JP2001102506A - ヒートシンク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波数で動作する半導体装置からの発熱を
効率よく放熱でき、半導体装置の動作の安定性を確保で
き、かつ機械的強度も高いヒートシンクとそのヒートシ
ンクを生産効率よく製造方法を提供する事を目的とす
る。 【解決手段】 ベース部およびフィン部を具備したフィ
ンプレートとベース部のみからなるスペーサプレートの
少なくとも２種類以上の複数の金属板を厚み方向に所定
の枚数毎に積層してベース１１ａとフィン１１ｂを構成
した積層体の、複数の前記金属板を横断するように高熱
伝導体１３を配置することにより半導体装置で発生した
熱をヒートシンク１１のベース１１ａのほぼ全体に拡散
でき、放熱効果を向上させる事ができるとともに前記金
属板間の結合が補強され機械的強度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱体であるＩ
Ｃ，ＣＰＵおよびＭＰＵ等の半導体装置や電子部品に用
いられる冷却用ヒートシンク及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器部品の高集積化、動作ク
ロックの高周波数化等に伴う発熱量の増大に対して、電
子機器部品の正常動作の為に、電子機器部品の接点温度
を動作温度範囲内に如何に保つかが大きな問題となって
きている。特に、マイクロプロセッサユニット（これを
ＭＰＵと略す）の高集積化、高周波数化はめざましく、
動作の安定性、また動作寿命の確保などの点から放熱対
策が重要な問題となってきている。

【０００３】一般に、電子機器からの放熱は、放熱面積
を広げ、空気等の冷媒と効率よく熱を交換させるための
ヒートシンクと、ヒートシンクに空気などの冷媒を強制
的に送り込むためのファンと、ファンを駆動するための
モータとを組み合わせたヒートシンク部によりなされ
る。

【０００４】ヒートシンクは、ベースプレート上に、多
数の薄板を配列したプレートタイプのヒートシンクと、
ベースプレート上に、多数のピンを配列したピンフィン
タイプが主流である。これらのヒートシンクは、主にア
ルミニウムや、銅などの高い熱伝導率を示す材料を主成
分としてなり、引き抜き成形、冷間鍛造、ダイキャスト
あるいは、マルチワイヤーソーやワイヤーカット、マル
チカッターなどにより研削、放電、切削加工等の機械加
工を利用した方法で製造されている。

【０００５】従来、このような高放熱量の放熱器とし
て、特開平１１−１７０７８号に開示される放熱器が知
られている。図１３に従来の技術を示す斜視図を示すよ
うに、この放熱器１０１は、打抜き成形した、基部及び
該基部より延出したフィン部を備えてなる第１の薄板部
材１０２，１０６と、基部のみからなる第２の薄板部材
１１０とをその厚さ方向に複数混在させて積層し、相互
に隣接する薄板部材１０２，１０６，１１０同士をかし
め結合により連結して、積層した薄板部材１０２，１０
６，１１０を一体化する。フィン部を備えた第１の薄板
部材１０２，１０６とフィン部の無い第２の薄板部材１
１０とを混在させて積層しているので、積層体の第２の
薄板部材１１０のところにフィン部の存在しない空間が
形成され、この空間部分において冷却媒体と接触するフ
ィン部の表面が確保される。

【０００６】以上説明したように、この放熱器１０１
は、基部及び該基部より延出したフィン部を備えてなる
第１の薄板部材１０２，１０６と、基部のみからなる第
２の薄板部材１１０とをプレス加工により成形するとと
もに、これを積層，連結して得られるものであり、その
生産効率は高いものとなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】発熱部よりの熱をヒー
トシンクにより効率よく放熱するためには、ヒートシン
ク全体の熱抵抗を下げ、フィン全体に熱を拡散させて冷
却媒体（例えば空気）に広く接することが必要である。

【０００８】しかしながら前述の従来の構成では、積層
構造であるが故に構成要素の層間に熱抵抗が存在してお
り、ヒートシンク全体の熱抵抗を下げる障害となってい
た。また、半導体の小型化によりヒートシンクの放熱効
率を上げるためには、半導体からの熱をヒートシンクの
ベース部に拡散させフィン全体に熱を伝えることが重要
であるが、層間の熱抵抗によりベース部での熱の拡散効
率が上げられずヒートシンクの放熱効率を充分上げるこ
とができないという課題があった。そのため、更なる半
導体装置の高速化等によって半導体装置自体やその半導
体装置の周りなどに設けられる電子部品の発熱が大きく
なる傾向にあって、従来のヒートシンクなどを用いた場
合では、十分な冷却等を行うことはできず、半導体装置
などの性能を十分に発揮することができなかったり、あ
るいは、半導体装置が熱暴走などをおこし、半導体装置
が搭載された電子機器に異常が生じるなどの問題点があ
った。

【０００９】また、積層構造によるヒートシンクを製造
する場合、隣接した構成要素をかしめにより接合するこ
とが多いが、かしめ部がはずれやすく機械的強度が弱い
という問題点もある。

【００１０】本発明は上記の課題を解決するもので、半
導体装置や電子部品などから発生した熱を効率よく放熱
させることができかつ、機械的強度を高くできるヒート
シンクを提供すること、さらにこのヒートシンクを生産
効率よく製造できる製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のヒートシンク
は、ベース部およびフィン部を具備したフィンプレート
と、ベース部のみからなるスペーサプレートと、の少な
くとも２種類以上の金属板により構成され、複数の前記
金属板が厚み方向に所定の枚数毎に積層され、複数の前
記金属板を横断するように高熱伝導体を配置したヒート
シンクとしたものである。

【００１２】この本発明によれば、半導体装置や電子部
品などから発生した熱を効率よく放熱させることができ
かつ、機械的強度も高いヒートシンクを得ることができ
る。

【００１３】また、本発明のヒートシンクの製造方法
は、金属板を、ベース部およびフィン部を具備したフィ
ンプレートと、ベース部のみからなるスペーサプレート
と、の少なくとも２種類以上に成形する第１の工程と、
複数の前記金属板を厚み方向に所定の枚数毎に積層する
第２の工程と、複数枚が積層された前記金属板を横断す
るように結合部材として高熱伝導体を貫通させて結合一
体化せしめる第３の工程と、によりなるヒートシンクの
製造方法としたものである。

【００１４】この本発明によれば、半導体装置や電子部
品などから発生した熱を効率よく放熱させることができ
かつ、機械的強度も高いヒートシンクを生産効率よく製
造できる製造方法を得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、ベース部
およびフィン部を具備したフィンプレートと、ベース部
のみからなるスペーサプレートと、の少なくとも２種類
以上の金属板により構成され、複数の前記金属板が厚み
方向に所定の枚数毎に積層され、複数の前記金属板を横
断するように高熱伝導体を配置したヒートシンクとした
ものであり、半導体装置で発生した熱をヒートシンクの
ベース部のほぼ全体に拡散でき、しかもベース部の熱を
効率よくフィン部に伝えることができるので、放熱効率
を向上させる事ができるという作用を有する。また、装
置の小型化などのために、ヒートシンクの厚さを薄くし
ても高熱伝導体を設けることによって、確実に半導体装
置からの熱を放熱する事ができるという作用も有する。
さらに、高熱伝導体が構成要素を横断するように配置さ
れているので、構成要素間の結合が補強されるという作
用も有する。

【００１６】請求項２記載の発明は、金属板が略同等の
厚みを有し、フィンプレートの積層枚数（Ａ）に対する
スペーサプレートの積層枚数（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が１
／３以上で１以下の範囲にある請求項１に記載のヒート
シンクとしたものであり、非常に効率よく熱交換を行え
るので、冷却性能を向上させることができるという作用
を有する。

【００１７】請求項３記載の発明は、金属板よりなるフ
ィンプレートのフィン部の正面形状が、異なる大きさの
長方形状もしくは長方形状ではなく空気との接触面積を
増やすような略三角形状や凹凸形状であるものが同一プ
レート内に少なくとも一カ所以上有する請求項１もしく
は請求項２に記載のヒートシンクとしたものであり、放
熱に寄与する放熱面積を効率よく拡大することができる
ので、放熱効率を向上させることができるという作用を
有する。

【００１８】請求項４記載の発明は、高熱伝導体をフィ
ン部と反対面に配置した請求項１から請求項３に記載の
ヒートシンクとしたものであり、フィン部のフィン表面
積を減少させることなく、確実に半導体装置からの熱を
放熱する事ができるとともに放熱効率を下げることなく
ヒートシンクの機械的強度を向上させることができると
いう作用を有する。

【００１９】請求項５記載の発明は、高熱伝導体をフィ
ン部と反対面に設けられた凹部に埋め込み配置した請求
項１から請求項３に記載のヒートシンクとしたものであ
り、ヒートシンクの全高をあまり高くすることなくさら
に、フィン部のフィン表面積を減少させることなしに確
実に半導体装置からの熱を効率よく放熱する事ができる
とともに放熱効率を下げることなくヒートシンクの機械
的強度を向上させることができるという作用を有する。

【００２０】請求項６記載の発明は、ベース部およびフ
ィン部を具備したフィンプレートと、ベース部のみから
なるスペーサプレートと、の少なくとも２種類以上の金
属板により構成され、複数の前記金属板が厚み方向に所
定の枚数毎に積層され、複数の前記金属板を貫通して横
断するように高熱伝導体を配置したヒートシンクとした
ものであり、高熱伝導体の突出させることなく、半導体
装置で発生した熱をヒートシンクのベース部のほぼ全体
に拡散でき、しかもベース部の熱を効率よくフィン部に
伝えることができるので、放熱効率を向上させる事がで
きるという作用を有する。また、装置の小型化などのた
めに、ヒートシンクの厚さを薄くしても高熱伝導体を設
けることによって、確実に半導体装置からの熱を放熱す
る事ができるという作用も有する。さらに、高熱伝導体
が構成要素を貫通して横断するように配置されているの
で、構成要素間の結合が補強されるという作用も有す
る。

【００２１】請求項７記載の発明は、金属板よりも高熱
伝導体の熱伝導率が１．２倍以上高いことを特徴とする
請求項１から請求項６に記載のヒートシンクとしたもの
であり、確実かつ簡単に半導体装置で発生した熱をヒー
トシンクのベース部のほぼ全体に拡散でき、しかもベー
ス部の熱を効率よくフィン部に伝えることができるの
で、放熱効率を向上させる事ができるという作用を有す
る。

【００２２】請求項８記載の発明は、高熱伝導体の形状
が略角柱状である請求項６もしくは請求項７に記載のヒ
ートシンクとしたものであり、高熱伝導体を簡単に成形
でき生産性を向上させることができるという作用を有す
る。

【００２３】請求項９記載の発明は、金属板がアルミニ
ウムを主成分とし、高熱伝導体が銅を主成分とする請求
項１から請求項８に記載のヒートシンクとしたものであ
り、確実かつ簡単に半導体装置で発生した熱をヒートシ
ンクのベース部のほぼ全体に拡散でき、しかもベース部
の熱を効率よくフィン部に伝えることができるので、放
熱効率を向上させる事ができるという作用を有する。

【００２４】請求項１０記載の発明は、金属板がアルミ
ニウムを主成分とし、高熱伝導体がヒートパイプである
請求項１から請求項７に記載のヒートシンクとしたもの
であり、確実かつ簡単に半導体装置で発生した熱をヒー
トシンクのベース部のほぼ全体に拡散でき、しかもベー
ス部の熱を効率よくフィン部に伝えることができるの
で、放熱効率を向上させる事ができるという作用を有す
る。

【００２５】請求項１１記載の発明は、高熱伝導体を放
熱すべき発熱部近傍に配置した請求項１から請求項１０
に記載のヒートシンクとしたものであり、さらに確実か
つ簡単に半導体装置で発生した熱をヒートシンクのベー
ス部のほぼ全体に拡散でき、しかもベース部の熱を効率
よくフィン部に伝えることができるので、放熱効率を向
上させる事ができるという作用を有する。

【００２６】請求項１２記載の発明は、金属板を、ベー
ス部およびフィン部を具備したフィンプレートと、ベー
ス部のみからなるスペーサプレートと、の少なくとも２
種類以上に成形する第１の工程と、複数の前記金属板を
厚み方向に所定の枚数毎に積層する第２の工程と、複数
枚が積層された前記金属板を横断するように結合部材と
して高熱伝導体をフィン部と反対面に接合させて結合一
体化せしめる第３の工程と、によりなるヒートシンクの
製造方法としたものであり、金属板と結合部材の接合と
いう簡易な工程を用いることにより、半導体装置や電子
部品などから発生した熱を効率よく放熱させることがで
きかつ、機械的強度も高い高性能なヒートシンクを生産
効率よく製造できる製造方法を得ることができるという
作用を有する。

【００２７】請求項１３記載の発明は、金属板を、ベー
ス部およびフィン部を具備したフィンプレートと、ベー
ス部のみからなるスペーサプレートと、の少なくとも２
種類以上に成形する第１の工程と、複数の前記金属板を
厚み方向に所定の枚数毎に積層する第２の工程と、複数
枚が積層された前記金属板を横断するように結合部材と
して高熱伝導体をフィン部と反対面に設けられた凹部に
埋め込み接合させて結合一体化せしめる第３の工程と、
によりなるヒートシンクの製造方法としたものであり、
結合部材を凹部に埋め込み接合という位置決めの簡単な
工程を用いることにより、半導体装置や電子部品などか
ら発生した熱を効率よく放熱させることができかつ、機
械的強度も高い高性能なヒートシンクを生産効率よく製
造できる製造方法を得ることができるという作用を有す
る。

【００２８】請求項１４記載の発明は、金属板を、ベー
ス部およびフィン部を具備したフィンプレートと、ベー
ス部のみからなるスペーサプレートと、の少なくとも２
種類以上に成形する第１の工程と、複数の前記金属板を
厚み方向に所定の枚数毎に積層する第２の工程と、複数
枚が積層された前記金属板を横断するように結合部材と
して高熱伝導体を貫通させて結合一体化せしめる第３の
工程と、によりなるヒートシンクの製造方法としたもの
であり、結合部材の貫通という簡易な工程を用いること
により、半導体装置や電子部品などから発生した熱を効
率よく放熱させることができかつ、機械的強度も高い高
性能なヒートシンクを生産効率よく製造できる製造方法
を得ることができるという作用を有する。

【００２９】請求項１５記載の発明は、第３の工程とし
て、複数枚が積層された前記金属板を横断するように結
合部材として高熱伝導体を貫通させ、前記金属板と前記
高熱伝導体の空隙を低融点金属で充填することにより結
合一体化せしめる第３の工程を用いた請求項１２に記載
のヒートシンクの製造方法としたものであり、低融点金
属の充填という簡易な工程を用いることにより、前記金
属板と前記高熱伝導体を強固に密着させることができ
る。これにより半導体装置や電子部品などから発生した
熱を効率よく放熱させることができかつ、機械的強度も
高い高性能なヒートシンクを生産効率よく製造できる製
造方法を得ることができるという作用を有する。

【００３０】請求項１６記載の発明は、第３の工程とし
て、複数枚が積層された前記金属板を横断するように結
合部材として高熱伝導体を貫通させ、前記金属板と前記
高熱伝導体の空隙を、熱伝導率が高い粒子が含有された
樹脂を充填して硬化することにより結合一体化せしめる
第３の工程を用いた請求項１２に記載のヒートシンクの
製造方法により、樹脂を用いて互いの金属板を接合する
ことによって、接着工程での取り扱いが簡単になり、生
産性が向上する。

【００３１】請求項１７記載の発明は、複数の伝熱板を
積層して構成され、発熱体が取付可能な取付面と、前記
取付面と反対側の面に設けられたフィンと、前記複数の
伝熱板の積層方向に沿って、しかも前記複数の伝熱板に
熱的に接触する高熱伝導体とを備えたヒートシンクとし
たものであり、確実に半導体装置からの熱を放熱する事
ができるという作用も有する。さらに、高熱伝導体が構
成要素を横断するように配置されているので、構成要素
間の結合が補強されるという作用も有する。

【００３２】請求項１８記載の発明は、伝熱板よりも高
熱伝導体の熱伝導率が１．２倍以上高いことを特徴とす
る請求項１７記載のヒートシンクによって、確実かつ簡
単に半導体装置で発生した熱をヒートシンクのベース部
のほぼ全体に拡散でき、しかもベース部の熱を効率よく
フィン部に伝えることができるので、放熱効率を向上さ
せる事ができるという作用を有する。

【００３３】（実施の形態１）以下、本発明の実施の形
態について、図１から図７を用いて説明する。

【００３４】図１は本発明の第一の実施の形態における
ヒートシンクを示す斜視図、図２は同ヒートシンクの構
成を示す斜視図、図３は同ヒートシンクの構成部品を示
す正面図、図４は同図１のヒートシンクにおける矢視Ａ
−Ａ方向の断面図、図５は本発明の第一の実施の形態に
おけるヒートシンクを示す斜視図、図６は本発明の第一
の形態における図１のヒートシンクのフィン部と反対面
方向からの矢視図である。また、図７は本発明の一実施
の形態におけるヒートシンクを示す斜視図である。

【００３５】図１から図７において、１１はヒートシン
ク、１１ａはヒートシンク１１のベース、１１ｂはヒー
トシンク１１のフィン、１１ｃはヒートシンク１１の熱
源と対向する面、１２はフィンプレート、１３は高熱伝
導体、１４はフィンプレート１２におけるベース部、１
５はフィンプレート１２におけるフィン部、１６はスペ
ーサプレート、１７はスペーサプレート１６におけるベ
ース部である。

【００３６】以上の様に構成されたヒートシンクについ
て詳細に説明する。

【００３７】まず、ヒートシンク１１について説明す
る。

【００３８】ヒートシンク１１は基本的には、プレス加
工による打ち抜き成形あるいはエッチングやワイヤーカ
ットなどにより成形されたフィンプレート１２、スペー
サプレート１６の積層構造体からなるベース１１ａとフ
ィン１１ｂ及び高熱伝導体１３により構成されている。

【００３９】図３（ａ）に示すように、前記フィンプレ
ート１２の形状は、矩形をしたベース部１４とベース部
１４から所定の間隔で延出した複数のフィン部１５とを
備えた櫛歯状の形状とする事が好ましい。また、図３
（ｂ）〜（ｄ）に示すように、前記フィンプレート１２
のフィン部１５の形状は、その長方形状の大きさが異な
るもの、あるいは長方形状ではなく空気との接触面積を
増やすような略三角形状や凹凸形状であるものを同一プ
レート内に少なくとも一カ所以上有しても良い。また、
図３（ｅ）に示すように、前記スペーサプレート１６の
形状は、矩形をしたベース部１７からなる板状の形状と
する事が好ましい。

【００４０】図１、図２に示すように、前記高熱伝導体
１３の形状は四角板状等の多角板形状や円板状とする事
が好ましい、特に高熱伝導体１３を四角板形状とする事
によって、位置合わせ等が行いやすく、しかも材料等に
無駄が出ないようにすることができる。特に、高熱伝導
体１３形状は、長方形板形状とすることが、実装性や放
熱性の面でよい。また、高熱伝導体１３の角部には図４
（ａ）に示すように面取りを施す事が好ましい。これ
は、高熱伝導体１３が鋭い角を有していると、ヒートシ
ンク１１を実装する際に他の部品などに接触して他の部
品などを破壊してしまう確率が高くなる。更に、角部の
欠け等により屑が発生すると、配線などの上に落ちる事
によって、短絡などを起こしてしまうことになり、電子
機器などの動作不良等の原因になる可能性がある。しか
し、面取りを施す事により他の部品などに接触して他の
部品などを破壊してしまう確率を低くでき、欠け等によ
る屑の発生も防止できる。さらに、図４（ｂ）に示すよ
うに面取りを拡大してテーパ形状を有する事により、欠
け等による屑の発生を防止でき、電子機器内に屑が落ち
ないようにすることができるとともに、発熱部からの熱
をスムーズにヒートシンク１１に拡散することができ
る。

【００４１】次に、前記高熱伝導体１３、前記フィンプ
レート１２、前記スペーサプレート１６の材料として
は、１００℃における熱伝導率が８０ｋＷ／ｍ・Ｋ以上
の材料で構成することが好ましい。具体的材料として
は、亜鉛，アルミニウム，黄銅，金，銀，タングステ
ン，銅，ベリリウム，マグネシウム，モリブデン（以下
材料グループと略す）から選ばれる材料単体か、あるい
は前記材料グループから選ばれた複数の材料の合金や、
また、前記材料グループから選ばれる少なくとも一つの
材料と、前記材料グループ以外の少なくとも一つの材料
との合金などを用いることができる。本実施の形態で
は、加工性やコスト面を考慮して、アルミニウム単体
か、アルミニウムと他の前記材料グループから選ばれる
少なくとも一つとの合金か、アルミニウムと前記材料グ
ループから選ばれる少なくとも一つの合金等から構成し
た。ただし、高熱伝導体１３の材料の熱伝導率は、フィ
ンプレート１２、スペーサプレート１６の熱伝導率より
も高いことが好ましい。なお、高熱伝導体１３、フィン
プレート１２、スペーサプレート１の構成材料として
は、熱伝導性の良い樹脂材料やセラミック材料及び炭素
等を有する複合材料で構成しても良い。

【００４２】次に図１、図２に示すように、フィンプレ
ート１２、スペーサプレート１６を積層した後、高熱伝
導体１３を接合してヒートシンク１１を形成する方法に
ついて説明する。

【００４３】図２に示すように、櫛歯状のフィンプレー
ト１２と板状のスペーサプレート１６を積層して、互い
にかしめ等によって接合して構成することで、非常に生
産性がよく、しかも放熱性がよいヒートシンク１１を作
製できる。更に、所定の枚数のフィンプレート１２、ス
ペーサプレート１６を周期的に積層する事でヒートシン
ク１１の幅方向の厚さを放熱すべき対象熱源、例えば半
導体装置などの大きさを勘案して自由に設定できるの
で、非常に生産工程が簡単になり、様々な大きさのヒー
トシンク１１を容易に作製でき、生産性が向上する。こ
こで、フィンプレート１２の突出部はフィン部１５とな
る部分である。しかもフィンプレート１２、スペーサプ
レート１６には全部にかしめ用の穴１８が設けられてい
る。例えば、図２に示すように、スペーサプレート１６
を２枚連続して積層し、その積層体の上に更にフィンプ
レート１２を２枚連続して積層し、これを所定回数繰り
返すことによって、所定の大きさのヒートシンク１１を
容易に作製できる。図１に示す実施の形態の場合には、
フィン１１ｂは２枚のフィンプレート１２を積層する事
によって、構成される。なお、図１に示すヒートシンク
１１は、２枚のフィンプレート１２を積層してフィン１
１ｂを構成したか、３枚以上のフィンプレート１２を積
層して構成しても良い。

【００４４】また、図５に示すように、フィンプレート
１２とスペーサプレート１６を一枚おきに積層する事
で、ヒートシンク１１を構成し、しかも一枚のフィンプ
レート１２のフィン部１５でフィン１１ｂを構成してい
る。

【００４５】なお、図５に示される実施の形態では、フ
ィンプレート１２とフィンプレート１２の間には、一枚
のスペーサプレート１６を設けたが、冷却効率やヒート
シンクなどの仕様等によって、複数枚のスペーサプレー
ト１６を設けても良く、あるいは、フィンプレート１２
とフィンプレート１２の間には、２枚のスペーサプレー
ト１６を設け、他のフィンプレート１２とフィンプレー
ト１２の間に３枚のスペーサプレート１６を設けるとい
うように、フィンプレート１２とフィンプレート１２の
間に設けるスペーサプレート１６の枚数を異ならせても
良い。この構成は当然の事ながら、図１に示される構成
にも同様に適応できる。

【００４６】ここでフィンプレート１２とスペーサプレ
ート１６それぞれの枚数の比率について説明する。ヒー
トシンク１１の冷却効率を向上させるためには、放熱に
寄与するフィン１１ｂの表面積を大きくし多くの空気な
どの冷却媒体に接触させることが必要であるが、所定の
大きさのヒートシンク１１においては、フィン１１ｂの
表面積を大きくする目的でフィンプレート１２を多数積
層しても、冷却の対象となるものの大きさによりヒート
シンクの寸法にも制約があるため、スペーサプレート１
６の枚数を減少させる必要が生じてしまう。ところが、
スペーサプレート１６はフィン１１ｂにおける冷却媒体
の流路を形成するものであるため、スペーサプレート１
６の枚数減少は冷却媒体の流路を減少させることにな
る。冷却媒体の流路が減少すると冷却媒体の通過の際に
圧力損失が生じフィン１１ｂに接触する冷却媒体の流量
が減少してしまいヒートシンク１１の冷却能力が落ちて
しまう。そのため、所定の流路を確保しつつフィン表面
積を拡大するためには、実験の結果、フィンプレート１
２の積層枚数（Ａ）とスペーサプレート１６の積層枚数
（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が１／３以上１以下の範囲にある
場合が最もヒートシンク１１の冷却効率が良いことがわ
かった。よって、冷却効率の高いヒートシンク１１を得
るには、構成するフィンプレート１２の積層枚数（Ａ）
とスペーサプレート１６の積層枚数（Ｂ）の比（Ａ／
Ｂ）を１／３以上１以下の範囲にすることが好ましい。

【００４７】又、図１、図５に示すヒートシンク１１
は、フィンプレート１２とスペーサプレート１６の間を
生産性の面やプレート間の密着度を向上させるために、
かしめによって互いに接合しているが、これは接着剤を
用いて接合しても良く、また、プレートにネジ孔を設
け、ネジ止めなどによって複数枚のプレートを固定して
も良い。

【００４８】次に、高熱伝導体１３の接合について説明
する。

【００４９】高熱伝導体１３とフィンプレート１２とス
ペーサプレート１６によって積層構成されたヒートシン
ク１１は、ヒートシンク１１のベース部を基準とした場
合、フィン部と反対面の熱源と対向する面１１ｃにて接
合されることが好ましい。接合方法は、密着させて取り
付けることができれば、溶接、ろう付け、接着などが好
ましい。なお、樹脂による接着を行う場合は、可能な限
り熱伝導率が高い粒子が含有された樹脂（例えば、スリ
ーボンド２２７０（株）スリーボンド製）を用いること
が好ましい。さらに、密着性よく接合するために予め接
合面に機械加工を施し面性状を向上させておけばより好
ましい。次に、高熱伝導体１３の配置は図６（ａ）に示
されるように、フィンプレート１２とスペーサプレート
１６を横断するように配置されることが好ましい。これ
は、ヒートシンク１１の下面と高熱伝導体１３を同一の
大きさにし、全面に渡るように配置してもなんら問題は
ない。また、高熱伝導体１３を複数用い図６（ｂ）に示
されるように、全面に渡っても配置しても良い。さらに
は、フィンプレート１２とスペーサプレート１６を横断
する配置であれば、直交せずに図６（ｃ）に示されるよ
うに斜めに横断する配置でも良い。可能な限りのフィン
プレート１２とスペーサプレート１６を横断し、かつ全
面に渡るよう配置することが、熱源の熱を効率よく拡散
してヒートシンク１１に伝えることができ、ヒートシン
ク１１の冷却能力を高めることになる。さらに、フィン
プレート１２とスペーサプレート１６の接合強度を高め
ヒートシンク１１の機械的強度を高めることができる。

【００５０】なお、図１、図５、図６ではヒートシンク
１１と高熱伝導体１３を平面同士で接合した場合を説明
したが、図７に示されるように、ヒートシンク１１に凹
部を設けその中に高熱伝導体１３を埋め込み接合しても
良い。ヒートシンク１１に凹部を設けるためには、フィ
ンプレート１２とスペーサプレート１６の形状を形成す
る際に凹部となる切り欠きをそれぞれのプレートに形成
すればよい。

【００５１】次に、上述の実施の形態１で説明したヒー
トシンク１１を実際に製作し、それについて行った実験
結果について、説明する。

【００５２】まず、フィンプレート１２、スペーサプレ
ート１６の材料としてアルミニウム合金Ａ１０５０の薄
板材厚み１．０ｍｍのものを使用した。また、フィンプ
レート１２、スペーサプレート１６の各部寸法は図３
（ａ）においてＷ＝１２２ｍｍ，Ｗ１＝１ｍｍ，Ｗ２＝
２ｍｍ，Ｐ＝４ｍｍ，Ｈ＝３０ｍｍ，Ｈ１＝６．５ｍｍ
である。これらの成形は、フィンプレート１２の一部連
結部を残して打ち抜く打ち抜き金型と前記フィンプレー
ト１２のフィン部１５を切り落としベース部１４だけを
残しスペーサプレート１６を成形する打ち抜き金型をそ
れぞれの配置すると共に、前記連結部を打ち抜いて各部
材毎に切り落とす打ち抜き金型を配設した順送タイプの
プレス装置を用いた。まず、アルミニウム合金Ａ１０５
０の薄板材厚み０．５ｍｍを前記プレス装置に供給し、
前記連結部を残した状態でフィンプレート１２、スペー
サプレート１６が積層順に必要枚数分前記薄板材に形成
されるようにプレス加工を行う。この時同時にかしめ用
の穴１８を形成する。次に、前記連結部を金型により打
ち抜き、各部材を金型内に積層しつつ加圧してかしめ部
を勘合させる。本実施の形態では、フィンプレート１２
を２枚、次にスペーサプレート１６を４枚の順番で積層
を繰り返し、さらにフィンプレート１２を１６枚、スペ
ーサプレート１６を開始点と終了点に２枚づつ追加した
計３２枚を用いて積層厚み４８ｍｍの積層体を製作し
た。これは、積層部品金型内固着工法等を用いることに
よりさらに高効率に製作できる。次に、銅を用い厚み５
ｍｍ，幅３０ｍｍ，全長４８ｍｍの高熱伝導体１３をフ
ライス加工等機械加工により製作した。なお、全長は積
層体の厚み方向全域に渡るように決定した。つづいて、
積層体の下面をフライス加工により平坦に加工した後に
この面において積層体長手方向の中心線と高熱伝導体１
３の幅方向中心線が一致しかつ、積層体の積層厚みと高
熱伝導体１３の全長が一致するように位置決めを行い、
高熱伝導性エポキシ樹脂（スリーボンド２２７０
（株）スリーボンド製）により接着した。その後、双方
を密着するように加圧しつつ、１２０℃の炉内に３０分
間静置し樹脂を完全硬化させ、接着硬化した。次に比較
例を作製した。比較例においては、上記実施の形態と異
なる点は高熱伝導体１３を設けていない点で異なってい
る。

【００５３】次に、実施の形態１と比較例の放熱特性に
ついて測定した。

【００５４】測定は、発熱源からの熱の制御がしやすい
平面型のセラミックスヒーター３０を用いた測定装置で
行った。測定装置の概略図を図８に示す。測定装置は、
熱源としての平面型のセラミックスヒーター３０、温度
測定の為の熱電対、温度計測器、制御器からなる。平面
型のセラミックスヒーター３０の周囲は断熱材で覆われ
ており、平面型のセラミックスヒーター３０からの熱は
その殆どが、ヒートシンク１１を取り付ける側の面から
放熱される事になる。平面型のセラミックスヒーター３
０上には、平面型のセラミックスヒーター３０の温度を
測定するための熱電対が埋設されている。ヒートシンク
１１の放熱特性の測定は、ヒートシンク１１の熱抵抗を
算出することにより行った。ヒートシンク１１の周囲の
温度をＴａ、平面型のセラミックスヒーター３０上の温
度をＴｈ、平面型のセラミックスヒーター３０への入力
電力をＰとした場合、ヒートシンク１１の熱抵抗Ｒは、
Ｒ＝（Ｔｈ−Ｔａ）／Ｐにより求められる。熱抵抗が小
さい値の方が、放熱され易い事を示し、放熱特性が優れ
る事を表すものである。

【００５５】この測定装置に実施の形態１のヒートシン
ク１１をセラミックヒーター３０上に搭載し、各温度、
及び平面型のセラミックスヒーター３０への入力電力を
測定することでヒートシンク１１の熱抵抗を算出した。
なお、平面型のセラミックスヒーター３０と高熱伝導体
１３とは、熱の移動に対する接触部の影響を避けるため
に、高伝熱性のグリースを用いて接触させた。また、冷
却媒体として空気を利用するため、ヒートシンク１１の
上面にファンを配置した。比較例についても同様に測定
装置にセットして放熱特性を測定した。

【００５６】図９に高熱伝導部１３を有する実施の形態
１の熱抵抗と高熱伝導部１３を持たない比較例の熱抵抗
の時間変化を示した。図から判るように、熱抵抗が安定
した後、実施の形態１の熱抵抗は小さく、比較例と比べ
優れた放熱特性を有していることが判る。

【００５７】これは、熱抵抗は電気抵抗と同様に扱うこ
とができるのであるが、そのため積層体の場合その層間
で熱が伝搬する場合の熱抵抗は、それぞれの層間の熱抵
抗が直列合成されてしまい、発熱源からヒートシンクへ
の熱が伝搬する際の大きな障壁となりヒートシンクの放
熱表面積を十分に活用できないのに対し、高熱伝導体を
積層体を横断するように配置することにより、層間の熱
抵抗を直列合成したものに加えて、それより小さい熱抵
抗を並列に接続する事になり総熱抵抗が小さくなる。す
なわち熱の伝搬に際して高熱伝導体がバイパスとして機
能するため、ヒートシンク全体の熱抵抗が下がり発熱源
からヒートシンクへの熱の伝搬がスムーズに行われるた
めにヒートシンクの放熱表面積が十分に活用されるため
と考えられる。

【００５８】（実施の形態２）以下、本発明の第２の実
施の形態について、図１０から図１２を用いて説明す
る。

【００５９】図１０は本発明の第２の実施の形態におけ
るヒートシンクの構成を示す斜視図、図１１は本発明の
第２の実施の形態におけるヒートシンクを示す斜視図で
ある。また、図１２は同ヒートシンクの構成要素を示す
正面図である。

【００６０】図１０、図１１に示すように、この第２の
実施形態のヒートシンク２１は、第一の実施の形態にお
けるヒートシンク１１の高熱伝導体１３が、ヒートシン
ク１１を構成するフィンプレート１２とスペーサプレー
ト１６を横断するように貫通した構成としたものであ
り、他の構成は、実施の形態１におけるヒートシンク１
１と同一である。従って、ヒートシンク１１同じ構成に
かかる部材については、同一の符号を付してその詳しい
説明を省略する。

【００６１】また、図１０に示すように、このヒートシ
ンク２１はフィンプレート２２のベース部２４とスペー
サプレート２６のベース部２４を高熱伝導体２３が横断
しかつ、貫通するように配置されている。

【００６２】この高熱伝導体２３について説明する。高
熱伝導体２３の形状としては、四角柱状等の柱状とする
事が好ましい。特に高熱伝導体２３を四角柱形状の平板
とする事によって、位置合わせ等が行いやすく、しかも
加工が容易で材料等に無駄が出ないようにすることがで
き、実装性や放熱性の面でよい。また、その長さは、ヒ
ートシンク２１のフィンプレート２２とスペーサプレー
ト２６の積層枚数に応じた厚さと同じ長さあるいは、そ
れよりも長くすることが好ましい。

【００６３】次に、前記高熱伝導体２３の材料として
は、１００℃における熱伝導率が８０ｋＷ／ｍ・Ｋ以上
の材料で構成することが好ましい。具体的材料として
は、亜鉛，アルミニウム，黄銅，金，銀，タングステ
ン，銅，ベリリウム，マグネシウム，モリブデン（以下
材料グループと略す）から選ばれる材料単体か、あるい
は前記材料グループから選ばれた複数の材料の合金や、
また、前記材料グループから選ばれる少なくとも一つの
材料と、前記材料グループ以外の少なくとも一つの材料
との合金などを用いることができる。ただし、高熱伝導
体２３の材料の熱伝導率は、フィンプレート２２、スペ
ーサプレート２６の熱伝導率よりも１．２倍以上高いこ
とが好ましく、１．５倍以上であればさらに好ましい。
本実施の形態では、加工性やコスト面もあわせて考慮し
て、銅単体か、銅と他の前記材料グループから選ばれる
少なくとも一つとの合金か、銅と前記材料グループから
選ばれる少なくとも一つの合金等から構成した。また、
高熱伝導体２３は金属等の単一あるいは合金材料以外に
ヒートパイプをしようしてもかまわない。ヒートパイプ
は金属材料以上の熱輸送能力を有しており、より好まし
い。その断面形状としては、円柱状あるいは、扁平状が
好ましが、ヒートシンクの小型化を考慮すると、厚みを
薄くできる扁平形状がさらに好ましい。

【００６４】次に図１０、図１１、図１２に示すよう
に、フィンプレート２２、スペーサプレート２６を積層
し、高熱伝導体２３を貫通配置してヒートシンク２１を
形成する方法について説明する。

【００６５】図１２に示すように、フィンプレート２２
と板状のスペーサプレート２６をプレス加工による打ち
抜き成形あるいはエッチングやワイヤーカットなどによ
り成形する。この時、高熱伝導体２３を配置する貫通穴
２７を同時に成形する。高熱伝導体２３の配置は少なく
とも放熱すべき発熱部２８の近傍に配置する事が好まし
い。よって、貫通穴２７も同様に図に示すように少なく
とも放熱すべき発熱部２８の近傍に配置されることが好
ましい。また、高熱伝導体２３は発熱部２８の近傍に集
中的に配置することが、さらに好ましい。

【００６６】この様に成形された櫛歯状のフィンプレー
ト２２と板状のスペーサプレート２６を積層して、互い
にかしめ等によって接合して構成する。ここで、それぞ
れのプレートに成形された貫通穴２７は、積層により連
続した穴となっており、ここに切削等の機械加工により
四角柱状に成形された高熱伝導体２３を配置する。な
お、貫通穴２７の穴寸法と高熱伝導体２３の寸法の関係
は、貫通穴２７に高熱伝導体２３を挿入した場合に各方
向で、しまりばめの関係となるように成形する。フィン
プレート２２、スペーサプレート２６の積層体の貫通穴
２７に高熱伝導体２３をプレス等により加圧しながら挿
入する、すなわち圧入することにより、積層体と高熱伝
導体２３は強固に接合される。この様に構成すること
で、非常に生産性がよく、しかも放熱性がよいヒートシ
ンク２２を作製できる。また、本実施の形態では、積層
体を構成した後に高熱伝導体２３を圧入配置する方法を
説明したが、予め高熱伝導体２３を固定しそこにフィン
プレート２２、スペーサプレート２６を圧入して積層体
の構成と高熱伝導体２３の接合を同時に行っても良い。
また、積層体と高熱伝導体２３の接合をしまりばめとな
るように勘合固定する方法の他に、貫通穴２７の穴寸法
と高熱伝導体２３の寸法の関係を、すきまばめの関係と
なるように成形し、その空隙に高熱伝導体の金属あるい
は樹脂を充填し硬化させることにより結合させてもよ
い。この様にすれば、高熱伝導体２３の圧入のためのプ
レス等加圧機器が不要になる。

【００６７】また、上述した内容に加えて高熱伝導体２
３の長さを、ヒートシンク２１のフィンプレート２２と
スペーサプレート２６の積層枚数分の厚みよりも長くし
た場合、ヒートシンク２１厚みの両端に高熱伝導体２３
が突出するように配置し、突出した部分の外形寸法が貫
通穴２７の内寸法よりも大きくなるように、プレス等の
押圧によるかしめ加工を施すことにより積層体と高熱伝
導体２３はさらに信頼性よく安定して強固に接すること
ができる。

【００６８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、半導体装
置や電子部品などから発生した熱を効率よく放熱させる
ことができかつ、機械的強度も高いヒートシンクを得る
ことができ、さらにこのヒートシンクを生産効率よく製
造できる製造方法を得ることができるという有利な効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態におけるヒートシン
クを示す斜視図

【図２】本発明の第一の形態におけるヒートシンクの構
成を示す斜視図

【図３】本発明の第一の形態におけるヒートシンクの構
成部品を示す正面図

【図４】本発明の第一の形態における図１のヒートシン
クの矢視Ａ−Ａ方向の断面図

【図５】本発明の第一の形態におけるヒートシンクを示
す斜視図

【図６】本発明の第一の形態における図１のヒートシン
クのフィン部と反対面方向からの矢視図

【図７】本発明の第一の形態におけるヒートシンクを示
す斜視図

【図８】測定装置の概略構成図

【図９】熱抵抗の時間変化を示すグラフ

【図１０】本発明の第２の形態におけるヒートシンクの
構成を示す斜視図

【図１１】本発明の第２の形態におけるヒートシンクを
示す斜視図

【図１２】本発明の第２の形態におけるヒートシンクの
構成部品を示す正面図

【図１３】従来例を示す斜視図

【符号の説明】

１１ ヒートシンク １１ａ ヒートシンクのベース １１ｂ ヒートシンクのフィン １１ｃ ヒートシンクの熱源と対向する面 １２ フィンプレート １３ 高熱伝導体 １４ フィンプレートにおけるベース部 １５ フィンプレートにおけるフィン部 １６ スペーサプレート １７ スペーサプレートにおけるベース部 ２１ ヒートシンク ２２ フィンプレート ２３ 高熱伝導体 ２４ フィンプレートにおけるベース部 ２５ フィンプレートにおけるフィン部 ２６ スペーサプレート ２７ 貫通穴 ２８ 放熱すべき発熱部 ３０ セラミックスヒーター １０１ 放熱器 １０２ 第一の薄板部材 １０６ 第一の薄板部材 １１０ 第２の薄板部材

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 郁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 楯 純生 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 杉本 和彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5E322 AA01 AA11 AB11 FA04 5F036 AA01 BA04 BA26 BB05 BB60 BD03

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベース部およびフィン部を具備したフィン
   プレートと、スペーサプレートと、の少なくとも２種類
   以上の金属板により構成され、複数の前記金属板が厚み
   方向に所定の枚数毎に積層され、複数の前記金属板を横
   断するように高熱伝導体を配置したことを特徴とするヒ
   ートシンク。
2. 【請求項２】金属板が略同等の厚みを有し、フィンプレ
   ートの積層枚数（Ａ）に対するスペーサプレートの積層
   枚数（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が１／３以上で１以下の範囲
   にあることを特徴とする請求項１に記載のヒートシン
   ク。
3. 【請求項３】金属板よりなるフィンプレートのフィン部
   の正面形状が、異なる大きさの長方形状もしくは略三角
   形状や凹凸形状であるものが同一プレート内に少なくと
   も一カ所以上有することを特徴とする請求項１もしくは
   請求項２いずれか１記載の記載のヒートシンク。
4. 【請求項４】高熱伝導体をフィン部と反対面に配置した
   ことを特徴とする請求項１から請求項３に記載のヒート
   シンク。
5. 【請求項５】高熱伝導体をフィン部と反対面に設けられ
   た凹部に埋め込み配置したことを特徴とする請求項１か
   ら請求項３いずれか１記載の記載のヒートシンク。
6. 【請求項６】ベース部およびフィン部を具備したフィン
   プレートと、ベース部のみからなるスペーサプレート
   と、の少なくとも２種類以上の金属板により構成され、
   複数の前記金属板が厚み方向に所定の枚数毎に積層さ
   れ、複数の前記金属板を貫通して横断するように高熱伝
   導体を配置したことを特徴とするヒートシンク。
7. 【請求項７】金属板よりも高熱伝導体の熱伝導率が１．
   ２倍以上高いことを特徴とする請求項１から請求項６い
   ずれか１記載のヒートシンク。
8. 【請求項８】高熱伝導体の形状が略角柱状であることを
   特徴とする請求項６もしくは請求項７いずれか１記載の
   ヒートシンク。
9. 【請求項９】金属板がアルミニウムを主成分とし、高熱
   伝導体が銅を主成分とすることを特徴とする請求項１か
   ら請求項８いずれか１記載のヒートシンク。
10. 【請求項１０】金属板がアルミニウムを主成分とし、高
    熱伝導体がヒートパイプであることを特徴とする請求項
    １から請求項７いずれか１記載のヒートシンク。
11. 【請求項１１】高熱伝導体を放熱すべき発熱部近傍に配
    置したことを特徴とする請求項１から請求項１０に記載
    のヒートシンク。
12. 【請求項１２】金属板を、ベース部およびフィン部を具
    備したフィンプレートと、ベース部のみからなるスペー
    サプレートと、の少なくとも２種類以上に成形する第１
    の工程と、複数の前記金属板を厚み方向に所定の枚数毎
    に積層する第２の工程と、複数枚が積層された前記金属
    板を横断するように結合部材として高熱伝導体をフィン
    部と反対面に接合させて結合一体化せしめる第３の工程
    と、によりなることを特徴とするヒートシンクの製造方
    法。
13. 【請求項１３】金属板を、ベース部およびフィン部を具
    備したフィンプレートと、ベース部のみからなるスペー
    サプレートと、の少なくとも２種類以上に成形する第１
    の工程と、複数の前記金属板を厚み方向に所定の枚数毎
    に積層する第２の工程と、複数枚が積層された前記金属
    板を横断するように結合部材として高熱伝導体をフィン
    部と反対面に設けられた凹部に埋め込み接合させて結合
    一体化せしめる第３の工程と、によりなることを特徴と
    するヒートシンクの製造方法。
14. 【請求項１４】金属板を、ベース部およびフィン部を具
    備したフィンプレートと、ベース部のみからなるスペー
    サプレートと、の少なくとも２種類以上に成形する第１
    の工程と、複数の前記金属板を厚み方向に所定の枚数毎
    に積層する第２の工程と、複数枚が積層された前記金属
    板を横断するように結合部材として高熱伝導体を貫通さ
    せて結合一体化せしめる第３の工程と、によりなること
    を特徴とするヒートシンクの製造方法。
15. 【請求項１５】第３の工程として、複数枚が積層された
    前記金属板を横断するように結合部材として高熱伝導体
    を貫通させ、前記金属板と前記高熱伝導体の空隙を低融
    点金属で充填することにより結合一体化せしめる第３の
    工程を用いたことを特徴とする請求項１２に記載のヒー
    トシンクの製造方法。
16. 【請求項１６】第３の工程として、複数枚が積層された
    前記金属板を横断するように結合部材として高熱伝導体
    を貫通させ、前記金属板と前記高熱伝導体の空隙を、熱
    伝導率が高い粒子が含有された樹脂を充填して硬化する
    ことにより結合一体化せしめる第３の工程を用いたこと
    を特徴とする請求項１２に記載のヒートシンクの製造方
    法。
17. 【請求項１７】複数の伝熱板を積層して構成され、発熱
    体が取付可能な取付面と、前記取付面と反対側の面に設
    けられたフィンと、前記複数の伝熱板の積層方向に沿っ
    て、しかも前記複数の伝熱板に熱的に接触する高熱伝導
    体とを備えたことを特徴とするヒートシンク。
18. 【請求項１８】伝熱板よりも高熱伝導体の熱伝導率が
    １．２倍以上高いことを特徴とする請求項１７記載のヒ
    ートシンク。