JP2015220450A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明によるヒートシンクでは、基板上に複数の貫通孔を形成し、各々の貫通孔に棒状突起体を圧入した上で突起体と基板を接合することにより、突起体圧入圧力を軽減し、また各突起体と基板を接合することにより熱伝導率を改善することを課題とする。また、基板の裏面側（発熱体接触面）に熱伝導性シートを配置することにより、ヒートシンク表裏の気密性を向上させ、また発熱体からの熱伝導効率の向上も課題とする。
【解決手段】 本発明によるヒートシンクは、複数の貫通孔を有する基板表面の各貫通孔に棒状突起体が圧入されてその端部が前記基板の裏面と面一に構成され、他端部が前記板表面より突出して立設されており、前記基板の裏面に熱伝導性シートが接合されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、放熱性に優れ製造の容易で熱伝導性が高いヒートシンクに関する。

大規模集積回路（ＬＳＩ）やＩＣ、パワートランジスタなどの各種デバイスやこれらのデバイスを搭載した電子機器などでは、デバイスの高出力化に伴って稼働時に発生する熱量が増大している。そして、発生した熱を十分に放熱させることができないと、デバイスにおける能力が低下することになり、電子機器における応答性の遅延や誤動作を招いてしまう恐れが生じる。之を解決するための手段の１つとして、増大する熱量を効果的に放熱することが求められている。

また、近年では各種デバイスの小型化や電子機器の小型化に伴って、より効率的に放熱を行えるヒートシンクが要求されている。放熱を効果的に行うには、デバイス自体にヒートシンクを設けた構成だけでは不十分であり、より放熱面積の広いヒートシンクを用いて冷却を行うことが必要になる。

ヒートシンクの性能を高めるために、放熱面の表面積を広く構成することが行われており、この構成としては、一般的に、金属板の表面にフィンと呼ばれる板を複数枚平行に立設した構成や、棒状の突起を複数本互いに接触しないように立設した構成が採用されている。

最も一般的なヒートシンクは、モールド成形によって製造されている。この方法では通常、多数の凹凸が形成された成形型に素材を注入することにより製造される。そのため、例えば、凹凸間の間隔が狭く構成されている成形型を用いた場合、注入した素材を多数の凹凸を有する成形型から剥離させることが困難になることがある。

また、金属材料に対して高圧力を加えて行う押出成形によって、多数のフィンや多数の棒状突起を備えたヒートシンクを製造することも従来から行われている。この方法の場合、特に隣接するフィン間或いは棒状突起間の間隔を狭く構成しようとすると、金属材料を押し出すために非常に高い押圧力を用いなければならず、押出装置の大型化や製造コストの増大を招いてしまう問題があった。

このような問題点を解決するため、金属板における一方の面に対してパンチなどの押圧工具を用いて押圧し、金属板の他方の面を隆起させることで突起を形成する方法が提案されている（特許文献１及び２）。

特許文献１や２に記載された発明では、金属板に対してパンチを圧入した側の面にはパンチで押圧した跡として凹部が形成される。このような凹部があると、ヒートシンクとして使用する際にこの凹凸により冷却対象部品との接触面積が減少する。また、凹部内に残存する空気によって伝熱性が低下する。このように放熱効率が低下するという問題点が生ずる。

このような課題を解決するため本出願人は、複数の貫通孔を有する基板と、前記貫通孔の各々に一端部が圧入され他端部が前記基板表面より突出し互いに離間して配設された複数の突起体からなり、前記各貫通孔表面と前記各突起体の前記貫通孔接触面とが接合されていることを特徴とするヒートシンク（特願２０１３−１７１７３１）を提案した。この発明では、基板上に形成した複数の貫通孔の各々に金属からなる棒状突起体を圧入し互いを接合することによって一体化しているため、基板と突起体が密に接触していて熱の伝導が向上し、良好な放熱特性が得られる。必要に応じては、突起体に基板より熱伝導率の良い金属材料を用いることにより、放熱特性の良好なヒートシンクを安価で提供することも可能となる。また、発熱体の発熱が大きくヒートシンクによる空気冷却だけでは放熱効果が不十分と考えられる場合、冷媒を併用して放熱を促進することができる。この場合には、貫通孔の形成された基板と突起体とを接合しているため、完全な機密性を得る必要がある。

特許文献３には、ベース部と、グラファイトを主体とするシートと金属薄板とを積層して形成したフィン部とからなり、ベース部と金属薄板とを部分的に接合したヒートシンクが開示されている。このフィン部は、あらかじめ金属薄板とグラファイトを主体とするシートとを貼り合わせて積層したものを複数回コルゲート状に折り曲げて複数のフィン列を形成している。

特許文献４には、高熱伝導性のフィラーと結晶性ポリマーとを含み、一体成形されたフィン付きヒートシンク及び基材と、この基材上に形成され、絶縁性の熱伝導性フィラーと結晶性ポリマーとを含む絶縁層と、この絶縁層上に形成された金属層とを有するフィン付きヒートシンク一体回路基板用積層板が開示されている。特許文献４に記載された発明では、一体成形されたフィン付きヒートシンク及び基材を形成する際に、フィンの隙間を無機粉粒体を含む水溶性ポリマーまたは有機溶剤可溶性ポリマーで充填し、フィン付きヒートシンクと基剤と絶縁層と金属層とを積層した後で、充填したポリマーを溶解することによってフィンのみを残す構成になっている。

特開平１０−５１１６８号公報 特開２００３−２３０９３１号公報 特開２００９−９９８７８号公報 特開２０１２−２８４２１号公報

特許文献３に記載された発明では、金属薄板とグラファイト主体シートの積層体を複数回コルゲート状に折り曲げてベース部との接合面を揃えるには高い技術が必要となり、製造コストが高くなるという問題点がある。また、金属薄板とグラファイト主体シートの積層体をコルゲート状に折り曲げることから、フィンの形状も平面状に限定されてしまう問題がある。

特許文献４に記載された発明では、全体をラミネートした後で充填ポリマーを除去する工程が必要となり、また除去したポリマー或いはそれに使用した有機溶剤も処理しなければならない。そのため、コストが高騰してしまうという問題点がある。

問題点を解決するため本願発明のヒートシンクは、突起体圧入圧力を軽減し、熱伝導率を改善することができるヒートシンクの提供を課題とする。また、基板の裏側表面（発熱体接触面）に熱伝導性シートを配置することにより、ヒートシンク表裏の気密性を向上させ、また発熱体からの熱伝導効率の向上も課題とする。

上記の課題を解決するため本発明によるヒートシンクは、複数の貫通孔を有する基板表面の各貫通孔に棒状突起体が圧入されてその端部が前記基板の裏表面と同一面を形成し、他端部が前記基板表面より突出して立設されており、前記基板の裏表面に熱伝導性シートが接合されていることを特徴とする。

前記基板と前記棒状突起体とが異種材料または同種材料を用いて構成したり、棒状突起体に熱伝導率の高い材料を用いることもできる。また、前記熱伝導性シート及び前記棒状突起体の金属または炭素系材料を用いて構成することもできる。

本発明によるヒートシンクでは、基板上に形成した複数の貫通孔の各々に棒状突起体を圧入し互いに接合した構成にすることで一体化しているため、基板と突起体が密に接触していて熱の伝導が良好となるため、良好な放熱特性が得られる。この基板と棒状突起体との組立はプレス成形により一体的に行うことができるため、安価に製造することが可能である。必要に応じては、突起体に基板より熱伝導率の良い材料を用いることにより、放熱特性の良好なヒートシンクを安価で提供することも可能となる。また、基板の裏面側（発熱体接触面）に熱伝導性シートを配置することにより、ヒートシンク裏面側の気密性を向上し、また発熱体からの熱伝導効率の向上がはかれる。このようにヒートシンクの表裏側の機密性の向上は、ヒートシンクのフィン側を冷媒により強制的に冷却する場合に特に効果的である。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明によるヒートシンクの基板１の断面図を示す。（ａ）は、複数の貫通孔２を形成した状態の基板１の断面図、（ｂ）は各貫通孔２に棒状突起体３を圧入し接合した状態の断面図である。貫通孔２の縦断面形状は圧入する棒状突起体部位における縦断面形状とほぼ同一形状に構成される。最終的なヒートシンクとしては、図２に模式的な断面図を示したように、基板１の裏面１２に熱伝導性シート４が接合される。

棒状突起体３の断面形状としては特に限定されるものではなく、円筒状、角柱状等、用途に応じて適宜選択することができる。また、図１及び図２においては両端部が同じ幅を有しているが、これに限定されるものではなく、上部をテーパ状に狭くすることや、上端に丸みを持たせることもできる。ただし、棒状突起体の下端部は基板１の裏面１２とは面一形状に構成することにより、熱伝導性シートとの接合性を良好に保たれている。

図３には、図２に示したヒートシンクの平面図を示した。基板１上に複数の棒状突起体３が互いに離間して立設されている。これら棒状突起体の数や配置に関しては特に限定されるものではなく、互いに独立していればよい。

次に、上記実施例の製造方法について説明する。まず、図１（ａ）に示したように、基板１に互いに離間した状態で複数の貫通孔２を形成する。貫通孔の形成方法として、プレス打ち抜き等を利用して順次或いは一括して行うことができる。続いて、この基板１を例えば１００℃〜４００℃程度に加熱して膨張させた上で、各貫通孔２に棒状突起体３を圧入し、基板１の裏面１２と棒状突起体３の下端部が面一となるように構成する。貫通孔２の縦断面形状は圧入する棒状突起体部位における縦断面形状とほぼ同一形状に構成しておくことが望ましいが、基板１を加熱することによりこの貫通孔２の内径が拡大し、棒状突起体３の圧入が容易となる。棒状突起体３を貫通孔２に圧入した後、基板１を除冷することにより各棒状突起体３が基板１と焼き嵌められる。その後、熱伝導性シート４を基板１の裏面１２および棒状突起体底面に密着接合する。この接合を行なうにあたっては例えば、熱伝導性シート４として金属を用いた場合は低融点金属層を熱伝導性シート４上に積層し、低融点金属層の加熱融解により融着することができる。熱伝導性シート４がグラファイト等の非金属材料の場合は、熱伝導性接着剤等を低融点金属層の代わりに用いることができる。

上記実施例によるヒートシンクの製造方法としては、別の方法を使用することもできる。棒状突起体３の少なくとも基板１と接触する棒状突起体表面１１に低融点金属層を予め形成しておき（図示してない）、棒状突起体３を基板１の各貫通孔２に圧入した後、加熱してこの低融点金属層を融解してから除冷する。この処理により、低融点金属材料が棒状突起体３及び基板１の内部に拡散して両者を接合することができる。この場合、熱伝導性シート４の接合と同時に行うことも可能である。

上記実施例に使用する基板１としては、コストの点からアルミニウム材やアルミニウム合金が好適であり、棒状突起体３としては同じ材料を用いることもでき、より熱伝導率の高い銅や銅合金を使用することもできる。また、グラファイト等の熱伝導性の良好な非金属材料を使用することもできる。熱伝導性シート４としては、棒状突起体３との接合性と熱伝導性を考慮して、棒状突起体３と同じ材料を用いることが好適である。

上記低融点金属層としては、スズ材やハンダ材が利用できるが、硬ろうなどを使用することも可能である。この低融点金属を熱伝導性シート４に形成する方法としては、例えばめっき加工や塗布加工、浸漬加工等が利用できる。

本発明によるヒートシンクは、基板と突起体が密に接触している構成となっているため熱の伝導が容易となる。その結果、良好な放熱特性が得られる。また、ヒートシンク裏面に熱伝導性シートが配置されており、表面には基板と突起体とが密に接触した構成となっているので、ヒートシンク表裏両面において気密性が向上する。これにより、フィンとしての棒状突起体を水等の冷媒により強制冷却する事も可能となる。さらに、棒状突起体と同じ高熱伝導性材料を使用することにより、ヒートシンク全体への熱の分散性も向上することができる。従って、本発明は熱伝導性が良好で機密性が高いヒートシンクを提供することができる。

本発明によるヒートシンクの基体の断面図である。 本発明によるヒートシンクの実施例を示す模式的断面図である。 図２に示した実施例の平面図である。

１ 基板
２ 貫通孔
３ 棒状突起体
４ 熱伝導性シート
１１ 棒状突起体表面
１２ 基板裏面

Claims (5)

1. 複数の貫通孔を有する熱伝導性を有する基板と、前記基板に形成した各貫通孔に圧入され、前記基板に対して一端部側が基板から突出して立設された棒状突起体と熱伝導性シートと、を有し、前記基板の裏面と前記棒状突起体の他端部端面とが面一に構成され、前記熱伝導性シートが、前記基板の裏面と前記棒状突起体の他端部端面に対して接合されていることを特徴とするヒートシンク。
2. 前記基板と前記棒状突起体とが異種材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記棒状突起体が前記基板より熱伝導率の高い材料から構成されていることを特徴とする請求項２記載のヒートシンク。
4. 前記熱伝導性シート及び前記棒状突起体が金属または炭素系材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートシンク。
5. 前記棒状突起体と前記熱伝導性シートが同種材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヒートシンク。