JP2019129238A - ヒートシンクおよび半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】流路内の冷媒の温度を均一化して、放熱性能を向上させたヒートシンクを提供する。【解決手段】ヒートシンクは、ベース本体と、ベース本体の内部を貫通して形成された貫通穴で構成され、貫通穴の一端側の開口部の開口面積が他端側の開口部の開口面積よりも大きい流路と、流路の一端側に形成された冷媒流入部と、冷媒流入部と一端側の開口部との間に配置され、一端側の開口部から流路に流入される冷媒の流入領域を調整する領域調整板と、を備えたものである。【選択図】図２

Description

この発明は、ヒートシンクおよび半導体モジュールに関するものである。

近年、例えばＳｉＣチップ等のパワー半導体は、高コストのためチップシュリンクが必要不可欠となっており、その結果発熱密度が増大し高温になることから、パワー半導体を冷却するヒートシンクとして空冷では冷却性能が不足する。そのため、空冷ヒートシンクよりも放熱性能が高い水冷ヒートシンクが用いられることが多くなってきている。
従来、ヒートシンクの放熱性能を向上させる手段として、ヒートシンクのベース面に複数のピン状のフィン（ピンフィン）を設け、このピンフィンに冷媒を衝突させ、熱交換を促進させる手段が用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のヒートシンクの流路では、パワー半導体が実装されている面に近いほど冷媒はパワー半導体からの受熱を大きく受けて高温となり、パワー半導体が実装されている面から遠くなるほど低温となっていた。このように、パワー半導体が実装された面に近い冷媒の温度が高くなると、ヒートシンクのベース面と冷媒の温度差が小さくなり、熱交換量が低下し、放熱性能は低下する。
よって、冷媒が全域にわたって等しい温度であれば放熱性能の低下を最低限に抑制できる。例えば、特許文献２では、２重配管の外側の流路に螺旋状の案内板を設けて冷媒を螺旋状に流し、内側の流路を流れる冷媒と、外側の流路を流れる冷媒の熱交換を促進している。

特許第５６０５４３８号公報 特開２０１３‐１０２１６９号公報

しかしながら、前述した特許文献１に開示された冷却器においては、ピンフィンにおける１本のピンに着目すると、流れに対して上流のピン壁面では流れがピンに衝突し放熱が促進されるのに対し、流れに対して下流のピン壁面では冷媒の流れが淀み、放熱が停滞する。すなわち、流れに対して下流のピンフィン壁面は放熱に寄与しておらず、放熱面を有効に活用できない問題があった。さらに、ベース面に配置されるピンフィンを１本ずつ切削で製作すると加工時間が長くなり高コストとなる問題があった。ダイカストや鋳造などでベース面に配置されるピンフィンを一括で製作すると低コストにできるものの、抜き勾配や角Ｒなどの製造制約から高放熱性能なフィンを形成できなくなる問題があった。
また、特許文献２に開示された２重配管では、螺旋を描く様に冷媒が流れるため、内側の流路と外側の流路の熱交換は促進される一方で、構造上の制約からパワー半導体を２重配管に熱的に接続することが難しいという問題があった。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、流路内の冷媒の温度を均一化して、放熱性能を向上させたヒートシンクおよび半導体モジュールを得ることを目的とする。

この発明に係るヒートシンクは、ベース本体と、前記ベース本体の内部を貫通して形成された貫通穴で構成され、前記貫通穴の一端側の開口部の開口面積が他端側の開口部の開口面積よりも大きい流路と、前記流路の一端側に形成された冷媒流入部と、前記冷媒流入部と一端側の前記開口部との間に配置され、一端側の前記開口部から前記流路に流入される冷媒の流入領域を調整する領域調整板と、を備えたものである。
また、この発明に係る半導体モジュールは、この発明に係るヒートシンクの前記ベース本体のベース面にパワー半導体が実装されたものである。

この発明によるヒートシンクおよび半導体モジュールによれば、流路内の冷媒の温度を均一化して流路の壁面から万遍無く熱を奪うことができるので、放熱性能を向上させることができる。

この発明の実施の形態１によるヒートシンクを示す斜視図である。 図１のヒートシンクを示す分解斜視図である。 図１のヒートシンクの冷媒の流れを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１のヒートシンクから入口パイプと入口ヘッダを除いて冷媒の入口側開口部から見た正面図である。 この発明の実施の形態２のヒートシンクから入口パイプと入口ヘッダを除いて冷媒の入口側開口部から見た正面図である。 この発明の実施の形態３のヒートシンクを示す斜視図である。 この発明の実施の形態４のヒートシンクを示す斜視図である。 この発明の実施の形態４のヒートシンクを示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態５のヒートシンクを示す斜視図である。 この発明の実施の形態５のヒートシンクを示す分解斜視図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
図１は、この発明の実施の形態１のヒートシンクを示す斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１のヒートシンクを示す分解斜視図である。また図３は、図１のヒートシンクにおける冷媒の流れを矢印で示す斜視図であり、図４は、この発明の実施の形態１のヒートシンクから入口パイプと入口ヘッダを除いて入口側開口部から見た正面図である。
図１〜図４に示すように、この発明の実施の形態１によるヒートシンク２０は、液冷式のヒートシンクであり、ベース面９ａを有するベース本体９と、ベース本体９の内部を貫通して形成された貫通穴で構成された円錐流路３と、この円錐流路３の一端側に形成された冷媒流入部と、この円錐流路３の他端側に形成された冷媒流出部とによって構成されている。

また、冷媒流入部は、冷媒の入口パイプ１と、この入口パイプ１と円錐流路３を中継する入口ヘッダ７とから構成されている。また、冷媒流出部は、冷媒の出口パイプ２とこの出口パイプ２と円錐流路３を中継する出口ヘッダ８とから構成されている。また、ベース面９ａは、円錐流路３の近傍に配置されている。
図３に示すように、冷媒は、円錐流路３の一端側の開口部である下底４から円錐流路３の他端側の開口部である上底５に向かって流れ、円錐流路３の下底４には、冷媒の流れる流入領域を調整する領域調整板６が配置されている。また図３において、矢印は、冷媒の流れ１７を示している。領域調整板６は、冷媒流入部である入口ヘッダ７と円錐流路３の下底４との間に配置され、領域調整板６によって、入口ヘッダ７に対し一部だけが開口する下底開口部１１が構成されている。

冷媒は、入口パイプ１を通り入口ヘッダ７に流入すると、入口パイプ１から入口ヘッダ７への方向に速度を持ちながら下底開口部１１に流入する。冷媒は、下底開口部１１に流入したとき、円錐流路３の円周方向に速度を持っているため、円錐流路３の壁面に沿いながら回転しつつ、円錐流路３の上底５の方向に流れる。冷媒は円錐流路３の壁面に沿って回転しながら流れることにより、壁面全体から万遍なく熱を奪う。その結果、円錐流路３の近傍に設けられたベース面９ａに実装されたパワー半導体１０は冷却される。

さらに、円錐流路３は、円錐流路３の上底５に近づくにつれ円周が小さくなることから冷媒の回転速度は増速する。そのため、円錐流路３の上底５に近づくにつれ、冷媒の冷却性能は向上する。円錐流路３の上底５付近における冷却性能の向上は冷媒からパワー半導体１０までの熱抵抗の低減を意味するため、円錐流路３の上底５からベース面９ａまでの距離は、円錐流路３の下底４からベース面９ａまでの距離よりも長いことによる熱抵抗の増加を相殺する効果がある。
また、円錐流路３は、底面である下底４が円である錐台形状であるが、底面である下底４が楕円である錐台形状であってもよい。円錐流路３の加工は、金属などの良熱伝導体に円錐状の穴を開けるだけでよく、加工時間はピンフィンなどのフィンに比べて短時間で済み、低コストとすることができる。

この発明の実施の形態１におけるヒートシンク２０によれば、冷媒は、下底開口部１１から円錐流路３に流入すると、螺旋を描きながら下流（上底５の方向）へ流れ、下流（上底５の方向）へ流れる過程で円錐流路３の壁面を介してパワー半導体１０の熱を奪うことによりパワー半導体１０を冷却することができる。また、円錐流路３の作製方法は、パワー半導体１０が実装されるベース本体９に円錐状の貫通穴を設けるだけでよく、製造コストを抑制できる。また、円錐流路３の壁面近傍では冷媒が螺旋を描きながら流れるため、壁面から万遍無く熱を奪うことができ、結果放熱性能を向上させる効果を奏する。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２のヒートシンクから入口パイプと入口ヘッダを除いて冷媒の入口側開口部から見た正面図である。図５に示すように、この発明の実施の形態２のヒートシンク２０においては、円錐流路３の下底４に領域調整板６が配置されたことにより、第一の下底開口部１３と第二の下底開口部１４が、円錐流路３の中心線を対称軸として軸対称に配置されている。また、第一の下底開口部１３と第二の下底開口部１４との間には、第一の下底開口部１３と第二の下底開口部１４に流入する冷媒の流速ベクトルの向きが１８０度変わるように冷媒の流れを折り返す案内板１２が設けられている。案内板１２は、具体的には、領域調整板６に接して入口ヘッダ７内に配置されている。

円錐流路３には、円周方向の速度を持った冷媒が第一の下底開口部１３と第二の下底開口部１４の２か所から供給されるため、実施の形態１に比べて、より冷媒の円周方向成分の速度が大きくなる。冷媒の円周方向成分の速度が大きくなると、円錐流路３の壁面と冷媒の間の熱伝達率が向上し、さらに冷却性能が向上する効果を奏する。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３のヒートシンクを示す斜視図である。この発明の実施の形態３のヒートシンク２０では、ベース本体９の少なくとも２面以上のベース面９ａに例えばＳｉＣチップあるいはＩＧＢＴチップ等のパワー半導体１０が実装されている。円錐流路３を流れる冷媒は、円錐流路３の壁面を回転しながら万遍なく流れるため、パワー半導体１０を、実装されるベース面９ａの位置にかかわらず、高い冷却性能で冷却することができる。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４のヒートシンクを示す斜視図であり、図８は、この発明の実施の形態４のヒートシンクを示す分解斜視図である。図７および図８においては、ヒートシンク２０の構成を説明するために、ベース本体９に実装されたパワー半導体１０の図示は省略されている。
この発明の実施の形態４のヒートシンク２０では、複数の円錐流路３が、共通の入口ヘッダ７と並列的に接続されており、ベース面９ａを共有している。それぞれの円錐流路３が同一のベース面９ａを共有していることから、ベース面積を広くすることができ、冷却するパワー半導体１０の数が多い場合、またはパワー半導体１０のサイズが大きい場合でも冷却することが可能である。

実施の形態５．
図９は、この発明の実施の形態５のヒートシンクを示す斜視図であり、図１０は、この発明の実施の形態５のヒートシンクを示す分解斜視図である。図９および図１０においては、ヒートシンク２０の構成を説明するために、ベース本体９に実装されたパワー半導体１０の図示は省略されている。
この発明の実施の形態５のヒートシンク２０では、複数の円錐流路３が、隣り合う一方の円錐流路３の上底５と他方の円錐流路３の下底４との間で直列的に接続されており、ベース面９ａを共有している。隣り合う円錐流路３は、一方の円錐流路３の上底５と他方の円錐流路３の下底４が同じ側の面に配置されるように、互い違いに配置されている。冷媒は、入口パイプ１、入口ヘッダ７、円錐流路３の下底４の下底開口部１１、円錐流路３、円錐流路３の上底５、中継ヘッダ１５、下底開口部１１、の順番で直列に接続された円錐流路３をすべて流れた後、出口ヘッダ８から出口パイプ２を通って排出される。

この発明の実施の形態５のヒートシンク２０においては、入口ヘッダ７と中継ヘッダ１５との間、中継ヘッダ１５と出口ヘッダ８との間に、それぞれ、ヘッダ仕切り壁１６が設けられている。また、ヘッダ仕切り壁１６は、中継ヘッダ１５と中継ヘッダ１５との間にも設けられている。
また、この発明の実施の形態５のヒートシンク２０では、実施の形態４のヒートシンクのように同一の共通の入口ヘッダ７から複数の円錐流路３に冷媒が分配されることはなく、一つの円錐流路３に供給される冷媒の流量は入口パイプ１から供給される冷媒流量に等しい。すなわち、円錐流路３の内部を流れる冷媒の流速は実施の形態４よりも速いため、冷却性能を実施の形態４よりも向上させることができる効果がある。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 入口パイプ、２ 出口パイプ、３ 円錐流路、４ 下底、５ 上底、６ 領域調整板、７ 入口ヘッダ、８ 出口ヘッダ、９ ベース本体、９ａ ベース面、１０ パワー半導体、１１ 下底開口部、１２ 案内板、１３ 第一の下底開口部、１４ 第二の下底開口部、１５ 中継ヘッダ、１６ ヘッダ仕切り壁、１７ 冷媒の流れ、２０ ヒートシンク

この発明に係るヒートシンクは、ベース本体と、前記ベース本体の内部を貫通して形成された貫通穴で構成され、前記貫通穴の一端側の開口部の開口面積が他端側の開口部の開口面積よりも大きい円錐流路と、前記円錐流路の一端側に形成された冷媒流入部と、前記冷媒流入部と一端側の前記開口部との間に配置され、一端側の前記開口部から前記円錐流路に流入される冷媒の流入領域を調整する領域調整板と、を備え、前記領域調整板は、冷媒が前記円錐流路の壁面に沿って回転するように配置されたものである。
また、この発明に係る半導体モジュールは、この発明に係るヒートシンクの前記ベース本体のベース面にパワー半導体が実装されたものである。

Claims (8)

1. ベース本体と、
   前記ベース本体の内部を貫通して形成された貫通穴で構成され、前記貫通穴の一端側の開口部の開口面積が他端側の開口部の開口面積よりも大きい流路と、
   前記流路の一端側に形成された冷媒流入部と、
   前記冷媒流入部と一端側の前記開口部との間に配置され、一端側の前記開口部から前記流路に流入される冷媒の流入領域を調整する領域調整板と、を備えたことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記流路は、底面が円または楕円の錐台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。
3. 前記冷媒流入部は、冷媒の入口パイプと、前記入口パイプと前記流路を中継する入口ヘッダとから構成されたことを特徴する請求項１または請求項２に記載のヒートシンク。
4. 一端側の前記開口部は、前記流路の中心線を対称軸として軸対称に配置された第１の開口部と第２の開口部とを有しており、
   前記第１の開口部と前記第２の開口部との間には、前記第１の開口部と前記第２の開口部に流入する冷媒の流速ベクトルの向きが１８０度変化するように冷媒の流れを折り返す案内板が配置されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
5. 前記ベース本体には複数の前記流路が形成されており、
   前記複数の流路は、前記冷媒流入部とそれぞれ並列的に連通するように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記ベース本体には複数の前記流路が形成されており、
   前記複数の流路は、隣り合う前記複数の流路との間で直列的に冷媒が流れるように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のヒートシンクの前記ベース本体のベース面にパワー半導体が実装されたことを特徴とする半導体モジュール。
8. 前記パワー半導体は、前記ベース本体の少なくとも２面以上の前記ベース面に実装されたことを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。

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