JP3139383B2 - Cooling device for power semiconductors - Google Patents

Cooling device for power semiconductors

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JP3139383B2
JP3139383B2 JP21960996A JP21960996A JP3139383B2 JP 3139383 B2 JP3139383 B2 JP 3139383B2 JP 21960996 A JP21960996 A JP 21960996A JP 21960996 A JP21960996 A JP 21960996A JP 3139383 B2 JP3139383 B2 JP 3139383B2
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cooling
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heat
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誠均 田坂
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
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  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、パワーエレクトロ
ニクス分野で用いられる電力用半導体の冷却に用いられ
る装置に関する。 【0002】 【従来の技術】近年、パワーエレクトロニクス分野にお
いて、GTOサイリスタ(gate turn-off thyristo
r)、IGBT(insulated gate bipolar transistor)
に代表されるパワートランジスタ等の電力用半導体(以
下、単に半導体と記す)の進歩が著しい。これら半導体
は、電動機の制御装置や電源装置として広く用いられて
いるチョッパやコンバータ、インバータ等の構成要素で
あり、大電力の変換あるいは制御を行っている。この大
電力の変換、制御のためのスイッチングに伴う内部損失
により半導体は相当な熱を発生するが、半導体は熱に対
して極めて弱く、ジャンクション温度が130〜150
℃を越えると破壊される。そのため、これら半導体を許
容温度以下に冷却することが、動作速度の確保や信頼性
の向上、あるいは長寿命化に不可欠となっている。一
方、電動機の制御装置や電源装置は、一般に複数の半導
体から構成され、正常に動作させるためには半導体間の
温度差を極力抑える必要がある。さらに、これら電動機
の制御装置や電源装置の寸法、重量において冷却装置の
占める割合は大きく、装置全体の小型、高性能化が急速
に進むなかで、冷却装置も小型、軽量化することが強く
求められている。 【0003】従来より、これら半導体から発生する熱を
除去するため、ヒートシンクやヒートパイプを用いた冷
却装置が開発されている。例えば、インバータを構成す
る半導体を冷却フィンを有するヒートシンク裏面に取り
付け、ファンによりこのヒートシンクを強制空冷する冷
却装置は、特開平3−256562号公報に開示されて
いる。この従来技術においては冷却空気流がヒートシン
ク底板と平行に流され、複数の半導体は冷却空気流方向
に配列されている。また、他の例としては、複数の半導
体をヒートパイプの吸熱側に取り付け二次冷却を放熱側
に設けたフィンの自然空冷により行うヒートパイプ冷却
サイリスタスタックが、1987、日本機械学会編、
「電子機器の冷却技術」72〜73頁、’87、博報堂
出版、に掲載されている。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には、次
のような問題があった。特開平3−256562号公報
に開示されている技術では、複数の半導体が冷却空気の
流れる方向に配列されているため、上流に位置する半導
体からの放熱により昇温した空気が、下流の半導体を冷
却することになり、下流側の半導体ほど温度が高くなっ
てしまう。この温度上昇を防ごうとすれば、空気流量を
増加する必要があり、ファンの大型化や騒音が増大する
ことは避けることができない。さらに、半導体の集積度
が増し発熱量が大きくなると半導体間の温度差を所定の
値以下とするのは困難となる。 【0005】一方、日本機械学会編、「電子機器の冷却
技術」に記載されている冷却方法では、半導体間の温度
差はほとんど無くなるが、発熱部と放熱部の間にヒート
パイプを介するうえ、冷却能力を増すためには放熱部を
強制冷却せざるを得ず、ファン等の送風機が別途必要と
なるため、装置の大型化や重量増は避け難いものとな
る。 【0006】本発明は、上記従来冷却技術の問題点を解
消すべくなされたもので、半導体間での冷却温度差が小
さく、かつ小型で軽量な電力用半導体の冷却装置を提供
することを目的とする。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、発熱する
電力用半導体を均一に冷却することができる軽量な冷却
装置を開発すべく種々実験検討を行った。 【0008】その結果、ピンフィンタイプのヒートシン
クに軸流ファンを装着し、冷却風をピンフィン上端部か
ら基板に垂直に流入または流出させ、ヒートシンクの基
板裏面周縁部に発熱する半導体を配置することにより、
半導体間の冷却温度差が非常に小さくなり、かつ冷却装
置そのものを大型化する必要はなく、軽量にすることが
できるという知見を得た。 【0009】本発明は、このような知見に基づきなされ
たもので、その要旨とするところは以下の通りである。 【0010】基板の一面に密着直立した複数の放熱ピン
フィンを備えたヒートシンクに、放熱ピンフィン先端に
近接して、基板に対し垂直な回転軸を有する軸流ファン
を取り付けた冷却装置において、基板の放熱ピンフィン
を備えた面と反対の面において、予め求めておいた下記
式を満足する温度T領域の基板表面に冷却すべき電力用
半導体が装着されていることを特徴とする電力用半導体
の冷却装置。 【0011】T ≦0.7・(Tmax−Ta)+Ta ここで、 T:ヒートシンク基板のピンフィンを備えた面と反対の
面に、熱流束一定条件(単位時間当りの発熱密度が一様
となるような条件)で発熱する、基板の面と同一の大き
さのヒータを密着して取り付けて、軸流ファンを定常状
態で回転した場合のヒータと接する基板表面の温度 Tmax:ヒータと接する基板表面の最高温度 Ta :基板周辺大気の温度 【0012】 【発明の実施の形態】図1は、本発明の冷却装置の一例
を示す図で、代表的な電力用半導体であるIGBTを用
いたインバータ冷却用冷却装置の図である。同図(a)
は斜視図、(b)はヒートシンクの基板のピンフィンを
備えた面と反対の面(以下基板裏面と記す)の平面図で
ある。 【0013】図1において、ヒートシンク1は、その基
板2の表面に多数の矩形断面ピン3を備えたピンフィン
タイプである。基板裏面には、冷却すべきインバータ素
子4が装着されている。この例では、同図(b)に示す
ように、発熱体である6個のIGBT4a〜4fは、ヒ
ートシンク基板裏面の外周縁部に図示していないネジに
より密着接合されている。ヒートシンク1には4個の軸
流ファン5a〜5dが、ピンフィンの先端に近接してネ
ジ6により密着固定されている。各々の軸流ファンは中
央部にモータ7と羽8を有し、冷却空気は軸流ファンに
より外部からヒートシンク内へ流し込まれる構造となっ
ている。軸流ファンからヒートシンクへ流入する空気流
が互いに衝突、干渉しにくいよう、隣合う軸流ファンの
回転方向は互いに反対向きとなっている。IGBTより
発生した熱は熱伝導によりヒートシンク基板、ピンフィ
ンの順に移動し、ピンフィン表面からの熱伝達によって
冷却空気へ伝わり、ヒートシンク外周部へ流出する。 【0014】図2は、図1に示したファンとヒートシン
クから構成された冷却装置を用いて、IGBTのかわり
に裏面全体にヒータを密着させ等熱流束条件、すなわち
単位時間当りの発熱密度が一様となるような条件で加熱
した場合の基板裏面の温度と基板周辺大気の温度との
差、T−Taの分布図である。 【0015】この分布図から、基板の中心部に比べて周
縁部の方がよく冷却され、温度が低く均一であることが
わかる。このような温度分布になるのは、軸流ファンの
モータ直下は冷却空気が流れにくく温度が高くなるこ
と、また、ヒートシンク中心部も各ファンからの空気流
が幾分干渉するため他の部分に比べて空気が流れにくい
ことから基板中央部の温度が上昇するためと考えられ
る。 【0016】このことより、発熱体はヒートシンク基板
周縁部に置くと冷却効果が高く、かつ、発熱体相互の温
度差が低減されることが分かる。半導体を装着するのに
好適な基板の位置について種々実験検討した結果、ヒー
トシンク裏面の温度Tが、T≦0.7・(Tmax−T
a)+Taとなっている領域であることを確認した。 【0017】すなわち、Tは、ヒートシンク基板のピン
フィンを備えた面と反対の面に、熱流束一定条件で発熱
する、基板の面と同一の大きさのヒータを密着して取り
付けて、軸流ファンを定常状態で回転した場合のヒータ
と接する基板表面の温度である。また、Tmax はヒータ
と接する基板表面の最高温度、Taは基板周辺大気の温
度である。 【0018】半導体の基板装着位置を、Tが0.7・
(Tmax−Ta)+Ta になる領域としたのは、次の理
由による。すなわち、Tが0.7・(Tmax−Ta)+
Ta を超えた位置に半導体を装着すると、その半導体
の温度と基板の最外周縁部に装着した半導体の温度との
差が大きくなり過ぎ、半導体に形成された集積回路の電
気特性が温度の違いに起因してばらつくのを防ぐため
で、これにより半導体の温度差が一般的な許容値以下と
なることを確認した。 図2中に示す点線は、T=0.
7・(Tmax−Ta)+Taの等温線である。この場合
は、この等温線よりも外側の基板表面に半導体を装着す
ればよい。 【0019】図3は、図2に示す温度分布の場合、Tが
0.7・(Tmax−Ta)+Ta 以下の領域に半導体を
装着した状態の例を示す図である。IGBTの配置は、
図3(a)のようにすると画期的な効果を示すが、図3
(b)のように放射状に配置しても十分な効果、すなわ
ち冷却効果が高く、かつ、発熱体相互の温度差が低減さ
れるという効果を示す。 【0020】出力の温度依存性が著しいIGBTを、上
述のように配置すると効果的な冷却ができて、IGBT
を用いた電力装置等の正常な動作が保証される。 【0021】冷却空気は、ヒートシンク側面から流入さ
せ、軸流ファンにより吸い出して外部へ流出するように
しても差し支えない。このときも互いに隣合う軸流ファ
ンの回転方向は反対である方が好ましい。 【0022】図4は、本発明の軸流ファンが1個の場合
の冷却装置の例で、同図(a)は斜視図であり、(b)
はその基板裏面方向から見た図である。図4において、
ヒートシンク1は、基板2の表面に多数の矩形断面のピ
ン3を備えたピンフィンタイプである。同図(b)に示
すように、発熱体である4個のIGBT、4a〜4d
は、ヒートシンク基板2の裏面のT ≦0.7・(Tmax
−Ta)+Taを満足している基板の外周部に図示して
いないネジにより密着接合されている。ヒートシンク1
には軸流ファン5がネジ6によりフィン先端に近接して
固定されている。各々の軸流ファンは中央部にモータ7
と羽8を有し、冷却空気は軸流ファンにより外部からヒ
ートシンクへ流し込まれる構造となっている。 【0023】図5は、図4に示した構成のファンとヒー
トシンクを用いて、図4(b)に示すIGBTのかわり
に裏面全体を等熱流束条件で加熱した場合のヒートシン
ク基板裏面の温度と基板周辺大気の温度との差、T−T
aの分布を示す。図中点線は、T=0.7・(Tmax−
Ta)+Taの等温線である。 【0024】この温度分布は、等温線がほぼ同心円状と
なり、4個の発熱体であるIGBTは、図4(b)に示
すように、やはりヒートシンク周縁部に配置することに
より、半導体の温度差を所定の値より小さくできる。 【0025】半導体の数は、基板周縁部に密着固定可能
なら何個でもよい。 【0026】ヒートシンクのピンフィン断面形状は矩形
に限らず、円形、楕円形等でもよい。なお、本発明でピ
ンフィンタイプのヒートシンクを用いるのは、空気流の
指向性がなく他のフィン形状を用いた場合よりも放熱性
に優れており、発熱量の多い電力用半導体の冷却に好適
であるためである。 【0027】ヒートシンク材質は熱伝導率の高いものが
望ましく、例えばアルミニウムやその合金が好適であ
る。 【0028】本発明による冷却装置を高性能とするた
め、軸流ファンは騒音、ノイズ等の条件が許す限り高静
圧、大風量タイプのものであることが望ましい。 【0029】 【実施例】 (実施例1)図1に示す冷却装置を用いてその冷却性能
を調べた。用いた冷却装置のヒートシンク、軸流ファン
は下記の通りであった。 【0030】ヒートシンク: 基板寸法 :243mm×243mm×5mm ピンフィン高さ:35mm ピンフィン断面寸法:2mm×2mm(矩形断面) ピンフィンピッチ:4mm 基板、フィン材質:ジュラルミン(JISA2024)ファン:軸流ファン(4個): 外形寸法:120mm×120mm 入力電圧:AC100V 入力電流:0.13A その際、図1(a)の5a及び5cのファンが上部から
見て時計回りで、5bと5dが反時計回りの方向に回転
し、ヒートシンクに冷却空気を流し込むよう配置した。 【0031】このヒートシンク基板裏面に、半導体に代
え118mm×60mmのシートヒータを6個を、T
≦0.7・(Tmax−Ta)+Taを満足している図1
(b)に示す4a〜4fの位置に貼り付け、各々300
W、合計1800Wで発熱させ、各ファンを入力100
Vで回転させ冷却を行った。 【0032】雰囲気とシートヒータ表面との温度を測定
した結果、これらの温度差が平均46.8℃、最小4
5.0℃、最大50.4℃で、最大温度と最小温度の差
は僅か5.4℃であった。 【0033】次に、比較例として上記と同じ冷却装置を
用い、同じシートヒータ6個をヒートシンク基板裏面貼
り付けた。 【0034】図6は、シートヒータ6個の貼り付け状態
を示す図である(4a〜4f)。これは、T ≦0.7
・(Tmax−Ta)+Taを満足している基板の周縁部
と満足していない基板中央部に渡り貼り付けたものであ
る。 【0035】上記と同じく各々のヒタを300W、合計
1800Wで発熱させ、各ファンを入力100Vで回転
させ冷却試験を行った。雰囲気とシートヒータ表面との
温度差が平均54.2℃、最小45.9℃、最大81.
1℃となり、最大温度と最小温度の差は35.2℃であ
った。 【0036】両者を比較すると、本発明の冷却装置の場
合、比較例に比べ熱抵抗換算で平均15%以上冷却性能
が向上しており、また、最大温度と最小温度の差は約1
/7と大幅に改善されていることがわかる。 【0037】(実施例2)図4に示す軸流ファンを1個
備えた冷却装置を用いてその冷却性能を調べた。用いた
冷却装置のヒートシンク、軸流ファンは下記の通りであ
った。 【0038】 基板寸法 :120mm×120mm×3mm ピンフィン高さ:22mm ピンフィン直径:2mm(円形断面) ピンフィンピッチ:4mm 基板、フィン材質:純アルミ(JISA1050) ファン:軸流ファン(1個) 外形寸法:120mm×120mm 入力電圧:AC100V 入力電流:0.13A 上記ヒートシンク基板裏面に58mm×28mmのシー
トヒータを4個を、T≦0.7・(Tmax−Ta)+T
a を満足している図4(b)に示す4a〜4dの位置
に貼り付け、各々130W、合計490Wで発熱させ、
ファンを入力100Vで回転させ冷却試験を行った。雰
囲気とシートヒータ表面温度を測定した。それらの温度
差が平均46.1℃、最小42.7℃、最大52.9℃
となり、最大温度と最小温度の差は僅か10.2℃であ
った。 【0039】次に、比較例として上記と同じ冷却装置を
用い、同じシートヒータ4個をヒートシンク基板裏面に
貼り付けた。 【0040】図7は、シートヒータ4個の貼り付け状態
を示す図である(4a〜4d)。これは、T ≦0.7
・(Tmax−Ta)+Taを満足している基板の周縁部
と満足していない基板中央部に渡り貼り付けたものであ
る。 【0041】上記と同じく各々ヒータを130W、合計
490Wで発熱させ、各ファンを入力100Vで回転さ
せ冷却を行ったところ、雰囲気とシートヒータ表面との
温度差が平均68.4℃、最小45.1℃、最大10
2.9℃となり、最大温度と最小温度の差は57.8℃
であった。 【0042】両者を比較すると、本発明の冷却装置の場
合、比較例に比べ熱抵抗換算で平均45%以上冷却性能
が向上しており、また、最大温度と最小温度の差は約1
/6と大幅に改善されていることがわかる。 【0043】 【発明の効果】本発明によれば、ヒートシンク全体とし
ての冷却能力が向上すると同時に、発熱する半導体間の
温度差が非常に小さくなるよう冷却することができ、且
つ、冷却装置そのものを小型、軽量化することができ
る。 【0044】本発明をIGBTを用いたインバータ等の
電力用半導体の冷却に適用すれば、ヒートシンクの大型
化することなしに、簡便な強制空冷により、発熱量の大
きな半導体の冷却が可能であり、エレクトロニクス産業
の発展に大なる寄与をなすものといえる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for cooling a power semiconductor used in the field of power electronics. [0002] In recent years, in the field of power electronics, GTO thyristors (gate turn-off thyristo) have been developed.
r), IGBT (insulated gate bipolar transistor)
The progress of power semiconductors (hereinafter simply referred to as “semiconductors”) such as power transistors, which are typified by, is remarkable. These semiconductors are components such as choppers, converters, and inverters that are widely used as control devices and power supply devices for electric motors, and convert or control large power. The semiconductor generates considerable heat due to the internal loss accompanying the switching for the conversion and control of the large power. However, the semiconductor is extremely weak to heat, and the junction temperature is 130 to 150.
Destruction occurs when temperature exceeds ℃. Therefore, cooling these semiconductors to below the allowable temperature is indispensable for securing the operation speed, improving the reliability, or extending the life. On the other hand, a motor control device and a power supply device are generally composed of a plurality of semiconductors, and it is necessary to minimize the temperature difference between the semiconductors in order to operate normally. Furthermore, the proportion of the cooling device in the size and weight of the control device and the power supply device of these electric motors is large, and as the size and performance of the entire device are rapidly increasing, it is strongly required that the cooling device be reduced in size and weight. Have been. Conventionally, a cooling device using a heat sink or a heat pipe has been developed in order to remove heat generated from these semiconductors. For example, a cooling device in which a semiconductor constituting an inverter is mounted on the back surface of a heat sink having cooling fins and the heat sink is forcibly air-cooled by a fan is disclosed in JP-A-3-256562. In this prior art, a cooling air flow is caused to flow in parallel with the heat sink bottom plate, and a plurality of semiconductors are arranged in the cooling air flow direction. Further, as another example, a heat pipe cooling thyristor stack in which a plurality of semiconductors are attached to a heat absorbing side of a heat pipe and secondary cooling is performed by natural air cooling of a fin provided on a heat radiating side is described in 1987, edited by The Japan Society of Mechanical Engineers,
"Cooling Technology for Electronic Equipment", pp. 72-73, '87, published by Hakuhodo Shuppan. [0004] The above prior art has the following problems. In the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-256562, a plurality of semiconductors are arranged in a direction in which cooling air flows, so that air whose temperature is increased by heat radiation from semiconductors located on the upstream side flows through the semiconductors on the downstream side. As a result, the temperature of the semiconductor on the downstream side becomes higher. In order to prevent this temperature rise, it is necessary to increase the air flow rate, and it is unavoidable to increase the size of the fan and increase the noise. Furthermore, when the degree of integration of semiconductors increases and the amount of heat generation increases, it becomes difficult to reduce the temperature difference between semiconductors to a predetermined value or less. On the other hand, in the cooling method described in "Cooling Technology for Electronic Equipment", edited by the Japan Society of Mechanical Engineers, the temperature difference between semiconductors is almost eliminated, but a heat pipe is interposed between a heat generating portion and a heat radiating portion. In order to increase the cooling capacity, the radiator must be forcibly cooled, and a separate fan such as a fan is required. Therefore, an increase in the size and weight of the device is inevitable. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the conventional cooling technique, and has as its object to provide a small and lightweight power semiconductor cooling device having a small cooling temperature difference between semiconductors. And The present inventors have conducted various experiments and studies to develop a light-weight cooling device capable of uniformly cooling a heat-generating power semiconductor. As a result, the axial flow fan is mounted on the pin fin type heat sink, and the cooling air flows vertically into or out of the substrate from the upper end of the pin fin, and the semiconductor that generates heat is disposed on the peripheral portion of the back surface of the heat sink.
It has been found that the cooling temperature difference between semiconductors is very small, and that the cooling device itself does not need to be increased in size and can be reduced in weight. The present invention has been made based on such findings, and the gist thereof is as follows. In a cooling apparatus, a heat sink provided with a plurality of radiating pin fins which are in close contact with one surface of a substrate and an axial fan having a rotation axis perpendicular to the substrate is mounted near the tip of the radiating pin fins. A power semiconductor cooling device characterized in that a power semiconductor to be cooled is mounted on a surface of a substrate in a temperature T region satisfying the following expression, which is determined in advance, on a surface opposite to the surface provided with the pin fins. . T ≦ 0.7 · (Tmax−Ta) + Ta where: T: A condition opposite to the surface of the heat sink substrate on which the pin fins are provided, under a constant heat flux condition (the heat generation density per unit time becomes uniform). Temperature Tmax of the surface of the substrate in contact with the heater when the axial flow fan is rotated in a steady state with a heater of the same size as the surface of the substrate that generates heat under such conditions) FIG. 1 is a diagram showing an example of a cooling device according to the present invention. Inverter cooling using an IGBT, which is a typical power semiconductor, is shown in FIG. FIG. FIG.
FIG. 2B is a perspective view, and FIG. 2B is a plan view of a surface of the heat sink opposite to the surface provided with the pin fins (hereinafter referred to as the back surface of the substrate). In FIG. 1, a heat sink 1 is of a pin fin type having a large number of pins 3 of rectangular cross section on the surface of a substrate 2 thereof. The inverter element 4 to be cooled is mounted on the back surface of the substrate. In this example, as shown in FIG. 2B, the six IGBTs 4a to 4f, which are the heating elements, are closely bonded to the outer peripheral edge of the back surface of the heat sink substrate by screws (not shown). On the heat sink 1, four axial fans 5a to 5d are fixed in close contact with the tips of the pin fins by screws 6. Each axial fan has a motor 7 and a blade 8 at the center, and cooling air is flown into the heat sink from the outside by the axial fan. The rotating directions of the adjacent axial fans are opposite to each other so that the air flows flowing from the axial fans to the heat sink hardly collide with and interfere with each other. The heat generated by the IGBT moves in the order of the heat sink substrate and the pin fins by heat conduction, is transmitted to the cooling air by heat transfer from the pin fin surface, and flows out to the outer periphery of the heat sink. FIG. 2 shows that the heater shown in FIG. 1 is used to make a heater close to the entire back surface instead of the IGBT using the cooling device composed of the fan and the heat sink. FIG. 4 is a distribution diagram of T-Ta, the difference between the temperature of the back surface of the substrate and the temperature of the atmosphere around the substrate when the substrate is heated under various conditions. From this distribution diagram, it can be seen that the periphery is cooled better than the center of the substrate, and the temperature is low and uniform. This temperature distribution is due to the fact that cooling air is difficult to flow directly under the motor of the axial fan and the temperature is high, and the center of the heat sink also interferes with other parts because the airflow from each fan interferes somewhat. This is presumably because the air at the center of the substrate rises because the air is less likely to flow. From this, it can be seen that when the heating element is placed on the peripheral portion of the heat sink substrate, the cooling effect is high and the temperature difference between the heating elements is reduced. As a result of various experiments and examinations on the position of the substrate suitable for mounting the semiconductor, the temperature T on the back surface of the heat sink was T ≦ 0.7 · (Tmax−T
a) It was confirmed that the region was + Ta. That is, T is a heater having the same size as the surface of the heat sink substrate and having the same size as the surface of the substrate, which is closely attached to the surface of the heat sink substrate opposite to the surface provided with the pin fins. Is the temperature of the substrate surface in contact with the heater when is rotated in a steady state. Tmax is the maximum temperature of the substrate surface in contact with the heater, and Ta is the temperature of the atmosphere around the substrate. The substrate mounting position of the semiconductor is defined as follows.
The reason for setting the area to be (Tmax-Ta) + Ta is as follows. That is, T is 0.7 · (Tmax−Ta) +
When a semiconductor is mounted at a position exceeding Ta, the difference between the temperature of the semiconductor and the temperature of the semiconductor mounted on the outermost peripheral portion of the substrate becomes too large, and the electrical characteristics of the integrated circuit formed on the semiconductor differ from the temperature. It was confirmed that the temperature difference of the semiconductor became equal to or less than a general allowable value. The dotted line shown in FIG.
7 · (Tmax−Ta) + Ta isotherm. In this case, the semiconductor may be mounted on the substrate surface outside the isotherm. FIG. 3 is a diagram showing an example of a state where a semiconductor is mounted in a region where T is 0.7 · (Tmax−Ta) + Ta or less in the case of the temperature distribution shown in FIG. The arrangement of IGBT
FIG. 3A shows an epoch-making effect.
Even if they are arranged radially as in (b), a sufficient effect, that is, an effect that the cooling effect is high and the temperature difference between the heating elements is reduced. If the IGBT whose output has a significant temperature dependency is arranged as described above, effective cooling can be performed, and the IGBT can be effectively cooled.
The normal operation of a power device or the like using the above is guaranteed. The cooling air may flow from the side of the heat sink, be sucked out by the axial fan, and flow out to the outside. At this time, it is preferable that the rotation directions of the axial fans adjacent to each other are opposite to each other. FIGS. 4A and 4B show an example of a cooling device according to the present invention when one axial fan is used. FIG. 4A is a perspective view, and FIG.
Is a view as seen from the back side of the substrate. In FIG.
The heat sink 1 is of a pin fin type having a large number of pins 3 having a rectangular cross section on the surface of a substrate 2. As shown in FIG. 4B, four IGBTs 4a to 4d as heating elements
Is T ≦ 0.7 · (Tmax on the back surface of the heat sink substrate 2.
−Ta) It is tightly joined to the outer peripheral portion of the substrate satisfying + Ta by a screw (not shown). Heat sink 1
, An axial fan 5 is fixed by a screw 6 close to the tip of the fin. Each axial fan has a motor 7 in the center.
And cooling blades 8, and the cooling air is flown into the heat sink from the outside by an axial fan. FIG. 5 shows the temperature of the back surface of the heat sink substrate when the entire back surface is heated under the same heat flux condition instead of the IGBT shown in FIG. 4B using the fan and the heat sink having the structure shown in FIG. Difference from ambient temperature around substrate, TT
The distribution of a is shown. The dotted line in the figure is T = 0.7 · (Tmax−
It is an isotherm of Ta) + Ta. In this temperature distribution, the isothermal lines are substantially concentric, and the IGBTs, which are the four heating elements, are also arranged at the periphery of the heat sink as shown in FIG. Can be made smaller than a predetermined value. The number of semiconductors may be any number as long as the semiconductors can be tightly fixed to the periphery of the substrate. The cross-sectional shape of the pin fin of the heat sink is not limited to a rectangle, but may be a circle, an ellipse, or the like. Note that the use of the pin fin type heat sink in the present invention is superior in heat radiation than in the case of using other fin shapes without directivity of air flow, and is suitable for cooling a power semiconductor having a large calorific value. Because there is. The heat sink is preferably made of a material having a high thermal conductivity, such as aluminum or an alloy thereof. In order to improve the performance of the cooling device according to the present invention, it is desirable that the axial fan be of a high static pressure and large air flow type as long as noise and noise conditions permit. EXAMPLES Example 1 The cooling performance of the cooling device shown in FIG. 1 was examined. The heat sink and the axial fan of the cooling device used were as follows. Heat sink: substrate dimensions: 243 mm x 243 mm x 5 mm Pin fin height: 35 mm Pin fin cross section: 2 mm x 2 mm (rectangular cross section) Pin fin pitch: 4 mm Substrate, fin material: Duralumin (JISA2024) Fan: Axial fan (4 ): External dimensions: 120 mm × 120 mm Input voltage: AC100V Input current: 0.13 A At this time, the fans 5a and 5c in FIG. 1A are clockwise as viewed from above, and 5b and 5d are counterclockwise. , And arranged to flow cooling air into the heat sink. On the back surface of the heat sink substrate, six 118 mm × 60 mm sheet heaters were replaced with T
FIG. 1 that satisfies ≦ 0.7 · (Tmax−Ta) + Ta
Paste at the positions of 4a to 4f shown in FIG.
W, heat is generated at a total of 1800 W, and each fan is input 100
It was rotated at V and cooled. As a result of measuring the temperature between the atmosphere and the surface of the seat heater, the difference between the temperatures was 46.8 ° C. on average and 4 min.
At 5.0 ° C., a maximum of 50.4 ° C., the difference between the maximum and minimum temperatures was only 5.4 ° C. Next, as a comparative example, the same cooling device as described above was used, and the same six sheet heaters were attached to the back surface of the heat sink substrate. FIG. 6 is a view showing the state of attachment of six sheet heaters (4a to 4f). This gives T ≦ 0.7
Affixed over the periphery of the substrate satisfying (Tmax-Ta) + Ta and the center of the substrate not satisfying (Tmax-Ta) + Ta. In the same manner as described above, each heater was heated at 300 W, that is, 1800 W in total, and each fan was rotated at an input of 100 V to perform a cooling test. The temperature difference between the atmosphere and the surface of the seat heater is 54.2 ° C. on average, 45.9 ° C. minimum, and 81.0 ° C. maximum.
1 ° C., and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature was 35.2 ° C. Comparing the two, the cooling device of the present invention has improved cooling performance on average by 15% or more in terms of thermal resistance as compared with the comparative example, and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature is about 1%.
It can be seen that this is greatly improved to / 7. Example 2 The cooling performance of a cooling device having one axial fan shown in FIG. 4 was examined. The heat sink and the axial fan of the cooling device used were as follows. Substrate dimensions: 120 mm × 120 mm × 3 mm Pin fin height: 22 mm Pin fin diameter: 2 mm (circular cross section) Pin fin pitch: 4 mm Substrate, fin material: pure aluminum (JISA1050) Fan: axial flow fan (1) External dimensions: 120 mm × 120 mm Input voltage: AC 100 V Input current: 0.13 A Four 58 mm × 28 mm sheet heaters are provided on the back surface of the heat sink substrate, and T ≦ 0.7 · (Tmax−Ta) + T
4a-4d shown in FIG. 4 (b) that satisfies a.
The cooling test was performed by rotating the fan at 100 V input. The atmosphere and the surface temperature of the seat heater were measured. The average temperature difference is 46.1 ° C, minimum 42.7 ° C, maximum 52.9 ° C.
And the difference between the maximum temperature and the minimum temperature was only 10.2 ° C. Next, as a comparative example, the same cooling device as described above was used, and four identical sheet heaters were attached to the back surface of the heat sink substrate. FIG. 7 is a view showing a state in which four seat heaters are attached (4a to 4d). This gives T ≦ 0.7
Affixed over the periphery of the substrate satisfying (Tmax-Ta) + Ta and the central portion of the substrate not satisfying (Tmax-Ta) + Ta. As described above, each heater was heated at 130 W, that is, at a total of 490 W, and each fan was rotated at an input of 100 V to perform cooling. As a result, the temperature difference between the atmosphere and the surface of the seat heater was 68.4 ° C. on average and 45. 1 ℃, up to 10
2.9 ° C, the difference between the maximum and minimum temperature is 57.8 ° C
Met. Comparing the two, the cooling device of the present invention has improved cooling performance by an average of 45% or more in terms of thermal resistance as compared with the comparative example, and the difference between the maximum temperature and the minimum temperature is about 1%.
It can be seen that this is greatly improved to / 6. According to the present invention, the cooling capability of the heat sink as a whole can be improved, and at the same time, the cooling can be performed so that the temperature difference between the heat-generating semiconductors becomes very small. The size and weight can be reduced. If the present invention is applied to cooling of a power semiconductor such as an inverter using an IGBT, a semiconductor having a large calorific value can be cooled by simple forced air cooling without increasing the size of a heat sink. It can be said that it greatly contributes to the development of the electronics industry.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の冷却装置の一例を示す図である。 【図2】ヒートシンク基板裏面の温度分布を示す図であ
る。 【図3】本発明の冷却装置の半導体配置の例を示す図で
ある。 【図4】本発明の冷却装置の他の例を示す図である。 【図5】ヒートシンク基板裏面の温度分布を示す図であ
る。 【図6】従来の冷却装置の半導体配置の一例を示す図で
ある。 【図7】従来の冷却装置の半導体配置の他の例を示す図
である。 【符号の説明】 1 ヒートシンク 2 ヒートシンク基板 3 ピンフィン 4 半導体 5 軸流ファン 7 モータ
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing an example of a cooling device of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a temperature distribution on a back surface of a heat sink substrate. FIG. 3 is a diagram showing an example of a semiconductor arrangement of the cooling device of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing another example of the cooling device of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing a temperature distribution on the back surface of the heat sink substrate. FIG. 6 is a diagram showing an example of a semiconductor arrangement of a conventional cooling device. FIG. 7 is a diagram showing another example of a semiconductor arrangement of a conventional cooling device. [Description of Signs] 1 heat sink 2 heat sink substrate 3 pin fin 4 semiconductor 5 axial fan 7 motor

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05K 7/20 H01L 23/36 H01L 23/467 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H05K 7/20 H01L 23/36 H01L 23/467

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 基板の一面に密着直立した複数の放熱ピンフィンを備え
たヒートシンクに、放熱ピンフィン先端に近接して、基
板に対し垂直な回転軸を有する軸流ファンを取り付けた
冷却装置において、基板の放熱ピンフィンを備えた面と
反対の面において、予め求めておいた下記式を満足する
温度T領域の基板表面に冷却すべき電力用半導体が装着
されていることを特徴とする電力用半導体の冷却装置。 T ≦0.7・(Tmax−Ta)+Ta ここで、 T:ヒートシンク基板のピンフィンを備えた面と反対の
面に、熱流束一定条件(単位時間当りの発熱密度が一様
となるような条件)で発熱する、基板の面と同一の大き
さのヒータを密着して取り付けて、軸流ファンを定常状
態で回転した場合のヒータと接する基板表面の温度 Tmax:ヒータと接する基板表面の最高温度 Ta :基板周辺大気の温度
(57) [Claims] Cooling in which an axial fan having a rotation axis perpendicular to the substrate is attached to a heat sink provided with a plurality of radiating pin fins which are in close contact with one surface of a substrate and provided upright on the one surface of the substrate. The device is characterized in that a power semiconductor to be cooled is mounted on a surface of the substrate in a temperature T region satisfying the following equation, which is determined in advance, on a surface of the substrate opposite to the surface provided with the heat radiation pin fins. Cooling device for power semiconductors. T ≦ 0.7 · (Tmax−Ta) + Ta where: T: a condition where the heat flux is fixed on the surface of the heat sink substrate opposite to the surface provided with the pin fins (the condition that the heat generation density per unit time becomes uniform) ), The temperature of the substrate surface in contact with the heater when the axial fan is rotated in a steady state with a heater of the same size as the surface of the substrate, which generates heat in close contact, Tmax: the maximum temperature of the substrate surface in contact with the heater Ta: temperature of the atmosphere around the substrate
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