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JP7182403B2 - Cooling system - Google Patents
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Description

本発明は、電子素子(例:半導体素子)等の発熱性素子を冷却する冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device for cooling heat-generating elements such as electronic elements (eg, semiconductor elements).

ここで、本発明に係る冷却装置の上下方向は限定されるものではないが、本明細書及び特許請求の範囲では、冷却装置の構成を理解し易くするため、冷却装置における発熱性素子が搭載される側を冷却装置の上側、及び、その反対側を冷却装置の下側と定義する。 Here, the vertical direction of the cooling device according to the present invention is not limited. We define the top side of the cooling device as the side to be cooled and the bottom side of the cooling device as the opposite side.

さらに、本発明に係る冷却装置では、冷却装置の各構成部材の厚さ方向に垂直な面を各構成部材の平面といい、各構成部材の平面に平行な方向を各構成部材の平面方向という。 Furthermore, in the cooling device according to the present invention, a plane perpendicular to the thickness direction of each structural member of the cooling device is referred to as a plane of each structural member, and a direction parallel to the plane of each structural member is referred to as a planar direction of each structural member. .

また、本明細書では、特に文中に明示する場合を除いて、「板」の語は箔も含む意味で用いられ、「アルミニウム」の語は純アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む意味で用いられ、「銅」の語は純銅及び銅合金の双方を含む意味で用いられる。 In addition, in this specification, unless otherwise specified, the term "plate" is used to include foil, and the term "aluminum" is used to include both pure aluminum and aluminum alloy. , the term "copper" is used to include both pure copper and copper alloys.

金属-炭素粒子複合材として、例えば特許第5150905号公報(特許文献1)や(特許第5145591号公報(特許文献2)に記載されているように、金属層と炭素繊維層が交互に複数積層された状態で接合一体化された金属-炭素繊維複合材が知られている。また、国際公開第2009/051094号(特許文献3)は、炭素粒子としての鱗片状黒鉛粒子を用いた金属-鱗片状黒鉛粒子複合材を開示している。 As a metal-carbon particle composite material, for example, as described in Japanese Patent No. 5150905 (Patent Document 1) and (Patent No. 5145591 (Patent Document 2), a plurality of metal layers and carbon fiber layers are alternately laminated. A metal-carbon fiber composite material that is bonded and integrated in a state of being made is known.In addition, International Publication No. 2009/051094 (Patent Document 3) discloses a metal-carbon fiber composite material using scaly graphite particles as carbon particles. A flake graphite particle composite is disclosed.

金属-炭素粒子複合材について開示したその他の特許文献として、特開2015-25158号公報(特許文献4)、特開2015-217655号公報(特許文献5)、特開2017-88913号公報(特許文献6)等がある。 Other patent documents that disclose metal-carbon particle composites include JP 2015-25158 (Patent Document 4), JP 2015-217655 (Patent Document 5), JP 2017-88913 (Patent Reference 6), etc.

上述した金属-炭素粒子複合材は熱伝導率に異方性を有するものであり、高い熱伝導性が要求される部材の材料としての利用が期待されている。 The metal-carbon particle composite material described above has anisotropy in thermal conductivity, and is expected to be used as a material for members that require high thermal conductivity.

ところで、発熱性素子として例えば半導体素子を冷却する冷却装置には、高い冷却性能を得るために高い熱伝導性が要求される。そこで、冷却装置の構成部材の材料として金属-炭素粒子複合材を用いることが、特開2016-132113号公報(特許文献7)、特開2016-152241号公報(特許文献8)等に提案されている。 By the way, a cooling device for cooling a heat-generating element such as a semiconductor element is required to have high thermal conductivity in order to obtain high cooling performance. Therefore, the use of a metal-carbon particle composite material as a material for a constituent member of a cooling device has been proposed in JP-A-2016-132113 (Patent Document 7), JP-A-2016-152241 (Patent Document 8), and the like. ing.

また、特開2016-207799号公報(特許文献9)は、発熱体モジュールの熱拡散板の材料として、互いに直交する二方向に高熱伝導性を有し、残りの一方向に低熱伝導性を有する配向性の高い炭素系材料を用いることを開示している。 In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-207799 (Patent Document 9) discloses that a material for a heat diffusion plate of a heating element module has high thermal conductivity in two directions perpendicular to each other and low thermal conductivity in the remaining one direction. It discloses using a highly oriented carbonaceous material.

特許第5150905号公報Japanese Patent No. 5150905 特許第5145591号公報Japanese Patent No. 5145591 国際公開第2009/051094号WO2009/051094 特開2015-25158号公報JP 2015-25158 A 特開2015-217655号公報JP 2015-217655 A 特開2017-88913号公報JP 2017-88913 A 特開2016-132113号公報JP 2016-132113 A 特開2016-152241号公報JP 2016-152241 A 特開2016-207799号公報JP 2016-207799 A

このような冷却装置に対して、近年、発熱性素子の高性能化及び発熱量の増加に伴い益々高い冷却性能が要求されてきている。 In recent years, as the performance of heat-generating elements has improved and the amount of heat generated has increased, more and more high cooling performance has been required for such cooling devices.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、発熱性素子を冷却する冷却装置の冷却性能の向上を図ることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to improve the cooling performance of a cooling device that cools a heat-generating element.

本発明は以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means.

1) 発熱性素子を冷却する冷却装置であって、
発熱性素子が搭載される素子搭載領域を含む上面を有する配線層と、前記配線層の下側に配置される冷却部材とを具備し、
前記配線層はアルミニウム-炭素粒子複合材で形成されており、
前記複合材は、直交座標において、熱伝導率が最も高いa方向と、熱伝導率が高いb方向と、熱伝導率が前記第a方向の熱伝導率及び前記b方向の熱伝導率よりも低いc方向とを有するとともに、
前記a方向、b方向及びc方向の熱伝導率をそれぞれka、kb及びkcとするとき、ka、kb及びkcは次の式1を満たしており、
ka≧kb>kc …(式1)
さらに、前記配線層は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を通過する分割面で分割された複数のセグメントで構成されており、
前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記a方向は下方向に対して前記配線層における前記セグメントの外縁部側に傾斜した方向であり、前記b方向は前記配線層の前記上面に沿う方向である冷却装置。
1) A cooling device for cooling an exothermic element, comprising:
A wiring layer having an upper surface including an element mounting region on which a heat-generating element is mounted; and a cooling member disposed below the wiring layer,
The wiring layer is formed of an aluminum-carbon particle composite material,
The composite material has, in orthogonal coordinates, a direction with the highest thermal conductivity, a b direction with the highest thermal conductivity, and a thermal conductivity higher than the thermal conductivity in the a direction and the thermal conductivity in the b direction. having a low c-direction and
When the thermal conductivities in the a-direction, b-direction, and c-direction are ka, kb, and kc, respectively, ka, kb, and kc satisfy the following formula 1,
ka≧kb>kc (Formula 1)
Further, the wiring layer is composed of a plurality of segments divided by a dividing plane passing through the element mounting region on the upper surface of the wiring layer,
In each of the segments of the wiring layer, the a direction is a direction inclined downward toward the outer edge of the segment in the wiring layer, and the b direction is a direction along the upper surface of the wiring layer. Cooling system.

2) 前記配線層は長手方向及び短手方向を有し、
前記複数のセグメントは第1セグメントと第2セグメントを含み、
前記第1セグメントと前記第2セグメントは前記分割面にて互いに接合されており、
前記分割面は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を前記配線層の長手方向に通過している前項1記載の冷却装置。
2) the wiring layer has a longitudinal direction and a lateral direction;
the plurality of segments includes a first segment and a second segment;
The first segment and the second segment are joined to each other at the dividing surface,
2. The cooling device according to the preceding item 1, wherein the dividing surface passes through the element mounting region on the upper surface of the wiring layer in the longitudinal direction of the wiring layer.

3) 前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度が25°以上90°未満である前項1又は2記載の冷却装置。 3) The cooling device according to the preceding item 1 or 2, wherein, in each of the segments of the wiring layer, an acute angle between the upper surface and the direction a is 25° or more and less than 90°.

4) 前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度が35°以上70°以下である前項1又は2記載の冷却装置。 4) The cooling device according to the preceding item 1 or 2, wherein in each segment of the wiring layer, an acute angle formed between the upper surface and the direction a is 35° or more and 70° or less.

5) 前記複数のセグメントは第1セグメントと第2セグメントを含み、
前記第1セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度をθ1とし、
前記第2セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度をθ2とするとき、
θ1とθ2との差θ1-θ2が±10°の範囲である前項1~4のいずれかに記載の冷却装置。
5) the plurality of segments includes a first segment and a second segment;
In the first segment, an acute angle formed by the upper surface and the direction a is θ1,
In the second segment, when the acute angle formed by the upper surface and the direction a is θ2,
5. The cooling device according to any one of the preceding items 1 to 4, wherein the difference θ1-θ2 between θ1 and θ2 is within a range of ±10°.

6) 前記複数のセグメントは少なくとも3つのセグメントを含む前項1記載の冷却装置。 6) The cooling device according to item 1, wherein the plurality of segments includes at least three segments.

本発明は以下の効果を奏する。 The present invention has the following effects.

前項1では、冷却装置により発熱性素子が冷却される際、配線層の上面の素子搭載領域の位置から冷却部材に向かう方向への熱拡散と、配線層内での平面方向の熱拡散との双方が生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の向上を図ることができる。 In the preceding item 1, when the heat-generating element is cooled by the cooling device, heat diffusion in the direction from the position of the element mounting region on the upper surface of the wiring layer toward the cooling member and heat diffusion in the planar direction within the wiring layer. both occur. As a result, it is possible to improve the cooling performance of the cooling device.

前項2では、配線層内での平面方向の熱拡散が特に効果的に生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の更なる向上を図ることできる。 In the above item 2, thermal diffusion in the planar direction within the wiring layer occurs particularly effectively. This makes it possible to further improve the cooling performance of the cooling device.

前項3及び4では、配線層の上面の素子搭載領域の位置から冷却部材に向かう方向への熱拡散と、配線層内での平面方向の熱拡散との双方がより効果的に生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の更なる向上を図ることできる。 In the above items 3 and 4, both heat diffusion in the direction from the position of the element mounting region on the upper surface of the wiring layer toward the cooling member and heat diffusion in the planar direction within the wiring layer occur more effectively. This makes it possible to further improve the cooling performance of the cooling device.

前項5では、発熱性素子の熱が配線層の第1セグメントと第2セグメントとに略均一に拡散するようになる。これにより、冷却装置の冷却性能の更なる向上を図ることができる。 In the above item 5, the heat of the exothermic element is diffused substantially uniformly to the first segment and the second segment of the wiring layer. This makes it possible to further improve the cooling performance of the cooling device.

前項6では、配線層の上面の素子搭載領域の位置から冷却部材に向かう方向への熱拡散と、配線層内での平面方向の熱拡散との双方がより効果的に生じる。これにより、冷却装置の冷却性能の向上を図ることができる。 In the above item 6, both heat diffusion in the direction from the position of the element mounting region on the upper surface of the wiring layer toward the cooling member and heat diffusion in the planar direction within the wiring layer occur more effectively. As a result, it is possible to improve the cooling performance of the cooling device.

図1は、本発明の第1実施形態に係る冷却装置を、発熱性素子を搭載した状態で示す概略正面図であるFIG. 1 is a schematic front view showing a cooling device according to a first embodiment of the present invention with a heat-generating element mounted thereon. 図2は、同冷却装置の概略斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of the same cooling device. 図3は、同冷却装置の上配線層及びその近傍の概略正面図である。FIG. 3 is a schematic front view of the upper wiring layer and its vicinity of the cooling device. 図4は、同冷却装置の概略平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view of the same cooling device. 図5は、同上配線層を構成するセグメントの材料に用いたアルミニウム-炭素粒子複合材の概略斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view of an aluminum-carbon particle composite material used as a material for segments constituting the same wiring layer. 図6は、本発明の第2実施形態に係る冷却装置の概略斜視図である。FIG. 6 is a schematic perspective view of a cooling device according to a second embodiment of the invention. 図7は、同冷却装置の上配線層及びその近傍の概略側面図である。FIG. 7 is a schematic side view of the upper wiring layer and its vicinity of the cooling device. 図8は、同冷却装置の概略平面図である。FIG. 8 is a schematic plan view of the same cooling device. 図9は、本発明の第3実施形態に係る冷却装置の概略斜視図である。FIG. 9 is a schematic perspective view of a cooling device according to a third embodiment of the invention. 図10は、同冷却装置の概略平面図である。FIG. 10 is a schematic plan view of the cooling device. 図11は、同冷却装置の上配線層と、当該上配線層を構成する4つのセグメントとを示す概略斜視図である。FIG. 11 is a schematic perspective view showing an upper wiring layer of the cooling device and four segments forming the upper wiring layer. 図12は、同上配線層を構成するセグメントの材料に用いたアルミニウム-炭素粒子複合材の概略斜視図である。FIG. 12 is a schematic perspective view of an aluminum-carbon particle composite material used as a material for segments constituting the same wiring layer. 図13は、シミュレーション例1で用いた上記第1実施形態の冷却装置の概略平面図である。13 is a schematic plan view of the cooling device of the first embodiment used in Simulation Example 1. FIG. 図14は、シミュレーション例1の場合における発熱性素子の最高温度を示すグラフである。14 is a graph showing the maximum temperature of the exothermic element in Simulation Example 1. FIG. 図15は、シミュレーション例2で用いた上記第2実施形態の冷却装置の概略平面図である。15 is a schematic plan view of the cooling device of the second embodiment used in Simulation Example 2. FIG. 図16は、シミュレーション例2の場合における発熱性素子の最高温度を示すグラフである。16 is a graph showing the maximum temperature of the exoergic element in Simulation Example 2. FIG.

本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。 Several embodiments of the invention are described below with reference to the drawings.

図1~5は本発明の第1実施形態に係る冷却装置を説明する図である。 1 to 5 are diagrams for explaining a cooling device according to a first embodiment of the present invention.

本第1実施形態の冷却装置1は、図1及び2に示すように、発熱性素子11を冷却するためのものである。発熱性素子11としてはパワー半導体素子(例:IGBT素子)等の半導体素子が挙げられる。 A cooling device 1 of the first embodiment is for cooling a heat-generating element 11, as shown in FIGS. Examples of the exothermic element 11 include semiconductor elements such as power semiconductor elements (eg, IGBT elements).

冷却装置1は、互いに積層状に接合一体化された複数の冷却装置構成部材を具備したものであり、具体的には、複数の構成部材として、上配線層2、絶縁層5、下配線層6、緩衝層7及び冷却部材8を具備している。そして、これらが上から下へこの記載の順に積層された状態で所定の接合手段により接合一体化されており、これにより冷却装置1が形成されている。 The cooling device 1 is provided with a plurality of cooling device constituent members joined and integrated in a laminated manner. 6, a buffer layer 7 and a cooling member 8; Then, these are laminated in the order described above from top to bottom and joined together by a predetermined joining means, whereby the cooling device 1 is formed.

なお、図4では冷却部材8は図示されていない。後述する図8及び10でも冷却部材は図示されていない。 Note that the cooling member 8 is not shown in FIG. Cooling members are not shown in FIGS. 8 and 10, which will be described later.

上述の所定の接合手段は限定されるものではなく、例えばろう付け、クラッド圧延、焼結(例:放電プラズマ焼結)などが挙げられる。 The predetermined joining means mentioned above is not limited, and examples thereof include brazing, clad rolling, and sintering (eg, discharge plasma sintering).

上配線層2は上回路層とも呼ばれているものであり、発熱性素子11が搭載される素子搭載領域(図2中にクロスハッチングで示す)3aを含む平坦な上面3を有している。素子搭載領域3aは上配線層2の上面3の略中央部に位置している。図1に示すように、発熱性素子11はこの素子搭載領域3aにはんだ層12で接合されて搭載される。はんだ層12はすず合金(Sn合金)等からなる。 The upper wiring layer 2 is also called an upper circuit layer, and has a flat upper surface 3 including an element mounting area (shown by cross-hatching in FIG. 2) 3a on which the exothermic element 11 is mounted. . The element mounting region 3 a is located substantially at the center of the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 . As shown in FIG. 1, the heat-generating element 11 is mounted on the element-mounting region 3a by bonding with a solder layer 12. As shown in FIG. The solder layer 12 is made of tin alloy (Sn alloy) or the like.

発熱性素子11が半導体素子であれば、上配線層2の上面3の素子搭載領域3aに半導体素子が搭載されることで、半導体素子モジュールが形成される。 If the exothermic element 11 is a semiconductor element, the semiconductor element module is formed by mounting the semiconductor element on the element mounting region 3a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2. FIG.

上配線層2の詳細な構成は後述する。 A detailed configuration of the upper wiring layer 2 will be described later.

絶縁層5は電気絶縁性を有するものであり、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ケイ素(Si)、アルミナ(Al)等のセラミック材で形成されている。上配線層2は絶縁層5の上面に接合されている。 The insulating layer 5 has electrical insulating properties and is made of a ceramic material such as aluminum nitride (AlN), silicon nitride ( Si3N4 ), alumina ( Al2O3 ), or the like . The upper wiring layer 2 is bonded to the upper surface of the insulating layer 5 .

下配線層6は下回路層とも呼ばれているものであり、金属材(例:アルミニウム、銅)などで形成されている。さらに、下配線層6は絶縁層5の下面に接合されている。 The lower wiring layer 6 is also called a lower circuit layer, and is made of a metal material (eg, aluminum, copper) or the like. Furthermore, the lower wiring layer 6 is bonded to the lower surface of the insulating layer 5 .

緩衝層7は冷却装置1に発生する熱応力等の応力を緩和するための層であり、金属材(例:アルミニウム、銅)などで形成されている。さらに、緩衝層7は下配線層6の下面に接合されている。 The buffer layer 7 is a layer for relaxing stress such as thermal stress generated in the cooling device 1, and is made of a metal material (eg, aluminum, copper) or the like. Furthermore, the buffer layer 7 is bonded to the lower surface of the lower wiring layer 6 .

冷却部材8は、発熱性素子11を冷却する板状のものであり、本第1実施形態では冷却部材8として冷却板が用いられている。冷却部材8は金属材(例:アルミニウム、銅)などで形成されており、緩衝層7の下面に接合されている。 The cooling member 8 is a plate-like member for cooling the exothermic element 11, and a cooling plate is used as the cooling member 8 in the first embodiment. The cooling member 8 is made of a metal material (eg, aluminum, copper) or the like, and is joined to the lower surface of the buffer layer 7 .

なお本発明では、冷却部材8は冷却板であることに限定されない。その他に例えば、発熱性素子11の熱を放散する放熱部材(例:ヒートシンク、放熱板)であってもよいし、液冷式のものであってもよい。冷却部材8が液冷式のものである場合、一般に冷却部材8の内部には冷却媒体としての冷却液(例:冷却水)が流通する流路が設けられる。 In addition, in the present invention, the cooling member 8 is not limited to being a cooling plate. Alternatively, for example, a heat dissipation member (eg, a heat sink, heat dissipation plate) that dissipates the heat of the exothermic element 11 may be used, or a liquid cooling type may be used. When the cooling member 8 is of a liquid-cooling type, the cooling member 8 is generally provided with a flow path through which a cooling liquid (for example, cooling water) as a cooling medium flows.

冷却装置1では、発熱性素子11に発生した熱が発熱性素子11から順にはんだ層12、上配線層2、絶縁層5、下配線層6、緩衝層7及び冷却部材8に伝導していくことで、発熱性素子11が冷却されてその温度が低下する。 In the cooling device 1, the heat generated in the exothermic element 11 is conducted from the exothermic element 11 to the solder layer 12, the upper wiring layer 2, the insulating layer 5, the lower wiring layer 6, the buffer layer 7 and the cooling member 8 in order. As a result, the exothermic element 11 is cooled and its temperature is lowered.

図中の矢印X、Y及びZは、それぞれ、冷却装置1の各構成部材(上配線層2、絶縁層5、下配線層6、緩衝層7及び冷却部材8)の長手方向X、短手方向Y及び厚さ方向Zを示している。長手方向X、短手方向Y及び厚さ方向Zは例えば互いに直交している。なお、各構成部材の長手方向X、短手方向Y及び厚さ方向Zは、冷却装置1の長手方向、短手方向及び厚さ方向と一致している。 Arrows X, Y, and Z in the drawing indicate the longitudinal direction X and the lateral direction of each component (upper wiring layer 2, insulating layer 5, lower wiring layer 6, buffer layer 7, and cooling member 8) of cooling device 1, respectively. Direction Y and thickness direction Z are indicated. The longitudinal direction X, the transverse direction Y and the thickness direction Z are, for example, orthogonal to each other. In addition, the longitudinal direction X, the lateral direction Y and the thickness direction Z of each structural member match the longitudinal direction, the lateral direction and the thickness direction of the cooling device 1 .

上配線層2は長手方向X及び短手方向Yを有しており、図4に示すように上配線層2の平面視の形状は略長方形状である。 The upper wiring layer 2 has a longitudinal direction X and a transverse direction Y, and as shown in FIG. 4, the upper wiring layer 2 has a substantially rectangular shape in plan view.

絶縁層5は長手方向X及び短手方向Yを有しており、絶縁層5の平面視の形状は略長方形状である。 The insulating layer 5 has a longitudinal direction X and a lateral direction Y, and the shape of the insulating layer 5 in plan view is substantially rectangular.

下配線層6は長手方向X及び短手方向Yを有しており、下配線層6の平面視の形状は略長方形状である。 The lower wiring layer 6 has a longitudinal direction X and a lateral direction Y, and the shape of the lower wiring layer 6 in plan view is substantially rectangular.

緩衝層7は長手方向X及び短手方向Yを有しており、緩衝層7の平面視の形状は略長方形状である。 The buffer layer 7 has a longitudinal direction X and a lateral direction Y, and the shape of the buffer layer 7 in plan view is substantially rectangular.

冷却部材8は長手方向X及び短手方向Yを有しており、冷却部材8の平面視の形状は略長方形状である。 The cooling member 8 has a longitudinal direction X and a lateral direction Y, and the shape of the cooling member 8 in plan view is substantially rectangular.

上配線層2の長さ(即ち上配線層2の長手方向Xの長さ)及び幅(即ち上配線層2の短手方向Yの長さ)はそれぞれ絶縁層5の長さ及び幅よりも小さい。下配線層6の長さ及び幅はそれぞれ上配線層2の長さ及び幅と略等しい。緩衝層7の長さ及び幅はそれぞれ上配線層2の長さ及び幅と略等しい。冷却部材8の長さ及び幅はそれぞれ上配線層2の長さ及び幅よりも大きい。 The length of the upper wiring layer 2 (that is, the length in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 2) and the width (that is, the length of the upper wiring layer 2 in the transverse direction Y) are longer than the length and width of the insulating layer 5, respectively. small. The length and width of the lower wiring layer 6 are substantially equal to the length and width of the upper wiring layer 2, respectively. The length and width of the buffer layer 7 are substantially equal to the length and width of the upper wiring layer 2, respectively. The length and width of the cooling member 8 are greater than the length and width of the upper wiring layer 2, respectively.

そして、冷却装置1では、上配線層2、絶縁層5、下配線層6、緩衝層7及び冷却部材8は、平面視において、それぞれの長手方向X及び短手方向Yが互いに一致し且つそれぞれの中心位置も互いに一致するように積層されている。 In the cooling device 1, the longitudinal direction X and the lateral direction Y of the upper wiring layer 2, the insulating layer 5, the lower wiring layer 6, the buffer layer 7, and the cooling member 8 are aligned with each other in plan view. are stacked so that their centers are also aligned with each other.

上配線層2の厚さは限定されるものではなく、好ましくは0.1~2mmの範囲であることがよい。絶縁層5の厚さは限定されるものではなく、例えば0.1~2mmの範囲であることがよい。下配線層6の厚さは限定されるものではなく、好ましくは0.1~2mmの範囲であることがよい。緩衝層7の厚さは限定されるものではなく、好ましくは0.1~3mmの範囲であることがよい。冷却部材8の厚さは限定されるものではなく、好ましくは0.2~3mmの範囲であることがよい。 The thickness of the upper wiring layer 2 is not limited, and is preferably in the range of 0.1 to 2 mm. The thickness of the insulating layer 5 is not limited, and is preferably in the range of 0.1 to 2 mm, for example. The thickness of the lower wiring layer 6 is not limited, and preferably ranges from 0.1 to 2 mm. The thickness of the buffer layer 7 is not limited, and preferably ranges from 0.1 to 3 mm. The thickness of the cooling member 8 is not limited, and preferably ranges from 0.2 to 3 mm.

なお本発明では、冷却装置1の各構成部材の平面視の形状は略長方形状であることに限定されるものではなく、その他に例えば略正方形状であってもよい。 In addition, in the present invention, the shape of each structural member of the cooling device 1 in a plan view is not limited to a substantially rectangular shape, and may be, for example, a substantially square shape.

発熱性素子11は平面視の形状が略正方形状のものであり、平面視において発熱性素子11の中心位置が上配線層2の上面3の中心位置と一致するように発熱性素子11が上配線層2の上面3の素子搭載領域3aにはんだ層12で接合されて搭載される。 The heat-generating element 11 has a substantially square shape in plan view, and the heat-generating element 11 is positioned upward so that the center position of the heat-generating element 11 coincides with the center position of the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 in plan view. It is mounted on the element mounting area 3a on the upper surface 3 of the wiring layer 2 by bonding with the solder layer 12. As shown in FIG.

なお本発明では、発熱性素子11の平面視の形状は略正方形状であることに限定されるものではなく、その他に例えば略長方形状であってもよい。 In the present invention, the planar shape of the exothermic element 11 is not limited to a substantially square shape, and may be, for example, a substantially rectangular shape.

上配線層2の詳細な構成を以下に説明する。 A detailed configuration of the upper wiring layer 2 will be described below.

図2に示すように、上配線層2は、上配線層2の上面3の素子搭載領域3aを通過する分割面4で分割された複数のセグメントで構成されている。本第1実施形態では、分割面4は、上配線層2の上面3の素子搭載領域3aを上配線層2の短手方向Yに真直に通過している。したがって、上配線層2は、上述の複数のセグメントとしての2つのセグメント2A、2Bで構成されている。 As shown in FIG. 2, the upper wiring layer 2 is composed of a plurality of segments divided by a dividing plane 4 passing through an element mounting region 3a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2. As shown in FIG. In the first embodiment, the dividing surface 4 passes straight through the element mounting region 3 a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 in the lateral direction Y of the upper wiring layer 2 . Therefore, the upper wiring layer 2 is composed of two segments 2A and 2B as the plurality of segments described above.

ここで、説明の便宜上、2つのセグメント2A、2Bのうち一方を「第1セグメント2A」、他方を「第2セグメント2B」という。 Here, for convenience of explanation, one of the two segments 2A and 2B is called "first segment 2A" and the other is called "second segment 2B".

第1セグメント2Aと第2セグメント2Bは、上配線層2の長手方向Xに互いに隣接しており、更に、分割面4にて所定の接合手段(例:ろう付け)により互いに接合一体化されている。 The first segment 2A and the second segment 2B are adjacent to each other in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 2, and are integrally joined to each other at the dividing surface 4 by a predetermined joining means (eg, brazing). there is

さらに、上配線層2はアルミニウム-炭素粒子複合材(21、図5参照)で形成されている。したがって、第1セグメント2A及び第2セグメント2Bはそれぞれアルミニウム-炭素粒子複合材で形成されている。 Further, the upper wiring layer 2 is made of an aluminum-carbon particle composite material (21, see FIG. 5). Therefore, the first segment 2A and the second segment 2B are each made of an aluminum-carbon particle composite material.

複合材は熱伝導率に異方性を有するものである。図2及び3中の矢印a、b及びcは、複合材について定められた直交座標の互いに直交する3方向を示している。a方向が複合材の熱伝導率が最も高い方向を示している。b方向が複合材の熱伝導率が高い方向を示している。c方向が複合材の熱伝導率がa方向の熱伝導率及びb方向の熱伝導率よりも低い方向を示している。 A composite material has an anisotropic thermal conductivity. The arrows a, b and c in FIGS. 2 and 3 indicate the three orthogonal directions of the Cartesian coordinates defined for the composite. The a-direction indicates the direction in which the composite has the highest thermal conductivity. The direction b indicates the direction in which the composite material has a high thermal conductivity. The c-direction indicates the direction in which the thermal conductivity of the composite material is lower than the thermal conductivity in the a-direction and the thermal conductivity in the b-direction.

すなわち、複合材の熱伝導率において、複合材のa方向の熱伝導率を「ka」、複合材のb方向の熱伝導率を「kb」、及び、複合材のc方向の熱伝導率を「kc」とするとき、ka、kb及びkcは次の式1を満たしている。 That is, in the thermal conductivity of the composite, the thermal conductivity in the a direction of the composite is "ka", the thermal conductivity in the b direction of the composite is "kb", and the thermal conductivity in the c direction of the composite is When "kc", ka, kb and kc satisfy the following formula 1.

ka≧kb>kc …(式1)。 ka≧kb>kc (Formula 1).

複合材において、a方向とb方向とが作る面ABが複合材の高熱伝導面(二点鎖線で示す)であり、高熱伝導面ABに垂直な方向であるc方向が複合材の低熱伝導方向である。 In the composite material, the plane AB formed by the a direction and the b direction is the high thermal conductivity plane (indicated by the two-dot chain line) of the composite material, and the c direction, which is perpendicular to the high thermal conductivity plane AB, is the low thermal conductivity direction of the composite material. is.

ka及びkbは限定されるものではなく、それぞれ好ましくは400W/(m・K)以上であることがよい。kcは限定されるものではなく、好ましくは30W/(m・K)以上であることがよい。 ka and kb are not limited, and each is preferably 400 W/(m·K) or more. kc is not limited and is preferably 30 W/(m·K) or more.

複合材は、上述したような熱伝導率に異方性を有するものであれば限定されるものではなく、好ましくは、アルミニウムマトリックスとアルミニウムマトリックス中に分散した炭素粒子(炭素粉末を含む)とを含むものであることがよい。この場合、上配線層2の熱伝導率を確実に高めることができる。 The composite material is not limited as long as it has anisotropy in thermal conductivity as described above, and preferably includes an aluminum matrix and carbon particles (including carbon powder) dispersed in the aluminum matrix. It should contain In this case, the thermal conductivity of the upper wiring layer 2 can be reliably increased.

炭素粒子は熱伝導率に異方性を有するものであり、詳述すると、例えば炭素粒子の厚さ方向の熱伝導率よりも炭素粒子の平面方向の熱伝導率の方が高いという異方性を有するものである。なお、炭素粒子の平面とは炭素粒子の厚さ方向に垂直な面をいい、炭素粒子の平面方向とは炭素粒子の平面に平行な方向をいう。 Carbon particles have an anisotropic thermal conductivity. It has The plane of the carbon particles means a plane perpendicular to the thickness direction of the carbon particles, and the plane direction of the carbon particles means a direction parallel to the plane of the carbon particles.

炭素粒子としては鱗片状黒鉛粒子(鱗片状黒鉛粉末を含む)などが用いられる。 As the carbon particles, flake graphite particles (including flake graphite powder) and the like are used.

複合材中の炭素粒子は複合材の高熱伝導面AB方向に配向した状態でアルミニウムマトリックス中に分散している。 The carbon particles in the composite material are dispersed in the aluminum matrix while being oriented in the AB direction of the high thermal conductivity plane of the composite material.

複合材の製造方法は限定されるものではなく、例えば、溶湯撹拌法、粉末焼結法、粉末押出法、塗工+焼結法などが挙げられる。 The method for producing the composite material is not limited, and examples thereof include a molten metal stirring method, a powder sintering method, a powder extrusion method, and a coating and sintering method.

溶湯撹拌法とは、アルミニウム溶湯中に炭素粒子を入れて撹拌混合し冷却凝固させる方法である。粉末焼結法とは、アルミニウム粉末と炭素粒子との混合物を加圧焼結する方法である。粉末押出法とは、アルミニウム粉末と炭素粒子との混合物を押出加工する方法である。塗工+焼結法とは、アルミニウム板上に炭素粒子を塗工して得られた塗工板を複数積層して焼結一体化する方法である。 The molten metal stirring method is a method in which carbon particles are put into molten aluminum, stirred and mixed, and cooled to solidify. The powder sintering method is a method of pressurizing and sintering a mixture of aluminum powder and carbon particles. The powder extrusion method is a method of extruding a mixture of aluminum powder and carbon particles. The coating and sintering method is a method of stacking a plurality of coated plates obtained by coating carbon particles on an aluminum plate and sintering and integrating them.

本第1実施形態では、複合材は塗工+焼結法により製造されたものであり、図5にこの複合材21の概略斜視図を示す。 In the first embodiment, the composite material is manufactured by the coating and sintering method, and FIG. 5 shows a schematic perspective view of this composite material 21. As shown in FIG.

複合材21は、アルミニウムマトリックスとアルミニウムマトリックス中に分散した炭素粒子とを含むものである。炭素粒子としては例えば鱗片状黒鉛粒子が用いられる。 Composite material 21 includes an aluminum matrix and carbon particles dispersed in the aluminum matrix. For example, scale-like graphite particles are used as the carbon particles.

図5中の矢印L、M及びNは、それぞれ、複合材21の長さ方向、幅方向及び厚さ方向を示している。この複合材21では、炭素粒子がアルミニウム板上に塗工される際に炭素粒子がアルミニウム板の表面方向に配向するため、複合材21中の炭素粒子は複合材21の平面方向(即ち複合材21の厚さ方向Nに垂直な面に平行な方向)に配向している。そのため、複合材21のa方向及びb方向は、複合材21の長さ方向L及び幅方向Mと一致しており、したがって複合材21の高熱伝導面ABは複合材21の平面方向と平行である。 Arrows L, M and N in FIG. 5 indicate the length direction, width direction and thickness direction of the composite material 21, respectively. In this composite material 21, when the carbon particles are coated on the aluminum plate, the carbon particles are oriented in the surface direction of the aluminum plate. 21 in the direction parallel to the plane perpendicular to the thickness direction N). Therefore, the a-direction and b-direction of the composite material 21 are aligned with the length direction L and width direction M of the composite material 21, and therefore the high thermal conductivity surface AB of the composite material 21 is parallel to the plane direction of the composite material 21. be.

上配線層2の第1セグメント2A及び第2セグメント2Bは次のようにして形成されている。 The first segment 2A and the second segment 2B of the upper wiring layer 2 are formed as follows.

複合材21を、複合材21の厚さ方向Nに対して傾斜し且つ複合材21の幅方向Mと平行な切断面Sで所定の厚さに切断することにより、切断片21aを得る。図5中のαは、複合材21の厚さ方向Nに対する切断面Sの傾斜角の余角であり、即ち複合材21の高熱伝導面ABと切断面Sとがなす鋭角側の角度である。このαは0°よりも大きく90°よりも小さい(即ち0°<α<90°)。 A cut piece 21a is obtained by cutting the composite material 21 to a predetermined thickness along a cutting plane S which is inclined with respect to the thickness direction N of the composite material 21 and parallel to the width direction M of the composite material 21 . α in FIG. 5 is the complementary angle of the inclination angle of the cut surface S with respect to the thickness direction N of the composite material 21, that is, the acute angle formed by the high thermal conductivity surface AB of the composite material 21 and the cut surface S. . This α is greater than 0° and less than 90° (ie 0°<α<90°).

そして、切断片21aの厚さ方向の両面(即ち切断面S及びS)が上配線層2の上面3及び下面になるように第1セグメント2Aと第2セグメント2Bをそれぞれ切断片21aで形成する。これにより、第1セグメント2A及び第2セグメント2Bのそれぞれにおいて、複合材21の高熱伝導面ABは下方向dに対して傾斜する。そして、第1セグメント2Aと第2セグメント2Bを分割面4にて互いに接合一体化し、これにより上配線層2が得られる。 Then, the cut piece 21a is formed into the first segment 2A and the second segment 2B so that both sides (that is, the cut surfaces S and S) in the thickness direction of the cut piece 21a are the upper surface 3 and the lower surface of the upper wiring layer 2, respectively. . Thereby, in each of the first segment 2A and the second segment 2B, the high thermal conductivity surface AB of the composite material 21 is inclined with respect to the downward direction d. Then, the first segment 2A and the second segment 2B are joined together at the dividing surface 4, whereby the upper wiring layer 2 is obtained.

図2及び3に示すように、上配線層2の第1セグメント2Aにおける複合材のa方向は、下方向dに対して上配線層2における第1セグメント2Aの外縁部2a側に傾斜した方向である。また、第1セグメント2Aにおける複合材のb方向は、上配線層2の上面3(即ち第1セグメント2Aの上面3)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層2の短手方向Yと平行な方向である。 As shown in FIGS. 2 and 3, the direction a of the composite material in the first segment 2A of the upper wiring layer 2 is a direction inclined toward the outer edge 2a of the first segment 2A in the upper wiring layer 2 with respect to the downward direction d. is. The b direction of the composite material in the first segment 2A is the direction along the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 (that is, the upper surface 3 of the first segment 2A). It is a direction parallel to the Y direction.

上配線層2の第2セグメント2Bにおける複合材のa方向は、下方向dに対して上配線層2における第2セグメント2Bの外縁部2a側に傾斜した方向である。第1セグメント2Aのa方向の下方向に対する傾斜方向と第2セグメント2Bのa方向の下方向に対する傾斜方向とは相異しており、本第1実施形態では互いに反対方向である。また、第2セグメント2Bにおける複合材のb方向は、上配線層2の上面3(即ち第2セグメント2Bの上面3)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層2の短手方向Yと平行な方向である。
The direction a of the composite material in the second segment 2B of the upper wiring layer 2 is a direction inclined toward the outer edge portion 2a of the second segment 2B in the upper wiring layer 2 with respect to the downward direction d. The inclination direction of the first segment 2A with respect to the downward direction in the a direction and the inclination direction of the second segment 2B with respect to the downward direction in the a direction are different, and in the first embodiment, they are opposite to each other. The b direction of the composite material in the second segment 2B is the direction along the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 (that is, the upper surface 3 of the second segment 2B). It is a direction parallel to the Y direction.

なお、第1セグメント2A及び第2セグメント2Bのそれぞれにおいて、下方向dは、上配線層2の上面3の素子搭載領域3aの位置から冷却部材8へと向かう方向と一致している。 In each of the first segment 2A and the second segment 2B, the downward direction d coincides with the direction from the position of the element mounting region 3a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 toward the cooling member 8. FIG.

本第1実施形態の冷却装置1には次の利点がある。 The cooling device 1 of the first embodiment has the following advantages.

上配線層2の第1セグメント2Aでは、a方向が下方向dに対して上配線層2における第1セグメント2Aの外縁部2a側に傾斜しており、且つ、上配線層2の第2セグメント2Bでは、a方向が下方向dに対して上配線層2における第2セグメント2Bの外縁部2a側に傾斜している。したがって、上配線層2の全体では発熱性素子11の熱は下方向dと平面方向とに伝導する。そのため、上配線層2の上面3の素子搭載領域3aの位置から冷却部材8に向かう方向への熱拡散と、上配線層2内での平面方向の熱拡散との双方が生じる。これにより、冷却装置1の冷却性能が向上している。 In the first segment 2A of the upper wiring layer 2, the direction a is inclined with respect to the downward direction d toward the outer edge 2a of the first segment 2A in the upper wiring layer 2, and the second segment of the upper wiring layer 2 In 2B, the direction a is inclined toward the outer edge portion 2a of the second segment 2B in the upper wiring layer 2 with respect to the downward direction d. Therefore, the heat of the exothermic element 11 is conducted in the downward direction d and the plane direction in the entire upper wiring layer 2 . Therefore, both heat diffusion from the position of the element mounting region 3a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 toward the cooling member 8 and heat diffusion in the planar direction within the upper wiring layer 2 occur. Thereby, the cooling performance of the cooling device 1 is improved.

ここで、図2及び3に示すように、第1セグメント2Aにおいて、上配線層2の上面3(即ち第1セグメント2Aの上面3)とa方向とがなす鋭角側の角度をθ1とする。第2セグメント2Bにおいて、上配線層2の上面3(即ち第2セグメント2Bの上面3)とa方向とがなす鋭角側の角度をθ2とする。 Here, as shown in FIGS. 2 and 3, in the first segment 2A, the acute angle between the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 (that is, the upper surface 3 of the first segment 2A) and the direction a is defined as θ1. In the second segment 2B, the acute angle formed by the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 (that is, the upper surface 3 of the second segment 2B) and the direction a is assumed to be θ2.

θ1とθ2はいずれも25°以上90°未満であることが望ましい。すなわち、θ1とθ2はそれぞれ次の式2aと式2bを満足していることが望ましい。 Both θ1 and θ2 are preferably 25° or more and less than 90°. That is, it is desirable that θ1 and θ2 satisfy the following equations 2a and 2b, respectively.

25°≦θ1<90° …(式2a)
25°≦θ2<90° …(式2b)。
25°≦θ1<90° (Formula 2a)
25°≦θ2<90° (Formula 2b).

この場合、上配線層2の上面3の素子搭載領域3aの位置から冷却部材8に向かう方向への熱拡散と、上配線層2内での平面方向の熱拡散との双方がより効果的に生じる。これにより、冷却装置1の冷却性能が更に向上する。 In this case, both the heat diffusion in the direction from the position of the element mounting region 3a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 toward the cooling member 8 and the heat diffusion in the planar direction within the upper wiring layer 2 are more effective. occur. Thereby, the cooling performance of the cooling device 1 is further improved.

特にθ1とθ2はいずれも35°以上70°以下であることが望ましい。すなわち、θ1とθ2はそれぞれ次の式3aと式3bを満足していることが特に望ましい。 In particular, both θ1 and θ2 are preferably 35° or more and 70° or less. That is, it is particularly desirable that .theta.1 and .theta.2 satisfy the following equations 3a and 3b, respectively.

35°≦θ1≦70° …(式3a)
35°≦θ2≦70° …(式3b)。
35°≦θ1≦70° (Formula 3a)
35°≦θ2≦70° (Formula 3b).

この場合、冷却装置1の冷却性能がより更に向上する。 In this case, the cooling performance of the cooling device 1 is further improved.

さらに、θ1とθ2との差θ1-θ2は±10°の範囲であることが望ましい。この場合、発熱性素子11の熱が上配線層2の第1セグメント2Aと第2セグメント2Bとに略均一に拡散するようになる。これにより、冷却装置1の冷却性能がより更に一層向上する。 Furthermore, it is desirable that the difference θ1−θ2 between θ1 and θ2 is in the range of ±10°. In this case, the heat of the exothermic element 11 is diffused substantially uniformly to the first segment 2A and the second segment 2B of the upper wiring layer 2. FIG. Thereby, the cooling performance of the cooling device 1 is further improved.

図6~8は本発明の第2実施形態に係る冷却装置101を説明する図である。これらの図において、上記第1実施形態の冷却装置1の要素と同じ作用を奏する要素には100を加算した符号が付されている。以下、本第2実施形態について上記第1実施形態との相異点を中心に説明する。 6 to 8 are diagrams illustrating a cooling device 101 according to a second embodiment of the invention. In these figures, elements having the same functions as the elements of the cooling device 1 of the first embodiment are assigned reference numerals with 100 added. The second embodiment will be described below, focusing on the differences from the first embodiment.

図6及び8に示すように、本第2実施形態の冷却装置101では、上配線層102の分割面104は、上配線層102の上面103の素子搭載領域103aを上配線層102の長手方向Xに真直に通過している。したがって、上配線層102の第1セグメント102Aと第2セグメント102Bは、上配線層102の短手方向Yに互いに隣接しており、且つ、分割面104にて互いに接合一体化されている。 As shown in FIGS. 6 and 8, in the cooling device 101 of the second embodiment, the dividing surface 104 of the upper wiring layer 102 is arranged such that the element mounting region 103a of the upper surface 103 of the upper wiring layer 102 is aligned with the longitudinal direction of the upper wiring layer 102 . It passes straight through X. Therefore, the first segment 102A and the second segment 102B of the upper wiring layer 102 are adjacent to each other in the lateral direction Y of the upper wiring layer 102 and are joined together at the dividing surface 104. As shown in FIG.

図6及び7に示すように、上配線層102の第1セグメント102Aにおける複合材のa方向は、下方向dに対して上配線層102における第1セグメント102Aの外縁部102a側に傾斜した方向である。また、第1セグメント102Aにおける複合材のb方向は、上配線層102の上面103(即ち第1セグメント102Aの上面103)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層102の長手方向Xと平行な方向である。 As shown in FIGS. 6 and 7, the direction a of the composite material in the first segment 102A of the upper wiring layer 102 is a direction inclined toward the outer edge 102a of the first segment 102A in the upper wiring layer 102 with respect to the downward direction d. is. The b direction of the composite material in the first segment 102A is the direction along the upper surface 103 of the upper wiring layer 102 (that is, the upper surface 103 of the first segment 102A). It is a direction parallel to X.

上配線層102の第2セグメント102Bにおける複合材のa方向は、下方向dに対して上配線層102における第2セグメント102Bの外縁部102a側に傾斜した方向である。第1セグメント102Aのa方向の下方向に対する傾斜方向と第2セグメント102Bのa方向の下方向に対する傾斜方向とは相異しており、本第2実施形態では互いに反対方向である。また、第2セグメント102Bにおける複合材のb方向は、上配線層102の上面103(即ち第2セグメント102Bの上面103)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層102の長手方向Xと平行な方向である。
The direction a of the composite material in the second segment 102B of the upper wiring layer 102 is a direction inclined toward the outer edge portion 102a of the second segment 102B in the upper wiring layer 102 with respect to the downward direction d. The direction in which the first segment 102A is inclined downward in the direction a and the direction in which the second segment 102B is inclined downward in the direction a are different and opposite to each other in the second embodiment. The b direction of the composite material in the second segment 102B is the direction along the upper surface 103 of the upper wiring layer 102 (that is, the upper surface 103 of the second segment 102B). It is a direction parallel to X.

冷却装置101において、上記第1実施形態の冷却装置1と同じ理由により、θ1とθ2はいずれも25°以上90°未満であることが望ましく、特にθ1とθ2はいずれも35°以上70°以下であることが望ましく、更に、θ1とθ2との差θ1-θ2は±10°の範囲であることが望ましい。 In the cooling device 101, both θ1 and θ2 are preferably 25° or more and less than 90° for the same reason as the cooling device 1 of the first embodiment, and in particular, θ1 and θ2 are both 35° or more and 70° or less. Further, it is desirable that the difference θ1-θ2 between θ1 and θ2 is in the range of ±10°.

さらに、冷却装置101では、上配線層102の分割面104が上配線層102の上面103の素子搭載領域103aを上配線層102の長手方向Xに通過しているので、上配線層102内での平面方向の熱拡散が特に効果的に生じる。これにより、上記第1実施形態の冷却装置1のように上配線層2の分割面4が上配線層2の上面3の素子搭載領域3aを上配線層2の短手方向Yに通過している場合に比べて、冷却装置101の冷却性能が向上している。 Furthermore, in the cooling device 101, the dividing surface 104 of the upper wiring layer 102 passes through the element mounting region 103a of the upper surface 103 of the upper wiring layer 102 in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 102. The thermal diffusion in the planar direction of is particularly effective. As a result, the dividing surface 4 of the upper wiring layer 2 passes through the element mounting region 3a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 in the lateral direction Y of the upper wiring layer 2 as in the cooling device 1 of the first embodiment. The cooling performance of the cooling device 101 is improved compared to the case where the cooling device 101 is provided.

図9~12は本発明の第3実施形態に係る冷却装置201を説明する図である。これらの図において、上記第1実施形態の冷却装置1の要素と同じ作用を奏する要素には200を加算した符号が付されている。以下、本第3実施形態について上記第1実施形態との相異点を中心に説明する。 9 to 12 are diagrams illustrating a cooling device 201 according to a third embodiment of the invention. In these figures, the elements having the same function as the elements of the cooling device 1 of the first embodiment are assigned reference numerals with 200 added. The third embodiment will be described below, focusing on the differences from the first embodiment.

図9~11に示すように、本第3実施形態の冷却装置201では、上配線層202は、上配線層202の上面203の素子搭載領域203aを上配線層202の長手方向Xに通過する第1分割面204aと素子搭載領域203aを上配線層202の短手方向Yに通過する第2分割面204bとで分割された4つのセグメント202A、202B、202C及び202Dで構成されている。 As shown in FIGS. 9 to 11, in the cooling device 201 of the third embodiment, the upper wiring layer 202 passes through the element mounting region 203a of the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 202. It is composed of four segments 202A, 202B, 202C and 202D divided by a first dividing surface 204a and a second dividing surface 204b passing through the element mounting region 203a in the lateral direction Y of the upper wiring layer 202. FIG.

第1分割面204aは上配線層202の上面203の素子搭載領域203aを上配線層202の長手方向Xに真直に通過している。第2分割面204bは上配線層202の上面203の素子搭載領域203aを上配線層202の短手方向Yに真直に通過している。 The first divided surface 204 a passes straight through the element mounting region 203 a on the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 202 . The second dividing surface 204b passes straight through the element mounting region 203a of the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 in the lateral direction Y of the upper wiring layer 202. As shown in FIG.

ここで、説明の便宜上、4つのセグメントをそれぞれ「第1セグメント202A」、「第2セグメント202B」、「第3セグメント202C」及び「第4セグメント202D」と呼ぶ。 Here, for convenience of explanation, the four segments are respectively called "first segment 202A", "second segment 202B", "third segment 202C" and "fourth segment 202D".

第1セグメント202Aと第2セグメント202Bは上配線層202の長手方向Xに互いに隣接している。第3セグメント202Cと第4セグメント202Dは上配線層202の長手方向Xに互いに隣接している。第1セグメント202Aと第3セグメント202Cは上配線層202の短手方向Yに互いに隣接している。第2セグメント202Bと第4セグメント202Dは上配線層202の短手方向Yに互いに隣接している。そして、図11に示すように、第1~第4セグメント202A~202Dが第1分割面204a及び第2分割面204bにて所定の接合手段(例:ろう付け)により互いに接合一体化されている。 The first segment 202 A and the second segment 202 B are adjacent to each other in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 202 . The third segment 202</b>C and the fourth segment 202</b>D are adjacent to each other in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 202 . The first segment 202A and the third segment 202C are adjacent to each other in the lateral direction Y of the upper wiring layer 202. As shown in FIG. The second segment 202B and the fourth segment 202D are adjacent to each other in the lateral direction Y of the upper wiring layer 202. As shown in FIG. Then, as shown in FIG. 11, the first to fourth segments 202A to 202D are joined and integrated with each other at the first split surface 204a and the second split surface 204b by a predetermined joining means (eg, brazing). .

図12に示すように、上配線層202の材料に用いられたアルミニウム-炭素粒子複合材221は、上記第1実施形態のアルミニウム-炭素粒子複合材21と同じく、塗工+焼結法により製造されたものである。上配線層202の各セグメントは次のようにして形成されている。 As shown in FIG. 12, the aluminum-carbon particle composite material 221 used as the material of the upper wiring layer 202 is manufactured by the coating and sintering method, like the aluminum-carbon particle composite material 21 of the first embodiment. It is what was done. Each segment of the upper wiring layer 202 is formed as follows.

複合材221を、複合材221の厚さ方向Nに対して傾斜し且つ複合材221の幅方向Mに対して傾斜した切断面Sで所定の厚さに切断することにより、切断片221aを得る。図12中のαは、複合材221の厚さ方向Nに対する切断面Sの傾斜角の余角である。このαは0°よりも大きく90°よりも小さい(即ち0°<α<90°)。同図中のβは、複合材221の幅方向Mに対する切断面Sの傾斜角の余角である。このβは0°よりも大きく90°よりも小さい(即ち0°<β<90°)。 A cut piece 221a is obtained by cutting the composite material 221 to a predetermined thickness along a cutting plane S inclined with respect to the thickness direction N of the composite material 221 and with respect to the width direction M of the composite material 221. . α in FIG. 12 is the complementary angle of the inclination angle of the cut surface S with respect to the thickness direction N of the composite material 221 . This α is greater than 0° and less than 90° (ie 0°<α<90°). β in the figure is the complementary angle of the inclination angle of the cut surface S with respect to the width direction M of the composite material 221 . This β is greater than 0° and less than 90° (ie 0°<β<90°).

そして、切断片221aの厚さ方向の両面(即ち切断面S及びS)が上配線層202の上面203及び下面になるように第1~第4セグメント202A~202Dをそれぞれ切断片221aで形成する。これにより、第1~第4セグメント202A~202Dのそれぞれにおいて、複合材221の高熱伝導面ABは下方向dに対して傾斜する。そして、図11に示すように、第1~第4セグメント202A~202Dを第1分割面204a及び第2分割面204bにて互いに接合一体化し、これにより上配線層202が得られる。 Then, the first to fourth segments 202A to 202D are formed from the cut piece 221a so that both sides (that is, the cut surfaces S and S) in the thickness direction of the cut piece 221a correspond to the upper surface 203 and the lower surface of the upper wiring layer 202, respectively. . Accordingly, in each of the first to fourth segments 202A to 202D, the high thermal conductivity surface AB of the composite material 221 is inclined with respect to the downward direction d. Then, as shown in FIG. 11, the first to fourth segments 202A to 202D are joined together at the first dividing surface 204a and the second dividing surface 204b, whereby the upper wiring layer 202 is obtained.

図9に示すように、上配線層202の第1セグメント202Aにおける複合材のa方向は、下方向dに対して上配線層202における第1セグメント202Aの外縁部202a側に傾斜した方向である。また、第1セグメント202Aにおける複合材のb方向は、上配線層202の上面203(即ち第1セグメント202Aの上面203)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層202の上面203と平行で且つ上配線層202の短手方向Yに対して傾斜した方向である。 As shown in FIG. 9, the a direction of the composite material in the first segment 202A of the upper wiring layer 202 is a direction inclined toward the outer edge portion 202a of the first segment 202A in the upper wiring layer 202 with respect to the downward direction d. . The b direction of the composite material in the first segment 202A is the direction along the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 (that is, the upper surface 203 of the first segment 202A). , and is inclined with respect to the lateral direction Y of the upper wiring layer 202 .

上配線層202の第2セグメント202Bにおける複合材のa方向は、下方向dに対して上配線層202における第2セグメント202Bの外縁部202a側に傾斜した方向である。また、第2セグメント202Bにおける複合材のb方向は、上配線層202の上面203(即ち第2セグメント202Bの上面203)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層202の上面203と平行で且つ上配線層202の短手方向Yに対して傾斜した方向である。 The direction a of the composite material in the second segment 202B of the upper wiring layer 202 is a direction inclined toward the outer edge portion 202a of the second segment 202B in the upper wiring layer 202 with respect to the downward direction d. The b direction of the composite material in the second segment 202B is the direction along the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 (that is, the upper surface 203 of the second segment 202B). , and is inclined with respect to the lateral direction Y of the upper wiring layer 202 .

上配線層202の第3セグメント202Cにおける複合材のa方向(図示せず)は、下方向dに対して上配線層202における第3セグメント202Cの外縁部202a側に傾斜した方向である。また、第3セグメント202Cにおける複合材のb方向は、上配線層202の上面203(即ち第3セグメント202Cの上面203)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層202の上面203と平行で且つ上配線層202の短手方向Yに対して傾斜した方向である。 The direction a (not shown) of the composite material in the third segment 202C of the upper wiring layer 202 is a direction inclined toward the outer edge 202a of the third segment 202C in the upper wiring layer 202 with respect to the downward direction d. The b direction of the composite material in the third segment 202C is a direction along the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 (that is, the upper surface 203 of the third segment 202C). , and is inclined with respect to the lateral direction Y of the upper wiring layer 202 .

上配線層202の第4セグメント202Dにおける複合材のa方向(図示せず)は、下方向dに対して上配線層202における第4セグメント202Dの外縁部202a側に傾斜した方向である。第1セグメント202Aのa方向の下方向に対する傾斜方向と第2セグメント202Bのa方向の下方向に対する傾斜方向と第3セグメント202Cのa方向の下方向に対する傾斜方向と第4セグメント202Dのa方向の下方向に対する傾斜方向とは相異している。また、第4セグメント202Dにおける複合材のb方向は、上配線層202の上面203(即ち第4セグメント202Dの上面203)に沿う方向であり、詳述するとb方向は上配線層202の上面203と平行で且つ上配線層202の短手方向Yに対して傾斜した方向である。
The direction a (not shown) of the composite material in the fourth segment 202D of the upper wiring layer 202 is a direction inclined toward the outer edge 202a of the fourth segment 202D in the upper wiring layer 202 with respect to the downward direction d. The inclination direction of the first segment 202A downward in the a direction, the inclination direction of the second segment 202B downward in the a direction, the inclination direction of the third segment 202C downward in the a direction, and the inclination direction of the fourth segment 202D in the a direction It is different from the tilt direction with respect to the downward direction. The b direction of the composite material in the fourth segment 202D is the direction along the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 (that is, the upper surface 203 of the fourth segment 202D). , and is inclined with respect to the lateral direction Y of the upper wiring layer 202 .

ここで、図示していないが、第1セグメント202Aにおいて、上配線層202の上面203(即ち第1セグメント202Aの上面203)とa方向とがなす鋭角側の角度をθ1とし、第2セグメント202Bにおいて、上配線層202の上面203(即ち第2セグメント202Bの上面203)とa方向とがなす鋭角側の角度をθ2とし、第3セグメント202Cにおいて、上配線層202の上面203(即ち第3セグメント202Cの上面203)とa方向とがなす鋭角側の角度をθ3とし、第4セグメント202Dにおいて、上配線層202の上面203(即ち第4セグメント202Dの上面203)とa方向とがなす鋭角側の角度をθ4とする。 Here, although not shown, in the first segment 202A, the acute angle formed by the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 (that is, the upper surface 203 of the first segment 202A) and the direction a is defined as θ1, and the second segment 202B , the acute angle formed by the upper surface 203 of the upper wiring layer 202 (that is, the upper surface 203 of the second segment 202B) and the direction a is defined as θ2. Let θ3 be the acute angle between the upper surface 203 of the segment 202C and the direction a. The side angle is θ4.

冷却装置201において、上記第1実施形態の冷却装置1と同じ理由により、θ1~θ4はいずれも25°以上90°未満であることが望ましく、特にθ1~θ4はいずれも35°以上70°以下であることが望ましく、更に、θ1~θ4から選択される二つの角度の差(即ちθ1-θ2、θ1-θ3、θ1-θ4、θ2-θ3、θ2-θ4、θ3-θ4)がいずれも±10°の範囲であることが望ましい。 In the cooling device 201, for the same reason as the cooling device 1 of the first embodiment, θ1 to θ4 are preferably 25° or more and less than 90°, and in particular, θ1 to θ4 are all 35° or more and 70° or less. Further, the difference between the two angles selected from θ1 to θ4 (that is, θ1-θ2, θ1-θ3, θ1-θ4, θ2-θ3, θ2-θ4, θ3-θ4) is ± A range of 10° is desirable.

以上で本発明の幾つかの実施形態について説明をしたが、本発明は上記実施形態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で様々に変更可能である。 Although several embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be variously modified without departing from the gist of the present invention.

上記第1及び第2実施形態の冷却装置(1、101)では上配線層(2、102)の分割数は2つであり、上記第3実施形態の冷却装置101では上配線層102の分割数は4つであるが、本発明に係る冷却装置では、上配線層の分割数は2つ及び4つに限定されるものではなく、その他に例えば3つであってもよいし5つ以上であってもよい。 In the cooling devices (1, 101) of the first and second embodiments, the upper wiring layer (2, 102) is divided into two, and in the cooling device 101 of the third embodiment, the upper wiring layer 102 is divided. Although the number is four, in the cooling device according to the present invention, the number of divisions of the upper wiring layer is not limited to two or four, and may be, for example, three or five or more. may be

上記第1~第3実施形態の冷却装置(1、101、201)はいずれも下配線層(6、106、206)を備えているが、本発明に係る冷却装置は下配線層を備えていてもよいし備えていなくてもよい。 The cooling devices (1, 101, 201) of the first to third embodiments all have lower wiring layers (6, 106, 206), but the cooling device according to the present invention does not have lower wiring layers. may or may not be provided.

上記第1~第3実施形態の冷却装置(1、101、201)では、上配線層(2、102、202)を構成する複数のセグメントは分割面(4、104、204a、204b)にて互いに接合されているが、本発明に係る冷却装置では、上配線層を構成する複数のセグメントは分割面にて互いに接合されていてもよいし互いに接合されていなくてもよい。複数のセグメントが互いに接合されていない場合、当該複数のセグメントは分割面にて互いに接触して配置されることが望ましい。 In the cooling devices (1, 101, 201) of the first to third embodiments, the plurality of segments forming the upper wiring layers (2, 102, 202) are divided at the dividing planes (4, 104, 204a, 204b). Although they are joined to each other, in the cooling device according to the present invention, the plurality of segments forming the upper wiring layer may or may not be joined to each other at the dividing surfaces. If the segments are not joined together, it is desirable that the segments are arranged in contact with each other at the parting plane.

上記第1~第3実施形態の冷却装置(1、101、201)では、下配線層(6、106、206)、緩衝層(7、107、207)及び冷却部材(8、108、208)の材料はそれぞれ金属材であるが、本発明に係る冷却装置では、下配線層、緩衝層及び冷却部材の材料はそれぞれ金属材であることに限定されるものではなく、例えばアルミニウム-炭素粒子複合材であってもよいしその他の材料であってもよい。 In the cooling device (1, 101, 201) of the first to third embodiments, the lower wiring layer (6, 106, 206), the buffer layer (7, 107, 207) and the cooling member (8, 108, 208) are metal materials, but in the cooling device according to the present invention, the materials of the lower wiring layer, the buffer layer, and the cooling member are not limited to metal materials. material or other materials.

本発明に係る冷却装置の冷却性能を評価するため、冷却装置の上配線層の上面の素子搭載領域に搭載された発熱性素子の最高温度を様々な条件で、有限要素法を用いたシミュレーションにより調べた。 In order to evaluate the cooling performance of the cooling device according to the present invention, the maximum temperature of the exothermic element mounted in the element mounting area on the upper surface of the upper wiring layer of the cooling device was simulated under various conditions using the finite element method. Examined.

以下に示したシミュレーションではANSYS社製の汎用構造解析ソフトウェア「ANSYS mechanical」を用いた。 General-purpose structural analysis software "ANSYS mechanical" manufactured by ANSYS was used in the simulations shown below.

<シミュレーション例1>
シミュレーション例1ではそのモデルとして上記第1実施形態の冷却装置1を用いた。図13はこの場合の冷却装置1の概略平面図である。なお、同図では冷却部材8は図示されていない。
<Simulation example 1>
In Simulation Example 1, the cooling device 1 of the first embodiment was used as the model. FIG. 13 is a schematic plan view of the cooling device 1 in this case. Note that the cooling member 8 is not shown in the figure.

図13に示すように、発熱性素子11は平面視の形状が正方形状のものであり、平面視において発熱性素子11の中心位置が上配線層2の上面3の中心位置と一致するように発熱性素子11が上配線層2の上面3の素子搭載領域3aにはんだ層12(図1参照)で接合されている。 As shown in FIG. 13, the heat-generating element 11 has a square shape in plan view, and is arranged so that the center position of the heat-generating element 11 coincides with the center position of the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 in plan view. A heat generating element 11 is bonded to an element mounting area 3a on the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 with a solder layer 12 (see FIG. 1).

上配線層2を第1セグメント2Aと第2セグメント2Bとに分割した分割面4は、上記第1実施形態で説明したように、上配線層2の上面3の素子搭載領域3aを上配線層2の短手方向Yに真直に通過している。 The dividing surface 4 that divides the upper wiring layer 2 into the first segment 2A and the second segment 2B divides the element mounting region 3a of the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 into the upper wiring layer 2 as described in the first embodiment. 2 passes straight in the transverse direction Y.

さらに、この冷却装置1では、上配線層2の第1セグメント2Aにおけるθ1(図3参照)と上配線層2の第2セグメント2Bにおけるθ2(図3参照)とは等しいと設定し、その角度をθとした。すなわち、θ≡θ1=θ2とした。 Furthermore, in this cooling device 1, θ1 (see FIG. 3) in the first segment 2A of the upper wiring layer 2 and θ2 (see FIG. 3) in the second segment 2B of the upper wiring layer 2 are set equal, and the angle is θ. That is, θ≡θ1=θ2.

表1は、本シミュレーション例1で設定した冷却装置1の各構成部材、発熱性素子11及びはんだ層12についての寸法、材料及び熱伝導率を示している。同表中の「材料」欄において、「Si」とはケイ素、「Sn合金」とはすず合金、「Al-C複合材」とはアルミニウム-炭素粒子複合材、「AlN」とは窒化アルミニウム、「純Al」とは純アルミニウム及び「Al合金」とはアルミニウム合金をそれぞれ意味している。なお、後述する表2中の「材料」欄の「Si」、「Sn合金」、「Al-C複合材」、「AlN」、「純Al」及び「Al合金」もそれぞれ上記と同じ意味である。 Table 1 shows the dimensions, materials, and thermal conductivity of each component of the cooling device 1, the exothermic element 11, and the solder layer 12 set in this simulation example 1. In the "material" column in the table, "Si" is silicon, "Sn alloy" is a tin alloy, "Al-C composite material" is an aluminum-carbon particle composite material, "AlN" is aluminum nitride, "Pure Al" means pure aluminum and "Al alloy" means aluminum alloy, respectively. In addition, "Si", "Sn alloy", "Al-C composite material", "AlN", "pure Al" and "Al alloy" in the "Material" column in Table 2 described later have the same meaning as above. be.

Figure 0007182403000001
Figure 0007182403000001

そして、θを0°から90°まで変化させた場合における発熱性素子11の最高温度をシミュレーションにより調べた。その結果を図14に示す。なお同図では、縦軸は発熱性素子11の最高温度である。 Then, the maximum temperature of the exothermic element 11 was examined by simulation when θ was changed from 0° to 90°. The results are shown in FIG. In the figure, the vertical axis represents the maximum temperature of the exothermic element 11 .

本シミュレーション例1では、定常伝熱解析を実施することで、発熱性素子11の最高温度を算出した。発熱性素子11は発熱性素子11の上面で均一に発熱すると仮定し、発熱性素子11の上面に熱源200Wを設定した。この熱は主に発熱性素子11から、はんだ層12、上配線層2、絶縁層5、下配線層6、緩衝層7を順に伝達する過程を経て、最終的に冷却部材8から放散される。そのため、冷却部材8の底面に熱伝達係数100000W/(m・K)を設定することで上記過程を模した。環境温度は25℃に設定した。 In this simulation example 1, the maximum temperature of the exothermic element 11 was calculated by performing steady heat transfer analysis. Assuming that the exothermic element 11 generates heat uniformly on the upper surface of the exothermic element 11 , a heat source of 200 W was set on the upper surface of the exothermic element 11 . This heat is mainly transmitted from the exothermic element 11 through the solder layer 12, the upper wiring layer 2, the insulating layer 5, the lower wiring layer 6, and the buffer layer 7 in order, and is finally dissipated from the cooling member 8. . Therefore, the above process was simulated by setting a heat transfer coefficient of 100000 W/(m 2 ·K) on the bottom surface of the cooling member 8 . The environmental temperature was set at 25°C.

同図に示すように、θが25°以上90°未満である場合(即ち、25°≦θ<90°の場合)、発熱性素子11の最高温度が低く、θが35°以上70°以下の場合(即ち、35°≦θ≦70°の場合)、発熱性素子11の最高温度が更に低く、θが49°である場合(即ち、θ=49°の場合)、発熱性素子11の最高温度が最も低く、そのときの温度は69.234℃であった。 As shown in the figure, when θ is 25° or more and less than 90° (that is, when 25°≦θ<90°), the maximum temperature of the exothermic element 11 is low, and θ is 35° or more and 70° or less. (that is, 35°≦θ≦70°), the maximum temperature of the exothermic element 11 is even lower, and if θ is 49° (that is, θ=49°), the temperature of the exothermic element 11 is The maximum temperature was the lowest, and the temperature at that time was 69.234°C.

したがって、25°≦θ<90°の場合が冷却装置1の冷却性能が高く、35°≦θ≦70°の場合が冷却装置1の冷却性能が更に高く、θ=49°の場合が冷却装置1の冷却性能が最も高かった。 Therefore, when 25°≦θ<90°, the cooling performance of the cooling device 1 is high, when 35°≦θ≦70°, the cooling performance of the cooling device 1 is even higher, and when θ=49°, the cooling device 1 had the highest cooling performance.

<シミュレーション例2>
シミュレーション例2ではそのモデルとして上記第2実施形態の冷却装置101を用いた。図15はこの場合の冷却装置101の概略平面図である。なお、同図では冷却部材108は図示されていない。
<Simulation example 2>
In simulation example 2, the cooling device 101 of the second embodiment was used as the model. FIG. 15 is a schematic plan view of the cooling device 101 in this case. Note that the cooling member 108 is not shown in the figure.

上配線層102を第1セグメント102Aと第2セグメント102Bとに分割した分割面104は、上記第2実施形態で説明したように、上配線層102の上面103の素子搭載領域103aを上配線層102の長手方向Xに真直に通過している。 A dividing surface 104 obtained by dividing the upper wiring layer 102 into the first segment 102A and the second segment 102B is, as described in the second embodiment, the element mounting region 103a of the upper surface 103 of the upper wiring layer 102. 102 passes straight through in the longitudinal direction X.

さらに、この冷却装置1101でも上記シミュレーション例1と同じく、上配線層102の第1セグメント102Aにおけるθ1(図7参照)と上配線層102の第2セグメント102Bにおけるθ2(図7参照)とは等しいと設定し、その角度をθとした。すなわち、θ≡θ1=θ2とした。 Furthermore, in this cooling device 1101, as in Simulation Example 1, θ1 (see FIG. 7) in the first segment 102A of the upper wiring layer 102 and θ2 (see FIG. 7) in the second segment 102B of the upper wiring layer 102 are equal. and the angle is θ. That is, θ≡θ1=θ2.

表2は、本シミュレーション例2で設定した冷却装置101の各構成部材、発熱性素子111及びはんだ層についての寸法、材料及び熱伝導率を示している。 Table 2 shows the dimensions, materials, and thermal conductivity of each component of the cooling device 101, the heat-generating element 111, and the solder layer set in this simulation example 2.

Figure 0007182403000002
Figure 0007182403000002

そして、上記シミュレーション例1で適用したシミュレーション条件と同じシミュレーション条件で、θを0°から90°まで変化させた場合における発熱性素子111の最高温度をシミュレーションにより調べた。その結果を図18に示す。 Then, under the same simulation conditions as those applied in Simulation Example 1, the maximum temperature of the exothermic element 111 was examined by simulation when θ was varied from 0° to 90°. The results are shown in FIG.

同図に示すように、上記シミュレーション例1の結果と同様に、25°≦θ<90°の場合が冷却装置101の冷却性能が高く、35°≦θ≦70°の場合が冷却装置101の冷却性能が更に高く、θ=49°の場合が冷却装置101の冷却性能が最も高かった。また、θ=49°の場合の発熱性素子111の最高温度は69.185℃であった。 As shown in the figure, similarly to the results of Simulation Example 1, the cooling performance of the cooling device 101 is high when 25°≦θ<90°, and the cooling performance of the cooling device 101 is high when 35°≦θ≦70°. The cooling performance was even higher, and the cooling performance of the cooling device 101 was the highest when θ=49°. The maximum temperature of the exothermic element 111 was 69.185° C. when θ=49°.

また、本シミュレーション例2におけるθ=49°の場合の発熱性素子111の最高温度69.185℃は、上記シミュレーション例1におけるθ=49°の場合の発熱性素子11の最高温度69.234℃よりも低い。したがって、上記第1実施形態の冷却装置1のように上配線層2の分割面4が上配線層2の上面3の素子搭載領域3aを上配線層2の短手方向Yに通過している場合よりも、上記第2実施形態の冷却装置101のように上配線層102の分割面104が上配線層102の上面103の素子搭載領域103aを上配線層102の長手方向Xに通過している場合の方が、冷却装置の冷却性能が高いことを確認し得た。 Further, the maximum temperature of the exothermic element 111 of 69.185° C. when θ=49° in this simulation example 2 is the maximum temperature of the exothermic element 11 of 69.234° C. when θ=49° in the simulation example 1. lower than Therefore, the dividing surface 4 of the upper wiring layer 2 passes through the element mounting region 3a of the upper surface 3 of the upper wiring layer 2 in the lateral direction Y of the upper wiring layer 2 as in the cooling device 1 of the first embodiment. As in the cooling device 101 of the second embodiment, the dividing surface 104 of the upper wiring layer 102 passes through the element mounting region 103a of the upper surface 103 of the upper wiring layer 102 in the longitudinal direction X of the upper wiring layer 102. It could be confirmed that the cooling performance of the cooling device is higher when the

本発明は、電子素子(例:半導体素子)等の発熱性素子を冷却する冷却装置に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a cooling device for cooling exothermic elements such as electronic elements (eg, semiconductor elements).

1、101、201:冷却装置
2、102、202:上配線層
2A、102A、202A:第1セグメント
2B、102B、202B:第2セグメント
3、103、203:上配線層の上面
3a、103a、203a:素子搭載領域
4、104、204a、204b:分割面
8、108、208:冷却部材
11、111、211:発熱性素子
X:上配線層(配線層)の長手方向
Y:上配線層(配線層)の短手方向
1, 101, 201: cooling devices 2, 102, 202: upper wiring layers 2A, 102A, 202A: first segments 2B, 102B, 202B: second segments 3, 103, 203: upper wiring layer upper surfaces 3a, 103a, 203a: element mounting regions 4, 104, 204a, 204b: dividing surfaces 8, 108, 208: cooling members 11, 111, 211: exothermic element X: longitudinal direction Y of upper wiring layer (wiring layer): upper wiring layer ( wiring layer)

Claims (6)

発熱性素子を冷却する冷却装置であって、
発熱性素子が搭載される素子搭載領域を含む上面を有する配線層と、前記配線層の下側に配置される冷却部材とを具備し、
前記配線層はアルミニウム-炭素粒子複合材で形成されており、
前記複合材は、直交座標において、熱伝導率が最も高いa方向と、熱伝導率が高いb方向と、熱伝導率が前記方向の熱伝導率及び前記b方向の熱伝導率よりも低いc方向とを有するとともに、
前記a方向、b方向及びc方向の熱伝導率をそれぞれka、kb及びkcとするとき、ka、kb及びkcは次の式1を満たしており、
ka≧kb>kc …(式1)
さらに、前記配線層は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を通過する分割面で分割された複数のセグメントで構成されており、
前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記a方向は下方向に対して前記配線層における前記セグメントの外縁部側に傾斜した方向であり、前記b方向は前記配線層の前記上面に沿う方向であり、
さらに、前記分割面を介して互いに隣り合う二つの前記セグメントにおいて、一方の前記セグメントの前記a方向の下方向に対する傾斜方向と他方の前記セグメントの前記a方向の下方向に対する傾斜方向とが相異している冷却装置。
A cooling device for cooling a heat-generating element,
A wiring layer having an upper surface including an element mounting region on which a heat-generating element is mounted; and a cooling member disposed below the wiring layer,
The wiring layer is formed of an aluminum-carbon particle composite material,
The composite material has, in orthogonal coordinates, a direction with the highest thermal conductivity, a b direction with the highest thermal conductivity, and a thermal conductivity lower than the thermal conductivity in the a direction and the thermal conductivity in the b direction. c direction and
When the thermal conductivities in the a-direction, b-direction, and c-direction are ka, kb, and kc, respectively, ka, kb, and kc satisfy the following formula 1,
ka≧kb>kc (Formula 1)
Further, the wiring layer is composed of a plurality of segments divided by a dividing plane passing through the element mounting region on the upper surface of the wiring layer,
In each of the segments of the wiring layer, the a-direction is a direction inclined downward toward the outer edge of the segment in the wiring layer, and the b-direction is a direction along the upper surface of the wiring layer. the law of nature,
Furthermore, in the two segments that are adjacent to each other via the dividing surface, the direction of inclination of one segment with respect to the downward direction of the a direction is different from the direction of inclination of the other segment with respect to the downward direction of the direction a. cooling system.
前記配線層は長手方向及び短手方向を有し、
前記複数のセグメントは、前記分割面を介して互いに隣り合う前記二つの前記セグメントとして第1セグメントと第2セグメントを含み、
前記第1セグメントと前記第2セグメントは前記分割面にて互いに接合されており、
前記分割面は、前記配線層の前記上面の前記素子搭載領域を前記配線層の長手方向に通過しており、
前記第1セグメントの前記a方向の下方向に対する傾斜方向と前記第2セグメントの前記a方向の下方向に対する傾斜方向とが互いに反対方向である請求項1記載の冷却装置。
the wiring layer has a longitudinal direction and a lateral direction;
The plurality of segments includes a first segment and a second segment as the two segments adjacent to each other through the dividing surface ,
The first segment and the second segment are joined to each other at the dividing surface,
the dividing surface passes through the element mounting region on the upper surface of the wiring layer in the longitudinal direction of the wiring layer;
2. The cooling device according to claim 1, wherein the inclination direction of the first segment with respect to the downward direction of the a direction and the inclination direction of the second segment with respect to the downward direction of the a direction are opposite to each other.
前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度が25°以上90°未満である請求項1又は2記載の冷却装置。 3. The cooling device according to claim 1, wherein in each of the segments of the wiring layer, an acute angle formed by the upper surface and the direction a is 25 degrees or more and less than 90 degrees. 前記配線層の前記各セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度が35°以上70°以下である請求項1又は2記載の冷却装置。 3. The cooling device according to claim 1, wherein, in each of the segments of the wiring layer, an acute angle formed between the upper surface and the direction a is 35[deg.] or more and 70[deg.] or less. 前記複数のセグメントは、前記分割面を介して互いに隣り合う前記二つの前記セグメントとして第1セグメントと第2セグメントを含み、
前記第1セグメントの前記a方向の下方向に対する傾斜方向と前記第2セグメントの前記a方向の下方向に対する傾斜方向とが互いに反対方向であり、
前記第1セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度をθ1とし、
前記第2セグメントにおいて、前記上面と前記a方向とがなす鋭角側の角度をθ2とするとき、
θ1とθ2との差θ1-θ2が±10°の範囲である請求項1~4のいずれかに記載の冷却装置。
The plurality of segments includes a first segment and a second segment as the two segments adjacent to each other through the dividing surface ,
a direction of inclination of the first segment with respect to the downward direction of the a direction and a direction of inclination of the second segment with respect to the downward direction of the a direction are opposite to each other;
In the first segment, an acute angle formed by the upper surface and the direction a is θ1,
In the second segment, when the acute angle formed by the upper surface and the direction a is θ2,
The cooling device according to any one of claims 1 to 4, wherein the difference θ1-θ2 between θ1 and θ2 is within a range of ±10°.
前記複数のセグメントは少なくとも3つのセグメントを含む請求項1記載の冷却装置。
2. The cooling device of claim 1, wherein said plurality of segments includes at least three segments.
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