JP2008028187A - 熱拡散用部材および熱拡散用部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度的に弱いグラファイト部材を機械的に保護し得る構成にすることにより、当初の熱伝導作用が長期にわたって得られる手段を提供する。
【解決手段】熱拡散用部材１１は閉じた空隙部ｋを形成する下面側熱伝導部材１２及び上面側熱伝導部材１４と、前記空隙部ｋに収納されるグラファイト重合体１３とを備える。強度的に弱いグラファイト重合体を、熱伝導部材により熱伝導的に覆った構成にしたことにより、グラファイト重合体が外部環境から保護されることとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に設けられる電子部品等の発熱体からの発熱を放熱させるために用いられるもので、特に放熱性能を向上させた熱拡散用部材および熱拡散用部材の製造方法に関する。

従来、この種の熱拡散用部材は、熱伝導性の優れた例えば銅、アルミニウム等の部材が用いられ、一定の熱伝導効果を得て、種々の発熱体の放熱用として用いられてきた。また、近年は、更に熱伝導効果がよく、また軽量な部材であるグラファイト部材が用いられている。

図６は、従来の熱拡散用部材１の概要を示す斜視図である。熱拡散用部材１は、中心層として設けられるグラファイト部材２と、このグラファイト部材２の上面および下面側に金属薄膜層３および４を積層させた構成になっている。また、グラファイト部材２の上面および下面側に金属薄膜層３および４を積層するにあたっては、グラファイト部材２の両面に、鍍金法、真空蒸着法、プラズマイオン化学蒸着法、プラズマイオン物理蒸着法等のグラファイト部材２に対して接合強度の強い所定の方法で堆積形成される。
特開２００１−１７７０２４号公報

従来の熱拡散用部材１によれば、グラファイト部材２の両面に種々の方法で金属薄膜層３および４を結合させて一体化させたものであるが、強度的に弱いグラファイト部材２の層が外部に露出した形状になっており、外力を受けて欠落したり、早期の変質により、当初の熱伝導作用が得られないという悪影響が出る虞があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、強度的に弱いグラファイト部材を機械的に保護し得る構成にすることにより、当初の熱伝導作用が長期にわたって得られるようにした熱拡散用部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、閉じた空隙部を形成する熱伝導部材と、前記空隙部に収納される高熱伝導部材とを備えたことを特徴とする熱拡散用部材を提供する。

上記目的を達成するために、本発明によれば、第１の熱伝導部材の上面に高熱伝導部材を設け、更にこの高熱伝導部材の外側から第２の熱伝導部材を重畳させて熱拡散用部材の仮組立状態のものを製作するステップと、前記熱拡散用部材の仮組立状態のものを、加熱・加圧炉にセットし、加熱・加圧炉を、加熱手段により所要の温度環境になるまで加温するステップと、前記第２の熱伝導部材の上方から所要圧力にて加圧するステップと、前記所要の温度環境および加圧状態を所要時間保持して上記両熱伝導部材をろう付けにより接合するステップと、を具備することを特徴とする熱拡散用部材の製造方法を提供する。

本発明による熱拡散用部材によれば、強度的に弱いグラファイト部材やカーボン繊維部材等の高熱伝導部材を、熱伝導部材により熱伝導的に覆った構成としたことにより、グラファイト部材が外部環境から保護されることから、グラファイト部材の熱伝導性能を維持する一方、長期の使用にも耐え得る熱拡散用部材を提供することができる。

また、本発明による熱拡散用部材の製造方法によれば、強度的に弱いグラファイト部材やカーボン繊維部材等の高熱伝導部材を、熱伝導部材により熱伝導的に覆うことができるように製作することができる製造方法であるから、発熱体の発熱からの一層の放熱効果の向上と、長期の使用にも耐え得る熱拡散用部材の製造方法を提供することができる。

本発明に係る熱拡散用部材の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の熱拡散用部材１１の概要を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。図２は本発明の熱拡散用部材１１の分解斜視図である。

熱拡散用部材１１は、図１および図２に示すように、平板状の下面側熱伝導部材（例えば、第１の熱伝導部材）１２と、この下面側熱伝導部材１２上に熱伝導的に設置される高熱伝導部材、例えばグラファイト重合体１３と、このグラファイト重合体１３および下面側熱伝導部材１２を上方から覆い被せ下面側熱伝導部材１２との間で空隙部ｋが形成されるように設けられる平板状の上面側熱伝導部材（例えば、第２の熱伝導部材）１４とから構成される。

下面側熱伝導部材１２は、上面周縁に額縁状に隆起形成された隆起縁部１２ａと、この隆起縁部１２ａが形成されることにより中央部にできる底部１２ｂとを備えている。すなわち、下面側熱伝導部材１２は図１（Ｂ）および図２に示すように、方形状をなし薄板に形成された、例えばアルミニウム製のもので、隆起縁部１２ａの内側の底部１２ｂにグラファイト重合体１３が収納（重畳）された構成である。

このグラファイト重合体１３は、熱伝導面を構成するよう、例えば平板状に設けられ、熱伝導面から熱伝導された熱が平面方向に伝導される特性を有するものである。

上面側熱伝導部材１４は、例えば方形状をなし熱伝導性のよい、例えばアルミニウム製のものである。そして、この上面側熱伝導部材１４は、下面側熱伝導部材１２の隆起縁部１２ａに熱伝導的に所望の接合手段、例えばろう付け１６により接合される。

また、上記のように接合された上面側熱伝導部材１４は、グラファイト重合体１３が空隙部ｋの高さと同じ又は同高さ以上に設けられることにより、下面側熱伝導部材１２の隆起縁部１２ａに接合された際、グラファイト重合体１３と熱伝導的に接合される。

グラファイト重合体１３は、例えば薄膜状のグラファイトシート材を複数枚重合して一体化したグラファイトシート重合体を基材とした、優れた高熱伝導性を有したもので、下面側熱伝導部材１２の底部１２ｂ側に熱伝導性を考慮して圧接状態に設けられる。なお、グラファイト重合体１３の基材であるグラファイトシートは、特有の熱伝導率および熱拡散率を示す。

以下にグラファイトシートである、「ＰＧＳ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｓｈｅｅｔ）グラファイトシートの材料特性」の特徴を下表（表１）に例示する。

例えば、このＰＧＳグラファイトシートを用いれば、銅やアルミニウムの２〜３倍程度の熱伝導率が得られる。従って、上面側熱伝導部材１４の上面に設置される、例えば図１（Ａ），（Ｂ）および図２の想像線で示す電子部品群ａ（ａ１〜ａ３）の発熱温度が比較的高い場合や、電子部品ａ１〜ａ３の内、何れかでも発熱温度が比較的高い部品がある場合には、熱伝導率のより高い、例えばＰＧＳ／２５μｍのものを採用するのが有効である。

従って、電子部品群ａにて発生する熱は、上面側熱伝導部材１４から、グラファイト重合体１３を介して十分拡散し、下面側熱伝導部材１２全面へ伝わり放熱することができる。

次に、熱拡散用部材１１の作用について、図１（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。

熱拡散用部材１１が、電子部品ａ１〜ａ３を備えた例えば図示しない電子装置に用いられたとする。電子装置に備えられた電子部品ａ１〜ａ３は、電子装置の作動に伴い作動して自己発熱する。この電子部品ａ１〜ａ３からの発熱は、上面側熱伝導部材１４へ熱伝導し、図１（Ａ）の平面方向、すなわち温度の低い方向へ熱伝導され、放熱される。

また同時に、電子部品ａ１〜ａ３による自己発熱による発熱は、図１（Ｂ）の矢印ｈ１０〜ｈ１２に示すように、上面側熱伝導部材１４の断面方向（矢印ｈ１０〜ｈ１２方向）等へも熱伝導される。従って、この上面側熱伝導部材１４の断面方向へ熱伝導された熱は、グラファイト重合体１３側へ熱伝導される。そして、熱伝導されたグラファイト重合体１３は、その平面方向および断面方向へ熱伝導する。その結果、このグラファイト重合体１３側に伝導された熱は、下面側熱伝導部材１２側へ熱伝導され、上述した上面側熱伝導部材１４と同様に平面方向および断面方向へ熱伝導し、放熱される。

このように、熱拡散用部材１１は、上面側熱伝導部材１４側からグラファイト重合体１３を介して十分拡散し、下面側熱伝導部材１２全面へ放熱（熱拡散）することを可能にしたので、上面側熱伝導部材１４に接触する電子部品群ａ側からの発熱が高効率に熱拡散し外部へ放熱される。

また、熱拡散用部材１１は、上面側熱伝導部材１４と下面側熱伝導部材１２との間において、グラファイト重合体１３が熱伝導的且つ液密及び／あるいは気密的に形成された場合には、グラファイト重合体１３が、外部に曝されないので、外気の浸入等の外部要因によって熱伝導性能の低下現象を防止することもできる。

更には上記構造によれば、グラファイト重合体１３から粉粒が出た場合に、この粉粒の飛散防止を図ることができる。

次に、上述した熱拡散用部材１１の製造方法について、図３および図４を参照して説明する。

図３は、図１に示す熱拡散用部材１１の製造方法の概要を示す加熱・加圧炉の横断面図である。また、図４は、熱拡散用部材１１の製造方法のステップを示すフロー図である。

熱拡散用部材１１の製作にあたっては、図３に示すように、炉中ろう付け用として所定の大きさの加熱・加圧炉２０が用いられる。

先ず、熱拡散用部材１１の仮組立状態のものを製作する。すなわち、下面側熱伝導部材１２、グラファイト重合体１３および上面側熱伝導部材１４を重畳させて、この仮組み立て状態のものを図３に示すように、加熱・加圧炉２０の所定面２０ａの所定位置に設置する。その重畳の際に、前もって、隆起縁部１２ａの上面にろう付け１６の材料であるろうを付着させる＜ステップ１＞。

なお、この場合、グラファイト重合体１３にもろう材（例えばシート状のろう材）を付着させるようにしてもよい。また、グラファイト重合体１３を構成するグラファイトシート間にもろう材を付着させるようにしてもよい。

次に、加熱・加圧炉２０を、図示しない加熱手段により高温環境下、例えば３５０℃程度の高温環境Ｈが得られる状態に加温する＜ステップ２＞。

続いて、この＜ステップ２＞の状態から、加熱・加圧炉２０内の図示しない加圧手段、例えば油圧プレスにより加圧型２１を介して、上面側熱伝導部材１４の上方より例えば３０ｋｇｆ／ｍｍ^２程度の所要の圧力Ｐにて加圧する。従って、上面側熱伝導部材１４と下面側熱伝導部材１２の隆起縁部１２ａとがろう付け１６にてろう付けされる一方、グラファイト重合体１３が下面側熱伝導部材１２および上面側熱伝導部材１４の双方に対して熱伝導的な接合状態に保持される＜ステップ３＞。

そして、上記＜ステップ２＞および＜ステップ３＞の状態を一定時間保持させて、上面側熱伝導部材１４と下面側熱伝導部材１２とをろう付け１６により接合する＜ステップ４＞。この結果、下面側熱伝導部材１２と上面側熱伝導部材１４との間に位置するグラファイト重合体１３が、下面側熱伝導部材１２および上面側熱伝導部材１４の双方に熱伝導的に圧接または密着状態に取り付けられる。

本発明の熱拡散用部材１１の製造方法によれば、上述した＜ステップ１＞〜＜ステップ４＞を踏むことにより、高熱伝導部材であるグラファイト重合体１４を用いた構成を特徴とする熱拡散用部材１１を製作することができる。

なお、熱拡散用部材１１によれば、グラファイト重合体１３を、下面側熱伝導部材１２と上面側熱伝導部材１４との間にあって、下面側熱伝導部材１２と上面側熱伝導部材１４の双方に熱伝導的に接合させて設けたが、グラファイト重合体１３は下面側熱伝導部材１２と上面側熱伝導部材１４の一方やその一部のみと熱伝導的に接合させた構造であってもよい。

また、熱拡散用部材１１によれば、その製造方法を実施するに際して用いた加圧型２１は、必ずしも図３に示すような構成（形状）に限られない。下面側熱伝導部材１２と上面側熱伝導部材１４の少なくとも一方の面（電子部品と接して用いられる面）が凹凸形状に形成されるようにしてもよい。

図５は、熱拡散用部材１１の上面側熱伝導部材３４を凹凸形状にした場合の実施例を示している。上面側熱伝導部材３４は、複数、例えば３個の上方へ突出する突起部３４ａ〜３４ｃを有している。

それぞれの突起部３４ａ〜３４ｃは、それぞれ異なった高さｌ１，ｌ２，ｌ３、幅ｄ１，ｄ２，ｄ３を有するものである。これら突起部３４ａ〜３４ｃは、熱拡散用部材１１の製造後に、この熱拡散用部材１１の上面側熱伝導部材３４上に熱伝導的に接することになる電子部品ａ１１〜ａ１３の位置に対応して設けられる。すなわち、例えば電子部品ａ１１〜ａ１３が回路基板３５に設けられた場合のその配置に応じた位置に対応するように突起部３４ａ〜３４ｃが設けられる。

また、突起部３４ａ〜３４ｃの高さは突起部３４ａ〜３４ｃと電子部品ａ１１〜ａ１３とが互いに接するように決められる。従って、例えば、電子部品ａ１１〜ａ１３の回路基板３５の基板本体面３５ａからの高さがそれぞれ異なれば突起部３４ａ〜３４ｃの高さも基本的にはそれぞれ異なることになる。

なお、これらの突起部３４ａ〜３４ｃの端面は、熱伝導（放熱）効果を上げるために電子部品ａ１１〜ａ１３と効果的に面接触し得るように形成されるのが好ましい。

もし電子部品ａ１１〜ａ１３それぞれの端面形状が、例えば凹凸状になっている場合には、突起部３４ａ〜３４ｃについてもその端面（凹凸状）の形状に合わせた形状にし得る。

また、回路基板３５が上面側熱伝導部材３４上に取り付けられる際に、例えば回路基板３５の平面部と熱拡散用部材１１の平面部とを平行に配置する場合には、回路基板３５の基板本体面３５ａと上面側熱伝導部材３４の基準面３４ｄとの間の寸法を一定にすればよい。逆に電子部品ａ１１〜ａ１３と突起部３４ａ〜３４ｃを接触させるためには基板本体面３５ａと基準面３４ｄを必ずしも平行にする必要はない。

上述したように、本発明の熱拡散用部材１１によれば、空隙部ｋが形成された第１の熱伝導部材１２（３２）と、空隙部ｋに収納され、第１の熱伝導部材１２（３２）に熱伝導的に設置された高熱伝導部材１３と、を備えた構成であるから、強度的に弱いグラファイト（重合体）部材１３等の高熱伝導部材を、熱伝導部材１２（３２）および１４（３４）により熱伝導的に覆った構成としたことにより、グラファイト部材１３が外部環境から保護されることから、グラファイト部材１３の熱伝導性能を維持する一方、長期の使用にも耐え得る熱拡散用部材を提供することができる。

更にまた、本発明の熱拡散用部材１１の製造方法によれば、グラファイト部材１３が外部環境から保護されることから、グラファイト部材１３の熱伝導性能を維持する一方、長期の使用にも耐え得る熱拡散用部材の製造方法を提供することができる。

なお、本発明の熱拡散用部材１１によれば、下面側熱伝導部材１２の隆起縁部１２ｂと上面側熱伝導部材１４との重合部をろう付け１６により接合したが、ネジ止め手段により結合させてもよい。

また、本発明の熱拡散用部材１１によれば、第１および第２の熱伝導部材１２（３２）／１４（３４）は、平板状のものを例示して説明したが、例えば波形状や円弧状にする等、平板状に限られるものではない。さらに、平板状であっても熱拡散用部材１１の上面及び下面は平行である必要はない。

更に、本発明の熱拡散用部材１１によれば、第１および第２の熱伝導部材１２（３２）／１４（３４）は、それぞれを逆の関係に設けることもできる。すなわち、第１の熱伝導部材１２（３２）を、第２の熱伝導部材１４（３４）とし、第２の熱伝導部材１４（３４）を第１の熱伝導部材１２（３２）として用いることができる。

更にまた、本発明の熱拡散用部材１１によれば、熱拡散用部材１１の熱伝導部材として、第１および第２の熱伝導部材１２（３２）／１４（３４）の２枚を用いるようにしたが、１枚の熱伝導部材のみで同様構成のものを設けてもよい。

すなわち、例えば１枚の熱伝導部材を箱型に折り曲げて空隙部を形成したり、例えばダイカスト製法により空隙部が一体的に形成された熱伝導部材を用いることも可能である。

更には、熱伝導部材を３つ以上用いて熱拡散用部材を構成するようにしてもよい。例えば、上面、下面、各側面ごとに熱伝導部材を用意して熱拡散用部材を構成するようにしてもよい。また、同一面内あるいは異なる面間で異なる材料からなる熱伝導部材を用いるようにしてもよい。

グラファイト重合体等の高熱伝導部材は熱伝導部材により設けられた空隙部内部全体を満たすようにすることで熱伝導（放熱）効果はより多く期待できるが、空隙部内部全体を満たさなくても一定の熱伝導（放熱）効果を得ることは可能である。

高熱伝導部材は空隙部を形成する熱伝導部材（例えば上記した下面側熱伝導部材及び上面側熱伝導部材）より熱伝導率が高ければよく、グラファイト重合体等のグラファイトを用いた部材に限られない。例えば熱伝導率の高いカーボン繊維部材も採用し得るし、その他にも例えばアルミより軽く銅よりも熱伝導率の高いものであれば採用し得る。

また、グラファイト部材を用いる場合、グラファイトシートである必要がないことはいうまでもない。

高熱伝導部材の厚さはその下面（上面）側に設けられる熱伝導部材（例えば下面（上面）側熱伝導部材）よりも厚くすることで、熱拡散用部材としての熱伝導率を高め、結果として放熱効果を上げることができる。

また、放熱効果を上げるために熱拡散部材の電子部品と接しない側や接しない部分に放熱用のフィンを設けるようにしてもよい。

本発明の熱拡散用部材の実施形態の概要を示す図で、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその正面図。 図１に示す熱拡散用部材の分解斜視図。 図１に示す熱拡散用部材の製造方法の概要を示す加熱・加圧炉の横断面図。 本発明の熱拡散用部材の製造方法のステップを示すフロー図。 本発明の熱拡散用部材の上面側熱伝導部材の他の実施例を示す断面図。 従来の熱拡散用部材の概要を示す斜視図。

符号の説明

１１ 熱拡散用部材
ａ 電子部品群
ａ１〜ａ３ 電子部品（発熱体）
１２，３２ 下面側熱伝導部材
１２ａ 基面部
１２ｂ 隆起縁部
１３，３３ グラファイト重合体（高熱伝導部材）
１４，３４ 上面側熱伝導部材
１６ ろう付け手段（接合手段）
２０ 加熱・加圧炉
２０Ａ 床面
２１ 加圧型
３４Ａ〜３４Ｃ 突起部
３５ 回路基板
３５ａ 基板本体
ｋ 空隙部
Ｈ 高温環境
Ｐ 加圧力
Ｐ１〜Ｐ５ 加圧力

Claims (9)

1. 閉じた空隙部を形成する熱伝導部材と、前記空隙部に収納される高熱伝導部材とを備えたことを特徴とする熱拡散用部材。
2. 前記空隙部は第１の熱伝導部材と第２の熱伝導部材を接合することにより形成したことを特徴とする請求項１記載の熱拡散用部材。
3. 前記高熱伝導部材はグラファイト部材であることを特徴とする請求項１記載の熱拡散用部材。
4. 前記高熱伝導部材はカーボン繊維部材であることを特徴とする請求項１記載の熱拡散用部材。
5. 前記第１の熱伝導部材および前記第２の熱伝導部材の少なくとも一方に隆起縁部が形成されることを特徴とする請求項２記載の熱拡散用部材。
6. 前記熱伝導部材の外側表面に熱伝導的に接触する発熱体の接触面の形状に合わせて面接触し得るように突起部が形成されたことを特徴とする請求項２記載の熱拡散用部材。
7. 前記第１の熱伝導部材と前記第２の熱伝導部材はろう付けにより接合されることを特徴とする請求項２記載の熱拡散用部材。
8. 前記第１の熱伝導部材と前記第２の熱伝導部材はネジ止めにより接合されることを特徴とする請求項２記載の熱拡散用部材。
9. 第１の熱伝導部材の上面に高熱伝導部材を設け、更にこの高熱伝導部材の外側から第２の熱伝導部材を重畳させて熱拡散用部材の仮組立状態のものを製作するステップと、
   前記熱拡散用部材の仮組立状態のものを、加熱・加圧炉にセットし、加熱・加圧炉を、加熱手段により所要の温度環境になるまで加温するステップと、
   前記第２の熱伝導部材の上方から所要圧力にて加圧するステップと、
   前記所要の温度環境および加圧状態を所要時間保持して上記両熱伝導部材をろう付けにより接合するステップと、を具備することを特徴とする熱拡散用部材の製造方法。

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