JP4989574B2 - 半導体素子冷却用ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子冷却用ヒートシンクの構造に関する。

近年、エンジンとモータジェネレータの２種類の駆動源を組み合わせて車両の駆動源とするハイブリッド車両や、モータジェネレータによって車両を駆動する電気自動車等が多く用いられるようになってきている。このような電動車両には、充放電可能な二次電池と、二次電池の直流電力をモータジェネレータ駆動用の三相交流電力に変換して出力するとともにモータジェネレータによって回生した交流電力を二次電池に充電する電力変換器であるインバータとが搭載されている。インバータは、スイッチング素子のスイッチング動作によって電力の変換を行うものであるが、スイッチング動作の際に大きな熱を発生する。また、電動車両にはインバータの他に、直流電圧を変換する昇圧コンバータやＤＣ／ＤＣコンバータが搭載される場合があるが、これらのコンバータにも動作時に大きな発熱をするスイッチング素子が用いられている。スイッチング素子には、パワートランジスタが用いられることが多く、例えば、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）等が用いられる。

このような高発熱性の半導体素子を用いたインバータなどの電気機器では、半導体素子で発生した熱を除去して半導体素子を適正な動作温度とするために、冷却装置が取り付けられている。例えば、特許文献１には、冷却フィンが設けられた取り付け板に半導体素子を取り付け、冷却フィンの間に冷却空気を流して半導体素子を冷却する方法が提案されている。そして、特許文献１には冷却効率を高めるために冷却フィン側面の先端側に乱流板を取り付ける方法が提案されている。

また、特許文献２には、放熱フィン先端と冷却媒体が流れる筐体の壁面との間の隙間に冷却媒体がリークして冷却効率が低下することを防止するために、冷却フィン先端が対向する筐体の内面のフィン間の位置に突起を設け、冷却媒体のリークを低減して効果的に冷却する方法が提案されている。

また、特許文献３には、金属板を複数回、略同じ削り代で薄肉に削り、その薄肉に削った金属片を金属板から起立させることによって金属板の表面に複数の冷却フィンを形成する方法が提案されている。

実開昭６３―９１９３号公報 特開２００７―１１００２５号公報 特開２００５―１５０４７９号公報

ところで、冷却フィンの間の隙間が狭い場合には、冷却フィンによって規定される流路を流れる冷却媒体は層流となる場合があり、冷却フィン或いは冷却フィンの取り付け板との間の熱伝達率が低くなり、冷却効率が低くなる場合があった。また、流路に冷却媒体を流すと冷却フィン或いは取り付け板の表面に境界層ができる。この境界層は上流から下流に向かって発達して厚くなっていく。境界層の中では冷却媒体の流速は境界層の外側に比べて低くなっているため、熱伝達率が低く、冷却効率が低くなる場合がある。特に、層流境界層の場合には熱伝達率がより低く、より冷却効率が低くなってしまう。

このような層流状態、或いは境界層の発達を抑制するためには特許文献１に記載された従来技術のように乱流板を取り付けて冷却媒体の流れに乱れを起こすことが好ましい。しかし、特許文献１に記載された従来技術の乱流板は、半導体が取り付けられている取り付け板よりも温度が低くなる冷却フィンの先端側に取り付けられているため、冷却の必要な取り付け板近傍に効果的に乱流を発生させることができず、圧力損失の増加の割りに冷却効率が向上しないという問題があった。

本発明は、半導体素子冷却用ヒートシンクにおいて、冷却効率を向上させることを目的とする。

本発明の半導体素子冷却用ヒートシンクは、一方の面に半導体素子が取り付けられる金属製の基板と、前記基板の前記半導体素子が取り付けられる面と反対側の冷却面に並べて設けられ、半導体素子冷却用の冷却媒体が流れる流路を規定する複数のフィンと、を備える半導体素子冷却用ヒートシンクであって、前記流路の方向に沿って前記半導体素子の取り付け位置よりも上流側の位置で、前記各フィンの間のフィン根本側のみに設けられ、前記流路の方向と交差方向に延び、前記冷却面からフィン先端に向かって突出する突起を備え、前記突起は、前記突起は、前記冷却面に対して所定の角度だけ傾斜させてカッタの刃先を前記基板に食い込ませて成形した突片であることを特徴とする。また、本発明の半導体素子冷却用ヒートシンクにおいて、前記カッタの刃先を前記基板に食い込ませた後、前記カッタの根本を前記冷却面に対して垂直方向に回転させ、前記カッタの刃先の冷却面側にある金属片を前記冷却面から立上げた突片であることとしても好適である。

本発明の半導体素子冷却用ヒートシンクにおいて、突起はフィン高さの１/４から１/２の高さであること、としても好適である。

本発明は、半導体素子冷却用ヒートシンクにおいて、冷却効率を向上させることができるという効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の半導体素子冷却用ヒートシンク１０は、表面１３ａに絶縁板１２を介して半導体素子１１が取り付けられている基板１３と、基板１３の半導体素子１１が取り付けられている表面１３ａの反対側の面の冷却面１３ｂに設けられたフィン１４と、フィン１４の間の根本にある冷却面１３ｂ上に設けられた突起１５と、を備えている。半導体素子冷却用ヒートシンク１０の冷却面１３ｂ側には、開放箱型のカバー１６が取り付けられている。

基板１３とフィン１４とはアルミニウムの引き出し成形によって一体に形成されたもので、フィン１４は長方形の断面形状で基板１３の冷却面１３ｂから略垂直に延びている。カバー１６は内面が各フィン１４の先端と接する平板部１６ａと平板部１６ａの周縁からフィン１４と略平行に基板１３に向かって立ち上がる立ち上がり部１６ｂを有している。各フィン１４と基板１３の冷却面１３ｂとカバー１６の内面は冷却媒体である冷却水が流れる流路１７を形成する。突起１５は流路１７の冷却面１３ｂの上に設けられている。

図２に示すように、カバー１６の立ち上がり部１６ｂの両端にはそれぞれ冷却水を流路１７に導入する冷却水入口１８と、流路１７から冷却水を排出する冷却水出口１９とが設けられている。冷却水は冷却水入口１８から流路１７に入り、フィン１４と基板１３の冷却面１３ｂと熱交換してフィン１４と基板１３の冷却面１３ｂを冷却する。そして、熱交換によって温度の上昇した冷却水は冷却水出口１９から外部に排出される。

基板１３の表面１３ａには、流路１７を流れる冷却水の流れ方向に沿って複数の半導体素子１１が取り付けられている。そして、突起１５は冷却面１３ｂにあって、各半導体素子１１近傍で各半導体素子１１の取り付け位置よりも流路１７の上流側に一つずつ取り付けられている。突起１５は三角形の断面形状で、流路１７と交差する方向に延び、先端はフィン１４の先端の方向に突出している。突起１５の高さＨはフィン１４の高さＤの１/４から１/２となっている。これは、フィン１４の高さが高すぎると突起１５による圧力損失が大きくなり、突起１５の高さが低いと熱伝達率の向上が少ないためである。突起１５の高さは、フィン１４の高さの１／４から１／３とするとより好ましい。

図３は、本実施形態の半導体素子冷却用ヒートシンク１０をフィン１４側から見た図である。図３に示すように、基板１３には複数のフィン１４が略平行に設けられている。各フィン１４は略直線である。冷却水入口１８からカバー１６の内部に流入した冷却水は、フィン１４の上流側に設けられたヘッダ部分によって各フィン１４の間の各流路１７に分配され、各流路１７には略均等な流量の冷却水が流れる。各流路１７を出た冷却水はカバー１６のフィン１４の下流側に設けられたヘッダ部分に集合し、冷却水出口１９から外部に排出される。図３に示すように、基板１３の表面には、流路１７の方向に沿って４列に半導体素子１１が取り付けられ、各列には流路１７との交差方向に間隔をあけて４つの半導体素子１１が取り付けられている。

以上のように構成された半導体素子冷却用ヒートシンク１０の流路１７に冷却水を流した際の流れと熱交換について説明する。

図４に示すように、流路１７に流れこんだ冷却水は、フィン１４と冷却面１３ｂとに接しながら下流に向かって流れていく。流路１７の入口付近では冷却水は略層流で、流路１７の入口からしだいに境界層が発達し始める。冷却水が流路１７に設けられた突起１５にぶつかると、突起１５の先端から流れの下流側に向かって渦２０が発生する。この渦２０は、周期的に発生し非定常な渦であるため流れを大きく乱すものである。この渦２０によって突起１５の下流側では流れが乱され、境界層が発達しなくなる。また、渦２０は冷却面１３ｂに対して垂直な面内にも発生し、突起１５は冷却面１３ｂに取り付けられているので、渦２０による旋回流が冷却面１３ｂにも及ぶ様に流れる。このため、冷却面１３ｂと冷却水との間の熱伝達率が高くなり効率よく熱交換することができる。また、冷却面１３ｂはフィン１４よりも温度が高いため、温度差の大きい部分の熱伝達率が大きくなることによってより効率的に熱交換が行われ、冷却効率が向上するという効果を奏する。半導体素子１１は、突起１５よりも流路１７の下流側の表面１３ａに設けられていることから、半導体素子１１を効果的に冷却することができる。

本実施形態では、突起１５は三角形断面であるとして説明したが、流路１７において、その先端から渦２０が発生するような形状であれば他の断面形状でもよい。図５（ａ）に示すように、流れの上流側、下流側とも略同様な傾斜角を持つ二等辺三角形形状でもよいし、図５（ｂ）に示すように流れの下流側が冷却面１３ｂに対して垂直となっている直角三角形形状でもよいし、図５（ｃ）に示す様に、四角断面形状でもよいし、図５（ｄ）に示すように半円形状でも良いし、図５（ｅ）に示す様に流れの下流側が冷却面１３ｂに対して垂直となった１／４円の扇形断面であってもよい。

本実施形態では、突起１５は冷却面１３ｂの上に取り付けられたものとして説明したが、突起１５は面積がフィン１４や冷却面１３ｂの面積よりも小さく、突起１５による熱交換量は小さい。したがって、突起１５は流路１７を流れる冷却水に冷却面１３ｂに及ぶような渦２０を発生させることができれば、それ自体が基板１３と熱交換しなくとも冷却効率を向上させることができる。したがって、突起１５は冷却面１３ｂと接触せず、熱的に冷却面１３ｂと接合されてなくともよく、突起１５は冷却面１３ｂと隙間をあけて設けられていてもよいし、冷却面１３ｂとの間に接着剤などの介在物を介して取り付けられていてもよい。ただし、突起１５は、渦２０による流れの乱れの影響が冷却面１３ｂに及ぶようにフィン１４の根本側に取り付けられていることが必要である。また、突起１５は熱伝導率の良い材料である必要はなく、例えば樹脂、セラミック、ガラスなど金属よりも熱伝導率が低い材料で構成してもよい。

図６から図１３を参照して突起１５の形成、取り付けについて説明する。

図６（ａ）に示すように、アルミニウム製の基板１３に向かって先端がＶ字形に尖った二股の工具２１を押し当てると、図６（ｂ）に示すように、工具２１のＶ字形の先端は基板１３に食い込む。すると工具２１の食い込みによって基板１３のアルミニウムが二股の工具２１の間と工具２１の周囲に移動し、二股の工具２１の間と工具２１の周囲の冷却面１３ｂが盛り上がる。この盛り上がりは塑性変形であるため、図６（ｃ）に示すように、工具２１を基板１３から引き抜くと、基板１３の冷却面１３ｂには工具２１の押込みによってできたＶ字形の溝３２とアルミニウムの盛り上がりによってできた凸部３１，３３が形成される。この凸部３１，３３が突起１５となる。

図７は図６を参照して説明した突起１５の形成方法と同様の方法であるが、図７（ａ）に示すように、二股の工具２２には外周側に押さえ板２３が設けられている。また、二股の工具２２の先端は内側が傾斜面で、押さえ板２３の取り付けられた外側は冷却面１３ｂに垂直にあたるよう構成されている。このため、図７（ｂ）に示すように、二股の工具２２を基板１３の冷却面１３ｂに押し付けると、二股の工具２２の内側だけにアルミニウムが盛り上がる。そして、図７（ｃ）に示すように、工具２２を引き抜くと、アルミニウムの盛り上がりによって形成された凸部３４と凸部３４の両側の溝３５が形成される。凸部３４は突起１５となる。この方法は、アルミニウムが二股の工具２２の内側にだけ盛り上がるようにすることができるので、図６を参照して説明した突起１５の形成方法に比べて突起１５の高さを高く成形することができる。

図８（ａ）に示すように、カッタ２４を冷却面１３ｂに対して傾斜させ、図８（ｂ）に示すようにカッタ２４の刃先を基板１３に食い込ませるとカッタ２４の食い込み方向の冷却面１３ｂが盛り上がる。図８（ｃ）に示すように、カッタ２４を引き抜くと冷却面１３ｂの表面には凸部３６と溝３７とが形成される。この凸部３６が突起１５となる。

図９（ａ）に示すように、カッタ２５の刃先を冷却面１３ｂに対して傾斜させ、図９（ｂ）に示すようにカッタ２５の刃先を基板１３に食い込ませる。そして、カッタ２５の根本を冷却面１３ｂに対して垂直となる方向に回転させる。すると、図９（ｃ）に示すようにカッタ２５の刃先の冷却面１３ｂ側にあるアルミニウム片３８は冷却面１３ｂから立ち上がる。図９（ｄ）に示すように、カッタ２５を引き抜くと冷却面１３ｂには冷却面１３ｂから立ち上がったアルミニウム片３８と溝３９とが形成される。このアルミニウム片３８が突起１５となる。

以上、工具等によってアルミニウム製の基板１３を塑性変形させて突起１５を形成する方法について説明したが、突起１５は基板１３とは別体の突起部材１５ａをフィン１４の間に取り付けるようにしてもよい。図１０に示すように、各フィン１４の間の隙間幅よりも広い突起部材１５ａを準備し、この突起部材１５ａをフィン１４の間に圧入して取り付け、突起１５を形成してもよい。この際、基板１３を加熱してフィン１４の間の幅が開いた状態として突起部材１５ａを冷却面１３ｂに取り付けることとしてもよい。この場合、常温に戻った際に基板１３が収縮することによって突起部材１５ａをフィン１４の間に圧着して保持する。

また、図１１に示すように、基板１３の冷却面１３ｂに穴４１を設け、突起部材１５ａにはこの穴４１に嵌まり込む凸部４２を設け、凸部４２を穴４１に嵌め込んで突起１５を形成するようにしてもよい。また、突起部材１５ａを接着剤によって冷却面１３ｂに固定することとしてもよい。

図１０、図１１では、突起部材１５ａを一つずつ取り付ける方法について説明したが、フィン１４と交差する方向に延びる部材を取り付けて、複数の突起１５を一度に形成するようにしてもよい。

図１２に示すように、基板１３と一体に成形された各フィン１４の根本近傍に貫通孔５１をあけ、貫通孔５１に棒材５２を通すことよって各フィン１４の間の根本近傍に円形断面を持つ突起１５を成形することができる。棒材５２の直径はフィン１４の高さの１／４から１／２とする。これによって冷却面１３ｂの近傍に円形断面を持つ複数の突起１５を一度に形成することができる。また、図１３に示すように、各フィン１４の先端から冷却面１３ｂに向かい、流路１７と交差する方向に延びるスリット５３を設け、このスリット５３にフィン１４の高さの１／４から１／２の高さの板材５４を取り付ける。これによって冷却面１３ｂの上に四角形状の断面を持つ複数の突起１５をフィン１４の間の根本近傍に一度に形成することができる。

以上説明した各突起１５は、フィン１４の根本側のみに設けられるので、突起１５を簡便な方法で形成することができる。このため、本実施形態の半導体素子冷却用ヒートシンクは低いコストで容易に製作できるという効果を奏する。

本発明の実施形態における半導体素子冷却用ヒートシンクの冷却水流れ方向から見た断面図である。 本発明の実施形態における半導体素子冷却用ヒートシンクの側断面図である。 本発明の実施形態における半導体素子冷却用ヒートシンクのフィン先端側から見た平面図である。 本発明の実施形態における半導体素子冷却用ヒートシンクの斜視図である。 本発明の実施形態における半導体素子冷却用ヒートシンクの突起形状を示す説明図である。 本発明の参考例における半導体素子冷却用ヒートシンクを形成する工程を示す説明図である。 本発明の参考例における半導体素子冷却用ヒートシンクを形成する工程を示す説明図である。 本発明の実施形態における半導体素子冷却用ヒートシンクを形成する工程を示す説明図である。 本発明の実施形態における半導体素子冷却用ヒートシンクを形成する工程を示す説明図である。 本発明の参考例における半導体素子冷却用ヒートシンクを形成する工程を示す説明図である。 本発明の参考例における半導体素子冷却用ヒートシンクを形成する工程を示す説明図である。 本発明の他の参考例における半導体素子冷却用ヒートシンクの斜視図である。 本発明の他の参考例における半導体素子冷却用ヒートシンクの斜視図である。

符号の説明

１０ 半導体素子冷却用ヒートシンク、１１ 半導体素子、１２ 絶縁板、１３ 基板、１３ａ 表面、１３ｂ 冷却面、１４ フィン、１５ 突起、１５ａ 突起部材、１６ カバー、１６ａ 平板部、１６ｂ 立ち上がり部、１７ 流路、１８ 冷却水入口、１９ 冷却水出口、２０ 渦、２１，２２ 工具、２３ 押さえ板、２４，２５ カッタ、３１，３３，３４，３６，４２ 凸部、３２，３５，３７，３９ 溝、３８ アルミニウム片、４１ 穴、５１ 貫通孔、５２ 棒材、５３ スリット、５４ 板材。

Claims (3)

1. 一方の面に半導体素子が取り付けられる金属製の基板と、
   前記基板の前記半導体素子が取り付けられる面と反対側の冷却面に並べて設けられ、半導体素子冷却用の冷却媒体が流れる流路を規定する複数のフィンと、を備える半導体素子冷却用ヒートシンクであって、
   前記流路の方向に沿って前記半導体素子の取り付け位置よりも上流側の位置で、前記各フィンの間のフィン根本側のみに設けられ、前記流路の方向と交差方向に延び、前記冷却面からフィン先端に向かって突出する突起を備え、
   前記突起は、前記冷却面に対して所定の角度だけ傾斜させてカッタの刃先を前記基板に食い込ませて成形した突片であること、
   を特徴とする半導体素子冷却用ヒートシンク。
2. 請求項１に記載の半導体素子冷却用ヒートシンクであって、
   前記突起は、前記カッタの刃先を前記基板に食い込ませた後、前記カッタの根本を前記冷却面に対して垂直方向に回転させ、前記カッタの刃先の冷却面側にある金属片を前記冷却面から立上げた突片であること、
   を特徴とする半導体素子冷却用ヒートシンク。
3. 請求項１または２に記載の半導体素子冷却用ヒートシンクであって、
   突起はフィン高さの１/４から１/２の高さであること、
   を特徴とする半導体素子冷却用ヒートシンク。

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