DE112009005359T5

DE112009005359T5 - Kühlkörper, Kühlkörperanordnung, Halbleitermodul und Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE112009005359T5
Application number: DE112009005359T
Authority: DE
Inventors: Kazuya Kodani; Makoto Takeda
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2011058622A1; US20120217630A1; CN102598253A; US8558373B2

Abstract

Ein Kühlkörper (1) beinhaltet eine Basis (1A) und Wärmeabstrahlrippen (1B), die auf einer der Oberflächen der Basis (1a) platziert sind und die parallel zueinander mit einem schmalen Submillimeterabstand angeordnet sind. Jede der mehreren Wärmeabstrahlrippen weist eine Submillimeterdicke, eine Länge in einer Breitenrichtung von 60 mm oder weniger und eine Höhe von 40 mm oder weniger auf. Die Kühlkörperanordnung (5) kann durch Anordnen mehrerer Kühlkörper (1) und thermisches Verbinden jedes der Kühlkörper (1) miteinander unter Verwendung einer Wärmetransporteinrichtung (4) aufgebaut sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf einen Kühlkörper, eine Kühlkörperanordnung, ein Halbleitermodul und eine Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen hat, wie in 1 und 2 dargestellt, eine Kühleinrichtung für eine Leistungshalbleitereinrichtung eine Struktur, bei der ein Kühlkörper 104 in Druckkontakt mit Leistungshalbleitermodulen 101 durch Anziehen von Schrauben durch ein Isoliermaterial 102 und ein thermisches Grenzflächenmaterial 103 wie z. B. Fett und einen thermisch leitfähigen Klebstoff gebracht wird. Gebläse 105 werden zur Gebläse-Luftkühlung eingebaut, um Luft in einer Richtung entlang der Wärmeabstrahlrippen 104B des Kühlkörpers 104 zu blasen.
Die Wärme, die in der Leistungshalbleitereinrichtung während eines Betriebs eines Leistungsumwandlers erzeugt wird, wird in eine umliegende Umgebung (Atmosphäre) von den Leistungshalbleitermodulen 101 durch das thermische Grenzflächenmaterial 103, welches eine Kontaktgrenze ist, und eine Basis 104A und Wärmeabstrahlrippen 104B des Kühlkörpers 104 freigesetzt.
Jedoch ist in dem Fall der vorgenannten Kühleinrichtung vom Typ der Gebläse-Luftkühlung für die Leitungshalbleitereinrichtung ein Wärmeübertragungskoeffizient (mehrere 10 W/m²C) des Kühlkörpers 104, der als ein Wärmeabstrahlteil dient, im Vergleich zu einer Wärmedichte (mehrere 100.000 W/m²) der Leistungshalbleitereinrichtung gering, und der Abstrahloberflächen-Flächeninhalt muss, um die Temperaturdifferenz innerhalb einer akzeptablen Veränderung (mehrere 10°C) zu halten, auf mehrere 100 Mal den Flächeninhalt der erhitzten Oberfläche vergrößert werden.
In einem Verfahren zum Vergrößern der Oberflächenfläche gibt es Faktoren, welche Wärmeabstrahlung verhindern, einschließlich dem Wärmeleitwiderstand (Wärmewiderstand aufgrund von Wärmeleitung in einem Festkörper), Wärmekontaktwiderstand (Wärmewiderstand aufgrund des Kontakts zwischen Festkörpern), Wärmeausbreitungswiderstand (Wärmewiderstand aufgrund von Wärmeübertragung von einer Wärme erzeugenden Komponente auf den Kühlkörper 104, während diese sich mit einem Winkel von 45° ausdehnt), einer Rippeneffizienz (Korrekturfaktor für eine ungleichförmige Temperatur der gesamten Wärmeabstrahlrippen 104B), einer Kühlkörpereffizienz (Korrekturfaktor für eine ungleichförmige Temperatur der ankommenden und ausgehenden Luft). Daher war das Volumen des Kühlkörpers 104 viel größer als dasjenige des Leistungshalbleitermoduls 101.
Ein in 1 dargestellter Leistungsumwandler, der aus einem großen IGBT-Modul und einer Kühleinrichtung aufgebaut ist, wird als ein Beispiel einer gewöhnlichen Kühleinrichtung einer Leistungshalbleitereinrichtung beschrieben. Wenn ein Wärmeverlust der Leistungshalbleitereinrichtung 2000 W ist und eine akzeptable Grenzflächentemperatur 125°C (Umgehungstemperatur von 40°C) ist, ist das Aufbringen eines großen Kühlkörpers 104 vom Verstemmungsverbindungstyp (Breite 300 mm × Länge 300 mm × Höhe 110 mm) mit Gebläseluft-Kühlgebläsen 105 daran eine vernünftige Lösung. Bei diesem Zeitpunkt ist, da der Wärmewiderstand des Kühlkörpers 104 0,028 K/W und dessen Volumen 10.890 cm³ ist, der Volumenwärmewiderstand 305 cm³ K/W (Leistungsindex des Kühlkörpers).
Um das Volumen des Kühlkörpers 104 zu verringern, ist ein Kühlmittel für eine effiziente Wärmeabstrahlung nötig. Als ein solches Mittel gibt es einen Kühler vom Wärmeröhrentyp oder vom Dampftyp, der Wärme unter Benutzung der latenten Wärme und der Wärmeübertragung aufgrund der Verdunstungskondensation eines Kühlmediums transportiert, und ein Volumen eines Kühlkörpers kann bis auf ungefähr eine Hälfte bis ein Drittel reduziert werden (siehe NPL 1). Dieser Kühlkörper wird auch weit verbreitet als Kühleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeug verwendet (siehe PTL 1).
Ein anderes Beispiel des Mittels ist ein Kühler vom Wasserkühltyp, der Wärme durch eine erzwungene Zirkulation eines Kühlmediums unter Benutzung einer Pumpe transportiert. Noch ein anderes Beispiel ist ein Kühler, in dem ein Mikrokanal direkt neben einer Wärme erzeugenden Komponente eingebaut ist, um den Wärmeleitwiderstand zu verringern, und der Abstrahloberflächen-Flächeninhalt wird vergrößert, um den Wärmeoberflächenwiderstand gegenüber einem Kühlmedium zu verringern, sodass eine Flussrate der kühlbaren Wärme vergrößert wird, wodurch es ermöglicht wird, eine Wärme erzeugende Komponente mit einer hohen Wärmeerzeugungsdichte zu kühlen (siehe PTL 2–5). Auch gibt es einen Kühler, der einen Wärmeoberflächenwiderstand durch Benutzung eines auftreffenden Strahls verringert, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen (siehe PTL 6 und 7).
Jedoch wird in den gewöhnlichen Einrichtungen, wie sie in NPL1 und PTLs 1–7 beschrieben werden, obwohl eine Größe eines Wärme aufnehmenden Blocks verringert wird, ein separater Gas-Flüssigkeitswärmetauscher benötigt, um Wärme in die umliegende Umgebung (Atmosphäre) abzugeben. Somit wird das Volumen der Kühleinrichtung vom Wasserkühlungstyp einschließlich der Zusatzgeräte (Antriebspumpe, Röhre und ähnliches) größer oder gleich desjenigen einer Kühleinrichtung vom Wärmeröhren- oder Dampftyp.
Wie oben beschrieben wird in den gewöhnlichen Kühleinrichtungen der Leistungshalbleitereinrichtungen, die in NPL 1 und PTL 1–7 beschrieben werden, ein Wärmetransportmechanismus durch Zirkulation eines Kühlmediums benötigt. Daher werden die gesamten Kosten für einen Kühlkörper einschließlich eines Wärmeaufnahmeblocks, eines Wärmetransportmechanismus und von Wärmeabstrahlrippen vergrößert. Ferner gibt es in den gewöhnlichen Kühleinrichtungen der Leistungshalbleitereinrichtung, da der Wärmeaufnahmeblock und die Wärmeabstrahlrippen voneinander getrennt werden, eine hohe Flexibilität in der Gestaltung. Jedoch wird das Volumen der gesamten Kühleinrichtung einschließlich des Wärmeaufnahmeblocks, des Wärmetransportmechanismus und der Wärmeabstrahlrippen um ungefähr eine Hälfte oder ein Drittel reduziert, welches nicht so gering ist. Es gibt auch ein Problem, dass Maßnahmen vorgenommen werden müssen, um mögliche Probleme wie z. B. das Gefrieren und das Lecken eines Kühlmediums zu adressieren.
Zitationsliste
Patentliteratur

PTL 1: JP 2000-60106 A
PTL 2: JP 6-326226 A
PTL 3: JP 7-066338 A
PTL 4: JP 2002-151640 A
PTL 5: JP 2006-019730 A
PTL 6: JP 5-003274 A
PTL 7: JP 10-022428 A

Nicht-Patentliteratur

NPL 1: "Boiling Refrigerant Type Cooling Unit (Compact Cooling Unit for Computer Chip)", Denso Technical Review Volume 7, pages 128–535, 2002.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde vorgenommen, um die oben genannten Probleme des Standes der Technik zu beheben, und ein Ziel davon ist es, einen Kühlkörper bereitzustellen, der für eine Wärme erzeugende Halteeinrichtung benutzt wird, um deren Temperatur niedrig zu halten, und der auch in der Lage ist, ein Volumen einer Kühlvorrichtung zu reduzieren und eine hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten beizubehalten, und auch um eine Kühlkörperanordnung, ein Halbleitermodul und eine Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung bereitzustellen, in denen der oben genannte Kühlkörper verwendet wird.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkte beinhaltet ein Kühlkörper, der mit einem Kühlungsgebläse vom Gebläselufttyp verwendet wird, eine Basis und Wärmeabstrahlrippen, die auf einer der Oberflächen der Basis angeordnet sind und die parallel zueinander mit einem schmalen Submillimeterabstand angeordnet sind. Jede der Wärmeabstrahlrippen hat eine Submillimeterdicke, eine Länge in einer Breitenrichtung von 60 mm oder geringer und eine Höhe von 40 mm oder geringer (der Kühlkörper kann auch die Länge in der Breitenrichtung von 10 bis 60 mm und die Höhe von 10 bis 40 mm haben).
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt beinhaltet eine Kühlkörpereinrichtung wenigstens zwei der Kühlkörper gemäß dem ersten Gesichtspunkt und eine Wärmetränsporteinrichtung, welche die Kühlkörper thermisch miteinander verbindet.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt beinhaltet ein Halbleitermodul den Kühlkörper gemäß dem ersten Gesichtspunkt, einen Wärmeaufnahmeblock, der auf der anderen Oberfläche der Basis in einem thermisch leitenden Zustand platziert ist, und eine Halbleitereinrichtung, die auf dem Wärmeaufnahmeblock platziert ist.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt beinhaltet ein Halbleitermodul die Kühlkörpereinrichtung gemäß dem zweiten Gesichtspunkt, einen Wärmeaufnahmeblock, der auf der anderen Oberfläche der Basis in einem thermisch leitenden Zustand bezüglich wenigstens einem der Kühlkörper der Kühlkörperanordnung platziert ist, und eine Halbleitereinrichtung, die auf dem Wärmeaufnahmeblock platziert ist.
Gemäß einem fünften Gesichtspunkt beinhaltet eine Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung das Halbleitermodul nach dem dritten oder vierten Gesichtspunkt, ein Gehäuse, in dem das Halbleitermodul aufgenommen ist, und ein Gebläse, welches an dem Gehäuse angebracht ist und welches Luft zu einer Anzahl an Wärmeabstrahlrippen des Halbleitermoduls bläst.
Der Kühlkörper gemäß dem ersten Gesichtspunkt oder die Kühlkörperanordnung gemäß dem zweiten Gesichtspunkt können eine Temperatur einer Wärme erzeugenden Halbleitereinrichtung niedrig halten, indem sie für den gleichen Zweck wie eine Kühleinrichtung vom Gebläsetyp zusammen mit einem Gebläseluft-Kühlungsgebläse verwendet werden, und er ist auch in der Lage, das Volumen einer Kühlvorrichtung zu reduzieren und eine hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten beizubehalten.
Ferner verwendet das Halbleitermodul gemäß dem dritten oder vierten Gesichtspunkt oder die Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung gemäß dem fünften Gesichtspunkt einen kleinen, kostengünstigen und hochgradig zuverlässigen Kühlkörper oder Kühlkörperanordnung als Kühlvorrichtung, sodass eine Verkleinerung für einen Halbleiter, der mit einer Kühleinrichtung versehen ist, oder als eine Halbleitereinrichtung ermöglicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung für eine Leistungshalbleitereinrichtung vom Gebläseluft-Kühlungstyp gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine Querschnittsansicht der Kühleinrichtung der Leistungshalbleitereinrichtung vom Gebläseluftkühlungstyp gemäß dem Stand der Technik.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers nach Ausführungsform 1.
4(a) und 4(b) stellen den Kühlkörper nach Ausführungsform 1 dar, wobei 4(a) eine Vorderansicht von diesem und 4(b) eine Seitenansicht von diesem ist.
5 ist eine vergrößerte Ansicht des Schnitts C in 4(a).
6(a)–6(c) stellen Charakteristiken dar, die sich auf die Länge des Kühlkörpers nach Ausführungsform 1 beziehen, wobei 6(a) die Charakteristiken des Wärmewiderstands darstellt, 6(b) die Charakteristiken des Volumenwärmewiderstands darstellt, und 6(c) die Charakteristiken einer optimalen Form der Wärmeabstrahlrippe darstellt.
7(a)–7(c) stellen Charakteristiken dar, die sich auf die Höhe des Kühlkörpers nach Ausführungsform 1 beziehen, wobei 7(a) die Charakteristiken des Wärmewiderstands darstellt, 7(b) die Charakteristiken des Volumenwärmewiderstands darstellt und 7(c) die Charakteristiken einer optimalen Form der Wärmeabstrahlrippe darstellt.
8(a)–8(c) stellen Charakteristiken dar, die sich auf die Breite des Kühlkörpers nach Ausführungsform 1 beziehen, wobei 8(a) die Charakteristiken des Wärmewiderstands darstellt, 8(b) die Charakteristiken des Volumenwärmewiderstands darstellt und 8(c) die Charakteristiken einer optimalen Form der Wärmeabstrahlrippe darstellt.
9 ist eine Vorderansicht einer Kühlkörperanordnung nach Ausführungsform 2.
10 ist eine partielle perspektivische Schnittansicht einer Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung nach Ausführungsform 3.
11 ist eine partielle perspektivische Schnittansicht einer Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung nach Ausführungsform 4.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zunächst wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Sobald eine äußere Form (Breite: W, Höhe: H und Länge: L) eines Kühlkörpers und eine Kapazität eine Kühlgebläses entschieden worden sind, kann eine Form einer Wärmeabstrahlrippe, welche die bestmögliche Wärmeabstrahlleistung erzielt, aus den unten genannten Gleichungen erzielt werden.
1) Flussanalyse
Ein hydraulischer äquivalenter Durchmesser D [m] mit der Länge L [m] des Kühlkörpers, der Höhe H_fin [m] der Wärmeabstrahlrippe und einem rechteckigen Durchlass mit einem Abstand g [m] kann geschrieben werden als: D = 2gH_fin/(g + H_fin)
Eine Reynoldszahl Re wird wie folgt aus einer Fluiddichte ρ [kg/m³], einer Fluidviskosität μ [Pa s] und einer durchschnittlichen Flussgeschwindigkeit der Wärmeabstrahlrippe U_ar [m/s] erhalten: Re = ρDU_ar/μ
Obwohl der turbulente Übergang bei einer Reynoldszahl Re von ungefähr 2.300 anfängt, haben die meisten Kühlkörper mit einem schmalen Rippenabstand einen laminaren Fluss. Ein dimensionsloser hydraulischer Abstand x⁺ wird wie folgt aus einer charakteristischen Länge x (der Länge L des Kühlkörpers) erhalten: x⁺ = x/(ReD).
Ein Reibungskoeffizient f eines vollständig entwickelten laminaren Flusses wird wie folgt erhalten: fRe = (19,64G + 4,7).
Hier wird ein Kanallängenverhältnis G wie folgt erhalten: G = [(g/H_fin)² + 1]/[(g + H_fin) + 1]² und ein Reibungskoeffizient f_app einer sich entwickelnden laminaren Strömung wird wie folgt erhalten: f_appRe = {[3,2(x⁺)^–0,57]² + (fRe)²)^1/2
Eine Einlasslänge X bis zur vollen Entwicklung des laminaren Flusses wird wie folgt erhalten: X/D = 0,0065Re
Bei dieser Einlasslänge gibt es einen zusätzlichen Druckverlust.
Anschließend werden ein Kontraktionsfaktor K_c und ein Ausdehnungsfaktor K_e erhalten. Eine Rippendichte σ bezüglich eines Wiederholungsintervalls p [m] einer Wärmeabstrahlrippe wird wie folgt erhalten: σ = g/p.
Der Kontraktionsfaktor K_c wird wie folgt erhalten: K_c = 0,8 – 0,4σ².
Der Expansionsfaktor K_e wird wie folgt erhalten: K_e = (1 – σ)².
Der Druckverlust ΔP_hs [Pa] des Kühlkörpers wird wie folgt erhalten: ΔP_hs = (K_c + 4f_appx⁺ + K_e)H_ar.
Hierbei stellt H_ar [Pa] die hydraulische Druckhöhe der Rippen dar und wird aus folgender Gleichung erhalten: H_ar = ρU_ar ²/2
Die Volumenflussrate V [m³/s] wird wie folgt aus der Breite W [m] des Kühlkörpers erhalten: V = WσH_finU_ar
Die Gebläseleistung P [W] ist gleich der Volumenflussrate mal dem Druckverlust und kann somit wie folgt erhalten werden: P = VΔP.
2) Wärmeübertragungsanalyse
Eine Nusseltzahl Nu eines vollständig entwickelten laminaren Flusses eines rechteckigen Durchlasses wird wie folgt erhalten: Nu = 8,31G – 0,02.
Eine dimensionslose thermische Kanallänge x* wird wie folgt erhalten, wobei eine Prandtl-Zahl durch Pr bezeichnet wird: x* = x/(ReDPr).
Eine durchschnittliche Nusselt-Zahl Nu_m wird wie folgt erhalten Nu_m = {[2,22(x*)^–0,33]³ + Nu³}^1/3.
Ein durchschnittlicher Wärmeübertragungskoeffizient h_m [W/m² K] wird wie folgt aufgrund einer thermischen Leitfähigkeit der Luft k_f [W/m K] erhalten: h_m = Nu_mk_f/D.
Ein konvektiver Wärmewiderstand θ con [K/W] eines Kühlkörpers wird wie folgt aufgrund des Oberflächen-Flächeninhalts des Kühlkörpers A_w [m²] erhalten: θ_con = 1/(h_mA_w)
Die Wärmewiderstandskapazität eines Kühlkörpers θ_cap [K/W] wird wie folgt aus einer spezifischen Wärmekapazität von Luft c_p [J/kg K] erhalten: θ_cap = 1/(Vρc_p).
Eine Zahl der Wärmeübertragunseinheit NTU, die für einen Wärmetauscher verwendet wird, wird wie folgt erhalten: NTU = h_mA_w/(Vρc_p).
Eine Kühlkörpereffizienz ε, welche ein Verhältnis einer wirklichen Wärmeübertragung zu einer idealen Wärmeübertragung bezeichnet, wird wie folgt erhalten: ε = 1 – exp(–NUT).
Eine Korrektur wird durch die Rippeneffizienz n wie folgt vorgenommen: η = tanh(bH_fin)/(bH_fin)
Hierbei wird b wie folgt aus der thermischen Leitfähigkeit einer Wärmeabstrahlrippe k_s [W/m K] erhalten: b = [2h_m/(k_st)]^1/2.
Der Wärmewiderstand θ_hs [K/W] eines Kühlkörpers wird wie folgt erhalten: θ_hs = θ_cap/(ηε).
Um eine Form einer Wärmeabstrahlrippe zu haben, um die bestmögliche Wärmeabstrahlleistung aufgrund der Ergebnisse der obigen Berechnungen zu erzielen, wird davon ausgegangen, dass die Länge L eines Kühlkörpers nicht eine bestimmte Länge überschreiten sollte. Dies bedeutet, dass, obwohl die Längen der Kühlkörper vom Gebläseluftkühlungstyp für gewöhnliche Leistungshalbleitereinrichtungen meistens zwischen 200 und 300 mm liegen, auch die gleiche Wärmeabstrahlleistung mit einer Kühlkörperlänge von 20 mm bis 30 mm realisiert werden kann. Dieser Typ Kühlkörper ist in der Verringerung sowohl der Größe als auch der Kosten überlegen.
Die folgenden Ausführungsformen werden als Beispiele der Berechnungsergebnisse zum Optimieren der Werte einer Kühlkörperlänge L (mm), einer Dicke einer Wärmeabstrahlrippe Tf (mm) und eines Wärmeabstrahlrippenabstands Gf (mm) dargelegt werden, wobei eine Gebläseleistung PQ = 0,05 (W), die Kühlkörperbreite W = 40 (mm) und die Kühlkörperhöhe H = 10 (mm) (Basisdicke = 1 (mm)) ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten auf der Grundlage der Zeichnungen beschrieben werden.
Ausführungsform 1
3 bis 5 stellen eine Struktur eines hochdichten Wärmeabstrahlrippen-Kühlkörpers 1 für eine Leistungshalbleitereinrichtung nach Ausführungsform 1 dar.
Wie in 3 dargestellt wird die Form des Kühlkörpers 1 durch die äußere Gestalt des Kühlkörpers 1 definiert, welche äquivalent ist zu der Breite W, der Höhe H und dessen Länge L, einer Dicke einer Kühloberflächenbasis 1A Tb und einer Dicke Tf, eines Abstands Gf und einer Höhe Hf von jeder der Wärmeabstrahlrippen 1B. Die Breite W des Kühlkörpers 1 ist eine Länge in einer Richtung, in der die Wärmeabstrahlrippen 1B in Reihe angeordnet sind. Die Länge L des Kühlkörpers 1 liegt in einer Richtung entlang eines Luftflusses von einem Gebläse und ist gleich der Breite der Wärmeabstrahlrippe 1B.
Wie in 4 und 5 dargestellt hat jede der Wärmeabstrahlrippen 1B eine Submillimeterdicke, und eine Anzahl an Wärmeabstrahlrippen 1B sind parallel zueinander mit einem schmalen Submillimeterabstand angeordnet. Ferner können durch Verringern der Länge L und der Höhe H des Kühlkörpers die folgenden drei Effekte erzielt werden.
Erstens kann durch Anordnen einer Anzahl an Wärmeabstrahlrippen 1B mit einer Submillimeterdicke mit einer schmalen Versetzung parallel zueinander ein Druckverlust des Kühlkörpers vergrößert werden, aber auch der gesamte Oberflächenflächen-Flächeninhalt der Wärmeabstrahlrippen vergrößert werden, welches einen Effekt äquivalent zu einer Vergrößerung der Länge L des Kühlkörpers erzielt. Daher kann in dem Kühlkörper 1 der Ausführungsform 1 die Länge L signifikant im Vergleich zu derjenigen des gewöhnlichen Kühlkörpers verringert werden, was dessen Größenreduktion ermöglicht.
Zweitens kann durch Verringern der Länge L des Kühlkörpers 1 ein Ausnutzungsverhältnis eines Grenzeinlassbereichs (Entwicklungsbereichs) vergrößert werden. Daher kann der Kühlkörper 1 der Ausführungsform 1 eine bessere Wärmeabstrahlleistung als ein gewöhnlicher Kühlkörper haben.
Der dritte Effekt ist, dass das Verkleinern des Kühlkörpers 1 es ermöglicht, die meisten Faktoren zu entfernen, welche die Wärmeabstrahlung verhindern, einschließlich des Wärmeleitungswiderstands, des Wärmeausbreitungswiderstands, der Rippeneffizienz und der Kühlkörpereffizienz.
Im Folgenden wird ein Fall betrachtet, bei dem eine Kühleinrichtung vom Gebläseluftkühlungstyp eines Leistungshalbleitermoduls unter Benutzung der Gebläse 105 strukturiert wird, die in 1 und 2 dargestellt sind, wobei eine Gebläseleistung pro Einheitsfläche PQ = 125 [W/m²] beträgt. 6(a)–6(c) stellen Berechnungsergebnisse des Wärmewiderstands, des Volumenwärmewiderstands und einer optimalen Form einer Wärmeabstrahlrippe in dem Kühlkörper 1 mit der Breite W = 40 mm und der Höhe H = 10 mm dar, wobei die Länge L des Kühlkörpers als eine Funktion verwendet wird.
Von diesen Ergebnissen wird ersichtlich dass, wenn eine optimale Form einer Wärmeabstrahlrippe mit einer Submillimeterdicke verwendet wird, eine Vergrößerung der Länge L des Kühlkörpers auf 60 mm oder größer nur einen geringen Beitrag zur Verringerung im Wärmewiderstand leistet, wie es in 6(a) dargestellt wird. Ferner wird davon ausgegangen, wie in 6(b) dargestellt, dass, wenn die Länge L des Kühlkörpers vergrößert wird, der Volumenwärmewiderstand, welcher die Kühlleistung pro Volumen bezeichnet, größer wird, anders gesagt wird der Volumenwärmewiderstand nur schlechter. Dies zeigt, dass in einem Fall einer Kühleinrichtung vom Gebläseluft-Kühlungstyp, bei der Luft als Fluid unter Benutzung eines gewöhnlichen Gebläses oder Ventilators verwendet wird, eine Verbesserung der Kühlleistung kaum erwartet werden kann, auch wenn die Länge L des Kühlkörpers 1 auf 60 mm oder mehr vergrößert wird.
Ähnlich stellen 7(a) bis 7(c) Berechnungsergebnisse des Wärmewiderstands, des Volumenwärmewiderstands und einer optimalen Form einer Wärmeabstrahlrippe in dem Kühlkörper 1 mit der Breite W = 40 mm und der Länge L = 10 mm dar, wobei die Höhe H des Kühlkörpers als eine Funktion verwendet wird. Aus diesen Ergebnissen wird entnommen, dass eine Vergrößerung in der Höhe H des Kühlkörpers auf 40 mm oder mehr nur einen geringen Beitrag zur Verringerung im Wärmewiderstand leistet, und der Volumenwärmewiderstand wird größer oder nur schlechter. Dies zeigt, dass eine Verbesserung in der Kühlleistung kaum erwartet werden kann, selbst wenn die Höhe H des Kühlkörpers auf 40 mm oder mehr unter allgemeinen Bedingungen erhöht wird.
Zum Vergleich zeigen 8(a)–8(c) Berechnungsergebnisse des Wärmewiderstands, des Volumenwärmewiderstands und einer optimalen Form einer Wärmeabstrahlrippe in dem Kühlkörper 1 mit der Höhe H = 10 mm und der Länge L = 10 mm, wobei die Breite W des Kühlkörpers als eine Funktion verwendet wird. Aus diesen Berechnungsergebnissen wird geschlossen, dass die Breite W eines allgemeinen Kühlkörpers 1 und der Wärmewiderstand eine inverse Beziehung haben.
In dem Fall des Kühlkörpers 1 gemäß Ausführungsform 1 kann das gleiche Leistungsverhalten wie im gewöhnlichen Beispiel einer Kühleinrichtung für ein Leistungshalbleitermodul, das in 1 und 2 dargestellt wird, mit einem Kühlkörper mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen (W 330 mm × L 15 mm × H 15 mm × 3P) realisiert werden. Da der Wärmewiderstand des Kühlkörpers 1 0,028 K/W und dessen Volumen 223 cm³ ist, ist der Volumenwärmewiderstand 6,2 cm³ K/W. Daher kann mit dem Kühlkörper nach Ausführungsform 1 dessen Größe auf ungefähr ein Fünfzigstel im Vergleich zum gewöhnlichen Kühlkörper, der in 1 und 2 dargestellt ist, verringert werden.
Wie oben beschrieben hat in dem Kühlkörper 1 gemäß Ausführungsform 1 jede der Wärmeabstrahlrippen eine Submillimeterdicke, die Wärmeabstrahlrippen 1B sind mit einem geringen Abstand strukturiert, und die Länge L und die Höhe H des Kühlkörpers 1 sind verringert. Dies ermöglicht es, das Volumen des Kühlkörpers 1 signifikant zu verringern und auch eine höchst zuverlässige Halbleiterkühleinrichtung kostengünstig zu strukturieren, da es keinen Wärmetransportmechanismus mit einem zirkulierenden Kühlmedium gibt.
Ferner gab es keinen kostengünstigen Weg, um die Wärmeabstrahlrippen 1B so zu strukturieren, dass jede der Wärmeabstrahlrippen 1B eine Submillimeterdicke und eine Anzahl an Wärmeabstrahlrippen 1B aufweist, die parallel zueinander mit einem geringen Abstand angeordnet sind. Jedoch wurde es mit dem Fortschritt der Herstellungstechnologie in der jüngsten Zeit möglich, solch einen Kühlkörper 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen gemäß Ausführungsform 1 herzustellen, indem Technologien wie eine Hochpräzisionspresse angewandt werden. Gegenwärtig sind die Materialkosten eines gewöhnlichen großen Kühlkörpers vom verstemmten Verbindungstyp und die Massenproduktionskosten eines Kühlkörpers mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen nach Ausführungsform 1 fast gleich. Als ein Ergebnis kann, im Vergleich zu einem gewöhnlichen großen Kühlkörper vom verstemmten Verbindungstyp, der Kühlkörper mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen mit einem gleichen Niveau an Wärmewiderstand bei gleichen Kosten und mit einer um mehrere zehn verringerten Größe bereitgestellt werden. D. h. dass, wenn die Materialkosten in der Zukunft steigen, der Kühlkörper mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen nach Ausführungsform 1 auch bezüglich der Kosten vorteilhaft sein wird.
Es wird davon ausgegangen, dass der Kühlkörper 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen gemäß Ausführungsform 1 als Kühleinrichtung für eine Leistungshalbleitereinrichtung wie ein IGBT und einen MOSFET verwendet wird, aber er kann auch auf eine beliebige Wärme erzeugende Halbleitereinrichtung wie eine CPU oder einen Widerstand angewandt werden.
In dem Kühlkörper 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen der Ausführungsform 1 besteht eine Besorgnis bezüglich der Festigkeit und der Verschmutzung der Wärmeabstrahlrippen, da die Wärmeabstrahlrippen 1B eine Submillimeterdicke aufweisen und mit einem geringen Abstand angeordnet sind,. Daher wird in einer solchen Umgebung bevorzugt, einen Luftfilter einzubauen, um eine Verschmutzung zu verhindern. Hierzu kann ein Luftfilter in einer Luftzufuhr des Gebläses 105 eingebaut werden, wenn das Gebläse ein Gebläseluft-Gebläse ist. Wenn das Gebläse 105 ein Abluftgebläse ist, kann der Luftfilter in eine Luftzufuhr auf der entgegengesetzten Seite zu der Seite eines Gehäuses mit einem eingebauten Gebläse eingebaut werden, in das eine Kühleinrichtung aufgenommen ist.
Ausführungsform 2
Eine Kühlkörperanordnung 5 gemäß Ausführungsform 2 wird mit Bezug auf 9 beschrieben werden. Die Kühlkörperanordnung 5 gemäß Ausführungsform 2 weist eine Struktur auf, in der Kühlkörper 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen nach Ausführungsform 1 miteinander in der Höhenrichtung durch eine Wärmetransporteinrichtung wie z. B. eine Wärmeröhre und einen Wärmeleiter verbunden sind und in der ein Wärmeaufnahmeblock 3 auf einer Wärmeaufnahmeoberfläche eingebaut ist. Hierbei bedeutet eine Wärmeaufnahmeoberfläche eine der Oberflächen einer Basis 1A, auf der die Wärmeabstrahlrippen 1B nicht angeordnet sind.
Wie in 7(a) bis 7(c) dargestellt wird im Fall eines Kühlkörpers 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen die Kühlleistung von diesem nicht verbessert, auch wenn die Höhe H des Kühlkörpers auf ein bestimmtes Niveau oder höher vergrößert wird. Jedoch kann durch Verwenden der Wärmetransporteinrichtung 4 wie z. B. der Kühlkörperanordnung 5 nach Ausführungsform 2 eine Vergrößerung im Volumenwärmewiderstand aufgrund einer Vergrößerung in der Höhe H eines einzelnen Stücks des Kühlkörpers 1 eliminiert werden, wodurch die Kühlleistung verbessert werden kann.
Ähnlich zu dem Kühlkörper 1 der Ausführungsform 1 kann die Kühlkörperanordnung 5 gemäß Ausführungsform 2 auch als eine Kühleinrichtung vom Gebläseluft-Kühlungstyp für eine Halbleitereinrichtung und als eine Kühleinrichtung vom Gebläseluftkühlungstyp für ein Halbleitermodul verwendet werden.
Ausführungsform 3
Eine Halbleitereinrichtung 8 mit einer Kühleinrichtung nach Ausführungsform 3 wird mit Bezugnahme auf 10 erklärt. Die Halbleitereinrichtung 8 mit einer Kühleinrichtung gemäß Ausführungsform 3 konstruiert ein Leistungshalbleitermodul 9 durch Platzieren des Wärmeaufnahmeblocks 3 auf der Wärmeaufnahmeoberfläche der Basis 1A des Kühlkörpers 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen nach Ausführungsform 1 und durch Befestigen von Leistungshalbleitereinrichtungen 6 auf dem Wärmeaufnahmeblock 3. Das gesamte Leistungshalbleitermodul 9 ist innerhalb eines Gehäuses 7 angebracht. Dann werden die Luftkühlgebläse 105 an dem Gehäuse 7 ähnlich zu denjenigen, die in 1 und 2 dargestellt sind, befestigt.
In der Halbleitereinrichtung 8 mit einer Kühleinrichtung nach Ausführungsform 3 sind die Leistungshalbleitereinrichtungen 6 und die Kühlkörper 1 elektrisch miteinander verbunden und die Kühlkörper 1 werden als Teil eines Elektrodenanschlusses verwendet.
Ausführungsform 4
Eine Halbleitereinrichtung 10 mit einer Kühleinrichtung nach Ausführungsform 4 wird mit Bezugnahme auf 11 erklärt. Die Halbleitereinrichtung 10 mit einer Kühleinrichtung gemäß Ausführungsform 4 strukturiert das Leistungshalbleitermodul 9 durch Befestigen der Kühlkörper 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen nach Ausführungsform 1 innerhalb des Gehäuses 7 und durch Befestigen der Leistungshalbleitereinrichtungen 6 auf der Wärmeaufnahmeoberfläche des Wärmeaufnahmeblocks 3 von jedem der Kühlkörper 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen. Dann werden die Leistungshalbleitermodule 9 in das Gehäuse 7 in einer mehrstufigen Art eingebettet und die Luftkühlgebläse 105 werden an dem Gehäuse 7 ähnlich wie diejenigen, die in 1 und 2 dargestellt sind, befestigt.
Ähnlich zur Ausführungsform 3 sind in der Halbleitereinrichtung 10 mit einer Kühleinrichtung nach Ausführungsform 4 jede der Leistungshalbleitereinrichtungen 6 und der Kühlkörper 1 elektrisch miteinander verbunden, und die Kühlkörper 1 werden als Teil eines Elektrodenanschlusses verwendet.
In Beispielen 3 und 4 können die Kühlkörper 1 mit hochdichten Wärmeabstrahlrippen auf beiden Oberflächen der Leistungshalbleitereinrichtungen 6 platziert, und jeder der Kühlkörper 1 kann Hitze von der Leistungshalbleitereinrichtung 6 über eine Lötverbindung, Druckkontakt oder ähnliches erhalten.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Der Kühlkörper, die Kühlkörperanordnung, das Halbleitermodul und die Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können eine Temperatur einer Wärme erzeugenden Halbleitereinrichtung niedrig halten, indem sie auf diese angewandt werden, und sie sind auch in der Lage, das Volumen einer Kühlvorrichtung zu reduzieren und eine hohe Zuverlässigkeit bei geringen Kosten beizubehalten.

Claims

Kühlkörper, der mit einem Gebläseluftkühlungs-Gebläse verwendet wird, mit: einer Basis und Wärmeabstrahlrippen, die auf einer der Oberflächen der Basis platziert sind und parallel zueinander mit einem schmalen Submillimeterabstand angeordnet sind, wobei jede der Wärmeabstrahlrippen eine Submillimeterdicke, eine Länge in einer Breitenrichtung von 60 mm oder weniger und eine Höhe von 40 mm oder weniger aufweist.
Kühlkörper nach Anspruch 1, bei dem die Dicke von jeder der Wärmeabstrahlrippen zwischen 0,1 mm und 0,6 mm liegt und ein Wert des schmalen Submillimeterabstands zum Anordnen der Wärmeabstrahlrippen zwischen 0,4 mm und 1,3 mm liegt.
Kühlkörperanordnung mit: wenigstens zwei Kühlkörpern nach Anspruch 1 und einer Wärmetransporteinrichtung, welche die Kühlkörper thermisch miteinander verbindet.
Halbleitermodul mit: dem Kühlkörper nach Anspruch 1, einem Wärmeaufnahmeblock, der auf der anderen Oberfläche der Basis in einem thermisch leitenden Zustand platziert ist, und einer Halbleitereinrichtung, die auf dem Wärmeaufnahmeblock platziert ist.
Halbleitermodul mit: der Kühlkörperanordnung nach Anspruch 3, einem Wärmeaufnahmeblock, der auf der anderen Oberfläche der Basis in einem thermisch leitenden Zustand in Bezug auf wenigstens einen der Kühlkörper der Kühlkörperanordnung platziert ist, und einer Halbleitereinrichtung, die auf dem Wärmeaufnahmeblock platziert ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Halbleitereinrichtung eine Leistungshalbleitereinrichtung ist.
Halbleitermodul nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Kühlkörper als Elektrodenanschluss verwendet wird.
Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung mit: dem Halbleitermodul nach Anspruch 4, einem Gehäuse, in dem das Halbleitermodul aufgenommen ist, und einem Gebläse, welches an dem Gehäuse angebracht ist und welches Luft zu den Wärmeabstrahlrippen des Halbleitermoduls bläst.
Halbleitereinrichtung mit einer Kühleinrichtung mit: dem Halbleitermodul nach Anspruch 5, einem Gehäuse, in dem das Halbleitermodul aufgenommen ist, und einem Gebläse, welches an dem Gehäuse angebracht ist und welches Luft zu den Wärmeabstrahlrippen des Halbleitermoduls bläst.
Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der eine Luftzufuhr ausgebildet ist, um Luft in das Gehäuse einzusaugen, und bei der ein Luftfilter in der Luftzufuhr vorgesehen ist.
Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher die Halbleitereinrichtung einen Leistungsumwandler bildet.