JPH06213588A

JPH06213588A - 回路パックとそのヒートシンクの構造を最適化する方法

Info

Publication number: JPH06213588A
Application number: JP35019892A
Authority: JP
Inventors: Kaveh Azar; アザールカヴェ; Edward Caron Richard; エドワードキャロンリチャード
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1994-08-02

Abstract

(57)【要約】【目的】電子回路から発生される熱を放散するフィン
を提供する。【構成】本発明のフィンは互に平行であり、冷却流体
が流される多数の平行な溝を画成する。ヒートシンクの
耐熱性はフィン厚さと溝幅パラメータを適当な値にセッ
トすることにより最適化される。ヒートシンクは発熱性
電子部品と伝熱関係に取着される。ヒートシンク取着部
品は回路パックの形状の支持体上に直列状または千鳥状
に配列される。ヒートシンク取着部品を冷却するために
冷却流体は様々な態様で回路パックに当てられる。最適
なフィン厚さと溝幅パラメータを決定する方法はヒート
シンクの全耐熱性とフィン厚さおよび溝幅パラメータの
組合わせとの間の関係を決定することからなる。この関
係に従って輪郭図を作製する。輪郭図はヒートシンクの
最適放熱領域を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発熱性電子部品の冷却に
関する。更に詳細には、本発明はヒートシンク、冷却流
体送出システム、回路レイアウトおよびヒートシンクの
寸法の最適化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子部品の動作により発生された熱を効
果的に放散させることは、これらの部品が使用されてい
る回路の性能を最適化させることに関して重要である。
性能の最適化に加えて、効果的な放熱はこれら電子部品
の有効寿命を延ばすことにも役立つ。放熱は、３Ｗ／ｃ
ｍ2 以上のパワーを発生するハイパワー電子部品におい
て特に重要である。ハイパワー電子部品に取り付けられ
たヒートシンクを強制的に液冷するような、ハイパワー
電子部品の風変わりな冷却方法が提案されている。

【０００３】しかし、これらの方法は設備と維持に多額
の費用がかかるので、実用的でない。現在までに開発さ
れたヒートシンクおよび冷却流体送出システムの性能が
不十分であり、空冷では今日のハイパワー電子部品によ
り発生された熱を十分に放散させることができないとい
う一般的な認識により、単なる空冷技術は退けられてい
る。

【０００４】電子部品を冷却するために空冷狭溝および
微小溝ヒートシンクを使用する研究が続けられている。
例えば、「IEEEトランザクションズオンコンポーネ
ンツ，ハイブリッズアンドマニュファクチャリング
テクノロジー(Transactions on Components, Hybrids
and Manufacturing Technology)」, Vol. CHMT-7, No.
1 （１９８４年３月）の１５４〜１５９頁に掲載された
ゴールドバーグ(Goldberg)の“狭溝強制空冷ヒートシン
ク”と題する論文には、溝間隔および幅が０．０１２７
ｃｍ，０．０２５４ｃｍまたは０．０６３５ｃｍの何れ
かである閉込め溝ヒートシンクが開示されている。冷却
流体として空気が使用され、空気はダクトでヒートシン
クに直接給送される。このゴールドバーグのヒートシン
クの熱インピーダンスは３．４〜５．９℃／Ｗであると
言われている。

【０００５】第６回年次IEEE SEMI-THERM シンポジウム
（１９９０年）講演集の１０８〜１１３頁に掲載された
ヒルバート(Hilbert) らの“高性能微小溝空冷”と題す
る論文には、空気が各ヒートシンクの頂部にダクトで特
別に給送される微小な溝のフィン付ヒートシンクアレー
を開示されている。このヒートシンクの熱インピーダン
スは１．６〜２．１℃／Ｗであると言われている。

【０００６】ゴールドバーグおよびヒルバートは両方と
も、放熱能力を最大にする最適な形状を有するヒートシ
ンクについては全く言及していない。更に、ゴールドバ
ーグおよびヒルバートは両方とも、製造するのが困難で
あり、しかも、費用のかかる特殊な形状のヒートシンク
を開示している。また、ゴールドバーグおよびヒルバー
トは、大抵の電子装置において標準的でない冷媒送出シ
ステムによりその性能を成就している。

【０００７】大抵の電子装置では、キャビネットの格間
または棚に並列状に配置された平坦な回路板上に定置さ
れた電子部品を横切るように空気流を押すかまたは引く
か何れかである。キャビネット内に、また、並列状に配
置された回路板間の空間中に空気を強制的に送り込むた
めに、装置の上部または下部に配置されたファン棚が存
在する。ゴールドバーグおよびヒルバートの空気流衝突
技術は、前記のような種類の冷却装置構成を使用できな
いか、あるいは、容易に適合することができない。

【０００８】従って、ゴールドバーグおよびヒルバート
の研究および試作は未だ十分な成功を収めていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、部品
の機械的配置を激変させることなく、簡単な空冷技術を
使用し、最近のハイパワー電子部品により発生された熱
を最も効果的に放散させることができる電子部品の冷却
システムを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題は様々な新規な
流体冷却回路パック形状を使用することにより解決され
る。この回路パックは平坦な底板上に所定のパターンで
配列された最適化ヒートシンクに結合された複数個の電
子部品からなる。電子部品と付属のヒートシンクとの好
適な配列は例えば、部品とヒートシンクとの直列形状お
よび千鳥形状などである。冷却流体はファンによりヒー
トシンクの全域に引き込まれる。ファンは回路パックを
取囲むハウジングの終端板を通して、または、部品とヒ
ートシンクの上部に被せられた回路パックハウジングの
上部板に設けられた複数個のスロットを通して冷却流体
を引き込む。

【００１１】本発明の回路パックで使用できる新規な開
放溝は、ヒートシンクの放熱能力を最適化するような寸
法に成形されている。ヒートシンクは複数枚のフィンを
有する。各フィンは所定の厚さと所定の高さを有する。
それぞれ所定の幅を有する複数個の溝がヒートシンクの
フィンの間に設けられている。フィンの厚さおよび溝の
幅に関するパラメータを適当に組合わせることにより、
ヒートシンクの放熱能力を最適化させることができる。
例えば、フィン高さに対するフィン厚さの比率を約０．
００５〜約０．０５５にし、そして、フィン高さに対す
る溝幅の比率を約０．０３０〜約０．１３０にすると、
ヒートシンクの放熱能力は最大になる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明を更に詳細
に説明する。

【００１３】図１は本発明による最適化ヒートシンク１
０の一例を示す。ヒートシンク１０は、複数枚のフィン
１２からなる列を有する。各フィンは所定の高さＨと所
定の厚さτを有する。高さＨは約０．２５ｃｍ〜約３．
２ｃｍの範囲内である。フィンはヒートシンク１０の矩
形状ベース１４から突出している。ベース１４は所定の
幅Ｗと所定の深さＤを有する。例えば、ベース１４の幅
は約２．５ｃｍであり、ベース１４の深さも同様に約
２．５ｃｍである。ベースの底面からフィン１２の先端
までの、ヒートシンク全体の高さは約３．８ｃｍ〜約
７．６ｃｍである。図１の具体例におけるヒートシンク
１０のベースは矩形であるが、ベースは円形、方形また
は三角形などのような常用のいかなる形状であってもよ
い。

【００１４】フィン１２はベース１４上に概ね直立する
矩形状の突起である。フィン１２は概ねヒートシンクの
前面から後面まで延びており、隣接するフィン１２との
間で所定の概ね一定の幅Ｓの平行な複数個の溝を画成す
る。図１に示されるように、溝はヒートシンク１０の頂
部で開放している。フィン１２は溝の長手軸に対して平
行で垂直な、概ね矩形の断面を有する。フィンの厚さお
よび溝の幅Ｓは、ヒートシンクの放熱能力を最大にする
ように選択される。

【００１５】ヒートシンクは任意の伝熱方式により発熱
性電子部品に取付けられている。例えば、ヒートシンク
は伝熱性エポキシ樹脂のような伝熱性接着剤により発熱
性電子部品に取付けることができる。

【００１６】図１のヒートシンク１０はアルミニウム、
銅またはその他の金属材料などのような任意の適当な伝
熱性材料から成形することができる。ヒートシンクは半
導体、セラミック、複合材料または合金などからも成形
できる。溝およびフィンは様々な方法により前記の伝熱
性材料の矩形ブロック中に形成させることができる。例
えば、溝およびフィンは結晶配向依存性エッチング、正
確な鋸引き、放電機械加工または数値制御機械加工など
のような任意の方法で作製できる。

【００１７】本発明によるヒートシンクが取り得る別の
形状は、空調および自動車ラジエタなどで使用されてい
るものと同様な折曲フィンヒートシンクである。折曲フ
ィンヒートシンクを作製するのに使用される製造方法
は、比較的安価に所望の範囲内のフィン厚さと間隔を形
成することができる。例えば、所望の厚さのアルミニウ
ムシートを、所望の溝間隔が形成されるように、ヘビ状
に折り曲げる。その後、この折曲げられたフィンを例え
ば、浸漬ろう付けによりアルミニウムベースに固着させ
る。

【００１８】次いで、デバイスからヒートシンクへの熱
伝導を促進する任意の方法でヒートシンクを電子デバイ
スに取付ける。例えば、デバイスは伝熱性エポキシ樹脂
で取付けることができる。また、デバイスをヒートシン
クに緊密な熱伝導状態に押接させるその他の機械的手段
によっても、ヒートシンクを電子部品に取着させること
ができる。折曲フィン構造は隣接するフィンチップを接
続するのに好都合である。折曲フィン構造の隣接フィン
チップを接続すると、ヒートシンクを取り扱う際にも損
傷を受け難くすることができる。このような折曲フィン
ヒートシンクを使用する利点の一つは、冷却流体の流れ
中に発生する熱境界層を消散させるために、穿刺した
り、片寄らせたり、あるいは、波動できることである。

【００１９】図１のヒートシンク１０または前記の折曲
フィンヒートシンクのようなヒートシンクの放熱性能
は、フィン厚さと溝幅パラメータの組合わせを適当に選
択することにより最適化させることができる。特に、ヒ
ートシンク全域における所定の圧力降下について、フィ
ン厚さの最適範囲およびフィン間の間隔の最適範囲が存
在することが発見された。耐熱性および放熱能力に関し
て最適化されたヒートシンクの性能は、従来のヒートシ
ンクに比べて大幅に改善されている。

【００２０】この性能の改善は、所定のフィン高さに対
する所定のフィン厚さの比率（τ／Ｈ）が約０．００５
〜約０．０５５であり、所定のフィン高さに対する所定
の溝幅の比率（Ｓ／Ｈ）が約０．０３０〜約０．１３０
であり、ヒートシンク全域の圧力降下が約０．０５ｃｍ
Ｈ2 Ｏ〜約１．５ｃｍＨ2 Ｏの場合に得られる。これら
の比率が含まれる実際の範囲は、ヒートシンク全域で生
じることが予想される特定の流体圧力降下についてヒー
トシンクの放熱能力を最適化するように選択される。

【００２１】本発明の特定的な実施例では、圧力降下が
約０．０５ｃｍＨ2 Ｏの場合、フィン高さに対するフィ
ン厚さの比率は約０．００５〜０．０５５であり、フィ
ン高さに対する溝幅の比率は約０．０８〜０．１３であ
る。

【００２２】本発明の第２の実施例では、圧力降下が約
０．１５ｃｍＨ2 Ｏの場合、フィン高さに対するフィン
厚さの比率は約０．００５〜０．０５５であり、フィン
高さに対する溝幅の比率は約０．０６０〜０．１１０で
ある。

【００２３】本発明の第３の実施例では、圧力降下が約
０．０５ｃｍＨ2 Ｏの場合、フィン高さに対するフィン
厚さの比率は約０．００５〜０．０５５であり、フィン
高さに対する溝幅の比率は約０．０４０〜０．０９０で
ある。

【００２４】本発明の第４の実施例では、圧力降下が約
１．５ｃｍＨ2 Ｏの場合、フィン高さに対するフィン厚
さの比率は約０．００５〜０．０５５であり、フィン高
さに対する溝幅の比率は約０．０３〜０．０８である。

【００２５】図１２〜１５に示されるように、ヒートシ
ンク全域の圧力降下の代表的な値における、溝間隔パラ
メータおよびフィン厚さパラメータに関する特定の最適
値が挙げられている。これらの最適値は、熱インピーダ
ンスが最小であり、従って、放熱が最大になるような値
である。これらの値を下記に列挙する。

【００２６】（ａ）ヒートシンク全域の差圧ΔＰが約
０．１５ｃｍＨ2 Ｏにおける、溝間隔パラメータＳ／Ｈ
は約０．０７７であり、フィン厚さパラメータτ／Ｈは
約０．０１４である。

【００２７】（ｂ）ヒートシンク全域の差圧ΔＰが約
０．５ｃｍＨ2 Ｏにおける、溝間隔パラメータＳ／Ｈは
約０．０５７であり、フィン厚さパラメータτ／Ｈは約
０．０１４である。

【００２８】（ｃ）ヒートシンク全域の差圧ΔＰが約
０．０５ｃｍＨ2 Ｏにおける、溝間隔パラメータＳ／Ｈ
は約０．１０３であり、フィン厚さパラメータτ／Ｈは
約０．０１４である。

【００２９】（ｄ）ヒートシンク全域の差圧ΔＰが約
１．５ｃｍＨ2 Ｏにおける、溝間隔パラメータＳ／Ｈは
約０．０４５であり、フィン厚さパラメータτ／Ｈは約
０．０１５である。

【００３０】前記の(a) 〜(d) のヒートシンクにおける
熱インピーダンスはそれぞれ、約１．５４℃／Ｗ，０．
９４℃／Ｗ２．４℃／Ｗ，および０．６１℃／Ｗであっ
た。

【００３１】本発明によるヒートシンクの特定的な実施
例では、ヒートシンクのベース１４の寸法は、幅が２．
５ｃｍで、長さが２．５ｃｍである。ベース１４の底面
からフィン１２の先端までのヒートシンク全体の高さは
約２．０ｃｍである。各フィンの高さＨは約１．２５ｃ
ｍであり、各フィン１２の厚さτは約０．４ｍｍであ
り、各溝の幅Ｓは約１．１ｍｍである。

【００３２】実際の試験の結果、このようなヒートシン
クのベースに取着さた電子部品により発生された熱は、
従来のヒートシンクによる場合よりも、極めて効果的に
放散されることが確認された。温度上昇の顕著な低下
は、このヒートシンクを有する回路パック内の電子部品
の動作に由来する。このようなヒートシンクの耐熱性
は、同様な状況下で使用される従来のヒートシンクの耐
熱性に比べてかなり低い。

【００３３】図２は本発明による回路パック内の素子の
レイアウトの一例を示す。図２の回路パックは、６個の
回路素子１８，２０，２２，２４，２６および２８を有
する。これらの回路素子は例えば、ガラス−エポキシ材
料から構成されている底板３０の上に配置されている。
図５および図６に詳細に図示されているように、回路パ
ックはハウジング内に被包されている。このハウジング
を通して、冷却流体が引き込まれ、回路パックの底板３
０上の発熱性電子部品を冷却する。ハウジングおよび底
板３０は、これらの電子部品により発生された熱を除去
する一種の風洞を形成する。

【００３４】本発明の実証例では、回路素子１８，２
０，２２，２４，２６および２８はそれぞれ、幅１．１
ｍｍの平行な溝を画成する厚さ０．４ｍｍのフィン１２
を有する２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×２．０ｃｍのアルミ
ニウムヒートシンクに取着された電子部品からなる。ヒ
ートシンクの溝は、矢線３２で示されるように、ハウジ
ングを通過する流体流れの方向に対してほぼ平行な方向
に配列されている。ヒートシンクのベースに任意の伝熱
方式で取着される電子部品の一例はトランジスタであ
る。

【００３５】図２に示されるように、ヒートシンクに取
着された部品は、図２で矢線３２により示された空気流
の方向に対して直交するように延びる列状に配列されて
いる。別法として、ヒートシンクに取着された部品は、
流体流れの方向と平行な方向に千鳥状に配列させること
もできる。隣接するヒートシンク間の最小間隔は約０．
２５４ｃｍである。

【００３６】図３は本発明による回路パックの別の部品
レイアウトを示す。回路素子１８，２９，２２，２４，
２６および２８は直列状に底板上に配置されている。こ
の場合、多数のヒートシンクに取着された部品は矢線３
２により示された空気流の方向に対して直交するように
延びる列状に配列されている。ヒートシンクの溝は矢線
３２で示される冷却流体流れの方向とほぼ平行に配列さ
れている。ヒートシンクに取着された部品は図２に示さ
れた部品のような千鳥状には配列されない。

【００３７】図４は回路パックの更に別の部品レイアウ
トである。図４は、ヒートシンクに取着された部品の配
列構成を示す。図４における配列構成は、図４の底板３
０上にほぼ均等に分布された、ヒートシンク取着部品の
直列状および千鳥状配列の組合わせと見做すことができ
る。

【００３８】図４では、ヒートシンク取着部品が５列存
在する。各列は矢線３２で示された冷却流体流れの方向
に対し垂直なライン上に配置された２個のヒートシンク
取着部品からなる。各列の部品は、冷却流体流れの方向
に対し垂直な方向の隣接する列の部品に対して千鳥状に
配列されている。このような配置により、各部品は、回
路パックハウジングを通過する冷却流体の流れにより形
成される隣接部品の直接的通り跡に配置されることはな
い。この配列構成により、回路パックの放熱能力が改善
される。

【００３９】図５および図６は、ヒートシンク取着部品
に冷却空気を送出する装置を示す。図５は、図２〜図４
の何れかに示されるような底板３０上に配設された多数
のヒートシンク取着部品用の矩形ハウジングからなる構
造体３６を示す。この閉鎖容器は、図２〜図４の何れか
に示されるような底板３０と、垂直に取付けられた端板
３８および３９と、水平に取付けられたカバープレート
４０からなる。２枚の垂直に取付られた側板は、底板３
０とカバープレート４０との間の図５の装置の前面と後
面に配置されている。端板３８および３９、カバープレ
ート４０および側板はＬＥＸＡＮという登録商標名で市
販されているようなプラスチック材料から形成すること
ができる。

【００４０】底板３０、端板３８および３９、カバープ
レート４０および２枚の側板は、図２〜図４の何れかに
示されるようにヒートシンク取着部品が配列される矩形
ハウジングを画成する。カバープレートと底板との間の
垂直間隔は、カバープレートと、電子部品に取着された
ヒートシンクの先端との間に所望量の空間が画成される
ような間隔である。カバープレートとヒートシンクとの
間の間隔は例えば、約０〜約０．２５ｃｍである。ヒー
トシンクの先端とカバープレート４０との間の間隔は出
来るだけ小さいことが好ましい。本発明の好ましい実施
例では、カバープレート４０は、ヒートシンクの先端と
カバープレート４０との間に隙間が全く生じないように
配置されている。

【００４１】図５に示された回路パックおよびハウジン
グの一端は、装置の端部に取付けられた外方へ向かって
拡開する構造体中に配置されたファンと連通している。
図５に示されたファン４２および外方拡開構造体の代わ
りに、回路パックおよびハウジングを通過する冷却流体
の流れを生じさせる機構ならば何でも使用できる。ファ
ン４２は冷却空気を回路パックハウジングの１個以上の
入口開口部内に引き込み、ヒートシンク全域を通過し、
そして、回路パックハウジングの端板３９の１個以上の
開口を通って排出される。

【００４２】ファンに隣接するハウジングの端板３９お
よび反対側の端板３８に、１個以上の適当なサイズの循
環開口部を出口開口部として設けることができる。カバ
ープレート４０と底板３０との間で図５の装置を通過す
る冷却流体の流れは、ヒートシンクに取着された電子部
品の動作により発生された熱を放散する。ファン４２
は、ヒートシンクと接触することにより加熱された空気
は、図５で矢線４４により示されたように排出する。

【００４３】１個以上の入口開口部を通して図５の回路
パックハウジング内へ冷却空気を導入する方法は２つあ
る。図５の装置に空気を入力（送入）する好ましい一つ
の方法は、図６に示されるように、カバープレート４０
に多数の空気口スロット４６を設けることである。この
ような空気口スロット４６は回路パックの各ヒートシン
ク上に重なり合うように存在することが好ましい。図６
のカバープレート４０は、図４に示された回路パックレ
イアウト用の空気口スロット４６の配列構成を示す。こ
の配列構成では、各空気口スロット４６は図４に示され
たようなヒートシンク部品３４の各々に重なり合う。ま
た、図６はカバープレート４０内に設けられた多数の圧
力タップを示す。この圧力タップは、下記の説明するよ
うなテスト結果で示される、回路パックにおける圧力調
整用に使用できる。

【００４４】図５のような回路パックでは、ファン４２
は各空気口スロット４６を通して冷却空気を引き込む。
冷却空気は底板３０の平面に対して垂直方向の各スロッ
ト４６の下部のヒートシンクに直接衝突する。次いで、
冷却空気は、ヒートシンクのフィン間の溝を通して底板
３０と平行な水平方向に引き込まれる。その後、冷却空
気は、図５で矢線４４に示されるように、排気される。

【００４５】カバープレート４０内に空気口スロット４
６を有する、このような空気送出システムの実施例で
は、空気口スロット４６のサイズは、均一でバランスの
取れた冷却空気流が回路パックハウジングの全体にわた
って維持されるようにするため、異ならせることもでき
る。特に、スロットのサイズは、下流側に配置されるも
のほど、段階的に小さくしていくこともできる。

【００４６】例えば、図６に示されるように、最も上流
側にある２個のスロットは、これら上流側のスロット４
６の下部の同一中心のヒートシンクの幅および深さ寸法
（すなわち、前記の実施例における、約２．５ｃｍ×
２．５ｃｍ）と大体同じ長さおよび幅寸法を有する。ス
ロット４６の長さ寸法は下流側に配置されるにものほど
徐々に小さくなる。最下流側にある２個のスロットの長
さ寸法は最上流側にあるスロットの長さ寸法の約６０％
（すなわち、１．５ｃｍ）しかない。

【００４７】図５および図６に示されるような回路パッ
クに冷却空気を送出する別の方法は、中実またはスロッ
ト無しカバープレート４０を設け、そして、端板３８を
除去することからなる。この場合、冷却空気は回路パッ
クハウジングの端部の開口から引き込まれ、底板３０と
平行な方向に、回路パック内のヒートシンクの溝を通過
し、そして、図５の矢線４４で示されるように排気され
る。

【００４８】実証例幅２．５ｃｍ、長さ２．５ｃｍ、高さ２．５ｃｍのアル
ミニウム塊から実際のヒートシンクを作製した。図１に
示されるように、厚さ０．４ｍｍのフィンをアルミニウ
ム塊の上面に１．１ｍｍ間隔で機械加工した。熱源とし
てトランジスタを使用し、ヒートシンクの底板の１．５
ｃｍ2 の溝内に固着させた。トランジスタは高出力であ
り、比較的コンパクト（約１ｃｍ2 ）なので熱源として
最適である。ガラス−エポキシからなる回路パック（２
７．５ｃｍ×２０ｃｍ）に多数のヒートシンク取着トラ
ンジスタを実装した。

【００４９】回路パックレイアウトの効果を評価するた
め、ヒートシンク取着トランジスタを図２〜図４の千鳥
状および直列状の配列状態に配置させた。図２および図
３では、隣接するヒートシンクの端部間の距離は約０．
１２７ｃｍであった。図４における部品の交互列間の縦
方向分離、例えば、図４における５番と７番の部品間の
縦方向距離は約６．３５ｃｍであった。図４における隣
接列間の縦方向距離、例えば、図４における５番と６番
の部品の端部間の縦方向距離は約２ｃｍであった。図４
における部品の縦列間の水平方向分離、例えば、図４に
おける５番と６番の部品の端部間の水平方向分離は約１
ｃｍであった。

【００５０】回路パックハウジングのカバープレートの
スロット（溝）を通して、または、回路パックハウジン
グの端部壁面を通して空気はヒートシンク内に導入され
る。回路パックハウジングのカバープレートに、部品の
直上に正確に位置決めして、スロットを作製することに
より、空気を部品に当てることができる。空気流を導入
する第２の方法は、端板を除去し、そして、カバープレ
ートを中実プレートに置き換えることからなる。下記で
説明するように、スロット付のもの、およびスロット無
しのものの両方についてデータを開示する。

【００５１】図６はこの試験で使用される、回路パッ
ク、ハウジングおよび一種の風洞として機能するファン
を示す。この試験で使用されるファンはＥＧ＆ＧＲＯ
ＴＲＯＮ（パトリオット−ＤＣ）ファンであった。図６
はカバープレートの上面を示す。図６には、空気圧を測
定した位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥ）が示されてい
る。或る場合には、カバープレートとヒートシンク上面
との間には隙間が存在しなかった。回路パックを、フレ
ームまたは格間内の電子部品の代表的な配列構成をシミ
ュレートする、常用の風洞と良く似たものの中に配置し
た。この場合、ヒートシンク先端とカバープレートとの
間には隙間が存在した。この常用な風洞配列構成を使用
し、ヒートシンクの熱性能に対する流れバイパスの効果
を評価した。

【００５２】本発明によるヒートシンクの熱性能を決定
するため、幾つかのパラメータを追跡し、そして、変化
させた。これらのパラメータは、空気流量、部品レイア
ウト、部品電力損および先端隙間である。強制対流冷却
空気量の少ない〜多いを示す、３種類の空気流量を使用
した。幾何的形状および部品レイアウトによるファン電
圧および風洞圧力降下を、空気流量の変動尺度として記
録した。図７は、３種類のファン電圧１６，３２および
４８ボルトにおける圧力降下を示す。これらの差圧は、
周囲（正値）および回路パックハウジングの入口（負
値）について開示されている。圧力降下に付随する、溝
の中心部で測定された空気流速は２．３，４．８および
６．６ｍ／ｓであった。

【００５３】ヒートシンクの熱性能は周囲温度を越える
温度上昇δＴおよび熱インピーダンスθjaにより表示さ
れている。熱インピーダンスの計算に使用される温度上
昇は、ヒートシンク底板と室温との間の温度上昇に基づ
く。図８および図９は、ファン電圧１６Ｖおよび４８Ｖ
における、異なる部品電力損（１３，１６および２０
Ｗ）に対するδＴおよびθjaを示す。横軸は回路パック
の部品番号を示す。（この番号は前記の説明で参照され
た図２〜図４に示された部品番号に対応している。）こ
の形状の場合、空気は前記のスロット付カバープレート
を通して部品に当てられる。両方の空気流速について、
強制対流冷却空気量が少ない場合であっても、温度上昇
は３８℃を越えず、また、θjaは０．７８〜１．９１℃
／Ｗでしかなかった。デバイス接合温度は、最悪のケー
スの周囲温度５０℃でデバイスが動作される場合の工業
標準である１２５℃よりも遥かに低い。

【００５４】図１０は、部品により発生された熱の放散
に対する異なる冷却流体送出システムの影響力と回路パ
ック内のヒートシンクの性能を示す。スロット付カバー
プレートと中実カバープレートについて、ファン電圧３
２Ｖにおける２種類の部品電力損（１３Ｗおよび１６
Ｗ）が図示されている。部品電力損が１６Ｗの場合、空
気流は回路パックに対して平行であり、ヒートシンクと
カバープレートとの間には隙間が存在しない。図１０の
グラフから明らかなように、空気流の方向は温度上昇に
影響を及ぼす。

【００５５】特に優れた性能は、カバープレート内のス
ロットを通して直接当てられる場合に得られる。しか
し、端部壁を通してカバープレートと平行に空気流を導
入することによって得られる冷却も重要であり、許容可
能な設計限界内にある。更に、図１０は、冷却は回路パ
ックの部品位置の関数であり、同レベルの冷却が何れの
空気流導入タイプによっても得られることを示してい
る。この事実は５番と６番の部品により実証される。従
って、適正に設計された本発明の狭溝ヒートシンクの典
型的な熱性能は何れの冷却空気送出システムでも得られ
るという結論が導かれる。

【００５６】図１１は前記の結論の確証となる。図１１
は、様々な空気流導入方法および部品配列構成に関する
θjaを示す。また、図１１は、ヒートシンクの先端と回
路パックハウジングのカバープレートとの間に隙間が存
在する場合（図１１では、従来品（風洞）の表示が付け
られている）のデータも有する。隙間は１．２５ｃｍ
（最悪の場合）であり、部品毎の電力損は１６Ｗであっ
た。ファン電圧３２Ｖでデータをとった。回路パックハ
ウジング内の空気流速を同一にするために、先端に隙間
がある場合と先端に隙間がない場合とで、圧力降下を一
致させた。

【００５７】図１１には注目すべき点が２つ存在する。
ヒートシンクの先端とカバープレートとの間に隙間が存
在する場合の耐熱性θjaは約１．６℃／Ｗを越えない。
このことは、大量の冷却空気流バイパスにより冷却され
たヒートシンクは申し分のない性能を示すことを意味す
る。カバープレート内のスロットから空気流を直接導入
することによっても顕著な改善が得られるが、その性能
は大抵の設計限界内のものである。

【００５８】注目すべき第２点は、部品の配列構成であ
る。千鳥状および直列状回路パック形状では、カバープ
レートは中実であり、ヒートシンク先端との間に隙間は
存在しなかった。図１１に示された結果から明らかなよ
うに、部品の配列構成は、部品が他の部品の直後（例え
ば、別の部品の直ぐ下流側）に配置されていない限り、
性能を損なわない。逆に、ヒートシンク内の冷却空気の
流れが遮断されたりすれば、性能が損なわれる。図１１
の中実カバーの千鳥状配置および直列状配置に関するθ
jaを比較すれば、前記の事実が更に確証される。従っ
て、結論として、適正に設計された狭溝ヒートシンク
は、冷却空気の流れが直接遮断されなければ、回路パッ
ク上の部品レイアウトに拘らず、十分な性能を発揮す
る。

【００５９】ヒートシンク寸法の最適化方法フィン厚さ（τ）および狭溝ヒートシンクのフィン間の
間隔（Ｓ）の最適化方法について説明する。ヒートシン
ク底板から空気入口までの全熱インピーダンスは、ヒー
トシンク底板から局所空気流までのインピーダンスと、
局所空気流から空気入口までのインピーダンスの合計で
ある。これは次の方程式で表される。

【００６０】Ｒ（全）＝Ｒ（ヒートシンク）＋Ｒ（空気）但し、Ｒ（ヒートシンク）＝１／ηｈＡs （式中、ηはフィン効率であり、ｈは伝熱係数であり、
Ａs はヒートシンクの表面積である。）；Ｒ（空気）＝１／２ρＡf ＶＣp （式中、ρは冷却流体（この場合、空気）の密度であ
り、Ａf はヒートシンクの流れ面積であり、Ｖは流速で
あり、Ｃp は冷却流体の比熱である。）

【００６１】前記の方程式において、フィン効率
（η），伝熱係数（ｈ）およびヒートシンク表面積（Ａ
s ）は次の方程式により得られる。

【００６２】η＝ｔａｎｈ（Ｎ）／Ｎ（ここで、Ｎ＝Ｈ（２ｈ／Ｋs τ）0.5 であり、Ｋs は
フィン導電率である。）

【００６３】ｈ＝ＮｕＫf ／Ｄ（ここで、Ｄ≒２Ｓであり、Ｎｕはヌッセルト数であ
り、Ｋf は冷却流体導電率である。）

【００６４】Ａs ≒２ＬＷＨ／（Ｓ＋τ）（ここで、Ｌは冷却流体の流れ方向におけるヒートシン
クの長さであり、Ｗはヒートシンクの幅であり、Ｈはヒ
ートシンクの高さである。）

【００６５】高縦横比の矩形溝を通過する完全に展開さ
れた流れのヌッセルト数（Ｎｕ）は８であると仮定す
る。局所空気流温度は流線に沿った溝を通して変化する
ので、Ｒ（空気）に関する平均熱インピーダンス値を選
択した。対数平均温度差の代わりに平均熱インピーダン
ス値を使用することにより導入される誤差は小さい。

【００６６】ヒートシンクの流れ面積（Ａf ）および流
速（Ｖ）は次の式により得られる。

【００６７】Ａf ≒ＳＨＷ／（Ｓ＋τ）

【００６８】Ｖ＝ΔＰ（Ｓ2 ／１２μＬ）（ポアズイユの式）（ここで、ΔＰはヒートシンクによる圧力降下であり、
μは冷却流体の粘度である。）

【００６９】熱インピーダンスの方程式におけるこれら
の用語を置き換え、そして、３個の無限基、Ｘ＝Ｓ／
Ｈ，Ｙ＝τ／ＨおよびＫ＝Ｋf Ｎｕ／Ｋs を導入すると
次の方程式が得られる。Ｒ（全）＝｛ＨＸ（Ｘ＋Ｙ）（Ｋ／ＸＹ）0.5 ／Ｋf Ｎ
ｕＬＷ（ｔａｎｈ（（Ｋ／ＸＹ）0.5 ））｝＋｛６μＬ
（Ｘ＋Ｙ）／ρＣp ＷΔＰ（ＨＸ）3 ｝

【００７０】この方程式は、様々な方法で、２個の独立
変数（Ｘ）および（Ｙ）について最適化させることがで
きる。米国、コロラド州のゴールデン，第１４街路、８
０７番地（私書箱２８１）に所在のゴールデンソフトウ
エア社から“ＳＵＲＦＥＲ”という名称で市販されてい
るソフトウエアパッケージを用いる輪郭プロットによ
り、厚さパラメータτ／Ｈおよび溝間隔パラメータＳ／
Ｈの関数として全熱インピーダンスをプロットすること
からなるグラフ法を使用できる。

【００７１】図１２は、ΔＰ＝０．１５ｃｍＨ2 Ｏ、Ｌ
＝Ｗ＝２５ｃｍでＨ＝１２．５ｃｍの空冷アルミニウム
ヒートシンクについてプロットした輪郭図である。この
輪郭図から明らかなように、Ｓ／Ｈ＝０．０７７および
τ／Ｈ＝０．０１４における最小熱インピーダンスは
１．５４℃／Ｗである。この値は、最適溝間隔０．９６
ｍｍおよび最適フィン厚さ０．１８ｍｍに相当する。

【００７２】図１３は、ΔＰ＝０．１５ｃｍＨ2 Ｏ、Ｌ
＝Ｗ＝２５ｃｍでＨ＝１２．５ｃｍの空冷アルミニウム
ヒートシンクにおける、一層高い冷却空気圧および流速
の効果を示す。図１３の輪郭図から明らかなように、Ｓ
／Ｈ＝０．０５７およびτ／Ｈ＝０．０１４における最
小熱インピーダンスは０．９４℃／Ｗである。この値
は、最適溝間隔０．７２ｍｍおよび最適フィン厚さ０．
１８ｍｍに相当する。

【００７３】図１４は、図１２および図１３のヒートシ
ンクと同様なヒートシンクの輪郭図である。但し、この
輪郭図の場合、ヒートシンク全域の差圧ΔＰが０．０５
ｃｍＨ2 Ｏとなるような冷却空気流量を使用した。図１
３の輪郭図から明らかなように、Ｓ／Ｈ＝０．１０３お
よびτ／Ｈ＝０．０１４における最小熱インピーダンス
は２．４℃／Ｗである。この値は、最適溝間隔１．２８
７ｍｍおよび最適フィン厚さ０．１７５ｍｍに相当す
る。

【００７４】図１５は、図１２〜図１４のヒートシンク
と同様なヒートシンクの輪郭図である。但し、この輪郭
図の場合、ヒートシンク全域の差圧ΔＰが１．５ｃｍＨ
2 Ｏとなるような冷却空気流量を使用した。図１５の輪
郭図から明らかなように、Ｓ／Ｈ＝０．０４５およびτ
／Ｈ＝０．０１５における最小熱インピーダンスは０．
６１℃／Ｗである。この値は、最適溝間隔０．５６３ｍ
ｍおよび最適フィン厚さ０．１８８ｍｍに相当する。

【００７５】これらの結果から、この詳細に説明した実
証例で考えられるヒートシンクおよび圧力降下に関す
る、最も好ましい溝幅の範囲は約０．５ｍｍ（Ｓ／Ｈ＝
約０．０４）〜約１．３ｍｍ（Ｓ／Ｈ＝約０．１０４）
であり、最も好ましいフィン厚さの範囲は約０．１７ｍ
ｍ（τ／Ｈ＝約０．０１３６）〜約０．１９ｍｍ（τ／
Ｈ＝約０．０１５２）である。

【００７６】フィン厚さおよび溝間隔が最適値未満の場
合、熱インピーダンスは急速に増大し、フィン厚さおよ
び溝間隔が最適値よりも大きい場合、熱インピーダンス
はゆっくりと増大する。従って、最適値よりも若干大き
なフィン厚さおよび溝間隔を有するヒートシンクを設計
することが好ましい。

【００７７】別の実施例図１６は発熱性電子部品に組込まれた本発明のヒートシ
ンクを示す。図１６のヒートシンクは、集積回路の製造
に好適な半導体材料の矩形塊に多数の矩形状の平行な溝
を形成することにより作製されている。半導体材料塊中
に溝を形成すると、溝の深さおよび溝間の距離に応じ
て、所定の高さと所定の幅を有するベースから延びる一
連のフィンが創成する。溝は、溝幅およびフィン厚さ寸
法が前記のように最適化されるように形成される。集積
回路４８は、光リソグラフィのような任意の集積回路製
造技術によりヒートシンクのベース内に形成される。

【００７８】図１７は、封止または成型された混成集積
回路のような発熱性電子部品５０を組込んだヒートシン
クを示す。部品５０は、集積回路または個別部品のよう
な発熱性電子部品を１個以上支持する基板を有する。基
板は、本発明の設計方法により寸法が決められたヒート
シンク５２も支持している。ヒートシンクは１個以上の
発熱性電子部品と伝熱関係に取着されている。部品５０
は基板上に配置された部品を被覆する成型材料または封
止材料も有する。キャビテイ５６が封止材料または成型
材料中に形成されている。このキャビテイ５６により、
冷却流体は部品５０内のヒートシンクの溝を直接通過す
ることができる。別の配列構成では、ヒートシンクフィ
ンは封止材料５４の外部に延びており、部品５０の外部
に吹き付けられる冷却流体により冷却される。

【００７９】

【発明の効果】狭溝ヒートシンクについて説明すると共
に、その熱性能を実証した。ヒートシンクの性能を様々
な流れ方向について例証した。カバープレートとヒート
シンク先端との間の隙間（流れバイパス）はヒートシン
クの熱性能を低下するが、常用の電子冷却用途における
本発明のヒートシンクの利点を阻害するほど顕著なもの
ではない。回路板上の部品レイアウトは、ヒートシンク
を通過する冷却流体の流れが遮断されない限り、ヒート
シンクの熱性能にそれほど悪影響を及ぼさない。狭溝ヒ
ートシンクは、前記で説明したような優れた性能を得る
ために、穏当な圧力降下のみを必要とする。この圧力降
下は標準的な冷却ファンより容易に得られる。狭溝ヒー
トシンクはハイパワー電子部品を冷却するのに容易に使
用できる。２０Ｗ／ｃｍ2 （熱源区域に基づく）以上の
発熱性部品は穏やかな強制対流空気冷却により約３８℃
の温度上昇しか示さなかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により狭溝ヒートシンクの一例の斜視図
である。

【図２】ヒートシンク取着部品を千鳥状に配置した本発
明の回路パックの一例の模式的平面図である。

【図３】ヒートシンク取着部品を直列状に配置した本発
明の回路パックの一例の模式的平面図である。

【図４】ヒートシンク取着部品を千鳥状に配置した複数
の列を有する本発明の回路パックの一例の模式的平面図
である。

【図５】図２〜図４に示した回路パックを冷却するため
の冷却流体送出装置の一例の模式的構成図である。

【図６】回路パック用の閉鎖容器のカバープレート内の
空気口スロットおよび圧力タップを示す、図５に図示し
た装置の一部の上面図である。

【図７】千鳥状に配置されたヒートシンク取着部品を有
する回路パックにおける、周囲に関する圧力降下測定値
と溝入力に関する圧力降下測定値を示すグラフ図であ
る。

【図８】２種類のファン電圧における、スロット付カバ
ープレートを有する回路パック内の各部品の周囲温度以
上の温度上昇を示すグラフ図である。

【図９】２種類のファン電圧における、スロット付カバ
ープレートを有する回路パック内の各部品の周囲温度以
上の温度上昇を示すグラフ図である。

【図１０】スロット付カバープレートと中実カバープレ
ートを有する回路パックの性能を比較するグラフ図であ
る。

【図１１】熱インピーダンスに対する回路パックレイア
ウトおよび空気流進入方法の効果を比較するグラフ図で
ある。

【図１２】ヒートシンク全域の４種類の圧力降下値にお
けるヒートシンク寸法の最適化を例証する輪郭図であ
る。

【図１３】ヒートシンク全域の４種類の圧力降下値にお
けるヒートシンク寸法の最適化を例証する輪郭図であ
る。

【図１４】ヒートシンク全域の４種類の圧力降下値にお
けるヒートシンク寸法の最適化を例証する輪郭図であ
る。

【図１５】ヒートシンク全域の４種類の圧力降下値にお
けるヒートシンク寸法の最適化を例証する輪郭図であ
る。

【図１６】発熱性電子部品が組込まれた本発明のヒート
シンクの一例の斜視図である。

【図１７】成型または封止発熱性電子部品内に組込まれ
た本発明のヒートシンクを示す部分切欠き斜視図であ
る。

【符号の説明】

１０ヒートシンク１２フィン１４ベース１８，２０，２２，２４，２６，２８回路素子３０底板３２矢線３６構造体３８端板３９端板４０カバープレート４６空気口スロット４８集積回路５０発熱性電子部品５２ヒートシンク５４成型材料５６キャビティ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者カヴェアザールアメリカ合衆国 02090 マサチューセッツウエストウッド、ブルーヒルドライヴ 15 (72)発明者リチャードエドワードキャロンアメリカ合衆国 03079 ニューハンプシャーセーラム、コリンシャンドライヴ 45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の幅を有する少なくとも１個の溝を
画成する所定の高さと所定の厚さを有する複数枚の矩形
のフィンを有するヒートシンクに取着された発熱性電子
素子からなる少なくとも１個の部品と；溝を通してヒー
トシンクに冷却空気をあてる手段とからなり；所定の厚
さ対所定の高さの比率は約０．００５〜約０．０５５の
範囲内であり、所定の幅対所定の高さの比率は約０．０
３〜０．１３の範囲内であることを特徴とする回路パッ
ク。
【請求項２】複数個の電子部品と、複数個の電子部品を支持する底板と、１個以上の電子部品とそれぞれ伝熱関係にある、底板上
に配列された複数個のヒートシンク、各ヒートシンクは
所定の幅の少なくとも１個の溝を画成する所定の厚さの
フィンを有し、該厚さおよび幅はヒートシンクの熱イン
ピーダンスパラメータを最小にし、底板上に配列されたヒートシンクを覆うカバープレート
からなる、底板上のヒートシンクを被包する手段と、被包手段内に冷却流体を導入し、そして、ヒートシンク
内の溝を通して所定の方向に冷却流体を向かわせる手段
とからなる装置。
【請求項３】複数個のヒートシンクは、被包手段内の
冷却流体の流れの所定の方向に対して垂直なラインに沿
って配列されたヒートシンクの列からなることを特徴と
する請求項２の装置。
【請求項４】ヒートシンクは、被包手段内の冷却流体
の流れに対して平行なラインに沿って千鳥状に配列され
ていることを特徴とする請求項３の装置。
【請求項５】底板上の各ヒートシンクに隣接して、被
包手段のカバープレート内に冷却流体進入スロットを更
に有し、該冷却流体進入スロットは、冷却流体進入スロ
ットに付随するヒートシンクの溝内に下方方向に向かっ
て冷却流体を進入させることができることを特徴とする
請求項２の装置。
【請求項６】ヒートシンクは、それぞれ所定の厚さと所定の高さを有する複数枚の矩形
状フィンと；フィン間に所定の幅の少なくとも１個の溝
とを有し；所定の厚さ対所定の高さの比率は約０．００
５〜約０．０５５の範囲内であり所定の幅対所定の高さ
の比率は約０．０３〜０．１３の範囲内である；ことを
特徴とする請求項２の装置。
【請求項７】所定の厚さ対所定の高さの比率は約０．
００５〜約０．０５５の範囲内であり、所定の幅対所定の高さの比率は約０．０８〜約０．１３
０の範囲内であることを特徴とする請求項１または２の
装置。
【請求項８】所定の厚さ対所定の高さの比率は約０．
００５〜約０．０５５の範囲内であり、所定の幅対所定の高さの比率は約０．０６０〜約０．１
１０の範囲内であることを特徴とする請求項１または２
の装置。
【請求項９】所定の厚さ対所定の高さの比率は約０．
００５〜約０．０５５の範囲内であり、所定の幅対所定の高さの比率は約０．０４０〜約０．０
９０の範囲内であることを特徴とする請求項１または２
の装置。
【請求項１０】所定の厚さ対所定の高さの比率は約
０．００５〜約０．０５５の範囲内であり、所定の幅対所定の高さの比率は約０．０３０〜約０．０
８０の範囲内であることを特徴とする請求項１または２
の装置。
【請求項１１】所定の厚さ対所定の高さの比率は約
０．０１４であり、所定の幅対所定の高さの比率は約
０．１０３であることを特徴とする請求項１または２の
装置。
【請求項１２】所定の厚さ対所定の高さの比率は約
０．０１４であり、所定の幅対所定の高さの比率は約
０．０７７であることを特徴とする請求項１または２の
装置。
【請求項１３】所定の厚さ対所定の高さの比率は約
０．０１４であり、所定の幅対所定の高さの比率は約
０．０５７であることを特徴とする請求項１または２の
装置。
【請求項１４】所定の厚さ対所定の高さの比率は約
０．０１５であり、所定の幅対所定の高さの比率は約
０．０４５であることを特徴とする請求項１または２の
装置。
【請求項１５】フィン厚さが約０．４ｍｍであり、溝幅が約１．１ｍｍであることを特徴とする請求項１ま
たは２の装置。
【請求項１６】一定の熱抵抗を生じるようなフィン厚
さパラメータとチャネル幅パラメータの組み合わせを定
義する、少なくとも一つの位置を決定するステップを含
むことを特徴とする、所定の高さおよび厚さを有するフ
ィンを有し、それによって所定の幅の少なくとも一つの
チャネルを形成することを特徴とするヒートシンクの構
造を最適化する方法。
【請求項１７】最小の熱抵抗のヒートシンクを生成す
る、フィン厚さパラメータとチャネル幅パラメータの少
なくとも一つの組み合わせを決定するステップを含むこ
とを特徴とする、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】所定の冷却気流パラメータについて、
フィン厚さとチャネル幅の組み合わせの関数として、熱
抵抗の輪郭プロットを作成するステップから成ることを
特徴とする、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】それぞれ所定の冷却気流パラメータに
ついて、複数の輪郭プロットを作成するステップからな
ることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２０】さらに、最小の熱抵抗のヒートシンク
を生成する輪郭プロットによって、フィン厚さパラメー
タとチャネル幅パラメータの組み合わせを決定するステ
ップを含むことを特徴とする、請求項１６記載の方法。
【請求項２１】ヒートシンクの熱抵抗に関するパラメ
ータと、フィン厚さとチャネル幅に関するパラメータの
組み合わせとの間の関係を導くステップと、熱抵抗パラメータを最小にする、厚さと幅に関するパラ
メータの組み合わせを見いだすステップとを含むことを
特徴とする、所定の高さおよび厚さを有するフィンを有
し、それによって所定の幅の少なくとも一つのチャネル
を形成するヒートシンクの構造を最適化する方法。