JP2024004775A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】流路が電気的に絶縁されているとともに、上面と下面との導通が確保されているヒートシンクを提供する。【解決手段】ヒートシンク２は、内部に流路が形成された流路部材４と、流路部材４の上面を電気的に絶縁する上側絶縁プレート６と、流路部材４の下面を電気的に絶縁する下側絶縁プレート８と、上側絶縁プレート６の上方に配置され、上側絶縁プレート６の端部から突出する突出部１０ａを有する上側導電性プレート１０と、下側絶縁プレート８の下方に配置され、下側絶縁プレート８の端部から突出する突出部１２ａを有する下側導電性プレート１２と、上側導電性プレート１０の突出部１０ａと下側導電性プレート１２の突出部１２ａとの間に配置され、上側導電性プレート１０と下側導電性プレート１２とを電気的に接続する導電性ブロック１４とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子を冷却するためのヒートシンクに関する。

レーザダイオードなどの半導体素子を冷却するためのヒートシンクとして、水冷式ヒートシンクが使用されている。水冷式ヒートシンクは、半導体素子が装着される放熱部材を備え、この放熱部材の内部には、マイクロチャンネルと呼ばれる流路が形成されている。そして、水冷式ヒートシンクにおいては、流路に冷却水が流れることによって、発熱した半導体素子を冷却するようになっている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４－１８６５２７号公報

半導体素子を冷却するヒートシンクにおいては、複数のヒートシンクが積層されて使用される場合がある。この場合、複数のヒートシンクが積層された積層体の上端および下端が電極となることから、各ヒートシンクの上面と下面との間の導通が必要である。他方、ヒートシンクにおいては、流路を流れる水が電気と反応してしまうと、流路を形成する部材の腐食の進行を助長してしまうため、流路は電気的に絶縁されていなければならない。

本発明の課題は、流路が電気的に絶縁されているとともに、上面と下面との導通が確保されているヒートシンクを提供することである。

本発明によれば、上記課題を解決する以下のヒートシンクが提供される。すなわち、
「半導体素子を冷却するためのヒートシンクであって、
内部に流路が形成された流路部材と、
前記流路部材の上面を電気的に絶縁する上側絶縁プレートと、
前記流路部材の下面を電気的に絶縁する下側絶縁プレートと、
前記上側絶縁プレートの上方に配置され、前記上側絶縁プレートの端部から突出する突出部を有する上側導電性プレートと、
前記下側絶縁プレートの下方に配置され、前記下側絶縁プレートの端部から突出する突出部を有する下側導電性プレートと、
前記上側導電性プレートの突出部と前記下側導電性プレートの突出部との間に配置され、前記上側導電性プレートと前記下側導電性プレートとを電気的に接続する導電性ブロックとを備えるヒートシンク」が提供される。

好ましくは、前記導電性ブロックには、上下方向に延びる切り欠きが形成されている。前記流路部材と前記導電性ブロックとの間には隙間が設けられているのが望ましい。半導体素子が装着される領域は一端部に設けられ、前記導電性ブロックは他端部に設けられているのが好適である。

本発明のヒートシンクにおいては、上側絶縁プレートおよび下側絶縁プレートによって流路が電気的に絶縁されているとともに、上側導電性プレートの突出部と下側導電性プレートの突出部との間に導電性ブロックが配置されているので、上面と下面との導通が確保される。

本発明に従って構成されたヒートシンクの斜視図。 図１に示すヒートシンクから上側導電性プレートおよび上側絶縁プレートを除いた状態を示す斜視図。 図１に示すヒートシンクの分解斜視図。 図１に示すヒートシンクの一部断面図

以下、本発明に従って構成されたヒートシンクの実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

（ヒートシンク２）
図１に示すとおり、水冷式のヒートシンク２は、放熱性の良好な材料から形成されている。ヒートシンク２は全体として直方体形状であり、ヒートシンク２の上面の所定領域（図示の実施形態では図１において符号Ｒで示す領域）に、レーザダイオードなどの半導体素子（被冷却物）が装着される。図１を参照することによって理解されるとおり、領域Ｒは、ヒートシンク２の長手方向（Ｘ方向）一端部に設けられている。なお、Ｘ方向は図１に矢印Ｘで示す方向である。また、Ｙ方向はＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向に直交する上下方向である。

ヒートシンク２には、ヒートシンク２の流路に冷却水を供給するための供給孔２ａと、ヒートシンク２の流路から冷却水を排出するための排出孔２ｂと、ネジ（図示していない。）を通すための締結孔２ｃとが上下方向（Ｚ方向）に貫通して形成されている。なお、締結孔２ｃを通るネジによって、上下方向に積層された複数のヒートシンク２が互いに締結される。

図２ないし図４を参照して説明すると、ヒートシンク２は、流路部材４と、上側絶縁プレート６と、下側絶縁プレート８と、上側導電性プレート１０と、下側導電性プレート１２と、導電性ブロック１４とを備える。

（流路部材４）
流路部材４は、放熱性の良好な材料から形成され得るところ、加工性がよく、比較的低コストの銅であるのが好ましい。図示の実施形態では図３および図４に示すとおり、流路部材４は、長方形状の銅製の６枚の流路プレート４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆが上下方向に積層され、かつ、互いに接合された積層体である。各流路プレート４ａ～４ｆのサイズ（Ｘ方向・Ｙ方向の寸法）は、同一でよい。

各流路プレート４ａ～４ｆには、互いに接合される前にエッチングが施され、供給孔２ａ、排出孔２ｂおよび締結孔２ｃを構成する複数個の開口（符号省略）が形成される。各流路プレート４ａ～４ｆが互いに接合された際には、各流路プレート４ａ～４ｆの開口によって、供給孔２ａと排出孔２ｂとを接続する流路が形成されるようになっている。なお、流路部材４の流路の形状および流路プレートの枚数は、任意に設定され得る。

（上側絶縁プレート６、下側絶縁プレート８）
上側絶縁プレート６および下側絶縁プレート８は、たとえば、公知のＤＣＢ基板から形成され得る。ＤＣＢ基板は、Direct Copper Bond法によって、絶縁層の上面および下面に金属製の導電層が直接接合された積層基板である。

図４に示すとおり、上側絶縁プレート６は、長方形状の絶縁層６ａと、絶縁層６ａの上面および下面に直接接合された長方形状の導電層６ｂ、６ｃとを有する。下側絶縁プレート８も、上側絶縁プレート６と同様に、長方形状の絶縁層８ａと、絶縁層８ａの上面および下面に直接接合された長方形状の導電層８ｂ、８ｃとを有する。

絶縁層６ａ、８ａの材料としては、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、サファイアのような電気絶縁性および高い放熱性を有する材料が採用され得る。導電層６ｂ、６ｃ、８ｂ、８ｃの材料は銅でよい。

上側絶縁プレート６は流路部材４の上面に配置されており、導電層６ｃの下面が最上部の流路プレート４ａの上面に接合されている。また、下側絶縁プレート８は流路部材４の下面に配置されており、導電層８ｂの上面が最下部の流路プレート４ｆの下面に接合されている。そして、上側絶縁プレート６は、流路部材４の上面を電気的に絶縁し、下側絶縁プレート８は、流路部材４の下面を電気的に絶縁するようになっている。

図示の実施形態の上側・下側絶縁プレート６、８のサイズ（Ｘ方向・Ｙ方向の寸法）は、流路部材４のサイズと同一であるが、流路部材４の上面および下面を電気的に絶縁することができれば、流路部材４のサイズと同一でなくてもよい。

なお、図３に示すとおり、上側・下側絶縁プレート６、８には、供給孔２ａ、排出孔２ｂおよび締結孔２ｃを構成する円形の開口（符号省略）が形成されている。

（上側導電性プレート１０、下側導電性プレート１２）
上側・下側導電性プレート１０、１２は、それぞれ長方形状であり、銅などの放熱性・導電性の良好な金属材料から形成され得る。図４に示すとおり、上側導電性プレート１０は、上側絶縁プレート６の上方に配置され、上側絶縁プレート６の上部の導電層６ｂに接合されている。上側導電性プレート１０のＸ方向寸法は、上側絶縁プレート６のＸ方向寸法よりも大きく、上側導電性プレート１０は、上側絶縁プレート６のＸ方向端部からＸ方向に突出する突出部１０ａを有する。

下側導電性プレート１２は、下側絶縁プレート８の下方に配置され、下側絶縁プレート８の下部の導電層８ｃに接合されている。下側導電性プレート１２のＸ方向寸法は、下側絶縁プレート８のＸ方向寸法よりも大きく、下側導電性プレート１２は、下側絶縁プレート８のＸ方向端部からＸ方向に突出する突出部１２ａを有する。

なお、上側・下側導電性プレート１０、１２のＹ方向寸法は、流路部材４、上側・下側絶縁プレート６、８のＹ方向寸法と同一でよい。また、上側・下側導電性プレート１０、１２にも、上側・下側絶縁プレート６、８と同様に、供給孔２ａ、排出孔２ｂおよび締結孔２ｃを構成する円形の開口（符号省略）が形成されている。

（導電性ブロック１４）
導電性ブロック１４は、直方体形状であり、銅などの放熱性・導電性の良好な金属材料から形成され得る。図４に示すとおり、導電性ブロック１４は、上側導電性プレート１０の突出部１０ａと、下側導電性プレート１２の突出部１２ａとの間に配置されている。また、導電性ブロック１４は、半導体素子（被冷却物）が装着される領域Ｒから離れた位置に配置されているのが好適であり、図示の実施形態では図１に示すとおり、領域Ｒは、ヒートシンク２の長手方向（Ｘ方向）一端部に設けられ、導電性ブロック１４は、ヒートシンク２の長手方向（Ｘ方向）他端部に設けられている。なお、導電性ブロック１４は、複数個設けられていてもよい。

導電性ブロック１４のＺ方向寸法（上下方向寸法）は、上側導電性プレート１０の突出部１０ａと、下側導電性プレート１２の突出部１２ａとの間の距離に対応している。導電性ブロック１４の上面は、突出部１０ａの下面に接合され、導電性ブロック１４の下面は、突出部１２ａの上面に接合されている。このため、上側導電性プレート１０と下側導電性プレート１２とが導電性ブロック１４によって電気的に接続されており、ヒートシンク２の上面と下面との導通（上側導電性プレート１０の上面と下側導電性プレート１２の下面との導通）が確保されている。

図４を参照して説明を続けると、導電性ブロック１４のＸ方向寸法は、突出部１０ａ、１２ａのＸ方向寸法よりも小さく、導電性ブロック１４と流路部材４との間には隙間Ｇが設けられているのが好ましい。これによって、導電性ブロック１４と流路部材４との間に絶縁部材（図示していない。）を介在させることなく、導電性ブロック１４と流路部材４との導通を遮断できるからである。

また、図示の実施形態においては、導電性ブロック１４と、上側・下側絶縁プレート６、８のそれぞれとの間にも隙間Ｇが設けられており、上側絶縁プレート６の下部の導電層６ｃ、下側絶縁プレート８の上部の導電層８ｂを介して、導電性ブロック１４と流路部材４とが導通することがないようになっている。

なお、導電性ブロック１４のＹ方向寸法は、上側・下側導電性プレート１０、１２のＹ方向寸法と同一でよい。

図２および図３に示すとおり、導電性ブロック１４には、上下方向に延びる切り欠き１４ａが形成されているのが好ましい。切り欠き１４ａが形成されていると、流路部材４、上側・下側絶縁プレート６、８、上側・下側導電性プレート１０、１２および導電性ブロック１４を接合する際の熱歪みが吸収されるため、上記部材の接合不良が防止される。

図示の実施形態においては、流路部材４に対向する側面に切り欠き１４ａが形成されているが、この側面に限定されず、切り欠き１４ａが上下方向に延びていれば、どの側面に切り欠き１４ａが形成されていてもよい。また、切り欠き１４ａは１個以上形成されていてもよい。

（ヒートシンク２の製造方法）
ヒートシンク２を製造する際は、まず、エッチングなどによって所要の開口を形成した上記各プレート（流路プレート４ａ～４ｆ、上側・下側絶縁プレート６、８、上側・下側導電性プレート１０、１２）を準備するとともに、切り欠き１４ａを形成した導電性ブロック１４を準備する。

次いで、上記各プレートの表面に酸化膜を形成する。酸化膜の形成方法は、公知の方法を用いることができる。なお、上側・下側絶縁プレート６、８の表面には、酸化膜を形成しなくてもよい。

次いで、図３および図４に示すように、上記各プレートを所定の順で積み重ねるとともに、上側導電性プレート１０の突出部１０ａと下側導電性プレート１２の突出部１２ａとの間に導電性ブロック１４を配置する。

そして、積み重ねた上記各プレートおよび導電性ブロック１４を所定温度（たとえば、１０８５℃）で加熱する。そうすると、酸化膜が還元されて消失するとともに、積み重ねた上記各プレートおよび導電性ブロック１４が互いに接合される。このようにして、ヒートシンク２が形成される。

上記のように、積み重ねた上記各プレートおよび導電性ブロック１４を互いに接合する際の加熱温度は、１０８５℃のような高温である。また、上述したとおり、上記各プレートの積層体（流路プレート４ａ～４ｆ、上側・下側絶縁プレート６、８および上側・下側導電性プレート１０、１２の積層体）には、窒化アルミニウムなどから形成される絶縁層６ａ、８ａが含まれる。一方、導電性ブロック１４は、銅などの放熱性・導電性の良好な金属材料から形成される。

すなわち、絶縁層６ａ、８ａの材料の熱膨張係数は、導電性ブロック１４の材料の熱膨張係数よりも小さくなるのが一般的であるといえる。このため、上記各プレートの積層体の接合時における熱歪みは、絶縁層６ａ、８ａによって抑制され、導電性ブロック１４の接合時における熱歪みよりも小さくなる。この点に関し、図示の実施形態においては、導電性ブロック１４に切り欠き１４ａが形成されていることによって、接合時の熱歪みが吸収されるので、熱歪みによる接合不良が防止される。

以上のとおりであり、図示の実施形態のヒートシンク２においては、上側絶縁プレート６および下側絶縁プレート８によって流路が電気的に絶縁されているとともに、上側導電性プレート１０の突出部１０ａと下側導電性プレート１２の突出部１２ａとの間に導電性ブロック１４が配置されているので、上面と下面との導通が確保されている。

２：ヒートシンク
４：流路部材
６：上側絶縁プレート
８：下側絶縁プレート
１０：上側導電性プレート
１０ａ：突出部
１２：下側導電性プレート
１２ａ：突出部
１４：導電性ブロック
１４ａ：切り欠き

Claims (4)

1. 半導体素子を冷却するためのヒートシンクであって、
   内部に流路が形成された流路部材と、
   前記流路部材の上面を電気的に絶縁する上側絶縁プレートと、
   前記流路部材の下面を電気的に絶縁する下側絶縁プレートと、
   前記上側絶縁プレートの上方に配置され、前記上側絶縁プレートの端部から突出する突出部を有する上側導電性プレートと、
   前記下側絶縁プレートの下方に配置され、前記下側絶縁プレートの端部から突出する突出部を有する下側導電性プレートと、
   前記上側導電性プレートの突出部と前記下側導電性プレートの突出部との間に配置され、前記上側導電性プレートと前記下側導電性プレートとを電気的に接続する導電性ブロックとを備えるヒートシンク。
2. 前記導電性ブロックには、上下方向に延びる切り欠きが形成されている、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記流路部材と前記導電性ブロックとの間には隙間が設けられている、請求項１に記載のヒートシンク。
4. 半導体素子が装着される領域は一端部に設けられ、前記導電性ブロックは他端部に設けられている、請求項１に記載のヒートシンク。
   

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