JP2016195227A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】寸法を大型化することなく、両面に配置される電子部品に対応して冷却することができるヒートシンクを提供する
【解決手段】
伝熱性を有する材料からなり対向して配置される２枚のベース板と、ベース板の両側辺同士を連結する連結体と、伝熱性を有する材料からなり２枚のベース板に固定されてベース板間に配置される複数のフィンとを有し、複数のフィンは、２枚のベース板のうちの一方のベース板に固定される複数のフィンと、２枚の板体のうちの他方のベース板に固定される複数のフィンとからなり、一方のベース板に固定される複数のフィンと他方のベース板に固定される複数のフィンとは、非接触である。
【選択図】図２

Description

半導体素子等の冷却に使用するヒートシンクに関するものである。

従来より、電子機器に搭載される半導体の冷却には、空冷式のヒートシンクが用いられており、対峙する板体間にフィンを挟持固定して、対峙する両板体の表面において半導体の冷却を可能とするヒートシンクは知られていた（特許文献１）。

特許第２７０１６９２号公報

上記特許文献１のヒートシンクのように、ヒートシンクの両面に半導体素子等の電子部品を配置することができるようにすることで、実装面積を確保しながら組み立て等を簡潔にすることができた。
しかしながら、ヒートシンクの両面に配置される半導体素子等の電子部品によっては、発熱量の大きい一方の面の電子部品の熱が、他方の面の電子部品に対して悪影響を及ぼす危険性があった。そして、両面の電子部品に対応できるようにフィン等の冷却部分の設計を行うとフィンが大型化し、部分的には、発熱体の冷却に寄与していない過剰な冷却能力をもつフィンが生じるなど、材料が無駄になり製造コストの面からも好ましくなかった。
また、過剰なフィンがあることにより重量が大きくなって作業性が悪化するとともに、冷却風の圧力損失が生じて、冷却効率を悪化させる可能性があった。

本発明は、上記の事情を鑑み、両面に発熱体を配置することで実装面積を確保して、組み立てを簡潔にしながら、両面に配置される電子部品に対応して冷却することができ、かつ、小型化、軽量化を可能とするヒートシンクを提供することを目的とするものである。

本発明は、伝熱性を有する材料からなり対向して配置される２枚のベース板と、ベース板の両側辺同士を連結する連結体と、伝熱性を有する材料からなり２枚のベース板に固定されてベース板間に配置される複数のフィンとを有し、複数のフィンは、２枚のベース板のうちの一方のベース板に固定される複数のフィンと、２枚の板体のうちの他方のベース板に固定される複数のフィンとからなり、一方のベース板に固定される複数のフィンと他方のベース板に固定される複数のフィンとは、非接触であることを特徴とする。

実装面積を確保しながら小型化することができ、かつ、冷却対象に適した冷却能力を備えるヒートシンクを得ることができる。

本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの斜視図である。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの一方の連結板（連結体）を外した状態の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクのベース板に対して連結板（連結体）を取り付ける方法を説明するための側面図である。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの開口する側面図であり、（ａ）は両面に配置される発熱体を異なる場合の実施形態を示し、（ｂ）はさらに発熱体の配置される位置が異なる場合の実施形態を示す。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの開口する側面図であり、（ａ）は両面に配置される発熱体が異なり、一面には複数の発熱体を配置する場合の実施形態を示し、（ｂ）は両面に配置される発熱体の発熱量及び設置面積が異なる場合の実施形態を示す。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの開口する側面図であり、（ａ）は配置される発熱体に応じてフィンの密度（間隔）を異ならせた実施形態を示し、（ｂ）は配置される発熱体に応じてフィンの厚み寸法を異ならせた実施形態を示す。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの側面図であり、（ａ）はフィンの長さがベース板の長さ以上である場合の実施形態を示し、（ｂ）はさらにフィンの位置がベース板の長さ方向にずれている場合の実施形態を示す。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの側面図であり、（ａ）はフィンの長さがベース板の長さ以下である場合の実施形態を示し、（ｂ）はさらにフィンの位置がベース板の長さ方向にずれている場合の実施形態を示す。 本発明の実施形態に係る両面実装ヒートシンクの側面図であり、フィンの長さがベース板の長さと同等もしくはやや短い場合の実施形態を示す。

本発明の実施形態のヒートシンクについて、図面を参照しながら説明する。
（全体の構成）
図１、２に示すように、本発明の実施形態のヒートシンク１は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等の伝熱性を有する材料からなり、対向する第１ベース板１１及び第２ベース板１２と、同じくアルミニウムやアルミニウム合金等の伝熱性を有する材料からなり、第１ベース板１１に固定されるフィン２１，及び、第２ベース板１２に固定されるフィン２２と、第１ベース板１１と第２ベース板１２を対向した状態で連結固定する連結板（連結体）３１，３１とから構成されている。

第１ベース板１１及び第２ベース板１２は、略同様に形成され、それぞれの対向する面には、フィン２１及びフィン２２を固定するために略等間隔に形成された複数の凹溝１１ａ，１２ａを有しており、側端には、連結板（連結体）３１，３１をカシメて固定するための取付凹溝１１ｂ，１２ｂが形成されている。
取付凹溝１１ｂ，１２ｂのフィン２１，２２が存在する方の側壁には、連結板（連結体）３１，３１をカシメて固定する際に、連結板（連結体）３１の肉が食い込む凹部（１１ｃ，）１２ｃが取付凹溝１１ｂ，１２ｂの長手方向に沿って形成されている。

フィン２１，２２は、それぞれ１枚の板材を屈曲させて形成されており、比較的幅広に形成された放熱面部２１ａ，２２ａがその両端においてそれぞれ隣接する異なる放熱面部２１ａ，２２ａに対して連結部２１ｂ，２２ｂを介して連続されることにより、蛇腹状に形成されている。
フィン２１，２２の一側面の連結部２１ｂ，２２ｂを第１ベース板１１及び第２ベース板１２の凹溝１１ａ，１２ａに嵌め込むことにより、第１ベース板１１及び第２ベース板１２に対して、フィン２１，２２同士が非接触となるように固定されている。

連結板（連結体）３１，３１は、第１ベース板１１及び第２ベース板１２と略同程度の長さを有し、第１ベース板１１と第２ベース板１２の側面同士を連結することにより、両ベース板１１，１２間にフィン２１，２２を非接触に配置する空間を確保すると共に、ヒートシンク１の外観を形成している。
ここで、連結板（連結体）をベース板に固定する方法を、図３の示す、第２ベース板１２に対する連結板（連結体）３１下端の固定部分を用いて説明する。
図３（ａ）に示すように、第２ベース板１２に形成された取付凹溝１２ｂの一側（フィンの存在する側）の側壁には、凹部１２ｃが形成されている。
そして、図３（ｂ）に示すように、取付凹溝１２ｂに対して連結板（連結体）３１を挿入した状態で、図３（ｃ）に示すように、第２ベース板１２の側面よりカシメることで、取付凹溝１２ｂに挿入されている連結板（連結体）３１の一部が凹部１２ｃに食い込むこととなり、第２ベース板１２に対して連結板（連結体）３１の下端部が固定される。
このように、ベース板に対する連結板（連結体）の固定をカシメにより行うことで、ネジ等の取り付け穴及びタップ等の予備加工が省略でき、また、接続強度も大きい。

以上の図１，２に示す実施形態においては、図１，２において下方に位置する第２ベース板１２に固定されるフィン２２の放熱面部２２ａの幅寸法が第１ベース板１１に固定されるフィン２１の放熱面部２１ａの幅寸法よりも大きく形成されており、第２ベース板１２には、第１ベース板１１に配置される発熱体に比較してより大きな発熱量を有する発熱体を配置して冷却することができるように構成されている。
また、フィン２１，２２の長さ寸法は、それぞれの必要冷却能力に応じて設定されており、冷却に必要な長さを有するフィン２１，２２に対して空気をスムーズに当てることができ、効率的に冷却することができるとともに、不必要なフィン２１，２２の部分を削除しているので、材料を節約できて製造コストを下げることができる。

（フィンの配置）
図４、５を参考にして、冷却する被冷却物に対応してフィンの配置を変更する例について説明する。
図４（ａ）に示す配置例は、第１ベース板１１の表面には比較的発熱量の低い発熱体Ａ１を設置し、第２ベース板１２の表面には、比較的発熱量の高い発熱体Ａ２を設置した例を示しており、両発熱体Ａ１，Ａ２共に広い接地面積を必要とする発熱体である場合の配置例を示している。
比較的発熱量の大きい発熱体Ａ２の冷却に対応するために、第２ベース板１２に固定されるフィン２２の放熱面部２２ａの幅寸法を大きく設定するともに、フィン２１の放熱面部２２ａについては、発熱体Ａ２を冷却するに十分な幅寸法を確保して、両発熱体Ａ１，Ａ２の効率的な冷却を行うことができる。

図４（ｂ）に示す配置例は、第１ベース板１１の表面には比較的発熱量の低い発熱体Ａ３を設置し、第２ベース板１２の表面には、比較的発熱量の高い発熱体Ａ４を設置した例を示しており、両発熱体共にそれほど広い設置面積を必要としない発熱体である場合の配置例を示している。
両発熱体Ａ３，Ａ４を第１ベース板１１及び第２ベース板に対して幅方向に位置をずらして配置するとともに、フィン２１，２２の放熱面部２１ａ，２２ａの幅寸法をそれぞれの冷却対象とする発熱体Ａ３，Ａ４が設置された側から他方の側に向かってを徐々に短くなるように設定されている。

これによって、第１ベース板１１及び第２ベース板１２の発熱体Ａ３，Ａ４が設置された側のフィン２１，２２の放熱面部２１ａ，２２ａの幅寸法を十分に大きく設定することができ、効率的な冷却を行うことができる。
なお、発熱体の発熱量によっては、発熱体を設置していない側のフィン２１’，２２’の部分を省略することもできる。

図５（ａ）に示す配置例は、ヒートシンク１の一方の面に複数の発熱体を設置した例を示しており、第１ベース板１１の表面には発熱体Ａ５を設置し、第２ベース板１２の表面には発熱体Ａ６と発熱量の小さい発熱体Ａ７とを設置した例を示している。
第１ベース板１１及び第２ベース板１２に固定するフィン２１，２２の放熱面部２１ａ，２２ａの幅寸法を段階的に変えることによって、それぞれの発熱体Ａ５，Ａ６，Ａ７の発熱量に最適な冷却能力を有するヒートシンク１を構成することができる。

図５（ｂ）に示す配置例は、第１ベース板１１の表面には比較的発熱量は低いが設置面積を必要とする発熱体Ａ８を設置し、第２ベース板１２の表面には比較的発熱量が高いがそれほど設置面積を必要としない発熱体Ａ９を設置した例を示している。
第２ベース板１２に固定するフィン２２の放熱面部２２ａの幅寸法を、中央部で凸状の湾曲状となるように変化させ、反対に第１ベース板１１に固定するフィン２１の放熱面部２１ａの幅寸法を、中央部で凹状の湾曲状となるように変化させることによって、発熱体Ａ９を第２ベース板１２の中央部のフィン２２により冷却するとともに、発熱体Ａ８を第１ベース板１１の両側部のフィン２１により冷却して、全体として効率的な冷却を行うことができる。

次に、冷却する発熱体に応じてフィン同士の間隔、フィンの厚みを変更する実施形態について、図６を参考にして、説明する。また、併せて、ベース板に対するフィンの固定構造が異なる他の実施形態のヒートシンクの構成について説明する。
図６（ａ）は、第１ベース板１１もしくは第２ベース板１２に設置される発熱体の発熱量が両ベース板において一側に偏っており、それに合わせて、ベース板に固定されるフィン２３、２４の密度（間隔）をベース板の左右位置において変更した例を示している。
冷却能力は、フィン２３、２４の密度（間隔）を変更することによって調節することができ、比較的発熱量が高い発熱体Ａ１０，Ａ１２の設置位置に対応するフィンの密度（間隔）を高く（狭く）することにより、効率的な冷却を行うことができる。
なお、図６（ａ）の実施形態は、比較的発熱量の高い発熱体Ａ１０，Ａ１２の偏りが同じである例を示しているが、本発明のヒートシンクにおいては、第１ベース板１１と第２ベース板１２に対して独立してフィンを取り付けることができるので、各ベース板において比較的発熱量の高い発熱体が配置される部位に対してフィンの密度（間隔）を高く（狭く）設定すればよく、その際、フィンの密度（間隔）が高い（狭い）部位は、両ベース板の何れか一方でもよく、また、両ベース板のいずれの部位であってもよい。

図６（ｂ）は、第１ベース板１１もしくは第２ベース板１２に設置される発熱体の発熱量が両ベース板において一側に偏っており、それに合わせて、ベース板に固定されるフィンの厚み寸法を左右において変更した例を示している。
冷却能力は、フィンの厚み寸法を変更することによって調節することができ、比較的発熱量が高い発熱体Ａ１０，Ａ１２の設置位置に対応するフィンの厚み寸法を大きくすることにより、効率的な冷却を行うことができる。
なお、フィンの厚み寸法を大きくする部位が両ベース板の何れか一方でもよく、また、両ベース板のいずれの部位であってもよいことは、図６（ａ）と同様である。

また、図６に示す実施形態においては、ベース板に対するフィンの固定構造が図１乃至図５に示す実施形態とは異なっている。
具体的には、ベース板に形成された凹溝１１ａ，１２ａに対して個々に板状のフィン２３，２４が配置され、凹溝１１ａ，１２ａの一方側若しくは両側からカシメることにより、凹溝１１ａ，１２ａに対してフィン２３，２４が固定され、フィン２３，２４が固定された第１ベース板１１及び第２ベース板１２を左右の連結板（連結体）３１，３１により連結することによりヒートシンク１が形成されている。
第１ベース板１１及び第２ベース板１２に形成される凹溝１１ａ，１２ａは、配置されるフィンの長さ方向に沿って両ベース板の全長に亘って形成されており、凹溝１１ａ，１２ａの端部が開放されているとともにその幅寸法は固定するフィンの厚み寸法に応じて適宜決定されている。
したがって、発熱体の発熱量に応じて設定したフィンがベース板の長さ以上となる場合にはベース板からフィンが突出するように固定することができ、また、同フィンがベース板の長さ以下である場合には、凹溝１１ａ，１２ａのフィン２３，２４が配置される部位のみをカシメることにより固定することができ、それぞれのベース板に対して自由にフィンフィン２３，２４を配置することができる。
そして、フィン２３，２４が配置された両ベース板を連結板３１，３１により連結することにより、冷却対象に適した冷却能力を有するヒートシンクを形成することができる。

図７乃至図９を参考にして、冷却する発熱体に応じてフィンの長さを変更する例について説明する。
第１ベース板１１もしくは第２ベース板１２に設置される発熱体の発熱量によっては、第１ベース板１１と第２ベース板１２の間に収まるフィン２３，２４の長さでは十分な冷却を行うことができない場合がある。そのような場合には、フィン２３，２４の長さを第１ベース板１１および第２ベース板１２の長さ以上に設定することで、より発熱量の大きい発熱体の冷却を行うことができる。
反対に、第１ベース板１１と第２ベース板１２の長さと同程度の長さでは、フィン２３，２４による冷却能力が大きすぎる場合がある。そのような場合には、発熱体を冷却するという点においては問題は無いが、フィン２３，２４の長さを第１ベース板１１および第２ベース板１２の長さ以下にすることで、材料を節約することができる。

図７（ａ）に、フィン２３及びフィン２４が共に第１ベース板１１及び第２ベース板１２の長さよりも長い場合を示しており、また、図７（ｂ）には、フィン２３及びフィン２４が共に第１ベース板１１及び第２ベース板１２の長さよりも長い場合であって、フィン２３及びフィン２４をフィンの長さ方向にずらして配置した場合を示しており、両者とも、フィン２３，２４の長さを長くすることで冷却能力を向上させて、発熱量の大きい発熱体に対応できるように構成されている。

図８（ａ）に、フィン２３及びフィン２４が共に第１ベース板１１及び第２ベース板１２の長さよりも短い場合を示しており、また、図８（ｂ）には、フィン２３及びフィン２４が共に第１ベース板１１及び第２ベース板１２の長さよりも短い場合であって、フィン２３及びフィン２４をフィンの長さ方向にずらして配置した場合を示しており、フィン２３，２４の長さを短くすることで、冷却風が通る際の圧力損失を減少させることができフィン２３，２４に対して十分な冷却風を当てることで冷却能力を効率的に確保しながら、フィンの材料を節約している。

図９に、フィン２３及びフィン２４が共に第１ベース板１１及び第２ベース板１２の長さと同程度もしくはやや短い場合であって、第１ベース板１１に固定されるフィン２３と第２ベース板１２に固定されるフィン２４との間隔を長さ方向に変化させた場合を示しており、フィン２３，２４の長さが比較的長い部位による発熱体の冷却を確保しながら、フィンの材料を節約しており、特に、発熱体をヒートシンク１の偏った位置に配置する必要がある場合に有効である。

以上のように、本実施形態のヒートシンクにおいては、両面に発熱体が配置できるヒートシンクの両面を形成するベース板の冷却能力を、それぞれの面に配置される発熱体に応じて適宜設定することができるので、効率的な冷却を可能とすることができ、それにより、ヒートシンクを大型化することなく、一つのヒートシンクによって２つ以上の発熱体の冷却を可能とするという使い勝手を維持することができる。

ヒートシンクの全体は、２枚のベース板を連結板により固定することで形成されているので、ベース板に固定するフィンの寸法等は対向するベース板のフィンに接触しない範囲において何ら制約されることはなく、ベース板の全面において冷却対象に応じて自由に設定することができる。
また、フィンを、冷却対象に応じた必要最小限により構成することができるので、材料が節約できるとともに、ベース板と連結板とによって形成されるダクトに冷却風を通す際の圧力損失を少なくすることができ、フィンに対して接触させる冷却風を多くして、冷却効率を向上させることができるとともに、軽量化を図ることができる。
連結板は、ベース板同士をねじれ等無く連結できる程度の強度を備えればよく、比較的軽量な板状部材により形成することができるので、必要以上に重量が重くなることなく、製造が容易である。また、フィンと同じ材料で形成することで、連結板自体が放熱して冷却力を向上させることができる。

なお、図１乃至図５に示す実施形態においては、一枚の板部材を蛇腹状に屈曲させて形成したフィンをベース板の凹溝に嵌め込んで固定してヒートシンクを形成しているが、ベース板やフィンの構成は、それに限定されるものではなく、図１乃至図５に示す実施形態のフィンの固定を、図６（ａ）に示す実施形態のベース板に対して複数枚のフィン板をカシメ等により固定して形成する構成により行ってもよく、ベース部に対してフィンが固定されていればその固定方法を何ら限定するものではない。また、押出成形等によりベース部に対してフィンが一体的に設けられているものでもよい。

１ ：ヒートシンク
１１ ：第１ベース板
１１ａ ：凹溝
１１ｂ ：取付凹溝
１１ｃ ：凹部
１２ ：第２ベース板
１２ａ ：凹溝
１２ｂ ：取付凹溝
１２ｃ ：凹部
２１ ：フィン
２１' ：フィン
２１ａ ：放熱面部
２１ｂ ：連結部
２２ ：フィン
２２' ：フィン
２２ａ ：放熱面部
２２ｂ ：連結部
２３ ：フィン
２４ ：フィン
３１ ：連結板（連結体）

Claims (1)

1. 伝熱性を有する材料からなり対向して配置される２枚のベース板と、ベース板の両側辺同士を連結する連結体と、伝熱性を有する材料からなり２枚のベース板に固定されてベース板間に配置される複数のフィンとを有し、
   複数のフィンは、２枚のベース板のうちの一方のベース板に固定される複数のフィンと、２枚の板体のうちの他方のベース板に固定される複数のフィンとからなり、
   一方のベース板に固定される複数のフィンと他方のベース板に固定される複数のフィンとは、非接触である
   ことを特徴とするヒートシンク。