JP2023150887A - 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】基板２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２０を冷却する冷却装置１であって、基板の裏面に取り付けられたベース１０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１２と、流路内に配置された冷却体と、を備える。底板における第一方向ｄ１の中央部には、裏面に対向する方向から流路Ｆに冷媒を導く導入口１７が形成される。導入口における流路の流路断面積は、底板からベース側に向かって突出する厚肉部１６を設けることで、第一方向の両側における流路の流路断面積よりも小さい。【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、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。したがって、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、中央部での冷却効果が不足してしまう虞がある。

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、前記底板における前記第一方向の中央部には、前記裏面に対向する方向から前記流路に前記冷媒を導く導入口が形成され、前記導入口における前記流路の流路断面積は、前記第一方向の両側における前記流路の流路断面積よりも小さい。

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。 図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図である。 図１のＩＩＩ―ＩＩＩ線における断面図である。 図１のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。 本開示の第一実施形態の変形例に係る冷却装置、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、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の変形例に係る冷却装置、及び基板の構成を示す断面図である。 本開示の各実施形態に共通する第一変形例を示す図であって、導入口の構成を示す模式図である。 本開示の各実施形態に共通する第二変形例を示す図であって、図１のＩＶ－ＩＶ線における断面図に対応する図である。 本開示の各実施形態に共通する第三変形例に係る冷却装置、及び基板の構成を示す断面図である。

＜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から図４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。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、その両側に位置する一対の半導体部品２０を第二半導体部品２１ｂと呼ぶことがある。

（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４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に延びるとともに、当該第一方向ｄ１に直交する第二方向ｄ２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。

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、底板本体１５と、厚肉部１６と、を有している。底板本体１５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。底板本体１５は、第一方向ｄ１、及び第二方向ｄ２に広がっている。底板本体１５の厚さは全域で一定である。

第一方向ｄ１における底板本体１５の中央部（つまり、複数の半導体部品２０が配置された領域における第一方向ｄ１の中央部：第一半導体部品２１ａに重なる領域）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、第二方向ｄ２に延びる矩形状の開口である（図４参照）。この導入口１７を通じて、底板本体１５からベース１０に向かう方向に冷媒が導入される。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。

底板１２の流路Ｆ側を向く面上であって、第一方向ｄ１における導入口１７の両側には、厚肉部１６が設けられている。厚肉部１６は、底板本体１５よりも大きな厚さを有している。厚肉部１６は、導入口１７を挟んで第一方向ｄ１の両側に１つずつ形成されている。厚肉部１６は、第一方向ｄ１において、少なくとも第一半導体部品２１ａと重なる領域にかけて広がっている。一方で、第一方向ｄ１において、厚肉部１６は第二半導体部品２１ｂとは重なっていない。厚肉部１６の厚さは、第一方向ｄ１の全域で一定である。

この厚肉部１６が形成されていることによって、図２と図３に示すように、流路Ｆの流路断面積が変化している。具体的には図２に示すように、厚肉部１６が形成されている導入口１７周囲の領域の流路断面積は、当該厚肉部１６が形成されていない領域、つまり第一方向ｄ１における両端側の領域の流路断面積に比べて小さくなっている。つまり、第一半導体部品２１ａに対応する領域の流路断面積は、第二半導体部品２１ｂに対応する領域の流路断面積よりも小さくなっている。

（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。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、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、冷却条件が等しい場合、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、導入口１７が第一方向ｄ１における中央部、つまり第一半導体部品２１ａに対応する領域に形成されている。これにより、初期の最も低温の冷媒を第一半導体部品２１ａに対して供給することができる。その結果、発熱の重畳の影響を受ける第一半導体部品２１ａを優先的かつ効率的に冷却することが可能となる。したがって、第一半導体部品２１ａと第二半導体部品２１ｂとの温度差が解消され、各半導体部品２０に熱暴走や損壊が生じるリスクを大きく低減することができる。

さらに、上記構成によれば、導入口１７における流路Ｆの流路断面積が第一方向ｄ１の両側における流路Ｆの流路断面積より小さいことから、冷媒の流速を当該導入口１７の周囲で高めることができる。その結果、導入口１７の直上にある第一半導体部品２１ａに対する冷却効果をさらに向上させることが可能となる。

また、上記構成によれば、導入口１７が第二方向ｄ２に延びる矩形状の開口である。これにより、第二方向ｄ２の全域にわたって均一に導入口１７から冷媒が流路Ｆに供給される。言い換えると、第二方向ｄ２において冷媒が偏りなく流路Ｆに供給される。その結果、各半導体部品２０に冷媒がムラなく供給されることとなり、これら半導体部品２０に対する冷却効果をさらに高めることが可能となる。

加えて、上記構成によれば、厚肉部１６を形成することのみによって、簡素な構成のもとで流路Ｆの流路断面積を変化させることが可能となる。特に、上述したＡＭ造形法によって冷却装置１を一体的に造形する場合には製造工程を大幅に簡略化することが可能となる。これにより、冷却装置１の製造コストやメンテナンスコストを削減することができる。

さらに、上記構成によれば、冷却体としてのフィン１１によって、各半導体部品２０を効率的に冷却することができる。また、フィン１１によって冷媒の流れる方向が第一方向ｄ１のみに規定されることから、冷媒の滞留や逆流が抑制され、より効率的かつ安定的に各半導体部品２０を冷却することが可能となる。

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、上記第一実施形態では、底板１２に厚肉部１６が形成されている例について説明した。しかしながら、図５に変形例として示すように、厚肉部１６はベース１０の裏面１３（流路Ｆ側を向く面）における導入口１７を臨む領域に形成されていてもよい。また、厚肉部１６は、底板１２とベース１０の少なくとも一方に設けられていればよい。言い換えると、底板１２とベース１０の双方に厚肉部１６がそれぞれ形成されていてもよい。この場合、厚肉部１６の厚さは、第一半導体部品２１ａに冷媒の冷却効果が及ぶように適宜設定されることが望ましい。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態に係る冷却装置１０１について、図６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。冷却装置１０１は、底板１１２の構成が第一実施形態とは異なり、残余の構成は第一実施形態と同様である。

底板１１２は、底板本体１１５と、スロープ部１１６と、を有している。底板本体１１５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。底板本体１１５は、第一方向ｄ１、及び第二方向ｄ２に広がっている。底板本体１１５の厚さは全域で一定である。

第一方向ｄ１における底板本体１１５の中央部（つまり、複数の半導体部品２０が配置された領域における第一方向ｄ１の中央部：第一半導体部品２１ａに重なる領域）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、第二方向ｄ２に延びる矩形状の開口である。この導入口１７を通じて、底板本体１１５からベース１０に向かう方向に冷媒が導入される。

第一方向ｄ１における導入口１７の両側には、スロープ部１１６が設けられている。スロープ部１１６は、第二方向ｄ２からの断面視で、導入口１７から第一方向ｄ１の両側に離間するに従って、第一方向ｄ１と第二方向ｄ２とに直交する方向における寸法が次第に小さくなっている。つまり、スロープ部１１６におけるベース１０側を向く面（傾斜面１１６ａ）は、導入口１７から離間するに従ってベース１０から離間する方向に延びることで、第一方向ｄ１に対して傾斜している。

このスロープ部１１６が形成されていることによって、流路Ｆの流路断面積は、導入口１７から第一方向ｄ１の両側に向かうに従って次第に大きくなるように変化している。具体的にはスロープ部１１６が形成されている導入口１７周囲の領域の流路断面積は、当該スロープ部１１６が形成されていない領域、つまり第一方向ｄ１における両端側の領域の流路断面積に比べて小さくなっている。つまり、第一半導体部品２１ａに対応する領域の流路断面積は、第二半導体部品２１ｂに対応する領域の流路断面積よりも小さくなっている。

上記構成によれば、導入口１７が第一方向ｄ１における中央部、つまり第一半導体部品２１ａに対応する領域に形成されている。これにより、初期の最も低温の冷媒を第一半導体部品２１ａに対して供給することができる。その結果、発熱の重畳の影響を受けて高温になりやすい第一半導体部品２１ａを優先的かつ効率的に冷却することが可能となる。したがって、第一半導体部品２１ａと第二半導体部品２１ｂとの温度差が解消され、各半導体部品２０に熱暴走や損壊が生じるリスクを大きく低減することができる。

さらに、上記構成によれば、スロープ部１１６が設けられていることによって、導入口１７から第一方向ｄ１の両端部に至るまでの間に流路Ｆ中に段差等が形成されていない状態となる。これにより、当該段差等によって生じやすい渦や淀みが解消される。したがって、導入口１７から離間する方向に流れる冷媒の圧力損失が低減される。その結果、冷媒の流れがより円滑化されて、各半導体部品２０に対する冷却効果をより一層高めることができる。

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、上記第二実施形態では、底板１１２にスロープ部１１６が形成されている例について説明した。しかしながら、図７に変形例として示すように、スロープ部１１６はベース１０の裏面１３における導入口１７を臨む領域に形成されていてもよい。また、スロープ部１１６は、底板１１２とベース１０の少なくとも一方に設けられていればよい。言い換えると、底板１１２とベース１０の双方にスロープ部１１６がそれぞれ形成されていてもよい。この場合、スロープ部１１６の厚さ、及び傾斜角度は、第一半導体部品２１ａに冷媒の冷却効果が及ぶように適宜設定されることが望ましい。

＜各実施形態に共通する変形例＞
上述の各実施形態では、導入口１７が第二方向ｄ２に延びる矩形状をなしている例について説明した。しかしながら、変形例として図８に示すように、導入口１７が第二方向ｄ２に間隔をあけて配列された複数の開口部１１７によって形成されていてもよい。開口部１１７の形状は図８の例では円形である。なお、開口部１１７が矩形状や多角形状、楕円形状をなしていてもよい。この構成によれば、導入口１７が複数の開口部１１７によって形成されていることから、導入口１７が１つの矩形状をなしている場合に比べて、各開口部１１７から吹き出す冷媒の流速が高まる。これにより、各半導体部品２０に対する冷却効果をより一層高めることが可能となる。

さらに、上述の各実施形態では、冷却体としてフィン１１を用いた例について説明した。しかしながら、冷却体の態様はフィン１１に限定されず、図９に示すように、複数のピン１１１を用いることも可能である。これら複数のピン１１１は、第一方向ｄ１、及び第二方向ｄ２に間隔をあけて格子状に配列されている。また、各ピン１１１の断面形状は円形である。なお、ピン１１１の断面形状は円形に限定されず、矩形状や多角形状、楕円形状であってもよい。

また、上述の各実施形態では、基板２が、１つの第一半導体部品２１ａと、２つの第二半導体部品２１ｂを有する例について説明した。しかしながら、基板２の態様はこれに限定されず、図１０に示す構成を採ることも可能である。同図の例では、第一方向ｄ１に間隔をあけて２つの第一半導体部品２１ａが配列され、さらにその両側に１つずつの第二半導体部品２１ｂが間隔をあけて配置されている。つまり、合計４つの半導体部品２０が配置されている。この場合、冷却装置１の導入口１７は、２つの第一半導体部品２１ａ同士の間の領域に位置していることが望ましい。これにより、２つの第一半導体部品２１ａに対して、初期の低温の冷媒を優先的に供給することができる。その結果、上述した各実施形態と同様の作用効果を得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１３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、前記底板１２における前記第一方向ｄ１の中央部には、前記裏面１３に対向する方向から前記流路Ｆに前記冷媒を導く導入口１７が形成され、前記導入口１７における前記流路Ｆの流路断面積は、前記第一方向ｄ１の両側における前記流路Ｆの流路断面積よりも小さい。

上記構成によれば、導入口１７における流路Ｆの流路断面積が第一方向ｄ１の両側における流路Ｆの流路断面積より小さいことから、冷媒の流速を当該導入口１７の周囲で高めることができる。これにより、導入口１７の直上にある半導体部品２０に対する冷却効果を向上させ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、前記導入口１７は、前記第一方向ｄ１に直交する第二方向ｄ２に延びている。

上記構成によれば、第二方向ｄ２の全域にわたって均一に導入口１７から冷媒が供給されるため、各半導体部品２０に対する冷却効果をさらに高めることが可能となる。

（３）第３の態様に係る冷却装置１は、（１）の冷却装置１であって、前記導入口１７は、前記第一方向ｄ１に直交する第二方向ｄ２に間隔をあけて配列された複数の開口部１１７によって形成されている。

上記構成によれば、導入口１７が複数の開口部１１７によって形成されていることから、各開口部１１７から吹き出す冷媒の流速が高まる。これにより、各半導体部品２０に対する冷却効果をより一層高めることが可能となる。

（４）第４の態様に係る冷却装置１は、（１）から（３）のいずれか一態様に係る冷却装置１であって、前記底板１２の前記流路Ｆ側を向く面上、及び前記ベース１０の前記流路Ｆ側を向く面上の少なくとも一方であって、前記導入口１７を含む領域には、該底板１２から前記ベース１０側に向かって突出する厚肉部１６が設けられている。

上記構成によれば、厚肉部１６を形成することのみによって、簡素な構成のもとで流路Ｆの流路断面積を変化させることが可能となる。これにより、装置の製造コストやメンテナンスコストを削減することができる。

（５）第５の態様に係る冷却装置１は、（１）から（３）のいずれか一態様に係る冷却装置１であって、前記底板１２の前記流路Ｆ側を向く面上、及び前記ベース１０の前記流路Ｆ側を向く面上の少なくとも一方には、前記導入口１７から前記第一方向ｄ１の両側に離間するに従って他方から離間する方向に延びるスロープ部１１６が設けられている。

上記構成によれば、スロープ部１１６が設けられていることによって、導入口１７から離間する方向における冷媒の圧力損失が低減される。したがって、冷媒の流れがより円滑化されて、各半導体部品２０に対する冷却効果をより一層高めることができる。

（６）第６の態様に係る冷却装置１は、（１）から（５）のいずれか一態様に係る冷却装置１であって、前記冷却体は、前記底板１２から前記ベース１０に向かって突出するとともに前記第一方向ｄ１に延び、該第一方向ｄ１に直交する第二方向ｄ２に間隔をあけて配列された複数のフィン１１である。

上記構成によれば、冷却体としてのフィン１１によって、各半導体部品２０を効率的に冷却することができる。

（７）第７の態様に係る冷却装置１は、（１）から（５）のいずれか一態様に係る冷却装置１であって、前記冷却体は、前記底板１２から前記ベース１０側に向かって突出する棒状をなすとともに、互いに間隔をあけて配列された複数のピン１１１である。

上記構成によれば、冷却体がピン１１１であることから、フィン１１に比べて表面積が増大する。これにより、冷媒と冷却体との間の熱交換量が増え、各半導体部品２０をさらに効率的に冷却することが可能となる。

１…冷却装置
２…基板
１０…ベース
１１…フィン
１２…底板
１３…裏面
１４…側壁
１５…底板本体
１６…厚肉部
１７…導入口
２０…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
１１２…底板
１１５…底板本体
１１６…スロープ部
１１７…開口部
１１６ａ…傾斜面
２１ａ…第一半導体部品
２１ｂ…第二半導体部品
ｄ１…第一方向
ｄ２…第二方向
Ｆ…流路

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、
   前記底板における前記第一方向の中央部には、前記裏面に対向する方向から前記流路に前記冷媒を導く導入口が形成され、
   前記導入口における前記流路の流路断面積は、前記第一方向の両側における前記流路の流路断面積よりも小さい冷却装置。
2. 前記導入口は、前記第一方向に直交する第二方向に延びている請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記導入口は、前記第一方向に直交する第二方向に間隔をあけて配列された複数の開口部によって形成されている請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記底板の前記流路側を向く面上、及び前記ベースの前記流路側を向く面上の少なくとも一方であって、前記導入口を含む領域には、該底板から前記ベース側に向かって突出する厚肉部が設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却装置。
5. 前記底板の前記流路側を向く面上、及び前記ベースの前記流路側を向く面上の少なくとも一方には、前記導入口から前記第一方向の両側に離間するに従って他方から離間する方向に延びるスロープ部が設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却装置。
6. 前記冷却体は、前記底板から前記ベースに向かって突出するとともに前記第一方向に延び、該第一方向に直交する第二方向に間隔をあけて配列された複数のフィンである請求項１から５のいずれか一項に記載の冷却装置。
7. 前記冷却体は、前記底板から前記ベース側に向かって突出する棒状をなすとともに、互いに間隔をあけて配列された複数のピンである請求項１から５のいずれか一項に記載の冷却装置。

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