JPH053141B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は熱伝導機構、より具体的に言えば、高
電力集積回路装置で発生された熱を除去するため
の冷却装置に関する。

Ｂ 従来の技術及び解決しようとする問題点 半導体デバイスを冷却するための基本的な手段
は熱を除去する液体を用いることである。液体を
用いる冷却手段はピストンのような固体の熱伝導
体を通る装置から熱を導くことにあつて、固体の
熱伝導体デバイスと液体を冷却する冷却板の両方
に接触している。このような装置は米国特許第
4245273号に開示されている。冷却装置の背後で
事実上接触しているフイン及び素子を介して冷却
液が循環されている上記の装置の改良が米国特許
第4312012号に示されている。冷却液は可撓性の
導管によつて装置に循環されている。

液体冷却は冷却密度が極めて高い。たが、残念
ながら低廉ではない。液体冷却は配管とポンプと
を必要とする。冷い水の供給源と暖められた水の
排出路がなければ、冷却装置は空気流に熱を移動
させるための冷却機を含まなければならない。液
体冷却はしばしば水を使うので、電子部品に水が
接触して腐食が生じないようにする設計上の努力
が伴う。

空気冷却は経済的である。然しながらその冷却
性能は劣つている。空気は密度×熱容量値が低
い。従つて、充分な冷却には大量の空気流を必要
とする。殆どのヒート・シンクにおいて、上述の
ことは充分な空気速度と、送風機圧力とを必要と
し、また雑音を発生する。その結果、雑音が大き
くなり、必要とする送風機の圧力が大きくなり過
ぎるので、空気冷却は、特に多数のチツプを高密
度に実装した大型モジユールには、しばしば限界
をもたらした。

空気冷却の他の問題は、空気が冷却フインの長
さに沿つて通過するにつれて、空気が熱くなつて
いくことである。その結果、冷却の程度がデバイ
スを支持する基板の表面全体にわたつて平均しな
くなる。半導体デバイスの空気冷却装置の例は米
国特許第3961666号、同第4489363号及び同第
3843910号に示されている。強制的空気冷却の改
良は「衝突式」冷却法で与えられる。この方法の
装置は冷却板に装着された冷却スタツド、あるい
は冷却フインに対して空気を直接下方に強制して
いる。「衝突式」冷却装置は米国特許第4296455号
及び同第4620216号に示されている。

本発明の目的は強制的な流体流によつて半導体
モジユールを冷却するためのヒート・シンクを提
供することにある。

本発明の他の目的は低圧力の空気圧で機能する
電子モジユール用の高性能の冷却装置を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は寸法が異なるモジユールに
簡単に適用することが出来、しかも同じ強制流体
圧の下で動作するヒート・シンクを提供すること
にある。

本発明の他の目的は、並列配置の少なくとも１
対の冷却フイン列の各フイン面に略平行に冷却流
体を均一に且つ最短路で流通させ、共通排気させ
ることが可能な電子回路素子用冷却装置を提供す
ることである。

Ｃ 問題点を解決するための手段 本発明の電子回路素子用冷却装置は、大型の
ICモジユールのような複数の電子回路素子を一
方の表面に有する高熱伝導率の材料の基台部と、
フイン面と直角方向に離隔して列状に上記基台部
の他方の表面上に配列されている複数枚の冷却フ
インの列の２列を対にして並置した少なくとも１
対の冷却フイン列と、該フイン列対上に跨がつて
装着されフイン列に沿つて細長く延びていて少な
くとも１端に排気開口を有するフイン列対に共通
の排気手段と、上方から上記基台部へ向けて送風
される冷却流体を各冷却フイン列の外側に案内す
るための各外側空間を規定する流体路構造体を備
えている。上記共通排気手段は、各冷却フイン列
の水平上面に固着した１対の底壁部と、該各底壁
部の外縁に結合され上方に膨らんだ天井壁とより
構成されている。冷却流体は、送風機により上記
外側空間の各々に送り込まれ、そこから各冷却フ
イン列中を通過し、次に各冷却フイン列の内側間
の空間及び共通排気手段を通過して排気開口から
外部へ排気される。

冷却流体は、１対の冷却フイン列を冷却した
後、各フイン列の内側間に集気して共通の排気管
を通して外部へ排出され、コンパクトで均一冷却
効果の冷却装置が得られる。

Ｄ 実施例 第１図を参照すると、送風機１２から、通常は
空気である冷却流体の供給源を用いた冷却装置１
０の実施例の構造の細部が示されている。流体は
通常、室温であるが、特別の場合の要件を満たす
ために、必要に応じて冷却することが出来る。冷
却装置１０は、第２図及び第３図により詳細に示
されているように、動作している電子素子から熱
を受け取るよう位置付けられた基台部１４を持つ
ている。集積半導体デバイスのような電子素子が
動作中に熱を発生する基板１８上に装着されてい
る。これらのデバイスが設計値の範囲内で動作す
るのを保証し、過熱によつて破壊しないように、
この熱は除去されねばならない。半導体デバイス
１６は、はんだ端子１７を介して或る量の熱を基
板１８に熱伝導するが、それ自身だけでは冷却は
不充分である。半導体デバイスによつて発生され
る熱の主要部は、デバイスの背後または上部から
取り除かれねばならない。熱はデバイスの背面部
側から基台部１４へ適当な高い熱伝導率を有する
任意の適当な構造によつて除去される。１つの技
術は半導体デバイスと基台部の間に熱グリス２０
の層を置くことである。然しながら他の構成にす
ることが出来、他の構造として例えば、米国特許
第3993123号に示されているような基台部に装着
されたスプリング偏倚式のピストンとか、米国特
許第4415025号に示されているような金属製の可
撓性デイスクであるとか、米国特許第4498530号
に示されている相互に離隔した一組の接触フイン
などがある。電子デバイスから基台部１４に熱を
伝達するために大きな熱伝導率を有する手段が与
えられている限りにおいて、例えば、はんだづ
け、圧着、超音波接着ワイヤなどの任意の適当な
構造で電子デバイスを基板に接着することが出来
る。

基板１８は半導体デバイス１６とＩ／Ｏピン２
２とを相互接続するのに必要な電気回路を与える
合金学的システムを持つ。基板１８は月並なもの
で、その構造は本発明とは直接の関係がない。

基台部１４の上面に、平行に並べられた冷却フ
イン２４の一対の列が装着されている。冷却フイ
ン２４は例えば銅のような大きな熱伝導率を持つ
材料で作られるのが望ましい。図示の実施例で
は、第１図及び第３図から理解出来るように、基
台部１４及び冷却フイン２４は複数個の平坦な素
子２６で形成されている。基台部において、スペ
ーサ素子２８が積層された１体のベースを形成す
るように素子２６の間に置かれている。１体的な
上部壁を形成するように、冷却フインの上端部に
おいて平坦素子２６の間に狭いスペーサ３０を設
けるのが好ましい。また、スペーサ２８及び３０
は大きな熱伝導率を有する材料で作られるのが好
ましい。冷却フインの厚さがそれらの間の距離即
ち空隙の大きさを決める。フインの厚さと空隙の
比率は0.5乃至４の範囲で、約２が最適値である。

その管軸方向が冷却フイン面に垂直（即ち冷却
フイン列に平行）になるように細長い排気管３２
が１対の冷却フイン列の上部に配置されている。
この排気管３２は、各冷却フイン列の水平な上部
に装着されている１対の平坦な底壁部３４と、該
底壁部の外縁から両フイン列に跨がつて上方に膨
らんだ天井壁の上壁部３６とより構成されてい
る。底壁部の横方向の長さ（即ち、幅）は、冷却
フインを通つて排気管３２へ流通する流体路を規
制するので、フインの内側をも冷却するために
は、少なくともフインの横方向長さの中央部に位
置するような寸法である。底壁部の長手方向の長
さは、フイン列の長さに略一致すべきである。上
壁部３６の形は任意の形でよいが、その露出表面
全体に向けて略均一に送風された流体流（矢印５
２で図示している）がフイン列対の外側の空間３
８に集気するように凸状に膨らんでいることが必
要である。各外側空間３８は、筐体５０の側壁又
は隣接した別の１対のフイン列の外側（第４図参
照）により取囲まれていて、流体流５２を矢印３
９のように集気してフイン列の外側に案内する煙
突の役目を果たす。十分な送風圧力のため、冷却
流体流が各外側空間３８に面した各冷却フイン列
の外側から内側に向けて各冷却フイン面に平行に
通過し、次に各フイン列の内側から上方（矢印４
１の方向）に転向して排気管３２に向い、そこか
ら横方向（矢印４３の方向）に転向して出口４０
に向かう。第３図に示したように、排気管３２の
両端に出口４０を形成する一方、中央部の天井の
一部に垂下部を形成して流体分流構造体４２を設
けるのが好ましい。この流体分流構造体により、
冷却フイン列を冷却した流体が両出口４０から外
部へ排出される。排気管３２は低熱伝導度の材料
で形成するのが望ましい。上述した構造は必要に
応じて修正することが出来る。例えば、上壁部３
６を冷却フイン２４の上部に直接に接続させて、
これにより、フインの上部とスペーサ３０との組
み合わせが流体を通さない壁を与えることが出来
る。他の実施例として、壁部３４はスペーサ３０
を用いず、フイン２４の上部に直接に位置付ける
ことが出来る。更に、基台部１４は任意の適当な
手段で冷却フイン２４と１体化することが出来
る。

流体だめ函体５０は、矢印５２で示されたよう
に、送風機１２からフイン２４を経て排気管３２
へ流体を導くように、基台部１４上に装着されて
いる。本発明の装置はフイン２４を通る流体の圧
力低下は比較的低い。流体通路が短いこと、冷却
流体が平行に流れることが基台部１４からの熱を
非常に効果的、且つ効率的に除去する。第４図に
示したように、より大きなモジユールに適用する
場合、付加的なフインの列を設けることが出来
る。同じ寸法のフインが設けられたとき、フイン
を通る圧力低下はモジユールの大きさと無関係に
同じである。送風機の容量は、空気流の圧力低下
を同じに維持するための付加的な空気流を容易に
且つ、簡単に増加することが出来る。大きなモジ
ユールは、空気流がすべてのフインにわたつて平
行に流れるから、同じ効率で冷却される。対照的
に、従来の装置においては、空気が複数個の直列
のフインを通して流れて、下流の空気が暖めら
れ、下流の冷却が劣化するので、大きな空気圧を
必要とする。

本発明は図示し説明した実施例に他の幾多の変
更を施すことが出来る。例えば、空気流の方向を
側面から入り上方へ抜けるよう空気流の方向を変
えることが出来る。

他の変更において、１つのモジユールにおける
すべてのフインを全体として１個のフイン・アレ
ーとして作ることも出来る。従つて、空気はこの
大きなアレーの上部における幾つかの場所から入
りそして出て行く。空気が容易に入りそして出て
行くために、アレーの中に刻み目、即ちノツチを
作ることが出来る。また、スペーサの座台は空気
流を助けるよう形成するのが好ましい。

基台及びフインの構造は、例えば0.25ミリメー
トルの銅板のような薄い熱の良導体で作ることが
出来る。適当な打抜き型で、適当なノツチを有す
るフイン条片を打抜く。他のプレス型で、上部及
び下部のスペーサを打抜く。これらのフイン条片
は、並べられ、そして全体として１体化された構
造にするため接着（例えば、はんだ付け、または
接着剤により）される。

Ｅ 発明の効果 本発明は比較的低廉で、電子素子の熱を非常に
効果的、効率的に除去し、且つ寸法の異なるモジ
ユールにも簡単に適用可能な冷却装置を提供す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷却装置の実施例を一部破断
して示す斜視図、第２図は本発明の冷却装置の立
面の斜面図、第３図は本発明の冷却装置の側面の
断面図、第４図は本発明の冷却装置の他の実施例
の正面の断面図である。 １０……冷却装置、１２……送風機、１４……
基台部、１６……半導体デバイス、２４……冷却
フイン、３２……排気管、５０……流体だめ函
体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の電子回路素子を一方の表面に有する
   良熱伝導体の基台部と、 フイン面と直角方向に離隔して列状に上記基台
   部の他方の表面上に配列されている複数枚の冷却
   フインの列の２列を対にして並置した少なくとも
   １対の冷却フイン列と、上記１対の冷却フイン列
   に跨がつて装着され、冷却フイン列に沿つて細長
   く延びていて少なくとも１端に排気開口を有する
   共通の排気手段と、 上方から上記基台部へ向けて送風される冷却流
   体を各冷却フイン列の外側に案内するための各外
   側空間を規定する流体路構造体とを備えた電子回
   路素子用冷却装置において、 上記排気手段は、各冷却フイン列の水平上面に
   固着した１対の底壁部と、該各底壁部の外縁に結
   合され上方に膨らんだ天井壁とより構成されてお
   り、 冷却流体が上記各外側空間から各冷却フイン列
   中を通過し、次に各冷却フイン列の内側間の空間
   及び排気手段を通過して排気開口から外部へ排気
   されるよう構成されていることを特徴とする上記
   冷却装置。