JP7024962B2 - Cooler - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子を水流により冷却する冷却器に関する。 The present invention relates to a cooler that cools a semiconductor element by a water flow.
電力変換用途のスイッチングデバイス等として用いられるパワー半導体モジュール等では、回路から発生する熱による悪影響を抑制するため、放熱のための冷却器等が用いられている。 In power semiconductor modules and the like used as switching devices for power conversion applications, coolers and the like for heat dissipation are used in order to suppress adverse effects due to heat generated from circuits.
例えば、下記の特許文献1の液冷冷却器では、冷却液通路内に流入した冷却液が放熱フィン及びヒートシンクベース部材を介して発熱素子を冷却する。ヒートシンクベース部材の第1の面部には、縦横に整列した多数の放熱フィンが設けられ、放熱フィンの長さ方向は、第1の面部と直交する方向に対して所定の角度θで冷却液の流通方向の下流側に向かって傾斜している(段落0019、0020、図2)。
For example, in the liquid-cooled cooler of
特許文献1の放熱フィンの構造は、従来のストレートフィン構造と比較すれば放熱性能が高まっている。しかしながら、放熱フィンの構造や配置によっては、流体(水等の冷却液)の圧力損失が大きくなり、例えば、流体を流動させるためにファンのモータ出力を高めなければならないという問題があった。
The heat dissipation fin structure of
このような問題に鑑み、本発明の目的は、圧力損失が低く、冷却効率も高い放熱フィン構造の冷却器を提供することにある。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a cooler having a heat radiation fin structure having low pressure loss and high cooling efficiency.
上記目的を達成するため、本発明の冷却器は、複数の板状フィンが天板及び底板に共に垂直、且つ互いに平行に設けられて、前記複数の板状フィンの間を流れる流体により半導体装置を冷却する冷却器において、前記板状フィンの平板部は、前記流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて前記平板部から離れる方向に傾斜し、前記平板部に千鳥状に配列された突出部を有し、前記突出部のうち前記平板部と平行に形成された断面部は、前記上流側から前記下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅Aとなった後に徐々に縮幅する形状となっていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, in the cooler of the present invention, a plurality of plate-shaped fins are provided vertically on both the top plate and the bottom plate and in parallel with each other, and a semiconductor device is provided by a fluid flowing between the plurality of plate-shaped fins. The flat plate portion of the plate-shaped fin is inclined in a direction away from the flat plate portion from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the fluid, and is arranged in a staggered manner on the flat plate portion. The cross-sectional portion having a protruding portion and formed in parallel with the flat plate portion of the protruding portion gradually widens from the upstream side to the downstream side, gradually narrows after reaching the maximum width A. It is characterized by having a shape that makes it.
本発明の冷却器は、複数の板状フィンが冷却器の底板及び天板に垂直、且つ互いに平行に設けられており、複数の板状フィンの間を流れる流体(例えば、水)により半導体装置を冷却する。 In the cooler of the present invention, a plurality of plate-shaped fins are provided perpendicular to the bottom plate and the top plate of the cooler and parallel to each other, and a semiconductor device is provided by a fluid (for example, water) flowing between the plurality of plate-shaped fins. To cool.
板状フィンは、平板部に千鳥状に配置された突出部を有しており、突出部が流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて傾斜した形状となっている。さらに、突出部のうち平板部と平行に形成された断面部については、上流側から下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅Aとなった後に徐々に縮幅する形状となっている。突出部をこのような形状とすることで、流体は上流側から下流側に向けて突出部の間をすり抜けて流れ、板状フィンの間を圧力損失を低く保った状態で進む。これにより、流体の圧力損失が低く、冷却効率が高い冷却器とすることができる。 The plate-shaped fins have protrusions arranged in a staggered manner on the flat plate portion, and the protrusions have a shape inclined from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the fluid. Further, the cross-sectional portion of the protruding portion formed in parallel with the flat plate portion has a shape that gradually widens from the upstream side to the downstream side, reaches the maximum width A, and then gradually narrows. By forming the protrusion in such a shape, the fluid flows through the protrusion from the upstream side to the downstream side, and proceeds between the plate-shaped fins while keeping the pressure loss low. This makes it possible to obtain a cooler having a low fluid pressure loss and high cooling efficiency.
本発明の冷却器において、前記断面部の前記最大幅Aと、前記断面部の前記下流側の端部から前記最大幅Aをなす直線までの長さCとの比C/Aは、1.5以上、10.0以下の数値であることが好ましい。 In the cooler of the present invention, the ratio C / A of the maximum width A of the cross section to the length C from the downstream end of the cross section to the straight line forming the maximum width A is 1. It is preferably a value of 5 or more and 10.0 or less.
板状フィンの断面部の形状は、流体の流れ方や速度に影響するため、温度(放熱性)と流体の圧力損失に影響を及ぼす。特に、断面部を形成する要素である最大幅Aと長さCとの比C/Aを1.5以上、10.0以下の数値とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。 Since the shape of the cross section of the plate-shaped fin affects the flow method and velocity of the fluid, it affects the temperature (heat dissipation) and the pressure loss of the fluid. In particular, the cooling efficiency of the cooler can be improved by setting the ratio C / A of the maximum width A and the length C, which is an element forming the cross-sectional portion, to a value of 1.5 or more and 10.0 or less. ..
また、本発明の冷却器において、前記平板部に垂直な軸に対する前記突出部の角度は、20.0度以上、85.0度以下の角度であることが好ましい。 Further, in the cooler of the present invention, the angle of the protruding portion with respect to the axis perpendicular to the flat plate portion is preferably 20.0 degrees or more and 85.0 degrees or less.
板状フィンの突出部の角度も、流体の流れに影響を及ぼす。角度が20.0度より小さい(平板部に対して垂直に近い)場合には、流速が速い部分と遅い部分とが生じ、冷却効果が高まらない。また、角度が85.0度より大きい(平板部に対して水平に近い)場合には、突出部の周囲の流速が急速に下がる。このため、角度を20.0度以上、85.0度以下の角度とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。 The angle of the protrusion of the plate fin also affects the fluid flow. When the angle is smaller than 20.0 degrees (close to perpendicular to the flat plate portion), a portion where the flow velocity is high and a portion where the flow velocity is slow occur, and the cooling effect is not enhanced. Further, when the angle is larger than 85.0 degrees (close to horizontal with respect to the flat plate portion), the flow velocity around the protruding portion rapidly decreases. Therefore, the cooling efficiency of the cooler can be improved by setting the angle to be 20.0 degrees or more and 85.0 degrees or less.
また、本発明の冷却器において、前記平板部に対する前記突出部の高さHと、前記平板部の厚さWとの比W/Hは、0.6以上、1.2以下の数値であることが好ましい。 Further, in the cooler of the present invention, the ratio W / H of the height H of the protruding portion with respect to the flat plate portion and the thickness W of the flat plate portion is a numerical value of 0.6 or more and 1.2 or less. Is preferable.
板状フィンの突出部の高さH及び平板部の厚さWも、流体の流れに影響を及ぼす。高さHと厚さWは、特に、温度(放熱性)への影響度が大きい形状パラメータであることが分かっており、高さHと厚さWとの比W/Hを0.6以上、1.2以下の数値とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。 The height H of the protruding portion of the plate-shaped fin and the thickness W of the flat plate portion also affect the fluid flow. It is known that the height H and the thickness W are shape parameters having a large influence on the temperature (heat dissipation), and the ratio W / H of the height H and the thickness W is 0.6 or more. By setting the value to 1.2 or less, the cooling efficiency of the cooler can be improved.
また、本発明の冷却器において、1つの前記断面部と該断面部と千鳥状に隣接する他の前記断面部との前記流体の流れる方向の重なりの幅Eと、前記断面部の前記下流側の端部から前記最大幅Aをなす直線までの長さCとの比E/Cは、0以上、0.5以下の数値であることが好ましい。 Further, in the cooler of the present invention, the width E of the overlap of the cross section and the other cross sections adjacent to the cross section in the flow direction of the fluid, and the downstream side of the cross section. The ratio E / C with the length C from the end of the to the straight line forming the maximum width A is preferably 0 or more and 0.5 or less.
長さCと重なり幅Eは、隣接する断面部同士の間隔に関係するので、流体の流れに影響を及ぼす。特に、長さCと重なり幅Eとの比E/Cを0以上、0.5以下の数値とすることで、冷却器の冷却効率を高めることができる。 Since the length C and the overlapping width E are related to the distance between adjacent cross sections, they affect the flow of fluid. In particular, by setting the ratio E / C of the length C to the overlapping width E to be 0 or more and 0.5 or less, the cooling efficiency of the cooler can be improved.
また、本発明の冷却器において、前記断面部は、前記最大幅Aを長辺とする長方形と、前記長方形の前記下流側の長辺を底辺とし、該底辺から前記下流側の端部までの長さを第1の高さとする第1の三角形と、前記長方形の前記上流側の長辺を底辺とし、該底辺から前記上流側の端部までの長さを第2の高さとする第2の三角形と、からなる六角形状であり、前記第1の高さよりも前記第2の高さの方が低いことが好ましい。 Further, in the cooler of the present invention, the cross-sectional portion has a rectangle having the maximum width A as the long side and the long side on the downstream side of the rectangle as the base, from the bottom to the end on the downstream side. A first triangle having a length as a first height and a second having a long side on the upstream side of the rectangle as a base and a length from the base to the end on the upstream side as a second height. It is a hexagonal shape composed of the triangles of the above, and it is preferable that the second height is lower than the first height.
冷却フィンの断面部は、最大幅Aを長辺とする長方形と、最大幅Aを底辺、高さが前記第1の高さである第1の三角形と、最大幅Aを底辺、高さが前記第2の高さである第2の三角形とからなる六角形状(凧型)とすると冷却効率がよい。さらに、第1の高さよりも第2の高さの方が低い、すなわち流体の流れる方向の下流側に向かって長い六角形状とすることで、圧力損失を抑えつつ冷却効果を高めることができる。 The cross section of the cooling fin has a rectangle having a maximum width A as a long side, a first triangle having a maximum width A as a base and a height of the first height, and a maximum width A as a base and a height. The cooling efficiency is good when the hexagonal shape (kite shape) including the second triangle having the second height is used. Further, the second height is lower than the first height, that is, the hexagonal shape is long toward the downstream side in the fluid flow direction, so that the cooling effect can be enhanced while suppressing the pressure loss.
以下、図面を参照しながら本発明の半導体モジュールの実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the semiconductor module of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール100の断面図を示している。半導体モジュール100は、主に2つの半導体素子1a,1b、配線基板3、積層基板5、冷却器7、ケース9等で構成されている。図示するように、半導体素子1a,1b、配線基板3及び積層基板5はケース9内に収められ、樹脂8でモールドされている。また、ケース9の下面に、半導体素子1a,1bを冷却する冷却器7が配設されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a
半導体素子1a,1bは、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。これらのトランジスタを、1つの半導体素子の中で縦方向に形成したRB-IGBT(Reverse Blocking-IGBT)やRC-IGBT(Reverse Conducting-IGBT)であってもよい。
The
配線基板3は、半導体素子1a,1bの上面側に配設されている。配線基板3は、絶縁基板の両面を金属箔で覆った構造であり、下面側の金属箔は半導体素子1a,1bに対向するように形成されている。絶縁基板は誘電率が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂を含む樹脂絶縁材やSi3N4,AlN,Al2O3等のセラミックを使用することができる。また、金属箔は電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料が好ましく、例えば、Cuを使用することができる。
The
ピン4は、その一端が金属接合部材2aによって半導体素子1a,1bの上面側に接合され、他端は配線基板3との接続に用いられる。ピン4は、電気抵抗が低く、熱伝導率の高い金属、例えば、Cuを使用することができる。なお、金属接合部材2aは、はんだや銀等の金属微粒子を有する部材であってもよい。
One end of the
図示するように、ピン4は、それぞれの半導体素子1a,1bに対して複数配置されていることが好ましい。このようにすることにより、電気抵抗を低減すると共に、熱伝導性能を向上させることができる。
As shown in the figure, it is preferable that a plurality of
積層基板5は、絶縁基板52と、その上面側に形成される第1導電性板51と、その下面側に形成される第2導電性板53とから構成される。絶縁基板52は、電気絶縁性、熱伝導性に優れた材料を用いることができる。絶縁基板52の材料としては、例えば、Al2O3、AlN、SiN等が挙げられる。特に、高耐圧用途では、電気絶縁性と熱伝導性が共に備えた材料が好ましく、AlN、SiNを用いることができるが、これらに限定されない。第1導電性板51、第2導電性板53は、導電性及び加工性が優れているCu、Al等の金属材料を用いることができる。なお、本明細書において、Cuからなる第2導電性板53を、裏面銅箔と指称することもある。防錆等の目的で、Niめっき等の処理を行ったCu、Alであってもよい。絶縁基板52の面上に導電性板51,53を配設する方法としては、直接接合法(Direct Copper Bonding法)、若しくは、ろう材接合法(Active Metal Brazing法)が挙げられる。
The
また、積層基板5は、半導体素子1a,1bの下面側に配設されている。積層基板5は、絶縁基板52の両面をCu等の金属箔で覆った構造であり、絶縁基板52の絶縁性により、金属箔とは電気的に分離されている。絶縁基板52の周縁は、導電性板51,53の周縁よりも外側に突出していることが好ましい。
Further, the
半導体素子1a,1bの下面側と積層基板5の上面側の第1導電性板51とは、金属接合部材2bによって電気的及び熱的に接合されている。積層基板5の上面側、下面側の金属箔は電気的に分離されているが、この間の熱伝導は良好である。また、積層基板5の下面側の第2導電性板53と冷却器7の外壁(天板)とは、金属接合部材2cによって接合されている。なお、金属接合部材2b,2cは、はんだや銀等の金属微粒子を有する部材であってもよい。
The lower surface side of the
次に、図2~図4を参照して、本発明の実施形態に係る冷却器の詳細を説明する。 Next, the details of the cooler according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
図2は、冷却器7を天板7a(図1参照)側から見た上面図(天板無し)である。冷却器7は、天板7a、底板7b、側面枠7c及び板状フィン7dで構成され、材料はAl、Cu等の熱伝導率の高い金属である。側面枠7cの形状は八角形に限られないが、流体の流入口7e、流出口7fを有し、流体(水等の冷却液)が流入する方向と複数の板状フィン7dの長手方向が平行となるように配置されている。なお、冷却器は、流体の流入口、流出口が同じ側にあるU字型形状のものでもよい。
FIG. 2 is a top view (without top plate) of the
次に、図3は、冷却器7を構成する一部の板状フィン7d1から7d3が配列された様子を示した斜視図であり、図1の一部(3枚)の板状フィン7dを取り出した状態である。
Next, FIG. 3 is a perspective view showing how some of the plate-shaped fins 7d1 to 7d3 constituting the
板状フィン7d3から分かるように、各板状フィン7dは、平板部10と突出部11とで構成されている。平板部10は、いわゆるストレートフィンであり、これだけでも従来のヒートシンクと同じ役割を果たす。平板部10は、2つの平行な面を有し、その一方の面(表面)から隣接する平板部10の対向する面に向けて突出する突出部11が形成される。なお、突出部11は、隣接する平板部10を連結するように形成されていてもよく、その場合、平行に配置された複数の平板部10を貫通するように配置されていてもよい。また、本発明の冷却器7は、平板部10に千鳥状に突出部11が多数配列された板状フィン7dを採用し、これを多数配設して、板状フィン7dの間に流体を流すようにしている。流体は、板状フィン7d1から7d3の図示手前側から流入し、奥側に流出する(矢印の方向)。なお、この流体の流れる矢印の方向(流体の流入方向)をX軸方向とする。
As can be seen from the plate-shaped fins 7d3, each plate-shaped
突出部11は、平板部10に対して水流の上流側から下流側に向けて、平板部10から離れる方向に傾斜した斜角柱である。換言すると、突出部11は、平板部10に垂直な軸Zに対して所定の角度φ(突出角)で、下流側に向けて傾斜している。上記突出角は、20度から85度が好ましく、より好ましくは40度から80度である。詳細は後述するが、この範囲で流体の温度が低くなるため、冷却能力に優れ、圧力損失も低く抑えることができる。
The protruding
また、突出部11の先端部は平板部10と平行に形成されており、この先端部を断面部11aとする。平板部10と平行な面で切断した断面形状も、断面部11aと同じ形状である。断面部11aは、流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅部(図4(b)の最大幅A)となった後に徐々に縮幅する形状となっている。
Further, the tip portion of the protruding
上流側の端部と最大幅部の最小長さは、下流側の端部と最大幅部の最小長さより短いことが好ましい。上流側の端部と最大幅部の最小長さとは、最も上流側の端部に近い最大幅の辺の場合、上流側の端部からその最大幅の辺までの長さである。換言すれば、前記上流側の端部から前記最大幅Aをなす直線までの長さであり、図4(b)の幅Bに相当する。 The minimum length of the upstream end and the maximum width is preferably shorter than the minimum length of the downstream end and the maximum width. The minimum length of the upstream end and the maximum width is the length from the upstream end to the maximum width side in the case of the maximum width side closest to the upstream end. In other words, it is the length from the upstream end to the straight line forming the maximum width A, and corresponds to the width B in FIG. 4 (b).
また、下流側についても同様であり、最も下流側の端部に近い最大幅の辺の場合、下流側の端部からその最大幅の辺までの長さが、下流側の端部と最大幅部の最小長さである。換言すれば、前記下流側の端部から前記最大幅Aをなす直線までの長さであり、図4(b)の幅Cに相当する。つまり、断面部11aは、下流側に伸長した形状である。断面部11aは、X軸対称の形状が好ましく、より具体的には、後述するような六角形状及び四辺形である。
The same applies to the downstream side, and in the case of the maximum width side closest to the downstream end, the length from the downstream end to the maximum width side is the downstream end and the maximum width. The minimum length of the part. In other words, it is the length from the downstream end to the straight line forming the maximum width A, and corresponds to the width C in FIG. 4 (b). That is, the
断面部11aは、隣接する板状フィンの平板部(裏面)に接していることが好ましい。なお、平板部の裏面とは、突出部を有しない側の面である。断面部11aの縦軸と横軸の交点が軸心であり(図4(b)、図4(c)参照)、角度φは、軸Xと軸Zとからなる面内において、原点と軸心を結んだ直線とのなす角である。また、流体の流入方向(X軸方向)に対する断面部11aの先端部(上流側の端部)と後端部(下流側の端部)とを結ぶ直線は、X軸と平行であることが好ましい。さらに、流体の流入方向は、軸Xと軸Zとからなる面にも平行であることが好ましい。
The
板状フィン7dの平板部10の厚さWは、0.5(mm)以上、1.5(mm)以下であることが好ましい。厚さWが0.3(mm)以下の場合には流体への熱伝導が不十分であり、厚さが1.75(mm)以上の場合には流体への接触面積が小さくなり、やはり熱伝導が不十分となる。平板部10の厚さWは、0.75(mm)以上、1.25(mm)以下が最適である。
The thickness W of the
また、板状フィン7dの平板部10に対する突出部11の高さHは、0.9(mm)以上、1.5(mm)以下が好ましく、より好ましくは1.05(mm)以上、1.35(mm)以下である。なお、高さHは、図3においては、板状フィン7d1から7d3の間隔と同じである。詳細は図7で説明するが、冷却効率を向上させる条件としては、厚さW/高さHの比は、0.6以上、1.2以下の数値であることが好ましい。
Further, the height H of the protruding
中央の板状フィン7d2の断面部11aは、隣接する板状フィン7d3の平板部10と接触することで固定される。また、突出部11は、隣接する板状フィンd7を貫通する形で配置されている。
The
次に、図4は、1枚の板状フィン7dの表面図である。図4(a)に示すように、突出部11は、平板部10の上面に千鳥状に形成されている。なお、千鳥状とは、2列のものを互い違いに配置(ジグザク)した配列のことをいう。
Next, FIG. 4 is a surface view of one plate-shaped
ここで、断面部11aは、図4(b)に示すように、六角形状(凧型)であってもよい。水流の方向は図3に示した通りであるから、断面部11aの幅Aは実際の縦方向であり、縦幅Aは、0.5(mm)以上、2.5(mm)以下である。なお、縦幅Aは、本発明の「最大幅」に相当する。
Here, the
ここで、断面部11aの最大幅Aとなった部分の中心Oと上流側の端部との距離が幅Bであり、上記中心Oと下流側の端部との距離が幅Cである。中心Oは、図4(b)に示すように、最大幅Aの部分がX軸方向に所定の長さで続く場合は、両側辺の上記最大幅Aとなっている部分の中間点を結ぶ線と、上流側の端部及び下流側の端部とを結ぶ線の交点とする。また、後述する図4(c)に示すように、最大幅Aとなっている部分が両側で頂点をなしている場合には、その頂点を結ぶ線と、上流側の端部及び下流側の端部とを結ぶ線の交点とする。この場合、横前幅Bより横後幅Cが長いことが好ましい。
Here, the distance between the center O of the portion having the maximum width A of the
また、上記六角形状は、縦幅Aを長辺とする長方形と、長方形の下流側(図の上側)の長辺を底辺とし、その底辺から下流側の端部まで(横後幅Cの一部)を第1の高さとする第1の三角形と、前記長方形の上流側(図の下側)の長辺を底辺とし、その底辺から上流側の端部まで(横前幅Bの一部)を第2の高さとする第2の三角形とからなるということもできる。つまり、長方形の部分は、縦幅Aが維持されている箇所である。なお、上述の六角形状や長方形の角は丸みを帯びた形状を含む。 Further, the hexagonal shape has a rectangle having a vertical width A as a long side and a long side on the downstream side (upper side of the figure) of the rectangle as a base, and from the base to the end on the downstream side (one of the lateral rear width C). A first triangle having a first height (part) and a long side on the upstream side (lower side of the figure) of the rectangle as a base, and from the base to the end on the upstream side (a part of the lateral front width B). ) Can be said to consist of a second triangle having a second height. That is, the rectangular portion is a portion where the vertical width A is maintained. The hexagonal shape and rectangular corners described above include rounded shapes.
また、前記第1の高さよりも前記第2の高さの方が低いことが好ましい。これは、図4(b)において、横後幅C>横前幅Bの関係に対応する。また、縦幅Aを長辺とする前記長方形の短辺の長さは、横前幅Bより短いことが好ましい。具体的には、前記短辺の長さは、0.1mm以上、0.3mm以下が好ましい。このように、断面部11aに前記長方形の部分を設けることにより、流体をスムーズに流すことができる。
Further, it is preferable that the second height is lower than the first height. This corresponds to the relationship of lateral rear width C> lateral front width B in FIG. 4 (b). Further, the length of the short side of the rectangle having the vertical width A as the long side is preferably shorter than the horizontal front width B. Specifically, the length of the short side is preferably 0.1 mm or more and 0.3 mm or less. By providing the rectangular portion in the
断面部11aは、図4(c)に示すような四辺形であってもよい。この場合、四辺形の短い対角線が縦幅Aとなる。この縦幅Aは、「最大幅」に相当する。また、この四辺形は、縦幅Aを底辺とし、その底辺から下流側の端部まで(横後幅C)を第1の高さとする第1の三角形と、前記底辺から上流側の端部まで(横前幅B)を第2の高さとする第2の三角形とからなる。上述の六角形状の場合と同様に、第1の高さよりも第2の高さの方が低いことが好ましい。つまり、図4(c)においても、横後幅C>横前幅Bの関係となる。なお、四角形のY軸方向の頂点は、丸みを帯びていることが好ましい。頂点の曲率半径Rは、A/6mm以上、Amm以下が好ましい。頂点がその範囲の丸みを帯びていることにより、流体をスムーズに流すことができる。
The
また、横前幅Bは0.5mm以上、2.5mm以下、横後幅Cは2.0mm以上、6.0mm以下である。詳細は図6で説明するが、冷却効率を向上させる条件としては、横後幅C/縦幅Aの比は、1.5以上、10.0以下の間の数値であることが好ましい。 The lateral front width B is 0.5 mm or more and 2.5 mm or less, and the lateral rear width C is 2.0 mm or more and 6.0 mm or less. Details will be described with reference to FIG. 6, but as a condition for improving the cooling efficiency, the ratio of the lateral rear width C / vertical width A is preferably a numerical value between 1.5 and more and 10.0 or less.
また、図4(a)に示すように、1つの断面部11a2と、隣接する断面部11a3(断面部11a1でも同じ)とは、流体の流入方向に幅Eだけ重なっている。より具体的には、幅Eは、断面部11a2の上流側の端部と、近接する断面部11a3の下流側の端部とのX軸方向の重なり幅である。重なり幅Eは、0(mm)以上、1.0(mm)以下であることが好ましい。 Further, as shown in FIG. 4A, one cross-section portion 11a2 and the adjacent cross-section portion 11a3 (the same applies to the cross-section portion 11a1) overlap each other by the width E in the inflow direction of the fluid. More specifically, the width E is the overlap width in the X-axis direction between the upstream end portion of the cross-sectional portion 11a2 and the downstream end portion of the adjacent cross-sectional portion 11a3. The overlap width E is preferably 0 (mm) or more and 1.0 (mm) or less.
さらに、1つの断面部11a1と、隣接する断面部11a2との傾斜面方向の間隔F(流路間隔)は、横後幅Cや重なり幅Eに依存する数値であるが、0.9(mm)以上、1.5(mm)以下であることが好ましい。パーティクルによる詰りが生じないように、流路間隔Fは、少なくとも0.9(mm)以上を確保する必要があり、冷却効率の結果から、より好ましくは1.05(mm)以上、1.35(mm)以下である。 Further, the distance F (flow path distance) in the inclined plane direction between one cross-sectional portion 11a1 and the adjacent cross-sectional portion 11a2 is a numerical value depending on the lateral rear width C and the overlapping width E, but is 0.9 (mm). ) Or more, preferably 1.5 (mm) or less. It is necessary to secure at least 0.9 (mm) or more for the flow path spacing F so that clogging by particles does not occur, and more preferably 1.05 (mm) or more, 1.35 from the result of cooling efficiency. It is (mm) or less.
本発明の板状フィン7dの材料には、熱伝導性に優れ、加工性にも優れるAl、Al合金、Cu、Cu合金等が用いられる。上述の通り、板状フィン7dには、平板部10の表面に突出部11が形成されている。図3の形状は、例えば、プレス等の方法で平板部に所定の穴部を設け、その穴部に棒状の突出部を挿入することによっても形成される。また、3Dプリンタによっても、同じ形状を形成可能である。
As the material of the plate-shaped
次に、図5を参照して、解析ソフトにより本発明の板状フィン7dを構成する形状パラメータを変化させて、温度及び圧力損失を測定したシミュレーション結果を説明する。
Next, with reference to FIG. 5, a simulation result in which the temperature and pressure loss are measured by changing the shape parameters constituting the plate-shaped
板状フィン7dの温度T及び圧力損失PLを左右する形状パラメータとして、断面部11aの縦幅A、横前幅B及び横後幅C、平板部10の厚さW、平板部10に対する突出部11の高さH、隣接する断面部11aの水流の方向の重なり幅E、隣接する断面部11aの傾斜面方向の流路間隔F、突出角φ等がある。
As shape parameters that influence the temperature T and pressure loss PL of the plate-shaped
発明者らは、シミュレーションを重ねた結果、突出部11の断面部11a及び平板部10の縦幅A、横後幅C、厚さW及び高さHは、温度T(冷却効率)に与える影響が大きい形状パラメータであることを知得した。また、縦幅A及び横後幅Cは、圧力損失PLに与える影響が大きい形状パラメータであることを知得した。なお、断面部11aは、X軸対称の形状とした。
As a result of repeated simulations, the inventors have found that the vertical width A, the horizontal rear width C, the thickness W, and the height H of the
より具体的には、突出部11においては、断面部11aの縦幅Aに対する横後幅Cの比(C/A)、及び突出角φが温度T及び圧力損失PLに与える影響の大きい形状パラメータであった。また、平板部10同士の間隔の流路幅は、板状フィン7dの平板部10に対する突出部11の高さHであり、平板部10の平板の厚さWと突出部11の高さHの比(W/H)も、温度T及び圧力損失PLを制御するのに有効な形状パラメータであった。
More specifically, in the protruding
今回、形状パラメータの縦幅Aを1.48(mm)、横前幅Bを2.42(mm)、横後幅Cを2.90(mm)、厚さWを0.85(mm)、高さHを0.92(mm)、重なり幅Eを0.24(mm)、流路間隔Fを1.31(mm)とした(図5(a)参照)。なお、断面部11aは六角形状とし、縦幅Aを長辺とする長方形の短辺は0.1mmとした。そして、突出部11の角度φのみを変更して、温度T及び圧力損失PLを測定した。
This time, the vertical width A of the shape parameters is 1.48 (mm), the horizontal front width B is 2.42 (mm), the horizontal rear width C is 2.90 (mm), and the thickness W is 0.85 (mm). The height H was 0.92 (mm), the overlapping width E was 0.24 (mm), and the flow path spacing F was 1.31 (mm) (see FIG. 5A). The
ここで、温度Tは、後述するヒータ14を含む断熱装置12を用いて(図8参照)、冷却器7の中心付近の温度を測定した。なお、ヒータ14の出力を1,110(W)とし、冷却液として純水を用い、流入量を4.0(L/min)とした。圧力損失PLは、同じ流入量の条件において、冷却器7の流入口7eの圧力と、流出口7fの圧力との差(圧力差)として評価した。
Here, as the temperature T, the temperature near the center of the
突出角φが0度、すなわち、平板部10に対して突出部11が直立した状態においては、温度Tが69.44(℃)、圧力損失PLが2679.21(kPa)であった。なお、温度Tは低い方が放熱性が高く、冷却効率が高い。また、圧力損失は小さい方が流体が損失なく流動することを意味する。
When the protrusion angle φ was 0 degrees, that is, when the
次に、突出角φを10.0度とした場合、温度Tが69.28(℃)、圧力損失PLが2637.70(kPa)となり、突出角φを20.0度とした場合、温度Tが69.11(℃)、圧力損失PLが2551.20(kPa)となった。このように、突出角φを大きくしていくと、温度Tが低下し、圧力損失PLも小さくなることが分かった。 Next, when the protrusion angle φ is 10.0 degrees, the temperature T is 69.28 (° C.), the pressure loss PL is 2637.70 (kPa), and the protrusion angle φ is 20.0 degrees. The temperature T was 69.11 (° C.) and the pressure loss PL was 2551.20 (kPa). As described above, it was found that as the protrusion angle φ was increased, the temperature T decreased and the pressure loss PL also decreased.
また、突出角φを60.0度とした場合、温度Tが68.40(℃)、圧力損失PLが2080.00(kPa)となり、突出角φを85.0度とした場合、温度Tが69.18(℃)、圧力損失PLが910.00(kPa)となった。この結果から、温度Tの最小値は、突出角φが60.0度から85.0度の間にあり、圧力損失PLは、突出角φが大きくなるにつれて小さくなることが分かった。 Further, when the protrusion angle φ is 60.0 degrees, the temperature T is 68.40 (° C.), the pressure loss PL is 2080.00 (kPa), and when the protrusion angle φ is 85.0 degrees, the temperature. T was 69.18 (° C.) and pressure loss PL was 910.00 (kPa). From this result, it was found that the minimum value of the temperature T is that the protrusion angle φ is between 60.0 degrees and 85.0 degrees, and the pressure loss PL becomes smaller as the protrusion angle φ becomes larger.
温度Tが最小値となる突出角φを調べた結果、79.20度とした場合が最良の条件で、温度Tが68.30(℃)となり、そのときの圧力損失PLは1429.91(kPa)であった。従って、一連のシミュレーション結果より、突出角φの最適値として79.20度を得て、このとき冷却効率が最も高いことを確認した(図5(c)参照)。以上により、温度T及び圧力損失PLの結果から突出部11の突出角φは、20度から85度の角度が好ましく、より好ましくは、40度から80度の角度である。
As a result of investigating the protrusion angle φ at which the temperature T is the minimum value, the temperature T is 68.30 (° C.) under the best condition when it is 79.20 degrees, and the pressure loss PL at that time is 1429.91 . It was (kPa). Therefore, from a series of simulation results, 79.20 degrees was obtained as the optimum value of the protrusion angle φ, and it was confirmed that the cooling efficiency was the highest at this time (see FIG. 5 (c)). Based on the above, from the results of the temperature T and the pressure loss PL, the protrusion angle φ of the
また、図5(b)に示すように、上述の最適条件のときの各数値の比率を算出すると、縦幅Aに対する横前幅Bの比B/Aが約1.635、縦幅Aに対する横後幅Cの比C/Aが約1.959、高さHに対する厚さWの比W/Hが約0.923、横後幅Cに対する重なり幅Eの比E/Cが約0.082であった。各比率を最適条件の値に近づけることで、温度T及び圧力損失PLを低下させることができる。また、突出角φ以外の形状パラメータを変更しても、この傾向は変わらなかった。 Further, as shown in FIG. 5B, when the ratio of each numerical value under the above-mentioned optimum conditions is calculated, the ratio B / A of the horizontal front width B to the vertical width A is about 1.635 and the vertical width A. The ratio C / A of the lateral rear width C is about 1.959, the ratio W / H of the thickness W to the height H is about 0.923, and the ratio E / C of the overlapping width E to the lateral rear width C is about 0. It was 082. By bringing each ratio close to the value of the optimum condition, the temperature T and the pressure loss PL can be reduced. Moreover, this tendency did not change even if the shape parameters other than the protrusion angle φ were changed.
ここで、図6に、縦幅Aに対する横後幅Cとの比C/Aを変化させて、温度T及び圧力損失PLを測定したシミュレーション結果を説明する。なお、測定においては、縦幅A、横後幅C以外の形状パラメータは固定とした。 Here, FIG. 6 describes a simulation result in which the temperature T and the pressure loss PL are measured by changing the ratio C / A of the vertical width A to the horizontal rear width C. In the measurement, the shape parameters other than the vertical width A and the horizontal rear width C were fixed.
図6(a)は、比C/Aと温度Tとの関係を示しているが、比C/Aの値を小さくしていくと、温度Tが低下するという結果が得られた。図5(a)の例で、比C/Aが約1.959であったように、比C/Aを2.0前後の値に設定したとき、温度Tが70(℃)程度の低い値となった。また、比C/Aを10.0より大きくすると、温度Tが77(℃)以上に上昇したので、10.0を比C/Aの最大値とした。 FIG. 6A shows the relationship between the ratio C / A and the temperature T, and the result was obtained that the temperature T decreased as the value of the ratio C / A was decreased. In the example of FIG. 5A, the temperature T is as low as about 70 (° C.) when the ratio C / A is set to a value of about 2.0, as the ratio C / A was about 1.959. It became a value. Further, when the ratio C / A was made larger than 10.0, the temperature T increased to 77 (° C.) or higher, so 10.0 was set as the maximum value of the ratio C / A.
また、図6(b)は、比C/Aと圧力損失PLとの関係を示している。ここでは、比C/Aの値を大きくしていくと、圧力損失PLが低下するという結果が得られた。比C/Aを1.5以下の値に設定したとき、圧力損失PLが2,000(kPa)を超えることから、1.5を比C/Aの最小値とした。以上により、温度T及び圧力損失PLの点から比C/Aは1.5以上、10.0以下であることが好ましく、より好ましくは4.0以上、8.0以下である。 Further, FIG. 6B shows the relationship between the ratio C / A and the pressure loss PL. Here, it was obtained that the pressure loss PL decreased as the value of the ratio C / A was increased. When the ratio C / A was set to a value of 1.5 or less, the pressure loss PL exceeded 2,000 (kPa), so 1.5 was set as the minimum value of the ratio C / A. From the above, the ratio C / A is preferably 1.5 or more and 10.0 or less, and more preferably 4.0 or more and 8.0 or less in terms of the temperature T and the pressure loss PL.
次に、図7に、高さHに対する厚さWの比W/Hを変化させて、温度T及び圧力損失PLを測定したシミュレーション結果を説明する。なお、測定においては、高さH、厚さW以外の形状パラメータは固定とした。 Next, FIG. 7 will explain the simulation results of measuring the temperature T and the pressure loss PL by changing the ratio W / H of the thickness W to the height H. In the measurement, the shape parameters other than the height H and the thickness W were fixed.
図7(a)は、比W/Hと温度Tとの関係を示しているが、比W/Hの値を高くしていくと、温度Tが低下するという結果が得られた。比W/Hを0.6以下の値に設定したとき、温度Tが74(℃)以上に上昇したので、0.6を比W/Hの最小値とした。 FIG. 7A shows the relationship between the ratio W / H and the temperature T, and the result was obtained that the temperature T decreased as the value of the ratio W / H was increased. When the ratio W / H was set to a value of 0.6 or less, the temperature T increased to 74 (° C.) or more, so 0.6 was set as the minimum value of the ratio W / H.
また、図7(b)は、比W/Hと圧力損失PLとの関係を示している。ここでは、比W/Hの値を低くしていくと、圧力損失PLが低下するという結果が得られた。比W/Hを1.2以上の値に設定したとき、圧力損失PLが急激に高くなり、1,000(kPa)を超えることから、1.2を比W/Hの最大値とした。以上により、温度T及び圧力損失PLの点から比W/Hは0.6以上、1.2以下であることが好ましく、より好ましくは0.8以上、1.0以下である。また、横後幅Cに対する重なり幅Eの比E/Cは、0以上、0.5以下の数値であることが好ましい。この範囲においては、温度T及び圧力損失PLが悪化することがない。重なり幅Eが0.5より大きくなると、流路が狭くなり好ましくない。 Further, FIG. 7B shows the relationship between the ratio W / H and the pressure loss PL. Here, the result was obtained that the pressure loss PL decreased as the value of the ratio W / H was lowered. When the ratio W / H was set to a value of 1.2 or more, the pressure loss PL suddenly increased and exceeded 1,000 (kPa). Therefore, 1.2 was set as the maximum value of the ratio W / H. .. Based on the above, the ratio W / H is preferably 0.6 or more and 1.2 or less, and more preferably 0.8 or more and 1.0 or less in terms of the temperature T and the pressure loss PL. Further, the ratio E / C of the overlapping width E to the lateral rear width C is preferably a numerical value of 0 or more and 0.5 or less. In this range, the temperature T and the pressure loss PL do not deteriorate. When the overlap width E is larger than 0.5, the flow path becomes narrow, which is not preferable.
最後に、図8、図9を参照して、本発明の板状フィンと従来のストレートフィンの熱抵抗を比較した結果を示す。 Finally, with reference to FIGS. 8 and 9, the results of comparing the thermal resistance of the plate-shaped fin of the present invention and the conventional straight fin are shown.
2種類の熱抵抗を測定するため、図8に示す断熱装置12を用いた。図8は、絶縁体の枠体13の内部にストレートフィン7d’からなる冷却器7’を収容し、ヒータ14を冷却器7’の上面に載置した様子を示している。ヒータ14は、熱抵抗の小さい熱グリース15で冷却器7’に接着している。なお、冷却器7’は、上述の冷却器7の板状フィン7dのみを交換したものであり、天板7a、底板7b、側面枠7c、流入口7e、流出口7fは、形状、材料が同じである。
In order to measure the two types of thermal resistance, the
また、発明者らは、測定に際して3Dプリンタにより金属製(アルミニウム)の板状フィン7dを試作した。このとき、板状フィン7dの各種形状パラメータは、図5で説明した条件とした。なお、本発明の板状フィン7dの熱抵抗を測定するときには、断熱装置12の内部に冷却器7を収容する。
In addition, the inventors prototyped a metal (aluminum) plate-shaped
板状フィン7d又はストレートフィン7d’の熱抵抗Rthは、ヒータ14の温度をTh、流出口7fでの水温をTw、ヒータ14の電力をPとしたとき、以下の式1で与えられる。
Rth=(Th-Tw)/P・・・(式1)
なお、流体(水)は、流入口7eから1.5(L/min)の流速で流入させた。
The thermal resistance Rth of the plate-shaped
R th = ( Th -T w ) / P ... (Equation 1)
The fluid (water) flowed in from the
今回、冷却器7’のストレートフィン7d’は、平板部の厚さW’が0.9(mm)のものを用いて熱抵抗の測定を行った。その結果、図9に示すように、熱抵抗は0.239(℃/W)であった。一方、冷却器7の熱抵抗は0.197(℃/W)となり、約18%熱抵抗を減少させることに成功した。
This time, the thermal resistance of the straight fin 7d'of the cooler 7'was measured using a flat plate portion having a thickness W'of 0.9 (mm). As a result, as shown in FIG. 9, the thermal resistance was 0.239 (° C./W). On the other hand, the thermal resistance of the
以上、板状フィン7dからなる冷却器について説明したが、本発明は、これまで説明した実施形態に限られない。例えば、冷却器7の内部の板状フィン7dの数は任意であるが、従来のストレートフィンの数と同程度である。板状フィン7dの材料もAlやCuに限られず、熱伝導率の高い材料を適用することができる。
Although the refrigerator made of the plate-shaped
また、板状フィン7dの突出部11は、直方体を対角線の方向に傾けた斜角柱であったが(図4(a)参照)、突出方向に向かって徐々に太くなる形状であってもよい。突出部11の断面部11aの形状は、流体の流れる方向に長い凧型の六角形や四辺形が好ましいが(図4(b)、図4(c)参照)、菱形や正方形であってもよい。
Further, the protruding
1a,1b 半導体素子
2a~2c 金属接合部材
3 配線基板
4 ピン
5 積層基板
7,7’ 冷却器
7a 天板
7b 底板
7c 側面枠
7d,7d1~7d3 板状フィン
7d’ ストレートフィン
7e 流入口
7f 流出口
8 樹脂
9 ケース
10 平板部
11 突出部
11a,11a1~11a3 断面部
12 断熱装置
13 枠体
14 ヒータ
15 熱グリース
51 第1導電性基板
52 絶縁基板
53 第2導電性基板
100 半導体モジュール
1a,
Claims (6)
前記板状フィンは平板部と突出部を有し、前記突出部は前記流体の流れる方向の上流側から下流側に向けて前記平板部から離れる方向に傾斜して、隣接する平板部の裏面に接するように伸び、かつ、前記平板部に千鳥状に配列されており、
前記突出部のうち前記平板部と平行に形成された断面部は、前記上流側から前記下流側に向けて徐々に拡幅し、最大幅Aとなった後に徐々に縮幅する形状となっていることを特徴とする冷却器。 In a cooler in which a plurality of plate-shaped fins are provided vertically on both the top plate and the bottom plate and parallel to each other, and the semiconductor device is cooled by a fluid flowing between the plurality of plate-shaped fins.
The plate-shaped fin has a flat plate portion and a protruding portion, and the protruding portion is inclined in a direction away from the flat plate portion from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the fluid, and is formed on the back surface of the adjacent flat plate portion. It extends in contact with each other and is arranged in a staggered pattern on the flat plate portion.
The cross-sectional portion of the protruding portion formed in parallel with the flat plate portion has a shape that gradually widens from the upstream side to the downstream side, reaches the maximum width A, and then gradually narrows. A cooler that features that.
前記第1の高さよりも前記第2の高さの方が低いことを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の冷却器。 The cross section has a rectangle having the maximum width A as the long side and a long side on the downstream side of the rectangle as the base, and the length from the base to the end on the downstream side as the first height. It is a hexagonal shape consisting of a first triangle and a second triangle having the long side on the upstream side of the rectangle as the base and the length from the base to the end on the upstream side as the second height. ,
The cooler according to any one of claims 1 to 5, wherein the second height is lower than the first height.
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