JP2009141136A - ヒートシンクおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】場所による冷却性能の差を低減したヒートシンクおよび半導体装置を得る。
【解決手段】本発明のヒートシンクは、発熱体１が配設される平面部および当該平面部と反対側の面に配置される複数のフィン１６，１７をそれぞれ有する一対のブロック１８，１９と、一方のフィン１６と他方のフィン１７とが交互に配置されるように一方のブロック１８と他方のブロック１９とが対向して配置されることで一方のブロック１８と他方のブロック１９との間に形成される冷却流路と、一方のフィン１６，１７の先端と他方のブロック１８，１９との間にそれぞれ配設される弾性体６とを備えるものである。
【選択図】図１３

Description

この発明は、半導体デバイスや電子部品などの発熱体を冷却流体で冷却するためのヒートシンクおよびこのヒートシンクを備えた半導体装置に関する。

半導体デバイスや電子部品などの発熱体を冷却流体で冷却するヒートシンクにおいては、放熱面積を増加するために、櫛歯状のフィンを２個相補的に組み合わせて、対向するよう構成するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、フィン基板に固着された複数枚の平板状のフィン間に、複数の柱状部材が挿入されたヒートシンクもある（例えば、特許文献２参照）。さらに、複数の歯を有する同一形状の２個の櫛形押出形材を対向するように配置し、歯と歯との間にコルゲートフィンを配設したものもある（例えば、特許文献３参照）

実願平１−１６５３２号のマイクロフィルム（第１頁、図１） 特開平１０−１９０２６８号公報（第１頁、図１） 特開平１１−２０４７０１号公報（第１頁、図１）

このような従来のヒートシンクにあっては、放熱面積を増加して冷却性能を向上するために、一方のフィンとフィンとの間に溝部を形成し、当該溝部に他方のフィンの先端を他方の溝部に嵌合等の方法で挿入し、連結させてヒートシンクを構成している。しかしながら、熱間の押出成形で製造されるフィンは、製造時の摩擦力のばらつきや冷却速度の違いにより残留応力が生じ、フィン先端から根元までの長さや溝部の深さに±０．１ｍｍ程度の寸法公差が現れる。このような寸法公差を持ったフィンと溝部とを嵌合するため、フィン先端と嵌合される溝部の底面では、フィン先端と密着する部分と密着しない部分とが現れる。フィン先端と密着する部分は、フィンに熱を伝導できるが、フィン先端と密着しない部分は、フィンに熱を伝導できない。そのため、フィン先端と密着しない部分では、放熱面積が設計値より小さくなることから、場所によって冷却性能が大きく異なるという問題があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、場所による冷却性能の差を低減したヒートシンクおよび半導体装置を提供することを目的としている。

この発明に係るヒートシンクは、発熱体が配設される平面部および当該平面部と反対側の面に配置される複数のフィンをそれぞれ有する一対のブロックと、一方のフィンと他方のフィンとが交互に配置されるように一方のブロックと他方のブロックとが対向して配置されることで一方のブロックと他方のブロックとの間に形成される冷却流路と、一方のフィンの先端と他方のブロックとの間にそれぞれ配設される弾性体とを備えるものである。

また、この発明に係るヒートシンクは、発熱体が配設される平面部および当該平面部と反対側の面に配置される複数のフィンを有するブロックと、ブロックのフィンに対向して配設されるケーシングと、ブロックとケーシングとの間に形成される冷却流路と、フィンの先端とケーシングとの間に配設される弾性体とを備えるものである。

さらに、この発明に係るヒートシンクは、発熱体が配設される平面部を有するブロックと、ブロックの平面部と反対側の面に対向して配設されるケーシングと、ブロックとケーシングとの間に形成される冷却流路と、ブロックとケーシングとの間に配設される弾性体とを備えるものである。

この発明に係る半導体装置は、上記ヒートシンクと、発熱体である半導体素子とを備えるものである。

この発明に係るヒートシンクおよび半導体装置よれば、場所による冷却性能の差を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるヒートシンクの構成を模式的に示す図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

図１に示すように、ヒートシンクは、一方の面に発熱体１が配設される平面部を有する平板状のブロック２と、平板状の底板の両端に側壁を有した凹状であって、凹面がブロック２の他方の面（発熱体１と反対側の面）に対向して配置されたケーシング３と、ブロック２およびケーシング３の間に形成される流路５とを有する。ブロック２およびケーシング３はアルミや銅などの熱伝導率の高い金属で製造されている。発熱体１は、半導体デバイスや電子部品などで構成され、流路５に流れる冷却流体４によって冷却される。冷却流体４としては、空気、水、エチレングリコール混合水等が用いられる。また、ブロック２とケーシング３との間に形成される流路５には、弾性体であるコイルバネ６が複数配置され、コイルバネ６は、ブロック２およびケーシング３の押し付け力によって変形される。コイルバネ６は、素線の巻回転軸２５方向から観察すると楕円状であり、素線の巻回転軸２５方向と冷却流体４の流れ方向とが平行となるように配置され、コイルバネ６の内部も冷却流体４が流れる流路となる。ただし、冷却流体４の圧力損失が増加してもよい場合には、素線の巻回転軸２５方向と冷却流体４の流れ方向とが直角となるようにコイルバネ６を配置してもよい。

発熱体１で発生した熱は、ブロック２に伝わり、冷却流体４へ放熱される。ブロックとケーシングとの間にコイルバネを配置しない場合には、ブロックからのみ冷却流体へ放熱されるため、放熱面積が小さく、十分な放熱量を得ることができない。この発明の実施の形態１に示すヒートシンクのように、ブロック２とケーシング３との間にコイルバネ６を配置する場合には、コイルバネ６とブロック２とを大きな圧力で接触させると、ブロック２の熱がコイルバネ６を介してケーシング３に伝わり、放熱面積が拡大され、冷却流体４への放熱量を大幅に増加させることができる。

図２は、この発明の実施の形態１によるヒートシンクの弾性体の一例であるコイルバネの側面図である。
コイルバネは、ジルコニウム銅やベリリム銅などの熱伝導率の高い銅合金の素線を、その巻回転軸２５方向に対して９０度以内の角度（α）に傾斜させて螺旋状に巻回し、一体の帯状に形成されるものである。巻回転軸２５に対して９０度以内の角度に傾斜させて螺旋状に巻回されているので、巻回転軸２５に垂直な断面は楕円形状になり、短軸方向７にバネ弾性を持つ特性を有する。さらに、短軸方向７のバネ定数が小さいという特性も有するため、ブロック２から対向するケーシング３の表面までの距離にばらつきがある場合でも、そのばらつきに対して鈍感となり、コイルバネ６とブロック２との接触荷重に大きな差が生じず、ブロック２からコイルバネ６へ安定した伝熱量を得ることができる。

図３は、この発明の実施の形態１によるヒートシンクのブロックとコイルバネとの接触部の拡大図である。
コイルバネ６とブロック２の接触面積（接触点数）を増加させると、ブロック２からコイルバネ６へ伝わる熱量を大きくできるため、できるだけブロック２とコイルバネ６との接触面積を増加できる形状がよい。ブロック２が平面の場合、コイルバネ６の短軸方向７の端部の１点でブロック２とコイルバネ６とが接触する。所望する放熱量が小さい場合は、ブロック２が平面でもよい。所望する放熱量が大きい場合は、接触面積を増加させるため、図３に示すように、ブロック２のコイルバネ６と接触する面にコイルバネ６の巻回転軸２５方向に垂直な面での断面形状が台形状の溝８ａを形成する。コイルバネ６の巻回転軸２５方向に垂直な面での断面形状が左右対称であるため、台形状の溝８ａも左右対称とした方がよい。台形状の溝８ａにおいて、コイルバネ６側を底辺とし、ブロック２側を上辺とした場合、底辺の長さは、コイルバネ６の巻回転軸２５方向に直角な断面の長軸方向長さ以上とすればよい。台形状の溝８ａの左右側面９とコイルバネ６の外周とが接触し、ブロック２に溝８ａを設けない場合より接触面積を約２倍に増加させることができる。ここでは、ブロック２に溝８ａを設けた場合について説明したが、図３に示すように、ケーシング３のコイルバネ６と接触する面にブロック２に設けた溝８ａと同様の溝８ｂを設けてもよい。ケーシング３に溝８ｂを設けない場合より接触面積を約２倍に増加させることができ、コイルバネ６からケーシング３により多くの熱が伝導し、放熱量を増加させることができる。ケーシング３の材質がアルミや銅などの熱伝導率の大きい金属の場合には、特に放熱量を増加させることができる。

台形状の溝８ａ，８ｂの底辺の長さを一定として、台形状の溝８ａ，８ｂの側面９の延長線の交点に形成される内角（β）を大きくするほど、ブロック２またはケーシング３の表面からコイルバネ６の巻回転軸２５までの距離が大きくなる。台形状の溝８ａ，８ｂの内部に位置するコイルバネ６の一部での放熱量が無視できるほど小さいときは、ブロック２またはケーシング３の表面からコイルバネ６の巻回転軸２５までの距離が大きいほど、コイルバネ６による放熱面積の拡大効果は大きくなる。ただし、ブロック２からケーシング３への伝熱量を大きくする場合には、反対に、ブロック２の表面からコイルバネ６の巻回転軸２５までの距離が小さいほどよい。よって、台形状の溝８ａ，８ｂの底辺の長さや内角（β）は、要求される放熱性能によって変更する必要がある。ケーシング３の材質が熱伝導率の大きなアルミや銅など金属の場合には、ケーシング３からの放熱量も大きくなる。一方、ケーシング３の材質が熱伝導率の小さいＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂）などの樹脂の場合には、ケーシング３からの放熱量が非常に小さいため、コイルバネ６の放熱量を増加させた方がよい。

また、コイルバネ６の材質よりも低硬度な材質の皮膜をコイルバネ６表面に形成させると、コイルバネ６の押し付け力により皮膜が、台形状の溝８やケーシング３の接触点の表面の凹凸を覆うように塑性変形し、接触面積を増加させることができる。皮膜の材質は、銀、錫、インジウムなどがよい。

図４および図５は、この発明の実施の形態１によるヒートシンクのブロックとコイルバネとの接触部の他の例を示す拡大図である。
図３では、ブロック２またはケーシング３に形成される溝８ａ，８ｂのコイルバネ６の巻回転軸２５方向に垂直な面における断面形状を台形として説明した。図４および図５に示すように、コイルバネ６の巻回転軸２５方向に垂直な面での断面形状が三角形状や楕円形状でもよい。図４に示す溝８ａ，８ｂが三角形状の場合では、台形状の溝８ａ，８ｂと同様に左右２箇所の側面９でコイルバネ６とブロック２とが接触し、接触面積を拡大できる。また、図５に示す溝８ａ，８ｂが楕円形状の場合では、溝８ａ，８ｂは、コイルバネ６の曲率半径以上であって、コイルバネ６の曲率半径に近い曲率半径を持っていればよい。溝８ａ，８ｂは、コイルバネ６の短軸方向７の頂部で接触し、接触点は１点となるが、コイルバネ６の曲率半径以上でその曲率半径に近い曲率半径を持っているので、接触する一点の面積が増加し、接触面積を拡大することができる。

この発明の実施の形態１に示すヒートシンクにおいては、ブロック２の外周側に発熱体１を配設する平面部を有するとしたが、ケーシング３の外周側にもブロック２と同様に発熱体１を配設する平面部を有してもよい。ケーシング３側の両側に発熱体１を取り付けても、コイルバネ６によって放熱面積を拡大できるため、十分に放熱することができる。

以上のように、この実施の形態１によるヒートシンクにおいては、ブロック２とケーシング３との間の流路５に弾性体であるコイルバネ６を設けることによって、フィンを設けることなく放熱面積を拡大することができ、冷却性能を向上することができる。また、うねりや取り付けのばらつきによってブロック２から対向するケーシング３までの間隔に違いがある場合でも、短軸方向７の変位に対して荷重の変化が小さいコイルバネ６によってその間隔の違いによる接触状態の違いを解消して連結することができ、場所による冷却性能の差を低減することができる。さらに、ブロック２またはケーシング３に溝８ａ，８ｂを設けることにより、ブロック２またはケーシング３とコイルバネ６との接触面積を拡大でき、ブロック２からコイルバネ６およびケーシング３に発熱体１で発生する熱をより多く伝導することができ、放熱面積を拡大できる。また、ブロック２またはケーシング３に溝８ａ，８ｂを設けることにより、コイルバネ６の位置が固定され、ケーシング３とブロック２との取り付けの際に、コイルバネ６が移動することがなく、場所による冷却性能の差をさらに低減することができる。

特に、発熱体１である半導体素子が小さいインバータまたはコンバータなどにおいては、熱伝導による熱の拡大範囲が狭いため、半導体素子直下の冷却性能が十分でないと、半導体素子を設計どおりに冷却できない場合がある。しかしながら、この発明の実施の形態１によるヒートシンクを用いることによって、場所による冷却性能の差を低減することができるので、半導体素子を設計どおりに冷却することが可能となる。

なお、この実施の形態１によるヒートシンクにおいては、ブロック２とケーシング３との間の流路５にコイルバネ６を複数設けた場合について示したがコイルバネは１個でもよい。コイルバネ６を複数設けた方が場所による冷却性能の差を低減することができるとともに、接触面積を拡大でき、ブロック２からコイルバネ６およびケーシング３に発熱体１で発生する熱をより多く伝導することができ、放熱面積を拡大できる。

実施の形態２
図６は、この発明の実施の形態２によるヒートシンクのコイルバネの巻回転軸方向に平行な断面での断面図である。
図６に示すように、この発明の実施の形態２に示すヒートシンクは、ブロック２およびケーシング３の平面状の内壁に、コイルバネ６の素線の巻き方向と平行な方向に第二の溝１１がコイルバネ６の素線ごとに設けられている点が実施の形態１に示すヒートシンクと異なっており、その他の構成および機能は、実施の形態１に示すヒートシンクと同様である。

図７は、この発明の実施の形態２によるヒートシンクにおけるコイルバネの１本の素線とブロックとの接触部分における断面の拡大図である。
図７に示す断面は、コイルバネ６の巻回転軸２５方向と平行な面である。図７に示すように、ブロック２のコイルバネ６の素線ごとに設けられた第二の溝１１の形状を、コイルバネ６の素線１２の曲率半径Ｒｓ以上の曲率半径Ｒｇを有する凹状の曲面とする。第二の溝１１の曲率半径Ｒｇを、コイルバネ６の素線１２の曲率半径Ｒｓよりも大きくすれば、コイルバネ６の素線１２とブロック２に設けられた第二の溝１１との接触部において、接触点は１箇所であるが、接触面積が増加する。また、第二の溝１１の曲率半径Ｒｇとコイルバネ６の素線１２の曲率半径Ｒｓとの差が小さいほど、大きな接触面積を得ることができる。

また、図６に示すように、ケーシング３の冷却流体４側の面にも、コイルバネ６の素線１２の巻き方向と平行な方向に延在する第二の溝１１を形成し、この第二の溝１１をコイルバネ６の素線１２の曲率半径Ｒｓ以上の曲率半径を有する凹状の曲面とすればよい。コイルバネ６の素線１２とケーシング３に設けられた第二の溝との接触部において、接触点は１箇所であるが、接触面積が増加する。したがって、コイルバネ６とブロック２との接触部、コイルバネ６とケーシング３との接触部の接触面積の増加によって、ブロック２からコイルバネ６およびケーシング３により多くの熱量を伝導でき、コイルバネ６およびケーシング３での冷却流体４への放熱量を増加させることができる。

また、ブロック２またはケーシング３のコイルバネ６の素線１２の巻き方向と平行な方向に延在する第二の溝１１をコイルバネ６の素線１２の曲率半径Ｒｓより大きな曲率半径Ｒｇを持った凹状の曲面とすることで、コイルバネ６が安定した位置に保持される。そのため、コイルバネ６の押し付け圧力が安定すると共に、接触面積や接触位置の数にばらつきを生じず、場所によって冷却性能のばらつきのない、安定した冷却性能を持つヒートシンクを得ることができる。

この実施の形態２においては、ブロック２またはケーシング３の内壁が平面状の場合について説明した。実施の形態１で説明したコイルバネ６の軸方向に延在する台形状や三角形状や楕円形状の第一の溝８ａ，８ｂを有するブロック２またはケーシング３の場合には、図８に点線で示すように第一の溝８ａ，８ｂの側面に、コイルバネ６の素線１２の巻き方向に平行で、コイルバネ６の素線１２の曲率半径以上の曲率半径を有する凹状の曲面（第二の溝１１の巻き方向の形状を、コイルバネ６の外周の形状と略同一な形状とする）を持った第二の溝１１を設ければよい。第一の溝８ａ，８ｂの側面に第二の溝１１を設けることによって、接触面積をより大きくでき、ブロック２からコイルバネ６およびケーシング３により多くの熱量を伝導でき、コイルバネ６およびケーシング３での冷却流体４への放熱量を増加させることができる。

この実施の形態２においては、第一の溝８ａ，８ｂの側面に形成される第二の溝１１の形状を曲面とした場合について説明したが、図９、図１０に示すように、第二の溝１１の形状を台形形状または三角形状としてもよい。第二の溝１１の形状を台形形状または三角形状とすることによって、コイルバネ６の素線１２と第二の溝１１の接触点数が増加し、ブロック２またはケーシング３とコイルバネ６との接触面積を拡大することができる。そのため、ブロック２からコイルバネ６およびケーシング３により多くの熱量を伝導でき、コイルバネ６およびケーシング３での冷却流体４への放熱量を増加させることができる。さらに、うねりや取り付けのばらつきによってブロック２から対向するケーシング３までの間隔に違いがある場合でも、短軸方向７の変位に対して荷重の変化が小さいコイルバネ６によってその間隔の違いによる接触状態の違いを解消して連結することができ、場所による冷却性能の差を低減することができる。

実施の形態３
図１１は、この発明の実施の形態３によるヒートシンクを示す図である。図１１（ａ）は、この発明の実施の形態３によるヒートシンクの構成を模式的に示す図であり、図１１（ｂ）は、この発明の実施の形態３によるヒートシンクの弓形フィンの断面の拡大図である。

図１１に示すように、この発明の実施の形態３によるヒートシンクでは、ブロック２とケーシング３との間に設けられた弾性体は、平板が円弧状に湾曲した弓形フィン１５である点が実施の形態１と異なっている。その他の構成および機能は、実施の形態１に示すヒートシンクと同様である。

ケーシング３の一部は、主板１４上に薄い平板が円弧状に湾曲した弓形フィン１５が複数並んだ冷却構造体１３で構成されており、弓形フィン１５の一端は主板１４と一体に形成されており、他端は発熱体１の取り付けられるブロック２に接触している。ブロック２のケーシング３に対する押し付け力によって、弓形フィン１５が変形し、弓形フィン１５の一端がブロック２に押し付けられ、発熱体１の熱が弓形フィン１５および主板１４に伝導する。弓形フィン１５と弓形フィン１５との間に形成される空間が流路５となり、冷却流体４が流れ、弓形フィン１５および主板１４に伝導した熱が冷却流体４に放熱される。

弓形フィン１５および主板１４を有する冷却構造体１３は、アルミや銅などの熱伝導性の高い金属であり、弓形フィン１５の厚みは、弾性を維持できる０．１ｍｍ以下である。０．１ｍｍ以下の弓形フィン１５を複数並べると、主板１４に向かう方向の荷重に対し弾性を持ち、荷重に対し、反作用の力を発生する。この反作用の力で弓形フィン１５の一端をブロック２に押し付けることができる。さらに、荷重の負荷によって、弓形フィン１５の中心付近の空間は維持されつつ、隣り合う弓形フィン１５の先端と先端とは密着するように変形するため、多数の弓形フィン１５が密着した弓形フィン１５の先端付近の熱抵抗は著しく小さくなり、冷却流体４の圧力損失は、それほど増加しない。また、弓形フィン１５は非常に薄いため、長手方向に荷重方向の変形量を変えることができ、ブロック２にうねりがあっても、弓形フィン１５先端をブロック２の全面に接触させることができる。

弓形フィン１５および主板１４を有する冷却構造体１３は、刃物の付いた圧延ローラよって製造される。材料となる板を圧延ローラに通し、板の表面を刃物によって切り起こしていく。一つの刃で一枚のフィンを切り起こすと図１１（ｂ）の弓形フィン１５を形成できる。また、刃物の先端のみを二股にすることで、先端のみ二つに分かれた二股の弓形フィン１５を形成できる。二股とすれば、弓形フィン１５の先端とブロック２との接触点数が増加するとともに、弓形フィン１５の先端のみがより薄くなるためより変形しやすくなり、ブロック２と弓形フィン１５の先端との接触面積をより拡大でき、ブロック２からの熱を弓形フィン１５に良好に伝導することができる。さらに、刃物先端の曲率を変更することで、図１２（ａ）または図１２（ｂ）のように弓形フィン１５の先端を中心付近の曲率とは反対の曲率を持つように形成できる。このような形状にすることで、隣り合う弓形フィン１５先端と弓形フィン１５先端との干渉がなくなり、弓形フィン１５先端を確実にブロック２に接触することができ、接触点数が増加し、ブロック２からの熱を弓形フィン１５に良好に伝導することができる。その結果、多数並んだ弓形フィン１５および主板１４から冷却流体４に放熱され、発熱体１を十分に冷却できるようになる。

以上より、この実施の形態３によるヒートシンクにおいては、ブロック２とケーシング３との間の流路５に弾性体である弓形フィン１５を設け、弓形フィン１５の先端を発熱体１の取り付けられたブロック２に押し付けることで、発熱体１の熱を冷却構造体１３に十分伝導できるようになる。冷却構造体１３は、多数の弓形フィン１５で構成されているため、放熱面積が著しく大きく、伝導した熱を冷却流体４に良好に放熱することができ、発熱体１を十分に冷却することができる。さらに、うねりや取り付けのばらつきによってブロック２から対向するケーシング３までの間隔に違いがある場合でも、フィンの長手方向に先端の変形量を変えることができる弓形フィン１５によって、その間隔の違いによる接触状態の違いを解消して連結することができ、場所によって冷却性能の差を低減することができる。

なお、この実施の形態３においては、ケーシング３の一部を冷却構造体１３とした。ブロック２の一部を冷却構造体１３としてもよい。

実施の形態４
図１３は、この発明の実施の形態４によるヒートシンクを示す断面図である。
図１３に示すように、この発明の実施の形態４によるヒートシンクは、第１ブロック１８と、第２ブロック１９と、第１ブロック１８および第２ブロック１９の間に形成される流路５とを備える。第１ブロック１８は、発熱体１が配設される平面部を有し、当該平面部と反対側の面に複数のフィン１６が配設され、櫛歯状となっている。第２ブロック１９も、第１ブロック１８と同様に、発熱体１が配設される平面部を有し、当該平面部と反対側の面に複数のフィン１７が配設され、櫛歯状となっている。これら第１ブロック１８と第２ブロック１９とは、相互に対向し、第１ブロック１８のフィン１６と第２のブロック１９のフィン１７とが交互に位置するよう配設されている。冷却流体４を流すため、フィン１６とフィン１７との間には空間が形成されている。冷却流体４の流れの方向は、紙面に垂直方向である。

対向する第２ブロック１９のフィン１７の先端２１と第１ブロック１８のフィン１６の底部２０の間、および第１ブロック１８のフィン１６の先端２２と第２ブロック１９のフィン１７の底部２３の間には、空間が設けられており、この空間に弾性体であるコイルバネ６が配置されている。フィン１６の先端２２とフィン１７の底部２３、およびフィン１７の先端２３とフィン１６の底部２０は、それぞれコイルバネ６を介し連結されており、それぞれ温度の高いフィン１６の底部２０およびフィン１７の底部２３から、温度の低いフィン１６の先端２２およびフィン１７の先端２１に熱を伝導し、放熱面積を増加することができる。中空であるコイルバネ６の内部にも冷却流体４が流れるので、コイルバネ６から冷却流体４に放熱され、コイルバネ６がフィンとしての効果も持つ。コイルバネ６が変形することによって、フィン１６，１７の底部２０，２３から先端２２，２１における間隔のばらつきを解消でき、かつ高い冷却性能を得ることができる。

以上のように、この実施の形態４によるヒートシンクにおいては、フィンの先端とブロック（フィンの底部）との間に空間があり、この各空間に弾性体であるコイルバネ６を配置することによって、放熱面積を拡大でき、高い冷却性能を得られると共に、フィンの底部から先端までの長さのばらつきによる冷却性能の場所による差を低減でき、安定した冷却性能を得ることができる。

また、第１ブロック１８と第２ブロック１９とは、押出成形で製造できる形状であり、同一形状にできるため、金型費や単価を抑え、ヒートシンクの製造コストを下げることができる。さらに、図１３に示すように、両端部に第１ブロック１８と第２ブロック１９とが咬合する段差部３１，３２を設けることでシール性や位置決め精度を向上することができる。

さらに、フィン１６，１７の先端２２，２１および底部２０，２３に、実施の形態１と同様に、フィンが延在する方向に第一の溝を設けてもよい。また、フィン１６，１７の先端２２，２１および底部２０，２３に、実施の形態２と同様に、コイルバネ６の素線の巻き方向と平行な方向に延在する第二の溝を設けてもよい。第一の溝または第二の溝にコイルバネ６を配置し、第１ブロック１８と第２ブロック１９とを連結することによって、フィン１６，１７の先端２２，２１または底部２０，２３とコイルバネ６との接触点数が増加し、接触面積を拡大することができ、冷却流体４への放熱量を増加させることができる。また、コイルバネ６が安定した位置に保持されるため、コイルバネ６の押し付け圧力が安定すると共に、接触面積や接触位置の数にばらつきを生じず、冷却性能の場所による差を低減でき、安定した冷却性能を持つヒートシンクを得ることができる。

発熱体１である半導体素子が小さいインバータまたはコンバータなどの場合や冷却流体として水やエチレングリコール混合水を使用する場合は、熱があまり拡大しない。そのため、図１４に示すように、フィンの幅よりも大きな幅を有し、第１ブロック１８と第２ブロック１９とが咬合して位置決めをする段差部３３，３４を発熱体１の直下に設けた方がよい。半導体素子などの発熱体１は、過渡的な負荷の増加によって、数秒程度の短時間に限って過大に発熱することがあり、発熱体１直下の熱容量が大きい方が、発熱体１の温度上昇を抑制することができる。

上記においては、第１ブロック１８と第２ブロック１９が櫛歯状で、第１ブロック１８のフィン１６と第２ブロック１９のフィン１７とを交互に配置する場合について説明した。第１ブロックまたは第２ブロックのどちらか一方がフィンを有する櫛歯状のブロックで、他方がフィンを有さないケーシングであって、ケーシングとフィンとの間にコイルバネ６を配置する構成でもよい。放熱面積を拡大により高い冷却性能を得られると共に、フィンの底面から先端までの長さのばらつきによって生じる冷却性能の場所による差を低減でき、安定した冷却性能を得ることができる。なお、この場合も、発熱体１は、ブロックおよびケーシングの両方に配置されてもよいし、どちらか一方に配置されてもよい。

実施の形態５
図１５は、この発明の実施の形態５によるヒートシンクのフィンの先端付近の断面の拡大図である。
実施の形態４によるヒートシンクでは、フィンの先端と底部との間に配設される弾性体をコイルバネとした。この実施の形態５によるヒートシンクにおいては、弾性体が平板を波状に湾曲させた波状板２４である点で実施の形態４と異なっている。その他の構成は、実施の形態４に示すヒートシンクと同様である。なお、図１５は、第１ブロック１８のフィン１６先端付近の断面を示しているが、第２ブロック１９のフィン１７先端付近も同様の構造となっている。

フィン１６の先端２２およびフィン１７の底部２３には、波状板２４に対応した凹凸を有する溝３５が形成されている。溝３５は、波状板２４の曲面の曲率半径より大きい曲率半径を有する凹状の曲面が、波状板２４の曲面の数だけフィン１６の幅方向に並んだ形状としている。波状板２４に曲面の法線方向からフィン１６の先端２２およびフィン１７の底部２３によって荷重が付加されると、波状板２４は波長を拡大する方向に広げられ、弾性変形範囲内において、元の形状に戻るためフィン１６の先端２２およびフィン１７の底部２３に圧力が作用する。このような構成とすることで、フィン１６の先端２２およびフィン１７の底部２３と波状板２４の接触部とにおいて、接触点が１箇所であるが、接触面積が増加する。したがって、波状板２４において、フィン１７の底部２３からフィン１６により多くの熱量を伝導でき、フィン１６およびフィン１７での冷却流体４への放熱量を増加させることができるとともに、波状板２４の間隙を流れる冷却流体４へ波状板２４からの放熱量も増加させることができる。ここで、板状板２４の材質は、銅やアルミなどの熱伝導率の高い金属がよい。

ただし、弾性体をコイルバネとした場合は、バネ乗数が小さく、コイルバネの短軸方向の変位が異なっても、コイルバネがフィンの先端や底部に押し付ける力に大きな差を生じず、フィンの底部から先端までの長さのばらつきによる冷却性能のばらつきを小さくできていた。しかしながら、板状板２４では、フィンの先端から底部方向の弾性変形量が小さく、バネ乗数がコイルバネよりも大きいため、フィンの底部から先端までの長さのばらつきが小さいときのみ、冷却性能のばらつきを抑制することができる。

以上のように、この実施の形態５によるヒートシンクにおいては、フィンの先端と底部に空間があり、この各空間に弾性体である波状板２４を配置することによって、放熱面積を拡大でき、高い冷却性能を得られると共に、フィンの底面から先端までの長さのばらつきによる冷却性能の場所による差を低減でき、安定した冷却性能を得ることができる。

上記においては、第１ブロック１８と第２ブロック１９が櫛歯状で、第１ブロック１８のフィン１６と第２ブロック１９のフィン１７とを交互に配置する場合について説明した。第１ブロックまたは第２ブロックのどちらか一方がフィンを有する櫛歯状のブロックで、他方がフィンを有さないケーシングであって、ケーシングとフィンとの間に波状板２４を配置する構成でもよい。放熱面積を拡大により高い冷却性能を得られると共に、フィンの底面から先端までの長さのばらつきによって生じる冷却性能の場所による差を低減でき、安定した冷却性能を得ることができる。なお、この場合も、発熱体１は、ブロックおよびケーシングの両方に配置されてもよいし、どちらか一方に配置されてもよい。

なお、この実施の形態５によるヒートシンクにおいては、フィン１６の先端２１およびフィン１７の底部２３に、波状板２４に対応した凹凸を有する溝３５を設けた場合について示したが、溝を設けなくてもよい。

実施の形態６
図１６は、この発明の実施の形態６によるヒートシンクのフィンの先端付近の断面の拡大図である。
実施の形態４においては、フィンの先端とブロック（フィンの底部）との間に配設される弾性体はコイルバネであった。この実施の形態６においては、弾性体は、実施の形態３で述べた、一端が主板１４に連結し、他端が開放された円弧状の弓形フィン１５が複数並んで構成された冷却構造体１３である点が実施の形態４と異なっている。その他の構成は、実施の形態４に示すヒートシンクと同様である。

複数並んだ弓形フィンと弓形フィンとの間には、冷却流体４が流れることができる空間が存在する。フィン１６，１７の先端２２，２１および底部２０，２３の形状は、平面である。弓形フィンの開放された一端をフィン１６，１７の先端２２，２１または底面２０，２３に接するよう配置する。円弧状の弓形フィンに円の中心方向にフィン１６，１７の先端２２，２１または底部２０，２３によって荷重が付加されると、円弧状の弓形フィンは一端の円の中心付近に近づき楕円弧状になり、弾性変形範囲内において、元の形状に戻るためフィン１６，１７の先端２２，２１または底部２０，２３に圧力を作用する。このような構成とすることで、フィン１６，１７の先端２２，２１または底部２０，２３と円弧状の弓形フィンの先端が接触し、接触面積が増加する。したがって、円弧状の弓形フィンを有した冷却構造体１３は、コイルバネ６よりも熱伝導する面積が大きいため、ブロック１８，１９からフィン１６，１７により多くの熱量を伝導でき、フィン１６，１７での冷却流体４への放熱量を増加させることができるとともに、冷却構造体１３の内部を流れる冷却流体４へ冷却構造体１３からの放熱量も増加させることができる。ここで、冷却構造体１３の材質は、銅やアルミなどの熱伝導率の高い金属がよい。

さらに、櫛歯状のブロック１８，１９のフィン１６，１７の先端部に、直接、円弧状の弓形フィンを複数設けると、弓形フィンを設けた冷却構造体１３の主板と櫛歯状のブロック１８，１９との間に熱抵抗がなくなり、第１ブロック１８から第２ブロック１９まで、または第２ブロック１９から第１ブロック１８までより熱を伝導することができるようになる。櫛歯状のブロック１８，１９のフィン１６，１７の先端部に形成される複数の円弧状の弓形フィンは、押し出し成形によって製造された櫛歯状のブロック１９を図１７のようにフィン１７の先端が突出するジグ２６に挿入し、刃物の付いた圧延ローラでフィン１７先端のみを切り起こしてフィンを形成させる。

以上のように、この実施の形態６のヒートシンクにおいては、フィンの先端と底部に空間があり、その各空間に弾性体である一端が主板と連結し他端が開放された円弧状の弓形フィンを複数配置することによって、放熱面積を拡大でき、高い冷却性能を得られると共に、フィンの底面から先端までの長さのばらつきによって生じる冷却性能の場所による差を低減でき、安定した冷却性能を得ることができる。

上記においては、第１ブロック１８と第２ブロック１９が櫛歯状で、第１ブロック１８のフィン１６と第２ブロック１９のフィン１７とを交互に配置する場合について説明した。第１ブロックまたは第２ブロックのどちらか一方がフィンを有する櫛歯状のブロックで、他方がフィンを有さないケーシングであって、ケーシングとフィンとの間に弓形フィンを有する冷却構造体１３を配置する構成でもよい。放熱面積を拡大により高い冷却性能を得られると共に、フィンの底面から先端までの長さのばらつきによって生じる冷却性能の場所による差を低減でき、安定した冷却性能を得ることができる。なお、この場合も、発熱体１は、ブロックおよびケーシングの両方に配置されてもよいし、どちらか一方に配置されてもよい。

この発明の実施の形態１によるヒートシンクの構成を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１によるヒートシンクのコイルバネの巻回転軸方向に平行な断面での断面図である。 この発明の実施の形態１によるヒートシンクのブロックとコイルバネとの接触部の拡大図である。 この発明の実施の形態１によるヒートシンクのブロックとコイルバネとの接触部の他の例を示す拡大図である。 この発明の実施の形態１によるヒートシンクのブロックとコイルバネとの接触部の他の例を示す拡大図である。 この発明の実施の形態２によるヒートシンクのコイルバネの巻回転軸方向に平行な断面での断面図である。 この発明の実施の形態２によるヒートシンクにおけるコイルバネの１本の素線とブロックとの接触部分における断面の拡大図である。 この発明の実施の形態２によるヒートシンクのブロックとコイルバネとの接触部の他の例を示す拡大図である。 この発明の実施の形態２によるヒートシンクにおけるコイルバネの１本の素線とブロックとの接触部分の他の例を示す断面の拡大図である。 この発明の実施の形態２によるヒートシンクにおけるコイルバネの１本の素線とブロックとの接触部分の他の例を示す断面の拡大図である。 この発明の実施の形態３によるヒートシンクの構成を模式的に示す図および弓形フィンの断面の拡大図である。 この発明の実施の形態３によるヒートシンクの弓形フィンの他の例を示すフィン先端の拡大図である。 この発明の実施の形態４によるヒートシンクを示す断面図である。 この発明の実施の形態４によるヒートシンクの他の例を示す断面図である。 この発明の実施の形態５によるヒートシンクのフィン先端付近の断面の拡大図である。 この発明の実施の形態６によるヒートシンクのフィン先端付近の断面の拡大図である。 この発明の実施の形態６によるヒートシンクのフィンの先端に弓形フィンを形成する際の模式図である。

符号の説明

１ 発熱体、２ ブロック、３ ケーシング、４ 冷却流体、５ 流路、６ コイルバネ、７ コイルバネの短軸方向、８ａ，８ｂ 溝、９ 溝の左右側面、１１ 第二の溝、１２ 素線、１３ 冷却構造体、１４ 主板、１５ 弓形フィン、１６，１７ フィン、１８ 第１ブロック、１９ 第２ブロック、２０，２３ フィンの底部、２１，２２ フィンの先端、２５ 巻回転軸、２６ ジグ、３１，３２ 段差部、３３，３４ 段差部、３５ 溝。

Claims (13)

1. 発熱体が配設される平面部および当該平面部と反対側の面に配置される複数のフィンをそれぞれ有する一対のブロックと、
   一方のフィンと他方のフィンとが交互に配置されるように一方のブロックと他方のブロックとが対向して配置されることで前記一方のブロックと前記他方のブロックとの間に形成される冷却流路と、
   前記一方のフィンの先端と前記他方のブロックとの間にそれぞれ配設される弾性体とを備えることを特徴とするヒートシンク。
2. 発熱体が配設される平面部および当該平面部と反対側の面に配置される複数のフィンを有するブロックと、
   前記ブロックの前記フィンに対向して配設されるケーシングと、
   前記ブロックと前記ケーシングとの間に形成される冷却流路と、
   前記フィンの先端と前記ケーシングとの間に配設される弾性体とを備えることを特徴とするヒートシンク。
3. 発熱体が配設される平面部を有するブロックと、
   前記ブロックの前記平面部と反対側の面に対向して配設されるケーシングと、
   前記ブロックと前記ケーシングとの間に形成される冷却流路と、
   前記ブロックと前記ケーシングとの間に配設される弾性体とを備えることを特徴とするヒートシンク。
4. 前記弾性体は、コイルバネであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記弾性体は、平板が円弧状に湾曲した弓形フィンであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記ブロックに前記弾性体が配設される溝を備えたことを特徴とする請求項１または３に記載のヒートシンク。
7. 前記フィンの先端に前記弾性体が配設される溝を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
8. 前記ケーシングに前記弾性体が配設される溝を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載のヒートシンク。
9. 前記弾性体は、コイルバネであり、
   前記溝は、台形状であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
10. 前記弾性体は、コイルバネであり、
    前記溝は、楕円形状であって前記コイルバネの曲率半径よりも大きい曲率半径を有することを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
11. 前記弾性体は、コイルバネであり、
    前記溝は、前記コイルバネの素線ごとに設けられていることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のヒートシンク。
12. 前記一対のブロックは、同一の形状であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
13. 請求項１から１２に記載のヒートシンクと、
    発熱体である半導体素子とを備えることを特徴とする半導体装置。

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