JP5212125B2 - パワーデバイス用ヒートシンク - Google Patents
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Description
また、パワーデバイスを金属板に直接ハンダ等で接着する場合、パワーデバイスの発熱と、金属板の冷却によりはんだ等の接着部に応力が発生し、接着部にクラックが生じ温度上昇する問題も発生する。
金属板からなり、上記冷媒に接触する冷媒接触面を有する板状部材を備え、
該板状部材には複数のデバイス配置部を形成してあり、該デバイス配置部における上記冷媒接触面の反対側の面に上記パワーデバイスが配置され、
上記板状部材は、隣接する上記デバイス配置部の間に、該デバイス配置部を各々区画するリブ部を有し、
該リブ部は、上記冷媒側から上記パワーデバイス配置側へ向かって突出すると共に内部に上記冷媒が入る空間を有する凸状に形成されており、
隣り合う2つの上記パワーデバイスの間に上記凸状のリブ部が位置し、
上記冷媒の流路のうち、上記デバイス配置部に対面する部分には、上記冷媒の流れ方向に沿ったインナフィンが設けられ、上記リブ部に対面する部分には、上記インナフィンが配置されていないことを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンクにある(請求項1)。
本発明では、金属板からなる板状部材に上記リブ部が形成されているため、板状部材の曲げ強度が高くなり、ヒートシンク全体の強度を高めることができる。また、パワーデバイスを板状部材に押し付けると、パワーデバイスの表面の凹凸形状に合った形に板状部材が変形する。これにより板状部材の両端部に応力が集中するが、リブ部がパワーデバイス表面と平行な面方向に動き変形するため、板状部材の応力を緩和できる。
また、パワーデバイスの発熱によりデバイス配置部に熱応力が加わった場合でも、リブ部が変形して該熱応力を緩和することができる。そのため、デバイス配置部の変形量が少なくてすみ、パワーデバイスの表面の凹凸形状に合った形状になる。これにより、密着性が高まり、冷却性能が高くなる。
なお、リブ部は、板状部材を折り曲げたり、厚みの変化をつけたりする事で形成できる。
本発明(請求項1)において、上記リブ部は、上記冷媒側から上記パワーデバイス配置側へ向かって突出する凸状となるように形成されている。
したがって、リブ部を、パワーデバイスの位置決め部材として利用することも可能になる。すなわち、パワーデバイスを板状部材にはんだ付けする場合があるが、この場合、熱処理工程(リフロー)時に、はんだが流れ、パワーデバイスが移動してしまうことがある。しかし、上述のようにリブ部を凸状に形成すると、はんだの流れがリブ部によって防止される。
また、上記構成によると、冷媒の流路のうち、デバイス配置部に対面する部分がリブ部よりも狭くなるため、冷媒の流速を早くすることができる。そのため、パワーデバイスの冷却性能が向上する。
したがって、インナフィンによって冷媒が分流するため、パワーデバイスを効率よく冷却することができる。
また、冷媒流路のうち、リブ部に対面する部分にはインナフィンが配置されていないため、冷媒の圧損を低減できる。インナフィンによって分流した冷媒は、パワーデバイスにより暖められた部分と、そうでない部分とで温度差があるが、上記構成によるとこの冷媒が上記リブ部にて混合するため、冷媒の温度を均一にすることができる。そのため、このリブ部の下流に存在するパワーデバイスを効果的に冷却することができる。
パワーデバイスを押圧すると、デバイス配置部はパワーデバイスの表面の凹凸に合う形になる。そのため、パワーデバイスとデバイス配置部との密着性が高まり、冷却性能を向上できる。この時、リブ部が変形する事でデバイス配置部両端に加わる応力が低下する。
このようにすると、パワーデバイスの発熱によってデバイス配置部が熱膨張したときに、リブ部が変形することで、デバイス配置部に加わる熱応力を少なくできる。この時、デバイス配置部の変形量を少なく出来、パワーデバイスの表面の凹凸に合う形のままになる。そのため、パワーデバイスとデバイス配置部との密着性が高まり、冷却性能を向上できる。
このようにすると、導入口と導出口とを周辺リブ部の側壁に設けるため、導入口と導出口の口径が大きい場合であっても取り付けることができる。また、デバイス配置部は周辺リブ部よりも低くなっているため、このデバイス配置部にパワーデバイスを配置することにより、全体の高さを低くすることができる。
なお、周辺リブ部は、板状部材の折り曲げや、ダイカスト等により形成することができる。
このようにすると、リブ部が変形しやすくなるため、上述した応力等を緩和しやすくなる。そのため、パワーデバイスとデバイス配置部との密着性が向上し、冷却性能が高まる。
このようにすると、固定部材を螺子止めする部分の強度を上げることができる。
本発明の実施例にかかるパワーデバイス用ヒートシンクにつき、図1〜図8を用いて説明する。
本例は図1〜図3に示すごとく、冷媒3が流れる流路30が内部に形成され、冷媒3によってパワーデバイス2から発生する熱を冷却するパワーデバイス用ヒートシンク1である。冷媒3に接触する冷媒接触面40と、その反対側の面にパワーデバイス2が配置される複数のデバイス配置部5とを有する金属板からなる板状部材4を備える。板状部材4は、隣接するデバイス配置部5の間に、デバイス配置部5を各々区画する、断面凸状または凹状のリブ部6を有する。
また、本例では図2に示すごとく、板状部材4に対向配置された底面部材13と、板状部材4と底面部材13とを繋ぐ側壁61とを備える。また、リブ部6には仕切板8が設けられている。これらの部材によって、冷媒3が流れる流路30が形成されている。
より詳しくは、このインナフィン7は、図2に示すごとく、波板状に形成されている。このインナフィン7により、冷媒3との接触面積が増加するため、パワーデバイス2の熱を効率よく冷媒3に伝えることが可能となる。また、図2に示すごとく、インナフィン7により、冷媒3は、パワーデバイス2により暖められる部分3aと、暖められない部分3bとに分流する。
インナフィン7を通って分流した冷媒3は、冷媒混合部33にて混合する。これにより、冷媒3の温度が均一になる。
図4の点線は、板状部材4が押圧される前の状態であり、実線は、押圧された後の状態である。パワーデバイス2の表面およびデバイス配置部5の表面には、僅かに凹凸があるため、密着性を良くするために、パワーデバイス2を押圧している。
なお、パワーデバイス2の封止部材20には樹脂が使用され、この封止部材20の内部にパワーMOS等の半導体チップ(図示しない)が封止されている。
図示するごとく、雄螺子11が入れられる部分は、ヒートシンクが厚く形成されている。
また、図6に示すように、板バネ(固定部材)12を雄螺子11によって固定する方法を採用することもできる。
また、本例では、図3と比較して仕切板8が横向きになっている。すなわち、導入口31から入った冷媒3は、図7の下側部分30aと上側部分30bとに分流し、その後、合流して導出口32から導出される。
このようにすると、パワーデバイス2で受熱して水温が上昇するため、図3に対して図7は、冷却水の下流側の水温を低くすることが可能である。
なお、図8(A)は本例に属さない比較例で、リブ部6を形成していないパワーデバイス用ヒートシンク1’の断面図である。
本例では、図1(B)、図2に示すごとく、金属板からなる板状部材4にリブ部6が形成されているため、板状部材4の曲げ強度が高くなり、ヒートシンク1全体の強度を高めることができる。また、図9に示すごとく、パワーデバイス2を板状部材4に押し付けると、パワーデバイス2の表面の凹凸形状に合った形に板状部材4が変形する。これにより板状部材4の両端部に応力が集中するが、リブ部6がパワーデバイス2の表面と平行な面方向に動き変形するため、板状部材4の応力を緩和できる。
また、パワーデバイス2の発熱によりデバイス配置部5に熱応力が加わった場合でも、リブ部6が変形して熱応力を緩和することができる。そのため、デバイス配置部5の変形量が少なくてすみ、パワーデバイス2の表面の凹凸形状に合った形状になる。これにより、密着性が高まり、冷却性能が高くなる。
このようにすると、リブ部6を、パワーデバイス2の位置決め部材として利用することも可能になる。すなわち、パワーデバイス2を板状部材4にはんだ付けする場合があるが、この場合、熱処理工程(リフロー)時に、はんだが流れ、パワーデバイス2が移動してしまうことがある。しかし、上述のようにリブ部6を凸状に形成すると、はんだの流れがリブ部6によって防止される。
また、上記構成によると、冷媒3の流路30のうち、デバイス配置部5に対面する部分がリブ部6よりも狭くなるため、冷媒3の流速を早くすることができる。そのため、パワーデバイス2の冷却性能が向上する。
このようにすると、冷媒流路30のうち、リブ部6に対面する部分にはインナフィン7が配置されていないため、冷媒3の圧損を低減できる。また、インナフィン7によって分流した冷媒3は、パワーデバイス2により暖められた部分と、そうでない部分とで温度差があるが、構成によるとこの冷媒3がリブ部6にて混合するため、冷媒3の温度を均一にすることができる。そのため、このリブ部6の下流に存在するパワーデバイス2を効果的に冷却することができる。
パワーデバイス2を押圧すると、リブ部6が変形するため、デバイス配置部5に加わる応力を緩和できる。これにより、デバイス配置部5の変形量が少なくてすみ、パワーデバイス2の表面の凹凸に合う形になる。そのため、パワーデバイス2とデバイス配置部5との密着性が高まり、冷却性能を向上できる。
このようにすると、固定部材10、12を螺子止めする部分の強度を上げることができる。
このようにすると、導入口31と導出口32の口径が大きい場合であっても取り付けることができる。また、デバイス配置部5は周辺リブ部6よりも低くなっているため、このデバイス配置部5にパワーデバイス2を配置することにより、全体の高さhを図8(A)と比較して低くすることができる。
本例は、リブ部6,6aの形状を変更した例である。図10に示すごとく、本例のパワーデバイス用ヒートシンク1では、リブ部6,6aの側壁60の厚さを、デバイス配置部5の厚さよりも薄くしている。
また、図10は、リブ部6,6aの側壁60を薄くするとともに、波状に形成した例である。
その他、実施例1と同様の構成を備える。
また、図11の例では、波状にされているため、リブ部6,6aがさらに変形しやすくなる。
その他、実施例1と同様の作用効果を備える。
本例は、パワーデバイス2の取付方法を変えた例である。本例では、図12に示すごとく、パワーデバイス2は封止部材で封止されていない。このパワーデバイス2は、デバイス配置部5上に絶縁部材14を介して取付けられている。そして、パワーデバイス2から発生する熱によりデバイス配置部5に加わる熱応力を、リブ部6が変形することによって緩和するよう構成されている。
絶縁部材14は、例えばセラミック板が用いられる。絶縁体14を設ける理由は、パワーデバイス2に高電圧を加えるため、金属製のパワーデバイス用ヒートシンク1への漏電を防止するためである。
より詳しくは、図12に示すごとく、絶縁部材14はデバイス配置部5上にはんだ15によって固定されている。また、パワーデバイス2ははんだ16によって、絶縁部材14上に固定されている。
なお、はんだ15、16の他に、銀ペーストやアルミのロウ付け等を用いることができる。
その他、実施例1と同様の構成を備える。
その他、実施例1と同様の作用効果を備える。
本例は、リブ部6の形状を変えた例である。図13に示すごとく、本例では、リブ部6が凹状に形成されている。
このようにすると、板状部材4の曲げ強度が上がるので、パワーデバイス用ヒートシンク1の強度を向上させることができる。
また、リブ部6の高さがパワーデバイスより高い場合、リブ部6を凸状にすると、パワーデバイス用ヒートシンク1全体の高さが高くなってしまうが、凹状にすると、高さを低くできるというメリットがある。
その他、実施例1と同様の構成および作用効果を備える。
本例は、板状部材4の形状を変更した例である。図14に一部切り欠き斜視図を示し、図15に断面図を示す。図示するごとく、本例のパワーデバイス用ヒートシンク1は、2枚の板状部材4a,4bを張り合わせて形成されている。板状部材4a,4bには、リブ部6が形成されている。この板状部材4a,4bの側部は折り曲げられており、中板17を挟んでロウ付けされている。
図15に示すごとく、板状部材4a,4bの間は冷媒3の流路30となっている。そしてデバイス配置部5の内側には、インナフィン7が配置されている。また、リブ部6の内側は、インナフィン7によって温められ、分流した冷媒3が混流する冷媒混合部33となっている。
図14〜図16の構造の場合、ヒートシンクの上下面にパワーデバイスや発熱部品をリブ6とリブ6の間に配置できる。
本例では、同じ部品(板状部材4、中板171、172等)をいくつも組み合わせてパワーデバイス用ヒートシンク1を製造することが可能である。そのため、パワーデバイス2の使用個数を増やすことができ、また、レイアウトの自由度が上がる。さらに、同じ部品を流用することで、低コスト化が可能である。
その他、実施例1と同様の構成および作用効果を有する。
2 パワーデバイス
3 冷媒
30 流路
31 導入口
32 導出口
4 板状部材
40 冷媒接触面
5 デバイス配置部
6 リブ部
7 インナフィン
Claims (6)
- 冷媒が流れる流路が内部に形成され、該冷媒によってパワーデバイスから発生する熱を冷却するパワーデバイス用ヒートシンクであって、
金属板からなり、上記冷媒に接触する冷媒接触面を有する板状部材を備え、
該板状部材には複数のデバイス配置部を形成してあり、該デバイス配置部における上記冷媒接触面の反対側の面に上記パワーデバイスが配置され、
上記板状部材は、隣接する上記デバイス配置部の間に、該デバイス配置部を各々区画するリブ部を有し、
該リブ部は、上記冷媒側から上記パワーデバイス配置側へ向かって突出すると共に内部に上記冷媒が入る空間を有する凸状に形成されており、
隣り合う2つの上記パワーデバイスの間に上記凸状のリブ部が位置し、
上記冷媒の流路のうち、上記デバイス配置部に対面する部分には、上記冷媒の流れ方向に沿ったインナフィンが設けられ、上記リブ部に対面する部分には、上記インナフィンが配置されていないことを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンク。 - 請求項1において、上記パワーデバイスは、封止部材に封止された状態で上記デバイス配置部に配置され、上記板状部材の板厚方向における上記冷媒流路側に押圧され、その押圧力によって上記リブ部が、上記パワーデバイスの配置面に対して平行な面方向に動いて変形することにより、上記デバイス配置部に加わる応力を緩和するよう構成されていることを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンク。
- 請求項1または請求項2において、上記パワーデバイスは、上記デバイス配置部上に絶縁部材を介して取付けられており、上記パワーデバイスから発生する熱により上記デバイス配置部に加わる熱応力を、上記パワーデバイスの配置面に対して平行な面方向に上記リブ部が動いて変形することによって緩和するよう構成されていることを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンク。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項において、上記板状部材の周辺に、凸状の周辺リブ部が形成されており、該周辺リブ部の側壁に、上記冷媒流路に上記冷媒を導入する導入口と、該冷媒流路から上記冷媒が導出される導出口とが取付けられていることを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンク。
- 請求項1〜請求項4のいずれか1項において、上記リブ部の側壁は、上記デバイス配置部よりも薄肉に形成されていることを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンク。
- 請求項1〜請求項5のいずれか1項において、上記パワーデバイスを上記板状部材に圧接するための固定部材を備え、該固定部材と上記板状部材との間で上記パワーデバイスを挟持して固定しており、上記固定部材は螺子によって上記板状部材に取り付けられ、上記板状部材には、上記螺子が螺合する雌螺子部が形成されており、その雌螺子部を形成した部分の厚みは、上記リブ部の側壁よりも厚いことを特徴とするパワーデバイス用ヒートシンク。
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