JPH1012781A - 強制冷却用ヒートシンク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子機器などの筐体の冷却は、大きい発熱部材
から効率よく放熱し、発熱部材の温度を一定に保つよう
に冷却し、また発熱部材の下流側に配置されたより小さ
な発熱部材を冷却できる強制冷却用ヒートシンク、及び
それを用いた冷却構造を提供する。 【解決手段】発熱部材が配置された配線基板５０にその
配線基板と平行方向に冷却媒体１を送風する平行流方式
の冷却構造で、ヒートシンクが設置された発熱部材３
０、その下流側に小さい発熱部材４０が配置される。冷
却空気が発熱部材４０に効率よく当たるように、ヒート
シンク２０の下流側の面にフィン間を流れ出る空気の向
きを変える誘導板１０を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子などの発
熱部材を有する電子機器において、電子機器筐体内に積
層される単数あるいは複数の配線基板上に配置された発
熱部材である半導体素子及びマルチチップモジュールの
冷却構造に係り、特に、配線基板上に高密度実装された
複数の発熱部材を効率よく冷却する強制冷却用ヒートシ
ンクに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータをはじめとする電子
機器では、処理能力の向上，小型化，低コスト化等が強
く要求され、電子機器に搭載される半導体素子の発熱
量、並びに搭載数は増加する傾向にある。一方、筐体サ
イズは小型化が進むため、筐体内部の発熱密度は大きく
増加することとなる。また、演算処理用の半導体素子に
は、信号伝搬遅延時間を短縮するために、多数のチップ
をセラミック等の配線基板上に搭載し、一括して冷却す
るマルチチップモジュールという実装形態が多く用いら
れる。マルチチップモジュールは、発熱量，発熱密度と
もに大きく、それ自体の冷却も重要であるが、空気冷却
の場合マルチチップモジュールにより加熱された空気が
周囲の発熱部材に与える影響も大きい。

【０００３】従来、大発熱するマルチチップモジュール
やその他の半導体素子、他の発熱部品が複数混在する高
密度実装系を空気冷却する場合の送風構造には、大きく
二つの構造が取り入れられている。一つは、配線基板上
に実装された半導体素子などの発熱部材に対し、ブロア
あるいはファンなどの送風手段を用いて、配線基板と概
略平行方向に冷却空気を送風する平行流方式の冷却構造
である。また、もう一つは、マルチチップモジュールや
特定の高発熱する発熱部材に対し、それらが配置された
配線基板に向かって概略垂直方向に冷却空気を衝突させ
る噴流方式の冷却構造である。

【０００４】それぞれの発熱部材は、過度な温度の上昇
による素子の損傷や誤動作のないように定格温度以下に
保たれていなければならない。電子機器の冷却には、放
熱面積を拡大して冷却性能を向上させるヒートシンクを
用いた構造が多く見られる。特に、高発熱する半導体素
子、あるいはマルチチップモジュールなどの発熱部材に
は、その発熱密度と仕様温度に応じて様々な形状や大き
さの強制冷却用ヒートシンクがその表面に設置される。
そのヒートシンクは、高熱伝導性の材質例えばアルミニ
ウムや銅製であり、一般に、一金属製平面板に複数の平
行平面板を１〜３mm程度の間隔で複数積層させる平板フ
ィン形ヒートシンク（図１１（ａ））が多く用いられて
いる。その平板フィンは、製作が比較的容易且つ安価で
あり、放熱面積が多く取れる割には圧力損失が小さいと
いう利点のため、その適用範囲も広く、高密度実装され
る電子機器の強制空冷構造に多く用いられている。

【０００５】また、最近では、高発熱密度化に加え、筐
体内部で大きさの異なる半導体素子が冷却媒体の流れ方
向に隣接して並ぶ混在実装化の傾向が進んでいる。混在
実装された電子機器を空気冷却する場合の課題の一つ
に、マルチチップモジュールなどに代表されるような大
きく、高さの高い発熱部材の下流側に配置された、小さ
く、高さの低い発熱部材の冷却性能の悪化が挙げられ
る。大きく、高さの高い発熱部材の下流側は流速が低
く、逆に風温の高い領域が広範囲に形成される。この領
域に小さく、高さの低い発熱部材が配置されると、その
冷却性能は著しく悪化する。

【０００６】前述のように、配線基板上に大きさ、高さ
が全く違う発熱部材が複数混在し、大きい発熱部材下流
側に配置される実装形態が最近多く用いられている。こ
のため、図１１（ａ）に示す平板フィン形ヒートシンク
を発熱部材毎に設置するだけでは十分な冷却が成されな
い。このため、図１１（ｂ）のようなヒートシンク上部
を流れる冷却空気をフィン部に集めるように流れの向き
を変えて、冷却性能を向上させる構造例（特開平6−188
340号公報）がある。また、この他に特開平1−204498号
公報，特開平5−259325号公報、及び特開平6−163771号
公報はいずれも、冷却対象である発熱部材に設置された
ヒートシンクの上部あるいは側面部を通過する冷却空気
の流れをフィン部に集中させる構造にしたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のヒートシンク
（図１１）を用いた冷却構造は、大きさの異なる発熱部
材が高密度実装された場合、ヒートシンクの設置されな
い小さい発熱部材は冷却されず、誤動作などの障害を起
こし易い。このため、それらの発熱部材にも各々ヒート
シンクを設置させ、冷却の不十分さによる障害を抑制し
なければならない。図１１のヒートシンクは、電子機器
などの発熱部材である半導体素子やマルチチップモジュ
ールなどを単独に冷却する構造であるため、高さの大き
く異なる発熱部材が混在する高密度実装系では、流れの
下流側（出口側）に設置されたより小さな発熱部材の冷
却には全く寄与しない。このため、他の小さい発熱部材
にもヒートシンクを設置し、仕様温度を考慮した冷却構
造を設計しなければならない。

【０００８】本発明の目的は、電子機器をはじめとする
大小様々な発熱部材が混在して実装された電子機器の冷
却構造について、発熱部材に設置されたヒートシンク下
流側面のフィン間から流れ出る冷却空気を他の発熱部材
に誘導し、他の小さい発熱部材から発生する熱を効率よ
く放熱し、発熱部材温度を所定の温度に保つ一方、冷却
媒体の下流側に配置された小さな（高さの低い）発熱部
材も十分冷却できる強制冷却用ヒートシンク及びそれを
用いた冷却構造を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、大きい発熱部材の下流側に配置された
小さく、高さの低い発熱部材あるいはその発熱部材に設
置されたヒートシンクに、冷却に十分な冷却空気が流入
するように、大きい発熱部材に設置されたヒートシンク
の下流側面にフィン間を流れ出る冷却空気の流れ方向を
任意に変化させるような平面状または曲面状の誘導板を
発熱部材の配置された配線基板面に傾斜を有するように
設けた。

【００１０】さらに、大きい発熱部材の下流側に配置さ
れた小さい発熱部材に対して、大きい発熱部材に設置し
たヒートシンクのフィン部を、小さい（高さの低い）発
熱部材上部まで延長し、そのフィン下流面に流れ方向を
変える平面状あるいは曲面状の誘導板を設け、小さい発
熱部材に冷却媒体が衝突するようにした。また、その誘
導板は、発熱部材の実装パターンや冷却媒体の流量に応
じて、傾斜角度やその設置高さを自由に位置決めできる
ようにした。

【００１１】また、配線基板と垂直方向に冷却媒体が送
風される噴流方式の冷却構造では、対象とする発熱部材
に冷却空気が衝突した後に、その空気は、配線基板と平
行にフィン間を流れる。そこで、フィン間から流れ出る
冷却空気の流れ方向を任意に変化させるように、二つの
冷却空気流出面に前述と同様な誘導板を設けた。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１（ａ）及び（ｂ）に本発明の
強制冷却用ヒートシンクを用いた冷却構造の第一の実施
例の斜視図及び断面図を示す。電子機器などに用いられ
る配線基板５０上には高発熱する大きい発熱部材例えば
マルチチップモジュール３０と小さい発熱部材例えば半
導体素子４０が冷却媒体例えば空気の流れ方向に実装さ
れている。それらの発熱部材は、流れの上流側にマルチ
チップモジュール３０が実装され、マルチチップモジュ
ール３０表面には本発明の強制空冷用ヒートシンク２０
が設置されている。ヒートシンクは、高熱伝導性の材質
例えばアルミニウムや銅製であり、一金属製平面板に複
数の平行平面板が１〜３mm程度の間隔で複数積層され、
その下流側面に誘導板１０が取り付けられた形状になっ
ている。そのため、そのヒートシンクは、製作が比較的
容易且つ安価であり、放熱面積も多く取れる。

【００１３】本実施例の送風手段は、最も一般的で広く
用いられる冷却方法である、ファンあるいはブロアなど
で発熱部材３０，４０に送風する構造（平行流冷却構
造）になっている。その冷却空気１は、配線基板５０に
対して平行方向に送風され、流れ方向に並んだ二つの発
熱部材を冷却し、同一方向に暖かい空気２となって排出
される。マルチチップモジュール３０上のヒートシンク
２０には、例えばヒートシンクと同じ材質で作られた誘
導板１０が配線基板５０に対して下向きの傾斜をもって
取り付けられている。その取付け部は、フィンにはめ込
む構造になっており、その両者は例えば熱伝導性の接着
剤により接着されている。ここで、誘導板１０の材質
は、ヒートシンクと同じ材質でなくともかまわない。

【００１４】本実施例の冷却構造では、まず配線基板５
０に沿って流れる冷却空気１が、ヒートシンク２０のフ
ィン間流路内に入る。その冷却空気１は、ヒートシンク
２０下流面側に接合された誘導板１０により配線基板５
０側に向かうように空気の流れ方向を制御され、マルチ
チップモジュール３０下流に設置された半導体素子４０
に多くの冷却空気が流れる構造になっている。そして、
その空気は、冷却空気１と同一方向に流れ、暖かい空気
２となって排出される。マルチチップモジュール３０に
設置されたヒートシンク２０内において、マルチチップ
モジュールから発する熱は、フィン根元の金属板，フィ
ン，空気へと伝わり放熱される。フィン部はフィン入口
端部で最も良く空気と熱交換が行われ、フィン間流路下
流側に行くほど風温の上昇のため、交換熱量は低下す
る。本実施例では、下流側に設けた誘導板自身による伝
熱面積拡大の効果があるため、フィン下流部でも比較的
交換熱量を大きく確保できる。このため、ヒートシンク
２０内の流れ方向への温度分布が小さくなり、マルチチ
ップモジュール３０を均一に冷却できる。

【００１５】一方、そのマルチチップモジュール３０下
流側に隠れた半導体素子４０については、誘導板１０に
より、従来型ヒートシンク（図１１）に比べ冷却空気１
が半導体素子４０近くまで多量に流れる。このため、半
導体素子３０下流にできる渦が小さくなり、冷却空気の
循環域が小さくなる。このため、比較的低温で速い流れ
の冷却空気が半導体素子４０表面に接触し、その表面で
高い熱伝達率で熱伝達するので、半導体素子４０の表面
温度が仕様温度以下になるように十分冷却できる。

【００１６】ここで、従来型ヒートシンクを用いた場合
（図１１）の冷却構造と比較してみる。図１で本発明の
ヒートシンク２０を図１１（ａ）の平行平板ヒートシン
クに変えた場合、冷却空気１は、ヒートシンク２０と同
様にフィン間に入るがほぼ直線的に下流に抜けていき、
半導体素子４０は冷却されない。また、図１１（ｂ）の
ヒートシンクでは、フィン上部の平板によりフィン間流
速が上昇し、発熱部材３０を良く冷却できるが、下流の
半導体素子４０の冷却には全く寄与できない。このた
め、これらのヒートシンクを用いた場合、発熱部材４０
上にもヒートシンクを設置する必要性があり、本実施例
が単純に発熱部材４０を冷却できることがわかる。

【００１７】つまり本実施例は、マルチチップモジュー
ル３０上に本発明のヒートシンク２０を用いることによ
り、マルチチップモジュール３０の下流側に位置する発
熱密度の小さい半導体素子４０にヒートシンクを設けず
に済み、ヒートシンク２０に取り付けた誘導板１０を傾
斜に設けることにより、半導体素子４０に対しても、冷
却に十分な空気を誘導できるので、必要以上に余分な冷
却手段を排除することができる。ここで、図１に示す実
施例では、半導体素子４０にはヒートシンクを取り付け
ないものを示したが、ヒートシンクを取り付ければ更に
良好な冷却が行われる。

【００１８】図２（ａ）及び（ｂ）に本発明の強制冷却
用ヒートシンクを用いた他の実施例を示す。配線基板５
０上に発熱部材３０，４０が実装され、配線基板５０に
対して概略平行方向に冷却空気１が送風される。発熱部
材の実装構造は図１と同様であり、大きい発熱部材、例
えば、マルチチップモジュール３０の下流側に小さい半
導体素子４０が流れ方向に実装されている。マルチチッ
プモジュール３０上に熱的に接触させた本発明のヒート
シンク２９，半導体素子４０上に平板フィン形ヒートシ
ンク４１がある。ヒートシンク２９の下流側面には、誘
導板１８が取り付けられている。誘導板１９は、フィン
の根元部から配線基板５０側に延びており、循環域を覆
う形状になっている。このため、フィン間を出た冷却空
気３は滑らかにヒートシンク４１に入るので、半導体素
子４０を冷却するとともに、循環域を小さくする作用が
働き有効な熱交換ができる。また、このヒートシンク２
９では、誘導板１９による圧力の増加がほとんどないた
め、圧損が小さく熱効率の良い冷却を行うことができ
る。

【００１９】図３（ａ）及び（ｂ）に本発明の強制冷却
用ヒートシンクを用いた他の実施例を示す。配線基板５
０上の発熱部材３０，４０の実装およびその冷却空気１
の送風手段は、図１に示した場合と同様であり、マルチ
チップモジュール３０の下流側に他の半導体素子４０が
流れ方向に実装されている。マルチチップモジュール３
０上に熱的に接触させた本発明のヒートシンク２１があ
る。ヒートシンク２１のフィン部は下流側に（流れ方向
に）大きく突き出ており、そのフィンの一部あるいは全
体が後方の半導体素子４０を覆う形状になっている。ヒ
ートシンク２１の下流側面（流れ方向に突き出たフィン
部）には、図１と同様にフィン間を流れ出る冷却空気の
流れ方向を制御する誘導板１０が設置されている。ヒー
トシンク２１前面（流れの上流側）から入った冷却空気
１は、フィンに入る際面積縮小により加速されて流れ、
下流側に突き出たフィン部にある誘導板１０に当たる。
誘導板１０は、フィン間を流れ出る冷却空気の向きを変
えて、半導体素子４０表面に冷却空気を衝突させる。よ
って、半導体素子４０表面では、面に対して垂直な空気
の衝突となるので、平行に冷却空気を流す場合に比べ
て、その表面熱伝達率も向上する。このように、誘導板
を設けた本発明のヒートシンク２１により、ヒートシン
ク前方からの冷却空気が他の半導体素子４０に流れ易く
なり、マルチチップモジュール３０のみでなく半導体素
子４０も効率良く冷却することができる。

【００２０】図４（ａ)(ｂ）に本発明の強制冷却用ヒー
トシンクを用いた他の実施例を示す。図３に示した場合
と同様に大きいマルチチップモジュール３０の下流側に
実装された他の半導体素子４０上に他のヒートシンク、
例えば、図１１（ａ）のヒートシンク４１が熱的に接触
して搭載される。半導体素子３０上には、ヒートシンク
２２が搭載され、そのフィンは下流側に突き出ている。
ヒートシンクの下流側面には誘導板が配線基板に対して
ほぼ垂直に設置され、フィン間による水平方向の流れを
直角方向に変えている。この時の冷却空気の流れは、第
二の実施例と大体同じである。誘導板１１によって配線
基板５０と直角に流れの向きを変えた冷却空気は、半導
体素子４０上のヒートシンク４１に上面側から入り、主
流方向１，２に対し上下方向に分かれてフィン間を出る
（ヒートシンク内で一部が全体の流れ方向と逆流す
る）。逆流する空気は、半導体素子４０からマルチチッ
プモジュール３０側へ向かうので、通常形成される半導
体素子３０後面の循環流を側面に追い出す形となる。よ
って、マルチチップモジュール３０下流側に形成される
熱の溜まり易い循環域が小さくなり、効率よく配線基板
５０上の熱を排出できる。本実施例では、誘導板１１を
基板に対してほぼ垂直に設置した例を示したが、基板に
対して傾けて設置してもよい。

【００２１】図５（ａ)(ｂ）は半導体素子の配置された
配線基板５０と水平方向に冷却空気１を送風する平行流
方式による冷却構造の一実施例である。本実施例では、
マルチチップモジュール３０上のヒートシンク２３下流
側面に設置する誘導板１２を曲面状にすることで滑らか
に流れ方向を変えることができ、前述と同様の冷却効果
により、配線基板５０上の発熱部材を効率良く冷却でき
る。特に、本実施例の構成とすれば滑らかに流れ方向を
変えることができるので、通風抵抗を低減でき騒音を低
下することができる。

【００２２】図６は半導体素子の設置された配線基板５
０に対して垂直方向から冷却空気１を送風する噴流方式
による冷却構造の一実施例である。噴流方式による冷却
では、ヒートシンク上面側からノズル５５により冷却空
気１が入るため、２方向に分かれてヒートシンクから排
出される。この場合でも、ヒートシンク内の二つの冷却
空気出口部に流れの向きを変える誘導板１１を設置する
ことで、近接する他の半導体素子４０の設置位置によら
ず効率の良い冷却ができる。

【００２３】図７および図８に他の実施例を示す。図
７，図８は図３と同様な冷却構造で、冷却空気１は配線
基板と平行に流れヒートシンク２５および２６に流入す
る。図７では、ヒートシンク下流側に設置する板１３を
軸となるピン１４を中心に回転できるため、半導体素子
４０の設置位置によらず、誘導板を最も効率良く送風で
きる角度に調整することができる。また、図８に示すよ
うに、ヒートシンク２６下流側の端にピン１４の穴１５
を複数設ける構造にし、誘導板１３の位置を上下に変え
る構造にすると、同様に他の発熱部材位置によらず、誘
導板１３位置の調整で任意に冷却性能を制御できる。

【００２４】図９および図１０に他の実施例を示す。図
９，図１０は、図１及び図３ないし図８の実施例を電子
機器に複数混在させた場合について示したものである。
電子機器筐体内部の実装形態は、例えば、複数の配線基
板５０が積層され、その一枚一枚には、メモリ５９が多
数設置されたカード列５８とマルチチップモジュール３
０や半導体素子４０などの発熱部材が、交互に数列並ぶ
形態をとる。ここで、送風方式は、平行流方式（図９）
や噴流方式（図１０）で、配線基板５０上の発熱部材に
冷却空気１を送っている。図９，図１０では、マルチチ
ップモジュールに搭載するヒートシンクに誘導板１１を
設けた本発明のヒートシンク２７を用いることにより、
マルチチップモジュール３０の下流に位置する小さい
（高さの低い）半導体素子４０にも十分な冷却空気が送
風できるようになり、配線基板５０上に実装されたすべ
ての発熱部材を所定の温度まで容易に冷却することがで
きる。また、図１０に示す噴流冷却構造では、設置する
ヒートシンクを９０度毎に向きを変えて設置すること
で、配線基板５０上のあらゆる面に設置された発熱部材
に冷却空気を送風することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、大小様々な発熱部材が
混在する高密度実装系の冷却構造に対して、各々の発熱
部材に設置されたヒートシンクあるいは発熱部材自体
に、適量の冷却風量を分配できる一方、近接して実装さ
れた大小の発熱部材についても十分な冷却空気が送風さ
れるので、各発熱部材から発生する熱を効率よく放熱
し、各発熱部材温度を所定の温度に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第一の実施例の説明図。

【図２】本発明における第二の実施例の説明図。

【図３】本発明における第三の実施例の説明図。

【図４】本発明における第四の実施例の説明図。

【図５】本発明における第五の実施例の説明図。

【図６】本発明における第六の実施例の説明図。

【図７】本発明における第七の実施例の斜視図。

【図８】本発明における第八の実施例の斜視図。

【図９】本発明における第九の実施例の斜視図。

【図１０】本発明における第十の実施例の斜視図。

【図１１】従来の強制冷却用ヒートシンクの斜視図。

【符号の説明】

１…冷却空気、１０…誘導板、３０…マルチチップモジ
ュール、４０…半導体素子、５０…配線基板、５５…ノ
ズル、５８…メモリカード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新 隆之 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子面に接触する金属製平面板上
   に、概略平行に立てられた複数のフィンを有し、前記金
   属製平面板に対し、概略平行方向あるいは垂直方向に冷
   却媒体を送風して強制冷却するヒートシンクにおいて、
   前記ヒートシンクの前記冷却媒体の出口部の一部に前記
   半導体素子の下流側に位置する他の半導体素子に流れを
   誘導する板を設けたことを特徴とする強制冷却用ヒート
   シンク。
2. 【請求項２】請求項１において、前記フィンが前記金属
   平面板より少なくとも一流れ方向に突き出ている強制冷
   却用ヒートシンク。
3. 【請求項３】請求項２において、前記ヒートシンクで前
   記金属平面板より少なくとも一流れ方向に突き出た前記
   フィンが流れ方向にある高さの低い他の発熱部材上方ま
   で突起している強制冷却用ヒートシンク。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、前記ヒー
   トシンクの前記冷却媒体出口部の一部に設置した流れを
   誘導する板が、曲面状の板である強制冷却用ヒートシン
   ク。
5. 【請求項５】請求項１，２または３において、前記ヒー
   トシンクの前記冷却媒体出口部の一部に設置した流れを
   誘導する平面板あるいは曲面板が、前記金属製平面板に
   対して傾斜をもって前記フィンに設置されている強制冷
   却用ヒートシンク。
6. 【請求項６】請求項１，２または３において、前記ヒー
   トシンクの前記冷却媒体出口部の一部に設置した流れの
   前記誘導板が、前記金属製平面板に対して前記誘導板の
   傾斜角度を任意に変えられる手段を設けた強制冷却用ヒ
   ートシンク。
7. 【請求項７】請求項１，２または３において、前記ヒー
   トシンクの前記冷却媒体出口部の一部に設置した流れの
   前記誘導板が、前記金属製平面板に対して、前記誘導板
   の高さ位置を任意に変えられる手段を設けた強制冷却用
   ヒートシンク。