JP2007115917A - 熱分散プレート - Google Patents

Abstract

【課題】平板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱量の分布にバラツキが生じた場合、これを吸収して平板全体の熱分布をより均一化することにより低温度差で効率よく放熱を行うことのできる熱分散プレートを提供する。
【解決手段】高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設して細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路により連通し、細孔列内に相変化により熱を輸送する作動流体を封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の各細孔の断面積を封入された作動流体が振動流現象を起こさない大きさとし、前記ヘッダ流路の断面積を前記細孔列の各細孔の断面積より大きい断面積とし、前記基板内形成される密閉空間をその全容積のほぼ半分を前記作動流体で満たすようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置等の発熱密度の高い発熱体の冷却に適した熱分散プレートに関する。

半導体装置は高集積化、高出力化に伴って損失が増加し、発熱量が増大するので、これを効果的に冷却することが必要となる。

半導体装置の発生損失が数Ｗレベルまでは半導体装置の表面からの自然放熱でもよいが、数十Ｗレベルでは、これまで図７に示すようにアルミニウム等の高熱伝導性材料で構成された基板５１に放熱フィン５２を多数取り付けて構成した放熱器５０を用いるようにしていた。この放熱器５０を半導体装置などの発熱体１に結合し、発熱体１の熱をこの放熱器５０へ伝達し放熱フィン５２から大気中への放熱することにより発熱体の熱の放熱が促進される。また、半導体装置などの発熱体の損失が数十Ｗ以上のレベルとなった場合は、この放熱器５０に電動ファン６０により送風することにより放熱（冷却）効果をさらに向上させるようにするのが一般的である。

半導体装置の出力がさらに増大し、または実装密度が高密度化することにより、放熱器にさらに高い単位面積あたりの放熱量が要求されるが、この場合は、一般に、図８に示すように、放熱器５０に設ける櫛歯状の放熱フィン５２ａの間隔を可能な限り小さくしたり、図９に示すように、放熱フィン５２ｂを格子状にしたりするにより、放熱フィン５２の放熱面積を増大させて放熱（冷却）効果を高め、半導体装置の温度上昇を抑制するようにしている。

このような放熱器の放熱（冷却）性能は次の（１）式の関係にある。

放熱器の温度上昇ΔＴ［K］＝熱抵抗Ｒ［K/W］×発熱量Ｑ［W］ ・・・（１）
ここで、熱抵抗Ｒ［K/W］は、次の（２）式で示すことができる。

熱抵抗Ｒ［K/W］＝１／（放熱面積Ａ［ｍ²］×熱伝達率ｈ［W/ｍ²K］×フィン効率η）
・・・（２）
半導体装置等の発熱体１の発熱量Ｑが大きい場合、放熱器の温度上昇を抑制するには、放熱面積Ａを大きくして、熱抵抗Ｒを小さくすることが必要であるため、図７に示す放熱器５０の幅または長さを大きくすればよいのであるが、放熱器の基板５１の熱抵抗により発熱体１の取付け部近傍と基板の端部との温度差は、放熱器の幅および長さを増加させるにしたがって大きくなるので、必ずしも、放熱器５０の表面積拡大に比例して放熱器の温度上昇が低減されるものではない。

このため、発熱体１で発生した熱を放熱器基板５１の全面に低温度差で分散する手段が必要であり、特許文献１には、図１０に示すような熱分散型放熱器が提案されている。

この図１０の放熱器は、アルミニウム等の高熱伝導性の金属で形成された櫛歯状放熱フィン５２を有する放熱器５０の基板５１内に設けた細孔内に２相凝縮性作動流体を封入して形成したヒートパイプ７を複数分散して配設し、基板５１の一部に結合された半導体素子等の発熱体１から発生する熱をこのヒートパイプ７により基板５１の全体に分散させて放熱フィン５２に伝達するようにしたものである。これにより実効的な放熱器の放熱面積が拡大し、大気に対して低温度差での放熱が行えるようになり、放熱効果が高まる。

また、特許文献２には、図１１に示すような、金属平板６１の内部に細孔６２を複数並べて細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路６３により連通したうえで、細孔６２列内に相変化により熱の輸送を行う２相凝縮性の作動流体６５を適量封入して構成した平板状ヒートパイプ６０が開示されている。この平板状ヒートパイプ６０は、極めた細い細孔列と両端で連通させるヘッダ流路により、作動流体の軸方向での振動現象と緩やかな循環により熱を輸送するであるため、ヘッダ流路も細孔列の各細孔と同様に細い孔で構成される。この構成では、作動流体に振動現象を生じさせて熱輸送を行い、単純な細管ヒートパイプに比べて熱輸送能力が増大するため、平板６１内に形成された細孔列により形成されたヒートパイプにより半導体装置等の発熱体１から発生された熱を平板６１の全体に拡散することができ平板６１全体の温度分布を均一化でき、温度上昇を抑制でき、比較的大きな発熱量の大きな発熱体の放熱に対応可能となる。
特開２００１−１５６２９９号公報（２〜４頁、図１） 特開平０４−２６０７９１号公報

半導体モジュールなどの半導体装置では、主な発熱部は半導体チップであり、半導体モジュールの取り付け面積の約１／１０の部分を占める。半導体モジュールの平均発熱密度が１０Ｗ／ｃｍ²の場合は、半導体チップの発熱密度は約１００Ｗ／ｃｍ²となり、内半導体チップの配置によっても異なるが、半導体チップと半導体モジュールの端部では、１０〜２０℃の温度差が生じる。このため、半導体モジュールの発熱を分散して放熱することが半導体チップのジャンクション温度を許容値内に保つ上で重要となる。

高集積化と実装密度の高密度化に対応して単位面積あたりの放熱量が１０Ｗ／ｃｍ²レベルを超えるような発熱体を冷却する場合には、前記のようなヒートパイプを組み込んだ放熱器の採用が検討されているが、図１０に示した放熱器の基板５１内にヒートパイプ７を組み込む形式の放熱器の場合は、複数のヒートパイプ７が独立して形成されているので放熱器の基板５１内での熱分散方向が、ヒートパイプ７の長手方向に限られるため、実効的な放熱面積の拡大はできても複数の半導体装置などの発熱体の発熱分布のバラツキを十分に吸収することができない。これを改善するためには、特に大容量の半導体変換装置の冷却装置に適用した場合、より多数のヒートパイプを設ける必要があり、基板５１への細孔の加工およびヒートパイプにかかる費用が嵩む問題がある。

また、図１１に示した平板状ヒートパイプ６０は、図１０の放熱器よりは放熱能力が高くなるが、作動流体の振動現象を利用したヒートパイプであるため、放熱能力に限界があり、１００Ｗ／ｃｍ²以上の発熱のあるものに対して対応することができない。また、振動流による熱輸送は、周期的な間欠動作であるため時間的な温度変動も大きいという問題もある。

この発明は、このような問題を解決するために、平板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱量の分布にバラツキが生じた場合、これを吸収して平板全体の熱分布をより均一化することにより低温度差で効率よく放熱を行うことのできる熱分散プレートを提供することを課題とする。

この課題を解決するため、この発明は、高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設して細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路により連通し、細孔列内に相変化により熱を輸送する作動流体を封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の各細孔の断面積を封入された作動流体が振動流を起こさないように気化した作動流体が蒸気プラグを形成しない大きさとし、前記ヘッダ流路の断面積を前記細孔列の各細孔の断面積より大きい断面積とし、かつ前記作動流体を前記基板内形成される密閉空間にその全容積の４０％以上封入したことを特徴とするものである
そしてこの発明においては、前記上下端のヘッダ流路を還流路を形成するパイプにより連結することができ、また、前記基板に放熱フィンを一体に接合するのがよい。

この発明は、比較的断面積が作動流体の振動現象が生じない大きさの細孔かなる細孔列とこの細孔の断面面積より大きい断面積を有するヘッダ流路および通常よりも多量の作動流体を封入することにより、ループ型サーモサイフォン現象を発生させる構成となるので、輸送限界（安定して熱輸送の行える限界熱量）を、図１０に示す細管形ヒートパイプを内蔵した放熱器の約４０倍、図１１に示す平板状ヒートパイプの約４倍以上に大きくすることができ、そして、平板状の基板に互いに連通された細孔列が分散して設けられることにより、基板に取付けられた複数の半導体素子等の発熱体の発熱量の分布にバラツキが生じた場合、これを吸収して平板全体の熱分布をより均一化し、より低温度差で効率よく放熱を行うことができる。

以下に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する

図１はこの発明の熱分散プレートの実施例１を示すものであり、（Ａ）は、一部を切欠いて内部を示す斜視図、（Ｂ）は正面断面図である。

図1において、２１は、高熱伝導性材により構成した平板状の基板であり、この中に複数の直線状の隔壁２２により仕切って形成された複数の細孔を分散配列した細孔列２３と、この細孔列２３の上下端において個々の細孔を相互に連通する上部ヘッダ流路２６および下部ヘッダ流路２７が設けられる。細孔列２３、ヘッダ流路２６、２７によって形成された基板内空間に、封止パイプ２９から排気したのち、相変化により熱輸送を行う２相凝縮性作動流体３１を注入し、封止パイプ２９を封じ切り、基板内に作動流体の封入された密閉空間を形成する。

細孔列２３の個々の細孔は、封入された作動流体が細孔内で振動流現象を起こさないように断面の直径を３〜５ｍｍとして、比較的断面積を大きくしている。そして、この細孔列２３に連通されるヘッダ流路２６、２７は、細孔の断面積より大きい、例えば２倍以上の大きさの断面積とすることにより、基板内でループ型サーモサイフォン動作が行えるようにする。

基板内に封入する作動流体の量（液相状態での量）は、基板内空間の容積のほぼ半分の４０〜６０％程度の量にする。作動流体としては、使用温度範囲(約−１０〜１００℃)において沸騰・凝縮の相変化が可能な流体、すなわち水、アルコール、フルオロカーボン系冷媒などを使用する。ヘッダ流路２６、２７は、細孔列２３の上下２箇所に配置し、複数の細孔を連通するもので、平板内でループ型サーモサイフォン動作が行えるように、細孔の断面積に比して大きな断面積を有することが必要となる。また、作動流体の封入率は、作動流体の液相での量が基板２１内の密閉空間の容積の約40％以上必要とする。作動流体の量がこれより少なくなるとループ型の作動流体循環動作が発生せず熱輸送能力が極めて低くなり、そして８０％以上になると蒸気空間が過小になり沸騰不良および凝縮不良が生じる。

このように構成された熱分散プレート２０の動作を、図２を参照して説明する。

図２に示すとおり、熱分散プレート２０は、細孔列２３を形成する各細孔２３の長手方向が垂直になるように配置され、このプレートの主面の一方の下方に冷却の必要な半導体装置などの発熱体１を取り付ける。基板２１の内部空間の下部に液相状態の作動流体３１が溜まっている。発熱体１が作動して発熱し、基板２１が加熱されると、基板２１内の液相状の作動流体３１がその熱によって相変化（沸騰）し、蒸気泡３４を発生する。この作動流体が気化する過程で発熱体から気化潜熱を吸収し、冷却する。この蒸気泡３４は液相より密度が小さいため、浮力によって矢印で示すように細孔内を上方へ移動する。これが連続発生して蒸気流３５となって基板２１の上方へ移動する。発熱体１の設けられていない基板２１の上部は、発熱体１の設けられた基板２１の加熱部となる下部より温度が低いため放熱部となって、作動流体の蒸気を凝縮して液化し、気化潜熱を放出する。このようにして加熱部より放熱部へ熱輸送が行われる。凝縮した作動流体は、蒸気流３５に同伴して移動し、気液２相流となって、上部ヘッダ流路２６を経て、主として左右両外側の還流路２５を形成する細孔２３ｓを通って基板２１の下部の加熱部へ還流し、下部ヘッダ流路２７に液溜まりを形成して、定常的な沸騰・凝縮サイクルを形成する。

ループ型サーモサイフォンの作動流体循環動作を行わせるために必要なヘッダ流路２６、２７の断面積は、（１）式の関係が成立するように決められる。

ΔＨmax ＞ ΔＰｈ／（ρ_l × ｇ） （１）
ただし、この（１）式において
ΔＨmax：許容される平板（基板）の加熱部と放熱部の液面高さの差（ｍ）
ΔＰｈ ：循環流の圧力損失（Ｐａ）
ρ_l ：作動流体の液密度（kg/m³）
ｇ ：重力加速度（m/s²）
である。

また、ΔＰｈは、次の２式の関係にある。

ΔＰｈ ＝ λ × ｌ／ｄ ×（ｕ²／（２×ｖ）） （２）
ただし、この２式において
λ：気液２相流の摩擦損失
ｌ：流路の長さ（ｍ）
ｄ：流路の相当直径（ｍ）
ｕ：気液２相流の流速（ｍ/ｓ）、
ｖ：気液２相流の比容積 、
である。

前記の気液２相流の流速ｕは、
ｕ＝Ｖ／Ａ （３）
として求められ、Ｖは気液２相流の流量、Ａは流路の断面積である。

循環流の圧力損失ΔＰは（２）式に示すように、気液２相流の流速の増加、すなわち熱輸送量の増加とともに増加する。一方、気液２相流の流速は、（３）式の関係より、流路断面積に反比例する。

この発明においては、ヘッダ流路の断面積を、細孔列２３の各細孔の断面積より大きく形成することにより、前記（１）式における循環流の圧力損失ΔＰを小さくしているで、加熱部と放熱部の液面高さの差の小さいものにおいても良好な作動流体循環現象を維持でき、また、熱分散プレートの大きさが同じであれば、熱輸送限界量を大きくすることができる。

図３は、この実施例１の熱分散プレートを多穴平板により製作した変形例を示すものである。この図の（ｂ）に示すように、３枚の押し出しまたは引き抜き加工により製造された複数の貫通孔を有する多穴平板２１Ａ，２１Ｂ、２１Ｃを並列に並べて一体に結合して、１枚の細孔列２３を有する基板２１を形成する（図３（ａ）参照）。

この基板２１の上下端に断面コ字形に形成された端板を２６Ａ、２７Ａを気密に結合して、細孔列２３を相互に連通する上・下ヘッダ流路２６、２７を形成する。

これにより基板２１内に細孔列２３およびヘッダ流路２６、２７からなる密閉空間が形成される。封止パイプ２９から、この密閉空間内の空気を排気した上で、作動流体を所要量注入し、封止パイプを２９を封じきることによって、ループ型サーモサイフォン式熱分散プレートが完成する。

このように多穴平板を用いると、基板内に細孔列を作るための加工が必要なくなるので、基板の製作が極めて容易になるので、製作コストを低減できる効果がある。

図４に、この発明による熱分散プレート２を半導体装置の冷却装置に適用した例を示す。

この図４において、１は半導体装置であり、この発明による熱分散プレート２にねじ等により伝熱的に取り付けられる。熱分散プレート２は、放熱フィン１１付きの冷却体１０に伝熱的に結合される。

半導体装置１の取り付けられた部分に局部的に発生された熱は、熱分散プレート２により熱分散プレート全体に分散されて冷却体１０に伝達されるため、半導体装置１から冷却体１０に伝達される熱が全体に平均化されることにより、冷却体の温度分布も平均化する。これにより、冷却体１０全体の温度上昇が低下し、外気に対して低温度差で効率よく放熱することができる。

次に、この発明の実施例２を図５に示すので、これについて説明する。

この図５に示す実施例２は、基本的には前記実施例１と同じであるので、同一の構成要素は同一の符号を付している。実施例１と異なる点は、基板２１内に複数の細孔を分散して並列に配列してなる細孔列２３とこの細孔列の上下端において各細孔を連通する上・下ヘッダ流路２６、２７を設けて構成した熱分散プレート２０の外側に、上、下のヘッダ流路２６と２７を連通する還流パイプ２５ａを設けた点である。

還流パイプ２５ａは、上下のヘッダ流路２６、２７に連通されているため、基板２１内の細孔列２３と同様に作動流体が貯留される。そして、熱分散プレート２０に半導体装置等の発熱体を取り付けて作動させた場合、実施例１の場合と同様に作動流体が加熱されて気液相変換作用により熱分散プレート内を循環し、熱輸送を行う。

このとき、この実施例２においては還流パイプ２５ａが熱分散プレート２０から離してヘッダ部に結合されることにより、熱分散プレート２０からの熱の影響を受けにくくなるため、熱分散プレート２０より低い温度となり、内部の圧力が細孔列内に比して低くなる。このため、作動流体は、発熱体により加熱されて気化することによって熱分散プレート２０の上部ヘッダ流路２６へ上昇し、自然と還流パイプ２５ａへ流れこみ、ここを還流路として下部ヘッダ流路２７へ戻り、再び加熱により上部ヘッダ部へと上昇し、循環動作する。これにより、作動流体の循環経路の還流路が明確に区画され、熱分散プレート内を循環する作動流体の循環動作が安定するとともに、熱分散プレート内の細孔列の両外側の細孔部分も冷却に使用することができるので、熱分散プレートの有効面積を広くすることが可能となる。

実施例１においては、半導体装置などの発熱体１を取付けた熱分散プレート２をフィン付きの冷却体１０に取り付けるようにしているが、この発明においては、冷却体１０を省略するため、図６に示すように、熱分散プレート２の基板２１に一体的にフィン２４を取り付けるようにすることもできる。

このようにすると、熱分散プレート２に分散された熱が、放熱フィン２４から直ちに放熱されるので、冷却体１０を使用する場合より効率よく放熱でき、冷却効果が高まる。

この発明の実施例１による熱分散プレートを示すもので、（Ａ）は、一部切欠き部を含む斜視図、（Ｂ）は正面断面図である。 この発明の実施例１の動作説明図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。 この発明の実施例１の変形した熱分散プレートを示すもので、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は平板状基板の底面図、（ｃ）は側面図である。 この発明の実施例１の熱分散プレートの使用状態を示す斜視図である。 この発明の実施例２による熱分散プレートを示すもので、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は側面断面図である。 この発明の実施例３を示す斜視図である。 従来の放熱器の構成を示す斜視図である。 従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の熱分散プレートの構成を示す図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。

符号の説明

１：発熱体
２：熱分散プレート ２１：基板
２３：細孔 ２５：還流路
２６：上部ヘッダ流路 ２７：下部ヘッダ流路

Claims (3)

1. 高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を分散して平行に配設して細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路により連通し、細孔列内に相変化により熱を輸送する作動流体を封入してなる熱分散プレートにおいて、前記細孔列の各細孔の断面積を封入された作動流体が振動流を起こさないように気化した作動流体が蒸気プラグを形成しない大きさとし、前記ヘッダ流路の断面積を前記細孔列の各細孔の断面積より大きい断面積とし、かつ前記作動流体を前記基板内形成される密閉空間にその全容積の４０％以上封入したことを特徴とする熱分散プレート。
2. 請求項１記載の熱分散プレートにおいて、前記上下端のヘッダ流路を還流路を形成するパイプにより連結したことを特徴とする熱分散プレート。
3. 請求項１または２に記載の熱分散プレートにおいて、前記基板に放熱フィンを接合してなることを特徴とする熱分散プレート。
   
   

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