JP2006210611A - 放熱フィンを備えたヒートシンク及びその製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性に優れ、冷却効果の高いヒートシンク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一方の面に発熱素子が熱的に接続される熱拡散板材７と、熱拡散板材７の他の面に接続され、その頭部における放熱面積がその脚部における放熱面積よりも大きい複数の放熱フィン部１とを備える。また、製造方法にあっては、平行に並んだ所定枚の放熱板材の一端部を半田付けにより貼り合わせて放熱フィン部１の脚部を形成し、他端部を互いに重ならないようにして折り曲げ、斜め上方に開いた放熱フィン部１の頭部を形成して放熱フィン部１を製造する工程と、放熱フィン部１を熱拡散板材７に半田により固定する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱フィン用いたヒートシンク及びその製造方法に関する。

年々増大する電子機器のＬＳＩ（Large Scale Integration：大規模集積回路）、ＣＰＵ、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果型トランジスタ）、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor：金属酸化物半導体)、トランジスタ等の発熱素子からの発熱を放熱するためには、発熱素子上にヒートシンク等の冷却体を密着させて、発熱素子の熱をヒートシンクに移動させて放熱する方法が一般的に知られている。

冷却体としては、熱伝性の金属材、例えば板材、ブロック等があり、発熱素子からの熱を金属ブロックで受熱し、次いで、金属ブロックに取付けられた放熱フィンによって、放熱する。このような放熱フィンを備えたヒートシンクが、広く利用されている。板材と放熱フィンが一体的に形成されたヒートシンクも広く利用されている。

他方、電子機器は、放熱冷却だけでなく、更に電気ノイズ対策が要求されるようになり、装置内部を金属製シールド板材で囲っている。金属製シールド板材と放熱フィンを組み合わせたヒートシンクが、例えば、特許文献１に開示されている。

また、従来のヒートシンクは、発熱素子に密着接合しやすいように銅製の平らな板状の熱拡散板材を有し、熱拡散板材における発熱素子が位置する面と反対側に位置する面には、銅製の薄板の複数枚のフィンが設けられている構造を有している。

このような構造のヒートシンクにおいては、発熱素子から発生した熱は、発熱素子と密着して配置された熱拡散板材によって熱拡散板材の全体に拡散され、このように熱拡散板材に拡散された熱は、さらに、熱拡散板材に取り付けられた放熱フィンによって、大気中または所定の位置に放熱されることになる。

従来使用されているヒートシンクとして、アルミニウムの一体成型品として押出成型されたヒートシンクが提供されている。しかしながら、アルミニウムの一体成型品として押出成型されたヒートシンクは、放熱フィン間のピッチを小さくすると成型が技術的に難しく、放熱フィン間の細密化に限りがあり、したがって、放熱フィンの数が所定の数に満たない状態に限定されて、十分な放熱効果が得られないという問題点がある。

上述した問題点を解決して、より優れた放熱効果を得るために、一体成型ではなく、熱拡散板材、および、熱拡散板材の一方の面に、ロウ付けにより接合するか、または、機械接合する方法が提案されている。

図６に示すように、発熱素子２５と熱拡散板材２１と比較して、発熱素子２５の方がはるかに小さい。それゆえに、銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた材料を熱拡散板材として用いて、小さい発熱素子からの熱を大きい熱拡散板材として用いて、小さい発熱素子からの熱を大きい熱拡散板材の全体に広げる必要がある。特に銅は、熱伝導性に優れているので、ヒートシンクの熱拡散板材の材料として広く知られている。しかしながら、銅は重量が大きく、しかも、発熱素子と直接密着させる必要があるので、銅製の熱拡散板材の荷重が、発熱素子へ与えるダメージを軽減するための耐強度構造（例えば、回路基盤への部品取り付け具を用いる等）を必要とする。

さらに、パーソナルコンピュータ、ゲーム機、オーディオ装置等各種電子機器は、著しく軽量・小型化が進み、重量の大きい銅製熱拡散板材をしようすることができる状況が少なくなったり、使用するスペースを確保するのが難しく、銅製熱拡散板材の使用そのものが困難になってきている。

一方で、発熱素子等の集積度は一層高まり、処理能力が高まるにつれて、発熱素子からの発熱量が多くなって、発熱素子を安定的に正常に作動させるためには、一層優れた放熱効果が要求される。

上述したように、銅製熱拡散板材はその優れた熱伝導性にもかかわらず、重量が大きく、使用することが困難である。したがって、熱拡散板材の材料としてアルミニウムを使用する場合に、ヒートシンクの放熱効果を一層高めるための要求を満たさなければならないのが現状である。

放熱フィン部を熱拡散板材の一方の面に機会接合することによって作製されたヒートシンクにおいては、放熱中の定常状態における熱拡散板材内温度分布は、発熱素子が取り付けられる熱拡散板材の中央部において最も温度が高く、発熱素子から離れるにしたがって温度が低くなっている。したがって、熱拡散板材の一方の面に接合され熱的に接続している複数枚の放熱フィンの温度が最も高く、熱拡散板材の中央部から離れた端部の放熱フィンほど温度は低い状態である。

さらに、放熱フィンの高さ方向においても温度分布が存在し、熱拡散板材に熱的に接続している放熱フィンの根本部が最も温度が高く、根本部から遠ざかるにつれて、放熱フィンの温度は低くなっている。これは、放熱フィン内の熱の移動が個体熱伝導によって行われていることによる。

しかしながら、放熱効率の観点からは、ヒートシンクの各部分において温度差が出来る限り少ないことが望ましい。昨今、上述したように、発熱素子の発熱量が増大するとともに、発熱素子のチップが小型化し、結果的に、発熱密度が急激に増大する傾向にあり、ヒートシンクの性能アップが急務となっている状況では、とりわけ、上述したヒートシンクの各部分における温度差を少なくして、放熱効率を高めることが強く要求されている。
特開２００１−５７４０５号公報 特開平５−１６０３１１号公報

しかしながら、特許文献２に開示されるヒートシンクは、熱拡散板材とヒートシンクとの間は接着剤で密着されており、熱伝導性に優れていない。したがって、発熱素子から発生する熱は、ヒートシンクに伝わりにくく、冷却効果を悪くする一因となっている。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、熱伝導性に優れ、冷却効果の高いヒートシンクを提供する。

本発明に係る放熱フィンを備えたヒートシンクの第１の態様は、一方の面に発熱素子が熱的に接続される熱拡散板材材と、熱拡散板材材の他の面に接続され、その頭部における放熱面積がその脚部における放熱面積よりも大きい複数の放熱フィン部とを備えている放熱フィンを備えたヒートシンクである。

これにより、ヒートシンクは、頭部の放熱面積が脚部の放熱面積よりも広いため放熱効果が高くなり、効率的な冷却効果を得る。

本発明に係る放熱フィンを備えたヒートシンクの第２の態様は、放熱フィン部の各々が、少なくとも垂直な脚部および斜め上方に開いた頭部を備えた複数枚の放熱フィンからなり、頭部が概ねＹ字型に形成され、脚部が対向して形成される放熱フィンを備えたヒートシンクである。

これにより、複数の放熱フィンを使用することで、ヒートシンクの放熱効果がさらに高まる。

本発明に係る放熱フィンを備えたヒートシンクの第３の態様は、対向する脚部の間に半田を介在させ、脚部同士を熱的に接続した放熱フィンを備えたヒートシンクである。

これにより、対向する脚部の間に半田を介在させることによって、放熱フィンへの熱伝導率が高まる。

本発明に係る放熱フィンを備えたヒートシンクの第４の態様は、放熱フィン部の頭部が２０度以上１００度以下の範囲内に開口した概ねＹ字型に形成される放熱フィンを備えたヒートシンクである。

概ねＹ字型の形状を有する放熱フィンの頭部の角度が２０度未満であると、放熱効率が薄れ、１００度超であると、熱拡散板材の面に形成される放熱フィン部を蜜に設置できない。この態様により、最適な放熱効率が得られ、かつ、熱拡散板材の面に密接に放熱フィンを設置できる。

本発明に係る放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法の第１の態様は、平行に並んだ所定枚の放熱板材の一端部を半田付けにより貼り合わせて放熱フィン部の脚部を形成し、他端部を互いに重ならないようにして折り曲げ、斜め上方に開いた放熱フィン部の頭部を形成して放熱フィン部を製造する工程と、放熱フィン部を熱拡散板材に半田により固定する工程とを含む放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法である。

本発明に係る放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法の第２の態様は、放熱フィン部の頭部が２０度以上１００度以下の範囲内で開口し、概ねＹ字型であることを特徴とする放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法である。

本発明に係る放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法の第３の態様は、放熱板材の中心部と中心部から等間隔にあたる２箇所を折り曲げて、熱拡散板材に対し垂直となる２本の脚部と、山型の頭部を備えた複数枚の放熱フィンを作る工程と、複数枚の放熱フィンの脚部を対向して並べ、対向する脚部同士を半田付けにより貼り合わせて放熱フィン部を形成する工程と、放熱フィン部を熱拡散板材に半田により固定する工程とを含む放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法である。

本発明の放熱フィンを備えたヒートシンクは、放熱フィンを熱拡散板材に接続する際に半田を利用することにより、熱拡散板材から放熱フィンへの熱伝導性が高まる。そのため、発熱素子等の電子機器から発生する熱は、従来と比較して、効率的に冷却される。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明のヒートシンクを備えた電子回路基板の概略構成を示す斜視図である。図１で示すように、電子回路基板５には、図示しない発熱素子と、その発熱素子の周辺に複数のメモリ３が設置されている。さらに、発熱素子の面のうち、電子回路基板５に設置されていない側の面には、熱拡散板材７が熱的に接続されている。そして、熱拡散板材７の発熱素子に設置されていない側の面には、概ねＹ字型をした複数の放熱フィン１の脚部が、半田で固定されている。さらに複数の放熱フィン１は、おのおのの放熱フィン１と平行となるように設置されている。

続いて、放熱フィンの放熱の仕組みについて説明する。

外部から電子回路基板に電流を流すと、発熱素子は作動し始める。発熱素子は作動し、時間が経過するにつれて、発熱する。その後、熱は熱拡散板材７に渡り、放熱フィン１の脚部に到達する。そして、放熱フィン１の脚部から頭部にかけて熱が浸透し、頭部の放熱面から熱が放熱される。

さらに、放熱フィンが冷却される様子を図２を参照しながら詳細に説明する。

図２は、図１に示すヒートシンクを備えた電子回路基板の断面図を模式的に示す図である。図２に示す２枚の電子回路基板５は、互いに平行に配置され、それぞれに複数のメモリ３が向かい合うように設置している。さらに、一方の電子回路基盤５には、発熱素子９が設置されている。また、発熱素子９の面のうち、電子回路基板５に設置されていない側の面には、熱拡散板材７が熱的に接続されている。そして、熱拡散板材７の発熱素子９に設置されていない側の面には、概ねＹ字型をした複数の放熱フィン１の脚部が、半田で固定されている。

図２で示す４本矢印は、冷却風を示しており、図中では左から右に向かって流れている。また、図２で示す４本の矢印のうち上の２本の矢印は、放熱フィン１の頭部を流れる冷却風を示しており、下の２本の矢印は脚部を流れる冷却風を示している。

発熱した発熱素子９の熱は、熱拡散板材７を通じて放熱フィン１に伝導する。放熱フィン１には熱が伝導するが、冷却風が放熱フィン１の頭部および脚部に流れるため、放熱フィン１は冷却される。したがって、発熱した発熱素子９の熱は、放熱フィン１を通じて効率的に冷却される。

この際、放熱フィン１の形状は頭部が開口して、概ねＹ字型になっているため、脚部には冷却風の空気流を十分に引き抜くことができ、頭部は放熱面積を十分に確保し、冷却効率を高めている。さらに、複数の放熱フィン１は熱拡散板材７の上に平行に配置されており、放熱フィン１の頭部は、他の放熱フィンの頭部と隣接するため、隣接する放熱フィン１との間で囲まれる空間では空気の対流が起こる。これによって、効率的な冷却効果が得られる。

次に、放熱フィンの形状について図３を参照しながら詳細に説明する。

図３に示す放熱フィン１は上述した熱拡散板材に設置された放熱フィン１の第１の態様を示す断面図ある。なお、図３に示す放熱フィン１の製造方法は２枚の放熱板を使用し、その２枚の放熱板を平行に所定の間隔で向かい合わせる。そして、その状態を保ちつつ、放熱板の所定の間隔部分に頭部と脚部の中間に位置する任意の１箇所まで半田１１を流し込む。この際、所定の間隔を狭くすると、半田１１は毛細管現象により溶け込み易くなる。その後、頭部と脚部の中間に位置する任意の１箇所を支点に、垂直方向から０度超略９０度未満の範囲内で折り曲げる。これによって、概ねＹ字型となる放熱フィン１が製造される。

放熱フィン１の放熱板は半田１１によって貼り合わされるため、熱伝導性に優れ、熱拡散板材から伝導する熱を効果的に放熱できる。また、放熱フィン１の頭部は、放熱面積の拡張を幅広く行えるため、使用される場所や、放熱する熱量によって種々の大きさに変えることができ、多種の実施形態に利用できる。

さらに、以下では放熱フィンの種々の態様について説明する。

図４は、放熱フィンの第２の態様を示す断面図である。なお、図３に示す第１の態様の放熱フィンの各部と同様の箇所には同一符号を付し、その説明を省略する。図４に示す放熱フィン１５は、４枚の放熱板を使用して製造される。まず、４枚の放熱板を平行に所定の間隔で向かい合わせる。そして、その状態を保ちつつ、放熱板の３つの所定の間隔部分に頭部と脚部の中間に位置する任意の１箇所まで半田１１を流し込む。この際、所定の間隔を狭くすると、半田１１は毛細管現象により溶け込み易くなる。その後、４枚の放熱板のうちの２枚の放熱板を頭部と脚部の中間に位置する任意の１箇所を支点に、垂直方向から０度超略９０度未満の範囲内で折り曲げる。同様に、頭部と脚部の中間に位置する任意の１箇所支点に、残りの２枚の放熱板を垂直方向から０度超略−（マイナス）９０度未満の範囲内で折り曲げる。

放熱フィン１５の放熱板は半田１１によって貼り合わされるため、第１の態様と同様に熱伝導性に優れ、熱拡散板材から伝導する熱を効果的に放熱できる。さらに、放熱板を４枚使用することにより、放熱フィン１５の頭部の放熱面積が増え、第一の態様と比較して冷却効果の高い放熱フィン１５を提供できる。なお、この態様において放熱板を４枚使用して放熱フィン１５を記載したが、４枚に限らず複数枚の放熱板を使用し、放熱フィン１５を製造してもよい。

図５は、放熱フィンの第３の態様を示す断面図である。なお、図３に示す第１の態様の放熱フィンの各部と同様の箇所には同一符号を付し、その説明を省略する。図５に示す放熱フィン１７は、３枚の放熱板を使用して製造される。まず、任意の１枚の放熱板の中心を折り曲げ、さらに、その折り曲げた箇所から等間隔にあたる２箇所を、中心部と同様に折り曲げる。すなわち、折り曲げられた放熱板によって、所定の大きさの空間ができ、折り曲げた中心部を頭部とするとき、底部が開いた概ね５角形となる放熱板が作られる。残り２枚についても同様の方法により、概ね５角形の放熱板が作られる。

作られた概ね５角形の３枚のすべての放熱板を開口した底部を下にして、所定の間隔を置いて並べる。その後、２箇所ある所定の間隔部分に半田１１を流し込み、３枚のすべての放熱板を貼り合わせる。この際、所定の間隔を狭くすると、半田１１は毛細管現象により溶け込み易くなる。これによって、放熱フィン１７が作成される。なお、図５に示す矢印は、空気の対流を示す矢印である。この態様において、ヒートシンクに冷却風を送ると、閉塞された空間部で空気の対流が起こり、冷却効率が高まる。

本発明の放熱フィンを用いたヒートシンクは、例えばパーソナルコンピュータ、ゲーム機などに代表される電子機器に使用される発熱性電子部品等の放熱・冷却用のヒートシンクに限らず、放熱を必要とするあらゆる分野における放熱冷却に利用できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。

本発明の放熱フィンを備えたヒートシンクは、放熱フィンを熱拡散板材に接続する際に半田を利用することにより、熱拡散板材から放熱フィンへの熱伝導性が高まる。そのため、発熱素子等の電子機器から発生する熱は、従来と比較して、効率的に冷却されるため、産業上の利用可能性が高い。

本発明のヒートシンクを備えた電子回路基板の概略構成を示す斜視図である。 ヒートシンクを備えた電子回路基板の断面図を模式的に示す図である。 放熱フィンの１つの態様を示す断面図ある。 放熱フィンの他の態様を示す断面図ある。 放熱フィンの他の態様を示す断面図ある。 発熱素子等に接続されたヒートシンクを示す断面図である。

符号の説明

１,１５,１７,２３ 放熱フィン
３ メモリ
５ 電子回路基盤
７,２１ 熱拡散板材
９,２５ 発熱素子
１１ 半田
１９ ヒートシンク

Claims (7)

1. 一方の面に発熱素子が熱的に接続される熱拡散板材と、
   前記熱拡散板材の他の面に接続され、その頭部における放熱面積がその脚部における放熱面積よりも大きい複数の放熱フィン部と、
   を備えている放熱フィンを備えたヒートシンク。
2. 前記放熱フィン部の各々は、少なくとも垂直な脚部および斜め上方に開いた頭部を備えた複数枚の放熱フィンからなり、前記頭部は概ねＹ字型に形成され、前記脚部が対向して形成される請求項１に記載の放熱フィンを備えたヒートシンク。
3. 対向する前記脚部の間に半田を介在させ、前記脚部同士を熱的に接続した、請求項２に記載の放熱フィンを備えたヒートシンク。
4. 前記放熱フィン部の頭部が２０度以上１００度以下の範囲内に開口した概ねＹ字型に形成される、請求項２または３に記載の放熱フィンを備えたヒートシンク。
5. 平行に並んだ所定枚の放熱板材の一端部を半田付けにより貼り合わせて放熱フィン部の脚部を形成し、他端部を互いに重ならないようにして折り曲げ、斜め上方に開いた放熱フィン部の頭部を形成して放熱フィン部を製造する工程と、
   前記放熱フィン部を熱拡散板材に半田により固定する工程と、
   を含む、放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法。
6. 前記放熱フィン部の頭部が２０度以上１００度以下の範囲内で開口し、概ねＹ字型であることを特徴とする、請求項５に記載の放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法。
7. 放熱板材の中心部と中心部から等間隔にあたる２箇所を折り曲げて、熱拡散板材に対し垂直となる２本の脚部と、山型の頭部を備えた複数枚の放熱フィンを作る工程と、
   複数枚の前記放熱フィンの脚部を対向して並べ、対向する前記脚部同士を半田付けにより貼り合わせて放熱フィン部を形成する工程と、
   前記放熱フィン部を前記熱拡散板材に半田により固定する工程と、
   を含む、放熱フィンを備えたヒートシンクの製造方法。

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