JP2010251465A - 液冷システム - Google Patents

Abstract

【課題】 全体の占有体積を低減すると共に、消費電力を低減することができるようにした。
【解決手段】 基板２４の半導体装置載置面の裏面に設けられ液体が通過できるように形成されるジャケット２１と、ジャケット２１が受熱した熱を放熱する放熱手段２１ｃと、ジャケット２１からの液体が流入する液体流入口２２ｅ、垂直方向に振動する一つの底面２２ｃを有し流入口から液体が流入する液体収容器２２ｄ、及び液体収容器２２ｄから液体を排出してジャケット２１に当該液体を供給する液体排出口２２ｆを備える液体循環手段と、空気を導入する空気導入口２２ｋ、垂直方向に振動する一つの底面を有する空気収容器２２ｉ、及び空気収容器２２ｉから放熱手段２１ｃに空気を排出する空気排出口２２ｊを備え液体収容部の背面に設けられる送風手段と、液体収容器２２ｄ及び空気収容器２２ｉそれぞれの一つの底面２２ｃを振動させる駆動手段２３と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＥＤなど半導体装置を発熱体としてこのような半導体装置を冷却する装置に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）などに代表される半導体装置（以下、半導体デバイスとも称する）の高性能化が要求されており、半導体デバイスに投入される消費電力は著しく増大している。これに伴って、半導体デバイスの発熱量も増大している。他方、半導体デバイスのパッケージは、より一層小型化されてきており、半導体デバイスの発熱密度も増大している。

ところで、半導体デバイスは、一般にデバイス自体の発熱による性能劣化及び寿命低下と言う問題がある。そのため、半導体デバイスを冷却して、使用時の温度を適切な範囲に保持する必要がある。そして、半導体デバイスの温度管理の問題は、デバイスの性能向上によりさらに重要度が高まっている。

ここで、従来は、ヒートシンクを使用して、半導体デバイスの熱を空気中に放熱する方法が採用されている。また、さらに放熱性能の高い液冷システムを使用することもある。

半導体デバイスの一例であるＬＥＤを一般照明に用いるにあたり、照明に必要な光量及び光度を実現するためには、一つの発光ダイオードチップ当たり１Ｗ〜６Ｗ程度の電力を投入する必要がある。この投入電力のうち、約８０％〜９０％程度の電力が熱に変換される。つまり、発光ダイオードチップは高温になるうえに非常に発熱密度が高いので、その発熱効率が低下してしまう。

ＬＥＤを冷却する一般的な液冷システムは、発熱部としてのＬＥＤに装着された受熱部としての液冷ジャケットと、放熱部としてのラジエータと、冷却液を貯蔵するタンクと、熱輸送部としての移送管及びポンプと、から構成されている。

これに対して、特許文献１においては、ハウジング内のハウジング室を設け、該ハウジングの両端にそれぞれ給水経路及び排水経路を配置して、該ハウジング室と導通させ、またハウジング室内に熱交換構造を設けて、作動流体と熱交換作用を行ない、ハウジング上面に薄膜を設け、薄膜上に圧電素子の板から成る作動部材を貼着して、通電により上下振動する作動部材に伴って薄膜を上下振動させ、ハウジング室内の作動流体を加圧・減圧することにより一定方向の循環流動を発生させるようにした、ヒートシンクの水冷ヘッド構造が開示されている。

特開２００８−２５８５７７号公報

ところで、上述した一般的な液冷システムにおいては、液冷ジャケットの他に、ポンプ，ラジエータ，ファン，タンクといった補器類を必要とする。このため、各要素毎に所定の体積が必要となり、液冷システム全体の占有体積が大きくなってしまい、小型化が困難であった。

また、一般的な液冷システムにおいては、冷却液を循環させるためのポンプや、ラジエータのフィン間の風速を向上させるためのファンが必要であることから、液冷システム全体の消費電力が大きくなってしまう。

本発明は、以上の点から、簡単な構成により、全体の占有体積を低減すると共に、消費電力を低減することができるようにした半導体装置の冷却技術を提供することを目的としている。

以上の課題を解決するため、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、基板に載置された半導体装置を冷却する装置であり、基板の半導体装置載置面の裏面に設けられ液体が通過できるように形成されるジャケットと、ジャケットが受熱した熱を放熱する放熱手段と、ジャケットからの液体が流入する液体流入口、垂直方向に振動する一つの底面を有し流入口から液体が流入する液体収容器、及び液体収容器から液体を排出してジャケットに当該液体を供給する液体排出口を備える液体循環手段と、空気を導入する空気導入口、垂直方向に振動する一つの底面を有する空気収容器、及び空気収容器から放熱手段に空気を排出する空気排出口を備え前記液体収容部の背面に設けられる送風手段と、液体収容器及び空気収容器それぞれの一つの底面を振動させる駆動手段と、を有する。

本発明は、半導体装置を載置する基板の裏面（半導体装置を載置する面の反対面）が、半導体装置の放熱を受熱する冷却ジャケットとなっている。冷却ジャケットは、熱伝導率の高い材料で形成されている。また、冷却ジャケットには、多数の流路が構成されており、この流路を流れる液体（冷却液）とジャケット壁面との間で熱の授受がなされる。ここで、液体とジャケット部（金属）との間で熱の授受を行うのは、液体の比熱が金属と比較して大きいため、小さな容積でより効率よく半導体装置を冷却できるからである。そして、冷却ジャケットは、半導体装置から受け取った熱を放熱する放熱手段（冷却フィン）を有する。

液体循環手段は、ジャケットの流路と接続している液体流入口から液体収容器に流入した冷却液を液体排出口から再びジャケットに戻すために、液体収容器の一つの底面が垂直方向（上下方向）に振動する。また、送風手段は、空気導入口から空気収容器に送風用の空気を導入し、一つの底面が垂直方向（上下方向）に振動することで空気排出口から放熱手段に対して送風する。

そして、本発明は、液体循環手段と送風手段とが、互いの一つの底面の裏面が接するように位置して設けられ、各手段の一つの底面を駆動する駆動手段が両方の一つの底面を駆動している。ここで、垂直方向に振動する裏面（底面）は、送風手段（気体を振動させる手段）と液体循環手段（液体を振動させる手段）とで共有する(一枚の板材を振動させる)構造であってもよい。

以上の本発明によれば、従来の一般的な液冷システムに比べて、液冷システムの利点を生かしつつその構成要素を少なくできるため、全体の占有面積を少なくすることができる。また、本発明によれば、電気的に駆動する部分が駆動手段のみであるが、液体循環手段と送風手段の両方の一つの底面を駆動するため、消費電力を低減することができる。

以上のようにして、本発明によれば、簡単な構成により、全体の占有体積を低減すると共に、消費電力を低減することができるようにした液冷システムが提供され得ることになる。

本発明の半導体冷却装置の一実施の形態にかかる構成を示す上面斜視図である。 本実施の形態にかかる半導体冷却装置の下面斜視図である。 本発明の半導体冷却装置の液体循環手段と送風手段に相当する構成である流体循環モジュールの構成を示す上面視図である。 流体循環モジュールの断面図である。 液冷モジュールの構成を示す上面斜視図である。 液冷モジュールの構成を示す下面斜視図である。 液冷モジュールの図５におけるＡ−Ａ断面図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図７を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１は本発明の半導体冷却装置２０の一実施の形態にかかる構成を示す上面斜視図であり、図２は半導体冷却装置２０の下面斜視図である。
また、図３は本発明の半導体冷却装置の液体循環手段と送風手段に相当する構成である流体循環モジュール２２の構成を示す上面視図であり、図４は流体循環モジュール２２の断面図である。
半導体冷却装置２０は、本発明の冷却ジャケットに相当する液冷モジュール２１と、流体循環モジュール２２と、駆動手段２３と、から構成されている（図１，２，３参照）。

［液冷モジュールの構成］
図５は液冷モジュール２１の構成を示す上面斜視図であり、図６は液冷モジュール２１の構成を示す下面斜視図であり、図７は液冷モジュール２１の図５におけるＡ−Ａ断面図である。

液冷モジュール２１は、図５から図７に詳細に示すように、熱伝導率が高い材料（例えばアルミニウムや銅等）からなる扁平な筐体２１ａにより構成されている。

液冷モジュール２１は、上面（図５参照）に冷却すべき発熱体である１個ないしは複数個（図５において４個）の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）チップ２４ａが実装される基板２４，内部に冷却液が流れるための冷却液流路２１ｂ，下面に放熱フィン２１ｃを有する。なお、液冷モジュール２１の筐体２１ａは、ポリプロピレン（PP）やポリカーボネート（PC）などの樹脂、あるいはアルミや銅などの金属でも良い。

基板２４は、発光ダイオードチップ２４ａが発する熱を冷却液に伝えることを考慮して、熱伝導率の高い材料（例えばアルミニウム（熱伝導率２２２Ｗ／ｍ・Ｋ），銅（熱伝導率３８０Ｗ／ｍ・Ｋ）等の金属材料や、ＡｌＮ（熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ），ＳｉＮ（熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ）等のセラミック材料）を用いて構成される。また、基板２４の表面に形成される回路パターンも、導電性、及び基板２４と同じく熱伝導率を考慮しアルミニウム，銅等の材料から構成されている。

放熱フィン２１ｃは、本発明の放熱手段に相当し液冷モジュール２１の下面において平行に延びる複数の板状部材である。これらの放熱フィン２１ｃは、図７の断面図に詳細に示されているように、筐体２１ａの下面を貫通して内側の冷却液流路２１ｂ内に延びる。この構造により、基板２４を介して冷却液に伝えられた発光ダイオードチップ２４ａの熱を受熱して外部に放出している。なお、放熱フィン２１ｃは、熱伝導率の高く加工性に優れたアルミや銅などの金属で構成される。

ここで、個々の放熱フィン２１ｃは、図示の場合、平板状に形成されているが、これに限らず、例えばピン状，コルゲート状等の放熱部材が所定間隔で配置されていてもよい。また、上記放熱フィン２１ｃは、この筐体２１ａに対して熱伝導部材により取り付けられてもよく、またロウ付け等により直接に接合されてもよく、さらには筐体２１ａと一体に構成されていてもよい。

ここで、前述した放熱フィン２１ｃは、この基板２４に対して熱伝導部材により密着して取り付けられてもよく、またロウ付け等により直接に接合されてもよい。

液冷モジュール２１は、その一側の端面に、冷却液流路２１ｂと貫通し流体循環モジュール２２と接続する冷却液の入口２１ｄ及び出口２１ｅを有している。

［流体循環モジュールの構成］
流体循環モジュール２２は、液冷モジュール２１と同様に扁平な筐体２２ａから構成されており、その扁平な円筒状の内部空間を有している。
この内部空間は、周囲が筐体２２ａに対して固定保持されたその一つの底面がプレート状あるいは膜状の振動板２２ｃにより上下に分割されている。

内部空間のうち振動板２２ｃの上方の空間が、本発明の液体循環手段の液体収容器２２ｄに相当する。液体収容器２２ｄは、冷却液が収容され、冷却液流路２２ｅ，２２ｆを介して、上述した液冷モジュール２１の冷却液流路２１ｂの入口２１ｄ及び出口２１ｅに直接連結されている。

冷却液は、例えば自動車のラジエータで使用されるＬＬＣや純水等であって、冷却液流路２２ｅ，２２ｆを介して、液冷モジュール２１の冷却液を循環する。

冷却液流路２２ｅ，２２ｆは、それぞれ逆止弁２２ｇ，２２ｈを備えている。逆止弁２２ｇは、入口２１ｄから冷却液流路２２ｅを介して液体収容器２２ｄ内への逆流を防止すると共に、逆止弁２２ｈは、液体収容器２２ｄから冷却液流路２２ｆを介して出口２１ｅへの逆流を防止して、冷却液の一方向への循環を保証する。

振動板２２ｃの下方の内部空間である空気収容器２２ｉは、上記筐体２２ａに形成された空気流路としてのダクト２２ｊと吸気口２２ｋを介して外部に連通している。

駆動手段２３は、例えば上記振動板２２ｃに貼着された圧電素子から構成されている。駆動手段２３は、圧電素子に交流電圧を印加することにより、圧電素子の上下方向の変位に伴って、上記振動板２２ｃが上下方向に移動するようになっている。

［半導体冷却装置の動作］
本発明による半導体冷却装置２０は、以上のように構成されており、以下のように動作する。
まず、駆動手段２３を駆動制御することにより、上記振動板２２ｃが筐体２２ａ内で上下動（振動）する。
これにより、筐体２２ａの上記振動板２２ｃで分割された各内部空間が拡大しまたは縮小する。すなわち、内部空間のうち上方の空間である液体収容器２２ｄは、内部にある冷却液を液冷モジュール２１へ排出する。

液体収容器２２ｄから液冷モジュール２１に流れ込んだ冷却液は、冷却液流路２１ｂ内を循環して再び液体収容器２２ｄに戻る。つまり、基板２４から筐体２１ａを介して熱を受け取った冷却液は、冷却液流路２１ｂの出口２１ｅから冷却液流路２２ｆを介して、流体循環モジュール２２の液体収容器２２ｄ内に導入されるという動作を繰り返す。

このようにすることで、液冷モジュール２１が発光ダイオードチップ２４ａから受けた熱は、冷却液を介して冷却液流路２１ｂ内に伸びる放熱フィン２１ｃに伝わり、外部に放出される。つまり、本実施の形態において冷却液を循環する理由は、冷却液の循環を促すことで冷却液が受熱する熱量を増加し、液冷モジュール２１の受熱容量を有効に利用して放熱効果を高めることにある。

他方、流体循環モジュール２２の上記振動板２２ｃで分割された各内部空間が拡大しまたは縮小することで、内部空間のうち下方の空間である空気収容器２２ｉ内の空気は、ダクト２２ｊを介して外部の放熱フィン２１ｃに向けて強制的に排出され、新しい空気が吸気口２２ｋを介して内部空間２２ｉ内に導入されるという動作を繰り返し、本発明の送風手段として機能する。

そして、送風手段からの風は、放熱フィン２１ｃの冷却を促し、結果として液冷モジュール２１の受熱容量を有効に利用して放熱効果を高めることができる。
例えば、ダクト２２ｊを使用する場合、ダクト２２ｊの出口から排出される空気の流速は、それがない場合と比較して、約１．４倍程度となる。

このようにして、上記振動板２２ｃの上下動が繰り返されることにより、上述した動作が繰返し行なわれ、冷却液及び空気を介して、ＬＥＤ基板２４の熱が効率良く放熱され、適切な温度に保持される。

この場合、液冷モジュール２１及び流体循環モジュール２２が駆動手段２３と共に、一つのモジュールとして構成されているので、半導体冷却装置２０全体が小型に構成され、容易に軽量化され得る。
さらに、ポンプ作用を生じる振動板２２ｃを上下動させる駆動手段２３が圧電素子等により構成されるので、簡単な構成により、容易に低電力化され得る。
また、冷却液が、逆止弁２２ｇ，２２ｈにより逆流せずに、一方向に液冷モジュール２１及び流体循環モジュール２２を循環するので、冷却効率が向上する。

［変形例］
上述した実施形態においては、駆動手段２３は、圧電素子から構成されているが、これに限らず、例えば電磁誘導式駆動手段、具体的にはコイルと磁石を使用して振動板を上下動させる駆動手段が使用されてもよい。

本実施の形態にかかる半導体冷却装置２０は、発熱体としてＬＥＤ基板２４を冷却する場合について説明したが、本発明の半導体冷却装置は、これに限られない。すなわち、発熱体としては、光源としてＬＥＤを使用した車両前照灯，補助前照灯，デイタイムランニングランプ等の車両用灯具だけでなく、光源としてＬＥＤを使用した屋外照明や屋内照明等の冷却を行なうこともできる。
さらに、本発明による半導体冷却装置は、発熱体としてＬＥＤだけでなく、他の半導体デバイスを冷却することも可能である。

２０ 半導体冷却装置
２１ 液冷モジュール
２１ａ 筐体
２１ｂ 冷却液流路
２１ｃ 放熱フィン
２１ｄ 入口
２１ｅ 出口
２２ 流体循環モジュール
２２ａ 筐体
２２ｃ 振動板
２２ｄ 液体収容器
２２ｅ，２２ｆ 冷却液流路
２２ｇ，２２ｈ 逆止弁
２２ｉ 空気収容器
２２ｊ ダクト
２２ｋ 吸気口
２３ 駆動手段
２４ 基板
２４ａ 発光ダイオードチップ

Claims (2)

1. 基板に載置された半導体装置を冷却する装置であり、
   前記基板の半導体装置載置面の裏面に設けられ液体が通過できるように形成されるジャケットと、
   前記ジャケットが受熱した熱を放熱する放熱手段と、
   前記ジャケットからの液体が流入する液体流入口、垂直方向に振動する一つの底面を有し前記流入口から前記液体が流入する液体収容器、及び前記液体収容器から液体を排出して前記ジャケットに当該液体を供給する液体排出口を備える液体循環手段と、
   空気を導入する空気導入口、垂直方向に振動する一つの底面を有する空気収容器、及び前記空気収容器から前記放熱手段に空気を排出する空気排出口を備え前記液体収容部の背面に設けられる送風手段と、
   前記液体収容器及び前記空気収容器それぞれの一つの底面を振動させる駆動手段と、を有する半導体冷却装置。
2. 前記駆動手段が、
   圧電素子または電磁誘導式手段であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体冷却装置。

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