ヒートシンク
【課題】ヒートシンクに取付けられた被冷却体となる発熱体の熱をより均等に基板および放熱フィン側へ均一に拡散して伝達することができるようにする。
【解決手段】放熱フィン１２が取付けられた放熱フィン１２ベースの基板内部に、作動流体の相変化により熱を輸送する複数の熱拡散プレート２０を、複数の発熱体の設置位置に相対して配置し、熱拡散プレート２０を基板領域内に形成することで、発熱体の発熱を放熱フィン１２全域に熱拡散することが可能となり、空気への放熱を効率よく行うことができるため、発熱部の温度上昇の極めて小さいヒートシンク１０ａ〜１０ｆを得ることができる。
【解決手段】放熱フィン１２が取付けられた放熱フィン１２ベースの基板内部に、作動流体の相変化により熱を輸送する複数の熱拡散プレート２０を、複数の発熱体の設置位置に相対して配置し、熱拡散プレート２０を基板領域内に形成することで、発熱体の発熱を放熱フィン１２全域に熱拡散することが可能となり、空気への放熱を効率よく行うことができるため、発熱部の温度上昇の極めて小さいヒートシンク１０ａ〜１０ｆを得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の発熱密度の高い発熱体の冷却に適したヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は高集積化、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。
【０００３】
半導体素子の発生損失が数Ｗレベルまでは半導体素子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５に示すようにアルミニウム等の熱良導体で構成された基板５１に放熱フィン５２を多数取付けて構成したヒートシンク５０を用いるようにしていた。このヒートシンク５０を半導体素子などの発熱体１に結合し、発熱体１の熱をこのヒートシンク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、半導体素子などの発熱体の損失が数十Ｗ以上のレベルになった場合は、このヒートシンク５０に電動ファン６０により送風することにより放熱効率をさらに向上させるようにするのが一般的である。
【０００４】
半導体素子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、ヒートシンク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６に示すように、ヒートシンク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、図７に示すように、放熱フィン５２ｂを格子状にすることにより、放熱フィン５２の放熱面積を増加させて放熱効率を高め、半導体素子の温度上昇を抑制するようにしている。
【０００５】
近年、半導体素子の高集積化と実装密度の高密度化が進展する中で、ヒートシンクの単位面積あたりの放熱量が１０Ｗ／ｃｍ2レベルを超えると前記したようなヒートシンクでは対応できなくなり、図８や図９に示すような熱分散型ヒートシンクが提案されている。
【０００６】
図８は、特許文献１に記載されるもので、アルミニウム製の櫛歯状放熱フィン５２を有するヒートシンク５０の基板５１内にそれぞれ密封された細孔５３により独立して形成されたヒートパイプ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１から発生する熱をこのヒートパイプ７により基板５１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ヒートシンク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る。
【０００７】
また、図９は、特許文献２に示されるもので、蛇行細管ヒートパイプ８とコルゲート状フィン５３を組み合わせて構成したものである。半導体素子1を取付けた基板５１の裏面に蛇行細管ヒートパイプ８を配し、複数段のコルゲート状フィン５３に接合させるようにしている。このような構成のヒートシンクは、蛇行細管ヒートパイプ８が基板５１の熱を分散して多段構成されたコルゲート状フィン５３の全体に伝達して放熱することができるので、ヒートシンク全体の実効的な放熱面積が拡大し、放熱効率を向上できる。また、このヒートシンクによれば、複数の半導体素子１に発生損失にバラツキがある場合でも、熱分散効果により基板５１の温度分布を均一にできる。
【特許文献１】特開２００１−１５６２９９号公報（２〜４頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−２２３３０８号公報（３〜４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体素子などの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以上の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ヒートシンクの採用が検討されているが、図８に示したヒートシンクの基板５１内にヒートパイプ７を組み込む形式のヒートシンクの場合は、複数のヒートパイプ７が独立して形成されているのでヒートシンクの基板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素子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。
【０００９】
また、図９に示した蛇行細管ヒートパイプ８とコルゲート状フィン５３を組み合わせたヒートシンクでは、熱拡散の性能は優れているが、蛇行細管内のヒートパイプの作動液の振動により熱移動を行うため、熱輸送限界値が図８の従来装置に比べて低く、放熱量が熱輸送限界を超えると受熱部温度が急激に上昇し、半導体素子などの焼損事故を招く不都合がある。
【００１０】
さらに、高発熱密度の放熱方法として水冷方式をとることもできるが、電気的装置に適用する場合は、電気部品の絶縁手段の追加設置、冷却水循環系の漏洩防止構造、冷却水循環ポンプの信頼性確保のための冗長化、水と空気の熱交換器設置などが必要となり、空気冷却器と比べ信頼性の低下や、価格の高騰を招く欠点がある。
【００１１】
このように、従来の空冷式および水冷式ヒートシンクにおける問題点に鑑みて、本発明は、熱拡散性能の制限を解消するとともに、発熱体の熱をヒートシンクの全体に拡散し低温度差で効率よく放熱を行うことのできる熱拡散型のヒートシンクを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するため、請求項１の発明は、熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には被冷却体となる発熱体が１つまたは複数取付けられ、前記基板内部には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートが組み込まれたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱拡散プレートを基板内部に組み込むための組込み孔が基板の発熱体取付け位置の直下に設けられ、前記基板の側面に開口されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の内に他方の主面側に開口させて作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられ、前記組込み溝または組込み穴に熱拡散プレートが組み込まれ、この熱拡散プレート上に被冷却媒体となる発熱体が接合されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられた第１の基板と、被冷却体となる発熱体の取付けられる熱良導体の平板状基板からなる第２の基板とから構成され、前記組込み溝または組込み穴に前記熱拡散プレートが組み込まれた前記第１の基板の他方の主面に第２の基板を接合したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、放熱フィンが取付けられた基板内部に、作動流体の相変化により熱を輸送する複数の熱拡散プレートを、複数の発熱体の設置位置に相対して配置して基板内部に組み込むことで、この熱拡散プレーを介して発熱体の発生する熱を放熱フィン全域に拡散することが可能となり、大気中への放熱を効率よく行うことができるため、発熱部の温度上昇を小さく抑えることのできるヒートシンクを得ることができる。
【００１７】
また、従来のヒートシンクに比べて、構造がシンプルであり、かつ押し出し成形法により製作できる細孔型の熱拡散プレートを用いることにより低価格のヒートシンクを提供することが可能となる。
【００１８】
更に、熱拡散プレートを発熱部の取付け位置に対応した位置に配置することで、発熱部の熱を効果的に拡散して基板へ伝導できるので放熱効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【実施例１】
【００２０】
図１は、この発明によるヒートシンク１０ａの全体を示すものであり、アルミニウムや銅などの熱良導体により平板状に形成した基板１１ａの一方の主面に、多数の放熱フィン１２がこれと一体的に植設され、この主面と対向する一方の主面に半導体素子等の被冷却体となる発熱体１が所要数熱的におよび機械的に結合されている。
【００２１】
このように構成されたこの発明のヒートシンクにおいては、放熱性能をさらに向上させるために、図１の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１１ａに取付けられた発熱体１の直下に位置する部分の基板１１ａ内部に熱拡散プレート２０を組み込んで内設することにより被冷却体となる発熱体１から発せられる局所的な熱は、基板１１ａの熱拡散プレート２０と接する部分全体に拡散し、放熱フィンを介して大気中へと効果的に放熱される。
【００２２】
図１の（Ａ）は、熱良導体から構成された平板状基板１１ａの内部に熱拡散プレート２０を組み込んだ状態を示したもので、（Ｂ）は、前記熱拡散プレート２０を、基板１１ａの側面に開口した組込み孔１５ａへ挿入しようとしている状態を示したものである。
【００２３】
図１（Ａ）と（Ｂ）に示すように、この実施例１のヒートシンク１０ａは、熱良導体からなる平板状基板１１ａの一方の主面１３ａに複数の放熱フィン１２が間隔をおいて一体的に植設され、前記基板１１ａこの主面１３ａに対向する他方の主面１４ａには、半導体素子等の被冷却体となる３個の発熱体１が均等な間隔で配列して取付けられている。
【００２４】
また、この基板１１ａの内部には、基板１１ａの主面に取付けられた発熱体１が稼動することによって発生する熱をより効率的に基板１１ａの全域に拡散して伝導して、放熱フィン１２を介して大気中への放熱を促進するための熱拡散プレート２０を挿入して組み込むための組込み孔１５ａが設けられる。組込み孔１５ａは、基板１１ａの各発熱体１の取付けられた位置の直下の基板内部にそれぞれ基板１１ａを貫通して設けられ、対向する両側面１６ａに組込み孔１５ａが開口する。
【００２５】
なお、基板１１ａに設けられたに組込み孔１５ａに、熱拡散プレート２０を組込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み孔１５ａに挿入することが好ましい。そのために基板１１ａに設けられる組込み孔１５ａは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が挿入可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００２６】
ここで、熱拡散プレートの構造については、発熱体１により発生した熱をより効率的に基板１１ａの熱拡散プレートとの接触領域の全域に拡散することができる構造のものが好ましい。
【００２７】
本発明で用いる熱拡散プレートの一例としては、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すような基板２１内に細孔２２を設けたループ型サーモサイフォン熱拡散プレート２０を用いるのがよい。
【００２８】
このループ型サーモサイフォン熱拡散プレートの基本構成は、図４の（Ｂ）に示すように、熱良導体から構成された平板状基板２１の内部に、上下方向に延びている複数の直線状の細孔２２が同一平面状に分散して配設された細孔列が形成されている。
【００２９】
基板２１の上下端部は、それぞれ基板２１のほぼ全幅に渡って設けられた各細孔２２に連通した溝からなるヘッダ部２４、２５を形成している。このヘッダ部２４、２５により全部の細孔２２が両端で相互に連通される。このような細孔２２内は、真空排気の上で２相凝縮性の冷却媒体を封入して密封された循環路を構成する。
【００３０】
前記基板の内部に設けられている細孔列の各細孔２２のうち、基板２１の両外側に位置する細孔（以下還流路という）の断面積は、他の細孔２２の断面積よりも大きく形成して、還流路２３としている。このように形成することで、還流路内２３の流動抵抗が低減し、２相凝縮性の冷却媒体１７は、細孔２２から還流路２３への流入をスムーズ行い冷却媒体の循環を促進させることができる。
【００３１】
次に、このループ型サーモサイフォン熱拡散プレート２０の熱輸送循環メカニズムを説明する。
【００３２】
図４（Ｂ）において、基板２１の内部には、上下方向に延びる同一平面上に分散して並列に配設された細孔２２が設けられており、その上下端はヘッダ部２４、２５によって全細孔が連通されている。これによって、冷却媒体１７の循環経路は下部のヘッダ部２５−細孔２２−上部のヘッダ部２４−貫流路２３−下部のヘッダ部２５というように１つの閉ループの循環路が形成される。
【００３３】
図４（Ｂ）に点線で示すように熱拡散プレート２０の下部に取付けられた発熱体１が作動して熱が発生すると、基板２１を介して下部のヘッダ部２５および細孔２２内にされた液状の冷却媒体１７が加熱される。液状の冷却媒体１７は加熱により沸騰し気化することによって蒸気泡２７が発生する。液より密度の小さい蒸気泡２７は、その浮力によって上方へ移動する。それらが連続発生して、蒸気流２８となり細孔列２２を上部へと上昇する。冷却媒体１７がこのように気化するときその大きな気化潜熱により発熱体１の熱を奪い発熱体１を冷却する。
【００３４】
発熱体１が接触していない基板２１の中間部及び上部は、発熱体が接触している基板２１の部分より温度が低いため、加熱により沸騰し気化した冷却媒体１７によって運ばれた熱は基板面２１から放熱フィン２１を介して大気中へと放熱３０され、これによって、気化した冷却媒体１７が冷却され凝縮して液化する。
【００３５】
このように凝縮して液化した冷却媒体１７は、さらに蒸気流２８に同伴して細孔２２上部への移動し、気液２相流２９となって、上部のヘッダ部２４内を経て還流路２３へ至る。還流路２３内は、各細孔２２の断面積よりも大きく、発熱体１が直接接触していないので、細孔２２内よりも圧力が低く、またこれに重力作用も伴って、気液２相流２９は還流路２３内を伝わって下部のヘッダ部２５へと流下し液溜りを作り、再び沸騰循環サイクルを形成する。
【００３６】
このように、基板２１の内部に複数の細孔２２からなる細孔列を形成し、上下端にヘッダ部２４、２５と基板の両外側に位置する部分に還流路２３を設けることで、基板２１内を冷却媒体１７が循環し、発熱体１によって局部的に加わる熱が基板２１の全体に均一に伝達拡散され、基板２１の放熱効率を高めることができる。
【００３７】
なお、基板２１への半導体素子などの被冷却体となる発熱体１の取付け位置は、図４の（Ｂ）の四角の点線で示された、鉛直方向に立設した基板２１の主面の下部で、還流路２３の領域に重ならない位置に取付けることが好ましい。このよう位置に取付けることによって、細孔２２と還流路２３とに温度差を持たせて内圧差を生じさせることができるので、気相化された冷却媒体１７をスムーズに還流させることができる。
【００３８】
なお、図示はしないが、前述のような幅方向で２相凝縮性の作動媒体を循環させる構造を有する熱拡散プレートの他に、基板内の上下方向に直線状に延びる多数の細孔を形成し、それを基板の厚さ方向に２列に配列した上で、基板の上下端に、これと一体的に結合された基板のほぼ全幅にわたる溝を有し、溝により全部の細孔を両端で相互に連通させ密封し、この密封された細孔に２相凝縮性の作動媒体を封入し構成した、厚み方向で作動媒体を循環させる構造を有する熱拡散プレートを用いることも可能である。
【００３９】
ただし、本発明に用いられる熱拡散プレート２０の構造は、図４に示したものや本文中に詳述した構成に限るものではない。
【００４０】
次に、図１（Ｃ）に、実施例１を変形したヒートシンクを示す。
【００４１】
図１（Ｃ）は、図１（Ａ）、（Ｂ）と同様にヒートシンクの全体の構成を示すものである。
【００４２】
図１（Ｃ）に示すようにヒートシンク１０ｂは、熱良導体からなる平板状基板１１ｂの一方の主面１３ｂには複数の放熱フィン１２が間隔をおいて一体的に植設され、前記基板１１ｂの主面１３ｂに対向する他方の主面１４ｂには、半導体素子等の被冷却体となる発熱体１が取付けられている。
【００４３】
また、この基板１１ｂの内部には、基板１１ｂの主面１４ｂに取付けられた発熱体１が稼動することによって発生する熱を、より効率的に基板１１ｂへ拡散して伝達し、放熱フィン１２を介して空気中への放熱を促進するための１個の熱拡散プレート２０が、３個の発熱体１に対して共通に組込まれている。
【００４４】
この熱拡散プレート２０を組み込むために、前記基板１１ｂの長手方向に対抗する両側面１７ｂから前記熱拡散プレート２０を組込み可能なような組込み孔１５ｂを所要数（本実施例では１つ）、３個の発熱体１の取付け直下に共通する位置に基板１１ｂを貫通して設けられている。
【００４５】
なお、基板１１ｂに設けられたに組込み孔１５ｂに、熱拡散プレート２０を組込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み孔１５ｂに挿入することが好ましい。そのために基板１１ｂに設けられる組込み孔１５ｂは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が挿入可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００４６】
熱拡散プレート２０については図１の（Ａ）、（Ｂ）にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【実施例２】
【００４７】
図２にこの発明の第２の実施例を示す。
【００４８】
図２の（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例２によるヒートシンク１０ｃの基本構成を示す斜視図である。
【００４９】
図２の（Ａ）は、熱良導体から構成された平板状基板１１ｃの一方の主面１３ｃに熱拡散プレート２０を嵌合した状態を示したもので、（Ｂ）は、基板１１ｃの組込み溝１５ｃに前記熱拡散プレート２０を組み込む前の状態を示したものである。
【００５０】
図２（Ａ）と（Ｂ）に示すように、実施例２のヒートシンク１０ｃは、熱良導体からなる平板状基板１１ｃの一方の主面１３ｃに複数の放熱フィン１２が間隔をおいて一体的に植設され、前記基板１１ｃの主面１３ｃに対向する他方の主面１４ｃ上に、熱拡散プレート２０を嵌合して組み込むための組込み溝１５ｃが、所要数（本実施例では３つ）、基板全体に分散して設けられている。
【００５１】
この組込み溝１５ｃは前記基板１１ｃの主面１４ｃおよび長手の両側面１６ｃに開口され、これらに熱拡散プレート２０を嵌め込んだ後、発熱体１を前記熱拡散プレート２０上に接触させて熱的におよび機械的に結合される（図２（Ａ））。
【００５２】
なお、熱拡散プレート２０への発熱体１の取付け位置は、実施例１と同様である。
【００５３】
なお、基板１１ｃに設けられたに組込み溝１５ｃに、熱拡散プレート２０を嵌め込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み溝１５ｃに嵌め込むことが好ましい。そのために基板１１ｃに設けられる組込み溝１５ｃは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が嵌め込み可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００５４】
熱拡散プレート２０については実施例１にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【００５５】
次に、図２（Ｃ）に、実施例２を変形したヒートシンクの例を示す。
【００５６】
図２（Ｃ）に示すようにヒートシンク１０ｄは、熱良導体からなる平板状基板１１ｄの一方の主面には複数の放熱フィン１２が間隔を置いて一体的に植設され、前記基板１１ｄの主面に対向する他方の主面には、熱拡散プレート２０を嵌合するための組込み溝１５ｄが、前記基板１１ｄの長手方向に基板を横断するように所要数（本実施例では１つ）設けられている。このような組込み溝１５ｄには、熱拡散プレート２０を嵌め込んだ後、３個の発熱体１を並列して共通の熱拡散プレート２０上に接触させて熱的におよび機械的に結合されている（図２（Ｃ））。
【００５７】
なお、熱拡散プレート２０への発熱体１の取付け位置は、実施例１と同様である。
【００５８】
なお、基板１１ｄに設けられたに組込み溝１５ｄに、熱拡散プレート２０を嵌め込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み溝１５ｄに嵌め込むことが好ましい。そのために基板１１ｄに設けられる組込み溝１５ｄは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が嵌め込み可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００５９】
熱拡散プレート２０については実施例１にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【実施例３】
【００６０】
図３Ａと図３Ｂにこの発明の第３の実施例を示す。
【００６１】
図３Ａの（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例３によるヒートシンク１０ｅの基本構成を示す斜視図である。
【００６２】
図３Ａの（Ａ）のヒートシンク１０ｅは、熱良導体から構成された平板状基板１１ｅの一方の主面に、基板１１ｅの短手方向にこれを横断するように熱拡散プレート２０を組込み、発熱体１を取付けた発熱体支持板１８ｅを基板１１ｅと一体に結合した状態を示したもので、（Ｂ）は、（Ａ）のヒートシンク１０ｅであって基板１１ｅとベース板１３とを一体に結合する前の状態を示したものである。
【００６３】
なお、基板１１ｅおよび放熱フィン１２並びに熱拡散プレート２０の組込み溝１５ｅのこれらの構成については、図２で示す実施例２と同様であるので省略する。
【００６４】
図３Ａの（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ヒートシンク１０ｅは放熱フィン１２と３枚の熱拡散プレート２０が嵌合して組み込まれた基板１１ｅと、発熱体１が取付けられた、基板１１ｅと同じ面積を有する熱良導体から構成された平板状の発熱体支持板１８ｅとからなり、熱拡散プレート２０が取付けられている前記基板１１ｅの上面と、発熱体１が取付けられている支持板１８ｅの下面とを接合して一体に結合することによってヒートシンク１０ｅが完成する（図３Ａ（Ｂ））。
【００６５】
ここで、基板１１ｅと支持板１８ｅを結合するとき、両者間に熱伝導率の高いグリースなど塗布するか、あるいはローを介在させて一体結合することによって両者間の熱的結合を良好にすることができる。
【００６６】
このような組込み溝１５ｅに組み込まれた熱拡散プレートによって発熱体１より発生した熱をより効果的に放熱させるために、発熱体１の支持板１８ｅへの取付け位置は、基板１１ｅとベース板１３を結合した場合に、発熱体１の直下に熱拡散プレート２０が当る位置に選ばれている（図３Ａの（Ａ））。
【００６７】
また、熱拡散プレート２０については図１の（Ａ）、（Ｂ）にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【００６８】
次に、図３Ｂ（Ｃ）、（Ｄ）に、実施例３を変形したヒートシンクを示す。
【００６９】
図３Ｂの（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、ヒートシンク１０ｆは放熱フィン１２と１枚の熱拡散プレート２０が組み込まれた基板１１ｆと、発熱体１が取付けられた、基板１１ｄと同じ面積を有する熱良導体から構成された発熱体支持板１８ｆとからなり、熱拡散プレート２０が取付けられている前記基板１１ｆの上面と、発熱体１が取付けられている支持板１８ｆの下面とを接合して一体に結合することによってヒートシンク１０ｆが完成する（図３Ｂ（Ｄ））。
【００７０】
ここで、基板１１ｆと支持板１８ｆ結合するときは、両者間に熱伝導率の高いグリースなど塗布するか、あるいはローを介在させて一体結合することによって両者間の熱的結合を良好にすることができる。
【００７１】
このような基板１１ｆに設けられた組込み溝１５ｆに嵌合して組込まれた１個の熱拡散プレート２０によって３個の発熱体１より発生した熱をより効果的に放熱させるために、発熱体１の支持板１８ｆへの取付け位置は、基板１１ｆとベース板１３を熱接続させた場合に、発熱体１の直下に熱拡散プレート２０が当る位置に選ばれている（図３Ｂ（Ｃ））。
【００７２】
また、熱拡散プレート２０については図１の（Ａ）、（Ｂ）にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【００７３】
なお、本実施例１から３までに示したヒートシンクにあっては、図１の（Ａ）〜（Ｃ）、図２の（Ａ）〜（Ｃ）、図３Ａの（Ａ）、（Ｂ）および図３Ｂの（Ｃ）〜（Ｄ）に示すように、基板の対抗する両側面間に通して熱拡散プレート２０を組込むための組込み孔または組込み溝を設けたが、図示はしないが、半導体素子等の被冷却体となる発熱体１の発熱条件や設置環境または熱拡散プレートの構造や形状に応じて基板の対抗する両側面に通して設ける必要はなく、両側面の中間にも設けるようにしてもよい。
【００７４】
以上のように、これら実施例１から実施例３までに示した熱拡散プレート２０を配置した本発明のヒートシンクにあっては、発熱部１から発生した熱を基板全域に拡散し放熱フィンにより放熱することが可能になるので、熱拡散プレート２０の無いヒートシンクに比べて、放熱密度が低下し、発熱部と外気の温度差は小さくなり、これにより、発熱体１の温度上昇を大幅に低減でき、高密度な半導体モジュールの実装が可能となる。
【００７５】
また、従来のヒートシンクに比べて、構造がシンプルであり、かつ押し出し成形法により製作できる細孔型の熱拡散プレート２０を用いることにより低価格のヒートシンクを提供することが可能となる。
【００７６】
更に、熱拡散プレートを発熱部に対応した位置に配置することで、必要な熱拡散を必要最小限度のコストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例１によるヒートシンクの基本構成を示す斜視図であり、（Ｃ）は他の実施の形態に係わるヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例２によるヒートシンクの基本構成を示す斜視図であり、（Ｃ）は他の実施の形態に係わるヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例３によるヒートシンクの基本構成を示す斜視図である。
【図３Ｂ】（Ｃ）と（Ｄ）は、図３Ａにおける実施例の、他の実施の形態に係わるヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明で用いる熱拡散プレートの基本構造の説明図であり、（Ａ）はヒートシンクの外観を表し、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図６】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図７】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図８】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図９】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ ：発熱体
１０ａ〜１０ｆ：ヒートシンク １１ａ〜１１ｆ：基板
１２：放熱フィン １３ａ〜１３ｆ：主面
１４ａ〜１４ｂ：主面 １５ａ、１５ｂ：組込み孔
１５ｃ〜１５ｆ：組込み溝 １６ａ〜１６ｆ：側面
１７ａ〜１７ｆ：側面 １８ｅ、１８ｆ：発熱体支持板
２０：熱拡散プレート ２１：基板
２２：細孔 ２３：還流路
２４：上部ヘッダ部 ２５：下部ヘッダ部
２７：蒸気泡 ２８：蒸気流
２８ａ：液流 ２９：気液２相流
３０：放熱
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の発熱密度の高い発熱体の冷却に適したヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は高集積化、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。
【０００３】
半導体素子の発生損失が数Ｗレベルまでは半導体素子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５に示すようにアルミニウム等の熱良導体で構成された基板５１に放熱フィン５２を多数取付けて構成したヒートシンク５０を用いるようにしていた。このヒートシンク５０を半導体素子などの発熱体１に結合し、発熱体１の熱をこのヒートシンク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、半導体素子などの発熱体の損失が数十Ｗ以上のレベルになった場合は、このヒートシンク５０に電動ファン６０により送風することにより放熱効率をさらに向上させるようにするのが一般的である。
【０００４】
半導体素子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、ヒートシンク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６に示すように、ヒートシンク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、図７に示すように、放熱フィン５２ｂを格子状にすることにより、放熱フィン５２の放熱面積を増加させて放熱効率を高め、半導体素子の温度上昇を抑制するようにしている。
【０００５】
近年、半導体素子の高集積化と実装密度の高密度化が進展する中で、ヒートシンクの単位面積あたりの放熱量が１０Ｗ／ｃｍ2レベルを超えると前記したようなヒートシンクでは対応できなくなり、図８や図９に示すような熱分散型ヒートシンクが提案されている。
【０００６】
図８は、特許文献１に記載されるもので、アルミニウム製の櫛歯状放熱フィン５２を有するヒートシンク５０の基板５１内にそれぞれ密封された細孔５３により独立して形成されたヒートパイプ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１から発生する熱をこのヒートパイプ７により基板５１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ヒートシンク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る。
【０００７】
また、図９は、特許文献２に示されるもので、蛇行細管ヒートパイプ８とコルゲート状フィン５３を組み合わせて構成したものである。半導体素子1を取付けた基板５１の裏面に蛇行細管ヒートパイプ８を配し、複数段のコルゲート状フィン５３に接合させるようにしている。このような構成のヒートシンクは、蛇行細管ヒートパイプ８が基板５１の熱を分散して多段構成されたコルゲート状フィン５３の全体に伝達して放熱することができるので、ヒートシンク全体の実効的な放熱面積が拡大し、放熱効率を向上できる。また、このヒートシンクによれば、複数の半導体素子１に発生損失にバラツキがある場合でも、熱分散効果により基板５１の温度分布を均一にできる。
【特許文献１】特開２００１−１５６２９９号公報（２〜４頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−２２３３０８号公報（３〜４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体素子などの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以上の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ヒートシンクの採用が検討されているが、図８に示したヒートシンクの基板５１内にヒートパイプ７を組み込む形式のヒートシンクの場合は、複数のヒートパイプ７が独立して形成されているのでヒートシンクの基板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素子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。
【０００９】
また、図９に示した蛇行細管ヒートパイプ８とコルゲート状フィン５３を組み合わせたヒートシンクでは、熱拡散の性能は優れているが、蛇行細管内のヒートパイプの作動液の振動により熱移動を行うため、熱輸送限界値が図８の従来装置に比べて低く、放熱量が熱輸送限界を超えると受熱部温度が急激に上昇し、半導体素子などの焼損事故を招く不都合がある。
【００１０】
さらに、高発熱密度の放熱方法として水冷方式をとることもできるが、電気的装置に適用する場合は、電気部品の絶縁手段の追加設置、冷却水循環系の漏洩防止構造、冷却水循環ポンプの信頼性確保のための冗長化、水と空気の熱交換器設置などが必要となり、空気冷却器と比べ信頼性の低下や、価格の高騰を招く欠点がある。
【００１１】
このように、従来の空冷式および水冷式ヒートシンクにおける問題点に鑑みて、本発明は、熱拡散性能の制限を解消するとともに、発熱体の熱をヒートシンクの全体に拡散し低温度差で効率よく放熱を行うことのできる熱拡散型のヒートシンクを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するため、請求項１の発明は、熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には被冷却体となる発熱体が１つまたは複数取付けられ、前記基板内部には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートが組み込まれたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱拡散プレートを基板内部に組み込むための組込み孔が基板の発熱体取付け位置の直下に設けられ、前記基板の側面に開口されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の内に他方の主面側に開口させて作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられ、前記組込み溝または組込み穴に熱拡散プレートが組み込まれ、この熱拡散プレート上に被冷却媒体となる発熱体が接合されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられた第１の基板と、被冷却体となる発熱体の取付けられる熱良導体の平板状基板からなる第２の基板とから構成され、前記組込み溝または組込み穴に前記熱拡散プレートが組み込まれた前記第１の基板の他方の主面に第２の基板を接合したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、放熱フィンが取付けられた基板内部に、作動流体の相変化により熱を輸送する複数の熱拡散プレートを、複数の発熱体の設置位置に相対して配置して基板内部に組み込むことで、この熱拡散プレーを介して発熱体の発生する熱を放熱フィン全域に拡散することが可能となり、大気中への放熱を効率よく行うことができるため、発熱部の温度上昇を小さく抑えることのできるヒートシンクを得ることができる。
【００１７】
また、従来のヒートシンクに比べて、構造がシンプルであり、かつ押し出し成形法により製作できる細孔型の熱拡散プレートを用いることにより低価格のヒートシンクを提供することが可能となる。
【００１８】
更に、熱拡散プレートを発熱部の取付け位置に対応した位置に配置することで、発熱部の熱を効果的に拡散して基板へ伝導できるので放熱効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【実施例１】
【００２０】
図１は、この発明によるヒートシンク１０ａの全体を示すものであり、アルミニウムや銅などの熱良導体により平板状に形成した基板１１ａの一方の主面に、多数の放熱フィン１２がこれと一体的に植設され、この主面と対向する一方の主面に半導体素子等の被冷却体となる発熱体１が所要数熱的におよび機械的に結合されている。
【００２１】
このように構成されたこの発明のヒートシンクにおいては、放熱性能をさらに向上させるために、図１の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１１ａに取付けられた発熱体１の直下に位置する部分の基板１１ａ内部に熱拡散プレート２０を組み込んで内設することにより被冷却体となる発熱体１から発せられる局所的な熱は、基板１１ａの熱拡散プレート２０と接する部分全体に拡散し、放熱フィンを介して大気中へと効果的に放熱される。
【００２２】
図１の（Ａ）は、熱良導体から構成された平板状基板１１ａの内部に熱拡散プレート２０を組み込んだ状態を示したもので、（Ｂ）は、前記熱拡散プレート２０を、基板１１ａの側面に開口した組込み孔１５ａへ挿入しようとしている状態を示したものである。
【００２３】
図１（Ａ）と（Ｂ）に示すように、この実施例１のヒートシンク１０ａは、熱良導体からなる平板状基板１１ａの一方の主面１３ａに複数の放熱フィン１２が間隔をおいて一体的に植設され、前記基板１１ａこの主面１３ａに対向する他方の主面１４ａには、半導体素子等の被冷却体となる３個の発熱体１が均等な間隔で配列して取付けられている。
【００２４】
また、この基板１１ａの内部には、基板１１ａの主面に取付けられた発熱体１が稼動することによって発生する熱をより効率的に基板１１ａの全域に拡散して伝導して、放熱フィン１２を介して大気中への放熱を促進するための熱拡散プレート２０を挿入して組み込むための組込み孔１５ａが設けられる。組込み孔１５ａは、基板１１ａの各発熱体１の取付けられた位置の直下の基板内部にそれぞれ基板１１ａを貫通して設けられ、対向する両側面１６ａに組込み孔１５ａが開口する。
【００２５】
なお、基板１１ａに設けられたに組込み孔１５ａに、熱拡散プレート２０を組込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み孔１５ａに挿入することが好ましい。そのために基板１１ａに設けられる組込み孔１５ａは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が挿入可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００２６】
ここで、熱拡散プレートの構造については、発熱体１により発生した熱をより効率的に基板１１ａの熱拡散プレートとの接触領域の全域に拡散することができる構造のものが好ましい。
【００２７】
本発明で用いる熱拡散プレートの一例としては、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すような基板２１内に細孔２２を設けたループ型サーモサイフォン熱拡散プレート２０を用いるのがよい。
【００２８】
このループ型サーモサイフォン熱拡散プレートの基本構成は、図４の（Ｂ）に示すように、熱良導体から構成された平板状基板２１の内部に、上下方向に延びている複数の直線状の細孔２２が同一平面状に分散して配設された細孔列が形成されている。
【００２９】
基板２１の上下端部は、それぞれ基板２１のほぼ全幅に渡って設けられた各細孔２２に連通した溝からなるヘッダ部２４、２５を形成している。このヘッダ部２４、２５により全部の細孔２２が両端で相互に連通される。このような細孔２２内は、真空排気の上で２相凝縮性の冷却媒体を封入して密封された循環路を構成する。
【００３０】
前記基板の内部に設けられている細孔列の各細孔２２のうち、基板２１の両外側に位置する細孔（以下還流路という）の断面積は、他の細孔２２の断面積よりも大きく形成して、還流路２３としている。このように形成することで、還流路内２３の流動抵抗が低減し、２相凝縮性の冷却媒体１７は、細孔２２から還流路２３への流入をスムーズ行い冷却媒体の循環を促進させることができる。
【００３１】
次に、このループ型サーモサイフォン熱拡散プレート２０の熱輸送循環メカニズムを説明する。
【００３２】
図４（Ｂ）において、基板２１の内部には、上下方向に延びる同一平面上に分散して並列に配設された細孔２２が設けられており、その上下端はヘッダ部２４、２５によって全細孔が連通されている。これによって、冷却媒体１７の循環経路は下部のヘッダ部２５−細孔２２−上部のヘッダ部２４−貫流路２３−下部のヘッダ部２５というように１つの閉ループの循環路が形成される。
【００３３】
図４（Ｂ）に点線で示すように熱拡散プレート２０の下部に取付けられた発熱体１が作動して熱が発生すると、基板２１を介して下部のヘッダ部２５および細孔２２内にされた液状の冷却媒体１７が加熱される。液状の冷却媒体１７は加熱により沸騰し気化することによって蒸気泡２７が発生する。液より密度の小さい蒸気泡２７は、その浮力によって上方へ移動する。それらが連続発生して、蒸気流２８となり細孔列２２を上部へと上昇する。冷却媒体１７がこのように気化するときその大きな気化潜熱により発熱体１の熱を奪い発熱体１を冷却する。
【００３４】
発熱体１が接触していない基板２１の中間部及び上部は、発熱体が接触している基板２１の部分より温度が低いため、加熱により沸騰し気化した冷却媒体１７によって運ばれた熱は基板面２１から放熱フィン２１を介して大気中へと放熱３０され、これによって、気化した冷却媒体１７が冷却され凝縮して液化する。
【００３５】
このように凝縮して液化した冷却媒体１７は、さらに蒸気流２８に同伴して細孔２２上部への移動し、気液２相流２９となって、上部のヘッダ部２４内を経て還流路２３へ至る。還流路２３内は、各細孔２２の断面積よりも大きく、発熱体１が直接接触していないので、細孔２２内よりも圧力が低く、またこれに重力作用も伴って、気液２相流２９は還流路２３内を伝わって下部のヘッダ部２５へと流下し液溜りを作り、再び沸騰循環サイクルを形成する。
【００３６】
このように、基板２１の内部に複数の細孔２２からなる細孔列を形成し、上下端にヘッダ部２４、２５と基板の両外側に位置する部分に還流路２３を設けることで、基板２１内を冷却媒体１７が循環し、発熱体１によって局部的に加わる熱が基板２１の全体に均一に伝達拡散され、基板２１の放熱効率を高めることができる。
【００３７】
なお、基板２１への半導体素子などの被冷却体となる発熱体１の取付け位置は、図４の（Ｂ）の四角の点線で示された、鉛直方向に立設した基板２１の主面の下部で、還流路２３の領域に重ならない位置に取付けることが好ましい。このよう位置に取付けることによって、細孔２２と還流路２３とに温度差を持たせて内圧差を生じさせることができるので、気相化された冷却媒体１７をスムーズに還流させることができる。
【００３８】
なお、図示はしないが、前述のような幅方向で２相凝縮性の作動媒体を循環させる構造を有する熱拡散プレートの他に、基板内の上下方向に直線状に延びる多数の細孔を形成し、それを基板の厚さ方向に２列に配列した上で、基板の上下端に、これと一体的に結合された基板のほぼ全幅にわたる溝を有し、溝により全部の細孔を両端で相互に連通させ密封し、この密封された細孔に２相凝縮性の作動媒体を封入し構成した、厚み方向で作動媒体を循環させる構造を有する熱拡散プレートを用いることも可能である。
【００３９】
ただし、本発明に用いられる熱拡散プレート２０の構造は、図４に示したものや本文中に詳述した構成に限るものではない。
【００４０】
次に、図１（Ｃ）に、実施例１を変形したヒートシンクを示す。
【００４１】
図１（Ｃ）は、図１（Ａ）、（Ｂ）と同様にヒートシンクの全体の構成を示すものである。
【００４２】
図１（Ｃ）に示すようにヒートシンク１０ｂは、熱良導体からなる平板状基板１１ｂの一方の主面１３ｂには複数の放熱フィン１２が間隔をおいて一体的に植設され、前記基板１１ｂの主面１３ｂに対向する他方の主面１４ｂには、半導体素子等の被冷却体となる発熱体１が取付けられている。
【００４３】
また、この基板１１ｂの内部には、基板１１ｂの主面１４ｂに取付けられた発熱体１が稼動することによって発生する熱を、より効率的に基板１１ｂへ拡散して伝達し、放熱フィン１２を介して空気中への放熱を促進するための１個の熱拡散プレート２０が、３個の発熱体１に対して共通に組込まれている。
【００４４】
この熱拡散プレート２０を組み込むために、前記基板１１ｂの長手方向に対抗する両側面１７ｂから前記熱拡散プレート２０を組込み可能なような組込み孔１５ｂを所要数（本実施例では１つ）、３個の発熱体１の取付け直下に共通する位置に基板１１ｂを貫通して設けられている。
【００４５】
なお、基板１１ｂに設けられたに組込み孔１５ｂに、熱拡散プレート２０を組込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み孔１５ｂに挿入することが好ましい。そのために基板１１ｂに設けられる組込み孔１５ｂは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が挿入可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００４６】
熱拡散プレート２０については図１の（Ａ）、（Ｂ）にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【実施例２】
【００４７】
図２にこの発明の第２の実施例を示す。
【００４８】
図２の（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例２によるヒートシンク１０ｃの基本構成を示す斜視図である。
【００４９】
図２の（Ａ）は、熱良導体から構成された平板状基板１１ｃの一方の主面１３ｃに熱拡散プレート２０を嵌合した状態を示したもので、（Ｂ）は、基板１１ｃの組込み溝１５ｃに前記熱拡散プレート２０を組み込む前の状態を示したものである。
【００５０】
図２（Ａ）と（Ｂ）に示すように、実施例２のヒートシンク１０ｃは、熱良導体からなる平板状基板１１ｃの一方の主面１３ｃに複数の放熱フィン１２が間隔をおいて一体的に植設され、前記基板１１ｃの主面１３ｃに対向する他方の主面１４ｃ上に、熱拡散プレート２０を嵌合して組み込むための組込み溝１５ｃが、所要数（本実施例では３つ）、基板全体に分散して設けられている。
【００５１】
この組込み溝１５ｃは前記基板１１ｃの主面１４ｃおよび長手の両側面１６ｃに開口され、これらに熱拡散プレート２０を嵌め込んだ後、発熱体１を前記熱拡散プレート２０上に接触させて熱的におよび機械的に結合される（図２（Ａ））。
【００５２】
なお、熱拡散プレート２０への発熱体１の取付け位置は、実施例１と同様である。
【００５３】
なお、基板１１ｃに設けられたに組込み溝１５ｃに、熱拡散プレート２０を嵌め込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み溝１５ｃに嵌め込むことが好ましい。そのために基板１１ｃに設けられる組込み溝１５ｃは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が嵌め込み可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００５４】
熱拡散プレート２０については実施例１にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【００５５】
次に、図２（Ｃ）に、実施例２を変形したヒートシンクの例を示す。
【００５６】
図２（Ｃ）に示すようにヒートシンク１０ｄは、熱良導体からなる平板状基板１１ｄの一方の主面には複数の放熱フィン１２が間隔を置いて一体的に植設され、前記基板１１ｄの主面に対向する他方の主面には、熱拡散プレート２０を嵌合するための組込み溝１５ｄが、前記基板１１ｄの長手方向に基板を横断するように所要数（本実施例では１つ）設けられている。このような組込み溝１５ｄには、熱拡散プレート２０を嵌め込んだ後、３個の発熱体１を並列して共通の熱拡散プレート２０上に接触させて熱的におよび機械的に結合されている（図２（Ｃ））。
【００５７】
なお、熱拡散プレート２０への発熱体１の取付け位置は、実施例１と同様である。
【００５８】
なお、基板１１ｄに設けられたに組込み溝１５ｄに、熱拡散プレート２０を嵌め込む際には、両者の熱接触を良好に保つため、熱伝導性の高いグリースなどを熱拡散プレート２０の表面に塗布した上で、組込み溝１５ｄに嵌め込むことが好ましい。そのために基板１１ｄに設けられる組込み溝１５ｄは、グリースなどを塗布した熱拡散プレート２０が嵌め込み可能なように熱拡散プレート２０のその外形よりわずかに大きく形成してある。
【００５９】
熱拡散プレート２０については実施例１にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【実施例３】
【００６０】
図３Ａと図３Ｂにこの発明の第３の実施例を示す。
【００６１】
図３Ａの（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例３によるヒートシンク１０ｅの基本構成を示す斜視図である。
【００６２】
図３Ａの（Ａ）のヒートシンク１０ｅは、熱良導体から構成された平板状基板１１ｅの一方の主面に、基板１１ｅの短手方向にこれを横断するように熱拡散プレート２０を組込み、発熱体１を取付けた発熱体支持板１８ｅを基板１１ｅと一体に結合した状態を示したもので、（Ｂ）は、（Ａ）のヒートシンク１０ｅであって基板１１ｅとベース板１３とを一体に結合する前の状態を示したものである。
【００６３】
なお、基板１１ｅおよび放熱フィン１２並びに熱拡散プレート２０の組込み溝１５ｅのこれらの構成については、図２で示す実施例２と同様であるので省略する。
【００６４】
図３Ａの（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ヒートシンク１０ｅは放熱フィン１２と３枚の熱拡散プレート２０が嵌合して組み込まれた基板１１ｅと、発熱体１が取付けられた、基板１１ｅと同じ面積を有する熱良導体から構成された平板状の発熱体支持板１８ｅとからなり、熱拡散プレート２０が取付けられている前記基板１１ｅの上面と、発熱体１が取付けられている支持板１８ｅの下面とを接合して一体に結合することによってヒートシンク１０ｅが完成する（図３Ａ（Ｂ））。
【００６５】
ここで、基板１１ｅと支持板１８ｅを結合するとき、両者間に熱伝導率の高いグリースなど塗布するか、あるいはローを介在させて一体結合することによって両者間の熱的結合を良好にすることができる。
【００６６】
このような組込み溝１５ｅに組み込まれた熱拡散プレートによって発熱体１より発生した熱をより効果的に放熱させるために、発熱体１の支持板１８ｅへの取付け位置は、基板１１ｅとベース板１３を結合した場合に、発熱体１の直下に熱拡散プレート２０が当る位置に選ばれている（図３Ａの（Ａ））。
【００６７】
また、熱拡散プレート２０については図１の（Ａ）、（Ｂ）にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【００６８】
次に、図３Ｂ（Ｃ）、（Ｄ）に、実施例３を変形したヒートシンクを示す。
【００６９】
図３Ｂの（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、ヒートシンク１０ｆは放熱フィン１２と１枚の熱拡散プレート２０が組み込まれた基板１１ｆと、発熱体１が取付けられた、基板１１ｄと同じ面積を有する熱良導体から構成された発熱体支持板１８ｆとからなり、熱拡散プレート２０が取付けられている前記基板１１ｆの上面と、発熱体１が取付けられている支持板１８ｆの下面とを接合して一体に結合することによってヒートシンク１０ｆが完成する（図３Ｂ（Ｄ））。
【００７０】
ここで、基板１１ｆと支持板１８ｆ結合するときは、両者間に熱伝導率の高いグリースなど塗布するか、あるいはローを介在させて一体結合することによって両者間の熱的結合を良好にすることができる。
【００７１】
このような基板１１ｆに設けられた組込み溝１５ｆに嵌合して組込まれた１個の熱拡散プレート２０によって３個の発熱体１より発生した熱をより効果的に放熱させるために、発熱体１の支持板１８ｆへの取付け位置は、基板１１ｆとベース板１３を熱接続させた場合に、発熱体１の直下に熱拡散プレート２０が当る位置に選ばれている（図３Ｂ（Ｃ））。
【００７２】
また、熱拡散プレート２０については図１の（Ａ）、（Ｂ）にて説明したものと同様な構造のものを利用する事が好ましい。
【００７３】
なお、本実施例１から３までに示したヒートシンクにあっては、図１の（Ａ）〜（Ｃ）、図２の（Ａ）〜（Ｃ）、図３Ａの（Ａ）、（Ｂ）および図３Ｂの（Ｃ）〜（Ｄ）に示すように、基板の対抗する両側面間に通して熱拡散プレート２０を組込むための組込み孔または組込み溝を設けたが、図示はしないが、半導体素子等の被冷却体となる発熱体１の発熱条件や設置環境または熱拡散プレートの構造や形状に応じて基板の対抗する両側面に通して設ける必要はなく、両側面の中間にも設けるようにしてもよい。
【００７４】
以上のように、これら実施例１から実施例３までに示した熱拡散プレート２０を配置した本発明のヒートシンクにあっては、発熱部１から発生した熱を基板全域に拡散し放熱フィンにより放熱することが可能になるので、熱拡散プレート２０の無いヒートシンクに比べて、放熱密度が低下し、発熱部と外気の温度差は小さくなり、これにより、発熱体１の温度上昇を大幅に低減でき、高密度な半導体モジュールの実装が可能となる。
【００７５】
また、従来のヒートシンクに比べて、構造がシンプルであり、かつ押し出し成形法により製作できる細孔型の熱拡散プレート２０を用いることにより低価格のヒートシンクを提供することが可能となる。
【００７６】
更に、熱拡散プレートを発熱部に対応した位置に配置することで、必要な熱拡散を必要最小限度のコストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例１によるヒートシンクの基本構成を示す斜視図であり、（Ｃ）は他の実施の形態に係わるヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例２によるヒートシンクの基本構成を示す斜視図であり、（Ｃ）は他の実施の形態に係わるヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例３によるヒートシンクの基本構成を示す斜視図である。
【図３Ｂ】（Ｃ）と（Ｄ）は、図３Ａにおける実施例の、他の実施の形態に係わるヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明で用いる熱拡散プレートの基本構造の説明図であり、（Ａ）はヒートシンクの外観を表し、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】従来のヒートシンクの構成を示す斜視図である。
【図６】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図７】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図８】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図９】従来のヒートシンクの構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ ：発熱体
１０ａ〜１０ｆ：ヒートシンク １１ａ〜１１ｆ：基板
１２：放熱フィン １３ａ〜１３ｆ：主面
１４ａ〜１４ｂ：主面 １５ａ、１５ｂ：組込み孔
１５ｃ〜１５ｆ：組込み溝 １６ａ〜１６ｆ：側面
１７ａ〜１７ｆ：側面 １８ｅ、１８ｆ：発熱体支持板
２０：熱拡散プレート ２１：基板
２２：細孔 ２３：還流路
２４：上部ヘッダ部 ２５：下部ヘッダ部
２７：蒸気泡 ２８：蒸気流
２８ａ：液流 ２９：気液２相流
３０：放熱
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には被冷却体となる発熱体が１つまたは複数取付けられ、前記基板内部には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートが組み込まれたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱拡散プレートを基板内部に組み込むための組込み孔が基板の発熱体取付け位置の直下に設けられ、前記基板の側面に開口されたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項３】
熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の内に他方の主面側に開口させて作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられ、前記組込み溝または組込み穴に熱拡散プレートが組み込まれ、この熱拡散プレート上に被冷却媒体となる発熱体が接合されたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項４】
熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられた第１の基板と、被冷却体となる発熱体の取付けられる熱良導体の平板状基板からなる第２の基板とから構成され、前記組込み溝または組込み穴に前記熱拡散プレートが組み込まれた前記第１の基板の他方の主面に第２の基板を接合したことを特徴とするヒートシンク。
【請求項１】
熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には被冷却体となる発熱体が１つまたは複数取付けられ、前記基板内部には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートが組み込まれたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記熱拡散プレートを基板内部に組み込むための組込み孔が基板の発熱体取付け位置の直下に設けられ、前記基板の側面に開口されたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項３】
熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の内に他方の主面側に開口させて作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられ、前記組込み溝または組込み穴に熱拡散プレートが組み込まれ、この熱拡散プレート上に被冷却媒体となる発熱体が接合されたことを特徴とするヒートシンク。
【請求項４】
熱良導体からなる平板状基板の一方の主面には複数の放熱フィンが植設され、前記基板の他方の主面には作動流体の相変化により熱を輸送する１つまたは複数の熱拡散プレートを組み込むための組込み溝または組込み穴が設けられた第１の基板と、被冷却体となる発熱体の取付けられる熱良導体の平板状基板からなる第２の基板とから構成され、前記組込み溝または組込み穴に前記熱拡散プレートが組み込まれた前記第１の基板の他方の主面に第２の基板を接合したことを特徴とするヒートシンク。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−２０２７９８（Ｐ２００６−２０２７９８Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９８３２（Ｐ２００５−９８３２）
【出願日】平成１７年１月１８日（２００５．１．１８）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１８日（２００５．１．１８）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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