JP2010248554A - 放熱体及び電気機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】アルミ製部材の表面にZnと、Niと、Snとをコーティングしてメッキ層を形成してなる放熱体において、半田の濡れ性をさらに向上させた放熱体を提供する。
【解決手段】アルミ製部材の表面にZnと、Niと、Snとをコーティングしてメッキ層を形成することにより半田の濡れ性を向上させた放熱体11において、Znの全体に占める重量比率が0.16乃至0.24%になり、Niの全体に占める重量比率が2.72乃至2.94%になり、Snの全体に占める重量比率が0.43乃至0.50%になるようにメッキ層を形成するとともに、ウレタン樹脂の全体に示す重量比が0.02乃至0.08%になるように前記メッキ層にウレタン樹脂をコーティングする。
【選択図】図2

Description

この発明は、アルミ製部材よりなる放熱体及びその放熱体を用いた電気機器に関する。
プリント基板上に設置されたLSI(集積回路)等の電子部品の小型化や高密度化等に伴い、電気機器の筐体内等に設置されたプリント基板上の回路又は電子部品等の温度上昇をどのようにして抑制するかは、近年さらに重要な問題になっている。この温度上昇を抑制するには、プリント基板上にヒートシンク等の放熱体を取付けることが有効な手段の1つとして考えられる。
プリント基板側の熱を素早く放熱体に伝えて放熱するために、放熱体とプリント基板との接触面積を広くした状態で、放熱体をプリント基板に直接半田付けすることが望ましく、放熱体の材料としては半田が付き易い(半田の濡れ性が良好な)鉄等が用いられることが一般的である。ただし、さらに高い放熱効果が要求される際には、鉄よりも熱伝導性に優れたアルミ製部材(アルミ材)を放熱体として用いることがある。
この場合、アルミニウム(Al)自体は半田の濡れ性の悪く、プリント基板に直接半田付けすることが困難であるため、アルミ製部材の表面に亜鉛(Zn)と、ニッケル(Ni)と、スズ(Sn)とをコーティングしてメッキ層を形成することにより半田の濡れ性を向上させた特許文献1に示す放熱体が開発され、公知になっている。
特開2008−223147号公報
しかし、上記文献の放熱体でも半田の濡れ性が十分でない場合あり、リフロー半田付け等により放熱体をプリント基板に直接接合させる際に、うまく半田付け作業をできない場合や、半田付けができても十分な放熱効果が得られない場合があるという課題がある。
本発明は、上記課題を解決し、アルミ製部材の表面にZnと、Niと、Snとをコーティングしてメッキ層を形成してなる放熱体において、半田の濡れ性をさらに向上させた放熱体を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため本発明の放熱体は、第1に、アルミ製部材の表面にZnと、Niと、Snとをコーティングしてメッキ層を形成することにより半田の濡れ性を向上させた放熱体において、Znの全体に占める重量比率が0.16乃至0.24%になり、Niの全体に占める重量比率が2.72乃至2.94%になり、Snの全体に占める重量比率が0.43乃至0.50%になるようにメッキ層を形成するとともに、ウレタン樹脂の全体に示す重量比が0.02乃至0.08%になるように前記メッキ層にウレタン樹脂をコーティングしてなることを特徴としている。
第2に、15℃の際の密度が0.76g/cmで、引火温度が52℃で、40℃の際の動粘土が1.26mm/sの油と、15℃の際の密度が0.77g/cmで、引火温度が61℃で、40℃の際の動粘土が1.41mm/sの油との何れか一方によって前記オイルコーティングを施してなることを特徴としている。
第3に、Sn層が0.75乃至1.25μmの厚みを有することを特徴としている。
第4に、ウレタン樹脂層が0.01mmの厚みを有することを特徴としている。
第5に、ウレタン樹脂層に放熱性を向上させる輻射塗料をコーティングしてなることを特徴としている。
第6に、前メッキ処理又は後メッキによってメッキ層を形成してなることを特徴としている。
また、本発明の電機機器は、第1に、前述の放熱体より構成されたヒートシンク11を、筐体1内に設置された電気回路部3側に半田付けし、該筐体1内に設けられたイオン風発生装置7から発生するイオン風が吹き抜ける流路16を前記ヒートシンク11によって形成したことを特徴としている。
第2に、前記流路16の下流側から流出したイオン風を循環させるように該流路16の上流側に案内するガイド壁21を筐体1内に設置したことを特徴としている。
第3に、イオン風を電気回路部3に沿って迂回させる迂回路24を形成し、該迂回路24に、前記流路16が形成されるように複数のヒートシンク11を配置し、迂回路24内を流動するイオン風によって複数のヒートシンク11を順次上流側から冷却することを特徴としている。
第4に、前述の放熱体より放熱プレート6を構成するとともに筐体1を熱伝導可能な部材で成形し、前記放熱プレート6を、筐体1内に設置された電気回路部3側に面状に当接させた状態で、筐体1内面に半田付けしてなることを特徴としている。
第5に、前記放熱プレート6を、電気回路部3に設置されて作動時に熱を発する電子部品4に当接させたことを特徴としている。
以上のように構成される本発明の放熱体によれば、半田の濡れ性がさらに向上し、放熱体のプリント基板等への半田付け作業をより高品質で容易に行うことが可能になるため、より高い放熱効果が得ること可能になるという効果がある。
また、15℃の際の密度が0.76g/cmで、引火温度が52℃で、40℃の際の動粘土が1.26mm/sの油と、15℃の際の密度が0.77g/cmで、引火温度が61℃で、40℃の際の動粘土が1.41mm/sの油との何れか一方によって前記オイルコーティングを施すことにより、さらに半田の濡れ性を向上させることができるという効果がる。
さらに、ウレタン樹脂層が0.01mmの厚みを有することにより、さらに半田の濡れ性を向上させることができるという効果がる。
一方、上記放熱体より構成されたヒートシンクを、筐体内に設置された電気回路部側に半田付けし、該筐体内に設けられたイオン風発生装置から発生するイオン風が吹き抜ける流路を前記ヒートシンク(11)によって形成することにより、筐体内の電気回路部側の熱をより効率的に放熱可能になるという効果がある。
また、前記流路の下流側から流出したイオン風を循環させるように該流路の上流側に案内するガイド壁を筐体内に設置することにより、イオン風を循環させ、さらに効率良く筐体内を冷却することが可能になるという効果がある。
さらに、イオン風を電気回路部に沿って迂回させる迂回路を形成し、該迂回路に、前記流路が形成されるように複数のヒートシンクを配置し、迂回路内を流動するイオン風によって複数のヒートシンクを順次上流側から冷却することにより、複数のヒートシンクを1つのイオン風発生装置で冷却することが可能であるため、コストを低く抑えることができるという効果がある。
また、上記放熱体より放熱プレートを構成するとともに筐体を熱伝導可能な部材で成形し、前記放熱プレートを、筐体内に設置された電気回路部側に面状に当接させた状態で、筐体内面に半田付けし、前記放熱プレートを、電気回路部に設置されて作動時に熱を発する電子部品に当接させることにより、特に電子部品で発生した熱又は電気回路側の熱が放熱プレートを介して筐体に伝導されて効率良く放熱されるため、より迅速な冷却を行うことが可能になるという効果がある。
(A)は本発明を適用した電気機器の側面図であり、(B)は(A)のA−A断面図である。 プリント基板の上面側の構成を示す要部斜視図である。 ヒートシンクの要部を示す背面図である。 イオン風発生装置の構成を示す概念図である。 本発明の別実施形態を示す電気機器の斜視図である。 本発明の別実施形態を示すヒートシンクの斜視図である。 (A)〜(E)は、それぞれ本発明を適用した放熱体の正面図である。 (A)〜(E)は、それぞれウレタン樹脂によるコーティングを行わなかった場合の放熱体の正面図である。
本発明の放熱体に用いるAl板等のアルミ製部材としては、純アルミニウム、或いは、JIS規格の1000番台、2000番台、3000番台、4000番台、5000番台、6000番台又は7000番台のAl合金を用いる。
上記アルミ製部材を脱脂・洗浄し、続いて酸性エッチングし、続いてスマット除去した後、アルミ製部材の表面にZnを置換メッキする。その後、Zn層上にNiをメッキする。その後、Ni層上にSnをメッキすることにより、アルミ製部材の表面に、ZnとNiとSnとが順次積層化されたメッキ層が形成される。その後、このメッキ層上に合成樹脂であるウレタン樹脂をコーティングすることにより半田の濡れ性が良好なアルミ製の放熱体が形成される。くわえて、このようにして製造された放熱体の表面にオイルコーティングを行うことにより、上記メッキ層等が保護される。
Znの置換メッキは、従来公知に手段により行う。例えば、まず硝酸浸漬処理の工程→第一Zn置換処理の工程→硝酸亜鉛剥離処理の工程→第二Zn置換処理の工程を経て、Znの置換メッキを行う。この場合には、Znの皮膜量は、処理液中のZnイオン濃度、又は、第二Zn置換処理時の処理液への浸漬時間を調整することにより、適宜変更可能である。そして、この際、放熱体全体に占めるZnの重量比率(放熱体の重量を100とした場合における放熱に含まれるZnの重量)が0.16〜0.24%になるように、上記メッキ処理を行うが、上記重量比率を0.18〜0.22%に設定すると、さらに好ましい。
Niのメッキ処理は、電気メッキ法や無電解メッキ法等の従来公知の手段により行う。この際、放熱体全体に占めるNiの重量比率(放熱体の重量を100とした場合における放熱に含まれるNiの重量)が2.72〜2.94%になるように、メッキ処理を行うが、上記重量比率を2.81〜2.85%に設定すると、さらに好ましい。
Snのメッキ処理は、電気メッキ法や無電解メッキ法等の従来公知の手段により行う。この際、放熱体全体に占めるSnの重量比率(放熱体の重量を100とした場合における放熱に含まれるSnの重量)が0.43〜0.50%になるとともに、Sn層の厚みが0.75〜1.25μmになるように、メッキ処理を行うが、Snの上記重量比率を0.45〜0.48%に設定すると、さらに好ましい。
ウレタン樹脂は、塗布されること等により、上記メッキ層の表面にコーティングされる。この際、放熱体全体に占めるウレタン樹脂の重量比率(放熱体の重量を100とした場合における放熱に含まれるウレタン樹脂の重量)が0.02〜0.08%になるとともに、ウレタン樹脂層の厚みが0.01m又はそれに近い厚みとなるように、上記コーティング処理を行う。くわえて、ウレタン樹脂層を輻射塗布によって、さらにコーティングし、放熱効果を向上させたり、表面保護を施しても良い。
上述した各層の重量比は表1のようになり、Sn層を、従来の約0.5μmよりも厚い0.75〜1.25μmにすることによって、放熱体の半田の濡れ性をより向上させている。
オイルコーティングに用いる油としては、表示2に示す通り、15℃時における密度が0.76g/cmで、引火温度が52℃で、且つ、40℃時における動粘度が1.26mm/sの工作油(工作油A)か、15℃時における密度が0.77g/cmで、引火温度が61℃で、且つ、40℃時における動粘度が1.41mm/sの工作油(工作油B)を用いることが好ましいが、このような構成の工作油に限定されるものではない。
また、上述のメッキ層は、放熱体を完成形状に成形した後にメッキ処理を施す後メッキによって形成してもよいし、該形状に成形する前にメッキ処理を施す前メッキによって形成してもよい。例えば、該放熱体によってヒートシンク等を構成する場合、ヒートシンクの回路等への取付足をアルミ材からプレス加工等により切抜き形成した後、該アルミ材及び取付足自体に上述の表面加工処理を処理を施すことにより、切抜き破断面の半田の濡れ性が良好になる。これによって、取付足を介したヒートシンクの回路等への取付け等も容易になる。くわえて、この放熱体は、後述する電気回路部等の冷却に適用される他、ソーラーパネルの冷却必要箇所の冷却や、コンクリート木目等の建材の冷却必要箇所に設置することもできる。
次に、図1乃至4に基づき、本発明を提供した電気機器について説明する。
図1は、(A)は本発明を適用した電気機器の側面図であり、(B)は(A)のA−A断面図である。図示する電気機器では、直方体状に成形された筐体1内の底面1aに、複数のスペーサ2等を介して方形板状のプリント基板(電気回路部,回路基板)3が、水平状態で設置固定(固設)されている。
上記筐体1は、熱伝導率及び半田の濡れ性が比較的良好な鉄等の金属によって成形されており、開閉可能に構成されている。
上記プリント基板3における上記筐体1底面1aとの対向面側である下面(裏面)には、それ自体が作動時に発熱する素子である方形板状のCPU等のLSI(電子部品,集積回路)4が、設置されている。このLSI4は、プリント基板3と平行な状態で、筐体1底面1a側に凸状突出した状態で設けられており、このLSI4と筐体3との間に前述した放熱体によりなる放熱プレート(放熱板,放熱シート)6が介在している。放熱プレート6は、LSI4(プリント基板3側)に面状に当接するようにして筐体1の上記底面1aに半田付けされており、LSI4で発生した熱及びプリント基板3側の熱を筐体3側に伝えるように構成されている。筐体1は、伝導された熱を全体に拡散していく過程で効率良く冷却する放熱部材として機能している。
図2は、プリント基板の上面側の構成を示す要部斜視図であり、図3は、ヒートシンクの要部を示す背面図である。筐体1内に設けられたプリント基板3の上面(表面)には、イオン風を発生させるイオン風発生装置7と、プリント配線8aが印刷形成された複数の回路部8と、回路部8に電気的に接続された電子部品9と、回路部8を冷却するヒートシンク11等とが設置されている。
複数の回路部8の1つには、例えば、図示するよう電子部品9である三端子のレギュレータが設けられている。レギュレータ9は、主に、安定した所定の定格電圧を得るため用いられる電子部品であり、定格電圧よりも高い入力電圧を所定の定格電圧に下げて出力するように構成され、電圧出力時には自身が発熱する。レギュレータ9から発生した熱は、回路部8及びこの回路部8周辺の温度を上昇させるが、この温度上昇を抑制するために上記ヒートシンク11が用いられる。
ヒートシンク11は、チャネル状のゲート部12と、一対の方形状の接合部13,13とから構成されている。ゲート部12は、チャネル状に形成されるように、平行に対向する一対の対向部と、該一対の対向部同士を連接する連接部とからなり、各対向部は連接部から離れた側の端部が終端部をなしている。一対の接合部13,13は、それぞれ各別の終端部から、互いが離間するように上記対向部に対して直交(交差)する方向に延設されている。くわえて、ゲート部12の連接部にはゲート部12外面側からゲート部12内面側を視認可能なように覗き窓12aが穿設されている。
一方、プリント基板3上の回路部8には、ヒートシンク11の接合部13の形状に対応した一対のペースト状半田14,14が、ヒートシンク11の対応する一対の接合部13,13とそれぞれ略全体で面状に接触可能なように、プリントされている。そして、ヒートシンクの一対の接合部13,13を、プリント基板3上の上記一対のペースト状半田14,14形成箇所に、リフロー半田付けによって接合させることにより、プリント基板3の回路部8上にヒートシンク11が接着固定される。この接着固定時、ヒートシンク11のゲート部12の連接部及び接合部13は水平な状態になる。ちなみに、接合部13のプリント基板3との接着側に半田シート貼付し、プリント基板3へのヒートシンク11の取付けを行ってもよい。
このようして、ヒートシンク11がプリント基板3上に設置されると、ゲート部12とプリント基板3との間に、両端が開放されてゲート部12形成方向に延びる流路16が形成される。イオン風発生装置7から流出するイオン風がヒートシンク11によって形成される上記流路16を吹き抜けるように、イオン風発生装置7及びヒートシンク11等の姿勢及び位置を調整されており、この流路16内には上記レギュレータ9がプリント基板に対して倒伏状態で位置している。このため、ヒートシンク11の覗き窓12aからレギュレータ9が視認できる。くわえて、レギュレータ9とヒートシンク11との間に、倒伏状態のレジュレータ9がもう1つ挿入可能な程度の間隔が形成される。
ちなみに、ヒートシンク11には、接合部13,13やペースト状半田14,14を介して、プリント基板3上の熱が伝導される他、レギュレータ9からの雰囲気熱がゲート部12の内面側からヒートシンク11に伝導される。ヒートシンク11は、上述したイオン風に冷却される他、ゲート部12外面側及び接合部13上面側からの放熱によっても冷却される。
図4は、イオン風発生装置の構成を示す概念図である。イオン風発生装置7は、プリント基板3に対して固定された針状電極17及び筒状電極18によって一対の放電電極を形成しており、両端が開放された筒状電極18の一方側の開放端18aに、針状電極17の先端を近づけた状態で、上記針状電極17及び筒状電極18に電源19を介して高電圧を印加することにより、両電極17,18間に放電現象を生じさせ、筒状電極18の針状電極17が配置されていない側の開放端18bからイオン風を流出させる。
送風ファンと異なり、騒音を発生させる事無く発生された上記イオン風は、前述の流路16の一方端側から流路16内に流入し、レギュレータ9及びヒートシンク11から熱を奪い、流路16の他方端側から流出する。流路16から流出するイオン風は、筐体1内に取付け固定された図2に示すガイド壁21によって、流路16外から流路16の上記一方端側に戻され、流路16内に再び流入する。すなわち、筐体1の内面側に形成される上記ガイド壁21の作用によって、流路16への流入→流出が繰返されるようにイオン風が循環し、この循環によりレギュレータ9及びヒートシンク11がより効率良く冷却される。
ちなみに、放電現象によってイオン風とともにオゾンが発生し、臭いの原因になるが、イオン発生装置によりも電源19による印加電圧値を低くすることによって、オゾンの発生を抑制することができるため、電源19によって印加される電圧値は、イオン風が発生して且つオゾンが発生ない範囲に設定されている。電源19の印加電圧を低く設定すると、イオン風の風速は低下するが、上記構成によれば微風によっても効率良くレギュレータ9及びヒートシンク11を冷却することが可能である。
なお、印加する電圧を小さくせずに、フィルタ等を設け、該フィルタによってオゾンをカットすることにより、臭いの発生を抑制してもよい。
次に、図5に基づき本発明の別実施形態について前述の例と異なる点を説明する。
図5は、本発明の別実施形態を示す電気機器の斜視図である。図示する電気機器では、筐体1が、蓋22によって開閉自在に構成されている。上面の四隅の1つにイオン風発生装置7が設置されたプリント基板3上には、このイオン風7から流出したイオン風を蛇行状態で迂回流動させる迂回壁23が配置されている。迂回壁23は、イオン風発生装置7からのイオン風を、プリント基板3上で隈無く迂回流動させる迂回路24を形成し、この迂回路24の複数の各個所には、迂回流動しているイオン風が抜き抜け可能な状態で、ヒートシンク11が設置されている。すなわち、迂回路24に、複数の上記流路16が形成される。
同図に示す単一のイオン風発生装置7から流出したイオン風は、迂回路24を流動する過程で、プリント基板3自体、プリント基板3上の集積回路4及び電子部品9並びに複数のヒートシンク11を、上流側から下流側に向かって順次冷却していく。ちなみに、迂回壁23は、筐体1の内面側、蓋22側、又は、プリント基板3側の何れも設けてもよい。
次に、図6に基づき本発明の別実施形態について前述の例と異なる点を説明する。
図6は、本発明の別実施形態を示すヒートシンクの斜視図である。図示するヒートシンク11では、ゲート部12における一対の対向部の終端部同士を一体的に連接する連接部によって、単一の接合部13を構成している。これによって、ヒートシンク11は、断面視方形の筒状部材となり、それ自体の強度が向上する。
図7(A)〜(E)は、それぞれ本発明を適用した放熱体の正面図であり、図8(A)〜(E)は、それぞれウレタン樹脂によるコーティングを行わなかった場合の放熱体の正面図である。本発明を適用した放熱体は、図7に示すように、曲げ面において、メッキ層が剥がれておらず、良好な半田の濡れ性が確保されている。
これに対して、本発明の放熱体製造工程のうちで、ウレタン樹脂によるコーティングのみを行わなかった放熱体は、図8に示すように、曲げ面においてメッキ層が剥がれており、良好な半田の濡れ性が確保されていない。すなわち、上述したメッキ処理とウレタン樹脂のコーティング処理とによって、安定した半田の濡れ性が確保されることが証明された。
1 筐体
3 プリント基板(電気回路部,電気基板)
4 LSI(電子部品,集積回路,CPU)
6 放熱プレート
7 イオン風発生装置
9 レギュレータ(電子部品)
11 ヒートシンク
16 流路
21 ガイド壁
24 迂回路

Claims (11)

  1. アルミ製部材の表面にZnと、Niと、Snとをコーティングしてメッキ層を形成することにより半田の濡れ性を向上させた放熱体において、Znの全体に占める重量比率が0.16乃至0.24%になり、Niの全体に占める重量比率が2.72乃至2.94%になり、Snの全体に占める重量比率が0.43乃至0.50%になるようにメッキ層を形成するとともに、ウレタン樹脂の全体に示す重量比が0.02乃至0.08%になるように前記メッキ層にウレタン樹脂をコーティングしてなる放熱体。
  2. 15℃の際の密度が0.76g/cmで、引火温度が52℃で、40℃の際の動粘土が1.26mm/sの油と、15℃の際の密度が0.77g/cmで、引火温度が61℃で、40℃の際の動粘土が1.41mm/sの油との何れか一方によって前記オイルコーティングを施してなる請求項1の放熱体
  3. Sn層が0.75乃至1.25μmの厚みを有する請求項1又は2の放熱体。
  4. ウレタン樹脂層が0.01mmの厚みを有する請求項1,2又は3の放熱体。
  5. ウレタン樹脂層に放熱性を向上させる輻射塗料をコーティングしてなる請求項1,2,3又は4の放熱体。
  6. 前メッキ処理又は後メッキによってメッキ層を形成してなる請求項1,2,3,4又は5の放熱体。
  7. 請求項1,2,3,4,5又は6の放熱体より構成されたヒートシンク(11)を、筐体(1)内に設置された電気回路部(3)側に半田付けし、該筐体(1)内に設けられたイオン風発生装置(7)から発生するイオン風が吹き抜ける流路(16)を前記ヒートシンク(11)によって形成した電気機器。
  8. 前記流路(16)の下流側から流出したイオン風を循環させるように該流路(16)の上流側に案内するガイド壁(21)を筐体(1)内に設置した請求項7の電気機器。
  9. イオン風を電気回路部(3)に沿って迂回させる迂回路(24)を形成し、該迂回路(24)に、前記流路(16)が形成されるように複数のヒートシンク(11)を配置し、迂回路(24)内を流動するイオン風によって複数のヒートシンク(11)を順次上流側から冷却する請求項7又は8の電気機器。
  10. 請求項1,2,3,4,5又は6の放熱体より放熱プレート(6)を構成するとともに筐体(1)を熱伝導可能な部材で成形し、前記放熱プレート(6)を、筐体(1)内に設置された電気回路部(3)側に面状に当接させた状態で、筐体(1)内面に半田付けしてなる電気機器。
  11. 前記放熱プレート(6)を、電気回路部(3)に設置されて作動時に熱を発する電子部品(4)に当接させた請求項10電気機器。
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