JP6227868B2 - 冷却装置、その冷却装置を備える電子装置および冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの冷却装置に関し、特に、基板上の半導体デバイスにサーマルグリースを介して取り付けられる冷却装置と、その冷却装置を備える電子装置、及び冷却方法に関する。

この種の冷却装置において、サーマルグリースが塗られる面に溝を設け、その溝にサーマルグリースを保持する技術が知られている。

その技術の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された冷却機構は、半導体デバイスとその半導体デバイスをサーマルグリースを介して冷却するための冷却装置を備える。半導体デバイスは、冷却装置に螺子によって固定される。冷却装置は、螺子止め用の螺子穴を有し、さらに、その螺子穴へのサーマルグリースの流入を防止するため、螺子穴の周囲に溝部が形成される。すなわち、冷却装置は、サーマルグリースの一部を溝部へ導く。

特開２００５−００５５１９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術は、サーマルグリースの塗布量が溝部から溢れ、螺子穴に届かない量に制限される。さらに、特許文献１に記載された技術は、冷却効果が低下するという問題点がある。すなわち、特許文献１の場合、冷却装置の螺子穴にサーマルグリースが届かないよう、冷却装置の溝によってサーマルグリースの広がりが遮られる構造であるので、結果的に、半導体デバイスと冷却装置との間のサーマルグリースの及ぶ範囲が制限され、冷却効果は低下する。

本発明の目的の一例は、上述した問題点を解決できる冷却装置、その冷却装置を備える電子装置及び冷却方法を提供することにある。

本発明の一形態における冷却装置は、半導体デバイスと、サーマルグリースを介して取り付けられる冷却装置において、前記半導体デバイス上面と密着する面内かつ前記半導体デバイスが前記サーマルグリースを介して接触する領域において、螺子穴が形成されず、前記半導体デバイスの角部が接触する部分もしくはその部分の近傍を通過する溝部を備える。

本発明の一形態における電子装置は、基板上の半導体デバイスと、サーマルグリースを介して上記の冷却装置が取り付けられている。

本発明の一形態における冷却方法は、半導体デバイス上面と密着する面内かつ半導体デバイスがサーマルグリースを介して接触する領域内において、前記半導体デバイスの角部が接触する部分もしくはその部分の近傍を通過する溝部を設けた冷却装置を、基板上の半導体デバイスとサーマルグリースを介して取り付ける。

本発明によれば、冷却装置の冷却効果の低下を防止できるという効果が得られる。

図１は、基板４００上の半導体デバイス３００とサーマルグリース２００を介して冷却装置１００が取り付けられた電子装置の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＡ−Ａ断面図）、（ｂ）はその上面図である。 図２は、図１に示す電子装置の、稼動した半導体デバイスの発熱時の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＢ−Ｂ断面図）、（ｂ）はその上面図である。 図３は、図２に示す電子装置の、半導体デバイスが常温状態に戻った場合の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＣ−Ｃ断面図）、（ｂ）はその上面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態の電子装置の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＤ−Ｄ断面図）、（ｂ）はその上面図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態の電子装置の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＥ−Ｅ断面図）、（ｂ）はその上面図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

ここで、本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の課題について詳しく説明する。前述の特許文献１における冷却効果が低下するという問題点を理解するために、基板上の半導体デバイスを冷却装置に取り付ける一般的な電子装置の構成について説明する。

図１は、基板上の半導体デバイスとサーマルグリースを介して冷却装置が取り付けられる一般的な電子装置の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＡ−Ａ断面図）、（ｂ）はその上面図である。図において、電子装置は、基板４００に半田付けされた半導体デバイス３００の上面に、放熱用の冷却装置１００を装着し、ばねなどの機構により固定する。なお、冷却装置１００を固定する機構は、図１および後の説明では省略する。冷却装置１００は、例えばヒートシンクやファンである。半導体デバイス３００は、サーマルグリース２００を介して冷却装置１００に接触させる。一般に、半導体デバイス３００の上面や冷却装置１００の底面に、低コストで凹凸の無い完全に平滑な加工を施すことは、極めて高い工作精度が要求されるため困難である。微細な凹凸の存在は、断熱材であり冷却効率を低下させる原因となる空気層を混入させる。このため、表面の微細な凹凸から空気を排除するために、熱伝導率が高いサーマルグリース２００を半導体デバイスの上面に塗布し、その上に放熱用の冷却装置を装着することが一般的である。図１（ｂ）では、冷却装置１００と基板４００の間にあるサーマルグリース２００と半導体デバイス３００は、上面からは見えないので点線で示す（点線は、他の図面も同様とする）。

この場合、稼動した半導体デバイス３００の発熱に伴い、半導体デバイス３００や基板４００が膨張する。これは、はんだ付け時の温度に近づき、半導体デバイス３００と基板４００がもともとの平らな状態に近づく。一方温度が下がると、半導体デバイス３００と基板４００の熱膨張率の差（基板４００の方が、熱膨張率が大きく、半導体デバイス３００よりも縮む）により半導体デバイス３００が山のように中心が膨らむ現象が発生するからである。図２は、図１に示す電子装置の、稼動した半導体デバイスの発熱時の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＢ−Ｂ断面図）、（ｂ）はその上面図である。半導体デバイス３００および基板４００の熱膨張率の違いに基づいて、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、発熱体である半導体デバイス３００の中心から遠い場所すなわち半導体デバイスの角部３０１ａ〜３０１ｄほど、半導体デバイス３００と冷却装置１００の間の空隙が狭まる。その結果、角部３０１ａ〜３０１ｄにおいては、サーマルグリース２００をより半導体デバイス３００の中心から遠い方向へ押し出そうとする。

ここで半導体デバイス３００が常温状態に戻った場合、半導体デバイス３００や冷却装置１００が収縮し、半導体デバイス３００と冷却装置１００の間の狭まった空隙が元の幅に広がる。図３は、図２に示す電子装置の、半導体デバイスが常温状態に戻った場合の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＣ−Ｃ断面図）、（ｂ）はその上面図である。しかし、一旦押し出されたサーマルグリース２００は、その粘性のため完全に元の空隙に戻ることができない。この結果、図３（ｂ）に示すように、広がった空隙に空気溜まり２０１ａ〜２０１ｄが発生し、サーマルグリース２００が充填されない空間が発生する。この空間は、熱伝導率がサーマルグリース２００で満たされた空間よりも低いため、冷却装置１００の冷却効果が低下する。また、特許文献１に記載された技術は、半導体デバイス角部の螺子穴周辺にサーマルグリースが介在しないため、冷却効果が低下する。特に、特許文献１に記載された技術は、半導体デバイスの角部における冷却装置の冷却効果が低下するという問題点がある。

本発明の各実施の形態は、このような問題点を解決する。

［第１の実施の形態］
図４は、本発明の第１の実施の形態における電子装置の一例を示し、（ａ）はその断面図（（ｂ）のＤ−Ｄ断面図）、（ｂ）はその上面図である。図４を参照すると、電子装置は、基板４００に半田付けされた半導体デバイス３００の上面に、放熱用の冷却装置１００を装着し、図示しないばねなどの固定機構により固定する。冷却装置１１０は、例えば、放熱効果を高めたラジエータ部が形成された熱伝導率が高いヒートシンク、またはファンを有する固体である。半導体デバイス３００は、サーマルグリース２００を介して冷却装置１００に接触させる。

冷却装置１１０の、半導体デバイス３００の上面と密着する面内において、半導体デバイス３００の角部３０１ａと３０１ｃ、角部３０１ｂと３０１ｄを結んだ対角線上の部位に、溝部１１１ａ〜１１１ｄを各角部に対して一本ずつ設ける。溝部１１１ａ〜１１１ｄは、それぞれの角部３０１ａ〜３０１ｄから対角線の交点に向かって距離２．０ｍｍの位置に、対角線に直交するように幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、長さ８．０ｍｍで形成される。なお、この溝部の幅および深さは０．５ｍｍ、長さ８．０ｍｍとしているが、これに限定するものではない。溝の本数も一本に限らず複数でも構わない。また、図４に示す溝部１１１ａ〜１１１ｄの形状は、直線としているが、直線に限らない。たとえば、各溝は、半導体デバイス３００の対角３０１ａと３０１ｃ、３０１ｂと３０１ｄを結んだ対角線に直交するように交差すれば、折れ線形状、曲線形状のいずれの形状でも構わない。また、溝部を設ける位置は、図４ではそれぞれの角部３０１ａ〜３０１ｄから対角線の交点に向かって距離２．０ｍｍの位置としているが、各々の材質や環境条件により空気溜まりが発生する位置が異なるので、この位置に限定せず、適宜変更してよい。

次に、本発明の第１の実施の形態の効果について説明する。

上述した本実施形態における冷却装置１１０は、冷却効果が低下する可能性を低減できる。

その理由は、以下のような構成を含むからである。即ち、第１に基板４００上の半導体デバイス３００とサーマルグリース２００を介して冷却装置１１０が取り付けられた際、サーマルグリース２００は溝部１１１ａ〜１１１ｄの内部に浸入する。第２に、半導体デバイス３００の発熱に伴う半導体デバイス３００や冷却装置１１０の膨張収縮現象が発生した場合、冷却装置１１０に設けられた溝部１１１ａ〜１１１ｄが冷却装置１１０とサーマルグリース２００との接触面積の増加に寄与する。これにより、冷却装置１１０のサーマルグリース２００を保持する力が増大し、冷却装置１１０は空気溜まりが発生する確率を大幅に減らすことができるので、冷却装置１１０の冷却効果の低下を低減できるという効果が得られる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。以下、本実施形態の説明が不明確にならない範囲で、前述の説明と重複する内容については説明を省略する。

図５は、本発明の第２の実施の形態の電子装置の一例を示し、（ａ）はその断面図、（（ｂ）のＥ−Ｅ断面図）、（ｂ）はその上面図である。

図５を参照すると、本実施形態における冷却装置１２０は、第１の実施形態のそれと比べて、溝部１１１ａ〜１１１ｄの代わりに溝部１２１ａ〜１２１ｄを備える。

溝部１２１ａ〜１２１ｄは、溝部１１１ａ〜１１１ｄの長さをサーマルグリース２００が塗布される領域の外まで十分延長し設けた溝部である。溝部１２１ａ〜１２１ｄの幅、深さ、本数、位置は第１の実施の形態の溝部１１１ａ〜１１１ｄと同様である。溝部１１１ａ〜１１１ｄを延長して設けられる溝部１２１ａ〜１２１ｄの長さは、サーマルグリースの塗布量や各々の材質や環境条件により変化するが、サーマルグリース２００が塗布される領域の外まで十分延長されていればよい。

次に、本発明の第２の実施の形態の効果について説明する。

上述した本実施形態における冷却装置１２０は、第１の実施の形態における冷却装置１１０よりも効果的に冷却効果の低下を低減できる。

その理由は、以下のような構成を含むからである。即ち、基板４００上の半導体デバイス３００とサーマルグリース２００を介して冷却装置１２０が取り付けられた際、第１の実施の形態における冷却装置１１０と同様、サーマルグリース２００は溝部１２１ａ〜１２１ｄの内部に浸入する。この際、第１の実施の形態における冷却装置１１０では、溝部１１１ａ〜１１１ｄの内部に存在している空気がサーマルグリース２００の溝部１１１ａ〜１１１ｄ内部への速やかな浸入を阻害する可能性がある。ここで第２の実施の形態における冷却装置１２０では、基板４００上の半導体デバイス３００とサーマルグリース２００を介して冷却装置１２０が取り付けられる時に、溝部１２１ａ〜１２１ｄの内部に存在している空気は、溝内部を通って、サーマルグリース２００が塗布される領域の外へサーマルグリース２００によって押し出される。したがって、サーマルグリース２００は速やかに溝部１２１ａ〜１２１ｄの内部に浸入するので、第１の実施の形態における冷却装置１１０よりも効率的に冷却効果が低下する可能性を低減できるという効果が得られる。

本発明は、基板上の半導体デバイスとサーマルグリースを介して取り付けられる冷却装置に適用できる。

１００、１１０ 冷却装置
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ 溝部
２００ サーマルグリース
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ 空気溜まり
３００ 半導体デバイス
３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ 角部
４００ 基板

Claims (3)

1. 半導体デバイスと、サーマルグリースを介して取り付けられる冷却装置において、
   前記半導体デバイス上面と密着する面内かつ前記半導体デバイスの角部を含む上面が前記サーマルグリースを介して接触する領域において、螺子穴が形成されず、前記半導体デバイスの角部を結んだ対角線に直交し、前記半導体デバイスの角部が接触する部分もしくはその部分の近傍を通過し、その長さを、前記サーマルグリースが塗布される領域の外まで延長した溝部
   を備えた冷却装置。
2. 半導体デバイスと、サーマルグリースを介して請求項１に記載の冷却装置が取り付けられた電子装置。
3. 半導体デバイス上面と密着する面内かつ半導体デバイスの角部を含む上面がサーマルグリースを介して接触する領域内において、前記半導体デバイスの角部を結んだ対角線に直交し、前記半導体デバイスの角部が接触する部分もしくはその部分の近傍を通過し、その長さを、前記サーマルグリースが塗布される領域の外まで延長した溝部を設けた冷却装置を、基板上の半導体デバイスとサーマルグリースを介して取り付ける
   前記半導体デバイスの冷却方法。

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