JP2006245560A - 放熱フィン構造及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体チップなどの冷却用放熱フィンの熱伝導性向上。
【解決手段】 接続体２２、複数の放熱フィン２１からなる。該放熱フィン及び接続体は、熱伝導材料で、金属及びダイヤモンド構造を含む炭素からなり、接続体下面に半導体デバイスなどの発熱源を密着して熱伝導により放熱する。
接続体及び放熱フィンは、ダイヤモンド構造の炭素微粒子を含むアルミニウム又は銅などの金属のダイキャスティングにより形成する。
或いは、金属からなる接続体及び放熱フィン表面にダイヤモンド構造の炭素からなる皮膜をＣＶＤなどにより形成しても良い。
ダイヤモンド構造の炭素は極めて熱伝導性が高く、放熱効果を向上する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、放熱フィン構造及びその製造方法に関する。特に一種の熱伝導材料は金属及びダイヤモンド構造の炭素を含む製造方法に係る。

ハイテク産業の急速な発展に従い、電子パーツはコンパクトで高集積へと発展しており、求められる機能はますます高くなっている。それに連れて発生する熱も急激に増加しており、適時に熱を排除することは電子パーツの機能を維持するために不可欠の課題である。放熱が適宜に行われなければ該電子パーツが損壊する恐れさえあるため、放熱効率向上を目的に各種の熱伝導材料が開発されている。
公知の技術中に見られる放熱構造に応用される材料は通常は銅質或いはアルミニウム合金で、それが現行の放熱技術の主流である。しかし伝統的なアルミニウム質放熱材料はCPUの高速動作が生み出す高温度の熱伝導において制限があるため、銅質材料を用いた放熱技術が生まれた。しかし銅は比重が大きいため、応用において制限があり成形にも不利である。しかも前記二種の材料は空気冷却方式により放熱を行うため、ICの発熱量が50W/cm²に達した時、該冷却方式は前記銅アルミニウム材料によっては放熱のニーズを満たすことができず、さらに効果的な放熱材料が求められている。

図１に示す放熱器モジュールは放熱フィン11、熱接触層12、送風装置13を含む。
該複数の放熱フィン11は公知の技術では銅製、或いはアルミニウム合金製で、該複数の放熱フィン11を形成する底面111は該熱接触層12に密着する。該熱接触層12は公知の技術ではアルミニウム製で、IC14の上平面141に接着し、該IC14動作時に発生する高温の熱を伝導する。
該熱接触層12は廃熱を該複数の放熱フィン11に伝達する。該複数の放熱フィン11の各フィンは底辺が相対する頂辺に構成する複数の頂辺112上には送風装置13を設置する。該送風装置13はファンで、該送風装置13の運転を通して気流を発生して該複数の放熱フィン11中に引き入れ、これにより該複数の放熱フィン11に伝道された廃熱が招く高温を低下させ、上記放熱パーツが排出する廃熱は放熱温度低下効果を達成する。これが一般の電子パーツ放熱構造の放熱方式である。
ところで、ダイヤモンドはこの世で最高の硬度を持ち、熱伝導に優れ、透過波長範囲が広く、耐腐食性を具えるなど特性があるため、長く工業においても重要な材料の一つであった。その熱伝導係数は常温下では銅の五倍で、しかも高温時にはダイヤモンドの特性として赤外線放射による輻射特性が発揮され、しかも熱膨脹係数が小さい。このため、その放熱性能は高温時にはいっそう高い。ダイヤモンドのこの放熱が良好という特性は一般的にダイヤモンドの真偽を判断する時にも用いられている。
公知技術中では既に多くの技術と製造工程が開発されているが、その中では炭化水素の直接分解を利用する方法が最も広く知られている。例えばマイクロウェーブプラズマ化学気相堆積法(Microwave Plasma enhance Chemical Vapor Deposition, MPCVD)、ホットフィラメント化学気相堆積法(Hot Filament CVD, HFCVD)はポリクリスタルダイヤモンド膜をメッキするもので、該ポリクリスタルダイヤモンド膜は天然単結晶ダイヤモンドの特性を具えている。
特開２００５−３４７５００号公報 特開２００４−１７３２３３号公報

公知構造には以下の欠点があった。
すなわち公知技術は電子パーツのコンパクト化、高集積度、高性能に向かう発達において効率的な冷却作用を提供することができない。
本発明は、上記構造の問題点を解決した放熱フィン構造及びその製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は下記の放熱フィン構造及びその製造方法を提供する。
本発明が提供する一種の熱伝導材料は放熱フィン構造に応用し、金属及びダイヤモンド構造の炭素で、しかも該金属は銅質或いはアルミニウム合金或いは熱伝導係数が高い金属で、また該ダイヤモンド構造の炭素はダイヤモンドであり、
この他、該ダイヤモンド構造の炭素は金属表面を覆い、或いは直接金属材料中に混合し、或いは上記両者を同時に含み、
該熱伝導材料製造方法は化学気相堆積、物理気相堆積、溶融、電気メッキ、或いはその他材料製造方法を含むことを特徴とする放熱フィン構造及びその製造方法である。

上記のように、本発明は一種の熱伝導材料をICの放熱に応用し、ICの動作時の発熱が招く高温度を大幅に低下させることができ、さらに本発明が提供する熱伝導材料はICの放熱に用いられるだけでなく、その他関連の熱伝導或いは放熱機器装置上に応用することができる。

図２に示すように、本発明は複数の放熱フィン21と接続体22を含む。該放熱フィン構造の放熱方式は公知技術で、本発明では金属及びダイヤモンド構造を結合する炭素の熱伝導材料により複数の放熱フィン21及び接続体22を製造する。
該接続体22は、上平面221で、221に対応し下平面222を具える。また該複数の放熱フィン21は各フィン底辺において接続辺212を構成し、該接続体の平面221に連結する。各フィンは並列に配列され、該接続体の平面221と垂直に結合される。この他、該接続体22の平面221は対応し下平面222を具え、図1中に示すIC14の上平面141と密着し接続関係を具える。同時に、該複数の放熱フィン21は各フィンの接続底辺に対応し頂辺を具え、複数の頂辺211を形成する。こうして該複数の放熱フィン21、該接続体22の平面221及び該複数の頂辺211により、点線で示すような範囲の空気入口213と空気出口214を具えた空気流通路を構成する。該複数の頂辺211上には図1に示す送風装置13を設置する。
この熱伝導反応機構は、以下の通りである。すなわち該接続体22の下平面222は図1に示すIC14上平面141と密着することにより、該IC14の動作により生じる熱を該金属及びダイヤモンド構造を結合する炭素により形成する複数の放熱フィン21及び接続体22上に伝導し、該IC14の動作が生み出す高温の廃熱を放出する。
該ダイヤモンド構造の炭素はダイヤモンドで、かつ、該金属はアルミニウム合金或いは銅或いは他の熱伝導係数の高い金属或いはそれが相互に結合した金属材質である。
さらに該送風装置13の運転により発生した気流は該空気入口212に流入し、該複数の放熱フィン21に伝導された廃熱を除去し、該複数の放熱フィン21の空気出口213より廃熱を排出する。こうして完全な放熱実施方式を達成する。

次に図3に示すように、本発明の他の実施例は複数の放熱フィン31及び接続体32を含む。該放熱フィン構造の放熱方式は公知技術で、本発明では金属及びダイヤモンド構造を結合する炭素の熱伝導材料により複数の放熱フィン31及び接続体32を製造する。
該接続体32は柱体状で、しかも柱体は中空で該柱体内には一切何も充填しない。この他、該柱体の一辺には円形平面を具え、該円形平面は図中の点線が示す範囲である。該円形平面は熱伝導端321で、該柱体の外壁323と垂直に密着して結合される。該熱伝導端321は図1に示すIC14の上平面141と密着し接続関係を具える。
該柱体熱伝導端321に対応する反対辺には円形中空状態の円周辺322を形成し、該円周辺322及び該複数の放熱フィン31の各フィン底辺が対応する一頂辺である複数の頂辺311上には図1に示す送風装置13を設置する。また該複数の放熱フィン31の各フィンは接続側辺312を具え、該接続体32の柱体状の外壁323上と連結する。該各フィンの予め設定された配列方式は該接続体32の柱体状の外壁323に接続し、放射状構造を形成する。
この熱伝導反応プロセスは以下の通りである。すなわち該接続体32の熱伝導端321は図1に示すIC14上平面141と密着することにより、該IC14の動作により生じる熱を該金属及びダイヤモンド構造有する炭素で形成する複数の放熱フィン31及び接続体32上に伝導し、該IC14の動作が生み出す高温の廃熱を発散する。
該ダイヤモンド構造の炭素はダイヤモンドで、しかも該金属はアルミニウム合金或いは銅或いは他の熱伝導係数の高い金属或いはそれが相互に結合した金属材質である。
該送風装置13の運転により気流を発生し、該気流は該複数の放熱フィン31及び該接続体32に流入し、最終的には該複数の放熱フィン31を通って廃熱は排出される。こうして完全な放熱実施方式を達成する。

続いて図4は、複数の放熱フィン21と接続体22を含む図2の放熱フィン構造のダイカスト形成指示図である。この種の方式は型材料供給機器41、型材料注入機器42及びモールド組43を含む。型材料は該型材料注入機器42を経て該モールド組43が形成する図2に示す放熱フィン構造形状のモールド空間44により成型される。こうして型材料は図に示す放熱フィン構造を形成し、かつ該放熱フィン構造は複数の放熱フィン21と接続体22を含む。この他、該接続体22は上平面221と対応する下平面222を具え、しかも該平面221上において複数の放熱フィン21を接続する。

次に図5は、複数の放熱フィン31及び接続体32を含む図3の放熱フィン構造のダイカスト形成断面指示図である。この種の方式は図4に示す型材料供給機器41、型材料注入機器42及び該複数の放熱フィン31及び接続体32を形成可能なモールド組51を含む。型材料は該型材料注入機器42を経て該モールド組51が形成する図3に示す放熱フィン構造形状のモールド空間52により成型され、型材料は図3に示す放熱フィン構造を形成する。しかも該放熱フィン構造は複数の放熱フィン31及び接続体32を含む。該接続体32が形成する柱体の一辺は円形平面を延伸し、図3の点線が示す熱伝導端321を構成し、該柱体の外壁と垂直密着接続を形成する。この他、該接続体32が形成する柱体の外壁には複数の放熱フィン31を連結する。該型材料は金属及びダイヤモンド構造を結合する炭素の溶融材料で、該金属は銅或いはアルミニウム或いは他の熱伝導係数の高い金属或いはその結合材質で、しかも該ダイヤモンド構造の炭素の溶融点は前記のどの金属の溶融点よりも高いため、その中に結合し一種の型材料を形成する。

また該熱伝導材料が含むダイヤモンド構造の炭素は化学気相堆積或いは物理気相堆積を利用して金属表面に形成する。図6のマイクロウェーブプラズマ補助化学気相堆積指示図が示すように、この實施例において、その反応プロセスは以下の通りである。
すなわち、先ず反応させようとする混合気体を気体送入口61より気体反応室66に送入する。同時に、マイクロウェーブ発生システム62はマイクロウェーブを発生し、混合気体に活性化された反応性イオンを発生させ反応を起こし、サポートフレーム64上の金属材料65の表面に徐々に堆積させダイヤモンド膜を形成する。該金属材料65は銅或いはアルミニウム或いは銀或いは他の熱伝導係数の高い金属或いはその結合材質で、残余気体は廃気排出口63より排出される。この反応プロセスにより表面がダイヤモンドに覆われた熱伝導材料、すなわち図2及び図3に示す放熱フィン構造を得ることができる。

また本発明の別種の製造方法では、図７に示すイオンスパッタリング方式を採用する。この実施例中においてはその製造準備で、ダイヤモンド材料の圧粉体からなる棒材72とし、その設置角度と第一イオンガン71のイオンビーム射出方向の挟角は約45度前後である。これにより該第一イオンガン71により打ち出され飛散したダイヤモンド微粒子は第二イオンガン73前方まで飛び、さらに該第二イオンガン73は該ダイヤモンド微粒子に十分な運動エネルギーを与え、金属材料74表面上に飛散させ均一なダイヤモンド膜を形成する。残余のダイヤモンド微粒子は廃気排出口75より排出される。こうして上記製造準備プロセスにより、表面がダイヤモンドに覆われた熱伝導材料、すなわち図2及び図3に示す放熱フィン構造を得ることができる。
また該型材料は金属材質或いは金属及びダイヤモンド構造の炭素を含む溶融材料である。該金属は銅或いはアルミニウム或いはその他熱伝導係数が高い金属或いはその結合材質で、しかも該ダイヤモンド構造の炭素の溶融点は前記のどの金属の溶融点よりも高いため、その中に結合し一種の型材料を形成する。

公知技術中の一般電子パーツ放熱構造の指示図である。 本発明実施例の放熱フィン構造中に金属及びダイヤモンド構造を結合する炭素の熱伝導材料により形成する放熱フィンの指示図である。 本発明別種の実施例の放熱フィン構造中に金属及びダイヤモンド構造を結合する炭素の熱伝導材料により形成する放熱フィンの指示図である。 本発明実施例の放熱フィン構造のダイカスト方式指示図である。 本発明別種の実施例の放熱フィン構造のダイカスト方式断面指示図である。 本発明実施例のマイクロウェーブプラズマ補助化学気相堆積の指示図である。 本発明実施例のイオンスパッタリング指示図である。

符号の説明

1 一般電子パーツ放熱構造の指示図
11 複数の放熱フィン
111 底面
112 複数の頂辺
12 熱接触層
13 送風装置
14 IC
141 上平面
2 放熱フィン構造の指示図
21 複数の放熱フィン
211 複数の頂辺
212 接続辺
213 空気入口
214 空気出口
22 接続体
221 上平面
222 下平面
3 放熱フィン構造の指示図
31 複数の放熱フィン
311 複数の頂辺
312 接続側辺
32 接続体
321 熱伝導端
322 円周辺
323 外壁
4 放熱フィンダイカスト方式の指示図
51 モールド組
41 型材料供給機器
42 型材料注入機器
43 モールド組
44 放熱フィン構造形状のモールド空間
5 別種の放熱フィンダイカスト方式の断面指示図
41 型材料供給機器
42 型材料注入機器
51 モールド組
52 放熱フィン構造形状のモールド空間
6 マイクロウェーブプラズマ補助化学気相堆積の指示図
61 気体送入口
62 マイクロウェーブ発生システム
63 廃気排出口
64 サポートフレーム
65 金属材料
66 気体反応室
7 イオンスパッタリング指示図
71 第一イオンガン
72 棒材
73 第二イオンガン
74 金属材料
75 廃気排出口

Claims (20)

1. 接続体及び複数のフィンからなり、
   該複数のフィンはそれぞれその一辺をなす接続辺により、予め設定された配列で該接続体に接続し、
   該フィンは金属及びダイヤモンド構造の炭素からなる熱伝導材料であることを特徴とする放熱フィン構造。
2. 前記接続体は、平面状で該複数のフィンは該接続辺により該平面状上に形成されることを特徴とする請求項１記載の放熱フィン構造。
3. 前記接続辺は、該フィンの接続底辺であることを特徴とする請求項２記載の放熱フィン構造。
4. 前記予め設定された配列方式は、垂直並列方式であることを特徴とする請求項３記載の放熱フィン構造。
5. 前記金属は、銅材質であることを特徴とする請求項１記載の放熱フィン構造。
6. 前記金属は、アルミニウム材質であることを特徴とする請求項１記載の放熱フィン構造。
7. 前記金属は、熱伝導係数が高い金属材質であることを特徴とする請求項１記載の放熱フィン構造。
8. 前記ダイヤモンド構造の炭素は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１記載の放熱フィン構造。
9. 前記接続体は柱体状で、これにより該複数のフィンの該接続辺は該柱体状の外壁上に形成されることを特徴とする請求項１記載の放熱フィン構造。
10. 前記接続辺は、該フィンの接続側辺であることを特徴とする請求項９記載の放熱フィン構造。
11. 前記予め設定された配列方式は、柱体状の該外壁に接続し放射状構造を形成するものであることを特徴とする請求項１０記載の放熱フィン構造。
12. 放熱フィンを備え、発熱源であるＩＣに対して熱伝導により放熱する接続体からなる放熱フィン構造の製造方法であって、
    ダイヤモンド構造の炭素微粒子を含む溶融金属のダイキャスティングにより製造することを特徴とする放熱フィン構造の製造方法。
13. 前記製造方法において、上記金属として銅を用いることを特徴とする請求項１２載の放熱フィン構造の製造方法。
14. 前記製造方法において、上記金属としてアルミニウムを用いることを特徴とする請求項１２記載の放熱フィン構造の製造方法。
15. 前記製造方法において、上記金属として熱伝導係数が高い金属を用いることを特徴とする請求項１２記載の放熱フィン構造の製造方法。
16. 前記製造方法において、ダイヤモンド構造の炭素はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１２記載の放熱フィン構造の製造方法。
17. 放熱フィンを備え、発熱源であるＩＣに対して熱伝導により放熱する接続体からなる放熱フィン構造の製造方法であって、
    溶融金属のダイキャスティングにより該放熱フィン構造を形成し、
    更に、該放熱フィン構造の上に化学気相堆積法によりダイヤモンド構造の炭素からなる熱伝導材料層を形成することを特徴とする放熱フィン構造の製造方法。
18. 前記製造方法において、該熱伝導材料層を物理気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１７記載の放熱フィン構造の製造方法。
19. 前記製造方法において、該熱伝導材料層をダイヤモンド構造の微粒子を懸濁した電解液を用いた電気メッキ方式により形成することを特徴とする請求項１７記載の放熱フィン構造の製造方法。
20. 前記製造方法において、該熱伝導材料層をダイヤモンド構造の微粒子を懸濁した溶液を用いた塗布方式により形成することを特徴とする請求項１２記載の放熱フィン構造の製造方法。

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