JP2020161724A - ヒートシンク及びヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の熱源の冷却時において、ヒートシンクの冷却性能を担保する。【解決手段】内部を流通する冷媒により熱源の熱を冷却するヒートシンク１であって、前記冷媒が流通する冷媒流路を複数備え、熱源からの距離が近い冷媒流路Ｒ１は、熱源からの距離が遠い冷媒流路Ｒ３よりも水力直径が大きくなるように形状設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートシンク及びヒートシンクの製造方法に関するものである。

例えば、特許文献１には、マイクロ熱伝達器を用いた沸騰冷却装置（ヒートシンク）が開示されている。このような沸騰冷却装置においては、熱源であるパワーエレクトロニクス構成部材から発生した熱を、内部に形成された冷却通路を流れる冷媒を沸騰させることにより冷却している。

特表２００４−５０９４５０号公報

昨今においては、高性能かつ小型の電子部品等の開発が行われており、このような高性能かつ小型の部品（熱源）から発生する高い熱を素早く冷却することが求められている。しかしながら、上記のような従来のヒートシンクにおいては、熱源に近い冷媒流路において、冷媒が沸騰することで大きな気泡が多数発生して流動抵抗が大きくなり、徐々に冷媒の流量が減少することで、冷却性能が小さくなる課題がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高温の熱源の冷却時において、ヒートシンクの冷却性能を担保することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ヒートシンクに係る第１の手段として、内部を流通する冷媒により熱源の熱を冷却するヒートシンクであって、前記冷媒が流通する冷媒流路を複数備え、熱源からの距離が近い冷媒流路は、熱源からの距離が遠い冷媒流路よりも水力直径が大きくなるように形状設定される、という構成を採用する。

ヒートシンクに係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記冷媒流路は、前記冷媒の流動方向に直交する断面形状が円形または多角形とされる、という構成を採用する。

ヒートシンクに係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、前記冷媒流路が形成されると共に、複数積層される冷媒流路層を備える、という構成を採用する。

ヒートシンクの製造方法に係る第１の手段として、熱源に最も近い第１面に第１溝が形成され、前記熱源に最も近い面と対向する第２面に前記第１溝よりも水力直径が小さくなるように形状設定された第２溝が形成された流路板と、前記第１面および前記第２面に対して設けられる天板とを拡散接合により接合する、という構成を採用する。

ヒートシンクの製造方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記第１溝及び第２溝は、押出成形または圧延加工、切削加工のいずれかの手法により形成される、という構成を採用する。

ヒートシンクの製造方法に係る第３の手段として、冷媒が流通する冷媒流路が形成される複数の流路板を備え、前記複数の流路板は、熱源からの距離が近い冷媒流路が、熱源からの距離が遠い冷媒流路よりも水力直径が大きくなるように形状設定され、前記複数の流路板同士が拡散接合により接合される、という構成を採用する。

本発明によれば、熱源から近いほどに水力直径が大きくなるように冷媒流路が形状設定されている。熱源から近い冷媒流路においては、高温となることから大きな気泡が発生しやすいが、水力直径を大きくすることにより、冷媒の流量が減少することを防止し、冷媒の流量を確保することができる。熱源から遠い冷媒流路は、熱源に近い冷媒流路と比較して温度上昇量が小さく、気泡発生による流動抵抗が発生しにくい。そして、冷媒は流動抵抗が小さな流路を選択的に流れるため、熱源から遠い冷媒流路の水力直径を小さく設定し、強く加熱された際に熱源に近い冷媒流路に生じる流動抵抗に匹敵する流動抵抗を設定することで、冷媒が熱源から遠い冷媒流路に迂回することを防ぐことができる。したがって、高温の熱源の冷却時において、ヒートシンクの冷却性能を担保することが可能である。

本発明の第１実施形態に係るヒートシンクが備えられるパワー半導体ユニットの模式断面図である。 本発明の第１実施形態に係るヒートシンクの模式斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るヒートシンクの模式斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るヒートシンクの変形例を示す模式斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るヒートシンクの一実施形態について説明する。

［第１実施形態］
本実施形態に係るヒートシンク１は、パワー半導体ユニット１００に備えられている。パワー半導体ユニット１００は、図１に示すように、パワー半導体チップ１１０と、回路基板１２０と、ヒートシンク１とを備えている。

パワー半導体チップ１１０は、回路基板１２０にハンダ層１１１により接合されている。このパワー半導体チップ１１０は、電極が不図示の外部端子に対して接続された半導体チップである。なお、パワー半導体チップ１１０は、通電されることにより大きな熱を発生させる。

回路基板１２０は、パワー半導体チップ１１０が実装されると共に、電子部品を含む電子回路が形成された基板である。この回路基板１２０は、パワー半導体チップ１１０が接合された面と反対側の面がヒートシンク１に全面的に接触した状態で接合されている。

ヒートシンク１は、熱伝導性の高い金属（例えば、アルミニウム）により構成された略直方体状の部材である。ヒートシンク１は、図２に示すように、第１冷媒流路層２と、第２冷媒流路層３と、第３冷媒流路層４とが積層されることにより構成されている。第１冷媒流路層２は、回路基板１２０と一面が接触した状態の略矩形の板部材とされ、内部に複数（本実施形態においては３本）の第１冷媒流路Ｒ１が形成されている。第１冷媒流路Ｒ１は、第１冷媒流路層２の内部を貫通しており、それぞれ互いに平行となるように直線状に形成されている。また、第１冷媒流路Ｒ１は、流路の流動方向と直交する方向における流路断面形状が円形とされている。

第２冷媒流路層３は、第１冷媒流路層２と同様に略矩形の板部材とされ、第１冷媒流路層２における回路基板１２０と接触した面と対向する面に接触した状態で設けられている。第２冷媒流路層３は、内部に複数（本実施形態においては３本）の第２冷媒流路Ｒ２が形成されている。第２冷媒流路Ｒ２は、第２冷媒流路層３の内部を貫通しており、それぞれ互いに平行となるように直線状に形成されている。また、第２冷媒流路Ｒ２は、流路の流動方向と直交する方向における流路断面形状が円形とされている。

第３冷媒流路層４は、第１冷媒流路層２と同様に略矩形の板部材とされ、第２冷媒流路層３における第１冷媒流路層２と接触した面と対向する面に接触した状態で設けられている。第３冷媒流路層４は、内部に複数（本実施形態においては３本）の第３冷媒流路Ｒ３が形成されている。第３冷媒流路Ｒ３は、第３冷媒流路層４の内部を貫通しており、それぞれ互いに平行となるように直線状に形成されている。また、第３冷媒流路Ｒ３は、流路の流動方向と直交する方向における流路断面形状が円形とされている。

このような第１冷媒流路層２が最も熱源であるパワー半導体チップ１１０からの距離が近く、第３冷媒流路層４が最もパワー半導体チップ１１０からの距離が遠い位置に配置されている。そして、第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３は、第１冷媒流路Ｒ１の水力直径が最も大きく、第３冷媒流路Ｒ３の水力直径が最も小さく形状設定されている。また、第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３は、熱源から近いほど流路断面積が大きくなるように形状設定されている。なお、水力直径Ｄは、冷媒の流動方向と直交する方向における断面積をＡ、流路の周長をＬとして、下式（１）により求められる。

このようなヒートシンク１においては、第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３において、液体状態の冷媒が一方向に向けて流れている。そして、パワー半導体チップ１１０及び回路基板１２０において発生した熱は、まず、第１冷媒流路層２へと熱が伝わる。これにより、第１冷媒流路層２における第１冷媒流路Ｒ１においては、冷媒が加熱されることにより沸騰して気泡が発生する。そして、第１冷媒流路Ｒ１の冷媒は、気泡が連結し、成長することで、大きな気泡を含んだ気液混合状態で下流側へと流れる。

また、第２冷媒流路層３においては、第１冷媒流路層２を介して熱が伝わる。したがって、第２冷媒流路層３に伝えられる熱エネルギは、第１冷媒流路層２に伝わる熱エネルギよりも小さくなる。このような状況で、第２冷媒流路層３の第２冷媒流路Ｒ２を流れる冷媒には、加熱されることにより気泡が発生する。第２冷媒流路Ｒ２の冷媒には、第１冷媒流路Ｒ１の冷媒の気泡よりも小さな気泡が発生し、気液混合状態で、下流側へと流れる。

また、第３冷媒流路層４においては、第１冷媒流路層２及び第２冷媒流路層３を介して熱が伝わる。したがって、第３冷媒流路層４に伝えられる熱エネルギは、第２冷媒流路層３に伝わる熱エネルギよりも小さくなる。このような状況で、第３冷媒流路層４の第３冷媒流路Ｒ３の冷媒には、第１冷媒流路Ｒ１及び第２冷媒流路Ｒ２の冷媒の気泡よりも小さな気泡が僅かに発生し、気液混合状態で下流側へと流れる。

このようなヒートシンク１は、第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３を流れる冷媒が沸騰しつつ流動することにより熱を排出し、熱源であるパワー半導体チップ１１０及び回路基板１２０の熱を冷却する。

このような本実施形態では、第１冷媒流路Ｒ１には高温の熱が伝わるため、冷媒に発生する気泡が大きくなるが、熱源からの距離が近いほど、冷媒流路（第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３）の水力直径が大きくなるように形状設定されている。これにより、冷媒の温度が高く、気泡が発生しやすい冷媒流路（第１冷媒流路Ｒ１）において、冷媒の流量を確保することが可能である。すなわち、第２冷媒流路Ｒ２、第３冷媒流路Ｒ３は、徐々に水力直径が小さくなるため、流動抵抗が大きくなり、冷媒の流量が減少し易い。第２冷媒流路Ｒ２、第３冷媒流路Ｒ３へ移動する冷媒の流量が減少することに伴い、第１冷媒流路Ｒ１へ移動する冷媒の流量が確保されることとなる。したがって、第１冷媒流路Ｒ１における冷媒の流量が減少することを防止できるため、高温の熱源の冷却時においても、ヒートシンク１の冷却性能を担保することが可能である。なお、仮に冷媒流路（第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３）の水力直径が同一である場合、冷媒に発生する気泡が小さい第３冷媒流路Ｒ３へ移動する冷媒の流量が増加することになり、冷媒に発生する気泡が大きい第１冷媒流路Ｒ１へ移動する冷媒の流量が減少し、第１冷媒流路Ｒ１ではドライアウトが発生する可能性がある。

また、本実施形態においては、第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３の冷媒流動方向に直交する断面形状が円形とされている。これにより、水力直径の設定、特に周長の設定を行い易くすることが可能である。

また、本実施形態においては、ヒートシンク１は、第１冷媒流路層２、第２冷媒流路層３及び第３冷媒流路層４が積層されることにより構成されている。したがって、各層毎に冷媒流路を形成するため、その形成を簡易的に行うことができる。

［第２実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第２実施形態として、図３を参照して説明する。なお、上記第１実施形態と同一の構成については、符号を同一とし、説明を省略する。

本実施形態に係るヒートシンク１Ａは、流路板５と、２枚の天板６とを備えている。
流路板５は、略直方体状の部材とされ、回路基板１２０と最も近い位置に配置される第１面５ａ（外面）に複数（本実施形態においては４本）の第１溝Ｍ１が形成され、第１面５ａと対向する第２面５ｂ（外面）に複数（本実施形態においては５本）の第２溝Ｍ２が形成されている。複数の第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２は、それぞれ、各面の一辺から対抗する一辺へと向けて、互いに平行となるように直線状に形成されている。第１溝Ｍ１は、第２溝Ｍ２よりも幅、深さ共に大きく形状設定されている。

天板６は、第１面５ａ及び第２面５ｂに接触した状態で固定されている。このうち、第１面５ａに固定された天板６は、回路基板１２０と接触した状態で配置される。流路板５及び天板６は、それぞれ熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウム）とされている。

このようなヒートシンク１Ａは、流路板５の第１面５ａ及び第２面５ｂに、天板６が拡散接合により接合されることで形成される。また、流路板５の第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２は、それぞれ、縦型フライスを用いた切削加工により形成されている。これにより、流路板５の第１溝Ｍ１と天板６とに囲まれた空間及び第２溝Ｍ２と天板６とに囲まれた空間が冷媒流路とされる。

このような本実施形態に係るヒートシンク１Ａにおいても、熱源からの距離が近い冷媒流路（第１溝Ｍ１）の水力直径が熱源からの距離が遠い冷媒流路（第２溝Ｍ２）の水力直径よりも大きく設定されている。したがって、高温となり気泡が発生しやすい冷媒流路において、流量を確保することが可能であり、気泡により冷媒の流量が減少することを防止できる。したがって、高温の熱源の冷却時においても、ヒートシンク１Ａの冷却性能を担保することが可能である。

本実施形態に係るヒートシンク１Ａの製造方法によれば、流路板５に第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２を形成し、さらに第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２に重なるように天板６を拡散接合により接合することで、板状部材の内部に冷媒流路を形成する困難な加工を行うことなく、流路板５と天板６とを密に接合することが可能であると共に、水力直径の異なる冷媒流路を容易に形成することができる。

また、本実施形態においては、第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２を切削加工により形成している。これにより、流路板５における第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２の形成を容易に行うことが可能である。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記第１実施形態においては、冷媒流路の断面形状を円形としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、冷媒流路の断面形状は、図４に示すように、矩形等の多角形形状としてもよい。この場合においても、熱源からの距離が近いほど水力直径を大きく形状設定することにより、気泡により冷媒の流量が減少することを防止できる。また、断面形状を多角形形状とすることで、表面張力により角部に液体状態の冷媒が残留するため、ヒートシンク１の冷却性能を担保することが可能である。

また、上記第２実施形態においては、流路板５の第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２を切削加工により形成するものとしたが、本発明はこれに限定されない。第１溝Ｍ１及び第２溝Ｍ２は、押出成形または圧延加工により形成するものとしてもよい。また、流路板５において圧延加工を行う際には、真空環境下で加熱圧延ローラを用いて加工を行うことが好ましい。

また、上記第１及び第２実施形態においては、ヒートシンク１を積層構造としているが、本発明はこれに限定されない。単体のヒートシンク１に冷媒流路（第１冷媒流路Ｒ１、第２冷媒流路Ｒ２及び第３冷媒流路Ｒ３）を形成してもよい。この場合、拡散接合等の接合工程を省略することができる。

上記実施形態においては、ヒートシンク１は、パワー半導体ユニット１００に備えられるものとしたが、本発明はこれに限定されない。ヒートシンク１は、パワー半導体チップ１１０に限定されず、大きな熱を発生させる部品の冷却に適用可能である。

１、１Ａ……ヒートシンク
２……第１冷媒流路層
３……第２冷媒流路層
４……第３冷媒流路層
５……流路板
５ａ……第１面
５ｂ……第２面
Ｍ１……第１溝
Ｍ２……第２溝
Ｒ１……第１冷媒流路
Ｒ２……第２冷媒流路
Ｒ３……第３冷媒流路

Claims (6)

1. 内部を流通する冷媒により熱源の熱を冷却するヒートシンクであって、
   前記冷媒が流通する冷媒流路を複数備え、
   熱源からの距離が近い冷媒流路は、熱源からの距離が遠い冷媒流路よりも水力直径が大きくなるように形状設定される
   ことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記冷媒流路は、前記冷媒の流動方向に直交する断面形状が円形または多角形とされることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記冷媒流路が形成されると共に、複数積層される冷媒流路層を備えることを特徴とする請求項１または２記載のヒートシンク。
4. 熱源に最も近い第１面に第１溝が形成され、前記熱源に最も近い面と対向する第２面に前記第１溝よりも水力直径が小さくなるように形状設定された第２溝が形成された流路板と、
   前記第１面および前記第２面に対して設けられる天板と
   を拡散接合により接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
5. 前記第１溝及び第２溝は、押出成形または圧延加工、切削加工のいずれかの手法により形成されることを特徴とする請求項４に記載のヒートシンクの製造方法。
6. 冷媒が流通する冷媒流路が形成される複数の流路板を備え、
   前記複数の流路板は、熱源からの距離が近い冷媒流路が、熱源からの距離が遠い冷媒流路よりも水力直径が大きくなるように形状設定され、
   前記複数の流路板同士が拡散接合により接合される
   ことを特徴とするヒートシンクの製造方法。

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