JP4832316B2 - Liquid cooling heat sink - Google Patents
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本発明は、電力用サイリスタその他の半導体等の発熱する電子部品を冷却する液冷ヒートシンクに関し、部品点数が少なく冷却効果の高いものに関する。 The present invention relates to a liquid-cooled heat sink that cools electronic components that generate heat, such as power thyristors and other semiconductors, and relates to a component that has a small number of components and a high cooling effect.
半導体素子を実装したパワーモジュールの多くは、セラミック製の絶縁基板状にハンダ固定され、その絶縁基板がヒートシンクの受熱面にハンダ付けまたはろう付けにより接合される。このような半導体等の電子部品を冷却するヒートシンクの性能向上のため、各種ヒートシンクの構造が提案されている。 Many power modules mounted with semiconductor elements are fixed to a ceramic insulating substrate by soldering, and the insulating substrate is joined to a heat receiving surface of a heat sink by soldering or brazing. Various heat sink structures have been proposed to improve the performance of heat sinks for cooling such electronic components as semiconductors.
下記特許文献1に記載のものは、セラミック製絶縁基板をヒートシンクの受熱面にろう材を介して接合することにより、その接合がハンダに比べて熱抵抗が少なく熱効率が向上する旨、記載されている。
さらに、下記特許文献2に記載のものはヒートシンクに開口を設け、その開口を熱伝導性薄板で液密に閉塞すると共に、その薄板上に絶縁基板を接合し、その絶縁基板状に発熱する電子部品を固定するものである。
The thing of the following
Further, the one described in the following
発熱性電子部品が接合されるセラッミク等の絶縁基板は、その線膨張率が金属製ヒートシンクの受熱面に比較して小さい。そのため、両者の接合時および半導体の使用時の温度変化によって、接合面に亀裂が発生する問題があった。
そこで、熱伝導の低いグリス等を介在してボルト締結する等の方法がとられ、この場合には熱伝導性が悪く且つ、構造上コスト高にならざるを得ない欠点があった。
An insulating substrate such as ceramic to which heat-generating electronic components are bonded has a smaller linear expansion coefficient than the heat receiving surface of the metal heat sink. For this reason, there has been a problem that cracks occur on the joint surface due to temperature changes during the joining of the two and the use of the semiconductor.
Therefore, a method such as fastening bolts with low thermal conductivity grease or the like is used. In this case, there is a drawback that the thermal conductivity is poor and the cost is structurally high.
別の方法として、絶縁基板に金属製の応力緩和部材を介して、ヒートシンクの受熱面にそれをろう付けをする方法がある。これは応力緩和部材の平面に複数のスリットを形成し、それにより応力緩和部材を変形し易くしたものである。この場合にも、部品点数が増加し、ヒートシンク全体のコスト上昇につながっていた。
そこで本発明は、部品点数が少なく、構造が簡単で且つ、熱応力を効果的に吸収し得るヒートシンクを提供することを課題とする。
As another method, there is a method in which the insulating substrate is brazed to the heat receiving surface of the heat sink via a metal stress relaxation member. This is to form a plurality of slits in the plane of the stress relaxation member, thereby making it easier to deform the stress relaxation member. Also in this case, the number of parts increased, leading to an increase in the cost of the entire heat sink.
Therefore, an object of the present invention is to provide a heat sink that has a small number of parts, has a simple structure, and can effectively absorb thermal stress.
請求項1に記載の本発明は、内部に冷却液(1) が流通する偏平なヒートシンク本体(2) の平坦な外面に、開口(3) が設けられ、
その開口(3) の孔縁部に外面側に筒状に突出するバーリング(4)が形成され、そのバーリング(4)の先端が絶縁基板(5)で閉塞されるとともに、そのバーリング(4)の先端と絶縁基板(5)との接触部がろう付けにより液密に接合され、
前記冷却液(1) が、前記バーリング(4)の先端縁まで満たされる状態で、ヒートシンク本体(2)内を流通し、
前記絶縁基板(5)上に発熱する電子部品(6)が接合される液冷ヒートシンクである。
The present invention according to
A burring (4) protruding in a cylindrical shape on the outer surface side is formed at the hole edge of the opening (3), the tip of the burring (4) is blocked by the insulating substrate (5) , and the burring (4) The contact portion between the tip of the substrate and the insulating substrate (5) is liquid-tightly joined by brazing ,
In a state where the coolant (1) is filled up to the leading edge of the burring (4), it circulates in the heat sink body (2),
The electronic component that generates heat on the insulating substrate (5) (6) is a liquid-cooled heat sink to be bonded.
請求項2に記載の本発明は、内部に冷却液(1) が流通する偏平なヒートシンク本体(2) の平坦な外面に、開口(3) が設けられ、
その開口(3) の外面側の孔縁部に、環状の突条部(7) を残存させてその外周に環状溝(8) が形成されると共に、前記開口(3) に架橋部(9) が一体に横断され、
前記突条部(7) および架橋部(9) の上端縁が絶縁基板(5)で閉塞されて、それらの接触部がろう付けにより液密に接合され、
前記絶縁基板(5)の外周縁が環状溝(8)の内周縁と整合するように形成され、
前記冷却液(1) が、前記突条部(7) および架橋部(9) の上端縁まで満たされる状態で、ヒートシンク本体(2)内を流通し、
その絶縁基板(5)上に発熱する電子部品(6)が接合される液冷ヒートシンクである。
According to the present invention, the opening (3) is provided on the flat outer surface of the flat heat sink body (2) through which the coolant (1) flows.
An annular groove (8) is formed on the outer periphery of the opening (3), leaving an annular ridge (7) at the outer edge of the hole, and a bridging portion (9) is formed in the opening (3). ) Are crossed together,
The upper edge of the protruding portion (7) and the bridging portion (9 ) is closed with an insulating substrate (5), and their contact portions are liquid-tightly joined by brazing ,
The outer peripheral edge of the insulating substrate (5) is formed to align with the inner peripheral edge of the annular groove (8),
The coolant (1) flows through the heat sink body (2) in a state where the coolant (1) is filled up to the upper end edges of the protrusions (7) and the bridging part (9),
This is a liquid-cooled heat sink in which an electronic component (6) that generates heat is bonded onto the insulating substrate (5).
第1の本発明は、ヒートシンク本体2に設けた開口3の孔縁部に筒状に突出するバーリング4が形成され、そのバーリング4が絶縁基板5で閉塞されるとともに、そのバーリング4の先端と絶縁基板5との接触部がろう付けにより液密に接合され、その絶縁基板5が内部の冷却液1によって直接冷却されるので、絶縁基板5上の電子部品6を効率よく冷却することができる。しかも、絶縁基板5は開口3に接合されているため、筒状に突出したバーリング4は熱変形し易く、絶縁基板5とヒートシンク本体2との熱膨張差を効果的に吸収して、絶縁基板5の割れを防止し、信頼性の高いヒートシンクを提供できる。
In the first aspect of the present invention, a burring 4 projecting in a cylindrical shape is formed at the hole edge of the
第2の本発明は、ヒートシンク本体2の開口3の孔縁部に環状の突条部7を残存させて、その周りに環状溝8が形成され且つ、開口3に架橋部9が一体的に横断され、その突条部7および架橋部9の上端縁がその環状溝8より小に形成された絶縁基板5により閉塞され、その接触部がろう付けにより液密に被嵌されたものであるから、絶縁基板5とヒートシンク本体2との熱膨張差に基づく応力を環状溝8が効果的に吸収して、絶縁基板5の割れを防止できる。
即ち、環状溝8の存在によって、開口3の孔縁部が容易に変形し易く、それにより熱応力を容易に吸収し得る。しかも、部品点数が少なく構造が簡単な信頼性の高いヒートシンクを提供できる。
In the second aspect of the present invention, the
That is, due to the presence of the
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明のヒートシンクの縦断面図であり、図2はそのヒートシンク本体2の第1プレート2aと絶縁基板5との分解斜視図である。
このヒートシンクは、内部に冷却液1が充満して流通する偏平なヒートシンク本体2の開口3がセラミック製の絶縁基板5で直接閉塞され、その絶縁基板5上に電子部品6が接合されるものである。ヒートシンク本体2は、第1プレート2aと第2プレート2cとの間にスペーサ2bが介装され、スペーサ2bによって外周を閉塞する。なお、スペーサ2bの一部には図示しない冷却液1の出入口が開口されている。第1プレート2aと第2プレート2cとの間には、インナーフィン10が内装される。そして第1プレート2aにはその平面に開口3が設けられ、開口3の孔縁部が外面側に筒状に形成されたバーリング4を一体的に有する。そしてバーリング4の開口は、絶縁基板5の外周よりもわずかに小に形成され、バーリング4の先端が絶縁基板5で閉塞される。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a heat sink according to the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a
In this heat sink, an opening 3 of a flat
このように構成された各部品は、一体的にその接触部がろう付け固定されて液密に形成される。そして絶縁基板5の上面には、発熱量の大きな電子部品6がハンダ付け等の手段により接合される。また、ヒートシンク本体2内には冷却液1が流通される。そして電子部品6からの発熱は、絶縁基板5を介して直接冷却液1により吸熱される。
このとき絶縁基板5と開口3の接合面においては、両者間に熱膨張率が異なるため熱応力が生じる。その応力は、バーリング形成された開口3のわずかな変形により吸収され、絶縁基板5に割れを生じることがない。また、絶縁基板5とヒートシンク本体2との接触面は少なく且つ、絶縁基板5は冷却液1に接触している。
そして、直接電子部品6の発熱が冷却液1に吸収されるため、ヒートシンク本体2自体は比較的低温に保たれ、その点からもヒートシンク本体2と絶縁基板5との接合部に加わる熱応力を小とし、信頼性の高いヒートシンクとなり得る。
Each component configured in this manner is formed in a liquid-tight manner by integrally brazing and fixing the contact portion. Then, the
At this time, thermal stress is generated at the joint surface between the
Since the heat generated by the
なお、この例では一対の第1プレート2aと第2プレート2cとの間にスペーサ2bおよびインナーフィン10を配置したが、スペーサ2bおよびインナーフィン10に代えて、外周が第1プレート2aと第2プレート2cに整合する枠部を有し、各枠部間に網目状のフィン部を設けた図示しないインナーフィンを複数接合することもできる。その場合には、冷却液1の出入口を第1プレート2aまたは第2プレート2cに設けることができる。
さらには、インナーフィンの枠の一部を開口しそこから冷却液1を流出入してもよい。
In this example, the
Furthermore, a part of the frame of the inner fin may be opened and the
次に、図3は本発明の他の実施の形態を示し、図4はそのヒートシンク本体2の第1プレート2aの平面斜視図である。
この例が図1のそれと異なる点は、第1プレート2aの形状のみである。この第1プレート2aは開口3を有し、その孔縁部に環状の突条部7を介し、その外側に隣接して環状溝8が形成されている。そして開口3には、複数の架橋部9が突条部7と一体に且つ面一に形成されている。
このような第1プレート2aはプレス成形により形成することができる。或いはアルミニュームダイキャスト、さらにはアルミニューム材の切削によって形成することもできる。
Next, FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan perspective view of the
This example is different from that of FIG. 1 only in the shape of the
Such a
このようにしてなる第1プレート2aには、その開口3の孔縁部と絶縁基板5とがろう付けにより接合される。このとき絶縁基板5の裏面は突条部7および架橋部9によって接合される。この架橋部9の存在は、接合時に絶縁基板5を平面に維持してろう付けすることが可能とする。そしてヒートシンク本体2内および各架橋部9間には、冷却液1が充満して流通する。また絶縁基板5上には、電子部品6がろう付け、はんだ付け等の手段により接合され、電子部品6からの発熱は絶縁基板5を介し冷却液1に直接吸熱される。
絶縁基板5からの熱の一部は、架橋部9および突条部7に伝熱されるが、それらに加わる熱応力は環状溝8等の存在により効果的に吸収され、絶縁基板5に割れが生じることはない。
The hole edge of the
Part of the heat from the insulating
1 冷却液
2 ヒートシンク本体
2a 第1プレート
2b スペーサ
2c 第2プレート
3 開口
4 バーリング
5 絶縁基板
1
2a First plate
2b Spacer
2c
6 電子部品
7 突条部
8 環状溝
9 架橋部
10 インナーフィン
11 ろう材
6
10 Inner fin
11 Brazing material
Claims (2)
その開口(3) の孔縁部に外面側に筒状に突出するバーリング(4)が形成され、そのバーリング(4)の先端が絶縁基板(5)で閉塞されるとともに、そのバーリング(4)の先端と絶縁基板(5)との接触部がろう付けにより液密に接合され、
前記冷却液(1) が、前記バーリング(4)の先端縁まで満たされる状態で、ヒートシンク本体(2)内を流通し、
前記絶縁基板(5)上に発熱する電子部品(6)が接合される液冷ヒートシンク。 An opening (3) is provided on the flat outer surface of the flat heat sink body (2) through which the coolant (1) flows.
A burring (4) protruding in a cylindrical shape on the outer surface side is formed at the hole edge of the opening (3), the tip of the burring (4) is blocked by the insulating substrate (5) , and the burring (4) The contact portion between the tip of the substrate and the insulating substrate (5) is liquid-tightly joined by brazing ,
In a state where the coolant (1) is filled up to the leading edge of the burring (4), it circulates in the heat sink body (2),
The liquid cooling heat sink on which an electronic component that generates heat on the insulating substrate (5) (6) is joined.
その開口(3) の外面側の孔縁部に、環状の突条部(7) を残存させてその外周に環状溝(8) が形成されると共に、前記開口(3) に架橋部(9) が一体に横断され、
前記突条部(7) および架橋部(9) の上端縁が絶縁基板(5)で閉塞されて、それらの接触部がろう付けにより液密に接合され、
前記絶縁基板(5)の外周縁が環状溝(8)の内周縁と整合するように形成され、
前記冷却液(1) が、前記突条部(7) および架橋部(9) の上端縁まで満たされる状態で、ヒートシンク本体(2)内を流通し、
その絶縁基板(5)上に発熱する電子部品(6)が接合される液冷ヒートシンク。 An opening (3) is provided on the flat outer surface of the flat heat sink body (2) through which the coolant (1) flows.
An annular groove (8) is formed on the outer periphery of the opening (3), leaving an annular ridge (7) at the outer edge of the hole, and a bridging portion (9) is formed in the opening (3). ) Are crossed together,
The upper edge of the protruding portion (7) and the bridging portion (9 ) is closed with an insulating substrate (5), and their contact portions are liquid-tightly joined by brazing ,
The outer peripheral edge of the insulating substrate (5) is formed to align with the inner peripheral edge of the annular groove (8),
The coolant (1) flows through the heat sink body (2) in a state where the coolant (1) is filled up to the upper end edges of the protrusions (7) and the bridging part (9),
A liquid-cooled heat sink in which an electronic component (6) that generates heat is bonded onto the insulating substrate (5).
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