JP2006134989A - ヒートシンク、発熱体、放熱構造物および熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱体である電子機器と放熱機器であるヒートシンクとの間の接触熱抵抗を低減することができる電子機器を得る。
【解決手段】 発熱体である電子機器７の取付板９に、ヒートシンク１に熱を放出する放熱面を構成する突出部２ｂを配列する。この突出部２ｂは、ヒートシンク１と電子機器７とを圧接する際に、ヒートシンク１のベース板３と点接触するので、良好な熱的接合状態が得られ、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、発熱体、発熱体からの放熱を促進させるヒートシンク、半導体素子等の発熱体の放熱構造物および高温流体から低温流体へ熱を移動させる熱交換器に関するものである。

半導体素子等の発熱体からの放熱を促進する手段として、ヒートシンク、ヒートパイプなどの放熱機器が用いられているが、発熱体と放熱機器との間には接触熱抵抗が生じる。最近のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびパワー半導体素子の高性能化による発熱密度の急増、放熱機器の高性能化および機器内熱抵抗の低減に伴い、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗によって生ずる温度差の発熱源から吸熱源（例えば周囲空気）までの温度差に占める割合が非常に大きくなっており、放熱特性改善に関連して、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗の低減が重視されている。

このような接触熱抵抗を低減するために、発熱体と放熱機器との間に金属箔を挿入する方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３０８２３３号公報（第３−４頁、図２）

しかしながら、発熱体と放熱機器との間に金属箔を挿入しても、発熱体または放熱機器の表面と金属箔の表面との平面同士が接触するので、接触面積が大きく金属箔の変形を促す圧接圧力が小さい。このため、金属箔の変形量は小さく、良好な熱的接合が得られないので、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗はあまり低減されないという問題があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、第１の目的は、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗を低減することができる発熱体を得るものである。

また、第２の目的は、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗を低減することができるヒートシンクを得るものである。

また、第３の目的は、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗を低減することができる放熱構造物を得るものである。

さらに、第４の目的は、伝熱管とフィンとの間の接触熱抵抗を低減することができる熱交換器を得るものである。

この発明に係る発熱体は、放熱機器と接触する放熱面が、圧接によって変形する突出部を配列して構成されたものである。

また、この発明に係るヒートシンクは、発熱体と接触する受熱面が、圧接によって変形する突出部を配列して構成されたものである。

さらに、この発明に係る放熱構造物は、放熱機器と、放熱機器と接触する放熱面が圧接によって変形する突出部を配列して構成された発熱体とを備えたものである。

また、この発明に係る放熱構造物は、発熱体と、発熱体と接触する受熱面が圧接によって変形する突出部を配列して構成された放熱機器とを備えたものである。

さらに、この発明に係る熱交換器は、貫通孔を設けたフィンと、外表面に突出部を配列し、貫通孔に挿入された伝熱管とを備え、突出部は、圧接によって変形するものである。

また、この発明に係る熱交換器は、貫通孔を設け、貫通孔の内表面に突出部を配列したフィンと、貫通孔に挿入された伝熱管とを備え、突出部は、圧接によって変形するものである。

この発明に係る発熱体は、放熱機器と接触する放熱面が、圧接によって変形する突出部を配列して構成されているので、良好な熱的接合を得ることができ、発熱体とヒートシンクとの間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、この発明に係るヒートシンクは、発熱体と接触する受熱面が、圧接によって変形する突出部を配列して構成されているので、良好な熱的接合を得ることができ、発熱体とヒートシンクとの間の接触熱抵抗を低減することができる。

さらに、この発明に係る放熱構造物は、放熱機器と、放熱機器と接触する放熱面が圧接によって変形する突出部を配列して構成された発熱体とを備えているので、良好な熱的接合を得ることができ、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、この発明に係る放熱構造物は、発熱体と、発熱体と接触する受熱面が圧接によって変形する突出部を配列して構成された放熱機器とを備えているので、良好な熱的接合を得ることができ、発熱体と放熱機器との間の接触熱抵抗を低減することができる。

さらに、この発明に係る熱交換器は、貫通孔を設けたフィンと、外表面に突出部を配列し、貫通孔に挿入された伝熱管とを備え、突出部は、圧接によって変形するので、良好な熱的接合を得ることができ、フィンと伝熱管との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、この発明に係る熱交換器は、貫通孔を設け、貫通孔の内表面に突出部を配列したフィンと、貫通孔に挿入された伝熱管とを備え、突出部は、圧接によって変形するので、良好な熱的接合を得ることができ、フィンと伝熱管との間の接触熱抵抗を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による発熱体である電子機器７の外観図であり、具体的には、（ａ）は電子機器７の上面図、（ｂ）は電子機器７の側面図、（ｃ）は電子機器７の下面図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

図１において、発熱体である電子機器の取付板９には、ヒートシンクなどの放熱機器に熱を放熱する放熱面を構成する複数の略球状の突出部２ｂが所定のピッチで配列され、整列されている。また、電子機器７の取付板９の上には、電子素子１０を配列した基板８が設置されている。また、取付板９には、ヒートシンクなどの放熱機器を取り付けるための取付穴５ｂが設けられている。取付板９は、銅で構成されており、突出部２ｂは、錫で構成されている。また、基板８は、セラミックなどの絶縁物で構成されている。

図２は、この発明の実施の形態１による発熱体である電子機器７を放熱機器であるヒートシンク１に接合した放熱構造物６の外観図である。図２（ａ）は、放熱構造物６の上面図であり、（ｂ）は、この放熱構造物６の側面図である。図２において、ヒートシンク１は、ベース板３と板状の放熱板４とから構成されており、発熱体である電子機器７から受けた熱を放熱する。ヒートシンク１は、ベース板３に設けられた図示していない取付穴５ａに挿入したボルト１１とナット１２とを用いて電子機器７に圧接され、放熱構造物６を構成している。ヒートシンク１と電子機器７とを圧接する際に突出部２ｂが変形することによって、ヒートシンク１と電子機器７とは、熱的に接合される。

放熱構造物６においては、ヒートシンク１と電子機器７との圧接開始時に、突出部２ｂの先端とベース板３とが点接触する。このため、圧接開始時に突出部２ｂとベース板３とが接触する面積は小さく、圧接によって加えられる力が局所的に集中して働き、突出部２ｂとベース板３との接触部に高い圧力が発生するので、突出部２ｂが容易に変形する。

二平面間を圧接する場合、平面の歪みおよび表面の微細な凹凸のために、熱的接合面積が小さい局部的な接合状態となり、それゆえ大きな熱抵抗が生じる。また、ベース板３の平面度が悪かったり、突出部２ｂの高さがばらついたりすることによって、ベース板３と突出部２ｂとの間に隙間が生じる場合がある。しかしながら、この放熱構造物６では、突出部２ｂがベース板３の表面形状に沿って変形するので、このような隙間は小さくなり、ベース板３と突出部２ｂとは、接合面内で均一に接触するようになる。また、ヒートシンク１と電子機器７とを圧接する際、突出部２ｂが変形し、表面の微細な凹凸にも侵入するので、良好な熱的接合部が形成される。

この実施の形態１では、ボルト１１とナット１２とを用いてヒートシンク１と電子機器７とを圧接したが、他の締結部材を用いてもよく、圧接する方法には特に制約は無い。例えば、ばね座金、板ばねなどのばね機構を用い、両物体間の接触面をより確実に押圧する構造にしても良い。ヒートシンク１の突出部２ｂを設置する取付板９の面および突出部２ｂを接合するベース板３の面の平面度は、できるだけ小さい方がよい。反対に、接合圧力のかかりにくい中央部にも均一な圧力をかけるため、取付板９またはベース板３の少なくともどちらか一方の面を山形に滑らかに湾曲させてもよい。

また、圧接した放熱構造物６を一度昇温させると、突出部２ｂとベース板３との熱的接合状態がさらに向上する。このときの温度は、突出部２ｂの融点より低い方がよい。突出部２ｂの融点以上に放熱構造物６を昇温すると、突出部２ｂとベース板３とが固着してしまい、ヒートシンク１と電子機器７とを取り外せなくなる。電子機器７が壊れた際、これを取り外して交換するので、ヒートシンク１と電子機器７とは取り外せた方がよいためである。

突出部２ｂは、銅でできた取付板９の表面に金メッキを施し、その上に溶融した錫をインクジェットのようにノズルから噴出させて、取付板９の表面に固着させて配列している。銅でできた取付板９の表面には酸化銅が形成されており、そのままでは錫が固着しにくいため、取付板９の表面に金メッキを施している。この実施の形態１では、溶融した錫をノズルから噴出することによって突出部２ｂを形成しているが、形成方法に特に制限はない。例えば、半導体加工技術を利用して、取付板９の表面をマスキングし表面処理することによって、溶融した錫が結合しやすい部分と結合し難い部分とを形成し、溶融した錫を所望の部分にだけ固着させても良い。また、上記表面処理後に長時間のメッキ処理を行い、突出部２ｂを柱状に成長させることによって形成しても良い。

また、この実施の形態１では、突出部２ｂを直径約５０μｍの略球状で形成した。突出部２ｂの直径を１０μｍ以下とした場合には、突出部２ｂの直径がベース板３または取付板９の平面度よりも小さくなってしまうので、ヒートシンク１と電子機器７とを圧接しても突出部２ｂは変形しない。このため、突出部２ｂの直径を１０μｍ以下とした場合には、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗は著しく大きくなってしまう。一方、突出部２ｂの直径を２００μｍ以上とした場合には、ヒートシンク１と電子機器７との圧接によって突出部２ｂは変形する。しかしながら、突出部２ｂの厚みが厚くなり、ヒートシンク１と電子機器７との間の熱抵抗が大きくなるので、突出部２ｂの直径を２００μｍ以上とした場合には、サーマルグリースを用いた場合に比べて接触熱抵抗を低減する効果はない。したがって、突出部２ｂの直径は、１０μｍ以上２００μｍ以下とすればよく、さらに好ましくは、３０μｍ以上１００μｍ以下とすればよい。

さらに、この実施の形態１では、突出部２ｂを配列するピッチを約１００μｍとして、碁盤目状に配列している。突出部２ｂを配列するピッチをこの２倍の約２００μｍとすると、圧接した際、ヒートシンク１と電子機器７との間に多くの空隙が生じるので、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗の改善効果は小さい。したがって、突出部２ｂを配列するピッチは、圧接する前の突出部２ｂの直径または幅の４倍未満が望ましい。

この実施の形態１では、碁盤目状に突出部２ｂを配列したが、突出部２ｂの配列形状は、均一な熱的接合面を得ることができればよく、千鳥状でも放射状でもよい。また、接合圧力のかかりにくい部分ほど疎に配列し、突出部２ｂの先端に均一な圧力がかかるようにしてもよい。これによって、均一な熱的接合面が得られ、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、この実施の形態１では、突出部２ｂを構成する材料として錫を用いているが、軟らかく、かつ熱伝導率の高い軟金属またはそれらを主材料とした合金が望ましい。ここで、軟金属とは、鉛、錫、インジューム、金、銀等を指す。また、突出部２ｂは、それら軟金属の中の複数の金属を積層したものでもよい。さらに、突出部２ｂを構成する材料は、ヒートシンク１および電子機器７を構成する材料よりも融点の低いものが望ましい。圧接した放熱構造物６を昇温する場合に、突出部２ｂがヒートシンク１および電子機器７を構成する材料の融点以下で軟化した方が良いためである。

さらに、取付板９を構成する材料は、突出部２ｂが固着できる材料であれば特に制約は無い。取付板９を構成する材料は、突出部２ｂより融点が高く、金属結合する材料である方が望ましい。この実施の形態１では、取付板９を構成する材料として銅を用いたが、アルミニウム、ＡｌＳｉＣなどでもよい。

また、電子素子１０と突出部２ｂとは、不要な電気的導通がないように、絶縁されていた方がよい。このため、取付板９または基板８を絶縁体としてもよい。この実施の形態１では、基板８を構成する材料としてセラミックを用いたが、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＮ_３、アルミニウムなどでもよい。

この実施の形態１では、発熱体として電子機器７の場合を示したが、発熱体は、ダイオード、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワーモジュール用のチップ、コンピュータに用いられるＣＰＵなどの電子素子、またそれらを複数基板上に搭載したパワーモジュールなどの各種電子素子を集積した基板、さらに化学反応または通電によって発熱するヒータなどの内部で熱を発生する物体でもよい。さらに、発熱体は、ヒートパイプ、ポンプ水冷システム，冷凍サイクルなどの発熱体から熱を輸送する熱輸送機器の放熱部でも良い。

また、この実施の形態１では、放熱機器としてヒートシンク１の場合を示したが、発熱体から印加される熱を放熱または吸熱する役割を果たすものであれば良く、ヒートパイプ、冷凍サイクル、ペルチェ素子等の冷却機器等でも良い。

この発明に係る電子機器７および放熱構造物６においては、発熱体である電子機器７の放熱面は、圧接によって変形する突出物２ｂで構成されているので、圧接開始時に突出部２ｂがヒートシンク１のベース板３と点接触することから、変形し易く、熱的接合状態が向上し、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。また、発熱体である電子機器７と放熱機器であるヒートシンク１とを部分的ではあるが均一に熱的に接合したものであり、熱的接合面積が接合面全体ではなく接触面積が小さい。しかしながら、サーマルグリース等に比べて突出部２ｂの熱伝導率が大きいことから、より効果的にヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、サーマルグリースを用いた場合は、熱伝導率が高くなるにつれてサーマルグリースが硬くなり、塗布し難くなる。このため、サーマルグリースと発熱体表面または放熱機器の表面との間に気泡が残留してしまい、熱抵抗に斑が生じる。しかしながら、この発明では、予め均一に、例えば、碁盤目配列または千鳥配列のように突出部２ｂを電子機器７の取付板９の表面に固着させるために、均一な熱的接合面を得ることができ、熱抵抗の斑が無くなる。

さらに、非常に煩雑な作業であるサーマルグリースの塗布を行う必要が無く、部品点数も増えないことから、作業時間の短縮が可能であり、クリーンな環境下で作業ができる。

また、ヒートシンク１と電子機器７とは結合しないことから、容易に取り外すことができ、熱的再接合が可能である。

ヒートシンク１と電子機器７との間に金属粒子または金属フィラーを含んだサーマルシートを挿入した場合には、サーマルシートに含まれる金属フィラーの両面で発熱体および放熱機器のそれぞれと熱的に接合するので、この両面において接触熱抵抗が発生する。また、多孔質シートを用いた場合、多孔質シートを単一粒子層に成形することは極めて難しく、複数の粒子の層から成る。このため、厚さが厚くなるとともに、発熱体または放熱機器とシートとの接合面だけでなく、接合面積の小さい各粒子間の接合部にも接触熱抵抗が生じるので、接触熱抵抗の低減効果が小さい。しかしながら、この発明では、電子機器７の取付板９に突出部２ｂが固着されており、この接合面における熱抵抗は著しく小さい。それゆえ、突出部２ｂとヒートシンク１のベース板３との接合面だけの接触熱抵抗となり、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、金属粒子または金属フィラーを含んだサーマルシートの場合には、破れやすくなるためある程度までしかサーマルシートを薄くすることはできない。しかしながら、この発明では、突出部２ｂの層を非常に薄くすることができ、熱抵抗を小さくすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、発熱体である電子機器７に突出部２ｂを配列した場合について示したが、実施の形態２では、放熱機器であるヒートシンク１に突出部２ａを配列した場合について示す。図３は、この発明の実施の形態２によるヒートシンク１の外観図であり、具体的には、（ａ）は、この発明の実施の形態２によるヒートシンク１の上面図であり、（ｂ）は、この発明の実施の形態２によるヒートシンク１の側面図である。

図３において、放熱機器であるヒートシンク１のベース板３には、発熱体から熱を受け取る受熱面を構成する複数の略球状の突出部２ａが実施の形態１と同様に所定のピッチで配列され、整列されている。また、ベース板３には、発熱体から受けた熱を放出する板状の放熱板４と電子機器を取り付けるための取付穴５ａとが設けられている。突出部２ａは、錫で構成されており、ベース板３と放熱板４とは、銅で構成されている。

図４は、この発明の実施の形態２によるヒートシンク１を発熱体である電子機器７に接合した放熱構造物６の外観図である。図４（ａ）は、放熱構造物６の上面図であり、（ｂ）は、この放熱構造物６の側面図である。図４において、電子機器７の取付板９の上には、電子素子１０を配列した基板８が設置されている。電子機器７は、取付板９に設けられた図示していない取付穴５ｂに挿入したボルト１１とナット１２とを用いてヒートシンク１に圧接され、放熱構造物６を構成している。ヒートシンク１と電子機器７とを圧接する際に突出部２ａが変形することによって、ヒートシンク１と電子機器７とは、熱的に接合される。電子機器７は発熱体であり、電子機器７で発した熱を放熱機器であるヒートシンク１から放熱する。

放熱構造物６においては、ヒートシンク１と電子機器７との圧接開始時に、突出部２ａの先端と取付板９とが点接触する。このため、圧接開始時に突出部２ａと取付板９とが接触する面積は小さく、圧接によって加えられる力が局所的に集中して働き、突出部２ａと取付板９との接触部に高い圧力が発生するので、突出部２ａが容易に変形する。

二平面間を圧接する場合、平面の歪みおよび表面の微細な凹凸のために、熱的接合面積が小さい局部的な接合状態となり、それゆえ大きな熱抵抗が生じる。また、取付板９の平面度が悪かったり、突出部２ａの高さがばらついたりすることによって取付板９と突出部２ａとの間に隙間が生じる場合がある。しかしながら、この放熱構造物６では、突出部２ａが取付板９の表面形状に沿って変形するので、このような隙間は小さくなり、取付板９と突出部２ａとは、接合面内で均一に接触するようになる。また、ヒートシンク１と電子機器７とを圧接する際、突出部２ａが変形し、表面の微細な凹凸にも侵入するので、良好な熱的接合部が形成される。

この発明に係るヒートシンク１および放熱構造物６においては、放熱機器であるヒートシンク１の受熱面は、圧接によって変形する突出物２で構成されているので、圧接開始時に突出部２ａが電子機器７の取付板９と点接触することから、変形し易く、熱的接合状態が向上し、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。また、発熱体である電子機器７と放熱機器であるヒートシンク１とを部分的ではあるが均一に熱的に接合したものであり、熱的接合面積が接合面全体ではなく接触面積が小さい。しかしながら、サーマルグリース等に比べてこの突出部２ａの熱伝導率が大きいことから、より効果的にヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、サーマルグリースを用いた場合には、熱伝導率が高くなるにつれてサーマルグリースが硬くなり、塗布し難くなる。このため、サーマルグリースと発熱体表面または放熱機器の表面との間に気泡が残留してしまい、熱抵抗に斑が生じる。しかしながら、この発明では、予め均一に、例えば、碁盤目配列または千鳥配列のように突出部２ａをヒートシンク１のベース板３表面に固着させるために、均一な熱的接合面を得ることができ、熱抵抗の斑が無くなる。

さらに、非常に煩雑な作業であるサーマルグリースの塗布を行う必要が無く、部品点数も増えないことから、作業時間の短縮が可能であり、クリーンな環境下で作業ができる。

また、ヒートシンク１と電子機器７とは結合しないことから、容易に取り外すことができ、熱的再接合が可能である。

ヒートシンク１と電子機器７との間に金属粒子または金属フィラーを含んだサーマルシートを挿入した場合には、サーマルシートに含まれる金属フィラーの両面で発熱体および放熱機器のそれぞれと熱的に接合するので、この両面において接触熱抵抗が発生する。また、多孔質シートを用いた場合、多孔質シートを単一粒子層に成形することは極めて難しく、複数の粒子の層から成る。このため、厚さが厚くなるとともに、発熱体または放熱機器とシートとの接合面だけでなく、接合面積の小さい各粒子間の接合部にも接触熱抵抗が生じるので、接触熱抵抗の低減効果が小さい。しかしながら、この発明では、ヒートシンク１のベース板３に突出部２ａが固着されており、この接合面における熱抵抗は著しく小さい。それゆえ、突出部２ａと電子機器７の取付板９との接合面だけの接触熱抵抗となり、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、金属粒子または金属フィラーを含んだサーマルシートの場合には、破れやすくなるためある程度までしかサーマルシートを薄くすることはできない。しかしながら、この発明では、突出部２ａの層を非常に薄くすることができ、熱抵抗を小さくすることができる。

実施の形態３．
実施の形態２に示したヒートシンク１の他の例について示す。図５はヒートシンク１の外観図および断面図であり、具体的には、（ａ）はヒートシンク１の上面図であり、（ｂ）はヒートシンク１の断面図である。図５に示したヒートシンク１は、ベース板３の表面に凹凸を設け、その凸部に突出部２ａを設けたものである。

また、図６はヒートシンク１も外観図および断面図であり、具体的には、（ａ）はヒートシンク１の上面図であり、（ｂ）はヒートシンク１の断面図である。ベース板３の表面に凹凸を設け、その全体を突出部２ａで覆ったものである。図６に示すように、ベース板３の表面の凹凸を利用して、突出部２ａを形成しても良い。ヒートシンク１のベース板３の表面に凹凸をつける方法としては、エッチング処理または機械加工でも良いし、金属粒子を焼結させて形成しても良い。

図７は電子機器７およびヒートシンク１の断面図であり、具体的には、（ａ）は電子機器７の断面図であり、（ｂ）はヒートシンク１の断面図である。図７に示すように突出部２ａに対向する取付板９の面に凹凸を設けてもよい。取付板９の突出部２ａに対向する部分に凸部を設けることによって、ヒートシンク１と電子機器７とを圧接する際、突出部２ａを確実に変形させることができる。

また、図８はヒートシンク１の外観図であり、（ａ）はヒートシンク１の上面図であり、（ｂ）はヒートシンク１の側面図である。図８に示すようにヒートシンク１にビード状に突出部２ａを配列している。このようにビード状に突出部２ａを配列しても、突出部２ａは圧接によって容易に変形するので、ヒートシンク１と電子機器７との接触熱抵抗を低減させることができる。

図９は電子機器７およびヒートシンク１の断面図であり、具体的には、（ａ）は電子機器７の断面図であり、（ｂ）はヒートシンク１の断面図である。ヒートシンク１に対向する取付板９の面は、図４に示すように滑らかな平面でも良いし、図９に示すように突出部２ａの間にあたる部分に山形に凸部を設けても良い。図９のように取付板９の面の突出部２ａの間にあたる部分に山形の凸部を設けると、突出部２ａが取付板９の凹部に入り込み、突出部２ａと取付板９との接合面積を増加させ、ヒートシンク１と電子機器７との接触熱抵抗をより低減させることができる。

図１０は、電子機器７およびヒートシンク１の断面図であり、具体的には、（ａ）は電子機器７の断面図であり、（ｂ）はヒートシンク１の断面図である。図１０に示すように、突出部２ａに取付板９の面の山形の凸部が突き刺さるように配列しても良い。突出部２ａに取付板９の面の山形の凸部が突き刺さるように配列することによって、ヒートシンク１と電子機器７とを圧接する際、突出部２ａを確実に変形させることができる。

さらに、図１１はヒートシンク１の上面図および断面図であり、具体的には、（ａ）はヒートシンク１の上面図であり、（ｂ）はヒートシンク１の断面図である。図１１に示すように格子状に突出部２ａを設けても良い。図１１に示したヒートシンク１に対向する取付板９の面は、図４に示すように滑らかな平面でも良いし、図１２に示すように、突出部２ａの間にあたる部分に山形の凸部を設けても良い。図１２は、電子機器７の上面図および断面図であり、具体的には、（ａ）は電子機器７の上面図であり、（ｂ）は電子機器７のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は電子機器７のＢ−Ｂ断面図である。

図５から図１２に示したヒートシンク１およびこのヒートシンク１を用いた放熱構造物６によれば、実施の形態１に示したヒートシンク１および放熱構造物６と同様の効果を得ることができる。放熱機器であるヒートシンク１の受熱面は、圧接によって変形する突出物２ａで構成されているので、突出部２ａが電子機器７の取付板９と点接触することから、変形し易く、熱的接合状態が向上し、また突出部２ａの層を非常に薄くすることができ、熱抵抗が小さくなる。また、発熱体である電子機器７と放熱機器であるヒートシンク１とを部分的ではあるが均一に熱的に接合したものであり、熱的接合面積が接合面全体ではなく接触面積が小さいが、この突出部２ａの熱伝導率が大きいことから、より効果的にヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。

さらに、この発明では、ヒートシンク１のベース板３に突出部２ａが固着されており、この接合面における熱抵抗は著しく小さい。それゆえ、突出部２ａと電子機器７の取付板９との接合面だけの接触熱抵抗となり、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減することができる。

また、ヒートシンク１と電子機器７とは結合しないことから、容易に取り外すことができ、また熱的再接合が可能である。

さらに、予め均一に、例えば、碁盤目配列または千鳥配列のように突出部２ａをヒートシンク１のベース板３表面に固着させるために、均一な熱的接合面を得ることができ、熱抵抗の斑が無くなる。

また、図５および図６に示した取付板９の表面に山形の凸部を設けた場合、この凸部の傾斜面と突出部２ａとが接触することから、ヒートサイクルなどによる物体の水平方向の伸縮が生じた場合でも、突出部２ａと取付板９に設けた山形の凸部のいずれかの傾斜面とが接触することができる。また、取付板９の表面は従来、表面粗さが小さいほど良いと考えられているが、本発明では表面の凹凸部に突出部２ａが侵入し接触熱抵抗を小さくするので、取付板９の表面粗さを粗くしても良い。

この実施の形態３に示した突出部２ａと同様の突出部２ｂを電子機器７の放熱面に設けた場合にも、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４.
図１３は、実施の形態４によるヒートシンク１の断面図である。図に示すように、この実施の形態４によるヒートシンク１は、突出部２ａの内部に空隙１３を設けることによって、突出部２ａの変形をよりし易くし、取付板９と突出部２ａとの接触状態をより向上させたものである。電子機器７とヒートシンク１とを圧接する際、この空隙１３が潰れるので、より容易に突出部２ａが変形し、突出部２ａと取付板９との接合状態が向上する。このため、突出部２ａと取付板９との熱的接合状態を向上することができ、ヒートシンク１と電子機器７との接触熱抵抗を低減することができる。

突出部２ａの内部に空隙１３を設ける方法としては、図１４に示すように、ベース板３の表面に突出部２ａの層を形成し、エッチングまたは機械加工によって、この層の表面を複数の円錐状または四角推状に成形し、押圧する押圧冶具１４をこれら突起の上面に滑らすことによって、突出部２ａを半円弧状に成形し、形成すれば良い。

このように、内部に空隙１３を設けた半円弧状の突出部２ａがヒートシンク１の表面に形成され、この突出部２ａの曲率のために生じる復元力によって、接合状態が向上することができ、ヒートシンク１と電子機器７との間の接触熱抵抗を低減できる。

また、図１５に示すように、溶融した略球状の錫を半円弧状に固着し、内部に空隙１３を有する突出部２ａを形成してもよい。

この実施の形態４に示した突出部２ａと同様の突出部２ｂを電子機器７の放熱面に設けた場合にも、同様の効果を得ることができる。

実施の形態５.
図１６は、実施の形態５によるヒートシンク１を示す断面図である。図に示すように、この実施の形態５によるヒートシンク１は、突出部２ａの内部に弾性体である樹脂製の粒子１５を設けたものである。

突出部２ａが経年変化等によって塑性変形し、復元力が無くなった場合、取付板９と突出部２ａとの間に隙間が生じる可能性がある。ヒートシンク１においては、突出部２ａ内に弾性体である樹脂製粒子１５を挿入するので、低下した復元力を補うことができ、長期間、良好な接合状態を確保することができる。このため、突出部２ａと取付板９との熱的接合状態を向上することができ、ヒートシンク１と電子機器７との接触熱抵抗を低減することができる。

突出部２ａ内部に樹脂製粒子１５を設ける方法としては、樹脂製粒子１５をヒートシンク１のベース板３の表面に配列し、その周囲を錫等の金属で被覆し、突出部２ａを形成すればよい。また、錫等の金属で予め被覆した樹脂製の粒子１５をヒートシンク１のベース板３表面に設け、昇温し固着させ、突出部２ａを形成しても良い。

この実施の形態５では、弾性体として樹脂製粒子１５を用いたが、弾性を有するものであれば何でもよく、金属製のバネなどでもよい。

この実施の形態５に示した突出部２ａと同様の突出部２ｂを電子機器７の放熱面に設けた場合にも、同様の効果を得ることができる。

実施の形態６.
図１７は、実施の形態５による放熱構造物６を示す断面図である。図に示すように、ヒートシンク１のベース板３および電子機器７の取付板９の両面に突出部２ａ，２ｂを設けたものである。

この実施の形態６による放熱構造物６は、実施の形態１の接合状態を更に向上させたものであり、ベース板３と取付板９との両面に突出部２ａ，２ｂを設けたことによって、両方の突出部２ａ，２ｂがそれぞれ変形するので、突出部２ａと突出部２ｂとの熱的接合状態が向上し、ヒートシンク１と電子機器７との接触熱抵抗が低減される。

また、突出部２ａ，２ｂに鉛等を用いた場合は、突出部２ａと突出部２ｂとの間の接合面で金属結合する場合がある。この場合は、ベース板３または取付板９のどちらか一方に突出部２ａ,２ｂを配列した場合より、さらに熱抵抗が小さくなるので有効である。

実施の形態７.
図１８は、実施の形態６によるヒートシンク１を示す断面図である。図に示すように、突出部２ａの表面にサーマルグリース１６を塗布したものである。

実施の形態２では、ヒートシンク１と電子機器７との間にわずかな隙間が存在する場合がある。この実施の形態７によるヒートシンク１は、突出部２ａの表面にサーマルグリース１６を塗布するので、サーマルグリース１５を介した突出部２ａと取付板９との間の熱的接合が付加されることから、ヒートシンク１と電子機器７との接触熱抵抗がより低減できる。

また、実施の形態２においては、例えばヒートサイクルによる物体の伸縮または突出部２ａの経年変化（塑性変形）等によって、突出部２ａと取付板９との間に隙間が生じる可能性がある。この隙間が生じた場合、熱的接合部が減少するため、熱抵抗が大きくなる。しかしながら、この実施の形態６では、突出部２ａの表面に流動性またはより柔軟性を有するサーマルグリース１６を塗布または装着したことによって、突出部２ａと取付板９との間の隙間を補うので、熱抵抗の上昇を防止し、より信頼性が向上する。なお、この実施の形態６では、突出部２ａの表面にサーマルグリース１６を塗布したが、サーマルグリース１６に替わって任意の温度以上になると流動化する相変化シートのような流動性のあるものを用いてもよい。

この実施の形態７では、ヒートシンク１の突出部２ａの表面にサーマルグリースを塗布した場合について示したが、電子機器７の突出部２ｂの表面にサーマルグリースを塗布した場合についても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態８.
図１９は、実施の形態７による放熱構造物２１の外観図および断面図である。具体的には、（ａ）はこの放熱構造物２１の上面図であり、（ｂ）はその側面図である。また、（ｃ）は放熱構造物２１のＡ−Ａ断面図であり、（ｄ）は放熱構造物２１のＢ−Ｂ断面図である。図に示すように、ヒートシンク２６は冷却水を用いて放熱するため、内部に冷却水が通流する冷却水流路２７を有し、その側面に冷却水入口２８および冷却水出口２９が設けられている。ヒートシンク２６の略中央には、上面と下面とを連結し、その内部に固定穴３０ａを有する連結柱３１が設けられている。電子機器２２の略中央にも、ヒートシンク２６と同様に固定穴３０ｂが設けられており、この固定穴３０ａおよび３０ｂに挿入したボルト１１を介してヒートシンク２６と電子機器２２とが接合されている。

ここで、電子機器２２の基板２３は、実施の形態１の電子機器７の基板８に相当する。また、電子機器２２の取付板２４は、実施の形態１の電子機器７の取付板９に相当し、電子機器２２の電子素子２５は、実施の形態１の電子機器７の電子素子１０に相当する。

パワーモジュールのような電子機器２２は、電子素子２５の細密構造が望まれ、電子機２２の中央に電子素子２５が配置され、電子機器２２の周辺部にヒートシンク２６を取り付けるための取付穴５ｂが設けられている。電子機器２２は、この取付穴５ａ，５ｂにボルト１１などを通してヒートシンク２６に固定され、電子機器２２とヒートシンク２６とが熱的に接合される。その際、周辺部だけが固定されている場合は、電子機器２２の中央部とヒートシンク２６の中央部との間の圧接力が弱く、この部分の熱抵抗が大きくなる。これは、実施の形態１のようにヒートシンク１に突出部２ａを配列し接合した場合も、サーマルグリースまたはサーマルシートを設置し接合した場合も同様である。

しかしながら、この実施の形態８による放熱構造物２１では、ヒートシンク２６の略中央に上下面を連結した連結柱３１が設けられており、この連結柱３１の中に設けられた固定穴３０ａおよび電子機器２２の略中央に設けられた固定穴３０ｂに挿入したボルト１１を介して、ヒートシンク２６と電子機器２２が固定されている。このため、ヒートシンク２６の中央部と電子機器２２の中央部との圧接力が強くなり、ヒートシンク２６と電子機器２２との接触熱抵抗が低減できる。

この実施の形態８による放熱構造物２１は、ヒートシンク２６と電子機器２２とにかかる圧接力が向上するように、放熱構造物２１の略中央に上面と下面とを連結し、ヒートシンク２６の内部に固定穴３０ａを有する連結柱３１が一つまたは複数設けられたものであり、その他の構成に関しては、特に限定されない。図２０は、実施の形態７に係る放熱構造物２１の別の例を示すものであり、放熱構造物２１の外観図および断面図である。具体的には、（ａ）はこの放熱構造物２１の上面図であり、（ｂ）はその側面図である。また、（ｃ）は放熱構造物２１のＡ−Ａ断面図であり、（ｄ）は放熱構造物２１のＢ−Ｂ断面図である。

冷却水流路２７は、図１９に示すような直線的な形状に限定されず、図２０に示すようなＵ字型の形状でも良い。また、冷却水流路は、蛇行する形状または二層構造の形状等でも良い。さらに、冷却水流路２７には、熱伝達特性を向上させるために、フィンまたは乱流促進体を設けても良い。また、冷却水入口２８および冷却水出口２９の取付け位置も図１９に示すように対向面に設ける場合に特に限定されず、図２０に示すように同一面に設けても良い。また直交する面にそれぞれ設けても良い。なお、図１９に示す放熱構造物２１では、連結柱３１が冷却水流路２７中に複数に分離して配置されているが、図２０に示すように各連結柱３１が一体構成となったリブ状に形成しても良く、また、冷却水流路２７を区切る仕切り板の役割を有しても良い。

図２１は、実施の形態８による放熱構造物２１の別の例を示すものであり、放熱構造物２１の断面図である。図１９および図２０では、電子機器２２にヒートシンク２６の固定穴３０ａに対応する位置に貫通する固定穴３０ｂを設け、ボルト１１およびナット１２で固定する構造を示した。図２１に示すように、ヒートシンク２６の連結柱３１に片端止めのネジ穴３２ａを設け、ボルト１１を用いて固定しても、同様の効果を得ることができる。

図２２は、実施の形態８による放熱構造物２１の別の例を示すものであり、放熱構造物２１の断面図である。図２２に示すように、ヒートシンク２６の両側に電子機器２２を設け、固定穴３０ａ，３０ｂに挿入したボルト１１およびナット１２によってヒートシンク２６と電子機器２２とを固定しても良い。

また、電子機器２２にボルト１１をロウ付けするなどして、電子機器２２とボルト１１とを一体構成としても良い。さらに、ばね座金等のばね機構を利用して固定しても良い。

以上のような放熱構造物２１を用いれば、サーマルグリース、サーマルシートまたは多孔質シートを用いた場合でも、実施の形態１から６に示した圧接によって変形する突出物２ａを配列したヒートシンク１を用いた場合でも、ヒートシンク２６の中央部と電子機器２２の中央部との圧接力が強くなり、ヒートシンク２６と電子機器２２との接触熱抵抗を低減することができる。

実施の形態９.
図２３は、実施の形態８による放熱構造物２１を示す断面図である。図に示すように、この放熱構造物２１は、取付板９の裏面に片端止めのネジ穴３２ｂを設け、放熱構造物２１の中央をヒートシンク２６側から固定できるようにしたものである。

実施の形態８では、電子機器２２の上面の中央にボルト１１またはナット１２などの固定用冶具を装着するために、電子機器２２の上面の中央にその設置スペースが必要となり、電子素子８等の配置に制約が生じるとともに、絶縁用キャップの装着、絶縁材料の充填等の電気的絶縁を取る必要が生じる。また、電子機器２２とボルト１１とが一体型の場合、電子機器２２にボルト部分である突起が形成されるため、搬送用の収納スペースが大きくなり、搬送し難い。そこで、図に示すように、電子機器２２の略中央の取付け面側に開口を有する片端止めのネジ穴３２ａ，３２ｂを設けることによって、ヒートシンク２６側から固定することができ、電子素子８等を自由に配置することができ、電気的絶縁を取る必要がなくなる。

また、電子機器２２の種類によっては、ネジ穴３２ａを設置する部分が材質的に脆く、ネジ穴３２ｂを設けることが難しい場合がある。そのような場合においては、図２４に示すように取付板２４にヘリサート３３を装着すると良い。ヘリサート３３を装着することによって、例えば電子機器２２の基板がセラミックのように脆い材料で製作されている場合でも、ヒートシンク２６と電子機器２２とを確実に強固に固定することができる。

実施の形態１０.
熱交換器４１においては、伝熱管４２の外径より小さな貫通孔４４を有するフィン４３に伝熱管４２を押し入れ、挿入する方法または伝熱管４２の外径より大きな貫通孔４４を有するフィン４３に伝熱管４２を挿入後、伝熱管４２の直径を大きくする拡管を用いることによって、伝熱管４２とフィン４３とを圧接する。これによって、貫通孔４４の内表面と伝熱管４２の外表面との接合状態を向上させ、伝熱管４２とフィン４３との接合部の接触熱抵抗を低減させる。しかしながら、伝熱管４２とフィン４３を圧接するだけでは、熱抵抗をある程度低減する効果はあるものの、接合面の歪みまたは表面の微細な凹凸（表面粗さ）のために、その効果は比較的小さい。また、伝熱管４２の外形状が多角形、楕円形または板状のものである場合には、偏当りが著しく、熱抵抗が非常に大きい。

図２５は、この実施の形態９による熱交換器４１の外観図であり、具体的には、（ａ）は、この熱交換器４１の正面図であり、（ｂ）は、この熱交換器４１の側面図である。また、図２６は、実施の形態９による熱交換器４１を構成する伝熱管４２の外観図であり、（ａ）はこの熱交換器４１を構成する伝熱管４２の正面図であり、（ｂ）はこの伝熱管４２の側面図である。さらに、図２７は、実施の形態９による熱交換器４１を構成するフィン４３の外観図であり、（ａ）はこの熱交換器４１を構成するフィン４３の正面図を示すものであり、（ｂ）はこのフィン４３の側面図を示すものである。

伝熱管４２の外表面には、錫でできたビード状の突出部２ｃが所定のピッチで配列されている。また、フィン４３は、伝熱管４２の直径よりも少し大きい貫通孔４４を有している。熱交換器４１は、フィン４３の貫通孔４４に伝熱管４２を挿入し、拡管することによって形成される。伝熱管４２を拡管する際、伝熱管４２とフィン４３とが圧接され、突出部２ｃの先端と貫通孔４４の内表面とが点接触し、突出部２ｃと貫通孔４４の内表面との接合部に高い圧力が発生し、突出部２ｃが容易に変形する。突出部２ｃが変形し、伝熱管４２とフィン４３との熱的接合状態が向上するので、実施の形態１の放熱構造物６と同様に、伝熱管４２とフィン４３との間の接触熱抵抗を低減することができる。特に、焼ばめすることによって、その接合状態を良好にすることができる。また、貫通孔４４に伝熱管４２を挿入後、伝熱管４２に楔を押入しても、同様の効果が得られる。

この実施の形態１０では、拡管することによって伝熱管４２とフィン４３とを圧接する場合について説明したが、伝熱管４２の外径より小さな貫通孔４４を有するフィン４３に伝熱管４２を押し入れ、挿入する方法を用いて圧接する場合も同様の効果が得られる。

また、この実施の形態１０では、外表面に突出部２ｃを配列した伝熱管４２と貫通孔４４を有するフィン４３とを用いて熱交換器４１を構成した場合について説明したが、貫通孔４４を有し、その内表面に突出部２ｃを配列したフィン４３と伝熱管４２とを用いて熱交換器４１を構成した場合も同様の効果を得ることができる。

さらに、この実施の形態１０では、伝熱管４２は円形のものであったが、伝熱管４２の形状は特に限定されず、多角形、楕円形、板状等でもよい。従来、伝熱管４２の形状が円形でない場合には、挿入時の接合状態は悪いため、熱抵抗の低減効果は円形である場合よりも大きい。

また、この実施の形態１０では、伝熱管４２は中空の管としたが、中空ではない棒または板でもよい。

さらに、この実施の形態１０では、熱交換器２６の場合について示したが、ヒートシンクにおいてベース板にフィンを取り付けたり、このフィンに二次フィンを取り付けたりする場合にも、この発明を利用することができる。ベース板もしくはフィン、またはフィンもしくは二次フィンに圧接によって変形する突出部２ｃを所定のピッチで配列し、ベース板とフィンとを、またはフィンと二次フィンとを圧接することによって、両者の間の熱抵抗を低減することができる。

実施の形態１を示す電子機器の外観図である。 実施の形態１を示す放熱構造物の外観図である。 実施の形態２を示すヒートシンクの外観図である。 実施の形態２を示す放熱構造物の外観図の外観図である。 実施の形態３を示すヒートシンクの上面図および断面図である。 実施の形態３を示すヒートシンクの上面図および断面図である。 実施の形態３を示す電子機器およびヒートシンクの断面図である。 実施の形態３を示すヒートシンクの外観図である。 実施の形態３を示す電子機器およびヒートシンクの断面図である。 実施の形態３を示す電子機器およびヒートシンクの断面図である。 実施の形態３を示すヒートシンクの上面図および断面図である。 実施の形態３を示す電子機器の上面図および断面図である。 実施の形態４を示すヒートシンクの断面図である。 実施の形態４を示すヒートシンクの製造途中の断面図である。 実施の形態４を示すヒートシンクの断面図である。 実施の形態５を示すヒートシンクの断面図である。 実施の形態６を示す電子機器およびヒートシンクの断面図である。 実施の形態７を示すヒートシンクの断面図である。 実施の形態８を示す放熱構造物の外観図および断面図である。 実施の形態８を示す放熱構造物の外観図および断面図である。 実施の形態８を示す放熱構造物の断面図である。 実施の形態８を示す放熱構造物の断面図である。 実施の形態９を示す放熱構造物の断面図である。 実施の形態９を示す放熱構造物の断面図である。 実施の形態１０を示す熱交換器の外観図である。 実施の形態１０を示す伝熱管の外観図である。 実施の形態１０を示すフィンの外観図である。

符号の説明

１ ヒートシンク、 ２ａ，２ｂ，２ｃ 突出部、 ３ ベース板、 ４ 放熱板、 ５ａ，５ｂ 取付穴、 ６ 放熱構造物、 ７ 電子機器、 ８ 基板、 ９ 取付板、 １０ 電子素子、 １１ ボルト、 １２ ナット、 １３ 空隙、 １４ 押圧冶具、 １５ 樹脂製粒子、１６ サーマルグリース、 ２１ 放熱構造物、 ２２ 電子機器、 ２３ 基板、 ２４ 取付板、 ２５ 電子素子、 ２６ ヒートシンク、 ２７ 冷却水流路、 ２８ 冷却水入口、 ２９ 冷却水出口、 ３０ａ，３０ｂ 固定穴、 ３１ 連結柱、 ３２ａ，３２ｂ ネジ穴、 ３３ ヘリサート、 ４１ 熱交換器、 ４２ 伝熱管、 ４３ フィン、 ４４ 貫通孔。

Claims (14)

1. 放熱機器と接触する放熱面は、圧接によって変形する突出部を配列して構成されたことを特徴とする発熱体。
2. 突出部は、軟金属で構成されたことを特徴とする請求項１記載の発熱体。
3. 突出部は、内部に空隙を備えたことを特徴とする請求項１記載の発熱体。
4. 突出部は、半円弧状であることを特徴とする請求項１記載の発熱体。
5. 突出部は、内部に弾性体を備えたことを特徴とする請求項１記載の発熱体。
6. 発熱体と接触する受熱面は、圧接によって変形する突出部を配列して構成されたことを特徴とするヒートシンク。
7. 突出部は、軟金属で構成されたことを特徴とする請求項６記載のヒートシンク。
8. 突出部は、内部に空隙を備えたことを特徴とする請求項６記載のヒートシンク。
9. 突出部は、半円弧状であることを特徴とする請求項６記載のヒートシンク。
10. 突出部は、内部に弾性体を備えたことを特徴とする請求項６記載のヒートシンク。
11. 放熱機器と、前記放熱機器と接触する放熱面が圧接によって変形する突出部を配列して構成された発熱体とを備えたことを特徴とする放熱構造物。
12. 発熱体と、前記発熱体と接触する受熱面が圧接によって変形する突出部を配列して構成された放熱機器とを備えたことを特徴とする放熱構造物。
13. 貫通孔を設けたフィンと、外表面に突出部を配列し前記貫通孔に挿入された伝熱管とを備え、前記突出部は、圧接によって変形することを特徴とする熱交換器。
14. 貫通孔および前記貫通孔の内表面に突出部を配列したフィンと、前記貫通孔に挿入された伝熱管とを備え、前記突出部は、圧接によって変形することを特徴とする熱交換器。
    
    

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