JP5667739B2

JP5667739B2 - ヒートシンクアセンブリ、半導体モジュール及び冷却装置付き半導体装置

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Publication number: JP5667739B2
Application number: JP2008124836A
Authority: JP
Inventors: 和也小谷; 亮武田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2028-05-12
Also published as: JP2009277699A

Description

本発明は、ヒートシンクアセンブリ、半導体モジュール及び冷却装置付き半導体装置に関する。

一般に、パワー半導体素子の冷却装置１００は、図１０や図１１に示すように、パワー半導体モジュール１０１に絶縁材１０２とグリースや熱伝導接着材などのサーマルインターフェースマテリアル１０３とを介してヒートシンク１０４をボルト締めすることによって加圧接触させる構成である。そして、強制空冷のためにファン１０５をヒートシンク１０４のフィンに沿う方向に送風するように設置している。

電力変換装置の運転時に、パワー半導体素子で発生する熱は、パワー半導体モジュール１０１から接触境界のサーマルインターフェースマテリアル１０３を介し、ヒートシンク１０４のベース１０４Ａ、放熱フィン１０４Ｂを通過して周囲環境（大気）へ放熱する。

ところが、従来の強制空冷式のパワー半導体素子の冷却装置の場合、パワー半導体素子の発熱密度（数１０Ｗ／ｃｍ^２）に対して、放熱部であるヒートシンク１０４の熱伝達率（数１０Ｗ／ｍ^２Ｋ）が低く、許容できる温度差（数１０℃）以内に保つためには、放熱面積を発熱面積の数１００倍に拡大する必要があった。

この拡大過程において、熱伝導抵抗（固体熱伝導による熱抵抗）、接触熱抵抗（固体と固体の接触による熱抵抗）、広がり熱抵抗（発熱部品からの熱が４５°の角度で広がりながらヒートシンク１０４まで伝わることの熱抵抗）、フィン効率（フィン１０４Ｂ全体の温度が一様でないことの補正）、ヒートシンク効率（入風温度と出風温度が一様でないことの補正）などの放熱を妨げる要因があるため、パワー半導体モジュール１０１の体積に比べて、ヒートシンク１０４の体積が非常に大きくなっていた。

従来の一例として、図１０に示した大型ＩＧＢＴモジュールと冷却装置で構成した電力変換装置について述べる。パワー半導体素子の発熱損失を２０００Ｗ、許容するジャンクション温度１２５℃（周囲温度４０℃）とすれば、強制空冷用ファン１０５を搭載した大型カシメ式ヒートシンク１０４（Ｗ３３０ｍｍ×Ｌ３００ｍｍ×Ｈ１１０ｍｍ）を適用するのは妥当な解の１つである。このとき、ヒートシンク１０４の熱抵抗は０．０２８Ｋ／Ｗ、体積は１０８９０ｃｍ^３なので、体積熱抵抗は３０５ｃｍ^３Ｋ／Ｗである（ヒートシンクの性能指数）。

このヒートシンク１０４の体積を小型化するには、効率良く放熱するための冷却手段が必要である。その１つの手段は、ヒートパイプ式や沸騰式などの冷媒の蒸発凝縮による潜熱と移動を利用して熱輸送を行う冷却器で、ヒートシンク体積を約１／２〜１／３にすることが可能である（非特許文献１）。このヒートシンクは電気車両用の冷却装置としても広く用いられている（特許文献１）。

もう１つの手段は、水冷式などのポンプで冷媒を強制循環して熱輸送を行う冷却器である。発熱部品の直近にマイクロチャネルを構成して熱伝導抵抗を減らし、放熱面積を増大して冷媒への熱伝達抵抗を減らすことで、冷却可能な熱流速を増大して高発熱密度の発熱部品の冷却を可能にしているものもある（特許文献２〜５）。また、衝突噴流を用いて、熱伝達抵抗を減らし、同様な効果を得るものもある（特許文献６，７）。

しかしながら、受熱ブロックは小型化できるが、周囲環境（大気）への放熱には別途、気液式熱交換器が必要で、周辺部品（駆動ポンプやチューブ）を含めれば、水冷式冷却装置の体積はヒートパイプ式や沸騰冷却式冷却装置と同等以上になる。

このように、従来のパワー半導体素子の冷却装置では、冷媒の循環による熱輸送機構が必要なため、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めたヒートシンク全体のコストは増大していた。また、受熱ブロックと放熱フィンが分離できるのでレイアウトの自由度は高いが、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めた冷却装置全体の体積は約１／２〜１／３程度であり、それほど小さくはならない。さらに冷媒の凍結や液漏れという問題も起こり得るため、その対策が必要とされる問題点もあった。
特開２０００−６０１０６号公報特開平６−３２６２２６号公報特開平７−６６３３８号公報特開２００２−１５１６４０号公報特開２００６−１９７３０号公報特開平５−３２７４号公報特開平１０−２２４２８号公報デンソーテクニカルレビューＶｏｌ７、Ｎｏ．１、「冷媒自然循環技術を用いた沸騰冷却器の開発」、２００２年

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、発熱性の半導体素子に対して用いることでその温度を低く保つことができ、しかも、冷却手段の体積を小型化でき、かつ安価にして信頼性を高く保つことができるヒートシンクを用いたヒートシンクアセンブリ、半導体モジュール及び冷却装置付き半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの特徴は、強制空冷用ファンと共に使用され、ベース上に多数の放熱フィンがサブミリオーダの薄肉、狭ピッチで形成され、前記ファンの風の流れに沿う方向の長さが５ｍｍ〜２０ｍｍ、前記放熱フィンの高さが５ｍｍ〜４０ｍｍとされ、前記放熱フィンの厚さが０．１〜０．６ｍｍ、前記放熱フィン同士のギャップが０．４〜０．８ｍｍとされたヒートシンクを複数台備え、前記ヒートシンクを高さ方向に３台並べ、前記ヒートシンク間を熱輸送デバイスにて熱的に接続し、前記熱輸送デバイスは、前記３台のヒートシンクの中央部の１台のヒートシンクのベースに接続し、前記中央部のヒートシンクに接続された前記熱輸送デバイスの端部は、前記３台のヒートシンクの内の他の２台のヒートシンクのそれぞれのベースに接続するように高さ方向に伸長しているヒートシンクアセンブリである。

本発明の別の特徴は、強制空冷用ファンと共に使用され、ベース上に多数の放熱フィンがサブミリオーダの薄肉、狭ピッチで形成され、前記ファンの風の流れに沿う方向の長さが５ｍｍ〜２０ｍｍ、前記放熱フィンの高さが５ｍｍ〜４０ｍｍとされ、前記放熱フィンの厚さが０．１〜０．６ｍｍ、前記放熱フィン同士のギャップが０．４〜０．８ｍｍとされたヒートシンクを備え、前記ヒートシンクに対して、前記ベースの前記放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置した半導体モジュールである。

本発明のまた別の特徴は、前記ヒートシンクアセンブリに対して、いずれかのヒートシンクのベースの放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置した半導体モジュールである。

本発明のまた別の特徴は、前記半導体モジュールを筐体に収容し、前記筐体に、前記半導体モジュールの放熱フィンに対して外気を送風するファンを取り付けた冷却装置付き半導体装置である。

本発明のヒートシンクアセンブリによれば、発熱性の半導体素子を強制冷却する冷却装置として強制空冷用ファンと共に用いることでその温度を低く保つことができ、しかも、冷却装置の体積を小型化でき、かつ安価にして信頼性を高く保つことができる。

また、本発明の半導体モジュール及び冷却装置付き半導体装置によれば、小型にて安価、かつ信頼性の高いヒートシンク又はヒートシンクアセンブリを冷却手段に利用しているので、冷却装置を備えた半導体モジュールとして、また半導体装置としても小型化が図れる。

先ず、本発明の原理について説明する。ヒートシンク外形（幅Ｗ、高さＨ、長さＬ）と冷却ファンの能力が決まれば、放熱能力が最良となるフィン形状は以下の式で求められる。この計算結果から、放熱能力が最良となるフィン形状をとる場合、ヒートシンク長さＬは、ある一定の長さ以上は必要としないことが分かる。すなわち、従来のパワー半導体素子用の強制空冷式ヒートシンクはヒートシンク長さ２００ｍｍ〜３００ｍｍのものが主流であるが、同じ放熱能力はヒートシンク長さ２０ｍｍ〜３０ｍｍで実現することができ、小型化、低コスト化の両面で優位である。

１）流れ解析
ヒートシンク長さＬ［ｍ］、フィン高さＨ_ｆｉｎ［ｍ］、ギャップｇ［ｍ］の長方形ダクトの水力等価直径Ｄ［ｍ］は、次の通りである。

レイノルズ数は、流体密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］、流体粘性μ［ｋｇ／ｍｓ］、フィン平均流速Ｕ_ａｒ［ｍ／ｓ］から、次の通りである。

Ｒｅ≒２３００から乱流遷移が始まるが、狭いフィンピッチのヒートシンクは、ほとんどが層流流れである。水力距離ｘ^＋は、代表長さｘ（ヒートシンク長さＬ）から、次のようになる。

完全発達層流流れの摩擦係数ｆは、次のようになる。

ここで、チャネルアスペクト比Ｇは、

であり、発達中の層流流れの摩擦係数ｆ_ａｐｐは、

である。十分発達するまでの助走距離Ｘは、

であり、この助走区間では圧力損失が余分に生じている。

縮小係数Ｋｃ、拡大係数Ｋｅを求める。フィン密度σは、

であり、縮小係数Ｋｃは、

であり、拡大係数Ｋｅは、

であり、ヒートシンクの圧力損失ΔＰ_ｈｓ［Ｐａ］は、

である。

ここで、Ｈ_ａｒは、フィン水力ヘッドである。

体積流量率Ｖ［ｍ^３／ｓ］は、ヒートシンク幅Ｗ［ｍ］から、

である。

ファンパワーＰ［Ｗ］は、体積流量率×圧力損失に等しくなるため、

である。

２）伝熱解析
長方形ダクトの完全発達層流流れのヌセルト数Ｎｕは、

であり、サーマルチャネル長さｘ^＊は、

である。

平均ヌセルト数Ｎｕ_ｍは、

であり、平均熱伝達係数ｈ_ｍ［Ｗ／ｍ^２Ｋ］は、空気の熱伝導率ｋ_ｆ［Ｗ／ｍＫ］から、

であり、ヒートシンクの対流熱抵抗θ_ｃｏｎ［Ｋ／Ｗ］は、ヒートシンク表面積Ａ_ｗ［ｍ^２］から、

である。

ヒートシンクの容量熱抵抗θ_ｃａｐ［Ｋ／Ｗ］は、空気の比熱ｃ_ｐ［Ｊ／ＫｇＫ］から、

であり、熱交換器で使われる概念の移動単位数ＮＴＵは、

である。

理想の熱移動に対する現実の比であるヒートシンク効率εは、

である。

フィン効率ηによる修正が加えられる。

ここで、ｂはフィンの熱伝導率ｋ_ｓ［Ｗ／ｍＫ］から、

であり、ヒートシンクの熱抵抗θ_ｈｓ［Ｋ／Ｗ］は、

である。

１つの例として、ファンパワーＰＱ＝０．０５［Ｗ］、ヒートシンク幅Ｗ＝４０［ｍｍ］、ヒートシンク高さＨ＝１０（ベース厚１）［ｍｍ］とした場合、ヒートシンク長さＬ［ｍｍ］、フィン厚さＴｆ［ｍｍ］、フィンギャップＧｆ［ｍｍ］を放熱能力が最良となるよう最適化した計算結果は、以下の実施の形態の説明にて述べる通りである。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

［第１の実施の形態］
図１〜図３に本発明の第１の実施の形態のパワー半導体用の高密度フィンヒートシンク１の構成を示している。図１に示すように、ヒートシンク１の形状を、その外形に相当する幅Ｗ、高さＨ、長さＬ、冷却面ベース１Ａの厚さＴｂ、放熱フィン１Ｂの厚さＴｆ、ギャップＧｆ、高さＨｆで規定する。ヒートシンク１の幅Ｗは、放熱フィン１Ｂの並び方向の長さであり、ヒートシンク１の長さＬは、ファンの風の流れに沿う方向の放熱フィン１Ｂの長さである。

図２、図３に示すように、放熱フィン１Ｂをサブミリスケールの薄肉、狭ピッチで構成し、ヒートシンク１の長さＬ、高さＨを小さくすることで、３つの効果を得られる。

１つめは、サブミリスケールの薄肉、狭ピッチで放熱フィン１Ｂを構成することで、ヒートシンク１の圧力損失は増加するものの、放熱フィン面積を増加でき、ヒートシンク長さＬの増加と同等の効果を得て、従来のものより大幅にヒートシンク１の長さＬを短くでき、小型化することができる。

２つめは、ヒートシンク１の長さＬが短くなることで、境界助走区間（未発達領域）の利用率が高くなり、従来のものより優れた放熱能力を得ることができる。

３つめは、ヒートシンク１が小さくなることで、熱伝導抵抗、広がり抵抗、フィン効率、ヒートシンク効率などの放熱を阻害する要因をほとんどなくすことができる。

図１０、図１１に示したファン１０５を用いて強制空冷のパワー半導体モジュールの冷却装置を構成した場合、単位面積当りのファンパワーＰＱ＝１２５（Ｗ／ｍ^２）として、幅４０ｍｍ、高さ１０ｍｍのヒートシンク１において、ヒートシンク長さＬを関数として、熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の計算した結果を図７に示す。

この計算結果から、サブミリスケールの最適なフィン形状を常に採用した場合、図７（ａ）のグラフに示したように、ヒートシンク長さＬは６０ｍｍ以上になるとそれ以上に増大させても熱抵抗の減少にはほとんど寄与しないことが分かり、図７（ｂ）に示したヒートシンク長さＬが長いほどに体積当たりの冷却性能を示す体積熱抵抗は増大、すなわち悪化の一途をたどることが分かる。以上から、一般的なファンやブロワで、流体として空気を用いる強制空冷方式の冷却装置の場合、ヒートシンク１の長さＬが６０ｍｍ以上で冷却性能の向上はほとんど期待できないことが分かる。

同様にして、幅４０ｍｍ、長さ１０ｍｍのヒートシンク１において、ヒートシンク高さＨを関数として、熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の計算した結果を図８に示す。この結果から、ヒートシンク高さＨが４０ｍｍ以上になるとそれ以上に増大させても熱抵抗の減少にはほとんど寄与せず、体積熱抵抗は増大、すなわち悪化の一途を辿ることが分かる。一般的な条件では、ヒートシンク高さ４０ｍｍ以上では冷却性能の向上はほとんど期待できないことが分かる。

また、参考までにヒートシンク幅Ｗに関する計算結果を図９に示す。一般的なヒートシンク１の幅Ｗと熱抵抗とが反比例の関係にあることを示している。

本実施の形態のヒートシンク１の場合、図１０、図１１に示した従来例のパワー半導体モジュール冷却装置と同じ性能の実現には、高密度フィンヒートシンク（Ｗ３３０×Ｌ１５×Ｈ１５×３Ｐ）で可能である。このときヒートシンク１の熱抵抗は０．０２８Ｋ／Ｗ、体積は２２３ｃｍ^３なので、体積熱抵抗は６．２ｃｍ^３Ｋ／Ｗである。従来に比べて約１／５０の小型化が可能である。

このように、本実施の形態のヒートシンク１の場合、サブミリスケールの薄肉、狭ピッチで放熱フィン１Ｂを構成し、ヒートシンク１の長さＬ、高さＨを小さくすることで、ヒートシンク１の体積を大幅に減少することが可能である上に、循環する冷媒による熱輸送機構がないため安価で信頼性が高い半導体冷却装置が構成できる利点がある。

従来は、安価にサブミリスケールの薄肉、狭ピッチで放熱フィンを構成することができなかったが、近年の製造技術の進歩によって、精密加工プレスなどの技術を応用することにより本実施の形態の高密度フィンヒートシンク１の製作が可能である。現在、従来のカシメ式ヒートシンクの材料コストと、本実施の形態の高密度フィンヒートシンクの量産製造コストはほぼ等しく、結果的に、同等のコストで、同等の熱抵抗のヒートシンクを数１０分の１のサイズで提供することができる。今後、材料コストが増大した場合には、コストの面でも優位になる。

尚、本実施の形態の高密度フィンヒートシンク１は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴのようなパワー半導体素子の冷却装置への利用を想定しているが、ＣＰＵや抵抗などの発熱性の半導体素子のいずれでも適用が可能である。

薄肉、狭ピッチの放熱フィンを構成する高密度フィンヒートシンク１は、薄肉、狭ピッチのため、放熱フィンの強度、汚れに対して不安がある。そのような環境においては、汚損防止のためエアフィルタを設けることが望ましい。そのためには、ファン１０５が吸込ファンであれば、その吸込口にエアフィルタを設けることができる。またファン１０５が排気ファンであれば、冷却装置を収容する筐体のファン設置側とは反対側の吸込口にエアフィルタを設けることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態のヒートシンクアセンブリ５について、図４を参照して説明する。本実施の形態のヒートシンクアセンブリ５は、第１の実施の形態の高密度フィンヒートシンク１を複数台、ヒートパイプ、ヒートレーンなどの熱輸送デバイス２で高さ方向に接続し、かつ、受熱面に受熱ブロック３を設置した構造である。

高密度フィンヒートシンク１の場合、ヒートシンク高さＨをある程度以上に増加しても冷却能力は向上しないが、本実施の形態のように熱輸送デバイス２を利用することで、高さの増加によるヒートシンク１単体の熱抵抗を低減でき、冷却能力を向上できる。

本実施の形態のヒートシンクアセンブリ５についても、第１の実施の形態のヒートシンク１と同様に強制空冷式の半導体素子の冷却装置、強制空冷式の半導体モジュールの冷却装置として使用する。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態の冷却装置付き半導体装置８について、図５を参照して説明する。本実施の形態の冷却装置付き半導体装置８は、第１の実施の形態の高密度フィンヒートシンク１のベース１Ａの受熱面に受熱ブロック３を配置し、パワー半導体素子６をこの受熱ブロック３上に固定することでパワー半導体モジュール９を構成し、このパワー半導体モジュール９の全体を筐体７に内蔵させ、筐体７に図１０、図１１に示したものと同様に空冷用ファン１０５を取り付けた構造である。

本実施の形態の冷却装置付き半導体装置８でも、パワー半導体素子６とヒートシンク１は電気的に接続され、ヒートシンク１が電極端子の一部として利用される。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態の冷却装置付き半導体装置１０について、図６を参照して説明する。本実施の形態の冷却装置付き半導体装置１０は、第１の実施の形態の高密度フィンヒートシンク１を複数台、筐体７内に内蔵し、それぞれの高密度フィンヒートシンク１の受熱ブロック３の受熱面にパワー半導体素子６を固定してパワー半導体モジュール９を構成し、このパワー半導体モジュール９を多段にして筐体７内に内蔵させ、筐体７に図１０、図１１に示したものと同様に空冷用ファン１０５を取り付けた構造である。

本実施の形態の冷却装置付き半導体装置１０でも、各パワー半導体素子６とヒートシンク１は電気的に接続され、ヒートシンク１が電極端子の一部として利用される。

尚、第３、第４の実施の形態においては、パワー半導体素子６の両面に高密度フィンヒートシンク１を配置し、はんだ接合や加圧接触などによって各ヒートシンク１がパワー半導体素子６の熱を受熱する構造にすることも可能である。

本発明の第１の実施の形態のヒートシンクの斜視図。本発明の第１の実施形態のヒートシンクの正面図及び側面図。図２におけるＣ部の拡大図。本発明の第２の実施の形態のヒートシンクアセンブリの正面図。本発明の第３の実施の形態の冷却装置付き半導体装置の一部破断せる斜視図。本発明の第４の実施の形態の冷却装置付き半導体装置の一部破断せる斜視図。本発明の第１の実施の形態のヒートシンクの長さに関する熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の特性を示すグラフ。本発明の第１の実施の形態のヒートシンクの高さに関する熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の特性を示すグラフ。本発明の第１の実施の形態のヒートシンクの幅に関する熱抵抗、体積熱抵抗、最適フィン形状の特性を示すグラフ。従来のパワー半導体素子の冷却装置の斜視図。従来のパワー半導体素子の冷却装置の断面図。

符号の説明

１高密度フィンヒートシンク
１Ａベース
１Ｂ放熱フィン
３受熱ブロック
４熱輸送デバイス
５ヒートシンクアセンブリ
６パワー半導体素子
７筐体
８冷却装置付き半導体装置
９パワー半導体モジュール
１０冷却装置付き半導体装置
１０５ファン

Claims

強制空冷用ファンと共に使用され、ベース上に多数の放熱フィンがサブミリオーダの薄肉、狭ピッチで形成され、前記ファンの風の流れに沿う方向の長さが５ｍｍ〜２０ｍｍ、前記放熱フィンの高さが５ｍｍ〜４０ｍｍとされ、前記放熱フィンの厚さが０．１〜０．６ｍｍ、前記放熱フィン同士のギャップが０．４〜０．８ｍｍとされたヒートシンクを複数台備え、
前記ヒートシンクを高さ方向に３台並べ、
前記ヒートシンク間を熱輸送デバイスにて熱的に接続し、
前記熱輸送デバイスは、前記３台のヒートシンクの中央部の１台のヒートシンクのベースに接続し、前記中央部のヒートシンクに接続された前記熱輸送デバイスの端部は、前記３台のヒートシンクの内の他の２台のヒートシンクのそれぞれのベースに接続するように高さ方向に伸長していることを特徴とするヒートシンクアセンブリ。
強制空冷用ファンと共に使用され、ベース上に多数の放熱フィンがサブミリオーダの薄肉、狭ピッチで形成され、前記ファンの風の流れに沿う方向の長さが５ｍｍ〜２０ｍｍ、前記放熱フィンの高さが５ｍｍ〜４０ｍｍとされ、前記放熱フィンの厚さが０．１〜０．６ｍｍ、前記放熱フィン同士のギャップが０．４〜０．８ｍｍとされたヒートシンクを備え、
前記ヒートシンクに対して、前記ベースの前記放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置したことを特徴とする半導体モジュール。
請求項１に記載のヒートシンクアセンブリに対して、前記３台のヒートシンクの内の前記熱輸送デバイスの中央部が熱的に接続されているヒートシンクのベースの放熱フィンとは反対側の受熱面に受熱ブロックを熱伝導可能な状態で配置し、
前記受熱ブロックに発熱性の半導体素子を設置したことを特徴とする半導体モジュール。
前記半導体素子は、パワー半導体素子であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体モジュール。
前記ヒートシンクを電極端子としたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体モジュール。
請求項２〜５のいずれか１項に記載の半導体モジュールを筐体に収容し、
前記筐体に、前記半導体モジュールの放熱フィンに対して外気を送風するファンを取り付けたことを特徴とする冷却装置付き半導体装置。
前記筐体に形成された外気の吸込口にエアフィルタを設けたことを特徴とする請求項６に記載の冷却装置付き半導体装置。
前記半導体素子が、電力変換回路を構成していることを特徴とする請求項６又は７に記載の冷却装置付き半導体装置。