JPH05343572A - 半導体素子の放熱装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 半導体素子の放熱装置に関するもので、電子
機器における小型化及び高密度化によるは発熱密度の増
加にともな放熱における熱伝達率を向上させる。 【構成】 半導体素子の放熱装置の基台部に貫通孔６を
持つ構造になるように粉末冶金法により作成した半導体
素子の放熱装置である。粉末冶金法により、多孔質の半
導体素子の放熱装置を作成することで、半導体素子の放
熱装置の空孔２に空気が流れる構造となる。または、貫
通孔６に空気を強制的に送ることにより、半導体素子の
放熱装置の空孔２に空気が流れる構造となる。この空孔
に空気が流れる時に、半導体素子の放熱装置から空気へ
の熱伝達作用があり、熱伝達を受けた空気が半導体素子
の放熱装置の外部へ放出する事で熱７が半導体素子の放
熱装置の外部へ放射される。この作用により熱伝達率が
向上する装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子回路の熱設計におけ
る半導体素子の放熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の高性能化にともない、
配線長の短縮、部品の高密度化および小型化による発熱
密度の増加が著しくなってきた。これに伴って、電子機
器の放熱装置の性能向上および小型化が求められてい
る。

【０００３】従来の半導体素子の放熱装置については、
単位時間に固体表面を通して伝わる熱量が、ニュートン
の冷却の法則より固体の表面積および固体と流体間の温
度差に比例することから、半導体素子の放熱装置の表面
積を増加させること及び放熱効率の良い形状にすること
を目的としてきた。

【０００４】以下図面を参照しながら、上記した従来の
半導体素子の放熱装置の一例について説明する。

【０００５】（図８）は従来の半導体素子のピン型放熱
装置を示すもので材質はAl合金である。

【０００６】半導体素子のピン型放熱装置１６は放熱部
１７に複数の円柱状の凸部３を整列させて表面積の増加
をはかっている。前記半導体素子のピン型放熱装置１に
よる放熱状態を図９に示す。半導体素子４の発熱面８に
半導体素子のピン型放熱装置１６を設け、半導体素子よ
り発生した熱７は半導体素子のピン型放熱装置１６に伝
わり放熱部１７に設けた複数の円柱状の凸部３から熱を
外部（大気中）に放熱させる。自然空冷の場合は同図
（Ａ）に示したとおり、放熱部１７に設けられた複数の
円柱状の凸部３から放熱される熱１８により空気の対流
１９が生じて冷却される。一方、強制空冷の場合同図
（Ｂ）に示すとおり、送風２０が半導体素子のピン型放
熱装置１６の放熱部１７に設けられた複数の円柱状の凸
部３から放熱される熱１７が送風２０により冷却されも
のである。この時、放熱部１７は複数の円柱状の凸部３
であるため半導体素子の放熱装置１６は風向が制限され
ない。また、自然空冷および強制空冷のいずれの場合に
も使用可能であるなどの特徴を有している。しかしなが
ら、半導体素子の放熱装置の放熱特性は放熱面積に依存
しており、円柱状の凸部３の直径２１および配置数によ
り放熱面積が決定される。従って、外形寸法２２に対し
ていかに多くのピンを設け、放熱面積を確保することが
問題であった。そのため多数のピンの配置をできるよう
にピンの配置ピッチ２３を少なくしたりピンの形状を細
くするなどの方法が取られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、半導体素子の放熱装置の表面と空気との
間での熱の流れによって生じる自然対流、あるいは強制
対流のような対流熱伝達により空気中に放熱しているの
で、空気中への熱伝達率が低いという問題点を有してい
た。このため、以下に示すことがらに対処しきれなくな
ってきている。 （１） 半導体素子の消費電力が、近年では６Ｗ／チッ
プ近いものまでが出来ており、現状の放熱技術では対応
できなくなってきている。 （２） コンピュータなどの電子機器の小型化や高密度
化による発熱密度が著しく増加し、現状の放熱技術では
対応できなくなってきている。 （３） 現在電子機器の小型化軽量化の傾向があるが、
これに対応する小型軽量でかつ高性能な放熱装置の開発
が必要とされる。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑み、空気中への熱
伝達率向上を目的とする半導体素子の放熱装置を提供す
るものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の半導体素子の放熱装置は、多孔質材料で構
成されており、半導体素子の放熱装置の多孔質の内部か
ら外部へ気体が流出する構成を備えたものである。

【００１０】

【作用】本発明は上記した構成によって、半導体素子の
放熱装置の多孔質の内部を空気が流れることで、半導体
素子の放熱装置の多孔質の内部で熱伝達を受けた空気を
半導体素子の放熱装置表面から空気中に放出すること
で、半導体素子の放熱装置表面から空気中への対流熱伝
達の効率を向上させることができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の一実施例の半導体素子の放熱装
置について、図面を参照しながら説明する。

【００１２】（図１）及び（図２）は本発明の第１実施
例における半導体素子の放熱装置の斜視図及び断面図を
示すものである。（図１）、（図２）において、１は半
導体素子の放熱装置で多孔質の材質のため内部に多くの
空孔２を構成している。３は半導体素子の放熱装置１の
放熱領域である円柱状の凸部である。また、半導体素子
の放熱装置１の半導体素子４の取付面５と直交する、半
導体素子の放熱装置１の側面に複数個の貫通孔６が設け
られた構造になっており、半導体素子の放熱装置１への
半導体素子４の取付は半導体素子の放熱装置１の半導体
素子の取付面５で行われている。。

【００１３】以上のように構成された半導体素子の放熱
装置について、以下（図３）を用いてその動作を説明す
る。

【００１４】まず（図３）は構成図を示すものであっ
て、半導体素子４から生じる熱７は半導体素子４の発熱
面８から半導体素子の放熱装置１の半導体素子４の取付
面５に伝達される。伝達された熱７は半導体素子の放熱
装置１の円柱状の凸部３の表面及び空孔２の内壁から放
散される。このとき、空孔２の内壁から伝達される熱７
で半導体素子の放熱装置１の内部の空孔２を通して円柱
状の凸部３の表面への空気の対流９が生じる。したがっ
て、熱伝達を受けた空気の対流９により貫通孔６から常
に外部から空気１０が送り込まれ、空気の対流・循環が
行われる。このような熱気流の循環により空孔２の内壁
が常に空気１０によって冷却され、放熱効果は著しく向
上することができる。

【００１５】以下本発明の第２の実施例について図面を
参照しながら説明する。（図４）及び（図５）は本発明
の第２実施例における半導体素子の放熱装置の斜視図及
び断面図を示すものである。（図４）、（図５）におい
て、１は半導体素子の放熱装置で多孔質の材質のため内
部に多くの空孔２を構成している。３は半導体素子の放
熱装置１の放熱領域である円柱状の凸部である。また、
半導体素子の放熱装置１の内部に中空部１１を有し、前
記中空部１１より前記半導体素子の放熱装置１の半導体
素子４の取付面５と直交する半導体素子の放熱装置１の
側面と前記中空部１１との間に貫通孔６が１個以上が設
けられた構造になっており、半導体素子の放熱装置１へ
の半導体素子４の取付は半導体素子の放熱装置１の半導
体素子の取付面５で行われている。。

【００１６】以上のように構成された半導体素子の放熱
装置について、以下（図６）を用いてその動作を説明す
る。

【００１７】まず（図６）は構成図を示すものであっ
て、半導体素子４から生じる熱７は半導体素子４の発熱
面８から半導体素子の発熱装置１の半導体素子の取付面
５に伝達される。伝達された熱７は半導体素子の放熱装
置１の円柱状の凸部３の表面及び空孔２の内壁から放散
される。このとき、貫通孔６より、空気１０を半導体素
子の放熱装置１の中空部１１へ送風することで、空孔２
の内壁より熱伝達を受けた空気２１が半導体素子の放熱
装置１の内部の空孔２を通して円柱状の凸部３の表面の
空孔２より外部へ放出される。したがって、貫通孔６よ
り半導体素子の放熱装置１の中空部１１へ送風された空
気１０により空孔２の内壁で熱伝達を受けた空気１２が
外部に放出されるため、常に空孔２の内壁が空気１０に
よって冷却され、放熱効果は著しく向上することができ
る。

【００１８】以下本発明の第３の実施例について図面を
参照しながら説明する。（図７）は本発明の第３の実施
例を示す半導体素子の放熱装置の製造工程での金属粉末
あるいは合金粉末と樹脂粉末との混合粉末の金型１３で
の成形図である。

【００１９】Al系合金粉末に３０％樹脂粉末を混合した
混合粉末１４を３００ＭＰａの圧力で成形用金型で圧縮
しながら、半導体素子の放熱装置１の形状に成形する。
その際に、貫通孔６あるいは中空部１１を作製するため
に前記貫通孔６あるいは中空部１１の形状と同形状の成
形用樹脂１５を加えて圧縮成形の工程を行う。前記圧縮
成形したAl系合金粉末に３０％樹脂粉末を混合した混合
粉末１４を５００〜６００℃で焼結することによる樹脂
を取り除く工程で空孔２を４０％含む多孔質の半導体素
子の放熱装置１を作成した。前記半導体素子の放熱装置
１３の作成工程で作成された半導体素子の放熱装置１は
前記実施例１〜２の放熱特性を具備して＝いる。

【００２０】第４の実施例として、Al系合金粉末を２０
０ＭＰａの圧力で成形用金型で圧縮しながら、半導体素
子の放熱装置１の形状に成形する。その際に、貫通孔６
あるいは中空部１１を作製するために前記貫通孔６ある
いは中空部１１の形状と同形状の樹脂１５を加えて圧縮
成形の工程を行う。前記圧縮成形したAl系合金粉末を５
００〜６００℃で焼結する工程で空孔２を３０％含む多
孔質の半導体素子の放熱装置１を作製した。前記半導体
素子の放熱装置の作製行程で作製された半導体素子の放
熱装置は前記実施例１〜２の放熱特性を具備している。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明は粉末冶金法によ
り、粉末を貫通孔をもうけた半導体素子の放熱装置に成
形し焼結させることにより、多孔質材料で構成された半
導体素子の放熱装置を作製し、半導体素子の放熱装置の
内部の空孔の内壁より熱伝達を受けた空気が、貫通孔か
ら送入された空気の循環により、半導体素子の放熱装置
表面より放出することで放熱性能を３０〜４０％向上さ
せることができる。したがって、以下に示すような効果
が得られる。 （１） 半導体素子の発熱量の増加に対して、現状の半
導体素子の発熱量の３０〜４０％の増加に対応できる。 （２） 電子機器などの小型化や高密度化による発熱密
度の３０〜４０％の増加に対応できる。 （３） 電子機器の小型化軽量化が要求されてきている
が、これに対して放熱能力が現状のものと同等であるな
ら３０％の小型化が実現でき、また多孔質材料であるこ
とにより３０〜４０％の軽量化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における半導体素子の放
熱装置の斜視図

【図２】本発明の第１の実施例における半導体素子の放
熱装置の断面図

【図３】同実施例における動作説明のための半導体素子
の放熱装置の構成図

【図４】本発明の第２の実施例における半導体素子の放
熱装置の斜視図

【図５】本発明の第２の実施例における半導体素子の放
熱装置の断面図

【図６】同実施例における動作説明のための半導体素子
の放熱装置の構成図

【図７】本発明の第３の実施例における半導体素子の放
熱装置の製造行程図

【図８】本発明における従来の半導体素子の放熱装置の
斜視図

【図９】本発明における従来の半導体素子の放熱装置の
概略図

【符号の説明】

１ 半導体素子の放熱装置 ２ 空孔 ３ 円柱場の凸部 ４ 半導体素子 ５ 取付面 ６ 貫通孔 ７ 熱 ８ 発熱面 ９ 対流 １０ 空気委 １１ 中空部 １２ 空気部 １３ 成形用金型 １４ 混合粉末 １５ 成形用樹脂

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子に用いる放熱装置において、前
   記放熱装置を構成する材料が、金属よりなる多孔質材料
   であることを特徴とする半導体素子の放熱装置。
2. 【請求項２】半導体素子の放熱装置において前記体素子
   を取り付けた面に直交する側面に複数個の貫通孔を有す
   る請求項１記載の半導体素子の放熱装置。
3. 【請求項３】半導体素子の放熱装置の基台内部に中空部
   を有し、前記中空部より前記半導体素子の放熱装置の半
   導体素子を取り付けた面に直交する側面と前記中空部と
   の間に貫通孔を１個以上有する請求項１記載の半導体素
   子の放熱装置。
4. 【請求項４】金属粉末あるいは合金粉末と樹脂粉末とを
   混合する工程、前記金属粉末あるいは合金粉末と樹脂粉
   末との混合粉末を金型で圧縮成形し、前記金属あるいわ
   合金成形体内部に樹脂粉末が一様に分散された構造を形
   成する工程、前記圧縮成形した金属粉末あるいは合金粉
   末と樹脂粉末との混合粉末を焼結することにより樹脂粉
   末を取り除く工程を備え、金属あるいは合金からなる多
   孔質材料で形成されたことを特徴とした半導体素子の放
   熱装置の製造方法。
5. 【請求項５】金属粉末あるいは合金粉末を金型で圧縮成
   形する工程、前記圧縮成形した金属粉末あるいは合金粉
   末を焼結する工程を備え、金属あるいは合金からなる多
   孔質材料で形成されたことを特徴とした半導体素子の放
   熱装置の製造方法。