JP2014053442A - プレート積層型冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレート積層型冷却装置における圧損の低減と、腐食の抑制を目的とする。
【解決手段】金属製の底板と、底板に互いに間隔を隔てて固定されていて、それぞれが複数枚のフィンが積層されてなる複数個のフィン積層体と、底板と複数個のフィン積層体を収納し冷媒の流入口と流出口が形成されている筺体とを備えているプレート積層型冷却装置。複数枚のフィンは、それぞれ、短手側の一側面に切断痕を有するものである。複数枚のフィンは、長手側の両側面が波板状に加工されているものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体に好適に用いられる冷却装置に関し、特にフィン積層体を内部に有するプレート積層型冷却装置に関するものである。

近年、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインバータなどの大容量化と小型化に伴い、それらに使用される冷却装置（ヒートシンク）の伝熱特性が向上している。伝熱特性の高い冷却装置の一つとして、容積に対して伝熱面積を大きくとることができる、プレート積層型冷却装置が知られている。

特許文献１に関わるプレート積層型冷却装置は、スリット状の長孔が加工された放熱プレートから構成されている。放熱プレートには複数の長孔が打ち抜き加工により穿孔され、この複数の長孔により、放熱プレートに複数のフィン部が形成される。フィン部の根元には、複数のフィン部がバラバラにならないように、フィン部をつなげるためのブリッジ部が設けられている。

放熱プレートは、ろう付により互い違いに幾層にも積層されている。このようなプレート積層型冷却装置は、流路を小さくして、フィンの表面積を大きく取ることができるため、冷却能力が高い。反面、ブリッジ部では冷媒の流れが急拡大、および急縮小するため、圧損が大きくなるうえに、ブリッジ部に腐食生成物とコンタミが堆積することで、放熱プレートの腐食が促進される。

特開2012-013249号公報

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、プレート積層型冷却装置における圧損の低減と、腐食の抑制を目的とする。

本願にかかわるプレート積層型冷却装置は、金属製の底板と、底板に互いに間隔を隔てて固定されていて、それぞれが複数枚のフィンが積層されてなる複数個のフィン積層体と、底板と複数個のフィン積層体を収納し冷媒の流入口と流出口が形成されている筺体とを備えている。複数枚のフィンは、それぞれ、短手側の一側面に切断痕を有するものである。

冷媒が流路をスムーズに流れるため、ブリッジ部による圧損上昇と腐食の促進を抑制できる。

本発明に関わるプレート積層型冷却装置の全体を示す分解斜視図である。 実施の形態１に関わるプレート積層型冷却装置のアセンブリを示す斜視図である。 フィンの形態を示す平面図である。 プレート積層型冷却装置の内部における冷媒の流れを表した上面図である。 発熱体が装着されたプレート積層型冷却装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に関わる放熱プレートを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に関わる底板を示す斜視図である。 実施の形態１による放熱プレートの積層体を底板に搭載した状態を表す斜視図である。 実施の形態１によるフィンが積層された状態を示す断面図である。 実施の形態２によるプレート積層型冷却装置のアセンブリを示す斜視図である。 実施の形態２による放熱プレートの積層体が底板に溶接固定されている状態を表す斜視図である。 実施の形態３によるプレート積層型冷却装置のアセンブリを示す斜視図である。 実施の形態３に関わる放熱プレートを示す正面図である。 実施の形態３に関わる底板を示す斜視図である。 実施の形態３による放熱プレートの積層体を底板に搭載した状態を表す斜視図である。

以下に本発明にかかるプレート積層型冷却装置（ヒートシンク）の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明によるプレート積層型冷却装置の全体を示す分解斜視図である。プレート積層型冷却装置１００は、アセンブリ１２と筺体（ケース）３０から構成されている。筺体３０はハウジング３と天板４とパイプ５ａとパイプ５ｂを備えている。パイプ５ａとパイプ５ｂはハウジング３に設けられている。天板４は冷媒２０を筺体３０の内部に閉じ込めるためにハウジング３と接合される。冷媒２０はパイプ５ａ（流入口）から筺体３０の内部に流入し、パイプ５ｂ（流出口）から流出する。アセンブリ１２は底板２と複数のフィン積層体６から構成されている。底板２とフィン積層体６は相互に固定され、筺体３０に収納されている。アセンブリ１２の底板２はハウジング３に接合されている。アセンブリ１２のフィン積層体６は天板４と接合される。

図２はプレート積層型冷却装置のアセンブリの全体構造を示す斜視図である。底板２には複数個のフィン積層体６が接合されている。それぞれのフィン積層体６は長尺状の複数枚のフィン８が積層されてなる。図ではフィン積層体６は６枚のフィン８からなるが、要求される熱性能により積層枚数を増減する。フィン積層体６は間隔を隔てて配列され、複数の流路７を構成している。フィン積層体６は冷媒の流路を形成する役目のほかに、発熱体（パワー半導体など）の熱を積層方向に伝導する。フィン８の側面に設けられている波板状の凹凸は、伝熱面積を拡大し、冷却性能を向上させる。冷媒は凸部に衝突しながら流れるため、衝突噴流による冷却性能の向上効果が得られる。冷却性能に余裕がある場合、フィン８の側面は滑らかでも良い。

図３はフィンの平面図を示す。長尺形状のフィン８は、長手側の側面８ａと短手側の側面８ｂを有する。それぞれのフィン８には穴部１１と切断痕３１が形成されている。放熱プレートを積層する際に、穴部１１を互いに係合させて固定する（図６参照）。フィン８は銅、アルミ及び鉄などのろう付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製されるが、熱伝導性とろう付の容易さを考慮すると、アルミがふさわしい。穴部１１の加工方法としては、エンボス加工がある。波板状の凹凸は両方の長手側の側面８ａに形成する。切断痕３１は、２箇所の短手側の側面８ｂのうち、穴部１１から遠く離れている方に形成されている。

図４は実施の形態１のプレート積層型冷却装置における冷媒の流れを表している。冷媒２０はパイプ５ａから流入し、アセンブリ１２に設けられた複数箇所の流路７を通過したのち、パイプ５ｂから流出する。アセンブリ１２にフィンを接続するブリッジ部が残っていると、ブリッジ部で冷媒の拡大と縮小が生じ、そこに圧損が生じる。また、ブリッジ部には腐食生成物が滞留する。腐食生成物が滞留すると、滞留部で腐食が加速し、冷却性能と信頼性が低下する。これに対し、本実施の形態では、ブリッジ部がないため、冷媒２０がスムーズに流れる。また、腐食生成物が滞留することもない。

このように構成されたプレート積層型冷却装置には、ＣＰＵ、ＬＳＩ、電子機器（インバータ等）、パワー半導体などが被冷却体として装着される。発熱体は、天板４もしくはハウジング３に配置する。図５は発熱体が装着されたプレート積層型冷却装置の断面図を示す。この図では発熱体５４は天板４に当接している。矢印は冷媒２０の流れる向きを表している。パワー半導体にはSi、もしくはSiより発熱量の少ないSiCなどが使われる。なお、適用できる冷媒は、水、不凍液、ＬＬＣ（Long Life Coolant）、潤滑油などの各種冷却液、および空気、水素等の気体である。高温で動作するパワーモジュールを搭載したパワーモジュールは、パワーサイクル試験で発生する金属接合材（はんだ）のクラックを制御するためにエポキシ樹脂で封止している。ヒートサイクル試験ではエポキシ樹脂にクラックや剥離が生じることがあったが、本願に関わるプレート積層型冷却装置によれば、クラックや剥離の発生が減少する。

実施の形態１に示すプレート積層型冷却装置は以下の方法で製造される。図６に、本発明の実施の形態１による放熱プレートの斜視図を示す。放熱プレート１は、複数のフィン８とブリッジ部９で構成されている。それぞれのフィン８には突起部１０と穴部１１が加工されている。ブリッジ部９はそれぞれのフィン８がバラバラにならないように、フィン８を接続する役目をになう。放熱プレート１は銅、アルミ及び鉄などのろう付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製されるが、熱伝導性、ろう付の容易さを考慮して、アルミがふさわしい。放熱プレート１の加工方法としては、プレス加工、レーザーカット加工、エッチング加工等がある。フィン８の長手側の側面に設けられている凹凸形状は、伝熱面積を拡大し、冷却性能を向上する。

図７に底板の斜視図を示す。底板２は、放熱プレート１と同様に銅、アルミ、鉄などのろう付或いはハンダ付が可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製され、放熱プレート１とおよそ同じ大きさの平板形状を呈している。底板２には、放熱プレート１の突起部１０が挿入されるため、突起部１０よりわずかに小さい貫通穴１３が、突起部１０と同じ数だけ穿孔されている。貫通穴１３の配列ピッチは放熱プレート１の突起部１０と同じである。

図８に放熱プレートの積層体を底板に搭載した状態を表す斜視図を示す。底板２の上に第一層目の放熱プレート１を積層させ、放熱プレート１の突起部１０を底板２の貫通穴１３に圧入することで放熱プレート１と底板２を固定する。次に第一層目の放熱プレート１の上に第二層目の放熱プレート１を積層させ、第二層目の放熱プレート１の突起部１０を第一層目の放熱プレート１の穴部１１に圧入することで、第一層目の放熱プレート１と第二層目の放熱プレート１を固定する。同様に、第二層目の放熱プレートの上に第三層目の放熱プレートを、第三層目の放熱プレートの上に第四層目の放熱プレートを、というふうにして順次固定していく。その後、ブリッジ部９をせん断加工、もしくはレーザー加工などによって除去する。除去後に複数のフィン積層体６と底板２からなるアセンブリ１２が形成される（図２参照）。本願発明では、アセンブリにブリッジ部が存在しないため、ブリッジ部で冷媒の拡大、縮小が生じることがない。ブリッジ部で生じる圧損や、ブリッジ部における腐食生成物の滞留を防止できる。

図９にフィン積層体と底板の関係を表す断面図を示す。ブリッジ部が除去されているため、それぞれのフィン８には切断痕３１が短手側の側面の片側に形成されている（図３参照）。フィン８と底板２は、ブリッジ部９を除去しても、圧入固定されているため、バラバラになることはない。アセンブリ１２はハウジング３に収納される。ハウジング３とアセンブリ１２、アセンブリ１２と天板４、天板４とハウジング３をろう付で接合しても構わないし、ハウジング３とアセンブリ１２をろう付で接合後、天板４とシール材を介して、ねじ等で組み立てても良い。ハウジング３は板金、ダイカスト、もしくは鍛造で製造される。ハウジング３をダイカストで製造する場合には、材料が限られ、アルミのみとなる。ハウジング３を板金、鍛造で製造する場合には、放熱プレートと同様に、銅、アルミ、鉄などのロウ付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料で作製される。

ハウジング３をダイカスト、もしくは鍛造で製造する場合には、パイプ５とハウジング３を一体で製造可能であるが、別個で製造しても構わない。ハウジング３を板金で製造する場合には、パイプ５とハウジング３を一体で製造するのは不可能であるため、パイプ５とハウジング３を別個で製造する必要がある。パイプ５を別個で製造する場合、パイプ５は放熱プレートと同様に、銅、アルミ、鉄などのロウ付け或いはハンダ付けが可能で且つ熱伝導性の良い材料を使用して押出し成形で作製する。パイプ５をハウジング３にろう付等で接合することにより一体にする。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２によるプレート積層型冷却装置のアセンブリの斜視図である。フィン積層体６と底板２は溶接部（ビード）１４を有している。溶接部１４は、フィン積層体６の短手側の側面に連続して形成されている。図１１は本発明の実施の形態２による放熱プレートの積層体を底板に搭載後、溶接によりそれらを固定した状態を表す斜視図である。実施の形態１では、エンボス加工でフィン８と底板２を固定したのに対し、実施の形態２ではフィン８と底板２を溶接で接合する。それ以外については、実施の形態１と同じである。溶接方法はレーザー溶接、シーム溶接、アーク溶接、スポット溶接などがあり、そのどれでも構わない。

実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３によるプレート積層型冷却装置のアセンブリを示す斜視図である。フィン８にはピン穴１８が各２つ以上設けられているだけで、それ以外の形状は実施の形態１のフィンと同じである。図１３は、本発明の実施の形態３による放熱プレートを表す正面図である。ピン穴１８が２つ設けられているフィン８はブリッジ部９で連結されている。

図１４は、本発明の実施の形態３による底板を表す斜視図である。底板２には、放熱プレート１のピン穴１８の大きさよりわずかに小さい径の突起（ピン）１７が、放熱プレートのピン穴１８と同じピッチで、同じ本数立てられている。それ以外の部品については、実施の形態１と同じである。

実施の形態３に示すプレート積層型冷却装置は以下の方法で製造される。図１５は本発明の実施の形態３による放熱プレートの積層体を底板に搭載後の状態を表す斜視図である。底板２の突起１７と放熱プレート１のピン穴１８が合うように複数枚の放熱プレート１を底板２に挿入する。その後、ブリッジ部９を実施の形態１と同様に、除去する。これ以降の製造方法は実施の形態１と全く同じである。本実施の形態の底板２の突起１７はダイカスト、鍛造などにより製造される。

パワー半導体にＳｉＣを用いた場合、半導体装置はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載するプレート積層型冷却装置においては、より高い信頼性が求められるため、高信頼のプレート積層型冷却装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 放熱プレート、２ 底板、３ ハウジング、４ 天板、５ パイプ、６ フィン積層体、７ 流路、８ フィン、９ ブリッジ部、１０ 突起部、１１ 穴部、１２ アセンブリ、１３ 貫通穴、１４ 溶接部、１７ 突起、１８ ピン穴、２０ 冷媒、３０ 筺体、５４ 発熱体、１００ プレート積層型冷却装置

Claims (5)

1. 金属製の底板と、
   前記底板に互いに間隔を隔てて固定されていて、それぞれが複数枚のフィンが積層されてなる複数個のフィン積層体と、
   前記底板と前記複数個のフィン積層体を収納し冷媒の流入口と流出口が形成されている筺体とを備え、
   前記複数枚のフィンは、それぞれが、短手側の一側面に切断痕を有することを特徴とするプレート積層型冷却装置。
2. 前記複数枚のフィンは、長手側の両側面が波板状に加工されていることを特徴とする請求項１に記載のプレート積層型冷却装置。
3. 前記複数枚のフィンは、主面に加工されたエンボスにより互いに連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプレート積層型冷却装置。
4. 前記複数枚のフィンは、溶接ビードで互いに連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプレート積層型冷却装置。
5. 前記複数枚のフィンは、主面に設けられた穴を貫通するピンで互いに連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプレート積層型冷却装置。

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