JP2023140076A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】さらに高い冷却効果を発揮する冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置は、基板の表面に実装され、第一方向に配列された複数の半導体部品を冷却する冷却装置であって、基板の裏面に取り付けられたベースと、ベースに離間して配置されることでベースとの間に冷媒が流通する流路を形成する底板と、流路内に配置された冷却体と、を備え、流路は、半導体部品ごとに独立して設けられ、第一方向に直交する第二方向に延びる複数の流路区画を有し、底板における第二方向の中央部には、各流路区画に冷媒を供給する導入口が形成されている。【選択図】図２

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、複数の半導体モジュールの間に、冷却水が流通する冷却水路が形成されている。冷却水は、冷却水路の一端から横方向に導かれ、順次半導体モジュールを冷却することができるとされている。

特開２００６－２０３１３８号公報

ところで、上記のように複数の半導体部品を実装した場合、各半導体部品の発熱が重畳されることで、これら複数の半導体部品のうちの中央部の温度が高温になりやすい。また、上記特許文献１のように、冷却水路の一端から横方向に順次冷却水を流通させる構成では、高温となった冷媒が他の半導体部品の冷却に順次供されるため、冷媒の流れ方向の下流側に位置する半導体部品になるほど冷却効果が低下してしまう。

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、さらに高い冷却効果を発揮する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、第一方向に配列された複数の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、前記ベースに離間して配置されることで該ベースとの間に冷媒が流通する流路を形成する底板と、前記流路内に配置された冷却体と、を備え、前記流路は、前記半導体部品ごとに独立して設けられ、前記第一方向に直交する第二方向に延びる複数の流路区画を有し、前記底板における前記第二方向の中央部には、各前記流路区画に前記冷媒を供給する導入口が形成されている。

本開示によれば、さらに高い冷却効果を発揮する冷却装置を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る冷却装置、及び基板の構成を示す断面図である。 本開示の第一実施形態に係る冷却装置の底板の構成を示す平面図である。 本開示の第二実施形態に係る冷却装置、及び基板の構成を示す断面図である。 本開示の第二実施形態に係る冷却装置の底板の構成を示す平面図である。 本開示の第二実施形態に係る冷却装置の変形例を示す平面図である。 本開示の第三実施形態に係る冷却装置の底板の構成を示す平面図である。 本開示の第三実施形態に係る冷却装置の変形例を示す平面図である。

＜第一実施形態＞
以下、本開示の第一実施形態に係る基板２、及び冷却装置１について、図１と図２を参照して説明する。この冷却装置１は、基板２に実装された半導体部品２０を液体の冷媒によって冷却するための装置である。

（基板の構成）
図１に示すように、基板２は、基板本体２１と、銅パターン２２と、接合材２３，２４と、を有している。

基板本体２１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２１の表面、及び裏面にはそれぞれ銅パターン２２が蒸着されている。銅パターン２２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２４は、半導体部品２０を銅パターン２２に固定するために設けられている。

半導体部品２０は、複数（一例として３つ）が基板２上に配置されている。半導体部品２０は上記の銅パターン２２に対して電気的に接続されている。半導体部品２０は、例えばパワートランジスタやパワーＦＥＴであり、その動作に伴う内部抵抗によって発熱する。これら半導体部品２０は、基板２上で第一方向ｄ１に互いに間隔をあけて配置されている。

（冷却装置の構成）
次いで、冷却装置１の構成について説明する。図１に示すように、冷却装置１は、ベース１０と、フィン１１と、底板１２と、を備えている。これらベース１０、フィン１１、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形成されている。Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ造形法（ＡＭ造形法）によって冷却装置１を造形することも可能である。なお、ベース１０、フィン１１、及び底板１２は一体に形成されていてもよいし、底板１２のみがベース１０、フィン１１に対して取り外し可能に構成されていてもよい。この場合、底板１２とフィン１１の接合面にはＯリング等の漏洩防止部材が配置されることが望ましい。

ベース１０は、上記の基板２の裏面（つまり、半導体部品２０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２３によって固定されている。ベース１０は、基板２よりも大きな面積を有する板状をなしている。

ベース１０の裏面１３には、複数のフィン１１（冷却体）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。より具体的には図２に示すように、これらフィン１１は、ベース１０の裏面１３に沿って、第一方向ｄ１に直交する水平方向である第二方向ｄ２に延びるとともに、第一方向ｄ１に間隔をあけて配列されている。これにより、フィン１１同士の間には冷媒が流れる流路Ｆが形成されている。また、第二方向ｄ２における両側には、一対の側壁１４が設けられている。

この流路Ｆは、上記の３つの半導体部品２０ごとに独立して３つの流路区画Ｆ１に区画されている。具体的には、互いに隣り合う流路区画Ｆ１同士は、複数のフィン１１のうちの一のフィン１１ａによって区画されている。フィン１１ａは他のフィン１１と同等の形状と寸法を有する。なお、図２中では図示簡略化のため、このフィン１１ａのみを図示している。

再び図１に示すように、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。底板１２は、ベース１０に対して流路Ｆの分だけ間隔をあけて配置された板状をなしている。底板１２は、第一方向ｄ１、及び第二方向ｄ２に広がっている。底板１２の厚さは全域で一定である。

第二方向ｄ２における底板１２の中央部（つまり、第二方向ｄ２における各半導体部品２０の中央部直下）には、外部から流路Ｆ内に冷媒を導くための導入口１７が形成されている。導入口１７は、第一方向ｄ１に延びる矩形状の開口である（図２参照）。全ての流路区画Ｆ１を通じて導入口１７の第二方向ｄ２における寸法が一定である。この導入口１７を通じて、底板１２からベース１０に向かう方向に冷媒が導入される。冷媒は各フィン１１同士の間を通じて第二方向ｄ２の両側に向かって流通する。なお、冷媒としては低温の水の他、アルコール等が好適に用いられる。

（作用効果）
上記の半導体部品２０に電流が流れると、内部抵抗に伴って当該半導体部品２０が発熱する。ここで、従来は、複数の半導体部品２０に対して一方向（例えば上記の第一方向ｄ１）に冷媒を供給することでこれら半導体部品２０を上流側から下流側にかけて順番に冷却する構成を採ることが一般的であった。しかしながら、この構成では、下流側に位置する半導体部品２０になるほど高温の冷媒が供給されることから、当該下流側の半導体部品２０に対する冷却効果が低下してしまうという課題があった。そこで、本実施形態では上記の構成を採っている。

上記構成によれば、各流路区画Ｆ１を流れる冷媒によって、それぞれの半導体部品２０を個別に冷却することができる。つまり、それぞれの半導体部品２０には常態的に新しい冷媒が供給される。これにより、半導体部品２０同士の間で冷媒が熱の影響を受けにくくなり、冷却効果を向上させることが可能となる。また、導入口１７が第二方向ｄ２における流路区画Ｆ１の中央部に形成されていることから、初期の低温の冷媒を半導体部品に向けて積極的に供給することができる。これにより、半導体部品２０をさらに効率的かつ積極的に冷却することが可能となる。

さらに、上記構成によれば、フィン１１が第二方向ｄ２に延びていることによって、冷媒の流れる方向を当該第二方向ｄ２のみに規制することができる。これにより、例えば冷媒が流路Ｆ内で滞留したり、渦を形成したりする可能性が低減される。その結果、冷媒がより円滑に流れるようになり、半導体部品２０をより効率的に冷却することが可能となる。また、複数のフィン１１を設けることのみによって複数の流路区画Ｆ１を形成することが可能となる。つまり、他の部材を必要とすることなく、流路区画Ｆ１を形成することができる。これにより、製造コストやメンテナンスコストの削減も実現することができる。

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。例えば、半導体部品２０の数は３つに限定されず、４つ以上であってもよい。この場合にも、半導体部品２０の数に応じた数の流路区画Ｆ１が形成されることで、上述したものと同様の作用効果を得ることができる。

＜第二実施形態＞
続いて、本開示の第二実施形態について、図３と図４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。以下の説明では、３つの半導体部品２０のうち、第一方向ｄ１の中央部に位置する半導体部品２０を第一半導体部品２１ａと呼び、残余の２つの半導体部品２０を第二半導体部品２１ｂと呼ぶ。

図３に示すように、本実施形態に係る冷却装置１０１では、第一半導体部品２１ａに対応する流路区画Ｆ１（第一流路区画Ｆ１１）におけるフィン１１同士の間の間隔（つまり、第一方向ｄ１におけるフィン１１同士の間の間隔）が、他の流路区画Ｆ１におけるフィン１１同士の間の間隔に比べて小さくなっている。言い換えると、当該中央部に位置する第一流路区画Ｆ１１では、フィン１１が、他の流路区画Ｆ１に比べて、より密になるように配列されている。

さらに、図４に示すように、この第一流路区画Ｆ１１では、導入口１７の第二方向ｄ２における寸法が他の流路区画Ｆ１の導入口１７よりも大きくなっている。これにより、第一流路区画Ｆ１１に流れる流量が他の流路区画Ｆ１と同等以上となる。

（作用効果）
ここで、複数の半導体部品２０の発熱量が互いに等しいと仮定した場合、上述のように３つの半導体部品２０のうち、中央部に配置された第一半導体部品２１ａの周囲では、第二半導体部品２１ｂの影響を受けて発熱が重畳される。その結果、第一半導体部品２１ａは第二半導体部品２１ｂに比べて高温になりやすい。そこで、本実施形態では、上述のような構成を採っている。

上記構成によれば、中央部の半導体部品２０（第一半導体部品２１ａ）に対応する第一流路区画Ｆ１１ではフィン１１同士の間隔が狭く、かつ導入口１７の第二方向ｄ２における寸法が他の流路区画Ｆ１よりも大きい。これにより、発熱しやすい中央部の第一半導体部品２１ａに対して他の流路区画と同等以上の量の冷媒を供給しつつ、より密に配置されたフィン１１によって冷却効果を高めることができる。したがって、第一半導体部品２１ａの周囲で発熱が重畳される影響を小さく抑えることが可能となり、各半導体部品２０の熱暴走や損壊が生じる可能性を大幅に低減することができる。

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。

例えば、図５に変形例として示すように、冷却体としてフィン１１に代えて、ピン１１１を適用することも可能である。この場合、同図に示すように、第一流路区画Ｆ１１ではピン１１１同士の間の間隔が、他の流路区画Ｆ１に比べて狭くなるように配置される。また、各流路区画Ｆ１は、第二方向ｄ２に延びる板状の隔壁部１８によって互いに区画されている。

上記構成によれば、冷却体としてピン１１１が用いられていることから、フィン１１に比べて冷媒が接触する面の表面積が増加する。これにより、ピン１１１から冷媒に移動する熱がより多くなる。その結果、第二実施形態で説明した作用効果に加えて、冷却装置１０１の冷却性能をさらに向上させることが可能となる。

＜第三実施形態＞
次に、本開示の第三実施形態について、図６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。同図に示すように、本実施形態に係る冷却装置２０１では、全ての流路区画Ｆ１を通じて導入口１７の第二方向ｄ２における寸法が一定である。

さらに、第一半導体部品２１ａに対応する第一流路区画Ｆ１１では、第二方向ｄ２におけるフィン１１の寸法が、他の流路区画Ｆ１のフィン１１に比べて小さくなっている。具体的には、第一流路区画Ｆ１１のフィン１１では、両端部が第二方向ｄ２における中央側に近接することでその全長が短くなっている。さらに、第一流路区画Ｆ１１では、フィン１１同士の第一方向ｄ１における間隔が、他の流路区画Ｆ１のフィン１１同士の間隔よりも小さくなっている。

（作用効果）
上記構成によれば、導入口１７の寸法が各流路区画で同一であり、中央部の第一半導体部品２１ａに対応する第一流路区画Ｆ１１ではフィン１１同士の間隔が狭い。このため、第一流路区画Ｆ１１では、冷媒に対する圧力損失が他の流路区画Ｆ１に比べて大きくなる傾向にある。

そこで、この第一流路区画Ｆ１１では第二方向ｄ２におけるフィン１１の長さが他の流路区画Ｆ１のフィン１１に比べて小さく設定されている。これにより、フィン１１同士の間を流れる際に圧力損失が生じる区間が第一流路区画Ｆ１１では短くなる。その結果、第一流路区画Ｆ１１に供給される冷媒の流量を、他の流路区画Ｆ１と同等以上とすることができる。中央部の半導体部品２０（第一半導体部品２１ａ）に対応する第一流路区画Ｆ１１ではフィン１１同士の間隔が狭く配置されることで冷却効果が高められており、長さを短くすることで他の流路区画と同等以上の冷媒が供給される。このため、第一半導体部品２１ａの周囲で発熱が重畳される影響を小さく抑えることが可能となり、各半導体部品２０の熱暴走や損壊が生じる可能性を大幅に低減することができる。

さらに、導入口１７の第二方向ｄ２における寸法が各流路区画Ｆ１同士の間で一定であることから、当該導入口１７を形成する際の加工コストや加工時間を短縮することもできる。その結果、冷却装置２０１の製造コストを削減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。

例えば、図７に変形例として示すように、フィン１１に代えて、ピン１１１を冷却体として用いることも可能である。この場合、第一流路区画Ｆ１１では、ピン１１１同士の間の間隔が他の流路区画Ｆ１のピン１１１同士の間の間隔よりも小さく設定される。また、第一流路区画Ｆ１１では、ピン１１１が配置される領域の第二方向ｄ２における寸法が他の流路区画Ｆ１におけるピン１１１が配置される領域よりも小さく設定される。

上記構成によれば、冷却体としてピン１１１が用いられていることから、フィン１１に比べて冷媒が接触する面の表面積が増加する。これにより、ピン１１１から冷媒に移動する熱がより多くなる。その結果、第三実施形態で説明した作用効果に加えて、冷却装置２０１の冷却性能をさらに向上させることが可能となる。

＜付記＞
各実施形態に記載の冷却装置１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１は、基板２の表面に実装され、第一方向ｄ１に配列された複数の半導体部品２０を冷却する冷却装置１であって、前記基板２の裏面に取り付けられたベース１０と、前記ベース１０に離間して配置されることで該ベース１０との間に冷媒が流通する流路Ｆを形成する底板１２と、前記流路Ｆ内に配置された冷却体と、を備え、前記流路Ｆは、前記半導体部品２０ごとに独立して設けられ、前記第一方向ｄ１に直交する第二方向ｄ２に延びる複数の流路区画Ｆ１を有し、前記底板１２における前記第二方向ｄ２の中央部には、各前記流路区画Ｆ１に前記冷媒を供給する導入口１７が形成されている。

上記構成によれば、各流路区画Ｆ１を流れる冷媒によって、それぞれの半導体部品２０を個別に冷却することができる。また、導入口１７が流路区画Ｆ１の中央部に形成されていることから、初期の低温の冷媒を半導体部品２０に向けて積極的に供給することができる。これにより、半導体部品２０を効率的かつ積極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１は、（１）の冷却装置１であって、前記冷却体は、前記ベース１０から前記底板１２に向かって突出するとともに、前記第二方向ｄ２に延びる複数のフィン１１であり、互いに隣り合う一対の前記流路区画Ｆ１は、一の前記フィン１１によって区画されている。

上記構成によれば、フィン１１が第二方向ｄ２に延びていることによって、冷媒の流れる方向を当該第二方向ｄ２のみに規制することができる。これにより、冷媒がより円滑に流れるため、半導体部品２０をより効率的に冷却することが可能となる。

（３）第３の態様に係る冷却装置１は、（２）の冷却装置１であって、前記複数の半導体部品２０のうち、前記第一方向ｄ１における中央部に位置する前記半導体部品２０に対応する前記流路区画Ｆ１では、他の前記流路区画Ｆ１に比べて前記フィン１１同士の間の間隔が狭く、かつ他の前記流路区画Ｆ１に比べて前記導入口１７の前記第二方向ｄ２における寸法が大きい。

上記構成によれば、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１１ではフィン１１同士の間隔が狭く、かつ導入口１７の寸法が大きい。これにより、発熱の重畳の影響を受けやすい中央部の半導体部品２０に対して供給される冷媒の流量を他の流路区画と同等以上としつつ、より密に配置されたフィン１１によって冷却効果をさらに高めることができる。

（４）第４の態様に係る冷却装置１は、（２）の冷却装置１であって、前記導入口１７の前記第二方向ｄ２における寸法は、複数の前記流路区画Ｆ１同士の間で同一であり、前記複数の半導体部品２０のうち、前記第一方向ｄ１における中央部に位置する前記半導体部品２０に対応する前記流路区画Ｆ１では、他の前記流路区画Ｆ１に比べて前記フィン１１同士の間の間隔が狭く、かつ前記第二方向ｄ２における前記フィン１１の寸法が他の前記流路区画Ｆ１における前記フィン１１の寸法に比べて小さい。

上記構成によれば、導入口１７の寸法が各流路区画で同一であり、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１ではフィン１１同士の間隔が狭い。一方で、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１では第二方向ｄ２におけるフィン１１の長さが小さい。これにより、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１１に供給される冷媒の流量を他の流路区画Ｆ１と同等以上にすることができる。

（５）第５の態様に係る冷却装置１は、（１）の冷却装置１であって、前記冷却体は、前記ベース１０から前記底板１２に向かって延びる棒状をなす複数のピン１１１であり、互いに隣り合う一対の前記流路区画Ｆ１同士の間に設けられた隔壁部１８をさらに備える。

上記構成によれば、冷却体としてピン１１１が用いられていることから、フィン１１に比べて表面積が増加する。これにより、冷却装置１の冷却性能をさらに向上させることが可能となる。

（６）第６の態様に係る冷却装置１は、（５）の冷却装置１であって、前記複数の半導体部品２０のうち、前記第一方向ｄ１における中央部に位置する前記半導体部品２０に対応する前記流路区画Ｆ１では、他の前記流路区画Ｆ１に比べて前記ピン１１１同士の間の間隔が狭く、かつ他の前記流路区画Ｆ１に比べて前記導入口１７の前記第二方向ｄ２における寸法が大きい。

上記構成によれば、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１ではピン１１１同士の間隔が狭く、かつ導入口１７の寸法が大きい。これにより、発熱しやすい中央部の半導体部品２０に対して供給される冷媒の流量を他の流路区画と同等以上としつつ、より密に配置されたピン１１１によって冷却効果をさらに高めることができる。

（７）第７の態様に係る冷却装置１は、（５）の冷却装置１であって、前記導入口１７の前記第二方向ｄ２における寸法は、複数の前記流路区画Ｆ１同士の間で同一であり、前記複数の半導体部品２０のうち、前記第一方向ｄ１における中央部に位置する前記半導体部品２０に対応する前記流路区画Ｆ１では、他の前記流路区画Ｆ１に比べて前記ピン１１１同士の間の間隔が狭く、かつ前記第二方向ｄ２における前記ピン１１１が配置される領域の寸法が他の前記流路区画Ｆ１における前記ピン１１１が配置される領域の寸法に比べて小さい。

上記構成によれば、導入口１７の寸法が各流路区画Ｆ１で同一であり、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１ではピン１１１同士の間隔が狭い。一方で、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１では第二方向ｄ２におけるピン１１１が配置される領域の寸法が小さい。これにより、中央部の半導体部品２０に対応する流路区画Ｆ１に供給される冷媒の流量を他の流路区画Ｆ１と同等以上とすることができる。

１…冷却装置
２…基板
１０…ベース
１１，１１ａ…フィン
１２…底板
１３…裏面
１４…側壁
１７…導入口
１８…隔壁部
２０…半導体部品
２１ａ…第一半導体部品
２１ｂ…第二半導体部品
２１…基板本体
２２…銅パターン
２３…接合材
１０１…冷却装置
１１１…ピン
ｄ１…第一方向
ｄ２…第二方向
Ｆ…流路
Ｆ１…流路区画
Ｆ１１…第一流路区画

Claims (7)

1. 基板の表面に実装され、第一方向に配列された複数の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、
   前記ベースに離間して配置されることで該ベースとの間に冷媒が流通する流路を形成する底板と、
   前記流路内に配置された冷却体と、
   を備え、
   前記流路は、前記半導体部品ごとに独立して設けられ、前記第一方向に直交する第二方向に延びる複数の流路区画を有し、
   前記底板における前記第二方向の中央部には、各前記流路区画に前記冷媒を供給する導入口が形成されている冷却装置。
2. 前記冷却体は、前記ベースから前記底板に向かって突出するとともに、前記第二方向に延びる複数のフィンであり、互いに隣り合う一対の前記流路区画は、一の前記フィンによって区画されている請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記複数の半導体部品のうち、前記第一方向における中央部に位置する前記半導体部品に対応する前記流路区画では、他の前記流路区画に比べて前記フィン同士の間の間隔が狭く、かつ他の前記流路区画に比べて前記導入口の前記第二方向における寸法が大きい請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記導入口の前記第二方向における寸法は、複数の前記流路区画同士の間で同一であり、
   前記複数の半導体部品のうち、前記第一方向における中央部に位置する前記半導体部品に対応する前記流路区画では、他の前記流路区画に比べて前記フィン同士の間の間隔が狭く、かつ前記第二方向における前記フィンの寸法が他の前記流路区画における前記フィンの寸法に比べて小さい請求項２に記載の冷却装置。
5. 前記冷却体は、前記ベースから前記底板に向かって延びる棒状をなす複数のピンであり、
   互いに隣り合う一対の前記流路区画同士の間に設けられた隔壁部をさらに備える請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記複数の半導体部品のうち、前記第一方向における中央部に位置する前記半導体部品に対応する前記流路区画では、他の前記流路区画に比べて前記ピン同士の間の間隔が狭く、かつ他の前記流路区画に比べて前記導入口の前記第二方向における寸法が大きい請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記導入口の前記第二方向における寸法は、複数の前記流路区画同士の間で同一であり、
   前記複数の半導体部品のうち、前記第一方向における中央部に位置する前記半導体部品に対応する前記流路区画では、他の前記流路区画に比べて前記ピン同士の間の間隔が狭く、かつ前記第二方向における前記ピンが配置される領域の寸法が他の前記流路区画における前記ピンが配置される領域の寸法に比べて小さい請求項５に記載の冷却装置。

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