JP2007273930A - 冷却部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】 被冷却体に隙間なく密着して取り付けることができ、被冷却体から伝わった熱を直ちに冷媒へ放熱させることができ、従って従来の高分子や有機系のシートやグリースを用いたヒートシンクやフィンとファン等の冷却手段に比べて熱の排出効率が高い新たな冷却機構を提供する。
【解決手段】 基材1の少なくとも被冷却体と接触する側の表面に、多数の柱状体2の集合した構造などからなる凸状構造を備えた冷却部材である。この冷却部材は、被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する複数の凸状構造が形成され、被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び/又は塑性変形することにより、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことができる。
【選択図】 図1
【解決手段】 基材1の少なくとも被冷却体と接触する側の表面に、多数の柱状体2の集合した構造などからなる凸状構造を備えた冷却部材である。この冷却部材は、被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する複数の凸状構造が形成され、被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び/又は塑性変形することにより、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、テレビ、プロジェクタ、コンピュータなどの電子機器の発熱箇所を冷却するための冷却部材に関するものである。
テレビ(TV)で画面に映像を投影する手法として、従来からブラウン管を用いた電子銃方式が一般的であった。しかし、この方式のテレビは1台の電子銃を用いてブラウン管上に走査するため、画面を大型化すると外周に対する角度がきつくなり、画面が歪むことから大型化には限界があった。この画面の歪みを防ぐためには、画面を湾曲させて電子銃からブラウン管までの距離を一定に保つ方法があるが、特に大型テレビにおいては平面画面の方が見やすいうえ、最近では小型テレビでさえ平面画面の人気が高いため、湾曲画面が大画面のテレビで採用されることはない。また、ブラウン管テレビは、画面の大型化に伴い厚みが非常に増大してしまうため、一般家庭のリビングに設置する大画面のテレビとしては相応しくない。
そのため、テレビの大画面化、薄型化を達成できる方式として、リアプロジェクション(リアプロ)テレビ、液晶テレビ、プラズマテレビ(PDP:Plasma Display Panel)等が脚光を浴び、従来のブラウン管テレビに置き換わりつつある。また、ホームシアタ用として、大画面スクリーンにプロジェクタを用いて画像を投影する方式も普及しつつある。しかも、画面やスクリーンは迫力を得るために大型化が進行しながら、画面やスクリーン以外の装置は室内スペースを占有しないように薄型化、軽量化が求められる。また、大画面になった分、光が広がって画面が暗くなると鑑賞し難いため、高輝度化に対する要求も高い。
上記のリアプロテレビも背面からプロジェクタを用いて画面へ投射する方式だが、反射鏡を1枚あるいは複数枚用いることにより、薄型の筐体内でプロジェクタと画面間の距離を稼ぐことができるため薄型化が可能である。リアプロも従来はCRT方式で背面からスクリーンに投影していたが、薄型化、軽量化、高画質化のために、最近ではMD(Micro Display)方式に切り替わりつつある。MD方式には、光学デバイスとして透過型の液晶方式(HTPS:High Temperature Poli−Silicon)を用いたものと、反射型のDLP(Digital Light Processing)方式及びLCOS(Liquid Crystal on Silicon)方式とがある。
液晶方式やPDP方式は、スクリーン自体に、画素数に応じた数の小型シャッターとしての液晶素子や、小型のプラズマ電極を画面上に並べて形成するため、投影用の距離を必要とせず薄型のまま大型化が容易である。そのため、リアプロテレビを含めて、上記液晶テレビ、プラズマテレビが大画面テレビの本命として急速に広がりつつある。その一方、このような画面の大型化に伴い、素子や画面からの発熱量や発熱密度が大きくなっている。また、同じ出力で大画面を映し出すと単位面積当たりの光量が不足してしまうため、一般に大画面ほど消費電力は上がり、それに伴う発熱量も増大する。その結果、効率的に熱を系外に排出しないと、素子やその周辺機器が熱劣化してしまうため、排熱を効率よく行う必要性が高まってきている。
また、コンピュータについても、デスクトップパソコン、ノートパソコン、サーバを初め、大型のメインフレームコンピュータ等は、大容量の情報を高速で処理するために、その中心となるMPUはますます高集積化され、高速処理のためのクロック数の増大が求められ、年々MPUの発熱量は増大する傾向にある。しかしながら、あまりの発熱量の増加に多さに、排熱技術が追いついていない現状である。そのため、MPU素子が自身の発熱で誤動作を起こしてしまうため、クロック数増大の開発を一時ストップせざるを得ない状況も生まれつつあり、より効率的な排熱技術に対する必要性が高まっている。
尚、最近の冷却技術として、特開2004−319942号公報には、放熱部に金属発泡体を用いたヒートシンクが開示されている。しかし、金属発泡体は内部に無数の空孔を持つため、その使用方法を誤れば、放熱特性が得られるどころか、内部の気孔により断熱性能が高い発泡スチロールなどのように断熱層の働きをする恐れがある。また、特開2005−032881号公報には、低気孔率部と高気孔率部を有する多孔質放熱体が開示されている。しかしながら、この凸状構造部は、例として多孔質焼結体やセラミックス繊維が列挙されているように変形しないため、放熱部に直接隙間なく接触させることが難しい。
最近のテレビの排熱技術として、液晶テレビやプラズマテレビでは、例えば、Alシートを画面背面に貼り、熱をAlシート背面に逃がしてから、ファンでエアをAlシート背面に当てて大気に放熱し、筐体の隙間から外部に熱を逃がす方式を採っている。また、リアプロテレビやプロジェクタの反射方式では、光学チップの背面にAlフィン付きのAlヒートシンクを押し付け、ファンでエアを送り込んで空冷し、同じように筐体の隙間から外部に熱を逃がしている。
リアプロテレビやプロジェクタでは、大画面化に伴い総熱量も多いうえ、10〜20mm角程度の小型素子(Micro Display)に光を集約して画像化し、それを大画面のスクリーンに投影するため、素子に集中する熱密度は非常に大きい。そのため、特に熱を効率よく排出する必要があるが、透過型のHTPS方式では、液晶チップは光が透過するため、上記のごとく冷却モジュール面を押し付けて冷却することはできない。そこで、液晶チップの外周フレームをAlやMgのような高熱伝導金属で構成して熱を伝え、これをファンで空冷し、更に外周フレームにフィンを付けて空冷効果を上げる等の手法が採られている。
また、DLP方式では、特に熱が大きく掛かるシアタ用の大画面用プロジェクタにおいて、DLPチップ背面を水冷することも行われている。しかし、電気装置内に水を回すことは、水漏れによるショートや電気部品の劣化等の危険を常にはらんだ状態で稼動することになるため、出来るだけ空冷方式が望ましい。しかも、素子の部分で水冷しても、通常その液体を使い捨てにすることは稀であり、循環させて使用するため、別の場所で熱は熱交換器を通じて大気放出せざるをえず、効率的な空冷構造は不可欠である。
しかしながら、上記したヒートシンクやフィンにより熱を素子等から奪ってファンで空冷する方法では、大画面化に伴って増大する発熱を十分に冷却するには限界があった。即ち、素子等からヒートシンクに伝わった熱は、ヒートシンク背面に伝わる前に周辺部材に広がって温度が低下してしまうため、そのヒートシンク背面をファンで冷却しても低い冷却効率しか得られなかった。しかも、ファンによる空冷は、筐体内に熱を撒き散らしてしまうため、他の部品に影響を及ぼしやすいという問題があった。更に、筐体の隙間から出てくる熱風は、装置の傍にいる人に熱風を吹きかけ、また室内の温度を上げてしまうため、不快な面が多々あった。また、ファンの風切り音は、静かなリビングで映像を楽しむ際の最大の不快要因でもあった。
また、素子を搭載するセラミックスの基板やパッケージ等には必ず焼結時の反りが存在し、例えば0.1〜0.15mm程度反っているため、ヒートシンク等を押し付けると隙間ができ、この隙間に残った空気は非常に大きな熱抵抗になる。そこで、基板やパッケージ等とヒートシンクとの間に、厚さ1〜2mmの柔軟性のある熱伝導性のシートやコンパウンド樹脂を挟み込み、隙間をなくして取り付ける方法が採られていた。熱伝導性のシートやコンパウンドは出来るだけ熱伝導率の高いものが選ばれるが、それでも数W/m・Kから10W/m・K程度であるため、せっかく237W/m・Kという高熱伝導率のアルミニウムや403w/m・Kの銅をヒートシンクに用いても、その界面層の低熱伝導性が律速になって効率的な熱の排出が行えなかった。
デスクトップパソコンやサーバ等においても、MPUの冷却技術は、リアプロテレビやプロジェクタの素子冷却技術とほぼ同じ空冷技術が採用されている。即ち、MPU背面に設けた熱伝導シートや熱伝導樹脂を介してAlヒートシンクに熱を伝え、背面からファンで大気をあてて放熱している。あるいはヒートパイプを用いてMPUから熱を筐体近傍まで運び、そこで大型のフィンとファンで熱を筐体外へ排出している。しかし、冷却効率が低い問題は依然としてあり、MPUの発熱量増大に伴って放熱が追いつかなくなってきている現状である。また、ヒートパイプは熱を運搬する装置でしかないため、熱の運搬先で大型のフィンとファンによって大気放熱し、筐体外へ熱を排出する必要があるのは同じであり、小型化の妨げになっている。
本発明は、このような従来の事情に鑑み、高分子や有機系のシートやグリースを用いることなく、且つ熱抵抗となる隙間も生じさせることなく、セラミックス等の被冷却体に密着して取り付けることができ、被冷却体から伝わった熱を直ちに冷媒へ放熱させることができ、従って従来の高分子や有機系のシートやグリースを用いたヒートシンクやフィンとファン等の冷却手段に比べて熱の排出効率が高い、新たな冷却機構を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明が提供する冷却部材は、被冷却体に接触して冷却を行う冷却部材であって、少なくとも被冷却体と接触する表面に、被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する複数の凸状構造が形成され、その複数の凸状構造からなる凸状構造部が被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び/又は塑性変形することにより、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことを特徴とするものである。
本発明によれば、素子やそれを搭載する基板等の被冷却体に反りや面粗さ等があっても、従来のように高分子や有機系のシートやグリースを用いず、熱抵抗となる隙間を生じさせることなく、弾性変形能及び/又は塑性変形能を有する凸状構造部によって被冷却体に密着して取り付けることができ、被冷却体から伝わった熱を直ちに冷媒へ放熱させることができる。
従って、本発明の冷却部材を用いることによって、従来の高分子や有機系のシートやグリースを用いたヒートシンクや、フィンとファン等の冷却手段に比べて熱の排出効率を高めることができるため、例えばテレビ、プロジェクタ、パソコンなどの電子機器における最近の発熱量の増大に対応することができる。
被冷却体には完全に抑えきれない反り、うねり、面粗さ等があり、そのため冷却部材との接触面に隙間が発生し、その隙間は熱伝導率がほぼゼロになってしまうため、熱伝導を大きく妨げる要因となる。例えば、剛性の高い部品同士を面接触させる場合、平面度を上げ且つ面粗度をいくら小さくしても、微視的に見て完全にフラットな面はできない。その結果、最も突き出た3点で接触して他の部分は浮いてしまうため、部品同士の間に生じた隙間は熱伝導に寄与せず、冷却能力は低くならざるを得なかった。
そこで従来はやむなく、空間を埋める効果の高い高分子や有機系のシートやグリースを用いて、部品同士の隙間を埋めていた。しかし、これらの高分子や有機系のシートやグリースは熱伝導率が非常に低く、高熱伝導率タイプでもせいぜい5W/m・K程度しかない。従って、隙間が埋められて熱伝導率ゼロの部分はなくなるが、これらの高分子や有機系のシートやグリースからなる熱伝導率の低い層が部品間に介在することになるため、その層が大きな熱抵抗となり、冷却能力向上の妨げになっていた。
これに対し、本発明の冷却部材は、少なくとも被冷却体と接触する表面に複数の凸状構造が形成され、この複数の凸状構造は被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する。そのため、本発明の冷却部材は、複数の凸状構造からなる凸状構造部が被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び/又は塑性変形することにより、高分子や有機系のシートやグリースを用いなくても、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことができる。被冷却体から奪った熱は、凸状構造部を介して放熱部へ速やかに伝えるため、熱が被冷却体側にこもることがない。
本発明の冷却部材における凸状構造部としては、その構造自体に特に制限はないが、好ましい凸状構造部の一つとして、例えば図1に示すように、冷却部材の基材1上に多数の柱状体2が集合した構造がある。この多数の柱状体の集合した凸状構造部は、柱状体の形状や配置を設計することにより、内部に空間を有し、クッション性や熱を奪う構造を作製しやすいため好ましい。図2に示すように、柱状体2の先端につば部3を設けることもできる。また、個々の柱状体の径を500μm以下とし、アスペクト比を5以上とすることにより、十分な変形能と放熱特性とを兼ね備えることができるため好ましい。更に、柱状体上に枝状体を形成することにより、放熱面積を大きくでき、且つ流体の流れを乱して放熱しやすくできるため好ましい。
また、上記柱状体の一部あるいは全体が曲線を含む形状であれば、被冷却体に柱状体の先端でなく側面で接触することができるため接触面積を大きくでき、しかも柱状体の曲線部による弾性を活用でき、被冷却体により高いクッション性をもって押付けすことが可能となるため好ましい。例えば、図3に示すように、曲線部の片側だけ柱状体の保持板に固定した形状であっても良いが、図4に示すように、両側を保持板に固定してアーチ状にすることにより、安定した高いクッション性をもって被冷却体に押し付けることが可能となるため好ましい。また、柱状体の一部あるいは全体が、図5に示すように曲線を複数含む形状や、らせん形状、あるいは図6に示すようにS字状であっても良い。
他の好ましい凸状構造部としては、金属多孔体やハニカム構造体があり、保持板で被冷却体に押し付けて接触させる。金属多孔体は、例えば樹脂の発泡体にめっきした後、樹脂発泡体を焼き飛ばすことにより安価に製造することができ、しかも比較的均一な空間を有する構造が得やすいため好ましい。また、ハニカム構造体は、そのハニカムの軸を被冷却体との接触面に対し平行に配置することにより、比較的均一で安定した剛性とクッション性を有し、且つ内部に空間を有する構造が得やすいため好ましい。
更に他の好ましい凸状構造部としては、金属線を絡み合わせたもの又はカーボンファイバを絡み合わせたものがあり、これらは安価に保持板で凸状構造部を被冷却体に押し付ける構造が得られるため好ましい。金属線を絡み合わせた凸状構造部はほぼあらゆる金属に適用可能であるし、カーボンファイバは製造条件次第でc軸方向の熱伝導率が500〜800W/m・Kと高い熱伝導率を有する材料が可能であり、比較的安価であるため容易に凸状構造部を被冷却体に押し付けた構造が得られるため好ましい。また、コイルや波形の金属線を保持板上に形成した溝に並べてクッション性を持たせた構造、あるいはコイルや波形の金属線を保持板上に半田やロウ材等の接合材を用いて接合してクッション性を持たせた構造を、被接合体との間に挟み込んで凸状構造部材を形成することも可能である。コイルや波形は安価に量産することが可能であり、またクッション性も安定しているので、簡便に凸状構造体として適用できるため好ましい。
上記した多数の柱状体が集合した凸状構造部は、ワイヤー放電加工、ナノインプリント、LIGA(Lithograph Galvanoformung Abformug)法、エッチング箔積層法、MEMSなどにより形成することができる。ワイヤー放電加工は、電圧を掛けたワイヤーあるいは加工したい形状の逆パターンに加工した電極を、導電性材料に近づけることにより、放電が発生して導電性材料を揮散あるいは溶融させて加工していく方法である。また、ナノインプリント法は、例えば被加工物を加熱しながら金型を押し付けることにより、金型に沿った型を付ける方法であって、安価で大量生産に向いている。
上記エッチング箔積層法では、例えば0.1mm厚みのCu箔を0.1mm間隔で残してエッチングすることで、0.1×0.1mmの柱状体が得られる。例えば柱状体間隔を0.3mmにする場合は、この柱状体を0.3mm間隔でエッチングし、0.3mm厚みの箔を挟んで互いの面を合わせて積層すれば、柱状体が平面状に0.3mm間隔で並んだ凸状構造が得られる。積層した箔同士は溶接等で完全に接合しても良いし、ねじ等で締め上げて安価に固定することも可能である。
また、上記LIGA法により、例えば図1に示す多数の柱状体2の集合した凸状構造部を製造する場合には、基材1となる金属板上にレジストを塗布乾燥した後柱状体2の断面に相当するパターンのマスクを載せ、例えば斜め45°の方向からX線を照射する。現像液で洗浄してX線のあたった箇所のレジストを除去し、レジストが除去された空間に電気めっきで金属を柱状に埋めた後、残っているレジストを酸素プラズマで除去することによって、斜めに傾斜した多数の柱状体2の集合した凸状構造部が得られる。また、この多数の柱状体2の先端に銀ロウ等を挟んで金属箔を載せ、加熱処理して接合した後、レーザで金属箔を升目状に切り離すことによって、図2に示すように柱状体2の先端につば部3を設け、被冷却体との接触面積を増やした凸状構造部を得ることができる。
凸状構造部に樹脂を用いることにより、射出成形等で容易に凸状構造が量産化できる。樹脂は高熱伝導率の材料であるほど良いが、近年30W/m・K以上という高い熱伝導率を有する樹脂も開発され、これらは凸状構造部として好ましい。しかし、樹脂はCuやAlを含む金属に比べると熱伝導率がまだ低いため、樹脂を射出成形して凸状構造部を製造した後、その表面に高熱伝導率の金属や無機物をコーティングして熱伝導率を補うことも可能である。この場合の金属化には、Niめっき、Cuめっき、Auめっき、あるいはNiやCuやAu等の金属スパッタ、あるいは金属溶射等がある。あるいは、有機金属のスラリーを塗布して熱分解で金属を析出させたり、導電性が十分な樹脂の場合には電離誘導等で金属を析出させるなど、特に手法は限定されない。また、凸状構造部を構成する高熱伝導率の金属が耐酸化性や耐腐食性等に劣る場合、その表面に耐酸化性や耐腐食性の高い金属をコートィングして、耐酸化性や耐腐食性等を向上させ、長期信頼性を確保することも可能である。
また、上記エッチング箔積層法による場合、例えば一辺に多数の柱状体を形成した箔と、図7のように一辺に凹凸形状の溝を形成した箔とを、柱状体と溝を形成した辺を揃えて交互に互いの面を合わせて積層すると、凸状構造部の内部に凹凸形状の複数の溝が形成されるため、大気等の冷媒の流れを乱して放熱が促進されるため好ましい。凸状構造部の厚みに対する凹凸形状の溝の深さは、10倍より深くなると作製が難しくコストも上がるうえ、冷媒の流れを乱す効果も大きくならないため、10倍以内の深さが好ましい。
凸状構造部内の隙間に凸状構造部の厚み以内の板状体を形成することでも、大気等の冷媒の流れを乱して放熱が促進されるため好ましい。この場合、板状体の表面粗さRaが0.01μm以上であれば、冷媒との間で固体/気体間の摩擦による大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に0.1μm以上であるとその効果は非常に大きくなる。また、板状体の表面粗さRmaxが0.1μm以上であることにより、冷媒との間で固体/気体間の摩擦で大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に0.5μm以上であるとその効果は非常に大きくなる。
冷却部材の凸状構造部の厚みは、被冷却体の接触面に垂直方向において0.01mm以上50mm以下であることが好ましい。この凸状構造部の厚みを0.01mm未満に加工することは難しく、また送り精度が高精度の加工機が必要となるため、コストが高くなりすぎる。また、凸状構造部の厚みが50mmを超えると、その構造の加工コストが高くなりすぎるだけでなく、機器の薄型化に対する要求を満たせなくなるため好ましくない。
また、上記冷却部材の凸状構造部の厚みは、被冷却体の接触面に垂直方向において0.3mm以上5mm以下であることが更に好ましい。この凸状構造部の厚みが0.3mm未満になると変形能が十分得られず、被冷却体に隙間なく接触することができないため、冷却効率が低下する。また、凸状構造部の厚みが5mmを超える場合には、凸状構造部が厚過ぎるため、背面側に設けた放熱部への熱伝達が速やかに行われなくなり、やはり冷却効率が低下する。
本発明の冷却部材は、被冷却体との接触面以外の面に放熱部を設けることができる。この放熱部は、その全体あるいは一部が上記した複数の凸状構造からなる凸状構造体放熱部、あるいは公知のフィン又は複数の凸状構造からなる凸状構造体を並べたフィン状放熱部であってよい。この放熱部から放熱することにより、被冷却体からの熱の排出効率を一層高めることができる。
上記放熱部の厚み、即ち、板状放熱部の厚み、あるいは複数の板状体を並べたフィン状放熱部が構成する空間の厚みは、0.01mm以上50mm以下であることが好ましい。上記放熱部の厚みを0.01mm未満に加工することは難しいため、送り精度が高精度の加工機が必要となり、コストが高くなり過ぎる。また、放熱部の厚みが50mmを超えても、加工コストが高くなり過ぎるうえ、機器の薄型化に対する要求を満たせなくなるため好ましくない。
また、上記板状放熱部の厚みは、0.3mm以上5mm以下であることが更に好ましい。放熱部の厚みが0.3mm未満になると、十分な放熱面積が得られず、冷却効率が低下してしまう。逆に、放熱部の厚みが5mmを超えると、放熱の距離が長くなり過ぎるため、放熱部全体への熱伝達が速やかに行われなくなり、またフィン状放熱部では各フィンの根元まで大気が入り込み難くなるため、冷却効率が低下する。
上記した凸状構造部は、例えば403W/m・Kの銅や236W/m・Kのアルミニウムのような高い熱伝導率を有する材料で構成できるため、従来のような熱伝導率がせいぜい5W/m・K程度しかないため熱抵抗の大きな熱伝導シートに比べて熱抵抗を小さくできる。従って、従来の熱伝導シートに代えて本発明の凸状構造部を用い、凸状構造部の保持板の背面から気体などの冷媒を送って冷却することにより、高い冷却効果を有することが可能である。また、保持板の背面を放熱フィンとしたり、背面を凸状構造にしたりして、薄型の冷却デバイスとすることも可能である。
凸状構造部の保持体の背面及び凸状構造部の両方に大気等の冷媒を送って冷却すれば、放熱する面積を増加させることが可能であるため、冷却効率が向上して好ましい。例えば、凸状構造部の保持体に大気等の冷媒を通す穴を形成し、背面側から大気等の冷媒を凸状構造部に流すと、特に大きな付加設備を設けることなく冷却効率が向上するため好ましい。冷却効率を上げるために、発熱体などの被冷却体に接している凸状構造部にはポンプやコンプレッサ等で大気等の冷媒を流通させ、背面にはファンで大気等の冷媒を送り込むことを行っても良い。
凸状構造部内の圧力損失が大きくなり、真空引きや加圧の際に大気等の冷媒の圧力が下がった箇所が生ずると、その箇所では熱を受け取る分子密度が減少することになるので、冷却効率が低下してしまう。そのため、凸状構造部内部の圧力損失が大きくならないような冷媒の流れを作ることによって、冷却効率を上げることができる。例えば、中央1点で背面からポンプ引きすると、中央の出口付近の圧力が最も低くなり、中央部の冷却効率は低下する。そのため、例えば、その周囲に圧力を分散するための補助穴を開けると、圧力損失が低下して冷却効率は向上する。更に、大気の導入部とポンプ引き部を交互に形成する等の手段によって、圧力損失が一層低下して冷却効率が向上するため好ましい。
本発明の冷却部材では、凸状構造部と被冷却体の接触状態での対向面積に対して、凸状構造部の複数の凸状構造が被冷却体と接触している部分が占める接触面積の割合が0.01%以上であることが好ましい。上記対向面積に対して上記接触面積の割合が0.01%以上であることにより、被冷却体から接触で熱を奪う効率を高く保持することができるからである。しかし、上記対向面積に対して上記接触面積の割合が0.01%未満になると、接触熱抵抗が大きくなり過ぎるため好ましくない。
冷却部材における凸状構造部の空隙率は、50%以上であることが好ましい。凸状構造部の空隙率が50%以上であれば、その凸状構造部からの放熱も利用できるため、より一層冷却効率が向上して好ましい。また、凸状構造部の弾性変形量及び/又は塑性変形量は、被冷却体の接触面に対する垂直方向において50μm以上であることが好ましい。上記弾性変形量と塑性変形量の両方又は片方が50μm以上であることにより、被冷却体の反りやうねりを十分吸収できる能力を有するため好ましい。
冷却部材における凸状構造部は、ヤング率150GPa以下の材料で構成されていることが好ましい。凸状構造部のヤング率が150GPa以下であれば、その凸状構造部を被冷却体に押し付けたとき、被冷却体の反りやうねり等に沿って自由に変形して隙間無く接触できる。また、凸状構造部は、熱伝導率100W/m・K以上の材料で構成されていることが好ましい。凸状構造部の熱伝導率が100W/m・K以上であれば、その凸状構造部に伝わった熱を素早く背面側に伝えることができるからである。
冷却部材における凸状構造部の構成材料の純度は、90%以上であることが好ましい。10%以上の不純物を含むと、その材料が本来有する熱伝導率が急激に低下し、且つ被冷却体に押し付けた際に実質の接触面積を広げるための延展性も低下するため、接触熱抵抗が増加してしまうためである。
凸状構造部の表面粗さRaは、0.01μm以上であれば冷媒との間で固体/気体間の摩擦により大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に0.1μm以上であるとその効果は非常に大きくなる。また、凸状構造部の表面粗さRmaxは、0.1μm以上であれば冷媒との間で固体/気体間の摩擦により大気等の冷媒に乱れが生じ、放熱が促進されやすくなるため好ましく、更に0.5μm以上であるとその効果は非常に大きくなる。
また、凸状構造部と被冷却体との接触部の表面粗さRaは、10μm以上になると被冷却体と凸状構造部の接触面積が小さくなり、熱抵抗が大きくなってしまうため、できれば1μm以下に抑えることが好ましい。尚、凸状構造部及びその接触部の表面粗さの測定は、例えば柱状体などでは触針式の粗さ計では難しが、表面粗さやうねりを測定できる三次元SEM(3D-SEM)によれば、非接触にて高倍率で表面粗さを測定できるため好ましい。
凸状構造部の強度が350MPaより高いと、クッション性が低下するうえ、被冷却体に押し付けた際に実質の接触面積を広げるための延展性が低下し、接触熱抵抗が増加してしまうため好ましくない。
また、被冷却体に対して凸状構造部を押し付ける応力は、凸状構造部1本当たり1g以上掛けるのが好ましい。1g未満では凸状構造部が十分に被冷却体に押し付けられず、クッション性や表面の変形による接触が不十分となってしまうためである。押し付け量の最大値は、被冷却体が破損する総応力の80%以内にする必要があり、それを越えると被冷却体が破損する確率が高くなってしまうためである。
冷却部材における凸状構造部は、少なくとも銅又はアルミニウム若しくはこれらを含む材料からなることが好ましい。例えば、ヤング率は銅が120GPa及びアルミニウムが80GPaであって十分な変形能を有し、熱伝導率は銅が403W/m・K及びアルミニウムが237W/m・Kと高いため好ましい。金や銀も高い熱伝導率と変形能を有するため材料特性的には好ましいが、コスト的にかなり高価になるため、工業的見地からは好ましくない。
また、冷却部材における放熱部は、表面の輻射率が0.6以上あることが好ましい。放熱部の表面の輻射率が0.6以上であれば、対流放熱だけでなく、輻射放熱も十分活用できるため、冷却効率が一層向上する。更に、放熱部を含めた冷却部材の表面の輻射率が0.6以上であれば、被冷却体との接触部分においても、接触熱伝導だけでなく輻射を介した熱伝導が活用できるため、接触熱抵抗が小さくなって熱を伝えやすくなり、冷却効率の向上に寄与できるため好ましい。
本発明の冷却部材においては、放熱部に冷媒を強制的に流すことにより、自然対流に比べて放熱効率を大幅に向上させることができる。例えば、冷媒が気体であることにより、機器内での熱の循環が行いやすく好ましい。冷媒が気体の中でも大気であれば、気体供給用のボンベ等を設置したり交換したりする必要がなくなるうえ、機器周辺から取り込んで簡単に使用でき、漏れた際の人体に対する影響もないため特に好ましい。
また、冷媒として液体を用いることにより、熱容量が大きくなるため、特に冷却能力を上げたい場合に好ましい。冷媒である液体として冷却水を用いることによって、安価で且つ交換も容易であるため特に好ましい。尚、寒冷地等での凍結の恐れのある場合や冷却能力を更に上げたい場合には、コストは掛かるが、液体の冷媒としてガルデンを用いることも有効である。
本発明の冷却部材を被冷却材に取り付けるには、その凸状構造部を被冷却部材に対して押し付けるだけで良いが、被冷却部材がロウ付けや半田付け等に耐える場合には、押し付けた状態でロウ付けや半田付けにより完全に接合しても構わない。その際、冷却部材の凸状構造部が容易に変形して、被冷却部材との間でクッションとなって熱応力を吸収できるので、被冷却体と間の熱膨張係数を合わせるために熱膨張係数優先で熱伝導率やヤング率を犠牲にしたり、応力緩和のためのコンパウンド樹脂などを介して接合したりする必要がない。そのため、無駄な隙間や応力緩和層による熱抵抗がなくなるため、高い冷却特性を達成することができる。
従って、本発明の冷却部材を被冷却体であるテレビ、プロジェクタ、コンピュータ等の電子機器に使用することによって、従来のヒートシンクやファン等の冷却手段に比べて、被冷却体の熱を極めて効率よく放熱して冷却することができ、最近の発熱量の増大に対応することができるうえ、電子機器の薄型化を達成することができる。
[実施例1]
図8に示すように、DLP素子の代用として縦20×横20×厚さ1mmのAlNヒータ4を用い、このAlNヒータ4を純度92%の縦40×横40×厚さ2.5mmのAl2O3基板5にAgグリ−ス(熱伝導率:9W/m・K)を用いて接着した。この被冷却体であるAl2O3基板5の裏面中央の冷却領域は、縦20×横20mmであり且つ凹状に0.05mm反っていた。
図8に示すように、DLP素子の代用として縦20×横20×厚さ1mmのAlNヒータ4を用い、このAlNヒータ4を純度92%の縦40×横40×厚さ2.5mmのAl2O3基板5にAgグリ−ス(熱伝導率:9W/m・K)を用いて接着した。この被冷却体であるAl2O3基板5の裏面中央の冷却領域は、縦20×横20mmであり且つ凹状に0.05mm反っていた。
一方、冷却部材として、Cu基材6の片面に多数のCuの柱状体が集合した凸状構造部7をワイヤー放電加工により形成し、Cu基材6の他方の面は放熱用のCu板状体8とし、そのCu板状体8の背面には一体加工でフィン8が形成してある。この冷却部材の凸状構造部7を上記Al2O3基板5の裏面中央の冷却領域に押し付け、Al2O3基板5とCu板状体8をSUSねじで締め込んで固定した。更に、Cu板状体8の背面のフィン9に、通常のごとくファン10で大気を流すようにした。
尚、上記冷却部材における多数のCuの柱状体が集合した凸状構造部7は、Cu基材6のワイヤー放電加工により形成した。作製した凸状構造部7は、例えば図1に示すように、斜め45°に傾斜した断面0.1×0.1mmの多数の柱状体2が、互いに0.4mmの間を空けて規則的に配列した構造を有している。また、凸状構造部7と被冷却体であるAl2O3基板5との対向面積に対して、凸状構造部7がAl2O3基板5と接触している接触面積(全柱状体2の先端部の合計面積に相当する)が占める割合は5%であった。
上記試料1の冷却系を、縦300×横300×高さ600mmの筐体内に入れ、系外の影響を受けない状態において、室温を空調で20℃に制御し、AlNヒータ4への供給電力を7Wに設定して冷却実験を行った。その際、多数の柱状体の集合した凸状構造部7内には特に大気は流さず、フィン9を備えた背面側からファン10で大気を送って冷却した。
また、上記柱状体の長さを変えることにより、試料ごとに凸状構造部の厚みを変えた。即ち、凸状構造部の厚みは、試料1が0.005μm、試料2が0.01mm、試料3が0.28mm、試料4が0.3mm、試料5が1.0mm、試料6が3.0mm、試料7が5.0mm、試料8が6.0mm、試料9が20.0mm、試料10が50.0mm、試料11が60.0mmとした。尚、背面側のフィンの厚みは全ての試料1〜11で1.0mmとした。
上記の試料1〜11について、上記の冷却実験を行ったところ、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料1は48℃、試料2は45℃、試料3は41℃、試料4は39℃、試料5は35℃、試料6は37℃、試料7は38℃、試料8は42℃、試料9は43℃、試料10は44℃、試料11は47℃であった。
[比較例1]
冷却部材として、多数のCuの柱状体が集合した凸状構造部を有しないCu基材を用いた。即ち、上記実施例1で作製した凸状構造部7(図8参照)の代わりに、図10に示すように、柱状体の存在しない平滑なCu基材6とAl2O3基板5の間に、熱伝導率5W/m・Kの樹脂シート(厚み1.5mm)11を挟み込んで固定した以外は上記実施例1と同様にして比較例の試料12を作製した。
冷却部材として、多数のCuの柱状体が集合した凸状構造部を有しないCu基材を用いた。即ち、上記実施例1で作製した凸状構造部7(図8参照)の代わりに、図10に示すように、柱状体の存在しない平滑なCu基材6とAl2O3基板5の間に、熱伝導率5W/m・Kの樹脂シート(厚み1.5mm)11を挟み込んで固定した以外は上記実施例1と同様にして比較例の試料12を作製した。
この比較例の試料12について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は52℃であった。
[実施例2]
図9に示すように、上記実施例1の放熱部であるフィン9(図8参照)の代わりに、上記実施例1の凸状構造部7の場合と同様のワイヤー放電加工により、Cu板状体8の背面に多数のCuの柱状体が集合した凸状構造体12の放熱部を形成し、その凸状構造体12の厚みを試料ごとに変えた。即ち、凸状構造部12の厚みは、試料13が0.005mm、試料14が0.01mm、試料15が0.28mm、試料16が0.3mm、試料5が1.0mm、試料17が3.0mm、試料18が5.0mm、試料19が6.0mm、試料20が20mm、試料21が50mm、試料22が60mmとした。
図9に示すように、上記実施例1の放熱部であるフィン9(図8参照)の代わりに、上記実施例1の凸状構造部7の場合と同様のワイヤー放電加工により、Cu板状体8の背面に多数のCuの柱状体が集合した凸状構造体12の放熱部を形成し、その凸状構造体12の厚みを試料ごとに変えた。即ち、凸状構造部12の厚みは、試料13が0.005mm、試料14が0.01mm、試料15が0.28mm、試料16が0.3mm、試料5が1.0mm、試料17が3.0mm、試料18が5.0mm、試料19が6.0mm、試料20が20mm、試料21が50mm、試料22が60mmとした。
上記本発明の試料13〜22について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料13は49℃、試料14は45℃、試料14は45℃、試料15は42℃、試料16は38℃、試料5は35℃、試料17は34℃、試料18は37℃、試料19は41℃、試料20は43℃、試料21は45℃、試料22は48℃であった。
[実施例3]
上記実施例1の試料5における凸状構造部のAl2O3基板との接触面積比(凸状構造部7とAl2O3基板5の接触状態での対向面積に対して、凸状構造部7の複数の柱状体がAl2O3基板5と接触している部分が占める接触面積の割合)は5%であるが、柱状体の先端形状を絞ったり広げたりして上記接触面積比を変えた試料23〜26を作製した。即ち、各試料の接触面積比は、試料23が0.005%、試料24が0.011%、試料25が1%、試料26が5%とした。
上記実施例1の試料5における凸状構造部のAl2O3基板との接触面積比(凸状構造部7とAl2O3基板5の接触状態での対向面積に対して、凸状構造部7の複数の柱状体がAl2O3基板5と接触している部分が占める接触面積の割合)は5%であるが、柱状体の先端形状を絞ったり広げたりして上記接触面積比を変えた試料23〜26を作製した。即ち、各試料の接触面積比は、試料23が0.005%、試料24が0.011%、試料25が1%、試料26が5%とした。
これらの試料23〜26について、上記実施例1と同じ条件冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料23は47℃、試料24は39℃、試料25は34℃、試料26は33℃であった。
[実施例4]
上記実施例1の試料5における凸状構造部の空隙率は95%であるが、柱状体の配置ピッチを変えて形成することにより、空隙率の異なる試料27〜30を作製した。即ち、各試料の凸状構造部の空隙率は、試料27が30%、試料28が40%、試料29が55%、試料30が80%とした。
上記実施例1の試料5における凸状構造部の空隙率は95%であるが、柱状体の配置ピッチを変えて形成することにより、空隙率の異なる試料27〜30を作製した。即ち、各試料の凸状構造部の空隙率は、試料27が30%、試料28が40%、試料29が55%、試料30が80%とした。
これらの試料27〜30について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料27は44℃、試料28は41℃、試料29は40℃、試料30は37℃であった。
[実施例5]
上記実施例1の試料5における凸状構造部の変形能は150μmであるが、変形能の異なる試料31〜33を作製した。即ち、各試料の変形能は、試料31が50μm、試料32が100μm、試料5が150μm、試料33が200μmとした。
上記実施例1の試料5における凸状構造部の変形能は150μmであるが、変形能の異なる試料31〜33を作製した。即ち、各試料の変形能は、試料31が50μm、試料32が100μm、試料5が150μm、試料33が200μmとした。
これらの試料31〜33について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料31は42℃、試料32は40℃、試料5は35℃、試料33は33℃であった。
[実施例6]
上記実施例1の試料5における凸状構造部の表面の輻射率は0.1であるが、表面状態を変えて輻射率が異なる試料34〜38を作製した。即ち、各試料の凸状構造部の輻射率は、試料34が0.4、試料35が0.55、試料36が0.65、試料37が0.8、試料38が0.95とした。
上記実施例1の試料5における凸状構造部の表面の輻射率は0.1であるが、表面状態を変えて輻射率が異なる試料34〜38を作製した。即ち、各試料の凸状構造部の輻射率は、試料34が0.4、試料35が0.55、試料36が0.65、試料37が0.8、試料38が0.95とした。
これらの試料34〜38について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料34は36℃、試料35は30℃、試料36は29℃、試料37は28.5℃、試料38は28℃であった。
[実施例7]
上記実施例1の試料5において凸状構造部を構成する柱状体の径は100μmであるが、柱状体の径が異なる試料39〜42を作製した。即ち、各試料の柱状体の径は、試料39が200μm、試料40が500μm、試料41が600μm、試料42が1000μmとした。ただし、柱状体の傾斜角度を変えることにより、全ての試料で凸状構造部の厚みは1mmに統一した。
上記実施例1の試料5において凸状構造部を構成する柱状体の径は100μmであるが、柱状体の径が異なる試料39〜42を作製した。即ち、各試料の柱状体の径は、試料39が200μm、試料40が500μm、試料41が600μm、試料42が1000μmとした。ただし、柱状体の傾斜角度を変えることにより、全ての試料で凸状構造部の厚みは1mmに統一した。
これらの試料39〜42について、上記実施例1と同じ方法で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料39は36℃、試料40は40℃、試料41は42℃、試料42は45℃であった。
[実施例8]
上記実施例1の試料5において凸状構造部を構成する柱状体のアスペクト比は10であるが、柱状体の長さを調整してアスペクト比が異なる試料43〜45を作製した。即ち、各試料の柱状体の径は、試料43が2、試料44が5、試料45が20とした。
上記実施例1の試料5において凸状構造部を構成する柱状体のアスペクト比は10であるが、柱状体の長さを調整してアスペクト比が異なる試料43〜45を作製した。即ち、各試料の柱状体の径は、試料43が2、試料44が5、試料45が20とした。
これらの試料43〜45について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料43は45℃、試料44は41℃、45は30℃であった。
[実施例9]
上記実施例1の試料5における凸状構造部の柱状体の材質は銅であり、熱伝導率は403W/m・Kあるが、その柱状体の材質が異なる試料46〜48を作製した。即ち、各試料の材質は、試料46がアルミニウム(熱伝導率:236W/m・K)、試料47がステンレス(熱伝導率:15W/m・K)、試料48がニッケル(熱伝導率:94W/m・K)である。
上記実施例1の試料5における凸状構造部の柱状体の材質は銅であり、熱伝導率は403W/m・Kあるが、その柱状体の材質が異なる試料46〜48を作製した。即ち、各試料の材質は、試料46がアルミニウム(熱伝導率:236W/m・K)、試料47がステンレス(熱伝導率:15W/m・K)、試料48がニッケル(熱伝導率:94W/m・K)である。
これらの試料46〜48について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料46は38℃、試料47は45℃、試料48は43℃であった。
[実施例10]
上記実施例1の試料5においは冷媒として大気を用いたが、試料49〜52では異なる冷媒を用いた。即ち、各試料の冷媒は、試料41が窒素ガス、試料49がアルゴンガス、試料50が冷却水、試料51がガルデンであり、全て20℃に制御して冷媒として用いた。
上記実施例1の試料5においは冷媒として大気を用いたが、試料49〜52では異なる冷媒を用いた。即ち、各試料の冷媒は、試料41が窒素ガス、試料49がアルゴンガス、試料50が冷却水、試料51がガルデンであり、全て20℃に制御して冷媒として用いた。
これらの試料49〜52について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料49は35℃、試料50は35℃、試料51は29℃、試料52は28℃であった。
[実施例11]
上記実施例1の試料5において冷却はファンによる強制空冷であるが、ファンによる強制空冷の代わりに、試料53では20℃の大気中で自然空冷を行った。
上記実施例1の試料5において冷却はファンによる強制空冷であるが、ファンによる強制空冷の代わりに、試料53では20℃の大気中で自然空冷を行った。
この試料53について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は49℃であった。
[実施例12]
上記実施例1の試料5においては凸状構造部をねじ締めにてAl2O3基板に固定したが、Al2O3基板にTi/Pt/Auを各0.1μm厚ずつ真空チャンバ内で積層すると共に、凸状構造部もNiめっきし、両者の間に厚み0.1mmのAg−Cuロウ箔を挟み込んで、水素炉中にて850℃で接合することにより試料54を作製した。
上記実施例1の試料5においては凸状構造部をねじ締めにてAl2O3基板に固定したが、Al2O3基板にTi/Pt/Auを各0.1μm厚ずつ真空チャンバ内で積層すると共に、凸状構造部もNiめっきし、両者の間に厚み0.1mmのAg−Cuロウ箔を挟み込んで、水素炉中にて850℃で接合することにより試料54を作製した。
この試料54について、上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行った結果、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は32℃であった。
[実施例13]
上記実施例1の凸状構造部と同じ多数の柱状体の集合した構造をLIGA法で形成し、この凸状構造部を有する以外は上記実施例1の試料5と同じ試料55を作製した。
上記実施例1の凸状構造部と同じ多数の柱状体の集合した構造をLIGA法で形成し、この凸状構造部を有する以外は上記実施例1の試料5と同じ試料55を作製した。
この試料55について上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は35℃であった。
[実施例14]
上記実施例1の凸状構造部の代わりに厚み1mmの市販のCu製金属多孔体(PPI=50)を用い、このCu製金属多孔体からなる凸状構造部を有する以外は上記実施例1の試料5と同じ試料56を作製した。
上記実施例1の凸状構造部の代わりに厚み1mmの市販のCu製金属多孔体(PPI=50)を用い、このCu製金属多孔体からなる凸状構造部を有する以外は上記実施例1の試料5と同じ試料56を作製した。
この試料56について上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は36℃であった。
[実施例15]
上記実施例1の凸状構造部の代わりに厚み1mmのCu製ハニカム構造体(ハニカム径:0.1mm)を用い、このCu製ハニカム構造体からなる凸状構造部を有する以外は上記実施例1の試料5と同じ試料57を作製した。
上記実施例1の凸状構造部の代わりに厚み1mmのCu製ハニカム構造体(ハニカム径:0.1mm)を用い、このCu製ハニカム構造体からなる凸状構造部を有する以外は上記実施例1の試料5と同じ試料57を作製した。
この試料57について上記実施例1と同じ条件で冷却実験を行ったところ、AlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は38℃であった。
[実施例16]
20×6mmで厚さ0.1mmのCu箔をエッチングして、Cu箔の向かい合った二辺に100×100×1000μmの柱状体が辺に対し60°の角度で傾斜し且つ350μm間隔で並んだCu箔Aを作製した。このCu箔Aと、20×4mmで厚さ0.1mmのCu箔Bを、交互に互いの面を重ね合わせて溶接し、外形20×20×6mmの試料58の凸状構造部を作製した。
20×6mmで厚さ0.1mmのCu箔をエッチングして、Cu箔の向かい合った二辺に100×100×1000μmの柱状体が辺に対し60°の角度で傾斜し且つ350μm間隔で並んだCu箔Aを作製した。このCu箔Aと、20×4mmで厚さ0.1mmのCu箔Bを、交互に互いの面を重ね合わせて溶接し、外形20×20×6mmの試料58の凸状構造部を作製した。
得られた試料58の凸状構造部を、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータとAl2O3基板にセットして冷却系を構成し、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例1と同じ方法によりAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は34℃になった。
また、上記試料58のCu箔Aと一辺は同じ柱状体であるが、他の一辺の柱状体は側面に0.05×0.1mmの枝状体を左右それぞれ4本ずつ追加した形状にエッチングしたCu箔A1を作製した。その際、柱状体及び枝状体の表面のエッチング条件を変えて、その表面粗さRaを試料59で0.08μm、試料60で1μm、試料61で0.5μmに仕上げ、それぞれ上記Cu箔Bと交互に積層して溶接し、凸状構造部を作製した。
これらの試料59〜61の凸状構造部を、枝状体が背面に来るようにして、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータとAl2O3基板にセットして冷却系を構成し、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料59が31℃、試料60が29℃、試料61が28℃であった。
[実施例17]
上記実施例16の試料57のCu箔Aと片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図3に示すような幅100μm、外径(R)1mmの曲線状体で、片端が保持板と一体化し且つ他端が保持板から0.8mmの位置にある半円弧状の曲線形状体を0.35mm間隔で形成した。このCu箔A2を、上記実施例16で用いたCu箔Bと交互に積層して溶接し、試料62の凸状構造部を作製した。
上記実施例16の試料57のCu箔Aと片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図3に示すような幅100μm、外径(R)1mmの曲線状体で、片端が保持板と一体化し且つ他端が保持板から0.8mmの位置にある半円弧状の曲線形状体を0.35mm間隔で形成した。このCu箔A2を、上記実施例16で用いたCu箔Bと交互に積層して溶接し、試料62の凸状構造部を作製した。
また、上記Cu箔Aと片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図4に示すような幅100μm、外径(R)1mmの曲線形状体で、両端が保持板と一体化したアーチ状の曲線状体を0.2mm間隔で形成した。このCu箔A3を、上記Cu箔Bと交互に積層して溶接し、試料63の凸状構造部を作製した。
また、上記Cu箔Aと片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図5に示すような幅100μm、両端間距離1mmで、外径(R)250μmの曲線を複数含む曲線形状体を中心間ピッチ700μmで形成した。このCu箔A4を、上記Cu箔Bと交互に積層して溶接し、試料64の凸状構造部を作製した。
更に、上記Cu箔Aとの片方の辺の柱状体は同じであるが、他方の辺には図6に示すように幅100μm、両端間距離1mmのS字形状の曲線形状体を中心間ピッチ700μmで形成した。このCu箔A5を、上記Cu箔Bと交互に積層して溶接し、試料65の凸状構造部を作製した。
上記した試料62〜65の凸状構造部を、上記実施例1と同じ方法で、ただし新たに形成した曲線形状体がAl2O3基板側に来るように配置して、AlNヒータ及びAl2O3基板にセットして冷却系を構成した。背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例1と同じ方法によりAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料62が31℃、試料63が31℃、試料64が30℃、試料65が29℃であった。
[実施例18]
上記実施例1の試料5において、Al2O3基板に押し付ける柱状体の集合した凸状構造部の代わりに、直径0.05mmCu線0.1gを絡み合わせた凸状構造部を用い、上記実施例1と同様に、背面に放熱部を形成した20×20×5mmのCu基板とAl2O3基板の間に挟み込んで、試料66の冷却系を構成した。
上記実施例1の試料5において、Al2O3基板に押し付ける柱状体の集合した凸状構造部の代わりに、直径0.05mmCu線0.1gを絡み合わせた凸状構造部を用い、上記実施例1と同様に、背面に放熱部を形成した20×20×5mmのCu基板とAl2O3基板の間に挟み込んで、試料66の冷却系を構成した。
また、直径0.05mmのカーボンファイバ0.1gを絡み合わせた凸状構造部を用い、上記実施例1と同様に、背面に放熱部を形成した20×20×5mmのCu基板とAl2O3基板の間に挟み込んで、試料67の冷却系を構成した。
これらの試料66〜67について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料66が38℃、試料67が39℃であった。
[実施例19]
樹脂PPS(ポリフェニレンスルフィド)中にFe粒子を混練して均一分散したスラリーをペレット状にし、これを射出成形機に投入して金型から押し出して射出成形し、上記実施例1の試料5と同じ寸法並びに形状の樹脂製の凸状構造部を作製した。この樹脂の熱伝導率は20W/m・Kであった。この樹脂製の凸状構造部上にCuめっきを5μm施して、試料68の凸状構造部とした。
樹脂PPS(ポリフェニレンスルフィド)中にFe粒子を混練して均一分散したスラリーをペレット状にし、これを射出成形機に投入して金型から押し出して射出成形し、上記実施例1の試料5と同じ寸法並びに形状の樹脂製の凸状構造部を作製した。この樹脂の熱伝導率は20W/m・Kであった。この樹脂製の凸状構造部上にCuめっきを5μm施して、試料68の凸状構造部とした。
この試料68について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は39℃であった。
[実施例20]
上記実施例1の試料5において、その凸状構造部の表面にNiめっきを5μm施した試料69作製した。この試料69について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は36℃であった。
上記実施例1の試料5において、その凸状構造部の表面にNiめっきを5μm施した試料69作製した。この試料69について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は36℃であった。
次に、上記試料5と試料69の各凸状構造部を、温度80℃、湿度80%の高温加湿試験機で100時間暴露した後、同じ評価を行ったところ、試料5は37℃であったが、試料69は36℃と特性に変化は無かった。
[実施例21]
上記実施例16と同様に、20×21mmで厚さ0.1mmのCu箔をエッチングして、Cu箔の向かい合う二辺に100×100×1000μmの柱状体が保持体に対し60°の角度で傾斜して、350μm間隔で並んだCu箔A6を作製した。また、20×19mmで厚さ0.35mmのCu箔をエッチングして、図7に示すように、その一辺に凹凸形状を形成したCu箔A7を作製した。その際、Cu箔A7の凹凸の半径(R)を変え、試料70で1mm、試料71で9mm、試料72で10mmとした。
上記実施例16と同様に、20×21mmで厚さ0.1mmのCu箔をエッチングして、Cu箔の向かい合う二辺に100×100×1000μmの柱状体が保持体に対し60°の角度で傾斜して、350μm間隔で並んだCu箔A6を作製した。また、20×19mmで厚さ0.35mmのCu箔をエッチングして、図7に示すように、その一辺に凹凸形状を形成したCu箔A7を作製した。その際、Cu箔A7の凹凸の半径(R)を変え、試料70で1mm、試料71で9mm、試料72で10mmとした。
これらのCu箔A6とCu箔A7を、Cu箔A7の凹凸形状が背面側に来るように交互に互いの面を重ね合わせて溶接し、試料70〜72の冷却系を構成した。これらの試料69〜71について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料70が29℃、試料71が30℃、試料72が35℃であった。
[実施例22]
上記実施例1の試料5において、背面側のAl2O3基板に接触している凸状構造部内に、0.1×20×1.0mmの板状体を5枚挿入してロウ付けした。その際に、板状体の表面粗さRaを変えて、試料73で0.08μm、試料74で0.1μm、試料75で0.5μmとした。
上記実施例1の試料5において、背面側のAl2O3基板に接触している凸状構造部内に、0.1×20×1.0mmの板状体を5枚挿入してロウ付けした。その際に、板状体の表面粗さRaを変えて、試料73で0.08μm、試料74で0.1μm、試料75で0.5μmとした。
これらの試料73〜75について、背面側からファンで大気を送りながら、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料73が31℃、試料74が30℃、試料75が29℃であった。
[実施例23]
上記実施例1における試料5の凸状構造部の中央に、直径2mmの穴を1個開けた試料76を作製した。この凸状構造部を用いて上記実施例1と同様に冷却系を構成し、背面側から中央の穴を通してポンプで5リッター/分で大気を引きながら、背面側からファンで大気を送り、大気が凸状構造部内にも大気が流れ込んで両面で空冷できるようにした。この試料76について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は27℃であった。
上記実施例1における試料5の凸状構造部の中央に、直径2mmの穴を1個開けた試料76を作製した。この凸状構造部を用いて上記実施例1と同様に冷却系を構成し、背面側から中央の穴を通してポンプで5リッター/分で大気を引きながら、背面側からファンで大気を送り、大気が凸状構造部内にも大気が流れ込んで両面で空冷できるようにした。この試料76について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は27℃であった。
また、上記実施例1における試料5の凸状構造部の中央に、直径3mmの穴を1個開けた試料77を作製した。この凸状構造部を用いて上記実施例1と同様に冷却系を構成し、中央穴はポンプに繋がず開放状態にし、背面側からファンで送った大気が背面だけでなく凸状構造部内へも大気が流れ込んで、両面で空冷できるようにした。この試料77について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は28℃であった。
[実施例24]
上記実施例1における試料5の凸状構造部及び保持板に用いたCuは、純度99.96%のものである。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、試料78では純度92.5%のCu、試料79では純度88%のCuを使用して、それぞれ凸状構造部を作製した。
上記実施例1における試料5の凸状構造部及び保持板に用いたCuは、純度99.96%のものである。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、試料78では純度92.5%のCu、試料79では純度88%のCuを使用して、それぞれ凸状構造部を作製した。
これらの試料について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料5が35℃であったのに対し、試料78は37℃、試料79は40℃であった。
[実施例25]
上記実施例1における試料5の凸状構造部及び保持板に用いたCuは、引張強度が280MPaのものである。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、引張強度が試料80では340MPa、試料81では380MPa、試料82では420MPaの材質を選択して、それぞれ凸状構造部試料を作製した。
上記実施例1における試料5の凸状構造部及び保持板に用いたCuは、引張強度が280MPaのものである。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、引張強度が試料80では340MPa、試料81では380MPa、試料82では420MPaの材質を選択して、それぞれ凸状構造部試料を作製した。
これらの試料について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料5が35℃であったのに対し、試料80は36℃、試料81は40℃、試料82は41℃であった。
[実施例26]
上記実施例1における試料5の柱状体は、表面粗さRa=0.1μmである。この試料5と同じ形状であるが、表面のエッチング条件を変えることにより表面粗さRaを変化させて、試料83では0.08μm、試料84では0.5μm、試料85では1.0μmに仕上げた。その際、被冷却体との接触面はエッチングで面粗度が変化しないようにマスキングして、各先端面の表面粗さRaを0.1μmに揃えた。
上記実施例1における試料5の柱状体は、表面粗さRa=0.1μmである。この試料5と同じ形状であるが、表面のエッチング条件を変えることにより表面粗さRaを変化させて、試料83では0.08μm、試料84では0.5μm、試料85では1.0μmに仕上げた。その際、被冷却体との接触面はエッチングで面粗度が変化しないようにマスキングして、各先端面の表面粗さRaを0.1μmに揃えた。
これらの試料について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料5が35℃であったのに対し、試料83は36℃、試料84は32℃、試料85は30℃であった。
[実施例27]
上記実施例1における試料5の柱状体の先端面は、表面粗さRa=0.1μmである。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、ワイヤー放電加工前のCu板上面の研磨砥粒条件を変えることにより、先端面の表面粗さRaを変化させ、試料86では1μm、試料87では5μm、試料88では7μm、試料89では9μmに仕上げた。
上記実施例1における試料5の柱状体の先端面は、表面粗さRa=0.1μmである。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、ワイヤー放電加工前のCu板上面の研磨砥粒条件を変えることにより、先端面の表面粗さRaを変化させ、試料86では1μm、試料87では5μm、試料88では7μm、試料89では9μmに仕上げた。
これらの試料について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料5が35℃であったのに対し、試料86は36℃、試料87は37℃、試料88は40℃、試料89は42℃であった。
[実施例28]
上記実施例1における試料5では、凸状構造部の締め付け力は柱状体1本当たり20gであった。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、締付け力を試料90では0.8g、試料91では1g、試料92では5g、試料93では50g、試料94では100gとした。
上記実施例1における試料5では、凸状構造部の締め付け力は柱状体1本当たり20gであった。この試料5と製法並びに形状は同じであるが、締付け力を試料90では0.8g、試料91では1g、試料92では5g、試料93では50g、試料94では100gとした。
これらの試料について、上記実施例1と同じ方法でAlNヒータにRTD素子を埋込んで測定した温度は、試料5が35℃であったのに対し、試料90は41℃、試料91は39℃、試料92は35℃、試料93は30℃、試料94は28℃であった。
1 基材
2 柱状体
3 つば部
4 AlNヒータ
5 Al2O3基板
6 Cu基材
7 凸状構造部
8 Cu板状体
9 フィン
10 ファン
11 樹脂シート
12 凸状構造体
2 柱状体
3 つば部
4 AlNヒータ
5 Al2O3基板
6 Cu基材
7 凸状構造部
8 Cu板状体
9 フィン
10 ファン
11 樹脂シート
12 凸状構造体
Claims (33)
- 被冷却体に接触して冷却を行う冷却部材であって、少なくとも被冷却体と接触する表面に、被冷却体との接触により形成される空間あるいはその空間とそれに繋がる空間を有する複数の凸状構造が形成され、その複数の凸状構造からなる凸状構造部が被冷却体の接触面の形状に沿って弾性変形及び/又は塑性変形することにより、被冷却体に直接隙間なく接触して熱を奪うことを特徴とする冷却部材。
- 前記凸状構造部が多数の柱状体の集合した構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の冷却部材。
- 前記柱状体の径が500μm以下であり、且つアスペクト比が5以上あることを特徴とする、請求項2に記載の冷却部材。
- 前記柱状体上に枝状体が形成されていることを特徴とする、請求項2又は3に記載の冷却部材。
- 前記柱状体の一部あるいは全体が、曲線を含む形状になっていることを特徴とする、請求項2〜4のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記柱状体の一部あるいは全体が、曲線を複数含む形状、らせん形状あるいはS字形状であることを特徴とする、請求項5に記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が金属多孔体からなることを特徴とする、請求項1に記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が被冷却体との接触面に対し平行な軸を有するハニカム構造体からなることを特徴とする、請求項1に記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が、金属線を絡み合わせた構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が、カーボンファイバを絡み合わせた構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が、樹脂の表面に金属化処理がなされた構造をしていることを特徴とする、請求項1〜6、8のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が、金属表面に金属化処理がなされた構造をしていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部内に複数の凹凸形状が形成されていることを特徴とする、請求項1〜8、11、12のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部内に板状体が形成されていることを特徴とする、請求項1〜8、11、12のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部の被冷却体との接触面に対し垂直方向における厚みが0.01mm以上50mm以下であることを特徴とする、請求項1〜14のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部の被冷却体との接触面に対し垂直方向における厚みが0.3mm以上5mm以下であることを特徴とする、請求項1〜15のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記被冷却体と接触する表面以外の面に、全体又は一部が複数の凸状構造からなる放熱部、あるいはフィン又は複数の凸状構造からなる凸状構造体を並べた放熱部を有することを特徴とする、請求項1〜16のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記放熱部の厚みが0.01mm以上50mm以下であることを特徴とする、請求項1〜17に記載の冷却部材。
- 前記放熱部の厚みが0.3mm以上5mm以下であることを特徴とする、請求項1〜18に記載の冷却部材。
- 前記被冷却体と接触する表面以外の面に、全体又は一部が複数の凸状構造からなる放熱部、あるいはフィン又は複数の凸状構造からなる凸状構造体を並べた放熱部と共に、被冷却体と接触する凸状構造部も放熱部とすることを特徴とする、請求項17〜19のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部と被冷却体の接触状態での対向面積に対し、該凸状構造部の複数の凸状構造が被冷却体と接触している部分が占める接触面積の割合が0.01%以上であることを特徴とする、請求項1〜20のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部の空隙率が50%以上であることを特徴とする、請求項1〜21のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部の弾性変形量及び/又は塑性変形量が、被冷却体の接触面に対する垂直方向において50μm以上であることを特徴とする、請求項1〜22のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部がヤング率150GPa以下の材料で構成されていることを特徴とする、請求項1〜23のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が熱伝導率100W/m・K以上の材料で構成されていることを特徴とする、請求項1〜24のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記凸状構造部が少なくとも銅又はアルミニウムを含む材料で構成されていることを特徴とする、請求項1〜9、12〜25のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記放熱部の表面の輻射率が0.6以上あることを特徴とする、請求項17〜26のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記放熱部に冷媒を流すことにより放熱することを特徴とする、請求項17〜27のいずれかに記載の冷却部材。
- 前記冷媒が気体であることを特徴とする、請求項28に記載の冷却部材。
- 前記気体が大気であることを特徴とする、請求項29に記載の冷却部材。
- 前記冷媒が液体であることを特徴とする、請求項28に記載の冷却部材。
- 前記液体が冷却水であることを特徴とする、請求項31に記載の冷却部材。
- 請求項1〜32のいずれかに記載した冷却部材を備えることを特徴とする、テレビ、プロジェクタあるいはコンピュータなどの電子機器。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006118709A JP2007273930A (ja) | 2006-03-10 | 2006-04-24 | 冷却部材 |
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---|---|---|---|---|
JP2009164409A (ja) * | 2008-01-08 | 2009-07-23 | Toshiba Corp | 発熱体搭載可能部品、金属体及び発熱体搭載可能部品の取付構造 |
JP2014209614A (ja) * | 2013-03-29 | 2014-11-06 | 株式会社フジクラ | 電子部品用放熱装置 |
JP2016192520A (ja) * | 2015-03-31 | 2016-11-10 | 太陽誘電株式会社 | 蓄電モジュール |
JP2018166212A (ja) * | 2018-06-15 | 2018-10-25 | 太陽誘電株式会社 | 蓄電モジュール |
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-
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- 2006-04-24 JP JP2006118709A patent/JP2007273930A/ja active Pending
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