JP2009277699A - Heat sink, heat sink assembly, semiconductor module, and semiconductor device with cooling device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat sink that is used for a heat generating semiconductor element to keep its temperature low, and makes a cooling means small in volume and inexpensive, to keep the reliability high. <P>SOLUTION: The heat sink 1 has may heat radiating fins 1B constituted on a base 1A to a thin thickness and a narrow pitch of sub-millimeter order, and is set to 60 mm or shorter, in a direction along a flow of air of a fan, the heat radiating fins is set to 40 mm or shorter. A plurality of heat sinks 1 similar to this may be arranged and thermally connected to one another by a heat transport device 4 to constitute a heat sink assembly. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ヒートシンク、ヒートシンクアセンブリ、半導体モジュール及び冷却装置付き半導体装置に関する。   The present invention relates to a heat sink, a heat sink assembly, a semiconductor module, and a semiconductor device with a cooling device.

一般に、パワー半導体素子の冷却装置100は、図10や図11に示すように、パワー半導体モジュール101に絶縁材102とグリースや熱伝導接着材などのサーマルインターフェースマテリアル103とを介してヒートシンク104をボルト締めすることによって加圧接触させる構成である。そして、強制空冷のためにファン105をヒートシンク104のフィンに沿う方向に送風するように設置している。   In general, as shown in FIG. 10 and FIG. 11, the power semiconductor element cooling device 100 bolts a heat sink 104 to a power semiconductor module 101 via an insulating material 102 and a thermal interface material 103 such as grease or heat conductive adhesive. It is the structure made to press-contact by tightening. And the fan 105 is installed so that it may blow in the direction along the fin of the heat sink 104 for forced air cooling.

電力変換装置の運転時に、パワー半導体素子で発生する熱は、パワー半導体モジュール101から接触境界のサーマルインターフェースマテリアル103を介し、ヒートシンク104のベース104A、放熱フィン104Bを通過して周囲環境(大気)へ放熱する。   During operation of the power conversion device, heat generated in the power semiconductor element passes from the power semiconductor module 101 through the thermal interface material 103 at the contact boundary to the base 104A of the heat sink 104 and the heat radiation fin 104B to the surrounding environment (atmosphere). Dissipate heat.

ところが、従来の強制空冷式のパワー半導体素子の冷却装置の場合、パワー半導体素子の発熱密度(数10W/cm)に対して、放熱部であるヒートシンク104の熱伝達率(数10W/mK)が低く、許容できる温度差(数10℃)以内に保つためには、放熱面積を発熱面積の数100倍に拡大する必要があった。 However, in the case of a conventional forced air cooling type power semiconductor element cooling device, the heat transfer coefficient (several tens W / m 2 ) of the heat sink 104 as a heat radiating part with respect to the heat generation density (several tens W / cm 2 ) of the power semiconductor element. In order to keep K) low and within an acceptable temperature difference (several tens of degrees Celsius), it was necessary to expand the heat radiation area to several hundred times the heat generation area.

この拡大過程において、熱伝導抵抗(固体熱伝導による熱抵抗)、接触熱抵抗(固体と固体の接触による熱抵抗)、広がり熱抵抗(発熱部品からの熱が45°の角度で広がりながらヒートシンク104まで伝わることの熱抵抗)、フィン効率(フィン104B全体の温度が一様でないことの補正)、ヒートシンク効率(入風温度と出風温度が一様でないことの補正)などの放熱を妨げる要因があるため、パワー半導体モジュール101の体積に比べて、ヒートシンク104の体積が非常に大きくなっていた。   In this expansion process, heat conduction resistance (heat resistance due to solid heat conduction), contact heat resistance (heat resistance due to contact between solid and solid), spread heat resistance (heat sink 104 while heat from the heat generating component spreads at an angle of 45 °. Factors that hinder heat dissipation, such as heat resistance (heat resistance), fin efficiency (correction that the temperature of the entire fin 104B is not uniform), heat sink efficiency (correction that the inlet and outlet temperatures are not uniform) For this reason, the volume of the heat sink 104 is much larger than the volume of the power semiconductor module 101.

従来の一例として、図10に示した大型IGBTモジュールと冷却装置で構成した電力変換装置について述べる。パワー半導体素子の発熱損失を2000W、許容するジャンクション温度125℃(周囲温度40℃)とすれば、強制空冷用ファン105を搭載した大型カシメ式ヒートシンク104(W330mm×L300mm×H110mm)を適用するのは妥当な解の1つである。このとき、ヒートシンク104の熱抵抗は0.028K/W、体積は10890cmなので、体積熱抵抗は305cmK/Wである(ヒートシンクの性能指数)。 As an example of the prior art, a power conversion device constituted by the large IGBT module and the cooling device shown in FIG. 10 will be described. If the heat loss of the power semiconductor element is 2000 W and the allowable junction temperature is 125 ° C. (ambient temperature 40 ° C.), the large caulking heat sink 104 (W330 mm × L300 mm × H110 mm) equipped with the forced air cooling fan 105 is applied. One of the valid solutions. At this time, the thermal resistance of the heat sink 104 is 0.028K / W, volume because 10890Cm 3, volumetric thermal resistance is 305cm 3 K / W (performance index of the heat sink).

このヒートシンク104の体積を小型化するには、効率良く放熱するための冷却手段が必要である。その1つの手段は、ヒートパイプ式や沸騰式などの冷媒の蒸発凝縮による潜熱と移動を利用して熱輸送を行う冷却器で、ヒートシンク体積を約1/2〜1/3にすることが可能である(非特許文献1)。このヒートシンクは電気車両用の冷却装置としても広く用いられている(特許文献1)。   In order to reduce the volume of the heat sink 104, cooling means for efficiently radiating heat is necessary. One of the means is a cooler that transports heat using latent heat and movement caused by evaporation and condensation of refrigerant such as heat pipe type and boiling type, and the heat sink volume can be reduced to about 1/2 to 1/3. (Non-Patent Document 1). This heat sink is also widely used as a cooling device for electric vehicles (Patent Document 1).

もう1つの手段は、水冷式などのポンプで冷媒を強制循環して熱輸送を行う冷却器である。発熱部品の直近にマイクロチャネルを構成して熱伝導抵抗を減らし、放熱面積を増大して冷媒への熱伝達抵抗を減らすことで、冷却可能な熱流速を増大して高発熱密度の発熱部品の冷却を可能にしているものもある(特許文献2〜5)。また、衝突噴流を用いて、熱伝達抵抗を減らし、同様な効果を得るものもある(特許文献6,7)。   Another means is a cooler that forcibly circulates a refrigerant by a water-cooled pump or the like to perform heat transport. A microchannel is formed in the immediate vicinity of the heat generating component to reduce the heat conduction resistance, increase the heat radiation area and reduce the heat transfer resistance to the refrigerant, increase the heat flow rate that can be cooled, and Some of them enable cooling (Patent Documents 2 to 5). In addition, there is also one that uses a collision jet to reduce heat transfer resistance and obtain a similar effect (Patent Documents 6 and 7).

しかしながら、受熱ブロックは小型化できるが、周囲環境(大気)への放熱には別途、気液式熱交換器が必要で、周辺部品(駆動ポンプやチューブ)を含めれば、水冷式冷却装置の体積はヒートパイプ式や沸騰冷却式冷却装置と同等以上になる。   However, although the heat receiving block can be reduced in size, a separate gas-liquid heat exchanger is required for heat dissipation to the surrounding environment (atmosphere). If peripheral components (drive pump and tube) are included, the volume of the water-cooled cooling device can be reduced. Is equivalent to or better than a heat pipe type or boiling cooling type cooling device.

このように、従来のパワー半導体素子の冷却装置では、冷媒の循環による熱輸送機構が必要なため、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めたヒートシンク全体のコストは増大していた。また、受熱ブロックと放熱フィンが分離できるのでレイアウトの自由度は高いが、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めた冷却装置全体の体積は約1/2〜1/3程度であり、それほど小さくはならない。さらに冷媒の凍結や液漏れという問題も起こり得るため、その対策が必要とされる問題点もあった。
特開2000−60106号公報 特開平6−326226号公報 特開平7−66338号公報 特開2002−151640号公報 特開2006−19730号公報 特開平5−3274号公報 特開平10−22428号公報 デンソーテクニカルレビューVol7、No.1、「冷媒自然循環技術を用いた沸騰冷却器の開発」、2002年
As described above, since the conventional power semiconductor element cooling apparatus requires a heat transport mechanism by circulating the refrigerant, the cost of the entire heat sink including the heat receiving block, the heat transport mechanism, and the heat radiation fins has increased. In addition, since the heat receiving block and the heat radiating fin can be separated, the degree of freedom of layout is high, but the volume of the entire cooling device including the heat receiving block, the heat transport mechanism, and the heat radiating fin is about 1/2 to 1/3. Don't get smaller. In addition, there is a problem that countermeasures are required because the problem of freezing of refrigerant and liquid leakage may occur.
JP 2000-60106 A JP-A-6-326226 JP-A-7-66338 JP 2002-151640 A JP 2006-19730 A JP-A-5-3274 Japanese Patent Laid-Open No. 10-22428 Denso Technical Review Vol7, No. 1. “Development of boiling cooler using natural refrigerant circulation technology”, 2002

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、発熱性の半導体素子に対して用いることでその温度を低く保つことができ、しかも、冷却手段の体積を小型化でき、かつ安価にして信頼性を高く保つことができるヒートシンク、また、このヒートシンクを用いたヒートシンクアセンブリ、半導体モジュール及び冷却装置付き半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and can be used for a heat-generating semiconductor element to keep the temperature low, and to reduce the volume of the cooling means. An object of the present invention is to provide a heat sink that can be manufactured at low cost and can maintain high reliability, and a heat sink assembly using the heat sink, a semiconductor module, and a semiconductor device with a cooling device.

本発明の1つの特徴は、強制空冷用ファンと共に使用するヒートシンクであって、ベース上に多数の放熱フィンをサブミリオーダの薄肉、狭ピッチで形成し、前記ファンの風の流れに沿う方向の長さを60mm以下、前記放熱フィンの高さを40mm以下としたヒートシンクである。   One feature of the present invention is a heat sink for use with a forced air cooling fan, in which a large number of heat dissipating fins are formed on a base in a thin and narrow pitch on the order of submillimeter, and the length of the fan in the direction along the wind flow. The heat sink has a thickness of 60 mm or less and a height of the radiation fins of 40 mm or less.

本発明の別の特徴は、前記ヒートシンクを複数台並べ、前記ヒートシンク間を熱輸送デバイスにて熱的に接続したヒートシンクアセンブリである。   Another feature of the present invention is a heat sink assembly in which a plurality of the heat sinks are arranged, and the heat sinks are thermally connected by a heat transport device.

本発明のまた別の特徴は、前記ヒートシンクに対して、前記ベースの前記放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置した半導体モジュールである。   Another feature of the present invention is that a heat receiving block is disposed on the heat receiving surface of the base opposite to the heat radiating fin with respect to the heat sink in a state where heat can be conducted, and the heat receiving block has a heat generating semiconductor element. Is a semiconductor module installed.

本発明のまた別の特徴は、前記ヒートシンクアセンブリに対して、いずれかのヒートシンクのベースの放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置した半導体モジュールである。   According to still another aspect of the present invention, a heat receiving block is disposed on a heat receiving surface opposite to a heat radiating fin on a base of any heat sink with respect to the heat sink assembly in a state where heat can be conducted, and the heat receiving block generates heat. This is a semiconductor module in which a conductive semiconductor element is installed.

本発明のまた別の特徴は、前記半導体モジュールを筐体に収容し、前記筐体に、前記半導体モジュールの放熱フィンに対して外気を送風するファンを取り付けた冷却装置付き半導体装置である。   Another feature of the present invention is a semiconductor device with a cooling device in which the semiconductor module is housed in a housing, and a fan that blows outside air to the radiating fins of the semiconductor module is attached to the housing.

本発明のヒートシンク又はヒートシンクアセンブリによれば、発熱性の半導体素子を強制冷却する冷却装置として強制空冷用ファンと共に用いることでその温度を低く保つことができ、しかも、冷却装置の体積を小型化でき、かつ安価にして信頼性を高く保つことができる。   According to the heat sink or heat sink assembly of the present invention, the temperature can be kept low by using it together with a forced air cooling fan as a cooling device for forcibly cooling a heat-generating semiconductor element, and the volume of the cooling device can be reduced. In addition, it is inexpensive and can maintain high reliability.

また、本発明の半導体モジュール及び冷却装置付き半導体装置によれば、小型にて安価、かつ信頼性の高いヒートシンク又はヒートシンクアセンブリを冷却手段に利用しているので、冷却装置を備えた半導体モジュールとして、また半導体装置としても小型化が図れる。   Further, according to the semiconductor module and the semiconductor device with a cooling device of the present invention, a small, inexpensive, and reliable heat sink or heat sink assembly is used as the cooling means. Further, the semiconductor device can be reduced in size.

先ず、本発明の原理について説明する。ヒートシンク外形(幅W、高さH、長さL)と冷却ファンの能力が決まれば、放熱能力が最良となるフィン形状は以下の式で求められる。この計算結果から、放熱能力が最良となるフィン形状をとる場合、ヒートシンク長さLは、ある一定の長さ以上は必要とないことが分かる。すなわち、従来のパワー半導体素子用の強制空冷式ヒートシンクはヒートシンク長さ200mm〜300mmのものが主流であるが、同じ放熱能力はヒートシンク長さ20mm〜30mmで実現することができ、小型化、低コスト化の両面で優位である。   First, the principle of the present invention will be described. If the heat sink outer shape (width W, height H, length L) and the cooling fan capability are determined, the fin shape with the best heat dissipation capability can be obtained by the following equation. From this calculation result, it is understood that the heat sink length L does not need to be longer than a certain length when taking the fin shape with the best heat dissipation capability. That is, conventional air-cooled heat sinks for power semiconductor elements are mainly those with a heat sink length of 200 mm to 300 mm, but the same heat dissipation capability can be realized with a heat sink length of 20 mm to 30 mm, resulting in smaller size and lower cost. It is superior in both aspects.

1)流れ解析
ヒートシンク長さL[m]、フィン高さHfin[m]、ギャップg[m]の長方形ダクトの水力等価直径D[m]は、次の通りである。

Figure 2009277699
1) Flow analysis The hydraulic equivalent diameter D [m] of a rectangular duct having a heat sink length L [m], a fin height H fin [m], and a gap g [m] is as follows.
Figure 2009277699

レイノルズ数は、流体密度ρ[kg/m]、流体粘性μ[kg/ms]、フィン平均流速Uar[m/s]から、次の通りである。

Figure 2009277699
The Reynolds number is as follows from the fluid density ρ [kg / m 3 ], the fluid viscosity μ [kg / ms], and the fin average flow velocity U ar [m / s].
Figure 2009277699

Re≒2300から乱流遷移が始まるが、狭いフィンピッチのヒートシンクは、ほとんどが層流流れである。水力距離xは、代表長さx(ヒートシンク長さL)から、次のようになる。

Figure 2009277699
Although the turbulent transition starts from Re≈2300, the heat sink with a narrow fin pitch is mostly a laminar flow. The hydraulic distance x + is as follows from the representative length x (heat sink length L).
Figure 2009277699

完全発達層流流れの摩擦係数fは、次のようになる。

Figure 2009277699
The friction coefficient f of a fully developed laminar flow is as follows:
Figure 2009277699

ここで、チャネルアスペクト比Gは、

Figure 2009277699
Here, the channel aspect ratio G is
Figure 2009277699

であり、発達中の層流流れの摩擦係数fappは、

Figure 2009277699
And the friction coefficient f app of the laminar flow being developed is
Figure 2009277699

である。十分発達するまでの助走距離Xは、

Figure 2009277699
It is. The run-up distance X until fully developed is
Figure 2009277699

であり、この助走区間では圧力損失が余分に生じている。 In this approach section, an extra pressure loss occurs.

縮小係数Kc、拡大係数Keを求める。フィン密度σは、

Figure 2009277699
A reduction coefficient Kc and an enlargement coefficient Ke are obtained. Fin density σ is
Figure 2009277699

であり、縮小係数Kcは、

Figure 2009277699
And the reduction factor Kc is
Figure 2009277699

であり、拡大係数Keは、

Figure 2009277699
And the enlargement factor Ke is
Figure 2009277699

であり、ヒートシンクの圧力損失ΔPhs[Pa]は、

Figure 2009277699
The pressure loss ΔP hs [Pa] of the heat sink is
Figure 2009277699

である。 It is.

ここで、Harは、フィン水力ヘッドである。

Figure 2009277699
Here, Har is a fin hydraulic head.
Figure 2009277699

体積流量率V[m/s]は、ヒートシンク幅W[m]から、

Figure 2009277699
The volume flow rate V [m 3 / s] is calculated from the heat sink width W [m],
Figure 2009277699

である。 It is.

ファンパワーP[W]は、体積流量率×圧力損失に等しくなるため、

Figure 2009277699
Since fan power P [W] is equal to volume flow rate x pressure loss,
Figure 2009277699

である。 It is.

2)伝熱解析
長方形ダクトの完全発達層流流れのヌセルト数Nuは、

Figure 2009277699
2) Heat transfer analysis Nusselt number Nu of the fully developed laminar flow of the rectangular duct is
Figure 2009277699

であり、サーマルチャネル長さxは、

Figure 2009277699
The thermal channel length x * is
Figure 2009277699

である。 It is.

平均ヌセルト数Nuは、

Figure 2009277699
The average Nusselt number Nu m is
Figure 2009277699

であり、平均熱伝達係数h[W/mK]は、空気の熱伝導率k[W/mK]から、

Figure 2009277699
And the average heat transfer coefficient h m [W / m 2 K] is calculated from the thermal conductivity k f [W / mK] of air,
Figure 2009277699

であり、ヒートシンクの対流熱抵抗θcon[K/W]は、ヒートシンク表面積A[m]から、

Figure 2009277699
And the convective thermal resistance θ con [K / W] of the heat sink is obtained from the heat sink surface area A w [m 2 ],
Figure 2009277699

である。 It is.

ヒートシンクの容量熱抵抗θcap[K/W]は、空気の比熱c[J/KgK]から、

Figure 2009277699
The capacity heat resistance θ cap [K / W] of the heat sink is obtained from the specific heat c p [J / KgK] of air,
Figure 2009277699

であり、熱交換器で使われる概念の移動単位数NTUは、

Figure 2009277699
The number of transfer units NTU of the concept used in the heat exchanger is
Figure 2009277699

である。 It is.

理想の熱移動に対する現実の比であるヒートシンク効率εは、

Figure 2009277699
Heat sink efficiency ε, which is the actual ratio to ideal heat transfer, is
Figure 2009277699

である。 It is.

フィン効率ηによる修正が加えられる。

Figure 2009277699
Correction by fin efficiency η is added.
Figure 2009277699

ここで、bはフィンの熱伝導率k[W/mK]から、

Figure 2009277699
Here, b is from the thermal conductivity k s [W / mK] of the fin,
Figure 2009277699

であり、ヒートシンクの熱抵抗θhs[K/W]は、

Figure 2009277699
The heat resistance θ hs [K / W] of the heat sink is
Figure 2009277699

である。 It is.

1つの例として、ファンパワーPQ=0.05[W]、ヒートシンク幅W=40[mm]、ヒートシンク高さH=10(ベース厚1)[mm]とした場合、ヒートシンク長さL[mm]、フィン厚さTf[mm]、フィンギャップGf[mm]を放熱能力が最良となるよう最適化した計算結果は、以下の実施の形態の説明にて述べる通りである。   As an example, when fan power PQ = 0.05 [W], heat sink width W = 40 [mm], and heat sink height H = 10 (base thickness 1) [mm], heat sink length L [mm] The calculation results obtained by optimizing the fin thickness Tf [mm] and the fin gap Gf [mm] so that the heat dissipation capability is the best are as described in the following description of the embodiment.

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1〜図3に本発明の第1の実施の形態のパワー半導体用の高密度フィンヒートシンク1の構成を示している。図1に示すように、ヒートシンク1の形状を、その外形に相当する幅W、高さH、長さL、冷却面ベース1Aの厚さTb、放熱フィン1Bの厚さTf、ギャップGf、高さHfで規定する。ヒートシンク1の幅Wは、放熱フィン1Bの並び方向の長さであり、ヒートシンク1の長さLは、ファンの風の流れに沿う方向の放熱フィン1Bの長さである。
[First Embodiment]
1 to 3 show a configuration of a high-density fin heat sink 1 for a power semiconductor according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the shape of the heat sink 1 is changed to a width W, a height H, a length L, a thickness Tb of the cooling surface base 1A, a thickness Tf of the radiating fin 1B, a gap Gf, a height corresponding to the outer shape. Is defined by Hf. The width W of the heat sink 1 is the length in the direction in which the heat dissipating fins 1B are arranged, and the length L of the heat sink 1 is the length of the heat dissipating fins 1B in the direction along the wind flow of the fan.

図2、図3に示すように、放熱フィン1Bをサブミリスケールの薄肉、狭ピッチで構成し、ヒートシンク1の長さL、高さHを小さくすることで、3つの効果を得られる。   As shown in FIG. 2 and FIG. 3, three effects can be obtained by configuring the heat dissipating fins 1 </ b> B with a submillimeter-scale thin wall and a narrow pitch and reducing the length L and height H of the heat sink 1.

1つめは、サブミリスケールの薄肉、狭ピッチで放熱フィン1Bを構成することで、ヒートシンク1の圧力損失は増加するものの、放熱フィン面積を増加でき、ヒートシンク長さLの増加と同等の効果を得て、従来のものより大幅にヒートシンク1の長さLを短くでき、小型化することができる。   The first is that the heat radiation fin 1B is constructed with a thin and narrow pitch of submillimeter scale, so that although the pressure loss of the heat sink 1 increases, the area of the heat radiation fin can be increased and the effect equivalent to the increase of the heat sink length L is obtained. Thus, the length L of the heat sink 1 can be significantly shortened compared to the conventional one, and the size can be reduced.

2つめは、ヒートシンク1の長さLが短くなることで、境界助走区間(未発達領域)の利用率が高くなり、従来のものより優れた放熱能力を得ることができる。   Secondly, since the length L of the heat sink 1 is shortened, the utilization rate of the boundary run-up section (undeveloped area) is increased, and a heat dissipation capability superior to the conventional one can be obtained.

3つめは、ヒートシンク1が小さくなることで、熱伝導抵抗、広がり抵抗、フィン効率、ヒートシンク効率などの放熱を阻害する要因をほとんどなくすことができる。   Third, since the heat sink 1 becomes smaller, it is possible to eliminate almost all the factors that hinder heat dissipation such as heat conduction resistance, spreading resistance, fin efficiency, and heat sink efficiency.

図10、図11に示したファン105を用いて強制空冷のパラメーター半導体モジュールの冷却装置を構成した場合、単位面積当りのファンパワーPQ=125(W/m)として、幅40mm、高さ10mmのヒートシンク1において、ヒートシンク長さLを関数として、熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の計算した結果を図7に示す。 When the cooling device for forced air cooling parameter semiconductor module is configured using the fan 105 shown in FIGS. 10 and 11, the fan power per unit area is PQ = 125 (W / m 2 ), the width is 40 mm, and the height is 10 mm. FIG. 7 shows the calculation results of the thermal resistance, the volume thermal resistance, and the optimum fin shape as a function of the heat sink length L.

この計算結果から、サブミリスケールの最適なフィン形状を常に採用した場合、図7(a)のグラフに示したように、ヒートシンク長さLは60mm以上になるとそれ以上に増大させても熱抵抗の減少にはほとんど寄与しないことが分かり、図7(b)に示したヒートシンク長さLが長いほどに体積当たりの冷却性能を示す体積熱抵抗は増大、すなわち悪化の一途をたどることが分かる。以上から、一般的なファンやブロワで、流体として空気を用いる強制空冷方式の冷却装置の場合、ヒートシンク1の長さLが60mm以上で冷却性能の向上はほとんど期待できないことが分かる。   From this calculation result, when the optimum fin shape on the submillimeter scale is always adopted, as shown in the graph of FIG. 7A, the heat resistance of the heat resistance can be increased even if it is further increased when the heat sink length L is 60 mm or more. It can be seen that it hardly contributes to the decrease, and that the volume heat resistance indicating the cooling performance per volume increases, that is, gets worse as the heat sink length L shown in FIG. From the above, it can be seen that in the case of a forced air cooling type cooling device that uses air as a fluid with a general fan or blower, improvement in cooling performance can hardly be expected when the length L of the heat sink 1 is 60 mm or more.

同様にして、幅40mm、長さ10mmのヒートシンク1において、ヒートシンク高さHを関数として、熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の計算した結果を図8に示す。この結果から、ヒートシンク高さHが40mm以上になるとそれ以上に増大させても熱抵抗の減少にはほとんど寄与せず、体積熱抵抗は増大、すなわち悪化の一途を辿ることが分かる。一般的な条件では、ヒートシンク高さ40mm以上では冷却性能の向上はほとんど期待できないことが分かる。   Similarly, in the heat sink 1 having a width of 40 mm and a length of 10 mm, the calculation results of thermal resistance, volume thermal resistance, and optimum fin shape as a function of the heat sink height H are shown in FIG. From this result, it can be seen that when the heat sink height H is 40 mm or more, even if the heat sink height H is increased further, it hardly contributes to the decrease in thermal resistance, and the volume thermal resistance increases, that is, continues to deteriorate. Under general conditions, it can be seen that almost no improvement in cooling performance can be expected when the heat sink height is 40 mm or more.

また、参考までにヒートシンク幅Wに関する計算結果を図9に示す。一般的なヒートシンク1の幅Wと熱抵抗とが反比例の関係にあることを示している。   For reference, the calculation result regarding the heat sink width W is shown in FIG. It shows that the width W of the general heat sink 1 and the thermal resistance are in an inversely proportional relationship.

本実施の形態のヒートシンク1の場合、図10、図11に示した従来例のパワー半導体モジュール冷却装置と同じ性能の実現には、高密度フィンヒートシンク(W330×L15×H15×3P)で可能である。このときヒートシンク1の熱抵抗は0.028K/W、体積は223cmなので、体積熱抵抗は6.2cmK/Wである。従来に比べて約1/50の小型化が可能である。 In the case of the heat sink 1 of the present embodiment, a high-density fin heat sink (W330 × L15 × H15 × 3P) can be used to achieve the same performance as the conventional power semiconductor module cooling device shown in FIGS. is there. At this time, since the heat resistance of the heat sink 1 is 0.028 K / W and the volume is 223 cm 3 , the volume heat resistance is 6.2 cm 3 K / W. The size can be reduced by about 1/50 compared with the conventional case.

このように、本実施の形態のヒートシンク1の場合、サブミリスケールの薄肉、狭ピッチで放熱フィン1Bを構成し、ヒートシンク1の長さL、高さHを小さくすることで、ヒートシンク1の体積を大幅に減少することが可能である上に、循環する冷媒による熱輸送機構がないため安価で信頼性が高い半導体冷却装置が構成できる利点がある。   As described above, in the case of the heat sink 1 of the present embodiment, the heat radiation fin 1B is configured with a submillimeter-scale thin wall and a narrow pitch, and the length L and the height H of the heat sink 1 are reduced, thereby reducing the volume of the heat sink 1. In addition to being able to greatly reduce, there is an advantage that an inexpensive and highly reliable semiconductor cooling device can be configured because there is no heat transport mechanism by circulating refrigerant.

従来は、安価にサブミリスケールの薄肉、狭ピッチで放熱フィンを構成することができなかったが、近年の製造技術の進歩によって、精密加工プレスなどの技術を応用することにより本実施の形態の高密度フィンヒートシンク1の製作が可能である。現在、従来のカシメ式ヒートシンクの材料コストと、本実施の形態の高密度フィンヒートシンクの量産製造コストはほぼ等しく、結果的に、同等のコストで、同等の熱抵抗のヒートシンクを数10分の1のサイズで提供することができる。今後、材料コストが増大した場合には、コストの面でも優位になる。   Conventionally, heat radiation fins could not be constructed inexpensively with submillimeter-scale thin-walled and narrow pitches, but with the recent progress in manufacturing technology, this technology has been improved by applying technologies such as precision machining presses. The density fin heat sink 1 can be manufactured. At present, the material cost of the conventional caulking type heat sink and the mass production cost of the high-density fin heat sink of the present embodiment are almost equal. As a result, the heat sink having the same thermal resistance is equivalent to several tenths of the same cost. Can be offered in sizes. In the future, if the material cost increases, the cost will be superior.

尚、本実施の形態の高密度フィンヒートシンク1は、IGBTやMOSFETのようなパワー半導体素子の冷却装置への利用を想定しているが、CPUや抵抗などの発熱性の半導体素子のいずれでも適用が可能である。   The high-density fin heat sink 1 of the present embodiment is assumed to be used for a cooling device for power semiconductor elements such as IGBTs and MOSFETs, but is applicable to any exothermic semiconductor element such as a CPU or a resistor. Is possible.

薄肉、狭ピッチの放熱フィンを構成する高密度フィンヒートシンク1は、薄肉、狭ピッチのため、放熱フィンの強度、汚れに対して不安がある。そのような環境においては、汚損防止のためエアフィルタを設けることが望ましい。そのためには、ファン105が吸込ファンであれば、その吸込口にエアフィルタを設けることができる。またファン105が排気ファンであれば、冷却装置を収容する筐体のファン設置側とは反対側の吸込口にエアフィルタを設けることができる。   The high-density fin heat sink 1 constituting the thin and narrow pitch radiating fins is thin and narrow pitch, so there is anxiety about the strength and dirt of the radiating fins. In such an environment, it is desirable to provide an air filter to prevent fouling. For this purpose, if the fan 105 is a suction fan, an air filter can be provided at the suction port. If the fan 105 is an exhaust fan, an air filter can be provided at the suction port on the side opposite to the fan installation side of the housing that houses the cooling device.

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態のヒートシンクアセンブリ5について、図4を参照して説明する。本実施の形態のヒートシンクアセンブリ5は、第1の実施の形態の高密度フィンヒートシンク1を複数台、ヒートパイプ、ヒートレーンなどの熱輸送デバイス2で高さ方向に接続し、かつ、受熱面に受熱ブロック3を設置した構造である。
[Second Embodiment]
Next, a heat sink assembly 5 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the heat sink assembly 5 of the present embodiment, a plurality of high-density fin heat sinks 1 of the first embodiment are connected in the height direction by a heat transport device 2 such as a heat pipe or a heat lane, and the heat receiving surface receives heat. This is a structure in which a block 3 is installed.

高密度フィンヒートシンク1の場合、ヒートシンク高さHをある程度以上に増加しても冷却能力は向上しないが、本実施の形態のように熱輸送デバイス2を利用することで、高さの増加によるヒートシンク1単体の熱抵抗を低減でき、冷却能力を向上できる。   In the case of the high-density fin heat sink 1, the cooling capacity is not improved even if the heat sink height H is increased to a certain level or more. However, by using the heat transport device 2 as in the present embodiment, the heat sink due to the increase in height. The thermal resistance of one unit can be reduced, and the cooling capacity can be improved.

本実施の形態のヒートシンクアセンブリ5についても、第1の実施の形態のヒートシンク1と同様に強制空冷式の半導体素子の冷却装置、強制空冷式の半導体モジュールの冷却装置として使用する。   Similarly to the heat sink 1 of the first embodiment, the heat sink assembly 5 of the present embodiment is also used as a cooling device for forced air cooling semiconductor elements and a cooling device for forced air cooling semiconductor modules.

[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態の冷却装置付き半導体装置8について、図5を参照して説明する。本実施の形態の冷却装置付き半導体装置8は、第1の実施の形態の高密度フィンヒートシンク1のベース1Aの受熱面に受熱ブロック3を配置し、パワー半導体素子6をこの受熱ブロック3上に固定することでパワー半導体モジュール9を構成し、このパワー半導体モジュール9の全体を筐体7に内蔵させ、筐体7に図10、図11に示したものと同様に空冷用ファン105を取り付けた構造である。
[Third Embodiment]
Next, a semiconductor device 8 with a cooling device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the semiconductor device 8 with the cooling device of the present embodiment, the heat receiving block 3 is arranged on the heat receiving surface of the base 1A of the high-density fin heat sink 1 of the first embodiment, and the power semiconductor element 6 is placed on the heat receiving block 3. The power semiconductor module 9 is configured by fixing, and the entire power semiconductor module 9 is built in the housing 7, and the air cooling fan 105 is attached to the housing 7 in the same manner as shown in FIGS. 10 and 11. Structure.

本実施の形態の冷却装置付き半導体装置8でも、パワー半導体素子6とヒートシンク1は電気的に接続され、ヒートシンク1が電極端子の一部として利用される。   Also in the semiconductor device 8 with the cooling device of the present embodiment, the power semiconductor element 6 and the heat sink 1 are electrically connected, and the heat sink 1 is used as a part of the electrode terminal.

[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態の冷却装置付き半導体装置10について、図6を参照して説明する。本実施の形態の冷却装置付き半導体装置10は、第1の実施の形態の高密度フィンヒートシンク1を複数台、筐体7内に内蔵し、それぞれの高密度フィンヒートシンク1の受熱ブロック3の受熱面にパワー半導体素子6を固定してパワー半導体モジュール9を構成し、このパワー半導体モジュール9を多段にして筐体7内に内蔵させ、筐体7に図10、図11に示したものと同様に空冷用ファン105を取り付けた構造である。
[Fourth Embodiment]
Next, a semiconductor device 10 with a cooling device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The semiconductor device with a cooling device 10 of the present embodiment incorporates a plurality of high-density fin heat sinks 1 of the first embodiment in a housing 7 and receives heat from the heat receiving block 3 of each high-density fin heat sink 1. The power semiconductor element 6 is fixed to the surface to form a power semiconductor module 9, and the power semiconductor module 9 is built in a multi-stage housing 7. The housing 7 is similar to that shown in FIGS. 10 and 11. In this structure, an air cooling fan 105 is attached.

本実施の形態の冷却装置付き半導体装置10でも、各パワー半導体素子6とヒートシンク1は電気的に接続され、ヒートシンク1が電極端子の一部として利用される。   Also in the semiconductor device 10 with the cooling device of the present embodiment, each power semiconductor element 6 and the heat sink 1 are electrically connected, and the heat sink 1 is used as a part of the electrode terminal.

尚、第3、第4の実施の形態においては、パワー半導体素子6の両面に高密度フィンヒートシンク1を配置し、はんだ接合や加圧接触などによって各ヒートシンク1がパワー半導体素子6の熱を受熱する構造にすることも可能である。   In the third and fourth embodiments, the high-density fin heat sink 1 is disposed on both surfaces of the power semiconductor element 6, and each heat sink 1 receives the heat of the power semiconductor element 6 by solder joint or pressure contact. It is also possible to make the structure to be.

本発明の第1の実施の形態のヒートシンクの斜視図。The perspective view of the heat sink of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のヒートシンクの正面図及び側面図。The front view and side view of the heat sink of the 1st Embodiment of this invention. 図2におけるC部の拡大図。The enlarged view of the C section in FIG. 本発明の第2の実施の形態のヒートシンクアセンブリの正面図。The front view of the heat sink assembly of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態の冷却装置付き半導体装置の一部破断せる斜視図。The perspective view which can partly fracture | rupture the semiconductor device with a cooling device of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態の冷却装置付き半導体装置の一部破断せる斜視図。The perspective view which can partly fracture | rupture the semiconductor device with a cooling device of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態のヒートシンクの長さに関する熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の特性を示すグラフ。The graph which shows the characteristic of the thermal resistance regarding the length of the heat sink of the 1st Embodiment of this invention, volume thermal resistance, and optimal fin shape. 本発明の第1の実施の形態のヒートシンクの高さに関する熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の特性を示すグラフ。The graph which shows the characteristic of the thermal resistance regarding the height of the heat sink of the 1st Embodiment of this invention, volume thermal resistance, and optimal fin shape. 本発明の第1の実施の形態のヒートシンクの幅に関する熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の特性を示すグラフ。The graph which shows the characteristic of the thermal resistance regarding the width | variety of the heat sink of 1st Embodiment of this invention, volume thermal resistance, and optimal fin shape. 従来のパワー半導体素子の冷却装置の斜視図。The perspective view of the cooling device of the conventional power semiconductor element. 従来のパワー半導体素子の冷却装置の断面図。Sectional drawing of the cooling device of the conventional power semiconductor element.

符号の説明Explanation of symbols

1 高密度フィンヒートシンク
1A ベース
1B 放熱フィン
3 受熱ブロック
4 熱輸送デバイス
5 ヒートシンクアセンブリ
6 パワー半導体素子
7 筐体
8 冷却装置付き半導体装置
9 パワー半導体モジュール
10 冷却装置付き半導体装置
105 ファン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High density fin heat sink 1A Base 1B Radiation fin 3 Heat receiving block 4 Heat transport device 5 Heat sink assembly 6 Power semiconductor element 7 Case 8 Semiconductor device with cooling device 9 Power semiconductor module 10 Semiconductor device with cooling device 105 Fan

Claims (10)

強制空冷用ファンと共に使用するヒートシンクであって、
ベース上に多数の放熱フィンをサブミリオーダの薄肉、狭ピッチで形成し、前記ファンの風の流れに沿う方向の長さを60mm以下、前記放熱フィンの高さを40mm以下としたヒートシンク。
A heat sink for use with a forced air cooling fan,
A heat sink in which a large number of radiating fins are formed on a base with a thin thickness on the order of sub-millimeters and with a narrow pitch, the length in the direction along the fan flow is 60 mm or less, and the height of the radiating fins is 40 mm or less.
前記放熱フィンの厚さを0.1〜0.6mmとし、前記放熱フィン同士のギャップを0.4〜1.3mmとしたことを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク。   2. The heat sink according to claim 1, wherein a thickness of the radiation fin is 0.1 to 0.6 mm, and a gap between the radiation fins is 0.4 to 1.3 mm. 請求項1又は2に記載のヒートシンクを複数台並べ、前記ヒートシンク間を熱輸送デバイスにて熱的に接続したことを特徴とするヒートシンクアセンブリ。   A heat sink assembly, wherein a plurality of heat sinks according to claim 1 or 2 are arranged, and the heat sinks are thermally connected by a heat transport device. 請求項1又は2に記載のヒートシンクに対して、前記ベースの前記放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、
前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置したことを特徴とする半導体モジュール。
With respect to the heat sink according to claim 1 or 2, a heat receiving block is disposed on a heat receiving surface of the base opposite to the heat radiating fin in a state where heat can be conducted,
A semiconductor module comprising an exothermic semiconductor element installed in the heat receiving block.
請求項3に記載のヒートシンクアセンブリに対して、いずれかのヒートシンクのベースの放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、
前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置したことを特徴とする半導体モジュール。
With respect to the heat sink assembly according to claim 3, a heat receiving block is disposed on a heat receiving surface opposite to the heat radiating fin on the base of any one of the heat sinks in a state capable of conducting heat,
A semiconductor module comprising an exothermic semiconductor element installed in the heat receiving block.
前記半導体素子は、パワー半導体素子であることを特徴とする請求項4又は5に記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 4, wherein the semiconductor element is a power semiconductor element. 前記ヒートシンクを電極端子としたことを特徴とする請求項5〜6のいずれかに記載の半導体モジュール。   The semiconductor module according to claim 5, wherein the heat sink is an electrode terminal. 請求項4〜7のいずれかに記載の半導体モジュールを筐体に収容し、
前記筐体に、前記半導体モジュールの放熱フィンに対して外気を送風するファンを取り付けたことを特徴とする冷却装置付き半導体装置。
Housing the semiconductor module according to claim 4 in a housing;
A semiconductor device with a cooling device, wherein a fan for blowing outside air to the heat radiating fins of the semiconductor module is attached to the housing.
前記筐体に形成された外気の吸込口にエアフィルタを設けたことを特徴とする請求項8に記載の冷却装置付き半導体装置。   The semiconductor device with a cooling device according to claim 8, wherein an air filter is provided in an outside air inlet formed in the housing. 前記半導体素子が、電力変換回路を構成していることを特徴とする請求項8又は9に記載の冷却装置付き半導体装置。   The semiconductor device with a cooling device according to claim 8, wherein the semiconductor element constitutes a power conversion circuit.
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