JP2023004080A - 冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】さらに冷却効率が向上した冷却装置を提供する。【解決手段】基板1の表面に実装された半導体部品2を冷却する冷却装置100であって、基板1の裏面に取り付けられたベース10と、ベース10から離間して配置された底板12と、を備える。ベース10における底板12側を向く面であって、半導体部品2に対応する領域には、基板1側に向かって凹む凹部10rが形成されている。【選択図】図1
Description
本開示は、冷却装置に関する。
半導体部品(チップ)を冷却するための装置として、例えば下記特許文献1に記載されたものが知られている。下記特許文献1に記載された装置では、半導体部品が固定される筐体に窪みが形成され、当該窪みを覆うようにして板状の金属ベースが取り付けられている。この金属ベースの上に半導体部品が実装され、半導体部品の直下には冷却水路が形成されている。
しかしながら、上記のように金属ベースが単に板状をなしている場合、冷媒と半導体部品との間で当該金属ベースが大きな熱抵抗となってしまう。これにより、半導体部品の冷却が効率的に行えない虞がある。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、さらに冷却効率が向上した冷却装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係る冷却装置は、基板の表面に実装された半導体部品を冷却する冷却装置であって、前記基板の裏面に取り付けられたベースと、該ベースから突出する複数のフィンと、該複数のフィンを前記ベースとの間で支持する底板と、を備え、前記ベースにおける前記底板側を向く面であって、前記半導体部品に対応する領域には、前記ベース側に向かって凹む凹部が形成されている。
本開示によれば、さらに冷却効率が向上した冷却装置を提供することができる。
<第一実施形態>
(基板、冷却装置の構成)
以下、本開示の第一実施形態に係る冷却装置100について、図1を参照して説明する。この冷却装置100は、基板1に実装された半導体部品2を液体の冷媒によって冷却するための装置である。図1に示すように、基板1は、銅パターン1a,1cと、基板本体1bと、接合材1d、2aと、を有している。
(基板、冷却装置の構成)
以下、本開示の第一実施形態に係る冷却装置100について、図1を参照して説明する。この冷却装置100は、基板1に実装された半導体部品2を液体の冷媒によって冷却するための装置である。図1に示すように、基板1は、銅パターン1a,1cと、基板本体1bと、接合材1d、2aと、を有している。
基板本体1bは、例えばガラスエポキシ樹脂や、ベークライト樹脂等で板状に形成されている。基板本体1bの表面、及び裏面にはそれぞれ銅パターン1a,1cが蒸着されている。銅パターン1a,1cには、所望のプリント配線がエッチングによって形成されている。接合材2aは、半導体部品2を銅パターン1aに固定するために設けられている。
半導体部品2は、複数(一例として3つ)が基板1上に配置されている。半導体部品2は、例えばパワートランジスタやパワーFETであり、その動作に伴って発熱する。これら半導体部品2は、基板1上で互いに間隔をあけて配置されている。また、半導体部品2は上記の銅パターン1aに対して電気的に接続されている。
次いで、冷却装置100の構成について説明する。図1に示すように、冷却装置100は、ベース10と、底板12と、を備えている。これらベース10、及び底板12は、アルミニウムや銅のように熱伝導性の良好な金属材料で一体に形成されている。Additive Manufacuturing(AM造形法)によって冷却装置100を造形することも可能である。
ベース10は、上記の基板1の裏面(つまり、半導体部品2が実装されている表面とは反対側を向く面)に対して接合材1dによって固定されている。ベース10は、基板1よりも大きな面積を有する板状をなしている。詳しくは後述するが、ベース10の裏面10bにおける中央部(つまり、複数の半導体部品2に対応する領域の中央部)には、上記の基板1側に向かって凹む凹部10rが形成されている。言い換えると、この凹部10rが形成されている領域では、他の領域に比べてベース10の板厚が小さくなっている。また、凹部10rの断面形状は一例として三角形である。なお、凹部10rが矩形断面や円弧状の断面を有していてもよい。さらに、凹部10rは、ベース10の長さの全域にわたって延びる溝である。
(作用効果)
続いて、上記の冷却装置100の動作について説明する。半導体部品2を動作させると、内部抵抗等に起因して当該半導体部品2が発熱する。上述のように複数の半導体部品2が集積して配置されている場合、熱干渉が生じることにより、その集積された領域の中央部で特に温度が高くなる。このような発熱が亢進すると、半導体部品2の熱暴走や損壊を招く可能性がある。そこで、本実施形態では、冷却装置100によってこれら半導体部品2を冷却する構成を採っている。
続いて、上記の冷却装置100の動作について説明する。半導体部品2を動作させると、内部抵抗等に起因して当該半導体部品2が発熱する。上述のように複数の半導体部品2が集積して配置されている場合、熱干渉が生じることにより、その集積された領域の中央部で特に温度が高くなる。このような発熱が亢進すると、半導体部品2の熱暴走や損壊を招く可能性がある。そこで、本実施形態では、冷却装置100によってこれら半導体部品2を冷却する構成を採っている。
まず外部から流路F内に導入された冷媒は、当該流路F内を凹部10rの延びる方向に流通する。この過程で、ベース10を介して半導体部品2が冷媒による吸熱に基づいて冷却される。ところで、上記実施形態とは異なり、ベース10が単に板状をなしている場合、冷媒と半導体部品2との間で当該ベース10が大きな熱抵抗となってしまう。これにより、半導体部品の冷却が効率的に行えない虞がある。そこで、本実施形態では、ベース10に凹部10rが形成されている。
上記構成によれば、ベース10における半導体部品2に対応する領域に凹部10rが形成されている。これにより、当該領域におけるベース10の熱抵抗を他の領域に比べて小さく抑えることができる。その結果、冷媒と半導体部品2との間における熱の移動が促進され、半導体部品2を効率的に冷却することが可能となる。また、ベース10の板厚を全体的に小さくした場合に比べて、凹部10rを一部のみに限定して形成することにより、冷媒の圧力に対するベース10の耐圧性の低下を小さく抑えることもできる。
以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
<第二実施形態>
次に、本開示の第二実施形態について、図2を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図2に示すように、本実施形態では、ベース10の裏面10bに、複数のフィン11が設けられている。それぞれのフィン11は、ベース10から離間する方向に突出している。また、複数のフィン11は、凹部10rの延びる方向に間隔をあけて配列されている。
次に、本開示の第二実施形態について、図2を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図2に示すように、本実施形態では、ベース10の裏面10bに、複数のフィン11が設けられている。それぞれのフィン11は、ベース10から離間する方向に突出している。また、複数のフィン11は、凹部10rの延びる方向に間隔をあけて配列されている。
上記のフィン11は、底板12によってベース10との間に支持されている。ベース10と底板12によって囲まれる空間は、外部から導かれた冷媒が流通するための流路Fとされている。本実施形態では、底板12におけるベース10側の面は平坦状である。
凹部10rは、ベース10の長さの全域にわたって延びる溝であり、複数のフィン11は、当該溝(凹部10r)の延びる方向に板状に延びている。
凹部10rは、ベース10の長さの全域にわたって延びる溝であり、複数のフィン11は、当該溝(凹部10r)の延びる方向に板状に延びている。
上記構成によれば、フィン11によって冷媒と冷却装置との接触面積が増加するため、冷却効率をさらに向上させることができる。
また、上記構成によれば、フィン11が溝の延びる方向に延びていることから、冷媒の流れが当該フィン11によって阻害される可能性を小さく抑えることができる。これにより、冷媒の流量が確保され、半導体部品2をさらに効率的に冷却することが可能となる。
以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
<第三実施形態>
次に、本開示の第三実施形態について、図3を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図3に示すように、本実施形態では、上記の冷却装置100において、複数のフィン11のうち、凹部10rに設けられているフィン11では、当該フィン11同士の間の間隔が他のフィン11同士の間の間隔よりも狭くなっている。
次に、本開示の第三実施形態について、図3を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図3に示すように、本実施形態では、上記の冷却装置100において、複数のフィン11のうち、凹部10rに設けられているフィン11では、当該フィン11同士の間の間隔が他のフィン11同士の間の間隔よりも狭くなっている。
上記構成によれば、凹部10rに設けられているフィン11同士の間の間隔が狭いことから、これらフィン11と冷媒との接触面積を他の領域に比べて大きく確保することができる。これにより、半導体部品2をさらに効率的に冷却することが可能となる。
以上、本開示の第三実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
<第四実施形態>
次に、本開示の第四実施形態について、図4を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図4に示すように、本実施形態では、底板12bの形状が第一実施形態とは異なっている。具体的には、底板12bにおける凹部10rを臨む領域には、凹部10rに対応する形状の凸部12tが形成されている。つまり、図2の例では、三角形の断面形状を有する凹部10rに対応して、同じく三角形の断面形状を有する凸部12tが設けられている。
次に、本開示の第四実施形態について、図4を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図4に示すように、本実施形態では、底板12bの形状が第一実施形態とは異なっている。具体的には、底板12bにおける凹部10rを臨む領域には、凹部10rに対応する形状の凸部12tが形成されている。つまり、図2の例では、三角形の断面形状を有する凹部10rに対応して、同じく三角形の断面形状を有する凸部12tが設けられている。
上記構成によれば、流路Fにおける凹部10rと凸部12tに挟まれた領域と、他の領域との間で、流路Fの流路断面積が一定になる。その結果、例えば凹部10rに冷媒が流れ込む際に淀みを生じたり、圧力損失が生じたりする可能性を低減することができる。これにより、さらに安定的に冷媒を流通させることができるため、半導体部品2をより一層効率的に冷却することが可能となる。
以上、本開示の第四実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記の各実施形態では、複数の半導体部品2に対してその中央部に1つのみの凹部10rが形成されている例について説明した。しかしながら、凹部10rの数は1つに限定されず、半導体部品2のそれぞれに対応させて1つずつの凹部10rを形成することも可能である。その場合、第二実施形態で説明した凸部12tも凹部10rと同じ数だけ設けられることが望ましい。また、冷媒の流れ方向は、必ずしもフィン11の延びる方向と一致している必要はなく、フィン11の延びる方向に対して交差する方向であってもよい。また、フィン11の形状は板状に限定されず、図5に示すように、ピン11´をフィン11に代えて用いることも可能である。この場合も、第三実施形態で説明したように、凹部10rに設けられているピン11´では、当該ピン11´同士の間の間隔が他のピン11´同士の間の間隔よりも狭くなるように構成することが可能である。
<付記>
各実施形態に記載の冷却装置100は、例えば以下のように把握される。
各実施形態に記載の冷却装置100は、例えば以下のように把握される。
(1)第1の態様に係る冷却装置100は、基板1の表面に実装された半導体部品2を冷却する冷却装置100であって、前記基板の裏面に取り付けられたベース10と、前記ベース10から離間して配置された底板12と、を備え、前記ベース10における前記底板12側を向く面であって、前記半導体部品2に対応する領域には、前記基板1側に向かって凹む凹部10rが形成されている。
上記構成によれば、ベース10における半導体部品2に対応する領域に凹部10rが形成されている。これにより、当該領域におけるベース10の熱抵抗を他の領域に比べて小さく抑えることができる。その結果、冷媒と半導体部品2との間における熱の移動が促進され、半導体部品2を効率的に冷却することが可能となる。
(2)第2の態様に係る冷却装置100は、前記ベース10から突出する複数のフィン11をさらに備える。
上記構成によれば、フィン11によって冷媒と冷却装置との接触面積が増加するため、冷却効率をさらに向上させることができる。
(3)第3の態様に係る冷却装置100では、前記凹部10rは、前記ベース10の長さの全域にわたって延びる溝であり、前記複数のフィン11は、前記溝の延びる方向に板状に延びている。
上記構成によれば、フィン11が溝の延びる方向に延びていることから、冷媒の流れが当該フィン11によって阻害される可能性を小さく抑えることができる。これにより、冷媒の流量が確保され、半導体部品2をさらに効率的に冷却することが可能となる。
(4)第4の態様に係る冷却装置100において、前記複数のフィン11のうち、前記凹部10rに設けられている前記フィン11では、該フィン11同士の間の間隔が他の前記フィン11同士の間の間隔よりも狭くなっている。
上記構成によれば、凹部10rに設けられているフィン11同士の間の間隔が狭いことから、これらフィン11と冷媒との接触面積を他の領域に比べて大きく確保することができる。これにより、半導体部品2をさらに効率的に冷却することが可能となる。
(5)第5の態様に係る冷却装置100では、前記底板12bにおける前記凹部10rを臨む領域には、該凹部10rに対応する形状の凸部12tが形成されている。
上記構成によれば、凹部10rと凸部12tに挟まれた領域と、他の領域との間で、冷媒の流路断面積が一定になる。その結果、例えば凹部10rに冷媒が流れ込む際に淀みを生じたり、圧力損失が生じたりする可能性を低減することができる。
(6)第6の態様に係る冷却装置100は、前記ベース10から突出する複数のピン11´をさらに備える。
上記構成によれば、ピン11によって冷媒と冷却装置との接触面積が増加するため、冷却効率をさらに向上させることができる。
(7)第7の態様に係る冷却装置100では、前記複数のピン11´のうち、前記凹部10rに設けられている前記ピン11´では、該ピン11´同士の間の間隔が他の前記ピン11´同士の間の間隔よりも狭くなっている。
上記構成によれば、凹部10rに設けられているピン11´同士の間の間隔が狭いことから、これらピン11´と冷媒との接触面積を他の領域に比べて大きく確保することができる。これにより、半導体部品2をさらに効率的に冷却することが可能となる。
(8)第8の態様に係る冷却装置100では、前記底板12における前記凹部10rを臨む領域には、該凹部10rに対応する形状の凸部12tが形成されている。
上記構成によれば、凹部10rと凸部12tに挟まれた領域と、他の領域との間で、冷媒の流路断面積が一定になる。その結果、例えば凹部10rに冷媒が流れ込む際に淀みを生じたり、圧力損失が生じたりする可能性を低減することができる。
100 冷却装置
1 基板
1a,1c 銅パターン
1b 基板本体
1d 接合材
2 半導体部品
2a 接合材
10 ベース
10a 表面
10b 裏面
11 フィン
11´ ピン
12,12b 底板
12t 凸部
1 基板
1a,1c 銅パターン
1b 基板本体
1d 接合材
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2a 接合材
10 ベース
10a 表面
10b 裏面
11 フィン
11´ ピン
12,12b 底板
12t 凸部
Claims (8)
- 基板の表面に実装された半導体部品を冷却する冷却装置であって、
前記基板の裏面に取り付けられたベースと、
前記ベースから離間して配置された底板と、
を備え、
前記ベースにおける前記底板側を向く面であって、前記半導体部品に対応する領域には、前記基板側に向かって凹む凹部が形成されている冷却装置。 - 前記ベースから突出する複数のフィンをさらに備える請求項1に記載の冷却装置。
- 前記凹部は、前記ベースの長さの全域にわたって延びる溝であり、
前記複数のフィンは、前記溝の延びる方向に板状に延びている請求項2に記載の冷却装置。 - 前記複数のフィンのうち、前記凹部に設けられている前記フィンでは、該フィン同士の間の間隔が他の前記フィン同士の間の間隔よりも狭くなっている請求項2又は3に記載の冷却装置。
- 前記底板における前記凹部を臨む領域には、該凹部に対応する形状の凸部が形成されている請求項2から4のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 前記ベースから突出する複数のピンをさらに備える請求項1に記載の冷却装置。
- 前記複数のピンのうち、前記凹部に設けられている前記ピンでは、該ピン同士の間の間隔が他の前記ピン同士の間の間隔よりも狭くなっている請求項6に記載の冷却装置。
- 前記底板における前記凹部を臨む領域には、該凹部に対応する形状の凸部が形成されている請求項6又は7に記載の冷却装置。
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- 2022-06-01 US US17/829,527 patent/US20220415756A1/en active Pending
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