JP2015213149A - デンドライト構造を有する伝熱ユニット、その用途及び使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、一種のデンドライト構造を有する伝熱ユニット、その用途及び使用方法に関し、特に金属イオン、デンドライトを伝熱材として利用するデンドライト構造を有する伝熱ユニット、その用途及び使用方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のデンドライトを含むデンドライト構造を有する伝熱ユニットは、基材及び複数個のデンドライトを含むデンドライト構造を有する伝熱ユニットであって、前記基材上に複数個の結晶体核生成点が間隔を開けて設けられ、前記複数個のデンドライトは基材の結晶体核生成点上に蒸着結合され、各デンドライト間には熱対流のための間隔が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、一種のデンドライト構造を有する伝熱ユニット、その用途及び使用方法に関し、特に金属イオン、デンドライトを伝熱材として利用するデンドライト構造を有する伝熱ユニット、その用途及び使用方法に関するものである。このデンドライトは金属の内部応力により生成されるウィスカー（whisker）とは異なるものである。

電子装置は現在、軽量化、薄型化の発展が著しく、体積の更なる小型化を追求するという条件下で、どのようにより高速で、より効率的に電子装置から生ずる熱を冷却するかという点は、関連業者にとっては長らくその解決方法が望まれている技術問題である。

現在は、伝熱材として熱伝導効果が良好である銅金属又はアルミニウム金属基板が用いられることが多い。具体的には、銅金属又はアルミニウム金属基板に複数個のヒートシンクが設けられ、ヒートシンク、電子装置から生ずる熱を冷却し外側へ伝熱させている。

別の業者は、従来電気めっき工程では瑕疵と見られていたウィスカーを伝熱材として利用することを開発した。主にヒートパイプに運用されるが、これに関連する文献としては特許文献１〜３等がある。

欧州特許第０９９９５９０号明細書 米国特許第３８４２４７４号明細書 台湾特許第２０１３２６７１８号明細書

しかし、ヒートシンク及び銅金属又はアルミニウム金属基板による放熱面積には限りがあり、放熱効率の更なる上昇には困難が伴う。

また、上記ウィスカーはめっき層に残った内部応力を緩和することで生ずるが、その成長速度はかなり遅く、長い準備時間が必要となる。加えて、ウィスカーの多くは棒状を呈し径も細く単結晶形態であり、より大きな結晶粒界面積を提供することができない。したがって、放熱面積の提供も同様に限界があり、その効果も良好ではない。

電気めっきにおけるもう一つの瑕疵はデンドライトである。その発生原因は電気めっき中に、電流が基材上の突起部に集中するため、金属イオンもその突起部に集中蒸着することで、樹枝状の結晶体ができる。この樹枝状の結晶体はめっきの光沢及び美観に重大な影響を与えるため、発生を防止しなければならない瑕疵であると見られている。

例えば、蔡易達が２００８年に著した国立中正大学修士論文“錯合剤於電鍍錫−▲ビ▼無鉛▲ハン▼料組成控制、黏著性與樹枝状結構成長之效應”の要約では次のように記載されている。「…これまでの研究は、電気めっきにより得られるＳｎ−Ｂｉめっき層は粘着性が悪く樹枝状構造が生ずる等の問題が存在していることを指摘している。よって、樹枝状構造の発生を効率的に抑制するために、錯化剤又は界面活性剤を加えることが必要…」。このように、現在電気めっき分野においてデンドライトはまだ瑕疵と見られており、特殊な効用も有していない。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであって、公知の放熱材では放熱面積に限りがあるという問題点を改善するために、デンドライトを有する伝熱ユニットを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、デンドライトを有する伝熱ユニットでは、基材及び複数個のデンドライトを含み、基材上に複数個の結晶体核生成点（注：crystal defect）が間隔を開けて設けられ、前記複数個のデンドライトは基材の結晶体核生成点上に蒸着結合され、各デンドライト間には熱対流のための間隔が設けられたことを特徴とする。

さらに、前記デンドライトは主枝及び主枝に連結される分枝を有する。

さらに、前記結晶体核生成点が、ウィスカー、凸点、バリ、縁の何れか一つ又はその組合せである。

さらに、前記デンドライトの基材上の密度が３根／ｃｍ^２〜１５根／ｃｍ^２である。

さらに、前記デンドライトの長さが０．１ｍｍ〜１５ｍｍである。

さらに、前記デンドライトの長さが１ｍｍ〜５ｍｍである。

さらに、前記各デンドライト間に設けられた熱対流のための間隔が０．１ｍｍ〜５ｍｍである。

さらに、前記基材及び前記デンドライトを被覆するために用いられる抗酸化層をさらに含む。

本発明は、デンドライト構造を有する伝熱ユニットの用途でもある。つまり、基材上に少なくとも一つのデンドライトが設けられた伝熱ユニットにおいて、前記基材を熱源に接触させることにより熱量を基材から前記デンドライトの方向へ伝導する配向性熱伝導を発生させる用途、又は前記デンドライトを熱源に設置することで熱源の熱を樹脂性結晶から基材の方向へ伝導させる用途である。

さらに本発明は、デンドライト構造を有する伝熱ユニットの使用方法でもある。つまり、基材上に少なくとも一つのデンドライトを設ける工程と、基材を熱源上に設置することで熱源の熱を基材から前記デンドライトの方向へ伝導させる工程、又は前記デンドライトを熱源に設置することで熱源の熱をデンドライトから基材の方向へ伝導させる工程を含む使用方法である。

本発明によれば、以下のような発明の効果を奏することができる。

１．従来の電気めっき技術はデンドライトを欠陥と見なしているが、本発明はこのような技術的偏見を克服し、デンドライトを伝熱材として応用利用することで、配向性熱伝導の提供が可能となると共に、フラクタル構造を有する樹脂性結晶に放熱面積がより拡大し、放熱効率がより上昇する。

２．本発明はウィスカー又は切削加工を利用することでデンドライトの成長に必要な結晶体核生成点を提供することで、デンドライトの成長を促進し、基材上のデンドライトの成長位置を制御することができるため、良好な実用的価値を有することになる。

３．本発明はウィスカーを結晶体核生成点として用いているため、デンドライトを基材上に堅固に、しっかりと結合させることで、デンドライトの放熱効率を更に上げることができる。

４．本発明における複数個のデンドライト間には熱対流のための間隔が設けられているため、熱蓄積現象の発生を防ぎ、デンドライトの放熱効果を確保することができる。

５．本発明において、複数個のデンドライトの長さが１ｍｍ〜５ｍｍ、各デンドライト間の隔が０．１ｍｍ〜５ｍｍである場合、最良の放熱効果が発揮される。

本発明実施例におけるデンドライト生成工程を示す図である。 本発明実施例におけるデンドライト生成フローを示す図である。 本発明実施例において走査型電子顕微鏡を用いて異なる倍率でデンドライトを観察した外観図である。 本発明実施例において光学顕微鏡を用いて４５０倍の倍率でデンドライトを観察した顕微外観図である。 本発明実施例において光学顕微鏡を用いて４５０倍の倍率でデンドライトを観察した顕微外観図である。 本発明実施例において光学顕微鏡を用いて４５０倍の倍率でデンドライトを観察した顕微外観図である。 本発明実施例におけるウィスカーのＣＲ撮影外観図である。 本発明実施例におけるウィスカーのＣＲ撮影外観図である。 本発明実施例におけるウィスカーのＣＲ撮影外観図である。 本発明実施例におけるウィスカーのＣＲ撮影外観図である。 本発明実施例においてドリルによりバリを生成させた平面を示す図である。 本発明実施例において基材の縁を利用しデンドライトを成長させた平面を示す図である。 本発明実施例において実際のサンプルの外観を示す図である。 本発明実施例において図７のサーモグラフィを示す図である。 本発明の実施例と各供試片を、同一の熱源（ＬＥＤ灯）に続けて３０分間接触させた場合の比較図である。 本発明実施例におけるデンドライト表面熱の状況のサーモグラフィを示す図である。 本発明実施例におけるデンドライト表面の温度曲線を示す図である。 本発明実施例における３ｍｍの単一デンドライトの伝熱状況のサーモグラフィを示す図である。 本発明実施例における３ｍｍの単一デンドライトの伝熱状況の温度曲線を示す図である。 本発明実施例における０．７５ｍｍの単一デンドライトの伝熱状況のサーモグラフィを示す図である。 本発明実施例における０．７５ｍｍの単一デンドライトの伝熱状況の温度曲線を示す図である。 本発明実施例における２つのデンドライト間の伝熱状況のサーモグラフィを示す図である。 本発明実施例における２つのデンドライト間の伝熱状況の温度曲線を示す図である。 異なる蒸着数値を用いて成形されたデンドライトの異なる形態の図である。 異なる蒸着数値を用いて成形されたデンドライトの異なる形態の図である。 異なる蒸着数値を用いて成形されたデンドライトの異なる形態の図である。 異なる蒸着数値を用いて成形されたデンドライトの異なる形態の図である。

本発明の配向性熱伝導を提供するデンドライト構造、用途及び使用方法の主要な効果は、以下に述べる実施例により実現される。

本発明実施例における配向性熱伝導のデンドライト及びその製成工程及び製成フローを図１及び図２に示す。Ａ、Ｂ、Ｃの３工程から成る。

Ａ. 複数個の結晶体核生成点（１１）（crystal defect）を有する基材（１）を準備する。なお、本発明における結晶体核生成点（１１）（crystal defect）の定義は、点欠陥、線欠陥等の結晶構造の規則性が破壊された形態のものだけでなく、ウィスカー（whisker）形態のものも含む。そして、基材（１）の材料は導電性及び熱伝導効果が高い金属、例えば銅又はアルミニウムであることが好ましい。さらに基材に対し油脂を取り除く脱脂処理及び増感処理を含む事前処理を施す。増感処理は、電気めっき時に金属イオンの付着効果を高めるために基材を酸性溶液に浸す処理を指す。

ここで特に説明すべき点として、基材（１）は導電材料に限らず、プラスチック又はセラミック等の材料であってもよい。基材（１）の材料がプラスチック又はセラミックである場合は、予め化学的腐食処理、表面活性化等の処理が必要となるが、これらは公知技術であるためここでは詳述を省略する。

基材（１）上の予め定められた位置に導電性が悪い遮材を設置し、設置位置において後述するデンドライト（１３）を成長させないようにすることが最も好ましい。例えば、基材（１）の周りにステンレス鋼板を設けることが考えられる。

Ｂ. 基材（１）を電気めっきの電極として用い、蒸着法を利用して複数の金属イオンを基材（１）に蒸着させることで金属層（１２）が形成される。金属イオンは電流集中効果により結晶体核生成点（１１）上でデンドライトへと成長する。但しここで特に説明すべき点として、前記金属層（１２）は完全に基材を被覆する必要はなく、電流集中効果の原理を利用し単独のデンドライト（１３）が成長できればよい。また、蒸着法は例えば電気めっき法、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）等の方法が何れも採用可能である。本実施例においては電気めっき法を例として採用する。

本発明実施例における走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて異なる倍率でデンドライト（１３）を観察した外観図を図３Ａに示す。デンドライト（１３）は主枝及び少なくとも一つの主枝（１３１）に連結される分枝（１３２）を含む。基材（１）上における前記デンドライト（１３）の密度は３根／ｃｍ^２〜１５根／ｃｍ^２、長さは０．１ｍｍ〜１５ｍｍであることが好ましい。前記デンドライト（１３）の長さは１ｍｍ〜５ｍｍで、かつ前記デンドライト（１３）間に設けられた間隔が少なくとも０．１ｍｍ〜５ｍｍであり、デンドライトの高さと断面対角線の長さの比率が２より大きいことが最も好ましい。こうすることで熱交換のための十分な空間を提供することが可能となり、熱蓄積現象の発生を防ぐことができる。より正確に言えば、電気めっきの電流密度が１Ａ／ｄｍ^２〜５Ａ／ｄｍ^２で、電気めっきを行う時間が６０分から１８０分である。

電子顕微鏡を用いて４５０倍の倍率でデンドライト（１３Ａ）（１３Ｂ）（１３Ｃ）（１３Ｄ）を観察した外観図を図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄに示す。電気めっきの条件として、めっき￥処理温度：３０℃〜６０℃、めっき処理時間：２時間、電流：２．８Ａ／ｄｍ^２〜８Ａ／ｄｍ^２、めっき液はｐＨ０〜２．５の銅を含むめっき液とし、ｐＨが１．４５、比重が１．１９０であることが最も好ましい。こうすることで強度がより高く、放熱効果がより良好な銅材料のデンドライト（１３Ａ）（１３Ｂ）（１３Ｃ）（１３Ｄ）を生成することができる。また、図１８から図２１は異なる蒸着数値を用いて成形されたデンドライトを示す図である。その形態は放射状（図１、図２）及び柱状（図３、図４）がある。即ち、デンドライトは必ずしも主枝及び分枝を有している形態に限られることはなく、柱状のデンドライトでも構わないことを強調しておく。

図４Ａを合わせて参照し、工程Ａにおいては、基材（１）上にウィスカー被覆層（１００）を設ける。このウィスカー被覆層（１００）の材質は錫、カドミウム、亜鉛、アンチモン、インジウムの何れか一つ又は組合せであることが好ましい。こうした金属材質は硬度が低く展延性に優れているため、内部応力を開放する際に、基材（１）上に前記結晶体核生成点（１１）として用いるウィスカーが成長しやすくなり、デンドライト（１３）が一定の結合強度を有するようになる。図４Ｂから図４Ｄは、走査型電子顕微鏡を用いて５０倍の倍率で異なる形態のウィスカーを観察した図である。形態にそれぞれ差はあるが、何れも展延性に優れたウィスカー被覆層を利用し内部応力の開放により生成されたウィスカーである。

そして、これまで述べた内容に限られず、図５に示すように、基材（１ａ）に対し加工処理（ドリル、フライス加工、ターニング、鍛造、プレーニング等の切削処理）を施すことで、基材（１ａ）上に結晶体核生成点として用いるバリを生成させてもよい。さらに、図６に示すように、基材（１ａ）上の縁を直接利用し結晶体核生成点（１１ｂ）としてもよい。何れにおいても主な目的は結晶体核生成点（１１）を利用し、該等箇所で電流集中効果を発生させることにある。

工程Ｃは、基材（１）及びデンドライト（１３）に抗酸化層をめっきし、基材（１）及びデンドライト（１３）の酸化を防ぐ工程である。

本発明は配向性熱伝導が可能なデンドライト構造の用途及びその使用方法をも提供する。それは、以下の２工程から成る。

Ａ. まず前記の配向性熱伝導が可能なデンドライト構造を用意する。

Ｂ. そして、配向性熱伝導が可能なデンドライト構造の基材（１）を熱源（Ａ）に接触させ、熱源（Ａ）の熱を基材（１）からデンドライト（１３）の主枝（１３１）及び分枝（１３２）の方向へ伝導させる。但しこれだけに限らず、デンドライト（１３）を熱源（Ａ）に設置し、熱源（Ａ）の熱をデンドライト（１３）から基材（１）の方向へ伝導させることもできる。以下に、実施例に基づき本発明が提供する配向性熱伝導が可能なデンドライト構造の実際の使用状況を説明する。

図７及び図８はそれぞれ実際のサンプルの外観図及び実際サンプルのデンドライト（１３）の熱電効果をサーモグラフィにより示した図である。図７において３つの区域を選択し、温度変化を分析した。図と表１を合わせて観察すると、１号区域においては、デンドライトは過度に密集したときは温度が累積しやすいため、１号区域のデンドライトの末端温度は４７．０８℃と、他のデンドライトの末端温度に比べ高くなっている。２号区域は熱源に最も近いため、熱の累積により２号周囲の温度は高くなっている。３号区域は単一のデンドライトであり、熱源に近い箇所の温度は４９．９１℃であり、末端温度は３２．０１度まで下がっている。以上より、初歩的判断としてデンドライトは放熱を助長していることが観察できる。

図９は、各供試片と本発明のデンドライト構造を、同一の熱源（ＬＥＤ灯）に続けて３０分間接触させた場合の温度比較を示す図である。供試片には純アルミニウム板、マイクロプレート、銅メッキマイクロプレートを使用した。本発明のデンドライト構造には、マイクロプレート上で生成した高さ３ｍｍのデンドライト及びマイクロプレート上で生成した高さ１０ｍｍのデンドライトを用いた。

図９からわかるように、３０分経過時において温度が最も低いのは３ｍｍデンドライトであり（７８．４℃）、次に低いのは１０ｍｍデンドライトである（７９．６℃）。そして、マイクロプレート銅めっき及びマイクロプレート銅厚めっきの放熱効果は純マイクロプレートより悪く、温度はそれぞれ８５．７℃及び８３．９℃であった。

表２は、各供試片及び本発明のデンドライト構造の熱抵抗値及び熱伝達率を示したものである。アルミニウム板とマイクロプレートの熱抵抗値はそれぞれ１２．３５℃／Ｗ及び１２．１０℃／Ｗ、マイクロプレートめっきで生成したデンドライト３ｍｍ及び１０ｍｍの熱抵抗値はそれぞれ９．９０℃／Ｗ及び９．５８℃／Ｗ、マイクロプレート銅めっき３０分及び１８０分の熱抵抗値はそれぞれ１０．５５℃／Ｗ及び１１．５０℃／Ｗであった。熱抵抗値の比較から、マイクロプレートめっきで生成したデンドライトの熱抵抗値は比較的低く、高さ１０ｍｍの熱抵抗値が最も低い。

以下、赤外線サーモグラフィによる温度分布観察により、銅質デンドライトの放熱状況及び有効放射区域について分析する。

図１０に示すように、デンドライトの表面温度と環境温度では温度差があり、この温度差は温度勾配により外側へ拡散する。図１１にあるように、デンドライトの温度は４７．８℃、デンドライトの表面温度は４６．７℃である。外側へ徐々に拡散する温度はそれぞれ４５℃、３９℃、３７℃の三段階がある。三段階の位置はそれぞれ０．３８ｍｍ、０．６３ｍｍ、１．２５ｍｍであり、三段階間の距離はそれぞれ０．２５ｍｍ、及び０．６２ｍｍであり、取り除かれた熱量の比率は１：１．９：１．１７であった。図１１において０．６３ｍｍを越えた後の曲線が緩やかとなっているが、図１０のサーモグラフィにおいては空気流動によるぐらつき現象は見受けられず、実験環境は無風状態であるため、熱量が対流により周辺空気を加熱しデンドライトの表面から徐々に外側へ伝わり放熱効果を達し、効率的に空気を加熱する空気厚度は０．６２ｍｍであることがわかる。

長さが３ｍｍの単一デンドライトの伝熱状況を図１２に示す。図１３と合わせて観察すると、０．０ｍｍから０．５ｍｍまでは熱源がデンドライトへ伝導し、０．５ｍｍから０．９ｍｍまではデンドライトが熱を放出している。１ｍｍから１．５ｍｍはデンドライトが最も狭い場所でありこの区域の放熱面積に限りがあるため、温度が蓄積し放散できなくなっている。１．５ｍｍから２．５ｍｍはデンドライトの幅が大きいため蓄積された温度が放散された結果、デンドライト全体の温度は４６．４℃から３７．０℃まで９．４℃低下した。

長さが０．７５ｍｍの単一デンドライトの伝熱状況を図１４に示す。図１５と合わせて観察すると、デンドライトの温度は３８℃であり、伝熱が０．２ｍｍから０．３ｍｍのときに幅が小さいため温度が３６℃に蓄積している。そして、０．３ｍｍ以降は温度が２８．８℃まで低下している。そのうち、０．３ｍｍから０．７５ｍｍにおける温度低下が比較的速く、３６℃から２８．８℃まで低下した。０．７５ｍｍ以降はほぼ温度に変化はない。

２つのデンドライト間の伝熱状況を図１６に示す。図１７と合わせて観察すると、０．３５ｍｍから０．５ｍｍまでの温度低下が最も良好な区域であり、５１℃から３０℃まで低下している。０．５ｍｍから０．７ｍｍまでの温度にほぼ変化はない。０．７５ｍｍにおけるデンドライト間の熱放射効果は０．２ｍｍであり、熱蓄積現象も発生していない。このことから、デンドライトの両側には伝熱効果を行うために２．５ｍｍの空間が必要であることがわかる。間隔が狭いと伝熱区域は影響を受け熱源を完全に排出することができず、熱蓄積現象が発生することになる。単一デンドライトの伝熱の場合は、幅は一致する必要がある。もし幅が縮小されると熱がこの区域に蓄積し、放熱効果が悪化する。

ここで本発明の実験で使用した赤外線サーモグラフィ（Thermal Imager Camera）及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の仕様について説明する。赤外線サーモグラフィ（Thermal Imager Camera）は赤外線検出器と光学対物レンズを利用して対象物から出ている赤外線放射エネルギーを吸収、分析し、赤外線検出器の感光性部品上へ反映させ赤外線熱画像を取得する。この熱画像と物体の熱分布は相互に対応している。本発明の実験においては、伝熱状況と対流現象を理解するため、２台の赤外線サーモグラフィを使用しそれぞれミクロ分析とマクロ分析を行った。

前記実施例の説明によれば、本発明の操作、使用方法及び効果について十分に理解できるはずである。しかし、上述した実施例はあくまで本発明における好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施範囲はこれに限られない。即ち、本発明の特許請求の範囲及び発明内容の説明に沿って簡単な変更又は修正が行われたとしても、特許請求の範囲に含まれるものである。

（１）（１ａ）（１ｂ） 基材
（１００） ウィスカー被覆層
（１１）（１１ａ）（１１ｂ） 結晶体核生成点
（１２） 金属層
（１３）（１３Ａ）（１３Ｂ）（１３Ｃ） デンドライト
（１３１） 主枝
（１３２） 分枝
（１４） 抗酸化層
（Ａ） 熱源
（Ｄ） 間隔

Claims (12)

1. 複数個の結晶体核生成点が間隔を開けて設けられた基材と、
   前記基材上の結晶体核生成点上に蒸着結合された複数個のデンドライトを含み、
   前記複数個のデンドライト間には熱対流のための間隔が設けられたデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
2. 前記デンドライトは主枝及び主枝に連結される分枝を有する請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
3. 前記結晶体核生成点が、ウィスカー、凸点、バリ、縁の何れか一つ又はその組合せである請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
4. 前記デンドライトの基材上の密度が３根／ｃｍ^２〜１５根／ｃｍ^２である請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
5. 前記デンドライトの長さが０．１ｍｍ〜１５ｍｍである請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
6. 前記デンドライトの長さが１ｍｍ〜５ｍｍである請求項５に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
7. 前記各デンドライト間に設けられた熱対流のための間隔が０．１ｍｍ〜５ｍｍである請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
8. 前記基材及び前記デンドライトを被覆するために用いられる抗酸化層をさらに含む請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
9. 前記デンドライトの材料が銅又は銅合金である請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
10. 前記デンドライトの高さと断面対角線の長さの比率が２より大きい請求項１に記載のデンドライト構造を有する伝熱ユニット。
11. 基材上に少なくとも一つのデンドライトが設けられたデンドライト構造を有する伝熱ユニットの、
    前記基材を熱源に接触させることにより熱量を基材から前記デンドライトの方向へ伝導する配向性熱伝導を発生させる用途、
    又は前記デンドライトを熱源に設置することで熱源の熱を樹脂性結晶から基材の方向へ伝導させる用途。
12. デンドライト構造を有する伝熱ユニットにおいて、
    基材上に少なくとも一つのデンドライトを設ける工程と、
    基材を熱源上に設置することで熱源の熱を基材から前記デンドライトの方向へ伝導させる工程、又は前記デンドライトを熱源に設置することで熱源の熱をデンドライトから基材の方向へ伝導させる工程
    を含む使用方法。