JP7182403B2 - Cooling system - Google Patents
Cooling system Download PDFInfo
- Publication number
- JP7182403B2 JP7182403B2 JP2018164744A JP2018164744A JP7182403B2 JP 7182403 B2 JP7182403 B2 JP 7182403B2 JP 2018164744 A JP2018164744 A JP 2018164744A JP 2018164744 A JP2018164744 A JP 2018164744A JP 7182403 B2 JP7182403 B2 JP 7182403B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wiring layer
- segment
- cooling device
- upper wiring
- cooling
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims description 167
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 73
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 34
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims description 14
- RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N [AlH3].[C] Chemical compound [AlH3].[C] RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 21
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 20
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 description 16
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 8
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 3
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000009704 powder extrusion Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
上配線層2の詳細な構成は後述する。
A detailed configuration of the
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(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)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
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
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
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
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
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
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 (
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
上配線層2の詳細な構成を以下に説明する。
A detailed configuration of the
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
本第1実施形態の冷却装置1には次の利点がある。
The
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
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
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
25°≦θ1<90° …(式2a)
25°≦θ2<90° …(式2b)。
25°≦θ1<90° (
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
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
35°≦θ1≦70° …(式3a)
35°≦θ2≦70° …(式3b)。
35°≦θ1≦70° (
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 "
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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/(m2・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
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
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
<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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (6)
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°.
2. The cooling device of claim 1, wherein said plurality of segments includes at least three segments.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018164744A JP7182403B2 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Cooling system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018164744A JP7182403B2 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Cooling system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2020038887A JP2020038887A (en) | 2020-03-12 |
| JP7182403B2 true JP7182403B2 (en) | 2022-12-02 |
Family
ID=69738180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018164744A Active JP7182403B2 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Cooling system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7182403B2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008053586A1 (en) | 2006-11-02 | 2008-05-08 | Nec Corporation | Semiconductor device |
| US20090095461A1 (en) | 2007-09-07 | 2009-04-16 | Specialty Minerals (Michigan) Inc. | Layered Heat Spreader and Method of Making the Same |
| US20110303399A1 (en) | 2010-06-09 | 2011-12-15 | Nippon Soken, Inc. | Thermal diffuser and cooling apparatus for cooling heat source using the same |
| JP2016100401A (en) | 2014-11-19 | 2016-05-30 | 株式会社デンソー | Semiconductor device and electronic component using the same |
| JP2016207799A (en) | 2015-04-21 | 2016-12-08 | 昭和電工株式会社 | Cooling board |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07162177A (en) * | 1993-12-09 | 1995-06-23 | Toshiba Electron Eng Corp | Radiator |
| US6075701A (en) * | 1999-05-14 | 2000-06-13 | Hughes Electronics Corporation | Electronic structure having an embedded pyrolytic graphite heat sink material |
-
2018
- 2018-09-03 JP JP2018164744A patent/JP7182403B2/en active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008053586A1 (en) | 2006-11-02 | 2008-05-08 | Nec Corporation | Semiconductor device |
| US20100007013A1 (en) | 2006-11-02 | 2010-01-14 | Naotaka Kuroda | Semiconductor device |
| US20090095461A1 (en) | 2007-09-07 | 2009-04-16 | Specialty Minerals (Michigan) Inc. | Layered Heat Spreader and Method of Making the Same |
| JP2010538493A (en) | 2007-09-07 | 2010-12-09 | スペシャルティ ミネラルズ (ミシガン) インコーポレーテツド | Layered heat spreader and manufacturing method thereof |
| US20110303399A1 (en) | 2010-06-09 | 2011-12-15 | Nippon Soken, Inc. | Thermal diffuser and cooling apparatus for cooling heat source using the same |
| JP2011258755A (en) | 2010-06-09 | 2011-12-22 | Denso Corp | Heat spreader and cooling device for heating element |
| JP2016100401A (en) | 2014-11-19 | 2016-05-30 | 株式会社デンソー | Semiconductor device and electronic component using the same |
| US20170213778A1 (en) | 2014-11-19 | 2017-07-27 | Denso Corporation | Semiconductor device and electronic component using the same |
| JP2016207799A (en) | 2015-04-21 | 2016-12-08 | 昭和電工株式会社 | Cooling board |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2020038887A (en) | 2020-03-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6602362B2 (en) | Composite material with high thermal conductivity / low thermal expansion coefficient | |
| EP2901826B1 (en) | Thermal management assembly comprising bulk graphene material | |
| US5172755A (en) | Arcuate profiled heatsink apparatus and method | |
| JP6846879B2 (en) | How to make a heat sink | |
| JPH07161883A (en) | heatsink | |
| WO2017010536A1 (en) | Cooling device | |
| CN101156241A (en) | Heat sink device | |
| US20210247151A1 (en) | Fluid-based cooling device for cooling at least two distinct first heat-generating elements of a heat source assembly | |
| KR20180084095A (en) | Manufacturing method of heat radiator, electronic device, lighting device and radiator | |
| US6561267B2 (en) | Heat sink and electronic circuit module including the same | |
| JP2011199202A (en) | Heat spreading member, radiating member, and cooling device | |
| JP7201658B2 (en) | Cooling system | |
| US20190154362A1 (en) | Cooler | |
| JP6544983B2 (en) | Cooling board | |
| US20180218920A1 (en) | Graphite heat sink | |
| US20180158747A1 (en) | Heat sink | |
| JP7182403B2 (en) | Cooling system | |
| TWI620497B (en) | Folding-type heat dissipation device and method thereof | |
| JP6708498B2 (en) | Cooler and manufacturing method thereof | |
| JP7603279B2 (en) | Heat sink material | |
| WO2023287384A1 (en) | A heat sink with tree-structured fins | |
| JP3434552B2 (en) | heatsink | |
| JP6828968B1 (en) | Heat dissipation parts and electronic parts | |
| CN1326236C (en) | Heat sink fins and manufacturing method thereof | |
| KR102427626B1 (en) | Heat radiating apparatus and method with pyrolytic graphite sheet |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210624 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220421 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220510 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220616 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20221101 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221121 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7182403 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D02 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |