JP4458872B2

JP4458872B2 - ヒートシンク

Info

Publication number: JP4458872B2
Application number: JP2004036788A
Authority: JP
Inventors: 博千葉; 哲朗大串; 英雄中嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005228948A

Description

本発明はヒートシンクに関する。

動作時の発熱量の大きな半導体デバイス（例えば半導体パワーモジュール）等では、発熱体（例えばＩＢＧＴ）で発生する熱を逃がすためにヒートシンクが用いられている。ヒートシンクは、通常、発熱体が載置されるベースと、ベースにより支持された複数のフィンを備える。フィンは冷媒流路内に配置され、これにより発熱体で発生した熱をベースおよびフィンを介して冷媒に伝達させる。

かかるヒートシンクとして、例えば特許文献１には、フィンとして多孔材を用い、フィンを貫通する複数の孔を介して冷媒を流すようにしたものが開示されている。
特開２００１−３５８２７０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、複数のフィンを冷媒流路を形成する壁面（支持台）に対し例えば接着剤、ロウ、はんだなどで一つずつ接合する必要があり、その結果、製造時間や製造コストが上昇し、生産性の低下を招いていた。

そこで、本発明は、生産性の高いヒートシンクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るヒートシンクの一態様は、
発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、
ベースの上記第１の面と反対側の第２の面に支持され所定の方向に沿って並んだ複数のフィンであって、それぞれ複数の貫通孔を有するものと、
を備え、
ベースと複数のフィンは多孔質材料で一体的に形成してなることを特徴とする。

本発明によれば、複数のフィンをベースに一つずつ接合する必要がなく、したがってヒートシンクの製造時間や製造コストを低減でき、その結果生産性を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の説明では、同一または類似の構成要素は、複数の図面にわたって同一の符号または同一の符号に適当な添字を付して表す。

実施の形態１．
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るヒートシンクの実施の形態１を示す。このヒートシンク２は、図示しない発熱体が載置される（発熱体と熱的に接続される）平坦面（第１の面）４ａを有する板状のベース４と、互いに平行に間隔をあけて平坦面４ａと反対側の平坦面（第２の面）４ｂを介してベース４に支持された、ベース４と略垂直な複数（図の例では、４つ）の板状のフィン６（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）とを備える。以下の説明では、ベース４はＸＹ平面と平行に位置し、フィン６ａ〜６ｄの配列方向をＹ方向とし、各フィン６はＸＺ平面と平行に位置するものとする。

各フィン６は、略Ｙ方向に伸びた管状の貫通孔８を多数備えたロータス（レンコン）型の部材である。ヒートシンク２の動作時には、冷媒をフィン６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの順に貫通孔８を介して＋Ｙ方向に流すようにしてある。冷媒は、例えば、冷却水などの液体、冷風やフロンなどの気体が用いられる。冷媒の漏れを防ぐために、通常は、冷媒の流れ方向に関してヒートシンク２の上流および下流に配管を設けるとともに、フィン６の上部および側部を密閉する板を設けて、冷媒を流すようにする。しかしながら、空冷式の場合、冷風を配管内に流す代わりに、フィン６を大気に露出させることも可能である。

ヒートシンク２のベース４とフィン６は、例えば銅やアルミニウムなどの金属からなる直方体状の多孔質部材１０［図１（ｄ）］に対しＸＺ平面に平行な１つまたはそれ以上（図の例では３つ）の溝１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を切削加工することにより一体的に形成される。なお、これまでの説明で明らかなように、ベース４の平坦面４ｂは、一部は溝１１の底面（ヒートシンク２の外観）を形成し、一部はフィン６との仮想的な境界を形成する。

以下、図２，３を参照してヒートシンク２を形成する方法を説明する。

まず、管状の貫通孔を多数備えた金属を以下に示す公知の方法（本願では、金属凝固法といい、詳細は例えば特開平１０−８８２５４号公報に開示されている。）を用いて形成する。図２は、そのような多孔質金属を形成するための鋳造装置である。この鋳造装置１２は、金属の塊を収容するための坩堝１４を備える。坩堝１４の外周部には、坩堝１４を加熱するためのコイル１６が巻回されており、コイル１６に高周波の電流を印加することで坩堝１４内の金属を溶融するようになっている。坩堝１４の下側には、底辺に冷却部１８を備えたモールド２０が配置されており、坩堝１４の下端に取り付けた開閉弁２２を介して、溶融状態にある金属をモールド２０に注ぎ込めるようになっている。

坩堝１４およびモールド２０は、密閉容器（図示せず）内に配置され、容器内には、所定の圧力に保たれたガスが充填されている。このガスは、金属と、等圧ガス雰囲気下において金属−ガス系状態図が共晶点を有するものである。例えば、金属が銅やアルミニウムであれば、ガスとして水素、窒素などが選択される。金属凝固法では、共晶点での温度より高い温度であれば、ガス原子が液体状態にある金属に溶け込み、共晶点での温度より低い温度であれば、ガス原子が固体状態の金属に溶け込まず、気体として存在することを利用する。

かかる鋳造装置１２において、まず、密閉容器を等圧ガス雰囲気下におくとともに、金属２４の塊を坩堝１４内に装填する［図３（ａ）］。開閉弁２２を閉じた状態でコイル１６に高周波電流を印加することで、坩堝１４内の金属２４の塊を溶融させる。その結果、ガスはその濃度や圧力に応じた量が溶融状態の金属に吸収される。次に、開閉弁２２を開いて溶融金属２６をモールド２０に流し込む［図３（ｂ）］。モールド２０の底部には冷却部１８が設けてあるので、モールド２０の底部から上方に向けて温度勾配が形成されている。この結果、金属はモールド２０の底部から上方に向けて凝固が進行することになる。溶融金属が凝固する過程において、ガス原子が溶解した溶融金属から固体状態の金属と気体状態のガスとに分離される共晶反応が生じる。ガスの通路である孔がモールド２０底部から上方に向けて成長するため、内部に管状の孔２８が形成された多孔質金属（多孔質材料）３０が得られる［図３（ｃ）］。なお、金属の代わりに半導体であるシリコンを用いても上述した金属凝固法により多孔質材料を得ることが可能である。この場合、以下に示す工程はシリコンからなる多孔質材料に適用される。

続いて、金属凝固法により得られた多孔質金属３０を、例えばエンドミルなどを用いて直方体に形成し多孔質部材１０［図１（ｄ）］を完成させる。そして、この多孔質部材１０に対し例えば放電ワイヤ加工で溝を形成する。具体的には、図１（ｄ）を参照して、多孔質部材１０に対し、形成すべき溝１１ａに対応する仮想領域３２ａ（これは、孔８の伸張方向と約９０°の角度で交差する。）上方に、Ｘ方向に伸びた放電ワイヤ（図示せず）を配置する。そして、この放電ワイヤを−Ｚ方向に移動させヒートシンク２用のベース４の厚み分だけ下面（平坦面４ａに対応）から上側にある位置に到達させる。その後＋Ｚ方向に引上げることで、溝１１ａを形成する。溝１１ａの厚み（Ｙ方向長さ）は、少なくともワイヤの線径である。以上の動作を残りの２つの仮想領域３２ｂ，３２ｃで繰り返して溝１１ｂ、１１ｃを形成することにより、ロータス型のフィン６ａ〜６ｄが形成されたヒートシンク２が得られる（なお、金属凝固法の性質上、フィン６には貫通孔８のみならず貫通していない孔も形成され［図１（ｃ）参照］、貫通孔の断面形状は円形に限らない。）。

一般に、多孔質部材の冷却能力は、孔と冷媒の接触面積（伝熱面積）Ｓと孔の内面から冷媒への熱伝達率ｈの値が高いほど高い。本実施形態で用いられるフィン６に関しても、その冷却能力を向上させるために孔８の数を増やしてＳを増加させたり、孔８の径を小さくして孔内を通過する冷媒の流速を増加させることでｈを増加させる方法が考えられる。上記金属凝固法によって孔径が数十μｍ〜数ｍｍの範囲で且つその空隙率を任意に設定できることが本出願人により確認されている。

多孔質部材として貫通孔が管状でない発泡材（例えば、発泡アルミニウムなどの発泡金属）を用いた構成も本発明の範囲内に含まれる。しかしながら、ロータス型の多孔質部材１０したがってロータス型のフィン６を用いる方が、隣り合う孔を流れる冷媒が合流したり、ある孔を流れる冷媒が分流することがなく、したがって合流や分流に伴う圧力損失がなく、全体として圧力損失の低いヒートシンクを提供できる点で好ましい。

以上のように、本実施形態では、多孔質部材１０に対し溝１１を切削加工することによりベース４とフィン６を加工形成するので、上述した従来の構成とは異なりベースと複数のフィンを一つずつ接合する工程が不要となり、その結果、生産性を向上させることができる。

なお、形成する溝が一つしたがって２つのフィンを有するヒートシンクも本発明の範囲内に含まれる。また、各フィンの形状、ベースの形状（第１および第２の面４ａ，４ｂの形状を含む。）、溝を切削加工する方法は本発明を限定しない。

図４（ａ），（ｂ）は、多孔質部材を切り出して本実施形態に係るヒートシンクを得る別の方法を示す。本方法では、上述したのと同様にして形成した直方体状の多孔質部材１０’を用意する。そして、放電ワイヤを多孔質部材１０’の仮想面３４に沿って多孔質部材１０’に相対的に移動させることにより、略同一のヒートシンク２’，２”を作製する。使用されるワイヤの線径は、上述の切削方法と異なり、形成すべき溝の幅（Ｙ方向長さ）よりも十分に小さい。具体的に、Ｙ方向に関する一側面から、上辺からヒートシンク２’用のベース４’の厚み分下側の位置に放電ワイヤを当て、１）＋Ｙ方向に所定距離移動させる。続いて、２）放電ワイヤを−Ｚ方向に移動させヒートシンク２”用のベース４”の厚み分だけ下面から上側にある位置に到達させる。次に、放電ワイヤを溝の幅分だけ＋Ｙ方向に移動させる。そして、３）放電ワイヤを＋Ｚ方向に移動させヒートシンク２’用のベース４’の厚み分だけ上面から下側にある位置に到達させる。１）〜３）の動作をさらに２度繰り返した後、放電ワイヤを＋Ｙ方向に移動させることにより、多孔質部材１０’からヒートシンク２’，２”が得られる。

この切り出し方法によれば、同時にヒートシンクを２つ形成することができ、したがって上述した溝を切削する方法に比べて生産性がさらに向上する。

実施の形態２．
図５は、本発明に係るヒートシンクの実施の形態２を示す。本実施形態に係るヒートシンク２Ａでは、ベース４のフィン６を支持する側と反対側の第１の面４ａにさらに熱伝導性の良好な板（第２のベース）４０が接合されている。発熱体はベース４０上に載置されている（ベース４の第１の面４ａは発熱体と熱的に接続されている。）。

ヒートシンク２Ａのもとになる多孔質部材を作製したとき、孔８が管状とならず冷媒の通路とベース４の第１の面４ａとが該孔８を介して連通する場合がある。この場合、ベース４の第１の面４ａに発熱体を載置してヒートシンクを動作させると、冷媒が第１の面４ａから漏れることになる。そこで、本実施形態では、ベース４０を設けることにより、ヒートシンク２Ａのシール性を保証できる。これは結果的に、多孔質部材の歩留まりを向上させることになる。

実施の形態３．
図６は、本発明に係るヒートシンクの実施の形態３を示す。本実施形態に係るヒートシンク２Ｂでは、フィン６Ｂの貫通孔８Ｂは、Ｙ方向（フィン６Ｂの配列方向）と平行ではなく斜めに延びている。したがって、フィン６Ｂは、同一の厚みを有する実施の形態１のフィン６と比べて伝熱面積Ｓが大きく、その結果、ヒートシンク２Ｂの冷却能力を向上させることができる。

ヒートシンク２Ｂのフィン６Ｂは、多孔質部材に対し管状の孔の伸張方向とは実質的に直交しない仮想領域（該伸張方向と約９０°以下の角度（鋭角）をなすＸＺ平面に平行な仮想領域）に沿って溝を形成することにより得ることができる。

実施の形態４．
図７（ａ），（ｂ）は、本発明に係るヒートシンクの実施の形態４を示す。上記実施形態では、多孔質部材からベースの厚み分を残するように溝を形成しており、したがってフィン同士がベースを介して接続されていた。これに対し、本実施形態に係るヒートシンク２Ｃでは、多孔質部材１０のＺ方向上面から下面に抜ける貫通溝４１が形成され、複数のフィン６Ｃは、Ｘ方向に関して一側面に形成された側壁４２により支持されている。すなわち、フィン６Ｃと側壁４２は多孔質材料で一体的に形成してなる。フィン６ＣのＺ方向下面には熱伝導性の良好な板（ベース）４０が接合されている。発熱体はベース４０上に載置される。ヒートシンク２Ｃの動作時、ベース４０は、冷媒通路とフィン６Ｃの下面とが孔８を介して連通されている場合に冷媒が漏れるのを防止するためのシールとしても機能する。また、側壁４２は、冷媒流路を構成する壁としても機能するため、ヒートシンク２Ｃを備えた冷却装置を製造する際に、配管の製作に要する手間を省ける利点を有する。

ヒートシンク２Ｃの作製方法は、図１のヒートシンク２の作製方法と同様である。すなわち、直方体状の多孔質部材１０に対し、形成すべき溝に対応する仮想領域３２ＣのＸ方向左側に、Ｚ方向に伸びた放電ワイヤを配置する。そして、この放電ワイヤを＋Ｘ方向に移動させヒートシンク２Ｃ用の側壁４２の厚み分だけＸ方向右面から左側にある位置に到達させる。その後−Ｘ方向に移動させることで、一つの貫通溝４１を形成する。多孔質部材１０は、複数の貫通溝を形成した後、ベース４０に接合される。

フィン６Ｃの配列方向は、実施の形態１と同様に管状の貫通孔８の伸張方向と実質的に平行となるようにしてもよいし、実施の形態３と同様に上記伸張方向と鋭角をなすようにしてもよい。後者の場合、貫通孔と冷媒の伝熱面積Ｓが大きくなり、ヒートシンク２Ｃの冷却能力を向上させることができる。

本実施形態では、複数のフィン６Ｃは側壁４２を介して接続されており（言い換えれば、複数のフィン６Ｃは、ベース４０との接合面と隣接する側面を介して側壁４２により支持されており）、したがって、複数のフィン６Ｃを一度にベース４０に接合することができるので、生産性を向上させることができる。

フィン６Ｃおよび側壁４２を冷却流路を構成する配管内に取り付け、配管の壁がベース４０を構成する（配管の壁に発熱体が載置される。）場合も、本発明の範囲内に含まれる。この構成も本実施形態に係る上記効果を有する。

側壁は（Ｘ方向に関して）一方側にのみ設ける必要はなく、図８のヒートシンク２Ｄのように両側に側壁４２Ｒ，４２Ｌを設けてもよい。隣り合うフィン６Ｄを隔てる貫通溝４１Ｄは例えばエンドミルを用いて形成する。また、側壁は、少なくとも隣り合うフィンを接続すれば、本実施形態に係る上記効果を得ることができるため、側面（Ｘ方向に関して一方側）全体に設ける必要はない。例えば図９（ａ）のヒートシンク２Ｅのように、Ｘ方向右側および左側に交互に側壁４２ａ，４２ｂ，４２ｃを設けてもよい（この場合、隣り合うフィン６Ｅを隔てる貫通溝４１Ｅを千鳥状に形成する。）。

図７，８のように全てのフィンを支持する側壁を設ける場合、ベース４０に載置した発熱体以外に側壁上に別の発熱体を載置することができ、側面からの発熱に対応したヒートシンクを提供できる。ヒートシンクのシール性を確保するためにさらにベースを側壁に接合させてもよい。

図９（ａ）のように側壁を各側面の一部に設ける場合、図９（ｂ）に示すように、別のベース４６Ｒ，４６Ｌを各側壁に接合すれば、これらベース４６Ｒ，４６Ｌ上に発熱体を載置することができ、したがって、側面からの発熱に対応したヒートシンクを提供できる。

実施の形態５．
実施の形態１〜３では、隣り合うフィン同士がベースを介して接続され、実施の形態４では、隣り合うフィン同士が側壁を介して接続されていた。隣り合うフィン同士を、ベースおよび側壁両方を介して接続するようにしてもよい。例えば、図１０のヒートシンク２Ｆのように、一方向のみ外部に開いた溝４１Ｆを設けてもよいし（すなわち、各溝４１Ｆは、側壁４２Ｒ，４２Ｌ、隣り合うフィン６Ｆ、およびベース４Ｆにより境界が形成される。）、図１１のヒートシンク２Ｇのように、隣り合う二方向のみ外部に開いた溝４１Ｇを設けてもよい（すなわち、各溝４１Ｇは、側壁４２、隣り合うフィン６Ｇ、およびベース４Ｇにより境界が形成される。）。

（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態１を示す斜視図。（ｂ）図１（ａ）のヒートシンクの上面図。（ｃ）図１（ｂ）のＩｃ−Ｉｃ線に沿った断面図。（ｄ）図１（ａ）のヒートシンクを製造するのに用いる多孔質部材を示す斜視図。図１（ｄ）の多孔質部材のもととなる多孔質金属を製造するための鋳造装置を示す概略図。図２の鋳造装置を用いた多孔質金属の製造工程を示す図。（ａ）別の多孔質部材を示す斜視図。（ｂ）図４（ａ）の多孔質部材を用いて製造したヒートシンクを示す斜視図。本発明に係るヒートシンクの実施の形態２を示す斜視図。（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態３を示す斜視図。（ｂ）図６（ａ）のヒートシンクの正面図。（ｃ）図６（ｂ）のＶＩｃ−ＶＩｃ線に沿った断面図。（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態４を示す斜視図。（ｂ）図７（ａ）のヒートシンクを製造するのに用いる多孔質部材を示す斜視図。（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態４の別の例を示す斜視図。（ｂ）図８（ａ）のＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿った断面図。（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態４のさらに別の例を示す斜視図。（ｂ）図９（ａ）のヒートシンクの変形例を示す斜視図。（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態５を示す斜視図。（ｂ）図１０（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線に沿った断面図。（ａ）本発明に係るヒートシンクの実施の形態５の別の例を示す斜視図。（ｂ）図１１（ａ）の側面図。

符号の説明

２ヒートシンク
４ベース
４ａベースの第１の面
４ｂベースの第２の面
６ａ〜６ｄフィン
１０多孔質部材

Claims

発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、
上記ベースの上記第１の面と反対側の第２の面に支持され所定の方向に沿って並んだ複数のフィンと、を備え、
上記フィンは、伸張方向が該フィンの配列方向に面した面と交差するように平行に並んだ複数の管状の貫通孔を有し、
上記ベースと上記複数のフィンは多孔質材料で一体的に形成してなることを特徴とするヒートシンク。
ベースの第１の面に接合された第２のベースをさらに備えた請求項１のヒートシンク。
発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、
上記ベースの上記第１の面と反対側の第２の面に接合され所定の方向に沿って並んだ複数のフィンと、
上記ベースとの接合面と隣接する各フィンの側面を介して上記複数のフィンを支持する側壁と、を備え、
上記フィンは、伸張方向が該フィンの配列方向に面した面と交差するように平行に並んだ複数の管状の貫通孔を有し、
上記側壁と上記複数のフィンは多孔質材料で一体的に形成してなることを特徴とするヒートシンク。
発熱体と熱的に接続された外部のベースに接合され所定の方向に沿って並んだ複数のフィンと、
外部のベースとの接合面と隣接する各フィンの側面を介して複数のフィンを支持する側壁と、を備え、
上記フィンは、伸張方向が該フィンの配列方向に面した面と交差するように平行に並んだ複数の管状の貫通孔を有し、
上記側壁と上記複数のフィンは多孔質材料で一体的に形成してなることを特徴とするヒートシンク。
所定の形状を有する多孔質部材を用意し、
多孔質部材に対し一つまたはそれ以上の溝を切削加工することにより、ベースまたは側壁と複数のフィンとが加工形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のヒートシンク。
上記管状の貫通孔の伸張方向と上記フィンの配列方向が平行となるように形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
上記管状の貫通孔の伸張方向と上記フィンの配列方向が鋭角をなすように形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
上記多孔質部材は、
等圧ガス雰囲気下における金属−ガス系状態図が共晶点を有する金属とガスとを用意し、等圧ガス雰囲気下で金属を溶融した後、溶融金属を所定の方向に沿って温度勾配を有するモールド内で凝固させ、その後、凝固した金属を所定の形状に加工する、
ことにより用意されることを特徴とする請求項６または７に記載のヒートシンク。