JPH06120387A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ベース部１を発熱体に熱的に接続し、内部に流
体を流動させることによって放熱する形式のヒートシン
クにおいて、ヒートシンクが、ベース上に多数の平行平
板状のフィン２を備えるとともに、ヒートシンクの上面
において、長手方向が平板フィン２と直交し、かつ、そ
の実質的な幅がヒートシンクの全幅にほぼ等しいノズル
又はダクトを複数個備えたことを特徴とする。 【効果】ヒートシンクの圧力損失を増すことなく、放熱
性能を上げることができる。また、ヒートシンクのサイ
ズが変わった場合に対しても、放熱設計が容易になる。
さらに、小さい圧力損失でより多くの流量を供給するこ
とができ、その結果、パッケージ内の温度分布をより均
一化することができ、より高速の信号処理が可能にな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機器の冷却に係り、特
に、高発熱密度の半導体チップ又はパッケージの冷却に
好適である半導体冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発熱体上にヒートシンクの一つの面を熱
的に接合して吸熱面とし、吸熱面に対向する面から冷却
流体を供給する構造のヒートシンクが特開平2−34993号
公報に記載されている。同様の構造が実開平1−113355
号公報にも記載されている。これらの構造では、ヒート
シンクへの冷却流体の流入部は一つのヒートシンクに対
して１ヵ所であり、ヒートシンクからの冷却流体の排出
は、ヒートシンクの側面（吸熱面に直交する面）で行わ
れる。また、プロシーディングス・オブ・アイイーイー
イー・インターナショナル・コンファレンス・オン・コ
ンピュータ・デザイン（Proceedings of IEEE Internat
ional Conference on Conputer Design (ＩＣＣＤ '８
３，November１,１９８３，Session：The New ＩＢＭ
４３３１))に吸熱面に対向する面に複数の流体流入部を
もつヒートシンクが記載されている。このヒートシンク
でも冷却流体の排出はヒートシンクの側面で行われる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には次の
ような問題があった。上記従来技術は、いずれも冷却流
体として空気を用いるものである。空気は熱容量が小さ
いので、このヒートシンクによって大発熱量の半導体パ
ッケージ等を冷却しようとすれば空気の流量を増す必要
が出てくる。一方、半導体装置等に適用できる送風ファ
ンでは吐出圧がそれほど大きくとれないので、圧力損失
の大きいヒートシンクでは風量を増すことが困難にな
り、結果として放熱性能に制限が生じることになる。従
来技術では、基本的には冷却流体をヒートシンクの上面
から導入し、側面から排出する構造であるので、ヒート
シンクの長さをＬとすると冷却流体の流れる流路長さは
概ねＬ／２となる。一般に、ヒートシンクの圧力損失は
流路の長さに比例する。従来技術で大形の半導体パッケ
ージを冷却しようとするとヒートシンクが長くなるた
め、圧力損失の増加を避けることが極めて困難になると
いう問題が生じる。さらに、ヒートシンクの放熱性能が
ヒートシンクのサイズに依存するため、半導体パッケー
ジのサイズが異なる度に、ヒートシンクの設計を変えな
ければならないという問題も生じる。

【０００４】本発明の目的は、放熱性能が高く、且つ、
圧力損失の小さいヒートシンクを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】ヒートシンクの圧力損失
を増すことなく放熱性能を上げるため、本発明ではヒー
トシンクに多数の平行平板状のフィンを設け、フィン間
の間隙を微小に保つとともに、冷却流体をヒートシンク
の上面から複数の帯状領域に区分的に供給する。

【０００６】

【作用】ヒートシンク又はマイクロヒートシンクユニッ
トに設けられた多数の板状のフィンは、冷却流体が流れ
る流路を形成するとともに、発熱体からヒートシンクに
伝えられた熱を冷却流体に効果的に伝達するように作用
する。また、ヒートシンクの上面に設けられた複数個の
帯状の流入部は、冷却流体の流れる流路を実質的に分割
し、冷却流体が流れる実質的な流路長を短縮し、且つ、
各々の実効流路を流れる冷却流体の流量を減じ、ヒート
シンク全体の放熱性能を低下させることなく圧力損失を
低減するように作用する。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。フィンベース１上に、多数の板状のフィン２が設け
られており、一つのヒートシンクを構成する。また、ヒ
ートシンクの上面には冷却流体をヒートシンクに供給す
るためのノズル（又はダクト）３が２個設けられる。ノ
ズル３は矩形の断面形状を有しており、長辺が板状のフ
ィンの長手方向に直交する方向に設けられる。ノズル３
の長辺の長さは、ヒートシンクの全幅にほぼ等しい。ま
た、ノズル３の短辺の長さは、ヒートシンクの上面に三
つの冷却流体の流出部４が形成される程度に短い。

【０００８】次に本実施例の作用を説明する。ヒートシ
ンクの上面に設けられた複数の矩形断面ノズル３は、冷
却流体の導入部として作用すると同時に、ヒートシンク
の上面において冷却流体の流出部４を複数個形成し、冷
却流体が流れる実質的な流路長を短縮し、且つ、各々の
実効流路を流れる冷却流体の流量を減じ、冷却流体の流
動に伴う圧力損失を低減するように作用する。図２は、
この作用を模式的に示したものである。例えば、流体の
流入，流出部を実質的に４個所ずつ設けて、流体の流路
を実質的に４分割した（図でＮ＝４の場合）場合を考え
ると、流体を流路の一方の端から他方の端へ一方向に流
す場合（図でＮ＝１の場合）に比べて、各々の分割流路
の実効的な長さは１／４に、また各々の分割流路を流れ
る流量も１／４になる。

【０００９】フィン間の流れが層流である場合にはフィ
ン間の流れの圧力損失は次式で表される。

【００１０】〔数１〕 Δｐ_f＝１２ρｕ_fνｌ／ｗ_c ² …(数１） ここに、ρ：流体の密度、ｕ_f：フィン間の流速、ν：
流体の動粘性係数、ｌ：代表流路長さ、ｗ_c：フィン間
の流路幅 フィン間の流速、及び代表流路長さはそれぞれ次式で表
される。

【００１１】〔数２〕 ｕ_f＝(１／Ｎ)Ｇ／Ａ_c …(数２） 〔数３〕 ｌ＝(１／Ｎ)Ｌ …(数３） ここに、Ｇはヒートシンク全体を流れる流量、Ａ_c は流
路の総断面積、Ｌはヒートシンク全体の長さを表す。

【００１２】数２，数３を数１に代入すれば次式が得ら
れる。

【００１３】〔数４〕 Δｐ_f＝１２ρν(Ｇ／Ａ_c)²Ｌ／ｗ_c ²／Ｎ² …(数４） 数４は、分割数Ｎの２乗に逆比例して圧力損失が小さく
なることを示している。

【００１４】一方、フィンの熱伝達率の向上は基本的に
はｗ_c を小さくし、フィン間の流路をマイクロチャネル
化することにより達成されるから、ｗ_c を小さくした
分、Ｎを増せば、圧力損失を増加させることなく放熱性
能を上げることも原理的には可能になる。この原理は、
冷却流体が空気の場合のみならず、水，フロロカーボン
等の液体についても同様に成り立つ。

【００１５】図３は、本発明の他の実施例を示したもの
である。ヒートシンクに設けるフィンを分断された形態
の多数のフィン要素５から形成し、さらに、ヒートシン
クの２側面に側板６を設けたものである。ノズル３は、
長辺が側板６に直交する方向に設けられる。本実施例で
は、フィンの代表長さが短いから、フィンの表面の境界
層の厚さを薄く保つことができ、フィンから流体への熱
伝達率を上げ、ヒートシンクの放熱性能をさらに高める
ことができる。側板６は冷却流体が冷却にあまり寄与す
ることなく側面から逃げることを防ぐように作用する。
尚、分断された多数のフィン要素からなる形態のフィン
は、他にも、ピンフィンや角柱フィン等がある。

【００１６】図４及び図５に本発明のさらに他の実施例
を示す。図４は正面図、図５は側面図を表す。ヒートシ
ンクに設ける板状フィン２に多数の貫通ピン７を設けた
ものである。各板状フィンに設けられた微小な貫通ピン
７は、流れる流体に乱れを与え、熱伝達を促進するよう
に作用する。

【００１７】図６に本発明のさらに他の実施例を示す。
ヒートシンクの上面を覆う天板８を設け、かつ、天板８
に、冷却流体が流入，流出するための開口部９，１０を
設けたものである。天板８は、冷却流体が冷却にあまり
寄与することなくヒートシンクの上面から逃げるのを防
ぐように作用する。

【００１８】図７に本発明のさらに他の実施例を示す。
ヒートシンク側面の冷却流体流出部を閉塞する部材１１
を設けたものである。閉塞部材１１は、冷却流体が全て
ヒートシンクの上面から流出するように作用し、複数の
ヒートシンクが隣接する場合でも互いの干渉をなくし、
安定した放熱性能が得られるように作用する。

【００１９】図８に本発明のさらに他の実施例を示す。
複数のマイクロヒートシンクユニット１２をベース部１
に熱的に接合し、一つのヒートシンクを構成する。各々
のマイクロヒートシンクユニット１２の四つの側面には
側板１３が設けられる。また、各々のマイクロヒートシ
ンクユニット１２の上面には天板１４が設けられる。天
板１４には冷却流体が流入，流出するための開口部１
５，１６が各マイクロヒートシンクユニット毎に設けら
れる。このヒートシンクは、例えば大面積の半導体パッ
ケージ１７に取り付けられる。

【００２０】次に本実施例の作用を説明する。大面積の
ヒートシンクを複数のマイクロヒートシンクユニットで
構成したことにより、大面積のヒートシンクの流路が個
別の流路要素に分割されることになり、圧力損失の低減
効果が生じることは前述の実施例と同様の作用によるも
のであるが、本実施例では、さらに次のような効果が生
じる。各々のマイクロヒートシンクユニットは、それぞ
れ独立した流入，流出部を有しているため、基本的には
個々のマイクロヒートシンクユニットは独立している。
そのため、マイクロヒートシンクユニット単体の放熱性
能を把握しておけば、これを複数個用いて大面積のヒー
トシンクを構成しても、その放熱性能はマイクロヒート
シンクユニットの単体性能の和として表される。そのた
め、冷却すべき半導体パッケージのサイズが変わって
も、放熱設計が容易であり、その結果，効果的な冷却が
可能となる。

【００２１】図９は、ヒートシンクを構成するマイクロ
ヒートシンクユニットの例を示したものである。マイク
ロヒートシンクは側板１３及び天板１４を有しており、
マイクロヒートシンクへの冷却流体の流入，流出は、上
面に設けられた開口部１５，１６において行われる。

【００２２】図１０は、マイクロヒートシンクの他の例
を示したものである。基本的には、図９のマイクロヒー
トシンクユニットを２個まとめて一つのユニットとした
ものであるが、流体流入用の開口部１５をまとめて一つ
の開口部としたものである。

【００２３】図１１に本発明のヒートシンクを半導体装
置の冷却に応用した例を示す。多層配線基板１８上に
は、複数個の半導体パッケージ１７が接続ピン１９を介
して搭載されている。各々の半導体パッケージ１７上に
は、フィンベース１を有するヒートシンク２０が搭載さ
れる。ヒートシンク２０は、その上面に帯状の冷却流体
の入り口部及び出口部を複数個有している。さらに、半
導体パッケージを搭載する多層配線基板１８に対向し
て、中空の送風ボード２１が設けられ、各ヒートシンク
の冷却流体流入部に対応する位置にノズル２２が設けら
れる。このような構成をとることにより、基板上に複数
個搭載された半導体パッケージに本発明のヒートシンク
を装着し、冷却流体を供給することが容易になる。本発
明のヒートシンクは低圧損で且つ放熱性能が高いため、
パッケージ内の温度分布を均一化することができ、より
高速の信号処理が可能になり、また機械的な信頼性も増
す。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ヒートシンク又はマイ
クロヒートシンクユニットに多数の板状のフィンを設
け、かつ、ヒートシンクの上面に、冷却流体の流入，流
出部を複数個形成したので、ヒートシンクの圧力損失を
増すことなく、放熱性能を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明の作用を示す説明図。

【図３】本発明の第二の実施例を示す斜視図。

【図４】本発明の第二の実施例の示す正面図。

【図５】本発明の第二の実施例の示す側面図。

【図６】本発明の第三の実施例を示す斜視図。

【図７】本発明の第四の実施例を示す斜視図。

【図８】本発明の第五の実施例を示す斜視図。

【図９】本発明のマイクロヒートシンクユニットの一実
施例を示す斜視図。

【図１０】本発明のマイクロヒートシンクユニットの第
二の実施例を示す斜視図。

【図１１】本発明の第六の実施例を示す断面図。

【符号の説明】

１…フィンベース、２…板状フィン、３…ノズル、４…
冷却流体流出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベース部を発熱体に熱的に接続し、内部に
   流体を流動させることによって放熱する形式のヒートシ
   ンクにおいて、前記ヒートシンクが、ベース上に多数の
   平行平板状のフィンを備え、前記ヒートシンクの上面に
   おいて、長手方向が前記平板状フィンと直交し、その実
   質的な幅が前記ヒートシンクの全幅にほぼ等しいノズル
   又はダクトを複数個備えたことを特徴とするヒートシン
   ク。