(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024151684
(43)【公開日】2024-10-25
(54)【発明の名称】ヒートシンクおよび半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 23/36 20060101AFI20241018BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20241018BHJP
【FI】
H01L23/36 Z
H05K7/20 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023065231
(22)【出願日】2023-04-12
(71)【出願人】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003199
【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】三浦 裕道
【テーマコード(参考)】
5E322
5F136
【Fターム(参考)】
5E322AA01
5E322AB01
5E322AB04
5F136BA06
5F136BA13
5F136BA24
5F136BA32
5F136BA38
5F136DA44
(57)【要約】
【課題】本開示はヒートシンクおよび半導体装置に関し、放熱特性を容易に調整でき、フィンとベースを容易かつ確実に固定できる、ヒートシンクおよび半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本開示のヒートシンクは、発熱体と熱的に結合し発熱体からの熱を放熱する放熱面、および放熱面に設けられたネジ穴とを有するベースと、ネジ穴に締めこまれたネジとを備える。本開示の半導体装置は、該ヒートシンクと、発熱体としての半導体モジュールを備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられたネジ穴とを有するベースと、
前記ネジ穴に締めこまれたネジと、
を備える、ヒートシンク。
【請求項2】
前記ネジのネジ頭は前記放熱面から突出し、前記放熱面とは接触しない、請求項1に記載のヒートシンク。
【請求項3】
前記ネジは、前記ベースを除く他の部材に接触しない、請求項1に記載のヒートシンク。
【請求項4】
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられた溝とを有するベースと、
前記溝にネジ頭が挿入され、ネジ先端部が前記放熱面から突出するネジと、
を備える、ヒートシンク。
【請求項5】
前記ネジには他の部材が螺合されない、請求項4に記載のヒートシンク。
【請求項6】
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられたナット挿入部とを有するベースと、
前記ナット挿入部に挿入されたナットと、
ネジ頭が前記放熱面から突出するように、前記ナットに締めこまれたネジと、
を備える、ヒートシンク。
【請求項7】
前記ネジは、前記ナットを除く他の部材に接触しない、請求項6記載のヒートシンク。
【請求項8】
前記ナット挿入部は、前記ナットを挿入するナット挿入穴である、請求項6に記載のヒートシンク。
【請求項9】
前記ナット挿入部は、前記ナットを挿入するナット挿入溝である、請求項6に記載のヒートシンク。
【請求項10】
請求項1から9いずれか1項に記載のヒートシンクと、半導体モジュールを備える半導体装置であって、
前記発熱体は前記半導体モジュールである、半導体装置。
【請求項11】
前記半導体モジュールは、発熱の大きい高温領域と、前記高温領域に含まれない通常領域とを有し、
前記ヒートシンクの前記放熱面において、単位面積当たりの前記ネジの数は、前記高温領域の付近の方が前記通常領域の付近よりも大きい、請求項10に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ヒートシンクおよびヒートシンクを搭載する半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ヒートシンクを放熱シートまたはグリース等で半導体モジュールに固定し、半導体モジュールの発する熱を放熱させる技術が知られる。
【0003】
特許文献1においては、放熱特性を容易に調整可能なヒートシンクが開示されている。そこでは、金属板のベース部の表面側に凹部のピン挿入部を複数配列形成し、該ピン挿入部にそれぞれピンフィンの基端部を挿入固定して複数のピンフィンをベース部上に立設配置する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ピンフィンとベースとを固定具により固定する上述の方法では、フィンの安定性が課題となる。また、固定具を使用せず、ピンフィンを圧入機によりベースに圧入するとしても、複数のピンフィンを確実に圧入するには相応の圧入力が必要となる。もしくは、はんだなどにより固定する場合にも、はんだの手間が必要となる。
【0006】
本開示は上述の問題を解決するため、放熱特性を容易に調整でき、フィンとベースを容易かつ確実に固定できる、ヒートシンクを提供することを第一の目的とする。
【0007】
また、本開示は、放熱特性を容易に調整でき、フィンとベースを容易かつ確実に固定できる、半導体装置を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の第一の態様は、
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられたネジ穴とを有するベースと、
前記ネジ穴に締めこまれたネジと、
を備える、ヒートシンクであることが好ましい。
【0009】
また、第二の態様は、
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられた溝とを有するベースと、
前記溝にネジ頭が挿入され、ネジ先端部が前記放熱面から突出するネジと、
を備える、ヒートシンクであることが好ましい。
【0010】
また、第三の態様は、
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられたナット挿入部とを有するベースと、
前記ナット挿入部に挿入されたナットと、
ネジ頭が前記放熱面から突出するように、前記ナットに締めこまれたネジと、
を備える、ヒートシンクであることが好ましい。
【0011】
また、第四の態様は、
請求項1から9いずれか1項に記載のヒートシンクと、半導体モジュールを備える半導体装置であって、
前記発熱体は前記半導体モジュールである、ことが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本開示の第一から第四の態様によれば、放熱特性を容易に調整でき、フィンとベースを容易かつ確実に固定できる、ヒートシンクおよび半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】本開示の実施の形態1に係る、ヒートシンクを示す側面図である。
【
図2】本開示の実施の形態2に係る、ヒートシンクを示す上面図である。
【
図3】本開示の実施の形態3に係る、ヒートシンクを示す上面図である。
【
図4】本開示の実施の形態4に係る、ヒートシンクを示す側面図である。
【
図5】本開示の比較例に係る、従来技術の半導体装置を示す構成図である。
【
図6】本開示の実施の形態5に係る、半導体装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本開示の実施の形態に係るヒートシンクおよび半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【0015】
実施の形態1
図1は、本開示の実施の形態1に係る、ヒートシンク100を示す側面図である。
図1に示すように、ヒートシンク100は、ベース101と、ネジ103とを備える。
【0016】
放熱面105は、ヒートシンク100と熱的に結合する発熱体からの熱を放熱する面である。放熱面105には、複数のネジ穴102が設けられている。ネジ穴102の形状は問わないが、市販のネジ103を使用するために、一般的なネジ規格に則したネジ穴102とすることが、製造コストの観点から望ましい。なお、ネジ穴102は貫通穴でなくともよく、止まり穴でもよい。
【0017】
ネジ穴102に挿入されたネジ103において、放熱面105から突出する突出部107が放熱フィンの役割を果たす。ネジ103の長さ、形状、本数、材質等を変更することで、ヒートシンク100の放熱特性を調整することができる。
【0018】
ヒートシンク100においては、発熱体の発熱性に応じて、特に放熱が必要な個所に集中的にネジ穴102を配置し、ネジ103の密度を増やすことで、放熱性を向上させることができる。ここで、ネジ103の密度とは、放熱面105の単位面積当たりのネジ103の数のことである。もしくは、長いネジ103を締結することでも、ヒートシンク100の放熱性を向上させることができる。ネジ103自体の放熱特性を、長さ、径、本数、素材等の関数としてあらかじめ測定することで、当該測定値とヒートシンク100の温度分布とを用いて、放熱に必要なネジ103の密度および長さを求めることができる。
【0019】
以上説明したように、本実施形態のヒートシンク100は、フィンとしてのネジ103をネジ穴102に螺合するだけで、フィンとベース101を確実に固定できる。固定においては、はんだまたは固定用治具などが不要である。ネジ締めによりフィンとベース101が確実に固定されるため、ヒートシンク100は、量産品としても十分な品質を備えている。
【0020】
〈変形例〉
なお、
図1では複数のネジ穴102の一部にネジ103が締結された状態を図示しているが、ネジ穴102の数は1個でもよく、該1個のネジ穴102にネジ103が締結されれば、上述と同様の効果を得ることができる。なお、この点は以下のすべての実施の形態においても共通である。
【0021】
また、ネジ103は
図1に示した形状に限らずともよく、ベース101に設けられたネジ穴102にネジ締めにより締結されるものであればよい。なお、この点は以下のすべての実施の形態においても共通である。
【0022】
また、
図1の例において、ネジ103は、放熱の表面積を増やすため、ベース101を除く他の部材に接触しないように構成されている。この構成においては、ネジ103自体の放熱特性のみを反映させることによりヒートシンク100の放熱特性を厳密に調整することができる。しかしながら、ネジ103は、他の部材と接触してもよい。例えば、ネジの先をベースから貫通させて放熱シート等に接触させることでさらに放熱性を向上させることが可能となる。なお、この点は以下のすべての実施の形態においても共通である。
【0023】
また、
図1の例において、ネジ103のネジ頭は、放熱面105から突出し、放熱面105とは接触しないように構成されている。しかしながら、ネジ穴102が貫通孔であるなどの場合においては、ネジ103を放熱面105の裏面側から挿入してもよい。この場合、ネジ頭ではなく、ネジ先端部が放熱面105から突出し、突出部107として放熱フィンの役割を果たす。なお、この点は以下のすべての実施の形態においても共通である。
【0024】
実施の形態2
図2は、本開示の実施の形態2に係る、ヒートシンク100を示す上面図である。本実施形態では、実施の形態1のネジ穴102が、ナット挿入穴202とナット203に変更されている。
【0025】
すなわち、本実施形態においては、ヒートシンク100は、ベース101と、ベース101が有する放熱面105に設けられた複数のナット挿入穴202と、ナット挿入穴202に挿入された一以上のナット203と、ナット203に締めこまれたネジ103を備える。
【0026】
図2においては、実施の形態1からの変更点をわかりやすくするよう、ネジ103は不図示としている。なお、以下のすべての実施の形態においても、特に必要が無い限り、ネジ103は不図示とする。
【0027】
本実施形態のヒートシンク100においては、ナット203をナット挿入穴202に挿入し、ネジ103を締結することにより、実施の形態1と同様に、ネジ103の突出部107から放熱させることができる。これにより、実施の形態1と同様の効果が得られる。さらには、ベース101にあらかじめネジ穴102を設ける必要がなくなり、実施の形態1に比べて、安価に製造できる。
【0028】
〈変形例〉
なお、
図2において、ナット挿入穴202の数、配置は一例であり、これに限られない。ナット挿入穴202、ナット203の数は1個でもよく、該1個のナット203にネジ103が締結されれば、上述と同様の効果を得ることができる。また、
図2の上面図から視たナット挿入穴202の形状は、ナット203が回転しないようにナット203と同じ六角形であることが好ましいが、ナット203を挿入可能な形状であればよく、円形などでもよい。なお、これらの点は以下のすべての実施の形態においても共通である。
【0029】
また、ネジ103は、放熱の表面積を増やすためには、ナット203を除く他の部材に接触しないようにナット203に締結されることが望ましい。しかしながら、実施の形態1で述べたように、ネジ103は、他の部材と接触してもよい。
【0030】
また、実施の形態1と同様に、特に放熱が必要な個所に集中的にナット挿入穴202を配置し、ネジ103の密度を増やすようにしてもよい。
【0031】
実施の形態3
図3は、本開示の実施の形態3に係る、ヒートシンク100を示す上面図である。本実施形態では、実施の形態2のナット挿入穴202が、ナット挿入溝303に変更されている。
【0032】
ナット挿入溝303は、複数のナット203を挿入可能な溝である。ナット挿入溝303の形状は問わないが、市販のナット203を使用するためには一般的なナット203のサイズに合わせた大きさであることが、製造コストの観点から望ましい。
【0033】
本実施形態では、実施の形態2で説明した効果に加えて、溝方向におけるナット203の挿入位置に自由度を生みだすことができる。結果として放熱フィンの役割を果たすネジ103の位置に自由度を生みだすことができる。また、特に放熱が必要な個所に集中的にナット203を配置し、ネジ103の密度を増やすことも容易となる。
【0034】
さらに、製造の観点からは、ネジ穴102、およびナット挿入穴202を複数形成するよりも、溝の形成は容易である。これにより、加工費用、および工期を抑制することができる。
【0035】
実施の形態4
図4は、本開示の実施の形態4に係る、ヒートシンク100を示す側面図である。本実施形態では、実施の形態3のナット挿入溝303が、ネジ挿入溝403に変更されている。
【0036】
ネジ挿入溝403は、ネジ103のネジ頭を複数挿入可能な溝である。ネジ挿入溝403の形状は問わないが、市販のネジ103を使用するためには、一般的なネジ頭のサイズに合わせた大きさであることが、製造コストの観点から望ましい。
【0037】
本実施形態では、ネジ挿入溝403に挿入されたネジ103のネジ先端部が放熱面105から突出し、突出部107として放熱フィンの役割を果たす。このような構造とすることで、ネジ穴102を用いる実施の形態1に比べて、ネジ103の位置に溝方向の自由度を生みだすことができる。さらに、ネジ103を放熱フィンとして使用することから、ピンフィンを使用する従来技術に比べてより放熱の表面積を増やすことができ、放熱性を向上させることができる。
【0038】
以上実施の形態1から4で説明したように、本開示によれば、放熱特性を容易に調整でき、フィンとベースを容易かつ確実に固定できる、ヒートシンク100を提供することができる。
【0039】
実施の形態5
図5は、本開示の比較例に係る、従来技術の半導体装置500を示す構成図である。
図5に示すように、従来技術の半導体装置500は、発熱体としての半導体モジュール504と、従来のヒートシンク520を備える。従来のヒートシンク520は、ベース521と、ベース521に一体化された放熱フィン522を備える。従来のヒートシンク520は、放熱シート503またはグリースを介して半導体モジュール504に固定されている。
【0040】
半導体モジュール504の高温領域506は、半導体モジュール504において特に高温の領域である。高温領域506には、例えば、発熱性のチップ505などが含まれている。または、半導体モジュールからの熱を伝えるためのヒートスプレッダ等が配置されている。従来技術の半導体装置500においては、高温領域506の近くでは放熱フィン522の数を増やすなどして、ヒートシンク520の放熱性を高めていた。なお、以降では半導体モジュール504において高温領域506でない領域を通常領域507と称する。
【0041】
図6は、本開示の実施の形態5に係る、半導体装置600を示す構成図である。半導体装置600においては、
図5で説明した従来のヒートシンク520が、実施の形態1で説明したヒートシンク100に変更されている。
【0042】
本実施形態においては、半導体モジュール504の高温領域506の付近に集中的にネジ穴102を配置し、通常領域507よりもネジ103の密度を大きくことで、ヒートシンク100の放熱性を高めることができる。また、ネジ103の挿入場所および長さを調整することで、半導体装置600を収める筐体の内壁、または他の部品と、ヒートシンク100が干渉するのを防ぐことができる。
【0043】
以上説明したように、本実施形態によれば、放熱特性を容易に調整でき、フィンとベースを容易かつ確実に固定できる、半導体装置600を提供することができる。なお、実施の形態1のヒートシンク100に限らず、実施の形態2から4いずれのヒートシンク100を半導体モジュール504に組み合わせた場合にも、上述と同様の効果を得ることができる。
【0044】
〈変形例〉
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。
【0045】
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられたネジ穴とを有するベースと、
前記ネジ穴に締めこまれたネジと、
を備える、ヒートシンク。
(付記2)
前記ネジのネジ頭は前記放熱面から突出し、前記放熱面とは接触しない、付記1に記載のヒートシンク。
(付記3)
前記ネジは、前記ベースを除く他の部材に接触しない、付記1または2に記載のヒートシンク。
(付記4)
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられた溝とを有するベースと、
前記溝にネジ頭が挿入され、ネジ先端部が前記放熱面から突出するネジと、
を備える、ヒートシンク。
(付記5)
前記ネジには他の部材が螺合されない、付記4に記載のヒートシンク。
(付記6)
発熱体と熱的に結合し前記発熱体からの熱を放熱する放熱面と、前記放熱面に設けられたナット挿入部とを有するベースと、
前記ナット挿入部に挿入されたナットと、
ネジ頭が前記放熱面から突出するように、前記ナットに締めこまれたネジと、
を備える、ヒートシンク。
(付記7)
前記ネジは、前記ナットを除く他の部材に接触しない、付記6記載のヒートシンク。
(付記8)
前記ナット挿入部は、前記ナットを挿入するナット挿入穴である、付記6または7に記載のヒートシンク。
(付記9)
前記ナット挿入部は、前記ナットを挿入するナット挿入溝である、付記6または7に記載のヒートシンク。
(付記10)
付記1から9いずれか1項に記載のヒートシンクと、半導体モジュールを備える半導体装置であって、
前記発熱体は前記半導体モジュールである、半導体装置。
(付記11)
前記半導体モジュールは、発熱の大きい高温領域と、前記高温領域に含まれない通常領域とを有し、
前記ヒートシンクの前記放熱面において、単位面積当たりの前記ネジの数は、前記高温領域の付近の方が前記通常領域の付近よりも大きい、付記10に記載の半導体装置。
【0046】
〈請求項で使用する用語との対応〉
ナット挿入穴202とナット挿入溝303を総称して、請求項ではナット挿入部と称する。
【符号の説明】
【0047】
100 ヒートシンク、101 ベース、102 ネジ穴、103 ネジ、105 放熱面、107 突出部、202 ナット挿入穴、203 ナット、303 ナット挿入溝、403 ネジ挿入溝、500 半導体装置、504 半導体モジュール、503 放熱シート、505 チップ、506 高温領域、507 通常領域、521 ベース、520 従来のヒートシンク、522 放熱フィン、600 半導体装置