JP2017017178A - 自然空冷式ヒートシンク及びこれを用いた発熱素子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱拡散性能、熱伝導性能と放熱性能とが両立した自然空冷式ヒートシンクを提供する。【解決手段】 発熱素子としての光源１は給電及び放熱のための放熱基板２の表面に実装されている。放熱基板２の裏面には、自然空冷式ヒートシンク３を取り付ける。自然空冷式ヒートシンク３はベース３１及び階段状フィン構造３２によって構成される。階段状フィン構造３２は１段目フィン構造３２１及び２段目フィン構造３２２よりなる。１段目フィン構造３２１はベース３１の面に対して平行な複数の平坦フィン３２１ａよりなり、２段目フィン構造３２２は平坦フィン３２１ａを土台にして立設され、ベース３１の面に対してほぼ垂直な複数のピンフィン３２２ａよりなる。【選択図】 図１

Description

本発明は自然空冷式ヒートシンク及びこれを用いた発熱素子装置に関する。

近年、電子機器、自動車部品等の応用製品の高性能化に伴い、応用製品に搭載された電子部品の発熱量が増加している。また同時に、応用製品の小型化、薄型化の要求により電子部品の発熱密度も増加している。従って、応用製品の機能及び信頼性を確保するためには、電子部品を適切な温度に保持する必要がある。

特に、応用製品の電子部品が発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、レーザダイオード（ＬＤ）素子等の半導体発光素子である場合には、自身が発生する熱により半導体発光素子の寿命及び性能が低下するという負の特性を有する。また、半導体発光素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も同様の負の特性を有する。

ＬＥＤ素子、ＬＤ素子及び蛍光体層等の電子部品の放熱手法としてヒートシンクがある。ヒートシンクはその包絡体積によりその放熱性能が決定付けられ、包絡体積が大きい程、潜在的な放熱性能が高まる。一方、応用製品の小型化、薄型化に対する要求によりヒートシンクの包絡体積を単純に大きくすることはできない。

一般に、自然空冷式ヒートシンクは、ベースと、発熱素子としての電子部品が搭載されるベースの素子搭載面と反対面に立設された複数のピンフィンとによって構成されている。

図１１は第１の従来の自然空冷式ヒートシンクを示す。図１１においては、ベース１０１の発熱素子が搭載される素子搭載面１０１ａは平坦状であり、素子搭載面１０１ａと反対面にピンフィン１０２を立設してある。この場合、ベース１０１の厚さは、取付部としての周辺部１０１ｂからピンフィン１０２が立設される中央部１０１ｃに向って漸次厚くなっている（参照：特許文献１）。

しかしながら、上述の図１１に示す第１の従来の自然空冷式ヒートシンクにおいては、ベース１０１の周辺部１０１ｂから中央部１０１ｃへの漸次増大した厚さによりベース１０１の重量が増大し、応用製品の小型化、薄型化に対応できない。また、漸次増大するベース１０１の成形は困難であり、製造コストの上昇を招く。さらに、ベース１０１の中央部１０１ｃの熱拡散が大きいが、ベース１０１の周辺部１０１ｂの熱拡散は小さいので、発熱素子がベース１０１の周辺部１０１ｂに搭載された場合には、放熱性能を十分に発揮できず、発熱素子の搭載位置により放熱性能にむらが発生する。

図１２は第２の従来の自然空冷式ヒートシンクを含む発熱素子装置を示し、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は裏面図である（参照：特許文献２の図３）。図１２においては、発熱素子としての光源２０１は放熱基板２０２の表面に実装され、放熱基板２０２の裏面に自然空冷式ヒートシンク２０３を取付けてある。この自然空冷式ヒートシンク２０３は、ベース２０３１と、ベース２０３１上に立設された一段の複数のピンフィン２０３２とによって構成されている。

特開２０１２−２４８５７６号公報 特開平６−２１２８３号公報

図１２に示す第２の従来の自然空冷式ヒートシンクにおいては、ピンフィン２０３２の断面積は高さ方向で均一である。従って、ヒートシンクの包絡体積(外形寸法)を一定の基で、ピンフィン２０３２の断面積を小さくするとピンフィン２０３２の表面積が小さくなるため放熱性能が低下するという課題がある。逆に、ヒートシンクの包絡体積を一定の基で、ピンフィン２０３２の断面積を大きくすると表面積が大きくなるため放熱性能が増大するが、それに伴う重量が増大するという課題がある。つまり、包絡体積と放熱性能はトレードオフの関係にあり、この結果、限られた容積での発熱素子温度の低下が不十分であるという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る自然空冷式ヒートシンクは、ベースと、ベース上に立設したｎ（ｎ＝２、３、…）段の階段状フィン構造とを具備し、階段状フィン構造のｉ（ｉ＝２、３、…、ｎ）段目フィン構造は（ｉ−１）段目フィン構造を土台として立設され、ｉ段目フィン構造の総断面積は（ｉ−１）段目フィン構造の総断面積より小さいものである。

本発明によれば、ベースに近いフィン構造の総断面積がより大きいので、伝導熱抵抗が減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能は増大する。他方、ベースから遠いフィン構造の放熱表面積を増大させて放熱性能は増大する。従って、熱拡散性能、熱伝導性能と放熱性能との両立が可能となり、この結果、発熱素子の温度を低下させることができる。

本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第１の実施の形態を含む発熱素子装置を示し、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は裏面図である。 図１の自然空冷式ヒートシンクの斜視図である。 図１の自然空冷式ヒートシンクの変更例を示す裏面図である。 図１の自然空冷式ヒートシンクの他の変更例を示す裏面図である。 本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第２の実施の形態を含む発熱素子装置を示し、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は裏面図である。 図５の自然空冷式ヒートシンクの斜視図である。 図５の自然空冷式ヒートシンクの変更例を示す裏面図である。 図５の自然空冷式ヒートシンクの他の変更例を示す裏面図である。 本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第３の実施の形態を含む発熱素子を示す側面断面図である。 図１、図１２（従来）の発熱素子装置の素子温度のシミュレーション結果を示す表である。 第１の従来の自然空冷式ヒートシンクを示す側面断面図である。 第２の従来の自然空冷式ヒートシンクを含む発熱素子装置を示し、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は裏面図である。

図１は本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第１の実施の形態を含む発熱素子装置を示し、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は裏面図である。また、図２は図１の自然空冷式ヒートシンクの斜視図である。

図１、図２においては、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子等及び蛍光体層を含む発熱素子としての光源１は給電及び放熱のための放熱基板２の表面に実装されている。放熱基板２の裏面には、グリス、熱伝導性シートまたは熱伝導接着材などの熱伝導性インターフェイス材料（ＴＩＭ）層（図示せず）を介して自然空冷式ヒートシンク３を取り付ける。熱伝導性インターフェイス材料層はたとえばシート状のシリコーン樹脂によって形成され、放熱基板２と自然空冷式ヒートシンク３との間に発生する接触熱抵抗を軽減させる作用を有するので、光源１に対する温度低減効果を奏する。

自然空冷式ヒートシンク３は熱伝導率が高いアルミニウム、銅、マグネシウム等の金属またはこれらの合金よりなり、ベース３１及び階段状フィン構造３２によって構成される。また、階段状フィン構造３２は１段目フィン構造３２１及び２段目フィン構造３２２よりなる。さらに、１段目フィン構造３２１はベース３１の面に対して平行な複数の平坦フィン３２１ａよりなり、他方、２段目フィン構造３２２は平坦フィン３２１ａを土台にして立設され、ベース３１の面に対してほぼ垂直な複数のピンフィン３２２ａよりなる。この場合、１段目フィン構造３２１の総断面積は２段目フィン構造３２２の総断面積より大きい。自然空冷式ヒートシンク３の包絡体積がほぼ一定である条件の基で各部位の幅、長さ、高さを次のごとく設計する。
ベース３１について
ｗ_ｂ：ベース幅（たとえば２５ｍｍ）
ｌ_ｂ：ベース長さ（たとえば２５ｍｍ）
ｈ_ｂ：ベース高さ（たとえば２ｍｍ）
平坦フィン３２１ａについて
ｗ_ｐ１：フィン幅（たとえば２ｍｍ）
ｌ_ｐ１：フィン長さ＝ｌ_ｂ（たとえば２５ｍｍ）
ｈ_ｐ１：フィン高さ（たとえば２ｍｍ）
ピンフィン３２２ａについて
ｗ_ｐ２：ピン幅（たとえば１ｍｍ）
ｌ_ｐ２：ピン長さ（たとえば１ｍｍ）
ｈ_ｐ２：ピン高さ（たとえば２６ｍｍ）
複数のピンフィン３２２ａのピッチについて
ｐ_ｗ：幅方向ピッチ（たとえば５ｍｍ）
ｐ_ｌ：長さ方向ピッチ（たとえば１ｍｍ）

図１、図２においては、１段目フィン構造３２１の平坦フィン３２１ａの断面積が大きいので、光源１から放熱基板２及びベース３１を介して１段目フィン構造３２１への伝導熱抵抗が減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能は増大する。他方、２段目フィン構造３２２のピンフィン３２２ａの高さｈ_ｐ２を大きくして放熱表面積を増大させて放熱性能を増大する。この結果、光源１の温度を低下させることができる。

図３は図１、図２の自然空冷式ヒートシンクの変更例を示す裏面図である。図３においても、図１の（Ａ）と同様に、点線に示すごとく、光源１は自然空冷式ヒートシンク３の中央部１ヶ所に位置すると仮定する。

図３の（Ａ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１において、平坦フィン３２１ａに加えて光源１に対向させた付加平坦フィン３２１ａ’を設ける。これにより、光源１から１段目フィン構造３２１への伝導熱抵抗はさらに減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能はさらに増大する。また、図３の（Ｂ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１の付加フィン３２１ａ’上に光源１に対向させて２段目フィン構造３２２の付加ピンフィン３２２ａ’を立設する。これにより、２段目フィン構造３２２の放熱表面積をさらに増大させて放熱性能はさらに増大する。この場合、付加ピンフィン３２２ａ’はピンフィン３２２ａの幅方向ピッチｐ_ｗの中央にかつ長さ方向ピッチｐ_ｌに合致させる。

図４は図１、図２の自然空冷式ヒートシンクの他の変更例を示す裏面図である。図４においては、点線に示すごとく、光源１’、１”は自然空冷式ヒートシンク３の端部２ヶ所に位置すると仮定する。但し、光源が３ヶ所以上に位置する場合にも適用できる。

図４の（Ａ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１において、平坦フィン３２１ａに加えて光源１’、１”及び光源１’、１”の間に対向させた付加平坦フィン３２１ａ’を設ける。これにより、各光源１、１’から１段目フィン構造３２１への伝導熱抵抗はさらに減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能はさらに増大する。また、図４の（Ｂ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１の付加フィン３２１ａ’上に各光源１’、１”に対向させて２段目フィン構造３２２のピンフィン３２２ａに加えて付加ピンフィン３２２ａ’を設ける。これにより、２段目フィン構造３２２の放熱表面積をさらに増大させて放熱性能はさらに増大する。この場合、付加ピンフィン３２２ａ’はピンフィン３２２ａの幅方向ピッチｐ_ｗの中央にかつ長さ方向ピッチｐ_ｌに合致させる。

図５は本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第２の実施の形態を含む発熱素子装置を示し、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は裏面図である。また、図６は図５の自然空冷式ヒートシンクの斜視図である。

図５、図６においては、図１、図２の２段目フィン構造３２２の代りに、２段目フィン構造３２２’を設けてある。２段目フィン構造３２２’は平坦フィン３２１ａを土台にして立設され、ベース３１の面に対してほぼ垂直な複数の矩形フィン３２２ａ’よりなる。この場合も、１段目フィン構造３２１の総断面積は２段目フィン構造３２２’の総断面積より大きい。自然空冷式ヒートシンク３の包絡体積がほぼ一定である条件の基で矩形フィン３２２ａ’の幅、長さ、高さを次のごとく設計する。
ｗ_ｐ２’：フィン幅（たとえば１ｍｍ）
ｌ_ｐ２’：フィン長さ＝ｌ_ｂ（たとえば２５ｍｍ）
ｈ_ｐ２’：フィン高さ（たとえば２５ｍｍ）

図５、図６においては、１段目フィン構造３２１の平坦フィン３２１ａの断面積が大きいので、光源１から放熱基板２及びベース３１を介して１段目フィン構造３２１への伝導熱抵抗が減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能は増大する。他方、２段目フィン構造３２２’の矩形フィン３２２ａ’の高さｈ_ｐ２’を大きくして放熱表面積を増大させて放熱性能は増大する。この結果、光源１の温度を低下させることができる。

図７は図５、図６の自然空冷式ヒートシンクの変更例を示す裏面図である。図７においても、図５の（Ａ）と同様に、点線に示すごとく、光源１は自然空冷式ヒートシンク３の中央部１ヶ所に位置すると仮定する。

図７の（Ａ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１において、平坦フィン３２１ａに加えて光源１に対向させた付加平坦フィン３２１ａ’を設ける。これにより、光源１から１段目フィン構造３２１への伝導熱抵抗はさらに減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能はさらに増大する。また、図７の（Ｂ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１の付加フィン３２１ａ’上に光源１に対向させて２段目フィン構造３２２’の付加矩形フィン３２２’ａ’を立設する。これにより、２段目フィン構造３２２’の放熱表面積をさらに増大させて放熱性能はさらに増大する。この場合、付加矩形フィン３２２’ａ’は矩形フィン３２２ａ’の幅方向ピッチｐ_ｗ’の中央にかつ長さ方向ピッチｐ_ｌに合致させる。

図８は図５、図６の自然空冷式ヒートシンクの他の変更例を示す裏面図である。図８においては、点線に示すごとく、光源１’、１”は自然空冷式ヒートシンク３の端部２ヶ所に位置すると仮定する。但し、光源が３ヶ所以上に位置する場合にも適用できる。

図８の（Ａ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１において、平坦フィン３２１ａに加えて光源１’、１”及び光源１’、１”の間に対向させた付加平坦フィン３２１ａ’を設ける。これにより、各光源１、１’から１段目フィン構造３２１への伝導熱抵抗はさらに減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能はさらに増大する。また、図８の（Ｂ）に示すごとく、１段目フィン構造３２１の付加平坦フィン３２１ａ’上に各光源１’、１”に対向させて２段目フィン構造３２２’の矩形フィン３２２ａ’に加えて付加矩形フィン３２２’ａ’を設ける。これにより、２段目フィン構造３２２’の放熱表面積をさらに増大させて放熱性能はさらに増大する。この場合、付加矩形フィン３２２’ａ’は矩形フィン３２２ａ’の幅方向ピッチｐ_ｗ’の中央にかつ長さ方向ピッチｐ_ｌ’に合致させる。

図９は本発明に係る自然空冷式ヒートシンクの第３の実施の形態を含む発熱素子装置を示す側面断面図である。

図９においては、図１の１段目フィン構造３２１の代りに、１段目フィン構造３２１’を設けてある。１段目フィン構造３２１’はベース３１の面に対してほぼ垂直な複数のピンフィンよりなる。自然空冷式ヒートシンク３の包絡体積がほぼ一定である条件の基で１段目フィン構造３２１’のピンフィンの幅、長さ、高さを次のごとく設計する。尚、ｗ_ｐ１’、ｌ_ｐ１’は図示省略してある。
ｗ_ｐ１’：ピン幅（たとえば２ｍｍ）
ｌ_ｐ１’：ピン長さ（たとえば２ｍｍ）
ｈ_ｐ１’：ピン高さ（たとえば４ｍｍ）
つまり、１段目フィン構造３２１’のピンフィンの断面積は２段目フィン構造３２２のピンフィン３２２ａの断面積より大きくしてある。

図９においても、１段目フィン構造３２１’のピンフィンの断面積が大きいので、光源１から放熱基板２及びベース３１を介して１段目フィン構造３２１’への伝導熱抵抗が減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能は増大する。他方、２段目フィン構造３２２のピンフィン３２２ａの高さｈ_ｐ２を大きくして放熱表面積を増大させて放熱性能は増大する。この結果、光源１の温度を低下させることができる。

上述の実施の形態においては、自然空冷式ヒートシンク３のベース３１、１段目フィン構造３２１、３２１’及び２段目フィン構造３２２、３２２’を同一材料で各熱伝導率を同一でよい。但し、好ましくは、鍛造プロセス等により、材料の充填密度を密から疎にすることにより、
ベースの熱伝導率＞１段目フィン構造の熱伝導率＞２段目フィン構造の熱伝導率
とする。これにより、光源１から放熱基板２及びベース３１を介して１段目フィン構造３２１、３２１’への伝導熱抵抗はさらに減少し、熱拡散性能及び熱伝導率を増大できる。他方、２段目フィン構造３２２、３２２’の放熱表面積を維持し放熱性能を維持できる。この結果、さらに、光源１の温度を低下させることができる。

図１０は図１及び図１２（従来）の発熱素子装置の素子温度のシミュレーション結果を比較して表す表である。尚、図１２において、ピンフィン２０３２はピン幅１ｍｍ、ピン長さ１ｍｍ、ピン高さ２８ｍｍとする。発熱素子装置の条件は次のごとくである。
周囲温度：２５℃
発熱素子の位置：自然空冷式ヒートシンクの中央
発熱素子のサイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ
発熱素子の発熱量：１．２５Ｗ
矩形フィン、ピンフィン：上向き
この結果、図１の自然空冷式ヒートシンクによって素子温度を０．２℃低減できた。

尚、上述の実施の形態においては、階段状フィン構造３２は２段階構造としているが、３段以上の構造とすることもできる。

本発明に係る自然空冷式ヒートシンクは、切削、鍛造、カシメ、ブレージング、プレス加工等で成形される。

また、上述の実施の形態では、自然空冷の点から、矩形フィンは重力方向つまり鉛直向きとなっているが、傾斜または水平でもよい。同様に、ピンフィンが水平向きになっているが、上向きや下向きの場合でもよい。この場合、上向きと下向きは上下±９０度の場合だけでなく、０度の水平向きの除くそれ以外の角度でもよい。さらに、ピンフィンは、四角柱だけでなく六角柱などの多角形でもよく、円柱、楕円などの形状でもよい。

さらにまた、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る自然空冷式ヒートシンクは、車両前照灯、照明機器、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）等の光源、集積回路素子等の発熱素子を有する発熱素子装置に利用できる。

１、１’、１”：光源
２：放熱基板
３：自然空冷式ヒートシンク
３１：ベース
３２：階段状フィン構造
３２１、３２１’：１段目フィン構造
３２１ａ：平坦フィン
３２２、３２２’：２段目フィン構造
３２２ａ：ピンフィン
３２２ａ’：付加ピンフィン
３２２’ａ：矩形フィン
３２２’ａ’：付加矩形フィン
１０１：ベース
１０１ａ：素子搭載面
１０１ｂ：周辺部
１０１ｃ：中央部
１０２：ピンフィン
２０１：光源
２０２：放熱基板
２０３：自然空冷式ヒートシンク
２０３１：ベース
２０３２：ピンフィン

図１２に示す第２の従来の自然空冷式ヒートシンクにおいては、ピンフィン２０３２の断面積は高さ方向で均一である。従って、外形寸法で決定されるヒートシンクの包絡体積を一定の基で、ピンフィン２０３２の断面積を小さくするとピンフィン２０３２の表面積が小さくなるため放熱性能が低下するという課題がある。逆に、ヒートシンクの包絡体積を一定の基で、ピンフィン２０３２の断面積を大きくすると表面積が大きくなるため放熱性能が増大するが、それに伴う重量が増大するという課題がある。つまり、包絡体積と放熱性能はトレードオフの関係にあり、この結果、限られた容積での発熱素子温度の低下が不十分であるという課題がある。

本発明によれば、ベースに近いフィン構造の総断面積がより大きいので、伝導熱抵抗が減少し、熱拡散性能及び熱伝導性能は増大する。他方、ベースから遠いフィン構造の放熱表面積を増大させて放熱性能は増大する。従って、熱拡散性能、熱伝導性能と放熱性能との両立が可能となり、この結果、限られた容積での発熱素子温度を低下させることができる。

Claims (9)

1. ベースと、
   前記ベース上に立設したｎ（ｎ＝２、３、…）段の階段状フィン構造と
   を具備し、
   前記階段状フィン構造のｉ（ｉ＝２、３、…、ｎ）段目フィン構造は（ｉ−１）段目フィン構造を土台にして立設され、
   前記ｉ段目フィン構造の総断面積は前記（ｉ−１）段目フィン構造の総断面積より小さい自然空冷式ヒートシンク。
2. 前記階段状フィン構造の１段目フィン構造は前記ベースの面に対して平行な複数の平坦フィンよりなり、
   前記階段状フィン構造の２段目フィン構造は前記平坦フィンを土台にして立設され、前記ベースの面に対してほぼ垂直な複数のピンフィンよりなる請求項１に記載の自然空冷式ヒートシンク。
3. 前記階段状フィン構造の１段目フィン構造は前記ベースの面に対して平行な複数の平坦フィンよりなり、
   前記階段状フィン構造の２段目フィン構造は前記平坦フィンを土台にして立設され、前記ベースの面に対してほぼ垂直な複数の矩形フィンよりなる請求項１に記載の自然空冷式ヒートシンク。
4. 前記階段状フィン構造の１段目フィン構造は前記ベースの面に対してほぼ垂直な複数の第１のピンフィンよりなり、
   前記階段状フィン構造の２段目フィン構造は前記第１のピンフィンを土台にして立設され、前記ベースの面に対してほぼ垂直な複数の第２のピンフィンよりなる請求項１に記載の自然空冷式ヒートシンク。
5. 前記１段目フィン構造は発熱素子位置に対向して設けられている請求項１に記載の自然空冷式ヒートシンク。
6. 前記発熱素子位置が複数存在する場合に、前記１段目フィン構造はさらに該発熱素子位置間にも対向して設けられている請求項５に記載の自然空冷式ヒートシンク。
7. 前記２段目フィン構造は前記発熱素子位置に対向して設けられている請求項５または６に記載の自然空冷式ヒートシンク。
8. 前記１段目フィン構造の熱伝導率は前記ベースの熱伝導率より小さく、
   前記ｉ段目フィン構造の熱伝導率は前記（ｉ−１）段目フィン構造の熱伝導率より小さい請求項１に記載の自然空冷式ヒートシンク。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の自然空冷式ヒートシンクと、
   発熱素子と、
   表面に前記発熱素子が実装され、裏面に前記自然空冷式ヒートシンクが取付けられた放熱基板と
   を具備する発熱素子装置。