(57)【要約】【課題】放熱フィンの放熱効率を高め、かつ放熱フィンの間を流通する冷却用空気の対流速度を速め、冷却効果を向上することができるヒートシンクを提供する。【解決手段】複数のヒートシンク単体１０が行列状に配置されている。ヒートシンク単体１０は、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とを有する。第１の放熱フィン１１は、第１の主放熱部１４と、第１の主放熱部１４を支持する副放熱部１５とを備える。第２の放熱フィン１２は、第２の主放熱部１６を有し、表面形状が第１の放熱フィン１１と異なる。第１の主放熱部１４は、第２の主放熱部１６よりも高い位置に設けられる。第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは、それぞれ千鳥状に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のヒートシンク単体が第１の方向及び第２の方向に配列され、
前記ヒートシンク単体は、
第１の主放熱部と、前記第１の主放熱部を支持する副放熱部とを有する第１の放熱フィンと、
第２の主放熱部を有し、表面形状が第１の放熱フィンと異なる第２の放熱フィンと、
を備え、
前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンとは対向し、前記第１の主放熱部は前記第２の主放熱部よりも高い位置にあり、前記第１の主放熱部及び前記第２の主放熱部の表面積は、前記副放熱部の表面積よりも大きく、前記ヒートシンク単体における前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンとはそれぞれ千鳥状に配置されている
ことを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記第１の主放熱部と前記第２の主放熱部とは、表面積が同等である
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンとは、一体的に形成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記ヒートシンクは、基板に搭載された発熱体を冷却するものであり、前記基板には、前記基板を補強するためにフレーム部が設けられ、前記発熱体から発生した熱が前記フレーム部を介することなく前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンとに伝導するように構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品などの発熱体を冷却するためのヒートシンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば特許文献１〜３に記載されたものが知られている。特許文献１〜３には、四角形の平板形状を有する放熱フィンを有するヒートシンクが記載されている。
【０００３】
特許文献１，２に記載されたヒートシンクは、高さが異なる２種類の放熱フィンを備えている。この放熱フィンは、千鳥状に配置されている。
【０００４】
また、特許文献３には、波付（コルゲート）加工された放熱フィンを備えたヒートシンクが記載されている。この放熱フィンは、高さが異なる２種類の放熱フィンで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−５９７４１号公報
【特許文献２】特開２０１２−８４８３１号公報
【特許文献３】特開２００３−１８８３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のヒートシンクは、同一形状の放熱フィンを有している。この構成では、ヒートシンクに流入した上層ならびに下層の冷却用空気は、概ね同等に放熱フィンを冷却しながら下流側に流通する。このため、冷却用空気は温度上昇が速められ、温度が上昇した冷却用空気によって下流側の放熱フィンが冷却される。
【０００７】
このため、従来のヒートシンクは、下流側の放熱フィンの放熱効率が低くなっていた。この結果、従来のヒートシンクは、全体として冷却効果が低いという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、放熱フィンの放熱効率を高め、かつ放熱フィンの間を流通する冷却用空気の対流速度を速め、冷却効果を向上したヒートシンクを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、複数のヒートシンク単体が第１の方向及び第２の方向に配列され、前記ヒートシンク単体は、第１の主放熱部と、前記第１の主放熱部を支持する副放熱部とを有する第１の放熱フィンと、第２の主放熱部を有し、表面形状が第１の放熱フィンと異なる第２の放熱フィンとを備え、前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンとは対向し、前記第１の主放熱部は前記第２の主放熱部よりも高い位置にあり、前記第１の主放熱部及び前記第２の主放熱部の表面積は、前記副放熱部の表面積よりも大きく、前記ヒートシンク単体における前記第１の放熱フィンと前記第２の放熱フィンとはそれぞれ千鳥状に配置されていることを特徴とするヒートシンクを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のヒートシンクによれば、放熱フィンの放熱効率を高め、かつ放熱フィンの間を流通する冷却用空気の対流速度を速めることができ、この結果、冷却効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートシンクの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るヒートシンクの一配置例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るヒートシンクを備えた半導体装置の断面を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るヒートシンクを備えた半導体装置に外装ケースが被せられた半導体装置収納体の外観を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係るヒートシンクに流入する冷却用空気の流通の様子を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るヒートシンクに流入する冷却用空気の他の流通の様子を示す図である。
【図７】ヒートシンクの冷却効果をシミュレーションするモデル１，２の放熱フィンの配置を示す図である。
【図８】ヒートシンクの冷却効果を検証するシミュレーションの結果を示す図である。
【図９】第１の放熱フィンと第２の放熱フィンとの形状の変形例を示す図である。
【図１０】第１の放熱フィンと第２の放熱フィンとの形状の他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明を実施するための実施形態を説明する。
【００１３】
（実施形態）
図１を参照して、本発明の実施形態に係るヒートシンクの構成を説明する。
【００１４】
実施形態のヒートシンクは、複数のヒートシンク単体１０を備えている。ヒートシンク単体１０は、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とフィンベース部１３とを備えている。第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは、フィンベース部１３を介して連結され、対向している。第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とフィンベース部１３は、一体的に形成されている。
【００１５】
第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とフィンベース部１３は、アルミニウムに比べて熱伝導率が高い銅で構成されている。
【００１６】
第１の放熱フィン１１は、第１の主放熱部１４と副放熱部１５を備えている。副放熱部１５は、フィンベース部１３に連結されている。第１の主放熱部１４は、副放熱部１５によって支持されている。第１の主放熱部１４及び副放熱部１５はそれぞれ四角形状に形成され、第１の放熱フィン１１はＴ字状に形成されている。
【００１７】
第２の放熱フィン１２は、第２の主放熱部１６を備えている。第２の主放熱部１６は、フィンベース部１３に連結されている。第２の主放熱部１６は、四角形状に形成されている。第２の放熱フィン１２と第１の放熱フィン１１とは、その表面形状が異なっている。
【００１８】
第１の主放熱部１４と第２の主放熱部１６との表面積は、同等に形成されている。ここで、同等とは表面積が同じ場合、または所定の誤差例えば表面積の数％程度の誤差を含む場合を意味する。これにより、第１の主放熱部１４と第２の主放熱部１６との放熱効率は、概ね同等である。
【００１９】
第２の主放熱部１６の表面積は、副放熱部１５の表面積よりも大きい。これにより、第２の主放熱部１６は、放熱効率が副放熱部１５よりも高い。
【００２０】
第１の主放熱部１４は、フィンベース部１３に対して第２の主放熱部１６よりも高い位置にある。すなわち、第１の主放熱部１４の下辺は、第２の主放熱部１６の上辺よりも高い位置にある。
【００２１】
ヒートシンク単体１０は、高さが異なる２つの主放熱部を備えている。これにより、第１の放熱フィン１１は、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２との間を流通する冷却用空気の内、主に上層の冷却用空気によって冷却される。第２の放熱フィン１２は、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２との間を流通する冷却用空気の内、主に下層の冷却用空気によって冷却される。
【００２２】
図１に示すヒートシンク単体１０は、図２に示すように配列されている。
【００２３】
図２では、Ｘ方向（第１の方向）と、Ｘ方向と直交するＹ方向（第２の方向）を例えば図示するように設定する。ヒートシンク単体１０は、図２に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に配列されている。配列された複数のヒートシンク単体１０は、ヒートシンク１を構成する。
【００２４】
図２では、一例としてヒートシンク単体１０が、Ｘ方向に４列に配置され、Ｙ方向に３行に配置され、１２個行列状に配置されている。ヒートシンク単体１０の配置個数は、これに限ることはなく、基板２１の面積に応じて適宜設定することができる。
【００２５】
ヒートシンク単体１０が図２に示すように配置されることにより、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは、Ｘ方向に交互に配置されている。また、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは、Ｙ方向に交互に配置されている。これにより、第１の放熱フィン１１は、基板２１の表面に対して千鳥状に配置されている。同様に、第２の放熱フィン１２は、基板２１の表面に対して千鳥状に配置されている。
【００２６】
ヒートシンク１は、後に詳しく説明するが半導体チップなどの発熱体（図示せず）が搭載された基板２１の上部に配置され、半導体チップなどの発熱体を有する半導体装置に設けられている。ヒートシンク１は、発熱体を冷却する。
【００２７】
基板２１の上部には、基板２１を補強するためのフレーム部２２が設けられている。フレーム部２２は、軽量で強度が得られる例えばアルミニウムで構成される。フレーム部２２にはフィンベース部１３がネジ２３で固定され、ヒートシンク単体１０は、フレーム部２２に固定されている。
【００２８】
フレーム部２２は、基板２１と、基板２１に搭載されて発熱体となる例えば半導体チップとがともに薄く、構造が脆弱な場合に、基板２１の強度を増すために設けられる。また、フレーム部２２は、発熱体となる例えば半導体チップが薄く構造が脆弱で、ヒートシンク１が半導体チップに直接接合するとヒートシンク１の負荷が半導体チップにかかる場合に設けられる。
【００２９】
したがって、ヒートシンク１は、半導体チップに直接接合されるのではなく、上述したようにフレーム部２２に固定される。これにより、ヒートシンク１の負荷が半導体チップにかかることは回避される。
【００３０】
フレーム部２２には、フレーム部２２を貫通する矩形状の開口部２４が設けられている。
第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは、開口部２４を介して基板２１側からフレーム部２２の上側に突出している。
【００３１】
冷却用空気はＸ方向に矢印２ａ及び矢印２ｂで示すように、手前（上流側）から奥（下流側）に向かって流通する。
【００３２】
図３はヒートシンク１が設置された半導体装置３５の断面構造を示す図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。
【００３３】
図３において、基板２１上には、半導体チップなどの発熱体３１が搭載されている。発熱体３１の上面には、熱伝導ゲル３２の一方の面が密着している。熱伝導ゲル３２は、熱伝導率が高く、粘着性に優れた接着剤として機能する。
【００３４】
熱伝導ゲル３２は、他方の面が平板状のベース部３３の一方の面に密着している。ベース部３３は、他方の面に接着剤が塗布されている。
【００３５】
基板２１の上部に配置されるすべてのヒートシンク単体１０は、装着板３４に接着されている。これにより、すべてのヒートシンク単体１０は、装着板３４と一体とされる。
【００３６】
ベース部３３の他方の面には接着剤が塗布されている。装着板３４と一体とされたヒートシンク単体１０のフィンベース部１３は、ベース部３３の他方の面に接着されて固定される。これにより、装着板３４により一体とされた複数のヒートシンク単体１０は、ベース部３３上に配置される。
【００３７】
ベース部３３は、熱を拡散させる機能を備えた、例えば熱拡散グラファイトシートで構成される。これにより、発熱体３１で発生して熱伝導ゲル３２を介してベース部３３に伝導された熱は、ベース部３３上に配置された複数のヒートシンク単体１０に拡散される。
【００３８】
半導体装置３５には、図４に示すように外装ケース４１が被せられている。外装ケース４１が被せられた半導体装置３５は、半導体装置収納体４２を構成する。
【００３９】
半導体装置収納体４２は、対向する端部が開口部となる。半導体装置収納体４２の一方の開口部は、ヒートシンク１を冷却する冷却用空気の吸気口４３となり、他方の開口部は冷却用空気の排気口４４となる。
【００４０】
冷却用空気は、半導体装置収納体４２の吸気口４３から流入する。半導体装置収納体４２に流入した冷却用空気は、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とにあたり、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とを冷却する。第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とを冷却した冷却用空気は、温度が上昇し、排気口４４から半導体装置収納体４２の外に排出される。
【００４１】
吸気口４３から流入した冷却用空気の内、主に上層の冷却用空気は、図５の例えば矢印５ａで示すように第１の主放熱部１４の側方を流通する。また、吸気口４３から流入した冷却用空気の内、主に上層の冷却用空気は、例えば矢印５ｂで示すように第２の主放熱部１６の上部を流通する。
【００４２】
第２の主放熱部１６の上部を流通する冷却用空気は、第１の主放熱部１４の側方を流通する冷却用空気に比べて第１の主放熱部１４から離れているので温度の上昇が抑制される。
【００４３】
これにより、第２の主放熱部１６の上部を流通する冷却用空気は、例えば矢印５ｃで示すように温度の上昇が抑制されて下流側の第１の主放熱部１４に到達する。この結果、下流側の第１の主放熱部１４は、温度の上昇が抑制された冷却用空気によって冷却される。したがって、下流側の第１の主放熱部１４は、吸気口４３から流入して第１の主放熱部１４を冷却して温度が上昇した冷却用空気によって冷却される場合に比べて冷却され、冷却効果が高められる。
【００４４】
このようにして第１の主放熱部１４を冷却した冷却用空気は、例えば矢印５ｄ、矢印５ｅで示すように流通して温度が徐々に上昇し、排気口４４から半導体装置収納体４２の外に排出される。
【００４５】
一方、吸気口４３から流入した冷却用空気の内、主に下層の冷却用空気は、図６の例えば矢印６ａで示すように副放熱部１５の側方を流通する。また、吸気口４３から流入した冷却用空気の内、主に下層の冷却用空気は、例えば矢印６ｂで示すように第２の主放熱部１６の側方を流通する。
【００４６】
副放熱部１５の側方を流通する冷却用空気は、副放熱部１５はその表面積が第２の主放熱部１６の表面積に比べて小さく放熱効率が低いため、第２の主放熱部１６の側方を流通する冷却用空気に比べて温度の上昇が抑制される。
【００４７】
これにより、副放熱部１５の側方を流通する冷却用空気は、例えば矢印６ｃで示すように温度の上昇が抑制されて下流側の第２の主放熱部１６に到達する。この結果、下流側の第２の主放熱部１６は、温度の上昇が抑制された冷却用空気によって冷却される。したがって、下流側の第２の主放熱部１６は、吸気口４３から流入して第２の主放熱部１６を冷却して温度が上昇した冷却用空気によって冷却される場合に比べて冷却され、冷却効果が高められる。
【００４８】
また、吸気口４３から流入した冷却用空気の内、副放熱部１５の側方及び第２の主放熱部１６の上部を流通する冷却用空気は、当初は上述したように温度上昇が抑制された状態で下流側に流通する。すなわち、ヒートシンク１の中間部よりも吸気口４３側を流通する冷却用空気は、温度上昇が抑制される。
【００４９】
これにより、ヒートシンク１の中間部よりも吸気口４３側を流通する温度上昇が抑制された冷却用空気と、排気口４４から排出される直前の冷却用空気との温度差が大きくなる。この結果、ヒートシンク１を流通する冷却用空気の流通速度は速めら、ヒートシンク１を流通する冷却用空気の流量が増え、冷却効果が高められる。
【００５０】
実施形態では、ヒートシンク１の冷却効果を検証するために、シミュレーションを実施した。シミュレーションは、実施形態のヒートシンク１と、比較のためのヒートシンクとしてモデル１、モデル２で実施した。
【００５１】
モデル１のヒートシンクは、図７（ａ）に示すように、四角形状の同一の放熱フィン７１が行列状に配置されている。モデル２のヒートシンクは、図７（ｂ）に示すように、四角形状の同一の放熱フィン７２が千鳥状に配置されている。モデル１ならびにモデル２のヒートシンクは、放熱フィンの形状ならびに配置が前述した引用文献１，２のヒートシンクと類似している。
【００５２】
モデル１ならびにモデル２のヒートシンクの材質は、実施形態と同様に銅である。発熱体３１は、ＣＰＵの半導体チップとした。
【００５３】
シミュレーション結果を図８に示す。
【００５４】
図８において、モデル１のヒートシンクの表面積は、２１２８９．５（ｍｍ2）、体積は、６６９７．９（ｍｍ3）である。モデル２のヒートシンクの表面積は、２１００８．８（ｍｍ2）、体積は、６６３０．０（ｍｍ3）である。実施形態のヒートシンクの表面積は、１５９０９．４（ｍｍ2）、体積は、５３９７．０（ｍｍ3）である。
【００５５】
図８に示すシミュレーション結果から分かるように、実施形態のヒートシンク１は、ヒートシンクの表面積ならびに体積がモデル１ならびにモデル２よりも小さいにもかかわらず、ＣＰＵの温度は最も低くなっている。
【００５６】
したがって、実施形態のヒートシンク１は、従来に比べて小型な構成で冷却効果を高めることができる。また、実施形態のヒートシンク１は、表面積ならびに体積をモデル１，２と同等とした場合には、モデル１，２に比べてより一層冷却効果を高めることができる。
【００５７】
図９、図１０はヒートシンク単体１０の第１の放熱フィンと第２の放熱フィンの変形例を示す図である。
【００５８】
図９において、第１の放熱フィン８１の第１の主放熱部８２は、逆三角形状に形成され、第２の放熱フィン８３の第２の主放熱部８４は、台形状に形成されている。
【００５９】
図１０において、第１の放熱フィン９１の第１の主放熱部９２は、楕円形状に形成され、第２の放熱フィン９３の第２の主放熱部９４は、角部が円弧状に形成された四角形状に形成されている。
【００６０】
第１の放熱フィン８１，９１及び第２の放熱フィン８３，９３は、図示する形状であっても、図１に示す形状と同様な効果を得ることができる。
【００６１】
以上説明したように、実施形態では、以下に示す構成により以下に示す効果を得ることができる。
【００６２】
複数のヒートシンク単体１０が第１の方向及び第２の方向に配列されている。ヒートシンク単体１０は、第１の主放熱部１４と、第１の主放熱部１４を支持する副放熱部１５とを有する第１の放熱フィン１１と、第２の主放熱部１６を有し、表面形状が第１の放熱フィン１１と異なる第２の放熱フィン１２とを備えている。
【００６３】
第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは対向し、第１の主放熱部１４は第２の主放熱部１６よりも高い位置にある。第１の主放熱部１４及び第２の主放熱部１６の表面積は、副放熱部１５の表面積よりも大きい。ヒートシンク単体１０における第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とはそれぞれ千鳥状に配置されている。
【００６４】
上記構成を採用することにより、第１の主放熱部１４は、ヒートシンクに流入する冷却用空気の内、上層の冷却用空気により冷却される。一方、第２の主放熱部１６は、下層の冷却用空気により冷却される。
【００６５】
これにより、吸気口４３から流入した冷却用空気は、温度上昇が抑制された状態で下流側に流通する。この結果、温度上昇が抑制された冷却用空気で下流側の第１の放熱フィン１１、第２の放熱フィン１２が冷却され、冷却効果を高めることができる。
【００６６】
第１の主放熱部１４と第２の主放熱部１６とは、表面積が同等である。
【００６７】
上記構成を採用することにより、ヒートシンク１に流入する上層の冷却用空気と下層の冷却用空気とは、概ね同等に第１の主放熱部１４と第２の主放熱部１６を冷却することができる。
【００６８】
第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは、一体的に形成されている。
【００６９】
上記構成を採用することにより、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とが別体の場合に比べて、第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とは、容易に設置することが可能となる。
【００７０】
ヒートシンク１は、基板２１に搭載された発熱体３１を冷却するものであり、基板２１には、基板２１を補強するためにフレーム部２２が設けられている。発熱体３１から発生した熱がフレーム部２２を介することなく第１の放熱フィン１１と第２の放熱フィン１２とに伝導するように構成されている。
【００７１】
上記構成を採用により、フレーム部２２が発熱体３１を搭載する基板２１に設けられ、ヒートシンク１が発熱体３１に直接接合されない構成であっても、ヒートシンク１は冷却効果を高めることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１  ヒートシンク
１０  ヒートシンク単体
１１  第１の放熱フィン
１２  第２の放熱フィン
１４  第１の主放熱部
１５  副放熱部
１６  第２の主放熱部
２１  基板
２２  フレーム部
３１  発熱体
【図１】
2015225908.tif 000003
【図２】
2015225908.tif 000004
【図３】
2015225908.tif 000005
【図４】
2015225908.tif 000006
【図５】
2015225908.tif 000007
【図６】
2015225908.tif 000008
【図７】
2015225908.tif 000009
【図８】
2015225908.tif 000010
【図９】
2015225908.tif 000011
【図１０】
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