝達媒体２１から受ける抵抗を低減することができるので、放熱板１０が傾斜し難く、放熱板１０の下面３２と冷却器３０の上面３１との間に位置する熱伝達媒体２１の厚みを略均一化することができ、所定の膜厚とすることができる。

特に、突出部１３は、直接冷却器３０の上面３１に接触し、突出部１３もアルミなどの金属材料から構成されているため、トランジスタ１やダイオード２からの熱を良好に冷却器３０に伝達することができる。さらに、突出部１３を複数形成することにより、放熱板１０を冷却器３０に固定したときに放熱板１０が傾斜することを効果的に抑制することができる。

図２は、突出部１３を拡大視した断面図であり、図３は、放熱板１０を冷却器３０に固定する過程を示す断面図である。図２に示されるように、突出部１３は、放熱板１０から冷却器３０の上面３１に向かうにしたがって、先細状とされている。このため、突出部１３を熱伝達媒体２１内に進出させやすい。

そして、図３に示すように、突出部１３の先端部が熱伝達媒体２１の表面に接触した状態から、冷却器３０に向けて進出させるにしたがって、熱伝達媒体２１は、突出部１３の両側に押し退けられる。図２に示すように、突出部１３が冷却器３０の上面３１に当接したときには、熱伝達媒体２１は、突出部１３間に収容されている。

ここで、図２に示すように、放熱板１０の下面３２のうち、突出部１３間に位置する部分には、溝部（凹部）１４が形成されている。この溝部１４は、放熱板１０の下面３２から、突出部１３の突出方向に対して反対方向に向けてへこむように形成されている。

このように溝部１４が形成されているため、押し退けられた熱伝達媒体２１を収容することができる。このため、熱伝達媒体２１が放熱板１０の周縁部にはみ出すまで熱伝達媒体を変形させる必要がなく、容易に放熱板１０と冷却器３０とを近接させることができる。さらに、熱伝達媒体２１が放熱板１０の周縁部にまではみ出すことを抑制することができるので、熱伝達媒体２１が他の部材に接着するなどの弊害を抑制することができる。

さらに、図３において、突出部１３を冷却器３０の上面３１に向けて近接させる際に、放熱板１０と熱伝達媒体２１と間の空気を外部に逃がしたり、溝部１４内に収容したりすることができる。

特に、トランジスタ１およびダイオード２の熱によって放熱板１０、突出部１３および熱伝達媒体２１などが膨張した場合においても、溝部１４内に熱伝達媒体２１を収容することで、放熱板１０と冷却器３０とが離間したり、熱伝達媒体２１がはみ出したりすることを抑制することができる。

図４は、図２に示された突出部１３と冷却器３０との接触状態に関する第１変形例を示す断面図である。

この図４に示す例においては、突出部１３の硬度を冷却器３０より高くして、突出部１３の先端部を冷却器３０内に食い込ませている。このように、突出部１３によって、冷却器３０の上面３１を変形させることで、放熱板１０と冷却器３０とをさらに近接させることができる。これにより、図１に示すトランジスタ１やダイオード２の熱を効率よく冷却器３０に伝達することができる。

さらに、突出部１３を冷却器３０に食い込ませることで、突出部１３と冷却器３０との接触面積が大きくなり、熱伝達効率の向上を図ることができる。なお、溝部１４の収容容積は、好ましくは、突出部１３の先端部が冷却器３０内に食い込む容積よりも大きくする。これにより、突出部１３の先端部が冷却器３０内に食い込んむことにより、押し退けられる熱伝達媒体２１を溝部１４内に収容することができ、熱伝達媒体２１がはみ出すことを抑制することができる。

図５は、図２に示された突出部１３と冷却器３０との接触状態に関する第２変形例を示す断面図である。この図５に示すように、突出部１３の硬度を冷却器３０の硬度より低くして、突出部１３の先端部を変形させてもよい。

このように、突出部１３の先端部を変形可能とすることで、放熱板１０と冷却器３０とを近接させることができる。さらに、突出部１３の先端部が冷却器３０の上面３１に沿って変形することで、突出部１３と冷却器３０との接触面積を向上させることができ、放熱板１０から冷却器３０への熱伝達効率の向上を図ることができる。

ここで、図４および図５に示すように、突出部１３の高さよりも、放熱板１０と冷却器３０との間の距離を縮めることで、突出部１３間に位置する容積が小さくなるが、溝部１４内に熱伝達媒体２１が入り込むことで、熱伝達媒体２１が放熱板１０の周縁部から外部にはみ出すことを抑制することができる。

図６は、放熱板１０の一部を示す下面側からの斜視図であり、図７は、図６に示された突出部１３の第１変形例を示す斜視図である。この図６に示すように、放熱板１０の下面３２には、複数の突出部１３が形成されており、この突出部１３と隣り合う位置に溝部１４が延在している。また、図１において、トランジスタ１が複数配列しているときには、
図７に示す例のように、突出部１３をトランジスタ１の配列方向に延在させてもよい。

ここで、図１に示すように、各突出部１３は、下面３２のうち、トランジスタ１またはダイオード２に対して放熱板１０の厚さ方向に位置する部分に形成されている。すなわち、トランジスタ１またはダイオード２と突出部１３とは、放熱板１０の厚さ方向に並んでいる。

ここで、突出部１３は、アルミなどの金属材料から形成されており、熱伝達媒体２１よりも熱伝導率が高く、トランジスタ１やダイオード２からの熱を熱伝達媒体２１を介して冷却器３０に伝達する場合よりも、突出部１３から直接、冷却器３０に熱を伝達させた場合の方が熱伝達効率がよい。

このため、突出部１３を下面３２のうち、トランジスタ１やダイオード２に対して放熱板１０の厚み方向に位置する部分に形成することにより、トランジスタ１やダイオード２からの熱を突出部１３を介して冷却器３０に伝達させることができ、良好にトランジスタ１およびダイオード２を冷却することができる。

図８は、図５に示す突出部１３の第２変形例を示す平面図である。この図８に示すように、トランジスタ１およびダイオード２の平面積が、突出部１３の平面積より小さい場合には、突出部１３の先端部がトランジスタ１の下面側に位置するように配置する。一般に、トランジスタ１の発熱量は、ダイオード２の発熱量より大きい。そこで、平面視した際に、突出部１３をダイオード２よりもトランジスタ１側に位置させることで、総発熱量のうち大部分を突出部１３から冷却器３０に直接伝えることができる。

図９は、図１に示された冷却構造１００の第１変形例を示す断面図である。この図９に示されるように、冷却器３０の上面３１に複数の突出部（第２突出部）１１３が形成されており、放熱板１０の下面３２は、平坦面状とされている。そして、各突出部１１３間に位置する上面３１には、溝部１１４が形成されている。このように、冷却器３０に突出部１１３および溝部１１４を設けることで、上記図１に示す冷却構造１００と同様の作用・効果を得ることができる。

さらに、図１０に示すように、突出部１１３の硬度を放熱板１０の硬度よりも高くして、放熱板１０に突出部１１３を食い込み可能としてもよい。

なお、上記図１から図１０においては、たとえば、車両のインバータ内に設けられているトランジスタおよびダイオードの冷却構造について示したが、これに限られず、たとえば、リアクトル、コンバータ、コンデンサ，キャパシタ、燃料電池、バッテリ等の電気機器一般に適用することができる。

たとえば、図１１は、リアクトルＬ１を冷却する冷却構造３００を示す断面図である。この図１１に示されるように、冷却構造３００は、リアクトルＬ１を収容する収容ケース２１０と、この収容ケース２１０内に充填されたポティング材２２０と、このポティング材２２０内に埋め込まれたリアクトル２３０とを備えている。

また、この冷却構造３００は、リアクトルＬ１からの熱を放熱可能な冷却器２１１と、収容ケース２１０と冷却器２１１との間に形成された熱伝達媒体２２１とを備えている。そして、収容ケース２１０の表面のうち、冷却器２１１と対向する部分には、冷却器２１１に向けて突出する突出部２１３が形成されており、突出部２１３間に位置する部分には、凹部２１４が形成されている。

このように構成された冷却構造３００においても、冷却器２１１の上面に収容ケース２１０を装着する際において、突出部２１３が冷却器２１１の上面に達するまで収容ケース２１０を押圧することで、熱伝達媒体２２１の厚みを調整することができる。

さらに、複数の突出部２１３が形成されているので、収容ケース２１０が傾斜した状態で冷却器２１１の上面に装着されることを抑制することができる。

また、凹部２１４が形成されているため、上記図１に示す例と同様の作用・効果を得ることができ、たとえば、収容ケース２１０を冷却器２１１の上面に装着した際に、凹部２１４内に熱伝達媒体２１４を収容することができるので、熱伝達媒体２１４のはみ出しを抑制することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。

本発明は、発熱体の冷却構造、特に、発熱体からの熱を熱伝達媒体を介して冷却器に放熱する冷却構造に好適である。

本実施の形態に係る冷却構造（半導体モジュール）を示す断面図である。 突出部を拡大視した断面図である。 放熱板を冷却器に固定する過程を示す断面図である。 図２に示された突出部と冷却器との接触状態に関する第１変形例を示す断面図である。 図２に示された突出部と冷却器との接触状態に関する第２変形例を示す断面図である。 放熱板の一部を示す下面側からの斜視図である。 図６に示された突出部の第１変形例を示す斜視図である。 図５に示す突出部の第２変形例を示す平面図である。 図１に示された冷却構造の第１変形例を示す断面図である。 図９に示す冷却構造の接触状態に関する変形例である。 リアクトルを冷却する冷却構造を示す断面図である。

符号の説明

１ トランジスタ、２ ダイオード、５，６ 配線パターン、７ 絶縁膜、８ 金属板、９ 半田、１０ 放熱板、１１ 放熱フィン、１２ 羽根部材、１３ 突出部、１４ 溝部、２１ 熱伝達媒体、３０ 冷却器、３１ 上面、３２ 下面、３３ 上面、１００ 冷却構造、１１０ 固定部材。

Claims (9)

1. 発熱体と、
   前記発熱体からの熱を冷却可能な冷却器と、
   第１主表面に前記発熱体が設けられた放熱板と、
   前記放熱板と前記冷却器とを密着固定可能な固定部材と、
   前記冷却器と前記放熱板との間に設けられ、前記放熱板と前記冷却器とが近接することで前記冷却器と前記放熱板との間で変形可能とされ、前記放熱板からの熱を前記冷却器に伝達可能な熱伝達媒体と、
   前記放熱板の表面のうち、前記熱伝達媒体を介して前記冷却器と対向する第２主表面に形成され、前記第２主表面から前記冷却器に向けて突出すると共に、先端部の面積が前記熱伝達媒体の塗布面積より小さい第１突出部または前記冷却器の表面のうち、前記熱伝達媒体を介して前記放熱板と対向する部分に形成され、前記放熱板に向けて突出し、先端部の面積が前記熱伝達媒体の塗布面積より小さい第２突出部の少なくとも一方とを備えた、冷却構造。
2. 前記第１突出部を有し、前記第１突出部は、前記第２主表面から前記冷却器に向かうにしたがって、先細とされた、請求項１に記載の冷却構造。
3. 複数の前記第１突出部を有し、前記第１突出部間に位置する前記第２主表面に形成され、前記第２主表面に対して、前記第１突出部の突出方向と反対方向にへこむ凹部をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の冷却構造。
4. 前記第１突出部を有し、前記第１突出部と前記冷却器との一方を他方の硬度よりも低くして、前記固定部材からの押圧力によって、前記第１突出部と前記冷却器との一方を変形可能とした、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却構造。
5. 前記第１突出部は、前記第２主表面のうち、前記発熱体に対して、前記放熱板の厚み方向に位置する部分に設けられた、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷却構造。
6. 前記第２突出部を有し、前記第２突出部は、前記放熱板に向かうに従って、先細とされた、請求項１に記載の冷却構造。
7. 複数の前記第２突出部を有し、前記第２突出部間に形成され、前記冷却器の表面に対して、前記第２突出部の突出方向と反対方向にへこむ凹部をさらに備える、請求項１または請求項６に記載の冷却構造。
8. 前記第２突出部を有し、前記第２突出部と前記放熱板との一方を他方の硬度よりも低くして、前記固定部材からの押圧力によって、前記第２突出部と前記放熱板との一方を変形可能とした、請求項１、請求項６または請求項７のいずれかに記載の冷却構造。
9. 前記第２突出部は、前記冷却器の表面のうち、前記発熱体に対して前記放熱板の厚み方向に位置する部分に形成された、請求項１、請求項６から請求項８のいずれかに記載の冷却構造。

Images