JP4757899B2 - 半導体モジュール装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体モジュール装置に関するものである。

半導体モジュール装置の従来例を図１２、１３に示す。この従来例において、半導体モジュール装置は、フレーム１９により保持される実装基板２上に複数の半導体素子を実装して形成される。フレーム１９はアルミニウム等の熱伝導性の良好な材料により形成され、半導体素子の搭載領域の上方を覆うカバー部１９ａを有する。カバー部１９ａの上面には図示しない小型冷却ファン装置７を保持したファン組立体２０が固定され、半導体素子からの発熱はヒートスプレッダとして機能するカバー部１９ａに伝熱された後、ファン組立体２０により冷却される。なお、図において１９ｂはファン組立体２０の上面に冷却風の風洞を形成するためのカバー体を示す。

しかし、上述した従来例には以下の欠点がある。すなわち、上述した従来例においては、カバー部１９ａ上にファン組立体２０を積層する構造を取るために、実装高さが高くなる。また、半導体素子からの発熱は、カバー部１９ａに伝熱された後、さらに、ファン組立体２０のベースプレート２０ａに伝熱されて放熱される構造を取るためには、カバー部１９ａとベースプレート２０ａとの接触部における熱抵抗が大きく、冷却効率が悪い。

本発明は、以上の欠点を解消すべくなされてものであって、冷却効率が高く、かつ実装高さも低く押さえられる半導体モジュール装置の提供を目的とする。

本発明によれば上記目的は、
複数の発熱素子１、１・・を実装した基板２の上面を基板２の保持フレームを兼ねる放熱プレート３で覆ってなる半導体モジュール装置であって、
前記放熱プレート３には複数の放熱フィン４、４・・が突設されるとともに、放熱プレート３の放熱フィン基端面１５には、ヒートパイプ保持溝１６が形成され、
かつ、放熱プレート３には、冷却ファン装置７の固定部１７が形成され、
前記冷却ファン装置７の固定部１７は、放熱フィン基端面１５から適宜高さ突出して形成され、カバープレート６に冷却ファン装置７を固定して構成されるファン組立体２０を放熱プレート３の上方に固定することにより冷却ファン装置７が内部に配置された冷却風の風洞５が形成され、
前記放熱フィン４は、長短２種類からなり、長寸のもの４ａがカバープレート６を貫通してカバープレート６上方に突出する半導体モジュール装置を提供することにより達成される。

この半導体モジュール装置によれば、電源の容量等の事情によって、冷却ファン装置７を取り外して放熱プレート３の上面に形成されるヒートパイプ保持溝１６にヒートパイプ２１を固定した状態で運用することも、あるいは、ヒートパイプ２１を取り除き、装置本体側に冷却ファン装置７を固定して運用することも可能であり、融通性を向上させることができる。

本発明において、基板２上の発熱素子１からの発熱は、基板２の保持フレームを兼ねる放熱プレート３に伝熱された後、放熱プレート３上の放熱フィン４から放熱される。したがって、伝熱ルートに機械的接合境界面が存在しないために、熱抵抗が少なくなり、冷却効率が向上する。

さらに、冷却ファン装置７をカバープレート６に固定したことにより、冷却ファン装置７、特に軸受け部の熱による劣化を防止することができる。冷却ファン装置７には種々のものが使用可能であるが、冷却風を上方から吸い込み真横に吹き出す遠心型ファンは面積が広く薄型の構造をもつ本発明に係る半導体モジュール装置に最適である。また、冷却ファン装置７は一般に吐き出し側に障害壁がある場合の方が吸い込み側にある場合に比して風量低下が少ないという特性を持つために、冷却ファン装置７は、排気側が冷却風洞５内方を向くように配置するのが望ましい。

また、冷却ファン装置７を冷却風洞５内に配置したことにより、高さ寸法が小さくなり、実装高さが低くなる。

上記放熱フィン４は適宜形状に形成することが可能であるが、ピン形状に形成し、その内の幾本かを他のものに比して長く形成し、当該長寸の放熱フィン４ａをカバープレート６を貫通してカバープレート６の上方に露出させることにより、冷却風洞５への導入流を利用した放熱が可能になる。また、カバープレート６上にすべての放熱フィン４を突出させない構成を取ることにより、導入流の圧損がいたずらに高くなることが防止され、冷却ファン装置７の吸入性能を悪化させることがない。

カバープレート６に冷却風の吐き出し方向を規制する遮断立ち上がり壁９を設けると、冷却風洞５の排気口、すなわち、冷却風の吐き出し方向をカバープレート６の取付姿勢により変更することが可能になる。吐き出し方向を変更できるようにすると、半導体モジュール装置が装着される装置本体側の排気を直接筐体外部に吐き出す位置に実装する方法が理想的だが、排気口近傍に部品、壁面等の排気障害物があって排気能力が低下する場合にも排気方向を簡単に変更できるために、実装位置の融通性が向上し、使い勝手がより向上する。

この場合、冷却ファン装置７を冷却風洞５の中心に配置し、カバープレート６の裏面に導風壁１０を設けておくと、カバープレート６の装着姿勢に関わらず、冷却風を吐き出し方向に導くことができるために、装着姿勢による冷却効果の違いを最小限にすることができる。導風壁１０は、図７に示すように、冷却ファン装置７の回転翼７ａの回転接線方向Ａに対して排気方向が鋭角で交差する隅部（図７における領域Ｂ）近傍から排気方向に沿って延びており、該隅部での回転ファン装置７から送られる冷却風と排気流との衝突を防止し、さらに、冷却風を図７において矢印Ｃで示すように、導風壁１０が設けられていない辺縁に導く。この結果、冷却風の衝突による全体的な冷却効率の低下が防止されるとともに、カバープレート６の取付姿勢が変化しても、導風壁１０に対応する辺縁近傍以外の領域内の発熱素子１を優先的に冷却することができる。

また、カバープレート６は長方形の放熱プレート３の短辺長を一辺の長さとする正方形状に形成し、放熱プレート３の３辺に辺縁を対応させて装着した場合には、カバープレート６の装着姿勢を変更して排気方向を変えても、放熱プレート３の冷却風洞対応領域３ａを可及的に広く、かつ、一定にすることが可能となる。このため、カバープレート６の装着姿勢の変更に伴う冷却効果の違いを最小限にすることができる。さらに、カバープレート６に設けた補助導風切欠１３から冷却風を放熱プレート３の中央部に排出するように構成すると、冷却風洞対応領域３ａ以外の領域に冷却風を送風させることが可能になるために、該領域直下に配置された発熱素子１も効率的に冷却することができる。

この場合、補助導風口１１近傍の天井壁を、辺縁に近づくにつれて漸次放熱プレート３に接近する傾斜面１２とすると、補導風口１１近傍において冷却風流が絞られて風速が速くなるために、冷却風洞対応領域３ａに比して冷却効率が低下する中央部の領域の冷却効率を可及的に向上させることができる。

また、カバープレート６の排気用開放辺８以外の辺縁に補助導風切欠１３を形成し、放熱プレート３側に、放熱プレート３の３辺に対応する補助導風切欠１３を閉塞する閉塞壁１４を設けると、カバープレート６をどのような姿勢で取り付けても放熱プレート３の中央部を向く補助導風切欠１３のみが開放されて補助導風口１１を形成し、他の補助導風切欠１３は閉塞壁１４により閉塞されることとなる。この結果、冷却風洞５からの冷却風の吹き出し口が徒に多くなることがなく、冷却風洞対応領域３ａでの冷却効率の低下が防止される。

以上における半導体モジュール装置は、基板２の保持フレームを兼ねる放熱プレート３と冷却ファン装置７により冷却装置を構成するものであるが、
発熱体１への固定ブロック１８から長短２種類の放熱フィン４を複数本突設した放熱プレート３と、
放熱プレート３に固定され、該放熱プレート３の上方を覆って冷却風の風洞５を形成するカバープレート６と、
風洞５内に固定される冷却ファン装置７とを有し、
前記長寸の放熱フィン４ａは、カバープレート６を貫通してカバープレート６上方に突出する独立した発熱体の冷却装置を構成することができる。

この冷却装置は、複数の発熱体１、１・・、あるいは単一の発熱体１をスポット的に冷却する場合に有効であり、カバープレート６を貫通してカバープレート６の上方に飛び出す長寸の放熱フィン４ａが吸気流により冷却されるために、冷却効率がより向上する。すなわち、上述したように、冷却ファン装置７への冷却効率の低下に与える影響は、吸気側での圧損の増加の方が、排気側での圧損の増加より大きなために、圧損の原因となる放熱フィン４ａの本数を冷却風洞５内で多く、吸気側のカバープレート６上面で少なくすることにより、冷却ファン装置７の効率的運用が可能になる。また、カバープレート６から長寸の放熱フィン４ａを飛び出させることにより、半導体モジュール装置の上面を壁等に密着させた状態で配置しても、放熱フィン４ａの先端とカバープレート６との間には吸気用の空間を確実に確保することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、冷却効率を向上させることができる上に、実装高さも低くできる。

図１、２に基板２上にＣＰＵ、およびその周辺回路を実装し、外部ＰＣＩバスをサポートし、対象装置に接続することにより対象装置の制御部を構成することのできる３×５インチ程度の大きさのカードプロセッサとして構成された本発明の実施の形態を示す。

半導体モジュール装置は、ＣＰＵ、ＶＣＬ、ビデオチップセット等の発熱素子１と、受動素子２ａを表面実装した基板２と、放熱プレート３を有し、基板２の一側縁裏面に固定される図示しないコネクタにより対象装置に接続される。また、上記コネクタの反対面、すなわち、基板２の表面一側縁には、補助基板２２を接続するためのコネクタ２ｂが固定される。コネクタ２ｂは後述する放熱プレート３の放熱部３ｂに開設されたコネクタ挿通開口３ｃを貫通して放熱部３ｂ上に突出し、補助基板２２は、コネクタ挿通開口３ｃ近傍において放熱部３ｂにねじ止めされる。この実施の形態において補助基板２２にはカードコネクタ２２ａが固定され、該カードコネクタ２２ａに例えば増設メモリボード等が接続される。なお、図２において２３は補助基板２２と放熱パネルとの間に介装される絶縁シートを示す。

放熱プレート３は、アルミニウム合金等、熱伝導性の良好な材料により製せられ、基板２のほぼ全面を覆う長方形の放熱部３ｂの四側縁に基板２を保持するフレーム部３ｄを一体に膨隆して形成される。フレーム部３ｄの四隅部には取付部２４が設けられ、該取付部２４にねじ止めして対象装置に固定される。

図３に示すように、上記放熱部３ｂには冷却風洞対応領域３ａが設定される。冷却風洞対応領域３ａは、上記コネクタ挿通開口３ｃが開設される辺縁に対向する辺縁を一辺とする正方形領域を占有し、該冷却風洞対応領域３ａ上面には、図４に示すように、基端面からの突出高さが異なる２種類のピン状放熱フィン４ａ、４ｂが交互に複数本立設される。なお、図３において、長寸の放熱フィン４ａを塗りつぶして表示する。これら放熱フィン４ａ、４ｂは、冷却風洞対応領域３ａ内の中心に位置する円形のファン収容領域２５、およびこのファン収容領域２５から側縁に延びる帯状領域を除く範囲に立設されており、上記帯状領域は放熱フィン基端面１５より１段低くされてヒートパイプ保持溝１６とされる。また、上記冷却風洞対応領域３ａの側縁には後述するカバープレート６の補助導風切欠１３を閉塞するための閉塞壁１４が立設される。

上記冷却風洞対応領域３ａの上方にはファン組立体２０が固定される。ファン組立体２０は、冷却風洞対応領域３ａとほぼ等しい正方形状のカバープレート６に冷却ファン装置７を固定して形成される。図５、６に示すように、カバープレート６は中心部、すなわち、上記放熱部３ｂのファン収容領域２５の直上位置に円形の吸気開口６ａを有し、該吸気開口６ａの中心に冷却ファン装置７の回転翼７ａが配置される（図１、２参照）。冷却ファン装置７はカバープレート６に固定されるファン保持脚７ｂにより保持される。なお、図１、２において７ｃは冷却ファン装置７への給電用のハーネスを示す。

上記ファン組立体２０の放熱プレート３への固定は、放熱プレート３に形成された固定部１７にねじ止めして行われ、固定状態において短寸の放熱フィン４ｂがカバープレート６裏面に形成されたフィン嵌合凹部６ｂに嵌合するとともに、長寸の放熱フィン４ａはカバープレート６に開設されたフィン挿通孔６ｃを貫通してカバープレート６上部に露出する（図８参照）。図６に示すように、カバープレート６は放熱プレート３に対して中心周りに９０°刻みで相対回転位置を変更してもカバープレート６のフィン挿通孔６ｃが長寸の放熱フィン４ａに、フィン嵌合凹部６ｂが短寸の放熱フィン４に対応するように、放熱フィン４の配置、およびフィン嵌合凹部６ｂ等の配置が決定される。なお、図６においてフィン嵌合凹部６ｂを塗りつぶして表示する。カバープレート６を固定した状態でカバープレート６と冷却風洞対応領域３ａとの間には長寸、および端寸の放熱フィン４、４・・が林立した冷却風洞５が形成され、冷却風洞５内の中央部に回転翼７ａが周囲を放熱フィン４により囲まれた状態で配置される。冷却ファン装置７を駆動すると、カバープレート６近傍の空気が吸気開口６ａから冷却風洞５内に強制導入される。

また、排気用開放辺８を除くカバープレート６の各辺縁には、遮断立ち上がり壁９が放熱プレート３側に突設されており、該遮断立ち上がり壁９を切り欠くことにより、補助導風切欠１３が形成される。カバープレート６を放熱プレート３に固定した状態で、放熱プレート３の放熱フィン基端面１５と排気用開放辺８により冷却風洞５の排気口が形成され、該冷却風洞５内に導入された冷却風は、カバープレート６の裏面に形成された導風壁１０によりガイドされて速やかに排気用開放辺８から排気される。導風壁１０は、反時計回り（図７における矢印Ｄ方向）に回転駆動される冷却ファン装置７に対応させたもので、図６、７に示すように、冷却ファン装置７の回転翼７ａの回転接線方向Ａを向く導入部１０ａと、カバープレート６の辺縁に平行で、上記排気用開放辺８に向かう平行部１０ｂとからなる。導入部１０ａは、冷却ファン装置７の回転中心から冷却風の衝突領域（図７のＢ領域）にやや寄った位置に始端を有して配置される。上記冷却風の衝突領域への風向きを変更し、かつ、風路幅の縮小により過大な圧損が生じないように、導風壁１０の平行部１０ｂの基端は、回転翼７ａの回転接線方向Ａ上の回転翼７ａの回転径の１／５ないし１／４離れた位置で、かつ、回転翼７ａの回転軌跡外周とカバープレート６の周縁とを１：２ないし１：１に内分（図７におけるａ：ｂ）する点に設定するのが望ましい。

したがってこの実施の形態において、導風壁１０側に送られた冷却風Ａ’は導風壁１０により曲げられてＣＰＵ等の発熱素子の中でも高い発熱量を有する高発熱素子１の搭載領域に送風されるために、該高発熱素子１を効率的に冷却することができる。また、上記高発熱素子１側に多量の冷却風の送ることにより、隅部Ｅでの冷却風のよどみもなくなるために、全体の冷却効率も向上する。

上記ファン組立体２０は、放熱プレート３の冷却風洞対応領域３ａに平面視において合致するように固定されるもので、図９に示すように、冷却ファン装置４の中心周りに回転した４種類の取付姿勢を選択することが可能であり、いずれの取付姿勢をとっても中央部に向かう補助導風切欠１３のみが開放され、他の３カ所の補助導風切欠１３は、放熱プレート３上の閉塞壁１４により閉塞されるように、補助導風切欠１３、および閉塞壁１４の位置が決定される。また、各補助導風切欠１３近傍の天井壁は、図８に示すように、辺縁に近づくにつれて漸次放熱プレート３に接近する傾斜面１２とされている。

したがってこの実施の形態において、放熱プレート３にファン組立体２０を固定した状態で冷却ファン装置４を駆動すると、図８において矢印Ａで示すように、外気が吸気開口６ａから冷却風洞５内に強制導入される。一方、基板２上の高発熱素子１からの発熱は、放熱プレート３に伝達され、冷却風洞５内に林立する放熱フィン４から直ちに放熱される。また、図８に示すように、カバープレート６外部から冷却風洞５内に導入される外気は、導入途中で長寸の放熱フィン４ａを冷却するために、全体の冷却効率が向上する。さらに、対象装置内の部品等の配置により、排気方向を変更するには、ファン組立体２０を一旦放熱プレート３から取り外し、カバープレート６の排気用開放辺８の位置を所望の方向に向ければよい。カバープレート６の取付姿勢に関わらず、放熱プレート３の中央部には、補助導風切欠１３が開放されるために、放熱プレート３中央部上面は補助導風切欠１３から排出される冷却風により冷却される。図９において排気方向を矢印Ｂで、補助導風切欠１３からの風の流れを矢印Ｃで示す。補助導風切欠１３により形成される補助導風口１１は、天井面が排気方向に向いて傾斜する傾斜状となっているために、排出途中に絞られて風速が速くなるために、冷却効率も向上する。

上記冷却ファン装置７は、ベアリングハウスを放熱プレート３に埋め込んで、保持することも可能であるが、この実施の形態に示すように、冷却ファン装置７をカバープレート６に固定してファン組立体２０を構成すると、ファン組立体２０を取り外して状態で運用することもできる。この場合、冷却効率を高めるためには、図１０に示すように、ヒートパイプ保持溝１６にヒートパイプ２１を嵌合させ、ファン収容部において固定することもできる。なお、図１０において２７はヒートパイプ固定具を示す。

なお、以上の例において放熱プレート３は、基板２全体を覆う大きさとして、フレーム部３ｄを兼ねるように構成されているが、図１１に示すように、基板２上の特定の素子をスポット的に冷却する際に使用する冷却装置として構成することもできる。なお、本参考例において、上述した実施の形態と実質的に同一の構成要素は図中に同一符号を付して説明を省略する。

この参考例において、冷却装置は発熱素子１に固定される放熱プレート３と、放熱プレート３上に固定されて冷却風洞５を形成するカバープレート６と、ベアリングハウス（冷却ファン装置７の軸受け部）が放熱プレート３に埋め込まれた冷却ファン装置７とを有して構成される。放熱プレート３はアルミニウム合金等の熱伝導製の良好な材料により形成され、発熱素子１に固定される固定ブロック１８から複数の放熱フィン４、４・・を突設させて形成される。放熱プレート３上の放熱フィン４は、長短２種類が交互に配置され、長寸の放熱フィン４ａはカバープレート６上面に突出する。

したがってこの参考例において、カバープレート６の上方に発生する風流も放熱フィン４の放熱に利用することができるために、冷却効率が向上する。また、カバープレート６から突出する放熱フィン４ａの本数は、冷却風洞５内の本数に比して少ないために、吸気開口６ａからの吸い込み時に過大な圧損を生じさせることがない。このため、冷却ファン装置７の吸気能力に悪影響を及ぼすこともない。

本発明を示す斜視図である。 図１の分解斜視図である。 放熱プレートを示す平面図である。 図３の４Ａ-４Ａ線断面図である。 カバープレートの表面図である。 カバープレートの裏面図である。 導風壁の作用を示す図である。 図６の７Ａ-７Ａ線断面図である。 カバープレートの取付姿勢を示す図である。 ヒートパイプを装着した状態を示す図である。 参考例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の一部を断面して示す側面図である。 従来例を示す斜視図である。 図１２の分解斜視図である。

符号の説明

１ 発熱素子
２ 基板
３ 放熱プレート
４ 放熱フィン
４ａ 長寸の放熱フィン
５ 風洞
６ カバープレート
７ 冷却ファン装置
８ 排気用開放辺
９ 遮断立ち上がり壁
１０ 導風壁
１１ 補助導風口
１２ 傾斜面
１３ 補助導風切欠
１４ 閉塞壁
１５ 放熱フィン基端面
１６ ヒートパイプ保持溝
１７ 固定部
１８ 固定ブロック

Claims (1)

1. 複数の発熱素子を実装した基板の上面を該基板の保持フレームを兼ねる放熱プレートで覆ってなる半導体モジュール装置であって、
   前記放熱プレートには複数の放熱フィンが突設されるとともに、放熱プレートの放熱フィン基端面には、ヒートパイプ保持溝が形成され、
   かつ、放熱プレートには、冷却ファン装置の固定部が形成され、
   前記冷却ファン装置の固定部は、放熱フィン基端面から適宜高さ突出して形成され、カバープレートに冷却ファン装置を固定して構成されるファン組立体を放熱プレートの上方に固定することにより冷却ファン装置が内部に配置された冷却風の風洞が形成され、
   前記放熱フィンは、長短２種類からなり、長寸のものがカバープレートを貫通してカバープレート上方に突出する半導体モジュール装置。

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