(57)【要約】【課題】簡易に対向する冷却フィンの位置決めを行うことが可能な冷却フィンを提供すること。【解決手段】実施形態にかかる冷却フィンは、半導体素子２１が配置される主面を有する第１平板１２ａと、第１平の前記主面の裏面に形成された複数の第１ピンフィン１３ａと、第１平板１２ａの裏面に対向して配置され、第１平板１２ａとともに半導体素子２１を冷却する冷媒が流れる流路を形成する第２平板１２ｂと、第２平板１２ｂの第１平板１２ａと対向する面に形成され、複数の第１ピンフィン１３ａとそれぞれ対向する複数の第２ピンフィン１３ｂと、少なくともいずれか一つの第１ピンフィン１３ａの先端に形成された凹部と、凹部が形成された凹ピンフィン１３ｃに対向する第２ピンフィンの先端に形成され、凹部に嵌合する凸部とを備える。【選択図】図１
2016066748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子が配置される主面を有する第１平板と、
前記第１平板の前記主面の裏面に形成された複数の第１ピンフィンと、
前記第１平板の前記裏面に対向して配置され、前記第１平板とともに前記発熱素子を冷却する冷媒が流れる流路を形成する第２平板と、
前記第２平板の前記第１平板と対向する面に形成され、前記複数の第１ピンフィンとそれぞれ対向する複数の第２ピンフィンと、
少なくともいずれか一つの前記第１ピンフィンの先端に形成された凹部と、
前記凹部が形成された前記第１ピンフィンに対向する前記第２ピンフィンの先端に形成され、前記凹部に嵌合する凸部と、
を備える冷却フィン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却フィンに関し、特に対向するピンフィンを備える冷却フィンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、対向する冷却フィンのそれぞれにピン型のフィン部が千鳥状に配置された構成が開示されている。一方の冷却フィンのフィン部が、対向する他方の冷却フィンのフィン部が形成されていない箇所に入り込み、フィン部の先端がそれぞれ対向する冷却フィンに当接しないようになっている。
【０００３】
特許文献２には、波板型の第１及び第２のフィンを備える半導体素子のヒートシンクが開示されている。第１のフィンの凸部と第２のフィンの凹部とが当接することによって位置決めされ、複数のフィンが多段に積層されている。
【０００４】
特許文献３には、高さの異なる複数の柱状フィンを備える半導体素子のヒートシンクが開示されている。柱状フィンが立設された流路壁面に対向する流路壁面には、柱状フィンが挿入される凹部が設けられている。
【０００５】
特許文献４には、対向するピンフィンの先端が当接した状態で組みつけられたパワーモジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−００９５６７号公報
【特許文献２】特開平０８−２０４０７４号公報
【特許文献３】特開２０１２−２１６７１１号公報
【特許文献４】特開２０１３−０３０５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、フィン部の間に間隙を形成する必要があるため、対向する冷却フィンの平面方向の位置決めを行うことが困難であった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡易に対向する冷却フィンの位置決めを行うことが可能な冷却フィンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる冷却フィンは、発熱素子が配置される主面を有する第１平板と、前記第１平板の前記主面の裏面に形成された複数の第１ピンフィンと、前記第１平板の前記裏面に対向して配置され、前記第１平板とともに前記発熱素子を冷却する冷媒が流れる流路を形成する第２平板と、前記第２平板の前記第１平板と対向する面に形成され、前記複数の第１ピンフィンとそれぞれ対向する複数の第２ピンフィンと、少なくともいずれか一つの前記第１ピンフィンの先端に形成された凹部と、前記凹部が形成された前記第１ピンフィンに対向する前記第２ピンフィンの先端に形成され、前記凹部に嵌合する凸部とを備えるものである。
【００１０】
第１ピンフィンの凹部と第２ピンフィンの凹部とを嵌め合せることにより、簡易にピンフィンの接触を担保できるとともに、冷却フィンの位置決めと行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易に位置決めと行うことが可能な冷却フィンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る冷却フィンの構成を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る冷却フィンを用いた冷却器の構成を示す分解図である。
【図３】実施形態に係る冷却フィンを用いた冷却器の構成を示す図である。
【図４Ａ】実施形態に係る冷却フィンの構成を示す上面図である。
【図４Ｂ】実施形態に係る冷却フィンの構成を示す上面図である。
【図５】比較例の冷却フィンの構成を示す模式図である。
【図６】比較例の冷却フィンを用いた冷却器の構成を示す分解図である。
【図７】比較例の冷却フィンの構成を示す上面図である。
【図８】比較例の冷媒の流路を形成する流路形成部材の構成を示す上面図である。
【図９】比較例の冷却器の構成を示す図である。
【図１０】冷却フィン間の距離と冷却性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１４】
本実施形態は、冷却フィンに関し、特に対向するピンフィンを備える冷却フィンに関する。本実施形態にかかる冷却フィンを用いた冷却器は、冷却対象となる発熱素子の一例として半導体素子の冷却を行うものである。半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）を含む半導体であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal oxide semiconductor field‐effect transistor)のようなスイッチング素子やダイオード等を含む。
【００１５】
図１は、本実施形態にかかる冷却フィン１１の構成を示す図である。図１においては、冷却対象の半導体素子２１を図示している。図１に示すように、冷却フィン１１は、対向して配置される第１冷却フィン１１ａ、第２冷却フィン１１ｂを備える。冷却フィン１１は、第１冷却フィン１１ａ、第２冷却フィン１１ｂを対向して配置することによって、冷媒の流路を形成する対向フィンである。
【００１６】
第１冷却フィン１１ａは、第１平板１２ａ、第１ピンフィン１３ａを有する。第１平板１２ａは、発熱する半導体素子２１が配置される主面を有する。第１平板１２ａの主面の裏面には、複数の第１ピンフィン１３ａが形成されている。第１ピンフィン１３ａは、柱状に延伸するピン形状を有している。各第１ピンフィン１３ａは、互いに間隔を隔てて、第１平板１２ａの裏面に立設されている。複数の第１ピンフィン１３ａのうち少なくともいずれか一つには、凹部が形成されている。ここで、凹部が形成されたピンフィンを、凹ピンフィン１３ｃと称する。
【００１７】
第２冷却フィン１１ｂは、第２平板１２ｂ、第２ピンフィン１３ｂを有する。第２平板１２ｂは、第１平板１２ａの裏面に対向して配置され、第１平板１２ａとともに半導体素子２１を冷却する冷媒が流れる流路を形成する。第２平板１２ｂの第１平板１２ａと対向する面には、複数の第２ピンフィン１３ｂが形成されている。第２ピンフィン１３ｂは、第１ピンフィン１３ａとそれぞれ対向するように配置されている。
【００１８】
第２ピンフィン１３ｂは、柱状に延伸するピン形状を有している。各第２ピンフィン１３ｂは、互いに間隔を隔てて、第２平板１２ｂから立設されている。凹部が形成された凹ピンフィン１３ｃに対向する第２ピンフィン１３ｂの先端には、凸部が形成される。ここで、凸部が形成されたピンフィンを凸ピンフィン１３ｄと称する。凹ピンフィン１３ｃと凸ピンフィン１３ｄとは嵌合可能となっている。
【００１９】
図１に示すように、凹ピンフィン１３ｃは、他の第１ピンフィン１３ａ、第２ピンフィン１３ｂよりも長さが長い。凹ピンフィン１３ｃの他の第１ピンフィン１３ａ、第２ピンフィン１３ｂから突出した部分を、ずれ吸収代とする。このずれ吸収代により、他の第１ピンフィン１３ａと第２ピンフィン１３ｂが接触しない場合でも、凹ピンフィン１３ｃを凸ピンフィン１３ｄとを嵌め合せることにより簡易にピンフィンの接触が担保される。この凹部と凸部とを嵌め合せることにより、第１冷却フィン１１ａと第２冷却フィン１１ｂの位置決めが容易となる。
【００２０】
さらに、図１に示す例では、第１ピンフィン１３ａのうち一つは、凸部が形成された凸ピンフィン１３ｄである。また、第２ピンフィン１３ｂのうち一つは、凹部が形成された凹ピンフィン１３ｃである。これらのピンフィン１３ｃ、凸ピンフィン１３ｄもまた嵌合可能である。凹ピンフィン１３ｃ、凸ピンフィン１３ｄの配置については後に詳述する。
【００２１】
図１に示す例では、凹ピンフィン１３ｃの先端の凹部は、底面を有する円錐台形状の凹部となっている。また、凸ピンフィン１３ｄの先端の凸部は、先端面を有する円錐台形状の凸部となっている。なお、凹部、凸部の形状については、この形状に限定されるものではなく、様々な形状を採用することが可能である。例えば、凹ピンフィン１３ｃ凹部を底面を有さない円錐形上の凹部としてもよく、凸ピンフィン１３ｄの凸部を先端面を有さない円錐形上の凸部としてもよい。
【００２２】
ピンフィン１３と平板１２とは、アルミダイキャストによって一体的に成形してもよく、単体で成形したピンフィン１３を平板１２に組み付けてもよい。
【００２３】
なお、図１に示すように、第２平板１２ｂの下面には、さらに発熱する半導体素子２１が配置されている。すなわち、第２平板１２ｂの下面は、半導体素子２１が配置される主面となる。実施形態にかかる冷却フィン１１は、第１平板１２ａの上面及び第２平板１２ｂの下面の両方でそれぞれ半導体素子２１を冷却する。
【００２４】
ここで、図２、３を参照して、冷却フィン１１を用いた冷却器１０について説明する。図２は、実施形態に係る冷却フィン１１を用いた冷却器１０の構成を示す分解図である。図３は、実施の形態に冷却フィン１１を用いて半導体素子２１の冷却を行っているときの冷却器１０の構成を示す図である。
【００２５】
なお、図２に示す例では、２つの冷却フィン１１が図示されている。また、図３では、３つの冷却フィン１１が図示されており、これらの間にそれぞれ素子モジュール２０が配置された例を示している。以下の説明においては、第１平板１２ａ、第２平板１２ｂを平板１２と称し、第１ピンフィン１３ａ、第２ピンフィン１３ｂをピンフィン１３と称する場合がある。
【００２６】
図２に示す例では、半導体素子２１は２枚の金属板２２で挟まれており、上側の金属板２２の上及び下側の金属板２２の下にはそれぞれ絶縁材２３が設けられている。半導体素子２１が金属板２２、絶縁材２３で挟まれた構造物を素子モジュール２０とする。
【００２７】
絶縁材２３は、高い電気絶縁性および熱伝導性を有する材料により形成されている。絶縁材２３としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスを用いることができる。絶縁材２３と平板１２の間には、グリス２４が塗布される。グリス２４は、絶縁材２３と平板１２との間に空隙が形成されることを防ぐために設けられている。なお、ここでは図示していないが、グリス２４はさらに絶縁材２３と金属板２２との間に設けられていてもよい。
【００２８】
図２に示すように、冷却器１０は、冷却フィン１１、流路形成部材１４、シール部材１５、圧縮機構１６を備えている。素子モジュール２０は、これら２つの冷却フィン１１の間に配置される。素子モジュール２０の上面及び下面は、グリス２４を介してそれぞれの冷却フィン１１の平板１２にそれぞれ接触する。すなわち、素子モジュール２０は、上面及び下面の両面から冷却される。
【００２９】
流路形成部材１４は、図２の断面図における直線状壁面１４ａと、Ｌ字状壁面１４ｂとを含む管状の部材である。Ｌ字状壁面１４ｂと平板１２との間には、シール部材１５が設けられる。また、シール部材１５は、流路形成部材１４の直線状壁面１４ａ間、Ｌ字状壁面１４ｂ間にも配置される。すなわち、管状の流路形成部材１４の流路１７の周囲にシール部材１５が設けられる。シール部材１５としては、例えば、ガスケットやＯリング等を用いることができる。
【００３０】
平板１２、ピンフィン１３、流路形成部材１４は高い熱伝導性を有する材料により形成されている。平板１２、ピンフィン１３、流路形成部材１４としては、例えば、アルミニウムを用いることができる。
【００３１】
圧縮機構１６としては、例えば、板バネ等を用いることができる。圧縮機構１６は、外力を受けて収縮し、当該外力に反発するバネ反力により素子モジュール２０と冷却フィン１１とを密着させる。本実施の形態では、圧縮機構１６は、冷却フィン１１と素子モジュール２０との間のグリス２４を圧縮し、絶縁材２３と平板１２とを密着させる。なお、圧縮機構１６の圧縮によるシール部材１５の反力で変形しないよう平板１２は一定の厚みを有している。
【００３２】
素子モジュール２０と冷却フィン１１とは、これらの間にグリス２４を介在させた状態で、図３に示すように対向する凹ピンフィン１３ｃと凸ピンフィン１３ｄとが勘合するまで、ケース１８内に加圧しながら押し込まれる。
【００３３】
また、直線状壁面１４ａ間、Ｌ字状壁面１４ｂ間、Ｌ字状壁面１４ｂと平板１２との間は、それぞれの間に配置されたシール部材１５によりシール性が確保される。これにより、流路形成部材１４、第１平板１２ａ、第２平板１２ｂによって冷媒の流路１７が形成される。
【００３４】
半導体素子２１で発生した熱は、金属板２２、絶縁材２３、平板１２を通じて複数のピンフィン１３に伝わる。一方、図示しない電動ポンプによって、冷却水が流路１７に供給され、図３の矢印で示す方向に流通する。この間、冷却水と複数のピンフィン１３との間で熱交換が行なわれることによって、半導体素子２１で発生した熱が放熱される。平板１２、ピンフィン１３、流路形成部材１４は、半導体素子２１で発生した熱を、冷媒に放熱するヒートシンクを構成している。
【００３５】
上述したように、本実施形態では、第１平板１２ａ、第２平板１２ｂの対向する位置にそれぞれ凹ピンフィン１３ｃ、凸ピンフィン１３ｄが形成されている。これらを勘合させることにより、簡易に位置決めを行うことが可能となる。
【００３６】
ここで、図４Ａ、４Ｂを参照して、冷却フィン１１におけるピンフィン１３のレイアウトについて説明する。図４Ａは、第１冷却フィン１１ａの構成を示す上面図であり、図４Ｂは第２冷却フィン１１ｂの構成を示す上面図である。
【００３７】
第１冷却フィン１１ａにおいて、各第１ピンフィン１３ａは、千鳥状に配置されている。図４Ａに示す例では、８つの第１ピンフィン１３ａが配置された列と９つの第１ピンフィン１３ａが配置された列とが交互に５列形成されている。８つの第１ピンフィン１３ａが形成された列と９つの第１ピンフィン１３ａが形成された列とは、半ピッチずれて配置されている。
【００３８】
図４Ａの上側から２列目において、９つの第１ピンフィン１３ａの左側から４つ目に凸ピンフィン１３ｄが形成され、６つめに凹ピンフィン１３ｃが形成されている。図４Ａの上側から４列目において、９つの第１ピンフィン１３ａの左側から４つ目に凹ピンフィン１３ｃが形成され、６つめに凸ピンフィン１３ｄが形成されている。
【００３９】
第２冷却フィン１１ｂにおいて、各第２ピンフィン１３ｂは、千鳥状に配置されている。図４Ｂに示す例では、８つの第２ピンフィン１３ｂが配置された列と９つの第２ピンフィン１３ｂが配置された列とが交互に５列形成されている。８つの第１ピンフィン１３ａが形成された列と９つの第１ピンフィン１３ａが形成された列とは、半ピッチずれて配置されている。
【００４０】
図４Ｂの上側から２列目において、９つの第２ピンフィン１３ｂの左側から４つ目に凹ピンフィン１３ｃが形成され、６つめに凸ピンフィン１３ｄが形成されている。図４Ｂの上側から４列目において、９つの第１ピンフィン１３ａの左側から４つ目に凸ピンフィン１３ｄが形成され、６つめに凹ピンフィン１３ｃが形成されている。
【００４１】
図４Ａに示す第１冷却フィン１１ａの第１ピンフィン１３ａが形成された面と、図４に示す第２冷却フィン１１ｂの第２ピンフィン１３ｂが形成された面を対向させることにより、４つの凹ピンフィン１３ｃと凸ピンフィン１３ｄとの組がそれぞれ勘合する。
【００４２】
凹ピンフィン１３ｃと凸ピンフィン１３ｄとは、平板１２の主面に配置される矩形状の半導体素子２１の４つの角に対応する位置に形成されることが好ましい。このように半導体素子２１の下に凹ピンフィン１３ｃ、凸ピンフィン１３ｄを配置することにより、半導体素子２１の下のピンフィン１３間の距離を短くすることができる。これにより、半導体素子２１を優先的に冷やすことができ、冷却性能を向上させることができる。
【００４３】
ここで、本実施形態にかかる冷却フィンの効果を説明するために、図５〜１０を参照して、本実施形態にかかる冷却フィンの比較例の構成について説明する。比較例を説明する各図において、本実施形態の構成要素と同等の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４４】
図５に示すように、比較例にかかる冷却フィン１は、平板２、ピンフィン３を有する。平板２の半導体素子２１が配置される主面の裏面には、複数のピンフィン３が形成されている。ピンフィン３は、柱状に延伸するピン形状を有している。各ピンフィン３は、互いに間隔を隔てて、平板２から立設されている。２枚の冷却フィンをピンフィン３が形成された面が対向するように配置することにより、半導体素子２１が流れる流路１７が形成される。図中に矢印で示すように、冷却水が流路１７に供給され一方向に流通する。
【００４５】
図６に示すように、素子モジュール２０の両面側から冷却するように、素子モジュール２０の上面及び下面にそれぞれ冷却フィン１１が配置される。素子モジュール２０と冷却フィン１とは、これらの間にグリス２４を介在させた状態で、図７に示すように対向するピンフィン３同士が近接するように、ケース１８内に加圧しながら押し込まれる。比較例においても、シール性の確保及びグリス２４を圧縮するために、圧縮機構１６が設けられている。
【００４６】
図８に示すように、比較例では、各ピンフィン３は、千鳥状に配置されている。図８に示す例では、８つのピンフィン３が配置された列と７つのピンフィン３が配置された列とが交互に５列形成されている。８つのピンフィン３が形成された列と７つのピンフィン３が形成された列とは、半ピッチずれて配置されている。
【００４７】
なお、図９に、流路形成部材１４の一例を示している。流路形成部材１４には、流路１７を構成する開口部が設けられている。ここでは、流路１７の端面が矩形状の例を示している。流路１７の周囲には、シール部材１５が配置される。また、流路形成部材１４は、冷却フィン１が配置される位置に対応する箇所に開口部を有する。なお、ここでは図示していないが、冷却フィン１が配置される位置に対応する箇所の開口部の周囲にもシール部材１５が配置される。
【００４８】
比較例では、部品の公差上、対向するピンフィン３間には隙間が生じる。この隙間から冷媒が漏れ、冷却性能が大幅に低下するという問題があった。図１０に、フィン間の距離と冷却性能を示す。図１０から、フィン間の距離が長くなるにつれて、冷却性能が低下することがわかる。
【００４９】
本実施形態では、第１冷却フィン１１ａ、第２冷却フィン１１ｂを対向させたときに、それぞれ勘合する凹ピンフィン１３ｃ、凸ピンフィン１３ｄを設けている。これにより、ピンフィン３間の隙間をなくし、冷却性能を向上させることが可能となる。また、凹ピンフィン１３ｃ、凸ピンフィン１３ｄは、半導体素子２１に対応する位置に形成される。これにより、半導体素子２１が優先的に冷え、冷却性能をさらに高めることができる。また、凹ピンフィン１３ｃと凸ピンフィン１３ｄを勘合させることで、位置決めを容易にすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  冷却器
１１  冷却フィン
１１ａ  第１冷却フィン
１１ｂ  第２冷却フィン
１２  平板
１２ａ  第１平板
１２ｂ  第２平板
１３  ピンフィン
１３ａ  第１ピンフィン
１３ｂ  第２ピンフィン
１３ｃ  凹ピンフィン
１３ｄ  凸ピンフィン
１４  流路形成部材
１４ａ  直線状壁面
１４ｂ  Ｌ字状壁面
１５  シール部材
１６  圧縮機構
１７  流路
１８  ケース
２０  素子モジュール
２１  半導体素子
２２  金属板
２３  絶縁材
２４  グリス
１  冷却フィン
２  平板
３  ピンフィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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