JP2015023267A - モールド一体ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒートシンク部材と樹脂製の保持部を強固にインサートモールドして離脱を防止することができ、しかも、軽量化を図ることが可能なモールド一体ヒートシンクを提供する。【解決手段】 モールド一体ヒートシンク１は、金属板に板状の複数の放熱フィン３を立設したヒートシンク部材２の一部を樹脂によりインサートモールドして保持部４を形成し、放熱フィン３は金属板の表面から切削工具６により掘り下げることにより金属板と一体に起立形成され、ヒートシンク部材２には、放熱フィン３の形成工程によって形成される抜け止め部３ａが形成され、抜け止め部３ａが樹脂の内部にインサートされる。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱を伴う半導体パワーデバイスやＬＥＤ等の電子部品から生ずる熱を効率的に放熱するためのヒートシンクに関し、詳しくは、樹脂によりインサートモールドしたヒートシンクに関する。

ヒートシンクは、主として、発熱を伴う半導体パワーデバイスやＬＥＤ等の半導体等の電子部品から出た熱を放熱するのに使用されている。このような半導体等の発熱部品から生ずる熱を放熱するために、従来一般に実用に供されているヒートシンクは、一般的に、アルミニウムからなる熱伝導率が良好な金属板を、押し出し加工やアルミダイキャストのような鋳造加工によって放熱フィンを一体に製造する方法が知られている。

ところが、従来一般のヒートシンクは、上記電子部品等を設けた回路基板を取り付けるための取付部、或いは、ヒートシンク自体を機器に取り付けるための取付部を形成することが困難である。このため、特開２０１２−７４１３４号公報（特許文献１）に示されるように、樹脂材料によって保持部材をヒートシンクにインサート成形し、回路基板等を取り付けるようにしている。また、特開２０１０−１７６８５６号公報（特許文献２）に示されるように、アルミダイキャストによって複数枚の放熱用の縦型フィン、及び、壁や棚を一体に形成し、半導体型光源を有する光学系ユニットを取り付けるようにしている。

特開２０１２−７４１３４号公報 特開２０１０−１７６８５６号公報

近年は、電子機器や自動車において、軽量化に対する要請があり、ヒートシンクにおいても熱放散特性を維持しつつ軽量化を図ることが必要になっている。ところが、特許文献２（特開２０１０−１７６８５６号公報）に示すヒートシンクは、放熱用のフィン及び光学系ユニットを取り付ける保持部をアルミダイキャストによって一体に形成していることから、全体の重量が大きくなり、軽量化を阻害する要因となっている。さらに、放熱用のフィンもアルミダイキャストの成型の限界から少数になるため、必要な放熱特性を維持するためにはフィンの占有面積を大きくする必要があることから、必然的に大型化せざるを得ず、このため、さらに重量が嵩む問題を有している。

一方、特許文献１（特開２０１２−７４１３４号公報）に示すヒートシンクは、樹脂材料によって保持部材をヒートシンクにインサート成形し、保持部材に回路基板等を取り付けている。これにより、記述はないものの軽量化に寄与できる可能性がある。しかしながら、インサート成形されるヒートシンクと保持部材との間には、両者の離脱を防止するための抜け止め手段を備えていない。このため、振動を加えた場合、或いは、経年変化によって両者が離脱もしくは離間することから、電子部品等の熱をヒートシンクに伝達できず、必要な熱放散特性を維持できない問題を有している。

そこで、本発明の課題は、ヒートシンク部材と樹脂製の保持部を強固にインサートモールドして離脱を防止することができ、しかも、軽量化を図ることが可能なモールド一体ヒートシンクを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明にかかるモールド一体ヒートシンクは、金属板に板状の複数の放熱フィンを立設したヒートシンク部材の一部を樹脂によりインサートモールドして保持部を形成し、前記放熱フィンは前記金属板の表面から切削工具により掘り下げることにより前記金属板と一体に起立形成され、前記ヒートシンク部材には、前記放熱フィンの形成工程によって形成される抜け止め部が形成され、前記抜け止め部が前記樹脂の内部にインサートされていることを要旨としている。

また、抜け止め部は、放熱フィンを切削工具により掘り下げることにより前記放熱フィンと同じ金属板の表面に起立形成される突部であり、この突部の高さは前記放熱フィンの高さよりも低く形成される。

さらに、抜け止め部は、放熱フィンを金属板の表面から切削工具により掘り下げたときに形成される傾斜面を有する凹部としている。

さらにまた、保持部は、放熱フィンを立設したヒートシンク部材の表面側と対向する裏面側を露出させて、樹脂によりインサートモールドして形成している。

本発明にかかるモールド一体ヒートシンクによれば、ヒートシンク部材に形成する抜け止め部を、放熱フィンを切削工具により一体に起立形成する形成工程において形成するので、ヒートシンク部材に抜け止め部を容易に形成することができる。この抜け止め部は、金属板と一体に強固に形成されるので、ヒートシンク部材と樹脂からなる保持部が、振動や経年変化によって離脱もしくは離間することを未然の防止することから、電子部品等の熱をヒートシンクに伝達できるので、必要な放熱特性を長期間継続して維持することが可能となる。このように、放熱機能を担うヒートシンク部材と、保持機能を担う保持部とを分離し、保持部をヒートシンク部材よりも比重の低い樹脂によって形成するので、ヒートシンク全体の重量を低減することが可能となり、軽量化を図ることができる。

また、切削工具により掘り下げることにより放熱フィンを形成する工程の中で、金属板の表面に突部を起立形成して抜け止め部とすることにより、同じ工程中に抜け止め部を形成することができ、製造コストを低減することが可能となる。このとき、突部の高さを放熱フィンの高さよりも低く形成することにより、樹脂からなる保持部の内部に埋設することができるので、ヒートシンクをコンパクトにすることが可能となる。

抜け止め部を、放熱フィンを金属板の表面から切削工具により掘り下げたときに形成される傾斜面を有する凹部とすることにより、放熱フィンを形成する工程の中で抜け止め部が形成されるので、製造コストを低減することが可能となる。

さらに、放熱フィンを立設したヒートシンク部材の表面側と対向する裏面側を露出させて、保持部を樹脂によりインサートモールドすることにより、電子部品等の熱をヒートシンクに伝達できるので、所定の放熱特性を容易に得ることが可能となる。

本発明によるモールド一体ヒートシンクの第１の実施例を示す斜視図である。 図１に示すモールド一体ヒートシンクの断面を示す断面図である。 モールド一体ヒートシンクを正面から見た断面を示す断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は、放熱フィンの形成工程を示す工程説明図である。 本発明によるモールド一体ヒートシンクの第２の実施例を示す断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第２の実施例における放熱フィンの形成工程を示す工程説明図である。 本発明によるモールド一体ヒートシンクの第３の実施例を示す断面図である。

モールド一体ヒートシンクは、金属板に板状の複数の放熱フィンを立設したヒートシンク部材の一部を樹脂によりインサートモールドして保持部を形成し、前記放熱フィンは前記金属板の表面から切削工具により掘り下げることにより前記金属板と一体に起立形成され、前記ヒートシンク部材には、前記放熱フィンの形成工程によって形成される抜け止め部が形成され、前記抜け止め部が前記樹脂の内部にインサートされている。

次に、図面を参照して、本発明にかかるモールド一体ヒートシンクについて詳細に説明する。図１乃至図３は、本発明によるモールド一体ヒートシンクの第１の実施例を示している。モールド一体ヒートシンク１は、金属板に板状の複数の放熱フィン３を立設したヒートシンク部材２と、このヒートシンク部材２の一部に形成された抜け止め部３ａを樹脂によりインサートモールドした保持部４によって構成されている。また、保持部４は、ヒートシンク部材２の周囲をインサートモールドしていることから、ヒートシンク部材２の表面に立設された複数の放熱フィン３、及び、ヒートシンク部材２に対応する金属板の裏面は露出している。そして、図２及び図３に示すように、裏面側に形成された凹所１ａには、発熱を伴う電子部品等を配設した回路基板５を取り付けている。この回路基板５は、電子部品から発生した熱をヒートシンク部材２に伝達させるため、金属コアの回路基板が望ましい。

ヒートシンク部材２は、熱伝導率が良好な板状の好ましくはアルミニウムやアルミニウム合金が使用される。その他、銅や銅合金を使用しても良い。ヒートシンク部材２は、上記金属板の表面に、後述する製造方法によって、複数枚の肉薄な板状の放熱フィン３が一体に立設されている。これら複数の放熱フィン３の基端部は、金属板の表面と一体になっている。また、これら複数の放熱フィン３は同一間隔に形成され、起立角度、高さ、及び板厚は同一に形成されている。なお、複数の放熱フィン３を立設する間隔は、任意の寸法に設定されるが、ヒートシンク部材２としての機能を備えるためには、概ね０．０１ｍｍ乃至３．０ｍｍ程度としている。

また、放熱フィン３の板厚は、金属板の表面から掘り起こすことにより形成しているので薄くすることが可能である。例えば、小型電子部品に使用するヒートシンクの放熱フィンとしては、０．０５ｍｍ乃至０．５ｍｍ程度の板厚が好適である。尚、放熱フィン３の板厚を基端部が厚く、先端部に至るに従って薄く形成すると、基端部が厚いことから熱容量が大きく、金属板からの熱を受け入れが容易になる。その後、熱を先端部方向へ伝達するに従って順次放熱され、先端部では小さい熱容量であっても容易に放熱させることができる。放熱フィン３は、熱の伝達と放熱に合わせて板厚を変化しているので、放熱効率が高いヒートシンク部材２を得ることができる。

ヒートシンク部材２に立設した板状の複数の放熱フィン３の前方側及び後方側には、各２条の抜け止め部３ａが起立形成されている。抜け止め部３ａは、後述する放熱フィン３の形成工程の中で、板状の突部からなる抜け止め部３ａが一体に立設されている。このため、抜け止め部３ａは、放熱フィン３と同じ金属板の表面に形成される。この抜け止め部３ａは、図１、図２に示すように、放熱フィン３の高さよりも低く形成されている。図示の抜け止め部３ａの高さは、誇張して示すため高くなっているが、抜け止め機能を備えているならば、概ね０．１ｍｍ以上の高さを有する突部であれば良い。

抜け止め部３ａは、図２に示すように、保持部４の内部に樹脂により周知のモールド成型手段によりインサートモールドされる。この抜け止め部３ａによって、ヒートシンク部材２と樹脂からなる保持部４は離脱もしくは離間することが未然に防止されるので、振動や経年変化によっても電子部品等の熱をヒートシンク部材２に伝達できるので、必要な放熱特性を長期間継続して維持することが可能となる。なお、保持部４には、電子機器等に取り付けるための例えば取付孔４ａがモールド成型によって形成される。

保持部４の樹脂材料は、絶縁性を有する熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂であり、射出成型等に好適な材質が好ましい。例えば、熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、エラストマー系（スチレン系，オレフィン系，ＰＶＣ系，ウレタン系，エステル系，アミド系）樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エンジニアリングプラスチック等が用いられる。特にポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、エチレンアクリレート樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステルエラストマー樹脂、ポリアミドエラストマー樹脂、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレート樹脂等が選ばれる。中でも耐熱性および柔軟性からナイロン樹脂、ポリエステルエラストマー樹脂、ポリアミドエラストマー樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレート樹脂が好適である。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等が用いられる。中でも、耐熱性及び柔軟性からエポキシ樹脂、シリコーン樹脂及びフェノール樹脂が好適である。

さらに、保持部４に使用される樹脂としては、熱伝導性を有する樹脂材料を選択しても良い。熱伝導性を有する樹脂材料は、例えば、セラミック微粒子、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の金属酸化物の粒子をフィラーとして混入することにより高い熱伝導率を得ることができる。

次に、ヒートシンク部材２の放熱フィン３及び抜け止め部３ａの形成方法について、図４を参照しながら説明する。前述した金属板は、ヒートシンク部材２を形成するために必要な板厚及び幅を有している。そして、所定の装置に位置決め固定した後、切削工具６によって金属板から放熱フィン３及び抜け止め部３ａが起立形成される。

切削工具６は、図示のように、底面側の先端に移動方向と直角な刃部６ａが形成されている。このように構成された切削工具６は、金属板に対して後端側が高くなるように所定の角度θで傾斜させて図示しない駆動装置に取り付けられる。

そして、図４（Ａ）に示すように、切削工具６の刃部６ａを金属板の表面に当接させた後、切削工具６を駆動装置により角度θで金属板の裏面方向に移動させると、切削工具６の刃部６ａにより金属板が掘り下げられ、肉薄な放熱フィン３が起立する。その後、次の放熱フィン３を形成するとき、金属板を下流側に送って位置決めし、切削工具６を金属板の表面に当接させた後、所定寸法の削り代をもって所定の角度で金属板の裏面方向に移動させて掘り下げることにより、先に起立形成した放熱フィン３と所定の間隔で次の放熱フィン３が起立形成される。その後も、金属板を下流側に送り、位置決めした後、切削工具６により掘り下げる工程を繰り返すことにより、金属板の表面に複数の放熱フィン３が所定の間隔で連続して立設される。

このように、金属板の表面に複数の放熱フィン３を立設した後に、抜け止め部３ａを起立形成する。先に起立させた放熱フィン３を形成した後、金属板を下流側に送って位置決めし、切削工具６の刃部６ａを金属板の表面に当接させた後、所定寸法の削り代をもって所定の角度で金属板の裏面方向に移動させて掘り下げる。このとき、放熱フィン３を起立形成するときよりも切削工具６を短い距離で停止させることにより、図４（Ｂ）に示すように、放熱フィン３よりも低い高さの抜け止め部３ａが起立形成される。その後も、金属板を下流側に送り、位置決めした後、切削工具６を短い距離だけ掘り下げ方向に移動させて低い高さの抜け止め部３ａを起立形成する工程を２〜４回ほど繰り返すことにより、金属板の表面に抜け止め部３ａが所定の間隔で連続して立設される。このように、抜け止め部３ａを起立形成した後、再び金属板を下流側に送り、位置決めした後、切削工具６により掘り下げる工程を繰り返すことにより、金属板の表面に複数の放熱フィン３が所定の間隔で連続して立設される。

以上の放熱フィン３及び抜け止め部３ａを起立形成する工程においては、金属板として所定の幅を有する長尺なフープ材を使用することにより、所定数の放熱フィン３と抜け止め部３ａが交互に起立形成される。このように、放熱フィン３と抜け止め部３ａを連続して形成する場合には、複数の抜け止め部３ａの中間で切断することにより、放熱フィン３の前後に抜け止め部３ａが起立形成される。また、ヒートシンク部材２として必要な長さの金属板を使用する場合には、まず抜け止め部３ａを起立形成した後に、複数の放熱フィン３を形成し、その後、抜け止め部３ａを形成するようにしても良い。

図５は、本発明によるモールド一体ヒートシンクの第２の実施例を示している。なお、前述した図１乃至図３に示した第１の実施例と同符号は同部品を示し、その詳細な説明を省略する。図５に示す第２の実施例において、前述した第１の実施例と相違する点は、抜け止め部を、金属板の一端側よりも離間した表面の所定位置に、放熱フィン１０を起立形成するまでに形成される複数枚の小寸な小形フィン１０ｃを抜け止め部１０ａとしたことであり、さらに、複数の放熱フィン１０を起立形成した後に形成される傾斜した被加工面からなる凹所を第２の抜け止め部１０ｂとしたことである。

そして、抜け止め部１０ａ、１０ｂは、図５に示すように、保持部４の内部に樹脂によりインサートモールドされる。このとき、抜け止め部１０ａは、前述した第１の実施例と同様に、小形フィン１０ｃは、放熱フィン３よりも低い高さに形成されているので、樹脂からなる保持部４に埋設されて、ヒートシンク部材２が保持部４から離脱することを防止している。一方、凹所１０ｂは、図５に示すように、放熱フィン３側よりも保持部４に至るに従って肉厚が大きくなるように傾斜した被加工面１０ｄが形成されているので、この凹所１０ｂが抜け止め機能を有している。これにより、ヒートシンク部材２と樹脂からなる保持部４は離脱もしくは離間することが未然に防止されるので、振動や経年変化によっても電子部品等の熱をヒートシンク部材２に伝達できるので、必要な放熱特性を長期間継続して維持することが可能となることは前述した第１の実施例と同様である。

次に、抜け止め部１０ａとなる小形フィン１０ｃの形成方法について、図を参照して説明する。まず、図６（Ａ）において二点鎖線で示すように、切削工具６の刃部６ａを金属板の一端側よりも離間した表面の所定位置に当接させた後、切削工具６を駆動装置により所定の角度θで矢示の方向で金属板に挿入させると、切削工具６の刃部６ａが金属板の表面に食い込み、図６（Ａ）において実線で示すように、高さが低く肉薄な小形フィン１０ｃが起立形成される。このとき、切削工具６を挿入する深さｄ１が浅いことから、小形フィン１０ｃの高さは低くなる。

次いで、図６（Ｂ）に示すように、金属板と切削工具６とを相対的に移動し、刃部６ａを掘り下げ代ｔが得られる位置に当接させた後、切削工具６を所定の角度で矢示の方向に移動させる。そして、先に形成した第１の小形フィン１０ｃよりも深い深さまで食い込ませることにより、第１の小形フィン１０ｃよりも高い第２の小形フィンが起立形成され、その後、掘り起こし代ｔが得られる位置から切削工具６を移動させ、その前に形成される小形フィン１０ｃの起立形成時よりも深く食い込ませて、より高い小形フィン１０ｃの起立形成を繰り返し、刃部６ａが所定の深さに達した時点で終了させることにより、図６（Ｃ）に示すように、順次高さを高く形成した複数の小形フィン１０ｃを形成することによって、抜け止め部１０ａが形成される。

その後、小形フィン１０ｃの起立形成に続いて、図６（Ｄ）に示すようなフィン形成工程において、等しい高さを有する複数の放熱フィン３を形成する。そして、切削工具６によって金属板を掘り下げて放熱フィン３を形成することにより、上記小形フィン１０ｃとは反対側の放熱フィン３の後端には、図５に示すような傾斜した被加工面を有する凹所１０ｂが形成される。この凹所１０ｂは、放熱フィン３側よりも保持部４に至るに従って肉厚が大きくなるように傾斜している。

図７は、本発明によるモールド一体ヒートシンクの第３の実施例を示している。この図７に示す第３の実施例において、前述した第１の実施例と相違する点は、抜け止め部２０を、放熱フィン３を切削することにより形成したことにある。まず、放熱フィン３は前述した図４に示す工程により、切削工具６を金属板の表面に当接させた後、切削工具６を所定の角度で金属板の裏面方向に移動させて掘り下げる工程を順次繰り返して金属板の表面に複数の放熱フィン３を所定の間隔で連続して立設する。

その後、所定の数の放熱フィン３の間に抜け止め部２０を形成する。すなわち、図７に示すように、５枚の放熱フィン３を群とし、その間の４枚の放熱フィン３を適宜の切削手段によって切削することにより、放熱フィン３の高さよりも低く形成した抜け止め部２０が形成される。放熱フィン３は、前述したように、切削工具を金属板の表面から掘り下げることにより形成される。このとき、各放熱フィン３の間は金属板の板厚よりも薄い板厚となった凹所２１が形成され、金属板の両側には、金属板の板厚とした鍔部２２が形成される。予め起立形成された放熱フィン３を、鍔部２２と平行な平面になるように切削するとことにより、凹所２１内に抜け止め部２０が形成される。なお、図７に示す金属板は、長尺のフープ材を使用していることから、両側にガイド孔２３が穿設されている。切削工具により放熱フィン３を起立形成するとき、ガイド孔２３のピッチで形成するようにしても良い。また、ガイド孔２３自体も、保持部４の内部に樹脂によりインサートモールドすることにより、抜け止め部として利用することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変更可能であることは言うまでもない。保持部は立方体として例示したが、装着される機器や、取り付けられる構造物に合わせて取付部分を形成するなど、樹脂によるモールド成型が可能な範囲で適宜に変更可能である。また、複数の放熱フィンをカーリングさせたが、平板状の放熱フィンでも良い。

１ モールド一体ヒートシンク
１ａ 凹所
２ ヒートシンク部材
３ 放熱フィン
３ａ 抜け止め部
３ｂ 他方面
３ｃ 流路
４ 保持部
６ 切削工具
６ａ 刃部

Claims (4)

1. 金属板に板状の複数の放熱フィンを立設したヒートシンク部材の一部を樹脂によりインサートモールドして保持部を形成してなるヒートシンクであって、
   前記放熱フィンは前記金属材の表面から切削工具により掘り下げることにより前記金属板と一体に起立形成され、
   前記ヒートシンク部材には、前記放熱フィンの形成工程によって形成される抜け止め部が形成され、
   前記抜け止め部が前記樹脂の内部にインサートされていることを特徴とするモールド一体ヒートシンク。
2. 抜け止め部は、放熱フィンを切削工具により掘り下げることにより前記放熱フィンと同じ金属板の表面に起立形成される突部であり、この突部の高さを前記放熱フィンの高さよりも低く形成した請求項１に記載のモールド一体ヒートシンク。
3. 抜け止め部は、放熱フィンを金属板の表面から切削工具により掘り下げたときに形成される傾斜面を有する凹部とした請求項１に記載のモールド一体ヒートシンク。
4. 保持部は、放熱フィンを立設したヒートシンク部材の表面側と対向する裏面側を露出させて、樹脂によりインサートモールドして形成した請求項１に記載のモールド一体ヒートシンク。

Images