JP2017220539A - ヒートシンク及び冷却器 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い冷却性能を有するヒートシンク及び冷却器並びにヒートシンクの製造方法を提供すること。
【解決手段】ヒートシンク１Ａはアルミニウムと炭素粒子５との複合材製である。ヒートシンク１Ａのベースプレート部２に複数のフィン部３がベースプレート部２に対して突出した状態に一体形成されている。フィン部３中に存在する炭素粒子５はベースプレート部２に対するフィン部３の突出方向Ｐに配向している。
【選択図】図１
【解決手段】ヒートシンク１Ａはアルミニウムと炭素粒子５との複合材製である。ヒートシンク１Ａのベースプレート部２に複数のフィン部３がベースプレート部２に対して突出した状態に一体形成されている。フィン部３中に存在する炭素粒子５はベースプレート部２に対するフィン部３の突出方向Ｐに配向している。
【選択図】図１
Description
本発明は、発熱性素子等の発熱体を冷却するためのヒートシンク及び冷却器並びにヒートシンクの製造方法に関する。
発熱性素子として例えば電子素子は、絶縁基板の搭載面上にはんだ付けにより接合されて搭載されている。絶縁基板は、発熱した電子素子を冷却するため、ヒートシンクのベースプレート部の厚さ方向の片側の表面からなる冷却面や冷却器の冷却面上にろう付け等により接合されている（例えば、特許文献１−４参照）。
ヒートシンクや冷却器（放熱器を含む）には、発熱した電子素子を確実に冷却できるようにするため高い冷却性能（放熱性能を含む）が要求される。
近年、電子素子の高性能化や使用温度の上昇化に伴い、ヒートシンクや冷却器には益々高い冷却性能が要求されてきている。
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、高い冷却性能を有するヒートシンク及び冷却器並びにヒートシンクの製造方法を提供することにある。
本発明は以下の手段を提供する。
［１］ アルミニウムと炭素粒子との複合材製であり、
ベースプレート部に複数のフィン部が前記ベースプレート部に対して突出した状態に一体形成されており、
前記フィン部中に存在する炭素粒子が前記ベースプレート部に対する前記フィン部の突出方向に配向しているヒートシンク。
ベースプレート部に複数のフィン部が前記ベースプレート部に対して突出した状態に一体形成されており、
前記フィン部中に存在する炭素粒子が前記ベースプレート部に対する前記フィン部の突出方向に配向しているヒートシンク。
［２］ 前記炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子が用いられている前項１記載のヒートシンク。
［３］ 前項１又は２記載のヒートシンクを備えた冷却器。
［４］ 前項１又は２記載のヒートシンクを、アルミニウムと炭素粒子との複合材からなる鍛造素材を熱間鍛造加工することにより形成するヒートシンクの製造方法。
［５］ 前項２記載のヒートシンクを、アルミニウムと炭素粒子との複合材からなるビレットを押出加工することにより得られた押出型材で形成するヒートシンクの製造方法。
本発明は以下の効果を奏する。
前項［１］では、ヒートシンクのベースプレート部のフィン部中に存在する炭素粒子がベースプレート部に対するフィン部の突出方向に配向していることにより、フィン部の突出方向の熱伝導率が高くなる。これにより、ヒートシンクは高い冷却性能を有するものとなる。
前項［２］では、炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子が用いられていることにより、ヒートシンクの冷却性能を更に高めることができる。
前項［３］では、冷却器は前項１又は２記載のヒートシンクを備えているので、高い冷却性能を有している。
前記［４］では、前項１又は２記載のヒートシンクを確実に且つ容易に得ることができる。
前項［５］では、前項２記載のヒートシンクを確実に且つ容易に得ることができる。
次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。
図１及び２は、本発明の第１実施形態を説明する図である。
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るヒートシンク１Ａは、絶縁基板２０の搭載面２０ａ上にはんだ付け等により接合される発熱体としての発熱性素子（二点鎖線で示す）２５の熱を放散して発熱性素子２５を冷却するものである。発熱性素子２５としては具体的に半導体素子等の電子素子が挙示される。
絶縁基板２０は、搭載面２０ａを有する配線層２１、セラミックからなる電気絶縁層２２、金属からなる緩衝層２３などを備えるとともに、これらの層２１、２２、２３が互いに積層状に接合一体化されて形成されたものであり、例えばＤＢＡ基板やＤＢＣ基板からなる。
ヒートシンク１Ａは、アルミニウムと炭素粒子５との複合材製であり、ベースプレート部２と放熱用の多数のフィン部３とを備えている。炭素粒子５は熱伝導率について異方性を有するものである。
ここで、図１では、炭素粒子５は短線状に描かれている。そして、図面に描かれた炭素粒子５の線方向（長さ方向）が炭素粒子５の高熱伝導方向を示している。他の図面でも同じである。
さらに、図１では、ヒートシンク１Ａ中に存在する炭素粒子５の向き（即ち炭素粒子５の高熱伝導方向）を分かり易くするため、ヒートシンク１Ａの断面にはハッチングが省略されている。他の図面でも同じである。
多数のフィン部３は、ベースプレート部２に対してその厚さ方向の両側のうち少なくとも一方側に突出した状態にベースプレート部２に一体形成されている。
本第１実施形態では、多数のフィン部３は、ベースプレート部２に対してその厚さ方向の片側だけに突出した状態にベースプレート部２に一体形成されている。さらに、各フィン部３は、ベースプレート部２の長さ方向（図１の紙面に垂直な方向）に連続してベースプレート部２に一体形成されている。したがって、各フィン部３はいわゆるストレートフィン部３ａである。
絶縁基板２０は、ベースプレート部２の厚さ方向の両表面のうち多数のストレートフィン部３ａが配設されていない側の表面からなる冷却面２ａ上にろう付け等により接合されている。ベースプレート部２の冷却面２ａは略平坦状に形成されている。
ヒートシンク１Ａの表面には、絶縁基板２０が冷却面２ａに接合される前に、はんだ付け性や耐食性を良好にするためにＮｉめっき層が形成されていても良い。Ｎｉめっき層は無電解Ｎｉめっき法で形成されても良いし電気Ｎｉめっき法で形成されても良い。
本第１実施形態のヒートシンク１Ａの素材であるアルミニウムと炭素粒子５との複合材において、炭素粒子５の種類は限定されるものではないが、なるべく高い熱伝導率を有し且つアルミニウムとの複合化が容易であるものが望ましい。具体的には、炭素粒子５は、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることが望ましく、更に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び天然黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種であることがより望ましい。
炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維などが好適に用いられる。
カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ（登録商標）を含む）などが好適に用いられる。
グラフェンとしては、単層グラフェン、多層グラフェンなどが好適に用いられる。
天然黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛粒子などが好適に用いられる。
人造黒鉛粒子としては、異方性黒鉛粒子、熱分解黒鉛粒子などが好適に用いられる。
炭素粒子５の大きさは限定されるものではない。しかるに、炭素粒子５が炭素繊維である場合、短炭素繊維が好適に用いられ、特に平均繊維長が１０μｍ以上２ｍｍ以下の短炭素繊維が好適に用いられる。炭素粒子５がカーボンナノチューブである場合、平均長さが１μｍ以上１０μｍ以下のカーボンナノチューブが特に好適に用いられる。炭素粒子５が天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子である場合、平均粒子径が１０μｍ以上３ｍｍ以下の天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子が特に好適に用いられる。
アルミニウムと炭素粒子５との複合材の種類は限定されるものではない。例えば、複合材は、アルミニウム箔上に炭素粒子層が塗工されてなる複数の塗工箔が積層状態で焼結一体化されたもの（この複合材を以下では説明の便宜上「積層焼結型複合材」という）であっても良いし、アルミニウム粒子（例：アルミニウム粉末）と炭素粒子（例：炭素粉末）とが混合されて焼結されたもの（この複合材を以下では説明の便宜上「粒子焼結型複合材」）であっても良い。これらの複合材は、いずれも、アルミニウムがマトリックス金属として用いられるとともに炭素粒子がフィラーとして用いられている。
ヒートシンク１Ａにおいて、各ストレートフィン部３ａ中に存在する炭素粒子５はベースプレート部２に対するストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに配向しており、したがって、各ストレートフィン部３ａ中に存在する炭素粒子５の高熱伝導方向がベースプレート部２に対するストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに配向している。
本第１実施形態では、炭素粒子５として、粒子の面方向に熱伝導率が良好な炭素粒子が用いられており、すなわち高熱伝導率の方向が粒子の面方向である炭素粒子が用いられている。具体的にはそのような炭素粒子５として鱗片状黒鉛粒子が用いられている。
鱗片状黒鉛粒子の面方向の熱伝導率は、その厚さ方向の熱伝導率よりも格段に高い。したがって、本第１実施形態では、各ストレートフィン部３ａ中に存在する鱗片状黒鉛粒子の面方向がストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに配向しており、これにより各ストレートフィン部３ａ中の鱗片状黒鉛粒子の高熱伝導方向がストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに配向している。
本第１実施形態のヒートシンク１Ａは押出型材で形成されたものである。図２中の符号「Ｅ」は押出型材の押出方向を示している。
本第１実施形態のヒートシンク１Ａの製造方法は次のとおりである。
アルミニウムと炭素粒子５としての鱗片状黒鉛粒子との複合材からなるビレット（即ち押出素材）を押出加工し、これにより、ヒートシンク１Ａの断面形状と同じ断面形状を有する長尺な押出型材を得る。次いで、押出型材を所定の長さに切断することにより、押出型材で形成されたヒートシンク１Ａが得られる。ヒートシンク１Ａにおいて、ストレートフィン部３ａの連続する方向が押出型材の押出方向Ｅと一致している。
このように、アルミニウムと炭素粒子５としての鱗片状黒鉛粒子との複合材からなるビレットを押出加工することにより得られた押出型材でヒートシンク１Ａを形成することにより、各ストレートフィン部３ａ中に存在する炭素粒子５としての鱗片状黒鉛粒子をストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに確実に配向させることができるし、このような多数のストレートフィン部３ａを有するヒートシンク１Ａを確実に且つ容易に製造することができる。
ビレットは、上述した積層焼結型複合材からなるものであっても良いし、上述した粒子焼結型複合材からなるものであっても良いし、その他のアルミニウムと炭素粒子との複合材からなるものであっても良い。
本第１実施形態のヒートシンク１Ａによれば、各ストレートフィン部３ａ中に存在する炭素粒子５がベースプレート部に対するストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに配向しているので、各ストレートフィン部３ａの突出方向Ｐの熱伝導率は高い。したがって、ヒートシンク１Ａは高い冷却性能（放熱性能を含む）を有している。
さらに、炭素粒子５として鱗片状黒鉛粒子が用いられているので、ヒートシンク１Ａは非常に高い冷却性能を有している。
ここで、もし仮に、炭素粒子５として、鱗片状黒鉛粒子のような高熱伝導率の方向が粒子の面方向である炭素粒子ではなく、高熱伝導率の方向が粒子の一方向のみである炭素粒子（例：炭素繊維）が用いられている場合、アルミニウムと当該炭素粒子との複合材からなるビレットを押出加工することにより得られる押出型材でヒートシンクを形成すると、各ストレートフィン部中に存在する当該炭素粒子がストレートフィン部の突出方向Ｐに配向しにくくなる傾向がある。したがって、シートシンクを押出型材で形成する場合、炭素粒子５として、高熱伝導率の方向が粒子の面方向である炭素粒子（例：鱗片状黒鉛粒子）を用いることが特に望ましく、このような炭素粒子を用いることにより、シートシンクを押出型材で形成する場合でも炭素粒子５をストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに確実に配向させることができる。
図３に示した冷却器（放熱器を含む）１０は、図１及び２で示した第１実施形態のヒートシンク１Ａと、筐体本体１１とを備えている。
筐体本体１１は例えば金属製であり、開口部を有している。ヒートシンク１Ａは筐体本体１１内に配置されて筐体本体１１の開口部がヒートシンク１Ａのベースプレート部２で閉塞されるとともに、筐体本体１１の内部がヒートシンク１Ａの多数のストレートフィン部３ａで区画されて筐体本体１１の内部に冷却流体（例：冷却液）が流通する流路１２が形成されている。そしてこの状態で、ヒートシンク１Ａが筐体本体１１にろう付けにより接合一体化されており、これにより冷却器１０が製作されている。
したがって、冷却器１０において、ヒートシンク１Ａは、そのベースプレート部２が筐体本体１１の開口部を閉塞する蓋体として用いられるとともに、その多数のストレートフィン部３ａが筐体本体１１の内部に冷却流体用流路１２を形成する仕切り壁部（インナーフィン部）として用いられている。
絶縁基板２０は、冷却器１０の冷却面としてのヒートシンク１Ａのベースプレート部２の冷却面２ａに、ろう付け等により接合されている。
なお、ヒートシンク１Ａのベースプレート部２の冷却面２ａ上には、絶縁基板２０を冷却面２ａにろう付けするための両面ブレージングシートが配置されていても良い。また、筐体本体１１は、ヒートシンク１Ａを筐体本体１１にろう付けするために内面ブレージングシートで形成されていても良い。
図４に示した本発明の第２実施形態に係るヒートシンク１Ｂでは、各フィン部３は、ピン状であり、すなわちピンフィン部３ｂである。そして、多数のピンフィン部３ｂは、ベースプレート部２に対してその厚さ方向の片側だけにピン状に突出した状態にベースプレート部２に一体形成されている。各ピンフィン部３ｂの断面形状は略円形状である。
本第２実施形態のヒートシンク１Ｂの素材であるアルミニウムと炭素粒子５との複合材において、炭素粒子５としては、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種が用いられる。
各ピンフィン部３ｂ中に存在する炭素粒子５はベースプレート部２に対するピンフィン部３ｂの突出方向Ｐに配向しており、したがって各ピンフィン部３ｂ中に存在する炭素粒子５の高熱伝導方向がベースプレート部２に対するピンフィン部３ｂの突出方向Ｐに配向している。
図５に示すように、このヒートシンク１Ｂは、熱間鍛造加工用金型３０を備えた熱間鍛造加工装置を用いて、アルミニウムと炭素粒子５との複合材からなる略板状の鍛造素材３５を熱間鍛造加工（詳述すると熱間型鍛造加工）することにより、形成されたものである。
金型３０は、金型本体３１と、金型本体３１内に配置された鍛造素材３５を押圧するためのパンチ３２とを備えている。図５中の符号「Ｄ」は、パンチ３２による鍛造素材３５の押圧方向を示している。パンチ３２の先端部にはピンフィン部３ｂを形成するための多数のフィン部形成孔３３が設けられている。
鍛造素材３５は金型本体３１内にてパンチ３２で押圧されることにより、鍛造素材３５の材料がパンチ３２の各フィン部形成孔３３に進入するように塑性流動し、これに伴い、各フィン部形成孔３３に進入した材料中の炭素粒子５の向きが各フィン部形成孔３３の延びる方向に揃う。その結果、ヒートシンク１Ｂにおいて、各ピンフィン部３ｂ中に存在する炭素粒子５がピンフィン部３ｂの突出方向Ｐに配向する（即ち、各ピンフィン部３ｂ中の炭素粒子５の高熱伝導方向がピンフィン部３ｂの突出方向Ｐに配向する）。
このように、熱間鍛造加工による製造方法によりヒートシンクを形成することにより、各ピンフィン部３ｂ中に存在する炭素粒子５をピンフィン部３ｂの突出方向Ｐに確実に配向させることができるし、このような多数のピンフィン部３ｂを有するヒートシンク１Ｂを確実に且つ容易に製造することができる。
図６に示した本発明の第３実施形態に係るヒートシンク１Ｃでは、各フィン部３は、ピン状であり、すなわちピンフィン部３ｂである。そして、多数のピンフィン部３ｂは、ベースプレート部２に対してその厚さ方向の両側にそれぞれピン状に突出した状態にベースプレート部２に一体形成されている。また、ベースプレート部２の厚さ方向の一方の片側に突出したピンフィン部３ｂの位置と、ベースプレート部２の厚さ方向の他方の片側に突出したピンフィン部３ｂの位置とは、ベースプレート部２の幅方向（図６において左右方向）において一致している。
図７に示した本発明の第４実施形態に係るヒートシンク１Ｄでは、上記第３実施形態のヒートシンク１Ｃと同じく、各フィン部３は、ピン状であり、すなわちピンフィン部３ｂである。そして、多数のピンフィン部３ｂは、ベースプレート部に２対してその厚さ方向の両側にそれぞれピン状に突出した状態にベースプレート部２に一体形成されている。しかるに、ベースプレート部２の厚さ方向の一方の片側に突出したピンフィン部３ｂの位置と、ベースプレート部２の厚さ方向の他方の片側に突出したピンフィン部３ｂの位置とは、ベースプレート部２の幅方向（図７において左右方向）においてずれている。
第３及び第４実施形態のヒートシンク１Ｃ、１Ｄでは、それぞれ、炭素粒子５として、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、天然黒鉛粒子及び人造黒鉛粒子からなる群より選択される少なくとも一種が用いられる。
上述した第２〜第４実施形態のヒートシンク１Ｂ〜１Ｄは、いずれも、各ピンフィン部３ｂ中に存在する炭素粒子５がベースプレート部に対するピンフィン部３ｂの突出方向Ｐに配向しているので、各ピンフィン部３ｂの突出方向Ｐの熱伝導率は高い。したがって、ヒートシンク１Ｂ〜１Ｄは高い冷却性能を有している。
これらのヒートシンク１Ｂ〜１Ｄは、冷却器の筐体本体内に配置されて使用されても良いし、冷却器の筐体本体内に配置されないで使用されても良い。
以上で本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。
上記第１実施形態のヒートシンク１Ａのように、複数のフィン部として複数のストレートフィン部を有するヒートシンクは、上記第１実施形態のように押出型材で形成することが特に望ましいが、本発明ではそのようなヒートシンクは、その他に例えば熱間鍛造加工（例：熱間型鍛造加工）により形成しても良い。
次に、本発明の具体的な実施例を以下に説明する。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
図１に示した第１実施形態のヒートシンク１Ａを次のように製造した。
図１に示した第１実施形態のヒートシンク１Ａを次のように製造した。
アルミニウムと炭素粒子５としての鱗片状黒鉛粉末との複合材からなるビレットを準備した。複合材は、アルミニウム粉末と鱗片状黒鉛粉末とを混合して焼結することにより製造されたものである。
次いで、ビレットを押出加工することにより、所望するヒートシンク１Ａの断面形状と同じ断面形状を有する長尺な押出型材を得た。そして、押出型材を所定の長さに切断することにより、ヒートシンク１Ａを得た。
得られたヒートシンク１Ａの冷却性能は、アルミニウム製ヒートシンクのそれよりも優れていた。
＜実施例２＞
図４に示した第２実施形態のヒートシンク１Ｂを次のように製造した。
図４に示した第２実施形態のヒートシンク１Ｂを次のように製造した。
アルミニウムと炭素粒子５としての短炭素繊維との複合材からなる板状の鍛造素材３５を準備した。複合材は、アルミニウム粉末と短炭素繊維とを混合して焼結することにより製造されたものである。
次いで、鍛造素材３５を熱間型鍛造加工することにより、ヒートシンク１Ｂを得た。
得られたヒートシンク１Ｂの冷却性能は、アルミニウム製ヒートシンクのそれよりも優れていた。
本発明は、発熱性素子等の発熱体を冷却するためのヒートシンク及び冷却器並びにヒートシンクの製造方法に利用可能である。
１Ａ〜１Ｄ：ヒートシンク
２：ベースプレート部
３：フィン部
３ａ：ストレートフィン部
３ｂ：ピンフィン部
５：炭素粒子
１０：冷却器
２０：絶縁基板
３０：熱間鍛造用金型
３５：鍛造素材
Ｐ：フィン部の突出方向
２：ベースプレート部
３：フィン部
３ａ：ストレートフィン部
３ｂ：ピンフィン部
５：炭素粒子
１０：冷却器
２０：絶縁基板
３０：熱間鍛造用金型
３５：鍛造素材
Ｐ：フィン部の突出方向
アルミニウムと炭素粒子５との複合材の種類は限定されるものではない。例えば、複合材は、アルミニウム箔上に炭素粒子層が塗工されてなる複数の塗工箔が積層状態で焼結一体化されたもの（この複合材を以下では説明の便宜上「積層焼結型複合材」という）であっても良いし、アルミニウム粒子（例：アルミニウム粉末）と炭素粒子（例：炭素粉末）とが混合されて焼結されたもの（この複合材を以下では説明の便宜上「粒子焼結型複合材」）であっても良い。これらの複合材は、いずれも、アルミニウムがマトリックス金属として用いられるとともに炭素粒子５がフィラーとして用いられている。
本第１実施形態のヒートシンク１Ａによれば、各ストレートフィン部３ａ中に存在する炭素粒子５がベースプレート部２に対するストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに配向しているので、各ストレートフィン部３ａの突出方向Ｐの熱伝導率は高い。したがって、ヒートシンク１Ａは高い冷却性能（放熱性能を含む）を有している。
ここで、もし仮に、炭素粒子５として、鱗片状黒鉛粒子のような高熱伝導率の方向が粒子の面方向である炭素粒子ではなく、高熱伝導率の方向が粒子の一方向のみである炭素粒子（例：炭素繊維）が用いられている場合、アルミニウムと当該炭素粒子との複合材からなるビレットを押出加工することにより得られる押出型材でヒートシンクを形成すると、各ストレートフィン部中に存在する当該炭素粒子がストレートフィン部の突出方向Ｐに配向しにくくなる傾向がある。したがって、ヒートシンクを押出型材で形成する場合、炭素粒子５として、高熱伝導率の方向が粒子の面方向である炭素粒子（例：鱗片状黒鉛粒子）を用いることが特に望ましく、このような炭素粒子を用いることにより、ヒートシンクを押出型材で形成する場合でも炭素粒子５をストレートフィン部３ａの突出方向Ｐに確実に配向させることができる。
Claims (5)
- アルミニウムと炭素粒子との複合材製であり、
ベースプレート部に複数のフィン部が前記ベースプレート部に対して突出した状態に一体形成されており、
前記フィン部中に存在する炭素粒子が前記ベースプレート部に対する前記フィン部の突出方向に配向しているヒートシンク。 - 前記炭素粒子として鱗片状黒鉛粒子が用いられている請求項１記載のヒートシンク。
- 請求項１又は２記載のヒートシンクを備えた冷却器。
- 請求項１又は２記載のヒートシンクを、アルミニウムと炭素粒子との複合材からなる鍛造素材を熱間鍛造加工することにより形成するヒートシンクの製造方法。
- 請求項２記載のヒートシンクを、アルミニウムと炭素粒子との複合材からなるビレットを押出加工することにより得られた押出型材で形成するヒートシンクの製造方法。
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