JP2008258527A

JP2008258527A - 放熱装置

Info

Publication number: JP2008258527A
Application number: JP2007101512A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Sasaki; 英文佐々木; Masashi Senba; 正志船場
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-04-09
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-04-09
Also published as: JP5018195B2

Abstract

【課題】半導体モジュールからヒートシンクに効率よく熱伝導し、放熱することができる放熱装置を提供することを目的とする。
【解決手段】長方形状または楕円形状の半導体モジュール１１と、ヒートシンク１２を半導体モジュール１１の長手方向の両端部に設けた穴１５ａ、１６ａで取付固定ネジ１３、１４を用いて前記ヒートシンク１２にネジ止めして放熱する放熱装置１７において、中央部を折り畳むことにより肉厚部２１ａを設けたグラファイトシート２１を半導体モジュール１１とヒートシンク１２の間に挟むことにより、極めて簡便で工業的に容易な方法で、優れた熱結合を実現でき、効率的な放熱を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は柔軟性を有し、熱伝導率が高く放熱効果に優れたグラファイトシートを用いて半導体モジュールなどの発熱部品からヒートシンクや電子機器のシャーシなどの放熱部材に放熱する放熱装置に関するものである。

近年、電子機器の小型、高性能化に伴って、電子部品の小型、高性能化も著しく進歩する中で、高性能ではあるが発熱量も大きな、例えばパワーアンプや、ソリッドステートリレーに代表される半導体モジュールなどの発熱部品が、小型の電子機器の中で使用されるに至っている。

発熱量の大きな発熱部品が小型電子機器で使用される場合、この発熱部品から発散される熱を効率よく電子機器の外部に運び、放熱する手段が求められる。

従来、このような電子機器の中で使用される発熱部品からの放熱手段としては、冷却のための空気を送る冷却ファンや、真空状態の細管に水を封入して、水の蒸発潜熱を利用して熱を運ぶヒートパイプなどが多く用いられてきた。

しかし、特に携帯電話機などのような薄型の電子機器においては、上記のファンやヒートパイプは使用しにくいため、シート状の熱伝達材料を発熱部品と放熱部材との間に挟み、熱結合を良くして効率の良い放熱を行う方法が取られている。

なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−１９７６０１号公報

パワーアンプやソリッドステートリレー（以下ＳＳＲと略する）に代表される半導体モジュールなどの発熱部品は、ヒートシンクや電子機器筐体のシャーシなどの放熱部材に固定する際に放熱部材との密着性が求められるが、機械的に加圧して密着させた場合、発熱部品内部の断線などの故障が生じることがある。

このためこのような発熱部品は、通常剛性を有する硬い成型樹脂や金属のケースに入れられ、このケース両端でネジ止めなどにより放熱部材に固定して用いられることが多い。

この時に放熱に使用されるヒートシンクやシャーシなどの放熱部材も金属を加工した剛性を有するものが広く使用されている。

しかし、図７に示すように、このような発熱部品７１の両端を取付固定ネジ７２、７３で締め付けてヒートシンクなどの放熱部材７４に取り付けた際、締め付けに伴って発生する歪により発熱部品７１と放熱部材７４との間に隙間部７５が形成される場合がある。

このような隙間部が形成されると、発熱部品と放熱部材との熱結合が低下するため、発熱部品７１と放熱部材７４との間にシリコンパッドなどの柔軟性がある熱伝達材料を挟んで熱結合をとることが行われている。

しかし、シリコンパッドなどの熱伝達材料は熱伝導率がせいぜい数Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、発熱部品７１の中央部の局所的な発熱を面方向に広げることができず、放熱効果としては低くなってしまうという課題があった。

そこで本発明は上記のような従来の問題点を解決し、面方向に熱伝導率が高いグラファイトシートにより発熱部品中央部の局所的な発熱を分散させるとともに、発熱部品と放熱部材との間に形成される隙間部を埋めて熱結合をより効率的に行い、効果的な放熱を行うための放熱装置を提供することを目的とする。

そして本発明の放熱装置は、発熱部品と、この発熱部品に取り付ける放熱部材と、この放熱部材と前記発熱部品との間に形成される隙間部に配設されるグラファイトシートとを有し、前記グラファイトシートはその一部を折り畳むことにより前記隙間部に対応する部分に肉厚部を設けたことを特徴とする放熱装置である。

半導体モジュールなどの発熱部品をヒートシンクや電子機器のシャーシなどの放熱部材に取り付けた際に生じる隙間部に、グラファイトシートの一部を折り畳むことにより肉厚部を設けたグラファイトシートを挟んだ放熱装置であり、極めて簡便で工業的に容易な方法で、優れた熱結合を実現でき、発熱部品から効果的な放熱を行うことができる。

以下、本発明の放熱装置の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の放熱装置の一例を示す分解斜視図であり、発熱部品であるパワーアンプやＳＳＲなどの半導体モジュール１１の両端部を肉厚部２１ａを有するグラファイトシート２１を挟んで放熱部材であるヒートシンク１２の両端部に取付固定ネジ１３、１４でネジ止めして取り付け、放熱装置１７を構成している。

図１の下向きの矢印Ａは取付固定ネジ１３、１４の挿入方向を示す。

図２は本実施の形態１の放熱装置で用いる、肉厚部２１ａを有するグラファイトシート２１の構成を示し、図２（ａ）は折り畳みにより肉厚部２１ａを形成する前の平面図、図２（ｂ）は肉厚部２１ａ形成後の平面図、図２（ｃ）は肉厚部２１ａ形成後の側面図を示す。

図２（ａ）において、略矩形状のグラファイトシート２１はその中央付近に２本の折り曲げ線２２、２３と、ネジ止めで固定するための穴１５ｂ、１６ｂを形成している。

そして、図２（ａ）のグラファイトシート２１の一部を折り曲げ線２２、２３により折り畳んで、図２（ｂ）、（ｃ）のように中央付近に肉厚部２１ａを有するグラファイトシート２１を得る。

なお図２（ｃ）では折り畳みの説明のため、厚み方向の寸法を誇張して示している。

ここで、折り畳み後のグラファイトシートはつながった状態で折り畳まれることが特に重要で、例えば折り畳んで肉厚部２１ａを形成したグラファイトシート２１の代わりに、同等の寸法に一枚一枚が切り離されたグラファイトシートを重ねて肉厚部２１ａを構成しても実施の形態１のような効果は得られない。

これは、グラファイトシートはグラファイトの結晶構造の異方性により、面方向での熱伝導率は約６００〜１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高いが、厚み方向の熱伝導率は約１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下と小さいため、一枚一枚が切り離されたグラファイトシートで積層形成された肉厚部では、各々のグラファイトシートの平面間の熱移動が制限されるためである。

これに対して本発明の放熱装置に用いるグラファイトシートでは、折り畳まれた部分が全て平面方向でつながったままで折り畳まれているため、図１の半導体モジュール１１から伝わった熱がグラファイトシートの平面方向に伝えられて全体に行き渡り、この熱をヒートシンク１２の広い面に伝えることができるため、効率よく放熱を行うことができるものである。

また、切断した個々のグラファイトシートを重ねて使用する場合、グラファイトシートどうしが非常に滑りやすく、半導体モジュール１１とヒートシンク１２の間に挟んで取付固定ネジ１３、１４で締め付ける際に位置ずれを起こしやすい。

このため半導体モジュール１１の中央部の最も発熱する部分に厚みの厚い箇所が来るように設定するのは困難となる。

これに対して、本実施の形態１のグラファイトシート２１は、折り畳みにより全体が平面方向でつながったまま肉厚部２１ａを形成しているため、グラファイトシート２１両端部の穴に取付固定ネジ１３、１４を差し込んで固定することにより、極めて容易にかつ適確に発熱温度が高い半導体モジュール１１の中央部に肉厚部２１ａを固定することができる。

なお、図２（ａ）に示す折り畳み前のグラファイトシート２１は、略矩形状と単純な形状であるため、１枚の大きな熱分解グラファイトシートから打ち抜く際の打ち抜きロスが少なく、最も打ち抜き数を多くできるという特徴も有している。

このようにして構成した放熱装置１７において、半導体モジュール１１に所定の電力を印加したときの半導体モジュール１１の温度を測定した。

温度測定は、半導体モジュール１１に取り付けた熱電対（図示せず）により行った。

上記図２（ｃ）に示したグラファイトシート２１を挟んで測定した結果、半導体モジュール１１の温度は８５℃であった。

比較例として、図６に示す肉厚部を設けていない従来のグラファイトシート６１を上記と同様に半導体モジュール１１とヒートシンク１２の間に挟み、所定の電力を印加したときの半導体モジュール１１の温度を測定した結果、その温度は９０℃であった。

この結果より、従来に比べて本実施の形態１による放熱装置では放熱効果が向上していることが解る。

この放熱効果の違いは以下の理由による。

すなわち、図１の半導体モジュール１１とヒートシンク１２を取付固定ネジ１３、１４を締め付けて固定した時、半導体モジュール１１がヒートシンクと接する下面、あるいはヒートシンク１２が半導体モジュール１１と接する上面がどちらも硬い成型樹脂や金属板のような剛性が高い材質であるため、半導体モジュール１１の上面が上に向かって弓なりに変形し、半導体モジュール１１とヒートシンク１２の間に隙間部が形成される。

比較例の図６に示した従来のグラファイトシート６１のように、全体にわたって厚みが同じである場合、この隙間部を埋めることが出来ず、熱伝達に支障を来たす結果、放熱効果が低下してしまうものである。

これに対して、図２（ｃ）に示すグラファイトシート２１を用いた場合には、この半導体モジュール１１の中央部に対応する部分に肉厚部２１ａを形成しているため、この隙間部を埋めて、半導体モジュール１１とヒートシンク１２に密着することが出来る。

さらにこの肉厚部２１ａは連続した１枚のグラファイトシート２１の一部を折り畳んで形成したものであるため、平面方向に熱伝導率が大きなグラファイトシートの特性を十分発揮することができ、放熱効果を向上することができるものである。

ここで、半導体モジュール１１の発熱に関しては、定格の温度から１、２℃上昇するだけでも半導体モジュール１１の寿命に与える影響は大きいため、放熱による温度低下が数度でも放熱効果としては顕著なものであり、本実施の形態１の放熱装置で効率的な放熱効果が得られていることがわかる。

次に、このグラファイトシート２１の作製方法について説明する。

まず、厚み７５μｍのポリイミドフィルムを焼成炉にてＡｒまたはＮ₂などの不活性雰囲気下で２５００℃で２時間加熱して熱分解グラファイトシートを作製する。

熱分解後のグラファイトシートの厚みは１３０μｍであった。

次にローラー圧延により熱分解後のグラファイトシートの柔軟化処理を行う。

この柔軟化処理は、後の工程で所定形状に打ち抜いたグラファイトシートを折り畳むために、熱分解後のグラファイトシートに十分な柔軟性を持たせる目的で行うものである。

この柔軟化処理後のグラファイトシートの厚みは１００μｍで、光交流放熱定数測定装置（アルバック理工製レーザーピット）を用いて測定した熱伝導率は１０００ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。

グラファイトシートとしては上記熱分解グラファイトシートのかわりにエキスパンド法によるいわゆる膨張黒鉛シートを使用することも考えられるが、膨張黒鉛シートは天然の黒鉛粉末を酸処理した後、加熱膨張させた黒鉛粉末をプレス成形し、シート状にしたものであり、熱分解グラファイトシートのような、折り畳みに耐えうる柔軟性に乏しいため、本実施の形態１では熱分解グラファイトシートを用いている。

柔軟化処理後の熱分解グラファイトシートは、トムソン型などの打ち抜き型を用いて打ち抜いて、図２（ａ）の平面図に示す形状のグラファイトシート２１を得る。

折り畳み前のグラファイトシート２１の厚みとしては、柔軟化処理後の厚みが１００μｍのものを用いたが、特にこれに限定されるものではなく、２０μｍ〜１０００μｍ程度のものが好ましい。

グラファイトシート２１の厚みが２０μｍ未満の場合、取り扱いが難しくなり、また半導体モジュール１１の下面とヒートシンク１２の上面の平行度が出ていない場合、グラファイトシート２１がこれらの面に接触しない箇所が生じる場合もあるので、グラファイトシート２１の厚みとしては２０μｍ以上が望ましい。

またグラファイトシート２１の厚みが１０００μｍを超えて厚くなると、グラファイトシートは平面方向に比べて厚み方向では熱伝導率が低いため、グラファイトシート２１自体の熱抵抗が増加し、放熱効率が低下する場合があるためである。

以下、本発明の放熱装置１７に用いる他のグラファイトシートについて図３〜５を用いて説明する。

図３〜５は図２に示したグラファイトシート２１の肉厚部２１ａを他の形態で形成したものであり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明は省略する。

（実施の形態２）
実施の形態２で用いるグラファイトシートは、実施の形態１で用いた熱分解グラファイトシートを、図３に示す形状としたものである。

図３（ａ）に示す打ち抜き後のグラファイトシート３１は略十字形状を有しており、本体部３２とこの上に折り畳まれる折り畳み部３３、３４を有する。

そこで、折り畳み部３３、３４は、本体部３２の上下両端に向かい合って形成されており、折り畳み部３４がまず折り曲げ線３６により本体部３２に重なるように折り曲げられる。続いて折り曲げ線３５により、折り畳み部３３が折り畳み部３４の上に重なるように折り曲げられ、図３（ｂ）の平面図及び図３（ｃ）の側面図に示す肉厚部３１ａを形成している。

このようにして折り畳まれたグラファイトシート３１を実施の形態１と同様に、図１の半導体モジュール１１とヒートシンク１２の間に挟んで半導体モジュール１１の温度を測定した結果は８３℃であった。

これは、半導体モジュール１１にヒートシンク１２をネジ止めで固定したとき、半導体モジュール１１の底面が上方に弓形に反って、ヒートシンク１２との密着性が低下するのに対して、図３に示すグラファイトシート３１はより曲面に近い肉厚部３１ａを有するため、図２に示すグラファイトシート２１よりも半導体モジュール１１への密着性が良く、放熱効果が上がったためと考えられる。

（実施の形態３）
実施の形態１で用いた熱分解グラファイトシートを、図４に示したグラファイトシート４１の形状とすることにより、打ち抜き数と放熱効果を両立させることも可能である。

実施の形態３のグラファイトシート４１では、図４（ａ）に示したように折り畳み部４３と４４は同一の形状としている。

そして、グラファイトシート４１の本体部４２に、折り曲げ線４６、４５により折り畳み部４４、４３が折り曲げられ、図４（ｂ）の平面図及び図４（ｃ）の側面図に示す肉厚部４１ａを形成している。

この図４（ａ）のグラファイトシート４１を、実施の形態１と同様に半導体モジュール１１とヒートシンク１２の間に挟んで、半導体モジュール１１の温度を測定した結果は８４℃であった。

（実施の形態４）
図５（ａ）に示す実施の形態４で用いるグラファイトシート５１は、図４（ａ）に示すグラファイトシート４１の変形例であり、折り畳み部５３、５４を本体部５２の上下両側に設けるのではなく、図５（ａ）に示すように打ち抜き後のグラファイトシート５１の形状をＴ字型としたものであり、折り畳み部５４を折り曲げ線５６により折り畳み部５３上に折り曲げ、その後折り曲げ線５５により本体部５２上に折り曲げて図５（ｂ）の平面図及び図５（ｃ）の側面図に示すような肉厚部５１ａを有するグラファイトシート５１とするものである。

あるいは、まず折り曲げ線５５により折り畳み部５３と５４が本体部５２上に来るように谷折りにした後、折り畳み線５６により山折に折り返して折り畳み部５４が最上層に来るようにして肉厚部５１を形成してもよい。

このグラファイトシート５１を用いて実施の形態１と同様に半導体モジュール１１の温度を測定した結果は８４℃と、図３に示すグラファイトシート３１とほぼ同等の結果が得られた。

この実施の形態４のグラファイトシート５１では打ち抜き形状をＴ字型としているため、実施の形態３のグラファイトシート４１に比べて、より打ち抜きロスを低減することができる。

上記実施の形態１〜４では図２〜５に示した形状のグラファイトシートを用いたが、これらの形状に限定されるものではなく、折り畳んで所望の場所に肉厚部を形成できる形状であればどのような形状でも構わない。

また、肉厚部２１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａの厚みは、折り畳み前の厚みの３倍となる例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば図３（ａ）に示したグラファイトシート３１の折り畳み部３３、３４のうちどちらか一方だけとし、肉厚部の厚みが折り畳み前の厚みの２倍となるようにしてもよい。

あるいは、例えば図４（ａ）に示したグラファイトシート４１の上下どちらかの折り畳み部を、図５（ａ）に示すように折り畳み部が２個連続した構成にして、肉厚部の厚みが折り畳み前の厚みの４倍とすることもできる。

肉厚部の厚みとしては、ネジによる締め付け圧力にもよるが、あまり厚くなりすぎると逆に半導体モジュール１１とヒートシンク１２間に隙間部が生じる場合があるので、折り畳み前の厚みの２倍〜４倍とすることが望ましい。

肉厚部の厚みが２倍未満、即ち折り畳まない場合は、比較例１のように、グラファイトシートを用いても優れた放熱効果を発揮することができない。

ネジの締め付けに関しては、折り畳んだ肉厚部の厚みが折り畳み前の厚みの４倍以下であれば、熱分解グラファイトシートの柔軟性により、ネジの締め付けを加圧力に換算した場合、５〜２０ｇ／ｃｍ²程度の圧力で半導体モジュール１１とヒートシンク１２に十分密着させることができる。

また、放熱装置の組立上、グラファイトシートの折り畳みを確実にするため、接着剤や粘着剤を用いる必要がある場合には、これら接着剤や粘着剤は熱抵抗が大きいため、接着剤や粘着剤の厚みを２０μｍ以下、出来れば１０μｍ以下にするか、または折り畳み部全面に接着剤や粘着剤を塗布するのではなく、不連続のスポット状に塗布し、このスポット状に塗布された接着剤や粘着剤がない部分で折り畳みを接合して肉厚部２１ａを形成することが好ましい。

さらに、本実施の形態１では図１に示すように下面（底面）が矩形状の半導体モジュール１１を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば下面（底面）が楕円形状のパワーアンプなどの半導体モジュールでもよい。

また、放熱部材であるヒートシンク１２は図１に示すような形状に限定されるものではなく円柱状のものや、フィンが上面と直角に下方に向かって伸びるようなものでもよい。

さらに放熱部材としては、ヒートシンク以外に電子機器筐体のシャーシや、平面状の金属板でもよい。

また、上記実施の形態１〜４では半導体モジュール１１の両端を２個の取付固定ネジ１３、１４で固定した例を示したが、これに限定されるものではなく、半導体モジュールの両端を固定する取付固定ネジは３個またはそれ以上でも同様に本発明の効果を発揮することができる。

本発明の放熱装置は、半導体モジュールなどの発熱部材を、放熱部材であるヒートシンクに固定して放熱する放熱装置において、発熱部品と放熱部材との間に形成される隙間部に対応する部分に、グラファイトシートの一部を折り畳むことにより肉厚部を設けたグラファイトシートを挟むことにより、極めて簡便で工業的に容易な方法で、優れた熱結合を実現でき、効率的な放熱を行うことができるという効果を有し、電子機器などの放熱装置等に有用である。

本発明の放熱装置の分解斜視図（ａ）本発明の実施の形態１における折り畳み前のグラファイトシートの平面図、（ｂ）同折り畳み後のグラファイトシートの平面図、（ｃ）同折り畳み後のグラファイトシートの側面図（ａ）本発明の実施の形態２における他のグラファイトシートの折り畳み前の平面図、（ｂ）同折り畳み後のグラファイトシートの平面図、（ｃ）同折り畳み後のグラファイトシートの側面図（ａ）本発明の実施の形態３における更に他のグラファイトシートの折り畳み前の平面図、（ｂ）同折り畳み後のグラファイトシートの平面図、（ｃ）同折り畳み後のグラファイトシートの側面図（ａ）本発明の実施の形態４における更に他のグラファイトシートの折り畳み前の平面図、（ｂ）同折り畳み後のグラファイトシートの平面図、（ｃ）同折り畳み後のグラファイトシートの側面図（ａ）比較例１の従来のグラファイトシートの平面図、（ｂ）同グラファイトシートの側面図発熱部品と放熱部材との間の隙間部を説明するための断面図

符号の説明

１１半導体モジュール
１２ヒートシンク
１３、１４取付固定ネジ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃネジ止め用の穴
１７放熱装置
２１、３１、４１、５１グラファイトシート
２１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ肉厚部
２２、２３折り曲げ線
３２本体部
３３、３４折り畳み部
３５、３６折り曲げ線
４２本体部
４３、４４折り畳み部
４５、４６折り曲げ線
５２本体部
５３、５４折り畳み部
５５、５６折り曲げ線
６１グラファイトシート

Claims

発熱部品と、この発熱部品に取り付ける放熱部材と、この放熱部材と前記発熱部品との間に形成される隙間部に配設されるグラファイトシートとを有し、前記グラファイトシートはその一部を折り畳むことにより前記隙間部に対応する部分に肉厚部を設けたことを特徴とする放熱装置。
前記グラファイトシートは熱分解グラファイトシートである請求項１に記載の放熱装置。
略矩形状のグラファイトシートの一部を長手方向に折り畳むことにより肉厚部を設けたグラファイトシートを用いる請求項１〜２のいずれか１項に記載の放熱装置。
略十字状に加工したグラファイトシートの対向する一対の凸部を折り畳むことにより肉厚部を設けたグラファイトシートを用いる請求項１〜２のいずれか１項に記載の放熱装置。