(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子等の駆動によって発熱する発熱電子部品が搭載されたパッケージからの除熱効率が劣る従来の冷却装置の課題を解消する。【解決手段】駆動によって発熱する半導体素子１２を搭載したパッケージ１４の一面側に冷却空気を流して、パッケージ１４を冷却する冷却装置１０であって、パッケージ１４の半導体素子１２に対応する位置に設けた供給口２２から供給した冷却空気が、パッケージ１４の一面側に沿って周辺部方向に流れるように、供給口２２が設けた天井板２０とパッケージ１４の一面側に装着した平板状の底板１６との間に設けたフィン板１８ａ，１８ａによってパッケージ１４の周辺部方向に向って複数の流体流路２４を形成し、且つ天井板２０の供給口２２から排出口に至る部分を、流体流路２４の流路面積が排出口方向に次第に拡大するように、底板１６から離れる方向に傾斜する傾斜部に形成する。【選択図】図１
2009123721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動によって発熱する発熱電子部品が搭載されたパッケージの一面側に冷却流体を流して、前記パッケージを冷却する冷却装置であって、
前記パッケージの発熱電子部品に対応する位置に設けられた供給口から供給される冷却流体が、前記パッケージの一面側に沿って周辺部方向に流れるように、前記供給口が設けられた天井板と底板との間に設けられた複数枚のフィン板によって前記パッケージの周辺部方向に向って複数の流体流路が形成され、
且つ前記天井板の供給口から排出口に至る部分が、前記流体流路の流路面積が排出口方向に次第に拡大するように、前記パッケージの一面側を含む平面から離れる方向に傾斜する傾斜部に形成されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
流体流路を形成する底板が、平板である請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
天井板及び底板が、パッケージの一面側よりも大面積の天井板及び底板であって、流体流路の流路面積がラッパ状に排出口方向に拡大するように、前記底板のパッケージよりも外側部分が天井板の傾斜部と反対方向に傾斜する傾斜部に形成されている請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
パッケージの一面側に立設された複数枚のフィン板が、天井板及び底板の周辺方向に放射状に配設されている請求項１〜３のいずれか一項記載の冷却装置。
【請求項５】
複数枚のフィン板の各々が、同一方向に湾曲されて配設されている請求項４記載の冷却装置。
【請求項６】
流体流路内の排出口近傍に、長さの異なる複数枚のフィン板が冷却流体の流れ方向に沿って設けられている請求項１〜５のいずれか一項記載の冷却装置。
【請求項７】
パッケージの一面側が底板の外側面に装着されている請求項１〜６のいずれか一項記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却装置に関し、更に詳細には駆動によって発熱する発熱電子部品が搭載されたパッケージの一面側に冷却流体を流して、前記パッケージを冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７（ａ）（ｂ）に示す様に、ＣＰＵ等の駆動によって発熱する半導体素子１００が搭載されたパッケージ１０２（半導体装置）は、その一面側に冷却装置１０４を装着して、半導体素子１００の駆動で発熱された熱を放熱している。
かかる冷却装置１０４では、パッケージ１０２の一面側に当接する底板１０４ａに複数枚のフィン板１０４ｂ，１０４ｂ・・が平行に立設されている。この冷却装置１０４の一方側には、ファン１０６が設けられており、ファン１０６の回転によって冷却風がフィン板１０４ｂ，１０４ｂ・・の各々に平行となるように吹き付けられる。冷却風は、フィン板１０４ｂ，１０４ｂ間の流体流路に沿って吹き抜けつつ、パッケージ１０２の半導体素子１００からフィン板１０４ｂ，１０４ｂ・・の各々に伝熱された熱を放熱する。
かかる図７に示す冷却装置１０４には、その一方側から冷却風が吹き付けられるため、冷却風の出口側での冷却風の温度は、図７（ｃ）に示す如く、半導体素子１００が搭載されているパッケージ１０２の中央部及びその近傍の流体流路を通過した冷却風の温度がパッケージ１０２の周辺部を通過した冷却風の温度よりも高い。
また、図８に示す様に、冷却風の供給口から排出口に至る冷却風温度及び冷却装置温度（フィン板温度）とを調査すると、冷却風と冷却装置との温度差が最大となるのは、冷却風の供給口近傍であって、半導体素子１００が設けられた中央部近傍では、その温度差が供給口近傍よりも小さくなっている。
この様に、図７（ａ）（ｂ）に示す冷却装置１０４では、パッケージ１０２の冷却能力には限界がある。
【０００３】
このため、半導体素子１００が搭載されているパッケージ１０２の冷却能力を向上すべく、パッケージ１０２に冷却風を吹き付ける冷却装置が、下記特許文献１に提案されている。
この特許文献１に提案された冷却装置の一例を図９に示す。図９に示す冷却装置２００は、底板２０２の一面側に搭載されたパッケージ２０４に冷却風が吹き付けられるように、冷却風の供給口２０６が設けられた上板２０８が底板２０２と平行に設けられている。この底板２０２と上板２０８との間及びパッケージ２０４と上板２０８との間には、ピン状部材２１０，２１０・・が設けられている。
【特許文献１】特開２００３−２２９５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図９に示す冷却装置によれば、半導体素子が搭載されたパッケージ２０４と供給口２０６から供給された冷却風との温度差を最大とすることができる。
ところで、近年、パッケージには、高速の半導体素子が搭載されることが多くなった。かかる高速の半導体素子が搭載されたパッケージでは、半導体素子の駆動によって発生する熱が増加し、この熱をパッケージから迅速に除熱（放熱）することが搭載した半導体素子に所定の性能を発揮させる上で重要である。
この点、図９に示す冷却装置２００が設けられたパッケージ２０４に、高速の半導体素子を搭載するには、冷却装置２００の除熱効率を更に一層向上することを要することが判明した。
そこで、本発明は、半導体素子等の駆動によって発熱する発熱電子部品が搭載されたパッケージからの除熱効率が劣る従来の冷却装置の課題を解消し、半導体素子等の駆動によって発熱する発熱電子部品が搭載されたパッケージからの除熱効率を向上できる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、前記課題を解決すべく検討したところ、図９に示す冷却装置２００では、上板２０８及び底板２０２の周辺部近傍で放熱される熱量が少ないとの知見を得た。
本発明者は、この知見を基にして更に検討を重ねた結果、冷却装置２００の上板２０８及び底板２０２の周辺部近傍での冷却風の流速を更に低下できれば、上板２０８及び底板２０２の周辺部近傍部分での冷却風の充分な滞留時間を確保でき、パッケージ２０４から底板２０２に伝熱された熱を充分に放熱できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、駆動によって発熱する発熱電子部品が搭載されたパッケージの一面側に冷却流体を流して、前記パッケージを冷却する冷却装置であって、前記パッケージの発熱電子部品に対応する位置に設けられた供給口から供給される冷却流体が、前記パッケージの一面側に沿って周辺部方向に流れるように、前記供給口が設けられた天井板と底板との間に設けられた複数枚のフィン板によって前記パッケージの周辺部方向に向って複数の流体流路が形成され、且つ前記天井板の供給口から排出口に至る部分が、前記流体流路の流路面積が排出口方向に次第に拡大するように、前記パッケージの一面側を含む平面から離れる方向に傾斜する傾斜部に形成されていることを特徴とする冷却装置にある。
ここで、「流路面積」とは、流体流路を流れる冷却流体の流れ方向に対して直角方向の流体流路の断面積をいう。
【０００６】
かかる本発明において、流体流路を形成する底板を平板とすることによって、冷却装置の構造を簡単化できる。
或いは、天井板及び底板を、パッケージの一面側よりも大面積の天井板及び底板とし、流体流路の流路面積がラッパ状に排出口方向に拡大するように、前記底板のパッケージよりも外側部分を天井板の傾斜部と反対方向に傾斜する傾斜部に形成することによって、フィン板間に形成された流体流路の流路面積を、天井板の傾斜部と相まって天井板及び底板の周辺方向に更に一層拡大できる。
また、パッケージの一面側に立設した複数枚のフィン板を、天井板及び底板の周辺方向に放射状に配設することによって、フィン板間に形成された流体流路を排出口方向に流路面積を末広状に拡大でき、天井板の傾斜部と相まって流体流路の流路面積を排出口方向に更に一層拡大できる。
この複数枚のフィン板の各々を、同一方向に湾曲して配設することによって、フィン板と冷却流体との接触面積を大きくできる。
更に、流体流路内の排出口近傍に、長さの異なる複数枚のフィン板を冷却流体の流れ方向に沿って設けることによっても、フィン板と冷却流体との接触面積を大きくできる。
尚、パッケージの一面側を底板の外側面に装着することによって、冷却装置をパッケージに容易に装着できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る冷却装置では、パッケージに搭載された発熱電子部品に対応する位置に設けられた供給口から冷却流体を供給するため、発熱電子部品の熱によって最も加熱されるパッケージ部分に対応する冷却装置の高温部分に最も低温の冷却流体を供給でき、両者の温度差を充分に大きくとることができる。
更に、フィン板と天井板と底板とによって形成された流体流路が、冷却流体の供給口から排出口方向に流路面積が次第に拡大するため、発熱電子部品に対応する冷却装置の高温部分を流れる冷却流体の流速が最も速くなる。このため、冷却装置の高温部分に供給された冷却流体が迅速に移動するため、冷却装置の高温部分には常に低温の冷却流体が供給され、冷却装置の高温部分から迅速に除熱できる。
一方、冷却装置を構成する天井板及び底板の周辺部近傍の流体流路を流れる冷却流体は、フィン板等と接触して供給口近傍よりも昇温されているが、周辺部近傍の流体流路の流路面積が供給口近傍よりも拡大されており、冷却流体の流速が供給口近傍よりも遅くなって滞留時間も長くなる。このため、冷却流体とフィン板等との接触時間も長くなり、フィン板等からの伝熱も充分になされる。
従って、本願発明に係る冷却装置によれば、パッケージの発熱電子部品の中心部に対応する位置に設けられた供給口から冷却流体を供給すること、及び周辺部近傍の流体流路の流路面積が供給口近傍よりも拡大されていることが相まって、駆動によって発熱する発熱電子部品が搭載されたパッケージからの除熱効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る冷却装置の一例を図１（ａ）（ｂ）に示す。図１（ａ）は冷却装置１０の正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａでの断面図である。
図１に示す冷却装置１０は、駆動によって発熱する発熱電子部品として半導体素子１２が搭載されたパッケージ１４の一面側の外側面に、伝熱性接着剤によって接着された平板状の底板１６と、底板１６上に立設された複数枚のフィン板と、フィン板上に載置され、中央部に冷却流体としての冷却空気が供給される供給口２２が形成された天井板２０とから構成されている。これらの底板１６、フィン板及び天井板２０は、熱伝導率の高い金属によって形成されている。
かかる天井板２０及び底板１６は、パッケージ１４の一面側よりも大面積に形成されている。また、天井板２０に形成された供給口２２は、パッケージ１４に搭載された半導体素子１２の真上の位置に対応して設けられている。
更に、フィン板は、供給口２２から天井板２０及び底板１６の周辺にまで至る最も長い４枚のフィン板１８ａと、天井板２０及び底板１６の周辺部近傍に設けられた、最も短い１２枚のフィン板１８ｃと、フィン板１８ａとフィン板１８ｃとの中間の長さの６枚のフィン板１８ｂとから構成されている。これらのフィン板は、各一端が天井板２０及び底板１６の周辺と一致するように、供給口２２から天井板２０及び底板１６の周辺方向に放射状に配設されている。
かかるフィン板のうち、隣接するフィン板１８ａ，１８ａとの中間にフィン板１８ｂが配設されており、隣接するフィン板１８ａとフィン板１８ｂとの中間にフィン板１８ｃが配設されている。
【０００９】
かかるフィン板１８ａ，１８ａ・・と天井板２０と底板１６とによって、供給口２２から天井板２０及び底板１６の周辺の排出口に至る流体流路２４・・が形成される。
この流体流路２４・・を形成する天井板２０は、図１（ｂ）に示す様に、供給口２２から周辺に至る部分が平板状の底板１６から離れる方向に傾斜する傾斜部２０ａに形成されている。このため、流体流路２４は、図１（ａ）に示す様に、供給口２２から排出口方向（天井板２０及び底板１６の周辺方向）に末広状に拡大していることと相俟って、冷却流体の供給口２２から排出口方向に流路面積が次第に拡大する。かかる流体流路２４の排出口近傍には、フィン板１８ｂ，１８ｃが配設される。フィン板１８ｂ，１８ｃによって、流体流路２４を流れる冷却空気とフィン板との接触面積を増加できる。
【００１０】
図１に示す冷却装置１０の供給口２２から供給した冷却空気は、底板１６の半導体素子１２に対応する部分に吹き付けられてから流体流路２４に沿って流れる。このため、半導体素子１２から最も大量の熱が伝熱されて最も高温となる底板１６の部分を、最も低温の冷却空気を吹き付けて冷却できる。
しかも、流体流路２４の供給口２２の近傍が、流体流路２４の他の部分よりも流路面積が最も小さく、冷却空気の流速が最も速くなる。このため、底板１６の最も高温となる部分は、その部分に接触した冷却空気が迅速に排出口方向に移動し、常に最も低温の冷却空気に更新されるため、迅速に除熱できる。
また、底板１６の最も高温となる部分に接触して昇温されて排出口方向に移動した冷却空気は、流体流路２４の流路面積の拡大によって急速に流速が低下し、冷却空気はフィン板１８ａ，１８ｂ，１８ｃと充分に接触して、フィン板１８ａ，１８ｂ，１８ｃ及び底板１６から充分に伝熱されてから排出口から排出される。
このため、冷却装置１０の全体が略等しい温度となり、冷却装置１０内の一部に蓄熱されることを防止でき、パッケージ１４に搭載された半導体素子１２から迅速に熱を放熱できる。
尚、ここで言う「流路面積」とは、フィン板１８ａ，１８ａ・・と天井板２０と底板１６とによって囲まれた流体流路２４に供給口２２から冷却流体が供給された際に、流体流路２４の排出口方向に流れる冷却流体に対して直角方向の流体流路２４の断面積をいう。
【００１１】
図１に示す冷却装置１０の冷却装置温度、冷却空気温度及び冷却空気速度を調査した結果を図２に示す。図２の「中央部」は供給口２２と対応する部位であり、「実施例」は図１に示す冷却装置１０を用いた場合のものである。
また、図２の「比較例」は、図３に示す冷却装置３００を、図１に示す冷却装置１０に代えて用いた場合のものである。冷却装置３００では、図１に示す冷却装置１０の天井板２０を底板１６と平行な天井板３０２に変更すると共に、フィン板を１８ａ等を長方形状のフィン板１８０ａ等に変更した他は、図１に示す冷却装置１０と同一である。
かかる図１に示す冷却装置１０では、図３に示す冷却装置３００と比較して、図２に示す様に、中央部の温度が低下し且つ周辺部の温度が上昇して、冷却装置内の温度分布が全体としてフラット状となっている。この様に、冷却装置１０の中央部は、半導体素子１２に対応する部分であり、その部分の温度が低下することは、半導体素子１２で発生する熱を、図３に示す冷却装置３００に比較して迅速に放熱できることを示す。
【００１２】
図１に示す冷却装置１０では、底板１６が平板であったが、図４に示す様に、底板１６のパッケージ１４から外側部分を、天井板２０の傾斜部２０ａと反対方向に傾斜する傾斜部１６ａに形成することによって、流体流路２４の流路面積をラッパ状に排出口方向に拡大できる。このため、流体流路２４の排出口近傍の冷却空気の流速を更に遅くでき、排出口近傍での冷却空気の滞留時間を更に延長できる。
また、図１〜図４に示す冷却装置１０，２０は、底板１６の外側にパッケージ１４が装着されていたが、図５に示す様に、底板１６に形成した開口部１６ｂに、パッケージ１４及び他の電子部品２８，２８が搭載されたモジュール３０を装着してもよい。この場合、パッケージ１４等が流体流路２４内に挿入され、冷却空気を供給する供給口２２の直下にパッケージ１４に搭載された半導体素子１２に対応する部分が位置する。
更に、図６（ａ）に示す様に、底板１６に立設された複数枚のフィン板１８ａ，１８ｂ，１８ｃの各々を、時計周り方向に湾曲して設けることによって、冷却空気とフィン板との接触時間を長くできる。この湾曲方向は、反時計周り方向であってもよい。
以上、説明した図１〜図６（ａ）に示す冷却装置では、冷却流体として冷却空気を用いたが、冷却空気に代えて冷却水を用いることができる。冷却流体として冷却水を用いる場合、図５に示す様に、パッケージ１４等を流体流路内に挿入する場合は、パッケージ１４等に防水を施すことは勿論のことである。
ここで、参考例として示す図６（ｂ）に示す様に、底板１６に渦巻き状のフィン板１８ｄを立設することによって、図６（ａ）に示す湾曲されたフィン板１８ａ，１８ｂ，１８ｃよりも更にフィン板と冷却空気との接触時間を長くできる。
但し、図６（ｂ）に示す渦巻き状のフィン板１８ｄによって形成された流体流路は、図６（ａ）に示す湾曲したフィン板１８ａ，１８ａによって形成される流体流路２４よりも狭く、冷却空気の圧力損失が大きくなり易いため、冷却空気の流量が少なく圧力損失がそれほど問題とならない場合に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る冷却装置の一例を示す平面図及び断面図である。
【図２】図１に示す冷却装置に冷却空気を導入して冷却したとき、冷却装置内の冷却装置温度、冷却空気温度及び冷却空気速度の分布を示すグラフである。
【図３】図２のグラフに示す比較例で用いた冷却装置の断面図である。
【図４】本発明に係る冷却装置の他の例を示す断面図である。
【図５】本発明に係る冷却装置の他の例を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は本発明に係る冷却装置で用いることのできるフィン板の他の例を示す平面図であり、図６（ｂ）はフィン板の参考例を示す平面図である。
【図７】従来の冷却装置を説明する説明図である。
【図８】図７に示す冷却装置に冷却空気を導入して冷却したとき、冷却装置内の冷却装置温度及び冷却空気温度の分布を示すグラフである。
【図９】図７に示す従来の冷却装置を改良した冷却装置の断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１０，２０  冷却装置
１２  半導体素子
１４  パッケージ
１６  底板
１６ａ，２０ａ  傾斜部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ  フィン板
２０  天井板
２２  供給口
２４  流体流路
【図１】
2009123721.tif 000003
【図２】
2009123721.tif 000004
【図３】
2009123721.tif 000005
【図４】
2009123721.tif 000006
【図５】
2009123721.tif 000007
【図７】
2009123721.tif 000008
【図８】
2009123721.tif 000009
【図９】
2009123721.tif 000010
【図６】
2009123721.tif 000011