JP3000846B2 - 電子部品用冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品、特に半導体
チップを冷却する冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータや周辺機器などの各種情報
機器、および、測定装置や制御装置などの各種電子機器
などにおいては、より小型でより高速な機器が要望され
ている。そして、近年の半導体技術の急速な進歩によ
り、その集積度および動作速度は飛躍的に向上し、前記
各種情報機器および電子機器の小型化・高速化が著しく
進んでいる。このように、機器が高速化・小型化したこ
と、すなわち、半導体の集積度が向上し動作速度が速く
なったことは、一方で、半導体チップの消費電力を増大
させ発熱量を増大させるという問題を生じている。特
に、ＣＰＵなどとして使用されるプロセッサチップにお
いては、消費電力が１０Ｗ以上、発熱温度が１００°Ｃ
以上に達する半導体チップも存在する。

【０００３】このような発熱に対処するために、前記情
報機器などにおいては、通常、その装置の筐体にファン
を設け、その装置全体を、あるいはその装置の特定のユ
ニットを、場合によっては特定の基板ごとを、空冷する
方法が用いられている。また、そのような冷却方法では
十分ではなく、さらに発熱量が多い特定の半導体チップ
を冷却するためには、図６に示すような冷却方法が用い
られる。すなわち、半導体チップ１００の背面に、放熱
フィン１１０を設け、さらにその上にファン１２０を設
け、このファン１２０により冷却気流を発生させ、強制
的に半導体チップを冷却させる方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した放熱
フィンの上にさらにファンを設置する方法においては、
冷却効果が十分でないという問題があった。前記ファン
は半導体チップの上下方向に吸気または排気を行う。一
方、ファンの下に設けられた放熱フィンは、板状のフィ
ン壁を有するものや、棒状の放熱用突起を有するものが
あるが、いずれも上方向との冷却気体の吸排気を考慮し
た形状のものではない。したがって、放熱フィン部分で
冷却気体の流れが乱れ、効果的に放熱フィンの放熱面を
流れることができず、効率よく十分に冷却ができなかっ
た。

【０００５】また、一般に情報機器などの筐体には、全
体を空冷するためのファンが設けられており、半導体チ
ップ付近にはその筐体のファンによって起こされる冷却
気体が流れている。一方で、図６に示した構成の、半導
体チップに設けられた冷却装置による冷却において、冷
却気体の吸排気は、ファンの上部、および、放熱フィン
の４側面より行われる。したがって、それら半導体チッ
プ外部の冷却気流と、半導体チップの冷却のための冷却
気流が影響を及ぼし合い、冷却気体の流れが乱れ、効率
よく冷却することができないという問題があった。ま
た、そのように筐体の冷却気体の流れを乱すことによ
り、結果的に冷却気体の流れを止めてしまい、筐体内、
ユニット、あるいは基板の放熱効果を低下させ、他の電
子部品の冷却にも影響を与えるという問題もあった。

【０００６】したがって、本発明の目的は、冷却気体を
効果的に流すことが可能で、したがって、効率よく半導
体チップなどの冷却が行える、半導体チップなど電子部
品の冷却装置を提供することにある。また、本発明の他
の目的は、外部の冷却気体の流れを著しく乱したり、止
めたりすることがなく、他の電子部品の冷却に極力影響
を与えない半導体チップなど電子部品の冷却装置を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本件発明者は、従来の冷
却装置の冷却気体の流れを解析し、効率よく冷却が行え
るような冷却方法について検討した。さらに、通常、情
報機器などの筐体に設けられているファンにより発生し
ている冷却気流の中に、このような冷却装置を装着した
電子部品を設置するための、適切な方法について検討を
重ねた。その結果、小型のファンにより直接冷却気体の
流路に沿った冷却気流を発生させるのが効果的である
点、電子部品ごとの強制冷却のための冷却気流と、装置
全体の強制冷却のための冷却気流とが逆向きになった場
合に、冷却効率が著しく低下する点、また、それらが同
一の流れであると電子部品ごとに別個に強制冷却を行う
装置を設けた効果が薄くなる点、などを見出した。そし
て、放熱フィンのフィンとフィンの間に設置できるよう
な、小型のモータおよびファンを開発し、本願に示すよ
うな電子部品の冷却装置を発明した。

【０００８】本発明の電子部品用冷却装置は、まず、電
子部品に当接する第１の放熱体を有する。その第１の放
熱体は、冷却気体を通過させるための、放熱面の対向す
る両辺に設けた開口を両端とする管状の冷却気体の流路
を有する。そして、その流路内に小型モータに小型のフ
ァンを装着したマイクロファンが設けられている。さら
に、その第１の放熱体の上部に、第１の放熱体の冷却気
体の流路と直交する方向に板状のフィン壁を複数設け、
凹状の溝を複数構成した第２の放熱体が設けられてい
る。そして、この電子部品用冷却装置は、第２の放熱体
の凹状の溝を、外部の冷却気体の流れの方向に沿って設
置し用いる。

【０００９】特定的には、前記第１の放熱体の冷却気体
の流路は、放熱面の対向する両辺を両端とした、平行し
た複数の直線状流路で構成されている。また、特定的に
は、前記第１の放熱体の冷却気体の流路は、放熱面全域
にわたり冷却気体が流れるように、少なくとも１つの、
放熱面の対向する両辺を両端とした蛇行した流路により
構成されている。また好適には、前記第２の放熱体の凹
状の溝の、前記外部を流れる冷却気流の風下側に相当す
る端部には、第１の放熱体の冷却気体の流路との間に開
口を有する構造が望ましい。

【００１０】

【作用】本発明の電子部品用冷却装置は、管状の閉じら
れた冷却気体の流路にマイクロファンを設置し、このフ
ァンにより直接的に冷却気流を発生するので、冷却気流
はその流路に沿って層流となって効率よく流れ、半導体
チップを効率よく冷却できる。また、第２の放熱体の溝
を外部冷却気流の方向沿って設置するので、この外部冷
却気流によっても効率よく冷却が可能となる。

【００１１】また、第１の放熱体と第２の放熱体の冷却
気体の流路は、下段の管状の流路と上段の溝に分かれて
おり、さらにそれらの流路は直交している。したがっ
て、マイクロファンによる冷却気流と外部冷却気流は、
この電子部品用冷却装置を装着した電子部品の冷却に関
しては影響を及ぼしあうことはなく、前述した第１およ
び第２の放熱体における作用がそのまま得られる。ま
た、マイクロファンによる冷却気流と外部の冷却気流
は、第１の放熱体の冷却気流の排気のための開口付近で
合流する。しかし、その付近で、冷却気流の向きが変わ
り、新たな冷却気流となる程度で、逆向きの気流を合わ
せるように、冷却気流を止めるようなことはない。した
がって、周囲の電子部品の冷却効果を著しく損なうこと
はない。

【００１２】

【実施例】本発明の電子部品用冷却装置の第１実施例
を、図１〜図３を参照して説明する。図１は、第１実施
例の冷却装置１０の構成を示す斜視図である。第１実施
例の冷却装置１０は第１の放熱体２０、マイクロファン
３０ａ〜３０ｅ，３１ａ〜３１ｅ、および、第２の放熱
体４０より構成される。まず、各部の構成について説明
する。第１の放熱体２０は半導体チップに当接する平面
を底面として有し、その一辺上の開口２２ａ〜２２ｅか
ら対辺上の開口２３ａ〜２３ｅに向けて直線的に貫通し
た５つの管状の冷却気体の流路２１ａ〜２１ｅが設けら
れている。この放熱体２０は、アルミニウム・銅・銅タ
ングステン合金・窒化アルミニウムなどを成形して作ら
れる。

【００１３】冷却気体の流路２１ａ〜２１ｅの各開口２
２ａ〜２２ｅ，２３ａ〜２３ｅ付近には、小型のファン
を小型のモータに装着したマイクロファン３０ａ〜３０
ｅ、３１ａ〜３１ｅが設けられている。このマイクロフ
ァン３０ａ〜３０ｅ、３１ａ〜３１ｅは、放熱体の壁の
一部であってモータを固定できるように絶縁加工された
取付け部に取付けられている。マイクロファン３０ａ〜
３０ｅのモータは、冷却気体の流路２１ａ〜２１ｅか
ら、第１の放熱体２０の外部に冷却気体を排出する向き
の冷却気流Ｗｂを発生するように回転する。また、マイ
クロファン３１ａ〜３１ｅのモータは、第１の放熱体２
０の外部から、冷却気体の流路２１ａ〜２１ｅに冷却気
体を吸入する向きの冷却気流Ｗａを発生するように回転
する。

【００１４】第２の放熱体４０は、第１の放熱体２０の
上面上に、６枚のフィン壁４２ａ〜４２ｆを前記面に対
して垂直に設置し、５つの凹状の溝２３ａ〜２３ｅを設
けたものである。この放熱体４０も、アルミニウム・銅
・銅タングステン合金・窒化アルミニウムなどを成形し
て作られる。

【００１５】次に、図２を参照して電子部品用冷却装置
１０の実装方法について説明する。図２は、図１に示し
た電子部品用冷却装置１０の実装方法を説明する図であ
り、電子部品用冷却装置１０を装着した半導体チップ９
３が、例示としてパーソナルコンピュータ９０（以後、
パソコンと言う）の本体内の基板９２上に実装されてい
る状態を示す。このパソコン９０には本体冷却用のファ
ン９１が設けられており、このファン９１が外気を吸入
しパソコン内部に冷却気流Ｗｃを発生させている。電子
部品用冷却装置１０を装着した半導体チップ９３は、パ
ソコン９０内の基板９２上に、冷却装置１０の第２の放
熱体４０の溝２３ａ〜２３ｅが、冷却気流Ｗｃと同方向
となるように実装されている。

【００１６】このように、電子部品用冷却装置１０を装
着した半導体チップを設置すると、外部の冷却気流Ｗｃ
が第２の放熱体４０の溝４１ａ〜４１ｅを流れる。その
ため、冷却気流が乱れることがなく、第２の放熱体４０
により効率よく放熱ができ、半導体チップの冷却が可能
となる。また、第１の放熱体２０においては、マイクロ
ファン３０ａ〜３０ｅ，３１ａ〜３１ｅにより冷却気流
Ｗａ，Ｗｂが発生する。この冷却気流Ｗａ，Ｗｂによ
り、第１の放熱体２０において、冷却気体の流路２１ａ
〜２１ｅの周囲の壁より効率よく熱が放出され冷却され
る。

【００１７】なお、前述した第１実施例の電子部品用冷
却装置１０において、第１の放熱体２０の冷却気体の流
路２１ａ〜２１ｅは、一辺から他辺に向けて直線的に形
成した５つの流路であったがこれに限るものではない。
その変形例を図３に示す。図３は、第１の放熱体の変形
例を示す図である。図３に示す第１の放熱体６０は、角
部から対角の角部に向けて蛇行させて構成した１の冷却
気体の流路６１を有する。そしてその角部の開口６２，
６３付近にマイクロファン６４，６５が設けられてい
る。

【００１８】マイクロファン６４，６５の能力が十分で
あれば、このような構造の第１の放熱体であっても、冷
却は可能であり、問題ない。さらに、この様な構成の第
１の放熱体を用いれば、マイクロファンの数が２つでよ
いため、組立が簡単で安価な電子部品用冷却装置を作る
ことができる。また、第１の放熱体の開口は、吸気口、
排気口が各々１箇所づつで２ヵ所のみなので、外部のフ
ァンによる冷却気流への影響も少なくなる。

【００１９】本発明の電子部品用冷却装置の第２実施例
を図４および図５を参照して説明する。図４は、第２実
施例の電子部品用冷却装置５０の構成を示す斜視図であ
る。第２実施例の電子部品用冷却装置５０も、第１実施
例と同じく、第１の放熱体５１、マイクロファン５２ａ
〜５２ｅ、図示しない反対側の開口付近のマイクロファ
ン、および、第２の放熱体５３より構成される。前記各
部は第１実施例の各部と同様の構成である。しかし、第
２実施例の電子部品用冷却装置５０は、第１の放熱体５
１と第２の放熱体５３の間に、開口５４ａ〜５４ｅを有
する点が第１実施例の電子部品用冷却装置１０と異な
る。すなわち、第２の放熱体５３の凹状の溝５５ａ〜５
５ｅに、第１の放熱体５１の最も端の冷却気体の流路５
６ａに貫通した開口５４ａ〜５４ｅを設けてある。そし
て、この電子部品用冷却装置５０は、第１の放熱体の冷
却気体の流路５２ｅ側を外部の冷却気流の風上側に、開
口５４ａ〜５４ｅの部分を風下側に設置する。

【００２０】そのような場合の電子部品用冷却装置５０
における、冷却気体の流れ方について図５を参照して説
明する。図５は、図４に示す電子部品用冷却装置５０の
Ａ−Ａでの断面図であり、冷却気体の流れを説明する図
である。通常、第２の放熱体５３の凹状の溝５５ａに流
れてきた外部のファンによる冷却気流Ｗｃは、凹状の溝
５５ａを通過中にフィン壁より熱を吸収し温度が上昇す
る。そのため冷却気流Ｗｃは上昇気流Ｗｄになり、凹状
の溝５５ａを最後まで通過しない。

【００２１】しかし、電子部品用冷却装置５０のよう
に、冷却気体の流路５６ａとの間に開口５４ａを設け、
冷却気体の流路５６ａ中を図４に示すように冷却気体Ｗ
ａ，Ｗｂが流れていると、その気流の付近が空気密度が
低くなり、上昇気流Ｗｄは下に引っ張られ冷却気流Ｗｅ
のように流れる。したがって、凹状の溝５５ａの、冷却
気体の流路５６ａ側の端部まで、冷却気体が流れるので
効果的に冷却が行える。

【００２２】以上、本発明の電子部品用冷却装置につい
て第１実施例、第２実施例により説明したが、本発明は
これに限られるものではなく、種々の変形が可能であ
る。たとえば、前述した例において、第１の放熱体の直
線的な冷却気体の流路はいずれの場合においても５とし
たが、これに限られるものではなく、たとえば、４、６
など、５以上であっても５以下であってもよく、冷却気
体が流れ易いような適宜所望の数であってよい。また、
マイクロファンの設置個数も、本実施例においては、吸
気口と排気口に各々設けるものとしたが、いずれか１つ
のみでも、また、たとえば流路の中心であるような別の
場所に１つ設けるような構成でもよい。また、３つ以上
設けるような構成でもよい。冷却気体の流路、および、
マイクロファンの送風能力などに応じて適切な数のマイ
クロファンを設けることが可能である。

【００２３】また、本実施例の電子部品用冷却装置の第
１および第２の放熱体の成形方法は任意の方法でよい。
たとえば、全てを一体成形する方法、または、第１の放
熱体、第２の放熱体を別個に成形し合わせる方法、ある
いは、第１の放熱体がさらに放熱フィン部分とそれを覆
う蓋部分に分かれ、それを組み立てる方法など、いずれ
の方法であっても何ら差し支えない。

【００２４】

【発明の効果】本発明の電子部品用冷却装置は、管状の
冷却気体の流路にマイクロファンにより冷却気流を発生
させ冷却する第１の放熱体と、外部の冷却気流を用いて
冷却をする第２の放熱体とを有する。したがって、冷却
気体を効果的に流すことが可能となり、効率よく半導体
チップなどの電子部品の冷却を行うことができる。ま
た、本発明の電子部品用冷却装置によれば、外部の冷却
気流に著しく影響を与えたり、冷却気流を止めることが
ないので、他の電子部品の冷却に影響を与えないような
冷却装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図２】図１に示した電子部品用冷却装置の実装方法を
説明する図である。

【図３】第１実施例の電子部品用冷却装置の第１の放熱
体の変形例を示す図である。

【図４】第２実施例の電子部品用冷却装置の斜視図であ
る。

【図５】図４に示した電子部品用冷却装置のＡ−Ａにお
ける断面図であり、冷却気体の流れを説明する図であ
る。

【図６】従来の電子部品用冷却装置の斜視図である。

【符号の説明】

１０…電子部品用冷却装置、２０…第１の放熱体、２１
ａ〜２１ｅ…冷却気体の流路、２２ａ〜２２ｅ，２３ａ
〜２３ｅ…開口、３０ａ〜３０ｅ，３１ａ〜３１ｅ…マ
イクロファン、４０…第２の放熱体、４１ａ〜４１ｅ…
凹状の溝、４２ａ〜４２ｆ…フィン壁、５０…電子部品
用冷却装置、５１…第１の放熱体、５２ａ〜５２ｅ…マ
イクロファン、５３…第２の放熱体、５４ａ〜５４ｅ…
開口、５５ａ〜５５ｅ…凹状の溝、５６ａ…冷却気体の
流路、６０…第１の放熱体、６１…冷却気体の流路、６
２，６３…開口、６４，６５…マイクロファン、９０…
パーソナルコンピュータ、９１…ファン、９２…基板、
９３…半導体チップ、１００…半導体チップ、１１０…
放熱フィン、１２０…ファン、Ｗａ〜Ｗｅ…気流

フロントページの続き (72)発明者 高橋 稔 埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテ リアル株式会社 メカトロ・生産システ ム開発センター内 (72)発明者 神田 義雄 埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテ リアル株式会社 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平７−235623（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−161889（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−22190（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/467 H01L 23/36 H05K 7/20

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子部品の放熱面に隣接して設けられ、両
   端に開口を有し閉じられた第１の冷却気体を通過させる
   流路を有する第１の放熱体と、 前記流路内に設けられ、一方の開口から他方の開口に向
   けて冷却気体を通過させる小型ファンと、 前記第１の放熱体の電子部品の放熱面と対向する側に設
   けられ、前記流路と直交する向きに溝を有する第２の放
   熱体とを有し、前記第２の放熱体の溝を、第２の冷却気
   体の通過方向に沿って設置させる電子部品用冷却装置。
2. 【請求項２】前記第１の放熱体の流路は、前記放熱面の
   １辺から対辺に向けて設けた複数の平行な直線管状の流
   路であり、前記小型ファンは前記複数の流路の各々に少
   なくとも１つ設けられている請求項１記載の電子部品用
   冷却装置。
3. 【請求項３】前記第２の冷却気体の風下に相当する、前
   記第２の放熱体の溝の端部の底部に、前記第１の放熱体
   の流路との開口を有する請求項２記載の電子部品用冷却
   装置。
4. 【請求項４】前記第１の放熱体の流路は、前記電子部品
   の放熱面全域にわたり冷却気体を通過させるように、前
   記放熱面の１辺に設けられた開口と対辺に設けられた開
   口とを両端として蛇行して形成された１つ以上の流路に
   より構成されている請求項１記載の電子部品用冷却装
   置。