JP3415648B2 - 熱シンク装置及びこれを用いて電子装置パッケージから熱を散逸させる方法 - Google Patents

熱シンク装置及びこれを用いて電子装置パッケージから熱を散逸させる方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、電子装置が発生する熱エネルギ
ーの散逸(dissipation)に関する。より具体的には、大
型半導体装置等が発生した熱エネルギーを、周囲環境に
散逸させる小型の熱シンク装置、及びかかる装置を用い
た方法に関する。
【０００２】電力制御、牽引駆動、可変速度モータ制
御、マイクロプロセッサー等の電気システムに使用され
る電子装置の多くは、運転中に熱を発生する。この熱
は、電子装置の故障をもたらすため、熱を散逸させねば
ならない。装置によっては、内部発生熱を排除できる能
力によってパワーの取扱いが決められるものもあり、装
置内に全体的又は局部的な熱劣化又は熱欠陥が生じない
ようにせねばならない。このような装置の作動において
は、過剰の熱エネルギーを取り除いて散逸させるための
装置(一般的に「ヒートシンク又は熱シンク(heat sink
s)」と称される)が必要である。
【０００３】ヒンショー氏に付与された米国特許第４８
８４３３１号には、比較的小さな半導体装置パッケージ
に使用される熱シンクが開示されている。これらの熱シ
ンクはかなり小さいもので、主としてコンピュータへの
用途を対象にしたものである。ファンを熱シンクと共に
用いることにより、小型の熱冷却モジュールを形成して
いる。これらの小さな熱冷却モジュール(ＴＣＭ)は、熱
インピーダンス(thermal impedance)値が約1.0℃/Ｗ程
度であることが見出されている。しかしながら、このよ
うなモジュールは、大電力制御等に使用するにはあまり
にも制限が多すぎる。牽引駆動、可変速度モータ制御等
のような大型装置の場合、絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ(ＩＧＢＴ)等の大電力半導体装置を用いるから、
対応する制御系における熱を所望通り散逸させるには、
熱インピーダンス値が0.3℃/Ｗよりも小さな熱散逸装置
を必要とする。このような熱インピーダンス値を得るた
めに、ドイツ国、ポストファッハ12 03、アウフデルロ
ブケ9-11、ハーバー5884のアルトロニック(Alutronic)
が供給する強制対流冷却ユニットが広く使用されてい
る。同様な装置は、ニューハンプシャー、ラコニアのア
アビッド エンジニアリング インコーポレイテッドも
製造している。従来のこれら装置は、複数個の薄い平行
フィンが矩形ハウジング内で長手方向に接合されてい
る。均一な空気をフィンに流すことができるようにする
ために、ハウジングには、フィン部に入る空気を減じる
ための圧縮チャンバーを更に備えている。しかしなが
ら、熱インピーダンス値が約１℃/Ｗよりも小さくなる
冷却構造に作るには、これらの装置は非常に大きな容積
の熱シンクを必要とする。例えば、ＩＧＢＴ等に使用さ
れる代表的な強制対流冷却器は、アルトロニック社が販
売するモデルLK40−200Ωである。この装置は、熱イン
ピーダンス値が約0.044℃/Ｗであるが、容積は約206立
方インチもある。
【０００４】大容量電力の制御系等の用途が拡大するに
つれて、電力装置を冷却する装置に要する空間は小さく
することが望まれている。残念ながら、強制空気冷却装
置の容積性能値(volume performance value)(容積×熱
インピーダンスによって求められ、ＲoＶとして表わさ
れる)は、これまで約6.0℃in3/Ｗよりも低いものはなか
った。
【０００５】本発明に基づいて作られた強制冷却式熱シ
ンクは、6.0℃in3/Ｗよりも実質的に低い容積性能値を
達成することができる。この熱シンク装置は、一方の面
を冷却すべき装置に熱伝達可能に取り付けることができ
るようにした熱伝導性のベース部を備えており、ベース
部の他方の面に略平行な複数個のピンを突設している。
ピンの表面積は、約1.0℃/Ｗよりも少ない(望ましくは
約0.3℃/Ｗよりも少ない)熱インピーダンスをもたらす
のに十分なものとし、ピンのほぼ軸方向をベース部に向
けて強制的に送り込まれる空気によって冷却せねばなら
ない。ピンを適当な間隔をあけて配置することにより、
熱シンク本体の熱インピーダンス値(Ｒo)を約0.3℃/Ｗ
よりも小さく、容積性能値(ＲoＶ)を約6.0℃in3/Ｗより
も小さくするために必要なスペース(熱シンク本体とピ
ンで占めるスペース)を、十分に小さくすることができ
る。
【０００６】本発明は、大型電子装置から熱を除去し散
逸させるための熱シンクであって、熱シンクは本体を含
んでおり、該本体は電子装置パッケージに接触させて取
り付けることができるようにしている。熱シンク本体
は、シャーシなどの支持構造に取り付けるための取付手
段を具えていて、取付手段は、ベース部の側面にキャビ
ネットの突起部が嵌まる形状の溝を有しており、電子装
置パッケージを支持構造へ支持させるものである。熱シ
ンク本体は、平行ピンを外向きに突設しており、ピンは
互いに交差する溝によって間隔をあけるようにしてい
る。空気をベース部に向けて供給し、ピンの間の溝の中
を空気が通るようにするための回転式ファンを配備して
いる。本発明の熱シンク装置は熱エネルギーの散逸を効
果的に行なうことができるから、全体容積がこれまでの
一般的な装置の約１／３よりも小さいにも拘らず、熱シ
ンクの熱インピーダンスは１.０℃／Ｗよりも少ない。
本発明のその他の特徴及び利点は以下の詳細な説明によ
って容易に理解されるであろう。
【０００７】本発明にかかる熱シンク装置の望ましい実
施例を図１に示している。説明の便宜上、幾つかの図面
中、対応する要素については同じ引用符号を用いて表わ
している。図示の実施例では、絶縁ゲートバイポーラト
ランジスタ(ＩＧＢＴ)(13)の如き複数の電子装置と共
に、熱シンク本体(10)と回転式ファン(11)を示してい
る。なお、ＩＧＢＴパッケージは、効率良く作動させる
ために高性能の熱シンクを必要とする電子装置の代表例
を単に例示したものであることは理解されるべきであ
る。その他にも、パワートランジスタ等の如き、同じよ
うに熱シンクを必要とする装置が種々あり、これらにつ
いても本発明を適用することができる。
【０００８】図１乃至図３に示す如く、熱シンクの本体
(10)は、ベース部(12)の上面に所定個数の平行ピン(14)
を外向きに突設している。熱シンク本体(10)は、アルミ
ニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等のように熱伝
導率のかなり高い材料から作ることが望ましい。ピン(1
4)は、互いに交差する平行縦溝(16)と平行横溝(18)によ
って隔てられている。ピン(14)は、ベース部(12)から所
定角度で突出し、ベース部(12)の上面からの高さをｐで
示している。ピン(14)とベース部(12)の角度は約９０度
が望ましい。縦溝(16)と横溝(18)の幅は隣り合う平行ピ
ンの間隔として求められ、前者の溝の幅はｆ、後者の溝
の幅はｆ’で示される。これら溝の幅ｆとｆ’の寸法
は、同じでもよいし、相違していても構わない。望まし
い実施例では、幅ｆは幅ｆ’よりも大きい。溝(16)(18)
の深さは、ピン(14)の高さｐと等しい。
【０００９】熱シンク本体(10)は種々の方法によって作
ることができる。例えば、押出し法により、本体(10)の
ベース部に、縦溝(16)を隔てて平行フィンを縦方向に突
設する。次に、鋸又は連成鋸(gang saw)を用いて、本体
部(10)の横方向に沿って切込みを入れ、横溝(18)を複数
個形成する。この結果、溝(16)と溝(18)との間には所定
間隔を存してピン(14)が残存形成される。この実施例で
は、ピンの高さｐは、押出し法におけるフィンと溝の形
成による制限を受ける。
【００１０】その他にも、熱シンク本体(10)用として望
ましい材料のブロックを準備し、該ブロックに鋸引きそ
の他の機械加工又はガングソーにより切込みを入れ、所
定幅ｆの縦溝(16)と所定幅ｆ’の横溝(18)を所定個数、
形成することもできる。機械加工又は鋸挽きによる場
合、ピン(14)の高さｐは押出し法のときのような制限を
受けない。製造方法の如何に拘らず、熱シンク本体(10)
は、陽極酸化(anodized)、その他の耐腐食性処理を行な
うことにより、熱散逸特性を高めることができる。
【００１１】熱シンク本体に関し、供試本体の６つの実
施例を表１に示す。
【００１２】
【表１】
【００１３】本発明の上記６つの実施例は、試験目的の
ために作製されたものである。本発明の第１実施例(表
１のEX-2451)は、本体(10)のベース部(12)の長さは、縦
方向が4.85インチ(12.3cm)、横方向が4.75インチ(12.07
cm)である。第２実施例(EX-2452)は、本体(10)のベース
部(12)の長さは、縦方向が7.13インチ(18.10cm)、横方
向が4.75インチ(12.07cm)である。第３実施例(EX-2453)
は、本体(10)のベース部(12)の長さは、縦方向が9.60イ
ンチ(24.37cm)、横方向が4.75インチ(12.07cm)である。
これら３つの実施例において、ピン(14)の高さｐは1.1
インチ(2.79cm)、縦溝(16)の幅ｆは0.30インチ(0.77c
m)、横溝(18)の幅ｆ’は0.10インチ(0.24cm)である。
【００１４】本発明の第４実施例(EX-2461)は、本体(1
0)のベース部(12)の長さは、縦方向が6.94インチ(17.61
cm)、横方向が6.95インチ(17.65cm)である。第５実施例
(EX-2462)は、本体(10)のベース部(12)の長さは、縦方
向が10.36インチ(26.30cm)、横方向が6.95インチ(17.65
cm)である。第６実施例(EX-2463)は、本体(10)のベース
部(12)の長さは、縦方向が10.36インチ(26.30cm)、横方
向が13.90インチ(35.29cm)である。これら３つの実施例
において、ピン(14)の高さｐは1.1インチ(2.79cm)、縦
溝(16)の幅ｆは0.28インチ(0.72cm)、横溝(18)の幅ｆ’
は0.10インチ(0.24cm)である。
【００１５】図１を再び参照すると、熱シンク本体(10)
の溝(16)(18)の中に空気を流すために、回転式ファン(1
1)を配備している。回転式ファン(11)は、熱シンク本体
に空気をぶつけて冷却できるようにその吹出し面(20)を
配備する。吹付け冷却(impingement cooling)を行うた
めに、ファン(11)は、ピンが突出している熱シンク本体
のベース部又は表面に空気を向けるように取り付けられ
る。図示の実施例において、回転式ファン(11)は、ネジ
(23)を用いて熱シンク本体(10)に機械的に取り付けら
れ、熱シンク本体の取付面(21)とは反対側の面の中央に
配置したピン(14)に関し、その軸方向に空気を供給でき
るようにしている。この結果、冷却空気はピン(14)の全
表面にぶつかり、溝(16)(18)を通って外方に送られる。
なお、上記以外の他のファンを配置できることは勿論で
ある。
【００１６】図２及び図３を参照すると、ベース部(12)
の縦軸に沿って最も外側から２列のピン(14)に、ネジ孔
(22)を形成している。図４は、図３に示すネジ孔(22)の
Ａ部を拡大した図である。図示の実施例において、回転
式ファン(11)は、ピン(14)の外端にて、ボルト又はネジ
(23)を回転式ファン(11)のハウジングの４つのコーナー
部に通し、ネジ孔(22)の中に螺合する。ファンの熱シン
ク本体への取付けは、その他の手段を用いて行なうこと
もできる。実際、本発明の本質から逸脱することなく、
ファン(12)をその他の支持構造に取り付けることによ
り、ピン(14)から離してピン(14)の端部の非常に近い位
置で支持することもできる。
【００１７】表２は、前述した６つの装置と、従来から
市販されている代表的な装置との比較を示したものであ
る。表２及び図５に示すように、本発明に基づいて作製
した熱シンク装置は、従来装置よりも熱インピーダンス
値が著しく低いだけでなく、装置の物理的エンベロープ
が小さいにも拘わらず、従来装置より著しく低い容積性
能値(ＲoＶ)を得ることができる。
【００１８】
【表２】
【００１９】表２は、アルトロニック社の製品６つと、
アアビッド社の製品５つについて、表１の本発明実施例
の６つと、その特性を比較したものである。ＲoＶ値を
プロットしたものを図５に示す。本発明の全ての実施例
はＲoＶ値が6.0℃in3/Ｗよりも小さいのに対し、従来装
置はＲoＶ値が6.0℃in3/Ｗよりも小さいものは皆無であ
ることがわかる。表２で用いた容積値は、熱シンク本体
だけを含み、ファンが占める容積を含まないことに留意
すべきである。本発明にあっては、ファンは、熱シンク
の方に空気を送り、空気をぶっつけて冷却する平面型の
回転式ファンが望ましい。このようにすれば、ファン(1
1)のスペースは、従来装置に使用されているリスかご型
の大型ファンよりもはるかに少なくてすむ。さらに、空
気をピン(14)に向けてぶっつけて冷却するから、境界層
を破壊し、ピンから冷却空気への熱伝達をより効率的に
行なうことができる。
【００２０】図１に示す如く、ＩＧＢＴ(13)の如き複数
の電子装置を、ピン(14)とは反対側のベース部(12)の表
面(21)に取り付ける。電子装置を熱シンク本体(10)表面
へ取付けるには、ネジ、ボルト、接着剤等の如き公知の
方法によって行なうことができる。或はまた、装置パッ
ケージを取り付けるための溝又は孔を表面(21)に形成す
ることもできるし、装置パッケージ(13)を適当な位置で
クランプすることもできる。
【００２１】図３に示す如く、熱シンク本体(10)には、
熱シンク装置をキャビネット等に取り付けるための取付
溝(26)を設けている。図示の実施例では、取付溝(26)
は、熱シンク本体(10)をキャビネットの中にスライドさ
せたときキャビネット等の突起部が嵌まる形状に形成し
ている。その他種々の支持技術を用いることもできる。
【００２２】本発明の具体的な実施例を詳細に説明した
が、当該分野の専門家であれば発明の精神及び範囲から
逸脱することなく変形をなすことはできるであろう。従
って、特許請求の範囲に記載の発明はかかる変形を含む
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施例にかかる熱シンク装置
の分解図である。
【図２】本発明の熱シンク装置の望ましい実施例の平面
図である。
【図３】図２の熱シンク本体の側面図である。
【図４】本発明の望ましい実施例の熱シンク本体のネジ
溝の断面図である。
【図５】従来の装置のＲoＶ値と、本発明の供試装置の
ＲoＶ値を比較するため、それらの値をプロットした図
である。
【符号の説明】
(10) 熱シンク本体 (11) ファン (12) ベース部 (14) ピン (16) 縦溝 (18) 横溝
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−162497（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−36475（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−13946（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 7/20 H01L 23/36 H01L 23/467

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子装置パッケージに取り付けるための
    熱シンク装置であって： (ａ)電子装置パッケージに接触させて取り付けることの
    できる熱シンク本体を備え、熱シンク本体は、下面と上
    面を有するベース部を備え、ベース部の上面には平行ピ
    ンを外向きに突設しており、ピンは平行な列に揃えて形
    成され、９０°に交差する２組の溝によって互いに隔て
    られており； (ｂ)空気を溝からベース部に強制的に送るためのファン
    をピン上に配置し、該ファンをピンの最も外側に取り付
    けており； (ｃ)ベース部は、熱シンク装置を支持構造に取り付ける
    ための取付手段を含んでおり； (ｄ)取付手段は、ベース部の側面にキャビネットの突起
    部が嵌まる形状の溝を有している， 熱シンク装置。
  2. 【請求項２】 熱シンク本体の最も外側の溝は、回転式
    ファンを支持するハウジングの孔に対応する位置にネジ
    孔を設けており、該ネジ孔に挿入されたボルトによって
    熱シンク本体はファンに取り付けられる請求項１に記載
    の熱シンク装置。
  3. 【請求項３】 ファンは、ベース部の下面の表面積にほ
    ぼ対応する吹付け面を有する回転式ファンである請求項
    １に記載の熱シンク装置。
  4. 【請求項４】 ベース部の下面に絶縁ゲートバイポーラ
    トランジスタが取り付けられている請求項１に記載の熱
    シンク装置。
  5. 【請求項５】 熱シンクは、約０.３℃／Ｗよりも少な
    い熱インピーダンスをもたらす十分に大きな表面積を有
    する、請求項１に記載の熱シンク装置。
  6. 【請求項６】 本体とピンの寸法は、容積性能値が約６
    ℃in3／Ｗよりも小さくなるときの容積を最大としてい
    る、請求項１に記載の熱シンク装置。
  7. 【請求項７】 (ａ)熱シンクと：該熱シンクは、(i)ベ
    ース部の一方の面を電子装置パッケージに取り付けるこ
    とができるようにした熱伝導性の熱シンク本体と；(ii)
    熱シンク本体のベース部から突出し、９０°に交差する
    ２組の溝によって互いに隔てられている複数本のピン
    と；(iii)熱シンクを支持構造に取り付けるため、ベー
    ス部に形成した取付手段，を含んでおり；(iv)取付手段
    は、ベース部の側面にキャビネットの突起部が嵌まる形
    状の溝を有しており； (ｂ)熱シンクに取り付けられ、前記ベース部の一方の面
    と熱伝達させるべき電子装置パッケージと； (ｃ)最も外側のピンに支持され、ピンの基部のベース部
    の方に向けて、ピンの間に空気を強制的に送るためのフ
    ァン；から構成される、電子装置パッケージと熱シンク
    装置の組合せ。
JP08590593A 1993-03-30 1993-04-13 熱シンク装置及びこれを用いて電子装置パッケージから熱を散逸させる方法 Expired - Fee Related JP3415648B2 (ja)

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