JP3359136B2 - 半導体装置用冷却器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置用冷却器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、無停電電源装置（ＵＰＳ）に使
用するパワーモジュール素子（ＩＧＢＴ）のような半導
体モジュールの冷却では、高効率でかつ小型化が容易な
ヒートパイプ式冷却器が多く利用されている。

【０００３】従来のヒートパイプ式冷却器は、半導体モ
ジュールが取り付けられる吸熱ブロックと、吸熱ブロッ
クに蒸発側端部が埋設され、かつ、凝縮側端部が吸熱ブ
ロックから突出する複数本のヒートパイプと、前記凝縮
側端部に装着された冷却フィンを具備する。このような
冷却器において、半導体モジュールは、吸熱ブロックの
両側面部又は片側側面部に、ヒートパイプの長手方向に
沿って一列または複数の列に配置されているのが一般的
である。また、複数本のヒートパイプは、すべて同一の
寸法であり、同量の作動液が封入されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような冷却器では、内部に封入された作動液がヒートパ
イプの下端部に存在しているので、ヒートパイプによる
熱交換は、主に吸熱ブロックのヒートパイプの下端部に
対応する位置で行なわれる。このため、個々の半導体モ
ジュールの発熱量は、吸熱ブロック上の配置位置によっ
て異なる。すなわち、吸熱ブロックの上端部に近い位置
に配置された半導体モジュールが発熱した場合に、この
半導体モジュールに対応する位置のヒートパイプの内部
に作動液がわずかにしか存在しないために、当該半導体
モジュールの発熱量が高くなる。

【０００５】このような問題は、次のような場合に特に
顕著である。電力変換回路が複数ある場合には、吸熱ブ
ロックの両側面部に、各電力変換回路を分割されるよう
に半導体モジュールを取り付けることが行われている。
この場合、装置全体を小型化できるが、吸熱ブロックの
裏面に配置された回路の保守管理が繁雑になる。そのた
め、吸熱ブロックの片面に全ての半導体モジュールを配
置して、保守管理を容易に行なえるようにする場合もあ
る。

【０００６】このように、吸熱ブロックの上に別系統の
電気系路が配設されている場合、吸熱ブロックの半導体
モジュールが動作しているものと動作していないものと
が存在し得る。この結果、個々の半導体モジュールの発
熱量（パワーロス）が不均一になる。最悪の場合には、
吸熱ブロックの上端部に配置された半導体モジュールの
発熱量だけが大きくなり、いわゆるトップヒートモード
現象になる。トップヒートモード現象とは、ヒートパイ
プにおいて、作動液より上側を加熱する条件であり、ほ
とんどの場合、ヒートパイプとして正常に熱輸送を行わ
ない状態をいう。このような結果、半導体モジュールの
温度が著しく上昇する問題が生じる。

【０００７】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、吸熱ブロックに複数個の半導体装置を取り付け
た場合であっても、半導体装置を均一かつ効率良く冷却
することが可能な半導体装置用冷却器を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数個の半導
体装置が略一直線上に配置されるように取り付け可能な
吸熱ブロックと、前記吸熱ブロックに蒸発側端部が埋設
され、かつ、凝縮側端部が前記吸熱ブロックから突出し
た複数本のヒートパイプと、前記凝縮側端部に装着され
たフィンを具備する半導体装置用冷却器であって、各ヒ
ートパイプの蒸発側端部が各半導体装置にそれぞれ対応
する位置に配置されるように前記吸熱ブロックに埋設さ
れていることを特徴とする半導体装置用冷却器を提供す
る。

【０００９】

【作用】本発明の半導体装置用冷却器では、吸熱ブロッ
クに取り付けられた位置に対応してヒートパイプの蒸発
側端部が位置している。これにより、個々の半導体装置
が別々に動作した場合にも、その半導体装置に対応して
ヒートパイプの蒸発側端部が位置しているので、ヒート
パイプが効率良く動作し、当該半導体装置が冷却され
る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して詳細に説明する。

【００１１】実施例１ 図１は、本発明の半導体装置用冷却器の一例を示す説明
図である。

【００１２】図中１１は、アルミニウム製の吸熱ブロッ
クである。吸熱ブロック１１の寸法は、縦３００mm、横
１１０mm、高さ３０mmである。

【００１３】吸熱ブロック１１の一方の主面部には、半
導体モジュール１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが、縦
に１列にネジで取り付けられている。各半導体モジュー
ル１２の寸法は、幅46mm、長さ80mmである。また、半導
体モジュール１２ａ〜１２ｄは、５０mmピッチで配列さ
れている。

【００１４】これらの半導体モジュール１２ａ〜１２ｄ
のうち、半導体モジュール１２ａと１２ｃ、および、半
導体モジュール１２ｂと１２ｄがそれぞれグル−プとな
り、同一の電気系路を構成している。以下、半導体モジ
ュール１２ａと１２ｃを含む電気系路を第１系路、半導
体モジュール１２ｂと１２ｄを含む電気系路を第２系路
という。また、半導体モジュール１２ａ〜１２ｄは夫々
２００Ｗの発熱量を有し、第１及び第２系路は単独で動
作した場合に夫々４００Ｗの発熱量を有する。このよう
に半導体モジュール１２ａ〜１２ｄが取り付けられた吸
熱ブロック１１には、吸熱ブロック１１の主面部に対し
て略平行に、２本のヒートパイプ１３ａ，１３ｂの一端
部が埋設され、半田付けにより固定されている。ヒート
パイプ１３ａ，１３ｂは、外径が１５．８８mmであり、
長さが夫々５５０mm、４５０mmの銅製のヒートパイプで
あり、作動液１５として蒸留水が封入されている。

【００１５】これらのヒートパイプ１３ａ，１３ｂは、
図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、異なる長さで吸熱ブ
ロック１１の内部に埋入されている。すなわち、一方の
ヒートパイプ１３ａは、その蒸発側端部が半導体モジュ
ール１２ｄに対応する位置まで達するように埋入されて
いる。これに対して、他方のヒートパイプ１３ｂは、そ
の蒸発側端部が半導体モジュール１２ｃに対応する位置
まで達するように埋入されている。

【００１６】吸熱ブロック１１から突出したヒートパイ
プ１３ａ，１３ｂの凝縮側端部には、幅108mm 、長さ13
0mm 、肉厚0.5mm のアルミニウム製の放熱フィン１４が
装着されている。より詳細には、放熱フィン１３は、放
熱フィン１３の所定位置に形成された貫通孔（図示せ
ず）に凝縮側端部を圧入して密着させることによって装
着されている。また、図１では便宜的に８枚の放熱フィ
ン１４が装着されたものを示しているが、実際には、１
００枚の放熱フィン１４は、所定の間隔をおいて凝縮側
端部に装着されている。

【００１７】このような構成からなる半導体装置用冷却
器１０では、第１系路及び第２系路のいずれの系路の半
導体モジュールにも、それと対応する位置にヒートハイ
プが配置されている。すなわち、第１系路に対しては、
半導体モジュール１２ｃに対応する位置に、ヒートパイ
プ１３ａの蒸発側端部が存在する。これにより、ヒート
パイプ１３ａの蒸発側端部の内部には作動液１５が存在
しているので、第１系路が動作して半導体モジュール１
２ｃが発熱すると、ヒートパイプ１３ａが作動して半導
体モジュール１２ａ，１２ｃの冷却が行なわれる。これ
と同様に、第２系路に対しては、半導体モジュール１２
ｄに対応する位置に、ヒートパイプ１３ｂの蒸発側端部
が存在する。これにより、ヒートパイプ１３ｂの蒸発側
端部の内部には作動液１５が存在しているので、第２系
路が動作して半導体モジュール１２ｄが発熱すると、ヒ
ートパイプ１３ｂが作動して半導体モジュール１２ｂ，
１２ｄの冷却が行なわれる。この結果、半導体装置用冷
却装置１０によれば、第１系路及び第２系路両方、或い
は、第１系路または第２系路のいずれか一方を作動させ
た場合であっても、トップヒートモード現象を生じるこ
となく、高効率で半導体モジュール１２ａ〜１２ｄの冷
却を行うことができる。

【００１８】このような半導体装置用冷却器１０の効果
を確認するために次のような試験を行った。第１系路の
半導体モジュール１２ａ，１２ｃに、夫々２００Ｗ、合
計４００Ｗの電力をかけ、ファンにより風速３ｍ／秒の
冷却風をフィン１４に送風した。この結果、冷却風の温
度が２５℃の場合に半導体モジュール１２ａ，１２ｃと
吸熱ブロック１１との接触面温度は、５５℃（温度上昇
３０℃）に抑えることができた。

【００１９】実施例２ 図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の半導体製造装置の第２
の実施例を示す説明図である。

【００２０】図中３１は、アルミニウム製の吸熱ブロッ
クである。吸熱ブロック３１の寸法は、縦４７０mm、横
２５０mm、高さ２５mmである。

【００２１】吸熱ブロック１１の両方の主面部には、夫
々、６個の半導体モジュール３３が、縦３段、横２列に
配列されている。各半導体モジュール３２の寸法は、縦
９３mm、横１１３mmである。また、半導体モジュール３
２は、縦に１３６mmピッチで配列されている。これらの
１２個の半導体モジュール３２はそれぞれ異なる電気系
路を構成している。また、半導体モジュール３２は夫々
２５０Ｗの発熱量を有する。

【００２２】このように半導体モジュール３２が取り付
けられた吸熱ブロック３１には、吸熱ブロック１１の主
面部に対して略平行に、６本のヒートパイプ３３ａ，３
３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ，の一端部が埋
設され、半田付けにより固定されている。ヒートパイプ
３３ａ〜３３ｆは外径１５．８８mmの銅製のヒートパイ
プである。長さは、ヒートパイプ３３ａ，３３ｄが７５
０mm、ヒートパイプ３３ｂ，３３ｅが６１４mm、ヒート
パイプ３３ｃ，３３ｆが４７８mmの銅製のヒートパイプ
である。また、ヒートパイプ３３ａ〜３３ｆの内部には
作動液として蒸留水３５が封入されている。

【００２３】これらのヒートパイプ３３ａ〜３３ｆは、
異なる長さで吸熱ブロック３１の内部に埋入されてい
る。すなわち、長さが７５０mmであるヒートパイプ３３
ａ，３３ｄは、それらの蒸発側端部が上方から３段目の
半導体モジュール３２に対応する位置まで達するように
埋入されている。また、長さが６１４mmであるヒートパ
イプ３３ｂ，３３ｅは、その蒸発側端部が上方から２段
目の半導体モジュール３２に対応する位置まで達するよ
うに埋入されている。さらに、長さが４７８mmであるヒ
ートパイプ３３ｃ，３３ｆは、その蒸発側端部が上方か
ら１段目の半導体モジュール３２に対応する位置まで達
するように埋入されている。

【００２４】吸熱ブロック１１から突出したヒートパイ
プ３３ａ，３３ｂの凝縮側端部には、１００枚の放熱フ
ィン３４が所定の間隔をおいて凝縮側端部に装着されて
いる。放熱フィン３４は、幅１６０mm、長さ２５０mm、
肉厚０．８mmでアルミニウム製である。より詳細には、
放熱フィン３４は、放熱フィン３４の所定位置に形成さ
れた貫通孔（図示せず）に凝縮側端部を圧入して密着さ
せることによって装着されている。

【００２５】このような構成からなる半導体装置用冷却
器３０では、全ての半導体モジュール３２が夫々独立し
て動作可能であるが、全ての半導体モジュール３２に対
応する位置にヒートハイプが配置されている。すなわ
ち、上方から第３段目に配列された半導体モジュール３
２に対応する位置に、ヒートパイプ３３ａ，３３ｄの蒸
発側端部が存在する。ヒートパイプ３３ａ，３３３ｄの
蒸発側端部の内部には作動液３５が存在しているので、
第３段目の半導体モジュール３２が発熱すると、ヒート
パイプ３３ａ，３３ｄが作動して半導体モジュール３２
ａの冷却が行なわれる。これと同様に、第１段目および
第２段目に配置された半導体モジュール３２に対応する
位置にも、それぞれ、ヒートパイプ３３ｂ，３３ｅまた
は３３ｃ，３３ｆの蒸発側端部が存在する。これによ
り、いずれの半導体モジュール３２が発熱しても、対応
するヒートパイプが作動して半導体モジュール３２の冷
却が行なわれる。この結果、半導体装置用冷却装置３０
によれば、１２個の半導体モジュール３２が個々に作動
させてた場合や全て同時に作動させた場合であっても、
トップヒートモード現象を生じることなく、高効率で半
導体モジュール３２の冷却を行うことができる。

【００２６】このような半導体装置用冷却器３０の効果
を確認するために次のような試験を行った。半導体モジ
ュール３２のうちの一つに２５０Ｗの電力をかけ、ファ
ンにより風速３ｍ／秒の冷却風をフィン３４に送風し
た。この結果、冷却風の温度が２５℃の場合、動作させ
た半導体モジュール３２と吸熱ブロック３１との接触面
温度は４５℃に抑えることができた。また、全ての半導
体モジュール３２に夫々２５０Ｗ、全体で３０００Ｗの
電力をかけ、ファンにより風速３ｍ／秒の冷却風をフィ
ン３４に送風した。この結果、冷却風の温度が２５℃の
場合、半導体モジュール３２と吸熱ブロック３１との接
触面温度は７０℃に抑えることができた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明した如くに、本発明の半導体装
置用冷却器によれば、吸熱ブロックに複数個の半導体装
置を取り付け、かつ、これらの半導体装置を別個に動作
させた場合であっても、トップヒートモード現象を生じ
ることなく、高効率で半導体モジュールの冷却を行うこ
とができる等顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置用冷却器の一例を示す説明
図。

【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、同実施例の半導体装置用
冷却器に埋入されたヒートパイプを示す説明図。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の半導体装置用冷
却器の第二の実施例を示す説明図。

【符号の説明】

１０…半導体装置用冷却器、１１…吸熱ブロック、１２
…半導体モジュール、１３…ヒートパイプ、１４…フィ
ン、１５…作動液。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の半導体装置が略一直線上に配置
   されるように取り付け可能な吸熱ブロックと、前記吸熱
   ブロックに蒸発側端部が埋設され、かつ、凝縮側端部が
   前記吸熱ブロックから突出した複数本のヒートパイプ
   と、前記凝縮側端部に装着されたフィンを具備する半導
   体装置用冷却器であって、各ヒートパイプの蒸発側端部
   が各半導体装置にそれぞれ対応する位置に配置されるよ
   うに前記吸熱ブロックに埋設されていることを特徴とす
   る半導体装置用冷却器。