JP2005228855A - 放熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱の効率を向上させることで、放熱器を小型化すること、或いは大きな熱量の放熱を安価に実現できる放熱器を提供すること。
【解決手段】金属材によって形成され、固体の熱源４０に直接的に面接触して主に伝導伝熱によって吸熱する吸熱部２０を備え、その吸熱部２０以外の表面によって構成される放熱部３０を備える放熱器１０において、放熱部３０の表面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜３３が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放熱器に関する。より詳細には、金属材によって形成され、固体の熱源に直接的に面接触して主に伝導伝熱によって吸熱する吸熱部を有し、該吸熱部以外の表面によって構成される放熱部を有する放熱器に関する。

加熱された固体を冷却するための放熱器は、種々の熱源に対応し、それを冷却するものとして種々の用途で利用される。そして、熱交換器やヒートポンプの一部としても利用できる。その中で、小型なものとしては、半導体装置の冷却構造における一部としての放熱器がある。
半導体装置は、半導体素子（ＬＳＩチップ）の高性能化によってさらなる高速動作が可能となってきている。これに伴い、発熱量が増大するという問題がある。このため、従来から、種々の放熱手段が提案されている。その一例として、金属材によって板状等に形成された空冷式の放熱器がある。

従来から、空冷式の放熱器については、電子部品の冷却構造に関し、放熱効率の良いフィンの構造やその製造方法について提案がなされている（特許文献１参照）。
また、その放熱器の性能を向上させるためには、熱伝導率の高い材料を用いることが考えられる。カーボンナノチューブ等の微細材料は熱伝導率が極めて高い。これを利用した従来技術として、カーボンナノチューブ等を混合して設けられる高熱伝導率複合材が提案されている（特許文献２参照）。
また、カーボンナノチューブ等の微細材料を組成物として利用した機能性コーティング剤が提案されている（特許文献３参照）。しかし、そのカーボンナノチューブを含有する機能性コーティング剤の放熱器等への具体的な応用にかかる開発については、これからの課題であると考えられる。
特開２００１−２１７３５９号公報（第１頁、図２） 特開平１０−１６８５０２号公報（第１頁） 特開２０００−２６７６０号公報（第１頁）

放熱器に関して解決しようとする問題点は、熱源の発熱量が増大した場合、放熱器が大型化してしまい、全体装置の小型化に逆行する点にある。
これに対しては、フィンの枚数を増やして放熱量を高めることが考えられるが、限界がある。フィンの密度が高くなると、空気の流通の悪化や再吸熱により、放熱効率が低下するためである。また、製造コストも高くなる。
そこで本発明の目的は、放熱の効率を向上させることで、放熱器を小型化すること、或いは大きな熱量の放熱を安価に実現できる放熱器を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
本発明にかかる放熱器は、金属材によって形成され、固体の熱源に直接的に面接触して主に伝導伝熱によって吸熱する吸熱部を備え、該吸熱部以外の表面によって構成される放熱部を備える放熱器において、前記放熱部の表面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる放熱器は、金属材によって形成され、固体の熱源に直接的に面接触して主に伝導伝熱によって吸熱する吸熱部を備え、放熱用のフィンを有して前記吸熱部以外の表面によって構成される放熱部を備える放熱器において、前記放熱部の表面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成され、前記フィンを含む金属材の厚さが、一の前記フィンの表裏面に形成される前記被膜の厚さの総和よりも厚いことを特徴とする。これによれば、前記金属材による熱伝導と、前記被膜による熱放射のバランスがとれて、極めて効率よく放熱することができる。

なお、一の前記フィンの表裏に形成される前記カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜の厚さに対して、前記フィンを含む金属材の厚さが、１０倍から１００倍であると好適である。これによれば、金属材による熱伝導と、被膜による熱放射のバランスを好適にとることができ、ファンの数を好適に少なくすることができる。
また、前記フィンを含む金属材の厚さが、０．３ｍｍから３ｍｍであると好適である。これによれば、金属材が一定の厚さを有して構造的な強度を好適に得ることができる。また、低コストで高性能の放熱器を製造できる。

また、前記フィンの表面のみに、前記カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成されたことを特徴とする。これによれば、ディッピングによって容易に被膜を形成することが可能で、且つ、高い放熱性能を得ることができる。
また、前記カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が片面のみに形成された前記フィンを有することを特徴とする。これによれば、熱勾配をつくって熱を好適に移動させることができると共に、フィン間での再吸熱を防止し、効率よく放熱することが可能となる。
また、前記熱源から前記カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜までの距離が、少なくとも前記金属材の厚さ分よりも長いことを特徴とする。これによれば、前記金属材が、熱伝導性の極めて高い前記被膜に囲まれることよって、蓄熱材として作用することを防止できる。したがって、放熱効率が低下することを防止できる。

本発明の放熱器によれば、カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜から極めて効率的に熱放射がなされ、放熱量を飛躍的に高めることができる。
なお、吸熱部にも前記被膜を形成することで、放熱器の全面に、前記被膜を形成した場合には、かえって放熱性能が低下する。これは、金属材が、熱伝導性の極めて高い前記被膜に囲まれることよって、蓄熱材として作用するためと考えられる。
また、固体の熱源と吸熱部とは直接的に面接触しているため、伝導伝熱が好適になされる。この伝導伝熱の方が、熱放射よりも、熱の移動が極めて効率的になされる。従って、金属材の熱伝導性は、微細カーボン材（カーボンナノチューブ等）の熱伝導性より極めて劣るが、そのカーボンナノチューブ等の熱放射とのバランスにおいて十分な熱伝導性を備えている。このため、固体の熱源と吸熱部との間に、前記被膜が介在しても何の意味もないことになる。かえって、上述したように、金属材が被膜によって囲まれた状態となるので、放熱効率が低下する。

また、本発明は、高価なカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を用いるが、金属材の表面に被膜を形成するだけであり、その使用量はわずかなものである。現時点でも、そのコストは極めて低額に抑えることができる。また、前記金属材が好適な定形性及び構造強度を提供している。これに対して、全体がカーボンナノチューブ等を含有する材料で成形されたものは、定形性及び構造強度を得るために、カーボンナノチューブ等を必要以上に用いることになる。このため、高価になる。なお、所定分量のカーボンナノチューブ等を均一に混合して所定の形状物を成形することも簡単ではない。

従って、本発明にかかる放熱器によれば、好適に、その放熱性能を著しく向上させることができる。このため、放熱器を飛躍的に小型化することができる。または、フィンの数を減らせるなど、放熱器の構造を簡単にできる。さらに、一定の大きさでは、極めて大きな熱量の放熱を実現できる放熱器を提供できる。このため、放熱器を安価に提供できる。

以下、本発明の放熱器に係る最良の形態の一例を添付図面（図１）と共に詳細に説明する。図１は本発明の放熱器１０を具備する半導体装置について模式的に示す断面図である。
この放熱器１０は、基本的に金属材によって形成されている。ここで金属材とは、樹脂材等の他の素材と比較して熱伝導率が高い材料であって、構造材として一定の強度を有するものであれば、特に限定されることはない。例えば、アルミニウム材、ステンレススチール材、銅材、鉄鋼材等を適宜選択的に用いればよい。
２０は吸熱部であり、固体の熱源４０に直接的に面接触して主に伝導伝熱によって吸熱する。なお、固体の熱源４０は、本形態では半導体素子である。吸熱部２０の表面を鏡面などに適宜加工してもよい。３０は放熱部であり、放熱用のフィン３１を有して吸熱部２０以外の表面によって構成される。放熱部３０の表面も適宜加工してもよい。

この放熱器１０では、ヒートスプレッダとして機能する基部３２の一方の側に、複数のフィン３１が一体且つ直角に立設された形状で、放熱部３０が構成されている。そして、基部３２の他方の側が平面状に形成されて、吸熱部２０を構成している。
また、固体の熱源４０とは、半導体素子などの自ら発熱をするものの他、そうした発熱源から熱伝導されて高温に昇温された部材も含まれる。つまり、直接的或いは間接的を問わず加熱されて、周囲の環境よりも高い温度の固体を意味する。
さらに、本形態は、主に、固体の熱源から空気（気体）へ放熱する場合を想定しているが、他の流体（液体）への放熱についても好適に応用できる。なお、水などの液体は、空気などの気体と異なり、伝導伝熱性能が高いため、より好適に放熱がなされる。
また、固体の熱源４０に直接的に面接触するとは、直に接触する場合の他、接着材を介する場合や柔軟性のある高熱伝導部材を介在させる場合など、密着性を向上させて接触させる場合なども含む。つまり、熱的に直接的に面で接続することを意味する。

３３はカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜であり、放熱部３０の表面の少なくとも一部に形成されている。
ここで、カーボンナノチューブ等の微細カーボン材とは、総称としての「カーボンナノチューブ」の他、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンマイクロコイル、及びフラーレン等のことである。この微細カーボン材は、結晶性カーボン材とも言えるし、ナノカーボン材と呼ばれることもある。これらは、熱伝導率が極めて高いなどの優れた物性を持つ微細材料として、ナノテクノロジーで生産が可能となった材料である。なお、現時点では、その性能及びコスト等の観点からもカーボンナノチューブを好適に利用することができる。

また、被膜３３とは、材料の表面に形成されるコーティング層のことであり、例えば塗料が塗布されて形成される塗膜のことである。本発明に係る被膜３３は、周知の塗料に、カーボンナノチューブを適宜混合分散させ、それを金属材の表面に塗布することで形成することができる。これにより、カーボンナノチューブによる層を、金属材の表面に、均一に形成できる。カーボンナノチューブ等の微細カーボン材は、被膜３３を形成する塗料の機能性添加剤として好適に作用する。
なお、その塗料について耐熱性や耐化学薬品性等が要求される場合には、それに対応する機能を有する周知の塗料、例えばシリコーンゴム（シリコーン樹脂）系の塗布材を用いることができる。これらの塗布材にあっては、常温乾燥をするものもあるし、焼付けてその被膜の密着性、硬度等を向上させるなど、周知の技術を適宜応用すればよい。

また、カーボンナノチューブの塗料に対する混合比率は、カーボンナノチューブの量が多いほど性能を向上できると考えられるが、その分散性等を考慮して適宜設定すれば良い。
なお、カーボンナノチューブを重量比で１０％混合した塗料を塗布して実験したところ、極めて高い放熱性能（冷却性能）を得ることができた。
これは、カーボンナノチューブの熱放射性が極めて高いことに起因するものと考えられる。熱の射出という現象は、熱も一種の波動であるため、波動（一種の電磁波）の放散であると考えられる。つまり、種々の波長の放射であり、カーボンナノチューブは、厚く重なりあって存在することや、露出する必要はない。カーボンナノチューブが、表面を均一に被覆する状態であれば良い。射出量は表面積に依存するからである。従って、塗料の中に存在する形態でも、波動の射出が妨げられる要素は小さく、その性能を害するものではない。

そして、フィン３１を含む金属材の厚さｂ（又はｃ）が、一のフィン３１の表裏面に形成される被膜３３の厚さａの総和よりも厚く設けられている。これによれば、金属材による伝導伝熱と、被膜３３による熱放射のバランスがとれて、極めて効率よく放熱することができる。
これに対して、例えばエアコンに利用されている熱交換器の放熱フィンは、厚さが３０μｍ程度のアルミニウム材が使用されている。このアルミニウム材の表面には、塗装等の被膜が形成されない。一方、一般的に、塗膜によって形成される被膜３３の厚さは、３０μｍ程度以上となることが多い。従って、仮に、上記のアルミニウム材の少なくとも一方の表面に被膜３３を形成した場合は、その被膜３３の厚さの方がアルミニウム材より厚くなる。この場合は、アルミニウム材（金属材）の断面積が小さいため、その伝導伝熱性能が、被膜３３の熱放射性能に比べて相対的に小さくなる。このため、好適な放熱性能を得ることができないものと考えられる。

また、一のフィン３１の表裏に形成されるカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜３３の厚さに対して、フィン３１を含む金属材の厚さｂ（又はｃ）が、１０倍から１００倍であると好適である。これによれば、金属材による伝導伝熱と、被膜３３による熱放射のバランスを最適にすることができる。これは、例えば、カーボンナノチューブの熱伝導率等が、金属材の１０〜１００倍も良いということによる。
また、フィン３１を含む金属材の厚さｂ（又はｃ）が、具体的には０．３ｍｍから３ｍｍであることが好適である。

以上の構成によれば、金属材が一定の厚さを有して構造的な強度を好適に得ることができる。また、ファン３１の数を好適に少なくすることができる。従って、低コストで高性能の放熱器を製造できる。
さらに、フィン３１の数を減らすことが可能であるため、同一容積であれば、フィン３１同士の間隔を広げることができる。これにより、空気等の流体の流れが良くなり、放熱性能を向上できる。また、好適に乱流熱伝達を利用できることも、放熱性能の向上に寄与する。また、通気抵抗或いは通水抵抗等を低減できるため、省エネルギーや、冷却ファン（送風機）又はポンプの小型化等をすることができる。
さらに、同一性能であれば、放熱器１０及びその周辺機器について、全体的に小型化することが可能である。従って、全体装置の小型化及び低コスト化を実現できるという効果も奏する。

本発明に係る放熱器について、実施例１を添付図面（図２）に基づいて説明する。
図２は、本発明に係る放熱器１１を具備する半導体装置について模式的に示す断面図である。
本実施例では、金属板材を曲げることで形成された放熱用のフィン３４、金属板材に切り込みを入れて曲げ成形されたフィン３５、及び後付けのフィン３６が設けられている。後付けのフィン３６は、溶接、溶着又は接着などによって、基部３２の一方の面に固定されている。これにより、表面積を増加させて放熱性能を向上させている。
また、２５は充填材であり、基部３２ａの吸熱部２０ａに、固体の熱源４０を密着した状態で熱的に接触させるように作用する。

また、本実施例では、フィン３４、３５、３６の表面のみに、カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜３３が形成されている。これによれば、ディッピングによって容易に被膜３３を形成することが可能で、生産効率を向上できる。また、被膜３３が形成されない部分が多くなるが、熱勾配が好適に生じるため、高い放熱性能を得ることができる。つまり、金属材が蓄熱材として作用することを防止でき、熱の流れを好適にすることができるため、効率良く放熱することができる。

本発明に係る放熱器について、実施例２を添付図面（図３）に基づいて説明する。
図３は、本発明に係る放熱器１２を具備する半導体装置について模式的に示す断面図である。
本実施例では、カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜３３が片面のみに形成されたフィン３７を有することを特徴とする。これによれば、熱勾配をつくって熱を好適に移動させることができると共に、フィン３７、３７間での再吸熱を防止し、相対的に効率よく放熱することが可能となる。また、カーボンナノチューブ等の高価な材料の使用量を低減でき、安価に製造できる。

本実施例の放熱器１２は、基部３８から複数のフィン３７が水平方向に延設された形態となっている。そして、被膜３３が、各フィン３７の上面（パッケージ５０に対向する面とは反対側の面）及び側面に形成されている。
４２はヒートスプレッダであり、金属材から形成されており、熱を広げる共に補強材としても機能する。このヒートスプレッダ４２は、一面（内面）で発熱源である半導体チップ４１と接触し、他面（外面）で放熱器１２の吸熱部２１に接触している。このため、ヒートスプレッダ４２は、放熱器１２に対して固体の熱源となっている。
なお、５０はパッケージ（配線基板）であり、５２はボンディングワイヤ、５３は封止樹脂、５５ははんだバンプである。

本発明に係る放熱器について、実施例３を添付図面（図４及び図１）に基づいて説明する。図４は、本発明に係る放熱器１３を具備する放熱システムについて模式的に示す断面図である。
本実施例では、熱源４０からカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜３３までの距離ｄが、少なくとも金属板材３９の厚さ分ｃよりも長いことを特徴とする。
これによれば、熱源４０から、直接的に被膜３３へ伝導伝熱がなされることを、実質的に好適に防止することができる。このため、金属板材３９が、熱伝導性の極めて高い被膜３３に囲まれることよって、蓄熱材として機能することを防止できる。従って、放熱効率が低下することを防止できる。
なお、４５は発熱源であり、この発熱源から伝導伝熱等によって熱源４０に熱が供給される。これにより、固体の熱源４０は、周囲より温度が高くなる。

本発明に係る放熱器について、実施例４を添付図面（図５）に基づいて説明する。
図５は、本発明に係る放熱器１４を具備する加熱システムについて模式的に示す平面図である。
６０はヒータであり、このヒータ６０には円形の放熱板６２が接触されて固定されている。この放熱板６２の表面には、所定の部分に、カーボンナノチューブ等のナノカーボン材を含有する被膜３３が形成されている。被膜３３は、放熱板６２のヒータ６０近傍の所定の範囲６１には形成されていない。
これによれば、実施例３と同様に好適に放熱できる。このため、この放熱器１４を利用すれば、空気又は液体等を好適に加熱することができる。
以上、本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。

本発明の一形態の放熱器を備える半導体装置を模式的に示す断面図である。 本発明の実施例１を示す断面図である。 本発明の実施例２を示す断面図である。 本発明の実施例３を示す断面図である。 本発明の実施例４を示す平面図である。

符号の説明

１０ 放熱器
２０ 吸熱部
３０ 放熱部
３１ フィン
３２ 基部
３３ 被膜
４０ 熱源

Claims (5)

1. 金属材によって形成され、固体の熱源に直接的に面接触して主に伝導伝熱によって吸熱する吸熱部を備え、該吸熱部以外の表面によって構成される放熱部を備える放熱器において、
   前記放熱部の表面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成されていることを特徴とする放熱器。
2. 金属材によって形成され、固体の熱源に直接的に面接触して主に伝導伝熱によって吸熱する吸熱部を備え、放熱用のフィンを有して前記吸熱部以外の表面によって構成される放熱部を備える放熱器において、
   前記放熱部の表面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成され、前記フィンを含む金属材の厚さが、一の前記フィンの表裏面に形成される前記被膜の厚さの総和よりも厚いことを特徴とする放熱器。
3. 前記フィンの表面のみに、前記カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成されたことを特徴とする請求項２記載の放熱器。
4. 前記カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が片面のみに形成された前記フィンを有することを特徴とする請求項２又は３記載の放熱器。
5. 前記熱源から前記カーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜までの距離が、少なくとも前記金属材の厚さ分よりも長いことを特徴とする請求項１乃至４記載の放熱器。
   

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