JP2894243B2

JP2894243B2 - 熱放散特性に優れたヒートシンク

Info

Publication number: JP2894243B2
Application number: JP12460895A
Authority: JP
Inventors: 誠均田坂
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 1999-05-24
Anticipated expiration: 2014-05-24
Also published as: JPH08316388A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シングルチップまたは
マルチチップモジュール用ヒートシンク、例えば、大規
模集積回路（ＬＳＩ）等の発熱を伴うチップを複数個、
近接させて一括封止するマルチチップモジュール（ＭＣ
Ｍ）の冷却に用いられるヒートシンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】情報処理量の急激な増大、情報処理の高
速化への要求に対応して、ＩＣ、ＬＳＩに代表される電
子部品のチップ内電子回路微細化による高集積化が進む
と同時に、この高集積化された複数のチップを近接させ
て一括封止するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）の採
用が急速に増大している。

【０００３】このマルチチップモジュールは、封止する
前の斜視図を図１（イ）に、封止後の断面図を図１
（ロ）に、そしてヒートシンクを取り付けたときの側面
図を図１（ハ）にそれぞれ示すように、多層セラミック
ス配線基板（ＭＬＳ）１１上に複数個のＬＳＩチップ１
２を搭載しキャップ１３により気密封止し、マルチチッ
プモジュールパッケージ１５を構成し、入出力ピン１４
により電気信号の入出力を行う構造となっている。

【０００４】それぞれが高集積化されたチップ１２を複
数搭載しているため発熱密度、発熱量ともに従来の単一
ＩＣパッケージ等に比べ飛躍的に増大しており回路動作
速度の確保、信頼性の向上のため各チップが許容温度以
下に保たれるよう冷却する必要がある。このためチップ
１２から発生する熱を効率良く外部へ放散すべく、図１
（ハ）に示すように、マルチチップモジュールパッケー
ジ１５にヒートシンク１６を取り付けた構造が考案され
ている。（博報堂出版、１９８７、日本機械学会編、電
子機器の冷却技術、３０−３２頁）。ヒートシンク１
６には冷却用作動流体が強制的に供給されており、その
冷却を行っている。

【０００５】キャップ１３とチップ１２とは、線膨張率
の同等な材質から構成されており、キャップ１３にダイ
ボンディングされたチップ１２は、その発生する熱をダ
イボンディング材１７からキャップ１３、ヒートシンク
１６への熱伝導を通して、またヒートシンク１６から作
動流体への熱伝達を通して持ち去られることにより冷却
される。

【０００６】従来、この冷却方法としてはヒートシンク
に作動流体として空気を強制的に流す強制空冷が、冷却
装置の構造が簡単で手軽であることから多用されてい
る。また、この強制空冷に用いるヒートシンク形状とし
ては、図２（イ）に示すような底板２１上に平行平板列
状の放熱フィン２２（以下、放熱板という）を有するチ
ャンネルフィン形ヒートシンク２３や図２（ロ）に示す
ように、底板２１上にピン型フィン２４（以下、放熱ピ
ンという）の並んだピンフィン形ヒートシンク２５が代
表的である。図中、白抜き矢印は作動流体としての空気
の流れの例を示す。

【０００７】これら従来のヒートシンクを用いて、マル
チチップモジュールの如き大発熱量、大発熱密度を有す
る発熱体の冷却に対応するためには、ヒートシンクの放
熱面積の増加及びヒートシンク内を通過する空気流量の
増大によって放熱能力を向上させる必要がある。このた
め、ヒートシンクを大型化することなく、同一専有体積
で放熱面積を増加させるには、フィンピッチ、フィン間
隔を減小させねばならない。

【０００８】ところが従来のヒートシンクは、その加工
法上の制約からフィンピッチ、フィン間隔の小寸化には
限界が有り、必要な放熱面積を得ることは困難である。

【０００９】また、従来の冷却方法においては、図２
（イ）に示す如く、ヒートシンクに、底板２１と平行な
方向へ、もしくは図２（ロ）に示す如く、底板２１と垂
直な方向へ作動流体である空気を供給することにより冷
却が行われているため、単にフィンピッチ、フィン間隔
の減少によるだけでは、放熱板あるいは放熱ピンの摩擦
抵抗による流路圧力損失の増大を招き、供給される空気
の大半はヒートシンク２３、２５を迂回して流れ、冷却
に寄与しなくなる。また、ヒートシンク内を通過する空
気流量を増大しようとすれば、摩擦抵抗による流路圧力
損失はほぼ流速の２〜３乗に比例して増加するため、十
分な送風能力を持つ大出力送風機が必要となり、スペー
ス、騒音の問題が生じる。

【００１０】上述のようなことから従来のヒートシンク
を用いた冷却方法によりマルチチップモジュールを許容
温度以下に冷却することは非常に困難である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
のヒートシンクに比べ、放熱面積が格段に大きく、冷却
用作動流体の圧力損失は同程度であるヒートシンク、具
体的には強制空冷下で用いられる従来のチャンネルフィ
ン形ヒートシンク、ピンフィン形ヒートシンクに比べ、
同一圧力損失において熱抵抗が１０〜５０％低減される
極めて高い放熱性能を有し、発熱密度、発熱量とも大き
いマルチチップモジュールの冷却に最適なヒートシンク
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者はヒートシンク
を大型化することなく、また冷却用作動流体の圧力損失
を大きくすることなく同一専有体積で放熱面積を増加さ
せる手段について鋭意実験、研究を重ねた結果、放熱体
を中抜き突起形状体とし、その周壁を多孔状にしてその
孔内を冷却流体を通過させることにより抜熱するのがよ
いことを知るに至り本発明を完成した。本発明の要旨と
するところは、「底板と、該底板上に底板と一体をなす
複数の中抜き突起形状体から構成され、該中抜き突起形
状体の周壁が、周壁の外周面から内周面方向、またはそ
の逆方向に作動流体の透過が可能な多孔状に形成されて
いるヒートシンク、このヒートシンクに更に、中抜き突
起形状体の中空部分に作動流体を供給する手段と、周壁
間の非突起部分の作動流体を吸引する手段のどちらか一
方、または双方を備えたヒートシンク、及び前者のヒー
トシンクに、更に中抜き突起形状体の中空部分の作動流
体を吸引する手段と、周壁間の非突起部分に作動流体を
供給する手段のどちらか一方、または双方を備えたヒー
トシンク」にある。

【００１３】

【作用】次に、本発明を添付図面を参照しながら作用に
ついてさらに詳細に説明する。

【００１４】図３は、本発明にかかるヒートシンクの一
例を示したもので、それぞれ（イ）は平面図、（ロ）は
側面図、（ハ）は断面図により示したものである。図示
したヒートシンク３１は、熱の良導体よりなる底板３２
と、その上に中空領域３３つまり円柱形状の中抜き部分
を有する直立した熱の良導体でできた多孔質状の円筒形
状体３４（以下、放熱円筒という）から構成されてい
る。

【００１５】放熱円筒３４は底板３２上に整列して複数
個（この図の場合、６×６＝３６個）配列されている。

【００１６】このヒートシンク３１において、底板寸
法、幅Ｗ×長さＬ×厚さＴ、放熱円筒高さＨ、中空領域
の断面直径ｄ_i、放熱円筒の外径ｄ_O、放熱円筒のピッ
チｐ₁、ｐ₂は適宜設定できる。

【００１７】底板及び突起形状体の材質は特に限定する
ものでなく、熱の良伝導体であればよく、例えば、アル
ミニウム合金、銅合金、鋼、セラミックス等である。

【００１８】突起形状体を中抜きにして、その周壁を、
周壁の外周面から内周面方向またはその逆方向に作動流
体が透過可能な多孔状に形成するのは、孔内を冷却用の
作動流体を通過させ通過中に突起体の有する熱を奪い冷
却するためである。従って、この周壁に設けた孔は、作
動流体の圧力損失を小さくするため、及び突起体の放熱
面積を大きくするためにできるだけ多い方が好ましい。

【００１９】孔の形状はどのような形状であってもよ
い。好ましい態様としては、多孔質状に小さな孔と孔が
連結し、突起体の周壁の外周面から内周面に貫通してい
なければならない。この場合、貫通孔は屈曲した状態と
なるが、熱交換効率が高いため作動流体の流量を最小限
にすることができ、圧力損失の増大を伴わない。

【００２０】多孔状中抜き突起形状体は、例えばアルミ
ニウム合金を素材とする場合、アルミロー材を表面に塗
布したアルミ線材を板状等に押し固め、これを加熱炉で
アルミロー材の融点まで加熱し、線と線の接触部をロー
材で融着した後冷却して多孔質状のアルミ板材とし、目
的の突起形状に成形することにより得られる。

【００２１】また、アルミ細線を突起形状体の周壁形状
に押し固め、それをアルミロー材の溶湯に浸漬し、引き
上げて冷却する方法もある。

【００２２】いずれの方法でも、アルミ線材を押し固め
る際、アルミ線材の量を増減することにより孔の増減調
整が可能である。その他腐食法により多孔状にすること
もできる。

【００２３】その他に、溶融アルミニウム合金に発泡材
を添加し、発泡により多孔状にする方法がある。まず、
溶融アルミニウム合金にＣａ粉末を増粘材として添加
し、撹拌機で撹拌して適当な粘度をもたせる。粘度を持
たせるのは、後の発泡工程における気泡の浮上逸出を抑
制するためである。この溶融アルミニウム合金に長さ10
〜50mm、直径が0.05〜0.2mm のステンレス繊維を10〜20
％混合し、更に加熱、撹拌する。次いでステンレス繊維
が完全に溶解してしまう前に、発泡材（TiH₂）を徐々に
添加して発泡させ冷却することにより連通孔を有する多
孔質のアルミニウム合金が得られる。

【００２４】図４は、本発明にかかる冷却用作動流体を
供給または吸引する手段を備えたヒートシンクの一例を
示す図である。図３に示したヒートシンクを用いて説明
する図で、図４（イ）はＡ−Ａ断面図、同（ロ）はＢ−
Ｂ断面図、同（ハ）はＣ−Ｃ断面図である。

【００２５】図示態様にあっては、ヒートシンク３１に
は天板４１が取り付けられ、この天板４１には、放熱円
筒の中抜き部分に相当する位置に開口４２が設けられて
おり、天板４１は放熱円筒上面に放熱円筒と密着して設
置されている。天板上には作動流体供給−吸入手段４６
が設けられている。

【００２６】発熱体であるチップから生じる熱は、ヒー
トシンクの底板３２を通して放熱円筒３４の固体部分へ
熱伝導により伝わる。一方冷却用の冷たい空気は空気供
給口４３より供給され、天板中央部の各開口４２より放
熱円筒の中空領域３３へ供給され、この後、放熱円筒中
の無数の孔よりなる流路を通過しながら、放熱円筒固体
部分より熱を奪う。こうして熱を奪い温められた空気
は、放熱円筒３４の周囲の非突起部分４４を通過し、吸
引口４５から吸引され、回収される。図４（イ）では＋
印が冷却用空気供給部を示し、−印が回収部を示す。

【００２７】この方法において、４５の吸引口を供給口
に変え放熱円筒３４の周囲に冷却用空気を供給し、天板
中央部の開口４２を通し４３を吸引口にして吸引、回収
するよう冷却用空気の流れ方向を逆にしても差し支えな
い。

【００２８】本発明では、中抜き突起形状体の中空部よ
り作動流体を供給または吸引し、多孔質放熱体の外周部
すなわち非突起部より作動流体を吸引または供給する場
合を例に説明したが、中抜き突起形状体の中空部より作
動流体を供給または吸引するだけでも、更には非突起形
状部より作動流体を吸引または供給するだけでも上記に
準ずる効果がある。

【００２９】このように、本発明によれば、作動流体を
中抜き突起形状体の中空領域より吸引、供給することに
より多孔質放熱体の冷却効果の均一化、効率化をはかる
ことができる。

【００３０】また、作動流体が液体であれば更なる効果
をもたらすことは当然である。

【００３１】ヒートシンクの多孔質放熱体は、特定の形
態のものに制限されず、図５（イ）に示すように、直方
体形状の放熱体に直方体形状の中空領域を有する、いわ
ゆる角筒形状のもの、図５（ロ）に示すように、直方体
形状の放熱体に円柱形状の中空領域を有すもの、図５
（ハ）に示すように、六角柱形状の放熱体に円柱形状の
中空領域を有すもの、また図５（ニ）に示す三角柱状の
放熱体に円柱形状の中空領域を有するもの等を用いて
も、同じ原理で本発明による冷却方法を適用することが
可能である。この場合も底板および多孔質放熱体は、熱
の良導体であることが望ましい。

【００３２】本発明にかかる構成によれば、放熱体は流
体透過性の多孔質材により形成されるため、その単位専
有体積当たりの放熱面積は、従来のヒートシンクに比べ
著しく大きい。更には供給される冷却用空気は全て、多
孔質放熱体内の無数の流路へ、均一に流入、通過するた
め、従来の冷却方法のように、ヒートシンク外側を冷却
用空気が迂回して流れることがなく、少ない空気流量
で、効率の良い冷却が可能となる。このため、ヒートシ
ンクの放熱面積が著しく増大しても、流路摩擦抵抗の影
響を受けにくい。

【００３３】本発明においては、前記多孔質放熱体を底
板上に所定の間隔を置いて整列に配列するの場合につい
て述べてきたが、千鳥状、更にはアトランダムに配列す
ることも可能なことは勿論である。

【００３４】また、各中抜き突起形状体のサイズはそれ
ぞれ異なってもよいことは言をまたない。

【００３５】次に、本発明の作用をその実施例によって
さらに具体的に説明する。

【００３６】

【実施例】

［実施例１］図３に示すように、多孔質アルミニウム合
金製の放熱円筒３４が底板３２上に６×６＝３６個整列
状に配置されており、各部位の寸法が、Ｌ＝Ｗ＝１００
mm、ｄ_o＝１４．０mm、ｄ_i＝６．０mm、ｐ₁＝ｐ₂＝
１６．０mm、Ｔ＝２．０mm、Ｈ＝１０．０mm、であるよ
うなヒートシンク３１に、図４に示すような断熱材であ
る樹脂製の天板４１を取り付けた冷却装置を用い、ヒー
トシンク裏面にシート状のヒーターを取り付け、冷却性
能試験を行った。このとき、冷却用空気は図４の如く各
放熱円筒の中空部に供給され、各放熱円筒の外周部より
吸引される。冷却用空気入口温度２５℃にて発熱量と空
気流速を変化させたところ発熱量１８０Ｗ、冷却用空気
流量４０００cc/sec（放熱円筒１個あたりに供給する冷
却用空気流量１１０cc/sec）の条件下で、ヒートシンク
における圧力損失が約１５５０Ｐａ、熱抵抗値が約０．
３Ｋ／Ｗという冷却性能を示した。これは発熱密度にし
て、１．８Ｗ／cm²の冷却を可能にしており、従来の強
制空冷においては、同じ熱抵抗を得るのに空気流量６０
００cc/sec程度必要であったことを考慮すると、画期的
な冷却能を示している。

【００３７】［実施例２］図６はこの実施例で用いたヒ
ートシンクを示す図で、図６（イ）はＡ−Ａ断面図、同
（ロ）はＢ−Ｂ断面図、同（ハ）はＣ−Ｃ断面図であ
る。図６に示すヒートシンク６１に、断熱材製の天板６
２と流体吸入手段６７を取り付けた。底板６３に設けた
多孔質状の角筒形状体６４（以下、放熱角筒という）が
整列して配置されており、その中抜き部分、つまり中空
領域６５に相当する位置に設けられた天板６２の開口か
らは吸引口６６からの吸引により作動流体である空気が
吸引される。

【００３８】図６に示すように、多孔質アルミニウム合
金製の放熱角筒６４が底板６３上に４×４＝１６個整列
状に配置されており、各部位の寸法が、Ｌ＝６０mm、Ｗ
＝７０mm、ａ₁＝１２．０mm、ａ₂＝１０．０mm、ｃ₁
＝５．０mm、ｃ₂＝４．５mm、ｌ₁＝６．０mm、ｌ₂＝
４．０mm、Ｔ＝２．０mm、Ｈ＝１０．０mmであるような
ヒートシンク６１に、断熱材である樹脂製の天板６２を
取り付けた冷却装置を用い、ヒートシンク裏面にシート
状のヒーターを取り付け、冷却性能試験を行った。この
とき、冷却用空気は各放熱角筒６４の中空部６５より吸
引することにより、各放熱角筒外周部より放熱角筒内流
路に流入する。冷却空気入口温度２５℃にて発熱量と空
気流速を変化させたところ発熱量１００Ｗ、冷却用空気
流量２８００cc/sec（フィン群１組あたりに供給する冷
却用空気流量２００cc/sec）の条件下で、ヒートシンク
における圧力損失が約９００Ｐａ、熱抵抗値が約０．４
Ｋ／Ｗという冷却性能を示した。これは発熱密度にし
て、２．４Ｗ／cm²の冷却を可能にしており、従来の強
制空冷においては、同じ熱抵抗を得るのに空気流量３２
００cc/sec程度必要であったことを考慮すると、画期的
な冷却性能を示している。

【００３９】［実施例３］図７はこの実施例に用いたヒ
ートシンクの図である。冷却用の空気は供給口７５から
供給され、放熱円筒７２の周囲の非突起部分７４を通過
し、突起形状体の壁内を通過して中空領域７５を通り、
吸引口７６から空気の吸引を行った。図７（イ）はＡ−
Ａ断面図、同（ロ）はＢ−Ｂ断面図、同（ハ）はＣ−Ｃ
断面図である。

【００４０】図７に示すように、多孔質セラミックス製
の放熱円筒７２が底板７３上に６×６＝３６個整列状に
配置されており、各部位の寸法が、Ｌ＝Ｗ＝１００mm、
ｄ_o＝１４．０mm、ｄ_i＝５．０mm、ｐ₁＝ｐ₂＝１
７．０mm、Ｔ＝２．０mm、Ｈ＝１１．０mm、であるよう
なヒートシンク７１に、断熱材である樹脂製の天板７４
を取り付けた冷却装置を用い、ヒートシンク裏面にシー
ト状のヒーターを取り付け、冷却性能試験を行った。こ
のとき、冷却用空気は各放熱円筒の外周部に供給され、
各放熱円筒７２の中空部７５より吸引される。冷却空気
入口温度２５℃にて発熱量と空気流速を変化させたとこ
ろ発熱量２５０Ｗ、冷却用空気流量５１００cc/sec（放
熱円筒１個あたりに供給する冷却用空気流量１４２cc/s
ec）の条件下で、ヒートシンクにおける圧力損失が約２
５００Ｐａ、熱抵抗値が約０．２５Ｋ／Ｗという冷却性
能を示した。これは発熱密度にして、２．５Ｗ／cm²の
冷却を可能にしており、従来の強制空冷においては、同
じ熱抵抗を得るのに空気流量６０００cc/sec程度必要で
あったことを考慮すると、画期的な冷却性能を示してい
る。

【００４１】

【発明の効果】本発明にかかるヒートシンクは、従来の
ヒートシンクに比べ同一専有体積あたりの放熱面積がは
るかに大きく、かつ冷却用の作動流体が、比較的小さい
流量で全て放熱部を通過するようにするため、従来の冷
却方法に比べ、流路摩擦による圧力損失の増大を低く抑
えつつ、冷却能力を格段に向上させることが出来る。こ
のため、従来の小型送風機を用いた強制空冷により発熱
量、発熱密度とも非常に大きいマルチチップモジュール
等の電子機器を許容温度まで冷却することを可能ならし
めるものである。

【００４２】また、本発明にかかる多孔質体からなるヒ
ートシンクは、マルチチップモジュールの冷却のみなら
ず、シングルチップモジュールの冷却にも適用できるこ
とは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はマルチチップモジュール及びこの冷却方
法の概略を示す斜視図、断面図、そして側面図である。

【図２】図２は、従来の強制空冷用チャンネルフィンお
よびピンフィンと、この放熱フィンに作動流体を供給し
て行う冷却の態様を示す図である。

【図３】図３は本発明のヒートシンクの例としてのマル
チチップモジュール用ヒートシンクの平面図、側面図、
断面図である。

【図４】図４は本発明のヒートシンクを示す図である。

【図５】図５は本発明のヒートシンクの多孔質突起形状
体のそれぞれ斜視図である。

【図６】図６は本発明のヒートシンクを示す図で、平面
図、側面図、断面図である。

【図７】図７はは本発明のヒートシンクを示す図で、平
面図、側面図、断面図である。

【符号の説明】

32 底板 41 天板 46 作動流体
の供給または吸引手段 33 中空領域 43 供給口 34 突起形状体 45 吸引口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−196041（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−93966（ＪＰ，Ａ) 特開平４−83368（ＪＰ，Ａ) 特開平５−283878（ＪＰ，Ａ) 特開平６−120387（ＪＰ，Ａ) 特開平８−247594（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−72741（ＪＰ，Ｕ) 実開平７−27158（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473 H05K 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】底板と、該底板上に底板と一体をなす複数
の中抜き突起形状体から構成され、該中抜き突起形状体
の周壁が、周壁の外周面から内周面方向、またはその逆
方向に作動流体の透過が可能な多孔状に形成されている
ことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】底板と、該底板上に底板と一体をなす複数
の中抜き突起形状体から構成され、該中抜き突起形状体
の周壁が、周壁の外周面から内周面方向、またはその逆
方向に作動流体の透過が可能な多孔状に形成され、該中
抜き突起形状体の中空部分に作動流体を供給する手段
と、周壁間の非突起部分の作動流体を吸引する手段のど
ちらか一方、または双方を備えていることを特徴とする
ヒートシンク。
【請求項３】底板と、該底板上に底板と一体をなす複数
の中抜き突起形状体から構成され、該中抜き突起形状体
の周壁が、周壁の外周面から内周面方向、またはその逆
方向に作動流体の透過が可能な多孔状に形成され、該中
抜き突起形状体の中空部分の作動流体を吸引する手段
と、周壁間の非突起部分に作動流体を供給する手段のど
ちらか一方、または双方を備えていることを特徴とする
ヒートシンク。